专利名称：三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器的制作方法
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，涉及一种产生红绿蓝三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I13/2、4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I9/2跃迁产生的1.3微米、1微米和0.9微米波段辐射的三波长激光在腔内或腔外通过倍频获得红色、绿色和蓝色激光。在腔内倍频情况下，按包含激光晶体受激发射参数、有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体长度，及光腰半径等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，获得均衡、同时输出的红绿蓝激光装置。对腔外倍频情况，按照多波长激光运转理论，根据三波长激光运转条件和三种波长倍频晶体的倍频特性，控制三种波长激光输出的比例，在腔外用相应的非线性晶体倍频获得均衡、同时的红绿蓝激光，并用声光开关对三种基波调Q，提高其功率密度，实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，国际上主要利用Kr-Ar全色激光(Kin，Yong H.；Lee，Hang W.；Cha，Seung N.；Lee，Sin H.；Park，Young J.；Park，Joung H.；Hong，Sung S.；Hwang，Young M.“Full colorlaser projection display using Kr-Ar laser(White-laser)beam-scanningtechnology”，Proc.SPIE，Vol.3131，P.2-10，Optical Scanning System)和LD泵浦钕激光晶体倍频得到的绿色激光经光参量振荡的898nm信号光和1256nm闲置光的倍频得到449nm蓝光和628nm红光，而在光参量过程中循环的泵浦光作为绿光，以此得到红绿蓝三基色激光(Lee，Dicky；Moultom Peter F.，“Compact OPO-Based RGB source”，Proc.SPIE，Vol.4294，P.60-66，2001，Projection display)。上述技术中，前者效率较低，体积较大，后者设备较复杂，成本较高。
1973年美国Bell实验室的Betha等首次利用YAG晶体中钕离子亚稳能级到不同下能级的跃迁，获得了1064nm和1318nm同时双波长脉冲激光运转(C.G.Betha et al.，“Mega watt power at 1.318μm in Nd3+YAG andsimultaneous oscillation at both 1.06μm and 1.318μm”，IEEEj.Quantum.Electron.，Vol.QE9(1973)254.)，此后，双波长激光引起了人们的广泛兴趣。
“七五”期间，在国家863项目和中国科学院重大项目资助下，中科院福建物构所沈鸿元研究员首次建立了多波长激光振荡条件，并利用NdYAlO3晶体从亚稳能级到不同下能级的同时跃迁首次实现了双波长晶体连续激光运转(H.Y.Shen，“Oscillation condition of simultaneous multiple wavelengthlasing”Chines Physics Letters 7.4(1990)174；Yvonne A.Carts，“NdYAP laserCW at two wavelength simultaneously”，Laser Focus World，WorldNewsLasersVol.26，No.6，P.42，1990.)。并建立了测量跃迁截面的新方法，研究测量了钕离子在YAlO3晶体中的跃迁截面(H.Y.Shen，T.Q.Lian，et al.，“measurement ofthe stimulated Emission cross section for4F3/2to4I13/2transition of Nd3+ion inYAlO3crystal”，IEEE J.Quantum Electron.，Vol25 No.2(1989).144；LianTianquan，Shen Hongyuan，“A new method for measurement of laser transitioncross section and fluorescence lifetime.”Chinese Journal of Laser，Vol.17，No.1(1990)5.)，基于测量的数据，利用振荡条件比较了一些常用激光晶体(NdYAG、NdYLF、NdBEL和NdYAlO3)实现双波长激光的情况，结果表明，钕离子在YAlO3晶体中4F3/2to4I13/2跃迁截面与4F3/2to4I11/2跃迁截面之比接近1/2，它比上述其他晶体上述跃迁的比大2.4倍以上，所以NdYAlO3比上述其他晶体更容易实现双波长连续激光(H.Y.Shen，et al.，“Comparision of simultaneous multiple wavelength lasing in variousneogymium host crystal at transitions from4F3/2to4I11/2and4I13/2”，Appliedphysics letters，56，20(1990)1937.)