CN107085288B - 高亮度二极管输出方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于保持激光发射条输出的亮度的装置和方法具有多个发射器以进行耦合或其它应用。在某些实施方案中，至少一个亮度增强元件可以与光束重整元件组合使用。

Description

高亮度二极管输出方法和装置

分案说明

本申请是申请日为2009年5月7日，申请号为200980116402.5，题为“高亮度二极管输出方法和装置”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

光学系统及其组件可用于保持激光发射条(laser emitter bar)输出光束的亮度。一些实施例可用于高效耦合激光发射条输出光束或其他合适的应用。

背景技术

对于需要光能或者在一些情况下需要激光能量的应用来说，使用固态光源是有利的，例如使用市面上常见性能可靠并且成本相对合算可用的激光二极管作为激光能量源。这种装置可以包括设置在单个激光条中的多个激光发射器，其在同一方向上同时发射激光。此外，可以将多个固态或激光发射条设置成多层结构以产生更高的功率水平。

激光二极管条通常用于通信技术设备、医疗应用或其他应用例如军事应用，其中希望通过它将单个固态发射条或多层结构中的多个发射条中的所有发射器的输出耦合到单个光纤或其他光导管中。典型地，这种固态发射条的发射器在工作期间产生大量热量，因而被彼此间隔设置以实现充分冷却而不需要复杂和昂贵的冷却系统。这种间隔改善了该发射条的冷却效果，但是却导致难以耦合来自多个发射器的输出光束。这些输出光束的耦合需要大量昂贵的光学组件以及一个用于安装这些光学组件的较大区域。

此外，对于一些应用，可以使用光束重整元件(beam reformatting optics)以进一步增强该发射器输出的耦合到预期的装置中。然而，这种光束重整元件会使得该耦合过程更为复杂，并且由于在一个或多个激光发射条的各个发射器的输出光束之间产生间隙而降低了该发射条的整体输出亮度。导致这种情况发生的一个原因是，对于一些光束重整元件来说，经过该光束重整元件的小光束(beamletts)尺寸必须显著小于激光源发射条等的中心之间的间隔。因此，在下游的光学组件中就会发生亮度损失。

需要一种方法和设备，用于在激光发射条的多个发射器的输出被重整后保持该输出的亮度和功率。还需要一种方法和设备，用于耦合使用更少光学元件或组件的激光发射器的重整后输出光束。

发明内容

光学系统的一些实施方案包括：激光发射条，具有在一输出轴上的输出；亮度增强元件，其可操作地耦合到该激光发射条的输出；和快轴准直器，其设置在该激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该激光发射条的输出。该光学系统还可以包括光束重整元件，其被配置成分别旋转该激光发射条的发射器的输出光束，被设置在该亮度增强元件和激光发射条之间，并且耦合到该激光发射条的输出。

亮度增强元件的一些实施方案包括多面望远镜(faceted telescope)结构，其具有输入面和输出面，输入面具有多个相邻的小输入面，输出面具有分别对应于各个小输入面的多个相邻的小输出面。该输入和输出面可以基本上互相平行，并且可以被配置成充分折射通过该光学元件的平行输入光束，从而使其互相平行地从小输出面射出，并且相互之间具有比该平行输入光束的间隔更近的间隔。

光学系统的一些实施方案包括：第一激光发射条，具有在第一输出轴上的第一输出；第二激光发射条，具有在第二输出轴上的第二输出，该第二输出轴的方向被设置成基本上垂直于该第一输出轴；以及亮度增强元件，其可操作地耦合到该第一输出和第二输出，其被配置成将该第二输出重定向为与该第一输出的传播方向基本平行的传播方向，并且使该第一输出和第二输出交错。该光学系统还可以包括：第一快轴准直器，其设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第一激光发射条的第一输出；以及第二快轴准直器，其设置在该第二激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第二激光发射条的第二输出。该光学系统还可以包括：第一光束重整元件，其被设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第一激光发射条的第一输出；以及第二光束重整元件，其被设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第二激光发射条的第二输出。对于一些这种实施例来说，该亮度增强元件包括周期交错器，其具有包括交替布置的光学透射部分和光学反射部分的输出面。对于这种实施例，该第一激光发射条的第一输出的每个光束可以被定向到光学透射部分，该第二激光发射条的第二输出的每个光束在与第一输出方向基本平行的方向上被反射部分反射。

集成光学透镜的一些实施方案包括透镜主体，其具有第一表面和第二表面，该两个表面被一起配置成都对激光发射条的输出聚焦，并且使得激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上。对于一些这种实施例，该第一表面包括被配置成聚焦激光发射条的输出的非球面透镜，该第二表面包括被配置成使得激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上的非柱面(acylindrical)透镜。

光学系统的一些实施方案包括：激光发射条，具有在一输出轴上的输出；快轴准直器，其可操作地耦合到该激光发射条的输出；和集成光学透镜，其包括透镜主体，该透镜主体具有第一表面和第二表面，该两个表面被一起配置成都对激光发射条的输出聚焦，并且使得激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上。对于一些这种实施例，该集成光学透镜的第一表面包括被配置成聚焦激光发射条的输出的非球面透镜，该集成光学透镜的第二表面包括被配置成使得激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上的非柱面透镜。

