CN101512427A

CN101512427A - 半导体激光器和可调谐流体透镜

Info

Publication number: CN101512427A
Application number: CNA2007800335893A
Authority: CN
Inventors: K·T·加哈根; J·高里尔; J·S·萨瑟兰
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-08-19
Also published as: WO2008033252A1; JP2010503891A; TW200832854A; US20080063022A1

Abstract

根据本发明的一个方面，提供包括激光头(10)、光波长转换装置(20)、以及根据本发明的可调谐透镜(30)的半导体激光器。该可调谐透镜包括放置成将光从激光头定向到光波长转换装置的第一和第二流体透镜元件(40、50)。第一和第二流体透镜元件被取向并配置成：使由透镜元件定义的第一和第二纵向调谐轴(45、55)彼此相对偏斜并且各透镜元件的透镜表面(48、58)的相应曲率是可变的。根据本发明的另一实施例，提供包括第一和第二流体透镜元件的可调谐透镜。

Description

半导体激光器和可调谐流体透镜

发明背景

本发明涉及可调谐流体透镜以及结合可调谐透镜的半导体激光器。本发明还更一般地涉及在光学—机械封装中提供可调谐流体透镜。

发明内容

诸如分布反馈(DFB)激光器或者分布布拉格反射器(DBR)激光器之类的单波长半导体激光器可与诸如二次谐波发生(SHG)晶体之类的光波长转换装置组合以形成短波长源。更具体地，通过将例如1060nm的DBR或DFB激光器调谐至将波长转换成530nm的SHG晶体的光谱中心，可将SHG晶体配置成产生基波激光信号的较高次谐波。

根据本发明的一个方面，提供一种半导体激光器，其包括激光头、光波长转换装置、以及根据本发明的可调谐透镜。该可调谐透镜包括放置成将光从激光头定向到光波长转换装置的第一和第二流体透镜元件。

根据本发明的一个实施例，提供一种半导体激光器，其包括激光头、光波长转换装置、以及可调谐透镜。该可调谐透镜包括放置成将光从激光头定向到光波长转换装置的第一和第二流体透镜元件。第一和第二流体透镜元件被取向并配置成：使由透镜元件定义的第一和第二纵向调谐轴彼此相对偏斜并且各个透镜元件的凸透镜表面的相应曲率是可变的。

第一透镜流体可包括电学响应透镜流体，并且第一和第二流体透镜元件可进一步包括取向与可调谐透镜的第一纵向调谐轴基本平行、并且放置成产生能改变第一凸透镜表面的曲率的电场的第一和第二组控制电极。替换地或附加地，第一和第二透镜流体可包括压敏透镜流体，并且相应透镜元件可进一步包括配置成改变第一凸透镜表面的曲率的流体供应。

根据本发明的另一实施例，提供一种可调谐透镜，其包括在本文中所描述的第一和第二流体透镜元件。

因此，本发明的目的是为可调谐流体透镜提供改进的设计，以及提供改进的半导体激光器以及结合这些透镜的其它类型的光学—机械封装。本发明的其它目的将根据在此具体化的本发明的描述变得显而易见。

附图简述

以下本发明的具体实施例的详细描述可在结合以下附图阅读时被最佳理解，附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，且其中：

图1是结合根据本发明的可调谐流体透镜的DFB或类似类型的半导体激光器的示意性图示；

图2是根据本发明的一个实施例的可调谐流体透镜的图示；以及

图3和4是根据本发明的替换实施例的可调谐流体透镜的图示。

详细描述

首先参考图1，示意性地说明根据本发明的一个实施例的半导体激光器。更具体地，该半导体激光器包括激光头10、光波长转换装置20以及可调谐透镜30，其各自采用相应符号示出，与精确的结构表示不同。图2给出根据本发明的具体实施例的可调谐透镜的更详细的结构图示。激光头10和光波长转换装置20的具体结构在本发明的范围以外。为了描述本发明，注意半导体激光器10和光波长转换装置20在被描述为本发明的元件时可具体化为各种常规或仍在开发的配置中的任一个。

