专利名称：从频率经转换的光源获得稳定输出束的方法及利用该方法的频率经转换的光源的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、波长经转换的光源(wavelengthconverted light source)以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地,本发明涉及从频率经转换的光源产生稳定输出束的方法，该频率经转换的光源尤其包括光耦合到二次谐波发生(SHG)晶体或另一种类型的波长转换器件的半导体激光器。
背景技术：
通过将诸如红外或近红外分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的光波长转换器件相组合，可形成短波长频率经转换的光源。通常，SHG晶体用于产生半导体激光器的基波束的较高次谐波。为实现此目的，优选将基波束的波长调谐至波长转换SHG晶体的相匹配频带的光谱中心，而且基波束优选与波长转换晶体的输入面处的波导部分对准。诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(MgO = PPLN)之类的SHG晶体的相匹配频带可具有小于I纳米的带宽。例如，在一些MgO = PPLN晶体中，相匹配带宽可小于约O. 25nm。然而，由半导体激光器发射的基波束的波长可在几纳米的范围内调谐。因此，调谐半导体激光器发射的基波束，使得基波束的波长对应于相匹配频带的光谱中心，从而优化波长转换器件的光输出可能是有挑战性的。由于在频率经转换的光源中发生的热波动，尤其是在频率经转换的光源的启动期间，将激光调谐至相匹配频带的光谱中心更加复杂。例如，激光器波长调谐机制可热耦合至半导体激光器，使得每当激光发射电流和/或激光器温度改变时调谐信号改变。此外，SHG晶体的相匹配频带的光谱中心可随温度变化而波动。两种情况可导致从波长转换器件发射的光的功率和/或波长改变。尽管在频率经转换的光源的操作期间可发生热波动，然而特别大的热波动发生在频率经转换的光源接通时(例如，在冷启动期间)。这些大的热波动可持续五至十秒，在这期间可能难以调谐半导体激光器的基波束与SHG晶体的相匹配频带的光谱中心，由此延长了频率经转换的光源的启动时间。因此，需要操作频率经转换的光源使得从频率经转换的光源发射的输出束快速稳定的替换方法。
发明内容
根据本文所示和所述的一个实施例，一种操作频率经转换的光源的方法，该频率经转换的光源包括光耦合到波长转换器件的半导体激光器，该方法包括使半导体激光器的波长控制信号在初始信号范围上扫过并测量所导致的从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的光功率。然后可使半导体激光器的波长控制信号在至少一个截取的信号范围上扫过并测量所导致的频率经转换的输出束的光功率。至少一个截取的信号范围小于在前的信号范围，且至少一个截取的信号范围以与波长控制信号在在前信号范围上扫过的频率经转换的输出束的最大光功率相对应的点为中心。确定波长控制信号的操作信号范围，使得操作信号范围的中点与波长控制信号在在前信号范围上扫过所导致的频率经转换的输出束的最大光功率相对应。之后可开始在操作信号范围中的波长控制信号的闭环反馈控制。在本文所示和所述的另一个实施例中，频率经转换的光源包括光耦合到波长转换器件的半导体激光器和电耦合到半导体激光器的封装控制器。该封装控制器可用于控制由半导体激光器发射的基波束的波长。该封装控制器还可被编程为当频率经转换的光源通电时，向半导体激光器的波长选择区段提供波长控制信号，使半导体激光器的波长控制信号在初始信号范围上扫过，并测量所导致的从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的 光功率。该封装控制器还可被编程为使半导体激光器的波长控制信号在至少一个截取的信号范围上扫过并测量所导致的频率经转换的输出束的光功率。至少一个截取的信号范围小于在前的信号范围，且该至少一个截取的信号范围以与波长控制信号在在前信号范围上扫过导致的频率经转换的输出束的最大光功率相对应的点为中心。之后，该封装控制器可用于基于波长控制信号在在前信号范围上扫过导致的频率经转换的输出束的输出功率确定波长控制信号的操作信号范围，并开始在操作信号范围中的波长控制信号的闭环反馈控制。将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点一部分对于本领域的技术人员来说根据说明书就能理解，或者可通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的本发明认识到。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者给出本发明的实施例，并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，且被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图示出本发明的各个实施例，并与本描述一起用于说明本发明的原理和操作。
