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DE112011100812T5 - System und Verfahren zur Wellenlängenstrahlkombination - Google Patents

System und Verfahren zur Wellenlängenstrahlkombination Download PDF

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DE112011100812T5
DE112011100812T5 DE112011100812T DE112011100812T DE112011100812T5 DE 112011100812 T5 DE112011100812 T5 DE 112011100812T5 DE 112011100812 T DE112011100812 T DE 112011100812T DE 112011100812 T DE112011100812 T DE 112011100812T DE 112011100812 T5 DE112011100812 T5 DE 112011100812T5
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DE
Germany
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laser
diode
optics
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dimension
Prior art date
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Ceased
Application number
DE112011100812T
Other languages
English (en)
Inventor
Robin Huang
Bien Chann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp of North America
Original Assignee
Teradiode Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Teradiode Inc filed Critical Teradiode Inc
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Abstract

Systeme und Verfahren wurden bereitgestellt, um bei Verwendung oder Kombination einer Vielzahl von Laserelementen die Ausgabeleistung sowie räumliche und/oder spektrale Helligkeit zu erhöhen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil der folgenden provisorischen Anmeldungen, von denen jede hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist: US-Ser.Nr. 61/310,777, eingereicht am 5. März 2010, US-Ser.Nr. 61/310,781, eingereicht am 5. März 2010, und US-Ser.Nr. 61/417,394, eingereicht am 26. November 2010.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen allgemein Lasersysteme und insbesondere Systeme und Verfahren zur Wellenlängenstrahlkombination.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Wellenlängenstrahlkombination (WBC) ist ein Verfahren zum Skalieren der Ausgabeleistung und Helligkeit von Diodenbarren und -stapeln.
  • WBC-Verfahren wurden entwickelt, um Strahlen entlang der langsamen Dimension jedes Emitters sowie der schnellen Dimension jedes Emitters zu kombinieren. Siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 6,192,062 , 6,208,679 und 2010/0110556 A1 . Jedoch gestatten die darin beschriebenen herkömmlichen Verfahren keine größere Flexibilität bei der Skalierung der gesamten Ausleuchtzone des Systems und Flexibilität bei der Bewältigung von Problemen bei großen optischen Blenden beim Skalieren der Ausgabeleistung und Helligkeit, um mehrere Kilowatt, mehrere zehnfache und hundertfache von Kilowatt und sogar mehrere Megawatt an Leistung zu erzeugen. Verbesserte Verfahren und Systeme werden zur Steigerung der spektralen Helligkeit und Ausgabeleistung benötigt, um verschiedenen industriellen, wissenschaftlichen und verteidigungsbezogenen Anwendungen gerecht zu werden. Die folgende Anmeldung versucht, die genannten Probleme zu lösen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Laser haben zahlreiche industrielle, wissenschaftliche und verteidigungsbezogene Anwendungen. Industrielle Anwendungen beinhalten Metallschneiden, Punktschweißen, Nahtschweißen, Bohren, Feinschneiden und Kennzeichnen. Wissenschaftliche Anwendungen beinhalten Laserleitsterne für die Astronomie, Erkennung von Gravitationswellen, Laserkühlung und -einfang und laserbasierte Teilchenbeschleuniger. Verteidigungsbezogene Anwendungen beinhalten laserbasierte Waffen, laserinduzierte Funken und LIDAR.
  • Beispiele für Laser, die wie oben beschrieben anwendbar sind, beinhalten Faserlaser und Verstärker mit hoher Durchschnitts- und hoher Spitzenleistung, augensichere Erbium-dotierte (Er-dotierte) Faserlaser und Verstärker mit hoher Durchschnitts- und hoher Spitzenleistung, quasi-kontinuierlichen Wellen-(QCW) oder gepulsten oder lang-gepulsten Betrieb von Industrielasern, kurz-gepulsten (Impulsbreiten von wenigen ns bis mehreren Hundert ns) Betrieb von Industrielasern und dergleichen.
  • Bei Anwendung von Wellenlängenstrahlkombination auf einen der hierin beschriebenen Laser, darunter der Laser, die wie oben beschrieben anwendbar sind, können viele der relevanten Faktoren, die einen Einfluss auf die Laseranwendung haben, im Wesentlichen verbessert werden. Aspekte, wie Ausgabeleistung, können erheblich gesteigert werden, die Helligkeit kann im Wesentlichen verbessert werden, Kosten können drastisch verringert werden, thermische und faserbezogene Herausforderungen an die Optik können ohne Weiteres überwunden oder bis zum Punkt der Bedeutungslosigkeit gemindert werden, die Gesamtgröße kann verringert werden, und dergleichen. Ergebnisse dieser und anderer Faktoren können mit Wellenlängenstrahlkombination um zwei oder mehr Größenordnungen verbessert werden.
  • LASER
  • Ein Laser, wie ein in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschriebener Laser, kann in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Neuerungen verwendet werden.
  • Laser können im Allgemeinen als Vorrichtungen definiert werden, die durch stimulierte Emission von Licht sichtbares oder unsichtbares Licht erzeugen. ”Laser” war ursprünglich ein Akronym für ”Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, das im Jahre 1957 durch den Laser-Pionier Gordon Gould geprägt wurde, heute jedoch typischerweise meistens für Vorrichtungen verwendet wird, die Licht unter Verwendung des Laserprinzips erzeugen.
  • Laser besitzen im Allgemeinen Eigenschaften, die sie für eine Vielzahl von Anwendungen brauchbar machen. Lasereigenschaften können folgendes einschließen: Emission von Licht als Laserstrahl, der sich über große Längen ohne große Divergenz ausbreiten und auf sehr kleine Punkte fokussiert werden kann; eine sehr enge Bandbreite verglichen mit den meisten anderen Lichtquellen, die ein sehr breites Spektrum erzeugen; Licht kann kontinuierlich oder in kurzen Stößen (Impulsen) emittiert werden, die so kurz wie einige Femtosekunden sein können.
  • Laser können in einer Vielzahl von Arten vorkommen. Allgemeine Laserarten beinhalten Halbleiterlaser, Festkörperlaser, Faserlaser und Gaslaser.
  • Halbleiterlaser (meist Laserdioden) können elektrisch oder optisch gepumpt werden und erzeugen typischerweise effizient sehr hohe Ausgabeleistungen, häufig auf Kosten schlechter Strahlqualität. Halbleiterlaser können eine geringe Leistung mit guten räumlichen Eigenschaften für den Einsatz in CD- und DVD-Spielern erzeugen. Noch andere Halbleiterlaser können zur Erzeugung hoher Impulsraten, niedriger Leistungsimpulse geeignet sein (z. B. für Telekommunikationsanwendungen). Besondere Arten von Halbleiterlasern beinhalten Quantenkaskadenlaser (für mittleres Infrarotlicht) und oberflächenemittierende Halbleiterlaser (VCSELs und VECSELs), wobei letztere auch zur Impulserzeugung mit hohen Leistungen geeignet sind. Halbleiterlaser werden hierin an anderer Stelle unter der Überschrift ”LASERDIODE” weiter beschrieben.
  • Festkörperlaser können auf ionendotierten Kristallen oder Gläsern basieren (z. B. dotierte Isolatorlaser) und können zur Erzeugung einer hohen Ausgabeleistung mit Entladungslampen oder Laserdioden gepumpt werden. Alternativ können Festkörperlaser eine niedrige Ausgabeleistung mit sehr hoher Strahlqualität, spektraler Reinheit und/oder Stabilität erzeugen (z. B. für Messzwecke). Einige Festkörperlaser können ultrakurze Impulse mit einer Dauer von Pikosekunden oder Femtosekunden erzeugen. Allgemeine Verstärkungsmedien zur Verwendung mit Festkörperlasern beinhalten: Nd:YAG, Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:Glas, Yb:YAG, Yb:Glas, Ti:Saphir, Cr:YAG und Cr:LiSAF.
  • Faserlaser können auf optischen Glasfasern basieren, die mit einigen laseraktiven Ionen in dem Faserkern dotiert sind. Faserlaser können sehr hohe Ausgabeleistungen (bis hin zu Kilowatt) mit hoher Strahlqualität erreichen, wobei sie eine eingeschränkte Wellenlängeneinstellungsfunktion aufweisen. Ein Betrieb mit schmaler Linienbreite und dergleichen können ebenfalls von Faserlasern unterstützt werden.
  • Gaslaser können Helium-Neon-Laser, CO2-Laser, Argonionenlaser und dergleichen einschließen und können auf Gasen basieren, die typischerweise mit elektrischen Entladungen angeregt werden. Häufig verwendete Gase beinhalten CO2, Argon, Krypton und Gasgemische, wie Helium-Neon. Zusätzlich können Excimerlaser auf einem beliebigen aus ArF, KrF, XeF und F2 basieren. Andere, weniger häufige Laserarten beinhalten: chemisch und nuklear gepumpte Laser, Freie-Elektronen-Laser und Röntgenlaser.
  • LASERDIODE
  • Eine Laserdiode, wie eine in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschriebene Laserdiode, kann in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Neuerungen und in den hierin genannten Anlagen verwendet werden.
  • Eine Laserdiode basiert im Allgemeinen auf einer einfachen Diodenstruktur, die die Emission von Photonen (Licht) unterstützt. Um jedoch die Effizienz, Leistung, Strahlqualität, Helligkeit, Einstellbarkeit und dergleichen zu verbessern, wird diese einfache Struktur typischerweise modifiziert, um eine Vielzahl von vielen praktischen Arten von Laserdioden bereitzustellen. Arten von Laserdioden beinhalten kleine randemittierende Sorten, die von wenigen Milliwatt bis hin zu etwa einem halben Watt an Ausgabeleistung in einem Strahl mit hoher Strahlqualität erzeugen. Strukturarten von Diodenlasern beinhalten Doppelheterostrukturlaser, die eine Schicht eines Materials mit geringer Bandlücke zwischen zwei Schichten mit hoher Bandlücke sandwichartig einschließen; Quantentopflaser, die eine sehr dünne Mittelschicht (Quantentopfschicht) einschließen, die zu hohem Wirkungsgrad und Quantisierung der Energie des Lasers führen; Mehrquantentopflaser, die mehr als eine Quantentopfschicht einschließen, verbessern Verstärkungskennlinien; Quantendraht- oder Quantensee-(Punkte)-Laser, die die mittlere Schicht mit einem Draht oder Punkten ersetzen, die Quantentopflaser mit höherem Wirkungsgrad erzeugen; Quantenkaskadenlaser, die einen Laservorgang bei relativ langen Wellenlängen ermöglichen, die durch Veränderung der Dicke der Quantenschicht eingestellt werden können; Heterostrukturlaser mit getrennter Einschließung, die die häufigste kommerzielle Laserdiode sind und zwei weitere Schichten oberhalb und unterhalb der Quantentopfschicht beinhalten, um das erzeugte Licht effizient einzuschließen; Laser mit verteilter Rückkopplung, die üblicherweise in anspruchsvollen optischen Kommunikationsanwendungen verwendet werden und ein integriertes Beugungsgitter einschließen, das die Erzeugung eines stabilen Wellenlängensatzes während der Herstellung erleichtert, indem eine einzelne Wellenlänge zurück zu dem Verstärkungsbereich reflektiert wird; oberflächenemittierende Vertikalhohlraumlaser (VCSEL), die eine andere Struktur als andere Laserdioden aufweisen, indem Licht von ihrer Oberfläche und nicht von ihrer Kante emittiert wird; oberflächenemittierende Laser mit vertikalem externem Hohlraum (VECSELs) und Diodenlaser mit externem Hohlraum, die einstellbare Laser sind, die vor allem Doppel-Heterostruktur-Dioden verwenden und Konfigurationen aus Gittern oder mehreren Prismengittern einschließen. Diodenlaser mit externem Hohlraum sind oft wellenlängeneinstellbar und weisen eine geringe Emissionslinienbreite auf. Laserdiodenarten beinhalten auch eine Vielzahl von Hochleistungsdioden-basierten Laser, darunter: Breitstreifenlaser, die durch Mehrmoden-Dioden mit 1 × 100 μm länglichen Ausgabefacetten gekennzeichnet sind und typischerweise schlechte Strahlqualität haben, jedoch einige Watt an Leistung erzeugen; Trapezlaser, die durch astigmatische Moden-Dioden mit 1 × 100 μm verjüngten Ausgabefacetten gekennzeichnet sind, die eine verbesserte Strahlqualität und Helligkeit verglichen mit Breitstreifenlasern zeigen; Stegwellenleiterlaser, die durch elliptische Moden-Dioden mit 1 × 4 μm ovalen Ausgabefacetten gekennzeichnet sind; und plattengekoppelte optische Wellenleiterlaser (SCOWL), die durch kreisförmige Moden-Dioden mit 4 × 4 μm und größeren Ausgabefacetten gekennzeichnet sind und in einem beugungsbegrenzten Strahl mit fast kreisförmigem Profil eine Ausgabe im Wattbereich erzeugen können. Es gibt andere Arten von Diodenlasern, die zusätzlich zu den oben beschrieben berichtet wurden.
  • LASERDIODENANORDNUNGEN, BARREN UND STAPEL
  • Laserdiodenanordnungen, Barren und/oder Stapel, wie diejenigen, die in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschrieben sind, können in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Neuerungen und in den hierin genannten Anlagen verwendet werden.
  • Laserdioden können einzeln oder in Gruppen gepackt sein, im Allgemeinen in eindimensionalen Reihen/Anordnungen (Diodenbarren) oder zweidimensionalen Anordnungen (Diodenbarrenstapel). Ein Diodenanordnungsstapel ist im Allgemeinen ein vertikaler Stapel von Diodenbarren. Laserdiodenbarren oder -Anordnungen erzielen im Allgemeinen eine wesentlich höhere Leistung und Wirtschaftlichkeit als eine gleichwertige einzelne Breitstreifen-Diode. Hochleistungsdiodenbarren enthalten im Allgemeinen eine Anordnung von Breitstreifenemittern, die zehnfache an Watt mit relativ schlechter Strahlqualität erzeugen und trotz der höheren Leistung ist die Helligkeit oft geringer als die einer Breitstreifenlaserdiode. Hochleistungsdiodenbarren können gestapelt werden, um gestapelte Hochleistungsdiodenbarren zur Erzeugung von sehr hohen Leistungen von hundertfachen oder tausendfachen an Watt herzustellen. Laserdiodenanordnungen können konfiguriert sein, um einen Strahl in den freien Raum oder in eine Faser zu emittieren. Fasergekoppelte Diodenlaseranordnungen können bequem als Pumpquelle für Faserlaser und Faserverstärker verwendet werden.
