CN1154746A - 对多束光进行光转换的器件 - Google Patents

Abstract

一种通过互换每束光束的水平和垂直分量来转换光束输入阵列的光学设备，该设备具有一系列凹槽，每个凹槽对应一个输入光束，并包括两个反射面：第一反射面和第二反射面。第一反射面截断相应的光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其反射到第二反射面上，同时旋转光束的一个方位。第二反射面截断第一反射面的反射光，并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径反射，同时旋转光束的另一方位。

Description

对多束光进行光转换的器件

                    相关申请

本申请与同时提交的美国专利申请第08/283,226以及美国专利申请第08/283,381号现为美国专利第5,418,880号相关。

                    发明领域

本发明涉及光学系统，尤其涉及那些将诸如激光器阵列发出的光束阵列转换成单束光辐射的光学器件。

                    发明背景

相干光辐射或激光在通信、医疗、研究、成象以及其他许多技术领域中广泛使用。在这些应用中，为了进行放大或后续的激光器作用，可将激光辐射用作或直接用作中间抽运源。当应用所需的功率较小，如几毫瓦数量级左右，并且光束质量并不最受重视时，就会广泛使用激光二极管，因为它们可直接调制，并且大小合适，光束质量也可以接受。当所需功率适中，如一瓦数量级左右并具有高质量光束(例如衍射限光点)时，便使用带固态抽运源的光纤激光器。对于需使用几瓦功率的高功率应用，例如某些打印应用，则将激光二极管阵列用作与特殊光纤增益结构耦合的抽运源。对于十瓦或更高的功率需求，可使共振腔能发射几种模式的高功率激光二极管阵列与这种特殊的增益光纤耦合。但是，必须注意，如果要获得最大功率收益，则要确保有效的耦合功率。由于单模纤芯较小，只有10微米或更小，并且一般的材料会限制光纤数值孔径(NA)的大小，因此事实上不可能通过端射耦合技术有效地将多模激光器阵列的能量直接耦合到单模增益纤芯中。

如上所述，通过合并激光二极管阵列发射共振腔的输出便能获得高功率的激光。但是，若用这种方式合并独立输出，则很难保存亮度，并很难使功率损耗保持最低。

由于源的几何特性和数值孔径与接收光纤不匹配，所以多激光源的总输出不能被有效耦合到一根光纤中，这便产生了难题。如图1所示，典型的多激光源可以是一根激光棒10。激光辐射从分布着多个激光腔的发光面11发出。在该例中，发光面11包括一激光二极管12，它与相邻的激光二极管13相隔一段阵列间距16。激光二极管12发光面输出的形状一般为窄长的矩形，并且其长度方向与激光棒的轴14平行。

为了便于说明，用一组激光束uvw-坐标轴19来描述激光二极管发出的辐射光束的传播特性。w轴的方向垂直于发光面11，并与辐射光束的传播方向一致。坐标系19随每一光束运动，即当光束旋转时，坐标系绕w轴转动，并且当光束传播方向改变时，坐标系也改变方向。激光二极管12发出激光束20，而激光二极管13发出激光束21，等等。

椭圆形表示出射激光束20和21的辐射分布，它们都有一个与激光棒轴14平行的v分量，和一个与激光棒轴14垂直的u分量。图2提供了激光束发散的数值表示，当激光束沿w方向传播时，每个激光束在u方向上的发散角θ_u都比v方向上的发散角θ_v要大。被测含有95％光功率的NA值一般对于NA_u为0.30至0.70(17°至40°)，而对于NA_v为0.10至0.35(6°至20°)。在将这些激光束引入一根光纤之前，需用一耦合器件将辐射光重新形成一种与光纤的几何形状和NA值更相适应的更合适的形状。

颁发给Scifres等人的美国专利第4,763,975号中揭示了一种这样的光耦合器。图3示出了一光学系统30，它利用多根光纤波导34将多个激光源32的输出用物理方法合并。每根波导36都有一个扁平的输入端36，可使激光源32发出的光更有效地与光纤34耦合。然后，光纤34在其输出端38聚积，从而聚积射出细长形有所改善的重叠光束，该光束由光纤输出端38各自射出的光束40组成。可用透镜44或其他光学装置将波导堆42射出的叠合光束耦合到固态激光器46的共振腔模式体(cavity mode volume)中。

颁发给Po等人的美国专利第5,268,978号揭示了一种类似于光学系统30的光学耦合系统，在该系统中光纤波导在其长度方向上的截面积为矩形。用一定位块将各波导定位在其输入端，并用一透镜将另一聚积端的总输出缩倍并成象到光纤的内包层中。

可以理解，这些利用光纤波导束来合并激光阵列输出的方法要求将每根光纤相对每激光源的输出孔径精确定位，并由于耦合光纤时有吸收从而引入了一些附加的损耗。若在任何波导端部与相应激光源之间发生物理上的未对准，则波导堆传递给固态激光器的总功率便会相应降低。

