二維雷射元件的外腔一維多波長光束合併的製作方法

2023-07-20 07:49:41

專利名稱：二維雷射元件的外腔一維多波長光束合併的製作方法
技術領域：
概括起來，本發明涉及一個使用外腔的雷射光源領域，特別是涉及合併二維雷射源形成外腔一維波長光束的方法和設備。
背景技術：
使用雷射陣列的高效多波長雷射源具有包括材料加工、雷射泵以及多種醫療程序等許多應用。外腔一維波長光束結合二極體陣列和二維二極體堆作為增強雷射陣列和雷射堆能量和亮度的一種技術已經在美國專利號為6327292的申請中有所描述。用於合併二維雷射堆形成外腔一維波長光束的光束合併器的標準架構見附圖1A。 附圖IA說明了一個閉環波長光束合併腔。該合併腔包含雷射堆110，在示例中，雷射堆110 包括含3個雷射二極體塊的豎向堆。每一個二極體塊由多個作為發射器的雷射二極體組件組合而成。該合併腔同時也包含柱面透鏡120、衍射光柵130和一個部分反射輸出耦合器 140。柱面透鏡120放置在雷射堆110和衍射光柵130之間距離等於焦距的位置上。柱面透鏡120匯聚來自在雷射堆中每一個二極體塊的雷射二極體組件的光束以便使光束空間重疊，在衍射光柵130上形成一個重疊區域。部分反射輸出耦合器140放置在來自衍射光柵130的一階衍射光束的路徑上並將一束光的一部分反射回重疊區域，接著衍射光柵130 將光反射回雷射堆110，從而在部分反射輸出耦合器140和雷射堆110的雷射二極體組件之間形成共振腔。這樣部分反射輸出耦合器140和衍射光柵130提供反饋強制各個二極體塊中的每一個雷射二極體組件發出可控的單一波長的雷射，並使光束在近場(在輸出耦合器 140上)和遠場重疊。這樣，如附圖IA所示，通過適當排列柱面透鏡120、衍射光柵130和輸出耦合器140，對每一個雷射堆110中的二極體塊即可產生單一的光束。在圖IA的示例中，輸出光束150包含三個光束，每個光束來自雷射堆110中的3 個二極體塊中的一個，並且三個輸出光束中的每一束都由源自構成各個二極體塊的雷射二極體組件的空間重疊光束構成。於是實現了沿雷射堆110水平方向的波長光束合併。在垂直方向上堆疊多個二極體塊可用於放大能量。附圖IB說明了開環波長光束合併腔。在該開環腔中，雷射組件用波長調製體布拉格光柵(VBG) 160對單一波長進行波長穩定。將體布拉格光柵160儘可能靠近雷射堆110放置。柱面透鏡120和衍射光柵130與體布拉格光柵160的波長擴展匹配。再次實現了雷射組件的波長光束合併，在垂直方向上豎向堆疊多個二極體塊實現了能量放大。

發明內容
發明方面和實施方案針對的是通過合併二維雷射光源(例如)形成一維波長光束從而增強這些雷射源功率和亮度的一種方法和設備。波長光束合併體系的重要特徵包括輸出光譜、輸出光束質量、尺寸和效率。如上所述，對二極體雷射陣列，傳統的一維波長光束合併器，是沿陣列即橫向對波長光束進行合併，也就是，對來自構成單個二極體塊的多元雷射二極體組件的光束進行合併。相比之下，根據發明方面和實施方案，波長合併是沿正交方向進行，並且對於二極體雷射源是沿著陣列的堆疊方向進行，也就是，對來自多元二極體塊的光束進行合併，放寬了公差要求，並允許使用低成本、現成的二極體塊。特別是，至少某些實施方案是針對一項波長光束合併的實施，其中，當應用於二極體雷射光源時，如下文進一步所述，其魯棒性和效率很大程度上獨立於「封裝誤差」和對準誤差。沿堆疊方向的波長光束合併允許高功率的雷射在比傳統光束合併成本低的條件下實現，並具有廣泛的應用。根據一個實施方案，多波長光束合併器包含含有沿雷射堆堆疊方向排列的多元雷射陣列，每一個雷射陣列設定產生具有單波長的光輻射，並且每一個多元雷射陣列包含沿雷射堆中陣列方向的多元光增益組件。該多波長光束合併器進一步包含設定對每一個多元光增益組件沿其慢軸進行成像的柱面望遠鏡、設置用於攔截來自每一個多元雷射陣列的光輻射並沿雷射堆堆疊方向合併該光輻射形成多波長光束的轉換透鏡以及放置在光輻射重疊區域接收和發送多波長光束的衍射元件。柱面望遠鏡設置將每一個多元光增益元件成像到顏射元件。堆疊方向也許很大程度上垂直於陣列方向。在一個實施例中，多元雷射陣列包含多元雷射二極體塊，而多元光增益組件包含多元雷射二極體發射器。在另一個實施例中，多元二極體陣列包含一個多元光纖維雷射陣列，而多元光增益組件包含一個多元光纖維雷射發射器。在另外一個實施例中，雷射堆包含一個分離半導體雷射發射器堆，其可能是半導體模具或半導體封裝模具，沿陣列方向成行排列，並且多元雷射陣列中的每一個陣列包含一行分離的半導體雷射發射器。根據另一個實施例，多波長光束合併器進一步包含放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間並設定與產生一系列單一波長的雷射堆形成一個自由空間腔室的體布拉格光柵。該體布拉格光柵可以是波長調製體布拉格光柵，在其中波長被調製沿堆疊方向。在一個實施例中， 變換透鏡被放置在距雷射堆一個焦距的位置上。在另一個實施例中，衍射元件是衍射光柵。 在另一個實施例中，變換透鏡是柱面變換透鏡。柱面望遠鏡可以包含第一透鏡組件和第二透鏡組件，該變換透鏡可以放置在第一和第二透鏡組件之間。該外腔多波長光束合併器可以進一步包含設置用於接收來自衍射元件的多波長光束的部分反射輸出耦合器，將一部分多波長光束反射回重疊區域並傳送由多個具有多元化獨特波長的光輻射構成的該多波長光束。其中的衍射元件、部分反射耦合器和雷射堆一起構成產生多元特定波長的自由空間腔。部分反射耦合器可以是無源光纖輸出耦合器。外腔多波長光束合併器可以進一步包括放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的形變擴束器。該外腔多波長光束合併器也可以包含額外的放置在衍射光柵和部分反射輸出耦合器之間的柱面望遠鏡，其中這個額外的柱面望遠鏡設定將沿陣列方向的多元二極體發射器成像到部分反射輸出耦合器。該多波長光束合併器
