专利名称：光学组件的快速对准方法
光学组件的快速对准方法相关申请的交叉引用本申请要求2009年4月22日提交的美国申请No. 12/427，945的优先权益。
背景技术：
领域本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、光学组件以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，本发明涉及用于对准光学组件的方法，该光学组件尤其包括通过自适应光学器件光耦合到二次谐波发生(SHG)晶体或另一类型的波长转换器件的半导体激光器等。
背景技术：
通过将诸如红外或近红外分布式反馈(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或更高次谐波发生晶体之类的波长转换器件相结合，可形成短波长光源。常见地，波长转换器件用来产生基波激光信号的更高次谐波，将近红外光转换至光谱的可见或紫外部分。为此，优选将半导体激光器的激光发射波长调谐至波长转换器件的光谱中心，并且激光器的输出光束优选地与波长转换器件的输入面处的波导部分对准。例如MgO掺杂的周期极化的铌酸锂(PPLN) 二次谐波发生晶体的常见波长转换器件的波导光模场直径可能在几微米范围内，而与波长转换器件一同使用的半导体激光器可包括具有接近相同尺寸的直径的单模波导。结果，将来自半导体激光器的输出光束与SHG 晶体的波导正确地对准从而优化SHG晶体的功率输出可能是一项困难的任务。更具体地， 给定半导体激光器输出光束和SHG晶体波导两者的尺寸，定位半导体激光器以使输出光束入射到波长转换器件的波导部分上可能是困难的。因此，需要用于对准光耦合于例如二次谐波发生(SHG)晶体的波长转换器件的半导体激光器的方法。
发明内容
披露一种用于对准光学组件的方法，该光学组件包括用于发出具有第一波长 (例如红外波长)的输出光束的半导体激光器；用于将输出光束转换至第二波长(例如可见光波长)的波长转换器件；构造成将输出光束光耦合入波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件；以及编程以运作自适应光学器件的至少一个可调光学部件的组件控制器。对准方法可包括随着半导体激光器的输出光束沿第一扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描，通过测量从波长转换器件的块晶部分射出或由其散射出的具有第一波长的光的功率来确定波长转换器件的边缘。此后，将半导体激光器的输出光束定位在波长转换器件的输入面上，以使半导体激光器的输出光束相对于波长转换器件的边缘位于第二扫描轴上。第二扫描轴横越过波长转换器件的波导部分的至少一部分。波导部分沿第二扫描轴的位置是通过随着半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描
5而测量从波长转换器件射出的光的功率来确定的。基于当半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描时测得的光功率，红外半导体激光器的输出光束随后与波长转换器件的波导部分对准。在另一实施例中，一种光学组件可包括用于射出具有第一波长的输出光束的半导体激光器；用于将输出光束转换至第二波长的波长转换器件；构造成将输出光束光耦合入波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件；用于测量从波长转换器件射出或由其散射的光功率的至少一个光检测器；以及组件控制器。可对组件控制器编程以沿第一扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描半导体激光器的输出光束，并通过随着半导体激光器的输出光束沿第一扫描轴在波长转换器件的输入面上方扫描而测量从波长转换器件的块晶部分射出或由其散射的具有第一波长的光的功率来确定波长转换器件的边缘。此后， 组件控制器可将半导体激光器的输出光束定位在波长转换器件的输入面上，以使半导体激光器的输出光束相对于波长转换器件的边缘位于第二扫描轴上。第二扫描轴横越过波长转换器件的波导部分的至少一部分。可对组件控制器编程以随后沿第二扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描半导体激光器的输出光束，并通过随着半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴在波长转换器件的输入面上方扫描而测量从波长转换器件射出的光的功率来确定波导部分沿第二扫描轴的位置，其中随着半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描而从波长器件射出的光包括第一波长、第二波长、或两者兼有。最后，基于当半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描时测得的光功率，对组件控制器编程以使半导体激光器的输出光束与波长转换器件的波导部分对准。