根据本发明的可调谐透镜在光学—机械封装中具有特定用途，因为通常在这样的封装中难以确保光学元件的适当的机械对准。例如，在包括激光头10和光波长转换装置20的半导体激光器的环境中，本发明已认识到经常有必要以亚微米公差对准光学元件。为了说明而不是限制，注意由本发明构想的附加的光学—机械封装包括二次谐波发生激光器封装、泵浦激光器封装、以及其中单或多模光信号在光波导、光纤、光学晶体、或各种有源或无源光学元件的组合之间传输的其他光学封装。

参考图1，可将可调谐透镜30放置成将光从激光头10定向到光波长转换装置20。如图2所示，可调谐透镜30包括提供第一和第二纵向调谐轴45、55的第一和第二流体透镜元件40、50。第一和第二纵向调谐轴45、55关于透镜30的光学传播轴35彼此相对偏斜。在所示实施例中，虽然相对于光学传播轴的各个定向角由本发明构思，但是轴45、55彼此相对偏斜90度。如以下将更详细描述地，第一和第二流体透镜元件40、50被配置成：第一纵向调谐轴45的位置可在X-Y-Z参考系的x和z分量上改变，而第二纵向调谐轴55的位置可在X-Y-Z参考系的y和z分量上改变。

如图1所示，光通常沿透镜30的光学传播轴35从激光头10定向到光波长转换装置20，但除了透镜30自身的光学元件内和之间的光程上的相对较小的方向变化之外。可调谐透镜可进一步包括配置成从激光头10定向到可调谐透镜30并且从可调谐透镜30定向到波长转换装置20的光充分准直的准直光学元件32、34。因为定向到可调谐透镜30的光被准直，所以实践本发明的该方面的人将在沿光学传播轴35定位可调谐透镜时遇到较少的严厉要求。更进一步地，可引入准直光学元件32、34以减轻否则将落在可调谐透镜30上的光学功率需求。具体地，准直光学元件32、34可被配置成主要起系统的第一阶光学元件的功能，而可调谐透镜30可设计成主要起第二阶校正系统的作用。

进一步参考图2，第一和第二纵向调谐轴45、55的上述位置变化通过在第一和第二透镜元件40、50中提供第一和第二流体储存器42、52以及第一和第二透镜流体44、54来实现。在所示实施例中，第一和第二透镜流体44、54沿相应的纵向调谐轴45、55放置在通常的纵向配置中。更具体地，流体储存器42、52被配置成：由各透镜流体44、54形成的透镜表面48、58沿相应的纵向调谐轴45、55远离光学传播轴35延伸。与此相反，许多常规流体透镜被配置成径向对称的透镜，并且不限定纵向调谐轴。

第一和第二透镜流体44、54是电学响应的(electrically responsive)，并且透镜元件40、50包括第一组控制电极46和第二组控制电极56，其配置成产生能够改变由相应流体储存器42、52内的流体提供的第一和第二凸透镜表面48、58的曲率的电场。为了描述和定义本发明，注意“电学响应”的流体可以是导电流体、有限导电率的极性流体、或者可被安排成对以在此描述的方式施加于其上的电场作出物理响应的任何流体。每组控制电极46、56可优选地包括可单独控制的电极以最大化操作的通用性。

在所示实施例中，第一和第二流体储存器42、52的各自包括置于相交平面43、53的相反两侧上的一对纵向容器壁47、57，相交平面43、53通过各透镜元件40、50的纵向调谐轴45、55、并与光学传播轴35平行。第一和第二组控制电极46、56沿相应的一对纵向容器壁47、57设置，或者通常与它们平行地延伸。

