本申請是申請日為2012年6月13日，名稱為“空間分布式激光器共振器”，申請?zhí)枮?01280039406.x的發(fā)明專利申請的分案申請。

當前發(fā)明涉及使用回復反射器(retroreflector)的分布式激光器共振器的領域，尤其用在用于通過腔內(nèi)(intracavity)激光功率將功率無線傳輸至便攜式電子設備的系統(tǒng)中。

背景技術：

在公布為wo2007/036937、“定向光發(fā)射器和接收器(directionallighttransmitterandreceiver)”的pct申請pct/il2006/001131中和在公布為wo/2009/008399、“無線激光功率(wirelesslaserpower)”的pct申請pct/il2009/000010中，示出了基于分布式激光器共振器的無線功率輸送系統(tǒng)。當前公開中使用此術語，以描述如下激光器：其腔鏡子(mirror)在自由空間中分開，并且腔鏡子之間沒有任何特定的預限定的空間關系，使得激光能夠在隨機安置的端部反射器之間操作。在以上提到的申請中，該分布式激光器共振器的一個使用在于將來自中心布置的發(fā)射器的光學功率傳輸至遠離所述發(fā)射器安置的移動接收器，其中端部鏡子安置于發(fā)射器和接收器內(nèi)。該分布式激光器共振器使用諸如角錐棱鏡(cornercube)和貓眼以及其陣列的簡單的回復(retro)反射器作為腔的端部鏡子。回復反射器與平面鏡反射器不同，因為回復反射器具有非無限小的視場。在回復反射器的視場內(nèi)入射到回復反射器上的電磁波前沿著與來自波源的方向平行但是相反的方向被反射回去。即使回復反射器上的該波的入射角具有不同于零的值，反射也發(fā)生。這不像平面鏡反射器，只有鏡子精確地與波前垂直，具有零入射角時，平面鏡反射器才沿著入射路徑反射回去。

諸如圖1中所示出的回復反射器的許多該通?？捎玫幕貜头瓷淦?5生成繞處于回復反射器中或很靠近回復反射器的反轉(zhuǎn)點10(或在回復反射器陣列的情況下繞多個點)的反轉(zhuǎn)點10的光學圖像反轉(zhuǎn)，反射光束11穿過與入射光束12的路徑空間上不同的路徑，如圖1所示出的。

在實際的系統(tǒng)中，繞點的此反轉(zhuǎn)引起若干問題：

a.在許多此簡單的回復反射器中，將反轉(zhuǎn)點處于諸如角錐棱鏡反射器中的其中不能提供光學通路的光學不透明的位置中。

b.如在以下的段落(c)至(f)中將進一步地闡釋的，為實際使用設計的分布式激光器系統(tǒng)應該要求在腔內(nèi)放置光學元件。然而，這可能是有問題的，因為，接著以上的段落(a)，光學不透明的位置中的反轉(zhuǎn)點導致不重疊的兩個光束。對此的解釋是回復反射器繞光束的方向上的反轉(zhuǎn)點10反轉(zhuǎn)。從而，以柱坐標表述光束方向，取向角theta保持恒定，r變?yōu)樨搑并且方向顛倒(reverse)了。對于待重疊的兩個光束，r必須等于負r，其指示r等于0，意味著反射必須發(fā)生在不透明的反轉(zhuǎn)點處。由于如圖1中所示出的重疊的此缺失，在光束路徑中放置要求的具有至少一個非平坦的光學表面的光學元件將通常導致兩個光束變得不平行，引起分布式共振器停止激射。此光學組件可以引起每一個光束不同地偏轉(zhuǎn)，如圖2中所示出的，其示例了兩個平行光束的行為，一個為通過透鏡20的光學中心21的標記的光束1，以及一個為通過從中心移位的點23的標記的光束2。如所觀測的，通過透鏡20后，光束不再平行。因為為使分布式共振器操作需要兩個光束保持平行，如上述的wo2007/036937和wo/2009/008399中描述的，所以該光學組件不能用于在其單個回復反射器(多個回復反射器)處具有光學圖像反轉(zhuǎn)和具有不透明的反轉(zhuǎn)點的共振器內(nèi)。盡管設計諸如望遠鏡透鏡裝置的某些光學元件以處理兩個平行的光束是可能的，但是該設備可能具有有限的視場和有限的功能，可能要求光束之間的間隔固定，并且可能對兩個光束引起畸變(aberration)。這一般阻止了該望遠鏡解決方案的實際使用。在g.j.linford等的美國專利號4209689的“激光安全通信系統(tǒng)(lasersecurecommunicationssystem)”中，描述了用于遠程通信的分布式激光器腔，腔中具有靠近增益介質(zhì)的望遠鏡。此系統(tǒng)應對非常軸向地限定的光束，并且以盡可能有限的視場來操作，涉及接近于軸的傳播的角度。沒有提到沿著(down)腔長度的諸如增益介質(zhì)的元件的縱向位置。據(jù)信使用望遠鏡以擴展光束，并且因此限制光束發(fā)散和視場。在許多其它情況下，可以不存在對望遠鏡的需要，而是存在對諸如聚焦透鏡的具有不同功能的另一光學元件的需要，存在由于雙光束而從其出現(xiàn)的相同的問題。

c.為兩個光束設計的光學系統(tǒng)需要使用的組件的直徑的大小通常是等效的單光束系統(tǒng)的組件的直徑的的至少兩倍，以便適應兩個光束和其之間的距離。這將增加系統(tǒng)的成本和其總的寬度。

d.一般地，兩個簡單的回復反射器不足以實現(xiàn)激射，因為典型地需要將光束聚焦，以便補償瑞利擴展。在以上參考的wo/2009/008399中，通過使用熱聚焦元件來解決此問題。然而，由于需要對其進行啟動，該解決方案遭受增加的復雜性。

e.在光束的路徑中可能必需諸如具有至少一個非平坦的表面的那些光學元件的具有光學功率的光學元件，以實現(xiàn)諸如聚焦的其它的光學功能，以對畸變進行校正，以監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，以改變系統(tǒng)的視場，或者以以不同的光圈工作以容許系統(tǒng)的更好的性能/價格。因為兩個光束實質(zhì)上是分開的，所以隨著需要增大的光圈，阻擋重影光束(ghostbeam)也可能是困難的。

f.因為將成像光學器件放置在共振器內(nèi)部是困難的，所以形成接收器的位置的圖像是困難的。該信息對于監(jiān)視連接至發(fā)射器的單個接收器或多個接收器可以是潛在地必需的。

