专利名称：多波长光学系统的制作方法
多波长光学系统
背景技术：
本申请要求2010年5月18日提交的美国申请序列号第12/782，205号的优先权。领域本发明的实施例总体涉及诸如激光系统的光学系统。更具体地，各具体实施例涉及能够产生具有多频转换光谱波峰的一个或多个输出光束的光学系统，用于缩小激光投影图像内光斑的外观。
背景技术：
尽管蓝光和红光半导体激光器目前是容易得到的，但氮化物半导体技术的发展尚 未致使形成具有足够输出功率、效率和成本效益的本绿色激光器。有吸引力的替代方式是使用近红外(1060nm)激光器二极管并通过在诸如周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体的非线性光学介质中通过频率翻倍产生绿光。这允许小的封装尺寸和合理的效率，但由于激光源的高光谱和空间相干性产生投影图像中的高水平散斑。只要相干光源用来照亮粗糙表面，例如屏幕、墙壁或产生漫反射或传输的任何其它对象时就观察到光斑。尤其是，屏幕的大量小区域的或其它反射物体将光散射成大量具有不同始发点和不同传播方向的反射光束。在观察点，例如在观察者的眼睛里或者在照相机的传感器处，这些光束相长地干涉来形成亮点，或者相消地干涉来形成暗点，产生随机的粒状的强度图案，称作光斑。光斑造成投影图像中高空间频率噪声。光斑可以由颗粒大小和对比度来表征，对比度通常定义为在观测平面内标准差与平均光强度的比率。对于一个足够大的照亮区域和一个足够小的表面粗糙度，光斑将被“充分地显影”，其具有标准差为100%的亮度。如果用诸如激光束的相干光源在屏幕上形成图像，例如粒状结构将代表导致的图像质量严重变差的噪声。这种噪声提出了重要的问题，尤其是当使用投影机来显示高空间频率的图像内容，如文本时。因而，需要这样的光学系统，其缩小光斑的外观以提高激光投影图像的图像质量。
发明内容
在一实施例中，光学系统包括光源和波长转换装置。光源可包括构造成发出具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束的激光器。波长转换装置可包括非线性光学介质，该非线性光学介质构造成相位匹配至少两个基础光谱波峰中每个的第二谐波生成和至少两个基础光谱波峰的总和频率生成，使得当光源的泵浦光束入射在波长转换装置的输入小平面上时，从波长转换装置的输出小平面发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。在另一实施例中，光学系统包括光源和波长转换装置。该光源可包括至少一个激光器，该至少一个激光器构造成发射具有波长分开至少O. 5纳米的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束。波长转换装置包括非线性光学介质，该非线性光学介质由相位调制函数表征，该相位调制函数提供具有产生所述三种频率转换光谱波峰的响应比，当泵浦光束入射到波长转换装置的输入小平面上时三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率且波长分开大于O. 25纳米。输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于泵浦光束的基础光谱波峰的数量。
图I是根据本文所示和所述一个或多个实施例的光学系统的示意图；图2是不出由本文所不和所述的一个或多个实施例产生的频率转换输出光束的光谱的图表；图3A是示出从根据本文所示和描述的一个或多个实施例的光源发出的输出光束的光谱的图表；图3B是根据本文所示和所述一个或多个实施例的DBR激光器的示意图；图4是根据本文所示和所述一个或多个实施例的离散相位调制函数的图表；
图5是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图4所示的离散相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的示意图；图6是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图4所示的离散相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；图7是根据本文所示和所述一个或多个实施例的矩形相位调制函数的图表；图8是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图7所示的矩形相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；图9是根据本文所示和所述一个或多个实施例的梯形相位调制函数的图表；图10是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