CN1164657A - 显微光学设备 - Google Patents

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Abstract

显微光学设备具有一个使光束平行的光学元件和一个偏向镜配置。偏向镜配置将一个由激光二极管棒(6)发射的由多个带状的单独激光束(9)构成的激光射束(8)变换成一个矩形的或平行四边形的、由平行并列设置的平行的带状单独激光束(12)构成的激光射束(17或30)。使光束平行的光学元件例如是一个柱面透镜(11)，偏向镜配置成例如具有两个反射镜组(14、15)。柱面透镜(11)和反射镜组(14、15)例如可以是由半导体材料制成，致使成本低廉。

Description

显微光学设备
本发明涉及一种显微光学设备，该设备用于将一个由单个或多个激光二极管或一定数量的单个激光二极管向一正交参考系的X方向发射的第一激光束，该激光射束由多个截面为带状的单独的激光束构成，变换成第二个激光束。
例如J.R.霍普斯(J.R.Hobbs)所著的″二极管泵激固体激光器：偏移-平面反射镜变换的激光束″，激光集锦世界，1994年5月号，47页，就记载了这样一种设备。在此文中所述的显微光学设备由两个以一定间隔相互平行设置的高反射的反射镜构成。这两个反射镜垂直且水平地相互错位设置。以对镜面垂线的角度为α，0°＜α＜190°，入射的激光二极管发出的第一激光束通过两个反射镜间的多次全反射变换成一个由相互平行设置的带状的单独入射激光束构成的第二激光束。该反射系统的主要困难在于，为了实现有效的射束变换，需要进行两个反射镜相互间的及反射镜对与入射的第一激光射束的高度精确的校准。此外，由于反射镜对中的多次反射造成的反射损耗也太高。实现的变换效率的最大值约为70％。
本发明的任务在于，提出一种本说明书开始时提及方式的显微光学设备，该设备校准简便且其变换效率在90％至100％之间。此外，这种显微光学设备的制做成本低廉。
本任务的解决方案是，使用光束平行光学件，使在参考系的Z方向上发散的第一个激光束平行为单独的激光束，并接着进入偏向镜配置，将由平行的带状的单独激光束构成的激光束变换成第二个激光束。
例如，此显微光学设备可以由一种可透射激光二极管场发射的激光波长的半导体材料制成。然后激光射束可在半导体材料中传输，从而可减少单独的激光束的扩展和随之的射束损耗。可以采用已知的半导体处理工艺的蚀刻技术制备光束平行光学件和偏向镜配置结构。因此，保证了显微光学设备成本低廉的制做。
下面将参照4个实施例结合图1至6对本发明做进一步的说明。
图1是本发明的显微光学设备的第一实施例的透视示意图；
图2是激光二极管棒的断面示意图；
图3是本发明的显微光学设备的第二实施例的偏向镜配置的透视示意图；
图4是采用实施例1或2的显微光学设备对射束变换的示意图；
图5是本发明的显微光学设备的第三实施例的偏向镜配置的透视示意图；
图6是本发明的显微光学设备的第四实施例的透视示意图；
图7是采用实施例3或4的显微光学设备进行射束变换的示意图。
下述实施例分别用于激光束8的变换，该光束是由依照图2的激光二极管6发射出来的。激光二极管6由7只单独的激光二极管7构成。单独的激光二极管7的p-n结平行于正交基准系统5的X-Y-平面。每只单独的激光二极管7发射一宽度为ΔY的一单独的激光束9，该激光束平行于单独的激光二极管的p-n结方向，具有一个较小的发散并且垂直于p-n结方向，具有一个较大的发散。下面出于简化起见，设单独的激光二极管7发射仅垂直于一单独的激光二极管7的p-n结方向具有发散的并且平行于p-n结方向是平行的单独的激光束9。
当然在所有的实施例中也可以不用一个激光二极管棒6，而采用多个激光二极管棒或一定数量的单独激光二极管芯片。
