波长经转换、波长经调制的半导体激光器中的对准方法

摘要

提供了控制半导体激光器的方法，其中半导体激光器产生波长经调制的输出光束λ

说明书

相关申请的交叉参照

本申请与2007年7月20日提交的题为“波长经转换的激光源的光学对准中的频率调制(FREQUENCY MODULATION IN THE OPTICALALIGNMENT OF WAVELENGTH-CONVERTED LASER SOURCES)”的共同待审和共同受让的美国专利申请S/N 11/880,386相关联并要求该专利申请的优先权。

发明内容

本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、激光投影系统以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，作为说明而非限制，本发明的实施例一般涉及包括半导体激光器和二次谐波发生(SHG)晶体或另一类型的波长转换器件等等的封装中的光学对准。

通过将诸如红外或近红外分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射镜(DBR)激光器或法布里-珀罗激光器之类的单波长、相对长的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，可形成短波长光源。通常，SHG晶体用于产生基波激光信号的较高次谐波。为实现此目的，优选将激射波长调谐至波长转换SHG晶体的光谱中心，而且激光器的输出端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(PPLN)晶体之类的典型的SHG晶体的模式直径可以在几微米的范围内。因此，本发明人已经认识到将来自激光二极管的光束与SHG晶体的波导正确地对准会非常有挑战性。因此，本发明的一个目的是为利用SHG晶体或其它类型的波长转换器件以从较长波长的光源(例如近红外激光二极管)产生较短波长的辐射(例如绿色激光)的光学封装提供对准方法和相应的光学设计。

根据本发明的一个实施例，提供了一种控制光学封装的方法。根据该方法，半导体激光器产生波长经调制的输出光束λ_MOD，该输出光束被导向波长转换器件的输入面。当激光的输出光束被调制且当经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件的输入面上的位置变化时，监测该器件的波长经转换的输出λ_CONV的强度。监测到的强度的最大值与代表经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件的输入面上的位置的最优坐标相关联。光学封装通过使用最优位置坐标将来自半导体激光器的强度经调制的激光束引导至波长转换器件而工作于数据投影模式。

本发明的附加实施例涉及在利用波长转换器件的光学封装中保持时间上的对准。更具体而言，本发明的实施例适合于在封装部件的器件温度或结构性质随时间改变会引起封装失准的情况下保持对准。本发明的这些方面一般涉及在实际投影或封装启动期间监测峰值对准。如以下参照图2所讨论的那样，如果要在投影期间监测对准，则可在投影仪回扫(fly-back)时间或在强度经调制的激光束未携带投影数据的其它周期中(即在强度经调制的激光束的相对低强度周期期间)监测器件的波长经转换的输出λ_CONV的强度。本发明还构想当强度经调制的激光束携带投影数据时用于监测对准的例程，即无需依赖于上述强度经调制的激光束的低强度回扫周期。

本发明另外的其它实施例涉及被编程为根据本发明的概念来操作半导体激光器的激光投影系统和激光器控制器。可构想本发明的多个方面将可应用于彩色成像激光投影系统、诸如汽车中的顶篷显示器之类的基于激光的显示器、或其中光学对准和/或波长调谐成问题的任何激光应用。还可构想本文中的所讨论的控制方案将可用于多种类型的半导体激光器，包括但不限于DBR和DFB激光器、法布里-珀罗激光器以及许多类型的外腔激光器。最后，可构想的是，其中可调节光学部件被配置成实现上述对准准确度的本发明的多个实施例将允许更方便和以显著更低成本构造和组装光学封装，因为它们可允许排除通常用于器件组装的某些相对严格的对准程序。

附图简述

本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：

图1是示出根据本发明的一个方面的启动或校正对准程序的流程图；

图2是示出根据本发明的另一个方面的用于监测和校正对准的程序的流程图；

图3是根据本发明的一个实施例的启用了MEMS反射镜的光学对准封装的示意图；以及

图4示出激光输出光束相对于与波长转换器件的波导部分的一维扫描路径。

详细描述

虽然在与频率或波长经转换的半导体激光源的设计和制造相关的容易获得的技术文献中示教了可结合本发明的特定实施例的概念的多种类型的光学封装的一般结构，但一般参照包括例如DBR型近红外半导体激光器和倍频PPLN SHG晶体的光学封装可容易地说明本发明的特定实施例的理念。在这样的配置中，半导体激光器发出的近红外光直接耦合到SHG波长转换器件的波导中，或通过准直和聚焦光学器件或某些其它类型的合适的光学元件或光学系统耦合到波导中。如果输入光束被正确对准和调谐，则波长转换器件将入射的近红外光转换成倍频的绿色激光。更一般地，这种类型的配置在从较长波长的半导体激光器产生较短波长的激光束时尤其有用，而且可用作例如激光投影系统的可见激光源。

