專利名稱：激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全固體激光器，尤其是涉及一種激光二極管泵浦摻Nd+Pr的紅綠藍(lán)全固 體激光器。
背景技術(shù)：
近幾年來隨著半導(dǎo)體激光器(LD)技術(shù)的成熟和商業(yè)化，以LD泵浦的全固體激光器 (DPSSLs)無論在技術(shù)層面還是在應(yīng)用水平上都取得重要的進(jìn)展。由于DPSSLs具有結(jié)構(gòu)緊湊、 體積小、電-光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在精密儀器、工業(yè)加工應(yīng)用、激光顯示等領(lǐng)域具有重要的 應(yīng)用前景，特別紅、藍(lán)、綠(R、 G、 B)大功率激光器在即將面市的激光電視中的地位具有至 關(guān)重要的意義(http:〃 laserdtv.com/osram—opto—semiconductors.htm: 2. A.Masters肌d C.Seaton， LASER FOCUS WORLD, Nov. 2006, article 277186)。
經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前RGB三基色激光器取得重大進(jìn)展，其中以美國相干公司的光泵 半導(dǎo)體激光器(OPS) (http:〃www.laserfocusworld.com/articles/277186, A.Masters and C.Seaton, LASER FOCUS WORLD, Nov. 2006， article 277186)、中國中科院長春光機(jī)所創(chuàng)辦的新產(chǎn)業(yè)公 司的固體激光器(DPSSLs)( http:〃www.cnilaser.com)和德國非線性變換激光器(A.Nebel et al.， "19 W RGB solid —state laser source for large frame laser projection displays", Conference Proceedings-Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting(LEOS.IEEE)， 1998， 1: 395-396; A.Nebel， "Process and apparatus for generating at least three light bundles of different wavelength,especially for displaying color images", US6233089, Achim(LDT GmbH&Co丄aser— Display-Technologies KG(Gera，DE)).2001.05.15)為主流，且處于國際領(lǐng)先水平。但是目前三基 色激光器價(jià)格每臺(tái)至少在數(shù)十萬RMB以上，因此，激光電視盡管品質(zhì)優(yōu)秀，至今仍處于樣 品機(jī)階段。
首臺(tái)室溫染料激光泵浦Pn YLiF4脈沖藍(lán)光激光器于1977年在美國海軍實(shí)驗(yàn)室完成 (L.Esterowitz, R.Allen, M.Kruer， F.Bartoli， LS.Goldberg, "Blue Light Emission by a Pr丄iYF4 -Laser Operated at Room Temperature", J. Appl. Phys. 48 (2): 650-652 (1977)); 1998年俄羅斯科學(xué) 院Kaminskii研究組(A.A.Kaminskii et al., "Quasi-cw Pr3,LiYF4 laser with =0.6395 (im and an average output power of 2.3 W"， Quantum Electronics 28 (3) :187-188 (1998))用燈泵產(chǎn)生瓦級(jí)準(zhǔn)
