摺疊式雷射系統的製作方法

2023-05-18 09:20:36 1

專利名稱：摺疊式雷射系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及摺疊式雷射系統，更具體地涉及具有非線性光波長轉換的摺疊式雷射系統，比如倍頻綠雷射器。
背景技術：
綠雷射的生成可通過紅外光的非線性倍頻來實現。典型地，如圖IA所示，來自紅外二極體雷射器C3)的光束2被引導到非線性光學晶體4(諸如周期性極化鈮酸鋰(PPLN)) 中，其中光束2轉換成綠光5。製造這種雷射器的實際挑戰源於許多問題。首先，因為小的光波導用於將光限制在二極體雷射器和非線性光學晶體兩者中，所以組件(透鏡、非線性晶體和二極體雷射器) 的對準容限在幾十分之一微米的數量級上。這對雷射的初始組件和在雷射器的使用期間維持對準均提出了挑戰。再者，非線性光學晶體的輸出功率對溫度波動以及雷射器所提供的紅外光波長的變化敏感。非線性光學晶體上的溫度梯度可能導致綠雷射器的輸出功率 (即，離開非線性光學晶體的輸出功率)降低。

發明內容
本發明的一個方面是一種具有光軸的摺疊式雷射系統，該雷射系統包括(I)相干光源；(II)反射器；(III)位於光源和反射器之間的透鏡組件；以及(IV)非線性光學晶體，其中光源和非線性光學晶體隔開距離d > 50 μ m。透鏡組件被放置成當攔截來自光源的光時提供準直光束，使得準直光束與光軸成角度Θ 『並且被構造成在非線性光學晶體上提供相干光源的像。反射器被放置成攔截準直光束且透過透鏡反射準直光束到非線性光學晶體。優選地，相干光源和非線性光學晶體由空氣間隙隔開。根據一些實施例，雷射系統是綠雷射器，光源是紅外(IR) 二極體雷射器，且接收器是非線性光學晶體，例如用於將頂光轉換成綠光的SHG (二次諧波發生器)。由本發明的雷射系統的示例性綠雷射器實施例所提供的一些優點是對光學組件的相對寬鬆的對準容限；對二極體雷射器產生的熱量的低敏感性；以及歸因於二極體雷射器與非線性光學晶體之間的改良耦合的綠光轉換效率的最大化。由本發明的示例性實施例所提供的其它優點是非線性光學晶體上的溫度梯度的最小化，以及到達二極體雷射器的、 來自非線性光學晶體的不期望反射和/或背向散射造成的光反饋的影響的最小化。將在以下詳細描述中闡述本發明的附加特徵和優點，這些特徵和優點一部分對於本領域的技術人員來說根據說明書就能理解，或者可通過實施包括以下詳細描述、權利要求書以及附圖的本文所述的本發明認識到。應當理解的是，以上一般描述和以下詳細描述兩者給出本發明的實施例，並且它們旨在提供用於理解所要求保護的本發明的本質和特性的概觀或框架。包括的附圖提供了對本發明的進一步的理解，且被結合在本說明書中並構成說明書的一部分。附圖示出本發明的各個實施例，並與本描述一起用於說明本發明的原理和操作。


圖IA示出現有技術雷射系統；圖IB示意性地示出根據本發明的一個實施例的摺疊式雷射系統；圖2是根據本發明的一個實施例的摺疊腔綠雷射系統；圖3是示出圖2的二極體雷射器和非線性晶體之間的熱傳導的熱模型；圖4示出作為波導到波導間距d的函數、二極體波導和晶體波導之間的光耦合效率的變化；圖5A示出示例性非線性晶體的截面側視圖；圖5B示出圖5A的示例性非線性晶體的截面端視圖；圖6是根據本發明的又一實施例的摺疊腔綠雷射系統的橫截面圖；圖7示出兩個不同的雷射系統配置的耦合效率相對于波導間距d ；圖8A和8B示出在本發明的又一實施例中的安裝在二極體雷射器上的非線性光學晶體；圖9是由可用於本發明某些實施例中的可購得透鏡組件所實現的耦合效率(CE) 的曲線圖；圖IOA和IOB示意性地示出兩個示例性實施例摺疊腔綠雷射系統；圖11是根據本發明的一個實施例的透鏡組件、晶體波導以及傾斜二極體雷射器波導的橫截面圖；圖12是兩個示例性透鏡組件的光程長度相對於後工作距離(BWD)的曲線圖；圖13是耦合效率相對於BWD的曲線圖；圖14是根據本發明的又一實施例的透鏡組件的橫截面圖；圖15示出兩個可購得透鏡組件以及根據本發明一個實施例的透鏡組件的耦合性能相對于波導間距d ；圖16是根據本發明的另一實施例的透鏡組件的橫截面圖；圖17是根據本發明的又一實施例的透鏡組件的橫截面圖；圖18示出象差(波前誤差)作為示例性透鏡組件的傾角的函數的演變；圖19示出象差(波前誤差)作為示例性透鏡組件的傾角的函數的演變；以及圖20是耦合效率作為兩個示例性透鏡組件的傾角的函數的曲線圖。優選實施例的詳細描述現在將具體參考本發明的現有優選實施例，其示例在附圖中示出。