波長光束組合系統與方法

專利名稱：波長光束組合系統與方法
技術領域：
本發明是關于一種激光系統,尤指一種波長光束組合系統與方法。
背景技術：
波長光束組合是一種以二極管條與堆疊來調整輸出功率與亮度的方法。波長光束組合(wavelength beam combining, WBC)方法已發展到沿著每一發射極的慢空間維度以及沿著每一發射極的快空間維度來組合光束。參閱例子:美國專利US6，192，062,6, 208, 679以及US2010/0110556A1。然而，當關系到調整輸出功率與亮度以產生千瓦、萬瓦、十萬瓦、甚至到百萬瓦的功率時，本文所述的傳統方法無法非常靈活的調整系統整個所占面積以及無法靈活的對應大口徑光學儀器。因此，為迎合不同產業、科學以及國防上的應用，需要有改良的方法與系統來增加光譜亮度與輸出功率。本發明所追求的即是解決所述的問題。

發明內容
激光有許多產業、科學以及國防的應用。產業應用包含金屬切割、點焊、縫焊、鉆孔、精密切割以及激光標記。科學應用包含天文學用的激光導引星、重力波探測、激光冷卻與捕捉以及激光式粒子加速器。國防應用包含激光式武器、激光誘導火花以及雷達(LIDAR)。上述適用例子的激光包含高平均與高峰值功率光纖激光與放大器、高平均與峰值功率視力無害摻鉺(Erbium-doped)光纖激光與放大器、準連續波(quas1-continuouswave, QCff)或脈沖式或長脈沖式操作的產業激光、短脈沖式(脈寬為數個到百個十億分之一秒)操作的產業激光等諸如此類的。當波長光束組合應用到本文所述的任何激光，包含如上述適用的激光，許多影響激光使用的相關因素都大大的改善了。如功率輸出方面能顯著地增加，亮度方面能大大地改善，成本方面能急遽地減少、熱能與光纖相關的光學儀器方面的挑戰能立即克服或減輕到最小、整體尺寸方面能減小等諸如此類的。通過波長光束組合，該些因子可改善兩倍或者以上。激光激光，在本文描述新穎的實施例中使用的激光如下所述。激光一般來說可定義成通過光的激發發射以產生可見或不可見光的裝置。激光(Laser)原本是「Light Amplification by Simulated Emission of Radiation」的縮寫，由激光的先驅“Gordon Gould”于公元1957年所創造，但是現在一般主要是使用在通過激光原理以產生光的裝置。一般來說，激光的特性使其在不同的應用方面為有用的。激光的特性包含:激光束能傳播極遠的長度、沒有太大的發散以及能聚焦在一非常小的點；相較于大多數產生非常寬帶譜的其他光源，激光束具有一非常窄的帶寬；激光可連續發射或是發射數千萬億分之一短的突波(脈沖)。激光有多種類型。常見的激光形式包含半導體激光、固態激光、光纖激光以及氣體激光。半導體激光(主要是激光二極管)以電或光激發以及通常在劣質光束質量的損耗下能有效產生非常高輸出功率。半導體激光也能針對激光唱片與數字視頻影碟的應用產生具有良好空間特性的低功率激光。而其他半導體激光則可應用于產生高脈沖率，低功率脈沖(如應用于電信產業)。特殊類型的半導體激光包含量子級聯激光(用于中紅外光)以及面射型半導體激光(VCSEL與VECSEL)，后者也適合高功率脈沖的產生。半導體激光于之后的“激光二極管”段落會更進一步描述。固態激光是以離子摻雜晶體或玻璃(如摻雜絕緣體激光)為基礎以及由放電燈或激光二極管激發以產生高輸出功率。或是固態激光也可產生非常高的光束質量、光譜純凈與/或穩定(如量測用途)的低功率輸出。一些固態激光可產生兆分之一或千萬億分之一的極短脈沖。常見增益介質所使用的固態激光包含銣-雅克(Nd:YAG)、銣-釩酸釔(Nd:YV04)、釹-玻璃(Nchglass)、鐿-雅克(Yb = YAG)、鐿-玻璃(Yb:glass)、鈦-藍寶石(T1: sapphire)、鉻-雅克(CriYAG)與鉻-氟鋁酸鍶鋰(Cr = LiSAF)。光纖激光是以光纖核心摻雜一些激光活性離子的光學玻璃光纖為基礎。光纖激光在高光束質量有限制的波長調諧操作下可達到極高輸出功率(到千瓦)。窄線寬操作與諸如此類的也同樣通過光纖激光所支持。氣體激光包含氦-氖激光、二氧化碳激光、氬離子激光以及諸如此類都是典型以放電激活氣體為基礎的氣體激光。常使用的氣體包含二氧化碳、氬、氪以及氣體混和物如氦-氖。此外，準分子激光則是以任何氟化氬、氟化氪、氟化氙以及氟氣體為組成分子。其他少見激光類型包含化學與核泵激光、自由電子激光以及X-射線激光。激光二極管激光二極管，本文所描述新穎的實施例以及提及的展示中激光二極管的使用如下所述。激光二極管是一種圍繞在以提供光子(光)發射的單一二極管結構為基礎的激光二極管。然而，為了改善效率、功率、光束質量、亮度、可調諧性等諸如此類，需修改此單一結構以提供各種各樣的許多應用類型的激光二極管。激光二極管類型包含小型邊緣發射類型，可產生數毫瓦到約0.5瓦輸出功率的高光束質量的光束。激光二極管的結構類型包含:雙異質結構，其中包含一低能階材質層夾于二高能階層之間；量子阱激光，其中包含一非常淺薄的中間層(量子阱層)，用以產生高效能與激光能量的量子化；多量子阱激光，其中包含超過一個以上的量子阱激光，用以改善增益特性；量子線或量子海(點陣)，用線或點陣取代中間層以產生高效能量子阱層；量子級聯激光使激光能夠作動于相當長的波長中，而此波長是由改變量子層厚度所調諧而來；分離局限異質結構激光，是商業上最常見的激光二極管，且包含另外兩層位于量子阱層之上與之下，用以有效限制光的產生；分布式反饋激光，是常見使用在高規格光學通信應用上，且包含一整合式衍射光柵，在制造時通過反射一單一波長回到增益區域，以便易于產生一穩態波長集；垂直腔面射型激光(VCSEL)是一不同于其他激光二極管的結構，其不同處在于光從其的表面發射而不是其的邊緣；垂直外部腔體面射型激光(VECSEL)與外部腔體二極管激光同屬于調諧型激光，其主要使用雙異質結構二極管并包含光柵或多棱鏡光柵結構。外部腔體二極管激光常是波長調諧式的且有一明顯的小的發射線寬。激光二極管類型也包含多種以二極管為基礎的高功率激光，其包含:廣域激光，其特征為IxlOO μ m長橢圓形輸出端面的多模式二極管、劣質光束質量但是可產生數瓦的功率；錐形激光，其特征為1x100 μ m錐形輸出面的散光模式二極管，當與廣域激光比較時，可明顯的改善光束質量與亮度；脊形波導激光，其特征為1χ4μπι橢圓形輸出面的橢圓模式二極管；以及平板耦合光學波導激光(SCOWL)，其特征為4x4 μ m或較大的輸出面的圓形模式二極管、以及衍射限制光束下能產生接近一圓形輪廓的瓦特級的輸出。除了上述的二極管之外，也還有其他類型的二極管。 激光二極管陣列、條及堆疊激光二極管陣列、條及堆疊，本文描述的創新實施例以及提及的展示中激光二極管陣列、條及堆疊的使用如下所述。激光二極管可個別封裝或集體封裝，通常分為一空間維度行/陣列(二極管條)或二空間維度陣列(二極管-條堆疊)。二極管陣列堆疊通常是二極管條的垂直堆疊。激光二極管條或陣列與對等單一廣域二極管比較，可實現較高功率以及成本效益。高功率二極管條包含廣域發射極陣列，其劣質的光束質量卻可產生數十瓦功率以及盡管有較高的功率，但其亮度卻常常低于廣域激光二極管。堆疊高功率二極管條，可產生百瓦或千瓦等極高的功率的高功率堆疊二極管條。激光二極管陣列能設以發射一光束進入一自由空間或是進入一光纖中。光纖耦合二極管激光陣列能當作一激發源于光纖激光與光纖放大器。二極管激光條是半導體激光的一種類型，其包含一空間維度陣列的廣域發射極或是包含具有10-20窄條紋狀發射極的子陣列。一般來說，廣域二極管條包含19-49個發射極，每一發射極約1x100 μ m寬。