光學裝置和包含該裝置的對信息面掃描的設備的製作方法
2023-08-11 17:25:01 2
專利名稱：光學裝置和包含該裝置的對信息面掃描的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及包含產生輻射光束的二極體雷射器的光學裝置以及集中和導向輻射光束的光學系統。
本發明還涉及包含所述光學裝置的對信息面進行掃描的設備。
在此，信息面應被理解成一個包含著信息的平面，在平面上的光信息可以用光學方法予以示讀和書寫。這樣一種平面例如可以是一個光記錄載體的信息面，也可以是用雷射印表機書寫的文件的表面，或者用文件掃描器，例如一臺傳真設備的示讀表面。
在已公開描述的這類裝置，例如EP.0，084，871中它涉及到一種對光記錄載體示讀的設備。在這種設備中所用的二極體雷射器對反饋光是非常靈敏的。由於雷射輻射在光學系統的元件上的反射，使一部分由二極體雷射器發出的輻射又回到二極體雷射器的工作層上，一個少量的輻射反饋，約為輻射的0.1%就可引起雷射輻射的變化。根據輻射反饋的量的大小，就可導致雷射器線寬的增加，輸出光譜的波長變化，或者噪聲的增加。這些現象通常是了解的，然而，通常這些影響不是恆定的，而是取決於回到雷射器的光的相位變化，換句話說，他們取決於某雷射波長的光程長度變化，例如由於光學元件的位移或振動所致的光程變化。
所以，希望儘可能地避免在雷射器內的這種反饋。然而，實踐證明，尤其是由於光學系統中元件的公差之故，不足以阻止這種反饋的出現，除非對光學元件提出非常嚴格的要求，但是這將使供不同使用的光學裝置太昂貴。
在EP.0，084，847中提議提高輻射反饋量到由裝置內發射的輻射的約1-10%，其中二極體雷射器是連續發射輻射的。這種措施是基於認識到由反饋所引起的雷射輻射的噪聲不是連續地隨著反饋輻射量的增加而增加的，但是對這種輻射存在著一個給定的值，在該值時噪聲值是最大，同時噪聲量隨著反饋的進一步增加而反而減小。然而，在具有連續發射二極體雷射器的裝置中，雷射束的強度將由於反饋的增加而減小，這一點例如對用於書寫光記錄載體的裝置來說是特別有害的。另外，由於反饋，輸出光譜其波長將受到移位，這對一個系統的操作需要調節到給定的波段上的應用是非常不希望的。
本發明的目的在於提供一種裝置，其中不希望的反饋的有害影響明顯地得到減小，而雷射束有一個相當高的光強度。
為此，本發明的光學裝置其特徵是，二極體雷射器是一個脈衝雷射器，脈衝的持續時間是P，周期為T。在輻射光束的光程中離二極體雷射器距離d處至少設置一個部分反射反饋元件，它的距離d滿足下述條件d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+△P)其中，n是一個整數，C是輻射光束在介質中行進速度，△P是在二極體雷射器內脈衝PL的形成時間，ε是一個實數，滿足0＜ε＜1，在由反饋元件反射的輻射脈衝的能量E(Pr)減小或增加時，ε在上述界限內增加或減小，由此，在輻射脈衝進入二極體雷射器的瞬時，下面給定的條件需要滿足E(Pr)＞E(PLi)
E(PLi)是在相關瞬時在二極體雷射器內形成的輻射能量。
從反射元件至少使一部分由雷射器發射的輻射回到雷射器。把反射元件的反射係數和位置選擇成使通過該元件反饋到雷射器的輻射有這樣的強度和到達雷射器的特定瞬間，即該輻射實質上完全規定了雷射器的行為，而由裝置的其它元件的不希望的反射實質上對該雷射器的行為沒有任何影響。
本發明是基於脈衝二極體雷射器的行為主要是由在雷射形成時間內在雷射器內所發生的諸過程所確定的，由此只是在新的光脈衝產生之前的時間間隔內，以及正好在這樣一個時間內由反饋的結果到達額外的光子，這些光子主要通過適應反射輻射脈衝的延遲時間來確定雷射器的行為。總之，二極體雷射器可以以一定的方式通過故意地提供反饋來控制，並且其它的影響，如可以通過確保在任意提供反饋的瞬時使輻射脈衝到達二極體雷射器來減少不希望的反饋。所提供的到達二極體雷射器的輻射脈衝相對於不影響二極體雷射器的行為的脈衝來說具有一個低的強度。延遲時間是指，輻射脈衝從二極體雷射器的出光面到反饋元件，再回到二極體雷射器整個所需要的時間。距離d是二極體雷射器出光面和反饋元件之間的距離。為了穩定輸出，可以利用從二極體雷射器的後面所輻射的脈衝。於是，距離d是該面與反饋元件之間的距離。
由於二極體雷射器發射脈衝輻射，所以這種雷射器可以產生對其壽命沒有不利影響的較高的功率。
本發明的裝置其特徵還在於反饋元件是一個光學系統的元件。
通過布置在光學系統內的元件表面在正確的位置，以及使該表面具有正確的反射係數，其它的元件可以相應配置。
部分反射反饋元件可以用來與欲受影響的二極體雷射器的參數相適配。例如，光學裝置其特徵可以是，反饋元件是一個波長選擇元件。
採用這樣一種元件，例如一個稜鏡，一個光柵或一個標準具，可以使雷射器的光束始終有相同的波長，不受溫度以及通過二極體雷射器的電流大小的影響。標準具是指，由二個相對面向的部分反射平面，二面之間有一個給定的距離，內含介質例如空氣所構成的元件。
需指出，一種專門的二極體雷射器結構是指一種已知的分布的Bragg反射器，其中使用光柵來穩定雷射波長。然而，該光柵與二極體雷射器被集成在一個基體上。基於對光柵周期的要求，這樣一種二極體雷射器結構很難實現在給定波長範圍內的二極體雷射器輻射。
本發明光學裝置的另一種實施例其特徵是，在二極體雷射器和反饋元件之間設置摺疊輻射光程用的折光部件。
二極體雷射器與供雷射束光譜穩定用的反饋元件之間的距離d可以有一個很小的值，由此該裝置可以非常緊湊。
