长寿命激光二极管封装的制作方法

长寿命激光二极管封装
1.本技术要求2020年2月3日提交的美国临时专利申请序号62/969,541的优先权，，并根据《美国法典》第35章第119(e)(1)条的规定，享有其申请日的权益，所述申请全部通过引用并入本发明。
技术领域
2.本发明涉及提供较低波长(约10nm(纳米)至约600nm，且在实施例中通常为约350nm至约500nm)、波长激光能量的大功率激光系统，以及这些系统和激光束的用途，包括增材和减材制造、材料加工和激光焊接应用。本发明还涉及这样的激光系统及其应用，其提供具有高光束质量的激光束，并且在实施例中，在延长的时间段内保持高质量和大功率激光束。


背景技术：

3.基于红外(ir)(波长大于700nm，特别是波长大于1000nm)的增材制造系统存在其他缺点之外的一些缺点，这些缺点限制了建造体积和建造速度，以及这些系统的总效率和安全性。红外光束对大多数金属具有高反射性，因此其与金属靶或基板耦合不良，使其效率低下。耦合不良还导致难以控制的建造或焊接过程，并可能产生伴随飞溅、排气和颗粒喷射的健康和安全风险。光斑尺寸较大，妨碍了在建造项目中获得更高分辨率的能力，这进一步受到耦合不良和难以控制过程的妨碍。此外，这些红外系统的生命周期非常有限，其光束质量随着时间的推移而稳定退化，在某些情况下快速退化。这种退化导致不能工作的时间，也导致维修和更换部件的成本增加以及生产损失。
4.在现有红外系统中看到的这种随时间的退化对于现有的紫外(uv)、蓝色和绿色激光器以及激光系统也是一个显著的问题。
5.在本发明中，除非另有明确说明，“紫外”、“紫外线”、“紫外光谱”和“光谱的紫外部分”以及类似术语应具有最广泛的含义，并将包括约10nm至约400nm、10nm至400nm波长的光，以及这些范围内的所有波长。
6.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“激光二极管”、“二极管发射器”、“激光二极管棒”、“激光二极管芯片”和“发射器”以及类似术语应具有最广泛的含义。通常，激光二极管是发射激光束的半导体装置，这种装置通常被称为边缘发射激光二极管，因为激光从基板的边缘发射。典型地，具有单个发射区域(发射器)的二极管激光器通常被称为激光二极管芯片，而发射器的线性阵列被称为激光器二极管棒。发射激光束的区域称为“面”。
7.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“大功率”、激光器和激光束以及类似的此类术语是指并包括激光束以及提供或传播具有至少100瓦(w)功率以及更大功率的激光束的系统，例如从100w至10千瓦(kw)、从约100w至约1kw、从约500w至约5kw、从约10kw至约40kw，从约5kw至约100kw，以及这些范围内的所有功率以及更大功率。
8.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光束”和“蓝色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束、激光束、激光源(例如激光器和二极管激光
器)的系统，其提供(例如传播)激光束或光的波长为，从约400nm至约495nm，从400nm至495nm以及这些范围内的所有波长。典型的蓝色激光器具有约405-495nm范围内的波长。蓝色激光器包括450nm、约450nm、460nm、约460nm、470nm和约470nm的波长。蓝色激光器可以具有从约10pm(皮米)至约10nm、约5nm、约10nm和约20nm以及更大和更小的值的带宽。
9.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”、“绿色激光器”和“绿色”应具有最广泛的含义，并且通常指提供激光束、激光束、激光源(例如激光器和二极管激光器)的系统，其提供(例如传播)激光束或光的波长为，从约500nm至约575nm。绿色激光器包括515nm、约515nm，532nm、约532nm，550nm和约550nm的波长。绿色激光器可以具有从约10pm至10nm、约5nm、约10nm和约20nm以及更大和更小的值的带宽。
10.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“高可靠性”、“高可靠”、激光器和激光系统以及类似术语是指并包括寿命至少为10000小时或更长、约20000小时、约50000小时、约100000小时、从约10小时至约100000小时，从约10000小时至20000小时，从10000小时至50000小时，从20000小时至约40000小时，从约30000小时至约100000小时，以及这些范围内的所有值，以及更大的值。
11.在本发明中，除非另有明确说明，否则术语“寿命”、“系统寿命”和“延长寿命”以及类似术语定义为激光的输出功率、其他特性以及两者保持在或接近其标称值百分比的时间(“标称值”、“标称”和“标称__”，以及类似术语指(i)制造商定义或计算的激光的额定功率、其他特性和两者，这其中的较大者，或(ii)执行所有校准和调整后，首次使用时激光的初始功率、其他特性和两者，这其中的较大者)。因此，例如，“80％激光寿命”定义为当激光功率、其他特性或两者保持在标称值的80％或以上时的总工作时间；即，激光功率、其他特性或两者之前的工作时间都低于正常值的80％。例如，“50％激光寿命”定义为当激光功率、其他特性或两者保持在标称值的50％或以上时的总工作时间；即，激光功率、其他特性或两者之前的工作时间都低于正常值的50％。
12.在本发明中，除非另有规定或上下文中另有明确规定，否则术语“寿命”(在没有数字指示器或百分比指示器的情况下使用)是指并定义为“80％激光寿命”。
13.通常，除非另有规定，本发明中使用的术语“约”和符号“～”意指包含
±
10％的方差或范围，即与获得规定值相关的实验误差或仪器误差，最好是其中较大者。
14.在本发明中，除非另有明确说明，否则“至少”、“大于”等术语也指“不小于”，即，除非另有明确说明，否则此类术语不包括较低值。
15.在本发明中，除非另有说明，否则室温为25℃，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有与温度、压力或两者相关的试验、试验结果、物理特性和值均在标准温度和压力下提供。
16.在本发明中，除非另有规定，数值范围(从约“x”至约“y”的范围)以及类似的术语和量化的描述仅作为单独引用范围内单独值的速记方法。因此，它们包括该范围内的每个项目、特征、值、量或数量。在本发明中，除非另有规定，否则范围内的每个和所有单独点都引入本说明书，并且是本说明书的一部分，如同它们在本发明中单独叙述一样。
17.在本发明之前，具有多个激光二极管的激光封装，包括多管(多二极管)激光二极管封装，受碳和硅污染的组合影响，这大大减少了它们的寿命，并大大增加了其光束特性的退化率，包括其功率的退化率。本领域通常采用单独封装激光二极管，以尽量减少污染并实
现长寿命。然而，这种现有方法在满足当前和进一步工业激光应用的需要以及在激光系统(例如高亮度、大功率系统)中使用这些二极管方面仍然是无效的、不成功的并且大体上不令人满意的。随着对加工要求的需求以及对更多激光二极管的需求的增加，这种现有方法的缺点变得更加明显和更成问题。因此，激光二极管寿命和光束质量退化的问题增加了。对于紫外、蓝色和绿色波长中的激光二极管和二极管系统，该问题已经存在并且增加。
18.本发明背景部分旨在介绍本领域的各个方面，这些方面可能与本发明的实施例相关。因此，本部分中的上述讨论提供了更好地理解本发明的框架，并且不应被视为承认现有技术。


技术实现要素：

19.对于更可靠的大功率蓝光、绿光和其他波长固态激光器和系统，包括用于焊接、增材制造和其他材料加工等各种应用的激光二极管系统的需求持续增长。因此，特别地，长期存在并且不断增加对将多个激光二极管封装到单个封装中并实现长寿命的需求。长期存在并且不断增加对寿命更长的激光系统(包括蓝色、绿色和其他波长)、固态激光系统(包括激光二极管和二极管系统)的需求。
20.本发明通过提供包括本发明所教导和公开的改进、制品、装置和工艺，解决了这些长期存在并且不断增加的需求。
21.因此，提供了一种可以以如图12-17所示的各种配置封装的激光二极管。为了实现这些封装的激光二极管的长寿命，在密封封装之前，对部件和封装进行适当清洁和组装，以消除硅酮和碳污染。在密封之前，将含氧且优选富氧的环境引入封装中，以清除任何残留的碳污染并将其转化为co2，使其对激光二极管无害。
