【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
在各种实施例中，本专利技术涉及激光系统，具体涉及以堆叠的单光束发射器为特征的激光系统。
技术介绍
1、高功率激光系统用于许多不同的应用，诸如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括：激光发射器，来自激光发射器的激光耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中；和光学系统，其将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。用于激光系统的光学系统通常被设计为产生最高质量的激光束，或者等同地，产生具有最低光束参数积(beamparameter product，bpp)的光束。bpp是激光束的发散角(半角)与光束在其最窄点的半径(即束腰、最小光斑尺寸)的乘积。即，bpp＝na×d/2，其中，d是聚焦光斑(腰)直径，na是数值孔径；由此，bpp可以通过改变na和/或d来改变。bpp量化激光束的质量以及它可以聚焦到小光斑的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位来表达。高斯光束具有最低可能的bpp，其由激光波长除以π给出。在相同波长下实际光束的bpp与理想高斯光束的bpp的比率表示为m2，其是光束质量的波长无关的量度。
2、波长光束组合(wavelength beam combining，wbc)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条的堆叠或以一维或二维阵列布置的其它激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了wbc方法来沿着发射器阵列的一维或二维组合光束。典型的wbc系统包括多个发射器，诸如一个或多个二极管条，其使用色散元件组合以形成多波长光束。wbc系统中的各个发射器单独地谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器
3、为了最大化输出功率，许多wbc系统组合由诸如二极管条的多光束发射器发射的光束。(如本文所用的，“多光束发射器”包括在单个封装内的多个光束源，各个光束源发射光束。二极管条是一个示例，其中各个光束源是半导体二极管。)即，在这样的系统中，由多个二极管条中的每一个发射的多个光束被组合成单个输出光束。二极管条方便地在单个封装内提供多个紧密隔开的发射器(例如19-49个或甚至更多)。然而，可能出现与wbc系统中的二极管条的使用有关的各种问题。
4、在二极管条中，各个二极管发射器在发射的光束的慢轴方向上并排设置。然而，当这样的光束在wbc系统中组合成单个光束时，通常优选的是在快轴维度上这样做以便增强光束质量(例如，在慢轴维度上的光束组合可能导致可能损害组合光束的质量的指向或对准误差)。由此，在wbc系统中，二极管条经常与光束旋转器(或“光学扭转器”)一起使用，光束旋转器将光束旋转90°，从而促进快轴维度上的光束组合。然而，光束旋转器构成wbc系统中的额外花费，并且它们的使用甚至可能导致损害光束质量的功率损耗和光学像差。
5、另外，许多wbc系统通过将单独的快轴准直(fast-axis collimation，fac)透镜和慢轴准直(slow-axis collimation，sac)透镜用于各个二极管条来准直来自各个二极管条的光束。这也导致额外的系统级成本，并且还可能需要大量空间来容纳光学定位在二极管条下游的多个不同sac透镜。
6、而且，诸如二极管条的多光束发射器经常遭受“微笑(smile)”，即，在水平的慢轴维度上的未对准或弯曲。即使微笑不是固有地存在于裸二极管条中，但当安装在激光系统中时，由于例如由物理(例如安装)和/或热效应引起的不平衡应力，其可能在二极管条中引起。二极管条通常还需要高操作电流来驱动多个二极管发射器，且可能遭受条内的发射器到发射器热串扰，从而致使冷却方案更复杂且困难。
7、鉴于以上所述，需要改进的wbc激光源和系统，其解决由使用二极管条引起的问题，同时仍然使得能够形成由许多输入光束的组合产生的高质量输出光束。
技术实现思路
1、本专利技术的各种实施例提供了用于wbc系统的激光束源，其基于单发射器的布置，即，各个单独的封装各自仅包含诸如半导体二极管发射器的单光束源。在各种实施例中，发射器被布置为使得它们的光束被堆叠(例如，在快轴维度上)成对准的光束堆叠，并且这样的光束堆叠可以方便地用作wbc激光系统中的输入。如本文所用的，“堆叠的”光束在相同的方向上传播并且可以是但不是必须重叠的(即，堆叠的光束可以部分或完全重叠，但不是必须的)。虽然堆叠的光束在至少一个维度上(例如，如在平面图或顶视图中观察到的)彼此对准，但是在垂直维度上(例如，如从侧面观察到的)，光束可以不完全重叠并且甚至可以在空间上彼此分离。
2、在各种实施例中，发射器被布置为使得它们共享单个sac透镜，并且还使得各个发射器与sac透镜之间的光学路径长度大致相同(例如，彼此在±10％内相同，或甚至彼此在±5％内相同)。这样，本专利技术的实施例不仅降低了整个系统的成本并增加了系统的紧凑性(例如，由于使用单个sac透镜代替各个发射器的专用sac透镜)，而且由于光束的相等路径长度而提供了极好的光束质量。
3、在各种实施例中，来自光束发射器(例如，二极管发射器)的光束在快轴上堆叠，从而消除了对光束扭转器的需要以及与其伴随的成本和光束质量以及功率劣化。而且，使用单发射器使得能够使用显著减小的操作电流，因为单发射器可以方便地串联电连接(二极管条实际上是在单个封装中并联连接的多个二极管源)。单发射器也不会遭受发射器微笑，从而产生更高质量的wbc输出。使用单发射器还使发射器之间的热串扰量最小化，这有助于简化源发射器的冷却设计。最后，与二极管条相比，诸如二极管发射器的单发射器还具有长得多的寿命，这实现更大的系统操作时间和更少的维护停机时间和成本。
