专利名称：用于对准波长经转换光源的方法
技术领域：
本说明书一般涉及半导体激光器、激光器控制器、波长经转换光源(wavelength converted light source)以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，本说明书涉及用于对准波长经转换光源的方法，波长经转换光源包括耦合至波长转换器件的半导体激
I嬰坐兀研寸。
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) 激光器或法布里一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组合，可形成波长经转换光源。可在激光投影系统等应用中利用这种类型的波长经转换光源。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。为了产生具有所需功率的波长经转换输出波束，当半导体激光器的基波束与波长转换晶体的波导部分对准时，必须将基波束的波长调谐至波长转换SHG晶体的相位匹配带的光谱中心。波长经转换光源的对准通常在设备启动期间执行，这会引起设备最初开启的时间与设备对准并能产生波长经转换输出波束的时间之间的延时。因此，存在对用于在设备启动时将半导体激光器的基波束与波长经转换的光源中的波长转换器件迅速对准的替代方法的需求。
发明内容
根据一个实施例，一种用于将波长经转换光源中的半导体激光器与波长转换器件对准的方法包括将半导体激光器的束斑定位在波长转换器件的输入面上，并通过以下步骤在输入面上执行束斑的对准扫描使束斑在第一扫描方向上步进连续步，其中连续步中的各步包括起点和终点；在连续步中各步的终点处启动和终止半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上的扫描；确定在连续步中各步的终点处半导体激光器的波长控制信号的扫描期间从波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将波长经转换的输出波束的峰值输出功率与阈值输出功率进行比较，其中当峰值输出功率大于阈值输出功率时束斑与波长转换器件的波导部分对准。在另一实施例中，一种用于将波长经转换光源中的半导体激光器与波长转换器件对准的方法包括将半导体激光器的束斑定位在波长转换器件的输入面上的对准启动点上， 并通过以下步骤在输入面上执行束斑的第一对准扫描使束斑在第一扫描方向上步进第一连续步；在第一连续步中的各步之间使半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上扫描；确定在第一连续步的各步之间使半导体激光器的波长控制信号扫描时从波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将波长经转换的输出波束的峰值输出功率与阈值输出功率进行比较，其中当峰值输出功率大于阈值输出功率时束斑与波长转换器件粗对准。当束斑在第一对准扫描期间未超过阈值输出功率时，通过以下步骤执行束斑在输入面上的第二对准扫描通过至少一个中间步使束斑在中间方向上背离第一对准扫描的终点步进；通过第二连续步使束斑在与第一扫描方向相反的第二扫描方向上步进；在第二连续步的各步之间使半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上扫描；确定在第二连续步的各步之间使半导体激光器的波长控制信号扫描时从波长转换期间发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将波长经转换输出波束的峰值输出功率与阈值输出功率进行比较，其中当峰值输出功率大于阈值输出功率时束斑与波长转换器件粗对准。将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者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实施例可认识到。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者描述各个实施例，且旨在提供用于理解所要求保护主题的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对各实施例的进一步理解，且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本发明所描述的各个实施例，并与本描述一起用于说明所要求保护主题的原理和操作。
图1示意性地描绘了可协同本文中所示出和描述的一个或多个对准方法使用的波长经转换光源的一个实施例；图2示意性地描绘用于波长经转换光源的半导体激光器的一个实施例；图3示意性地描绘用于波长经转换光源的波长转换器件的一个实施例的横截面；图4A-4D示意性地描绘根据本文中所示和所描述的一个或多个实施例的用于对准波长经转换光源的方法；图5A示意性地描绘根据本文中所示和所描述的用于对准波长经转换光源的方法的一个或多个实施例的一系列局部对准扫描和一系列全局对准扫描；以及图5B示意性地描绘根据本文中所示和所描述的对准方法的一个或多个实施例的在一对精细扫描轴上在波长转换器件的输入面上对准束斑。