典型的衍射限制是沿著Iym空間維度或快軸的光束質量。典型的衍射限制的多倍數是沿著100 μ m空間維度或慢軸或陣列維度的光束品質。通常來說，商業上應用的二極管條有一激光共振器，其長度Imm到4mm,寬度約在IOmm左右,可產生數十瓦的輸出功率。大多數的二極管條操作在波長范圍780nm到1070nm，最著名的波長是808nm(以激發釹-雅各布激光)以及940nm(以激發鐿-雅克激光)。波長范圍915nm到976nm則是使用在泵浦摻鉺(pumping erbium-doped)或摻鐿(ytterbium-doped)高功率光纖激光與放大器。通常提到的二極管條特性為輸出空間光束輪廓。在大多數應用中，需光束限制光學儀器。此重要成果也因此被用來限制二極管條或二極管堆疊的輸出。而維持光束質量時的限制手段包含使用非球面鏡來準直光束。微光學快軸準直器是使用來準直沿著快軸的輸出光束。非球面圓柱透鏡陣列則常使用于沿著陣列或慢軸的每一激光元件的準直。為實現近乎圓形的光束腰部，要求一種對于每一二極管條或陣列的光束質量相稱的特殊光束塑形器的。二極管條一不好的特性是“微笑”(即連接發射極輕微彎曲的平面性質)。此“微笑”誤差對二極管條聚焦光束的能力有不好的影響。另一不好的特性是慢軸或快軸的準直誤差。舉例來說，扭曲的快軸準直透鏡會導致一有效的“微笑”。這在集中能力上是不好的影響。堆疊中，每一條的”照準“誤差有著更顯著的影響。照準誤差是一準直誤差。這會造成陣列或條從快軸透鏡上偏移。Iym的偏移如同整個陣列I μπι的“微笑”。二極管條與二極管陣列克服了非常寬的單一發射極的限制，如放大的自發性發射或橫向上的寄生激光發射或絲線的形成。因為每一發射極會產生其自己的光束，所以二極管陣列也能產生更多穩態模式輪廓。利用某種程度上相鄰發射極相干耦合的技術能得到更好的光束質量。這樣的技術可包含在二極管條的工藝上，然而其他的則牽涉到外部腔體。二極管陣列的另一好處是陣列幾何可使二極管條或陣列非常適合用于相干或光譜光束組合，以獲得更高的光束質量。除了先前條或陣列的提供之外，二極管陣列還可用在光纖耦合形式，因為這可使其易于每一發射極輸出的使用以及二極管條的組設，使得二極管的冷卻與使用光的位置有一段距離。通常來說，光耦合進入一單一多模光纖中時，是使用單一快軸準直器同時慢軸方向無光束限制或是使用更復雜的光束塑形器以維持較好地亮度。其也可能從發射極發射小波束進入一光纖束中(一發射極一光纖)。一二極管條或二極管陣列的發射帶寬對于某些應用來說是很重要的考慮。光反饋(如體積式布拉格光柵)能顯著增加波長寬容度與發射帶寬。另外，帶寬與精確的中心波長對光譜光束組合來說也是重要的。二極管堆疊是多個二極管條的排列，能釋放非常高的輸出功率。也稱為二極管激光堆疊、多條模塊或二空間維度激光陣列，最常見的二極管堆疊排列是垂直堆疊，是一種邊緣發射極的二空間維度陣列。這樣的堆疊是通過安裝薄型散熱裝置于二極管條散熱裝置并且堆疊這些組件來完成工藝的，這樣可獲得周期排列的二極管條與散熱裝置。同樣的也有水平二極管堆疊以及二空間維度堆疊。要有高的光束質量，二極管條必須盡可能的越接近彼此。換句話說，有效的散熱意味著在條之間必須要安裝更薄的散熱裝置。這二極管條間距的拿捏平衡可能會導致垂直方向上二極管堆疊的光束質量(以及其的亮度)比單一二極管條的光束品質要低得多。然而，有數種技術可以明顯減輕這個問題，例如通過不同二極管輸出堆疊于空間交錯、通過偏振耦合或通過波長多任務。為了這樣的目的，已發展了多種類型的高功率光束塑形器以及相關的裝置。使二極管堆疊能提供極高的輸出功率(如數百或數千瓦)。同樣也有水平二極管堆疊，其二極管條并排，呈現發射極之一長型線性陣列。由于自然對流冷卻發生在垂直定向二極管條之間，這樣的排列更易于冷卻，也因此允許每一發射極有更高的輸出功率。一般來說，水平堆疊的二極管條數目(總輸出功率)比垂直堆疊有更多的限制。二極管條與二極管陣列在沒有明顯的冷卻問題下能實現非常高的功率，通過準連續波的操作，其包含產生一數百微秒間隔的脈沖與一重復率達數十赫茲的脈沖。波長光束組合波長光束組合的技術與實施例，本文描述的新穎的實施例以及提及的展示中波長光束組合的使用如下所述。當激光二極管發射線性偏振光時，可以由一偏振光束分離器組合兩二極管的輸出，以使光束有兩倍的單一二極管功率且獲得相同的光束質量(通常稱作偏振多任務)。或者，也可以是空間組合由分色鏡產生些微不同波長的激光二極管光束。多數的光束組合的系統方法允許組合大量數目的發射極且具有良好的光束質量。光束組合通過組合多個裝置的輸出以達到激光源的功率調整。實質上光束組合的原理就是組合多個激光源的輸出，且常常是以激光陣列的形式來獲得一單一輸出光束。本發明的可調式光束組合技術能產生一功率可調式激光源，即使提供組合光束的激光是不可調式的。光束組合要能增加輸出功率且須同時維持光束質量，以使亮度的增加可以像輸出
功率一樣。有許多不同的光束組合與增加亮度的方式，所有的方式可以分類成三種:相干的、偏振的以及波長光束組合。相干光束組合時，光束需互相相干。一簡單例子，有相同光學頻率的單色光束是可以組合的。然而相干光束組合的某些方法是相當復雜的，其在組合時所有發射極的發射光譜都要一樣，且發射存在多個頻率上。偏振光束組合用一偏振片組合兩線性偏振光束(如一薄膜偏振片)。當然，產生一非偏振輸出時，這方法是不可重復的。因此，嚴格意義上來說，這方法無法做功率調整的。這三種方法之一都可以提供給不同的激光源，如以激光二極管為基礎的(更明確為二極管條)與光纖放大器，甚至是高功率固態體積式激光與垂直外部腔體面射型激光。波長光束組合(也稱為光譜光束組合或不相干光束組合)不需要相互相干，因為其利用非重疊光學光譜的發射極，而其光束是提供給一波長感測式光束組合器用的，如棱鏡、衍射光柵、分色鏡、體積式布拉格光柵以及諸如此類以產生波長組合光束。波長光束組合發明及實例細節的描述在US6, 192，063、US6, 208，679以及US2010/0110556A1。波長光束組合可在沒有任何光束質量重大損失下，成功的實現簡單的光束組合。波長光束組合也比單一高功率激光二極管來的可靠，因為簡單地說一發射極的故障則會降低輸出的功率。波長光束組合的原理是產生多個非重復光學光譜的激光二極管光束，并組合其于波長感測式光束組合器，以使其后所有光束朝同一個方向上傳播。多個激光二極管的組合與良好的光束質量的實現。激光二極管的組合，其每一激光二極管的發射帶寬是增益帶寬的一小部分。而光束組合器的角度色散會更進一步影響波長光束組合的光束質量。有極大色散的光束組合器與波長穩態激光二極管要實現波長光束組合的良好光束質量還有好長一段路要走。調諧激光二極管波長的技術使波長光束組合變得容易，從獨立調諧每一激光范圍到一特定波長，并依據其組合光束路徑的空間位置自動更正每一激光二極管光束的波長。波長光束組合使用在功率調整。無限制功率調整的例子，如大量獨立連續校正激光而得的準直光束，甚至是通過激光數目的比率使組合功率增加。組合輸出的光束質量降低，頂多亮度只等于單一激光的亮度。通常來說，系統的亮度是遠低于單一元件的。因此一種保存光束組合元件光束質量的功率調整方法是高度需求的。波長光束組合可用在不同類型的激光二極管設置，包含二極管條、二極管堆疊等諸如此類。一二極管條是廣域激光發射極之一空間維度陣列，其可組合多種光纖與光學系統以產生一或一以上的波長組合光束。二極管條在一線性襯底上可包含二到五十或五十以上的激光發射極。二極管堆疊實質上是二極管的一二空間維度陣列。二極管條可通過垂直堆疊或水平堆疊排列的工藝而成二極管堆疊。在此敘述的系統與方法加上可調式波長光束組合方法可產生高亮度及功率。本文說明的實施例是使用大量的模塊式激光輸入裝置，其每一裝置都包含多個激光元件以形成一可調式系統。模塊式激光輸入裝置使用上的調整性可靈活適應所需要的更高或更低功率，降低光學儀器需求的尺寸以及在某些例子里減少系統的整個尺寸大小，相反的創造一個精實且強健的系統。這個系統可調整出千瓦、十千瓦、百千瓦以及甚至到百萬瓦的功率輸出與亮度。


