用于激光束的波长耦合的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于具有不同波长的激光束的波长耦合的装置，该装置包括：用 于产生多个激光束的至少一个激光源；以及用于在空间上叠加所述多个激光束以形成具有 多个波长的叠加激光束的至少一个叠加机构。
【背景技术】
[0002] 用于多个激光束的（紧密的）波长耦合的装置包括激光源，该激光源产生多个具 有不同波长用于叠加或者说波长耦合的激光束。这些激光束在叠加机构中空间叠加并且形 成叠加的、具有多个波长的激光束。作为叠加机构可以使用例如呈棱边滤波器形式的光谱 灵敏元件。经常使用角分散的光学元件作为叠加机构。在角分散的光学元件上，以不同角 度照射的激光束基于其分别不同的波长叠加为一个唯一的、具有多个不同波长的激光束。 作为角分散的光学元件经常使用反射的或发射的栅，该栅将以不同角度照射的激光束以一 个共同的出射角反射或发射。该栅可以例如构造为介电的反射栅或发射栅、体布拉格光栅 ("Volume Bragg Grating"，VBG)或构造为基于全息（"Volume Holographic Grating"） 的栅，如同例如在文献EP2523280 A2中所述。作为叠加机构也可以使用例如呈棱镜形式的 角分散光学元件。
[0003] 为了实现角度分布或者为了产生以不同角度照射到角分散光学元件上的激光束， 存在不同的可能性。在US 6, 192,062 Bl中例如描述一种装置，其中出于该目的使用呈透 镜形式的成像光学元件。该透镜将在布置有多个放大元件（激光发射器）的第一焦平面中 的位置分布转换为在第二焦平面中的角度分布。由第一焦平面中的不同位置上的放大元件 发出的、典型地平行的激光束通过位置-角度变换，如期望的那样以不同的角度照射到衍 射栅上。用于变换的透镜可以构造为圆柱透镜或者可能构造为球形透镜，在下文中也被称 为变换透镜。
[0004] 替换使用成像光学元件来实现到角分散光学元件上的角度分布，也可能的是，改 变由多个相互间隔开的激光源射出的激光束的光束方向，使得这些激光束在叠加区域中以 不同的角度照射在角分散光学元件上。为了实现这一点，可以使用多个透镜，这些透镜接收 和聚焦多个激光源的激光束，其中，透镜之间的间距（英语"Pitch"）不同于激光源之间的 间距，如在WO 2006/116477 A2中详细解释的那样。
[0005] 为了产生具有不同的波长用于叠加的激光束，需要波长稳定化。为了实现稳定， 可以对于每个待叠加的激光束进行反馈，以使配属于该激光束的激光发射器的对应波长稳 定化。在这种情况下可以例如使用所谓体布拉格光栅或光栅波导镜作为反馈元件，它们将 激光束的一部分反射回到对应的激光发射器中。波长稳定化也可以借助于一个共同的反 馈元件、例如借助于所谓啁嗽体布拉格光栅实现，该光栅能够使多个激光发射器稳定在不 同的波长上。也可能的是，直接在对应的激光发射器中进行反馈，例如在使用所谓"分散式 反馈" (DFB)激光器的情况下，其中，呈光栅结构形式的反馈元件写入激光活性介质自身中。 反馈元件或光栅结构也可以设置在激光活性区域之外，但是在集成予同一芯片上的波导体 中，如在例如所谓"分散式布拉格反射器"（DBR)激光器中就是这种情况。一个单个的波长 稳定的激光束的光谱带宽在此通常在大约0.1 nm到0. 4nm之间。
[0006] 反馈也可以借助于反馈元件实现，该反馈元件设置在叠加的激光束的光路中。在 这种情况下经常使用部分反射的耦出元件作为反馈元件，其中整个装置直至耦出元件用 作谐振器（所谓"外腔激光器"）。在这样的装置中可以使用由两个圆柱透镜或由两个球 形透镜组成的光束望远装置，如同例如在US 8, 049,966 B2中所述。在叠加激光束的光 路中也可以设置一单个透镜，该透镜大概与耦出元件的间距大约为其焦距，如同例如在US 6, 192,062 Bl 中所述。