3連續(xù)紅光Pr3+:LiYF4激光；在德國方面，漢堡大學(xué)Huber研究組(T.Danger, T.Sandrock, E.Heumann, G.Huber， and B.Chai, "Pulsed laser action of Pr:GdLiF4 at room temperature", Applied Physics B Vol.57(3): 239-241(1993))于1993年開始用染料激光泵浦Pr:GdLiF4產(chǎn)生G、 R等多 波長脈沖激光，緊接著用Ar+激光泵浦Pr^YA103產(chǎn)生G、 R等多條可見連續(xù)激光(T.Danger, A.Bleckmann, G.Huber, "Stimulated emission and laser action of Pr3+-doped YA103", Applied Physics B, Vol.58(5): 413-420(1994))，他們(E.Osiac, E.Heumann, A.Richter, GHuber, A.Diening, W.Seelert, "Red Pr3+:YLiF4 laser excited by 480 nm optically pumped semiconductor laser", Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO) 2004.. Vol.2, Issue, 16-21 May 2004 Page(s): 2; A.Richter, E.Heumann, E.Osiac, G.Huber, W.Seelert, and A.Diening, "Diode pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol.29: 2638-2670 (2004))于2004年率 先采用藍(lán)光OPS和GaN基LD泵浦Pr3+:YLiF4產(chǎn)生G、 R激光，但是功率僅mW量級(jí)，直到 最近，才達(dá)到lOOmW量級(jí)(R、 G單譜線斜體效率接近50%) (K.Hashimoto， and RKannari， "High-power GaN diode-pumped continuous wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol. 32, No. 17: 2493-2495(2007); A. Richter, E. Heumann, and G. Huber, V. Ostroumov and W. Seelert, "Power scaling of semiconductor laser pumped Praseodymium-lasers", Optics Express Vol. 15(8): 5172-5178(2007))，主要原因是藍(lán)光OPS和GaN基LD的功率只有1.6W和500mW;另一途 徑是美國loser Power Cor; ora"o" (P.W.Binun, T丄.Boyd, M.A.Pessot， et al.， "Pr:YLF， intracavity-pumped， room-temperature upconversion laser", Optics Letters Vol.21(23): 1915-1917(1996))采用上轉(zhuǎn)換技術(shù)產(chǎn)生3.5mW 640 nm的R激光，不過效率僅0.03%。
上述產(chǎn)生的R、 G等激光都是單色的，為了提高輸出功率，必須提高泵浦源激光的功率。 從目前技術(shù)看，OPS由美國相干公司專有，藍(lán)光最大也達(dá)到5 W以上，但是價(jià)格達(dá)10萬美 元以上，而GaN基LD最大功率只有500mW(K.Hashimoto, and F.Kannari, "High-power GaN diode-pumped continuous wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol. 32， No. 17: 2493-2495(2007)),將來數(shù)年內(nèi)難于大幅提高，本申請(qǐng)人在固體激光器研制方面取得突破，成 功研制的波長473nm全固體連續(xù)藍(lán)光激光器，獲得最高1.6W的穩(wěn)定輸出功率，課題組主要 成員賈富強(qiáng)博士與卜軼坤博士在中科院長春光機(jī)所博士論文期間取得大于5W波長456nm和 457nm的穩(wěn)、定功率輸出(F.Q.Jia, Y.K.Bu， et al., 5.3W deep-blue light generation by intra-cavity frequency doubling of Nd: GdV04， Applied Physics B (2006) 83(2): 244-246; Q.H.Xue, Q.Zheng, Y.K.Bu, F.Q.Jia, L.S.Qian, High-power efficient diode-pumped Nd:YVO4/LBO 457nm blue laser w他4.6-W output power, Optics Letters (2006) 31(8): 1070-1072)。