專利名稱：用于生成光線的光單元和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的光單元，以及一種用于生成光線的方法。
利用相同的激光器單元生成具有不同波長的激光射線本身是已知的。如已經(jīng)建議的那樣，一個(gè)白光激光器的激光射線借助于濾波器或棱鏡被分光，以提取出所希望的顏色分量，即波長。此外還已知，在激光器單元中存在的諧振器的尺寸可借助于一種相應(yīng)的機(jī)械原理來改變，從而也可改變所生成的激光的波長，但僅僅是從一種模式轉(zhuǎn)變成另一種模式。關(guān)于白光或彩色光激光器，參照德國波恩大學(xué)于2003年9月16日所出版的一份通訊報(bào)告。其中描述了一種新型的激光器，利用它能夠以簡單和廉價(jià)的方式生成白光。借助于一個(gè)適當(dāng)?shù)睦忡R，所述白光被分解成多個(gè)顏色分量，然后就可以選出所需的顏色。關(guān)于前面提到的技術(shù)，參照J(rèn)eff Hecht所發(fā)表的文獻(xiàn)，題目為“Understanding Lasers”(IEEE Press，1992年，第296-297頁)。
但是考慮到能夠?qū)δ撤N特定波長進(jìn)行調(diào)節(jié)的可能性、以及考慮到所得到的激光射線的相干性，這些已知的激光器單元所具有的特性還不夠。
另外已知了這樣的激光器單元，其中借助于一個(gè)壓力元件將一個(gè)側(cè)向壓力施加到半導(dǎo)體的活性層上，從而改變發(fā)出的光線的波長。對(duì)此參照下面的出版物-FR-1382706；-JP-63066983；-S.Komiyama和S.Kuroda所發(fā)表的文獻(xiàn)，題目為“Remarkable effects of uniaxial stress on the far-infraredlaser emission in p-type Ge”(Physical Review，B.CondensedMatter，American Institute of Pysics，New York，USA，Bd.38，Nr.2，1988年7月15日，第1274至1275頁)。
利用已知的激光器單元只能在相對(duì)較小的范圍內(nèi)改變波長，這特別是由最后所提及的出版物所述的結(jié)果得出。
此外還已知這樣的激光器單元，其中通過與一個(gè)或多個(gè)鏡面的偏移來改變波長。對(duì)此有代表性地參照DE-4215797A1、US-6396083B1或US-2003/0012249。但是這些已知的激光器單元也只能在特定范圍內(nèi)改變波長，即選出一種激光模式。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于給出一種光單元，它沒有前面所提到的缺點(diǎn)。
這一任務(wù)通過權(quán)利要求1的特征部分所給出的措施來解決。本發(fā)明的具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例及用于生成不同波長的光線的方法在其他權(quán)利要求中給出。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)其中與通過壓力生成元件在光源單元上產(chǎn)生的力相關(guān)地，鏡面單元和/或輸出窗口通過至少一個(gè)移位元件可相對(duì)于載體單元移位和/或可相對(duì)于縱軸傾斜，由此提供了這樣的可能性即光線的波長可以在一個(gè)很大的范圍之上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，通過將力作用到光源單元上、同時(shí)使輸出窗口和/或鏡面單元沿著載體單元的縱軸移位對(duì)波長進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光單元波長的精確調(diào)節(jié)，這大大超越了目前已有的調(diào)節(jié)可能性。
此外，如果使用一個(gè)激光二極管單元作為光源單元，則第一次提出了這樣的前提條件即通過將鏡面單元和輸出窗口之間距離調(diào)整為通過壓力生成元件所調(diào)節(jié)的半波長的倍數(shù)，可以得到最大相干的光。
下面參考附圖中所示的實(shí)施方式詳細(xì)描述本發(fā)明。其中涉及了作為示例的實(shí)施方式，便于對(duì)權(quán)利要求中要求保護(hù)的主題進(jìn)行理解。如圖所示


