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TWI827565B - 用於定向雷射束輸送應用之多個多模態半導體雷射二極體之輻射束組合，及其達成方法與應用方法 - Google Patents

用於定向雷射束輸送應用之多個多模態半導體雷射二極體之輻射束組合，及其達成方法與應用方法 Download PDF

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TWI827565B
TWI827565B TW107140610A TW107140610A TWI827565B TW I827565 B TWI827565 B TW I827565B TW 107140610 A TW107140610 A TW 107140610A TW 107140610 A TW107140610 A TW 107140610A TW I827565 B TWI827565 B TW I827565B
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艾加羅斯 迪維納理斯
歐格提納斯 維巴納思
克里斯堤瓊納斯 維巴納思
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立陶宛商布羅利思半導體有限責任公司
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Abstract

本發明係關於一種用於多個多模態半導體雷射二極體之束組合之方法及裝置，其包括達成輻射空間中之束組合以提供定向雷射束，該定向雷射束在距源長距離處之大區域上具有均一高輻射強度水準分佈。該方法使用超過一個寬面積高功率多模態半導體雷射二極體及個別準直光學件，且包括組合此等射極之束以提供在長距離下之相對均勻之輻射強度束以用於諸如有向能量輸送、自由空間雷射通訊及定向紅外線反制之應用。

Description

用於定向雷射束輸送應用之多個多模態半導體雷射二極體之輻射束組合，及其達成方法與應用方法
本發明之實施例係關於用於長距離定向雷射能量應用之輻射空間中之高功率寬面積多模態半導體雷射二極體之束組合，該等應用諸如定向紅外線反制(directional infrared countermeasure)及安全自由空間通訊，其中保持跨越大區域之電洞自由輻射強度分佈為必要的。
用於諸如自由空間通訊及定向紅外線反制(DIRCM)之應用之定向雷射能量輸送系統通常需要在長距離亦即數公里至數十公里上之雷射束輸送，在其上需要將高輻射強度保持在各別於數平方公尺之截面束區域之特定立體角內。對於該等大截面區域，在此區域內之高輻射強度水準變化儘可能具有均勻性為重要的。更重要地，輻射強度水準較佳不低於由特別應用界定之特定最小值。通常，此要求係藉由使用諸如單空間模態半導體雷射二極體、固態雷射或纖維雷射之低束參數雷射源來滿足，假定其提供足以滿足本申請之輻射強度要求之輸出功率。對於諸如DIRCM-其中雷射源用於干擾導彈尋標器之特定應用，吾人需要使用複數個雷射源以 覆蓋藉由偵測且鎖定至航空器之特定光譜訊符(spectral signature)進行導引之尋標器偵測器之寬光譜帶(通常為但不限於InSb)。為提供用於空浮平台之充分保護，需要現代DIRCM系統以對抗長距離(通常數公里)下之威脅。因此，該等系統需要能夠提供具有高方向性之充分較高輻射強度(亦即高於平台自身之熱訊符之數量級)之干擾信號。參見David H.Titterton,「Military Laser Technology and Systems」,ISBN：9781608077786,2015，包括第288-293頁，全文併入本文中且部分引用如下： 對於其他反制技術而言必要的在於，熱干擾源之亮度(或輻射強度)需要注意熱尋標導彈中之導向頭端(亦即向尋標器展示比受攻擊之平台之熱能源更具有吸引力之熱能源)。這係藉由確保干擾之輻射強度超過平台之輻射強度來達成，該平台受一個重要因素、通常受至少10個、常常更大數量級之重要因素保護。此關係稱為干擾信號比(或J：S)。
典型空浮平台之熱訊符具有與熱金屬之熱發射率及引擎之噴射羽流(jet plume)有關之跨越數個光譜帶之獨特特點。因此，現代DIRCM系統組合超過一種在不同光譜帶下發射之雷射源以便能夠模仿此等熱訊符。理想的空浮DIRCM系統由於嚴格的空浮有效負載要求而儘可能地小型且儘可能地有效。