而最新研究(鄒玉林，吳敬朋，臧競存等，Pr:GdV04晶體的光譜特性及光譜計(jì)算，中國科技論文在線，2007年09月26日， http:Vwww.paper.edu.cn)表明，Pr:GV04激光晶體在455 nm附近(FWMH=6nm)具有強(qiáng)的吸 收，適合456nm/457nm的DPSSLs泵浦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有的LD泵浦固體激光器僅輸出單一的R、 G、 B激光等不足， 提供一種單一LD泵浦同時(shí)輸出R、 G、 B三基色固體激光的激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激
光器o
本發(fā)明的技術(shù)方案是采用新的腔體和膜系結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明設(shè)有
光纖耦合輸出的808nm連續(xù)激光二極管LD;
耦合光纖Coup,耦合光纖Coup輸入端接808nrn連續(xù)激光二極管LD的光纖耦合輸出端； 平面輸入鏡M0，平面輸入鏡M0的輸入端接耦合光纖Coup的輸出端； 帶溫控裝置的Nd:GV04激光晶體，Nd:GV04激光晶體的輸入端面接平面輸入鏡MO; 倍頻晶體(LBO)，倍頻晶體(LBO)設(shè)于Nd:GV04激光晶體的輸出端； 激光輸出鏡M1，激光輸出鏡M1設(shè)于倍頻晶體(LBO)的后端，作為藍(lán)光的輸出鏡； Pr:GV04激光晶體，Pr:GV04激光晶體設(shè)于激光輸出鏡Ml的輸出端； 激光輸出鏡M2，激光輸出鏡M2設(shè)于Pr:GV04激光晶體的輸入端，作為紅光的輸出鏡； 激光輸出鏡M3，激光輸出鏡M3設(shè)于Pr:GV04激光晶體的輸出端，作為綠光的輸出鏡。 溫控裝置可采用常規(guī)的半導(dǎo)體制冷器，帶溫控裝置的Nd:GV04激光晶體和光學(xué)耦合系
統(tǒng)與其它光學(xué)元件一塊固定在基座上。
平面輸入鏡為808nrn增透(HT)和反射率11>99.5%的912nm、 456nm、 522nm禾卩640nm
高反介質(zhì)膜，直接鍍?cè)贜d:GV04激光晶體的輸入端面，作為激光器的輸入鏡。
本發(fā)明提出以大功率LD泵浦Nd:GV04/LBO 456 nm激光泵浦，采用"Z"型腔結(jié)構(gòu)，使
得R、 G、 B三色激光同時(shí)起振，并分別從三端耦合鏡輸出，實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)同時(shí)輸出的三基
色全固體激光。本發(fā)明的突出效果將在具體實(shí)施方式
中加以進(jìn)一步的說明。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的裝置示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的Nd:GV04激光晶體的輸入端面的膜系理論曲線。在圖3中，橫 坐標(biāo)為波長Wavelength (nm)，縱坐標(biāo)為透射率Transmittance(%)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的Nd:GV04激光晶體的輸出端面的膜系理論曲線。在圖4中，橫 坐標(biāo)為波長Wavelength (證)，縱坐標(biāo)為透射率Transmittance(%)。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例的藍(lán)光B的輸出鏡M1的膜系理論曲線。在圖5中，橫坐標(biāo)為波長 Wavelength (nm)，縱坐標(biāo)為透射率Transmittance(°/o)。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例的紅光R的輸出鏡M2的膜系理論曲線。在圖6中，橫坐標(biāo)為波長 Wavelength (nm),縱坐標(biāo)為透射率Transmittance(%)。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例的綠光G的輸出鏡M3的膜系理論曲線。在圖7中，橫坐標(biāo)為波長 Wavelength (nm)，縱坐標(biāo)為透射率Transmittance(%)。
