高亮度密集波复用激光器制造技术

本发明专利技术公开了用于密集波复用(DWM)系统中射束波长稳定与输出射束合并的系统和方法。系统和方法被公开用于在DWM系统中执行射束波长稳定以及输出射束合并，同时实现增加的电光转化效率以及改善的射束品质。干涉外部共振器构造可以被用于显著增加DWM系统输出射束的亮度，这是通过使得由DWM激光源的发射器发射的射束的波长稳定来实现的。装置可以包括多波长边缘发射激光二极管阵列(101)和透镜(102)将输出聚焦在反射型光栅上。耦合的腔共振器的一个分支(170)通过一个衍射级利用伸缩筒(108、109)以及用于图像旋转的镜(110)反馈而实现。第二分支(160)采用第二衍射级，其经由空间过滤器被反馈，其中所述空间过滤器具有伸缩筒(104、106)以及孔径(105)和用于波长甄别的镜(107)。零阶光(180)可以输出并且通过第二反射光栅(113)实现准直。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高亮度密集波复用激光器
本专利技术大体上涉及激光器系统，并且更具体地讲涉及用于窄带宽激光射束稳定以及多路激光射束合并的系统和方法。
技术介绍
密集波复用(densewavelengthmultiplexing)是这样一种技术，由多个各自为窄频带宽输入射束制造单个、高亮度多频谱合并的输出射束。DWM使得多路相对小功率的单波长输入射束被叠加，以产生单个、高功率、高亮度的输出射束。DWM技术使得输出射束功率与由多个输入射束所产的功率总和直接成比例并且进一步提供输出射束，该输出射束具有与各个输入射束的射束品质相称的射束品质。在DWM系统中，多个窄频谱带宽或者单波长的激光射束自一激光源发射，所述激光源包括多个独立的发射器。多频谱输出射束通过使得所述多个独立的射束与射束重叠元件合并或者在空间上并在方向上使得所述多个独立的射束与射束重叠元件重叠而被形成。射束合并可以通过以下方式来实现，针对每个射束选择单个波长并且将每个射束以特定的入射角指向到射束重叠元件。每个射束的波长和入射角被选择成，所有的射束自射束重叠元件在与共同传播方向的重叠区域处发出。一组被准许的波长-角度对可以被限定为将产生自射束重叠元件以共同的传播方向发出的射束的波长与入射角的所有组合。为了自由激光源发射的多个激光射束产生单个多频谱合并的输出射束，来自这组被准许的波长-角度对的波长-角度对必须针对激光源中的每个发射器被选择。入射角重叠元件并将位置-至-角度变换透镜放置在激光源与光束重叠元件之间的光学路径中的固定位置上。位置-至-角度变换透镜将激光源中的每个发射器的空间位置映射到射束重叠元件的特定的入射角。针对每个独立的发射器，通过以具有期望的波长的电磁辐射的方式向发射器提供反馈来实现波长选择。向发射器提供这种电磁辐射将激励发射器的与期望的输出对应的共振模式。因而，向发射器提供反馈将激发附加的电磁辐射的具有与反馈相同的波长的发射。这种共振的反馈将使得由发射器发射的激光射束的频谱带宽收窄并且使得发出的射束的波长频谱关于共振的反馈的波长对中。向发射器提供反馈的这种过程可以称为射束波长稳定或波长锁定。使得每个激光射束的波长锁定令单个波长映射于激光源中的发射器的每个位置，并且为激光源产生了一组固定的波长-位置对。位置-至-角度变换透镜使得针对激光源中的每个发射器的波长-位置对映射至特定的波长-角度对。选择合适的波长-位置对确保了，空间上并且方向上重叠的射束将被产生。然而，如果波长锁定不是健壮的并且各个发射器的备选的共振模式被激励的话，则发射器将产生此后将传播经过系统的备选的共振模式分量。由备选的共振模式所产生的射束分量不会体现准许的波长-位置对并且因此将不在空间上和方向上由射束重叠元件重叠。此外，如果此类备选的共振模式被允许传播经过外部共振器(其向激光源提供反馈以便稳定由激光源中的发射器发出的射束的波长稳定)，则此类备选的共振模式将激发附加的寄生的、替代的模式分量的发出并因而使得输出射束品质降级并在输出射束功率中引出临时波动。
技术实现思路
本说明书描述了用于在DWM系统中射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法。本说明书更具体地描绘了用于在DWM系统中执行射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法，同时实现了增加的输出射束亮度、增加的电光转化效率、以及相对于现有技术改善的射束品质。电光转化效率是系统将电能转化成光能的效率的度量并且可以被限定为辐射通量、即由系统所产生的总光学输出功率与由系统所消耗的输入电功率之比。为了射束合并的目的，用于射束稳定和输出合并的一些现有技术的系统和方法采用了透射式光学元件、以及具体地透射式衍射光栅。为了射束合并的目的采用透射式衍射元件具有多种限制。采用透射式衍射元件的射束稳定与输出合并系统和方法具有特定的不足。一个原因是尽管透射式衍射元件的理论衍射效率非常接近百分之一百，但实际上真正的透射式衍射元件无法达到这样的衍射效率。真正的透射式衍射元件可以连续地获得大致不高于大于百分之九十五的衍射效率。因此，必须设计外部腔，其能够捕获否则将不会被用于最大化电光转化效率的衍射阶。相反地，反射式衍射元件可以实现大致更高的衍射效率。实际上，反射式衍射元件可以实现最大大约99.8％的衍射效率。采用反射式衍射元件的共振腔因而相对于采用透射式衍射元件的外部共振器能够实现电光转化效率的显著增加。其次，在激光束传播经过透射式衍射元件时，透射式元件吸收少量的电磁辐射。附加地，覆盖透射式衍射元件的前面和后面的抗反射涂层吸收来自入射激光束的非不可忽略量的电磁辐射。电磁辐射的吸收在透射式元件的电磁辐射所经过的区域中产生热量。由电磁吸收所产生的热量将朝向透射式元件的周边传播并且热流梯度将在透射式元件中产生。这种热流梯度可以使得射束品质变差并且降低系统的电光转化效率。在低输出功率时，对射束品质的变差可以是不明显的并且电光转化效率损失可以是相对小的。但是，随着射束输出功率的增加，透射式元件中热量的产生将造成更显著的射束变形以及效率损失。在非常高的功率时，例如在几kW级别时，由于热量产生所引起的射束变形变得显著。反射式衍射元件具有来自入射的激光束的电磁辐射的特别低的吸收，并因而使得在不损失射束品质或效率的前提下实现功率的可量测。第三，随着由系统产生的输出功率增加，必须冷却系统中的衍射元件，热量产生的效应变得更加显著。