激光器架構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明所公開的是用于外腔激光器的架構(gòu)。在一些實(shí)施方案中，外腔激光器包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)元件、布魯斯特板、倍頻片以及微透鏡陣列。布魯斯特板相對(duì)于光路以一角度被布置，并且被配置來至少使從VCSEL接收的光以及在第一方向的光路上傳播的光偏振，并且以與第一方向相反的第二方向，從外腔提取在光路上傳播的被倍頻的光。倍頻片可操作來接收光并且倍頻所接收的光的一部分的頻率。微透鏡陣列與VCSEL元件對(duì)準(zhǔn)。安裝座可以被用來以側(cè)安裝或端安裝的方式安裝倍頻片的側(cè)堆疊。
【專利說明】激光器架構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開一般地涉及激光器，并且更具體地，涉及高功率紅外激光器技術(shù)和部件 (包括固態(tài)激光器、垂直腔面發(fā)射激光器和二極管）。

【背景技術(shù)】
[0002] -般地，紅色、綠色、藍(lán)色和紫外（UV)激光器在照明、醫(yī)療、材料加工、焊接和顯 示器方面具有許多潛在用途。當(dāng)選擇激光器用于這些不同的市場(chǎng)/【技術(shù)領(lǐng)域】時(shí)，成本、可 靠性、效率、尺寸和功率是可以被考慮的激光器參數(shù)。顯示器是具有許多不同細(xì)分產(chǎn)品 (segment)的市場(chǎng)的實(shí)例，所述細(xì)分產(chǎn)品以略有不同的方式評(píng)價(jià)這些參數(shù)。在消費(fèi)類顯示器 市場(chǎng)中，成本、效率和尺寸可能是重要的參數(shù)，而在專業(yè)顯示器市場(chǎng)中，可靠性、高功率和成 本可能是關(guān)鍵的參數(shù)。廉價(jià)、可靠、高效率的綠色、紅色或藍(lán)色源對(duì)于所有上面的應(yīng)用來說 是重要的。這樣的綠色激光源是特別相關(guān)的，因?yàn)閷?duì)于專業(yè)顯示器應(yīng)用來說，高功率直接源 (例如垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)或邊緣發(fā)射二極管）還未以合適的波長(zhǎng)存在。
[0003] 一般地，全色顯示器至少使用紅色、綠色和藍(lán)色光源。當(dāng)用在電影院中時(shí)，這些顏 色必須在特定范圍內(nèi)以遵從由電影行業(yè)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，并且更具體地，遵從數(shù)字影院倡導(dǎo)聯(lián) 盟（Digital Cinema Initiative)。電影的大致所接受的顏色范圍以紅色或616_650nm、綠 色或523-545nm以及藍(lán)色或455-468nm給出。然而，消費(fèi)類顯示器市場(chǎng)沒有這樣嚴(yán)格的波 長(zhǎng)要求。隨著紅色和藍(lán)色二極管已經(jīng)變得可獲得，對(duì)用于背光照明（backlight)以及用于 消費(fèi)類投影儀的激光器的興趣已經(jīng)增加。直接激光源是成本有效（cost effective)、可靠 并且有效的光源。然而，目前并不存在具有顯示器所需要的波長(zhǎng)的高功率綠色直接激光源。 因此，綠色是重要的激光技術(shù)，并且本領(lǐng)域存在對(duì)于高功率、有效的綠色直接光源的需要。 此外，目前紅色激光器有著非常嚴(yán)苛的冷卻要求并且它們的壽命是相對(duì)受限的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所公開的是用于外腔激光器的架構(gòu)。在示例性實(shí)施方案中，外腔激光器包 括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件、布魯斯特板、倍頻片，并且可選地包括微透鏡陣列。 每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上提供紅外（IR)光。布魯斯特板相對(duì)于光路以一角度 被布置，并且被配置來至少使在第一方向的光路上傳播的IR光偏振，并且以與第一方向相 反的第二方向，從外腔提取在光路上傳播的被倍頻的光。倍頻片可操作來接收IR光并且倍 頻所接收的IR光的一部分的頻率。微透鏡陣列與VCSEL元件對(duì)準(zhǔn)并且可操作來引導(dǎo)到倍 頻片并且從倍頻片引導(dǎo)。安裝座也可以被用來將倍頻片的堆疊安裝在倍頻片的它們的任一 側(cè)上或倍頻片的端部上。
[0005] 在具體的實(shí)施方案中，依據(jù)所公開的原理的用于外腔激光器系統(tǒng)的架構(gòu)可以包括 至少兩個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上將紅外 (IR)光提供到腔體中。同樣，這樣的架構(gòu)可以包括至少兩個(gè)倍頻片，所述至少兩個(gè)倍頻片被 設(shè)置在腔體中并且被配置來接收IR光，并且來基本上倍頻所接收的IR光的至少一部分的 頻率。進(jìn)一步地，示例性架構(gòu)可以包括光學(xué)元件和布魯斯特切板（cutplate)，所述光學(xué)元 件是在與VCSEL元件相對(duì)的腔體的一端處，并且被配置為對(duì)IR光是高反射性的，所述布魯 斯特切板被設(shè)置在VCSEL元件和倍頻片之間，并且相對(duì)于光路以一角度被布置。在這樣的 實(shí)施方案中，布魯斯特板可以被配置來至少使在第一方向的光路上傳播的IR光偏振，并且 以與第一方向相反的第二方向，從外腔提取在光路上傳播的被倍頻的光。