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1是根据本文描述和示出的一个实施例的具有基本线性构造的光学组件的示意图；图2是根据本文描述和示出的一个实施例的具有折叠构造的光学组件的示意图；图3A示出根据本文描述和示出的一个或多个实施例的波长转换器件的横截面；图:3B示出根据本文描述和示出的一个或多个实施例的图3A中描述的波长转换器件的横截面；图4A示出根据本文描述和示出的一个或多个实施例的波长转换器件的横截面；图4B示出图4A中描述的波长转换器件的横截面；图5A示出根据本文描述和示出的一个实施例的在波长转换器件的输入面上扫描的半导体激光器的输出光束；图5B示出随着如图5A所示半导体激光器的输出光束沿y方向在波长转换器件的输入面上扫描，测得的波长转换器件的可见光和红外输出强度的变化；图5C示出随着如图5A所示半导体激光器的输出光束沿χ方向在波长转换器件的输入面上扫描，测得的波长转换器件的可见光和红外输出强度的变化；以及图6示出随着如图5A所示半导体激光器的输出光束沿y方向在波长转换器件的输入面上扫描，散射的红外光的强度变化。
具体实施例方式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。图1示出与本文描述的控制方法一同使用的光学组件的一个实施例。该光学组件一般包括半导体激光器、自适应光学器件、波长转换器件和组件控制器。半导体激光器的输出可通过自适应光学器件光耦合到波长转换器件的输入面中。组件控制器可电耦合于自适应光学器件，并被构造成控制半导体激光器与波长转换器件的对准。下面将进一步描述用于将半导体激光器与波长转换器件对准的方法和光学组件的各个部件和构造。图1和图2总地示出光学组件100、200的两个实施例。应当理解，实线和实箭头表示光学组件的各个部件的相互电连接性。这些实线和实箭头还指示在各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，虚线和虚箭头指示由半导体激光器和/或波长转换器件射出的光或光束，而虚线的长度指示具有不同波长的一个或多个分量的光或光束。应当理解，本文中使用的术语“光”和词语“光束”指从半导体激光器和/或波长转换器件射出的各波长的电磁辐射，并且该光或光束可具有与电磁谱的紫外、可见或红外部分对应的波长。一开始参见图1和2，尽管在与经频率或波长转换的半导体激光源的设计和制造有关的易于获得的技术文献中教示了其中可包含本发明的特定实施例的理念的各种类型光学组件的一般结构，但可一般参照包括例如光耦合到波长转换器件120(图1和图2中的 “ ν ”)的半导体激光器110(图1和图2中的“ λ ”)的光学组件100、200方便地阐述本发明的特定实施例的理念。半导体激光器110可射出具有第一波长λ工的输出光束119或基波光束。如图1和图2所示，半导体激光器110的输出光束119可要么直接耦合入波长转换器件120(未示出)的波导部分，要么使用自适应光学器件140耦合入波长转换器件120 的波导部分。波长转换器件120将半导体激光器110的输出光束119转换成更高次的谐波并射出输出光束128，该输出光束1 可包括具有第一波长λ工的光和具有第二波长λ 2的光。这种类型的光学组件在从较长波长的半导体激光器(例如具有波长处于红外光谱内的输出光束的激光器)产生较短波长激光束(例如具有处于可见光谱内的波长的激光束)时尤其有用。例如，此类器件可用作激光投影系统的可见激光源。在本文描述的实施例中，半导体激光器110是可用于产生红外输出光束的激光二极管，而波长转换器件120可用于将波长转换器件的输出光束转换成具有处于可见光谱内的波长的光。然而，应当理解，本文所述的光学组件以及用于对准光学组件的方法可适用于其它光学组件，所述其它光学组件包括具有不同输出波长的激光器件以及用来将激光器的输出光束转换至不同的可见和紫外波长的波长转换器件。仍然参照图1和2，波长转换器件120 —般包括非线性光学块晶材料122，诸如二
7次谐波发生(SHG)晶体。例如，在一个实施例中，波长转换器件120可包括MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体。然而，应当理解，也可使用其它类似的非线性光学晶体。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。现在参照图3A-4B，其示出了波长转换器件120、121的两个实施例。在两实施例中，波长转换器件120、121包括具有例如MgO掺杂的铌酸锂的内置波导部分126的例如铌酸锂的块晶材料122，所述内置波导部分1 在输入面132和输出面133之间延伸。当波长转换器件120是PPLN晶体时，PPLN晶体的波导部分1 可具有5微米数量级的尺寸(例如高度和宽度)。参见图3A和;3B所示的实施例，波长转换器件120可以是基本矩形或方形的横截面。如图3A所示，输入面132可由顶部边缘124A、侧边缘124B和124C以及底部边缘124D 界定。波导部分126被设置在块晶材料122的底部边缘124D附近并内置在低折射率层130 内。块晶122的常见横截面尺寸在500-1500微米的数量级，而低折射率层130 —般具有几微米至几十微米的厚度。在图4A和4B所示的波长转换器件121的实施例中，波长转换器件121包括内置在低折射率层130内的波导部分126，所述低折射率层130位于块晶材料122A、122B的两个片层(slab)之间。