将两个光分量的“范围积(etendu)”值进行数值比较，便可测出这两个分量之间的耦合不匹配。某分量的范围积是指射入或射出该分量之辐射的角度范围与空间范围的数学乘积：

为了说明，假设激光棒10在1.00厘米长、0.1毫米宽的表面上有二十个激光二极管组成的线性阵列。如果激光二极管12和13在u方向为一微米，在v方向为175微米，并且中心至中心的阵列间距16为485微米，则如图1所示，NA_u25约为0.55(31.5°)，而NA_v27约为0.12(6.9°)。

对于激光二极管12，u分量的范围积数值为1微米×0.55NA，即0.55微米-NA，而v分量的范围积数值为175微米×0.12NA，即21微米-NA。对于激光棒10，u分量的范围积数值也是0.55微米-NA。但激光棒10的v分量范围积为1,200微米-NA，大于u分量范围积的两千倍。与之相比，光纤内包层的NA可取0.47，大小为120微米×360微米。这就产生56微米-NA×169微米-NA的范围积。由于激光棒的v分量范围积大于光纤所提供的最大范围积，所以直接将激光棒与光纤耦合的效果不佳。

即使变形成象系统在两个正交方向上具有不同的空间放大率，单使用变形成象系统也不能校正这种不匹配。任何能够减小激光二极管阵列与光纤之间范围积不匹配的实用成象系统必须完成更加复杂的再形成任务，例如在成象系统对光束进行光学校正之前将二极管发射的每束光束旋转90°。

颁发给Endriz的美国专利第5,168,401号揭示了一种用于对多个激光源的输出进行重新成象的棱镜-透镜阵列结构。参考专利的图13提供了该棱镜-透镜阵列结构的透视图，这里为清楚说明并进行分析，对其略作修改，呈现在图4中。如图所示，棱镜-透镜器件50可以与激光棒10相结合。xyz坐标系49用来帮助讨论棱镜-透镜器件50。

图中激光棒10的方向使激光棒的轴14与x轴平行，而激光束20和21沿z方向传播。注意，当激光束20和21从激光棒10中射出时，其u分量相互平行排列，并且其v分量是共线的。在光学系统工作期间，激光束20和21通过棱镜-透镜器件50的前表面52射入棱镜-透镜器件50。

激光束21入射到与其传播方向成一夹角的第一反射面54上。在本例中，第一反射面54与x-y平面和y-z平面都成45°角。这使反射后的激光束21a又入射到与激光束21a的传播方向成一夹角的第二反射面56上。在本例中，第二反射面56与y-z平面和x-z平面都成45°角。这使旋转后的激光束21b穿进小透镜58。小透镜58只在x-y平面内有曲率，其作用是将经旋转的光束21b准直在x-y平面内。

按类似的顺序，激光束20入射到与x-y平面和y-z平面都成45°角第一反射面53上。产生反射激光束20a后，再入射到与y-z平面和x-z平面都成45°角的第二反射面55上。产生的旋转激光束20b穿进小透镜57。经旋转的激光束20b从小透镜57中射出后，其u分量与经旋转的激光束21b的u分量共线，而其v分量与经旋转的激光束21b的v分量平行排列。用这种方式，棱镜-透镜器件50使激光束20和21相对于其各自的传播轴旋转了90°，这与用两个反射镜反射激光束的结构一样，并且棱镜-透镜器件50将其沿一个方向准直。

在Endriz揭示的第二实施例中，如图5A和图5b所示，将第一反射镜62和第二反射镜64形成一个单体器件60。单体器件60以类似于上述棱镜-透镜器件50的方式变换多个激光源的射出。限制在激光器共振腔66内的入射激光束20入射到第一反射镜62上。在本例中，用一组激光束uvw坐标19’中的w轴表示的激光束20’的传播方向与实施例xyz坐标系69中的z轴一致。图中所示的第一反射面62与x-y平面和y-z平面都成45°。所产生的反射激光束20a’沿x方向传播，入射到第二反射面64上。图中所示的第二反射面64与x-z平面和y-z平面都成45°。再产生沿y方向传播的经旋转的激光束20b’，然后如图5B所示，穿过微透镜68。由此可见，以类似于图4中棱镜-透镜器件50使激光束旋转的方式，已将经旋转的激光束20b’相对激光束的传播方向旋转了90°。

参考专利指出，用精确对准技术可以安装棱镜-透镜器件50，而用离子研磨和其他更复杂的技术可以制造单体器件60中的反射镜。可以看到，上述实施例因其多平面的特性需要复杂的制造方法和精确的对准。因此，需要提供一种激光系统，在该系统中，用来再形成多激光源输出的光耦合器比现有器件更易制造和使用。并且本发明的主要目的就是提供这样一种耦合器。