具体实施例方式现在将详细参照用于对准波长经转换光源的方法的各个实施例，在附图中示出了各个实施例的示例。在可能时，将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1中示出了用于与本文中描述的对准方法协同使用的波长经转换光源的一个实施例。该波长经转换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被光学地耦合到具有自适应光学器件的波长转换装置的输入面中。该封装控制器电耦合至半导体激光器和自适应光学器件，且被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，以在波长经转换光源通电时将半导体激光器的基波束与波长转换器件的波导部分迅速对准。将在本文中详细描述波长经转换光源的各个部件和配置以及用于对准波长经转换光源的方法。
图1 一般描绘了可协同本文中所描述的对准方法使用的波长经转换光源100的一个实施例。应当理解，图1中的实线和箭头一般指示了波长经转换光源的各部件的电互连。 这些实线和箭头还指示了在各个部件之间传输的电信号，包括但不限于电子控制信号、数据信号等。此外，还应理解，虚线和箭头指示半导体激光器和波长转换器件发出的电磁辐射的相干波束。先参照图1，波长经转换光源100—般包括光学耦合于波长转换器件120的半导体激光器110。由半导体激光器110发出的基波束119利用自适应光学器件130耦合到波长转换器件120的波导部分中。该波长转换器件120将基波束119转换成较高次谐波，并输出波长经转换的输出波束128。这种类型的波长经转换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激光源。图2中示意性示出的半导体激光器110 —般包括波长选择部分112、相位匹配部分 114以及增益部分116。也可称为半导体激光器110的分布式布拉格反射器或DBR部分的波长选择部分112通常包括定位在激光腔的活性区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。该部分提供波长选择，因为光栅起到其反射系数取决于波长的反射镜作用。半导体激光器110 的增益部分116提供激光器的主要光增益，而相位匹配部分114在增益部分116的增益材料与波长选择部分112的反射材料之间产生可调整的光程长度或相移。波长选择部分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。相应的控制电极111、113、115被结合在波长选择部分112、相位匹配部分114、增益部分116或其组合之中，在图2中仅示意性地示出。控制电极111、113、115可用于将电流注入半导体激光器110的相应部分112、114、116中。例如，在一个实施例中，注入半导体激光器110的波长选择部分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110的输出面118发射的基波束119的波长λ 10所注入的电流可用于控制波长选择部分112的温度或波长选择部分的折射率。因此，通过调节注入到波长选择部分的电流量，可改变半导体激光器发射的基波束119的波长。注入相位匹配部分114或增益部分116 的电流可类似地用于控制半导体激光器110的输出。参照图3，以横截面示意性地描绘了波长转换器件120的一个实施例。波长转换器件120 —般包括诸如MgO掺杂的铌酸锂的体晶材料122，其具有在输入面132与输出面133 之间延伸的波导部分124。在一个实施例中，该波导部分是周期性极化的铌酸锂(PPLN)晶体。在该实施例中，波导部分1 可具有5微米量级的尺寸(例如高度和宽度)。虽然在本文中将波长转换器件描述为包括具有PPLN波导的MgO掺杂的铌酸锂体晶，但应当理解，可使用其它类似的非线性光学晶体和/或波导。此外，应当理解，波长转换器件可以是能将光转换成较高次(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。仍参照图3，当诸如半导体激光器110的基波束119的具有第一波长λ 的基波束被定向到波长转换器件120的波导部分124中时，该基波束可沿波长转换器件120的波导部分IM传输，在该波导部分IM中该基波束被转换成第二波长λ2。波长转换器件120从输出面133发射波长经转换输出波束128。例如，在一个实施例中，由半导体激光器110产生并被定向到波长转换器件120的波导部分124中的基波束119具有约lOeOnm(例如该基波束119是红外光束)的波长。在该实施例中，波长转换器件120将该红外光束转换成可见光，以使波长转换器件的波导部分1 发射波长约530nm(例如可见绿光)的波长经转换输出波束128。现参照图1-3，描绘了波长经转换光源100的一个实施例，其中半导体激光器110 和波长转换器件120具有基本线性的配置。更具体地，半导体激光器110的输出和波长转换器件120的输入沿单个光轴基本对准。如图1所示，半导体激光器110发射的基波束119 被定向到具有自适应光学器件130的波长转换器件120的波导部分上。在图1所示实施例中，自适应光学器件130 —般包括一对透镜组件140、141。每个透镜组件140、141 一般包括固定至相应致动器144、145的透镜142、143。在本文中描述的实施例中，第一透镜142是对半导体激光器110的基波束119进行准直的准直透镜，而第二透镜143是对半导体激光器110的基波束119进行聚焦的聚焦透镜。