用于激光系统的硅氧烷缓解的制作方法

用于激光系统的硅氧烷缓解
1.相关申请
2.本技术要求2019年10月16日提交的美国临时专利申请第62/915,766号的权益和优先权，其全部公开内容特此以引用的方式并入本文中。
技术领域
3.在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是用于减轻硅氧烷在此类激光系统中的影响的设备和技术。


背景技术：

4.高功率激光系统被用于许多不同的应用，如焊接、切割、钻孔和材料加工。此类激光系统通常包括激光发射器，其发出的激光被耦合到光学纤维(optical fiber)(或简称“光纤(fiber)”)中，以及将光纤中的激光聚焦到待加工工件上的光学系统。激光系统的光学系统通常被设计成能产生最高质量的激光束，或等效地，具有最低光束参数积(bpp)的光束。bpp是激光束的发散角(半角)和其最窄点处的光束半径(即束腰，最小光斑尺寸)的乘积。也就是说，bpp＝na
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d/2，其中d是聚焦光斑(束腰)直径，na是数值孔径；因此，bpp可以通过改变na和/或d来改变。bpp量化了激光束的质量以及它可以被聚焦到小光斑的程度，通常以毫米-毫弧度(mm-rad)为单位表示。高斯光束具有最低可能bpp，由激光的波长除以π得出。在同一波长下，实际光束的bpp与理想高斯光束的bpp之比表示为m2，它是与波长无关的光束质量的量度。
5.波长光束组合(wbc)是一种用于缩放激光二极管、激光二极管棒、二极管棒堆叠或以一维或二维阵列排列的其他激光器的输出功率和亮度的技术。wbc方法已被开发用于沿发射器阵列的一个或两个维度组合光束。典型的wbc系统包括多个发射器，如一个或多个二极管棒，它们使用色散元件组合以形成多波长光束。wbc系统中的每个发射器单独谐振，并通过来自公共部分反射输出耦合器的特定波长反馈来稳定，所述耦合器由色散元件沿光束组合维度过滤。示例性wbc系统详述于2000年2月4日提交的美国专利第6,192,062号、1998年9月8日提交的美国专利第6,208,679号、2011年8月25日提交的美国专利第8,670,180号和2011年3月7日提交的美国专利第8,559,107号中，其中每一项的全部公开内容均以引用的方式并入本文中。
6.硅氧烷是一类具有官能团[si-o]n的有机硅材料，且因此具有si-o-si键。这些化合物可以是直链或环状的，并且硅氧烷的实例包括六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷、六甲基环三硅氧烷和八甲基环四硅氧烷。硅氧烷具有许多商业和工业应用，包括激光系统，因为它们具有疏水性、低导热性和高柔韧性。不幸的是，许多激光发射器，例如基于gan和ingan的二极管激光器发射可见(或更短)波长光束的功率下降可能会由于暴露于硅氧烷而加速，硅氧烷可能从环境大气中(例如，从化妆品、清洁产品和医药产品中常见的含有聚硅氧烷的材料中释气)进入激光系统，或者由于激光系统中的部件(例如，包括、基本上由或由一种或多种聚硅氧烷组成的部件，例如垫圈、密封件、环氧树脂、粘合剂等)释气而在激光系统中演
变。激光系统中的硅氧烷可能会被氮化物基激光发射器“捕获”并附着在激光发射器面，导致功率下降。这种下降甚至可能随着激光发射器的功率和发射光强度的增加(这是目前和未来激光系统所期望的)而加速。
[0007]
至少部分解决这个问题的一种技术是在低硅氧烷环境中制造和安装激光装置；然而，这些系统随后必须被密封，以防止硅氧烷在运行期间从外部环境进入，这可能具有挑战性。此外，此类解决方案没有充分解决由释气产生的硅氧烷。因此，需要用于减少或最小化激光系统部件暴露于硅氧烷的系统和技术，从而减轻其有害影响。


技术实现要素：

[0008]
根据本发明的实施例，利用硅氧烷缓解系统和技术来减少或最小化包括光束发射器在内的激光装置内部部件暴露于硅氧烷，从而减少或最小化硅氧烷引起的性能和可靠性的下降。在各种实施例中，一个或多个光束发射器被安置在部分或完全密封环境的“激光腔”内，在本文中也被称为“发射器模块”、“谐振器模块”或“谐振器”。“激光腔”是指谐振器中安置光束发射器的部分，并且激光腔可以与谐振器的一个或多个额外的内部部分密封或向其开放，谐振器通常含有其他部件，如光学元件、电气连接、冷却系统和/或储集器等。在各种实施例中，激光腔连接至闭合回路或开放回路循环系统，所述系统替换和/或再循环激光腔内部的气体，以去除激光腔内部环境中的硅氧烷。在一些实施例中，循环系统形成闭合回路，其中气体从激光腔被泵送至硅氧烷缓解系统，再从那里被泵送回激光腔。在其他环境中，循环系统形成开放回路，其中气体(例如空气)被泵送至硅氧烷缓解系统中，然后再进入激光腔，在那里允许气体逃逸到周围环境中(即不被泵送回硅氧烷缓解系统)。在此类布置中产生的正压有助于防止硅氧烷进入激光腔。
[0009]
在各种实施例中，循环系统是连续运行的，从而使激光腔内的气体与其中具有较低浓度(或甚至基本上不含)硅氧烷的气体连续交换。在其他实施例中，循环系统每隔一段时间运行，其可以不定期或定期安排，或者循环系统按需运行(例如，当由人类操作者启动时)。例如，激光腔可以包括一个或多个用于感测硅氧烷浓度的监测器或传感器，并且当硅氧烷浓度达到阈值水平时，循环系统可以运行以将新气体泵送至激光腔中。
[0010]
在其他实施例中，循环系统可以在激光发射期间运行，以抑制活化的、能量更高的硅氧烷物种的生成和沉积。特别是在并入发射短波长(例如蓝光等可见光，或甚至紫外线)的激光发射器的激光系统中，高能激光可能会激活激光系统中被光照射的硅氧烷分子；也就是说，光照射可能会使硅氧烷物种的分子结构发生自由基化或被破坏，使其更具反应性(即处于更高的能态)。此类活化的物种可能与激光系统中的其他硅氧烷物种发生反应，并沉积在激光发射器上(例如，在发射面)。如果激光发射器具有氧化物涂层(例如，保护性和/或抗反射的覆盖层)，考虑到硅和氧之间有很大的结合能，此类有害的沉积可能会加速。因此，在各种实施例中，循环系统可以在运行(即激光发射)前启动，并在激光发射后和/或在系统不主动发射激光能量的时段期间关闭。在各种实施例中，循环系统可以在运行前的短时间内(例如，至多1分钟、至多2分钟、至多5分钟或至多10分钟)启动，以便在运行前降低或最小化系统内的硅氧烷浓度。类似地，循环系统可以在运行后继续运行短时间(例如，至多1分钟、至多2分钟、至多5分钟或至多10分钟)，以减少或最小化运行期间产生的硅氧烷的存在。
[0011]
在各种实施例中，循环系统在串联或并联的多个不同激光腔或谐振器上运行。类似地，在各种实施例中，循环系统不仅可以在容纳光束发射器的激光腔上运行，而且还可以在激光系统的其他部分或部件(也可以是密封的)上运行，如光纤模块。因此，本文涉及“激光腔”的描述可以理解为同样适用于激光装置或设备的其他部件、系统或子系统。在各种实施例中，循环/硅氧烷缓解系统可以与一个或多个封闭部件如激光谐振器一起使用。如本文所用，“封闭”部件具有一个或多个密封区域，例如，激光腔，其中含有一个或多个光束发射器；也就是说，封闭部件无需，但可以是整体密封的。
[0012]
在各种实施例中，硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由用于从气流中吸附硅氧烷的材料组成，如活性炭、硅胶、聚合物珠粒或一种或多种分子筛。在各种实施例中，硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由用于从气流中吸收硅氧烷的材料组成，如有机溶剂、矿物油或甚至水。在硅氧烷缓解系统中，待泵送至激光腔中的气体可以在一种或多种此类材料上方和/或通过(例如，鼓泡通过)一种或多种此类材料流动，用于从气体中吸附和/或吸收硅氧烷。因此，在各种实施例中，从气体中去除硅氧烷可将水分(例如，一定量的一种或多种液体)引入气体中。在一些实施例中，硅氧烷缓解系统可替代地或另外地包括、基本上由或由通过冷凝(例如，一种或多种冷却系统)和/或反应(如催化)从气流中去除硅氧烷的补救系统组成。在各种实施例中，硅氧烷缓解系统还可以包括干燥系统(例如，其中具有一种或多种干燥剂的容器)，以便在将气体引入激光腔之前去除气体中的水分。
[0013]
根据本发明的实施例，与硅氧烷缓解系统接合的激光谐振器可以包括一个或多个发射可见波长范围(或更短的波长，如紫外波长)的光的激光发射器，和/或可至少部分由氮化物基半导体材料，如gan和ingan构成。虽然利用较长波长发射器的系统可能不会在相同程度上表现出由于硅氧烷暴露而导致的功率下降，但本发明的实施例也可以与此类发射器一起使用来实现长期稳定性和可靠性。