[0006] 在其他更具體的實(shí)施方案中，依據(jù)所公開的原理的用于外腔激光器系統(tǒng)的架構(gòu)可 以包括多個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上將紅 外（IR)光提供到腔體中。這樣的架構(gòu)還可以包括多個(gè)倍頻片，所述多個(gè)倍頻片被設(shè)置在腔 體中并且被配置來接收IR光,并且來基本上倍頻所接收的IR光的至少一部分的頻率。多 個(gè)倍頻片典型地以彼此鄰近的方式被布置成堆疊，其中所述倍頻片之間有間隔件。示例性 架構(gòu)可以進(jìn)一步包括安裝座，所述安裝座用于保持倍頻片的堆疊，以使IR光進(jìn)入倍頻片的 邊緣。多個(gè)微透鏡也可以被設(shè)置為鄰近倍頻片并且可操作來將光引導(dǎo)到倍頻片并且從倍頻 片引導(dǎo)光。光學(xué)元件也可以被提供，所述光學(xué)元件是在與VCSEL元件相對(duì)的腔體的一端處， 并且被配置為對(duì)IR光是高反射性的。而且，示例性架構(gòu)可以進(jìn)一步包括布魯斯特板，所述 布魯斯特板被設(shè)置在VCSEL元件和倍頻片之間，并且相對(duì)于光路以一角度被布置。在這樣 的實(shí)施方案中，布魯斯特板可以被配置來至少使在第一方向的光路上傳播的IR光偏振，并 且以與第一方向相反的第二方向，從外腔提取在光路上傳播的被倍頻的光。
[0007] 附圖簡(jiǎn)要說明
[0008] 實(shí)施方案通過實(shí)施例的方式在附圖中被圖示說明，其中相似的參考標(biāo)號(hào)指示類似 的零件，并且其中：
[0009] 圖1是圖示說明常規(guī)的基于VCSEL的裝置的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖；
[0010] 圖2是圖示說明依據(jù)所公開的原理使用VCSEL陣列的示例性腔體的示意圖；
[0011] 圖3是圖示說明依據(jù)所公開的原理使用VCSEL陣列從示例性腔體的雙光束提取的 示意圖；
[0012] 圖4是圖示說明依據(jù)所公開的原理的周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN)的片的堆疊 的特寫的示意圖，其中每個(gè)片具有微小的間隔；
[0013] 圖5是圖示說明依據(jù)所公開的原理的示例性小透鏡（Ienslet)陣列的示意圖；
[0014] 圖6是圖示說明依據(jù)所公開的原理的端安裝的（endmounted)倍頻材料堆疊的立 體圖以及入射光的方向的示意圖；
[0015] 圖7是圖示說明依據(jù)所公開的原理的端安裝的倍頻器堆疊的俯視圖的示意圖； [0016] 圖8是圖示說明依據(jù)所公開的原理的圖7所示的安裝座的仰視圖的示意圖；
[0017] 圖9是圖示說明依據(jù)所公開的原理的側(cè)安裝的（sidemounted)倍頻材料堆疊的 立體圖以及入射光的方向的示意圖；以及
[0018] 圖10是圖示說明依據(jù)所公開的原理的基于VCSEL的裝置的實(shí)施方案的示意圖.

【具體實(shí)施方式】
[0019] -般地，對(duì)綠色/藍(lán)色/紅色激光器來說存在幾種方法。對(duì)于光的波長(zhǎng)不是那么關(guān) 鍵的非常低功率的應(yīng)用來說，50-100mW的大致范圍內(nèi)的直接二極管在合適的波長(zhǎng)范圍內(nèi)是 可使用的。例如，這些二極管在針對(duì)消費(fèi)類市場(chǎng)的小型、移動(dòng)、"微型（Pico)"投影儀方面是 令人感興趣的。然而，對(duì)于高功率應(yīng)用來說，這些源不是有用的。對(duì)于較高功率應(yīng)用來說， 常規(guī)方法典型地采用由固態(tài)激光器產(chǎn)生并且然后利用非線性晶體來倍頻的紅外波長(zhǎng)。典型 的實(shí)施例可以包括光纖激光器以及使用晶體和摻雜玻璃的固態(tài)激光器（例如YAG激光器） 的倍頻，所述固態(tài)激光器是燈或二極管泵浦的。這些激光器可以產(chǎn)生可以被倍頻的高功率、 優(yōu)質(zhì)的IR光。高強(qiáng)度和優(yōu)質(zhì)對(duì)于IR光的有效倍頻以形成可見光或UV光來說是關(guān)鍵的，例 如，1064nm被倍頻為532nm(綠光），而1232nm可以被倍頻為616nm(紅光）。雖然目前的這 些被倍頻的固態(tài)源可以在綠色波長(zhǎng)中產(chǎn)生大量的功率（在幾瓦至幾千瓦的大致范圍內(nèi)）， 但固態(tài)源是昂貴的、復(fù)雜的、不是非常有效的并且難以成為可靠的。例如，對(duì)于專業(yè)顯示器 應(yīng)用來說通常需要大約30000小時(shí)或更長(zhǎng)，而對(duì)于這種情況，大約5瓦至2000瓦的可見光 可能是合適的。
[0020] 已被生產(chǎn)的綠色或藍(lán)色激光器的另一形式為使用VCSEL陣列，例如圖1中所圖示 說明的VCSEL陣列的示例性實(shí)施方案。圖1是圖示說明常規(guī)的基于VCSEL的裝置100的一 個(gè)實(shí)施方案的示意圖。遺憾的是，VCSEL元件本身典型地不輸出針對(duì)優(yōu)選的應(yīng)用（例如上 面所指出的那些）所需要的合適的功率。例如，VCSEL可以輸出大約150mW或更少，并且在 VCSEL陣列的實(shí)施例中具有波長(zhǎng)的擴(kuò)展，例如，大于1納米至10納米的大致范圍。因此，典 型的低功率VCSEL元件或VCSEL陣列可能難以利用常規(guī)架構(gòu)來有效地倍頻。然而，它們使 用的優(yōu)點(diǎn)是VCSEL是極其可靠的并且產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的IR光。
[0021] 在詳細(xì)地進(jìn)入所公開的實(shí)施方案之前，應(yīng)該理解本文所討論的圖示說明的實(shí)施方 案在其應(yīng)用或創(chuàng)建方面不限于所示的具體布置的細(xì)節(jié)，因?yàn)閷?shí)施方案能夠?qū)崿F(xiàn)布置。而且， 可以在不同組合和布置中對(duì)實(shí)施方案的方面進(jìn)行闡述，以限定本發(fā)明自身的獨(dú)特性。此外， 本文所使用的術(shù)語(yǔ)用于描述而非限制的目的。
