产生高光功率密度的方法和激光设备技术

本发明专利技术涉及一种产生高光功率密度的方法和激光设备，其通过按以下方式来形成二极管激光器（Ｅ）的激光棒（ＬＢ）：在单个激光棒（ＬＢ）中，邻近的二极管激光器（Ｅ）的慢轴（ｘ）相对于彼此放置在同一直线，且所述二极管激光器（Ｅ）大致发射至同一方向（ｚ），由所述多个激光棒（ＬＢ）发射的辐射进一步汇集到与光轴（Ａ）平行的汇集且明亮的光束中。根据本发明专利技术，为了汇集所述光束，以转动从不同扇区发出的光束方向（ＤＥ）的方式，激光棒（ＬＢ）放置于相对于光轴（Ａ）成轴对称结构的扇区内。通过使用空间、极化和／或波长多路传输，本发明专利技术的优选实施例能够实现激光棒（ＬＢ）的有效逐扇区辐射的汇集。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
根据权利要求1的前序，本专利技术涉及一种产生大光功率密度的方法。根据后附权利要求17的前序，本专利技术进一步涉及一种实现上述方法的激光设备。
技术介绍
由激光设备产生的亮光如今应用于大量不同的过程中。这些过程包括如材料标记、表面处理、切割和焊接。例如，高功率激光适用于使用上述过程处理金属材料。激光也广泛应用于医学目的和各种光学测量中。因为基于半导体的二极管激光器得到发展，由此增加了获得的光功率并且改善了光束质量，所以使用小型半导体激光器的应用在上述应用领域中得到了强有力的扩展，这些应用传统上使用较大尺寸的气体和晶体激光器。通常，通过汇集由若干单激光发射器发射的辐射，半导体激光设备实现了高的光学总功率。具有大功率密度的半导体激光设备的一般目的是产生充分强烈和光亮的光束，其能够以需要的方式聚焦到目标上。光源的亮度确定为从一个发射表面区域到某一立体角辐射的光功率。无源光元件不能增加单个光源的亮度。对于半导体激光器，单个半导体发射器的光功率相当有限，其中，为了获得充足的总光功率，需要很多个单个发射器。为了增加光功率，使用所谓的激光棒，其由若干并排排列的单个发射器组成，若干激光棒能进一步堆起汇集为一体，构成所谓的激光塔。然而，当光源内的发射器数量由此增加时，光源尺寸也增加是必然的。为了增加由光源发射的辐射的功率密度，源于光源的不同位置的光束应该以适当的方式汇集在一起。此光束集合通常称为多路传输。用于与半导体激光器有关的不同的多路传输方法包括波长、极化以及空间多路传输。在波长多路传输中，利用具有适当波长相关性的光束合并器，将两个或多个(n个)不同波长的光束汇集在一起，以构成一个光束。例如在光学领域中所公知的这样的光束合并器，如分色镜，其已知实例包括如所谓的暖/冷光镜。在使用光束合并器时，可将汇集光束的直径设置成与所汇集的且具有不同波长的每一个光束的直径大致一致。因此，汇集光束的功率密度在无损耗状态下增加到n倍。因为光的立体角可以保持在初态，因此，汇集光束的亮度也以与功率密度一样的关系增加。在极化多路传输中，具有相同波长的两个光束使用极化光束合并器汇集成一个光束。如果必要，另一部分的光束的极化水平可以用λ/2盘旋转如90度。因为汇集光束的直径与被汇集的部分光束的直径大致相同，在这种情况下，功率密度实际上几乎增加到两倍。因为光的立体角没有改变，所以亮度也几乎增加到两倍。在空间多路传输中，源于不同光源的光束聚集到空间内同一位置。空间多路传输的目的是尽可能保持原始光源的亮度。能增加功率密度，但因为光的立体角以相同关系增加，仅用空间多路传输不能增加亮度。在实践中，这是十分困难的设计和实现这样一种结构，其能将多个半导体激光器光束以有效方式汇集并且同时使用波长、极化和空间多路传输。这是由于如半导体激光器发射的散光性质以及现有技术激光棒的宽度引起的。通常，用于现有技术的宽激光棒的单发射器的光发射表面的高度(以后称为y方向)小于1微米，在该快速发散方向(快轴，FA)上，源于发射器的光束以高斯方式在30到40度角上传播(FWHM)。单个发射器的光发射表面宽度(以后称为x方向)通常是100微米的量级，在该缓慢发散方向(慢轴，SA)上，往外去的光束在小于10度的角度内发散(FWHM)。在汇集成激光棒的相邻发射器之间，总是存在不发射光的无放射性“空载”空间。通常10mm量级并且包括20到40个相邻发射器的激光棒产生20到50瓦的连续光功率。与激光棒长度成比例，光功率相应是2到5W/mm。在使用脉冲的情况下，瞬时相应功率可超过10W/mm。美国专利5,825,551披露了一种基于两个平面镜的简单的空间多路传输方法。