用於此應用之最有效之雷射類型基於半導體雷射技術，當其可獲得時其提供不匹配之效能及緊密性。直至最近，僅可在0.8-1.5微米光譜帶及3-5微米光譜帶中獲得用於DIRCM應用之具有充足效能之半導體雷射，使未覆蓋之大氣透射窗在2.1-2.3微米範圍內。通常使用固態雷射或纖維雷射技術來覆蓋此窗，該技術涉及多個泵送級聯流程-例如790nm二極體雷射泵，泵送摻雜Tm之纖維，之後泵送摻雜Ho之纖維。參見G. Frith，等人，「Latest developments in 790nm-pumped Tm-doped fibre laser systems for DIRCM applications」,Proc.Of SPIE第7115卷，2008.；Ian Elder,「Thulium fibre laser pumped mid-IR source」,Proc.Of SPIE第7325卷，2009；及H.D.Tholl,「Mid-infrared Semiconductor Lasers for Power Projection and Sensing」,Proc.Of SPIE第7836卷，2010，其全文併入本文中。這產生具有大於典型之半導體雷射之佔據面積100倍之佔據面積的極大型雷射設備，由此折衷總DIRCM系統潛能及可用性。
已可獲得2.1-2.3微米光譜區中之半導體雷射二極體達數年。參見A.Vizbaras等人，「High-performance single-spatial mode GaSb type-I laser diodes around 2.1 micron」,Proc.of SPIE，第8993卷，2014；及M.C.Kelemen等人，「Diode laser systems for 1.8 to 2.3μm wavelength range」,Proc.of SPIE第7686卷，2010，其全文併入本文中。然而，可獲得之單模態雷射二極體射極之輸出功率不足以用於長距離雷射輸送應用，且單獨之多模態射極由於差束品質而不提供充足之輻射強度。
在本發明之一實施例中，一種方法包括組合輻射空間中之多個多模態雷射二極體射極之輸出物以使得在經特別選擇之立體角內之組合束之輻射強度足以用於定向長距離雷射輸送應用，諸如DIRCM或自由空間通訊。這允許僅具有半導體雷射源之導彈尋標器之光譜反應窗之完全覆蓋，提供總系統尺寸、效率及成本中之激進降低。
在一態樣中，本發明之實施例係關於組合輻射空間中之複 數個多模態雷射束之方法。該方法包括提供複數個雷射束射極以用於產生複數個多模態雷射束之步驟。轉向來自各射極之個別多模態雷射束以與至少一個其他多模態雷射束部分重疊，形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈(non-Gaussian radiant intensity distribution)的組合束。
可包括以下特點中之一或多者。各雷射束射極可包括具有多模態束輸出之寬面積半導體雷射。雷射束射極可與彼此在空間上分離以界定一維陣列或二維陣列中之至少一者。
可提供用於各雷射束射極之個別束準直光學件。準直光學件可為圓柱透鏡、非球面透鏡、非球面圓柱透鏡、球面透鏡、環面透鏡、梯度指數透鏡及/或其組合。準直光學件可為離散的、配置成單石一維陣列及/或配置成二維陣列。
雷射束射極可包括雷射二極體，且個別多模態雷射束可藉由參照雷射二極體之輸出平面個別地偏移各別準直光學件之位置由輻射空間中之所需角度下之射極來轉向。
雷射束射極可包括雷射二極體，且個別多模態雷射束可藉由相對於各別束準直光學件之光軸偏移雷射二極體之位置自射極轉向。
雷射束射極可包括雷射二極體，且束組合可在雷射二極體與各別準直光學件之間無任何偏移之情況下執行，且束轉向係藉由轉向雷射二極體及各別準直光學件來執行。
轉向個別雷射束可包括使用外部光學元件。外部光學元件可為例如光學反射鏡、光學稜鏡、光楔對、光束分光器、光學雙色鏡及/或其組合。
