專利名稱：交織激光束的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如大功率二極管激光系統(tǒng)的交織激光束。
背景技術(shù)：
用于高性能固態(tài)激光器的激光系統(tǒng)能夠基于激光二極管和激光二極管條(bar)。 為了向例如盤形(disk)激光器的固態(tài)激光介質(zhì)提供高泵浦功率，將多個激光二極管或者激光二極管條的發(fā)射激光束組合以形成泵浦激光束。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開的系統(tǒng)和方法提供一種在大功率激光二極管應(yīng)用中組合例如激光二極管和激光二極管條的激光束的簡單而成本經(jīng)濟的方式。在一個通常方面，一種激光系統(tǒng)包括至少兩個源，每一個源配置為提供至少兩個空間上分離的激光束，以及配置為沿著弧安裝所述至少兩個源的安裝件，所述弧限定角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)，其中軸向坐標(biāo)與所述角坐標(biāo)和所述徑向坐標(biāo)正交，并且所述空間上分離的激光束在所述軸向坐標(biāo)上分離。所述安裝件還配置為安裝所述至少兩個源從而提供所述激光束在所述軸向坐標(biāo)上的偏移，以使得激光束在所述弧的中心區(qū)域在軸向方向上交織。在另一方面中，一種用于交織至少兩個源的激光束的束形成系統(tǒng)，包括用于所述至少兩個源的安裝件，所述安裝件配置為在其上沿著弧且以軸向坐標(biāo)上的偏移安裝所述至少兩個源，所述弧限定角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)，其中軸向坐標(biāo)與角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)正交，以使得從所述至少兩個源中的不同源提供的激光束在所述弧的中心區(qū)域處在所述軸向坐標(biāo)上交織，該束形成系統(tǒng)還包括位于所述中心區(qū)域中以在公共方向上導(dǎo)向所述交織的激光束的對準(zhǔn)光學(xué)器件。在另一方面，一種方法包括提供在徑向方向上朝向中心區(qū)域行進的第一組激光束，所述第一組激光束在圓柱坐標(biāo)系的軸向坐標(biāo)上移位，提供在所述圓柱坐標(biāo)系的徑向方向上朝向所述中心區(qū)域行進的第二組激光束，所述第二組激光束在軸向坐標(biāo)上移位，其中在所述軸向坐標(biāo)上，所述第一組激光束中的激光束與所述第二組激光束中的激光束交織。在另一方面，一種激光系統(tǒng)包括至少兩個源，每一個源配置為提供在圓柱坐標(biāo)系的軸向坐標(biāo)上分離的至少兩個激光束，所述至少兩個源沿著所述圓柱坐標(biāo)系的不同角坐標(biāo)和相同徑向坐標(biāo)的圓弧設(shè)置，其中所述源中的至少一個源包括激光二極管和偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件，其中所述激光二極管配置為沿著所述軸向方向發(fā)射所述至少兩個激光束中的第一激光束，所述第一激光束的快軸沿著所述徑向坐標(biāo)，并且所述偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件配置為沿著朝向所述圓柱坐標(biāo)系的中心區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)所述第一激光束，從而將所述快軸改變?yōu)檠刂鲚S向坐標(biāo)的方向。實施方式可以包括以下特征中的一個或者多個。安裝所述至少兩個源中的一個源以用于提供具有位于由所述至少兩個源中的另一個源提供的一對激光束的軸向坐標(biāo)之間的軸向坐標(biāo)的激光束。
對準(zhǔn)光學(xué)器件可以位于所述中心區(qū)域以在公共方向上導(dǎo)向所述交織的激光束。對準(zhǔn)光學(xué)器件可以包括疊置的光學(xué)元件。而且，該疊置的光學(xué)元件的相鄰光學(xué)元件可以導(dǎo)向不同源的激光束。所述光學(xué)元件的示例包括扁平(flat)鏡、拋物線(parabolic)鏡和棱鏡。可以配置所述安裝件以安裝六個相同的源并且所述弧可以是圓弧?？梢耘渲盟霭惭b件和所述對準(zhǔn)光學(xué)器件以對于所述至少兩個源的所述激光束提供相同的光學(xué)路徑長度。所述源中的至少一個源可以包括疊置的激光二極管單元。所述源中的至少一個源可以包括散熱器和兩個激光二極管。具體地說，所述激光二極管中的至少一個激光二極管可以扁平設(shè)置在所述散熱器上以使得該激光二極管的發(fā)射表面與所述散熱器垂直，以用于發(fā)射與散熱器平行并且具有與散熱器垂直的快軸的激光束。而且，可以配置偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件以沿朝向中心區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)與散熱器平行發(fā)射的激光束ο所述源中的一個源的散熱器可以利用陶瓷層與激光二極管電絕緣。可以電連接所述源中的一個源的激光二極管以用于供應(yīng)電流串行地經(jīng)過全部激