图I是根据本文中所示和所描述的一个实施例的频率经转换的光源的示意图；图2描绘结合本文所示和所述的频率经转换的光源的一个或多个实施例使用的半导体激光器的一个实施例；图3描绘结合本文中所示和所述的频率经转换的光源的一个或多个实施例使用的波长转换器件的一个实施例；图4图解示出根据本文所述的至少一个实施例施加到半导体激光器的波长选择区段的因变于时间的波长控制信号的功率以及从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的相应功率；图5图解示出在频率经转换的光源的启动期间利用的波长控制信号的一部分以及从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的相应功率；图6是本文所述的启动算法的一个实施例的图示，示出当波长控制信号在连续截取的范围上扫过时半导体激光器的波长变化以及频率经转换的激光源的光学输出功率的相应变化；以及图7图解描绘本文所述的启动算法和随后波长控制信号的闭环控制及从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的相应功率。优选实施例的详细描述将详细参照本发明的实施例，在附图中示出了该实施例的示例。在可能时，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或类似的部件。在图I中示出了用于与本文中描述的控制方法结合使用的频率经转换的光源的一个实施例。该频率经转换的光源一般包括半导体激光器、自适应光学器件、波长转换器件以及封装控制器。半导体激光器的输出通过自适应光学器件被光耦合到波长转换器件的输入面中。封装控制器电耦合到半导体激光器和 自适应光学器件，且配置成控制半导体激光器的输出和半导体激光器与波长转换器件的对准。在本文中将进一步描述频率经转换的光源的各组件和配置以及控制频率经转换的光源以产生稳定输出束的方法。图I概括地描绘本文所述的频率经转换的光源100的一个实施例。应当理解实线和实箭头指示频率经转换的激光源的各组件之间的电互连。这些实线和箭头还指示在各组件之间传播的电信号，包括但不限于，电子控制信号、数据信号等。此外，还应理解，虚线和虚箭头指示由半导体激光器和波长转换器件发射的不同波长的光束。应理解本文中使用的术语“光”和“光束”一般指电磁波谱的紫外(“UV”)、可见和红外(“IR”)部分中的各种波长的光。开始参照图1，本发明的特定实施例的概念可通过一般参考频率经转换的光源100而方便地示出，该频率经转换的光源100可包括例如光耦合到波长转换器件120的半导体激光器110。由半导体激光器发射的基波光束119 (诸如红外光束)可直接耦合到波长转换器件120的波导部分中，或者可利用自适应光学器件140耦合到波长转换器件120的波导部分中。波长转换器件120将半导体激光器110的基波光束119转换成较高次谐波并输出具有不同于半导体激光器110的基波光束119的波长的频率经转换的光束128。这种类型的波长经转换的光源尤其可用于从较长波长的半导体激光器生成较短波长的激光束，并且可用作例如激光投影系统的可见光源。参照图2，示意性示出半导体激光器110。半导体激光器110 —般可包括波长选择区段112、相位匹配区段114以及增益区段116。也可称为半导体激光器110的分布式布拉格反射器或DBR区段的波长选择区段112通常包括定位在激光腔的有源区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。该区段提供波长选择，因为光栅起到其反射系数取决于入射在光栅上的光的波长的反射镜的作用。半导体激光器110的增益区段116提供激光器的主要光增益，而相位匹配区段114在增益区段116的增益材料与波长选择区段112的反射材料之间产生可调的光程长度或相移。将理解，波长选择区段112可以按可采用或可不采用布拉格光栅的诸多适当可替代配置来设置。仍参照图2，相应的控制电极113、115、117被结合在波长选择区段112、相位匹配区段114、增益区段116或其组合之中，且在图2中仅示意性地示出。可构想到控制电极113、115、117可采用各种形式。例如，控制电极113、115、117在图2中示为相应的电极对，但可构想在区段112、114、116中一个或多个中的单个电极元件也将适于实践本发明的特定实施例。控制电极113、115、117可用于将电流注入半导体激光器110的相应区段112、114,116中。例如，在一个实施例中，注入半导体激光器110的波长选择区段112的电流可用于通过改变激光器的操作性质来控制从半导体激光器发射的基波束119的波长Xltj例如，当基波光束119是从半导体激光器110的输出面118发射的红外光束时，可通过将波长控制信号提供给波长选择区段112来调节红外光束119的波长\ 10波长控制信号可用于控制波长选择区段112的温度或波长选择区段112的折射率。