[0014]
根据本发明实施例的谐振器可以包括在2017年7月26日提交的美国专利申请序列号15/660,134(
‘
134申请)和/或2019年5月24日提交的美国专利申请序列号16/421,728中详述的一个或多个部件、接口和/或控制系统，每个专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。例如，根据本发明实施例的谐振器模块可以包括与光束组合外壳上的互补特征接合的电气和光学接口，其中来自模块的各个光束被组合成单个输出光束(并且在一些实施例中，耦合到光纤中)。光学和电气接口有助于轻松更换输入激光源，只需进行最小量(如果有的话)的源对准。发射器模块可以插入并与安置在外壳内或外壳上的输入插座相匹配，输入光束在外壳内被组合以形成输出光束。谐振器模块可与安置在光束组合光学器件的外壳内或外壳上(或形成部分)的多个输入插座之一进行机械、电气和/或光学连接。
[0015]
如本领域技术人员已知，激光器通常被定义为通过光的受激发射产生可见光或不可见光的装置。如上所述，激光器通常具有使其可用于各种应用的特性。常见的激光器类型包括半导体激光器(例如，激光二极管和二极管棒)、固态激光器、光纤激光器和气体激光器。激光二极管通常基于支持光子(光)发射的简单二极管结构。然而，为了改善效率、功率、光束质量、亮度、可调谐性等，这种简单的结构通常被修改以提供多种实用类型的激光二极管。激光二极管类型包括小型边缘发射品种，在具有高光束质量的光束中产生从几毫瓦到大约半瓦的输出功率。二极管激光器的结构类型包括双异质结构激光器，其具有夹在两个高带隙层之间的一层低带隙材料；量子阱激光器，其包括非常薄的中间(量子阱)层，从而使
激光器的能量具有高效率和量化；多量子阱激光器，其包括多于一个量子阱层以改善增益特性；量子线或量子海(点)激光器，其用线或点取代中间层以产生更高效率的量子阱激光器；量子级联激光器，其能够在相对较长的波长下进行激光作用，可通过改变量子层的厚度进行调谐；分离式约束异质结构激光器，其为最常见的商业激光二极管，在量子阱层上方和下方包括另外两层，以有效约束产生的光；分布式反馈激光器，其通常用于要求严格的光通信应用，包括集成式衍射光栅，通过将单一波长反射回增益区，有助于在制造期间产生稳定的波长组；垂直腔表面发射激光器(vcsel)，其结构与其他激光二极管不同，光是从其表面而不是从其边缘发射的；以及垂直外腔表面发射激光器(vecsel)和外腔二极管激光器，它们是可调谐激光器，主要使用双异质结构二极管并且包括光栅或多棱镜光栅配置。外腔二极管激光器通常是可调谐波长的，并表现出较小的发射线宽度。激光二极管类型还包括各种基于二极管的高功率激光器，包括：广域激光器，其特征在于具有长方形输出面的多模式二极管，通常光束质量差，但能产生几瓦的功率；锥形激光器，其特征在于具有锥形输出面的散光模式二极管，与广域激光器相比，其光束质量和亮度有所提高；脊形波导激光器，其特征在于具有椭圆形输出面的椭圆模式二极管；以及平板耦合光波导激光器(scowl)，其特征在于具有输出面的圆形模式二极管，可在几乎为圆形轮廓的衍射极限光束中产生瓦级输出。
[0016]
二极管激光棒是一种半导体激光器，其含有广域发射器的一维阵列，或者含有包含例如10-20个窄条纹发射器的子阵列。广域二极管棒通常含有例如19-49个发射器，每个发射器的尺寸为约例如1μm
×
100μm。沿着1μm尺寸或快轴的光束质量通常是衍射极限的。沿着100μm尺寸或慢轴或阵列尺寸的光束质量通常是衍射极限的许多倍。通常，用于商业应用的二极管棒的激光谐振器长约1至4mm，宽约10mm，并产生数十瓦的输出功率。大多数二极管棒在780至1070nm的波长区域内运行，其中808nm(用于泵浦钕激光器)和940nm(用于泵浦yb:yag)的波长最为突出。915-976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱的高功率光纤激光器和放大器。
[0017]
本发明的实施例可将一个或多个激光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个纤芯的多个包层、单个包层内的多个离散纤芯区(或“纤芯”)或由多个包层围绕的多个纤芯。
[0018]
在本文中，“光学元件”可以指任何透镜、反射镜、棱镜、光栅等，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学操纵电磁辐射，除非另有说明。在本文中，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁波束生成装置，如半导体元件，其生成电磁波束，但可能是或可能不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、圆盘激光器、非固态激光器等。一般来说，每个发射器包括背反射表面、至少一个光学增益介质和正反射表面。光学增益介质增加了电磁辐射的增益，所述电磁辐射不限于电磁波谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括或基本上由多个光束发射器组成，如被配置为发射多个光束的二极管棒。本文的实施例中接收的输入光束可以是使用本领域已知的各种技术组合的单波长或多波长的光束。此外，本文提及的“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”不仅包括单二极管激光器，还包括二极管棒、激光器阵列、二极管棒阵列以及单个垂直腔表面发射激光器(vcsel)或阵列。在本文中，应理解，提及不同的“波长”包括不同的“波长范围”，而激光器的波长(或颜色)与它的主波长相对应；也就是说，发射器可以发射具有有限波长带的
光，包括主波长(并且可以主波长为中心)。
[0019]
根据本发明实施例的具有硅氧烷缓解系统并利用硅氧烷缓解技术的激光系统可用于加工工件，使工件的表面发生物理变化和/或在表面上或内部形成特征，这与仅仅用光探测表面的光学技术(例如反射率测量)形成对比。根据本发明实施例的示例性工艺包括切割、熔焊、钻孔和钎焊。本发明的各种实施例还在一个或多个点或沿着一维加工路径加工工件，而不是同时用激光束的辐射淹没所有或基本上所有的工件表面。一般来说，加工路径可以是曲线型或直线型的，“直线型”加工路径可以具有一个或多个方向变化，即直线型加工路径可以由两个或更多个基本上笔直的段构成，这些段不一定相互平行。
[0020]
本发明的各种实施例可与具有用于改变其输出激光束的bpp的技术的激光系统一起使用，如在2015年2月26日提交的美国专利申请序列号14/632,283和2016年6月21日提交的美国专利申请序列号15/188,076中描述的那些，每个专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
[0021]
根据本发明的各种实施例的激光系统还可以包括将激光输出引导到工件上同时引起输出和工件之间的相对运动的传输机构。例如，传输机构可以包括、基本上由或由用于将输出引导和/或聚焦于工件的激光头组成。激光头本身可以相对于工件是可移动的和/或可旋转的，和/或传输机构可以包括用于工件的可移动台架或其他平台，以使工件能够相对于输出移动，输出可以固定在适当的位置。
[0022]
在本发明的各种实施例中，用于加工各种工件的激光束可以通过一根或多根光纤(或“传输光纤”)传输到工件。本发明的实施例可以结合具有许多不同内部配置和几何形状的光纤。此类光纤可以具有一个或多个纤芯区和一个或多个包层区。例如，光纤可以包括、基本上由或由中心纤芯区和由内包层隔开的环形纤芯区组成。一个或多个外包层可以安置在环形纤芯区周围。本发明的实施例可与具有2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745和2019年11月6日提交的美国专利申请号16/675,655中描述的配置的光纤一起利用和/或结合，每个专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
[0023]
在结构上，根据本发明实施例的光纤可以包括一个或多个高和/或低折射率层，超出(即，在外面)外部包层，而不改变本发明的原理。这些附加层中的各个层也可称为包层或涂层，并且可能不引导光。除了特别提到的那些之外，光纤还可以包括一个或多个纤芯。此类变体在本发明的范围内。本发明的各种实施例不在光纤结构中或光纤结构上并入模式剥离器。类似地，根据本发明实施例的光纤的各个层沿光纤的整个长度是连续的，并且其中不包含孔、光子晶体结构、断裂、间隙或其他不连续部分。
