光学封装中的原位污染物去除

摘要

本发明提供了一种控制光学封装的方法，波长转换器件的输入面上半导体激光器的输出光束在相对高功率的波长转换模式下的平均功率密度超过波长转换器件的输入面上半导体激光器的输出光束在相对低功率的污染物去除模式下的功率密度。在相对高功率的波长转换模式下，利用可调节的光学元件使波长转换器件的波长转换输出的最优强度值与表示波长转换器件的输入面的波导部分上半导体激光器的输出光束位置的最优坐标相关联。在相对低功率的污染物去除模式下，利用可调节光学元件使半导体激光器的输出光束横跨波长转换器件的输入面的波导部分扫描，同时保持波长转换器件的输入面上输出光束的功率密度低于输出光束在相对高功率的波长转换模式下的平均功率密度。公开并要求保护其它实施例。

说明书

发明背景

发明领域

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波长转换器件(诸如二次或三次谐波发生晶体或另一类型的波长转换器件)的封装中的光学对准。

技术背景

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—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相组合，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)晶体之类的典型波长转换器件的波导模式直径可以在几微米的范围内。因此，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。从而，已经开发出多种自适应对准机制来调整长波长源的光斑以与波长转换器件的波导部分的输入面正确对准。

发明内容

根据本发明的实施例的一个方面，提供了一种控制光学封装的方法。光学封装包括半导体激光器、波长转换器件以及配置为将半导体激光器的输出光束光耦合至波长转换器件的输入面的波导部分的一个或多个可调节的光学元件。光学封装在相对低功率的污染物去除模式和相对高功率的波长转换模式下操作。

在相对低功率的污染物去除模式下，可调节的光学元件被用于使半导体激光器的输出光束横跨波长转换器件的输入面的波导部分扫描，同时保持波长转换器件的输入面上的半导体激光器输出光束的功率密度低于激光功率密度的燃烧阈值且高于激光功率密度的蒸发阈值。光学封装在相对低功率的污染物去除模式下操作足够长时间，以降低波长转换器件的波导部分中的污染物在相对高功率的波长转换模式的操作期间燃烧的可能性。在相对高功率的波长转换模式下，在波长转换器件的输入面上的半导体激光器输出光束的功率密度至少周期性地超过污染物的激光功率密度燃烧阈值，但是通过利用污染物去除模式去除污染物使燃烧损坏最少。

根据本发明的另一方面，提供一种控制光学封装的方法，其中在相对高功率的波长转换模式下、波长转换器件的输入面上的半导体激光器输出光束的平均功率密度超过在相对低功率污染物去除模式下、波长转换器件的输入面上的半导体激光器的输出光束的功率密度。在相对高功率的波长转换模式下，利用可调节的光学元件使波长转换器件的波长转换输出的最优强度值与表示波长转换器件的输入面的波导部分上半导体激光器输出光束的位置的最优坐标相关联。在相对低功率的污染物去除模式下，利用可调节的光学元件使半导体激光器的输出光束横跨波长转换器件的输入面的波导部分扫描，同时保持波长转换器件的输入面上的输出光束的功率密度低于在相对高功率的波长转换模式下输出光束的平均功率密度。光学封装在相对低功率的污染物去除模式下操作足够长时间以蒸发污染物。

附图简述

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，在附图中相似的结构使用相似的附图标记指示，而且在附图中：

图1是包括半导体激光器、波长转换器件和采用可调节透镜形式的可调节光学元件的光学封装的示意图；

图2是包括半导体激光器、波长转换器件和以折迭光学配置方式配置的MEMS反射镜的光学封装的示意图；

图3是包括半导体激光器、波长转换器件和采用MEMS反射镜形式的可调节光学元件的光学封装的示意图；

具体实施方式

虽然可以各种配置描述和利用本发明中公开的方法，在图1中示意性地示出的光学封装提供用于说明方法的各个方面的方便的参考。一般而言，图1中示出的光学封装包括半导体激光器10、波长转换器件20以及配置为将半导体激光器10的输出光束光耦合至波长转换器件20(为清楚起见波导部分22的相关尺寸被放大)输入面24的波导部分22中的一个或多个可调节光学元件。在所示实施例中，可调节光学元件包括在相对于光轴的一个或多个自由度(X和Y)上可调节并用于调整输出光束在输入面24上的位置的一对透镜35。此外，所示的光学封装包括分束器40、光强监测器50以及可编程控制器60。

在典型的制造和操作条件下，波长转换器件20将经受微粒污染。例如，波长转换器件20的波导部分22可能被输入面24上、在波导部分22与波长转换器件的邻接部分的界面处或足够接近输入面24的石墨颗粒或其他微粒污染物污染，污染物将在相对低功率污染物去除模式下经历蒸发。在波导部分22包括夹在块状铌酸锂层之间的Mg掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)的情况下，污染物可存在于用于将波导部分接合至块状铌酸锂的环氧化物层中。

发明人已经认识到，许多污染物(石墨颗粒是一个很好的示例)，将呈现激光功率密度燃烧阈值，在该阈值之上，污染物在暴露于激光器光束时有可能燃烧，从而损坏波导部分22。许多污染物也呈现较低的激光功率密度蒸发阈值，在该阈值之上，污染物可能蒸发而不损坏波导部分22。明显的污染物去除发生在高于激光功率密度蒸发阈值但低于激光功率密度燃烧阈值的点位处。将这些认识运用于包括半导体激光器10、波长转换器件20以及一个或多个可调节光学元件的光学封装的操作中，发明人已经认识到可通过在相对低功率的污染物去除模式和相对高功率的波长转换模式下操作封装来控制光学封装。

