DE112015005587B4 - OPTICAL CROSS COUPLING ATTENUATION SYSTEMS FOR WAVELENGTH BEAM COMBINING LASER SYSTEMS - Google Patents
OPTICAL CROSS COUPLING ATTENUATION SYSTEMS FOR WAVELENGTH BEAM COMBINING LASER SYSTEMS Download PDFInfo
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Abstract
Lasersystem, umfassend:eine Anordnung von Strahl-Sendern (102), die jeweils einen Strahl senden;Abbildungsoptik (110) zum Fokussieren der Strahlen auf ein streuendes bzw. dispersives Element (112);ein streuendes bzw. dispersives Element (112) zum Empfangen und Streuen der fokussierten Strahlen, wodurch ein Multiwellenlängenstrahl gebildet wird; undeine optische Faser zum Empfangen des Multiwellenlängenstrahls, wobei die optische Faser umfasst (i) einen Kern (650) zum Empfangen des Multiwellenlängenstrahls, der einen ersten Bereich davon zurück auf das streuende bzw. dispersive Element (112) reflektiert und einen zweiten Bereich davon als einen aus vielen Wellenlängen zusammengesetzten Ausgabestrahl sendet, wobei der Kern (650) eine teilweise reflektierende Oberfläche aufweist, und (ii) umgebend den Kern, einen Mantel (640), der ein Reflexionsvermögen für den Multiwellenlängenstrahl von weniger als 1% aufweist, wobei das streuende bzw. dispersive Element (112) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Beugungsgitter, einem streuenden Prisma, einem Grisma (Prisma/Gitter), einem Übertragungsgitter oder einem Echelle-Gitter.A laser system comprising: an array of beam transmitters (102) each transmitting a beam; imaging optics (110) for focusing the beams on a dispersive element (112); a dispersive element (112) for receiving and scattering the focused beams, thereby forming a multi-wavelength beam; andan optical fiber for receiving the multi-wavelength beam, the optical fiber comprising (i) a core (650) for receiving the multi-wavelength beam reflecting a first portion thereof back onto the dispersive element (112) and a second portion thereof as one emits multi-wavelength composite output beam, the core (650) having a partially reflective surface, and (ii) surrounding the core, a cladding (640) having a reflectivity for the multi-wavelength beam of less than 1%, the scattering or The dispersive element (112) is selected from the group consisting of a diffraction grating, a scattering prism, a grism (prism / grating), a transmission grating or an echelle grating.
Description
Technisches GebietTechnical area
In verschiedenen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung Lasersysteme, insbesondere Wellenlänge-Strahl-kombinierende Lasersysteme, die Systeme zur abschwächenden optischen Kreuzkopplung zwischen Strahl-Sendern einbeziehen.In various embodiments, the present invention relates to laser systems, in particular wavelength-beam-combining laser systems which include systems for attenuating optical cross-coupling between beam transmitters.
Hintergrundbackground
Hochleistungs-Lasersysteme werden für eine Vielfalt von unterschiedlichen Anwendungen, wie Schweißen, Schneiden, Bohren und Verarbeitung von Materialien, genutzt. Solche Lasersysteme umfassen im Allgemeinen einen Laser-Sender bzw. Laser-Emitter, der Laserlicht daraus in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) koppelt, und ein optisches System, das das Laserlicht der Faser auf das zu verarbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist im Allgemeinen konzipiert, um einen Laserstrahl mit der höchsten Qualität oder gleichwertig den Strahl mit dem niedrigsten Strahl-Parameter-Produkt (BPP) zu erzeugen. Das BPP ist das Produkt des Laserstrahl-Divergenzwinkels (Halb-Winkel) und der Radius des Strahls bei seinem engsten Punkt (d.h. die Strahleinschnürung, die minimale Fleckgröße). Das BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er zu einem kleinen Fleck fokussiert werden kann und wird im Allgemeinen in Einheiten von Millimeter-Milliradians (mm-mrad) ausgedrückt. Ein Gaußscher Strahl hat das geringste mögliche BPP, angegeben durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi. Das Verhältnis des BPP von einem tatsächlichen Strahl zu jenem von einem idealen Gaußschen Strahl bei der gleichen Wellenlänge wird M2 bezeichnet, oder der „Strahl-Qualitätsfaktor“, der ein Wellenlänge-unabhängiges Maß der Strahlqualität ist, wobei die „beste“ Qualität dem „niedrigsten“ Strahl-Qualitätsfaktor von 1 entspricht.High-power laser systems are used for a variety of different applications such as welding, cutting, drilling and processing materials. Such laser systems generally include a laser transmitter or emitter that couples laser light therefrom into an optical fiber (or simply a "fiber"), and an optical system that focuses the laser light from the fiber onto the workpiece to be processed. The optical system is generally designed to produce the highest quality laser beam or, equivalent, the lowest beam parameter product (BPP) beam. The BPP is the product of the laser beam divergence angle (half angle) and the radius of the beam at its narrowest point (ie the beam neckline, the minimum spot size). The BPP quantifies the quality of the laser beam and how well it can be focused into a small spot and is generally expressed in units of millimeter-milliradians (mm-mrad). A Gaussian beam has the lowest possible BPP, given by the wavelength of the laser light divided by pi. The ratio of the BPP of an actual beam to that of an ideal Gaussian beam at the same wavelength is called M 2 , or the "beam quality factor", which is a wavelength-independent measure of the beam quality, with the "best" quality being the " corresponds to the lowest “beam quality factor of 1.
Wellenlänge-Strahl-Kombinieren (WBC) ist eine Technik zum Skalieren der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdiodenbarren, Stapeln von Diodenbarren oder anderen Lasern, angeordnet in einer ein- oder zwei-dimensionalen Anordnung bzw. Array. WBC-Verfahren wurden konzipiert, um Strahlen zusammen mit einer oder beiden Dimensionen einer Anordnung von Sendern zu kombinieren. Typische WBC-Systeme schließen eine Vielfalt von Sendern, wie einen oder mehrere Diodenbarren, ein, die unter Verwendung eines streuenden bzw. dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Multiwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Sender in dem WBC-System schwingt individuell mit und wird durch Wellenlänge-spezifische Rückkopplung von einem üblichen teilweise reflektierten Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das streuende bzw. dispersive Element entlang einer Strahl-kombinierenden Abmessung gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme werden im Einzelnen in
Eine Vielfalt von WBC-Techniken wurde genutzt, um Hoch-Leistungs-Laser für viele unterschiedliche Anwendungen zu bilden. Jedoch kann optische Kreuzkopplung zwischen Strahl-Sendern übliche WBC-Systeme mit sub-optimaler Helligkeit ergeben. Somit gibt es einen Bedarf für Kreuzkopplungs-Abschwächungs-Anordnungen für WBC-Lasersysteme.A variety of WBC techniques have been used to create high power lasers for many different applications. However, optical cross-coupling between beam transmitters can result in conventional WBC systems with sub-optimal brightness. Thus, there is a need for cross-coupling attenuation arrangements for WBC laser systems.