本发明的另一个目的是，提供一种能简化并有效地将多激光源的输出合并成一束高功率激光束的光耦合器。

本发明的再一个目的是，提供一种无需复杂的制造过程便能形成的光耦合器。

本发明的又一个目的是，提供一种可将输出光束有效耦合到光纤纤芯中的光耦合器。

本发明的另一个目的是，提供一种可改变多光束的易于制造的光学器件。

本发明的其他目的，一部分将在后文中出现，一部分将在结合附图阅读以下详细描述时就会了解清楚。

                        发明内容

将特殊结构、容易制造的多平面与其他元件连用以合并光束阵列的输出，致使其合并能量被有效地引入一增益结构中。在本创造性器件中，将激光器阵列射出的光束沿一个轴准直，并用一光耦合器间将光束合并成一束光辐射，其中光耦合器由一个光旋转器以及一个对单个旋转的激光束进行准直并聚焦的光学系统组成。光束旋转器包括一个表面具有多个相邻平行凹槽的平面条，一个凹槽对应一束激光。每个凹槽包括两个反射面，所形成的二面角具有两反射面公共的顶棱。可对反射面涂覆，以便为激光束提供较高的反射率。顶棱相对其相应激光束的传播方向确定了一视线角，致使激光束在经过相应顶棱之反射面的两次连续反射后，绕其传播方向旋转。在另一实施例中，用一种光透明旋转器旋转每束激光。光透明旋转器提供了许多构成旋转器和周围介质之间界面的内部反射表面，其中周围介质的折射率比构成光透明旋转器的材料的折射率要小。内部反射表面形成一凹陷的反射对(concave reflecting pair)，该二面角具有两个表面公用的顶棱。顶棱相对其相应激光束的传播方向确定了一视线角，致使激光束在经过相应顶棱之凹陷反射对的两次连续反射后，绕其传播方向旋转。

                         附图概述

这里将特别叙述被视作本发明的特征的新颖特点。当结合附图阅读以下实施例的描述时，将更好地理解本发明的工作机理和方法，及其其他目的和优点，其中：

图1是现有激光棒前发光面的示意图，多个激光二极管沿激光棒的轴排成阵列；

图2是两张曲线图，示出了图1激光棒中每个激光二极管的光功率发散度，提供了与激光棒的轴平行的发散度(θ_u)，以及与激光棒的轴垂直的发散度(θ_v)；

图3是现有技术的光学系统的侧视图，其中多根光纤波导接收来自二极管激光阵列的光，并将光传输到输出端；

图4是现有技术的光学系统中一种棱镜结构的透视图，其中棱镜结构具有微透镜阵列，可使多个激光源重新成象；

图5A和5B分别是激光器和反射元件整体化的现有技术的激光器阵列系统的顶视图和侧视图，可用于变换多个激光源；

图6是依照本发明的光学系统的透视图，示出了激光棒、光束准直器、光束旋转器、聚焦透镜和光纤；

图7是图6中激光棒发光面的正视图；

图8是图6中光学系统的部分透视图，示出了光束旋转器对激光棒发出的各个激光源进行再形成；

图9是图8中的光束旋转器已对激光束进行了光束再形成后，图6中激光棒发出的一对激光束之分布图形的示意图；

图10是激光束进入图6中聚焦镜片后图6中激光棒发出的一对激光束之分布图形的示意图；

图11是激光束射出图6中聚焦镜片之前图6中激光棒发出的一对激光束之分布图形的示意图；

图12是图6光学系统另一实施例的部分详细透视图，该图示出了整体化的光束准直和旋转器件；

图13是图8中光束旋转器件另一实施例的透视图，旋转器件包括一条单晶衬底，衬底的一个表面上腐蚀有一凹槽阵列；

图14是图8中光束旋转器件又一实施例的透视图，旋转器件包括多个叠合板，每块叠合板都有一个成角度的或楔形端；以及

图15是图8中光束旋转器件又一实施例的透视图，旋转器件包括多个叠合板，每块叠合板都有一个成角度的或楔形端。

                    本发明的较佳实施例

现参照图6，图中示出了依照本发明的高功率激光系统100。激光系统100由三个主要部件组成：辐射源110，具有单模纤芯的光纤170，以及用于将源110发出的辐射引导到光纤170中的耦合装置102。辐射源由多个激光器辐射源组成，总的输出功率约为20瓦，该辐射被转换成具有良好性能TEM_0，0的高密度辐射单一输出，一般该输出在光纤170输出端的功率为17瓦。此结构可使激光系统100用于打印和其他成象应用。

以下将参照一组激光系统的xyz坐标149说明高功率激光系统100的功能和相对位置。

较佳的辐射源是一个激光棒110，它由一激光二极管阵列构成。市场上可买到的合适的激光棒可以是加州San Jose市SDL股份有限公司所销售的型号。激光棒110具有一个发光面112，发光面112含有许多由一激光二极管线性阵列产生的发光小平面，如图7所示，激光二极管线性阵列沿激光棒的轴116分布。激光棒的轴116的方向平行于xyz坐标系149的x轴，而发光面112的方向则平行于x-z平面。线性阵列中的每个激光二极管例如激光二极管114，都具有175微米×1微米的发光面。阵列间距例如激光二极管114与相邻激光二极管115之间中心至中心的间距118，约为485微米。

