專利名稱：用于均勻化二極管激光器泵浦陣列的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
正在同時提交以下兩個正規(guī)美國專利申請(包括本申請)，并且通過引用將另一 個申請的全部公開內(nèi)容合并到本申請中以用于所有的目的參于 2009 年 8 月 19 日提交的題為“Method and System for HomogenizingDiode Laser Pump Arrays” 的第 12/544，147 號申請(代理人案號 027512-001300US)；以及 于 2009 年 8 月 19 日提交的題為 “Diffractive Laser Beam Homogenizerincluding a Photo-Active Material and Method of Fabricating the Same” 的第 12/544，161 號申請(代理人案號 027512-001400US)有關(guān)在聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)下完成的發(fā)明的權(quán)利的陳述依據(jù)美國能源部與勞倫斯.利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司之間的 DE-AC52-07NA27344號合同，美國政府擁有本發(fā)明的權(quán)利。
背景技術(shù)：
在高平均功率的二極管泵浦固態(tài)激光器中，大的二極管激光器泵浦陣列通常被用 于泵浦大孔徑的放大器。二極管激光器泵的開發(fā)已經(jīng)導(dǎo)致適于泵浦高功率固態(tài)激光器的高 輸出功率。因此，在許多應(yīng)用中二極管激光器泵已經(jīng)替代了閃光燈泵。圖1是二極管激光器(即半導(dǎo)體激光器)的二維陣列的簡化透視圖。二極管激光 器陣列100包括與熱交換器120 —起堆疊在基底130上的多個二極管激光棒110。熱交換 器120可以是主動冷卻的微通道熱交換器等?？梢允褂脽釋?dǎo)體140a和140b來提供用于去 除由激光二極管棒110生成的熱的另外的熱路徑。每個單獨(dú)的激光棒包括激光器112的水 平布置的陣列，激光器112的每個發(fā)射泵浦輻射。因此，二極管激光器陣列100包括MXN 個激光器，其中M是二極管激光棒110的數(shù)目，并且N是每個棒的激光器112的數(shù)目。雖然二極管泵浦相對于閃光燈泵浦提供了顯著提高的效率、壽命、以及降低的熱 負(fù)荷，但是二極管激光器泵浦陣列通常提供各向異性(不均勻)的照明。如圖2所示，由于 激光器端面處的光束的總體上橢圓的形狀，來自二極管激光器的輸出光束的發(fā)散是各向異 性的，其中豎直平面內(nèi)的發(fā)散角(0V)顯著大于水平方向上的發(fā)散角(eH)。已經(jīng)使用安裝 在二極管激光棒前面的小透鏡陣列將豎直平面內(nèi)的發(fā)散角減小到近似等于水平方向上的 發(fā)散角的值，其中水平布置的小透鏡陣列與每個水平激光棒相匹配。盡管使用小透鏡陣列使發(fā)散角匹配，但是在本領(lǐng)域需要用于均勻化二極管激光器 泵浦陣列的光束的改進(jìn)的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總體上涉及激光器系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于均勻化二極管激 光器陣列的輸出的方法和系統(tǒng)。僅通過示例的方式，已經(jīng)將該方法和裝置應(yīng)用于光學(xué)地耦 合到二極管激光器陣列的衍射光熱反射玻璃構(gòu)件，以提供具有基本上均勻的強(qiáng)度分布的輸 出。另外，本發(fā)明的實施例提供了制造大的衍射均勻器的方法。將認(rèn)識到本發(fā)明具有廣泛得多的應(yīng)用范圍，并可以應(yīng)用于其它激光器系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種光放大器系統(tǒng)。該光放大器系統(tǒng)包括二極 管泵浦陣列，該二極管泵浦陣列包括多個半導(dǎo)體二極管激光棒，該多個半導(dǎo)體二極管激光 棒被布置為陣列結(jié)構(gòu)，并且以相鄰半導(dǎo)體二極管激光棒之間的周期性距離為特征。該周期 性距離是沿垂直于多個半導(dǎo)體二極管激光棒中的每個的第一方向測量的。該二極管泵浦陣 列提供泵浦輸出，該泵浦輸出沿光路傳播，并且以根據(jù)第一方向測量的并具有大于10%的 變化的第一強(qiáng)度分布為特征。該光放大器系統(tǒng)還包括沿光路布置的衍射鏡片。該衍射鏡片 包括光熱折射玻璃構(gòu)件。該光放大器系統(tǒng)還包括放大器板條(amplifier slab)，其具有沿 著光路的輸入面和位置并且與衍射鏡片間隔預(yù)定距離。根據(jù)第一方向在放大器板條的輸入 面處測量的第二強(qiáng)度分布具有小于10%的變化。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種制造衍射均勻器的方法。該方法包括提 供部分透射光學(xué)元件，其上具有預(yù)定灰度強(qiáng)度圖案；提供透明光學(xué)元件；以及導(dǎo)引UV輻射 通過部分透射光學(xué)元件以入射到透明光學(xué)元件。