在一个实施例中，波长选择区段112可包括加热器(未示出)，诸如薄膜微加热器或相似类型的电阻加热器。在一个实施例中，加热器热耦合到波长选择区段112的光栅。然而，将理解波长选择区段内的加热器的其它配置是可行的。诸如施加到加热器的电流和/或电压之类的电信号使加热器的温度升高，进而使半导体激光器110的波长选择区段112的温度升高。温度增加改变波长选择区段112内的激光发射腔的性质，因此改变半导体激光器110发射的基波束119的波长。因此，应理解通过向波长选择区段112提供电控制信 号(例如，波长控制信号)，可将基波束119的波长调谐至特定波长。对于本文描述的红外半导体激光器，调谐范围可大于约3nm。在本文所述的另一个实施例中，半导体激光器110发射的基波束的波长与施加到波长选择区段的电压的平方成比例。因此，在一个实施例中，为了提供波长控制信号和所导致的半导体激光器110的基波束119的波长变化之间的线性相关，将波长控制信号的平方根施加到波长选择区段以便获得期望的波长变化。然而，将理解半导体激光器发射的基波束的波长也可与施加到半导体激光器110的波长选择区段112的电压成正比地改变。尽管图2示出其中波长选择区段被包含在半导体器件内的半导体激光器110的一个实施例，然而应理解其它配置也是可行的。例如，在一个实施例中(未示出)，用于波长选择的光栅可以是外部或内腔光栅。例如，在一个实施例中，光栅可置于半导体激光器110的输出面118和波长转换器件120的输入面126之间。在另一个实施例中，光栅可紧邻波长转换器件120的输出面122定位。在任一实施例中，光栅可热耦合于加热器，使得当波长控制信号被施加到加热器时，加热器的温度被调节，这进而调节光栅的温度，由此调节穿过光栅的光波长。现在参照图3，波长转换器件120 —般包括非线性光学晶体，诸如二次谐波产生(SHG)晶体。在一个实施例中，波长转换器件120可包括具有MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(MgOiPPLN)的铌酸锂体晶的波导部分。在该实施例中，波长转换器件的波导部分可用于将半导体激光器的基波输出束转换成较高次谐波。虽然在此具体参照某些类型的用于将基波束转换成较高次谐波束的波长转换器件和/或波导，但应理解，可将其它相似的非线性光学材料用于该波长转换器件和/或该波长转换器件的波导部分。例如，该波长转换器件的体晶材料或波导部分可包括且不限于磷酸氧钛钾(KTP)、氧化锌掺杂的周期性极化铌酸锂(ZnO = PPLN)、钽酸锂(LT)、经掺杂LT、近似化学计量的LT、近似化学计量的铌酸锂等。类似地，将理解该波长转换器件可包括MgO:PPLN体晶或相似的非线性光学材料。此外，应当理解，波长转换器件可以是能够将光转换成较高次(例如三次、四次等)谐波的二次谐波发生(SHG)晶体或非线性光学晶体。还应理解，该波长转换器件和/或该波长转换器件的波导部分可以是经加工的波导、经蚀刻的波导、经离子注入的波导或经扩散的波导。波长转换器件120 —般包括输入面126和输出面122。波长转换器件120的波导部分124在输入面126至输出面122之间延伸。当波长转换器件120的波导部分124是MgOiPPLN晶体时，波导部分124可具有约5微米数量级的尺寸(例如，高度和宽度)。在一个实施例中，当引导到波长转换器件120的波导部分124的基波束119是红外光束时，该红外光束可传播通过波长转换器件120，在其中转换成频率经转换的光束128，该光束128从波长转换器件的输出面122发射。例如，在一个实施例中，由半导体激光器110发射的基波束119是红外光束，该红外光束被引导到波长转换器件120的波导部分124。该红外光束可具有从约1040nm至约1070nm的波长。在该实施例中，波长转换器件120可用于将红外光束转换成可见绿光，使得频率经转换的光束128具有从约520nm至约535nm的波长。波长转换器件120，更具体地是波长转换器件120的波导部分124可具有光接受频带或相匹配频带，使得当半导体激光束110的基波束入射在波导部分124上且基波束具有 处于波导部分124的接受频带的带宽内的波长时，波长转换器件120的输出效率(例如，由波长转换器件120发射的频率经转换的束128的输出功率)最大化。接受带宽可随波长转换器件120的波导部分124的轴长的倒数改变。例如，较长的波导部分将具有比相对较短的波导部分要小的接受带宽。对于采用MgO:PPLN波导部分的波长转换器件，接受带宽可小于约I纳米。例如，对于一些具有约8mm长度的MgO = PPLN波导，接受带宽可小于约0. 25nm,且接受带宽的频谱中心可随波长转换器件的温度波动而改变。因此，必须精确控制半导体激光器的基波束的波长，以便使从波长转换器件120发射的频率经转换的输出束的输出功率最大化。