在本文中所描述的实施例中，致动器144、145是平滑冲击驱动机构(SIDM)。SIDM可通过施加电控制信号，尤其是产生SIDM的线性运动的电控制脉冲或一系列电控制脉冲来致动。脉冲的极性确定SIDM 的运动方向。然而，应当理解，还可使用其它致动器，包括但不限于微机电系统(MEMS)致动器等。第一致动器144便于在χ方向上移动第一透镜142。第二致动器145便于在y方向上移动第二透镜143。在χ方向上调节第一透镜的位置和在y方向上调节第二透镜的位置便于沿波长转换器件120的输入面定位基波束119，以将基波束119与波长转换器件120的波导部分对准。仍参照图1，波长经转换光源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用于将从波长转换器件120发射的波长经转换输出波束128的一部分重定向到光学检测器170中，该光学检测器170用于测量所发射的波长经转换输出波束 128的强度，并输出与测得强度成比例的电信号。波长经转换光源100还可包括封装控制器150。封装控制器150可包括一个或多个微控制器，用于存储和执行用于操作波长经转换光源100的编程指令集。封装控制器150 电耦合至半导体激光器110、自适应光学器件130以及光学检测器170，且被编程用于操作半导体激光器110和自适应光学器件130 二者。更具体地，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波长选择部分的驱动器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130，并分别通过导线156、158为自适应光学器件130提供χ和y位置控制信号。χ和y位置控制信号便于在χ和y方向上定位自适应光学器件的透镜142、143，这样又便于将半导体激光器 110的基波束119定位在波长转换器件120的输入面上。例如，如图1所示，当自适应光学器件130包括一对透镜组件140、141时，通过向致动器144、145提供控制信号，可分别使用 χ和y位置控制信号来在χ和y方向上定位透镜142、143。波长选择部分驱动器IM可通过导线155耦合至半导体激光器110。波长选择部分驱动器1 可向半导体激光器Iio的波长选择部分112提供波长控制信号，波长控制信号便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此外，光学检测器170的输出可通过导线172电耦合至封装控制器150的输入，以使光学检测器170的输出信号被传递至封装控制器150。现在将具体参照图1、4A_4D以及5A-5B更详细地描述用于操作波长经转换光源 100以将半导体激光器的基波束与波长转换器件的波导部分迅速对准的方法。在描述对准方法的各个实施例时，将参照针对波长转换器件120的输入面132上半导体激光器110的束斑的特定位置来确定波长转换器件的峰值输出功率。在每个实例中，通过使由波长选择部分驱动器1 提供给半导体激光器110的波长控制部分的波长控制信号在预定对准信号范围上扫过来确定波长转换器件的峰值输出功率，这样又改变了半导体激光器所发射的基波束119的波长。对准信号范围是使基波束的波长在预定波长范围上变化的电压或电流范围，已知该预定波长范围在基波束119定位于波长转换器件120的波导部分1 上时在半导体激光器与波长转换器件之间产生相位匹配。因此，当基波束119 的束斑117定位于波长转换器件120的波导部分IM上且波长控制信号在对准信号范围上扫过时，波长转换器件120的波长经转换输出波束1 的输出功率随波长控制信号变化。波长转换器件120的输出功率可由光学检测器170来测量，该光学检测器170向封装控制器 150传播指示波长转换器件的输出功率的信号。现在参照图1和4A-4D，当波长经转换光源通电时，利用自适应光学器件130，半导体激光器110的基波束119被定向到波长转换器件120的输入面132的起始位置201上。 该起始位置201不是预编程位置，而是基于当波长经转换光源通电时自适应光学器件130 的位置确定的。之后，对于束斑117的起始位置201确定波长转换器件120的峰值输出功率，以确定当波长经转换光源最初通电时基波束119是否与波长转换器件120的波导部分 IM粗对准。封装控制器150将在扫描期间测得的峰值输出功率与预定阈值输出功率进行比较。如果波长转换器件的峰值输出功率大于预定阈值输出功率，则基波束119与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且控制器启动一个或多个算法来使波长转换器件120 的输出功率优化，如将在本文中更详细描述那样。然而，如果波长经转换输出波束的峰值输出功率低于阈值输出功率，则基波束119未与波长转换器件120的波导部分IM对准，且控制器准备启动半导体激光器110的基波束119在波长转换器件120的输入面132上的第一对准扫描。在本文中所描述的实施例中，应当理解，阈值输出功率是当基波束的束斑在相位匹配条件下定位于波长转换器件的波导部分1 上时由波长转换器件发射的最小输出功率。在一个实施例中，在启动第一对准扫描之前，将基波束119的束斑117从未对准起始位置201重新定位到波长转换器件120的输入面132上的对准启动点212(在图4B中描绘)。在SIDM致动器用于自适应光学器件130的一个实施例中，SIDM致动器相对于波长转换器件120的输入面132在χ和y方向上没有绝对基准。