對多束光進行光轉換的器件的製作方法
2023-11-10 11:17:57
專利名稱：對多束光進行光轉換的器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學系統，尤其涉及那些將諸如雷射器陣列發出的光束陣列轉換成單束光輻射的光學器件。
背景技術：
相干光輻射或雷射在通信、醫療、研究、成象以及其他許多技術領域中廣泛使用。在這些應用中，為了進行放大或後續的雷射器作用，可將雷射輻射用作或直接用作中間抽運源。當應用所需的功率較小，如幾毫瓦數量級左右，並且光束質量並不最受重視時，就會廣泛使用雷射二極體，因為它們可直接調製，並且大小合適，光束質量也可以接受。當所需功率適中，如一瓦數量級左右並具有高質量光束(例如衍射限光點)時，便使用帶固態抽運源的光纖雷射器。對於需使用幾瓦功率的高功率應用，例如某些列印應用，則將雷射二極體陣列用作與特殊光纖增益結構耦合的抽運源。對於十瓦或更高的功率需求，可使共振腔能發射幾種模式的高功率雷射二極體陣列與這種特殊的增益光纖耦合。但是，必須注意，如果要獲得最大功率收益，則要確保有效的耦合功率。由於單模纖芯較小，只有10微米或更小，並且一般的材料會限制光纖數值孔徑(NA)的大小，因此事實上不可能通過端射耦合技術有效地將多模雷射器陣列的能量直接耦合到單模增益纖芯中。
如上所述，通過合併雷射二極體陣列發射共振腔的輸出便能獲得高功率的雷射。但是，若用這種方式合併獨立輸出，則很難保存亮度，並很難使功率損耗保持最低。
由於源的幾何特性和數值孔徑與接收光纖不匹配，所以多雷射源的總輸出不能被有效耦合到一根光纖中，這便產生了難題。如
圖1所示，典型的多雷射源可以是一根雷射棒10。雷射輻射從分布著多個雷射腔的發光面11發出。在該例中，發光面11包括一雷射二極體12，它與相鄰的雷射二極體13相隔一段陣列間距16。雷射二極體12發光面輸出的形狀一般為窄長的矩形，並且其長度方向與雷射棒的軸14平行。
為了便於說明，用一組雷射束uvw-坐標軸19來描述雷射二極體發出的輻射光束的傳播特性。w軸的方向垂直於發光面11，並與輻射光束的傳播方向一致。坐標系19隨每一光束運動，即當光束旋轉時，坐標系繞w軸轉動，並且當光束傳播方向改變時，坐標系也改變方向。雷射二極體12發出雷射束20，而雷射二極體13發出雷射束21，等等。
橢圓形表示出射雷射束20和21的輻射分布，它們都有一個與雷射棒軸14平行的v分量，和一個與雷射棒軸14垂直的u分量。圖2提供了雷射束髮散的數值表示，當雷射束沿w方向傳播時，每個雷射束在u方向上的發散角θu都比v方向上的發散角θv要大。被測含有95％光功率的NA值一般對於NAu為0.30至0.70(17°至40°)，而對於NAv為0.10至0.35(6°至20°)。在將這些雷射束引入一根光纖之前，需用一耦合器件將輻射光重新形成一種與光纖的幾何形狀和NA值更相適應的更合適的形狀。
頒發給Scifres等人的美國專利第4,763,975號中揭示了一種這樣的光耦合器。圖3示出了一光學系統30，它利用多根光纖波導34將多個雷射源32的輸出用物理方法合併。每根波導36都有一個扁平的輸入端36，可使雷射源32發出的光更有效地與光纖34耦合。然後，光纖34在其輸出端38聚積，從而聚積射出細長形有所改善的重疊光束，該光束由光纖輸出端38各自射出的光束40組成。可用透鏡44或其他光學裝置將波導堆42射出的疊合光束耦合到固態雷射器46的共振腔模式體(cavity mode volume)中。
頒發給Po等人的美國專利第5,268,978號揭示了一種類似於光學系統30的光學耦合系統，在該系統中光纖波導在其長度方向上的截面積為矩形。用一定位塊將各波導定位在其輸入端，並用一透鏡將另一聚積端的總輸出縮倍並成象到光纖的內包層中。
可以理解，這些利用光纖波導束來合併雷射陣列輸出的方法要求將每根光纖相對每雷射源的輸出孔徑精確定位，並由於耦合光纖時有吸收從而引入了一些附加的損耗。若在任何波導端部與相應雷射源之間發生物理上的未對準，則波導堆傳遞給固態雷射器的總功率便會相應降低。
將兩個光分量的「範圍積(etendu)」值進行數值比較，便可測出這兩個分量之間的耦合不匹配。某分量的範圍積是指射入或射出該分量之輻射的角度範圍與空間範圍的數學乘積
為了說明，假設雷射棒10在1.00釐米長、0.1毫米寬的表面上有二十個雷射二極體組成的線性陣列。如果雷射二極體12和13在u方向為一微米，在v方向為175微米，並且中心至中心的陣列間距16為485微米，則如圖1所示，NAu25約為0.55(31.5°)，而NAv27約為0.12(6.9°)。
對於雷射二極體12，u分量的範圍積數值為1微米×0.55NA，即0.55微米-NA，而v分量的範圍積數值為175微米×0.12NA，即21微米-NA。對於雷射棒10，u分量的範圍積數值也是0.55微米-NA。但雷射棒10的v分量範圍積為1,200微米-NA，大於u分量範圍積的兩千倍。與之相比，光纖內包層的NA可取0.47，大小為120微米×360微米。這就產生56微米-NA×169微米-NA的範圍積。由於雷射棒的v分量範圍積大於光纖所提供的最大範圍積，所以直接將雷射棒與光纖耦合的效果不佳。
