Лазерная система многокиловаттного класса с излучением в голубой области спектра - RU2756788C1
Код документа: RU2756788C1
Чертежи
Описание
[0001] Эта заявка: (i) заявляет согласно 35 U.S.C. §119(e)(1) преимущество приоритета даты подачи предварительной заявки на патент США с порядковым номером 62/580419, поданной 1 ноября 2017 года, полное содержание которой включено в эту заявку по ссылке.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область изобретения
[0002] Настоящее изобретение относится к мощным лазерным системам, которые обеспечивают короткую длину волны, например, от примерно 350 нм до примерно 700 нм, к лазерной энергии длин волн и к применениям этих систем и лазерных пучков, в том числе к применениям для обработки материалов и лазерной сварки.
[0003] Системы аддитивного изготовления с изучением в инфракрасной-красной (IR) области спектра (например, имеющие длины волн, большие 700 нм, и, в частности, длины волн, большие 1000 нм) страдают, среди прочего, от двух недостатков, которые ограничивают как объем наращивания, так и скорость наращивания.
[0004] Используемым здесь терминам «UV», «ультрафиолет», «UV-спектр», и «UV-часть спектра» и подобным терминам, если явно не указано иное, следует придавать их самое широкое значение, и они могут включать в себя излучение на длинах волн от примерно 10 нм до примерно 400 нм, и от 10 нм до 400 нм.
[0005] Используемые здесь термины «мощные», «многокиловаттные» и «много-кВт» лазеры и лазерные пучки и подобные термины, если явно не указано иное, означают и включают в себя лазерные пучки и системы, которые обеспечивают или распространяют лазерные пучки, которые имеют по меньшей мере 1 кВт мощности (не являются маломощными, например, имеют мощность не менее 1 кВт), которые имеют мощность по меньшей мере 2 кВт (например, не менее 2 кВт), которые имеют мощность по меньшей мере 3 кВт (например, не менее 3 кВт), большую 1 кВт, большую 2 кВт, большую 3 кВт, от примерно 1 кВт до примерно 3 кВт, от примерно 1 кВт до примерно 5 кВт, от примерно 2 кВт до примерно 10 кВт, и другие мощности в этих диапазонах, а также большие мощности.
[0006] Используемым здесь терминам «видимый», «видимый спектр», и «видимая часть спектра» и подобным терминам, если явно не указано иное, следует придавать их самое широкое значение, и они могут включать в себя излучение на длинах волн от примерно 380 нм до примерно 750 нм, и от 400 нм до 700 нм.
[0007] Используемым здесь терминам «лазерные пучки с излучением в голубой области спектра», «лазеры с излучением в голубой области спектра», и «голубая», если явно не указано иное, следует придавать их самое широкое значение, и, в общем, они относятся к системам, которые обеспечивают лазерные пучки, источники лазерного излучения, например, лазеры и диодные лазеры, которые обеспечивают, например, распространяют, лазерный пучок или излучение, имеющее длину волны от примерно 400 нм до примерно 495 нм.
[0008] Используемым здесь терминам «лазерные пучки с излучением в зеленой области спектра», «лазеры с излучением в зеленой области спектра», и «зеленая», если явно не указано иное, следует придавать их самое широкое значение, и, в общем, они относятся к системам, которые обеспечивают лазерные пучки, источники лазерного излучения, например, лазеры и диодные лазеры, которые обеспечивают, например, распространяют, лазерный пучок или излучение, имеющее длину волны от примерно 495 нм до примерно 570 нм.
[0009] В общем, термин «примерно», используемый здесь, если не указано иное, означает отклонение или диапазон ±10%, экспериментальную или инструментальную ошибку, связанную с получением установленного значения, и предпочтительно большую из них.
[0010] Используемые здесь описания диапазонов значений, диапазона от примерно «х» до примерно «y», и подобные термины и количественные оценки, если не указано иное, включают в себя каждый элемент, признак, значение, величину или показатель, попадающий в этот диапазон. Используемые здесь каждая и все отдельные точки в диапазоне, если не указано иное, включены в это описание изобретения, являются частью этого описания изобретения, как если бы они были отдельно перечислены здесь.
[0011] Этот раздел «Предпосылки изобретения» предназначен для введения различных аспектов данной области техники, которые могут быть связаны с вариантами осуществления настоящего изобретения. Таким образом, приведенное выше в этом разделе описание обеспечивает основные положения для лучшего понимания настоящего изобретения и не должно рассматриваться как признание уровня техники.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Настоящее изобретение улучшает данную область техники и удовлетворяет давно ощущаемую потребность в обеспечении и использовании мощных лазеров с излучением в голубой, зелено-голубой и зеленой области спектра; и обеспечивает решения для давно назревших проблем аддитивных систем и процессов изготовления с излучением в инфракрасной области спектра, и удовлетворяет эти и другие давно ощущаемые потребности, а также будет удовлетворять будущие потребности, когда аддитивные процессы и системы изготовления получат более широкое распространение. Настоящее изобретение, среди прочего, улучшает данную область техники и решает эти проблемы и удовлетворяет эти потребности посредством обеспечения изделий, устройств и процессов, описанных и раскрытых здесь.
[0013] Таким образом, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра (400 нм - 495 нм), которая вводит >100 Вт в волокно от 50 до 200 мкм.
[0014] Дополнительно, обеспечена мощная лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра (400 нм - 495 нм), которая вводит >1000 Вт в волокно 150 мкм.
[0015] Дополнительно, обеспечена мощная лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра и с произведением параметров пучка примерно 5 мм⋅мрад для накачки рамановского волоконного лазера или для обработки материалов; причем такая обработка материалов включает в себя, например, сварку, резание, плакирование, и трехмерную (3-d) печать.
[0016] Дополнительно, обеспечена мощная лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра и с произведением параметров пучка примерно 10 мм⋅мрад для накачки рамановского волоконного лазера или для обработки материалов.
[0017] Еще дополнительно, обеспечена мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы и обработки материалов.
[0018] Дополнительно, обеспечена мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра использует призму для спектрального объединения пучков.
[0019] Еще дополнительно, обеспечена мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует дифракционный элемент для спектрального объединения пучков.
[0020] Еще дополнительно, обеспечена мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует объемную брэгговскую решетку для спектрального объединения пучка.
[0021] Еще дополнительно, обеспечена мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует диэлектрические покрытия в качестве фильтров для спектрального объединения пучков.
[0022] Дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт и с произведением параметров пучка примерно 5 мм-мрад, для накачки рамановского волоконного лазера или обработки материалов.
[0023] Дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт и с произведением параметров пучка, составляющим 10 мм-мрад, для накачки рамановского волоконного лазера или обработки материалов.
[0024] Еще дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов.
[0025] Еще дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощная диодная лазерная система с излучением в голубой области спектра использует призму для спектрального объединения пучков.
[0026] Еще дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует дифракционный элемент для спектрального объединения пучков.
[0027] Еще дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует объемную брэгговскую решетку для спектрального объединения пучка.
[0028] Еще дополнительно, обеспечена лазерная диодная система с излучением в голубой области спектра с мощностью 100-1000 Вт, которая спектрально объединена по пучку для создания достаточно узкого (<10 нм) составного пучка, который может быть использован для накачки мощной рамановской лазерной системы или обработки материалов, причем мощный диодный лазер с излучением в голубой области спектра использует набор дихроичных фильтров на основе диэлектрических покрытий для спектрального объединения пучков.
[0029] Таким образом, обеспечена лазерная система для обеспечения лазерного пучка с мощностью 10-1000 Вт и, более предпочтительно, многокиловаттного лазерного пучка, имеющая конечный выходной лазерный пучок, имеющий длину волны в спектральном диапазоне от примерно 400 нм до примерно 495 нм, причем система включает в себя 1, 2, 5, десятки и сотни соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль имеет 1, 2, 5, десятки и сотни подмодулей. Подмодули имеют 1, 2, 5, десятки и сотни линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов из системы материалов на основе GaN с коэффициентом отражения выходной грани, оптимизированным для стабильной синхронизации лазерных диодов; и установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед усиливающим кристаллом. Линзовые полупроводниковые усиливающие в голубой области спектра кристаллы установлены на ступенчатом радиаторе во внешнем резонаторе для оптимального выставления составляющих лучей быстрой оси. Эти усиливающие кристаллы выполнены так, что медленная ось каждого усиливающего кристалла коллимируется коллимирующей по медленной оси линзой. Объемная брэгговская решетка может быть размещена перед коллиматором по медленной оси для обеспечения прямой обратной связи с лазером для синхронизации его на заданной длине волны. Альтернативно, объемная брэгговская решетка может быть единым целым с коллиматором по быстрой оси или коллиматором по медленной оси. Дополнительно, объемная брэгговская решетка может быть размещена после поворотного зеркала для создания внешнего резонатора. Поляризация каждого из усиливающих устройств сохраняется во внешнем резонаторе.