第一流体储存器42、第一电学响应透镜流体44、以及第一组控制电极46配置成：第一透镜表面48相对于相交平面43的对称程度因变于施加到第一组控制电极46的控制电压。类似地，第二流体储存器52、第二电学响应透镜流体54、以及第二组控制电极56配置成：第二透镜表面58相对于相交平面53的对称程度因变于施加到第二组控制电极46的控制电压。在控制电极46、56处于非偏压状态的情况下，凸透镜表面48、58具有基本为圆柱形的轮廓。当控制电极46、56被偏压以生成改变凸透镜表面48、58的曲率的电场时，凸透镜表面48、58呈现偏斜的圆柱形轮廓。如以下所提及地，透镜元件可配置成：透镜表面48、58之一或两者替换地定义具有基本为圆柱形或偏斜的圆柱形轮廓的凹透镜表面。

为了描述和定义本发明，注意在此采用的短语“基本圆为柱形”是描述凸透镜表面48、58的普通纵向方向。还采用该短语来描述透镜表面48、58，因为每个都体现通常与具有主纵向轴的圆柱的一部分相对应的弯曲横截面轮廓，该主纵向轴在各透镜元件40、50的第一和第二纵向调谐轴45、55的方向上延伸。虽然图2所示的透镜表面48、58呈现为具有圆形横截面的圆柱的一部分，但是注意在实践中透镜表面48、58将经常不同于图2中所示的均匀径向表面。例如，凸透镜表面48、58的基本为圆柱形轮廓可更接近地近似椭圆柱或其他非圆形的圆柱，并且可在它们相应的横截面中包括平面或近似平面的表面部分。更进一步地，虽然在文中主要参照通常的纵向配置的凸透镜表面来描述本发明，但是注意相应透镜流体44、54的任一个或两个都可设置成形成通常的纵向配置的基本为圆柱形的凸透镜表面。还构思到相应透镜流体44、54的任一个或两个都可设置成形成平面或近似平面的透镜表面48、58。在控制相应组的控制电极46、56以仅改变平面相对于光学传播轴35的角度的情况下，例如在可调谐透镜30用于近似或用作光学棱镜的情况下，此可选方法可尤其具吸引力。

如图2中进一步所示地，可调谐透镜30的焦点F由偏斜的纵向调谐轴45、55在可调谐透镜30的焦面中的投影交叉点定义。定义焦点F的位置的x、y和z分量可通过改变相应凸透镜表面48、58的相应曲率来控制。控制其中由控制电极产生的电场可用来改变透透镜表面48、58的曲率的方式的具体现象在本发明的范围以外，并且该现象可从该问题的各种容易获得的示教中理解。例如且不作为限制，美国专利No.6,538,823、6,778,328和6,936,809在该问题上提供具体的指导。这些专利的仅对促进理解电场可用来改变凸透镜表面的曲率的方式有必要的那些部分通过引用结合于此。

因为焦点F的位置可通过改变相应凸透镜表面48、58的相应曲率来控制，所以本发明的概念非常适用于在光学—机械封装中补偿机械未对准是必要或有利的应用。例如且不作为限制，如图1中示意性所示地，可调谐透镜30可配置成使从激光头10的输出通道传播的光与波长转换装置20的输入通道对准。可控制可调谐透镜30校正设备组装中的未对准或补偿随着时间在设备中发展出的未对准。

关于图2中所示的相应流体储存器42、52的结构，注意第一和第二流体储存器42、52包括V型槽储存器，其各自配置成：第一和第二组控制电极46、56相对于平分储存器42、52的垂直平面对称。在所示实施例中，V型槽储存器42、52的每一个的封闭端包括限定在各储存器42、52的下部、基本平行的、垂直侧壁之间的下部、附加的储存器部分。构思到V型槽储存器42、52的倾斜壁不需要终止在图2所示的下部垂直侧壁。相反，倾斜壁可一直延伸到V型槽的封闭端。在任一种情况下，第一和第二组控制电极46、56沿V型槽的相应部分放置，以使电学响应透镜流体与V型槽储存器交界的程度因变于施加到控制电极46、56的控制电压。如此，相应凸透镜表面48、58的曲率可控制成因变于控制电压。

