专利名称：：基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格激光器的设置方法基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格激光器的设置方法
技术领域：
-本发明涉及一种全固态白光激光器，尤其涉及一种用间歇振荡双波长激光器作为基波源，用级联结构的光学超晶格作为变频晶体实现稳定白光输出的全固态激光器。技术背景-红绿蓝三色光是自然界的三基色，所有颜色的可见光都可以通过红绿蓝以一定的比例混合得到。利用红绿蓝激光来实现全色显示，色彩更丰富，色饱和度更高，可以显示自然界最丰富、最艳丽、最真实的色彩。白光激光器要求输出的红绿蓝三色光的功率能够按照一定的比例配比f而禾!i甩光学超晶格作为变频晶体是实现红绿蓝输出的重要手段。如果激光晶体能够产生1300和1000nm附近的红外双波长输出，那么使用二阶非线性光学效应则可以实现红绿蓝三色输出，相关的工作有2001年，刘照伟等人在SolidStateCommunication上发表了"ASchemetorealizethree-fundamental-colorslaserbasedonquasi-phasematching基于准位相匹配实现三基色激光的设计"的文章，在这篇文章中，用双周期结构实现了532nm泵浦的参量和频过程，两个周期分别为/=11.9//附，丄-8.74/zw,匹配温度设计在25GC。红光和蓝光的输出功率分别为0.38wW和55.6/i『，加上剩余的532nm绿光，构成了红绿蓝三色输出。并参考祝世宁等"准周期超晶格的准位相匹配实现三倍频激光的产生Shi-ningZhu,Yong-yuanZhu,Nai-benMing,"Quasi-Phase-MatchedThird-HarmonicGenerationinaQuasi-PeriodicOpticalSuperlattice"，278，843-846(1997)"。2003年，瘳军等人在AppliedPhysicsLetters上发表了"Simultaneousgenerationofred,greenandbluequasi-continuous-wavecoherentradiationbasedonmultiplequasi-phase-matchedinteractionsfromasingle,aperiodically-poledLiTa"非周期LiTa03超晶格实现准连续红、绿、蓝光的同时输出"的文章。报导了用808nm的半导体激光器作为Nd:YV04的泵浦源，使用一个简单的两腔镜谐振腔产生1342和1064nm的双波长谐振，用非周期超晶格对基波光同时倍频和三倍频得到红绿蓝的同时输出。当泵浦功率为15W时得到15mW的总输出功率。中国专利申请200510038121是本申请人祝世宁等人的"以级联超晶格为变频晶体的高效全固态准白光激光器的设置方法"。该申请采用一块两段不同结构级联的光学超品格作为变频晶体产生准白光输出，由一半导体激光器为泵浦光源，采用双波长激光谐振腔产生双波长激光输出；通过一块置入控温炉中的多通道级联光学超晶格产生一定比例的红绿蓝三色激光，混合成准白光。所用的级联结构光学超晶格，第一段对基波源的两条波长实现准位相匹配倍频，获得红光和绿光；第二段与第一段串联，主要功能是实现1.3um的红外光和红光的和频产生蓝光，第二段通常采用多通道结构来获得高效的蓝光输出并可以调整蓝光和红绿光的比例。该专利只涉及到用级联结构光学超晶格作为双波长激光器的变频晶体来产生准白光输出，并未提到间歇双波长激光器作为基波光源来获得稳定白光输出。中国专利申请200510043830是何京良等人申请的"一种间歇振荡双波长全固态激光器"的专利。作为基波源的双波长激光器通常使用掺NcP+离子的激光晶体的4^2->4111/2和^3/2->4113/2这两条谱线(分别对应于1.0mn禾t31.3um的发射波长)来实现，但是这两条谱线具有共同的上能级，带来了双波长输出的增益竞争，从而输出不稳定。此专利以半导体激光器作为泵浦源，掺N(^+激光晶体两端分别设置光路转换镜和谐振腔后镜，分别包括Q-开光和腔镜的两个相对独立的声光调-Q谐振腔公用掺NcP激光晶体、光路转换镜何谐振腔后镜，Q-开关驱动器通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动两个Q-开关，掺Nc^+激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大。从而消除了双波长竞争带来的激光输出不稳定性。该专利只涉及到一种间歇振荡的双波长激光器，并未涉及到用光学超晶格作为变频晶体来实现高效白光输出。