4、在本专利技术的各种实施例中，多个源发射器被布置为一个或多个线性堆叠或布置(即，发射器的大致笔直行)。在各个线性堆叠中，发射器可以在三个相互垂直的维度中的每一个上彼此隔开，并且这些间隔可以沿着线性堆叠中的每一个(或者甚至全部)大致一致。光束被发射到一系列交错反射镜，这些交错反射镜截取光束并将它们反射到共享的出射点，使得光束在出射点沿着一个维度堆叠(即，从而形成“光束堆叠”)。重要的是，交错反射镜被布置为使得各个光束从其发射器到共享出射点所穿过的光学距离彼此近似相等。例如，交错反射镜还可以被布置为一个或多个线性堆叠。本专利技术的各种实施例以光束的出射点处的单个共享准直透镜(例如，sac透镜)为特征，以便准直堆叠的光束(例如，在慢轴上)。
5、在以发射器的多个线性布置为特征的实施例中，发射器可以布置为彼此平行的一系列行。在其它实施例中，线性布置可以被布置为成对镜像。即，各对发射器行将是彼此的镜像(并且由此通常不彼此平行)。在这样本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维空间中的激光设备，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述激光设备包括：
2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。
3.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在各个第二线性堆叠中，所述交错反射镜(i)沿着x轴彼此分开所述距离Δx和(ii)沿着所述y轴彼此分开所述距离Δy。
4.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：准直透镜，其布置在所述共享出射点处。
5.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述准直透镜是慢轴准直透镜，其被配置为接收所述光束堆叠并且使所述光束堆叠在慢轴上准直。
6.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器包括二极管发射器。
7.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：多个快轴准直(FAC)透镜，各个FAC透镜被定位为接收来自不同发射器的光束并且在快轴上准直所述光束。
8.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述一个或多个第一线性堆叠由单个第一线性堆叠构成。
9.根据权利要求1所
10.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠彼此平行地布置。
11.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠被布置为成对镜像。
12.根据权利要求1所述的激光设备，其中，Δz近似等于Δx。
13.根据权利要求1所述的激光设备，其中：
14.根据权利要求13所述的激光设备，其中，Δz大于或近似等于单个子安装件的宽度。
15.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在所述光束堆叠中，由所述光束发射器发射的光束沿着所述光束的快轴堆叠。
16.根据权利要求1所述的激光设备，其中：
17.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸近似等于Δy×N+b，N等于所述光束发射器的数量，并且b等于各个光束在所述堆叠方向上的尺寸。
18.根据权利要求17所述的激光设备，其中，所述堆叠方向沿着光束的快轴。
19.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠是包括多个镜面的整体部件。
20.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠包括固定到公共平台的多个交错反射镜。
21.一种三维空间中的光束堆叠的方法，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述方法包括：
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一线性堆叠的数量等于所述第二线性堆叠的数量。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，各个交错反射镜被定位为接收光束的其中一个。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，各个所述光束发射器包括二极管发射器。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括：在各个所述光束的光束发射器下游和所述交错反射镜上游在快轴上准直各个所述光束。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括：在慢轴上准直各个所述光束。
28.根据权利要求21所述的方法，还包括：在所述共享出射点处在所述慢轴上准直所述光束堆叠。
29.根据权利要求21所述的方法，还包括：将所述光束堆叠的至少一部分耦合到光纤中。
30.根据权利要求21所述的方法，还包括：用所述光束堆叠的至少一部分来加工工件。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，加工所述工件包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊中的至少一个。