构思到在各V型槽储存器42、52的端部的包含流体的或其他支承结构将在凸透镜表面48、58的接近此支承结构处引起一定程度的不均匀性。更进一步地，在控制电极46、56的端部附近的不规则电场还可在凸透镜表面48、58的接近各V型槽储存器42、52的端部处引起附加程度的不均匀性。因此，在实践本发明时，可优选将储存器42、52设计成：储存器42、52的相应纵向尺寸足够大以确保存在于凸透镜表面48、58中的任何不连续性或不规则性在通过透镜30的预期的光程之外很多。

虽然本发明已在V型槽储存器42、52的环境中进行了主要描述，但是构思到第一和第二流体储存器可设置在各种配置中。例如，注意替换的储存器轮廓可获得对控制电压中的变化更线性的响应，或者可关于要由透镜30调谐的光学参数更佳或更不佳。在其它情况下，可优选实现对控制电压中的变化的非线性或指数响应。所构思的轮廓包括但不限于：上述V型槽轮廓、双曲线轮廓、抛物线轮廓、立方体轮廓、圆形轮廓、矩形轮廓、或包括它们的组合的其它线性、非线性轮廓。因而，电极可具有平面的、抛物线的、立方体的或包括它们的组合以及来自它们的微小变化的其它横截面轮廓，该横截面与纵向轴垂直。在一些实施例中，接触流体的电极的平面的、抛物线的、立方体等形状的表面符合储存器壁的形状。

在相同结构使用相同附图标记指示的图3和4中所示的实施例中，设置有第一透镜元件40相对于第二透镜元件50翻转的替换的可调谐透镜。通过以所示的方式翻转第一透镜元件40，第一和第二凸透镜表面48、58提供双凸透镜配置、即凸透镜表面48、58相互背离。此外，第一和第二透镜元件40、50被安排成：相应流体储存器42、52经由设置在透镜元件40、50之间的公共流体孔60连通。虽然未在图3和4中示出，但是流体孔可任选地被透明膜覆盖，如果需要在各透镜元件内隔离流体的话。

为了便于说明，透镜元件40、50中形成流体储存器42、52的具体结构部分已从图2-4中略去。具体地，如将被那些实践本发明的人所理解地，各流体储存器42、52可优选设置有相应端面和盖板以帮助包含透镜流体44、54。在设置盖板或其它结构以帮助包含透镜流体44、54的情形中，构思到应选择这样的结构：补充系统的光学性质、并且沿光学传播轴35引入最小的光学退化。例如，可设置盖板以用作准直透镜、聚焦透镜、偏振元件、衍射元件等。

更进一步地，互补但不同的流体可被设置在透镜元件40、50之一或它们两个中，以帮助稳定和促进适当控制透镜流体44、54。例如且不作为限制，在将电学响应油用作透镜流体的情况下，水性基流体可装入透镜元件、并置于保存在透镜的流体储存器内的油上。此类型的配置在上面提及的美国专利中被清楚地示出，并且这些示教可容易地应用到实践本发明的具体概念中。

注意，在两种不同的流体被设置在流体储存器的情况下，两种流体中的任一种可起电学响应流体的作用。例如，参考图2中所示的本发明的实施例，我们已描述了本质上非响应的、水性基流体被装入透镜元件40、50内、并置于保存在流体储存器42、52内的电学响应流体44、54上的情况。替换地，如果电学响应互补流体被放置在非响应流体上，则图2中所示的流体44、54可以是非响应流体。此外，还构思到设置在各透镜元件40、50中的两种流体可被选择成电学响应的。