KurzdarstellungBrief description
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kennzeichnen Wellenlänge-Strahl-Kombinierungs- (WBC) Lasersysteme Mehrfach-Sender (oder „Strahl-Sender“), z.B. Diodenbarren oder die Einzel-Dioden-Sender von einem Diodenbarren, die kombiniert werden, um einen Multiwellenlängenstrahl zu bilden. Jeder Sender in dem Lasersystem schwingt einzeln mit und wird über Wellenlänge-spezifische Rückkopplung von einem üblichen teilweise reflektierten Ausgangskoppler stabilisiert, der durch ein streuendes bzw. dispersives Element (z.B. ein Beugungsgitter, ein streuendes Prisma, ein Grisma (Prisma/Gitter), ein Übertragungsgitter oder ein Echelle-Gitter) entlang einer Strahl-kombinierenden Abmessung gefiltert wird. Vorteilhafterweise wird die Übersprechdämpfung zwischen Rückkopplungsstrahlen unter Verwendung eines nicht-Schlitz-basierenden Kreuzkopplungsabschwächenden optischen Systems abgeschwächt. In verschiedenen Ausführungsformen ist das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem oder mindestens ein Bereich davon in dem Rayleigh-Bereich des durch das streuende bzw. dispersive Element übertragenen Multiwellenlängenstrahls positioniert und der Ausgangskoppler ist in dem Rayleigh-Bereich des durch das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem (oder mindestens einen Bereich davon) übertragenen Multiwellenlängenstrahls positioniert. In dieser Weise erzeugen Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Multiwellenlängen-Ausgabestrahlen mit hoher Helligkeit und hoher Stärke.In accordance with embodiments of the present invention, wavelength beam combining (WBC) laser systems feature multiple transmitters (or "beam transmitters"), e.g., diode bars or the single diode transmitters of a diode bar, that are combined to form a multi-wavelength beam . Each transmitter in the laser system oscillates individually and is stabilized via wavelength-specific feedback from a conventional, partially reflected output coupler, which is formed by a scattering or dispersive element (e.g. a diffraction grating, a scattering prism, a grism (prism / grating), a transmission grating or an echelle grating) is filtered along a beam combining dimension. Advantageously, the crosstalk attenuation between feedback beams is attenuated using a non-slot based cross coupling attenuating optical system. In various embodiments, the cross-coupling attenuation system or at least a region thereof is positioned in the Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted by the scattering or dispersive element and the output coupler is in the Rayleigh region of the cross-coupling attenuation system (or at least a region thereof ) transmitted multi-wavelength beam is positioned. In this way, laser systems according to embodiments of the present invention produce multi-wavelength output beams with high brightness and high strength.
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem erste und zweite optische Elemente (z.B. Linsen) oder besteht im Wesentlichen daraus und die fokale Länge des ersten optischen Elements ist größer (oder auch im Wesentlichen größer) als die fokale Länge des zweiten optischen Elements. In solchen Ausführungsformen kann das erste optische Element in dem Rayleigh-Bereich des durch das streuende bzw. dispersive Element übertragenen Multiwellenlängenstrahls positioniert werden und der Ausgangskoppler kann in dem Rayleigh-Bereich des durch das zweite optische Element übertragenen Multiwellenlängenstrahls positioniert werden.In various embodiments, the cross-coupling attenuation system comprises or consists essentially of first and second optical elements (eg lenses) and the focal length of the first optical element is greater (or also substantially greater) than the focal length of the second optical element. In such embodiments, the first optical element can be positioned in the Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted by the scattering or dispersive element and the output coupler can be positioned in the Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted by the second optical element.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die optische Kreuzkopplung auch vermindert oder im Wesentlichen beseitigt über die Verwendung von konzipierten Ausgangskopplern, die Rückstrahlung von Streu-Wellenlängen minimieren, welche zu den einzelnen Strahl-Sendern zurück reflektieren könnten. Solche Ausgangskoppler können mit oder ohne andere hierin beschriebene Kreuzkopplung-Abschwächungssysteme angewendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen bauen die teilweise reflektierenden Ausgangskoppler eine Anti-Reflexions-Beschichtung auf ihrer Oberfläche in Regionen, anders als ein teilweise reflektierender Bereich, ausgelegt und positioniert, um nur den Multiwellenlängenstrahl abzufangen, ein. Der teilweise reflektierende Bereich kann aus dem verbleibenden Bereich des Ausgangskopplers herausragen oder der teilweise reflektierende Bereich kann mit dem verbleibenden Bereich im Wesentlichen coplanar sein.In various embodiments, the optical cross-coupling is also reduced or substantially eliminated through the use of designed output couplers that minimize back-radiation of stray wavelengths which could reflect back to the individual beam transmitters. Such output couplers can be used with or without other cross-talk attenuation systems described herein. In various embodiments, the partially reflective output couplers incorporate an anti-reflective coating on their surface in regions other than a partially reflective area designed and positioned to intercept only the multi-wavelength beam. The partially reflective area can protrude from the remaining area of the output coupler or the partially reflective area can be substantially coplanar with the remaining area.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Ausgangskoppler eine optische Faser, deren Kern bemessen und positioniert ist, um nur den Multiwellenlängenstrahl abzufangen, einschließen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Die Oberfläche des Kerns kann teilweise reflektierend sein und/oder der Kern kann darin ein Faser-Bragg-Gitter einschließen, um die eine Rückkopplung ermöglichende Reflexion des Strahls bereitzustellen. Der Mantel der optischen Faser kann mit einer Anti-Reflexions-Beschichtung beschichtet werden, um Streu-Reflexion und optische Kreuzkopplung, die sich daraus ergibt, zu verhindern. Eine Abschlusskappe kann über der optischen Faser z.B. zum Umweltschutz vorliegen und/oder um die Stromdichte an dem Ende der Faser zu vermindern. In verschiedenen Ausführungsformen kann die optische Faser einen Modenabstreifer beinhalten und/oder in Verbindung mit einem Modenabstreifer, der im Wesentlichen unerwünschte Modi von Licht am Fortschreiten in der optischen Faser entfernt, angewendet werden.In various embodiments of the invention, the output coupler may include, or consist essentially of, an optical fiber whose core is sized and positioned to intercept only the multi-wavelength beam. The surface of the core can be partially reflective and / or the core can include a fiber Bragg grating therein to provide the feedback allowing reflection of the beam. The cladding of the optical fiber can be coated with an anti-reflective coating to prevent stray reflection and optical cross-coupling that may result. An end cap can be placed over the optical fiber for example to protect the environment and / or to reduce the current density at the end of the fiber. In various embodiments, the optical fiber may include a mode stripper and / or may be used in conjunction with a mode stripper that removes substantially undesirable modes of light from progressing in the optical fiber.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung koppeln Multiwellenlängen-Ausgabestrahlen in eine optische Faser. In verschiedenen Ausführungsformen weist die optische Faser Mehrfach-Mantel-Schichten, die einen Einzel-Kern umgeben, mehrfach diskrete Kernregionen (oder „Kerne“) in einer Einzel-Mantel-Schicht oder mehrfache Kerne, umgeben von Mehrfach-Mantel-Schichten, auf. In verschiedenen Ausführungsformen können die Ausgabestrahlen für Anwendungen, wie Schneiden, Schweißen, usw., an ein Werkstück abgegeben werden.Embodiments of the present invention couple multi-wavelength output beams into an optical fiber. In various embodiments, the optical fiber has multiple cladding layers surrounding a single core, multiple discrete core regions (or “cores”) in a single cladding layer, or multiple cores surrounded by multiple cladding layers. In various embodiments, the output beams can be delivered to a workpiece for applications such as cutting, welding, etc.
