CN102422494B - 折叠式激光系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有光轴的折叠式激光系统，该激光系统包括：(I)相干光源；(II)反射器；(III)位于光源和反射器之间的透镜组件；以及(IV)非线性光学晶体，其中光源和非线性光学晶体由距离d＞50μm隔开。透镜组件被定位成当拦截来自光源的光时提供准直光束，使得准直光束与光轴成角度Θ′，反射器被放置成拦截准直光束并将准直光束通过透镜反射到非线性光学晶体；以及透镜组件被构造成在非线性光学晶体上提供像。

Description

折叠式激光系统
技术领域
本发明一般涉及折叠式激光系统，更具体地涉及具有非线性光波长转换的折叠式激光系统，比如倍频绿激光器。
背景技术
绿激光的生成可通过红外光的非线性倍频来实现。典型地，如图1A所示，来自红外二极管激光器(3)的光束2被引导到非线性光学晶体4(诸如周期性极化铌酸锂(PPLN))中，其中光束2转换成绿光5。
制造这种激光器的实际挑战源于许多问题。首先，因为小的光波导用于将光限制在二极管激光器和非线性光学晶体两者中，所以组件(透镜、非线性晶体和二极管激光器)的对准容限在几十分之一微米的数量级上。这对激光的初始组件和在激光器的使用期间维持对准均提出了挑战。再者，非线性光学晶体的输出功率对温度波动以及激光器所提供的红外光波长的变化敏感。非线性光学晶体上的温度梯度可能导致绿激光器的输出功率(即，离开非线性光学晶体的输出功率)降低。
发明内容
本发明的一个方面是一种具有光轴的折叠式激光系统，该激光系统包括：(I)相干光源；(II)反射器；(III)位于光源和反射器之间的透镜组件；以及(IV)非线性光学晶体，其中光源和非线性光学晶体隔开距离d＞50μm。透镜组件被放置成当拦截来自光源的光时提供准直光束，使得准直光束与光轴成角度Θ′并且被构造成在非线性光学晶体上提供相干光源的像。反射器被放置成拦截准直光束且透过透镜反射准直光束到非线性光学晶体。
优选地，相干光源和非线性光学晶体由空气间隙隔开。
根据一些实施例，激光系统是绿激光器，光源是红外(IR)二极管激光器，且接收器是非线性光学晶体，例如用于将IR光转换成绿光的SHG(二次谐波发生器)。
由本发明的激光系统的示例性绿激光器实施例所提供的一些优点是对光学组件的相对宽松的对准容限；对二极管激光器产生的热量的低敏感性；以及归因于二极管激光器与非线性光学晶体之间的改良耦合的绿光转换效率的最大化。由本发明的示例性实施例所提供的其它优点是非线性光学晶体上的温度梯度的最小化，以及到达二极管激光器的、来自非线性光学晶体的不期望反射和/或背向散射造成的光反馈的影响的最小化。
将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点一部分对于本领域的技术人员来说根据说明书就能理解，或者可通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明认识到。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。
附图说明
图1A示出现有技术激光系统；
图1B示意性地示出根据本发明的一个实施例的折叠式激光系统；
图2是根据本发明的一个实施例的折叠腔绿激光系统；
图3是示出图2的二极管激光器和非线性晶体之间的热传导的热模型；
图4示出作为波导到波导间距d的函数、二极管波导和晶体波导之间的光耦合效率的变化；
图5A示出示例性非线性晶体的截面侧视图；
图5B示出图5A的示例性非线性晶体的截面端视图；
图6是根据本发明的又一实施例的折叠腔绿激光系统的横截面图；
图7示出两个不同的激光系统配置的耦合效率相对于波导间距d；
图8A和8B示出在本发明的又一实施例中的安装在二极管激光器上的非线性光学晶体；
图9是由可用于本发明某些实施例中的可购得透镜组件所实现的耦合效率(CE)的曲线图；
图10A和10B示意性地示出两个示例性实施例折叠腔绿激光系统；
图11是根据本发明的一个实施例的透镜组件、晶体波导以及倾斜二极管激光器波导的横截面图；
图12是两个示例性透镜组件的光程长度相对于后工作距离(BWD)的曲线图；
图13是耦合效率相对于BWD的曲线图；
图14是根据本发明的又一实施例的透镜组件的横截面图；
图15示出两个可购得透镜组件以及根据本发明一个实施例的透镜组件的耦合性能相对于波导间距d；
图16是根据本发明的另一实施例的透镜组件的横截面图；
图17是根据本发明的又一实施例的透镜组件的横截面图；
图18示出象差(波前误差)作为示例性透镜组件的倾角的函数的演变；
图19示出象差(波前误差)作为示例性透镜组件的倾角的函数的演变；以及
图20是耦合效率作为两个示例性透镜组件的倾角的函数的曲线图。
优选实施例的详细描述
现在将具体参考本发明的现有优选实施例，其示例在附图中示出。在可能时，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。本发明的激光系统的一个示例性实施例在图1B和2中示出，并且贯穿全文由附图标记10一般地指示。
