高亮度二極管輸出方法和裝置與流程

分案說明

本申請是申請日為2009年5月7日，申請號為200980116402.5，題為“高亮度二極管輸出方法和裝置”的中國專利申請的分案申請。

光學系統及其組件可用于保持激光發射條(laseremitterbar)輸出光束的亮度。一些實施例可用于高效耦合激光發射條輸出光束或其他合適的應用。

背景技術：

對于需要光能或者在一些情況下需要激光能量的應用來說，使用固態光源是有利的，例如使用市面上常見性能可靠并且成本相對合算可用的激光二極管作為激光能量源。這種裝置可以包括設置在單個激光條中的多個激光發射器，其在同一方向上同時發射激光。此外，可以將多個固態或激光發射條設置成多層結構以產生更高的功率水平。

激光二極管條通常用于通信技術設備、醫療應用或其他應用例如軍事應用，其中希望通過它將單個固態發射條或多層結構中的多個發射條中的所有發射器的輸出耦合到單個光纖或其他光導管中。典型地，這種固態發射條的發射器在工作期間產生大量熱量，因而被彼此間隔設置以實現充分冷卻而不需要復雜和昂貴的冷卻系統。這種間隔改善了該發射條的冷卻效果，但是卻導致難以耦合來自多個發射器的輸出光束。這些輸出光束的耦合需要大量昂貴的光學組件以及一個用于安裝這些光學組件的較大區域。

此外，對于一些應用，可以使用光束重整元件(beamreformattingoptics)以進一步增強該發射器輸出的耦合到預期的裝置中。然而，這種光束重整元件會使得該耦合過程更為復雜，并且由于在一個或多個激光發射條的各個發射器的輸出光束之間產生間隙而降低了該發射條的整體輸出亮度。導致這種情況發生的一個原因是，對于一些光束重整元件來說，經過該光束重整元件的小光束(beamletts)尺寸必須顯著小于激光源發射條等的中心之間的間隔。因此，在下游的光學組件中就會發生亮度損失。

需要一種方法和設備，用于在激光發射條的多個發射器的輸出被重整后保持該輸出的亮度和功率。還需要一種方法和設備，用于耦合使用更少光學元件或組件的激光發射器的重整后輸出光束。

技術實現要素：

光學系統的一些實施方案包括：激光發射條，具有在一輸出軸上的輸出；亮度增強元件，其可操作地耦合到該激光發射條的輸出；和快軸準直器，其設置在該激光發射條和亮度增強元件之間，并且可操作地耦合到該激光發射條的輸出。該光學系統還可以包括光束重整元件，其被配置成分別旋轉該激光發射條的發射器的輸出光束，被設置在該亮度增強元件和激光發射條之間，并且耦合到該激光發射條的輸出。

亮度增強元件的一些實施方案包括多面望遠鏡(facetedtelescope)結構，其具有輸入面和輸出面，輸入面具有多個相鄰的小輸入面，輸出面具有分別對應于各個小輸入面的多個相鄰的小輸出面。該輸入和輸出面可以基本上互相平行，并且可以被配置成充分折射通過該光學元件的平行輸入光束，從而使其互相平行地從小輸出面射出，并且相互之間具有比該平行輸入光束的間隔更近的間隔。

光學系統的一些實施方案包括：第一激光發射條，具有在第一輸出軸上的第一輸出；第二激光發射條，具有在第二輸出軸上的第二輸出，該第二輸出軸的方向被設置成基本上垂直于該第一輸出軸；以及亮度增強元件，其可操作地耦合到該第一輸出和第二輸出，其被配置成將該第二輸出重定向為與該第一輸出的傳播方向基本平行的傳播方向，并且使該第一輸出和第二輸出交錯。該光學系統還可以包括：第一快軸準直器，其設置在該第一激光發射條和亮度增強元件之間，并且可操作地耦合到該第一激光發射條的第一輸出；以及第二快軸準直器，其設置在該第二激光發射條和亮度增強元件之間，并且可操作地耦合到該第二激光發射條的第二輸出。該光學系統還可以包括：第一光束重整元件，其被設置在該第一激光發射條和亮度增強元件之間，并且可操作地耦合到該第一激光發射條的第一輸出；以及第二光束重整元件，其被設置在該第一激光發射條和亮度增強元件之間，并且可操作地耦合到該第二激光發射條的第二輸出。對于一些這種實施例來說，該亮度增強元件包括周期交錯器，其具有包括交替布置的光學透射部分和光學反射部分的輸出面。對于這種實施例，該第一激光發射條的第一輸出的每個光束可以被定向到光學透射部分，該第二激光發射條的第二輸出的每個光束在與第一輸出方向基本平行的方向上被反射部分反射。

集成光學透鏡的一些實施方案包括透鏡主體，其具有第一表面和第二表面，該兩個表面被一起配置成都對激光發射條的輸出聚焦，并且使得激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上。對于一些這種實施例，該第一表面包括被配置成聚焦激光發射條的輸出的非球面透鏡，該第二表面包括被配置成使得激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上的非柱面(acylindrical)透鏡。

