CN1659753A

CN1659753A - 激光***

Info

Publication number: CN1659753A
Application number: CN038126486A
Authority: CN
Inventors: M·E·尼尔森; N·－S·博
Original assignee: Esko Graphics AS
Current assignee: Esko Graphics AS
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2005-08-24
Also published as: JP2005522039A; AU2003226910A8; EP1490934A2; WO2003084006A3; AU2003226910A1; WO2003084006A2

Abstract

一种用以产生至少两个输出光束的激光***，它包括：发出具有强度分布的包括多个空间模式的光束的多模激光二极管部件(101)；由第一和第二选择装置(108，110，111)形成双反馈腔，所述第一和第二选择装置用以选择光轴相反两侧所述多个空间模式中相应的一个模式；以及第一和第二反射元件(106，112)，其中，激光二极管部件和反射元件形成双腔，并且所述第一和第二反射元件适合于把发射光束的选定部分的相应的反射部分反射回激光二极管部件，并产生相应的输出光束(113，114)。

Description

激光***

本发明涉及激光***。

众所周知，激光二极管是价格合理、小型和坚固的激光光束源。已经可以获得输出功率小和相干性好的传统的激光二极管，它们用在诸如CD重放机、条码阅读器等许多用途。

最近已经可以获得数瓦输出功率的激光二极管。这些高功率激光二极管在诸如印刷行业中印版(Print Plate)的曝光等其他领域有应用潜力。但是，这些激光二极管发光面积大，导致输出光束相干性差。这样的二极管的单一发射极的排列一般具有几百微米的宽度、1-2微米的高度和0.5-2.5mm的腔长度。在宽度方向上，这样的二极管所发射的光束是多模的并且空间相干特性差。在高度方向上所发射的光束一般是单模的并具有良好的相干特性。相干性高的方向往往称作快轴(FA)。相干性低的方向通常称作慢轴(SA)。术语快轴和慢轴是指在这些方向上光束的不同发散程度。

于是，一般都希望改善高功率多模激光二极管的低相干轴的相干特性。这样的二极管或者是单一发射极二极管，或者是几个发射极排列成棒状、堆叠或阵列的多个二极管。另外，二极管可能是边发射二极管、垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)、Novalux扩展空腔表面发射激光器(NECSEL)等等。将来还会有两个低相干轴的二极管。

由于高功率多模激光二极管所发射的光的低相干性，这样的激光二极管发出的输出光束在低相干轴上光束质量差和亮度低。这在激光光束要从远距离聚焦成一个小光斑的应用上是不方便的。

同时，这些类型的二极管激光器在物理上，比例如气体激光器小，价格便宜。因此，若这样的激光二极管可以在光束质量和亮度方面进行改善，将会有很大好处。

已知高功率多模激光二极管发出的光包括光功率总量分布于其间的多个模式。这些模式以不同的空间角辐射，因此造成亮度低。

衡量激光光束质量的尺度是光束质量因数M²。具有理想的高斯光束分布的光束，对应于光束质量因数M²＝1，而对于光束分布不同于标准高斯光束的光束，M²变大。传统的高功率多模激光二极管的相干性低的轴M²的典型值在10到几百的范围内，而相干性高的轴的M²值接近于1。

光束质量因数提供一个激光光束能够聚焦得多好，从而能够获得多小的焦点的指标。这个特性在例如印刷行业中是非常重要的，在这里，为了使印版曝光，波长为830nm而功率为8瓦的光束必须通过例如300mm的距离聚焦为10μm的光点。在这里焦点的尺寸对于需要在计算机到印版(CtP)过程中通过曝光转移到印版上的图像的分辨率来说是一个限制性因素。

国际专利申请WO 02/21651公开了一种激光***，它包括激光二极管和反射器，其中激光二极管和反射器限定了一个腔，而且其中反射器把激光二极管发射的光束的选定部分作为反馈光束反射回二极管。反馈光束在激光媒质中被进一步放大，并作为输出光束发射。按照上述的先有技术***，反射器把其模数高于最大增益模式的空间模式反射回激光二极管。

尽管已知上述先有技术***在发射极宽度高达数百微米的单发射极激光二极管上工作得很好，但是上述先有技术***有一个问题，就是输出功率随着发射极宽度增大而降低，而且若由于泵电流增大而迫使输出功率上升，则二极管可能永久破坏。

采用以下激光***可以解决上述和其他问题，所述***包括：

-包括第一表面的激光二极管部件，用以发射具有围绕光轴的强度分布的光束，所述光束包括多个空间模式，每个模式对应于相对于光轴的各自的发射角；

-第一选择装置，用以选择与在光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式的第一个模式对应的发射光束的第一部分；

-第一反射元件，其中，激光二极管部件和第一反射元件限定了第一腔，其中第一反射元件适合于把所发射的光束的选定的第一部分的第一反馈部分反射回激光二极管部件，并适合于产生与所发射的光束的选定第一部分的第一输出部分对应的第一输出光束；

-第二选择装置，用以选择与在与第一侧相反的光轴第二侧以第二发射角发射的发射的所述多个空间模式中的第二个模式对应的发射光束的第二部分；

-第二反射元件，其中，激光二极管部件和第二反射元件限定了第二腔，而且其中第二反射元件适合于把所发射的光束的选定的第二部分的第二反馈部分反射回激光二极管部件，并适合于产生与所发射的光束的选定第二部分的第二输出部分对应的第二输出光束；

因而，提供了一种具有两个协同操作腔的激光***，从而提供一种相对于光轴而言至少是部分对称的双反馈。

按照本发明已经认识到：通过提供一种至少部分对称的双反馈，由于增益几何特性的缘故，激光二极管内的强度分布也是(部分)对称的。因此，与非对称的的功率分布相比，总功率得以进一步增大，而不造成材料的局部破坏。对于宽度较大的发射极带条，这个作用甚至还要显著。在一个实施例中，来自两个反射元件的反馈基本上是对称的，具体地说，具有基本上相等的强度。

本发明的另一个优点是，对称的双腔反馈在激光二极管的放大媒质中引入动态光栅，从而分别与第一和第二选择装置的合作，对不从第一和第二反射元件反馈的空间模式提供有效的抑制。因而，所发射的光功率基本上集中在单模中，从而提供相干特性良好和M²值低的输出光束。

随着二极管宽度的增大，空间模式的数量增加，从而使有效的模式抑制更加有好处。因此，通过在按照本发明的***中增大反馈，提供了一种改进的模式选择。

本发明的另一个优点是，通过调整各自的第一和第二反馈部分，可以调整反馈的对称性，亦即反馈部分的相对强度。在本发明一个推荐的实施例中，第一和第二反馈部分是基本上相同的部分，从而提供高度的对称性。

光轴周围发射光的强度分布限定了低相干平面和高相干平面。低相干平面由激光二极管的光轴和低相干方向，亦即慢轴限定，而高相干平面由激光二极管的光轴和高相干方向，亦即快轴限定。空间模式是在低相干平面内相应的方向，亦即相对于光轴以不同的发射角并在低相干平面内发射的。因此，由第一和第二选择装置提供的滤光是沿着低相干方向提供的。

按照一个推荐的实施例，所述激光***还包括第三选择装置，用以选择与低相干平面的方向交叉的，亦即从低相干平面突出的方向上所发射的光束部分。因而，提供对沿着高相干轴所发射的光束的滤光，从而防止噪音，例如，由透镜内的衍射和表面的散射造成的噪音，从而进一步改进输出功率效率。

本发明的再一个优点是，它提供一种闭环反馈控制，从而降低对外部干扰和内部***参数波动的敏感度。

激光二极管部件可以包括一个或多个包括适当的放大媒质的发射极。这样的激光二极管部件的示例包括大面积激光二极管，最好具有大的带条宽度。可以用作放大媒质的半导体二极管材料的示例包括(但不限于)GaAs、InGaAlP、GaAlAs、InGaAs和InGaAsP。按照再一个推荐的实施例，所述激光***包括棒、堆叠、阵列等，从而允许使用较低宽度的发射极，而同时维持***总的输出功率。因此，进一步减少模式的数目以及上文和下文描述的宽二极管所引起的有害作用。

术语选择装置包括适合于选择性地允许所发射的光束的一部分达到至少一个反射元件的任何布置。这样的选择装置的示例包括空间滤光器，诸如窄隙或具有不同形状开孔的滤光器、光栅等。另外，选择装置和相应的反射元件可以结合为单一的元件。例如，反射元件可以包括窄的带条形反光镜，其中反光镜的边缘形成空间滤光器，因为只有在反光镜方向上传播的第一光束的一部分被反射回激光二极管。

还应明白，可以把一个或多个选择装置组合成一个装置或结构，例如，通过提供具有两条缝隙和/或一个或多个矩形开孔等的空间滤光器。

反射元件可以是部分透明的反射器，它反射入射光的某些部分，并允许入射光的其它部分透过反射器。这样的反射器的示例包括反光镜、相位共轭反光镜、棱镜、光栅等。

在一个实施例中，第一和第二反射元件可以是分离的反射元件，而在另一个实施例中，它们可以结合为单一的反射元件。

最好把多个空间模式中的每一个都与相应的模式号相关联，而且第一和第二选择装置可以选择与相应的第一和第二模式号相关联的相应的第一和第二空间模式，其中，第一模式号等于第二模式号。因此，调整两个选择装置以便选择对应于基本上单模的双瓣分布的相应瓣，亦即，若第一选择装置选择在相对于光轴的第一半平面内的在慢轴方向上的第N模式，则第二选择装置选择在相对于光轴的相应的另一半平面内第N模式。因而，通过选择两个镜像瓣，***是稳定的，因为任何模式竞争均被抑制。

但应明白，在一个替代实施例中，通过选择与各自半平面中的不同模式的瓣，可以获得振荡***，在这种情况下，选定的模式之间的模式竞争可以随时间而改变两个模式之间的能量分布。可以利用这种状态使总能量交替集中在两个模式之间，从而提供振荡***。

在激光二极管内，克服激光发射条件的所有模式都作为单独的以不同的空间角辐射的小激光光束而存在。这些传播角度涉及各个模式的波长。不同模式无法轻易彼此区别，因为在这里它们在空间上混合在一起；据称这里存在Fresnel衍射方式(regime)。在离开二极管一段比共焦参数大得多的距离上，据称存在Fraunhofer衍射。这两种方式的特性往往分别被称为近场和远场。为了便于进行当前的描述，这两种衍射类型之间的差别是这样一个事实，即，在Fraunhofer衍射方式下这些模式在空间上是彼此分开的，而在Fresnel衍射方式中则不是。因此，空间滤光器只可以在Fraunhofer衍射方式下进行逐一的模式选择。

但是，远场可以作为近场的付立叶变换产生，反之亦然。因此，利用起付立叶透镜作用的光学组件，可以获得长度比到远场的距离小得多的模式选择***。

因而，在另一个推荐的实施例中，所述***至少还包括一个光学元件，用以产生所发射光束在所述至少一个光学元件的衍射平面中的光学付立叶变换，而且第一和第二选择装置中的至少一个基本上设置在所述至少一个光学元件的衍射平面内。

为了进行这项讨论，衍射平面亦称付立叶平面，因为这是付立叶透镜返回相应的付立叶变换结果的平面。在衍射平面内或远场内，包括在激光二极管光学输出中的各个模式由于它们的传播角度中的差异在空间上是分开的。当设置在衍射平面或远场内时，空间滤光器提供可以进行逐个模式选择的模式滤光。

在许多商售的激光二极管中，为了提供有效的激光腔和激光光束有效的输出耦合，光发射端面和与光发射端面相反的后端面都加有涂层。一般后端面加有高反射性(HR)涂层，提供大于90％的反射性，从而形成激光腔的与由第一和第二反射元件形成的一端相反的一端。或者，不提供带有反射后端面的激光二极管，而可以采用其他形式的反射元件，例如，光栅、外部反射镜或光栅等。

商售激光二极管前端面一般涂有其反射率约为8-10％的抗反射(AR)涂层。当运行没有外腔的二极管时，这是一种推荐的选择。但当二极管按照本发明工作时，前端面AR涂层的反射率可以用来控制反馈的影响。另一方面，最好减少前端面AR涂层的反射系数，因为它会引起较高的耦合(in-coupling)，并造成反馈***中未被选择的模式的较低的模式放大。这是由于这样一个事实，即，低的反射使所述二极管阈值增大，从而提高对未被选择的模式的模式抑制作用。另一方面，反射系数不应变得低得使激光发射过程无法启动。

