CN1077046A - 光学装置和包含该装置的对信息面扫描的设备 - Google Patents

光学装置和包含该装置的对信息面扫描的设备 Download PDF

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Abstract

本发明描述一种用于光学书写、示读，检查或测 量设备的光学装置(7)，该装置包括一个产生辐射光 束(1)的二极管激光器8，一个用于聚集和导向辐射 光束的光学系统(9)。由于二极管激光器是脉冲激光 器，反馈元件布置在辐射光程内相距二极管激光器一 定距离d处，该元件具有一个合适的反射系数，所以 可以取得稳定的辐射光束。光束的方向可以通过使 波长可调和利用色散元件来改变。

Description

本发明涉及包含产生辐射光束的二极管激光器的光学装置以及集中和导向辐射光束的光学系统。
本发明还涉及包含所述光学装置的对信息面进行扫描的设备。
在此，信息面应被理解成一个包含着信息的平面，在平面上的光信息可以用光学方法予以示读和书写。这样一种平面例如可以是一个光记录载体的信息面，也可以是用激光打印机书写的文件的表面，或者用文件扫描器，例如一台传真设备的示读表面。
在已公开描述的这类装置，例如EP.0，084，871中它涉及到一种对光记录载体示读的设备。在这种设备中所用的二极管激光器对反馈光是非常灵敏的。由于激光辐射在光学系统的元件上的反射，使一部分由二极管激光器发出的辐射又回到二极管激光器的工作层上，一个少量的辐射反馈，约为辐射的0.1%就可引起激光辐射的变化。根据辐射反馈的量的大小，就可导致激光器线宽的增加，输出光谱的波长变化，或者噪声的增加。这些现象通常是了解的，然而，通常这些影响不是恒定的，而是取决于回到激光器的光的相位变化，换句话说，他们取决于某激光波长的光程长度变化，例如由于光学元件的位移或振动所致的光程变化。
所以，希望尽可能地避免在激光器内的这种反馈。然而，实践证明，尤其是由于光学系统中元件的公差之故，不足以阻止这种反馈的出现，除非对光学元件提出非常严格的要求，但是这将使供不同使用的光学装置太昂贵。
在EP.0，084，847中提议提高辐射反馈量到由装置内发射的辐射的约1-10%，其中二极管激光器是连续发射辐射的。这种措施是基于认识到由反馈所引起的激光辐射的噪声不是连续地随着反馈辐射量的增加而增加的，但是对这种辐射存在着一个给定的值，在该值时噪声值是最大，同时噪声量随着反馈的进一步增加而反而减小。然而，在具有连续发射二极管激光器的装置中，激光束的强度将由于反馈的增加而减小，这一点例如对用于书写光记录载体的装置来说是特别有害的。另外，由于反馈，输出光谱其波长将受到移位，这对一个系统的操作需要调节到给定的波段上的应用是非常不希望的。
本发明的目的在于提供一种装置，其中不希望的反馈的有害影响明显地得到减小，而激光束有一个相当高的光强度。
为此，本发明的光学装置其特征是，二极管激光器是一个脉冲激光器，脉冲的持续时间是P，周期为T。在辐射光束的光程中离二极管激光器距离d处至少设置一个部分反射反馈元件，它的距离d满足下述条件：
d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε（P+△P）
其中，n是一个整数，C是辐射光束在介质中行进速度，△P是在二极管激光器内脉冲PL的形成时间，ε是一个实数，满足0＜ε＜1，在由反馈元件反射的辐射脉冲的能量E（Pr）减小或增加时，ε在上述界限内增加或减小，由此，在辐射脉冲进入二极管激光器的瞬时，下面给定的条件需要满足：
E（Pr）＞E（PLi）
E（PLi）是在相关瞬时在二极管激光器内形成的辐射能量。
从反射元件至少使一部分由激光器发射的辐射回到激光器。把反射元件的反射系数和位置选择成使通过该元件反馈到激光器的辐射有这样的强度和到达激光器的特定瞬间，即该辐射实质上完全规定了激光器的行为，而由装置的其它元件的不希望的反射实质上对该激光器的行为没有任何影响。
本发明是基于脉冲二极管激光器的行为主要是由在激光形成时间内在激光器内所发生的诸过程所确定的，由此只是在新的光脉冲产生之前的时间间隔内，以及正好在这样一个时间内由反馈的结果到达额外的光子，这些光子主要通过适应反射辐射脉冲的延迟时间来确定激光器的行为。总之，二极管激光器可以以一定的方式通过故意地提供反馈来控制，并且其它的影响，如可以通过确保在任意提供反馈的瞬时使辐射脉冲到达二极管激光器来减少不希望的反馈。所提供的到达二极管激光器的辐射脉冲相对于不影响二极管激光器的行为的脉冲来说具有一个低的强度。延迟时间是指，辐射脉冲从二极管激光器的出光面到反馈元件，再回到二极管激光器整个所需要的时间。距离d是二极管激光器出光面和反馈元件之间的距离。为了稳定输出，可以利用从二极管激光器的后面所辐射的脉冲。于是，距离d是该面与反馈元件之间的距离。
由于二极管激光器发射脉冲辐射，所以这种激光器可以产生对其寿命没有不利影响的较高的功率。
本发明的装置其特征还在于反馈元件是一个光学系统的元件。
通过布置在光学系统内的元件表面在正确的位置，以及使该表面具有正确的反射系数，其它的元件可以相应配置。
部分反射反馈元件可以用来与欲受影响的二极管激光器的参数相适配。例如，光学装置其特征可以是，反馈元件是一个波长选择元件。
采用这样一种元件，例如：一个棱镜，一个光栅或一个标准具，可以使激光器的光束始终有相同的波长，不受温度以及通过二极管激光器的电流大小的影响。标准具是指，由二个相对面向的部分反射平面，二面之间有一个给定的距离，内含介质例如空气所构成的元件。
