专利名称：二极管泵浦掺镱激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频率转换激光源，并且，更具体地讲，涉及一种被构造用于改进发射稳定性的二极管泵浦激光器。
发明内容
提供了二极管泵浦的掺镱玻璃激光器或掺镱玻璃陶瓷激光器。根据本发明的一个实施例，提供了一种包括光泵、玻璃或玻璃陶瓷增益介质、波长转换器件和输出滤波器的激光源。增益介质包括掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷增益介质，并通过包括最大吸收峰和次大吸收峰的吸收光谱来表征，最大吸收峰和次大吸收峰各自沿着增益介质的吸收光谱的不同波长部分设置。光泵和增益介质被构造成使得泵浦波长λ与增益介质的次大吸收峰比与增益介质的最大吸收峰更精密地对准。
当结合以下附图阅读时，能够最好地理解本发明的特定实施例的以下详细描述，附图中用相似的附图标记来指示相似的结构，并且其中图I和2示出了根据本发明的不同类型的频率转换激光源的各个方面；以及图3示出了根据本发明的一个实施例的增益介质的吸收光谱。
具体实施例方式首先参见图1，提供了光泵浦激光源100，该激光源100包括被构造成产生通过泵浦波长λ表征的光泵浦光束的光泵10、耦合光学器件15、玻璃或玻璃陶瓷增益介质20、波长转换器件30和输出滤波器40。如图I中所示出的，玻璃或玻璃陶瓷增益介质20沿着从光泵10向下游延伸到输出滤波器40的光路径设置在输出滤波器40的上游，该滤波器40通常被构造为带有集成IR滤波器的外部镜，但可以仅包括没有任何显著滤波特性的输出 窗口或输出孔。如图3中所示出的，增益介质20包括掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷增益介质，并通过包括最大吸收峰A和次大吸收峰B的吸收光谱来表征，每个吸收峰沿着增益介质20的吸收光谱的不同波长部分设置。次大吸收峰B在图3中示出为具有大约50nm的“近峰”带宽B'相比之下，最大吸收峰A具有窄得多的近峰带宽A%S卩，远小于10nm。在实施本发明的各种实施例过程中，出于下面详细讨论的原因，考虑到“近峰”带宽应理解为在比最大光吸收峰小约5dB/m处的峰值的带宽，可以设想，次大吸收峰B应该限定至少约20nm的近峰带宽B'应当指出，本文提出上述带宽值是为了有助于量化最大吸收峰A和次大吸收峰B之间的差值。带宽值作为用于实现本发明的概念的指引被引入，并且不应解释为绝对表示，其可因实施例不同而变化，并且通常将取决于多种参数。虽然根据常规实践这样做将是违反直觉的，但是光泵10和增益介质20被构造成使得泵浦波长λ与更低效率的次大吸收峰B比与更高光谱效率的最大吸收峰A更精密地对准。结果，使用增益介质20且被构造用于在主发射波长λ*下的固态光泵浦激光器发射的光泵浦激光源100，将很适合在更宽的操作温度范围内稳定操作，因为次大吸收峰B的近峰吸收带宽B*比最大吸收峰A的近峰吸收带宽k*宽得多。本发明人已经认识到，这种操作模式尤其非常适合泵浦波长λ随操作温度显著漂移的应用，如较不复杂的相对便宜的激光器的情况那样。本发明人还认识到，可归结于与次大吸收峰B对准的任何效率损失可通过由消除对复杂的温度稳定方案的需求而获得的效率来至少部分地补偿。在本发明的特定实施例中，泵浦波长λ被选择，使得它在光泵的整个操作波长漂移范围内被限制到次大吸收峰B的近峰带宽B'替代地或另外地，增益介质20可被构造成使得次大吸收峰B的近峰带宽B*大于光泵10的操作波长漂移。为了描述和限定本发明，应当指出，光泵10的“操作波长漂移”涵盖这样的范围，在该范围内光泵10的发射波长在正常操作使用下漂移，不包括在显示的图像中持续时间长度不足以被肉眼觉察的不显著的波长尖峰或其它波长偏尚。熟悉波长转换器件在频率转换激光源中的使用的技术人员应当理解，波长转换器件30由QPM波长转换带宽来表征，在该带宽内，主发射波长λ*被转换为频率转换的输出波长。在实施本发明的概念中，优选的是确保主发射波长λ*落入波长转换器件30的QPM带宽内。