根据图1的流程图和图3的示意图中所示的本发明的实施例，提供了一种光学封装，其包括半导体激光器10、波长转换器件20、一个或多个可调节光学部件30、透镜元件35、分束器或适当的滤光器40、强度传感器50以及可编程控制器60。可调节光学部件30被配置成将半导体激光器10的光输出与波长转换器件20的光输入面耦合。分束器/滤光器40、强度传感器50以及可编程控制器60配合以监测波长转换器件20的波长经转换的输出λ_CONV的强度。

图3示出被配置成监测波长转换器件20的输出端处的强度的分束器/滤光器40以及强度传感器50。可构想分束器/滤光器40可被配置成允许半导体激光器10的原始波长(例如IR或近IR)处、波长转换器件20的经转换波长处(例如在可见光谱中)或两者处的强度监测。在许多情况下，需要监测半导体激光器10的原始波长处的强度，因为波长转换器件20的转换效率永远不会达到100％，所以不论该原始波长是否落在波长转换器件20的波长转换带宽内，在波长转换器件的输出端处总是存在可用于监测的最小原始信号。不幸的是，在许多情况下，仅使用IR监测可能不够准确。例如，未耦合到波长转换器件20中的某些光会产生可被监测系统部分监测到的漫射光，从而使信号不可用。信号混乱的另一源头可由耦合到波长转换器件20所支持的某些模式中的IR引起。因此，使用IR信号会导致优化的耦合，但可能不能保证最优的耦合。因此，在许多情况下，优选通过例如向波长转换器件20下游的光程中引入滤光器来监测波长转换器件20的波长经转换的输出的强度。在这种情况下，应当小心确保半导体激光器10的波长被正确调整。否则，波长转换器件20的转换效率会极低，而且会导致波长转换器件20的输出端处无信号可用于对准的情况。

根据图1中所示的本发明的方法，通过操作半导体激光器10以产生在包含波长转换器件20的FWHM转换效率带宽的相当大部分的波长范围上调制的波长经调制的输出光束λ_MOD来控制光学封装(参见步骤100“操作激光器二极管”、102“执行高频λ调制”)。经调制的输出光束λ_MOD被导向波长转换器件20的输入面，而且可调节光学部件30被调节成改变经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置(参见步骤104X“X扫描”、104Y“Y扫描”、104Z“Z扫描”)。在所示示例中，经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置在X、Y以及Z维度上变化，其中X和Y分量代表经调制的输出光束λ_MOD在输入面的平面中的位置，而Z分量代表输入光束λ_MOD在输入面的平面中的焦点。

当激光器10的输出光束被调制且当经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置变化时，监测波长转换器件的波长经转换的输出λ_CONV的强度(参见步骤106X“最大强度？”、106Y“最大强度？”、106Z“最大强度”)。因为输出光束在例如约10kHz的相对高频率下在波长范围上被调制，所以激光器的波长将在调制周期的至少一部分上与波长转换器件20的转换效率带宽匹配或近似匹配，从而产生有效量的波长在统计上被有效转换的光。例如，在耦合至PPLN SHG晶体的红外激光器的情况下，如果PPLN倍频晶体的光谱带宽为0.2nm，而激光器到PPLN匹配波长的不确定度为2nm，则对激光波长的2nm调幅将确保波长匹配并在至少10％的时间内产生绿色激光。

参照图4，示出了激光输出光束相对于波长转换器件20的输入面的波导部分22的一维扫描路径P_x。在实施本发明时，应当小心确保激光器10被调制时的频率显著高于输出光束在波长转换器件20的输入面的波导部分22上扫过时的频率。如果不是这样，在本文中说明的多个对准程序将显著低效而且更难执行，因为在许多情况下，在激光器输出的波长落在波长转换器件20的波长转换带宽内之前，激光器10的扫描输出光束需要横跨波长转换器件20的波导部分22多次。优选激光器10的输出光束被调制时的频率应当足够高，以确保输出光束每次横跨波长转换器件20的波导部分22都能在完整的调制频率范围Δf上循环至少一次。