于是，在一个推荐的实施例中，激光***还包括激光二极管部件的第一侧，亦即，前端面的抗反射涂层，抗反射涂层提供0.05％和20％之间，最好0.1％和2％之间的反射率。

在再一个推荐的实施例中，第一和第二选择装置包括嵌入激光二极管部件中的各自的第一和第二光栅，所述第一和第二光栅在它们之间形成对应于选定的空间模式发射角的角度。

因此，通过把选择装置结合在激光二极管中，可以提供特别紧凑的激光***。

按照另一个推荐的实施例，激光二极管部件的第一面包括第一和第二区域，所述第一和第二区域形成它们之间的与选定的空间模式的发射角对应的角度，而且第一和第二反射元件在相应的第一和第二区域上包括相应的反射涂层。因此，进一步把反射元件结合在激光二极管中，可以提供甚至更紧凑的激光***。

把选择装置和反射元件结合在一起的另一个优点是，对于诸如振动、温度波动等干扰，所述激光***变得更加健壮。

把选择装置和反射元件结合在一起的再一个优点是，这些组件不必对准。

在另一个推荐的实施例中，所述***还包括调制器元件，用以调制第一和第二输出光束。因此，提供一种激光***，它可以提供对激光光束提供调制，例如，为了提供通断周期的交替顺序。例如，调制器元件可以包括声光调制器、电光调制器、诸如光栅光阀(GLV)空间光调制器等空间光调制器、MEMS空间光调制器、保角光栅电机***(GEMS)、液晶空间光调制器或任何其他适用的调制器器件。在一个实施例中，调制器元件包括与调制的泵电流结合的激光二极管。

本发明可以以不同的途径实现，所述途径包括：上述和下述***；使这种***对准的方法；这样的***在印刷行业上的应用；以及其他产品装置，每一种途径都产生结合第述***描述一个或多个好处和和优点，而且每一种途径都具有对应于结合上述***描述的并且在各从属权利要求中公开的一个或多个推荐的实施例。

按照本发明的另一个方面，上述先有技术的光束质量可以用一种激光***改进，所述激光***包括：

-激光二极管部件，它包括第一表面，用以发射具有围绕光轴的强度分布的光束，所述光束包括多个空间模式，每一个模式都对应于各自相对于光轴的发射角；

-至少一个光学元件，用以产生在所述至少一个光学元件的衍射平面上发射的光束的光学付立叶变换；

-第一选择装置，用以选择与在光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式中的第一个模式对应的发射光束的第一部分；

-反射元件，其中，激光二极管部件和反射元件形成一个腔，而且其中反射元件适合于把所发射的光束的选定的第一部分的反馈部分反射回激光二极管部件；

-第二选择装置，用以选择与在光轴的与第一侧相反的第二侧以第二发射角发射的多个空间模式中的第二个模式对应的发射光束的第二部分，而且所述第二选择装置基本上设置在所述至少一个光学元件的衍射平面上。

因此，通过把第二选择装置基本上定位在衍射平面上，提供输出光束的模式选择滤光，从而改善M²和激光***的输出功率。这种改进是由于这样一个事实得到的，即，当基本上设置在衍射平面上时，附加的空间滤光器实际上完成模式选择，而不是简单的光束分割。

按照一个推荐的实施例，把多个空间模式中的每一个与相应的模式号相关联；并且第一和第二选择装置适合于选择与相应的第一和第二模式号对应的第一和第二空间模式，其中，第一模式号等于第二模式号。因此，在第一腔中提供反馈的模式是由第二选择装置选择的。

按照本发明的再一个方面，上述先有技术***的光束质量可以用一种激光***改进，所述激光***包括：

-激光二极管部件，它包括第一表面，所述第一表面用于发射具有围绕光轴的强度分布的光束，所述强度分布限定低相干平面和高相干平面，所述光束包括多个空间模式，每一个模式都对应于在低相干平面上相对于光轴的发射角；

-第一选择装置，用以选择与在低相干平面上光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式中的第一个模式对应的发射光束的第一部分；

-第二选择装置，用以在与低相干平面交叉的方向上选择所发射的光束的选定的第一部分的第二部分；

-反射元件，其中，激光二极管部件和反射元件形成一个腔，而且其中反射元件适合于把所发射的光束的选定的第二部分的反馈部分反射回激光二极管部件。

因此，提供了对沿着高相干轴，亦即从低相干平面突出的方向的发射光束的滤光，从而防止反馈***中噪音，例如，透镜内衍射和从表面散射引起的噪音，从而改进输出功率效率。

本发明还涉及上述和后述激光***的对准方法，所述方法包括：

-在不激活第二选择装置和第二反射元件的同时，测量所发射光束的预定特性；

-调整第一反射元件和第一选择装置中至少一个的位置和取向中的至少一个，以便获得具有所测量的预定特性的预定值的所发射的光束；

-激活第二选择装置和第二反射元件，使激光***产生第一和第二输出光束；

-测量第一和第二输出光束的预定的质量量度；

-调整第二反射元件和第二选择装置中至少一个的位置和取向中至少一个，以改善第一和第二输出光束的质量的预定量度。

因此，提供了一种按照本发明的激光***的对准的有效方法。一个优点是，提供了有效的模式选择，并达到高的输出效率。另一个优点是，达到高的光束质量。

首先在不激活第二选择装置和第二反射元件的情况下，对准第一选择装置和第一反射元件，用第一反馈腔选择模式。在随后的对准第一和第二腔组件的步骤中，保证在两个腔都选择同一模式，从而避免模式竞争。

这里不激活选择装置这一术语包括使选择装置基本上选择在光轴相应一侧发射的光束中的所有模式。例如，这可以通过基本上完全地打开空间滤光器的开孔，通过从光路去除空间滤光器等达到。相应地，不激活反射元件包括使反射元件不把所发射光束的任何部分反射回激光二极管，例如，通过除去或挡住反射元件。相应地，激活选择装置和/或反射元件包括使它们选择所发射的光束的所需的一部分，并把所发射的光束的所需的部分反射回激光二极管。

用于确定第一选择装置和第一反射元件对准的预定的特性可以是用于确定模式选择的任何适当的特性。在一个推荐的实施例中，预定的特性是第一光束强度分布的形状。在再一个推荐的实施例中，预定的形状的特征在于：包括在发射光束中包含发射的光功率的大部分的远场中的狭窄的峰值。

按照本发明另一个推荐的实施例，预定的特性是所发射的光束聚焦能力的量度，最好是输出光束的M²值。

类似地，用于对准第一和第二选择装置和第一和第二反射元件的质量量度可以包括任何上述特性。例如，质量量度可以包括第一和第二输出光束的总输出功率、第一和第二输出光束的M²值等。

本发明还涉及上述和后述激光***在印刷行业上，例如，在照排机上的使用。

具体地说，本激光***有利地应用于内滚筒式照排***。

因此，本发明还涉及内滚筒式照排***，所述内滚筒式照排***包括：

-滚筒部件，它具有用以接纳光敏材料的内表面；

-支持部件，它以可以相对于所述滚筒部件运动的方式安装，最好安装在滚筒部件内部；

-激光***，如上文和下文所述，用以产生至少两个输出光束，其中激光***安装在所述支持部件上；

-至少一个光学元件，用以为所述至少两个输出光束形成各自的光束路径，并且用以把至少两个输出光束聚焦在光敏材料上；以及

-用于使至少一个输出光束射向滚筒部件内表面的预定位置的装置。

在一个特别紧凑的实施例中，使至少一个输出光束射向滚筒部件内表面预定位置的装置包括至少一个输出光束的光束路径上转轴支承的反射镜，其中，控制转轴支持的反射镜，与可运动支承的支持部件合作，使至少一个输出光束射向滚筒部件内表面预定的位置。或者，可以例如通过提供滚筒和/或可以沿着纵轴运动的滚筒，提供把输出光束的焦点引导到滚筒部件内表面不同位置的其他配置。

在一个内滚筒式照排***中，滚筒上的焦点应该是圆形或正方形的，带有高斯强度分布。但是，由于按照本发明的激光***所产生的两个光束的相干特性，若两个光束都聚焦在同一区域，则会跨越所述焦点形成干涉带条，建立不均匀的强度分布。

按照一个推荐的实施例，所述至少一个光学元件还包括***所述输出光束之一的通路内的1/4波长板。

通过把1/4波长板***所述输出光束之一中，使所述输出光束之一线性偏振，而使另一个光束圆偏振，从而抑制焦点处的干涉带条。同样的方法可以扩展到数量多于两个光束的大量光束。在一个替代的实施例中，可以采用半波长板。

下面将结合推荐的实施例和附图更地解释本发明。

图1a-b表示按照本发明的一个实施例的激光***的示意图；

图2表示按照本发明的一个实施例的激光***中使用的激光二极管的简要透视图；

图3a-c表示沿着按照本发明的激光***中用的激光二极管远场的慢轴和快轴的扫描；

图4a-e表示包括付立叶透镜的光学配置示例的示意图；

图5a-c表示没有付立叶透镜的激光***示例的示意图；

图6a-c举例说明按照本发明一个实施例用于选择空间模式的空间滤光器的示例；

图7a-c举例说明按照本发明一个实施例的激光***中的放大媒质动态光栅的产生；

图8举例说明激光二极管计算的远场干涉图案；

图9表示对应于本发明一个实施例的闭环控制***的方框示意图；

图10a-d表示按照本发明一个实施例的反射元件的示例的示意图；

图11表示按照本发明一个实施例的产生4个输出光束的激光***的示意图；

图12a-b表示按照本发明一个实施例的带有集成反馈***的激光二极管的示意图；

图13a-b表示按照本发明另一个实施例的带有集成反馈***的激光二极管的示意图；

图14表示按照本发明一个实施例的包括单发射极堆叠的激光***的简要透视图；

图15表示按照本发明一个实施例的包括单发射极棒二极管的激光***的示意图；

图16表示按照本发明一个实施例的对准激光***的方法的流程图；

图17表示按照本发明一个实施例的在对准过程中激光***的配置的示意图；

图18表示按照本发明一个实施例在激光***对准过程中获得的远场分布曲线；

图19表示按照本发明一个实施例的激光***的远场分布曲线示例；

图20表示按照本发明一个实施例包括偏振耦合之前的调制的激光***的示意图；

图21表示按照本发明一个实施例包括偏振耦合之后的调制的激光***的示意图；

图22表示按照本发明一个实施例包括与光束聚焦结合的调制的激光***的示意图；

图23a-b举例说明按照本发明一个实施例的激光***在内滚筒式照排装置中的应用；

图24表示包括按照本发明一个实施例的激光***的内滚筒式照排装置的示意图；

图25表示包括按照本发明另一个实施例的激光***的内滚筒式照排装置的示意图；以及

图26a-b表示按照本发明一个实施例的激光***的示意图。

图1a-b表示按照本发明的一个实施例的激光***的示意图。按照本发明的激光***从一个或多个多模激光二极管101的外腔产生模式选择光学反馈。设置在光学组件108，例如，付立叶透镜的衍射平面103上或激光二极管101光学输出的远场中的空间滤光器109，连同两个外部反射元件106和112，例如，介电反射镜，向激光二极管101产生模式选择光学反馈。这使输出光束特性改变，并达到M²值小于2并带有改进的亮度的输出光束113和114。

二极管中的多重反馈在激光二极管有源区内产生动态光栅。所述光栅是由于在有源区内引起电子扩散的选定单模反馈光束之间的干涉而产生的。从而获得带有与干涉图案相同轮廓的光栅。由于所述腔的结构的缘故，用于多重反馈的模式彼此耦合，因此它们实际上是同一模式。这为干涉光栅提供了良好的条件。

二极管内各个模式的增益特性是可控的，因为非选择的模式经受较小的增益，而同时选定的模式由于反馈经受额外的增益。另外，未选定的模式受到二极管内引入的动态光栅额外的抑制，因为光栅优化到只衍射建立它的模式。所引入的动态光栅连同空间滤光器有力地改善了单模的增益状态，并抑制其余的模式。这使得基本上只有单模才可以存在。