在该实施例中，利用对准启动点 212作为第一对准扫描的起点。在本文中所描述的实施例中，通过在一个方向上大范围驱动自适应光学器件的至少一个致动器，将束斑117定位在对准启动点212上。例如，在图4A中所示实施例中，通过为致动器提供足以将致动器在一个方向上驱动至其终点位置或接近终点位置以使得当致动器用于使束斑在相反方向上步进时可使用致动器全行程的相当大部分的y位置控制信号，来使第二透镜组件141中致动器145的位移最大化。在图4A中所示实施例中，对准启动点212被描绘为在负y方向上靠近输入面132的边缘131。然而，在其它实施例中，对准启动点212可超越输入面的边缘(即，对准启动点212不在输入面上)。在通过使单个致动器(即图1的致动器144或致动器14 在一个方向上的位移最大化来将束斑117定位在对准启动点212处的情况下，对准启动点212是局部对准启动点。在对准启动点112是局部对准启动点的情况下，将未被驱动至其最大位移的致动器调节其最大位移的小百分比。图4A示意性地描绘了通过使致动器145在负y方向上的位移最大化并将致动器144在负χ方向上调节最大位移的一部分，将束斑117定位于局部对准启动点处。在一个实施例中，利用预定χ位置和y位置控制信号将束斑117定位在对准启动点212上。在对准启动点是局部对准启动点的情况下，后续对准扫描是局部对准扫描。参照图1和5A，在另一实施例中，对准启动点是全局对准启动点，诸如全局对准启动点317。在该实施例中，通过使每个致动器144、145在指定方向上的位移最大化，利用预定χ位置和y位置控制信号来定位束斑117。例如，在图5A中描绘的实施例中，致动器145 的位移在负y方向上最大化，同时致动器144的位移在负χ方向上最大化。在一个实施例中，全局启动点317位于波长转换器件的输入面的两个相邻边131、137附近。然而，应当理解，诸如当全局启动点不位于输入面134上时，全局启动点可超越输入面134的边缘定位。虽然可通过使一个或两个致动器的位移在一个方向上最大化来将束斑117定位在对准启动点(局部或全局)处，但应当理解，在其它实施例中，还可通过将一个或两个致动器的行程调节少于最大位移来获得对准启动点。在以上描述的实施例中，在执行第一对准扫描之前，将束斑117重新定位到对准启动点。然而，应当理解，在其它实施例中，在执行第一对准扫描之前，未将束斑117重新定位至对准起始点。例如，可从束斑117的起始位置201开始执行第一对准扫描。现参照图4B，在一个实施例中，在将束斑117定位在对准启动点212处之后且在执行第一对准扫描之前，使束斑117在中间扫描方向上前进多个中间步220。在图4B中所示实施例中，中间扫描方向处于该图中所示的坐标轴的正χ方向。虽然在图4B中将多个中间步220描绘为包括三个中间步222，但应当理解，多个中间步220中中间步222的数量可以多于3个或少于3个。例如，在一个实施例中，多个中间步220包括10个中间步222。此外，在本文中所描述的实施例中，每个中间步222可具有小于或等于5微米、较佳地小于或等于4微米的步长(即该步的起点和该步的终点之间的长度)。然而，应理解可使用更大或更小的步长。通过向自适应光学器件130提供χ位置控制信号来方便在中间扫描方向上扫描束斑117，这又在χ方向上调节束斑117在波长转换器件120的输入面132上的位置。在自适应光学器件包括SIDM致动器的一个实施例中，每个中间步222的χ位置控制信号可包括多个不连续脉冲，这些不连续脉冲使束斑117从每个中间步222的起点前进至每个中间步 222的终点。例如，在一个实施例中，每步在第一扫描方向上的不连续脉冲数为50。然而， 应当理解，每步中的不连续脉冲数可大于50或小于50。参照图1和4B，在使束斑117在中间扫描方向上从对准启动点212前进多个中间步220之后，通过使束斑117在第一扫描方向上步进第一连续步230来执行束斑117的第一对准扫描。在图4B中所示实施例中，第一扫描方向处于正y方向。在图4B中所描绘的实施例中，为说明起见，第一连续步230被描绘为包括12步232。然而，在实际中，第一连续步230中的步232的数量大于12。例如，在对准启动点是全局对准启动点(即第一对准扫描是第一全局对准扫描)或局部对准启动点(即第一对准扫描是第一局部对准扫描)的情况下，第一连续步230对应于调节致动器145通过最大行程。在一个实施例中，致动器的最大行程是从约600步到约800步。一般而言，第一连续步230中的每步232的长度小于每个中间步222的长度。在另一实施例中(未示出)，第一连续步对应于在小于致动器145的最大行程的行程上调节致动器145。例如，在一个实施例中，如果致动器的最大行程对应于800步，则第一连续步中的步数W小于800。当对准启动点是全局对准启动点且第一对准扫描是全局对准扫描时，可使用本实施例以减少第一连续步中的步数，从而提高第一对准扫描的速度。在本文中描述的实施例中，通过向自适应光学器件130提供y位置控制信号来方便在第一扫描方向上扫描束斑117，这又在正y方向上调节束斑117在波长转换器件的输入面132上的位置。在一个实施例中，其中如上针对图1所示波长经转换光源的实施例所述， 自适应光学器件包括SIDM致动器，每步232的y位置控制信号可包括多个不连续脉冲，这些脉冲使束斑117从每步232的起点前进至每步232的终点。在一个实施例中，每步在第一扫描方向上的不连续脉冲数为20，以实现所需步长。