需指出，一种专门的二极管激光器结构是指一种已知的分布的Bragg反射器，其中使用光栅来稳定激光波长。然而，该光栅与二极管激光器被集成在一个基体上。基于对光栅周期的要求，这样一种二极管激光器结构很难实现在给定波长范围内的二极管激光器辐射。
本发明光学装置的另一种实施例其特征是，在二极管激光器和反馈元件之间设置折叠辐射光程用的折光部件。
二极管激光器与供激光束光谱稳定用的反馈元件之间的距离d可以有一个很小的值，由此该装置可以非常紧凑。
折光装置可以由例如二个正对的反射表面构成，光束在反射表面之间传布。
本发明光学装置的优选实施例其特征是，折光装置包括一个具有至少二个反射表面的透光材料的折光体，它具有一个入光窗和一个出光窗，以及在一个反射表面内提供一个用于透过射到和从反馈元件返回的二极管激光器辐射的第三窗。
用于折叠光程的装置最好由整块形成的折光体，采用这种方式，其公差仅仅由该折光体被加工时来决定。而不是由二个反射面的相互位置，如在使用二个分离的，面向的表面的情况下的相互位置来决定。
折光体可以用具有相当高的折射率，例如n＝1.8的玻璃制成。相对于n＝1的空气中的几何光程上述的几何光程可以减小一个因子1.8，由此该装置将是十分紧凑的。
可以在折光体的第一表面内提供入光窗和出光窗，二者互相一致。在这种情况下，不需用于反馈的激光辐射和装置所需要的激光辐射可以利用在二极管激光器和折光体之间外加的元件来使他们彼此分开。这种元件例如可以是采用一种分束器。
另外，在第一反射表面内可以提供入光窗，在第二反射表面内可以提供出光窗。在这种情况下，不需用于反馈的二极管激光器辐射可以不用外加件来予以分开，但是折光体的出光窗可以制成一种部分透光反射器。
本发明的光学装置其特征是，反馈部件集成在第三窗内。
由于把二个元件合而为一，所以部件的数目减少，由此装置更为紧凑。
本发明光学装置的一种可能的实施例其特征在于，每个反射表面是一层具有高反射系数的反射层。
由于存在着一层具有高反射的表面层，所以在折光程内的强度损失受到限制。
本发明光学装置的一种可行的实施例其特征在于，折光体是一个平面平行板，其中第一反射面和第二反射面相对设置，并且互相平行。
本发明光学装置的另一种实施例，其中，在折光体上不需要高反射层，其特征是，折光体存在于一种折射率小于体材料的介质内，折光体至少有二个全内反射入射在其上的辐射的表面，以及当辐射在折光体内行过一个共面辐射光程时由上述二个表面的每一个至少反射一次该辐射。
光学装置还具有的特征是，在入光窗和出光窗上布置有一个光学棱镜，通过该棱镜表面辐射光束进入和离开梭镜，所述棱镜的表面横向于光束的主光线。
在辐射光束进入和离开折光体时，光学棱镜可以阻止假反射的发生。
本发明光学装置的另外实施例其特征是，反射面之一为一个第四窗口，在其上布置一个后向反射元件，利用该元件，在经过多次反射使第一辐射光程在延伸的反射面上行进之后，该辐射在折光体的第一面内被俘获，并且其自身平行地反射，再进入折光体，致使第二辐射光程至少在经平行于第一平面的平面内的多次反射的反射面延伸。
后向元件将使沿着垂直于第一和第二反射面的第一平面内的第一辐射光程通过折光体传播的入射辐射光束转变成通过平行于第一面的第二面内的第二辐射光程内的折光体传播的反射辐射光束。由此，折光体的第三方向也可用于折叠辐射光程。后向元件可以是，例如布置在折光体上的顶角为90°的棱镜。另外，棱镜可以被加工成平行的平面板。
上述的几何安排可以重复几次，只要可以利用到二个以上的平行面。
最好，光学装置还有特征是，反馈元件是一个光栅。该光栅具有较高的波长分辨能力。
本发明光学装置的另一个实施例其特征在于，光栅以一个大于零度的很小的角度伸向第三窗口。
由于光栅的波长分辨能力也由入射到光栅上面的光束的直径所确定，所以可以通过使光束以一个较大的角度入射到光栅上来提高分辨能力，这样做可以增加入射在光栅上辐射光点的直径。
本发明光学装置的另一个实施例其特征是，为了改变朝向二极管激光器反射的辐射波长，把折光体相对于由二极管提供的辐射光束以一个很小的角度旋转地布置折光体。
一个给定的波长可以通过对折光体取向以及使波长选择元件相对于入射辐射光束以不同的方式集成来预以选择。
为使光学装置得到多种应用，就要使它对反馈是灵敏的，以及由该装置给出的辐射的波长被稳定在一个值上。
然而，本发明的另一方面是，该光学装置其特征是，采用电子控制装置以调节由二极管激光器和反馈元件相结合以不同的分立值所提供的辐射光束波长。
这就使光学装置的新应用成为可能。对这些新应用之一来说，光学装置其特征是，在反馈元件之后设置一个色散元件。
由于由色散元件，例如一个光栅或一个棱镜偏转辐射光束的角度依赖于该光束的波长，所以从光学装置出来的光束方向可以分立地受到改变。光束可能的方向数是由色散元件的分开波长的能力来决定，在光栅的情况下，它是由被光束所复盖的光栅周期数来决定。
与传统的提供扫描辐射光束的装置，以及用机械手段，例如偏转光束用的多面转镜相比较，本发明的装置其优点是，由于用了电子控制，光束的方向可以迅速地受到改变。
需注意，一种用于使激光束的方向可以调节的装置在US.4，918，679中予以介绍，该装置包括一个光栅，以及其中可产生可调波长的激光束。为此，该已知的装置在二极管激光器的后面设置一个可控制的外共振空间。
在本发明的装置中，利用一个反馈元件来调节激光波长，致使在激光作用稳定的波长可以相当迅速地得到改变。
色散元件可以是一种透过元件或反射元件。