波导部分1 在波长转换器件121的输入面132和输出面133之间延伸。参见图4A，块晶材料122A、122B的每个片层可以是大致矩形或方形横截面，并包括顶边缘124A、侧边缘124B和124C以及底边缘124D。参见图;3B和图4B，当诸如半导体激光器110的输出光束119的具有第一波长λ工的光束被引导到波长转换器件120的波导部分126中时，该光束可沿波长转换器件120的波导部分1 传播，在该波长转换器件120中该光束的至少一部分被转换至第二波长入2。 波长转换器件120从输出面133射出光束128。光束1 可包括经转换波长的光(例如具有第二波长λ 2的光)以及未经转换的光(例如具有第一波长λ工的光)。例如，在一个实施例中，由半导体激光器110产生并被引导至波长转换器件120的波导部分126内的输出光束119具有约1060nm(例如该输出光束119是红外光束)的波长。在该实施例中，波长转换器件120将红外光束的至少一部分转换成可见光，以使波长转换器件的波导部分1 射出光束128，该光束128除了约1060nm波长的光还包括约530nm波长的光(例如可见的绿光)。在另一实施例中，当具有第一波长λ工的光束一例如半导体激光器110的输出光束119——被引导至波长转换器件的输入面132，但不进入波长转换器件120的波导部分 126(例如光束入射到波长转换器件120的块晶材料122上)时，由于全内反射现象，该光束被引导通过波长转换器件120的块晶材料122并从输出面133射出而不被转换至第二波长λ 2。例如，当入射到波长转换器件120的无波导部分或块晶材料122的输出光束119具有lOeOnm的第一波长λ i时(例如输出光束119是红外光束)，由于在块晶材料122中几乎没有或没有发生波长转换，因而从波长转换器件的输出面133射出的光束219将也具有 1060nm的波长。再次参见图1和图2，其中示出光学组件100、200的两个实施例，这两种光学组件利用波长转换器件和半导体激光器。在一个实施例中描述光学组件100，其中半导体激光器110和波长转换器件120具有基本线性的结构，如图1所示。更具体地，半导体激光器110 的输出和波长转换器件120的输入基本沿单个光轴对准。如图1所示，由半导体激光器110 射出的输出光束119通过自适应光学器件140耦合入波长转换器件120的波导部分。在图1所示的实施例中，自适应光学器件140 —般包括可调光学部件，尤其是透镜142。透镜142使半导体激光器110射出的输出光束119准直和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、多个透镜或其它光学元件。透镜142可耦合到执行器(未示出)，该执行器用于沿χ方向和y方向调节透镜142的位置， 因此透镜142是可调光学部件。在χ和y方向上调节透镜的位置可有利于沿波长转换器件 120的输入面定位输出光束119，从而将输出光束119与波导部分对准并优化波长转换器件 120的输出。在本文描述的实施例中，执行器可包括MEMS器件、压电器件、音圈或可用于将沿χ和y方向的平移运动施加于透镜的类似机械或机电执行器。现参照图2，其示出光学组件200的另一个实施例，其中半导体激光器110、波长转换器件120和自适应光学器件140以折叠构造取向。更具体地，半导体激光器110的输出光束119和波长转换器件120的输入光束被定位在基本平行的光轴上。如同图1所示的实施例，由半导体激光器110射出的输出光束119通过自适应光学器件140被耦合入波长转换器件120的波导部分。然而，在该实施例中，输出光束119必须从其最初路径重新导向以利于将输出光束119耦合入波长转换器件120的波导部分。因此，在该实施例中，自适应光学器件140可包括可调光学部件，尤其是可调反射镜144和透镜142。如前所述，自适应光学器件140的透镜142可将由半导体激光器110射出的输出光束119准直并聚焦至波长转换器件120的波导部分中，同时可调节反射镜144将输出光束119从第一路径重新导向至第二路径。具体地说，可调反射镜144可绕基本平行于图2 所示的χ轴和y轴的旋转轴转动，从而将角偏移引入输出光束119。可调反射镜144可包括镜部分和执行器部分。可调反射镜144可通过调整可调光学部件的执行器部分而绕任一旋转轴转动。在本文描述的实施例中，可调光学部件的执行器部分可包括MEMS器件、压电器件、音圈或可用于将旋转运动提供给反射镜部分的类似执行器。例如，在一个实施例中，可调反射镜144可包括一个或多个可移动的微光学机电系统(MOEMS)或操作上耦合到反射镜的微机电系统(MEMS)。可构造和安排MEMS或MOEMS 器件以改变输出光束119在波长转换器件120的输入面上的位置。MEMS或MOEMS器件的使用允许在大范围内极快地完成对输出光束119的调整。例如，当与3mm焦距透镜一起使用时，具有士 1°机械偏差的MEMS反射镜可允许输出光束119的束斑在波长转换器件120的输入面132上具有士 100 μ m的角位移。由于MEMS或MOEMS器件的快速响应时间，束斑的调整可可在IOOHz-IOkHz数量级的频率下完成。作为替代或附加，可调光学部件可包括构造用于光束转向和/或光束聚焦的一个或多个液体透镜部件。再者，能够构想，可调光学部件可包括安装到微执行器上的一个或多个反射镜和/或透镜。在一个构想的实施例中，可调光学部件可以是可移动或可调透镜，如参考图1所述那样，与固定反射镜一同使用以在半导体激光器110和波长转换器件120之间形成折叠的光学路径。在图2所示的光学组件200中，可调反射镜144是包含在相对紧凑、折叠路径光学系统中的微光学机电反射镜。在所示构造中，可调反射镜144构造成折叠光学路径以使光