[0030] Таким образом, обеспечена лазерная система для обеспечения лазерного пучка с мощностью 10-1000 Вт и, более предпочтительно, многокиловаттного лазерного пучка, имеющая конечный выходной лазерный пучок, имеющий длину волны в спектральном диапазоне от примерно 400 нм до примерно 495 нм, причем система включает в себя 1, 2, 5, десятки и сотни соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль имеет 1, 2, 5, десятки и сотни подмодулей. Подмодули имеют 1, 2, 5, десятки и сотни линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов из системы материалов на основе GaN с коэффициентом отражения выходной грани, оптимизированным для стабильной синхронизации лазерных диодов; и установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед усиливающим кристаллом. Линзовые полупроводниковые усиливающие в голубой области спектра кристаллы установлены на ступенчатом радиаторе во внешнем резонаторе для оптимального выставления составляющих лучей быстрой оси. Эти усиливающие кристаллы выполнены так, что медленная ось каждого усиливающего кристалла коллимируется коллимирующей по медленной оси линзой. Выходное излучение отдельных усиливающих кристаллов может быть введено в оптическое волокно объемной брэгговской решеткой для синхронизации элементов на конкретной длине волны. Выходные излучения волокон имеют теперь разные длины волн для каждого подмодуля и могут быть затем объединены спектрально дихроичным фильтром, объемной брэгговской решеткой, пропускающей дифракционной решеткой, или призмой.
[0031] Таким образом, обеспечена лазерная система для обеспечения лазерного пучка с мощностью 10-1000 Вт и, более предпочтительно, многокиловаттного лазерного луча, имеющая конечный выходной лазерный пучка, имеющий длину волны в спектральном диапазоне от примерно 400 нм до примерно 495 нм, причем система включает в себя 1, 2, 5, десятки и сотни соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль имеет 1, 2, 5, десятки и сотни подмодулей. Подмодули имеют 1, 2, 5, десятки и сотни линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов из системы материалов на основе GaN со встроенными брэгговскими решетками для настройки длины волны отдельных устройств на заданное значение. Кристаллы установлены на теплопроводящих основаниях, причем коэффициент отражения выходной грани, обращенной вовне, оптимизирован для выходной мощности устройства, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед усиливающим кристаллом. Линзовые полупроводниковые усиливающие в голубой области спектра кристаллы установлены на ступенчатом радиаторе во внешнем резонаторе для оптимального выставления составляющих лучей быстрой оси. Эти усиливающие кристаллы выполнены так, что медленная ось каждого усиливающего кристалла коллимируется коллимирующей по медленной оси линзой. Выходные излучения кристаллов имеют теперь разные длины волн для каждого подмодуля и могут быть затем объединены спектрально дихроичным фильтром, объемной брэгговской решеткой, пропускающей дифракционной решеткой, или призмой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0032] Фиг. 1 является спектром, генерируемым оптическим спектроанализатором для одного усиливающего в голубой области спектра элемента, синхронизированного на конкретной длине волны с шириной линии, составляющей 0,045 нм, согласно настоящему изобретению.
[0033] Фиг. 1А является графиком, показывающим спектр для одного усиливающего в голубой области спектра элемента, синхронизированного на конкретной длине волны с шириной линии, составляющей 0,045 нм, как на фиг. 1.
[0034] Фиг. 2 является схематическим изображением варианта осуществления подмодуля линзового кристалла на основании (LCOS) со встроенной ВБР для установления конкретной длины волны согласно настоящему изобретению.
[0035] Фиг. 3 является схематическим изображением варианта осуществления подмодуля из шести LCOS без встроенной ВБР согласно настоящему изобретению.
[0036] Фиг. 4 является схематическим изображением лазерного модуля, имеющего два ряда из шести подмодулей, относящихся к типу, показанному на фиг. 2, согласно настоящему изобретению.
[0037] Фиг. 5 является схематическим изображением полной лазерной системы киловаттного класса, имеющей семь модулей, относящихся к типу, показанному на фиг. 4, согласно настоящему изобретению.
[0038] Фиг. 5А является блочным схематическим изображением варианта осуществления с фиг. 5.
[0039] Фиг. 6 является схематическим изображением системы объединения пучков с уплотненными длинами волн без ВБР, имеющей два ряда подмодулей, относящихся к типу, показанному на фиг. 3, согласно настоящему изобретению.
[0040] Фиг. 7 и 7А являются спектрами (ось х является длиной волны в нанометрах (нм), и ось y является коэффициентом пропускания в %) функции полосы пропускания соответствующих фильтров фиг. 4 согласно настоящему изобретению.
[0041] Фиг. 8 является изображением в перспективе варианта осуществления блока спектрального объединения пучков (SBC) согласно настоящему изобретению.
[0042] Фиг. 9 является спектрами (ось х является длиной волны в нанометрах (нм), и ось y является коэффициентом пропускания в %) функции полосы пропускания соответствующих фильтров фиг. 6 согласно настоящему изобретению.
[0043] Фиг. 10 является изображением в перспективе подмодуля, относящегося к типу, показанному на фиг. 2, на ступенчатой пластине основания согласно настоящему изобретению.
[0044] Фиг. 11 является изображением в перспективе LCOS согласно настоящему изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0045] В общем, настоящее изобретение относится к мощным лазерным системам с меньшими длинами волн, к объединению пучков для обеспечения этих мощных лазерных пучков, и к применениям и использованиям для этих пучков. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к соединенным с волокном лазерным системам многокиловаттного класса с излучением в голубой области спектра, используемым для применений в обработке материалов и лазерной сварке, и, в частности, к длинам волн в диапазоне длин волн от примерно 400 нм до примерно 495 нм. Варианты осуществления этих лазеров имеют множество полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов, которые объединены по мощности посредством ступенчатого объединения пучков во внешнем резонаторе, мультиплексирования по длинам волн, поляризационного объединения пучков и объединения пучков в волокнах.
[0046] Дополнительно и в частности, один вариант осуществления настоящего изобретения относится к архитектуре для лазерной системы многокиловаттного уровня с излучением в голубой области спектра, работающей в спектральном диапазоне от 400 до 495 нм, спектральному диапазону от примерно 400 нм до примерно 495 нм. Этот лазер может обеспечивать произведения параметров пучка (BPP) < 6 мм⋅мрад (мм * мрад, или мм мрад, т.е. мм раз мрад). Эти типы лазеров очень востребованы для обработки или сварки материалов с высоким оптическим поглощением в голубой области спектра, одним из примеров которых является Cu. Эти типы лазеров также очень востребованы, среди прочего, для накачки рамановского лазера или для накачки волоконного лазера, легированного редкоземельными элементами.
[0047] Варианты осуществления настоящей лазерной системы являются многокиловаттными лазерными системами с излучением на длине волны в голубой области спектра (от примерно 400 до примерно 495 нм) и, более предпочтительно, в диапазоне от 400 нм до 475 нм, которые являются очень эффективными в применениях для обработки материалов, где короткая длина волны излучения предпочтительно поглощается практически всеми металлами, в частности, Cu и Au, которые трудно обрабатывать с использованием источников лазерного излучения инфракрасного диапазона спектра. Во многих вариантах осуществления применений, эти системы используют волоконно-оптические системы доставки с малой числовой апертурой (NA) для облегчения доставки и обеспечения высокой яркости. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения лазерные системы обеспечивают многокиловаттный лазерный пучок, имеющий произведения параметров пучка, составляющие примерно 5 мм*мрад, что обеспечивает эффективный ввод излучения в волокно.