一种处理至少一个激光发射条的输出的方法的一些实施方案包括：从多个激光发射器发射多个基本平行的小光束，将该小光束基本准直在快轴方向上，通过旋转每个小光束来重整该小光束，以及使该小光束穿过亮度增强元件以增强该小光束的亮度。一些这种实施例还可以包括将该小光束基本准直在慢轴方向上。

通过以下详细说明并结合示意性的附图，这些实施方案的特征将变得更加明显。

附图说明

图1是激光发射条的一个实施例的透视图。

图2是激光发射条多层阵列的一个实施例的透视图。

图3示出了图2的激光发射条多层阵列的发射阵列。

图4A示出了光学系统的一个实施例的正视图。

图4B示出了图4A的光学系统的顶视图。

图4C是图4A和4B的激光发射条的发射器的光束在快轴准直器和光束重整元件之间的截面图。

图4D是图4A和4B的激光发射条的发射器的光束在光束重整元件和亮度增强元件之间的截面图。

图4E是图4A和4B中的亮度增强元件的光束输出的截面图。

图5示出了重整元件的一个实施例。

图6示出了光束重整元件的一个实施例。

图7A示出了亮度增强元件的一个实施例的顶视图。

图7B示出了图7A的亮度增强元件的侧视图。

图8A示出了亮度增强元件的一个实施例的顶视图。

图8B示出了图8A的亮度增强元件的侧视图。

图9A示出了集成亮度增强组件和慢轴准直器的一个实施例的顶视图。

图9B示出了图9A的集成亮度增强组件和慢轴准直器的实施例的侧视图。

图10A示出了亮度增强元件的一个实施例的顶视图。

图10B示出了图10A的亮度增强元件的侧视图。

图11A示出了亮度增强元件的一个实施例的顶视图。

图11B示出了图11A的亮度增强元件的侧视图。

图12是具有两个激光发射条和一个亮度增强元件的光学系统的一个实施例的顶视图。

图13A是交错亮度增强元件的一个实施例的侧视图。

图13B是图13A的交错亮度增强元件实施例的顶视图。

图13C是图13A的交错亮度增强元件实施例的顶视图，其中示出了第一和第二发射条的发射器输出穿过该交错亮度增强元件的光学路径。

图13D示出了单个发射器输出穿过图13C的交错亮度增强元件的光学路径以及所产生的该光学路径的偏移。

图14A是交错亮度增强元件的一个实施例的顶视图。

图14B是图14A的交错亮度增强元件去除一个棱镜元件后的透视图，其中示出了另一个棱镜元件的交错面的一个实施例。

图14C是图14A的交错亮度增强元件实施例的顶视图，其中示出了第一和第二发射条的发射器输出的光学路径。

图15A是集成光学透镜的一个实施例的顶视图。

图15B是图15A的集成光学透镜实施例的侧视图。

图16A是集成光学透镜的一个实施例的顶视图。

图16B是图16A的集成光学透镜实施例的侧视图。

具体实施方式

这里讨论的实施例涉及用于处理发射器的输出的方法和装置，发射器例如是设置有一个或多个发射器的激光发射条或芯片。这里讨论的实施例还涉及用于将激光发射条的输出耦合到光导管例如光纤的方法和装置。这种发射条或芯片可以被安装或通过各种方法结合到光学系统实施例中。对于这种光学组件，正确对准该芯片的输出阵列是很重要的，并且要方便精确地进行这种对准，同时最终得到的结构还要高效地散发掉芯片所产生的热量。对于一些实施例，希望尽量减少光学系统中所使用的光学部件数量以节省光学系统的空间和成本。

图1示出了具有输出面14的激光发射条12，其包括总共5个发射器16，该发射器16具有基本上互相平行的光轴。虽然这里所述的实施例通常涉及使用单个发射条，但是图2和图3也示出了一些实施例可以使用具有4个发射条12的多层阵列10。每个激光发射条12都具有输出面14，其包括设置成彼此相邻的总共5个发射器16。每个发射条12的发射器16被沿着发射器16的慢轴方向基本上设置在一条直线上，如箭头18所示。该发射器16的快轴方向垂直于慢轴方向18，由箭头20表示。发射器16被定位或配置成以沿着发射轴22传播的输出光束发射光能，该发射轴22同时垂直于慢轴方向18和快轴方向20。该分层阵列的发射器16的发射轴22可以基本上彼此平行。

激光发射条12沿着发射器16的快轴方向20层叠，并且可以以周期性、规则分布的方式层叠。在图2的实施例中，底部激光发射条12的发射器与相邻激光发射条的发射器以箭头24所示的距离垂直分隔，该距离被称为该分层阵列10的节距。对于一些分层阵列实施例10，箭头24所示的节距可以是大约1mm到大约3mm，特别地可以是大约1.5mm到大约2.0mm。这种激光发射条12和发射器16的分层阵列10可以允许在一些实施例的紧凑装置中产生大量的光能或功率。

