[发明专利]高亮度密集波复用激光器

说明书

技术领域

本发明大体上涉及激光器系统，并且更具体地讲涉及用于窄带宽激光射束稳定以及多路激光射束合并的系统和方法。

背景技术

密集波复用(dense wavelength multiplexing)是这样一种技术，由多个各自为窄频带宽输入射束制造单个、高亮度多频谱合并的输出射束。DWM使得多路相对小功率的单波长输入射束被叠加，以产生单个、高功率、高亮度的输出射束。DWM技术使得输出射束功率与由多个输入射束所产的功率总和直接成比例并且进一步提供输出射束，该输出射束具有与各个输入射束的射束品质相称的射束品质。

在DWM系统中，多个窄频谱带宽或者单波长的激光射束自一激光源发射，所述激光源包括多个独立的发射器。多频谱输出射束通过使得所述多个独立的射束与射束重叠元件合并或者在空间上并在方向上使得所述多个独立的射束与射束重叠元件重叠而被形成。射束合并可以通过以下方式来实现，针对每个射束选择单个波长并且将每个射束以特定的入射角指向到射束重叠元件。每个射束的波长和入射角被选择成，所有的射束自射束重叠元件在与共同传播方向的重叠区域处发出。一组被准许的波长-角度对可以被限定为将产生自射束重叠元件以共同的传播方向发出的射束的波长与入射角的所有组合。

为了自由激光源发射的多个激光射束产生单个多频谱合并的输出射束，来自这组被准许的波长-角度对的波长-角度对必须针对激光源中的每个发射器被选择。入射角重叠元件并将位置-至-角度变换透镜放置在激光源与光束重叠元件之间的光学路径中的固定位置上。位置-至-角度变换透镜将激光源中的每个发射器的空间位置映射到射束重叠元件的特定的入射角。

针对每个独立的发射器，通过以具有期望的波长的电磁辐射的方式向发射器提供反馈来实现波长选择。向发射器提供这种电磁辐射将激励发射器的与期望的输出对应的共振模式。因而，向发射器提供反馈将激发附加的电磁辐射的具有与反馈相同的波长的发射。这种共振的反馈将使得由发射器发射的激光射束的频谱带宽收窄并且使得发出的射束的波长频谱关于共振的反馈的波长对中。向发射器提供反馈的这种过程可以称为射束波长稳定或波长锁定。

使得每个激光射束的波长锁定令单个波长映射于激光源中的发射器的每个位置，并且为激光源产生了一组固定的波长-位置对。位置-至-角度变换透镜使得针对激光源中的每个发射器的波长-位置对映射至特定的波长-角度对。选择合适的波长-位置对确保了，空间上并且方向上重叠的射束将被产生。然而，如果波长锁定不是健壮的并且各个发射器的备选的共振模式被激励的话，则发射器将产生此后将传播经过系统的备选的共振模式分量。由备选的共振模式所产生的射束分量不会体现准许的波长-位置对并且因此将不在空间上和方向上由射束重叠元件重叠。此外，如果此类备选的共振模式被允许传播经过外部共振器(其向激光源提供反馈以便稳定由激光源中的发射器发出的射束的波长稳定)，则此类备选的共振模式将激发附加的寄生的、替代的模式分量的发出并因而使得输出射束品质降级并在输出射束功率中引出临时波动。

发明内容

本说明书描述了用于在DWM系统中射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法。本说明书更具体地描绘了用于在DWM系统中执行射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法，同时实现了增加的输出射束亮度、增加的电光转化效率、以及相对于现有技术改善的射束品质。电光转化效率是系统将电能转化成光能的效率的度量并且可以被限定为辐射通量、即由系统所产生的总光学输出功率与由系统所消耗的输入电功率之比。

为了射束合并的目的，用于射束稳定和输出合并的一些现有技术的系统和方法采用了透射式光学元件、以及具体地透射式衍射光栅。为了射束合并的目的采用透射式衍射元件具有多种限制。采用透射式衍射元件的射束稳定与输出合并系统和方法具有特定的不足。一个原因是尽管透射式衍射元件的理论衍射效率非常接近百分之一百，但实际上真正的透射式衍射元件无法达到这样的衍射效率。真正的透射式衍射元件可以连续地获得大致不高于大于百分之九十五的衍射效率。因此，必须设计外部腔，其能够捕获否则将不会被用于最大化电光转化效率的衍射阶。相反地，反射式衍射元件可以实现大致更高的衍射效率。实际上，反射式衍射元件可以实现最大大约99.8％的衍射效率。采用反射式衍射元件的共振腔因而相对于采用透射式衍射元件的外部共振器能够实现电光转化效率的显著增加。