該方法還包括使透明光學(xué)元件的預(yù)定部分 在UV輻射下曝光，并且對透明光學(xué)元件進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生衍射均勻器，該衍射均勻器的特 征在于，根據(jù)透明光學(xué)元件內(nèi)的位置而連續(xù)變化的衍射率分布。通過本發(fā)明實現(xiàn)了許多超過常規(guī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。例如，本技術(shù)提供用于二極管照明 的均勻化，導(dǎo)致均勻的強(qiáng)度分布、固態(tài)放大器和激光器增益介質(zhì)的更高的提取效率、以及固 態(tài)放大器的輸出的改進(jìn)的光束質(zhì)量。此外，由本發(fā)明的實施例提供的傳遞效率能夠超過 98%。本發(fā)明的實施例可應(yīng)用于高功率固態(tài)放大器以及固態(tài)激光器。另外，本發(fā)明的實施 例提供一種制造具有平滑相位分布的衍射鏡片的方法，由此改進(jìn)均勻化和固態(tài)放大器/激 光器的效率。本發(fā)明的實施例均勻化二極管照明，導(dǎo)致高平均功率二極管泵浦固態(tài)激光器 的均勻的照明和改進(jìn)的光束質(zhì)量。均勻的照明使改進(jìn)的激光器提取效率以及最小化熱致波 前畸變的均勻熱負(fù)荷成為可能。改進(jìn)的光束質(zhì)量和波前還用于提高激光器件的可靠性，這 是由于系統(tǒng)中的鏡片的能流或強(qiáng)度負(fù)荷相對于激光導(dǎo)致的光學(xué)損壞閾值是更低的。結(jié)合下 文和附圖更加詳細(xì)地描述了本發(fā)明的這些和其它實施例以及本發(fā)明的許多優(yōu)點(diǎn)和特征。


圖1是二極管激光器的二維陣列的簡化透視圖；圖2是二極管激光器的發(fā)散角的簡化透視圖；圖3是根據(jù)二極管激光器陣列的兩個模塊的位置的激光強(qiáng)度的簡化曲線圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的二極管激光器陣列均勻化系統(tǒng)的簡化示意圖；圖5A是與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸入處的位置有關(guān)的激光強(qiáng) 度的簡化圖像；圖5B包括與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸入處的位置有關(guān)的激光 強(qiáng)度的簡化曲線圖；圖5C是與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸出處的位置有關(guān)的激光強(qiáng) 度的簡化圖像；圖5D包括與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸出處的位置有關(guān)的激光 強(qiáng)度的簡化曲線圖6是圖解制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的方法的簡化流程圖；圖7是圖解制造根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的衍射均勻器的方法的簡化流程圖； 以及圖8是圖解使用根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的主模板(master plate)來制造衍射 均勻器的方法簡化流程圖。
具體實施例方式圖3是根據(jù)二極管激光器陣列的兩個模塊的位置的激光強(qiáng)度的簡化曲線圖。關(guān)于 圖3，示出了兩個模塊300，每個模塊包括由散熱件120間隔開的激光棒110的陣列。模塊 可以與圖1所示的二極管激光器泵浦陣列100類似。即使使用小透鏡陣列來準(zhǔn)直模塊，在 模塊300垂直下方測量的強(qiáng)度分布也將是不均勻的。如圖3所示，強(qiáng)度分布具有與激光棒 110相關(guān)聯(lián)的峰、與激光棒之間的散熱件120相關(guān)聯(lián)的谷、以及相鄰模塊之間的更大的谷。 圖3所示的強(qiáng)度分布是不希望的，由于這種泵浦強(qiáng)度分布將會導(dǎo)致放大器的增益分布的不 均勻性。放大器(或激光器)的增益分布中的不均勻性導(dǎo)致較低的放大器效率和降低的光 束質(zhì)量。為了克服圖3所示的不均勻性問題，已經(jīng)嘗試了各種方法。作為示例，可以將來自 每個發(fā)射器或來自一組發(fā)射器的二極管激光器泵浦光發(fā)送到光纖中。雖然用光纖使來自發(fā) 射器或一組發(fā)射器的光均勻化可以改進(jìn)光束均勻性，但是單個的光纖受限于功率，并且應(yīng) 用這種方法是昂貴的和低效率的。另一種方法是對放大器板條橫向泵浦，使得板條的二極 管泵浦與激光傳播的方向正交。雖然對于小的棒狀(例如，棒的直徑小于lcm)和小的板條 狀激光器和放大器而言橫向泵浦在改進(jìn)增益均勻性方面提供一些益處，但是將這種方法用 于較大的孔徑是困難的并且易于在孔徑上產(chǎn)生不均勻的增益。又一種方法是使用中空反射 (或固體折射)管道將來自多個發(fā)射器的光束混合。雖然這種技術(shù)提供了一些益處，但是與 由本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)相比，它是更低效率的和更昂貴的。