[0024]
根据本发明的光纤可以是多模光纤，因此支持其中的多个模式(例如，多于三个、多于十个、多于20个、多于50个或多于100个模式)。此外，根据本发明的光纤通常是无源光纤，即没有像通常用于泵浦光纤激光器和放大器那样掺杂有源掺杂剂(例如，铒、镱、铥、钕、镝、镨、钬或其他稀土金属)。更确切地说，根据本发明用于选择光纤各层所需折射率的掺杂剂通常是不被激光激发的无源掺杂剂，例如，氟、钛、锗和/或硼。因此，根据本发明的各种实施例的光纤及其各种纤芯和包层可以包括、基本上由或由玻璃组成，如基本上纯的熔融石英和/或熔融石英，并且可以掺杂有氟、钛、锗和/或硼。根据本发明的实施例，获得光纤的特定层或区域的所需折射率可以由本领域技术人员完成(通过如掺杂等技术)而无需过度实验。相关地，根据本发明实施例的光纤可以不在其中或上面并入反射器或部分反射器(例
如，光栅，如布拉格光栅)。根据本发明实施例的光纤通常不用配置为产生不同波长的激光的泵浦光泵浦。相反，根据本发明实施例的光纤仅沿其长度传播光而不改变其波长。在本发明的各种实施例中使用的光纤可以具有可选的外部聚合物保护涂层或护套，所述涂层或护套安置在更易碎的玻璃或熔融石英纤维本身周围。
[0025]
此外，根据本发明实施例的系统和技术通常用于材料加工(例如，切割、钻孔等)，而不是用于如光通信或光数据传输等应用。因此，根据本发明的实施例可以耦合到光纤中的激光束的波长可能与用于光通信的1.3μm或1.5μm不同。事实上，根据本发明的实施例使用的光纤可以在用于光通信的大约1260nm至大约1675nm范围内的一个或多个(或甚至所有)波长处表现出色散。
[0026]
在一个方面，本发明的实施例具有一种激光设备，其包括、基本上由或由以下组成：其中包括一个或多个光束发射器的封闭的激光腔、允许气体进入激光腔的气体入口、向气体入口供应气体的泵以及被配置为从由泵供应给气体入口的气体中去除硅氧烷的硅氧烷缓解系统。
[0027]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。激光腔可以被配置为允许所供应的气体从其中泄漏，即，可以不具有单个专用气体出口)。所述设备可以包括气体出口，用于允许或配置为允许气体从激光腔中排出。泵可以与气体出口流体连接。气体出口可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。所述设备可以包括干燥剂，其被定位成从由泵供应至气体入口的气体中去除水分。干燥剂可以与硅氧烷缓解系统不同，和/或位于硅氧烷缓解系统外部。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由硅氧烷吸附材料和/或硅氧烷吸收材料组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由有机溶剂、矿物油或水组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由被配置为通过冷凝和/或反应从气体中去除硅氧烷的补救系统组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由液体组成，供应至气体入口的气体在液体上方和/或通过液体流动。
[0028]
所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测激光腔内和/或与气体入口、泵和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷。所述设备可以包括基于计算机的控制器，其被配置为通过泵的运行将气体引入气体入口和/或控制硅氧烷缓解系统。所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测激光腔内和/或与气体入口、泵和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷，并且控制器可以对从一个或多个传感器接收的信号作出响应。控制器可以被配置为仅当由至少一个传感器检测到的硅氧烷浓度超过阈值时才将气体引入气体入口。控制器可以被配置为至少在一个或多个光束发射器的运行期间将气体连续地引入气体入口。控制器可以被配置为定期将气体引入气体入口，例如，无论一个或多个光束发射器是否运行以发射光束。控制器可以被配置为在接收到来自操作者的命令时将气体引入气体入口。激光腔可以是气密密封的。激光腔可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。
[0029]
一个或多个光束发射器可以包括、基本上由或由多个光束发射器组成。激光腔可以在其中包括(a)色散元件，其被配置为接收由多个发射器发射的光束并将这些光束组合
成多波长光束，以及安置在色散元件的光学下游的部分反射输出耦合器，其被配置为(i)接收多波长光束，(ii)传输多波长光束的第一部分作为输出光束，以及(iii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件。激光腔可以在其中包括(a)多个慢轴准直透镜，其安置在多个光束发射器的光学下游，每个慢轴准直透镜被配置为接收来自其中一个光束发射器的一个或多个光束，以及(b)多个折叠反射镜，其安置在慢轴准直透镜的光学下游和色散元件的光学上游。所述设备可以包括安置在多个光束发射器下方的流体冷却剂腔、配置为向流体冷却剂腔供应流体冷却剂的流体入口以及配置为从流体冷却剂腔排出流体冷却剂的流体出口。
[0030]
在另一个方面，本发明的实施例包括一种激光设备，其包括、基本上由或由激光系统组成，所述激光系统包括、基本上由或由多个封闭部件、多个气体入口、多个气体出口、与多个气体入口流体耦合的入口歧管、用于向入口歧管供应气体的泵以及配置为从由泵供应至入口歧管的气体中去除硅氧烷的硅氧烷缓解系统组成。至少一个部件在其中包括一个或多个光束发射器。每个气体入口被配置为允许气体进入不同的部件。每个气体出口被配置为允许气体从不同的部件排出。
[0031]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。一个或多个部件可以不在其中包括光束发射器。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。所述设备可以包括与多个气体出口流体耦合的出口歧管。泵可以与出口歧管流体连接。出口歧管可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。多个气体出口可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。所述设备可以包括干燥剂，其被定位成从由泵供应至入口歧管的气体中去除水分。干燥剂可以与硅氧烷缓解系统不同，和/或位于硅氧烷缓解系统外部。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由硅氧烷吸附材料和/或硅氧烷吸收材料组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由有机溶剂、矿物油或水组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由被配置为通过冷凝和/或反应从气体中去除硅氧烷的补救系统组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由液体组成，供应至入口歧管的气体在液体上方和/或通过液体流动。
[0032]
所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测至少一个部件内和/或与泵、至少一个部件、入口歧管和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷。所述设备可以包括基于计算机的控制器，其被配置为通过泵的运行将气体引入入口歧管和/或控制硅氧烷缓解系统。所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测至少一个部件内和/或与泵、至少一个部件、入口歧管和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷，并且控制器可以对从一个或多个传感器接收的信号作出响应。控制器可以被配置为仅当由至少一个传感器检测到的硅氧烷浓度超过阈值时才将气体引入入口歧管。控制器可以被配置为至少在一个或多个光束发射器的运行期间将气体连续地引入入口歧管。控制器可以被配置为定期将气体引入入口歧管，例如，无论一个或多个光束发射器是否运行以发射光束。控制器可以被配置为在接收到来自操作者的命令时将气体引入入口歧管。至少一个部件可以是气密密封的。至少一个部件可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。