即使變形成象系統在兩個正交方向上具有不同的空間放大率，單使用變形成象系統也不能校正這種不匹配。任何能夠減小雷射二極體陣列與光纖之間範圍積不匹配的實用成象系統必須完成更加複雜的再形成任務，例如在成象系統對光束進行光學校正之前將二極體發射的每束光束旋轉90°。
頒發給Endriz的美國專利第5,168,401號揭示了一種用於對多個雷射源的輸出進行重新成象的稜鏡-透鏡陣列結構。參考專利的圖13提供了該稜鏡-透鏡陣列結構的透視圖，這裡為清楚說明並進行分析，對其略作修改，呈現在圖4中。如圖所示，稜鏡-透鏡器件50可以與雷射棒10相結合。xyz坐標系49用來幫助討論稜鏡-透鏡器件50。
圖中雷射棒10的方向使雷射棒的軸14與x軸平行，而雷射束20和21沿z方向傳播。注意，當雷射束20和21從雷射棒10中射出時，其u分量相互平行排列，並且其v分量是共線的。在光學系統工作期間，雷射束20和21通過稜鏡-透鏡器件50的前表面52射入稜鏡-透鏡器件50。
雷射束21入射到與其傳播方向成一夾角的第一反射面54上。在本例中，第一反射面54與x-y平面和y-z平面都成45°角。這使反射後的雷射束21a又入射到與雷射束21a的傳播方向成一夾角的第二反射面56上。在本例中，第二反射面56與y-z平面和x-z平面都成45°角。這使旋轉後的雷射束21b穿進小透鏡58。小透鏡58隻在x-y平面內有曲率，其作用是將經旋轉的光束21b準直在x-y平面內。
按類似的順序，雷射束20入射到與x-y平面和y-z平面都成45°角第一反射面53上。產生反射雷射束20a後，再入射到與y-z平面和x-z平面都成45°角的第二反射面55上。產生的旋轉雷射束20b穿進小透鏡57。經旋轉的雷射束20b從小透鏡57中射出後，其u分量與經旋轉的雷射束21b的u分量共線，而其v分量與經旋轉的雷射束21b的v分量平行排列。用這種方式，稜鏡-透鏡器件50使雷射束20和21相對於其各自的傳播軸旋轉了90°，這與用兩個反射鏡反射雷射束的結構一樣，並且稜鏡-透鏡器件50將其沿一個方向準直。
在Endriz揭示的第二實施例中，如圖5A和圖5b所示，將第一反射鏡62和第二反射鏡64形成一個單體器件60。單體器件60以類似於上述稜鏡-透鏡器件50的方式變換多個雷射源的射出。限制在雷射器共振腔66內的入射雷射束20入射到第一反射鏡62上。在本例中，用一組雷射束uvw坐標19』中的w軸表示的雷射束20』的傳播方向與實施例xyz坐標系69中的z軸一致。圖中所示的第一反射面62與x-y平面和y-z平面都成45°。所產生的反射雷射束20a』沿x方向傳播，入射到第二反射面64上。圖中所示的第二反射面64與x-z平面和y-z平面都成45°。再產生沿y方向傳播的經旋轉的雷射束20b』，然後如圖5B所示，穿過微透鏡68。由此可見，以類似於圖4中稜鏡-透鏡器件50使雷射束旋轉的方式，已將經旋轉的雷射束20b』相對雷射束的傳播方向旋轉了90°。
參考專利指出，用精確對準技術可以安裝稜鏡-透鏡器件50，而用離子研磨和其他更複雜的技術可以製造單體器件60中的反射鏡。可以看到，上述實施例因其多平面的特性需要複雜的製造方法和精確的對準。因此，需要提供一種雷射系統，在該系統中，用來再形成多雷射源輸出的光耦合器比現有器件更易製造和使用。並且本發明的主要目的就是提供這樣一種耦合器。
本發明的另一個目的是，提供一種能簡化並有效地將多雷射源的輸出合併成一束高功率雷射束的光耦合器。
本發明的再一個目的是，提供一種無需複雜的製造過程便能形成的光耦合器。
本發明的又一個目的是，提供一種可將輸出光束有效耦合到光纖纖芯中的光耦合器。
本發明的另一個目的是，提供一種可改變多光束的易於製造的光學器件。
本發明的其他目的，一部分將在後文中出現，一部分將在結合附圖閱讀以下詳細描述時就會了解清楚。
發明內容
將特殊結構、容易製造的多平面與其他元件連用以合併光束陣列的輸出，致使其合併能量被有效地引入一增益結構中。在本創造性器件中，將雷射器陣列射出的光束沿一個軸準直，並用一光耦合器間將光束合併成一束光輻射，其中光耦合器由一個光旋轉器以及一個對單個旋轉的雷射束進行準直並聚焦的光學系統組成。光束旋轉器包括一個表面具有多個相鄰平行凹槽的平麵條，一個凹槽對應一束雷射。每個凹槽包括兩個反射面，所形成的二面角具有兩反射面公共的頂稜。可對反射面塗覆，以便為雷射束提供較高的反射率。頂稜相對其相應雷射束的傳播方向確定了一視線角，致使雷射束在經過相應頂稜之反射面的兩次連續反射後，繞其傳播方向旋轉。在另一實施例中，用一種光透明旋轉器旋轉每束雷射。光透明旋轉器提供了許多構成旋轉器和周圍介質之間界面的內部反射表面，其中周圍介質的折射率比構成光透明旋轉器的材料的折射率要小。內部反射表面形成一凹陷的反射對(concave reflecting pair)，該二面角具有兩個表面公用的頂稜。頂稜相對其相應雷射束的傳播方向確定了一視線角，致使雷射束在經過相應頂稜之凹陷反射對的兩次連續反射後，繞其傳播方向旋轉。
附圖概述這裡將特別敘述被視作本發明的特徵的新穎特點。當結合附圖閱讀以下實施例的描述時，將更好地理解本發明的工作機理和方法，及其其他目的和優點，其中圖1是現有雷射棒前發光面的示意圖，多個雷射二極體沿雷射棒的軸排成陣列；
