专利名称：波长稳定的激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种激光二极管，特别地，本发明涉及将多个激光二极管源结合在高功率单光束中。
背景技术：
将多个激光二极管结合在一起以形成高功率单光源是人们所熟知的，而且在发明人为Robert Waarts等人、于1998年4月4日发表的、转让给JDS Uniphase公司的美国专利No.5,790,576中对其进行了描述，通过参考将该专利合并到本发明中。该专利的
图12在本发明中以图1示出，该图中的多个激光二极管161在该专利的图14中用1、2、3到10标出。该专利的说明书表明可将输出纤维1571、1572、1573到15710形成一个纤维束或结合在一个纤维耦合器163中，以提供高功率(1kW)单纤维输出165。所述光纤165也可以是双层包覆的纤维。也可以采用其它光束结合的方法，包括自由空间光束结合、偏振结合或者两者都使用。作为选择但并非优选，纤维束可以结合到大的多模纤维中，在这种大的多模纤维中，将光束在所述多模纤维中结合。
发明人为Yamaguchi等人的美国专利No.5,369,661公开了将来自半导体激光阵列的光结合到固体激光介质或光纤中的光学系统。所述光学系统包括梯度指数(GRIN)透镜阵列，所述梯度指数透镜阵列会聚与所述半导体激光阵列成一个大的发散角发射的多个单光束，以形成平行准直光束。
通过参考合并到本发明中的、发明人为Rice等人的美国专利No.6,229,940公开了一种非相干光纤激光系统，该系统提供一种可扩充的并能够聚焦于目标位置的输出光束，该目标位置位于相对较近或相对较远的位置，而并不要求复杂的光学元件。所述非相干光纤激光系统包括用于提供单模激光信号的多个单模激光源，如多个光纤放大器。所述的多个激光源，如所述的多个光纤放大器，在运行时相互之间并不相干，因而所产生的激光信号也并不相干。所述非相干光纤激光系统一般还包括用于将多个非相干激光信号按照所希望的路径发送的多个单模光纤。此外，所述非相干光纤激光系统还可以包括将所述多个单模光纤所分别提供的非相干激光信号准直的多个透镜。在一个优选实施例中，所述非相干光纤激光系统还包括将所述已准直的非相干激光信号合并并以一个预定的距离聚焦于目标位置的装置。
在一些方面，本发明与上述现有技术有关，不过，与现有技术有着极大不同的是本发明提供一种高功率波长稳定的激光源，这种激光来自于在光学反馈稳定的系统中具有多个激光二极管的光学系统，在所述光学系统中，从多个多模二极管激光二极管源所接收的光的一部分从单一的部分反射元件反馈给所述激光二极管中的每一个。本发明的一个新颖性方面在于将单一的反馈光学信号分成n个独立的次信号，以反馈给n个激光二极管。本发明的另一个新颖性方面在于利用单一光栅或反射元件的实质上相同的区域来向多个激光二极管提供反馈。
本发明使得从n个激光二极管发出的光束混合以形成的单个的混合光束，这种混合光束会发射到下游单一的部分反射的元件上，该部分反射的元件会以单一的混合反射信号的形式向所述激光二极管提供反馈，这种单一的混合反射信号将被分成n个反馈信号，以使所述n个激光二极管中的每一个都接收它所产生的一些辐射和作为反馈光的从n-1个其它的激光二极管所产生的一些辐射。
本发明的一个目的在于利用市场上可以获得的部件以相对较低的成本提供高功率激光输出信号。
虽然在一个优选实施例中利用光栅元件提供光学反馈，但利用光栅元件向激光腔提供反馈却并不新颖，例如，美国新泽西州Pennington市的PD-LD公司公开了LuxxmasterTM体积布拉格光栅(VBG)元件的使用，该体积布拉格光栅元件用于稳定二极管激光器元件的固定阵列。该公开已在国际互联网网址http//www.pd-ld.com/pdf/VBGAlignmentProdedure100703.pdf中公开。所示出的是使用多个光束，这些光束中的每一个都对准体积全息照相的不同位置，以提供稳定所述激光器的光学反馈。