[0022] 圖1圖示說明商業(yè)上可獲得的來自Necsel/Ushio的這樣的基于VCSEL的裝置100 的示圖。VCSEL裝置100包括紅外VCSEL陣列110、PPLN倍頻器120、專用輸出耦合器（在 該實(shí)施方案中為體布拉格光柵（VBG)) 130、會(huì)聚（focusing)透鏡140以及用來傳送輸出光 的多模光纖150。從VCSEL陣列110照射的光最初傳遞通過二向色鏡160。第一路徑通過 二向透鏡160來照射倍頻器120以用于倍頻光的頻率。所述光然后傳遞到體布拉格光柵 (VBG) 130,所述體布拉格光柵（VBG) 130在該實(shí)施方案中用作輸出耦合器。在常規(guī)架構(gòu)中需 要這種類型的輸出耦合器來在腔體中降低頻率的擴(kuò)展，以使較低功率元件可以通過長(zhǎng)的并 且非常靈敏（但有效）的周期性極化倍頻晶體120來倍頻。倍頻器120 (Mmm)的長(zhǎng)的長(zhǎng) 度需要使用VBG130,被用來在腔體中收緊（tighten)IR頻率的擴(kuò)展并且將它們鎖定到周期 性極化倍頻器120的最佳頻率。長(zhǎng)周期性極性倍頻器120和VBG輸出耦合器130二者對(duì) 波長(zhǎng)、溫度和對(duì)準(zhǔn)有著非常嚴(yán)格的容限，并且因此不利地影響整個(gè)激光器的成本和可靠性。 VBG130反射受限頻率的IR光，以使它可以返回傳遞通過倍頻器120并且倍頻器120然后將 IR光中的更多一些轉(zhuǎn)變?yōu)楸槐额l的頻率，然后所述IR光被二向色鏡160反射并且然后被反 射鏡170朝向會(huì)聚透鏡140反射。在腔體內(nèi)不考慮會(huì)聚透鏡140和反射鏡170。會(huì)聚透鏡 140將第一和第二路徑會(huì)聚到多模光纖150中，然后可以從裝置100傳出以用于照射圖像。 然而，會(huì)聚透鏡140和光纖150不是必需的，因?yàn)樽杂煽臻g光束輸出也可能是期望的。
[0023] 具體地查看正被倍頻的第一路徑上的光，倍頻器120可以包括如上面所提及的 周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN)，其中PPLN可以被采用而不是塊狀（bulk)倍頻晶體，因?yàn)?PPLN在倍頻光的頻率方面可以是更有效的。這可以由于VCSEL光束的較低強(qiáng)度而被采用。 然而，PPLN的長(zhǎng)的長(zhǎng)度可能具有許多顯著的問題。首先，它可能比塊狀倍頻晶體更昂貴。第 二，為了使PPLN更好地工作，在對(duì)準(zhǔn)、IR光的波長(zhǎng)以及溫度上有著非常嚴(yán)格的容限。因此， 根據(jù)晶體的長(zhǎng)度，PPLN必須被主動(dòng)控制溫度到大約0. 1攝氏度左右。這樣的嚴(yán)格溫度控制 系統(tǒng)是昂貴的并且從可靠性觀點(diǎn)來看是具有挑戰(zhàn)性的。
[0024] PPLN可以有效地倍頻的波長(zhǎng)擴(kuò)展也是非常具有挑戰(zhàn)性的。根據(jù)PPLN的長(zhǎng)度，這典 型地可以低至0.lnm。這種嚴(yán)格的容限典型地需要波長(zhǎng)控制裝置的使用，例如如圖1的常規(guī) 架構(gòu)中所描述的腔體中的VBG，以使陣列的所有元件可以被有效地倍頻。典型地，合適的窄 帶寬可以表明簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)具（etalon)可以不被使用來使帶寬變窄。所以，典型地，難以構(gòu) 建的體布拉格光柵被采用作為輸出耦合器130。在批量制造中，這種體光柵可能是光學(xué)系統(tǒng) 中最昂貴的元件。PPLN和VBG二者也具有嚴(yán)格的角度容限，使得難以實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的批量 制造以及隨溫度改變的操作。像這樣，使用這種方法已經(jīng)制成了幾瓦的低功率裝置，但制造 針對(duì)高功率應(yīng)用的這樣的裝置是有很多問題的。
[0025] 新澤西州默瑟維爾的普林斯頓光電子公司（PrincetonOptronicsof Mercerville，NewJersey)已經(jīng)能夠制造具有獨(dú)特性能的VCSEL。各個(gè)VCSEL元件可以 展現(xiàn)高功率，例如，大于大約150mW;是非?？煽康?，例如，大于100000小時(shí)；并且具有 良好的光學(xué)品質(zhì)，所述各個(gè)VCSEL元件可以包括微透鏡，所述微透鏡被構(gòu)建在VCSEL元 件上以用于提高能量獲取。VCSEL以及相應(yīng)的特性在以下文獻(xiàn)中被一般地討論，即美國(guó) 專利No. 6, 888, 871，"具有用于半導(dǎo)體激光器泵浦固態(tài)系統(tǒng)中的集成微透鏡的VCSEL和 VCSEL陣列(VCSELandVCSELArrayHavingIntegratedMicrolensesForUseInA SemiconductorLaserPumpedSolidStateSystem)"以及《激光會(huì)聚世界》（LaserFocus World)2011年4月刊的第61-65頁(yè)，"高功率VCSEL成熟投入生產(chǎn)（HighPowerVCSEL MatureIntoProduction)"，出于所有目的，所述兩篇文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容通過引用被并入本 文。同樣參見的是，2012年2月13日遞交的、題為"激光器架構(gòu)（Laserarchitectures)"的 序號(hào)為No. 61/598, 175的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，以及它的序號(hào)為No. 13/764,770 的非臨時(shí)轉(zhuǎn)換美國(guó)專利申請(qǐng)，出于所有目的，所述二者的全部?jī)?nèi)容通過引用被并入本文。