为了在二极管的有源区内产生有效的动态光栅，最好只有源于单模(例如，模式N)的两个光束相互反应，以形成动态光栅。若光束源于其他模式，例如，相邻模式(例如，模式N-1和N+1)与上述模式N相互干涉，则建立一个对不希望有的模式的模式抑制并未优化的动态光栅。由于相邻模式的干涉，已经由单模的反馈形成的理想光栅被冲掉，因此妨碍对相邻模式的有效抑制。另外，为了避免相邻模式之间的模式竞争或耦合，在形成动态光栅的初期最好只有两个源于单模的光束。这可以结合反馈反射镜利用空间滤光器达到。

多模低相干轴的总功率集中于单模，带有与高相干轴的单模对应的良好光束质量。

图1a表示在包括低相干轴(SA)的低相干平面内激光***的平面图，而图1b表示在包括高相干轴(FA)的高相干平面内激光***的平面图。

参见图1a，所述激光***包括多模二极管激光器101，在前端面116上具有光发射有源区。在低相干轴(SA)的方向上，发射光对应于多个空间模式，各模式对应于一般被指定为z轴的光轴107周围的双瓣分布曲线。所述激光***还包括光学组件108，例如，付立叶透镜，具有相应的衍射平面103。空间滤光器109设置在衍射平面103上。所述空间滤光器设置两个狭缝110和111，各自选择与选定的空间模式的瓣对应的发射光束的一部分。例如，空间滤光器可以设置两条狭缝110和111。所述激光***还包括部分透明的反射元件106和112，例如，具有反射指数在100以下，例如，50％的介质反射镜，各自把分别由狭缝110和111选定的模式反射回激光二极管101。部分透明的反射元件106和112允许一部分发射光束透过，从而产生两个输出光束113和114。

部分透明的反射元件可以包括一个或多个介质反射镜。介质反射镜具有减少被散射的光对输出光束造成的干扰的优点。或者可以使用其他类型的反射镜，例如，金属反射镜、相位共扼的反射镜、光栅等。反射镜可以是平面的或者是球形的等。

还应指出，替代部分透明的反射镜，部分透明的反射元件可以包括不透明的反射器，与把来自双腔的一部分强度耦合到输出的其他装置，例如，分束器结合。

应该明白，两个反射元件106和112可以作为几段公用的反射器设置。例如，若采用准直光束，则所述反射器可以是平反射镜，其中反射镜不同的段起两个反射元件的作用。在采用非准直光束的情况下，可以采用单一球形反射镜。为了优化光学反馈，各反射元件的相应的反射面和z轴107之间的角度可以是90°或不同于90°。

因此，所述激光***产生两个耦合的输出光束113和114。这两个光束通过由二极管内部的动态光栅的衍射形成的光学闭环和三个反射镜：二极管101和两个部分透明的反射元件106和112彼此耦合。因而，所述激光***产生外部双反馈。两个部分透明的反射元件106和112的反射系数控制着反馈和输出使用的功率量的比率。另外，若这两个部分透明反射元件不具有相同的反射系数，则它们在二极管内引起非对称反馈，这样即可控制有源区内引入的动态光栅的特性。因此，可以控制所述两光束功率之间的比率。

按照本发明，调整SA付立叶平面上的两个滤光器狭缝110和111，以便使它们各自选择一个模式，所述两个模式以z轴107成镜像，亦即，分别按照角度θ和-θ、以z轴107成镜像。就是说，一个滤光器对图1a中的z轴选择一个半平面上的第N模式，而另一个滤光器选择相应的另一个半平面上的第N模式。因此，在两侧都选择相同的模式号N，从而避免模式竞争，并提供稳定的激光输出。

应该明白，实际上，模式N的瓣可以发射到角度θ+δ和-θ，其中δ是理想状态的小偏差，其中这些瓣发射到角度θ和-θ。为了补偿模式瓣发射到角度θ+δ和-θ的非理想的二极管，可以彼此独立地调整两个滤光器狭缝110和111的位置。

已经在试验中发现，在付立叶平面上，这些模式不一定在空间上作为完善的分离的分布存在。反之，这些模式可能重叠并由于衍射、像差等而存在噪音。因此，可以调整狭缝110和111的宽度来选择包括在反馈中的所需模式及其最近相邻模式的贡献。这样，可以把来自相邻模式对动态光栅的形成的破坏性作用减到最小，甚至将其消除。因此，为了使激光***获得高效率和高的光束质量，调整狭缝110和111的宽度的可能性是有利的。

应该指出，从许多角度看，二极管可以看作是反射镜。正如下文将要更详细描述的，二极管包括涂有提供小反射率的AR涂层的前端面。因此，前端面反射一部分反馈光束。这部分光束不会获得额外的增益，因为它从不进入所述二极管的有源区。所述二极管的后端面涂有HR涂层(标称值约90％反射或更大)，从而起反射镜的作用。二极管101内的动态光栅允许建立它的模式衍射。

现参见图1b，在高相干轴(FA)上，滤光是在高相干轴上完成的，从而也改善沿着所述轴的光束质量。这样做的理由是，例如，光学组件上的不完善降低了所述轴上的光束质量，并降低反馈光束的光束质量，因此也降低了输出的光束质量。滤光可以看做是频率滤光，因为它是作为光学组件的付立叶平面上的空间滤光完成的。因此，激光***包括具有衍射平面102的光学组件104，例如，付立叶透镜。用于在高相干轴(FA)方向上选择发射光束的一部分的空间滤光器105设置在衍射平面102上。另外，在图1b中，还示出一个用标号106标示的反馈反射镜。第二反馈反射镜(112)和透镜108在所述视图中没有示出。

在多模二极管的高相干轴上，一般只存在一个模式。因此，在所述方向上模式选择滤光器是不必要的。但是，在FA方向上用滤光器105进行的光束滤光提高光束质量，因为它消除了衍射、像差等、光学元件等造成的噪音。所以，用滤光器105在FA方向上进行的光束滤光还防止了来自选定的模式的光与来自衍射、像差等的不希望有的光在二极管内的破坏性干涉。因此，利用FA方向上的滤光可以避免激光二极管内的动态光栅效率的降低。

在一个实施例中，透镜108和104是圆柱形透镜，设置在不同的平面上。

在下文中，将对上述激光***各个组件进行较详细的描述。

图2表示在按照本发明的一个实施例的激光***中使用的激光二极管的简要透视图。激光二极管101是多模激光二极管，例如，多模Ga(Al)As激光二极管，其中，发射极204具有在100至1000μm之间的宽度206和1-2μm的高度205。内部腔的长度207一般在0.5和2.5mm之间。例如，可以购得的这种类型的二极管波长在780和850nm之间，提供从2瓦以下到10瓦或更高变化的光输出功率。

当通过电极201把泵电流施加于其上时，二极管101提供放大媒质。在传统的激光二极管中，两个相反的端面都涂有反射涂层，从而在它们之间形成激光腔。若一个端面，所谓后端面涂有高反射率(HR)涂层202，而相反端面-所谓前端面116涂有抗反射(AR)涂层203，则激光二极管从前端面的有源区204沿着光轴107发射激光束。例如，HR涂层可以提供90％或更高的反射率，而在传统的二极管中AR涂层提供一般8％至10％之间的反射率。这些涂层决定了二极管的腔反射镜的特性，从而决定放大比率和光输出比率之间的关系。

按照本发明，希望来自反馈光束的高的内耦合(in-coupling)度是所希望的。适当选择前端面AR涂层的反射率，可以控制分别来自内部腔和来自外部腔的贡献的相对影响。一方面，把前端面的AR涂层的反射效率减到最小，从而提供反馈的较高的内耦合度(in-coupling)，结果是反馈***内不被选择的模式的放大相对较低，这是有利的。这是由于这样的事实，即，较低的反射引起二极管阈值上升，从而使模式抑制作用增大。于是，没有选中的模式被进一步抑制，最好它们不能征服激光发射条件而消失。另一方面，反射系数不应选得过低，因为在那种情况下激光发射的过程无法开始。因此，按照本发明，反射率的值最好为0.05％至20％。在完全对称反馈的情况下，反射系数在0.05％和1％之间，在0.05％和0.5％之间更好，而同时在对称反馈的情况下，最好采用较大的反射系数。

在发射带条204的宽度206的方向(SA)上，所发射的激光束具有低相干轴，而沿着发射带条204的高度205的方向(FA)上具有高相干轴。单发射极二极管的偏振是线性的，例如，垂直于或平行于低相干轴。

在某些二极管中，发射极带条204分成若干段。这类似于所谓二极管棒，其中几个发射极彼此相邻设置。但是，分段二极管中这些发射极源自同一发射极。发射极分成几个子段，例如，通过把宽度为几微米的损坏引入激光发射材料，或把这样的周期引入电极201。

图3a-c表示沿着图2所示激光二极管的远场慢轴和快轴的扫描。图3a和3b的曲线形状分别称作低相干轴(SA)和高相干轴(FA)的远场分布曲线。图3a-3b的示例是针对波长808nm并具有200μm×1μm的发射极带条的Coherent Inc(公司)制造的3W二极管获得的，而图3b表示不同的二极管的远场分布曲线。

图3a表示结合图2所描述的激光二极管沿着低相干轴的光束分布曲线的扫描。每一条曲线表示沿着低相干轴并通过高相干轴的分布曲线的中心的横向扫描(cross scan)(如图3b所示)。所述扫描是用高分辨率扫描技术获得的。不同的曲线对应着二极管不同的驱动电流电平，并因此对应不同的输出功率：曲线301对应于3000mA、曲线302对应于2500mA、曲线303对应于2000mA、曲线304对应于1500mA、曲线305对应于1000mA、而曲线306对应于500mA。可以把各个模式看作是曲线上的小尖峰信号。

一般说来，对于超过阈值电流的驱动电流，沿着低相干轴的远场分布曲线呈M形。然而，详细的形状会依二极管类型的不同而不同，而且即使对于同一类型，不同二极管也不相同。其中，其形状取决于二极管的几何形状(腔的宽度和长度)。另外，如图3a所示，驱动电流有强烈的影响。

从图3a还可以看到，SA远场分布曲线在中心周围，亦即在光轴周围，具有某种程度的对称性。但是，对称的程度取决于各个二极管。一般同一类型高质量的二极管在其远场分布曲线方面几乎是相似的，而且它们具有基本上对称的远场分布曲线。

远场分布曲线可以通过对二极管施加反馈加以改变。远场分布曲线的改变对应于输出光束中各个模式之间的总输出功率的分布。输出功率最好在不引起二极管材料的损坏的情况下尽可能集中在单模上。

模式号高于最低次模的单模在远场中呈现出两个峰，位于角度θ和-θ处。最低次模对应于角度θ＝0，亦即沿着光轴的发射，而较高次模式对应于较大的发射角度。对于每一个峰值处于角度θ的较高次的模式，在光轴的另一侧有一个特性相同的对称峰值。因此，在角度θ辐射一个峰值，在角度-θ会有另一个。在原理上这两个峰值是彼此依存的。但是，通过由按照本发明的激光***引入的反馈，它们通过闭环光学反馈而彼此高度依存，它们可以看作是双瓣的单模，亦即发射角在θ和-θ的瓣。这产生了本激光***的特别耦合的双光束输出。

应当指出，随着使驱动电流上升，越来越多的模式克服激光发射条件，从而在输出光束中存在越来越多的模式。因此，如图3a所示，在SA方向上，输出光束的发散随着驱动电流而改变。因此，对于反馈的最优模式选择取决于驱动电流。另外，通过改变各个模式的增益特性，可以在给定的驱动电流下使一般不存在的模式存在。正如下面将要描述的，在按照本发明的模式选择程序中考虑了上述特性。