本发明偏转光束装置的第一实施例，其特征是，用与光栅集成的一种光学波导构成反馈元件，元件的光栅具有在辐射光束传播方向上改变的周期，以及由频率可调的，周期性地调制二极管激光器电流源构成的电子控制装置。
在这里，反馈元件不再安置在离开二极管激光器的一个给定的距离处，但是在轴向一定的范围之外，该轴向即为辐射束的传播方向。采用这种方式，二极管激光器的辐射可以从不同的轴向位置受到反射。由于上面规定的延迟时间条件始终需要得到满足，所以距离d在改变脉冲重复频率时将也要受到改变，因此脉冲周期T在延迟时间条件内。利用调节不同值的脉冲重复频率，可以使相当部分的二极管激光束由反馈元件的其它部分来反射。由于周期在整个光栅上有变化，使进入二极管激光器的反射辐射的波长，以及二极管激光器辐射的波长可以通过改变脉冲重复频率来予以改变。
上述光波导可以是一种光纤维或一种光学平面波导。
本发明光学装置的第二个实施例，提供可以受到偏转的光束，其特征是，二极管激光器的出光面有一种低的反射系数;反馈元件是由距二极管激光器的出光面一定距离d处设置的部分透光反射器构成;在所述的反射器和二极管激光器之间安置一个部件，它具有可调节的透光系数;电子控制装置是由在部件上的电极、输出端连接到电极的可调电源构成。
二极管激光器的出光面可以朝向光学系统的前表面，也可以是其后表面。
本实施例是基于这种认识，即出射面为低反射系数的二极管激光器的辐射其波长大于出射面为高反射系数的二极管激光器的波长。可能这是由于在激光作用时（在第一次提到的二极管激光器其激光作用比较大）电荷载流子的密度不同的结果。通过使二极管激光器的出射面有一个低的反射系数，例如在出射面上提供一层消反射层，以及把反射系数可调的一个外反射器安置在该面之后面，致使在二极管激光器中的电荷载流子密度，以及二极管激光器的波长可以得到调节和改变。
本发明提供可被偏转光束的第二实施例，其特征是，具有可调透光系数的部件是由电光元件以及位于其后的检偏器构成。
利用改变电光元件的电极上通过的电压，元件的折射率发生改变。于是，通过该元件的辐射的偏振状态也发生变化。检偏器把偏振态的改变转换成强度的改变。电光元件可以由一种双折射晶体构成。
然而，最好该实施例具有如下特征，所用元件是一种液晶材料，这样一种元件其优点是，价钱便宜，并且可以在低电压下驱动。
另外，提供可偏转光束的装置其特征是，具有可调透光系数的部件包括一种声光元件，以及其后的检偏器。
与电光调制器相比较，驱动一个声光调制器只需一个相当小的电压。
本发明提供可偏转光束装置的第三实施例其特征是，具有可调透光系数的部件是由一种平面干涉仪构成，至少他的一分束光配用一个光学移相器。
在平面干涉仪中，经由一个入射波导进入的辐射光束被分成二束分光束，他们在分开的中间波导中传播，在出光波导处再次结合。在一个中间波导的一部分中，其折射率可以例如通过电光效率来改变，因此通过该波导的光束的相位受到变化，从而使出射光束的强度也改变。
本发明装置的其它实施例其特征是，除了具有可调透光系数的部件之外还布置一个标准具在辐射光程中。
在这种方式的布置中，所用的脉冲二极管激光器是一种单模激光器。
本发明装置的一个实施例，它特征是，二极管激光器是一种自脉冲二极管激光器。
任何脉冲二极管激光器适用于上述这种应用，已知的自脉冲二极管激光器，尤其是从GB.2，221，094所知的激光器。
包括波长稳定的一个二极管激光器的光学装置用于对信息面进行扫描的设备中具有很大的优点，该设备包括一个如前面介绍的用于在信息面内形成一个扫描光点的光学装置。该设备其特征是，除了反馈元件和二极管激光器之间的距离之外，光学装置的所有光学元件的距离是不等于所述的距离d的。
本发明的光学装置，提供可以受到偏转的光束，该装置在用于对一个带状光记录载体在径迹内进行扫描的设备内是具有很大的优点，该设备包括在带运动方向的横方向上扫描记录载体的装置。该设备的特征是，该装置由如上述描述的光学装置构成，在成一定角度向带的纵向方向延伸的径迹方向上安置带驱动装置，在扫描时使带运动;光束偏转装置使扫描光点在径迹方向内运动，该光束偏转装置是由上述的专门部件构成的。
在本发明的二极管激光器的光束的波长变化是用电子学方式来实现的，扫描径迹的速度可以明显地高于目前所使用的机械装置，例如常用于偏转光束的多面转镜的装置的扫描速度。另外，在新的光束偏转装置中其振动明显地低于机械光束扫描装置。
本发明将通过参照附图举例的方式进行详细的描述，其中，
图1表示包括本发明光学装置的，用于对记录载体进行光扫描的一种设备的实施例，
图2表示由二极管激光器反射的一种脉冲序列，
图3表示可以提供反射光束的本发明光学装置的第一实施例，
图4表示可以提供反射光束的本发明光学装置的第二实施例的原理，
图5表示在具有一种可变反射系数的反馈元件的反馈影响下，脉冲二极管激光器的光谱移位，
图6表示不同反射系数时所获得的不同光谱，采用标准具使所用激光器是单模的，
图7至10表示该光学装置的元件的不同实施例，
图11表示本发明用于扫描一种带状记录载体的扫描装置的实施例，
图12a、b和c表示本发明的光学装置中用于折叠光程的，采用平面平行板形式的光学透明体的几种实施例，
图13a和13b分别表示本发明的光学装置中用于三维折叠光程的光学透明折叠体的第二实施例的部分平面视图和侧视图，
图14表示本发明的光学装置中用于折叠光程的条状光学透明体的一种第三实施例。
图1示意地表示用于对光学记录载体3进行扫描的一种示读设备1。对所述的扫描应理解成对记录载体进行写和读时的扫描。例如，设备1可以是一种光盘唱机，记录载体3可以是一种CD光学唱盘。以径向截面表示的盘状光学记录载体3包括一种透明的基体5和一层反射信息层6，层6由大量的信息区（图未示）组成，该信息区在光学上是与其周围的区不同的，它被布置在大量的径迹内，例如构成一种螺旋轨迹的准同心径迹内。
