[发明专利]对多束光进行光转换的器件

说明书

                    相关申请

本申请与同时提交的美国专利申请第08/283,226以及美国专利申请第08/283,381号现为美国专利第5,418,880号相关。

                    发明领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及那些将诸如激光器阵列发出的光束阵列转换成单束光辐射的光学器件。

                    发明背景

相干光辐射或激光在通信、医疗、研究、成象以及其他许多技术领域中广泛使用。在这些应用中，为了进行放大或后续的激光器作用，可将激光辐射用作或直接用作中间抽运源。当应用所需的功率较小，如几毫瓦数量级左右，并且光束质量并不最受重视时，就会广泛使用激光二极管，因为它们可直接调制，并且大小合适，光束质量也可以接受。当所需功率适中，如一瓦数量级左右并具有高质量光束(例如衍射限光点)时，便使用带固态抽运源的光纤激光器。对于需使用几瓦功率的高功率应用，例如某些打印应用，则将激光二极管阵列用作与特殊光纤增益结构耦合的抽运源。对于十瓦或更高的功率需求，可使共振腔能发射几种模式的高功率激光二极管阵列与这种特殊的增益光纤耦合。但是，必须注意，如果要获得最大功率收益，则要确保有效的耦合功率。由于单模纤芯较小，只有10微米或更小，并且一般的材料会限制光纤数值孔径(NA)的大小，因此事实上不可能通过端射耦合技术有效地将多模激光器阵列的能量直接耦合到单模增益纤芯中。

如上所述，通过合并激光二极管阵列发射共振腔的输出便能获得高功率的激光。但是，若用这种方式合并独立输出，则很难保存亮度，并很难使功率损耗保持最低。

由于源的几何特性和数值孔径与接收光纤不匹配，所以多激光源的总输出不能被有效耦合到一根光纤中，这便产生了难题。如图1所示，典型的多激光源可以是一根激光棒10。激光辐射从分布着多个激光腔的发光面11发出。在该例中，发光面11包括一激光二极管12，它与相邻的激光二极管13相隔一段阵列间距16。激光二极管12发光面输出的形状一般为窄长的矩形，并且其长度方向与激光棒的轴14平行。

为了便于说明，用一组激光束uvw-坐标轴19来描述激光二极管发出的辐射光束的传播特性。w轴的方向垂直于发光面11，并与辐射光束的传播方向一致。坐标系19随每一光束运动，即当光束旋转时，坐标系绕w轴转动，并且当光束传播方向改变时，坐标系也改变方向。激光二极管12发出激光束20，而激光二极管13发出激光束21，等等。

椭圆形表示出射激光束20和21的辐射分布，它们都有一个与激光棒轴14平行的v分量，和一个与激光棒轴14垂直的u分量。图2提供了激光束发散的数值表示，当激光束沿w方向传播时，每个激光束在u方向上的发散角θ_u都比v方向上的发散角θ_v要大。被测含有95％光功率的NA值一般对于NA_u为0.30至0.70(17°至40°)，而对于NA_v为0.10至0.35(6°至20°)。在将这些激光束引入一根光纤之前，需用一耦合器件将辐射光重新形成一种与光纤的几何形状和NA值更相适应的更合适的形状。

颁发给Scifres等人的美国专利第4,763,975号中揭示了一种这样的光耦合器。图3示出了一光学系统30，它利用多根光纤波导34将多个激光源32的输出用物理方法合并。每根波导36都有一个扁平的输入端36，可使激光源32发出的光更有效地与光纤34耦合。然后，光纤34在其输出端38聚积，从而聚积射出细长形有所改善的重叠光束，该光束由光纤输出端38各自射出的光束40组成。可用透镜44或其他光学装置将波导堆42射出的叠合光束耦合到固态激光器46的共振腔模式体(cavity mode volume)中。

颁发给Po等人的美国专利第5,268,978号揭示了一种类似于光学系统30的光学耦合系统，在该系统中光纤波导在其长度方向上的截面积为矩形。用一定位块将各波导定位在其输入端，并用一透镜将另一聚积端的总输出缩倍并成象到光纤的内包层中。

可以理解，这些利用光纤波导束来合并激光阵列输出的方法要求将每根光纤相对每激光源的输出孔径精确定位，并由于耦合光纤时有吸收从而引入了一些附加的损耗。若在任何波导端部与相应激光源之间发生物理上的未对准，则波导堆传递给固态激光器的总功率便会相应降低。