图3b表示联系图2描述的激光二极管沿着高相干轴的光束分布曲线的扫描。每一条曲线表示沿着高相干轴并通过沿着低相干轴的分布曲线中心的交叉扫描。所述扫描是用高分辨率扫描技术获得的。不同的曲线对应于流入二极管的不同驱动电流电平，因而对应于不同的输出功率：曲线312对应于2500mA、曲线313对应于2000mA、曲线314对应于1500mA、曲线315对应于1000mA、而曲线316对应于500mA。在这个方向上，可以看出，只存在一个模式。此外，图3a-b举例说明沿着高相干轴分布曲线的宽度较大，就是说，光束沿着所述轴较快发散。在图3a-b的示例中，发散角在高相干轴上超过40°，而在慢轴上发散角只有12°。

图3c表示沿着本发明一个推荐的实施例中使用的激光二极管低相干轴的远场分布曲线。所述二极管是单带条二极管，发射宽度为1000μm，在830nm下提供10W的输出功率。

图4a-e表示包括付立叶透镜的光学配置示例的示意图。

图4a举例说明由图1a-b所示的激光***低相干(SA)方向上光学组件108产生付立叶变换。如上所述，激光二极管101发射对应于不同角度θ下从前端面发出的不同模式的光。在图4a中，举例说明对应于单模式的光束400。所述模式从整个激光器表面发射。所述模式的光线彼此平行地以发射角θ发射，直至与透镜108的反应出现在离开激光二极管中心401相距s1处。

在低相干轴上付立叶变换的有利特性是，在付立叶平面上所述光束对应于最后会聚在同一个点的一个模式，而不管激光二极管的宽度。这具有这样的优点，这里描述的模式选择技术的作用是与二极管宽度无关的。另一个优点是，所述模式选择技术对其他激光二极管类型，诸如激光阵列或激光棒是理想的，因为付立叶变换与光发射极部件的宽度无关。

应该指出，由于激光二极管的象散性能，SA上的光束看来源自二极管的中心，而FA上的光束看起来源自二极管表面。

在二极管101中心存在光束的腰部，对应于所述装置的物体。因此，平面401可以看作是物平面。透镜108在距离透镜108 s₂距离处的图像平面403上产生近场图像。在离开透镜108对应于透镜108的焦距f的一段距离处，所述模式的光线以θ的角度辐射，并在空间中在衍射平面402上P点处的空间中相遇。所述平面402上P点的位置是角度θ、距离s₁和焦距f的函数。因此，透镜108把透镜上的入射角θ变换为衍射平面402上的P点位置。以不同的角度传播的模式映射到衍射平面上的不同的位置。

于是，模式便在空间上分离。因为在从多模激光二极管发射的光束中存在具有以其传播角分立分布的许多模式，这些模式分立地分布在衍射平面上。若把屏幕设置在衍射平面上，则可以看到线性条纹的图案，其中每一条条纹对应于一个模式。应该明白，所述图案是二维的，其中一个轴对应于与单模对应的FA，对应于单模，而其余一个轴对应于与几个模式对应的SA。因此，所述图案是由线条构成的。若所述二极管具有两个低相干轴，则会得到点的图案。

所以，在衍射平面402上，模式可以在空间分离。相应地，当设置在衍射平面402上时，按照本发明，图1a的空间滤光器109起模式滤光器的作用。应该明白，偏离衍射平面一个小的位移，例如，付立叶透镜焦距的10％，最好小于5％，仍旧允许在空间上区分不同的模式。但是，在离衍射平面更远处进行空间滤光，空间滤光器的模式选择性就较差。离衍射平面更远，亦即比焦距更远，空间滤光器只起光束切割器的作用。

应该指出，在上面的讨论中，并不要求光线400来自单一二极管。例如，作为替代，源自三个二极管的三条光线排列成棒状。重要的是传播角，在一个本发明的实施例中棒、阵列等可以用来代替单一发射极二极管，从而进一步增大输出功率。

用于进行这样的付立叶变换的光学元件最好是无像差的(限于衍射)，良好对准的，从而提供尽可能接近地模拟实际的远场的高质量光学付立叶变。若透镜，例如，引入像差，或者，若没有对准，则衍射平面上的图案不等于远场中的图案。

另外，图1a中空间滤光器103和反射镜106、112之间的距离最好尽可能的小，最理想距离为零。为了从反馈反射镜获得最优的反馈反射，反射镜的表面应设置在付立叶平面上。为了做到这一点，可以把滤光器在付立叶平面的前面移动一段小距离(例如，50μm)，而在模式选择上没有显著的差别。

当构造用于按照本发明的激光***的光学***时，应该考虑以下几个方面。首先，激光二极管101的发射极宽度比高度大得多。其次，激光二极管具有象散。FA和SA的物点并不位于沿着z轴的平面上。物点是二极管区域中光束的相应的FA和SA部分的光束腰部。SA的物点处于腔中心，如图4a中标号401所举例说明的，而FA的物点处于前端面116上。

图4b-c举例说明用于进行付立叶变换的光学***的一个实施例，它有单轴光学部件，例如，同时工作在一个轴上的非球形圆柱形透镜构成。按照所述实施例，至少两个透镜104和108，在FA和SA方向上各用一个。结果出现这样的情况，即FA和SA的付立叶平面404和405可以分别位于两个不同的z轴平面上，亦即它们不必一致。在图4b-c的实施例中，透镜104和108产生准直光束。

FA和SA分别使用单独的透镜，这提供把FA和SA滤光分离为较少机械损坏的两个不同位置的机会。采用不同焦距的单独的透镜还有这样的好处，即，透镜在两个方向提供放大，从而改善宽和窄的带条的成像，其次，允许输出光束形成圆形(或正方形)，而不是椭圆形(或矩形)。还消除了在外部腔之后进行这样的补偿的必要性。

在一个替代的实施例中，可以使用一个既在慢轴上又在快轴上起作用的公用的光学组件。这样结合的透镜的优点是，它只需在一次准直对准。

图4b-c的***在准直光束中提供付立叶转换，从而在外部腔之后产生准直输出光束，而且由于在衍射平面上的高放大倍数，对滤光的允差要求低。

采用这样的配置，部分透明的反射元件(图4c-d中未示出)可以是平反射镜、相位共轭反射镜等。

应该指出，在上述配置中，透镜108在图4b中未示出，而透镜104在图4c未示出。

图4d-e举例说明进行付立叶转换的光学***，它由单轴光学部件构成，并提供聚焦光束。在某些情况下，它通过单独把SA和FA轴聚焦在相同的z平面，而不是用两个透镜使光束两个部分相等地准直，可能较易避免象散。图4d-e中示出聚焦付立叶***的一个实施例。在图4d-e中，标号406和408分别标示FA和SA的付立叶平面，而标号407和409分别标示FA和SA中图像平面。在一个实施例中，透镜104和108是非球形圆柱形透镜，它分别在SA和FA中产生聚焦光束。

所述实施例的一个优点是消除象散。

应该指出，在上述配置中，透镜108在图4d中未示出，而透镜104在图4e中未示出。

在一个实施例中，部分透明的反射元件(在图4d-e中未示出)可以是设置在透镜104和108的图像平面上的平反射镜。但应指出，激光束的强度在焦点上可以变得非常高，特别是若M²接近于1。这涉及反射镜上的反射镜涂层被烧掉或反射镜衬底可能损坏的危险。在避免所述问题的另一个实施例中，部分透明的反射元件是球形反馈反射镜，设置在离图像平面的距离为其曲率半径的位置上。

图4d-e的实施例产生聚焦光束并仍旧允许与轴线无关的放大，消除象散和FA和SA轴的不一致的付立叶平面。公用透镜以后可以用来例如使光束准直，通过调制器将其聚焦等。

应该明白，上述两个原理可以结合，例如，通过用在FA上产生聚焦光束并在SA上产生准直光束，两个非球形圆柱形透镜提供与轴线无关的付立叶变换。

例如，在一个实施例中，光束可以在快轴方向上聚焦在反馈反射镜上。这相当于图4d中举例示出的装置。反射镜在所述方向上可以是平的，因为其表面设置在焦点上。空间滤光器可以设置在付立叶平面上以消除图1b滤光器举例示出的噪音。在反馈反射镜之后，第三透镜可以用来将所述输出准直，并连同FA付立叶透镜一起起光束扩展器的作用。这带来一个好处，就是可以仅仅通过工作在快轴上的光束器来消除输出光束的椭圆度。其次，通过准直可以消除象散。

如图4c所示，沿着慢轴，准直的光束可以用来产生付立叶平面。这带来一个好处，增大放大倍数，这使对模式滤光器的机械允差要求降低。

为了获得良好的模式选择，一般用于激光***中的透镜最好是(尽可能)无衍射的。于是，最好用诸如消色差或非球形透镜等透镜，而且由于高象散，最好采用单轴光学装置。高质量透镜改善光束质量，并在激光***中促进有用的反馈的建立，因为例如，避免了来自透镜的像差，这本来会引起各个模式在衍射平面上混合。

因此，上面已经公开用于在按照的本发明的激光***中提供付立叶变换的不同的光学***。

图5a-c表示没有付立叶透镜的激光***示例的示意图。

图5a的***包括如上所述的激光二极管101和球形反射镜501。球形反射镜501设置在离二极管101一个曲率半径的距离处。因此，从二极管起的光路长度对于每一个辐射角θ都是相等的。

反射镜501包括制成部分反射和部分透明的球形段502，而同时，其余表面504制成吸收的。因此，实现在远场中的模式选择反馈并提供两个输出光束503。

应该指出，替代或附加在带有不同段的反射镜上，可以在二极管和反射镜之间采用空间滤光器。还应指出，若透镜等不消除二极管的像散，则球形的半径在FA方向和SA方向不同可能是有利的。

所述***的一个优点是，其中直接采用远场，而没有付立叶变换光学装置，外腔简单而短。但应指出，腔的长度受Fraunofer衍射规则限制。

图5b-c举例说明另一种没有付立叶透镜的激光***，其中借助于平面反馈反射镜实现模式选择反馈。图5b举例说明带有单反馈反射镜510的***，所述单反馈反射镜510提供模式的单瓣反馈，而仅仅对于法向入射到反馈反射镜的模式才获得闭环反馈，如箭头512所示。如箭头513所示，非法向入射到反射镜的模式不反射回二极管101，或者至少仅仅部分地反射回二极管。另外，非法向入射反馈反射镜的模式不会建立闭环通路，因而与法向入射反射镜的模式相比，这样的模式被抑制。图5b表示带有用以获得模式两瓣反馈的部分反射的平面反馈反射镜510和511的相应的激光***。

图6a-c举例说明按照本发明一个实施例的用于选择空间模式的空间滤光器的示例。

如上所述，当在例如联系图4a-e描述的光学付立叶变换***产生的付立叶平面上存在远场图案或充分接近远场图案的图案时，可以在这样的平面上进行模式选择。模式选择是在远场中或付立叶平面上的空间滤光器完成的。

图6a举例说明空间滤光器的一个实施例。空间滤光器包括形成狭缝603形式的开孔的两个滤光器刀片601和602。为了避免非选择的模式的反射和散射，最好滤光器刀片的前表面604，605，606和607，亦即面向激光二极管的表面，以及后表面608和609应该具有较低的反射率。狭缝603的边缘610应该足够锋利，以便限制光束的衍射。前表面的区域606和607成一定角度，以便沿着离开二极管的方向引导来自非选择模式的反射。为了获得严格规定的模式选择，狭缝的边缘610具有低的粗糙度，并形成一条直线(与画面正交)。例如，滤光器刀片可以用刮须刀片或空气狭缝实现。狭缝603的宽度和位置应该可以以微米的分辨率调整。

应该明白，对于图1a中的付立叶平面的半平面中的一个，图6所示的滤光器可以用作模式滤光器，就是说开孔603对应于图1a中的开孔10和11中的一个。另外，图6所示的滤光器可以用作高相干轴上的滤光器，亦即用作图1b中的滤光器105。因而，在一个实施例中，图1a-b的激光***包括三个图6a所示类型的空间滤光器：一个用于FA方向，而SA方向上付立叶平面的每个半平面一个。在一个实施例中，快轴和慢轴上的滤光器可以结合成单一的具有2d开孔的滤光器装置。

图6b表示从激光二极管方向看的空间滤光器。如上所述，标号601指形成狭缝603的滤光器刀片。标号611和612表示空间模式的模式线的图解说明。因此，每一条线611和612都示意地表现空间模式的瓣，其中与线612对应的模式由空间滤光器选择，而同时阻止模式611通过滤光器。标号613表示z轴，它指向画面。如图6b所示，滤光器刀片最好应该平行于模式线611和612。