22.因此，提供了一种大功率、高亮度固态激光组件，用于在长时间段内提供高质量激光束，而不会使激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体，所述壳体限定了内腔；其中所述内腔与所述壳体外部的环境隔离；固态装置，用于沿激光束路径从所述固态装置的传播面传播激光束，其中所述激光束在所述传播面处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；光学组件，所述光学组件与所述固态装置光通信，并且在所述激光束路径上；其中所述固态装置和所述光学组件位于所述壳体内和所述内腔中，由此所述固态装置和所述光组件与外部环境隔离；所述壳体包括壳体传播面，由此所述激光束沿着所述激光束路径从所述壳体传输到所述外部环境中；所述壳体传播面与所述光学组件光通信并且在所述激光束路径上；所述激光束在离开所述壳体传播面时由光束特性表征，所述光束特性包括：(i)至少100w的功率；以及(ii)小于100mm mrad的光束参数积(bpp)；并且，所述内腔不含硅基污染源，由此在所述固态装置的工作期间，避免了所述内腔内sio2的产生；由此所述内腔避免sio2积聚；因此，光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低。
23.进一步地，还提供了一种大功率、高亮度固态激光组件，用于在长时间段内提供高质量蓝色激光束，而不会使激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体，所述壳体限定了内腔；其中所述内腔与所述壳体外部的环境隔离；多个二极管激光装置，用于沿多个二极管激光束路径从多个面传播多个激光束，其中所述激光束具有在400nm至500nm范围内的波长；并且其中每个激光束在每个所述面处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；光学组件，所述光学组件与每个所述二极管激光装置光通信并且在所述激光束路径上；所述光学组件包括准
直光学元件，例如准直光学元件和光束组合光学元件；所述光学组件组合所述多个二极管激光束以沿着组合激光束路径提供组合激光束；其中所述多个二极管激光装置和所述光学组件位于所述壳体526内和所述内腔中，由此所述多个二极管激光装置和光学组件与外部环境隔离；所述壳体包括壳体传播面，由此所述组合激光束沿着所述组合激光束路径从所述壳体传输到所述外部环境中；所述壳体传播面与所述光学组件光通信并且在所述组合激光束路径上；所述组合激光束在离开所述壳体传播面时由光束特性表征，所述光束特性包括：(i)至少100w的功率；以及(ii)小于40mm mrad的光束参数积；并且，所述内腔不含硅基污染源，由此在所述多个二极管激光装置的工作期间，在所述内腔内不产生sio2；由此所述内腔避免sio2积聚；因此，组合光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低。
24.此外，还提供了一种大功率、高亮度固态激光组件，用于在长时间段内沿激光束路径提供高质量蓝色激光束，而不会使得激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体，所述壳体限定了内腔；其中所述内腔限定了隔离环境；多个光学活性表面，其中蓝色激光束从光学活性表面传播、透射到光学活性表面中或由光学活性表面反射；所述多个光学活性表面位于所述壳体的内腔的隔离环境内；所述光学活性表面中的至少一个位于固态激光装置上；其中所述激光束在所述光学活性表面中的一个或多个处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度，并且所述内腔不含硅基污染源，由此在所述固态激光装置的工作期间避免在所述内腔内产生sio2；其中所述内腔包括含氧气体；由此在所述固态激光装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此多个光学活性表面避免了碳和sio2的积聚；因此，所述蓝色激光束的功率的退化率为2.3％每khrs或更低。
25.此外，提供了一种大功率、高亮度固态激光装置封装，用于集成到激光系统中，在长时间段内提供高质量蓝色激光束，而不会使得激光束特性显著退化，所述封装具有：壳体，所述壳体限定了内腔；其中所述内腔与所述壳体外部的环境隔离；所述壳体具有窗口，其中所述窗口限定了所述内腔的一部分；固态装置，用于沿激光束路径从所述固态装置的传播面传播激光束，其中所述激光束具有410nm至500nm范围内的波长；并且其中所述激光束在所述传播面处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；所述窗口与所述固态装置光通信并且在所述激光束路径上；其中所述固态装置位于所述壳体内和所述内腔中，并且其中所述窗口的内表面不暴露于所述外部环境，由此所述固态装置和所述窗口的内表面与所述外部环境隔离；由此激光束沿着激光束路径从壳体通过窗口传输到外部环境中；所述内腔不含硅基污染源，由此在固态装置的工作期间避免了在内腔中产生sio2；由此所述内腔避免sio2积聚；因此，光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低；并且，其中所述内腔具有至少含氧1％的气体；由此，在所述多个二极管激光装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2，从而所述传播面和所述窗口的内表面保持无碳积聚。
26.此外，提供了具有以下一个或多个特征的系统和方法：由此在固态装置的工作期间，在内腔中不产生sio2；从而在固态激光器的工作期间基本上不产生sio2，使得内腔不含sio2；其中在工作期间，所述内腔保持不含sio2；其中所述内腔不含sio2；由此在固态装置的工作期间，不会在内腔内产生碳沉积物；由此在固态激光器的工作期间基本上不产生碳沉积物，使得内腔不含碳沉积物；其中在工作期间，所述内腔保持不含碳沉积物；其中所述内腔不含碳沉积物；其中所述系统具有数十个、数百个或数千个激光二极管，其中所述系统具有发射蓝色波长的激光束的激光二极管；其中所述系统具有发射波长约500nm和更短的激
光束的激光二极管；其中所述系统具有发射波长为从约500nm至约10nm的激光束的激光二极管；其中所述激光束的光束参数积小于约100mm mrad；其中所述激光束的光束参数积小于约50mm mrad；其中所述激光束的光束参数积小于约40mmmrad；其中所述激光束的光束参数积小于约20mm mrad；其中所述激光束的光束参数积小于约15mm mrad；其中所述系统具有发射波长为从500nm至10nm的激光束的激光二极管；其中所述激光束具有约20nm或更低、约5nm或更低、约1nm或更低、约0.5nm或更低、从约20nm至约0.5nm的带宽以及这些范围内的所有带宽；其中所述激光系统具有聚焦光学元件；其中所述激光系统具有准直光学元件；其中所述激光系统具有扫描仪；并且其中所述激光系统具有光栅；其中所述激光系统具有反射性光学元件，其中所述激光系统具有体布拉格光栅(vbg)、布拉格光栅、标准具、棱镜、可变衰减器、光栅光纤、渐变折射率透镜、透镜、柱面透镜、波片、偏振合束器立方体、单片光学合束器组件、拉曼晶体、倍频晶体、介质镜组件，光束传感器组件、功率监测组件；其中所述内腔具有具有至少含氧10％的气体，由此在所述固态装置的工作期间，在所述内腔内由碳基污染产生co2；由此所述光学组件和固态装置的传播面避免了碳积聚；并且其中所述内腔具有至少含氧1％的气体，由此在所述固态装置的工作期间，在所述内腔内由碳基污染产生co2；由此所述光学组件和固态装置的传播面避免了碳积聚。
27.进一步地，提供了一种大功率、高亮度固态激光装置封装，用于集成到激光系统中，在长时间段内提供高质量蓝色激光束，而不会使得激光束特性显著退化，所述封装具有：壳体，所述壳体限定了内腔；其中所述内腔与所述壳体外部的环境隔离；所述壳体具有窗口，其中所述窗口限定了所述内腔的一部分；固态装置，用于沿激光束路径从所述固态装置的传播面传播激光束，其中所述激光束具有410nm至500nm范围内的波长；并且其中所述激光束在所述传播面处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；所述窗口与所述固态装置光通信并且在所述激光束路径上；其中所述固态装置位于所述壳体内和所述内腔中，并且其中所述窗口的内表面不暴露于外部环境，由此所述固态装置和所述窗口的内表面与外部环境隔离；由此激光束从壳体通过窗口沿着激光束路径传输到外部环境中；所述内腔不含硅基污染源，由此在固态装置的工作期间避免了在内腔中产生sio2；由此内腔避免sio2积聚；因此，所述光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低；并且，其中所述内腔具有至少含氧1％的气体；由此，在所述多个二极管激光装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2，从而所述传播面和窗口的内表面保持无碳积聚。
