專利名稱：基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格來實現(xiàn)光參量振蕩級聯(lián)和頻過程，獲得高功率可見光波段多波長激光輸出的裝置，特別是以鈮酸鋰、鉭酸鋰等超晶格為變頻晶體的全固態(tài)紅綠藍(lán)激光器。
背景技術(shù)：
顯示技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了黑白顯示、彩色顯示、數(shù)字顯示這幾個階段。在彩色時代， 由黑白改變?yōu)椴噬宫F(xiàn)了絢麗多彩的世界。在數(shù)字時代，由標(biāo)清轉(zhuǎn)向高清，從模擬信號源提升為數(shù)字信號源，從中小尺寸屏幕提高到大屏幕。激光顯示是繼前三代顯示技術(shù)后的“第四代”顯示技術(shù)(LDT)，激光顯示是以紅、綠、藍(lán)(RGB)三基色激光為光源的顯示技術(shù)，可以最真實地再現(xiàn)客觀世界豐富、艷麗的色彩。與自然光色域相比較，傳統(tǒng)顯示設(shè)備只能再現(xiàn)人眼所見顏色的30%而目前正在開發(fā)中的激光顯示方式可覆蓋90%，這一巨大的潛力讓我們對激光顯示技術(shù)的未來充滿期待，因此激光顯示被稱為“人類視覺史上的革命”。隨著全固態(tài)激光器技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，體積小、功率高的瓦級以上的RGB DPL(diode pump laser)全固態(tài)激光器被相繼開發(fā)出來，這就為發(fā)展激光視頻顯示奠定了基礎(chǔ)。
激光投影顯示技術(shù)得到了快速發(fā)展。激光投影顯示技術(shù)與傳統(tǒng)的顯示技術(shù)相比有以下幾個優(yōu)勢亮度高、飽和度高、高色純度高、色域大，同時還可以在曲面上投影等，因此將成為下一代大色域全色顯示的主流技術(shù)。激光顯示近期最有可能應(yīng)用的領(lǐng)域包括激光電影放映機(jī)、激光投影機(jī)、激光電視和激光微投等。紅、綠、藍(lán)是自然界的三個基本顏色，任何可見的色彩都可以通過調(diào)節(jié)一定比例的紅、綠、藍(lán)來組成。通常產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色激光源的方法有以下幾種一種是利用多個基波源和多個非線性頻率轉(zhuǎn)換晶體實現(xiàn)倍頻或和頻；另一種是利用多個基波源和一塊非線性頻率轉(zhuǎn)換晶體實現(xiàn)倍頻及和頻過程；第三種是利用一個基波源和一塊非線性頻率變換晶體實現(xiàn)參量及和頻過程。前兩種方案大大增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本，對于獲得結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計靈活，體積小、造價低、簡單易行的全固態(tài)激光器系統(tǒng)，第三種方案更為簡潔。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，它解決了現(xiàn)有的紅綠藍(lán)激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于集成化，且成本較高的問題。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，它包括基波光源，基波光源經(jīng)過衰減器和小孔，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)后聚焦，聚焦后進(jìn)入光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔與反射鏡相配合。
所述的基波光源為脈沖或準(zhǔn)連續(xù)的光源，由泵浦光源發(fā)出，泵浦光源為532nm綠光，重復(fù)頻率為從IHz到150KHz調(diào)諧。
所述聚焦系統(tǒng)為柱透鏡，焦距為300mm。