Hierin kann sich „optische Elemente“ auf beliebige von Linsen, Spiegel, Prismen, Gittern und dergleichen, welche elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, beugen oder in jeder anderen Weise optisch manipulieren, beziehen. Hierin schließen Strahl-Sender, Sender oder Laser-Sender oder Laser eine beliebige elektromagnetische Strahl-erzeugende Vorrichtung, wie Halbleiterelemente, ein, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, jedoch selbst mitschwingend sein können oder nicht sein können. Diese schließen auch Faser-Laser, Scheiben-Laser, Laser im nicht festen Zustand, oberflächenemittierende Diodenlaser (VCSELs), usw. ein. Im Allgemeinen schließt jeder Sender eine zurück reflektierende Oberfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche ein. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Zunahme von elektromagnetischer Strahlung, die nicht auf einen besonderen Bereich des elektromagnetischen Spektrums begrenzt ist, die aber sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Sender kann mehrfache Strahl-Sender, wie einen Diodenbarren, ausgelegt zum Senden von mehrfachen Strahlen einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus. Die in den Ausführungsformen hierin empfangenen zugeführten Strahlen können Einzel-Wellenlängen- oder Multiwellenlängenstrahlen, kombiniert unter Verwendung verschiedener auf dem Fachgebiet bekannter Techniken, sein.As used herein, “optical elements” can refer to any of lenses, mirrors, prisms, gratings, and the like that redirect, reflect, diffract, or optically manipulate electromagnetic radiation in any other way. As used herein, beam transmitters, transmitters, or laser transmitters or lasers include any electromagnetic beam-generating device, such as semiconductor elements, that generate an electromagnetic beam, but may or may not be resonant themselves. These also include fiber lasers, disk lasers, non-solid state lasers, surface emitting diode lasers (VCSELs), and so on. In general, each transmitter includes a back reflective surface, at least one optical gain medium, and a front reflective surface. The optical gain medium increases the build-up of electromagnetic radiation, which is not limited to any particular region of the electromagnetic spectrum, but which can be visible, infrared, and / or ultraviolet light. A transmitter may include or consist essentially of multiple beam transmitters, such as a diode bar, designed to transmit multiple beams. The supplied beams received in the embodiments herein may be single-wavelength or multi-wavelength beams combined using various techniques known in the art.
Laserdioden-Anordnungen, Stäbe und/oder Stapel, wie jene in der nachstehenden allgemeinen Beschreibung beschrieben, können in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Innovationen verwendet werden. Laserdioden können einzeln oder in Gruppen, im Allgemeinen in ein-dimensionalen Reihen/Anordnungen (Diodenbarren) oder zwei-dimensionalen Anordnungen (Dioden-Barren-Stapel) verpackt werden. Ein Dioden-Anordnungs-Stapel ist im Allgemeinen ein vertikaler Stapel von Diodenbarren. Laserdiodenbarren oder Anordnungen erreichen im Allgemeinen eine wesentlich höhere Stärke und Kosteneffektivität als eine äquivalente Einzel-Breitflächendiode. Hoch-Leistungs-Diodenbarren enthalten im Allgemeinen eine Anordnung von Breitflächen-Sendern unter Erzeugen von zig Watt mit relativ schlechter Strahlqualität; trotz der höheren Stärke ist die Helligkeit häufig geringer als jene von einer Breitflächen-Laserdiode. Hoch-Leistungs-Diodenbarren können gestapelt werden, zur Erzeugung von Hoch-Leistungs-gestapelten Diodenbarren von extrem hohen Stärken von hunderten oder tausenden von Watt. Laserdioden-Anordnungen können zum Senden eines Strahls in den freien Raum oder in eine Faser ausgelegt sein. Faser-gekoppelte Dioden-Laser-Anordnungen können üblicherweise als eine Pumpquelle für Faser-Laser und Faser-Verstärker verwendet werden.Laser diode arrays, rods, and / or stacks such as those described in the general description below can be used in conjunction with embodiments of the innovations described herein. Laser diodes can be packaged individually or in groups, generally in one-dimensional rows / arrangements (diode bars) or two-dimensional arrangements (diode bar stacks). A diode array stack is generally a vertical stack of diode bars. Laser diode bars or arrays generally achieve significantly greater strength and cost effectiveness than an equivalent single wide area diode. High power diode bars generally contain an array of wide area transmitters generating tens of watts of relatively poor beam quality; despite the higher strength, the brightness is often lower than that of a wide area laser diode. High power diode bars can be stacked to produce high power stacked diode bars of extremely high strengths of hundreds or thousands of watts. Laser diode Arrays can be designed to send a beam into free space or into a fiber. Fiber-coupled diode laser arrays can commonly be used as a pump source for fiber lasers and fiber amplifiers.
Ein Dioden-Laser-Stab ist ein Typ von Halbleiter Laser, der eine ein-dimensionale Anordnung von Breitflächen-Sendern enthält, oder alternativ Sub-Anordnungen, die z.B. 10-20 enge Streifen-Sender enthalten, enthält. Ein Breitflächen-Diodenbarren enthält im Allgemeinen zum Beispiel 19-49 Sender, jeden mit Abmessungen in der Größenordnung von z.B. 1 µm × 100 µm. Die Strahlqualität entlang der 1 µm Abmessung oder Fast-Axis ist im Allgemeinen Beugungs-begrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100 µm Abmessung oder Slow-Axis oder Anordnungsdimension ist im Allgemeinen vielfach Beugungs-begrenzt. Im Allgemeinen weist ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge der Größenordnung von 1 bis 4 mm auf, ist etwa 10 mm breit und erzeugt zig Watt Ausgangsleistung. Die meisten Diodenbarren werden in der Wellenlängenregion von 780 bis 1070 nm betrieben, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Lasern) und 940 nm (zum Pumpen Yb:YAG) am vorherrschendsten sind. Der Wellenlängenbereich von 915-976 nm wird zum Pumpen von Erbium-dotierten oder Ytterbium-dotierten Hoch-Leistungs-Faser-Lasern und Verstärkern verwendet.A diode laser rod is a type of semiconductor laser that contains a one-dimensional array of wide area transmitters, or alternatively, sub-arrays containing, e.g., 10-20 narrow striped transmitters. A wide area diode bar generally contains, for example, 19-49 transmitters, each with dimensions on the order of, for example, 1 µm x 100 µm. The beam quality along the 1 µm dimension or fast axis is generally diffraction-limited. The beam quality along the 100 µm dimension or slow axis or arrangement dimension is generally limited in many ways by diffraction. In general, a diode bar for commercial applications has a laser cavity length on the order of 1 to 4 mm, is about 10 mm wide, and produces tens of watts of output power. Most diode bars operate in the 780-1070 nm wavelength region, with the 808 nm (for pumping neodymium lasers) and 940 nm (for pumping Yb: YAG) wavelengths being the most prevalent. The wavelength range of 915-976 nm is used for pumping erbium-doped or ytterbium-doped high-power fiber lasers and amplifiers.