反射式衍射元件的几何形状允许与由透射式衍射元件所允许的相比更强劲的冷却技术。几何约束表明在透射式衍射元件旁所采用的任何冷却系统必须位于透射式元件的外侧边界处，即位于透射式元件的周边处。具体地，将冷却系统安置在透射式元件的每侧上的可能性被排除，这是因为辐射在一个面上进入透射式元件并在相反一面上离开元件。位于透射式光栅的周边处的冷却系统增加了热梯度的幅度，因为活跃地将热量从元件的中心吸离并吸向周边。周边冷却系统因而在入射的激光射束的波前中引起热光相变形。这些引起的相变形导致了降低的衍射效率、射束品质的改变、光栅常数中的局部改变、以及更重要地动态热学聚焦效应。这些效应进一步降低了系统的电光转化效率并进一步使得输出射束品质变差。相反地，反射式衍射元件允许热管理技术，其能够实现衍射元件中的大致一维(在与衍射元件的表面所位于的平面垂直的方向上)热流。一维热流梯度抑制了热学聚焦效应并消除了光栅常数中的局部差异，这种局部差异源自光栅中的热学梯度。一维热流可以通过以下方式来实现，选择具有合适厚度与直径比的衍射元件并在衍射元件的与入射辐射所反射面相反的那面上采用冷却元件。冷却元件(即散热器)优选设置成以“形状配合”的方式与光栅接触，并可以提供附加的优点，即为装置提供附加的机械稳定性，因而防止光栅在热学载荷下弯曲。例如，相对薄的反射式衍射光栅可以粘接至具有相对高导热率的散热器。在这种构造中，薄反射式衍射光栅将用作为用于传热的主要屏障，并且散热器相对于光栅的位置将有助于光栅本身内的热能的均匀分布。除了实现冷却元件的有利的几何形状定位以外，反射式衍射元件无需由透光的材料形成。因此，反射式衍射元件允许改善的冷却特性，这是通过采用具有高导热率和或低热膨胀系数的各种材料、例如金刚石、蓝宝石、玻璃陶瓷(例如Zerodur)、以及ZincSulfide来实现的。此类材料通常不是透光的，并且没有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于稳定由多个射束发射器发射的射束的波长的系统，所述系统包括：所述多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；第一反射式衍射元件；以及反馈分支，其包含空间滤波系统；其中，所述第一反射式衍射元件将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中，并且其中，所述反馈分支将所述反馈分支输入的一部分向回引导到所述多个射束发射器中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.14 US 14/053,1871.一种密集波复用与射束波长稳定系统，包括：多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；至少一个光学元件；第一反射式衍射光栅；第二反射式衍射光栅；以及具有第一臂和第二臂的反馈分支，其中，所述第一反射式衍射光栅将所述射束的反射朝向所述第二衍射光栅引导并将所述射束的衍射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中，所述第二衍射光栅接收所述射束的反射并衍射所述反射为输出，所述反馈分支的第一臂包括第一高反射镜，所述第一高反射镜被定位成将所述第一臂输入向回朝向所述第一反射式衍射光栅反射为第一臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第一臂输出的第一部分衍射回到射束发射器的阵列作为第一反馈部分，并且将所述第一臂输出的第二部分反射到所述第二臂中作为第二臂输入，并且所述第二臂包括第二高反射镜，所述第二高反射镜被定位成将所述第二臂输入向回反射至所述第一反射式衍射光栅作为第二臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第二臂输出的第一部分反射到所述第一臂中并朝向所述第二衍射光栅反射地衍射第二输出臂输出的第二部分。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：在所述第一反射式衍射元件上安置的冷却元件。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述冷却元件在所述第一反射式衍射元件的一侧上安装，该侧与所述第一反射式衍射元件的、将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中的那一侧相反。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述冷却元件包含一个或多个冷却通道，所述冷却通道被构造成将热量从所述第一反射式衍射元件带离。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件接收源于所述多个射束发射器的射束，并将源自阵列的射束的衍射作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器为二极管射束发射器的阵列。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述二极管射束发射器的阵列中的每个射束发射器发射具有非对称轮廓的射束，其中，每个射束具有快轴线和慢轴线。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器中的每个发射器包括波导，并且所述反馈分支输入被向回引导到所述多个射束发射器中的那部分的光功率的至少百分之三十被耦合到多个波导中。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器中的每个发射器包括波导，并且所述反馈分支输入被向回引导到所述多个射束发射器中的那部分的光功率的至少百分之七十被耦合到多个波导中。10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：形...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·齐莫尔，A·基利，C·蒂尔科恩，S·里德，
申请(专利权)人：通快激光有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE