具有二极管激光条平面阵列的光源制造技术

光源包括二极管激光条的平面阵列和多个转向镜，多个转向镜排列成使来自二极管激光条的光束在快速轴方向上堆叠以提供第一组合束。六个平面镜排列成：使组合束分为慢速轴宽度是第一组合束的三分之一的三个光束切片，并且在快速轴方向上增加光束切片以提供慢速轴宽度是第一组合束的大约三分之一而快速轴长度是第一组合束的3倍的第二组合束。球面镜和柱面镜将第二组合束聚焦到光纤中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术人：S·戈沃尔科夫和J·H·杰曼相关申请的交错引用本申请要求2014年5月16日提交的美国申请No.14/279,804的利益，在此通过引用方式将该申请的全部内容并入本文。
本专利技术一般涉及用于材料加工以及高功率光纤激光器和光纤放大器的光泵浦的光源(激光辐射源)。本专利技术具体涉及具有二极管激光条阵列并且发出大约1千瓦(KW)或更高的总功率的光源。
技术介绍
术语“二极管激光条”是激光领域的实践者用来描述在条状单晶半导体基板中的空间间隔二极管激光器(发射器)的线性阵列的术语。条状二极管激光器的特征为具有传播轴(发射轴)和相互垂直并且垂直于传播轴的快速轴和慢速轴。与沿着慢速轴(例如，大约5°半角)发射的发射器相比，发射器沿着具有较高发散(例如，在大约20°与30°半角之间)的快速轴发射。二极管激光条一般具有大约10毫米(mm)的长度、大约1-1.5mm的宽度和大约100微米(μm)的厚度。发射器位于二极管激光条中并且发射器的慢速轴在表面上沿着二极管激光条的长度方向相互对齐。在10mm长二极管激光条中的发射器的一般数量为19。二极管激光条的特征通常为“填充因数”，该填充因数为在条上的发射器孔径的宽度的总数除以条的长度。在具有20个宽度相等的发射器的二极管激光条中，每个发射器均具有大约150μm的宽度(即，慢速轴尺寸)。发射孔径的高度(快速轴尺寸)通常为大约1.5μm(即，比宽度小100倍)。在该
技术介绍
的讨论中以及在下面的本专利技术详细描述中，将会参考“光束参数乘积”(BPP)。BPP是常用的激光束质量测量标准，并且是光束腰半径与进或出光束腰的光束的发散半角的数学乘积。激光束的BPP的标准单位是毫米-毫弧度(mm.mr)。光束被认为质量越高，BPP越低。BPP基本上独立于通常被称为“亮度”的另一种常用的光束质量测量标准，亮度可以被大致表述为在光束腰区域和立体角中的辐射的总强度。从上述典型二极管激光-发射器孔径尺寸(实际上是不旋转对称的光束腰)可以清楚，示例性发射器的慢速轴BPP大约比示例性发射器的快速轴BPP大(小)15倍。由于在任何轴上的BPP是增加的，因此对于二极管激光条，该比例被在二极管激光条中的发射器的数量放大。作为质量测量标准的BPP的主要意义在于，当使单束或包括多个单束的组合束聚焦到具有对称的(在相互垂直的横轴上)数值孔径(NA)的圆孔中时，光束的BPP越对称，能够聚焦到NA中的辐射、亮度越均等。圆孔通常具有光纤纤芯或包层。从二极管激光条辐射的BPP的高度不对称性已经成为激光技术实践者的特别挑战，激光技术实践者出于光泵浦的目的希望将辐射聚焦到具有掺杂纤芯(增益光纤)的光纤中或者为了运输到将要使用辐射的位置而希望聚焦到具有不掺杂纤芯的光纤中。在高功率光纤激光器或激光器材料加工的光泵浦中，需要的功率比单个二极管激光条能够提供的功率更多。为了在单个光源中提供如此高的功率，二极管激光条被堆叠使用。二极管激光条堆栈的优选类型是所谓的“垂直”堆栈，其中二极管激光条彼此上下放置，即，无论堆栈的实际物理朝向如何均堆叠在快速轴方向上。从BPP对称性的观点看，这种堆栈是有利的，这是因为快速轴BPP由于快速轴堆叠而增加，同时慢速轴BPP保持相同。在商业上可以获得具有多达26个二极管激光条的垂直堆栈。具有这种堆栈的光源通常需要包括若干折射光学元件的复杂光束成形和聚焦。在转让给本专利技术的受让人的美国专利No.8,602,592中描述了具有多个垂直二极管激光条堆栈的光源，在此通过引用方式将该专利的全部内容并入本文。出于亮度考虑，或者仅为了减小垂直堆栈的快速轴的总体尺寸，优选的是二极管激光条的快速轴间隔尽可能接近。