9学路径一开始经过透镜142以作为准直或近似准直的光束到达可调反射镜144，并随后通过同一透镜142返回以聚焦到波长转换器件120上。这种光学构造尤为适用于经波长转换的激光源，在该激光源中由半导体激光器110产生的输出光束的横截面尺寸接近波长转换器件120的输入面上的波导的尺寸，在这种情形下，接近1的放大倍数将在波长转换器件 120的输入面上聚焦束斑时得到最佳的耦合。为了定义和描述光学组件200的这个实施例， 要注意本文中对“准直或接近准直的”光束的引用旨在覆盖其中光束发散或会聚的程度减小、将光束引导向更准直状态的任何光束构造。尽管图1和图2所示光学组件100、200的实施例表述半导体激光器110的输出光束119通过自适应光学器件140被耦合入波长转换器件120，然而应当理解，具有其它构造的光学组件也是可行的。例如，在另一实施例(未示出)中，波长转换器件120可机械耦合于例如MEMS器件、压电器件等执行器，该执行器帮助相对于半导体激光器110的输出光束 119移动波长转换器件120。使用该执行器，可将波长转换器件定位以使用本文中进一步描述的技术使波长转换器件的波导部分对准于输出光束119。现在参见图1和图2，光学组件100、200也可包括例如光电二极管的光检测器 170、准直透镜190和分束器180。分束器180和准直透镜190位于波长转换器件120的输出面133附近。准直透镜190将从输出面133射出的光聚焦入分束器180，该分束器180将从波长转换器件120的输出面133射出的光束128的一部分重新导向入光检测器170。光检测器170可用于测量从波长转换器件120的输出面133射出的光的功率。例如，在一个实施例中，当半导体激光器的输出光束119是红外光时，光检测器170可用于测量从输出面 133射出的红外光的强度或功率。仍然参见图1和图2，在一个实施例中，光学组件100、200可另外包括第二光检测器171。第二光检测器171可定位成邻近波长转换器件120的一侧并取向成使光检测器基本平行于波长转换器件120的光轴(例如在输出面和输入面之间延伸的轴)。在一个实施例(未示出)中，第二光检测器171毗邻地附连于波长转换器件的顶部或侧部或在其之上。 第二光检测器171可用于测量输出光束119的光，该光从波长转换器件120(例如从块晶材料122和/或低折射率层130)或光学组件100、200的其它部件散射出。例如，在一个实施例中，当半导体激光器的输出光束119是红外光时，第二光检测器171可用于测量由波长转换器件120散射的红外光的强度或功率。在又一实施例(未示出)中，图1和图2所示的分束器180是二向色分束器，并且第二光检测器相对于该分束器定位以使从波长转换器件射出并具有第一波长X1的光被导向至光检测器170，同时使从波长转换器件射出并具有第二波长λ 2的光被导向至第二光检测器171。在该实施例中，光检测器170、171可用于分别测量具有第一波长λ工的光和具有第二波长λ2的光。例如，当输出光束119是红外光束且波长转换器件用于将红外光束转换成可见光时，光检测器170可用于测量从输出面133射出的红外光的功率，而第二光检测器171可用于测量从输出面133射出的可见光的功率。光学组件100、200还可包括组件控制器150 (图1和2中的“MC”)。组件控制器 150可包括一个或多个微控制器或可编程逻辑控制器，用来存储和执行用于运作光学组件 100、200的经编程指令集。替代地，微控制器或可编程逻辑控制器可直接地执行指令集。组件控制器150可电耦合于半导体激光器110、自适应光学器件140和光检测器170、171，并被编程以运作自适应光学器件140并从光检测器170、171接收信号。参见图1和图2，组件控制器150可通过引线156、158耦合于自适应光学器件140， 并分别通过引线152、158向自适应光学器件140提供χ和y位置控制信号。X和y位置控制信号有利于沿χ和y方向定位自适应光学器件的可调光学器件，这进而利于沿χ和y方向在波长转换器件120的输入面上定位半导体激光器110的输出光束119。例如，当自适应光学器件140的可调光学部件是可调透镜142时，如图1所示，χ和y位置控制信号可用来沿χ和y方向定位透镜142。替代地，当自适应光学器件140的可调光学部件是可调反射镜 144时，如图2所示，可使用χ位置控制信号以使可调反射镜144围绕平行于y轴的旋转轴转动，从而使从反射镜反射的光束沿χ方向扫描。同样，可使用y位置控制信号来使可调反射镜144围绕平行于χ轴的旋转轴转动，从而使从反射镜反射的光束沿y方向扫描。此外，光检测器170、171的输出可分别通过引线172、173电耦合至组件控制器 150，因此光检测器170、171的作为由检测器测得的光功率的指示的输出信号被传至组件控制器150，用于控制自适应光学器件。