以上兩個參考的pct公布中示出的分布式激光器系統(tǒng)出現(xiàn)了附加的問題，因為系統(tǒng)內(nèi)的光束的方向和位置是未知的。于是知道在光束的路徑中哪里放置諸如偏振器、波片、倍頻(frequencydoubling)晶體等的方向敏感的組件變得困難。知道如何使用諸如小檢測器、增益介質(zhì)等的位置受限的組件也變得困難，因為不知道哪里橫向(laterally)安置該組件。

因此存在對分布式激光器腔架構的需要，該分布式激光器腔架構克服了現(xiàn)有技術系統(tǒng)和方法的以上提到的缺點中的至少一些缺點。

說明書的此部分和其它部分中提到的公布中每一個公布的公開的全文并入于此作為參考。

技術實現(xiàn)要素：

當前公開描述了用于使用回復反射元件實現(xiàn)分布式腔激光器操作的新的示范性的系統(tǒng)和方法，其中，空間上分開的回復反射元件限定功率發(fā)射單元和功率接收單元。將增益介質(zhì)有利地放置于發(fā)射器單元中，使得一個發(fā)射器能夠與數(shù)個接收器一起操作，接收器具有較簡單和較輕的構造。描述的系統(tǒng)和方法克服了與該現(xiàn)有技術激射系統(tǒng)中簡單的回復反射器的使用相關聯(lián)的雙光束問題。描述的系統(tǒng)和方法也克服了在橫向和縱向二者上限定激光器腔內(nèi)的各個光學組件的位置的問題，提供了所述腔的激射屬性的補充優(yōu)點。因此系統(tǒng)存在容許下面的特性中的一些或全部的優(yōu)點：

a)容許沿著入射光束的路徑的回復反射，使得傳入和返回的光束沿著相同的路徑行進。此特征使得分布式激光器能夠以共線模式操作光束，而不是現(xiàn)有技術中描述的環(huán)形模式。

b)容許將諸如具有一個或多個非平坦的光學表面的元件的具有光學功率的元件放置于傳出/返回的光束中，其中這些組件尤其可以執(zhí)行：

聚焦/散焦

增大系統(tǒng)的視場

改變光束的瑞利長度

使光束適應特定的操作距離。

c)在系統(tǒng)中具有容許放置組件的區(qū)域，使得總是保證光通過組件的中心，使得可以降低組件的大小和價格，并提高效率。

d)在系統(tǒng)中具有容許放置光學組件的區(qū)域，使得總是保證光平行于光軸。

e)在系統(tǒng)中具有其中形成接收器的位置的圖像的區(qū)域，使得能夠監(jiān)視接收器。

f)在系統(tǒng)中具有其中已知激光束不能到達的區(qū)域，使得可以在那里放置對激光束敏感的但不是激射作用自身要求的功能性元件。

為了實現(xiàn)以上提到的要求中的至少一些要求，并且由此提供分布式腔激光器，該分布式腔激光器能夠以該激光器在通常的環(huán)境中實際使用所必需的特征操作，并且以必要的安全措施操作，此公開提供了具有如立即解釋的若干新穎特性的分布式激光器：

首先，使用了基于能夠?qū)⒐馐瓷浠氐阶陨淼幕貜头瓷淦鞯那欢瞬跨R子，使得從每一個回復反射器傳入和返回的光束實質(zhì)上沿著重合的但是反向的傳播路徑行進。該回復反射器的一些范例包含：常規(guī)的貓眼回復反射器，常規(guī)的貓眼回復反射器用于光束通過其入口光圈的中心區(qū)域進入貓眼；聚焦/散焦貓眼回復反射器(包含兩個半球，使得一個半球?qū)⒐饩劢乖诹硪粋€半球的表面上；或其中具有多個元件的更復雜的結構，并且依然聚焦)；多元(multielement)(廣義的)貓眼回復反射器；全息圖回復反射器；相位共軛鏡子；以及反射球鏡，反射球鏡能夠?qū)⒐夥瓷涞阶陨砩?。在反射球鏡的情況下，盡管由于反射，光束將變?yōu)樯⒔沟?，但是這可以通過在沿著光束的路徑的其它地方使用聚焦元件來解決。

然而，該回復反射器可以生成畸變和諸如聚焦/散焦、較高階光束的激發(fā)、或其它偽像(artifact)的其它光束傳播問題，需要對這些問題進行處理，以便確保以可接受的功率轉(zhuǎn)換效率和在可接受的安全標準內(nèi)以一致的質(zhì)量激射。另外，該回復反射器的使用可以限制視場，因此可能需要光學上增大該視場以實際使用該系統(tǒng)。另外，激光器系統(tǒng)的組件可以不具有最佳的或要求的大小或視場，可以使用激光器腔內(nèi)的附加的光學系統(tǒng)對該尺寸或視場進行校正。為了克服該效應并且提高總的激光器系統(tǒng)的性能，在腔內(nèi)的光束的路徑中添加其它的光學組件可能是必要的或者有利的，其操作以便補償不期望的單個效應或多個效應。使用具有雙光束幾何結構的現(xiàn)有技術分布式激光器共振器，因為此雙光束幾何結構，將附加的光學組件插入至光束中是無效的。然而，通過使用如當前公開中的示范性的腔結構中描述的單光束共線共振器代替兩光束環(huán)形共振器，此目標現(xiàn)在變得可能。