圖1A，通過示意性立體圖示出了光單元的一部分，其中一個(gè)剖面平行于縱軸，而另一個(gè)剖面垂直于縱軸，圖1B，通過根據(jù)圖1A的示意性立體圖示出了光單元的另一實(shí)施方式的一部分，圖2，用于在圖1A或圖1B所示光單元部分中使用的輸出窗口，圖3，在一個(gè)平行于圖1A或圖1B所示的縱軸的剖面中示出的如圖2所示的輸出窗口，圖4，根據(jù)圖1A、1B、2和3完整組裝到一起的光單元，圖5A和5B，分別示出了垂直于光單元的縱軸的一個(gè)剖面，以及圖6，通過示意圖示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的變體，其中一個(gè)鏡面單元和一個(gè)輸出窗口相對(duì)于一個(gè)光源單元始終設(shè)置在中央位置。
在下面的實(shí)施例中描述了一個(gè)作為光源特定形式的激光器單元。其中該光源被如此限定即它不必產(chǎn)生滿足為激光射線所設(shè)定的條件的光線。就像在一個(gè)實(shí)施方式中所述的那樣，當(dāng)在該光源中使用一個(gè)激光二極管單元作為光源單元時(shí)，尤其不必這樣做。因此，為了解釋不產(chǎn)生激光射線的特定實(shí)施方式，激光器單元的概念基本上可以用光單元來代替，而不會(huì)改變本發(fā)明的原理。
在圖1A中示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的激光器單元2。這里它是一個(gè)半導(dǎo)體激光器單元，例如基于砷化鎵。本發(fā)明所述的激光器單元2的特點(diǎn)是具有很高的目標(biāo)精確度。其中例如可以用本發(fā)明所述的激光器單元2生成400nm到700nm的波長。
圖1A借助于一個(gè)平行于縱軸40的剖面示出了激光器單元2的一部分的示意性結(jié)構(gòu)。作為激光射線生成的光波平行于縱軸40前進(jìn)，其中鏡面單元和作為部分透射的窗口來實(shí)現(xiàn)的輸出窗口在圖1A中沒有示出，但將借助圖2和3來闡述。部分透射的窗口例如也可以是所謂的布魯斯特(Brewster)窗。
一個(gè)由實(shí)心熱傳導(dǎo)材料—例如黃銅或鉑—構(gòu)成并可作為殼體部分的載體單元30圍繞著激光器單元2(即激光二極管單元34)本身的核心，在該激光器單元中，在p層和n層之間的過渡區(qū)內(nèi)以半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域已知的方式生成激光射線。根據(jù)圖1，表示為激光二極管單元34的層直接位于載體單元30上。從激光二極管單元34出發(fā)，在其后跟隨著一個(gè)第一絕緣層33、一個(gè)作為壓力生成元件的壓電元件32、以及一個(gè)第二絕緣層31，所述第二絕緣層的另一側(cè)平放在圍繞著的載體單元30上。從而使壓電元件32電氣絕緣。
利用前面所描述的激光器單元2的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在有這樣的可能性借助于在壓電元件32內(nèi)生成的力作用到激光二極管單元34上，從而改變波長，因?yàn)閮r(jià)電子能帶與導(dǎo)通帶之間的距離—以及波長—與作用在激光二極管單元34上的力有關(guān)。
壓電元件32最好由一個(gè)電氣石晶體制成，在其表面上設(shè)置有一個(gè)通過蒸鍍形成的銀層，從而用于對(duì)整個(gè)壓電元件32進(jìn)行控制。如果不采用銀層，也可以蒸鍍鋁或其他的金屬層。
正如已經(jīng)描述的那樣，為了用激光器單元2生成激光射線。需要一個(gè)鏡面單元以及一個(gè)輸出窗口，它們基本上垂直于激光器單元2的縱軸40設(shè)置(圖1A或1B)。當(dāng)后向鏡面將激光二極管單元34所產(chǎn)生的光線盡可能完全地反射時(shí)，輸出窗口的任務(wù)是使?jié)M足預(yù)定條件的光線從激光器單元2同樣通過部分透射的窗口射出。進(jìn)一步的信息可以從以下出版物中得出Jeff Hecht的“Understanding Lasers”(第110和111頁，第二版，IEEE Press，紐約，1992年)。
在圖1B中類似于圖1A，借助于一個(gè)平行于縱軸40的剖面示出了激光器單元2一部分的另外一種實(shí)施方式。如圖1A中所描述的實(shí)施方式一樣，在圖1B所示的實(shí)施方式中載體單元30也構(gòu)成了一個(gè)空腔，在該空腔內(nèi)容納了兩個(gè)絕緣層31和33，一個(gè)壓電元件32和一個(gè)激光二極管單元34。與圖1A所示的實(shí)施變體不同的是，激光二極管單元34首先由第一個(gè)絕緣層33所包圍，接著由作為壓力生成元件的壓電元件32所包圍，然后由第二個(gè)絕緣層31所包圍，最后由載體單元30所包圍。這樣可以通過壓力生成元件32產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力從所有的徑向方向(即基本上垂直于縱軸40的方向)作用到激光二極管單元34上。