在另一態樣中，本發明之實施例係關於用於組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之基於雷射之總成。該總成包括複數個雷射束射極及複數個個別束準直光學件，其中一個個別束準直光學件與各射極相關聯。雷射束射極及準直光學件間隔且配置成使得在使用時來自各射極之個別多模態雷射束與至少一個其他多模態雷射束協作且重疊，形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束。
可包括以下特點中之一或多者。各雷射束射極可包括具有多模態束輸出之寬面積半導體雷射。
個別對的雷射束射極及各別準直光學件可在空間上分離以界定一維陣列或二維陣列中之至少一者。
準直光學件可包括圓柱透鏡、非球面透鏡、非球面圓柱透鏡、球面透鏡、環面透鏡、梯度指數透鏡及/或其組合。
各雷射束射極可包括雷射二極體。在使用時，來自射極之個別多模態雷射束可各自藉由參照相關聯雷射束射極之雷射二極體之輸出平面個別地偏移個別束準直光學件之位置來在輻射空間中在所需角度下轉向。在使用時，來自射極之個別多模態雷射束可各自藉由相對於各別束準直光學件之光軸偏移雷射二極體之位置來轉向。
個別對的雷射束射極及各別準直光學件可經調適及配置以轉向來形成組合束。
基於雷射之總成可進一步包括間隔且配置成轉向個別雷射束之複數個外部光學部件。外部光學元件可為光學反射鏡、光學稜鏡、光楔對、光束分光器及光學雙色鏡及/或其組合。
在又另一態樣中，本發明之實施例係關於包括至少兩個雷 射模組之多光譜雷射束輸送系統。各雷射模組包括用於組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之基於雷射之總成且包括複數個雷射束射極及複數個個別束準直光學件，其中一個個別束準直光學件與各射極相關聯。雷射束射極及準直光學件間隔且配置成使得在使用時來自各射極之個別多模態雷射束協作且部分重疊，形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束。雷射模組中之各者在選自由紫外線、紅外線、近紅外線、短波紅外線、中紅外線及長波紅外線組成之群之不同光譜區進行發射，在系統之輸出端處提供以輻射方式組合之多光譜雷射束。
1:寬面積多模態半導體雷射二極體射極
2:光場
101:雷射二極體射極
102:雷射二極體射極/多模態寬面積雷射射極
103:雷射二極體射極
201:準直光學件區塊
202:準直光學件區塊
203:準直光學件區塊
211:快軸準直透鏡
212:快軸準直透鏡
221:慢軸準直透鏡
222:慢軸準直透鏡
300:射極光軸
301:快軸束剖面
302:快軸束剖面
303:快軸束剖面
310:新光軸
320:新光軸
330:新光軸
400:過渡區
500:束
501:遠場束剖面/以輻射方式組合之2D束剖面/以輻射方式組合之輸出束
510:實驗性2D遠場束剖面
511:2D束剖面
600:立體角投影
700:不充足之輻射強度區域
701:外部光學元件
702:外部光學區塊
703:外部光學區塊
1000:第一雷射模組
1051:以輻射方式組合之輸出束
1100:第二雷射模組
1151:以輻射方式組合之輸出束
1200:第三雷射模組
2000:多光譜雷射束輸送系統
3010:雙色鏡
3020:雙色鏡
3030:雙色鏡
5000:多光譜雷射束
圖1為典型之寬面積多模態半導體雷射二極體單射極及其光場之示意圖；圖2包括說明快軸高斯形狀束剖面及多模態束剖面之兩個圖；圖3為習知系統中之三個組合多模態射極之y-z空間中之示意性圖解；圖4為根據本發明之一實施例之具有相對於射極光軸轉向之變化束之三個多模態半導體雷射之輻射束組合的y-z空間中的示意性圖解；圖5為根據本發明之一實施例之不具有參照準直光學件區塊之偏移之三個射極的輻射束組合的示意性圖解且輻射束組合係藉由外部光學區塊來執行；圖6為根據本發明之一實施例之使用兩個射極之輻射束組合的壓緊雷射模組的頂視圖及側視圖的詳細示意性圖解，其中束相對於各射極光軸發生變化； 圖7a-7c為根據本發明之一實施例之說明相對於射極光軸偏移之個別射極束及亦兩個雷射的以輻射方式組合的束的輻射束組合的詳細圖示；及圖8為用於諸如DIRCM之長距離束輸送應用之多光譜雷射系統之示意性方塊圖。各方塊包括獨特且不同之光譜區中之雷射模組，且至少兩個射極以輻射方式組合以提供跨越規定立體角之高輻射強度束。
相關申請
本申請主張2017年11月17日申請之美國臨時申請第62/587,690號之優先權，該申請以全文引用之方式併入本文中。