在能夠使用的附加的腔內(nèi)光學組件或子系統(tǒng)，以及其使用能夠?qū)崿F(xiàn)的目的中，包括以下：

(a)可以使用望遠鏡來增大發(fā)射器單元或接收器單元的角視場。

(b)可以使用望遠鏡來增大/減小系統(tǒng)的瑞利長度，從而增大操作范圍(對于瑞利長度增大的情況)或容許從可以在范圍內(nèi)的數(shù)個設備中選擇單個設備(對于瑞利長度減小的情況)。

(c)可以使用發(fā)射器單元或接收器單元中的聚焦系統(tǒng)來將光束腰從發(fā)射器朝向接收器移動或甚至移動直到接收器，從而降低在接收器處的光束的大小，并且因此降低接收器的尺寸。

(d)可以使用透鏡、自聚焦透鏡(grinlens)或彎曲鏡子系統(tǒng)來補償熱透鏡化(thermallensing)，或補償系統(tǒng)中的其它不期望的透鏡化效應，諸如當使用球鏡反射器時。

(e)可以使用偏振器來限定激射系統(tǒng)內(nèi)傳播的光的偏振。

(f)可以使用波片來：

(ⅰ)限定系統(tǒng)的偏正

(ⅱ)阻止無意的激射通過被插入至光束中并且意外地以布儒斯特角或接近布儒斯特角傾斜的透明的表面

(ⅲ)阻止使用臨時準備的或未經(jīng)授權的接收器

(ⅲ)增加安全系統(tǒng)的敏感度

(g)可以使用光學元件來對由系統(tǒng)中各個組件部分引起的畸變進行校正。

(h)可以使用腔內(nèi)光學系統(tǒng)，來使得能夠使用較小的增益介質(zhì)來放大向前方向上和向后方向上的光，容許增大的增益和降低的大小。

在下文具體實施方式部分中給出了這些組件或子系統(tǒng)中的一些組件或子系統(tǒng)的進一步的細節(jié)。

共線的反向傳播光束的存在使得能夠在激光器腔內(nèi)安置該光學組件或子系統(tǒng)，使得能夠?qū)崿F(xiàn)以上段落中描述的目的。這顯著背離現(xiàn)有技術激光器，不管是局部化的還是分布式的，現(xiàn)有技術激光器中，成像或聚焦功能通常不并入激光器腔內(nèi)。激光器腔內(nèi)的焦點的生成一般是不期望的，因為其能夠?qū)е鹿鈱W組件的涂層上或組件自身上的熱斑，或者導致腔內(nèi)的等離子體生成。除了用于激射過程自身的那些要素外，激光器腔內(nèi)一般不存在對任何組件的需要，并且一般試圖避免在腔內(nèi)包含該附加的組件，以最小化光學損耗，以簡化系統(tǒng)和消除重影光束。然而，在用于此公開中描述的類型的應用的分布式激光器腔中，存在對增益介質(zhì)和腔的端部鏡子的廣角角度操作(wideangleangularoperation)的需要，因為可以將發(fā)射器單元和接收器單元布置在分布式激光器腔的環(huán)境范圍內(nèi)的任何位置處，并且激光器必須繼續(xù)在每一個端部鏡子的輸入光束和輸出光束的入射角的寬的范圍上以其期望的效率運行。這要求腔內(nèi)光學子系統(tǒng)，用于處理來自不同的入射角的射線，以使得射線不從激射過程減損。

為了促進這些目標，當前公開中描述的示范性的分布式激光器腔有利地利用了涉及光瞳成像的使用的新穎設計。能夠?qū)⒃摴馔上裣到y(tǒng)定限定為以下的成像系統(tǒng)：其中從任何入射角到達并且通過光瞳的光在預限定的圖像平面上形成圖像，此平面上的圖像位置取決于通過光瞳的光的入射角。

在來自每一個不同入射角的所有的光通過光瞳區(qū)域的條件下，來自每一個不同入射角的所有的光，即使空間上散開但從特定入射角到達，也將被傳遞至圖像平面上的相同空間點。來自不同入射角的光在圖像平面上生成不同空間點。從而能夠基于光瞳成像系統(tǒng)的這些屬性來限定光瞳自身。在下文具體實施方式部分中的圖3中給出此概念的圖形描述。

可以構造具有光瞳成像特性的當前公開中描述的示范性的分布式腔激光器系統(tǒng)，由此向系統(tǒng)提供下面的優(yōu)點。因為激光器腔內(nèi)的光學組件或子系統(tǒng)的安置也是用于確保緊湊的和容易設計的激射系統(tǒng)的重要的準則，所以也將光學成像子系統(tǒng)設計為容許將各個組件放置在它們的最佳的位置。存在涉及到的，取決于期望的目的，數(shù)個不同的準則。首先，應該將系統(tǒng)設計為具有如下區(qū)域：對于該區(qū)域中放置的組件，保證來自任何入射角的光通過那些組件的中心。這使得能夠降低那些組件的大小，從而減小成本和提高效率。這能夠?qū)崿F(xiàn)在裝備有光瞳的成像系統(tǒng)的單個光瞳或多個多個光瞳處，并且該單個位置或多個位置因此適合于諸如激射系統(tǒng)的增益介質(zhì)、光伏功率轉(zhuǎn)換檢測器、監(jiān)視二極管等的組件的安置。

實際上，通過使用聚焦元件來限定光瞳成像系統(tǒng)，該聚焦元件是諸如透鏡，并且布置在距光瞳的期望的位置其焦距處。能夠根據(jù)光束通過透鏡而生成的角度信息和空間信息之間的傅里葉變換容易地描述基于光瞳的成像系統(tǒng)的操作的以上限定。使用傅里葉變換方法學，通過在光行進了焦距時角度至位置的數(shù)學傅里葉變換來描述透鏡。在簡單的單透鏡系統(tǒng)中，從透鏡的焦點以與軸成角度發(fā)射的光在通過透鏡之后，將被平行于透鏡的光軸引導，并距該軸一取決于角度的距離，從而，釋放(loose)所有的角度信息并且將其完全交換為空間信息。顛倒光的方向，空間信息將被重譯為角度信息，使得在系統(tǒng)的光瞳處，光束將不具有空間信息(因為光瞳點是預限定的)并且只有角度信息。