虽然多种波长调谐和校准方案将适合实施本发明的概念，但可以设想，光泵10和增益介质20可被构造成使得泵浦波长λ落入次大吸收峰B内并且落在最大吸收峰A外，如图3所示。更具体地讲，泵浦波长λ被限制到次大吸收峰B的近峰带宽B*。在其它情况下，确保泵浦波长λ落入次大吸收峰B的20nm峰值吸收内可能已足够。在其它情况下，可能优选的是，确保次大吸收峰B的近峰带宽B*足够宽，以适应变化±10nm的泵浦波长λ。通过使用合适的可调谐或固定波长激光器二极管光泵10，掺镱玻璃和掺镱玻璃陶瓷增益介质特别适合满足这些标准。应当指出，本文提出上述波长值是为了有助于量化泵浦波长入。波长值和范围作为用于实现本发明的概念的指引被引入，并且不应解释为绝对表示，其可从实施例到实施例变化，并且通常将取决于多种参数。增益介质20的输入表面22 (即，面向光泵10的表面)可被构造成在泵浦波长入下抗反射(AR)并且在主发射波长λ*下高反射(HR)。优选地，虽然不是实施本发明所必需的，但反射率限定了与波长转换器件30的可接受带宽相符的狭窄带。本发明人已经认识到，掺镱玻璃或玻璃陶瓷比诸如YAG或钒酸盐的晶体更适合提供具有成型表面的增益介质，因为玻璃或玻璃陶瓷更容易磨削或浇铸成非平坦形状。因此，可以设想，增益介质的输出表面24可通过合适的磨削或浇铸构造成非球面形状，以将主要的发射光束在激光源100中聚焦在所选焦点处。本发明人也已经认识到，掺镱玻璃或玻 璃陶瓷很适合加入渐变折射率分布，因为掺杂物可在玻璃沉积时，例如在CVD (化学气相沉积)操作期间被引入。相比之下，在常规的晶体生长技术中不可能获得渐变折射率。因此，如图2所示意性地示出的，增益介质的输出区域可替代地包括横向渐变折射率分布26，以有助于将主要的发射光束在激光源100中聚焦在所选焦点处。在任一种情况下，非球面表面或渐变折射率可用于投射来自光泵10的准直光束并将其聚焦在位于由增益介质20形成的透镜的焦点处的外部镜上。本发明人已经认识到，过量的受激发原子倾向于自发地辐射并且通常无助于激光束。此外，如果在激光器的光轴附近存在数量不足的、限制在激光腔的基本模式中可达到的最大功率的受激发原子，则在激光腔的基本激光器模式中达到的最大功率可被限制。为了应对这些操作上的挑战，可以设想，可以渐变方式将掺杂材料引入以使掺杂浓度与激光腔模式强度分布相匹配。这种类型的掺杂分布可在激光源中提高效率，因为在操作中，更多受激发原子将接近光传播轴，在光传播轴上激光腔模式强度通常是最高的。这样的一个其它有利副作用是渐变的掺杂浓度优选基本激光腔模式并有助于保持激光器在单一空间模式下的操作。这是在其中需要高空间相干性的应用所需要的，如在激光扫描投影仪的情况中 那样。虽然增益介质20可在本发明的范围内采用多种形式并限定多种操作特征，但在图3所示实施例中和许多其它设想情况中，次大吸收峰B的峰值吸收将比最大吸收峰A的峰值吸收小至少约30db/m。此外，次大吸收峰B的近峰带宽通常将比最大吸收峰A的近峰带宽大至少约3倍。应当指出，本文提出上述吸收值是为了有助于量化最大吸收峰A和次大吸收峰B之间的相对关系。该值作为用于实现本发明的概念的指引被引入，并且不应解释为绝对表示，其可因实施例不同而变化，并且通常将取决于多种参数。例如，虽然下面的数量是估计并且将因情况不同而变化，但是可以设想，掺镱玻璃和掺镱玻璃陶瓷增益介质可被构造成使得次大吸收峰B的峰值吸收将比最大吸收峰A的峰值吸收小约20db/m至约70db/m,同时次大吸收峰B的近峰带宽B*比最大吸收峰A的近峰带宽A*大约两倍至约二十倍。在又一设想的实施例中，次大吸收峰B的近峰带宽B*将大于约30nm或在约30nm和约60nm之间。在示例性实施例中，泵浦波长λ为约914nm，并且主发射波长λ*为约1030nm。这些特定的波长在两个方面是有利的。首先，泵浦波长λ和主发射波长λ*的相对紧密的接近表示相对高的泵浦吸收效率，特别是在与使用掺钕(Nd)增益介质的光泵浦激光器相比时。这种激光器需要约800nm的泵浦波长和约1064nm的发射波长。