28.进一步地，提供了一种密封容器，其封装用于提供激光束的单独激光二极管；所述密封容器限定了内腔和内表面；其中所述内表面不含硅酮污染，从而在所述激光二极管的工作期间不形成sio2；并且其中所述内腔含有用于防止在所述内表面上形成碳污染的手段。
29.此外，还提供了一种密封容器，其封装了多个用于提供激光束的单独激光二极管；所述密封容器限定了内腔和内表面；其中所述内表面基本上不含硅酮污染，从而在所述激光二极管的工作期间不形成sio2；并且其中所述内腔含有防止在所述内表面上形成碳污染的手段。
30.此外，还提供了一种操作封装单独激光二极管的密封容器的方法，以传播具有限定标称功率和标称光束参数积的光束特性的激光束，其中所述密封容器包括窗口并限定了内腔和内表面；所述方法包括以下步骤：将激光束从激光二极管的面传播通过所述腔并从
窗口离开远离所述密封容器，运行时间总共包括至少5000小时；其中在所述激光二极管的传播期间在所述腔的内表面上不形成sio2；其中在所述激光二极管的传播期间在所述内腔内形成co2；并且，其中在所述运行时间期间，所述激光束保持其标称功率的至少80％和其标称光束参数积的至少80％，由此所述激光束特性在运行时间内最小程度地退化。
31.此外，提供了一种操作封装多个单独激光二极管的密封容器的方法，以传播具有限定标称功率和标称光束参数积的光束特性的组合激光束，其中所述密封容器包括窗口并限定了内腔和内表面；所述方法包括以下步骤：从激光二极管的面传播单独激光束；组合所述单独激光束以在所述腔内形成所述组合激光束，并将所述组合的激光束引导离开窗口远离所述密封容器，运行时间总共包括至少5000小时；其中在所述激光二极管的传播期间在所述腔的内表面上不形成sio2；其中在所述激光二极管的传播期间在所述内腔内形成co2；并且，其中在所述运行时间期间，所述组合激光束保持其标称功率的至少80％和其标称光束参数积的至少80％，由此在运行时间内所述光束特性最小程度地退化。
32.此外，还提供了具有以下一个或多个特征的容器、封装、组件和方法：其中激光束是蓝色激光束；其中所述激光束是绿色激光束；其中所述激光束具有1w至10000w的功率、约500w的功率或约1000w的功率；其中所述激光束具有从50mm mrad至10mm mrad、从20mm mrad至1mm mrad或从10mm mrad至0.1mm mrad的光束参数积；其中所述激光束具有从0.5mw/cm2至1000mw/cm2、至少约1mw/cm2，至少约5mw/cm2或至少约10mw/cm2的功率密度；其中用于防止在所述内表面上形成碳污染的手段是含氧气氛；其中所述含氧气氛具有至少1％、至少10％、至少20％、至少50％或从5％至80％的氧浓度。其中所述含氧气氛流入和流出所述密封容器；其中用于防止在所述内表面上形成碳污染的手段是使内表面不含碳污染；其中所述密封容器具有至少5000小时的80％激光寿命；其中所述密封容器具有至少10000小时的80％激光寿命；其中所述密封容器具有包括5000小时至10000小时的80％激光寿命；其中所述退化率为2.5％每khrs或更低；其中所述退化率为2.0％每khrs或更低；其中所述退化率为1.5％每khrs或更低；具有或使用散热器，其中所述二极管或多个二极管安装在所述散热器上，从而形成激光二极管的二维阵列；具有或使用背板，其中所述二极管或多个二极管安装在所述背板上；包括用于操纵激光束的光学元件；其中所述容器是或包括to-9can(transistor outline-9can)；其中二极管激光器是to-9can；其中所述激光束的功率密度为至少约10mw/cm2，所述激光束具有至少约2w的功率，所述退化率为2.0％每khrs或更低；其中所述激光束的功率密度为至少约5mw/cm2，所述激光束具有至少约1.5w的功率，所述退化率为1.8％每khrs或更低；其中所述激光束的功率密度为至少约15mw/cm2，所述激光束具有至少约5w的功率，所述退化率为2.3％每khrs或更低；其中所述内腔具有具有至少含氧10％的气氛；其中所述内腔具有具有至少含氧40％的气氛；其中所述内腔具有具有至少含氧60％的气氛；其中所述硅基污染源选自硅氧烷、聚合硅氧烷、线性硅氧烷、环状硅氧烷、环甲基硅氧烷和聚硅氧烷组成的组；其中所述碳基污染源选自溶剂残留、油、指纹和烃组成的组；其中在所述封装或密封容器内，所述硅污染小于0.01g、小于0.001g、小于0.0001g和小于0.00001g，或小于0.000001g；其中在所述封装或密封容器内，所述硅污染小于0.01ppm(part per million百万分之)硅、小于0.001ppm硅、小于0.0001ppm硅或小于0.00001ppm硅；其中所述光束特性的退化率为2.0％每khrs或更低；其中所述光束特性的退化率为1.8％每khrs或更低；其特征在于具有不小于10000小时的寿命；其特征在于具有不小于
30000小时的寿命；其特征在于具有不小于50000小时的寿命；其特征在于具有不小于70000小时的寿命；其中所述激光束在所述面、所述窗口或二者处的功率密度为0.5mw/cm2至1000mw/cm2、至少约1mw/cm2、至少约5mw/cm2或至少约10mw/cm2；其中所述内腔包含至少含氧1％的气氛；其中所述运行时间包括总计至少7500小时；其中所述运行时间包括总计至少10000小时；其中所述80％的非邮功率被保持额外的2500小时的运行时间；其中，所述80％的非邮功率被保持额外的5000小时的运行时间；并且其中工作发生在多个间歇占空比上，每个占空比限定了工作占空比时间段，其中所述工作占空比时间段的总和等于所述运行时间。
附图说明
33.图1是输出功率对时间的曲线图，提供了显示退化率的退化曲线，用于大功率蓝色激光系统。
34.图2是改进的功率输出与时间的实施例的曲线图，提供了显示退化率的退化曲线，用于根据本发明的4个不同的大功率蓝色激光系统。
35.图3是根据本发明的激光系统的示意图。
36.图4是根据本发明的激光系统的示意图。
37.图5是根据本发明的激光系统的示意图。
38.图6是根据本发明的激光系统的示意图。
39.图7是根据本发明的激光系统的一实施例的以瓦特(百分比)为单位的激光功率对工作时间(小时)的曲线图。
40.图8是根据本发明的激光系统的一实施例的激光功率(瓦特)对工作时间(小时)的曲线图。
41.图9是二极管激光器的示意图，说明了可能出现污染沉积物但通过根据本发明的延长寿命激光器的实施例可避免的典型区域。
42.图10是根据本发明提供延长寿命的封装中的二极管激光器的示意图。
43.图11是根据本发明提供延长寿命的封装中的激光二极管棒的示意图。
44.图12是根据本发明的to-9can激光二极管的一实施例的横截面示意图。
45.图13是在根据本发明的多激光器封装的一实施例中安装图12的to-9can的一实施例的图示。
46.图14是在根据本发明的多激光器封装的一实施例中安装图12的to-9can的一实施例的图示。
47.图15a是根据本发明的多二极管激光器封装的一实施例的透视图。
48.图15b是图15a的封装的平面图。
49.图15c是图15a的封装的横截面图。
50.图16a是根据本发明的多二极管激光器封装的平面示意图。是
51.图16b是图16a的封装的横截面图。
52.图17a是根据本发明的多二极管激光器封装的平面示意图。是
53.图17b是图17a的封装的横截面图。
具体实施方式
54.本发明一般涉及在紫外、蓝色和绿色波长范围内产生高质量和高可靠性激光束的激光器。
55.在实施例中，本发明涉及产生高质量、高可靠性和长寿命蓝色激光束的激光器、激光器封装和壳体。
56.在实施例中，通常提供激光系统和用于这种系统的固态激光器封装，其波长范围为约400nm至约500nm，具有至少5000小时的寿命。
57.尽管本说明书主要聚焦于500nm的波长，但这仅是说明性的，应理解，所提供的封装、组装技术和清洁技术适用于蓝色、蓝绿色、绿色、更短波长和潜在的其他波长激光系统，特别是高亮度、大功率系统。
