高密集波长束组合激光系统
阅读说明：本技术 高密集波长束组合激光系统 (High-density wavelength beam combined laser system ) 是由 马克·泽迪克 罗伯特·斯特格曼 于 2018-06-13 设计创作，主要内容包括：在外腔布置中将一组二极管激光光谱束组合的设备、系统和方法。二色波束组合器或体布拉格光栅束组合器位于外腔中,以便使每个二极管激光或成组的二极管激光在通过束组合器的通带确定的波长振荡。在实施例中,带宽足够窄的很多激光二极管的组合生成高亮度激光源,该高亮度激光源具有包括泵浦拉曼激光器或拉曼放大器的许多应用。(Apparatus, systems, and methods combine a set of diode laser spectral beams in an external cavity arrangement. A dichroic beam combiner or volume bragg grating beam combiner is located in the external cavity so as to oscillate each diode laser or group of diode lasers at a wavelength determined by the passband of the beam combiner. In an embodiment, the combination of many laser diodes with sufficiently narrow bandwidths generates a high-brightness laser source with many applications including pumping raman lasers or raman amplifiers.)
分案申请说明
本申请是申请日为2018年06月13日，申请号为201880052236.6，发明名称为“高密集波长束组合激光系统”的发明专利申请的分案申请。
本申请根据35U.S.C.§119(e)(1)要求2017年6月13日递交的、申请号为62/519，113的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容在此通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及用于组合激光束以便提供具有在执行诸如焊接、切割、表面处理、表面熔覆、3D打印之类的激光操作中有用的性质并且作为用于其它激光系统的泵浦源的激光束的系统、方法以及设备。
当前亟需处理由于材料的红外线高反射率使得目前的红外激光无法处理的材料。高度反射红外线的材料对蓝色激光吸收较强，目前尚未发现用于商业激光操作的普遍适用性或通用性。现在可用的蓝色激光束和系统能够提供对红外激光束具有功率、亮度等同等特性的蓝色激光束。例如，相信在本发明之前，蓝色激光束系统已经能商业上焊接高度反射红外线的诸如铜之类的较厚的材料。这样，除了受让人努布鲁有限公司的近期发展，多年来行业中难以构建足够亮度的可见波长激光，由于倍频晶体的局限性，对倍频的尝试未能取得商业上的成功。对于执行用于在高度反射红外线的材料上操作的大多数、大范围(如果不是所有的)的商业激光应用，他们自己的蓝色激光二极管一般仍功率过低。这些蓝色二极管的功率水平通常很低，这些二极管的“高功率”一般指的是约6瓦(W)。而且，常用的组束方法(空间、偏振和离散波长)不足以构建具有足够亮度的蓝色激光以满足行业需求。空间组束的亮度受到用于准直激光二极管源的微光学器件的物理尺寸的限制。偏振组束(非相干性的)仅能使亮度以2x倍数增加。目前完成波长组束是通过耦合诸如体布拉格光栅(VBG)之类的波长选择元件，从而控制随后有串行(series)双色向滤光镜的激光二极管的波长，以便将光束组合成具有较宽带宽的单空间束。这个方法需要使用对系统带来额外成本的单独的体布拉格光栅，还会使得系统的尺寸增加。相干组束虽然能构建高亮度源，但是通常就在商业系统中实施而言过于复杂和昂贵。
术语“激光处理”和“材料激光处理”以及类似的术语，除非另有明确提出，否则应以可能性最广泛的含义来理解并且包括焊接、钎焊、熔炼、连接、退火、软化、增粘、表面重修、喷丸、热处理、熔断、密封和堆叠。
如这里使用的术语“UV”、“紫外”、“紫外谱”、“光谱的紫外线部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解并且包括波长从约10nm到约400nm(纳米)的光，和从10nm到400nm。
如这里使用的术语“可见”、“可见光谱”、“光谱的可见部分”以及类似的术语，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解并且包括波长从约380nm到约750nm的光，和从400nm到700nm。
如这里使用的术语“蓝色激光束”、“蓝色激光器”以及“蓝色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解并且一般指的是提供激光束的系统，激光束，提供(例如传送)波长从约400nm到约500nm的激光束或光的激光源，例如激光器和二极管激光器，和从400nm到500nm。
如这里使用的术语“绿色激光束”、“绿色激光器”以及“绿色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解并且一般指的是提供激光束的系统，激光束，提供(例如传送)波长从约500nm到约575nm的激光束或光的激光源，例如激光器和二极管激光器，和从500nm到575nm。
如这里使用的术语“红色激光束”、“红色激光器”以及“红色”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供激光束的系统，激光束，提供(例如传送)波长从约600nm到约750nm的激光束或光的激光源，例如激光器和二极管激光器，和从600nm到750nm。
通常，如这里使用的术语“约”，除非另有指明，否则意味着涵盖±10％的方差或范围，涵盖与得到所述值相关的实验或仪器误差，并且优选地涵盖其中较大者。
如这里使用的术语“IR”、“红外”、“红外波长”以及“红外光谱”，除非另有明确声明，否则应以最广泛的含义来理解，并且一般指的是提供激光束的系统，激光束，提供(例如传送)波长大于700nm的激光束或光的激光源，例如激光器和二极管激光器，和大于约750nm。
背景技术
自1993年起就已经知道激光腔中激光束的光谱束组合(Papen等人，《耦合至外腔的激光二极管阵列的多波长操作》，《光学快报》18，1441页(1993))。然而，相信在本发明之前尚未证明或公开过高功率蓝色激光二极管与位于外腔中的梳状滤波元件的光谱组束。
TeraDiode法是现有技术挑战的例证。该方法基于汉密尔顿等人和桑切斯等人的成果，并且使用了外腔设置和光栅以组合输出的n激光二极管。但是，由于用低色散光栅在激光二极管表面创建梳状滤波器，该TeraDiode法需要非常长的(1米或更多)外腔。
另一理念是一种每个单独的激光二极管的波长通过激光二极管本身内部的光栅结构锁定的方法，其对激光二极管的光谱束组合在高功率水平提高激光二极管阵列的亮度是不成功的。光束组合提供了空间上叠加任何普通激光谐振腔外的每个单独的激光二极管光束的手段。光谱束组合的这种方法较复杂，因为空间光束组合介质滤波器阵列必须匹配每个单独的激光二极管的输出波长特性。此外，由于在激光二极管制作过程中必须包括反馈结构，激光二极管结构非常难以制造，相信在可见激光二极管中制作光栅结构还有待证明。
该技术有许多缺点。显著的是，除了其它的以外，该技术并未启示或公开蓝色和蓝绿、绿色激光束以及红色组合的光谱组束，或者蓝色、蓝绿、绿色激光二极管和红色激光二极管的光谱组束。此外，相信在该技术启示或公开了外腔的程度上，腔体会较大并且趋于热机械不稳定性。还可以相信，除了其它的以外，该技术并未公开紧凑、稳定的系统，特别是用于蓝色、蓝绿、绿色和红色波长的系统。
本发明的背景部分只是介绍与本发明的实施例可能有关的本领域的各方面。因此，该部分的前述介绍提供了框架以便更好地理解本发明，但不应视为对现有技术的承认。
发明内容
本发明的实施例克服了这些长期存在的问题，提供一种高亮度可见光波长的激光束，特别是红色、绿色和蓝色的，更特别是具有高亮度并且功率足以对高度反射红外线的材料进行商业激光操作并且还具有对所有其他材料的更佳性能的蓝色激光束。而且，除了其它的以外，本发明的实施例以显著简化的波长束组合系统和方法实现了这些。
虽然激光二极管变得可与目前的纤维激光器竞争，但二极管激光束的低亮度是一个长期存在的问题，限制了更广泛的接受和利用。另外，对于能提供高亮度激光束的紧凑和小的激光系统，还有一种长期存在的未解决的需求。除了其它的以外，本发明通过提供在这里启示和公开的制品、装置和工艺解决了这些需求。
这样，提供一种大功率、高亮度激光系统，包括以下：两个或多个单独的大功率激光二极管；由两个或多个单独的大功率激光二极管共享的共有外腔；用于创建来自每个大功率激光二极管的平行束的准直光学系统；共有外腔中的束组合光学器件，确定了每个激光二极管的波长并且使每个激光二极管对齐共线并在空间上叠加；激光源的空间亮度为单个激光二极管的亮度的n倍，其中亮度定义为组合功率除以孔径发散度乘积。