光學系統的一些實施方案包括：激光發射條，具有在一輸出軸上的輸出；快軸準直器，其可操作地耦合到該激光發射條的輸出；和集成光學透鏡，其包括透鏡主體，該透鏡主體具有第一表面和第二表面，該兩個表面被一起配置成都對激光發射條的輸出聚焦，并且使得激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上。對于一些這種實施例，該集成光學透鏡的第一表面包括被配置成聚焦激光發射條的輸出的非球面透鏡，該集成光學透鏡的第二表面包括被配置成使得激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上的非柱面透鏡。

一種處理至少一個激光發射條的輸出的方法的一些實施方案包括：從多個激光發射器發射多個基本平行的小光束，將該小光束基本準直在快軸方向上，通過旋轉每個小光束來重整該小光束，以及使該小光束穿過亮度增強元件以增強該小光束的亮度。一些這種實施例還可以包括將該小光束基本準直在慢軸方向上。

通過以下詳細說明并結合示意性的附圖，這些實施方案的特征將變得更加明顯。

附圖說明

圖1是激光發射條的一個實施例的透視圖。

圖2是激光發射條多層陣列的一個實施例的透視圖。

圖3示出了圖2的激光發射條多層陣列的發射陣列。

圖4a示出了光學系統的一個實施例的正視圖。

圖4b示出了圖4a的光學系統的頂視圖。

圖4c是圖4a和4b的激光發射條的發射器的光束在快軸準直器和光束重整元件之間的截面圖。

圖4d是圖4a和4b的激光發射條的發射器的光束在光束重整元件和亮度增強元件之間的截面圖。

圖4e是圖4a和4b中的亮度增強元件的光束輸出的截面圖。

圖5示出了重整元件的一個實施例。

圖6示出了光束重整元件的一個實施例。

圖7a示出了亮度增強元件的一個實施例的頂視圖。

圖7b示出了圖7a的亮度增強元件的側視圖。

圖8a示出了亮度增強元件的一個實施例的頂視圖。

圖8b示出了圖8a的亮度增強元件的側視圖。

圖9a示出了集成亮度增強組件和慢軸準直器的一個實施例的頂視圖。

圖9b示出了圖9a的集成亮度增強組件和慢軸準直器的實施例的側視圖。

圖10a示出了亮度增強元件的一個實施例的頂視圖。

圖10b示出了圖10a的亮度增強元件的側視圖。

圖11a示出了亮度增強元件的一個實施例的頂視圖。

圖11b示出了圖11a的亮度增強元件的側視圖。

圖12是具有兩個激光發射條和一個亮度增強元件的光學系統的一個實施例的頂視圖。

圖13a是交錯亮度增強元件的一個實施例的側視圖。

圖13b是圖13a的交錯亮度增強元件實施例的頂視圖。

圖13c是圖13a的交錯亮度增強元件實施例的頂視圖，其中示出了第一和第二發射條的發射器輸出穿過該交錯亮度增強元件的光學路徑。

圖13d示出了單個發射器輸出穿過圖13c的交錯亮度增強元件的光學路徑以及所產生的該光學路徑的偏移。

圖14a是交錯亮度增強元件的一個實施例的頂視圖。

圖14b是圖14a的交錯亮度增強元件去除一個棱鏡元件后的透視圖，其中示出了另一個棱鏡元件的交錯面的一個實施例。

圖14c是圖14a的交錯亮度增強元件實施例的頂視圖，其中示出了第一和第二發射條的發射器輸出的光學路徑。

圖15a是集成光學透鏡的一個實施例的頂視圖。

圖15b是圖15a的集成光學透鏡實施例的側視圖。

圖16a是集成光學透鏡的一個實施例的頂視圖。

圖16b是圖16a的集成光學透鏡實施例的側視圖。

具體實施方式

這里討論的實施例涉及用于處理發射器的輸出的方法和裝置，發射器例如是設置有一個或多個發射器的激光發射條或芯片。這里討論的實施例還涉及用于將激光發射條的輸出耦合到光導管例如光纖的方法和裝置。這種發射條或芯片可以被安裝或通過各種方法結合到光學系統實施例中。對于這種光學組件，正確對準該芯片的輸出陣列是很重要的，并且要方便精確地進行這種對準，同時最終得到的結構還要高效地散發掉芯片所產生的熱量。對于一些實施例，希望盡量減少光學系統中所使用的光學部件數量以節省光學系統的空間和成本。

圖1示出了具有輸出面14的激光發射條12，其包括總共5個發射器16，該發射器16具有基本上互相平行的光軸。雖然這里所述的實施例通常涉及使用單個發射條，但是圖2和圖3也示出了一些實施例可以使用具有4個發射條12的多層陣列10。每個激光發射條12都具有輸出面14，其包括設置成彼此相鄰的總共5個發射器16。每個發射條12的發射器16被沿著發射器16的慢軸方向基本上設置在一條直線上，如箭頭18所示。該發射器16的快軸方向垂直于慢軸方向18，由箭頭20表示。發射器16被定位或配置成以沿著發射軸22傳播的輸出光束發射光能，該發射軸22同時垂直于慢軸方向18和快軸方向20。該分層陣列的發射器16的發射軸22可以基本上彼此平行。