尽管在本文中对用于发射红外基波束的频率经转换的光源100的半导体激光器100和用于将红外基波束转换成可见光束的波长转换器件120进行参考，然而应理解本文所述的控制方法可与具有发射不同波长的基波束的半导体激光器和用于将该基波束转换成不同波长的可见光的波长转换器件的频率经转换的光源100结合使用。现参照图1，描绘了频率经转换的光源100的一个实施例，其中半导体激光器110和波长转换器件120具有基本线性的取向。如图I所示，由半导体激光器110发射的基波光束119利用自适应光学器件140沿单个光学路径(例如，光束未诸如通过反射镜或其它反射器转向至半导体激光器和波长转换器件之间的第二或后续路径)耦合至波长转换器件120的波导部分。在图I所示的实施例中，自适应光学器件140 —般包括可调光学组件，诸如透镜142。透镜142使半导体激光器110发射的基波光束119聚焦进入波长转换器件120的波导部分。然而应当理解，也可使用其它类型的透镜、多重透镜或其它光学元件。当可调光学组件包括多重透镜时，可调光学组件可准直并聚焦基波光束119。透镜142可耦合到执行器(未示出)，该执行器用于沿X方向和y方向调节透镜142的位置，因此透镜142是可调光学组件。沿X方向和y方向调节透镜位置可有助于沿波长转换器件120的输入面定位基波光束119，且更具体地是将基波光束119定位在波长转换器件的波导部分上，使得基波光束119与波导部分对准且波长转换器件120的输出被优化。尽管图I示出其中组件被定向成基本为线性构造的频率经转换的光源100，但应理解频率经转换的光源的组件可具有其它配置。例如，在一个实施例中(未示出)，半导体激光器和波长转换器件可被配置成在半导体激光器和波长转换器件之间形成折叠光学路径。在该实施例中，自适应光学器件可包括可调节反射镜和透镜。如上所述，可调反射镜和透镜可用于将半导体激光器的基波束从其最初的路径再引导到第二或后续路径并进入波长转换器件，而透镜可有助于聚焦和/或准直基波束。因此，将理解，频率经转换的光源，更具体地是半导体激光器和波长转换器件可具有各种相对取向。然而，应理解，不管半导体激光器和波长转换器件的取向如何，半导体激光器的基波输出束耦合入波长转换器件的波导部分。仍参照图1，频率经转换的光源100还可包括靠近波长转换器件120的输出定位的分束器180。分束器180将从波长转换器件120发射的频率经转换的光束128的一部分再引导到光学检测器170，该光学检测器170用于测量所发射的频率经转换的光束128的强度。利用导线172耦合到封装控制器150的光学检测器170输出与测得的频率经转换的光束128的强度成比例的电信号。频率经转换的光源100还可包括封装控制器150。该封装控制器150可包括一个 或多个微控制器或可编程逻辑控制器，用于存储和执行用于操作频率经转换的激光源100的编程指令集。或者，微控制器或可编程逻辑控制器可用于直接执行指令集。封装控制器150可电耦合至半导体激光器110、自适应光学器件140以及光学检测器170，且被编程以操作半导体激光器110和自适应光学器件140 二者。封装控制器150还可用于从光学检测器170接收输出信号，并且基于所接收的输出信号将控制信号输出到自适应光学器件140和半导体激光器110。在一个实施例中，封装控制器150可包括分别用于控制自适应光学器件和半导体激光器的基波束的波长的驱动器152、154。自适应光学器件驱动器152可通过导线156、158耦合至自适应光学器件140，并分别通过导线156、158为自适应光学器件140提供x位置和y位置控制信号。x位置和y位置控制信号有助于在X方向和I方向上定位自适应光学器件的可调光学部件，这样又有助于将半导体激光器110的基波光束119定位在波长转换器件120的输入面上。如本文所述和图2所示，在半导体激光器包括波长选择区段的一个实施例中，波长选择驱动器154可利用导线155耦合到半导体激光器110的波长选择区段112。波长选择区段驱动器154可用于向半导体激光器110的波长选择区段112提供波长控制信号，该波长控制信号有助于调节从半导体激光器110的输出面发射的基波束119的波长λ 10如上所述，在频率经转换的激光源100包括外部光栅的另一个实施例中，波长选择驱动器可电耦合到与光栅热耦合的加热器。如上所述，波长选择驱动器可用于向加热器提供波长控制信号，以调节外部光栅传递的光的波长。如上所述，当频率经转换的光源通电时可发生大的热瞬变。这种热瞬变可不利地影响波长转换器件发射的频率经转换的输出束的稳定性，直到在频率经转换的光源的各组件之间达到温度平衡。然而，在与频率经转换的光源的操作规范兼容的时间帧内可能无法达到温度平衡。现在将描述操作频率经转换的光源以改进启动时间(例如，实现稳定的频率经转换的输出束所需的时间)的方法。现在参照图I和4-7，图示操作频率经转换的光源以快速产生稳定的输出束的算法。如图4所示，该算法包括使半导体激光器的波长控制信号在逐渐变小的信号范围上扫过并且测量波长转换器件的光功率的相应变化。