CN101779161A - 波长转换激光源的光学配置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学组合件，它包括半导体激光器、波长转换器件、透镜组件以及一个或多个可调光学部件。透镜组件和可调光学部件被配置成将半导体激光器的输出光束引导至波长转换器件的输入面并且改变输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。透镜组件和可调光学部件被进一步配置成限定一条折叠的光学路径，使得沿着该光学路径从半导体激光器传播到波长转换器件的激光被透镜组件准直或接近准直，再被可调光学部件反射，在被可调光学部件反射之后被透镜组件聚焦到波长转换器件的输入面上。还揭示了其它实施方式。

Description

波长转换激光源的光学配置
有关申请的交叉参照
本申请涉及2007年7月20日提交的题为“OPTICAL CONFIGURATIONSFOR WAVELENGTH-CONVERTED LASER SOURCES”的共同待批且一起转让的美国专利申请No.11/880,250，并要求其权益。
发明内容
本发明一般涉及半导体激光器、激光控制器、光学组合件(package)以及其它包括半导体激光器的光学系统。更具体地讲，通过示出而非限定，本发明的实施方式一般涉及组合件中的光学对准，其中包括半导体激光器和二次谐波产生(SHG)晶体或其它类型的波长转换器件等。
通过将相对长的单波长半导体激光器(比如红外或近红外分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-波罗激光器)与光波长转换器件(比如二次谐波产生(SHG)晶体)组合起来，就可以形成短波长光源。通常，SHG晶体被用于产生基波激光信号的更高次谐波。为此，激光发射波长最好被调谐到波长转换SHG晶体的光谱中心，并且激光器的输出最好与波长转换晶体的输入面处的波导部分对准。
典型的SHG晶体(比如掺MgO的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体)的模式直径可以处于几个微米的范围中。结果，本申请的发明人认识到，将激光二极管的光束与SHG晶体的波导恰当地对准是非常具有挑战性的。相应地，本发明的一个目的是提供适于光学组合件的光学配置，所述光学组合件使用SHG晶体或其它类型的波长转换器件从较长的波长源(比如近红外激光二极管)产生较短的波长辐射(比如绿色激光)。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种光学组合件，它包括半导体激光器、波长转换器件、透镜组件以及一个或多个可调光学部件。透镜组件和可调光学部件被配置成将半导体激光器的输出光束引导至波长转换器件的输入面并且改变输出光束在波长转换器件的输入面上的位置。透镜组件和可调光学部件被进一步配置成限定一折叠的光学路径，使得沿着该光学路径从半导体激光器传播到波长转换器件的激光被透镜组件准直或接近准直，再被可调光学部件反射，在被可调光学部件反射之后被透镜组件聚焦到波长转换器件的输入面上。还揭示并预期到其它实施方式。
此外，预期的本发明的实施方式涉及光学组合件，所述光学组合件包括激光控制器，所述激光控制器被编程为根据本发明的概念来操作半导体激光器。预期本发明的各种概念可以应用于彩色图像形成激光投影系统、基于激光的显示器(比如汽车中的前向显示器)或光学对准和/或波长调谐成问题的任何激光应用。还预期本文所讨论的光学配置将会应用于各类半导体激光器，这包括但不限于DBR和DFB激光器、法布里-波罗激光器以及许多类型的外腔激光器。
附图说明
在与附图相结合的情况下，可以对本发明的特定实施方式的详细描述作最佳的理解，其中相似的结构是用相似的标号来表示的，其中：
图1是根据本发明一个实施方式的启用MEMS镜子的光学对准组合件的示意图；
图2是光束光斑在波长转换器件的输入面上的示意图。
具体实施方式
参照图1，尽管含本发明特定实施方式的概念的各类光学组合件的一般结构在频率或波长转换半导体激光源的设计与制造的相关文献中很容易找到，但是本发明特定实施方式的概念还是在结合包括半导体激光器10和波长转换器件20的光学组合件的情况下方便地予以示出。在图1的配置中，半导体激光器10所发射的近红外光通过一个或多个可调光学部件30和合适的光学组件35而耦合到波长转换器件20的波导部分，其中，光学组件35可以包括单一或多个部件配置的一个或多个光学元件。图1所示的光学组合件特别用于从较长波长半导体激光器产生各种较短波长激光束，并且可以被用作激光投影系统中的可见激光源。
