[发明专利]具有阶梯式慢轴准直器的激光系统

说明书

在各种实施例中，激光系统的非波长光束组合维度的指向误差通过阶梯式准直透镜至少部分地降低。

相关申请

本申请要求2018年10月15日提交的美国临时专利申请No.62/745,623的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是具有慢轴准直器的特定布置的激光系统。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。用于激光系统的光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BP P是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。即，BPP＝NA×D/2，其中D是聚焦点(腰部)直径，NA是数值孔径；因此，可以通过改变NA和/或D来改变BPP。BPP量化了激光束的质量以及它能聚焦到小点的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP在相同波长情况下的比用M²表示，其是与波长无关的光束质量的度量。

波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光的输出功率和亮度的技术。已经开发出沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述，每个专利的全部公开内容通过引用并入本文。

各种WBC激光系统将光束发射器沿单个方向或维度(称为WBC维度)发射的光束组合在一起。因此，WBC系统，或“谐振器”，通常具有其各种组件位于在WBC维度上的相同平面中的特征。如上面提到的一些参考文献中所公开的，WBC激光系统通常具有二极管条或其他多光束发射器，其输出被组合为单个输出光束。为了紧凑和高效，每个二极管条都可以与快轴准直器和光学旋转器(或“光学扭曲器(optical twister)”)耦合，光学旋转器在垂直于光束传播方向的平面内将光束的快轴和慢轴旋转90°。在这样的WBC系统中，光束的慢轴在非WBC维度或在光学旋转器的光学下游的方向上。因此，单个二极管条的发射器可以全部通过单个慢轴准直透镜(或“慢轴准直器”)在慢轴上准直。

此外，为了使WBC谐振器效率最大化，通常将WBC系统中的色散元件配置为在WBC维度成利特洛角(Littrow angle)。为了防止来自色散元件的第一阶反射传播回发射器，色散元件可以在非WBC方向(即，沿慢轴)倾斜。然而，色散元件的该倾斜导致入射在色散元件上的不同光束的不同复合角(compound angle)，从而对于由不同发射器发射的光束，在色散元件的光学下游的慢轴中引起指向误差(pointing error)。因此，需要改进WBC系统设计，以防止这种指向误差并因此提高系统效率。

发明内容