技术领域
[0001] 本
发明涉及例如大功率
二极管激光系统的交织激光束。
背景技术
[0002] 用于高性能固态
激光器的激光系统能够基于
激光二极管和激光二极管条(bar)。为了向例如盘形(disk)激光器的固态激光介质提供高
泵浦功率，将多个激光二极管或者激光二极管条的发射激光束组合以形成泵浦激光束。
发明内容
[0003] 在此公开的系统和方法提供一种在大功率激光二极管应用中组合例如激光二极管和激光二极管条的激光束的简单而成本经济的方式。
[0004] 在一个通常方面，一种激光系统包括至少两个源，每一个源配置为提供至少两个空间上分离的激光束，以及配置为沿着弧安装所述至少两个源的安装件，所述弧限定
角坐标和径向坐标，其
中轴向坐标与所述角坐标和所述径向坐标
正交，并且所述空间上分离的激光束在所述轴向坐标上分离。所述安装件还配置为安装所述至少两个源从而提供所述激光束在所述轴向坐标上的偏移，以使得激光束在所述弧的中心区域在轴向方向上交织。
[0005] 在另一方面中，一种用于交织至少两个源的激光束的束形成系统，包括用于所述至少两个源的安装件，所述安装件配置为在其上沿着弧且以轴向坐标上的偏移安装所述至少两个源，所述弧限定角坐标和径向坐标，其中轴向坐标与角坐标和径向坐标正交，以使得从所述至少两个源中的不同源提供的激光束在所述弧的中心区域处在所述轴向坐标上交织，该束形成系统还包括位于所述中心区域中以在公共方向上导向所述交织的激光束的对准光学器件。
[0006] 在另一方面，一种方法包括提供在径向方向上朝向中心区域行进的第一组激光束，所述第一组激光束在圆柱
坐标系的轴向坐标上移位，提供在所述圆柱坐标系的径向方向上朝向所述中心区域行进的第二组激光束，所述第二组激光束在轴向坐标上移位，其中在所述轴向坐标上，所述第一组激光束中的激光束与所述第二组激光束中的激光束交织。
[0007] 在另一方面，一种激光系统包括至少两个源，每一个源配置为提供在圆柱坐标系的轴向坐标上分离的至少两个激光束，所述至少两个源沿着所述圆柱坐标系的不同角坐标和相同径向坐标的圆弧设置，其中所述源中的至少一个源包括激光二极管和偏转光学器件，其中所述激光二极管配置为沿着所述轴向方向发射所述至少两个激光束中的第一激光束，所述第一激光束的快轴沿着所述径向坐标，并且所述偏转光学器件配置为沿着朝向所述圆柱坐标系的中心区域的方向偏转所述第一激光束，从而将所述快轴改变为沿着所述轴向坐标的方向。
[0008] 实施方式可以包括以下特征中的一个或者多个。
[0009] 安装所述至少两个源中的一个源以用于提供具有位于由所述至少两个源中的另一个源提供的一对激光束的轴向坐标之间的轴向坐标的激光束。
[0010] 对准光学器件可以位于所述中心区域以在公共方向上导向所述交织的激光束。对准光学器件可以包括叠置的光学元件。而且，该叠置的光学元件的相邻光学元件可以导向不同源的激光束。所述光学元件的示例包括扁平(flat)镜、抛物线(parabolic)镜和棱镜。
[0011] 可以配置所述安装件以安装六个相同的源并且所述弧可以是圆弧。
[0012] 可以配置所述安装件和所述对准光学器件以对于所述至少两个源的所述激光束提供相同的光学路径长度。
[0013] 所述源中的至少一个源可以包括叠置的激光二极管单元。
[0014] 所述源中的至少一个源可以包括
散热器和两个激光二极管。具体地说，所述激光二极管中的至少一个激光二极管可以扁平设置在所述
散热器上以使得该激光二极管的发射表面与所述散热器垂直，以用于发射与散热器平行并且具有与散热器垂直的快轴的激光束。而且，可以配置偏转光学器件以沿朝向中心区域的方向偏转与散热器平行发射的激光束。
[0015] 所述源中的一个源的散热器可以利用陶瓷层与激光二极管电绝缘。
[0016] 可以电连接所述源中的一个源的激光二极管以用于供应
电流串行地经过全部激光二极管。
[0017] 所述激光系统还可以包括在对准光学器件之后所述交织的激光束的光学路径中的束形成光学器件。可选地或者附加地，所述束形成光学器件可以部分或者完全结合在所述对准光学器件中。