Ein Dioden-Stapel ist einfach eine Anordnung von mehrfachen Diodenbarren, die sehr hohe Ausgangsleistung abgeben können, auch Diodenlaser-Stapel, Mehrfach-Barren-Modul oder zwei-dimensionale Laser-Anordnung genannt, wobei die üblichste Dioden-Stapel-Anordnung jene von einem vertikalen Stapel ist, der effektiv eine zwei-dimensionale Anordnung von Rand-Sendern ist. Ein solcher Stapel kann durch Befestigen von Diodenbarren an dünnen Kühlkörpern und Stapeln dieser Aufbauten so erzeugt werden, um eine periodische Anordnung von Diodenbarren und Kühlkörpern zu erhalten. Es gibt auch horizontale Dioden-Stapel und zwei-dimensionale Stapel. Für die hohe Strahlqualität sollten die Diodenbarren im Allgemeinen so nahe zueinander wie möglich sein. Andererseits erfordert effizientes Kühlen eine gewisse minimale Dicke des zwischen den Stäben befestigten Kühlkörpers. Dieser Kompromiss der Diodenbarren-Beabstandung ergibt eine Strahlqualität von einem Dioden-Stapel in der vertikalen Richtung (und folglich seine Helligkeit), die viel geringer ist als jene von einem Einzel-Diodenbarren. Es gibt jedoch unterschiedliche Techniken, um dieses Problem signifikant abzuschwächen, z.B. durch räumliches Verschachteln der Ausgaben von verschiedenen Dioden-Stapeln durch Polarisations-Koppeln oder durch Wellenlängen-Vervielfachen. Verschiedene Typen von Hoch-Leistungs-Strahlformern und verwandten Vorrichtungen wurden für solche Zwecke konzipiert. Dioden-Stapel können extrem hohe Ausgangsleistungen (z.B. Hunderte oder Tausende Watt) bereitstellen.A diode stack is simply an arrangement of multiple diode bars that can deliver very high output power, also called diode laser stacks, multiple bar modules or two-dimensional laser arrangements, the most common diode stack arrangement being that of a vertical one Stack is, which is effectively a two-dimensional array of edge transmitters. Such a stack can be created by attaching diode bars to thin heat sinks and stacking these structures so as to obtain a periodic arrangement of diode bars and heat sinks. There are also horizontal diode stacks and two-dimensional stacks. For the high beam quality, the diode bars should generally be as close to one another as possible. On the other hand, efficient cooling requires a certain minimum thickness of the heat sink attached between the rods. This trade-off in diode bar spacing results in beam quality from a diode stack in the vertical direction (and hence its brightness) that is much lower than that from a single diode bar. However, there are different techniques to significantly alleviate this problem, e.g., by spatially interleaving the outputs from different diode stacks by polarization coupling or by wavelength multiplying. Various types of high power beamformers and related devices have been designed for such purposes. Diode stacks can provide extremely high output powers (e.g. hundreds or thousands of watts).
In einem Aspekt kennzeichnen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem, das eine Anordnung (z.B. eine ein-dimensionale Anordnung oder eine zwei-dimensionale Anordnung) von Strahl-Sendern, die jeweils einen Strahl senden, Abbildungsoptik zum Fokussieren der Strahlen auf ein streuendes bzw. dispersives Element, ein streuendes bzw. dispersives Element zum Empfangen und Streuen der fokussierten Strahlen, wodurch ein Multiwellenlängenstrahl gebildet wird und eine optische Faser zum Empfangen des Multiwellenlängenstrahls einschließt oder im Wesentlichen daraus besteht. Die optische Faser umfasst (i) einen Kern zum Empfangen des Multiwellenlängenstrahls, Reflektieren eines ersten Bereichs davon zurück auf das streuende bzw. dispersive Element und Übertragen eines zweiten Bereichs davon als einen Ausgabestrahl, zusammengesetzt aus vielen Wellenlängen, wobei der Kern eine teilweise reflektierende Oberfläche aufweist, und (ii) der Kern, ein Mantel mit einem Reflexionsvermögen für den Multiwellenlängenstrahl von weniger als 1% umgibt oder besteht im Wesentlichen daraus, wobei das streuende bzw. dispersive Element ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Beugungsgitter, einem streuenden Prisma, einem Grisma (Prisma/Gitter), einem Übertragungsgitter oder einem Echelle-Gitter.In one aspect, embodiments of the invention characterize a laser system which has an arrangement (e.g. a one-dimensional arrangement or a two-dimensional arrangement) of beam transmitters, each transmitting a beam, imaging optics for focusing the beams on a scattering or dispersive element , a dispersive element for receiving and dispersing the focused beams, thereby forming a multi-wavelength beam and including or essentially consisting of an optical fiber for receiving the multi-wavelength beam. The optical fiber comprises (i) a core for receiving the multi-wavelength beam, reflecting a first portion thereof back onto the dispersive element, and transmitting a second portion thereof as an output beam composed of multiple wavelengths, the core having a partially reflective surface , and (ii) the core, a cladding with a reflectivity for the multi-wavelength beam of less than 1% surrounds or consists essentially of it, wherein the scattering or dispersive element is selected from the group consisting of a diffraction grating, a scattering prism, a Grisma (prism / grating), a transmission grating or an echelle grating.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der Nachstehenden in jeder von einer Vielfalt von Kombinationen einschließen. Ein Bereich des Kerns kann aus dem Mantel herausragen. Eine Oberfläche des Kerns kann im Wesentlichen coplanar mit einer Oberfläche des Mantels sein. Die optische Faser kann derart positioniert sein, dass an der teilweise reflektierenden Oberfläche des Kerns ein Durchmesser (oder andere laterale Abmessung, z.B. Breite) des Kerns nicht weniger als ein Durchmesser (oder andere laterale Abmessung, z.B. Breite) des Multiwellenlängenstrahls ist. Der Durchmesser des Kerns kann im Wesentlichen gleich oder größer als der Durchmesser des Multiwellenlängenstrahls sein. Eine Abschlusskappe kann an der optischen Faser befestigt und optisch stromaufwärts der teilweise reflektierenden Oberfläche des Kerns angeordnet sein. Eine Antireflex-Beschichtung kann über dem Mantel der optischen Faser angeordnet sein. Ein Modenabstreifer kann um mindestens einen Bereich des Kerns der optischen Faser angeordnet sein. Der Modenabstreifer kann um mindestens einen Bereich des Mantels der optischen Faser angeordnet sein. Die Abbildungsoptik kann eine oder mehrere zylindrische Linsen, eine oder mehrere kugelförmige Linsen, einen oder mehrere kugelförmige Spiegel und/oder einen oder mehrere zylindrische Spiegel einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus. Das streuende bzw. dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z.B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektierendes Beugungsgitter) einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus.Embodiments of the invention can include one or more of the following in any of a variety of combinations. A portion of the core can protrude from the cladding. A surface of the core can be substantially coplanar with a surface of the clad. The optical fiber may be positioned such that at the partially reflective surface of the core a diameter (or other lateral dimension, e.g. width) of the core is not less than a diameter (or other lateral dimension, e.g. width) of the multi-wavelength beam. The diameter of the core can be substantially equal to or greater than the diameter of the multi-wavelength beam. An end cap can be attached to the optical fiber and located optically upstream of the partially reflective surface of the core. An anti-reflective coating can be placed over the cladding of the optical fiber. A mode stripper can be disposed around at least a portion of the core of the optical fiber. The mode stripper can be arranged around at least a portion of the cladding of the optical fiber. The imaging optics can include or consist essentially of one or more cylindrical lenses, one or more spherical lenses, one or more spherical mirrors and / or one or more cylindrical mirrors. That The scattering or dispersive element can include a diffraction grating (for example a transmissive diffraction grating or a reflective diffraction grating) or consists essentially of it.