使用一组激光束uvw坐标119将便于讨论激光束的传播。阵列中任何激光二极管的传播方向都与uvw坐标系119中w轴一致。坐标系119随每束光束运动，即当光束旋转时坐标系绕w轴旋转，而当光束传播方向改变时坐标系也改变方向。光束阵列中每束激光在u-w平面内的NA约为0.55(33.4°)，在v-w平面内的NA约为0.12(6.9°)。例如，图中激光二极管114发出激光束180，激光束由一椭圆表示，它具有v分量182和u分量184。这些射出的激光束最初沿激光系统坐标系149的y方向负方向传播，并射入激光系统100的耦合装置102，在耦合装置102中激光束被重新形成。以下将对激光二极管114发出的激光束180描述再形成过程，再形成过程对激光阵列中每束激光都是相同的。

如图6所示，激光束180首先被引入柱面透镜120，该柱面透镜将激光束沿第一方位准直，即使其处于u-w平面内。透镜120在y-z平面内具有一圆形曲率，其作用是将激光束180准直在y-z平面内，以产生横向准直的激光束180a。当激光束180穿过透镜120时，其在y-z平面内的发散减小，并且当光束继续通过激光系统100传播时继续减小。如果需要，透镜120还可以采用双曲线形或其他非圆形的表面。普通的非圆形准直透镜会把较少的像差引入横向准直的激光束180a，但这种透镜的定位公差则比圆形透镜的公差更严格。从透镜120中射出的激光束180a已被准直在u-w平面内，但激光束仍继续向第二方位发散，即在v-w平面内发散。

接着，用一光束旋转器130将横向准直的激光束180a沿其传播轴旋转90°。激光束180a经过光束旋转器130上反射面的两次相继反射，产生经旋转的激光束180c。经过光束旋转器130之后，经旋转的激光束180c继续沿v方向发散，但在u方向上保持准直。

然后，经旋转的激光束180c通过一柱面转向(steering)透镜140，该柱面转向透镜的作用是，将经旋转的激光束180c会聚成会聚激光束180d。转向透镜140还能将经旋转激光束的整个阵列会聚在x-z平面内。注意，尽管透镜140使激光束阵列向z轴横向弯曲，但每束单独的激光都继续在第二方位上发散。

用第二柱面准直透镜150可使会聚激光束180d停止在第二方位平面内的发散。激光束180d经过透镜150，产生准直激光束180e。由于先前通过了转向透镜140，所以包含准直激光束180e的准直激光束阵列继续在x-z平面内会聚。

聚焦透镜160能将经第二准直透镜150准直的包含准直激光束180e的激光束阵列转变成位于光纤170之波导172处的聚焦光束。聚焦光束190在x-z平面内的大小约为360微米，NA为0.47(28°)，在y-z平面内的大小约为120微米，NA为0.47(28°)。光纤170可以是光放大器或光纤激光器的一部分。

用准直透镜120对激光束准直

如图8所示，激光二极管114最初沿uvw坐标系119中w轴方向发射激光束180。激光束180的空间分布用一椭圆表示。光束在v-w平面内的发散度用v分量182的变换表示，而光束在u-w平面内的发散度用u分量184的变换表示。同样，激光二极管115发出的激光束181也用椭圆表示，光束在v-w平面和u-w平面内的发散度分别用分量183和185表示。如果用如上规定的175微米×1微米的发光区尺寸，激光束180和181都将发生发散，其NA在v-w平面约内为0.12(6.90°)，而在u-w平面内约为0.55(33.4°)。

第一准直透镜120是一个柱面透镜，位置平行于激光棒110，并且长度与激光棒110大致相等。如下所述，透镜120焦距的选择应能产生最大的准直光束，但仍能使该光束通过光束旋转器130之几何形状所设置的孔径限制，以免对光加以限制。在一较佳实施例中，第一准直透镜120具有柱面122，其焦距为213微米。图中用“A”的大小表示从柱面122至发光面112的距离，该距离的选择使激光束180和181在柱面122上u-w平面内的大小约为234微米。因此，透镜120的宽度最小为234微米宽，以便能基本截断到光束阵列发出的所有辐射。

激光束180通过第一准直透镜120之后成为横向准直的激光束180a。由于存在许多因素(例如，表面122产生的球差，激光二极管114在u方向上的定位公差，以及因第一准直透镜120的有限宽度而产生的衍射效应)，所以激光束180a继续在第一方位上即u-w平面内发生某种程度的扩散，但扩散量较小，NA约0.002(0.11°)，因此当给定系统的其他几何尺寸时，该扩散量可以忽略。横向准直激光束180继续在v-w平面内发散，此发散度由v分量182a表示，图中表示v分量182a比v分量182长。比较之下，u分量184a的长度相对u分量184保持不变，这表示光束180a基本上在第一方位上准直。同样，激光二极管115发出的激光束181变成横向准直激光束181a，但具有扩展的v分量183a。