然而，应当理解，每步中的不连续脉冲数可大于20或小于20。当束斑117在第一扫描方向上步进时，波长转换器件120的峰值输出功率由在第一连续步230的各步之间(即在第一连续步的各步的终点处)启动和终止波长控制信号在对准信号范围上的扫描来确定。封装控制器150将在扫描期间测得的峰值输出功率与预定阈值输出功率进行比较。如果波长转换器件的峰值输出功率大于预定阈值输出功率，则基波束119与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且控制器启动一个或多个算法来优化波长转换器件120的输出功率。然而，如果波长经转换输出波束的峰值输出功率小于阈值输出功率，则基波束119未与波长转换器件120的波导部分IM对准，从而第一对准扫描继续。如图4B中所描绘，在第一连续步230完成时，束斑117尚未定位在波长转换器件的波导部分1 上。在这种情况下，在第一连续步230中的每步之后的波长控制信号扫描期间所确定的峰值输出功率尚未超过阈值输出功率，从而需要束斑117在波长转换器件120 的输入面132上的第二对准扫描。现在参照图1和4C，第二对准扫描始于束斑117定位在第一对准扫描的终点234 处。通过首先使束斑117在中间扫描方向(即所描绘实施例中的正χ方向)上远离第一对准扫描的终点234步进至少一个中间步236，执行第二对准扫描。如上所述，通过用自适应光学器件驱动器152为自适应光学器件130提供χ位置控制信号来方便该步进操作。在使束斑117在中间扫描方向上步进之后，对于束斑117的当前位置确定波长转换器件120的峰值输出功率，如上所述。如果波长经转换输出波束的峰值输出功率大于阈值输出功率，则基波束119与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且控制器启动一个或多个算法来优化波长转换器件120的输出功率。然而，如果波长经转换输出波束128的峰值输出功率小于阈值输出功率，则使束斑117在与第一扫描方向相反的第二扫描方向上步进第二连续步M0。在图4C中所示实施例中，第二扫描方向是负y方向。在图4C中所描绘的实施例中，为说明起见，第二连续步 240被描绘为包括4步对2。然而，在实际中，第二连续步240中的步240的数量大于4。在一个实施例中，第二连续步MO中的步数N2可以与第一连续步230中的步数附相同。然而，在替代实施例(未示出)中，第二连续步MO中的步数N2大于第一连续步 230中的步数m，以解决施加至自适应光学器件的控制信号中的漂移。例如，在一个实施例中，第二连续步240中的步数N2比第一连续步230中的步数附大1. 3倍(即N2 = 1. 3*N1)。 当对准启动点是全局对准启动点且第一连续步230中的步数小于对应于致动器145的最大行程的步数时，本实施例是特别有用的。还应理解，第二扫描方向上的每步242的长度小于每个中间步222的长度。通过向自适应光学器件130提供y位置控制信号可便于在第二扫描方向上扫描束斑117，这又在负y方向上调节束斑117的位置。如以上关于第一连续步230所述，在自适应光学器件包括SIDM致动器的情况下，每步M2的y位置控制信号包括多个不连续脉冲， 这些不连续脉冲使束斑117从每步M2的起点向每步M2的终点前进。例如，在一个实施例中，每步在第二扫描方向上的不连续脉冲数为20。然而，应当理解，每步中的不连续脉冲数可大于20或小于20。当束斑117在第二扫描方向上步进时，波长转换器件120的峰值输出功率由在第二连续步240的各步之间(即在第二连续步的各步的终点处)启动和终止波长控制信号在对准信号范围上的扫描来确定。封装控制器150将在扫描期间测得的峰值输出功率与预定阈值输出功率进行比较。如果波长转换器件的峰值输出功率大于预定阈值输出功率，则基波束119与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且封装控制器150启动一个或多个算法来优化波长转换器件120的输出功率。然而，如果波长经转换输出波束的峰值输出功率小于阈值输出功率，则基波束119未与波长转换器件120的波导部分IM对准，从而第二对准扫描继续。在图4C中所描绘的第二对准扫描的实施例中，在第二对准扫描完成时，束斑117 尚未定位在波长转换器件的波导部分1 上。在这种情况下，在第二连续步230中的每步之后测得的峰值输出功率尚未超过阈值输出功率，从而需要束斑117在波长转换器件120 的输入面132上的附加对准扫描。作为示例参照图4D，在第二对准扫描完成且峰值输出功率未超过阈值输出功率之后，束斑117定位在第二对准扫描的终点244处。在继续附加对准扫描之前，使束斑117在中间扫描方向上前进至少一个中间步236。在束斑117在中间扫描方向上步进之后，如上所述地确定波长转换器件的峰值输出功率。如果波长经转换输出波束的峰值输出功率大于阈值输出功率，则基波束119与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且控制器启动一个或多个控制算法来优化波长经转换输出波束128的输出功率。然而，如果波长经转换输出波束的峰值输出功率不大于阈值输出功率，则交替重复第一扫描方向上和第二扫描方向上的对准扫描，且在连续的对准扫描之间进行中间扫描方向上的至少一个中间步，直到波长转换器件的峰值输出功率超过阈值功率，或直到一系列对准扫描中的中间步的总数超过最大中间步数。在一个实施例中，当对准启动点212是局部对准启动点时，最大中间步数可以小于对准启动点是全局对准启动点时的最大中间步数。例如，在一个实施例中，当对准启动点是局部对准启动点时，一系列对准扫描中的最大中间步数可以是10步。替代地，当对准启动点是全局对准启动点时，最大中间步数可以是约200步。然而，应当理解，取决于所使用的具体步长、致动器的最大行程和/或波长转换器件的波导部分1 的尺寸，最大中间步数可以更多或更少。在一个实施例中，最大中间步数包括在束斑117定位在对准启动点212上之后所进行的多个中间步。在另一个实施例中，最大中间步数是60步，在束斑117定位在对准启动点212上之后和进行第一对准扫描之前所进行的多个中间步不算在内。