6可以進一步包括連接到雷射堆的多元準直微透鏡。根據另一個實施方案，外腔多波長光束合併器由雷射堆構成，該雷射堆包含設定產生具有第一個波長的第一個光束雷射陣列和設定產生具有第二個波長的第二雷射陣列。 第一個和第二個雷射陣列各自包含沿雷射堆的陣列方向排列的多元光增益組件。並且設定產生光輻射以便產生第一和第二光束。外腔多波長光束合併器進一步包含設置攔截第一和第二光輻射並對沿陣列方向的多元光增益組件成像的柱面望遠鏡、設置攔截第一和第二光束並在雷射堆的堆疊方向上重疊第一和第二光束以形成多波長光束的變換透鏡。另外，該外腔多波長光束合併器包含放置在第一和第二光束重疊區域的衍射元件，以及部分反射輸出耦合器，該耦合器設置接收來自衍射元件的多波長光束，將該多波長光束一部分反射回重疊區域，並傳送該由具有第一波長和第二波長的光輻射構成的多波長光束。衍射元件、部分反射輸出耦合器和雷射堆一起形成產生第一波長和第二波長的自由空間，其堆疊方向很大程度上與陣列方向垂直。在一個實施例中，第一和第二雷射陣列是雷射二極體塊，每一個雷射二極體塊包含多元雷射二極體發射器。在另外一個實施例中，雷射堆包含沿陣列方向按行設置的半導體雷射發射器堆，其中第一和第二雷射陣列各自包含一行半導體雷射發射器。在另一個實施例中，多元第一和第二雷射陣列的多元結構是光纖雷射陣列，多元光增益組件包含多元光纖發射器。在一個外腔多波長光束合併器的實施例中，通過合併沿堆疊方向的第一和第二光束，變換透鏡設置用來形成多波長光束。在另一個實施例中，柱面望遠鏡設置對每一個沿光增益組件慢軸的多元光增益組件成像到衍射元件。該外腔多波長光束合併器可以進一步包含放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的形變擴束器。該外腔多波長光束合併器也可以包含一個放置在衍射元件和部分反射耦合器之間的額外的柱面望遠鏡，並設定在陣列方向上將衍射元件成像到部分反射輸出耦合器。在一個實施例中，成像望遠鏡被放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間，並設定在堆疊方向上降低第一光束和第二光是的尺寸。成像望遠鏡可以包含第一個透鏡和第二個透鏡，其中第一和第二透鏡中至少一個是球面鏡。根據另一個實施方案，多波長光束合併器包含多元雷射二極體塊的堆疊陣列，其中每一個雷射二極體包含一個或多個沿該堆疊陣列方向排列並設定產生光先的雷射二極體組件，柱面透鏡設定接收由一個或多個雷射二極體組件產生的光線並沿陣列方向將光線成像和設定接受光線並形成包含由每一個多元雷射二極體塊產生的光線重疊而成的光束的多波長光束。另一個實施方案是針對波長光束合併的方法。該方法包含用多元雷射陣列產生具有特定波長的多元光束、沿第一方向對多元光束成像以及在重疊區域沿第二方向對多元光束空間重疊以便產生具有多元特定波長的多波長光束的行為。在一個實施例中，多元光束的空間重疊包括在重疊區域傳導多元光束到放置在重疊區域的衍射元件。該方法可以進一步包括傳導多波長光束到設定接收來自衍射元件輻射的部分反射元件、部分反射元件和多元雷射陣列一起形成產生多元特定波長的自由空間雷射腔以及傳送由具有多元特定波長輻射構成的多波長光束通過部分反射元件的行為。在另一個實施例中，該方法進一步包括用波長調製體布拉格光柵穩定多元特定波長的行為。還有其他方面、實施方案以及這些典型方面和實施方案的優點在下文中詳細討論。本發明在此公開的任何實施方案可以與任何符合在此公開的對象、目標和需求的方式的任何其他的實施方案相結合，「一個實施方案」、「某些實施方案」、「一個備選實施方案」、 「各種實施方案」、「某實施方案」之類的引用並不是相互排斥的而是為了表明一個特徵、結構。在相關的實施方案描述的特點可以包含在至少一個實施方案中。這些術語的出現在此並不一定都指的是同一個實施方案。附圖提供對各個方面和實施方案的說明及進一步理解，並被納入成為規格的一部分。這些圖加上其餘的規格用來解釋原理、所描述的方法和所要保護的方面和實施方案。