當激射系統(tǒng)處于操作中時，將在發(fā)射器的前光瞳的中心和接收器的前光瞳的中心之間形成激光束。當進入(或離開)發(fā)射器時，該光束將僅僅具有角度信息，因為該光束正通過已知的點。發(fā)射器中的光學系統(tǒng)現(xiàn)在將該前光瞳成像至其中可以最佳地設置增益介質(zhì)的內(nèi)部光瞳平面上。光束通過增益介質(zhì)的中心，因為該位置提供系統(tǒng)的前光瞳的準確的圖像。進一步沿著光束的路徑，安置在距內(nèi)部光瞳其焦距處的透鏡將角度信息變換為空間信息。一旦不存在角度信息，就形成其中可以安置對角度信息敏感的組件的遠心區(qū)域。

通常，遍及此申請，將光瞳的功能效應理解為通過真實光瞳或真實光瞳的圖像實現(xiàn)的，該真實光瞳如由在光束進入透鏡時光束通過的空間中實際物理位置來實現(xiàn)，真實光瞳的圖像如是通過成像到系統(tǒng)中的另一位置而投影的。對光瞳和記載光瞳的權利要求的參考旨在覆蓋這兩種情況。

將來自以上的光瞳成像系統(tǒng)的限定應用至當前公開的分布式激光器結構，一個立即的優(yōu)點是當使用設置于光瞳成像系統(tǒng)的成像平面處的薄盤形式的增益介質(zhì)時，從任何方向通過光瞳的光將在通過望遠鏡系統(tǒng)之后，總是聚集于相對于望遠鏡的輸出的次級光瞳(secondarypupil)處的增益介質(zhì)的盤上。因此，厚度基本小于橫向尺寸的薄盤形式的增益介質(zhì)將有效地激射，而與通過入射光瞳被引導至發(fā)射器中的光束的入射方向無關。如果光瞳成像分布式激光器系統(tǒng)中使用的回復反射器不具有反轉(zhuǎn)點以使得入射光束從回復反射器被共線地反射回去，則能夠最佳地實施光瞳成像分布式激光器系統(tǒng)的該使用。不論成像系統(tǒng)是含有增益介質(zhì)的發(fā)射器的輸入透鏡還是其前面設置增益介質(zhì)的回復反射器的成像系統(tǒng)，增益介質(zhì)相對于光瞳成像系統(tǒng)的元件的此位置都適用。在這些情況之一中，相對于成像元件設置增益介質(zhì)，使得將來自視場內(nèi)任何入射方向的光聚焦至增益介質(zhì)上。此公開的具體實施方式部分中給出了關于實際上如何實現(xiàn)這個的范例。

另外，可以將系統(tǒng)設計為具有除了在光瞳位置處的區(qū)域外的其它區(qū)域，在該其它區(qū)域處，將來自不同角度的光束引導為彼此平行地穿過那些區(qū)域(即遠心區(qū)域)，使得能夠放置獨立于輸入透鏡上的光束的入射角操作的光學組件。

此外，應該將系統(tǒng)設計為具有其中可以形成系統(tǒng)的視場的圖像的區(qū)域(成像平面)。在放置例如生成接收器的位置的圖像的該光學子系統(tǒng)中，這些區(qū)域尤其有用。

此外，應該將系統(tǒng)設計為具有其中激光束不通過的區(qū)域，使得可以將受激光束影響的組件放置于那里。該組件可以是諸如用于監(jiān)視諸如增益介質(zhì)熒光水平的參數(shù)的水平的檢測器、熱透鏡傳感器、用于直接或通過它們在增益介質(zhì)中生成其它波長的效應來監(jiān)視泵浦二極管光束的水平的泵浦光束傳感器、以及安全傳感器。

此公開中描述的系統(tǒng)的一個示范性的實施方式涉及分布式共振器激光器系統(tǒng)，包括：

(ⅰ)第一回復反射器和第二回復反射器，兩個回復反射器都使得入射于其上的光束沿著與入射的所述光束的路徑實質(zhì)上重合的路徑被反射回去，

(ⅱ)增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)布置在所述第一回復反射器和所述第二回復反射器之間，

(ⅲ)輸出耦合器，所述輸出耦合器布置為使得將所述光束的撞擊于其上的部分引導出所述共振器，

(ⅳ)光束吸收組件，所述光束吸收組件相對于所述輸出耦合器布置，使得所述光束的被引導出所述共振器的該部分撞擊到所述光束吸收組件上，以及

(ⅴ)具有至少一個非平坦的光學表面的至少一個光學組件，所述至少一個光學組件布置于所述回復反射器之間，

其中，所述增益介質(zhì)實質(zhì)上設置于并入了具有至少一個非平坦的光學表面的所述至少一個光學組件的光學系統(tǒng)的光瞳處。

在以上描述的分布式共振器激光器系統(tǒng)中，所述光束吸收組件可以是光伏功率轉(zhuǎn)換器或傳熱組件。另外，所述至少一個光學組件可以是至少一個透鏡，所述至少一個透鏡布置為限定入射/出射光瞳，使得以多個不同角度通過所述光瞳的光將被引導至所述增益介質(zhì)。替代地，所述至少一個光學組件可以是鏡子，所述鏡子布置為限定入射/出射光瞳，使得以多個不同角度通過所述光瞳的光被引導至所述增益介質(zhì)。

根據(jù)進一步的示范性的實施方式，該系統(tǒng)還可以包括第二透鏡，所述第二透鏡布置為使得所述光束由其折射，以生成與聯(lián)接所述透鏡的中心和所述增益介質(zhì)的軸平行的傳播區(qū)域。

另外，具有至少一個非平坦的光學表面的所述至少一個光學組件可以是具有成像平面的光學系統(tǒng)的部分。于是可以將所述增益介質(zhì)則設置于所述入射/出射光瞳的被成像的光瞳處。