圖1A是沿著一單一二極管激光條發射極的陣列空間維度的波長光束組合方法的示意圖。圖1B是沿著發射極的一二空間維度陣列的陣列空間維度的波長光束組合方法的示意圖。圖1C是沿著發射極的一二空間維度陣列的堆疊空間維度的波長光束組合方法的示意圖。圖2A是顯示調整波長光束組合系統到十千瓦或更多千瓦的實施例的示意圖。圖2B是顯示調整波長光束組合系統到十千瓦或更多千瓦的另一實施例的示意圖，其中還包含望遠鏡式透鏡。圖3是顯示多種半導體、二極管線以及其他激光陣列發射極的常見缺點的示意圖。圖4是顯示一外部腔體使用球面透鏡與衍射光柵應付“微笑”與其照準誤差，以得到波長窄化、二極管陣列與堆疊的穩定以及同時改善每一二極管條的光束質量的示意圖。圖5是顯示所有激光元件操作在相同狹窄的波長，在某些例子是單一頻率的示意圖，是不受二極管條與堆疊上缺陷的影響。圖6是顯示一空間維度架構且有“微笑”的二極管激光堆疊的示意圖，其中波長光束組合是沿著陣列空間維度實行。圖7是顯示沿著的陣列空間維度的二空間維度二極管激光元件的一空間維度波長光束組合的基本結構的示意圖，其中缺陷通過腔體完全補償。圖8是顯示沿著堆疊空間維度的一空間維度波長光束組合腔體的基本結構的示意圖，以產生理想或幾乎理想的光束且不受二極管條與堆疊上任何缺陷的影響。圖9是顯示使用在二極管陣列與堆疊上修正缺陷的相關技術方法。圖10是顯示一非對稱光束的發散的示意圖。圖11是顯示一為了減少缺陷而使用玻璃塊的衍射腔體系統的示意圖。圖12是顯示一具有“微笑”的腔體系統的示意圖。圖13是圖8實施例的一數值計算的光學模型結構的示意圖。
具體實施例方式實施例是關于一種可調式激光源領域使用外部腔體以得到高功率與高亮度，尤指一種使用一空間維度或二空間維度的外部腔體光束組合方法與裝置。實施例進一步關于一種高功率與/或高亮度多波長外部腔體激光，可產生重疊或同軸光束由十瓦到千瓦，甚至是百萬瓦的輸出功率。
詳細來說，實施例是組合個別光束進入模塊式單元的方法與裝置，其中多個此模塊式單元組合成一單一系統，產生可調整亮度與功率的單一輸出輪廓。本發明的一個優點在于可調式系統所需的光學元件尺寸的縮減。另一優點則是波長光束組合系統的整體面積大小能夠縮減。多次提到的“縮減”一光學系統來說，即所謂的減少一特定系統中光學元件的數目。增加光學元件的數目似乎增加了系統的復雜度或是系統的可制造性。然而，本文的一些實施例在波長光束組合系統中增加光學元件的數目，以實現先前提到的一些優點，如減少某些光學元件的口徑。舉例來說，圖1A顯示一基本波長光束組合結構。一陣列102顯示包含四個激光元件；不過，陣列102也可包含更多的激光元件。陣列102顯示是一單一二極管條。然而，可預料陣列或行元件可以為一具有多元件的光纖激光，其中多個個別激光并排校準，或任何其他激光發射極的組合排列成一空間維度陣列，其中每一發射極發射一或一以上條電磁光束以及光束的慢發散空間維度是沿著陣列或行空間維度進行校準的。在圖中所顯示的個別光束104為一虛線或一條，其中，光束的長度或是較長空間維度代表著慢發散空間維度，以及光束的高度或較短空間維度代表著快發散空間維度。一單一準直光學儀器106使用來準直沿著快空間維度的每一光束。轉換光學儀器108可以是一圓柱或球面的透鏡或鏡或組合，使用以組合沿著波長光束組合空間維度110的每一光束104，如輸入前視圖112所示。轉換光學儀器108重疊組合的光束到一散射元件(如使用衍射光柵)114上，其中組合的光束之后以一單一輸出輪廓傳送到一輸出I禹合器116上。輸出I禹合器之后傳送的組合光束120,如輸出前視圖118所示。在這外部腔體IOOa系統中此輸出耦合器為部分反射且充當了所有激光元件的一常見前端面。一外部腔體屬于一個激光發射系統，其中第二鏡放置位置與每一激光發射極發射口或面(未標不)有一距離。概括來說，外加的光學儀器放在發射口或面與輸出耦合器或部分反射面之間。同樣地，圖1B顯不三個激光陣列或條102的一堆疊150,其中每一陣列有四個發射極。如圖1A，圖1B輸入前視圖112，此次是二空間維度陣列的光束，是沿著光束的陣列空間維度組合以產生如輸出前視圖118或一單一列光束的單一輸出輪廓120。另一波長光束組合系統如圖1C所示，圖1C顯示了激光陣列102的一堆疊150形成發射極的一二空間維度陣列，取代了圖1A與IB中沿著慢空間維度的光束組合，現在的波長光束組合空間維度110是跟隨沿著排列成二空間維度輪廓的光束的陣列空間維度。輸入前視圖112沿著個別快發散空間維度或軸系組合可產生輸出前視圖118，，其中顯示出一單一列的光束120。先前顯示的圖1A-1C的方法是使用單一轉換光學系統。整個一空間維度或二空間維度輸入輪廓是通過一單一轉換光學系統簡化成一單一輸出輪廓。然而，當光束的數目沿著單一空間維度(如列或堆疊或陣列或行的空間維度)增加，口徑尺寸的數值必須增加以接受整個一或二空間維度的輪廓。另外，如果發射極之間的間距增加，轉換光學儀器的轉換口徑的數值將同樣地需要增加以接受更多分散或空間中有距離的發射極。舉例來說，一典型的商規用現成(COTS) 二極管堆疊，條間有2mm間距。因此，如果100個條要組合，那么之后轉換光學儀器的口徑則必須最少有200mm。大多數商規用現成光學儀器直徑都少于75mm,且以25_為最常見的。
如果波長光束組合系統的設計目的之一是產生一個緊密的系統可組合大量的光束或是組合空間中傳播的個別光束，而這將會是有問題的。增加光束的數目或光束之間彼此傳播會造成一個大的一空間維度或二空間維度的光束輪廓。轉換光學儀器因此也必須有足夠大的口徑。當轉換光學儀器的口徑變得太大，制造上會變得更加困難以及光學儀器的成本也會增加。制作大口徑光學儀器并有低色差是非常困難的任務。可接受的質量的商規用現成光學儀器的限制，直徑上大約5-6英時，而I英時則是最常見的。根據常見現成的高功率激光二極管陣列或堆疊的激光源都是以廣域二極管激光元件為基礎。一般來說，這些元件的光束質量是沿著快軸的衍射限制以及沿著激光元件的慢軸的衍射限制的多倍數。雖然接下來的討論會提及到先前的激光二極管、二極管條以及二極管堆疊，但是本發明的實施例非局限于激光二極管并且可使用許多不同類型的激光發射極，包含光纖激光、個別封裝二極管激光、半導體激光以及其他類型的激光。再者，本文所使用的“陣列”是一或一以上個激光元件并排。于圖1A-1C中，對于廣域發射極，陣列空間維度是沿著慢軸；不過，沿著陣列空間維度被校準的個別發射極也是可以沿著快軸的，一角度偏移于慢軸或沿著陣列或行任意擺放每一發射極。本文所使用的“堆疊”是二或二以上陣列堆疊在一起。堆疊可為機械性或光學性的排列。在一例子中，物理性排列的堆疊包含二或二以上的陣列，其機械性堆疊在另一個堆疊上面以產生輸出光束。光學性排列的堆疊則使用光學儀器來實現，如調諧鏡，從二或二以上陣列排列輸出光束，每一光束來自相對應的陣列，如此輸出光束能堆疊在另一個堆疊上面。圖1A-1C的堆疊空間維度是沿著快軸的；不過，沿著堆疊或列空間維度被校準的個別發射極也可以沿著慢軸，一角度偏移于慢軸或任意擺放沿著堆疊或列的每一發射極。操作激光當作如一準連續波(QCW)或連續波，其輸出功率從亞毫瓦到十瓦或更高。值得注意的是，對于從激光系統中調整功率與亮度來說，激光元件的波長光束組合是一值得注意的方法。