在该示例性实施例中的折叠式激光系统10是具有折叠腔配置的倍频绿激光器。在激光系统10中，光以发散光束22的形式从相干光源20发射出，并且由单个透镜组件30捕获和准直。透镜组件30优选地在远心条件下操作。即，透镜30被构造且被放置成使得光学系统的出射光瞳位于无穷远。优选地是，相干光源20小(＜1cm3)，具有相对高的功率(＞10mW)，并且被高速调制(约10MHz或更高)。在该实施例中，相干光源20是红外(IR)半导体激光器(IR二极管激光器20′)。二极管激光器20′包括二极管波导20′A。IR光作为发散光束22从二极管波导20′A的输出面发出。二极管波导的输出面可垂直于波导的轴形成，或者可与波导的轴分开一角度(未示出)。发散光束22由1/e2的发射半角Θ表征，例如沿一个方向为20°而沿另一个(垂直)方向为7°。相对于由相干光源所提供的平均发射角(光束矩心(centroid))来测量发射半角Θ。经准直的(IR)束40以角度Θ′向反射器50传播，然后从反射器50反射回透镜组件30。优选地，根据一些实施例，0.05Rad≤Θ′≤0.2Rad，且更优选地，0.09Rad≤Θ′≤0.17Rad。反射器50可以是例如平面镜。反射光束透过透镜组件30向象平面60传播，并在象平面60处聚焦在非线性光学晶体70′的晶体波导70′A(波导部分)的输入面上。即，透镜组件30在非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面上提供二极管波导20′A的输出面的像。
非线性光学晶体70′可以是例如二次谐波发生器(SHG)，比如周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体。还可使用其它非线性光学晶体。在该实施例中，非线性光学晶体70′接收由透镜组件30提供的IR光并将其转换成绿光5。
优选地，透镜组件30具有短焦距(优选小于5mm，更优选小于3mm，以及再更优选小于2mm)以及低象散，以便获得相干光源20与非线性光学晶体70′的晶体波导70′A之间极好的光耦合，同时使(i)温度变化导致的散焦以及(ii)激光系统10的总尺寸两者最小化。
反射器50可以是常规的(固定)平面镜，或者可以是具有其顶锥角/倾斜角的驱动装置的反射镜，例如微机电系统(MEMS)反射镜。可按两种主要方式来调节二极管波导20′A和晶体波导70′A之间的光耦合。第一，透镜组件30的位置可沿x、y或z(聚焦)轴移动。第二，反射镜50可倾斜。因为反射镜位于红外束的准直空间中，所以角调节将导致反射和聚焦束在晶体的输入面上的位置(x，y)移动。非线性光学晶体(例如，PPLN晶体)将红外光的大部分转换成绿光，该绿光从晶体波导70′A的输出面发射(图1B)。因此，对透镜组件30的位置或对反射器50的角度的调节可用于使焦点在非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面上移动。
在该示例中，光源20和接收器(非线性光学晶体70′)两者相对于光轴OA(透镜组件30的光轴)偏心，且相对于光轴对称地或大致对称地(偏离对称在±100μm内，优选地在±50μm内)放置。更具体地，为使光束在非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面处的象差最小化，红外二极管20′的二极管波导20′A的输出面与非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面由小的空气间隙隔开与透镜30的焦距f相比较小的间距d(即，d＜＜f)。优选地，透镜30的焦距f是1至5mm(1mm≤f≤5mm)，例如1mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm、2mm或2.5mm。优选地，透镜30的焦距f是1至5mm(1mm≤f≤5mm)。优选地，光源20和非线性光学晶体70′之间的间隔d是30μm≤d≤1500μm，更优选地是50μm≤d≤750μm，更优选地是100μm≤d≤600μm，再更优选地是150μm≤d≤500μm，以及最优选地是300μm≤d≤500μm。例如，距离d可以是75μm、100μm、125μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm或450μm。因此，在该实施例中，光源20(二极管激光器20′)和接收器70(非线性光学晶体70′)相对于光轴沿Y轴偏心距离d′≈d/2，例如距离d′＝d/2±100μm。优选地，偏心距离d′等于d/2或在d/2上下50μm内(即d′＝d/2±50μm)。
此处所述的折叠式激光系统配置(例如，参见图1B、2、6、8A和8B)具有减少激光器腔总长度(因此减少激光器的封装尺寸)的优点，因为光路本身折叠。折叠式激光器配置还有利地使透镜组件30所产生的非对称光学象差的影响最小化，因为同一透镜组件30被使用两次——一次用于准直光束且一次用于将光再聚焦在非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面上。给定稳定和精确的附连技术，激光系统10可以是完全被动的(即，它可以不包括移动组件)。(这种设计在图1B中示意性示出)。或者，如上所述，激光系统10可容易地利用诸如MEMS反射镜之类的可调节反射器沿两个横向方向将聚焦光束主动对准在PPLN输入面上。
