CN106410581A - 被动对准的交叉圆柱物镜组件 - Google Patents

被动对准的交叉圆柱物镜组件 Download PDF

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Abstract

一种交叉圆柱物镜组件包含：一个快轴物镜(FAO)，其沿着一个光轴定位，用于使一个入射激光光束沿着一个快轴聚焦；一个慢轴物镜(SAO)，其沿着该光轴定位，用于使该入射激光光束沿着一个慢轴聚焦；以及一个透镜框，其具有快轴物镜接收部分和慢轴物镜接收部分，用于使该FAO和该SAO沿着该光轴以预定间隔配准。

Description

被动对准的交叉圆柱物镜组件
对相关申请的交叉引用
本申请要求享有2015年5月15日提交的、标题为“PASSIVELY ALIGNED CROSSEDCYLINDER OBJECTIVE ASSEMBLY”的美国临时申请No.62/162,535的权益，该美国临时申请以引用的方式被纳入本文。
技术领域
本公开内容涉及激光二极管封装件(laser diode package)。
背景技术
常规激光二极管封装件典型地包含一个或多个以非对称发散度和非对称光束参数乘积(beam parameter product，bpp)发射光束的边缘发射半导体二极管激光器(edge-emitting semiconductor diode laser)。时常地，这多个激光二极管发射彼此平行传播或通过多种光学器件变得平行传播的光束。单独的快轴准直光学器件和慢轴准直光学器件使光束沿着对应的光束快轴和光束慢轴准直。圆对称的平凸物镜透镜典型地被定位成接收准直光束且将所述光束聚焦到一个光学纤维内。不幸的是，一个平凸物镜透镜不允许对与光束快轴和光束慢轴相关联的亮度进行独立控制或优化。包含通过一个或多个附加的光学器件的单独控制会引入不可接受的成本和复杂度。这样的附加的光学器件还使光束对准更困难，需要附加的劳动和复杂的紧固，且导致增加的误差或缺陷可能性。因此，仍需要不具有上述缺点的激光二极管封装件中的创新。
发明内容
根据一方面，一种交叉圆柱物镜组件(cross-cylinder objective assembly)包括：一个快轴物镜(FAO)，其沿着一个光轴定位，用于使一个入射激光光束沿着一个快轴聚焦；一个慢轴物镜(SAO)，其沿着该光轴定位，用于使该入射激光光束沿着一个慢轴聚焦；以及一个透镜框，其具有快轴物镜接收部分和慢轴物镜接收部分，用于使该FAO和该SAO沿着该光轴以预定间隔配准。
根据另一方面，该交叉圆柱物镜组件还包括：其中，该透镜框接收部分限定一个透镜框孔径，通过该透镜框孔径，该透镜框的一个环形部分可朝向光学纤维接收端插入，使得该环形部分配准到该透镜框孔径且阻止该透镜框横向于该光轴的平移；该透镜框接收部分包含一个旋转阻止表面，该旋转阻止表面抵靠该透镜框的一个旋转阻止表面配准且阻止该透镜框绕该光轴的旋转；该透镜框接收部分包含一个插入表面，该插入表面抵靠该透镜框的一个插入表面配准且阻止该透镜框沿着该光轴的平移。
根据另一方面，一种方法包括：从多个不同的透镜框选择一个透镜框，每个透镜框包含：一个光学安装件配准部分，用于将该透镜框配准到一个与一个光轴相关联的共用的光学安装件；一个快轴物镜(FAO)接收部分，用于将一个FAO配准且固定到该透镜框；以及一个慢轴物镜(SAO)接收部分，用于将一个SAO配准且固定到该透镜框；其中每个透镜框与每个其他透镜框就以下项中的一个或多个而言不同：沿着该光轴该FAO接收部分和该光学安装件配准部分之间的间隔，和沿着该光轴该SAO接收部分和该光学安装件配准部分之间的间隔。
根据另一方面，一种二极管激光器封装件包括：一个安装件，其包含一个在相对的透镜框和纤维接收部分之间延伸的聚焦体积，所述部分与一个光轴相关联且限定对应的孔径；一个光学纤维，其相对于该纤维接收部分孔径固定，使得该光学纤维的一个输入面被定位在该聚焦体积内在沿着该光轴且关于该光轴同轴的一个所选位置处；一个透镜框，其被配准到该安装件的透镜框接收部分以便阻止该透镜框绕该光轴的旋转且阻止该透镜框在沿着该光轴的一个或两个方向上的平移，该透镜框包含一个快轴物镜(FAO)接收部分和一个慢轴物镜(SAO)接收部分；一个FAO，其具有一个FAO聚焦轴且被配准到该FAO接收部分以便阻止该FAO相对于该光轴的旋转且阻止该FAO在沿着该光轴的一个或两个方向上垂直于该FAO聚焦轴的平移；以及一个SAO，其具有一个SAO聚焦轴且被配准到该SAO接收部分以便阻止该SAO相对于该光轴的旋转且阻止该SAO在沿着该光轴的一个或两个方向上垂直于该SAO聚焦轴的平移。
根据下面参考附图进行的详细描述，所公开的技术的前述和其他的目的、特征和优点将变得更加明了。
附图说明
图1A是适合于将一个或多个准直光束耦合到一个光学纤维内的激光二极管封装件的被动对准的交叉圆柱透镜组件的一部分的侧横截面视图。
图1B是带有透镜的被动对准的交叉圆柱框的立体图。
图1C是一个被动对准的交叉圆柱透镜组件的立体图。
图1D是一个交叉圆柱透镜对的立体图，其中为了清楚而移除了其他部件。
图2A和图2B是相对于一个光轴相对地定向的一个凸透镜的光线追迹。
图3A和图3B是分别对应于图2A和图2B的凸透镜的成像平面辐照度图(irradiancemap)。