现在参照图1和图2所示的光学组件100、200和图3所示的波长转换器件120描述将半导体激光器与光学组件100、200的波长转换器件的波导部分对准的方法。然而，应当理解，本文描述的方法也可适用于如图4所示的波长转换器件。现在参见图1、2、5A_5B和图6，这些附图示意地示出将半导体激光器的输出光束与波长转换器件120的波导部分1 对准的方法的一个实施例。该方法包括将半导体激光器110的输出光束119导向到波长转换器件120的输入面132上。在这里也称束斑104(例如图5A所示的束斑104)的输出光束119 一开始被导向到输入面132上，以使束斑104入射到波长转换器件120的块晶材料122上。在一个实施例中，可对组件控制器150编程以调整自适应光学器件140，从而使输出光束119位于波长转换器件120的块晶材料122上。在一个实施例中，在光学组件具有折叠构造的情形下，如图2所示，波长转换器件 120的输入面132和半导体激光器110的输出波导112可位于与输出波导112同一平面内或处于与其平行的平面内，所述输出波导112通常就在波长转换器件120的波导部分1 之下。在具有这种构造的光学组件中，可能会不利地使输出光束119反射进入半导体激光器110的输出波导112，这进而可能损坏半导体激光器110。在该实施例中，为了避免损坏半导体激光器110，可对组件控制器150编程以一开始将输出光束119定位在波长转换器件的输入面132上，以使束斑104位于输入面132的边缘(例如边缘124B或边缘1MC)附近。例如，在一个实施例中，在可调反射镜144是MEMS执行的反射镜的情形下，可对组件控制器150编程以围绕y轴调整MEMS执行的反射镜的位置，以使束斑104位于靠近波长转换器件120的边缘124C的输入面132上，如图5A所示。当束斑104—开始位于该位置时，半导体激光器110的输出光束119在输出光束119沿y轴扫描的过程中无法被反射进入半导体激光器110的输出波导112。一旦输出光束119位于波长转换器件120的输入面132上，则沿第一扫描轴160 扫描输出光束119。在所示实施例中，第一扫描轴160平行于y轴。可对组件控制器150编程以通过调整被送至可调光学部件的位置控制信号并由此调整可调光学部件的位置进而调整束斑104在输入面132上的位置来在输入面132上扫描输出光束119。例如，可对组件控制器150编程以通过向可调光学部件发送y位置控制信号从而定位可调光学部件来沿第
11一扫描轴160在输入面132上扫描束斑104，由此沿y轴扫描输出光束119和束斑104。在一个实施例中，随着输出光束119沿第一扫描轴160扫描，通过光检测器170监测从波长转换器件120的块晶材料122射出的光的功率。例如，当半导体激光器110的输出光束119具有红外范围内的第一波长λ工时，通过光检测器170测量从波长转换器件的块晶材料122射出的红外光的功率并将其发送至组件控制器150。图5B示出作为扫描过程中提供给可调光学部件的y位置控制信号的函数的从块晶材料射出的顶光的测得功率的曲线图。现在参见图5A和5B，随着输出光束119沿第一扫描轴160扫描，输出光束从块晶材料122过渡至低折射率层130并全部离开波长转换器件130。从块晶材料122的转移伴随着由波长转换器件120射出的光的功率的相应减少。例如，参见图5B，在一个实施例中， 输出光束119从块晶材料122至低折射率层的过渡一般发生在可调光学部件的y位置控制信号具有大约4. 4伏的值时，如垂直线300所示。随着扫描沿第一扫描轴继续，波长转换器件120的输出功率继续减小，直到没有任何一部分的输出光束119位于块晶材料122上，在该点波长转换器件120的输出功率减小至更少的量。该点在图5B中通过垂直线302示出， 该垂直线302大致对应于在所示示例中施加的5. 2伏的y位置控制信号。如图5B所示，在大量检测光和少量检测光之间的过渡是何时光束跨过波长转换器件的下边缘的表征，并因此指示波长转换器件的边缘。当光因全内反射而被引导通过块晶体材料时，由检测器接收的功率较大，而当光束处于块晶材料外部且不被引导至检测器时，功率较小。可对组件控制器150编程以当达到该过渡时识别施加于可调光学部件的y位置控制信号，并存储该y位置控制信号以用来确定第二扫描轴并将束斑104定位在第二扫描轴上。应当理解，尽管图5A和图5B示出在具有类似于图3A和图所示构造的波长转换器件120的输入面上扫描的半导体激光器的输出光束以确定晶体的外边缘(例如底边缘 124D)的位置，然而该波长转换器件也可具有类似于图4A和图4B所示的波长转换器件121 的构造。通过具有图4A和图4B所示构造的波长转换器件，可使用半导体激光器的输出光束在波长转换器件输入面上的扫描来确定块晶材料122A、122B的两个片层之间的内边缘或交界的位置。例如，可使用扫描来确定从块晶材料122A的底部边缘124D至块晶材料122B 的上边缘124A的过渡。在另一实施例中，随着输出光束119沿第一扫描轴160扫描，通过第二光检测器测量从波长转换器件120的块晶材料122和低折射率层130散射的光的功率。在该实施例中， 第二光检测器171基本平行于波长转换器件的光轴(例如在输入面132和输出面133之间延伸的轴)定位，如图1和图2所示。该检测器用于测量散射离开块晶材料122和/或低折射率层130的光的功率。