所述光束諧振腔包括前腔鏡、級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格和后腔鏡，光學(xué)超晶格置于控溫爐中；所述控溫爐的控制精度為0. rc，前腔鏡鍍有多層膜，且前腔鏡為圓形凹面鏡，后腔鏡鍍有多層膜，且后腔鏡為柱形凹面鏡。所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格包括準(zhǔn)周期、非周期、雙周期和級聯(lián)周期；級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料包括同成分LiTa03、同成分LiNb03、化學(xué)計量比LiTa03、化學(xué)計量比 LiNb03、摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體RTP。所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格優(yōu)選公度比雙周期結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格，以提高光學(xué)超晶格極化質(zhì)量，實現(xiàn)高效高功率的紅綠藍(lán)三色激光輸出。所述雙周期結(jié)構(gòu)是由一個周期結(jié)構(gòu)疊加在另外一個的周期上，兩個周期分別標(biāo)為 1和L，1 < L，相應(yīng)的調(diào)制序列分別為f\(x)和f2 (χ)，f\(X)和f2(x)只取+1和-1，代表兩個相反的極化方向，雙周期結(jié)構(gòu)如下
OOOO
tools] f{x)=mfM= Σ g工廣(Gm+G")x = Σ
m ,η=-①m ,η=-①其中雙周期的倒格矢由Gm, n = Gm+Gn = mG^nGL來決定，傅里葉系數(shù)由gm, n = gmgn 來決定^ = 2 π /1和q = 2 π /L是兩個調(diào)制周期的一階倒格矢，整數(shù)m，η是倒格矢的階數(shù)；雙周期結(jié)構(gòu)提供的兩個倒格矢同時匹配兩個非線性變頻過程中的位相失配參量下轉(zhuǎn)換及和頻；參量下轉(zhuǎn)換由532nm綠光下轉(zhuǎn)換至624nm紅光和3604nm紅外閑置光，和頻過程為532nm綠光與3604nm紅外光和頻轉(zhuǎn)換為463. 4nm藍(lán)光，兩個過程的相位失配由雙周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢Gm,n和Gm，,n，補(bǔ)償Ak1 = Wki-Gffljn = OAk2 = Wki-Gfflijn, =0這里kp，kr, ki; kb分別為泵浦綠光，紅光，紅外光和藍(lán)光的波矢。本發(fā)明的有益效果1、本發(fā)明利用抗損傷閾值較高的SLT、SLN、MgO:LiNbO3^ MgOiLiTaO3等晶體，由于晶體的抗損傷閾值大大提高，晶體所承受的最大泵浦光功率也相應(yīng)提高，因此可以獲得更高功率的紅光與藍(lán)光。2、增加光學(xué)超晶格的厚度，以增加泵浦光束的入射面積，從而提高晶體能夠承受的泵浦功率。3、若獲得窄線寬的紅光和藍(lán)光，則在腔中加入FP標(biāo)準(zhǔn)具或光柵等元件。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例顯微鏡下拍攝的公度比雙周期LiTaO3光學(xué)超晶格結(jié)構(gòu)+C面疇形貌圖；圖3為本發(fā)明實施例紅光與藍(lán)光功率隨泵浦光功率的變化曲線；圖4為本發(fā)明實施例藍(lán)光功率隨晶體溫度的變化曲線；圖5為本發(fā)明實施例紅光與藍(lán)光波長隨晶體溫度的變化趨勢；圖6為本發(fā)明實施例經(jīng)過三棱鏡分光后的紅綠藍(lán)三色激光。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明?；诩壜?lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，包括泵浦光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、前腔鏡和后腔鏡構(gòu)成的諧振腔、控溫爐和一片不同結(jié)構(gòu)級聯(lián)的光學(xué)超晶格和濾波系統(tǒng)， 泵浦光源為532nm綠光激光器，級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格作為非線性變頻晶體，置于控溫爐中，級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格和控溫爐均位于諧振腔內(nèi)。級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格作為非線性變頻晶體，用以實現(xiàn)532nm激光頻率下轉(zhuǎn)換至紅光和紅外光，和紅外光與532nm綠光和頻產(chǎn)生藍(lán)光；泵浦光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)入射到諧振腔，經(jīng)級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格后由后腔鏡端輸出紅光和藍(lán)光，與剩余的泵浦綠光組成紅綠藍(lán)三色激光。