折光裝置可以由例如二個正對的反射表面構成，光束在反射表面之間傳布。
本發明光學裝置的優選實施例其特徵是，折光裝置包括一個具有至少二個反射表面的透光材料的折光體，它具有一個入光窗和一個出光窗，以及在一個反射表面內提供一個用於透過射到和從反饋元件返回的二極體雷射器輻射的第三窗。
用於摺疊光程的裝置最好由整塊形成的折光體，採用這種方式，其公差僅僅由該折光體被加工時來決定。而不是由二個反射面的相互位置，如在使用二個分離的，面向的表面的情況下的相互位置來決定。
折光體可以用具有相當高的折射率，例如n＝1.8的玻璃製成。相對於n＝1的空氣中的幾何光程上述的幾何光程可以減小一個因子1.8，由此該裝置將是十分緊湊的。
可以在折光體的第一表面內提供入光窗和出光窗，二者互相一致。在這種情況下，不需用於反饋的雷射輻射和裝置所需要的雷射輻射可以利用在二極體雷射器和折光體之間外加的元件來使他們彼此分開。這種元件例如可以是採用一種分束器。
另外，在第一反射表面內可以提供入光窗，在第二反射表面內可以提供出光窗。在這種情況下，不需用於反饋的二極體雷射器輻射可以不用外加件來予以分開，但是折光體的出光窗可以製成一種部分透光反射器。
本發明的光學裝置其特徵是，反饋部件集成在第三窗內。
由於把二個元件合而為一，所以部件的數目減少，由此裝置更為緊湊。
本發明光學裝置的一種可能的實施例其特徵在於，每個反射表面是一層具有高反射係數的反射層。
由於存在著一層具有高反射的表面層，所以在折光程內的強度損失受到限制。
本發明光學裝置的一種可行的實施例其特徵在於，折光體是一個平面平行板，其中第一反射面和第二反射面相對設置，並且互相平行。
本發明光學裝置的另一種實施例，其中，在折光體上不需要高反射層，其特徵是，折光體存在於一種折射率小於體材料的介質內，折光體至少有二個全內反射入射在其上的輻射的表面，以及當輻射在折光體內行過一個共面輻射光程時由上述二個表面的每一個至少反射一次該輻射。
光學裝置還具有的特徵是，在入光窗和出光窗上布置有一個光學稜鏡，通過該稜鏡表面輻射光束進入和離開梭鏡，所述稜鏡的表面橫向於光束的主光線。
在輻射光束進入和離開折光體時，光學稜鏡可以阻止假反射的發生。
本發明光學裝置的另外實施例其特徵是，反射面之一為一個第四窗口，在其上布置一個後向反射元件，利用該元件，在經過多次反射使第一輻射光程在延伸的反射面上行進之後，該輻射在折光體的第一面內被俘獲，並且其自身平行地反射，再進入折光體，致使第二輻射光程至少在經平行於第一平面的平面內的多次反射的反射面延伸。
後向元件將使沿著垂直於第一和第二反射面的第一平面內的第一輻射光程通過折光體傳播的入射輻射光束轉變成通過平行於第一面的第二面內的第二輻射光程內的折光體傳播的反射輻射光束。由此，折光體的第三方向也可用於摺疊輻射光程。後向元件可以是，例如布置在折光體上的頂角為90°的稜鏡。另外，稜鏡可以被加工成平行的平面板。
上述的幾何安排可以重複幾次，只要可以利用到二個以上的平行面。
最好，光學裝置還有特徵是，反饋元件是一個光柵。該光柵具有較高的波長分辨能力。
本發明光學裝置的另一個實施例其特徵在於，光柵以一個大於零度的很小的角度伸向第三窗口。
由於光柵的波長分辨能力也由入射到光柵上面的光束的直徑所確定，所以可以通過使光束以一個較大的角度入射到光柵上來提高分辨能力，這樣做可以增加入射在光柵上輻射光點的直徑。
本發明光學裝置的另一個實施例其特徵是，為了改變朝向二極體雷射器反射的輻射波長，把折光體相對於由二極體提供的輻射光束以一個很小的角度旋轉地布置折光體。
一個給定的波長可以通過對摺光體取向以及使波長選擇元件相對於入射輻射光束以不同的方式集成來預以選擇。
為使光學裝置得到多種應用，就要使它對反饋是靈敏的，以及由該裝置給出的輻射的波長被穩定在一個值上。
然而，本發明的另一方面是，該光學裝置其特徵是，採用電子控制裝置以調節由二極體雷射器和反饋元件相結合以不同的分立值所提供的輻射光束波長。
這就使光學裝置的新應用成為可能。對這些新應用之一來說，光學裝置其特徵是，在反饋元件之後設置一個色散元件。
由於由色散元件，例如一個光柵或一個稜鏡偏轉輻射光束的角度依賴於該光束的波長，所以從光學裝置出來的光束方向可以分立地受到改變。光束可能的方向數是由色散元件的分開波長的能力來決定，在光柵的情況下，它是由被光束所復蓋的光柵周期數來決定。
與傳統的提供掃描輻射光束的裝置，以及用機械手段，例如偏轉光束用的多面轉鏡相比較，本發明的裝置其優點是，由於用了電子控制，光束的方向可以迅速地受到改變。
需注意，一種用於使雷射束的方向可以調節的裝置在US.4，918，679中予以介紹，該裝置包括一個光柵，以及其中可產生可調波長的雷射束。為此，該已知的裝置在二極體雷射器的後面設置一個可控制的外共振空間。
在本發明的裝置中，利用一個反饋元件來調節雷射波長，致使在雷射作用穩定的波長可以相當迅速地得到改變。
色散元件可以是一種透過元件或反射元件。
本發明偏轉光束裝置的第一實施例，其特徵是，用與光柵集成的一種光學波導構成反饋元件，元件的光柵具有在輻射光束傳播方向上改變的周期，以及由頻率可調的，周期性地調製二極體雷射器電流源構成的電子控制裝置。
在這裡，反饋元件不再安置在離開二極體雷射器的一個給定的距離處，但是在軸向一定的範圍之外，該軸向即為輻射束的傳播方向。採用這種方式，二極體雷射器的輻射可以從不同的軸向位置受到反射。由於上面規定的延遲時間條件始終需要得到滿足，所以距離d在改變脈衝重複頻率時將也要受到改變，因此脈衝周期T在延遲時間條件內。利用調節不同值的脈衝重複頻率，可以使相當部分的二極體雷射束由反饋元件的其它部分來反射。由於周期在整個光柵上有變化，使進入二極體雷射器的反射輻射的波長，以及二極體雷射器輻射的波長可以通過改變脈衝重複頻率來予以改變。