在可能時，在所有附圖中使用相同的附圖標記來指示相同或類似的部件。本發明的雷射系統的一個示例性實施例在圖IB和2中示出，並且貫穿全文由附圖標記10—般地指示。在該示例性實施例中的摺疊式雷射系統10是具有摺疊腔配置的倍頻綠雷射器。 在雷射系統10中，光以發散光束22的形式從相干光源20發射出，並且由單個透鏡組件30 捕獲和準直。透鏡組件30優選地在遠心條件下操作。即，透鏡30被構造且被放置成使得光學系統的出射光瞳位於無窮遠。優選地是，相干光源20小( IOmff)，並且被高速調製(約IOMHz或更高)。在該實施例中，相干光源20是紅外(IR)半導體雷射器(IR 二極體雷射器20' )。二極體雷射器20'包括二極體波導20' A0 IR 光作為發散光束22從二極體波導20' A的輸出面發出。二極體波導的輸出面可垂直于波導的軸形成，或者可與波導的軸分開一角度(未示出)。發散光束22由Ι/e2的發射半角 Θ表徵，例如沿一個方向為20°而沿另一個(垂直)方向為7°。相對於由相干光源所提供的平均發射角(光束矩心(centroid))來測量發射半角Θ。經準直的(IR)束40以角度 『向反射器50傳播，然後從反射器50反射回透鏡組件30。優選地，根據一些實施例，
0.05Rad ^ Θ 『彡0. 2Rad,且更優選地，0. 09Rad ^ Θ 『彡0. 17Rad。反射器50可以是例如平面鏡。反射光束透過透鏡組件30向象平面60傳播，並在象平面60處聚焦在非線性光學晶體70'的晶體波導70' A(波導部分)的輸入面上。即，透鏡組件30在非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面上提供二極體波導20' A的輸出面的像。非線性光學晶體70'可以是例如二次諧波發生器(SHG)，比如周期性極化鈮酸鋰 (PPLN)晶體。還可使用其它非線性光學晶體。在該實施例中，非線性光學晶體70'接收由透鏡組件30提供的頂光並將其轉換成綠光5。優選地，透鏡組件30具有短焦距(優選小於5mm，更優選小於3mm，以及再更優選小於2mm)以及低象散，以便獲得相干光源20與非線性光學晶體70'的晶體波導70' A之間極好的光耦合，同時使(i)溫度變化導致的散焦以及(ii)雷射系統10的總尺寸兩者最小化。反射器50可以是常規的(固定)平面鏡，或者可以是具有其頂錐角/傾斜角的驅動裝置的反射鏡，例如微機電系統(MEMS)反射鏡。可按兩種主要方式來調節二極體波導 20' A和晶體波導70' A之間的光耦合。第一，透鏡組件30的位置可沿x、y或ζ (聚焦) 軸移動。第二，反射鏡50可傾斜。因為反射鏡位於紅外束的準直空間中，所以角調節將導致反射和聚焦束在晶體的輸入面上的位置(x，y)移動。非線性光學晶體(例如，PPLN晶體) 將紅外光的大部分轉換成綠光，該綠光從晶體波導70' A的輸出面發射(圖1B)。因此，對透鏡組件30的位置或對反射器50的角度的調節可用於使焦點在非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面上移動。在該示例中，光源20和接收器(非線性光學晶體70')兩者相對於光軸OA(透鏡組件30的光軸)偏心，且相對於光軸對稱地或大致對稱地(偏離對稱在士 100 μ m內，優選地在士50μπι內)放置。更具體地，為使光束在非線性光學晶體70'的晶體波導70' A 的輸入面處的象差最小化，紅外二極體20'的二極體波導20' A的輸出面與非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面由小的空氣間隙隔開與透鏡30的焦距f相比較小的間距d(即，d << f)。優選地，透鏡30的焦距f是1至5mm(Imm彡f彡5mm)，例如1_、
1.3mm、1. 5mm、1. 7mm、2mm 或 2. 5mm。優選地,透鏡 30 的焦距 f 是 1 至 5mm (1mm 彡 f 彡 5mm)。 優選地，光源20和非線性光學晶體70'之間的間隔d是30μπι< 1500μπι，更優選地是50 μ m < d < 750 μ m，更優選地是100 μ m < d < 600 μ m，再更優選地是 150ym^ d^ δΟΟμ ,以及最優選地是300μ 彡d彡500μπι。例如，距離d可以是75 μ m、 100 μ m、125 μ m、150 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、400 μ m 或 450 μ m。因此，在該實施例中， 光源20 ( 二極體雷射器20')和接收器70(非線性光學晶體70')相對於光軸沿Y軸偏心距離d' d/2，例如距離d' =d/2 士 ΙΟΟμπι。優選地，偏心距離d'等於d/2或在d/2 上下 50μπι內(即d' = d/2 士 50 μ m)。
