激光束方法和系统技术方案

用于操纵和调制激光束的方法和设备。该方法和设备使得在激光系统维持其操作功率时能够激活和去激活激光束。此外，一种混合泵浦模块，该混合泵浦模块被配置为耦合至具有芯和至少一个包层的光纤，该混合泵浦模块包括：与该光纤光学耦合的至少一个聚焦透镜；多个二极管模块，每个二极管模块被配置为在具有包层的光路中输出多模光束；以及在具有芯的光路中的至少一个芯相关模块，该芯相关模块被配置为提供选择的功能。此外，设备和方法被配置用于使光辐射倍频。辐射倍频。辐射倍频。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光束方法和系统
[0001]专利技术背景
[0002]操纵从激光器、激光束阵列和光纤阵列发出的光束的能力已在许多领域变得重要，这些领域包括：焊接、切割、勘测、制衣业、激光核聚变、通信、激光印刷、CD和光盘、光谱学、热处理、条形码扫描仪、激光冷却、跟踪和定位技术。在这些和其他相关领域中，激光的应用经常需要对激光束高速激活和去激活。
[0003]当前，用于操纵(激活/去激活)光纤束的方法需要操纵激光系统的功率。例如，“接通”/“关断”(关停)种子光束装置(seed beam device)，或转移/阻挡种子光束，或关断其电流。例如由于光纤激光器的自发发射时间，这些功率操纵相对较慢(在1-5KHz范围内)，并且当激光器发射放大的自发发射时，会损坏激光系统的某些部件。
[0004]长期以来，需要一种能够实现对高功率激光束进行高速率操纵(激活/去激活)的方法和/或装置，例如可以在光束扫描和其他快速材料加工过程中使用的方法和/或装置。
[0005]高功率光纤激光器和光纤放大器需要高亮度泵浦源和高效技术以与掺杂光纤耦合，从而激发离子并启动产生激光的过程。将信号功率与芯(core)耦合也是至关重要的。
[0006]将泵浦和/或信号光与掺杂的光纤耦合的常用方法是基于端面泵浦技术(end face pumping technique)经由熔融耦合器，熔融耦合器为光纤合束器或熔锥光纤束(TFB)。具有信号馈通的TFB合束器包括中心输入信号光纤和输出尾纤(卷曲)双包层(DC)光纤(output pigtail(curled)double-clad(DC)fiber)，其将信号和泵浦光合成在单个尾纤中。TFB的使用包括(通过数个多模光纤包围)引导信号光和引导泵浦光。为了使纤维束的直径与输出尾纤的直径相匹配，纤维束应缓慢熔化并逐渐变细。在逐渐变细的过程后，纤维束在锥形腰部周围劈开并熔接成输出尾纤DC光纤。然而，使纤维束变细必然会涉及增加泵浦光的数值孔径(NA)和改变信号光的模场直径(MFD)。因此，锥形纤维束和输出尾纤DC光纤之间必要的光学匹配和机械对准要求可能会导致TFB结构的若干缺点，例如：
[0007]-在逐渐变细的过程之后，选择可以与输出尾纤DC光纤匹配的输入光纤的灵活性较低；
[0008]-锥形输入信号光纤和输出尾纤DC光纤的信号模式场直径(MFD)之间略有失配或未对准会导致光束质量下降，这主要与信号插入损耗有关，且这也可能在高功率操作时导致对光纤的灾难性的损坏；
[0009]-在反向传播信号的情况下，例如对于反向传播的泵浦光纤放大器，信号插入损耗(高达10％)会由于对放大信号光的隔离不足而导致泵浦二极管损坏。
[0010]另一种常见的技术包括单片式全光纤合束器(monolithic all-fiber combiner)，例如渐变(GT)波耦合器，其在多包层光纤周围使用锥形毛细管，或者将一个或更多个锥形多模光纤直接熔接到多包层光纤的最外层包层。
[0011]然而，当前的合束器的耦合效率不足以允许它们在超高功率放大器和激光器中使用。另外，由于信号光纤与泵浦光纤一起逐渐变细，因此，所导致的信号光纤的小芯直径在与大模面积双包层光纤耦合时产生了严重的失配问题。这些大模场直径失配会导致不可接受的高信号损失，这可能会导致温度升高并损坏TFB。
[0012]另一个缺点在于它们易受在激光信号的线宽窄于几十兆赫兹时就会发生寄生非线性过程(主要是受激布里渊散射(SBS))的影响。这是由于光信号场和光纤的芯材的相互作用长度长(由于部件的附加纤维长度所致)。
[0013]因此，需要一种克服上述缺陷、可以减少熔接点的数量并且可以减少能量损失的新技术。
[0014]在一些实施例中，本专利技术涉及非线性晶体(NLC)中的高平均功率激光束(high-average power laser beams)的频率转换。其涉及一种用于校正在单个NLC或多个NLC链中的第一个中可能出现的在基频输入光束和频率转换输出光束之间的有害失配相(MP)的装置。
[0015]过去为实现高平均功率谐波转换(high-average power harmonic conversion)所做的努力已经达到了由损伤阈值(晶体内部或其抗反射涂层的损伤)或吸收引起的热效应决定的极限。
[0016]晶体及其抗反射(AR)涂层的改进使热致失配相(TMP)成为高平均功率性能的主要限制因素。控制TMP的一种选择是使用超低吸收晶体。一个示例是用于1064nm激光器倍频的三硼酸锂(LBO)。
[0017]然而，在某种功率电平下，晶体的加热开始降低性能，且因此必须采用某种补偿方法。
[0018]文献中已报道的一种方法是使用带有中间相位失配补偿器(PMC)的两个晶体。PMC为一种光学元件，其表现出色散和/或偏振相关的折射率。这种色散可能是材料的固有特性[D.Fluck和P.Gunter在《Optics Comm.》147，305-308(1998)：“Efficient second-harmonic generation by lens wave-guiding in KNbO crystals”；A.K.Hansen、M.Tawfieq、O.B.Jensen、P.E.Andersen、B.Sumpf、G.Erberty和P.M.Petersen在《Optics Express》23,15921-15934(2015)：“Concept for power scaling second harmonic generation using a cascade of nonlinear crystals”；A.K.Hansen、O.B.Jensen、B.Sumpf、G.Erbert、A.Unterhuber、W.Drexler、P.E.Andersen、P.M.l Petersen在《SPIE会议论文集》第8964卷(2016)：“Generation of 3.5W of