图4A和图4B是对于不同数值孔径的功率围场(power enclosure)的图表。
图5A和图5B是一个纤维面处的光场强度的光斑图解图。
图6是与不同的光学器件相关联的光束参数乘积的图和光束在一个纤维面处的效果。
图7是用于耦合到一个纤维面内的光束的光线追迹示意图，大致以俯视图描绘了快轴和以仰视图描绘了慢轴。
图8是将准直光束被动地对准到一个光学纤维的方法的流程图。
具体实施方式
如在本申请和权利要求书中使用的，单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”以及“所述(the)”包含复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，术语“包含”意指“包括”。另外，术语“耦合”不排除在耦合项之间存在中间元件。
本文描述的系统、设备和方法不应被理解为以任何方式进行限制。而是，本公开内容指向多个公开的实施方案的所有新颖的且非显而易见的特征和方面(单独地以及以相互间的多种组合和子组合的方式)。所公开的系统、方法和设备既不限于任何具体的方面或特征或其组合，也不需要呈现任何一个或多个具体的优势或解决任何一个或多个具体的问题。任何操作理论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。
尽管为了方便呈现而对一些公开的方法的操作以特定的顺次次序进行了描述，但是应理解，这种描述方式囊括了重新排列，除非下面陈述的具体的语言要求特定的次序。例如，在一些情况下，顺次描述的操作可以被重新排列或被同时地执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出公开的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的多种方式。此外，本说明书有时使用术语比如“产生”和“提供”来描述公开的方法。这些术语是对执行的实际操作的高水平抽象。对应于这些术语的实际操作将依赖于具体的实施方式而变化，且可容易被本领域的普通技术人员识别。
在一些实施例中，值、程序或设备被称作“最低”、“最好”、“最小”或诸如此类。将理解，这样的描述旨在表明可以在多个使用的功能替代方案间进行选择，且这样的选择不必更好、更小或以其他方式相对于其他选择是优选的。参考一些被指示为“在…以上(above)”、“在…以下(below)”、“上(upper)”、“下(lower)”、“水平的(horizontal)”、“竖直的(vertical)”和诸如此类的方向描述实施例。这些术语是出于方便描述而使用的，而且不暗示任何特定的空间定向。
如在本文中使用的，光学辐射指波长在大约100nm到10μm之间、且典型地在大约500nm到2μm之间的电磁辐射。基于可获得的激光二极管源和光学纤维的实施例通常与在大约600nm到1700nm之间的波长相关联。在一些实施例中，传播的光学辐射被称为一个或多个光束，所述一个或多个光束具有可以取决于光束波长和用于光束成形的光学系统的直径、光束横截面面积以及光束发散度。为了方便起见，光学辐射在一些实施例中被称为光，且不必是可见波长的光。
典型的激光二极管具有横截面为非圆形的发射区。一个激光二极管的发射区可以与一个沿着发射区的最长尺度指向的慢轴以及一个沿着发射区的最短尺度指向的快轴相关联。沿着慢轴，发射的光束倾向于具有比沿着快轴的角散度更小的角散度。此外，慢轴倾向于与较之快轴中的光束传播而言更多横模下的光束传播相关联，使得沿着慢轴测量的光束参数乘积(对应于角散度和二分之一光束尺度的乘积)大于沿着快轴测量的光束参数乘积。可以通过一个或多个透镜、棱镜或镜调整沿着慢轴、快轴或二者的光束发散度和光束直径，以提供可以被优化用于多种应用的所选光束特性。
参考光学纤维描述代表性实施方案，所述光学纤维典型地被假定为是横截面旋转对称的，但是可以使用具有正方形横截面、矩形横截面、多边形横截面、卵形横截面、椭圆形横截面或其他横截面的其他类型的光学波导。光学纤维典型地由被掺杂(或未被掺杂)以提供预定折射率或折射率差的二氧化硅(玻璃)形成，但是它们不必被限于由二氧化硅制成的材料。在一些实施例中，纤维或其他波导由其他材料诸如氟锆酸盐、氟铝酸盐、氟化物或磷酸盐玻璃、硫族化物玻璃或者结晶材料诸如蓝宝石制成，这取决于感兴趣的波长。二氧化硅和氟化物玻璃的折射率典型地是大约1.5，但是其他材料诸如硫族化物的折射率可以是3或更大。在再一些实施例中，光学纤维可以部分由塑料形成。在典型的实施例中，掺杂的波导芯诸如纤维芯响应于泵浦提供光学增益，且芯和包层是近似同轴的。在其他实施例中，芯和包层中的一个或多个是偏心的，且在一些实施例中，芯和包层定向和/或位移沿着波导长度变化。
如在本文使用的，数值孔径(NA)指如下的光学波导所限定的相对于传播轴线的最大入射角度：对于该角度，传播的光学辐射大体上被限制。在光学纤维中，纤维芯和纤维包层可以具有相关联的NA，典型地分别由芯和包层之间的折射率差限定或者由相邻的包层之间的折射率差限定。当以这样的NA传播的光学辐射被大致良好地限制时，相关联的电磁场诸如渐逝场典型地延伸到相邻的包层内。在一些实施例中，芯NA与芯/内包层折射率相关联，且包层NA与内包层/外包层折射率差相关联。对于具有芯折射率ncore和包层折射率nclad的光学纤维，纤维芯NA是对于具有一个内芯和一个与该内芯相邻的外芯的光学纤维，包层NA是其中ninner和nouter分别是内包层的折射率和外包层的折射率。如上文所讨论的光束还可以被称为具有与光束角半径相关联的光束NA。虽然下文描述了多芯阶跃折射率纤维，但是也可以使用梯度折射率设计。
