用于对准波长光束组合谐振器的系统和方法
阅读说明：本技术 用于对准波长光束组合谐振器的系统和方法 (System and method for aligning wavelength beam combining resonators ) 是由 B·查恩 K·M·诺瓦克 周望龙 F·比利亚雷亚尔苏塞多 于 2020-01-24 设计创作，主要内容包括：在各种实施例中,用于激光谐振器的对准系统生成由激光谐振器产生的输入光束的近场和/或远场图像以实现输入光束的对准。(In various embodiments, an alignment system for a laser resonator generates near-field and/or far-field images of an input beam produced by the laser resonator to achieve alignment of the input beam.)
相关申请
本申请要求2019年1月28日提交的美国临时专利申请No.62/797,438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，特别是用于将激光系统与多个光束发射器对准的方法和系统。
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。BPP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)处的半径的乘积。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的反馈来稳定，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.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利申请8,559,107中，每个的全部公开8,559,107中有详细说明，每个申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
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。垂直于WBC维度的维度，其中光束未被合并，通常称为“非WBC维度”。
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。典型的WBC谐振器包括色散元件和下游反馈表面，其向每个相应的发射器提供(例如，通过反射)反馈光束以通过将每个发射器锁定到其相应的激光波长来稳定谐振器。为了优化WBC谐振器，谐振器中的组合光束通常在WBC和非WBC维度上都对准为垂直于反馈表面。
有利地，WBC谐振器通常自适应于WBC维度中的一定程度的未对准，因为谐振器将简单地锁定到在WBC维度中的反馈表面的法线方向上传播的不同波长。如果新的激射波长在发射器增益曲线的基本平坦区域内，并且未对准不会在谐振器中的光学器件上造成明显的功率削波(power clipping)，则WBC维度中的未对准将通常不会影响谐振器功率和稳定性。
然而，WBC谐振器在非WBC维度上的对准更具挑战性。由于WBC谐振器实际上是许多独立的单光束谐振器的组合，因此理想情况下每个单光束谐振器都将独立地对准。特别是在发射器为二极管条或其他多发射器源的系统中，WBC谐振器的性能依赖于与各个二极管条对应的各个子谐振器的对准。因此，需要能够实现优化的WBC谐振器及其光束源的对准的系统和方法，特别是在非WBC维度中。
发明内容
根据本发明实施例的系统和技术检测并能够减轻激光谐振器(例如，WBC谐振器)中的发射器未对准，其中来自多个光束发射器的光束在空间上重叠。根据各种实施例，谐振器光束(例如，WBC谐振器光束)被解复用，并且所得子光束的近场和远场图像经由光束分析系统生成(连续地或同时地)。所得图像揭示了光束偏心和指向误差，可以通过调整激光系统中的一个或多个光学元件来减小或基本消除。例如，交错反射镜可以倾斜，和/或透镜(例如，在慢轴和/或非WBC维度调整光束的SAC透镜或其他透镜)可以平移以调整各个光束的对准。
如本文所使用，“近场图像”对应于在光束输出端(例如，激光谐振器的输出端)处的光束或子光束的图像。通常，在近场中，光束被相对地准直并且具有相对较大的光束尺寸。在各种实施例中，近场图像可以经由光束或子光束的投影到光束分析系统上产生，不穿过WBC维度(或者，另一用于成像的感兴趣的维度)具有光功率的透镜。(在各种实施例中，这种光束或子光束仍可传播通过在WBC维度上没有光功率的透镜以产生近场图像。)在其他实施例中，近场图像可以通过在光束输出端处用成像透镜(即，具有在WBC维度上的光功率并且可以位于距对应于其焦距的光束输出端一光学距离的透镜)将光束或子光束成像到光束分析系统上来产生。近场图像可用于监测和确定光束输出端处的光束或子光束的形状和尺寸。
相反，“远场图像”对应于透镜(例如位于光束输出端的光学下游的透镜)焦平面处的光束或子光束的图像。在各种实施例中，远场图像可以通过使用透镜将光束或子光束聚焦到光束分析系统上来产生，所述透镜可以位于距对应于透镜焦距的光束分析系统一光学距离处。远场图像可用于监测和确定光束或子光束的光束指向(对应于光束分析系统处的光束位置)和发散(对应于光束分析系统处的光束尺寸)。
根据本发明各种实施例的对准系统具有光学元件(例如，透镜、分束器、反射器和/或光束旋转器)，其可以但不一定能够移动进出谐振器的输出光束的路径。光学元件及其定位和/或移动实现了远场和近场图像利用光束分析系统生成。这还实现了对WBC和非WBC维度的未对准的检测和校正，因为输出光束可以通过光束旋转器移动到光束路径中而旋转。即，未旋转光束的解复用可用于检测例如非WBC维度的未对准，并且旋转光束的解复用可用于检测例如WBC维度的未对准。光学元件可以通过使用机械台、万向节、平台和/或支架而移动(例如，能够平移和/或能够倾斜)，如本领域中已知的；因此，提供可移动的光学元件可由本领域技术人员完成而无需过度试验。
由于许多激光谐振器利用在谐振器输出端处空间重叠的各个光束，因此此类系统的对准通常需要一次仅对单个发射器(例如，二极管条)的加电，并且仅对产生的光束(或一组光束)进行调整以优化产生的由光束建立的子谐振器。相比之下，本发明的实施例有利地解复用空间上重叠的光束，从而可以同时对准光束中的一个或更多个或甚至所有光束。以此方式，本发明的实施例能够更有效地对准多发射器激光谐振器。此外，由于本发明的实施例不需要单独为单个发射器加电以进行对准，因此激光谐振器电源和电源切换配置可以简化。
根据本发明实施例的系统和技术可以与包括多个二极管条作为光束发射器的WBC谐振器一起使用。每个光束发射器可以具有相应的交错反射镜和慢轴准直(SAC)透镜，并且来自所有发射器的光束可以在光学下游组合成多波长输出光束。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”)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SAC透镜(或“慢轴准直器”)在慢轴上准直。