在至少一個實施方案中的各個方面將參照附圖在下面討論，附圖並未按比例繪製。在圖中的技術特徵、詳細描述或任何權利要求附有參考符號，這些參考符號已包括為銷售記者目的而提高圖的可懂性、詳細描述及生命。因此，這些參考符號本身及其是否出現均不對任何權利要求的範圍起限制作用。在這些圖中，每一個在各圖中出現的相同或接近相同的部件僅代表大致的數值。為清晰起見，不是把每個部件在圖中標出。提供這些圖是為了說明和解釋之目的，並不是為了定義對發明的限制。在圖中附圖IA是一個傳統的沿雷射二極體堆的陣列方向合併一維多波長光束閉環基準架構的實施例。附圖IB是一個傳統的沿雷射二極體堆的陣列方向合併一維多波長光束開環基準架構的實施例。附圖2是一個因「封裝誤差」而形成高效自反饋的說明圖，作為開環和閉環傳統的波長光束合併器架構的實施例附圖3是根據本發明的關於閉環一維波長光束合併腔的實施例的圖。附圖4A是根據本發明的附圖3中合併腔的沿堆疊方向上波長光束合併的等效光路圖。附圖4B是根據本發明的附圖3中的合併器在非波長光束合併方向或堆疊方向上的光路圖。附圖5A是根據本發明的在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的實施例的等效光路圖。附圖5B是附圖5A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖6A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的實施例的另一個等效光路圖。附圖6B是附圖6A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖7A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖7B是附圖7A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖8A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖8B是附圖8A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖9A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖9B是附圖9A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖10是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖IlA是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的光路圖。附圖IlB是附圖IlA合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖12A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，閉環一維波長光束合併腔的另一個實施例的光路圖。附圖12B是附圖12A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖13是根據本發明的開環一維波長光束合併腔實施例的光路圖。附圖14A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，開環一維波長光束合併腔的另一個實施例的光路圖。附圖14B是附圖14A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖15A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，開環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖15B是附圖15A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖16A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，開環一維波長光束合併腔的另一個實施例的等效光路圖。附圖16B是附圖16A合併腔實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖17A是根據本發明在波長光束合併方向或堆疊方向上，引入開環一維波長光束合併腔的主振蕩器功率放大器的一個實施例的等效光路圖。附圖17是B附圖17A的放大器實施例的在非波長光束合併或陣列方向上的一個等效光路圖。附圖18A是根據本發明的由獨立光學元件排列而成的光堆實施例的頂視圖。附圖18B是根據本發明的由二極體陣列或塊排列而成的光堆實施例的頂視圖。附圖18C是根據本發明的由雷射堆排列而成的光堆實施例的頂視圖。附圖18D是根據本發明的由二極體陣列或塊排列而成的光堆另一個實施例的頂視圖。
附圖19是根據本發明說明實現一維波長光束合併腔的方法之實施例的流程圖
