用于波長光束組合激光系統的光學交叉耦合抑制系統的制作方法

相關申請

本申請要求在2014年12月10日提交的美國臨時專利申請no.62/089,839的權益和優先權。該申請的全部內容通過引用包含于此。

在各種實施例中，本發明涉及激光系統，特別地包括用于抑制光束發射器之間的光學交叉耦合的系統的波長光束組合激光系統。

背景技術：

高功率激光系統用于許多不同應用，諸如焊接、切割、鉆孔和材料加工。這種激光系統通常包括激光發射器，來自激光發射器的激光被耦合到光學纖維(或簡單地“光纖”)，以及光學系統，其將來自光纖的激光聚焦到待加工的工件上。光學系統通常被設計以產生最高質量的激光束或等價地具有最低光束參數積(bpp)的光束。bpp是激光束的發散角(半角)和光束在其最窄處的半徑(即，束腰，最小光斑尺寸)的乘積。bpp對激光束的質量以及它如何可以聚焦到小的光斑進行量化，通常是以毫米-毫弧度的單位表示(mm-mrad)。高斯光束具有最低的可能的bpp，其由激光的波長除以圓周率給出。在同一波長的實際光束的bpp與理想高斯光束的bpp的比率表示為m²、或“光束質量因子”，其是光束質量的獨立于波長的度量，“最好的”質量對應于“最低的”光束質量因子1。

波長光束組合(wbc)是用于對來自激光二極管條、二極管條堆棧、或以一維或二維陣列布置的其他激光器的輸出功率和亮度進行調節的技術。wbc方法已經被開發來組合沿著發射器的陣列的一個或兩個維度的光束。典型的wbc系統包括多個發射器，諸如一個或多個二極管條，它們使用色散元件來組合以形成多波長光束。wbc系統中的每個發射器單獨地諧振，并且通過由色散元件沿著光束組合維度濾波的、來自通常部分反射的輸出耦合器的波長特定反饋來穩定。示例性wbc系統在2000年2月4日提交的美國專利no.6,192,062、1998年9月8日提交的美國專利no.6,208,679、2011年8月25日提交的美國專利no.8,670,180、以及2011年3月7日提交的美國專利no.8,559,107中詳細描述，所述專利的每一個的全部內容通過引用包含于此。

利用各種wbc技術來形成針對許多不同的應用的高功率激光器。然而，光束發射器之間的光學交叉耦合可能導致具有遜于最優亮度的傳統的wbc系統。由此，需要用于wbc激光系統的交叉耦合抑制配置。

技術實現要素：

根據本發明的實施例，波長光束組合(wbc)激光系統特征在于多個發射器(或“光束發射器”)，例如二極管條或二極管條的各個二極管發射器，它們被組合以形成多波長光束。激光系統中的每個發射器單獨地諧振并經由來自共用部分反射輸出耦合器的波長特定反饋來穩定，所述反饋通過色散元件(例如，衍射光柵、色散棱鏡、棱柵(棱鏡/光柵)、透射光柵，或中階梯光柵)沿著光束組合維度來濾波。有利地，使用非狹縫交叉耦合抑制光學系統來抑制反饋光束之間的串擾。在各種實施例中，交叉耦合抑制系統或其至少一部分被定位在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內，并且輸出耦合器被定位在由交叉耦合抑制系統(或其至少一部分)傳輸的多波長光束的瑞利距離內。以這種方式，根據本發明實施例的激光系統產生具有高亮度和高功率的多波長輸出光束。

在各種實施例中，交叉耦合抑制系統包括或主要由第一和第二光學元件(例如，透鏡)組成，并且第一光學元件的焦距大于(或甚至遠大于)第二光學元件的焦距。在這種實施例中，第一光學元件可以定位在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內，并且輸出耦合器可以被定位在由第二光學元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。

在各種實施例中，光學交叉耦合還經由使用設計的輸出耦合器來減小或基本上消除，設計的輸出耦合器最小化可能反射回至單獨的光發射器的雜散波長的背反射。這種輸出耦合器可以在具有或沒有這里所述的其他交叉耦合抑制系統的情況下使用。在各種實施例中，部分反射輸出耦合器包括在區域中除了部分反射部之外的其表面上的防反射涂層，部分反射部被設計大小并定位以僅攔截多波長光束。部分反射部可以從輸出耦合器的剩余部分突出，或者部分反射部可以與剩余部分基本上共面。