其次，1030nm辐射的频率翻倍的波长是515nm，这对于投影显示是极好的选择，因为它导致更好的颜色深度。在广义上，可以设想，通过将光泵10和增益介质20构造成使得主发射波长λ *在约1020nm和约1060nm之间并且泵浦波长λ为约900nm以上，可以保持上述优点。更具体地讲，可以设想，泵浦波长λ可确定在约910nm和约925nm之间，而主发射波长λ *则在约1025nm和约1045nm之间。在许多情况中，有益的是确保主发射波长λ *比泵浦波长λ长不超过约200nm，以最小化增益介质中的能量损失。如图I中所示出的，通过确保输出滤波器40在主发射波长λ*下是高反射的或吸收的，并且在频率转换的输出波长λ 72下是抗反射的，可进一步提高光学效率。相似地，如图I中所示出的，波长转换器件30的输入表面32和输出表面34可被构造成在主发射波长λ*下是抗反射的。或者，如在图2中所示出的，波长转换器件30的输入表面32可被构造成在主发射波长λ *下是抗反射的，而波长转换器件30的输出表面34则被构造成在主发射波长λ*下是高反射的。在图2中，波长转换器件30的输入表面32被构造成在主发射波长λ*下是抗反射的并且在泵浦波长λ下是高反射的以回收来自光泵10的未吸收的辐射。如实施本发明的概念的人员将会理解的，波长转换器件30的输入表面32可涂有在频率转换输出波长λ */2下的AR或HR涂层，这取决于是否想要回收频率转换的光或在主发射波长λ*下向上游传播的光。出于描述和限定本发明的目的，应当指出，抗反射(AR)涂层被构造用于透射在指定波长下的光信号的至少约95%的强度。相似地，高反射(HR)涂层被构造用于反射在指定波长下的光信号的至少约95%的强度。AR和HR部件可以多种形式呈现为一个或多个光学部件。例如，AR和HR部件可包括作为在器件 的输入或输出表面上直接沉积的涂层形成的
二向色镜。尽管未示出，但可以设想，激光源100可包括沿光路径设置的一个或多个耦合透镜，或者可通过常规或尚待开发的邻近耦合技术光耦合。已经详细地参照其特定实施例描述了本发明的主题，但应当指出，本文中公开的各种细节不应被视为暗示了这些细节涉及作为本文所述各种实施例的必要组成的要素，即使某些要素在本说明书附图的每一个中都被示出。相反，所附权利要求书应当视为本发明的广度和本文描述的各个发明的相应范围的唯一表不。此外，显然可在不脱离所附权利要求书中限定的本发明范围的情形下作出各种修改与变型。更具体地讲，尽管本发明的某些方面在本文中表示为优选的或尤为有利地，但可以设想，本发明不一定局限于这些方面。例如，虽然本文经常提及波长转换绿光激光器，其中使用诸如周期性极化铌酸锂(PPLN)SHG晶体的二阶或更高阶波长转换器件将基本激光信号转换为较短波长的信号，但是本发明的各种概念不限于在光谱的任何特定部分中操作的激光器。应当指出，本文中将本发明的部件引述为以特定方式被“构造”用于表现特定属性，或以特定方式发挥功能，这些都是结构性引述而不是对预期用途的引述。更具体地讲，本文中对部件被“构造”的方式的引用表示部件的已有物理状态，因而应理解为对部件结构特征的有限引述。应当指出，当本文中用到类似“优选地”、“普通地”和“通常”的术语时，它们不用来限定受权利要求保护的本发明的范围或暗示某些特征对于受权利要求保护的本发明的结构或功能来说是关键的、必要的或者非常重要的。相反，这些术语仅旨在标识本发明的实施例的特定方面或强调在本发明的特定实施例中可采用或不可采用的替代或附加特征。为了描述和限定本发明，应当指出，术语“约”在本文中用来表示可能归因于任何定量比较、值、测量或其它表示的固有不确定度。术语“约”在本文中也用来表示定量表示可偏离于所宣告的基准而不导致所讨论主题的基本功能改变的程度。应当指出，以下权利要求中的一个或多个采用术语“其中”作为过渡词。为了限定本发明，应当指出，该术语作为开放式过渡词引入到权利要求中，以用来引入一系列结构特征的表述并应当以与更常用的开放式术语“包括”相似的方式解释。
权利要求