58.典型地，蓝色激光二极管发射器的输出功率通常约为每个二极管5w，典型地小于每个二极管10w，尽管可能有更高的功率。通过组合来自多个发射器(例如二极管)的光束获得大功率蓝色激光系统。这些蓝色激光束的所述组合可以来自单个发射器、发射器棒以及它们的组合和变化。来自这些发射器的激光束通过使用例如空间、光谱、相干和偏振方法的组合来组合。这些光束组合系统的示例在公开号为2016/0322777、2018/0375296、2016/0067827、2019/0273365和2020/0086388的美国专利以及2019年11月25日提交的序列号为16/695090的美国专利申请中教导和公开，其全部公开内容通过引用并入本发明。
59.通常，来自多个发射器的这些光束的组合涉及使用无源光学元件来准直和组合光束，例如透镜、镜、光栅、波片。拉曼转换也可用于光束组合。大多数工业应用如焊接、钎焊或增材制造需要高亮度光源；它们通常具有一个非常短的焦距透镜，放置在同一封装内的激光发射器附近。在下文中，封装中的部件指形成激光组件的任何元件；它们被分为光学功能部件(如透镜、光栅、镜、波片、窗口)、机械部件(如封装壳体、隔片、支架)和定位部件(如粘合剂、焊料、机械硬件)。
60.激光二极管制造商在蓝色激光二极管的设计和制造方面取得了进展，以确保发射器本身的高可靠性。以同样的方式，可靠的介电涂层是可用的，其在蓝色波长下提供期望的反射率，同时与蓝色激光二极管源的典型强度兼容。然而，在本发明之前，大功率蓝色激光二极管系统缺乏用于工业应用所需的可靠性水平，特别是用于工业应用的成本效益。已经发现，这是由于存在硅和碳基污染源，这些污染源通常在系统组装期间引入系统；并且如下文所讨论的，在激光器工作期间在系统的活性光学表面上形成沉积物，降低激光器性能并缩短激光器和激光系统的寿命。
61.已经发现，大功率蓝色激光二极管系统寿命的限制因素以及在实施例中的主要限制因素与系统的封装有关，尤其是二极管、光学组件以及二极管和光学组件的封装有关。挥发性有机化合物(如烃或聚硅氧烷)的污染可由封装中粘合剂或其他材料的排气造成。其他常见的污染源包括组装过程中环境中存在的空气污染、任何部件的储存容器的残留、用于所述过程的工具上存在的表面污染，以及通常与封装中使用的任何材料接触的任何表面。一般而言，目前认为，在与激光器正常工作相关的温度范围内，具有足以产生痕量气体污染的蒸气压的任何有机化合物都可能对激光系统的可靠性有害。理论上认为，短波长的蓝色激光器和更短波长激光器允许双光子过程有效地在封装中产生活性种，如原子氧、羟基或臭氧。然后，这些活性种与挥发性有机污染发生气相反应，导致在光束路径中的光学表面
(即光学活性表面)上的沉积物或各种固体积聚，增加了光学损耗，减少了系统输出，并随时间降低了激光束的特性。理论上认为，这些沉积物和积聚减少并大大减少了系统的寿命。进一步的理论认为，这些沉积物和积聚是达到系统寿命终点的主要原因。
62.因此，如本说明书中所述和教导的，在本发明的实施例中，理论上认为，最小化、减少和避免这些积聚，并提供具有高可靠性、小退化率和长寿命的蓝色和潜在绿色激光系统。
63.参考图1，示出了不减少硅污染量的典型蓝色激光系统的功率输出对时间的曲线图。因此，该系统包含硅基污染源，并因此并非不含硅基污染来源。pi是初始功率101，其也是标称值，pf是最终功率102，其对应于在大约150小时的工作时间下的标称值的88.73％。
64.将图1的系统的不良性能与本发明的实施例的性能进行比较，如图2所示，显示了使用本发明的实施例的激光器寿命的显著增加。图2显示了根据本发明的实施例的四个激光器201、202、203、204的功率输出对工作时间的四个绘图(线)。在400小时点，所有这些激光器都显示出大于98％的激光寿命。
65.因此，参考图3，图3是大功率、高亮度蓝色激光系统300的示意框图。系统300具有一批激光二极管，例如发射器301。所述激光二极管301具有各种机械部件320，用于安装、定位和保持二极管。这些机械部件320直接或间接地与基座321物理关联，例如，连接到基座321、附接到基座321等。基座321与具有内表面323的盖322机械地相关联。盖322连接到基座321并密封到所述基座以形成壳体326，壳体326容纳或包含与外部环境335隔离的内腔334。存在光学部件302，其直接或间接地与其它机械部件324物理关联，所述其它机械部件与基座321直接或间接物理关联。所述激光二极管301和光学部件302包含在内腔334内，并通过壳体326与外部环境335隔离。
66.每个激光二极管具有面，例如304(为了清楚起见仅显示一个)，蓝色激光束从该面传播。激光束350沿着激光束路径350a传播(应当理解，所述激光束沿着激光束路径行进，因此与激光束路径一致)到光学元件302，然后到达并通过壳体326中的窗口325。因此，所述激光束传播通过内腔334并从该腔离开并进入外部环境335。
67.这些实施例的所述内腔以及因此该腔内的环境以及优选该腔内所有表面不含硅基污染源，例如硅氧烷、聚合硅氧烷，线性硅氧烷、环状硅氧烷、环甲基硅氧烷和聚硅氧烷。特别地，在一实施例中，在工作期间被加热的、暴露于激光束的、优选为两者都有的所述壳体内的表面和接头不含硅基污染源。“不含”是指存在的污染量非常低，从而使工作期间释放到所述内腔中的硅(或指定污染)量最小，最好为零。以这种方式，理论上认为，在蓝色激光束通过内腔传播期间形成的活性氧基本上不具有硅，也没有可与之反应的硅，因此，最小化sio2的形成，优选地避免sio2的形成，更优选地不形成sio2，并且反过来，最小化sio2沉积物，避免sio2沉积物，并且更优选地在所述腔内的光学活性表面上不具有sio2沉积物的形成。避免了硅基污染的量，并因此减少到这样一个低水平，使得用于形成sio2的任何可用硅都是最小的、可忽略的，或者低于导致激光退化率大于本系统的实施例的水平。通常，光学活性表面是与激光束接触并在激光束路径上的任何表面，这将包括面、光纤面、镜、透镜、窗口、传播面和透射表面。
68.然而，这些实施例的内腔以及该腔内的环境可能含有碳基污染源。因此，在激光组件或系统的组装(例如封装)期间，无需清除所有或大多数碳基污染。所述碳基污染包括例如清洁剂、溶剂、润滑剂、油、人类的指纹和油，以及一般任何其他烃源。所述内腔包含气态
氧，工作期间气态氧源(例如，在工作期间向系统供氧的所述壳体中的端口或流线)，或两者兼而有之。当暴露于蓝色激光束中时，所述氧形成活性原子氧，而该活性氧通过与碳基污染源释放的任何碳反应形成气态co2，因此，尽量最小化、优选避免且更优选地防止碳在所述内腔内光学活性表面上的沉积、沉积物或积聚。
69.这些各种实施例的所述内腔可含氧从1％至100％、从约5％至约80％、从约10％至约50％、从约30％至约80％、从约5％到约30％，以及空气中存在的氧的环境量(例如，所述内腔可含有清洁干燥的空气)。内腔中的其他气体可以是氮气。
70.这些实施例的所述内腔可具有小于0.01ppm硅、小于0.001ppm硅和小于0.0001ppm硅，以及存在于内腔中或可用于内腔的更少的量。
71.激光组件的蓝色激光束，与内腔中的气态氧以及内腔中不存在硅基污染源中的一种(最好是两者)的组合，提供的组件可具有寿命(并且还可以准确地表征、销售和标记为具有所述寿命)为从约5000小时至约100000小时、从约10000小时至约90000小时、从约5000小时至约50000小时、从约30000小时至约70000小时、至少约20000小时、至少约30000小时、至少约40000小时、至少约50000小时和更长。
72.具有这些高可靠性(即，这些长寿命)的激光系统或组件的这些各种实施例可以提供或传播蓝色激光束(例如，从约410nm至约500nm、从410nm至500nm、约405-495nm、450nm、约450nm、460nm、约460nm、470nm和约470nm的波长)。这些蓝色激光束可以具有从约10pm(皮米)至约10nm、约5nm、约10nm，约20nm、从约10nm至约30nm、从约5nm至约40nm、约20nm或更低、约30nm或更低、约15nm或更低、约10nm或更低以及更大和更小的值的带宽。这些蓝色激光束可以具有从约100w(瓦特)至约100000w、从约100w至约40000w、从约100w至约1000w、约200w、约250w、约500w、约1000w、约10000w、至少约100w、至少约200w、至少约500w、至少约1000w以及更大和更小的功率。对于单独二极管封装，这些激光束可以具有从约1w至约10w、约3w、约5w、约6w、约10w以及更大的功率。这些蓝色激光束可以具有从约5mmmrad至约50mm mrad、小于约40mm mrad、小于约30mm mrad，小于约20mmmrad、小于约15mm mrad、小于约10mm mrad、20mm mrad和更低、15mmmrad和更低，以及更大和更小的值的光束参数积。对于基于拉曼激光的系统，这些蓝色激光束的光束参数积可以小于5mm mrad、小于1mm mrad、从约0.1至约1mm mrad，从约0.1至约0.5mm mrad，约0.13mm mrad和约0.15mm mrad。