光二極管。所述激光系統(tǒng)還可以包括在對準(zhǔn)光學(xué)器件之后所述交織的激光束的光學(xué)路徑中的束形成光學(xué)器件。可選地或者附加地，所述束形成光學(xué)器件可以部分或者完全結(jié)合在所述對準(zhǔn)光學(xué)器件中?？梢耘渲盟鲈匆栽谒鲚S向坐標(biāo)上提供多個移位一間距的激光束，所述間距至少為所述激光二極管沿與發(fā)射表面垂直的方向的長度?？梢赃M一步配置所述源以發(fā)射具有幾毫米間距的多個垂直移位的激光束，例如至少為5mm、10mm或者15mm。所述激光系統(tǒng)還可以包括用于所發(fā)射的激光束的快軸和慢軸中的至少一個的準(zhǔn)直光學(xué)器件。所述準(zhǔn)直光學(xué)器件可以包括用于調(diào)節(jié)快軸的圓柱形光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。所述激光二極管中的至少一個可以是激光二極管條。所述激光二極管條可以例如包括20至50個用于以相同的軸向坐標(biāo)發(fā)射激光束的發(fā)射區(qū)域。所述發(fā)射區(qū)域可以設(shè)置在大約IOmm的寬度范圍內(nèi)。 所述激光系統(tǒng)還可以包括折疊鏡?？梢耘渲盟鍪纬上到y(tǒng)以對于激光束提供相同的光學(xué)路徑長度。對準(zhǔn)光學(xué)器件可以包括疊置的光學(xué)元件并且可以配置相鄰的光學(xué)元件以導(dǎo)向不同源的激光束。束形成系統(tǒng)還可以包括用于快軸和慢軸中的至少一個的準(zhǔn)直光學(xué)器件和/或用于調(diào)節(jié)快軸的圓柱形光學(xué)望遠(yuǎn)鏡?？梢耘渲冒惭b件和所述源以使得在所述中心區(qū)域并且在與對準(zhǔn)光學(xué)器件相互作用之前，由所述源中的至少一個源提供的所述激光束的快軸的方向沿著軸向坐標(biāo)并且激光二極管的慢軸的方向與軸向坐標(biāo)垂直。可以配置束形成裝置以提供幾何交織的激光束。所述方法還可以包括利用所述交織的激光束泵浦激光介質(zhì)。第一激光束的慢軸的方向與圓弧相切。一些實施例的優(yōu)點可以包括實現(xiàn)源的安裝容易對準(zhǔn)并且直接觸及單獨源的簡單機械結(jié)構(gòu)，從而改善了例如操作性能(例如源的更換)。而且，在一些實施例中，來自單個源的激光可以對交織束的截面中的各種區(qū)域作出貢獻(xiàn)。因而，單個源的故障僅影響那些擴散區(qū)域處的束。因此，能夠降低對泵浦束并且因此對激光介質(zhì)的泵浦體積的非對稱影響。在大功率(泵浦)激光系統(tǒng)的一些實施例中，源可以提供位于較大距離處的束以增加單獨二極管激光的冷卻性能。具體地，對于這樣的系統(tǒng)，(例如大功率)激光束之間的較大的“無輻射”區(qū)域可以填充有該系統(tǒng)的剩余源的激光束。在附圖和以下描述中闡述了本發(fā)明的一個或者多個實施例的細(xì)節(jié)。通過說明書和附圖以及權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯。


圖1是使用交織的泵浦束的光學(xué)泵浦激光系統(tǒng)的示意性方框圖。圖2是能夠在圖1的激光系統(tǒng)中使用的源的示意性正視圖。圖3是利用如圖2所示的三個源生成的圖1所示的交織的泵浦束沿著截面 III-III提取的截面圖。圖4是可以在圖1的激光系統(tǒng)中使用的激光系統(tǒng)的實施方式的透視圖。圖5是圖4的激光系統(tǒng)的俯視圖。圖6是圖4和圖5的激光系統(tǒng)的源的側(cè)視圖。圖7是可以在圖1的激光系統(tǒng)中使用的具有束形成單元的第一變型的激光系統(tǒng)的實施方式的俯視圖。圖8是可以在圖1的激光系統(tǒng)中使用的具有束形成單元的第二變型的激光系統(tǒng)的實施方式的俯視圖。圖9是圖4-7中所示的激光系統(tǒng)的源的正視圖。圖10是所述源沿著說明發(fā)射單個激光二極管的截面X-X提取的放大截面圖。圖11是圖9的源的截面XI的放大透視圖。圖12是能夠結(jié)合圖4-7所示的激光系統(tǒng)使用的可選源的透視圖。