diffraction-limited green light from SHG of a single tapered diode laser in a cascade of nonlinear crystals”；X.Liu、X.Shen、J.Yin和X.Li在《J.Opt.Soc.Am.B》34，383-388(2017)：“Three-crystal method for thermally induced phase mismatch compensation in second-harmonic generation”]；或者，也可以由外部电场(施加在电光材料上的电场，诸如普克尔盒(Pockels cell)中的电场)施加[Z.Cui、D.Liu，l、M.Suny、J.Miao和J.Zhu在《JOSA B》33,525-534(2016)：“Compensation method for temperature-induced phase mismatch duri本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于对由激光系统提供的激光束进行调制的方法，所述激光系统包括至少一个种子激光装置和相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所述种子激光装置的种子光束且被配置为选择性地提供放大的激光束；所述CBC系统包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所述种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长或相消光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；所述方法包括以下步骤：通过控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉来激活所述激光束，从而提供所述激光束；通过控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相消光束干涉来去激活所述激光束，从而阻止所述激光束。2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉来激活的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。3.根据权利要求2所述的方法，其中，通过控制所述相位调制器以提供所述相消干涉来去激活的步骤包括控制半数的被调谐的相位调制器以将半个相位(π)添加到所述半数的被调谐的相位调制器的光束中。4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过控制所述相位调制器以提供所述相消干涉来去激活的步骤包括修改被调谐的相位调制器中的一些相位调制器。5.根据权利要求4所述的方法，其中，被调谐的相位调制器中的每一个被不同地修改。6.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：通过修改被调谐以提供最大光束强度的相位调制器中的一些来调谐所述激光束，所述修改被配置为使所述激光束的强度等于所述最大强度的预定百分比。7.根据权利要求1所述的方法，通过控制所述相位调制器以提供所述相消光束干涉来去激活的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最小强度的光束干涉。8.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：至少一个种子激光装置；快速光调制器(FOM)，所述快速光调制器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的带宽；相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所调制的种子光束并相应地提供放大的激光束；所述方法包括以下步骤：通过控制所述FOM以提供具有第一带宽(Δω1)的种子光束来激活所述激光束，从而提供所述激光束，所述第一带宽被配置为在所述CBC系统的CBC点处启用相长干涉；通过控制所述FOM以提供具有第二带宽(Δω2，其中Δω2>Δω1)的种子光束来去激活所述激光束，从而阻止所述激光束，所述第二带宽被配置为在所述CBC点处禁用相长干涉。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述CBC系统包括：
多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在所述CBC点处启用相长光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；并且其中，激活的步骤还包括控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉。10.根据权利要求9所述的方法，其中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。11.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束；第一种子激光装置，所述第一种子激光装置被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；第二种子激光装置，所述第二种子激光装置被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；以及光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；所述CBC系统，包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所链接的种子激光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所链接的种子激光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；所述方法包括以下步骤：通过控制所述光学开关以将所述第一种子光束链接到所述CBC系统并控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉来激活所述激光束，从而提供所述激光束；通过控制所述光学开关以将所述第二种子光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而禁用所述相长光束干涉并阻止所述激光束。12.根据权利要求11所述的方法，其中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。13.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束；第一种子激光装置，所述第一种子激光装置被配置为提供具有第一带宽(Δω1)的第一种子激光束；第二种子激光装置，所述第二种子激光装置被配置为提供具有第二带宽(Δω2)的第二种子激光束，所述第二带宽大于所述第一波长(Δω2>Δω1)；以及
