專利名稱：提升電磁輻射頻率的裝置及包含該裝置的光掃描信息平面的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學裝置，其中電磁輻射在頻率方面得以提升，該裝置包括一個二極管激光器，用以產(chǎn)生頻率得以提高的輻射，還包括一個具有容許帶寬的非線性光學介質(zhì)，該介質(zhì)確保頻率的提升。
本發(fā)明也涉及含有這種裝置的設(shè)備，用于光學地掃描一個信息平面。
可容許帶寬被理解為在一個標稱波長附近輻射的波長帶的寬度，在這樣的帶寬上，輻射的頻率可利用非線性光學介質(zhì)顯著地提高。
掃描被理解為在對一個信息平面，例如光記錄載體，在寫入期間的掃描和讀出期間的掃描。
上文描述的那種類型的裝置已從下列出版物中得以公知，即1988年8月“電子學”(Electronics)第48頁的“蘭光激光器提高CD密度”(Blue-lightlaserupsCDdensity)，上述的出版物所公開的裝置被用在一種用來讀取存儲有音頻節(jié)目的光記錄載體的設(shè)備上。通過使一般的二極管激光器的輻射頻率加倍，或換句話說，使輻射的波長減半，從而使這種輻射形成的讀出光點的直徑也能減半，其結(jié)果是，所讀取的信息的細節(jié)尺度是不使用頻率加倍的信息細細節(jié)尺度的一半。上述頻率加倍的方法具有很大的優(yōu)點，即在光記錄載體中信息密度能顯著地增加，例如增加到4倍。
為了改善頻率提的效率，必須使用一個相對較長的非線性光學介質(zhì)，然而大多數(shù)介質(zhì)具有相對較小的可容許帶寬，這使得對這種裝置的二極管激光器要提出一些相對較嚴格的要求，最重要的要求是1.由二極管激光器發(fā)射的輻射波波長帶要在非線性光學材料的可容許帶寬之內(nèi)。
這一要求將可使用的二極管激光器的輸出限制到相當?shù)某潭取?br> 2.二極管激光器必須具有非常穩(wěn)定的發(fā)射波長，這樣，可使得該波長總是處于非線性光學介質(zhì)可容許的帶寬之內(nèi)，這意味著該二極管激光器的輸出頻譜不能變化。
實際上，特別是后一個要求是難以滿足的，因為這意味著二極管激光器和非線性光學介質(zhì)在精確到0.5℃的范圍內(nèi)都得是穩(wěn)定的，然而二極管激光器和所述的介質(zhì)又都有很強的與溫度相關(guān)的性能。
如果溫度變化導(dǎo)致了二極管激光器輸出頻譜的變化，給出不同波長的輻射，實際上，沒有具有倍頻的或提升的頻率的輻射從非線性光學介質(zhì)上發(fā)射出來，該裝置就變得無效。
為此，本發(fā)明提供了上文提及的那種裝置，它具有對溫度的變化相當小的敏感性，并包括一種裝置，利用該裝置可以不變地獲得具有已提升了頻率的輻射的最小需求量，并且上述輻射的量能顯著地提高。
根據(jù)本發(fā)明的裝置有多種實施例，這些實施例具有共同的特征，即二極管激光器是脈沖式二極管激光器，其中還有反饋裝置，用于將二管激光器提供的輻射設(shè)定在處于非線性光學介質(zhì)可容許帶寬之內(nèi)的一個波長上。
把發(fā)射脈沖輻射的二極管激光器與反饋裝置結(jié)合起來，就有可能校正所希望的二極管激光波長具有小的偏差，并且對噪聲性能發(fā)生影響，從而能穩(wěn)定地獲得具有提升了頻率的輻射。
所述裝置的第一個主要實施例的特征在于反饋裝置由一個有源控制系統(tǒng)形成，該系統(tǒng)包括一個對頻率提升的輻射敏感的檢測器，還包括一個由檢測器的輸出控制的控制單元，用于影響確定頻率提升輻射的量的至少一個參數(shù)。
該實施例采用了這樣一個事實，即脈沖式二極管激光器是一個多模激光器，它發(fā)射不同波長的輻射，當至少一種模式位于非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬之內(nèi)時，或者兩個同時出現(xiàn)的模式的平均波長位于可容許帶寬內(nèi)時，該二極管激光器的輻射波的頻率就被加倍。在這些情況下，總有一頻率提升的輻射能被檢測到。利用這個結(jié)果，能通過反饋來影響頻率提升的輻射量。
值得提及的是頻率提升的脈沖式二極管激光器的使用已由下面的出版物公開，“利用Ga1-xAlxAs激光器和KNbO3晶體的二次諧波的產(chǎn)生”(“Second-Harmonic generation with Ga1-xAlx As laser and KNbO3Crystal”)由p.Güter等人刊登“Applied Physics Letters”35(6)，15，9月，1979。
然而，該出版物僅描述了一個實驗結(jié)果，即確定了溫度變化對二極管激光器與非線性光學介質(zhì)的組合的倍頻特性的影響，使用脈沖式激光器是因為這種激光器能提供較高的功率。該出版物并未揭示由這種二極管激光器提供的不同波長會構(gòu)成有用的用途，也未描述在實踐中可使用的一種裝置，該裝置具有明顯地降低對溫度的敏感性，相反，二極管激光器和非線性光學介質(zhì)都被安裝在恒溫箱內(nèi)。
由于脈沖式二極管激光器的功率在多個模式上(如10個模式)加以分配，那么，倍頻的輻射功率從原理上來說要小于用于這種裝置的具有十分好的溫度穩(wěn)定性的發(fā)射連續(xù)單模的二極管激光器所能得到的輻射功率。然而，這種功率損耗部分地是因為只要所述兩種模式同時存在(如上文指出的)，其平均頻率處在非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬之內(nèi)的兩種激光模式的輻射頻率就被加倍，人們已知，脈沖式二極管激光器的每個脈沖的功率可能都比單模二極管激光器的連續(xù)功率高得多。
按照本發(fā)明的第二個方案，可以使用光學反饋替代光-電反饋使頻率提升的輻射的功率得以極大的提高。
涉及一方案的所述裝置的第二主要實例的特征在于反饋裝置由光學可選波長反饋裝置形成。
其輻射波長位于非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬之內(nèi)的二極管激光器的那種模式的一部分輻射可由上述裝置進行反饋，其結(jié)果，可以實現(xiàn)脈沖式二極管激光器像單模激光器一樣，其余的輻射都適宜于頻率的提升。
由于上述第二主要實施例中采取了上述措施，那么，頻率提升輻射的量能相對于由第一主要實施例獲得的頻率提升輻射的量明顯地增加。好處是不通過改變二極管激光器電流和二極管激光器的溫度的方式而是按其他方式來選擇單一模式。
所述第二主要實施例的較好的特征在于所述的可選波長反饋裝置包含至少一部分反射的反饋元件，該元件安置于距二極管激光器為d的位置上，所述的距離d滿足下列條件d＝ (c)/2 ·nT- (c)/2 ·ε(p+△p)
其中P是所發(fā)射的激光脈沖的脈沖寬度，T是脈沖周期，n是整數(shù)，c是輻射光束在介質(zhì)中穿射時的光速，△P是二極管激光器中脈沖LP的增長時間以及ε是一個實數(shù)，它滿足0＜ε＜1，而且，根據(jù)由反饋元件反射的輻射脈沖的減少或增加，能量E(Pr)分別地在上述限定這個距離范圍內(nèi)增加或減小。這樣，當這一輻射脈沖輸入二極管激光器瞬間，滿足下列條件E(Pr)＞E(LPi)其中，E(LPi)是在相關(guān)瞬間在二極管激光器中建立起的輻射能。
由于這一限度，可以阻止二極管激光器免受該裝裝置的設(shè)備中的光學元件上激光輻射的反射影響。
