專利名稱：降低激光束探測強度不均勻性的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器，具體地涉及降低激光束探測強度不均勻性的改進 方法。
背景技術：
許多測量需要使用激光器作為光源。例如，在從成像到基因序列檢測 的系統(tǒng)中均使用了激光器。在這些系統(tǒng)中使用了不同類型的激光器，包括 氣體激光器、化學激光器、準分子激光器、固態(tài)激光器、半導體激光器(包
括二極管激光器)、染料激光器和空心陰極濺射金屬離子激光器(hollow cathode sputtering metal ion laser)。各種激光器在用于具體應用時有其自身的 優(yōu)點和缺點。例如，不同類型激光器的特性，包括功率輸出、波長、成本、 尺寸、可調(diào)性和光束截面的強度均勻性，根據(jù)該激光器的應用而成為優(yōu)點 或缺點。
二極管激光器成本低、功率輸出較高且尺寸較小。二極管激光器包括 具有極低高寬(高度:寬度)比的輻射區(qū)域或平面。即輻射平面的高度遠小于 其寬度。由激光二極管平面產(chǎn)生的光束在輻射平面上強度不均勻。由于光 束強度缺乏均勻性，因而激光二極管不能夠用于要求光束強度均勻性的應 用。因此，在要求高功率和高均勻性的應用中，通常使用其它激光器，例 如氣體激光器。
在許多應用中，激光器的成本和尺寸的降低明顯降低整個設備的成本 并因而降低研究的成本。因此，降低二極管激光束強度的探測不均勻性的 方法或系統(tǒng)可提高效率并減小用于選定應用的設備的尺寸。
本發(fā)明解決激光束的探測光束強度不均勻性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及降低激光二極管的探測強度不均勻性的系統(tǒng)和方法，以使 激光二極管可用于需要探測均勻激光束的情況。一方面，本發(fā)明涉及提高系統(tǒng)中激光器發(fā)出的光束的探測強度空間均 勻性的方法，該系統(tǒng)包括激光器和光探測器。在一種實施方案中，該方法
包括以下步驟利用激光器產(chǎn)生光束；相對移動光束和光探測器，以使探 測器在一段時間內(nèi)均化光束的空間強度。在另一實施方案中，移動光束的 步驟包括使光束射入二維后向反射器(retroreflector)并移動該后向發(fā)射器的 反射壁的步驟。在再一實施方案中，移動光束的步驟包括使光束射入旋轉(zhuǎn) 多面體，該多面體可以是透明的多面體。在再一實施方案中，移動光束的 步驟包括相對于探測器物理移動光源。
另一方面，本發(fā)明涉及提高光束的探測強度空間均勻性的系統(tǒng)。在一 種實施方案中，該系統(tǒng)包括光探測器；用于產(chǎn)生光束的激光源；用于相 對移動光束和探測器的裝置，以使探測器在一段時間內(nèi)均化光束的強度。 在另一實施方案中，該系統(tǒng)包括光束射入其中的具有移動反射壁的后向反 射器。在再一實施方案中，該系統(tǒng)包括光束射入其中的旋轉(zhuǎn)透明多面體。
另一方面，本發(fā)明涉及提高光束的探測強度空間均勻性的系統(tǒng)。在一 種實施方案中，該系統(tǒng)包括光探測器；用于產(chǎn)生光束的激光源；用于相 對移動光束和探測器的平移裝置(translator),以使探測器在一段時間內(nèi)均化 光束的強度。在另一實施方案中，激光源是激光二極管。在另一實施方案 中，平移裝置包括光束射入其中的具有移動反射壁的直角錐反射器(comer cube reflector)。在再一實施方案中，平移裝置包括光束射入其中的旋轉(zhuǎn)透明 多面體。在另一實施方案中，平移裝置包括相對于探測器物理移動光源的 平移裝置。
另一方面，本發(fā)明涉及使光束沿垂直其傳播方向的方向移動的設備。 在一種實施方案中，該設備包括第一反射面、與第一反射面成直角的第二 反射面、以及相對移動第一反射面和第二反射面的平移裝置。在另一實施 方案中，平移裝置是由波形發(fā)生器驅(qū)動的壓電轉(zhuǎn)換器。在再一實施方案中， 平移裝置是由波形發(fā)生器驅(qū)動的揚聲器紙盆(speaker cone)。在再一實施方案 中，揚聲器紙盆是副低音揚聲器。