  • Ein Diodenlaserbarren ist eine Art von Halbleiterlaser, enthaltend eine eindimensionale Anordnung von Breitstreifenemittern oder alternativ Teilanordnungen mit 10–20 schmalen Streifenemittern. Ein Breitstreifendiodenbarren enthält typischerweise 19–49 Emitter, jeweils mit einer Breite in der Größenordnung von z. B. 1 × 100 μm. Die Strahlqualität entlang der 1-μm-Dimension oder schnellen Achse ist typischerweise beugungsbegrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100-μm-Dimension oder langsamen Achse oder Anordnungsdimension ist typischerweise vielfach beugungsbegrenzt. Typischerweise hat ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, ist etwa 10 mm breit und erzeugt zehnfach an Watt Ausgabeleistung. Die meisten Diodenbarren arbeiten in dem Wellenlängenbereich von 780 bis 1070 nm, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Lasern) und 940 nm (zum Pumpen von Yb:YAG) am bedeutendsten sind. Der Wellenlängenbereich von 915–976 nm wird zum Pumpen von Erbium-dotierten oder Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserlasern und Verstärkern verwendet.
  • Eine Eigenschaft von Diodenbarren, die normalerweise behandelt werden, ist das räumliche Ausgabestrahlprofil. Für die meisten Anwendungen werden Strahlkonditionierungsoptiken benötigt. Erhebliche Anstrengungen sind daher oft für die Konditionierung der Ausgabe eines Diodenbarrens oder Diodenstapels erforderlich. Konditionierungstechniken beinhalten die Verwendung asphärischer Linsen zur Kollimation der Strahlen unter Beibehaltung der Strahlqualität. Mikrooptische Kollimatoren der schnellen Achse werden verwendet, um den Ausgabestrahl entlang der schnellen Achse zu kollimieren. Anordnungen von asphärischen zylindrischen Linsen werden oft zur Kollimation jedes Laserelements entlang der Anordnung oder langsamen Achse verwendet. Um Strahlen mit etwa kreisförmiger Strahltaille zu erzielen, kann ein spezieller Strahlformer zur Symmetrisierung der Strahlqualität jedes Diodenbarrens oder Anordnung angewendet werden. Eine verschlechternde Eigenschaft von Diodenbarren ist das ”Smile” – eine leichte Biegung der ebenen Beschaffenheit der verbundenen Emitter. Smile-Fehler können nachteilige Auswirkungen auf die Fähigkeit haben, Strahlen von Diodenbarren zu fokussieren. Eine weitere verschlechternde Eigenschaft ist der Kollimationsfehler der langsamen und schnellen Achse. Zum Beispiel führt eine Verdrehung der Kollimationslinse der schnellen Achse zu einem wirksamen Smile. Dies hat nachteilige Auswirkungen auf die Fähigkeit, zu fokussieren. Beim Stapel ist die fehlerhafte ”Ausrichtung” jedes Barrens der am stärksten dominierende Effekt. Der Ausrichtungsfehler ist ein Kollimationsfehler. Dies ist das Ergebnis der Anordnung oder des Barrens, der von der Linse der schnellen Achse versetzt ist. Ein Versatz von 1 μm ist das gleiche wie wenn die gesamte Anordnung ein Smile von 1 μm aufweist.
  • Diodenbarren und Diodenanordnungen überwinden Grenzen von sehr breiten Einzelemittern, wie verstärkte spontane Emission oder parasitäres Lasern in Querrichtung oder Filamentformation. Diodenanordnungen können auch mit einem stabileren Modenprofil betrieben werden, da jeder Emitter seinen eigenen Strahl erzeugt. Techniken, die einen gewissen Grad an kohärenter Kopplung von benachbarten Emittern ausnutzen, können zu besserer Strahlqualität führen. Solche Techniken können bei der Herstellung der Diodenbarren eingeschlossen werden, während andere externe Kavitäten einschließen können. Ein weiterer Vorteil von Diodenanordnungen ist, dass die Anordnungsgeometrie Diodenbarren und Anordnungen für kohärente oder spektrale Strahlkombination sehr geeignet macht, um eine viel höhere Strahlqualität zu erhalten.
  • Zusätzlich zu Angeboten an Rohbarren oder Anordnungen sind Diodenanordnungen in fasergekoppelter Form verfügbar, weil dies die Verwendung der Ausgabe jedes Emitters und die Montage der Diodenbarren häufig wesentlich vereinfacht, so dass die Kühlung der Dioden in einiger Entfernung von der Stelle erfolgt, wo das Licht verwendet wird. Üblicherweise wird das Licht in eine einzelne Multimodenfaser gekoppelt, wobei entweder ein einfacher Kollimator der schnellen Achse und keine Strahlkonditionierung in Richtung der langsamen Achse oder ein komplexerer Strahlformer zur besseren Beibehaltung der Helligkeit verwendet wird. Es ist auch möglich, die Teilstrahlen von den Emittern in ein Faserbündel (mit einer Faser pro Emitter) zu starten.
  • Die Emissionsbandbreite eines Diodenbarrens oder einer Diodenanordnung ist ein wichtiger Aspekt für einige Anwendungen. Optisches Feedback (z. B. von Volumen-Bragg-Gittern) kann Wellenlängentoleranz und Emissionsbandbreite wesentlich verbessern. Zusätzlich können Bandbreite und genaue Mittenwellenlänge für die spektrale Strahlkombination ebenfalls wichtig sein.
  • Ein Diodenstapel ist einfach eine Anordnung von mehreren Diodenbarren, die eine sehr hohe Ausgabeleistung abgeben können. Auch als Diodenlaserstapel, Mehrbarrenmodul oder zweidimensionale Laseranordnung bezeichnet, ist die häufigste Diodenstapelanordnung die eines vertikalen Stapels, die effektiv eine zweidimensionale Anordnung von Kantenemittern ist. Ein solcher Stapel kann durch Anbringen von Diodenbarren an dünne Kühlkörper und Stapeln dieser Baugruppen hergestellt werden, um so eine periodische Anordnung von Diodenbarren und Kühlkörpern zu erhalten. Es gibt auch horizontale Diodenstapel und zweidimensionale Stapel.
  • Für die hohe Strahlqualität sollten die Diodenbarren im Allgemeinen so nahe wie möglich beieinander liegen. Andererseits erfordert eine effiziente Kühlung eine gewisse Mindestdicke der Kühlkörper, die zwischen den Barren montiert sind. Dieser Kompromiss der Beabstandung von Diodenbarren führt dazu, dass die Strahlqualität eines Diodenstapels in vertikaler Richtung (und folglich seine Helligkeit) viel geringer als die eines einzelnen Diodenbarrens ist. Es gibt jedoch mehrere Techniken zur wesentlichen Minderung dieses Problems, z. B. durch räumliche Verschachtelung der Ausgaben verschiedener Diodenstapel durch Polarisationskopplung oder durch Wellenlängenmultiplexen. Verschiedene Arten von Hochleistungsstrahlformern und verwandten Vorrichtungen sind für solche Zwecke entwickelt worden. Diodenstapel können extrem hohe Ausgabeleistungen bereitstellen (z. B. hundertfache oder tausendfache an Watt).
  • Es gibt auch horizontale Diodenstapel, bei denen die Diodenbarren Seite-an-Seite angeordnet sind, was zu einer langen linearen Anordnung von Emittern führt. Eine solche Anordnung wird aufgrund der natürlichen konvektiven Kühlung, die zwischen den vertikal ausgerichteten Diodenbarren auftritt, einfacher gekühlt und kann somit auch eine höhere Ausgabeleistung pro Emitter ermöglichen. Im Allgemeinen ist die Anzahl von Diodenbarren in einem horizontalen Stapel (und somit die gesamte Ausgabeleistung) stärker begrenzt als in einem vertikalen Stapel.
  • Diodenbarren und Diodenstapel können eine sehr hohe Leistung ohne wesentliche Herausforderungen an die Kühlung erzielen, indem ein Betrieb mit quasi-kontinuierlichen Wellen verwendet wird, der die Erzeugung von Impulsen mit einer Dauer von wenigen hundert Mikrosekunden und einer Impulswiederholrate von einigen zehnfachen an Hertz einschließt.
  • WELLENLÄNGENSTRAHLKOMBINATION
  • Technologien und Ausführungsformen von Wellenlängenstrahlkombination, wie solche, die in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschrieben werden, können in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Neuerungen und in den hierin genannten Anlagen verwendet werden.
  • Da das von einer Laserdiode emittierte Licht linear polarisiert ist, ist es möglich, die Ausgaben von zwei Dioden mit einem polarisierenden Strahlteiler zu kombinieren, so dass ein Strahl mit der doppelten Leistung einer einzelnen Diode, jedoch der gleichen Strahlqualität erhalten werden kann (dies wird oft als Polarisationsmultiplexen bezeichnet). Alternativ ist es möglich, die Strahlen von Laserdioden mit geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen unter Verwendung von dichroitischen Spiegeln spektral zu kombinieren. Weitere systematische Ansätze der Strahlkombination ermöglichen die Kombination einer größeren Anzahl von Emittern mit einer guten Ausgabestrahlqualität.
  • Strahlkombination wird allgemein für Leistungsskalierung von Laserquellen durch Kombinieren der Ausgaben von mehreren Vorrichtungen verwendet. Das Prinzip der Strahlkombination kann im Wesentlichen als Kombinieren der Ausgaben von mehreren Laserquellen beschrieben werden, oft in Form einer Laseranordnung, um einen einzelnen Ausgabestrahl zu erhalten. Die Anwendung einer skalierbaren Strahlkombinationstechnologie kann eine leistungsskalierbare Laserquelle erzeugen, auch wenn die einzelnen Laser, die zu dem kombinierten Strahl beitragen, nicht skalierbar sind. Strahlkombination richtet sich im Allgemeinen auf das Multiplizieren der Ausgabeleistung unter Beibehaltung der Strahlqualität, so dass die Helligkeit (fast) so weit wie die Ausgabeleistung erhöht wird.
  • Während es viele verschiedene Ansätze zur Strahlkombination mit erhöhter Helligkeit geben kann, können alle in eine von drei Kategorien eingeteilt werden: kohärente, Polarisations- und Wellenlängenstrahlkombination. Kohärente Strahlkombination arbeitet mit Strahlen, die gegenseitig kohärent sind. In einem einfachen Beispiel können monochromatische Strahlen mit der gleichen optischen Frequenz kombiniert werden. Allerdings sind einige Schemata der kohärenten Strahlkombination viel komplizierter und arbeiten deshalb mit Emissionen, die über mehrere Frequenzen auftreten, wobei die Emissionsspektren von allen Emittern gleich sind.
  • Polarisationsstrahlkombination kombiniert zwei linear polarisierte Strahlen mit einem Polarisator (z. B. einem Dünnschichtpolarisator). Natürlich ist dieses Verfahren nicht reproduzierbar, da es eine unpolarisierte Ausgabe erzeugt. Daher gestattet das Verfahren keine Leistungsskalierung im strengen Sinne. Jede dieser drei Techniken kann bei verschiedenen Laserquellen, z. B. basierend auf Laserdioden (insbesondere Diodenbarren), und Faserverstärkern, aber auch bei Hochleistungsfestkörperlasern und VECSELs angewendet werden.
  • Wellenlängenstrahlkombination (auch als spektrale Strahlkombination oder inkohärente Strahlkombination bezeichnet) erfordert keine gegenseitige Kohärenz, da sie Emitter mit nicht-überlappenden optischen Spektren verwendet, deren Strahlen einem wellenlängenempfindlichen Strahlkombinierer, wie einem Prisma, einem Beugungsgitter, einem dichroitischen Spiegel, einem Volumen-Bragg-Gitter und dergleichen zugeführt werden, um einen wellenlängenkombinierten Strahl zu erzeugen. WBC-Erfindungen und -Implementierungen sind im Detail in der US 6,192,062 , US 6,208,679 und US 2010/0110556 A1 beschrieben. Wellenlängenstrahlkombination erzielt erfolgreich eine einfachere Strahlkombination ohne wesentlichen Verlust der Strahlqualität. Wellenlängenstrahlkombination ist auch zuverlässiger als eine einzelne Hochleistungslaserdiode, da der Ausfall eines Emitters einfach die Ausgabeleistung entsprechend verringert.
  • Das allgemeine Prinzip der Wellenlängenstrahlkombination ist, mehrere Laserdiodenstrahlen mit nicht-überlappenden optischen Spektren zu erzeugen und sie an einem wellenlängenempfindlichen Strahlkombinierer zu kombinieren, so dass sich anschließend alle Strahlen in der gleichen Richtung ausbreiten.
  • Um viele Diodenlaser zu kombinieren und eine gute Strahlqualität zu erzielen, müssen kombinierte Laserdioden jeweils eine Emissionsbandbreite aufweisen, die nur einen kleinen Bruchteil der Verstärkungsbandbreite beträgt. Die Strahlqualität während der Wellenlängenstrahlkombination wird weiter durch die Winkeldispersion des Strahlkombinierers beeinträchtigt. Strahlkombinierer mit ausreichend starker Dispersion und wellenlängenstabile Laserdioden gehen einen langen Weg zur Erreichung guter Strahlqualität während der Wellenlängenstrahlkombination. Techniken zum Einstellen von Laserdiodenwellenlängen zur Erleichterung der Wellenlängenstrahlkombination reichen von der unabhängigen Einstellung jedes Lasers auf eine vorbestimmte Wellenlänge bis hin zur automatischen Einstellung jeder Laserdiodenstrahlwellenlänge basierend auf der räumlichen Position relativ zu dem kombinierten Strahlpfad.
  • Wellenlängenstrahlkombination kann für die Leistungsskalierung verwendet werden. Während ein einfaches Beispiel für nahezu unbegrenzte Leistungsskalierung das Stutzen kollimierter Strahlen aus einer großen Anzahl von unabhängig laufenden benachbarten Laser wäre, auch wenn die kombinierte Leistung sich proportional zu der Anzahl von Laser erhöht, nimmt die Strahlqualität der kombinierten Ausgabe ab, während die Helligkeit im besten Fall nur äquivalent mit einem einzelnen Laser sein wird. Typischerweise wird die Helligkeit des Systems viel geringer sein als die eines einzelnen Elements. Deshalb kann man sehen, dass Leistungsskalierungsverfahren, die die Strahlqualität der Strahlkombinationselemente bewahren, höchst wünschenswert sind.