具體實施例方式本發明及其實施方案涉及用一個外腔放大雷射光源到高功率和高亮度狀態的領域，特別是，用二維雷射源合併成外腔一維波長光束的方法和設備。本發明及其實施方案進一步涉及高功率和/或高亮度並產生一個重疊或同軸光束的多波長外腔雷射。特別是，本發明及其實施方案是針對一種合併二維雷射光源形成一維波長雷射的方法及其設備。其中的二維雷射光源可以以機械或光學方式按行或裂排列成陣列或堆，以提高功率和亮度。例如，基於一般現成的高功率雷射二極體陣列和堆的雷射光源就是基於廣域雷射元件。通常情況下，這些元件的光束質量是沿快軸衍射限制的並且數倍於沿慢軸的衍射限制。必須明確儘管以下討論主要針對的是雷射二極體、二極體塊和二極體堆，但本發明的實施方案並不限於雷射二極體並且可以使用許多不同類型的雷射發射器，包括光纖雷射、獨立封裝的二極體雷射、半導體雷射和其他類型的雷射。此外，在此使用的術語「陣列」是指一個或多並排放置的雷射元件。陣列的方向是沿慢軸的。如在此使用的術語「堆」 是指兩個或多個整列堆疊在一起。堆可以以機械或光學方式排列而成。在一個實施例中， 以機械方式排列而成的堆包括兩個或多個陣列，它們自然地一個堆疊在另一個上方產生一個堆疊在另一個上方的輸出光束。一個以光學方式排列的堆可以使用光學器件對來自兩個多個陣列的輸出光束進行排列得到，每一個光束來自對應的陣列，這樣使輸出光束一個堆疊在另一個光束的上面。參見附圖18A 18D，圖示了光學排列堆的實施例。附圖18A說明了一個由獨立光學元件1810排列而成的光學堆。反射鏡1820用於排列來自光學元件1830的光束，每一個光學元件1830具有一個近場像1840，形成像1850 (包含來自每一個光學元件的光束)對應於獨立光學元件1810構成的堆1860(在水平方向上)。儘管光學元件1830可能不是排列在一個堆中，反射鏡1820排列光線使得像1850形成，對應於光學組件1810構成的堆1860。 類似地，在附圖18B中，反射鏡1820可以用來排列來自二極體塊或陣列1870的光束形成像 1850對應於二極體塊或陣列1875構成的對1860。在這個實施例中，每一個二極體塊或陣列1870具有一個包含來自在塊或陣列中每個獨立元件的光束的近場像1840。類似地，如附圖18C所示，反射鏡1820也可以用來以光學方式排列雷射堆1880形成一個明顯較大的整體堆對應於像1850。另一個光學排列堆的實施例見附圖18D。在這個實施例中，排列在不同高度上的摺疊鏡1890用來排列光束二極體陣列或塊1870生成像1850相當於顯然是二極體陣列或塊1870的自然堆。如上所述，每一個二極體陣列或塊1678具有像1840，對應於來自陣列或塊中獨立元件的光束1845陣列。附圖18D中所示的排列可類似地應用於對立光學元件1830和/或光學堆1880。因此，必須明確，本發明討論的任何雷射堆可以以機械或自然方式排列成堆或根據上文討論的實施例或正如本領域的技術人員所熟知的、本發明權益所規定的其他光學堆疊排列方式以光學方式排列。如上所述，傳統波長光束合併器把來自單個二極體塊的獨立雷射元件的光線合併以便為每一個二極體塊形成單光束。以此方式，波長光束合併傳統上是沿雷射堆的陣列方向或慢軸實現。這種光束合併的類型給二極體陣列附加了嚴格的公差容限並對二極體塊的完美製造和二極體塊構成的精準的堆疊提出了要求，導致增加成本。如下文進一步討論，相
10比之下，根據一個實施方案，波長光束合併沿堆疊方向或雷射堆的快軸方向實現，可以構建低成本、魯棒的腔室，這可以提供優於傳統波長光束合併腔的顯著效益。波長光束合併系統的重要性質包括輸出光譜、輸出光束質量、尺寸和效率。如果堆中的雷射元件沿兩個軸(即快軸和慢軸)都具有衍射限制的光束質量，那麼輸出光譜、輸出光束質量和尺寸可能很大程度上類似與沿陣列方向實現波長光束合併的傳統架構和本發明實施方案中沿堆疊方向實現波長光束合併的架構。然而，如下文進一步所述，沿堆疊方向實現波長光束合併的實施方案可以提高效率和生產能力。另外，如果雷射元件沒有沿慢軸的衍射限制，在兩個方向上的輸出特定可能有很大的不同，沿堆疊方向進行波長光束合併可提供顯著的優點，包括比沿陣列方向實現波長光束合併的傳統結構較優越的性能和降低的成本。因此，如下文進一步所論述，某些方面和實施方案，可以比使用傳統波長光束合併技術，至少在顯著較低的成本下實現一個顯著較高功率的雷射光源。必須明確，本發明所討論的方法和設備的實施方案並不局限於在下文的描述中闡述或在附圖中說明的部件的構建或排列的詳細應用。這些方法和設備也能在其他實施方案中以多種方式實施和實行或實現。在此提供的具體實施方案為了說明之目的而不是為了限制。特別是，在任何一個或多個相關的實施方案中所討論的行為、元件和特徵不是為了排除在任何其他實例中的類似作用。另外。在此使用的用語和屬於是為了描述之目的而不應該認為是限制。任何對本系統提到的單數方法的實施方案或元件或行為的引用也包括包含這些多元元件的實施方案。而且對任何實施方案或元件或行為的任何複數引用也包含僅包括單個元件的實施方案。以單數或複數形式的引用不是為了限制目前公開的系統或方法、其構件、行為或元件。 這裡使用的包括、包含、具有、含有、涉及及其變體意指包含列在其後的項目及其等同物，也包含額外的項目。引用「或」可以解釋為包括，所以任何使用「或」描述的項目可以說明任何單個、多餘一個即所有描述的項目。任何對前和後、左和右、頂部和底部、上部和下部的引用是為了描述的方便，不是限制目前的系統和方法及其構件對任何東西的位置和空間的定位。傳統的用二極體陣列和堆進行穩健和高效的波長光束合併非常需要的兩個關鍵特性是具有低封裝誤差，這裡稱之為「封裝誤差」以及低對準誤差(也稱為準直誤差)。