在本文公开的实施例中，波导芯诸如光学纤维芯掺杂有稀土元素(诸如，Nd、Yb、Ho、Er)或其他活性掺杂剂或其组合。这样的活性掺杂的芯可以响应于光学泵浦或其他泵浦提供光学增益。如下文所公开的，具有这样的活性掺杂剂的波导可以被用来形成光学放大器，或如果被设置有合适的光学反馈(诸如，反射层、镜、布拉格光栅或其他反馈机构)，这样的波导可以生成激光发射。在本文中术语亮度通常用来指光束功率除以光束半径和发散度的乘积的平方。
在一些实施例中相对于一个或多个轴描述了光束和光学元件。典型地，一个轴包括如下的一个或多个直线段：光束沿着所述一个或多个直线段传播，或一个或多个光学元件沿着所述一个或多个直线段定位。可以通过反射表面使这样的轴弯曲或折叠，使得轴不必是单一的直线段。描述了多种透镜且可以使用多种透镜，所述透镜包括：双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜、平凹透镜、圆柱形透镜、菲涅耳透镜、波带片、全息透镜、球面透镜、非球面透镜以及其组合等。在方便的实施例中，圆柱形透镜具有彼此垂直安排以提供交叉圆柱(十字形圆柱)透镜或透镜组件的圆柱形表面。在典型的实施例中，平凸圆柱形透镜具有一个平表面和一个圆柱凸表面，所述平表面和所述圆柱凸表面限定可以同与该圆柱凸表面相关联的轴向曲率中心平行或共线的聚焦轴。典型地光束平行于一个与透镜的平表面或弯曲表面垂直的光轴入射到这样的透镜。这样的光束倾向于沿着一个与聚焦轴和光轴垂直的轴(例如，慢轴、快轴)聚焦，且准直光束倾向于被带到相对于此轴的在该聚焦轴处的焦点。在一些交叉圆柱实施例中，第一物镜和第二物镜沿着一个光轴间隔开并且提供一组对应的聚焦轴，该组对应的聚焦轴彼此垂直并且在一个聚焦平面处彼此交叉。
在多个实施方案中，光学部件(诸如，透镜、安装件、壳体等)被配准到其他光学部件。两个或更多个光学部件的表面可以被配准以便对准对应的光学部件或对准其他光学部件或光束。这样的配准和对准可以轴向地或横向地发生，或以适合于提供光学部件和光束的对应的对准的其他方式发生。术语“表面”与配准的光学部件结合使用，并且将理解，表面可以包含其他特征，包括边缘、平面、线(thread)、锯齿、纹理、倒角、凹口、棘爪、夹紧构件等，且这样的表面可以被安排在不同于与光学部件的不同特征平行或垂直的定向上。
如图1A中示出的，坐标系包含沿着光束传播方向的轴101A、沿着光束快轴的轴101B以及沿着光束慢轴的轴101C(进入图1A的平面内)。在图1A的实施例中，光束可以具有大体上垂直的快轴和慢轴。参考图1A，激光二极管封装件100包含交叉圆柱物镜组件106，该交叉圆柱物镜组件接收沿着轴116传播的一个或多个光束102并且将光束102聚焦或指引到光学纤维104内。光束102典型地是沿着快轴和慢轴具有不同光束参数乘积的准直光束。组件106通常包含保持平凸圆柱形快轴物镜(FAO)110和平凸圆柱形慢轴物镜(SAO)112的透镜框。FAO 110被选择为使光束102沿着快轴聚焦在聚焦平面120处，且SAO 112被选择为使光束102沿着慢轴聚焦在聚焦平面120处，即，使得FAO 110和SAO 112的聚焦位置在空间上重叠。组件106还包含光学安装件114，透镜框108被配准且被固定到该光学安装件。
FAO 110和SAO 112通常各包含一个圆柱形凸表面和一个平表面，并且与组件106和光学安装件114配准使得相应的平表面大体上垂直于轴116(且所述透镜的平表面彼此平行)，并且圆柱凸表面的曲率中心位于轴116上或几乎这样。组件106包含由光学安装件114的内孔114A接收的外表面106A诸如一个圆柱形表面。内孔114a可以与轴116大致同轴。组件106的沿着内孔114A的轴向位移允许沿着轴116选择聚焦平面120的轴向位置。组件106可以被配准到光学安装件114，使得SAO112和FAO 110(它们可以在组件106到光学安装件114的配准之前被固定到透镜框108)变得与入射准直光束102对准，以将光束102聚焦到聚焦平面120处或附近的光学纤维104内。光学纤维104可以被固定在一个相对于被配准到光学安装件114的组件106的预定位置，或可以使光学纤维104沿着一个与光轴116共线的光学纤维插入路径纵向平移，使得该光学纤维的接收端118可以变得和与配准的SAO和FAO相关联的聚焦平面120对准。
为了生成准直光束102，二极管激光器封装件典型地包含一个或多个半导体二极管激光器，所述一个或多个半导体二极管激光器被定位为生成一个或多个波长的光束。典型地通过多种光学器件指引和处理光束102以便形成以平行、堆叠关系传播的光束102，其中关于应用(诸如，耦合到一个光学纤维内)优化了光束参数乘积。在典型的实施例中，准直光束102被堆叠使得每个光束慢轴与每个其他光束慢轴相邻且间隔开，且使得每个光束快轴与每个其他光束快轴共线。