发明内容本发明的目的是采用半导体泵浦掺Nd"间歇振荡双波长激光器作为基波光源，级联结构光学超晶格作为频率转换晶体，构建高效稳定的全固态白光激光器。本发明的目的可以通过如下方式来实现基于间歇振荡双波长激光技术和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，以掺N(^+的间歇振荡双波长激光器(掺Nd3+激光晶体的发射波长一般在1.3um和1.0um附近，对于确定的晶体Nd:YAG，波长为1319nm和1064nm)作为基波光源，用一块两段不同结构级联的光学超晶格作为非线性晶体产生比例合适的红绿蓝三色激光输出，从而构建高效稳定的白光激光器。级联结构的光学超晶格置于控温炉中，级联结构的光学超晶格共有两段，第一段结构是一个多通道的结构用来实现1.3/zm的倍频和三倍频获得红光和蓝光输出，红蓝光功率比例可以通过选取不同通道和调整晶体温度来实现；第二段结构是周期结构用来实现1.0/zm的准位相匹配倍频获得绿光输出。调节间歇振荡双波长激光器的延时可以调节两条红外光之间的功率比例，从而控制红绿蓝之间的比例。光学超晶格的第一段具有多通道结构，相邻通道之间和频产生蓝光过程的匹配温度相差2度，从而可以通过改变温度和让基波光通过不同通道来获得高效的蓝光输出并可以调节红蓝光之间的比例。超晶格的结构包括准周期、非周期、双周期、周期等，光学超晶格的基质材料包括钽酸锂，铌酸锂(包括同成分、化学计量比以及掺杂晶体)禾口KTP等。基波源是半导体泵浦的间歇振荡双波长激光器，激光介质是掺Nd离子的激光晶体(包括Nd:YAQNd:YV04,Nd:YLF,Nd:GdV04,Nd:YAP等)，以"<13+的4尸3/2->4/13/2和4尸3/2->4/11,2跃迁激发的波长为基波，激光晶体两端分别设置光路转换镜和谐振腔后镜，分别包括Q-开关和腔镜的两个相对独立的声光调Q谐振腔共用掺N^+激光晶体、光路转换镜和谐振腔后镜，Q-开关驱动器通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动Q-开关和Q-开关，掺Nf+激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡方法，实现1.3//附和1.0//的双波长间歇振荡激光输出。双波长采取间歇振荡的方式输出以消除模式竞争带来的输出功率不稳定和模式差的问题，通过准位相匹配方式来实现红绿蓝三色输出，通过调节Q-开关延迟时间来调节两条红外基波光输出功率比例从而控制红蓝绿之间比例，实现高效稳定白光输出的全固态激光器。本发明的有益效果相比于传统的用三块激光晶体、三块非线性晶体来实现红绿蓝，用掺N(P的双波长激光器加光学超晶格，可以实现用一块激光晶体、一块光学超晶格来实现红绿蓝/白光的输出，使得结构更加紧凑，如果输出的三色光功率分别能够达到数瓦，将在激光投影显示方面有很广阔的应用前景。本发明用间歇振荡双波长激光器作为基波光源，消除了模式竞争带来的输出功率不稳定，同时可以通过调节延时来控制两条红外光的功率比例；用二段不同结构级联的光学超晶格作为变频晶体，第一段多通道的准周期结构、双周期，或者非周期来实现1.3;/m的倍频、三倍频得到红蓝光输出，通过选取合适的通道和匹配温度，可以控制红蓝光的功率比例；第二段釆用周期结构来实现倍频绿光输出。这样，我们可以得到稳定的比例恰当的红绿蓝激光，从而实现了高效稳定的全固态白光激光器。图1是本发明结构示意2是用来控制两个Q-开关延迟时间的TTL信号示意图在图l中1064nm前腔镜l、选模小孔2、1064nm声光开关3、偏振片4、光路转换镜5、偏振片6、1319nm声光开关7、选模小孔8、1319nm前腔镜9、1064nm声光驱动器IO、1319nm声光驱动器11、TTL信号控制12、LD侧泵Nd:YAG激光模块13、两路激光腔共有的输出镜14、聚焦透镜15、控温炉16，用来调谐温度，超晶格晶体置于炉内产生高效稳定白光；滤光片17，滤去剩余的红外光以便测量白光功率、分光三棱镜18、输出白光经棱镜分光后成为红绿蓝三色激光19。具体实施例方式1、本发明适用于所有含Nc^激光晶体的4F3/2->4/13/2和4尸3,2->4/11/2两条谱线的间歇振荡双波长激光器作为基波光源，使用光学超晶格实现倍频三倍频红绿蓝/白光的输出。