[發明專利]波長光束組合激光系統中的功率和光譜監測

在審

• 申請號: 201980034752.0
• 申請日: 2019-05-21
• 公開（公告）號: CN112219326A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 周望龍;B·洛奇曼;B·查安
• 申請（專利權）人: 松下知識產權經營株式會社
• 主分類號: H01S5/0683
• 分類號: H01S5/0683;H01S5/40;H01S3/10;G02B5/18;G02B27/10;B23K26/00
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 常曉慧

在各種實施例中，監測在激光諧振器內形成的一個或多個輔助衍射光束至少部分地基于控制在激光諧振器內形成的主衍射光束而提供信息。

相關申請

本申請要求2018年5月22日提交的美國臨時專利申請No.62/674,652的權益和優先權，其全部公開內容通過引用并入本申請。

技術領域

在各種實施例中，本發明涉及激光系統，特別是具有多個輸入光束的波長光束組合激光系統。

背景技術

大功率激光系統用于許多不同的應用，例如焊接、切割、鉆孔和材料加工。這種激光系統通常包括激光發射器和光學系統，從所述激光發射器發出的激光被耦合到光學纖維(或簡稱為“光纖”)中，所述光學系統將來自光纖的激光聚焦到待加工的工件上。所述光學系統通常設計成能產生最高質量的激光束或者相當于具有最小光束參數乘積(BPP)的光束。BPP是激光束發散角(半角)和光束在其最窄點(即光束腰，最小光斑尺寸)的半徑的乘積。BP P量化激光束的質量以及將激光束聚焦到小點的程度，通常以毫米毫弧度(mm-mrad)為單位表示。高斯光束具有盡可能小的BPP，由激光的波長除以pi得到。實際光束與理想高斯光束在相同波長下的BPP之比表示為M²，或者“光束質量因子”，它是與波長無關的光束質量的度量，具有“最佳”質量對應于“最低”光束質量因子1。

波長光束組合(WBC)是一種用于縮放來自激光二極管條、二極管條堆疊或以一維或二維陣列布置的其他激光的輸出功率和亮度的技術。已經開發出沿著發射器陣列的一個或兩個維度組合光束的WBC方法。典型的WBC系統包括多個發射器，例如一個或多個二極管條，其利用色散元件(例如，衍射光柵)組合起來，形成多波長光束。WBC系統中的每個發射器單獨諧振，并且通過來自公共部分反射輸出耦合器的波長特定反饋來穩定，該耦合器由色散元件沿著光束組合維度進行濾波。示例性的WBC系統在2000年2月4日提交的美國專利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美國專利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美國專利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美國專利No.8,559,107中詳述，每個專利的全部公開內容通過引用并入本文。

高功率WBC激光器可以組合來自數十個甚至數百個光束發射器(例如半導體發射器)的發射輸入光束。這些發射器的性能會隨著時間的流逝而降低，激光系統內的光學表面在運行過程中可能會損壞或污染，并且WBC諧振器本身可能會隨著時間的流逝而失去對準性——這些現象中的任一個都可能導致WBC系統的輸出功率波動。監測WBC諧振器輸出功率的一種方法是檢測諧振器外殼內的雜散光的水平，這相對容易和方便。這些雜散光主要來自激光二極管同時發射、光學器件上的光束削波、未鎖定波長的光以及光學器件的散射和反射。但是，由于雜散光的可能原因很多，因此雜散光的水平可能不會直接反映WBC諧振器功率。例如，當對雜散光的很大貢獻為未鎖定波長時，雜散光的水平可能與諧振器輸出功率不相關，或者甚至反相關。

監測WBC諧振器功率的另一種技術是檢測主WBC光束的來自光學器件或空氣的散射水平。然而，該方法對表面缺陷和空氣湍流敏感，并且還受到來自諧振器外部的光學器件和/或物體的背反射的影響。監測WBC諧振器功率的另一種方法是通過將額外的光學器件插入主光路來檢測從主光束分出的弱光束。這樣的光學器件，特別是用于kW級的高功率WBC諧振器的光學器件，針對在相對寬的WBC波長帶上的兩個偏振，通常需要在兩個表面上具有低反射率(例如，＜0.1％)的抗反射涂層。光學器件的實際反射率可能會受到環境變化(例如溫度和濕度的變化)以及涂層表面的可能的退化的影響。因此，通過此方法檢測到的功率變化可能無法反映WBC功率的實際波動。鑒于前述內容，需要針對WBC激光系統的功率監測的創新。

發明內容