本发明的实施例可用于检测和补偿由例如WBC系统中的色散元件在非WBC方向上的倾斜引起的慢轴指向误差，如在2019年10月10日提交的美国专利申请第16/598,001号(‘001申请)中所详述，其全部公开内容通过引用合并于此。此外，本发明的实施例可用于使用“阶梯状的”(即，高度和/或位置相对于彼此变化的)SAC透镜阵列来检测然后减小或基本上消除光束模糊(beam smear)，如在“001申请中所详述。
在本发明的实施例中，光束发射器(或简称为“发射器”)可以包括二极管激光器、光纤激光器、光纤尾纤二极管激光器等，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成，并且可以单独封装或成组封装为一维或二维阵列。在各种实施例中，发射器或发射器阵列为高功率二极管条，每个条具有多个(例如，数十个)发射器。发射器可以具有附于其上的微透镜，用于发射器准直和光束成形。变换光学器件，通常是共焦的且位于发射器和色散元件(例如，衍射光栅)之间，将来自不同发射器的各个光束准直并将光束的所有主光线会聚到光栅中心，特别是在WBC维度上(即光束被组合的维度或方向)。被色散元件衍射的主光束传播到部分反射的输出耦合器，该耦合器向各个发射器提供反馈并通过色散元件限定各个发射器的波长。也就是说，耦合器将各种光束的一部分反射回它们各自的发射器，从而形成外部激射腔(lasing cavity)，并且将组合的多波长光束透射以用于诸如焊接、切割、机加工、加工等应用和/或用于耦合到一根或多根光纤中。
本发明的各种实施例可以与具有用于改变其输出激光束的BPP的技术的激光系统一起使用，例如在2015年2月26日提交的美国专利申请序列第14/632,283号和在2016年6月21日提交的美国专利申请第15/188,076号中描述的那些，每个申请的全部公开内容通过引用合并于此。根据本发明的实施例的激光系统还可以包括功率和/或光谱监视功能，如在2019年5月21日提交的美国专利申请序列第16/417,861号中所详细描述的那样，其全部公开内容通过引用合并于此。
这里，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅、分束器等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射，除非另外明示。在本申请中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括多个光束发射器，诸如配置为发射多个光束的二极管条等，或或基本上由其组成。在本申请实施例中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。
尽管本申请中将衍射光栅用作示例性的色散元件，但是本发明的实施例可以利用其他色散元件，例如色散棱镜、透射光栅或中阶梯光栅(Echelle grating)。除了一个或多个衍射光栅之外，本发明的实施例还可以利用一个或多个棱镜，例如，如在2017年1月19日提交的美国专利申请序列第15/410,277号中所描述的，其全部公开内容通过引用合并于此。
本发明的实施例可以将多波长输出光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个芯的多个包覆层、在单个包覆层内的多个离散芯区域(或“多个芯”)或被多个包覆层围绕的多个芯。在各种实施例中，输出光束可以被传递到工件以用于诸如切割、焊接等的应用。
激光二极管阵列、条和/或堆叠，诸如在以下一般描述中描述的那些，可以与在此描述的创新的实施例相关联地使用。激光二极管可以单独地或成组封装，通常以一维行/阵列(二极管条)或二维阵列(二极管条堆叠)的形式封装。二极管阵列堆叠通常为二极管条的垂直堆叠。激光二极管条或阵列通常比等效的单个大面积二极管(broad area diode)具有更高的功率和成本效益。高功率二极管条通常包含大面积发射器阵列，产生光束质量相对较差的数十瓦；尽管功率较高，但亮度通常低于大面积激光二极管。可以堆叠高功率二极管条以产生高功率堆叠二极管条，以产生数百瓦或数千瓦的极高功率。激光二极管阵列可以配置为将光束发射到自由空间或光纤中。光纤耦合二极管激光器阵列可以方便地用作光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。
二极管激光器条是一种半导体激光器类型，包含一维阵列的大面积发射器，或者可选地包含子阵列，其包含例如10-20个窄条状发射器。宽发射域二极管条通常包含例如19-49个发射器，每个发射器的尺寸约为例如1μm×100μm。沿1μm维度或快轴的光束质量通常受衍射限制。沿100μm维度或慢轴或阵列尺寸的光束质量通常受很多倍的衍射限制。通常，用于商业应用的二极管条的激光谐振器长度约为1至4毫米，约10毫米宽，并产生数十瓦的输出功率。大多数二极管条工作在780至1070nm的波长范围内，波长为808nm(对于泵浦钕激光器)和940nm(对于泵浦Yb：YAG)是最突出的。915-976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱高功率光纤激光器和放大器。
二极管堆叠只是能够提供非常高的输出功率的多个二极管条的布置。也称为二极管激光器堆叠、多条模块或二维激光器阵列，最常见的二极管堆叠布置为垂直堆叠，其实际上是边缘发射器的二维阵列。这种堆叠可以通过将二极管条连接到薄的散热器并堆叠这些组件以便获得二极管条和散热器的周期性阵列来制造。也有水平二极管堆叠和二维堆叠。为了获得高光束质量，二极管条通常应尽可能靠近彼此。另一方面，有效的冷却要求安装在条之间的散热器的最小厚度。二极管条间距的这种折衷使二极管堆叠在垂直方向上的光束质量(以及随后的亮度)远低于单个二极管条的光束质量。然而，有几种技术来显著减轻该问题，例如，通过不同二极管堆叠的输出的空间交织，通过偏振耦合或通过波长复用。为此目的，已经开发了各种类型的高功率光束整形器和相关装置。二极管堆叠可以提供极高的输出功率(例如数百或数千瓦)。
与仅仅用光探测表面(例如，反射率测量)的光学技术相比，根据本发明的实施例产生的输出光束可用于加工工件，使得工件的表面被物理地改变和/或使得在表面上或表面内形成特征。根据本发明实施例的示例性加工包括切割、熔接、钻孔和焊接。本发明的各种实施例还可以在一个或多个点处或沿着一维线性或曲线加工路径加工工件，而不是用来自激光束的辐射充满全部或基本上全部工件表面。这种一维路径可以由多个段组成，每个段可以是线性的或曲线的。
一方面，本发明实施例的特征在于用于与激光谐振器一起使用的对准系统，所述激光谐振器沿着波长光束组合(WBC)维度在空间上重叠多个输入光束并且从光束输出端输出产生的输出光束。对准系统包括色散元件、光束分析器、第一透镜和第二透镜，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。色散元件接收输出光束并色散输出光束以在WBC维度生成多个色散光束。光束分析器接收所述多个色散光束并生成由光束分析器接收的色散光束的相对位置的图像。第一透镜在垂直于WBC维度的非WBC维度具有光功率。第一透镜设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。第二透镜将色散光束聚焦在光束分析器上或朝向光束分析器聚焦。第二透镜在WBC维度具有光功率。第二透镜设置在光束输出端的光学下游(例如，色散元件的光学下游)和光束分析器的光学上游。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。第一透镜可以设置在色散元件的光学上游。第一透镜可以仅具有非WBC维度的光功率。第一透镜的焦距可以大于第二透镜的焦距。第一透镜和/或第二透镜可以包括一个或多个柱面透镜，基本上由其组成，或由其组成。第一透镜和光束分析器之间的光学距离可以近似等于第一透镜的焦距。第一透镜和光束分析器之间的光学距离可以大于第一透镜的焦距。第一透镜和光束输出端之间的光学距离可以近似等于第一透镜的焦距。第二透镜和光束分析器之间的光学距离可以近似等于第二透镜的焦距。第二透镜和色散元件之间的光学距离可以近似等于第二透镜的焦距。第二透镜可以仅具有在WBC维度的光功率。