在封裝過程中出現的陣列彎曲產生的封裝誤差及對準誤差會導致陣列的準直的微透鏡未對準，從而降低輸出光束品質及減少光束合併效率。傳統的光束合併腔，如附圖IA和IB所列舉的，並未補償封裝誤差和對準誤差，這樣二極體陣列和堆具有非常低的封裝誤差和對準誤差用作穩健和高效的波長光束合併。因此傳統架構對組件及組件的排列施加了苛刻的公差以便滿足功率和/或亮度目標的要求。相比之下，本發明及其實施方案陳述的方法和架構其中的波長光束合併腔的穩健性和效能不受封裝誤差和對準誤差的影響，因此，放寬了使用低成本現成部件的公差要求。圖2中畫出了高效閉環腔(曲線210)和開環腔(曲線220)的自反饋作為二極體塊封裝誤差函數的曲線圖。這裡術語「自反饋」是指一定量來自獨立雷射元件的光從輸出耦合器140反射回雷射元件。曲線210對應於閉環波長光束合併器(如附圖IA所示)，其中輸出耦合器140放置在距離雷射堆110的前端面IOOOmm的位置。IOOOmm是閉環波長光束合併腔中輸出耦合器的典型放置位置。曲線220對應於開環波長光束合併器(如附圖IA所示)，其中體布拉格光柵160放置在距雷射堆110的前端面Imm的位置上，在這兩種情況下，假定雷射堆中的每一個二極體塊用焦距910微米的柱面透鏡120進行校準。這是一個用於商業二極體陣列或堆的典型焦距。由附圖2可以看出，對一個閉環實施例(曲線210)而言，即使是封裝誤差為零， 自反饋的量也只有大約22%。這是由於高斯光束的自然發散。封裝誤差大約在0.3微米時，自反饋基本上為零而合併腔將不再發揮正常作用，對於開環的實施例來說，體布拉格光柵放置在距雷射堆110端面Imm的位置，雷射發射對封裝誤差的依賴靈敏度較小。但是當封裝誤差僅為0. 2微米左右時，自反饋就降低50%左右。獲得穩定地低於0. 2微米封裝誤差的雷射二極體困難且昂貴。目前現有的單個二極體陣列具有0. 5到1微米左右的封裝誤差。單個陣列可以以光學方式堆疊形成堆。封裝誤差的數值限制了波長光束合併系統的性能。當單個陣列以機械安裝成一片以形成堆時，在堆中每一個陣列最先進的封裝水平在1 到2微米左右。大多數常見的現成的堆以機械方式安裝。以機械方式堆疊的形式即使封裝誤差為零，通常在準直柱面透鏡120放置後仍存在對準誤差。假定在堆中的陣列具有零封裝誤差，如果柱面透鏡的精度補償為0. 3微米，那麼整個陣列實際上具有0. 3微米的封裝誤差。於是，由於有效反饋實際上為零使陣列中所有的元件將不能正常工作。目前最先進的二極體陣列和堆的準直誤差為1微米左右的補償範圍。這樣，傳統的波長光束合併受二極體陣列和堆的封裝質量的嚴重限制。此外，由於存在降低自反饋的封裝誤差和對準問題，雷射腔可能對如何放置二極體塊非常敏感，從而導致生產可靠、穩健的波長光束合併器的生產困難且昂貴。根據一個實施方案，提供對封裝誤差和對準誤差都能完全進行補償的波長光束合併技術和架構，可以用來增強雷射二極體陣列和堆的功率及亮度。在一個實施方案中，一維波長光束合併腔包含一個二維雷射堆，其中波長光束沿堆疊方向(即雷射二極體的快軸) 進行合併。合併腔中的自反饋可以很大程度上不受封裝誤差和對準誤差大小的影響。在一個實施例中，光柵和輸出耦合器完全自動地補償任何封裝和對準誤差。在一個實施方案中， 如前所述，合併腔可處理在陣列方向上的衍射損失，以及沿堆疊方向的封裝誤差和對準誤差。圖3說明了一個閉環波長光束合併腔300的實施例。這個說明的實施例中的合併腔只展示了沿雷射堆350堆疊方向的三個雷射陣列305，然而，必須明確，本發明並沒有如此的限制，而且雷射堆310可以含有任何數量的雷射陣列305。每一個雷射陣列305含有多個沿陣列方向並排排列的雷射反射器315。在一個實施方案中，雷射陣列是雷射二極體塊， 每個塊含有一個或多個雷射二極體元件。在雷射二極體陣列305中，每一個陣列/ 二極體塊305可以平行於快軸，即沿快軸攝影，或與快軸和慢軸方向都平行(附圖3中沒有顯示)。 在一個實施方案中，合併腔含有的光學元件包含一個焦距分別為和f3的柱面透鏡32 和32 構成的柱面成像望遠鏡320和焦距為f2的柱面變換透鏡330。合併腔可以進一步含有一個具有沿堆疊方向具有分散能力的衍射光柵；340，以及一個部分反射輸出耦合器350。 波長光束合併沿堆疊方向進行。如上所述，這是對比於附圖IA中的傳統波長光束合併腔， 其中的光束合併方向是沿陣列方向。附圖4A說明了一個在附圖3中的合併腔在堆疊方向上的(波長光束合併方向) 等效光路圖。附圖4中的衍射光柵340可以清晰的傳輸，然而，需要明確的是光柵340可以像附圖3 —樣反射。如附圖4A所示，焦距為fm的準直透鏡370用來對準雷射堆310的雷射陣列305。該說明的實施例包括三個雷射陣列305a，30 和305c ；然而，必須明確，雷射堆310可以含有任何數量的可以以機械方式或光學方式堆疊而成的雷射陣列305。在二極體堆的情況下，當透鏡370的光軸與對應的二極體塊的光軸沒有對齊時，會產生對準誤差。 如FIG 4B所示，在陣列方向，柱面成像透鏡320(32 和325b)對準發射器315的光束以降低沿陣列方向的因發射器315產生的光纖發散而造成的光損失。