在任何以上描述的示范性分布式共振器激光器系統(tǒng)中，所述第一回復反射器和所述第二回復反射器中至少一個回復反射器不應具有反轉(zhuǎn)點。此外，所述共振器于是應該支持共線光束模式。此外，所述光學系統(tǒng)應該具有至少一個成像平面，并且可以具有至少一個遠心區(qū)域。

另外，所述分布式共振器激光器系統(tǒng)還可以包括設置于所述光瞳處的傳感器。所述輸出耦合器可以是所述回復反射器之一的部分，或其可以獨立于所述回復反射器。

另外，此公開中描述的分布式共振器激光器系統(tǒng)的替代的實施方式可以包括：

(ⅰ)第一回復反射器，所述第一回復反射器將入射于其上的光束沿著與入射的所述光束的路徑實質(zhì)上重合的路徑反射回去，

(ⅱ)第二回復反射器，所述第二回復反射器將入射于其上的光束沿著與入射于其上的所述光束的路徑實質(zhì)上重合的路徑反射回去，

(ⅲ)增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)布置于所述第一回復反射器和所述第二回復反射器之間，以及

(ⅳ)透鏡系統(tǒng)，所述透鏡系統(tǒng)布置于所述第一回復反射器和所述第二回復反射器之間的使得所述增益介質(zhì)處于所述透鏡系統(tǒng)的成像平面處的位置。

在該系統(tǒng)中，所述透鏡系統(tǒng)還可以具有外部光瞳平面，所述外部光瞳平面布置于所述透鏡系統(tǒng)的與所述增益介質(zhì)的端部相反的端部處，使得從任何方向通過所述外部光瞳的光將被朝向所述內(nèi)部光瞳平面處的所述增益介質(zhì)的中心引導。在任何這些系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)可以包含至少一個遠心區(qū)域。另外，其可以具有至少一個成像平面。在該情況下，其于是還可以包括形成所述成像平面的電子圖片的光學傳感器。可以被并入至所述系統(tǒng)中的附加的組件包含設置于所述遠心區(qū)域中的偏振操縱光學組件、雙重(doubling)光學器件、以及一個或多個波片。所述系統(tǒng)還可以包括設置于所述光瞳中的傳感器。

附圖說明

結合圖樣，從下面詳細的描述中將更加充分地明白和理解當前要求保護的發(fā)明，其中：

圖1示出了生成繞處于回復反射器中的點的光學圖像反轉(zhuǎn)的現(xiàn)有技術角錐棱鏡回復反射器的表示，其中反射光束穿過與入射光束的路徑在空間上不同的路徑；

圖2示意性地示出了在諸如圖1中示出的回復反射器的回復反射器的光束路徑中放置透鏡的結果，該回復反射器具有光學反轉(zhuǎn)點，導致空間上分開的傳播光束；

圖3示例了如當前公開中使用的能夠用以對光瞳、或光瞳平面以及光瞳成像進行可視化的方式；

圖4a示意性地示例了能夠回復反射穿過其反轉(zhuǎn)點的光束的貓眼回復反射器；

圖4b示意性地示例了使用了平坦的反射器鏡的遠心回復反射器；

圖5示意性地示例了對被朝向球的中心引導的光束進行回復反射的鏡球；

圖6示意性地示例了根據(jù)此公開中描述的新穎結構特性的一個示范性的實施方式的分布式激光器系統(tǒng)，示出了系統(tǒng)的光瞳的位置；

圖7示意性地示例了圖6的分布式激光器系統(tǒng)，包含了其中的組件的進一步的細節(jié)，并且示出了激射系統(tǒng)的附加的組件；

圖8示例了用于確定對傳播光束形狀的任何擾動的存在的光束輪廓描畫(profiling)單元的顯示；

圖9示例了可以如何使用輔助透鏡來生成系統(tǒng)的遠心區(qū)域；

圖10示意性地示例了圖6和圖7中示出的光瞳成像系統(tǒng)用以并入若干光瞳的方式；

圖11示意性地示例了用于各個監(jiān)視功能的光束無法到達的區(qū)域的使用；以及

圖12示意性地示例了代替先前描述的透鏡聚焦的發(fā)射器中鏡子聚焦的使用。

具體實施方式

首先參考圖3，提供圖3是為示例能夠用以對光瞳、或光瞳平面以及光瞳成像進行可視化的一種方式，以圖形化地闡明此公開的發(fā)明內(nèi)容部分中給出的其解釋。在圖3中，將透鏡24安置于空間中。通過光瞳25的所有準直光束在圖像平面26上形成圖像斑。例如，準直光束27將被聚焦在成像平面上的點27a上，而準直光束28將在成像平面26上形成聚焦圖像斑28a。

如果將系統(tǒng)設計或建立為處理具有某一曲率半徑的未準直光束，則成像平面將在空間中移動，但是將依然存在。成像平面不必然是平坦的。在此申請中，具有實質(zhì)類似于或稍微大于光束寬度的寬度的光瞳附近的區(qū)域稱之為“光瞳”，以及在光束聚焦處的平面稱之為“成像平面”。