[0018] 可以配置所述源以在所述轴向坐标上提供多个移位一间距的激光束，所述间距至少为所述激光二极管沿与发射表面垂直的方向的长度。可以进一步配置所述源以发射具有几毫米间距的多个垂直移位的激光束，例如至少为5mm、10mm或者15mm。
[0019] 所述激光系统还可以包括用于所发射的激光束的快轴和慢轴中的至少一个的
准直光学器件。所述准直光学器件可以包括用于调节快轴的圆柱形
光学望远镜。
[0020] 所述激光二极管中的至少一个可以是激光二极管条。所述激光二极管条可以例如包括20至50个用于以相同的轴向坐标发射激光束的发射区域。所述发射区域可以设置在大约10mm的宽度范围内。
[0021] 所述激光系统还可以包括折叠镜。
[0022] 可以配置所述束形成系统以对于激光束提供相同的光学路径长度。
[0023] 对准光学器件可以包括叠置的光学元件并且可以配置相邻的光学元件以导向不同源的激光束。
[0024] 束形成系统还可以包括用于快轴和慢轴中的至少一个的准直光学器件和/或用于调节快轴的圆柱形光学望远镜。
[0025] 可以配置安装件和所述源以使得在所述中心区域并且在与对准光学器件相互作用之前，由所述源中的至少一个源提供的所述激光束的快轴的方向沿着轴向坐标并且激光二极管的慢轴的方向与轴向坐标垂直。
[0026] 可以配置束形成装置以提供几何交织的激光束。
[0027] 所述方法还可以包括利用所述交织的激光束泵浦激光介质。
[0028] 第一激光束的慢轴的方向与圆弧相切。
[0029] 一些
实施例的优点可以包括实现源的安装容易对准并且直
接触及单独源的简单机械结构，从而改善了例如操作性能(例如源的更换)。
[0030] 而且，在一些实施例中，来自单个源的激光可以对交织束的截面中的各种区域作出贡献。因而，单个源的故障仅影响那些扩散区域处的束。因此，能够降低对泵浦束并且因此对激光介质的泵浦体积的非对称影响。
[0031] 在大功率(泵浦)激光系统的一些实施例中，源可以提供位于较大距离处的束以增加单独二极管激光的冷却性能。具体地，对于这样的系统，(例如大功率)激光束之间的较大的“无
辐射”区域可以填充有该系统的剩余源的激光束。
[0032] 在
附图和以下描述中阐述了本发明的一个或者多个实施例的细节。通过
说明书和附图以及
权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
[0033] 图1是使用交织的泵浦束的光学泵浦激光系统的示意性方
框图。
[0034] 图2是能够在图1的激光系统中使用的源的示意性正视图。
[0035] 图3是利用如图2所示的三个源生成的图1所示的交织的泵浦束沿着截面III-III提取的截面图。
[0036] 图4是可以在图1的激光系统中使用的激光系统的实施方式的透视图。
[0037] 图5是图4的激光系统的俯视图。
[0038] 图6是图4和图5的激光系统的源的侧视图。
[0039] 图7是可以在图1的激光系统中使用的具有束形成单元的第一变型的激光系统的实施方式的俯视图。
[0040] 图8是可以在图1的激光系统中使用的具有束形成单元的第二变型的激光系统的实施方式的俯视图。
[0041] 图9是图4-7中所示的激光系统的源的正视图。
[0042] 图10是所述源沿着说明发射单个激光二极管的截面X-X提取的放大截面图。
[0043] 图11是图9的源的截面XI的放大透视图。
[0044] 图12是能够结合图4-7所示的激光系统使用的可选源的透视图。
具体实施方式
[0045] 可以设置一组激光二极管或者激光二极管条以提供空间上分离的激光束。在此，将这样的结构称为(叠置)激光束的源。因此，叠置的激光束的源能够发射具有类似束参数，即对于慢轴和快轴类似的参数，的若干激光束。通过组合叠置的激光束的多个源的激光束，可以形成具有比叠置的激光束的单个源的辐射率高的辐射率，即可以增加所述束的截面的给定区域内的功率。可以进一步施加合适的束形成元件以提高所述束的