图9所示的梯形相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；图11是根据本文所示和所述一个或多个实施例的具有两段波长转换装置的光学系统的不意图；图12是根据本文所示和所述一个或多个实施例的连续正弦相位调制函数的图表;图13是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的示意图；图14A是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；以及图14B是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波长空间内的光谱响应图表。
具体实施例方式本文所述的各实施例总体涉及包含在激光投影系统中时可缩小图像中光斑外观的光学系统。尽管本文所述实施例可在激光投影系统的情境进行描述，但各实施例并不限于此。本文所述的各实施例可包含在除了激光投影系统中的其它系统中。现将参照附图中所示的实例详细描述本发明的实施例。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图I示出光学系统的一实施例。光学系统通常包括至少一个半导体激光器、选配耦合光学器件、以及波长转换装置。可包括封装控制器来操作半导体激光器和/或耦合光学器件。半导体激光器的输出直接地或通过使用光学耦合器件光学耦合到波长转换装置的输出。半导体激光器产生具有分离△入11;的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束。波长转换装置将由半导体激光器发出的泵浦光束的能量转换成具有至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。本文将进一步描述光学系统的各种部件和构造。图I总体不出本文描述的光学系统100。由半导体激光器110发出的泵浦光束120可具有红外波长带内的两个同时发出的基础光谱波峰。泵浦光束120可直接耦合到波长转换装置130的波导部分137内或可使用示出为第一和第二耦合光学器件121(例如透镜122a和122b)的适配光学器件耦合到波长转换装置130的波导部分内。波长转换装置130将泵浦光束120的输出波长转换成更高的谐波，并产生具有三个频率转换光谱波峰142、144和146的可见输出光束140 (图2)。此种类型的光学封装尤其可用于从较长波长的半导体激光器生成较短波长的激光束时，并且可用作例如激光器投影系统的可见光源。光源110可包括一个或多个激光器，诸如分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格反射(DBR)激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔面发射激光器(VECSEL)或法布里-珀罗激光器。此外，如果激光增益介质是半导体介质，则它可能涉及在量子阱、量子线、量子点中约束载流子的使用。在激光投射系统应用中，光源可包括三个半导体激光器第一·半导体激光器用来发射红色光谱范围内的光束、第二半导体激光器用来发射在蓝色光谱范围内的光束、以及第三半导体激光器用来发射在红外光谱范围内的光束，该光束然后频率向上转换成频率向上转换范围(例如绿色或黄色的光谱范围)内的一个或多个频率转换光谱波峰。光源110和光学系统100可以编程并与扫描或者图像形成光学器件(图中未示出)一起操作来生成整个投影图像，该整个投影图像包括跨越投影表面的多个像素。这里所描述的各实施例利用导致光斑对比度降低的绿色或黄色频率转换输出光束的光谱展宽。光斑源自通过投影表面上随机粗糙度特征反射的光的随机干涉。该干涉可能是相长或相消的，导致亮的和暗的运动出现在图像中。本发明描述的各实施例的光源发出具有多个频率转换光谱波峰的输出光束以拓宽入射到投影表面上的频率转换光的光谱。如果不同波长的光存在于照亮屏幕的输出光束中，则该干涉会对一个波长是相长的和而对另一个波长是相消的，抵消净影响。分离△ λ的两个波长产生的两个光斑图案通过小于I/e2相关，如果
—I
I2 -AA > ~I=——方程(I)