折叠式配置的实际实现形成若干挑战。首先，因为折叠式激光系统配置利用相对于透镜组件30的光轴偏心的光源(二极管激光器20)和接收器(非线性晶体70)，所以离轴光学象差出现且难以控制。必须将光学象差保持较小，以便实现从二极管激光器20′到非线性光学晶体70′中的高度耦合。本发明的绿激光器实施例10的一个优点是即使透镜组件30未对准仍将离轴象差保持较小。再者，二极管激光器20′与非线性光学晶体70′的接近还可导致热量从二极管激光器20′传递到非线性光学晶体70′。非线性光学晶体中的热梯度降低了从红外光到绿光的转换效率。本发明的绿激光器实施例的一个优点是从二极管激光器到晶体的热传递被最小化，因为二极管激光器20′的二极管波导20′A与非线性光学晶体70′的晶体波导70′A由空气间隙AG隔开。第三，激光系统10的至少一些示例性实施例不需要通过移动反射器50或透镜组件30来控制光束焦点的致动器。在这些实施例中激光系统10不散焦(或具有最小的散焦)并且不随温度而显著改变光学组件的横向位置(否则晶体波导70′A的输入面与二极管波导20′A之间的光耦合将被损害，并且可能损失光输出功率)。最后，激光系统10还可有利地控制光学反馈的影响或使之最小化。例如，在本文所述的绿激光器实施例中，来自非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的前面(frontfacet)的反射不会引起来自红外激光二极管20′的不期望的模式跳变行为。
图2示意性地示出被装配到绿激光系统10的一个实施例中的已安装光学组件。非线性光学晶体70′(PPLN晶体)被放置在二极管激光器20′上方，有小的空气间隙AG隔开两个波导70′A和20′A的端部。该空气间隙AG的存在和尺寸是重要的，原因如下所述。
第一，一个或多个引线接头23附连到二极管激光器20′的多个部分，以便向二极管激光器提供电流和电压控制信号。这些引线接头形成回路23′，回路23′具有某一最小弯曲半径且因此在二极管激光器20′上方延伸有限的高度。最小引线接头回路高度可以是例如100μm-150μm，从而限定了红外二极管激光器20′的二极管波导20′A与非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面之间的最小可能垂直间隔。
第二，空气间隙AG将非线性光学晶体70′与二极管激光器20′热绝缘，其中二极管激光器20′在操作时是热源。空气作为良好的热绝缘体，特别是与金属或许多其它固体材料相比，其防止来自二极管激光器20′的热量到达非线性光学晶体70′。阻止热量到达非线性光学晶体70′是优选的，因为热量能在非线性光学晶体70′中产生热梯度，从而负面地影响晶体波导70′A的非线性转换效率。更具体地，非线性光学晶体70′中的热梯度会是有害的，因为温度影响非线性光学晶体70′内的晶体波导70′A的折射率。通常，绿光输出的波长关系式是sin(x)/x函数(其准确形态取决于晶体波导70′A的均匀性)，并且热梯度扭曲该函数。(请注意，符号x表示IR波长λ与最优波长之间的偏差。)
图3是示出来自二极管激光器的热量在与图2所示的激光系统配置类似的激光系统配置中如何传导的热模型。更具体地，图3示出由空气间隙AG间隔开的二极管激光器20′和悬臂式非线性光学晶体70′的精细元件热模型。尽管二极管激光器20′作为热源，但是空气间隙将它与图3所示的非线性光学晶体70′热绝缘。二极管激光器由金属封装基座来支撑。如该图所示，几乎所有由二极管产生的热量都被传导到金属封装基座中。即，尽管准确的热状态将取决于材料和具体设计，但是该模型示出热量被任何金属接触有效地传走，并且热量不从二极管激光器20′传递到非线性光学晶体70′，因为空气间隙的热阻抗相对较高。实验数据也证明，由于存在空气间隙AG，非线性光学晶体70′的转换效率不因热效应而降低。
第三，两个波导70′A、20′A之间的距离d应实际上尽可能的小，因为大的距离需要二极管波导20′A的输出面或非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面或这两者相对于光轴(Z轴)基本上偏心(Y轴)。透镜组件30的光轴通常位于两个波导70′A、20′A之间的中途位置。这对两个波导70′A、20′A之间的光提供光耦合，并且还允许有源反射镜50(如果利用了有源反射镜)位于其驱动范围的中心，使得反射镜倾斜可用于补偿波导的小幅运动。(这些运动可能由例如温度和湿度变化产生。)两个波导中的任一个离透镜的光轴越远，被引入非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面处的焦点中的光学象差就越多。这些象差包括象散、彗形象差以及球面象差。图4示出两个波导20′A、70′A之间的耦合效率如何随着它们之间的距离d(垂直距离，沿Y轴)的增大而减小的示例。随着距离d增大，光学象差扭曲光束，并且波导20′A、70′A之间的耦合功率变得更小。因为具有较长焦距的透镜组件将产生具有较少光学象差的像，所以当像和物体位移相同距离d’时，使这些象差最小化的一种方法便是使用具有长焦距的透镜组件。然而，我们设法保持激光器封装尺寸最小化，这指示我们应当使用焦距尽可能最短的透镜组件。例如，透镜组件30的焦距f可以是约1.3-1.7mm(例如，f＝1.5mm)。即，优选的是，透镜组件30具有短焦距且在晶体波导70′A的输入面处提供最少量的象差，并且激光系统10具有由两个波导20′A和70′A之间的最优中心到中心间隔d所确定的高耦合效率。(请注意，在图4中，峰值耦合在d＝110μm而不是在0处(没有间隔)是由于二极管激光器20的有角度的发射。)