本發明之實施例包括使用超過一個空間上分離之寬面積多模態半導體雷射二極體、個別準直光學件及伴以重疊個別束以形成一個組合束之輻射空間中之組合輸出物，該組合束之特徵在於在通常數百萬雷得之特定給定發散錐內之均勻輻射強度分佈。
參考圖1，寬面積多模態半導體雷射二極體射極1具有用快軸投影及慢軸投影說明之光場2。此束係在Brolis Semiconductors,Vilnius,Lithuania以實驗方式記錄。雷射二極體具有平行於二極體磊晶層結構之生長軸之快軸中之極明確界定的強度分佈及垂直於生長軸的慢軸中的空間上多模態寬束分佈。在快軸中，發射處於具有產生低束參數乘積[亦即雷射束之發散角(半角)與在其最窄點(束腰)之束半徑之乘積]之繞射限制束之單模態中，因為發射區域之高度由磊晶層之厚度界定且通常僅為一微米至數微米。在慢軸中，發射區域之寬度較大例如十至超過一百微米且可含有多個橫向光學模態。橫向多模態操作體系可產生大束參數乘積。
慢軸方向上之空間模態分佈為無規的且產生不均勻遠場圖案。對於諸如反制、通訊或照明之定向雷射能量輸送應用，一重要特點在於在特定選擇之立體角值內之高且均一之輻射強度水準的維持。術語「立體角」描述三維空間中之二維角度。此立體角可具有任何形狀(圓形、矩形、正方形、橢圓形等)。對於定向雷射能量輸送應用，知曉特定立體角內之輻射強度允許吾人計算且理解距源任何距離下之束特徵(遠場)。
為滿足保持特定選擇之立體角內之高且均一之輻射強度水準的要求，需要具有跨越束之極明確界定之輻射強度水準且在邊緣處急劇下降之平頂或頂帽束剖面。理想地，強度下降在束邊緣處為完全垂直的(亦即矩形形狀)；然而，這不為實際情況。當知曉此要求時，難以實務上實現雷射二極體，因為雷射二極體具有快軸中之高斯狀束。參考圖2，說明高斯形狀快軸束剖面及由多個高斯形狀產生之多模態束剖面。高斯狀束在束之緩慢衰變之尾部中具有大量能量，使得將束用於需要跨越給定立體角之高輻射強度水準之應用變得困難。因此，在真實情況情形中，吾人旨在使強度斜度儘可能地陡。在本發明之一實施例中，快軸方向上之邊緣具有高斯形狀，且斜度之陡峭性視提供組合束之總射極計數而定-亦即射極組合愈多，邊緣愈陡。相同考慮適用於慢軸，此處不同之處在於邊緣之銳度視每射極之空間模態計數而定-每射極之模態愈多，邊緣愈陡。
在具有超過一個射極系統之習知半導體雷射模組中，具有準直或未準直發射之數個多模態雷射二極體射極之平行輸出束之組合產生類似於一個射極亦即成近似高斯形的射極的輻射強度剖面的輻射強度剖面。
參考圖3，說明y-z空間中之三個多模態雷射二極體射極 101、102、103之組合。例示性多模態射極為基於例如AlGaInAsSb材料系統之脊線波導半導體雷射二極體，該系統具有30微米至200微米寬度、2mm長度及100nm至2000nm高度之典型射極尺寸。來自各射極之束通過其各別準直光學件區塊201、202、203，其各者具有與相關聯雷射束射極光軸對準之光軸。各準直光學件區塊可包括圓柱透鏡、非球面透鏡、非球面圓柱透鏡、球面透鏡、環面透鏡及/或梯度指數透鏡。束傳播軸300(亦即三個射極中之各者之射極光軸)彼此平行。當各束自各別雷射二極體行進時其之演變顯示在近場301、302、303處。當距射極之距離增加時，單獨束由於有限發散而擴展，且開始重疊400。最終，單獨束完全重疊以形成具有遠場500處之高斯快軸投影之組合束。虛線矩形說明立體角及特定輻射強度水準亦即所選擇之立體角600之2D投影。立體角及特定輻射強度水準通常由諸如DIRCM或自由空間通訊之應用界定，且具有1-10百萬雷得發散錐及數10kW/str輻射強度。本發明系統之目標為保持彼錐內之均一且高輻射強度水準。可見在平行束之情況下，組合遠場500為高斯狀的，其不滿足發散錐/所選擇之立體角600內之均一輻射強度700之要求，因為其具有中央處之高輻射強度峰值及由於高斯分佈之性質而不滿足進一步遠離中央之要求的衰變輻射強度值。
其中組合束由完全重疊之三個獨立束形成之束狀態通常藉由將獨立射極極為貼近亦即在數平方公釐至十平方公釐內置放來達到。當束由於發散而擴展且重疊束之位移分離相同少數公釐作為射極，同時束為更大數量級時，輻射強度空間中之長距離下之準直或未準直之該等射極的平行輸出束的組合通常作為單個源出現。舉例而言，束在一千米之距離下之直徑可為一米。組合遠場具有高斯狀形狀以用於快軸投影，保持尾部處 之束能量之大部分。此組態對於定向雷射束輸送應用可能為不合需要的，因為此等高能量尾部(高斯分佈之邊緣)通常自立體角排除，且因此大量能量在尾部處浪費。