激光发射条实施例12可以具有任意适当数量的发射器16，例如大约1个发射器到大约100个发射器，更特别地是大约3个发射器到大约12个发射器。对于一些实施例，每个具有大约5个发射器16的激光发射条12可以具有大约5瓦(W)到大约90W的输出功率，更特别地为大约15W到大约70W，更特别地为大约20W到大约30W。发射器16可以包括激光二极管，例如边发射激光二极管，垂直腔面发射激光器(VCSEL)等等。用于激光发射条12的发射器16的材料可以包括半导体材料例如GaAs、InP或其他任何合适的激光增益介质。

一般地，发射器16的激光二极管实施例的发射孔形状是矩形，该发射器16的长边尺寸典型地为几十或几百微米，短边尺寸典型地为1到几微米。从发射器16射出的射线沿着短发射器16方向以逐渐增大的发散角发散。发散角在长发射器16方向上较小。发射器16的一些实施例可以具有大约30微米到大约300微米的物理宽度，更特别地为大约50微米到大约200微米，该发射器可以具有大约1微米到大约3微米的高度。一些发射器的实施例可以具有大约0.5mm到大约10mm的谐振腔长度，更特别地为大约1mm到大约7mm，更特别地为大约3mm到大约6mm。这种发射器实施例16在慢轴方向18上可以具有大约2度到大约14度的光能输出发散，更特别地为大约4度到大约12度，在快轴方向20上可以具有大约30度到大约75度的光能输出发散。

激光二极管条12的一些实施例的发射器16可以发射波长为大约700nm到大约1500nm的光能，更特别地为大约800nm到大约1000nm。发射器16可以发射重心波长或峰值波长为大约300nm到大约2000nm的光，更特别地为大约600nm到大约1000nm，包括穿过近红外光谱的波长。发射器的一些有用的特定实施例可以发出峰值波长为大约350nm到大约550nm、600nm到大约1350nm或者大约1450nm到大约2000nm的光。这种激光二极管条可以在脉冲模式或连续波模式下工作。通常，未被控制波长(例如通过根据容积指数光栅(volumeindex grating)等来提供波长相关的反馈以控制波长)的单个发射器16的输出光谱带可以是大约0.5nm到大约2.0nm或更多。由于峰值发射波长的变化以及每个单个发射器的光谱带，对于一些实施例，该激光发射条12的全部带宽可以是大约2nm到大约5nm。分层阵列10包括4个激光发射条12，然而分层阵列10的其他实施例可以具有任意适当数量的激光发射条12。一些分层阵列实施例10可以具有大约2个激光发射条12到大约30个激光发射条12，更特别地为大约2个激光发射条12到大约10个激光发射条12。

参照图3，其中示出了具有快轴准直器26的分层阵列10，该快轴准直器26采用设置在该分层阵列10的发射器16上方的柱面透镜阵列的形式，并且被配置成基本上将每个激光发射条12的发射器16的输出光束准直在快轴方向20上。虽然图3所示的实施例示出了直接固定到发射条12上的快轴准直器，但是也可以将快轴准直器26与该一个或多个发射条12以固定的关系分离安装并获得相同的准直效果，这将在下面更具体地讨论。快轴准直器26可以对于每个激光发射条12包括一个柱面透镜，或者一个或多个单透镜阵列以及其他任何合适的结构。这种对于发射器输出的快轴准直产生了如图所示的输出阵列28，其中每个激光发射条12的每个发射器16的光能输出30被基本上沿着发射器16的快轴20准直，但是继续沿着发射器16的慢轴18发散。每个激光发射条12的光能输出30可以具有横向于该传播方向的基本为矩形的截面，并且相互平行以产生如图所示的输出阵列28。上面针对图3所示的分层阵列的快轴准直器26所讨论的结构还可被用于单个发射条12。

如上所述，需要一种适于在激光发射条的多个发射器的输出被重整以后保持该输出的亮度和功率的方法和装置。还需要一种适于使用更少光学元件或组件来耦合激光发射条的重整后的输出光束的方法和装置。图4A和4B示出了一种光学系统30，包括具有5个发射器16的激光发射条12，其可以在被激活时发射输出并且具有上述如图2所示的输出轴。亮度增强元件32基本上与激光发射条12的输出轴对准，并且被定位和定向为在该激光发射条的输出经过快轴准直器34后可操作地耦合到该发射器输出，该快轴准直器34被设置在该发射条12附近并且可操作地耦合到其输出光束。该快轴准直器34还可以被设置在激光发射条12与亮度增强元件32之间。该快轴准直器用于使得发射器16的发射器输出光束基本准直在快轴方向上。光束重整元件36被配置成绕着每个发射器光束的纵轴单独旋转该激光发射条12的发射器的输出光束，其被设置在亮度增强元件32和激光发射条之间。对于一些实施例，该光束重整元件36可以被设置在快轴准直器34和亮度增强元件32之间，如图4A和4B所示。该光束重整元件36还可以被定位和定向为可操作地耦合到该激光发射条12穿过快轴准直器34的输出。