上述光波導可以是一種光纖維或一種光學平面波導。
本發明光學裝置的第二個實施例，提供可以受到偏轉的光束，其特徵是，二極體雷射器的出光面有一種低的反射係數;反饋元件是由距二極體雷射器的出光面一定距離d處設置的部分透光反射器構成;在所述的反射器和二極體雷射器之間安置一個部件，它具有可調節的透光係數;電子控制裝置是由在部件上的電極、輸出端連接到電極的可調電源構成。
二極體雷射器的出光面可以朝向光學系統的前表面，也可以是其後表面。
本實施例是基於這種認識，即出射面為低反射係數的二極體雷射器的輻射其波長大於出射面為高反射係數的二極體雷射器的波長。可能這是由於在雷射作用時(在第一次提到的二極體雷射器其雷射作用比較大)電荷載流子的密度不同的結果。通過使二極體雷射器的出射面有一個低的反射係數，例如在出射面上提供一層消反射層，以及把反射係數可調的一個外反射器安置在該面之後面，致使在二極體雷射器中的電荷載流子密度，以及二極體雷射器的波長可以得到調節和改變。
本發明提供可被偏轉光束的第二實施例，其特徵是，具有可調透光係數的部件是由電光元件以及位於其後的檢偏器構成。
利用改變電光元件的電極上通過的電壓，元件的折射率發生改變。於是，通過該元件的輻射的偏振狀態也發生變化。檢偏器把偏振態的改變轉換成強度的改變。電光元件可以由一種雙折射晶體構成。
然而，最好該實施例具有如下特徵，所用元件是一種液晶材料，這樣一種元件其優點是，價錢便宜，並且可以在低電壓下驅動。
另外，提供可偏轉光束的裝置其特徵是，具有可調透光係數的部件包括一種聲光元件，以及其後的檢偏器。
與電光調製器相比較，驅動一個聲光調製器只需一個相當小的電壓。
本發明提供可偏轉光束裝置的第三實施例其特徵是，具有可調透光係數的部件是由一種平面幹涉儀構成，至少他的一分束光配用一個光學移相器。
在平面幹涉儀中，經由一個入射波導進入的輻射光束被分成二束分光束，他們在分開的中間波導中傳播，在出光波導處再次結合。在一個中間波導的一部分中，其折射率可以例如通過電光效率來改變，因此通過該波導的光束的相位受到變化，從而使出射光束的強度也改變。
本發明裝置的其它實施例其特徵是，除了具有可調透光係數的部件之外還布置一個標準具在輻射光程中。
在這種方式的布置中，所用的脈衝二極體雷射器是一種單模雷射器。
本發明裝置的一個實施例，它特徵是，二極體雷射器是一種自脈衝二極體雷射器。
任何脈衝二極體雷射器適用於上述這種應用，已知的自脈衝二極體雷射器，尤其是從GB.2，221，094所知的雷射器。
包括波長穩定的一個二極體雷射器的光學裝置用於對信息面進行掃描的設備中具有很大的優點，該設備包括一個如前面介紹的用於在信息面內形成一個掃描光點的光學裝置。該設備其特徵是，除了反饋元件和二極體雷射器之間的距離之外，光學裝置的所有光學元件的距離是不等於所述的距離d的。
本發明的光學裝置，提供可以受到偏轉的光束，該裝置在用於對一個帶狀光記錄載體在徑跡內進行掃描的設備內是具有很大的優點，該設備包括在帶運動方向的橫方向上掃描記錄載體的裝置。該設備的特徵是，該裝置由如上述描述的光學裝置構成，在成一定角度向帶的縱向方向延伸的徑跡方向上安置帶驅動裝置，在掃描時使帶運動;光束偏轉裝置使掃描光點在徑跡方向內運動，該光束偏轉裝置是由上述的專門部件構成的。
在本發明的二極體雷射器的光束的波長變化是用電子學方式來實現的，掃描徑跡的速度可以明顯地高於目前所使用的機械裝置，例如常用於偏轉光束的多面轉鏡的裝置的掃描速度。另外，在新的光束偏轉裝置中其振動明顯地低於機械光束掃描裝置。
本發明將通過參照附圖舉例的方式進行詳細的描述，其中，
圖1表示包括本發明光學裝置的，用於對記錄載體進行光掃描的一種設備的實施例，圖2表示由二極體雷射器反射的一種脈衝序列，圖3表示可以提供反射光束的本發明光學裝置的第一實施例，圖4表示可以提供反射光束的本發明光學裝置的第二實施例的原理，圖5表示在具有一種可變反射係數的反饋元件的反饋影響下，脈衝二極體雷射器的光譜移位，圖6表示不同反射係數時所獲得的不同光譜，採用標準具使所用雷射器是單模的，圖7至10表示該光學裝置的元件的不同實施例，圖11表示本發明用於掃描一種帶狀記錄載體的掃描裝置的實施例，圖12a、b和c表示本發明的光學裝置中用於摺疊光程的，採用平面平行板形式的光學透明體的幾種實施例，圖13a和13b分別表示本發明的光學裝置中用於三維摺疊光程的光學透明摺疊體的第二實施例的部分平面視圖和側視圖，圖14表示本發明的光學裝置中用於摺疊光程的條狀光學透明體的一種第三實施例。
圖1示意地表示用於對光學記錄載體3進行掃描的一種示讀設備1。對所述的掃描應理解成對記錄載體進行寫和讀時的掃描。例如，設備1可以是一種光碟唱機，記錄載體3可以是一種CD光學唱盤。以徑向截面表示的盤狀光學記錄載體3包括一種透明的基體5和一層反射信息層6，層6由大量的信息區(圖未示)組成，該信息區在光學上是與其周圍的區不同的，它被布置在大量的徑跡內，例如構成一種螺旋軌跡的準同心徑跡內。
示讀設備1包括一個具有二極體雷射器8的光學裝置7，光學系統9和對輻射光靈敏的探測系統10。由二極體雷射器8發射的發散光束11，例如採用一個準直透鏡14把它變換成平行光束，之後利用一個單透鏡元件的物鏡系統13聚焦到位於對光束進行反射的信息層6的平面內的一個示讀光點12上。在記錄載體3受到由馬達17驅動的軸15的作用而轉動時，信息徑跡受到掃描，使記錄載體3和裝置7相對地互相在箭頭19所標的方向運動，那麼整個信息面得到掃描。