第一透镜可以为能够在(i)输出光束的路径内的第一位置从而通过光束分析器生成远场图像和(ii)输出光束的路径外的第二位置之间移动，由此通过光束分析器生成近场图像。对准系统可以包括第三透镜。第三透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。第一透镜和第三透镜在输出光束的路径内可以互换，使得(i)当第一透镜在输出光束的路径内时，通过光束分析器生成远场图像，以及(ii)当第三透镜在输出光束的路径内时，通过光束分析器生成近场图像。
对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游以及第一透镜的光学上游的第三透镜。第三透镜可以具有非WBC维度的光功率。第三透镜可以仅具有非WBC维度的光功率。第三透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。第三透镜和光束输出端之间的光学距离可以近似等于第三透镜的焦距。第三透镜和光束分析器之间的光学距离可以大于第三透镜的焦距。第三透镜可以为能够在(i)输出光束的路径内的第一位置从而通过光束分析器生成近场图像和(ii)输出光束的路径外的第二位置之间移动，由此通过光束分析器生成远场图像。
对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游的光束旋转器。光束旋转器可以配置为将输出光束旋转约90°。光束旋转器可以包括(i)两个共焦柱面透镜，(ii)道威棱镜(dove prism)，或(iii)两个反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。光束输出端可以包括部分反射的输出耦合器，基本上由其组成，或由其组成。
另一方面，本发明实施例的特征在于一种能够对准的激光系统，其包括激光谐振器和对准系统，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器包括(i)用于发射多个输入光束的多个光束发射器，(ii)用于操纵输入光束的多个光学元件，以及(iii)光束输出端，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。激光谐振器配置为沿波长光束组合(WBC)维度在空间上重叠输入光束并且从光束输出端输出生成的输出光束。对准系统包括光束分析器，用于生成由光束发射器发射的输入光束的图像，基本上由其组成，或由其组成。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。激光系统可以包括控制器，配置为至少基于由光束分析器生成的图像来调整光学元件以对准输入光束。光学元件可以包括一个或更多个交错反射镜和/或一个或多个准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。控制器可以配置为通过倾斜一个或更多个所述交错反射镜和/或平移一个或更多个所述准直透镜来调整所述光学元件。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为慢轴准直透镜。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为快轴准直透镜。激光谐振器可以包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(a)用于接收和波长色散输入光束从而形成多波长光束的色散元件，和(b)部分反射的输出耦合器，用于(i)传输多波长光束的第一部分作为输出光束以及(ii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件(然后到光束发射器以形成外部激光腔并稳定光束发射器为它们的发射波长，每个发射波长都可能不同)。激光谐振器可以包括与每个光束发射器相关联的快轴准直器和用于引起大约90°的光束旋转的光学旋转器。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器可以包括(a)多个第一准直器，每个第一准直器从光束发射器中的一个接收和准直一个或多个光束，(b)多个交错器，每个交错器从第一准直器中的一个接收一个或多个光束，以及(c)第二准直器，用于接收来自所述多个交错器的所有光束、准直光束并将光束传输到色散元件。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括慢轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括快轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器可以包括折叠反射镜，其设置在色散元件的光学下游和部分反射的输出耦合器的光学上游。部分反射的输出耦合器可以为光束输出端。光束分析器可以设置在光束输出端的光学下游。
对准系统可以进一步包括色散元件、第一透镜和第二透镜，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。色散元件可以接收输出光束并色散输出光束以在WBC维度生成多个色散光束。第一透镜可以具有在垂直于WBC维度的非WBC维度的光功率。第一透镜可以设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。第二透镜可以具有在WBC维度的光功率。第二透镜可以将色散光束聚焦在光束分析器上或朝向光束分析器聚焦。第二透镜可以设置在光束输出端的光学下游(例如，色散元件的光学下游)和光束分析器的光学上游。光束分析器可以配置为接收所述多个色散光束并生成由光束分析器接收的色散光束的相对位置的图像。第一透镜可以为能够在(i)输出光束的路径内的第一位置从而通过光束分析器生成远场图像和(ii)输出光束的路径外的第二位置之间移动，由此通过光束分析器生成近场图像。对准系统可以包括第三透镜。第三透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。第一透镜和第三透镜在输出光束的路径内可以互换，使得(i)当第一透镜在输出光束的路径内时，通过光束分析器生成远场图像，以及(ii)当第三透镜在输出光束的路径内时，通过光束分析器生成近场图像。