示读设备1包括一个具有二极管激光器8的光学装置7，光学系统9和对辐射光灵敏的探测系统10。由二极管激光器8发射的发散光束11，例如采用一个准直透镜14把它变换成平行光束，之后利用一个单透镜元件的物镜系统13聚焦到位于对光束进行反射的信息层6的平面内的一个示读光点12上。在记录载体3受到由马达17驱动的轴15的作用而转动时，信息径迹受到扫描，使记录载体3和装置7相对地互相在箭头19所标的方向运动，那么整个信息面得到扫描。
扫描时，按照相继贮存在信息区内的信息对反射光束11′进行强度调制。为了使反射光束11′与投射光束11分开，装置7可以设置一个部分透射镜，由它把一部分反射和调制的光束11′反射到光敏探测系统10。然而，最好使用如图1所示的偏振灵敏的分束器21和λ/4波片23，它将确保激光束11有一种完全通过分束器21的偏振方向。关于射向记录载体3的光程，即光束第一次通过λ/4片23，经记录载体3反射后，再次通过λ/4片，致使光束在再次进入分束器21之前，光束的偏振方向旋转了90°。由此，光束11′受到完全反射，而射向探测系统10。
探测系统10包括多个探测元件，它的输出信号被加到一个电子处理单元25上，在单元25内探测器的信号被处理成信息信号Si，它表示已被示读的信息，一个用于把示读光点对准在欲读径迹上的伺服信号Sr，以及一个用于把示读光束聚焦在信息层上的伺服信号Sf。
对于示读设备的进一步细节，可参考文章“Het    system”Compact    Disc    Digital    Audio”（M.G.Carasso，L.B.H.Peek，J.P.Sinjou    in    Philips    Technisch    Tijdschrift    40，267-272，1981/82，No.9）。
纵然使用一种偏振灵敏的分束器和λ/4片，还可能仍然有辐射回到二极管激光器和进入到激光器的共振腔。这种辐射影响到由二极管激光器所发出的辐射。这种反馈，例如可以由分束器21的前表面20上的反射引起，或者由记录载体3的基体5的双折射引起，结果入射在分束器21上的光束的偏振方向，和由信息面反射的光束的偏振方向不再恰好旋转90°。由于示读设备可能出现的各种振动的原因，也可致使反馈辐射的相位出现变动，使由激光器发出的辐射有一个噪声分量。这种噪声的频率尤其使伺服信号Sr和Sf受到影响，使在寻迹和聚焦时产生各种问题。此外，这种反馈也可引起激光束的波带的增加，和光束波长的偏移，其大小取决于反馈的辐射量。波带增加的缺点是在光学系中出现色散。在光学系统是一种单色系统时，会出现辐射光点12的偏移。
为了阻止所述反馈的有害影响，利用本发明的脉冲激光束和具有给定反射系数的反馈元件27，把它安置在装置内的一定位置处，以保证由二极管激光器反射的由元件27反射的部分辐射脉冲以一种合适的强度，并在欲产生的下一个辐射脉冲的建立时间内再次到达激光器。已发现，恰好在这个建立时间内，出现在激光器内的受激发射过程是对外界提供的光子最灵敏的，所以这些光子实质上完全确定二极管激光器的行为。
参见图2，它表示激光脉冲序列的许多脉冲LPi，i＝1，2…，n，可以确定用于反射激光脉冲部分LPr，i的延迟时间条件。假定，发射激光脉冲的脉冲持续时间是P，序列的周期是T，对一个反射脉冲LPr.i可能影响一个由二极管激光器发射的脉冲LPi的程度来说，该影响的瞬时以及反射的辐射能量到达二极管激光器的量是非常重要的。最终反射脉冲的延迟时间需要落在二个界限之内。
第一个阻值为：
Rt＝T
而第二个限值为：
Rt＝T-P-△P
由于在原理上，一个反射激光脉冲LPr.1不会驱动下一个激光脉冲LP2，但是有可能驱动再下一个脉冲LP3或者相继脉冲LPi中的一个，所以上述的界限可以概括为：
Rt＝nT
Rt＝nT-P-△P
其中n是一个整数。
反射脉冲的辐射能量必需满足的条件是：
E（Pr）＞E（LPi）
在瞬间tε，i，在第i个脉冲的建立时间△P之内的该瞬间反射脉冲进入到激光器。
这意味着，在该瞬间tε，i，反射脉冲的辐射能量必需大于在该瞬间，在激光器内用于下一个由二极管激光器发射的脉冲（第i个脉冲）建立的辐射能量。
如果上限Rt＝nT被满足，则反射脉冲的后沿边缘与下一个欲发射的脉冲完全建立时的瞬时相一致，从而该反射脉冲不再对欲发射的脉冲有任何的影响。
如果下限Rt＝nT-P-△P被满足，反射脉冲的前沿将与新脉冲的建立还没有开始时的瞬时相一致。所述的界限不是绝对的界限，在许多情况下，在稍微超过这些界限时仍然可以出现某些影响。
另一方面，延迟时间，即一个辐射脉冲LPi从二极管激光器的出射面到返回二极管激光器的整个光程所需的时间，它由2d/C给出，其中d是二极管激光器8和反馈元件27之间的距离，C是光在辐射穿过的介质中传播的速度。把二个限制条件相结合，就得到下述的延迟条件：
nT-P-△P＜ (2d)/(C) ＜nT
所以，距离d为：
d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε（P+△P）
其中ε是一个大于零但小于一个由反射脉冲的能量确定的值。如果该能量是相当大，则反射脉冲在建立时间内的后一个瞬间可以到达，由此ε是更靠近零，而不是靠近1。如果反射脉冲的能量是比较低的，则反射脉冲在该建立时间内的一个较早的瞬间到达，由此ε是更靠近1，而不是靠近零。所以，ε反比于反射脉冲的能量。