圖2是兩張曲線圖，示出了圖1雷射棒中每個雷射二極體的光功率發散度，提供了與雷射棒的軸平行的發散度(θu)，以及與雷射棒的軸垂直的發散度(θv)；圖3是現有技術的光學系統的側視圖，其中多根光纖波導接收來自二極體雷射陣列的光，並將光傳輸到輸出端；圖4是現有技術的光學系統中一種稜鏡結構的透視圖，其中稜鏡結構具有微透鏡陣列，可使多個雷射源重新成象；圖5A和5B分別是雷射器和反射元件整體化的現有技術的雷射器陣列系統的頂視圖和側視圖，可用於變換多個雷射源；圖6是依照本發明的光學系統的透視圖，示出了雷射棒、光束準直器、光束旋轉器、聚焦透鏡和光纖；圖7是圖6中雷射棒發光面的正視圖；圖8是圖6中光學系統的部分透視圖，示出了光束旋轉器對雷射棒發出的各個雷射源進行再形成；圖9是圖8中的光束旋轉器已對雷射束進行了光束再形成後，圖6中雷射棒發出的一對雷射束之分布圖形的示意圖；圖10是雷射束進入圖6中聚焦鏡片後圖6中雷射棒發出的一對雷射束之分布圖形的示意圖；圖11是雷射束射出圖6中聚焦鏡片之前圖6中雷射棒發出的一對雷射束之分布圖形的示意圖；圖12是圖6光學系統另一實施例的部分詳細透視圖，該圖示出了整體化的光束準直和旋轉器件；圖13是圖8中光束旋轉器件另一實施例的透視圖，旋轉器件包括一條單晶襯底，襯底的一個表面上腐蝕有一凹槽陣列；圖14是圖8中光束旋轉器件又一實施例的透視圖，旋轉器件包括多個疊合板，每塊疊合板都有一個成角度的或楔形端；以及圖15是圖8中光束旋轉器件又一實施例的透視圖，旋轉器件包括多個疊合板，每塊疊合板都有一個成角度的或楔形端。
本發明的較佳實施例現參照圖6，圖中示出了依照本發明的高功率雷射系統100。雷射系統100由三個主要部件組成輻射源110，具有單模纖芯的光纖170，以及用於將源110發出的輻射引導到光纖170中的耦合裝置102。輻射源由多個雷射器輻射源組成，總的輸出功率約為20瓦，該輻射被轉換成具有良好性能TEM0，0的高密度輻射單一輸出，一般該輸出在光纖170輸出端的功率為17瓦。此結構可使雷射系統100用於列印和其他成象應用。
以下將參照一組雷射系統的xyz坐標149說明高功率雷射系統100的功能和相對位置。
較佳的輻射源是一個雷射棒110，它由一雷射二極體陣列構成。市場上可買到的合適的雷射棒可以是加州San Jose市SDL股份有限公司所銷售的型號。雷射棒110具有一個發光面112，發光面112含有許多由一雷射二極體線性陣列產生的發光小平面，如圖7所示，雷射二極體線性陣列沿雷射棒的軸116分布。雷射棒的軸116的方向平行於xyz坐標系149的x軸，而發光面112的方向則平行於x-z平面。線性陣列中的每個雷射二極體例如雷射二極體114，都具有175微米×1微米的發光面。陣列間距例如雷射二極體114與相鄰雷射二極體115之間中心至中心的間距118，約為485微米。
使用一組雷射束uvw坐標119將便於討論雷射束的傳播。陣列中任何雷射二極體的傳播方向都與uvw坐標系119中w軸一致。坐標系119隨每束光束運動，即當光束旋轉時坐標系繞w軸旋轉，而當光束傳播方向改變時坐標系也改變方向。光束陣列中每束雷射在u-w平面內的NA約為0.55(33.4°)，在v-w平面內的NA約為0.12(6.9°)。例如，圖中雷射二極體114發出雷射束180，雷射束由一橢圓表示，它具有v分量182和u分量184。這些射出的雷射束最初沿雷射系統坐標系149的y方向負方向傳播，並射入雷射系統100的耦合裝置102，在耦合裝置102中雷射束被重新形成。以下將對雷射二極體114發出的雷射束180描述再形成過程，再形成過程對雷射陣列中每束雷射都是相同的。
如圖6所示，雷射束180首先被引入柱面透鏡120，該柱面透鏡將雷射束沿第一方位準直，即使其處於u-w平面內。透鏡120在y-z平面內具有一圓形曲率，其作用是將雷射束180準直在y-z平面內，以產生橫向準直的雷射束180a。當雷射束180穿過透鏡120時，其在y-z平面內的發散減小，並且當光束繼續通過雷射系統100傳播時繼續減小。如果需要，透鏡120還可以採用雙曲線形或其他非圓形的表面。普通的非圓形準直透鏡會把較少的像差引入橫向準直的雷射束180a，但這種透鏡的定位公差則比圓形透鏡的公差更嚴格。從透鏡120中射出的雷射束180a已被準直在u-w平面內，但雷射束仍繼續向第二方位發散，即在v-w平面內發散。
接著，用一光束旋轉器130將橫向準直的雷射束180a沿其傳播軸旋轉90°。雷射束180a經過光束旋轉器130上反射面的兩次相繼反射，產生經旋轉的雷射束180c。經過光束旋轉器130之後，經旋轉的雷射束180c繼續沿v方向發散，但在u方向上保持準直。
然後，經旋轉的雷射束180c通過一柱面轉向(steering)透鏡140，該柱面轉向透鏡的作用是，將經旋轉的雷射束180c會聚成會聚雷射束180d。轉向透鏡140還能將經旋轉雷射束的整個陣列會聚在x-z平面內。注意，儘管透鏡140使雷射束陣列向z軸橫向彎曲，但每束單獨的雷射都繼續在第二方位上發散。
用第二柱面準直透鏡150可使會聚雷射束180d停止在第二方位平面內的發散。雷射束180d經過透鏡150，產生準直雷射束180e。由於先前通過了轉向透鏡140，所以包含準直雷射束180e的準直雷射束陣列繼續在x-z平面內會聚。
