TW200921233A - Optical configurations for wavelength-converted laser sources - Google Patents

Description

200921233 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本务明大致是關於半導體雷射，雷射控制器，光學組件 ，和其他合併半導體雷射的光學系統。更特別的是，藉由說 明而不是限制，本發明的實施範例大致是關於組件内的光 學對準，包括半導體雷射和第二譜波產生(SHG)晶體或其他 型態的波長轉換裝置。 【先前技:街】 可藉著結合單波長，譬如紅外線或近紅外線分散式回 饋(DFB)雷射相當長的半導體雷射，分散絲拉格反射器（ 臓)雷射，或是有-個光波長轉換裝置的法布立—拍若（ Fabry-Perot)親私帛二譜越生(狐)^體形成短波 長光源。通常，SHG晶體是用來產生基礎雷射訊號較高的諧 波。為了達到此目的，雷射波長最好調到波長轉換shg晶體 的頻瑨中央，雷射的輸出最好和波長轉換晶體輸入面的波 導部分對準。 典型的SHG晶體，譬如Mg〇塗膜的賴性極化反轉銳酸 鋰(PPLN)gM’其麵紐可微糾細。於是 本發明者知道適度地對準雷射二極體的光束和SHG晶體的 ❸。據此，本發獅_個目標就是 提2適合絲做光學套組的光學機制，利用SHG晶體或其他 型態的波鶴難置，顺長的錄來源(#如近紅外線雷 射二極體)產生較短的波長輕射(譬如綠雷射光）。 200921233 依據本發明的一個實施範例，提供的光學組件包括半 導體雷射，波長衡錄置，透鏡組件，和__個或社的可調 式光學組件。透鏡組件和可調整光學組件配置成可將半導 體雷射的輸出光束引向波長轉換裝置的輸入面， 並改變波 轉換裝i輸人面上的輸丨絲位置。可進-步將透鏡元 件和可调整光學組件設計來定義—個折疊式光徑，以使透 鏡組件在被可調整光學組件反射之前，準直或近乎準直沿 著半_雷射到波長轉換裝置光徑傳播的雷射光，並在被 可調整光學轉反射之後，透舰長讎裝置輸入面上的 透鏡組件聚焦。也說明和探討其它實施範例。 進步探讨本發明的實施範例是關於依據本發明觀念 的光學組件，包括可程式控制操作半導體雷射的雷射控制 器。我們認為本發明的各種觀念也可應用在彩色影像形成 的雷射投射祕，以雷射為主的齡$，譬如汽柏使用的 警告顯示，或任_絲解和/姐翻整躲的雷射應 用。我們進-步認為這裡討論的光學機制可使肖在各種雷 ，態上，包括但不限定是臟和雛mFabi7_p_ 雷射，和很多型態的外腔雷射。 【實施方式】 首先明蒼考圖1，雖然各種光學組件的一般結構可併入 本發明特定實施範例的觀念，也在和頻率或波長轉換半導 體雷射光源的設計和製造相關的技術魏上可看到,但本發 月特疋實施範例的觀念很容易參考例如包括半導體雷射 和波長轉換裝置20的光學组件來說明。圖j的設計中，由半 第6 頁 200921233 導體雷射〗〇發麵近紅外雜著—個細均可調整光學 組件3〇和適合的光學組件35搞合至波長轉換裝置2『的I導 部分，這裡的光學組件35可包括一個或多個單一或多個組 件設計的光學組件。圖i所示的光學組件，在從各種較長波 長的半導體雷射產生各種較短波長的雷光束時特別有用 而且可用來當作雷射投射系統中可見的雷射光源。’ 可調整光學組件30非常有幫助，因為要聚焦雷射1〇發 出的輸出光束到波長轉換裝置2〇的波導部分通常是很困難 f °例如，典型的®晶體，譬如贼塗膜的週期性極化反轉 、七酸鋰(PPLN)M’其賴施可卩在_絲的細。 