2V 2^- Uh，其中，Oh是屏幕表面局部高度(粗糙度的度量)的标准偏差。如果光学强度在生产两个不相关的光斑图案的两个不同波长之间均匀地分布，则可将光斑对比度减小约。假设约530nm的平均波长和投影表面处约100 μ m的粗糙度，则频率转换光谱波峰的波长分离应大于或等于约O. 5nm。然而，较小的波长分离仍可能产生一些光斑减小，一般小于由两个不相关的光斑图案可实现的因子万。如果激光束中存在三个波长，且其间的分离满足方程(1)，则预期的光斑对比度可减小约因子万。因此，波长分离应足够大以实现所要求的光斑对比度减小。为了实现具有在绿色光谱范围内分离Λ λ的三个频率转换光谱波峰142、144、146的可见光束140，光源110产生具有分离Λ λ ΙΚ的两个基础光谱波峰的泵浦光束120。如下文更详细描述的，波长转换装置130将泵浦光束的基础光谱波峰进行频率转换以产生可见输出光束中的三个频率转换光谱波峰。尽管本文在DBR半导体激光器的情境中描述了各实施例，但应当理解，也可利用其它半导体激光器构造。此外，尽管本文在具有两个基础光谱波峰的泵浦光束和产生具有三个频率转换光谱波峰的输出光束的具有至少三个匹配波峰的波长转换装置的语境中描述了各实施例，但各实施例可利用产生具有N个基础光谱波峰的泵浦光束的半导体激光器和产生2N-1至(Ν+1)Ν/2之间频率转换光谱波峰的波长转换装置，如下文将更详细描述的。通常难以强制半导体激光器同时输出两个波长，因为它们为增益竞争，且即使是轻微的阈值差也会使激光器偏好基础光谱波峰之一。本发明人已经认识到，如果激光二极管以诸如Q-切换或增益切换的脉冲模式运行，用包含集成频率选择元件(DFB和DBR)或以外部频率选择反射器供给的法布里一帕罗(Fabry-Perot)激光器的激光二极管，可能更容易实现多光谱波峰输出。为Q-切换设计的激光器通常包含空腔内的可饱和吸收体(SA)部分。主动地(通过施加周期性调制偏置)或被动地(通过允许激光器空腔内放大的自发辐射以建立在SA部分的损耗饱和时的点)来调制该部分的损耗，并且每次SA部分的损耗变低激光器就发射短的强脉冲光。在增益切换中，主放大(增益)部分由周期性(例如，正弦波)信·号驱动，并在每个正半周期的正弦周期发射短脉冲(基本上是第一松弛振荡峰)。本发明人发现，在短脉冲操作(例如，脉冲长度< 500ps)中，二极管激光器在为其提供足够强光反馈的每个波长的增益带宽内的每个波长处基本上同时发射(空腔的损耗小于当载流子密度达到其最大值时的可用增益)，输出光谱形状紧密跟随空腔镜反射的光谱形状，或在空腔中的任何额外的光谱选择性元件的反射的光谱形状。例如而非限制，将2. 25mm长1060nm的法布里一帕罗(Fabry-Perot)激光器(I. 75mm长的增益部分和O. 5mm长的SA部分)放置在具有由布拉格体光栅(VBG)提供的外部反射的外部空腔。VBG设计成具有两个反射波峰，在1060. 5和1062. 4nm处约10%的幅值且O. 2nm宽。在增益切换中激光器通过供给约5mA的DC电流到SA部分(保持SA轻微吸收)和在923MHz下叠加的200毫安DC和400mA波峰到波峰正弦驱动电流至增益部来运行，并产生一系列具有65mW的平均功率和 I. 8W的波峰功率的约30_ps的长脉冲。图3A所示的输出频谱由两个相等强度的主波峰和两个额外的弱得多的波峰(由二极管激光器内的四波混合产生)组成。图3A的图表示出具有中心在约1060. 5nm波长的第一基础光谱波峰125和中心在约1062. 4nm波长的第二基础光谱波峰的泵浦光束。因此两个基础光谱波峰分开约1.9nm。第一和第二基础光谱波峰分别具有与其相关的Q1和ω2的光学频率。两个主波峰的位置和宽度接近精确地再现VBG的反射光谱。因此，脉冲(Q-或增益切换)DBR 二极管激光器的输出光谱可由其DBR镜的反射光谱限定。图3Β中不意性地不出构造为三部分DBR半导体激光器的一实施例的光源110。半导体激光器110通常可包括波长选择部分112、相位调节部分114和增益部分116。还可称为分布式布拉格反射器或激光器110的DBR部分的波长选择部分112通常包括定位在激光器空腔的有源区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。此部分提供波长选择，因为光栅起到其反射系数取决于波长的反射镜的作用。半导体激光器110的增益部分116提供激光器的光学增益，而相位匹配部分114可在增益部分116的增益材料与波长选择部分112的反射结构之间产生可调整的光学路径长度或相移。如下文更详细描述的，相位部分可构造成可饱和吸收体以执行增益和损耗调制的功能。波长选择部分112可以设置成可采用或可不采用布拉格光栅的多种适当可替换配置。相应的控制电极113、115、117包含在波长选择部分112、相位匹配部分114、增益部分116、或其组合中，在图3B中仅示意性地示出。考虑到，电极113、115、117可采用各种形式。例如，电极113可包括两个单独的电极，两个单独的电极独立地控制DBR部分的第一和第二半部的温度以同时产生两个波长。电极113可表示单一部分或多部分微加热器。控制电极113、115、117也可用于将电流注入半导体激光器110的相应部分112、114、116。此夕卜，三部分DBR半导体激光器可构造成各种形式。