此處所述的摺疊式雷射系統配置(例如，參見圖1B、2、6、8A和8B)具有減少雷射器腔總長度(因此減少雷射器的封裝尺寸)的優點，因為光路本身摺疊。摺疊式雷射器配置還有利地使透鏡組件30所產生的非對稱光學象差的影響最小化，因為同一透鏡組件30被使用兩次——一次用於準直光束且一次用於將光再聚焦在非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面上。給定穩定和精確的附連技術，雷射系統10可以是完全被動的(即， 它可以不包括移動組件)。(這種設計在圖IB中示意性示出)。或者，如上所述，雷射系統 10可容易地利用諸如MEMS反射鏡之類的可調節反射器沿兩個橫向方向將聚焦光束主動對準在PPLN輸入面上。摺疊式配置的實際實現形成若干挑戰。首先，因為摺疊式雷射系統配置利用相對於透鏡組件30的光軸偏心的光源(二極體雷射器20)和接收器(非線性晶體70)，所以離軸光學象差出現且難以控制。必須將光學象差保持較小，以便實現從二極體雷射器20'到非線性光學晶體70'中的高度耦合。本發明的綠雷射器實施例10的一個優點是即使透鏡組件30未對準仍將離軸象差保持較小。再者，二極體雷射器20'與非線性光學晶體70' 的接近還可導致熱量從二極體雷射器20'傳遞到非線性光學晶體70'。非線性光學晶體中的熱梯度降低了從紅外光到綠光的轉換效率。本發明的綠雷射器實施例的一個優點是從二極體雷射器到晶體的熱傳遞被最小化，因為二極體雷射器20'的二極體波導20' A與非線性光學晶體70'的晶體波導70' A由空氣間隙AG隔開。第三，雷射系統10的至少一些示例性實施例不需要通過移動反射器50或透鏡組件30來控制光束焦點的致動器。在這些實施例中雷射系統10不散焦(或具有最小的散焦)並且不隨溫度而顯著改變光學組件的橫向位置(否則晶體波導70' A的輸入面與二極體波導20' A之間的光耦合將被損害，並且可能損失光輸出功率)。最後，雷射系統10還可有利地控制光學反饋的影響或使之最小化。例如，在本文所述的綠雷射器實施例中，來自非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的前面(front facet)的反射不會引起來自紅外雷射二極體20『的不期望的模式跳變行為。圖2示意性地示出被裝配到綠雷射系統10的一個實施例中的已安裝光學組件。非線性光學晶體70' (PPLN晶體)被放置在二極體雷射器20'上方，有小的空氣間隙AG隔開兩個波導70' A和20' A的端部。該空氣間隙AG的存在和尺寸是重要的，原因如下所述。第一，一個或多個引線接頭23附連到二極體雷射器20'的多個部分，以便向二極體雷射器提供電流和電壓控制信號。這些引線接頭形成迴路23'，迴路23'具有某一最小彎曲半徑且因此在二極體雷射器20'上方延伸有限的高度。最小引線接頭迴路高度可以是例如100μπι-150μπι，從而限定了紅外二極體雷射器20'的二極體波導20' A與非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面之間的最小可能垂直間隔。第二，空氣間隙AG將非線性光學晶體70'與二極體雷射器20'熱絕緣，其中二極體雷射器20'在操作時是熱源。空氣作為良好的熱絕緣體，特別是與金屬或許多其它固體材料相比，其防止來自二極體雷射器20'的熱量到達非線性光學晶體70'。阻止熱量到達非線性光學晶體70'是優選的，因為熱量能在非線性光學晶體70'中產生熱梯度，從而負面地影響晶體波導70' A的非線性轉換效率。更具體地，非線性光學晶體70'中的熱梯度會是有害的，因為溫度影響非線性光學晶體70'內的晶體波導70' A的折射率。通常，綠光輸出的波長關係式是Sin(X)/χ函數(其準確形態取決於晶體波導70' A的均勻性)，並且熱梯度扭曲該函數。(請注意，符號X表示頂波長λ與最優波長之間的偏差。)圖3是示出來自二極體雷射器的熱量在與圖2所示的雷射系統配置類似的雷射系統配置中如何傳導的熱模型。