描述光束旋转器130

如图8中更详细的示出，光束旋转器130由一个相连的V形凹槽阵列组成，这些凹槽例如凹槽131位于平面条(planar strip)125的前表面128上。在x方向沿光束旋转器130的凹槽间的间距与激光器阵列沿激光棒轴116的间距118相同。由此，光束旋转器130为激光棒110中的每个激光器提供了一个凹槽。平面条125的前表面128与xyz坐标系149中的x轴一致，以便光束旋转器130可以接收激光棒110发出的激光束线性阵列。在本例中，激光二极管114发出激光束180，然后被凹槽131接收，而相邻的凹槽135接收激光束181。

凹槽131由第一反射面133和第二反射面134组成。反射面133和134彼此相对，并在公共交叉直线即顶棱132处相遇，形成的二面角Φ为60°。与凹槽131相邻的是凹槽135，它由第三反射面137和第四反射面138组成，两反射面在顶棱136处相遇。反射面133和138最好在交叉的公共直线处相遇，形成顶棱139。另一方面，可按需要将凹槽作得较浅。由于激光棒110的结构规定了凹槽间的间距，所以如果使用较浅的凹槽也不能改变该间距。因此，当使用浅凹槽时，顶棱139就会形成多个平的窄条例如窄条128’，并包含一部分前表面128。

凹槽的取向都相同，这使相间的反射面例如第一反射面133和第三反射面137(或者第二反射面134和第四反射面138)相互平行。为便于形成凹槽阵列，每个凹槽都从平面条125的上缘延伸至下缘126。该结构允许用以下方法来构造平面条，即在一平面衬底的表面形成凹槽，然后将在将平面衬底分成许多条。另外，所有反射面等宽，并且在形成后用众所周知的方式进行涂覆，以便有效反射激光二极管发出的辐射。

光束旋转器130相对激光棒110定向，使每个凹槽都能接收和旋转入射激光束。在该取向中，每个凹槽顶棱(例如凹槽131的顶棱132)在激光系统xyz坐标系149的x-y平面内的投影为45°，在y-z平面内的投影为135°。该取向使激光束传播方向w轴与接收该激光束的凹槽顶棱之间的视线角(aspect angle)ψ为54.7°。

因为合并时各激光束不会发生相干的相互作用，所以要注意避免相邻激光束之间的光耦合。为了确保不发生这种光耦合，光束旋转器130的定位应将每束激光限制在一个单独的凹槽中。这要求放置光束旋转器130的位置与激光棒110足够近，从而确保激光束扩展的辐射图形不会落到其需要凹槽之外。对于激光器阵列间距118为485微米的情况，光束旋转器130上沿x方向凹槽间的有效间距也是485微米。对于凹槽二面角Φ为60°的情况，这使得凹槽壁的宽度约为396微米。该宽度要求将第一反射面133相对发光面112小心放置。横向准直的激光束180a的大小约为234微米，并应被396微米宽的反射面完全截断。

光束旋转器130的优点是，凹槽的平面阵列可用一切削工具在一合适的衬底表面上刻划来形成，或者通过一主模具复制形成。应当注意，制造过程可能会在凹槽阵列中偶尔产生倒角132’或平面139’。为了避免这类不合格因素的影响，最好将光束旋转器130定位在足够靠近激光棒110的地方，以便每束激光覆盖的宽度小于反射面的整个宽度。

用光束旋转器130旋转激光束

光束旋转器130的结构和定位使其能够独立对每束入射激光束反射两次。例如，横向准直的激光束180a入射到光束旋转器130的第一反射面133上，并反射形成一经反转的激光束180b。然后，经反转激光束180b入射到第二反射面134上，并反射形成一经旋转的激光束180c。由于经旋转的激光束180c已被准直在u-w平面内，所以与u分量184a相比，u分量184c的长度基本不变。比较之下，光束在v-w平面内继续扩散，并且图中显示v分量182c已比v分量182a增加了长度。横向准直的激光束181a也遵循类似的过程，激光束入射到第三反射面137上，并反射形成一经反转的激光束181b。经反转的激光束181b经第四反射面138反射，形成经旋转的激光束181c。

经过对激光束的两次相继反射之后，两束激光180和181都相对其各自的传播方向旋转了90°。现在，经旋转的激光束180c的u分量184c与经旋转的激光束181c的u分量185c共线，而激光束180的u分量184与激光束181的u分量185平行。同样，经旋转的激光束180c和181c各自的v分量182c和183c相互平行，相反，激光束180和181各自的v分量182和183则是共线的。该旋转过程作用于激光棒110发出的每束激光，从而使阵列化激光束的u分量都共线。

光束旋转器130的第二个作用是，将阵列化激光束的传播方向改变了90°。最初，每束激光的传播方向w轴是与激光系统xyz坐标系149的y轴反向平行的。经过光束旋转器130的反射后，激光束uvw坐标系119c所示的经旋转激光束的w轴与激光系统xyz坐标系149的z轴平行。

用转向透镜140会聚激光束阵列

光束旋转器130将激光束阵列再形成后，如图6所示，用一转向透镜140将光束阵列会聚成更密集的阵列结构。转向透镜是一柱面透镜，在x-z平面内有曲率，并且焦距长度约为10.4毫米。通过比较图9和图10，可以看到转向透镜对激光束阵列的作用，其中图9示出了入射透镜140前相邻的经旋转激光束180c和181c，而图10示出了经过透镜140之后相邻的会聚激光束180d和181d。