聚焦透鏡160能將經第二準直透鏡150準直的包含準直雷射束180e的雷射束陣列轉變成位於光纖170之波導172處的聚焦光束。聚焦光束190在x-z平面內的大小約為360微米，NA為0.47(28°)，在y-z平面內的大小約為120微米，NA為0.47(28°)。光纖170可以是光放大器或光纖雷射器的一部分。
用準直透鏡120對雷射束準直如圖8所示，雷射二極體114最初沿uvw坐標系119中w軸方向發射雷射束180。雷射束180的空間分布用一橢圓表示。光束在v-w平面內的發散度用v分量182的變換表示，而光束在u-w平面內的發散度用u分量184的變換表示。同樣，雷射二極體115發出的雷射束181也用橢圓表示，光束在v-w平面和u-w平面內的發散度分別用分量183和185表示。如果用如上規定的175微米×1微米的發光區尺寸，雷射束180和181都將發生發散，其NA在v-w平面約內為0.12(6.90°)，而在u-w平面內約為0.55(33.4°)。
第一準直透鏡120是一個柱面透鏡，位置平行於雷射棒110，並且長度與雷射棒110大致相等。如下所述，透鏡120焦距的選擇應能產生最大的準直光束，但仍能使該光束通過光束旋轉器130之幾何形狀所設置的孔徑限制，以免對光加以限制。在一較佳實施例中，第一準直透鏡120具有柱面122，其焦距為213微米。圖中用「A」的大小表示從柱面122至發光面112的距離，該距離的選擇使雷射束180和181在柱面122上u-w平面內的大小約為234微米。因此，透鏡120的寬度最小為234微米寬，以便能基本截斷到光束陣列發出的所有輻射。
雷射束180通過第一準直透鏡120之後成為橫向準直的雷射束180a。由於存在許多因素(例如，表面122產生的球差，雷射二極體114在u方向上的定位公差，以及因第一準直透鏡120的有限寬度而產生的衍射效應)，所以雷射束180a繼續在第一方位上即u-w平面內發生某種程度的擴散，但擴散量較小，NA約0.002(0.11°)，因此當給定系統的其他幾何尺寸時，該擴散量可以忽略。橫向準直雷射束180繼續在v-w平面內發散，此發散度由v分量182a表示，圖中表示v分量182a比v分量182長。比較之下，u分量184a的長度相對u分量184保持不變，這表示光束180a基本上在第一方位上準直。同樣，雷射二極體115發出的雷射束181變成橫向準直雷射束181a，但具有擴展的v分量183a。
描述光束旋轉器130如圖8中更詳細的示出，光束旋轉器130由一個相連的V形凹槽陣列組成，這些凹槽例如凹槽131位於平麵條(planar strip)125的前表面128上。在x方向沿光束旋轉器130的凹槽間的間距與雷射器陣列沿雷射棒軸116的間距118相同。由此，光束旋轉器130為雷射棒110中的每個雷射器提供了一個凹槽。平麵條125的前表面128與xyz坐標系149中的x軸一致，以便光束旋轉器130可以接收雷射棒110發出的雷射束線性陣列。在本例中，雷射二極體114發出雷射束180，然後被凹槽131接收，而相鄰的凹槽135接收雷射束181。
凹槽131由第一反射面133和第二反射面134組成。反射面133和134彼此相對，並在公共交叉直線即頂稜132處相遇，形成的二面角Φ為60°。與凹槽131相鄰的是凹槽135，它由第三反射面137和第四反射面138組成，兩反射面在頂稜136處相遇。反射面133和138最好在交叉的公共直線處相遇，形成頂稜139。另一方面，可按需要將凹槽作得較淺。由於雷射棒110的結構規定了凹槽間的間距，所以如果使用較淺的凹槽也不能改變該間距。因此，當使用淺凹槽時，頂稜139就會形成多個平的窄條例如窄條128』，並包含一部分前表面128。
凹槽的取向都相同，這使相間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。為便於形成凹槽陣列，每個凹槽都從平麵條125的上緣延伸至下緣126。該結構允許用以下方法來構造平麵條，即在一平面襯底的表面形成凹槽，然後將在將平面襯底分成許多條。另外，所有反射面等寬，並且在形成後用眾所周知的方式進行塗覆，以便有效反射雷射二極體發出的輻射。
光束旋轉器130相對雷射棒110定向，使每個凹槽都能接收和旋轉入射雷射束。在該取向中，每個凹槽頂稜(例如凹槽131的頂稜132)在雷射系統xyz坐標系149的x-y平面內的投影為45°，在y-z平面內的投影為135°。該取向使雷射束傳播方向w軸與接收該雷射束的凹槽頂稜之間的視線角(aspect angle)ψ為54.7°。
因為合併時各雷射束不會發生相干的相互作用，所以要注意避免相鄰雷射束之間的光耦合。為了確保不發生這種光耦合，光束旋轉器130的定位應將每束雷射限制在一個單獨的凹槽中。這要求放置光束旋轉器130的位置與雷射棒110足夠近，從而確保雷射束擴展的輻射圖形不會落到其需要凹槽之外。對於雷射器陣列間距118為485微米的情況，光束旋轉器130上沿x方向凹槽間的有效間距也是485微米。對於凹槽二面角Φ為60°的情況，這使得凹槽壁的寬度約為396微米。該寬度要求將第一反射面133相對發光面112小心放置。橫向準直的雷射束180a的大小約為234微米，並應被396微米寬的反射面完全截斷。