通常認為二極管激光器對于經(jīng)由輻射路徑反射回到二極管激光器活性層中的激光束是敏感的，根據(jù)返回輻射量的多少，可能會引起一些不希望的效應(yīng)，例如線寬增加，噪聲提高或激光波長的漂移和輸出頻譜的變化，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一個脈沖二極管激光器的性能主要取決于到新的光脈沖產(chǎn)生之前的時間間隔內(nèi)發(fā)生的因素，并發(fā)現(xiàn)在該時間間隔內(nèi)由于反饋所致的足夠大量的額外光子的到達，改變了被反射的輻射脈沖的能量及其延遲時間，所以，這些額外的光子主要確定了激光器的性能。其結(jié)果，二極管激光器可以通過仔細地提供反饋或施加其他的影響以確定的方式加以控制。不希望的反饋可以通過下列方式來減少，例如，通過確保輻射脈沖到達二極管激光器的瞬間是上述的瞬間，或仔細地提供反饋，使其密度低于對二極管激光器性能造成影響的密度。
反饋元件可以與非線性學元件安置在二極管激光器的同一側(cè)，那么，距離d是反饋元件與二極管激光器出射面之間距離，基于穩(wěn)定性考慮，可使用二極管激光器背面發(fā)射的輻射，距離d則是這個面到反饋元件之間的距離。從對光學裝置的設(shè)計的效率的自由度的觀點來看，后一種可能性是較好的。
按照本發(fā)明裝置進一步的實施例，其特征在于可選波長反饋裝置包括一個光柵。
光柵非常適用于可選波長元件。
按照本發(fā)明裝置的進一步的實施例，其特征在于所述光柵是全息光柵。
按照本發(fā)明裝置的進一步的實施例，其特征在于所述光柵是平面學柵，該光柵形成在與介質(zhì)相接的纖維材料板上。
按照本發(fā)明裝置的另一個實施例，其特征在于所述光柵是一平面光柵，安置在介質(zhì)中。
上述兩個實施例的優(yōu)點在于光柵不是該裝置的分離元件，而是構(gòu)成與裝置相關(guān)聯(lián)的一個元件的一部分。
一種裝置，其中，可選波長反饋裝置包含位于距二極管激光器為上述距離的一個部分反射元件，該裝置可以由一分離的反射元件和一個分離的可選波長元件組成。然而，該裝置更可取的特征在于可選波長反饋裝置形成這樣一個元件，它即是部分反射的，又是可選波長的。
把部分反射功能和波長選擇功能組合在一個元件中，可以減少元件數(shù)量，這樣可以節(jié)省空間。
按照本發(fā)明裝置的該實施例，可以還包括這樣一個特征，即元件是標準件。
對于實現(xiàn)可選波長反射功能來說，標準件是一個非常適用的元件。標準件可理解為兩個相互面對的部分反射的平面或曲面。其間相距一個給定的距離，某種介質(zhì)例如空氣可以存在于這兩個面之間，標準件還可以是光導(dǎo)纖維或具有給定長度的光波導(dǎo)。
另外，上述實施例的特征還在于所述元件是一個部分反射光柵。
按照本發(fā)明的光學裝置的進一步的實施例的特征在于在二極管激光器和反饋裝置之間設(shè)置有折光裝置，用于使輻射路徑偏折。
基于激光束光譜穩(wěn)定性的要求，二極管激光器與反饋裝置之間的距離d可以是一個小的數(shù)值，這便于該裝置的密集化。
折光裝置可以由在光束傳播之間的兩個相對的反射面構(gòu)成。
按照本發(fā)明裝置的較好的實施例的特征在于折光裝置包括一個透光材料折光體，它具有至少兩個反射面，并有入射窗口和出射窗口，在其中的一個反射面上提供有第三窗口，用于將二極管激光器的輻射發(fā)射到反饋裝置并從反饋裝置發(fā)射。
用于使光路折轉(zhuǎn)的裝置最好包括一個形成片狀的折光體。按照這種方式，容差就僅僅在該片狀體制造時確定，而不取決于具有兩個分離的，相對面的表面情況時兩個反射面相互的定位。
所述折光體可以是玻璃制成的，它可有相對較高的折射率，例如n＝1.8，那么，相對于n＝1的空氣來說，玻璃中的幾何路徑的長度可減小到1/1.8，這樣，該裝置將變得更加緊湊。
入射窗口和出射窗口都可以位于折光體的第一表面上，它們相互是重合的，在這種情況下，二極管激光器輻射與頻率提升的輻射在進行頻率提升的位置上從折光體上相互分離開，這種分離可以用一個可選波長元件(例如光束分離器)來實現(xiàn)，這樣，頻率提升的輻射也能被耦合到裝置之外。
另一種方案是入射窗口位于第一反射面，而出射窗口位于第二反射面，這種情況下，就不必利用額外的元件把頻率提升的輻射耦合到裝置之外，而是出射窗口可構(gòu)成為一個部分透射反射器。
部分透射反射器最好是可選波長反射器，它反射二極管激光器的輻射，并透射頻率提升的輻射。
按照本發(fā)明的光學裝置，最好有這樣的特征反饋裝置和第三窗口構(gòu)成一體。
由于這種組合，元件的數(shù)目可以減少。
按照本發(fā)明的光學裝置的一個可能的實施例，其特征在于每一個反射面上都有一個高反射系數(shù)層。
由于具備這樣的高反射系數(shù)層，在光路折轉(zhuǎn)中強度的損失是有限的。
如果折光體位于頻率提升介質(zhì)之后，這個實施例最好還有這樣的特征，即高反射層對于二極管激光器的輻射有較高的反射系數(shù)，而對于頻度提升的輻射具有較低的反射系數(shù)。
按照本發(fā)明的光學裝置的一個可能的實施例，其特征在于折光體是一個對面相平行的平面板，其中第一反射面與第二反射面位于相對的位置，并且相互平行。
按照本發(fā)明的光學裝置的另一個可選擇的實施例，其中，在折光體上不必有高反射層，其特征在于折光體處于介質(zhì)中，該介質(zhì)的折射率小于折光體材料本身的折射率，折光體具有兩個表面，它們?nèi)康厍以趦?nèi)部反射入射到其上的輻射，并且，當輻射在折光體中同一平面路徑上通過的，它被所述的兩個面上的每一個至少反射一次。
光學裝置的進一步特征還在于一個光學棱鏡被安置在入射窗口和出射窗口上，輻射光束穿過棱鏡表面進入棱鏡且從該面離去，所述棱鏡的表面與光束的主射線相垂直。
當輻射光束進入和離開折光體時，上述光學棱鏡阻止了錯誤反射的存在。
按照本發(fā)明光學裝置的進一步的實施例，其特征在于反射面之一上有一個第四窗口，一個反向元件被安置在第四窗口上，由此，輻射通過延伸到反射面的第一輻射路徑經(jīng)多次反射之后，被折光體中的第一平面捕獲，并與其本身平行反射，再進入到折光體中，以通過延伸到反射面的至少第二輻射路徑在與第一平面平行的面上經(jīng)多次反射。
所述反向元件確保通過折光體沿著在與第一和第二反射面垂直的第一平面上的第一輻射路徑傳播的入射輻射光束被轉(zhuǎn)換成已反射的輻射光束，該反輻射光束通過折光體沿著與第一平面平行的第二平面上的第二輻射路徑傳播。按照這種方式，三維的折光體也可以用于折轉(zhuǎn)輻射路徑，所述反向元件可以是例如一個具有90°頂角的棱鏡安置在折光體上，棱鏡也可以直接研磨到平面平行板上。
這樣的一種幾何結(jié)構(gòu)可以重復(fù)多次以使多于兩個平行的平面得以使用。
按照本發(fā)明的光學裝置的進一步的實施例，其中反饋裝置包括一個光柵，其特征在于光柵在一個不為0°的小角度延展到第二窗口。
由于一個光柵的波長分解能力還取決于入射到其上的光束的直徑，那么使光束以較大的角度投射到光柵上使輻射光點直徑增大，就可以改善上述分解能力。
按照本發(fā)明的光學裝置的進一步的實施例，其特征在于為了改變向二極管激光器反射的輻射波長，折光體被安置成一個小的角度內(nèi)，相對于由二極管激光器提供的輻射光束是可轉(zhuǎn)動的。
通過使折光體取向，可以選擇給定的波長，而且與之成一體的可選波長元件處于與入射輻射光束不同的路徑。
按照本發(fā)明的裝置的進一步的實施例，其特征在于光學可選波長反饋裝置可以利用一個有源控制系統(tǒng)來補足，該有源控制系統(tǒng)包括一個頻率提升輻射敏感的檢測器以及一個由所述檢測器的輸出信號控制的用于影響確定頻率提升輻射量的至少一個參數(shù)的控制單元。
把有源控制系統(tǒng)附加到光學反饋裝置中，提供了允許大的溫度變化的可能性，或者是調(diào)節(jié)二極管激光波長的可能性，以及相互之間具有更高精度的非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬。
與可選波長元件的選擇相關(guān)，最好是根據(jù)被影響的參數(shù)來選擇。