73.用于激光系统和组件的这些各种实施例的这些激光束的光束特性(例如，光束的功率、bbp、带宽或其他特性，以及一个或多个和所有这些特性的组合)的退化率可以为约2.5％每khrs(1000小时)或更低、约2.3％每khrs或更低、约2.1％每khrs或更低、约2.0％每khrs或更低、约1.8％每khrs或更低、从约2.3％每khrs至约1.5％每khrs，以及更大和更小的量。在优选实施例中，这些退化率基于激光特性的“正常值”，从激光特性的“正常值”开始、在激光器系统的寿命期间，以及两者兼有。在优选实施例中，这些退化率存在于系统的整个寿命期间。在更优选的实施例中，当退化曲线(即退化对时间的绘图)为平坦(即退化率为零)时，所述激光系统将具有其寿命周期。该零退化周期可以是从1小时至500小时或更长、可以是寿命的10％、寿命的20％、寿命的30％或更长。
74.应注意，当激光器在其整个工作范围和额定功率下以较低功率还有大功率工作时，这些污染(硅基和碳基)形成。因此，除非另有明确说明，否则这些退化率用于激光器在额定功率下、额定工作范围内或在正常情况下的工作，并为此类激光器建立工作范围。
75.理论上认为，有两种主要成分有助于在光学活性表面上积聚沉积物，从而减少蓝色激光系统的寿命。这些成分是碳和sio2。惯例思维认为，在组装和封装过程中，应减少或消除任何有助于此类沉积物成分。然而，本发明违背了这些惯例，增加了氧的量，将潜在地增加sio2的积聚量，以便管理任何残留烃污染。以这种方式，可能存在残留烃污染，但由于氧水平升高，所述系统避免并且优选地不会对系统造成风险。硅氧烷的量被最小化并且优选被消除。因此，sio2沉积物或积聚所需的成分之一被最小化或消除；使得氧能够通过形成co2而不是固体碳积聚或沉积材料来中和烃积聚和沉积物。在一实施例中，烃污染的量优选最小化并且可以基本上消除。
76.已知有大量不同的清洁和组装技术和程序，例如清洁室组装和协议、溶剂清洗、提取、等离子清洁等，可用于清除和避免任何硅基污染源、任何碳基污染源以及两者的存在。本发明的清洁和组装技术是许多不同的此类技术和这些技术的组合的示例，这些技术可适用于这些激光系统；并且将适用于蓝色激光系统、更短波长系统、蓝绿色和绿色激光系统以及本实施例的大功率系统。在本固态激光器、光学组件、激光系统及其组合和变化的组装过程的实施例中，可以使用清洁和组装部件的各种方法来最小化已经发现的蓝色和绿色激光系统以及更短波长系统的各种污染现象的不利影响。在实施例中，蓝色激光系统以及具有较低和较高波长的系统的光学部件的清洁和组装方法，用于减轻、最小化或消除随时间退化激光性能的材料。此类激光器、光学组件和系统的这些组装过程解决了现有系统的可靠性缺点。例如，在一实施例中，使用清洁方法来清除硅基污染源，实施例中的工作方法被配置为在组装过程中的特定步骤、在部件上的特定位置以及这些的组合和变化处来清除目标污染。所述清洁方法可以提供封装的一实施例，所述封装容纳固态激光器、光学组件、激光系统(例如，激光器和光学元件)或它们的组合，优选地具有标准分析技术无法检测的硅基污染水平。包括本实施例和示例中的任何一个的此类封装在所述封装的隔离环境中可以具有低于0.01g、低于0.001g、低于0.0001g、低于0.00001g以及低于0.000001g的硅基污染的量。包括本实施例和示例中的任何一个的此类封装在内腔中可以具有低于0.1ppm硅、低于0.01ppm硅、低于0.001ppm硅、或低于0.0001ppm、低于0.00001ppm硅和更低的硅基污染的量(由基于内腔环境的成分的ppm硅确定)。这些系统和方法可以具有以下一个或多个特征：其中主要清除聚硅氧烷的挥发性污染；其中提供了清除任何残留挥发性烃的益处；并且其中选择其他工作参数以清除不同的污染。
77.在组装过程的一实施例中，使用等离子清洁，特别是等离子清洁从封装中的部件的表面清除痕量污染，以去除污染或颗粒，例如更大量的该污染或颗粒。在一实施例中，等离子清洁与预清洁步骤一起使用，其中使用精心选择的极性和非极性溶剂对表面进行预清洁。优选地，选择溶剂以使其极性与目标污染的极性匹配。因此，可以预见，可以执行多个预清洁、清洁和等离子清洁步骤，并且这些步骤可以针对特定污染进行调整。
78.在这些组装过程的一实施例中，系统部件在对比压力下加热预定时间，以清除挥发性污染的残留痕迹，以加速所有挥发性部件的排气。该预热步骤可以并且优选地与本说明书中公开的其他组装技术一起使用。选择温度和压力的工作条件，以使目标污染的蒸汽压高于烘箱中的实际压力，同时仍然对所述部件安全。该步骤还确保预清洁步骤中的任何溶剂残留从部件中清除。
79.所述组装过程的一实施例限定了预清洁和清洁的顺序，其中，在清洁过程的不同
阶段测量待清洁零件的表面自由能的极性和非极性成分是有利的。这提供了有用的信息，以选择溶剂和最佳气体混合物的适当组合，以针对待清除的实际污染。在实施例中，由于每个部分的制造、存储和处理的不同历史，优选顺序对于组件的不同部件可以是不同的。
80.在所述组装过程的一实施例中，这些清洁技术在封装之前或封装时作为额外的或第二或第三清洁步骤(例如，最终清洁步骤)执行。被认识到的是，即使在进行组装之前仔细清洁零件和工具，在集成过程中也可能会在封装中引入一些污染。例如，这可能来自组装区域中存在的空气污染；固化过程中粘合剂的排气是另一个污染源。因此，在一实施例中，组装的最终清洁就在密封所述封装之前进行。可以使用本发明中描述的用于单独部件的相同清洁方法。
81.参考图9，示出了激光二极管1000的示意图。所述二极管具有横向引导脊1010、前面1011、模式1012和垂直限制层1013。在工作期间形成的污染通常沿着激光二极管垂直限制层1013积聚，最大的污染沉积在模式的中心区域，并且典型地随着横向上的模式强度而减小。本系统和方法的实施例提供了当工作时避免、最小化和优选地防止这种积聚以及其他积聚和沉积物出现的系统。
82.为了防止外部污染进入，大功率激光系统通常用惰性或保护性气氛密封，例如，氧很少且优选没有氧的气氛。然而，该技术已被证明对蓝色激光系统不太有效，并且对于提供长寿命蓝色激光系统无效。理论上认为，由于本说明书中讨论的污染解离效应，先前使用惰性气氛对蓝色激光系统无效，对绿色激光系统无效。理论上认为，潜在的其他现象既已理解，也尚未完全理解，但在这些蓝色波长激光系统的正常工作期间以及在绿色激光系统中，可以看出谁对激光性能的退化产生了影响。进一步地，在这些系统的工作期间，封装内部的温度升高，这也导致组装中的任何部件排气；因此，来自热排气的这些痕量污染可能对系统的可靠性产生不利影响，在某些情况下，这种影响可能非常不利。
83.本发明的实施例已经发现了蓝色波长系统的这些问题，并且理论上认为绿色激光系统以及更短波长系统，除其他外，提供了用于精确清洁、组装以及清洁和组装系统的封装或壳体的适当方法的示例，在组装过程中包括光学封装(以及该封装内的部件，包括固态激光器)，并防止这些不利过程和激光系统的退化的发生。
84.除光束路径中光学表面上积聚的挥发性有机污染外，另一个问题是激光二极管面或其他光学部件表面上二氧化硅(sio2)的积聚。二氧化硅的这种积聚导致涂层反射率的变化。在某些情况下，二氧化硅的积聚改变了表面的光学特性。在准直之前，单个蓝色激光二极管在激光二极管本身的表面具有非常强的光场。由于腔中形成的模态丝，面处的功率密度可以超过20mw/cm2峰值。已经发现并从理论上推测，这种大功率密度是驱动双光子反应的原因，所述双光子反应使封装中的气氛解离。一旦解离，自由氧原子快速与任何自由硅结合，在所述面处形成sio2。所述sio2以类似于碳吸除的方式沉积。形成和沉积sio2的过程也可以在包括准直光学元件在内的其他光学元件中进行，但由于准直光学元件处的功率密度低得多，可能约为几kw/cm2，沉积速率比在所述面处的沉积速率小1000倍，但在系统的封装、组装和清洁时仍应考虑。
85.激光束从本系统和组件的固态激光装置的光学活性表面传播，例如光纤面、窗口或面，所述光学活性表面可以具有至少约0.5mw/cm2、至少约1mw/cm2(兆瓦每平方厘米)、至少约10mw/cm2、至少约20mw/cm2、至少约50mw/cm2、至少约100mw/cm2、至少约500mw/cm2、约
1000mw/cm2或更低、从约10mw/cm2至约100mw/cm2、从约5mw/cm
2至
约20mw/cm2以及从约50mw/cm2至约500mw/cm2。