光束旋轉器130的優點是，凹槽的平面陣列可用一切削工具在一合適的襯底表面上刻劃來形成，或者通過一主模具複製形成。應當注意，製造過程可能會在凹槽陣列中偶爾產生倒角132』或平面139』。為了避免這類不合格因素的影響，最好將光束旋轉器130定位在足夠靠近雷射棒110的地方，以便每束雷射覆蓋的寬度小於反射面的整個寬度。
用光束旋轉器130旋轉雷射束光束旋轉器130的結構和定位使其能夠獨立對每束入射雷射束反射兩次。例如，橫向準直的雷射束180a入射到光束旋轉器130的第一反射面133上，並反射形成一經反轉的雷射束180b。然後，經反轉雷射束180b入射到第二反射面134上，並反射形成一經旋轉的雷射束180c。由於經旋轉的雷射束180c已被準直在u-w平面內，所以與u分量184a相比，u分量184c的長度基本不變。比較之下，光束在v-w平面內繼續擴散，並且圖中顯示v分量182c已比v分量182a增加了長度。橫向準直的雷射束181a也遵循類似的過程，雷射束入射到第三反射面137上，並反射形成一經反轉的雷射束181b。經反轉的雷射束181b經第四反射面138反射，形成經旋轉的雷射束181c。
經過對雷射束的兩次相繼反射之後，兩束雷射180和181都相對其各自的傳播方向旋轉了90°。現在，經旋轉的雷射束180c的u分量184c與經旋轉的雷射束181c的u分量185c共線，而雷射束180的u分量184與雷射束181的u分量185平行。同樣，經旋轉的雷射束180c和181c各自的v分量182c和183c相互平行，相反，雷射束180和181各自的v分量182和183則是共線的。該旋轉過程作用於雷射棒110發出的每束雷射，從而使陣列化雷射束的u分量都共線。
光束旋轉器130的第二個作用是，將陣列化雷射束的傳播方向改變了90°。最初，每束雷射的傳播方向w軸是與雷射系統xyz坐標系149的y軸反向平行的。經過光束旋轉器130的反射後，雷射束uvw坐標系119c所示的經旋轉雷射束的w軸與雷射系統xyz坐標系149的z軸平行。
用轉向透鏡140會聚雷射束陣列光束旋轉器130將雷射束陣列再形成後，如圖6所示，用一轉向透鏡140將光束陣列會聚成更密集的陣列結構。轉向透鏡是一柱面透鏡，在x-z平面內有曲率，並且焦距長度約為10.4毫米。通過比較圖9和圖10，可以看到轉向透鏡對雷射束陣列的作用，其中圖9示出了入射透鏡140前相鄰的經旋轉雷射束180c和181c，而圖10示出了經過透鏡140之後相鄰的會聚雷射束180d和181d。
在圖9中，經旋轉雷射束180c和181c各自的u分量184c和185c長度約為240微米，而v分量182c和183c的長度約為320微米。經旋轉的雷射束180c和181c的中心至中心的間距約為485微米，該間距與圖8中陣列的間距118相同。
在圖10中，會聚雷射束180d和181d各自的u分量184d和185d的小心沒有增加，且長度保持在約240微米。儘管會聚雷射束180d和181d之光束間的間距因轉向透鏡140的會聚作用而減小，v分量182d和183d卻繼續擴散。
對雷射束陣列橫向準直和聚焦會聚雷射束180d和181d射入一對由第二準直透鏡150和聚焦透鏡160組成的標準無焦點的望遠鏡鏡片對。於是，第二準直透鏡150將雷射束準直在第二方位上。透鏡150是一柱面透鏡，它在y-z平面內有曲率，焦距長度約為4.7毫米。聚焦透鏡160是一柱面透鏡，也在y-z平面內有曲率，焦距長度約為2.35毫米。透鏡150和160的作用是，沿橫向或y軸準直雷射束，並使雷射束縮小0.5倍。
圖11示出了準直雷射束180e和181e的中心至中心間距是如何繼續減小致使單個光束開始相互重疊的。u分量184e和185e的長度保持約240微米。隨後，包含準直雷射束180e和181e的雷射束陣列穿過聚焦透鏡160，產生聚焦光束190。
聚焦光束190是一束密集的高功率雷射，將其定位入射到預定目標區例如光纖170的波導部分172上。光束190沿波導部分172傳播，在波導部分172中，光束被橫向耦合到光纖的增益纖芯174中。
其他實施例在另一實施例中，如圖12所示，將光束旋轉器130和準直透鏡120組合成一個整體的光束旋轉器230。整體的光束旋轉器230由諸如玻璃或塑料等光透明材料製成，並且包含一個柱面222，該柱面類似於上述實施例中橫向光束準直透鏡120，起準直雷射束280的作用。最好，所選的材料對紅外或近紅外波長非常透明，以免在光束旋轉器230中反射熱學效應。
相連的V形凹槽陣列，例如凹槽231和235，做成一個傾斜的表面226，該表面從整體光束旋轉器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種周圍介質之間的平面型界面構成的。由於光透明材料的折射率n2大於空氣(常用的周圍介質)的折射率n1，所以這些界面上會發生反射。