典型地，半导体二极管激光器被定位以便产生多个移位的、准直光束102。小光束移位通常是优选的。二极管激光器以及对应的发射面可以以本领域中已知的多种方式水平地和竖直地间隔，并且可以以多种方式或通过多种光学器件被反射和重新指引以将光束以一个或多个二维紧密堆积的平行准直光束堆叠的形式提供。光束102然后被聚焦且被耦合到光学纤维104内，使得耦合的激光可以被用于多种应用。成功地耦合到光学纤维芯内的光的数值孔径通常在纤维的输出处被保持。随着二极管激光功率增加，该封装件的更高亮度的激光输出可以在随后的应用(诸如，纤维激光泵浦或材料处理)中更有用。因此，通常期望在安排用于耦合到光学纤维内的光束方面在可能的程度上保持发射的光束的数值孔径。
二极管激光器封装件典型地被容纳在一个坚固的壳体诸如壳体115内，该壳体由导热材料(诸如，铜或另一种金属或合金)制成。二极管激光器可以被直接安装到壳体115的一个导热表面或安装在一个或多个单独的导热块上。光学纤维104可以终止于SMA类型的连接器或其他合适的终端中，所述连接器或其他合适的终端与光学安装件114分开、形成该光学安装件的一部分或被集成到该光学安装件内，所述光学安装件也可以与壳体115分开、形成该壳体的一部分或被集成到该壳体内。光学纤维104的终止可以以相对于入射准直光束102固定的关系或以沿着光轴116可滑动的关系提供光学纤维接收端118，使得光学纤维接收端118可以被定位为接收在其中变得聚焦的光束102。在一个实施例中，通过机械加工壳体材料的实心块来形成光学安装件114以提供用于光学纤维104的接收部分122和用于透镜框108的接收部分124。在另一个实施例中，光学安装件114是一个单独的材料块，所述材料块可以与壳体材料相同或不同。
在一个代表性实施例中，光学纤维104被插入穿过设置在光学纤维接收部分122的孔128中的玻璃套管126。玻璃套管126阻止光学纤维相对于光轴116平移或倾斜，且还可以用来剥离在光学纤维接收端118处耦合到包层内的光学模式并且使能量消散到光学安装件114的导热材料内。在其他实施例中，光学纤维接收部分122可以包含螺钉、夹子、搭扣、推挽式装置(push-pull)、卡销或适合于将光学纤维接收端118以相对于光轴116和光学安装件114的预定固定关系或纵向可调整的关系定位的其他纤维连接器互连件或对应的机构。沿着光轴116的纵向调整在使光学纤维接收端118和与FAO 110和SAO 112相关联的聚焦平面120对准方面可以是有用的。
附加地参考图1B-图1D，交叉圆柱物镜组件106的透镜框108包含快轴物镜接收部分130和慢轴物镜接收部分134，该快轴物镜接收部分130可以包含配准表面132，该慢轴物镜接收部分134可以包含配准表面136。配准表面132、136可以用来绕光轴116旋转地对准FAO 110和SAO 112。FAO 110的平面光学表面138和FAO侧表面140可以被配准到配准表面132，使得在交叉圆柱物镜组件106到光学安装件114的随后配准之后，FAO 110被对准到光轴116。对应的透镜框轴117(如图1B中所见)也被带到与光轴116共线或同轴对准。在一个代表性实施例中，配准表面132包含分开近似FAO侧表面140之间的距离的相对的平面表面142a、142b，且包含一个接收FAO 110的平面光学表面138的平面背表面144。相对的开口146a、146b与相对的平面表面142和平面背表面144一起提供允许FAO 110可滑动地接合透镜框108的配准狭槽147，使得FAO 110可平行于FAO 110的聚焦轴148平移。在另一个实施例中，开口146被替换为可以限制平行于聚焦轴148的平移的支撑表面。
在FAO 110被配准到快轴物镜接收部分130且交叉圆柱物镜组件106被配准到光学安装件114的情况下，相对的平面表面142a、142b阻止FAO 110绕光轴116的旋转且阻止竖直平移，即，垂直于聚焦轴148的移动。这样的受限制的移动方向还平行于入射准直光束102的快轴。平面背表面144还阻止光学器件沿着光轴116朝向光学纤维接收端118的平移以及绕一个平行于聚焦轴148的轴和绕一个共同垂直于聚焦轴148和光轴116的轴的旋转。因此，在一个配准位置中，FAO 110的一些或全部自由度可以被限制。FAO 110可以以多种方式固定到接收部分130，包括通过将环氧树脂或其他合适的粘合剂施加到FAO 110的一个或多个接触表面或边缘诸如配准表面132和可适用的表面。在FAO110能够平行于聚焦轴148可滑动地接合的情况下，可以更容易地完成在透镜框108中的安装。此外，可以在交叉圆柱组件106在光学安装件114中的安装之前安装FAO 110。在组件106被配准或被固定到光学安装件114的情况下，FAO 110的圆柱形光学表面111(被示出为图1D中的虚线隐藏表面)面向入射准直光束102，且使所述光束沿着所述光束的快轴聚焦以用于耦合到光学纤维104内。