[0048] Одним из улучшений данной области техники, обеспечиваемым настоящим изобретением, на котором основаны и на основе которого используются варианты осуществления настоящего изобретения, является возможность синхронизировать длину волны лазерного диодного усиливающего в голубой области спектра кристалла с конкретной длиной волны с шириной линии, составляющей всего 0,045 нм. Спектр варианта осуществления такого синхронизированного по длине волны лазерного пучка показан на фиг. 1 и 1А. Понятно, что предполагается любая синхронизированная длина волны с шириной линии, составляющей примерно 0,050 нм или менее, с шириной линии, составляющей примерно 0,045 нм или менее, с шириной линии, составляющей примерно 0,040 нм или менее, с шириной линии, составляющей от 0,050 нм до 0,350 нм, в диапазоне длин волн от примерно 400 до примерно 495 нм. Возможность синхронизировать лазерный диодный усиливающий в голубой области спектра кристалл позволяет обеспечить модульную конструкцию для объединения пучков с уплотненными длинами волн на основе этого результата синхронизации длин волн, например, в GaN.
[0049] Узкая ширина линии обеспечивается, например, посредством использования объемной брэгговской решетки в качестве внешнего фильтра обратной связи в комбинации с коэффициентом отражения оптимизированного покрытия на передней грани. Оптимизированное покрытие помогает обеспечить узкую синхронизированную ширину линии, поскольку, среди прочего, оно подавляет паразитные колебания вследствие подрезонаторов. Подрезонаторы, которые подавляются, включают в себя сам лазерный диодный элемент или подрезонатор между лазерным диодом и любыми внешними оптическими элементами, такими как коллимирующая оптика или сама ВБР.
[0050] Одним вариантом осуществления настоящего изобретения является масштабируемая лазерная система, которая включает в себя отдельные подмодули, которые синхронизированы на конкретной длине волны. Эти подмодули затем объединяют с использованием технологии объединения пучков с уплотненными длинами волн, после чего следует поляризационное объединение пучков со второй ветвью подмодулей. Результирующий пучок затем вводят в волокно линзой, подлежащей прямому применению, дополнительно объединяют с другими модулями для обеспечения равномерно высокой выходной мощности, или вводят в рамановское усиливающее волокно.
[0051] Вариант осуществления подмодулей состоит из множества линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов с передними гранями с меньшим коэффициентом отражения. Полупроводниковые усиливающие кристаллы изготовлены из системы материалов на основе GaN и широко используются для изготовления светодиодов (LED) с излучением в голубой и зеленой области спектра и лазерных диодов с излучением в голубой области спектра. Усиливающие кристаллы установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне. Коллимирующая по быстрой оси линза ( FAC) прикреплена перед усиливающим кристаллом для коллимирования испускаемого излучения по быстрой оси. Линзовый кристалл на основании имеет аббревиатуру LCOS.
[0052] В одном варианте осуществления LCOS-элементы установлены в ступенчатой конфигурации во внешнем резонаторе. Обычно имеется два или больше LCOS-элементов в подмодуле в зависимости от требуемого произведения параметров пучка. Медленные оси LCOS-элементов коллимируются отдельными коллимирующими по медленной оси линзами или SAC. LCOS-элементы могут быть электрически проводящими или электрически изолирующими подложками и могут быть электрически соединены последовательно, или последовательными/параллельными комбинациями. Проводные соединения обычно используются для соединения LCOS-элементов с электродами подмодулей. Поворотные зеркала используются для последовательного размещения коллимированного излучения по быстрой оси и для передачи его на выходной элемент, которым, например, может быть объемная брэгговская решетка (Volume Bragg Grating - ВБР). Поворотные зеркала могут быть также предпочтительно объединены с SAC в единый оптический элемент. Синхронизация длин волн в конфигурации с внешним резонатором приводит к спектральной ширине линии, составляющей < 1 нм, обычно < 0,1 нм для блока подмодулей.
[0053] В одном варианте осуществления LCOS-элементы установлены в ступенчатой конфигурации во внешнем резонаторе. Обычно имеется два или больше LCOS-элементов в подмодуле в зависимости от требуемого произведения параметров пучка. Медленные оси LCOS-элементов коллимируются отдельными коллимирующими по медленной оси линзами или SAC. LCOS-элементы могут быть электрически проводящими или электрически изолирующими подложками и могут быть электрически соединены последовательно, или последовательными/параллельными комбинациями. Проводные соединения обычно используются для соединения LCOS-элементов с электродами подмодулей. В этом варианте осуществления ВБР встроена в FAC для обеспечения как коллимирования по быстрой оси, так и синхронизации усиливающего элемента на основе GaN. Синхронизация длин волн в конфигурации с внешним резонатором приводит к спектральной ширине линии, составляющей < 1 нм, обычно < 0,1 нм для блока подмодулей.
[0054] В одном варианте осуществления LCOS-элементы установлены в ступенчатой конфигурации во внешнем резонаторе. Обычно имеется два или больше LCOS-элементов в подмодуле в зависимости от требуемого произведения параметров пучка. Медленные оси LCOS-элементов коллимируются отдельными коллимирующими по медленной оси линзами или SAC. LCOS-элементы могут быть электрически проводящими или электрически изолирующими подложками и могут быть электрически соединены последовательно, или последовательными/параллельными комбинациями. Проводные соединения обычно используются для соединения LCOS-элементов с электродами подмодулей. В этом варианте осуществления, ВБР встроена в SAC для обеспечения как коллимирования по медленной оси, так и синхронизации усиливающего элемента на основе GaN. Синхронизация длин волн в конфигурации с внешним резонатором приводит к спектральной ширине линии, составляющей < 1 нм, обычно < 0,1 нм для блока подмодулей.
[0055] В одном варианте осуществления LCOS-элементы установлены в ступенчатой конфигурации во внешнем резонаторе. LCOS-элементы коллимируются парой FAC и SAC линз. Выходное излучение коллимированных LCOS-элементов направляется на отражающую и пропускающую дифракционную решетку. Отражение Литтроу от каждой из решеток может быть использовано для синхронизации LCOS-элементов, а также для перенаправления выходного излучения внешнего резонатора LCOS/решетки на дихроичный фильтр, который используется для объединения других синхронизированных элементов в модуле.
[0056] Отдельные подмодули, которые синхронизированы на конкретной длине волны, объединяются далее в более мощный модуль с использованием полосовых, широкополосных, узкополосных дихроичных фильтров, ВБР или дифракционных решеток и призм. Подмодули могут быть объединены этими технологиями для создания модуля с шириной линии, составляющей < 10 нм. Может быть обеспечено дополнительное масштабирование мощности, например, посредством использования поляризационных способов объединения пучков для объединения пары объединенных по длине волны подмодулей. Обычный модуль может использовать два набора из тринадцати подмодулей или более внутри модуля. Каждый набор из тринадцати подмодулей имеет разброс по длинам волн, обычно составляющий < 10 нм. Упомянутые два набора объединяются посредством поляризационного объединения пучков, где либо широкополосная волновая пластина используется для поворота поляризации одной группы подмодулей, либо пара поворачивающих изображение зеркал используется в качестве ахроматического устройства поворота поляризации для совмещения двух отдельных групп подмодулей. Излучение модуля затем вводят в волокно с малой NA с использованием фокусирующей линзы. Модули помещаются в герметизированную оболочку и устанавливаются на радиатор. Радиатор может быть общепринятым теплообменником или может относиться макроканальному или микроканальному типу. Примеры радиаторов разных типов приведены в документе Design of Diode Laser Heat Sinks, Fraunhofer-Institut fur Lasertechnik ILT, (Jan 2007), http://ilt.fraunhofer.de/ilt/pdf/eng/products/Heatsinks.pdf, полное содержание которого включено в эту заявку по ссылке.
[0057] В одном варианте осуществления лазерная система многокиловаттного уровня с излучением в голубой области спектра реализована посредством объединения волокон в жгут и объединения множественных модулей в одно выходное волокно. Множества модулей объединяют с использованием волоконного соединителя, обозначаемого как соединитель «N волокон в одно волокно», где N>1 является числом входных волокон, которые расположены в геометрической структуре, оптимизированной для требуемого выходного волокна. Волокна и компоненты волоконного соединителя выбирают для обеспечения низкого поглощения и высокой стойкости к воздействию солнечного излучения в голубой области спектра, и изготовление волоконного соединителя оптимизируют для пропускания излучения в голубой области спектра.
[0058] Дополнительно к оптической системе варианты осуществления этих многокиловаттных лазерных систем могут включать в себя, среди прочего: устройство охлаждения, электронику/источник электропитания, защитные блокирующие устройства, детекторы контроля оптической мощности и датчики контроля температуры.