图6示出从波长转换器件120散射的顶光因变于施加于可调光学部件的1位置控制信号的曲线图。参见图5A和图6，随着组件控制器150在输入面132上扫描输出光束119和束斑 104，束斑104 —开始入射到块晶材料122上并且输出光束119透射过块晶材料。因此，当束斑104入射到块晶材料122并由块晶材料122引导时，非常少的光被散射到检测器171 上，如图6所示。然而，随着束斑104过渡离开块晶材料122，输出光束119的顶光由光学组件的元件散射。这种经散射光是由第二光检测器171检测到的，如图6所示，并且组件控制器150将散射光的功率增加与施加至可调光学部件的特定控制信号相关联。在图6所示的示例中，从块晶材料122至块晶材料外侧的过渡由直线400表示，该直线进而表示晶体的底部边缘124D。与直线400对应的y位置控制信号(在图示示例中接近4. 9伏)对应于可调光学部件中输出光束处于晶体的边缘124D之下的位置。可存储该y位置控制信号以用于确定第二扫描轴并将束斑定位在第二扫描轴上。因此，对于检测到的红外光，侧部安装的检测器171观察到粗略为输出安装的检测器170观察到的的信号的倒数的信号。在确定与波长转换器件的底部边缘124D对应的y位置控制信号后，组件控制器 150可确定跨波长转换器件的波导部分1 延伸的第二扫描轴162。第二扫描轴的位置的确定基于波长转换器件120的波导部分1 和底部边缘124D之间的已知距离。使用该已知距离和与底部边缘124D对应的y位置控制信号，组件控制器确定y位置控制信号以在输入面132上定位输出光束119，从而当沿χ方向(例如第二扫描轴162)扫描光束时，输出光束119横越过波导部分126。因此，该确定的y位置控制信号对应于第二扫描轴162的位置。在图5A所示的例子中，第二扫描轴162基本平行于χ轴。—旦确定了第二扫描轴162的位置，组件控制器150将y位置控制信号施加至可调光学部件以定位可调光学部件，从而使输出光束119的束斑104位于第二扫描轴162上。 此后，组件控制器150调整施加于可调光学部件的χ位置控制信号以沿第二扫描轴162扫描输出光束119。在一个实施例中，随着在第二扫描轴162上扫描输出光束，组件控制器150 可对施加于可调光学部件的y位置控制信号进行调制以使束斑104沿y方向上颤动，由此增加通过沿第二扫描轴扫描覆盖的有效面积。随着输出光束119沿第二扫描轴162扫描，通过光检测器170监测从波长转换器件120的输出面133射出并具有与基波光束(例如X1)相同波长的光的功率。例如，如前所述，当半导体激光器110的输出光束119具有处于红外范围内的第一波长λ工时，使用光检测器170测量从块晶体材料122射出的红外光的功率，光检测器170进而将指示测得的射出光功率的电信号传递至组件控制器150。参见图5C，其示出作为施加于可调光学部件的电压的函数的从输出面133射出的测得顶功率的曲线图，波长转换器件的波导部分的位置——更具体说就是可调光学部件中束斑104对准于波导部分1 的位置——可基于从波长转换器件120射出的光的功率变化来确定。例如，参见图5A和5C，当沿低折射率层130沿第二扫描轴扫描束斑时，波长转换器件测得的输出低，因为多数半导体激光器的光功率未被有效地引导至检测器170。然而，随着光束在波导部分1 上过渡，随着输出光束119有效地且高效率地被引导通过波导部分 126并在波长转换器件120的输出面处射出，输出功率形成尖峰。因此，这增加了光功率输出，如图5C中由直线304和306指示的那样，这通常对应于可调光学部件中输出光束119 与波导部分1 对准的位置。可对组件控制器150编程以辨别这种功率增加并将该增加关联于相应χ位置控制信号，所述χ位置控制信号可施加于可调光学部件以将可调光学部件驱动至与波长转换器件的波导部分对准的位置。在图5C所示的例子中，形成对准的χ位置控制信号大约为4. 8伏。所识别的χ位置控制信号然后被存储在与组件控制器150相关联的存储器中，并随后与之前确定的y位置控制信号一同使用以使半导体激光器对准于波长转换器件。现在应当理解，通过当沿第二扫描轴162扫描输出光束时监测可调光学部件的位置和波长转换器件的输出功率，可确定可调光学部件的位置以使输出光束119与波长转换
13器件120的波导部分1 对准。组件控制器150随后可基于波长转换器件120的测得输出功率沿第一扫描轴和第二扫描轴定位可调光学部件以使半导体激光器110的输出光束119 与波导部分1 对准。尽管本文描述的实施例示出使用自适应光学器件使半导体激光器的输出光束与波长转换器件对准，然而应当理解也可使用其它方法。在一个实施例中，本文描述的方法可用来在光学组件的组装过程中对准光学组件。例如，在光学组件的组装过程中，半导体激光器和/或自适应光学器件(例如透镜或透镜/MEMS反射镜单元)可耦合于执行器，例如 x-y移动台或类似执行器，该执行器可用于沿χ和y方向上定位部件，并由此调整半导体激光器、自适应光学器件和波长转换器件的相对位置。在该实施例中，根据本文描述的方法， 可使用执行器来对准这些部件以便于沿第一扫描轴和第二扫描轴来扫描输出光束。一旦达到对准，这些部件可固定在位并移除执行器。本文示出和描述的实施例涉及基于从波长转换器件射出的未经转换光的功率来使半导体激光器对准波长转换器件的方法。例如，当半导体激光器射出具有第一波长的输出光束时，在同一波长下测量波长转换器件的输出功率。