SAO 112可以包括平面光学表面150和侧表面152(如可以在图1A和图1D中看到)，侧表面152可以由SAO接收部分134的配准表面136接收。在交叉圆柱物镜组件106到光学安装件114的随后配准之后，SAO 112以与光轴116和入射准直光束102对准的关系设置。在一个代表性实施例中，配准表面136包含分开近似侧表面152之间的距离的相对的平面表面154a、154b，且包含接收SAO 112的平面光学表面150的平面背表面156。相对的开口158a、158b与相对的平面表面154和平面背表面156一起提供允许SAO 112可滑动地接合透镜框108的配准狭槽159，使得SAO 112可平行于其聚焦轴160平移。因为组件106的交叉圆柱方面，SAO聚焦轴160大致垂直于FAO聚焦轴148，且在透镜框108被配准到光学安装件114的情况下二者共同垂直于光轴116。在另一个实施例中，开口158被替换为可以限制平行于聚焦轴160的平移的支撑表面。
以与FAO 110类似的方式，在SAO 112被配准到慢轴物镜接收部分134且组件106被配准到光学安装件114的情况下，相对的平面表面154a、154b阻止SAO 112绕光轴116的旋转且阻止水平平移，即垂直于聚焦轴160的移动。这样的受限制的移动方向还平行于入射准直光束102的慢轴。平面背表面156还阻止光学器件沿着光轴116远离光学纤维接收端118的平移以及绕一个平行于聚焦轴160的轴和绕一个共同垂直于聚焦轴160和光轴116的轴的旋转。因此，在一个配准位置中，SAO112的一些或全部自由度可以被限制。
SAO 112可以以多种方式固定到接收部分134，包括通过将环氧树脂或其他合适的粘合剂施加到SAO 112的一个或多个接触表面诸如配准表面136和可适用的表面。在SAO112能够平行于聚焦轴160可滑动地接合的情况下，可以在有更少的对准顾虑的情况下更容易地实现在透镜框108中的安装。此外，可以在交叉圆柱组件106在光学安装件114中的安装之前安装SAO 112。在组件106被配准或被固定到光学安装件114的情况下，SAO 112的圆柱形光学表面113面向光学纤维接收端118，并且使光束102沿着光束慢轴聚焦以用于耦合到光学纤维104内。因此，FAO 110和SAO 112可以被配准和固定到透镜框108的相应的接收部分132、134，使得透镜框108在光学安装件114中的随后安装提供用于聚焦到光学纤维104内的入射准直光束的被动对准。FAO110和SAO 112可以各具有矩形形状使得安装是防错的(poka-yoke)。换言之，矩形形状减少或消除组装错误发生的可能性，因为当FAO 110和SAO112被不适当地定向时，它们不会配准在透镜框108中。还可以使透镜框108的配准特征是防错的，使得透镜框108可以减少的组装错误配准到光学安装件114。在一些实施例中，透镜框108可以仅在一个方向上插入，或仅以相对于轴116的一个定向插入，或以绕轴116旋转180度的第一定向和第二定向但不在绕轴116 90度处插入。
在代表性实施例中，相应的FAO 110或SAO 112的六个自由度中的五个被限制，其中第六个自由度与为了对准而可能需要或可能不需要被限制的自由度相关联，诸如，平行于一个对应的聚焦轴。在其他实施例中，不同数目的受限制的自由度是可能的。通过被动对准，对光学部件进行较少调整或不对光学部件进行调整以优化或实现期望的结果。例如，在主动对准的光学配置中，由技术人员使透镜光学器件(诸如，聚焦物镜)倾斜、转动、平移等，直到关于诊断设备或其他监控设备实现合适的结果。对于被动对准的光学器件，诊断设备仍可以被使用，但是典型地仅监控结果而不提供闭环反馈。
在FAO 110和SAO 112被配准且被固定到透镜框108的情况下，交叉圆柱物镜组件106可以被配准到光学安装件114的透镜框接收部分124。可以由金属管或棒常规地制造透镜框108，且该透镜框可以包含环形部分162，该环形部分可插入到透镜框接收部分124的与光轴116同轴的孔径164内。环形部分162的至少一部分具有与孔径164近似相同的直径，使得环形部分162上的配准表面166被提供，该配准表面可以被配准到孔径164的一个表面。配准到孔径164的环形部分162阻止透镜框108邻近光轴116的平移以及不是绕光轴116的旋转。
透镜框108还包含较大的透镜框部分168，该较大的透镜框部分也可以是环形的，并且该较大的透镜框部分包含垂直于光轴116的配准表面170，该配准表面通过与透镜框接收部分124的插入停止表面172配准阻止透镜框108到孔径164内的进一步插入。通过阻止进一步插入，物镜110、112被阻止沿着光轴116平移更远。从相应的物镜到配准表面170的距离可以确定与所述物镜相关联的聚焦平面120的位置。因此，配准表面170可以提供一个用于将透镜框108和对应的物镜110、112相对于光学纤维接收端118定距离的参考基准。
例如，可以使较大的透镜框部分168沿着光轴116延长或缩短，使得当组件106被配准到光学安装件114时平面背表面144更远离或更靠近光学纤维接收端118定位。然后可以基于将平面背表面144或其他配准表面设置在相对于配准表面170的一个对应的所选偏移处的延长或截断使用具有对应的较长或较短焦距的FAO 110。还可以使环形部分162沿着光轴116延长或缩短，使得平面背表面156更靠近或更远离光学纤维接收端118定位。然后可以基于将平面背表面156或其他配准表面设置在相对于配准表面170的一个对应的所选偏移处的延长或截断使用具有对应的较短或较长焦距的SAO 112。为了维持光学安装件114之间的共同特征，透镜框变体和对应的物镜可以被配置成将聚焦平面120设置在沿着光轴116的近似相同的位置，尽管应理解，不同的位置也是可能的。在一些实施例中，可以使用不同的光学安装件114，其中在插入停止表面172和用于光学纤维接收端118的标称位置之间指定不同的对应距离。