[0059] Предпочтительными диодами для использования в настоящих лазерных системах являются лазерные диоды с излучением в голубой области спектра на основе GaN, которые обычно имеют хорошую выходную мощность, эффективность и надежность. Эти диоды тогда используются в вариантах осуществления настоящих лазерных систем в качестве усиливающих элементов (с коэффициентом отражения покрытий выходной грани, оптимизированным для выставления и синхронизации). Варианты осуществления суммируют излучаемую мощность отдельных лазеров посредством использования их в ступенчатой конфигурации с внешним резонатором на уровне подмодуля. Ступенчатая конфигурация допускает более плотное размещение пучков лазерных диодов при объединении множественных лазерных диодных источников, где линза быстрой оси больше требуемого вертикального шага последовательно размещаемого лазерного источника. Дополнительно, в вариантах осуществления объединение подмодулей на уровне соединенного с волокном модуля выполняется посредством мультиплексирования по длинам волн длин волн подмодулей и посредством поляризационного объединения пучков.
[0060] В вариантах осуществления несколько модулей (причем семь является типичным числом) объединяются посредством объединения мощностей волокон. Этот вариант осуществления имеет уникальную последовательность объединения пучков усиливающих с излучением в голубой области спектра кристаллов с использованием ступенчатого объединения пучков во внешних резонаторах, мультиплексирования по длинам волн и поляризационного объединения и объединения мощностей пучков в волокнах, причем на каждом этапе в блок добавляется больше мощности, при максимизации излучаемой энергетической яркости (яркости) на уровне системы. Использование отдельных лазерных диодов позволяет спроектировать систему с наибольшей возможной яркостью, позволяющую использовать способ объединения мощных пучков в волокнах для некогерентного масштабирования мощности, и при этом все же позволяет создать источник лазерного излучения с достаточной яркостью для обеспечения возможности сварки, резания или накачки другого лазера.
[0061] Имеющиеся на рынке многомодовые лазерные диоды на основе GaN с излучением в голубой области спектра могут обеспечивать несколько ватт мощности от одного излучателя (см. например, многомодовый единый излучательный элемент Nichia NDB7K75, который рассчитан на 3,5 Вт мощности в диапазоне длин волн 440-455 нм, техническое описание которого можно найти по ссылке http://www.nichia.co.jp/en/product/laser.html). Мощность множества многомодовых полупроводниковых лазерных диодов с излучением в голубой области спектра на основе GaN или эквивалентных усиливающих элементов конструктивно суммируется при максимизации яркости для реализации киловаттных уровней мощности.
[0062] В одном варианте осуществления запускающим или основным компонентом для настоящих лазерных систем является усиливающий элемент на основе линзового кристалла на основании (LCOS). LCOS, например, образован из полупроводникового усиливающего кристалла на основе GaN, где GaN является системой материалов, широко используемой для изготовления светодиодов и лазерных диодов с излучением в голубой области спектра. В этом варианте осуществления усиливающий элемент на основе лазерного диода с излучением в голубой области спектра имеет покрытие с меньшим коэффициентом отражения (LR) на передней излучающей грани (< 10%) для обеспечения синхронизации длин волн в конфигурации с внешним резонатором. Покрытие с малым коэффициентом отражения является обычным в конструкциях полупроводниковых лазеров с внешним резонатором, например, относящихся к типу, описанному в документах US 5050179, US 6208679, US 6192062, WO 2016/042019, полное содержание которых включено в эту заявку по ссылке. Покрытие с меньшим коэффициентом отражения выбирается таким образом, чтобы оно было оптимизированным для обеспечения широкополосной синхронизации, а также для обеспечения лазерной генерации кристалла во время выставления и прикрепления линз. Предпочтительно, усиливающий кристалл припаивают на основание, которое может быть изготовлено из некоторого количества материалов, включающих в себя, например, SiC, алмаз, Cu, CuW, или Cu-AlN-Cu.
[0063] Усиливающий излучение в голубой области спектра кристалл прикрепляют к основанию с использованием припоя, который может быть получен из некоторого количества материалов для припоя, таких как Sn и сплавы на основе Sn, такие как Au-Sn, или In и сплавы на основе In, или Nanofoil® (зарегистрированный товарный знак компании Indium Corporation для реактивного многослойного фольгового материала, который подвергается самоподдерживающейся экзотермической реакции после импульса тепла). Быстрая ось усиливающего элемента коллимируется с использованием коллиматора быстрой оси (FAC). В то время как аппарат на основе кристалла на основании (COS) нашел применение в инфракрасных диодных системах (см., например, документ WO 2016/160547, и US 9450377 и US 6044096, полное содержание которых включено в эту заявку по ссылке), можно считать, что они не нашли широкого приемлемого промышленного применения, если таковое вообще имеется, для LCOS в диапазоне длин волн в голубой области спектра. Конфигурация настоящей FAC-линзы для излучения в голубой области спектра специально разрабатывается для уникального диапазона длин волн, конструкции усиливающего кристалла, что может включать в себя учет высоты, диктуемой производственными ограничениями, и учет размера подмодуля.
[0064] В общем, ступенчатое объединение пучков лазерных диодов описано и раскрыто в документах US 2004/0114648, US 7738178, US 7733932, US 7668214, US 7773655, US 8427749, US 8432945, US 8437086, US 9373932 и US 9318876, полное содержание которых включено в эту заявку по ссылке.
[0065] В вариантах осуществления настоящего изобретения ступенчатое объединение пучков лазерных диодов предназначено для испускающих излучение в голубой области спектра лазерных диодов на основе GaN или усиливающих в голубой области спектра кристаллов на основе GaN (кристаллов с покрытием с малым коэффициентом отражения (LR)), и предпочтительно для конфигураций, где усиливающие кристаллы расположены во внешнем резонаторе.
[0066] Варианты осуществления настоящего изобретения используют кристаллы, усиливающие в голубой области спектра, с LR-покрытием в конфигурации с внешним резонатором с использованием объемной брэгговской решетки (ВБР) в качестве выходного элемента. В одном варианте осуществления подход к объединению пучков включает в себя, в качестве примера, ступенчатое объединение пучков во внешнем резонаторе, структурированное зеркальное объединение во внешнем резонаторе, объединение пучков по длинам волн посредством мультиплексирования в пределах ширины полосы, составляющей 10 нм, поляризационное объединение пучков, волоконное объединение, и комбинации и варианты этих объединений для реализации объединенной системы, которая предпочтительно обеспечивает многокиловаттную мощность, длину волны в голубой области спектра и имеет произведение параметров пучка, меньшее 5 мм-мрад.
[0067] ВБР, которые могут быть использованы в вариантах осуществления настоящего изобретения, например, описаны в документах US 7394842 и US 7031573, полное содержание которых включено в эту заявку по ссылке. Волоконные соединители/ светоделительные элементы, которые могут быть использованы в вариантах осуществления настоящего изобретения, например, раскрыты в документах US 7218828 и US 7532792, полное содержание которых включено в эту заявку по ссылке.
[0068] Варианты осуществления настоящего изобретения могут охлаждаться пассивно (например, в отсутствие текущей или принудительно перемещающейся охлаждающей среды, например, радиатора, внешнего воздуха, или и того, и другого) или могут охлаждаться активно. Примеры активного охлаждения могут включать в себя протекание газа, например, воздуха, протекание жидкой охлаждающей текучей среды, например, воды, примерно диодов или в тепловом контакте с ними. Водяная система охлаждения для лазерных диодов раскрыта в документе US 9413136, полное содержание которого включено в эту заявку по ссылке.