通過以下詳細說明和附圖，本發(fā)明的這些實施方案和其它方面將顯而 易見，所述附圖是示例性的而不限制本發(fā)明，其中圖1是光線被二維后向反射器反射的二維示意圖2(a， b)是光線進入反射表面處于不同位置的二維后向反射器的二維 示意圖3(a, b)是包含多條光線的光束進入反射表面處于不同位置的二維后 向反射器的二維示意圖4a是由觀測二極管光源的探測器觀察到的通過探測器截面的光強曲
線；
圖4b是由觀測二極管光源的探測器觀察到的通過探測器截面的光強按 照本發(fā)明實施方案均化后得到的曲線；
圖5是兩條光線以垂直(90度)入射角進入透明多面體的二維示意圖； 圖6是兩條光線以非90度的入射角進入透明多面體的二維示意圖； 圖6a是圖6的一部分的放大圖；以及
圖7(a, b)是包括多條光線的光束以非90度的入射角進入透明多面體的 二維示意圖。
具體實施例方式
通過結合附圖閱讀以下詳細說明，將更充分地理解本發(fā)明。在本說明 中，在本發(fā)明的各實施方案中，相同的標記表示相同的要素。在詳細說明 中，將通過優(yōu)選實施方案對所要求保護的發(fā)明進行說明。然而，本領域技 術人員將容易地理解本申請說明的方法和系統(tǒng)僅僅是示范性的，在不脫離
本發(fā)明的構思和范圍的情況下可作出改變。
通常，如下解決激光器發(fā)出的光束的探測強度空間不均勻性的問題
相對移動光束(通常大于探測器)和探測器，以使探測器"看到"光束通過探 測器時強度的空間變化并進行均化。產(chǎn)生這種相對移動的 一種方法是采用 后向反射器。
通常由三個互相垂直相交的反射平面組成的后向反射器使被反射的入 射光束沿其初始方向返回。圖1示出了直角錐反射器5形式的二維后向反 射器的實例。直角錐反射器5包括互成90度的兩個反射面10和20。光源 34發(fā)出的相對第一反射面10以45度入射的光線30朝向第二反射面20反 射。所述第二反射面20使光線30朝向光源34方向反射回來。光線30的 反射部分42平行于光線30的入射部分38反射。光線30的入射部分38和反射部分43之間的距離(D)取決于反射面10、 20之間的距離。
參考圖2a,通過調(diào)整反射面10、 20的相對位置，可使出射光線42平 移，以使光線30的入射部分38和出射部分42之間的距離(D)改變。在本發(fā) 明的一種實施方案中，第一反射面10可沿垂直于反射面10的方向移動。 可通過移動第一反射面10,同時使其保持與第二反射面20的相對方向，改 變光線30的入射部分38和出射部分42之間的距離(D)。
因而，當?shù)谝环瓷涿?0移動時，光線30的出射部分42平移穿過位于 光線30出射部分42的路徑中的光圈70。光線30的出射部分42的位移變 化決定了光線30的出射部分42是否能夠穿過光圈70并到達探測器74.
更詳細地，圖2a示出了一條光線30，該光線30經(jīng)第一反射面IO反射， 然后經(jīng)第二反射面20反射，從而產(chǎn)生光線30的出射部分42,該出射部分 42與光線30的入射部分38平行并成反向180度。在第一反射面IO處于位 置80時，光線30的出射部分42隨后穿過光圈70到達探測器74。
參考圖2b，通過將第一反射面10移至(箭頭T)位置82,改變光線30 的入射部分38和出射部分42，之間的距離(D，)。光線30的出射部分42，的位 移導致光線30無法穿過光圈70并因而無法被探測器74觀察到。
參考圖3a，當考慮例如擴展的光源34，發(fā)出的由多條光線30，組成的光 束時，同樣，在反射面IO處于第一位置80，時，多數(shù)光線朝向光圈70反射， 與圖2a中單條光線30的情況相同，僅有少數(shù)光線72穿過并到達探測器74。 此外，參考圖3b，當移動第一反射面IO(箭頭T)時，那些先前穿過光圈70 到達探測器74的光線72，沒有平移穿過光圈70并不再到達探測器74,同時 同樣與圖2b中單條光線30所發(fā)生的情況相同， 一些最初被光圈70阻擋的 其它光線72，此時穿過光圈70并到達探測器74。