在本領(lǐng)域已知玻璃在陽光下曝光之后改變著色的能力。近來，已經(jīng)使用光敏玻璃 在硅酸鹽玻璃中記錄永久圖像。在UV輻射下曝光隨后進(jìn)行熱顯影(thermal development) 的兩步驟過程導(dǎo)致曝光區(qū)域中的晶相沉淀，這與攝影過程類似。已經(jīng)開發(fā)出了多種不同的 光敏玻璃并且將其用在不同的應(yīng)用中，例如，光致變色眼鏡。在本發(fā)明的實施例中使用的另一類型的光敏玻璃是光熱折射 (photo-thermo-refractive, PTR)玻璃。如果使PTR玻璃在UV輻射下曝光并且然后通過 熱處理對其進(jìn)行處理，則PTR玻璃的折射率將響應(yīng)于UV輻射/熱處理過程而改變。在不限 制本發(fā)明實施例的范圍的情況下，認(rèn)為光折射效應(yīng)基于UV曝光過程中開始的銀的氧化還 原反應(yīng)(即，銀離子被轉(zhuǎn)換成銀金屬的納米簇)。元素的銀粒子用作用于熱顯影過程中的第 二相生長的核中心，通常在約500°C的溫度下進(jìn)行若干小時。認(rèn)為該第二相是富含鈉、鉀鹵 化物的，從而導(dǎo)致曝光區(qū)域中的折射率比未曝光區(qū)域中的折射率更低。通過在曝光過程中 控制UV強(qiáng)度圖案，也可以控制折射率變化。利用此過程，將PTR玻璃的平面板條(即長方 體)用作根據(jù)本發(fā)明的實施例的衍射均勻器。例如，為了制造體布拉格光柵，在PTR玻璃內(nèi) 產(chǎn)生利用兩個平面波UV激光束的干涉圖案，以便引起正弦折射率變化。已將光折射玻璃(諸如PTR玻璃)用作光敏介質(zhì)來制造用在通信系統(tǒng)(例如，波分多路復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系統(tǒng))中的高效率相體積全息圖。 在這些應(yīng)用中，在UV輻射下的曝光隨后進(jìn)行熱處理之后在PTR玻璃中實現(xiàn)線性折射率調(diào) 制。通常，PTR玻璃是基于不同添加物的硅酸鹽玻璃。示例性的基于光柵的衍射元 件包括體布拉格光柵(volume Bragg grating，VBG)，其用于角度光束組合、光譜光束組合、 以及鎖模。示例性的基于VGB的器件可從佛羅里達(dá)的奧蘭多的OptiGrate公司和新澤西的 佩寧頓的PD-LD公司購得。常規(guī)的體布拉格光柵依據(jù)特定的應(yīng)用是周期的或者是啁啾的，并且通過使用激光 器的曝光(對于光柵結(jié)構(gòu)是典型的)而被制造。本發(fā)明的實施例與在PTR中形成的這些常 規(guī)的光柵結(jié)構(gòu)形成對比，這是由于圖案不是周期的或啁啾的，而是基于出現(xiàn)在衍射均勻器 的輸入面處的特定的強(qiáng)度分布以及光學(xué)增益介質(zhì)處的希望的強(qiáng)度分布而被定義的。與基于 光柵的體布拉格光柵相比，由本發(fā)明的實施例提供的衍射均勻器是非正弦的。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的二極管激光器陣列均勻化系統(tǒng)的簡化示意圖。 該二極管激光器陣列均勻化系統(tǒng)包括激光器二極管陣列100和衍射均勻器410。衍射均勻 器410還被稱作衍射光學(xué)元件。在本發(fā)明的實施例中，衍射均勻器是使用PTR玻璃的板條 (即，PTR玻璃的長方體)來制造的。衍射均勻器的表面412和414是基本上平面的，并且 適于減反射(antireflecti0n，AR)涂層的沉積或其它表面處理。衍射均勻器410是使用如 在本說明書中更加全面描述的基于UV的曝光和熱處理過程而制造的。對PTR玻璃或能夠 提供根據(jù)位置的變化折射率的其它適合的透明材料的使用使得能夠制造和使用具有根據(jù) 位置連續(xù)變化的折射率的衍射均勻器。實質(zhì)上，衍射均勻器在相對于二極管照明不均勻性 而言較小的空間尺度上改變相位。這與常規(guī)刻蝕的衍射光學(xué)元件形成對比，在常規(guī)刻蝕的 衍射光學(xué)元件中，表面特征的不連續(xù)導(dǎo)致不連續(xù)改變的折射率。衍射均勻器所需的相位改變能夠在計算機(jī)上被精確地計算出，由此生成期望鏡片 的空間相位圖。根據(jù)該計算，實現(xiàn)所要求的相位改變而需要的要求的因數(shù)變化是An=小/ t，其中An是折射率的變化， 是所要求的相位，并且t是PTR玻璃的厚度。在PTR中產(chǎn) 生的折射率變化通常與曝光過程中的入射光強(qiáng)度成比例。二極管激光器陣列均勻化系統(tǒng)400還包括衍射均勻器410與增益介質(zhì)420之間的 傳播路徑440。增益介質(zhì)420可以是用于高功率放大器或激光器的有源部件的放大器板條。 衍射均勻器410的設(shè)計將針對由二極管激光器陣列100產(chǎn)生的強(qiáng)度分布而定制。在傳播通 過傳播路徑440之后，由二極管激光器陣列產(chǎn)生的空間依賴的照明將是隨機(jī)化的，從而產(chǎn) 生用于泵浦放大器板條或其它適合的增益介質(zhì)的均勻化的光束。依據(jù)希望的二極管泵浦通 量，光學(xué)透鏡430還可以被用于聚集均勻化的二極管泵浦光束?？梢允褂醚苌渚鶆蚱?10 來改變光束的形狀(在截面中測量的)。作為示例，來自二維二極管激光器陣列的正方形或 矩形光束截面可以在增益介質(zhì)420 (例如，放大器板條)處維持或在增益介質(zhì)420處轉(zhuǎn)換成 圓形光束。衍射均勻器410能夠進(jìn)行對光束的均勻化和成像。在典型的二極管激光器泵浦陣 列應(yīng)用中，微透鏡陣列被用于準(zhǔn)直或部分準(zhǔn)直來自二極管激光器的光。在圖4所示的系統(tǒng) 400中，該衍射均勻器能夠包括衍射率變換，其對于準(zhǔn)直光束以及去除由二極管激光器陣列 的幾何排列所引起的不均勻性是有效的。因此，本發(fā)明的實施例不要求使用微透鏡陣列來 準(zhǔn)直來自二極管陣列的光。