亮度增强元件32一般被配置成保持光学系统的亮度或使其减少最小。这样，如这里所使用的，术语亮度增强或其他类似的词语一般是指维持这里所讨论的光学系统和方法的亮度或者使其亮度减少最小。可以理解，这里所述的装置和方法实施例不会增加该亮度水平。

光学系统30还包括慢轴准直器38，其被定位和定向为可操作地耦合到从亮度增强元件32发射的该激光发射条12的输出。该慢轴准直器38可以被配置成使得该激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上。该慢轴准直器38可以被设置在亮度增强元件32和聚焦元件40之间。该可选的聚焦元件40可以被设置在该慢轴准直器38之后，并且可以被定位和定向为可操作地耦合到从慢轴准直器38发射出的该激光发射条的输出。该聚焦元件40可以被配置成将慢轴准直器38的输出聚焦到光导管41例如光纤等中。

慢轴准直器38、聚焦元件40和快轴准直器34的实施例可以具有一种标准结构，例如由任何一种或多种合适的光学材料例如玻璃、石英、硅石制成的柱面透镜、球面透镜、非球面透镜等。对于一些实施例，快轴准直器34可以具有基本上与激光发射条12的宽度相同或更大的宽度。

在操作中，激光发射条12被激活以使得该激光发射条12的每个发射器16发射输出光束，该输出光束具有与该激光发射条12的其他发射器16的输出光束基本平行的光轴。然后该输出光束穿过快轴准直器34，其使得每个输出光束基本准直在快轴方向上。图4C示出了从该快轴准直器34发射的输出光束的一个实施例的截面图，其中示出了5个输出光束中的每个都具有被准直在由箭头20表示的快轴方向上的基本水平方向，并且仍然在箭头18表示的慢轴方向上发散。在经过快轴准直器34后，该输出光束再经过光束重整元件36，该光束重整元件36可以将该输出光束绕着每个输出光束的纵轴旋转大约85到大约95度，同时保持该输出光束基本上互相平行。这个过程有效地转换该输出光束的快轴方位和慢轴方位，从而使得光束重整元件36与亮度增强元件32之间的输出光束的截面图呈现图4D一些实施例中的光束截面。

由于输出光束在快轴准直器34和亮度增强元件32之间的慢轴方向上发散，所以图4D中的光束截面具有延长的慢轴部件。由于快轴准直器34在该方位上的准直，使得快轴方向上的光束截面相对于图4C的光束截面保持相对恒定。如从该输出光束的截面图上可以看到的，由于该光束的窄轮廓(profile)，并且由于小光束截面和该光束重整元件自身固有的实际缝隙(de-facto apertures)，导致在快轴方向上的相邻光束之间存在显著的间隙。特别地，在快轴准直器34后的小光束截面的整体形状典型地为矩形，而许多光束重整元件36以反射或折射方式工作，其通常包括在该矩形形状的主平面的大约45度方位上的实际缝隙。一些重整元件36以其他方式工作(例如南安普敦多镜Southampton multi-mirror)，由于制造工艺(涂层过渡，用于折射元件的形状过渡等)导致其仍然存在间隙。这些间隙可以通过各种亮度增强元件实施例32来解决。

然后具有图4D所示截面轮廓的输出光束经过亮度增强元件32，其在快轴方向20上分别扩展每个输出光束，同时保持该光束相互平行，避免产生任何不必要的发散。一些合适的亮度增强元件包括下面所述的望远镜透镜阵列。对于一些实施例，这种阵列的望远镜透镜元件可以具有与激光发射条12的节距相同或相似的节距。这种望远镜透镜阵列以及其他光学元件可以在快轴方向20上扩展该输出光束，以使得该经过亮度增强元件的输出光束截面呈现图4E中的截面图。在图4E中，每个输出光束已经被亮度增强元件32处理而在快轴方向上扩展，从而使得该输出光束现在在快轴方向上彼此相邻或交叠。该输出光束阵列现在看起来更像是单个较大的输出光束，然后该输出光束阵列经过慢轴准直元件例如慢轴准直器38，然后被聚焦到光导管41中，该光导管41可以是任意适当尺寸和结构的光纤。

对于一些实施例，该光束重整元件36可以包括一个光学元件，用于旋转激光发射条12的发射器16输出的每个单独的小光束，如上所述。图5示出了折射光束重整元件42的一个实施例，其包括相对成对设置并且对角定向的柱面透镜44的阵列。每个光束重整元件42的相对透镜对可以具有基本上与该系统的激光发射条12的发射器16的横向间隔或节距相同的横向间隔或节距。每个相对的柱面透镜对的透镜还可以被设置成相互成大约90度角，如图5所示。该折射光束重整元件42可以由任何适当的光学材料例如玻璃、石英、硅石等制成。对于一些实施例，该光束重整元件36包括折射偏移柱面透镜阵列，用于对发射条12的每个发射器元件16的每个输出进行90度光束旋转。