图1中所示的本发明第一实施例的显微光学设备是安装在基板1上。基板1例如由一种钼/铜合金或其它导热性能良好的材料制成，其热膨胀系数与显微光学设备的其它器件的热膨胀系数吻合。基板1的上端被垂直阶2分成两个平面，这两个平面与正交基准系统5的X-Y-平面平行。激光二极管棒6，例如通过焊接或粘接，固定在位置较高的平面3上，该固定应使激光二极管棒6的激光出射面10与阶2的垂直面齐平。因此，单独的激光束在X方向上发射。
平凸的柱面透镜11固定在位置较低的面4上并且其弯曲的表面与激光出射面10邻接。但也可把它设置在与激光出射面10有一很小间隔的位置上，该固定应使弯曲表面与光出射面10相对。柱面透镜11例如可以用玻璃、塑料或可透射单独的激光二极管激光波长的半导体材料制成。半导体材料由于其折射率高，故尤其适于该应用。在波长λ＞400毫微米时，例如可以采用SiC；在波长λ＞500毫微米时采用GaP；在波长λ＞900毫微米时采用GaAs并且在波长＞1100毫微米时采用Si。柱面透镜11使在基准系统5的Z方向上发散的单独激光束平行。因此，由柱面透镜11出射的是由7个平行的带有相同带状截面的单独激光束12。单独的激光束12的截面—纵向中轴位于一条唯一的与基准系统5Y轴平行的直线上。在图1中，用射束轴表述配置在边缘侧的平行的单独激光束12。
也可以采用一衍射的光学元件或柱面透镜与衍射的光学元件的组合替代柱面透镜11。
在射束发散方向(+X方向)的柱面透镜11后面，一个由7个单独的反射镜13构成的反射镜组14固定在面4上。反射镜组例如可以采用金属或半导体材料制成并且对镜面采用诸如铝或SiO2/Si等提高反射的材料，例如通过蒸发或喷涂方法覆层和/或抛光。单独反射镜13的镜面垂线与平行的单独激光束12的射束轴的夹角为45°并与基准系统5的X-Z-平面平行。每个单独反射镜13对应于与其相邻的单独反射镜13在X方向上平行移动ΔZ+ε，从而使反射镜组14具有一阶梯状结构。ΔZ是Z方向上的射束高度并且ε是两个单独激光束12精确的正交成像的情况下，在激光束31变换成激光束17后带状单独的激光束12间的如图4中所示的间距。单独反射镜13的镜面宽度和长度分别为ΔY+δ或至少为ΔZ/cos45°。ΔY是由激光二极管棒8出射后的单独激光束9的宽度并且δ是两个单元激光束9的间距。平行的单独激光束12被反射镜组14在Z方向上偏转90°并且同时在X方向上相互错位设置，从而使没有两个单独的激光束12的截面—纵向中轴在一条共同的直线上。在反射镜组14的上方设置有另一个具有7个单独反射镜16的反射镜组15。反射镜组15例如可以采用与反射镜组14完全相同的方法制做。单独反射镜16的镜面垂线与在Z方向上偏转90°的单独的激光束12的射束轴的夹角为45°并与基准系统5的Y-Z-平面平行。每个单独的反射镜16对应于与其相邻的单独反射镜16在Y方向上平行移动ΔY+δ，从而使反射镜组15具有一队梯状结构。单独反射镜16的镜面宽度和长度分别为ΔZ+ε或(ΔY+δ)/cos45°。单独反射镜13、16的相互配置应使其中两个单独反射镜13、16的镜面中点在Z方向上精确的重叠。反射镜组15将由反射镜组14在Z方向上偏转的单独的激光束12在Y方向上偏转90°并形成如图4所示并列的单独激光束12。
在图3所示的本发明显微光学设备的第二实施例的偏向镜配置同样的2个反射镜组18、21构成，每组分别具有7个单独的反射镜19、20。单独的反射镜19、20的配置和尺寸以及显微光学设备的其余器件的配置与第一实施例完全相同。与反射镜组14、15的区别在于，在柱面透镜11之后单独的激光束不是在空气中，而是在可透射由单独的激光二极管发射的激光波长的介质中传播。因此，在此实施例中透光介质与空气或另一邻接介质间的临界面构成单独反射镜19、20的镜面。例如由一个长方六面体的缺口构成单独反射镜19、20，该长方六面体由透光介质构成。当光波长λ＞400毫微米时，作为介质，除玻璃和塑料外，例如也可以采用SiC，当λ＞500毫微米时，采用GaP，当λ＞900毫微米时，采用GaAs和当λ＞1100毫微米时采用Si。采用半导体材料的优点在于，由于其折射率特别高故不需要对单独反射镜19、20的镜面进行覆层。当采用玻璃时，为改善反射特性例如可采用铝或另外一种合适的材料对镜面覆层。作为覆层方法可以采取蒸发、喷涂、化学气相淀积或一种其它的半导体处理技术中已知的方法。