具體實施例方式可以設(shè)置一組激光二極管或者激光二極管條以提供空間上分離的激光束。在此， 將這樣的結(jié)構(gòu)稱為(疊置)激光束的源。因此，疊置的激光束的源能夠發(fā)射具有類似束參數(shù)，即對于慢軸和快軸類似的參數(shù)，的若干激光束。通過組合疊置的激光束的多個源的激光束，可以形成具有比疊置的激光束的單個源的輻射率高的輻射率，即可以增加所述束的截面的給定區(qū)域內(nèi)的功率?？梢赃M一步施加合適的束形成元件以提高所述束的質(zhì)量，從而例如實現(xiàn)激光介質(zhì)的有效光學(xué)泵浦。在圖1中，光學(xué)泵浦的激光系統(tǒng)1向諸如激光切割系統(tǒng)或者激光焊接系統(tǒng)的激光處理系統(tǒng)5提供大功率激光束3。例如，激光系統(tǒng)1可以是向激光處理系統(tǒng)5提供幾kW激光束的盤形激光器系統(tǒng)。另一示例性激光系統(tǒng)可以是纖維激光器。為了生成激光束3，利用由激光系統(tǒng)11生成的交織束9對激光系統(tǒng)1的激光介質(zhì)7進行光學(xué)泵浦。然而，也可以將泵浦激光系統(tǒng)11配置為用于例如表面處理、硬化、材料處理和焊接的激光應(yīng)用的獨立激光系統(tǒng)。激光系統(tǒng)11例如包括安裝在結(jié)構(gòu)15中的多個源和束形成光學(xué)器件17。結(jié)構(gòu)15 被配置為提供多個激光束的激光束分組13，每一個激光束在一個維度上移位并且導(dǎo)向在與其他源的其他激光束的方向不同的方向上。束形成光學(xué)器件17將分組13內(nèi)的激光束重新導(dǎo)向至在公共方向上行進，從而形成交織束9。另外，束形成光學(xué)器件17可以包括用以準(zhǔn)直分組13內(nèi)的激光束的光學(xué)器件。將交織束9例如直接或者經(jīng)由諸如光纖的波導(dǎo)提供為至激光系統(tǒng)1的泵浦激光束。圖2示意性示出了可以在結(jié)構(gòu)15中使用的源19。圖3示出了圖1的交織束9沿視圖III-III提取的截面圖；可以利用圖2的三個源19創(chuàng)建該截面圖。結(jié)合圖4-12詳細(xì)描述能夠例如用作圖1的激光系統(tǒng)11的交織激光系統(tǒng)的各種實施例。如圖2所示，示例性源19包括安裝在公共散熱器21上的三個激光二極管條20。 每一個激光二極管條20包括具有五個相鄰發(fā)射區(qū)域的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。單個發(fā)射區(qū)域的激光具有橢圓的束輪廓22。束輪廓22的橢圓形狀表明激光束的快軸和慢軸的不同光學(xué)特性。 例如，由于發(fā)射區(qū)域的稀薄(thinness)，該發(fā)射區(qū)域的激光在快軸方向上比在慢軸方向上更發(fā)散。五個發(fā)射區(qū)域的光形成激光束分組13的激光束23并且每一個激光束23具有細(xì)長形狀。在一些實施例中，發(fā)射區(qū)域發(fā)射與散熱器21正交的光，而在其它實施例中能夠例如首先發(fā)射與散熱器21的表面平行并且隨后偏轉(zhuǎn)例如90°的光。在一個維度上，三個激光二極管條20彼此移位間距P并且因此三個激光束23也移位間距P。因而，從單個源19發(fā)射的三個激光束23形成具有其自己截面的束，所述截面包括具有激光移位間距P的區(qū)域以及在具有激光的區(qū)域之間的沒有激光的區(qū)域四。一些大功率源以例如幾毫米的大間距提供激光束。這樣的大功率源的示例包括具有結(jié)合圖9-11 描述的扁平安裝的激光二極管條的源(扁平源)以及具有結(jié)合圖12描述的疊置二極管條 (組源)的結(jié)構(gòu)。交織激光系統(tǒng)能夠尤其適用于具有大間距的源的使用。再次參照圖3，沿著圖1的交織束9的視圖III-III的簡化截面基于三個源19，每一個源19具有三個激光二極管條20并且每一個激光二極管條20產(chǎn)生五個激光束22 (如圖2所示)。激光系統(tǒng)11對來自三個激光二極管條20中的每一個激光二極管條的三個激光束23(分組13中總共九個激光束)進行交織以使得在交織束9的截面內(nèi)，所述束的相鄰行的光起源于不同的源19。在該截面內(nèi)，源19中的一個源的單個激光二極管條20對由與激光二極管條的五個發(fā)射區(qū)域相關(guān)聯(lián)的橢圓束輪廓22指示的截面內(nèi)的行M作出貢獻(xiàn)。在圖3的示例中，三行激光束起源于三個源19中的每一個源。例如，行M和其他未標(biāo)記的兩行與第一源的激光輻射A相關(guān)，行25和其他未標(biāo)記的兩行與第二源的激光輻射B相關(guān)，并且行沈和其他未標(biāo)記的兩行與第三源的激光輻射C相關(guān)。因此，位于每一個源19的激光二極管條20的發(fā)射光之間的無輻射區(qū)域四可以至少部分地填充有起源于結(jié)構(gòu)15的兩個剩余源19的激光輻射。因而，源19的激光輻射(例如，來自第一源19的激光輻射A)并不對交織束9的截面的單個區(qū)域作出貢獻(xiàn)而是對束9的整個截面內(nèi)的不同區(qū)域 (標(biāo)記為行對或者輻射A)作出貢獻(xiàn)。在具有大量激光二極管條的源彼此交織時，增加了對來自每一個源的截面作出貢獻(xiàn)的擴散。
