多通道激光器的制作方法

多通道激光器
1.相关申请案的交叉引用
2.本技术案主张2019年8月14日申请的第16/540,514号美国申请案的利益及优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。


背景技术：

3.成像装置在例如医疗保健、导航及安全等的环境中使用。成像系统通常测量无线电波或光波以促进成像。测量由物体散射的光的成像尤其具有挑战性，且寻求改进光学成像的装置、系统及方法的进展以提高速度、提高分辨率、减小大小及/或降低成本。一些成像系统需要高强度光源，且由于激光的特定特征(例如空间及/或时间相干性)，可能需要激光光源。其它环境也可能需要具有特定高功率光要求的高强度激光。
附图说明
4.参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实施例，其中相似参考数字是指贯穿各种视图的相似部分，除非另有指定。
5.图1a说明根据本公开的方面的包含成像模块及激光器组合件的成像装置。
6.图1b说明根据本公开的方面的多个n光学放大器。
7.图2说明根据本公开的方面的包含实例光学分布组合件的实例激光器组合件。
8.图3说明根据本公开的方面的包含实例光学分布组合件的实例激光器组合件。
9.图4说明根据本公开的方面的包含分布光学元件及聚焦光学元件的实例激光器组合件。
10.图5说明根据本公开的方面的包含在光学放大器芯片中的光学放大器的实例一维阵列。
11.图6说明根据本公开的方面的包含多个光学放大器芯片的二维堆叠芯片。
12.图7说明根据本公开的方面的具有被由光学系统产生的分布式光束的光束光点过度照明的输入孔径的实例光学放大器。
13.图8说明根据本公开的方面的成像系统的组件相对于人头部的实例放置。
具体实施方式
14.本文中描述激光器装置及成像装置的实施例。在以下描述中，阐述许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文中所描述的技术可在没有一或多个具体细节的情况下实践，或使用其它方法、组件、材料等来实践。在其它例项中，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。
15.在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，在一或多个实施例中，可以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。
16.本公开大体上将描述在医学环境中对人体组织的环境中的漫射介质进行成像，然而，本公开的内容可应用于医学成像、导航、安全、科学研究或对漫射介质或物体进行成像的其它环境。
17.人体组织对红外光是半透明的，但人体的不同部位(例如皮肤、血液、骨骼)展现不同的吸收及散射系数。研究人员已尝试将红外光的性质用于医学成像目的，但由于大小及成本限制，无法广泛采用。用近红外光照明组织及其它漫射介质以用于成像目的有时被称为漫射光学层析成像(diffuse optical tomography)。在一种漫射光学层析成像技术中，飞行时间(tof)成像理论上可通过测量“弹道”光子(未散射的那些光子)通过组织所需的时间来采用。由于弹道光子到达传感器的速度最快，因此它们受到的阻碍最小(具有最短的光学路径)，且因此可得出一些结论来创建由红外光照明的组织的图像。然而，tof成像通常需要专用硬件(例如皮秒脉冲激光器及单光子检测器)，以有利于在能够以光速成像的传感器上实现超快快门，且系统整体非常昂贵且庞大。tof成像还需要输入为在检测器处使用的光强度的近似10到100倍(或更多)的光强度到身体；因此，输入强度的功效及功率限制以及安全限制会限制tof成像分辨率及实用性。
18.与tof成像对比，本公开的一些实施例可在超声发射器将超声波信号聚焦在特定体素上时用红外照明光照明漫射介质。遇到特定体素的红外照明光可被超声波信号进行波长移位，且因此形成离开漫射介质的波长移位的离开信号。光检测器(例如光电二极管、光电二极管阵列或图像像素阵列)可捕获波长移位的离开信号与具有与波长移位的离开信号相同的波长的红外参考光束之间的干扰信号(例如图像)。波长移位的离开信号与红外参考光束之间的干扰信号可用于测量特定体素的吸收值。在一个实例中，波长移位的离开信号与红外参考光束之间的干扰图案的图像的傅里叶变换产生特定体素的吸收值。当超声发射器光栅扫描到不同体素并产生不同体素的吸收值时，可聚合吸收值以产生漫射介质的二维或三维图像。