[0033]
至少一个部件可以是、包括、基本上由或由具有封闭的激光腔的激光谐振器组成。
激光腔可以在其中包括(a)多个光束发射器，(b)色散元件，其被配置为接收由多个发射器发射的光束并将这些光束组合成多波长光束，以及(c)安置在色散元件的光学下游的部分反射输出耦合器，其被配置为(i)接收多波长光束，(ii)传输多波长光束的第一部分作为输出光束，以及(iii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件。激光腔可以在其中包括(a)多个慢轴准直透镜，其安置在多个光束发射器的光学下游，每个慢轴准直透镜被配置为接收来自其中一个光束发射器的一个或多个光束，以及(b)多个折叠反射镜，其安置在慢轴准直透镜的光学下游和色散元件的光学上游。激光谐振器可以包括安置在多个光束发射器下方的流体冷却剂腔、配置为向流体冷却剂腔供应流体冷却剂的流体入口以及配置为从流体冷却剂腔排出流体冷却剂的流体出口。
[0034]
多个部件可以包括、基本上由或由多个激光谐振器组成。每个激光谐振器可以在其中包括多个光束发射器，并被配置为将光束发射器发射的光束组合成组合光束。多个部件可以包括(a)光束组合模块，其被配置为接收来自激光谐振器的组合光束并将组合光束组合成输出光束，以及(b)光纤模块，其被配置为接收来自光束组合模块的输出光束并将输出光束供应至光纤。
[0035]
在另一个方面，本发明的实施例具有一种激光设备，其包括、基本上由或由激光系统组成，所述激光系统包括、基本上由或由多个封闭部件、用于向其中第一个部件的气体入口供应气体的泵以及被配置为从泵供应的气体中去除硅氧烷的硅氧烷缓解系统组成。至少一个部件在其中包括一个或多个光束发射器。每个部件包括被配置为允许气体进入部件的气体入口和被配置为允许气体从部件中排出的气体出口。这些部件彼此串联流体连接(例如，通过它们的气体入口和气体出口以及连接它们的导管)。由所供应的泵供应的气体依次流入和流出每个串联的部件。
[0036]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。所述设备可以包括入口歧管，其与第一个部件的气体入口流体耦合。泵可以将气体供应至入口歧管以供应至第一个部件的气体入口。一个或多个部件可以不在其中包括光束发射器。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。所述设备可以包括出口歧管，其与最后一个部件(例如，部件串联连接中的最后一个)的气体出口流体耦合。泵可以与出口歧管流体连接。出口歧管可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。最后一个部件的气体出口可以与泵流体连接。最后一个部件的气体出口可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。所述设备可以包括干燥剂，其被定位成从由泵供应的气体中去除水分。干燥剂可以与硅氧烷缓解系统不同，和/或位于硅氧烷缓解系统外部。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由硅氧烷吸附材料和/或硅氧烷吸收材料组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由有机溶剂、矿物油或水组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由被配置为通过冷凝和/或反应从气体中去除硅氧烷的补救系统组成。硅氧烷缓解系统可以包括、基本上由或由液体组成，由泵供应的气体在液体上方和/或通过液体流动。
[0037]
所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测至少一个部件内和/或与泵、至少一个部件和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷。所述设备
可以包括基于计算机的控制器，其被配置为运行泵和/或控制硅氧烷缓解系统。所述设备可以包括一个或多个传感器，其被配置为检测至少一个部件内和/或与泵、至少一个部件和/或硅氧烷缓解系统流体连接的一个或多个导管内的硅氧烷，并且控制器可以对从一个或多个传感器接收的信号作出响应。控制器可以被配置为仅当由至少一个传感器检测到的硅氧烷浓度超过阈值时才运行泵。控制器可以被配置为至少在一个或多个光束发射器的运行期间连续地运行泵。控制器可以被配置为定期运行泵，例如，无论一个或多个光束发射器是否运行以发射光束。控制器可以被配置为在接收到来自操作者的命令时运行泵。至少一个部件可以是气密密封的。至少一个部件可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。
[0038]
至少一个部件可以是、包括、基本上由或由具有封闭的激光腔的激光谐振器组成。激光腔可以在其中包括(a)多个光束发射器，(b)色散元件，其被配置为接收由多个发射器发射的光束并将这些光束组合成多波长光束，以及(c)安置在色散元件的光学下游的部分反射输出耦合器，其被配置为(i)接收多波长光束，(ii)传输多波长光束的第一部分作为输出光束，以及(iii)将多波长光束的第二部分反射回色散元件。激光腔可以在其中包括(a)多个慢轴准直透镜，其安置在多个光束发射器的光学下游，每个慢轴准直透镜被配置为接收来自其中一个光束发射器的一个或多个光束，以及(b)多个折叠反射镜，其安置在慢轴准直透镜的光学下游和色散元件的光学上游。激光谐振器可以包括安置在多个光束发射器下方的流体冷却剂腔、配置为向流体冷却剂腔供应流体冷却剂的流体入口以及配置为从流体冷却剂腔排出流体冷却剂的流体出口。
[0039]
多个部件可以包括、基本上由或由多个激光谐振器组成。每个激光谐振器可以在其中包括多个光束发射器，并被配置为将光束发射器发射的光束组合成组合光束。多个部件可以包括(a)光束组合模块，其被配置为接收来自激光谐振器的组合光束并将组合光束组合成输出光束，以及(b)光纤模块，其被配置为接收来自光束组合模块的输出光束并将输出光束供应至光纤。
[0040]
在另一个方面，本发明的实施例具有一种通过激光设备发射(例如，可靠发射)一个或多个光束的方法。运行安置在封闭的激光腔内的一个或多个光束发射器以形成一个或多个光束。在此期间，激光腔内的气体与其中具有较低浓度硅氧烷的新气体交换。
[0041]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。在激光腔内交换气体可以包括、基本上由或由以下组成：从新气体中去除硅氧烷，然后将新气体供应至激光腔。硅氧烷可以通过吸附和/或吸收从新气体中去除。硅氧烷可以被活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛吸附。硅氧烷可以被有机溶剂、矿物油和/或水吸收。硅氧烷可以通过冷凝和/或反应从新气体中去除。硅氧烷可以通过使新气体在液体上方和/或通过液体流动而从新气体中去除。激光腔可以被配置为允许气体从其中泄漏。在激光腔内交换气体可以包括、基本上由或由以下组成：将新气体供应至与激光腔流体耦合的气体入口和经由与激光腔流体耦合的气体出口排出气体。气体出口可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。在将新气体引入激光腔之前，可以从新气体中去除水分。水分可以在从新气体中去除硅氧烷之后和/或单独从新气体中去除。
[0042]
可以检测激光腔内、供应至激光腔的新气体内和/或从激光腔排出的气体内的硅氧烷浓度。仅当检测到的硅氧烷浓度超过阈值时，才可以在激光腔内交换气体。在一个或多
个光束发射器的运行期间，可以在激光腔内连续交换气体。可以定期在激光腔内交换气体，例如，仅当光束发射器正在运行或无论光束发射器是否正在运行时。在接收到来自操作者(例如，人类操作者)的命令时，可以在激光腔内交换气体。激光腔可以是气密密封的。激光腔可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。
[0043]