[0069] В одном варианте осуществления, оптический аппарат выполнен с возможностью создавать многокиловаттное лазерное излучение излучением на длине волны в голубой области спектра (400-495 нм), причем оптический аппарат включает в себя:
[0070] a) M соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль образован из N подмодулей, где М>1 и N>1; i. причем подмодули состоят из Р линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов из системы материалов на основе GaN с покрытиями на передних гранях с меньшим коэффициентом отражения, оптимизированным для синхронизации; и ii. установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед усиливающим кристаллом; и, iii. линзовые полупроводниковые кристаллы, усиливающие в голубой области спектра, установлены на ступенчатом радиаторе во внешнем резонаторе для оптимальной синхронизации длины волны усиливающего элемента с заданной длиной волны; и, iv. поляризация каждого усиливающего устройства сохраняется в конструкции с внешним резонатором;
[0071] b) причем соединенный с волокном модуль включает в себя множество подмодулей; i. два набора подмодулей или более объединены посредством мультиплексирования по длинам волн с шириной полосы, составляющей < 10 нм; и ii. причем упомянутые два набора подмодулей с мультиплексированием по длинам волн объединены посредством поляризационного объединения пучков; и, iii. причем упомянутые модули содержатся в герметизированных оболочках и установлены на радиаторы; и,
[0072] c) волокна множества модулей объединены в жгут и объединены в одно выходное волокно, что обеспечивает лазерную систему киловаттного уровня с излучением голубой области спектра.
[0073] Варианты осуществления этих лазерных систем, модулей, подмодулей и способов могут иметь один или более следующих признаков: признак, согласно которому выходное излучение усиливающего элемента оптического аппарата коллимируется и перенаправляется поворотным зеркалом к следующему элементу объединения пучков; признак, согласно которому выходное излучение усиливающего элемента оптического аппарата коллимируется и выставляется следующим элементом объединения пучков; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и объемную брэгговскую решетку, объединенную с коллимирующей по быстрой оси линзой; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и объемную брэгговскую решетку после коллимирующей по быстрой оси линзы; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и объемную брэгговскую решетку после коллимирующей по медленной оси линзы; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и отражающую дифракционную решетку, работающую в конфигурации Литтроу после коллимирующей по медленной оси линзы и перенаправляющую выходное излучение к дихроичным фильтрам; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и пропускающую дифракционную решетку, работающую вместе с зеркалом для обеспечения обратной связи с усиливающим элементом и для перенаправления выходного излучения к дихроичным фильтрам; признак, включающий в себя усиливающий элемент на основе GaN, у которого грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и коллимирующую оптическую систему, причем выходное излучение вводится в оптическое волокно, причем оптическое волокно имеет волоконную брэгговскую решетку, встроенную в волокно, для определения обратной связи и длины волны усиливающих элементов на основе GaN; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать лазерный пучок, имеющий произведение параметров пучка, составляющее < 3,5 мм⋅мрад на быстрой оси; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать лазерный пучок, имеющий произведение параметров пучка, составляющее < 5 мм⋅мрад на медленной оси; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать лазерный пучок, имеющий произведение параметров пучка, которое, в целом, > 3,5 мм⋅мрад, но < 5 мм⋅мрад; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать лазерный пучок, имеющий произведение параметров пучка, которое, в целом, > 5 мм⋅мрад, но < 10 мм⋅мрад; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать спектральное излучение < 10 нм в области спектра 400-495 нм; признак, отличающийся тем, что аппарат выполнен с возможностью обеспечивать спектральное излучение > 1 нм, но < 5 нм, > 1 нм, но < 10 нм, > 1 нм, но < 15 нм, и > 1 нм, но < 20 нм; признак, отличающийся тем, что коэффициент отражения передней грани усиливающего кристалла < 10%; признак, отличающийся тем, что коэффициент отражения передней грани усиливающего кристалла выбран из группы, включающей в себя коэффициенты отражения > 10%, но < 15%; > 15%, но < 20%; и > 20%, но < 30%; признак, отличающийся тем, что в каждом подмодуле имеется Р линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов на основаниях, причем Р > 1; признак, отличающийся тем, что линзовые полупроводниковые кристаллы, усиливающие в голубой области спектра, на основе GaN электрически соединены последовательно, или последовательными/параллельными электрическими комбинациями и имеют проводные соединения с электродами подмодулей; признак, отличающийся тем, что волокна должны выбираться для обеспечения низкого поглощения в голубой области спектра, и изготовление волоконного соединителя должно быть оптимизировано для пропускания излучения в голубой области спектра; признак, отличающийся тем, что каждый подмодуль имеет спектральное распределение < 1 нм после синхронизации длин волн в конфигурации с внешним резонатором; признак, отличающийся тем, что внутри модуля имеется два набора из двенадцати подмодулей; признак, отличающийся тем, что М модулей (М > 1) объединены с использованием волоконного соединителя с К входными волокнами (К > М) в произвольной геометрической схеме расположения, оптимизированной для выбранного выходного волокна или выходного пучка; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: устройство охлаждения; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: электронику/источник электропитания; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: защитные блокирующие устройства; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: детекторы контроля оптической мощности; и признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: датчики контроля температуры.
[0074] В одном варианте осуществления оптический аппарат выполнен с возможностью создавать многокиловаттное лазерное излучение излучением на длине волны в голубой области спектра (400-495 нм), причем оптический аппарат включает в себя:
[0075] a) M соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль образован из N подмодулей, где М>1 и N>1; i. причем подмодули состоят из Р линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов из системы материалов на основе GaN с покрытиями на передних гранях с меньшим коэффициентом отражения, оптимизированным для синхронизации; и ii. установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед усиливающим кристаллом; и, iii. линзовые полупроводниковые усиливающие в голубой области спектра кристаллы установлены на ступенчатом радиаторе во внешнем резонаторе для оптимального выставления составляющих лучей быстрой оси; iv. причем медленная ось каждого усиливающего кристалла коллимируется коллимирующей по медленной оси линзой, и излучение каждого усиливающего кристалла перенаправляется поворотным зеркалом к волоконному соединителю; и, v. причем каждый LCOS теперь выставлен посредством дихроичных фильтров, и выходной соединитель обеспечивает обратную связь с каждым из усиливающих элементов, и дихроичные фильтрующие элементы теперь определяют рабочую длину волны каждого из LCOS-блоков;
[0076] b) причем соединенный с волокном модуль включает в себя множество подмодулей; i. два набора подмодулей объединены посредством мультиплексирования по длинам волн с шириной полосы, составляющей < 10 нм; и ii. причем упомянутые два набора подмодулей с мультиплексированием по длинам волн объединены посредством поляризационного объединения пучков; и, iii. причем упомянутые модули содержатся в герметизированных оболочках и установлены на активно охлаждаемые радиаторы; и,
[0077] c) волокна упомянутого множества модулей объединены в жгут и объединены в одно выходное волокно, что обеспечивает лазерную систему киловаттного уровня с излучением в голубой области спектра.
[0078] Варианты осуществления этих лазерных систем, модулей, подмодулей и способов могут иметь один или более следующих признаков: признак, отличающийся тем, что обеспечивается произведение параметров пучка, составляющее < 3,5 мм⋅мрад на быстрой оси; признак, отличающийся тем, что обеспечивается произведение параметров пучка, составляющее < 5 мм⋅мрад на медленной оси; признак с произведением параметров пучка, которое, в целом, > 3,5 мм⋅мрад, но < 5 мм⋅мрад; признак с произведением параметров пучка, которое, в целом, > 5 мм⋅мрад, но < 10 мм⋅мрад; признак, отличающийся тем, что обеспечивается спектральное излучение < 10 нм в области спектра 400-495 нм; признак со спектральным излучением > 1 нм, но < 5 нм, > 1 нм, но < 10 нм, > 1 нм, но < 15 нм, и > 1 нм, но < 20 нм; признак, отличающийся тем, что коэффициент отражения передней грани усиливающего кристалла < 10%; признак, отличающийся тем, что коэффициент отражения передней грани усиливающего кристалла > 10%, но < 15%; > 15%, но < 20%; и > 20%, но < 30%; признак, отличающийся тем, что в каждом подмодуле имеется Р линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов на основаниях, причем Р > 1; признак, отличающийся тем, что линзовые полупроводниковые кристаллы, усиливающие в голубой области спектра, на основе GaN электрически соединены последовательно, или последовательными/параллельными электрическими комбинациями и имеют проводные соединения с электродами подмодулей; признак, отличающийся тем, что волокна должны выбираться для обеспечения низкого поглощения в голубой области спектра, и изготовление волоконного соединителя должно быть оптимизировано для пропускания излучения в голубой области спектра; признак, отличающийся тем, что каждый подмодуль имеет спектральное распределение < 1 нм после синхронизации длин волн в конфигурации с внешним резонатором; признак, отличающийся тем, что внутри модуля имеется два набора из двенадцати подмодулей; признак, отличающийся тем, что М модулей (М > 1) объединены с использованием волоконного соединителя с К входными волокнами (К > М) в произвольной геометрической схеме расположения, оптимизированной для выбранного выходного волокна или выходного пучка; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: устройство охлаждения; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: электронику/источник электропитания; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: защитные блокирующие устройства; признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: детекторы контроля оптической мощности; и признак, отличающийся тем, что киловаттная лазерная система включает в себя: датчики контроля температуры.