當?shù)谝环瓷涿鍵O往復移動時，組成光束30的出射部分42的不同光線 穿過光圈70并到達探測器74表面上不同的位置。因而，盡管光束42在其 寬度上強度可能不同，但可移動的反射面IO結合光圈70在探測器74上形 成具有較高強度均勻性的均化合成圖像(average resultant image)。如果第一 反射面IO在曝光過程中經(jīng)過數(shù)個循環(huán)的移動，那么多像素探測器的每一個 像素在一段時間內(nèi)觀察到的平均光量與其它像素觀察到的近似相同。因此， 后向反射器5創(chuàng)造條件，促使探測到在一段時間內(nèi)經(jīng)過均化后更均勻的光 束。圖4a示出了探測器觀測二極管激光源時在探測器表面觀察到的光的強 度測量值。強度曲線上的峰是由二極管激光器平面上的"熱點"(hot spot) 引起的。圖4b示出了探測器觀測利用本發(fā)明進行了均化的二極管激光源時 在探測器表面觀察到的光的強度測量值。當通過第 一反射器的移動使圖像 在探測器上移動時，強度曲線上由激光器的模式結構(mode structure)造成的 峰和谷得到均化。
在各實施方案中，反射面10、 20優(yōu)選為鍍銀鏡，但還可由任意反射性 材料構成。盡管按照使第一反射面IO沿垂直其表面的方向移動對本發(fā)明進 行了說明，但在另一實施方案中，第二反射面20是可移動的。在另一實施 方案中，兩個反射面可沿相反的方向同時移動。
可通過任意往復裝置使反射面平移，以使反射面相對于光束的取向以 及反射面相互之間的取向保持不變。此外，為了使光束在探測器表面的兩 個維度上均保持均勻，可使第一反射面10旋轉(zhuǎn)，以使表面位置的法線方向 與入射光束的兩個軸均成45度，并使第一反射面10沿著與入射光束和被 反射至第二表面反射器的光束均成45度角的方向移動。
反射面可以由任意往復裝置驅(qū)動，例如電動凸輪。在另一實施方案中， 將第一反射面安裝在副低音揚聲器的揚聲器紙盆上。在其它實施方案中， 使用壓電轉(zhuǎn)換器移動反射面。在一種實施方案中，副低音揚聲器或壓電轉(zhuǎn) 換器由正弦波驅(qū)動。在其它實施方案中，反射面由其它波形驅(qū)動。在另一 實施方案中，第二反射面由第二副低音揚聲器驅(qū)動。在再一實施方案中， 兩個反射面由各自的副低音揚聲器驅(qū)動。
在另 一 實施方案中，可使用旋轉(zhuǎn)多面體使激光束形成強度均勻的光束。 如圖5所示，兩條入射光線80、 84垂直于多面體90的表面92進入多面體 90。以一條入射光線80為例，入射光線80垂直(90度)入射在空氣/多面體 界面92上，從而產(chǎn)生同樣垂直于界面92的透射光線96。當透射光線96, 即此時多面體/空氣界面100的入射光線離開多面體90時，入射光線96和 透射光線104均垂直于界面100。因而，入射在多面體90上的光線80和穿 過多面體90透射出去的光線104具有相同的方向，即它們均垂直于多面體 的表面。因而，在垂直入射時，入射光線直射穿過多面體。相同的過程作 用于圖5所示的其它入射光線92。
參考圖6,當多面體90旋轉(zhuǎn)時，相對于空氣/多面體界面92的入射角
8106改變，從而改變了在多面體90內(nèi)的折射角108。(圖6a是清楚地顯示這 些角度的放大示意圖。)例如，入射光線80以不與多面體表面92垂直的角 度106到達多面體的界面92，光束96，在多面體90的內(nèi)部按照Snell法則的 規(guī)定以角度108朝向界面92的法線110折射。光線96，穿過多面體90并成 為多面體/空氣界面110上的入射光線。由于光從物質(zhì)傳輸進入空氣，因而 入射光線96，折射遠離表面法線，從而產(chǎn)生透射光線104，。相同的過程作用 于圖6所示的其它入射光線84。當多面體90旋轉(zhuǎn)時，使光束少量偏轉(zhuǎn)，最 終當界面92再次垂直于光束時，如以上結合圖5所述，光穿過多面體。結 果使得透射光線104和110在多面體旋轉(zhuǎn)時相互交叉行進。
參考圖7a，當考慮例如擴展的光源34發(fā)出的由多條光線組成的光束 120以90。角入射在表面92上時，光束120直射穿過多面體90到達探測器 74。此外，參考圖7b,當多面體90旋轉(zhuǎn)時，光線相對于界面92的入射角 改變，從而改變了折射角度以及在多面體90相對表面上的位置，光束128 將從此位置離開并到達探測器74。當多面體32，旋轉(zhuǎn)時，光束的光線相互交 叉行進，使得探測器74的各部分在一段時間內(nèi)探測到基本相同的光強。因 此，旋轉(zhuǎn)多面體90提供了 一種在光束120的寬度上空間均化光束強度的方 法。