[0026] 單個(gè)地或以陣列的方式使用高功率VCSEL元件，輸出分布布拉格反射器（DBR)的 反射率被設(shè)計(jì)為增加外腔中的功率（而不是VCSEL激光器中的功率），并且使用PPLN倍頻 器的短部分（shortsection)，所述PPLN倍頻器將被獨(dú)特地安裝以用于溫度控制。各個(gè)元 件的高功率（>200mW)允許使用更短的（例如<6mm)的PPLN長(zhǎng)度。除了短的長(zhǎng)度之外，PPLN 可以包括多個(gè)部分，所述多個(gè)部分則可以是溫度被更好控制的。短的長(zhǎng)度增加激光器的可 靠性，并且具有改善的（eased)制造和對(duì)準(zhǔn)容限。存在許多可以被用來倍頻IR光的腔體架 構(gòu)。VCSEL可以是單個(gè)元件，或者是具有高強(qiáng)度元件的陣列。這些陣列可以針對(duì)高功率被 設(shè)計(jì)并且具有輸出DBR設(shè)置來增加外腔中的功率，所述外腔通過所公開的原理被概述為在 VCSEL元件（一個(gè)或多個(gè)）和緊隨塊狀倍頻材料的頻率相關(guān)高反射性/抗反射性（HR/AR) 或高反射性/高反射性（HR/HR)(取決于應(yīng)用，如下面所進(jìn)一步詳細(xì)描述的）結(jié)構(gòu)之間。此 夕卜，2D陣列的平坦度是關(guān)鍵的并且為了良好的性能，曲率半徑應(yīng)該大于5m。
[0027] 圖2是圖示說明依據(jù)所公開的原理使用VCSEL陣列的示例性腔體架構(gòu)200的示意 圖。各個(gè)2D或ID排列的VCSEL元件210可以是高功率元件。附加地，為了更好的光束質(zhì) 量，VCSEL元件可以具有被安置在腔體中的小透鏡或微透鏡220。此外，它們的輸出反射率 可以被最優(yōu)化來增加激光器的外腔中的功率。
[0028] 在圖2的腔體架構(gòu)200中，可以存在被涂覆的標(biāo)準(zhǔn)具，所述標(biāo)準(zhǔn)具在一個(gè)實(shí)施方 案中可以是布魯斯特板230,所述布魯斯特板230針對(duì)紅外（IR)光被涂覆為抗反射性的 (AR)，并且根據(jù)是否需要綠色或藍(lán)色激光器而針對(duì)綠色或藍(lán)色被涂覆為高反射性的（HR)。 1064nm和532nm的波長(zhǎng)被分別用作針對(duì)IR和綠色/藍(lán)色的代表性的波長(zhǎng)。然而，IR可以 容易地跨越800-1200nm并且綠色/藍(lán)色可以跨越400-600nm。布魯斯特板230可以被用來 提高光束的偏振態(tài)并且允許綠色/藍(lán)色光束從腔體被提取。光束然后被入射在倍頻材料的 堆疊240上，例如覆蓋各個(gè)VCSEL元件輸出或多個(gè)VCSEL輸出的短PLLN倍頻器。堆疊240 中的PPLN倍頻器被安裝來允許PPLN的更好的溫度控制。而且，為了幫助會(huì)聚從VCSEL陣列 210產(chǎn)生的光并且因此提供進(jìn)入PPLN倍頻器堆疊240的更高質(zhì)量的光束，微透鏡陣列220 可以被安置為鄰近倍頻器240。此外，堆疊240中的倍頻器片可以可替換地由除鈮酸鋰之外 的硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧鈦鉀、三硼酸鋰或鈮酸鉀構(gòu)成。當(dāng)然，依據(jù)所公開的原理，其 他有利的倍頻材料也可以被采用。
[0029] 在該實(shí)施方案中，如所圖示說明的，堆疊240的PPLN倍頻器的相對(duì)側(cè)（例如與 VCSEL陣列210相對(duì)）針對(duì)IR和綠色/藍(lán)色二者被涂覆有高反射性（HR)覆層250。光然后 再次返回傳遞通過PPLN倍頻器堆疊240 (創(chuàng)建更多的綠色/藍(lán)色光）并且然后綠色光260 被布魯斯特板230提取，所述布魯斯特板230對(duì)綠色光波長(zhǎng)是高反射性的。根據(jù)該實(shí)施方 案，HR覆層250可以是在PPLN或其他倍頻材料本身上或者它可以是在分開的光學(xué)元件上， 其中光學(xué)元件可以是反射性的并且鄰近或靠近倍頻材料。
[0030] VCSEL陣列210應(yīng)該被小心安裝并且陣列的平坦度和陣列的溫度應(yīng)該被控制。陣 列210的平坦度可以通過考慮關(guān)于安裝座的安裝配置或者通過它如何被安裝到安裝座來 提高。當(dāng)陣列210被焊接到安裝座時(shí)，陣列210可以通過力來加壓以使陣列更平坦。陣列 210應(yīng)該比大約5mm左右的曲率半徑更平坦。在焊接過程期間，邊緣或中心上的力可以提高 最終的陣列210的平坦度。這可以許多方式（包括通過機(jī)械地推或拉襯底（substrate)或 者利用懸掛重量）來實(shí)現(xiàn)。此外，從更平坦的更高質(zhì)量的子安裝座著手可以提高整個(gè)安裝 座上VCSEL陣列的最終平坦度。典型地，這些子安裝座可以是金剛石（因?yàn)樗鼈兊臒醾鲗?dǎo) 特性），但是其他材料也可以被使用，并且這些子安裝座然后被放置在散熱器（heatsink) 或冷卻安裝座上。子安裝座（一個(gè)或多個(gè)）越平坦，越容易使VCSEL陣列當(dāng)被安裝在子安 裝座上時(shí)平坦。無論使用什么方法，VCSEL陣列210的溫度以及陣列210的制造應(yīng)該被控 制，以使陣列210的元件的波長(zhǎng)差異小于2nm。