我们已确定优选的波导间距d大于50μm，但是小于1500μm，且优选地小于700μm。例如，当透镜组件30的焦距约为1.5mm时，150μm至450μm的距离d是适用的。(当距离d稍微大于450μm或稍微小于150μm时，具有稍大或稍小焦距f的透镜组件30是适用的。)最小距离d首先由装配二极管激光器20′和非线性光学晶体70′之间的引线接头回路23′的能力所确定。另外，晶体波导70′A可能不位于非线性光学晶体70′的最外边缘，因为典型的非线性光学晶体70′具有“覆层”70′B，该覆层70′B可以是从几个微米到几百微米厚。图5A和5B中示意性地示出示例性覆层70′B和顶层70′C及两者之间的晶体波导70′A。因此，这两个波导之间的最小可能间隔由覆层70′B(如果存在的话)的厚度加上容纳引线接头23所需的最小距离来设定。例如，如果引线接头回路23′需要150μm的高度，并且如果非线性光学晶体70′具有200μm厚的覆层70′B，那么最小可能波导间距d(中心到中心)是350μm(200μm+150μm＝350μm)。最大波导距离d主要由透镜组件30的光学象差来确定，因为两个波导20′A和70′A之间的光耦合将随着距离d增大而减小。
或者，非线性光学晶体70′不需要位于二极管激光器20′的上方。相反，非线性光学晶体70′可位于二极管激光器20′的旁边。图6中示意性地示出了这种“并排”配置。这种配置具有允许用于激光器引线接头23的大量垂直空间的优点。然而，在两个波导之间通常需要较宽的间隔，因为二极管激光器的结构具有特定固有宽度(约300μm)，并且另外，晶体波导70′A可能不位于非线性光学晶体70′的边缘。当使用图6的配置时，为了防止热串扰，在二极管激光器和非线性晶体之间应有间隔以在它们之间提供空气间隙AG。这种“并排”配置非常类似于图2所示的配置，除了在本实施例中二极管激光器20′和非线性光学晶体70′的位置均被旋转90度，因此该间隔是水平的间隔(X轴)而不是垂直的。小的空气间隙AG用于确保二极管激光器20′和非线性光学晶体70′之间的热隔离。图6所示的示例性绿激光系统10还具有使系统沿着二极管激光器的低数值孔径或水平方向(即，光束22沿着x轴的发散比沿y轴的少)工作的优点，使得慧形象差比沿着垂直轴更慢地降低光耦合。这在图7中示出。更具体地，图7示出两个不同的激光系统配置的耦合效率相对于波导间距d。在一个配置中，非线性光学晶体70′被放置在激光器20′上方(沿Y轴)，如图2所示(参见曲线CC)；而在另一个配置(S-S)中，非线性光学晶体70′被放置为邻近激光器20′(沿X轴)，如图6的“并排”配置所示。具有圆形的线对应于“并排”配置，具有矩形的线对应于悬臂式配置。因为二极管激光器光束22的数值孔径在水平方向上较小(较少发散)，所以图6的并排配置比图2的悬臂式配置在较大间距d处有更高的耦合效率。因此，并排安装将允许两个波导之间的较大间隔d，同时实现相同的耦合效率。在“并排”配置中光源20和非线性光学晶体70′之间的间隔d优选地是30μm≤d≤1500μm，更优选地是50μm≤d≤750μm，再更优选地是50μm≤d≤500μm，以及最优选地是350μm≤d≤500μm。例如，空气间隙可由距离d来表征，距离d可以是50μm、75μm、100μm、125μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm或450μm。这两个波导的耦合效率差D在350μm处是0.8％且在450μm处是2.4％。
而且，从非线性晶体70′的顶面安装非线性晶体70′可能是有利的，其中顶面距波导最远的且对应于非线性光学晶体70′的顶层70′C。这在图8A(侧视图)和图8B(输入端视图)中示出。该顶部安装技术的优点在于具有不同覆层厚度(晶体波导和非线性晶体的底面之间的距离)的非线性光学晶体70′可在同一激光系统中互换使用。这种互换性是有利的，因为它允许使用来自不同来源(卖方)的非线性光学晶体70′，这些非线性光学晶体70′可能具有不同的制造技术并且因而具有不同的覆层厚度。只要非线性光学晶体70′的顶部与二极管激光器20′之间的距离d不变，二极管激光器20′的二极管波导20′A与非线性光学晶体70′的晶体波导70′A之间的间隔将保持不变。这种顶部安装技术也可应用于图6所示的并排安装配置，其中晶体安装表面是距二极管激光器最远的那个面。