使用附加的有源控制系統(tǒng)的實施例的特征還可以是所述參數(shù)是通過二極管激光器的電流，并且控制單元控制該電流。
另外，這個實施例還可以有這樣的特征即所述參數(shù)是二極管激光器的溫度，并且控制單元控制這個溫度。
在這兩種情況下，可以影響二極管激光器的性能，激光波長可以被精確地校正，通過改變激光器電流或激光器溫度，輸出頻譜將被改變，由于一個光柵絕對地限定波長，而一個標準件與二極管激光器輸出頻譜一起周期地限定波長，所以在裝置中采用標準件而不用光柵將使控制更加有效。在一個使用光柵的裝置中，這意味著在二極管激光器的輸出頻譜中的該模式距離內(nèi)進行細致的控制，而在一個使用標準件的裝置中，可能穩(wěn)定在另一種模式上。
使用附加的有源控制系統(tǒng)的實施例的進一步特征在于所述參數(shù)是非線性光學介質(zhì)的溫度，而且所述控制單元控制該溫度。
該裝置的這一實施例的進一步的特征在于所述參數(shù)是非線性光學介質(zhì)的折射率，并且控制單元控制穿過該介質(zhì)的一個電場的大小。
上述兩種控制提供了改變非線性光學介質(zhì)可容許帶寬的可能性，并且對于使用光柵的裝置以及使用標準件的裝置來說都是適用的。光電控制優(yōu)于溫度控制，其優(yōu)點是它有高速的適應(yīng)性。
按照本發(fā)明的裝置的進一步實施例的特征在于二極管激光器是一個自脈沖式二極管激光器。
任何脈沖式二極管激光器對這種應(yīng)用都是適合的，自脈沖式二極管激光器從在先的英國專利申請GB2221094中所公知。
按照本發(fā)明的裝置的一個實施例的特征在于非線性光學介質(zhì)包括由非線性光學材料形成的波導(dǎo)。
按照本發(fā)明的裝置的進一步的實施例的特征在于非線性光學介質(zhì)包括非線性光學晶體。
對上述兩種可能性的選擇取決于對裝置提出的要求及其成本。晶體的優(yōu)點是與波導(dǎo)相比其耦合更加簡單，機械上更加穩(wěn)定。然而用波導(dǎo)能達到更高的二極管激光輻射的轉(zhuǎn)換效率。
按照本發(fā)明的裝置進一步實施例的特征在于波導(dǎo)由KTP，LiNbO3或LiTaO3材料構(gòu)成。
KTP(磷酸鈦氧鉀)，LiNbO3(鈮酸鋰)和LiTaO3(鉭酸鋰)都合適于提升頻率。
按照本發(fā)明的裝置進一步的實施例的特征在于非線性光學晶體是KNbO3或KLiNbO3。
KNbO3(鈮酸鉀)和KLiNbO3(鈮酸鋰鉀)的晶體形式都很適合作提升頻率的非線性光學材料。
本發(fā)明也涉及一種用于光學掃描信息平面的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個輻射源單元和一個用于使由輻射源單元提供的輻射聚焦以在信息平面上形成光點的光學系統(tǒng)。
這樣一個設(shè)備非常適合于在記錄載體上寫入或讀出信息，該設(shè)備還包括一個輻射敏感檢測系統(tǒng)，用以從信息平面上將輻射轉(zhuǎn)換成電信號，該設(shè)備的特征在于輻射源單元由前述的光學裝置構(gòu)成。
一個特別適合于在記錄載體上寫入信息的裝置還包括一個強度轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換由輻射源單元提供的光束的強度使之與要被寫入的信息相一致，該設(shè)備的特征在于所述輻射源單元是前述的裝置，強度轉(zhuǎn)換器通過設(shè)置下面一個參量構(gòu)成-二極管激光器脈沖的重復(fù)頻率;
-返回到二極管激光器的輻射脈沖的光路長度;
-返回到二極管激光器的輻射脈沖的能量;
-非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬。
參照附圖，將對本發(fā)明作更為詳細的說明，

圖1示意地說明光學掃描信息平面、包括按照本發(fā)明的一個光學裝置的設(shè)備。
圖2說明按照本發(fā)明的一個光學裝置的第一實施例，其中有光電反饋發(fā)生。
圖3說明按照本發(fā)明的一個光學裝置的第二實施例，其中有光電反饋發(fā)生。
圖4說明按照本發(fā)明的一個光學裝置的第一實施例，其中有光學反饋發(fā)生。
圖5a說明采用可選波長反饋的一種裝置的二極管激光器頻譜。
圖5b說明無反饋的同一種二極管激光器的頻譜。
圖6表示電二極管激光器發(fā)射的脈沖串。
圖7表示適用于本發(fā)明光學裝置的一種平面光柵的實施例。
圖8～15說明本發(fā)明光學裝置的幾種不同的實施例，其中有光學反饋發(fā)生。
圖16和17說明本發(fā)明光學裝置的兩個實施例，其中光電反饋與光學反饋結(jié)合使用。
圖18、19和20說明本發(fā)明光學裝置的實施例，其中頻率提升輻射的強度被轉(zhuǎn)換。
圖21a，b及c說明在本發(fā)明光學裝置中用于折轉(zhuǎn)光路的平面平行板形式的光學透明體。
圖22a和22b分別是從正面和側(cè)面在本發(fā)明的光學裝置中在三維方向折轉(zhuǎn)光路的光學透明折光體的第二實施例的一部分。
圖23表示在本發(fā)明光學裝置中用于折轉(zhuǎn)光路的呈棒狀形式的光學透明體的第三實施例。
不同的圖中的相應(yīng)部件采用同一標號。
圖1表示用于光學掃描記錄載體3的信息平面的設(shè)備1，所述掃描可理解為在記錄載體的讀取過程中掃描以及在記錄載體的寫入過程中的掃描，記錄載體3在圖中僅顯示出其部分徑向截面，由透明基底5和反射信息層7構(gòu)成。層7包含有大量的信息區(qū)(未示出)，信息區(qū)與其周圍區(qū)域是可光學鑒別的，信息區(qū)位于大量的軌跡9上，例如準同心軌跡，它們相接構(gòu)成螺旋軌跡。用掃描光點11對軌跡9進行掃描。為此，設(shè)備包含一個光學裝置2，它帶有一個輻射源單元13，用以產(chǎn)生輻射光束15;一個光學系統(tǒng)17，用于將上述輻射光束15在記錄載體3上會聚成掃描光點11;以及一個檢測系統(tǒng)19，用于把從記錄載體3上反射的輻射21轉(zhuǎn)換成電信號。由輻射源12產(chǎn)生且由輻射源單元13發(fā)射的光束15用于一個物鏡系統(tǒng)16(圖中僅示出一個透鏡)在信息平面上會聚成一個讀出光點11，該信息平面反射光束15。當記錄載體3利用由馬達25驅(qū)動的軸23旋轉(zhuǎn)時，信息軌跡就被掃描。使載體3與裝置2按圖中箭頭27所示的方向相對移動，就可以掃描整個信息平面。
在掃描過程中，反射光束21按照存儲在信息區(qū)序列中的信息來進行強度調(diào)制。為了把反射光束21和入射光束15分離開來，光學系統(tǒng)可以設(shè)置例如一個部分透明鏡(未示出)它將一部分反射的和已調(diào)制的光束21反射到輻射敏感檢測系統(tǒng)19，但是最好使用圖1所示的偏振光敏感光束分離器28及1/4波長板30的組合。它可以保證激光束15具有這樣的偏振方向。即該光束完全通過光束分離器28，在到達記錄載體3的路徑上，該光束第一次穿過1/4波長板30，當它由記錄載體反射之后，又第二次穿過1/4波長板30，這樣，在它再度進入光束分離器28之前，其偏振方向被轉(zhuǎn)動了90°，結(jié)果光束21完全地反射到檢測系統(tǒng)19上。
有關(guān)讀出裝置的細節(jié)問題的進一步描述參閱文章“Het系統(tǒng)”密盤數(shù)字音頻”“(Hetsystem”CompactDiscDigitalAudio”)由M.G.Carasso，J.B.H.Peek和J.P.Sinjou發(fā)表在“PhilipsTechnischTijdschrift”40，267-272，1981/82.No.9。
