專利名稱：基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用級聯結構光學超晶格來實現光參量振蕩級聯和頻過程，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紅綠藍激光器。
背景技術：
顯示技術的發展經歷了黑白顯示、彩色顯示、數字顯示這幾個階段。在彩色時代， 由黑白改變為彩色，展現了絢麗多彩的世界。在數字時代，由標清轉向高清，從模擬信號源提升為數字信號源，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后的“第四代”顯示技術(LDT)，激光顯示是以紅、綠、藍(RGB)三基色激光為光源的顯示技術，可以最真實地再現客觀世界豐富、艷麗的色彩。與自然光色域相比較，傳統顯示設備只能再現人眼所見顏色的30%而目前正在開發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”。隨著全固態激光器技術取得突飛猛進的發展，體積小、功率高的瓦級以上的RGB DPL(diode pump laser)全固態激光器被相繼開發出來，這就為發展激光視頻顯示奠定了基礎。
激光投影顯示技術得到了快速發展。激光投影顯示技術與傳統的顯示技術相比有以下幾個優勢亮度高、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。激光顯示近期最有可能應用的領域包括激光電影放映機、激光投影機、激光電視和激光微投等。紅、綠、藍是自然界的三個基本顏色，任何可見的色彩都可以通過調節一定比例的紅、綠、藍來組成。通常產生紅綠藍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換晶體實現倍頻或和頻；另一種是利用多個基波源和一塊非線性頻率轉換晶體實現倍頻及和頻過程；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參量及和頻過程。前兩種方案大大增加了結構的復雜性和成本，對于獲得結構緊湊，設計靈活，體積小、造價低、簡單易行的全固態激光器系統，第三種方案更為簡潔。發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，它解決了現有的紅綠藍激光器結構復雜，不利于集成化，且成本較高的問題。
為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案
一種基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，它包括基波光源，基波光源經過衰減器和小孔，經準直系統和聚焦系統后聚焦，聚焦后進入光學諧振腔，光學諧振腔與反射鏡相配合。
所述的基波光源為脈沖或準連續的光源，由泵浦光源發出，泵浦光源為532nm綠光，重復頻率為從IHz到150KHz調諧。
所述聚焦系統為柱透鏡，焦距為300mm。
所述光束諧振腔包括前腔鏡、級聯結構光學超晶格和后腔鏡，光學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。所述級聯結構光學超晶格包括準周期、非周期、雙周期和級聯周期；級聯結構光學超晶格的基質材料包括同成分LiTa03、同成分LiNb03、化學計量比LiTa03、化學計量比 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。所述級聯結構光學超晶格優選公度比雙周期結構光學超晶格，以提高光學超晶格極化質量，實現高效高功率的紅綠藍三色激光輸出。所述雙周期結構是由一個周期結構疊加在另外一個的周期上，兩個周期分別標為 1和L，1 < L，相應的調制序列分別為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，雙周期結構如下
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，傅里葉系數由gm, n = gmgn 來決定^ = 2 π /1和q = 2 π /L是兩個調制周期的一階倒格矢，整數m，η是倒格矢的階數；雙周期結構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換及和頻；參量下轉換由532nm綠光下轉換至624nm紅光和3604nm紅外閑置光，和頻過程為532nm綠光與3604nm紅外光和頻轉換為463. 4nm藍光，兩個過程的相位失配由雙周期結構提供的倒格矢Gm,n和Gm，,n，補償Ak1 = Wki-Gffljn = OAk2 = Wki-Gfflijn, =0這里kp，kr, ki; kb分別為泵浦綠光，紅光，紅外光和藍光的波矢。本發明的有益效果1、本發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提高，因此可以獲得更高功率的紅光與藍光。2、增加光學超晶格的厚度，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光，則在腔中加入FP標準具或光柵等元件。