这使安装在非常薄的架子上或安装在从共用散热器延伸出来的基板上的二极管激光条冷却装置变得复杂。通常，需要高压微通道水冷。这种微通道冷却需要使用去离子水，以避免在冷却通道中的腐蚀问题。这种垂直二极管激光条堆栈的其他问题包括：在实践中不能灵活改变二极管激光条的快速轴间隔或“间距”；在实践中不能更换故障二极管激光条；以及难以测试和烧焊单个二极管激光条。二极管激光条的替换组合排列方式为在共用散热器的表面上形成二极管激光条的平面阵列。这允许二极管激光条与散热器紧密热接触，其中该散热器可以允许用低压微通道冷却代替高压微通道冷却。这与二极管激光条相对于大通道电绝缘的结合不需要去电离水，从而允许使用标准自来水(“饮用水”)。二极管激光条的平面阵列可以具有沿着传播轴方向或沿着慢速轴方向在散热器上间隔排列的二极管激光条。来自二极管激光条的输出光束通过快速轴校准(FAC)透镜在快速轴方向上校准，然后通过慢速轴校准(SAC)透镜阵列在慢速轴方向上校准。多种光学装置可以用于在快速轴方向上“堆叠”来自二极管激光条的光束以形成组合束，通过适当的聚焦光学器件将该组合束聚焦到光纤中。平面二极管激光阵列的一个特有问题是从每个二极管激光条到聚焦光学器件的光学距离不同，通常从最短距离增加到最大距离。在其他因素中，由于二极管激光条的本身较低的光束质量和FAC和SAC校准光学器件的限制，所以光束不能被完全校准。这在慢速轴方向上尤其典型。结果，对于每条光束，二极管激光条光束在聚焦光学器件处的慢速轴长度不同。因此，二极管激光条光束在聚焦光学器件处的组合的横截面在快速轴方向上没有平行边，这低于填充光纤NA的理想条件。当然，该问题可以通过在平面阵列中限制二极管激光条的数量得到缓解，但是，除了总功率限制以外，该限制通过快速轴堆叠来自二极管激光条的光束降低了上述BPP不对称性可以降低到的程度。需要一种平面二极管激光阵列光源，该平面二极管激光阵列光源能够改进在提供至聚焦光学器件的组合束中的BPP对称性。专利技术目的在一方面中，根据本专利技术的光学装置包括光纤和二极管激光条模块的平面阵列，每个二极管激光条模块均发射激光辐射光束。每条光束的特征为具有相互垂直的快速轴、慢速轴和传播轴。第一多个转向镜排列成：使来自所述二极管激光条的光束相互平行地传播，在所述慢速轴方向上对齐并且在所述快速轴方向上间隔开以形成具有快速轴长度和慢速轴宽度的第一组合束。第二多个转向镜排列成：使所述第一组合束划分为慢速轴宽度均小于所述第一组合束的慢速轴宽度的多个光束切片，并且在所述快速轴方向上增加光束切片以形成慢速轴宽度小于所述第一组合束的慢速轴宽度的第二组合束。失真聚焦光学器件排列成使所述第二组合束聚焦到所述光纤中。失真聚焦光学器件的慢速轴方向的光学功率大于所述第二组合束的快速轴方向的光学功率。附图说明并入说明书并构成说明书一部分的附图示意性示出了本专利技术的优选实施例，并且与上面提供的一般描述和下面提供的优选实施例的详细描述一起用于阐述本专利技术的原理。图1示意性示出根据本专利技术的用于光源的平面二极管激光条阵列，包括在平面散热器上沿着传播轴方向间隔的第一组四个二极管激光条和第二组四个二极管激光条，其中二极管激光条的慢速轴相互平行，第一组和第二组二极管激光条在传播轴方向上朝着彼此发射，并且多个转向镜设置成沿着快速轴方向堆叠来自二极管激光条的光束以形成朝着远离平面散热器方向的组合束。图1A示意性示出在图1的平面二极管激光阵列中的二极管激光条模块的细节。图1B示意性示出大致沿着图1的方向1B-1B观看的组合束的横本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学装置，包括：光纤；二极管激光条模块的平面阵列，每个二极管激光条模块均发射激光辐射光束，每条光束的特征为具有相互垂直的快速轴、慢速轴和传播轴；第一多个转向镜，所述第一多个转向镜排列成：使来自所述二极管激光条的光束相互平行地传播，在所述慢速轴方向上对齐并且在所述快速轴方向上间隔开以形成具有快速轴长度和慢速轴宽度的第一组合束；第二多个转向镜，所述第二多个转向镜排列成：使所述第一组合束划分为慢速轴宽度均小于所述第一组合束的慢速轴宽度的多个光束切片，并且在所述快速轴方向上增加光束切片以形成慢速轴宽度小于所述第一组合束的慢速轴宽度的第二组合束；以及失真聚焦光学器件，所述失真聚焦光学器件排列成使所述第二组合束聚焦到所述光纤中，并且所述失真聚焦光学器件的慢速轴方向的光学功率大于所述第二组合束的快速轴方向的光学功率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.16 US 14/279,8041.