亮度是由N X Ρ/(λ2χ M2x X M2y) i所產生，其中N是組合元件的總數目、P是每一元件的輸出功率、λ是操作的波長以及M2X、M2y是沿著二空間維度的光束質量，而N X P是功率。圖1是三種變化的波長光束組合腔體，使用一常見外部的具有部分反射的耦合器I)圖1A顯示波長光束組合的一空間維度陣列，其光束組合沿著陣列空間維度來射行，陣列空間維度同時也是慢空間維度。輸入前視圖112與輸出前視圖118在圖1A的左邊部分。輸出光束是一單一元素。2)圖1B顯示用于沿著陣列空間維度的波長光束組合的一基本腔體，陣列空間維度同時也是慢空間維度，其結果是一單一列的光束。3)圖1C顯示一第三波長光束組合的外部腔體，其波長光束組合沿著堆疊空間維度來實施，堆疊空間維度同時也是快空間維度。外部腔體IOOa與IOOb所示波長光束組合為相對。其結果輸出是一光束陣列。—般來說，這三種波長光束組合腔體包含一陣列或堆疊的激光元件、一轉換光學儀器(圓柱或球面的透鏡或鏡)、一色散元件(如使用衍射光柵)以及一部分反射的輸出耦合器。轉換光學儀器放在激光陣列之后。轉換光學儀器的位置與光源有關。在一理想點光源中，其置于距離光源的一焦距上。而色散元件放置在所有光束空間上重疊的地方，其額定地在轉換光學儀器的后焦平面上。如果色散元件沒有放在此額定位置上則會導致輸出光束質量的降低。而輸出耦合器放置在第一階衍射光束的路徑上。理想上，所有來自激光元件的輸出光束通過轉換光學儀器空間上會重疊于光柵上，如圖1A-1C所示。而部分反射的輸出耦合器與光柵提供反饋給激光元件的獨特的波長控制以及重疊光束于近場(在輸出耦合器)與遠場。此結果理想上來說，輸出光束與一單一光束組合兀件有相同光束質量但總和功率則來自所有的激光元件。為了調整出更高的功率以及更高亮度，這三種波長光束組合腔體的基本光學架構是有極限的而且有時也不切實際。使用圖1C的腔體作為一個例子來說明。假設需求一個3千瓦特的波長光束組合系統。典型的商規用現成包含多個發射極的激光二極管條額定功率為每條I百瓦特的總輸出功率。因此，為了達到3千瓦特，則需要30個這種I百瓦特的激光二極管條。一般來說，這類型的二極管條間距大約2.0mm。因此，堆疊30個條配置如圖1C，沿著堆疊空間維度的堆疊寬度變成了 29x2 = 58mm。轉換光學儀器的直徑因為需要接收整個光束輪廓，所以需要稍大些，如此75_或3英寸的規格尺寸可能是適合的尺寸。此直徑的低色差光學儀器商業上是可用的，但是會非常貴以及少見的。調整先前3千瓦特到10千瓦特系統，將使光學儀器的尺寸放大3.3倍或大約191.4mm( 10英時)。完成一直徑10英時且低色差的光學儀器是非常昂貴的且需要耗時訂制光學構造。這讓一 10千瓦系統在市場上無法競爭。此外，假設3千瓦特與10千瓦特光譜帶寬一樣，直徑10英時的聚焦也將增加轉換光學儀器/鏡到衍射光柵間大約3倍的距離。圖2A顯示一實施例附加使用較大口徑的光學元件。其中，一外部腔體200a使用波長光束組合方法調整多個發射極得到一單一輸出輪廓，并設以使用多個且較小的轉換光學儀器208。通過剖析，個別模塊中堆疊的發射極具有較小光束輸入輪廓允許使用具有一較小數值口徑的光學元件。此外，堆疊的模塊化是允許系統有較大的靈活性的。當需要增加功率以及其他優點在本領域中變成明確技術時，此靈活性包含能一次替換一模塊以及增加附加額外的模塊到系統的能力。腔體200a包括多個激光元件250、一轉換光學儀器、一色散元件(如衍射光柵)以及一輸出耦合器。多個激光元件250以產生一或二空間維度的一輪廓，而轉換光學儀器對應每一組的激光元件250。腔體200a的個別激光輸入模塊252包含一組多個激光元件250，其是以形成一或二空間維度輪廓以及一單一轉換光學儀器208。另外，如圖2A顯示，一激光輸入模塊包含準直光學儀器，舉例來說，如一快軸準直光學儀器(FAC) 206,快軸準直光學儀器206是沿著快軸設以準直光束。其他光學元件也包含在內，不過一激光輸入模塊包含至少二個發射極以及一單一轉換光學儀器。每一組的激光發射極250與轉換光學儀器208是定向的，以使所有激光發射極的所有光束是空間上重疊到衍射光柵214上。轉換光學儀器的每一堆疊放置在距離從快軸準直光學儀器206的后焦平面的一單一焦距上。衍射光柵214可放置于所有光束重疊的地方；意義上來說，這是在每一轉換光學儀器208的焦平面上。輸出I禹合器216放置于第一階衍射光束的路徑上。在本實施例中,輸出I禹合器是部分反射的以及當與衍射光柵214組合時提供反饋給激光元件的獨特的波長控制波長。有時這可以當鎖波器。此外光柵與輸出I禹合器產生重疊光束于近場(在輸出I禹合器)與遠場，由此形成一單一輸出輪廓。繼續先前顯示使用的激光二極管條，假設最大光學元件可允許的是3英時，那么激光元件250可由30個二極管條的一堆疊。因此每一激光輸入模塊252可產生總功率3千瓦特，以及圖2A所顯示的外部腔體200a可具有三個激光輸入模塊以產生9千瓦特，假設效率達100%。另外，增加一第四個或第η個激光輸入模塊可增加一額外3千瓦特的外部腔體輸出。另一實例顯示在圖2Β。設計高功率激光系統時的一些實際考慮包含:激光元件的有限增益帶寬、色散元件的可接受角度、色散元件上的光斑大小以及系統的整體尺寸大小。外部腔體200b包含一第二望遠鏡式光學儀器262，其設以形成一望遠鏡式系統264，望遠鏡式系統264可減小整體輪廓的口徑大小以及從每一激光輸入模塊252來的個別光束。此減少的輪廓可讓轉換光學儀器208有一較小的口徑，順帶幫助降低轉換光學儀器208與衍射光柵214之間的距離270。外部腔體200b的激光輸入模塊252，其組成有激光元件250、快軸準直光學儀器206以及一主要望遠鏡式光學儀器260，其中當主要望遠鏡式光學儀器260與第二望遠鏡式光學儀器262組合可形成望遠鏡式系統264。同樣相似于圖2A的實施例，圖2B的激光輸入模塊250包含附加的光學元件，但是最基本架構需要至少二個激光發射極以及一光學元件，空間上可減少沿著至少一空間維度的光束之間的距離。在這基本激光輸入模塊中，這些光學元件可能包含一圓柱或球面的透鏡或鏡。而附加的望遠鏡則可幫助減輕多數該些情況。整體的尺寸大小是由轉換光學儀器的焦距所決定。舉例來說，使用IOmm寬的一位于波長976nm的二極管陣列、一焦距f = IOOmm的轉換光學儀器以及每毫米1600條的光柵，將產生一沿著一空間維度的尺寸大小大約是轉換光學儀器焦距的2倍或是約200mm。然而，使用f = IOmm與f = Imm的一望遠鏡以及f = IOmm的轉換光學儀器則會產生一更小尺寸約42mm。而輸出光束的特性相同于單一 f = IOOmm的轉換光學儀器。上述兩例的光譜帶寬約39nm。39nm約是二極管激光在波長976nm的增益帶寬。因此，增加更多激光元件到單一轉換光學儀器腔體是不可行的。不過，如果在第二例子中，轉換光學儀器換成f = 20mm,則光譜帶寬將減少2xnm或相同光譜帶寬下可用二個IOmm寬的條做波長光束組合。這會增加整體尺寸大小約從42nm變成62mm。如果傳播透鏡換成100mm,比較于單一轉換光學儀器設計，則整體尺寸大小約222mm，但是可以組合10倍以上的激光元件或大約IOx倍亮度的系統。附加的望遠鏡也減少了光柵上的光斑大小。舉例來說，一典型的二極管條有一附加的f = 900 μ m準直光學儀器。假設理想準直，則準直光束約有I毫弧度(mrad)的一發散角度。因此，使用一 f= IOOmm轉換光學儀器，光柵上沿著波長光束組合空間維度的光斑大小約ΙΟΟμπι。如此小的光斑是不需要的。光柵上的光斑小，也因此光柵上的功率密度將會非常高。