这种折射偏移柱面透镜阵列的一些实施例可以包括对角定向的柱面透镜元件，其被对称设置在由折射体例如玻璃或硅石制成的透射模块或基板的相对的平行表面上。该透射模块的尺寸可以被设置成使得任意相对的、对称的柱面透镜元件对聚焦在该透射模块主体内的同一点或线上。这种结构将使入射的输出光束旋转大约90度，从而反转该输出光束的快轴和慢轴。各个输出光束16的旋转将有利于使得该快轴和慢轴之间的光束产物(product)和光束轮廓对称，并且有助于随后在保持亮度的同时聚焦或聚集该输出光束。该光束重整元件的柱面透镜元件的倾斜或角度方位可以被设置成大约40度到大约50度的角，如图5中的箭头43所示。用于90度光束旋转的折射偏移柱面透镜阵列的实施例例如光束重整元件42可以包括LIMO GmbH，Bookenburgeweg 4-8，Dortmund，Germany生产的产品。

图6示出了基于反射或镜子的光束重整元件50的一个实施例，其还用于将激光发射条12的发射器16的每个小光束绕着每个小光束的纵轴旋转。该反射光束重整元件50包括设置成与入射小光束的光路54成45度角的多个镜子对52，其生成两次连续反射，从而使得每个小光束分别绕着该输出光束的纵轴和相对于相邻的平行传播的小光束旋转，如箭头56所示。该镜子52可以由高强度稳定材料制成，可以包括任何合适的高反射涂层或材料以增强该表面的反射。绕着该小光束轴的旋转量可以变化，但是一些实施例可以在相同方向上以基本相同的量旋转每个小光束，例如旋转大约80度到大约100度，更特别地为大约85度到大约95度。

用于图4A和4B的系统的亮度增强元件32可以包括多种结构，用于保持激光发射条的发射器的输出亮度。亮度增强元件32的一些实施例可以用于填充激光发射条的发射器的输出的各个小光束之间的间隙，特别是在如上所述该输出被光束重整元件重整之后。亮度增强元件32的一些实施例用于扩展发射器的小光束以填充相邻小光束之间的间隙，并且还可以用于改善准直或降低每个小光束的发散性。亮度增强元件32的一些实施例可以包括望远镜实施例或光学元件。亮度增强元件的一些望远镜元件实施例可以包括柱面望远镜阵列，其具有用于激光发射条12的至少每个发射器16的相对对齐的平行柱面透镜对，可被该亮度增强元件32使用。亮度增强元件32的一些实施例可以包括具有若干对表面的多面望远镜结构，包括具有多个连续小表面的输入面，和具有多个被设置成比第一表面的小表面更靠近的对应的连续小表面的输出面。

图7A和7B示出了亮度增强元件60，其包括Keplerian型柱面望远镜阵列，具有多个相对对齐的平行柱面透镜对62，被设置成具有与每个相邻的相对对齐的平行柱面透镜对平行且相邻。所示用于该实施例的相对对齐的平行柱面透镜对的每个柱面透镜是柱面凸透镜。该柱面透镜被设置为使得该凸面部分向着远离光学元件主体64的方向以形成该元件的外表面。每个相对透镜对的输入透镜和输出透镜的焦距和相对间隔可以被配置成产生预定量的扩展或功率，同时保持每个输出光束基本上相互平行而不会导致该光束发散。

如图7A中的箭头66所示，通过利用输入面的输入凸透镜将来自激光发射条12的入射小光束会聚到焦点上，以使得该小光束在快轴方向20上横向扩展。然后该输入光束在该光学元件内经过该焦点后重新扩展，直到该光束被对应的输出凸透镜准直。该扩展还可以减少该光束的发散和改善准直，从而增强对亮度的保持。光学元件60不会对慢轴方向上的发散产生任何能够观察到的影响。该元件每一侧的透镜基本上互相平行，并且可以具有与其所耦合的激光发射条12实施例的各个发射器16的节距基本相同的间隔或节距。对于一些实施例，该透镜62的节距可以是大约0.3mm到大约1.5mm，更特别地为大约0.4mm到大约1.2mm。光学元件60可以由任何合适的光学材料例如玻璃、石英、硅石等制成。该光学元件60的透镜62的外表面可以包括任何合适的抗反射涂层或材料以增强光能从该元件的透射性。对于一些实施例，该光学元件60的望远镜元件的功率可以是大约1.2功率到大约2.4功率，更特别地为大约1.4功率到大约1.7功率。

图8A和8B示出了亮度增强元件70的一个实施例，其包括与上述图7A和7B所示实施例的Keplerian阵列在某些方面相似的Galilean型柱面望远镜阵列。如图8A和8B所示，光学元件70输入侧上的柱面透镜72是凹面的，与图7A和7B所示光学元件60上的输入透镜阵列中的凸透镜相反。并且，每个相对透镜对的输入透镜和输出透镜的焦距和相对间隔可以被配置成产生预定量的扩展或功率，同时保持每个输出光束基本上互相平行而不使该光束发散。在一些情况下，该增强元件70的材料、尺寸和特征也可以与图7A和7B的实施例60相同。如图8A所示，平行箭头所示的输入光束被输入面的输入凹透镜折射。该输入透镜的折射使得该光束在光学元件70内发散，如光学元件70内的箭头所示。然后该光束被输出面上相应的输出透镜重新准直以使得该光束在快轴方向上扩展，同时保持每个输出光束的发散。光学元件70不会对慢轴方向上的发散产生任何能够观察到的影响。