一种光学装置，包括：光纤；二极管激光条模块的平面阵列，每个二极管激光条模块均发射激光辐射光束，每条光束的特征为具有相互垂直的快速轴、慢速轴和传播轴；第一多个转向镜，所述第一多个转向镜排列成：使来自所述二极管激光条的光束相互平行地传播，在所述慢速轴方向上对齐并且在所述快速轴方向上间隔开以形成具有快速轴长度和慢速轴宽度的第一组合束；第二多个转向镜，所述第二多个转向镜排列成：使所述第一组合束划分为慢速轴宽度均小于所述第一组合束的慢速轴宽度的多个光束切片，并且在所述快速轴方向上增加光束切片以形成慢速轴宽度小于所述第一组合束的慢速轴宽度的第二组合束；以及失真聚焦光学器件，所述失真聚焦光学器件排列成使所述第二组合束聚焦到所述光纤中，并且所述失真聚焦光学器件的慢速轴方向的光学功率大于所述第二组合束的快速轴方向的光学功率。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二多个转向镜进一步排列成：所述第二组合束的快速轴长度大于所述第一组合束的快速轴长度。3.根据权利要求2所述的装置，其中在所述装置的平面阵列中具有8个二极管激光条模块，发射总共8条光束。4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一多个转向镜排列成：在组合为所述第一组合束之前，8条光束中第一相邻4条光束朝着8条光束中第二相邻4条光束传播。5.根据权利要求2所述的装置，其中所述第二多个转向镜将光束划分为3个大致相等的切片，所述第二组合束的快速轴长度是所述第一组合束的快速轴长度的3倍，所述第二组合束的慢速轴宽度是所述第一组合束的慢速轴宽度的三分之一。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述失真聚焦光学器件包括球面镜，所述球面镜在所述第二组合束的传播方向上的后面具有与球面镜间隔开的柱面镜，所述柱面镜的圆柱轴与所述第二组合束的快速轴对齐，并且所述柱面镜在所述快速轴上的光学功率大于球面镜在所述快速轴上的光学功率。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述球面镜的焦距以及所述球面镜与所述柱面镜之间的间隔选择成：所述第二组合束在所述柱面镜上具有大致相等的快速轴尺寸和慢速轴尺寸。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二组合束的快速轴长度与所述第一组合束的快速轴长度大致相等。9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二多个转向镜排列成：使所述第一组合束划分为两个切片并且使所述切片交错以形成所述第二组合束。10.一种光学装置，包括：光纤；散热器；第一和第二多个二极管激光条，每个二极管激光条的特征为具有相互垂直的快速轴、慢速轴和传播轴；所述二极管激光条在所述散热器上空间间隔地排列并且在所述慢速轴的方向上对齐，每个二极管激光条均在其传播轴方向上发射光束；第一多个转向镜，所述第一多个转向镜排列成：接收来自所述二极管激光条的光束，并且使来自所述第一多个二极管激光条的光束朝着来自所述第二多个二极管激光条的光束反向传播；第二多个转向镜，所述第二多个转向镜排列成：接收反向传播的光束，并且由于第一组合束具有快速轴尺寸和慢速轴尺寸，因而使光束沿着相同的方向相互平行且在快速轴方向上空间间隔地同向传播；第三多个转向镜，所述第三多个转向镜排列成：使所述第一组合束在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·戈沃尔科夫，J·H·杰曼，
申请(专利权)人：相干公司，
类型：发明
国别省市：美国;US