更具體地，圖3示出由空氣間隙AG間隔開的二極體雷射器 20'和懸臂式非線性光學晶體70'的精細元件熱模型。儘管二極體雷射器20'作為熱源， 但是空氣間隙將它與圖3所示的非線性光學晶體70'熱絕緣。二極體雷射器由金屬封裝基座來支撐。如該圖所示，幾乎所有由二極體產生的熱量都被傳導到金屬封裝基座中。即，儘管準確的熱狀態將取決於材料和具體設計，但是該模型示出熱量被任何金屬接觸有效地傳走，並且熱量不從二極體雷射器20'傳遞到非線性光學晶體70'，因為空氣間隙的熱阻抗相對較高。實驗數據也證明，由於存在空氣間隙AG，非線性光學晶體70'的轉換效率不因熱效應而降低。第三，兩個波導70' A、20' A之間的距離d應實際上儘可能的小，因為大的距離需要二極體波導20' A的輸出面或非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面或這兩者相對於光軸(Z軸)基本上偏心(Y軸)。透鏡組件30的光軸通常位於兩個波導70 『 A、 20' A之間的中途位置。這對兩個波導70' A、20' A之間的光提供光耦合，並且還允許有源反射鏡50 (如果利用了有源反射鏡)位於其驅動範圍的中心，使得反射鏡傾斜可用於補償波導的小幅運動。(這些運動可能由例如溫度和溼度變化產生。)兩個波導中的任一個離透鏡的光軸越遠，被引入非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面處的焦點中的光學象差就越多。這些象差包括象散、彗形象差以及球面象差。圖4示出兩個波導20' A、 70' A之間的耦合效率如何隨著它們之間的距離d(垂直距離，沿Y軸)的增大而減小的示例。隨著距離d增大，光學象差扭曲光束，並且波導20' A、70' A之間的耦合功率變得更小。因為具有較長焦距的透鏡組件將產生具有較少光學象差的像，所以當像和物體位移相同距離d』時，使這些象差最小化的一種方法便是使用具有長焦距的透鏡組件。然而，我們設法保持雷射器封裝尺寸最小化，這指示我們應當使用焦距儘可能最短的透鏡組件。例如， 透鏡組件30的焦距f可以是約1. 3-1. 7mm(例如，f = 1. 5mm)。即，優選的是，透鏡組件30 具有短焦距且在晶體波導70' A的輸入面處提供最少量的象差，並且雷射系統10具有由兩個波導20' A和70' A之間的最優中心到中心間隔d所確定的高耦合效率。(請注意，在圖4中，峰值耦合在d= 110 μ m而不是在0處(沒有間隔)是由於二極體雷射器20的有角度的發射。)我們已確定優選的波導間距d大於50 μ m，但是小於1500 μ m，且優選地小於 700 μ m。例如，當透鏡組件30的焦距約為1. 5mm時，150 μ m至450 μ m的距離d是適用的。 (當距離d稍微大於450 μ m或稍微小於150 μ m時，具有稍大或稍小焦距f的透鏡組件30 是適用的。)最小距離d首先由裝配二極體雷射器20'和非線性光學晶體70'之間的引線接頭迴路23'的能力所確定。另外，晶體波導70' A可能不位於非線性光學晶體70'的最外邊緣，因為典型的非線性光學晶體70'具有「覆層」 70' B，該覆層70' B可以是從幾個微米到幾百微米厚。圖5A和5B中示意性地示出示例性覆層70' B和頂層70' C及兩者之間的晶體波導70' A。因此，這兩個波導之間的最小可能間隔由覆層70' B(如果存在的話)的厚度加上容納引線接頭23所需的最小距離來設定。例如，如果引線接頭迴路23'需要150 μ m的高度，並且如果非線性光學晶體70'具有200 μ m厚的覆層70' B，那麼最小可能波導間距d(中心到中心)是350 μπι(200 μ m+150 μ m = 350 μ m)。最大波導距離d主要由透鏡組件30的光學象差來確定，因為兩個波導20' A和70' A之間的光耦合將隨著距離d增大而減小。或者，非線性光學晶體70'不需要位於二極體雷射器20'的上方。相反，非線性光學晶體70'可位於二極體雷射器20'的旁邊。圖6中示意性地示出了這種「並排」配置。 這種配置具有允許用於雷射器引線接頭23的大量垂直空間的優點。然而，在兩個波導之間通常需要較寬的間隔，因為二極體雷射器的結構具有特定固有寬度(約300 μ m)，並且另外，晶體波導70' A可能不位於非線性光學晶體70'的邊緣。當使用圖6的配置時，為了防止熱串擾，在二極體雷射器和非線性晶體之間應有間隔以在它們之間提供空氣間隙AG。