  • Wellenlängenstrahlkombination kann auf verschiedene Arten von Laserdiodenkonfigurationen angewendet werden, darunter Diodenbarren, Diodenstapel und dergleichen. Ein Diodenbarren ist eine eindimensionale Anordnung von Breitstreifenlaseremittern, die mit verschiedenen Faser- und optischen Systemen kombiniert werden können, um einen oder mehrere wellenlängenkombinierte Strahlen zu erzeugen. Diodenbarren können zwei bis fünfzig oder mehr Laseremitter auf einem linearen Substrat einschließen. Diodenstapel sind im Wesentlichen eine zweidimensionale Anordnung von Dioden. Diodenbarren können in Diodenstapeln in Anordnungen mit vertikaler Stapelung oder horizontaler Stapelung hergestellt werden.
  • Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren betreffen Skalierungs-WBC-Verfahren, um hohe Helligkeit und Leistung zu erzeugen. Einige der hierin beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine Vielzahl von modularen Lasereingabevorrichtungen, wobei jede Vorrichtung eine Vielzahl von Laserelementen umfasst, um ein skalierbares System zu bilden. Die Skalierbarkeit unter Verwendung von modularen Lasereingabevorrichtungen ermöglicht eine Flexibilität bei der Anpassung an höhere oder niedrigere Leistungen nach Bedarf, wodurch die Größe der erforderlichen Optiken verringert und in einigen Fällen die gesamte Ausleuchtzone des Systems verringert wird, was wiederum ein kompaktes und robustes System erzeugt. Dieses System ist hinsichtlich Leistungsausgabe und Helligkeit auf Kilowatt, zehnfache und hundertfache an Kilowatt und sogar Megawatt skalierbar.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A ist eine schematische Darstellung eines Wellenlängenstrahlkombinations-(WBC)-Verfahrens entlang der Anordnungsdimension eines einzelnen Diodenlaserbarrens von Emittern.
  • 1B ist eine schematische Darstellung eines WBC-Verfahrens entlang der Anordnungsdimension einer zweidimensionalen Anordnung von Emittern.
  • 1C ist eine schematische Darstellung eines WBC-Verfahrens entlang der Stapeldimension einer zweidimensionalen Anordnung von Emittern.
  • 2A ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform zur Skalierung eines WBC-Systems bis zu zehnfachen an Kilowatt oder mehr zeigt.
  • 2B ist eine weitere schematische Darstellung, die eine Ausführungsform zur Skalierung eines WBC-Systems bis zu zehnfachen an Kilowatt oder mehr zeigt, wobei Teleskopoptiken integriert wurden.
  • 3 zeigt gängige Unvollkommenheiten verschiedener Halbleiter-, Diodenbarren- und anderer Laseranordnungsemitter.
  • 4 zeigt eine grundlegende schematische Darstellung eines externen Hohlraums, um Smile und andere Ausrichtungsfehler anzugehen, wobei ein sphärisches Teleskop und Beugungsgitter zur Wellenlängenverengung und Stabilisierung von Diodenanordnungen und -stapeln und gleichzeitigen Verbesserung der Strahlqualität jedes Diodenbarrens verwendet werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung, wobei alle Laserelemente bei der gleichen verengten Wellenlänge, in einigen Fällen bei einer einzelnen Frequenz, unabhängig von Unvollkommenheiten in Diodenbarren und -stapeln arbeiten.
  • 6 zeigt eine grundlegende eindimensionale Architektur eines Diodenlaserstapels mit Smile, wobei WBC entlang der Anordnungsdimension durchgeführt wird.
  • 7 zeigt die Basislinienarchitektur einer 1-D-WBC von 2-D-Diodenlaserelementen entlang der Anordnungsdimension, wobei Unvollkommenheiten vollständig durch den Hohlraum kompensiert werden.
  • 8 zeigt die Basislinienarchitektur einer 1-D-WBC-Hohlraumkombination entlang der Stapeldimension, die ideale oder nahezu ideale Strahlen unabhängig von Unvollkommenheiten in Diodenbarren und -stapeln erzeugt.
  • 9 zeigt Verfahren der verwandten Technik, die zur Korrektur von Unvollkommenheiten in Diodenanordnungen und -stapeln verwendet werden.
  • 10 zeigt die Divergenz eines asymmetrischen Strahls.
  • 11 zeigt ein Beugungshohlraumsystem unter Verwendung von Glasblöcken, um Unvollkommenheiten zu verringern.
  • 12 zeigt ein Hohlraumsystem mit Smile.
  • 13 ist ein rechnerisches optisches Modell einer Konfiguration der Ausführungsform in 8.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Aspekte und Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen das Gebiet der Skalierung von Laserquellen auf hohe Leistung und hohe Helligkeit unter Verwendung eines externen Hohlraums und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zur Strahlkombination mit externem Hohlraum unter Verwendung von sowohl eindimensionalen als auch zweidimensionalen Laserquellen. Aspekte und Ausführungsformen betreffen ferner Hochleistungs- und/oder Hochhelligkeits-Mehrwellenlängenlaser mit externem Hohlraum, die einen überlappenden oder koaxialen Strahl von zehnfachen bis hundertfachen an Watt und sogar Megawatt an Ausgabeleistung erzeugen.
  • Insbesondere richten sich Aspekte und Ausführungsformen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kombinieren einzelner Laseremitter zu modularen Einheiten, wobei eine Vielzahl dieser modularen Einheiten insgesamt zu einem einzelnen System kombiniert wurde, das ein einzelnes Ausgabeprofil erzeugt, das hinsichtlich Helligkeit und Leistung skaliert wurde. Ein Vorteil der hierin bereitgestellten Erfindung ist eine Verringerung hinsichtlich der Größe von optischen Elementen, die zum Skalieren von Systemen benötigt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die gesamte Stellfläche des Wellenlängenstrahlkombinations-(WBC)-Systems in der Größe verringert werden kann.
  • Oft denkt man bei ”Vereinfachung” eines optischen Systems an die Verringerung der Anzahl von optischen Elementen, die in einem bestimmten System vorhanden sind. Eine Erhöhung der Anzahl von optischen Elementen scheint die Komplexität des Systems oder Herstellbarkeit des Systems zu erhöhen. Jedoch erhöhen einige der hierin beschriebenen Ausführungsformen die Anzahl von optischen Elementen in einem WBC-System, um einige der zuvor diskutierten Vorteile, wie Verringerung der Blende bestimmter optischer Elemente, zu erzielen.
  • Zum Beispiel ist eine grundlegende WBC-Architektur in 1a dargestellt. Eine Anordnung 102 ist gezeigt, die vier Laserelemente aufweist; jedoch könnte die Anordnung 102 noch viele weitere Laserelemente aufweisen. Die Anordnung 102 ist als ein einzelner Diodenlaserbarren gezeigt. Es wird jedoch verstanden, dass eine Anordnung oder Reihe von Elementen ein Faserlaser mit mehreren Elementen, mehreren nebeneinander ausgerichteten einzelnen Laseremittern oder jede andere Kombination aus Laseremittern sein könnte, die in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind, wobei jeder Emitter einen oder mehrere elektromagnetische Strahlen emittiert und wobei die langsam divergierenden Dimensionen des Strahls entlang der Dimension der Anordnung oder Reihe ausgerichtet sind. Einzelstrahlen 104 sind in den Figuren durch einen Bindestrich oder Einzellinie dargestellt, wobei die Länge oder längere Dimension des Strahls die langsam divergierende Dimension darstellt und die Höhe oder kürzere Dimension die schnell divergierende Dimension darstellt. Eine einzelne Kollimationsoptik 106 wird verwendet, um jeden Strahl entlang der schnellen Dimension zu kollimieren. Transformationsoptik(en) 108, die eine zylindrische oder sphärische Linse oder ein Spiegel oder eine Kombination sein könnte, wird verwendet, um jeden Strahl 104 entlang der WBC-Dimension 110 zu kombinieren, wie durch die Eingabefrontansicht 112 gezeigt ist. Die Transformationsoptik 108 überlappt dann den kombinierten Strahl auf ein dispersives Element (gezeigt unter Verwendung eines Beugungsgitters) 114, wobei der kombinierte Strahl dann als einzelnes Ausgabeprofil auf einen Ausgabekoppler 116 übertragen wird. Dieser Ausgabekoppler überträgt dann die kombinierten Strahlen 120, wie durch die Ausgabefrontansicht 118 gezeigt ist. Der Ausgabekoppler ist teilweise reflektierend und wirkt als gemeinsame Frontfacette für alle Laserelemente in diesem System mit externem Hohlraum 100a. Ein externer Hohlraum ist ein Lasersystem, wobei der sekundäre Spiegel in einem Abstand weg von der Emissionsblende oder Facette (nicht bezeichnet) jedes Laseremitters versetzt ist. Im Allgemeinen werden zusätzliche Optiken zwischen der Emissionsblende oder Facette und dem Ausgabekoppler oder der teilweise reflektierenden Oberfläche angeordnet.
  • Analog zeigt 1B einen Stapel 150 von drei Laseranordnungen oder -barren 102, wobei jede Anordnung vier Emitter aufweist. Wie in 1A, wird die Eingabefrontansicht 112 der 1B, die diesmal eine zweidimensionale Anordnung von Strahlen ist, entlang der Anordnungsdimension der Strahlen kombiniert, um die Ausgabefrontansicht 118 oder das einzelne Ausgabeprofil 120 einer einzelnen Strahlensäule zu erzeugen.
  • Ein weiteres WBC-Verfahren, das in 1C gezeigt ist, zeigt einen Stapel 150 von Laseranordnungen 102, die eine zweidimensionale Anordnung von Emittern bilden, wobei anstatt der Kombination der Strahlen entlang der langsamen Dimension, wie in Figuren 1A–B, die WBC-Dimension 110 nun entlang der Stapeldimension der Strahlen folgt, die in einem zweidimensionalen Profil angeordnet sind. Die Eingabefrontansicht 112 ist nun kombiniert, um die Ausgabefrontansicht 118 entlang der jeweiligen schnell divergierenden Dimension oder Achse zu erzeugen, wobei eine einzelne Strahlensäule 120 gezeigt ist.
  • In den vorangegangenen Darstellungen der Figuren 1A–C wurden WBC-Verfahren gezeigt, die ein einzelnes optisches Transformationssystem verwenden. Das gesamte eindimensionale oder zweidimensionale Eingabeprofil wird von einem einzelnen optischen Transformationssystem zu einem einzelnen Ausgabeprofil verringert. Da jedoch die Anzahl von Strahlen entlang einer einzelnen Dimension, wie die Säulen- oder Stapeldimension oder die Anordnungs- oder Reihendimension, zunimmt, muss die Größe der numerischen Blende hinsichtlich der Größe räumlich zunehmen, um das gesamte ein- oder zweidimensionale Profil aufzunehmen. Wenn der Abstand zwischen Emittern zunimmt, müsste zusätzlich die numerische Blende der Transformation hinsichtlich der Größe ähnlich zunehmen, um die weiter verstreuten oder räumlich distanzierten Emitter aufzunehmen. Zum Beispiel hat ein typischer COTS-Diodenstapel 2 mm Abstand zwischen den Barren. Wenn 100 Barren zu kombinieren sind, dann muss somit die Blende der Transformationsoptik mindestens 200 mm betragen. Die meisten COTS-Optiken haben Durchmesser von weniger als 75 mm, wobei 25 mm der häufigste ist.
  • Dies wird problematisch, wenn eines der Entwurfsziele eines WBC-Systems darin besteht, ein kompaktes System zu erzeugen, das eine große Anzahl von Strahlen kombiniert, oder die einzelnen Strahlen werden sich räumlich ausbreiten. Die erhöhte Anzahl von Strahlen oder räumliche Spreizung zwischen Strahlen erzeugt ein größeres eindimensionales oder zweidimensionales Strahlprofil. Die Transformationsoptiken müssen daher eine ausreichend große Blende haben.
  • Wenn die Blende einer Transformationsoptik zu groß wird, werden die Herstellung schwieriger und die Kosten der Optiken im Allgemeinen erhöht. Die Herstellung von Optiken großer Öffnung mit geringen Abweichungen ist eine schwierige Aufgabe. Handelsübliche Optiken von der Stange mit akzeptabler Qualität sind auf etwa 5 bis 6 Zoll beim Durchmesser begrenzt, wobei 1 Zoll der gebräuchlichste ist.
  • Laserquellen, die auf herkömmlichen Hochleistungslaserdiodenanordnungen und -stapel basieren, basieren auf Breitstreifendiodenlaserelementen. Typischerweise ist die Strahlqualität dieser Elemente entlang der schnellen Achse beugungsbegrenzt und entlang der langsamen Achse der Laserelemente vielfach beugungsbegrenzt. Es ist anzumerken, dass, obwohl die folgende Erörterung sich hauptsächlich auf Laserdioden, Diodenbarren und Diodenstapel beziehen kann, die Ausführungsformen der Erfindung nicht auf Laserdioden beschränkt sind und mit vielen verschiedenen Arten von Laseremittern, darunter Faserlaser, einzeln gepackte Diodenlaser, Halbleiterlaser und andere Arten von Laser, verwendet werden können. Wie hierin verwendet, bezieht sich außerdem der Begriff ”Anordnung” auf ein oder mehrere nebeneinander angeordnete Laserelemente. Die Anordnungsdimension in 1A–C ist entlang der langsamen Achse für Breitstreifenemitter; es ist jedoch vorgesehen, dass einzelne Emitter, die entlang der Anordnungsdimension ausgerichtet sind, entlang der schnellen Achse, eines Winkels weg von der langsamen Achse oder bezüglich jedes Emitters entlang der Anordnung oder Reihe randomisiert sein können. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Stapel” auf zwei oder mehr zusammengestapelte Anordnungen. Ein Stapel kann mechanisch oder optisch angeordnet sein. In einem Beispiel beinhaltet ein mechanisch angeordneter Stapel zwei oder mehr Anordnungen, die physikalisch aufeinander gestapelt sind, um Ausgabestrahlen zu erzeugen, die aufeinander gestapelt sind. Ein optisch angeordneter Stapel kann durch die Verwendung von Optiken, wie Drehspiegel, erzielt werden, um die Ausgabestrahlen von zwei oder mehr Anordnungen mit jedem Strahl aus einer entsprechenden Anordnung anzuordnen, so dass die Ausgabestrahlen aufeinander gestapelt sind. Die Stapeldimension in 1A–C ist entlang der schnellen Achse; es ist jedoch vorgesehen, dass einzelne Emitter, die entlang der Stapel- oder Säulendimension ausgerichtet sind, entlang der langsamen Achse, eines Winkels weg von der langsamen Achse oder bezüglich jedes Emitters entlang des Stapels oder der Säule randomisiert sein können. Der Laser kann als quasi-kontinuierliche Welle (QCW) oder CW mit einer Ausgabeleistung von weniger als ein Milliwatt bis hin zu zehnfachen an Watt oder höher betrieben werden.