[0079] В одном варианте осуществления оптический аппарат выполнен с возможностью создавать многокиловаттное лазерное излучение испусканием на длине волны в голубой области спектра (400-495 нм), причем оптический аппарат включает в себя:
[0080] a) M соединенных с волокном модулей, причем каждый модуль образован из N подмодулей, где М>1 и N>1; i. причем подмодули состоят из Р линзовых полупроводниковых лазерных кристаллов для голубой области спектра из системы материалов на основе GaN, причем распределенная брэгговская решетка или решетка обратной связи встроена в кристалл на основе GaN для выбора его рабочей длины волны; и ii. установлены на теплопроводящих основаниях, причем грань с меньшим коэффициентом отражения обращена вовне, и причем коллимирующая по быстрой оси линза прикреплена перед лазером; и, iii. установлены на теплопроводящем радиаторе, причем коллимирующая по медленной оси линза расположена после коллимирующей по быстрой оси линзы, iv. линзовые полупроводниковые лазеры с излучением в голубой области спектра установлены на ступенчатом радиаторе; v. и поляризация каждого лазерного устройства устанавливается волноводной конфигурацией лазерного устройства;
[0081] b) причем соединенный с волокном модуль включает в себя множество подмодулей; i. два набора подмодулей или более объединены посредством мультиплексирования по длинам волн с шириной полосы, составляющей < 10 нм; и ii. причем упомянутые два набора подмодулей с мультиплексированием по длинам волн объединены посредством поляризационного объединения пучков; и, iii. причем упомянутые модули содержатся в герметизированных оболочках и установлены на радиаторы; и,
[0082] c) волокна упомянутого множества модулей объединены в жгут и объединены в одно выходное волокно, что обеспечивает лазерную систему киловаттного уровня с излучением в голубой области спектра.
[0083] Варианты осуществления этих лазерных систем, модулей, подмодулей и способов могут иметь один или более следующих признаков: признак, согласно которому выходное излучение усиливающего элемента оптического аппарата теперь коллимируется и перенаправляется поворотным зеркалом к следующему элементу объединения пучков; признак, согласно которому выходное излучение усиливающего элемента оптического аппарата теперь коллимируется и выставляется следующим элементом объединения пучков; признак, включающий в себя реактивную многослойную фольгу, причем фольга подвергается самоподдерживающейся экзотермической реакции после импульса тепла; для соединения отдельных LCOS-блоков в подмодули и подмодулей в модули; причем фольга является фольгой NANOFOIL (обеспечиваемой компанией Indium Corporation); признак, выполненный с возможностью обеспечивать достаточно узкую ширину линии для накачки волоконного рамановского лазера (< 10 нм для плавленого кварца, < 3 нм для стекол, легированных фосфатами, и т.д.); и признак, отличающийся тем, что все оптические компоненты должны выбираться для обеспечения низкого поглощения в голубой области спектра, и изготовление волоконного соединителя должно быть оптимизировано для пропускания излучения в голубой области спектра; и, причем, один или более оптических компонентов выбираются для обеспечения низкого поглощения в голубой области спектра, и изготовление волоконного соединителя должно быть оптимизировано для пропускания излучения в голубой области спектра.
[0084] Варианты осуществления этих лазерных систем, модулей, подмодулей могут предопределять лазерные операции. Варианты осуществления этих лазерных систем, модулей, подмодулей могут предопределять лазерные операции, причем лазерная операция может быть выбрана из группы операций, включающей в себя трехмерную печать, аддитивное изготовление, субтрактивное/ аддитивное изготовление, сварку, обработку поверхности, и резание.
[0085] Нижеследующие примеры обеспечены для иллюстрации различных вариантов осуществления настоящих лазерных систем и компонентов настоящего изобретения. Эти примеры приведены с целью иллюстрации, могут быть профетическими, их не следует рассматривать как ограничение, и они никоим образом не ограничивают объем настоящего изобретения.
[0086] ПРИМЕР 1
[0087] Вариант осуществления блока (например, подмодуля) 100 является конфигурацией шести линзовых кристаллов на основании (LCOS) и схематично показан на фиг. 2. В подмодуле 100 каждый LCOS имеет усиливающий элемент 101а, 101b, 101c, 101d, 101e и 101f, каждый из которых генерирует лазерный пучок, например, 180а, проходящий вдоль пути лазерного пучка, например, 181а (лазерный пучок находится на пути лазерного пучка или совпадает с ним и, таким образом, показан в виде одной стрелки). Возможность синхронизировать усиливающие элементы 101a - 101f как один элемент увеличивается посредством покрытия грани с меньшим коэффициентом отражения (LR), например, 102а, которое предпочтительно находится на каждом из усиливающих элементов 101a - 101f на основе GaN. Каждый из усиливающих элементов 101a - 101f имеет коллимирующую по быстрой оси линзу, например, 103а, и коллимирующую по медленной оси линзу, например, 104а. Каждый усиливающий элемент 101a - 101f имеет поворотное зеркало, например, 105а. Таким образом, каждый из лазерных пучков и путей лазерных пучков простирается от усиливающего элемента, например, 101а, через коллиматор по быстрой оси (FAC), например, 103а, затем через коллиматор по медленной оси (SAC), например, 104а, затем к поворотному зеркалу, например, 105а. Первое поворотное зеркало 105а поворачивает (например, перенаправляет) путь лазерного пучка и лазерный пучок ко второму поворотному зеркалу 105b и затем к последующим поворотным зеркалам. Перенаправленный лазерный пучок 180a’ и путь 181a’ лазерного пучка объединяются последующими поворотными зеркалами, например, 105b, с лазерными пучками и путями лазерных пучков от других усиливающих элементов 101b, 101c, 101d, 101e, 101f. Перенаправленный и объединенный лазерный пучок и путь лазерного пучка затем выходит через ВБР 106.
[0088] ВБР 106 находится на выходе подмодуля 100 и предназначена для синхронизации всех усиливающих элементов в подмодуле 100 на одной длине волны. ВБР может быть встроена в FAC или SAC. Подобно дифракционной решетке, синхронизирующим элементом может быть поворотное зеркало, показанное на этой фигуре, что устраняет потребность в ВБР.
[0089] LOCS может быть установлен на базе, например, на основании (не показано на фиг. 1), которое может также функционировать в качестве радиатора.
[0090] Понятно, что 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, десятки и сотни усиливающих элементов могут быть использованы в одном подмодуле или блоке. Также понятно, что хотя оптические компоненты вдоль путей пучков, показанные в варианте осуществления фиг. 2, являются предпочтительными, в вариантах осуществления некоторые пути лазерных пучков от усиливающего элемента могут не иметь всех оптических компонентов вдоль пути пучков, показанных в варианте осуществления с фиг. 2.
[0091] Вариант осуществления с фиг. 2 может обеспечить, например, лазерный пучок, обеспечиваемый на основе синхронизации одного усиливающего элемента на основе GaN на конкретной длине волны, показанной на фиг. 1 и 1А, где лазер с внешним резонатором работает с шириной линии, составляющей 0,045 нм. Эта ширина линии значительно меньше ширины линии варианта осуществления требования для способа объединения пучков с уплотненными длинами волн, описанного в этом описании изобретения.
[0092] ПРИМЕР 1А
[0093] Вариант осуществления подмодуля с фиг. 2 также включает в себя стабилитрон для защиты от обратного смещения, который может быть расположен вдоль одного или более и всех путей пучков.
[0094] ПРИМЕР 1В
[0095] В варианте осуществления подмодуля с фиг. 2, коллимирующая по медленной оси линза 104 (SAC) является отдельной от поворотного зеркала 105. В одном варианте осуществления эти два элемента могут быть объединены с использованием подхода неосевой параболы, или SAC-линза может быть установлена после поворотного зеркала в зависимости от целей проектирования в отношении подмодуля.