光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；其中，所述第一带宽(Δω1)被配置为在所述CBC系统的CBC点处启用相长光束干涉，并且其中，所述第二带宽(Δω2)被配置为在所述CBC点处禁用相长光束干涉；所述方法包括以下步骤：通过控制所述光学开关以将所述第一种子激光束链接到所述CBC系统来激活所述激光束，从而启用相长干涉并提供所述激光束；通过所述控制光学开关以将所述第二种子激光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而禁用相长干涉并阻止所述激光束。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述CBC系统包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所链接的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述链接的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在所述CBC点处启用相长光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；并且其中，激活的步骤还包括控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉。15.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。16.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子光束并提供放大的激光束；第一种子激光器，所述第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；第二种子激光器，所述第二种子激光器被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；以及二向色镜，所述二向色镜被配置为接收所述放大的激光束，将具有所述第一波长(λ1)的光束传输到所述激光系统的输出端，并反射具有所述第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供所输出的激光束；所述方法包括以下步骤：通过控制光学开关以将所述第一种子光束链接到所述CBC系统来激活所述激光束，从而输送并提供所述激光束；通过控制光学开关以将所述第二种子光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而反射和避免所述激光束。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述CBC系统包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所链接的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所链接的种子光
束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，且被配置为相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；并且其中，所述方法还包括至少在激活的步骤期间控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉。18.根据权利要求17所述的方法，其中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。19.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：主振荡器功率放大器(MOPA)，所述主振荡器功率放大器被配置为接收种子光束并提供放大的激光束；第一种子激光器，所述第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；第二种子激光器，所述第二种子激光器被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和所述第二种子光束中的一者链接到所述MOPA；以及二向色镜，所述二向色镜被配置为接收所述放大的激光束，将具有所述第一波长(λ1)的光束传输到所述激光系统的输出端，并反射具有所述第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供所输出的激光束；所述方法包括以下步骤：通过控制光学开关以将所述第一种子光束链接到所述MOPA来激活所述激光束，从而输送并提供所述激光束；通过控制光学开关以将所述第二种子光束链接到所述MOPA来去激活所述激光束，从而反射和避免所述激光束。20.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：至少一个种子激光装置；光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子激光束并调制所述种子激光束的偏振方向；其中，所述调制包括向所述种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收偏振调制的种子光束并提供放大的激光束；以及偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，从而选择性地提供所述激光束；所述方法包括以下步骤：通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述种子激光束的总强度的50％的光束分量来激活所述激光束，从而提供所述激光束；通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述种子