  • Wie bereits erwähnt, ist Wellenlängenstrahlkombination (WBC) von Laserelementen ein attraktives Verfahren zur Skalierung der Leistung und Helligkeit aus einem Lasersystem. Helligkeit ist ein Produkt aus N·P/(λ2·M2 x·M2 y)i, wobei N die Gesamtzahl der Kombinationselemente ist, P die Ausgabeleistung eines jeden Elements ist, und λ die Betriebswellenlängen ist, M2 x, M2 y die Strahlqualitäten entlang der zwei Dimensionen sind, während N·P die Leistung ist.
  • 1 zeigt drei Variationen des WBC-Hohlraums unter Verwendung eines gemeinsamen externen teilweise reflektierenden Kopplers. 1) 1a zeigt die Wellenlängenstrahlkombination einer eindimensionalen Anordnung, wobei die Strahlkombination entlang der Anordnungsdimension durchgeführt wird, die auch die langsame Dimension ist. Die Eingabe- 112 und Ausgabeansichten 118 sind auf dem linken Teil der 1A gezeigt. Der Ausgabestrahl ist der eines einzelnen Elements. 2) 1B zeigt den Basislinienhohlraum zur Wellenlängenstrahlkombination entlang der Anordnungsdimension, die auch die langsame Dimension ist. Das Ergebnis ist eine einzelne Strahlensäule. 3) 1C zeigt einen dritten externen WBC-Hohlraum. Die Wellenlängenstrahlkombination wird entlang der Stapeldimension durchgeführt, die auch die schnelle Dimension ist. Diese befindet sich gegenüber der WBC-Dimension, wie in den Hohlräumen 100a und 100b gezeigt ist. Die resultierende Ausgabe ist eine Anordnung von Strahlen.
  • Im Allgemeinen bestehen alle drei WBC-Hohlräume aus einer Anordnung oder einem Stapel von Laserelementen, einer Transformationsoptik (zylindrische oder sphärische Linse oder Spiegel), einem dispersiven Element (dargestellt mit einem Beugungsgitter) und einem teilweise reflektierenden Ausgabekoppler. Die Transformationsoptik(en) ist nach der Laseranordnung angeordnet. Die Position der Transformationsoptik hängt von der Quelle ab. Bei einer idealen Punktquelle wird sie eine Brennweite von der Quelle entfernt angeordnet. Das dispersive Element wird dort angeordnet, wo alle Strahlen räumlich überlappt werden, und zwar an der hinteren Brennebene der Transformationsoptik. Wenn das dispersive Element nicht an der Sollposition angeordnet wird, ergibt sich eine Verschlechterung bei der Ausgabestrahlqualität. Der Ausgabekoppler ist auf dem Pfad der gebeugten Strahlen erster Ordnung angeordnet. Somit werden idealerweise alle Ausgabestrahlen von den Laserelementen räumlich am Gitter durch die Transformationsoptik überlappt, wie in 1A–C gezeigt ist. Der teilweise reflektierende Ausgabekoppler und das Gitter geben ein Feedback zur einzigartigen Wellenlängensteuerung der Laserelemente und überlappen die Strahlen in dem Nahfeld (an dem Ausgabekoppler) und dem Fernfeld. Das Ergebnis ist im Idealfall, dass der Ausgabestrahl dieselbe Strahlqualität wie ein einzelnes Strahlkombinationselement, jedoch mit der Summenleistung aller Laserelemente aufweist.
  • Für die Skalierung auf höhere Leistung und höhere Helligkeit ist dieser erörterte grundlegende optische Aufbau für die drei WBC-Hohlräume beschränkend und manchmal unpraktisch. Zur Darstellung wird ein Beispiel mit dem Hohlraum, der in 1C gezeigt ist, verwendet. Es wird angenommen, dass ein 3000 Watt WBC-System gewünscht ist. Typische von der Stange handelsübliche (COTS) Laserdiodenbarren mit mehreren Emittern werden mit 100 Watt Gesamtausgabeleistung pro Barren eingeordnet. Um 3000 Watt zu erreichen, sind somit 30 dieser 100 Watt Laserdiodenbarren erforderlich. Der Abstand zwischen Diodenbarren dieser Art ist typischerweise etwa 2,0 mm. Wenn also 30 Barren in einer Konfiguration wie in 1c gestapelt werden, wird die Breite des Stapels entlang der Stapelrichtung 29 × 2 = 58 mm. Der Durchmesser der Transformationsoptik, die erforderlich ist, um das gesamte Strahlprofil zu empfangen, muss etwas größer sein, so dass eine Standardgröße von 75 mm oder 3 Zoll eine geeignete Größe wäre. Optiken mit geringen Abweichungen sind bei diesem Durchmesser kommerziell erhältlich, sind jedoch teurer und weniger üblich.
  • Das Skalieren der vorherigen Darstellung von einem 3000 Watt auf ein 10 Kilowatt System würde nun erfordern, dass die Größe der Optik 3,3 mal größer oder etwa 191,4 mm (~10 Zoll) ist. Die Beschaffung einer Optik mit 10 Zoll Durchmesser mit geringer Abweichung ist sehr teuer und erfordert eine zeitaufwändige kundenspezifische optische Fertigung. Es macht ein 10 Kilowatt System auf dem Markt nicht wettbewerbsfähig. Vorausgesetzt die spektrale Bandbreite des 3000 W und 10 kW ist die gleiche, dann wird zusätzlich die Brennweite eines 10 Zoll ebenfalls den Abstand zwischen der Transformationsoptik/Spiegel zu dem Beugungsgitter um etwa einen Faktor 3 erhöhen.
  • Eine Ausführungsform, die das Problem der Verwendung optischer Elemente mit größeren Blenden behandelt, ist in 2A gezeigt. Hier ist ein externer Hohlraum 200a, unter Verwendung eines WBC-Verfahrens zum Skalieren einer Vielzahl von Emittern zu einem einzelnen Ausgabeprofil, unter Verwendung einer Vielzahl von kleineren Transformationsoptiken 208 angeordnet. Durch Zerlegung von Emitterstapeln in einzelne Module mit einem kleineren Strahleingabeprofil wird ermöglicht, dass optische Elemente mit einer kleineren numerischen Blende verwendet werden. Darüber hinaus ermöglicht die Modularisierung der Stapel ein System mit größerer Flexibilität. Diese Flexibilität beinhaltet die Fähigkeit, ein Modul zu einer Zeit zu ersetzen, zusätzliche Module einem System hinzuzufügen, wenn erhöhte Leistung benötigt wird, und weitere Vorteile, die einem Fachmann deutlich werden.
  • Der Hohlraum 200a besteht aus einer Vielzahl von Laserelementen 250, die ein ein- oder zweidimensionales Profil erzeugen, einer Transformationsoptik für jeden Satz von Laserelementen 250, einem dispersiven Element (gezeigtes Transmissionsbeugungsgitter) und einem Ausgabekoppler. Die einzelnen Lasereingabemodule 252 des Hohlraums 200a bestehen aus einem Satz einer Vielzahl von Laserelementen 250, der ein ein- oder zweidimensionales Profil bildet, und einer einzelnen Transformationsoptik 208. Zusätzlich kann, wie in 2A dargestellt ist, ein Lasereingabemodul Kollimationsoptiken umfassen, z. B. eine Kollimationsoptik der schnellen Achse oder FAC-Optik, 206, die konfiguriert ist, die Strahlen entlang der schnellen Achse zu kollimieren. Andere optische Elemente können enthalten sein, aber ein grundlegendes Lasereingabemodul beinhaltet mindestens zwei Emitter und eine einzelne Transformationsoptik. Jeder Satz von Laseremittern 250 und Transformationsoptik 208 ist so ausgerichtet, dass alle Strahlen von allen Laseremittern räumlich an dem Beugungsgitter 214 überlappt werden. Die Transformationsoptik jedes Stapels kann eine einzelne Brennweite von der hinteren Brennebene der FAC-Optik 206 angeordnet sein. Das Beugungsgitter 214 kann angeordnet sein, wo alle Strahlen überlappt werden; und zwar an der Brennebene jeder Transformationsoptik 208. Der Ausgabekoppler 216 ist allgemein in dem Pfad des gebeugten Strahls erster Ordnung angeordnet. In dieser Ausführungsform kann der Ausgabekoppler 216 teilweise reflektierend sein und bei Kombination mit dem Beugungsgitter 214 ein Feedback zur einzigartigen Wellenlängensteuerung der Laseremitter bereitstellen. Dies wird manchmal als Wave Locking bezeichnet. Zusätzlich erzeugen das Gitter und der Ausgabekoppler eine Strahlenüberlappung sowohl in dem Nahfeld (an dem Ausgabekoppler) als auch in dem Fernfeld, wodurch ein einzelnes Ausgabeprofil gebildet wird.
  • Weiter mit der vorherigen Darstellung der Verwendung von Laserdiodenbarren, wo wir davon ausgehen, dass die größten zu tolerierenden optischen Elemente 3 Zoll sind, dann würden die Laserelemente 250 aus einem Stapel aus 30 Diodenbarren bestehen. Somit würde jedes Lasereingabemodul 252 3000 Watt an Gesamtleistung erzeugen und der externe Hohlraum 200a, wie in 2A mit drei Lasereingabemodulen gezeigt, würde 9000 Watt erzeugen, unter der Annahme von 100% Wirkungsgrad. Die Hinzufügung eines vierten oder n-ten Lasereingabemoduls würde die Ausgabe des externen Hohlraums um weitere 3000 Watt erhöhen.
  • Eine weitere Implementierung ist in 2B gezeigt. Einige der praktischen Erwägungen beim Entwurf von Hochleistungslasersystemen beinhalten: finite Verstärkungsbandbreite von Laserelementen, Akzeptanzwinkel des dispersiven Elements, Punktgröße am dispersiven Element und Gesamtgröße des Systems. Der externe Hohlraum 200b beinhaltet eine sekundäre Teleskopoptik 262, die konfiguriert ist, ein Teleskopsystem 264 zu bilden, das die Blendengröße des Gesamtprofils sowie einzelne Strahlen von jedem der Lasereingabemodule 252 verringert. Diese Verringerung des Profils ermöglicht, dass die Transformationsoptik 208 eine kleinere Blende aufweist, die wiederum dabei hilft, den Abstand 270 zwischen der Transformationsoptik 208 und dem Beugungsgitter 214 zu verringern. Die Lasereingabemodule 252 in dem externen Hohlraum 200b, wie gezeigt, bestehen aus den Laserelementen 250, der FAC-Optik 206 und einer primären Teleskopoptik 260, die bei Kopplung mit der sekundären Teleskopoptik 262 das Teleskopsystem 264 bildet. Ähnlich zu der Ausführungsform in 2A können die Lasereingabemodule 250 in 2B zusätzliche optische Elemente einschließen, erfordern aber in der Grundform mindestens zwei Laseremitter und ein optisches Element, das konfiguriert ist, räumlich den Abstand zwischen Strahlen entlang mindestens einer Dimension zu verringern. Diese optischen Elemente in dem grundlegenden Lasereingabemodul können eine zylindrische oder sphärische Linse oder Spiegel einschließen. Das zusätzliche Teleskop hilft dabei, die meisten von diesen zu verringern. Die Gesamtgröße wird von der Brennweite der Transformationsoptiken diktiert. Zum Beispiel führt die Verwendung einer 10 mm breiten Diodenanordnung bei 976 nm mit einer Transformationsoptik mit f = 100 mm und einem Gitter mit 1600 Linien pro mm zu einer Größe, entlang einer Dimension, die ungefähr 2 Mal die Brennweite der Transformationsoptik oder etwa 200 mm beträgt. Allerdings ergibt die Verwendung eines Teleskops mit f = 10 mm und f = 1 mm, und einer Transformationsoptik mit f = 10 mm eine viel kleinere Größe von etwa 42 mm. Die Eigenschaften des Ausgabestrahls sind identisch mit einer Transformationsoptik mit f = 100 mm. Die spektrale Bandbreite in beiden Fällen beträgt etwa 39 nm. 39 nm ist etwa die Verstärkungsbandbreite der Diodenlaser bei 976 nm. Das Hinzufügen von weiteren Laserelementen zu dem einzelnen Transformationsoptikhohlraum würde somit nicht funktionieren. Wenn jedoch in dem zweiten Beispiel die Transformationsoptik auf f = 20 mm geändert wird, wird die spektrale Bandbreite um 2× verringert oder für die gleiche spektrale Bandbreite können zwei 10 mm breite Barren wellenlängenstrahlkombiniert werden. Damit würde sich die Gesamtgröße von etwa 42 mm auf 62 mm erhöhen. Wenn die Transformationslinse auf 100 mm geändert wird, beträgt die Gesamtgröße etwa 222 mm, vergleichbar mit der Ausgestaltung der einzelnen Transformationsoptik, nun können jedoch 10-mal mehr Laserelemente zu einem etwa 10× helleren System kombiniert werden.
  • Die Hinzufügung des Teleskop verringert auch die Punktgröße an dem Gitter. Zum Beispiel ist an einem typischen Diodenbarren eine Kollimationsoptik mit f = 900 μm angebracht. Unter der Annahme idealer Kollimation besitzt der kollimierte Strahl einen Divergenzwinkel von etwa 1 mrad. Somit beträgt bei Verwendung einer Transformationsoptik mit f = 100 mm der Brennfleck auf dem Gitter etwa 100 μm entlang der WBC-Dimension. Ein so kleiner Brennfleck ist nicht erwünscht. Der Brennfleck an dem Gitter ist klein und somit wäre die Leistungsdichte an dem Gitter sehr hoch. Dies führt zu einem erhöhten Risiko der optischen Beschädigung des Gitters.