在本發明的各種實施例中，輸出耦合器可以包括或主要由光纖組成，光纖的核心被設計大小和定位以僅攔截多波長光束。核心的表面可以是部分反射的，和/或核心可以在其中包括光纖布拉格光柵以提供光束的實現反饋的反射。光纖的包層可以涂布有防反射涂層以防止從其產生的雜散光反射和光學交叉耦合。端蓋可以存在于光纖上以用于例如環境保護和/或減小光纖的端部處的功率密度。在各種實施例中，光纖可以包括模式消除器和/或與模式消除器一起使用，模式消除器基本上消除從在光纖內傳播的光的不想要的模式。

本發明的實施例將多波長輸出光束耦合至光纖中。在各種實施例中，光纖具有圍繞單個核心的多個包層、單個包層內的多個離散核心區域(或“核心”)、或由多個包層圍繞的多個核心。在各種實施例中，輸出光束可以被輸送至工件以用于諸如切割、焊接等的應用。

這里，“光學元件”可以指透鏡、反射鏡、棱鏡和光柵等中的任一種，其重定向、反射、彎曲或以任何其他方式光學地操縱電磁輻射。這里，光束發射器、發射器、或激光發射器、或激光器包括諸如半導體元件的任何電磁光束生成裝置，其生成電磁光束，但可以或可以不是自諧振的。這些還包括光纖激光器、盤形激光器、非固態激光器、垂直腔面發射激光器(vcsel)等。通常，每個激光器包括背反射表面、至少一個光學增益介質、以及前反射表面。光學增益介質增大電磁輻射的增益，電磁輻射不限于電磁光譜的任何特定部分，而可以是可見光、紅外光和/或紫外光。發射器可以包括或主要由多光束發射器組成，諸如被配置為發射多光束的二極管條。在這里的實施例中接收到的輸入光束可以是單波長或使用本領域中已知的各種技術組合的多波長光束。

諸如在以下通用描述中描述的激光二極管陣列、條和/或堆棧可以與這里所述的創新的實施例相關聯地使用。激光二極管可以單獨地或分組地封裝，通常以一維行/陣列(二極管條)或二維陣列(二極管條堆棧)。二極管陣列堆棧通常是二極管條的垂直堆棧。激光二極管條或陣列通常比等價的單一寬域(broadarea)二極管實現基本上較高的功率并且成本有效。高功率二極管條通常包含寬域發射器的陣列，以相對差的光束質量生成幾十瓦特；盡管功率較高，但亮度通常低于寬域激光二極管的亮度。高功率二極管條可以堆疊以產生高功率堆疊的二極管條以用于生成幾百或幾千瓦特的極高的功率。激光二極管陣列可以被配置為將光束發射至自由空間或至光纖中。光纖耦合的二極管激光器陣列可以傳統地用作用于光纖激光器和光纖放大器的泵浦源。

二極管激光器條是一種類型的半導體激光器，其包含寬域發射器的一維陣列或可替換地包含具有例如10-20個窄帶發射器的子陣列。寬域二極管條通常包含例如19-49個發射器，每個發射器具有例如1μm×100μm的級別的尺寸。沿著1μm維度或快軸的光束質量通常是衍射受限的。沿著100μm維度或慢軸或陣列維度的光束質量通常是多次衍射受限的。通常，用于商業應用的二極管條具有1-4mm的級別的激光諧振器長度，約10mm寬，并生成幾十瓦特的輸出功率。大多數二極管條在從780至1070nm的波長區域中操作，其中808nm(用于泵浦釹激光器)和940nm(用于泵浦yb:yag)的波長是最突出的。915–976nm的波長范圍用于泵浦摻鉺或摻鐿高功率光纖激光器和放大器。

