[发明专利]具有模块化二极管源的高功率激光系统

说明书

在各种实施方式中，模块化激光系统以具有用于接受输入激光束模块的接口的外壳、用于将来自模块的光束组合成组合输出光束的光学元件和用于与模块接口并在操作期间冷却模块的热交换歧管为特征。

相关申请

本申请要求2016年8月5日提交的美国临时专利申请No.62/371,341的权益和优先权，该临时专利申请的全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施方式中，本发明涉及具有模块化光束源的高功率激光系统。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的激光系统通常包括：激光发射器，来自其的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内；以及光学系统，其将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。波长光束组合(WBC)是用于按比例调整来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或布置在一维或二维阵列中的其它激光器的输出功率和亮度的技术。开发了WBC方法以沿着发射器的阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括使用色散元件而组合以形成多波长光束的多个发射器，例如一个或多个二极管线阵。在WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并通过由色散元件沿着光束组合维度过滤的来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定。在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述了示例性WBC系统，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。

虽然诸如WBC的技术在为各种应用产生基于激光的系统方面获得成功，但这样的系统的更广泛采用导致对越来越高的水平的激光输出功率的要求。高功率激光系统，例如WBC系统和/或光纤耦合的激光系统是相当复杂的，且可能因此是相当昂贵的；因此，可靠性是这样的系统的关键度量。很多高功率激光系统利用深深地集成在激光系统内的固态激光二极管(或简单地“二极管”)源；因此，这样的系统的可靠性和所有权的成本被下面的事实限制：在二极管故障的情况下二极管源通常不能在现场被更换。因此，存在对高功率激光系统的需要，其中二极管激光源更容易地被更换或修理，从而提高系统运行时间并降低总成本。

发明内容

根据本发明的实施方式，高功率激光系统以多个单独可更换的激光源模块为特征，每个模块包含至少一个激光源，例如一个或多个基于二极管的源。源模块可从系统移除并由最终用户“在现场”更换，提高了系统可靠性和操作时间。此外，可更换的模块可以在给定它们的可更换性的情况下在较高电流下被驱动。虽然在一些实施方式中这样的高电流驱动可能导致单独二极管源的较早故障，但较高电流操作可能使根据本发明的实施方式的系统能够利用更少的源(例如少20％-50％的源)，且可能因此是相应地较不昂贵的。

根据本发明的实施方式的激光源模块可以以与在光束组合外壳上的互补特征接口的电气和光学接口为特征，其中来自模块的各个光束组合成单个输出光束(且在一些实施方式中耦合到光纤内)。这些光学和电气接口便于以源的相关对准的最小量(如果有的话)容易地更换输入激光源。根据本发明的实施方式的系统也以可容易地连接到在系统中利用的任何期望数量的激光源和可从激光源分离的模块化热交换歧管为特征。源模块可插入到布置在外壳中或上的输入接受器内并与输入接受器接口，其中输入光束组合以形成输出光束。

可在WBC系统中利用根据本发明的实施方式的激光装置以形成高亮度、低光束参数乘积(BPP)的激光系统。BPP是激光束的发散角(半角)和光束的在它的最窄点处的半径(即，光束腰，最小光斑尺寸)的乘积。BPP量化激光束的质量和它可多么好地聚焦到小光斑，且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)的单位表示。高斯光束具有由激光的波长除以π给出的最低可能的BPP。实际光束的BPP与在同一波长处的理想高斯光束的BPP之比被表示为M²或“光束质量因子”，其为光束质量的波长无关度量，“最佳”质量对应于1的“最低”光束质量因子。