例如，DBR部分可由具有两个不同光栅周期的两个部分组成，且相位部分可在两个DBR部分之间，使得相位部分可用于平衡两个选择的波长的增益/损耗。半导体激光器110的DBR部分112提供1060nm附近两个波长处几乎相等并分开至少O. 5nm ( Δ λ ΙΕ)的反射。可采用在两个波长处实现反射的任何数量的设计方法，诸如采样光栅、超结构光栅、具有节距和/或深度的周期调制的光栅、具有周期性相移的光栅、或使用双光栅DBR。当以增益/Q-切换模式运行时，这种DBR激光器可产生在两个光谱波峰 内具有几乎相等功率的稳定短脉冲输出。通常，在为连续波(CW)操作设计的DBR激光器中，激光器的层结构在波长选择、相位调节和增益部分上相同。但是，相位调节和波长选择部分通常经受称为量子阱混杂(QWI)的过程，该过程致使带隙增加，使得两部分对于未更改的增益部分发射的光是透明的，从而使腔内损耗最小。增益部分是有源的，并将施加到其接触端子的注入电流转换成激光。施加到相位调节部分的注入电流不会导致光的发射或放大(即，无源部分)，而是改变有源层的折射率，允许空腔模式进行微调。波长选择部分也是无源的，且不供应注入电流。为了调整DBR反射的基础光谱波峰位置，电阻式加热器可设置在波长选择部分的顶部或侧面上，以允许通过改变温度调节其折射率(以及共振波长)。本文描述的各实施例的半导体激光器可采用上述DBR激光器设计的改型。在一实施例中，相位匹配部分114不经受QWI过程。于是，相位匹配部分114可作为放大器(当施加正的上阈值偏置时)或可饱和吸收体(通过施加下阈值、零或负偏置)运行。在该实施例中，相位匹配部分114运行不是为了进行相位调谐(空腔模式切换)而是为了进行额外的损耗/增益调制。在这方面，图3所示实施例的相位匹配部分称为可饱和吸收体部分114。波长选择部分112可保持无源或变得有源(没有QWI)并提供额外的可饱和吸收。波长调谐可通过使用电阻式加热器来实现，或者在有源波长选择部分112的情况下通过将电流注入波长选择部分112来实现。半导体激光器110的脉冲运行可使两个基础光谱波峰处的两个所需泵浦波长之间的输出功率相等，以及在多波长频率转换的情况下补偿降低的波长转换效率，如下文更详细描述的。在如上所述的增益-切换脉冲模式，正弦(或其它周期性)驱动信号可施加到增益部分116，每个正半周期产生发出的短脉冲。除了周期性驱动之外，可将DC偏置施加到增益部分。DC偏置也可施加到可饱和吸收体114并可调节成产生最佳用于发射具有最大波峰功率的高品质脉冲的可饱和吸收水平。在Q-切换脉冲模式，增益部分116可用DC信号驱动，并可对可饱和吸收体部分114施加周期性偏置，强制其用作“关闭器”，在每个正半周期(当吸收是低或负时)仍发射短脉冲。在某些实施例中，在增益和可饱和吸收体部分116、114都接收同相周期性驱动电流的情况下可利用混合驱动方法，如2010年3月24日提交的美国专利申请第12/730，482号所揭示的，该申请全文以参见的方式纳入本文。混合驱动方法可导致用于驱动半导体激光器110所需最少量的RF功率的最好可能的脉冲质量。上述三个驱动方法中的任何方法可施加到DBR半导体激光器以产生两波长脉冲输出。驱动方法所要利用的选择取决于激光器设计和应用要求的细节。此外，泵浦激光器可依赖于非均匀的光谱展宽而不是短脉动来产生由两个或更多个同时发射的基本光谱波峰组成的基本输出光谱。例如，各实施例可利用DBR或DFB量子点激光器、或具有用一些多波长选择光学元件非均匀展宽的光学泵浦固态激光器，诸如具有双波长或多波长反射的布拉格体光栅。这种具有自发发射的非均匀展宽光谱的激光器也可以使用在发射的连续波或准连续波(长脉冲)的条件。再次参照图1，具有两个基础光谱波峰的泵浦光束120可通过耦合光学元件121被朝向波长转换装置130聚焦和引导。在图I所示的实施例中，耦合光学元件121通常包括第一透镜122a和第二透镜122b，该第一透镜准直由半导体激光器110发射的泵浦光束 120，第二透镜将泵浦光束120聚焦到波长转换装置130的波导部分。但是，应当理解，也可 使用其它耦合方法和装置。此外，波导转换装置可包括大块非线性光学材料，或者作为腔内波长转换装置包含在激光器110内。透镜122a、122b可耦合到致动器(未示出)以调节透镜122a、122b沿x方向和y方向的位置，从而透镜的位置是可调节的。调节透镜沿x方向和y方向的位置可便于沿波长转换装置130的输入小平面、且更具体地在波长转换装置的波导部分上定位泵浦光束120，使得泵浦光束120与波导部分对准，并优化波长转换装置130的频率转换输出。尽管图I所示的光学系统100具有大致线性定向，但也可能由其它定向和构造。例如，半导体激光器和波长转换装置可定向成使得泵浦光束和频率转换输出光束的光学路径是折叠光学路径。波长转换装置130通常包括输入小平面131和输出小平面138。