望遠鏡通常具有入射光瞳和出射光瞳，使得通過入射光瞳的光束也將通過出射光瞳。將兩個光瞳安置于空間中，使得一個光瞳是另一個光瞳的光學圖像。

現(xiàn)在參考圖4a，圖4a示意性地示例了常規(guī)的貓眼回復反射器配置30，在光束通過圖4a中處于透鏡32的中心的反轉(zhuǎn)點31的條件下，該常規(guī)的貓眼回復反射器配置30能夠沿著光束的入射路徑將光束回復反射回去。在該回復反射器中，將凹鏡33布置于入射透鏡(entrancelens)32的焦平面處，或更準確地，距入射透鏡焦距處，使得以任何入射角入射的光束由入射透鏡聚焦至凹鏡表面上，將每一個入射角聚焦于鏡子上的不同空間位置處。為了示例反轉(zhuǎn)點的重要性，圖4a中示出了兩個入射光束。來自圖樣的左上區(qū)域的光束35通過透鏡的中心處的反轉(zhuǎn)點31，以垂直入射角撞擊反射器鏡33，并且沿著其自己的入射路徑被反射回去。另一方面，來自圖樣的左下側的光束36在離開反轉(zhuǎn)點的位置處通過透鏡，以非零的入射角撞擊鏡子33，并且在與入射路徑平行但不重合的路徑37上被反射回來。因為通過透鏡的中心處的反轉(zhuǎn)點的來自任何入射角的光線沿著其自己的路徑被回復反射回去，所以此位置表示貓眼的光學系統(tǒng)的光瞳，并且此點將是用于設置激光器腔的增益介質(zhì)的理想位置。然而，此簡單的貓眼回復反射器的使用是受限制的，因為光瞳處于透鏡的中心處，并且從而在那里設置增益介質(zhì)是困難的，除非增益介質(zhì)也用作透鏡，諸如通過將其塑造為透鏡或通過使用在激射期間由增益介質(zhì)生成的熱透鏡化屬性。

因此參考圖4b，圖4b示意性地示例了克服了圖4a的回復反射器中的光瞳的無法到達的問題的遠心回復反射器40。此情況下的反射鏡是平坦的鏡子43，并且如同在圖4a中，其設置于距透鏡42焦距處。現(xiàn)在能夠?qū)⑷鐖D4中標記的光瞳區(qū)域44的光瞳限定在透鏡的輸入側上的等于焦距的距離處，使得通過光瞳的中心的任何入射射線將通常被聚焦于反射器鏡上的根據(jù)該入射射線的入射角的位置處，并且將沿著通過光瞳的中心的其入射路徑被反射回去。圖4b中示出了來自不同入射角的兩個該射線45、46。然而，不像圖4a中示出的設備，光瞳平面47現(xiàn)在物理上處于聚焦透鏡外部，使得能夠無任何物理限制地將諸如增益介質(zhì)或光伏轉(zhuǎn)換器(假定其僅僅部分地吸收)、阻擋重影光束的可變光闌(iris)或輸出耦合器的光學組件安置于該光瞳處。

以上類型的貓眼回復反射器的替代品是不具有反轉(zhuǎn)點但依然能夠?qū)⒐馐貜头瓷渲磷陨砩系幕貜头瓷淦鳌Ｒ粋€該范例是如圖5中示意性地示出的鏡球50。鏡球?qū)θ缬韶Q直進入球鏡的光束52示出的被朝向球51的中心引導的光束進行回復反射和散焦，而如由水平進入球的光束53示出的未被朝向球鏡的中心引導的光束不被回復反射，而是在一些其它方向上被反射離開球并且在過程中被進行了散焦。

現(xiàn)在參考圖6，圖6示意性地示例了根據(jù)此公開中描述的新穎結構特征的一個示范性的實施方式的分布式激光器系統(tǒng)，諸如能夠用于將光學功率從發(fā)射功率源分布至遠程接收器，其能夠使用激射功率來操作便攜式電子設備或?qū)Ρ銛y式電子設備的電池進行充電。該分布式激光器系統(tǒng)的光學設計的一個特性特征是在系統(tǒng)內(nèi)在使得能夠有利地安置應該具有小的橫向尺寸的激射系統(tǒng)的組件或元件的位置處光瞳的安置。從而例如，將增益介質(zhì)放置于光瞳54處，光瞳54為用于內(nèi)部回復反射器55和用于望遠鏡78的內(nèi)部端的共用的光瞳，對于該望遠鏡78，該光瞳起內(nèi)部光瞳的作用。望遠鏡也具有在其外側的外部光瞳，其是發(fā)射器的出射/入射光瞳57，并且與其中設置增益介質(zhì)的內(nèi)部光瞳54的光學圖像的平面重合。從出射/入射發(fā)射器光瞳57起，激射光實質(zhì)上準直地朝向接收器入射/出射光瞳58的中心傳播，并且被從接收器59反射回去，通過此光瞳。因為兩個入射/出射光瞳(57和58)之間的光實質(zhì)上是準直的，所以兩個光瞳57和58彼此實質(zhì)上是光學等效的。接收器和發(fā)射器可以具有其中可以放置光學組件的其它的內(nèi)部光瞳(借助于對以上光瞳的成像)。在該方面，系統(tǒng)光瞳中的每一個光瞳實質(zhì)上設置于其它系統(tǒng)光瞳的圖像平面處。圖6的實施例中示出的望遠鏡典型地在其光學系統(tǒng)中使用了透鏡，但是應當理解的是，也能夠使用任何其它的光學系統(tǒng)，該任何其它的光學系統(tǒng)在共振器中的期望的位置處具有光瞳，使得能夠在那里安置諸如增益介質(zhì)的組件。在下文圖12中示出了使用鏡子的示范性的系統(tǒng)。

現(xiàn)在參考圖7，圖7示意性地示例了圖6中示意性地示出的分布式激光器系統(tǒng)的繪制(rendering)，但是示出了激光器的特定元件的更多的細節(jié)。處于圖樣的頂部的發(fā)射器60含有激光器的增益介質(zhì)61和透鏡63以及后部鏡子62，一起形成諸如在上文描述的任何類型的能夠?qū)⒓ど涔馐貜头瓷浠刂磷陨砩系倪h心貓眼回復反射器。增益介質(zhì)可以有利地為在1064nm處激射的nd：yag。接收器65處于圖樣的底部中，并且含有也應該是將激光束反射回至自身上的回復反射器的部分的輸出耦合器66。這三個組件，即后(back)回復反射器(由透鏡63和后鏡子62構成)、增益介質(zhì)61、以及輸出耦合器回復反射器(由輸出耦合器66和透鏡68構成)從而組成了基本的激射系統(tǒng)。它們的相對于系統(tǒng)中使用的附加的組件的相對位置是當前描述的系統(tǒng)的新穎性的重要元素?！扒粌?nèi)(intracavity)”光束在兩個腔鏡子62、66之間在自由空間64中傳播，自由空間64是將光學能量從發(fā)射器60供給至接收器65的激射光束的傳輸路徑。如關于圖6描述的，望遠鏡78具有兩個光瞳，望遠鏡的內(nèi)部(相對于發(fā)射器)光瞳設置于增益介質(zhì)61處或非常接近增益介質(zhì)61，而外部(出射)光瞳設置于望遠鏡的朝向自由空間傳播區(qū)域64的另一側上。除了在望遠鏡自身外部的這些光瞳，也可以存在對放置其它組件可以有用的望遠鏡的遠心區(qū)域或內(nèi)部光瞳。