1.ー种激光源，所述激光源包括光泵、玻璃或玻璃陶瓷增益介质、波长转换器件和输出滤波器，其中 所述光泵被构造成产生由泵浦波长λ表征的光泵浦光束； 所述玻璃或玻璃陶瓷增益介质沿着从所述光泵向下游延伸到所述输出滤波器的光路径设置在所述输出滤波器的上游； 所述增益介质包括掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷增益介质； 所述增益介质通过包括最大吸收峰和次大吸收峰的吸收光谱来表征，所述最大吸收峰和所述次大吸收峰各自沿着所述增益介质的所述吸收光谱的不同波长部分设置； 所述次大吸收峰通过至少约20nm的近峰带宽来表征； 所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ与所述增益介质的所述次大吸收峰比与所述增益介质的所述最大吸收峰更精密地对准； 当在所述泵浦波长λ下被光泵浦时，所述增益介质被构造用于在所述泵浦波长λ下光泵浦的条件下在主发射波长λ*下的固态光泵浦激光器发射；并且 所述波长转换器件由QPM波长转换带宽来表征，在所述QPM波长转换带宽内，所述主发射波长λ *被转换为频率转换的输出波长；并且 所述主发射波长λ *落入所述波长转换器件的所述QPM带宽内。
2.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ被限制到所述次大吸收峰的所述近峰带宽。
3.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ落入所述次大吸收峰的20nm的峰值吸收内。
4.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述次大吸收峰的所述近峰带宽足够宽以适应变化±10nm的泵浦波长λ。
5.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质被构造成使得 所述次大吸收峰的峰值吸收比所述最大吸收峰的峰值吸收小至少约30db/m ;并且 所述次大吸收峰的所述近峰带宽比所述最大吸收峰的所述近峰带宽大至少约三倍。
6.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质被构造成使得 所述次大吸收峰的峰值吸收比所述最大吸收峰的峰值吸收小约20db/m至约70db/m ；并且 所述次大吸收峰的所述近峰带宽比所述最大吸收峰的所述近峰带宽大约两倍至约二十倍。
7.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质被构造成使得所述次大吸收峰的所述近峰带宽大于约30nm。
8.根据权利要求I所述的激光源，其中 所述光泵通过操作波长漂移来表征；并且 所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ在所述光泵的整个操作波长漂移范围内被限制到所述次大吸收峰的所述近峰带宽。
9.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得 所述光泵通过操作波长漂移来表征；并且 所述次大吸收峰的所述近峰带宽大于所述光泵的所述操作波长漂移。
10.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质被构造成使得所述主发射波长λ *在约1020nm和约1060nm之间。
11.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ为约900nm以上并且所述主发射波长λ *在约1020nm和约1060nm之间。
12.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ在约910nm和约925nm之间并且所述主发射波长λ *在约1025nm和约1045nm之间。