為了使這樣的設(shè)備更為緊湊，選擇一個二極管激光器作為輻射源12，而且，這樣的設(shè)備要求一個小的掃描光點，因為它可以在相當大的程度上增加光記錄載體上的信息密度。通過使一個普通的二極管激光器的輻射頻率加倍的方法，換句話說就是使其波長減半，可以實現(xiàn)掃描光點所希望的縮小，若把二極管激光器的輻射透過一個非線性光學介質(zhì)，就可以實現(xiàn)頻率的加倍。非線性光學介質(zhì)的特征參數(shù)之一是可容許帶寬。就是一個波長帶，在這個波長帶中該介質(zhì)能確保所受到的輻射頻率加倍。然而，可容許帶寬的位置極大地取決于溫度，在一個給定的溫度下，晶體確定哪些波長能對頻率加倍輻射有貢獻。
另一方面，二極管激光器有一個缺點，即波長也和溫度有強烈的依賴關(guān)系，而且二極管激光器對于在光學系統(tǒng)中由于反射而返回到激光器活性層上的激光非常敏感，所以激光器的輸出頻譜以及激光束的強度都可能受到很大的影響。
為了產(chǎn)生足夠的倍頻輻射，激光波長與介質(zhì)的可容許波長的位置應(yīng)該而且保持相互協(xié)調(diào)。這可以通過非常精確地穩(wěn)定二極管激光器和非線性光學介質(zhì)的溫度來實現(xiàn)，但這是一種相當困難和昂貴的解決辦法，根據(jù)本發(fā)明，上述的目的是通過相當簡單的方法過到，即使用與反饋裝置相結(jié)合的脈沖式二極管激光器，它可以確保二極管激光器的輻射設(shè)置在處于非線性光學介質(zhì)的可容許帶寬之內(nèi)的一個波長上。
所希望的反饋可以有不同的方式。第一種可能性是光電方式，如圖2和圖3所示。在這種情況下，利用了這樣一個事實，即一個脈沖式二極管激光器的頻譜由不同的模式構(gòu)成，并且它們有不同的波長，其中至少一個始終位于可容許帶寬之內(nèi)，或者至少兩個波長的平均波長位于可容許帶寬之中，結(jié)果，即使在相當大的溫度變化的情況下也有倍頻輻射可以被檢測到，利用這個輻射經(jīng)過反饋可以最優(yōu)地設(shè)置二極管激光器波長。
在圖2所示的輻射源單元13中，由二極管激光器12產(chǎn)生的輻射光束15通過第一透鏡系統(tǒng)29(包含例如兩個透鏡元件)聚焦在非線性光學介質(zhì)31上，在該介質(zhì)31上使所述的輻射倍頻，由介質(zhì)31射出的輻射33經(jīng)第二透鏡系統(tǒng)35(包括例如一個單個透鏡元件)被會聚在對頻率提升輻射敏感的檢測器39上。這個檢測器形成有源控制系統(tǒng)37的一部分，該系統(tǒng)37還包括一個比較器41和一個控制單元43。一部分頻率提升的輻射由檢測器39轉(zhuǎn)換成電信號SD，這個信號在比較器中與表征倍頻輻射所希望的量的參考信號Sref相比較，信號SD和Sref之差值被轉(zhuǎn)換成一個控制信號SC，利用SC去控制單元43。根據(jù)表征倍頻輻射強度的檢測器輸出信號SD，由二極管激光器12提供的輻射波長能夠通過改變二極管激光器的可調(diào)參數(shù)來設(shè)定。根據(jù)這個能影響頻率提升輻射量的參數(shù)，控制單元43可有不同的執(zhí)行過程?？烧{(diào)參數(shù)例如是激光器電流和激光器溫度。這意味著控制單元43可以適用于設(shè)定電流或二極管激光器的溫度。這兩種可能方式之間的選擇在圖中用I/T表示。由于激光波長隨溫度變化，那么提供倍頻輻射最大功率的波長就可以通過改變二極管激光器的溫度加以精確地設(shè)置。
圖3表示光電反饋的另一個實施例，其中控制單元43作用于非線性光學材料，這個控制例如可以是溫度控制。改變非線性光學材料的溫度，其可容許帶寬將按這種方式變化，即產(chǎn)生與二極管激光器的波長帶最佳重迭。
另一種光電反饋是提供帶有電極的非線性光學材料，在電極之間施加與檢測器信號SD相關(guān)的電壓，即施加一個穿過非線性光學介質(zhì)的電場，它能使該介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而改變介質(zhì)可容許波長帶。
光電反饋可以動態(tài)地實現(xiàn)，為此，頻率提升輻射的強度用一個小的幅值調(diào)制，并且采用該輻射的相位同步檢測，即把已調(diào)制信號SD的相位與用于進行調(diào)制的控制信號相位相比較。按照這種方式，頻率提升輻射的強度的變化能被檢測和校正。頻率提升輻射的強度可被調(diào)制，特別是通過改變流過二極管激光器的電流的直流分量或者用光電方式改變非線性介質(zhì)的可容許波長帶。
為了利用光電反饋37控制頻率提升輻射的最大量，僅僅只有一小部分輻射被利用，以便使剩余部分可用作有用的輻射用在光學設(shè)備中，例如圖1所示的掃描設(shè)備中。利用一個部分透射元件，例如一個安置在非線性光學元件31與檢測器39之間任意位置的部分透射反射鏡44，可以使有用的輻射RU從圖2和圖3所示的裝置中分離出來。
為取代透鏡系統(tǒng)29和35用于使二極管激光器的出射面在非線性光學元件上成像，以及使由該元件發(fā)射的輻射會聚起來，可選擇使用光導(dǎo)纖維或平面波導(dǎo)。
通過采用一種可選波長的反饋裝置代替光電反饋裝置來實現(xiàn)光學反饋，可以使頻率提升輻射的強度顯著增大。
圖4示出了實現(xiàn)這種方式的裝置的實施例，該裝置采用了這種一個方案，即由于位于非線性光學介質(zhì)31的可容許帶寬之內(nèi)的波長的可選反饋，使脈沖式二極管的性能如同一個單模激光器。由于它確保這個波長處于所述的可容許帶寬內(nèi)，頻率提升輻射量在適當情況相對于圖2和圖3中所示裝置的該量提高到15倍。
圖5a和5b說明了可選反饋的效果。圖5a說明具有反饋的二極管激光頻譜，而圖5b說明不帶有可選波長反饋時二極管激光器發(fā)射和頻譜。在這些圖中，波長入在水平軸上，縱軸為強度。
為了使光學反饋具有所希望的最大效果，而且為了使采用頻率提升輻射的設(shè)備中由于在光學元件上產(chǎn)生的二極管激光器的輻射的反射所產(chǎn)生的不希望反饋的影響減至最小，應(yīng)該保證由圖4中可選波長反饋裝置反射的輻射脈沖具有這樣一種能量，且在這樣一種時刻達二極管激光器上，即它能最大程度地影響二極管激光器輻射。被反射的激光脈沖部分LPr所應(yīng)滿足的強度條件和延時條件可以參照圖6導(dǎo)出。在這個圖中，激光脈沖串的脈沖LPi的順序號依次為i＝1，2，…，N，已經(jīng)假定激光脈沖的脈沖寬度為P，脈沖串的周期為T。為了使所反射的脈沖LPr能影響由二極管激光器發(fā)射的脈沖LPi，反射脈沖的延時Rt應(yīng)該在一個給定的范圍之內(nèi)。而且，由此產(chǎn)生的效果極大地取決于反射脈沖的輻射能量相對于所建立的脈沖輻射能量的大小。
所述延的范圍界限由下式給出Rt＝TRt＝T-P-△P從原理上說，反射的激光脈沖LPr，1可能不驅(qū)動下一個激光脈沖LP2，而是驅(qū)動再下一個激光脈沖LP3或接下來的脈沖LPi之中的一個，那么上述的界限可一般化為Rt＝nT其中n＝1，2.…Rt＝nT-P-△P其中n＝1，2，…輻射能量條件由下式給出E(Pr)＞E(LPi)在第i個脈沖建立的時間之內(nèi)的tε，i時刻，在該時刻反射脈沖進入激光器。
這意味著反射脈沖的輻射能量應(yīng)大于在此時刻激光器已建立的輻射能量，用于下一個由二極管激光器發(fā)射的脈沖，以使反射脈沖能影響在此時刻tε，i二極管激光器的性能。
如果滿足上取Rt＝nT，那么，反射的輻射脈沖的后沿將與下一個要發(fā)射的脈沖完全建立的時刻相重合，以使反射的脈沖不對欲發(fā)射的脈沖產(chǎn)生任何影響;如果滿足下限條件Rt＝nT-P-△P，反射脈沖的前沿將與一個新脈沖的建立還沒開始的時刻重合，以使它不受影響。
所述的界限不是絕對的，在某些情況下，當這個界限稍稍超過時，某些效果仍然存在。