二極管堆棧簡單地是可以輸送非常高的輸出功率的多個二極管條的布置。也稱為二極管激光器堆棧、多條模塊或二維激光器陣列，最常用的二極管堆棧布置是垂直堆棧，其有效地是邊緣發射器的二維陣列。這種堆棧可以通過將二極管條附接至薄的散熱器并且堆疊這些組件以獲得二極管條和散熱器的周期陣列來制造。也存在水平二極管堆棧以及二維堆棧。針對高光束質量，二極管條通常應當盡可能地相互靠近。另一方面，有效的冷卻需要安裝在條之間的散熱器的一些最小的厚度。二極管條空間的該折衷導致二極管堆棧在垂直方向上的光束質量(以及隨后其亮度)遠低于單一二極管條的光束質量。然而，存在用于顯著地緩解該問題的幾種技術，例如通過不同二極管堆棧的輸出的空間交錯，通過偏振耦合或通過波分復用。各種類型的高功率光束成形器和相關裝置已經被開發用于這種目的。二極管堆棧可以提供極高的輸出功率(例如，幾百或幾千瓦特)。

在一個方面，本發明的實施例的特征在于激光系統，其包括或主要由以下組成：各自發射光束的光束發射器的陣列(例如，一維陣列或二維陣列)、用于朝向色散元件聚焦光束的聚焦光學器件、用于接收和分散聚焦光束由此形成多波長光束的色散元件、以及用于接收多波長光束的光纖。光纖包括或主要由以下組成：(i)核心，用于接收多波長光束、將其第一部分朝向色散元件反射回，以及將其第二部分作為由多個波長組成的輸出光束傳輸，核心具有部分反射表面，以及(ii)圍繞核心的包層，具有對于多波長光束的小于1％的反射率。

本發明的實施例可以以各種組合中的任一個包括以下中的一個或多個。核心的一部分可以從包層突出。核心的表面可以大致與包層的表面共面。光纖可以被定位為使得，在核心的部分反射表面處，核心的直徑(或其他橫向維度，例如寬度)不小于多波長光束的直徑(或其他橫向維度，例如寬度)。核心的直徑可以大致等于或大于多波長光束的直徑。端蓋可以附接至光纖并設置在核心的部分反射表面的光學上游。防反射涂層可以設置在光纖的包層上。模式消除器可以圍繞光纖的核心的至少一部分設置。模式消除器可以圍繞光纖的包層的至少一部分設置。聚焦光學器件可以包括或主要由一個或多個柱面透鏡、一個或多個球面透鏡、一個或多個球面反射鏡、和/或一個或多個柱面反射鏡組成。色散元件可以包括或主要由衍射光柵(例如，透射式衍射光柵或反射式衍射光柵)組成。

激光系統可以包括用于在減小其交叉耦合的同時接收和傳輸多波長光束的交叉耦合抑制系統。光纖的核心的部分反射表面可以設置在由交叉耦合抑制系統傳輸的多波長光束的瑞利距離內。交叉耦合抑制系統的至少一部分可以設置在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。交叉耦合抑制系統可以是無焦的。交叉耦合抑制系統可以包括或主要由無焦望遠鏡組成。交叉耦合抑制系統可以包括或主要由具有第一焦距的第一光學元件和具有第二焦距的第二光學元件組成。第一光學元件可以設置在第二光學元件的光學上游。第一焦距可以比第二焦距大至少兩倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光學元件的每一個可以包括或主要由透鏡(例如，柱面透鏡或球面透鏡)組成。第一光學元件可以設置在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。光纖的核心的部分反射表面可以設置在由第二光學元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。第一和第二光學元件之間的光學距離可以大致等于第一和第二焦距的總和。

在另一方面，本發明的實施例的特征在于激光系統，其包括或主要由以下組成：各自發射光束的光束發射器的陣列；聚焦光學器件，用于朝向色散元件聚焦光束；色散元件，用于接收和分散所聚焦的光束，由此形成多波長光束；交叉耦合抑制系統，用于在減小其交叉耦合的同時接收和傳輸多波長光束；設置在交叉耦合抑制系統的光學下游的光纖，用于接收多波長光束；以及設置在光纖內的光纖布拉格光柵，用于接收多波長光束，將其第一部分朝向交叉耦合抑制系統反射回，并將其第二部分作為由多個波長組成的輸出光束傳輸。