对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游以及第一透镜的光学上游的第三透镜。第三透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。第三透镜可以为能够在(i)输出光束的路径内的第一位置从而通过光束分析器生成近场图像和(ii)输出光束的路径外的第二位置之间移动，由此通过光束分析器生成远场图像。对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游的光束旋转器。光束旋转器可以配置为将输出光束旋转约90°。光束旋转器可以包括(i)两个共焦柱面透镜，(ii)道威棱镜(dove prism)，或(iii)两个反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
又另一方面，本发明实施例的特征在于用于与激光谐振器一起使用的对准系统，所述激光谐振器沿着波长光束组合(WBC)维度在空间上重叠多个输入光束并且从光束输出端输出产生的输出光束。对准系统包括色散元件、光束分析器、第一透镜、第二透镜、第三透镜和多个光学元件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。色散元件配置为色散WBC维度的光束。光束分析器接收光束并生成其相对位置的图像。第一透镜在垂直于WBC维度的非WBC维度具有光功率。第一透镜设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。第二透镜在WBC维度具有光功率。第二透镜将色散光束聚焦在光束分析器上或朝向光束分析器聚焦。第二透镜设置在光束输出端的光学下游(例如，色散元件的光学下游)和光束分析器的光学上游。第三透镜具有非WBC维度的光功率。第三透镜设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。光学元件配置为(i)接收输出光束，(ii)将输出光束的第一部分引导至第三透镜，以及(iii)将输出光束的第二部分引导至第一透镜。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。输出光束的第二部分可以不被引导至第三透镜。第一透镜可以定位成接收输出光束的第一部分和输出光束的第二部分。光学元件可以配置为以不同的角度将输出光束的第一和第二部分引导至第一透镜。色散元件可以定位成接收和色散输出光束的第一部分，由此经由光束分析器生成输入光束的近场图像。色散元件可以定位成接收和色散输出光束的第二部分，由此经由光束分析器生成输入光束的远场图像。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。
第一透镜可以设置在色散元件的光学上游。第三透镜可以设置在第一透镜的光学上游。第一透镜的焦距可以大于第二透镜的焦距。第一透镜、第二透镜和/或第三透镜可以包括一个或多个柱面透镜，基本上由其组成，或由其组成。第一透镜和光束分析器之间的光学距离可以近似等于第一透镜的焦距。第一透镜和光束输出端之间的光学距离可以近似等于第一透镜的焦距。第二透镜和光束分析器之间的光学距离可以近似等于第二透镜的焦距。第二透镜和色散元件之间的光学距离可以近似等于第二透镜的焦距。第三透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。第三透镜和光束输出端之间的光学距离可以近似等于第三透镜的焦距。第三透镜和光束分析器之间的光学距离可以大于第三透镜的焦距。
对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游的光束旋转器。光束旋转器可以配置为将输出光束旋转约90°。光束旋转器可以包括(i)两个共焦柱面透镜，(ii)道威棱镜(dove prism)，或(iii)两个反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一透镜可以仅具有非WBC维度的光功率。第二透镜可以仅具有在WBC维度的光功率。第三透镜可以仅具有非WBC维度的光功率。光学元件中的至少一个或者甚至每个可以包括分束器和/或反射器，基本上由其组成，或由其组成。光束输出端可以包括部分反射的输出耦合器，基本上由其组成，或由其组成。
另一方面，本发明实施例的特征在于一种能够对准的激光系统，其包括激光谐振器和对准系统，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器包括以下所述，基本上由以下所述组成，或由以下所述组成：(i)用于发射多个输入光束的多个光束发射器，(ii)光束输出端，以及(iii)设置在光束输出端的光学上游的多个用于操纵输入光束的第一光学元件。激光谐振器配置为沿波长光束组合(WBC)维度在空间上重叠输入光束并且从光束输出端输出生成的输出光束。对准系统包括多个第二光学元件，设置在光束输出端的光学下游，基本上由其组成，或由其组成。对准系统配置为同时生成输入光束的近场和远场图像，而没有所述多个第二光学元件的物理移动。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。对准系统可以包括光束分析器，用于生成(例如，激光谐振器的输入光束的)近场和远场图像。光束分析器可以设置在光束输出端的光学下游。激光系统可以包括控制器，配置为至少部分地基于近场和/或远场图像来调整第一光学元件以对准输入光束。第一光学元件中的一个或更多个或者甚至每个可以包括一个或更多个交错反射镜和/或一个或多个准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。控制器可以配置为通过倾斜一个或更多个所述交错反射镜和/或平移一个或更多个所述准直透镜来调整所述第一光学元件。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为慢轴准直透镜。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为快轴准直透镜。激光谐振器可以包括(a)用于接收和波长色散输入光束从而形成多波长光束的色散元件，和(b)部分反射的输出耦合器，用于(i)传输多波长光束的第一部分作为输出光束以及(ii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件。激光谐振器可以包括与每个光束发射器相关联的快轴准直器和用于引起大约90°的光束旋转的光学旋转器。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器可以包括(a)多个第一准直器，每个第一准直器从光束发射器中的一个接收和准直一个或多个光束，(b)多个交错器，每个交错器从第一准直器中的一个接收一个或多个光束，以及(c)第二准直器，用于接收来自所述多个交错器的所有光束、准直光束并将光束传输到色散元件。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括慢轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括快轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器可以包括折叠反射镜，其设置在色散元件的光学下游和部分反射的输出耦合器的光学上游。部分反射的输出耦合器可以为光束输出端。