因为模式线并非完美的直线，而是由于例如光学装置中的不完善等而弯曲，所以，滤光器刀片601和602绕z轴613的旋转是所述激光***对准的优化参数。

因此，每一个空间滤光器的对准的优化参数包括：

-滤光器位置：在SA上，它影响模式的选择；在FA上，它影响光束的边缘切割。

-滤光器开孔的宽度。

-滤光器绕z轴的旋转。

最好在监视结果输出的同时对上述参数进行叠代调整来进行滤光器的对准过程。

因此，滤光器最好允许对上述参数的独立控制。调整可以利用微米级螺钉或类似的装置来完成。在更苛刻的情况下，例如，可以采用压电技术。对于自动优化过程，可以采用微动马达、直流马达等。

图6c举例说明集成在部分透明的反射元件中的空间滤光器。所述滤光器包括滤光器刀片或具有刀片622的反射镜衬底621。部分反射/部分透明的反射镜带条623具有对应于单模宽度的宽度，设置在滤光器刀片的边缘622上。在一个实施例中，反射镜表面设置在付立叶平面上。在所述实施例中，在光束分布的中心不设置滤光器刀片，而反馈反射镜衬底621作为光束的输出部分中的滤光器而工作。

图7举例说明按照本发明一个实施例的激光***中的放大媒质内动态光栅的产生。如上所述，按照本发明的激光***的外腔包括至少一个反射元件，例如，反射镜、相位共轭的反射镜、棱镜等，以便向激光二极管提供光学反馈。图7举例说明从激光二极管101产生双腔的光学反馈和两个部分透明的反射元件106和112。

还应指出，图7的激光***不包括单独的模式选择或光学装置。在这样的***中模式选择依赖于这样一个事实，即，每一个模式都以相对于二极管前端面的表面法线107的相应角度传播。因此，可以调整平反射镜的倾斜角，使得基本上只把一个模式反射回激光二极管。其他模式不会射中二极管。因此，反射镜起模式滤光器的作用。

外部反射镜106和112是部分反射反射镜，其中入射光束的相应部分B1’和B2’分别作为光束B3’和B4’被反射。入射光束的其他部分分别作为输出光束113和114透射过去。可以把激光二极管看做是更先进的反射镜，它在前端面AR涂层上、有源区内的动态光栅701上和后端面的HR涂层上提供反射。二极管反射镜不把光束送回入射光束来自其中的同一个腔，而是使入射光束指向另一个腔。于是，获得双光学腔，在激光二极管内，一个腔的光束取决于另一个腔中的光束，对应于光束B1’，B2’，B3’和B4’的光束分别标示为B1，B2，B3和B4。

如上所述，远场中激光二极管的输出呈M形分布。为了便于进行当前的描述，假定在反射镜106和112的有源区中存在这样的远场。因此所述反射镜区域可以分成两个半平面，相对于图7上(对应于反射镜106)和下(对应于反射镜112)平面。因此，M形分布的一个峰值位于一个半平面上，而另一个峰值在另一个半平面上。如上所述，一个半平面上的模式对应于另一个半平面上的镜像模式，反之亦然。原则上，两个镜像模式彼此独立，但它们具有镜像的特性。

但是，用反射镜106和112进行光学反馈的结果是，一个半平面上的模式耦合到另一个半平面上的模式。通过反射元件106和112的反射系数可以控制两个模式的耦合比率。较大的反射率通过强反馈得出强耦合。但是，其结果是，低的输出功率比率，因为光束的大部分用于反馈。另一方面，低的反射率由于弱的反馈得出弱的耦合。这里输出功率比第一状态高得多。在完全对称的***中，每一个反射镜的反射率最好在10％和50％之间。在要求非对称反馈在情况下，一个反射镜最好具有接近100％的反射率，而其他反射镜具有5％和50％之间的反射率。

若反射镜106和112的反射系数相等，则在两个半平面都提供强度对称的耦合。若一个反射镜的反射系数大于另一个的反射系数，则在相应的半平面上输出光束的强度低于另一个半平面上的输出光束的强度。因此，在两个反馈中和对模式的耦合中都引入非对称性。因而，两个输出光束113和114强度上的差异由两个反射元件106和112的反射系数的比率决定。

因此，反馈***不仅向二极管提供光学反馈，而且还控制着输出光束和反馈光束两者的强度的对称/非对称水平。反馈***还使镜像模式对彼此耦合，而且它控制耦合强度与输出功率比率的关系。

下文中，将描述带有模式选择反馈的激光二极管内的机制。

二极管101的有源区起多层结构的作用，其中由于涂有涂层的端面702和703上的多光束反射和在这些层的界面上的透射，可能存在多光束的干涉。以入射角θ射在媒质表面上的光束被多次反射，并通过所述结构透射。在例如Pedrotti FL & Pedrotti，LS在”Introduction of Optics”(”光学导论”)，Pdentice-Hallinternational edition中描述了这种典型的多光束干涉状态。除了典型状态以外，在激光二极管当前的情况下，分层结构在某些层上提供增益。于是，对于在二极管媒质内部的每一次反射，多光束被放大，而不是具有典型的损耗。若在放大媒质中放大超过损耗，则强度增大，并在某种电平下，强度变得如此之高，以致放大媒质的材料损坏。出现这种情况的电平决定于反射次数与增益的关系和入射光束的强度。通过放大媒质的光路长度决定了放大倍数。

所述分层结构的后端面702涂有HR涂层。因此，大部分多光束被反射回二极管。涂有AR涂层的前端面703提供大部分输出。由于多光束干涉的标准特性(normal properties)，这个输出可以产生干涉图案。

图8举例说明算出的激光二极管远场干涉图案。这样一种计算包括针对带有激光二极管特性的***的，作为入射角的函数的多光束干涉图案的计算。随后对每一个入射角所有干涉图案进行求和计算，得出图8所示的曲线。曲线801呈现在多模激光二极管的远场上看到的干涉图案。这里对所述计算进行拟合，以便对应于图3a所示的激光二极管的实测远场分布曲线。

曲线801实际上对应于不带有模式信息等的实远场的环绕曲线。算出的曲线801说明，处于相长干涉角度间隔上的模式(用标号802标示)应该用于反馈。处于相消干涉角度间隔上的模式(用标号803标示)具有低的强度，并因此它们提供弱反馈。

远场分布曲线特有的M形看来与算出的多光束干涉图案具有很强的相似性。

因此，二极管的远场分布曲线强烈地取决于二极管内腔多层结构内部多光束干涉的特性。这里指出以下一点是重要的，即，还存在许多其他作用，但多光束干涉是一个重要的作用。

算出的曲线801假定，没有有增益的自发发射对所述曲线作出贡献。然而，由于自发发射而作出贡献的光束部分，其行为与输入光束较高的强度的行为相同。因此，这个模型对于自由振荡的二极管和既从反馈又从外部激光器取得注入光束的二极管是有效的。

M形分布曲线内的上升和下降段(up-and down turns)分别是由相长和相消干涉造成的。靠近零度入射角处，干涉条纹弱，而且它们互相抵消(wash out)。在较大的入射角处，条纹之间的距离变大，并存在强干涉。因此，曲线801提供了由于与中心处正常水平相比的相长和相消干涉特性而达到附加增益的角度间隔802的指示。

M形远场的边缘并不由多光束干涉计算限定，而是粗略地由二极管发射极带条的宽度和所述二极管腔长度的关系限定。所述信息可以用来在例如±4度以上切除远场分布曲线，如图3a所举例说明的，这是开始相消干涉的角度。对于其他几何形状的二极管可能出现M形分布曲线的其他形状，例如，沿着分布曲线的边缘缓慢切除。但是，最好采用带有尖锐的M形分布曲线，因为大于最高强度的角度的角度自然被二极管去除。应该指出，诸如端面涂层内的散射、光子压力造成的发散、高次效应等其他作用也对所得干涉图案有所贡献。但是，上述简化的线性模型对理解按照本发明的激光***是有用的。

总而言之，由选择装置选择的，从而用于反馈和模式选择的角度最好应该对应于由二极管”增益奖励”的角度，亦即图8中区域802中的角度，因为从多光束干涉的角度看，这些模式是最适合于进行反馈的。在图8的示例中，这对应于约4度的角度。但是，所述值取决于所用的二极管。

模式选择反馈使反馈光束基本上是单模光束。由于二极管的增益特性，这些光束被激光二极管的有源区中的受激发射放大。

再次参见图7，在二极管101内，光束B1，B2，B3和B4产生具有以下条纹间隔的条纹的干涉图案701：

d＝λ(2sinθ)

式中λ是光束的波长，而θ是媒质内的传播角度。

例如，对于入射角为4°的830nm光束，条纹间隔约为6μm。例如，在200μm宽的发射极中，在所述角度下在二极管中可以存在33条条纹。

这个干涉图案中的对比度不必在二极管有源区的所有区域都相同，因为光束的强度可能由于非对称反馈和增益特性而在所述区域中彼此不同。可以算出由光束辐照度分别为I₁和I₂的两束光束造成的条纹对比度

条纹对比度＝(I_max-I_min)/(I_max+I_min)

式中

I_{\max} = I_{1} + I_{2} + 2 \sqrt{I_{1} I_{2}}

和

I_{\min} = I_{1} + I_{2} - 2 \sqrt{I_{1} I_{2}}

因而，带有相同强度的两个光束给出最大条纹对比度4I₀，其中I₁＝I₂＝I₀。由此，干涉图案的可见度取决于辐照度的大小。

已知干涉图案中对比度的差值会引起自由电子的扩散，引起折射率跟随二极管内干涉图案的变化。因此，在二极管中引入光栅701。这个光栅对波长和传播方向是有选择性的。所述光栅允许建立它的模式的光束存在，而同时它抑制其他模式，从而在激光二极管内提供有效的模式选择。

已建立的光栅701是动态的，亦即若反馈光束B3’和B4’改变，则它也改变。因此，可以通过外部反馈条件控制这个光栅。反馈光束的辐照度控制光栅的强度，而反馈光束之间不对称性以及反馈光束之间强度的比率控制光栅的对比度。

随着入射角增大，上述光栅的强度降低，而若入射角变得太大，例如，10度，则光栅不再存在。这是由于自由电子的重新结合，其中重新结合的时间正比于决定光栅强度的三阶灵敏度。因此，应该使用小的入射角，最好小于7°。光栅效率取决于动态光栅线的深度。于是，低的入射角给出高的效率，而高的入射角给出低的效率。

另一方面，对于大角度光栅的选择性最强，而小角度弱。角度最好大于约3°。

因此，在推荐的角度下，在光栅效率、光栅选择性和相长干涉区域的效果之间的折衷的情况下，存在总体最高效率的光栅。作为一个示例，对于图3a-b示例的二极管，最好在3.5至4.0°的区域。这已经得到试验结果证实。

还应指出，由于激光二极管内4波混合的出现，输出光束B1’耦合到输出光束B2’，反之亦然。另外，反馈光束B3’和B4’也彼此耦合。4波混合有助于建立这样的光栅，该光栅具有与由上述线性效果建立的光栅相同的特性。因此，4波混合的效果起稳定非线性效果的作用，从而提供更强的模式选择光栅。

于是，在激光二极管内建立有效的模式选择光栅的条件是：

-反馈光束应该这样选择，即正如联系图8所描述的，角度位于相长干涉间隔的范围内。

-所述角度应该选择得足够小，最好小于7°，以保证高的光栅强度，这涉及电荷复合的时间。

-所述角度应选择得足够大，最好大于3°，以保证最优衍射效率。

因此，上述条件提供了为入射角范围寻找推荐的间隔的准则。应该指出，光栅效率、强度和干涉取决于材料的特性和激光二极管的几何形状。于是，有助于动态模式选择光栅建立的线性和三阶作用受双反馈***的特性控制。

图9表示对应于本发明一个实施例的闭环控制***的方框示意图。上述光学反馈***的特性可以与控制***相比，结果得出双光学反馈***的描述。方框901a和901b对应于贡献于光束B1，B2，B3和B4的激光二极管中的自发发射。方框902a和902b对应于由放大媒质提供的增益，结果得出输出光束B4’和B3’。反射器106和112分别提供反馈信号B4’和B3’，并分别输出信号113和114。