Das Lasersystem kann ein Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem zum Empfangen und Übertragen des Multiwellenlängenstrahls unter Vermindern der Kreuzkopplung davon einschließen. Die teilweise reflektierende Oberfläche des Kerns der optischen Faser kann in einem Rayleigh-Bereich des Multiwellenlängenstrahls, übertragen durch das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem, angeordnet sein. Mindestens ein Bereich des Kreuzkopplungs-Abschwächungssystems kann in einem Rayleigh-Bereich des Multiwellenlängenstrahls, übertragen durch das streuende bzw. dispersive Element, angeordnet sein. Das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem kann afokal sein. Das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem kann ein afokales Teleskop einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus. Das Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem kann ein erstes optisches Element mit einer ersten fokalen Länge und ein zweites optisches Element mit einer zweiten fokalen Länge einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus. Das erste optische Element kann optisch stromaufwärts des zweiten optischen Elements angeordnet sein. Die erste fokale Länge kann mindestens zwei, mindestens drei, mindestens fünf, mindestens sieben, mindestens zehn oder mindestens 100 Mal größer als die zweite fokale Länge sein. Jedes der ersten und zweiten optischen Elemente kann eine Linse (z.B. eine zylindrische Linse oder eine kugelförmige Linse) einschließen oder besteht im Wesentlichen daraus. Das erste optische Element kann in einem Rayleigh-Bereich des Multiwellenlängenstrahls, übertragen durch das streuende bzw. dispersive Element, angeordnet sein. Die teilweise reflektierende Oberfläche des Kerns der optischen Faser kann in einem Rayleigh-Bereich des Multiwellenlängenstrahls, übertragen durch das zweite optische Element, angeordnet sein. Die optische Entfernung zwischen den ersten und zweiten optischen Elementen kann ungefähr gleich einer Summe der ersten und zweiten fokalen Längen sein.The laser system may include a cross-talk attenuation system for receiving and transmitting the multi-wavelength beam while reducing the cross-talk thereof. The partially reflective surface of the core of the optical fiber may be located in a Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted by the cross-coupling attenuation system. At least one region of the cross-coupling attenuation system can be arranged in a Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted by the scattering or dispersive element. The crosstalk attenuation system can be afocal. The crosstalk attenuation system can include or consists essentially of an afocal telescope. The crosstalk attenuation system may include or consist essentially of a first optical element having a first focal length and a second optical element having a second focal length. The first optical element can be arranged optically upstream of the second optical element. The first focal length can be at least two, at least three, at least five, at least seven, at least ten, or at least 100 times greater than the second focal length. Each of the first and second optical elements may include or consist essentially of a lens (e.g., a cylindrical lens or a spherical lens). The first optical element can be arranged in a Rayleigh range of the multi-wavelength beam, transmitted through the scattering or dispersive element. The partially reflective surface of the core of the optical fiber can be arranged in a Rayleigh region of the multi-wavelength beam transmitted through the second optical element. The optical distance between the first and second optical elements can be approximately equal to a sum of the first and second focal lengths.
Diese und andere Aufgaben zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der hierin offenbarten vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch den Bezug auf die nachstehende Beschreibung, die beigefügten Zeichnungen und die Ansprüche. Weiterhin ist es verständlich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorliegen können. Wenn hierin verwendet, bedeuten die Begriffe „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ ±10%, und in einigen Ausführungsformen ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet ausschließlich andere Materialien, die zur Wirkung beitragen, sofern nicht anders hierin definiert. Trotzdem können solche anderen Materialien insgesamt oder einzeln in Spurenmengen vorliegen. Hierin werden die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ untereinander austauschbar angewendet, sofern nicht anders angezeigt. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ angewendet, um den relativen Ersatz von einem zweiten Element anzuzeigen, das einen Lichtstrahl nach Aussetzen einem ersten Element trifft, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements ist. Hierin ist „optische Entfernung“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchquert wird; die optische Entfernung kann, muss jedoch nicht gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein auf Grund von z.B. Reflexionen von Spiegel oder anderen Änderungen in fortschreitender Richtung, erfahren von dem Licht, das von einer der Komponenten zu der anderen gelenkt wird.These and other objects, along with advantages and features of the present invention disclosed herein, will become more apparent upon reference to the following description, accompanying drawings, and claims. Furthermore, it is understood that the features of the various embodiments described herein are not mutually exclusive and can exist in various combinations and permutations. As used herein, the terms "substantially" and "approximately" mean ± 10%, and in some embodiments ± 5%. The term “consists essentially of” only means other materials that contribute to the effect, unless otherwise defined herein. Nonetheless, such other materials may be present in whole or in part in trace amounts. Here, the terms “radiation” and “light” are used interchangeably, unless otherwise indicated. As used herein, "downstream" or "optically downstream" is used to indicate the relative replacement of a second element that strikes a beam of light upon exposure to a first element, the first element being "upstream" or "optically upstream" of the second element. Here, "optical distance" between two components is the distance between two components that rays of light actually traverse; the optical distance may, but need not, be equal to the physical distance between two components due to, for example, reflections from mirrors or other changes in progressive direction experienced from the light directed from one of the components to the other.