請參考圖1和2,光學組件35和可輕光學組件3〇 一起合作 ^可比擬波長轉換裝置20面22大小的光束點15。可調整 irr30被配置成引入光束角度偏差，當藉著改變波長 隹裝置2G㈣大顿光束點15 *機時，可闕來主動 轉2G猶料分，細和波長 矛佚戒置W的波導部分對準。 自:、、沐1财沒有關彳$何決定適當對準或對準程度 換^。但我倾忍為可以在藉著波長轉換裝置20的波長轉 ^出的光彳钟，提供妹分期40柯_泰50以監 ^制對準。可使用回饋控制器6〇來控制可調縣學組件 更進^置她作躺麟· 5()所赶減的函數。 組仕、^騎她可雜本㈣錢立絲組件，在光學 例行浐气期間’或光學組件生命週期的任何點執行對準的 200921233 圖3所不的可調整光學組件可採用各種像统或仍在發 、的开/式你!如，我們認為可調整光學組件可包括— 個或以上賴光學電機械式鏡子，或其他MEMS或_S震 備屬女排成可改變波長轉換裝置20輸入面22上面光束 點15的位置。或者或是此外，可調整光學組件30可包括一 個或多滅體透餘物丨導光束和/或聚絲束。更進 一步，我們認為可調整光學組件3〇可包括一個或多個安裝 f微啟動器的鏡子和/或透鏡。在某個考量的實施範例，可 =整光學組件在错_35巾可鞠或可調整透鏡形 式，或村調整光學组件3〇可採用固定的鏡子形式。 當可―光學師包括可移細微光學 時’可藉著限制鏡子定義的偏斜角度範圍在約i或2度，讓 子置成相對剛性的撓曲，將鏡子配置成降低對光學组件 内振動的敏感度。的確，本發明者已知道，！到2度的範圍足 :盖橫向光輕__ _⑽财，娜光學系統 白、…距而疋。在說明的實施範例，可調整光學組件洲表面 、射角可猶大約1到2度，因為鏡子反射的雷射光會 回起始的同樣透鏡組件35。於是，可調整光學組件3〇中曰任 何的鏡子曲度或其他光學錯誤，都可能在較高的入射角度 被放大，可以藉由透鏡組件35或光徑中的另外光學組件來 校正。的確，_知道當鏡子是小的入射角，鏡子曲度 的影響是改·驗置，可㈣勤移動透鏡級⑽ 個組件來扠正。相對也當鏡子是使用相對大的入射角，鏡 子曲度會赶縣，譬姆雜錢做縣，_僅靠著 200921233 移動光學組件來矯正。 圖1所示的光學設計，顯微光學電機械式鏡子3〇是併入 相當緊實的摺式路徑光學系統。在綱的設計中，顯微光 學電機械賊子30是配置成折4^紐，健首先通過透 ，組件35’到達鏡子30,當作是準直或近乎準直的光東接 著透過同樣的透鏡折回，聚焦在波長轉換裝置2〇。這種型 態的光學設計制可朗錢長觀雷射統，這裡由半 導體雷射產生的雷光束橫截面大小，接近波長轉換裝置20 輸入面22上波導的大小，在這種放大率接近一的情礼在聚 焦波長轉縣置20輸场上的縣點會產生最佳的轉合。 為了定義和描述本發明，要注意這裡所稱的”準直或近乎校 i光束贿齡錄冑散或收雜度的光束 设計，引導光束朝向更準直的狀態。 透鏡_ 35可以描述成準直和聚焦光學組件雙重功能 ’、因為匕可用來準直和聚焦沿著組件光徑傳播的雷射光。 ^•種雙重功忐的光學組件很適合用在需要放大率接近一的 應用上，因為單一透鏡組件35被用來準直和聚焦。更明確 和廣體細喻1繼瓣在透鏡 射廿厂弟—面31上折射’在透鏡組件35的第二面32上折 在透鏡組件35的方向被可調整光學組件30反射。- =身恍在透鏡組件35的方向被反射回來，先在透鏡組件 射以！