虽然这种方案看来如它所描述的那样工作，但这种方案还是被认为有一些缺陷和限制，而这些缺陷和限制正是本发明所试图来克服的。该解决方案虽然适合于激光二极管的阵列，但看起来并不非常适合于激光二极管为离散元件或成束的光纤的系统。利用激光二极管阵列的一个潜在的问题是如果一个出了故障或停止运行，那么那个在元件阵列中的单一激光元件不能够进行简单的置换。在LuxxmasterTM的公开中所示出的排列的另一个潜在的限制是来自每个激光二极管的激光并不发射到单一的反射元件的相同区域，因此对不同的反射元件可能会具有稍微不同的响应。通过参考合并在本发明中的、申请人为Volodin等人的美国专利申请20030219205也公开了VBG的结构和使用。
本发明的另一个目的在于从多个激光二极管中产生高功率激光输出信号，其中仅需要单一的光栅或反射器来稳定所述多个激光二极管。
本发明的再一个目的在于产生具有单一的输出光束的高功率激光，所述输出光束的波长的稳定由利用结合在多个二极管激光器中的部分反射元件的光学反馈来进行，所述反射元件可内嵌于多模纤维或可以是一个VBG，所述VBG被光学耦合以从光束合成仪接收单一的光束。
发明概述[12]根据本发明，提供一种高功率光源，所述光源包括多个激光二极管；多个多模波导管，所述多个多模波导管中的每一个有一个光学耦合到所述多个激光二极管中的一个的末端，以收集从所述多个激光二极管发出的光束并引导所述光束以一个正向方向传输到第一收集位置，所述多个多模波导管中的每一个还用于将穿过所述多模波导管的光以一个反向方向引导到所述多个激光二极管；放置用来接收来自所述第一收集位置的以正向方向传输的光束的光学合成仪，所述光学合成仪用于将所述光束合并成单一的正向传输的光束，以使在每个光束中的实质上所有的光辐射重叠在其它的每个光束的光辐射上，以形成所述单一的光束，所述光学合成仪还用于将所接收到的以反向穿过的光束在所述收集位置分成分离的光束，以向所述多个激光二极管提供光学反馈；至少部分反射的元件，所述元件被放置用来接收所述单一的以正向传输的光束，以使所述单一的以正向传输的光束的多于60％的部分穿过所述元件，并将所述单一的以正向传输的光束的3-40％作为稳定所述激光二极管的反馈而反射回所述激光二极管。
其中，所述至少部分反射的元件可以是一个具有1到7nm带宽，反射率为5％到40％的滤光片。优选地，所述至少部分反射的元件是一个具有1到7nm带宽，反射率为10％到20％的滤光片。所述10％到20％的反射率是针对具有中心波长的光束，所述中心波长是792nm、808nm、915nm、938nm和976nm中的至少一个。
根据本发明的另一个方面，提供一种高功率光源，所述光源包括a)多个激光二极管；b)多个多模波导管，所述多个多模波导管中的每一个有一个光学耦合到所述多个激光二极管中的一个的末端，以收集从所述多个激光二极管发出的光束并引导所述光束以一个正向方向传输到第一收集位置，所述多个多模波导管中的每一个还用于将穿过所述多模波导管的光以一个反向方向引导到所述多个激光二极管；c)放置用来接收来自所述第一收集位置的以正向方向传输的光束的光学合成仪，所述光学合成仪用于将所述光束合并成单一的正向传输的光束，以使在每个光束中的实质上所有的光辐射重叠在其它的每个光束的光辐射上，以形成所述单一的光束，所述光学合成仪还用于将所接收到的以反向穿过的光束在所述收集位置分成分离的光束，以向所述多个激光二极管提供光学反馈；d)至少部分反射的元件，所述元件被放置用来接收所述单一的以正向传输的光束，以使所述单一的以正向传输的光束的多于60％的部分作为传输光束引导到输出位置，并将所述单一的以正向传输的光束的3-40％作为稳定所述激光二极管的反馈而反射回所述激光二极管。
附图简述[14]本发明的示范性实施例将结合附图进行描述，在这些附图中[15]图1是现有技术中的高功率光源，在此光源中，将多个激光二极管合并在一起并在双包覆的单光纤上输出。