还提供了具有以下一个或多个特征的大功率激光器、系统和方法：其中束组合光学器件包括在带通滤波器的光谱的低通或高通端的边沿使用的一组光学滤波器形成的光学腔和输出耦合器或反射镜；运行于400-500nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于500-600nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于720-800nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于800-900nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于900-1200nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于1200nm-1120nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于1400-1500nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于1500-2200nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于2200-3000nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大；运行于3000nm-12000nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
还提供大功率激光器、系统和方法，具有或提供光束参数乘积为约0.1至约10mm-mrad，约0.5mm-mrad和更大；约0.3mm-mrad和更大，约1mm-mrad和更大，约2mm-mrad和更大，约3mm-mrad和更大，以及这些范围中的所有值，以及更大和更小的值的输出激光束。
还提供了具有一个或多个以下特征的大功率激光器、系统和方法：其中束组合光学器件为一组体布拉格光栅滤波器，和使光谱的一部分从单独的激光二极管重定向为与阵列中先前的激光二极管共线的一个或多个体布拉格光栅和完成光学腔的输出耦合器；由(复数个)体布拉格光栅引导后的单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为被组合的激光二极管的数量；在串行N个体布拉格光栅中，通过体布拉格光栅N的最大传输的点与N-1，N-2，N-3，…1st激光二极管的激光光谱的N-1，N-2，N-3，…1st顶点一致，而同时提供激光二极管N的最大射束偏转。
另外，还提供具有一个或多个以下特征的大功率激光器、系统和方法：运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的透射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的透射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的透射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的透射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TM-模式；以及运行于发射的激光二极管光的快轴和单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TM-模式。
还提供了包括以下的激光源：一个或多个光学涂层，准直到共有输出耦合器后，重定向单独的激光二极管的一部分光谱相对于激光二极管输出光传播方向成最多90°；近场和远场中的光学传播方向由使他们在由光学涂层重定向后在两个或多个单独的激光二极管之间相同的腔中的往返行程路径限定；光学涂层引导后的单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为被组合的激光二极管的数量；在串行N个光学涂层中，通过光学涂层N的最大传输的点与N-1，N-2，N-3，…1st激光二极管的激光光谱的N-1，N-2，N-3，…1st顶点一致，而同时提供激光二极管N的最大射束偏转。
还提供具有一个或多个以下特征的大功率激光器、系统和方法：运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射光学涂层的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射光学涂层的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射光学涂层的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射光学涂层的TM-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和通过光学粘合或其它低损耗方法制造成单件材料的单独的反射光学涂层的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的快轴和通过光学粘合或其它低损耗方法制造成单件材料的单独的反射光学涂层的TE-模式；运行于发射的激光二极管光的慢轴和通过光学粘合或其它低损耗方法制造成单件材料的单独的反射光学涂层的TM-模式；以及运行于发射的激光二极管光的快轴和通过光学粘合或其它低损耗方法制造成单件材料的单独的反射光学涂层的TM-模式。
此外，提供一种包括以下的激光源：一个或多个体布拉格光栅，体布拉格光栅随后有一个或多个光学；自光学涂层的输出光方向相对于自体布拉格光栅的输出光方向和输出耦合器成90°以便完成光学腔并且限定每个激光二极管源的工作波长；通过体布拉格光栅、光学涂层和输出耦合器组合后单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，C为光学涂层的数量，N/C为通过成组体布拉格光栅组合的单独的激光二极管束的数量；通过体布拉格光栅组合的每个单独的激光二极管组合的光学带宽是互斥的；给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX并且体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1并且体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
另外，还提供具有一个或多个以下特征的大功率激光器、系统和方法：利用运行于激光二极管慢轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式；以及利用运行于激光二极管快轴的透射体布拉格光栅和透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的光学涂层和光学涂层的TM-模式结合限定每个源的波长和每个激光束的共线传播的输出耦合器。
还提供一种包括以下的激光源：一个或多个光学涂层，光学涂层随后有一个或多个体布拉格光栅；自体布拉格光栅的输出光方向相对于通过由输出耦合器完成的光学腔限定的自光学涂层的输出光方向成90°；通过体布拉格光栅和光学涂层组合后单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，其中N为单独的激光二极管束的数量，B为体布拉格光栅的数量，N/B为通过成组光学涂层组合的单独的激光二极管束的数量；通过体布拉格光栅组合的每个单独的激光二极管组合的光学带宽是互斥的；通过光学涂层组合的每个单独的激光二极管组合的光学带宽是互斥的；给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX以及涂层的总和的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1并且光学涂层的总和的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
还提供一种包括以下的激光源：一个或多个体布拉格光栅，体布拉格光栅随后有一个或多个体布拉格光栅；自随后的体布拉格光栅的输出光方向相对于通过由输出耦合器完成的光学腔限定的自先前的体布拉格光栅的输出光方向成90°；通过体布拉格光栅组合后单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，B为次体布拉格光栅的数量，N/B为通过成组主体布拉格光栅组合的单独的激光二极管束的数量；通过主体布拉格光栅组合的每个单独的激光二极管组合的光学带宽是互斥的；通过次体布拉格光栅组合的每个单独的激光二极管组合的光学带宽是互斥的；给定任意中心蓝色波长λc，自主体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，主体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自主体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自次体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX，次体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自次体布拉格光栅X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自次体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX并且主体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自次体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1并且主体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
此外，还提供具有一个或多个以下特征的激光源或方法：利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的反射体布拉格光栅和反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主反射体布拉格光栅和主反射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次反射体布拉格光栅和次反射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式；以及，利用运行于激光二极管快轴的主透射体布拉格光栅和主透射体布拉格光栅的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次透射体布拉格光栅和次透射体布拉格光栅的TM-模式，其最后元件为输出耦合器，该输出耦合器通过每个布拉格光栅限定光学腔以便从来自输出耦合器的反馈限定每个激光源的波长。