[0031] 圖3是圖示說明依據(jù)所公開的原理的雙光束提取技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。 再次，VCSEL元件以陣列310的方式被布置以用于產(chǎn)生IR光。在圖3的腔體架構(gòu)300中，被 涂覆的布魯斯特板330也被提供，所述布魯斯特板330針對(duì)IR光被涂覆為抗反射性的（AR) 并且針對(duì)綠色光或藍(lán)色光被涂覆為HR的。如上面所描述的，布魯斯特板330可以被用來提 高光束的偏振態(tài)并且允許綠色/藍(lán)色光束從腔體被提取。具有從VCSEL陣列310射出的IR 波長(zhǎng)的光束傳遞通過布魯斯特板330并且入射在倍頻材料（例如PPLN)的堆疊340上。附 加地，微透鏡陣列320又可以被用來會(huì)聚從VCSEL陣列310接收的光束。堆疊340中的倍 頻器也被安裝在一起，以允許倍頻材料的更好的溫度控制。
[0032] 倍頻器材料堆疊340的相對(duì)側(cè)（例如與VCSEL陣列310相對(duì)的倍頻器材料堆疊的 偵D可以被涂覆有對(duì)于IR波長(zhǎng)為HR的覆層350,但對(duì)于綠色/藍(lán)色光，覆層350將會(huì)是抗 反射性的。如之前的，根據(jù)該實(shí)施方案，HR/AR覆層350可以是在倍頻器材料本身上或者它 可以是在鄰近倍頻材料堆疊340的分開的光學(xué)元件上。向前傳播通過腔體的任何綠色光作 為"向前"的綠色光360傳遞通過HR/AR覆層350。存在于倍頻器材料堆疊340中的IR被 覆層350反射并且又返回傳遞通過PPLN倍頻器堆疊340,由此創(chuàng)建更多的綠色/藍(lán)色光。 這種"向后"傳播的綠色光370被布魯斯特板330提取，所述布魯斯特板330對(duì)綠色光波長(zhǎng) 是高反射性的。向前和向后的綠色（或藍(lán)色）光可以在腔體外被組合。
[0033] 圖4是圖示說明PPLN倍頻器堆疊或片的特寫示意圖。在所圖示說明的實(shí)施方案 中，六個(gè)倍頻器（410a-410f)在堆疊中被提供，其中每個(gè)以大約0.Imm與鄰近的倍頻器相 間隔（W。= 0.Imm)。堆疊中PPLN倍頻器中的每個(gè)的尺寸由在堆疊處VCSEL光束尺寸以及 VCSEL/微透鏡陣列間隔來確定。如本文所討論的，微透鏡陣列和小透鏡陣列可以被可互換 地使用。當(dāng)光束傳遞通過PPLN堆疊時(shí)，這些尺寸可以被改變來匹配VCSEL陣列和微透鏡陣 列針對(duì)光束的尺寸的規(guī)格。在所圖示說明的實(shí)施方案中，倍頻器具有大約5mm的長(zhǎng)度（L) 以及大約2. 2mm的一致的間隔（P)。然而，有效寬度（Weff)由于來自VCSEL陣列的光束尺寸 而小于倍頻器的實(shí)際尺寸，并且在該實(shí)施方案中是大約I. 5_至2. 0_。由于在堆疊的每個(gè) 端提供的附加間隔（例如在每個(gè)端上為大約2. 2_)，倍頻器的示例性堆疊具有大約17. 6_ 的總長(zhǎng)度（Wb)。
[0034] 圖5是圖示說明示例性微透鏡小透鏡陣列510的前視圖和側(cè)視圖的示意圖500。 在所圖示說明的實(shí)施方案中，微透鏡520中的每個(gè)具有大約I.Omm的合適的尺寸（P)，其中 厚度也是大約I. 〇mm。陣列510內(nèi)各個(gè)微透鏡520之間的間隔(φ)(其在該實(shí)施方案中為 大約I.Omm)可以由VCSEL陣列中的VCSEL元件的間隔來確定。陣列510的位置和曲率可 以被這樣設(shè)定，以使來自VCSEL陣列的光束傳遞通過每一元件的一個(gè)微透鏡520并且以使 微透鏡520準(zhǔn)（quasi)校準(zhǔn)光束或者導(dǎo)致它會(huì)聚在PPLN堆疊的中間附近或者會(huì)聚在高反 射器處。從而，VCSEL陣列的元件布局和微透鏡布局應(yīng)該基本上相匹配。因此，如果VCSEL 陣列元件相對(duì)于彼此被布局為六角形的或直線形的，則小透鏡陣列510中的微透鏡520也 可以被類似地布局。
[0035] 如本文所公開的，安裝PPLN使得對(duì)準(zhǔn)和溫度控制被便利對(duì)于倍頻器堆疊的批量 制造來說是重要的標(biāo)準(zhǔn)。從而，所公開的原理提供至少兩種安裝技術(shù)，端安裝和側(cè)安裝，兩 者都在下面被進(jìn)一步詳細(xì)地討論。
[0036] 圖6圖示說明根據(jù)所公開的原理的針對(duì)倍頻器堆疊620的安裝座600的第一實(shí)施 方案的立體圖，所述倍頻器堆疊620被端安裝在安裝座上。進(jìn)入PPLN倍頻器堆疊620的光 的方向也被圖示說明。PPLN堆疊620的遠(yuǎn)端可以在其上具有HR覆層（未圖示說明）。如 關(guān)于圖4所示出和描述的，為了更好的冷卻，PPLN片620可以彼此分開。安裝臂630可以 被用來直接保持PPLN倍頻器620，或者如所圖示說明的，各個(gè)端耦合器640可以被用作熱傳 導(dǎo)的子安裝座來獨(dú)立地固定每個(gè)倍頻器材料。同樣，將倍頻器堆疊620固定到基底610的 安裝臂630可以由熱傳導(dǎo)材料（例如銅）構(gòu)成。結(jié)果是，安裝臂630幫助將熱量傳導(dǎo)遠(yuǎn)離 PPLN片620。整個(gè)安裝座600可以通過熱電（TE)冷卻器（未圖示說明）或者氣流來方便 地冷卻，或者，可替換地，堆疊620中的每個(gè)PPLN倍頻器可以是溫度控制的。另外，如果期 望的話，溫度傳感器可以被包含在安裝座600中。
[0037] 圖7是圖示說明圖6中介紹的端安裝的PPLN堆疊安裝座600的俯視圖的示意圖。 從俯視圖看，倍頻器材料堆疊620可以是可見的，被用來將倍頻器堆疊620固定到安裝座基 底610的安裝臂630和耦合器640也可以是可見的。從這幅視圖看，安裝座600的基底610 中的槽650可以是可見的，并且根據(jù)該實(shí)施方案以及基于VCSEL裝置的構(gòu)造，可以被用來讓 光在槽640的方向上離開倍頻器堆疊620。
[0038] 圖8是圖示說明圖6和圖7中所示出的安裝座600的仰視圖的示意圖。從這幅圖 看，離開槽650的光是更容易可見的。在所圖示說明的實(shí)施方案中，槽650在它們的布局中 被示出為偏移的，然而，如所期望的，它們可以是居中的或者甚至更偏移的，只要它們基本 上覆蓋堆疊620中的倍頻器材料片。而且，槽650可以被選定尺寸來調(diào)節(jié)來自VCSEL陣列 的光束。