对于绿光监测要考虑的另一方面是，当系统失准时，在PPLN的输出端处收集的大部分功率是传播到PPLN晶体中而没有耦合到波导中的IR漫射光。该未耦合的IR漫射光由传感器50收集，而且然后可使信号非常混乱而且带有某些次级最大值，从而难以将IR用作用于对准的监测器。然而，在调制激光器的波长时，仅绿色、波长经转换的光在波长转换器件20的输出端处被调制。因此，由于仅波长经转换的信号被调制，所以控制器60中可包含适当的电子或其它类型的滤光器。因此，本发明的波长调制方面还提供用于分离检测信号中的可见光和IR分量的便利装置，这一优点使用可能具有对IR的约定抑制的检测器时尤其有好处。

在所示实施例中，监测到的波长经转换的输出λ_CONV的强度的最大值首先与最优位置坐标的X分量相关联，并被保存为X设定点(参见步骤106X“最大强度？”、108X“保存X设定点”)。随后，监测到的波长经转换的输出λ_CONV的强度的最大值与最优位置坐标的Y分量相关联，并被保存为Y设定点(参见步骤106Y“最大强度？”、108X“保存Y设定点”)。一旦光束在波长转换器件20的表面上正确对准，监测到的波长经转换的输出λ_CONV的强度的最大值就与最优位置坐标的正确的Z分量相关联，并被保存为Z维度中的聚焦设定点(参见步骤106Z“最大强度？”、108Z“保存Z设定点”)。

以此方式，可使用检测到的强度数据来将最大强度值与代表经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置和焦点的最优坐标相关联。一旦该关联完成，则通过使用最优坐标来调节光学部件30并操作激光器10处于数据投影模式来终止经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置变化(参见步骤110“调节光学部件”、112“操作激光器处于数据投影模式”)。光学部件30还被设计成在需要时允许后续的X-Y-Z调节。在工作时，光学部件可在相应的X、Y以及Z维度中同时被调节，或在各个设定点被保存时被调节。此外，可构想无需在所有三个维度上进行调节。在许多情况下，在一个或两个维度上的扫描和强度监测就足够。

虽然未在图1的流程图中示出，但本发明还可构想粗对准子例程，在该子例程中通过监测波长转换器件20在半导体激光器10的原始激射波长处的输出强度来对光学封装的可调节光学部件30进行粗对准操作。在启动使用波长经调制的输出光束λ_MOD的对准之前必须确保激光器10所产生的光的至少某些耦合到波长转换器件20中的情况下，本发明的这个方面会是特别有利的。

在光学部件30固定于最优坐标而且波长被优化的情况下，光学封装可转换成工作于数据投影模式，其中强度经调制的激光束从半导体激光器10被引导至波长转换器件20。在数据投影模式下，终止波长经调制的输出光束λ_MOD以便于强度经调制的激光束携带将要由光学封装投影的数据。例如，在该光学封装被配置成用作扫描激光图像投影系统的一部分的情况下，强度经调制的激光束可形成将要被投影的图像的强度变化的彩色分量。当然，有关扫描激光图像投影系统的配置以及在图像上产生变化的像素强度的方式的进一步细节超出了本发明的范围，并可从针对该主题的多个可获得的示教中收集。

虽然本文中将图1中示出的对准程序描述为在设定光学封装工作于数据投影模式时执行的程序，但可构想图1中呈现的对准步骤可在光学封装的寿命周期中的任一点处执行。例如，参照图2中示出的对准监测程序，图1中呈现的对准步骤可在数据投影模式的操作期间检测到失准时执行。

具体而言，图2示出了用于在数据投影模式期间监测和校正强度经调制的激光束与波长转换器件20的对准的程序(参见步骤200“在数据投影模式中操作激光二极管”)。根据所示程序，仅当强度经调制的激光束未携带投影数据时——即在强度经调制的激光束的相对低强度周期期间监测对准(参见步骤202“数据投影空闲？”)。例如，在基于像素的激光投影系统的情形下，强度经调制的激光束通常扫描通过多个显示像素，而且强度经调制的激光束的调制代表显示像素强度。在扫描期间，强度经调制的激光束通常从像素中的一行的末端处的转换显示像素扫描至相对低强度处的另一行像素的开始处的转换显示像素。这种类型的扫描动作通常称为图像投影仪扫回。这种类型的扫回转换通常占用各个图像扫描线的末端处的几微秒和各帧的末端处的几毫秒。在这些扫回周期期间，激光器10可转换至低输入强度，且用于监测光学封装内的对准(参见步骤204“操作激光器处于低IR功率”)。当激光器10在低功率下工作时，波长转换期间20的转换效率极低。因此，本发明的这个方面尤其有利，因为可监测强度，而不会有否则由波长转换期间20产生的强度经调制、频率经转换的光引起的干扰。因此，在扫回期间几乎没有或没有频率经转换的光产生，而且强度传感器40可用于监测激光器10的原始激射波长在波长转换期间20的输出端处的强度，而不会有来自频率经转换的光的显著干扰(参见步骤206“监测IR强度”)。