級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格包括準(zhǔn)周期、非周期、雙周期和級聯(lián)周期。光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料包括同成分Lil~a03、同成分LiNbO3、化學(xué)計量比LiI^aO3、化學(xué)計量比LiNbO3、摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體RTP。進(jìn)一步的，級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格可以設(shè)計為公度比雙周期結(jié)構(gòu)以提高光學(xué)超晶格極化質(zhì)量，實現(xiàn)高效高功率的紅綠藍(lán)三色激光輸出。532nm綠光激光器重復(fù)頻率從IHz到150KHz調(diào)諧，基波光源為脈沖或準(zhǔn)連續(xù)；控溫爐的控制精度為ο. rc ；泵浦光源到諧振腔的光路上依次設(shè)有衰減器、小孔和光束準(zhǔn)直系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)，諧振腔的輸出光路上設(shè)有532nm激光部分反射鏡，該反射鏡對紅光及藍(lán)光具有高透過率。為了提高晶體能承受的入射泵浦光功率，在準(zhǔn)直系統(tǒng)與光學(xué)超晶格之間加入聚焦系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)采用柱透鏡，將準(zhǔn)直之后的泵浦光束經(jīng)過柱透鏡聚焦后以橢圓光斑入射到晶體。光學(xué)諧振腔的前腔鏡采用長焦距圓形凹面鏡，后腔鏡采用柱形凹面鏡，以提高諧振腔的模體積，同時實現(xiàn)諧振腔穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。需要窄線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴(kuò)束透鏡組。本發(fā)明中使用的閑置光單諧振的腔型結(jié)構(gòu)是為了獲得更高效的紅光和藍(lán)光輸出。 閑置光由于是紅外光，所以不參與準(zhǔn)白光的配比，使閑置光在諧振腔內(nèi)發(fā)生共振，可以更有效地輸出紅光和藍(lán)光。本發(fā)明提出了一種基于參量下轉(zhuǎn)換級聯(lián)和頻過程產(chǎn)生紅綠藍(lán)三色激光的方案，這種方案結(jié)構(gòu)上具有靈活的設(shè)計，不僅可以使用級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)，還可以使用準(zhǔn)周期、非周期、 雙周期、特別是公度比雙周期結(jié)構(gòu)來同時實現(xiàn)兩個非線性過程的位相匹配，并且多個結(jié)構(gòu)可以集成在一塊晶片上，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高了系統(tǒng)的集成性。入射泵浦光斑采用柱透鏡聚焦到光學(xué)超晶格以提高晶體承受的泵浦功率，諧振腔采用柱面鏡以增加諧振腔的模體積，有利于獲得高功率高效率的紅綠藍(lán)激光輸出，諧振腔采用對閑置光單諧振，從而使諧振腔工作在穩(wěn)定的高Q值的狀態(tài)，獲得更高效的紅光和藍(lán)光輸出。本發(fā)明采用的泵浦光源為532nm綠光，重復(fù)頻率可以從IHz到150KHz調(diào)諧，因此， 基波光源可以是脈沖的，也可以是準(zhǔn)連續(xù)的，基波光被準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后進(jìn)入諧振腔系統(tǒng)中，諧振腔系統(tǒng)包括前腔鏡、非線性變頻晶體和后腔鏡，晶體置于控溫爐中， 前腔鏡和后腔鏡對泵浦光為高透過率，對其中一支參量光(閑置光)均為高反射率。級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格作為非線性變頻晶體，用以實現(xiàn)532nm激光頻率下轉(zhuǎn)換至紅光和紅外光，和紅外光與綠光和頻產(chǎn)生藍(lán)光。通過調(diào)節(jié)控溫爐的溫度實現(xiàn)對晶體溫度的控制，從而在特定的溫度實現(xiàn)最大功率的藍(lán)光輸出。本發(fā)明適用于泵浦光源為532nm的激光器，泵浦激光可以是連續(xù)的，脈沖的，低重復(fù)頻率或者高重復(fù)頻率。通過設(shè)置不同的諧振腔來滿足不同的應(yīng)用要求，包括平平腔、平凹腔、雙凹腔等。