然而，在另一实施例中，为了对准可利用由波长转换器件射出的光的第二波长。例如，当波长转换器件如前所述是PPLN晶体并且半导体激光器射出被导入波长转换器件的波导部分的具有波长X1的输出光束时，具有第二波长λ 2的二次谐波光束可从波长转换器件120的输出面射出。当波长转换器件的输出光束沿第二扫描轴162扫描时可测量在该第二波长下射出的光的功率，并且在第二波长下射出的光的功率的变化可由控制器使用以使输出光束对准于波长转换器件的波导部分，如前所述那样。因此，现在应当理解，本文描述的对准方法可用来快速地使半导体激光器的输出光束对准于波长转换器件的波导部分。本文描述的方法利用块晶的导光特性来确定何时光束碰到晶体的边缘。该边缘检测，加上了解波导相对于晶体边缘位于何处，有利于快速地确定波长转换器件的波导部分在二维搜索空间内的位置。例如，使用本文描述的方法，可通过跨波长转换器件的输入面执行输出光束的两次线性扫描来获得对准。此外，相比可能需要沿输入面采样N2个离散位置的光栅扫描而言，本文描述的方法只需要采样最多2Ν个离散位置。此外，如果一旦确定晶体的边缘和波导的位置就停止沿第一扫描轴和第二扫描轴的扫描，则被采样的离散位置的数目可减少至小于2Ν。因此，本文描述的方法允许改进的对准过程而不牺牲精度或准确性。尽管本文描述的示例指出使用红外基波光束和可见或绿色二次谐波光束，然而应当理解，该方法可与其它光学系统一同使用，该光学系统包括基波光束和具有不同波长的二次谐波光束。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，本发明旨在覆盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化在所附权利要求及其等同方案的范围之内即可。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数量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、功能一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。
1权利要求
1.一种用于对准光学组件的方法，所述光学组件包括用于发出具有第一波长的输出光束的半导体激光器；用于将所述输出光束转换至第二波长的波长转换器件；构造成将所述输出光束光耦合入所述波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件；以及被编程以运作所述自适应光学器件的至少一个可调光学部件的组件控制器，所述方法包括随着所述半导体激光器的输出光束沿第一扫描轴在所述波长转换器件的输入面上扫描，通过测量从所述波长转换器件的块晶部分射出或由其散射的具有第一波长的光的功率来确定所述波长转换器件的边缘；将所述半导体激光器的输出光束定位在所述波长转换器件的输入面上，以使所述半导体激光器的输出光束相对于所述波长转换器件的边缘位于第二扫描轴上，其中所述第二扫描轴横越所述波长转换器件的所述波导部分的至少一部分；通过随着所述半导体激光器的输出光束沿所述第二扫描轴在所述波长转换器件的输入面上扫描而测量从所述波长转换器件射出的光的功率来确定所述波导部分沿第二扫描轴的位置；以及基于当所述半导体激光器的输出光束沿所述第二扫描轴扫描时测得的光功率，使红外半导体激光器的输出光束与所述波长转换器件的所述波导部分对准。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体激光器的输出光束是红外光，而所述波长转换器件是用于将红外光转换成可见光的二次谐波发生晶体。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括沿所述第一扫描轴测得的第一波长的光是散射光。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，具有第一波长的光的功率是通过基本平行于所述波长转换器件的光轴定位的光检测器来测量的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括沿第一扫描轴测得的第一波长的光从所述波长转换器件的输出面射出。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包含第一波长的光是通过用分束器将从所述波长转换器件的输出面射出的光重新引导入光检测器来测量的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，随着所述半导体激光器的输出光束在第二扫描轴上扫描而测得的光包括第一波长、第二波长或两者兼有。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，随着所述半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描而测得的光包括从所述波长转换器件的输出面和波导部分射出并具有第一波长的光。