結(jié)合圖4-12描述的實施例說明了六個源419的激光束423的這樣的幾何交織。 在這些實施例中，每一個源419包括發(fā)射空間上移位十毫米間距的激光束423的十二個激光二極管條。然而，對于具有更小或者更大間距的更多或者更少的源，也可以執(zhí)行類似的交織。具體地說，圖4示出了具有六個源419的結(jié)構(gòu)415的交織激光系統(tǒng)411的第一實施例。沿著圓弧并排設(shè)置源419從而圍繞虛擬圓柱體的壁部分。配置每一個源419以從每一個二極管激光條朝向虛擬圓柱體的中心區(qū)域432發(fā)射激光束423。在中心區(qū)域432中，從不同方向行進的激光束423被交織并且束形成光學(xué)器件417捕獲該交織且對準(zhǔn)所述激光束 423以沿相同方向行進。為了由這些激光束423形成束409，束形成光學(xué)器件417包括位于中心區(qū)域432中的反射器系統(tǒng)433。反射器系統(tǒng)433包括疊置的鏡439，每一個鏡439與相對于所述疊置的相鄰鏡439成一角度設(shè)置。因而，對于每一個源419，反射器系統(tǒng)433包括移位間距ρ并且沿相同方向取向的鏡，以使得相對應(yīng)的源419的激光束423沿相同方向?qū)?。從圖4可以看出，對于相鄰源的鏡439也是相鄰的。因此，鏡439的取向從最大入射角到最小入射角逐個鏡地改變并且然后跳回到最大入射角等等。因而，反射器系統(tǒng)433包括6X12 = 72個鏡 439。每一個鏡439具有鏡區(qū)域，所述鏡區(qū)域具有高度和寬度，其中所述高度取決于所述間距和應(yīng)該被交織的束的數(shù)量，而所要求的寬度取決于入射角。在圖4的當(dāng)前示例中，對于在 IOmm的間距上交織六個束，選擇鏡區(qū)域為1. 66mmX 100mm。鏡439可以具有適合于激光束 423的特定入射角的反射涂層。反射器系統(tǒng)433重新導(dǎo)向進入的激光束423以沿公共方向朝向束形成光學(xué)器件417的光學(xué)元件435行進。在圖4和圖5的實施例中，光學(xué)元件435 是圓柱形鏡?；诮Y(jié)構(gòu)415的類似圓柱的形狀，可以在圓柱坐標(biāo)系中描述幾何關(guān)系。角坐標(biāo)Φ 表示入射方位角(例如源沿著弧的角度位置)。徑向坐標(biāo)r表示至圓柱坐標(biāo)系的中心軸437 的徑向距離。軸向坐標(biāo)ζ表示沿著圓柱坐標(biāo)系的中心軸437的位置。因此，每一個源419與其角坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。源419至中心軸437的距離與其徑向坐標(biāo)相對應(yīng)，并且源419的每一個發(fā)射區(qū)域還與各自的軸向坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。而且，可以將圖4的反射器系統(tǒng)433可分組為六個單獨鏡439的組，這些鏡439在軸向方向上彼此上下疊置并且繞著中心軸437彼此旋轉(zhuǎn)相同角度從而生成扇形結(jié)構(gòu)。該扇形結(jié)構(gòu)在軸向方向上重復(fù)其本身十二次。為了提供足夠高的反射率，可以將光束423到扁平鏡439的入射角限制到大約 45°，其中相對于鏡表面的表面法線測量入射角。然后，沿著弧例如以角坐標(biāo)的18°差值定位六個源419。此外，如下面結(jié)合圖6描述的，源419安裝在不同的軸向坐標(biāo)處，以使得每一個激光束423在其自己的特定軸向坐標(biāo)處發(fā)射。因此，每一個激光束423與其源419的角坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)的軸向方向平行地朝向中心區(qū)域432行進并且隨后由反射器系統(tǒng)433的扁平鏡 439之一朝向圓柱形鏡435反射，從而經(jīng)由反射形成一個單一(共同)的發(fā)射方向。從而， 將在軸向方向上彼此橫向偏移的激光束423組合為一個共同交織的激光束分組440。在激光束分組440中，單獨的激光束423不再挨著彼此徑向延伸，而是彼此上下平行。圓柱形鏡435可以形成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)441的入口(entrance)透鏡。透鏡443形成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)441的出口(exit)透鏡并且可以附加地執(zhí)行交織的激光束分組440在慢軸和快軸上的準(zhǔn)直。