在图4B-4D中描绘的一系列对准扫描中，第二对准扫描完成且束斑未定位在输入面132的波导部分上，在随第二扫描方向上的第二连续步240之后第一扫描方向上的下一连续步250期间束斑117定位在波长转换器件的输入面132的波导部分IM上，此时对准扫描终止且封装控制器启动一个或多个控制算法以优化波长转换器件的输出。作为示例参照图1和5B，当波长转换器件的峰值输出功率超过阈值功率时，束斑 117与波长转换器件120的波导部分IM粗对准，且封装控制器150终止对准扫描。之后， 封装控制器150启动一个或多个控制算法，以通过精细化束斑117与波导部分124的对准来优化波长转换器件的输出功率。在一个实施例中，为了使束斑117与波导部分124的对准精细化，使束斑117在第一精细扫描轴402上在输入面132的一部分上扫描，该第一精细扫描轴402与附图中描绘的坐标轴的χ方向基本平行。当束斑117在第一精细扫描轴402 上扫描时，测量从波长转换器件120发射的波长经转换输出波束1 的输出功率。沿第一精细扫描轴的第一对准设定点由封装控制器150确定为处于束斑117在第一精细扫描轴402 上使波长转换器件的输出功率为最大值的位置。之后，在基本垂直于第一精细扫描轴的第二精细扫描轴404上在输入面132的一部分上扫描束斑117。当束斑117在第二精细扫描轴404上扫描时，测量从波长转换器件 120发射的波长经转换输出波束128的输出功率。沿第二精细扫描轴404的第二对准设定点由封装控制器150确定为处于束斑117在第二精细扫描轴404上使波长转换器件120的输出功率为最大值的位置。然后束斑117利用第一对准设定点和第二对准设定点定位在输入面132上。在另一实施例中，在束斑117利用第一对准设定点和第二对准设定点定位之后， 使波长控制信号在对准信号范围上扫过，以确定使波长转换器件的输出功率最大化的波长控制信号值。一旦确定波长控制信号，封装控制器就启动波长经转换光源的闭环反馈控制。在上述描述中，对准启动点已被描述为局部对准启动点或全局对准启动点。在一个实施例中，可对一系列局部对准扫描(即从局部对准启动点开始的对准扫描)补充一系列全局对准扫描(即从全局对准启动点开始的对准扫描)。参照图5A，在特定条件下，在达到最大初始步数之前，一系列局部对准扫描可能不产生束斑117与波导部分IM的对准。例如，束斑117在波长经转换光源启动时的位置(即在将束斑117定位于对准启动点212处之前束斑117的位置)可能致使束斑117在开始于局部对准启动点212的一系列局部对准扫描260期间从未被定位在波导部分IM上。图5A示意性地描绘了这样的情形。更具体地，图5A通过图形示出了从局部对准启动点212开始的在第一扫描方向上和第二扫描方向上的一系列局部对准扫描260。为说明目的，一系列局部对准扫描260中的最大中间步数是6，而第一扫描方向上的步数m和第二扫描方向上的步数N2对于每个方向而言是12。由于束斑117在启动时(即在束斑定位于局部对准启动点212之前)的位置， 一系列局部对准扫描260达到最大中间步数(在此示例中为三个)，且波长转换器件的峰值光功率不超过阈值光功率。在这种情形下，一旦一系列局部对准扫描沈0已经终止且束斑117未与波导部分 124对准，封装控制器就可将束斑117重新定位至全局对准启动点317，相对于一系列局部对准扫描沈0，束斑117可从该点317扫描更大百分比的输入面132。在束斑117位于全局对准启动点317之后，束斑117可在中间扫描方向上步进多个中间步320。之后，可通过每个全局对准扫描之间在中间扫描方向上的至少一个中间步，在第一扫描方向(即正y方向) 和第二扫描方向(即负y方向)上执行一系列全局对准扫描。例如，可通过使束斑117在第一扫描方向上步进第一连续步330以在第一扫描方向上执行第一全局对准扫描。如上所述，在对准扫描中的每步结束时对每步确定峰值输出功率，以确定束斑117是否与波长转换器件的波导部分1 对准。在图5A中所示实施例中，第一对准扫描完成且束斑117未与波导部分IM对准。因此，可通过使束斑在中间扫描方向上步进至少一个中间步236，并通过使束斑117在第二扫描方向上步进第二连续步340，以在第二扫描方向上执行第二全局对准扫描。在图5A中所示实施例中，束斑117在第二连续步340期间与波导部分IM对准。如本文中所描述，波长经转换光源100的自适应光学器件130可利用SIDM致动器。已经确定，SIDM致动器在每个输入脉冲的机械运动量在致动器寿命期间会变化多达 50%，这又改变用来在特定扫描方向上获得对准的步长和步数。因此，在一个实施例中，封装控制器可跟踪将束斑与波长转换器件的波导部分在扫描方向上对准所需的步数，并确定将束斑与波导部分对准所需的在扫描方向上的平均步数。