图2是示出了现有技术中的激光二极管棒的示意图，在该激光二极管棒中，通过提供部分反射的LuxxmasterTM全息元件来实现波长锁定。
图3是本发明的一个实施例的示意图，在该实施例中，多个激光二极管的输出端通过多模光纤耦合到合成仪，且所述合成仪通过单一的多模纤维光学耦合到体积全息照相。
图4是本发明的一个实施例的图，在该实施例中，放置两段多模纤维来从合成仪接收合并光，在所述两段多模纤维之间有一个滤光器。
图5是本发明的一个可供选择的实施例的示意图，在该实施例中，从所述合成仪到一个反射元件使用自由空间光学装置。
图6是本发明的一个实施例的示意图，该图示出了多个光源、一个光纤合成仪、一个单一的多模纤维和一个准直透镜，所述准直透镜在一个端面有部分反射涂层，在另一端面有AR涂层。
图7是本发明的一个可供选择的实施例的示意图，在该实施例中，实质上是完全反射的元件提供两个反射光束。
发明详述[22]参看图2，该图示出了激光二极管棒，在该激光二极管棒中，通过在光束的路径中提供多个部分反射LuxxmasterTM全息元件来实现波长锁定，所述光束从激光二极管的阵列发出。具有四个发射条纹的二极管激光棒20发出入射在圆柱形准直显微透镜元件24上的光，所述圆柱形准直显微透镜元件24向所述LuxxmasterTM全息元件26提供四个实质上准直的光束22。离开所述准直显微透镜元件24的光束在入射在所述LuxxmasterTM全息元件26上时被分离并在离开所述LuxxmasterTM全息元件26时稍微地重叠。
正如将在下面所描述的那样，与图2中所示的排列形成对比的是，本发明提供一种激光系统，在这种系统中，从多个二极管激光器发出的光束合并在一起以完全重叠或混合来形成单一的光束，这种光束在实质上提供给单一的反射元件上的相同的区域或位置或点，来自所述多个二极管中的任何一个的所有光和来自另外的二极管的所有光重叠，以使来自每个二极管的光映射在相同的区域上，而不是现有技术中的在图2中所示出的多个点或多个部分地重叠的点。
图3示出了本发明的一个实施例，在该实施例中，61个激光二极管30通过61个多模光纤33光学耦合到合成仪元件32，不过在该图中仅示出了3个多模光纤，所述合成仪元件32用于将由所述激光二极管30输出的光功率合并到单一的多模光纤35中。在所述耦合器中所产生的损耗约为1％，而在所述单一的多模光纤35上剩余约99％的光。在所述合并后的光离开所述光纤35时，这种光优选由一个以透镜37形式的准直光学元件准直为单一的实质上准直的光束38，将所述单一的实质上准直的光束38引导以射在一个或多个体积布拉格光栅(VBG)39上。在运行中，当所述单一的实质上准直的光束38入射在所述VBG上时，所述光能的约76.8％穿过，所述光束38的剩余部分，即考虑了损耗之后还有约20％的光向后反射回所述激光二极管。所示出的合成仪元件32可以是合成仪的任何形式，包括由一个或多个透镜形成的合成仪或纤维束合成仪。光学合成仪可从JDS Uniphase公司在市场上得到，该公司提供将10、16或20个多模纤维输入合成为单一的多模输出的合成仪。在将来自几个多模激光二极管的功率进行合成以产生单一的高功率输出源时，这些纤维合成仪会很有用处。优选所述透镜37产生实质上与传输光束的光轴同轴的光束，以使所述混合光在所述VBG 39上占据大体上呈圆形的区域。
虽然在图3中所示出的排列在所述合成仪元件32的输出端使用单一的多模光纤，但也可以设想其它的结构，如将来自所述激光二极管的光以另一种方式合并成一个单一的输出光束，且将所述光束引导到部分反射器上的相同区域。
图4示出了一种可供选择的排列，在这种排列中，将末端被分开或磨光的两个多模纤维42a和42b以末端对末端的方式邻接在一起，且在将所述两个末端邻接在一起之前，在所述42b的末端中的一个上使用多层涂层44。通过这种方式，所述多层涂层或滤光片44就内嵌和夹入所述纤维42a和42b之间，且在邻近于所述纤维42a和42b的位置出现。在制造过程中，当将所述第二光纤邻接于所述第一光纤之上的涂层时，必须小心以保持所述涂层的完整性。作为选择，也可将光栅写在多模光纤中，这样会提供所希望的反射率和带宽，以提供所希望的光学反馈。