已經(jīng)使用PTR玻璃來制造體布拉格光柵，以用于在波分復(fù)用系統(tǒng)中使用。依據(jù)特 定的應(yīng)用，這些體布拉格光柵或者是周期的或者啁啾的，并且通過使用激光器的曝光(對 于光柵結(jié)構(gòu)是典型的)而被制造。本發(fā)明的實施例與在PTR中形成的這些常規(guī)的光柵結(jié)構(gòu) 形成對比，這是由于圖案不是周期的或啁啾的，而是基于出現(xiàn)在衍射均勻器的輸入面處的 特定的強(qiáng)度分布以及光學(xué)增益介質(zhì)處的希望的強(qiáng)度分布而被定義的。參照圖4，衍射均勻器 中的折射率分布因此是依據(jù)表面412處的強(qiáng)度分布和表面422處的希望的均勻強(qiáng)度分布而 被定義的。與周期光柵結(jié)構(gòu)(甚至是啁啾光柵結(jié)構(gòu))相比，本發(fā)明的實施例使用非正弦的 折射率分布來實現(xiàn)所希望的衍射效果?？涛g的衍射結(jié)構(gòu)具有多個缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)在高功率激光器應(yīng)用中呈現(xiàn)出使用的問 題?？涛g的表面的形狀在激光束通過衍射均勻器時產(chǎn)生衍射效應(yīng)。為了控制表面特征，將 刻蝕掩膜的一個級與刻蝕掩膜的其它級進(jìn)行配準(zhǔn)(registration)需要高水平的控制?？?蝕掩膜的不對準(zhǔn)導(dǎo)致錯誤限定的表面形狀，由此降低傳遞光束的質(zhì)量。同樣，刻蝕深度控制 是進(jìn)入最終表面輪廓的關(guān)鍵輸入。對于衍射特征的總高度為約1 P m的8級刻蝕過程，最終 的臺階高度為250nm，這難以以高水平的可重復(fù)性來刻蝕。假定關(guān)于刻蝕掩膜對準(zhǔn)和刻蝕深度實現(xiàn)適當(dāng)?shù)目刂疲涛g衍射結(jié)構(gòu)的銳利特征導(dǎo) 致入射光的散射，由此不利地影響衍射均勻器的傳遞效率。發(fā)明人使用刻蝕衍射結(jié)構(gòu)進(jìn)行 的研究已經(jīng)證明在通過變形望遠(yuǎn)鏡、刻蝕的衍射均勻器、聚集透鏡、以及反射鏡之后的傳遞 效率約為60% (輸出光除以輸入光)。來自光學(xué)元件的散射損失通常是通過使用薄膜AR 涂層來降低的。然而，刻蝕衍射結(jié)構(gòu)的高度結(jié)構(gòu)化的表面不利地影響薄膜涂層的可獲得性 和質(zhì)量。因此，在某些刻蝕衍射光學(xué)元件中，界面處的菲涅耳反射損失可構(gòu)成能量傳遞效率 降低的顯著因素。本發(fā)明的實施例減少或消除刻蝕衍射光學(xué)元件的缺點(diǎn)。與使用PTR玻璃制成的衍 射均勻器相關(guān)聯(lián)的平面表面良好地適合于高功率激光器應(yīng)用。因為鏡片的表面是平坦的， 所以減小了常見于刻蝕表面的污垢和灰塵的收集。另外，平坦的表面提供適于AR涂層沉積 的基底，從而降低了界面處的菲涅耳反射損失。由在此所述的衍射均勻器提供的平坦的表 面和“內(nèi)”因數(shù)改變導(dǎo)致比與刻蝕衍射結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的傳遞效率大得多的傳遞效率。與由發(fā) 明人測試的16級二值板(其特征在于，傳遞效率約為80% )相比，本發(fā)明的實施例提供> 90%,> 92%,> 94%,> 96%、或> 98%的傳遞效率。另外，與常規(guī)的刻蝕衍射元件相比，降低了 PTR玻璃中制造的衍射均勻器的散射 損失。由在此所述的制造方法引起的折射率的連續(xù)改變消除了出現(xiàn)在刻蝕結(jié)構(gòu)中的不連 續(xù)，由此提高了在PTR玻璃中制造的衍射均勻器的傳遞效率。如上所述，常規(guī)的刻蝕衍射鏡片受限于其傳遞效率，這是由于制造它們所使用的 刻蝕過程造成的。使用本發(fā)明的實施例，可以利用包括針對半導(dǎo)體光刻而開發(fā)的技術(shù)的 各種技術(shù)來產(chǎn)生灰度主幻燈片，并且在具有連續(xù)變化的折射率的PTR玻璃中制造衍射均勻 器?？梢跃?leverage)以顯著成本開發(fā)的用于光刻的打印和成像技術(shù)，諸如圖像中繼、 步進(jìn)重復(fù)(stepand repeat)等。在這些衍射均勻器中的平滑相位分布因此將比常規(guī)板有 效得多。本發(fā)明的實施例將可應(yīng)用于多種高功率激光器和放大器應(yīng)用。作為示例，勞倫 斯.利弗莫爾國家實驗室正在開發(fā)的LIFE程序?qū)⑹褂梅浅４蟮亩O管陣列并且將得益于將均勻的光傳送到放大器的能力。放大器的均勻照明將使高的光束質(zhì)量和高效率成為可 能。另外，對于國防應(yīng)用有利的大孔徑激光器還可以得益于均勻泵浦以提高光束質(zhì)量，這還 提高用于戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)爭的對目標(biāo)的激光強(qiáng)度。