图1B、2、6、8A和8B所示的激光系统10被设计成使得光源20(二极管波导20′A的输出面)和接收器70(SHG晶体的晶体波导70′A的输入面)之间的光程长度OPL具有与二极管激光器的腔相同的光程长度。(OPL＝Dix Ni，其中Di是不同组件的表面之间的距离，且Ni是这些表面之间的折射率。)即，图1B、2、6、8A和8B的激光系统10被设计成工作在耦合腔条件下，使得二极管激光器20′的二极管波导20′A的输出面和非线性光学晶体70′的晶体波导70′A的输入面之间形成的腔具有与二极管激光器的内腔相同的光程长度。因此，例如，如果通过二极管激光器20′的二极管波导20′A的光程长度是9.5mm，则通过光学系统10(从光源至接收器)的光程长度应为9.5mm。因此，优选地，如果光源20是二极管激光器，则从光源20至透镜组件30、通过透镜组件30并至反射器50的光程长度(OPL)是通过二极管波导20′A的OPL的1/2。该配置的优点是使离开非线性晶体70′的晶体波导70′A的输入面的寄生反射所产生的激光波长不稳定性最小化。
透镜组件30优选地用于不仅准直由二极管激光器20′所提供的IR光，而且将光再聚焦到非线性光学晶体70′的晶体波导中。透镜组件30被放置成提供约为1∶1的放大率M。优选地，透镜组件被放置成以放大率M将二极管波导20′A的输出面成像在晶体波导70′A的输入面上，其中0.9≤|M|≤1.1。更优选地，0.95≤|M|≤1.05。优选地，透镜组件30具有约0.35至约0.6的数值孔径NA、1mm至3mm的焦距f、0.3mm至3mm的前工作距离FWD以及0.5mm至3mm的后工作距离BWD。FWD是沿光轴从光源20至透镜组件30的前表面S1(即，面向光源的透镜表面)的距离。BWD是从透镜组件30的后表面S2至反射器50的距离。优选地，反射器50位于透镜组件30的后焦平面中，使得当光源20的平均发射角的方向(光束矩心)与接收器70上的平均光束角平行时(即，它与由非线性光学晶体70′的输入面拦截的会聚光锥的矩心平行)达到最优光耦合。
优选地，如果光源20提供具有最大半角Θ的发散光束，反射器50位于透镜组件30的后焦平面上，使得光源的平均发射角的方向平行于接收器上的平均光束角。优选地，当偏心光源位于透镜组件的焦平面中且离轴高达750μm时，透镜组件30被构造成提供准直光束，使得准直束为角度Θ’(相对于反射器表面的法线)，使得0.05RAD≤Θ′≤0.2RAD。
示例性透镜组件30被构造成在接收器上提供光源的像，所述像通过如下来表征：(i)当透镜组件的光轴相对于激光系统的轴(两个波导的(面)之间的中线)或相对于光源的平均发射角(光束矩心)无失准时，象散大于0.05波RMS且小于0.1波RMS；以及(ii)当透镜组件相对于光源的平均发射角倾斜2至6度时，对于2至6度的倾斜角，象散小于0.05。因此，有利地是，即使在激光系统10的组装期间透镜组件30未对准(例如，稍微倾斜或偏心)，在接收器70上的RMS波前误差≤0.1λ，其中λ是由光源20提供的中心波长。
注意，象散可由以下形成：(i)透镜组件中的楔形，或(ii)透镜组件的表面之一相对于另一个表面的偏心，或(iii)表面之一相对于另一个表面倾斜。
本文所述的实施例的透镜组件30优选地被优化成允许二极管波导20′A和晶体波导70′A之间的相对较宽的空气间隙AG，且具有最小的耦合损失。即，即使二极管波导20′A的输出面和晶体波导70′A的输入面被隔开相对较大的距离d，透镜组件30也保持高耦合效率。因为光路是折叠的，且仅使用单个透镜组件30，所以物(二极管波导20′A的输出面)和像(位于晶体波导70′A的输入面处)均被设置为偏离透镜组件的光轴。如上所述，透镜组件30优选地被设计成具有低象散(例如，在0.01λ和0.1λ之间，其中λ是二极管激光器20′所提供的波长)，以便针对离轴放置的波导20′A、70′A在像平面处提供最小束斑扭曲。在图9中示出耦合效率(CE)相对于LD-SHG垂直距离的比较，其可利用各种可购得的透镜组件来实现。第一示例性透镜组件(透镜#1)具有比第二示例性组件(透镜#2)更低的象散，从而导致对波导间隔的容限较大。还针对分别为2mm和3mm的两个不同的透镜到反射镜距离(BWD)计算了第一透镜组件的耦合曲线。
另外，短焦距透镜组件30是优选的，以便使激光系统的长度最小化。(反射镜50同两个波导70′A和20′A之间的距离约为两个焦距。)而且，短焦距透镜组件30将比较长焦距透镜组件具有的随温度的散焦更少。作为第一步近似，通过下式估计由温度所引起的透镜组件30折射率的变化所导致的透镜焦距f的变化：
df dT ≈ - dn dT · f n - 1
其中f是焦距，n是透镜材料的标称折射率，以及dn/dT是折射率随温度的变化。因此，焦距较短的透镜组件将提供焦点位置的较小移动(较小的df/dT)。因此，焦距f优选地小于5mm，更优选地1mm≤f≤3mm，以及最优选地1mm≤f≤2mm。最后，选择具有低dn/dT值的透镜材料是优选的。