[0039] 依據(jù)所公開的原理，安裝倍頻器材料920的堆疊的可替換的方式是將倍頻器920 保持在它們的側(cè)上。圖9是示出用于在安裝座900中安裝倍頻器材料堆疊920的側(cè)安裝的 技術(shù)的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。整個(gè)安裝座組件900使用安裝臂930從頂部被壓在一起，所 述安裝臂930連接到安裝座900的基底910。安裝臂930經(jīng)由熱傳導(dǎo)的子安裝座或耦合器 940接觸堆疊920。如通過箭頭所示出的，IR光從安裝座900的外面進(jìn)入倍頻器堆疊920。 同樣如之前的，如上面所詳細(xì)討論的，倍頻器材料堆疊920的遠(yuǎn)端（與入射IR光的側(cè)相對(duì)） 可以被涂敷為HR的。如在其他實(shí)施方案中，倍頻器材料920可以是PPLN片或者可以通過 間隔件分開。有利地，為了更有效的熱量散逸以及由此進(jìn)行的堆疊920的溫度控制，間隔件 可以是熱傳導(dǎo)的并且由此與耦合器940組合使用，來從倍頻器材料片920傳導(dǎo)熱量并且將 熱量傳導(dǎo)到安裝座900。
[0040] 圖10是圖示說明基于VCSEL的裝置1005的實(shí)施方案的示意圖。圖10包括VCSEL 陣列1010。VCSEL陣列可以是ID或2D陣列。同樣，在圖10中所圖示說明的是小透鏡陣列 1020和倍頻器1030。倍頻器1030可以是任何合適的倍頻器，包括但不限于，塊狀倍頻器、 PPLN倍頻器等等。倍頻器可以具有反射IR光和綠色/藍(lán)色光中的至少一種或者兩種的高 反射性的涂覆表面。同樣，在圖10中所包括的是標(biāo)準(zhǔn)具1040,所述標(biāo)準(zhǔn)具1040具有針對(duì)綠 色/藍(lán)色光的高反射性覆層并且還可以基本上將綠色/藍(lán)色光移除到腔體之外，以被基本 上準(zhǔn)直或會(huì)聚到光纖中。在一個(gè)實(shí)施方案中，分開的反射鏡元件可以被采用而代替針對(duì)倍 頻器的高反射性的涂覆表面，或者除針對(duì)倍頻器的高反射性的涂覆表面之外，分開的反射 鏡元件可以被采用。標(biāo)準(zhǔn)具以大約35度被圖示說明，但可以接近布魯斯特角或以布魯斯特 角被傾斜。盡管小透鏡陣列被包括在圖10中，但它是可選的元件。
[0041] 在一個(gè)實(shí)施例中并且繼續(xù)圖10的討論，光可以通過VCSEL片1010被引入到基于 VCSEL的裝置1005并且被傳遞通過標(biāo)準(zhǔn)具1040。光然后可以傳遞通過小透鏡陣列1020并 且遇到倍頻器1030。倍頻器1030可以反射IR光和/或綠色/藍(lán)色光返回通過倍頻器1030 和小透鏡陣列1020。IR光和/或綠色/藍(lán)色光然后可以遇到標(biāo)準(zhǔn)具1040,并且標(biāo)準(zhǔn)具可以 將綠色/藍(lán)色光反射出來且綠色/藍(lán)色光可以被耦合到光纖中。
[0042] 如本文可以使用的，術(shù)語(yǔ)"基本上"和"大致"為其對(duì)應(yīng)的術(shù)語(yǔ)和/或項(xiàng)目之間的 相關(guān)性提供行業(yè)公認(rèn)容限。這樣的行業(yè)公認(rèn)容限的范圍為從小于百分之一到百分之十，并 且對(duì)應(yīng)于，但不限于，分量值、角度等。項(xiàng)目之間的這樣的相關(guān)性的范圍在小于百分之一到 百分之十之間。
[0043] 應(yīng)該注意的是，本公開的實(shí)施方案可以用在多種光學(xué)系統(tǒng)和投影系統(tǒng)中。示例 性實(shí)施方案可以包括多種投影機(jī)、投影系統(tǒng)、光學(xué)組件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、處理器、自備式投 影機(jī)系統(tǒng)、視覺和/或視聽系統(tǒng)以及電氣設(shè)備和/或光學(xué)設(shè)備，或者可以與它們一起工 作。本公開的方面可以實(shí)際上與同光學(xué)設(shè)備和電氣設(shè)備、光學(xué)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、呈現(xiàn)系統(tǒng) (presentationsystem)相關(guān)的任何裝置一起使用，或者與可以包含任何類型的光學(xué)系統(tǒng) 的任何裝置一起使用。因此，本公開的實(shí)施方案可以用在光學(xué)系統(tǒng)、視覺和/或光學(xué)呈現(xiàn)中 所使用的設(shè)備、視覺外設(shè)等中以及包括互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等的一些計(jì)算環(huán)境 下。
[0044] 盡管以上已描述了根據(jù)本文公開的原理的各種實(shí)施方案，應(yīng)理解這些實(shí)施方案僅 以舉例的方式被提出，而非限制。這些架構(gòu)和腔體元件的組合可以如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所 理解的來使用。因此，本公開的寬度和范圍不應(yīng)受任何上述的示例性實(shí)施方案限制，而應(yīng)僅 根據(jù)本公開公布的任何權(quán)利要求以及它們的等同形式來限定。而且，以上優(yōu)點(diǎn)和特征提供 在所描述的實(shí)施方案中，但不應(yīng)將這些公布的權(quán)利要求的應(yīng)用限制為實(shí)現(xiàn)以上優(yōu)點(diǎn)的任一 或全部的方法和結(jié)構(gòu)。