其它二極管泵浦固態(tài)激光器應(yīng)用(諸如激光加 工、打標(biāo)記、鉆孔、和焊接)也能夠通過改進(jìn)的輸出能量和光束質(zhì)量而得益于本發(fā)明的實施 例。圖5A是與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸入處的位置有關(guān)的激光強(qiáng) 度的簡化圖像。如圖5A所示，激光強(qiáng)度根據(jù)位置很大程度地改變。強(qiáng)度分布的特征是根據(jù) 位置而變化的能量，其中一些區(qū)域中的光束比其它區(qū)域亮得多。事實上，激光束的若干部分 表現(xiàn)為幾乎是黑色的，表明在光束的這些部分處的較低的能量。在此示例中，來自二極管激光器泵浦陣列的光已經(jīng)傳播給定的距離，并且衍射和 傳播已導(dǎo)致所示的不均勻的強(qiáng)度分布。如果這個強(qiáng)度分布被成像在放大器板條上，那么放 大器板條的增益將是以高增益的區(qū)域和低增益的區(qū)域為特征的，從而導(dǎo)致放大器中的增益 介質(zhì)的低效率的泵浦。此外，光束強(qiáng)度的變化將導(dǎo)致放大器中不可預(yù)測的增益分布，從而不 利地影響系統(tǒng)性能。圖5B包括與根據(jù)本發(fā)明的實施例的衍射均勻器的輸入處的位置有關(guān)的激光強(qiáng)度 的簡化曲線圖。用虛線522圖示了沿水平方向獲得的強(qiáng)度分布，其表示輸入光束的寬度，并 且用實線524圖示了沿豎直方向獲得的強(qiáng)度分布，其表示輸入光束的高度。如圖5A所示， 沿寬度的測量(虛線522)的特征在于具有在邊緣區(qū)域處的峰以及在曲線的中間處強(qiáng)度降 低的大致雙峰分布。沿高度的測量(實線524)的特征在于光束的上部分中的大部分能量 以及下區(qū)域中的中心的低強(qiáng)度。在光束的下邊緣處的尖峰在激光強(qiáng)度曲線中是可見的。激光束上的強(qiáng)度變化較大，其中某些強(qiáng)度尖峰比其它強(qiáng)度值大三倍以上。參照與 通過光束的豎直測量相關(guān)聯(lián)的實線524，在約-20mm處的尖峰具有大于三的歸一化強(qiáng)度值， 而在約-10mm處的強(qiáng)度小于一。對于平均歸一化強(qiáng)度值大約為一的虛線522，某些峰達(dá)到 該值的兩倍，其中谷下降到約該值的一半。因此，強(qiáng)度的變化可以大于100%。如關(guān)于圖5A 所討論的，具有如圖5B所示的強(qiáng)度分布的激光束在用作泵浦光束或用于其它高功率應(yīng)用 時將導(dǎo)致較差的性能。圖5A和圖5B所示的輸入光束的聚焦將導(dǎo)致非衍射限制光斑，其中 高階波瓣中具有顯著的功率值。因此，對目標(biāo)的功率將遠(yuǎn)小于使輸入光束均勻的情況下可 獲得的功率。圖5C是與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸出處的位置相關(guān)的激光強(qiáng) 度的簡化圖像。提到的衍射均勻器的輸出處的激光束，這不是要求輸出束位于衍射均勻器 的表面處，而是可以理解為在與衍射均勻器間隔開的輸出位置處的光束。參照圖4，輸出光 束可以位于增益介質(zhì)420的表面422處。已將激光束從大致矩形的光束形狀轉(zhuǎn)換成圓形光 束。本發(fā)明的實施例不要求光束形狀的轉(zhuǎn)換，但是可以如此圖所示的那樣來提供。如圖5C 所示，激光束強(qiáng)度的圖像示出了根據(jù)位置的均勻強(qiáng)度圖案，這對于許多應(yīng)用來說是希望的。圖5D包括與根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的輸出處的位置相關(guān)的激光 強(qiáng)度的簡化曲線圖。用虛線532和實線534圖示了根據(jù)圓形光束上的位置的激光強(qiáng)度。用 虛線532圖示了沿水平方向獲得的強(qiáng)度分布，并且用實線534圖示了沿豎直方向獲得的強(qiáng) 度分布。與圖5B相比，在水平和豎直兩個方向上的強(qiáng)度分布基本上是均勻的，其中根據(jù)位 置只有較小的變化。取決于針對衍射均勻器的具體的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使用在此所述的衍射均勻器提供光束的小于20%、小于15%、小于10%、小于5%、小于4%、小于3%、小于2%、或小
于的強(qiáng)度變化。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過使用具有強(qiáng)度或相位變化并且將預(yù)定強(qiáng)度分布成像在 光折射玻璃基底上的主模板來制造衍射均勻器，由此產(chǎn)生了具有單次曝光的新的衍射均勻 器。圖6是圖解制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻器的方法的簡化流程圖。在圖6 所示的方法中，一個或更多個衍射均勻器能夠被制造用于使來自二極管激光器泵浦陣列的 光均勻化。該方法包括提供部分透射幻燈片(610)和一片PTR玻璃(612)。部分透射幻燈 片可以是適于在灰度光刻技術(shù)中使用的攝影圖像。使用這種攝影圖像，可以使用灰色陰影 來產(chǎn)生根據(jù)PTR玻璃中的位置的連續(xù)的折射率變化?