尽管透镜组件30和反射镜50之间的近似间距(即，后工作距离BWD)约为一个焦距，但是对BWD的准确选择受若干其它因素影响。第一个因素是来自二极管激光器20′的激光束的发射角(光束22的平均发射角，或光束矩心的角度)。如果二极管波导20′A具有不平的裂缝，那么所发射的光可被容易地向上或向下偏离z轴几度地发射。这意味着最优BWD将略微不同于一个焦距，这使得反射光束以最佳角度(例如，垂直于晶体波导70′A的输入面)进入二极管波导20′A的输入面。这在例如图10A中示出。然而，光学系统中这种从对称的偏离造成了对两个波导70′A、20′A的放置的对准容限的紧缩，并且造成了透镜组件30的定位容限的紧缩。如果激光束22的发射角相反平行于光轴，则激光系统将保持对称且将是远心的(图10B)，从而导致两个波导70′A、20′A的放置的较宽松容限。因此，物理地安装二极管激光器20′使得所发射的IR束22平行于透镜组件30的透镜光轴是有利地。这可通过以角度θ来安装二极管激光器20′来完成，如图11所示。在该实施例中，安装角θ＝3.3°且覆层为200μm厚。该设计同时通过确保对晶体波导70′A的输入面的适当入射角来增大耦合光的量，并且通过使其远心来放宽光学系统的对准容限。
选择BWD时的第二个因素是将在二极管激光器的输出面和晶体波导70′A的输入面之间形成的腔的光程长度设置为等于二极管波导本身的光程长度。腔的模间隔由晶体自身的背反射形成。非线性转换过程的效率是IR激光波长(带宽Δλ在0.2nm的量级上)的敏感函数。这使得激光系统的绿光输出功率对二极管激光器20′所提供的IR光的小波长变化敏感。因为二极管激光器甚至对微小的反馈量都非常敏感，所以晶体波导70′A的输入面被涂敷抗反射膜且角度分开(angle cleaved)，以使反射最小化进而使进入到二极管激光器20′的反馈最小化。即便如此，仍会有足够的反射和背向散射影响到二极管激光器20′的模式选择。如果该反馈随时间变化、通过由激光系统10的任何光学组件所形成的腔的热变化而变化、或者随其它环境变化而变化，那么二极管激光器20′可能会经历模式跳变，并且激光系统的输出功率(绿光输出功率)将波动。使这些变化的影响最小化的一种方法是确保外腔(由二极管波导20′A的输出面和晶体波导70′A的输入面形成)的自由光谱范围与二极管激光器自身的大致相同。光学腔的模间隔或光谱范围由下式确定：
Δ λ FSR = λ 2 2 nL
其中，λ是激光波长(例如，二极管激光器的IR波长)且L是(例如，二极管波导的)光学腔长度，以及n是腔内(例如，由二极管激光器20′形成的二极管激光器的腔内)的折射率。例如，3mm长InGaAs红外二极管激光器20′的模间隔约为0.06nm。这意味着在该示例中晶体波导70′A的输入面和二极管波导20′A的输出面之间的所需OPL可通过使用焦距f约为1.5mm的透镜组件30来实现。
图12示出两个不同示例性透镜组件的作为BWD(透镜到反射镜的间隔或距离)的函数的在二极管波导20′A和晶体波导70′A之间的光程长度。期望光程长度是9.36mm，这与二极管激光器20′的腔模间隔相匹配。图13示出同样的两个示例透镜组件的作为BWD的函数的耦合效率。如图13所示，产生最优光程长度只需要稍微调节BWD离开最优耦合距离(几百微米或更少)。例如，图13示出提供OPL＝9.36mm的间隔。
示例
本发明通过以下示例将更清楚。
示例1
图14示出图11所示的透镜组件30。在该示例性实施例中，图2和3的透镜组件30被优化成提供在0.4的数值孔径NA上，对于在1060nm波长下±200μm场的小于0.1λ的RMS(均方根)波前误差(WFE)，并且被优化成具有焦距和厚度的组合使得光源和接收器之间的光程长度为9.36mm。
透镜组件30的曲率半径(r1，r2)、厚度Th(顶点至顶点)以及非球面系数被选择成具有以下优势：
1.使彗形象差和象散最小化，(对于系统性能的两个最严重的象差)；
2.获得大的视场：低场象差与大孔径(例如，NA＝0.4)组合，使得激光系统对于二极管激光器20′的波导部分和非线性光学晶体70′的波导部分之间400μm(d＝350μm，±25μm)的间隔具有良好的耦合效率；以及
3.提供焦距和厚度的适当组合以允许激光系统10工作在耦合腔状态，使得二极管激光器20′的输出面和非线性光学晶体70′(例如，二次谐波发生(SHG)晶体)的输入面之间形成的腔具有与二极管激光器腔相同的光程长度。
如上所述，透镜组件30具有前表面S1和后表面S2。优选地，前表面S1是以曲率半径r1凸起和非球面的。优选地，后表面是以曲率半径r2凸起和非球面的，使得|r1|＞|r2|。
图14的透镜组件30具有以下特征：
(I)它允许激光系统处于耦合腔状态(二极管激光器和非线性光学晶体之间的OPL等于二极管激光器的OPL，误差在+/-0.05mm内)：OPL＝(0.9mm+1.744mm x1.5+1.18mm)x 2＝9.39mm；以及(II)具有如下参数：(i)FWD＝0.90mm；(ii)厚度T(顶点到顶点)为1.74mm；(iii)焦距：f＝1.76mm；(iv)在1060nm下的玻璃折射率N为1.5；(v)前表面S1的有效直径是1.4mm；(v)后表面S2的有效直径是2mm；(vi)NA＝0.61；(vii)透镜组件的外直径为2.5mm至3mm。
表面s1和s2的表面垂度由以下式给出：
z = c × r 2 1 + 1 - ( 1 + k ) c 2 × r 2 + α 1 × r 2 + α 2 × r 4 + α 3 × r 6 + α 4 × r 8 + . . .