掃描時，按照相繼貯存在信息區內的信息對反射光束11′進行強度調製。為了使反射光束11′與投射光束11分開，裝置7可以設置一個部分透射鏡，由它把一部分反射和調製的光束11′反射到光敏探測系統10。然而，最好使用如圖1所示的偏振靈敏的分束器21和λ/4波片23，它將確保雷射束11有一種完全通過分束器21的偏振方向。關於射向記錄載體3的光程，即光束第一次通過λ/4片23，經記錄載體3反射後，再次通過λ/4片，致使光束在再次進入分束器21之前，光束的偏振方向旋轉了90°。由此，光束11′受到完全反射，而射向探測系統10。
探測系統10包括多個探測元件，它的輸出信號被加到一個電子處理單元25上，在單元25內探測器的信號被處理成信息信號Si，它表示已被示讀的信息，一個用於把示讀光點對準在欲讀徑跡上的伺服信號Sr，以及一個用於把示讀光束聚焦在信息層上的伺服信號Sf。
對於示讀設備的進一步細節，可參考文章「Hetsystem」CompactDiscDigitalAudio」(M.G.Carasso，L.B.H.Peek，J.P.SinjouinPhilipsTechnischTijdschrift40，267-272，1981/82，No.9)。
縱然使用一種偏振靈敏的分束器和λ/4片，還可能仍然有輻射回到二極體雷射器和進入到雷射器的共振腔。這種輻射影響到由二極體雷射器所發出的輻射。這種反饋，例如可以由分束器21的前表面20上的反射引起，或者由記錄載體3的基體5的雙折射引起，結果入射在分束器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轉90°。由於示讀設備可能出現的各種振動的原因，也可致使反饋輻射的相位出現變動，使由雷射器發出的輻射有一個噪聲分量。這種噪聲的頻率尤其使伺服信號Sr和Sf受到影響，使在尋跡和聚焦時產生各種問題。此外，這種反饋也可引起雷射束的波帶的增加，和光束波長的偏移，其大小取決於反饋的輻射量。波帶增加的缺點是在光學系中出現色散。在光學系統是一種單色系統時，會出現輻射光點12的偏移。
為了阻止所述反饋的有害影響，利用本發明的脈衝雷射束和具有給定反射係數的反饋元件27，把它安置在裝置內的一定位置處，以保證由二極體雷射器反射的由元件27反射的部分輻射脈衝以一種合適的強度，並在欲產生的下一個輻射脈衝的建立時間內再次到達雷射器。已發現，恰好在這個建立時間內，出現在雷射器內的受激發射過程是對外界提供的光子最靈敏的，所以這些光子實質上完全確定二極體雷射器的行為。
參見圖2，它表示雷射脈衝序列的許多脈衝LPi，i＝1，2…，n，可以確定用於反射雷射脈衝部分LPr，i的延遲時間條件。假定，發射雷射脈衝的脈衝持續時間是P，序列的周期是T，對一個反射脈衝LPr.i可能影響一個由二極體雷射器發射的脈衝LPi的程度來說，該影響的瞬時以及反射的輻射能量到達二極體雷射器的量是非常重要的。最終反射脈衝的延遲時間需要落在二個界限之內。
第一個阻值為Rt＝T而第二個限值為Rt＝T-P-△P由於在原理上，一個反射雷射脈衝LPr.1不會驅動下一個雷射脈衝LP2，但是有可能驅動再下一個脈衝LP3或者相繼脈衝LPi中的一個，所以上述的界限可以概括為Rt＝nTRt＝nT-P-△P其中n是一個整數。
反射脈衝的輻射能量必需滿足的條件是E(Pr)＞E(LPi)
在瞬間tε，i，在第i個脈衝的建立時間△P之內的該瞬間反射脈衝進入到雷射器。
這意味著，在該瞬間tε，i，反射脈衝的輻射能量必需大於在該瞬間，在雷射器內用於下一個由二極體雷射器發射的脈衝(第i個脈衝)建立的輻射能量。
如果上限Rt＝nT被滿足，則反射脈衝的後沿邊緣與下一個欲發射的脈衝完全建立時的瞬時相一致，從而該反射脈衝不再對欲發射的脈衝有任何的影響。
如果下限Rt＝nT-P-△P被滿足，反射脈衝的前沿將與新脈衝的建立還沒有開始時的瞬時相一致。所述的界限不是絕對的界限，在許多情況下，在稍微超過這些界限時仍然可以出現某些影響。
另一方面，延遲時間，即一個輻射脈衝LPi從二極體雷射器的出射面到返回二極體雷射器的整個光程所需的時間，它由2d/C給出，其中d是二極體雷射器8和反饋元件27之間的距離，C是光在輻射穿過的介質中傳播的速度。把二個限制條件相結合，就得到下述的延遲條件nT-P-△P＜ (2d)/(C) ＜nT所以，距離d為d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+△P)其中ε是一個大於零但小於一個由反射脈衝的能量確定的值。如果該能量是相當大，則反射脈衝在建立時間內的後一個瞬間可以到達，由此ε是更靠近零，而不是靠近1。如果反射脈衝的能量是比較低的，則反射脈衝在該建立時間內的一個較早的瞬間到達，由此ε是更靠近1，而不是靠近零。所以，ε反比於反射脈衝的能量。
在把具有適當反射係數的反饋元件27(圖1)布置在離二極體雷射器的一定距離d處，並確保把能反射輻射的其它所有元件布置在不滿足上述一般條件的距離處時，那就可以取得二極體雷射器的性能，以及雷射束的參數和品質實際上只由通過第一個上述的元件27的反饋來確定，並保持恆定。
通常適當地選擇反饋元件27的性質，可以調節雷射束的一個給定的參數。例如，反饋元件可以是一種波長選擇元件，如一種稜鏡，一種光柵或一種標準具。由此可以調節和保持光束的波長。可以由二極體雷射器的反鏡處和前鏡處來實現反饋。