于是，图9的控制***相当于标准的闭环控制***。反馈信号以光学方法由反射元件读出。所述***内的所有信号都是光学的。

应该指出，闭环控制***可以对称操作，亦即反馈信号B3’和B4’强度相等。在所述反馈中，因而在输出中也可以有不同程度的非对称性。闭环控制***甚至可以采用接近开环***的特性，亦即一个反馈光束比另一个强得多，但对闭环控制***有利。

图10a-d表示用于按照本发明一个实施例的反射元件示例的示意图。

图10a表示反射元件的第一实施例。反射元件1001包括单一的部分透明的反射镜，其中反射镜的两个半平面106和112为双腔的两个半平面提供反射元件。应该明白，图10a中的虚线1002只是为了举例说明的目的而加上的。在这个实施例中，两半反射镜不是物理上分开的。可以把反射元件106和112结合为一个单一的反射镜1001，因为在一个实施例中，各反射元件被设置成离所述二极管相同距离而又彼此平行。从而在所述实施例中，反射元件106和112具有相同的反射率，相当于对称反馈。

或者，反射区域106和112可以用非反射区域分开，例如，设置AR涂层或把非反射元件安装在反射镜的表面上。

图10b表示反射元件的第二实施例。反射元件包括单一的部分透明的反射镜，其中反射镜的两段106和112涂有反射涂层，提供不同的反射率。

把带有不同反射率的涂层的两个反射镜设置在同一衬底上，提供两个反射元件106和112，它们一起对准，例如，作为共同的单元，从而保证两个反射镜准确对称对准。

在图10b的示例中，反射区域106和112用非反射区域1004分开，例如，设置AR涂层或非反射元件，安装在反射镜表面上。

图10c表示反射元件的第三实施例。按照所述实施例，两个分开的反射镜设置成在它们之间具有缝隙1006。所述实施例为对准提供额外的自由度，因为两个反射镜可以单独对准，从而降低了对二极管发射的光束的准直的要求。若激光二极管发射的光束发散，则每一个反射镜都需要提供对准的两个自由度：

1)绕FA轴(Rot_FA)，和

2)绕SA轴(Rot_SA)。

对准的目的是使尽可能多的反馈光束直射回二极管，并成直角。

图10d表示反射元件的第四实施例。按照所述实施例，设置两个单独的反射镜106和112，它们之间具有缝隙。空间滤光器1008设置在所述缝隙中。所述滤光器可以阻断所述二极管的不提供最优反馈的中心模式。应该指出，具有中心滤光器的反射镜的对准可能进一步要求绕z轴的旋转对准，以便使滤光器对准模式线。

应该指出，尽管图10a-d所示的滤光器呈矩形，但也可以选择其他形状的反射镜。

应该指出，强反馈并不只取决于反馈元件的反射率。耦合入二极管的比率也取决于Snell定律的特性。这导致最优反馈角和二极管前端面上的AR涂层最优反射率的选择。

注意，反射镜的射出面，亦即指向离开二极管的表面可以设置AR涂层，从而减少从所述反射镜第二面的反射。

一般说来，反馈反射镜最好具有高质量表面平度，最好是λ/10或更好，其中λ是激光束的波长，目的是保证高的光束质量。

图11表示按照本发明一个实施例的产生4个输出光束的激光***的示意图。所述激光***包括激光二极管1101，它带有两个输出端面1102和1103，为了在两个方向上都产生输出光束，每一个端面都涂有AR涂层。带有两个输出端面的激光二极管具有和单一输出端面相同的特性，亦即从输出端面1102发出的光束和从输出端面1103发出的光束都受所述二极管有源区内动态光栅的影响，类似于单一输出端面的激光***。

在激光二极管的另一侧，设置双腔，每一个都包括一个付立叶透镜1108、空间滤光器109和部分透明的反射元件1106和1112，类似于上述提供两个输出光束的***。因此，图11的激光***总共产生4个输出光束1113，1114，1115和1116。应该明白，这样的激光***并不比具有一个输出端面的***产生更大的总功率；总功率只是分散于4个光束之间。

图12a-b表示按照本发明一个实施例的带有集成反馈***的激光二极管的示意图。

图12a表示一个激光***，包括具有集成在所述激光二极管中的角度选择滤光器1203和1204的激光二极管1201。所述二极管1201包括放大媒质1202、涂有HR涂层的后端面1226、角度选择滤光器1203和1204和涂有AR涂层的前端面，所述前端面包括其相应的表面之间的角度为2θ的两个非平行段1207和1208，其中θ是选定模式的发射角。角度选择滤光器203和1204设置成选择性地让光束1215和1216分别垂直地通过段表面1207和1208，而同时阻断在基本上所有其他方向上传播的光束。所述***还包括外部部分透明的反射元件1211和1212，提供反馈光束1219和1220，和上述输出光束1223和1224。因此，图12a的激光***提供双腔激光***，其中选择装置集成在激光二极管内。

带有角度选择滤光器的激光器可以用几种方法产生，例如：

-取决于角度的光栅，可以在适当的材料(例如，Si或InP)中建立全息照相等。光栅或全息照相可以由电子束光刻、全息照相光刻、毫微刻印(nano imprint)光刻和其他方法产生，从而提供光学滤光器。产生光栅或全息照相之后，把光学滤光器用称作混合集成的光学组件集成的方法附在激光二极管上。

-可以采用单片技术，把激光器和滤光器集成在单一的器件上。滤光器用类似于上述使用的程序的技术产生，亦即用电子束光刻、全息照相光刻、毫微刻印(nano imprint)光刻和其他方法产生。光栅或全息照相可以在用以制造激光二极管的同一材料，例如，GaAlAs，InGaAs等上形成。

在两种情况下都由外部反射元件1211和1212提供反馈，使之达到光束之间的耦合。

图12b表示带有两个输出方向的集成激光器的一个示例。在所述示例中，角度选择滤光器1203和1204和外部反射镜1211和1212在激光二极管1201的两侧带有不平行的段1207和1208的输出端面，从而提供四个输出光束1223，1224，1225和1234。

图12a-b所示的集成激光器可以形成所示的形状，它可以呈二次曲线形或者它可以具有其他形状。

图13a-b表示按照本发明另一个实施例的带有集成反馈***的激光二极管的示意图。

图13a表示激光二极管1301，正如联系图12a所描述的，包括放大媒质1302、涂有HR涂层的后端面1315、角度选择滤光器1303和1304以及带有两个不平行的段1307和1308的前端面。角度选择滤光器的集成可以用类似于上述的方法产生。按照所述实施例，反馈反射镜1311和1312和激光二极管集成在一起，从而提供单一的单元，产生两个输出光束。反馈反射镜1311和1312可以使用光栅、全息照相或用输出端面的涂层与激光二极管集成在一起。滤光器1303和1304还进一步与反馈反射镜1311和1312在同一光栅或全息照相中结合，使得光栅或全息照相在某个角度(例如，6度)下具有例如0.5的反射率，而同时在不同于6度的角度下反射率接近0(例如，在6.5度下反射率可以是0.05)。集成反射镜提供反馈，达到所有光束之间的耦合。集成激光器产生两个输出光束1323和1324。

图13b表示具有两个输出方向的集成激光器的一个示例。在所述示例中，角度选择滤光器1303和1304和反馈反射镜1311和1312集成在具有在两侧带有不平行段1307和1308输出端面的激光二极管1301的两侧，从而提供4个输出光束1323，1324，1333和1334。

图14表示按照本发明一个实施例的包括单发射极堆叠的激光***的简要透视图。如上所述，在激光二极管内，所有存在的模式都在空间中混合，无法用空间滤光来进行模式选择。在例如，由付立叶透镜建立的付立叶平面上，所有模式都在空间分开。二极管内的角度对应于付立叶平面上或二极管外的远场上的某个位置。以某个角度传播的光存在于二极管内任何位置。但是，在二极管内与其位置无关，它最终处于付立叶平面或远场上。因此，在付立叶平面上光束是否源自单发射极二极管或源自例如二极管棒并不重要。

相应地，按照本实施例的激光***包括堆叠1400，它包括一个叠在另一个顶上，亦即在高相干轴(FA)的方向上堆叠的若干个单一的二极管1401，1402，1403和1404。因此，单个发射极1401，1402，1403和1404的快轴是一致的。

这种情况类似于简单地堆叠若干个激光***，正如图1a-b单发射极二极管一个叠在另一个顶上。可以采用同样的透镜和同样的滤光器等向所有二极管提供反馈。

在图14的示例中，所述***包括光学组件1404，例如，付立叶透镜、阵列圆柱形光学装置等，对所有的发射极提供公共的付立叶平面。所述***还包括基本上设置在光学组件1404的付立叶平面上的、带有开孔1413和1414的空间滤光器1405。所述***还包括部分透明的反射镜1406。所述***提供输出光束1407，1408，1409，1410，1411和1412，亦即输出光束数是二极管数目的两倍。来自不同发射极的输出光束不彼此耦合。

图15表示按照本发明一个实施例的包括单发射极棒二极管的激光***的示意图。按照所述实施例的激光***包括棒1501，后者包括并排设置，亦即在它们的慢轴(SA)的方向上一个挨一个设置的若干单个的二极管1502，1503和1504。因此它们的慢轴是一致的。

棒中的每一个发射极都具有与单发射极二极管中的发射极相同的特性，而付立叶变换特性也仍旧相同。因此，模式终结在付立叶平面的位置仍旧取决于它的传播角度，而不是它在棒中的位置。所以，一个模式源自棒中哪一个二极管并不重要。因此，联系图1a-b描述的单个二极管的同一配置也可以用在二极管棒的情况。在图15中，这由付立叶透镜108、提供狭缝110和111的空间滤光器109以及反射镜106和12来图解说明。图15的***产生两个输出光束113和114。

应该指出，在图14和15的示例中，示出带有三个发射极的堆叠和棒。然而，应该明白，带有其他数目的二极管的棒和堆叠也可以应用。还应明白，联系图1b描述的快轴上的滤光在这里也可以应用。

另外，阵列可以看作是棒的堆叠，利用阵列的装置可以看作是棒***的堆叠，从而提供同样数目的光束看作是堆叠。对所有二极管，透镜和滤光器可以是公用的，或者可以采用阵列光学部件。

应该注意，当使用一个以上的二极管时，会增加误差，因而将需要提高光束质量因数。但是，与相应的自由振荡的阵列相比，例如，按照本发明的带有双反馈的阵列激光器的亮度和光束质量因数显著提高。

今天，商售的标准激光二极管具有1×N个模式。将来的二极管会有M×N个模式和两个低相干轴。将会意识到，本发明也可以结合这样的二极管类型使用，既作为单个单元又可以排列成棒、堆叠或阵列。

因此，在上文中棒、阵列、堆叠等的应用是联系按照本发明的双反馈***公开的。这些类型的二极管的一个优点是，与单一发射极相比，可以从所述激光***获得更大的输出功率。

图16表示按照本发明一个实施例的激光***对准方法的流程图。为了实现光学反馈并获得高的光束质量，激光***中的所有组件应该在这些影响光束质量的自由度上，亦即在直线轴和旋转轴上对准。定位阶段的精度最好应该是微米范围或更低。

应该注意，激光二极管本身的对准也是重要的。中心模式应该跟随z轴，应该消除二极管的偏斜。二极管对准不好会使其余的对准非常困难。

下文中还将引用图17的***，图17表示按照本发明一个实施例的对准过程中激光***的配置的示意图。

图17的激光***对应于联系图1a-b所描述的***。所述***包括激光二极管、一个或多个付立叶透镜108、带有两个狭缝110和111的空间滤光器109以及两个反射镜106和112。应该指出，所述***可以包括图17所示的工作在高相干轴，例如如图1b所示的其他组件。

为了使上述组件对准，所述***还包括光束扫描器1704或其他用来查看光束远场分布曲线的装置。分束器1701，例如，光楔(wedge)、平板等设置在透镜108和空间滤光器109之间，使得光束的一部分1702被折射进入设置在付立叶平面1703上的光束扫描器1704。例如，分束器可以提取小部分，例如，1％的光束，而让大部分，例如99％通向滤光器109。