其中c是曲率半径，r是距透镜组件的中心的径向距离，且k＝圆锥系数。
图14的透镜组件30的表面参数在以下的表1中给出。
表1
  参数   S1   S2
  半径   1.716884   -1.193855
  k   -7.316630   -0.795432
  α1   0   0
  α2   0   0
  α3   0   4.107084.10-3
  α4   0   1.121478.10-3
图15示出适于在激光系统10中使用的透镜组件30的性能，还示出通常用于耦合应用的两个示例性商业非球面透镜(透镜1和2)的性能。如上所述，红外二极管20′的波导的输出面和非线性光学晶体70′的波导的前面分开一小距离d。图15示出透镜组件30具有比具有类似焦距的两个可购得的非球面耦合透镜更高的耦合效率。例如，当红外二极管20′的波导的输出面和非线性光学晶体70′的波导的前面分开的距离d高达450μm(0.45mm)时，透镜组件30将保持最大耦合效率的约90％或更高，而其它两个透镜分别对于仅350μm和215μm的d值保持最大耦合效率的90％。类似地，当红外二极管20′的波导的输出面和非线性光学晶体70′的波导的前面分开的距离d约560μm时，透镜组件30将耦合效率保持在最大耦合效率的约80％或更高，而其它两个透镜分别对于仅约360μm和270μm的d值保持最大耦合效率的80％。
示例2
图16示出适于在激光系统10中使用的另一个示例性透镜组件30。图16的透镜组件30具有以下特征：
(I)它允许激光系统处于耦合腔状态(二极管激光器和非线性激光系统之间的OPL等于二极管激光器的OPL，误差在+/-0.05mm内)；
(II)以及具有以下参数：(i)FWD＝0.568mm；(ii)厚度Th(顶点到顶点)为1.82mm；(iii)焦距：f＝1.4mm；(iv)在1060nm的玻璃折射率N为1.784；
(v)NA＝0.4。
图16的透镜组件30的表面参数在以下的表2中给出。
表2
  波长   1060
  透镜厚度   1.821
  在1060nm的折射率   1.783918
  焦距   1.400
  FWD   0.568
  MEMS上的直径(NA＝0.4)   1130.500
示例3
图17示出适于在激光系统10中使用的透镜组件30。图2和3的透镜组件30具有以下特征：
(I)它允许激光系统处于耦合腔状态(二极管激光器和非线性激光系统之间的OPL等于二极管激光器的OPL，误差在+/-0.05mm内)；
(II)以及具有以下参数：(i)FWD＝1.01mm；(ii)厚度Th(顶点到顶点)为1.578mm；(iii)焦距：f＝1.789mm；(iv)在1060nm的玻璃折射率N为1.5；(v)NA＝0.4。
图17的透镜组件30的表面参数在以下的表3中给出。
表3
非球面参数
垂度
垂度＝Ch^2/(1+((1-(1+K)×C^2×h^2))^0.5)+A4h^4+A6h^6+…+A16h^16
h；半径
  波长   1060
  透镜厚度   1.578
  在1060nm的折射率   1.502905
  焦距   1.789
  FWD   1.014
  MEMS上的直径(NA＝0.4)   1.455
透镜组件优化
优化透镜系统的常规方式在于将所有的光学元件放置在其标称位置，并使光学设计软件找到针对给定优化函数的局部最小值。同样，为了使光学组件的定位容限尽可能大，通常的优化方法包括使中间空间中(即，光学组件之间)的象差最小化。即，在通常的优化期间，透镜设计者试图证实在提供光学功率的每个光学表面之后，波前尽可能地接近理想(球面或平面)波前。这通常通过将中间空间(即不同表面之间以及光学元件之间的空间)中的塞德尔(Seidel)系数(象差)的某些限制包含在优化函数中来完成。
通过将该方法应用到折叠式配置，我们获得了二极管激光器至PPLN晶体的距离d高达0.5mm时的极好结果。不幸的是，我们利用该优化类型获得的所有设计具有非常严格的制造和组装定位容限，最关键的可能是透镜组件的倾角，其被限于约1度或更小。透镜组件30或反射镜50的略微倾斜的影响主要是引入一些彗形象差和象散，这两者导致耦合降级(二极管激光器和非线性光学晶体之间的低效率耦合)。
图18示出透镜象差相对于透镜倾角，更具体地是，总波前误差(WFE)随一个示例性透镜组件30的倾角的演变。在该计算中，二极管激光器和PPLN晶体之间的距离d保持恒定(0.35mm)，并针对每个透镜倾角值调节聚焦。当倾角增大时，彗形象差(C)和象散(A)两者(它们是主要的象差)的幅度增大。结果，当没有透镜倾斜时波前误差非常小，但是当倾角增大时它快速降级。
为了放松容限，我们尝试另一种优化方法。自该优化所得的透镜组件在形状和非球面化上非常类似于先前的那一个。然而，容限分析指示透镜倾角和反射镜角度的容限被放松5倍。为了理解放松源自哪里，我们再次计算作为透镜倾角的函数的象差的变化。图19还示出透镜象差相对于透镜倾角。如图19所见，在倾角为0时象散曲线(A)不是最小值，并且实际上随着透镜倾角的增大而减小。这基本上表示当所有的组件处于其标称位置而没有倾斜时，设计存在一些残余象散，这些残余象散补偿透镜倾角增大时出现的象散。