质量，从而例如实现激光介质的有效光学泵浦。
[0046] 在图1中，光学泵浦的激光系统1向诸如
激光切割系统或者
激光焊接系统的激光处理系统5提供大功率激光束3。例如，激光系统1可以是向激光处理系统5提供几kW激光束的盘形激光器系统。另一示例性激光系统可以是
纤维激光器。为了生成激光束3，利用由激光系统11生成的交织束9对激光系统1的激光介质7进行光学泵浦。然而，也可以将泵浦激光系统11配置为用于例如
表面处理、硬化、材料处理和焊接的激光应用的独立激光系统。
[0047] 激光系统11例如包括安装在结构15中的多个源和束形成光学器件17。结构15被配置为提供多个激光束的激光束分组13，每一个激光束在一个维度上移位并且导向在与其他源的其他激光束的方向不同的方向上。束形成光学器件17将分组13内的激光束重新导向至在公共方向上行进，从而形成交织束9。另外，束形成光学器件17可以包括用以准直分组13内的激光束的光学器件。将交织束9例如直接或者经由诸如光纤的
波导提供为至激光系统1的泵浦激光束。
[0048] 图2示意性示出了可以在结构15中使用的源19。图3示出了图1的交织束9沿视图III-III提取的截面图；可以利用图2的三个源19创建该截面图。结合图4-12详细描述能够例如用作图1的激光系统11的交织激光系统的各种实施例。
[0049] 如图2所示，示例性源19包括安装在公共散热器21上的三个激光二极管条20。每一个激光二极管条20包括具有五个相邻发射区域的
半导体结构。单个发射区域的激光具有椭圆的束轮廓22。束轮廓22的椭圆形状表明激光束的快轴和慢轴的不同光学特性。
例如，由于发射区域的稀薄(thinness)，该发射区域的激光在快轴方向上比在慢轴方向上更发散。
[0050] 五个发射区域的光形成激光束分组13的激光束23并且每一个激光束23具有细长形状。在一些实施例中，发射区域发射与散热器21正交的光，而在其它实施例中能够例如首先发射与散热器21的表面平行并且随后偏转例如90°的光。
[0051] 在一个维度上，三个激光二极管条20彼此移位间距P并且因此三个激光束23也移位间距P。因而，从单个源19发射的三个激光束23形成具有其自己截面的束，所述截面包括具有激光移位间距P的区域以及在具有激光的区域之间的没有激光的区域29。一些大功率源以例如几毫米的大间距提供激光束。这样的大功率源的示例包括具有结合图9-11描述的扁平安装的激光二极管条的源(扁平源)以及具有结合图12描述的叠置二极管条(组源)的结构。
[0052] 交织激光系统能够尤其适用于具有大间距的源的使用。
[0053] 再次参照图3，沿着图1的交织束9的视图III-III的简化截面基于三个源19，每一个源19具有三个激光二极管条20并且每一个激光二极管条20产生五个激光束22(如图2所示)。激光系统11对来自三个激光二极管条20中的每一个激光二极管条的三个激光束23(分组13中总共九个激光束)进行交织以使得在交织束9的截面内，所述束的相邻行的光起源于不同的源19。在该截面内，源19中的一个源的单个激光二极管条20对由与激光二极管条的五个发射区域相关联的椭圆束轮廓22指示的截面内的行24作出贡献。
[0054] 在图3的示例中，三行激光束起源于三个源19中的每一个源。例如，行24和其他未标记的两行与第一源的激光辐射A相关，行25和其他未标记的两行与第二源的激光辐射B相关，并且行26和其他未标记的两行与第三源的激光辐射C相关。因此，位于每一个源19的激光二极管条20的发射光之间的无辐射区域29可以至少部分地填充有起源于结构15的两个剩余源19的激光辐射。因而，源19的激光辐射(例如，来自第一源19的激光辐射A)并不对交织束9的截面的单个区域作出贡献而是对束9的整个截面内的不同区域(标记为行24或者辐射A)作出贡献。在具有大量激光二极管条的源彼此交织时，增加了对来自每一个源的截面作出贡献的扩散。