在波长控制信号的初始扫过之后，截取每个后续扫过的范围，其中每个后续信号范围以与产生紧接的在前扫过的最大光学输出功率的波长控制信号功率相对应的点为中心。如图4所示，扫过波长控制信号导致波长转换器件的频率经转换的输出束的光学输出功率随着半导体激光器发射的光的波长在波长转换器件的接受频带上扫描而波动。扫过和截取的过程重复多次直到所导致的光学输出功率中的变化在与具有期望稳定性的频率经转换的输出束相对应的期望范围内。之后，可开始波长控制信号的闭环反馈控制。在本文所述的实施例中，扫过波长控制信号是指利用频率经转换的光源100的封装控制器150调节施加到半导体激光器110的波长选择区段的波长控制信号。在本文所述的实施例中，调节波长控制信号包括改变波长控制信号的电压，进而改变设置在半导体激光器110的波长控制部分112中的加热器耗散或转换成热的电能，这样改变半导体激光器发射的光波长。在本文所述的实施例中，半导体激光器的标定效率是约7nm/W。因此，对于波长选择区段中耗散成热能的每瓦电功率，半导体激光器发射的光波长增加7nm。尽管本文中讨论的特定示例描述改变波长控制信号的电压，但应理解也可改变波 长控制信号的电流以导致从半导体激光器发射的基波束的波长的相应变化，由此导致波长转换器件发射的频率经转换的输出束的波长变化。图5图示波长控制信号的一部分(以功率为单位)以及图4中所示的频率经转换的输出束的相应光学输出功率。具体地，图5图示由封装控制器执行并在频率经转换的激光源的启动时使用以便从频率经转换的激光源快速产生稳定的频率经转换的输出束的算法。如图4所示，算法(例如，启动算法)开始于波长控制信号在初始信号范围上扫过。初始信号范围可对应于半导体激光器的全波长控制信号范围。或者，初始信号范围可对应于预定的信号范围。在一个实施例中，当频率经转换的激光源最初接通并且启动算法由封装控制器第一次执行时，初始信号范围对应于半导体激光器的全波长控制信号范围。基于该启动算法的结果，封装控制器可被编程为标识适当的初始信号范围，以供与启动算法的每次后续使用结合使用。在图4所示的算法中，初始信号范围对应于波长控制信号的点A和点B之间的线段，进而对应于波长控制部分中耗散的从约OmW至约450mW的功率。半导体激光器110的波长控制部分中耗散的功率随着波长控制信号的电压的平方而改变，如此半导体激光器的基波束的波长变化也随着波长控制信号的电压的平方而改变。更具体地，波长选择区段中
耗散的功率可定义为Ac =巧c，其中Pw。是波长选择区段中耗散为热的电功率，Vw。是
波长控制信号的电压，且Rh是加热器的电阻。因此，对于具有约20Q电阻的加热器，从约Omff至约450mW的电功率值对应于具有从约0伏至约3伏电压的波长控制信号。因此，现在应理解在一个实施例中，提供给半导体激光器的波长选择区段112的波长控制信号被转换成波长选择区段中耗散的热能或热功率，由此调节半导体激光器发射的基波束的波长。在一个实施例中，在多个步骤中执行波长控制信号在初始信号范围上的扫过。例如，在图5所示的实施例中，封装控制器150以100个分立步骤来使波长控制信号在初始信号范围上扫过。在所示的实施例中，每个步骤大致对应于4. 5mW。然而，应理解，本文所述的示例中的步骤数是示例性的且可使用更多或更少的步骤。仍参照图I和5，当波长控制信号在初始信号范围上扫过时，封装控制器150测量波长转换器件120发射的频率经转换的输出束128的相对光功率。更具体地，通过光学检测器170测量频率经转换的输出束128的相对光功率，该光学检测器170进而向封装控制器150输出与测得的频率经转换的输出束128的光功率成比例的电子信号。在本文所述的实施例中，在范围中每步结束时测量频率经转换的输出束128的光功率。如图5所示，在初始信号范围上扫过波长控制信号导致频率经转换的输出束的光学输出功率从约O变化至最大值并回到约O。这是因为，随着波长控制信号在初始范围上扫过，半导体激光器的波长在波长转换器件的接受带宽上扫过。当半导体激光器的基波束的波长在接受频带之外时，频率经转换的输出束的光功率最小。例如，在一个实施例中，当半导体激光器的基波束的波长在波长转换器件的接受频带之外时，频率经转换的输出束的功率小于约5mW。因此，将理解在初始信号范围上使波长控制信号扫过使半导体激光器的基波束的波长改变量大于波长转换器件的接受频带的带宽。例如，对于具有约7nm/W效率的半导体激光器，使波长控制信号在约450mW的范围上扫过产生相应的大于约3nm的基波束的波长改变，如图6中的点AA和BB之间的线所示。贯穿波长控制信号在初始信号范围上的扫过，频率经转换的输出束的光功率由封 装控制器150监测。在初始信号范围上扫描结束时，封装控制器150被编程为确定与频率经转换的输出束的最大光学输出功率对应的波长控制信号的值。例如，参照图5，对于波长控制信号从点A至点B扫过的最大光学输出功率是频率经转换的输出束的光功率的曲线上的点X。点X处的频率经转换的输出束的最大光学输出功率一般对应于波长控制信号的曲线上的点C(约150mff)。