透镜框108还包含配准表面174，该配准表面174被定位成当被配准到透镜框接收部分124时阻止透镜框108绕光轴116的旋转。透镜框接收部分124包含配准表面176，该配准表面176接触配准表面174以阻止透镜框108相对于光学安装件114的旋转。对于环形的较大的透镜框部分168，配准表面174可以通过机械加工平坦该较大的透镜框部分的环形表面的一部分形成以对应于配准表面176。
在图2A和图2B中，从侧面观看到一对平凸透镜200、202。透镜200被定向成其中凸表面204面向入射平行光线206且平表面208面向会聚光线210。会聚光线210以相对小的球面像差程度到达焦点212。透镜200的定向通常被称为与对应的减少的球面像差量相关联的“平坦到焦点(flat-to-focus)”。透镜202被相反地定向，使得平表面214面向入射平行光线216且凸表面218面向离开的会聚光线220。对应的焦点222例示大量的球面像差，如通常本领域技术人员避免的。尽管透镜200、202是相对厚的以便扩大与凸表面的定向相关联的像差效应，但这样的效应在某种程度上同样存留在薄透镜状况中。
图3A和图3B例示了通过具有薄透镜特性的平凸光学器件聚焦的光束的聚焦光斑300、302。光斑300是通过平坦到焦点定向的平凸光学器件、在一个或多个光束的聚焦成像平面304处生成的，大部分光束功率被包含在直径大约20μm的圆内。光斑302是通过凸到焦点(convex-to-focus)定向的平凸光学器件、在一个或多个光束的聚焦成像平面306处生成的，大部分光束功率被包含在直径大约60μm的圆内。虽然功率围场显著退化，但所有功率保持被包含在与多模光学纤维芯相关联的100μm边界内。为了将凸到焦点定向的光学器件设置成具有合适功率围场特性以用于耦合到多模纤维内，将高指数玻璃用于光学器件可以是有利的，诸如，折射率为1.7或更大的玻璃。光学器件应被保持相对薄，诸如，具有大约2mm或更小的最大厚度，且该光学器件的焦距应大于一个或多个入射准直光束的直径的大约三倍。可以在由凸到焦点定向造成的像差效应和与将光束耦合到光学纤维内相关联的合适的功率围场之间实现平衡。
在一些实施例中，SAO 112被布置成凸到焦点使得其凸表面113面向光学纤维接收端118。SAO 112被定位为接收入射光束102，所述入射光束102由于通过FAO 110传播而相对于光束102的快轴聚焦，且相对于所述光束的慢轴被准直。将SAO 112定向成凸到焦点可以简化透镜框108的制造，且允许交叉圆柱组件106的构造方面的较大便利。此外，与非常规凸到焦点方法相关联的像差产生与慢轴相关联的图像模糊(或无论哪个光学器件被定向成凸到焦点)，所述图像模糊减少成像平面处的峰值辐照度(peak irradiance)。此平滑效应可以在光学纤维接收端118被暴露到减小的峰值强度时提高封装件100的可靠性，且还可以提高光学纤维104的输出处的均化属性。在一些实施例中，实现将光学纤维接收端118处的峰值辐照度减少大约1％，但是其他量是可能的，这取决于入射光束102以及使它们聚焦的光学部件(诸如，物镜110、112)的特性。
图4A和图4B是对于与聚焦在光学纤维接收端118中的光束102相关联的不同数值孔径、光学纤维接收端118中的光束功率围场的图表400、402。在图表400中，二极管激光器封装件从多个近似100μm宽域(broad area)的激光二极管生成激光光束且使所述光束准直和堆叠，所述光束然后由具有9.6mm焦距的平凸物镜接收。单个平凸物镜将多个入射准直激光光束聚焦到一个安装到该封装件的光学纤维的105μm芯内。光束到光学纤维的芯内的功率耦合通常随着用较高的驱动电流将二极管激光器驱动到较高输出功率而降低。此外，耦合到与一个特定数值孔径相关联的芯内的功率的量随着该数值孔径降低而降低。例如，使用单个平凸物镜，在0.13NA内的耦合到105μm纤维芯内的光的量在总光束功率的大约74％到87％之间，然而在0.16NA内的耦合到105μm纤维内的光的量在总光束功率的大约94％到98％之间，这取决于驱动电流。因为较低的NA对于多种应用可以是有用的，对于较低的数值孔径的功率偏移和下降可能是不期望的。在图表402中，类似的多个准直的、堆叠的激光光束由根据本文中的实施例的交叉圆柱透镜组件接收，该交叉圆柱透镜组件替代了单个平凸物镜。该组件包含一个具有12mm焦距的FAO和一个具有9.6mm焦距的SAO。通过包含较长焦距的FAO，对于图表400中施加的相同的驱动电流，0.13NA内的光的功率耦合在大约88％到98％之间，导致相对于单个平凸透镜配置而言NA性能的显著提高。
交叉圆柱组件106可以被配置为一个模块化组件。以被动对准到光学纤维104和入射准直光束102的定向将FAO 110和SAO 112保持在透镜框108内。组件106被安装到光学安装件114，该光学安装件可以是横跨多种类型的二极管激光器封装件(包含封装件100)共用的。例如，不同的封装件可以包括不同数目的二极管激光发射器、不同的发射器间阶跃高度、不同的光学纤维芯尺寸、不同的数值孔径、具有不同的慢轴亮度或快轴亮度的二极管激光器、不同的孔径、不同的输出功率等。取决于二极管激光器封装件的不同特性，适合于FAO和SAO的焦距可以相应地改变。模块化透镜框108可以改变配准表面或参考表面(诸如，插入停止表面170和平面背表面144、156)以缩短或延长安全距离(relief distance)以对应于用于不同封装件的焦距调整。