在圖7中示出的示范性的實施方式中，發(fā)射器的后部鏡子62包括設置于透鏡63的焦距處的與圖4b中示出的配置相同的平坦的反射器。增益介質(zhì)61安置在此反射器和望遠鏡78的內(nèi)部光瞳兩者的共用的光瞳處，使得將進入通過望遠鏡的光朝向增益介質(zhì)引導，并且然后朝向回復反射器引導，并且返回。在增益介質(zhì)61的后部的鏡子67將光束朝向后回復反射器62反射，使得光束在每一次通過激光器時兩次通過增益介質(zhì)。然而，應當理解的是，不意在將系統(tǒng)限制于此配置，并且增益介質(zhì)也可以具有純粹的透射配置，不具有鏡子67，并且回復反射器直線地設置于增益介質(zhì)61后面。

此實施方式的接收器65的回復反射器包括諸如部分反射鏡的輸出耦合器66，透鏡68設置于距輸出耦合器其焦距處。此組合包括貓眼回復反射器，該貓眼回復反射器確保光束的通過光瞳的中心處且物理上設置于透鏡68的中心處的反轉(zhuǎn)點的該部分沿著其入射路徑被反射回去。激光器腔的性質(zhì)是使得：當可能時，通過光瞳的光束的中心部分將經(jīng)歷有效的激射，而其它的引導的光束將不經(jīng)歷有效的激射，使得光束的中心部分以光束的其它的引導的部分為代價而得到發(fā)展。透鏡68的中心是接收器的光瞳，使得接收器象發(fā)射器一樣獨立于輸入光束(只要其通過光瞳)的入射角操作。通過輸出耦合器的光束的該部分再一次由另一個透鏡69聚焦至將激光束的光學功率轉(zhuǎn)換為電的光伏電池70上。此光伏電池處于距透鏡69焦距的另一個光瞳處，使得其能夠是小的光電二極管。沒有通過當前實施方式使得能夠?qū)崿F(xiàn)的聚焦設施的現(xiàn)有技術分布式腔激光器將需要大得多的橫向尺寸的光伏電池。

以上的描述組成了示范此公開中描述的類型的系統(tǒng)的構件塊(buildingblock)的一個可能的組合。發(fā)射器也可以具有除此結構外的若干其它特征，并且圖7中也示出了這些其它特征。發(fā)射器60還可以包括布置于其入射/出射光瞳57處的阻擋從光學表面反射的大部分重影光束的光束阻擋光圈80。該重影反射的消除增大了系統(tǒng)的安全性。接收器65同樣可以具有具有用于相同目的的光束阻擋器(未示出)的入射光瞳58。為了將內(nèi)部光瞳的位置中繼至外部光束阻擋器平面，要求有處于接收器的入口處的透鏡。實現(xiàn)內(nèi)部光瞳的該圖像也可以通過許多光學設計來實現(xiàn)。

發(fā)射器中的后鏡子(backmirror)62可以是部分地反射的，容許后泄漏的光束通過用于監(jiān)視目的。分束器71容許光束的部分通過，用于監(jiān)視結合發(fā)射器激射的接收器的位置。此感測設備72可以是以簡單的ccd相機的形式，或者象限檢測器或任何類似的位置感測設備。簡單算法的位置檢測路線的使用使得能夠?qū)邮掌鞯臄?shù)目進行計數(shù)，并且使得能夠確定其大致的角度位置。

后泄漏光束的另一部分可以可選地用于檢查光束輪廓，以確定對光束形狀的任何擾動的存在。利用貓眼配置，泄漏的光束是光瞳處的光束的形狀的傅里葉變換。為了檢查光束自身的輪廓，使用透鏡75以將單個光瞳(多個光瞳)成像至其中能夠安置光束輪廓器(profiler)74的平面上是必需的。使用此作為用于確定諸如使用者的身體的部分的阻礙物何時進入了光束路徑的安全特征?，F(xiàn)在參考示例了此設施的圖8。只要光束未受阻礙，光束輪廓就具有如由光束輪廓器74確定的大體圓形的形狀76。在即使小的阻礙物從任何位置進入光束時，其也將在激光模式中引起顯著的退化，使得輸出光束的輪廓將以比阻礙物的物理擾動的大小大許多倍的因子受到擾動。在圖8中示出的范例中，小的阻礙物已經(jīng)進入光束在水平(如由圖樣取向限定的)于光束的點處，并且這導致能夠由光束輪廓器74容易地檢測的明顯地橢圓的光束輪廓77的生成。然后圖像處理算法能夠用于生成對激光器系統(tǒng)的警告或關閉信號，以避免對通過進入光束引起擾動的使用者的潛在損傷。

圖7的望遠鏡78可以用于增大發(fā)射器的視場。另外，可以將偏振器放置于遠心區(qū)域中，以限定由激光器生成的光的偏振。激射光束的偏振方向的限定能夠用于阻止激射通過無意地和意外地插入光束中的與光束以布儒斯特角配向的透明的表面。如果激光束是非偏振的，則盡管以布儒斯特角插入透明的表面的可能性低，但是其依然是存在的危險。然而，如果除了布儒斯特角之外，必須將透明的表面配向為使得光束的偏振方向容許布儒斯特角用作具有預定的偏振的反射器，則此發(fā)生的可能性是無限小的，由此增大了系統(tǒng)的安全性。替代地，可以在發(fā)射器中和或在接收器中在遠心區(qū)域處添加四分之一波片，引起圓偏振或未偏振的光束，因此完全消除布儒斯特角反射風險。作為替代的實施方式，偏振方向能夠用于對特定的接收器進行編碼，每一個偏振方向?qū)l(fā)射器與特定的接收器相連接。