，并研制成大能量NdYAlO3双波长脉冲激光(H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，″Large energy 1079.5 and 1341.4nm dualwavelength NdYAP pulsed laser″，Applied Optics，Vol.32，No.30(1993)5952.)，通过双波长振荡条件合理选择激光参数后，已获得输出功率高达33.7W(1079.5nm)和30W(1341.4nm)的双波长NdYAlO3连续激光。该成果已由我国著名光学专家王大珩院士主持召开的中科院科技成果鉴定会鉴定，样机已出口美国，于1996年获得国家科技进步三等奖。并开展了双波长晶体激光的倍频、和频研究，得到了红色(670.7nm)、橙色(598.1nm)、绿色(539.8nm)、蓝色(447.1nm)和紫色(413.7nm)相干辐射(G.Zhang，H.Y.Shen，et.al.，“The Study of 1341.4nm NdYALO3laser intracavity frequency doubling byLiB3O5.”Optics Communication，183，461(2000)；H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，“0.5981 sum frequency mixing in KTP crystal”，chinese physics letters，Vol.8，No.4(1991)215；H.Y.Shen et.al.，“SHG and SFM of a dual wavelengthNdYAlO3laser in a flux growth KTP crystal”，IEEE J.Quantum Electron.Vol.28，No.1(1992)48；W.X.Lin，H.Y.Shen，“Tripling the harmonic generation of1341.4nm NdYAP laser in LiIO3and KTP to get 447.1nm coherent radiations，”Optics Commun.，82，3-4(1991)333；H.Y.Shen et.al.，“Twice SFM of a dualwavelengthh NdYAlO3laser to get 413.7nm violet coherent radiations in LiIO3crystal”，Journal of Applied Physics，No.3(1991)1880.)。H.Y.Shen et.al.，“Second harmonic generation and sum frequency mixing of dual wavelengthNdYAlO3laser to 413.7nm violet coherent radiation in LiIO3crystal”，Journalof Applied Physics 72(9)(1992).4472.
另外，“七五”期间，在国家863项目和中国科学院重大项目资助下，中科院福建物构所沈鸿元研究员领导的研究小组研究了Er3+离子在YAlO3晶体中能量交叉弛豫过程，表明随着铒离子浓度的增加，离子间距缩短，使相临Er3+离子间不同能级间的能量交叉弛豫几率增加，导致4S3/2激发态的离子退激发，破坏了相应1.66微米波段的4S3/2-4I9/2跃迁，另一方面，2.7-2.9微米激光的下能级4I13/2不仅由于能量交叉弛豫作用引起该能级的退集居，而且增加了上能级的粒子数，从而促成了由4I11/2-4I13/2跃迁产生的2.7-2.9微米激光，实验中，从含10at％Er3+离子的YAlO3晶体中，得到了2711nm、2729.9nm、2795nm三波长激光(曾瑞荣，沈鸿元等“2.7μm ErYAP激光器”，中国激光器件专集，Vol.17(1990)60.)，在1at％Er3+的低浓度YAlO3晶体中，得到了1663nm和1655nm双波长激光(周玉平，沈鸿元等“1.6μm Er3+YAP激光输出特性的实验研究”，中国激光器件专集，Vol.17(1990)63.)。
80年代末，随着作为泵浦的激光二极管的飞速发展，掀起了一场根据LD泵浦的特性，重新评价现有激光晶体和探索激光新晶体的热潮，NdYVO4是60年代就发现的激光晶体，它虽具有优异的激光光谱特性，但较难生长出质量好的大晶体，对于灯泵浦为主的60年代，该晶体未得到人们的应有重视，LD泵浦技术大大地放松了对晶体尺寸的要求，90年代以来，这种晶体的晶体生长技术和LD泵浦NdYVO4激光器取得飞速的发展。据文献报道，该晶体跃迁截面与荧光寿命的乘积στ在1.3微米和1微米波段比其他晶体大得多，0.9微米波段的στ也与NdYAG相当(见表1)，所不足的是，激光下能级比NdYAG更低，造成更大的共振损耗，不利于914nm激光的起振，需用相应的激光技术克服这一不足。但该晶体也是一种获得三波长激光的优良晶体。