在圖1中利用虛線來表示反饋元件27，因為改用一種分離的反饋元件，本發明也可以用已在裝置7中表示的元件的表面，例如具有適當反射係數的分束器21的表面20來實現，該表面20需要設置在離二極體雷射器8的上述的距離d處。
一個選擇反饋元件27的條件是，由二極體雷射器8射出的光束11在經過反饋元件反射後再次進入二極體雷射器。
如果利用準直透鏡14把光束11變換成一束平行光束，則反射元件可以視作一種平面平板，因為準直透鏡14再次聚焦在二極體雷射器8上。
如果不用準直透鏡14，則反射元件27應該有一個曲面，以便把發散光束11變換成可以進入二極體雷射器內的一種光束。
實際上，二極體雷射器和反饋元件之間的距離(即需要獲得二極體雷射器的光譜穩定的距離)可以是相當長的，這對於所需緊湊的光學裝置來說是一個缺點。例如，對脈衝周期P＝1ns時，需要的距離大約為150mm。
本發明的另一個方面是，二極體雷射器8和反饋元件27之間的光程是可以摺疊的。為此，裝置可以包括，例如在二個面輻射光束上多次反射的二個面向的反射器。然而，由於穩定性的緣故，最好使用一種光學透明材料體120，例如光學玻璃體，其中二個面對著的表面是反射面，使進入該體內的輻射光束被反射許多次。容限是由材料體加工時予以確定。這種折光體不僅可以用玻璃製成，也可以採用其它具有相當高的折射率的光學透明材料，例如透明的合成材料來製成。
這種折光體120可以有多種實施例，圖12a表示第一種實施例，它包括一種平面平行板121，它具有第一表面123和第二表面125，他們的表面互相相對放置，並具有高反射的反射層127。第一表面123還有一個進光窗129，第二表面125有一個出光窗131。由二極體雷射器8發出的輻射光束11通過進光窗129，例如經過一個準直透鏡130進入平面平行板121，由於光束以一個很小的角度入射到表面123和125上，由此通過表面，光束被反射多次。然後光束到達設置在一個表面內的第三窗口128之中或之後的波長選擇反射元件27。之後光束以相反的方向行過該板，直至經由窗口129離開平板到二極體雷射器。
出射窗131可以用於把反饋不需要的二極體雷射輻射耦合到折光體外。為此，窗口131最好是有一層132，其起著一種部分透光分光鏡的作用。
波長選擇反饋元件27可以是一種分離的部件。然而，這種元件最好是與平面平行板成整體的，即它被安置在窗128的位置。這種元件，例如可以是一個稜鏡，該稜鏡可以被安置在窗口上，或由窗口內的凹入部分形成。在圖12a中採用一個光柵27，因為它具有相當高的波長分辨能力。
可以採用不同的方法把光柵集成在玻璃體內。例如，可以在玻璃折光體上直接蝕刻該光柵，或者在折光體上設置成一種分離的部件。
其它可能的方式有，在折光體上提供一層薄的合成材料層，然後在層內利用複製技術形成光柵。
由於折光，如果玻璃的折射率為1.8，玻璃板厚度為D＝8mm，長L＝13mm，直徑為3mm的輻射光束在空氣中的輻射光程可以是例如130mm。
另外，折光可以由三維的替代二維的來實現。為此，可以如圖13a所示把後向元件133安置在玻璃體上第一光程135末端處的一個第四窗口136上。在輻射光束橫向行進了第一光程135之後，它首先在垂直於圖面的方向內反射，然後在平行於元件133上的入射方向內反射，(第一光程135位於垂直於玻璃體的反射面的第一平面內)，因此使光束再次進入平面平行板121，橫過位於平行於第一平面的第二平面內的第二光程137行進。採用這種方式，摺疊的光程135，137以及可能的後面的光程被相疊，因此具有短光程的折光體可用於實現具有使光譜穩定所需的總光程為d的光程。本實施例示於圖13。圖13a所示的實施例是一個平面示圖，而圖13b是一個側視圖。
一個非常合適的後向反射的元件133是具有頂角為90°的稜鏡，該稜鏡的頂梭垂直於光束的主光線。稜鏡被加工成底面139正對頂稜，並且平行於表面125，以使在該處無反射損失。
本發明的折光體120的其它可能的實施例是採用如圖14所示的具有矩形或正方形橫截面的光學透明體122。在該實施例中，使表面145、146、148、149相對於入射輻射光束以這種方式取向，即在每個表面上存在著光束的全內反射。在圖14的實施例中，對每個表面，在光束到達反饋元件27之前受到二次的作用。在由該元件反射之後，光線在相反方向內渡越相同的輻射光程，並且經由表面145光束離開折光體到達二極體雷射器。
對不需要反饋的二極體雷射輻射經由表面149離開折光體122，在該處最好有一塗層151，其作用是作為一個部分透過光束的分束鏡。另外，最好在所說的位置提供一個稜鏡147，它的表面150垂直於光束的主光線。一個具有垂直表面152的類似的稜鏡143也最好設置在二極體雷射束進入折光體位置處的表面145上。上述二個稜鏡例如可以用相同於玻璃體的材料製成。在本實施例和包括平面平行板的實施例中，反饋元件27可以是布置在玻璃體的窗口153內或之後面的一個稜鏡、一個光柵，或者是一個標準具。然而，最好採用光柵，因為它具有相當高的波長解析度。
在如同圖13a和13b所示的用於平面平行板的方式中，圖14的折光體可以包括玻璃體中的平行平面內的許多摺疊光程，他們由後向元件133而受到疊加，以致於實現三維的折光。
另外，折光體的二個實施例121、122可以採用下述的方式來工作，即入光窗口和出光窗口設置在相同的表面123或145之內，並且重合。在該情況下，不需反饋的二極體雷射輻射可以採用一個附加的元件被耦合出來，例如採用在裝置的二極體雷射器和折光體之間加上一個部分透光分束器。