此外，还提供具有以下的激光源：一个或多个光学涂层；自光学涂层的输出光方向相对输出耦合器的输出光方向成90°以便完成光学腔并且提供往返行程光学路径以限定每个激光二极管源的波长；亮度此时为通过光学涂层组合后的单独的激光二极管束的总和，是单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，C为次光学涂层的数量，N/C为通过成组主光学涂层组合的单独的激光二极管束的数量；通过主光学涂层组合的激光二极管的每个单独的组合的光学带宽为互斥的；通过次光学涂层组合的激光二极管的每个单独的组合的光学带宽为互斥的；给定任意中心蓝色波长λc，自主光学涂层M的光学带宽＝ΔλM，主光学涂层M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自主光学涂层M-2的光学带宽≈ΔλM-2，从而ΔλM-2＝ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自次光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，次光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自次光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推；给定任意中心蓝色波长λc，自次涂层X的光学带宽＝ΔλX和主光学涂层的总和的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自次光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1和主光学涂层的总和的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
另外，还提供具有一个或多个以下特征的大功率激光器、系统和方法：利用运行于激光二极管慢轴的主光学涂层和主光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次光学涂层和次光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主光学涂层和主光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次光学涂层和次光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主光学涂层和主光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次光学涂层和次光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主光学涂层和光学涂层的TE-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次光学涂层和次光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主光学涂层和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次光学涂层和次光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管快轴的主光学涂层和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次光学涂层和次光学涂层的TE-模式；利用运行于激光二极管慢轴的主光学涂层和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管快轴的次光学涂层和次光学涂层的TM-模式；利用运行于激光二极管快轴的主光学涂层和光学涂层的TM-模式，随后是运行于激光二极管慢轴的次光学涂层和次光学涂层的TM-模式，其输出耦合器位于通过前述滤波器系统提供光学反馈至每个激光二极管源的系统的出口处；运行于400-500nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为5mm-mrad和更大；运行于500-600nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为5mm-mrad和更大；运行于720-800nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为5mm-mrad和更大；以及运行于800-900nm范围，输出功率>1瓦，光束参数乘积为5mm-mrad和更大。
另外，还提供一种大功率、高亮度的激光系统，具有：多个激光二极管，各具有不小于0.25W的功率，其中多个激光二极管的每个配置为沿着激光束路径提供激光束；由多个激光二极管的每个共享的共有外腔；激光束路径中用于创建自每个多个激光二极管的平行束的准直光学器件；共有外腔中激光束路径中的束组合光学器件；其中束组合光学器件确定了每个激光二极管的波长并且对齐自多个激光二极管的每个激光束路径共线并且在空间上叠加，从而得以提供复合输出激光束；以及复合输出激光束的空间亮度为多个激光二极管中任意单个激光二极管的亮度的n倍，其中亮度定义为组合功率除以孔径发散度乘积。
还提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：其中束组合光学器件为带通滤波器的光谱的低通或高通端的边沿使用的一组光学滤波器；运行于400-500nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于500-600nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于720-800nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于800-900nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于900-1200nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于1200nm-1120nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于1400-1500nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于1500-2200nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；其中多个激光二极管为带间级联激光器；且其中在系统中运行于2200-3000nm范围，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；其中束组合光学器件包括多个体布拉格光栅滤波器；其中第一体布拉格光栅配置为重定向来自多个激光二极管中的第一激光二极管的第一激光束的部分光谱与来自多个激光二极管中的第二激光二极管的激光束共线；以及，其中多个激光二极管为量子级联激光器并且系统运行于3000nm–12000nm范围中，输出功率不小于100瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大。
另外，还提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：其中n不小于25；其中束组合光学器件包括多个体布拉格光栅滤波器；其中第一体布拉格光栅配置为重定向来自多个激光二极管中的第一激光二极管的第一激光束的部分光谱与来自多个激光二极管中第二激光二极管的激光束共线；且其中n不小于25；其中多个激光二极管包括N个二极管；其中N个二极管的每个限定激光光谱的第一顶点；其中光束组合光学器件包括具有N-1个体布拉格光栅滤波器和输出耦合器的多个体布拉格光栅；体布拉格光栅和配置为光学关联的N-1个激光二极管从而通过多个体布拉格光栅的每个体布拉格光栅的最大传输的点与多个激光二极管中N-1激光二极管的N-1，N-2至N-(N-1)1st顶点一致；从而N等于n；其中N-1等于n；且其中激光二极管N’与体布拉格光栅并非光学关联并且系统提供激光二极管N’的最大射束偏转。
另外，还提供一种大功率、高亮度的激光系统，具有：多个N激光二极管，其中多个激光二极管的每个配置为以激光束功率沿着激光束路径提供激光束；其中激光束路径包括输出传播方向；由多个激光二极管的每个共享的共有外腔；用于构建来自所述多个激光二极管的每个的平行束的输出传播方向激光束路径中的准直光学器件；共有外腔和所述输出传播方向激光束路径中的束组合光学器件；其中光束组合光学器件包括N-1光学元件，所述光学元件包括光学涂层，从而所述光学元件重定向来自多个激光二极管中的激光二极管的激光束的部分光谱相对于所述输出传播方向激光束路径成最多90°角，从而提供限定亮度的复合输出激光束；以及，从而复合输出激光束的亮度为多个激光二极管中任意单个激光二极管的亮度的n倍，其中亮度定义为组合功率除以孔径发散度乘积。
还提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：其中N＝n；其中N-1＝n。
还提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：运行于400-500nm范围，输出功率不小于10瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；运行于500-600nm范围，输出功率不小于10瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad和更大；其中激光束功率为不小于0.5W；以及，其中激光束功率为不小于1W。