^ 7上折射，接著在透鏡組件35的第—面31上折 射，乂承焦在波長轉換裝置2〇的輪入面上。 在本發明的某個實施範例，可調整光學組件置放在 200921233 ，晋5的影像焦點以確保主要入射波長機 22上的射線，近乎平行於光學組件輸出的 的#二u二看出圖1聯的設計也呈現了根據像差 20 =於。白’當轉體雷射1〇的輸出面和波長轉換裝置 _輸入&和透鏡組件35的目標聚解面近乎對 導體雷射1〇的輸出波導和波長轉換裝置20的輸入波導是互 於透鏡組件35的光軸，我們認為不對稱的像差，譬如 像散現象可以自動被校正。 例如，光學組件可進一步包括一個焦點可調整光學組 件，譬如-個或多個流體透鏡組件，配置成可改變半導體雷 射產生的光束點姆於波健換裝置輸场的焦點位置: 因此，我們敎本發明减本剌畴聲明細内所提供 的修正和改變。 為了描述和定義本發明的目的，要注意的是這裡使用 的用語”實質的”和”近乎”是表示不確定性的程度，可歸因 於任何量化比較，值，測量，或其他表示法。”實質的”和”近

Tr詞在這裡也被用來代表量化表示法可以從說明的參 知、變化’而不造成主題基本功能改變的程度。 本發明組件這裡一直重複的是以特定方式,,設計”，或 ”體化特疋性質或功能，是結構化的重複，相對於特意使用 的重複例如，這裡所稱的透鏡組件和可調整光學組件被" 没計’’成以特定方式引導雷光束，是表示透鏡組件和可調整 光學2件存在的物理條件以作為結構化特徵確定的重複。 要注意的是，這裡使用的用語，譬如”最好”，"共同地"和,,一 第10 頁 200921233 般”並不是想要限制本發明聲明的範兔或暗示某些特性s 迫切，基本，《至解雛_樹誠舰是重要的。: 以用在本發明特定實施範例的特徵。 提供的光學婦包括料體_ 組件，和-個或多個可調整光學組件。透鏡組件和可調敕 光學組件配置成可引導轉體雷_輪4絲，朝向波長 雛裝置_场，並則·改黯猶錄置輸入面上輸 出光束的減。可進-步設計透鏡組件和可碰光學組件 來定義-個折疊式糕以使沿著轉Mt綱波長轉換 裝置光彳讀獅f縣束她可 之後在波長轉換裝置輸入面上，藉著透鏡組件聚焦。也說 明和探討其它實施範例。 提供的光學組件包括半導體雷射，波長轉換裝置，透鏡 組件，和-個或多個可調整光學組件，其中透鏡組件和可調 式光學組件配置成可引導半導體雷射的輸出光束，朝向波 長轉換襞置的輸入面，並且可改變波長轉換裝置輸入面上 輸出光束的位置;以及可進一步設計透鏡組件和可調整光 學組件來定義一個折疊式光徑以使沿著半導體雷射到波長 轉換裝置光徑傳播的雷射光束在被可調整光學细件反射之 别，藉著透鏡組件先準直或近乎準直，並在被可調整光學組 件反射之後，在波長轉換裝置輸入面上，藉著同樣的透鏡組 件聚焦。一個光學組件包括半導體雷射，波長轉換裝置，透 200921233 鏡組件，和-個或多個可調整光學紐件，其中透鏡組件和 凋整光學組件配置成可引導半導體雷射的輸出光束朝向 波長轉換裝置的輸入面，並且可改變波長轉換裝置輪入面 ^輸出光束的位置;以及透鏡組件和可調整光學組件被設 计成使得半導體雷射的雷射光輪出鱗在透鏡組件的第— 面上折射，在透鏡組件的第二面上折射，並在透鏡组件的方 向被可調整光學組件反射，而當雷射光在透鏡組件的方向 被反射醜雷射光先在透鏡組件的第二面上折射，接著在 l ”兄、、且件鮮—社折射，㈣餘波長轉換裝置的輸人 面上。 【圖式簡單說明】 本毛月下列特定實施例詳細說明參 地了解，其中相_參考符號以相同的符號表示。 圖1為依據本發明一項實施例舰賦能反射鏡光學對 準組件之示意圖。 圖2為波長轉換裝置輸人社絲點之示意圖。 【主要兀件符號說明】 99、1^導體雷射10;光束點15;波長轉換裝置20;輸入面 波導部俗 Ή咏 4;可調整光學組件30;第一面31;第二面 32;透鏡組件狀m 器6〇。 ，先束分割器40;強度感測器50;回饋控制 第12 頁