[0055] 结合图4-12描述的实施例说明了六个源419的激光束423的这样的几何交织。在这些实施例中，每一个源419包括发射空间上移位十毫米间距的激光束423的十二个激光二极管条。然而，对于具有更小或者更大间距的更多或者更少的源，也可以执行类似的交织。
[0056] 具体地说，图4示出了具有六个源419的结构415的交织激光系统411的第一实施例。沿着圆弧并排设置源419从而围绕虚拟圆柱体的壁部分。配置每一个源419以从每一个二极管激光条朝向虚拟圆柱体的中心区域432发射激光束423。在中心区域432中，从不同方向行进的激光束423被交织并且束形成光学器件417捕获该交织且对准所述激光束423以沿相同方向行进。
[0057] 为了由这些激光束423形成束409，束形成光学器件417包括位于中心区域432中的
反射器系统433。反射器系统433包括叠置的镜439，每一个镜439与相对于所述叠置的相邻镜439成一角度设置。因而，对于每一个源419，反射器系统433包括移位间距p并且沿相同方向取向的镜，以使得相对应的源419的激光束423沿相同方向导向。从图4可以看出，对于相邻源的镜439也是相邻的。因此，镜439的取向从最大入射角到最小入射角逐个镜地改变并且然后跳回到最大入射角等等。因而，反射器系统433包括6×12＝72个镜439。每一个镜439具有镜区域，所述镜区域具有高度和宽度，其中所述高度取决于所述间距和应该被交织的束的数量，而所要求的宽度取决于入射角。在图4的当前示例中，对于在
10mm的间距上交织六个束，选择镜区域为1.66mm×100mm。镜439可以具有适合于激光束
423的特定入射角的反射涂层。反射器系统433重新导向进入的激光束423以沿公共方向朝向束形成光学器件417的光学元件435行进。在图4和图5的实施例中，光学元件435是圆柱形镜。
[0058] 基于结构415的类似圆柱的形状，可以在圆柱坐标系中描述几何关系。角坐标Φ表示入射方位角(例如源沿着弧的角度
位置)。径向坐标r表示至圆柱坐标系的中
心轴437的径向距离。轴向坐标z表示沿着圆柱坐标系的中心轴437的位置。
[0059] 因此，每一个源419与其角坐标相关联。源419至中心轴437的距离与其径向坐标相对应，并且源419的每一个发射区域还与各自的轴向坐标相关联。而且，可以将图4的反射器系统433可分组为六个单独镜439的组，这些镜439在轴向方向上彼此上下叠置并且绕着中心轴437彼此旋转相同角度从而生成扇形结构。该扇形结构在轴向方向上重复其本身十二次。
[0060] 为了提供足够高的反射率，可以将光束423到扁平镜439的入射角限制到大约45°，其中相对于镜表面的表面法线测量入射角。然后，沿着弧例如以角坐标的18°差值
定位六个源419。此外，如下面结合图6描述的，源419安装在不同的轴向坐标处，以使得每一个激光束423在其自己的特定轴向坐标处发射。因此，每一个激光束423与其源419的角坐标相关联的轴向方向平行地朝向中心区域432行进并且随后由反射器系统433的扁平镜
439之一朝向圆柱形镜435反射，从而经由反射形成一个单一(共同)的发射方向。从而，将在轴向方向上彼此横向偏移的激光束423组合为一个共同交织的激光束分组440。在激光束分组440中，单独的激光束423不再挨着彼此径向延伸，而是彼此上下平行。
[0061] 圆柱形镜435可以形成望远镜系统441的入口(entrance)透镜。透镜443形成望远镜系统441的出口(exit)透镜并且可以附加地执行交织的激光束分组440在慢轴和快轴上的准直。具有扁平镜439、圆柱形镜435和透镜443的反射器系统433是束形成光学器件417的一部分，该束形成光学器件417调节激光束分组413和交织的激光束分组440的各种光学参数以形成并输出交织的泵浦束409。而且，图4示出了用于对源419进行冷却的冷却剂连接449。
[0062] 图5所示的交织激光系统411的俯视图进一步说明了源419沿着虚拟圆形451的弧段的结构425。如图所示，使用束形成光学器件417导向分组413的激光束423以形成交织束409。此外，可以认为分组413的每一个激光束423的光学路径长度相同。对于相同的源419利