在此解决方案中，发射器的慢轴在两个玻璃板之间对角线指向，其中光束保持截留，并且它们基于反射朝着玻璃板的出口端传播。光束从玻璃板之间的镜隙发出，比最初更窄。该结构简单，但由于反射损耗，损失了一部分光功率。此外，使用提及的方法同时实现不同的多路传输方法是困难的，其中获得的最大功率密度是有限的。多个专利建议使用不同类型的波导来汇集激光棒(美国4,820,010)或发射器(美国6,312,166)的光束。基于波导的解决方案去除了发射器以及/或激光棒之间的非放射空载空间，并它们可以用于将光线进一步传递到光导纤维。然而，实践中，波导经常明显降低光源亮度。这是由于在波导的出口端不能实现高填充因数的事实。为了收集所有光功率，波导必须具有足够大的光耦合端，但一部分耦合表面常常是无效的，在其中整个亮度受损。此外，安装精度对于光束质量来说是一个重要因素。极化和波长多路传输也不能直接与波导的使用相连。保持慢轴方向上的激光亮度可能是汇集亮二极管激光光束中最常见的问题，在多个专利出版物中披露了此问题的解决方案。在激光干胶片上加工处理发射器，使得发射器处于彼此充分远离的位置，利用这种方法能够简单解决此问题。因此，在单个发射器前面，可以放置相对于每个发射器尺寸具有足够大的尺寸的慢轴校准光学元件(美国5,793,783)。然而，这样的解决方案在实践中并不有利，由于大多数干胶片包括发射器之间的空载空间，所以激光干胶片的利用程度差。多个解决方案倾向于通过使用光学方法使慢轴方向的光场变窄，同时可能除去发射器之间的空载空间。一般来说，通过增加光源影像高度来使慢轴变窄，这将不可避免地涉及到当通过一个个地堆叠将激光棒汇集时，将增大激光棒之间的物理距离。此外，变窄和堆叠光学元件所需的物理空间使得组合不同多路传输的方法变得困难。以下将对已知的变窄光学元件的主要特性进行更详细的描述。在美国专利5,784,203中，使用透镜光学元件实现慢轴变窄，利用玻璃板堆叠成的塔实现平行偏转。塔的玻璃板的平面是平行的，但以使得结构类似于风扇的方式，玻璃板相对于彼此适当旋转。来自宽激光棒的光束在慢轴方向上分成部分光束，这些光束在快轴方向上偏转，其中源于不同发射器的光射到玻璃板塔的不同层面。在堆叠以形成风扇结构的玻璃板上发生平行移位，其中源于不同发射器的光束在慢轴方向上一个在一个之上地排列。光线在玻璃板塔内依靠全反射传播，其中在玻璃板和/或玻璃板表面之间需要具有比玻璃板本身低的反射系数的介质。由于慢轴的发散，趋于不同玻璃板的光部分地混合，失去了此部分。在此方法中，需要若干柱面透镜、球状透镜和玻璃透镜，这就增加了结构尺寸，并且使得同时利用不同多路传输方法变得困难。也可以使用玻璃板堆叠的两个塔(美国5,805,784和美国5,986,794)来实现变窄和堆叠。在此解决方案中，激光棒同样彼此保持相互间隔，因此此方法最适合源自单个激光棒的光功率的基于纤维的耦合。提出了许多基于微型镜片的不同的变窄和堆叠结构。例如，通过半导体技术由半导体制造的两排偏置镜片(美国5,887,096)或偏转镜片系统(美国5,808,323)能够用于此目的。美国专利5,592,333披露了基于单片镜片技术的变窄光学元件，该元件同时除去了发射器之间的空载空间。源于每个发射器或发射器群的光束从“V”型槽的两边缘反射，其中传播方向改变90度，并且局部光束以新的方式彼此堆叠。这导致了原始长光束的分离，以及在快轴方向上各个光束顶部上分离的局部光束的形成，其中，这些光束可以用一个透镜校准。然而，根据此方法的设备结构是“L”型，其需要大的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生高光功率密度的方法，在该方法中，二极管激光器（Ｅ）以这样的方式形成多个激光棒（ＬＢ）：在单个激光棒（ＬＢ）中，邻近的二极管激光器（Ｅ）的慢轴相对于彼此放置在平行线上，且所述二极管激光器（Ｅ）发射至大致相同的方向（ｚ），由所述多个激光棒（ＬＢ）发射的辐射一起汇集成在与光轴（Ａ）平行的方向上前进的汇集的光束，其特征在于，激光棒（ＬＢ）位于相对于光轴（Ａ）成轴对称结构的扇区内，为了利用空间多路传输来汇集所述光束，转动（ＤＥ）从不同扇区发出的光束方向，以变得大致平行于光轴（Ａ）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T阿拉豪塔拉，E拉西拉，
申请(专利权)人：卡维塔股份有限公司，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]