具有扁平鏡439、圓柱形鏡435和透鏡443的反射器系統(tǒng)433是束形成光學(xué)器件417的一部分，該束形成光學(xué)器件417調(diào)節(jié)激光束分組413和交織的激光束分組440 的各種光學(xué)參數(shù)以形成并輸出交織的泵浦束409。而且，圖4示出了用于對源419進行冷卻的冷卻劑連接449。圖5所示的交織激光系統(tǒng)411的俯視圖進一步說明了源419沿著虛擬圓形451的弧段的結(jié)構(gòu)425。如圖所示，使用束形成光學(xué)器件417導(dǎo)向分組413的激光束423以形成交織束409。此外，可以認(rèn)為分組413的每一個激光束423的光學(xué)路徑長度相同。對于相同的源419利用例如關(guān)于源419的前側(cè)90°的預(yù)對準(zhǔn)發(fā)射角配置結(jié)構(gòu)415。將每一個源419安裝到壁段453以使得激光二極管條的發(fā)射區(qū)域以由例如發(fā)射區(qū)域的中心限定的源419的角坐標(biāo)與虛擬圓形451的表面相切。因此，分組413的激光束423沿著大致相同的光學(xué)路徑長度行進并且在交織激光系統(tǒng)411內(nèi)經(jīng)歷大致相同的發(fā)散。壁段453包括用于將源419安裝在可重現(xiàn)的位置的對準(zhǔn)銷。因而，可以更換源419 而不必重新對準(zhǔn)反射器系統(tǒng)433。在圖5和圖6的實施例中，壁段453包括用于將源431安裝為與軸向方向平行的安裝件。圖6是沿著圖5所示的方向VI-VI提取的視圖。將六個相同源419中的每一個源在相對于殼體頂部457軸向偏移并且可以由例如壁段453的對準(zhǔn)銷限定的位置455處附接到相對應(yīng)的壁段453，所述對準(zhǔn)銷適于適配到源419的對準(zhǔn)孔459中。因此，在殼體頂部457 和殼體底部461之間不同的軸向坐標(biāo)處發(fā)射激光束423。分組413的激光束423在中心區(qū)域處交織，其中每一個激光束在其自身的軸向坐標(biāo)處行進，其中通過反射器系統(tǒng)433反射激光束423以形成交織的激光束分組440。因而，在交織激光系統(tǒng)411中，將全部源419的單獨激光束423彼此上下導(dǎo)向，以使得在每一個源419的軸向方向437上的無輻射空間420 至少部分地填充有剩余源419的激光束423。此外或者可選地，參照圖7的交織激光系統(tǒng)711，束形成光學(xué)器件717可以包括執(zhí)行慢軸準(zhǔn)直的圓柱形透鏡763和扁平鏡765。作為圖8所示的另一示例，交織激光系統(tǒng)811 的束形成光學(xué)器件817可以包括疊置的拋物線鏡867和拋物線折疊鏡869或者望遠(yuǎn)鏡透鏡 871背側(cè)的凹形拋物線表面形狀的反射器系統(tǒng)。此外，束形成光學(xué)器件可以包括折疊鏡，用以提供更加緊湊的望遠(yuǎn)鏡和/或準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)。例如，圖4的圓柱形鏡435可以用作折疊
^Mi ο在將交織的激光束9例如耦合到光纖或者激光介質(zhì)中之前，可以使用附加的光學(xué)部件以適合并改善各種束參數(shù)，例如束發(fā)散、束輪廓的平滑度。對于大功率應(yīng)用，可以在結(jié)構(gòu)15中使用例如結(jié)合圖9-12描述的大功率源。參照圖9-11，扁平源919包括十二個激光二極管條單元981，每一個激光二極管條單元981包括激光二極管條920、棱鏡987和電連接950。將二極管激光條920的扁平側(cè)設(shè)置在單片矩形散熱器921上。因此，將所述源稱為扁平源，其中通過與散熱器921熱接觸的大面積能夠有效地冷卻每一個激光二極管條920。通過經(jīng)由在如圖4所示的背側(cè)處的冷卻劑連接的散熱器921泵浦的冷卻劑從扁平源919去除生成的熱量。安裝孔991位于每一個拐角處并且對準(zhǔn)孔959位于矩形散熱器921的短側(cè)。十二個激光二極管條920沿著在圖4中沿著軸向方向437設(shè)置的矩形散熱器921 的長度方向937設(shè)置。散熱器921具有作為頂層的絕緣層995，用以將激光二極管條920與散熱器921電絕緣。每一個激光二極管條920包括具有有源區(qū)域的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)910，所述有源區(qū)域具有多個發(fā)射區(qū)域。將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)910附接到ρ-觸點930。例如絲焊的電連接 950將半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)910與η-觸點970電連接并且該η_觸點970電連接到相鄰二極管激光單元的P-觸點。因而，在操作源919時，(相同的)電流串行流經(jīng)全部激光二極管條920。 