结果是总象差在透镜的宽范围角度倾斜上保持相对平直。换言之，标称设计可适应范围大得多的定位容限。
图20分别示出针对两个设计(透镜设计#1和#2)计算的耦合效率相对于透镜倾角以及比反射镜倾角。可见，当各组件在它们的标称位置时，容限显著改善且对耦合没有任何显著影响。
该分析示出通过将一些残余象散引入设计中可显著改善定位容限。该象散补偿由组件失准产生的象散，这使得系统对定位容限更加宽容。
对本领域技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变化，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。

Claims (11)

1.一种具有光轴的折叠式激光系统，所述激光系统包括：
(I)相干光源；
(II)反射器；
(III)位于所述光源和所述反射器之间的透镜组件；以及
(IV)非线性光学晶体，其中所述光源和所述非线性光学晶体由距离1500μm>d>50μm的空气间隙隔开，用以在所述光源和所述非线性光学晶体之间提供热绝缘；
其中：(a)所述透镜组件被定位成当拦截来自所述光源的光时提供准直光束，使得所述准直光束与所述光轴成角度Θ'，
(b)所述反射器被放置成拦截所述准直光束并将所述准直光束反射,以通过所述透镜组件到达所述非线性光学晶体；以及
(c)所述透镜组件被构造成在所述非线性光学晶体上提供所述相干光源的像。
2.如权利要求1所述的具有光轴的折叠式激光系统，其特征在于，
(i)所述光源和所述非线性光学晶体被放置成相对于所述光轴基本上对称；和/或
(ii)所述透镜组件被放置成以放大率M成像，且0.9≤│M│≤1.1。
3.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于，所述相干光源是二极管激光器，并且所述非线性光学晶体和所述二极管激光器相对于彼此倾斜。
4.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于，
(i)所述非线性晶体在所述相干光源上方以悬臂式延伸；和/或
(ii)所述相干光源是二极管激光器，且所述非线性晶体是通过利用所述晶体的离所述二极管激光器最远的面来固定的。
5.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于：
(i)150μm≤d≤500μm；和/或
(ii)所述激光系统由大于0.05波RMS且小于0.1波RMS的象散来表征。
6.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于，所述反射器位于所述透镜组件的焦平面中，使得所述光源的平均发射角的方向平行于所述非线性光学晶体上的平均光束角。
7.如权利要求1或2所述的激光系统，其特征在于，所述光源是二极管激光器，并且从所述非线性光学晶体到所述二极管激光器的OPD基本上等于所述二极管激光器内部的OPD。
8.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，
所述透镜组件是双-非球面单体（bi-aspheric singlet），其数值孔径NA为0.35至0.6，焦距ｆ：1mm≤f≤3mm；并且
(a)前工作距离FWD是0.3mm至3mm；和
(b)后工作距离BWD是0.5mm至3mm。
9.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述透镜组件具有:
(a)前表面和后表面，所述前表面是以曲率半径r1凸起和非球面的，所述后表面是以曲率半径r2凸起和非球面的，使得│r1│>│r2│；
(b)数值孔径NA为0.35至0.5；以及
(c)焦距为1mm至3mm。
10.如权利要求2所述的激光系统，其特征在于：
(a)所述透镜组件被定位成当拦截来自所述光源的光时提供准直光束；以及
(b)所述反射器被放置成拦截所述准直光束并将所述准直光束反射，以通过所述透镜组件到达所述非线性光学晶体；以及当所述光源位于所述透镜组件的焦平面中且离所述透镜组件的光轴的偏心距离d’≤750μm时,使得所述准直光束与所述光轴成角度Θ'，其中角度Θ'为：0.05RAD≤Θ'≤0.2RAD。
11.如权利要求2、8、9或10所述的激光系统，其特征在于：
(i)所述反射器位于所述透镜组件的像焦平面中，使得所述光源的平均发射角的方向平行于所述非线性光学晶体上的平均光束角；和/或
(ii)所述相干光源以补偿所述相干光源的分开角的角度安装，使得来自所述相干光源的发射光束的矩心平行于所述透镜组件的光轴的矩心。
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