本發明的實施例可以以各種組合中的任一個包括以下中的一個或多個。端蓋可以附接至光纖并設置在光纖布拉格光柵的光學上游。聚焦光學器件可以包括主要由一個或多個柱面透鏡、一個或多個球面透鏡、一個或多個球面反射鏡、和/或一個或多個柱面反射鏡組成。色散元件可以包括或主要由衍射光柵(例如，透射式衍射光柵或反射式衍射光柵)組成。模式消除器可以圍繞光纖的至少一部分設置。光纖布拉格光柵可以設置在由交叉耦合抑制系統傳輸的多波長光束的瑞利距離內。交叉耦合抑制系統的至少一部分可以設置在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。交叉耦合抑制系統可以是無焦的。交叉耦合抑制系統可以包括或主要由無焦望遠鏡組成。交叉耦合抑制系統可以或包括主要由具有第一焦距的第一光學元件和具有第二焦距的第二光學元件組成。第一光學元件可以設置在第二光學元件的光學上游。第一焦距可以比第二焦距大至少兩倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光學元件的每一個可以包括或主要由透鏡(例如，柱面透鏡或球面透鏡)組成。第一光學元件可以設置在由色散元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。光纖布拉格光柵可以設置在由第二光學元件傳輸的多波長光束的瑞利距離內。第一和第二光學元件之間的光學距離可以大致等于第一和第二焦距的總和。

這些以及其他目標連同這里公開的本發明的優點和特征將通過參考以下說明書、附圖和權利要求而變得更加明顯。此外，可以理解，這里描述的各種實施例的特征不相互排斥，并且可以以各種組合和排列存在。如這里使用的，術語“基本上”和“大約”意味著±10％，并且在一些實施例中為±5％。術語“主要由…組成”意思是排除對功能有貢獻的其他材料，除非另外在這里定義。但是，這種其他材料可以總地或單獨地以微量存在。這里，術語“輻射”和“光”互換使用，除非另外指出。這里，“下游”或“光學下游”被使用以表示光束在遇到第一元件之后撞擊的第二元件的相對放置，第一元件是第二元件的“上游”或“光學上游”。這里，兩個部件之間的“光學距離”是光束實際經過的兩個部件之間的距離；光學距離可以是但不必須等于由于例如來自反射鏡的反射或由從部件中的一個行進至另一個的光經歷的在傳播方向上的其他改變引起的兩個部件之間的物理距離。

附圖說明

在圖中，相同的附圖標記在不同的視圖中通常指的是相同的部件。而且，圖不需要按比例，而是通常強調示出本發明的原理。在以下描述中，參考以下附圖描述本發明的各個實施例，其中：

圖1a是根據本發明的實施例的在非光束組合維度的波長光束組合(wbc)方法的示意圖；

圖1b是根據本發明的實施例的在光束組合維度的波長光束組合(wbc)方法的示意圖；

圖2是根據本發明的實施例的包括光學交叉耦合抑制系統的wbc激光系統的示意圖；

圖3是根據本發明的實施例的用于wbc激光系統的示例性光學交叉耦合抑制系統的示意圖；

圖4是根據本發明的實施例的用于wbc激光系統的光學交叉耦合抑制系統和輸出耦合器的示意圖；

圖5是根據本發明的實施例的用于wbc激光系統的光學元件和輸出耦合器的示意圖；以及

圖6-8是根據本發明的實施例的用作用于wbc激光系統的輸出耦合器的光纖的部分的示意圖。

具體實施方式

方面和實施例通常涉及使用外腔將激光源調節至高功率和高亮度的領域，以及更特別地涉及用于使用一維或二維激光源的外腔光束組合的方法和設備。在一個實施例中，外腔系統包括一維或二維激光元件、光學系統、色散元件和部分反射元件。光學系統是執行兩個基本功能的一個或多個光學元件。第一個功能是將所有激光元件沿光束組合維度重疊到色散元件上。第二個功能是確保沿著非光束組合維度的所有元件與輸出耦合器正交地傳播。在各種實施例中，光學系統引入盡可能少的損耗。因此，這兩個功能將使單個諧振腔用于所有激光元件。

在另一實施例中，wbc外腔系統包括波長穩定的一維或二維激光元件、光學系統和色散元件。具有獨特波長的一維或二維波長穩定激光元件可以使用各種部件來實現，諸如具有來自波長啁啾體布拉格光柵的反饋的激光元件、分布反饋(dfb)激光元件、或分布布拉格反射(dbr)激光元件。這里的光學系統的主要功能是將所有光束重疊到色散元件上。當不存在波長穩定激光元件外部的輸出耦合鏡時，具有沿非光束組合維度的平行光束不太重要。方面和實施例進一步涉及高功率和/或高亮度的多波長外腔激光器，其生成從非常低的輸出功率到數百甚至兆瓦的輸出功率的重疊或同軸光束。