[0045] 附加地，本文的段落標(biāo)題是被提供來與37CFR1. 77的建議一致，或者用于提供本 文的結(jié)構(gòu)線索。這些標(biāo)題不應(yīng)限制或特征化可以從本公開公布的任何權(quán)利要求中所闡述的 一個(gè)或多個(gè)發(fā)明。具體地并且以舉例的方式，盡管標(biāo)題指"【技術(shù)領(lǐng)域】"，權(quán)利要求書不應(yīng)被該 標(biāo)題下所選擇的語(yǔ)言限制為描述所謂的領(lǐng)域。進(jìn)一步，"背景"中的技術(shù)的描述不是要被解 讀為承認(rèn)某項(xiàng)技術(shù)是本公開中的任意一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的現(xiàn)有技術(shù)。"
【發(fā)明內(nèi)容】
"也不是 要被認(rèn)為是在公布的權(quán)利要求書中所闡述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的特征描述。另外，本公 開中對(duì)單數(shù)的"發(fā)明"的任何引用不應(yīng)被用于證明在本公開中僅有一個(gè)新穎點(diǎn)。根據(jù)從本 公開公布的多個(gè)權(quán)利要求的限定，可以闡述多個(gè)實(shí)施方案，并且這些權(quán)利要求相應(yīng)地定義 了由其保護(hù)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案，以及它們的等同形式。在所有實(shí)施例中，這些權(quán)利要求 的范圍應(yīng)根據(jù)本公開按照這些權(quán)利要求本身的實(shí)質(zhì)來考慮，而不應(yīng)被本文所陳述的標(biāo)題限 制。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于外腔激光器系統(tǒng)的架構(gòu)，所述架構(gòu)包括： 至少兩個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上將 紅外（IR)光提供到腔體中； 至少兩個(gè)倍頻片，所述至少兩個(gè)倍頻片被設(shè)置在所述腔體中并且被配置來接收所述IR 光，并且來基本上倍頻所接收的IR光的至少一部分的頻率； 光學(xué)元件，所述光學(xué)元件是在與所述VCSEL元件相對(duì)的所述腔體的一端處，并且被配 置為對(duì)IR光是高反射性的；以及 布魯斯特板，所述布魯斯特板被設(shè)置在所述VCSEL元件和所述倍頻片之間，并且相對(duì) 于所述光路以一角度被布置，其中所述布魯斯特板被配置來： 以與所述第一方向相反的第二方向，從所述外腔提取在所述光路上傳播的被倍頻的 光。
2. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中被倍頻的光包括選自紅光、綠光、藍(lán)光或紫外光中的 至少一種的可見光。
3. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件包括覆層，所述覆層被設(shè)置在與所述 VCSEL元件相對(duì)的所述腔體的一端處的所述倍頻片的表面上。
4. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)所述IR光和可見光譜中的光二者是 高反射性的。
5. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)可見光譜中的光是抗反射性的。
6. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，還包括多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)微透鏡被設(shè)置為鄰近所述 倍頻片并且對(duì)應(yīng)于所述倍頻片的數(shù)量，其中所述微透鏡可操作來將光引導(dǎo)到所述倍頻片并 且從所述倍頻片引導(dǎo)光。
7. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述倍頻片包括選自硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧鈦 鉀、鈮酸鋰、三硼酸鋰以及鈮酸鉀中的至少一種的晶體。
8. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述倍頻片以彼此鄰近的方式被布置成堆疊，其中 所述倍頻片之間有間隔件，所述架構(gòu)還包括用于保持所述倍頻片的堆疊的安裝座，以使所 述IR光進(jìn)入所述倍頻片的邊緣。
9. 如權(quán)利要求8所述的架構(gòu)，其中在被設(shè)置在所述堆疊的一端處的倍頻片的側(cè)表面 上，所述倍頻片的堆疊被安置在所述安裝座上。
10. 如權(quán)利要求8所述的架構(gòu)，其中在所述堆疊中的所述倍頻片的邊緣上，所述倍頻片 的堆疊被安置在所述安裝座上。
11. 如權(quán)利要求10所述的架構(gòu)，還包括槽，所述槽通過所述安裝座被形成以用于將光 傳遞通過所述安裝座，其中所述槽的位置基本上與所述倍頻片的所述邊緣中的至少一些對(duì) 準(zhǔn)。
12. 如權(quán)利要求8所述的架構(gòu)，其中所述間隔件可操作來將熱量從所述倍頻片散逸到 所述安裝座的至少一部分。
13. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述至少兩個(gè)VCSEL元件構(gòu)成陣列，并且其中所述 陣列比5mm的曲率半徑更平坦。