激光發射條12沿著發射器16的快軸方向20層疊，并且可以以周期性、規則分布的方式層疊。在圖2的實施例中，底部激光發射條12的發射器與相鄰激光發射條的發射器以箭頭24所示的距離垂直分隔，該距離被稱為該分層陣列10的節距。對于一些分層陣列實施例10，箭頭24所示的節距可以是大約1mm到大約3mm，特別地可以是大約1.5mm到大約2.0mm。這種激光發射條12和發射器16的分層陣列10可以允許在一些實施例的緊湊裝置中產生大量的光能或功率。

激光發射條實施例12可以具有任意適當數量的發射器16，例如大約1個發射器到大約100個發射器，更特別地是大約3個發射器到大約12個發射器。對于一些實施例，每個具有大約5個發射器16的激光發射條12可以具有大約5瓦(w)到大約90w的輸出功率，更特別地為大約15w到大約70w，更特別地為大約20w到大約30w。發射器16可以包括激光二極管，例如邊發射激光二極管，垂直腔面發射激光器(vcsel)等等。用于激光發射條12的發射器16的材料可以包括半導體材料例如gaas、inp或其他任何合適的激光增益介質。

一般地，發射器16的激光二極管實施例的發射孔形狀是矩形，該發射器16的長邊尺寸典型地為幾十或幾百微米，短邊尺寸典型地為1到幾微米。從發射器16射出的射線沿著短發射器16方向以逐漸增大的發散角發散。發散角在長發射器16方向上較小。發射器16的一些實施例可以具有大約30微米到大約300微米的物理寬度，更特別地為大約50微米到大約200微米，該發射器可以具有大約1微米到大約3微米的高度。一些發射器的實施例可以具有大約0.5mm到大約10mm的諧振腔長度，更特別地為大約1mm到大約7mm，更特別地為大約3mm到大約6mm。這種發射器實施例16在慢軸方向18上可以具有大約2度到大約14度的光能輸出發散，更特別地為大約4度到大約12度，在快軸方向20上可以具有大約30度到大約75度的光能輸出發散。

激光二極管條12的一些實施例的發射器16可以發射波長為大約700nm到大約1500nm的光能，更特別地為大約800nm到大約1000nm。發射器16可以發射重心波長或峰值波長為大約300nm到大約2000nm的光，更特別地為大約600nm到大約1000nm，包括穿過近紅外光譜的波長。發射器的一些有用的特定實施例可以發出峰值波長為大約350nm到大約550nm、600nm到大約1350nm或者大約1450nm到大約2000nm的光。這種激光二極管條可以在脈沖模式或連續波模式下工作。通常，未被控制波長(例如通過根據容積指數光柵(volumeindexgrating)等來提供波長相關的反饋以控制波長)的單個發射器16的輸出光譜帶可以是大約0.5nm到大約2.0nm或更多。由于峰值發射波長的變化以及每個單個發射器的光譜帶，對于一些實施例，該激光發射條12的全部帶寬可以是大約2nm到大約5nm。分層陣列10包括4個激光發射條12，然而分層陣列10的其他實施例可以具有任意適當數量的激光發射條12。一些分層陣列實施例10可以具有大約2個激光發射條12到大約30個激光發射條12，更特別地為大約2個激光發射條12到大約10個激光發射條12。

參照圖3，其中示出了具有快軸準直器26的分層陣列10，該快軸準直器26采用設置在該分層陣列10的發射器16上方的柱面透鏡陣列的形式，并且被配置成基本上將每個激光發射條12的發射器16的輸出光束準直在快軸方向20上。雖然圖3所示的實施例示出了直接固定到發射條12上的快軸準直器，但是也可以將快軸準直器26與該一個或多個發射條12以固定的關系分離安裝并獲得相同的準直效果，這將在下面更具體地討論。快軸準直器26可以對于每個激光發射條12包括一個柱面透鏡，或者一個或多個單透鏡陣列以及其他任何合適的結構。這種對于發射器輸出的快軸準直產生了如圖所示的輸出陣列28，其中每個激光發射條12的每個發射器16的光能輸出30被基本上沿著發射器16的快軸20準直，但是繼續沿著發射器16的慢軸18發散。每個激光發射條12的光能輸出30可以具有橫向于該傳播方向的基本為矩形的截面，并且相互平行以產生如圖所示的輸出陣列28。上面針對圖3所示的分層陣列的快軸準直器26所討論的結構還可被用于單個發射條12。