一旦封装控制器已经确定波长控制信号的功率的值对应于初始信号范围的最大光学输出功率，则封装控制器将截取的信号范围(例如，波长控制信号的下一信号范围)的中点设置成等于与初始信号范围的最大光学输出功率相对应的控制信号。接受带宽的中心波长在频率经转换的光源的启动期间可能漂移，从而迫使再次调谐半导体激光器的输出。因此，在波长控制信号在初始信号范围上扫过之后，封装控制器被编程为使波长控制信号在至少一个截取的信号范围上扫过。在本文所述的实施例中，每个截取的信号范围约是紧接的在前信号范围的百分之60。因此，对于图5所示的示例，与连接点D和点E的线对应的第一截取信号范围(例如，紧接初始信号范围之后的信号范围)约是初始信号范围的百分之60或从约285mW至约15mW。应理解，百分之60是示例性值，且可将较大或较小的百分比用于截取连续的信号范围。如本文所示，每个连续的信号范围以在前信号范围中与来自在前信号范围的频率经转换的输出束的最大光学输出功率相对应的点为中心。因此，在本不例中，第一截取信号范围以约150mW为中心。在本文所述的实施例中，每个连续的信号范围(例如，每个截取的信号范围)靠近在前信号范围的终点处开始。例如，在图5中，初始信号范围在约450mW处结束，而第一截取的信号范围在约285mW处开始而非在OmW处开始。因此，连续扫过在开始于扫过的下限和扫过的上限之间交替。利用本发明，可减小扫过之间的总时间。然而，应理解，当波长控制信号的连续扫过开始于扫过的下限或扫过的上限时，也可使用本文所述的方法。在已确定第一截取的信号范围的中点的情况下，波长控制信号在第一截取的信号范围上扫过。如上所述，可使波长控制信号以多个步骤在第一截取的信号范围上扫过。例如，初始信号范围和每个截取的信号范围各自包括100步。因此，对于连续的扫过，如果步骤数保持恒定且范围的大小减小，则扫过中每步的长度减小。此外，如本文所指出的，每个连续信号范围的大小减小预定百分比，该预定百分比在所述示例中为约百分之60。类似地，执行每次连续扫过所花费的时间也减少。在本文所述的实施例中，执行每次连续扫过所花时间约是执行前一次扫过所花时间的百分之60。因此，对于具有50毫秒的持续时间的初始扫过，第十次连续扫过将具有小于约2毫秒的持续时间。如上所述，当封装控制器150使波长控制信号在第一截取的信号范围上扫过时，测量频率经转换的输出束128的光学输出功率。如上所述，在完成第一截取信号范围上的扫过之后，封装控制器150确定在波长控制信号在第一截取的信号范围上扫过期间测得的最大光学输出功率，并确定产生最大光学输出功率的波长控制信号的值。程序控制器150然后将接下来的后续截取信号范围的中点设置成与波长控制信号在在前的截取信号范围上扫过的最大光学输出功率相对应的波长控制信号的值。 之后，封装控制器150重复以下步骤使波长控制信号在截取的信号范围上扫过、测量频率经转换的激光源的光学输出功率以及确定与最大光学输出功率对应的波长控制信号。例如，在图5所示的实施例中，与第二截取信号范围对应的波长控制信号的扫过对应于波长控制信号的点H和点I之间的线，而在扫过期间测得的最大光学输出功率(例如，点Z)对应于波长控制信号曲线上的点J。在本文所述的实施例中，使波长控制信号在截取的信号范围上扫过、测量频率经转换的激光源的光学输出功率以及确定与所得的频率经转换的输出束的最大光学输出功率对应的波长控制信号的步骤重复，直到对于半导体激光器的波长控制信号达到适当的操作范围。在本文所述的实施例中，当对于在操作范围上变化的波长控制信号，半导体激光器的基波束波长的相应变化产生的波长转换器件的频率经转换的输出束的光功率变化小于波长转换器件的最大光学输出功率的3%时，达到适当的操作范围。当频率经转换的输出束改变小于最大光学输出功率的3 %时，认为频率经转换的输出束充分稳定。在本文所述的实施例中，在波长控制信号在逐渐变小的信号范围上的10次扫过(例如在初始信号范围上的I次扫过和在连续截取的信号范围上的9次扫过)之后，可确定操作范围。根据与波长控制信号在截取的信号范围上的最后扫过的最大光学输出功率相对应的波长控制信号来确定操作范围，具体而言是操作范围的中点。例如，在图5所示的实施例中，波长控制信号的每次扫过是前一次扫过的约60%。因此，第十次扫过是在与约7. 5mff的耗散功率相对应的截取信号范围上，如图6中的点丽和NN之间的线所示，它对应于约0. 387V的波长控制信号电压范围。基于半导体激光器的效率(例如，7nm/W)，落在7. 5mW耗散功率范围内的波长控制信号产生±0. 026nm的半导体激光器的波长变化，这又导致小于约3%的波长转换器件的频率经转换的输出束的功率变化。因此，如图5所示的示例，操作范围的中心点是与波长控制信号的第十次扫过的最大光学输出功率相对应的波长控制信号，该波长控制信号在所示示例中与约135mW的值相对应。在本文所示和所述的实施例中，波长控制信号的操作范围一般小于波长转换器件的波导部分的接受频带的带宽。