在实施例2中，平行的单独光束12经光入射面22进入反射镜组18并在单独反射镜19上具有Z方向的90°偏转并同时在X方向上被错位设置。接着单独激光束12被单独反射镜20在Y方向上偏转90°并经光出射面23从反射镜组21中射出。
图4示意采用实施例1或2的偏向镜配置的激光束31的变换。由7个平行的单独激光束12构成的激光束31被变换成一个由7个间隔为ε的平行并更设置的经平行性处理的单独激光束12构成的矩形激光射束17。
可采用下述方法实现对上述两个实施例1和2的简化，即，用一个较大的反射镜取代反射镜组14或18。该反射镜的安装应使其镜面垂线与基准系统5的X-Y-平面的夹角为45°并且与X-Z-平面的夹角为γ＞0°。斜反射镜的宽度是(激光二极管棒6的长度)×cosγ，并且斜反射镜的高度至少是ΔZ/cos45°。反射镜组15或21的结构保持不变。但单独反射镜16或20的宽度是(ΔY+δ)×tgγ。
本发明的显微光学设备的第三实施例中采用单个反射镜组24，替代两个每个进行90°偏转的反射镜组。在图5中示出的该反射镜组24由7个单独反射镜25构成，其镜面垂线与基准系统5的X-Z-平面的夹角为45°与X-Y-平面的夹角α＞0°。单独反射镜25的镜面中点在一条唯一的平行于基准系统5伸展的直线上并且相互的间隔为ΔY+δ。单独反射镜25的长度至少为ΔY/cos45°，并且其宽度至少为ΔZ/cosα。选取的的角α的大小应使每个经在所归属的单独反射镜上反射后的平行的单独激光束12通过在+y方向上接续的单独反射镜25传播出。为了使构成的单独激光束29之间的间隔η尽可能的小，选取的单独反射镜25的宽度和角度α应尽可能的小。角α的最小量度，将取决于单独激光二极管间的间距和单独反射镜25的宽度。
在图6中示意的本发明的显微光学设备的第四实施例的工作原理与第三实施例相同。其区别在于，用单独反射镜27构成的反射镜组26应使单独激光束12不是在空气中，而是在透光介质中传播。该介质可透射由单独激光二极管射出的激光的波长。反射镜组26例如可以采用在第二实施例中所述的材料制做。单独反射镜27例如由一长方六面体的楔形缺口构成，该长方六面体是由透射单独激光二极管的激光的介质构成。为改善其反射特性，例如用铝或SiO2/Si(必要时采用交变层，即交替使用SiO2和Si)对镜面覆层和/或抛光。反射镜组26利用耦合板28，该耦合板同样是由可透射激光波长的材料制成的，并与柱面透镜11耦合。但反射镜组26和耦合板28也可以由一个整体构成。同样，替代反射镜组26与激光二极管棒之间的耦合板28，可以设置一块板，柱面透镜11和/或其它透镜安装在该板上或在该板上构成。该板可由半导体材料制做。
图7示意利用依照实施例3或4的偏向镜配置的激光射束31的变换。由7个平行的带状的单独激光束12构成的激光射束31被变换成一个由7个间隔为η平行并列设置的平行的带状单独激光束29构成的平行四边形状的激光射束30。
在此需再次指出的是，单独激光束9对单独激光二极管的p-n结并不是如上述设定的那样，精确的平行，而是弱发散的。故必须对反射镜尺寸做出相应适配调整，使上述给出的最小尺寸变换成较大的值。当单独激光束12并不是精确地平行，而是弱发散时，这同样适用。计算时，位于辐射方向上距光出射面10最远的反射镜镜面上的值ΔY和ΔZ将起着关键作用。
将单独激光束9、12、29导入光介质中的优点在于，可避免其发散。在实施例2和4中，可相宜地将柱面透镜11的光出射面10直接与反射镜组18或耦合板28的光入射面22或32邻接。这样就可以最大限度地减少显微光学设备中造成反射损耗的光临界面的数量。也可以考虑将多个反射镜组成单个反射镜组与柱面透镜制成一个整体。