13.根据权利要求I所述的激光源，其中所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述主发射波长λ*比所述泵浦波长λ长不超过约200nm，以最小化所述增益介质中的能量损失。
14.根据权利要求I所述的激光源，其中· 面向所述光泵的所述增益介质的输入表面被构造成在所述泵浦波长λ下抗反射并且在所述主发射波长λ*下高反射；并且 所述增益介质的输出表面被构造成在所述主发射波长λ *下抗反射并且在所述泵浦波长λ下高反射以回收来自所述光泵的未吸收的辐射。
15.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质的输出表面被构造成非球面形状，所述非球面形状用来在所述激光源中将主要的发射光束聚焦在所选焦点处。
16.根据权利要求I所述的激光源，其中 所述输出滤波器被构造成在所述主发射波长λ *下高反射或吸收并且在所述频率转换的输出波长下抗反射；并且 所述波长转换器件的输入和输出表面被构造成在主发射波长λ *下抗反射。
17.根据权利要求I所述的激光源，其中 所述波长转换器件的输入表面被构造成在主发射波长λ*下抗反射；并且 所述波长转换器件的输出表面被构造成在主发射波长λ *下高反射。
18.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质的输出区域包括横向渐变折射率分布，所述横向渐变折射率分布被构造成在所述激光源中将主要的发射光束聚焦在所选焦点处。
19.根据权利要求I所述的激光源，其中所述增益介质包括掺杂分布，所述掺杂分布接近激光腔的模式强度分布。
20.ー种激光源，所述激光源包括光泵、玻璃或玻璃陶瓷增益介质、波长转换器件和输出滤波器，其中 所述光泵被构造成产生由在约910nm和约925nm之间的泵浦波长λ表征的光泵浦光束； 所述玻璃或玻璃陶瓷增益介质沿着从所述光泵向下游延伸到所述输出滤波器的光路径设置在所述输出滤波器的上游； 所述增益介质包括掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷增益介质； 所述增益介质通过包括最大吸收峰和次大吸收峰的吸收光谱来表征，所述最大吸收峰和所述次大吸收峰各自沿着所述增益介质的所述吸收光谱的不同波长部分设置； 所述次大吸收峰的峰值吸收比所述最大吸收峰的峰值吸收小至少约30db/m ；所述次大吸收峰的近峰带宽比所述最大吸收峰的近峰带宽大至少约三倍； 所述光泵和所述增益介质被构造成使得所述泵浦波长λ被限制到所述次大吸收峰的所述近峰带宽； 当在所述泵浦波长λ下被光泵浦时，所述增益介质被构造用于在主发射波长λ*下的固态光泵浦激光器发射，所述主发射波长λ*在约1025nm和约1045nm之间并且比所述泵浦波长λ长不超过约200nm ； 所述增益介质的输出表面为非球面形状，所述非球面形状包括用来在所述激光源中将主要的发射光束聚焦在所选焦点处的横向渐变折射率分布； 所述波长转换器件由QPM波长转换带宽来表征，在所述QPM波长转换带宽内，所述主发射波长λ *被转换为频率转换的输出波长；并且 所述主发射波长λ *落入所述波长转换器件的所述QPM带宽内。
全文摘要
提供了一种二极管泵浦的掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷激光器。提供了一种包括光泵、玻璃或玻璃陶瓷增益介质、波长转换器件和输出滤波器的激光源。增益介质包括掺镱玻璃或掺镱玻璃陶瓷增益介质，并通过包括最大吸收峰和次大吸收峰的吸收光谱来表征，最大吸收峰和次大吸收峰各自沿着增益介质的吸收光谱的不同波长部分设置。光泵和增益介质被构造成使得泵浦波长λ与增益介质的次大吸收峰比与增益介质的最大吸收峰更精密地对准。也公开了其它实施例并提出权利保护。
文档编号H01S3/109GK102668275SQ201080052722
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月20日 优先权日2009年9月22日
发明者A·S·包科 申请人:康宁股份有限公司