在每個採用光柵作為反饋元件的所述折光體的實施例中，可以把光柵相對於表面125或149成銳角布置，如圖12b和12c中所示的折光體的光柵，折光體採用平面平行板的形式。事實上，波長解析度是取決於落在輻射光束內的光柵周期數，因此它取決於該輻射光束的直徑。採用把光柵相對於玻璃體的表面作傾斜時，由相同的輻射光束復蓋著一個較大的光柵表面，於是可以取得一個較大的波長解析度。
在每個玻璃體121、122的實施例，和在他們二者的實施例中，利用光柵和標準具和用稜鏡作為反饋元件，把玻璃體設置在光學裝置1內，相對於入射光束11作轉動，致使欲反射的波長可以得到改變。
本發明也可用於供示讀透過輻射的記錄載體的設備中，這種設備的光學裝置不同於圖1所示，系統放置在記錄載體的不同的一側，而不是在輻射源一側。
本發明可用於光學書寫-記錄載體的設備中，並具有很大的優點。在這種設備中，輻射源應該提供一個比示讀設備所需的更大的光功率。可以採用具有消反射塗層的二極體雷射器的前鏡來獲得較大的光功率。然而，其結果是二極體雷射器將對反饋十分靈敏。由此，在書寫設備中使用本發明其效果比用在一個示讀設備中來得大。書寫設備的光學裝置可以不同於圖1所示，其中，雷射束的光程中加入一個調製器，它用於調製光束的強度使其與欲書寫的信息相適應。這種調製最好採用電流通過二極體雷射器的振幅調製。
在至此所描述的實施例中，二極體雷射器被穩定在一個固定的波長上。然而，代替單模的選擇，希望在某些應用中光束具有可調節的波長。對此，例如可以採用按US.4，918，679所描述的原理使輻射光束偏轉的可能性來達到。可以把色散元件設置在反饋元件之後的光程中，以改變光束的波長，而取得利用所述原理的一個實際的值得注意的實施例。
色散元件可以是一個透射元件，或一個反射元件。
可以按本發明利用供穩定雷射波長用的反饋元件，採用不同的方式來實現光束偏轉所希望的二極體雷射輻射的波長改變。
圖3表示提供一種穩定雷射束的裝置的第一實施例，其中光束的方向是可以調節的。這種裝置的反饋元件包括光學波導29，其具有在輻射光束的傳播方向31集成的光柵33，可變的周期為Pi。
原則上，出自二極體雷射器並耦合到波導內的光束由光柵的任何部分受到不同程度的反射。正如前面已告知，僅僅位於離二極體雷射器所述距離處設置的那部分光柵將影響到二極體的行為。所述部分有一個給定的光柵周期，致使輻射反饋到二極體雷射器，且由此，使二極體雷射器發射的輻射具有伴有該周期的一個給定的波長。通過利用由控制信號Sc驅動的電路36來調節，如圖3所示的電流源34的重複頻率，以及延遲時間條件，並由此來調節距離d。這就意味著，每一次光柵的一個不同部分，每次有一個不同的周期可以選擇供反饋用。因此，二極體雷射器輻射的波長是可以改變的。
光波導29可以被設計做成例如一種光纖維，它具有縱向布置的平面光柵。也可以把波導做成一種平面光波導，或者例如一種半導體材料或玻璃的隧道波導，其中在軸向布置一個平面光柵。
出自波導29的光束35，其波長由光柵穩定，光束35入射到色散元件37上。色散元件例如可以採用稜鏡或光柵，選用光柵其波長分辨比稜鏡好一些。由色散元件使光束3.5偏轉的角度是取決於通過調節重複頻率和反饋光柵所選擇的波長大小。
圖4示意表示另一種產生具有可調波長的穩定雷射束的可能性。
反饋元件27現在被作為一種具有可變反射作用的反射元件。二極體雷射器的出光面43有一個低的反射係數，例如在該面上塗上消反射層。這種二極體雷射器的輸出光譜的波長小於具有高反射係數出光面的二極體雷射器的輸出光譜。這可能是基於這種事實，即在首次提到的雷射器的共振腔內的電荷載體密度在雷射作用時大於最後提到的雷射器。
在反饋元件被設置在具有高反射係數的二極體雷射器的後面時，二極體雷射器的有效反射係數以及上面提到過的電荷載體數目是靠反饋元件的可調節的反射係數來確定的。
例如，如果具有反射係數為0.90的一個反饋元件被放置在二極體雷射器的後面，它的出光面具有反射係數為0.04，那麼二極體雷射器的光譜將從860nm移位到850nm(圖5所示)。一束雷射模，其寬度為約2nm，位於每個這些波長的附近，於是，在反射係數於0.04和0.90之間變化時，就可以區別五個波長。
一個具有可調反射係數的元件可以採用把至少部分透光的反射器39與具有可調透光係數位於二極體雷射器8和反射器39之間的部件41相組合來實現。為了使回到雷射器的反射光脈衝滿足延遲時間的條件，反射器39應該放在離開二極體雷射器8的所說的距離d處。
圖5表示一種脈衝多模二極體雷射器的光譜。為了增加可區分的波長數目，最好把一個標準具，例如以平面平行玻璃板40形式的標準具安置在輻射束光程內。如果「自由光譜範圍」，即二個波長均落在標準具的寬度W之內的波長之差小於單個雷射模之間的距離，該距離例如為0.3mm，那麼二極體雷射器的光譜可以明顯地變窄。由此，脈衝二極體雷射器將具有一種單模雷射器的性能，僅僅發射一個波長。這種情況由圖6表示出在不同反射係數R時所獲取的不同的雷射光譜。所有光譜的整個寬度加起來約為15nm。可區分的波長數由二極體雷射器的共振腔的長度來確定。如果該長度為1mm，模距離例如為0.1nm，那麼在15nm範圍內，原則上有150個不同的波長可以被區分。為了能夠在實際上把該波長數變換成許多光束的方向，光柵37應該具有一種等於或小於雷射模之間距離的分離能力。如果該距離為0.1nm，光柵每毫米有1000個周期，可以用一個4mm長光柵的二階衍射光束來獲得雷射束所希望的150個不同的方向。光柵可以用這種方式製成，即入射在其上的大部分輻射在二階方向上受到衍射。
代替透射標準具40和反射器39，可以採用作為一個標準具製成的一種反射器。同樣，在下述的實施例中，採用反射方式或不反射方式工作的一個標準具可以被布置在輻射光程內，以獲得單模雷射束。