另外，提供一种大功率、高亮度的激光系统，具有：多个N激光二极管，其中多个激光二极管的每个配置为以激光束功率沿着激光束路径提供激光束；其中激光束路径包括输出传播方向；由多个激光二极管的每个共享的共有外腔；用于构建来自所述多个激光二极管的每个的平行束的输出传播方向激光束路径中的准直光学器件；共有外腔和所述输出传播方向激光束路径中的束组合光学器件；其中光束组合光学器件包括N-1光学元件，其中光学元件包括体布拉格光栅和光学涂层元件，其中体布拉格光栅和光学涂层元件沿着激光束路径互相交替；其中自光学涂层的输出光方向相对于自体布拉格光栅的输出光方向成90°角，从而提供限定亮度的复合输出激光束；以及，通过体布拉格光栅和光学涂层组合后的单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的n倍；其中n＝N或n＝N-1，N为单独的激光二极管束的数量，C为光学涂层的数量，N/C为通过体布拉格光栅和输出耦合器组合后的单独的激光二极管束的数量。
还提供一种大功率、高亮度的激光系统，具有：多个N激光二极管，其中多个激光二极管的每个配置为以激光束功率沿着激光束路径提供激光束；其中激光束路径包括输出传播方向；由多个激光二极管的每个共享的共有外腔；用于构建来自所述多个激光二极管的每个的平行束的输出传播方向激光束路径中的准直光学器件；共有外腔和输出传播方向激光束路径中的束组合光学器件；其中光束组合光学器件包括N-1光学元件，其中光学元件包括体布拉格光栅和光学涂层元件，其中体布拉格光栅和光学涂层元件沿着激光束路径互相交替；其中自体布拉格光栅的输出光方向相对于自光学涂层元件的输出光方向成90°，从而提供限定亮度的复合输出激光束；以及，通过体布拉格光栅和光学涂层组合后的单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的n倍；其中n＝N或n＝N-1，N为单独的激光二极管束的数量，B为体布拉格光栅的数量，N/B为通过成组光学涂层组合后的单独的激光二极管束的数量。
另外，提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：其中，通过体布拉格光栅和外腔中输出耦合器组合的激光二极管的每个单独的组合的光学带宽为互斥的；其中，给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推；其中给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推；以及，其中给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX和体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1和体布拉格光栅的总和的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
此外，提供一种大功率、高亮度的激光系统，具有：多个N激光二极管，其中多个激光二极管的每个配置为以激光束功率沿着激光束路径提供激光束；其中激光束路径包括输出传播方向；由多个激光二极管的每个共享的共有外腔；用于构建来自所述多个激光二极管的每个的平行束的输出传播方向激光束路径中的准直光学器件；共有外腔和输出传播方向激光束路径中的束组合光学器件；其中光束组合光学器件包括N-1光学元件，其中光学元件包括：用于确定激光二极管束的波长并在输出路径中引导激光二极管束路径的第一构件；用于确定激光二极管束的波长并在输出路径中引导激光二极管束路径的第二构件；其中第一构件的输出路径相对于第二构件的输出路径成90°，从而提供限定亮度的复合输出激光束；以及，通过第一构件和第二构件组合后的单独的激光二极管束的总和的亮度为单独的激光二极管束的亮度的n倍；其中n＝N或n＝N-1，N为单独的激光二极管束的数量，E’为第一构件的数量或第二构件的数量，N/E’为通过成组第一构件或第二构件组合后单独的激光二极管束的数量。
另外，提供具有一个或多个以下特征的激光系统和方法：其中第一构件为主体布拉格光栅；其中第二构件为次体布拉格光栅；其中第一构件为主涂层；其中第二构件为次涂层；其中输出耦合器为部分反射元件，其可为光学涂层或体布拉格光栅；其中系统运行于400-500nm波长范围；其中系统运行于500-600nm波长范围；其中系统运行于720-800nm波长范围；其中系统运行于800-900nm波长范围。
附图说明
图1和图1A为根据本发明的外腔激光系统的一实施例的示意图，示出了通过来自与组合器块成整体的输出耦合器的使得每个激光二极管在特定波长运行的反馈信号结合的多个激光二极管。
图2为根据本发明的外腔激光系统的一实施例的示意图，其中输出耦合器在组合器外部。
图3为根据本发明的外腔激光系统的一实施例的示意图，扩展为在二维阵列中锁定激光二极管。
图4的图表中示出了根据本发明使用了带通滤波器的一实施例的每个传递函数之间的关系。
图5为组合器块的一实施例的传递函数，示出了每个激光二极管的最大传递峰值，当根据本发明使用带通传递函数的高波长侧时，其在外腔中具有最低传递损耗，从而导致每个激光二极管被动地锁定在适当的传递峰值。
图6为基于当根据本发明使用带通传递函数的低波长侧时的组合器块的一实施例的传递函数。
图7为根据本发明使用带通滤波器传递函数的高波长边沿的基于自激光二极管偏离光束发散度0.25度的激光二极管光束组合器块的一实施例的传递函数。
图8为根据本发明使用用于发散激光二极管光束的带通滤波器传递函数的低波长边沿的组合器块的一实施例的传递函数。
图9的图表中示出了根据本发明的组合器块传递函数的一实施例和来自外腔带通传递滤波器函数的一实施例的反馈的叠加，其限定了激光二极管阵列的振动带宽。
图10的图表中示出了根据本发明的一行组合器块传递函数的一实施例和允许两轴上反馈到激光二极管的带通传递函数的较宽的第二行中使用的组合器块传递函数的一实施例的叠加。
图11的图表中示出了根据本发明的对于宽带输出耦合器反射函数的组合器块的一实施例的响应函数的叠加和怎样通过使用窄带输出耦合器反射函数使振动带宽能减少为一轴。
图12的图表中示出了根据本发明的如图3所示的对于宽带输出耦合器反射函数的组合器块的响应函数叠加的响应函数的一实施例和怎样通过使用窄带输出耦合器反射函数使振动带宽能减少为两轴系统。
图13为根据本发明的激光系统的一实施例的框图示意图。
具体实施方式
一般而言，本发明涉及用于激光束光谱组束的提供更高亮度的激光束的方法、系统以及设备。具体地，本发明的实施方式涉及将诸如来自激光二极管的光束之类的低亮度激光束组合成能与从纤维激光器得到的激光束相比的高亮度激光束。
通常，本发明的一实施例为能使用共有外腔中两个或多个单独的激光二极管的大功率、高亮度操作的大功率二极管激光系统。激光可用于各种应用，比如材料加工、激光辅助沉积制造以及泵浦其它激光增益介质。从激光共有外腔输出通过快轴、慢轴或同时通过二者的光谱束组合增加了亮度。这种光谱组束的方法比所有其它先有的设想用于激光二极管阵列的束组合方法更简洁，简单。
本发明的实施例提供了具有窄光谱带宽的高亮度激光束。该窄光谱带宽在泵浦稀土纤维激光器、稀土激光器、拉曼激光器以及拉曼纤维激光器方面是有利的。
本发明的实施例例如可用于焊接、切割、表面熔覆和3D打印，以及用于其它激光系统的泵浦源，以及其它应用。本发明的实施例提供的激光束亮度相当于并且比得上当前的纤维激光器，例如，本发明的激光束具有约1kW至约10kW、2kW至8kW、约5W至约20kW以及这些范围内所有功率，以及更高和更低的功率，以及用于BPP(光参数积)为从约1mm mrad至约40mm mrad、约30mm mrad至约35mm mrad、以及这些范围中的所有值、以及更高和更低的值的功率。本发明的实施例提供了提高激光二极管阵列空间亮度的新方式，提供了来自高度紧凑系统的高亮度激光束，例如，系统的最大尺寸，或长度、宽度或横截面为小于约100cm，小于约5cm，从约5cm至约200cm，这些范围内的所有尺寸，以及更大和更小的尺寸，并且，除了其它的以外，大大简化了光谱束组合激光二极管阵列的制造。
本发明应用于所有波长的激光二极管。从而，就本说明书着重介绍使用大功率可见光蓝色激光二极管制造可见光谱中大功率高亮度激光源的实施例与示例而言，不应视为对本发明的应用及其范围的限制。
本发明的实施例满足了对用IR激光器很难(如果不是不可能的话)处理的高度反射材料进行激光处理的能力的需要。高度反射红外线的材料通常较强地吸收可见激光，优选地绿色和蓝色激光，更优选地蓝色激光。从而，通过本发明实施例的光谱组束系统得到的亮度更高的蓝色激光对于处理诸如铜、金、铝、铜-铝、铜-钢、金-铝、金-钢、铜-镍铜粉、铝粉、铜合金、铝合金、钛合金、镍合金等之类的材料是理想的。
本发明的实施例大大简化了通过在外腔使用二向色滤光器或体布拉格光栅以组合N激光二极管的输出的波长光束组合方法，从而优选地消除在每个激光二极管上对分开的波长控制元件的需求。激光二极管2第一抗反射(AR)或低反射涂层在前面使激光二极管成为增益元件，这对于并入外腔来说是理想的。涂层在激光二极管的背面上的高反射率(HR)是宽带的(>20nm)并且通常不需要进行调制。外腔中的每个滤波器可为低通、高通或带通滤波器，只要叠加的传递函数使通带以预定量分开。该滤波器位于N激光器的准直输出中，N的值通过激光源需要的最终带宽和设定信道间隔的每个滤波器的叠加通带来确定。
在使用单模二极管的实施例中，发散度可为0.1mm mrad。实施例中，光束组合光学器件(optic)由光学共振腔中光学滤波器组成，通过滤波器从二极管到输出耦合器的往返行程限定了每个二极管元件的振荡波长。实施例中，带通滤波器是单独的元件，每个滤波器之间有空气。实施例中，带通滤波器组装为单片光学元件，例如用光学粘合或透明胶合组装的。