19.用于照明例如组织的漫射介质的红外照明光可能具有不容易产生的特定要求。例如，红外照明光具有特定线宽可能是有利的。红外照明光为脉冲激光(而非连续波)可能是有利的，其中在短时间段(例如250ns)内传递高强度脉冲。用于实现高强度激光的实例常规激光器设计包含经由光学放大来放大激光，其中激光沿单个共同光纤传播。这种方法在某些功率阈值下可能会出现问题，因为沿单个光纤传播的高功率激光会遭受受激布里渊(brillouin)散射的影响，这会侵蚀激光的强度。如果使用并行光学放大器来产生高强度激光，那么并行光学放大器的输出经一起耦合到共同激光输出，使得经放大的激光束在相同的经放大的激光束内保持特定的空间及/或时间相干性。然而，本公开的实施例可包含一种激光器装置，其包含用于放大种子激光的多个光学放大器，其中光学放大器的输出不耦合到共同输出。更确切来说，由每一光学放大器发射的相应的经放大的激光被引导到共同目标(例如漫射介质)。在大多数任何其它环境中，将经放大的激光从不同光学放大器的输出单独地发射到共同目标无法实现所期望的光输出特性。然而，在光学成像的环境中，将单独但同步的经放大的激光引导到共同漫射介质可提供满足成像系统的要求(例如高功率、短脉冲、窄线宽)的漫射介质的照明光。将参考图1a到8更详细地描述这些实施例及其它实施例。
20.图1a说明根据本公开的方面的包含成像模块190及激光器组合件101的成像装置。
成像装置100可任选地包含定向超声波发射器115，其经配置以将超声波信号117传递到漫射介质180的给定体素(例如体素183)。激光器组合件101包含种子激光器111、光学分布组合件120、多个光学放大器130及参考光学放大器140。种子激光器111经配置以发射种子红外激光113。例如，种子激光器111可为光纤激光器或半导体激光器。在一些实例中，种子激光器111可具有0.01w与5w之间的功率。种子激光器111可为连续波(cw)激光器或脉冲激光器。光学分布组合件120经配置以接收种子红外激光113并将种子红外激光113分布到光学放大器130的输入。光学放大器130经配置以通过放大由光学分布组合件120分布到光学放大器的种子红外激光来产生经放大的红外激光130。
21.例如，光学放大器130可利用半导体或光纤激光器放大器。在一些实施例中，光学放大器130可为相同的，使得其相应的经放大的红外激光的特性相同或非常相似。在一些实施例中，驱动多个光学放大器中的每一者的电驱动电流是同步的，使得经放大的红外激光135(1)、135(2)
…
135(n)同步。这可有助于确保当经放大的红外激光135照明漫射介质时，光学放大器是相互相位稳定的，使得漫射介质180的照明是由具有相同或几乎相同的特性的光进行的。例如，如果光学放大器不是相互相位稳定的，那么不同的经放大的红外激光135可具有稍微不同的波长或线宽。每一光学放大器130具有范围为1到50瓦的功率。光学放大器130的输出孔径可具有比常规光学放大器更宽的锥度，因为照明漫射介质目标的光135的光束质量可具有非常高(例如超过1,000或甚至数百万)的m2参数(光束质量因子)，同时仍适合作为成像装置100的照明光。相比之下，光纤通信环境中的常规激光器力求接近1的m2。在包含参考光学放大器140的实施例中，参考光学放大器140可具有支持更接近1的m2的输出孔径锥度，使得参考光143可经耦合到光纤145中。
22.光学放大器中的每一者经配置以将其相应的经放大的红外激光135引导到漫射介质180中，以作为红外照明光，从而最终产生红外离开信号153。在一个实施例中，经放大的红外激光135具有1nm或更小的线宽，且具有680nm与1000nm之间的波长。在一个实施例中，经放大的红外激光135具有1nm或更小的线宽，且具有1500nm与1700nm之间的波长。
23.定向超声波发射器115可经配置以将超声波信号117传递到漫射介质180的给定体素(例如体素183)，同时来自多个光学放大器130的经放大的红外激光135照明给定体素。超声波发射器115经配置以将超声波信号117聚焦到三维空间中的点。超声波发射器115可利用相位阵列超声架构。在医学环境中，超声波发射器115可经配置以将超声波信号117聚焦到人体内的体素。例如，体素可能位于大脑、腹部或子宫内。在一些实施例中，超声波信号117是平面波或波的线性组合(正交系统)。