可调光学部件30是特别有用的，因为将激光器10发射的输出光束聚焦到波长转换器件20的波导部分通常是很困难的。例如，典型的SHG晶体(比如掺MgO的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体)的模式直径可以处于几个微米的范围中。参照图1和2，光学组件35与可调光学部件30协作以在波长转换器件20的面22上产生具有可比较的尺寸的光束光斑15。可调光学部件30被配置成在被调整时引入光束角度偏移，比如，通过改变光束光斑15在波长转换器件20的面22上的位置，直到它与波长转换器件20的波导部分24对准，就可以主动地使光束光斑15与波长转换器件20的波导部分24对准。
尽管本发明并不限于确定合适的对准或对准度的任何特定方式，但是预期通过在波长转换器件20的波长转换输出的光学路径中设置分束器40和强度传感器50，就可以监控对准情况。反馈控制器60可以被用于根据强度传感器50所产生的信号来控制可调光学部件30的位置或状态。进一步预期，根据本发明的对准例程可以在设置光学组合件时被执行，在光学组合件的操作期间被执行，或者在光学组合件使用寿命内的任何时间点被执行。
图3所示的可调光学部件可以采用各种常规的或待开发的形式。例如，预期可调光学部件30可以包括一个或多个可移动的微型光机电镜子或其它MEMS或MOEMS器件，这些器件被配置和安排成改变光束光斑15在波长转换器件20的输入面22上的位置。或者，可调光学部件30可以包括一个或多个液体透镜部件，被配置成用于光束操纵和/或光束聚焦。此外，预期可调光学部件30可以包括安装到微型致动器的一个或多个镜子和/或透镜。在一个预期的实施方式中，可调光学部件所采用的形式是在光学组件35中的可移动的或可调的透镜，否则，可调光学部件30所采用的形式是固定的镜子。
当可调光学部件包括可移动的微型光机电镜子时，这些镜子可以被设计成通过将这些镜子所定义的偏转角范围限定到约1度或2度量级的数值，从而允许这些镜子被设计成具有相对硬的弯曲，进而减小对光学组合件中的振动的敏感性。事实上，本申请的发明人已认识到，根据光学系统的焦距，1-2度的范围足以覆盖量级为50-100微米的横向光束光斑失配。在所示的实施方式中，可调光学部件30的表面上的入射角可以被维持在大约1-2度的量级上，因为镜子所反射的激光被往回引导至发出激光的同一个透镜组件35。结果，可调光学部件30中的任何镜子弯曲或在更高入射角时会被夸大的其它光学误差都可以很容易地通过透镜组件35或光学路径中的其它光学部件进行校正。事实上，本申请的发明人已认识到，当以小入射角使用镜子时，镜子弯曲的效果是图像焦点位置的变化，这可以很容易地通过沿透镜光轴移动一个部件来进行校正。相反，当以相对大的入射角使用镜子时，镜子弯曲会产生像差，比如象散或彗差，仅通过移动光学部件很难校正这些像差。
在图1所示光学配置中，微型光机电镜子30被并入相对紧凑的折叠路径的光学系统中。在所示的配置中，微型光机电镜子30被配置成使光学路径折叠，使得它最初穿过透镜组件35以作为准直或接近准直的光束到达镜子30，并且接下来返回并穿过相同的透镜组件35以便被聚焦到波长转换器件20上。此类光学配置可特别应用于波长转换激光源，其中，半导体激光器所产生的激光束的横截面尺寸接近于波长转换器件20的输入面上的波导的尺寸，在这种情况下，接近于1的放大率会在将光束光斑聚焦到波长转换器件20的输入面上的过程中产生最佳耦合。为了定义和描述本发明，注意到，本文所提及的“准直或接近准直的”光束旨在覆盖光束发散或会聚的程度得以减小的任何光束配置，从而将光束引导至更准直的状态。
透镜组件35可以被描述成双重功能的准直和聚焦的光学部件，因为它用于使沿着组合件的光学路径传播的激光准直和聚焦。这种双重功能的光学部件很好地适用于要求放大率因子接近1的各种应用，因为单个透镜组件35被用于准直和聚焦。更具体地讲，如图1所示，半导体激光器10所输出的激光按顺序地在透镜组件35的第一面31处发生折射，在透镜组件35的第二面32处发生折射，并且在透镜组件35的方向上被可调光学部件30反射。一旦在透镜组件35的方向上将激光反射回去，则它先在透镜组件35的第二面32处发生折射，接下来在透镜组件35的第一面3 1处发生折射，以便聚焦到波长转换器件20的输入面上。
在本发明的特定实施方式中，可调光学部件30被放置得足够接近透镜组件35的图像焦点，以确保入射到波长转换器件20的输入面22上的主要光线大约平行于光学组合件的输出处的主要光线。还显示出，图1所示配置在像差方面呈现出一些优点。事实上，当半导体激光器10的输出面和波长转换器件20的输入面被定位成大致与透镜组件35的物方焦平面对准并且半导体激光器10的输出波导和波长转换器件20的输入波导相对于透镜组件35的光轴是对称时，预期反对称场像差(比如慧差)可以被自动地校正。