参见图1，示出了外腔光束组合组件100。组件100具有激光二极管源101，例如，激光二极管的阵列，激光二极管棒，或单独芯片的集合。该组件具有准直光学系统151，152，153，154，155(优选地提供在慢轴、快轴或二者准直的激光束)。激光二极管源具有单独的激光二极管101a，101b，101c，101d，101e。激光二极管源101提供了沿平行的激光束路径行进的激光束102a，102b，102c，102d，102e。激光束具有由箭头107所示的偏振方向(TE相对于二极管激光，TM相对于涂层)。激光二极管，例如101a，各具有AR(抗反射)涂层或低反射涂层的表面或面，例如103a。激光二极管，例如101a，各具有HR(高反射)涂层的表面或面，例如104a。激光束，例如102a，沿其光束路径行进至整体堆栈和光耦合器105。堆栈和光耦合器105具有TIR(全内反射)表面112，从而激光束102a沿堆栈的长度被引导并与通过滤波器108，109，110，111引导并滤波的激光束102b，102b，102c，102d和102e结合，从而提供激光束106。整体堆栈可具有浸入玻璃组件的涂层，或者单独地玻璃部分，或者光学涂层的一侧上的气隙，以使得带边沿更陡，并且光耦合器105，具有第一发送滤波器108，第二发送滤波器109，第三发送滤波器110以及第四发送滤波器111。第一发送滤波器108具有446.25nm带边沿和6nm带通，其由透过率曲线108a(对于每个曲线，y轴为透光百分率并且x轴为nm单位的波长)描述。第二发送滤波器109具有447nm带边沿和6nm带通，其由透过率曲线109a描述。第三发送滤波器110具有447.75nm带边沿和6nm带通，其由透过率曲线110a描述。第四发送滤波器111具有448.5nm带边沿和6nm带通，其由透过率曲线110a描述。
实施例中，离开准直的激光二极管装置的激光束具有4.5mrad慢轴发散度的发散度。因为激光束发散度确定了滤波器带边沿的陡度，发散度越大，带边沿越不尖锐，并且从而每个滤波器需要的间隔越宽，激光束的发散轴在这种情况下从约0.1mrad至约5mrad，这个范围中的所有发散度，以及更大和更小的发散度。
实施例中，外腔光束组合组件可具有1，2，10，20，12，数打，和数百个激光二极管，和对应的滤波器。组件可具有1，2，10，20或更多激光二极管棒，和用于棒中每个激光二极管的对应滤波器。优选地，每个二极管激光与其滤波器光学上关联(在该二极管激光的激光束路径上)。但是，在实施例中，1，2，3或更多个激光二极管能与单个滤波器光学上关联。
参见图1A，示出了外腔光束组合组件200。组件200具有激光二极管源201(优选地提供在慢轴、快轴或二者准直的激光束)，例如，激光二极管的阵列，激光二极管棒，或单独芯片的集合。激光二极管源具有单独的激光二极管201a，201b，201c，201d，201e。激光二极管源201提供了沿与激光束一致的激光束路径行进的激光束202a，202b，202c，202d，202e。激光束具有由箭头207所示的偏振方向。激光二极管，例如201a，各具有AR(抗反射)涂层的表面或面，例如203a。激光二极管，例如201a，各具有HR(高反射)涂层的表面或面，例如204a。激光束，例如202a，沿其光束路径行进至一侧集成或分立气隙的光滤波器的堆栈和光耦合器205。整体堆栈和光耦合器205具有TIR(全内反射)表面112，从而激光束202a沿堆栈的长度被引导并与通过VBG陷波滤波器208，209，210，211引导并滤波的激光束202b，202b，202c，202d和202e结合，从而提供激光束206。整体光耦合器205具有第一VBG陷波滤波器208，第二VBG陷波滤波器209，第三VBG陷波滤波器210，第四VBG陷波滤波器211。组合VGB的反射光谱由图表213示出(y轴为透光百分率并且x轴为nm单位的波长)；示出了第一VBG陷波滤波器208a，第二VBG陷波滤波器209a，第三VBG陷波滤波器210a，第四VBG陷波滤波器211a的反射光谱。VBG使得信道间隔大体上比用带通滤波器元件更近。
如这里使用的术语“外腔”指的空间或区域是在激光二极管源之外或离开激光二极管源，一般而言在光学块、若干光学块或光学元件或类似类型结构中，并且包括光学块、若干光学块或光学元件或类似类型结构。例如，外腔由整体光耦合器或滤波器堆栈和耦合器形成。外腔可为，或包围，光学透射固体材料(例如硅土、蓝宝石等)，自由空间(不存在固体材料)，或二者。外腔可在例如能组成或包含激光组件、激光工具或激光装置的壳体中或由其限定。从而，例如，壳体能包围整体光耦合器的部分或全部，或者能包围光耦合器和激光二极管源二者的部分或全部。
从而，参见图13，示出了激光组件1300的一实施例的框图示意图。组件1300具有二极管阵列1301，其沿激光束路径1303a，1304a，1305a，1306a分别产生激光束1303，1304，1305，1306。激光束通过具有光学上关联二极管1370，1371，1372，1373的准直光学系统的二极管产生。准直光学系统可为单个非球面光学器件，其用于准直激光二极管源的快轴，但慢轴基本不准直，或者准直光学器件可由两个光学元件组成，即用于准直激光二极管的快轴的高速非柱面光学器件和用于准直激光二极管的慢轴的慢速非柱面光学器件。高速非柱面光学器件通常具有短焦距并且安装于靠近二极管激光器或位于本上，而慢速非柱面光学器件具有足够长的焦距，从而使激光源的发散度成圆形或者满足组件中使用的滤波器或VBG的接受角的需要。激光束路径从二极管阵列1301中的二极管延伸至光学组件1320，例如是图3的光学块，图2的滤波器堆栈，或者图1或图1A的整体耦合器。光学组件1320将激光束合并成沿着激光束路径1307a行进的激光束1307。这里有外腔1302，其在二极管阵列1301外。外腔1302包含块1320，还有激光束和光束路径。外腔由具有用于沿着束路径1307a传输激光束1307的窗口的壳体1350包围。
二极管激光可为任意类型的二极管激光，并且包括小型半导体激光器，以及带间级联激光器(ICL)；量子级联激光器(QCL)。
在图1和图1A的实施例中，光耦合器与滤波器堆栈成整体。在图2的实施例中，光耦合器与滤波器堆栈是分开的。
参见图2，示出了光束组合组件220。组件220具有激光二极管源201，(优选地提供在慢轴、快轴或二者准直的激光束)例如，激光二极管的阵列，激光二极管棒，或单独芯片的集合。激光二极管源具有单独的激光二极管221a，221b，221c，221d，221e。激光二极管源221提供了沿与激光束一致的激光束路径行进的激光束222a，222b，222c，222d，222e。激光束具有由箭头227所示的偏振方向。激光二极管，例如221a，各包括具有AR(抗反射)涂层的表面或面，例如223a。激光二极管，例如221a，各包括具有HR(高反射)涂层的表面或面，例如224a。激光束，例如222a，沿其光束路径行进至滤波器堆栈225。滤波器堆栈225具有TIR(全内反射)表面232，从而激光束222a沿堆栈的长度被引导并与通过特定波长滤波器228，229，230，231引导并滤波的激光束222b，222b，222c，222d和222e结合，从而提供激光束226。每个滤波器具有不同波长，优选地具有对其他而言是独特的波长，并且例如为带通滤波器、高通滤波器、低通滤波器或为这些的结合。激光束226沿其激光束路径行进至输出耦合器233(R≤∞)，输出耦合器233在堆栈225外，提供反馈至通过从激光二极管(221a，b，c，d，e)通过组合器组件(220)的往返行程光学路径定义的激光源，到镜子(223)并通过组合器组件(220)返回并最终回到激光二极管(221a，b，c，d，e)，并且提供了激光束235。
此外，光谱组束可在更广泛的带宽范围如图3所示在外腔中同时发生在快轴和慢轴。从而，有激光组件300构型为五行301，302，303，304，305激光二极管，每行具有五个激光二极管，例如340a，其产生单独的激光束，例如340b。激光束沿激光束路径行进至第一光学块320，来自每行的激光束在这里组合成单个光束311，312，313，314，315。组合的激光束沿激光束路径行进至第二光学块330，在这里组合成单个激光束316，沿着激光束路径行进至光学器件340(其可为具有适当反射率(>30-40％)的宽带反射镜或者诸如窄带反射镜之类的波长选择装置)。一行的传递函数可为3-nm宽，但激光二极管的总增益(gain)能力为20nm，使得最多6行得以组合在激光系统的亮度上额外增加。该腔传递函数在图10中更详细描述。
参见图4，示出了用于四个带通滤波器的传递函数的实施例，其在组合器模块中使用以限定用于最后一个反光面为全内反射表面的光谱组束腔的复合传递函数。四个带通滤波器通过被组合以提供组合功能410的传递函数401，402，403，404(分别是序列1，序列2，序列3，序列4)示出。在图4-8中，y轴为透光百分率而x轴为nm单位的波长。
用于外腔中每个激光二极管的叠加的复合传递函数如图5和图6所示用于准直近似于1mrad或更小的高度准直的激光源。图5为使用传递函数的长波长边沿以为每个激光二极管源建立通带的情况下的低通构造。线505为452.75nm的，线504为453.40nm的，线503为454.00nm的，线502为454.60nm的，线501为455.00nm的。用于束组合器的往返行程透射谱可用图1最佳地阐明。第一线505的往返行程传递函数较宽，因其为图1中示出为112的TIR表面的宽带反射特性与以下滤波器(401，402，403，404)中每一个的传递函数的乘积。由于选择滤波器以叠加，如图4所示，激光束可见往返行程传递函数使波长比上波长带边沿短的光通过。顶点504比顶点505窄，因其为滤波器108(滤波器401(1-传送))的反射特性和造成在453.4nm仅0.75nm宽的通带的滤波器402，403和404的传输特性的乘积。顶点503为滤波器109(滤波器402)的反射特性和滤波器403和404的传输特性的乘积。由此产生在454nm的0.75nm宽的通带。顶点503为滤波器110(滤波器403)的反射特性和滤波器404的传输特性的乘积。这是在454.6的通带。顶点502为滤波器111(滤波器404)的反射特性而带宽由输出耦合器的带宽限定。输出耦合器的反射带宽越紧密，顶点505和501则越窄。505和501的波长顶点假定输出耦合器为2.25nm宽的带反射滤波器。图6为使用传递函数的短波长边沿以为外腔中每个激光二极管建立一系列通带的情况下的高通构造。线601为446.00nm的，线602为447.14nm的，线603为447.73nm的，线604为448.33nm的，线604为448.94nm的。每个组合器滤波器布置为在10微弧度内成45度角，使得每个激光二极管束叠加形成初始激光二极管N倍亮度的单个激光束。产生的传递函数确定了激光二极管的波长、带宽以及空间亮度。传递函数如上所述同样计算，但现在使用滤波器的短波长边沿并使得长波长的光通过。再次，601和605带宽通过仅2.25nm宽的窄带输出耦合器限制。10微弧度对准为自复合光束的1mrad发散度小偏差使得束1.05mrad在轴上或M2值1.1。