图9A和9B示出了亮度增强元件80的一个实施例，其具有一些与图8A和8B的光学元件实施例70相同的特征、尺寸和材料。然而，图9A和9B的亮度增强元件80包括叠加到其输出面上的透镜结构，其被配置用作慢轴准直器。该输出面的慢轴准直器透镜可以被用于代替图4A和4B所示分离的慢轴准直器元件38。在这种实施例中，该亮度增强元件80将代替亮度增强元件32和慢轴准直器38。如图8A和8B所示，光学元件80的输出面82包括叠加到相对对齐的柱面透镜对的输出透镜84上的柱面透镜结构。在这种结构中，该对齐透镜对的每个输出透镜被弯曲成透镜结构以便在慢轴方向上产生会聚。该输出面82的透镜的焦距可以被选择成高效地将该系统的输出光束准直到预定水平。该输出面82的柱面透镜用于将激光发射条12的输出基本准直到慢轴方向上，同时如上参照光学元件实施例70所述，该相对对齐的平行柱面透镜对通过在快轴方向上扩展该光束以用于增强或保持该光束输出的亮度。对于一些实施例，该用于慢轴准直的输出面的透镜的焦距可以是大约5mm到大约50mm，更特别地为大约10mm到大约20mm。

图10A和10B示出了具有多面望远镜或平面平行板(plane parallel plate)结构的亮度增强元件90。该元件90的多面结构具有输入面92和输出面96，输入面92具有多个相邻的小输入面94，输出面96具有对应于各个小输入面94的多个相邻的小输出面98。该成对的小输入面94和小输出面98可以相互平行并且被配置成通过该元件90充分折射平行输入光束，以使得该光束互相平行地射出该小输出面，从而保持该输入光束的发散。该输出光束之间的间隔比如图10A的箭头100所示的平行输入光束的间隔更近。该发射器16的相邻输出光束的更近间隔可以被用于保持该系统的亮度以实现更高效的耦合和其他应用。对于一些实施例，小输入面94所在的半径和小输出面所在的半径可以被选择成，通过与该光学元件90的材料和该成对小表面的间隔相结合而对于相邻的输出光束产生预定量的压缩。对于一些实施例，该光学元件90可以被配置成将占空因子为大约40％到大约80％的入射光束横向位移或压缩为大约80％到大约100％的占空因子。这里所述的占空因子测量是指被照明区域在所有输出光束的整个光束轮廓中所占的量。例如，图4D所示光束轮廓的占空因子可以是大约30％，而图4E所示光束轮廓或截面中的占空因子可以是大约90％。光学元件90不会对慢轴方向上的发散产生任何可观察到的影响。

对于光学元件90的一些实施例，每个相应的小表面对可以包括在该元件的输入和输出面上的一对对应的柱面透镜，如图11A和11B的实施例110所示。该相对的成对的柱面透镜116和118的输入面112和输出面114可以被彼此基本对齐，并且被配置成充分折射经过该光学元件的平行输入光束，从而使得该光束相互平行地射出该小输出面并且具有比如图11A的箭头120所示的平行输入光束的间隔更近的间隔。对于所示的实施例110，该输出光束在快轴方向20上不会被扩展或压缩，如经过该元件110的透镜对的光束所示，其被配置成具有大约为1的功率。由于该成对柱面透镜116和118的望远镜效应，该光束还可以被准直或者具有比输入光束减少的发散度。对于一些实施例，该输入面的透镜或小表面的节距或间隔可以是大约0.3mm到大约1.5mm，更特别地为大约0.4mm到大约1.2mm。该光学元件110可以由任意合适的光学材料制成，包括玻璃、石英、硅石等。该光学元件的透镜的外表面可以包括任何合适的防反射涂层或材料以增强光能经过该光学元件的透射率。虽然所示光学元件110的透镜对具有大约为1的功率，但是该光学元件110的每个小表面的望远镜透镜对的功率可以具有大约0.5功率到大约1.5功率的功率。并且，对于一些实施例，输入透镜116所在的半径和输出透镜118所在的半径可以被选择成，通过与该光学元件90的材料和该成对透镜116和118的间隔相结合，并结合由于该光学元件110的透镜对所产生的扩展或压缩，从而对于相邻的输出光束产生预定量的压缩。对于一些实施例，该光学元件110可以被配置成将占空因子为大约40％到大约80％的入射光束横向位移、压缩和/或扩展为大约80％到大约100％的占空因子。光学元件110不会对慢轴方向上的发散产生任何可观察到的影响。

