[发明专利]利用棱镜进行光束质量改善和带宽减少的波长光束组合激光系统

说明书

在各种实施例中，在波长光束组合激光系统中利用一个或多个棱镜来调节光束尺寸和/或提供更窄的波长带宽。

相关申请

本申请要求2016年1月20日提交的美国临时专利申请No.62/280,964的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是具有改善的光束质量和窄波长带宽的波长光束组合激光系统。

背景技术

大功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的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，还包括将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上的光学系统。光学系统通常设计用于产生最高质量的激光束，或者等价地，产生具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处(即光束腰部，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化了激光束的质量以及它能够如何良好地聚焦到小的点，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有最低可能的BPP，由激光的波长除以pi得出。在相同波长下实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP之比被表示为M²，或者“光束质量因子”，其是光束质量的波长无关度量，“最佳”质量对应于“最低”光束质量因子1。

波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管条、二极管条的堆或以一维或二维阵列布置的其他激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了WBC方法，其沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其使用色散元件(例如衍射光栅)组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自共同的部分反射输出耦合器的波长特定反馈而被稳定，所述反馈经由色散元件沿着光束组合维度被过滤。示例性WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180以及2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述，其中每一个的全部公开内容通过引用包含于此。

理想地，具有衍射光栅的WBC激光系统将由光栅单独定义的不同波长处的多个发射器组合为具有与单个发射器相当的光束质量的多个波长的单个输出光束。然而，在实践中，组合输出光束的光束质量可能比单个发射器的光束质量差得多。一个主要原因是来自不同发射器的不同光束在光栅上具有不同的入射角，这导致光栅上不同的投射光束尺寸。在这种情况下，光束可能不会在光栅上以及其光学下游完全彼此重叠。不同的入射角也可能导致衍射光束的腰部严重错位并因此降低反馈均匀性和WBC谐振器效率。

另外，由于WBC系统需要不同发射器在不同波长下工作，所以源阵列的可用波长带宽可能是关键资源。在许多情况下，该带宽设置了光栅的色散能力的需求，并限定了可组合发射器的最大数量或WBC谐振器的最小尺寸。减少波长带宽的使用等同于增加色散能力，并且还可以帮助改善激光器性能，例如更快的冷启动、更高的效率等。

发明内容