在图9中，经旋转激光束180c和181c各自的u分量184c和185c长度约为240微米，而v分量182c和183c的长度约为320微米。经旋转的激光束180c和181c的中心至中心的间距约为485微米，该间距与图8中阵列的间距118相同。

在图10中，会聚激光束180d和181d各自的u分量184d和185d的小心没有增加，且长度保持在约240微米。尽管会聚激光束180d和181d之光束间的间距因转向透镜140的会聚作用而减小，v分量182d和183d却继续扩散。

对激光束阵列横向准直和聚焦

会聚激光束180d和181d射入一对由第二准直透镜150和聚焦透镜160组成的标准无焦点的望远镜镜片对。于是，第二准直透镜150将激光束准直在第二方位上。透镜150是一柱面透镜，它在y-z平面内有曲率，焦距长度约为4.7毫米。聚焦透镜160是一柱面透镜，也在y-z平面内有曲率，焦距长度约为2.35毫米。透镜150和160的作用是，沿横向或y轴准直激光束，并使激光束缩小0.5倍。

图11示出了准直激光束180e和181e的中心至中心间距是如何继续减小致使单个光束开始相互重叠的。u分量184e和185e的长度保持约240微米。随后，包含准直激光束180e和181e的激光束阵列穿过聚焦透镜160，产生聚焦光束190。

聚焦光束190是一束密集的高功率激光，将其定位入射到预定目标区例如光纤170的波导部分172上。光束190沿波导部分172传播，在波导部分172中，光束被横向耦合到光纤的增益纤芯174中。

其他实施例

在另一实施例中，如图12所示，将光束旋转器130和准直透镜120组合成一个整体的光束旋转器230。整体的光束旋转器230由诸如玻璃或塑料等光透明材料制成，并且包含一个柱面222，该柱面类似于上述实施例中横向光束准直透镜120，起准直激光束280的作用。最好，所选的材料对红外或近红外波长非常透明，以免在光束旋转器230中反射热学效应。

相连的V形凹槽阵列，例如凹槽231和235，做成一个倾斜的表面226，该表面从整体光束旋转器230的背面224延伸至前面228。凹槽231包括第一反射面233和第二反射面234。反射面233和234是由光透明材料和一种周围介质之间的平面型界面构成的。由于光透明材料的折射率n₂大于空气(常用的周围介质)的折射率n₁，所以这些界面上会发生反射。

反射面233和234彼此相对，并在公共交叉直线即顶棱232处相遇。与凹槽231相邻的是凹槽235，它由第三反射面237和第四反射面238组成，两反射面在顶棱236处相遇。所有的反射面最好都是等宽度的。阵列中所有凹槽的取向都相同，以便相间的反射面例如第一反射面233和第三反射面237(或者第二反射面234和第四反射面238)相互平行。

反射面233和238在交会的公共直线处相遇，形成一凹陷的反射对241，该反射对确定了顶棱239的二面角Φ₂。激光棒210从激光二极管阵列214中发射出激光束280。光束旋转器230中每个反射对241的结构和定位都应能够截断并内部反射一束相应的入射激光束280。光束旋转器230的取向要使每个顶棱239在激光系统xyz坐标系249的x-y平面内的投影为45°，在y-z平面内的投影为135°。该取向使激光束280的传播方向w轴与反射激光束280的反射面238和233所共用的顶棱239之间的视线角ψ₂为54.7°。当激光束280通过整体光束旋转器230后，激光束旋转了90°，以类似于上述旋转激光束180的方式产生了经旋转的激光束280c。

要注意避免相邻激光束之间的光耦合。利用对上述较佳实施例光束旋转器130相同的分析，为了确保不发生这种光耦合，光束旋转器230的定位应将每束激光限制在一个单独的反射对中。

表面凹槽的平面阵列可用一切削工具从整体光束旋转器230的背面224经过倾斜表面226一直刻划到前表面228为止来形成。另一种方法是，由塑料材料模压出整体光束旋转器。

在又一个实施例中，如图13所示，将诸如硅或砷化镓等单晶衬底制成的腐蚀晶片切成条，再用所得的条制作经腐蚀的光束旋转器330。在切割条之前，先在晶片上腐蚀凹槽阵列331。通过使用适当的单晶衬底，用本领域中众所周知的选择性腐蚀方法形成凹槽阵列。对于硅，切条时应使凹槽顶棱332与经腐蚀光束旋转器330中长棱327所形成的γ角约为48.6°。

经腐蚀凹槽的凹槽角依赖于被腐蚀衬底的晶格特性。例如，若给定一约525微米厚度的(100)方向的硅片，则制成第一反射面333位于(111)平面而第二反射面334位于(1 11)平面的凹槽。反射面333和334彼此相对，并在公共交叉直线即顶棱332处相遇，以形成约70.5°的二面角Φ₃。另外，凹槽的取向平行于(011)参考平面中晶片的参考面。