对于一些实施例，一种使用这里所述的光学元件实施例控制至少一个激光发射条12的输出的方法，可以包括从激光发射条的多个激光发射器16发射多个基本平行的小光束。通过可操作地耦合到该激光发射条12的输出的快轴准直器，将该小光束基本准直在快轴方向上。然后通过光束重整元件36来重整该小光束，该光束重整元件36被配置成在其纵轴上旋转每个小光束。每个小光束被相对于相邻的小光束旋转，同时保持该小光束的中心或纵轴相对于相邻小光束的中心或纵轴的位置。通过使该小光束穿过亮度增强元件32例如这里所述的任何一个亮度增强元件，可以增强或基本保持该小光束整体的亮度。对于一些实施例，可以通过使该小光束穿过慢轴准直器38来将该小光束基本准直在慢轴方向上。对于一些实施例，可以通过使该小光束经过聚焦元件40以使该小光束聚焦到适于耦合到光导管41的传输芯(transmitting core)等的焦点上或者图案上。适合用于耦合该激光发射条的聚焦输出光束的光导管可以包括光纤、中空反射器、对准的镜子阵列等。

图12示出了用于控制激光发射条12的输出的光学系统的另一实施例。该光学系统实施例130包括第一激光发射条132，其具有在第一输出轴134上的第一输出。第二激光发射条136具有在第二输出轴138上的第二输出，其被设置成使得该第二输出轴基本上垂直于该第一输出轴134。亮度增强元件140被定位和定向为可操作地耦合到该第一输出和第二输出。该亮度增强元件140被配置成将该第二输出重定向为与该第一输出的传播方向基本平行的传播方向，并且使该分别来自第一和第二激光发射条的第一输出和第二输出交错，如箭头142所示。第一快轴准直器144被设置在该第一激光发射条132和亮度增强元件140之间，并且被定位和定向为可操作地耦合到该第一激光发射条132的第一输出。第二快轴准直器146被设置在该第二激光发射条136和亮度增强元件140之间，并且被定位和定向为可操作地耦合到该第二激光发射条136的第二输出。第一光束重整元件148可以被设置在该第一激光发射条132和亮度增强元件140之间，并且被定位和定向为可操作地耦合到该第一激光发射条132的第一输出。第二光束重整元件150被设置在该第二激光发射条136和亮度增强元件140。该第二光束重整元件150被定位和定向为可操作地耦合到该第二激光发射条136的第二输出。

对于一些实施例，该系统130包括慢轴准直器152，其被定位和定向为可操作地分别耦合到该第一和第二激光发射条132和136的第一和第二输出。对于一些实施例，该系统包括一个或多个聚焦元件154，其被定位和定向为可操作地耦合到该亮度增强元件的输出，并且被配置成将该输出聚焦到光导管156例如光纤等上。对于一些实施例，亮度增强元件140包括周期交错器，如图13A-13D更详细显示的。该周期交错器140具有输入面157和输出面158，该输入面157可以包括防反射涂层，输出面158具有与光学反射部分交替布置的光学透射部分160。在使用中，该第一激光发射条132的第一输出的每个光束被定向到该周期交错器的光学透射部分，第二激光发射条136的第二输出的每个光束在与第一输出方向基本平行的方向上被反射部分反射，如图12中的箭头142所示。

对于一些实施例，该周期交错器140的光学透射部分160和光学反射部分162被配置成宽度基本相等的平行条带，具有与激光发射条发射器的节距基本相等的节距，并且乘以大约1.40到大约1.42的因子，或者大约为2的平方根的值，从而补偿入射光束相对于该交错器表面的角定向(angular orientation)。对于一些实施例，光学反射部分162和光学透射部分160的宽度可以基本上等于该交错部分节距的一倍半的长度。对于一些实施例，该周期交错器140包括具有基本平行表面的板(plate)164，其被设置成分别相对于第一和第二激光发射条132和136的第一和第二输出134和138成大约45度角。对于这种实施例，该输出光束的路径可以被光学元件140交错，如图13C所示。如图所示，来自第二发射条136的反射光束被从设置在来自第一发射条132的透射光束之间和/或与其相邻的位置反射。

此外，这种板的厚度会导致从第一激光发射条经过该板的光束横向位移，如图13C所示，由箭头141和符号Δ(delta)表示。对于一些实施例，可以通过该板的厚度以预定公式折射该第一输出以使其横向位移。对于一些实施例，该用于横向位移的公式是Δ＝t×(sin(θ-Φ)/cosΦ，其中sinθ＝n sinΦ，t是厚度，n是交错器140的折射指数。对于这种关系，θ和Φ是相对于交错器140的表面的角度，如图13D所示。

除了该周期交错器的板实施例之外，该周期交错器的一些实施例可以包括一对棱镜例如三棱镜，其中周期交错器170被形成在棱镜172和174的表面之间的连接处表面上，如图14A-14C的实施例176所示。对于一些实施例，该光学透射部分160和光学反射部分162可以形成在该两个棱镜之间的连接处的表面之一上。形成在该棱镜172和174的一个或多个表面上的部分160和162可以具有与上述周期交错器140的部分160和162相同或相似的特征、尺寸和材料。由于交错器170的棱镜实施例避免了光束经过该140的平行板的通道，所以不需要再考虑上述的折射位移Δ。从图14C中可以看到来自该第一和第二发射条132和136的光束经过光学元件170的光路。对于这种实施例，该输出光束的光路会被光学元件170交错。如图所示，来自第二发射条136的反射光束被从设置在来自第一发射条132的透射光束之间和/或与其相邻的位置反射。光学元件140或170都可以用于图12所示的系统130。