激光束的总强度的50％的光束分量来去激活所述激光束，从而避免所述激光束。21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于所述种子激光束的总强度的预定百分比的光束分量来调谐所述激光束。22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述CBC系统包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所偏振调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述偏振调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；并且其中，所述方法还包括至少在激活的步骤期间控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉。23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述OPC包括：分束组件，所述分束组件被配置为接收具有第一偏振方向(P1)的输入光束，并被配置为输出具有所述第一偏振方向(P1)和第一强度(I1)的第一光束(B1(I1，P1))以及具有所述第一偏振方向(P1)和第二强度(I2)的第二光束(B2(I2，P1))，其中，所述第一强度和第二强度的和(I1+I2)等于所述输入光束的强度；偏振转换器，所述偏振转换器被配置为接收所述分束组件的输出光束中的一者(B1或B2)并转换所述输出光束中的所述一者的偏振；以及偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，并将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成为第三光束，所述第三光束被提供作为所述CBC系统的输入；或者，耦合器，所述耦合器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成并将其分成两个输出光束，其中，所述两个输出光束中仅一个输出光束被提供作为所述CBC系统的输入。24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述分束组件包括：分束器，所述分束器被配置为接收输入光束并将所述输入光束分成两个光束；相位调制器，所述相位调制器被配置为调制所述两个光束中的一个光束的相位；耦合器，所述耦合器被配置为接收所述两个光束并在两个位置处提供所述两个光束的干涉，从而提供所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二输出光束(B2(I2，P1))；电子控制器，所述电子控制器被配置为监测两个干涉位置中的一个干涉位置，并控制所述相位调制器以在所监测的位置处相应地启用相长或相消光束干涉，并且其中，由此对应地向未被监测的干涉位置提供相消或相长光束干涉；并且其中，控制所述OPC的步骤包括控制所述相位调制器。25.一种用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：至少一个种子激光装置；至少一个光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的偏振方向；其中，所述调制包括向所述种子光束提供
至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；主振荡器功率放大器(MOPA)，所述主振荡器功率放大器被配置为接收所调制的种子光束并提供放大的激光束；以及偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，从而选择性地提供所述激光束；所述方法包括以下步骤：通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述光束的总强度的50％的光束分量来激活所述激光束，从而提供所述激光束；通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述光束的总强度的50％的光束分量来去激活所述激光束，从而避免所述激光束。26.一种被配置为调制激光束的激光系统，所述激光系统包括：至少一个种子激光装置；至少一个光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的偏振方向；其中，所述调制包括向所述种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收偏振调制的种子光束并提供放大的激光束；偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，因此选择性地提供所述激光束；以及电子控制器，所述电子控制器被配置为：通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述光束的总强度的50％的光束分量来激活所述激光束，因此提供所述激光束；通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述光束的总强度的50％的光束分量来去激活所述激光束，因此避免所述激光束。27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述CBC系统包括：多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行光学连接：所述偏振调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述偏振调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y，
申请(专利权)人：希万先进科技有限公司，
类型：发明
国别省市：