在把具有适当反射系数的反馈元件27（图1）布置在离二极管激光器的一定距离d处，并确保把能反射辐射的其它所有元件布置在不满足上述一般条件的距离处时，那就可以取得二极管激光器的性能，以及激光束的参数和品质实际上只由通过第一个上述的元件27的反馈来确定，并保持恒定。
通常适当地选择反馈元件27的性质，可以调节激光束的一个给定的参数。例如，反馈元件可以是一种波长选择元件，如一种棱镜，一种光栅或一种标准具。由此可以调节和保持光束的波长。可以由二极管激光器的反镜处和前镜处来实现反馈。
在图1中利用虚线来表示反馈元件27，因为改用一种分离的反馈元件，本发明也可以用已在装置7中表示的元件的表面，例如具有适当反射系数的分束器21的表面20来实现，该表面20需要设置在离二极管激光器8的上述的距离d处。
一个选择反馈元件27的条件是，由二极管激光器8射出的光束11在经过反馈元件反射后再次进入二极管激光器。
如果利用准直透镜14把光束11变换成一束平行光束，则反射元件可以视作一种平面平板，因为准直透镜14再次聚焦在二极管激光器8上。
如果不用准直透镜14，则反射元件27应该有一个曲面，以便把发散光束11变换成可以进入二极管激光器内的一种光束。
实际上，二极管激光器和反馈元件之间的距离（即需要获得二极管激光器的光谱稳定的距离）可以是相当长的，这对于所需紧凑的光学装置来说是一个缺点。例如，对脉冲周期P＝1ns时，需要的距离大约为150mm。
本发明的另一个方面是，二极管激光器8和反馈元件27之间的光程是可以折叠的。为此，装置可以包括，例如在二个面辐射光束上多次反射的二个面向的反射器。然而，由于稳定性的缘故，最好使用一种光学透明材料体120，例如光学玻璃体，其中二个面对着的表面是反射面，使进入该体内的辐射光束被反射许多次。容限是由材料体加工时予以确定。这种折光体不仅可以用玻璃制成，也可以采用其它具有相当高的折射率的光学透明材料，例如透明的合成材料来制成。
这种折光体120可以有多种实施例，图12a表示第一种实施例，它包括一种平面平行板121，它具有第一表面123和第二表面125，他们的表面互相相对放置，并具有高反射的反射层127。第一表面123还有一个进光窗129，第二表面125有一个出光窗131。由二极管激光器8发出的辐射光束11通过进光窗129，例如经过一个准直透镜130进入平面平行板121，由于光束以一个很小的角度入射到表面123和125上，由此通过表面，光束被反射多次。然后光束到达设置在一个表面内的第三窗口128之中或之后的波长选择反射元件27。之后光束以相反的方向行过该板，直至经由窗口129离开平板到二极管激光器。
出射窗131可以用于把反馈不需要的二极管激光辐射耦合到折光体外。为此，窗口131最好是有一层132，其起着一种部分透光分光镜的作用。
波长选择反馈元件27可以是一种分离的部件。然而，这种元件最好是与平面平行板成整体的，即它被安置在窗128的位置。这种元件，例如可以是一个棱镜，该棱镜可以被安置在窗口上，或由窗口内的凹入部分形成。在图12a中采用一个光栅27，因为它具有相当高的波长分辨能力。
可以采用不同的方法把光栅集成在玻璃体内。例如，可以在玻璃折光体上直接蚀刻该光栅，或者在折光体上设置成一种分离的部件。
其它可能的方式有，在折光体上提供一层薄的合成材料层，然后在层内利用复制技术形成光栅。
由于折光，如果玻璃的折射率为1.8，玻璃板厚度为D＝8mm，长L＝13mm，直径为3mm的辐射光束在空气中的辐射光程可以是例如130mm。
另外，折光可以由三维的替代二维的来实现。为此，可以如图13a所示把后向元件133安置在玻璃体上第一光程135末端处的一个第四窗口136上。在辐射光束横向行进了第一光程135之后，它首先在垂直于图面的方向内反射，然后在平行于元件133上的入射方向内反射，（第一光程135位于垂直于玻璃体的反射面的第一平面内），因此使光束再次进入平面平行板121，横过位于平行于第一平面的第二平面内的第二光程137行进。采用这种方式，折叠的光程135，137以及可能的后面的光程被相叠，因此具有短光程的折光体可用于实现具有使光谱稳定所需的总光程为d的光程。本实施例示于图13。图13a所示的实施例是一个平面示图，而图13b是一个侧视图。
一个非常合适的后向反射的元件133是具有顶角为90°的棱镜，该棱镜的顶梭垂直于光束的主光线。棱镜被加工成底面139正对顶棱，并且平行于表面125，以使在该处无反射损失。
本发明的折光体120的其它可能的实施例是采用如图14所示的具有矩形或正方形横截面的光学透明体122。在该实施例中，使表面145、146、148、149相对于入射辐射光束以这种方式取向，即在每个表面上存在着光束的全内反射。在图14的实施例中，对每个表面，在光束到达反馈元件27之前受到二次的作用。在由该元件反射之后，光线在相反方向内渡越相同的辐射光程，并且经由表面145光束离开折光体到达二极管激光器。
对不需要反馈的二极管激光辐射经由表面149离开折光体122，在该处最好有一涂层151，其作用是作为一个部分透过光束的分束镜。另外，最好在所说的位置提供一个棱镜147，它的表面150垂直于光束的主光线。一个具有垂直表面152的类似的棱镜143也最好设置在二极管激光束进入折光体位置处的表面145上。上述二个棱镜例如可以用相同于玻璃体的材料制成。在本实施例和包括平面平行板的实施例中，反馈元件27可以是布置在玻璃体的窗口153内或之后面的一个棱镜、一个光栅，或者是一个标准具。然而，最好采用光栅，因为它具有相当高的波长分辨率。