多面體可由能夠透射光線的任意材料構成。在所示的實施方案中，多 面體為八角形，但還可使用任意多面體。優(yōu)選實施方案使用折射系數(shù)大于 約1.9的玻璃多面體。多面體可以各種速度旋轉(zhuǎn)，以獲得適當?shù)膹姸染鶆蛩?平。在優(yōu)選的實施方案中，多面體以約為曝光時間二倍的速度旋轉(zhuǎn)。
在不脫離所要求保護的發(fā)明的構思和范圍的情況下，本領域技術人員 可作出改變、改進和其它實施方案。因而，本發(fā)明不是由前述示例性說明 限定，而是由所附權利要求的構思和范圍限定。
權利要求
1. 一種提高系統(tǒng)中激光器發(fā)出的光束的探測強度空間均勻性的方法，所述系統(tǒng)包括所述激光器和光探測器，所述方法包括以下步驟利用所述激光器產(chǎn)生光束；和相對移動所述光束和所述光探測器，以使所述探測器在一段時間內(nèi)均化所述光束的空間強度。
2. 權利要求1的方法，其中所述移動光束的步驟包括使所述光束射入 后向反射器并移動所述后向反射器的反射壁的步驟。
3. 權利要求1的方法，其中所述后向反射器是直角反射器。
4. 權利要求1的方法，其中所述移動光束的步驟包括相對所述探測器 物理移動光源。
5. 權利要求1的方法，其中所述探測器在任一時刻僅暴露于所述光束 的一部分。
6. 權利要求1的方法，其中所述利用激光器產(chǎn)生光束的步驟包括利用 二極管激光器產(chǎn)生光束。
7. —種提高光束的探測強度空間均勻性的系統(tǒng)，包括 光探測器；用于產(chǎn)生光束的激光源；和用于相對移動所述光束和所述探測器的裝置，以使所述探觀'J器在 一 段 時間內(nèi)均化所述光束的強度。
8. 權利要求7的系統(tǒng)，其中所述用于移動的裝置包括所述光束射入其 中的具有移動反射壁的后向反射器。
9. 權利要求7的系統(tǒng)，其中所述用于移動的裝置包括所述光束從其中 透過的旋轉(zhuǎn)透明多面體。
10. —種提高光束的探測強度空間均勻性的系統(tǒng)，包括 光探測器；用于產(chǎn)生光束的激光源；和相對移動所述光束和所述探測器的平移裝置，以使所述探測器在一段 時間內(nèi)均化所述光束的強度。
11. 權利要求10的系統(tǒng)，其中所述激光源是激光二極管。
12. 權利要求10的系統(tǒng)，其中所述平移裝置包括所述光束射入其中的具有移動反射壁的后向反射器。
13. 權利要求10的系統(tǒng)，其中所述平移裝置包括所述光束從其中透過 的旋轉(zhuǎn)透明多面體。
14. 權利要求10的系統(tǒng)，其中所述平移裝置包括相對所述探測器物理 移動所述光源的平移裝置。
15. —種使光束沿垂直其傳播方向的方向移動的設備，所述設備包括 第一反射面；與所述第一反射面成直角的第二反射面；和 相對移動所述第一和第二反射面的平移裝置。
16. 權利要求15的設備，其中所述平移裝置是由波形發(fā)生器驅(qū)動的壓 電轉(zhuǎn)換器。
17. 權利要求15的設備，其中所述平移裝置是由波形發(fā)生器驅(qū)動的揚 聲器紙盆。
18. 權利要求17的設備，其中所述揚聲器紙盆是副低音揚聲器。
全文摘要
一種提高系統(tǒng)中激光器產(chǎn)生的光束的探測強度空間均勻性的方法，該系統(tǒng)包括激光器(34)和光探測器(74)。在一種實施方案中該方法包括以下步驟利用激光器產(chǎn)生光束(30)；相對移動光束和光探測器，以使探測器在一段時間內(nèi)均化光束的空間強度。在另一種實施方案中本發(fā)明涉及提高光束的探測強度空間均勻性的系統(tǒng)。在一種實施方案中該系統(tǒng)包括光探測器；用于產(chǎn)生光束的激光源；以及相對移動光束和探測器的裝置(10)，以使探測器在一段時間內(nèi)均化光束的強度。
文檔編號H01S3/00GK101438471SQ200780016317
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月7日 優(yōu)先權日2006年3月8日
發(fā)明者戴維·特雷西, 阿倫·韋伯 申請人:海利克斯生物科學公司