图5和图6对应于使用单模式激光二极管源，其光束形成为M2值接近1。然而多模式激光二极管在慢轴具有更高发散度，其可为近似于0.25度或更小，产生在更高发散角的滤波器的不同传递函数。图7和图8示出了在使用发散度0.25度的激光源的较宽传递函数时外腔组合器的复合传递函数。滤波器全都设计成在其叠加点在传递函数提供10-dB减少，如此足以抑制通带区域外的寄生激光作用。在图7中，线705为452.75nm的，线704为453.40nm的，线703为454.00的，线702为454.60的，线701为455.00的。在图8中，线801为446.00nm的，线802为447.14nm的，线803为447.73nm的，线804为448.33nm的，线805为448.94nm的。类似于以上对图5的阐述，外频带通过使用的输出耦合器限定，因此对于图7，2.25nm宽的输出耦合器将限定线705和701的带宽。线705为TIR表面和滤波器401，402，403，404的反射曲线的乘积。线704为滤波器401(1-传送)的反射曲线和滤波器402，403和404的传递函数的乘积。线703为滤波器402的反射曲线和滤波器403和404的传递函数的乘积。线702为滤波器403的反射曲线和滤波器404的传递函数的乘积。线701为滤波器404的反射曲线和图4未示出的输出耦合器的传递函数的乘积。在图8中，使用了较短波长边沿并且类似于以上对图6的阐述，外频带通过使用的输出耦合器限定，因此对于图8，2.25nm宽的输出耦合器将限定线805和801的带宽。线805为TIR表面和滤波器401，402，403，404的反射曲线的乘积。线804为滤波器404(1-传送)的反射曲线和滤波器401，402和403的传递函数的乘积。线803为滤波器403的反射曲线和滤波器401和402的传递函数的乘积。线802为滤波器402的反射曲线和滤波器401的传递函数的乘积。线801为滤波器401的反射曲线和图4未示出的输出耦合器的传递函数的乘积。
现在来看本发明的实施例的更多详细内容。如图1和图1A所示，两个或多个激光二极管在激光二极管面的背侧上具有高反射涂层并且在激光二极管面的前侧上具有抗反射涂层。光学器件用于在激光二极管的快轴和慢轴中准直光。一旦激光二极管光被准直，串行光学涂层或体布拉格光栅(光谱光束组合器)使光相对于光发射方向偏转最多90°的角度。光学涂层或体布拉格光栅位于使得从每个激光二极管发射的光空间上同时重叠于近场和远场。光学涂层或体布拉格光栅的设计造成通过系统的通带，其确定外腔的最低损耗路径，并且通过这样的限定造成限定每个激光二极管振荡的波长以及每个单独的激光二极管带宽。每组中心波长和对应的光学带宽在光谱中是互斥的。外激光腔通过输出耦合器光学器件、带宽-限制反射光学涂层或体布拉格光栅形成，其带宽-限制光学涂层或体布拉格光栅限定了外激光腔的总光学带宽。如图1所示，输出耦合器光学器件、带宽-限制激光腔输出光学涂层或体布拉格光栅可位于含有单独的光学涂层或体布拉格光栅的单片光学器件的表面/次表面上。除了输出耦合器光学器件、带宽-限制激光腔输出光学涂层或体布拉格光栅为分开的光学器件之外，图2与图1相同。
激光腔可包括一个或两个光谱光束组合器。在两个光谱光束组合器的情况下，每个特定光谱光束组合器作用于激光二极管光的快轴或慢轴，并且两个光谱光束组合器必须作用于彼此正交轴(相对于激光二极管发射面)。分开的光谱光束组合器以串行方式运行，从而光谱组束先在一个轴上进行，接着后面在正交轴上进行。
外腔的输出显示了N与单个激光二极管相比的亮度增强，其中N为外激光腔中激光二极管的数量。
每个单独的激光二极管由于外激光腔中的光学反馈将在复合光学器件的传递函数中在最低损耗的波长产生激光，只要单独的激光二极管的增益带宽由于外激光腔中的光学反馈落入复合光学组合器的传递函数中。
外腔激光的振动带宽能通过外腔中不同类型的滤波器来调制或改变，以便控制腔的损耗，从而只有最低损耗波长波段振荡。
用于单轴光谱光束组合外腔的光学涂层或体布拉格光栅(带通滤波器)的设计如图4所示。外激光腔可设置为在低通构造运行，如图5所示，或者在高通构造运行，如图6所示。图5和图6二者示出了用于激光二极管光的快轴或者在二轴均为单模式的二极管激光的滤波器传递函数。在适中发散度0.25度的多模式激光二极管的情况下，图7示出了低通构造的传递函数，而图8示出了高通构造。其中由于多模式激光二极管的发散角，传输损耗略高。可组合的光束发散度有许多不同的组合，组合器模块的自由孔径尺寸和信道间隔配置通常取决于源的发散度和使用的源的类型，例如单独的激光二极管或激光二极管棒。
图9示出了一示例，其中例如图4的实施例的单独的带通滤波器设计成叠加使得其传递函数的乘积建立梳状滤波器型函数，其中ΣΔλBPF≤ΔλOC，其中ΣΔλBPF(901)为光学涂层或体布拉格光栅的传递函数的乘积，并且ΔλOC(902)为输出耦合器的带宽。定义N为单独的激光二极管发射极的数量，每个单独的带通滤波器的带宽定义为使得ΔλBPF≈ΔλOC/N(903)。对于中心波长λC，λC N(ΔλBPF N)-λC N-1(ΔλBPF N-1)≥ΔλBPF N-1，其中λC N(ΔλBPF N)为带通滤波器N(904)的中心波长，λC N-1(ΔλBPF N-1)为带通滤波器N-1(905)的中心波长，并且ΔλBPF N-1为带通滤波器N-1(906)的带宽。此外，λC N-1(ΔλBPF N-1)-λC N-2(ΔλBPF N-2)≥ΔλBPF N-2，以此类推，确保每个单独的激光二极管特有波长。
通过将一轴的传递函数与如图10所示垂直轴的传递函数叠加，具有四个激光二极管的单轴光谱光束组合外腔可扩展为如图3所示在二轴中的光谱束组合。在该示例中，从单独的激光二极管出发的光通过分开的光学器件集中于快轴和慢轴。每行X激光二极管接着通过与图1构造类似但比单独的行(例如图10的1050对应于图3的行301，图10的1051对应于图3的行302)具有更广泛梳状滤波器函数的束组合器光谱束组合于快轴。类似于前述情况，用于慢轴的单独带通滤波器设计成光谱带宽从而其传递函数的乘积为ΣΔλBPF,S X≈ΔλBPF,F X，其中ΣΔλBPF,S X(1001)为行X的带通滤波器的传递函数的乘积，并且ΔλBPF,F X(1002)为对应于在行X中光谱组合的激光二极管在快轴的带通滤波器的带宽。为了在快轴组合行X，标准如下ΔλBPF,F X≈ΔλOC/X并且ΣΔλBPF,F≤ΔλOC，其中ΣΔλBPF,F(1003)为快轴带通滤波器的传递函数的乘积。为了确保每个单独的激光二极管特有激光波长，考虑每行X中的M个单独的激光二极管和额外限制符合λC X*M(ΔλBPF,S X*M)-λC X*M-1(ΔλBPF,S X*M-1)≥ΔλBPF,S X*(M-1)，其中λC X*M(ΔλBPF,S X*M)(1004)为行X中的激光二极管M的中心波长，λC X*M-1(ΔλBPF,S X*M-1)(1005)为行X中的激光二极管M-1的中心波长，并且ΔλBPF,S X*M-1(1006)为行X中激光二极管M-1的相邻带通滤波器限定的梳状滤波器的带宽。并且还认为λC X*M-1(ΔλBPF,S X*M-1)-λC X*M-2(ΔλBPF,S X*M-2)≥ΔλBPF,S X*M-2，以此类推；λC X*M-(M-1)(ΔλBPF,S X*M-(M-1))>λC (X-1)*M(ΔλBPF,S (X-1)*M)，λC (X-1)*M-(M-1)(ΔλBPF,S (X-1)*M-(M-1))>λC (X-2)*M(ΔλBPF,S (X-2)*M)，还认为以此类推，其中λC X*M-(M-1)(ΔλBPF,S X*M-(M-1))为行X(1007)中最低波长带通滤波器的中心波长，而λC (X-1)*M(ΔλBPF,S (X-1)*M)为行X-1(1008)中最高波长带通滤波器的中心波长。此外，λC(ΔλBPF,F X)-λC(ΔλBPF,F X-1)≥ΔλBPF,F X-1，其中λC(ΔλBPF,F X)(1009)为行X的快轴带通滤波器的中心波长，λC(ΔλBPF,F X-1)(1010)为行X-1的快轴带通滤波器的中心波长，并且ΔλBPF,F X-1(1011)为行X-1的快轴带通滤波器的带宽。并且还认为λC(ΔλBPF,F X-1)-λC(ΔλBPF,F X-2)≥ΔλBPF,F X-2，以此类推。最终，ΣΔλBPF,F≈ΔλOC，其中ΔλOC(1012)为输出耦合器到外激光腔的带宽。该设计的另一循环是使得快轴先光谱束组合，随后是慢轴的光谱束组合。
在ΣΔλBPF>ΔλOC的情况下，在具有带宽-限制光学涂层或体布拉格光栅作为外激光腔输出耦合器的外腔构造中运行时，快轴、慢轴或二者上的传递函数作为边沿滤波器。这里列出了对同时在快轴、慢轴或二者上在特有波长运行N个单独发射极的限制。
对于假设具有四个激光二极管的单轴光谱光束组合外腔，带通滤波器的实施如图11所述。单独的带通滤波器的传递函数设计成叠加连续滤波器的上升(或下降)沿的中心波长为λC RE(BPFN)–λC RE(BPFN-1)≈(1-1/N)*ΔλOC，其中λC RE(BPFN)(1101)为带通滤波器N的前沿(或下降沿)的中心波长，λC RE(BPFN-1)(1102)为带通滤波器N-1的前沿(或下降沿)的中心波长，N为激光二极管腔中单独发射极的数量，并且ΔλOC(1103)为输出耦合器的带宽。此外，ΔλBPF N>Δλ(N)，ΔλBPF N-1>Δλ(N-1)，以此类推，其中ΔλBPF N(1104)为Nth带通滤波器的带宽并且Δλ(N)(1105)为任意Nth激光二极管的带宽。如前所述，标准λC RE(BPFN)>λC RE(BPFN-1)，λC RE(BPFN-1)>λC RE(BPFN-2)等等确保了每个单独的激光二极管特有激光波长。在图11的低通构造中，对于λC N>λC N-1的串行的N个激光二极管，λC N(1106)将在最高波长边沿ΔλOC(1107)和最低波长边沿ΔλBPF N(1108)之间产生激光，λC N-1(1109)将在最低波长边沿ΔλBPF N(1108)和最低波长边沿ΔλBPF N-1(1110)之间产生激光，以此类推。