對於具有可調透光係數的部件41可以有不同的實施例。
第一種可能性是選擇電光元件43，結合供部件41用的檢偏器45。
圖7表示本發明裝置的一個實施例，其中，電光元件43是一個電光晶體，藉助於電源47，通過設置在晶體二側的電極49、51，在電光晶體43上加一個電壓，該電壓用來確定晶體的雙折射。據此，通過晶體的輻射光束其偏振狀態將受到改變。之後，該輻射光束入射到檢偏器45，使偏振狀態的改變轉換成強度的改變。通過改變加到晶體上的電壓，於是，向二極體雷射器方向反射的光脈衝強度受到改變。依據這種強度的變化，二極體雷射器其不同的波長都將受到穩定。
根據本發明的一個裝置的實施例，如圖8所示，基於相同的原理，其中電光元件43是採用一種液晶材料。由電源53把電壓通過電極55、57加到上述材料上，致使通過材料的輻射光束受到偏振的變化。這種偏振的變化隨後由檢偏器45轉變成強度的改變。
第二種可能是選擇聲光元件59代替電光元件用於部件41。這種元件的實施例是由圖9所示。在該實施例中，聲光元件59由壓電基片61構成，在基片61上設置波導63。利用電源65經由電極67、69在波導63內產生聲波，這種聲波在介質內感生出一個機械電壓，它將引起介質內折射率的周期性變化。採用這種方法，在介質內形成光柵，致使通過介質的輻射光束受到衍射。通過改變電源的頻率，由此改變聲波的頻率來改變發生衍射的角度，受到衍射的輻射量可以採用改變聲波振幅的方法來予以調製。
衍射發生的路逕取決於光波導63的厚度和聲波的強度。在薄膜光波導中，以及在相當低的聲波頻率時，入射光束僅在一個較高階次的衍射方向上部分受到衍射，即在第一階次(Raman-Nath衍射)方向上。對於較厚的波導，和在增加聲波強度時，入射光束在不同的較高階次(Bragg衍射)上受到部分衍射。這就意味著，在Raman-Nath衍射時聲波的給定強度的調製深度最大。
第三種可能性是從平面幹涉儀70形成具有可調透光係數的部件41，至少其一分支配用一個光學相位移相器71，圖10表示一種實施例，經由一個入光波導73，來自二極體雷射器8的入射光束11由波導在第一個Y接口75處分成二個分束，這二個分束在二個中間波導77、79內傳播，並在位於第二個Y接口處合起來形成輸出光束，再經過出射波導83離開幹涉儀。原則上，二個中間波導是等效的。在第一Y接口75處光束11分成二束具有相同的振幅和相位的分束。由此，出射光束的強度是最大的。如果利用電源85通過電極87，87在上述二束分支之一上加上一個電壓，那麼例如由於電光效應會在該分支內產生折射率的改變，這種改變大小取決于波導的材料，最終致使通過該分支的光束產生相移。在出射波導處二束分束的重新結合將發生相長或相消的幹涉，這種幹涉取決於這些分束的相對相移。如果需要，也可以利用電極把電壓加到第二個分支(圖未示)，直至二個中間波導致使通過他的分束形成不同的相移就可以。
採用上述方式改變輻射光束的強度是靠二束分束通過幹涉儀之後彼此受到相移來達到的。
本發明的提供可偏轉光束的光學裝置用在對帶狀記錄載體93進行光掃描的掃描裝置中是十分有益的。
圖11示意表示這樣一種掃描裝置的實施例。帶狀記錄載體93按圖中由箭頭99標示的運行方向由第一卷輪95傳送到第二卷輪97。帶狀記錄載體93經由輸帶輥101、103導向。由光學裝置7給出的光束105受到色散元件37的衍射，衍射光到達物鏡系統107，系統107把受衍射的輻射光束106聚焦成一掃描光點108並記錄在載體的信息面上。輻射光束105被衍射的角度是取決於光束的波長。通過改變光束105的波長，該角度也受到改變從而產生掃描光束。每個波長的光被聚焦在記錄載體93的不同位置上。由於這種改變是通過電子方式實現的，例如在光學裝置7中是採用電-光或聲-光方式，所以控制衍射光束106的速度明顯地比採用機械驅動多面鏡的現今常用裝置的速度快。
光學裝置100還可以適用於記錄載體是光碟的光學掃描設備。在這樣一種記錄載體上的記錄徑跡是採用對聚焦成掃描點的輻射光束進行掃描來實現的。為使掃描點相對於記錄徑跡正確地保持定位，需要對這種掃描裝置提供一個徑跡伺服系統，利用這種系統，相對於徑跡的掃描點位置需予檢測，並參照此，對掃描點的位置進行校正。為產生徑跡信號，可採用如US.4，918，679所描述的讓掃描光點周期性地橫向運動到徑跡上。為取得這種周期性的運動，可以採用本發明在圖9中用100標示的裝置，其波長是周期性地改變的。為了相對於欲掃描的徑跡中心線對掃描點的位置進行校正，可以使用由徑跡誤差信號得出的控制信號來控制的裝置來進行這種校正。
可以用具有周期性調製電流，例如正弦或脈衝電流的二極體雷射器來得到一種脈衝雷射束。另外，也可採用在某種結構上加上一脈衝束的方法來得到一種二極體雷射器。這種雷射器通常稱為自脈衝雷射器，例如英國專利2，221，094所介紹的那種雷射器。
除了用於光記錄載體，盤或帶的掃描裝置之外，本發明也可以用於其它的書寫設備，例如雷射印表機，以及檢驗或測量設備，例如掃描顯微鏡。本發明通常可用在使用光學系統的光學裝置內，二極體雷射器作為一個輻射源，其中輻射對二極體的反饋會發生，它是由於光學系統，例如通訊系統中的各個元件上的反射所引起。
權利要求