对准系统可以包括(i)被配置为在WBC维度分散光束的色散元件，和(ii)用于接收光束并生成其相对位置的图像的光束分析器。所述多个第二光学元件可以包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和多个第三光学元件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。第一透镜可以具有在垂直于WBC维度的非WBC维度的光功率。第一透镜可以设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。第二透镜可以具有在WBC维度的光功率。第二透镜可以将色散光束聚焦在光束分析器上或朝向光束分析器聚焦。第二透镜可以设置在光束输出端的光学下游(例如，色散元件的光学下游)和光束分析器的光学上游。第三透镜可以具有非WBC维度的光功率。第三透镜可以设置在光束输出端的光学下游和光束分析器的光学上游。第三光学元件可以配置为(i)接收输出光束，(ii)将输出光束的第一部分引导至第三透镜，以及(iii)将输出光束的第二部分引导至第一透镜。
输出光束的第二部分可以不被引导至第三透镜。第一透镜可以定位成接收输出光束的第一部分和输出光束的第二部分。第三光学元件可以配置为以不同的角度将输出光束的第一和第二部分引导至第一透镜。色散元件可以定位成接收和色散输出光束的第一部分，由此经由光束分析器生成输入光束的近场图像。色散元件可以定位成接收和色散输出光束的第二部分，由此经由光束分析器生成输入光束的远场图像。第三光学元件中的至少一个或者甚至每个可以包括分束器和/或反射器，基本上由其组成，或由其组成。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。对准系统可以包括设置在光束输出端的光学下游的光束旋转器。光束旋转器可以配置为将输出光束旋转约90°。光束旋转器可以包括(i)两个共焦柱面透镜，(ii)道威棱镜(dove prism)，或(iii)两个反射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
又另一方面，本发明实施例的特征在于用于与激光谐振器一起使用的对准方法，所述激光谐振器沿着波长光束组合(WBC)维度在空间上重叠多个输入光束并且从光束输出端输出产生的输出光束。激光谐振器包括多个用于操纵输入光束的光学元件。所述方法包括：(a)利用光束分析器生成(i)输入光束的近场图像或(ii)输入光束的远场图像中的至少一个；(b)当输入光束之一在近场图像或远场图像中的至少一个中未对准时，调整所述光学元件中的一个或更多个以对准所述输入光束，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。可以生成近场图像和远场图像两者。近场图像和远场图像可以顺序地或同时地生成。所述方法可以包括，在生成近场图像或远场图像中的至少一个之前，(i)波长色散输出光束以在WBC维度生成多个色散光束，以及(ii)朝向光束分析器聚焦色散光束。光学元件可以包括一个或更多个交错反射镜和/或一个或多个准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。调整所述光学元件中的一个或多个可以包括倾斜一个或多个所述交错反射镜和/或平移一个或多个所述准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为慢轴准直透镜。准直透镜中的至少一个或者甚至每个可以为快轴准直透镜。生成远场图像可以包括将第一透镜定位在输出光束的路径内，基本上由其组成，或由其组成。生成近场图像可以包括从输出光束的路径移除第一透镜，基本上由其组成，或由其组成。生成远场图像可以包括将第一透镜定位在输出光束的路径内，基本上由其组成，或由其组成。生成近场图像可以包括用焦距小于第一透镜的焦距的第二透镜替换第一透镜，基本上由其组成，或由其组成。生成近场图像可以包括将第一和第二透镜定位在输出光束的路径内，基本上由其组成，或由其组成。生成远场图像可以包括从输出光束的路径移除第二透镜，基本上由其组成，或由其组成。第二透镜的焦距可以小于第一透镜的焦距。生成远场图像可以包括将输出光束的第一部分引导至第一透镜，基本上由其组成，或由其组成。生成近场图像可以包括将输出光束的第二部分引导至第二透镜，基本上由其组成，或由其组成。所述方法可以包括在生成近场图像或远场图像中的至少一个之前旋转输出光束。
激光谐振器可以包括(a)用于接收和波长色散输入光束从而形成多波长光束的色散元件，和(b)部分反射的输出耦合器，用于(i)传输多波长光束的第一部分作为输出光束以及(ii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件。激光谐振器可以包括配置为发射输入光束的多个光束发射器。激光谐振器可以包括与每个光束发射器相关联的快轴准直器和用于引起大约90°的光束旋转的光学旋转器。色散元件可以包括衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成。所述多个光学元件可以包括：(a)多个第一准直器，每个第一准直器接收和准直一个或更多个光束，(b)多个交错器，每个交错器从第一准直器中的一个接收所述一个或更多个输入光束，以及(c)第二准直器，用于接收来自所述多个交错器的所有输入光束、准直所述光束并将光束传输到色散元件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括慢轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。至少一个或者甚至每个第一准直器可以包括快轴准直透镜，基本上由其组成，或由其组成。激光谐振器可以包括折叠反射镜，其设置在色散元件的光学下游和部分反射的输出耦合器的光学上游。部分反射的输出耦合器可以为光束输出端。光束分析器可以设置在光束输出端的光学下游。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本文所用的，术语“基本上”表示±10％，在一些实施例中，表示±5％。除非本文另有定义，术语“基本上由……组成”意指排除有助于功能的其他材料。尽管如此，这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。在本文中，除非另有说明，术语“辐射”和“光”可互换使用。在本文中，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有说明，否则本文中使用的“距离”可以被认为是“光学距离”。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是在于重点说明本发明的原理。在下文描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1为根据本发明的实施例，在WBC维度上的波长光束组合(WBC)谐振器的示意图；
图2为根据本发明的实施例，在WBC维度上的WBC谐振器的部分的示意图；
图3为根据本发明的实施例，在非WBC维度上的WBC谐振器的部分的示意图；
图4A为根据本发明的实施例，在WBC维度上的对准系统的示意图；
图4B为根据本发明的实施例，在非WBC维度上的对准系统的示意图；
图5A和5B分别为示出在非WBC维度未对准的光束的示例性远场和近场图像；