本發明的實施例抑制了wbc激光系統中非起源發射器的意外和/或不期望的反饋的量。例如，在wbc系統中，兩個單獨的光束發射器共享共用部分反射鏡(諸如輸出耦合器)，存在來自一個發射器的反饋光進入另一個發射器的可能性。來自“非起源”發射器的這種不期望的反饋(或“串擾”或“交叉耦合”)降低了系統的效率。本文所述的方法和實施例可應用于沿慢速發散維度(或“方向”)、快速發散維度或其它光束組合維度的一維和二維光束組合系統。為了該應用的目的，發射光束具有以下形式：一個維度接近或完全是衍射受限，而另一個維度是多次衍射受限。另一種描述這一點的方法可以是軸和/或維度。例如，輸出光束可以具有慢速和快速發散軸或尺寸。

在使用術語遠大于時，在談及一個光學元件的焦距與另一光學元件的焦距相比(f1>>f2)的情況下，可以理解為至少2、3、4、5、7倍或更大的因子。例如，f1的焦距可以是100mm或更大，而f2的焦距是50mm或更少。在另一示例中，f1的焦距可以是200mm或更大，而f2是20mm或更少。術語“角濾波器”指的是針對反饋光束創建指定數值孔徑。該數值孔徑的大小可以將允許的反饋限制為僅對應于最初發射的光束。即，角濾波器防止相鄰或附近的發射光束返回至該最初的發射器(即，串擾)。發射器的穩定化指的是由已被限縮至不同波長的每個發射器接收到的反饋。這可以是利用特定波長播種發射器的形式，其導致所發射光束的一部分被重定向回至發射器，并干涉反饋，諸如將光柵放置在路徑中，以產生要作為反饋被引導至發射器中的不同波長。通常，反饋被反射回最初的發射區域，其中其在進入回至最初的發射器的光學增益介質部分之前穿過色散元件或衍射光柵。在一些wbc實施例中，反饋源可以是共用反射表面，其將反饋提供至多個發射器，反饋光束的每一個獨立地轉向特定波長。

圖1a-1b示出外腔一維(1-d)wbc系統，包括或由以下組成：具有背反射表面104、具有例如兩個或更多個二極管發射器105的增益介質106、前反射表面108的一維光束發射器102(例如，二極管條)、組合光學器件110、色散元件112、以及部分反射輸出耦合器114。在該實施例中，組合光學器件或透鏡110與二極管條102的前反射表面108距離焦距120a放置，而在透鏡110的背板或其他側面上，色散元件112距離焦距120b放置。輸出耦合器114被放置在離色散元件112的特定距離處，并將所生成的光束的一部分(反饋116)反射回至色散元件112。

在該實施例中，組合透鏡110的放置完成兩個功能。第一個功能是將來自所有二極管元件的所有主光線重疊到色散元件112。第二個功能是校準兩個軸上的每個光束。圖1a和1b示出非光束組合維度130的視圖(圖1a)和光束組合維度140的視圖(圖1b)的示意圖。發射器102包括或主要由以下組成：多個發射器(例如，二極管發射器)105、背反射表面104、增益介質106和前表面/小面108。

在wbc諧振器中，鄰接的發射器可能會光學地彼此交叉耦合。這可能嚴重地降低輸出光束質量。圖2是具有兩個鄰接的發射器202a和202b的wbc諧振器的示意圖，發射器202a和202b將其標稱在軸主光線260a和260b(示出為實線)發射至透鏡210，透鏡210將它們聚焦在色散元件(例如，衍射光柵)212的中心上。從這里，兩個主光線以它們自己的獨特波長被衍射以沿著相同的軸240傳播，通過交叉耦合抑制光學器件250，其代表光柵212和部分反射耦合器214之間的任何和所有透鏡或光學元件。兩個光線之后被部分反射回至它們本身，向后傳播以自耦合至它們各自的發射器中。圖2中的虛線261a和261b示出將導致兩個發射器之間的光學交叉耦合的主光線——即，從一個發射器發射的主光線耦合回至另一發射器。