在如同图13a和13b所示的用于平面平行板的方式中，图14的折光体可以包括玻璃体中的平行平面内的许多折叠光程，他们由后向元件133而受到叠加，以致于实现三维的折光。
另外，折光体的二个实施例121、122可以采用下述的方式来工作，即入光窗口和出光窗口设置在相同的表面123或145之内，并且重合。在该情况下，不需反馈的二极管激光辐射可以采用一个附加的元件被耦合出来，例如采用在装置的二极管激光器和折光体之间加上一个部分透光分束器。
在每个采用光栅作为反馈元件的所述折光体的实施例中，可以把光栅相对于表面125或149成锐角布置，如图12b和12c中所示的折光体的光栅，折光体采用平面平行板的形式。事实上，波长分辨率是取决于落在辐射光束内的光栅周期数，因此它取决于该辐射光束的直径。采用把光栅相对于玻璃体的表面作倾斜时，由相同的辐射光束复盖着一个较大的光栅表面，于是可以取得一个较大的波长分辨率。
在每个玻璃体121、122的实施例，和在他们二者的实施例中，利用光栅和标准具和用棱镜作为反馈元件，把玻璃体设置在光学装置1内，相对于入射光束11作转动，致使欲反射的波长可以得到改变。
本发明也可用于供示读透过辐射的记录载体的设备中，这种设备的光学装置不同于图1所示，系统放置在记录载体的不同的一侧，而不是在辐射源一侧。
本发明可用于光学书写-记录载体的设备中，并具有很大的优点。在这种设备中，辐射源应该提供一个比示读设备所需的更大的光功率。可以采用具有消反射涂层的二极管激光器的前镜来获得较大的光功率。然而，其结果是二极管激光器将对反馈十分灵敏。由此，在书写设备中使用本发明其效果比用在一个示读设备中来得大。书写设备的光学装置可以不同于图1所示，其中，激光束的光程中加入一个调制器，它用于调制光束的强度使其与欲书写的信息相适应。这种调制最好采用电流通过二极管激光器的振幅调制。
在至此所描述的实施例中，二极管激光器被稳定在一个固定的波长上。然而，代替单模的选择，希望在某些应用中光束具有可调节的波长。对此，例如可以采用按US.4，918，679所描述的原理使辐射光束偏转的可能性来达到。可以把色散元件设置在反馈元件之后的光程中，以改变光束的波长，而取得利用所述原理的一个实际的值得注意的实施例。
色散元件可以是一个透射元件，或一个反射元件。
可以按本发明利用供稳定激光波长用的反馈元件，采用不同的方式来实现光束偏转所希望的二极管激光辐射的波长改变。
图3表示提供一种稳定激光束的装置的第一实施例，其中光束的方向是可以调节的。这种装置的反馈元件包括光学波导29，其具有在辐射光束的传播方向31集成的光栅33，可变的周期为Pi。
原则上，出自二极管激光器并耦合到波导内的光束由光栅的任何部分受到不同程度的反射。正如前面已告知，仅仅位于离二极管激光器所述距离处设置的那部分光栅将影响到二极管的行为。所述部分有一个给定的光栅周期，致使辐射反馈到二极管激光器，且由此，使二极管激光器发射的辐射具有伴有该周期的一个给定的波长。通过利用由控制信号Sc驱动的电路36来调节，如图3所示的电流源34的重复频率，以及延迟时间条件，并由此来调节距离d。这就意味着，每一次光栅的一个不同部分，每次有一个不同的周期可以选择供反馈用。因此，二极管激光器辐射的波长是可以改变的。
光波导29可以被设计做成例如一种光纤维，它具有纵向布置的平面光栅。也可以把波导做成一种平面光波导，或者例如一种半导体材料或玻璃的隧道波导，其中在轴向布置一个平面光栅。
出自波导29的光束35，其波长由光栅稳定，光束35入射到色散元件37上。色散元件例如可以采用棱镜或光栅，选用光栅其波长分辨比棱镜好一些。由色散元件使光束3.5偏转的角度是取决于通过调节重复频率和反馈光栅所选择的波长大小。
图4示意表示另一种产生具有可调波长的稳定激光束的可能性。
反馈元件27现在被作为一种具有可变反射作用的反射元件。二极管激光器的出光面43有一个低的反射系数，例如在该面上涂上消反射层。这种二极管激光器的输出光谱的波长小于具有高反射系数出光面的二极管激光器的输出光谱。这可能是基于这种事实，即在首次提到的激光器的共振腔内的电荷载体密度在激光作用时大于最后提到的激光器。
在反馈元件被设置在具有高反射系数的二极管激光器的后面时，二极管激光器的有效反射系数以及上面提到过的电荷载体数目是靠反馈元件的可调节的反射系数来确定的。
例如，如果具有反射系数为0.90的一个反馈元件被放置在二极管激光器的后面，它的出光面具有反射系数为0.04，那么二极管激光器的光谱将从860nm移位到850nm（图5所示）。一束激光模，其宽度为约2nm，位于每个这些波长的附近，于是，在反射系数于0.04和0.90之间变化时，就可以区别五个波长。
一个具有可调反射系数的元件可以采用把至少部分透光的反射器39与具有可调透光系数位于二极管激光器8和反射器39之间的部件41相组合来实现。为了使回到激光器的反射光脉冲满足延迟时间的条件，反射器39应该放在离开二极管激光器8的所说的距离d处。
图5表示一种脉冲多模二极管激光器的光谱。为了增加可区分的波长数目，最好把一个标准具，例如以平面平行玻璃板40形式的标准具安置在辐射束光程内。如果“自由光谱范围”，即二个波长均落在标准具的宽度W之内的波长之差小于单个激光模之间的距离，该距离例如为0.3mm，那么二极管激光器的光谱可以明显地变窄。由此，脉冲二极管激光器将具有一种单模激光器的性能，仅仅发射一个波长。这种情况由图6表示出在不同反射系数R时所获取的不同的激光光谱。所有光谱的整个宽度加起来约为15nm。可区分的波长数由二极管激光器的共振腔的长度来确定。如果该长度为1mm，模距离例如为0.1nm，那么在15nm范围内，原则上有150个不同的波长可以被区分。为了能够在实际上把该波长数变换成许多光束的方向，光栅37应该具有一种等于或小于激光模之间距离的分离能力。如果该距离为0.1nm，光栅每毫米有1000个周期，可以用一个4mm长光栅的二阶衍射光束来获得激光束所希望的150个不同的方向。光栅可以用这种方式制成，即入射在其上的大部分辐射在二阶方向上受到衍射。
