高可靠性、高功率、高亮度蓝色激光二极管系统及其制造方法技术方案

本发明专利技术提供的高功率、高亮度固体激光系统能够保持初始光束性能，包括功率水平，并且在至少10000小时的运行时间内不会出现性能或光束质量下降。本发明专利技术提供了一种高功率、高亮度固体激光系统，其内部环境中含有氧气且不含硅氧烷。氧烷。氧烷。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高可靠性、高功率、高亮度蓝色激光二极管系统及其制造方法
[0001]本申请要求2019年2月2日提交的美国临时申请序列号62/800,474的提交日的优先权，其全部公开内容以引用方式并入本文。


[0002]本专利技术涉及提供较低波长(约10nm至约600nm，且在实施例中通常为约350nm至约500nm)波长激光能量的高功率激光系统，以及这些系统和激光束的用途，包括增材减材制造、材料加工和激光焊接应用。本专利技术还涉及此类激光系统及其应用，其提供具有优良光束质量的激光束，并且在实施例中，在较长时间内保持激光束的高质量和高功率。

技术介绍

[0003]除其他缺陷外，基于红外(IR)(例如，波长大于700nm，尤其是波长大于1000nm)的增材制造系统还存在两个缺陷，这两个缺陷限制了构建量和构建速度。
[0004]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则“UV”、“紫外线”、“UV光谱”和“光谱的UV部分”及类似术语应赋予其最广泛的含义，并将包括波长约为10nm至约400nm、10nm至400nm的光，以及这些范围内的所有波长。
[0005]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“激光二极管”、“二极管发射器”、“激光二极管棒”、“激光二极管芯片”和“发射器”以及类似术语应赋予其最广泛的含义。通常，激光二极管是发射激光束的半导体器件，此类器件通常被称为边缘发射激光二极管，因为激光从基板边缘发射。典型地，具有单个发射区域(发射器)的二极管激光器通常称为激光二极管芯片，而发射器的线阵称为激光二极管棒。发射激光束的区域称为“面”。
[0006]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“高功率”、激光器和激光束以及类似此类术语是指并包括激光束，以及提供或传播功率至少为100W(瓦)以及更大功率的激光束的系统，例如从100W到10kW(千瓦)，从约100W到约1kW，从约500W到约5kW，从约10kW到约40kW，从约5kW到约100kW，以及这些范围内的所有功率，以及更高的功率。
[0007]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光器”和“蓝色”应赋予其最广泛的含义，并且通常指提供激光束的系统、激光束、激光源，例如激光器和二极管激光器，其提供(例如传播)激光束，或具有约400nm至约495nm、400nm至495nm波长以及这些范围内所有波长的光。典型的蓝色激光器的波长范围为约405
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495nm。蓝色激光器的波长包括450nm、约450nm、460nm和约470nm。蓝色激光器的带宽可以从约10pm(皮米)到约10nm、约5nm、约10nm和约20nm，以及更大或更小的值。
[0008]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”、“绿色激光器”和“绿色”应赋予其最广泛的含义，并且通常指提供激光束的系统、激光束、激光源，例如激光器和二极管激光器，其提供(例如传播)激光束，或波长为约500nm至约575nm的光。绿色激光器的波长包括515nm、约515nm、532nm、约532nm、550nm和约550nm。绿色激光器的带宽可以从约10pm到10nm、约5nm、约10nm和约20nm，以及更大或更小的值。
[0009]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“高可靠性”、“高度可靠”、激光
器和激光系统及类似术语是指并包括寿命至少为10000小时或更长、约20000小时、约50000小时、约100000小时、从约10小时到约100000小时、从10000小时到20000小时、从10000小时到50000小时、从20000小时到约40000小时、从约30000小时到约100000小时以及这些范围内的所有值的激光器。
[0010]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“寿命”、“系统寿命”和“延长寿命”以及类似术语被定义为激光器的输出功率、其他性能和两者保持在或接近其标称值(“标称值”是指(i)制造商定义或计算的激光器额定功率、其他性能和两者中的较大值，或(ii)所有校准和调整完成后首次使用时激光器的初始功率、其他性能和两者中的较大值)百分比的时间。因此，例如，“80％激光器寿命”被定义为激光功率、其他性能以及两者均保持在标称值的80％时的总工作时间。例如，“50％激光器寿命”被定义为激光功率、其他性能以及两者均保持在标称值的50％时的总工作时间。如本专利技术中所使用,除非另有规定或从上下文中清楚地规定，否则本专利技术中所使用术语“寿命”指的是“80％寿命”。
[0011]通常，除非另有规定，否则本专利技术中所使用的术语“约”和符号“～”意指包含
±
10％的方差或范围，即与获得规定值相关的实验或仪器误差，最好是其中的较大者。
[0012]如本专利技术中所使用，除非另有明确说明，否则术语“至少”、“大于”等也指“不小于”，即，除非另有明确说明，否则此类术语不包括较低的值。
[0013]如本专利技术中所使用，除非另有说明，否则室温为25℃。并且，标准温度和标准压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有试验、试验结果、物理性能和取决于温度、压力或两者兼有的值，均在标准温度和标准压力下提供。
[0014]如本专利技术中所使用，除非另有规定，否则数值范围、从约“x”到约“y”的范围以及类似的此类术语和量化仅作为单独引用范围内单独数值的速记方法。因此，它们包括该范围内的每个项目、特征、价值、量或数量。如本专利技术中所使用，除非另有规定，否则一个范围内的每个和所有单独点都被纳入本说明书，并且是本说明书的一部分，如同它们在本专利技术中被单独叙述一样。
[0015]本专利技术的本部分的
技术介绍
旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可能与本专利技术的实施例有关。因此，本部分中的前述讨论为更好地理解本专利技术提供了框架，并且不应被视为对现有技术的承认。