反射面233和234彼此相對，並在公共交叉直線即頂稜232處相遇。與凹槽231相鄰的是凹槽235，它由第三反射面237和第四反射面238組成，兩反射面在頂稜236處相遇。所有的反射面最好都是等寬度的。陣列中所有凹槽的取向都相同，以便相間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在交會的公共直線處相遇，形成一凹陷的反射對241，該反射對確定了頂稜239的二面角Φ2。雷射棒210從雷射二極體陣列214中發射出雷射束280。光束旋轉器230中每個反射對241的結構和定位都應能夠截斷並內部反射一束相應的入射雷射束280。光束旋轉器230的取向要使每個頂稜239在雷射系統xyz坐標系249的x-y平面內的投影為45°，在y-z平面內的投影為135°。該取向使雷射束280的傳播方向w軸與反射雷射束280的反射面238和233所共用的頂稜239之間的視線角ψ2為54.7°。當雷射束280通過整體光束旋轉器230後，雷射束旋轉了90°，以類似於上述旋轉雷射束180的方式產生了經旋轉的雷射束280c。
要注意避免相鄰雷射束之間的光耦合。利用對上述較佳實施例光束旋轉器130相同的分析，為了確保不發生這種光耦合，光束旋轉器230的定位應將每束雷射限制在一個單獨的反射對中。
表面凹槽的平面陣列可用一切削工具從整體光束旋轉器230的背面224經過傾斜表面226一直刻劃到前表面228為止來形成。另一種方法是，由塑料材料模壓出整體光束旋轉器。
在又一個實施例中，如圖13所示，將諸如矽或砷化鎵等單晶襯底製成的腐蝕晶片切成條，再用所得的條製作經腐蝕的光束旋轉器330。在切割條之前，先在晶片上腐蝕凹槽陣列331。通過使用適當的單晶襯底，用本領域中眾所周知的選擇性腐蝕方法形成凹槽陣列。對於矽，切條時應使凹槽頂稜332與經腐蝕光束旋轉器330中長稜327所形成的γ角約為48.6°。
經腐蝕凹槽的凹槽角依賴於被腐蝕襯底的晶格特性。例如，若給定一約525微米厚度的(100)方向的矽片，則製成第一反射面333位於(111)平面而第二反射面334位於(111)平面的凹槽。反射面333和334彼此相對，並在公共交叉直線即頂稜332處相遇，以形成約70.5°的二面角Φ3。另外，凹槽的取向平行於(011)參考平面中晶片的參考面。
在另一實施例中，是將多個一端被呈錐形或楔形的平面板疊合起來並切割形成帶凹槽的條。每個反射面都有一個這樣楔形板。圖14示出了一個疊合的光束旋轉器430，該光束旋轉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與板431成角度α1，而反射面434與板432成角度α2，從而板的疊合使凹槽435形成60°大小的二面角Φ4。
圖15示出了另一種包括一系列楔形板442的疊合的光束旋轉器440。反射面444與反射面445成角度α3，從而如圖所示板442的疊合使凹槽446形成60°大小的二面角Φ5。
儘管描述了本發明的較佳實施例，但不脫離本發明作各種變化和更改對於本領域的熟練技術人員而言是顯而易見的，並且所附權利要求的用詞將試圖與本發明實際精神和範圍所包含的那樣包括這些變化和更改。
權利要求
1.一種用於變換輸入光束陣列的光學設備，其特徵在於，所述設備包括一襯底，具有帶凹槽的表面，所述帶凹槽的表面包含多個相鄰的凹槽，凹槽至少與被變換的光束構成一對一的對應關係，所述每個凹槽由第一和第二反射面構成，這兩個反射面沿一公共頂稜相交並在其間形成二面角Φ，所述每個凹槽的所述頂稜相對於相應光束初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述第一反射面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到所述第二反射面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述第二反射面截斷所述第一表面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量。
2.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所述第一反射面沿公共頂稜與相鄰凹槽的所述第二反射面相交，以形成一反射對，所述反射對在所述兩個反射面之間確定了二面角Φ2。
3.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所有所述第一反射面都相互平行，並且所有所述第二反射面都相互平行。
4.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所述反射面的寬度基本相等。
5.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所述頂稜相互平行。
6.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所述二面角Φ約為60°。
7.如權利要求6所述的光學設備，其特徵在於，所述視線角ψ約為54.7°。
8.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，所述襯底包括一中單晶襯底。
9.如權利要求8所述的光學設備，其特徵在於，所述單晶襯底包含矽。
10.如權利要求9所述的光學設備，其特徵在於，所述二面角Φ約為70.5°。
11.如權利要求8所述的光學設備，其特徵在於，所述單晶襯底包含砷化鎵。