本发明的概念已参照使用电学响应透镜流体和相应各组控制电极在以上进行了说明。然而，还构思到第一和第二透镜流体可包括压敏透镜流体，其中凸透镜表面的曲率可通过控制向相应流体储存器提供流体来控制。第一和第二流体供应可以是不同的流体供应或相同的流体供应。在流体透镜内使用压敏透镜流体在美国专利No.5,438,486和6,188,526中被更具体地示教，这些专利的公开内容通过引用结合于此。

注意，类似“优选”、“共同”和“通常”之类的术语如果在本文中被采用，不是用来限制要求保护的发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至比要求保护的发明的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出可或可不在本发明的具体实施例中采用的替换的或附加的特征。

为了描述和定义本发明，注意，在此采用的术语“本质上(substantially)”来表示可归因于任何数量比较、值、测量、或其它表征的不确定性的固有程度。还在此采用术语“充分(substantially)”以表示数量表征可不同于规定参考值而不在此问题上导致主题的基本功能改变的程度。在此进一步采用术语“基本(substantially)”以表示数量表征必需不同于规定参考值以在此问题上获得主题的所列出的功能的最小程度。

已详细地并引用其具体实施例描述了本发明，显然作修改和变化而不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围是可能的。更具体地，虽然本发明的一些方面在此可被鉴别为优选的或特别有益的，但应构思到本发明不是必然限于本发明的这些方面。

Claims

1.一种半导体激光器，包括：激光头、光波长转换装置、以及包括放置成将光从所述激光头定向到所述光波长转换装置的第一和第二流体透镜元件的可调谐透镜，其中：

所述第一流体透镜元件包括第一流体储存器、第一电学响应透镜流体以及第一组控制电极；

所述第一电学响应透镜流体被放置在通常的纵向配置中的所述第一流体储存器中，并且包括取向与所述可调谐透镜的第一纵向调谐轴基本平行的第一透镜表面；

所述第一组控制电极取向与所述可调谐透镜的所述第一纵向调谐轴基本平行，并且被放置成产生能改变所述第一透镜表面的曲率的电场；

所述第二流体透镜元件包括第二流体储存器、第二电学响应透镜流体、以及第二组控制电极；

所述第二电学响应透镜流体被放置在通常的纵向配置中的所述第二流体储存器中，并且包括取向与所述可调透镜的第二纵向调谐轴基本平行的第二透镜表面；

所述第二组控制电极取向与所述可调谐透镜的所述第二纵向调谐轴基本平行，并且被放置成产生能改变所述第二透镜表面的曲率的电场；以及

所述第一和第二流体透镜元件被取向成：使所述第一和第二纵向调谐轴关于从所述激光头定向到所述光波长转换装置的光的光学传播轴彼此相对偏斜。

2.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二透镜表面之一或它们两个的所述曲率形成基本为圆柱形的轮廓或者偏斜的基本为圆柱形的轮廓。

3.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二凸透镜表面的所述相应轮廓接近圆形或者非圆形的圆柱。

4.如权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二凸透镜表面的所述相应轮廓在它们相应的横截面中近似包括平面或接近平面的表面部分的圆形或非圆形的圆柱。

5.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二透镜表面之一或它们两个的所述曲率是凸的。

6.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二透镜表面之一或它们两个的所述曲率是凹的。

7.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于：

所述第一流体储存器包括置于通过所述第一纵向调谐轴、与所述光学传播轴平行的相交平面的相反两侧上的第一对纵向容器壁；以及

所述第二流体储存器包括置于通过所述第二纵向调谐轴、与所述光学传播轴平行的相交平面的相反两侧上的第二对纵向容器壁。

8.如权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于：

所述第一组控制电极沿所述第一对纵向容器壁放置、或者通常与它们平行地延伸；以及

所述第二组控制电极沿所述第二对纵向容器壁放置、或者通常与它们平行地延伸。

9.如权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于：

所述第一流体储存器、所述第一电学响应透镜流体、以及所述第一组控制电极配置成：使所述第一透镜表面相对于所述相交平面的对称程度因变于施加到所述第一组控制电极的控制电压；以及