代替透射标准具40和反射器39，可以采用作为一个标准具制成的一种反射器。同样，在下述的实施例中，采用反射方式或不反射方式工作的一个标准具可以被布置在辐射光程内，以获得单模激光束。
对于具有可调透光系数的部件41可以有不同的实施例。
第一种可能性是选择电光元件43，结合供部件41用的检偏器45。
图7表示本发明装置的一个实施例，其中，电光元件43是一个电光晶体，借助于电源47，通过设置在晶体二侧的电极49、51，在电光晶体43上加一个电压，该电压用来确定晶体的双折射。据此，通过晶体的辐射光束其偏振状态将受到改变。之后，该辐射光束入射到检偏器45，使偏振状态的改变转换成强度的改变。通过改变加到晶体上的电压，于是，向二极管激光器方向反射的光脉冲强度受到改变。依据这种强度的变化，二极管激光器其不同的波长都将受到稳定。
根据本发明的一个装置的实施例，如图8所示，基于相同的原理，其中电光元件43是采用一种液晶材料。由电源53把电压通过电极55、57加到上述材料上，致使通过材料的辐射光束受到偏振的变化。这种偏振的变化随后由检偏器45转变成强度的改变。
第二种可能是选择声光元件59代替电光元件用于部件41。这种元件的实施例是由图9所示。在该实施例中，声光元件59由压电基片61构成，在基片61上设置波导63。利用电源65经由电极67、69在波导63内产生声波，这种声波在介质内感生出一个机械电压，它将引起介质内折射率的周期性变化。采用这种方法，在介质内形成光栅，致使通过介质的辐射光束受到衍射。通过改变电源的频率，由此改变声波的频率来改变发生衍射的角度，受到衍射的辐射量可以采用改变声波振幅的方法来予以调制。
衍射发生的路径取决于光波导63的厚度和声波的强度。在薄膜光波导中，以及在相当低的声波频率时，入射光束仅在一个较高阶次的衍射方向上部分受到衍射，即在第一阶次（Raman-Nath衍射）方向上。对于较厚的波导，和在增加声波强度时，入射光束在不同的较高阶次（Bragg衍射）上受到部分衍射。这就意味着，在Raman-Nath衍射时声波的给定强度的调制深度最大。
第三种可能性是从平面干涉仪70形成具有可调透光系数的部件41，至少其一分支配用一个光学相位移相器71，图10表示一种实施例，经由一个入光波导73，来自二极管激光器8的入射光束11由波导在第一个Y接口75处分成二个分束，这二个分束在二个中间波导77、79内传播，并在位于第二个Y接口处合起来形成输出光束，再经过出射波导83离开干涉仪。原则上，二个中间波导是等效的。在第一Y接口75处光束11分成二束具有相同的振幅和相位的分束。由此，出射光束的强度是最大的。如果利用电源85通过电极87，87在上述二束分支之一上加上一个电压，那么例如由于电光效应会在该分支内产生折射率的改变，这种改变大小取决于波导的材料，最终致使通过该分支的光束产生相移。在出射波导处二束分束的重新结合将发生相长或相消的干涉，这种干涉取决于这些分束的相对相移。如果需要，也可以利用电极把电压加到第二个分支（图未示），直至二个中间波导致使通过他的分束形成不同的相移就可以。
采用上述方式改变辐射光束的强度是靠二束分束通过干涉仪之后彼此受到相移来达到的。
本发明的提供可偏转光束的光学装置用在对带状记录载体93进行光扫描的扫描装置中是十分有益的。
图11示意表示这样一种扫描装置的实施例。带状记录载体93按图中由箭头99标示的运行方向由第一卷轮95传送到第二卷轮97。带状记录载体93经由输带辊101、103导向。由光学装置7给出的光束105受到色散元件37的衍射，衍射光到达物镜系统107，系统107把受衍射的辐射光束106聚焦成一扫描光点108并记录在载体的信息面上。辐射光束105被衍射的角度是取决于光束的波长。通过改变光束105的波长，该角度也受到改变从而产生扫描光束。每个波长的光被聚焦在记录载体93的不同位置上。由于这种改变是通过电子方式实现的，例如在光学装置7中是采用电-光或声-光方式，所以控制衍射光束106的速度明显地比采用机械驱动多面镜的现今常用装置的速度快。
光学装置100还可以适用于记录载体是光盘的光学扫描设备。在这样一种记录载体上的记录径迹是采用对聚焦成扫描点的辐射光束进行扫描来实现的。为使扫描点相对于记录径迹正确地保持定位，需要对这种扫描装置提供一个径迹伺服系统，利用这种系统，相对于径迹的扫描点位置需予检测，并参照此，对扫描点的位置进行校正。为产生径迹信号，可采用如US.4，918，679所描述的让扫描光点周期性地横向运动到径迹上。为取得这种周期性的运动，可以采用本发明在图9中用100标示的装置，其波长是周期性地改变的。为了相对于欲扫描的径迹中心线对扫描点的位置进行校正，可以使用由径迹误差信号得出的控制信号来控制的装置来进行这种校正。
可以用具有周期性调制电流，例如正弦或脉冲电流的二极管激光器来得到一种脉冲激光束。另外，也可采用在某种结构上加上一脉冲束的方法来得到一种二极管激光器。这种激光器通常称为自脉冲激光器，例如英国专利2，221，094所介绍的那种激光器。