在圖2中示出了一個(gè)輸出窗口50，它軸向設(shè)置在圖1所示的載體元件30上。輸出窗口50主要由一個(gè)框架元件70和一個(gè)側(cè)向設(shè)置的絕緣層61構(gòu)成，其中一個(gè)開口60穿過框架元件70以及穿過絕緣層61。此外，在圖2中繪出了一個(gè)截面A-A，它形成了圖3所示的穿過輸出窗口50的剖面圖的基礎(chǔ)。
圖3示出了圖2所示輸出窗口50按照截面A-A(圖2)剖開的剖面圖。通過這個(gè)平行于縱軸40的剖面，框架元件70繪出了一個(gè)U形的部分，在其中置入一個(gè)部分透射的窗口51，這個(gè)窗口基本上垂直于前進(jìn)方向，即垂直于縱軸40。部分透射的窗口51在徑向方向上的移動(dòng)以及圍繞縱軸40的傾斜運(yùn)動(dòng)借助于定位元件52至56(下文中也被稱為移位元件)來實(shí)現(xiàn)，這些定位元件也設(shè)計(jì)為壓電元件。為了使部分透射的窗口51運(yùn)動(dòng)，提供了三個(gè)自由度，定位元件52至56在圖3所示實(shí)施方式中被設(shè)置在具有四個(gè)角的部分透射窗口51的所述角內(nèi)。此外，定位元件52至56分別單獨(dú)通過一條電連接來接觸，使得定位元件52至56可以彼此無關(guān)地被控制。這種控制例如通過一個(gè)中央控制單元來實(shí)現(xiàn)，它在這里沒有進(jìn)一步示出。
應(yīng)當(dāng)盡可能完全且無損耗地反射在激光二極管單元34(圖1)中生成的光線的鏡面單元可以作為現(xiàn)有技術(shù)中已知的固定鏡面來實(shí)現(xiàn)。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施方式中，建議所述鏡面單元并非固定實(shí)現(xiàn)，而是類似于圖2和3中所描述的部分透射的窗口51來實(shí)現(xiàn)。在這種實(shí)施變體中并不需要部分透射的窗口。因此取代圖3中所示的部分透射窗口51的是，需要一個(gè)反射面，它例如通過在載體上蒸鍍金屬層來獲得。其余的元件，即定位元件或移位元件，用來控制這個(gè)反射面。這樣就提供了一種激光器單元2，它與具有固定鏡面(鏡面元件)的實(shí)施方式相比具有更為廣闊的應(yīng)用范圍，這對(duì)于下面的描述具有特別的意義。
已知為了提高激光器單元中的諧振，使鏡面(鏡面元件)和部分透射窗口之間的距離是感興趣的半波長(λ/2)的倍數(shù)或者恰好等于該半波長是有決定性意義的。根據(jù)本發(fā)明，如果現(xiàn)在通過利用壓電元件32(圖1)所做的改變，使波長發(fā)生變化，當(dāng)鏡面和部分透射窗口51之間的距離被調(diào)整為感興趣的半波長的倍數(shù)或者與之相等時(shí)，首先可以得到有效率的激光器單元(即最大相干光)。
已經(jīng)表明，通過在所有方向上作用到激光二極管單元34(圖1B)上的力的結(jié)合以及通過同時(shí)進(jìn)行的對(duì)鏡面和部分透射窗口51之間的距離的正確調(diào)節(jié)，提供了一種可最大限度廣泛應(yīng)用的激光器單元2，其特別出色的表現(xiàn)在于波長例如可通過電子方式調(diào)節(jié)到400nm和700nm之間，而不需要棱鏡或顏色濾波器，也不必進(jìn)行倍頻。
圖4示出了由圖1A、1B、2和3所描述的各個(gè)部分構(gòu)成的激光器單元2。圖1所示的載體元件30設(shè)置在帶有部分透射窗口的框架元件50和鏡面單元80之間，其中在各個(gè)部分80、30、56之間分別具有一個(gè)絕緣層61，用于電氣絕緣和隔熱。
圖5A和5B示出了借助于外延附生或者通過其它方法形成的激光二極管單元，它在方形橫截面的所有四個(gè)面上具有壓力生成元件73、74，其中壓力生成元件73、74的四個(gè)部分在相應(yīng)的角內(nèi)彼此間隔開。為了同時(shí)操作壓力生成元件73、74的四個(gè)部分，借助于連接線使它們彼此電連接(如圖5A和5B所示)，或者直接與為此所設(shè)置的電壓源或控制單元77相耦合。
為了進(jìn)一步理解，在圖5A中示出了用于激光二極管單元的一個(gè)p-n結(jié)過渡區(qū)，在圖5B中示出了用于激光二極管單元的一個(gè)n-p結(jié)過渡區(qū)。從圖5A和5B中可以看出，壓力生成元件73、74相對(duì)于激光二極管單元具有相反的極性，從而可以避免在壓力生成元件和激光二極管單元產(chǎn)生不希望的相互影響。