此外，操作范围可在波长转换器件的接受频带内居中，使得如果波长控制信号在整个操作范围上变化，则半导体激光器的基波束波长的相应变化在波长转换器件的接受频带内。现在参照图7，从启动算法开始(例如在线701处开始的启动算法)至从波长转换器件产生稳定输出束的半导体激光器的操作范围的标识(例如，在线702处)经历的时间优选地小于2秒，更优选地小于约I秒，且最优选地小于约O. 2秒。例如，在本文所示的实施例中，在最初接通频率经转换的光源之后的约150毫秒内完成启动算法并确定波长控制信号的操作范围。在已经确定操作范围之后，将封装控制器编程为利用所标识的操作范围开始波长控制信号的闭环反馈控制。例如，在一个实施例中，诸如题为“Alignment of LasingWavelength With Wavelength Conversion Peak Using Modulated Wavelength ControlSignal (利用经调制的波长控制信号将激光波长与波长转换峰对准)”的转让给康宁公司的美国专利No. 7，505，492中公开的闭环反馈控制可用于闭环反馈控制。然而，应理解，还可结合本文所公开的方法利用其它类型的闭环反馈控制。不管所使用的闭环反馈控制类型如何，将理解本文所述方法可用于建立半导体激光器的最初操作范围，使得波长转换器件 产生稳定的输出束。现在应理解本文所述的频率经转换的光源和操作频率经转换的光源的方法可用于在频率经转换的激光源启动之后从波长转换器件快速产生稳定输出束。因此，本文所述的方法和装置可用于减少频率经转换的光源的启动时间。可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。对本领域技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在涵盖本发明的各种修改和变型，只要它们在所附权利要求及其等同范围内即可。出于限定和描述本发明的目的，注意本文中对在特定“数量级”的值引用应理解为包含没有从该特定量值变化一个或多个数量级的任何值。还应注意以下权利要求中的一个或多个描述控制器“被编程为”执行一个或多个所述动作。出于限定本发明的目的，注意该术语作为开放性过渡短语引入到权利要求中，并且应当以与更普遍使用的开放性前导术语“包括”相类似的方式来解释。此外，注意本文中对本发明的部件的陈述一诸如控制器“被编程”为按照特定方式具体化特定性质、功能——是相对于用途陈述的结构陈述。更具体地，本文对部件被“编程”的方式的引用表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为部件的结构特性的明确陈述。注意，在本文中采用类似“优选”、“常见”和“通常”之类的术语时不是旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至比本发明要求保护的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出在本发明的具体实施例中可采用或可不采用的替换或附加的特征。此外，要注意对值、参数、或变量“因变于”另一值、参数、或变量的引用不应当视为意味着该值、参数、或变量因变于一个且仅一个值、参数、或变量。为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“基本上”来表示可归因于任何数量的比较、值、测量、或其它表示的固有不确定程度。在此还使用术语“显著地”来表示例如“显著在零之上”的定量表示不同于例如“零”的指定参考值的程度，并且应解释为要求该定量表示以可容易辨别的量不同于所指定基准值。
权利要求
1.ー种操作频率经转换的光源的方法，所述频率经转换的光源包括光耦合到波长转换器件的半导体激光器，所述方法包括 使所述半导体激光器的波长控制信号在初始信号范围上扫过并測量所导致的从所述波长转换器件发射的频率经转换的输出束的光功率； 使所述半导体激光器的波长控制信号在至少ー个截取的信号范围上扫过并測量所导致的频率经转换的输出束的光功率，其中所述至少一个截取的信号范围小于在前的信号范围，且所述至少一个截取的信号范围以与所述波长控制信号在在前信号范围上扫过的频率经转换的输出束的最大光功率相对应的点为中心； 确定波长控制信号的操作信号范围，其中操作信号范围的中点与所述波长控制信号在在前信号范围上扫过所导致的频率经转换的输出束的最大光功率相对应；以及 在所述操作信号范围中开始所述波长控制信号的闭环反馈控制。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在干，(i)使所述波长控制信号以多个步骤在所述初始信号范围和所述至少一个截取的信号范围上扫过；和/或(ii)所述至少一个截取的信号范围的开始点接近在前信号范围的終点。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，使所述波长控制信号在所述初始信号范围上扫过使半导体激光器的基波束的波长改变量大于所述波长转换器件的接受频带的带宽。