參考圖4，為對抗此問題，根據本發明之一實施例之至少兩個多模態雷射束之空間束組合包括轉向準直或未準直之單獨束以提供部分重疊。因此，將組合束之總輻射強度保持在跨越給定立體角之均勻高水準下。另外，部分束重疊允許由寬面積雷射二極體之慢軸中之多模態束剖面產生之空間模態的更佳混合。
一般而言，在圖4中，轉向束以藉由偏移準直光學件區塊(亦即藉由相對於半導體雷射之橫向移動進行偏移)而具有相對於各別系統光軸之不同角度之傳播。準直光學件區塊之橫向移動提供光束傾斜。
更特定言之，圖3說明y-z空間中之三個多模態半導體雷射之輻射束組合，其中藉由沿相對於第一射極101之y軸方向向上偏移第一準直光學件區塊201來相對於第二射極102向上轉向第一射極101之束，引起遵循相對於第一射極之光軸300之新光軸310在特定角度下向上轉向束。第二射極亦即中央射極102及其準直光學件區塊亦即第二光學件區塊202不具有相對於彼此之偏移，且因此無束轉向遠離第二射極之光軸。第三射極103使其束遵循相對於第三射極之光軸300之新光軸330以特定角度向下轉向。這藉由使準直光學件區塊203相對於y軸中之第三射極103沿y軸向下偏移特定距離來達成。個別快軸束剖面301、302、303由於有限束發散而開始在過渡區400中彼此重疊，但其因為非平行傳播方向而從不完全重疊，且遠場產生增寬、平頂狀束，且高輻射強度水準跨越束500之大截面區域。具有特定輻射強度水準之2D選擇之立體角600投影由虛線指 示；立體角及特定輻射強度水準係根據本申請之需要選擇且在數10kW/str輻射強度之情況下通常為1-10百萬雷得。個別束轉向允許束之部分重疊以便保持所選擇之立體角600內之束500中之均勻輻射強度分佈。
在一特定實施例中，三個射極101、102、103中之各者可為寬射極面積橫向多模態雷射二極體。三個射極可間隔開一定距離，通常為但不限於例如0.5至3mm(通常由準直光學件區塊之尺寸界定)。此距離通常由準直透鏡之尺寸來確定。光學元件之最大尺寸通常由近場中之束尺寸要求確定，因為束尺寸較佳適配其離開雷射二極體系統之後之特定孔徑。
光學件區塊201、202、203中之各者通常為但不限於具有快軸及慢軸準直圓筒及/或圓柱透鏡(亦稱為FAC及SAC透鏡)之系統。第一準直光學件區塊201在y軸方向上偏移通常1-5微米，引起來自第一射極101之束以通常1至6百萬雷得之角度向上轉向。偏移直接視準直光學件區塊之有效焦距而定。詳言之，有效焦距直接確定用於給定所需轉向角之所需偏移距離。所需轉向角由系統之要求確定。
第三準直區塊203在y軸方向上偏移例如1-5微米，引起來自第三射極之束以通常1至6百萬雷得之角度向下轉向。此組態產生距射極1km距離之遠場處之全寬為3-18百萬雷得且跨越3-18m寬截面區域之強度為10-100kW/str的增寬的平頂狀束。此外，先前提供之角度(發散)值亦完整描述束之效能，亦即任何距離下之截面區域之寬度。
此組態可擴展至多個雷射二極體，形成具有至少部分重疊之束之1維或2維陣列以提供具有跨越所選擇之立體角之均勻高水準輻射強度分佈的組合總束。
如熟習此項技術者所已知，單獨射極之束轉向可藉由偏移準直光學件總成內之元件中之一者或全部或參照準直光學件總成之光軸偏移雷射位置來執行。
參考圖5，可替代地，當將雷射二極體及其各別準直光學件區塊固定時，束轉向可用諸如反射鏡、雙色鏡、束分光器及/或光楔之外部光學元件來執行。舉例而言，輻射束組合可用第一、第二及第三射極101、102、103來執行，該等射極不具有相對於其各別之第一、第二及第三準直光學件區塊201、202、203之偏移。輻射束組合係藉由外部光學區塊701、702、703來執行，該等區塊可為例如光學反射鏡、光學稜鏡、光楔對、光束分光器及/或光學雙色鏡。如在圖4中，呈此組態之個別快軸束剖面301、302、303由於有限束發散而開始在過渡區400中彼此重疊，最後產生具有所需平頂狀快軸投影之束500，該投影具有完全覆蓋所選擇之立體角600內之所需輻射強度水準之跨越束的大截面區域的高輻射強度水準。