一个或多个光束发射器可以包括、基本上由或由多个光束发射器组成。由光束发射器发射的光束可以各自具有不同的波长。由多个光束发射器发射的光束可以组合成组合和/或多波长光束。组合和/或多波长光束的第一部分可以从激光腔中传输出去作为输出光束。组合和/或多波长光束的第二部分可以被引导回多个光束发射器，以稳定其发射(例如，形成外部激光腔)。可以例如通过流体冷却剂的流动来冷却多个射束发射器。工件可以用输出光束进行加工。加工工件可以包括、基本上由或由切割、熔焊、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和/或铜焊组成。加工工件可以包括、基本上由或由物理改变工件表面的至少一部分组成。
[0044]
在另一个方面，本发明的实施例具有一种通过激光设备发射(例如，可靠发射)一个或多个光束的方法。激光设备包括、基本上由或由多个封闭部件组成。至少一个部件在其中包括一个或多个光束发射器。每个部件均在其中包括气体。一个或多个部件可以是密封的或封闭的。运行一个或多个光束发射器以形成一个或多个光束。在此期间，新气体被并联供应至每个部件。新气体在其中具有较低浓度的硅氧烷(例如，与最初存在于至少一个部件中的气体中的硅氧烷浓度相比)。新气体并联和/或同时流入和流出每个部件(例如，通过一个或多个专用于每个部件的导管)。
[0045]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。在将新气体并联供应至每个部件之前和/或期间，可以从新气体中去除硅氧烷。硅氧烷可以通过吸附和/或吸收从新气体中去除。硅氧烷可以被活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛吸附。硅氧烷可以被有机溶剂、矿物油和/或水吸收。硅氧烷可以通过冷凝和/或反应从新气体中去除。硅氧烷可以通过使新气体在液体上方和/或通过液体流动而从新气体中去除。至少一个部件可以被配置为允许气体从其中泄漏。新气体可以通过每个部件的气体入口(例如，仅与特定部件耦合的气体入口)供应至每个部件。气体可以通过每个部件的气体出口(例如，通过仅与特定部件耦合的气体出口)从每个部件排出。至少一个气体出口可以被配置为将气体释放到周围环境和/或排气系统中。在将新气体并联供应至每个部件之前，可以从新气体中去除水分。水分可以在从新气体中去除硅氧烷之后和/或单独从新气体中去除。
[0046]
可以检测至少一个部件内、供应到至少一个部件的新气体内和/或从至少一个部件排出的气体内的硅氧烷浓度。仅当检测到的硅氧烷浓度超过阈值时，才可以将新气体并联供应至每个部件。在一个或多个光束发射器运行期间，可以将新气体连续地并联供应至每个部件。可以定期将新气体并联供应至每个部件，例如，仅当光束发射器正在运行或无论光束发射器是否正在运行时。在接收到来自操作者(例如，人类操作者)的命令时，可以将新气体并联供应至每个部件。至少一个部件可以是气密密封的。至少一个部件可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、
algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。
[0047]
至少一个部件可以包括、基本上由或由其中具有多个光束发射器的激光谐振器组成。由多个光束发射器发射的光束可以组合成组合和/或多波长光束。组合和/或多波长光束的第一部分可以从激光腔中传输出去作为输出光束。组合和/或多波长光束的第二部分可以被引导回多个光束发射器，以稳定其发射(例如，形成外部激光腔)。可以例如通过流体冷却剂的流动来冷却多个射束发射器。
[0048]
多个部件可以包括、基本上由或由以下组成：(i)两个或更多个激光谐振器，每个激光谐振器在其中包括一个或多个光束发射器，(ii)光束组合模块，以及(iii)光纤模块。可以从两个或更多个激光谐振器中的每一个发射输出光束。每个输出光束可以是多波长光束。每个输出光束本身可以是通过相关激光谐振器内的多个光束的组合形成的光束。来自两个或更多个激光谐振器的输出光束可以在光束组合模块内组合成组合光束。组合光束可以经由光纤模块、通过光纤模块或在光纤模块内耦合到光纤中。工件可以用组合光束进行加工。加工工件可以包括、基本上由或由切割、熔焊、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和/或铜焊组成。加工工件可以包括、基本上由或由物理改变工件表面的至少一部分组成。
[0049]
在另一个方面，本发明的实施例具有一种通过激光设备发射(例如，可靠发射)一个或多个光束的方法。激光设备包括、基本上由或由多个封闭部件组成，这些部件彼此串联流体连接(例如，通过一系列导管，每个导管将两个部件流体连接在一起)。至少一个部件在其中包括一个或多个光束发射器。每个部件均在其中包括气体。一个或多个部件可以是密封的或封闭的。运行一个或多个光束发射器以形成一个或多个光束。在此期间，将新气体供应至串联连接的第一个部件。新气体在其中具有较低浓度的硅氧烷(例如，与最初存在于至少一个部件中的气体中的硅氧烷浓度相比)。所供应的新气体依次流入和流出每个串联连接的部件。
[0050]
本发明的实施例可以多种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。在将新气体供应至串联连接的第一个部件之前和/或期间，可以从新气体中去除硅氧烷。硅氧烷可以通过吸附和/或吸收从新气体中去除。硅氧烷可以被活性炭、硅胶、聚合物珠粒和/或一种或多种分子筛吸附。硅氧烷可以被有机溶剂、矿物油和/或水吸收。硅氧烷可以通过冷凝和/或反应从新气体中去除。硅氧烷可以通过使新气体在液体上方和/或通过液体流动而从新气体中去除。至少一个部件可以被配置为允许气体从其中泄漏。气体(例如，新气体)可以从串联连接的最后一个部件中排出。排出的气体可以被再循环(例如，朝向串联连接的第一个部件、朝向泵和/或朝向硅氧烷缓解系统)，并且硅氧烷可以从其中被去除，以引入回串联连接的第一个部件中。气体(例如，新气体)可以从串联连接的最后一个部件排放到周围环境和/或排放系统中。在将新气体供应至串联连接的第一个部件之前，可以从新气体中去除水分。水分可以在从新气体中去除硅氧烷之后和/或单独从新气体中去除。
[0051]
可以检测至少一个部件内、供应至串联连接的第一个部件的新气体内、供应到至少一个部件的气体(例如新气体)内和/或从至少一个部件排出的气体内的硅氧烷浓度。仅当检测到的硅氧烷浓度超过阈值时，才可以将新气体供应至串联连接的第一个部件。在一个或多个光束发射器运行期间，可以将新气体连续地供应至串联连接的第一个部件。可以定期将新气体供应至串联连接的第一个部件，例如，仅当光束发射器正在运行或无论光束发射器是否正在运行时。在接收到来自操作者(例如，人类操作者)的命令时，可以将新气体
供应至串联连接的第一个部件。至少一个部件可以是气密密封的。至少一个部件可以在其中包括一种或多种通过释气产生硅氧烷的材料。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由一种或多种氮化物半导体材料组成。至少一个光束发射器可以包括、基本上由或由gan、algan、ingan、aln、inn和/或其合金或混合物组成。
[0052]
至少一个部件可以包括、基本上由或由其中具有多个光束发射器的激光谐振器组成。由多个光束发射器发射的光束可以组合成组合和/或多波长光束。组合和/或多波长光束的第一部分可以从激光腔中传输出去作为输出光束。组合和/或多波长光束的第二部分可以被引导回多个光束发射器，以稳定其发射(例如，形成外部激光腔)。可以例如通过流体冷却剂的流动来冷却多个射束发射器。
[0053]
多个部件可以包括、基本上由或由以下组成：(i)两个或更多个激光谐振器，每个激光谐振器在其中包括一个或多个光束发射器，(ii)光束组合模块，以及(iii)光纤模块。可以从两个或更多个激光谐振器中的每一个发射输出光束。每个输出光束可以是多波长光束。每个输出光束本身可以是通过相关激光谐振器内的多个光束的组合形成的光束。来自两个或更多个激光谐振器的输出光束可以在光束组合模块内组合成组合光束。组合光束可以经由光纤模块、通过光纤模块或在光纤模块内耦合到光纤中。工件可以用组合光束进行加工。加工工件可以包括、基本上由或由切割、熔焊、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和/或铜焊组成。加工工件可以包括、基本上由或由物理改变工件表面的至少一部分组成。
[0054]
通过参考下面的描述、附图和权利要求书，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加明显。此外，应理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的并且可以各种组合和排列存在。如本文所用，术语“基本上”是指