如果封装控制器确定获得对准所需的平均步数增加，则控制器可增加每步的脉冲数。类似地，如果封装控制器确定获得对准所需的平均步数减少，则控制器可减少每步的脉冲数。以此方式，可在致动器的寿命期间保持物理步长。类似地，还可在致动器的寿命期间使实现对准所花费的时间保持恒定。现在应理解，本文中所描述的方法可用于将包括耦合至波长转换器件的半导体激光器的波长经转换光源对准。本文中所描述的方法特别适用于在设备之间使用具有低定位可重复性和/或高定位可变性的致动器的波长经转换光源。此类致动器包括SIDM致动器。 例如，已经确定由包括施加至SIDM设备的单个脉冲或多个脉冲的恒定位置控制信号引起的位移量可随设备变化高达约3倍。还已经确定由包括施加至SIDM设备的单个脉冲或多个脉冲的恒定位置控制信号引起的位移量可在设备寿命期间变化多达50%。这些变化中的每个变化最终影响有效和重复对准采用SIDM致动器和/或具有相似缺点的致动器的波长经转换光源的能力。然而，除提高对准速度(尤其在设备启动时)之外，本文中描述的对准方法可用于克服这些缺点并提高对准的可重复性。对本领域的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文中所描述的实施例作出各种修改和变化。因此，本说明书旨在覆盖本文中所描述的各实施例的修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求及其等价方案的范围内即可。
权利要求
1.一种用于将波长经转换光源中的半导体激光器与波长转换器件对准的方法，所述方法包括将所述半导体激光器的束斑定位在所述波长转换器件的输入面上； 通过以下步骤在所述输入面上执行所述束斑的对准扫描使所述束斑在第一扫描方向上步进连续步，其中所述连续步的各步包括起点和终点； 在所述连续步的各步的终点处启动和终止所述半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上的扫描；确定在所述连续步的各步的终点处所述半导体激光器的波长控制信号的扫描期间从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将所述波长经转换输出波束的峰值输出功率与阈值输出功率进行比较，其中当所述峰值输出功率大于所述阈值输出功率时所述束斑与所述波长转换器件的波导部分对准。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括(i)在执行所述对准扫描之前将所述束斑定位在对准启动点上；和/或(ii)其中所述连续步的各步的长度小于中间步的长度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括在执行所述对准扫描之前将所述束斑定位在对准启动点上；以及在将所述半导体激光器的束斑定位在所述对准启动点上之前，启动和终止所述半导体激光器的波长控制信号在所述对准信号范围上的初始扫描；确定在所述半导体激光器的波长控制信号的初始扫描期间从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将在所述波长控制信号的初始扫描期间从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率与所述阈值输出功率进行比较，其中当所述波长经转换输出波束的峰值输出功率大于所述阈值输出功率时，所述半导体激光器的束斑与所述波长转换器件的波导部分对准。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在执行所述对准扫描之前将所述束斑定位在对准启动点上；以及在将所述半导体激光器的束斑定位在所述波长转换器件的输入面上的对准启动点处之后和在执行所述对准扫描之前，使所述束斑背离所述对准启动点在中间扫描方向上前进多个中间步。
5.一种用于将波长经转换光源中的半导体激光器与波长转换器件对准的方法，所述方法包括将所述半导体激光器的束斑定位在所述波长转换器件的输入面上的对准启动点上； 通过以下步骤在所述输入面上执行所述束斑的第一对准扫描 使所述束斑在第一扫描方向上步进第一连续步；在所述第一连续步中的各步之间使所述半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上扫描；确定在第一连续步的各步之间使所述半导体激光器的波长控制信号扫描时从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；将所述波长经转换输出波束的峰值输出功率与阈值输出功率进行比较，其中当所述峰值输出功率大于所述阈值输出功率时所述束斑与所述波长转换器件的波导部分对准；当所述第一对准扫描期间的所述峰值输出功率未超过所述阈值输出功率时，通过以下步骤执行所述束斑在所述输入面上的第二对准扫描使所述束斑背离第一对准扫描的终点在中间方向上步进至少一个中间步； 使所述束斑在与所述第一扫描方向相反的第二扫描方向上步进第二连续步； 在所述第二连续步的各步之间使所述半导体激光器的波长控制信号在所述对准信号范围上扫描；确定在所述第二连续步的各步之间使所述半导体激光器的波长控制信号扫描时从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率；以及将所述波长经转换输出波束的峰值输出功率与所述阈值输出功率进行比较，其中当所述峰值输出功率大于所述阈值输出功率时，所述束斑与所述波长转换器件的波导部分对准。