波长转换装置可包括具有相位调制的相位匹配的非线性光学介质，使得其非线性光学响应的光谱包含适当波长间隔开的多个相位匹配波峰，以为两个或更多个基础光谱波峰之间各种可能的光学频率混合过程提供相位匹配。相位匹配的相位调制可通过调制用于频率混合的非线性光学介质的非线性、线性、或两种光学特性来实现。波长转换装置130的波导部分(未示出)从输入小平面131向输出小平面138延伸。波长转换装置130可包括具有非线性光学响应的符号交替的多个域132的非线性光学材料形成的晶体。适合于波长转换装置的非线性光学材料可包括但不限于例如极化掺杂或不掺杂的铌酸锂、极化掺杂或不掺杂的钽酸锂、以及极化掺杂或不掺杂的磷酸氧钛钾。波长转换装置130中的光传播可以是自由空间或光学波导传播。波长转换装置130可包括利用相位匹配方法的晶体，包括但不限于双折射、模间、或准相位匹配。相位匹配的作用是在由基础光场沿光学路径产生的非线性极化生成的频率转换光学频率处产生相长的电磁波干涉。相位匹配的相位调制用于将相位匹配分布到对应于不同光学频率的几个相位匹配光谱波峰内，使得每个相位匹配波峰产生部分相位匹配。这里术语部分是指，对于对应于这种部分相位匹配波峰的特定光学频率，由沿晶体的一些区域而不一定是所有区域产生的频率向上转换的光波相长地干涉以在输出上产生基本上非零的向上转换的信号。因此，相位调制减少基本的、未调制的设计中频率转换过程相位匹配的光学频率处的最大相位匹配以进行部分相位匹配或没有相位匹配，而同时在未调制设计不提供相位匹配的其它光学频率下允许部分相位匹配。在低转换限值，响应于调谐单色输入信号的相位调制的相位匹配的光谱是与相位调制函数(PMF)的傅立叶变换成比例，与用于相位匹配的物理机制无关。在高级别的能量转换成上变频的频率范围时，上变频信号的光谱偏离PMF的傅立叶变换。在很多情况下，这种偏离可致使光斑对比度降低的轻微变差。如果这种变差变得重要，可以通过改变PMF来调节相位匹配波峰的幅值比，使得高转换下的光谱响应导致光斑对比度的更好降低，而在较低转换时的光斑对比度可稍高，例如当在更高光功率下最大光斑减弱可能重要时。PMF部分地赋予频率上转换光场以变化相位。这通过调制非线性计划的相位或空间位置(例如通过调制准相位匹配晶体的极化)和/或通过调制它们经过的介质的(有效)折射率或光学路径长度而沿晶体在不同位置产生的上转换波的相位延迟来实现。某些用于相位调制的技术，诸如准周期性极化的倒域的位置的纵向移位可以解释为调制的非线性或线性路径的实施例。通常，非线性介质设计成包括用于三个非线性光学过程的相位匹配1)泵浦光束的第一光学频率O1的第二谐波产生(SHG)，2)泵浦光束的第一和第二光学频率Q1和ω2·的总和频率产生(SFG)，以及3)泵浦光束的第二光学频率的SHG。因此，频率转换输出光束可包括具有频率和2ω2 (图2中分别示出为142、144和146)的三个频率转换光谱波峰。例如而非限制，图3Α中所示和上文关于法布里一帕罗激光器描述的约42mW的红外光光学耦合到波长转换装置内，该波长转换装置包括根据图12-14B示出的连续相位调制的函数设计(在下文详细描述)的准周期极化波导铌酸锂装置，并产生具有图2中所示的输出光谱的绿色光，具有三个几乎相等的频率转换的光谱波峰142、144、146 (两个弱得多的伴随波峰是由于放大的自发发射背景变换成波导的更高阶绿色光模式，或一方面主泵浦IR光谱波峰之间的总和频率混合，以及另一方面由非线性波导的未使用准相位调节(QPM)侧波峰促进的FWM分量)。通过引入非线性光学响应的周期性或准周期性的符号反变、例如通过非线性光学材料内(例如在晶体的波导区域内)准周期性反变的铁电域132可实现准相位匹配。准周期性极化提供波长转换装置130的非线性系数的符号的准周期性反变，从而确保沿装置长度产生的关注频率处的非线性光学响应的相长增加。如图I所示，域132可具有与其相关的正的或负的非线性极化。各域的非线性响应的符号可沿晶体的纵向长度大约周期性地交替。如下文更详细描述的，多个极化域的周期性可相位调制成使得各域准周期性地极化。应指出，为了说明目的，准周期性域132的尺寸在图I中被放大。此外，图I中仅部分地示出波长转换装置130。20^、(ω1+ω2)和2ω2的频率转换光谱波峰可产生随机添加的三个同时的光斑图案以减弱光斑的外观。为了通过密集增加几个独立的光斑图案来最大程度减弱光斑对比度，光学功率应当在输出光束的频率转换波长中大致均匀分布。对于三个独立光斑图案由频率转换输出的三个频率转换光谱波峰产生的情况来说，每个频率转换光谱波峰中的光学功率应当大致相同。但是，当频率转换的光谱波峰不相等时，可实现一些光斑减弱，使得与具有功率比其余频率转换光谱波峰大的频率转换光谱波峰相关的光斑图案可能对观察者来说更明显。通过由半导体激光器在二阶非线性相互作用的光学频率O1和《2处发射的两个基础光谱波峰的光学频率混合产生三个频率转换的光谱波峰。通过以下方程可描述该频率转换过程