利用兩個寬面積多模態半導體雷射射極之輻射束組合技術之極壓緊雷射模組的特定實例描繪於圖6及圖7a-7c中。參考圖6，雷射模組可包括兩個多模態寬面積雷射射極101、102，其在所說明之實施例中位於階梯狀基底上，界定垂直陣列。雷射模組可包括超過兩個雷射射極，且雷射射極可經配置呈其他組態，例如可並排置放射極以形成線性陣列，且使用快軸及慢軸準直儀光學件區塊使其各別束轉向至所需遠場位置。一般而言，半導體雷射射極可經配置以形成2D陣列且其至少部分重疊之束轉向至所需輸出端，形成以輻射方式組合之束。此類2D陣列亦可含有在不同光譜帶下之雷射射極發射，且將各別之至少部分重疊之射極組以輻射 方式組合，在所需輸出端位置處形成非高斯類型束。各總成之輸出物可隨後涉及如關於圖8所描述之單個系統輸出物。
使用快軸準直透鏡211、212及慢軸準直透鏡221、222來個別地準直各射極之束。藉由偏移快軸準直透鏡211、212來個別地轉向兩個射極之快軸輸出束剖面301、302以形成遠場501中之以輻射方式組合之束。
此程序進一步在圖7a-7c中逐步詳細呈現，且高功率寬面積多模態雷射二極體基於III-V材料系統，詳言之，GaSb/AlGaInAsSb材料系統。在一實施例中，雷射之腔長度為1.5mm且射極寬度為0.12mm。在其他實施例中，腔長度之範圍可為數百微米至數公釐，在一些情況下甚至10公釐。射極寬度之範圍可視發射波長及磊晶結構設計而定為1微米至數百微米。
用於選擇腔尺寸之主要準則主要基於效能，亦即射極較佳發射充足之輸出功率以用於應用，且輸出束較佳含有足量空間模態以確保無規及空間電洞自由之遠場。因此，射極寬度為5微米之紫外線光譜區中之半導體雷射二極體發射含有類似量之橫向模態(慢軸中之多模態發射)作為中紅外線中之120微米寬射極發射。較佳選定腔長度以允許充足之輸出功率來用於相關應用。腔長度亦界定晶片之功率消耗，同樣界定每晶片之最終成本。詳言之，晶片愈小，單個晶圓上可生成之晶片愈多，且因此每晶片之成本可降低。舉例而言，單個3吋GaSb磊晶圓可主控至多約6000個1.5mm×0.12mm雷射。將腔長度自1.5mm增加至2mm使每晶圓之產量降低至僅約3600個雷射，由此提高晶片成本超過60%。因此，可能需要在最小佔據面積具有可能性之情況下達成效能要求。
單個射極通常能夠在於2.1μm-2.3μm之間之光譜帶中發射之電-光(E-O)效率為10-30%之情況下具有>1W之CW功率，亦即通常使用固態雷射或纖維雷射技術來覆蓋大氣透射窗。
圖7a說明第一寬面積多模態射極101之束，且藉助於向上偏移1.5μm之快軸準直透鏡211向上轉向束，通過慢軸準直透鏡221。在一些實施例中，快軸準直透鏡211可偏移選自1-5μm範圍之距離。待偏移之準確距離視系統設計要求、透鏡參數及雷射二極體束參數而定。所需量之偏移距離可使用以下數學關係式來計算：偏移_距離[微米]=透鏡_有效_焦_距[微米]*tan(所需_轉向_角[雷得])。
在一實施例中，快軸準直透鏡之有效焦距為0.6mm且數值孔徑(NA)為0.8，且慢軸準直透鏡之有效焦距為15mm且NA為0.14。所得束具有新光軸310及所得實驗性2D遠場束剖面510。在其他實施例中，快軸準直透鏡可具有選自0.05微米至100毫米範圍之有效焦距及選自0.1至1範圍之NA。慢軸準直透鏡可具有選自0.05微米至100毫米範圍之有效焦距及選自0.1至1範圍之NA。用於選擇快軸及慢軸準直儀之主要準則為半導體雷射束參數、最終系統設計要求及機械要求規格。
圖7b描繪第二多模態寬面積射極102之束，且藉由快軸光學準直儀212向下轉向束，該準直儀向下偏移與第一寬面積多模態射極101向上偏移之量相同之量，例如向下1.5μm。隨後束通過慢軸準直儀光學件222，伴隨新光軸320及各別2D束剖面511。
圖7c說明具有所得以輻射方式組合之2D束剖面501之射極101、102之輻射束組合，其具有保持跨越大立體角-在此特定實施例中 約8百萬雷得×8百萬雷得之大輻射強度值之優勢。在各種實施例中，立體角可在例如1百萬雷得×1百萬雷得至10百萬雷得×10百萬雷得範圍內。
此射極配置提供諸多優勢。首先，其允許以其他方式制衡多模態射極之差束品質且利用相較於單模態射極而言高得多之可獲得之輸出功率。其次，輻射束組合提供具有高輻射強度之大「頂帽」束剖面，該輻射強度對由於溫度及其他環境效應而引起之束漂移不太敏感。舉例而言，若應用要求係保持5百萬雷得發散錐內之10kW/sr束，且如圖7a-7c中之實施例建構之雷射總成輸送8百萬雷得×8百萬雷得錐內之>10kW/sr，則束指向準確度可放寬至多達1.5百萬雷得且仍實現應用要求。換言之，來自8百萬雷得×8百萬雷得束之中央之最大1.5百萬雷得指向錯誤仍允許使5百萬雷得發散錐保持輻射強度要求。這種情況具有可能性，因為輻射束組合可用於提供伴以高輻射強度之更大面積，且因此系統可容納漂移至一定程度之束。這相較於更加敏感之標準高斯狀束輸出而言為重要優勢，其允許吾人在寬溫度範圍及其他變化環境條件下操作系統，此常常為空浮應用之情況。