另一方面，延遲時間，即一個輻射脈沖LPi覆蓋從二極管激光器出射面到返回二極管激光器的路徑所需時間由2d/c表示，其中d是二極管激光器12與反饋元件27之間的距離，c是輻射光束穿過介質(zhì)時在介質(zhì)中的傳播速度。綜合這兩個限定條件，它服從下列延時條件nT-P-△P＜nt于是，距離d為d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+△P)其中ε是大于零而小于1的數(shù)，其值由反射脈沖的能量確定，如果這個能量相對較大，反射脈沖可以在建立時間范圍內(nèi)較遲的時刻到達，那么，ε更接近于零，如果反射脈沖的能量較小，這個脈沖應(yīng)該在建立時間范圍內(nèi)較早的時刻到達，這樣，ε更接近于1，所以ε與反射脈沖的能量成反比。
光至少能從與二極管激光器12距離d的一個合適反射系數(shù)的反射元件45局部地反饋。確?？煞瓷漭椛涞乃衅渌话才旁谑蛊洳粷M足上述一般情況的距離d上。它是由二極管激光器的性能來實現(xiàn)的，因此激光束的參數(shù)和質(zhì)量大體上僅僅由經(jīng)過第一次提到的元件45通過反饋來決定并保持恒定。
然而，只要反射元件45滿足上述延遲時間的條件，波長選擇元件47不需要定位。
實際上，反饋裝置37可用不同的方法來實現(xiàn)。
在圖4中表示的是第一種可能的方法，其中波長選擇元件47是光柵。該光柵朝著反射元件45反射入射的激光輻射，比如是一面鏡子。由鏡子反射的輻射被由光柵朝著激光二極管12反射。光柵反射輻射的方向是由輻射的波長和光柵的周期決定的，也就是在兩個相等的光柵條之間的距離。該周期可用僅僅具有在非線性光介質(zhì)的接收帶寬中的波長輻射進入二極管激光器的方式來選擇。
在一個已實現(xiàn)的實施例裝置中，其中二極管激光器是在大約850nm(紅光)上發(fā)射輻射，其中非線性光介質(zhì)是KTP(鉀鈦氧磷酸鹽)波導(dǎo)，其中二極管激光器的頻率是加倍的，光柵具有1.67μm周期，也就是每nm600條。在發(fā)射脈沖寬度與脈沖重復(fù)頻率比率是1∶35時，平均激光功率的數(shù)量級在20mW左右，以及倍頻光(蘭光)的功率大概是150μw。溫度穩(wěn)定而不需要進行恒溫。
因為不同的激光器方式是互相靠近的，例如是0.3nm，如圖5a產(chǎn)生的，光柵必需具有大的色散功率，以便不同波長的輻射部分在空間上是良好復(fù)蓋的光柵周期的數(shù)量。如果輻射繞射是以第二或更高量級用于反饋，則具有所要求的色散功率的光柵可具有較大的光柵周期，因此它就能夠用較簡單的方式制造。
光柵可用機械加工(刻痕)或經(jīng)過印刷加工的已知方式來制造。這樣的光柵也可以在照相板上產(chǎn)生兩平面輻射波干涉，并且在該板上顯影和蝕刻的方法來得到。然后就得到照相光柵。通過合適的波陣面、某些光學特性，諸如給出聚焦或發(fā)射或校正的范圍能得到照相光柵。
大量便宜的復(fù)制品上的光柵結(jié)構(gòu)可由提供在上述方式這一作為復(fù)制工藝中的模型來得到的。
光柵也可以是圖7中表示的平面光柵50。在該圖中，在基片51上的光導(dǎo)層52例如是玻璃，一種透明合成材料、一種半導(dǎo)體材料或者是諸如鈮酸鋰晶體。該層52由折射率高于基片的透明材料組成，以便進入左面一側(cè)的激光束的大部分能保留在涂層中。涂層52具備有曲折延伸區(qū)域53的二維周期結(jié)構(gòu)，還有在X方向交替延伸的中間區(qū)域54。區(qū)域53可處于高于或低于層52的中間區(qū)域54的高度。區(qū)域53和54處在相同的高度也是可能的，但是具有不同的折射率。結(jié)構(gòu)53、54以一定方向反射耦合進入層52的輻射，這種反射還與輻射的波長有關(guān)，它由圖7中b1、b2和b3表示。關(guān)于平面光柵50的結(jié)構(gòu)和工作的進一步情況，參見美國專利US4746136，其中描述了這種光柵用于多路光波導(dǎo)通信系統(tǒng)。
平面光柵可用于代替在圖4表示的裝置中的光柵47。如果使用如圖8中表示的光柵50的反射特性組成的裝置可被簡化。透鏡系統(tǒng)35′必須保證從非線性元件來的輻射在光導(dǎo)層52中聚焦。平面光柵元件50可以用這種方法來定位在前表面56的法向以小角度延伸到入射光束的主射線上，以使具有所要求波長的反射光束分量b′的方向正好與二極管激光器光束b的方向相反。
一個更為簡單的裝置實施例，如圖9中表示的，其中光柵與非線性光介質(zhì)做成一個整體。在上述描述之后，該圖就不需要任何進一步說明了。
根據(jù)本發(fā)明實施例，一個具有直線延伸區(qū)域但是也可使用單調(diào)改變周期的光柵如圖10中表示。在該圖中僅表示具有周期P1、P2和P3的三個光柵部分，為了清楚起見，在周期之間的差別被垮大了。實際上，光柵包含多個光柵部分并具有不同的周期以及周期之間差別是很小的。在位于輻射束b的傳播方向上的另一個后面的每一個光柵部分將在二極管激光器相關(guān)部分的特定波長上反射輻射。調(diào)節(jié)激光器脈沖重復(fù)頻率的特定值，就能夠保證在二極管激光器中反射輻射的光柵部分發(fā)出的輻射脈沖的滿足延遲時間條件，并且波長是在非線性光元件的接收帶寬之中。
在裝置中，其中一個或多個透鏡系統(tǒng)可用一個或多個光纖代替，光柵可安排成這樣的光纖。在圖11中就表示這樣情況的一個實施例。在該圖中，標號60表示用于光纖通信系統(tǒng)的一個特別的封裝，是由一個二極管激光器61和透鏡系統(tǒng)62相結(jié)合而成的，用于在光纖71的入射面上二極管激光器輸出的成象。波長選擇光纖元件70可由英國專利申請GB2161648中所描述的來實現(xiàn)。在該元件中，光纖71的一部分提供方框73中玻璃的彎曲導(dǎo)管。該光纖的上面部分已被磨得遠離光柵74上的電纜芯72。在光柵與光纖片之間的其余空間由具有適當折射率的液體填充，經(jīng)過光纖芯的輻射傳播的部分朝著液體散射并在它進入光纖芯之后到達反射輻射的光柵。在與光柵相互作用之后，光柵的周期確定了與直接通過的光相長干涉的輻射波長。關(guān)于元件70的更詳細描述參見德國專利申請DE-3254754，描述了經(jīng)過波長選擇反饋使二極管激光器穩(wěn)定的元件。
與光柵結(jié)合成一體的光纖可由在光纖包層中蝕刻一個周期結(jié)構(gòu)來得到。
在圖11的實施例中，波長選擇元件安排在二極管激光器和非線性光介質(zhì)31之間。在圖8中表示裝置中的元件50可交替地以這種位置安排。
圖12表示的實施例，其中波長選擇光纖部件70安排在非線性光元件31的后面，并且其中光纖75安排在上次提到的元件和激光器之間。
在部件70中的光柵74最好是一個反射光柵，它朝著二極管激光器反射經(jīng)過光纖71傳播的一部分輻射。如果該光柵被安排在這樣的位置上，上面得出的延遲時間條件加到由該光柵反射的輻射脈沖上，則反射器45可省去。
在圖13中說明一個具備有反射光柵部件70的輻射源單元13的另一個實施例。在該圖中的實施例表示不包括反射器45和光纖75。該實施例具有沒有通過光纖71的頻率提升輻射的優(yōu)點，因此該光纖對二極管激光器輻射是最佳的。于是，頻率提升輻射能夠直接取自非線性光介質(zhì)31。
這也對在圖9中表示的裝置適用。在圖11和12表示的裝置中，頻率提升輻射可由作為二向色鏡的反射器45來完成裝置的耦合輸出。二向色鏡通過該輻射組反射激光器的輻射。按照圖8裝置中，頻率提升輻射由安置一個二向色鏡58來耦合輸出，它在非線性光介質(zhì)31和平面光柵50之間反射該輻射并通過激光器輻射。按照圖4的裝置中，反射器45可以象二向色鏡一樣來完成通過頻率提升輻射。如果反射光柵47安排在反射器45的位置上，于是該反射器可省略，用于耦合輸出頻率提升輻射的二向色鏡將安置在該光柵和非線性光元件之間。