  • Mit dem zusätzlichen Teleskop kann der Brennfleck an dem Gitter durch die Teleskopvergrößerung erhöht werden. In dem vorherigen Beispiel mit f = 10 mm, f = 1 mm oder 10× Vergrößerung ist der Brennfleck an dem Gitter jetzt 1 mm anstelle von 100 μm. Gleichzeitig wird die spektrale Bandbreite von 39 nm auf 3,9 nm pro Barren verringert. Wie bereits erwähnt, können somit 10 Barren kombiniert werden, um die gesamte 39 nm Bandbreite zu nutzen. Ein Beispiel, wie in 2B gezeigt, besteht aus mehreren Diodenstapeln, einem Teleskop mit einer Linsenanordnung und einer gemeinsamen Linse, einer Transformationsoptik, einem Gitter, einem Teleskop entlang der WBC-Dimension, einem Teleskop entlang der nicht-WBC-Dimension und einem Ausgabekoppler. Entlang der WBC-Dimension, wie in 2B gezeigt ist, bilden eine Linsenanordnung 260 und eine gemeinsame Linse 262 eine Anordnung von Teleskopen 264. Jedes Lasermodul hat sein eigenes Teleskop. Die Lasermodule und die Anordnung von Teleskopen sind angeordnet, so dass nach den Teleskopen alle Strahlen nominell parallel zueinander sind. Somit besteht die Funktion darin, die Größe jedes Emitters und die Gesamtgröße aller Lasermodule auf die entsprechende gewünschte Größe zu verringern. Die Verringerung der Strahlgröße nach dem Teleskop führt zu größerer Strahlgröße an dem Gitter und senkt damit die Leistungsdichte um denselben Faktor. Diese Verringerung der Stapelgröße führt zur besseren Ausnutzung der spektralen Bandbreite, wie in dem obigen Beispiel gezeigt ist. Somit werden verringerte Abbildungen der Stapel an der Brennebene der gemeinsamen Optik des Teleskops gebildet. Die Transformationsoptik überlappt sie an dem Beugungsgitter. Das Gitter und der Ausgabekoppler zwingen jeden Laserbarren dazu, bei einer einzigartigen und kontrollierten Wellenlänge zu arbeiten. Auf diese Weise werden alle Strahlen räumlich sowohl im Nahfeld als auch im Fernfeld überlappt. Das Teleskop zwischen dem Gitter und Ausgabekoppler wird verwendet, um die Strahlgröße entlang der Strahlkombinationsdimension zu verringern. Entlang der nicht-WBC-Dimension werden zusätzliche Optiken benötigt, so dass alle Strahlen entlang der nicht-Strahlkombinationsdimension sich normal zu dem Ausgabekoppler ausbreiten. Zum Beispiel, wie gezeigt ist, bilden das Teleskop entlang der nicht-WBC-Dimension zwischen dem Gitter und der Ausgabekoppler die Laseranordnung wieder an dem Ausgabekoppler ab. Auf diese Weise ist der resultierende Ausgabestrahl der gleiche wie der eines einzelnen Barrens. Anzumerken ist, dass zusätzliche Optiken, nicht gezeigt, erforderlich sein können, um einen stabileren und verlustarmen Hohlraum zu bilden.
  • Als Ausgestaltungsbeispiel nehmen wir an, dass die Linsenanordnung eine sphärische Linse, eine Optik mit 3 Zoll Durchmesser mit einer Brennweite von 300 mm ist. Der Stapel besteht aus 30 Barren mit einem 2 mm Abstand. Wir gehen davon aus, dass die gemeinsame Teleskopoptik eine zylindrische Optik mit einer Brennweite von 2,8 mm ist. Wir gehen auch davon aus, dass das Gitter eine Liniendichte von 1760 Linien pro mm hat. Die Transformationsoptik hat eine Brennweite von 200 mm. Somit ist die Bandbreite des Laserstapels etwa 0,78 nm. Für zehn 30-Barren-Stapel ist die Bandbreite etwa 10 × 0,78/ff, worin ff der Füllfaktor von Stapel zu Stapel ist. Für einen Füllfaktor von Stapel zu Stapel von 0,9 ist die Bandbreite etwa 8,7 nm. Die Strahlgröße an dem Gitter ist etwa 100 mm. Wenn ein räumlicher Verschachtler mit Polarisationsmultiplexen verwendet wird, können bis zu 10 (die Anzahl der Stapel) × 30 (die Anzahl der Barren pro Stapel) × 2 (die Wirkung des räumlichen Verschachtlers) × 2 (aufgrund Polarisation) = 1200 Barren kombiniert werden, mit einer Ausgabestrahlqualität eines einzelnen Barrens mit einer Barrenleistung von 1200 × 100 W = 120.000 W und spektralen Linienbreite von etwa 8,7 nm.
  • KOSTENGÜNSTIGES, SEHR ZUVERLÄSSIGES DIODENLASERSYSTEM HOHER HELLIGKEIT
  • Sehr zuverlässige Diodenlasersysteme sind für industrielle Anwendungen äußerst gefragt. Industrielle Kunden verlangen typischerweise, dass das System bis zu 100.000 Stunden oder mehr als 11 Jahre hält. Die Lebensdauer von Laser variiert je nach der Laserart. Die Lebensdauer von aktiv gekühlten Diodenlasern mit Mikrokanalkühlern beträgt etwa 10.000 Stunden oder länger. Passiv gekühlte Diodenlaser haben eine Lebensdauer von etwa 20.000 Stunden oder länger. Die Lebensdauer von versiegelten CO2-Röhrenlasern ist etwa 35.000 Stunden. Es gibt wenig Wartung. Versiegelte CO2-Röhrenlaser sind auf ein paar hundert Watt begrenzt. Hochleistungs-CO2-Lasersysteme der kW-Klasse halten typischerweise bis zu 100.000 Stunden oder länger. Allerdings erfordern sie eine Wartung alle 1.000 Stunden und eine vollständige optische Erneuerung alle 8.000 Stunden. Lampengepumpte Festkörperlaser haben etwa die gleiche Zykluszeit wie Hochleistungs-CO2-Laser. Die Lebensdauer von diodengepumpten Festkörperlasern, darunter Faser und Bulk-Festkörper, ist viel kürzer als bei CO2-Lasern. Bestenfalls wird die Lebensdauer durch die Lebensdauer der Diodenlaser begrenzt. In dieser Offenbarung zeigen wir, dass die Lebensdauer unserer Hochhelligkeits-WBC-Diodenlaser eine Lebensdauer von bis zu 50.000 Stunden, 100.000 Stunden oder mehr haben kann, ohne die Notwendigkeit für Wartung.
  • 1 zeigt einen fundamentalen Wellenlängenstrahlkombinations-(WBC)-Hohlraum. Dieser Hohlraum basiert auf unserem ”Neuen” externen WBC-Hohlraum, der Strahlen entlang einer Stapeldimension verbindet. Im Allgemeinen wird die schnelle Achse jedes Strahls mit der Stapeldimension ausgerichtet. Der WBC-Hohlraum beinhaltet die Quellendiodenlaserstapel, die mechanisch oder optisch gestapelt sein können, oder eine Kombination aus mechanisch und optisch gestapelt. Der externe Hohlraum beinhaltet auch eine Transformationsoptik, ein Gitter und einen Ausgabekoppler. Nach dem Ausgabekoppler werden ein Strahlformer, eine Faserkopplungsoptik und eine Ausgabeverarbeitungsfaser zur Strahlabgabe benötigt. Alternativ ist eine Freiraumausgabe eine mögliche Strahlabgabeoption. Für den WBC-Hohlraum ist es möglich, eine Reihe von WBC-Hohlräumen, die wir erfunden haben, darunter ”Neue” WBC, ”Alte” WBC, ”Neue-Neue” WBC und ”Neue-Alte” WBC, sowie eine Reihe von Technologien zur Strahlkombination und Helligkeitssteigerung für Diodenlaser, die wir erfunden haben, zu verwenden.
  • In den meisten Fällen hat die Ausgabeleistung von Diodenlasern eine lineare Abhängigkeit von der Zeit und ist etwa P(t) ≈ P0 – βt, worin Po die Anfangsleistung, P(t) die Laserleistung zum Zeitpunkt t später und β die Verschlechterungsrate ist. Für passiv gekühlte Diodenbarren ist die Verschlechterungsrate etwa β – 1 × 105 W pro Stunde. Daher erfolgt für passiv gekühlte Diodenbarren das Lebensende bei etwa 20.000 Stunden, wobei das Lebensende als der Zeitpunkt definiert ist, bei der die Ausgabeleistung 80% des anfänglichen Werts beträgt. Um die intrinsischen Vorteile unseres Systems zu verdeutlichen, betrachten wir ein 1.000 W System. Nehmen wir an, dass die Kosten des Diodenlasers $ 10/W sind. Somit sind für das 1.000 W System die Kosten der Diode $ 10.000. Wir gehen davon aus, dass unser System 100.000 Stunden halten soll. Wenn wir unser System mit 1.000 W an Diodenlasern bauen, müssen wir im System die Diodenlaser alle 20.000 Stunden ersetzen. Somit müssen wir 4.000 W an Diodenlasern ersetzen. Die Kosten für den Ersatz sind daher $ 40.000 plus Arbeit. Alle diodengepumpten Festkörperlaser, darunter Bulk-Nd:YAG, Scheibenlaser und Faserlaser, müssen diesem Modell folgen. Dies ist grundlegend für den Laserresonator bei diodengepumpten Festkörperlasern. Beispielsweise muss bei Bulk-Nd:YAG-Lasern die Diode nach Erreichen des Endes ihrer Lebensdauer ersetzt werden. Sie muss ersetzt werden und der gesamte Laser muss optisch neu eingestellt werden. Grundsätzlich muss diese Anforderung nicht bei WBC-Systemen gelten. In unserem System ist der Ausgabestrahl invariant hinsichtlich der Anzahl von Laserbarren, der Anzahl von Elementen oder der Ausgabeleistung des Systems. Wenn wir zum Beispiel ein 1.000 W System entwerfen, können wir eine Vielzahl von 1.000 W Diodenlasergruppen in unserem System installieren und nur eine Gruppe zu einer Zeit einschalten. Nach 20.000 Stunden wird die erste Gruppe von Diodenlasern einfach ausgeschaltet und die zweite Gruppe oder Kombination eingeschaltet. Somit sind Ersatz und/oder Neueinstellung beim System unnötig. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft unseres Systems. Intrinsisch an unserem System können wir, obwohl die Diodenlaser nur 20.000 Stunden halten, ein Lasersystem herstellen, das 100.000 Stunden oder eine beliebige gewünschte Zeitspanne hält. Es ist möglich, die Anzahl von Ersatzdiodenlasern, die in dem einfachen oben beschriebenen Beispiel erforderlich sind, zu verringern. Wenn wir zum Beispiel das Diodenlasersystem herstellen, installieren wir insgesamt 2.000 W an Diodenlaserleistung. Der 2.000 W Laser würde aus 5 Clustern von Diodenlasern bestehen. Der erste Cluster hat einen Leistungspegel von 1.200 W. Der Rest der Cluster liegt jeweils bei 200 W. Für die ersten 20.000 Stunden betreiben wir nur den 1200 W Cluster bis zum Ende seiner Lebensdauer bei dem Leistungspegel von 1000 W. Am Ende der 20.000 Stunden betreiben wir Cluster 1 und Cluster 2. Am Ende von 40.000 Stunden betreiben wir Cluster 1, 2 und 3. Am Ende von 60.000 Stunden betreiben wir Cluster 1, 2, 3 und 4. Am Ende von 80.000 Stunden betreiben wir alle Cluster. Die Ausgabeleistung des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt ist immer etwa bei 1.000 W. In diesem Beispiel sind die Gesamtkosten der Diodenlaser $ 20.000 anstelle des vorherigen Beispiels mit $ 50.000 ($ 10.000 für die ersten Dioden plus $ 40.000 für die Ersatzdioden). Noch wichtiger, es ist keine eingeplante Wartung erforderlich. Wir müssen das versiegelte Lasersystem niemals öffnen, um einen Ersatz und Neueinstellung beim System vorzunehmen. Als Teil des Systems wird der Clusterbetrieb durch einen Computer mit einem einfachen Leistungsgrenzwertdetektor programmiert und gesteuert. Wenn sich herausstellt, dass die Diodenlaser zuverlässiger sind als von der mittleren Lebensdauer erwartet, muss der Computer nicht zusätzliche Cluster einschalten, bis die Systemleistung geringer als ein voreingestellter Grenzwert ist, was die Betriebszeit zusätzlich verlängern kann. Das obige Beispiel zeigt nur eine mögliche Betriebssequenz für verschiedene Cluster. Eine Vielzahl von möglichen Systemszenarien ist vorhanden. Weiterhin ist es möglich, diesen Ansatz mit Leistungsminderung bei jedem Cluster von Diodenlasern zu kombinieren, was zu weiteren, möglicherweise drastischen Verbesserungen hinsichtlich der erwarteten grundsätzlichen Lebensdauer für jeden Cluster führt.
  • EINFREQUENZ-DIODENANORDNUNGEN UND -STAPEL
  • Die volle Ausnutzung von Diodenbarren und -stapeln in vielen Anwendungen, wie Pumpen von Alkali-Lasern und optisches Pumpen durch Spinaustausch, wird durch das breite Ausgabespektrum begrenzt. Die spektrale Ausgabebandbreite von Diodenbarren und -stapeln beträgt etwa 3 bis 5 nm. Für einige Anwendungen ist eine spektrale Ausgabebandbreite von weniger als 0,05 nm erforderlich. Weiterhin ist das Ausgabespektrum typischerweise nicht wellenlängenstabilisiert. Somit ändert sich die Mittenwellenlänge als Funktion der Betriebstemperatur. In vielen Anwendungsfällen ist dies nicht wünschenswert und kann zu katastrophaler Beschädigung des Lasersystems führen. Die typische Änderung der Wellenlänge mit der Temperatur beträgt etwa 0,33 nm pro Grad Celsius. In einigen Anwendungen, wie Pumpen von Alkali-Lasern, bewirkt eine Verschiebung von etwa 0,05 nm, dass das Lasersystem das Laser einstellt.