圖8為本發(fā)明實(shí)施例的激光晶體Pr:GV04雙端面的膜系理論曲線。在圖8中，橫坐標(biāo)為 波長Wavelength (nm)，縱坐標(biāo)為反射率Reflectance (%)。
具體實(shí)施例方式
如圖1、 2所示，本發(fā)明包含三個(gè)部分光學(xué)耦合系統(tǒng)、晶體設(shè)計(jì)與溫控裝置和諧振腔
體設(shè)計(jì)，具體設(shè)有
光纖耦合輸出的808nrn連續(xù)激光二極管LD;
耦合光纖Coup，耦合光纖Coup輸入端接808nrn連續(xù)激光二極管LD的光纖耦合輸出端； 平面輸入鏡M0，平面輸入鏡M0的輸入端接耦合光纖Coup的輸出端； 帶溫控裝置的Nd:GV04激光晶體Cl， Nd:GV04激光晶體Cl的輸入端面接平面輸入鏡
M0;
倍頻晶體(LBO) C2，倍頻晶體(LBO) C2設(shè)于Nd:GVCV激光晶體Cl的輸出端； 激光輸出鏡M1，激光輸出鏡M1設(shè)于倍頻晶體(LBO) C2的后端，作為藍(lán)光的輸出鏡； Pr:GV04激光晶體C3， Pr:GV04激光晶體C3設(shè)于激光輸出鏡Ml的輸出端； 激光輸出鏡M2，激光輸出鏡M2設(shè)于Pr:GV04激光晶體C3的輸入端，作為紅光的輸出
鏡；
激光輸出鏡M3，激光輸出鏡M3設(shè)于Pr:GV04激光晶體的輸出端，作為綠光的輸出鏡。 光纖耦合輸出的808nm連續(xù)激光二極管LD通過耦合系統(tǒng)Coup (通常可由一對(duì)焦距為 10mm組成的耦合透鏡組構(gòu)成，起到對(duì)泵浦光的準(zhǔn)直與聚焦入激光晶體的耦合作用)；帶溫控 裝置的Nd:GV04激光晶體的輸入端面作為平面輸入鏡MO, M0鍍上808nm、 1064nm、 1034nm 處透射率T〉98。/。的增透(HT)和912nm處高反射率(HR)R〉99.5。/。的介質(zhì)膜，其理論設(shè)計(jì)曲線如 圖3所示；Nd:GVO4激光晶體的輸出端面鍍上456nm、522nm和640nm高反R〉99.5n/。，912nm、 1064nm、 1034nm處透射率7>98%的增透HT介質(zhì)膜，其理論設(shè)計(jì)曲線如圖4所示；激光輸出鏡Ml放置于Nd:GV04激光晶體的輸出端，作為藍(lán)光B的輸出鏡。激光輸出鏡M1:鍍1064nm、 1034nm高透(1>60%)和456nm部分透射，同時(shí)912nm、 640nm、 522nm高反(R>99.5%)介質(zhì)膜，其理論設(shè)計(jì)曲線如圖5所示，這里456nm部分透 射率設(shè)定為T=20%。激光輸出鏡M2:鍍640nm部分透射(設(shè)T=10%)，同時(shí)912nm、 456nm、 522nm高反 (R>99.5%)介質(zhì)膜，起到藍(lán)、綠光后鏡和紅光輸出鏡的雙重作用，其理論設(shè)計(jì)曲線如圖6 所示。激光輸出鏡M3:鍍522nm部分透射(設(shè)T=10%)，同時(shí)912nm、 456nm、 640nm高反 (R>99.5%)介質(zhì)膜，起到藍(lán)、紅光后鏡和綠光輸出鏡的雙重作用，其理論設(shè)計(jì)曲線如圖7 所示。倍頻晶體LBO鍍上商業(yè)化的寬帶增透介質(zhì)膜。激光晶體Pr:GV04鍍上選擇波段增透介質(zhì)膜456nm、 522nm、 640nm處透射率T> 99.8%，912nrn處T>99.9°/。，其理論設(shè)計(jì)曲線如圖8所示。在本發(fā)明中，為了提高三基色RGB激光輸出功率與光束質(zhì)量等特性，可作以下設(shè)計(jì) 膜系設(shè)計(jì)根據(jù)已知的偏振光譜性質(zhì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)LD泵浦Nd:GV04/LBO產(chǎn)生基波912 nm及其倍頻456 nm的腔體結(jié)構(gòu)、晶體參數(shù)和膜系，提高456 nm藍(lán)光激光的輸出功率水平；同時(shí)，根據(jù)不同的三基色激光產(chǎn)生的方案，設(shè)計(jì)摻鐠激光晶體B、 G、 R線偏振激光的腔體與相應(yīng)的膜系參數(shù)。