[發明專利]二維激光元件的外腔一維多波長光束合并

有效

• 申請號: 200980153513.3
• 申請日: 2009-11-03
• 公開（公告）號: CN102273030A
• 公開（公告）日: 2011-12-07
• 發明（設計）人: B·查恩;T·Y·范恩;A·桑切茲-魯比歐
• 申請（專利權）人: 麻省理工學院
• 主分類號: H01S5/40
• 分類號: H01S5/40;G02B27/10
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 過曉東

相關申請的交叉引用

本申請要求享有于2008年9月5日提交的第61/111,258號，名稱為“二維二極管激光元件的外腔一維(1-D)波長光束合并(WBC)”的美國臨時申請的優先權，該臨時申請通過引用全部并入本文中。

聯邦政府資助的研究

本發明由來自美國空軍No.FA8721-05-C0002項目的政府支持完成，政府享有本發明的某些權利。

發明背景

技術領域

概括起來，本發明涉及一個使用外腔的激光光源領域，特別是涉及合并二維激光源形成外腔一維波長光束的方法和設備。

背景技術

使用激光陣列的高效多波長激光源具有包括材料加工、激光泵以及多種醫療程序等許多應用。外腔一維波長光束結合二極管陣列和二維二極管堆作為增強激光陣列和激光堆能量和亮度的一種技術已經在美國專利號為6327292的申請中有所描述。

用于合并二維激光堆形成外腔一維波長光束的光束合并器的標準架構見附圖1A。附圖1A說明了一個閉環波長光束合并腔。該合并腔包含激光堆110，在示例中，激光堆110包括含3個激光二極管塊的豎向堆。每一個二極管塊由多個作為發射器的激光二極管組件組合而成。該合并腔同時也包含柱面透鏡120、衍射光柵130和一個部分反射輸出耦合器140。柱面透鏡120放置在激光堆110和衍射光柵130之間距離等于焦距的位置上。柱面透鏡120匯聚來自在激光堆中每一個二極管塊的激光二極管組件的光束以便使光束空間重疊，在衍射光柵130上形成一個重疊區域。部分反射輸出耦合器140放置在來自衍射光柵130的一階衍射光束的路徑上并將一束光的一部分反射回重疊區域，接著衍射光柵130將光反射回激光堆110，從而在部分反射輸出耦合器140和激光堆110的激光二極管組件之間形成共振腔。這樣部分反射輸出耦合器140和衍射光柵130提供反饋強制各個二極管塊中的每一個激光二極管組件發出可控的單一波長的激光，并使光束在近場(在輸出耦合器140上)和遠場重疊。這樣，如附圖1A所示，通過適當排列柱面透鏡120、衍射光柵130和輸出耦合器140，對每一個激光堆110中的二極管塊即可產生單一的光束。

在圖1A的示例中，輸出光束150包含三個光束，每個光束來自激光堆110中的3個二極管塊中的一個，并且三個輸出光束中的每一束都由源自構成各個二極管塊的激光二極管組件的空間重疊光束構成。于是實現了沿激光堆110水平方向的波長光束合并。在垂直方向上堆疊多個二極管塊可用于放大能量。

附圖1B說明了開環波長光束合并腔。在該開環腔中，激光組件用波長調制體布拉格光柵(VBG)160對單一波長進行波長穩定。將體布拉格光柵160盡可能靠近激光堆110放置。柱面透鏡120和衍射光柵130與體布拉格光柵160的波長擴展匹配。再次實現了激光組件的波長光束合并，在垂直方向上豎向堆疊多個二極管塊實現了能量放大。

發明內容

發明方面和實施方案針對的是通過合并二維激光光源(例如)形成一維波長光束從而增強這些激光源功率和亮度的一種方法和設備。波長光束合并體系的重要特征包括輸出光譜、輸出光束質量、尺寸和效率。如上所述，對二極管激光陣列，傳統的一維波長光束合并器，是沿陣列即橫向對波長光束進行合并，也就是，對來自構成單個二極管塊的多元激光二極管組件的光束進行合并。相比之下，根據發明方面和實施方案，波長合并是沿正交方向進行，并且對于二極管激光源是沿著陣列的堆疊方向進行，也就是，對來自多元二極管塊的光束進行合并，放寬了公差要求，并允許使用低成本、現成的二極管塊。特別是，至少某些實施方案是針對一項波長光束合并的實施，其中，當應用于二極管激光光源時，如下文進一步所述，其魯棒性和效率很大程度上獨立于“封裝誤差”和對準誤差。沿堆疊方向的波長光束合并允許高功率的激光在比傳統光束合并成本低的條件下實現，并具有廣泛的應用。

根據一個實施方案，多波長光束合并器包含含有沿激光堆堆疊方向排列的多元激光陣列，每一個激光陣列設定產生具有單波長的光輻射，并且每一個多元激光陣列包含沿激光堆中陣列方向的多元光增益組件。該多波長光束合并器進一步包含設定對每一個多元光增益組件沿其慢軸進行成像的柱面望遠鏡、設置用于攔截來自每一個多元激光陣列的光輻射并沿激光堆堆疊方向合并該光輻射形成多波長光束的轉換透鏡以及放置在光輻射重疊區域接收和發送多波長光束的衍射元件。柱面望遠鏡設置將每一個多元光增益元件成像到顏射元件。堆疊方向也許很大程度上垂直于陣列方向。