；诟鶕?jù)PTR玻璃中的位置的希望 的折射率的計算，作為結(jié)果的部分透射幻燈片的密度以及PTR玻璃的照明強(qiáng)度將根據(jù)要在 PTR玻璃的不同部分上曝光的光量而變化。該方法還包括導(dǎo)引UV輻射通過部分透射幻燈片以入射到PTR玻璃(614)。強(qiáng)度圖 案是對于PTR玻璃中的希望的折射率圖案適當(dāng)?shù)念A(yù)定的圖案。使PTR玻璃的預(yù)定部分在UV 輻射下曝光(616)并且對經(jīng)曝光的PTR玻璃進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生希望的根據(jù)位置的折射率分 布。本發(fā)明的一些實施例提供折射率根據(jù)位置的連續(xù)變化。由這些衍射均勻器提供的平滑 變化的相位分布使得生成希望的均勻光束分布過程中的更高的傳遞效率成為可能?？梢杂糜谠赑TR玻璃上產(chǎn)生希望的強(qiáng)度分布的另一種方法是使用空間光調(diào)制器 來阻止UV光束的部分并且在PTR玻璃上產(chǎn)生連續(xù)變化強(qiáng)度圖案。被用作光刻過程的一部 分的圖像中繼技術(shù)可以被用于放大或縮小通過使用部分透射幻燈片或使用空間光調(diào)制器 而產(chǎn)生的圖像。作為示例，對于適于在LIFE中使用的大孔徑鏡片，在此所述的方法可以使 用步進(jìn)器(stepper)進(jìn)行縮放以便將一個曝光位置適當(dāng)?shù)嘏錅?zhǔn)到下一個曝光位置，由此一 起為完整的大面積衍射均勻器定時。如關(guān)于圖7更全面描述的，使用傾翻過程制造的大面 積主模板于是可以用于使用單次曝光來產(chǎn)生復(fù)制板。在PTR玻璃中制造的衍射均勻器還比常規(guī)刻蝕衍射結(jié)構(gòu)更堅固的。根據(jù)本發(fā)明的 實施例提供的衍射均勻器的平坦表面比具有細(xì)微特征的刻蝕結(jié)構(gòu)更難于損壞。作為可選的方法，可以提供另一片PTR玻璃(620)。使用相同的部分透射幻燈片， 可以導(dǎo)引UV輻射通過部分透射幻燈片以入射到另一片PTR玻璃。使另一片PTR玻璃的部 分在UV輻射下曝光并且然后對該曝光的PTR玻璃進(jìn)行熱處理以提供第二衍射均勻器。可 以多次執(zhí)行此可選路徑。使用此可選過程，可以使用作為主幻燈片的單個部分透射幻燈片 來制造多個衍射均勻器。對于大面積鏡片，可以使用基于部分透射幻燈片的較小部分的步 進(jìn)重復(fù)過程來制造部分透射幻燈片。因此，所公開的制造衍射均勻器的方法(包括用于二 極管激光器陣列和激光束的空間光束均勻器)使得能夠以僅受限于基底(例如，PTR玻璃 基底)大小的尺度進(jìn)行低成本批量生產(chǎn)。應(yīng)該理解，圖6所示的具體步驟提供了制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的衍射均勻 器的具體方法。根據(jù)本發(fā)明的可替選實施例也可以執(zhí)行其它順序的步驟。例如，本發(fā)明的 可替選實施例能夠以不同的順序執(zhí)行上面概括的步驟。此外，圖6所示的單個步驟可以包 括多個子步驟，可以以對于該單個步驟適當(dāng)?shù)牟煌捻樞驁?zhí)行這些子步驟。此外，可以依據(jù) 具體的應(yīng)用添加或去除另外的步驟。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到許多修改、改進(jìn)、以及 替代。
圖7是圖解了制造根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的衍射均勻器的方法的簡化流程 圖。該方法包括提供部分透射幻燈片(710)和第一片PTR玻璃(712)。如下所述，將處理第 一片PTR玻璃，然后在制造用作衍射均勻器的其它片PTR玻璃時將第一片PTR玻璃用作主 模板。該方法還包括導(dǎo)引UV輻射通過部分透射幻燈片以入射到第一片PTR玻璃(714)，并 且使第一片PTR玻璃的預(yù)定的部分在UV輻射下曝光(716)。為了在第一片PTR玻璃上產(chǎn)生希望的強(qiáng)度圖案，可以使用除了使用部分透射幻燈 片之外的方法。例如，可以使用二維空間光調(diào)制器在第一片PTR玻璃上產(chǎn)生希望的強(qiáng)度圖 案，由此使第一片PTR玻璃的預(yù)定部分在UV輻射下曝光。在PTR玻璃曝光之后，對其進(jìn)行熱處理以產(chǎn)生根據(jù)PTR玻璃內(nèi)的位置的預(yù)定折射 率圖案(718)。第一片PTR玻璃設(shè)置有這樣的折射率圖案通過衍射在特定的成像面上產(chǎn) 生預(yù)定的強(qiáng)度分布。因此，在該方法的實施例中包括計算，以便產(chǎn)生在第一片PTR玻璃上的 強(qiáng)度圖案，其導(dǎo)致隨后被用于產(chǎn)生如下面更全面描述的第二強(qiáng)度圖案的折射率圖案。本發(fā)明的實施例可以使用若干不同的方法來產(chǎn)生主模板。為了生成用于主模板的 希望的光強(qiáng)度分布，可以使用空間光調(diào)制器、光刻印刷技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)光刻刻蝕技術(shù)、磁流變最 終加工技術(shù)等。在制造主模板之后，提供具有根據(jù)板上的位置的預(yù)定相位變化的相位板，主 模板被用作母板以生成幾乎無限多個復(fù)制板，其中復(fù)制版的成本接近用于復(fù)制板的基底的 成本。