在另一实施例中，是将多个一端被呈锥形或楔形的平面板叠合起来并切割形成带凹槽的条。每个反射面都有一个这样楔形板。图14示出了一个叠合的光束旋转器430，该光束旋转器包括一系列楔形板，例如第一楔形板431和第二楔形板432。反射面433与板431成角度α₁，而反射面434与板432成角度α₂，从而板的叠合使凹槽435形成60°大小的二面角Φ₄。

图15示出了另一种包括一系列楔形板442的叠合的光束旋转器440。反射面444与反射面445成角度α₃，从而如图所示板442的叠合使凹槽446形成60°大小的二面角Φ₅。

尽管描述了本发明的较佳实施例，但不脱离本发明作各种变化和更改对于本领域的熟练技术人员而言是显而易见的，并且所附权利要求的用词将试图与本发明实际精神和范围所包含的那样包括这些变化和更改。

Claims (33)

1.一种用于变换输入光束阵列的光学设备，其特征在于，所述设备包括：

一衬底，具有带凹槽的表面，所述带凹槽的表面包含多个相邻的凹槽，凹槽至少与被变换的光束构成一对一的对应关系，

所述每个凹槽由第一和第二反射面构成，这两个反射面沿一公共顶棱相交并在其间形成二面角Φ，所述每个凹槽的所述顶棱相对于相应光束初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述第一反射面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到所述第二反射面上，同时旋转光束的一个方位，而所述第二反射面截断所述第一表面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，

从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量。

2.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述第一反射面沿公共顶棱与相邻凹槽的所述第二反射面相交，以形成一反射对，所述反射对在所述两个反射面之间确定了二面角Φ₂。

3.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所有所述第一反射面都相互平行，并且所有所述第二反射面都相互平行。

4.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述反射面的宽度基本相等。

5.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述顶棱相互平行。

6.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述二面角Φ约为60°。

7.如权利要求6所述的光学设备，其特征在于，所述视线角ψ约为54.7°。

8.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，所述衬底包括一中单晶衬底。

9.如权利要求8所述的光学设备，其特征在于，所述单晶衬底包含硅。

10.如权利要求9所述的光学设备，其特征在于，所述二面角Φ约为70.5°。

11.如权利要求8所述的光学设备，其特征在于，所述单晶衬底包含砷化镓。

12.如权利要求1所述的光学设备，其特征在于，对所述反射面涂层，以便为光束提供较高的反射率。

13.如权利要求2所述的光学设备，其特征在于，所述衬底包含折射率n₂＞n₁的光透明材料，其中n₁是周围介质的折射率，从而在所述反射面上形成所述材料中的内反射。

14.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，所有所述第一反射面都相互平行，并且所有所述第二反射面都相互平行。

15.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，所述反射面的宽度基本相等。

16.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，所述顶棱相互平行。

17.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，所述二面角Φ₂约为60°。

18.如权利要求17所述的光学设备，其特征在于，所述视线角ψ约为54.7°。

19.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，所述材料由对红外波长高度透明的玻璃构成。

20.如权利要求13所述的光学设备，其特征在于，还包括一柱面，所述柱面位于所述带凹槽表面区域的附近，从而当每束激光穿过所述柱面后被准直在某一方位上。

21.一种用于变换输入光束阵列的光学设备，其特征在于，所述设备包括：

多块平板，所述每块平板具有一个从所述板面延伸至所述板边缘的倾斜面，所述多块板被叠合成一个线性阵列，以便对相间成对的所述板定位，使相应的倾斜面彼此相对，每对所述相对的倾斜面形成一凹陷的反射对，所述凹陷的反射对确定了二面角Φ，该二面角具有对所述反射对中两个所述倾斜面共有的顶棱，每个所述反射对还具有与被变换光束一一对应的关系，

所述每个反射对的所述顶棱相对于相应光束的初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述反射对中的一个所述倾斜面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到反射对中的另一所述倾斜面上，同时旋转光束的一个方位，而所述另一倾斜面则截断所述一个倾斜面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，

从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量。

22.如权利要求21所述的光学设备，其特征在于，所述二面角Φ约为60°。

23.一种将输入光束阵列转换成单束光辐射的光耦合器，其特征在于，包括：

第一装置，用于沿第一方位准直每束光束，以便当光束穿过所述准直的第一装置时降低光束在所述第一方位上的扩散，并且当光束继续通过所述光耦合器传播时在所述第一方位上保持扩散降低；

一光束旋转器，用于变换光束阵列，所述光束旋转器包括：

一衬底，具有带凹槽的表面，所述带凹槽的表面包含多个相邻的凹槽，凹槽具有与被变换的光束一一对应的关系，

所述每个凹槽由第一和第二反射面构成，这两个反射面沿一公共顶棱相交并在其间形成二面角Φ，所述每个凹槽的所述顶棱相对于相应光束初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述第一反射面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到所述第二反射面上，同时旋转光束的一个方位，而所述第二反射面截断所述第一表面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量；