图5C和5D分别为示出在非WBC维度对准的光束的示例性远场和近场图像；
图6A为根据本发明的实施例，在非WBC维度上的对准系统的示意图；
图6B为根据本发明的实施例，在非WBC维度上的对准系统的示意图；
图7A为根据本发明实施例的对准系统的示意图；
图7B-7D为根据本发明实施例的示例性光束旋转器的示意图；以及
图8为根据本发明实施例的对准系统的示意图。
具体实施方式
图1示意性地示出了WBC谐振器100的各种组件，在所示实施例中，WBC谐振器100组合由十一个不同的二极管条(如本文所使用，“二极管条”是指任何多光束发射器，即，如下所述发射器：来自其的多个光束从单个封装发射)发射的光束。本发明的实施例可以以少于或多于十一个发射器来使用。根据本发明的实施例，每个发射器可以发射单个光束，或者发射器中的每个可以发射多个光束。图1的视图沿WBC维度，即，来自条的光束在该维度组合。谐振器100具有十一个二极管条110(110-1—110-11)，并且每个二极管条110包括沿WBC维度的发射器的阵列(例如，一维阵列)，基本上由其组成，或由其组成。二极管条110的每个发射器发射非对称光束，在一个方向(称为“快轴”，此处相对于WBC维度垂直定向)具有较大的发散，在垂直方向(称为“慢轴”，此处沿WBC维度)具有较小的发散。
在各种实施例中，二极管条110中的每个与快轴准直器(FAC)/光学扭曲微透镜组件相关联(例如，附接或以其他方式光学地耦合)，所述快轴准直器/光学扭曲微透镜组件在将光束的快轴和慢轴旋转90°时准直所发射的光束的快轴，以使每个发射的光束的慢轴垂直于微透镜组件下游的WBC维度。微透镜组件还使来自每个二极管条110的发射器的主光线朝向色散元件120会聚。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利No.8,553,327和2015年6月8日提交的美国专利No.9,746,679中进行了描述，每个的全部公开内容通过引用结合于此。
本文提出的本发明的实施例将FAC透镜和光学扭曲器(例如，作为微透镜组件)与每一发射的光束相关联，且因此SAC透镜(如下详述)影响非WBC维度的光束。在其他实施例中，所发射的光束不旋转，并且FAC透镜可以用于改变非WBC维度的指向角。因此，应当理解，本申请中对SAC透镜的引用通常指的是在非WBC维度具有功率(power)的透镜，并且在各种实施例中，这种透镜可以是FAC透镜或者包括FAC透镜。
如图1所示，谐振器100还具有一组SAC透镜130，一个SAC透镜130与其中一个二极管条110相关联并从其接收光束。每个SAC透镜130准直从单个二极管条110发射的光束的慢轴(即，在非WBC维度)。在通过SAC透镜130在慢轴上准直之后，光束传播到一组交错反射镜140，将光束150朝向色散元件120重定向。(在图1中，光束150为代表来自十一个二极管条110的十一个组合光束的中心主光线。)在各种实施例中，交错反射镜140的布置使得能够最小化二极管条110之间的自由空间。色散元件120将空间上分离的各个光束多路传输成具有多个波长(即，各个光束的波长)的单个光束。在色散元件120(其可以包括，例如，诸如图1中所示的透射衍射光栅等的衍射光栅，或反射衍射光栅，基本上由其组成，或由其组成)的上游，透镜160准直来自二极管条110的各个光束(例如，子光束，而不是主射线)。在各种实施例中，透镜160布置成与二极管条110相距一光学距离，该光学距离基本上等于透镜160的焦距。注意主光线在色散元件120处的重叠主要是由于交错反射镜140的重定向，而不是由于透镜160的聚焦能力(focusing power)。
图1中还示出了透镜170、175，它们形成了光学望远镜，用于减轻光学串扰，如2013年3月15日提交的美国专利No.9,256,073和2015年6月23日提交的美国专利No.9,268,142所公开的，其中每个的全部公开内容通过引用合并于此。谐振器100还可以包括一个或多个可选的折叠反射镜180，用于光束的重定向，使得谐振器100可以适配在较小的物理覆盖区内。色散元件120将来自二极管条110的光束合并为单个多波长光束，其传播到部分反射的输出耦合器190。耦合器190将光束的一部分作为谐振器100的输出光束传输，同时将光束的另一部分反射回色散元件120，并因此反射到二极管条110作为反馈，以稳定每个光束的发射波长(其通常相互之间各不相同)。
如图1所示，每个二极管条110具有相应的SAC 130和相应的交错反射镜140，并且交错反射镜140光学下游的所有光学器件由所有二极管条110共用。
通常，WBC谐振器理想地在WBC和非WBC维度上对齐。也就是说，来自不同二极管(即，二极管条中的各个发射器)的光束理想地被调整为在色散元件120处(例如，大约在其中心)在WBC和非WBC维度上重叠并且大致垂直于输出耦合器190用于稳定的激光发射。
如果谐振器未对准，尤其是如果在非WBC维度未对准或者在WBC维度严重未对准，各个发射器可能会以自由运行的(即，未锁定的)波长发射。例如，如果发射器的未对准将发射转移到非激光区域(即，超出发射器有效增益带宽)，或者如果发射器输出被严重削波，例如，20％的功率和/或光束大小削减，例如，由于在一个或多个光学器件处偏心，在光学器件处。例如，假设谐振器色散元件以利特罗角(即，衍射角等于入射角)对准，对于975nm的发射器波长，线密度为1.6/μm，并且不考虑功率削波，相对于WBC维度中色散元件方向的20mrad的未对准将导致约8nm的波长偏移，这可能大到足够将“激射波长”移出二极管发射器带宽(通常范围为从14nm至20nm)，特别是考虑到二极管发射器的增益曲线与发射器温度从室温(或冷却剂温度)至典型工作温度(例如，范围从约60℃到约70℃或甚至更高)的变化相关通常有超过10纳米的固有偏移。
通常，一旦在非WBC维度对准，发射器将被锁定在满足光栅衍射方程(即，sin(Ai)+sin(B)＝pλi)的谐振器波长处，其中Ai为第i个发射器的色散元件120上的入射角，λi为第i个发射器的激射波长，B和p分别为衍射角和光栅线密度。
由于发射器通常被锁定在具有垂直于WBC维度中输出耦合器190的衍射角的波长处，WBC维度中的任何对准变化都将导致波长偏移，但通常不会导致诸如显著的功率下降等其他严重问题，只要偏移的波长保持在各个发射器的工作频带内。(例如，在975nm区域处发射的二极管发射器通常具有范围从14nm至20nm的增益带宽(90％处的全宽)。如果不考虑温度变化，发射器的工作频带等于其增益带宽。但是，如果谐振器需要快速冷启动，工作频带可能减小到几纳米以下。)相比之下，非WBC维度的未对准可能具有更严重的后果。
图2示出了WBC谐振器200在WBC维度上未对准的结果。出于说明性目的和清楚起见，谐振器200示出为仅具有单个二极管条110，但应理解，所示原理可应用于具有多个二极管条110的谐振器。此外，为了清晰起见，仅示出来自单个发射器(第i个发射器)的光束。在对准的状态下，发射器被锁定在波长λi，并且其主光线210沿着方向210u传播，穿过每个光学元件的中心并且在WBC和非WBC方向都垂直于耦合器190。
在示例性实施例中，在WBC维度的未对准是由对应于发射器的交错器140的小角度变化(例如，旋转)引起的，这导致发射器主光线210沿方向210v传播。该方向210v在WBC维度上从原始方向210u偏离角度α。此外，色散元件120上从Ai到近似角(Ai+α)的入射角的变化导致从λi到(λi+Δλ)的波长偏移，由光栅方程：sin(Ai+α)+sin(B)≈p×(λi+Δλ)确定。