权利要求
1.一种光学系统，包括光源和波长转换装置，其中 所述光源包括激光器，所述激光器构造成发出具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束；以及 所述波长转换装置包括非线性光学介质，所述非线性光学介质构造成相位匹配所述至少两个基础光谱波峰的频率翻倍和至少两个基础光谱波峰中每个的总和频率混合，使得当所述光源的泵浦光束入射在所述波长转换装置的输入小平面上时，从所述波长转换装置的输出小平面发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。
2 如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置位于所述激光器的光学空腔内。
3.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述激光器以脉冲模式运行，使得所述两个基础光谱波峰具有大致相等的功率。
4.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于所述泵浦光束的基础光谱波峰的数量。
5.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于 所述激光器构造成发出具有N个基础光谱波峰的泵浦光束；以及 当所述光源的所述泵浦光束入射在所述波长转换装置的所述输入小平面上时，从所述波长转换装置的所述输出小平面发出具有大约相等功率的2N-1至(Ν+1)Ν/2个频率转换光谱波峰的输出光束。
6.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于 所述波长转换装置由第一、第二和第三相位匹配波峰表征； 所述第一和第三相位匹配波峰用于第二谐波生成，而所述第二相位匹配波峰用于总和频率生成；以及 当所述泵浦光束入射在所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述第一、第二和第三相位匹配波峰具有产生具有大约相等功率的所述三个频率转换光谱波峰的响应比。
7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的对应于所述第一和第三频率转换光谱波峰的相位匹配波峰具有的幅值大于所述波长转换装置的对应于所述第二频率转换光谱波峰的相位匹配波峰的幅值。
8.如权利要求6所述的光学系统,其特征在于 所述两个基础光谱波峰中的每个包括大约M个纵向激光模式；以及 所述第一相位匹配波峰、所述第二相位匹配波峰以及所述第三相位匹配波峰之间的响应比约为4: (2-1/Μ) :4ο
9.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述三个频率转换光谱波峰波长分开大于约O. 25纳米。
10.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于 所述非线性光学介质是准周期性极化的，并包括根据相位调制周期沿所述波长转换装置的纵向光学轴线定位的多个极化域，所述相位调制周期由相位调制函数叠加在载体周期上来表征，使得所述极化域中至少某些的相应位置相对于由所述载体周期定义的标称周期位置纵向移位；以及 当具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束入射到所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述多个极化域的所述相位调制周期使得至少三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率。
11.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是矩形波相位调制函数，使得所述多个域通过所选域的周期性符号反变进行相位调制。
12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述周期性符号反变具有约O.27至约O. 39范围内的工作循环。
13.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是周期性梯形函数。
14.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是周期性矩形函数。
15.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是正弦函数，使得所述多个域连续进行相位调制。