為了提高晶體能承受的入射泵浦光功率，泵浦光可以采用柱透鏡聚焦，以橢圓光斑入射，光學(xué)諧振腔的前腔鏡可以采用長焦距圓形凹面鏡，后腔鏡采用柱形凹面鏡，以提高諧振腔模體積，同時實現(xiàn)穩(wěn)定諧振腔。需要窄線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴(kuò)束透鏡組。本發(fā)明使用光學(xué)超晶格材料的基質(zhì)材料，包括同成分LiTaO3 (CLT)、同成分 LiNbO3(CLN)、化學(xué)計量比LiTaO3(SLT)、化學(xué)計量比LiNbO3(SLN)，摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO 的鉭酸鋰、KTP、RTP等非線性光學(xué)晶體。其中，SLT、SLN晶體相對CLT、CLN晶體具有更高的抗光損傷閾值；摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰晶體能夠工作在室溫下，且無光折變效應(yīng)。 根據(jù)不同晶體材料的折射率色散關(guān)系可以計算出特定光學(xué)超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定紅綠藍(lán)三色激光輸出。本發(fā)明所涉及的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格可以使用不同的結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)周期、雙周期、非周期，級聯(lián)周期等。雙周期結(jié)構(gòu)可以設(shè)計為公度比雙周期，以提高超晶格的極化質(zhì)量， 獲得高效的紅、藍(lán)光輸出。以下將以高重復(fù)頻率532nm激光器為泵浦光源，以公度比雙周期光學(xué)超晶格為非線性變頻晶體，舉例說明如何實現(xiàn)穩(wěn)定高效的紅綠藍(lán)三色激光輸出。下面介紹一下公度比雙周期光學(xué)超晶格的結(jié)構(gòu)設(shè)計。所謂超晶格，就是在鐵電晶體中通過對非線性系數(shù)的周期性調(diào)制，從而提供倒格矢來補(bǔ)償非線性相互作用中因色散帶來的波矢失配，獲得非線性光學(xué)效應(yīng)的有效增強(qiáng)。光學(xué)超晶格的常見結(jié)構(gòu)有周期、準(zhǔn)周期、 雙周期、非周期等。簡單的周期結(jié)構(gòu)只能提供一個獨(dú)立的倒格矢，實現(xiàn)單個光參量過程的位相匹配， 如倍頻、和頻、差頻等。周期結(jié)構(gòu)的倒格矢可以表述如下
廠 2πG = 其中Λ為周期，m為整數(shù)，代表位相匹配的階數(shù)。對于多個參量過程，比如參量下轉(zhuǎn)換然后和頻，必須提供兩個以上倒格矢分別來補(bǔ)償參量下轉(zhuǎn)換及和頻過程中的位相失配，即多重準(zhǔn)位相匹配，這里我們使用公度比雙周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。雙周期結(jié)構(gòu)是由一個周期結(jié)構(gòu)疊加在另外一個較小的周期上，兩個周期分別標(biāo)為 1和L(1 <L)，相應(yīng)的調(diào)制序列分別Sf1(X)和f2 (χ),^ (χ)和f2(x)只取+1和-1，代表兩個相反的極化方向，為了分析波矢空間倒格矢的分布和大小，將&00和f2(x)進(jìn)行傅里葉展開為
權(quán)利要求
1.一種基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，它包括基波光源，基波光源經(jīng)過衰減器( 和小孔(3)，經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)(4)和聚焦系統(tǒng)( 后聚焦，聚焦后進(jìn)入光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔與反射鏡(10)相配合。
2.如權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述的基波光源(1)為脈沖或準(zhǔn)連續(xù)的光源，由泵浦光源發(fā)出，泵浦光源為532nm綠光，重復(fù)頻率為從IHz到150KHz調(diào)諧。