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在将所述束斑定位在所述对准启动点之前，执行所述半导体激光器的波长控制信号在所述对准信号范围上的初始扫描；测量在所述波长控制信号的初始扫描期间从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的输出功率；以及将在所述波长控制信号的初始扫描期间从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的输出功率与所述阈值输出功率进行比较，其中当所述波长经转换输出波束的峰值输出功率大于所述阈值输出功率时，所述半导体激光器的束斑与所述波长转换器件的波导部分对准。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括在执行所述第一对准扫描之前，使所述束斑背离所述对准启动点在所述中间方向上前进多个中间步。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述峰值输出功率超过所述阈值输出功率时，所述方法还包括使所述束斑在第一精细扫描轴上在所述输入面上扫描；测量在使所述束斑在所述第一精细扫描轴上扫描时从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的输出功率；标识所述束斑在所述第一精细扫描轴上的第一对准设定点，以使所述波长经转换输出波束的输出功率最大化；使所述束斑在第二精细扫描轴上在所述输入面上扫描；测量在使所述束斑在所述第二精细扫描轴上扫描时从所述波长转换器件发射的波长经转换输出波束的输出功率；标识所述束斑在所述第二精细扫描轴上的第二对准设定点，以使所述波长经转换输出波束的输出功率最大化；以及利用所述第一对准设定点和所述第二对准设定点将所述束斑定位在所述波长转换器件的输入面上。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括(i)在利用所述第一对准设定点和所述第二对准设定点将所述束斑定位在所述波长转换器件的输入面上之后，启动所述波长经转换光源的闭环反馈控制；和/或(ii)在利用所述第一对准设定点和所述第二对准设定点将所述束斑定位在所述波长转换器件的输入面上之后，确定所述波长控制信号以使所述波长转换器件的输出功率最大化。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于 (i)所述对准启动点是局部对准启动点， 所述第一对准扫描是第一局部对准扫描，以及所述第二对准扫描是第二局部对准扫描；或 ( )所述对准启动点是全局对准启动点， 所述第一对准扫描是第一全局对准扫描，以及所述第二对准扫描是第二全局对准扫描。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一连续步中的步数m少于所述第二连续步中的步数N2。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括确定将所述束斑与所述波长转换器件的波导部分在扫描方向上对准所使用的平均步数；以及当将所述束斑与所述波长转换器件的波导部分对准所使用的平均步数改变时，调节与所述扫描方向中的每步相对应的位置控制信号中的脉冲数。
13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一连续步的各步的长度和所述第二连续步的各步的长度小于中间步的长度。
14.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述半导体激光器的基波束通过准直透镜和聚焦透镜光学地耦合至所述波长转换器件；通过利用耦合至所述准直透镜的致动器调节所述准直透镜的位置，使所述半导体激光器的束斑在所述第一扫描方向上步进；以及通过利用耦合至所述聚焦透镜的致动器调节所述聚焦透镜的位置，使所述半导体激光器的束斑在所述中间方向上步进。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述第一连续步中的步数W对应于耦合至所述准直透镜的致动器的小于所述致动器的最大行程的行程；以及所述第二连续步中的步数N2对应于耦合至所述准直透镜的致动器的小于所述致动器的最大行程的行程。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，耦合至所述聚焦透镜的致动器和耦合至所述准直透镜的致动器是平滑冲击驱动机构。
全文摘要
一种用于将波长经转换光源中的半导体激光器与波长转换器件对准的方法包括将半导体激光器的束斑定位在波长转换器件的输入面上。使束斑在扫描方向上步进连续步。在连续步的各步的终点处使半导体激光器的波长控制信号在对准信号范围上扫描。在连续步的各步的终点处确定在扫描期间从波长转换器件发射的波长经转换输出波束的峰值输出功率。将该峰值输出功率与阈值输出功率比较，以确定束斑是否与波长转换期间的波导对准。
文档编号H01S5/02GK102332680SQ20111009986
公开日2012年1月25日 申请日期2011年4月14日 优先权日2010年4月14日
发明者D·皮库拉, V·巴蒂亚 申请人:康宁股份有限公司