這種「並排」配置非常類似於圖2所示的配置，除了在本實施例中二極體雷射器20'和非線性光學晶體70'的位置均被旋轉90度，因此該間隔是水平的間隔(X軸)而不是垂直的。小的空氣間隙AG用於確保二極體雷射器20'和非線性光學晶體70'之間的熱隔離。圖6所示的示例性綠雷射系統10還具有使系統沿著二極體雷射器的低數值孔徑或水平方向(即， 光束22沿著χ軸的發散比沿y軸的少)工作的優點，使得慧形象差比沿著垂直軸更慢地降低光耦合。這在圖7中示出。更具體地，圖7示出兩個不同的雷射系統配置的耦合效率相對于波導間距d。在一個配置中，非線性光學晶體70'被放置在雷射器20'上方(沿Y軸)， 如圖2所示(參見曲線CC)；而在另一個配置(S-S)中，非線性光學晶體70'被放置為鄰近雷射器20'(沿X軸)，如圖6的「並排」配置所示。具有圓形的線對應於「並排」配置， 具有矩形的線對應於懸臂式配置。因為二極體雷射器光束22的數值孔徑在水平方向上較小(較少發散)，所以圖6的並排配置比圖2的懸臂式配置在較大間距d處有更高的耦合效率。因此，並排安裝將允許兩個波導之間的較大間隔d，同時實現相同的耦合效率。在「並排」配置中光源20和非線性光學晶體70'之間的間隔d優選地是30 μ m < d < 1500 μ m, 更優選地是50μπι< 750μπι，再更優選地是50μπι< 500μπι，以及最優選地是 350 μ m彡d彡500 μ m。例如，空氣間隙可由距離d來表徵，距離d可以是50 μ m、75 μ m、 100 μ m、125 μ m、150 μ m、200 μ m、250 μ m、300 μ m、400 μ m 或 450 μ m。這兩個波導的耦合效率差D在350 μ m處是0. 8%且在450 μ m處是2. 4%。而且，從非線性晶體70'的頂面安裝非線性晶體70'可能是有利的，其中頂面距波導最遠的且對應於非線性光學晶體70'的頂層70' C。這在圖8A(側視圖)和圖8B(輸入端視圖)中示出。該頂部安裝技術的優點在於具有不同覆層厚度(晶體波導和非線性晶體的底面之間的距離)的非線性光學晶體70'可在同一雷射系統中互換使用。這種互換性是有利的，因為它允許使用來自不同來源(賣方)的非線性光學晶體70'，這些非線性光學晶體70'可能具有不同的製造技術並且因而具有不同的覆層厚度。只要非線性光學晶體70'的頂部與二極體雷射器20'之間的距離d不變，二極體雷射器20'的二極體波導 20' A與非線性光學晶體70'的晶體波導70' A之間的間隔將保持不變。這種頂部安裝技術也可應用於圖6所示的並排安裝配置，其中晶體安裝表面是距二極體雷射器最遠的那個面。圖1B、2、6、8A和8B所示的雷射系統10被設計成使得光源20 ( 二極體波導20' A 的輸出面)和接收器70(SHG晶體的晶體波導70' A的輸入面)之間的光程長度OPL具有與二極體雷射器的腔相同的光程長度。(OPL = DiX Ni,其中Di是不同組件的表面之間的距離，且Ni是這些表面之間的折射率。)即，圖1B、2、6、8A和8B的雷射系統10被設計成工作在耦合腔條件下，使得二極體雷射器20'的二極體波導20' A的輸出面和非線性光學晶體70'的晶體波導70' A的輸入面之間形成的腔具有與二極體雷射器的內腔相同的光程長度。因此，例如，如果通過二極體雷射器20'的二極體波導20' A的光程長度是9. 5mm， 則通過光學系統10(從光源至接收器)的光程長度應為9. 5mm。因此，優選地，如果光源20 是二極體雷射器，則從光源20至透鏡組件30、通過透鏡組件30並至反射器50的光程長度 (OPL)是通過二極體波導20' A的OPL的1/2。該配置的優點是使離開非線性晶體70'的晶體波導70' A的輸入面的寄生反射所產生的雷射波長不穩定性最小化。透鏡組件30優選地用於不僅準直由二極體雷射器20'所提供的頂光，而且將光再聚焦到非線性光學晶體70'的晶體波導中。透鏡組件30被放置成提供約為1 1的放大率M。優選地，透鏡組件被放置成以放大率M將二極體波導20' A的輸出面成像在晶體波導70' A的輸入面上，其中0.9彡|M|彡1. 1。更優選地，0.95彡|M| ( 1.05。優選地， 透鏡組件30具有約0. 35至約0. 6的數值孔徑NA、Imm至3mm的焦距f、0. 3mm至3mm的前工作距離FWD以及0. 5mm至3mm的後工作距離BWD。FWD是沿光軸從光源20至透鏡組件30 的前表面Sl( S卩，面向光源的透鏡表面)的距離。