图5A和图5B是适合于在二极管激光器封装件的光学安装件中使用的光学纤维接收端508、510的芯504、506处的光场强度的图500、502。图500示出与通过单个球面平凸物镜耦合到纤维接收端508内的一个或多个光束的慢轴相关联的左手边512、中间514以及右手边516处的场强度。图502示出使用交叉圆柱物镜组件在光学纤维接收端510上的类似的左手边518、中间520以及右手边522位置处的光场强度。如可以从图500看到的，光束水平地(即，在光束慢轴的方向上)延伸到功率围场矩形524的外部，且竖直地(即，在光束快轴的方向上)被良好地包含在功率围场矩形524的内部。在图502中，交叉圆柱物镜组件的相应的快轴物镜和慢轴物镜的不同的焦距将光束聚焦到接收端510上，使得沿着慢轴和快轴将光束功率良好地包含在功率围场矩形526内，且没有使光束沿着快轴过度聚焦。通过使用该交叉圆柱物镜组件，芯506处的光束光斑尺寸可以在竖直轴向方向上扩大，且换取数值孔径的改善。
图6示出通过交叉圆柱组件的FAO和SAO聚焦到光学纤维接收端606的光束的横截面视图600、602、604。在视图600中，在所选焦距的FAO处以横截面示出由相应的宽域激光二极管发射的六个准直光束608的堆叠。光束608具有特征竖直bpp和水平bpp。由喇叭形激光二极管发射的六个准直光束610的附加堆叠被覆在光束608上面，且被示出为具有特征竖直bpp和水平bpp，其中水平bpp比对应光束608更窄。对于每组光束608、610，该组的水平bpp和竖直bpp不相等。在视图602中，在具有对应于一组或另一组光束608、610的所选的焦距的SAO处以横截面示出光束608、610。
SAO的不同于FAO焦距的单独的焦距允许光束608的水平bpp和竖直bpp相等以及光束610的水平bpp和竖直bpp相等，以增强光束608或610到光学纤维接收端606内的耦合。具有不同的所选FAO或SAO的不同的交叉圆柱组件可以被配准到相同的或类似的光学安装件，使得不同bpp特性的二极管激光器可以被用在不同的二极管激光器封装件中而不显著改变封装要求。在方便的实施例中，光学安装件结构、光束组合结构以及二极管激光器安装件结构可以保持为在多个二极管激光器封装件之间共用。视图604示出聚焦在光学纤维接收端606处的光束608、610。通过关于快轴的分布612和关于慢轴的分布614示出在通过聚焦光学器件聚焦之后的典型的强度分布图。
在图7中，示出在入射到光学纤维702上且被耦合到光学纤维702内的光束的快轴方向上堆叠的多个准直光束700的正交侧视图。在俯视侧视图中，多个光束700由聚焦光束700的快轴(所述快轴在该俯视侧视图中大致在竖直方向上)的FAO 704接收，用于耦合到光纤纤维702内。在仰视侧视图中，在更靠近光学纤维702的一个位置，SAO 706接收尚未沿着慢轴聚焦的光束700(所述慢轴在该仰视侧视图中大致在竖直方向上)，且使光束700沿着慢轴聚焦到光学纤维702内。针对FAO704的焦距考虑因素可以包括发射器的数目、发射器之间的阶跃高度、快轴准直器焦距以及光学纤维702的芯直径。针对SAO 706的焦距考虑因素可以包括发射器孔径宽度、慢轴准直焦距以及光学纤维702的芯直径。
参考图8，一种光学耦合方法800包含，在802处，将一个快轴物镜(FAO)和一个慢轴物镜(SAO)配准且固定到一个透镜框的对应的FAO接收部分和SAO接收部分。在804处，带有附接的物镜的透镜框被配准且被固定到一个光学安装件的一个接收部分。配准的物镜和透镜框将入射准直光束以无源对准的形式提供用于聚焦在一个成像平面处。在806处，一个光学纤维被固定在该光学安装件的一个接收部分中。在一些实施例中，该光学纤维被固定在一个与该透镜框中的物镜的成像平面对应的预定位置中。在另一些实施例中，在805处，该光学纤维被可滑动地定位，使得一个光学纤维接收端位于固定的透镜框的成像平面处且被固定在对准位置中。
鉴于所公开的技术的原理可以应用到许多可能的实施方案，应认识到，例示的实施方案仅是优选的实施例，且不应被认为限制本公开内容的范围。在这些部分中具体提到的替代方案仅仅是示例性的，且不构成本文中所描述的实施方案的所有可能替代方案。例如，在本文中所描述的设备的多个部件可以在功能和用途上相组合。因此，我们要求保护落入所附权利要求的范围和精神内的一切。

Claims (20)

1.一种交叉圆柱物镜组件，包括：
一个快轴物镜(FAO)，其沿着一个光轴定位，用于使一个入射激光光束沿着一个快轴聚焦；
一个慢轴物镜(SAO)，其沿着该光轴定位，用于使该入射激光光束沿着一个慢轴聚焦；以及
一个透镜框，其具有快轴物镜接收部分和慢轴物镜接收部分，用于使该FAO和该SAO沿着该光轴以预定间隔配准。
2.根据权利要求1所述的交叉圆柱物镜组件，还包括一个光学安装件，该光学安装件包含一个用于配准该透镜框的透镜框接收部分。
3.根据权利要求1所述的交叉圆柱物镜组件，还包括：
一个光学纤维接收端，其沿着该光轴定位在距该透镜框预定间隔处使得该入射激光光束被耦合到该光学纤维接收端内。