該方法還包括提供第二片PTR玻璃(720)以及導(dǎo)引UV輻射通過第一片PTR玻璃 以入射到第二片PTR玻璃(722)。第一片PTR玻璃因此以類似于部分透射幻燈片使用的方 式用作主模板。將理解，部分透射幻燈片被用于產(chǎn)生第一片PTR玻璃上的預(yù)定強(qiáng)度圖案。在 本發(fā)明的此實施例中，第一片PTR玻璃現(xiàn)在被用于產(chǎn)生第二片PTR玻璃上的第二預(yù)定強(qiáng)度 圖案。穿過第一片PTR玻璃的UV輻射的衍射被用于形成第二預(yù)定強(qiáng)度圖案。另外的光學(xué) 元件可以被用作光學(xué)系統(tǒng)的部分以便形成第二預(yù)定強(qiáng)度圖案。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn) 識到許多修改、改進(jìn)和替代。使第二片PTR玻璃的預(yù)定部分在穿過第一片PTR玻璃的UV輻射下曝光(724)并 且在曝光之后對第二片PTR玻璃進(jìn)行熱處理(726)。因此，第二片PTR玻璃包括根據(jù)位置的 折射率分布，其適于用作衍射光學(xué)元件，例如衍射均勻器。為了將第一片PTR玻璃用作主模 板，過程720-726可選地被其它片PTR玻璃重復(fù)以形成另外的衍射均勻器。因此，在初始主 模板制造之后，與常規(guī)技術(shù)相比，第二片PTR玻璃的多個復(fù)制件可以被容易且廉價地制造。 如關(guān)于圖6所討論的，可以在PTR玻璃在UV輻射下曝光的過程中使用包括圖像中繼、放大、 縮小等的光刻技術(shù)。應(yīng)該理解圖7所示的具體步驟提供了制造根據(jù)本發(fā)明的實施例的具體方法。也可 以根據(jù)替代實施例執(zhí)行其它順序的步驟，例如，本發(fā)明的替代實施例能夠以不同的順序執(zhí) 行上面概括的步驟。此外，圖7所示的單個步驟可以包括多個子步驟，可以以對單個步驟適 當(dāng)?shù)牟煌捻樞驁?zhí)行這些子步驟。此外，可以依據(jù)具體的應(yīng)用添加或去除另外的步驟。本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到許多修改、改進(jìn)和替代。圖8是圖示了使用根據(jù)本發(fā)明的主模板來制造衍射均勻器的方法簡化流程圖。本 方法包括提供以根據(jù)位置的預(yù)定相位分布為特征的主模板(810)?？梢允褂肞TR材料來制 造主模板，或者該主模板可以是常規(guī)的多級刻蝕衍射元件。該方法還包括提供一片PTR玻璃(812)，以及導(dǎo)引UV輻射通過主幻燈片以入射到PTR玻璃(814)。主模板的相位分布是 預(yù)定相位分布，其將導(dǎo)致通過主模板透射的光衍射并在該片PTR玻璃處提供強(qiáng)度分布。該方法還包括使PTR玻璃的預(yù)定部分在UV輻射下曝光(816)并且對曝光的PTR 玻璃進(jìn)行熱處理(818)以形成衍射均勻器。圖8所示的方法具有與圖6和圖7所示的共同 的特征并且與這些圖相關(guān)聯(lián)的描述適用于圖8。為了制造另外的衍射均勻器，提供其它片的PTR玻璃(820)，重復(fù)過程814到818 來制造另外的衍射均勻器。使用單個基于相位的主模板，多個相同的衍射均勻器，其中衍射 均勻器的成本接近在制造過程中使用的基底的成本。雖然圖8所示的方法在制造衍射均勻 器的過程中使用了主模板的單次曝光，步進(jìn)重復(fù)的方法可以被用于制造比主模板更大的衍 射均勻器。應(yīng)該理解圖8所示的具體步驟提供了使用根據(jù)本發(fā)明的實施例的主模板來制造 衍射均勻器的具體方法。也可以根據(jù)替代實施例執(zhí)行其它順序的步驟。例如，本發(fā)明的替 代實施例可以以不同的順序執(zhí)行上面概括的步驟。此外，圖8所示的單個步驟可以包括多 個子步驟，可以以對單個步驟適當(dāng)?shù)牟煌捻樞驁?zhí)行這些子步驟。此外，可以依據(jù)具體的應(yīng) 用添加或去除另外的步驟。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到修改、改進(jìn)和替代。應(yīng)該理解，在此所述的示例和實施例僅用于說明的目的，并且將使本領(lǐng)域的技術(shù) 人員想到關(guān)于本發(fā)明的不同的改進(jìn)或修改，并且其包括在本申請的精神和權(quán)限以及所附權(quán) 利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光放大器系統(tǒng)，包括二極管泵浦陣列，其包括多個半導(dǎo)體二極管激光棒，所述半導(dǎo)體二極管激光棒被布置 為陣列結(jié)構(gòu)并且以相鄰半導(dǎo)體二極管激光棒之間的周期性距離為特征，所述周期性距離是 在垂直于所述多個半導(dǎo)體二極管激光棒中的每個的第一方向上測量的，其中所述二極管泵 浦陣列提供泵浦輸出，所述泵浦輸出沿光路傳播并且以根據(jù)所述第一方向測量的、具有大 于10%的變化的第一強(qiáng)度分布為特征；沿所述光路布置的衍射鏡片，其中所述衍射鏡片包括光熱折射玻璃構(gòu)件；以及放大器板條，其具有沿所述光路的輸入面和位置，并且與所述衍射鏡片間隔預(yù)定距離， 其中根據(jù)所述第一方向在所述放大器板條的所述輸入面處測量的第二強(qiáng)度分布具有小于 