BWD是從透鏡組件30的後表面S2至反射器50的距離。優選地，反射器50位於透鏡組件30的後焦平面中，使得當光源20的平均發射角的方向(光束矩心)與接收器70上的平均光束角平行時(S卩，它與由非線性光學晶體 70'的輸入面攔截的會聚光錐的矩心平行)達到最優光耦合。優選地，如果光源20提供具有最大半角Θ的發散光束，反射器50位於透鏡組件 30的後焦平面上，使得光源的平均發射角的方向平行於接收器上的平均光束角。優選地，當偏心光源位於透鏡組件的焦平面中且離軸高達750 μ m時，透鏡組件30被構造成提供準直光束，使得準直束為角度 』(相對於反射器表面的法線)，使得0.05RADS Θ' S0.2RAD。示例性透鏡組件30被構造成在接收器上提供光源的像，所述像通過如下來表徵 (i)當透鏡組件的光軸相對於雷射系統的軸(兩個波導的(面)之間的中線)或相對於光源的平均發射角(光束矩心)無失準時，象散大於0. 05波RMS且小於0. 1波RMS ；以及 ( )當透鏡組件相對於光源的平均發射角傾斜2至6度時，對於2至6度的傾斜角，象散小於0. 05。因此，有利地是，即使在雷射系統10的組裝期間透鏡組件30未對準(例如，稍微傾斜或偏心)，在接收器70上的RMS波前誤差彡0.1 λ，其中λ是由光源20提供的中心波長。注意，象散可由以下形成(i)透鏡組件中的楔形，或(ii)透鏡組件的表面之一相對於另一個表面的偏心，或(iii)表面之一相對於另一個表面傾斜。本文所述的實施例的透鏡組件30優選地被優化成允許二極體波導20' A和晶體波導70' A之間的相對較寬的空氣間隙AG，且具有最小的耦合損失。即，即使二極體波導 20' A的輸出面和晶體波導70' A的輸入面被隔開相對較大的距離d，透鏡組件30也保持高耦合效率。因為光路是摺疊的，且僅使用單個透鏡組件30，所以物(二極體波導20' A 的輸出面)和像(位於晶體波導70' A的輸入面處)均被設置為偏離透鏡組件的光軸。如上所述，透鏡組件30優選地被設計成具有低象散(例如，在0. 01 λ和0. 1 λ之間，其中λ 是二極體雷射器20'所提供的波長)，以便針對離軸放置的波導20' A、70' A在像平面處提供最小束斑扭曲。在圖9中示出耦合效率(CE)相對於LD-SHG垂直距離的比較，其可利用各種可購得的透鏡組件來實現。第一示例性透鏡組件(透鏡#1)具有比第二示例性組件(透鏡#2)更低的象散，從而導致對波導間隔的容限較大。還針對分別為2mm和3mm的兩個不同的透鏡到反射鏡距離(BWD)計算了第一透鏡組件的耦合曲線。另外，短焦距透鏡組件30是優選的，以便使雷射系統的長度最小化。(反射鏡50 同兩個波導70' A和20' A之間的距離約為兩個焦距。)而且，短焦距透鏡組件30將比較長焦距透鏡組件具有的隨溫度的散焦更少。作為第一步近似，通過下式估計由溫度所引起的透鏡組件30折射率的變化所導致的透鏡焦距f的變化
Γ n df dn f— ----—
dT dT n-l其中f是焦距，η是透鏡材料的標稱折射率，以及dn/dT是折射率隨溫度的變化。 因此，焦距較短的透鏡組件將提供焦點位置的較小移動(較小的df/dT)。因此，焦距f優選地小於5mm，更優選地Imm彡f彡3mm,以及最優選地Imm彡f彡2mm。最後，選擇具有低 dn/dT值的透鏡材料是優選的。儘管透鏡組件30和反射鏡50之間的近似間距(即，後工作距離BWD)約為一個焦距，但是對BWD的準確選擇受若干其它因素影響。第一個因素是來自二極體雷射器20'的雷射束的發射角(光束22的平均發射角，或光束矩心的角度)。如果二極體波導20' A具有不平的裂縫，那麼所發射的光可被容易地向上或向下偏離ζ軸幾度地發射。這意味著最優BWD將略微不同於一個焦距，這使得反射光束以最佳角度(例如，垂直於晶體波導70' A 的輸入面)進入二極體波導20' A的輸入面。這在例如圖IOA中示出。然而，光學系統中這種從對稱的偏離造成了對兩個波導70' A、20' A的放置的對準容限的緊縮，並且造成了透鏡組件30的定位容限的緊縮。如果雷射束22的發射角相反平行於光軸，則雷射系統將保持對稱且將是遠心的(圖10B)，從而導致兩個波導70' A、20' A的放置的較寬鬆容限。 因此，物理地安裝二極體雷射器20'使得所發射的頂束22平行於透鏡組件30的透鏡光軸是有利地。這可通過以角度θ來安裝二極體雷射器20'來完成，如圖11所示。在該實施例中，安裝角θ =3.3°且覆層為200 μ m厚。