此外，利用芯片元件990控制每一個二極管激光條920。每一個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)910具有細(xì)長的發(fā)射表面912，例如均勻分布在大約IOmm長度上的30-45個相鄰有源區(qū)域。每一個發(fā)射表面912與散熱器921垂直取向并且具有沿著方向937的發(fā)射方向。因而，激光二極管條920基本上在相同平面中發(fā)射激光束923，該平面與散熱器921的平坦表面擬4平行。每一個激光束923具有細(xì)長的束輪廓，其慢軸沿激光二極管條920的發(fā)射表面912的細(xì)長方向取向，即沿散熱器921的寬度方向939(如與上面關(guān)于圖2和圖3討論的類似)，并且初始時快軸沿與散熱器921的平坦表面擬4垂直的方向取向。所發(fā)射的激光束923由棱柱透鏡987在內(nèi)部反射并且然后沿著與散熱器921的表面擬4正交的方向遠(yuǎn)離散熱器921行進。因而，在離開棱柱透鏡之后，激光束923的快軸處于沿著散熱器921長度的方向937上，而激光二極管條920的慢軸方向不改變并且保持沿著方向939。此外，棱鏡987準(zhǔn)直在快軸方向上強烈發(fā)散的激光束923。棱柱透鏡987的取向由公共玻璃安裝件999確定。扁平源919可以具有以下參數(shù)。每一個源919可以基于十二個激光二極管條920 來提供大約1700W的輸出功率。激光二極管條920在慢軸方向上的寬度可以是大約10mm。 激光束923在慢軸方向上的全角度發(fā)散可以大致為6° -10°。經(jīng)過具有大致Iym高度的發(fā)射表面912實現(xiàn)來自單獨激光二極管條920在快軸方向上的發(fā)射。初始時，激光束923具有大致40° -70°的全角度發(fā)散。使用棱鏡987在快軸方向上對從每一個激光二極管條920 發(fā)射的每一個激光束923進行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直的激光束923通常在快軸方向上延伸0. 6-1. 2mm。 準(zhǔn)直激光束923在通過棱鏡987之后的全角度發(fā)散在快軸方向上大致為0.5° -2°。棱鏡 987的質(zhì)量、透鏡對準(zhǔn)的精度、以及激光二極管條920的直度決定發(fā)散角度。在圖4-8的結(jié)構(gòu)15的實施例中應(yīng)用扁平源919的情況下，所發(fā)射的激光束923的快軸在初始時，即在離開半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)910時，沿與扁平源919正交的方向取向。在棱鏡987 內(nèi)反射之后，發(fā)射激光束923的快軸沿軸向坐標(biāo)ζ導(dǎo)向。再次參照圖9-11的扁平源919，兩個發(fā)射的激光束923之間的間距大約比離開棱鏡987時激光束923的尺寸大十倍。因而，扁平源919的束截面的大約9/10沒有任何激光輻射。利用結(jié)構(gòu)15和束形成光學(xué)器件17，無激光輻射部分可以填充有來自其它扁平源919 的激光束923。圖12示出了組源1019形式的可選大功率源，其中將多個激光二極管條單元1081 一起分組。在圖12中，例如，組源1019包括十二個激光二極管條單元1081，每一個單元包括二極管條1020、透鏡1090和電連接。每一個二極管激光條1020設(shè)置在銅塊1030的表面上并且經(jīng)由組源1019的前側(cè)1040處的透鏡1090發(fā)射激光束。在激光二極管條1020背面的區(qū)域中，相鄰的銅塊1030保持緊密接觸以使得能夠利用公共的冷卻劑系統(tǒng)冷卻該銅塊 1030。十二個激光二極管條1020沿著組源1019的長度方向1037設(shè)置。每一個激光二極管條1020包括具有有源區(qū)域的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，有源區(qū)域具有形成細(xì)長發(fā)射表面的多個發(fā)射區(qū)域。每一個發(fā)射表面與組源1019的前側(cè)1040平行并且具有與前側(cè)1040垂直的發(fā)射方向。每一個激光束具有細(xì)長的束輪廓，其慢軸沿激光二極管條1020的發(fā)射表面的細(xì)長方向取向，并且快軸沿方向1037取向。透鏡1090準(zhǔn)直沿快軸方向強烈發(fā)散的激光束。棱鏡1090的取向由銅塊1030的延伸部分1031或者附接到銅塊1030的玻璃塊確定。組源1019可以具有與扁平源919類似的束參數(shù)。對于圖9-11中的扁平源919，兩個發(fā)射的激光束之間的間距例如可以比離開透鏡 1090時激光束的尺寸大十倍。因而，組源1019的束截面的大約9/10沒有任何激光輻射。 