86.任何用于产生和传播激光束的固态装置均可用于本系统和组件中。优选地，所述固态装置传播具有蓝色、蓝绿色和绿色波长的激光束。此类固态激光装置可以是例如激光二极管、光纤激光器、拉曼光纤激光器和基于晶体(例如，金刚石、kgw[钨酸钆钾]、yvo4[钒酸钇]、ba(no3)2[硝酸钡]等)的拉曼激光器，以及其中一个或多个的组合和变化。本系统可以有一个、两个、三个、五个、十个、几十个、一百个、数百个和数千个这样的固态装置，所述固态装置的光束组合在一起，为工业和其他应用提供大功率、高亮度的激光束。
[0087]
据了解，尽管本说明书聚焦于完整的激光系统，例如固态激光装置和光学组件组合或集成到一个封装或壳体中，但其教导同样适用于没有光学元件的独立激光装置、没有激光器的独立光学组件及其组合和变化。这些组件可以进行光学集成，例如，在现场或装运前通过带有光学连接器的光纤进行连接。
[0088]
本激光装置和系统的实施例可用于工业应用，例如用于焊接部件，包括电子存储装置中的部件。
[0089]
由于在激光二极管的面和其他表面以及其他光学活性表面上产生沉积物的过程导致功率损耗是由双光子过程驱动的，因此无论装置是脉冲式还是连续波运行，所述过程都会出现。两种工作模式之间的差异是sio2在激光二极管面上的沉积速率。沉积速率与功率密度成正比，沉积量是沉积速率随时间的积分。因此，如果连续波工作时沉积速率为每1000小时10μm，则在10％占空比下工作时，沉积速率仅为每1000小时1μm。这里使用的沉积速率仅仅是一个示例，它取决于许多其他因素，主要是封装中困住的聚硅氧烷的量。
[0090]
图1和图2中给出的比较示例使用了由20个单个发射二极管组成的60w级蓝色激光器，每个单个发射二极管通过快轴准直透镜准直，以允许耦合到传输光纤中。在亚微米精密对准后，透镜与紫外固化光学环氧树脂连接。所述封装由镀金铜件制成，使用低温焊料。所述透镜连接到玻璃支架，以匹配热膨胀系数。这个相当简单的组装使用了3种不同类型的光学粘合剂、2种焊料、3种不同的玻璃和2种不同的镀金铜。组装过程包括多个步骤，使用不同的工具和部件储存容器，所有这些都有机会污染所述表面。因此，蓝光与污染的相互作用会导致装置输出功率随时间快速退化。这如图1所示，其显示了典型装置在延长试验中的性能；激光器的预期寿命仅为200小时左右(根据达到80％标称功率的时间定义)，显然不足以满足工业工作。图1的曲线显示了非常典型的退化率-100％/khrs，所述装置的相应寿命小于200小时。图1和图2中的装置具有相同量的氧，即60％。
[0091]
已经发现，系统中至少存在两种蓝光相互作用，其对激光性能不利，特别是随着时间的推移对激光性能不利。首先，来自系统的散射光、反射光和二者兼有加热系统的表面，增加了这些表面的排气，增加了挥发性污染的量，反过来增加了沉积在其上的污染的量并使激光系统的性能退化。第二，激光束通过双光子过程光解氧。然后，氧原子与封装中的有机物反应形成co2，并与聚硅氧烷反应形成sio2。在有机物的情况下，co2不会沉积在任何表面上，因此，它们的烃源不太受关注，但聚硅氧硅对可靠性非常不利。因此，封装环境(例如，包含固态激光装置、光束路径和光学元件的壳体的内部环境)被组装和密封，以防止引入水分和其他污染，从而实现可靠工作。
[0092]
图2示出了来自5个大功率蓝色激光装置样品的输出功率变化的曲线图，所述大功
率蓝色激光器装置被封装和组装成在内部环境中不含硅氧烷并在氧气气氛中。使用根据本实施例的清洁序列的示例清洁用于图2试验的激光装置。这些装置的平均退化率为-2.3％每khrs，与图1中不含硅氧烷的装置相比，寿命提高了43倍。
[0093]
以下示例用于说明当本组装方法、激光系统和工作的各种实施例。这些示例是为了说明目的，可能是有预见的，不应被视为本发明的范围，也不应以其他方式限制本发明的范围。
[0094]
示例1
[0095]
参考图10，示出了图9的激光二极管的示意图，所述激光二极管被组装成密封封装，以延长所述二极管的寿命。所述封装随后可以集成到激光系统中，为该系统提供延长寿命。所述二极管1000位于密封的壳体1050的内部，所述密封壳体形成激光二极管的封装或用于激光二极管的封装，并且是激光二极管组件。所述壳体1050包含与外部环境1052隔离的内部环境1051。二极管1000沿着激光束路径1056传播激光束，通过窗口1055，进入外部环境1052。窗口1055的内表面1080暴露于内部环境1051，并与内部环境1051接触。所述内腔中的所有表面均不含硅基污染。所述激光束在蓝色波长范围内，功率为3w。所述内部环境含氧60％，由此在固态装置的工作期间，在内腔中由清洁后可能存在的任何碳基污染产生co2。封装组件的功率退化率小于2.0％每khrs，激光寿命至少为30000小时。
[0096]
示例1a
[0097]
在示例1的实施例中，所述内部环境可含氧从1％至80％。所述激光束功率可为从约1w至约10w，功率退化率可小于3％每khrs、小于2.5％每khrs、小于2％每khrs和小于1.5％每khrs。所述实施例可以具有至少20000小时、至少40000小时、至少50000小时和至少100000小时的激光寿命。特别地，当组装到激光系统中(例如，用光学元件封装)时，所述实施例可以具有这些寿命和退化率。
[0098]
示例1b
[0099]
示例1的激光二极管是to-9can蓝色激光二极管，其一实施例如图12所示。
[0100]
示例1c
[0101]
参考图11，示出了提供蓝色激光束的四个激光二极管的示意图，这些激光二极管被组装到密封封装中，以延长所述二极管的寿命。该封装随后可以集成到激光系统中，为该系统提供延长寿命。所述四个激光二极管1100a、1100b、1100c、1100d被封装(例如包含)在壳体1150内，所述壳体1150被密封，因此具有内部环境1151。所述壳体1150保护内部环境1151并将其与外部环境1152隔离。所述四个激光二极管传播功率为约5w的蓝色激光束，这些激光束沿着光束路径1156a、1156b、1156c、1156d行进。所述激光束沿着各自的光束路径行进，通过窗口1155离开壳体1150，并在此处行进到外部环境1152中。窗口1155的内表面1180暴露于内部环境1151并与之接触。也可以使用四个单独窗口，每个二极管一个。内腔中的所有表面都不含硅基污染。所述激光束均在蓝色波长范围内，并且每个具有约5w的功率。内部环境含氧60％，因此在固态装置工作期间，清洁后残留的任何碳基污染在内腔内产生co2。封装组件的功率退化率低于2.0％，激光寿命至少为30000小时。
[0102]
示例1d
[0103]
在示例1c的实施例中，所述内部环境可含氧从1％至80％。所述激光束功率可为从约1w至约10w，功率退化率可为小于3％每khrs、小于2.5％每khrs、小于2％每khrs和小于
1.5％每khrs。所述实施例可以具有至少20000小时、至少40000小时、至少50000小时和至少100000小时的激光寿命。特别地，当组装到激光系统中(例如，用光学元件封装)时，所述实施例可以具有这些寿命和退化率。
[0104]
示例1e
[0105]
示例1c的激光二极管是to-9can蓝色激光二极管，其一实施例如图12所示。
[0106]
示例2
[0107]
参考图4，示出了大功率、高亮度固态激光组件400或激光系统的一实施例的示意图，用于在长时间段内提供高质量激光束450，而不会使得激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体426，所述壳体限定了内腔434；其中所述内腔与壳体外部的环境435隔离；固态装置401，用于沿激光束路径450a从固态装置的传播面404传播激光束450，其中激光束在传播面404处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；光学组件402，所述光学组件与固态装置401光通信并且在激光束路径450a上；其中固态装置和光学组件位于壳体426内和内腔434内，由此固态装置和光组件与外部环境435隔离；所述壳体包括壳体传播面425，由此激光束450沿着激光束路径450a从壳体426传输到外部环境435中；壳体传播面425与光学组件402光通信并且在激光束路径450a上；所述激光束在离开所述壳体传播面时由光束特性表征，所述光束特性包括：(i)至少100w的功率；以及(ii)小于40mm mrad的光束参数积；并且，所述内腔不含硅基污染源，由此在固态装置的工作期间，在所述内腔内不产生sio2；由此内腔保持不含sio2积聚；因此，光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低。
[0108]
示例3
[0109]
在一实施例中，示例2的激光组件具有产生激光束的固态装置，其中所述激光束具有410nm至500nm范围内的波长。
[0110]
示例4
[0111]
在一实施例中，示例2的激光组件具有产生激光束的固态装置，其中所述激光束具有405nm至575nm范围内的波长。