用例如关于源419的前侧90°的预对准发射角配置结构415。将每一个源419安装到壁段453以使得激光二极管条的发射区域以由例如发射区域的中心限定的源419的角坐标与虚拟圆形451的表面相切。因此，分组413的激光束423沿着大致相同的光学路径长度行进并且在交织激光系统411内经历大致相同的发散。
[0063] 壁段453包括用于将源419安装在可重现的位置的对准销。因而，可以更换源419而不必重新对准反射器系统433。在图5和图6的实施例中，壁段453包括用于将源431安装为与轴向方向平行的安装件。
[0064] 图6是沿着图5所示的方向VI-VI提取的视图。将六个相同源419中的每一个源在相对于壳体顶部457轴向偏移并且可以由例如壁段453的对准销限定的位置455处附接到相对应的壁段453，所述对准销适于适配到源419的对准孔459中。因此，在壳体顶部457和壳体底部461之间不同的轴向坐标处发射激光束423。分组413的激光束423在中心区域处交织，其中每一个激光束在其自身的轴向坐标处行进，其中通过反射器系统433反射激光束423以形成交织的激光束分组440。因而，在交织激光系统411中，将全部源419的单独激光束423彼此上下导向，以使得在每一个源419的轴向方向437上的无辐射空间420至少部分地填充有剩余源419的激光束423。
[0065] 此外或者可选地，参照图7的交织激光系统711，束形成光学器件717可以包括执行慢轴准直的圆柱形透镜763和扁平镜765。作为图8所示的另一示例，交织激光系统811的束形成光学器件817可以包括叠置的抛物线镜867和抛物线折叠镜869或者望远镜透镜871背侧的凹形抛物线表面形状的反射器系统。此外，束形成光学器件可以包括折叠镜，用以提供更加紧凑的望远镜和/或准直光学系统。例如，图4的圆柱形镜435可以用作折叠镜。
[0066] 在将交织的激光束9例如耦合到光纤或者激光介质中之前，可以使用附加的光学部件以适合并改善各种束参数，例如束发散、束轮廓的平滑度。
[0067] 对于大功率应用，可以在结构15中使用例如结合图9-12描述的大功率源。
[0068] 参照图9-11，扁平源919包括十二个激光二极管条单元981，每一个激光二极管条单元981包括激光二极管条920、棱镜987和电连接950。将二极管激光条920的扁平侧设置在单片矩形散热器921上。因此，将所述源称为扁平源，其中通过与散热器921热接触的大面积能够有效地冷却每一个激光二极管条920。通过经由在如图4所示的背侧处的冷却剂连接的散热器921泵浦的冷却剂从扁平源919去除生成的热量。安装孔991位于每一个拐角处并且对准孔959位于矩形散热器921的短侧。
[0069] 十二个激光二极管条920沿着在图4中沿着轴向方向437设置的矩形散热器921的长度方向937设置。散热器921具有作为顶层的绝缘层995，用以将激光二极管条920与散热器921电绝缘。每一个激光二极管条920包括具有有源区域的半导体结构910，所述有源区域具有多个发射区域。将半导体结构910附接到p-触点930。例如丝焊的电连接950将半导体结构910与n-触点970电连接并且该n-触点970电连接到相邻二极管激光单元的p-触点。因而，在操作源919时，(相同的)电流串行流经全部激光二极管条920。
此外，利用芯片元件990控制每一个二极管激光条920。
[0070] 每一个半导体结构910具有细长的发射表面912，例如均匀分布在大约10mm长度上的30-45个相邻有源区域。每一个发射表面912与散热器921垂直取向并且具有沿着方向937的发射方向。因而，激光二极管条920基本上在相同平面中发射激光束923，该平面与散热器921的平坦表面924平行。每一个激光束923具有细长的束轮廓，其慢轴沿激光二极管条920的发射表面912的细长方向取向，即沿散热器921的宽度方向939(如与上面关于图2和图3讨论的类似)，并且初始时快轴沿与散热器921的平坦表面924垂直的方向取向。