24.经放大的红外激光135在漫射介质180内共同散射(散射未说明)，且经放大的红外激光的部分将通过体素183传播。在图1a中，超声波信号117可经聚焦到表示漫射介质180的小三维段的体素183。通过体素183传播的经放大的红外激光135可被超声波信号117进行波长移位，并作为红外离开信号153离开漫射介质180进入成像模块190。
25.在图1b中，多个光学放大器包含光学放大器130(1)、130(2)
…
130(n)，其中n是整数。在一些实施例中，整数n可为10、16、25、100或更多。也就是说，激光器组合件101可包含10、16、14、100或更多个光学放大器130，其在光学放大器130的输入137处接收种子红外激光113，且多个光学放大器130将发射经放大的激光135以照明漫射介质180。在一些实施例中，每一光学放大器130可包含频率转换器，其经配置以将种子红外激光的第一波长(例如
1550nm)下转换为第二波长(例如775nm)，使得经放大的激光135具有比种子红外激光113的波长更短的波长。
26.图1b说明，在一些实施例中，参考光学放大器140可被包含在激光器组合件101中，且参考光学放大器140可在参考光学放大器140的输出处产生红外参考光143，以提供到成像模块190。在一些实施例中，红外参考光143经由光纤145提供到成像模块190。在一些实施例中，波长移位模块经耦合在参考光学放大器140与成像模块190的输入193之间。在这些实施例中，波长移位模块可使红外参考光143的波长移位，以使其具有与红外离开信号153相同的波长。在一个实施例中，波长移位模块经定位在参考光学放大器140之前。在一个实施例中，波长移位模块包含声光调制器(aom)。在图1b中，光学分布组合件120经配置以将种子红外激光113分布到参考光学放大器140的参考输入147。在一些实施例中，不包含参考光学放大器147，且将种子红外激光113的一部分作为红外参考光提供到输入193(未经放大)。
27.再次参考图1a，成像模块190包含传感器195，其经配置以对由干扰红外离开信号153的红外参考光束157产生的干扰图案进行成像。传感器195可在一些实施例中由a-si(非晶硅)薄膜晶体管实施或在一些实施例中由cmos(互补金属氧化物半导体)图像传感器实施。在一些实施例中，传感器195可包含电荷耦合装置(ccd)。传感器195可为商业可用图像传感器。在一个实施例中，图像传感器具有像素间距为3.45微米的图像像素。在一个实施例中，图像传感器具有像素间距为1.67微米的图像像素。在一个实施例中，图像传感器具有像素间距为1微米或更小的图像像素。图像传感器的像素分辨率可取决于应用而变化。在一个实施例中，图像传感器为1920像素乘1080像素。在一个实施例中，图像传感器为4000万像素或更多。
28.图2说明根据本公开的方面的包含实例光学分布组合件220的实例激光器组合件201。光学分布组合件220包含多个光纤227，其经配置以将种子红外激光113的部分导引到多个光学放大器130。耦合器223可在相应的光纤227之间分割种子红外激光113。在一些实施例中，种子红外激光113在光纤227之间相等地分割。例如，耦合器223可为光纤分离器或衍射光学分离器。在图2中，光纤227(1)将种子红外激光113的第一部分传递到光学放大器130(1)，光纤227(2)将种子红外激光113的第二部分传递到光学放大器130(2)
……
且光纤227(n)将种子红外激光113的第n部分传递到光学放大器130(n)。光纤229可任选地将种子红外激光113的部分提供到参考光学放大器140。
29.图3说明根据本公开的方面的包含实例光学分布组合件320的实例激光器组合件301。实例光学分布组合件320包含光学隔离器323，其经配置以从种子激光器111接收种子红外激光303a。光学隔离器323防止种子激光器111从光隔离器323下游的光学系统的其余部分接收(潜在有害的)光反馈。光学隔离器323可包含线性偏振器、法拉第旋转器、旋转45度的第二线性偏振器，及22.5度的半波片，用以补偿法拉第旋转器的45度旋转。在图3中，任选的准直光学元件321经安置在光学隔离器323与种子激光器111之间，以在种子红外激光传播到光学隔离器323之前将种子红外激光303a准直为经准直的种子红外激光303b。准直光学元件321可为折射或衍射透镜。光303c是已由光学隔离器323隔离并由光学系统325接收的种子红外激光。