如图2的放大部分所示，在WBC维度的未对准还将导致输出耦合器190处的偏心距离δ，这可能使WBC维度的光束质量降低1+δ/S倍，其中S为WBC维度在输出耦合器190处的光束尺寸。由于透镜170和175通常处于共焦布置(即，形成光学望远镜)，偏心距离δ可以通过δ≈α×D/R×cos(B)/cos(Ai)来估计，其中D为从交错器140到色散元件120的距离，R为透镜170、175的焦距比，其在各种实施例中为在大约3到大约20的范围内。如果色散元件120以利特罗角配置，即cos(B)/cos(Ai)≈1，则δ≈α×D/R。
在示例性实施例中，可以假设D＝1000mm，R＝10，λi＝0.975μm，且色散元件120以利特罗角定向，线密度p＝1.6/μm。由于角度α的未对准而导致的波长偏移和偏心距离可以通过Δλ(μm)≈0.4×α和δ(mm)≈100×α来估计。如果α＝1mrad，则Δλ≈0.4nm，δ≈100μm。在这样的示例中，在WBC维度的未对准可能不会显著影响发射器激射，并且可能不会导致WBC谐振器的稳定性问题。与二极管激光器在1μm发射范围内超过15nm的增益宽度相比，大约0.4nm的波长偏移很小。此外，100μm的偏心距离可能相当于在WBC维度光束尺寸的约5～10％，这对应于在WBC维度5～10％的光束质量下降。这种下降的严重程度可能取决于特定的谐振器和部署它的应用。
图3示出了与图2的谐振器200类似但在非WBC维度的谐振器300的部分，以便说明在非WBC维度的示例性未对准。为简单起见，仅示出了交错器140、色散元件120和输出耦合器190。假定图2中所示的透镜150、170和175在非WBC维度缺少光功率，尽管在本发明的其他实施例中不一定是这种情况。第i个发射器(未示出)的主光线310沿方向310u完美对准，垂直于耦合器190并穿过耦合器190的中心。耦合器为将谐振器光束分成输出光束320和反馈光束330的部分反射器。反馈光束330垂直于耦合器190，因此将传播回色散元件120并因此传播到相应的发射器，从而在发射器和耦合器190之间形成稳定的谐振器。
在示例性实施例中，在非WBC维度的未对准是由交错反射镜140在非WBC维度的轻微倾斜引起，这导致主光线310沿未对准方向310v传播，偏离方向310u角度β。与图2中所示的WBC维度的情况相比，在非WBC维度，来自示例第i个发射器的激光束310(波长锁定的或自由运行的)将一直沿未对准方向310v传播到耦合器190，如图3所示。如图所示，示例性未对准导致未对准的输出光束340具有相对较大的偏心距离(Δ)和非零指向误差(β)，导致效率较低的谐振器反馈，因为反馈光束350与反馈光束330所沿着传播的理想垂直方向相差2β。
出于说明的目的，可以假设发射器慢轴处于非WBC维度，并且由具有50mm焦距的SAC透镜(例如，图1和2中的SAC透镜130)准直，使得耦合器190处的慢轴光束尺寸约为6mm。进一步假设最大可接受慢轴偏心距离为0.6mm(对应于10％的光束质量下降)以及从交错器140到耦合器190的光学距离为1.5m，那么，从光束偏心的角度来看，最大可接受的未对准角度β计算为0.4mrad。然而，从谐振器反馈的角度来看，0.4mrad的未对准将导致发射表面的反馈光束在慢轴上有40μm的位移；因此，反馈的效率将降低40％(例如，发射器尺寸为100μm)。反馈光束相对于相应的发射器光束的位移不仅导致功率降低，而且还可能导致不稳定的波长锁定(即不稳定的谐振器功率)和输出端的光束形状失真。因此，一般而言，WBC谐振器对非WBC维度的未对准比WBC维度的未对准敏感得多。在各种实施例中，对于类似于图1的WBC谐振器，慢轴(即，非WBC维度)的未对准被理想地控制为小于或等于大约0.1mrad。
图4A和4B示出了根据本发明各种实施例的对准系统400的部分。如图所示，对准系统400包括第一柱面透镜410、色散元件420、第二柱面透镜430和光束分析器440。图4A和4B分别示出了在WBC维度和非WBC维度的对准系统400。透镜410在非WBC维度具有光功率和焦距f1，透镜430在WBC维度具有光功率和焦距f2。色散元件420可以包括例如衍射光栅，诸如透射式衍射光栅或反射式衍射光栅等，基本上由其组成，或由其组成。
光束分析器440可以包括例如相机或其他图像传感器(例如，CCD传感器、CMOS传感器或其他光响应传感器)，基本上由其组成，或由其组成，并且可以包括显示器或着可操作地连接至显示器。例如，光束分析器440的光束入射可以显示在显示器上以确定它们彼此的对准。光束分析器440为可商购的并且可以在不需要过度试验的情况下提供和使用。例如，光束分析器440可以包括例如可从加利福尼亚州雷丁市的DataRay公司获得的WinCamD系列光束分析器之一，基本上由其组成，或由其组成。在各种实施例中，光束分析器440可以为或包括物理屏幕(例如，用于在近红外区域发射的发射器的近红外传感器板、用于在可见区域发射的发射器的白板或其他板，或用于在UV范围内发射的发射器的UV敏感板)，或传统相机或其他图像传感器(例如，二维传感器)的集合。
对准系统400接受WBC谐振器光束450，其包括n个波长子带(Δλi,i＝1:n)，基本上由其组成、或由其组成。光束450由色散元件420在WBC维度色散，并且色散光束的主光线由透镜430准直。一般而言，分散光束的主光线的准直在光束分析器440处产生明确定义的整体图像尺寸和光束分离。在各种实施例中，透镜430位于色散元件420下游的一个焦距处(即，透镜430的焦距)。透镜430还将各个光束聚焦在光束分析器440上，在各种实施例中，光束分析器440位于透镜430下游一个焦距处(即，透镜430的焦距)。在各种实施例中，谐振器光束450为由WBC谐振器100或类似谐振器产生的输出光束。
尽管在图4A和4B中示出的对准系统400的实施例中，透镜430位于色散元件420的光学下游，但在其他实施例中，透镜430可以位于色散元件420的光学上游。在这样的实施例中，透镜430仍将各个光束聚焦在光束分析器440上，但通常将不会准直光束的主光线。此外，从畸变的角度来看，这样的实施例可能不是优选的，因为色散元件420可能对高度聚焦或发散的光束引起更多的畸变。
在非WBC维度，如图4B所示，透镜410可以位于光束分析器440上游的一个焦距处(即，透镜410的焦距)。在各种实施例中，透镜410的焦距f1长于透镜430的焦距f2，并且透镜410设置在色散元件420上游的一位置处。
如图4B所示，透镜410可以设置在谐振器光束450的路径中的位置460处(例如，使得光束大致居中于透镜410上)或在光束路径外的位置465处。这分别在光束分析器440上产生远场图像470或近场图像475。假设光束分析器440在WBC维度上的中心线对应于针对输出光束450中的所有子光束在非WBC维度上输出耦合器(例如，图1中的耦合器190)处的零偏心距离和零指向误差的情况，那么子光束在远场470或近场475的偏心距离量可按比例表示在非WBC维度相应子光束在谐振器输出端处的指向误差或偏心距离量。以此方式，图4A和4B中所示的对准系统400可以是优化多波长谐振器(例如WBC谐振器)的对准的有效工具。