[0071] 所发射的激光束923由棱柱透镜987在内部反射并且然后沿着与散热器921的表面924正交的方向远离散热器921行进。因而，在离开棱柱透镜之后，激光束923的快轴处于沿着散热器921长度的方向937上，而激光二极管条920的慢轴方向不改变并且保持沿着方向939。此外，棱镜987准直在快轴方向上强烈发散的激光束923。棱柱透镜987的取向由公共玻璃安装件999确定。
[0072] 扁平源919可以具有以下参数。每一个源919可以基于十二个激光二极管条920来提供大约1700W的输出功率。激光二极管条920在慢轴方向上的宽度可以是大约10mm。激光束923在慢轴方向上的全角度发散可以大致为6°-10°。经过具有大致1μm高度的发射表面912实现来自单独激光二极管条920在快轴方向上的发射。初始时，激光束923具有大致40°-70°的全角度发散。使用棱镜987在快轴方向上对从每一个激光二极管条920发射的每一个激光束923进行准直。准直的激光束923通常在快轴方向上延伸0.6-1.2mm。
准直激光束923在通过棱镜987之后的全角度发散在快轴方向上大致为0.5°-2°。棱镜
987的质量、透镜对准的
精度、以及激光二极管条920的直度决定发散角度。
[0073] 在图4-8的结构15的实施例中应用扁平源919的情况下，所发射的激光束923的快轴在初始时，即在离开半导体结构910时，沿与扁平源919正交的方向取向。在棱镜987内反射之后，发射激光束923的快轴沿轴向坐标z导向。
[0074] 再次参照图9-11的扁平源919，两个发射的激光束923之间的间距大约比离开棱镜987时激光束923的尺寸大十倍。因而，扁平源919的束截面的大约9/10没有任何激光辐射。利用结构15和束形成光学器件17，无激光辐射部分可以填充有来自其它扁平源919的激光束923。
[0075] 图12示出了组源1019形式的可选大功率源，其中将多个激光二极管条单元1081一起分组。在图12中，例如，组源1019包括十二个激光二极管条单元1081，每一个单元包括二极管条1020、透镜1090和电连接。每一个二极管激光条1020设置在
铜块1030的表面上并且经由组源1019的前侧1040处的透镜1090发射激光束。在激光二极管条1020背面的区域中，相邻的铜块1030保持紧密接触以使得能够利用公共的冷却剂系统冷却该铜块1030。
[0076] 十二个激光二极管条1020沿着组源1019的长度方向1037设置。每一个激光二极管条1020包括具有有源区域的半导体结构，有源区域具有形成细长发射表面的多个发射区域。每一个发射表面与组源1019的前侧1040平行并且具有与前侧1040垂直的发射方向。每一个激光束具有细长的束轮廓，其慢轴沿激光二极管条1020的发射表面的细长方向取向，并且快轴沿方向1037取向。
[0077] 透镜1090准直沿快轴方向强烈发散的激光束。棱镜1090的取向由铜块1030的延伸部分1031或者附接到铜块1030的玻璃块确定。
[0078] 组源1019可以具有与扁平源919类似的束参数。
[0079] 对于图9-11中的扁平源919，两个发射的激光束之间的间距例如可以比离开透镜1090时激光束的尺寸大十倍。因而，组源1019的束截面的大约9/10没有任何激光辐射。
使用结构15和束形成光学器件17，无激光辐射的部分可以填充有来自其它组源1019的激光束。
[0080] 在所描述的结构415中，源能够进一步在几何上良好对准，由于壁段453和散热器之间的接触表面或者接触点能够在源419的整个长度上延伸，从而提供快轴对准的高角度精度。
[0081] 各种配置可以使用所描述的概念，来增加集成的源的数量。例如，在图4中，可以在圆柱形镜435的另一侧上放置第二组的六个源419。然后可以将圆柱形镜435放置在圆形451的外侧或者可以使用圆柱形透镜替换。
[0082] 因此，其它实施例落入下面权利要求的范围内。