[0112]
示例5
[0113]
在一实施例中，示例2的激光组件具有产生激光束的固态装置，其中所述激光束具有500nm至575nm范围内的波长。
[0114]
示例6
[0115]
在示例2、3、4和5的激光组件的实施例中，固态装置是拉曼光纤激光器、二极管激光器、基于晶体的拉曼激光器以及其中一个或多个的组合和变化。光学组件具有光学元件，包括准直光学元件、聚焦光学元件、透镜、镜、光束组合光学元件以及其中一个或多个的组合和变化。光束特性还具有约20nm或更低的带宽。壳体传播面是窗口和光纤面，以及其中一个或多个的组合和变化。光束参数积小于约15mm mrad；并且，所述传播面处的功率密度为从约1mw/cm2至约1000mw/cm2。
[0116]
示例7
[0117]
在示例2、3、4、5和6的激光组件的实施例中，激光束的功率为从约100w至约1000w。光束特性还包括约20nm或更低的带宽；传播面处的功率密度为从约0.5mw/cm2至约1000mw/cm2；并且，光束特性的退化率小于2.0％每khrs。
[0118]
示例8
[0119]
在示例2-7和13-26的激光组件的实施例中，内腔包括至少含氧1％的气体；由此在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此光学组件和固态装置的传播面保持不含碳积聚。
[0120]
示例9
[0121]
在示例2-7和13-26的激光组件的实施例中，内腔包括至少含氧5％的气体；由此在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此光学组件和固态装置的传播面保持不含碳积聚。
[0122]
示例10
[0123]
在示例2-7和13-26的激光组件的实施例中，内腔包括至少含氧10％的气体；由此在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此光学组件和固态装置的传播面保持不含碳积聚。
[0124]
示例11
[0125]
在示例2-7和13-26的激光组件的实施例中，内腔包括至少含氧20％的气体；由此在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此光学组件和固态装置的传播面保持不含碳积聚。
[0126]
示例12
[0127]
在示例2-7和13-26的激光组件的实施例中，内腔包括含氧从约5％至至少约50％的气体；由此在固态装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此光学组件和固态装置的传播面保持不含碳积聚。
[0128]
示例13
[0129]
在示例2-12和17-26的激光组件的实施例中，光束特性的退化率为2.0％每khrs或更低，从2.0％至1％每khrs。
[0130]
示例13a
[0131]
示例13的退化率保持5000小时寿命、7000小时寿命和10000小时寿命。
[0132]
示例14
[0133]
在示例2-12和17-26的激光组件的实施例中，光束特性的退化率为1.8％每khrs或更低，从1.8％至0.8％每khrs。
[0134]
示例14a
[0135]
示例14的退化率保持5000小时寿命、7000小时寿命和10000小时寿命。
[0136]
示例15
[0137]
在示例2-12和17-26的激光组件的实施例中，所述组件具有不小于10000小时的延长寿命并以其为表征。
[0138]
示例16
[0139]
在示例2-12和17-26的激光组件的实施例中，所述组件以具有不小于5000小时的延长寿命为表征。
[0140]
示例17
[0141]
参考图5，提供了大功率、高亮度固态激光组件500的示意图，用于在长时间段内提供高质量蓝色激光束550，而不会使得激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体526，所述壳体限定了内腔534；其中所述内腔与壳体526外部的环境535隔离；多个二极管激光装置
501a、501b、501c、501d、501e，用于沿多个二极管激光器光束路径(例如路径550a)从多个面(例如面504)传播多个激光束(例如光束550)，其中所述激光束具有400nm至500nm范围内的波长；并且其中每个激光束在每个所述面处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度；光学组件502，所述光学组件与所述二极管激光装置中的每一个光通信并且在激光束路径上；所述光学组件包括准直光学元件，例如准直光学元件560和光束组合光学元件565；光学组件502组合多个二极管激光束以沿着组合激光束路径552a提供组合激光束552；其中多个二极管激光装置和所述光学组件位于所述壳体526内和所述内腔534内，由此所述多二极管激光装置和所述光学组件与外部环境535隔离；所述壳体包括壳体传播面525，由此所述组合激光束沿着组合激光束路径552a从壳体526传输到外部环境535中；壳体传播面525与光学组件502光通信，并且在组合激光束路径552a上；组合激光束552在离开壳体传播面525时由光束特性表征，所述光束特性包括：(i)至少100w的功率；以及(ii)小于40mm mrad的光束参数积；并且，内腔534不含硅基污染源，从而在多个二极管激光装置工作期间，在所述内腔中不产生sio2；由此所述内腔保持不含sio2积聚；因此，所述组合光束特性的退化率为2.3％每khrs或更低。
[0142]
示例18
[0143]
在示例17和其他示例的激光组件的实施例中，光束特性还包括约15nm或更低的带宽；所述壳体传播面选自窗口和光纤面组成的组；光束参数积小于约15mm mrad；并且，传播面处的功率密度为从约0.5mw/cm2至约1000mw/cm2。
[0144]
示例19
[0145]
在示例17和其他示例的激光组件的实施例中，光束特性还包括约15nm或更低的带宽；所述组合激光束的功率至少为约500w；所述壳体传播面选自窗口和光纤面组成的组；光束参数积小于约30mm mrad；并且，传播面处的功率密度为从约0.5mw/cm2至约1000mw/cm2。
[0146]
示例20
[0147]
参考图6，提供了大功率、高亮度固态激光组件600的示意图，用于在长时间段内沿着激光束路径650a提供高质量蓝色激光束650，而不会使得激光束特性显著退化，所述组件具有：壳体626，所述壳体限定了内腔634；其中内腔634限定了隔离环境；多个光学活性表面，例如，表面604a、表面604b、表面604c、表面604d、表面604e，其中蓝色激光束从光学活性表面传播、透射到光学活性表面中或由光学活性表面反射；多个光学活性表面位于所述壳体的内腔634的隔离环境内；至少一个光学活性表面位于固态激光装置601上；其中所述激光束在所述光学活性表面中的一个或多个处具有至少约0.5mw/cm2的功率密度，所述光学活性表面例如为表面604a、表面604b、表面604c、表面604d、表面605e；并且，内腔634不含硅基污染源，由此在所述固态激光装置的工作期间，在内腔内不产生sio2；其中内腔634包括气体，所述气体包括氧气；由此在所述固态激光装置的工作期间，在内腔中由碳基污染产生co2；由此所述多个光学活性表面保持不含碳和sio2积聚；因此，蓝色激光束的功率的退化率为2.3％每khrs或更低。
[0148]
光学活性表面604e为窗口，用于将激光束650传输离开所述壳体并进入外部环境635。
[0149]
示例21
[0150]
图6的激光组件600和图5的激光组件500，其中固态激光器产生波长在绿色波长范
围内的激光束。
[0151]
示例21a
[0152]
示例22的绿色固态激光器是在铌酸锂晶体中加倍的红外激光系统。所述系统可具有激光二极管、外腔和位于所述外腔焦点的铌酸锂晶体，所有这些都包含在所述壳体内。
[0153]
示例22
[0154]
示例2-21、21a的激光系统和组件，其中激光束的带宽为约5nm、约10nm、约20nm、从约10nm至约30nm、从约5nm至约40nm、约20nm或更低、约30nm或更低、约15nm或更低、约10nm或更低。
[0155]
示例23
[0156]
示例2-22的激光系统和组件，其中在光束离开壳体并传播到外部环境中的点处的或接近所述点的激光束具有从约100w至约100000w、从约100w至约40000w、从约100w至约1000w、约200w、约250w、约500w、约1000w，约10000w、至少约100w、至少约200w、至少约500w和至少约1000w的功率。
[0157]