該設計同時通過確保對晶體波導70' A的輸入面的適當入射角來增大耦合光的量，並且通過使其遠心來放寬光學系統的對準容限。選擇BWD時的第二個因素是將在二極體雷射器的輸出面和晶體波導70' A的輸入面之間形成的腔的光程長度設置為等於二極體波導本身的光程長度。腔的模間隔由晶體自身的背反射形成。非線性轉換過程的效率是頂雷射波長(帶寬Δ λ在0.2nm的量級上) 的敏感函數。這使得雷射系統的綠光輸出功率對二極體雷射器20'所提供的頂光的小波長變化敏感。因為二極體雷射器甚至對微小的反饋量都非常敏感，所以晶體波導70' A的輸入面被塗敷抗反射膜且角度分開(angle cleaved)，以使反射最小化進而使進入到二極體雷射器20'的反饋最小化。即便如此，仍會有足夠的反射和背向散射影響到二極體雷射器20'的模式選擇。如果該反饋隨時間變化、通過由雷射系統10的任何光學組件所形成的腔的熱變化而變化、或者隨其它環境變化而變化，那麼二極體雷射器20'可能會經歷模式跳變，並且雷射系統的輸出功率(綠光輸出功率)將波動。使這些變化的影響最小化的一種方法是確保外腔(由二極體波導20' A的輸出面和晶體波導70' A的輸入面形成)的自由光譜範圍與二極體雷射器自身的大致相同。光學腔的模間隔或光譜範圍由下式確定AZFSR =^-
InL
其中，λ是雷射波長(例如，二極體雷射器的頂波長)且L是(例如，二極體波導的)光學腔長度，以及η是腔內(例如，由二極體雷射器20'形成的二極體雷射器的腔內) 的折射率。例如，3mm長InGaAs紅外二極體雷射器20 『的模間隔約為0. 06nm。這意味著在該示例中晶體波導70' A的輸入面和二極體波導20' A的輸出面之間的所需OPL可通過使用焦距f約為1. 5mm的透鏡組件30來實現。圖12示出兩個不同示例性透鏡組件的作為BWD (透鏡到反射鏡的間隔或距離)的函數的在二極體波導20' A和晶體波導70' A之間的光程長度。期望光程長度是9. 36mm， 這與二極體雷射器20'的腔模間隔相匹配。圖13示出同樣的兩個示例透鏡組件的作為BWD 的函數的耦合效率。如圖13所示，產生最優光程長度只需要稍微調節BWD離開最優耦合距離(幾百微米或更少)。例如，圖13示出提供OPL = 9. 36mm的間隔。示例本發明通過以下示例將更清楚。示例 1圖14示出圖11所示的透鏡組件30。在該示例性實施例中，圖2和3的透鏡組件 30被優化成提供在0. 4的數值孔徑NA上，對於在1060nm波長下士200 μ m場的小於0. 1 λ 的RMS (均方根)波前誤差(WFE)，並且被優化成具有焦距和厚度的組合使得光源和接收器之間的光程長度為9. 36mm。透鏡組件30的曲率半徑(r1; r2)、厚度Th(頂點至頂點)以及非球面係數被選擇成具有以下優勢1.使彗形象差和象散最小化，(對於系統性能的兩個最嚴重的象差)；2.獲得大的視場低場象差與大孔徑(例如，NA = 0. 4)組合，使得雷射系統對於二極體雷射器20'的波導部分和非線性光學晶體70'的波導部分之間400 μ m(d = 350 μ m, 士 25μπι)的間隔具有良好的耦合效率；以及3.提供焦距和厚度的適當組合以允許雷射系統10工作在耦合腔狀態，使得二極體雷射器20'的輸出面和非線性光學晶體70'(例如，二次諧波發生(SHG)晶體)的輸入面之間形成的腔具有與二極體雷射器腔相同的光程長度。如上所述，透鏡組件30具有前表面Sl和後表面S2。優選地，前表面Sl是以曲率半徑Α凸起和非球面的。優選地，後表面是以曲率半徑巧凸起和非球面的，使得Ir1I >r2。圖14的透鏡組件30具有以下特徵(I)它允許雷射系統處於耦合腔狀態(二極體雷射器和非線性光學晶體之間的OPL等於二極體雷射器的0PL，誤差在+/-0· 05mm內):0PL = (0. 9mm+1. 744mm xl. 5+1. 18mm) χ 2 = 9. 39mm ；以及(II)具有如下參數(i)FWD = 0. 90mm ;(ii)厚度 T (頂點到頂點)為1. 74mm ； (iii)焦距f = 1. 76mm ； (iv)在1060nm下的玻璃折射率N為1. 5 ； (ν)前表面Sl的有效直徑是1. 4mm ； (ν)後表面S2的有效直徑是2mm ； (vi)NA = 0.61 ； (vii) 透鏡組件的外直徑為2. 5mm至3mm。表面si和s2的表面垂度由以下式給出
2ζ =——ι CXr -= + lxr2 + 2xr4 +a3xr6 +a4xr8 +...