最後，多模態半導體雷射之輻射束組合允許實現超壓緊之總成。舉例而言，使用輻射束組合之基於兩個射極之模組可小至25mm×40mm×15mm且具有<30g之重量。此相較於任何其他固態雷射技術而言為顯著之尺寸、重量及功率(SWaP)增益。
本文所揭示之輻射束組合技術可使用不同雷射來實現，例如約1微米之基於GaAs之發射，或在3-5微米及8-10微米光譜區中發射之基於AlGaInAs/GaInAs/InP之量子級聯雷射，或在UV光譜帶中發射之基於GaN/AlGaInN之雷射。
此外，本發明之輻射束組合技術可獨立於光譜區延伸，且應用於使用在例如紫外線、可見光、近紅外線、短波紅外線、中波紅外線及/或長波紅外線中發射之簡單、堅固且廉價之寬面積多模態射極來製造壓緊多光譜雷射束輸送系統。
多光譜雷射束輸送系統2000之簡單方塊圖示於圖8中，其中個別雷射模組1000、1100、1200各自專用於所關注之特別光譜區，例如紫外線、可見光、近紅外線、短波紅外線、中波紅外線或長波紅外線。例示性說明系統實施例包括三個雷射模組，但系統可視特別應用之需要包括多個雷射模組。舉例而言，第一雷射模組1000可專用於近紅外線光譜區且發射約1微米波長，第二雷射模組1100專用於紫外線光譜範圍且發射約300-400nm，第三雷射模組1200專用於短波紅外線光譜區且在2100nm下發射，第四模組(未示出)專用於中波紅外線且發射約4000nm等等，直至在多光譜雷射束輸送系統輸出物中覆蓋完整之300nm-10 000nm光譜帶。
模組中之各者提供以輻射方式組合之輸出束501、1051、1151。藉助於諸如雙色鏡3010、3020、3030之光學元件進一步組合此等束以提供系統之輸出端處之多光譜雷射束5000。輸出束含有系統內之不同雷射子總成之組合多光譜輸出束，例如系統可發射具有全部所關注之光譜帶諸如紫外線、近紅外線、短波紅外線、中波紅外線及長波紅外線內之干擾圖案之光輻射，由此能夠完全減少整個光譜區中之空浮平台之熱訊符。
此類系統尤其適合於干擾熱尋標導彈，因為其提供具有極高亮度及方向性之極寬的多光譜干擾信號，例如針對1百萬雷得至10百萬 雷得發散錐之1kW/sr至多個100kW/sr輻射強度。可獨立地調變不同光譜頻道中之各者以提供複雜干擾信號，使反製成為不可能。類似地，此類多光譜雷射束輸送系統可用於利用巨大頻寬及改變頻寬內之頻道之能力來轉換自由空間通訊應用。由於根據本發明之實施例之系統可建構成在整個300nm-10 000nm光譜區中發射，所以若對方有可能成功地干擾且攔截信號，則在此類巨大頻寬內編碼資訊之能力及在多個頻道之間切換之能力應使發射變得極其困難。
所描述之本發明之實施例僅意欲為例示性的且諸多變化及修改應對熟習此項技術者顯而易見。所有該等變化及修改意欲在如隨附申請專利範圍中所界定之本發明之範疇內。
101:雷射二極體射極
102:雷射二極體射極
103:雷射二極體射極
201:準直光學件區塊
202:準直光學件區塊
203:準直光學件區塊
300:射極光軸
301:快軸束剖面
302:快軸束剖面
303:快軸束剖面
310:新光軸
330:新光軸
400:過渡區
500:束
600:立體角投影

Claims (15)

  1. 一種組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之方法，其包含以下步驟：提供複數個雷射束射極以用於產生該複數個多模態雷射束；及轉向來自各射極之個別多模態雷射束以與其他多模態雷射束中之至少一者部分重疊，從而形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束；其特徵在於，轉向來自各別射極之各別個別多模態雷射束包含藉由以下操作來轉向該束使其具有相對於各別系統光軸之不同角度之傳播：(i)偏移各別射極或各別準直光學件之位置，或(ii)使用各別外部光學元件，該外部光學元件係選自由以下組成之群：光學反射鏡、光學稜鏡、光楔對、光束分光器、光學雙色鏡及其組合。
  2. 如請求項1之方法，其中各雷射束射極包含具有多模態束輸出之寬面積半導體雷射或雷射二極體。