在圖5A和5B中所使用的附圖標(biāo)記可參照下面的說明71激光二極管單元的n(陰極)；72激光二極管單元的p(陽極)；73壓力生成元件的n端子；74壓力生成元件的p端子；
75載體元件；76用于激光二極管單元的源；77用于調(diào)節(jié)作用在激光二極管單元上的力的控制電路；78壓力生成單元的各個(gè)部分之間的氣隙；79壓力生成元件。
圖6通過示意圖示出了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的裝置，它具有設(shè)置在鏡面單元80和輸出窗口50之間的激光器單元2，該激光器單元例如按照?qǐng)D5A或5B所描述的類型和方式來實(shí)現(xiàn)。該實(shí)施方式的出色之處在于，鏡面單元80和輸出窗口50都與由壓力生成元件(圖6中未示出)產(chǎn)生的、作用到激光二極管單元上的力相關(guān)地發(fā)生移動(dòng)，并且激光二極管單元始終位于鏡面單元80和輸出窗口50之間的中央位置處，或者二極管激光器小平面(Diodenlaserfassette)與鏡面單元之間的距離為半波長或者半波長的倍數(shù)，其中這取決于二極管激光器小平面是否被消除反射。也就是說，如果二極管激光器小平面被消除反射，則在二極管激光器小平面和鏡面單元之間不會(huì)產(chǎn)生附帶的諧振。與此相反，如果二極管激光器小平面沒有被消除反射，則在二極管激光器小平面和鏡面單元之間將產(chǎn)生附帶的諧振，在距離不正確的情況下這會(huì)導(dǎo)致附帶的光波，從而導(dǎo)致?lián)p耗。這根據(jù)鏡面單元相對(duì)于二極管激光器小平面之間的距離帶有偏差，并對(duì)于激光二極管單元的兩個(gè)出射面都適用。這例如借助于圖6所示的同步旋轉(zhuǎn)裝置100來實(shí)現(xiàn)，它可轉(zhuǎn)動(dòng)地支撐在位置D處。如果現(xiàn)在利用移位元件52使鏡面單元80在方向W1上移動(dòng)，則通過所述同步旋轉(zhuǎn)裝置100在輸出窗口50上實(shí)現(xiàn)了1∶1的傳遞，從而使之在方向W2上移動(dòng)相同的量。
激光二極管單元或者其小平面的中央對(duì)齊得到的額外優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化了功率的利用率。
如果不采用同步旋轉(zhuǎn)裝置100，顯然也可以設(shè)置兩個(gè)或更多個(gè)移位元件52，它們被如此協(xié)調(diào)和設(shè)置，使得激光二極管單元始終位于鏡面單元80和輸出窗口50之間的中央位置處。
權(quán)利要求
1.一種用于生成具有不同波長的光線的光單元，包括-光源單元(34)，-鏡面單元(80)，-載體單元(30)，-具有一個(gè)開口(60)的輸出窗口(50)，以及-壓力生成元件(32)，其中所述光源單元(34)和所述壓力生成元件(32)容納在載體單元(30)內(nèi)，所述載體元件具有一個(gè)基本上平行于所生成的光線走向的縱軸(40)，其中所述鏡面單元(80)和所述輸出窗口(50)設(shè)置在載體單元(30)的彼此相對(duì)的端部上，并且其中通過所述壓力生成元件(32)產(chǎn)生一個(gè)作用在光源單元(34)上的力，其特征在于，與壓力生成元件(32)在光源單元(34)上所產(chǎn)生的力相關(guān)地，所述鏡面單元(80)和/或所述輸出窗口(50)通過至少一個(gè)移位元件(52，…，55)可相對(duì)于載體單元(30)移動(dòng)和/或可相對(duì)于縱軸(40)傾斜。
2.如權(quán)利要求1所述的光單元，其特征在于，利用所述壓力生成元件(32)可從多個(gè)側(cè)面在光源單元(34)上產(chǎn)生力，其中該力最好基本上垂直作用到縱軸(40)上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光單元，其特征在于，利用所述壓力生成元件(32)可在光源單元(34)上產(chǎn)生周圍均勻的力。
4.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，所述壓力生成元件(32)為壓電元件類型，其最好是基于過硫酸鈉、氫氧化鈉或硫酸銅。