[0096] ПРИМЕР 2
[0097] На фиг. 3 показано схематическое изображение варианта осуществления блока, который позволяет синхронизировать усиливающие элементы посредством комбинации отдельных дихроичных зеркал и общего выходного соединителя. В этом варианте осуществления, блок, например, подмодуль, включает в себя шесть LCOS 3000a, 3000b, 3000c, 3000d, 3000e, 3000f, встроенных в подмодуль и установленных на базе 3300 (например, на пластине основания, радиаторе, установочном блоке). Каждый из шести LCOS имеет усиливающий элемент, например, 3101, имеющий покрытие грани с меньшим коэффициентом отражения (LR), например, 3102, FAC, например, 3103, SAC, например, 3104, и поворотный или объединяющий пучки элемент, например, 3105.
[0098] ПРИМЕР 3
[0099] На фиг. 4 показано схематическое изображение лазерного модуля 290 на базе 200. Лазерный модуль 290 имеет два ряда 291, 292 LCOS-подмодулей. В этом варианте осуществления каждый ряд 291, 292 имеет шесть LCOS-подмодулей. В этом варианте осуществления все двенадцать LCOS-подмодулей являются подмодулями 100 варианта осуществления с фиг. 2. Понятно, что может быть использовано больше или меньше рядов, больше или меньше подмодулей, и могут быть использованы подмодули одинакового типа или разных типов.
[00100] Подмодули оптически объединены последовательностью объединяющих оптических элементов, например, дихроичных фильтров, ВБР или дифракционных решеток. Таким образом, в этом варианте осуществления каждый из подмодулей, например, 100, в ряду 292, направляет свои пути лазерных пучков и лазеры в дихроичные фильтры 201a, 202a, 203a, 204a, 205a, 206a, которые образуют объединенный лазерный пучок 185а вдоль пути 186а лазерного пучка. Каждый из подмодулей в ряду 291 направляет свои пути лазерных пучков и лазеры в дихроичные фильтры 201, 202, 203, 204, 205, 206, которые образуют объединенный лазерный пучок 185 вдоль пути 186 лазерного пучка. (Следует отметить, что на чертежах, когда лазерный пучок проходит вдоль пути лазерного пучка, только одна линия показана как для лазерного пучка, так и для его пути).
[00101] Функции полосы пропускания для каждого из дихроичных фильтров показаны на фиг. 7 и 7А (подобные номера соответствуют подобным номерам фильтров). Таким образом, фильтры 202, 202a предназначены для пучка с номинальной длиной волны 446 нм, имеющего нижнюю границу на 440,5 нм и верхнюю границу на 447,25 нм. Фильтры 203, 203a предназначены для пучка с номинальной длиной волны 447 нм, имеющего нижнюю границу на 441,5 нм и верхнюю границу на 448,25 нм. Фильтры 204, 204a предназначены для пучка с номинальной длиной волны 448 нм, имеющего нижнюю границу на 442,5 нм и верхнюю границу на 449,25 нм. Фильтры 205, 205a предназначены для пучка с номинальной длиной волны 449 нм, имеющего нижнюю границу на 443,5 нм и верхнюю границу на 450,25 нм. Фильтры 206, 206a предназначены для пучка с номинальной длиной волны 450 нм, имеющего нижнюю границу на 444,5 нм и верхнюю границу на 451,25 нм. (Нижняя и верхняя границы относятся к точке на спектрах, где пропускание изменяется от нуля или до нуля).
[00102] Таким образом, каждая из полос пропускания перекрывается таким образом, что окно пропускания создается у «красного» края (спектра) каждого полосового фильтра. Посредством обращения порядка дихроичных фильтров (206, 206a на 201, 201a), полосы пропускания могут быть сдвинуты к «голубому» краю (спектра) каждого полосового фильтра. Функции полосовых фильтров были вычислены с использованием модели тонкопленочного покрытия и оптимизированы для краевой крутизны и пропускания. Окна пропускания могут чередоваться через вплоть до примерно 0,75 нм, также могут быть использованы большие величины чередования, например, 0,8 нм - 3 нм, 0,8 нм - 1,8 нм, примерно 0,8 нм, примерно 1,0 нм, примерно 1,5 нм. В варианте осуществления, показанном на фиг. 7, окна пропускания чередуются через 1 нм. Фильтры, используемые в этом варианте осуществления, могут быть полосовыми фильтрами, фильтрами нижних частот или фильтрами верхних частот, некоторые полосовые фильтры могут обеспечивать более крутое краевое пропускание и, таким образом, более уплотненную комбинацию длин волн, чем любой другой лазер, присутствующий в настоящее время на рынке. После коллинеарного выставления всех подмодулей, выходные излучения из ряда 292 и ряда 291 перекрываются по поляризации друг с другом. Таким образом, выходной лазерный пучок 185а из ряда 292 и выходной лазерный пучок 185 из ряда 291 объединяются в перекрывающемся поляризованном соотношении. Это соотношение совершенствуется поворотным зеркалом 207, которое принимает пучок 185 и путь 186 пучка и направляет пучок 185 и путь 186 пучка по направлению к поворачивающему-поляризацию элементу 209; и поляризационному светоделительному элементу 208, который принимает лазерный пучок 185а и путь 186а пучка и объединяет их с пучком 185 и путем 186 для обеспечения дополнительного объединенного лазерного пучка 187 вдоль пути 188 пучка. Объединенный пучок 187 вводится в оптическое волокно 211 оптическим элементом 210, например, линзой. Эта линза выполнена с возможностью фокусировать все подмодули в одну точку в пределах данной ширины полосы (~10 нм) объединенных пучков. Линза этого типа может быть, например, асферической, простым дублетом или триплетом Кука в зависимости от скорости оптического компонента. Вследствие высокой лазерной мощности, передаваемой через эти элементы, например, 209, 208, 210, 211, они могут иметь оптический контакт, воздушные промежутки, или и то, и другое, для минимизации нагрева и искажения выходного пучка.
[00103] ПРИМЕР 4
[00104] На фиг. 10 LCOS-подмодуль 100, относящийся к типу, показанному на фиг. 2 (подобные номера имеют одинаковое значение), установлен на ступенчатое основание 107, которое также функционирует в качестве радиатора. (Хотя пути пучков и лазерные пучки показаны на фиг. 10, они для простоты не помечены, но являются такими же путями пучков, как на фиг. 2). Подмодуль 100 имеет шесть LCOS-блоков или элементов. Каждый LCOS имеет усиливающий элемент, например, 101а, FAC, например, 103а, SAC, например, 104а, и поворотное зеркало, например, 105а. Первое поворотное зеркало 105а поворачивает (например, перенаправляет путь лазерного пучка и лазерный пучок ко второму поворотному зеркалу 105b и затем к последующим поворотным зеркалам. Перенаправленный лазерный пучок и путь лазерного пучка объединяются последующими поворотными зеркалами, например, 105b, с лазерными пучками и путями лазерных пучков от других усиливающих элементов. Перенаправленный и объединенный лазерный пучок и путь лазерного пучка затем выходят через ВБР 106.
[00105] Шесть LCOS-элементов установлены на базе 107, которая может быть радиатором, таким как, например, радиатор из плакированной Cu. Оптические пучки коллимируются по медленной оси с использованием коллимирующих по медленной оси линз (SAC). Пучки отражаются поворотными зеркалами и направляются на объемную брэгговскую решетку (ВБР) 106. ВБР является выходным зеркалом внешнего резонатора, образованного между полупроводниковыми усиливающими элементами и ВБР. Число диодов определяет числовую апертуру и размер пятна для модуля, или яркость модуля, и этот пример выполнен с возможностью обеспечивать произведение параметров пучка, составляющее примерно 5 мм⋅мрад.
[00106] ПРИМЕР 5
[00107] В одном варианте осуществления SBC-модуль фиг. 4 включает в себя «N» подмодулей или эквивалентных элементов, установленных на обеих сторонах базы 200. База блока может быть изготовлена из теплопроводящего материала, такого как Cu, или эквивалентного материала, и установлена на охлаждаемый текучей средой радиатор макроканального или микроканального типа.