所述第二流体储存器、所述第二电学响应透镜流体、以及所述第二组控制电极配置成：使所述第二透镜表面相对于所述相交平面的对称程度因变于施加到所述第二组控制电极的控制电压。

10.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二透镜元件排列成：使所述相应流体储存器通过设置在各个透镜元件中的公共流体孔连通。

11.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述可调谐透镜进一步包括准直光学元件，所述准直光学元件配置成：使从所述激光头定向到所述可调谐透镜并且从所述可调谐透镜定向到所述波长转换装置的光被充分准直。

12.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一透镜元件相对于所述第二透镜元件被翻转。

13.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二组控制电极的每一个分别包括至少两个在所述第一和第二透镜流体的至少一部分上的相互分开的基本平行的电极。

14.如权利要求13所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二组控制电极分别沿所述第一和第二流体储存器的相反壁放置、或者通常与它们平行地延伸。

15.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一和第二组控制电极的至少一个具有与相应纵向调谐轴垂直的横截面轮廓，所述轮廓从由平面的、抛物线的、以及立方体的轮廓组成的、包括其组合的组中选出。

16.如权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述可调谐透镜配置成使从所述激光头的输出通道传播的光与所述波长转换装置的输入通道对准。

17.一种半导体激光器，包括：激光头、光波长转换装置、以及包括放置成将光从所述激光头定向到所述光波长转换装置的第一和第二流体透镜元件的可调谐透镜，其中：

所述第一流体透镜元件包括第一流体储存器、以及第一电学响应或压敏透镜流体；

所述第一透镜流体被放置在通常的纵向配置中的所述第一流体储存器内，并且包括取向与所述可调谐透镜的第一纵向调谐轴基本平行的第一透镜表面；

所述可调谐透镜配置成允许所述第一透镜表面的曲率的受控改变；

所述第二流体透镜元件包括第二流体储存器、以及第二电学响应或压敏透镜流体；

所述第二透镜流体被放置在通常的纵向配置中的所述第二流体储存器内，并且包括取向与所述可调谐透镜的第二纵向调谐轴基本平行的第二透镜表面；

所述可调谐透镜配置成允许所述第二透镜表面的曲率的受控改变；以及

18.如权利要求17所述的半导体激光器，其特征在于：

所述第一透镜流体包括电学响应透镜流体；

所述第一流体透镜元件进一步包括取向与所述可调谐透镜的所述第一纵向调谐轴基本平行、并且被放置成产生能改变所述第一透镜表面的曲率的电场的第一组控制电极。

所述第二透镜流体包括电学响应透镜流体；以及

所述第二流体透镜元件进一步包括取向与所述可调谐透镜的所述第二纵向调谐轴基本平行、并且被放置成产生能改变所述第二透镜表面的曲率的电场的第二组控制电极。

19.如权利要求17所述的半导体激光器，其特征在于：

所述第一透镜流体包括压敏透镜流体；

所述第一流体透镜元件进一步包括配置成控制所述第一透镜流体中的流体量以改变所述第一透镜表面的曲率的流体供应；

所述第二透镜流体包括压敏透镜流体；以及

所述第二流体透镜元件进一步包括配置成控制所述第二透镜流体中的流体量以改变所述第二透镜表面的曲率的流体供应。

20.一种可调谐透镜，包括放置成沿公共光学传播轴定向光的第一和第二流体透镜元件，其中：

所述第一和第二流体透镜元件取向成：使所述第一和第二纵向调谐轴关于所述光学传播轴彼此相对偏斜。

21.一种光学系统，包括如权利要求20所述的可调谐透镜、定义输出通道的第一光学元件、以及定义输入通道的第二光学元件，其中所述可调谐透镜配置成使从所述第一光学元件的所述输出通道传播的光与所述第二光学元件的输入通道对准。