比如Nd:GdV04晶体和Nd:YV04晶体，他们所对应的谱线的发射波长分别为1313和1053nm以及1342和1064nm，用级联结构光学超晶格分别可以实现657、527和438nm的红绿蓝光构成的白光以及671、532和447nm的红绿蓝光构成的白光。根据标准的色度图，用红绿蓝三基色混合成白光，其比例因三基色波长而异。比如当红绿蓝波长分别为660nm、532nm和440nm时，三色光之间的最合适的比例是7.1:1.5:1。2、本发明使用光学超晶格材料的基质材料，包括同成分LiTa03(CLT)、同成分LiNb03(CLN)、化学计量比LiTa03(SLT)、化学计量比LiNb03(SLN)，掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、KTP、RTP、等非线性光学晶体。根据不同晶体材料的折射率色散关系以及不同的激光晶体的发射波长可以计算出特定光学超晶格的结构参数，从而实现高效稳定白光输出。3、本发明所涉及的级联光学超晶格的第一部分可以使用不同的结构，包括准周期、双周期、非周期，周期等。但是要能实现1.3/im谱线的倍频三倍频获得红蓝同时输出，同时要采用多通道结构来获得高效蓝光输出以及调节红蓝功率比例。以下将以半导体泵浦Nd:YAG间歇振荡双波长激光器为基波源，一段五通道准周期结构级联一段周期结构的光学超晶格为变频晶体，举例说明如何实现高效稳定白光输出实验装置如图l所示。基波光源为半导体泵浦Nd:YAG间歇振荡双波长激光器，输出波长为1319和1064nm。激光谐振腔为一Y型腔，两臂分别对1319和1064nm波长输出谐振，但是共享一块LD侧泵的Nd:YAG激光模块。两路谐振腔的声光调Q开关由TTL电平控制，重复频率相同但是开关时间存在一定的延时，这样可以让两种波长间歇振荡输出，激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大，从而消除了因为模式竞争带来的激光输出不稳定和模式变差的问题。由于1064nm的发射截面大约是1319nm发射截面的3.5~5.25倍，所以让1319nm谱线先于1064nm谱线振荡，如图2所示。从图上也可以看出，1319nm的输出功率会随着延时的增加而减小，同时1064nm的输出功率增大。下面介绍一下超晶格的结构设计。总所周知，所谓超晶格，就是在铁电晶体中非线性系数被周期性调制，从而可以提供倒格矢来补偿非线性相互作用中因色散带来的波矢失配。通常的结构有周期、准周期、非周期、双周期等等。周期结构通常用于单个参量过程的频率转换，比如倍频、和频、差频等。周期结构的倒格矢可以表述如下G=m^，其中A为周期，m为整数，代表位相匹配的阶数。A对于多个参量过程、比如三倍频过程产生蓝光，必须提供两个倒格矢分别来补偿倍频和和频过程中的位相失配，这里我们使用准周期结构来实现1319nrn的三倍频。一维准周期结构可以看成二维的四方点阵在一条直线上的投影，常见的准周期结构就是Fibonacci序列，关于准周期结构的详细介绍请见参考文献[l]。准周期结构的倒格矢可以写为<^=2"(+0/1),其中"是平均结构参数，为整数，r-tan0是投影角的正弓玄值。一我们使用级联的准周期和周期超晶格来实现红绿蓝的输出。第一段五通道准周期结构用来实现1319nm的倍频，三倍频得到红蓝的同时输出，采用五通道结构可以获得高效的蓝光输出并可以调节红蓝之间的输出功率比例；第二段周期结构用来实现1064nm倍频得到532nm绿光输出。为了获得最大的有效非线性系数，我们选取准周期结构的(1,1)和(3,4)两个倒格矢来补偿1319nm倍频和1319nm+660nm和频过程中的位相失配。准周期的结构参数"和T可以通过下列方程组得到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>分别为1319nm基波光、660nm倍频光和440nm三倍频光对应的折射率。五个通道用来实现倍频过程产生红光的位相匹配温度都设计在140GC，而蓝光的匹配温度以2GC为间隔在中心温度140QC两边展开，这样可以选择合适的通道来实现高效的蓝光输出并可以调节红蓝输出比例。