[发明专利]波长光束组合系统与方法

说明书

本发明主张2010年3月5日于美国专利商标局提出美国专利申请号No.61/310,777、2010年3月5日提出的美国专利申请号No.61/310,781、以及2010年11月26日提出的美国专利申请号No.61/417,394的优先权，其所揭露的内容均并入本发明中以供参考。

技术领域

本发明是关于一种激光系统，尤指一种波长光束组合系统与方法。

背景技术

波长光束组合是一种以二极管条与堆叠来调整输出功率与亮度的方法。

波长光束组合(wavelength beam combining，WBC)方法已发展到沿着每一发射极的慢空间维度以及沿着每一发射极的快空间维度来组合光束。参阅例子：美国专利US6，192,062、6,208,679以及US2010/0110556A1。然而，当关系到调整输出功率与亮度以产生千瓦、万瓦、十万瓦、甚至到百万瓦的功率时，本文所述的传统方法无法非常灵活的调整系统整个所占面积以及无法灵活的对应大口径光学仪器。因此，为迎合不同产业、科学以及国防上的应用，需要有改良的方法与系统来增加光谱亮度与输出功率。

本发明所追求的即是解决所述的问题。

发明内容

激光有许多产业、科学以及国防的应用。产业应用包含金属切割、点焊、缝焊、钻孔、精密切割以及激光标记。科学应用包含天文学用的激光导引星、重力波探测、激光冷却与捕捉以及激光式粒子加速器。国防应用包含激光式武器、激光诱导火花以及雷达(LIDAR)。

上述适用例子的激光包含高平均与高峰值功率光纤激光与放大器、高平均与峰值功率视力无害掺铒(Erbium-doped)光纤激光与放大器、准连续波(quasi-continuous wave，QCW)或脉冲式或长脉冲式操作的产业激光、短脉冲式(脉宽为数个到百个十亿分之一秒)操作的产业激光等诸如此类的。

当波长光束组合应用到本文所述的任何激光，包含如上述适用的激光，许多影响激光使用的相关因素都大大的改善了。如功率输出方面能显著地增加，亮度方面能大大地改善，成本方面能急遽地减少、热能与光纤相关的光学仪器方面的挑战能立即克服或减轻到最小、整体尺寸方面能减小等诸如此类的。通过波长光束组合，该些因子可改善两倍或者以上。

激光

激光，在本文描述新颖的实施例中使用的激光如下所述。

激光一般来说可定义成通过光的激发发射以产生可见或不可见光的装置。激光(Laser)原本是「Light Amplification by Simulated Emission of Radiation」的缩写，由激光的先驱“Gordon Gould”于公元1957年所创造，但是现在一般主要是使用在通过激光原理以产生光的装置。

一般来说，激光的特性使其在不同的应用方面为有用的。激光的特性包含：激光束能传播极远的长度、没有太大的发散以及能聚焦在一非常小的点；相较于大多数产生非常宽带谱的其他光源，激光束具有一非常窄的带宽；激光可连续发射或是发射数千万亿分之一短的突波(脉冲)。

激光有多种类型。常见的激光形式包含半导体激光、固态激光、光纤激光以及气体激光。

半导体激光(主要是激光二极管)以电或光激发以及通常在劣质光束质量的损耗下能有效产生非常高输出功率。半导体激光也能针对激光唱片与数字视频影碟的应用产生具有良好空间特性的低功率激光。而其他半导体激光则可应用于产生高脉冲率，低功率脉冲(如应用于电信产业)。特殊类型的半导体激光包含量子级联激光(用于中红外光)以及面射型半导体激光(VCSEL与VECSEL)，后者也适合高功率脉冲的产生。半导体激光于之后的“激光二极管”段落会更进一步描述。

固态激光是以离子掺杂晶体或玻璃(如掺杂绝缘体激光)为基础以及由放电灯或激光二极管激发以产生高输出功率。或是固态激光也可产生非常高的光束质量、光谱纯净与/或稳定(如量测用途)的低功率输出。一些固态激光可产生兆分之一或千万亿分之一的极短脉冲。常见增益介质所使用的固态激光包含铷-雅克(Nd:YAG)、铷-钒酸钇(Nd:YVO4)、钕-玻璃(Nd:glass)、镱-雅克(Yb:YAG)、镱-玻璃(Yb:glass)、钛-蓝宝石(Ti:sapphire)、铬-雅克(Cr:YAG)与铬-氟铝酸锶锂(Cr:LiSAF)。