具有四个激光二极管的单轴光谱光束组合外腔(图1和图2)可扩展为使用图3所描述的阵列构造在二轴中光谱束组合，但当如图12所示组合行时带通滤波器具有更广泛传递函数。在该示例中，从单独的激光二极管出发的光通过分开的光学器件集中于快轴和慢轴。每行X激光二极管接着通过如图13所示的组合器光谱束组合于快轴。类似于前述情况，用于慢轴的单独带通滤波器设计成光谱带宽从而其光谱带宽的总和为ΣΔλBPF,S X>ΔλBPF,F X，其中ΣΔλBPF,S X(1201)为行X的带通滤波器的光谱带宽的总和，而ΔλBPF,F X(1202)为快轴中对应于光谱组合于行X的激光二极管的随后带通滤波器的带宽。要结合X行于快轴，标准如下ΔλBPF,F X≥ΔλOC/X并且ΣΔλBPF,F≥ΔλOC，其中ΣΔλBPF,F(1203)为快轴带通滤波器的带宽的总和，而ΔλOC(1204)为输出耦合器的带宽。为了确保每个单独的激光二极管特有激光波长，考虑每行X中的M个单独的激光二极管和额外限制符合λC RE(ΔλBPF,S X*M)>λC RE(ΔλBPF,S X*M-1)，λC RE(ΔλBPF,S X*M-1)>λC RE(ΔλBPF,S X*M-2)，以此类推，其中λC RE(ΔλBPF,S X*M)(1205)为行X中慢轴带通滤波器M的上升沿的中心波长，λC RE(ΔλBPF,S X*M-1)(1206)为行X中慢轴带通滤波器M-1的上升沿的中心波长，以此类推。还认为λC(X*M)>λC(X*M-1)>λC(X*M-2)，以此类推，其中λC(X*M)(1207)为激光二极管X*M的中心波长，λC(X*M-1)(1208)为激光二极管X*M-1的中心波长，以此类推。附加标准限定了λC(X*M-(M-1))>λC((X-1)*M)，λC((X-1)*M-(M-1))>λC((X-2)*M)，还认为，其中λC(X*M-(M-1))为行X(1209)中的最低波长激光二极管的中心波长，而λC((X-1)*M)为行X-1(1210)中的最高波长激光二极管的中心波长。
此外，λC(ΔλBPF,F X)>λC(ΔλBPF,F X-1)>λC(ΔλBPF,F X-2)，以此类推，其中λC(ΔλBPF,F X)(1211)为行X的快轴带通滤波器的中心波长，λC(ΔλBPF,F X-1)(1212)为行X-1的快轴带通滤波器的中心波长。最后，ΣΔλBPF,F≥ΔλOC，其中ΔλOC(1204)为输出耦合器到外激光腔的带宽。如图12所示，对于λC(X*M)>λC(X*M-1)的串行的X*M激光二极管，λC(X*M)(1207)将在最高波长边沿ΔλOC(1213)和最低波长边沿ΔλBPF,S X*M(1214)之间产生激光，λC(X*M-1)(1208)将在最低波长边沿ΔλBPF,S X*M(1214)和最低波长边沿ΔλBPF,S X*M-1(1215)之间产生激光，以此类推。最终参数为λC(1)(1216)将在最高波长边沿ΔλBPF,S 1(1217)和输出耦合器(1218)的最低波长之间产生激光。该设计的另一循环是使得快轴先光谱束组合，随后是慢轴的光谱束组合。
在实施例中，组合的激光束的亮度，例如1307的亮度，比为激光组件集合二极管中使用的任意单个二极管，例如二极管阵列，激光二极管阵列，激光二极管棒，或单独芯片的集合，亮n倍(“n”x)，其中亮度定义为组合功率除以孔径发散度乘积。从而，组合束可为比激光二极管集合中使用的任意单个二极管亮约1.5x，约10x，约25x，约50x，约150x，约300x从约1.5x至约300x，从约100x至约150x，以及这些范围中的所有值，以及大于5x，大于50x，大于100x。特别是，亮度上增加的这n倍是在激光束为蓝色、绿色、蓝-绿以及可见光波长的实施例中的。
表1示出了用二维光谱束组合构造的140-2.5-瓦激光二极管实现的功率、亮度以及性能。该表阐述了基于构件块(building block)350-瓦模块的激光系统的功率和亮度怎样放大到使用光纤合成器射入处理光纤的数kW功率级。
表1
相同模块可组合于减少亮度但使模块替换略复杂些的自由空间。表2中示出了自由空间组合能实现的功率和光束参数乘积。
表2
下表描述了使用每个装置为约6.5瓦的较高功率蓝色激光二极管的效果。140个激光二极管的基础模块此时约900瓦，并且这些模块通过光纤合成器组合以构建大功率、高亮度的蓝色激光二极管系统。如表3所示。
表3
示例
以下示例用以描述本激光系统和运作的各种实施例，包括用于焊接部件的激光系统，包括电子存储装置中的部件。这些示例以阐述为目的，可为预期的，不应视为限制本发明的范围。
示例1
大功率、高亮度激光系统的一实施例具有两个单独的大功率激光二极管。二极管可为从约2W至10W。优选的二极管激光为10瓦，在红外线中可实现条宽<100microns。二极管在蓝色波长范围中可为约2.5W至6.5瓦，条宽小于40microns。系统具有由单独的大功率激光二极管共享的共有外腔。系统可扩展，具有三个、四个、十个、十二个和更多个激光二极管(例如图3)。还具有准直光学系统用以构建来自每个大功率激光二极管的平行束。系统在共有外腔中具有束组合光学器件，其确定了每个激光二极管的波长并且每个激光二极管对齐为共线并且在空间上叠加。系统从亮度定义为组合功率除以孔径发散度乘积的单个激光二极管亮度的n倍的系统提供激光源的空间亮度。完全填满激光二极管的可用增益曲线的二维阵列可生成单个激光二极管(例如图3)的30x亮度的源。通过选择具有在头30个激光二极管的增益谱之外的不同增益谱的激光二极管，使得能以另一因素2至60x单个装置的空间亮度增加激光二极管源的空间亮度，即使更高空间亮度也是可行的。根据期望的激光源的最终带宽，这可扩展到宽范围。实际范围为～100nm，例如405–505nm，对于总空间亮度增加约150x。
示例2
在外腔的一实施例中，束组合光学器件为带通滤波器的光谱的低通或高通端的边沿使用的一组光学滤波器。
示例3
在示例1的系统的实施例中，外腔激光运行于400-500nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例4
在一实施例中，外腔激光运行于500-600nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例5
在一实施例中，外腔激光运行于720-800nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例6
在一实施例中，外腔激光运行于800-900nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例7
在一实施例中，外腔激光运行于900-1200nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例8
在一实施例中，外腔激光运行于1200nm-1120nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例9
在一实施例中，外腔激光运行于1400-1500nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例10
在一实施例中，外腔激光运行于1500-2200nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例11
在一实施例中，基于带间级联激光器的外腔激光描述为(1)运行于2200-3000nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例12
在一实施例中，基于量子级联激光器的外腔激光描述为(1)运行于3000nm–4000nm范围中，输出功率>1瓦，光束参数乘积为0.1mm-mrad或更大。
示例13
在一实施例中，系统的外腔具有束组合光学器件，也就是一组体布拉格光栅滤波器。这些滤波器可具有非常窄的反射光谱并且不像二向色组合器法依赖于两个滤波器差来实现相同性能。此外，这些布拉格光栅可直接写入单片感光玻璃并且消除对单独块过后抛光和对齐的需求。一个或多个体布拉格光栅使光谱的一部分从单独的激光二极管重定向为与阵列中先前的激光二极管共线。这样，由(复数个)体布拉格光栅引导后的单独激光二极管束的总的亮度为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为被组合的激光二极管的数量。这样，在串行N个体布拉格光栅中，通过体布拉格光栅N的最大传输的点与N-1，N-2，N-3，…1st激光二极管的激光光谱的N-1，N-2，N-3，…1st顶点一致，而同时提供激光二极管N的最大射束偏转。该实施例可用于示例1的实施例和其它示例中。其实施例如图1A所示。
示例14
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射体布拉格光栅的TE-模式。
示例15
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射体布拉格光栅的TE-模式。
示例16
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的反射体布拉格光栅的TM-模式。
示例17
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的反射体布拉格光栅的TM-模式。
示例18
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的透射体布拉格光栅的TE-模式。
示例19
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的透射体布拉格光栅的TE-模式。
示例20