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在干，所述波长转换器件的接受频带的带宽小于约lnm，且使所述波长控制信号在所述初始信号范围上扫过使所述半导体激光器的基波束波长改变超过约3nm。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括在闭环反馈控制期间在操作信号范围内调节所述波长控制信号，使得由半导体激光器发射的基波束波长的相应变化小于或等于所述波长转换器件的接受频带的带宽。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在干，(i)当半导体激光器在操作信号范围中操作时，从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的光功率是波长转换器件的最大光功率的±3%和/或(ii)所述至少一个截取的信号范围是在前信号范围的约60% ;和/或(iii)对所述波长控制信号的改变调节所述半导体激光器的波长选择区段的温度；和/或(iv)所述半导体激光器用于发射红外基波束且所述波长转换器件用于将红外基波束转换成可见光；和/或(V)红外基波束具有从约1040nm至约1070nm的波长且可见光具有从约520nm至约535nm的波长。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，当所述频率经转换的光源通电时执行所述方法。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述频率经转换的光源通电后2秒内开始闭环反馈控制。
9.一种频率经转换的光源，包括光耦合到波长转换器件的半导体激光器和电耦合到半导体激光器并且用于控制所述半导体激光器发射的基波束的波长的封装控制器，其中所述封装控制器被编程为 当所述频率经转换的光源通电时，向所述半导体激光器的波长选择区段提供波长控制信号; 使所述半导体激光器的波长控制信号在初始信号范围上扫过并測量所导致的从所述波长转换器件发射的频率经转换的输出束的光功率； 使所述半导体激光器的波长控制信号在至少ー个截取的信号范围上扫过并測量所导致的频率经转换的输出束的光功率，其中至少ー个截取的信号范围小于在前的信号范围，且所述至少ー个截取的信号范围以与所述波长控制信号在在前信号范围上扫过导致的频率经转换的输出束的最大光功率相对应的点为中心； 基于波长控制信号在在前信号范围上扫过所导致的频率经转换的输出束的光功率确定波长控制信号的操作信号范围；以及 在所述操作信号范围中开始波长控制信号的闭环反馈控制。
10.如权利要求9所述的频率经转换的光源，其特征在干，(i)封装控制器(a)被编程为使所述波长控制信号以多个步骤在所述初始信号范围和所述至少一个截取的信号范围上扫过或(b)被编程为在闭环反馈控制期间在操作信号范围内调节波长控制信号，使得由半导体激光器发射的基波束波长的相应变化小于或等于所述波长转换器件的接受频带的带宽；和/或(ii)其中所述至少一个截取的信号范围的开始点接近在前信号范围的終点。
11.如权利要求9所述的频率经转换的光源，其特征在于，使所述波长控制信号在所述 初始信号范围上扫过使半导体激光器的基波束的波长改变量大于所述波长转换器件的接受频带的带宽。
12.如权利要求9所述的频率经转换的光源，其特征在于，所述封装控制器(b)被编程为在闭环反馈控制期间在所述操作信号范围内调节波长控制信号，使得由半导体激光器发射的基波束波长的相应变化小于或等于所述波长转换器件的接受频带的带宽。
13.如权利要求9所述的频率经转换的光源，其特征在干，当半导体激光器在所述操作信号范围中操作时，所导致的从波长转换器件发射的频率经转换的输出束的光功率是波长转换器件的最大光功率的±3%。
14.如权利要求9所述的频率经转换的光源，其特征在于，所述半导体激光器用于发射具有从约1040nm至约1070nm波长的基波束且所述波长转换器件用于将红外基波束转换成具有从约520nm至约535nm波长的可见光。
全文摘要
一种操作频率经转换的光源的方法包括使半导体激光器的波长控制信号在初始信号范围上扫过并测量从耦合到半导体激光器的波长转换器件发射的输出束的光功率。然后可使半导体激光器的波长控制信号在至少一个截取的信号范围上扫过并测量所导致的输出束的光功率。至少一个截取的信号范围以与波长控制信号在在前信号范围上扫过的输出束的最大功率相对应的点为中心。确定波长控制信号的操作信号范围，使得操作信号范围的中点与在在前信号范围上扫过所导致的输出束的最大光功率相对应。然后可在操作信号范围中开始波长控制信号的闭环反馈控制。
文档编号H01S3/13GK102804524SQ201080032382
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者V·巴蒂亚, D·皮库拉, M·M·拉贾 申请人:康宁股份有限公司