  • Es gibt drei allgemeine Verfahren der Linienverengung und wellenlängenstabilisierten Diodenanordnungen und -stapel. Das erste Verfahren verwendet ein internes Gitter als Teil des Laserherstellungsprozesses, z. B. Laser mit verteiltem Feedback (DFB) und Laser mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR). Mehrere Firmen bieten interne wellenlängenstabilisierte Diodenanordnungen und -stapeln an. Ein Nachteil des ersten Verfahrens ist, dass die Diodenlaserleistung typischerweise wegen der Hinzufügung eines internen Gitters leidet. Die zweite Verfahren verwendet externe Volumen-Bragg-Gitter (VBG). Es gibt verschiedene Firmen, die VBGs anbieten. Beide Verfahren sind zeitaufwendig und teuer. Darüber hinaus ist die resultierende Linienbreite etwa 0,5 nm mit einem Koeffizienten der Wellenlänge zu Temperatur von etwa 0,1 nm pro Grad Celsius. Typischerweise gibt es Absorption in VBGs und somit wird irgendwann eine aktive Kühlung erforderlich. Das dritte Verfahren verwendet ein externes Beugungsgitter. Das dritte Verfahren hat die höchste Dispersion und kann im Prinzip zu einer sehr schmalen Linienbreite führen.
  • Bei den Verfahren 2 und 3 ist die resultierende Linienbreite viel breiter als die, zu der das System in der Lage ist. Die Verbreiterung des Ausgabespektrums ist vor allem aufgrund von Unvollkommenheiten bei den Laseremittern. Einige dieser Unvollkommenheiten, die in Laserdiodenbarren vorkommen, sind in 3 dargestellt. Reihe 1 der 3 zeigt einen einzelnen Laserdiodenbarren 302 ohne Fehler. Die dargestellten Ausführungsformen sind beispielhaft für einen Diodenbarren, der auf einen Kühlkörper montiert ist und durch eine Kollimationsoptik der schnellen Achse 306 kollimiert wird. Spalte A zeigt eine perspektivische oder 3-D-Ansicht der Trajektorie der Ausgabestrahlen 311, die durch die Kollimationsoptik 306 gehen. Spalte D zeigt eine Seitenansicht der Trajektorie der emittierten Strahlen 311, die durch die Kollimationsoptik 306 gehen. Spalte B zeigt die Frontansicht der Laserfacette mit jedem einzelnen Laserelement 313 bezüglich der Kollimationsoptik 306. Wie in Reihe 1 dargestellt, sind die Laserelemente 313 perfekt gerade. Zusätzlich ist die Kollimationsoptik 306 in Bezug auf alle Laserelemente 313 zentriert. Spalte C zeigt den erwarteten Ausgabestrahl von einem System mit dieser Art der Eingabe. Reihe 2 zeigt eine Diodenlaseranordnung mit Ausrichtungsfehler. Spalte B der Reihe 2 zeigt die Laserelemente und Kollimationsoptik geringfügig voneinander versetzt. Das Ergebnis, wie dargestellt, sind die emittierten Strahlen mit unerwünschter Trajektorie, die für einen externen Hohlraum zu verringerter Lasereffizienz führen kann. Zusätzlich kann das Ausgabeprofil versetzt werden, um das System unwirksam zu machen oder zusätzliche Modifikationen zu verursachen. Reihe 3 zeigt eine Anordnung mit Packungsfehler. Die Laserelemente sitzen nicht mehr auf einer Geraden und es liegt eine Krümmung des Barrens vor. Dies wird manchmal als ”Smile” bezeichnet. Wie auf Reihe 3 dargestellt, kann Smile noch mehr Trajektorie-Probleme einführen, da es keinen einheitlichen Pfad oder gemeinsame Richtung mit dem System gibt. Spalte D der Reihe 3 stellt ferner Strahlen 311 dar, die bei verschiedenen Winkeln austreten. Reihe 4 zeigt eine Kollimationslinse, die mit den Laserelementen nicht ausgerichtet ist, in einer verdrehten oder abgewinkelten Weise. Das Ergebnis ist möglicherweise das schlimmste von allen, da die Ausgabestrahlen typischerweise die meisten Kollimations- oder Verdrehungsfehler haben. In den meisten Systemen ist der tatsächliche Fehler in Diodenanordnungen und -stapeln eine Kombination aus den Fehlern in den Reihen 2, 3 und 4. In beiden Verfahren 2 und 3, mit VBGs und Beugungsgittern, führen Laserelemente mit Unvollkommenheiten zu Ausgabestrahlen, die nicht mehr parallel zu der optischen Achse weisen. Diese von der optischen Achse versetzten Strahlen führen dazu, dass jedes Laserelement bei verschiedenen Wellenlängen lasert. Die Vielzahl von verschiedenen Wellenlängen erhöht das Ausgabespektrum des Systems, so dass es wie oben erwähnt breit wird.
  • Ein Versuch zum Herangehen an die Unvollkommenheiten, die in 3 dargestellt sind, ist ein System mit externem Hohlraum 400, das in 4 dargestellt ist. 400 wurde unter Verwendung der Beugungsoptik 414 zur Wellenlängenverengung und Stabilisierung der Diodenbarren 402 und der Stapel von Diodenbarren 450 ausgelegt. Die Optik besteht aus einem sphärischen Teleskop 409, Beugungsgitter 414 und Ausgabekoppler 416. Die Diodenanordnungen 402 und -stapel 450 sind an der Summe der Brennebene der ersten sphärischen Linse 410a plus der Brennweite der Kollimationsoptik 406 angeordnet. Die Trennung zwischen den beiden Optiken ist die Summe ihrer Brennweiten. Das Gitter 414 ist etwa an der Brennebene der zweiten sphärischen Linse 410b angeordnet. Der Ausgabekoppler 416 ist an dem Ausgabearm des Beugungsstrahls angeordnet. In dieser Anordnung zeigen Laserelemente mit beliebigen Unvollkommenheiten in unterschiedlichen Winkeln auf das Gitter, die durch die gestrichelten Linien angedeutet sind. Betrachten wir zum Beispiel den Fall, in dem eine erste Diodenanordnung 403 in dem Stapel 450 einen Smile aufweist. An der Brennebene der Kollimationsoptik werden alle Strahlen räumlich überlappt. Das sphärische Teleskop 410 nimmt den überlappten Strahl auf und positioniert ihn an dem Gitter 414. Die Kombination aus dem Beugungsgitter und dem Ausgabekoppler zwingt alle Strahlen dazu, sich normal zu dem Ausgabekoppler auszubreiten. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass jedes Laserelement innerhalb eines Barrens mit Unvollkommenheiten gezwungen wird, bei einer einzigartigen Wellenlänge zu arbeiten, die von dem Hohlraum diktiert wird. Mit anderen Worten wird das Ausgabespektrum von jedem Barren um den zu den Unvollkommenheiten proportionalen Betrag verbreitert.
  • Eine Analyse (mit ZEMAX) unter Vergleich der Wirkungen von Smile auf das System 400 wurde erzeugt. Das Modell enthielt einen Drei-Barren-Diodenstapel. Die Mittenwellenlänge jedes Emitters hatte eine Wellenlänge von 980 nm. Jeder Barren hatte 10 μm Smile, Rautiefe. Jeder Barren wird durch eine Kollimationsoptik der schnellen Achse mit f = 1 mm kollimiert. Der sphärische Teleskop besteht aus zwei Linsen mit f = 100 mm. Das Gitter hat eine Liniendichte von 600 Linien pro mm. Die oberen Elemente mit +5 μm Smile werden gezwungen, bei etwa 972,16 nm zu arbeiten, und Elemente mit –5 μm Smile werden gezwungen, bei 987,82 nm zu arbeiten. Die Elemente ohne Smile arbeiten bei 980 nm. Deshalb ist das Spektrum jedes Barrens und des gesamten Stapels nun etwa 15,66 nm. Typischerweise haben einzelne Laserelemente eine Spektrumbandbreite von 3–5 nm. Für Diodenanordnungen und -stapel des Standes der Technik ist der ungefähre Bereich des Smile etwa 3 Mikron, was nach diesem Modell zu einer spektralen Bandbreite von etwa 5 nm führen würde. Somit kann diese Art von System für Zwecke der spektralen Helligkeit nicht besser sein als das freilaufende Spektrum.
  • 5 zeigt einen neuen Basishohlraum 500 unter Verwendung von Beugung zur Wellenlängenverengung und Wellenlängenstabilisierung von Diodenanordnungen und -stapeln, die von Unvollkommenheiten unabhängig sind. Die optische Konfiguration besteht aus einer zylindrischen Linsenanordnung 533 entlang der Ausbreitungsrichtung, zwei zylindrischen Teleskopen 509, einem Beugungsgitter 514 und einem Ausgabekoppler 516. Die zylindrische Linsenanordnung 533 hat den gleichen Abstand wie der Diodenstapel 550. Es gibt zwei zylindrische Teleskope 509. Das erste zylindrische Teleskop (510c und 510d) ist zum Abbilden entlang der Anordnungsdimension (aus dem Papier hervorragend). Das zweite zylindrische Teleskop (510a und 510b) ist zum Abbilden entlang der Stapeldimension (senkrecht mit der 5).
  • Die zylindrische Linsenanordnung 533 ist an der Summe der Brennebene der zylindrischen Linsenanordnung und der Brennweite der Kollimationsoptik 506 angeordnet. Der Diodenstapel 550 ist ebenfalls an der Brennebene der ersten Optik 501c des Anordnungsteleskops. Der Ausgabekoppler ist an der Brennebene der zweiten Optik des Anordnungsteleskops 510d. Die Trennung ist die Summe ihrer Brennweiten. Entlang der Stapeldimension, wie in 5 gezeigt ist, ist die erste Optik 510a des Stapelteleskops an der Summe der Brennweite der zylindrischen Linsenanordnung 533 und der Brennweite der ersten Optik 510a des Stapelteleskops angeordnet. Die Trennung zwischen den beiden Optiken des Stapelteleskops ist die Summe ihrer Brennweiten. Das Gitter 514 ist zwischen der letzten Optik 510b des zylindrischen Teleskops und dem Ausgabekoppler 516 angeordnet. Der Ausgabekoppler 516 ist an dem Ausgabearm des Beugungsstrahls angeordnet. Bei dieser Anordnung zeigen alle Elemente mit beliebigen Unvollkommenheiten in demselben Winkel auf das Gitter 514. Da alle Elemente in demselben Winkel zeigen, lasern alle bei genau der gleichen Wellenlänge.
  • Ein ZEMAX-Modell dieser Konfiguration wurde ebenfalls analysiert. Die Parameter sind die gleichen wie in dem vorherigen Modell mit der Aufnahme einer zylindrischen Linsenanordnung 533. Die zylindrische Linsenanordnung hat eine Brennweite von 100 mm. Alle Elemente arbeiten bei genau der gleichen Wellenlänge. Im Prinzip kann das Ausgabespektrum eine einzelne Frequenz sein. Dies hat viele Anwendungen, bei denen eine Wellenlänge, die in einem MHz- und kHz-Bereich arbeitet, eine hohe spektrale Helligkeit erfordert. Diese Art eines Systems ist ebenfalls dahingehend robust, dass es athermisch oder auf Änderungen der Laserwellenlänge bei Zunahmen oder Abnahmen der Temperatur nicht anfällig wird.
  • Tabelle 1 vergleicht diesen optischen Hohlraum mit konkurrierenden Techniken. Die Hohlraumauslegung in 5 ist größer; sie ist jedoch darin universell, dass sie bei allen Diodenlaserbarren und -stapeln funktioniert. Sie funktioniert bei perfekten Anordnungen sowie grob unvollkommenen Anordnungen und Stapeln, wie zuvor beschrieben. Das Ausgabespektrum erzeugt eine einzelne Frequenz mit einstellbaren und athermischen Eigenschaften, die bei vielen Anwendungen sehr erwünscht sind.
    Wettbewerber Ausführungsform der Figur 5
    Optiken VBGs und internes Gitter externer Hohlraum
    Optiken universal? nein ja
    Schmale Linienbreite nein ja
    Einstellbare Wellenlänge nein ja
    Größe kompakt größer
    Tabelle 1: Vergleichstabelle zwischen dem Ansatz, wie in Fig. 5 beschrieben, und den konkurrierenden Konzepten zur Wellenlängenstabilisierung und -verengung von Diodenlaserbarren und -stapeln.
  • VERWENDUNG ZYLINDRISCHER LINSENANORDNUNGEN BEI EINEM EXTERNEN HOHLRAUM ZUR WELLENLÄNGENSTRAHLKOMBINATION (WBC) ENTLANG DER ANORDNUNGSDIMENSION EINER ZWEIDIMENSIONALEN ANORDNUNG VON DIODENLASERELEMENTEN
  • Die bekannte Architektur der 1-D-Wellenlängenstrahlkombination (WBC) mit externem Hohlraum, wobei WBC entlang der Anordnungsdimension durchgeführt wird, ist in 1B dargestellt. Der Hohlraum besteht aus einem Stapel von Laserelementen mit Kollimationslinsen der schnellen Achse (FAC), einer zylindrischen Transformationslinse/Spiegel, einem Beugungselement/Gitter und einem teilweise reflektierenden Ausgabekoppler. Die zylindrische Transformationslinse/Spiegel ist eine Brennweite von der hinteren Brennebene der FAC-Optik angeordnet. Das Beugungsgitter ist an der hinteren Brennebene der zylindrischen Transformationsoptik angeordnet. Der Ausgabekoppler ist an dem Pfad des gebeugten Strahls erster Ordnung angeordnet. Somit werden die Ausgabestrahlen von den Laserelementen räumlich an dem Gitter durch die Transformationsoptik überlappt. Der reflektierende Ausgabekoppler und das Gitter liefern ein Feedback zur einzigartigen Wellenlängensteuerung der Laserelemente und überlappen die Strahlen in dem Nahfeld (an dem Ausgabekoppler) und dem Fernfeld. WBC wird entlang der Anordnungsdimension durchgeführt. Stapelung dient der Leistungsskalierung und nicht der Helligkeitsskalierung.
  • Eine Analyse, die 1B (mit ZEMAX) modelliert, setzt drei Diodenbarren ohne Smile und ohne Kollimationsfehler voraus. Die FAC-Optik 106 hat eine Brennweite von 1 mm, was für COTS-FAC-Optiken typisch ist. Das Modell besteht aus drei Diodenbarren 102 mit FAC-Optik 106, einer Transformationsoptik 108, einem Beugungsgitter 114 und einem Ausgabekoppler 116. Die Transformationsoptik 108 hat eine Brennweite von 100 mm. Wie zu sehen ist, sind die Eingabe- und Rückstrahlen perfekt überlappt und erfüllen somit die Anforderungen für einen Laserresonator.