以下參數被如下定義：

d＝兩個發射器之間的距離(在軸之上和之下+/-(d/2)對稱地布置)。

ε＝偏離角(在發射器處的實線主光線和虛線主光線之間的角度)。

θ1/2＝發射器在wbc方向上的半發散遠場角。

l0＝從發射器到透鏡l1的距離。

f1＝透鏡l1的焦距。

在圖2中，光柵被示出如同其在法向入射時工作。這里，假設系統在利特羅(littrow)配置下操作，其中入射角和衍射角是相等的(以及非零的)。在利特羅配置中，入射角的小的改變通過衍射角的相等改變被匹配至第一級。在展開示意圖中，在利特羅處操作的任何光線將似乎筆直地傳播通過光柵。清楚的是，僅中心光線202c(從在兩個發射器202a和202b之間的虛構發射器發射的光線)在利特羅處自耦合。

圖2中的對稱性是故意的，因為其在獨特偏離角ε的分析中允許多次重要的簡化，以該偏離角ε主光線可以離開一個發射器并返回至另一發射器。第一次基于對稱性的簡化是偏離的(虛線)主光線必須在其中心撞擊耦合器。第二次簡化是交叉耦合波長必須是兩個自耦合波長的平均。這將反過來是兩個發射器之間的虛構發射器的波長，兩個發射器如上所述將在利特羅處自耦合。因此，圖2中的虛線主光線必須在利特羅處穿過光柵，意味著它們將似乎直線地傳播通過所示出的光柵。通過使用該簡化，傳統的“y/y-條”(主光線高度/主光線斜率)分析可以用于追蹤頂部虛線主光線：

離開頂部發射器：

進入透鏡l1：

離開透鏡l1：

進入和離開光柵(從以上論述回想到，虛線主光線在光柵處不改變方向)：

為了完成在耦合器處的涉及傳播通過交叉耦合抑制光學器件的計算，回想到虛線主光線在其中心橫穿耦合器。因此，僅在耦合器處的光線斜率是非零的，并且注意在光柵處的光線高度和光線斜率必須都與在耦合器處的光線斜率成比例。這意味著在光柵處的高度與斜率的比率必須是常數。并且，可以將該常數非常直觀地解釋為耦合器離光柵的有效距離的負數，如由交叉耦合抑制光學器件所確定的。換句話說，

其中，lcplr_eff是耦合器超出光柵(的右邊)的有效距離。

實際上，lcplr_eff可以利用光線追蹤或利用光柵后透鏡的y/y-條分析來計算。但是在任何情況下，等式9允許針對偏離角ε求解等式7和8，具有以下結果：

既然導致交叉耦合的偏離角ε已經被確定，則可以計算交叉耦合的量。交叉耦合的一個合理的定義是自耦合強度和交叉耦合強度的乘積的在發射器處對立體角的積分，其通過自耦合強度的平方的積分來標準化。在計算該積分之前，重要的是注意以簡化對稱性的名義，假設在交叉耦合發射器處的出射和入射光束同等地偏離。由此，針對重疊積分，考慮未偏離的一個光束(自耦合光束)以及要被偏離兩倍的角度ε的另一光束(交叉耦合光束)。將該段放入等式形式提供：

(注意，等式11涉及在單個角上的一維積分，而不是在立體角上的二維積分。這是因為在與光束偏離正交的方向上的在角度上的積分得到落到等式11中的比率之外的常數。)等式11可以被簡化以得到：

總之，可以根據等式10按照已知的參數來計算相關偏離角ε。所得到的重疊(overlap)之后可以根據等式12來計算。這給出交叉耦合強度與自耦合強度的比率，假定在自耦合情況下，在耦合器處存在完美的束腰。

當靠近但不完全在將發射器放置得從l1向后一個焦距的通常配置處時，存在對交叉耦合具有大的影響的非常有趣的可能性。如果我們正好將發射器放在那里，則等式10的分母中的第一項將是零，并且等式10將減少至：