除了用于光记录载体，盘或带的扫描装置之外，本发明也可以用于其它的书写设备，例如激光打印机，以及检验或测量设备，例如扫描显微镜。本发明通常可用在使用光学系统的光学装置内，二极管激光器作为一个辐射源，其中辐射对二极管的反馈会发生，它是由于光学系统，例如通讯系统中的各个元件上的反射所引起。

Claims (26)

1、一个光学装置，它包括产生一个辐射光束的二极管激光器，一个集中和导向辐射光束的光学系统，其特征是，二极管激光器是一个脉冲激光器，它所提供辐射脉冲时间间隔为P，脉冲周期为T；在辐射光束的光程中距二极管激光器距离d处至少安置一个部分反射反馈元件，该距离需满足的条件为：
d= (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+ΔP)
其中，n是一个整数，C是辐射光束在介质中行进的光速，ΔP是一个脉冲PL在二极管激光器中建立的时间，ε是一个满足0＜ε＜1的实数，并且在由反馈元件反射的辐射脉冲分别减少或增加能量E(Pr)时ε在上述限值内增加或减少，因此在所述的辐射脉冲进入二极管激光器的瞬时需要满足条件：
E(Pr)＞E(PLi)
E(PLi)是在相应的瞬间在二极管激光器内所形成的辐射能量。
2、如权利要求1的光学装置，其特征是，反馈元件是一个光学系统的元件。
3、如权利要求1或2的光学装置，其特征是，反馈元件是一个波长选择元件。
4、如权利要求1、2或3的任一项的光学装置，其特征是，用于折叠辐射光程的折光装置布置在二极管激光器和反馈装置之间。
5、如权利要求4的光学装置，其特征是，折光装置包括具有至少两个反射面的透光材料的折光体，该折光体具有入光窗和出光窗，以及反射面之一为一个用于使二极管激光辐射透过到反馈装置和从反馈装置反射的第三窗。
6、如权利要求4或5的光学装置，其特征是，反馈装置是集成在第三窗内的。
7、如权利要求5和6的光学装置，其特征是，每个反射面上具有一层高反射系数的涂层。
8、如权利要求5、6或7的任一项的光学装置，其特征是，折光体是一种平面平行板，其中第一反射面和第二反射面是相对放置，并且互相平行。
9、如权利要求5或6的光学装置，其特征是，折光体位于折射率小于体材料的介质内;折光体至少有二个对辐射全内反射的表面;在折光体内行进着一个共面辐射光程时所述两个表面之一至少对辐射反射一次。
10、如权利要求5、6、7、8或9的光学装置，其特征是，光学棱镜被布置在入射窗和出射窗上，所述棱镜的表面横切光束的主光线，通过棱镜表面辐射光束进入和离开棱镜。
11、如权利要求5、6、7、8、9或10的光学装置，其特征是，反射面之一提供为一个第四窗，其上布置辐射的后向反射元件，在经过许多反射使行进着延伸了反射面的第一辐射光程之后，在折光体的第一面上获取辐射，并受到平行于自身的反射，再进入体内，由此经由平行于第一面的一个面内的多次反射至少行进着延伸了反射面的第二辐射光程。
12、如上述权利要求的任何一项的光学装置，其特征是，反馈元件是一个光栅。
13、如权利要求11的光学装置，其特征是，光栅以零度以上的很小的角度伸展到第三窗。
14、如权利要求6至13的任何一项的光学装置，其特征是，为了改变向二极管激光器反射的辐射的波长，使折光体相对于二极管激光器的辐射光束以一个小的角度可转动地设置。
15、如权利要求1的光学装置，其特征是，电控制装置利用二极管激光器和反馈元件的一种结合，在不同的分立的值上调节辐射的波长。
16、如权利要求15的光学装置，用于提供一种方向可调的光束，其特征是，在反馈元件之后设置一个色散元件。
17、如权利要求15或16的光学装置，其特征是，反馈元件是由与光栅集成的光波导构成，光栅具有在辐射光束的传播方向可变的周期;电子控制装置由频率可调的周期性调制二极管激光器的电流源所构成。
18、如权利要求15或16的光学装置，其特征是，二极管激光器的出光面有一个低反射系数;反馈元件是由与二极管激光器的出光面相距d处布置的部分透射反射器构成，其一个部件布置在所述的反射器和二极管激光器之间，并具有可调节的透光系数;电子控制装置是由部件上的电极和输出端连接到电极的可调电源构成。
19、如权利要求18的光学装置，其特征是，该部件具有可调节的透光系数，它是由电光元件以及随后的检偏器所构成。
20、如权利要求19的光学装置，其特征是，电光元件是一种液晶材料。
21、如权利要求18的光学装置，其特征是，具有可调节透光系数的部件由包括声光元件以及随后的检偏器构成。
22、如权利要求18的光学装置，其特征是，具有可调节透光系数的部件是由平面干涉仪构成，至少他的一个分支上配有一个光学相移器。
23、如权利要求15至22的之一的光学装置，其特征是，在辐射光程上，除了布置具有可调节透光系数的部件外还布置一个标准具。
24、如上述权利要求的任一项的光学装置，其特征是，二极管激光器是一个自脉冲二极管激光器。
25、一种用于对信息面进行扫描的设备，它包括如权利要求1至14之一的光学装置，供在信息面内形成一个扫描光点，其特征是，除了反馈元件和二极管激光器之间的距离之外，光学装置的所有光学元件的距离是不等于所述距离d的。
26、如权利要求25所述用于对在径迹内的带状光学记录载体进行扫描的设备，它包括在与带行进方向横向上扫描记录载体的装置，其特征是，该装置是由如权利要求16至24的任意一项的光学装置构成，成一角度延伸至带的纵向方向的径迹的方向有供扫描时纵向运动带的带驱动装置，以及供扫描光点在径迹方向内运动的光束偏转装置，该光束偏转装置是由权利要求16～24特征部分所规定的部件构成。
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