[0007] 为了产生激光束，激光源典型地具有多个激光发射器，这些激光发射器构造为激 光二极管。多个典型地约5到约55或60之间个条形激光二极管可以在此并排地设置在一 个共同的芯片上，该芯片也称为（激光）棒。一个激光二极管典型地产生一个激光束，该激 光束在第一方向（FA( "fast axis"，快轴）方向）上比较快速地发散，也就是说具有例如 约40°或更大的大射出角，在第二方向（SA( "slow axis"，慢轴）方向）上比较缓慢地发 散并且例如以约15°或更小的射出角扩散。由相应激光二极管发射的激光束在FA方向上 具有几乎受限衍射的光束质量并且在SA方向上至少对于当前已知的宽条发射器具有较差 的光束质量。SA方向典型地在横向于条形激光二极管的棒平面中延伸，FA方向与SA方向 垂直。激光二极管可以在棒上以不变的相互间距（"pitch"，节距）设置，但是也可能的是， 棒的相邻激光二极管之间的间距是变化的。棒的各个激光二极管或带状发射器在SA方向 上的光束参数积也可以是变化的，如同例如在申请人的文献EP 2 088 651 Al中所述。为 了产生光束参数积的变化，至少一些带状发射器可以在SA方向上不同宽度地构成。
[0008] 为了使发出的激光束准直，可以在棒上或者与该棒间隔地设置圆柱形透镜，以使 各个激光二极管的激光束在FA方向上准直。借助于微光学的圆柱形透镜阵列，也可以在SA 方向上进行棒的各个激光束的准直。
[0009] 多个在SA方向上并排设置的激光棒形成所谓水平堆（英语："Stack"）。这些二 极管棒在此可以布置在一共同的热沉上，例如通过所谓"直接铜键合"，DCB。在DCB热沉中 有些情况下可能装有用于二极管棒的水冷的冷却通道。在此热沉可以特别稀薄地构成，这 使得能够实现各个激光发射器之间的小节距，亦即小间距，因为通过小热阻可以减少各个 激光发射器的热串扰并因此提高包密度。
[0010] 当然，多个激光棒相叠的堆置（亦即在FA方向上）也是可能的，这称为垂直堆。 这样的垂直堆可以尤其在背侧通过共同的DCB热沉冷却，由此实现在激光棒堆叠时的高填 充系数。多个激光棒也可以弓形地设置，从而发射方向朝向弓形内部，如同例如在文献EP 1619765 Al 中所述。
[0011] 由文献US 8, 049, 966 B2已知，将垂直堆的多个相叠设置的激光发射器或激光棒 的激光束在波长方面叠加。在文献US 2011/0216417 Al中提出，使用呈光学转子形式的转 换机构，以使水平堆的二极管棒或激光发射器的激光束例如旋转90°并且在激光束波长叠 加之前调换SA方向和FA方向的角色。在文献US 2011/0222574 Al中提出，借助于呈光栅 形式的两个叠加机构进行由激光源的二维阵列产生的激光束的二维波长叠加。
[0012] 除了上述机械堆叠之外，由多个激光发射器或多个激光棒产生的激光束的光学堆 叠也是可能的。出于该目的经常使用梳状交叠机构（英语"interleaver"）。梳状交叠机 构例如可以用于将垂直或水平堆的二极管棒的激光束梳状交叠，使得这些激光光束在梳状 交叠之后在一个维度或方向上相叠。梳状交叠可以例如以在文献EP 1601072 Al中所述的 方式实施。也可能的是，将两个例如垂直堆的激光束借助于作为梳状交叠的狭缝镜进行梳 状交叠，以便减小由各个二极管棒产生的激光束之间的填充系数或间距并且将它们在光学 上更紧密地打包。也可能的是，将沿SA方向并排设置的二极管棒的水平堆的激光束借助于 第一堆相对彼此扇形扭转的板或镜在FA方向上相互错位并且借助于另一堆相对彼此扭装 的板或镜一一该堆例如可以相对于第一堆扭转90°地设置一一在FA方向上产生激光束堆 叠，如同例如在文献DE 10 2011 016 253 Al中描述的那样。