在相对低功率的污染物去除模式下，利用可调节光学元件使半导体激光器的输出光束横跨波长转换器件输入面的波导部分扫描，同时保持波长转换器件输入面上的半导体激光器输出光束的功率密度低于激光功率密度燃烧阈值且高于激光功率密度蒸发阈值。光学封装在相对低功率的污染物去除模式下操作足够长时间，以减少在相对高功率的波长转换模式下操作期间污染物燃烧的可能性。在相对高功率的波长转换模式下，波长转换器件输入面上的半导体激光器输出光束的功率密度至少周期性地超过污染物的激光功率密度燃烧阈值，但通过利用污染物去除模式去除污染物使燃烧损坏最少。光学封装在相对低功率的污染物去除模式下操作足够长时间，以减少在相对高功率的波长转换模式下操作期间污染物燃烧的可能性。优选地，通过合适的编程控制器60执行这种类型的工序。

光学封装可在相对低功率的污染物去除模式下操作不到一秒、多秒、不到一分钟或多分钟。光学封装可在启动时或后启动操作期间间歇地在相对低功率的污染物去除模式下操作。相对低功率的污染物去除模式可在相对高功率的波长转换模式的操作周期之间间歇地运行。典型地，由于污染物水平在启动时和在正常操作期间是不同的，光学封装在污染物去除模式下操作的时间将相关于污染物去除模式是在启动时启动还是在后启动操作期间启动。

为了优化在相对低功率的污染物去除模式下的污染物去除，可调节的光学元件可被编程为使半导体激光器10的输出光束横跨扫描区域扫描，该扫描区域大于波长转换器件输入面的波导部分但略小于波长转换器件20整个输入面24的横截面积。例如，控制器60可被编程为使得在相对低功率的污染物去除模式下的扫描区域不超过输入面24波导部分22的横截面积的约十倍。替代地，控制器60可被编程为使得在相对低功率的污染物去除模式下的扫描区域不超过输入面24波导部分22的横截面积的约1/2。在许多情况下，在相对低功率的污染物去除模式下的扫描区域相比于波导转换器件20整个输入面24的横截面积通常更接近于波导部分22的横截面积。

虽然输出光束的功率密度在相对高功率的波长转换模式下通常会根据输出光束中编码的数据而变化，但在相对低功率的污染物去除模式下的输出光束的功率密度是相对固定的。在某些情况下，波长转换器件20输入面24上的输出光束功率密度在相对高功率的波长转换模式下为多个几MW/cm²或更高的量级，而在相对低功率的污染物去除模式下的功率密度为1MW/cm²或更低的量级。在多种情况下，在相对高功率波长转换模式下的功率密度至少约为在相对低功率的污染物去除模式下的功率密度的五倍。在其他情况下，将相对高功率的波长转换模式下的功率密度设置为使其大约超过2MW/cm²并将相对低功率的污染物去除模式下的功率密度设置为使其约小于2MW/cm²就足够。

典型地，参照图1，在相对高功率的波长转换模式下，利用分束器40和强度监测器50监测波长转换器件20的波长转换输出的强度。可调节光学元件可用于使所监测强度的最优值与表示波长转换器件20输入面24的波导部分上输出波束的位置的最优坐标相关联。

为了描述和限定本发明，值得注意的是，本文所提到的污染物“可能燃烧”应当被定义为一个点，在光学封装的工作寿命内在相对高功率的波长转换模式操作期间，在该点处，颗粒更有可能燃烧。本文中所提到的污染物“可能蒸发”应当被定义为一个点，在光学封装的工作寿命内，在该点处，颗粒更有可能蒸发而不是燃烧。由于多种材料的蒸发特性随温度改变的逐渐性，该点可以是非常低的阈值，且依赖于实践本发明的人员的操作偏好和性能规范。优选的蒸发时间可以是几分钟、几秒钟等量级。

有关本文中所引用的“相对高功率的波长转换模式”和“相对低功率的污染物去除模式”，值得注意的是，以这种方式陈述这些功率以建立各自的大小相对于彼此是高还是低，而不是相对于一些其他基准功率电平为高或低。例如，短语“相对高功率的波长转换模式”不应理解为暗示这个模式的功率相对于一些其他波长转换模式或参考值是“高”的。相反，波长转换模式的功率相对于污染物去除模式的功率为“高”。

为描述和限定本发明，注意本文中提到的变量是参数或另一变量的“函数”并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。相反，本文所提到的作为所列举参数的“函数”的变量旨在作为开放式的描述，以使该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

注意本文中对本发明的部件是按照特定方式“配置”来以特定方式具体化特定性质、功能的陈述是相对于用途陈述的结构陈述。更具体地，本文对部件被“配置”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，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于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的。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。

为了描述和限定本发明，注意在本文中采用术语“基本上”和“约”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。在本文中还采用术语“基本上”或“约”来表示数量表示不同于规定参考值但不在此问题上导致对象的基本功能改变的程度。

已详细地并参照其具体实施例描述了本发明，显然在不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下多种修改和变化是可能的。更具体地，虽然本发明的某些方面在此可被标识为优选的或特别有优势的，但应构想到本发明不一定限于本发明的这些优选方面。例如，虽然本发明主要参考图1的实施例，其中可调节的光学元件包括在一个或多个自由度上可调节的透镜35，但是本文中提出的概念可应用于多种光学结构，包括但不限于：图2的配置，其中MEMS反射镜30位于采用单个透镜元件35的折迭光学配置中；以及图3的配置，其中MEMS反射镜30位于一对透镜元件35之间。