应该理解，先前的描述旨在提供一种概述或框架，以便理解本发明的本质和特征。对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。例如，光学组合件可以进一步包括焦点可调光学部件，比如一个或多个液体透镜部件，被配置成改变半导体激光器所产生的光束光斑相对于波长转换器件的输入面的焦点位置。由此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案中就可以。
为了描述并限定本发明，注意到，本文用“基本上”、“大约”等术语来表示任何定量比较、值、测量、或其它表示固有的不确定性。本文还用“基本上”、“大约”等术语来表示某一定量表示在不导致所讨论主题的基本功能产生变化的情况下可能与所陈述的参考值有偏离的程度。
在本文中，本发明的部件以特定方式“配置”或具体实施特定性质或功能等引述都是结构性的引述，而非用途引述。例如，在本文中，透镜组件和可调光学部件“被配置成”以特定方式引导激光束等引述是指透镜组件和可调光学部件的现有的物理状况，并且被视为结构性特征的有限引述。
注意到，在本文中，像“较佳地”、“共同地”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。

Claims (19)

1.一种光学组合件，它包括半导体激光器、波长转换器件、透镜组件以及一个或多个可调光学部件，其中：
所述透镜组件和所述可调光学部件被配置成将所述半导体激光器的输出光束引导至所述波长转换器件的输入面并且改变所述输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置；以及
所述透镜组件和所述可调光学部件被进一步配置成限定一条折叠的光学路径，使得沿着该光学路径从所述半导体激光器传播到所述波长转换器件的激光先被所述透镜组件准直或接近准直，再被所述可调光学部件反射，在被所述可调光学部件反射之后被相同的透镜组件聚焦到所述波长转换器件的输入面上。
2.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述透镜组件和可调光学部件被配置成使得：
所述半导体激光器所输出的激光按顺序地在所述透镜组件的第一面处发生折射，在所述透镜组件的第二面处发生折射，并且在所述透镜组件的方向上被所述可调光学部件反射；以及
一旦激光在所述透镜组件的方向上被反射回去，则它先在所述透镜组件的第二面处发生折射，接下来在所述透镜组件的第一面处发生折射，以便聚焦到所述波长转换器件的输入面上。
3.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述可调光学部件被放置得足够接近所述透镜组件的图像焦点，以确保入射到所述波长转换器件的输入面上的主要光线大约平行于所述光学组合件的输出处的主要光线。
4.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述半导体激光器、波长转换器件和透镜组件被配置成使得：所述半导体激光器的输出面和所述波长转换器件的输入面被定位成与所述透镜组件的物方焦平面大致对准。
5.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述半导体激光器、波长转换器件和透镜组件被配置成使得：所述半导体激光器的输出波导和所述波长转换器件的输入波导相对于所述透镜组件的光轴是对称的。
6.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述半导体激光器、波长转换器件和透镜组件被配置成使得：
所述半导体激光器的输出面和所述波长转换器件的输入面被定位成与所述透镜组件的物方焦平面大致对准；以及
所述半导体激光器的输出波导和所述波长转换器件的输入波导相对于所述透镜组件的光轴是对称的。
7.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述透镜组件和所述可调光学部件被配置成使光学路径折叠，使得它先穿过所述透镜组件以作为准直或接近准直光束到达所述可调光学部件并且接下来返回穿过相同的透镜组件以便被聚焦到所述波长转换器件上。
8.如权利要求7所述的光学组合件，其特征在于，
所述透镜组件和可调光学部件被进一步配置成使得：从所述透镜组件传播的激光在所述可调光学部件的表面上的入射角是在大约1-2度的量级上。
9.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述半导体激光器和波长转换器件被配置成使得：用于将所述半导体激光器的输出光束的光束光斑聚焦到所述波长转换器件的输入面上所需的光学放大率大约等于1。