使用結(jié)構(gòu)15和束形成光學(xué)器件17，無激光輻射的部分可以填充有來自其它組源1019的激光束。在所描述的結(jié)構(gòu)415中，源能夠進一步在幾何上良好對準(zhǔn)，由于壁段453和散熱器之間的接觸表面或者接觸點能夠在源419的整個長度上延伸，從而提供快軸對準(zhǔn)的高角度精度。各種配置可以使用所描述的概念，來增加集成的源的數(shù)量。例如，在圖4中，可以在圓柱形鏡435的另一側(cè)上放置第二組的六個源419。然后可以將圓柱形鏡435放置在圓形451的外側(cè)或者可以使用圓柱形透鏡替換。因此，其它實施例落入下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光系統(tǒng)，包括至少兩個源，每一個源配置為提供至少兩個空間上分離的激光束；以及配置為沿著弧安裝所述至少兩個源的安裝件，所述弧限定角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)，其中軸向坐標(biāo)與所述角坐標(biāo)和所述徑向坐標(biāo)正交，并且所述空間上分離的激光束在所述軸向坐標(biāo)中分離，所述安裝件還配置為安裝所述至少兩個源，從而提供所述激光束在所述軸向坐標(biāo)上的偏移，以使得所述激光束在所述弧的中心區(qū)域在所述軸向方向上交織。
2.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中，安裝所述至少兩個源中的一個源以用于提供具有位于由所述至少兩個源中的另一個源提供的一對激光束的軸向坐標(biāo)之間的軸向坐標(biāo)的激光束。
3.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，還包括對準(zhǔn)光學(xué)器件，位于所述中心區(qū)域，用以在公共方向上導(dǎo)向所述交織的激光束。
4.如權(quán)利要求3所述的激光系統(tǒng)，其中，所述對準(zhǔn)光學(xué)器件包括疊置的光學(xué)元件。
5.如權(quán)利要求4所述的激光系統(tǒng)，其中，所述疊置的光學(xué)元件的相鄰光學(xué)元件導(dǎo)向不同源的激光束。
6.如權(quán)利要求3所述的激光系統(tǒng)，其中，所述安裝件和所述對準(zhǔn)光學(xué)器件設(shè)置為對于所述至少兩個源的所述激光束提供相同的光學(xué)路徑長度。
7.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中，所述源中的至少一個源包括散熱器和兩個激光二極管。
8.如權(quán)利要求7所述的激光系統(tǒng)，其中，所述激光二極管中的至少一個激光二極管扁平設(shè)置在所述散熱器上，以使得該激光二極管的發(fā)射表面與所述散熱器垂直，用以發(fā)射與所述散熱器平行并且具有與所述散熱器垂直的快軸的激光束。
9.如權(quán)利要求8所述的激光系統(tǒng)，其中，偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件配置為沿朝向所述中心區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)與所述散熱器平行發(fā)射的激光束。
10.如權(quán)利要求7所述的激光系統(tǒng)，其中，電連接所述源中的一個源的所述激光二極管，以用于供應(yīng)電流串行地經(jīng)過全部激光二極管。
11.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中，所述源中的至少一個源包括疊置的激光二極管單元。
12.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，還包括束形成光學(xué)器件，位于所述對準(zhǔn)光學(xué)器件之后所述交織的激光束的光學(xué)路徑中。
13.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，還包括部分或者完全結(jié)合在所述對準(zhǔn)光學(xué)器件中的束形成光學(xué)器件。
14.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中，所述源配置為在所述軸向坐標(biāo)上提供多個移位一間距的激光束，所述間距至少為所述激光二極管沿與所述發(fā)射表面正交的方向上的長度。
15.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，還包括用于所發(fā)射的激光束的快軸和慢軸中的至少一個的準(zhǔn)直光學(xué)器件。
16.如權(quán)利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中，所述源中的至少一個源包括激光二極管條。