  • Wenige Smiles und Ausrichtungsfehler der kollimierten Diodenelemente sind zwei der wichtigsten Merkmale, die für robuste und effiziente Wellenlängenstrahlkombination erwünscht sind. Smile oder physikalisches Biegen der Diodenlaseranordnung beim Packen und durch Fehlausrichtung der kollimierenden Mikrolinse verursachte Ausrichtungsfehler verschlechtern die Ausgabestrahlqualität und verringern die Strahlkombinationseffizienz. Der Betrieb eines externen Hohlraums ist stark abhängig von dem Ausmaß an Smile und Kollimationsfehlern. Der bekannte WBC-Hohlraum, wie in 1B gezeigt, kann nur ein sehr geringes Ausmaß an Smile und Kollimationsfehlern tolerieren. Das Ausmaß des Fehlers, den der Hohlraum tolerieren kann, ist eine strengere Größenordnung als mit dem aktuellen Stand der Technik möglich ist.
  • Der Hauptnachteil des bekannten WBC-Hohlraums (1B) ist, dass der externe Hohlraum in hohem Maße von dem Ausmaß an Unvollkommenheiten in Diodenanordnungen und -stapeln abhängig ist. Selbst die besten heute verfügbaren Diodenanordnungen und -stapel (mit einem Smile von etwa 1 Mikron) sind, wie bereits erörtert, zur Durchführung eines zweiten optischen Modells nicht gut genug. Diese Anmeldung offenbart eine Ausführungsform der WBC-Architektur, wobei der externe Hohlraumbetrieb unabhängig von dem Ausmaß an Smile und Kollimationsfehlern ist.
  • 6 zeigt den gleichen WBC-Hohlraum wie 1B entlang der nicht-WBC-Dimension mit Smile. Die gestrichelte Linie in 6 entspricht den Elementen 603 mit Smile. Aufgrund von Smile überlappt der Rückstrahl 637 aus dem Ausgabekoppler 616 nicht mit dem einfallenden Strahl. Somit ist ein externer Hohlraumbetrieb nicht möglich.
  • Ein zweites optisches Modell (mit ZEMAX), basierend auf 1B, beinhaltet jede Stange mit einem Smile von 2 Mikron Rautiefe. Darüber hinaus sind drei Elemente ohne, einem und negativen Mikron an Smile modelliert. Das Element ohne Smile kommt perfekt auf sich selbst zurück. Das Element mit einem Smile von 1 Mikron verfehlt die FAC-Optik (106 in 1B) insgesamt (der Durchmesser der FAC-Optik ist 1 mm) und somit ist ein externer Hohlraumbetrieb nicht möglich. Das Element mit einem Smile von –1 Mikron verfehlt ebenfalls die FAC-Optik.
  • 7 zeigt die grundlegende optische Ausgestaltung entlang der nicht-Strahlkombinationsdimension. Dieser Hohlraum ist ausgelegt, die räumliche Helligkeit zu erhöhen. Der Hohlraum 700 besteht aus einem Diodenstapel 750 mit Kollimationsoptiken 706, einer zylindrischen Linsenanordnung 733 und einem Ausgabekoppler 716. Die zylindrische Transformationsoptik 708 und das Gitter 714 sind entlang der Strahlkombinationsdimension. Die zylindrische Linsenanordnung 733 ist eine Brennebene weg von der hinteren Brennebene der Kollimationsoptiken 706 angeordnet. Die zylindrische Linsenanordnung 733 hat den gleichen Abstand wie der Abstand des Diodenstapels 750. Der Diodenstapel 750 und das Gitter 714 sind an der Brennebene der zylindrischen Transformationsoptik 708 angeordnet. In einem solchen Hohlraum ist der externe Hohlraum unabhängig von beliebigen Unvollkommenheiten in Diodenbarren und -stapeln.
  • Die Modellierung der 7 (mit ZEMAX) des Hohlraums 700 beinhaltet die Parameter des Diodenbarrens 703, der 20 Mikron an Smile aufweist (Rautiefe), mit einer FAC-Optik 706. Man beachte, dass dies ein 10-mal stärkeres Smile ist als vorher bei dem zweiten optischen Modell der 1B erörtert wurde. Hier hat die zylindrische Linsenanordnung 733 eine Brennweite von 100 mm. Die Ergebnisse belegen, dass die Rückstrahlen 737 mit den einfallenden Strahlen überlappen, was einen externen Hohlraumbetrieb frei und unabhängig von Smile und Kollimationsfehlern erlaubt. Laserhohlräume mit dieser Art der Ausgestaltung haben viele Anwendungen beim industriellen Hochleistungslaserschneiden, sowie in anderen Bereichen.
  • EINDIMENSIONALE (1-D) WELLENLÄNGENSTRAHLKOMBINATION (WBC) MIT EXTERNEM HOHLRAUM VON 2-D DIODENLASERELEMENTEN UNABHÄNGIG VON UNVOLLKOMMENHEITEN DER DIODENANORDNUNGEN UND -STAPEL
  • Die bekannte 1-D-WBC-Architektur mit externem Hohlraum von 2-D Laserelementen als verwandte Technik ist in 1C gezeigt, wobei Strahlkombination entlang der Stapeldimension durchgeführt wird. Der Hohlraum besteht aus 2-D Diodenlaserelementen oder Diodenlaserstapeln mit Kollimationsoptiken der schnellen Achse (FAC), einer zylindrischen Transformationslinse/Spiegel, einem Beugungselement/Gitter (mit Dispersion entlang der schnellen Achse oder Stapeldimension) und einem teilweise reflektierenden Ausgabekoppler. Die Transformationslinse/Spiegel ist eine Brennweite von der hinteren Brennebene der FAC-Optik angeordnet. Das Beugungsgitter ist an der Brennebene der Transformationsoptik angeordnet. Der Ausgabekoppler ist an dem Pfad des gebeugten Strahls erster Ordnung angeordnet. Somit werden idealerweise alle Ausgabestrahlen von den Laserelementen räumlich an dem Gitter durch die Transformationsoptik überlappt, wie in 1C gezeigt ist. Der reflektierende Ausgabekoppler und das Gitter geben ein Feedback zur einzigartigen Wellenlängensteuerung der Laserelemente und überlappen die Strahlen in dem Nahfeld (an dem Ausgabekoppler) und in dem Fernfeld. WBC wird entlang der Stapeldimension durchgeführt, die auch hauptsächlich die Dimension der schnellen Achse für jeden Strahl ist. Die Anordnungsdimension wird zur Leistungsskalierung und nicht zur Helligkeitsskalierung verwendet. Der externe Hohlraumbetrieb ist unabhängig von Smile, Ausrichtungsfehlern oder FAC-Verdrehungsfehlern, wie in 3 angegeben. Zur Verringerung des Beugungsverlustes bildet ein zylindrisches Teleskop entlang der Anordnungsdimension jeden Emitter entlang der Anordnungsdimension oder langsamen Achse an den Ausgabekoppler ab. Entlang dieser Dimension bewirken das zylindrische Teleskop und Beugungsgitter nichts.
  • Die optische Modellierung der 1C (mit ZEMAX) zeigt, dass aus einem Diodenstapel der Ausgabestrahl ein einzelner beugungsbegrenzter Strahl ist. Für Zwecke des Modells wird angenommen, dass drei Diodenbarren ohne Smile und ohne Kollimationsfehler sind. Die FAC-Optik 106 hat eine Brennweite von 1 mm, die für COTS-FAC-Optiken typisch ist. Die Transformationsoptik 108 hat eine Brennweite von 100 mm. Wir nehmen an, dass alle optischen Komponenten ideal sind (nur zur Demonstration des Konzepts). Wir haben nicht den Ausgabekoppler 116 im Modell eingeschlossen. Zusätzlich werden an der Brennebene der Transformationsoptik oder an dem Beugungsgitter alle Strahlen perfekt überlappt. Da alle Strahlen von allen Elementen räumlich an dem Beugungsgitter überlappt werden, ist der Ausgabestrahl beim Betrieb im Hohlraum ein einzelner beugungsbegrenzter Strahl.
  • 12 zeigt den gleichen WBC-Hohlraum entlang der WBC-Dimension mit Smile, mit Ausnahme des zylindrischen Linsenteleskops 109a und 109b. Das zylindrische Teleskop ist nicht von Belang, da es entlang der nicht-Strahlkombinationsrichtung ist. Die gestrichelte Linie in 12 entspricht den Elementen 1203 mit Smile. Bei der Modellierung der 12 waren die verwendeten Parameter die gleichen wie für die vorangegangene Modellierung der 1C, außer dass jeder Barren ein Smile von 20 Mikron Rautiefe hat. Elemente mit Smile 1203 oder Kollimationsfehlern werden an dem Beugungsgitter 1214 nicht räumlich überlappt, wie in 12 gezeigt ist. Diese Elemente werden dennoch in dem externen Hohlraum aufgrund der Funktion des Gitters 1214 und Ausgabekopplers 1216 arbeiten. Allerdings wird hinsichtlich des Ausgabestrahlkopplers eine Verschlechterung eintreten. Der Ausgabestrahl ist nicht mehr ein einzelner Strahl, wie durch das Ausgabeprofil 1291 gezeigt ist. Alle Elemente innerhalb eines bestimmten Barrens, einschließlich der Elemente mit Smile, werden nominell bei der gleichen Wellenlänge lasern. Da es eine Eins-zu-Eins-Entsprechung zwischen Position und Spektrum gibt, ergibt sich die Verbreiterung der Strahlgröße nach dem Ausgabekoppler. Allerdings ist das effektive Feedback für alle Elemente mit Smile oder Kollimationsfehlern im Wesentlichen 100% und ist unabhängig von dem Ausmaß des Smile oder beliebiger Kollimationsfehler.
  • Der Hauptnachteil dieses WBC-Hohlraums ist, dass die Ausgabestrahlqualität sich proportional zu dem Ausmaß an Unvollkommenheiten in Diodenbarren und -stapeln (Smile und Kollimationsfehler) verschlechtert. Diese Fehler können die Ausgabestrahlqualität sogar um einen Faktor 10 verschlechtern. Während Diodenbarren und -stapel mit wenigen Smiles und Kollimationsfehlern verfügbar sind (die typischerweise zu einer 2× bis 3× Verschlechterung der Ausgabestrahlqualität führen), sind sie üblicherweise teurer. In dieser Anmeldung wird eine Ausführungsform einer neuen WBC-Architektur beschrieben, wobei die Ausgabestrahlqualität entlang der Strahlkombinationsdimension nahezu beugungsbegrenzt und unabhängig von dem Ausmaß an Smile und Kollimationfehlern ist.
  • 8 zeigt diese grundlegende optische Ausgestaltung. Der Hohlraum besteht aus einem Diodenstapel 850 mit FAC-Optiken 806, einer zylindrischen Linsenanordnung 833, einer zylindrischen Transformationsoptik 808, einem Gitter 814 (mit Dispersion entlang der Stapeldimension) und einem Ausgabekoppler 816. Ein zylindrisches Teleskop 809 entlang der Anordnungs- oder nicht-Strahlkombinationsdimension wird verwendet, um die Anordnung auf den Ausgabekoppler 816 abzubilden. Die zylindrische Linsenanordnung 833 ist eine Brennebene weg von der hinteren Brennebene der FAC-Optiken 806 angeordnet. Die zylindrische Linsenanordnung hat den gleichen Abstand wie der Abstand des Diodenstapels 850. Die Transformationsoptik 808 ist eine Brennweite von der hinteren Brennebene der zylindrischen Linsenanordnungen 833 angeordnet. Das Gitter 814 ist an der hinteren Brennebene der Transformationsoptik 808 angeordnet.
  • 13 zeigt ein ZEMAX-Modell dieses beugungsbegrenzten Ausgabeprofils entlang der Strahlkombinationsdimension des WBC-Hohlraums. Der linke Teil der 13 zeigt einen Diodenbarren mit einem Smile von 20 Mikron (Rautiefe) mit einer FAC-Optik. Der mittlere Abschnitt der 13 zeigt einen Teil des Hohlraums. Sowohl die zylindrische Transformationsoptik als auch die zylindrische Linsenanordnung haben eine Brennweite von 100 mm. Der rechte Abschnitt der 13 zeigt alle Strahlen räumlich auf dem Beugungsgitter überlappt. Da alle Strahlen von allen Elementen, unabhängig von Smile oder Kollimationfehlern, räumlich an dem Beugungsgitter überlappt sind, ist der Ausgabestrahl beim Betrieb in dem Hohlraum ein einzelner beugungsbegrenzter Strahl.
  • STRAHLFEHLERKORREKTUR BEI DIODENANORDNUNGEN UND -STAPELN
  • Die volle Ausnutzung von Diodenbarren und -stapeln in vielen Anwendungen, wie Pumpen von Festkörperlasern und direkte Verwendung in der Materialbearbeitung, wird durch den schlechten Ausgabestrahl begrenzt. Weiterhin ist die Ausgabestrahlqualität von Diodenanordnungen und -stapeln bezüglich der Strahlqualität jedes einzelnen Emitters viel schlechter als das, was tatsächlich möglich ist. Die Verschlechterung ist vor allem aufgrund von Packungs- und Kollimationsfehlern. Diese Fehler sind in 3 gezeigt und oben beschrieben.
  • 9 zeigt eine verwandte Technik der gängigen Verfahren, die zur Korrektur der Unvollkommenheiten bei Diodenanordnungen und -stapeln verwendet werden. Der linke Abschnitt der 9 zeigt ein kommerzielles Produkt von Power Photonic (http://www.powerphotonic.co.uk/). Das Produkt ist ein Stück Glas mit Phasenvariation. Die Phasenplatte kann die meisten Unvollkommenheiten korrigieren. Der rechte Abschnitt der 9 zeigt zwei Arten von geformten Optiken zum Korrigieren von Smile. Die geformte Optik kann Ausrichtungs- und Verdrehungsfehler nicht korrigieren. Die drei gezeigten Verfahren sind sehr individuell. Die Unvollkommenheiten jeder Diodenanordnung und -stapels müssen präzise gemessen werden. Sobald die Unvollkommenheiten bekannt sind, wird eine Phasenplatte oder geformte Linse benutzerdefiniert hergestellt. Die Phasenplatte oder geformte Linse kann für andere Anordnungen oder Stapel nicht verwendet werden.