±
10％，在一些实施例中是指
±
5％。除非本文另有定义，否则术语“基本上由
……
组成”意味着不包括对功能有贡献的其他材料。尽管如此，此类其他材料可能以痕量集体或单独存在。在本文中，除非另有说明，否则术语“辐射”和“光”是可互换使用的。在本文中，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件后照射的第二元件的相对位置，第一元件在第二元件的“上游”或“光学上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自反射镜的反射或光从一个部件行进至另一个部件所经历的传播方向的其他变化，光学距离可以但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有规定，否则本文所使用的距离可以被认为是“光学距离”。
附图说明
[0055]
在附图中，相同附图标记在不同视图中通常指代相同部分。此外，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在下面的描述中，将参照以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
[0056]
图1a是根据本发明实施例的激光谐振器的示意图；
[0057]
图1b和1c是根据本发明实施例的激光系统的示意图；
[0058]
图2和3是根据本发明实施例的激光系统的示意图；
[0059]
图4是根据本发明实施例的波长光束组合(wbc)谐振器的示意图；
[0060]
图5a是根据本发明各种实施例的激光谐振器的第一侧的示意图；
[0061]
图5b是根据本发明各种实施例的激光谐振器的第二侧的示意图；以及
[0062]
图6是根据本发明各种实施例的并入多个激光谐振器的激光引擎的透视图。
具体实施方式
[0063]
图1a是可以与本发明的实施例一起使用的谐振器100的简化示意性截面图。如图所示，谐振器100具有封闭的激光腔105，其可以构成谐振器100内部体积的全部或仅一部分。安置在激光腔105内的是一个或多个光束发射器110。根据本发明实施例的光束发射器110可以至少部分地由一种或多种半导体材料(例如氮化物半导体材料)诸如gan、ingan和/或algan组成。此类光束发射器110可以包括激光二极管和/或二极管棒。根据各种实施例，激光腔105和/或谐振器100可以通过例如一个或多个o形环、垫圈、金属密封件和/或环氧树脂来部分或完全密封。在各种实施例中，激光腔105和/或谐振器100可以通过其外缘或周边的全部或一部分的熔焊和/或钎焊而部分或完全密封。在各种实施例中，密封可以是气密的，从而防止空气或其他气体种类流动通过密封。在其他实施例中，密封不是气密的。(如本文所用，“密封”是指腔、谐振器或区域与周围环境和谐振器或系统的其他部分气密或非气密地隔离。)
[0064]
图1b示意性地描绘了激光系统115，其中气体(例如空气、氮气或惰性气体，如氩气)以闭合回路供应至谐振器100和硅氧烷缓解系统120。如图所示，泵125将气体泵送通过硅氧烷缓解系统120，然后通过气体入口130泵送至谐振器100。(在本文描述的气体不是空气的实施例中，泵可以与含有所需气体的气体源，例如一个或多个气缸或其他容器，或与“室内”气体源流体地耦合)。气体在谐振器100的激光腔105内流动和/或循环，然后通过气体出口135被抽回泵125。如图所示，系统115还可以并入可选的干燥剂140，从流动的气体中去除水分。尽管图1b将干燥剂140描绘为位于硅氧烷缓解系统120的上游，但在各种实施例中，干燥剂140可以位于硅氧烷缓解系统120的下游(和谐振器100的上游)或甚至谐振器100的下游(和泵125的上游)。在各种实施例中，干燥剂140可以包括、基本上由或由一种或多种材料组成，如硫酸钙、二氧化硅、硅胶、活性炭或分子筛。在图1b和其他图中，由箭头表示的气流可以通过在各个系统部件之间延伸的一个或多个导管(例如，管道、管子等)进行物理供应。
[0065]
在各种实施例中，仅使用干燥剂140(和/或设计用于去除水分的系统和技术)不足以将谐振器100内的硅氧烷浓度降低至足够低的水平，以确保高可靠性的运行。虽然从谐振器100内和/或供应至谐振器100的气体中去除水分可能具有额外的有益效果，但此类去除通常不足以充分解决本文详述的硅氧烷引起的问题。
[0066]
系统115的全部或一部分(例如，泵125和/或硅氧烷缓解系统120)的运行可由控制器145控制。例如，控制器145可以每隔一段时间运行泵125，其可以不定期或定期安排，或者控制器145可以按需运行泵125(例如，当由操作者启动时)。在其他实施例中，控制器145连续运行泵125(例如，在谐振器100和/或其中的光束发射器110的运行期间，和/或当谐振器100和/或光束发射器110未供电或未运行时)。在各种实施例中，控制器145可以响应于一个或多个用于感应硅氧烷浓度的监测器或传感器，且因此可以在硅氧烷浓度达到阈值水平时运行泵125。在各种实施例中，当感应到谐振器100内的硅氧烷浓度达到阈值水平时，控制器145甚至可以使谐振器100(和/或一个或多个光束发射器110)断电。此类监测器或传感器可以位于系统115内的不同位置，例如，在激光腔105内，和/或在构成图1b所示气流路径的一
个或多个导管内。示例性硅氧烷传感器可包括但不限于气相色谱系统、质谱仪和/或原子发射检测器。在各种实施例中，可以利用一个或多个传感器来感应一个或多个部件中、与一个或多个部件耦合的一个或多个导管内和/或与一个或多个部件的废气流耦合的导管内存在的硅氧烷浓度，并且可以报告此类感应的浓度(例如，通过显示器)。所述信息可用于跟踪系统的硅氧烷缓解性能，和/或可用作例如当报告的水平达到阈值时，更换系统内的耗材(例如，硅氧烷吸附剂或吸收剂)的指标。
[0067]
控制器145可以作为软件、硬件或其某种组合来提供。例如，所述系统可以在一台或多台常规服务器级计算机上实现，如具有含一个或多个处理器的cpu板的pc，所述处理器为诸如由加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司(intel corporation of santa clara,calif.)制造的奔腾或赛扬系列处理器、由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司(motorola corporation of schaumburg,ill.)制造的680x0和power pc系列处理器和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的超微半导体公司(advanced micro devices,inc.,of sunnyvale,calif.)制造的athlon系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)和/或闪存存储器，这些存储器位于常见的可用硬件上，如一个或多个专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、可编程逻辑器件(pld)或只读存储器器件(rom)。在一些实施例中，可以使用外部ram和/或rom提供程序，如光盘、磁盘以及其他常用的存储装置。对于以一个或多个软件程序提供功能的实施例，程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，如fortran、pascal、java、c、c 、c#、basic、各种脚本语言和/或html。此外，软件可以用针对目标计算机上常驻的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件被配置为在ibm pc或pc克隆机上运行，则可以用英特尔80x86汇编语言实现。软件可以体现在制品上，包括但不限于软盘、闪存驱动器(jump drive)、硬盘、光盘、磁带、prom、eprom、eeprom、现场可编程门阵列或cd-rom。
[0068]
在各种实施例中，硅氧烷缓解系统120可以包括、基本上由或由用于从气流中吸附硅氧烷的材料组成，如活性炭、硅胶、聚合物珠粒或一种或多种分子筛。另外或替代地，硅氧烷缓解系统120可以包括、基本上由或由用于从气流中吸收硅氧烷的材料(例如液体)组成，如一种或多种有机溶剂、矿物油或甚至水。在硅氧烷缓解系统120中，待泵送至激光腔105中的气体可以在一种或多种此类材料上方和/或通过(例如，鼓泡通过)一种或多种此类材料流动，用于从气体中吸附和/或吸收硅氧烷。