优选所述多层涂层具有窄的反射率频带。通过举例更明确地来讲，对于距所述激光器的中心波长从10nm±到4nm±来说，所述涂层会被进行抗反射涂覆以具有小于1％的反射率。对于在所述激光器的中心波长附近±2nm来说，所述涂层的反射率会优选＞2％。
所述激光器中心波长的例子有[29]808nm、792nm、938nm、973nm、976nm和980nm。
对于垂直入射的反射率，如果所述激光器中心波长是938.5，滤光片参数的例子如下[31]910nm到934nm小于1％[32]934nm到936nm小于7％[33]936nm到941nm5-10％[34]941nm到943nm小于7％[35]943nm到960nm小于1％[36]所述涂层可涂覆在如图3所示的合并光纤35的输出端上而不用提供VBG。作为选择，所述涂层可涂覆在如图3所示的准直透镜上以消除对所述VBG 39的需求。这在图6中示出。
与现有技术中仅有一小部分光被反射回所述激光腔的激光系统不同，在本发明的系统中，实质上有更大部分的光，如10％或10％以上一直到40％的光可用作反馈光，因为这种光在反射回所述合成仪时，必须将其分离并在所述许多多模纤维中分开，以使所要求的小部分到达每个激光腔，以在所希望的范围内稳定波长。本发明的新颖性在于合成为所述单一的光束的光可共享所述单一的部分反射元件，本发明的新颖性也在于将返回光分离给产生光的不同的激光器。我们相信这会提供一种有成本效率的波长稳定系统，这种系统在有一个激光器出现故障的情况下会很容易地修理。在此情况下，对出现故障的激光器可以进行更换，而无需更换其它的正在工作的激光器。
人们熟知各种各样的用于稳定激光腔的光学反馈形式。例如，通过参考合并在本发明中的、发明人为Ventrudo的美国专利No.5,485,481和6,661,819以及通过参考合并在本发明中的、发明人为Ziari等人的美国专利No.6,525,872均对此做了描述，这几个专利都转让给JDS Uniphase公司。
在光学反馈中，在将激光辐射功率P的一小部分k相干地返回所述激光腔以使所返回的光与所述激光腔中的激光相干时，光腔损耗L会减少ΔL～√k(k的平方根)，其中，k是功率反馈系数，定义为所返回的功率与所发出的功率之比。由具有反射带宽Δλ的功率选择反射器所提供的功率选择反馈可减少光腔中的光损耗，这种减少仅针对波长在所述反射带宽Δλ中的激光模式，因此就能够鉴别其它的波长在所述反射带宽外的激光模式。在没有这种反馈引致的损耗鉴别的情况下，所述激光波长光谱在运行期间可能会由于激光增益光谱、激光器温度、激光器老化等的小变化而变化，这种在激光增益光谱中的小的变化是由于如泵电流波动而引起；相对于目前并不发出激光的另一种模式或模式组的光学增益来说，这些变化可减少目前发出激光的模式的光学增益，因此而导致在激光光谱中的变化。通过在激光运行期间提供损耗鉴别，这种鉴别超过了所预想的相对增益变化，就会将所述激光光谱稳定在所述外反馈反射带宽Δλ的反射带宽内。
在另一种通过外光学反馈进行激光稳定的非相干装置中，激光辐射的一小部分返回所述激光腔会引起人们所知为相干坍缩的动态反馈，其中所述激光辐射的相干长度减小而变得小于所述反射器与所述激光器之间的距离，而所述激光光谱变得相当宽。若所述反馈波长带宽Δλ比在非选择反射器所引起的相干坍缩的状态中将会具有的激光光谱带宽略小，且所述反馈所引起的损耗鉴别大到足以避免所述激光辐射的光谱跳变到所述带宽Δλ之外，那么所述激光就会以稳定的光谱来运行，这种光谱占据所述带宽Δλ并由所述外反射器的选择性来定形。
前面所述的现有技术中的解决方法描述了光学反馈稳定的系统，这种系统用于分别由一个或多个反馈信号所稳定的一个或多个二极管激光器，而且其中的激光器的光学辐射的反射部分被实质上返回到相同的激光器，甚至在多个激光二极管，如组成激光二极管阵列的激光二极管同时由结构上相同的外反射器稳定时也是如此。