12.如權利要求1所述的光學設備，其特徵在於，對所述反射面塗層，以便為光束提供較高的反射率。
13.如權利要求2所述的光學設備，其特徵在於，所述襯底包含折射率n2＞n1的光透明材料，其中n1是周圍介質的折射率，從而在所述反射面上形成所述材料中的內反射。
14.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，所有所述第一反射面都相互平行，並且所有所述第二反射面都相互平行。
15.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，所述反射面的寬度基本相等。
16.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，所述頂稜相互平行。
17.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，所述二面角Φ2約為60°。
18.如權利要求17所述的光學設備，其特徵在於，所述視線角ψ約為54.7°。
19.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，所述材料由對紅外波長高度透明的玻璃構成。
20.如權利要求13所述的光學設備，其特徵在於，還包括一柱面，所述柱面位於所述帶凹槽表面區域的附近，從而當每束雷射穿過所述柱面後被準直在某一方位上。
21.一種用於變換輸入光束陣列的光學設備，其特徵在於，所述設備包括多塊平板，所述每塊平板具有一個從所述板面延伸至所述板邊緣的傾斜面，所述多塊板被疊合成一個線性陣列，以便對相間成對的所述板定位，使相應的傾斜面彼此相對，每對所述相對的傾斜面形成一凹陷的反射對，所述凹陷的反射對確定了二面角Φ，該二面角具有對所述反射對中兩個所述傾斜面共有的頂稜，每個所述反射對還具有與被變換光束一一對應的關係，所述每個反射對的所述頂稜相對於相應光束的初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述反射對中的一個所述傾斜面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到反射對中的另一所述傾斜面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述另一傾斜面則截斷所述一個傾斜面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量。
22.如權利要求21所述的光學設備，其特徵在於，所述二面角Φ約為60°。
23.一種將輸入光束陣列轉換成單束光輻射的光耦合器，其特徵在於，包括第一裝置，用於沿第一方位準直每束光束，以便當光束穿過所述準直的第一裝置時降低光束在所述第一方位上的擴散，並且當光束繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第一方位上保持擴散降低；一光束旋轉器，用於變換光束陣列，所述光束旋轉器包括一襯底，具有帶凹槽的表面，所述帶凹槽的表面包含多個相鄰的凹槽，凹槽具有與被變換的光束一一對應的關係，所述每個凹槽由第一和第二反射面構成，這兩個反射面沿一公共頂稜相交並在其間形成二面角Φ，所述每個凹槽的所述頂稜相對於相應光束初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述第一反射面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到所述第二反射面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述第二反射面截斷所述第一表面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量；第二裝置，用於沿第二方位準直每束光束，以便當光束穿過所述準直的第二裝置時降低光束在所述第二方位上的擴散，並且當光束繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第二方位上保持擴散降低，所述第二方位與光束的傳播方向和所述第一方位都正交；以及用於會聚光束陣列以便該陣列入射到入射到預定目標區域的裝置。
24.如權利要求23所述的光轉換器，其特徵在於，所述二面角Φ約為60°。
25.如權利要求23所述的光轉換器，其特徵在於，所述襯底包括一種單晶襯底。
26.如權利要求25所述的光轉換器，其特徵在於，所述單晶襯底包含矽。
27.如權利要求26所述的光轉換器，其特徵在於，所述二面角Φ約為70.5°。
28.如權利要求25所述的光轉換器，其特徵在於，所述單晶襯底包含砷化鎵。