10.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述半导体激光器被配置成用于红外或近红外激光发射，所述波长转换器件被配置成将激光发射转换成经波长转换的绿光或蓝光发射。
11.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于：
所述光学组合件进一步包括耦合到反馈控制器的强度传感器；以及
所述强度传感器被配置成：当所述输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置发生变化时，监控所述波长转换器件的经波长转换的输出的强度。
12.如权利要求11所述的光学组合件，其特征在于，
所述反馈控制器被配置成：根据所述强度传感器所产生的信号，控制所述可调光学部件的位置或状态。
13.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述可调光学部件包括一个或多个可移动的微型光机电镜子，这些镜子被配置和安排成改变光束光斑在所述波长转换器件的输入面上的位置。
14.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述光学组合件进一步包括：焦点可调光学部件，被配置成改变所述半导体激光器所产生的光束光斑相对于所述波长转换器件的输入面的焦点位置。
15.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述光学组合件包括用于形成所述透镜组件的单个透镜以及用于形成所述可调光学部件的单个MEMS或MEOMS镜子。
16.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于，
所述可调光学部件被配置成在被调节时引入光束角度偏移。
17.如权利要求1所述的光学组合件，其特征在于：
所述透镜组件包括作为所述可调光学部件的可调透镜组件；以及
所述光学组合件进一步包括在折叠的光学路径中的固定的镜子。
18.一种光学组合件，它包括半导体激光器、波长转换器件、透镜组件以及一个或多个可调光学部件，其中：
所述透镜组件和所述可调光学部件被配置成将所述半导体激光器的输出光束引导至所述波长转换器件的输入面并且改变所述输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置；以及
所述透镜组件和可调光学部件被配置成使得：
所述半导体激光器所输出的激光按顺序地在所述透镜组件的第一面处发生折射，在所述透镜组件的第二面处发生折射，并且在所述透镜组件的方向上被所述可调光学部件反射；以及
一旦在所述透镜组件的方向上将激光反射回去，则激光先在所述透镜组件的第二面处发生折射，接下来在所述透镜组件的第一面处发生折射，以便聚焦到所述波长转换器件的输入面上。
19.一种光学组合件，它包括半导体激光器、波长转换器件、透镜组件以及一个或多个可调光学部件，其中，所述透镜组件和可调光学部件被配置成使得：
所述半导体激光器的输出光束被引导至所述波长转换器件的输入面并且改变所述输出光束在所述波长转换器件的输入面上的位置；
所述透镜组件和所述可调光学部件限定一条折叠的光学路径，使得沿着该光学路径从所述半导体激光器传播到所述波长转换器件的激光被所述透镜组件准直或接近准直，再被所述可调光学部件反射，在被所述可调光学部件反射之后被所述透镜组件聚焦到所述波长转换器件的输入面上；
所述半导体激光器所输出的激光按顺序地在所述透镜组件的第一面处发生折射，在所述透镜组件的第二面处发生折射，并且在所述透镜组件的方向上被所述可调光学部件反射；
一旦在所述透镜组件的方向上将激光反射回去，则激光先在所述透镜组件的第二面处发生折射，接下来在所述透镜组件的第一面处发生折射，以便聚焦到所述波长转换器件的输入面上；
所述可调光学部件被放置得足够接近所述透镜组件的图像焦点，以确保激光从所述透镜组件传播到所述波长转换器件的光学路径是大致垂直于所述波长转换器件的输入面；
所述透镜组件和所述可调光学部件使所述光学路径折叠，使得它先穿过所述透镜组件以作为准直或接近准直的光束到达所述可调光学部件并且接下来返回穿过相同的透镜组件以便被聚焦到所述波长转换器件上；
从所述透镜组件传播过来的激光在所述可调光学部件的表面上的入射角是在大约1-2度的量级上；以及
用于将所述半导体激光器的输出光束的光束光斑聚焦到所述波长转换器件的输入面上所需的光学放大率大约等于1。
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