  • 11 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer grundlegenden optischen Ausgestaltung zum Korrigieren der meisten Unvollkommenheiten in Diodenanordnungen und -stapeln. Die optische Konfiguration besteht aus einem sphärischen Teleskop 1109, Glasblöcken 1181, einem Gitter 1114 und einem Ausgabekoppler 1116. Eine andere mögliche Konfiguration besteht aus zwei zylindrischen Teleskopen. Das Teleskop entlang der Dispersionsdimension überlappt alle Strahlen innerhalb eines gegebenen Barrens auf ein Beugungsgitter. Das Teleskop entlang der nicht-Strahlkombinationsdimension bildet jeden Emitter auf den teilweise reflektierenden Spiegel ab. Die Diodenanordnungen 1102 und 1103 sind an der Summe der Brennebene der ersten sphärischen Linse 1110a plus der Brennweite der Kollimationslinse 1106 angeordnet. Die Trennung zwischen den beiden Linsen ist die Summe ihrer Brennweiten. Das Gitter 1114 ist an der Brennebene der zweiten sphärischen Optik 1110b angeordnet. Da das Gitter 1114 in einem Winkel weg von der optischen Achse angeordnet ist, ist eine Anordnung aus Glasblöcken erforderlich. Der Ausgabekoppler 1116 ist an dem Ausgabearm des Beugungsstrahls angeordnet. Bei dieser Anordnung werden alle Unvollkommenheiten in den Diodenanordnungen und -stapeln vollständig korrigiert. Man betrachte zum Beispiel den Fall, dass die erste Diodenanordnung 1103 ein Smile hat. An der Brennebene der Kollimationsoptik sind alle Strahlen räumlich überlappt. Das sphärische Teleskop 1109 nimmt den überlappten Strahl auf und positioniert ihn an dem Gitter 1114. Die Kombination des Beugungsgitters 1114 und des Ausgabekopplers 1116 zwingt alle Strahlen dazu, sich normal zu dem Ausgabekoppler 1116 auszubreiten. Somit ist der Ausgabestrahl nur ein einzelner Strahl. Die einzige Möglichkeit, dass dieser Zustand realisiert werden kann, besteht darin, dass jedes Laserelement innerhalb eines Barrens mit Unvollkommenheiten dazu gezwungen wird, bei einer einzigartigen Wellenlänge zu arbeiten, die durch den Hohlraum diktiert wird.
  • Die Modellierung einer Konfiguration des Konzepts und der Art der 11 beinhaltet die Verwendung eines Drei-Barren-Diodenstapels, der bei einer Wellenlänge von 980 nm arbeitet und ohne Unvollkommenheiten ist. Jeder Barren wird durch eine Kollimationsoptik der schnellen Achse mit f = 1 mm kollimiert. Das sphärische Teleskop besteht aus zwei Optiken mit f = 100 mm. Das Gitter besitzt 600 Linien pro mm. Erwartungsgemäß ist der Ausgabestrahl aus dem Hohlraum der gleiche wie der Eingabestrahl. Bei der Modellierung des gleichen Hohlraums, jedoch mit Unvollkommenheiten in Diodenanordnungen, wie der oberen und unteren Anordnungen mit einem Smile von 100 μm Rautiefe, was etwa ein fünfzigfach höheres Smile ist als bei Diodenbarren und -stapeln des Standes der Technik, hat der mittlere Barren einen Ausrichtungsfehler von 50 mrad. Dies ist etwa ein 25-fach stärkerer Ausrichtungsfehler als der bei Diodenbarren und -stapeln des Standes der Technik. Auch bei diesem großen Ausmaß an Smile und Ausrichtungsfehlern ist der resultierende Strahl identisch mit dem des ersten Modells, wobei Smile und Ausrichtungsfehler nicht vorhanden sind. Um dies zu erzielen, arbeiten z. B. Elemente in den oberen und unteren Barren mit 50 μm Smile bei 901,08 nm, während das Element in den oberen und unteren Barren mit –50 μm bei 1057,5 nm arbeitet. Die Elemente ohne Smile arbeiten bei 980 nm. Der mittlere Barren mit 50 mrad Ausrichtungsfehler arbeitet bei 901,08 nm. Es sollte erwähnt werden, dass dies ein extremes Beispiel ist, das die Leistung dieser Technik bei der Fehlerkompensation von Barren und Stapeln zeigt. In der Praxis ist das Smile eines Barrens des Standes der Technik im Bereich von 2 Mikrometern und die resultierende Linienbreite ist in einem praktischen Korrekturhohlraum in der Größenordnung von 0,5 nm. Dieses eher praktische Beispiel zeigt die Schmalbandbreitenfähigkeit der Technik. Bei Verwendung dieser hierin beschriebenen Ausführungsform wird, unabhängig von Smile, Ausrichtungs- oder Verdrehungsfehlern, die Ausgabestrahlqualität vollständig kompensiert und ist die gleiche wie die eines einzelnen Elements.
  • Tabelle 1 vergleicht unseren optischen Hohlraum mit Wettbewerbern. Der einzige Nachteil bei unserer Ausgestaltung ist, dass sie größer ist. Unsere Ausgestaltung kann Smile, Ausrichtungs- und Verdrehungsfehler vollständig kompensieren. Unsere Ausgestaltung ist universell. Die Ausgestaltung funktioniert im Prinzip für alle Laser. Es gibt keine Notwendigkeit, die Unvollkommenheiten der Diodenlaserbarren und -stapel zu messen und eine spezifische Korrekturoptik herzustellen. Unser Ansatz funktioniert für perfekte Anordnungen und Stapel bis hin zu grob unvollkommenen Anordnungen und Stapeln. Da unsere Ausgestaltung ein Beugungsgitter erfordert, hat das Ausgabespektrum eine schmale Linienbreite, ist einstellbar und athermisch. Diese Eigenschaften sind bei vielen Anwendungen sehr wünschenswert.
    Verwandte Technik Ausführungsform der Figur 11
    Optiken Phasenplatte, geformte Optiken externer Hohlraum
    Smile-Korrektur nicht vollständig ja
    Ausrichtungsfehler nicht vollständig ja
    Kollimationsfehler nicht vollständig ja
    Universelle Optiken nein ja
    Schmale Linienbreite nein ja
    Einstellbare Wellenlänge nein ja
    Verbesserung der Ausgabestrahlqualität ja ja
    Größe kompakt größer
    Tabelle 1: Vergleichstabelle von Korrekturverfahren für Diodenbarren und -stapel.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (22)

  1. Ein skalierbares System zur Wellenlängenstrahlkombination, umfassend: eine Vielzahl von modularen Lasereingabevorrichtungen, wobei jede modulare Lasereingabevorrichtung folgendes einschließt: mindestens ein Laserelement, das konfiguriert ist, einen elektromagnetischen Strahl zu erzeugen; und mindestens eine Transformationsoptik, wobei jede Transformationsoptik bewirkt, dass die emittierten Strahlen an einem dispersiven Element überlappen, und wobei das dispersive Element die überlappten Strahlen als ein einzelnes Ausgabeprofil überträgt.
  2. Die Systeme nach Anspruch 1, ferner einen Ausgabekoppler einschließend, der konfiguriert ist, das einzelne Ausgabeprofil, das durch das dispersive Element übertragen wurde, zu empfangen und einen Teil des einzelnen Ausgabeprofils zurück in die Laserelemente zu reflektieren.
  3. Ein skalierbares System zur Wellenlängenstrahlkombination, umfassend: eine Vielzahl von modularen Lasereingabevorrichtungen, wobei jede modulare Lasereingabevorrichtung folgendes einschließt: ein oder mehrere Laserelemente, die jeweils konfiguriert sind, einen elektromagnetischen Strahl zu erzeugen; und mindestens eine primäre Teleskopoptik, die konfiguriert ist, die Strahlen zu empfangen; eine sekundäre Teleskopoptik, die ausgerichtet ist, ein Teleskopsystem mit jeder primären Teleskopoptik zu bilden, wobei das Teleskopsystem die Strahlen parallel zueinander ausrichtet; eine Transformationsoptik, die konfiguriert ist, die parallelen Strahlen zu empfangen und die parallelen Strahlen entlang einer Strahlkombinationsdimension zu kombinieren; und ein dispersives Element, das bei einem Überlappungsbereich der kombinierten Strahlen angeordnet ist, um die Strahlen zu empfangen und zu übertragen, wobei ein Ausgabeprofil gebildet wird.
  4. Das System nach Anspruch 3, ferner einen Ausgabekoppler einschließend, der konfiguriert ist, das Ausgabeprofil von dem dispersiven Element zu empfangen und einen Teil des Ausgabeprofils zurück in die Laserelemente zu reflektieren.
  5. Das System nach Anspruch 3, wobei die Transformationsoptik einen Durchmesser von weniger als oder gleich fünf Zoll aufweist.
  6. Das System nach Anspruch 3, wobei die Transformationsoptik ein gekrümmter Spiegel mit einem Durchmesser von weniger als oder gleich fünf Zoll ist.
  7. Ein Verfahren zum Skalieren eines WBC-Systems, umfassend die folgenden Schritte: Anordnen einer Vielzahl von Transformationsoptiken zum jeweiligen Empfangen und Überlappen mindestens eines emittierten elektromagnetischen Strahls an einem dispersiven Element; und Übertragen eines einzelnen Ausgabeprofils aus den überlappten Strahlen.
  8. Ein Verfahren für eine Skalierung eines WBC-Systems, das die folgenden Schritte umfasst: Empfangen emittierter elektromagnetischer Strahlen von Modulen eines oder mehrerer Laserelemente in einem optischen Teleskopsystem, das mehr als eine Eingabefläche aufweist, wobei das Teleskopsystem eine Eingabefläche für jedes Modul aufweist; Ausrichten sämtlicher der empfangenen Strahlen parallel zueinander; Überlappen der parallelen Strahlen an einem dispersiven Element; und Übertragen eines einzelnen Ausgabeprofils von dem dispersiven Element.
  9. Ein System zur Wellenlängenstrahlkombination mit erweiterter Ausgabe, umfassend: eine Vielzahl von Lasereingabemodulen, die konfiguriert sind, selektiv ein- oder ausgeschaltet zu werden, wobei jedes Modul ein oder mehrere Laserelemente einschließt; eine Transformationsoptik, die konfiguriert ist, emittierte elektromagnetische Strahlen von jedem Modul zu empfangen und die emittierten Strahlen zu überlappen; und ein dispersives Element, das bei einem Bereich der Überlappung angeordnet ist, um ein einzelnes Ausgabeprofil zu empfangen und zu übertragen.
  10. Das System nach Anspruch 9, ferner einen Ausgabekoppler einschließend, der konfiguriert ist, das einzelne Ausgabeprofil zu empfangen, einen Teil des einzelnen Ausgabeprofils zurück in die Laserelemente zu reflektieren und das einzelne Ausgabeprofil zu übertragen, wobei ein externer Hohlraum gebildet wird.
  11. Das System nach Anspruch 9, wobei das einzelne Ausgabeprofil eine minimale Helligkeit und Ausgabeleistung aufweist, die für mindestens 50.000 Stunden gehalten wird.
  12. Das System nach Anspruch 9, wobei das einzelne Ausgabeprofil eine minimale Helligkeit und Ausgabeleistung aufweist, die für mindestens 100.000 Stunden gehalten wird.
  13. Das System nach Anspruch 9, ferner ein Sensorsystem einschließend, das konfiguriert ist, Daten des einzelnen Ausgabeprofils zu detektieren.
  14. Das System nach Anspruch 13, ferner eine Steuerung einschließend, die konfiguriert ist, die Ausgabedaten zu empfangen und selektiv Lasereingabemodule ein- oder auszuschalten.
  15. Das System nach Anspruch 9, ferner einen Zähler einschließend, der konfiguriert ist, die Zahl von Betriebsstunden für jedes Lasereingabemodul zu verfolgen.
  16. Das System nach Anspruch 9, wobei mehrere Lasereingabemodule eingeschaltet sind.
  17. Ein System mit externem Hohlraum, umfassend: eine Vielzahl von ortsfesten Laserelementen, die konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung zu emittieren; eine Anordnung von Mikrolinsen, die konfiguriert sind, die emittierte Strahlung zu empfangen und die Strahlung entlang einer ersten Dimension zu kollimieren; eine Transformationslinse, die konfiguriert ist, die kollimierte Strahlung zu empfangen und die Strahlung entlang einer Strahlkombinationsdimension zu kombinieren; ein dispersives Element, das bei einem Überlappungsbereich der kombinierten [Strahlung] angeordnet ist, um die kombinierte Strahlung zu empfangen und ein einzelnes Ausgabeprofil zu übertragen; und einen Ausgabekoppler, der konfiguriert ist, das einzelne Ausgabeprofil zu empfangen und einen Teil zurück in die Laserelemente zu reflektieren.
  18. Das System nach Anspruch 17, ferner eine zweite Anordnung von Mikrolinsen einschließend, die konfiguriert sind, ein Teleskopsystem mit der Anordnung von Mikrolinsen zu bilden.
  19. Das System nach Anspruch 17, ferner eine zweite Anordnung von Mikrolinsen einschließend, die konfiguriert sind, die emittierte Strahlung zu empfangen und entlang einer zweiten Dimension zu kollimieren.
  20. Ein System mit externem Hohlraum, umfassend: eine Vielzahl von ortsfesten Laserelementen, die konfiguriert sind, elektromagnetische Strahlung zu emittieren; mindestens eine Kollimationsoptik, die in einem Emissionspfad von mindestens zwei Laserelementen angeordnet ist, wobei die Strahlung entlang einer Dimension kollimiert wird; eine Anordnung von Mikrolinsen, die konfiguriert sind, die von jedem Laserelement emittierte [Strahlung] zu empfangen und die Vielzahl von Elementen entlang einer bevorzugten optischen Achse des Systems auszurichten; eine Transformationsoptik, die konfiguriert ist, die ausgerichtete Strahlung zu empfangen und die Strahlung entlang einer Strahlkombinationsdimension zu kombinieren; ein dispersives Element, das bei einem Überlappungsbereich der kombinierten Strahlung angeordnet ist, um die kombinierte Strahlung zu empfangen und ein einzelnes Ausgabeprofil zu übertragen; und einen Ausgabekoppler, der konfiguriert ist, das einzelne Ausgabeprofil zu empfangen und einen Teil des Profils zurück zu dem dispersiven Element zu reflektieren.
  21. Das System nach Anspruch 21, wobei die Anordnung von Mikrolinsen bei einer Brennweite von der Kollimationsoptik angeordnet ist.
  22. Das System nach Anspruch 21, wobei sich die Kombinationsdimension entlang der schnellen Achse jedes Laseremitters befindet.
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