此外，两个功率计1705和1706分别设置在两个输出光束113和114的光路上，用来测量两个输出的各自的功率或总功率。功率计用来确定两个光束输出功率的对称程度。

应该指出，可以加上附加的透镜来匹配仪表1704，1705和1706的开孔。

现将参见图16和17，描述按照本发明一个实施例的激光***的对准方法。

在初始步骤1601，测定激光二极管的特性。这可以包括远场分布曲线、阈值电流、斜坡(slope)效率、安装时的对准、发射极的显微镜研究等。研究的目的是识别可能不适用的二极管并建立远场分布曲线的知识等，这对建立有效的模式选择反馈是重要的。

随后，在步骤1602，对激光***的组件亦即透镜进行预对准，并且例如借助光束扫描器1704检验衍射平面上的光谱是否匹配已知的远场视图。这保证找到衍射平面的正确位置。从而可以把模式滤光器设置在正确的位置上并能进行模式选择。

在步骤1603，首先尝试建立反馈，最初不必尝试达到模式选择反馈。在所述步骤的过程中，为了避免二极管破坏，使用刚好超过阈值电流的二极管电流。在所述步骤，扫描反馈反射镜106和112的旋转角，同时观测用分束器1704测得的衍射平面1703上的图案。当到衍射平面图案变化时，对准反射镜，以便向二极管101提供反馈。接着，测定旋转角度间隔，在其中检测反馈。把反射镜对准到所述间隔的中心。

具体地说，按照一个实施例，每个反射镜106和112都可以按照下列程序对准：

-把二极管电流设置成刚好高于阈值；

-通过分别改变相对于绕高和低相干轴Rot_FA和Rot_SA旋转的旋转角，对反射镜进行二维扫描；

-当反馈光束射在二极管上时，改变远场分布曲线；

-完成扫描，以便测定于其内存在反馈的Rot_FA和Rot_SA的极限值。把两个角度方向的相应的中心位置选择为相应的反射镜的位置。

当反馈已经建立时，调整模式选择滤光器109，来选择反馈的模式。取得双反馈的第一步是实际产生完全非对称的反馈。从而便于进行随后镜像模式的选择。

相应地，在步骤1604，滤光器狭缝110完全打开，或者在分开的空间滤光器的情况下，可以摘掉滤光器中的一个。另外，挡住相应的反射镜106；以便从反射镜106进行反馈。

在步骤1605，优化来自反射镜112的反馈：例如以从远场分布曲线进行估计或计算的方式，设置开孔111的宽度，以匹配模式的宽度。最初，把模式选择开孔111设置在所述光束以外。把激光二极管101调谐到刚好高于阈值。把开孔111移到光束上，按照联系图7就模式选择所作的描述优化其位置。在所述步骤过程中，在观察由光束扫描器1704测量的远场图案的同时，叠代地调整反馈反射镜112和滤光器开孔111。图18表示与没有反馈的远场分布曲线相比的所需的远场分布曲线的一个示例。应该指出，为了优化所述反馈，在所述步骤过程中，也可以调整高相干轴上可能的滤光器(图17中未示出)。

图18表示按照本发明一个实施例在激光***对准过程中获得的远场分布曲线。实线1801对应于二极管带有用光束扫描器测得的不对称的反馈的远场分布曲线，而虚线1802对应于二极管没有反馈的远场分布曲线。二极管是Coherent Inc.(公司)制造的3W二极管，发射极尺寸为200μm×1μm×1mm。自由振荡的输出功率为3W。施加反馈后，在M² _50％＜3的范围内，在右峰值上发现0.8W功率。按照本发明，提供双反馈，在二极管内引入动态光栅来进一步改进结果。

于是，对准反射镜112和滤光器开孔111，以便在远场分布曲线上获得窄而强的峰。

再次参见图16和17，一旦滤光器开孔111对准，在步骤1606继续进行对准过程。在步骤1606，调整滤光器狭缝110(仍旧没有来自反射镜106的反馈)，以便只让在前一步骤获得的高峰通过，从而选择在前一步骤中选择的模式的镜像模式。

在随后的步骤1607中，以叠代方式优化双反馈。首先关闭激光二极管，重新建立通向反馈反射镜的入口，并重新打开激光二极管，从而重新激活来自反射镜106的反馈。现在可以细调滤光器狭缝110的位置，以便实现尽可能窄的双输出峰，并优化所述***，从而避免模式竞争造成的不稳定。

最后，在步骤1608，通过增大驱动电流以便按比例加大二极管的功率，其作用是为了如同联系图7所描述那样选择最优模式，必须围绕中心107对称地增大两个模式选择狭缝110和111。再次通过以叠代方式调整来实现这一点。应该指出，每一种类型的二极管都对应于一个最大驱动电流。若超过所述电流，二极管将会损坏。最大电流取决于反馈特性和二极管的特性。应该针对每一个二极管/反馈配合求出所述极限，以便保证激光二极管***的长寿命。

对准之后，可以摘除分束器1701、光束扫描器1704和功率计1705和1706。或者，可以把分束器1701留在***中，用功率测量器件代替光束扫描器。在所述激光器的操作过程中，这样的功率测量可以用作控制***的反馈信号，控制二极管的驱动电流，从而达到激光二极管的功率稳定。

应该明白，若监视用于模式滤光器和反馈反射镜调整装置，或者用其他方法自动操作，则上述对准过程可以自动化。在这种情况下，可以执行自动对准例程，例如，由适当编程的微处理器、计算机等控制。例如，在这样的例程的执行过程中，可以一次改变两个参数，例如，透镜绕两轴的旋转、滤光器开孔的宽度和位置等。然后，自动例程可以选择对应于约定判据的参数的结合，例如，提供由功率计1705和/或1706测量的最高输出的参数值、由光束扫描器1704c检测而得出最高峰的值等。

还应明白，上述对准过程可以只根据输出功率的测量值进行，亦即在装置中没有光束扫描器。

图19表示按照本发明一个实施例的激光***的远场分布曲线示例。建立反馈和获得激光***的输出之后，用光束扫描器1704测量的激光二极管远场分布曲线具有举例示于图19的形状。在图19中，标号1901，1902和1903指示对应于就输出功率与光束质量关系而言不同的成功水平的分布曲线。所有三条分布曲线都表明双瓣结构，其中两个瓣对应于两个输出光束。曲线1901表示推荐的结果，其中可获得的总功率量基本上集中在围绕峰1905和1906的细小的空间角，光束质量因数M²具有低值，例如，小于2。应该指出，图19举例说明远场分布曲线，而不是反馈反射镜的输出。反射镜的输出光束还受模式滤光器限制。曲线1902和1903对应于越来越低的成功水平，其中较小的功率集中在峰值上。曲线1902和1903下面的面积1904对应于功率损失，因为光束的这些部分是被模式滤光器消除的。对准的双反馈***中功率损失的可能原因包括***中的像差、对准不良等，致使模式抑制弱，从而造成光束质量低和输出功率小。

图20表示按照本发明一个实施例包括偏振耦合之前调制的激光***的示意图。对于许多应用，都需要调制激光束，以便达到一个通断交替的顺序。下列示例表示这可以用声-光调制器、电子-光学或其他调制器件达到。

在图20的实施例中，按照本发明的激光***包括激光二极管101、付立叶透镜108、带有两个狭缝110和110的滤光器和两个部分透明的反射镜106和112。上面已经对上述组件作了更详细描述。按照所述实施例，部分透明的反射镜106和112的两个输出光束113和114分别馈送到相应的调制器2001和2002。调制器2001和2002从控制装置2000接收公共的激励信号。在所述配置中使用的调制器可以是声-光调制器、或其他类型的调制器。输出光束113和114是连续波束(CW)并可以用送往调制器驱动器的电子或光学信号接通/关断。

在一个实施例中，在调制之后，调制的光束2003和2004通过偏振耦合而耦合到同一几何通路，并结合成一个光束2008。在图20的一个实施例中，光束2003和2004用偏振耦合器2007耦合，以便产生单一的调制光束2008。通过借助于通过半波板2005馈送一个光束(光束2004)来旋转所述光束的偏振方向来实现所述偏振耦合。所得的光束2006通过偏振耦合器2007与光束2003组合。

在一个替代的实施例中，每一个调制器都可以接收不同的激励信号。例如，可以通过调制两个光束之一个以及所述调制光束和连续光束的随后的耦合来产生具有DC电平的调制的光束。

图21表示按照本发明一个实施例的包括偏振耦合之后的调制的激光***的示意图。上述激光***提供两个输出光束113和114。按照所述实施例，如上所述，输出光束113和114直接借助于半波板2005和偏振耦合器2007进行偏振耦合。调制器2102设置在偏振耦合器2007之后，亦即在偏振耦合器2007的组合的输出光束通路2101上，从而只需一个调制器。调制器2102应取决于光束2101的偏振方向，因为光束在两个正交的方向上偏振。

因此，在上述示例中，实现了对按照本发明的激光***的输出的调制，所述调制提供很高的稳定性。

图22表示按照本发明一个实施例包括调制的激光***的示意图。上述激光***提供两个输出光束113和114。按照所述实施例，输出光束113和114用透镜2201聚焦在设置于透镜焦点上的调制器2202上。调制后的光束由透镜***2203，例如，两个聚焦透镜聚焦在板2204的公共焦点上。因此，调制两个光束只需单一个调制器。

例如，印板2204可以是要曝光的计算机直接制版(CtP)的印版。例如，可以通过利用光学仪器(telescope)的自动聚焦***来控制z轴上的焦点位置。

图23a-b举例说明按照本发明一个实施例的激光***在内滚筒式照排装置中的应用。图23a-b分别表示内滚筒式计算机直接制板(CtP)照排***的侧视图和沿着中心轴的视图。

所述***包括圆柱形滚筒2301，它具有内表面，所述内表面上可以安装具有光敏材料的印版2302。例如，某些商售的CtP印版在830nm下曝光。为了使印版2302曝光，激光束的方向沿着圆柱体2301的中心纵轴。在圆柱体内，可绕轴旋转地安装反射镜2303，亦即在操作过程中，它围绕入射的光束2304的方向旋转。反射镜使激光束指向印版2302。当反射镜绕向轴旋转时，印版的不同点2305被曝光。若反射镜进一步沿着纵向轴移动，则整个印版都可以被曝光。因此，反射镜2303安装在可在滚筒内移动的支架2306上。

CtP机的输出一般是4块曝光板：红、黄、蓝和黑中的每一种颜色1块曝光板。在印刷机中，这些印版中的每一块随后被用来一次印刷一种颜色。

从反射镜到滚筒内表面的距离由要曝光的印版尺寸决定。激光束最好应该在印版上聚焦成小的光点尺寸，以便保证高质量的印刷。另外，聚焦后的光束应该具有高强度，以便缩短曝光时间。

为了使这样的印版在合理的时间内(几分钟)曝光，在印版焦点2304上830nm下需要最小的8W光功率。反射镜的旋转速度是几万转/分。

图24表示包括按照本发明一个实施例的激光***的内滚筒式照排装置的示意图。按照所述实施例，和联系图20描述的情况一样，激光***产生输出光束2008。输出光束由透镜***2401，例如，包括自聚焦***、变焦距光学装置等聚焦在内滚筒式***的旋转反射镜2303上。因此，把按照本发明的激光***与内滚筒式照排***结合，通过把光束聚焦在滚筒上来实现尺寸10μm光点的曝光。

按照本发明的激光***的一个优点是，它在适当的频率范围内提供可以在长的距离上聚焦的高功率光束。

按照本发明的激光***的另一个优点是紧凑，因此，按照本发明的激光***可以与反射镜2303一起安装在同一滑座2306上，从而可以沿着滚筒中心的纵轴移动。因而，从激光***到焦点的光路长度恒定。因为按照本发明的激光***紧凑，整个光学***可以设置在滚筒内，从而提供特别有效和紧凑的***，带有短而恒定的光路长度。印版上的焦点路径是螺旋形的，其中光束可以接通或关断。

图25表示包括按照本发明另一个实施例的激光***的内滚筒式照排装置的示意图。按照所述实施例，采用类似于图24的激光***。但是，按照所述实施例，偏振耦合器2007用聚焦光学装置2501代替。因而，如上所述，两个调制的光束2003和2006都通过旋转反射镜2303聚焦在滚筒2301上。