這結果會增加對光柵光學損害的風險。通過附加的望遠鏡，光柵上的光斑能通過望遠鏡的放大倍率而增加。在先前例子中使用f = IOmm與f= Imm或IOx放大倍率，光柵上的光斑從IOOym變成1mm。同時光譜帶寬也從每條39nm變成3.9nm。因此,如先前陳述的，10個條的組合可使用所有39nm的帶寬。圖2B所示的例子由多個二極管堆疊、一使用一陣列的透鏡與一常見的透鏡的望遠鏡、一轉換光學儀器、一光柵、一沿著波長光束組合空間維度的望遠鏡、一沿著非波長光束組合空間維度的望遠鏡以及一輸出耦合器。如圖2B所示，沿著波長光束組合空間維度，一透鏡陣列260與一常見的透鏡262形成一望遠鏡陣列264。每一激光模塊都有屬于其自己的望遠鏡。激光模塊與望遠鏡陣列的放置，使得所有光束額定地在穿過望遠鏡之后彼此互相平行。因此，其功能是降低每一發射極的尺寸以及所有激光模塊的整體尺寸到一適當需求的尺寸大小。穿過望遠鏡之后光束的縮減會在光柵上產生較大的光束，也因此依據同樣因素會有較低的功率密度。堆疊尺寸的縮減會有較好的光譜帶寬利用性如顯示于上述例子。因此，堆疊的縮減影像會形成在望遠鏡的常見的透鏡的焦平面上。而轉換光學儀器會重疊其至衍射光柵上。而光柵與輸出耦合器驅使每一激光條操作在一獨特且可控制的波長上。在這樣的方法中，所有的光束系空間上重疊于近場與遠場。而位于光柵與輸出稱合器之間沿著光束組合空間維度的望遠鏡，則用來減少光束的尺寸。需要沿著非波長光束組合空間維度的附加的光學儀器，使得所有光束沿著非光束組合空間維度與輸出耦合器作正交傳播。舉例來說，如顯示的位于光柵與輸出耦合器之間的沿著非波長光束組合空間維度的望遠鏡重新成像激光陣列到輸出耦合器上。用這樣的方法，組合的輸出光束相同于一單一二極管條。需要注意的，可能需要一附加光學儀器(未顯示)以形成一更強大且低損耗的腔體。如一設計例子，假設透鏡陣列是一球面透鏡、具有一 3英時直徑以及一焦距300mm。堆疊由30條組成以及30條彼此有2mm間距。假設一般望遠鏡式光學儀器為具有一焦距2.8_的圓柱形光學儀器。再假設光柵具有每毫米1760條的刻線密度。轉換光學儀器具有一 200mm的焦距。因此，激光堆疊的帶寬大約是0.78nm。對于10個30條的堆疊，其帶寬大約10x0.78/ff，其中ff是堆疊式填充因子。堆疊式填充因子為0.9時，則帶寬大約是8.7nm。而在光柵上的光束尺寸大約是100mm。如果使用空間上的交錯以及偏振多任務，可有10 (堆疊數目)x30(每一堆疊的條數目)12(空間交錯的影響)12(偏振)=1200條能夠組合成一單一二極管條的輸出光束質量具有1200x100瓦=120000瓦的條功率以及光譜線寬約8.7nm。低成本、高可靠度、高亮度二極管激光系統高可靠度二極管激光系統在產業應用上具有高度需求。一般來說產業上的客戶需求系統能持續達100，000小時或超過11年。而激光的壽命取決于激光的類型。使用微通道冷卻器的主動式冷卻二極管激光的壽命約10，000小時或更久。被動式冷卻二極管激光的有大約20，000小時或更久的壽命。密封管二氧化碳激光的壽命約35，000小時。而這些都很少在維護。密封管二氧化碳激光受限于只有數百瓦特。高功率、千瓦級二氧化碳激光系統通常可持續達100,000小時或更久。然而，其都需要每1，000小時進行維護以及每8，000小時進行完全光學重組。燈泵固態激光與高功率二氧化碳激光有約相同周期。包含光纖與體固態的二極管泵固體激光的壽命，遠短于二氧化碳激光。但充其量其壽命都限于二極管激光的壽命。在此將揭露不需要任何維護下高亮度波長光束組合二極管激光的壽命能有50，000小時、100，000小時或更長的壽命。圖1顯示一基本波長光束組合腔體。此腔體為本發明新的波長光束組合的外部腔體，其沿著堆疊空間維度來組合光束。一般來說，每一光束的快軸都是對準于堆疊空間維度。此波長光束組合腔體包含光源二極管激光堆疊，其為機械性或光學性堆疊或是機械性與光學性堆疊的組合。此外部腔體也包含一轉換光學儀器、一光柵以及一輸出耦合器。而在輸出I禹合器之后，光束輸出需要一光束塑型器、光纖I禹合光學儀器以及輸出處理光纖。或是自由空間輸出可能也是光束輸出的選項之一。波長光束組合的腔體可使用的范圍為本發明的波長光束組合的腔體，包含新的波長光束組合、舊的波長光束組合、新-新的波長光束組合以及新-舊的波長光束組合，以及本發明二極管激光束組合與亮度增強技術的范圍。在大部分的事例中，二極管激光的輸出功率為一線性時變如下:
P(t) ^ P0-β t,其中Ptl是初始功率、P (t)是t時間之后的激光功率，以及β是減少比率。對于被動式冷卻的二極管條，其減少比率β大約每小時1χ10_5瓦特。因此對于被動式冷卻的二極管條，其壽命的結束發生約20，000小時，壽命結束的定義為輸出功率為初始功率的80%。為了顯示本系統本身的優勢，考慮1，000瓦特的一系統。假設二極管激光的成本是每瓦特10元。那么對這個1，000瓦特的系統，其二極管成本為10，000元。假設本系統要持續100，000小時。如果這1，000瓦特的二極管激光的系統需要每20，000小時替換二極管激光。那么，必須替換4，000瓦特的二極管激光。替換的成本因此變成40，000元加上人力。所有二極管泵浦固態激光，包含體積式銣-雅克、薄盤以及光纖激光，必須遵循此模型。這是二極管泵浦固態激光的激光共振器基本原理。舉例來說，在體積式銣-雅克激光中，只要二極管到達其壽命結束的條件時，則此二極管就必須替換。除了必須替換之外，還必須對整個激光進行光學性校正。基本上，這條件不適用波長光束組合系統。在本系統中，輸出光束相對于激光條的數目、元件的數目或系統的輸出功率來說是不變的。舉例來說，如果本發明的1，000瓦特系統，能安裝多種1，000瓦特二極管激光組在系統中且在一個時間只打開一組。也就是在到達20，000小時的壽命直接關掉第一組二極管激光并打開第二組或是組合。因此，替換與/或校正對于系統來說是不必要的。這是本系統的基本特性。本系統的優勢，甚至盡管二極管激光只持續20，000小時，本發明也可使本系統持續100，000小時或是任何需求的時間長度。從上述例子可減少替換 二極管激光的次數的需求。舉例來說，當建造二極管激光系統時，安裝總達2，000瓦特功率的二極管激光。此2，000瓦特激光包含5組二極管激光。第一群組為1，200瓦特的功率級，其余群組都為200瓦特。對于第一個20，000小時，可先運轉第一群組1，200瓦直到其的壽命結束，其功率級剩1，000瓦特。在20，000小時結尾的部分時，運轉第I群組及第2群組。在40，000小時結尾的部分時，運轉第1、2、3群組。在60，000小時結尾的部分時，運轉第1、2、3、4群組。在80，000小時結尾的部分時，運轉所有的群組。此系統的輸出功率在任何時間都是約1000瓦特。在這個例子中，二極管激光的成本20，000元取代了先前的例子的50，000元(10，000元的最初二極管成本外加40，000元替換的二極管成本)。更重要的是不需要定期維護。也不需要打開密封激光系統去替換或校正系統。作為該系統的一部分，群組的運作是通過一具有簡單功率臨界值偵測器的計算機進行設計與控制。如果二極管激光證明比預計的平均壽命要來的可靠，那計算機就不需要打開額外的群組直到系統功率低于一預設臨界值，可更進一步的延長操作時間。上述例子只是操作多種群組的一可能序列。多種可能的系統方案存在著。因此可以組合此方法以評估每一群組二極管激光的功率，可引導更進一步改善每一群組預期的壽命底線。單一頻率二極管陣列與堆疊在許多應用中充分利用的二極管條或堆疊，如泵浦堿金屬蒸氣激光與自旋交換光學泵浦，其受限于寬輸出光譜。二極管條與堆疊的輸出光譜帶寬約3nm到5nm。對于某些應用來說，要求少于0.05nm的輸出光譜帶寬。進一步，通常來說輸出光譜為非波長穩定的。因此中心波長的改變可當作操作溫度的一函數。在許多應用中，這是不需要的而且也可能導致激光系統災難性的破壞。一般波長改變與溫度的關系為每攝氏I度約0.33nm。在某些應用中，像泵浦堿金屬蒸氣激光，0.05nm的偏移將會使激光系統停止發射。有三種線窄縮與波長穩定二極管陣列與堆疊的產生方法。第一種方法使用內部光柵當作激光制作程序的一部分，舉例來說，分布式反饋(DFB)激光與分布式布拉格反射激光。有數家公司提供內部波長穩定二極管陣列與堆疊。第一種方法的缺點為增加的內部光柵會干擾二極管激光的效能。第二種方法是使用外部體積式布拉格光柵(VBG)。有許多公司提供此類型外部體積式布拉格光柵。這兩種方法都是耗時且昂貴。此外，產生的線寬約