如上所述，需要一種適于在激光發射條的多個發射器的輸出被重整以后保持該輸出的亮度和功率的方法和裝置。還需要一種適于使用更少光學元件或組件來耦合激光發射條的重整后的輸出光束的方法和裝置。圖4a和4b示出了一種光學系統30，包括具有5個發射器16的激光發射條12，其可以在被激活時發射輸出并且具有上述如圖2所示的輸出軸。亮度增強元件32基本上與激光發射條12的輸出軸對準，并且被定位和定向為在該激光發射條的輸出經過快軸準直器34后可操作地耦合到該發射器輸出，該快軸準直器34被設置在該發射條12附近并且可操作地耦合到其輸出光束。該快軸準直器34還可以被設置在激光發射條12與亮度增強元件32之間。該快軸準直器用于使得發射器16的發射器輸出光束基本準直在快軸方向上。光束重整元件36被配置成繞著每個發射器光束的縱軸單獨旋轉該激光發射條12的發射器的輸出光束，其被設置在亮度增強元件32和激光發射條之間。對于一些實施例，該光束重整元件36可以被設置在快軸準直器34和亮度增強元件32之間，如圖4a和4b所示。該光束重整元件36還可以被定位和定向為可操作地耦合到該激光發射條12穿過快軸準直器34的輸出。

亮度增強元件32一般被配置成保持光學系統的亮度或使其減少最小。這樣，如這里所使用的，術語亮度增強或其他類似的詞語一般是指維持這里所討論的光學系統和方法的亮度或者使其亮度減少最小。可以理解，這里所述的裝置和方法實施例不會增加該亮度水平。

光學系統30還包括慢軸準直器38，其被定位和定向為可操作地耦合到從亮度增強元件32發射的該激光發射條12的輸出。該慢軸準直器38可以被配置成使得該激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上。該慢軸準直器38可以被設置在亮度增強元件32和聚焦元件40之間。該可選的聚焦元件40可以被設置在該慢軸準直器38之后，并且可以被定位和定向為可操作地耦合到從慢軸準直器38發射出的該激光發射條的輸出。該聚焦元件40可以被配置成將慢軸準直器38的輸出聚焦到光導管41例如光纖等中。

慢軸準直器38、聚焦元件40和快軸準直器34的實施例可以具有一種標準結構，例如由任何一種或多種合適的光學材料例如玻璃、石英、硅石制成的柱面透鏡、球面透鏡、非球面透鏡等。對于一些實施例，快軸準直器34可以具有基本上與激光發射條12的寬度相同或更大的寬度。

在操作中，激光發射條12被激活以使得該激光發射條12的每個發射器16發射輸出光束，該輸出光束具有與該激光發射條12的其他發射器16的輸出光束基本平行的光軸。然后該輸出光束穿過快軸準直器34，其使得每個輸出光束基本準直在快軸方向上。圖4c示出了從該快軸準直器34發射的輸出光束的一個實施例的截面圖，其中示出了5個輸出光束中的每個都具有被準直在由箭頭20表示的快軸方向上的基本水平方向，并且仍然在箭頭18表示的慢軸方向上發散。在經過快軸準直器34后，該輸出光束再經過光束重整元件36，該光束重整元件36可以將該輸出光束繞著每個輸出光束的縱軸旋轉大約85到大約95度，同時保持該輸出光束基本上互相平行。這個過程有效地轉換該輸出光束的快軸方位和慢軸方位，從而使得光束重整元件36與亮度增強元件32之間的輸出光束的截面圖呈現圖4d一些實施例中的光束截面。

由于輸出光束在快軸準直器34和亮度增強元件32之間的慢軸方向上發散，所以圖4d中的光束截面具有延長的慢軸部件。由于快軸準直器34在該方位上的準直，使得快軸方向上的光束截面相對于圖4c的光束截面保持相對恒定。如從該輸出光束的截面圖上可以看到的，由于該光束的窄輪廓(profile)，并且由于小光束截面和該光束重整元件自身固有的實際縫隙(de-factoapertures)，導致在快軸方向上的相鄰光束之間存在顯著的間隙。特別地，在快軸準直器34后的小光束截面的整體形狀典型地為矩形，而許多光束重整元件36以反射或折射方式工作，其通常包括在該矩形形狀的主平面的大約45度方位上的實際縫隙。一些重整元件36以其他方式工作(例如南安普敦多鏡southamptonmulti-mirror)，由于制造工藝(涂層過渡，用于折射元件的形狀過渡等)導致其仍然存在間隙。這些間隙可以通過各種亮度增強元件實施例32來解決。

然后具有圖4d所示截面輪廓的輸出光束經過亮度增強元件32，其在快軸方向20上分別擴展每個輸出光束，同時保持該光束相互平行，避免產生任何不必要的發散。一些合適的亮度增強元件包括下面所述的望遠鏡透鏡陣列。對于一些實施例，這種陣列的望遠鏡透鏡元件可以具有與激光發射條12的節距相同或相似的節距。這種望遠鏡透鏡陣列以及其他光學元件可以在快軸方向20上擴展該輸出光束，以使得該經過亮度增強元件的輸出光束截面呈現圖4e中的截面圖。在圖4e中，每個輸出光束已經被亮度增強元件32處理而在快軸方向上擴展，從而使得該輸出光束現在在快軸方向上彼此相鄰或交疊。該輸出光束陣列現在看起來更像是單個較大的輸出光束，然后該輸出光束陣列經過慢軸準直元件例如慢軸準直器38，然后被聚焦到光導管41中，該光導管41可以是任意適當尺寸和結構的光纖。