Claims (1)

1. 200921233 十、申請專利範圍： 1. -種光學組件，其包括半導體雷射，波長轉換裝置，透鏡 組件’和一個或多個可調整光學組件，其中： 透鏡組件柯離絲崎射辭導體雷射的輸 出光束導_向波長轉雜獅輸人面以及改變波長轉換 裝置輸入面上的輸出光束位置；以及 可進一步將透鏡元件和可調整光學組件配置成界定出一 個折疊式光徑，使得沿著由半導體雷射至波長轉換裝置之 光學光徑傳播的雷射光線在被可調整光學組件反射之前藉 由透鏡組件首先加以準直或近乎準直，以及在被可調整光θ 學組件反射之後藉由相同的透鏡組件加以聚焦於波長轉換 裝置輸入面上。 2. 依據申请專利範圍第1項之光學組件，其中透鏡組件以及 可調整光學組件配置成使得： 由半導體雷射輸出雷射光線依序地在透鏡組件之第一面 處折射，在透鏡組件之第二面處折射，以及被可調整光學組 件反射朝向透鏡組件；以及 一旦雷射光線向後反射朝向透鏡組件，其首先在透鏡組 件第一面處折射以及緊接著在透鏡組件第一面處折射以聚 焦於波長轉換裝置之輸入面上。 3. 依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中可調整光學組 件放置於相當接近於透鏡組件之影像焦點上以確保入射於 波長轉換裝置輸入面上主要光束大約平行於光學組件輪出 之主要光束。 第丨3 頁 200921233 4.依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中半導體雷射， 波長轉換裴置，以及透鏡組件配置成使得半導體雷射之輪 出面以及波長轉換裝置之輸入面放置大約對準於透鏡組件 之物體焦面。 5·依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中半導體雷射， 波長轉換裝置，以及透鏡組件配置成使得半導體雷射之輸 出波導以及波長轉換裝置之輸入波導對稱於透鏡組件之光 轴。 6·依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中半導體雷射， 波長轉換裝置，以及透鏡組件配置成使得： 半導體雷射之輸出面以及波長轉換裝置之輸入面放置大 約對準於透鏡組件之物體焦面；以及 半導體雷射之輸出波導以及波長轉換裝置之輸入波導對 稱於透鏡組件之光轴。 7. 依據申請專利範圍第1項之光學組件，其巾透鏡組件以及 可調整光學組件配置成使光學路徑為折4式，使得其最初 地通過透鏡組件到達可調整光學組件為準直或接近準直光 束及折返通過相同的透鏡組件以聚焦於波長轉換裝置上。 8. 依據申請專利細第7項之光學組件，其中透鏡組件以及 7調整光學組件配置成使得诚鏡組件傳播雷射光線在可 5周整光學組件表面上入射角度為1-2度。 9·依據申請專利範圍第】項之光學組件，其中半導體雷射以 配置成雜半賴飾輪出光束之光束點 於波長轉換裝置輸入面上之所需要光學放大率約等於卜 第14 頁 200921233 10. 依據申請專利範圍第丨項之光學組件，其中半導體雷射 配置成作為紅外線或近紅外線發射以及波長轉換裝置配置 成將雷射發射轉變為轉變波長之綠色或藍色發射。 