示例24
[0158]
示例2-23的激光系统和组件，其中激光束具有从约10mm mrad至约50mm mrad、小于约40mm mrad、小于约30mm mrad，小于约20mmmrad、小于约15mm mrad和小于约10mm mrad的光束参数积。
[0159]
示例25
[0160]
示例2-23的激光系统和组件，其中已被清除和最小化的硅基污染的潜在来源是硅氧烷、聚合硅氧烷，线性硅氧烷、环状硅氧烷、环甲基硅氧烷、聚硅氧烷以及其中一个或多个的组合和变化。
[0161]
示例26
[0162]
示例2-25的激光系统和组件，其中碳基污染源是溶剂残留、油、指纹、烃的其他来源以及其中一个或多个的组合和变化，所述碳基污染通过内腔中氧的存在而减轻。
[0163]
示例27
[0164]
固态高亮度蓝色激光器的实施例如表1所示。所述表显示了二维光谱光束组合配置中的2.5w激光二极管可实现的功率、亮度和性能。所述表说明了基于建造块350w模块的激光系统的功率和亮度如何通过使用光纤合束器发射到过程光纤中从而扩展到多千瓦功率水平。
[0165]
表1
[0166]
提供表1的光束的系统具有表1的两种光束特性的退化率，即从约5％至约1.5％每khrs或更低、约2.5％每khrs或更低、2.0％每khrs或更低、1.8％每khrs或更低、1.0％每khrs或更低以及更小的值。提供表1的光束的系统(两种光束特性)具有从至少约5000小时至约100000小时、至少约5000小时、至少约10000小时、至少约20000小时、至少约40000小时、从约10000小时至约50000小时的寿命和更长的寿命。
[0167]
示例28
[0168]
示例27中的相同模块也可以在自由空间中组合，这样可以节省亮度，但使模块更换稍微复杂一些。自由空间组合可实现的功率和光束参数积如表2所示。
[0169]
表2
[0170]
提供表2中光束的系统具有表2的两种光束特性的退化率，即从约5％至1.5％每khr或更低、2.5％每khr或更低、2.0％每khr或更低、1.8％每khr或更低、1.0％每khr或更低以及更小的值。提供表2的光束(两种光束特性)的系统具有从至少约5000小时至约100000小时、至少约5000小时、至少约10000小时、至少约20000小时、至少约40000小时、从约10000小时至约50000小时的寿命和更长的寿命。
[0171]
示例29
[0172]
表3中显示了使用大功率蓝色激光二极管的系统的固态高亮度蓝色激光器的实施例，每个装置约为6.5w。基座模块现大约为900w，这些模块通过光纤合束器组合，以建造大功率、高亮度蓝色激光二极管系统。如表3所示。
[0173]
表3
[0174]
提供表3的光束的系统具有两种光束特性的退化率，即从约5％至约1.5％每khrs或更低、2.5％每khrs或更低、2.0％每khrs或更低、1.8％每khrs或更低、1.0％每khrs或更低以及更小的值。提供表3的光束(两种特性)的系统具有从至少约5000小时至约100000小时、至少约5000小时、至少约10000小时、至少约20000小时、至少约40000小时、从约10000小时至约50000小时的寿命和更长的寿命。
[0175]
示例30
[0176]
参考图7，图7是激光功率对工作时间的曲线图。可以看出，蓝色激光二极管组件提供了退化率(绘线701)较慢的工作曲线。所述退化率在约200小时至约550小时具有平坦部分702。约800小时后，所述退化率为约0.7％每khr。在系统剩余寿命期间，800至1600小时内显示的退化率703将保持不变(即，所述绘线的斜率不会发生实质性变化)。
[0177]
示例31
[0178]
参考图8，图8是激光功率对工作时间的曲线图。可以看出，蓝色激光二极管组件提供了退化率(绘线801)较慢的工作曲线。所述退化率在约150小时至约800小时具有平坦部分。约800小时后，所述退化率为约0.7％每khr。在系统剩余寿命期间，800至1600小时内显示的退化率将保持不变(即，所述绘线的斜率不会发生实质性变化)。
[0179]
示例32
[0180]
图12是to-9can或封装激光二极管的图示。在封装激光二极管时，硅基污染的量已经减少，所述封装中充满了富氧气氛。to-9can 1200具有不锈钢壁1201，形成带有散热器1204的壳体1205。to-9can具有激光二极管1203和窗口1206。壳体1205充满了例如，富氧气氛。
[0181]
示例33
[0182]
图13和14显示了如何通过将to-9封装安装到能够保持每个单独的to-9封装的适当加工的散热器中，将标准to-9激光二极管封装1200布置到多激光器封装1250和1250a中。安装在to-9封装中的激光二极管必须用最小的硅酮污染和碳污染(可以最小化)进行密封，并通过氧气气氛进行减轻和管理。一旦激光二极管组件被适当地清洁，封装1200被封装内部的富氧环境密封。每个封装都单独密封，以确保可靠工作。
[0183]
示例34
[0184]
图15显示了多管激光二极管封装1501，其具有20个单独的激光二极管，例如1502，安装在铜棒(例如1503)上以产生垂直腔发射源。每个二极管被精确安装在铜棒上，然后每个棒被精确安装到背板散热器1504上。添加金属掩模1505以保护二极管免受背反射，并最小化封装和窗口1506中的杂散光或散射光。清洁所述封装以清除所有硅酮污染源，并且优选地还清除和减少碳污染源。当封装被密封时，所述封装充满富氧环境，以提供将任何游离碳转化为co2的手段，所述co2对激光二极管无害且不能被蓝光解离。该组件的寿命可以大于5000小时，也可以大于10000小时。
[0185]
示例35
[0186]
图16显示了多管激光二极管封装1600，其20个单独的激光二极管，例如1607，安装在背板散热器1694上。封装1600具有转向镜(例如1606)和窗口1602，通过所述窗口1602，激光束在激光束路径(例如1605)上行进。清洁所述封装以清除所有硅酮污染源，并且优选地还清除和减少碳污染源。当封装被密封时，封装充满富氧环境，以提供将任何游离碳转化为co2的手段，所述co2对激光二极管无害且不能被蓝光解离。该组件的寿命可以大于5000小时，也可以大于10000小时。
[0187]
示例36
[0188]
图17显示了与图16类似的方法和组件，但现在组件1700具有围绕每个激光二极管(例如1707)和转向镜(例如1706)的单独密封封装(例如1701)。所述封装具有窗口(例如1702)，激光束沿着激光束路径(例如1705)通过所述窗口。所述单独密封封装(例如1701)和激光二极管(例如1707)安装在散热器(例如1704)上。围绕每个激光二极管封装的较小体积可以更容易地清洁，并减少硅酮污染的可能性，并且优选地还清除和减少碳污染源，以避免更复杂的组件的清洁需求。在密封之前，必须清洁激光二极管和转向镜，以最小化硅酮污染，并优选地还清除和减少碳污染源。每个封装，例如1701，用富氧环境密封，以将任何残留碳转化为对激光二极管无害的co2。这一过程导致激光二极管的长寿命。该组件的寿命可以大于5000小时，也可以大于10000小时。
[0189]
需要注意的是，不需要提供或解决作为本发明实施例的主题或与本发明的实施例相关的新颖和开创性性能或其他有益特征和特性的理论基础。然而，本说明书中提供了各种理论以进一步推进这一重要领域的技术，特别是激光、激光加工和激光应用的重要领域。本说明书中提出的这些理论，除非另有明确说明，否则绝不限制或缩小所要求保护的发明的保护范围。利用本发明不需要或实践这些理论。还应理解，本发明可导致新的、迄今未知的理论，以解释本发明的方法、物品、材料、装置和系统的实施例的工作、功能和特征；并且这种后来发展的理论不应限制本发明提供的保护范围。
[0190]
本说明书中阐述的激光器、二极管、阵列、模块、组件、活动和工作的各种实施例可
用于上述领域和各种其他领域。此外，这些实施例可以与，例如，现有激光器、增材制造系统、工作和活动以及其他现有设备一起使用；未来激光、增材制造系统工作和活动；以及可以部分地基于本说明书的教导修改的这些项目。进一步地，本说明书中阐述的各种实施例可以以不同和各种组合彼此使用。因此，例如，本说明书的各种实施例中提供的配置可以彼此使用。例如，根据本说明书的教导，具有a、a’和b的一实施例的部件和具有a”、c和d的一实施例中的部件可以以各种组合彼此使用，例如，a、c、d和a，a”、c和d等。本发明所提供的保护范围不应限于特定实施例、示例或特定图中的实施例中所述的特定实施例，配置或布置。
[0191]
在不脱离其精神或本质特征的情况下，本发明可以以与本发明具体公开的形式不同的其他形式实施。所描述的实施例在所有方面仅被视为说明性的而非限制性的。