對于一些實施例，該光束重整元件36可以包括一個光學元件，用于旋轉激光發射條12的發射器16輸出的每個單獨的小光束，如上所述。圖5示出了折射光束重整元件42的一個實施例，其包括相對成對設置并且對角定向的柱面透鏡44的陣列。每個光束重整元件42的相對透鏡對可以具有基本上與該系統的激光發射條12的發射器16的橫向間隔或節距相同的橫向間隔或節距。每個相對的柱面透鏡對的透鏡還可以被設置成相互成大約90度角，如圖5所示。該折射光束重整元件42可以由任何適當的光學材料例如玻璃、石英、硅石等制成。對于一些實施例，該光束重整元件36包括折射偏移柱面透鏡陣列，用于對發射條12的每個發射器元件16的每個輸出進行90度光束旋轉。

這種折射偏移柱面透鏡陣列的一些實施例可以包括對角定向的柱面透鏡元件，其被對稱設置在由折射體例如玻璃或硅石制成的透射模塊或基板的相對的平行表面上。該透射模塊的尺寸可以被設置成使得任意相對的、對稱的柱面透鏡元件對聚焦在該透射模塊主體內的同一點或線上。這種結構將使入射的輸出光束旋轉大約90度，從而反轉該輸出光束的快軸和慢軸。各個輸出光束16的旋轉將有利于使得該快軸和慢軸之間的光束產物(product)和光束輪廓對稱，并且有助于隨后在保持亮度的同時聚焦或聚集該輸出光束。該光束重整元件的柱面透鏡元件的傾斜或角度方位可以被設置成大約40度到大約50度的角，如圖5中的箭頭43所示。用于90度光束旋轉的折射偏移柱面透鏡陣列的實施例例如光束重整元件42可以包括limogmbh，bookenburgeweg4-8，dortmund，germany生產的產品。

圖6示出了基于反射或鏡子的光束重整元件50的一個實施例，其還用于將激光發射條12的發射器16的每個小光束繞著每個小光束的縱軸旋轉。該反射光束重整元件50包括設置成與入射小光束的光路54成45度角的多個鏡子對52，其生成兩次連續反射，從而使得每個小光束分別繞著該輸出光束的縱軸和相對于相鄰的平行傳播的小光束旋轉，如箭頭56所示。該鏡子52可以由高強度穩定材料制成，可以包括任何合適的高反射涂層或材料以增強該表面的反射。繞著該小光束軸的旋轉量可以變化，但是一些實施例可以在相同方向上以基本相同的量旋轉每個小光束，例如旋轉大約80度到大約100度，更特別地為大約85度到大約95度。

用于圖4a和4b的系統的亮度增強元件32可以包括多種結構，用于保持激光發射條的發射器的輸出亮度。亮度增強元件32的一些實施例可以用于填充激光發射條的發射器的輸出的各個小光束之間的間隙，特別是在如上所述該輸出被光束重整元件重整之后。亮度增強元件32的一些實施例用于擴展發射器的小光束以填充相鄰小光束之間的間隙，并且還可以用于改善準直或降低每個小光束的發散性。亮度增強元件32的一些實施例可以包括望遠鏡實施例或光學元件。亮度增強元件的一些望遠鏡元件實施例可以包括柱面望遠鏡陣列，其具有用于激光發射條12的至少每個發射器16的相對對齊的平行柱面透鏡對，可被該亮度增強元件32使用。亮度增強元件32的一些實施例可以包括具有若干對表面的多面望遠鏡結構，包括具有多個連續小表面的輸入面，和具有多個被設置成比第一表面的小表面更靠近的對應的連續小表面的輸出面。

圖7a和7b示出了亮度增強元件60，其包括keplerian型柱面望遠鏡陣列，具有多個相對對齊的平行柱面透鏡對62，被設置成具有與每個相鄰的相對對齊的平行柱面透鏡對平行且相鄰。所示用于該實施例的相對對齊的平行柱面透鏡對的每個柱面透鏡是柱面凸透鏡。該柱面透鏡被設置為使得該凸面部分向著遠離光學元件主體64的方向以形成該元件的外表面。每個相對透鏡對的輸入透鏡和輸出透鏡的焦距和相對間隔可以被配置成產生預定量的擴展或功率，同時保持每個輸出光束基本上相互平行而不會導致該光束發散。

如圖7a中的箭頭66所示，通過利用輸入面的輸入凸透鏡將來自激光發射條12的入射小光束會聚到焦點上，以使得該小光束在快軸方向20上橫向擴展。然后該輸入光束在該光學元件內經過該焦點后重新擴展，直到該光束被對應的輸出凸透鏡準直。該擴展還可以減少該光束的發散和改善準直，從而增強對亮度的保持。光學元件60不會對慢軸方向上的發散產生任何能夠觀察到的影響。該元件每一側的透鏡基本上互相平行，并且可以具有與其所耦合的激光發射條12實施例的各個發射器16的節距基本相同的間隔或節距。對于一些實施例，該透鏡62的節距可以是大約0.3mm到大約1.5mm，更特別地為大約0.4mm到大約1.2mm。光學元件60可以由任何合適的光學材料例如玻璃、石英、硅石等制成。該光學元件60的透鏡62的外表面可以包括任何合適的抗反射涂層或材料以增強光能從該元件的透射性。對于一些實施例，該光學元件60的望遠鏡元件的功率可以是大約1.2功率到大約2.4功率，更特別地為大約1.4功率到大約1.7功率。