發(fā)射器60中可以包含附加的聚焦透鏡79，以對系統(tǒng)的瑞利長度進行小的補償變化。

現(xiàn)在參考示例了可以如何生成系統(tǒng)的遠心區(qū)域的圖9。以與圖4b中示例的平面鏡貓眼回復反射器類似的方式，如果將透鏡80設置于距系統(tǒng)的光瞳81其焦距處，則其將使光束在其朝向成像平面82的通路中在與軸平行的方向上發(fā)生折射。成像平面82能夠是分布式激光器腔的平面的后部鏡子或者任何其它的平面。其中光束平行于軸傳播的區(qū)域是遠心區(qū)域，在該遠心區(qū)域中設置任何光學組件是可能的，該任何光學組件的性能取決于穿過它的光的方向。以不同角度通過光瞳位置到來的光束將在從圖9中示出的路徑橫向移位但是與圖9中示出的路徑平行的路徑中發(fā)生折射，使得方向敏感的組件將以相同方式光學地處理所有那些光束。盡管圖9的配置將遠心區(qū)域示為平行于系統(tǒng)的光軸，但是如果光瞳與該光軸相偏移，那么遠心區(qū)域中的光束將與光軸成一角度，但是將依然彼此平行，使得將由任何方向敏感的光學組件以同一方式光學地處理光束。該組件能夠包含使用光學有源晶體的倍頻器、偏振器、任何類型的波片、干涉濾波器、或者甚至與獨立的激光器系統(tǒng)相關聯(lián)的附加的激射組件。

現(xiàn)在參考圖10，圖10示意性地示例了圖6和圖7中示出的光瞳成像系統(tǒng)用以并入若干光瞳的方式和光瞳中的每一個光瞳的功能。接收器rx1和rx2各自在其前光圈處具有入射光瞳101、102，這些光瞳的功能是確保將從任何方向傳入的光束引導至接收器回復反射器中。將發(fā)射器tx的外光圈處的可變光闌103設置于入射/出射光瞳處，確保將從任何外部角度通過可變光闌103的光束引導至望遠鏡106中，使得在穿過望遠鏡的透鏡后，它們被聚焦至其中布置了增益介質(zhì)104的望遠鏡的后光瞳上。相同的布置當然適用于從增益介質(zhì)發(fā)射并且通過望遠鏡到達發(fā)射器之外的光。增益介質(zhì)的光瞳位置于是也用作用于發(fā)射器tx的內(nèi)部回復反射器105的光瞳平面。此圖樣從而示例了激射光束如何通過若干順序地設置的光瞳，限定了如下平面：在該平面中，在系統(tǒng)的操作視場內(nèi)來自任何角度的外部傳播的光束聚焦至小的橫向尺寸的區(qū)域中，該平面適合于諸如增益介質(zhì)104、光伏檢測器70、以及接收器或發(fā)射器各自的輸入/出射光圈101、102、103的組件的放置。

現(xiàn)在參考示意性地示例了用于各個監(jiān)視功能的光束無法到達的區(qū)域的使用的圖11。圖7和圖8中已經(jīng)示出了一個該區(qū)域，其中來自腔的后部鏡子62的后泄漏光束的部分用于監(jiān)視光束形狀76、77。另外，發(fā)射器內(nèi)存在可能用于安置諸如光電二極管的用于激射光束的監(jiān)視功能的光束檢測器的區(qū)域，即使檢測器自身不在光束路徑中或不是發(fā)射器的任何選擇的部分。檢測器能夠例如觀察增益介質(zhì)并且通過其中觀測的變化來監(jiān)視激射性能。圖11中示意性地示出了一些該位置，其中各個組件如圖7中標注的。從而，在位置111、112以及113中，敏感的檢測器能夠監(jiān)視增益介質(zhì)中的情況而不用擔心光束將撞擊到檢測器上并且損傷檢測器。從而例如，觀察增益介質(zhì)以不同于激射光束的波長進行熒光發(fā)射的功率水平的檢測器將立即檢測到起因于諸如人的身體部分的對象對外部光束路徑的部分的阻礙的光束功率中的任何變化，并且監(jiān)視信號能夠用于暫時關閉激光器以避免損傷侵入的(intruding)身體部分。作為另一個示范性的使用，檢測器能夠并入濾波器用于觀察來自增益介質(zhì)的處于不同波長的次級激光發(fā)射，該次級激光發(fā)射諸如可以在由于泵浦二極管發(fā)熱而泵浦功率變化時出現(xiàn)，并且監(jiān)視信號用于校正泵浦二極管溫度或電流，以恢復正確的激射條件。熱透鏡化傳感器也可以用于該位置。

已經(jīng)使用用于對激光束進行聚焦的透鏡示出了當前系統(tǒng)的所有以上描述的實施方式?，F(xiàn)在參考示意性地示例了分布式激光器系統(tǒng)的圖12，其中，使用鏡子代替透鏡以限定入射和出射光瞳，使得將以多個不同的角度通過光瞳的光引導至增益介質(zhì)。在圖12中，借助于包括將激射光束引導至增益介質(zhì)125上的一對鏡子123、123的望遠鏡系統(tǒng)對從接收器120回復反射至發(fā)射器121的光束進行聚焦。增益介質(zhì)125最佳地設置于雙鏡子望遠鏡的內(nèi)部端部的光瞳處。

本領域技術人員意識到當前發(fā)明不限于已經(jīng)在上文特定地示出和描述的那些。相反，當前發(fā)明的范圍包含本領域技術人員一旦閱讀了以上的描述就想起的并且不在現(xiàn)有技術中的在上文描述的各個特征的組合和子組合，以及其變動和修改。