3.如權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述聚焦系統(tǒng)(5)為柱透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述光束諧振腔包括前腔鏡(6)、級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格(8)和后腔鏡(7)，光學(xué)超晶格置于控溫爐(9)中；所述控溫爐(9)的控制精度為0. 1°C，前腔鏡(6)鍍有多層膜，且前腔鏡(6)為圓形凹面鏡，后腔鏡(7)鍍有多層膜，且后腔鏡(7)為柱形凹面鏡。
5.如權(quán)利要求4所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格(8)包括準(zhǔn)周期、非周期、雙周期和級聯(lián)周期；級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格 ⑶的基質(zhì)材料包括同成分LiTa03、同成分LiNbO3、化學(xué)計量比LihO3、化學(xué)計量比LiNb03、 摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體RTP。
6.如權(quán)利要求4或5所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述級聯(lián)結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格優(yōu)選公度比雙周期結(jié)構(gòu)光學(xué)超晶格，以提高光學(xué)超晶格極化質(zhì)量， 實現(xiàn)高效高功率的紅綠藍(lán)三色激光輸出。
7.如權(quán)利要求6所述的基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，其特征是，所述雙周期結(jié)構(gòu)是由一個周期結(jié)構(gòu)疊加在另外一個的周期上，兩個周期分別標(biāo)為1和L，1 < L， 相應(yīng)的調(diào)制序列分別為(χ)和f2(x), f“x)和f2(x)只取+1和-1，代表兩個相反的極化方向，雙周期結(jié)構(gòu)如下OOOO/⑷=/辦)/2⑷=X g工廣(G +G")X = X gm, e_lG‘m,n=-com,n=-co其中雙周期的倒格矢由Gm,n = Gm+Gn = HiGfnG^來決定，其中Gn^P Gn分別是兩調(diào)制周期提供的任意階倒格矢，傅里葉系數(shù)由gm, n = gfflgn來決定^ = 2 π /1和q = 2 π /L是兩個調(diào)制周期的一階倒格矢，m，η是倒格矢的階數(shù)，取值范圍為任意整數(shù)；雙周期結(jié)構(gòu)提供的兩個倒格矢同時匹配兩個非線性變頻過程中的位相失配參量下轉(zhuǎn)換及和頻；參量下轉(zhuǎn)換由532nm綠光下轉(zhuǎn)換至624nm紅光和3604nm紅外閑置光，和頻過程為532nm綠光與3604nm紅外光和頻轉(zhuǎn)換為463. 4nm藍(lán)光，兩個過程的相位失配由雙周期結(jié)構(gòu)提供的不同倒格矢Gm,n和Gm，n，補(bǔ)償Ak1 = Vk^ki-Gllljn = OAk2 = Wki-Gm, ’n, = O這里kp，kr, ki; kb分別為泵浦綠光，紅光，紅外光和藍(lán)光的波矢。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于級聯(lián)光參量過程的高功率紅綠藍(lán)激光器，包括泵浦光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、前腔鏡和后腔鏡構(gòu)成的諧振腔、控溫爐和一片不同結(jié)構(gòu)級聯(lián)的光學(xué)超晶格和濾波系統(tǒng)，泵浦光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)入射到諧振腔，經(jīng)級聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格后由后腔鏡端輸出紅光和藍(lán)光，與剩余的泵浦綠光組成紅綠藍(lán)三色激光。本發(fā)明由于晶體的抗損傷閾值大大提高，晶體所承受的最大泵浦光功率也相應(yīng)提高，因此可以獲得更高功率的紅光與藍(lán)光。增加光學(xué)超晶格的厚度，以增加泵浦光束的入射面積，從而提高晶體能夠承受的泵浦功率。若獲得窄線寬的紅光和藍(lán)光，則在腔中加入FP標(biāo)準(zhǔn)具或光柵等元件。
文檔編號H01S3/16GK102545028SQ201210064358
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者劉杰, 祝世寧, 胡小鵬, 趙麗娜, 趙剛 申請人:山東師范大學(xué)