14. 一種用于外腔激光器系統(tǒng)的架構(gòu)，所述架構(gòu)包括： 多個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上將紅外 (IR)光提供到腔體中； 多個(gè)倍頻片，所述多個(gè)倍頻片被設(shè)置在所述腔體中并且被配置來接收所述IR光，并且 來基本上倍頻所接收的IR光的至少一部分的頻率，其中所述多個(gè)倍頻片以彼此鄰近的方 式被布置成堆疊，其中所述倍頻片之間有間隔件； 安裝座，所述安裝座用于保持所述倍頻片的堆疊，以使所述IR光進(jìn)入所述倍頻片的邊 緣； 多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)微透鏡被設(shè)置為鄰近所述倍頻片并且可操作來將光引導(dǎo)到所述 倍頻片并且從所述倍頻片引導(dǎo)光； 光學(xué)元件，所述光學(xué)元件是在與所述VCSEL元件相對(duì)的所述腔體的一端處，并且被配 置為對(duì)IR光是高反射性的；以及 布魯斯特板，所述布魯斯特板被設(shè)置在所述VCSEL元件和所述倍頻片之間，并且相對(duì) 于所述光路以一角度被布置，其中所述布魯斯特板被配置來： 至少使在所述第一方向的所述光路上傳播的所述IR光偏振，并且 以與所述第一方向相反的第二方向，從所述外腔提取在所述光路上傳播的被倍頻的 光。
15. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中被倍頻的光包括選自紅光、綠光、藍(lán)光或紫外光中 的至少一種的可見光。
16. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件包括覆層，所述覆層被設(shè)置在與所 述VCSEL元件相對(duì)的所述腔體的一端處的所述倍頻片的表面上。
17. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)所述IR光和可見光譜中的光二者 是高反射性的。
18. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)可見光譜中的光是抗反射性的。
19. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中微透鏡的數(shù)量對(duì)應(yīng)于或者大于倍頻片的數(shù)量。
20. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中所述倍頻片包括選自硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧 鈦鉀、鈮酸鋰、三硼酸鋰以及鈮酸鉀中的至少一種的晶體。
21. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中在被設(shè)置在所述堆疊的一端處的倍頻片的側(cè)表面 上，所述倍頻片的堆疊被安置在所述安裝座上。
22. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中在所述堆疊中的所述倍頻片的邊緣上，所述倍頻 片的堆疊被安置在所述安裝座上。
23. 如權(quán)利要求14所述的架構(gòu)，其中所述至少兩個(gè)VCSEL元件構(gòu)成陣列，并且其中所述 陣列比5mm的曲率半徑更平坦。
24. -種用于外腔激光器系統(tǒng)的架構(gòu)，所述架構(gòu)包括： 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件陣列，每個(gè)VCSEL元件在第一方向的光路上將紅外 (IR)光提供到腔體中，其中所述陣列比5mm的曲率半徑更平坦； 通過間隔件分開的倍頻片的堆疊，所述堆疊被設(shè)置在所述腔體中并且被配置來接收所 述IR光，并且來基本上倍頻所接收的IR光的至少一部分的頻率； 安裝座，所述安裝座用于保持所述倍頻片的堆疊，以使所述IR光進(jìn)入所述倍頻片的邊 緣，其中所述間隔件被熱耦合到所述安裝座以用于散逸來自所述倍頻片的熱量； 多個(gè)微透鏡，所述多個(gè)微透鏡被設(shè)置為鄰近所述倍頻片并且可操作來將光引導(dǎo)到所述 倍頻片并且從所述倍頻片引導(dǎo)光； 光學(xué)元件，所述光學(xué)元件是在與所述陣列相對(duì)的所述腔體的一端處，并且被配置為對(duì) IR光是高反射性的；以及 布魯斯特板，所述布魯斯特板被設(shè)置在所述陣列和所述倍頻片之間，并且相對(duì)于所述 光路以一角度被布置，其中所述布魯斯特板被配置來： 至少使在所述第一方向的所述光路上傳播的所述IR光偏振，并且 以與所述第一方向相反的第二方向，從所述外腔提取在所述光路上傳播的被倍頻的 光。
25. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中被倍頻的光包括選自紅光、綠光、藍(lán)光或紫外光中 的至少一種的可見光。
26. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件包括覆層，所述覆層被設(shè)置在與所 述陣列相對(duì)的所述腔體的一端處的所述倍頻片的表面上。
27. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)所述IR光和可見光譜中的光二者 是高反射性的。
28. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中所述光學(xué)元件對(duì)可見光譜中的光是抗反射性的。
29. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中在被設(shè)置在所述堆疊的一端處的倍頻片的側(cè)表面 上，所述堆疊被安置在所述安裝座上。
30. 如權(quán)利要求24所述的架構(gòu)，其中在所述堆疊中的所述倍頻片的邊緣上，所述堆疊 被安置在所述安裝座上。
31. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中所述布魯斯特板被配置來至少使在所述第一方向 的所述光路上傳播的所述IR光偏振。
【文檔編號(hào)】H01S5/183GK104364984SQ201380029977
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2013年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月6日
【發(fā)明者】R·范·利文, B·徐, Q·王, C·戈什 申請(qǐng)人:瑞爾D股份有限公司