32.根据权利要求30所述的方法，其中，加工所述工件包括物理地改变所述工件的表面的至少一部分。
33.根据权利要求21所述的方法，还包括：将所述光束堆叠与一个或多个额外光束堆叠进行波长光束组合，从而形成波长光束组合(WBC)输出光束。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述光束堆叠和所述一个或多个额外光束堆叠各自包括相同数量的堆叠光束。
35.根据权利要求33所述的方法，还包括：用所述WBC输出光束加工工件。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，加工所述工件包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊中的至少一个。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，加工所述工件包括物理地改变所述工件的表面的至少一部分。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种三维空间中的激光设备，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述激光设备包括：
2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。
3.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在各个第二线性堆叠中，所述交错反射镜(i)沿着x轴彼此分开所述距离δx和(ii)沿着所述y轴彼此分开所述距离δy。
4.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：准直透镜，其布置在所述共享出射点处。
5.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述准直透镜是慢轴准直透镜，其被配置为接收所述光束堆叠并且使所述光束堆叠在慢轴上准直。
6.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器包括二极管发射器。
7.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：多个快轴准直(fac)透镜，各个fac透镜被定位为接收来自不同发射器的光束并且在快轴上准直所述光束。
8.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述一个或多个第一线性堆叠由单个第一线性堆叠构成。
9.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述一个或多个第一线性堆叠包括多个第一线性堆叠。
10.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠彼此平行地布置。
11.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠被布置为成对镜像。
12.根据权利要求1所述的激光设备，其中，δz近似等于δx。
13.根据权利要求1所述的激光设备，其中：
14.根据权利要求13所述的激光设备，其中，δz大于或近似等于单个子安装件的宽度。
15.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在所述光束堆叠中，由所述光束发射器发射的光束沿着所述光束的快轴堆叠。
16.根据权利要求1所述的激光设备，其中：
17.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸近似等于δy×n+b，n等于所述光束发射器的数量，并且b等于各个光束在所述堆叠方向上的尺寸。
18.根据权利要求17所述的激光设备，其中，所述堆叠方向沿着光束的快轴。
19.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠是包括多个镜面的整体部件。
20.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠包括固定到公共平台的多个交错反射镜。
21.一种三维空间中的光束堆叠的方法，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述方法包括：
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一线性堆叠的数量等于所述第二线性堆叠的数量。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，各个交错反射镜被定位为接收光束的其中一个。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，各个所述光束发射器包括二极管发射器。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括：在各个所述光束的光束发射器下游和所述交错反射镜上游在快轴上准直各个所述光束。
27.根据权利要求21所述的方法，还包括：在慢轴上准直各个所述光束。
28.根据权利要求21...
【专利技术属性】
技术研发人员：周望龙，M·多伊奇，F·维拉里尔绍塞多，B·查恩，
申请(专利权)人：松下知识产权经营株式会社，
类型：发明
国别省市：
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