近年来，利用非线性晶体的变频技术，将近红外激光变频获得可见激光的技术日臻成熟，并已成为获得可见激光的主要技术途径。中小功率应用中，KTP晶体由于具有大的非线性系数、容忍温度和容忍角而受到人们的青睐。LBO晶体非线性系数虽小，但它具有特高的破坏阈值，在高功率的应用中具有较大的优势，而提高峰值功率将有助于提高非线性转换的效率，因而也是非线性频率转换中常用的晶体，表2中给出了NdYAlO3和NdYVO4激光晶体利用上述非线性晶体实现频率转换的参数。利用非线性晶体和非线性频率转换技术，通过色散和分光技术，将三波长激光中三个波长激光在腔内分成三路，在腔内倍频情况下，按包含激光晶体受激发射参数、有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体上光腰半径等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，设计均衡、同时输出的红绿蓝激光装置，可以获得足够平均功率的红绿蓝三基色激光。另外，对腔外倍频情况，按照多波长激光运转理论(H.Y.Shen，H.Su，“Operating conditiod of contineous wave simultaneous dualwavelength laser in neodymium host crystal”，Journal of Applied physicsVol.86，No.12，6647(1999).)，根据三波长激光运转条件按照三种波长倍频晶体的倍频特性，控制三种波长激光输出的比例，在腔外用相应的非线性晶体倍频获得输出功率均衡的红绿蓝激光。
表1、几种掺钕晶体的跃迁截面
表2-1.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)、1342nm(B*)、946nm(C)、930(C*)和914nm(C**)激光在KTP、LBO、KN晶体中倍频的最佳相位匹配角
基于以上考虑，本发明提出的钕激光晶体1.3微米、1微米和0.9微米波段三波长激光腔内或腔外通过非线性晶体的倍频获得输出功率均衡的红绿蓝三基色激光是可行的。
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其发明的目的是利用KTP、LBO、KN、NbKTP等非线性晶体将NdYAG、NdYAlO3、NdYVO4等钕激光晶体的4F3/2-4I13/2、4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I9/2跃迁产生的1.3微米、1微米和0.9微米波段的三波长激光，通过腔内或腔外倍频技术获得高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。用作激光彩色显示的光源。
本发明采用高效、长寿命、结构紧凑的激光二极管(LD)作为泵浦源，以实现更实用的全固化红绿蓝三基色激光器。
表2-2.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)、1342nm(B*)、946nm(C)、930(C*)和914nm(C**)激光在KTP和LBO、KN晶体中的相位匹配特性
以下以LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nmNdYAlO3三波长激光腔内倍频的红绿蓝三基色激光为例，提供本发明的具体方案。利用其他激光和非线性晶体时，激光运行参数和非线性耦合度将做相应的改变。也可利用端面泵浦技术来激励工作物质。
以LBO、KTP和KN(或NbKTP)为非线性晶体的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔内倍频的红绿蓝三基色激光器是通过803nmLD侧面泵浦激励YAlO3晶体中Nd3+离子，在适当设计的三波长激光器中由4F3/2的R2子能级跃迁到4I13/2的X3子能级、4F3/2的R1子能级跃迁到4I11/2的Y3子能级和4F3/2的R1子能级跃迁到4I9/2的Z6子能级产生1341.4nm、1079.5nm和930nm激光(见
图1)，通过色散和分光技术，将三波长激光中三个波长激光在腔内分成三路，在腔内适当位置放置对1341.4nm、1079.5nm和930nm倍频的LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体，获得670.7nm、539.7nm和465nm红绿蓝三基色激光。通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、激光运行参数等，控制腔内三种基波的功率密度，以实现红绿蓝三基色激光的均衡和同时输出。为了提高倍频的转换效率，利用声光调制技术，将连续激光转换成高重复率的纳秒级短脉冲，通过提高倍频晶体中的功率密度来提高倍频的转换效率。对腔外倍频情况，根据三波长激光运转条件按照三种波长倍频晶体的倍频特性，控制三种波长激光输出的比例，在腔外分别用LBO、KTP和KN(或NbKTP)等晶体倍频获得均衡、同时输出的红绿蓝激光。
用上述技术产生的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光，设备简单、成本低，可作为激光彩色显示的光源，广泛应用于大屏幕、高清晰度彩色电视、激光表演、激光投影仪和指挥、监控、调度中心的大屏幕、高清晰度的彩色显示设备等彩色显示领域。
以下结合附图对LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔外或腔内倍频的红绿蓝三基色激光做进一步的说明。
图2为LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔内倍频的红绿蓝三基色激光的示意图，(1)为工作物质NdYAlO3，(2)是通冷却液的石英玻管，(3)是泵浦用LD，其输出波长对NdYAlO3是803nm，对其他工作物质泵浦波长应适应晶体的要求，(4)LD驱动源和冷却、控温装置，(5)、(6)是大色散率的色散棱镜，(7)、(8)和(9)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm全反的介质镜，(10)、(11)、(12)分别是对1341.4nm及其谐波670.7nm、1079.5nm及其谐波539.7nm和930nm及其谐波465nm全反射的双色镜，(13)、(14)、(15)