滚筒上的焦点最好呈圆形或正方形，带有高斯强度分布。但是，由于两个光束的相干特性，在焦点光斑上将形成干涉带条，这建立非均匀强度分布。这个问题的解决办法是在一个光束中***1/4波长板2505。于是，一个光束(2003)线性偏振，而另一个圆偏振，从而抑制焦点上的干涉带条。同一方法可以扩展到两个以上数目较大的光束数。

图26a-b表示按照本发明一个实施例的激光***的示意图。

按照所述实施例的激光***从一个或多个多模激光二极管101的外腔产生模式的非对称光学反馈。分束器109和外部反射组件2601一起设置在光学组件108，例如，付立叶透镜的衍射平面115上，或者激光***101的光学输出的远场上，产生送入激光二极管101的非对称的模式选择光学反馈。这使输出光束特性改变并获得M²值小于2、亮度改进的输出光束113。

多模低相干轴的总功率集中在具有良好的光束质量的单模上，所述单模对应于高相干轴的单模。

图26a表示包括低相干轴(SA)的低相干平面上激光***的平面图，而图26b表示包括高相干轴(FA)的高相干平面上激光***的平面图。

参见图26a，所述激光***包括多模激光器101，具有前端面116的光发射有源区。在低相干轴(SA)的方向上，发射光对应于多个空间模式，每一个模式对应于围绕一般指定为z轴的光轴107的两瓣分布曲线。激光***还包括具有相应衍射平面103的付立叶透镜108。空间滤光器109设置在衍射平面102上。空间滤光器设有两个狭缝110和111，每一个选择与选定空间模式的发射的光束的一部分。例如，空间滤光器可以提供两个狭缝110和111。激光***还包括反射组件2601，它把由开孔111选择的模式反射回激光二极管。按照所述实施例，反射组件最好把基本上全部入射光线反射回二极管，从而为选定的模式提供反馈。因此，所述实施例的激光***提供单一的输出光束113。

通过把模式选择滤光器基本上设置在付立叶平面上，而不是在离开付立叶平面一段距离上对输出光束进行简单的光束切割，来改善光束的质量因数M²。

按照本发明，调整SA付立叶平面上的两个狭缝110和111，以便使它们各自选择一个模式，所述两个模式以z轴107成镜像，亦即，分别按照角度θ和-θ、以z轴107成镜像。就是说，一个滤光器选择一个半平面上的第N个峰，而另一个滤光器选择相对于图1a的z轴的相应的另半个平面内的第N个峰。

因此，按照所述实施例，反馈反射镜2601和滤光器开孔111提供模式选择反馈。相应的镜像模式由衍射平面相反的半平面上的狭缝110选择，从而提供基本上单一的模式的光束特性改进的输出光束113。

现参见图26b，在高相干轴上进行频率滤光，从而进一步改进沿着所述轴的光束质量。其原因是，例如，光学组件中的不完善降低了所述轴的光束质量，并降低反馈光束的光束质量，从而也降低输出的光束质量。频率滤光作为付立叶透镜衍射平面的空间滤光。因而，所述激光***包括对应于衍射平面的付立叶透镜104。选择在高相干轴(FA)的方向上发射的光束的一部分用的空间滤光器105设置在衍射平面102上。

在多模二极管的高相干轴上，一般只存在一个模式。因此，在所述方向上不需要模式选择滤光器。但是，光束用滤光器105在FA方向上的滤光提高光束质量，因为它消除了衍射、象散等由光学元件等造成的噪音。

上面对上述激光***的各个组件已经作了较详细的描述。

应该指出，上述实施例是说明性的，而不是要限制本发明，本专业技术人员能够设计许多替代的实施例，包括把上述实施例组合的实施例，而不脱离后附权利要求书的范围。

此外，按照本发明的激光***可以用在大量的领域，包括印刷行业、远程通信、医疗行业、材料科学等。

在某些应用中，激光***可以与其他光学技术结合。例如，在印刷行业上，高功率紫外线激光器长期以来一直是需要的。因此把按照本发明的激光***与例如范围为780-940nm的二极管、倍频器结合，可以达到一个或多个紫外线激光束。例如，当对按照本发明的激光***发出780nm激光束进行倍频时，获得了390nm的光束。

特别是联系到倍频，本发明的一个优点是，它提供相干特性改行的M²低的输出光束，从而可以在例如硼酸锂(LBO)，磷酸钛氧基钾(KTP)等晶体中用二次谐波产生(SHG)提供高的倍频效率。倍频是众所周知的，参见，例如，Robert W.Boyd所著”Nonlinear Optics”(非线性光学)，Academic Press(1991)，可以达到百分之几十的效率。

Claims

1.一种激光***，它包括：

-激光二极管部件(101)，它包括第一表面(116)，用以发射强度分布于光轴(107)周围的光束，所述光束包括所述多个空间模式，每个模式对应于相对于所述光轴的各自的发射角；

-第一选择装置(109，110，502)，用以选择与在所述光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式中的第一个模式对应的发射光束的第一部分；

-第一反射元件(106，502)，其中，所述激光二极管部件和所述第一选择装置限定了第一腔，而且其中所述第一反射元件适合于把所述发射光束的所述选定的第一部分的第一反馈部分反射回所述激光二极管部件，并产生与所发射光束的选定所述第一部分的第一输出部分对应的第一输出光束(113)；

-第二选择装置(109，111，503)，用以选择与在与所述第一侧相反的所述光轴的第二侧以第二发射角发射的所述多个空间模式中的第二个模式对应的发射光束的第二部分；

-第二反射元件(112，503)，其中，所述激光二极管部件和所述第二反射元件限定了第二腔，而且其中所述第二反射元件适合于把所发射光束的选定的第二部分的第二反馈部分反射回所述激光二极管部件，并产生与所发射光束的选定第二部分的第二输出部分对应的第二输出光束(114)。

2.如权利要求1所述的激光***，其特征在于：所述多个空间模式中每一个模式都与模式号相关联，而且所述第一和第二选择装置适合于选择与相应的第一和第二模式号相关联的相应的第一和第二空间模式，其中，所述第一模式号等于所述第二模式号。

3.如权利要求1或2所述的激光***，其特征在于：所述第一和第二反馈部分基本上是同一部分。

4.如权利要求1至3中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述***还包括至少一个光学元件(108)，用以产生所述发射光束在所述至少一个光学元件的衍射平面(103)中的光学付立叶变换，而且所述第一和第二选择装置中的至少一个基本上设置在所述至少一个光学元件的所述衍射平面内。

5.如权利要求1至4中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述激光***还包括所述激光二极管部件的第一侧的抗反射涂层(203)，所述抗反射涂层提供0.05％和20％之间，最好0.1％和2％之间的反射率。

6.如权利要求1至5中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述光轴周围的强度分布定义了所述激光二极管的高相干轴和低相干轴，所述低相干轴和所述光轴定义了低相干平面，所述多个空间模式在所述低相干平面内以各自的发射角发射，所述激光***还包括第三选择装置(105)，用以选择与所述低相干平面交叉的方向上发射光束部分。

7.如权利要求1至6中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述第一和第二选择装置包括嵌入所述激光二极管部件中的各自的第一(1203)和第二光栅(1204)，而所述第一和第二光栅形成它们之间的、对应于所述选定的空间模式的所述发射角的角度。

8.如权利要求7所述的激光***，其特征在于：所述激光二极管部件的所述第一面包括第一(1307)和第二区域(1308)，所述第一和第二区域形成它们之间的、对应于所述选定的空间模式的所述发射角的角度；以及所述第一和第二反射元件包括在所述相应的第一和第二区域上的相应的反射涂层(1311，1312)。

9.如权利要求1至8中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述激光二极管部件包括单发射极的二极管的棒(1501)。

10.如权利要求1至9中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述激光二极管部件包括单发射极的二极管的堆叠(1400)。

11.如权利要求1至10中任何一个所述的激光***，其特征在于：所述***还包括调制器元件(2001，2002，2101，2202)，用以调制所述第一和第二输出光束中的至少一个。

12.一种激光***，它包括：。

-激光二极管部件(101)，它包括第一表面(116)，用以发射具有围绕光轴(107)的强度分布的光束，所述光束包括多个空间模式，每一个模式都对应于相对于所述光轴的各自的发射角；

-至少一个光学元件(108)，用以产生在所述至少一个光学元件的衍射平面上的所述发射光束的光学付立叶变换；

-第一选择装置(109，111)，用以选择所述发射光束的与在所述光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式中的第一个模式对应的第一部分；

-反射元件(2601)，其中，所述激光二极管部件和所述反射元件形成一个腔，而且其中所述反射元件适合于把所述发射光束的所述选定的第一部分的反馈部分反射回所述激光二极管部件；

-第二选择装置(109，110)，用以选择所述发射光束的与在所述光轴的与所述第一侧相反的第二侧以第二发射角发射的所述多个空间模式中的第二个模式对应的第二部分，而且所述第二选择装置基本上设置在所述至少一个光学元件的所述衍射平面上。

13.如权利要求12所述的激光***，其特征在于：所述多个空间模式中的每一个模式都与相应的模式号相关联；以及所述第一和第二选择装置适合于选择与相应的第一和第二模式号相关联的第一和第二空间模式，其中所述第一模式号等于所述第二模式号。

14.一种激光***，它包括：

-激光二极管部件(101)，包括第一表面，用以发射具有围绕限定低相干平面和高相干平面的光轴(107)的强度分布的光束，所述光束包括多个空间模式，每一个模式对应于相对于光轴并处在所述低相干平面内的相应的发射角；

-第一选择装置(109，111)，用以选择所述发射光束的与在所述低相干平面上所述光轴第一侧以第一发射角发射的所述多个空间模式中的第一个模式对应的第一部分；

-第二选择装置(105)，用以在与所述低相干平面交叉的方向(FA)上选择所述发射光束的选定的第一部分的第二部分；

-反射元件(2601)，其中所述激光二极管部件和所述反射元件形成一个腔，而且其中所述反射元件适合于把所述发射光束的所述选定的第二部分的反馈部分反射回所述激光二极管部件。

15.一种对准按照权利要求1至11中任何一个的激光***的方法，所述方法包括：

-在不激活所述第二选择装置和所述第二反射元件的同时，测量所述发射光束的预定的特性；

-调整所述第一反射元件和所述第一选择装置中至少一个的位置和取向中的至少一个，以便获得具有所述测量的预定特性的预定值的发射光束；

-激活所述第二选择装置和所述第二反射元件，使所述激光***产生第一和第二输出光束；

-测量所述第一和第二输出光束的预定的质量量度；

-调整所述第二反射元件和所述第二选择装置中至少一个的位置和取向中的至少一个，以便改善所述第一和第二输出光束的所述测量的预定的质量量度。

16.把按照权利要求1至14中任何一个的激光***用于印刷行业。

17.把按照权利要求1至14中任何一个的激光***用于内滚筒式照排***。

18.一种内滚筒式照排***，它包括：

-滚筒部件(2301)，它具有用以接纳光敏材料(2302)的内表面；

-支持部件(2306)，安装成可以相对于所述滚筒部件运动；

-按照权利要求1至11中任何一个的激光***，用以产生至少两个输出光束，其中，所述激光***安装在所述支持部件上；

-至少一个光学元件(2303)，用以为所述至少两个输出光束限定各自的光束路径，并且用以把所述至少两个输出光束聚焦在光敏材料上；以及

-用于使所述至少一个输出光束射向所述滚筒部件的所述内表面上的预定位置的装置(2303)。

19.如权利要求18所述的内滚筒式照排***，其特征在于：用于使所述至少一个输出光束射向所述滚筒部件的所述内表面上的预定位置的所述装置包括可以绕轴旋转地安装在所述至少一个输出光束的所述光束路径上的反射镜(2303)，所述反射镜适合于与可运动安装支持部件合作，使所述至少一个输出光束射向所述滚筒部件的所述内表面上的预定位置。

20.如权利要求18或19所述的内滚筒式照排***，其特征在于：所述至少一个光学元件还包括***所述输出光束之一的所述光束路径内的1/4波长板(2005)。