[0013] 除了分别具有多个激光发射器的二极管棒之外，也需要所谓单发射器，亦即这样 的光二极管：其中，仅一个发射器布置在一个芯片或棒上。通常，在这样的单发射器中，在 FA方向和SA方向上的准直透镜也设置在芯片的热沉上或与该热沉相邻地设置。也可以由 单发射器构成堆。在常见的堆中，多个单发射器在梯形基体（热沉）的不同级上并排地设 置。由单发射器产生的、平行延伸的激光束例如可以通过镜结构一维地或沿一个空间方向 相叠地设置。
[0014] 在由多个激光棒产生的激光束的波长叠加中可以实现高激光功率。在这样叠加的 情况下，激光棒的发射器或激光二极管可以具有相同波长。由文献US 8, 049,966 B2例如已 知，将激光棒的多个水平堆堆叠并且将由分别叠置的棒产生的激光束在波长方面叠加。然 而这样叠加时的光束质量相比于多个单发射器的分别具有不同波长的激光束的叠加通常 更小。由多个在一个共同的棒上设置的激光发射器产生的激光束的这样叠加例如可以如此 实现，其方式是，在叠加之前借助于转换机构进行激光束的取向的转动，如同例如在文献US 2011/0216417 Al中所述。在这种情况下虽然可以在叠加之后实现高的光束质量，但是在多 个单发射器的激光束波长叠加情况下可以实现的总功率对于一个单个的外部谐振器看来 是比较小的。
[0015] 在两种情况下，在叠加时产生的激光束都可以为了进一步使用而被提供给光束引 导装置。通常将叠加的激光束耦合到光导纤维中。耦合之前的功率缩放可通过空间上的多 路复用或偏振多路复用实现。也可以借助于介电的棱边滤波器实现另外的粗略的光谱耦 合，如同例如在文献US 8, 049, 966 B2中进一步说明的。为了确保叠加的激光束有效耦合 到光导纤维中，叠加的激光束的光束轮廓应匹配于光导纤维的横截面。光束轮廓的匹配例 如可以借助于适合的光束望远装置实现。也典型的是，在叠加之后通常不同的光束质量在 两个相互垂直的方向上对称化是需要的。出于该目的可以实施叠加的激光束的光束转换， 以便产生基本上对称的光束质量用于耦入。对于激光束横向于传播方向的光束轮廓亦即强 度分布的匹配，空间上的多路复用可以通过多个叠加的、例如从多个外部谐振器耦出的激 光束的空间并排设置实现，例如参见文献EP 2 088 651 Al。光束轮廓或光束质量的匹配也 可以通过偏振耦合实现。
[0016] 所述叠加的激光束可以耦合到例如呈光导纤维形式的光束引导装置中并且用于 栗浦激光器，例如固体激光器。由固体激光器产生的激光束或由用于波长耦合的装置产 生的激光束自身例如可以用于材料加工，特别是用于激光切割、用于激光焊接、用于激光钻 孔、硬化、熔化、用于粉末涂覆等。
【发明内容】
[0017] 本发明的任务在于，提供一种具有改善的特性的用于波长耦合的装置。
[0018] 按照第一方面，该任务通过开始所述类型的用于波长耦合的装置解决，该装置还 包括：在激光源与叠加机构之间的光路中设置的用于将待叠加的激光束的一照射分量反馈 回到激光源的反馈机构，该反馈机构包括或者构造为部分反射的角分散光学元件，特别是 部分反射的衍射栅。
[0019] 在本发明的该方面中，用于产生激光束的激光发射器的波长稳定化不是如通常那 样通过呈耦出镜形式的反馈机构进行，而是通过布置在激光源与叠加机构之间的呈部分反 射的角分散的光学元件形式、例如呈部分反射的衍射栅形式的反馈机构进行，该衍射栅使 得所有参与叠加的激光发射器能够一次性地在波长上稳定化。
[0020] 部分反射的角分散光学元件为了波长稳定化可以照射的光束强度的例如大约 10%的部分反射而将大约90%的部分发射。当然，发射的与反射的激光束的比例不限于上 述数字例子；而是例如可以根据使用的激光发射器的类型（例如VCSEL)将照射的光束强度 的更大或更小部分反射回到激光源。
[0021] 在该实施方式的进一步改进中，该装置具有至少一个在激光源与角分散光学元件 之间设置的成像光学元件，用于在角分散光学元件上空间叠加激光源的激光束。成像光学 元件可以是例如透镜，该透镜与激光源、准确地说与激光源的激光发射器的典型地布置在 共同平面中的光射出面隔开大致间距为焦距地设置。部分反射的角分散光学元件在这种情 况下通常也大概间距为透镜焦距地设置。典型地，光源的待叠加的激光束已经沿至少一个、 通常沿两个方向（SA方向和FA方向）准直。