圖8a和8b示出了亮度增強元件70的一個實施例，其包括與上述圖7a和7b所示實施例的keplerian陣列在某些方面相似的galilean型柱面望遠鏡陣列。如圖8a和8b所示，光學元件70輸入側上的柱面透鏡72是凹面的，與圖7a和7b所示光學元件60上的輸入透鏡陣列中的凸透鏡相反。并且，每個相對透鏡對的輸入透鏡和輸出透鏡的焦距和相對間隔可以被配置成產生預定量的擴展或功率，同時保持每個輸出光束基本上互相平行而不使該光束發散。在一些情況下，該增強元件70的材料、尺寸和特征也可以與圖7a和7b的實施例60相同。如圖8a所示，平行箭頭所示的輸入光束被輸入面的輸入凹透鏡折射。該輸入透鏡的折射使得該光束在光學元件70內發散，如光學元件70內的箭頭所示。然后該光束被輸出面上相應的輸出透鏡重新準直以使得該光束在快軸方向上擴展，同時保持每個輸出光束的發散。光學元件70不會對慢軸方向上的發散產生任何能夠觀察到的影響。

圖9a和9b示出了亮度增強元件80的一個實施例，其具有一些與圖8a和8b的光學元件實施例70相同的特征、尺寸和材料。然而，圖9a和9b的亮度增強元件80包括疊加到其輸出面上的透鏡結構，其被配置用作慢軸準直器。該輸出面的慢軸準直器透鏡可以被用于代替圖4a和4b所示分離的慢軸準直器元件38。在這種實施例中，該亮度增強元件80將代替亮度增強元件32和慢軸準直器38。如圖8a和8b所示，光學元件80的輸出面82包括疊加到相對對齊的柱面透鏡對的輸出透鏡84上的柱面透鏡結構。在這種結構中，該對齊透鏡對的每個輸出透鏡被彎曲成透鏡結構以便在慢軸方向上產生會聚。該輸出面82的透鏡的焦距可以被選擇成高效地將該系統的輸出光束準直到預定水平。該輸出面82的柱面透鏡用于將激光發射條12的輸出基本準直到慢軸方向上，同時如上參照光學元件實施例70所述，該相對對齊的平行柱面透鏡對通過在快軸方向上擴展該光束以用于增強或保持該光束輸出的亮度。對于一些實施例，該用于慢軸準直的輸出面的透鏡的焦距可以是大約5mm到大約50mm，更特別地為大約10mm到大約20mm。

圖10a和10b示出了具有多面望遠鏡或平面平行板(planeparallelplate)結構的亮度增強元件90。該元件90的多面結構具有輸入面92和輸出面96，輸入面92具有多個相鄰的小輸入面94，輸出面96具有對應于各個小輸入面94的多個相鄰的小輸出面98。該成對的小輸入面94和小輸出面98可以相互平行并且被配置成通過該元件90充分折射平行輸入光束，以使得該光束互相平行地射出該小輸出面，從而保持該輸入光束的發散。該輸出光束之間的間隔比如圖10a的箭頭100所示的平行輸入光束的間隔更近。該發射器16的相鄰輸出光束的更近間隔可以被用于保持該系統的亮度以實現更高效的耦合和其他應用。對于一些實施例，小輸入面94所在的半徑和小輸出面所在的半徑可以被選擇成，通過與該光學元件90的材料和該成對小表面的間隔相結合而對于相鄰的輸出光束產生預定量的壓縮。對于一些實施例，該光學元件90可以被配置成將占空因子為大約40％到大約80％的入射光束橫向位移或壓縮為大約80％到大約100％的占空因子。這里所述的占空因子測量是指被照明區域在所有輸出光束的整個光束輪廓中所占的量。例如，圖4d所示光束輪廓的占空因子可以是大約30％，而圖4e所示光束輪廓或截面中的占空因子可以是大約90％。光學元件90不會對慢軸方向上的發散產生任何可觀察到的影響。