4.根据权利要求1所述的交叉圆柱物镜组件，其中该SAO具有一个沿着该光轴面向聚焦方向的凸圆柱形表面。
5.根据权利要求4所述的交叉圆柱物镜组件，其中该SAO被定位成产生与该入射激光光束沿着该慢轴的聚焦相关联的光束模糊。
6.根据权利要求1所述的交叉圆柱物镜组件，其中配准的该FAO可平行于一个FAO聚焦轴平移，且配准的该SAO可平行于一个SAO聚焦轴平移。
7.根据权利要求2所述的交叉圆柱物镜组件，其中：
该透镜框接收部分限定一个透镜框孔径，通过该透镜框孔径，该透镜框的一个环形部分可朝向该光学纤维接收端插入，使得该环形部分配准到该透镜框孔径且阻止该透镜框横向于该光轴的平移；
该透镜框接收部分包含一个旋转阻止表面，该旋转阻止表面抵靠该透镜框的一个旋转阻止表面配准且阻止该透镜框绕该光轴的旋转；
该透镜框接收部分包含一个插入表面，该插入表面抵靠该透镜框的一个插入表面配准且阻止该透镜框沿着该光轴的平移。
8.一种方法，包括：
从多个不同的透镜框中选择一个透镜框，每个透镜框包含：一个光学安装件配准部分，用于将该透镜框配准到一个与一个光轴相关联的共同的光学安装件；一个快轴物镜(FAO)接收部分，用于将一个FAO配准且固定到该透镜框；以及一个慢轴物镜(SAO)接收部分，用于将一个SAO配准且固定到该透镜框；
其中每个透镜框与每个其他透镜框就以下项中的一个或多个而言不同：沿着该光轴该FAO接收部分和该光学安装件配准部分之间的间隔，和沿着该光轴该SAO接收部分和该光学安装件配准部分之间的间隔。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
将一个FAO和SAO配准且固定在所选的透镜框的相应的接收部分中。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
将该透镜框的光学安装件配准部分配准且固定到该光学安装件。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将一个光学纤维接收端沿着该光轴相对于该光学安装件定位在一个SAO聚焦轴和一个FAO聚焦轴的交叉点处或附近。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
平行于该光轴指引至少一个准直光束到该光学框使得所述至少一个准直光束的快轴和慢轴经由该FAO和该SAO聚焦到该光学纤维接收端内。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个不同的透镜框中的第一透镜框的一个FAO接收部分和一个光学安装件配准部分之间的间隔大于所述多个不同的透镜框中的第二透镜框的一个FAO接收部分和一个光学安装件配准部分之间的间隔对应于一个与该第一透镜框相关联的FAO的焦距比一个与该第二透镜框相关联的FAO的焦距更长。
14.根据权利要求11所述的方法，其中配准且固定该SAO包含将具有一个平表面和一个凸表面的该SAO定位成使得该凸表面面向该交叉点。
15.根据权利要求9所述的方法，其中配准的该FAO可在一个平行于一个FAO聚焦轴的方向上平移，且配准的该SAO可在一个平行于一个SAO聚焦轴的方向上平移。
16.根据权利要求8所述的方法，其中该光学安装件配准部分包含：该透镜框的一个环形部分，该环形部分可插入到该光学安装件的一个透镜框孔径内且可配准到该光学安装件的一个透镜框孔径表面，用于阻止该透镜框横向于该光轴的平移；该透镜框的一个非插入表面，该非插入表面可配准到一个光学安装件表面，用于阻止该透镜框绕该光轴的旋转；以及一个透镜框插入限制表面，该透镜框插入限制表面可配准到一个光学安装件插入限制表面，用于阻止该透镜框沿着该光轴的平移。
17.一种二极管激光器封装件，包括：
一个安装件，其包含一个在相对的透镜框和纤维接收部分之间延伸的聚焦体积，所述部分与一个光轴相关联且限定对应的孔径；
一个光学纤维，其相对于该纤维接收部分孔径固定使得该光学纤维的一个输入面被定位在该聚焦体积内在沿着该光轴且关于该光轴同轴的一个所选位置处；
一个透镜框，其被配准到该安装件的透镜框接收部分，以便阻止该透镜框绕该光轴的旋转且阻止该透镜框在沿着该光轴的一个或两个方向上的平移，该透镜框包含一个快轴物镜(FAO)接收部分和一个慢轴物镜(SAO)接收部分；
一个FAO，其具有一个FAO聚焦轴且被配准到该FAO接收部分，以便阻止该FAO相对于该光轴的旋转且阻止该FAO在沿着该光轴的一个或两个方向上垂直于该FAO聚焦轴的平移；以及
一个SAO，其具有一个SAO聚焦轴且被配准到该SAO接收部分，以便阻止该SAO相对于该光轴的旋转且阻止该SAO在沿着该光轴的一个或两个方向上垂直于该SAO聚焦轴的平移。
18.根据权利要求17所述的二极管激光器封装件，其中该FAO和该SAO被定位成接收平行于该光轴传播的至少一个准直激光光束且将所述光束聚焦到该光学纤维的输入面内。
19.根据权利要求17所述的设备，其中该SAO的一个凸表面面向光学纤维输入面。
20.根据权利要求17所述的设备，其中配准的该FAO可平行于该FAO聚焦轴平移，且配准的该SAO可平行于该SAO聚焦轴平移。
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