腔體設(shè)計(jì)選擇合適的腔體結(jié)構(gòu)，利用相應(yīng)的諧振腔原理對(duì)腔長和泵浦光的耦合輸入系 統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，確定激光晶體的位置，保證晶體對(duì)泵浦光的吸收達(dá)到最佳；同時(shí)考慮輸出 耦合鏡的曲率半徑和鍍膜，盡可能減小腔內(nèi)的損耗，獲得較好的光束質(zhì)量。激光研究首先采用線性腔結(jié)構(gòu)，以大功率LD泵浦Nd:GV04/LB0 456nm激光泵浦， 產(chǎn)生520 nm、 640 nm四能級(jí)偏振激光；其次，采用"Z"型腔結(jié)構(gòu)，特殊地設(shè)計(jì)膜系，同時(shí)輸 出B、 G或B、 R雙色激光，使各條譜線激光輸出功率均大于1W;最后，釆用"Z"型腔結(jié)構(gòu)， 使得R、 G、 B三色激光同時(shí)起振，并分別從三端耦合鏡輸出，實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)同時(shí)輸出的三 基色全固體激光。本發(fā)明同樣適合于以大功率LD泵浦Nd:YV04/LBO 457nm激光泵浦，采用"Z"型腔結(jié)構(gòu)， 使得R、 G、 B三色激光同時(shí)起振，并分別從三端耦合鏡輸出，實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)同時(shí)輸出的三 基色全固體激光。
權(quán)利要求
1. 激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器，其特征在于設(shè)有光纖耦合輸出的808nm連續(xù)激光二極管；耦合光纖，耦合光纖輸入端接808nm連續(xù)激光二極管的光纖耦合輸出端；平面輸入鏡，平面輸入鏡的輸入端接耦合光纖的輸出端；帶溫控裝置的NdGVO4激光晶體，NdGVO4激光晶體的輸入端面接平面輸入鏡；倍頻晶體，倍頻晶體設(shè)于NdGVO4激光晶體的輸出端；激光輸出鏡M1，激光輸出鏡M1設(shè)于倍頻晶體的后端，作為藍(lán)光的輸出鏡；PrGVO4激光晶體，PrGVO4激光晶體設(shè)于激光輸出鏡M1的輸出端；激光輸出鏡M2，激光輸出鏡M2設(shè)于PrGVO4激光晶體的輸入端，作為紅光的輸出鏡；激光輸出鏡M3，激光輸出鏡M3設(shè)于PrGVO4激光晶體的輸出端，作為綠光的輸出鏡。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器，其特征在于溫控裝置為 半導(dǎo)體制冷器。
3. 如權(quán)利要求1所述的激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器，其特征在于平面輸入鏡 為808nm增透和反射率R〉99.5y。的912nm、 456nm、 522nm和640nm高反介質(zhì)膜，直接鍍?cè)?Nd:GV04激光晶體的輸入端面，作為激光器的輸入鏡。
全文摘要
激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器，涉及一種全固體激光器。提供一種單一LD泵浦同時(shí)輸出R、G、B三基色固體激光的激光二極管泵浦紅綠藍(lán)全固體激光器。設(shè)光纖耦合輸出的808nm連續(xù)激光二極管、耦合光纖、平面輸入鏡、Nd:GVO₄激光晶體、倍頻晶體、激光輸出鏡M1、Pr:GVO₄激光晶體、激光輸出鏡M2和激光輸出鏡M3；耦合光纖輸入端接808nm連續(xù)激光二極管的光纖耦合輸出端；平面輸入鏡輸入端接耦合光纖；Nd:GVO₄激光晶體輸入端面接平面輸入鏡；倍頻晶體設(shè)于Nd:GVO₄激光晶體輸出端；M1設(shè)于倍頻晶體后端；Pr:GVO₄激光晶體設(shè)于M1輸出端；M2和M3分別設(shè)于Pr:GVO₄激光晶體輸入、輸出端。
文檔編號(hào)H01S3/23GK101533989SQ200910111549
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月21日
發(fā)明者卜軼坤, 斌 徐, 蔡志平, 許惠英, 賈富強(qiáng), 棟 魏 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)