對于光學元件90的一些實施例，每個相應的小表面對可以包括在該元件的輸入和輸出面上的一對對應的柱面透鏡，如圖11a和11b的實施例110所示。該相對的成對的柱面透鏡116和118的輸入面112和輸出面114可以被彼此基本對齊，并且被配置成充分折射經過該光學元件的平行輸入光束，從而使得該光束相互平行地射出該小輸出面并且具有比如圖11a的箭頭120所示的平行輸入光束的間隔更近的間隔。對于所示的實施例110，該輸出光束在快軸方向20上不會被擴展或壓縮，如經過該元件110的透鏡對的光束所示，其被配置成具有大約為1的功率。由于該成對柱面透鏡116和118的望遠鏡效應，該光束還可以被準直或者具有比輸入光束減少的發散度。對于一些實施例，該輸入面的透鏡或小表面的節距或間隔可以是大約0.3mm到大約1.5mm，更特別地為大約0.4mm到大約1.2mm。該光學元件110可以由任意合適的光學材料制成，包括玻璃、石英、硅石等。該光學元件的透鏡的外表面可以包括任何合適的防反射涂層或材料以增強光能經過該光學元件的透射率。雖然所示光學元件110的透鏡對具有大約為1的功率，但是該光學元件110的每個小表面的望遠鏡透鏡對的功率可以具有大約0.5功率到大約1.5功率的功率。并且，對于一些實施例，輸入透鏡116所在的半徑和輸出透鏡118所在的半徑可以被選擇成，通過與該光學元件90的材料和該成對透鏡116和118的間隔相結合，并結合由于該光學元件110的透鏡對所產生的擴展或壓縮，從而對于相鄰的輸出光束產生預定量的壓縮。對于一些實施例，該光學元件110可以被配置成將占空因子為大約40％到大約80％的入射光束橫向位移、壓縮和/或擴展為大約80％到大約100％的占空因子。光學元件110不會對慢軸方向上的發散產生任何可觀察到的影響。

對于一些實施例，一種使用這里所述的光學元件實施例控制至少一個激光發射條12的輸出的方法，可以包括從激光發射條的多個激光發射器16發射多個基本平行的小光束。通過可操作地耦合到該激光發射條12的輸出的快軸準直器，將該小光束基本準直在快軸方向上。然后通過光束重整元件36來重整該小光束，該光束重整元件36被配置成在其縱軸上旋轉每個小光束。每個小光束被相對于相鄰的小光束旋轉，同時保持該小光束的中心或縱軸相對于相鄰小光束的中心或縱軸的位置。通過使該小光束穿過亮度增強元件32例如這里所述的任何一個亮度增強元件，可以增強或基本保持該小光束整體的亮度。對于一些實施例，可以通過使該小光束穿過慢軸準直器38來將該小光束基本準直在慢軸方向上。對于一些實施例，可以通過使該小光束經過聚焦元件40以使該小光束聚焦到適于耦合到光導管41的傳輸芯(transmittingcore)等的焦點上或者圖案上。適合用于耦合該激光發射條的聚焦輸出光束的光導管可以包括光纖、中空反射器、對準的鏡子陣列等。

圖12示出了用于控制激光發射條12的輸出的光學系統的另一實施例。該光學系統實施例130包括第一激光發射條132，其具有在第一輸出軸134上的第一輸出。第二激光發射條136具有在第二輸出軸138上的第二輸出，其被設置成使得該第二輸出軸基本上垂直于該第一輸出軸134。亮度增強元件140被定位和定向為可操作地耦合到該第一輸出和第二輸出。該亮度增強元件140被配置成將該第二輸出重定向為與該第一輸出的傳播方向基本平行的傳播方向，并且使該分別來自第一和第二激光發射條的第一輸出和第二輸出交錯，如箭頭142所示。第一快軸準直器144被設置在該第一激光發射條132和亮度增強元件140之間，并且被定位和定向為可操作地耦合到該第一激光發射條132的第一輸出。第二快軸準直器146被設置在該第二激光發射條136和亮度增強元件140之間，并且被定位和定向為可操作地耦合到該第二激光發射條136的第二輸出。第一光束重整元件148可以被設置在該第一激光發射條132和亮度增強元件140之間，并且被定位和定向為可操作地耦合到該第一激光發射條132的第一輸出。第二光束重整元件150被設置在該第二激光發射條136和亮度增強元件140。該第二光束重整元件150被定位和定向為可操作地耦合到該第二激光發射條136的第二輸出。

對于一些實施例，該系統130包括慢軸準直器152，其被定位和定向為可操作地分別耦合到該第一和第二激光發射條132和136的第一和第二輸出。對于一些實施例，該系統包括一個或多個聚焦元件154，其被定位和定向為可操作地耦合到該亮度增強元件的輸出，并且被配置成將該輸出聚焦到光導管156例如光纖等上。對于一些實施例，亮度增強元件140包括周期交錯器，如圖13a-13d更詳細顯示的。該周期交錯器140具有輸入面157和輸出面158，該輸入面157可以包括防反射涂層，輸出面158具有與光學反射部分交替布置的光學透射部分160。在使用中，該第一激光發射條132的第一輸出的每個光束被定向到該周期交錯器的光學透射部分，第二激光發射條136的第二輸出的每個光束在與第一輸出方向基本平行的方向上被反射部分反射，如圖12中的箭頭142所示。