[0069]
在一些实施例中，硅氧烷缓解系统120可替代地或另外地包括、基本上由或由通过冷凝(例如，一种或多种冷却系统)和/或反应(如催化)从气流中去除硅氧烷的补救系统组成。例如，对于冷凝，硅氧烷缓解系统120可以包括、基本上由或由产生足够低的温度和/或压力以从气体中冷凝至少一部分硅氧烷的装置或材料组成。例如，硅氧烷缓解系统120可以包括、基本上由或由制冷系统和/或热交换器组成，以将气体冷却至低于约5℃的温度(例如，去除约15％-50％硅氧烷)，或甚至低于约-25℃或-30℃(例如，去除约95％或更多的硅氧烷)。根据本发明实施例的催化系统可以包括、基本上由或由诸如活性氧化铝(和/或一种或多种其他多孔和/或陶瓷材料)的材料组成，用于反应(并因此去除)气体中的硅氧烷；此类催化剂材料可以在激光系统运行期间和/或之后补充一次或多次。
[0070]
图1c示意性地描绘了激光系统150，其中气体(例如空气、氮气和/或一种或多种惰
性气体，如氩气)通过硅氧烷缓解系统120以开放回路供应至谐振器100。如图所示，使用泵125，通过可选的干燥剂140和硅氧烷缓解系统120，通过气体入口130，将气体泵送至谐振器100的激光腔105中。以这种方式，在激光腔105内形成正压，气体可以通过气体出口135从激光腔105中逸出并释放到周围环境或排气系统中。在各种实施例中，特别是当激光腔105未被气密密封时，除了(或甚至替代地)通过气体出口135离开激光腔之外，气体还可以通过谐振器100本身的密封件和/或壁面或其他表面从激光腔105中逸出(例如泄漏)。因此，在一些此类实施例中，气体出口135可能不存在。
[0071]
图2示意性地描绘了激光系统200，其中气体(例如空气、氮气和/或一种或多种惰性气体，如氩气)通过硅氧烷缓解系统120并联地供应至多个不同的系统部件。也就是说，如图所示，气体通过专用路径(例如，通过专用气体入口、气体出口和导管)流入和流出各个部件中的每一个，并且气体不在多个部件之间直接交换。一个或多个泵125可以控制气体的流动，气体可以从硅氧烷缓解系统120通过入口歧管205行进至各个系统部件。入口歧管205接收来自硅氧烷缓解系统120的处理过的气体，并通过多个不同的出口将其供应至各个系统部件。然后，气体从每个部件通过其上的气体出口(例如图1b和1c的气体出口135)流向出口歧管210。出口歧管210接收各种气流，将其组合，并通过气体出口将气体供应回泵125。
[0072]
在本发明的各种实施例中，系统200可以应用于单个谐振器100内的多个部件或多个不同的谐振器100(和/或其部件)。例如，如图2所示，处理过的气体被供应至多个不同的激光腔105-1-105-4，其中每个激光腔可以被安置在不同的谐振器100内。激光腔可以与一个或多个额外的部件如光束组合模块215和/或光纤模块220光学接合(即，向其供应激光束)。在示例性实施例中，光束组合模块215可以含有一个或多个光学元件，如反射镜、二向色镜、透镜、棱镜、色散元件、偏振光束组合器等，它们可以将从各个激光腔接收的光束组合成一个或多个输出光束。在各种实施例中，光纤模块可以含有例如一个或多个用于调整输出激光束的光学元件，以及连接到一个或多个光纤用于将光束耦合到光纤中的接口硬件。
[0073]
图3示意性地描绘了激光系统300，其中气体(例如空气、氮气和/或一种或多种惰性气体，如氩气)通过硅氧烷缓解系统120串联供应至多个不同的系统部件。也就是说，如图所示，气体沿单一路径流动，延伸到第一个部件(例如，如图所示的光束组合模块215)，离开所述部件并进入下一个部件(例如，如图所示的激光腔105-1)，以此类推，直到气体最终从串联的最后一个部件(例如，如图所示的光纤模块220)排出，回到出口歧管210以供应回到泵125。因此，在图3所示的技术中，气体是在不同的时间、按顺序被引入各个部件中的每一个中，而在图2所描绘的并联布置中，气体基本上同时被引入(或至少流向)每个部件(取决于耦合到每个部件的导管的不同长度)。与激光系统200相比，激光系统300需要较少的导管和连接，但在一些实施例中，沿气流路径的不同部件可能接收具有不同纯度水平的气体(例如，不同水平的残余硅氧烷)。
[0074]
虽然图3中仅描绘了一个硅氧烷缓解系统120，但本发明的实施例可以包括一个或多个额外的硅氧烷缓解系统，安置在两个部件之间，以确保依次流经所有各个部件的气体保持低浓度的硅氧烷。在如图3中所描绘的仅具有一个硅氧烷缓解系统120的实施例中，硅氧烷缓解系统120可以安置在所有部件的上游，如图所示，或者可以安置在其中两个部件之间或最后一个部件的下游和泵125的上游。
[0075]
根据本发明实施例的激光系统可以利用wbc技术，因此可以包括wbc激光系统和相
关部件。图4示意性地描绘了wbc谐振器400的各个部件，在所描绘的实施例中，所述谐振器组合了九个不同的多光束发射器发射的光束，即从单个封装中发射多个光束的发射器，如二极管棒。本发明的实施例可以利用少于或多于九个发射器。根据本发明的实施例，每个发射器可以发射单个光束，或者每个发射器可以发射多个光束。为了清楚和方便说明，图4中的发射器被描绘为每个发射器发射单个光束。图4的视图是沿着wbc维度，即来自各棒的光束被组合的维度。示例性谐振器400具有九个二极管棒405，每个二极管棒405包括、基本上由或由沿wbc维度的发射器阵列(例如，一维阵列)组成。二极管棒405的每个发射器可以发射在一个方向(称为“快轴”，此处相对于wbc维度垂直定向)具有较大发散度、在垂直方向(称为“慢轴”，此处沿wbc维度)具有较小发散度的不对称光束。
[0076]
在各种实施例中，每个二极管棒405都与快轴准直器(fac)/光学扭转微透镜组件相关联(例如，连接或以其他方式光学耦合)，所述组件将发射光束的快轴准直，同时将光束的快轴和慢轴旋转90
°
，从而使每个发射光束的慢轴与微透镜组件下游的wbc维度垂直。微透镜组件还将来自每个二极管棒405的发射器的主光线汇聚到色散元件410。合适的微透镜组件在2011年3月7日提交的美国专利第8,553,327号和2015年6月8日提交的美国专利第9,746,679号中有所描述，其中每个专利的全部公开内容特此以引用的方式并入本文中。
[0077]
如图4所示，谐振器400还具有一组sac透镜(或“慢轴准直器”)415，一个sac透镜415与其中一个二极管棒405相关联并接收来自所述二极管棒的光束。每个sac透镜415对从单个二极管棒405发射的光束的慢轴进行准直。在sac透镜415对慢轴进行准直后，光束传播到一组交错反射镜420，其将光束重新导向色散元件410。交错反射镜420的布置使二极管棒405之间的自由空间减小或最小化，并且还减小或最小化总波长锁定带宽。在色散元件410(其可以包括、基本上由或由例如诸如如图4中描绘的透射式衍射光栅等衍射光栅组成)的上游，可以任选地利用透镜425对来自二极管棒405的子光束(即除主光线外的发射光线)进行准直。在各种实施例中，透镜425被安置在远离二极管棒405的光学距离处，所述距离基本上等于透镜425的焦距。请注意，在各种实施例中，主光线在色散元件410处的重叠主要是由于交错反射镜420的重新定向，而不是透镜425的聚焦能力。
[0078]
图4中还描绘了透镜430、435，它们形成用于减轻光学串扰的光学望远镜，如2013年3月15日提交的美国专利第9,256,073号和2015年6月23日提交的美国专利第9,268,142号所公开，其全部公开内容特此以引用的方式并入本文中。谐振器400还可以包括一个或多个折叠镜440，用于光束的重定向，从而使谐振器400可以安装在更小的物理占用空间内。色散元件410将来自二极管棒405的光束组合成单个多波长光束，所述光束传播到部分反射输出耦合器445。耦合器445将一部分光束作为谐振器400的输出光束进行传输，同时将另一部分光束反射回色散元件410，然后再反射到二极管棒405作为反馈，以稳定每个光束的发射波长。
[0079]
如图2和图3所示，在本发明的各种实施例中，激光系统并入多个谐振器400，并且来自谐振器400的输出光束在下游(例如，在壳体内和/或由一个或多个光学元件；例如，在光束组合模块215中)组合成单个输出光束，所述光束可以被导向工件进行加工(例如，焊接、切割、退火等)和/或耦合到光纤(例如，通过光纤模块220)。
[0080]
本发明的各种实施例实现了外腔激光系统，并使用沿谐振器的相对侧延伸的激光腔来减小谐振器的所需尺寸。图5a和5b描绘了谐振器500的相对侧，它们共同构成了单个激