5.如權(quán)利要求4所述的光單元，其特征在于，所述壓電元件(32)是電氣石晶體，為了形成接觸，它在朝向光源單元(34)和背對(duì)光源單元(34)的側(cè)面上均具有一個(gè)導(dǎo)電層，最好是銀層或鋁層。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，所述輸出窗口(50)是一個(gè)部分透射的窗口或布魯斯特窗口。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，所述輸出窗口(50)和所述鏡面單元(80)可如此移動(dòng)使得光源單元(34)始終設(shè)置在輸出窗口(50)和鏡面單元(80)之間的中央位置處。
8.如以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，所述移位元件由至少一個(gè)壓電元件(52，…，56)構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，在鏡面單元(80)與載體單元(30)之間和/或在輸出窗口與載體單元(30)之間設(shè)置有一個(gè)絕緣層(34)。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的光單元，其特征在于，所述光源單元是一個(gè)激光二極管單元(34)，尤其是半導(dǎo)體激光器類型的。
11.一種用于利用光單元生成具有不同波長的光線的方法，所述光單元包括-光源單元(34)，-鏡面單元(80)，-載體單元(30)，-具有一個(gè)開口(60)的輸出窗口(50)，以及-壓力生成元件(32)，其中所述光源單元(34)和所述壓力生成元件(32)容納在載體單元(30)內(nèi)，所述載體元件具有一個(gè)基本上平行于所生成的光線走向的縱軸(40)，其中所述鏡面單元(80)和所述輸出窗口(50)設(shè)置在載體單元(30)的彼此相對(duì)的端部上，并且其中通過所述壓力生成元件(32)產(chǎn)生一個(gè)作用在光源單元(34)上的力，其中該方法在于，與壓力生成元件(32)在光源單元(34)上所產(chǎn)生的力相關(guān)地，使所述鏡面單元(80)和/或所述輸出窗口(50)通過至少一個(gè)移位元件(52，…，56)相對(duì)于載體單元(30)移動(dòng)和/或相對(duì)于縱軸(40)傾斜。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，利用所述壓力生成元件(32)從多個(gè)側(cè)面在光源單元(34)上產(chǎn)生力，其中該力最好基本上垂直作用到縱軸(40)上。
13.如權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，利用所述壓力生成元件(32)在光源單元(34)上產(chǎn)生周圍均勻的力。
14.如權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述輸出窗口(50)和所述鏡面單元(80)如此移動(dòng)使得光源單元(34)始終設(shè)置在輸出窗口(50)和鏡面單元(80)之間的中央位置處。
15.如權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述鏡面單元(80)和所述輸出窗口(50)之間的距離被如此調(diào)節(jié)使得該距離恰好是感興趣的半波長或者是感興趣的半波長的倍數(shù)。
全文摘要
用于生成具有不同波長的光線的光單元，包括光源單元(34)、鏡面單元(80)、載體單元(30)、具有一個(gè)開口(60)的輸出窗口(50)、以及壓力生成元件(32)。所述光源單元(34)和壓力生成元件(32)容納在載體單元(30)內(nèi)，所述載體元件具有一個(gè)基本上平行于所生成的光線走向的縱軸(40)，其中所述鏡面單元(80)和輸出窗口(50)設(shè)置在載體單元(30)的彼此相對(duì)的端部上。此外，通過所述壓力生成元件(32)產(chǎn)生一個(gè)作用在光源單元(34)上的力。根據(jù)本發(fā)明，與壓力生成元件(32)在光源單元(34)上所產(chǎn)生的力相關(guān)地，所述鏡面單元(80)和/或輸出窗口(50)通過至少一個(gè)移位元件(52，…，56)可相對(duì)于載體單元(30)移動(dòng)和/或可相對(duì)于縱軸(40)傾斜。由此提供了這樣的可能性即光線的波長可以在很大的范圍上進(jìn)行調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)H01S5/022GK1926729SQ200580004692
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者帕特里克·林德 申請(qǐng)人:醫(yī)學(xué)技術(shù)股份公司