0.5nm,且具有每攝氏I度0.1nm的波長與溫度系數。一般來說，夕卜部體積式布拉格光柵吸收熱，因此有時主動式冷卻是必須的。第三種方法是使用外部衍射光柵。第三種方法具有高度色散且原理上會導致非常窄線寬。在方法二跟三中，產生的線寬遠寬于系統所能夠接受。寬闊的輸出光譜主要是因為激光發射極的缺陷。激光二極管條上的一些缺陷顯示于圖3中。圖3中第I行顯示沒有任何誤差的一單一激光二極管條302。此實施例為示范的二極管條組設于散熱裝置上并且由一快軸準直光學儀器306來準直。第A列顯示輸出光束311的軌跡穿過準直光學儀器306的透視或3D視圖。第D列顯示發射光束311軌跡通過準直光學儀器306的側視圖。第B列顯示關于準直光學儀器306的每一個別激光元件313的激光端面的前視圖。如第I行所顯示的，激光元件313相當筆直。此外，所有激光元件313對應到準直光學儀器306的中央。第C列顯示從這樣輸入的一系統下，所預期的輸出光束。第2行顯示二極管激光陣列有照準誤差。第B列第2行顯示激光元件與準直光學儀器彼此有輕微的偏移。如顯示的結果，發射的光束并不在一預期的軌跡上，這會造成外部腔體激光效率的降低。另外，輸出輪廓的偏移會讓系統變得無效率的或引起額外的變異。第3行顯示一陣列具有封裝上的誤差。激光元件不再位于一筆直在線且為有曲率的條。這有時被稱為“微笑”。如第3行所顯示，“微笑”能引起更多軌跡問題，如系統沒有一致的路徑或共同方向。第D列第3行更進一步顯示光束311存在著不同的角度。第4行顯示準直透鏡與激光元件以一扭曲或轉角度方式而未被校準。這狀況可能是所有輸出光束中最糟的，也會產生更多準直或扭曲上的誤差。在大多數的系統中，二極管陣列或堆疊實際上的誤差如第2、3、4行的誤差組合。在方法二跟三中，使用外部體積式布拉格光柵與衍射光柵，有缺陷的激光元件會導致輸出光束不再平行照準于光軸。這些偏離光軸的光束會導致每一激光元件發射出不同波長的激光。大量不同波長增加會使系統的輸出光譜變寬如上述提及的。圖4顯示一外部腔體400系統試著解決圖3所示的缺陷。外部腔體400是設計成使用使得波長窄化的衍射光柵414、穩定的二極管條402以及二極管條的堆疊450。此光學儀器包含一球面望遠鏡409、衍射光柵414以及輸出耦合器416。二極管陣列402與堆疊450放置在第一球面透鏡410a的焦平面加上準直光學儀器406的焦距的總和的位置上。兩光學儀器的間隔就是其焦距的總和。光柵414放置在近約第二球面透鏡410b的焦平面上。輸出耦合器416放置在衍射光束的輸出范圍內。這樣的安排，有任何缺陷的激光元件會照準不同角度到光柵上，如圖上的虛線所示。舉例來說，考慮在堆疊450上的一第一二極管陣列403具有一“微笑”。在準直光學儀器的焦平面上，所有光束空間上是重疊的。球面望遠鏡410將此重疊光束射入光柵414。衍射光柵與輸出I禹合器的組合使所有光束與輸出I禹合器正交傳播。這方法可實現的是由腔體主導使有缺陷條的激光元件能不得不操作于獨特的波長上。換句話說，每一條的輸出光譜的變寬取決于不良率。提出一種分析(使用ZEMAX光學設計軟件)比較有“微笑”系統400的影響。此模型包含三-條的二極管堆疊。每一發射極的中心波長為980nm。每一條有10 μ m峰對谷值的“微笑”。每一條通過f= Imm的快軸準直光學儀器來準直。球面望遠鏡包含兩個f =IOOmm的透鏡。光柵有每毫米600條的刻線密度。最上面的元件有+5 μ m的“微笑”使波長不得不操作在大約為972.16nm上，以及元件有_5 μ m的“微笑”使波長不得不操作在大約為987.82nm上。無任何“微笑”的元件，波長操作在980nm。因此，現在每一條與整個堆疊的光譜大約是15.66nm。一班來說,單一激光元件的光譜帶寬是3_5nm。現今的二極管陣列與堆疊，其“微笑”的范圍大約3微米，在此模型下會導致約5nm的一光譜帶寬。因此，這類光譜亮度用途的系統并不會比自由運作光譜要來的好。圖5顯示一新的基準腔體500，使用衍射讓波長窄化的衍射以及具有波長穩定的二極管陣列與二極管堆疊，此與缺陷完全無關。此光學配置包含一沿著色散方向的圓柱透鏡陣列533、兩圓柱望遠鏡509、一衍射光柵514以及一輸出I禹合器516。圓柱透鏡陣列533之間的間距與二極管堆疊550之間的間距相同。這里有兩個圓柱望遠鏡509。第一圓柱望遠鏡(510c與510d)沿著陣列空間維度成像(射出紙張的)。第二圓柱望遠鏡(510a與510b)沿著堆疊空間維度成像(垂直于圖5)。圓柱透鏡陣列533放置在圓柱透鏡陣列的焦平面與準直光學儀器506的焦距的總和的位置上。二極管堆疊550也位于陣列望遠鏡的第一光學儀器510c的焦平面上。輸出耦合器位于陣列望遠鏡的第二光學儀器510d的焦平面上。此間隔就是其焦距的總和。如圖5顯示，沿著堆疊空間維度，堆疊望遠鏡的第一光學儀器510a放置在圓柱透鏡陣列533的焦距與堆疊望遠鏡的第一光學儀器510a的焦距的總和的位置上。堆疊望遠鏡的二光學儀器的間隔是其焦距的總和。光柵514放置在圓柱望遠鏡的最后一個光學儀器510b與輸出率禹合器516之間。輸出I禹合器516放置在衍射光束的輸出范圍內。這樣的安排,有任何缺陷的所有元件在光柵514上都會照準相同角度。當所有元件都照準相同角度，則其會有相同波長。并且，此配置之一 ZEMAX模型作分析。參數都與先前模型相同且包含圓柱透鏡陣列533。圓柱透鏡陣列具有一一焦距為100mm。所有的元件都操作在相同的波長。理論上，輸出光譜為單一頻率。這有許多波長操作在兆赫與千赫需求高光譜亮度的應用。這類型的系統也耐用在其變得對熱不敏感或不易隨著溫度增加或減少而改變激光的波長。表I比較了這光學腔體與競爭的技術。圖5的腔體結構是廣義的；如此，其可以普遍應用在所有的二極管激光條與堆疊。其可操作在良好的陣列以及極不完善的陣列或堆疊如先前所敘述的。輸出光譜產生具有可調整的以及對熱不敏感特性的單一頻率，這在許多應用是非常需要的。__競爭技術__圖5的實施例
光學儀器外部體積式布拉格光外部腔體
__柵與內部光柵__
普遍應用__^__^_
窄線寬__^__^_
可調諧波長__^__^_