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明實施例顯微鏡下拍攝的公度比雙周期LiTaO3光學超晶格結構+C面疇形貌圖；圖3為本發明實施例紅光與藍光功率隨泵浦光功率的變化曲線；圖4為本發明實施例藍光功率隨晶體溫度的變化曲線；圖5為本發明實施例紅光與藍光波長隨晶體溫度的變化趨勢；圖6為本發明實施例經過三棱鏡分光后的紅綠藍三色激光。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，包括泵浦光源、準直系統、聚焦系統、前腔鏡和后腔鏡構成的諧振腔、控溫爐和一片不同結構級聯的光學超晶格和濾波系統， 泵浦光源為532nm綠光激光器，級聯結構的光學超晶格作為非線性變頻晶體，置于控溫爐中，級聯結構的光學超晶格和控溫爐均位于諧振腔內。級聯結構光學超晶格作為非線性變頻晶體，用以實現532nm激光頻率下轉換至紅光和紅外光，和紅外光與532nm綠光和頻產生藍光；泵浦光源發出的光經準直系統、聚焦系統入射到諧振腔，經級聯結構的光學超晶格后由后腔鏡端輸出紅光和藍光，與剩余的泵浦綠光組成紅綠藍三色激光。級聯結構光學超晶格包括準周期、非周期、雙周期和級聯周期。光學超晶格的基質材料包括同成分Lil~a03、同成分LiNbO3、化學計量比LiI^aO3、化學計量比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。進一步的，級聯結構光學超晶格可以設計為公度比雙周期結構以提高光學超晶格極化質量，實現高效高功率的紅綠藍三色激光輸出。532nm綠光激光器重復頻率從IHz到150KHz調諧，基波光源為脈沖或準連續；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有衰減器、小孔和光束準直系統，聚焦系統，諧振腔的輸出光路上設有532nm激光部分反射鏡，該反射鏡對紅光及藍光具有高透過率。為了提高晶體能承受的入射泵浦光功率，在準直系統與光學超晶格之間加入聚焦系統，聚焦系統采用柱透鏡，將準直之后的泵浦光束經過柱透鏡聚焦后以橢圓光斑入射到晶體。光學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，同時實現諧振腔穩定運轉。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束透鏡組。本發明中使用的閑置光單諧振的腔型結構是為了獲得更高效的紅光和藍光輸出。 閑置光由于是紅外光，所以不參與準白光的配比，使閑置光在諧振腔內發生共振，可以更有效地輸出紅光和藍光。本發明提出了一種基于參量下轉換級聯和頻過程產生紅綠藍三色激光的方案，這種方案結構上具有靈活的設計，不僅可以使用級聯周期結構，還可以使用準周期、非周期、 雙周期、特別是公度比雙周期結構來同時實現兩個非線性過程的位相匹配，并且多個結構可以集成在一塊晶片上，使結構更加緊湊，提高了系統的集成性。入射泵浦光斑采用柱透鏡聚焦到光學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定的高Q值的狀態，獲得更高效的紅光和藍光輸出。本發明采用的泵浦光源為532nm綠光，重復頻率可以從IHz到150KHz調諧，因此， 基波光源可以是脈沖的，也可以是準連續的，基波光被準直系統擴束后經過聚焦系統后進入諧振腔系統中，諧振腔系統包括前腔鏡、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。級聯結構光學超晶格作為非線性變頻晶體，用以實現532nm激光頻率下轉換至紅光和紅外光，和紅外光與綠光和頻產生藍光。通過調節控溫爐的溫度實現對晶體溫度的控制，從而在特定的溫度實現最大功率的藍光輸出。本發明適用于泵浦光源為532nm的激光器，泵浦激光可以是連續的，脈沖的，低重復頻率或者高重復頻率。通過設置不同的諧振腔來滿足不同的應用要求，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，同時實現穩定諧振腔。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束透鏡組。本發明使用光學超晶格材料的基質材料，包括同成分LiTaO3 (CLT)、同成分 LiNbO3(CLN)、化學計量比LiTaO3(SLT)、化學計量比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。 根據不同晶體材料的折射率色散關系可以計算出特定光學超晶格的結構參數，從而實現高效穩定紅綠藍三色激光輸出。本發明所涉及的級聯結構的光學超晶格可以使用不同的結構，包括準周期、雙周期、非周期，級聯周期等。雙周期結構可以設計為公度比雙周期，以提高超晶格的極化質量， 獲得高效的紅、藍光輸出。以下將以高重復頻率532nm激光器為泵浦光源，以公度比雙周期光學超晶格為非線性變頻晶體，舉例說明如何實現穩定高效的紅綠藍三色激光輸出。下面介紹一下公度比雙周期光學超晶格的結構設計。所謂超晶格，就是在鐵電晶體中通過對非線性系數的周期性調制，從而提供倒格矢來補償非線性相互作用中因色散帶來的波矢失配，獲得非線性光學效應的有效增強。光學超晶格的常見結構有周期、準周期、 雙周期、非周期等。簡單的周期結構只能提供一個獨立的倒格矢，實現單個光參量過程的位相匹配， 如倍頻、和頻、差頻等。周期結構的倒格矢可以表述如下