如附圖4A所示，在一個實施方案中，沿堆疊或波長光束合併方向，柱面透鏡330在空間上將來自所有雷射堆310中的雷射陣列305的光束，包括含有封裝誤差的陣列(即二極體塊)的光束，重疊到衍射光柵 340。光學元件可以按使來自所有雷射陣列的光束在衍射光柵340表面上形成重疊區域的方式排列，並且將部分反射耦合器350放置在來自衍射光柵340的一階衍射光束的路徑上。 在一個實施例中，將柱面變換透鏡330放置距雷射堆310和衍射光柵340近似等於焦距f2 的位置上。與其餘的光學部件相比準直透鏡的370的焦距通常很短。例如，準直透鏡的370 的焦距fm的典型值可以短於其它光學組件焦距的100到1000倍。因此，準直透鏡370和柱面變換透鏡330之間的距離如附圖4A所示是fm+f2，通常，由於fm與f2相比是如此小，這樣可以近似為f2。因此，在以下的討論中，由於準直透鏡370以光學器件放置的角度而言的貢獻很小而基本被忽略。因此，各種光學構件和雷射堆之間的距離大致為每個光學部件的焦距。然而本領域的技術人員將明白，有關光學部件和雷射堆310之間的實際距離也包括準直透鏡320的焦距。部分反射耦合器350將每一束光的一部分反射回重疊區域，而衍射光柵340接著將光反射會雷射堆310，於是，在部分反射輸出耦合器350和雷射元件315的後端面之間形成共振腔。附圖4B說明了附圖3中合併腔陣列(非波長光束合併)方向上的等效光路圖。在該說明的實施例中，雷射堆310的每一個雷射陣列305包含三個發射器31^1、31恥和315c。 然而，應該明確，雷射陣列可以包含任何數量的發射器。在陣列(非波長光束合併)方向上， 柱面成像望遠鏡320對每一個雷射發射器沿發射器的慢軸成像到輸出耦合器350。柱面成像望遠鏡的第一個元件32 可以放置在距雷射堆第一個焦距的位置上。柱面成像望遠鏡的第二個元件32 可以放置在距輸出耦合器第二個焦距f3的位置上。第一個元件32 和第二個元件352b之間的距離是焦距和焦距f3之和。如上所述，和f3分別是柱面成像望遠鏡320的第一個和第二個元件32 ，325b。沿陣列方向，柱面變換透鏡330和衍射光柵340什麼也不做。在附圖4A中，虛線380顯示了來自稱作「有封裝誤差的發射器」的光路，也就是， 那些發射器的光輻射由於二極體塊(有封裝誤差)的曲率偏離於理想路徑。根據一個實施方案，給定二極體塊中的所有元件，包括具有封裝誤差的元件，發射名義上具有相同波長的雷射。由於存在位置和光譜一一對應，在輸出耦合器350後面，導致陣列方向上光束的尺寸變大，如附圖4A所示。然而在堆疊方向上，對所有具有封裝誤差的發射器的高效反饋可以基本上是100%，獨立於封裝誤差的大小。這是因為共振腔在堆疊方向上運行，而封裝誤差出現在陣列方向上，這樣，給定二極體塊的所有的發射器包含在共振腔內，獨立於封裝誤差。因此，由於可以省卻經完美生產的具有最小封裝誤差的二極體塊的需求，可以使用低成本的現成的二極體塊和堆。相比而言，在傳統的波長光束合併器中，光束合併和共振腔的圓形在與封裝誤差方向即陣列方向相同，如在上文附圖2中所討論的，封裝誤差對自反饋導
13致嚴重的退化。另外，由於沒有封裝誤差和對準誤差的影響，沿快軸波長光束合併架構的效率將大於傳統的波長光束合併架構的效率。如上所述，波長光束合併系統的重要性質包括輸出光譜、輸出光束質量、尺寸和效率。根據一個實施方案，使用廣域發射器沿快軸實施波長光束的合併具有更窄的輸出光譜、 更好的輸出光束質量，更好的效率和更小的尺寸。—個波長光束合併腔(WBC)的輸出光譜由下式給出
χJgCOS^(工)在⑴式中，χ是相關的空間尺寸，f是變換透鏡的焦距(即附圖3中的變換透鏡 330)，g是光柵340的溝槽密度，θ是光的入射角。空間尺寸可以寫成
ΜΛ N* 2^ BPP X■
『FF^NA, ~ FF*NA.(2)在( 式中，N是相關雷射元件的數量，W是雷射元件的光束寬度，FF是近場填充因子。光束參數積(BPP)定義為光束寬度乘以數值孔徑(N.A.)或雷射元件的半角發散。 常見的現成廣域發射器在1微米運行波長時的光束寬度在快軸方向一般為0. 5微米左右， 在慢軸方向為45到500微米左右。在一個實施例中，沿快軸的N. A.為0.5弧度，沿慢軸為 0. 1弧度左右。於是，沿快軸的BPP為0. 5 μ m*0. 5rad ^ 0. 25mm. mrd沿慢軸的BPP為45-500 μ m*0. Irad ^ 4. 5 to 50mm. mrd這兩個BPP的比例，即18比200提高了每個元件頻譜利用率。因此，假定FF'、N. A.、N、f、g和θ對一個陣列方向波長光束合併(WBC)架構(即， 沿陣列方向進行波長合成的架構)和一個堆疊方向的WBC架構(即，沿堆疊方向進行波長合成的架構)都相同，沿堆疊方向WBC的輸出光譜比兩BPP之比窄18到200倍。另外，對一個固定輸出光譜，假定BPP的比值是20，則一個堆疊方向WBC架構的尺寸可能比其小20 倍。窄的光譜帶寬可能是首選，這樣，堆疊方向WBC架構可在光譜帶寬內提供顯著的改善。 此外，如果兩個架構的輸出光譜是固定在相同的寬度，根據本發明，堆疊方向WBC架構的尺寸可以小20倍。因此，一個堆疊方向WBC架構在尺寸和/或輸出光譜方面提供顯著的改善。根據一個實施方案，光束質量(B. Q.)可定義為B. Q. =N*BPPe/FF'(3)在式(3)中，BPPe是發射器的BPP。