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，随着所述半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描而测得的光包括从所述波长转换器件的波导部分射出并具有第二波长的光。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括随着所述半导体激光器的输出光束沿第二扫描轴扫描而沿基本垂直于所述第二扫描轴的方向调制所述半导体激光器的输出光束的位置。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述波长转换器件的输入面上定位所述半导体激光器的输出光束，由此当所述半导体激光器的输出光束沿所述第一扫描轴和第二扫描轴扫描时使所述半导体激光器的输出光束不反射进入所述半导体激光器的输出波导内。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过调整可调光学部件的位置而沿所述第一扫描轴和所述第二扫描轴扫描所述半导体激光器的输出光束。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调光学部件是可调反射镜，并且所述半导体激光器、波长转换器件和自适应光学器件被定位以形成折叠的光学路径。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述可调反射镜是MEMS反射镜。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调光学部件是可调透镜，并且所述半导体激光器、波长转换器件和自适应光学器件被构造成形成基本线性的光学路径。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用至少一个机械执行器来调整所述半导体激光器、自适应光学器件和波长转换器件的相对位置，从而沿所述第一扫描轴和第二扫描轴扫描所述半导体激光器的输出光束。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一扫描轴和所述第二扫描轴大致彼此垂直。
18.一种光学组件，包括用于射出具有第一波长的输出光束的半导体激光器；用于将所述输出光束转换至第二波长的波长转换器件；构造成将所述输出光束光耦合入所述波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件；用于测量从所述波长转换器件射出或由其散射的光功率的至少一个光检测器；以及组件控制器，其中所述组件控制器被编程以沿第一扫描轴在所述波长转换器件的输入面上扫描所述半导体激光器的输出光束；随着半导体激光器的输出光束沿第一扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描，通过测量从所述波长转换器件的块晶部分射出或由其散射的具有第一波长的光的功率来确定所述波长转换器件的边缘；将所述半导体激光器的输出光束定位在所述波长转换器件的输入面上，以使所述半导体激光器的输出光束相对于所述波长转换器件的边缘位于第二扫描轴上，其中所述第二扫描轴横越所述波长转换器件的波导部分的至少一部分；沿所述第二扫描轴在所述波长转换器件的输入面上扫描所述半导体激光器的输出光束；随着沿所述第二扫描轴在所述波长转换器件的输入面上扫描所述半导体激光器的输出光束，通过测量从所述波长转换器件射出的光的功率来确定波导部分沿所述第二扫描轴的位置，其中随着所述半导体激光器的输出光束沿所述第二扫描轴扫描而从波长器件射出的光包括第一波长、第二波长或两者兼有；以及基于当所述半导体激光器的输出光束沿所述第二扫描轴扫描时测得的光的功率，使所述半导体激光器的输出光束与所述波长转换器件的波导部分对准。
19.如权利要求18所述的光学组件，其特征在于，所述至少一个光检测器包括定位以测量从所述波长转换器件的输出面射出的光的功率的第一光检测器以及定位以测量从所述波长转换器件散射出的光的功率的第二光检测器。
20.如权利要求18所述的光学组件，其特征在于，所述至少一个光检测器包括用于测量从所述波长转换器件的输出面射出的光的第一波长的第一光检测器以及用于测量从所述波长转换器件射出的光的第二波长的第二光检测器；以及所述光学组件还包括二向色分束器，所述二向色分束器用于将从所述波长转换器件射出并具有第一波长的光导向至所述第一光检测器，并将从所述波长转换器件射出并具有第二波长的光导向至所述第二光检测器。
全文摘要
一种对准光学组件的方法，该光学组件包括用于发出具有第一波长的输出光束的半导体激光器；用于将输出光束转换至第二波长的波长转换器件；构造成将输出光束光耦合入波长转换器件的输入面的波导部分的自适应光学器件，该方法包括当沿第一扫描轴在波长转换器件的输入面上扫描输出光束时测量从波长转换器件射出或由其散射并具有第一波长的光的功率。然后随着输出光束沿第二扫描轴在输入面上扫描，测量从波长转换器件射出的光的功率。第二扫描轴相对于波长转换器件边缘的位置是基于具有第一波长的测得光功率的。
文档编号H01S3/10GK102414941SQ201080018331
公开日2012年4月11日 申请日期2010年4月21日 优先权日2009年4月22日
发明者D·L·布兰丁, G·A·皮切, J·高里尔 申请人:康宁股份有限公司