[00108] ПРИМЕР 6
[00109] На фиг. 8 показано изображение в перспективе варианта осуществления модуля 600 спектрального объединения пучков (SBC), который включает в себя 26 подмодулей, относящихся к типу, показанному на фиг. 10, установленных на базе 601 в двух рядах 602, 603 по 13 подмодулей в каждом. Каждый модуль в каждом ряду имеет последовательность дихроичных зеркал, например, 604, 605, 606. Эти зеркала расположены перед каждым подмодулем с распределением по длинам волн, например, вдоль линий фиг. 7 и 7А. Таким образом, имеется 26 дихроичных зеркал, одно из которых связано с каждым подмодулем. Дихроичное зеркало отражает узкополосное спектральное излучение от подмодуля (обычно шириной 0,75 нм) и пропускает другие длины волн. Длины волн уплотняются, причем сумма всех длин волн излучения имеет ширину порядка 10 нм. Поворотное зеркало 607 отражает мультиплексированные пучки от 13 подмодулей в ряду 602 по направлению к поляризационному оптическому элементу 609 объединения пучков.
[00110] Лазерные пучки из двух рядов объединяются с использованием поляризационного объединяющего оптического элемента 609, который состоит из поворачивающей-поляризацию полуволновой пластинки и поляризационного светоделительного элемента для объединения пучков. Широкополосная полуволновая пластинка и поляризационный куб для объединения пучков находятся в оптическом контакте для образования компактного блока объединения пучков. Объединенный пучок затем формируется оптикой 620 ввода в волокно и, наконец, вводится в оптическое волокно 621.
[00111] ПРИМЕР 7
[00112] На фиг. 5 показано схематическое изображение варианта осуществления полной лазерной системы 500 киловаттного класса, имеющей семь SBS-модулей, относящихся к типу, показанному на фиг. 4. Каждый SBS-модуль, например, 501, относится к типу, показанному на фиг. 4, и соединен с волокном. Таким образом, объединитель 301 волокон используется для объединения семи волокон, например, 302, в одно волокно 303 доставки. Здесь, волокно 302 SBS-модуля имеет диаметр 50 мкм, в то время как волокно 303 доставки имеет диаметр, например, примерно 150 мкм. Предполагаются большие или меньшие диаметры волокна доставки, например, от примерно 75 мкм до примерно 400 мкм и большие, в зависимости от факторов, таких как число и размер волокон модулей, и число усиливающих элементов в каждом подмодуле.
[00113] В одном варианте осуществления эта лазерная система оптически объединена посредством волоконного объединителя; этот объединитель может быть основан, например, на принципе близкого шестиугольного размещения для оптических волокон.
[00114] Фиг. 5А является блочным схематическим поперечным сечением конфигурации с фиг. 5 (подобные номера соответствуют подобным компонентам) с подробным схематическим изображением волоконного объединителя 301а.
[00115] ПРИМЕР 8
[00116] На фиг. 6 показано схематическое изображение варианта осуществления способа построения системы объединения пучков с уплотненными длинами волн без необходимости использования ВБР. На фиг. 6 показано схематическое изображение лазерного модуля 500 на базе 590. Лазерный модуль 500 имеет два ряда LCOS-подмодулей. В этом варианте осуществления каждый ряд имеет шесть LCOS-подмодулей. В этом варианте осуществления все двенадцать LCOS-подмодулей являются подмодулями варианта осуществления, показанного на фиг. 3. Понятно, что может быть использовано больше или меньше рядов, больше или меньше подмодулей, и могут быть использованы подмодули одинакового типа или разных типов.
[00117] Здесь все отдельные подмодули выставлены коллинеарно, и общий выходной соединитель 501 обеспечивает сигнал обратной связи для каждого из подмодулей посредством пар дихроичных фильтров 501-506. Эти пучки объединяются поворотным зеркалом 507, которое принимает лазерный пучок и путь пучка и направляет пучок и путь пучка по направлению к поворачивающему-поляризацию элементу 509; и поляризационному светоделительному элементу 508, который принимает лазерный пучок и путь пучка и объединяет их с другим пучком и путем от 507. Объединенный пучок вводится в оптическое волокно 511 оптическим элементом 510, например, линзой. Эта линза выполнена с возможностью фокусировать все подмодули в одну точку в пределах данной ширины полосы (~10 нм) объединенных пучков. Линза этого типа может быть, например, асферической, простым дублетом или триплетом Кука в зависимости от скорости оптического компонента. Вследствие высокой лазерной мощности, передаваемой через эти элементы, они могут иметь оптический контакт, воздушные промежутки, или и то, и другое.
[00118] Фиг. 9 показывает функцию пропускания для двойного прохождения излучения в прямом и обратном направлении, которое может соответствовать каждому из отдельных источников конфигурации с фиг. 6, и в результате которого устанавливается ширина полосы колебаний для каждого из источников, которая по определению лазерного резонатора может обеспечивать составной пучок, в котором все пучки коллинеарны, и максимальную мощность. Эти пучки могут быть затем объединены так же, как в предыдущем примере, с использованием устройства поворота поляризации пучка, после которого следует куб или пленка для поляризационного объединения пучков.
[00119] ПРИМЕР 9
[00120] LCOS, показанный на фиг. 11, включает в себя усиливающий элемент 1101 с покрытием 1102 с меньшим коэффициентом отражения, стабилитрон 1110 для защиты для обратного смещения, коллимирующую по быстрой оси линзу 1103 и основание 1111.
[00121] Следует отметить, что не существует никаких требований по обеспечению или объяснению теории, лежащей в основе новых и инновационных процессов, материалов, эффективности или других полезных признаков и свойств, которые являются объектом вариантов осуществления настоящего изобретения или связаны с ними. Тем не менее, различные теории обеспечены в этом описании изобретения для дальнейшего развития данной области техники. Эти теории используются в этом описании изобретения и, если явно не указано иное, никоим образом не ограничивают, не сокращают и не сужают объем защиты, предусматриваемый настоящим изобретением. Эти теории могут не потребоваться и не применяться при использовании настоящего изобретения. Также понятно, что настоящее изобретение может приводить к новым и неизвестным прежде теориям для объяснения функций-признаков вариантов осуществления способов, изделий, материалов, устройств и системы настоящего изобретения; и такие разработанные позже теории не должны ограничивать объем защиты, предусматриваемый настоящим изобретением.
[00122] Различные варианты осуществления систем, оборудования, технологий, способов, видов деятельности и операций, изложенные в этом описании изобретения, могут быть использованы для различных других видов деятельности и в других областях дополнительно к видам деятельности и областям, изложенным здесь. Дополнительно, эти варианты осуществления, например, могут быть использованы: с другим оборудованием или видами деятельности, которые могут быть разработаны в будущем; и с существующим оборудованием или видами деятельности, которые могут быть модифицированы, частично, на основе идей этого описания изобретения. Дополнительно, различные варианты осуществления, изложенные в этом описании изобретения, могут быть использованы друг с другом в других и различных комбинациях. Таким образом, например, конфигурации, обеспеченные в различных вариантах осуществления этого описания изобретения, могут быть использованы друг с другом; и объем защиты, предусматриваемый настоящим изобретением, не должен ограничиваться конкретным вариантом осуществления, конфигурацией или расположением, которое изложено в конкретном варианте осуществления, примере, или в варианте осуществления на конкретной фигуре.
[00123] Настоящее изобретение может быть реализовано в формах, отличных от форм, конкретно раскрытых здесь, не выходя за рамки его сущности или существенных характеристик. Описанные варианты осуществления во всех отношениях должны рассматриваться только как иллюстративные, а не ограничивающие.
Реферат
Использование: для генерирования мощного лазерного излучения с короткой длиной волны в области спектра 400-495 нм. Сущность изобретения заключается в том, что лазерная система является объединением соединенных с волокном модулей, которые, в свою очередь, образованы из подмодулей. Один вариант осуществления имеет подмодули, имеющие множество линзовых полупроводниковых усиливающих в голубой области спектра кристаллов с передними гранями с низким коэффициентом отражения. Они синхронизируются по длине волны с разбросом по длинам волн, составляющим <1 нм, с использованием объемных брэгговских решеток в конфигурации с внешним резонатором. Один вариант осуществления имеет модули, имеющие множество подмодулей, которые объединены посредством мультиплексирования по длинам волн с шириной полосы <10 нм, после чего следует поляризационное объединение пучков. Выходное излучение каждого модуля вводится в волокно с малой NA. В одном варианте осуществления лазерная система киловаттного уровня с излучением в голубой области спектра реализована посредством объединения волокон в жгут и объединения множественных модулей в одно выходное волокно. Технический результат: обеспечение возможности использования мощных лазеров с излучением в голубой, зелено-голубой и зеленой областях спектра. 4 н. и 53 з.п. ф-лы, 14 ил.