將等式13代入等式12得到：

這里，d’是在近場處的發射器直徑，以及zr是光束的瑞利距離。由此，為了減少交叉耦合，近場填充因子(d/d’)應當很高，光柵和耦合器之間的光路長度應當很長，并且瑞利距離應當很短。通常，近場填充因子是固定的。作為示例，如果假定為wbc系統包括20個二極管條以及具有2000mm的焦距的變換透鏡，則在光柵處的光束尺寸大致為40mm(假定20毫弧度全光束散度)。這種光束的瑞利距離(1μm波長和衍射受限)是約160m。光柵和輸出耦合器之間的距離應當與用于交叉耦合抑制的瑞利距離差不多。這種長度將使得wbc系統實質上不切實際。然而，如果光束在光柵和輸出耦合器之間被縮小40×，則光路長度被縮短160×或約1m。光路長度的進一步減小可以使用光束尺寸的較大的減小來實現。光束縮小可以使用諸如透鏡、棱鏡或它們的組合的各種機構來實現。仔細的設計必須被考慮以使得每個發射器的自耦合不削弱以使得腔性能受損。

但是，如果發射器輕微從該位置離開，則等式10的分母中的第一項實際上可以抵消第二項，使得所需的偏離角無限大并且交叉耦合重疊為零。具體來說，這種情況當滿足以下時發生：

換句話說，當至耦合器的有效距離lcplr_eff非常大時，等式14給我們可能的配方，用于從l1的前焦點輕微地往回拉發射器，以破壞交叉耦合。

圖3示出在圖2中由框示出的交叉耦合抑制系統250的一個示例。這里，光學元件302可以是具有焦距f1304的透鏡。第二光學元件306也可以是透鏡并具有焦距f2308。302和306之間的距離確切地或大約是焦距f1和f2的和。如之前論述的，優選的是，f1與f2的比率(f1/f2)是至少兩倍或更大。系統250可以是無焦點伸縮系統。在其他實施例中，多個光學元件可以被使用，其中，系統的效果仍保持具有大比率的無焦點伸縮系統的特性。

在各種實施例中，期望將透鏡302放置在從色散元件(例如，衍射光柵)傳輸的光束的瑞利距離內，同時也將部分反射輸出耦合器或其他反射表面放置在從透鏡306出來的光束的瑞利距離內。通過適當地將具有f1>>f2關系的透鏡放置在這些位置內，有效的系統被創建以減小并在一些情況下消除從進入非起源發射器或源的任何交叉耦合反饋。

圖4示出根據本發明的實施例的穩定系統400(其可以是wbc激光系統的一部分)，其中，光學交叉耦合抑制系統(其可以包括或主要由光學元件410、420組成)與部分反射輸出耦合器430結合使用，部分反射輸出耦合器430被設計為最小化可能導致不想要的反饋的反射。如所示出的，輸出耦合器430包括部分反射光束接收部分434，其被設計尺寸并定位成接收來自光學元件420的光束。具體地，光束接收部分434通常具有與其接收的光束的直徑(或其他橫向維度)大致相同的尺寸的直徑(或其他橫向維度)。可以大致居中在輸出耦合器430的表面上的光束接收部分434被非反射部分(或表面)432圍繞，非反射部分432具有對所接收到的光束的波長的1％或更少的反射率。例如，非反射部分432可以涂布有防反射涂層以防止可能導致光學串擾的不期望的背向反射。由此，在光束接收部分434之外傳播至輸出耦合器430的任何雜散光將不被反射回至wbc系統的光束發射器。光束接收部分434可以從耦合器430的表面的剩余部分突出(即，可以相對于非反射部分432升高)，如圖4中所示出的，或者光束接收部分434可以大致與非反射部分432共面。

光束接收部分434可以對光束的波長具有小于大約15％的反射率，例如在大約2％至大約10％的范圍中，以提供來自相關聯發射器的光束的期望波長穩定。可以理解，所接收光束的剩余部分將穿過輸出耦合器430并傳輸至下游的光學系統部件(例如，光纖或工件)。

圖5示出根據本發明的實施例的穩定系統500(其可以是wbc激光系統的一部分)，其中，光學元件510(例如，柱面或球面透鏡)簡單地將光束聚焦在部分反射輸出耦合器430上，并且在它們之間不存在第二個準直光學元件。以這種方式，輸出耦合器430可以在不使用光學交叉耦合抑制系統(例如，包括或主要由諸如透鏡的兩個或更多個光學元件組成)的情況下在wbc激光系統中使用。