技术实现思路

[0016]对更可靠的高功率蓝色和其他波长固体激光器和系统的需求持续增加，包括用于焊接、增材制造和其他材料加工的各种应用的激光二极管系统，其中红外激光器具有多个现有技术中描述的缺点。对此类激光器和激光系统的持续需求，部分是为了改进和取代现有的红外激光系统，并提供红外激光系统无法或不经济的新激光应用。此外，需要高可靠性的高功率蓝光激光器和其他波长激光器，以便在工业应用中利用这些系统。
[0017]除其他方式外，本专利技术通过提供本文所教教导和公开的改进、制品、装置和工艺来解决这些需求。
[0018]因此，提供了一种高功率、高亮度的固体激光器组件，用于在长时间内提供高质量的激光束，而不会显著降低所述激光束的性能，所述组件具有：外壳，所述外壳限定了内腔；其中，所述内腔与外壳外部的环境隔离；固体装置，用于从固体装置的传播表面沿激光束路
径传播激光束，其中所述激光束在传播表面具有至少约0.5MW/cm2的功率密度；光学组件，所述光学组件与所述固体装置进行光通信并且位于所述激光束路径上；其中所述固体装置和所述光学组件位于所述外壳内和所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高功率、高亮度固体激光器组件，用于在长时间内提供高质量的蓝色激光束，而不会显著降低所述激光束的性能，所述组件包括：a.外壳，所述外壳限定了内腔；其中，所述内腔与外壳外部的环境隔离；b.固体装置，用于沿激光束路径从固体装置的传播表面传播激光束，其中所述激光束的波长范围为410nm至500nm；其中，所述激光束在所述传播表面具有至少约0.5MW/cm2的功率密度；c.光学组件，所述光学组件与所述固体装置进行光通信并且位于所述激光束路径上；d.其中所述固体装置和所述光学组件位于所述外壳内和所述内腔中，由此所述固体装置和所述光学组件与外部环境隔离；e.所述外壳包括外壳传播表面，由此所述激光束沿着激光束路径从所述外壳传输到所述外部环境；所述外壳传播表面与所述光学组件进行光通信且位于所述激光束路径上；f.所述激光束在离开所述外壳传播表面时以光束性能为特征，所述光束性能包括：(i)至少100W的功率；和(ii)小于100mm
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mrad的BPP；以及，g.所述内腔没有硅基污染源，由此在所述固体装置的运行期间，不会在所述内腔内产生SiO2；由此，所述内腔可避免SiO2积聚；因此，所述光束性能的退化率为2.3％每khrs或更低。2.如权利要求1所述的组件，a.其中，所述固体装置选自由拉曼光纤激光器、二极管激光器和基于晶体的拉曼激光器组成的组；其中，所述光学组件包括光学元件，所述光学元件选自由准直光学器件、聚焦光学器件、透镜、镜子和光束组合光学器件组成的组；b.其中，所述光束性能还包括约20nm或更小的带宽；c.其中，所述外壳传播表面选自由窗口和光纤面组成的组；d.其中，所述BPP小于约40mm
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mrad；以及，e.所述传播表面处的功率密度从约1MW/cm2至约1000MW/cm2。3.如权利要求1至2中任一权利要求所述的组件，a.其中，所述固体装置选自由拉曼光纤激光器、二极管激光器和基于晶体的拉曼激光器组成的组；所述激光束的功率为从约100W至约1000W；b.其中，所述光束性能还包括约20nm或更小的带宽；c.所述传播表面处的功率密度从约0.5MW/cm2至约1000MW/cm2；以及，d.所述光束性能的退化率小于2.0％每khrs。4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的组件，其中所述内腔包括至少包括1％氧气的气体；由此在所述固体装置的运行期间，由碳基污染物在内腔内产生CO2；由此，所述固体装置和光学组件的传播表面避免了积碳。5.如权利要求1至3中任一权利要求所述的组件，其中所述内腔包括至少包括10％氧气的气体；由此在所述固体装置的运行期间，由碳基污染物在内腔内产生CO2；由此，所述固体装置和光学组件的传播表面避免了积碳。6.如权利要求1至3中任一权利要求所述的组件，其中所述内腔包括至少包括40％氧气的气体；由此在所述固体装置的运行期间，由碳基污染物在内腔内产生CO2；由此，所述固体装置和光学组件的传播表面避免了积碳。
7.如权利要求1至3中任一权利要求所述的组件，其中所述内腔包括至少包括60％氧气的气体；由此在所述固体装置的运行期间，由碳基污染物在内腔内产生CO2；由此，所述固体装置和光学组件的传播表面避免了积碳。8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的组件，其中，所述光束性能的退化率为2.0％每khrs或更小。9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的组件，其中，所述光束性能的退化率为1.8％每khrs或更小。10.如权利要求1至9中任一权利要求所述的组件，其中，所述组件的特征在于具有不小于10000小时的寿命。11.如权利要求1至9中任一权利要求所述的组件，其中，所述组件的特征在于具有不小于30000小时的寿命。12.如权利要求1至9中任一权利要求所述的组件，其中，所述组件的特征在于具有不小于50000小时的寿命。13.