利用钽酸锂晶体的色散公式来计算折射率"<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中的参数为:爿=4.52845=7.2449xl0—3C=0.2453￡)=-2.3670xl0-2五=7.7690xl0—2^=0.18386(r)=2.6794x10,+273.15)2=1.6234x1(T8(r+273.15)2可以得到五个通道对应的准周期结构参数如下表，其中D,和Z^是两个组元的宽度，/是两个组元z和s中正畴的宽度(一般取正畴的宽度相等)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>同样对于第二段周期结构实现1064nm倍频，取一阶倒格矢，匹配温度140GC，可以得到相应的周期为7.63Um。基波光经透镜F聚焦到级联结构的超晶格内部，超晶格晶体放置在控温炉中以加热到合适的匹配温度，控温精度为0C。通过调整入射光经过合适的通道，以及调节合适的匹配温度和Q-开关延时，可以得到稳定的高效白光输出。出射光经过滤光片滤去红外光后用三棱镜分光，可以得到红绿蓝三色光。权利要求1、基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，其特征是以工作波长在1064nm和1319nm的掺Nd3+的间歇振荡双波长激光器作为基波光源，用一块两段不同结构级联的光学超晶格作为非线性晶体产生比例合适的红绿蓝三色激光输出，构建高效稳定的白光激光器级联结构的光学超晶格置于控温炉中，级联结构的光学超晶格共有两段，第一段结构是一个多通道的结构用来实现1319nm的倍频和三倍频获得660nm红光和440nm蓝光输出，红蓝光功率比例通过选取不同通道和调整晶体温度来实现；第二段结构是周期结构用来实现1064nm的准位相匹配倍频获得532nm绿光输出；调节间歇振荡双波长激光器的延时调节两条红外光之间的功率比例，从而控制红绿蓝之间的比例。2、根据权利要求1所述的基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，其特征是实现三倍频蓝光输出的光学超晶格结构设有五个通道，不同通道对蓝光的匹配温度不同，相邻通道之间的匹配温度相差2度，让入射基波光通过不同的通道获得高效的蓝光输出并调节红蓝之间的输出功率比例。3、根据权利要求1所述的基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，其特征是基波源是半导体泵浦的间歇振荡双波长激光器，激光介质是Nd:YAG,Nd:YV04，Nd:YLF,Nd:GdV04或Nd:YAP，以Nd3+的4《,2—>4/13/2和4F3/2->4/11/2跃迁激发的波长为基波，激光晶体两端分别设置光路转换镜和谐振腔后镜，分别包括Q-开关和腔镜，两个相对独立的声光调Q谐振腔共用掺NcP激光晶体、光路转换镜和谐振腔后镜，Q-开关驱动器通过重复频率相同、开关时间有延迟的两个射频信号分别驱动Q-开关，掺N^+激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡方法，实现1.3/zw和1.0〃w的双波长间歇振荡激光输出。4、根据权利要求3所述的基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，其特征是基波光源为半导体泵浦Nd:YAG间歇振荡双波长激光器，输出波长为1319和1064nm，激光谐振腔为一Y型腔，两臂分别对1319和1064nm波长输出谐振，共享一块LD侧泵的Nd:YAG激光模块，两路谐振腔的声光调Q开关由TTL电平控制，重复频率相同但是声光调Q开关时间存在一定的延时，使两种波长间歇振荡输出，激光晶体每次只参与一种波长的激光振荡放大，使1319mn谱线先于1064nm谱线振荡，1319nm的输出功率随着延时的增加而减小，同时1064nm的输出功率增大。全文摘要基于间歇振荡双波长激光和级联超晶格的全固态白光激光器的设置方法，以掺Nd<sup>3+</sup>的间歇振荡双波长激光器作为基波光源，用一块两段不同结构级联的光学超晶格作为非线性晶体产生比例合适的红绿蓝三色激光输出，构建高效稳定的白光激光器级联结构的光学超晶格置于控温炉中，级联结构的光学超晶格共有两段，第一段结构是一个多通道的结构用来实现1319nm的倍频和三倍频获得660nm红光和440nm蓝光输出；第二段结构是周期结构用来实现1064nm的准位相匹配倍频获得532nm绿光输出；调节间歇振荡双波长激光器的延时调节两条红外光之间的功率比例，从而控制红绿蓝之间的比例。从而控制红绿蓝之间的比例获得准白光输出。文档编号H01S3/109GK101232149SQ20071019101公开日2008年7月30日申请日期2007年12月5日优先权日2007年12月5日发明者何京良,辉刘,祝世宁,胡小鹏,闵乃本申请人:南京大学