光腔(由中心开口连接，如下文所详述)。根据本发明的实施例，谐振器500的两侧可以被密封，例如沿着密封路径505，并且气体可以通过气体入口和气体出口(图5a和5b中未示出；参见图1a-1c)流入和流出激光腔。例如，固体盖板可以沿着密封路径505密封在谐振器500的每一侧，以密封谐振器500内的激光腔。在各种实施例中，每个盖板可以通过紧固件(例如，螺钉、螺栓、铆钉等)紧固和/或密封到谐振器500上，这些紧固件延伸到(并且可以机械地接合，例如螺纹接合)谐振器500中限定的孔。在其他实施例中，每个盖板可以通过如熔焊、铜焊或使用粘合剂材料等技术沿其密封路径505进行密封。
[0081]
在各种实施例中，用于气体流入和流出谐振器500的激光腔的气体入口和出口可以安置在沿密封路径505密封到谐振器500的一块或两块盖板上。可以利用诸如反射镜等反射器引导来自激光腔内的一个或多个光束发射器的光束，并且由于激光腔沿两侧延伸，对于相同的腔体尺寸，谐振器500的整体尺寸可以相应地减小(例如，与仅在一侧具有光学腔的谐振器相比)。
[0082]
在图5a和5b所示的示例性实施例中，来自安置在安装区域510的光束发射器(例如，图4所示的光束发射器405)的光束可以被安置在透镜区域515的一组透镜(和/或其他光学元件；例如，图4所示的sac透镜415)向反射镜区域520的一组反射镜(例如，图4所示的交错反射镜420)聚焦。从反射镜区域520，来自光束发射器的光束可以被引导到另一个反射镜区域525(含有多个诸如反射镜的反射器)，然后通过开口530到达谐振器500另一侧的激光腔的其余部分。如图5b所示，光束可以被引导到反射镜区域535(含有多个诸如反射镜的反射器)，其将光束反射到光束组合区域540。在示例性实施例中，光束组合区域540可以在其中包括漫射元件410(以及，在一些实施例中，输出耦合器445)，如图4所示。在各种实施例中，光束各自具有不同的波长，并且光束在光束组合区域540中被组合成由多个波长构成的输出光束。来自光束组合区域540的光束可以被引导到反射镜545(在各种实施例中，它可以是部分反射输出耦合器445)，然后引导到输出端550，以便从谐振器500发射。例如，输出端可以是用于发射光束的窗口或被配置为连接到光纤的光耦合器。在各种实施例中，输出端可以将光束传输到光纤模块(例如，光纤模块220)以耦合到光纤中。在其他实施例中，输出光束可以被传输到光束组合模块(参见例如图2)，并与由其他谐振器发射的输出光束组合。所得组合光束可以被传输到光纤模块(例如，光纤模块220)以耦合到光纤中，和/或用于加工工件。
[0083]
如图5b所示，谐振器500还可以包括液体冷却剂腔555。在各种实施例中，液体冷却剂腔555是被配置为在安装区域510的正下方容纳液体冷却剂(例如水、乙二醇或其他传热流体)的中空腔。液体冷却剂可以通过流体入口和流体出口(未示出)流入和流出腔体555，流体入口和流体出口可以与例如冷却剂的储集器和/或用于冷却由光束发射器加热的流体的热交换器流体耦合。如
‘
134申请中所详述，本发明的实施例可以具有控制系统，其基于一个或多个传感特性，例如光束发射器、冷却流体的温度和/或谐振器500内的一个或多个其他部件和/或位置，控制流入和流出腔体555的流体速率。在各种实施例中，谐振器500的激光腔可以被密封，而不对光学冷却剂腔555进行密封或覆盖，从而使光学冷却剂腔555可接近(例如，用于服务、维护或清洁)，而不需要解除密封或暴露安置在激光腔内的更精细的部件。
[0084]
在本发明的各种实施例中，激光系统并入多个谐振器100，如图2和图3所示，来自
谐振器100的输出光束在下游(例如，在主壳体内和/或由一个或多个光学元件)组合成单个输出光束，所述光束可被引导到工件以进行加工(例如，焊接、切割、退火等)和/或耦合到光纤中。例如，图6描绘了根据本发明实施例的示例性激光系统(或“激光引擎”)600。在激光系统600中，多个激光谐振器100被安装在主壳体605内，并且来自谐振器100的输出光束被发射到光束组合模块610，然后到达光纤模块615。在示例性实施例中，光束组合模块610可以含有一个或多个光学元件，如反射镜、二向色镜、透镜、棱镜、色散元件、偏振光束组合器等，它们可以将从各个谐振器接收的光束组合成一个或多个输出光束。在各种实施例中，光纤模块615可以含有例如一个或多个用于调整输出激光束的光学元件，以及连接到一个或多个光纤用于将光束耦合到光纤中的接口硬件。虽然激光引擎600被描绘为包括四个谐振器100，但根据本发明实施例的激光引擎可以包括一个、两个、三个或五个或更多个激光谐振器。为了清楚起见，本文所述的硅氧烷缓解系统的各个部件未在图6中示出，但在图2和图3中示意性地示出。在本发明的各种实施例中，用于降低或最小化谐振器100内的硅氧烷浓度的开放回路或闭合回路硅氧烷缓解系统可以与激光引擎中的其他谐振器和/或激光引擎的其他部件如光束组合模块和/或光纤模块共享(例如，并联或串联)。
[0085]
如本文所述，在本发明的各种实施例中，激光系统或激光谐振器的输出光束可以例如通过光纤模块传播到传输光纤(其可以与激光传输头耦合)和/或用于加工工件。在各种实施例中，激光头含有一个或多个光学元件，用于将输出光束聚焦到工件上以对其进行加工。例如，根据本发明实施例的激光头可以包括一个或多个准直器(即准直透镜)和/或聚焦光学器件(例如一个或多个聚焦透镜)。如果进入激光头的光束已经准直，则激光头可以不包括准直器。根据各种实施例的激光头还可以包括一个或多个保护窗、调焦机构(手动或自动，例如一个或多个拨盘和/或开关和/或选择按钮)。激光头还可以包括一个或多个监测系统，用于例如激光功率、目标材料温度和/或反射率、等离子体光谱等。激光头还可以包括用于光束整形和/或调整光束质量的光学元件(例如，可变bpp)，并且还可以包括用于光束偏振和/或聚焦点轨迹的控制系统。在各种实施例中，激光头可以包括一个或多个光学元件(例如透镜)和用于选择和/或定位它们的透镜操纵系统，以便例如改变光束形状和/或输出光束的bpp，如2016年6月21日提交的美国专利申请序列号15/188,076中所详述，其全部公开内容以引用的方式并入本文中。示例性工艺包括切割、穿孔、熔焊、铜焊、退火等。输出光束可以相对于工件进行平移(例如，通过光束和/或工件的平移)，以遍历工件的至少一部分上或跨越工件的至少一部分的加工路径。
[0086]
在利用光学传输光纤的实施例中，光纤可以具有许多不同的内部配置和几何形状。例如，光纤可以包括、基本上由或由中心纤芯区和由内包层隔开的环形纤芯区组成。一个或多个外包层可以安置在环形纤芯区周围。本发明的实施例可以并入具有2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745和2019年11月6日提交的美国专利申请号16/675,655中描述的配置的光纤，每个专利的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
[0087]
在各种实施例中，控制器可以通过控制例如一个或多个致动器来控制激光头或输出光束相对于工件的运动。控制器还可以操作常规定位系统，其被配置为引起输出激光束和正在加工的工件之间的相对运动。例如，定位系统可以是任何可控的光学、机械或光机械系统，用于引导光束沿着二维或三维工件通过加工路径。在加工过程中，控制器可以操作定位系统和激光系统，使激光束沿着工件遍历加工路径。加工路径可由用户提供并存储在机
载或远程存储器中，所述存储器还可以存储与加工类型(切割、焊接等)有关的参数以及进行所述加工所需的光束参数。存储的值可以包括例如适合于材料的各种加工(例如，穿孔、切割、焊接等)的光束波长、光束形状、光束偏振等，加工类型和/或加工路径的几何形状。
[0088]
如绘图和扫描技术中众所周知，输出光束和工件之间必要的相对运动可以通过使用可移动反射镜对光束进行光学偏转，使用龙门架、导螺杆或其他布置对激光进行物理移动，和/或使用机械布置移动工件而不是(或除此之外还有)光束来产生。在一些实施例中，控制器可以从反馈单元接收关于光束相对于工件的位置和/或加工效果的反馈，反馈单元将连接到合适的监测传感器。
[0089]
此外，激光系统可以并入一个或多个系统，用于检测工件的厚度和/或工件上特征的高度。例如，激光系统可以并入用于工件干涉深度测量的系统(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列号14/676,070中所详述，其全部公开内容以引用的方式并入本文中。此类深度或厚度信息可以被控制器用来控制输出光束，以优化工件的加工(例如，切割、穿孔或焊接)，例如根据数据库中对应于正在加工的材料类型的记录。
[0090]
本文采用的术语和表达方式是作为描述性术语而不是限制性术语，在使用此类术语和表达方式时，无意排除所示和所述特征的任何等同物或其部分，但应认识到，在所要求的本发明范围内可以进行各种修改。