廠 2πG = 其中Λ為周期，m為整數，代表位相匹配的階數。對于多個參量過程，比如參量下轉換然后和頻，必須提供兩個以上倒格矢分別來補償參量下轉換及和頻過程中的位相失配，即多重準位相匹配，這里我們使用公度比雙周期結構來實現。雙周期結構是由一個周期結構疊加在另外一個較小的周期上，兩個周期分別標為 1和L(1 <L)，相應的調制序列分別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)進行傅里葉展開為
權利要求
1.一種基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，它包括基波光源，基波光源經過衰減器( 和小孔(3)，經準直系統(4)和聚焦系統( 后聚焦，聚焦后進入光學諧振腔，光學諧振腔與反射鏡(10)相配合。
2.如權利要求1所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述的基波光源(1)為脈沖或準連續的光源，由泵浦光源發出，泵浦光源為532nm綠光，重復頻率為從IHz到150KHz調諧。
3.如權利要求1所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述聚焦系統(5)為柱透鏡。
4.如權利要求1所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述光束諧振腔包括前腔鏡(6)、級聯結構光學超晶格(8)和后腔鏡(7)，光學超晶格置于控溫爐(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.如權利要求4所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述級聯結構光學超晶格(8)包括準周期、非周期、雙周期和級聯周期；級聯結構光學超晶格 ⑶的基質材料包括同成分LiTa03、同成分LiNbO3、化學計量比LihO3、化學計量比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.如權利要求4或5所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述級聯結構光學超晶格優選公度比雙周期結構光學超晶格，以提高光學超晶格極化質量， 實現高效高功率的紅綠藍三色激光輸出。
7.如權利要求6所述的基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，其特征是，所述雙周期結構是由一個周期結構疊加在另外一個的周期上，兩個周期分別標為1和L，1 < L， 相應的調制序列分別為(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，雙周期結構如下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分別是兩調制周期提供的任意階倒格矢，傅里葉系數由gm, n = gfflgn來決定^ = 2 π /1和q = 2 π /L是兩個調制周期的一階倒格矢，m，η是倒格矢的階數，取值范圍為任意整數；雙周期結構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換及和頻；參量下轉換由532nm綠光下轉換至624nm紅光和3604nm紅外閑置光，和頻過程為532nm綠光與3604nm紅外光和頻轉換為463. 4nm藍光，兩個過程的相位失配由雙周期結構提供的不同倒格矢Gm,n和Gm，n，補償Ak1 = Vk^ki-Gllljn = OAk2 = Wki-Gm, ’n, = O這里kp，kr, ki; kb分別為泵浦綠光，紅光，紅外光和藍光的波矢。
全文摘要
本發明公開了基于級聯光參量過程的高功率紅綠藍激光器，包括泵浦光源、準直系統、聚焦系統、前腔鏡和后腔鏡構成的諧振腔、控溫爐和一片不同結構級聯的光學超晶格和濾波系統，泵浦光源發出的光經準直系統、聚焦系統入射到諧振腔，經級聯結構的光學超晶格后由后腔鏡端輸出紅光和藍光，與剩余的泵浦綠光組成紅綠藍三色激光。本發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提高，因此可以獲得更高功率的紅光與藍光。增加光學超晶格的厚度，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光，則在腔中加入FP標準具或光柵等元件。
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 優先權日2012年3月12日
發明者劉杰, 祝世寧, 胡小鵬, 趙麗娜, 趙剛 申請人:山東師范大學