波長選擇和朝著二極管激光器反射所需要的功能不僅由反射光柵而且還由圖14中表示的Fabry-Perot標準器包括兩部分反射，例如由空氣或玻璃封裝介質(zhì)扁平或彎曲的表面。因為多次反射發(fā)生在表面上，因此在光束部分之間將是相長干涉和相消干涉。通過對在表面和/或介質(zhì)折射率之間的距離W的適當選擇，它能保證具有一個給定波長的輻射被反射。當然、該波長還是在非線性光介質(zhì)31的接收帶寬之中。
標準器可用于反射，如圖14中所示，但也可用于傳送，如圖15所表示的，在此不需要作任何進一步的說明。傳送標準器也可用在圖14的裝置中，在那種情況下，反射器將安排在該標準器后距離d的位置上。該反射器可以是完全通過倍頻輻射的二向色鏡。
標準器可以交替地由給定長度的光纖組成。為了在正在發(fā)射的激光器波長上確定返回到二極管激光器的反射輻射脈沖，該輻射脈沖的能量將必須大于建立在返回二極管激光器瞬間的輻射能量，正如前面已經(jīng)提到的一樣。反射輻射脈沖的能量受反射元件45或波長選擇和反射功能相結(jié)合的元件(50、31′、80)的反射系數(shù)的影響。
值得注意，對具有例如光記錄載體能夠被寫入的以及它的出射面具有低反射系數(shù)的高功率二極管激光器來說，反饋元件的反射系數(shù)例如在圖14和15中的元件80將起重要的作用。事實上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，目前低反射系數(shù)的出射面的二極管激光器發(fā)射波長比具有高反射系數(shù)出射面二極管的發(fā)射波長短。可以推測，在激光器作用期間，其結(jié)果是在第一次提到的激光器中有大的載流子密度?？梢哉f，由于反饋元件80的反射系數(shù)的選擇，二極管激光器出射面的反射系數(shù)和波長能被確定。當光柵用作反饋元件時，它就不起作用了。因為該光柵使二極管激光器波長確定。然而，如果標準器用作反饋元件時，二極管激光器波長由該元件的反射系數(shù)確定。
實際上，在二極管激光器和反饋元件之間的距離d，它是要求得到二極管激光器光譜穩(wěn)定所需要的距離，它可以相對長一點，但由于光學裝置要求緊湊，所以又是一個缺點。例如，對1ns的脈沖周期P，所要求的距離d大概是150mm。
根據(jù)本發(fā)明進一步的情況，在二極管激光器12和反饋元件27之間的光通路是曲折的，為此目的，該裝置可以包括例如具有兩個面的反射器在其間輻射束被反射若干次的。然而，由于穩(wěn)定性的原因，一個光學透明的主體120，例如最好使用玻璃體，其中有兩個反射的表面，以致于進入主體的輻射束被反射多次。然后，在主體的制造期間，確定了公差。曲折體不僅可由玻璃做成而且還可用具有足夠高的折射率的光學透明材料，例如透明合成材料制成。
像這樣的曲折主體120可有不同的實施例。在圖21a中表示的是第一個實例，它包括具有高反射的反射層127的平面平行板121，平行板121由其表面互相對置的第一表面123和第二表面125組成。第一表面123還有入射窗129以及第二表面125具有出射窗131。由二極管激光器12發(fā)射的輻射束15例如經(jīng)由一個準直透鏡132，經(jīng)過入射窗129進入平行面板121，因為射束是以很小的角度入射在表面123和125上的，所以它被這些表面多次反射。然后，射束到達安置在第三窗口128(安排在一個表面中)之中或之后的波長選擇反射元件27。接著射束通過板121，并反方向以便經(jīng)過窗口129出射，并在沿原路回到二極管激光器。
出射窗131用于耦合光學裝置的頻率提升輻射輸出并到達形成光束分離鏡的終端。窗口131最好具備有涂層134，它對于基波具有高反射，而對于產(chǎn)生的較高次諧波是低反射，也象在第一表面123和第二表面125上的涂層127的情況。在那種情況下，在第二表面上的涂層127和134可以構(gòu)成一個連續(xù)的涂層。
波長選擇反饋元件27可以是分離部件。但是該元件最好與平面平行板121是一個整體，也就是例如一個棱鏡。棱鏡可以安排在窗口上或者窗口中的凹槽形成。然而21a是所示的光柵27是比較優(yōu)選的，因為它有較高的波長分辨力。
光柵可以不同方式與玻璃體做成一體。例如，光柵直接可以在玻璃折光體上饋刻形成或者作為一個分離部件安排在折光體上。另外可能的方法是在折光體提供一個薄的合成材料涂層，其中光柵是利用復(fù)制技術(shù)形成的。
由于曲折，所以在空氣中是130mm長的輻射通道，如果玻璃具有1.8的折射率，對具有3mm直徑的輻射來說，在玻璃板中適合的尺寸是厚度D為8mm和長度L為13mm。
曲折作用可用三維來代替兩維。為此目的，一個反向的主體133可安排在第四窗口136上，它是處在如圖22所示的玻璃體上的第一光通道135的終端。在輻射束已經(jīng)通過第一光通道135之間，它就處于垂直于玻璃體反射面的第一平面中，并首先從垂直于畫面平面的方向第一次反射，其次，從平行入射在元件133上的方向反射，使光束進入到平面平行板121中，以便再通處處于平行于第一平面的第二平面中的第二光通道137。這樣曲折通道135、137以及另外的光通道是折疊的，其次折光體具有較短的長度L。因此能夠用于實現(xiàn)具有總長度d的光通道?？傞L度d是為光譜穩(wěn)定所要求的。該實施例表示在圖22中。圖22a是一個平面圖，圖22b是一個側(cè)視圖。
一個非常合適的反向元件133的例子是一個具有頂角90°的棱鏡。該棱鏡的頂棱互垂直于射束的主射線。棱鏡已經(jīng)以基面139的方式研磨，所設(shè)置的相對頂棱是平行于表面125的，以致沒有反射損失。
根據(jù)本發(fā)明的折光體120的另一個可能的實施例，如在圖23中所表示的，具有矩形或正方形的橫截面。在該實施例中，表面145、146、148、149是以在每個表面的射束總的內(nèi)部反射方式相對入射的輻射束來定位的。在圖23的實施例中，在射束到達排列在窗口153之中或之后的反饋元件27之前，每個表面被用作兩次。在由該元件反射之后，在經(jīng)過通往二極管激光器的表面145的返回方向和離開折光時，射束是通過相同的輻射通道的。
頻率提升輻射經(jīng)過表面149離開光學裝置。提供了實現(xiàn)波長選擇反射層151的位置，該層對從二極管激光器來的輻射具有高的反射，并且對頻率提升輻射是透過的。此外，棱鏡147最好是提供在所說的位置上并且它的表面150垂直于射束的主射線。同樣地一個具有垂直表面152的棱鏡143也最好安排在二極管激光器射束進入折光體位置的表面145上。兩個棱鏡可由例如是玻璃體的相同材料制成。同樣地在實施例中包括平面平行板，反饋元件27可以是一個棱鏡或是一個標準器，并安排在玻璃體是的窗口154之中或之后。
對平面平行板如同在圖22a和圖22b中同樣的路線，圖23的折光體在玻璃體的平行平面中包括多個曲折光通道，利用反向元件使其折疊，以便在三維中完成折疊。
折光體的兩個實施例121、122可用處在相同表面的入射窗口或出射窗口或出射窗口的方式來完成的，并且是一致的。在那種情況下，借助于一個附加的頻率選擇元件倍頻與二極管激光器輻射例如在倍頻介質(zhì)和折光體之間的波長敏感射束分裂器，并且被該裝置耦合輸出。
在具有作為反饋元件的光柵的折光體的所說的每一個實施例中，在相對表面125或149成銳角處安置光柵是可能的。如在圖21b和21c中所表示的光柵，對折光體是平面平行板的方式。事實上，波長分辨力依賴于輻射束的光柵周期的數(shù)量以及依賴于該輻射束的直徑。如果相對于玻璃體的表面傾斜光柵，就能以相同的輻射束復(fù)蓋較大的光柵表面，因此就可達到較大的波長分辨力。
在玻璃體的每個實施例中，光柵和標準器以及作為反饋元件的棱鏡，這些部件都能安排在光學裝置中，以相對于入射的光束15旋轉(zhuǎn)，以便使反射的波長發(fā)生變化。
