一种通过互换每束光束的水平和垂直分量来转换光束输入阵列的光学设备，该设备具有一系列凹槽，每个凹槽对应一个输入光束，并包括两个反射面：第一反射面和第二反射面。第一反射面截断相应的光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其反射到第二反射面上，同时旋转光束的一个方位。第二反射面截断第一反射面的反射光，并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径反射，同时旋转光束的另一方位。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学系统，尤其涉及那些将诸如激光器阵列发出的光束阵列转换成单束光辐射的光学器件。
技术介绍
相干光辐射或激光在通信、医疗、研究、成象以及其他许多
中广泛使用。在这些应用中，为了进行放大或后续的激光器作用，可将激光辐射用作或直接用作中间抽运源。当应用所需的功率较小，如几毫瓦数量级左右，并且光束质量并不最受重视时，就会广泛使用激光二极管，因为它们可直接调制，并且大小合适，光束质量也可以接受。当所需功率适中，如一瓦数量级左右并具有高质量光束(例如衍射限光点)时，便使用带固态抽运源的光纤激光器。对于需使用几瓦功率的高功率应用，例如某些打印应用，则将激光二极管阵列用作与特殊光纤增益结构耦合的抽运源。对于十瓦或更高的功率需求，可使共振腔能发射几种模式的高功率激光二极管阵列与这种特殊的增益光纤耦合。但是，必须注意，如果要获得最大功率收益，则要确保有效的耦合功率。由于单模纤芯较小，只有10微米或更小，并且一般的材料会限制光纤数值孔径(NA)的大小，因此事实上不可能通过端射耦合技术有效地将多模激光器阵列的能量直接耦合到单模增益纤芯中。如上所述，通过合并激光二极管阵列发射共振腔的输出便能获得高功率的激光。但是，若用这种方式合并独立输出，则很难保存亮度，并很难使功率损耗保持最低。由于源的几何特性和数值孔径与接收光纤不匹配，所以多激光源的总输出不能被有效耦合到一根光纤中，这便产生了难题。如附图说明图1所示，典型的多激光源可以是一根激光棒10。激光辐射从分布着多个激光腔的发光面11发出。在该例中，发光面11包括一激光二极管12，它与相邻的激光二极管13相隔一段阵列间距16。激光二极管12发光面输出的形状一般为窄长的矩形，并且其长度方向与激光棒的轴14平行。为了便于说明，用一组激光束uvw-坐标轴19来描述激光二极管发出的辐射光束的传播特性。w轴的方向垂直于发光面11，并与辐射光束的传播方向一致。坐标系19随每一光束运动，即当光束旋转时，坐标系绕w轴转动，并且当光束传播方向改变时，坐标系也改变方向。激光二极管12发出激光束20，而激光二极管13发出激光束21，等等。椭圆形表示出射激光束20和21的辐射分布，它们都有一个与激光棒轴14平行的v分量，和一个与激光棒轴14垂直的u分量。图2提供了激光束发散的数值表示，当激光束沿w方向传播时，每个激光束在u方向上的发散角θu都比v方向上的发散角θv要大。被测含有95％光功率的NA值一般对于NAu为0.30至0.70(17°至40°)，而对于NAv为0.10至0.35(6°至20°)。在将这些激光束引入一根光纤之前，需用一耦合器件将辐射光重新形成一种与光纤的几何形状和NA值更相适应的更合适的形状。颁发给Scifres等人的美国专利第4,763,975号中揭示了一种这样的光耦合器。图3示出了一光学系统30，它利用多根光纤波导34将多个激光源32的输出用物理方法合并。每根波导36都有一个扁平的输入端36，可使激光源32发出的光更有效地与光纤34耦合。然后，光纤34在其输出端38聚积，从而聚积射出细长形有所改善的重叠光束，该光束由光纤输出端38各自射出的光束40组成。可用透镜44或其他光学装置将波导堆42射出的叠合光束耦合到固态激光器46的共振腔模式体(cavity mode volume)中。颁发给Po等人的美国专利第5,268,978号揭示了一种类似于光学系统30的光学耦合系统，在该系统中光纤波导在其长度方向上的截面积为矩形。用一定位块将各波导定位在其输入端，并用一透镜将另一聚积端的总输出缩倍并成象到光纤的内包层中。可以理解，这些利用光纤波导束来合并激光阵列输出的方法要求将每根光纤相对每激光源的输出孔径精确定位，并由于耦合光纤时有吸收从而引入了一些附加的损耗。若在任何波导端部与相应激光源之间发生物理上的未对准，则波导堆传递给固态激光器的总功率便会相应降低。