如上所述，希望有一些光学系统的实施例以减少该系统的光学元件数量和/或减小该系统的光学元件所占的空间。图15A和15B示出了集成光学透镜180，其包括具有第一表面184和第二表面186的透镜主体182，它们一起都被配置成聚焦激光发射条的输出并且将激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上。对于一些实施例，该第一表面184可以包括配置成聚焦激光发射条12的输出的非球面透镜188，第二表面186可以包括配置成将激光发射条的输出基本准直在慢轴方向上的非柱面透镜(acylindrical lens)190。对于一些实施例，该第二表面186的非柱面透镜190可以包括基本为双曲线的形状。对于一些实施例，该第一表面184可以包括透镜主体182的输入面，第二表面186可以包括透镜主体182的输出面。这种结构还可以被根据该集成光学透镜的输入面184和输出面186的透镜功能做出改变或反转。

参照图16A和16B，示出了集成透镜192，其具有透镜主体194以及与图15A和15B的实施例相同或相似的特征、尺寸和材料，区别仅在于第一表面184包括该透镜主体的输出面，第二表面186包括透镜主体的输入面。所示的集成元件180和192可以被替换为聚焦元件和慢轴准直器以用于上述任何光学系统。对于该任一个集成元件，该透镜主体可以通过模塑过程、磨削过程、平版蚀刻过程或其他任何合适的过程形成。此外，该集成透镜实施例可以由任意合适的光学材料例如玻璃、石英、硅石等制成。

这种集成元件可以被结合到这里所述的任意一个光学系统实施例中。例如，一种光学系统(未示出)可以包括具有在输出轴上的输出的激光发射条12，可操作地耦合到该激光发射条12的输出的快轴准直器34，和集成光学透镜180，该集成光学透镜180包括具有第一表面和第二表面的透镜主体182，该第一表面和第二表面都被配置成聚焦激光发射条的输出以及将激光发射条的输出基本准直到慢轴方向上。对于一些实施例，该组合光学透镜的第一表面可以包括被配置成聚焦激光发射条的输出的非球面透镜，该集成光学透镜的第二表面可以包括被配置成将激光发射条的输出基本准直到慢轴方向上的非柱面透镜。对于一些实施例，该系统还可以包括亮度增强元件32，其可操作地耦合到激光发射条12的输出，并且被设置在快轴准直器34和集成光学透镜180之间。对于一些实施例，该系统还可以包括光束重整元件36，其被配置成单独旋转激光发射条12的发射器的输出光束，并且被设置在亮度增强元件32和激光发射条12之间，并且耦合到该激光发射条的输出。

对于上述详细说明，这里所使用的相似的参考标记表示可以具有相同或相似尺寸、材料和结构的相似元件。虽然图示和说明了特定形式的实施例，但是将会理解，可以做出各种改变而不脱离本发明实施例的精神和范围。因此，不意味着本发明被前面的具体说明所限定。

Claims (7)

1.一种光学系统，包括：

第一激光发射条，具有在第一输出轴上的第一输出；

第二激光发射条，具有在第二输出轴上的第二输出，该第二输出轴的方向被设置成基本上垂直于该第一输出轴；

亮度增强元件，可操作地耦合到该第一输出和第二输出，其被配置成将该第二输出重定向为与该第一输出的传播方向基本平行的传播方向，并且使该第一输出和第二输出交错；该亮度增强元件还包括周期交错器，其具有包括交替布置的光学透射部分和光学反射部分的输出面，其中该第一激光发射条的所述第一输出的每个光束被定向到一个光学透射部分，该第二激光发射条的所述第二输出的每个光束在与所述第一输出的方向基本平行的方向上被一个光学反射部分反射；并且其中所述光学透射部分和光学反射部分被配置成宽度基本相等的平行条带，具有基本上为所述第一激光发射条的发射器和所述第二激光发射条的发射器之间的节距乘以1.40至1.42的节距；

第一快轴准直器，其设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第一激光发射条的第一输出；

第二快轴准直器，其设置在该第二激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第二激光发射条的第二输出；

第一光束重整元件，其被设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第一激光发射条的第一输出；以及

第二光束重整元件，其被设置在该第一激光发射条和亮度增强元件之间，并且可操作地耦合到该第二激光发射条的第二输出。

2.如权利要求1所述的系统，还包括慢轴准直器，其可操作地分别耦合到第一和第二激光发射条的第一和第二输出。

3.如权利要求1所述的系统，还包括聚焦元件，其可操作地耦合到该亮度增强元件的输出。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述光学反射部分和所述光学透射部分的宽度，分别大约为所述光学透射部分和光学反射部分各自的节距的一倍半。

5.如权利要求1所述的系统，其中该周期交错器包括具有基本平行表面的板，其被设置成分别相对于第一和第二激光发射条的第一和第二输出成大约45度角。

6.如权利要求5所述的系统，其中通过该板的厚度折射使得该第一输出横向位移。

7.如权利要求1所述的系统，其中该周期交错器包括一对棱镜，其中该周期交错器被形成在该对棱镜中的至少一个棱镜的表面上。

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