[发明专利]二维激光元件的外腔一维多波长光束合并

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有于2008年9月5日提交的第61/111,258号，名称为“二维二极管激光元件的外腔一维(1-D)波长光束合并(WBC)”的美国临时申请的优先权，该临时申请通过引用全部并入本文中。

联邦政府资助的研究

本发明由来自美国空军No.FA8721-05-C0002项目的政府支持完成，政府享有本发明的某些权利。

发明背景

技术领域

概括起来，本发明涉及一个使用外腔的激光光源领域，特别是涉及合并二维激光源形成外腔一维波长光束的方法和设备。

背景技术

使用激光阵列的高效多波长激光源具有包括材料加工、激光泵以及多种医疗程序等许多应用。外腔一维波长光束结合二极管阵列和二维二极管堆作为增强激光阵列和激光堆能量和亮度的一种技术已经在美国专利号为6327292的申请中有所描述。

用于合并二维激光堆形成外腔一维波长光束的光束合并器的标准架构见附图1A。附图1A说明了一个闭环波长光束合并腔。该合并腔包含激光堆110，在示例中，激光堆110包括含3个激光二极管块的竖向堆。每一个二极管块由多个作为发射器的激光二极管组件组合而成。该合并腔同时也包含柱面透镜120、衍射光栅130和一个部分反射输出耦合器140。柱面透镜120放置在激光堆110和衍射光栅130之间距离等于焦距的位置上。柱面透镜120汇聚来自在激光堆中每一个二极管块的激光二极管组件的光束以便使光束空间重叠，在衍射光栅130上形成一个重叠区域。部分反射输出耦合器140放置在来自衍射光栅130的一阶衍射光束的路径上并将一束光的一部分反射回重叠区域，接着衍射光栅130将光反射回激光堆110，从而在部分反射输出耦合器140和激光堆110的激光二极管组件之间形成共振腔。这样部分反射输出耦合器140和衍射光栅130提供反馈强制各个二极管块中的每一个激光二极管组件发出可控的单一波长的激光，并使光束在近场(在输出耦合器140上)和远场重叠。这样，如附图1A所示，通过适当排列柱面透镜120、衍射光栅130和输出耦合器140，对每一个激光堆110中的二极管块即可产生单一的光束。

在图1A的示例中，输出光束150包含三个光束，每个光束来自激光堆110中的3个二极管块中的一个，并且三个输出光束中的每一束都由源自构成各个二极管块的激光二极管组件的空间重叠光束构成。于是实现了沿激光堆110水平方向的波长光束合并。在垂直方向上堆叠多个二极管块可用于放大能量。

附图1B说明了开环波长光束合并腔。在该开环腔中，激光组件用波长调制体布拉格光栅(VBG)160对单一波长进行波长稳定。将体布拉格光栅160尽可能靠近激光堆110放置。柱面透镜120和衍射光栅130与体布拉格光栅160的波长扩展匹配。再次实现了激光组件的波长光束合并，在垂直方向上竖向堆叠多个二极管块实现了能量放大。

发明内容

发明方面和实施方案针对的是通过合并二维激光光源(例如)形成一维波长光束从而增强这些激光源功率和亮度的一种方法和设备。波长光束合并体系的重要特征包括输出光谱、输出光束质量、尺寸和效率。如上所述，对二极管激光阵列，传统的一维波长光束合并器，是沿阵列即横向对波长光束进行合并，也就是，对来自构成单个二极管块的多元激光二极管组件的光束进行合并。相比之下，根据发明方面和实施方案，波长合并是沿正交方向进行，并且对于二极管激光源是沿着阵列的堆叠方向进行，也就是，对来自多元二极管块的光束进行合并，放宽了公差要求，并允许使用低成本、现成的二极管块。特别是，至少某些实施方案是针对一项波长光束合并的实施，其中，当应用于二极管激光光源时，如下文进一步所述，其鲁棒性和效率很大程度上独立于“封装误差”和对准误差。沿堆叠方向的波长光束合并允许高功率的激光在比传统光束合并成本低的条件下实现，并具有广泛的应用。

根据一个实施方案，多波长光束合并器包含含有沿激光堆堆叠方向排列的多元激光阵列，每一个激光阵列设定产生具有单波长的光辐射，并且每一个多元激光阵列包含沿激光堆中阵列方向的多元光增益组件。该多波长光束合并器进一步包含设定对每一个多元光增益组件沿其慢轴进行成像的柱面望远镜、设置用于拦截来自每一个多元激光阵列的光辐射并沿激光堆堆叠方向合并该光辐射形成多波长光束的转换透镜以及放置在光辐射重叠区域接收和发送多波长光束的衍射元件。柱面望远镜设置将每一个多元光增益元件成像到颜射元件。堆叠方向也许很大程度上垂直于阵列方向。