FigurenlisteFigure list
In den Zeichnungen beziehen sich Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile über die gesamten verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird der Schwerpunkt im Allgemeinen auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt. In der nachstehenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die nachstehenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1A ist ein Schema von einem Wellenlänge-Strahl-Kombinations (WBC)-Verfahren in der Nicht-Strahl-kombinierenden Abmessung gemäß des Standes der Technik; -
1B ist ein Schema von einem Wellenlänge-Strahl-Kombinations (WBC)-Verfahren in der Strahl-kombinierenden Abmessung gemäß des Standes der Technik; -
2 ist ein Schema von einem WBC-Lasersystem, das ein optisches Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem gemäß des Standes der Technik einbezieht; -
3 ist ein Schema von einem beispielhaften optischen Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem für ein WBC-Lasersystem gemäß des Standes der Technik; -
4 ist ein Schema von einem optischen Kreuzkopplungs-Abschwächungssystem und einem Ausgangskoppler für ein WBC-Lasersystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung; -
5 ist ein Schema von einem optischen Element und einem Ausgangskoppler für ein WBC-Lasersystem gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und -
6-8 sind Schemata von Bereichen von optischen Fasern, angewendet als Ausgangskoppler für WBC-Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
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1A Figure 13 is a schematic of a wavelength-beam-combining (WBC) process in the non-beam-combining dimension according to the prior art; -
1B Figure 13 is a schematic of a wavelength-beam-combining (WBC) process in the beam-combining dimension according to the prior art; -
2 Figure 13 is a schematic of a WBC laser system incorporating a prior art optical cross-talk attenuation system; -
3 Figure 13 is a schematic of an exemplary optical cross-talk attenuation system for a WBC laser system according to the prior art; -
4th is a schematic of an optical cross coupling attenuation system and output coupler for a WBC Laser system according to embodiments of the invention; -
5 Figure 3 is a schematic of an optical element and output coupler for a WBC laser system in accordance with embodiments of the invention; and -
6-8 are schematics of ranges of optical fibers applied as output couplers for WBC laser systems according to embodiments of the invention.
Beschreibung im EinzelnenDescription in detail
Aspekte und Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen das Gebiet des Skalierens von Laserquellen für hohe Leistung und hohe Helligkeit unter Verwendung eines äußeren Resonators und insbesondere Verfahren und Einrichtung für äußeren Resonator-Strahl unter Kombinieren der Verwendung von sowohl ein-dimensionalen als auch zwei-dimensionalen Laserquellen. In einer Ausführungsform schließt das äußere Resonator-System ein-dimensionale oder zwei-dimensionale Laserelemente, ein optisches System, ein streuendes bzw. dispersives Element und ein teilweise reflektierendes Element ein. Ein optisches System besteht aus einem oder mehreren optischen Elementen, die zwei Basisfunktionen ausführen. Die erste Funktion ist, alle Laserelemente entlang der Strahl kombinierenden Dimension auf ein streuendes bzw. dispersives Element zu überlappen. Die zweite Funktion ist, zu sichern, dass alle Elemente entlang der Nicht-Strahl kombinierenden Abmessung normal zu dem Ausgangskoppler fortschreiten. In verschiedenen Ausführungsformen führt das optische System möglichst wenig Verlust ein. Als solches werden diese zwei Funktionen einen Einzel-Resonanzhohlraum für alle Laserelemente ermöglichen.Aspects and embodiments generally relate to the field of scaling laser sources for high power and high brightness using an outer cavity, and more particularly, methods and apparatus for outer cavity beams combining the use of both one-dimensional and two-dimensional laser sources. In one embodiment, the outer resonator system includes one-dimensional or two-dimensional laser elements, an optical system, a scattering element, and a partially reflective element. An optical system consists of one or more optical elements that perform two basic functions. The first function is to overlap all laser elements along the beam combining dimension onto a scattering or dispersive element. The second function is to ensure that all elements along the non-beam combining dimension progress normally to the output coupler. In various embodiments, the optical system introduces as little loss as possible. As such, these two functions will enable a single resonant cavity for all laser elements.
In einer anderen Ausführungsform schließt das äußere WBC-Resonator-System Wellenlänge stabilisierte ein-dimensionale oder zwei-dimensionale Laserelemente, ein optisches System und ein streuendes bzw. dispersives Element ein. Ein-dimensionale oder zwei-dimensionale Wellenlänge stabilisierte Laserelemente mit gleicher Wellenlänge können unter Verwendung verschiedener Mittel, wie Laserelemente mit Rückkopplung von Wellenlänge gechirptem Volumen-Bragg-Gitter, verteilten Rückkopplungs (DFB)-Laserelementen oder verteilten Bragg-Reflektor (DBR)-Laserelementen, ausgeführt werden. Hier ist die Hauptfunktion des optischen Systems, alle Strahlen auf einem streuenden bzw. dispersiven Element zu überlappen. Wenn es keinen Ausgangskoppler-Spiegel außerhalb des Wellenlängestabilisierten Laserelements mit parallelen Strahlen entlang der Nicht-Strahl-kombinierenden Abmessung gibt, ist es wenig wichtig. Aspekte und Ausführungsformen betreffen weiterhin Hoch-Leistungs- und/oder Hoch-Helligkeits-Mehrfach-Wellenlänge-äußere Resonator-Laser, die ein Überlappen oder koaxialen Strahl von sehr geringer Ausgangsleistung bis Hunderte und auch bis Megawatt von Ausgangsleistung erzeugen.In another embodiment, the WBC external resonator system includes wavelength stabilized one-dimensional or two-dimensional laser elements, an optical system, and a scattering element. One-dimensional or two-dimensional wavelength stabilized laser elements with the same wavelength can be produced using various means, such as laser elements with feedback of wavelength chirped volume Bragg grating, distributed feedback (DFB) laser elements or distributed Bragg reflector (DBR) laser elements, are executed. Here the main function of the optical system is to overlap all rays on a scattering or dispersive element. If there is no output coupler mirror outside of the wavelength stabilized laser element with parallel beams along the non-beam combining dimension, it is of little importance. Aspects and embodiments further relate to high power and / or high brightness multiple wavelength outer cavity lasers that produce an overlap or coaxial beam from very low output power to hundreds and even up to megawatts of output power.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schwächen den Grad an unbeabsichtigter und/oder unerwünschter Rückkopplung von nicht-ursprünglichen Sendern in WBC-Lasersystemen ab. Zum Beispiel gibt es in einem WBC-System, in dem zwei einzelne Strahl-Sender einen üblichen teilweise-reflektierenden Spiegel (wie ein Ausgangskoppler) teilen, das Potenzial für die Rückkopplung des Lichts von einem Sender, um in den anderen Sender einzudringen. Diese unerwünschte Rückkopplung (oder „Übersprechdämpfung“ oder „Kreuzkopplung“) von einem „nicht-ursprünglichen“ Sender vermindert die Effizienz des Systems. Die hierin beschriebenen Ansätze und Ausführungsformen können auf ein- und zwei-dimensionale Strahl kombinierende Systeme entlang der langsam-divergierenden Dimension (oder „Richtung“), schnell-divergierende Dimension oder andere Strahl kombinierende Dimensionen angewendet werden. Für Zwecke dieser Anmeldung weisen emittierte Strahlen Profile auf, in denen eine Dimension nahe zu oder vollständige Beugungs-begrenzt ist, während die andere Dimension viele Male Beugungs-begrenzt ist. Ein anderer Weg des Beschreibens davon kann in Bezug auf Achse und/oder Dimension erfolgen. Zum Beispiel kann ein Ausgabestrahl eine langsam und eine schnell divergierende Achse oder Dimension aufweisen.Embodiments of the present invention mitigate the level of inadvertent and / or unwanted feedback from non-original transmitters in WBC laser systems. For example, in a WBC system where two individual beam emitters share a common partially reflective mirror (like an output coupler), there is the potential for the light from one emitter to be fed back to enter the other emitter. This unwanted feedback (or “crosstalk attenuation” or “cross coupling”) from a “non-native” transmitter reduces the efficiency of the system. The approaches and embodiments described herein can be applied to one- and two-dimensional beam combining systems along the slow diverging dimension (or “direction”), fast diverging dimension, or other beam combining dimensions. For purposes of this application, emitted rays have profiles in which one dimension is near or completely diffraction-limited while the other dimension is diffraction-limited many times. Another way of describing this can be in terms of axis and / or dimension. For example, an output beam can have a slowly and rapidly diverging axis or dimension.