与之相反，本发明采用多模光束合成仪，在这种多模光束合成仪中，将不同激光器的光混合，以使如果所述合成仪将N个单个激光器的激光束混合，那么第i个激光器辐射的反射部分ΔPi在返回所述合成仪时在所有的N个激光器之间被分开。因此，只有第i个激光器辐射的返回部分ΔPi的约1/N可被返回到所述第i个激光器腔中，这样就在相干稳定装置的情况下减少有效反馈水平N倍。
另一方面，也将所有其它N-1个激光器的反射辐射的约1/N部分注入所述第i个激光腔中，以在所有的N-1个激光器之间提供动态耦合。我们相信但并没有证实，这种动态耦合也许能够同时引起所有的N个激光器的相干坍缩。
参看图5，该图示出了本发明的一个实施例，在该实施例中，61个激光二极管50通过61个多模光纤53在光学上耦合到合成仪元件52，不过在该图中仅示出了3个多模光纤53，所述合成仪元件52用于将由所述激光二极管50输出的光功率合并成一束光束。本实施例中并没有在图3中所示出的光纤35。在所述耦合器所产生的损耗约为1％，而在所述单一的多模光纤35上剩余约99％的光。在所述合并后的光离开所述透镜57时，这种光优选被准直为单一的实质上准直的光束58，将所述单一的实质上准直的光束58引导以射在一个或多个体积布拉格光栅(VBG)59上。在运行中，由于所述单一的实质上准直的光束58入射在所述VBG上，所以所述光能的约76.8％穿过，所述光束58的剩余部分，即考虑了损耗之后还有约20％，向后反射回所述激光二极管。所示出的合成仪元件52可以是合成仪的任何形式，包括由一个或多个透镜形成的合成仪或纤维束合成仪。
参看图6，该图示出了本发明的一个实施例，在该实施例中，激光二极管60通过多模光纤63在光学上耦合到合成仪元件62，不过在该图中仅示出了3个多模光纤53，所述合成仪元件52用于将由所述激光二极管50输出的光功率合并到单一的多模光纤65中。在该图中示出了滤光片69，以包覆在透镜67的一个末端上。可选择提供一种透明基片以在所述透镜的末端或在所述透镜的末端上支撑所述滤光片。在另一个实施例中，可使用垫圈类环形滤光片支撑。
虽然所示出和描述的实施例谈及了至少部分反射的元件或体积全息照相，但提供实质上全部反射的元件也在本发明的范围内，这种全部反射的元件提供两个反射光束；在图7中示出了反馈光束74和从元件79所反射的被反射的发射光束76，而不是被透射的发射光束，被反射的发射光束76反射到所述反馈光束的路径之外的位置。在图7中，激光二极管阵列70向多个光纤73提供信号，所述多个光纤73的输出由合成仪72所合并。光纤75将所述合并的激光导向所述透镜77。
权利要求
1.一种高功率光源，包括多个激光二极管；多个多模波导管，所述多个多模波导管中的每一个有一个光学耦合到所述多个激光二极管中的一个的末端，以收集从所述多个激光二极管发出的光束并引导所述光束以一个正向方向传输到第一收集位置，所述多个多模波导管中的每一个还用于将穿过所述多模波导管的光以一个反向方向引导到所述多个激光二极管；放置用来接收来自所述第一收集位置的以正向方向传输的光束的光学合成仪，所述光学合成仪用于将所述光束合并成单一的正向传输的光束，以使在每个光束中的实质上所有的光辐射重叠在其它的每个光束的光辐射上，以形成所述单一的光束，所述光学合成仪还用于将所接收到的以反向穿过的光束在所述收集位置分成分离的光束，以向所述多个激光二极管提供光学反馈；至少部分反射的元件，所述元件被放置用来接收所述单一的以正向传输的光束，以使所述单一的以正向传输的光束的多于60％的部分穿过所述元件，并将所述单一的以正向传输的光束的3-40％作为稳定所述激光二极管的反馈而反射回所述激光二极管。
2.如权利要求1所述的高功率光源，还包括放置在所述光学合成仪与所述至少部分反射的元件之间的单一的多模光学波导管，所述波导管用于将所述单一的正向传输的光束引导到所述至少部分反射的元件。