29.一種將輸入光束陣列轉換成單束光輻射的光耦合器，其特徵在於，包括用於變換光束陣列的整體光束旋轉器，所述光束旋轉器包含折射率為n2＞n1的光透明材料，其中n1是周圍介質的折射率，所述光束旋轉器具有一柱面，用於沿第一方位準直每束輸入光束，以便當光束穿過所述柱面時降低光束在所述第一方位上的擴散，並且當光束從所述光束旋轉器射出並繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第一方位上保持擴散降低，所述光束旋轉器還具有帶凹槽的表面，所述帶凹槽的表面包含多個相鄰的凹槽，所述每個凹槽由第一和第二反射面構成，所述第一反射面與相鄰凹槽的所述第二反射面沿公共頂稜相交，形成一凹陷的反射對，所述反射對在兩個反射面之間確定了二面角Φ2，每個所述反射對具有與被變換的光束一一對應的關係，所述每個反射對的所述頂稜相對於相應光束的初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述第一反射面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到所述第二反射面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述第二反射面則截斷所述第一反射面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量；用於沿第二方位準直每束光束的裝置，以便當光束穿過所述準直的裝置時降低光束在所述第二方位上的擴散，並且當光束繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第二方位上保持擴散降低，所述第二方位與光束的傳播方向和所述第一方位都正交；以及用於會聚光束陣列以便該陣列入射到入射到預定目標區域的裝置。
30.如權利要求29所述的光耦合器，其特徵在於，所述二面角Φ2約為60°。
31.一種將輸入光束陣列轉換成單束光輻射的光耦合器，其特徵在於，包括第一裝置，用於沿第一方位準直每束光束，以便當光束穿過所述準直的第一裝置時降低光束在所述第一方位上的擴散，並且當光束繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第一方位上保持擴散降低；一光束旋轉器，用於變換輸入光束陣列，所述光束旋轉器包括多塊平板，所述每塊平板具有一個從所述板面延伸至所述板邊緣的傾斜面，所述多塊板被疊合成一個線性陣列，以便對相間成對的所述板定位，使相應的傾斜面彼此相對，每對所述相對的傾斜面形成一凹陷的反射對，所述凹陷的反射對確定了二面角Φ，該二面角具有對所述反射對中兩個所述傾斜面共有的頂稜，每個所述反射對還具有與被變換光束一一對應的關係，所述每個反射對的所述頂稜相對於相應光束的初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述反射對中的一個所述傾斜面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到反射對中的另一所述傾斜面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述另一傾斜面則截斷所述一個傾斜面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量；以及用於會聚光束陣列以便該陣列入射到預定目標區域的裝置。
32.一種將輸入光束陣列轉換成單束光輻射的光耦合器，其特徵在於，包括第一裝置，用於沿第一方位準直每束光束，以便當光束穿過所述準直的第一裝置時降低光束在所述第一方位上的擴散，並且當光束繼續通過所述光耦合器傳播時在所述第一方位上保持擴散降低；一光束旋轉器，用於變換輸入光束陣列，所述光束旋轉器包括多塊平板，所述每塊平板具有一個從所述板面延伸至所述板邊緣的傾斜面，所述多塊板被疊合成一個線性陣列，以便對相鄰的所述板定位，使所述傾斜面相互平行和偏離，每個所述傾斜面與一相鄰所述板的表面形成二面角Φ，從而構成一凹陷的反射對，所述二面角具有對所述反射對中所述相鄰表面和所述傾斜面公有的頂稜，每個所述反射對還具有與被變換光束一一對應的關係，所述每個反射對的所述頂稜相對於相應光束的初始傳播方向以視線角ψ定向，從而將所述反射對中的一個所述傾斜面定位，以截斷輸入光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其引導到反射對中的另一所述傾斜面上，同時旋轉光束的一個方位，而所述另一傾斜面則截斷所述一個傾斜面反射的光束並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑引導光束，同時旋轉光束的另一方位，從而互換了光束初始取向的水平和垂直分量；以及用於會聚光束陣列以便該陣列入射到預定目標區域的裝置。
33.如權利要求31所述的光耦合器，其特徵在於，所述二面角Φ約為60°。
全文摘要
一種通過互換每束光束的水平和垂直分量來轉換光束輸入陣列的光學設備，該設備具有一系列凹槽，每個凹槽對應一個輸入光束，並包括兩個反射面第一反射面和第二反射面。第一反射面截斷相應的光束並沿相對於輸入光束傳播方向彎折的第一傳播路徑將其反射到第二反射面上，同時旋轉光束的一個方位。第二反射面截斷第一反射面的反射光，並沿相對於第一傳播路徑彎折的第二傳播路徑反射，同時旋轉光束的另一方位。
文檔編號G02B27/09GK1154746SQ95194399
公開日1997年7月16日 申請日期1995年7月24日 優先權日1995年7月24日
發明者約翰·R·劉易斯 申請人:寶麗來公司