将两个光分量的“范围积(etendu)”值进行数值比较，便可测出这两个分量之间的耦合不匹配。某分量的范围积是指射入或射出该分量之辐射的角度范围与空间范围的数学乘积 为了说明，假设激光棒10在1.00厘米长、0.1毫米宽的表面上有二十个激光二极管组成的线性阵列。如果激光二极管12和13在u方向为一微米，在v方向为175微米，并且中心至中心的阵列间距16为485微米，则如图1所示，NAu25约为0.55(31.5°)，而NAv27约为0.12(6.9°)。对于激光二极管12，u分量的范围积数值为1微米×0.55NA，即0.55微米-NA，而v分量的范围积数值为175微米×0.12NA，即21微米-NA。对于激光棒10，u分量的范围积数值也是0.55微米-NA。但激光棒10的v分量范围积为1,200微米-NA，大于u分量范围积的两千倍。与之相比，光纤内包层的NA可取0.47，大小为120微米×360微米。这就产生56微米-NA×169微米-NA的范围积。由于激光棒的v分量范围积大于光纤所提供的最大范围积，所以直接将激光棒与光纤耦合的效果不佳。即使变形成象系统在两个正交方向上具有不同的空间放大率，单使用变形成象系统也不能校正这种不匹配。任何能够减小激光二极管阵列与光纤之间范围积不匹配的实用成象系统必须完成更加复杂的再形成任务，例如在成象系统对光束进行光学校正之前将二极管发射的每束光束旋转90°。颁发给Endriz的美国专利第5,168,401号揭示了一种用于对多个激光源的输出进行重新成象的棱镜-透镜阵列结构。参考专利的图13提供了该棱镜-透镜阵列结构的透视图，这里为清楚说明并进行分析，对其略作修改，呈现在图4中。如图所示，棱镜-透镜器件50可以与激光棒10相结合。xyz坐标系49用来帮助讨论棱镜-透镜器件50。图中激光棒10的方向使激光棒的轴14与x轴平行，而激光束20和21沿z方向传播。注意，当激光束20和21从激光棒10中射出时，其u分量相互平行排列，并且其v分量是共线的。在光学系统工作期间，激光束20和21通过棱镜-透镜器件50的前表面52射入棱镜-透镜器件50。激光束21入射到与其传播方向成一夹角的第一反射面54上。在本例中，第一反射面54与x-y平面和y-z平面都成45°角。这使反射后的激光束21a又入射到与激光束21a的传播方向成一夹角的第二反射面56上。在本例中，第二反射面56与y-z平面和x-z平面都成45°角。这使旋转后的激光束21b穿进小透镜58。小透镜58只在x-y平面内有曲率，其作用是将经旋转的光束21b准直在x-y平面内。按类似的顺序，激光束20入射到与x-y平面和y-z平面都成45°角第一反射面53上。产生反射激光束20a后，再入射到与y-z平面和x-z平面都成45°角的第二反射面55上。产生的旋转激光束20b穿进小透镜57。经旋转的激光束20b从小透镜57中射出后，其u分量与经旋转的激光束21b的u分量共线，而其v分量与经旋转的激光束21b的v分量平行排列。用这种方式，棱镜-透镜器件50使激光束20和21相对于其各自的传播轴旋转了90°，这与用两个反射镜反射激光束的结构一样，并且棱镜-透镜器件50将其沿一个方向准直。在Endriz揭示的第二实施例中，如图5A和图5b所示，将第一反射镜本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于变换输入光束阵列的光学设备，其特征在于，所述设备包括： 一衬底，具有带凹槽的表面，所述带凹槽的表面包含多个相邻的凹槽，凹槽至少与被变换的光束构成一对一的对应关系， 所述每个凹槽由第一和第二反射面构成，这两个反射面沿一公共顶棱相交并在其间形成二面角φ，所述每个凹槽的所述顶棱相对于相应光束初始传播方向以视线角Ψ定向，从而将所述第一反射面定位，以截断输入光束并沿相对于输入光束传播方向弯折的第一传播路径将其引导到所述第二反射面上，同时旋转光束的一个方位，而所述第二反射面截断所述第一表面反射的光束并沿相对于第一传播路径弯折的第二传播路径引导光束，同时旋转光束的另一方位， 从而互换了光束初始取向的水平和垂直分量。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：约翰R刘易斯，
申请(专利权)人：宝丽来公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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