17.如權(quán)利要求16所述的激光系統(tǒng)，其中，所述激光二極管條包括20至50個用于以相同的軸向坐標(biāo)發(fā)射激光束的發(fā)射區(qū)域。
18.如權(quán)利要求17所述的激光系統(tǒng)，其中，所述發(fā)射區(qū)域設(shè)置在大約IOmm的寬度范圍內(nèi)。
19.一種用于交織至少兩個源的激光束的束形成系統(tǒng)，所述束形成系統(tǒng)包括用于所述至少兩個源的安裝件，所述安裝件配置為在其上沿著弧且以軸向坐標(biāo)上的偏移安裝所述至少兩個源，所述弧限定角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)，其中所述軸向坐標(biāo)與所述角坐標(biāo)和所述徑向坐標(biāo)正交，以使得從所述至少兩個源中的不同源提供的激光束在所述弧的中心區(qū)域處在所述軸向坐標(biāo)上交織；以及對準(zhǔn)光學(xué)器件，位于所述中心區(qū)域，用以在公共方向上導(dǎo)向所述交織的激光束。
20.如權(quán)利要求19所述的束形成系統(tǒng)，其中，所述束形成系統(tǒng)配置為對于所述激光束提供相同的光學(xué)路徑長度。
21.如權(quán)利要求19所述的束形成系統(tǒng)，其中，所述對準(zhǔn)光學(xué)器件包括疊置的光學(xué)元件并且相鄰的光學(xué)元件配置為導(dǎo)向不同源的激光束。
22.如權(quán)利要求19所述的束形成系統(tǒng)，還包括用于所述快軸和慢軸中的至少一個的準(zhǔn)直光學(xué)器件。
23.如權(quán)利要求19所述的束形成系統(tǒng)，其中，所述安裝件和所述源配置為使得在所述中心區(qū)域并且在與所述對準(zhǔn)光學(xué)器件相互作用之前，由所述源中的至少一個源提供的所述激光束的所述快軸的方向沿著所述軸向坐標(biāo)并且所述激光二極管的所述慢軸的方向與所述軸向坐標(biāo)垂直。
24.如權(quán)利要求19所述的束形成系統(tǒng)，其中，所述束形成裝置配置為提供幾何交織的激光束。
25.一種方法，所述方法包括提供在徑向方向上朝向中心區(qū)域行進的第一組激光束，所述第一組激光束在圓柱坐標(biāo)系的軸向坐標(biāo)上移位；以及提供在所述圓柱坐標(biāo)系的徑向方向上朝向所述中心區(qū)域行進的第二組激光束，所述第二組激光束在軸向坐標(biāo)上移位，其中在所述軸向坐標(biāo)上，所述第一組激光束中的激光束與所述第二組激光束中的激光束交織。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，還包括利用所述交織的激光束泵浦激光介質(zhì)。
27.一種激光系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少兩個源，配置為提供在圓柱坐標(biāo)系的軸向坐標(biāo)上分離的至少兩個激光束，所述至少兩個源沿著所述圓柱坐標(biāo)系的不同角坐標(biāo)和相同徑向坐標(biāo)的圓弧設(shè)置，其中所述源中的至少一個源包括激光二極管和偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件，其中所述激光二極管配置為沿著所述軸向方向發(fā)射所述至少兩個激光束中的第一激光束，所述第一激光束的快軸沿著所述徑向坐標(biāo)，并且所述偏轉(zhuǎn)光學(xué)器件配置為沿著朝向所述圓柱坐標(biāo)系的中心區(qū)域的方向偏轉(zhuǎn)所述第一激光束，從而將所述快軸改變?yōu)檠刂鲚S向坐標(biāo)的方向。
28.如權(quán)利要求27所述的激光系統(tǒng)，其中，所述第一激光束的慢軸的方向與所述圓弧相切。
全文摘要
一種激光系統(tǒng)(411)包括配置為提供至少兩個空間上分離的激光束(432)的至少兩個源(519)，以及配置為沿著弧安裝所述至少兩個源(419)的安裝件，所述弧限定角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)，其中軸向坐標(biāo)與角坐標(biāo)和徑向坐標(biāo)垂直，并且所述空間上分離的激光束在軸向坐標(biāo)上分離。安裝件還配置為安裝所述至少兩個源從而提供所述激光束在軸向坐標(biāo)上的偏移以使得激光束(423)在所述弧的中心區(qū)域(432)在軸向方向上交織。
文檔編號H01S5/024GK102227669SQ200980147759
公開日2011年10月26日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月27日
發(fā)明者A·基利, C·蒂爾科恩, M·利爾曼, T·維特哈克, U·邦納, V·C·內(nèi)戈伊塔 申請人:通快光子學(xué)公司