3.如权利要求2所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件被放置在所述单一的多模光学波导管内或直接耦合到所述单一的多模光学波导管的一端。
4.如权利要求2所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件被放置在邻近于所述单一的多模光学波导管的一端的位置。
5.如权利要求4所述的高功率光源，还包括准直装置，所述准直装置在到所述至少部分反射的元件的路径上，将已经以正向穿过所述单一的多模光学波导管的光实质上准直。
6.如权利要求1所述的高功率光源，还包括将所述单一的正向传输的光束实质上定形的装置，以将所述单一的正向传输的光束在其射在所述至少部分反射的元件上时实质上准直。
7.如权利要求6所述的高功率光源，其特征在于，所述光学合成仪将所述多个光束合并成单一光束，所述单一光束具有一个与所述光束在传输时所沿着的光轴实质上同轴的截面。
8.如权利要求1所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件是一个体积布拉格光栅。
9.如权利要求1所述的高功率光源，其特征在于，所述激光二极管是离散元件。
10.如权利要求9所述的高功率光源，其特征在于，所述多个多模波导管被包含在一个束中。
11.如权利要求2所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件是被放置在所述单一的多模光学波导管的一个末端上的滤光片，并且，第二多模光学波导管的一个末端被耦合到所述滤光片的相对一侧，以使所述滤光片夹在所述单一的多模光学波导管与所述第二多模波导管之间。
12.如权利要求2所述的高功率光源，其特征在于，所述单一的多模模式波导管包括第一长度的多模光纤、第二长度的多模光纤和置于所述两种长度光纤的的末端之间的滤光片。
13.如权利要求11所述的高功率光源，其特征在于，对于波长距中心波长792nm、808nm、938nm或976nm为±2nm的光，所述至少部分反射的元件的反射率为＞2％。
14.如权利要求1所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件是一个具有1到7nm带宽，反射率为5％到40％的滤光片。
15.如权利要求1所述的高功率光源，其特征在于，所述至少部分反射的元件是一个具有1到7nm带宽，反射率为10％到20％的滤光片。
16.如权利要求15所述的高功率光源，其特征在于，所述10％到20％的反射率是针对具有中心波长的光束，所述中心波长是792nm、808nm、915nm、938nm和976nm中的至少一个。
17.如权利要求15所述的高功率光源，还包括一个透镜，所述滤光片被放置在所述透镜上。
18.如权利要求17所述的高功率光源，还包括被放置在所述合成仪与所述透镜之间的光纤，以在所述滤光片与所述合成仪之间引导光。
19.如权利要求12所述的高功率光源，其特征在于，所述滤光片是布拉格光栅。
全文摘要
本发明提供一种高功率光源，所述光源具有激光器二极管的阵列、束或单独的多个激光器二极管，所述激光器二极管耦合到同样数量的多模波导管，以收集从所述激光器二极管发出的光束。光学合成仪接收所述光束并将所述光束合并成单独的正向传输的光束，以使每个光束中实质上所有的光学辐射重叠在另外的每一个光束的光学辐射上，以形成所述单独的光束。设置一种反射元件以接收所述单独的正向传输的光束，并使所述单独的正向传输的光束的多于60％穿过。所述反射元件将所述单独的正向传输的光束的3％到40％作为稳定所述激光器二极管的反馈反射回所述激光器二极管。
文档编号G02B27/09GK1870369SQ20051007184
公开日2006年11月29日 申请日期2005年5月25日 优先权日2004年5月26日
发明者埃里克·保罗·朱克, 埃德蒙·L.·沃尔科, 文森特·V.·王, 克里斯·哈特, 杰伊·A.·斯基德莫尔, 伦道夫·W.·赫因斯 申请人:Jds尤尼弗思公司