30.光学系统325经配置以产生照明光学放大器130的输入的分布式光束。在图3中，分布式光束303d照明光学放大器130(1)的输入，分布式光束303e照明光学放大器130(2)的输
入
…
且分布式光束303f照明光学放大器130(n)的输入。分布式光束中的每一者可具有近似相同的强度。光学系统325可经配置以取决于光学放大器130的输入137的空间定向而产生分布式光束的一维阵列或分布式光束的二维阵列。光学系统325可包含单个全息光学元件，其接收光303c并产生适当数量的分布式光束以照明光学放大器的输入。光学系统325可包含反射镜、反射透镜及/或折射透镜的网络，以产生分布式光束。在一些实施例中，光学系统325包含可产生分布式光束的多个光子集成电路。尽管在图3中未具体说明，但在一些实施例中，光学系统325可产生分布式光束以照明参考光学放大器140的输入147。在一些实施例中，参考光学放大器140接收种子红外激光303，但不从光学系统325接收。例如，参考光学放大器140可从在光学系统325的上游(在光学系统325和种子激光器111之间)接收种子红外激光的光纤接收种子红外激光303的部分。提供到参考光学放大器140的种子红外激光303的强度可不同于提供到光学放大器130的强度。
31.图4说明根据本公开的方面的实例激光器组合件401，其包括具有包含分布光学元件426及聚焦光学元件427的光学系统425的实例光学组合件420。在图4中，分布光学元件426经配置以从光学隔离器323接收光303c并产生分布式光束403d。分布光学元件426可为衍射光学元件，例如全息光学元件或衍射光栅。分布光学元件426可为反射的或(至少部分)透射的。在所说明的实施例中，聚焦光学元件427接收分布式光束403d，并将不信任光束403d作为分布式光束403e、403f及403g聚焦到光学放大器130的输入。分布光学元件426可产生准直或接近准直的分布式光束403d。
32.在一些实施例中，聚焦光学元件427经定位在距离光学放大器130的输入137的(聚焦光学元件427的)近似一个焦距处。在实施例中，聚焦光学元件427经定位在距离光学放大器的输入小于一个焦距的位置处，因此分布式光束被散焦，且分布式光束的光束光点略微过度照明光学放大器的输入的输入孔径。对光学放大器的输入孔径的略微过度照明可能会减轻一些公差限制，因为只要输入孔径经定位使得光束光点照明整个输入孔径，输入孔径就会被分布式光束完全照明。在一个实施例中，聚焦光学元件427经定位在距离光学放大器的输入的多于一个焦距处，因此分布式光束略微过度照明光学放大器的输入的输入孔径。
33.图5说明根据本公开的方面的包含在光学放大器芯片500中的光学放大器530的实例一维阵列。光学放大器530经安置在包含衬底层505及任选的散热层507的共同芯片层503上，所述散热层用以耗散由光学放大器530产生的热。每一光学放大器530包含输入孔径535，但仅具体地说明分别与光学放大器530(1)及530(4)对应的输入孔径535(1)及535(4)。光学放大器530可用作光学放大器130。衬底层505可被图案化。尽管图5中仅说明四个光学放大器，但所属领域的技术人员理解，芯片500中可包含更多或更少的光学放大器。例如，芯片500可包含10或20个光学放大器。芯片500中还可包含有利于驱动光学放大器的电流的导体(未说明)。
34.图6说明根据本公开的方面的包含多个光学放大器芯片500的二维堆叠芯片600。二维堆叠芯片600包含芯片500a、500b、500c及500d，其经布置使得芯片500上的光学放大器的一维阵列共同布置在二维阵列中。在所说明的实施例中，堆叠芯片600包含光学放大器530的4
×
4二维阵列，其中光学放大器的整数n为16。当光学放大器经布置成4
×
4二维阵列时，照明光学放大器的输入孔径的分布式光束也可形成分布式光束的4
×
4二维阵列以照明对应的光学放大器。在一些实施例中，参考光学放大器140可代替二维阵列中的光学放大器