10%的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述光熱折射玻璃構(gòu)件包括折射率的連續(xù)變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述光熱折射玻璃構(gòu)件基本上沒有正 弦光柵結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述光柵結(jié)構(gòu)是周期的或者啁啾的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，還包括沿所述光路在所述衍射鏡片與所述放 大器板條之間布置的一個或更多個透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述光熱折射玻璃構(gòu)件具有與第二平 面表面相對的第一平面表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述第一強(qiáng)度分布具有10%與300%之 間的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述第一強(qiáng)度分布具有10%與100%之 間的變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述第一強(qiáng)度分布具有10%與50%之 間的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述第二強(qiáng)度分布具有與10%之 間的變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光放大器系統(tǒng)，其中，所述第二強(qiáng)度分布具有2%與5%之 間的變化。
12.一種制造衍射均勻器的方法，所述方法包括提供部分透射光學(xué)元件，其上具有預(yù)定灰度強(qiáng)度圖案；提供透明光學(xué)元件；導(dǎo)引UV輻射通過所述部分透射光學(xué)元件以入射到所述透明光學(xué)元件；使所述透明光學(xué)元件的預(yù)定部分在所述UV輻射下曝光；以及對所述透明光學(xué)元件進(jìn)行熱處理以制造所述衍射均勻器，所述衍射均勻器的特征在 于，根據(jù)所述透明光學(xué)元件內(nèi)的位置而連續(xù)變化的折射率分布。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述連續(xù)變化的折射率分布的特征在于，與針 對光學(xué)輻射的衍射效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的尺寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述透明光學(xué)元件包括一片光熱折射(PTR)玻璃
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括使所述透明光學(xué)元件的第二預(yù)定部分在所述 UV輻射下曝光。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述預(yù)定灰度強(qiáng)度圖案的面積小于所述透明 光學(xué)元件的所述預(yù)定部分的面積并且小于所述透明光學(xué)元件的所述第二預(yù)定部分的面積。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述部分透射光學(xué)元件包括攝影圖像。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述部分透射光學(xué)元件包括空間光調(diào)制器陣列。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述透明光學(xué)元件包括PTR玻璃。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述PTR玻璃包括長方體，并且所述UV輻射在 垂直于所述長方體的最小維的面上入射到所述長方體。
全文摘要
一種光放大器系統(tǒng)包括二極管泵浦陣列，該二極管泵浦陣列包括多個半導(dǎo)體二極管激光棒，該多個半導(dǎo)體二極管激光棒被布置為陣列結(jié)構(gòu)并且以相鄰半導(dǎo)體二極管激光棒之間的周期性距離為特征。周期性距離是在垂直于多個半導(dǎo)體二極管激光棒中的每個的第一方向上測量的。該二極管泵浦陣列提供泵浦輸出，該泵浦輸出沿光路傳播并且以根據(jù)第一方向測量的并具有大于10％的變化的第一強(qiáng)度分布為特征。該光放大器系統(tǒng)還包括沿光路布置的衍射鏡片。該衍射鏡片包括光熱折射玻璃構(gòu)件。該光放大器系統(tǒng)還包括放大器板條，其具有沿光路的輸入面和位置，并且與衍射鏡片間隔預(yù)定距離。根據(jù)第一方向在放大器板條的輸入面處測量的第二強(qiáng)度分布具有小于10％的變化。
文檔編號H01S3/00GK101997266SQ20101025926
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月19日
發(fā)明者安迪·J·貝拉米安 申請人:勞倫斯·利弗莫爾國家安全有限責(zé)任公司