傳統WBC架構的輸出光束質量(即沿快軸的 BPP與沿慢軸的BPP之積)由下式給出B. Q.(乘積)=BPPs*Nb*BPPf/FFf = 2. 5* (mm. mrd) 2*NB (4)在式⑷中，假定BPPf = 0. 5是沿陣列方向的填充因子，BPPs = 5mm. mrd是發射器沿慢軸的BPP，Nb是二極體塊的數量，BPPf = 0. 25mm. mrd是每個二極體塊沿快軸的BPP。 根據一個實施方案，則一個堆疊方向WBC架構的輸出光束質量(即沿快軸和慢軸的BPP之積)由下式給出B. Q.(乘積)=BPPf*Ne*BPPs/FFe = 2.5 (mm. mrd) 2*NE (5)在式(5)中，FFe = 0. 5是沿陣列方向的填充因子，Ne是每個二極體塊中發射器的數量。這樣，如果二極體塊的數量與發射器的數量相同，那麼兩個架構的輸出光束質量大致相同。然而，在實踐中，目前使用更大數量的二極體塊比使用含有更大數量發射器的二極體塊更實際。在這種情況下，使用堆疊方向WBC架構的實施方案可以大幅度地提高輸出光束質量。下表1-4列出了不同配置的傳統陣列方向WBC架構和本發明一個堆疊方向WBC架構實施例的某些對比。在所有的比較中，因為輸出光束質量退化對兩種架構的影響相近，故任何由光學部件和機械誤差導致的輸出光束質量退化都被忽略。對於列於表1-4的任何實施例，服從如下假設f = 200mm,g = 18001/mm,以及e = 60 度·表1對一個使用了一個Icm寬含有49個廣域雷射元件的二極體塊的傳統陣列方向WBC系統與一個使用49個二極體塊的堆疊方向WBC系統進行了比較，每個二極體塊含有一個發射器。兩個系統的填充因子都是50%。計算基於上述公式進行。輸出光譜的譜線寬度，Δ λ，用公式(1)計算。假設傳統WBC的尺寸是χ = 10，而沿堆疊方向WBC的尺寸假設為χ = 10/20(其中20是BPP之比)。表 1比較49個發射器，1個塊堆(塊寬1cm，填充因子50% )傳統WBC和1個發射器， 49個塊堆(填充因子50% )堆疊方向WBC
權利要求
1.一種多波長光束合併器，其包括沿堆疊方向排列的多元雷射陣列構成的雷射堆，每個雷射陣列設定產生具有特定波長的光輻射，每個多元雷射陣列由多元光增益部件沿雷射堆陣列方向排列構成；柱面望遠鏡，其被設定沿光增益元件的慢軸對每個多元光增益元件成像；變換透鏡，其被安排攔截來自每個多元雷射陣列的光輻射並沿雷射堆堆疊方向合併光輻射形成多波長光束；以及放置在光輻射重疊區域的衍射元件，其用於接收和傳送多波長灌輸；其中柱面望遠鏡設定將每個多元光增益元件成像到衍射元件。
2.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，可以進一步包括放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的體布拉格光柵，該體布拉格光柵被設定與雷射堆形成自由空間腔生成多元特定波長光束；其中體布拉格光柵是波長調製體布拉格光柵；以及波長調製是沿堆疊方向。
3.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於變換透鏡放置在距雷射堆一個焦距的位置上。
4.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於堆疊方向本質上與陣列方向垂直。
5.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於衍射元件是一個衍射光柵。
6.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於變換透鏡是一個柱面變換透鏡；其中的柱面望遠鏡包含一個第一透鏡元件和一個第二透鏡元件；以及其中的柱面變換透鏡放置在第一和第二透鏡元件之間。
7.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，進一步包含部分反射輸出耦合器，該部分反射輸出耦合器設置用於接收來自衍射元件的多波長光束，反射一部分多波長光束回到重疊區域，並傳送包含具有多元特定波長光輻射的多波長光束；其中衍射元件、部分反射輸出耦合器和雷射陣列一起形成產生多元特定波長光束的自由空間腔。
8.根據權利要求7所述的多波長光束合併器，進一步包含放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的形變擴束器。
9.根據權利要求7所述的多波長光束合併器，進一步包含附加的放置在衍射元件和部分反射耦合器之間的柱面望遠鏡；其中，附加的柱面望遠鏡設定用來沿陣列方向將多元光學增益元件成像到部分反射輸出華禹合器。
10.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於多元雷射陣列包括多元雷射二極體塊；以及其中的多元光學增益元件包含多元雷射二極體發射器。
11.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於多元雷射陣列包括多元雷射陣列；以及其中的多元光學增益元件包含多元光纖雷射發射器。