130/530中的一者。堆叠芯片600可包含支撑结构673，以稳定及连接芯片500的芯片层503。支撑结构673也可有利于散热。
35.图7说明具有被由光学系统325或425产生的分布式光束的光束光点703过度照明的输入孔径535的实例光学放大器530。因此，输入孔径535的小空间移位仍将允许输入孔径535接收照明输入孔径的相同量的分布式光束。尽管出于描述的目的而将图5到7中的输入孔径535说明为圆形，但所属领域的技术人员理解，输入孔径可具有促进波导的不同几何形状。
36.参考图4，聚焦光学元件427可沿平移轴428移动，以相对于光学放大器的输入孔径选择性地聚焦及/或散焦分布式光束的光束光点703。以这种方式，选择性地聚焦及散焦分布式光束可控制进入漫射介质180的相应的经放大的红外激光135的光束强度。图4说明包含在光学组合件420中的致动器429，且经配置以沿平移轴428选择性地移动聚焦光学元件427。例如，致动器429可包含微机电系统(mems)装置，其响应于电子控制信号以沿轴428移动聚焦光学元件427。在图3及图4的实例中，所说明的光学组件可通过支撑结构固定在适当位置，使得组合件301及401被视为自由空间光学组合件。
37.图8说明根据本公开的方面的成像系统800的组件相对于人头部805的实例放置。图8是人头部805的俯视图。成像系统800包含光学放大器的输出831、成像模块890，及定向超声波发射器815。成像模块890可包含成像模块190的特征，且超声波发射器815可包含超声波发射器115的特征。图8展示通过光学放大器(未说明)的输出831将经放大的红外激光835引导到头部805中。光学放大器可包含光学放大器130的特征。光纤可用于将光835从芯片(例如500或600)路由到相对于头部805的特定输出位置。在一些实施例中，光学放大器的输出831在空间上定位在头部805上的适当位置，使得每一成像模块890与输出831等距。这可允许每一成像模块890在头部805具有均匀光散射性质以均匀散射光835的理论环境中由光835相等地照明。
38.尽管未说明光835(2)、835(3)及835(n)的光学路径，但经放大的红外激光835(1)通过体素883的实例光学路径在图8中说明。当然，在操作中，光835(1)到体素883的光学路径将不像说明那样直接，因为它将经由随机散射遇到体素883。
39.由光学放大器830(1)(未说明)的输出831(1)输出的经放大的红外激光835(1)在头部805中散射，且部分遇到体素883(1)。光835(2)、835(3)
…
到835(n)也可照明体素883(1)。超声波发射器815中的一或多者可将其超声信号(未说明)聚焦到体素883(1)，体素883(1)产生照明体素883(1)的光835的波长移位的红外离开信号853(1)。成像模块890可捕获由干扰红外参考光束的离开信号853(1)产生的干扰图案的图像，作为体素883(1)对光835的吸收的测量。图8说明成像模块890还可捕获由干扰红外参考光束(例如157)的离开信号853(2)产生的干扰图案的图像，作为体素883(2)对光835的吸收的测量，且成像模块890还可捕获由干扰红外参考光束的离开信号853(3)产生的干扰图案的图像，作为体素883(3)对光835的吸收的测量。
40.科学文献表明，红外光穿透到组织中的深度约为10cm，因此需要多个成像模块890，并可能需要对整个大脑或其它组织进行成像。在一些实施例中，可穿戴帽子可包含系统800，使得系统800可作为可穿戴设备穿戴。其它可穿戴设备也可包含系统800的全部或部分。
41.对本发明的所说明的实施例的上述描述，包含在摘要中描述的内容，并不旨在是穷尽性的或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的具体实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到的，在本发明的范围内各种修改是可能的。
42.可鉴于上述详细描述对本发明进行这些修改。所附权利要求中所使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中所公开的特定实施例。更确切来说，本发明的范围将完全由所附权利要求确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。