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和单独的透射体布拉格光栅的TM-模式。
示例21
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和单独的透射体布拉格光栅的TM-模式。
示例22
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和由单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TE-模式。
示例23
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和由单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TE-模式。
示例24
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和由单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TM-模式。
示例25
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和由单件材料制造的单独的反射体布拉格光栅的TM-模式。
示例26
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的慢轴和由单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TE-模式。
示例27
在激光系统(例如示例13的系统)的一实施例中，激光系统运行于发射的激光二极管光的快轴和由单件材料制造的单独的透射体布拉格光栅的TE-模式。
示例28
在系统的一实施例中，系统具有一个或多个光学涂层准直后相对于激光二极管输出光传播方向以最多90°的角度重定向来自单独激光二极管的一部分功率。这个系统中，近场和远场中的光学传播方向通过光学涂层重定向后在两个或多个单独的激光二极管之间是相同的。这样，单独的激光二极管束的总的亮度在通过光学涂层重定向后为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为被组合的激光二极管的数量。从而，在串行N个光学涂层中，通过光学涂层N的最大传输的点与N-1，N-2，N-3，…1st激光二极管的激光光谱的N-1，N-2，N-3，…1st顶点一致，而同时提供激光二极管N的最大射束偏转。该实施例可用于示例1的实施例和其它示例中，包括图1的实施例。
示例29
在一实施例中，激光源具有一个或多个体布拉格光栅。自光学涂层的输出光方向相对于自体布拉格光栅的输出光方向成90°。单独的激光二极管束的总的亮度在通过体布拉格光栅和光学涂层组合后为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，C为光学涂层的数量，而N/C为通过成组体布拉格光栅组合的单独的激光二极管束的数量。通过体布拉格光栅组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。
从而，给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX和体布拉格光栅的总的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1并且体布拉格光栅的总的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
示例30
在一实施例中，系统具有一个或多个光学涂层。自体布拉格光栅的输出光方向相对于自光学涂层的输出光方向成90°。单独的激光二极管束的总的亮度在通过体布拉格光栅和光学涂层组合后为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，B为体布拉格光栅的数量，而N/B为通过成组光学涂层组合的单独的激光二极管束的数量。通过体布拉格光栅组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。
通过光学涂层组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。
从而，给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX和涂层的总的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1和光学涂层的总的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
示例30A
示例30的实施方式用于其它示例的实施方式中。
示例31
在激光系统的一实施例中，系统自随后体布拉格光栅的输出光方向相对于自先前体布拉格光栅的输出光方向成90°。单独的激光二极管束的总的亮度在通过体布拉格光栅组合后为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，B为次体布拉格光栅的数量，而N/B为通过成组主体布拉格光栅组合的单独的激光二极管束的数量。
通过主体布拉格光栅组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。通过次体布拉格光栅组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。
从而，给定任意中心蓝色波长λc，自主体布拉格光栅M的光学带宽＝ΔλM，主体布拉格光栅M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自主体布拉格光栅M-2的光学带宽＝ΔλM-2，从而ΔλM-2≈ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自次体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX，次体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自次体布拉格光栅X-2的光学带宽＝ΔλX-2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推。
另外，给定任意中心蓝色波长λc，自次体布拉格光栅X的光学带宽＝ΔλX和主体布拉格光栅的总的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自次体布拉格光栅X-1的光学带宽＝ΔλX-1和主体布拉格光栅的总的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
示例31A
示例31的实施方式用于其它示例的实施方式中。
示例32
在一实施例中，激光系统具有一个或多个光学涂层。自随后光学涂层的输出光方向相对于自先前光学涂层的输出光方向成90°。单独的激光二极管束的总的亮度在通过光学涂层组合后为单独的激光二极管束的亮度的N倍，N为单独的激光二极管束的数量，C为次光学涂层的数量，而N/C为通过成组主光学涂层组合的单独的激光二极管束的数量。
通过主光学涂层组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。通过次光学涂层组合的激光二极管的每个单独组合的光学带宽是互斥的。
从而，给定任意中心蓝色波长λc，自主光学涂层M的光学带宽＝ΔλM，主光学涂层M-1的光学带宽＝ΔλM-1从而ΔλM-1≈ΔλM并且λc(ΔλM)-λc(ΔλM-1)≥ΔλM-1，自主光学涂层M-2的光学带宽≈ΔλM-2，从而ΔλM-2＝ΔλM并且λc(ΔλM-1)-λc(ΔλM-2)≥ΔλM-2，以此类推。
进一步地，给定任意中心蓝色波长λc，自次光学涂层X的光学带宽＝ΔλX，次光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1从而ΔλX-1≈ΔλX并且λc(ΔλX)-λc(ΔλX-1)≥ΔλX-1，自次光学涂层X-2的光学带宽＝ΔλX2，从而ΔλX-2≈ΔλX并且λc(ΔλX-1)-λc(ΔλX-2)≥ΔλX-2，以此类推。
另外，给定任意中心蓝色波长λc，自次涂层X的光学带宽＝ΔλX和主光学涂层的总的光学带宽ΣΔλM1从而ΔλX≥ΣΔλM1并且λc(ΔλX)≈λc(ΣΔλM1)，自次光学涂层X-1的光学带宽＝ΔλX-1和主光学涂层的总的光学带宽ΣΔλM2从而ΔλX-1≥ΣΔλM2并且λc(ΔλX-1)≈λc(ΣΔλM2)，以此类推。
示例32A
示例32的实施方式用于其它示例的实施方式中。
应注意，这里不要求提供或解决作为本发明的实施例的主题或与之相关联的新颖的和开创性的过程，系统，材料，性能或其他有益特征和特性的理论。但是，本说明书中提供了各种理论以进一步推进本领域的技术。在本说明书中提出的理论，除非另有明确说明，否则不得以任何方式限制、局限或缩小要求保护的本发明所提供的保护范围。运用本发明不需要或不实践这许多理论。还应理解，本发明可导致新的和迄今未知的理论来解释本发明的方法、物件、材料、装置和系统的实施方式的功能特征；并且这种后来发展的理论不应限制本发明提供的保护范围。
本说明书中阐述的系统、设备、技术、方法、活动和运作的各种实施例可用于除本文阐述的那些之外的各种其他活动和其他领域。另外，例如，这些实施例可以与以下一起使用：将来可能开发的其他设备或活动；以及根据本说明书的启示可以部分修改的现有设备或活动。此外，在本说明书中阐述的各种实施例可以彼此以不同和各种组合使用。从而，例如，在本说明书的各种实施例中提供的配置可以彼此一起使用；并且本发明提供的保护范围不应限于在特定实施例、示例或特定附图中的实施例中阐述的特定实施例、构造或设置。
在不脱离本发明的精神或必要特征的情况下，本发明可以以不同于本文具体公开的形式来体现。描述的实施例在所有方面均被认为仅是说明性的而非限制性的。
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