尺寸大小__緊湊型__較大型_表1:圖5所述的方法與競爭技術在二極管激光條與堆疊的波長穩定與窄化的比較表使用在波長光束組合外部腔體中沿著二空間維度陣列二極管激光元件的陣列空間維度的圓柱透鏡陣列先前外部腔體的一空間維度波長光束組合架構，其波長光束組合沿著陣列空間維度實行如圖1B所示。其腔體包含具有快軸準直(FAC)透鏡的激光元件的一堆疊、一圓柱傳播透鏡/鏡、一衍射元件/光柵以及一部分反射的輸出耦合器。圓柱傳播透鏡/鏡位于快軸準直透鏡的背焦平面的一焦距的距離上。衍射光柵放置在圓柱轉換光學儀器的背焦平面上。輸出耦合器放在第一階衍射光束的路徑上。如此來自激光元件的輸出光束透過轉換光學儀器可空間上重疊于光柵上。反射輸出耦合器與光柵提供反饋于激光元件的獨特波長控制且重疊光束于近場(在輸出耦合器)與遠場。波長光束組合沿著陣列空間維度實行。而堆疊是為了功率調整而非為了亮度調整。一分析圖1B模型(使用`ZEMAX光學設計軟件)，假設三個具有零“微笑”與無準直誤差的二極管條。快軸準直光學儀器106有一焦距為1mm，其為一常見商規用現成的快軸準直光學儀器。此模型包含三個具有快軸準直光學儀器106的二極管條102、一轉換光學儀器108、一衍射光柵114以及一輸出I禹合器116。轉換光學儀器108有一焦距為100mm。如此能看出輸入與返回的光束的完全重疊以及因此滿足激光共振器的需求。有低“微笑”與照準誤差的準直二極管元件是強健且有效率的波長光束組合高度需要的兩個主要特征。封裝的過程中二極管激光陣列會有“微笑”或物理性彎曲，以及無校正準直微透鏡引起的照準誤差都會降低輸出光束質量與降低光束組合效果。外部腔體操作是高度相關“微笑”與準直誤差的數值上的。先前波長光束組合腔體如圖1B能容忍一非常小數值的“微笑”與準直誤差。腔體能容忍的誤差數值的數量級可能比本領域當前的技術要更嚴格。先前波長光束組合腔體(圖1B)的主要缺點是二極管陣列與堆疊的不良率高度影響此外部腔體。甚至現今可用的最好的二極管陣列與堆疊(約I微米的“微笑”)都不夠好，如討論實行的第二光學模型。本發明揭露一波長光束組合架構的實施例，其外部腔體操作與“微笑”和準直誤差無關。圖6顯示與圖1B—樣的波長光束組合腔體，沿著非波長光束組合空間維度，是具有“微笑”。圖6虛線對應于具有“微笑”的元件603。由于“微笑”的關系，從輸出耦合器616返回的光束637將不會與射入的光束重疊。因此，外部腔體操作是不可行的。第二光學模型(使用ZEMAX)依據圖1B包含每一具有2微米峰對谷值“微笑”的條。另外，三個元件以零、I與-1微米的“微笑”進行建模。零“微笑”的元件回到其自己本身。有I微米“微笑”的元件錯失了快軸準直光學儀器(圖1B的元件106)整體(快軸準直光學儀器的直徑1_)以及因此外部腔體操作是不可行的。有-1微米“微笑”的元件也錯失了快軸準直光學儀器。圖7顯示沿著非光束組合空間維度的基本光學設計。此腔體設計來增加空間亮度。腔體700包含一具有準直光學儀器706的二極管堆疊750、一圓柱透鏡陣列733以及一輸出耦合器716。圓柱轉換光學儀器708與光柵714都是沿著光束組合空間維度的。圓柱透鏡陣列733放置在距離準直光學儀器706的背焦平面的一焦平面上。圓柱透鏡陣列733之間的間距與二極管堆疊750之間的間距相同。二極管堆疊750與光柵714放置在圓柱轉換光學儀器708的焦平面上。這樣的腔體不受外部腔體與二極管條或堆疊的缺陷影響。建構圖7 (使用ZEMAX)的腔體700，包含具有快軸準直光學儀器706的二極管條703，其具有20微米的“微笑”(峰對谷值)的參數。注意這是比起先前討論的圖1B第二光學模型“微笑”的10倍多。這里的圓柱透鏡陣列733有IOOmm的焦距。這結果可得到返回的光束737與射入的光束重疊且允許外部腔體自由操作并且不受“微笑”和準直誤差影響。這類型的激光腔體設計在高功率激光切割工業上及其他領域都有很多的應用。不受二極管陣列與堆疊缺陷影響的二空間維度二極管激光元件的外部腔體一空間維度波長組合如圖1C所示二空間維度激光元件的外部腔體一空間維度波長光束組合架構的先前技術，其光束組合是沿著堆疊空間維度實行。此腔體包含二空間維度二極管激光元件或具有快軸準直光學儀器的二極管激光堆疊、一圓柱傳播透鏡/鏡、一衍射元件/光柵(沿著快軸或堆疊空間維度色散)以及一部分反射的輸出耦合器。傳播透鏡/鏡放置在快軸準直光學儀器的背焦平面的一焦距上。衍射光柵放置在轉換光學儀器的焦平面上。輸出耦合器放置在第一階衍射光束的路徑上。如此，理想地，來自激光元件的所有輸出光束透過轉換光學儀器空間上于光柵上重疊，如圖1C所示。反射的輸出耦合器與光柵提供反饋給激光元件的獨特波長控制并且重疊光束于近場(在輸出耦合器)與遠場。波長光束組合是沿著堆疊空間維度實行，對于每一光束而言也是快軸空間維度。陣列空間維度使用在功率調整而非亮度調整。外部腔體操作不受“微笑”、照準誤差或快軸準直扭曲誤差影響如圖3所示。為了減少衍射損失，一圓柱望遠鏡沿著陣列空間維度映射沿著陣列空間維度或慢軸的每一發射極到輸出耦合器之上。沿著這個維度，圓柱望遠鏡與衍射光柵則甚么也不做。光學建模圖1C (使用ZEMAX)顯不來自二極管堆疊,其輸出光束將是一單一衍射限制的光束。針對此模塊的某些用途，假設三個二極管條都具有零“微笑”以及無準直誤差。快軸準直光學儀器106有Imm的焦距，其是一常見的商規用現成的快軸準直光學儀器。轉換光學儀器108有一焦距為100mm。假設所有構成要件都是理想的(只為了驗證概念)。貝Ij此模型并沒有包含輸出耦合器116。此外，在轉換光學儀器的焦平面上或在衍射光柵上所有光束都完全重疊。來自所有元件的所有光束空間上重疊于衍射光柵上，那么當腔體運作時輸出光束將會是一單一衍射限制光束。圖12顯示同樣的腔體，沿著波長光束組合空間維度，具有“微笑”、除了圓柱透鏡望遠鏡109a、109b之外。圓柱望遠鏡之所以不影響是因為其是沿著非光束組合方向。圖12的虛線對應于具有“微笑”的元件1203。當建模圖12時，其參數使用與先前圖1C模型相同，除了每一條具有20微米峰對谷值的“微笑”。具有“微笑”的元件1203或準直誤差空間上無法重疊光束于衍射光柵1214上,如圖12所不。不過由于光柵1214與輸出I禹合器1216的功能，這些元件仍然繼續運作于外部腔體。不過，輸出光束耦合器上仍會有所損失。如顯示的輸出輪廓1291，輸出光束將不在是一單一光束。而包含具有“微笑”元件的條內的所有元件額定上發射出相同波長的激光。由于位置與光譜之間為一對一的對應關系，因此這會導致輸出耦合器之后光束大小的擴大。然而，本質上具有“微笑”或準直誤差的所有元件，有效的反饋是100%且不受“微笑”或任何準直誤差的數值影響。此波長光束組合腔體主要的缺點在于輸出光束質量的會因二極管條與堆疊的缺陷(“微笑”與準直誤差)多寡成比例地下降。這些誤差會降低輸出光束質量高達10倍數。盡管具有低“微笑”與準直誤差的二極管條與堆疊(典型來說會致使輸出光束質量降低2x到3x倍)，其仍然非常昂貴。在本發明中，一實施例的新的波長光束組合架構描述沿著光束組合空間維度的輸出光束質量是接近衍射限制的且不受“微笑”和準直誤差的數值影響。圖8顯示基本光學規劃圖。此腔體包含一具有快軸準直光學儀器806的二極管堆疊850、一圓柱透鏡陣列833、一圓柱轉換光學儀器808、一光柵814 (沿著堆疊空間維度色散)以及一輸出耦合器816。圓柱望遠鏡809沿著陣列或非光束組合空間維度是使用以映射陣列到輸出耦合器816上。圓柱透鏡陣列833放置在距離快軸準直光學儀器806的背焦平面的一焦平面上。圓柱透鏡陣列之間的間距與二極管堆疊850之間的間距相同。轉換光學儀器808放置在從圓柱透鏡陣列833的背焦平面的一焦距上。光柵814放置在轉換光學儀器808的背焦平面上。圖13顯示此衍射限制輸出輪廓沿著光束組合空間維度波長光束組合腔體的一ZEMAX模型。圖13左邊部分顯示一具有快軸準直光學儀器的二極管條，且具有20微米的“微笑”(峰對谷值)。圖13的中間部分顯示腔體的部分。圓柱轉換光學儀器與圓柱透鏡陣列都有IOOmm的一焦距。圖13右邊部分顯示所有光束空間上重疊于衍射光柵上。忽略“微笑”或準直誤差，來自所有元件的所有光束空間上重疊于衍射光柵上，那么當腔體運作時輸出光束將是一單一衍射限制光束。二極管陣列與堆疊光束誤差校正在許多應用中充分利用的二極管條或堆疊，如泵浦固態激光與直接使用在材料加工上，其限制在于劣質的輸出光束。進一步，對于每一個別發射極的光束質量來說，二極管陣列與堆疊的輸出光束質量比真正的輸出要來得非常糟糕。降低的主因是由于封裝與準直誤差。這些誤差如圖3所示且如上述說明。圖9顯示常見方法使用在校正二極管陣列與堆疊缺陷的相關技術。圖9左手部分顯不一來自 Power Photonic (http://www.powerphotonic.c0.uk/)的商業產品。此產品是一片具有相位變化的玻璃。此相位板能校正大多數的缺陷。圖9右手部分顯示可校正“微笑”的兩種類型的塑形光學儀器。而塑形光學儀器并不能校正照準與扭曲誤差。所示的三個方法都需要特殊訂制的。每一二極管陣列與堆疊的缺陷都需要精密的量測。只要缺陷被知曉，那么就可以定義制作相位板或塑形透鏡。不過此相位板或塑形透鏡不能使用在其他的陣列或堆疊。