如权利要求1至9中任一权利要求所述的组件，其中，所述组件的特征在于具有不小于70000小时的寿命。14.如权利要求1至13中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约1MW/cm2。15.如权利要求1至13中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约5MW/cm2。16.如权利要求1至13中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约10MW/cm2。17.如权利要求1至13中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约20MW/cm2。18.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅基污染量低于0.001g。19.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅基污染量低于0.0001g。20.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅基污染量低于0.00001g。21.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅的量小于0.01ppm。22.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅的量小于0.001ppm。23.如权利要求1至17中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔的硅的量小于0.0001ppm。24.如权利要求1至23中任一权利要求所述的组件，其中，所述固体装置包括TO
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9Can。25.如权利要求1至24中任一权利要求所述的组件，其中，所述内腔没有硅基污染源，由此在所述固体装置的运行期间，不会在所述内腔内产生SiO2。26.一种高功率、高亮度固体激光器组件，用于在长时间内提供高质量的蓝色激光束，
而不会显著降低所述激光束的性能，所述组件包括：a.外壳，所述外壳限定了内腔；其中，所述内腔与外壳外部的环境隔离；b.多个二极管激光装置，用于沿多个二极管激光束路径从多个面传播多个激光束，其中所述激光束的波长范围为400nm至500nm；并且其中每个激光束在每个面处具有至少约0.5MW/cm2的功率密度；c.光学组件，所述光学组件与所述二极管激光装置进行光通信并且位于所述激光束路径上；所述光学组件包括准直光学器件和光束组合光学器件；d.所述光学组件组合多个二极管激光束以沿组合激光束路径提供组合激光束；e.其中，所述多个二极管激光装置和光学组件位于外壳内和所述内腔中，由此多个二极管激光装置和光学组件与外部环境隔离；f.所述外壳包括外壳传播表面，由此所述组合激光束沿着所述组合激光束路径从所述外壳传输到所述外部环境；所述外壳传播表面与所述光学组件进行光通信且位于组合激光束路径上；g.所述组合激光束在离开所述外壳传播表面时以光束性能为特征，所述光束性能包括：(i)至少100W的功率；和(ii)小于40mm
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mrad的BPP；以及，h.所述内腔没有硅基污染源，由此在所述多个二极管激光装置的运行期间，不会在所述内腔内产生SiO2；由此，所述内腔可避免SiO2积聚；因此，组合光束性能的退化率为2.3％每khrs或更低。27.如权利要求26所述的组件，a.其中，所述光束性能还包括约15nm或更小的带宽；b.其中，所述外壳传播表面选自由窗口和光纤面组成的组；c.其中，所述BPP小于约15mm
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mrad；以及，d.所述传播表面处的功率密度从约0.5MW/cm2至约1000MW/cm2。28.如权利要求26和27所述的组件，a.其中，所述光束性能还包括约15nm或更小的带宽；其中，所述组合激光束的功率为至少约500W；b.其中，所述外壳传播表面选自由窗口和光纤面组成的组；c.其中，所述BPP小于约30mm
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mrad；以及，d.所述传播表面处的功率密度从约0.5MW/cm2至约1000MW/cm2。29.如权利要求27至28中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约5MW/cm2。30.如权利要求27至28中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约10MW/cm2。31.如权利要求27至28中任一权利要求所述的组件，其中，所述传播表面处的功率密度至少为约20MW/cm2。32.如权利要求26至31中任一权利要求所述的组件，其中，所述光束性能的退化率为2.0％每khrs或更小。33.如权利要求26至...

【专利技术属性】
技术研发人员：让菲利普，
申请(专利权)人：努布鲁有限公司，
类型：发明
国别省市：