其中c是曲率半徑，r是距透鏡組件的中心的徑向距離，且k =圓錐係數。圖14的透鏡組件30的表面參數在以下的表1中給出。表 權利要求
1.一種具有光軸的摺疊式雷射系統，所述雷射系統包括(I)相干光源；(II)反射器；以及(III)位於所述光源和所述反射器之間的透鏡組件；(IV)非線性光學晶體，其中所述光源和所述非線性光學晶體由距離d> 50 μ m和空氣間隙隔開；其中(a)所述透鏡組件被定位成當攔截來自所述光源的光時提供準直光束，使得所述準直光束與所述光軸成角度Θ 『，(b)所述反射器被放置成攔截所述準直光束並將所述準直光束通過透鏡反射到所述非線性光學晶體；以及(c)所述透鏡組件被構造成在所述非線性光學晶體上提供所述相干光源的像。
2.一種具有光軸的摺疊式雷射系統，所述雷射系統包括(I)相干光源；(II)反射器；以及(III)位於所述光源和所述反射器之間的透鏡組件；(IV)非線性光學晶體，其中所述光源和所述非線性光學晶體被放置成相對於所述光軸基本上對稱並且由距離d > 50 μ m和空氣間隙隔開；其中(a)所述透鏡組件被定位成當攔截來自所述光源的光時提供準直光束，使得所述準直光束與所述光軸成角度Θ 『，(b)所述反射器被放置成攔截所述準直光束並將所述準直光束通過透鏡反射到所述非線性光學晶體；以及(c)所述透鏡組件被構造成在所述非線性光學晶體上提供所述相干光源的像。
3.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述相干光源是二極體雷射器，並且所述非線性光學晶體和所述二極體雷射器相對於彼此傾斜。
4.如權利要求1所述的雷射系統，其特徵在於，所述非線性晶體在所述二極體上方以懸臂式延伸。
5.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述相干光源是二極體雷射器，且所述非線性晶體是通過利用所述晶體的離所述二極體雷射器最遠的面來固定的。
6.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，d< 1500 μ m。
7.如權利要求6所述的雷射系統，其特徵在於，d^ 500 μ m。
8.如權利要求7所述的雷射系統，其特徵在於，150ym^d^ 500μ m。
9.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述雷射系統由大於0.05波RMS且小於0. 1波RMS的象散來表徵。
10.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述反射器位於所述透鏡組件的焦平面中，使得所述光源的平均發射角的方向平行於接收器上的平均光束角。
11.如權利要求1所述的雷射系統，其特徵在於，所述透鏡組件被放置成以放大率M成像，且 0.9 彡 M ( 1. 1。
12.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述光源是二極體雷射器，並且從接收器到所述二極體雷射器的OPD基本上等於所述二極體雷射器內部的0PD。
13.如權利要求12所述的雷射系統，其特徵在於，光程距離OPD小於10mm。
14.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述透鏡組件是雙-非球面單體(bi-aspheric singlet)，其數值孔徑 NA 為 0. 35 至 0. 6，焦距 f :1mm ^ f ^ 3mm。
15.如權利要求1所述的雷射系統，其特徵在於，前工作距離FWD是0.3mm至3mm。
16.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，後工作距離BWD是1.5mm至3mm。
17.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，來自所述光源的光在其到達所述接收器之前兩次通過所述透鏡組件。
18.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於(a)所述透鏡組件被定位成當攔截來自所述光源的光時提供準直光束；以及(b)所述反射器被放置成攔截所述準直光束並將所述準直光束通過透鏡反射到所述非線性光學晶體；以及當所述光源位於所述透鏡的焦平面中且離所述透鏡組件的光軸的偏心距離d』 < 750 μ m時，使得所述準直光束與所述光軸成角度 』，其中角度Θ』為 0. 05RAD 彡 θ 『彡 0. 2RAD。
19.如權利要求18所述的雷射系統，其特徵在於，所述角度Θ『是 0. 09RAD ^ Θ 『彡 0. 17RAD。
20.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述透鏡組件具有(a)前表面和後表面，所述前表面是以曲率半徑!^凸起和非球面的，所述後表面是以曲率半徑巧凸起和非球面的，使得Ir1I > Ir2 ；(b)NA為 0. 35 至 0.5 ；以及(c)焦距為Imm至3mm。
21.如權利要求2所述的雷射系統，其特徵在於，所述反射器位於所述透鏡組件的像焦平面中，使得所述光源的平均發射角的方向平行於接收器上的平均光束角。
22.如權利要求1所述的雷射系統，其特徵在於，所述二極體雷射器以補償所述二極體的分開角的角度安裝，使得來自所述二極體雷射器的發射光束的矩心平行於所述透鏡組件的光軸的矩心。
全文摘要
一種具有光軸的摺疊式雷射系統，該雷射系統包括(I)相干光源；(II)反射器；(III)位於光源和反射器之間的透鏡組件；以及(IV)非線性光學晶體，其中光源和非線性光學晶體由距離d＞50μm隔開。透鏡組件被定位成當攔截來自光源的光時提供準直光束，使得準直光束與光軸成角度Θ′，反射器被放置成攔截準直光束並將準直光束通過透鏡反射到非線性光學晶體；以及透鏡組件被構造成在非線性光學晶體上提供像。
文檔編號H01S3/081GK102422494SQ201080019501
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月29日 優先權日2009年4月30日
發明者E·阿爾莫裡克, G·A·皮爾馳, J·高裡爾, L·C·小休格斯 申請人:康寧股份有限公司