Wenn der Begriff im Wesentlichen größer verwendet wird, beim Beziehen auf die fokale Länge von einem optischen Element, verglichen mit der fokalen Länge von einem anderen optischen Element (f1»f2), ist es so zu verstehen, dass ein Faktor von mindestens 2, 3, 4, 5, 7 Male oder größer sein muss. Zum Beispiel kann die fokale Länge von f1 100mm oder mehr sein, während die fokale Länge von f2 50mm oder weniger ist. In einem anderen Beispiel kann die fokale Länge von f1 200mm oder mehr sein, während f2 20mm oder weniger ist. Der Begriff „angularer Filter“ bezieht sich auf eine Vielfalt von optischen Elementen, die eine ausgewiesene Anzahl von Öffnungen für Rückkopplungsstrahlen erzeugt. Die Größe von dieser Anzahl von Öffnungen kann die erlaubte Rückkopplung auf nur jene begrenzen, die dem ursprünglich emittierten Strahl entspricht. Das bedeutet, dass der angulare Filter benachbarte oder nahe emittierte Strahlen am Rückkehren in den ursprünglichen Sender (d.h. Übersprechdämpfung) hindert. Stabilisierung von Sendern bezieht sich auf Rückkopplung, die durch jeden Sender empfangen wurde, der zu einer merklichen Wellenlänge verengt wurde. Dies kann in Form von Seeding der Sender mit einer besonderen Wellenlänge erfolgen, unter Veranlassung, dass ein Bereich des emittierten Strahls zurück in den Sender umgeleitet wird, und Eingreifen bei der Rückkopplung, wie Platzieren eines optischen Gitters in der Weise, um eine in die Sender als Rückkopplung zu richtende individuelle Wellenlänge zu erzeugen. Häufig wird Rückkopplung zurück auf die ursprüngliche Emissionsfläche reflektiert, wo sie durch ein streuendes bzw. dispersives Element oder Beugungsgitter gelangt vor dem Eintreten zurück in den optischen Verstärkungsmedium-Bereich des ursprünglichen Senders. In einigen WBC-Ausführungsformen kann die Rückkopplungsquelle eine übliche reflektierende Oberfläche sein, die Rückkopplung für mehrfache Sender bereitstellt, wobei jeder der Rückkopplungsstrahlen einzeln auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt wird.When the term is used substantially larger when referring to the focal length of one optical element compared to the focal length of another optical element (f1 »f2), it is to be understood that a factor of at least 2.3 , 4, 5, 7 times or larger. For example, the focal length of f1 can be 100mm or more, while the focal length of f2 is 50mm or less. In another example, the focal length of f1 can be 200mm or more while f2 is 20mm or less. The term "angular filter" refers to a variety of optical elements that create a designated number of openings for feedback beams. The size of this number of openings can limit the allowable feedback to only that corresponding to the originally emitted beam. This means that the angular filter prevents neighboring or closely emitted beams from returning to the original transmitter (ie crosstalk attenuation). Transmitter stabilization refers to feedback received by any transmitter that has been narrowed to a noticeable wavelength. This can take the form of seeding the transmitters at a particular wavelength, causing a portion of the emitted beam to be redirected back into the transmitter, and intervening in the feedback, such as placing an optical grating in such a way as to bring one into the transmitters to generate individual wavelengths to be directed as feedback. Often times, feedback is reflected back onto the original emission surface, where it is through a scattering or dispersive element or diffraction grating gets back into the optical gain medium area of the original transmitter before entering. In some WBC embodiments, the feedback source may be a common reflective surface that provides feedback to multiple transmitters, with each of the feedback beams being individually tuned to a particular wavelength.
In dieser Ausführungsform übt die Anordnung der kombinierenden Linse
In WBC-Resonatoren ist es für benachbarte Sender möglich, miteinander optisch zu kreuz-koppeln. Dies kann die Ausgabe-Strahlqualität stark abbauen.
Die nachstehenden Parameter werden wie nachstehend definiert:
- d = Abstand zwischen den zwei Sendern (symmetrisch verschoben oberhalb und unterhalb der Achse um +/- (d/2)).
- ∈ = Ablenkungswinkel (der Winkel zwischen den Hauptstrahlen mit durchgezogener Linie und den Hauptstrahlen mit Punktlinie an den Sendern.
- θ1/2 = Semi-Divergenz-Fernfeld-Winkel von einem Sender in der WBC-Richtung.
- L0 = Abstand der Sender zur Linse L1.
- f1 = fokale Länge von Linse L1.
- d = distance between the two transmitters (symmetrically shifted above and below the axis by +/- (d / 2)).
- ∈ = deflection angle (the angle between the main rays with a solid line and the main rays with a dotted line at the transmitters.
- θ 1/2 = semi-divergence far-field angle from a transmitter in the WBC direction.
- L 0 = distance of the transmitter to the lens L1.
- f 1 = focal length of lens L1.
In
Die Symmetrie in
Verlassen des oberen Senders bzw. Emitters:
Eindringen in Linse L1:
Austreten aus Linse L1:
Eindringen in das und Austreten aus dem Gitter (Es wird an die vorstehende Erörterung erinnert, dass der Punktlinie-Hauptstrahl die Richtung bei dem Gitter nicht ändert):
Um die Berechnungen an dem Koppler zu beenden, die das Ausbreiten durch die Kreuzkopplungs-Abschwächungs-Optik beinhalten, wird daran erinnert, dass der Punktlinien-Hauptstrahl den Koppler an seiner Mitte kreuzt. Deshalb ist nur der Strahlanstieg an dem Koppler nicht-Null, und angemerkt sein, dass die Strahlhöhe und der Strahlanstieg an dem Gitter beide proportional sein müssen. Dies impliziert, dass das Verhältnis der Höhe zu dem Anstieg an dem Gitter konstant sein muss. Und man kann konstant sehr intuitiv als das Negative des effektiven Abstands des Kopplers von dem Gitter interpretieren, wie durch die Kreuzkopplungs-Abschwächungs-Optik bestimmt. In anderen Worten
Worin Lcplr_eff der effektive Abstand des Kopplers über (nach rechts von) das Gitter hinausgeht.To finish the calculations on the coupler that involve propagating through the cross coupling attenuation optics, recall that the dotted principal ray crosses the coupler at its center. Therefore, only the beam rise at the coupler is non-zero, and it should be noted that the beam height and beam rise at the grating must both be proportional. This implies that the ratio of the height to the slope on the grid must be constant. And one can constantly very intuitively interpret as the negative of the effective distance of the coupler from the grating, as determined by the cross-coupling attenuation optics. In other words
Wherein L CPLR _ eff is the effective distance of the coupler over (to the right of) beyond the grid.