[0022] 如开始所述，通过这种方式可以将激光发射器的平面中的位置分布转换为角分散 光学元件的区域中的角度分布。但成像光学元件的使用仅是多种可能之一，用于在角分散 光学元件的区域中产生由多个激光发射器产生的激光束的空间叠加。用于将激光发射器的 平面中的位置分布转换为角分散的叠加机构上的角度分布的另外的可能性在后面进一步 说明。这些可能性也可以用于，在用作反馈机构的例如呈部分反射的衍射栅形式的角分散 光学元件上产生空间叠加。
[0023] 在一种改进中，部分反射的衍射栅关于照射的激光束以所谓利特罗角度布置。在 这样的布置中，照射的激光束的入射角与反射的（例如在光栅上衍射的）照射分量的出射 角一致。
[0024] 利特罗条件为：
[0025] sin( a L) = In1 λ/Ug1) (I)
[0026] 表示利特罗角，!!^表示衍射级次、λ表示激光束的波长，而81表示衍射栅的栅 常数。通过位置到角度转换，由不同激光发射器发出的激光束以不同的角度照到衍射栅上。 激光发射器的反馈、从而波长稳定化或者起振在配置给在衍射栅上的对应的待叠加的激光 束的相应（离散）入射角的（离散）波长处实现。典型地，作为反射的（或衍射的）衍射 级次使用-1衍射级次。在-1衍射级次的情况下，入射的和反射的激光束关于法线方向或 铅垂方向位于同一侧。未衍射的照射分量通常没有偏转地或者与衍射栅具有小的横向错位 地被发射。
[0027] 由反馈机构的角分散光学元件发射的激光束的叠加可以借助于叠加机构的角分 散光学元件、例如借助于棱镜或借助于衍射栅实现。通过两个角分散光学元件的特性的相 互协调可以实现：置加的激光束基本上沿相同方向延伸或者置加的激光束基本上以相同的 角度离开叠加机构。在此将"基本上相同"理解为：叠加的激光束的光束分散比单个待叠加 的激光束的光束分散不多10于倍、优选5倍、特别是2倍。
[0028] 在一个有利的改进中，叠加机构具有衍射栅。衍射栅可以构造为发射的或反射的。 叠加机构的衍射栅可以与反馈机构的角分散光学元件直接相邻地设置。在这种情况下衍射 栅通常构造为透射的。特别是对于衍射栅相对于反馈机构的角分散光学元件以较大间距布 置的情况，衍射栅也可以构造为反射的。
[0029] 通过叠加机构的衍射栅的特性与反馈机构的部分反射的衍射栅的适当协调，能够 以令人吃惊地简单的方式实现将激光束空间叠加为叠加的激光束。
[0030] 在此，反馈机构的部分反射的衍射栅的栅常数gi和叠加机构的衍射栅的栅常数g 2 如此相互协调，使得叠加的激光束以基本上相同的出射角离开叠加机构的衍射栅。在用作 叠加机构的衍射栅上，以不同入射角照射的激光束应合并为一个共同的激光束，该共同的 激光束在理想情况下以唯一的出射角从衍射栅射出，即由该衍射栅反射或发射。
[0031] 反馈机构的部分发射的衍射栅和叠加机构的衍射栅的栅平面可以相互平行地定 向。在这种情况下，典型地，在使用部分反射的第一衍射栅来在第二衍射栅上产生不变的出 射角的情况下必须满足的条件对于〇°出射角的情况与待叠加的激光束的波长无关。通过 选择这样的出射角可以在这种情况下确保：由部分反射的衍射栅发射的激光束被无分散地 置加。
[0032] 在一个改进中，对于叠加机构的衍射栅的栅常数&并且对于反馈机构的部分反射 的衍射栅的栅常数gl适用：m2/g2=my(2gl)，其中，!!^表示反馈机构的部分反射的衍射栅的 衍射级次，m 2表示叠加机构的衍射栅的衍射级次。在此将栅常数理解为典型地构造为闪耀 光栅或二进制光栅的衍射栅的相邻栅结构之间的间距。有利的是，衍射栅的两个衍射级次 一致，亦即适用：1?= m2。
[0033] 上述条件可以从在具有相应的折射率ndP η 2的光栅上衍射时在衍射级次m 2下入 射角α与出射角β之间的一般关系导出，该关系内容如下：
[0034]