圖6示出wbc激光系統600的一部分，其中，光學元件610將光直接聚焦至光纖的核心650中，光纖包括作為部分反射輸出耦合器操作的一個或多個特征。如示出的，光纖還可以具有圍繞核心650的包層640；通常，包層640具有小于核心650的折射率的折射率，以使得核心650內的光被限制。核心650的端面可以與包層的端面642大致共面，或者核心650可以從表面642輕微突出。為了提供波長穩定，核心650的端面可以對光束的波長是部分反射的(例如，在大約2％和大約10％之間反射，或者在大約4％和大約10％之間反射)。在各種實施例中，部分反射率可以由核心的端面上的涂層提供。

在本發明的各種實施例中，代替部分反射涂層或除了部分反射涂層以外，光纖布拉格光柵654可以設置在核心650內以提供期望的部分反射率。如本領域技術人員已知的，光纖布拉格光柵包括或主要由光纖的一部分(例如，在核心650內)的折射率的周期變化組成。周期變化可以是例如所接收到的光束的波長(或波長之一)的一半的級別，并且光柵由此引起菲涅爾反射。反射的波長依賴性和/或幅度可以通過特定光柵圖案和其中的折射率變化來選擇。在各種實施例中，多個光纖布拉格光柵654可以設置在核心650內，并且每個光柵654可以具有不同的折射率變化和/或波長選擇性。

在各種實施例中，包層640的表面642可以涂布有防反射涂層以防止從反射回的光偏離至相鄰的發射器或光束的任何偏離光。例如，表面642可以被涂布以具有針對光束的波長的小于1％的反射率。

圖7示出波長穩定系統700(其可以是wbc激光系統的一部分)，其中，光學元件710將光聚焦至光纖的核心650中。在系統700中，端蓋720設置在核心650上并與核心650(以及在一些實施例中，包層640的表面642)接觸；在一些實施例中，端蓋720附接至光纖，它們之間具有折射率匹配材料。在其他實施例中，光纖的至少一部分(例如，核心650)被直接熔融至端蓋720。如圖7中所示，端蓋720的存在實現光纖和入射光束之間的有效接口(即，光束進入端蓋的點)以在其具有更大直徑(或寬度)時接收光束，由此減少光束在進入光纖時的功率密度。端蓋720的存在還可以保護光纖的其他部分以防止熱量、濕氣和/或其他環境污染物。

圖8示出波長穩定系統800(其可以是wbc激光系統的一部分)，其中，光學元件810將光聚焦至光纖的核心650中。系統800包括模式消除器820以進一步增大光纖對于光束的純度和傳輸能力。可以理解，隨著光束改變傳輸介質，各種折射指數和至光纖中的光入射角可能導致包層模式，即，光在包層的材料內行進。該包層模式可能是不期望的，因為這種光可能導致波長失真和原始光束的污染。如本領域技術人員所知道的，模式消除器820可以包括、主要由、或由以下組成：具有折射率不小于(即，等于或大于)包層640的折射率的材料；以這種方式，可能通常以包層模式在包層內傳播的光將優先地進入模式消除器并且從光纖輻射出去。在各種實施例中，模式消除器820將具有比包層640的折射率大的折射率。如圖8中所示，折射率匹配材料830可以設置在核心650(或在一些實施例中，包層640)和模式消除器820之間。(如這里使用的，術語“折射率匹配材料”指的是設置在兩種其他材料之間并且具有折射率在兩種材料的折射率之間或大致等于一種或兩種材料的折射率的材料。)盡管圖8示出直接圍繞核心650的模式消除器820，在多種實施例中，包層640的至少一部分設置在核心650和模式消除器820之間。

在前述波長穩定系統中的任一個中，可以理解，光束可以經由被配置為實現期望光束質量的光學和/或色散元件的增加以各種方式操縱。例如，諸如光柵和/或準直器的光學元件可以存在于wbc系統和/或穩定系統中。還可以理解，部分反射元件可以通過包括但不限于提供光柵、涂層等許多手段設置有部分反射性質，以實現期望的傳輸和期望的反射質量。

這里使用的術語和表達用作描述的術語并且沒有限制，并且在使用這些術語和表達時，沒有意圖排除所示出和描述的特征的任何等價或其部分，但可以理解，各種修改可以在所要求保護的本發明的范圍內。