12.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，其特徵在於雷射堆包含沿陣列方向按行排列的分離半導體雷射發射器堆；以及其中每一個多元雷射陣列中的雷射陣列包括一行分離半導體雷射發射器。
13.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，進一步包含多元連接到雷射堆的多元準直微透鏡。
14.根據權利要求1所述的多波長光束合併器，進一步包含設定接收來自衍射元件的多波長光束的無源光纖輸出耦合器，並反射一部分多波長光束回到重疊區域，以及傳送由多元特定波長的光輻射構成的多波長光束；其中的衍射元件、無源光纖輸出耦合器和雷射堆一起形成產生多元特定波長的自由空間腔。
15.一種波長光束合併器，包括設定產生具有第一波長的第一個光束的第一雷射堆，以及設定產生具有第二波長的第二個光束的第二雷射陣列，第一和第二雷射陣列的每個包含沿雷射堆陣列方向設置的多元雷射增益元件，並設置產生光輻射來生成第一和第二光束；設置攔截光輻射並沿陣列方向對每個多元光增益元件成像的柱面望遠鏡；設置攔截第一和第二光束並在雷射堆的堆疊方向對第一和第二光束進行空間重疊形成多波長光束的變換透鏡；放置在第一和第二光束重疊區域的衍射元件；以及設置用來接收來自衍射元件的多波長光束、反射一部分多波長光束回到重疊區域並傳送由具有第一和第二波長的光輻射構成的多波長光束的部分反射輸出耦合器；其中的衍射元件、部分反射輸出耦合器和雷射堆共同形成一個產生第一和第二波長的自由空間腔；以及其中的堆疊方向本質上以陣列方向垂直。
16.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，其特徵在於部分反射輸出耦合器是無源光纖輸出耦合器。
17.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，進一步包含一個放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的形變擴束器。
18.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，進一步包含放置在衍射元件和部分反射輸出耦合器之間的附加柱面望遠鏡，並設置在陣列方向將衍射元件成像到部分反射輸出華禹合器。
19.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，進一步包含放置在雷射堆和柱面望遠鏡之間的成像望遠鏡，並設置在堆疊方向降低第一和第二光束的尺寸；其中的成像望遠鏡包括一個第一和一個第二透鏡；以及其中第一和第二透鏡至少有一個是球面透鏡。
20.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，其特徵在於第一和第二雷射陣列是雷射二極體塊，每個雷射二極體塊包括多個雷射二極體發射器。
21.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，其特徵在於雷射堆包含沿陣列方向按行排列的分離半導體雷射反射器堆；以及其中第一和第二雷射陣列的每個包含一行分離半導體雷射發射器。
22.根據權利要求15所述的多波長光束合併器，其特徵在於第一和第二雷射陣列是光纖雷射陣列；以及其中的多元光增益元件含有多個光纖雷射發射器。
23.一種波長光束合併的方法，該方法包括由多元雷射陣列產生的多元光束，每個多元光束具有特定波長； 由柱面望遠鏡沿第一方向對該多元光束成像；以及用柱面變換透鏡沿第二個方向在重疊區域對該多元光束進行空間重疊，從而生成包括多元特定波長的多波長光束。
24.根據權利要求23所述的方法，其特徵在於多元光束的空間重疊包括將該多元光束傳播到放置在重疊區域的衍射元件。
25.根據權利要求23所述的方法，進一步包括將該多波長光束傳播到一個放置用於接收來自衍射元件的輻射的部分反射元件，該部分反射元件和多元雷射陣列共同構成一個產生多元特定波長的自由空間雷射腔；以及通過該部分反射元件傳送含有多元特定波長的輻射構成的多波長光束。
26.根據權利要求23所述的方法，進一步包括用波長調製體布拉格光柵對特定波長的多元光束進行穩定。
全文摘要
一個外腔一維多波長光束合併器沿一個多元雷射陣列構成的雷射堆的堆疊方向實施波長光束合併，每個雷射陣列設置用來產生含有特定波長的光輻射，並且每個雷射陣列包括沿一個雷射堆陣列方向排列的多元雷射反射器。該多光束合併器包括一個設置用來沿雷射發射器慢軸方向對每個雷射發射器成像的柱面望遠鏡，一個設置用來攔截來自每個多元雷射陣列的光輻射變換透鏡並沿雷射堆堆疊方向合併該光輻射從而形成一個多波長光束，以及一個放置在一個光輻射重疊區域接收和傳送該多波長光束的衍射元件。
文檔編號G02B27/10GK102273030SQ200980153513
公開日2011年12月7日 申請日期2009年11月3日 優先權日2008年11月4日
發明者A·桑切茲-魯比歐, B·查恩, T·Y·范恩 申請人:麻省理工學院