11. 依據申請專利範圍第1項之光學紕件，其中： 光學組件更進一步包含強度感測器耦合至回饋控制器.及 強度感測器配置成當波長轉換裝置輸入面上輸出光束之 位置改變時監測波長轉換裝置之轉變波長的輸出強度。 12. 據申請專利範圍第1項之光學組件，其中回饋控制器配 置成控制可調整光學組件之位置或狀態為強度感測器產生 訊號之函數。 13. 依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中可調整光學 組件包含一個或多個可移動微-光-電機械鏡子配置以及排 列成改變光束點在波長轉換裝置輸入面上之位置。 14·依據申请專利範圍第1項之光學組件，其中光學組件更 進一步包含焦點可調整光學組件，其配置成改變由半導體 雷射產生光束點相對於波長轉換裝置輸入面之焦點位置。 15·依據申凊專利範圍第1項之光學組件，其中光學組件更 進一步包含單一透鏡形成透鏡組件以及微_光_電機械鏡子 (MEMS或ME0MS)鏡子形成可調整光學組件。 16·依據申請專利範圍第！項之光學組件，其中可調整光學 組件配置成當作調整時將加入光束角度偏差。 17·依據申請專利範圍第1項之光學組件，其中： 透鏡組件包含可調整透鏡組件作為可調整光學組件;及 光學組件更進一步包含固定鏡子於折疊式光學路徑中。 第15 頁 200921233 18. —種光學組件，其包括半導體雷射，波長轉換裝置，透鏡 組件，以及一個或多個可調整光學組件，其中： 透鏡組件和可調整光學組件配置成導引半導體雷射的輸 出光束朝向波長轉換裝置的輸入面以及改變波長轉換裝置 輸入面上的輸出光束位置；以及 透鏡元件和可調整光學組件配置成使得： 由半導體雷射輸出之雷射光線依序地在透鏡組件之第一 面處折射，在透鏡組件之第二面處折射，以及被可調整光學 組件反射朝向透鏡組件;以及 一旦雷射光線向後反射朝向透鏡組件，雷射光線首先在 透鏡組件第二面處折射以及緊接著在透鏡組件第一面處折 射以聚焦於波長轉換裝置之輸入面上。 19. -種光學組件，其包括半導體雷射，波長轉換裝置，透鏡 組件，以及-個或多個可調整光學組件，其中透鏡組件和可 調整光學組件配置成使得： 半導體雷射輸出光束導引朝向波長轉換裝置的輸入面以 及改變波長轉換裝置輸入面上的輸出光束位置； 透鏡元件何調整光學組件界定出折疊式光學路徑使得 沿著由半導體雷射至波長轉換裝置之光學路徑傳播的雷 射光線在被可破缝組件域之前概鏡組件準直或接 近準直以及在被可調整光學組件反射之後由可調整光學組 件聚焦於波長轉換裝置之輸入面上； 由半導體f機出之_光線依 面處折射，在透敏叙帛二喊騎，α及被可調整光學 第16 Μ 200921233 組件反射朝向透鏡組件;以及 一旦雷射光線向後反射朝向透鏡組件，雷射光線首先在 透鏡組件第二面處折射以及緊接著在透鏡組件第一面處折 射以聚焦於波長轉換裝置之輸入面上; 可3周整光學組件放置於相當接近於透鏡組件之影像焦點 上以確保雷射光線由透鏡組件傳播至波長轉換裝置之光學 路徑大約垂直於波長轉換裝置之輸入面； 透鏡組件以及可調整光學組件將光學路徑折疊使得光學 路徑透雜制達可鱗組件鱗直或接近 準直光束以麟特反通谢目_透敵件娜焦於波長 轉換裝置上； 由透鏡組件傳播雷射光線在可調整光學祕表面上入射 角度約為1-2度;以及 半導體雷射麵光束聚焦於波長轉換裝置輸入面上所需 要光學放大率約等於1。