上面描述的具有波長選擇反饋元件的裝置對溫度變化的敏感大大小于用于供給頻率提升輻射的已知裝置。新裝置的穩(wěn)定屬性主要由非線性光介質(zhì)的溫度依賴性決定，如果該介質(zhì)由KTP波導(dǎo)段構(gòu)成，那么該變化是0.05nm/℃的數(shù)量級。對接收帶寬是0.3nm的非線性光介質(zhì)，攝氏幾度的溫度變化是可以允許的。
相對大的公差，對波長選擇反饋元件的位置而言是更能允許的。如果使用具有350Pses量級的脈沖持續(xù)時間和脈沖重復(fù)頻率為900MHz的輻射脈沖，就相當于大概1110Pses的脈沖周期，10-20mm量級的反饋元件位移相當于100Pses量級的延遲時間變化，這將影響該裝置的性能。
用作要求的接收頻帶是較小的，固此增加了該裝置對溫度的依賴性。利用這種樣子裝置的進一步實施例，除了光反饋之外還有光電反饋。在圖16中表示了這種實施例。
頻率提升輻射的一部分由檢測器39檢測，并且它的輸出信號在比較器41中與參考信號Sref進行比較，并給非線性光介質(zhì)31的溫度控制單元43提供一個控制信號Sc。利用反饋元件80保證激光器輻射的波長保持恒定。在較大溫度變化時，介質(zhì)31的接收帶將發(fā)生變化，接收帶是經(jīng)過光電反饋39、41、43以激光器波長在該接收帶之中的方式來校正。
相當于圖14的圖15的左邊部分，具有一個標準器作為反饋元件僅是一個例子。如果光反饋是由在圖4、8、9、11、12和13中表示的光柵來實現(xiàn)的，則波長選擇光反饋和光電反饋相聯(lián)合也是可能的。
如果標準器用作反饋元件，二極管激光器12代替非線性光介質(zhì)，就可以用經(jīng)過的電流或該激光器的溫度變化來加以控制。圖17表示了這樣相結(jié)合的實施例，它是圖2和16的結(jié)合并且不需要任何進一步的說明。如果反饋元件是標準器，該結(jié)合才有意義。因為那時波長是由在標準器的兩面和二極管激光器的輸出光譜之間的距離的配合周期性地確定的。當光柵用作反饋元件時，激光器波長被固定，用于圖17的反饋就沒有意義了，至少不用于溫度變化大時的校正。然而，當使用光柵時，二極管激光器電流或者溫度就參考檢測的倍頻輻射來校正，以便在二極管激光器波長和非線性光介質(zhì)的接收帶寬之間獲得良好的調(diào)諧，例如，在二極管激光器的輸出光譜的模式距離之中。
在壓電元件上安置光柵是另外一種可能，對所加的信號相當于檢測的倍頻輻射，于是，光柵的固定波長就能用反饋到光柵的角度來校正。
脈沖的激光束可用周期地改變電流來操作二極管激光器的方法獲得。例如，可以是脈沖電流也可以是正弦電流。具有供給脈沖束這樣結(jié)構(gòu)的二極管激光器可交替地使用。這樣激光器，一般稱為自脈沖激光器。例如，從英國專利申請2221094中可以知道。
如果頻率被提升，例如倍頻輻射Ru用于例如寫入光記錄載體，它必須能夠根據(jù)被寫的信息，在記錄載體的輻射敏感層中引起變化的最大電平和在該層中不發(fā)生變化的最小電平之間快速地轉(zhuǎn)換該輻射的強度。本發(fā)明通過二極管激光器以不同于現(xiàn)有方式提供轉(zhuǎn)換電流的可能性。第一種可能性是轉(zhuǎn)換電流的重復(fù)頻率和在所說的延遲時間條件被滿足的值和在該條件不再滿足的值之間轉(zhuǎn)換激光器脈沖的重復(fù)頻率。這種可能性在圖18中說明。在該圖中表示的裝置是基于如圖4中的相同原理并且包括用作附加部件的電路90，其中施加被寫的信息信號Si，例如一個數(shù)字化和以已知方式編碼的音頻或視頻信號。電路90的輸出信號SM加到控制電路91用于二極管激光器12，電路91除了輔助電路之外還包括電流源92，用于在根據(jù)零的序列和信號SM之一的兩個值之間變換重復(fù)頻率。
圖19表示在最大(電平)和最小(電平)之間轉(zhuǎn)換頻率提升輻射的強度的第二個可能性。在該圖中表示的裝置是基于圖8的原理，包括用于在輸出端96、97之間把被寫的信號Si轉(zhuǎn)換成電壓的電路95，該電壓是在根據(jù)被寫信號Si的兩個101、102，以便它的折射率在兩個值之間轉(zhuǎn)換。于是，由從二極管激光器12到波長選擇反射器的輻射脈沖復(fù)蓋的光通道長度能夠在延遲時間條件滿足的值之間轉(zhuǎn)換，因此，在不是這樣情況的值上產(chǎn)生具有提升頻率的輻射。
轉(zhuǎn)換頻率提升輻射強度的第三個可能性是分別地在大于或小于在二極管激光器中以返回的瞬間建立的能量的第一和第二值之間轉(zhuǎn)換返回到二極管激光器的輻射脈沖的能量，為此目的，該裝置必需包括一個具有快速可調(diào)反射系數(shù)的反射器。這樣的反射器可由具有與傳送是可調(diào)的部件相結(jié)合的固定反射系數(shù)的反射器部件組成。該部件可由液態(tài)晶體元件和極化分析器組成。在圖20中，這些元件分別由110和114表示。根據(jù)該圖的裝置是基于圖14的，并包括一個在輸出元件106和107之間，將被寫的信號Si轉(zhuǎn)換成電壓的電路，該電壓是根據(jù)被寫的信息的兩個電平之間轉(zhuǎn)換的。該電壓加在液態(tài)晶體單元110的電極111、112之間。經(jīng)過單元輻射傳播的極化狀態(tài)是利用該電壓轉(zhuǎn)換以及分析器將極化的兩個狀態(tài)轉(zhuǎn)變成兩個強度的電平。
代替液態(tài)晶體材料以及其它的光電雙折射材料可交替地使用。雙折射元件和分析器最好是由平面干涉儀代換，其中折射率可被光電地在至少一個分支中轉(zhuǎn)換。
轉(zhuǎn)換頻率提升輻射強度的第四個可能性是光電地轉(zhuǎn)換非線性介質(zhì)的折射率，也就是利用電場在兩個值之間通過該介質(zhì)。這些值是以與包括激光器波長的一個值相關(guān)的介質(zhì)接收頻率和與不包括該波長另外值相關(guān)的接收頻率來選擇的。
所有轉(zhuǎn)換強度的不同的可能性都可用在該裝置的各種不同實施例中，這些由圖18、19和20所表示的裝置的不同實施例不說明。
如上所述，非線性光介質(zhì)的選擇依賴于所要求的接收帶寬。此外，介質(zhì)可具有不同的形狀。介質(zhì)可以是波導(dǎo)31(圖2、3、8-5、17、18、20)其輻射導(dǎo)電層包括一個非線性光材料。合適的材料是例如KTP、LiNbO3或LiTaO3。介質(zhì)也可以是非線性光晶體31a(圖4、16、19)。合適的材料是例如KNbO3。作為與波導(dǎo)相比較，晶體具有耦合的機械性更穩(wěn)定的優(yōu)點。盡管在耦合方面的損失，但是波導(dǎo)可達到二極管激光器的較高的轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明描述基于用于讀出和/或?qū)懭牍獗P的光學盤的光學裝置，其中二極管激光器的輻射頻率最好是加倍的。根據(jù)本發(fā)明可實現(xiàn)溫度不依賴性和反饋不靈敏性的波長減半，本發(fā)明也在其它的設(shè)備，諸如印刷機和掃描器可用光刻制造集成電路的投影設(shè)備、液晶顯示板等等的設(shè)備中提供優(yōu)點。
波長減半在例如印刷機中提供一使用其它轉(zhuǎn)向敏感材料的可能性，輻射敏感材料具有的靈敏度比迄今所使用材料的靈敏度較大，以致于印刷只需要較少的輻射能量或用同樣的輻射能量達到較好的印刷結(jié)果。
本發(fā)明不限于頻率加倍或波長減半，也可用于實現(xiàn)其它的輻射源的輻射提升的范圍或用于由具有不同頻率的兩個輻射源相混合輻射獲得給定頻率的輻射。
權(quán)利要求
1.一種光裝置，其中電磁輻射是以頻率提升的，該裝置包括用于提供以頻率提升輻射的二極管激光器和具有接收帶寬的非線性光介質(zhì)，該介質(zhì)保證頻度提升，其特征在于二極管激光器是脈沖二極管激光器，和反饋裝置用于調(diào)節(jié)輻射的，該輻射是由設(shè)備在非線性光介質(zhì)接收帶寬內(nèi)的波長上的二極管激光器提供的。