图5A和5B示出了示例远场和近场图像，其中一些子光束(从图像左侧数的光束#3、#7和#10)在类似于图1中示出的谐振器100的WBC谐振器中在非WBC维度未对准。每个图像包括对应于11个二极管条(例如，图1中的二极管条110)或如图4A和4B所示的11个波长子带(Δλi,i＝1:11)的11个子光束图像。每个子带可以包括多个不同的波长，基本上由其组成，或由其组成，因为每个二极管条可以包括发射器阵列，基本上由其组成，或由其组成。相邻二极管条之间的光谱间隙(或“死区”)允许子光束图像分离而在光束分析器440上不重叠。在各种实施例中，即使当在光束分析器440上部分重叠时，子光束图像也很容易识别。因此，即使在光束分析器440上的完全子图像分离需要例如至少20％的光谱间隙，本发明的实施例也可以促进对未对准的识别和减轻，即使对于在至少10％的发射器之间的光谱间隙，或者甚至至少5％。
来自光束分析器440的结果图像有效地指示是否以及哪些单独的光束发射器(例如，二极管条)未对准。在各种实施例中，远场图像中的未对准(例如，偏心)可以通过发射器的对应反射镜(例如，图1中的交错器140)在非WBC维度的倾斜调整来调整或减轻，如在‘001申请中所述。在各种实施例中，交错反射镜的倾斜调整也可以减小或最小化近场图像中的未对准(例如，偏心)。在其他实施例中，例如，可以通过迭代地平移相应SAC透镜的位置(例如，在慢轴上，非WBC维度)以及在非WBC维度调整交错反射器130的倾斜来对齐在远场但不在近场中的光束，如‘001申请中所述。
如上所述，非WBC维度上的未对准可能会大大降低谐振器功率，甚至导致相应的发射器以未锁定波长发射。然而，与传统激光器(如固态激光器和气体激光器)不同，使用输出功率作为WBC谐振器的对准指标可能在很大程度上是无效的，因为典型WBC谐振器中的二极管或发射器独立运行，并且可能各自只向谐振器总输出贡献很小的一部分功率。因此，单个二极管的未对准可能难以基于总输出功率来检测。相比之下，根据本发明实施例的光学技术有效地揭示了各个发射器的未对准。图5C和5D分别示出了示例远场和近场图像，所有子光束在非WBC维度上良好对齐。
本发明的各种实施例可以响应于由光束分析器440获取的图像在非WBC维度上自动对准发射器。例如，根据本发明实施例的系统可以包括控制器195(见图1)，其至少在非WBC维度调整交错反射镜140的倾斜度和/或SAC透镜130的位置(即平移)，以便减小或基本上消除由光束分析器440获取的图像中所示的未对准。根据各种实施例，控制器195可以利用传统的图像处理软件或算法来测量由光束分析器440产生的近场和远场图像中所示的发射器的对准或未对准以及调整(例如，通过翻转/倾斜(tip/tilt)台、步进电机等的计算机控制)交错反射镜140的倾斜和/或SAC透镜130的位置(即平移)以减轻未对准，如上所述。
控制器195可以提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的奔腾或赛扬系列处理器，由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器，和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器器件(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备)来提供程序。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如PYTHON、FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在靶计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
在各种实施例中，图4B中的光束分析器440产生的近场图像475为光束450的正投影。因此，近场图像上子光束图像的偏心距离(例如，如图5B所示)可能不会直接反映WBC谐振器的输出耦合器上的相应子光束的实际偏心距离。这可以通过如图6A和6B中所示的根据本发明的各种实施例的对准系统600来解决。在图6A中，近场图像610通过用具有比f1短的焦距f3的第三透镜620替换第一透镜410得到，满足透镜成像方程1/S1+1/S2＝1/f3，其中S1和S2分别为从透镜620到耦合器190以及到光束分析器440的距离。由于S2＝f1，那么S1＝f1×f3/(f1-f3)。
在图6B中所示的类似实施例中，近场图像630通过添加具有焦距f3的第三透镜640获得，其中S1＝f3。在各种实施例中，如图6B所示，第三透镜640设置在光束输出端(例如，耦合器190)的光学下游和透镜410的光学上游。在图6A和6B中所示的对准系统600的任一个中，远场图像可以通过仅将第一透镜(或透镜组)410放置在适当位置并保持S2＝f1来获得。由于近场图像610或630为光束450在耦合器190处的图像，子光束图像在近场图像上的偏心距离将直接和成比例地反映那些子光束在耦合器190处的偏心距离。
图7A示出了根据本发明各种实施例的对准系统700，其类似于图6B的对准系统600，但增加了设置在输出耦合器190的光学下游的光束旋转器710。在各种实施例中，光束旋转器710将输出光束450旋转大约90°，且因此对准系统700现在将示出在WBC方向上的子光束未对准和指向误差。在各种实施例中，光束旋转器710能够移动进出光束450的路径，从而使得能够选择检测(以及由此产生的减轻)沿着非WBC维度或WBC维度的未对准。
图7B-7D中示出了根据本发明实施例的示例性光束旋转器710。例如，图7B示出光束旋转器710，为相对于光束的垂直和水平维度以45°定向的一对共焦柱面透镜。图7C示出光束旋转器710，为相对于光束的垂直和水平维度以45°定向的道威棱镜(dove prism)。图7D示出光束旋转器710，为一对反射镜，其中第一反射镜在第一平面将光束反射90°，第二反射镜在与第一平面正交的第二平面将光束反射90°。
图8示出了根据本发明实施例的对准系统800。在各种实施例中，对准系统800同时获得远场图像810和近场图像820而无需透镜或其他光学元件的物理移动。在图示的示例对准系统800中，光束450在分束器830处被接收，在那里被分开，使得光束的一部分传播通过两个透镜640、410，而光束的另一部分仅传播通过透镜410(在围绕透镜640重定向之后)。然后，两个光束部分都传播到光束分析器440以显示近场和远场图像。如图8的示例性实施例所示，光束的一部分通过反射器(例如，反射镜)840、850在透镜640周围重定向，然后将光束部分重定向到分束器860，在那里重新加入主光束路径。虽然图8示出了两个反射器840、850用于将光束部分在透镜640周围重定向，但是各种实施例也可以仅使用一个反射器或多于两个反射器来重定向光束部分。
如图8所示，可以调整分束器和/或反射器中的一个或多个的角度，使得近场和远场图像彼此不重叠。以此方式，可以同时监测光束450的近场和远场图像，同时减小或基本消除发射器的未对准。
本文使用的术语和表达用作描述性的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示出和所描述的特征或其一部分的任何等同体，而是承认可以在所要求保护的本发明的范围内进行各种修改。
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