上述反射镜配置和柱面透镜相宜的优点在于制做成本低廉。例如可以采用已知的蚀刻方法在半导体材料的薄片上制做平凸圆柱透镜。然后可将薄片切割成具有相应长度和宽度的单独透镜。
例如可以采用半导体处理技术中已知的蚀刻方法，用Si、GaP、GaAs、SiC、金属或玻璃制做反射镜组。但同样也可以对塑料、玻璃或金属采用压铸、压制和浇铸方法。例如，可以采用所谓的LIGA方法制做模具。也可以采用机械方法，例如用显微精密金属石车削方法制做反射镜结构。也可以采用阳极熔接、焊接或粘接相互排列已定形的玻璃片。如果采用塑料，则可以通过机械加工制做反射镜结构或作为模压成型加以制做。
在此还要提及的是，尽管在实施例中所述的偏向镜配置仅为7个单独激光束设计的，但本发明的显微光学设备适用于任何数量的单独激光束。仅仅需要对单独反射镜数量进行适配调整。

Claims (11)

1.一种显微光学设备，用于将一个由单个或多个激光二极管棒或一定数量的单独的激光二极管芯片向一正交基准系统X方向发射的第一激光束(8)，该光束由多个截面为带状的单独激光束(9)构成，变换成第二个激光束(17、30)，其特征在于，采用光束平行光学元件(11)使在基准系统(5)的Z方向上发散的截面为带状的第一激光束(8)的单独激光束(9)平行，并接着用偏向镜配置将由平行的带状的单独激光束(12)构成的激光束(31)变换成第二激光束(17、30)。
2.依照权利要求1的显微光学设备，其特征在于，第一激光束(8)的单独激光束(9)的带状截面的纵向中轴在一条唯一的向基准系统(5)的Y方向伸展的直线上。
3.依照权利要求1或2的显微光学设备，其特征在于，第二激光束(17、30)具有多个平行并列配置的截面为带状的单独激光束(12、29)。
4.依照权利要求1至3中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，由平行的带状的单独激光束(12)构成的激光束(31)和/或第二激光束(17、30)具有多个截面相同的单独激光束(9或12、29)。
5.依照权利要求1至4中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，使光束平行的光学元件具有一个柱面透镜(11)。
6.依照权利要求1至4中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，使光束平行的光学元件具有一个衍射光学件。
7.依照权利要求5的显微光学设备，其特征在于，使光束平行的光学元件附加具有一个衍射光学件。
8.依照权利要求1至7中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，偏向镜配置具有第一和第二反射镜组(14、15)，第一反射镜组(14)将经平行的单独激光束(12)从X方向偏转并相互错位设置在X方向上，从而使平行的单独激光束(12)位于以一定间隔相互平行的直线上，并且第二反射镜组(15)使相互错位设置的经平行的单独激光束(12)相互并列平行。
9.依照权利要求1至7中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，偏向镜配置具有唯一一个反射镜组(24)，该反射镜组使经平行的单独激光束(12)从X方向偏转，相互错位设置在Z方向上并且相互并列平行。
10.依照权利要求1至9中的任何一项的显微光学设备，其特征在于，使光束平行的光学元件和配置的偏向镜由半导体材料制成，该半导体材料可透射由激光二极管棒发射的激光，并且激光束在半导体材料内部传播。
11.用于制做依照权利要求10的显微光学设备的方法，其特征在于，采用已知的半导体处理技术的蚀刻技术制做配置的偏向镜。
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