2.如權(quán)利要求1的光裝置，其特征在于反饋裝置是由包括對頻率提升輻射敏感的檢測器和至少受決定頻率提升輻射量的一個參數(shù)影響的所說檢測器的輸出信號控制的控制單元的有源控制系統(tǒng)形成的。
3.如權(quán)利要求2的光裝置，其特征在于參數(shù)是通過二極管激光器的電流。
4.如權(quán)利要求2的光裝置，其特征在于參數(shù)是二極管激光器的溫度。
5.如權(quán)利要求1的光裝置，其特征在于反饋裝置是由光波長選擇反饋裝置形成的。
6.如權(quán)利要求5的光裝置，其特征在于波長選擇反饋裝置包括至少一個安排在與二極管激光器距離d的部分地反射的反饋元件，所說的距離滿足條件d＝ (C)/2 ·nT- (C)/2 ·ε(P+△P)其中P是發(fā)射激光脈沖的脈沖持續(xù)時間，T是脈沖周期，n是一個整數(shù)，C是輻射束通過介質(zhì)的光速度，△P是在二極管激光器中脈沖LP的建立時間和ε是滿足O＜ε1的實數(shù)以及在這些范圍內(nèi)的增加或減少是分別由反饋元件反射的輻射脈沖的能量E(Pr)的減少和增加的，以致上述輻射脈沖進入二極管激光器的條件的一剎那間E(Pr)＞E(LPi)是滿足的，其中E(LPi)是在相應(yīng)瞬間建立二極管激光器的輻射能量。
7.如權(quán)利要求5或6的光裝置，其特征在于波長選擇反饋裝置包括光柵。
8.如權(quán)利要求7的光裝置，其特征在于光柵是全息光柵。
9.如權(quán)利要求7的光裝置，其特征在于光柵是存在于一個連接介質(zhì)的光纖中的平面光柵。
10.如權(quán)利要求7的光裝置，其特征在于光柵是安排在介質(zhì)中的平面光柵。
11.如權(quán)利要求6的光裝置，其特征在于波長選擇反饋裝置是由一個部分反射和波長選擇元件構(gòu)成的。
12.如權(quán)利要求11的光裝置，其特征在于該元件是標準器。
13.如權(quán)利要求11的光裝置，其特征在于該元件是部分反射的光柵。
14.如權(quán)利要求1、5、6、7、8、11或12任何一個的光裝置，其特征在于折光裝置使安置在二極管激光器和反饋裝置之間的輻射通道曲折。
15.如權(quán)利要求14的光裝置，其特征在于折光裝置包括具有至少兩個反射表面和具備有入射窗口的光透明材料的折光體和一個反射表面具有將二極管激光器的輻射傳送到反饋裝置和從反饋裝置傳送二極管激光器的輻射的第三窗口。
16.如權(quán)利要求14或15的光裝置，其特征在于反饋裝置與第三窗口是一個整體。
17.如權(quán)利要求15或16的光裝置，其特征在于每個反射表面具備有一個高反射系數(shù)的層。
18.如權(quán)利要求17的光裝置，其特征在于高反射層對由二極管激光器供給的輻射具有較高的反射系數(shù)和對頻率提升輻射具有較低反射系數(shù)。
19.如權(quán)利要求15、16、17或18任一個的光裝置，其特征在于折光體是一個平面平行板，其中第一反射面和第二反射面放在互相平行對立的位置。
20.如權(quán)利要求15或16的光裝置，其特征在于折光體存在于一個具有小于折光體材料折射率的介質(zhì)中，折光體具有至少全部地和內(nèi)部地反射入射的輻射的兩個表面，和當它在折光體中通過共面輻射通道時，輻射被每一個所說的兩個表面至少反射一次。
21.如權(quán)利要求15、16、17、18、19或20的光裝置，其特征在于光學棱鏡安排在所說棱鏡表面上的入射窗口和出射窗口上，通過窗口輻射束進入和離開棱鏡，同時通過射束的主光線。
22.如權(quán)利要求15、16、17、18、19、20或21的光裝置，其特征在于反射表面的一個具備有第四窗口，在它上面由該輻射安排反向元件，在通過延伸到經(jīng)過多次反射的反射表面的第一輻射通道之后，在折光體的第一平面中被俘獲以及平行于它被反射，并且再進入折光體，以便至少通過延伸到在平行于第一平面的平面中經(jīng)過多次反射的反射表面的第二輻射通道。
23.如權(quán)利要求15至22任何一個的光裝置，其中，反饋裝置包括一個光柵，其特征在于光柵以不同于0℃的小角度延伸到第三窗口。
24.如權(quán)利要求16至23任何一個的光裝置，其特征在于為了改變向二極管激光器反射的輻射波長的目的，折光體被安排成在相對于由二極管激光器供給的輻射束的小角度可旋轉(zhuǎn)。
25.如權(quán)利要求5至24的光裝置，其特征在于光波長選擇反饋裝置由包括一個檢測器和一個控制單元的有源控制系統(tǒng)補充的，檢測器敏感于頻率提升輻射，控制單元由用于影響至少一個決定頻率提升輻射量的參數(shù)的所說檢測器的輸出信號控制的。
26.如權(quán)利要求25的光裝置，其特征在于參數(shù)是通過二極管激光器的電流以及控制單元控制所說的電流。
27.如權(quán)利要求25的光裝置，其特征在于參數(shù)是二極管的溫度以及控制單元控制所說的溫度。
28.如權(quán)利要求25的光裝置，其特征在于參數(shù)是非線性光介質(zhì)的溫度以及控制單元控制它的溫度。
29.如權(quán)利要求25的光裝置，其特征在于參數(shù)是非線性光介質(zhì)的折射率以及控制單元控制通過所說的介質(zhì)的電場大小。
30.如前述權(quán)利要求的任一個的光裝置，其特征在于二極管激光器是自脈沖二極管激光器。
31.如前述權(quán)利要求的任一個的光裝置，其特征在于非線性光介質(zhì)包括由非線性光材料構(gòu)成的波導(dǎo)。
32.如權(quán)利要求1至30的任一個的光裝置，其特征在于非線性光介質(zhì)包括一個非線性光晶體。
33.如權(quán)利要求31的光裝置，其特征在于波導(dǎo)是由KTP、LiNdO3或LiTaO3材料之一構(gòu)成的。
34.如權(quán)利要求32的光裝置，其特征在于非線性光晶體是KNbO3或KLiNbO3。
35.一種用于光掃描信息平面的設(shè)備，它包括一個輻射源單元，一個通過輻射源單元供給在信息平面中的掃描點的聚焦輻射的光學系統(tǒng)，一個用于將來自信息平面的輻射轉(zhuǎn)換成電信號的輻射敏感檢測系統(tǒng)，其特征在于輻射源單元是由前述權(quán)利要求中的任何一個的光裝置構(gòu)成。
36.一種將信息寫入載體的輻射敏感層的設(shè)備，包括一個輻射源單元和一個用于轉(zhuǎn)換通過輻射源單元根據(jù)被寫信息供給的射束的強度的強度轉(zhuǎn)換，其特征在于輻射源單元是權(quán)利要求3至34中任何一個的裝置以及強度轉(zhuǎn)換是由調(diào)節(jié)下面參數(shù)之一的裝置構(gòu)成-輻射脈沖返回到二極管激光器的光通道長度-輻射脈沖返回到二極管激光器的能量;-非線性光介質(zhì)的接收頻帶。
全文摘要
一種光裝置(2)，其中電磁輻射是頻率提升的。為此，裝置(2)包括二極管激光器(12)和非線性光介質(zhì)(31)，該介質(zhì)(31)保證由二極管激光器(12)發(fā)射的輻射頻率被提升。二極管激光器(12)是脈沖二極管激光器。用于將二極管激光器發(fā)射的輻射調(diào)節(jié)到在介質(zhì)的接收頻帶中波長的反饋裝置(37)被安排在裝置(2)中，反饋可由光電或光學方式完成。還描述用于光掃描信息平面的設(shè)備，它包括作為輻射源的該光裝置。
文檔編號G11B7/125GK1075014SQ9211536
公開日1993年8月4日 申請日期1992年12月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月30日
發(fā)明者C·T·H·F·里登包姆, A·G·J·塞弗倫斯, R·R·德倫滕, M·J·揚格里阿斯 申請人:菲利浦電子有限公司