第二装置，用于沿第二方位准直每束光束，以便当光束穿过所述准直的第二装置时降低光束在所述第二方位上的扩散，并且当光束继续通过所述光耦合器传播时在所述第二方位上保持扩散降低，所述第二方位与光束的传播方向和所述第一方位都正交；以及

用于会聚光束阵列以便该阵列入射到入射到预定目标区域的装置。

24.如权利要求23所述的光转换器，其特征在于，所述二面角Φ约为60°。

25.如权利要求23所述的光转换器，其特征在于，所述衬底包括一种单晶衬底。

26.如权利要求25所述的光转换器，其特征在于，所述单晶衬底包含硅。

27.如权利要求26所述的光转换器，其特征在于，所述二面角Φ约为70.5°。

28.如权利要求25所述的光转换器，其特征在于，所述单晶衬底包含砷化镓。

29.一种将输入光束阵列转换成单束光辐射的光耦合器，其特征在于，包括：

用于变换光束阵列的整体光束旋转器，所述光束旋转器包含折射率为n₂＞n₁的光透明材料，其中n₁是周围介质的折射率，

所述光束旋转器具有一柱面，用于沿第一方位准直每束输入光束，以便当光束穿过所述柱面时降低光束在所述第一方位上的扩散，并且当光束从所述光束旋转器射出并继续通过所述光耦合器传播时在所述第一方位上保持扩散降低，

所述光束旋转器还具有带凹槽的表面，所述带凹槽的表面包含多个相邻的凹槽，所述每个凹槽由第一和第二反射面构成，所述第一反射面与相邻凹槽的所述第二反射面沿公共顶棱相交，形成一凹陷的反射对，所述反射对在两个反射面之间确定了二面角Φ₂，每个所述反射对具有与被变换的光束一一对应的关系，

所述每个反射对的所述顶棱相对于相应光束的初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述第一反射面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到所述第二反射面上，同时旋转光束的一个方位，而所述第二反射面则截断所述第一反射面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量；

用于沿第二方位准直每束光束的装置，以便当光束穿过所述准直的装置时降低光束在所述第二方位上的扩散，并且当光束继续通过所述光耦合器传播时在所述第二方位上保持扩散降低，所述第二方位与光束的传播方向和所述第一方位都正交；以及

用于会聚光束阵列以便该阵列入射到入射到预定目标区域的装置。

30.如权利要求29所述的光耦合器，其特征在于，所述二面角Φ₂约为60°。

31.一种将输入光束阵列转换成单束光辐射的光耦合器，其特征在于，包括：

第一装置，用于沿第一方位准直每束光束，以便当光束穿过所述准直的第一装置时降低光束在所述第一方位上的扩散，并且当光束继续通过所述光耦合器传播时在所述第一方位上保持扩散降低；

一光束旋转器，用于变换输入光束阵列，所述光束旋转器包括：

多块平板，所述每块平板具有一个从所述板面延伸至所述板边缘的倾斜面，所述多块板被叠合成一个线性阵列，以便对相间成对的所述板定位，使相应的倾斜面彼此相对，每对所述相对的倾斜面形成一凹陷的反射对，所述凹陷的反射对确定了二面角Φ，该二面角具有对所述反射对中两个所述倾斜面共有的顶棱，每个所述反射对还具有与被变换光束一一对应的关系，

所述每个反射对的所述顶棱相对于相应光束的初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述反射对中的一个所述倾斜面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到反射对中的另一所述倾斜面上，同时旋转光束的一个方位，而所述另一倾斜面则截断所述一个倾斜面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，

从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量；以及

用于会聚光束阵列以便该阵列入射到预定目标区域的装置。

32.一种将输入光束阵列转换成单束光辐射的光耦合器，其特征在于，包括：

第一装置，用于沿第一方位准直每束光束，以便当光束穿过所述准直的第一装置时降低光束在所述第一方位上的扩散，并且当光束继续通过所述光耦合器传播时在所述第一方位上保持扩散降低；

一光束旋转器，用于变换输入光束阵列，所述光束旋转器包括：

多块平板，所述每块平板具有一个从所述板面延伸至所述板边缘的倾斜面，所述多块板被叠合成一个线性阵列，以便对相邻的所述板定位，使所述倾斜面相互平行和偏离，每个所述倾斜面与一相邻所述板的表面形成二面角Φ，从而构成一凹陷的反射对，所述二面角具有对所述反射对中所述相邻表面和所述倾斜面公有的顶棱，每个所述反射对还具有与被变换光束一一对应的关系，

所述每个反射对的所述顶棱相对于相应光束的初始传播方向以视线角ψ定向，从而将所述反射对中的一个所述倾斜面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到反射对中的另一所述倾斜面上，同时旋转光束的一个方位，而所述另一倾斜面则截断所述一个倾斜面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位，

从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量；以及

用于会聚光束阵列以便该阵列入射到预定目标区域的装置。

33.如权利要求31所述的光耦合器，其特征在于，所述二面角Φ约为60°。

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