16.如权利要求15所述的光学系统，其特征在于，所述正弦函数由范围从约0.88π至约I. 22 的总相位调制深度表征。
17.如权利要求10所述的光学系统,其特征在于 所述相位调制周期使得所述波长转换装置的特征是三个准相位匹配波峰包括第一、第二和第三准相位匹配波峰，所述三个准相位匹配波峰具有产生所述三个频率转换光谱波峰的响应比，当所述光源的所述泵浦光束入射到所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率；以及 所述第一和第三准相位匹配波峰用于所述基础光谱波峰中至少两个的频率翻倍，且所述第二准相位匹配波峰用于所述基础光谱波峰中至少两个的总和频率生成。
18.如权利要求17所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的对应于所述第一和第三频率转换光谱波峰的准相位匹配波峰具有的幅值大于所述波长转换装置的对应于所述第二频率转换光谱波峰的准相位匹配波峰的幅值。
19.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的长度在约(m+0. I)* As至约(m+0. 5)*AS范围内，其中Λs是相位调制函数的周期，且m是非负整数。
20.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于 所述三个准相位匹配光谱波峰包括对应于所述第一频率转换光谱波峰的第一准相位匹配波峰、对应于所述第二频率转换光谱束的第二准相位匹配波峰、以及对应于所述第三频率转换光谱波峰的第三相位匹配波峰； 所述波长转换装置包括第一部分和第二部分； 所述第一部分被极化以产生所述第一和第三准相位匹配波峰；以及 所述第二部分被周期性极化以产生所述第二准相位匹配波峰。
21.如权利要求20所述的光学系统，其特征在于，所述第一部分的长度大于所述第二部分的长度。
22.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述非线性光学介质由用于第二谐波生成和总和频率生成的至少三个相位匹配波峰表征，第二谐波生成和总和频率生成至少部分基于沿所述波长转换装置的纵向光学轴线的所述非线性光学介质的有效折射率的调制。
23.如权利要求I所述的光学系统，其特征在于，所述非线性光学介质包括由透明介质分开的多个对准的双折射相位匹配介质。
24.一种光学系统，包括光源和波长转换装置，其中 所述光源包括至少一个激光器，所述至少一个激光器构造成发射具有波长分开至少O. 5纳米的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束；以及 所述波长转换装置包括准周期性极化非线性光学介质，所述准周期性极化非线性光学介质包括根据相位调制周期沿所述波长转换装置的纵向光学轴线定位的多个域，所述相位调制周期由相位调制函数叠加在载体周期上来表征，使得所述域中至少某些的相应位置相对于由所述载体周期定义的标称周期位置纵向移位； 所述多个极化域的所述相位调制周期使得当所述光源的泵浦光束入射到所述波长转换装置的输入小平面上时，从所述波长转换装置的输出小平面发出包括具有大致相等功率且波长分开至少O. 25纳米的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束；以及 所述输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于所述泵浦光束的基础光谱波峰的数量。
全文摘要
本发明提供可操作以发出多个频率转换光谱波峰的光学系统。在一实施例中，光学系统(100)包括光源(110)和波长转换装置(130)。光源(110)可包括构造成发出具有至少两个基础光谱波峰(125，127)的泵浦光束(120)的激光器。波长转换装置(130)可包括非线性光学介质，该非线性光学介质构造成相位匹配至少两个基础光谱波峰(125，127)中每个的第二谐波生成和至少两个基础光谱波峰(125，127)的总和频率生成，使得当光源(110)的泵浦光束(120)入射在波长转换装置(130)的输入小平面(131)上时，从波长转换装置(130)的输出小平面(138)发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰(142，144，146)的输出光束(140)。
文档编号H01S5/0625GK102893213SQ201180024223
公开日2013年1月23日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年5月18日
发明者D·V·库克森考弗, 李沈平, R·V·鲁谢夫 申请人:康宁股份有限公司