圖11顯示為了校正大多數二極管陣列與堆疊缺陷的另一基本光學配置實施例。此光學結構包含一球面望遠鏡1109、玻璃塊1181、一光柵1114以及一輸出I禹合器1116。另一可能的結構包含二球面望遠鏡。此望遠鏡沿著色散空間維度重疊條內的所有光束到衍射光柵上。此望遠鏡沿著非光束組合空間維度映像每一發射極到具有部分反射的鏡上。二極管陣列1102與1103放置在第一球面透鏡IllOa的焦平面加上準直透鏡1106的焦距的總和的位置上。兩透鏡的間隔是其焦距的總和。光柵1114放置在第二球面光學儀器IllOb的焦平面上。因為光柵1114的位置與光軸有角度的偏移，所以需要玻璃塊的一陣列。輸出耦合器1116放置在衍射光束的輸出范圍內。這樣的排列可完全的校正二極管陣列與堆疊的缺陷。舉例來說，考慮的例子是具有“微笑”的第一二極管陣列1103。其所有的光束空間上重疊于準直光學儀器的焦平面上。球面望遠鏡1109將使得此重疊光束定位到光柵1114上。而衍射光柵1114與輸出耦合器1116的組合使所有的光束與輸出耦合器1116作正交傳播。所以，輸出光束是一單一光束。這條件可實現的唯一方法是透過腔體的運作讓一具有缺陷的條內每一激光元件不得不操作在獨特的波長上。建構圖11概念與本質的一結構，其包含一三-條二極管堆疊并操作在980nm波長與無缺陷之下。每一條通過f= Imm快軸準直光學儀器進行準直。球面望遠鏡包含兩個f=IOOmm的光學儀器。光柵是每毫米600條。如此,腔體的輸出光束相同于輸入光束。當建構相同腔體但是二極管陣列有缺陷下，如最上面與最下面陣列有100 μ m峰對谷值的“微笑”，比現今的二極管條與堆疊要高50倍左右的“微笑”，中間條有50毫弧度的照準誤差。這比現今的二極管條與堆疊多25倍的照準誤差。盡管有這樣大數值的“微笑”與照準誤差，所得出的結果相同于沒有“微笑”與照準誤差的第一模型。為了實現此結構，舉例來說，最上面與最下面條的元件有50 μ m “微笑”且操作在901.0Snm波長，或是最上面與最下面條的元件有-50 μ m “微笑”且操作在1057.5nm波長。沒有任何“微笑”的元件操作在980nm波長。有50毫弧度的照準誤差的中間條操作在901.0Snm波長。要提醒的是這是額外例子，以顯示此功率技術對條與堆疊誤差的補償。實際上，現今條的“微笑”在2微米范圍內以及實際校正腔體所得到的線寬約在0.5nm。有更多實際例子顯示此技術的窄帶寬能力。本文所述并使用的這個實施例，在不管“微笑”、照準或扭曲誤差下，輸出光束質量是可以完全補償的且相同于單一兀件。表I顯不本發明的光學腔體與其競爭技術。本發明光學腔體的配置唯一缺點只在于其較大。本配置能完全補償“微笑”、照準與扭曲誤差。本配置是通用的。在原理上，本配置可用于所有激光。以及不需要量測二極管激光陣列與堆疊的缺陷以及制造特定校正的光學儀器。本方法可操作于理想陣列與堆疊到極有缺陷的陣列與堆疊。盡管本配置需要衍射光柵，然而輸出光譜卻是窄線寬的、可調諧的以及對熱不敏感的。這些特征在許多應用上是高度需求的。
權利要求
1.一種可調式波長光束組合系統，其特征在于，包括: 多個模塊式激光輸入設備，其中每一模塊式激光輸入設備包括: 至少一激光元件，設置以產生一電磁光束；以及 至少一光學組合元件，定位以接收與導引每一光束沿著一光束組合空間維度作匯集；一色散元件，沿著該光束組合空間維度而定位，用于接收該多個匯集光束并傳送該光束；以及 一部分反射輸出耦合器，設置以接收來自該色散元件的該光束以朝向該色散元件反射該傳送光束的一部分、并且以傳送一多波長光束，而該多波長光束包含具有多個波長的光輻射。
2.根據權利要求1所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，該激光元件是一二極管條。
3.根據權利要求1所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，每一激光輸入模塊設置以選擇性開啟或關閉。
4.一種可調式波長光束組合系統，其特征在于，包括: 多個模塊式激光輸入設備，其中每一模塊式激光輸入設備包括: 一個或一個以上激光元件，每一激光元件設置以發射一電磁光束；以及 一第一光學元件，設置以接收并傳送來自該一個或一個以上激光元件的光束； 一第二光學元件，與每一模塊式激光輸入設備的該第一光學元件定位以構成一光學望遠鏡式系統，其中，該光學望遠鏡式系統所校準的發射光束彼此互相平行，該光學望遠鏡式系統并傳送該校準的光束； 一光學組合元件，定位以接收該平行光束并導引每一平行光束沿著一光束組合空間維度而匯集； 一色散元件，沿著該光束組合空間維度定位，用于接收多個匯集光束并傳送該光束；以及 一部分反射的輸出耦合器，設置以接收來自該色散元件的該光束、以反射該傳送光束的一部分而朝向該色散元件、并且以傳送一多波長光束，而該多波長光束包含具有多個波長的光福射。
5.根據權利要求4所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，該光學組合元件具有一小于或等于5英時的直徑。
6.根據權利要求4所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，該光學組合元件是一具有小于或等于5英時的直徑的曲面鏡。
7.根據權利要求4所述的可調式波長光束組合系統,其特征在于，每一激光輸入模塊設置以選擇性開啟或關閉。
8.根據權利要求4所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，還包含一感測系統，設置以檢測該多波長光束的信息。
9.根據權利要求8所述的可調式波長光束組合系統，其特征在于，還包含一控制器，設置以接收輸出信息以及選擇性開啟或關閉激光輸入模塊。
10.一種可調式波長光束組合系統的方法，其特征在于，其步驟包括: 配置多個光學組合元件，每一光學組合元件接收并重疊多條發射電磁光束到一色散元件上； 傳送重疊的光束到一具有部分反射的輸出耦合器； 反射該發射光束的一部分回到該色散元件，其中每一反射光束的一部分回到每一激光元件，由此形成一外部腔體；以及 傳送來自該部分反射的輸出稱 合器的一多波長光束。
全文摘要
本發明是有關于一種波長光束組合系統與方法，當使用或組合多個激光元件時，用于增加輸出的功率以及增加空間的且/或光譜的亮度。
文檔編號H01S5/40GK103081261SQ201180021997
公開日2013年5月1日 申請日期2011年3月4日 優先權日2010年3月5日
發明者陳斌, 黃羅賓 申請人:泰拉二極管公司