1.一個光學裝置，它包括產生一個輻射光束的二極體雷射器，一個集中和導向輻射光束的光學系統，其特徵是，二極體雷射器是一個脈衝雷射器，它所提供輻射脈衝時間間隔為P，脈衝周期為T；在輻射光束的光程中距二極體雷射器距離d處至少安置一個部分反射反饋元件，該距離需滿足的條件為d= (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+ΔP)其中，n是一個整數，C是輻射光束在介質中行進的光速，ΔP是一個脈衝PL在二極體雷射器中建立的時間，ε是一個滿足0＜ε＜1的實數，並且在由反饋元件反射的輻射脈衝分別減少或增加能量E(Pr)時ε在上述限值內增加或減少，因此在所述的輻射脈衝進入二極體雷射器的瞬時需要滿足條件E(Pr)＞E(PLi)E(PLi)是在相應的瞬間在二極體雷射器內所形成的輻射能量。
2.如權利要求1的光學裝置，其特徵是，反饋元件是一個光學系統的元件。
3.如權利要求1或2的光學裝置，其特徵是，反饋元件是一個波長選擇元件。
4.如權利要求1、2或3的任一項的光學裝置，其特徵是，用於摺疊輻射光程的折光裝置布置在二極體雷射器和反饋裝置之間。
5.如權利要求4的光學裝置，其特徵是，折光裝置包括具有至少兩個反射面的透光材料的折光體，該折光體具有入光窗和出光窗，以及反射面之一為一個用於使二極體雷射輻射透過到反饋裝置和從反饋裝置反射的第三窗。
6.如權利要求4或5的光學裝置，其特徵是，反饋裝置是集成在第三窗內的。
7.如權利要求5和6的光學裝置，其特徵是，每個反射面上具有一層高反射係數的塗層。
8.如權利要求5、6或7的任一項的光學裝置，其特徵是，折光體是一種平面平行板，其中第一反射面和第二反射面是相對放置，並且互相平行。
9.如權利要求5或6的光學裝置，其特徵是，折光體位於折射率小於體材料的介質內;折光體至少有二個對輻射全內反射的表面;在折光體內行進著一個共面輻射光程時所述兩個表面之一至少對輻射反射一次。
10.如權利要求5、6、7、8或9的光學裝置，其特徵是，光學稜鏡被布置在入射窗和出射窗上，所述稜鏡的表面橫切光束的主光線，通過稜鏡表面輻射光束進入和離開稜鏡。
11.如權利要求5、6、7、8、9或10的光學裝置，其特徵是，反射面之一提供為一個第四窗，其上布置輻射的後向反射元件，在經過許多反射使行進著延伸了反射面的第一輻射光程之後，在折光體的第一面上獲取輻射，並受到平行於自身的反射，再進入體內，由此經由平行於第一面的一個面內的多次反射至少行進著延伸了反射面的第二輻射光程。
12.如上述權利要求的任何一項的光學裝置，其特徵是，反饋元件是一個光柵。
13.如權利要求11的光學裝置，其特徵是，光柵以零度以上的很小的角度伸展到第三窗。
14.如權利要求6至13的任何一項的光學裝置，其特徵是，為了改變向二極體雷射器反射的輻射的波長，使折光體相對於二極體雷射器的輻射光束以一個小的角度可轉動地設置。
15.如權利要求1的光學裝置，其特徵是，電控制裝置利用二極體雷射器和反饋元件的一種結合，在不同的分立的值上調節輻射的波長。
16.如權利要求15的光學裝置，用於提供一種方向可調的光束，其特徵是，在反饋元件之後設置一個色散元件。
17.如權利要求15或16的光學裝置，其特徵是，反饋元件是由與光柵集成的光波導構成，光柵具有在輻射光束的傳播方向可變的周期;電子控制裝置由頻率可調的周期性調製二極體雷射器的電流源所構成。
18.如權利要求15或16的光學裝置，其特徵是，二極體雷射器的出光面有一個低反射係數;反饋元件是由與二極體雷射器的出光面相距d處布置的部分透射反射器構成，其一個部件布置在所述的反射器和二極體雷射器之間，並具有可調節的透光係數;電子控制裝置是由部件上的電極和輸出端連接到電極的可調電源構成。
19.如權利要求18的光學裝置，其特徵是，該部件具有可調節的透光係數，它是由電光元件以及隨後的檢偏器所構成。
20.如權利要求19的光學裝置，其特徵是，電光元件是一種液晶材料。
21.如權利要求18的光學裝置，其特徵是，具有可調節透光係數的部件由包括聲光元件以及隨後的檢偏器構成。
22.如權利要求18的光學裝置，其特徵是，具有可調節透光係數的部件是由平面幹涉儀構成，至少他的一個分支上配有一個光學相移器。
23.如權利要求15至22的之一的光學裝置，其特徵是，在輻射光程上，除了布置具有可調節透光係數的部件外還布置一個標準具。
24.如上述權利要求的任一項的光學裝置，其特徵是，二極體雷射器是一個自脈衝二極體雷射器。
25.一種用於對信息面進行掃描的設備，它包括如權利要求1至14之一的光學裝置，供在信息面內形成一個掃描光點，其特徵是，除了反饋元件和二極體雷射器之間的距離之外，光學裝置的所有光學元件的距離是不等於所述距離d的。
26.如權利要求25所述用於對在徑跡內的帶狀光學記錄載體進行掃描的設備，它包括在與帶行進方向橫向上掃描記錄載體的裝置，其特徵是，該裝置是由如權利要求16至24的任意一項的光學裝置構成，成一角度延伸至帶的縱向方向的徑跡的方向有供掃描時縱向運動帶的帶驅動裝置，以及供掃描光點在徑跡方向內運動的光束偏轉裝置，該光束偏轉裝置是由權利要求16～24特徵部分所規定的部件構成。
全文摘要
本發明描述一種用於光學書寫、示讀，檢查或測量設備的光學裝置(7)，該裝置包括一個產生輻射光束(1)的二極體雷射器8，一個用於聚集和導向輻射光束的光學系統(9)。由於二極體雷射器是脈衝雷射器，反饋元件布置在輻射光程內相距二極體雷射器一定距離d處，該元件具有一個合適的反射係數，所以可以取得穩定的輻射光束。光束的方向可以通過使波長可調和利用色散元件來改變。
文檔編號G11B7/125GK1077046SQ9211383
公開日1993年10月6日 申請日期1992年12月26日 優先權日1991年12月30日
發明者C·T·H·F·裡登包姆, R·R·德倫滕, M·J·揚格裡阿斯 申請人:菲利浦電子有限公司