当工作于其原始激射波长的激光器10的强度足够低时，波长转换器件20的输出将由半导体激光器10的原始激射波长所主导。在此工作模式下，通过监测波长转换器件20的输出端处的原始激射波长的强度，可监测对准(参见步骤208“IR强度指示失准？”)。当波长转换器件20的输出端中指示失准水平阈值时，激光器10在数据投影模式中的操作可被终止，以便于以上关于图1所描述的波长经调制的工作模式(参见步骤210“校正对准”)。在对准模式中，输出光束的波长根据本文中参照图1所说明的一般方法被调制以产生经更新的X、Y以及Z设定点(参见步骤212“保存新的X、Y、Z设定点”)。

虽然本发明不限于使用控制算法，但还可构想当强度经调制的激光束携带投影数据时用于监测对准的例程，即无需依赖于上述强度经调制的激光束的低强度回扫周期。为实现此目的，通常最好确保光学封装已经在设定时例如利用本文中参照图1所陈述的例程进行了对准。在光学封装已经接近其峰值对准的情况下，本领域技术人员在数据投影期间可通过识别波长经转换的输出强度中大于预期变化的变化来监测对准。例如，在波长经转换的绿色激光器工作于数据投影模式的情况下，本邻域技术人员可预期输出强度的变化处于小于约2％的量级。超过该阈值的强度变化可用于将该光学封装转换成对准模式。在对准模式中，监测到的强度可在对封装中的光学部件的直接调节中使用。或者，监测到的强度可用作启动重新对准的触发器。

图3中示意性示出的可调节光学部件可采取多种常规形式或有待开发的形式。例如，可构想可调节光学部件30可包括一个或多个可动微光-机电反射镜或其它MEMS或MOEMS器件，这些器件被配置和设置成通过操纵经调制的输出光束λ_MOD来改变经调制的输出光束λ_MOD在波长转换器件20的输入面上的位置。或者，可调节光学部件30可包括被配置用于光束操纵和聚焦调节的一个或多个液体透镜部件。再者，可构想可调节光学部件30可包括安装至微致动器的用于光束操纵和聚焦调节的一个或多个透镜。

更具体地，虽然可调节光学部件30在图3中被示为相对简单的可动反射镜，但可构想可调节光学部件30可采取多种形式，包括但不限于一个或多个可轴向旋转或倾斜的可调节透镜或反射镜或它们的组合。此外，可构想可调节光学部件30可被配置成使它们的光学性质可在无需物理移动该部件的情况下被调节，而在可调谐液体透镜的情况下需要物理移动该部件。

在可调节光学部件包括可动微光-机电反射镜的情况下，通过将反射镜所限定的偏转角的范围限制为约1或2度的量级，这些反射镜可被设计成降低对光学封装中的振动的敏感性，从而允许设计具有相对刚性的弯曲度的反射镜。实际上，本发明人已经认识到，一度到两度的范围足以覆盖50到100微米量级上的横向光斑失准。

在可调节光学部件包括一个或多个液体透镜部件的情况下，通常需要在可编程控制方案中再包含一种热透镜化算法，以解释液体透镜部件的光学性质的热变化。

虽然已经参照基于像素的投影系统描述了本发明，但可构想诸如基于空间光调制器的系统(包括数字光处理(DLP)、透射型LCD以及硅上液晶(LCOS))之类的包含基于激光器的光源的其它投影系统也能从本文中描述的对准技术中获益。

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发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。

注意，为限定和描述本发明，本文中对处于指定大小的“量级”的数据的引用应当包含与指定大小相差不超过一个或多个量级的任何值。此外，本文中对本发明的部件按照特定方式配置或具体化特定性质或功能的陈述是相对于用途陈述的结构陈述。例如，对可调节光学部件“被配置成”以特定的方式在光学上耦合两个元件的引用表示可调节光学部件的现有物理状态，因而应被理解为对结构特性的明确陈述。

注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不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、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。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的或附加的特征。