Konkret kann Lcplr_eff entweder mit einer Strahlenspur oder mit einer y/y-bar-Analyse der Post-Gitter-Linsen berechnet werden. Aber in jedem Fall erlaubt Gleichung 9, Gleichungen 7 und 8 für den Ablenkungswinkel ∈ mit dem nachstehenden Ergebnis zu lösen:
Nun, da der Ablenkungswinkel ∈, der Kreuzkopplung ergibt, bestimmt wurde, kann der Grad an Kreuzkopplung berechnet werden. Eine zweckmäßige Definition der Kreuzkopplung ist das Integral über Raumwinkel an dem Sender des Produkts der selbst-gekoppelten Intensität und der kreuz-gekoppelten Intensität, normalisiert durch das Integral des Quadrats der selbst-gekoppelten Intensität. Vor dem Berechnen des Integrals ist es wichtig, anzumerken, dass im Namen der vereinfachenden Symmetrie angenommen wird, dass sowohl die herausgehenden und hereinkommenden Strahlen an den Kreuzkopplungs-Sendern gleich abweichen. Somit betrachtet man für das Überlappungsintegral einen Strahl (der selbst-gekoppelte Strahl), der nicht-abgelenkt ist, und der andere Strahl (der kreuz-gekoppelte Strahl), um durch Verdoppeln durch Winkel ∈ abgelenkt zu sein. Einsetzen dieses Abschnitts in Gleichungsform liefert:
(Angemerkt sei, dass Gleichung 11 ein-dimensionale Integrale über einen Einzel-Winkel anstelle von zwei-dimensionalen Integralen über Raumwinkel beinhaltet. Dies erfolgt, weil die Integration über Winkel in die Richtung orthogonal zu der Strahlabweichung eine Konstante ergibt, die aus dem Verhältnis in Gleichung 11 herausfällt.) Gleichung 11 kann vereinfacht werden, um zu ergeben:
Zusammenfassend kann man den relevanten Ablenkungswinkel ∈ hinsichtlich der bekannten Parameter gemäß Gleichung 10 berechnen. Das erhaltene Überlappen kann dann gemäß Gleichung 12 berechnet werden. Dies ergibt das Verhältnis von kreuz-gekoppelter Intensität zu selbst-gekoppelter Intensität, unter der Annahme, dass es in dem selbst-gekoppelten Fall eine perfekte Einschnürung an dem Koppler gibt.In summary, one can calculate the relevant deflection angle ∈ with regard to the known parameters according to equation 10. The overlap obtained can then be calculated according to
Es gibt eine sehr interessante Möglichkeit, um einen großen Einfluss auf die Kreuzkopplung auszuüben, wenn nahe, jedoch nicht sehr, an der gewöhnlichen Konfiguration von Anordnen der Sender eine fokale Länge zurück von L1. Wenn wir die Sender dort genau platziert haben, dann würde der erste Term in dem Nenner von Gleichung 10 null sein, und Gleichung 10 würde sich reduzieren auf:
Unter Substitution von Gleichung 13 in Gleichung 12 ergibt sich:
Hier ist d’ der Sender-Durchmesser an dem nahen Feld, und Zr ist der Rayleigh-Bereich des Strahls. Um somit Kreuz-Koppeln zu vermindern, sollte der Nahfeld-Füllfaktor (d/d’) hoch sein, die optische Weglänge zwischen dem Gitter und Koppler sollte lang sein und der Rayleigh-Bereich sollte kurz sein. Im Allgemeinen ist der Nahfeld-Füllfaktor festgelegt. Als ein Beispiel, wenn angenommen wird, dass das WBC-System
Wenn die Sender jedoch etwas von dieser Position heraus sind, dann kann man in dem ersten Term in dem Nenner von Gleichung 10 tatsächlich den zweiten Term streichen, was den erforderlichen Ablenkungswinkel unendlich macht und die Kreuzkopplung null überlappt. Insbesondere geschieht dies, wenn:
In anderen Worten, wenn der effektive Abstand zu dem Koppler Lcplr_eff sehr groß ist, gibt uns Gleichung 14 ein potenzielles Rezept zum Ziehen der Sender etwas zurück von dem vorderen Brennpunkt von L1, um Kreuzkopplung zu zerstören.In other words, if the effective distance to the coupler L cplr_eff is very large, Equation 14 gives us a potential recipe for pulling the transmitters back slightly from the front focus of L1 to destroy cross-talk.
In verschiedenen Ausführungsformen ist es erwünscht, Linse
Der Strahl-Empfangs-Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann anstelle von oder zusätzlich zu einer teilweise reflektierenden Beschichtung ein Faser-Bragg-Gitter
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Oberfläche
In beliebigen der vorstehend erwähnten Wellenlängen-Stabilisierungs-Systeme wird Wert darauf gelegt, dass der Strahl auf verschiedenen Wegen über die Zugabe von optischen und/oder streuenden bzw. dispersiven Elementen, ausgelegt zum Erreichen der erwünschten Strahlqualitäten, manipuliert werden können. Zum Beispiel können optische Elemente, wie Gitter und/oder Kollimatoren, in dem WBC-System und/oder dem Stabilisierungs-System vorliegen. Es wird auch Wert darauf gelegt, dass die teilweise reflektierenden Elemente mit teilweise reflektierenden Eigenschaften durch eine beliebige Anzahl von Mitteln bereitgestellt werden können, einschließlich, jedoch nicht auf das Bereitstellen von Gittern, Beschichtungen usw. begrenzt, um so die erwünschte Übertragung und erwünschte Reflexionsqualitäten zu erreichen.In any of the above-mentioned wavelength stabilization systems, emphasis is placed on the fact that the beam can be manipulated in various ways via the addition of optical and / or scattering or dispersive elements designed to achieve the desired beam qualities. For example, optical elements such as gratings and / or collimators can be present in the WBC system and / or the stabilization system. It is also appreciated that the partially reflective elements with partially reflective properties can be provided by any number of means including, but not limited to, the provision of gratings, coatings, etc., so as to provide the desired transmission and reflective qualities reach.
Die hierin angewendeten Begriffe und Ausdrücke werden als Begriffe der Beschreibung und nicht der Begrenzung verwendet, und es gibt keine Absicht bei der Verwendung von solchen Begriffen und Ausdrücken, irgendwelche Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Bereiche davon auszuschließen, jedoch wird erkannt, dass verschiedene Modifizierungen in dem beanspruchten Umfang der Erfindung möglich sind.The terms and expressions used herein are used as terms of description and not of limitation, and there is no intent in the use of such terms and expressions to exclude any equivalents of the features or ranges shown and described, however, it is recognized that various modifications are possible are possible within the scope of the invention as claimed.
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