對于一些實施例，該周期交錯器140的光學透射部分160和光學反射部分162被配置成寬度基本相等的平行條帶，具有與激光發射條發射器的節距基本相等的節距，并且乘以大約1.40到大約1.42的因子，或者大約為2的平方根的值，從而補償入射光束相對于該交錯器表面的角定向(angularorientation)。對于一些實施例，光學反射部分162和光學透射部分160的寬度可以基本上等于該交錯部分節距的一倍半的長度。對于一些實施例，該周期交錯器140包括具有基本平行表面的板(plate)164，其被設置成分別相對于第一和第二激光發射條132和136的第一和第二輸出134和138成大約45度角。對于這種實施例，該輸出光束的路徑可以被光學元件140交錯，如圖13c所示。如圖所示，來自第二發射條136的反射光束被從設置在來自第一發射條132的透射光束之間和/或與其相鄰的位置反射。

此外，這種板的厚度會導致從第一激光發射條經過該板的光束橫向位移，如圖13c所示，由箭頭141和符號δ(delta)表示。對于一些實施例，可以通過該板的厚度以預定公式折射該第一輸出以使其橫向位移。對于一些實施例，該用于橫向位移的公式是δ＝t×(sin(θ-φ)/cosφ，其中sinθ＝nsinφ，t是厚度，n是交錯器140的折射指數。對于這種關系，θ和φ是相對于交錯器140的表面的角度，如圖13d所示。

除了該周期交錯器的板實施例之外，該周期交錯器的一些實施例可以包括一對棱鏡例如三棱鏡，其中周期交錯器170被形成在棱鏡172和174的表面之間的連接處表面上，如圖14a-14c的實施例176所示。對于一些實施例，該光學透射部分160和光學反射部分162可以形成在該兩個棱鏡之間的連接處的表面之一上。形成在該棱鏡172和174的一個或多個表面上的部分160和162可以具有與上述周期交錯器140的部分160和162相同或相似的特征、尺寸和材料。由于交錯器170的棱鏡實施例避免了光束經過該140的平行板的通道，所以不需要再考慮上述的折射位移δ。從圖14c中可以看到來自該第一和第二發射條132和136的光束經過光學元件170的光路。對于這種實施例，該輸出光束的光路會被光學元件170交錯。如圖所示，來自第二發射條136的反射光束被從設置在來自第一發射條132的透射光束之間和/或與其相鄰的位置反射。光學元件140或170都可以用于圖12所示的系統130。

如上所述，希望有一些光學系統的實施例以減少該系統的光學元件數量和/或減小該系統的光學元件所占的空間。圖15a和15b示出了集成光學透鏡180，其包括具有第一表面184和第二表面186的透鏡主體182，它們一起都被配置成聚焦激光發射條的輸出并且將激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上。對于一些實施例，該第一表面184可以包括配置成聚焦激光發射條12的輸出的非球面透鏡188，第二表面186可以包括配置成將激光發射條的輸出基本準直在慢軸方向上的非柱面透鏡(acylindricallens)190。對于一些實施例，該第二表面186的非柱面透鏡190可以包括基本為雙曲線的形狀。對于一些實施例，該第一表面184可以包括透鏡主體182的輸入面，第二表面186可以包括透鏡主體182的輸出面。這種結構還可以被根據該集成光學透鏡的輸入面184和輸出面186的透鏡功能做出改變或反轉。

參照圖16a和16b，示出了集成透鏡192，其具有透鏡主體194以及與圖15a和15b的實施例相同或相似的特征、尺寸和材料，區別僅在于第一表面184包括該透鏡主體的輸出面，第二表面186包括透鏡主體的輸入面。所示的集成元件180和192可以被替換為聚焦元件和慢軸準直器以用于上述任何光學系統。對于該任一個集成元件，該透鏡主體可以通過模塑過程、磨削過程、平版蝕刻過程或其他任何合適的過程形成。此外，該集成透鏡實施例可以由任意合適的光學材料例如玻璃、石英、硅石等制成。

這種集成元件可以被結合到這里所述的任意一個光學系統實施例中。例如，一種光學系統(未示出)可以包括具有在輸出軸上的輸出的激光發射條12，可操作地耦合到該激光發射條12的輸出的快軸準直器34，和集成光學透鏡180，該集成光學透鏡180包括具有第一表面和第二表面的透鏡主體182，該第一表面和第二表面都被配置成聚焦激光發射條的輸出以及將激光發射條的輸出基本準直到慢軸方向上。對于一些實施例，該組合光學透鏡的第一表面可以包括被配置成聚焦激光發射條的輸出的非球面透鏡，該集成光學透鏡的第二表面可以包括被配置成將激光發射條的輸出基本準直到慢軸方向上的非柱面透鏡。對于一些實施例，該系統還可以包括亮度增強元件32，其可操作地耦合到激光發射條12的輸出，并且被設置在快軸準直器34和集成光學透鏡180之間。對于一些實施例，該系統還可以包括光束重整元件36，其被配置成單獨旋轉激光發射條12的發射器的輸出光束，并且被設置在亮度增強元件32和激光發射條12之間，并且耦合到該激光發射條的輸出。

對于上述詳細說明，這里所使用的相似的參考標記表示可以具有相同或相似尺寸、材料和結構的相似元件。雖然圖示和說明了特定形式的實施例，但是將會理解，可以做出各種改變而不脫離本發明實施例的精神和范圍。因此，不意味著本發明被前面的具體說明所限定。