  3. 如請求項1之方法，其中該等雷射束射極在空間上彼此分離以界定一維陣列或二維陣列中之至少一者。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包含提供用於各雷射束射極之個別束準直光學件。
  5. 如請求項4之方法，其中該等準直光學件包含以下中之至少一種：圓柱透鏡、非球面透鏡、非球面圓柱透鏡、球面透鏡、環面透鏡、梯度指數透鏡或其組合。
  6. 如請求項4之方法，其中該等準直光學件為以下中之至少一種：離散的、配置成單石一維陣列或配置成二維陣列。
  7. 如請求項1至6中任一項之方法，其中該複數個多模態雷射束包含在不同各別光譜區之各別雷射束以提供以輻射方式組合之多光譜輸出雷射束，各光譜區係選自由紫外線、可見光、紅外線、近紅外線、短波紅外線、中紅外線及長波紅外線組成之群。
  8. 一種用於組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之基於雷射之總成，其包含：複數個雷射束射極；及複數個個別束準直光學件，其中一個個別束準直光學件與各射極相關聯，其中該等雷射束射極及準直光學件係經間隔且配置成使得在使用時，來自各射極之個別多模態雷射束與至少一個其他多模態雷射束協作且部分重疊，從而形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束，其特徵在於，相對於各別系統光軸，使來自各別射極之各別個別多模態雷射束轉向到不同角度之傳播：(i)把各別射極或各別準直光學件之位置偏移，或 (ii)使各別射極與各別外部光學元件相關聯，該外部光學元件係選自由以下組成之群：光學反射鏡、光學稜鏡、光楔對、光束分光器、光學雙色鏡及其組合。
  9. 如請求項8之基於雷射之總成，其中各雷射束射極包含具有多模態束輸出之寬面積半導體雷射或雷射二極體。
  10. 如請求項8之基於雷射之總成，其中個別對的雷射束射極及各別準直光學件在空間上分離以界定一維陣列或二維陣列中之至少一者。
  11. 如請求項8之基於雷射之總成，其中該等準直光學件包含以下中之至少一種：圓柱透鏡、非球面透鏡、非球面圓柱透鏡、球面透鏡、環面透鏡、梯度指數透鏡或其組合。
  12. 如請求項8之基於雷射之總成，其進一步包含：複數個外部光學元件，其經間隔且配置成轉向該等個別雷射束。
  13. 如請求項8至12中任一項之基於雷射之總成，其中該複數個雷射束射極包含至少兩個在不同光譜區發射之射極，以在該系統之輸出端處提供以輻射方式組合之多光譜雷射束，該光譜區係選自由紫外線、可見光、紅外線、近紅外線、短波紅外線、中紅外線及長波紅外線組成之群。
  14. 一種多光譜雷射束輸送系統，其包含： 至少兩個雷射模組，各雷射模組包含用於組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之基於雷射之總成，其包含：複數個雷射束射極；及複數個個別束準直光學件，其中一個個別束準直光學件與各射極相關聯，其中(i)該等雷射束射極及準直光學件係經間隔且配置成使得在使用時，來自各射極之個別多模態雷射束與至少一個其他多模態雷射束協作且部分重疊，從而形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束，且(ii)該等雷射模組中之各者在選自由紫外線、紅外線、近紅外線、短波紅外線、中紅外線及長波紅外線組成之群之不同光譜區發射以在該系統之輸出端處提供以輻射方式組合之多光譜雷射束。
  15. 一種用於輸送多光譜雷射束之方法，該方法包含以下步驟：提供至少兩個雷射模組，各雷射模組包含用於組合輻射空間中之複數個多模態雷射束之基於雷射之總成，各模組包含：複數個雷射束射極；及複數個個別束準直光學件，其中一個個別束準直光學件與各射極相關聯，間隔且配置該等雷射束射極及準直光學件，使得在使用時，來自各射極之個別多模態雷射束與至少一個其他多模態雷射束協作且部分重疊，從而形成具有跨越所選擇之立體角之均勻非高斯輻射強度分佈的組合束，及組態該等雷射模組中之各者以在不同光譜區發射，該光譜區係選自 由紫外線、紅外線、近紅外線、短波紅外線、中紅外線及長波紅外線組成之群，從而提供以輻射方式組合之多光譜雷射束。
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