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm全反，对670.7nm、539.7nm和465nm增透的双色镜，作为670.7nm、539.7nm和465nm红绿蓝激光的输出镜，(10)-(13)、(11)-(14)、(12)-(15)等双色镜的曲率半径和镜间距离以及三种非线性晶体的长度根据获得均衡输出所要求的倍频耦合度来确定，(16)、(17)、(18)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm倍频的LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体，(19)、(20)、(21)分别是1341.4nm、1079.5nm和930nm的声光调制器(包括驱动源)，在需要提高倍频效率时在腔内加入此三个声光开关。
图3为LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔外倍频的红绿蓝三基色激光的示意图，(1)为工作物质NdYAlO3，(2)是通冷却液的石英玻管，该冷却液由自循环冷却器提供，(3)是泵浦用LD，其输出波长对NdYAlO3是803nm，对其他工作物质泵浦波长应适应晶体的要求，(4)LD驱动源和冷却、控温装置，(5)、(6)是大色散率的色散棱镜，(7)、(8)和(9)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm全反的介质镜，(10)、(11)、(12)分别是按照三波长激光运转条件及三种波长倍频晶体的倍频特性，以控制三种波长激光输出的比例，实现均衡输出的红绿蓝激光。(13)、(14)、(15)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm激光聚焦和时间同步系统，(16)、(17)、(18)分别是对1341.4nm、1079.5nm和930nm倍频的LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体，(19)、(20)、(21)分别是1341.4nm、1079.5nm和930nm的声光调制器(包括驱动源)，在需要提高倍频效率时在腔内加入此三个声光开关。
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，现对附图作简要的图面说明图1是能级跃迁示意图；图2是LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔内倍频的红绿蓝三基色激光的示意图；图3是LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔外倍频的红绿蓝三基色激光的示意图。
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器实施的典型方案以LBO、KTP和KN(或NbKTP)晶体将LD侧面泵浦的1341.4nm、1079.5nm和930nm NdYAlO3三波长激光腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光为例，提供实施本发明的典型方案。若对LD端面泵浦时，只需将端面泵浦技术取代本典型方案的侧泵技术即可。
1.腔内倍频方案图2中，接通电源后，石英玻管(2)中的自循环冷却液工作，冷却NdYAlO3棒(1)。驱动器(4)激励以120度放置的三个LD bar(见图2)并在驱动电流工作下将LD bar的发射波长控制在NdYAlO3晶体的吸收带803nm，此时LD发出的光在聚光系统中集中到NdYAlO3晶体上，YAlO3晶体中钕离子吸收泵浦光后，发出的1341.4nm、1079.5nm和930nm辐射经色散元件(5)和(6)分别在谐振腔(7)-(10)、(8)-(11)和(9)-(12)间振荡，在倍频晶体LBO(16)、KTP(17)、KN(或NbKTP)(18)中产生670.7nm、539.7nm和465nm红绿蓝激光，分别从双色镜(13)、(14)、(15)输出；(10)-(13)、(11)-(14)、(12)-(15)等双色镜的曲率半径和镜间距离以及三种非线性晶体的长度根据获得均衡、同时输出所要求的倍频耦合度来确定；为了提高输出功率，启动声光电源，让三束激光经声光开关转变成高重复率的纳秒级短脉冲，实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
2.腔外倍频方案图3中，接通电源后，石英玻管(2)中的自循环冷却液工作，冷却NdYAlO3棒(1)。驱动器(4)激励以120度放置的三个LD bar(见图3)并在驱动电流工作下将LD bar的发射波长控制在NdYAlO3晶体的吸收带803nm，此时LD发出的光在聚光系统中集中到NdYAlO3晶体上，YAlO3晶体中钕离子吸收泵浦光后，发出的1341.4nm、1079.5nm和930nm辐射经色散元件(5)和(6)分别在谐振腔(7)-(10)、(8)-(11)和(9)-(12)间振荡并从(10)、(11)、(12)分别输出1341.4nm、1079.5nm和930nm激光，它们经过激光聚焦和时间同步系统(13)、(14)、(15)后，在倍频晶体LBO(16)、KTP(17)、KN(或NbKTP)(18)中产生670.7nm、539.7nm和465nm红绿蓝激光，按照三波长激光运转条件及三种波长倍频晶体的倍频特性，控制三种波长激光输出的比例，实现均衡、同时输出的红绿蓝激光。为了提高输出功率，启动声光电源，让三束激光经声光开关转变成高重复率的纳秒级短脉冲，实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
权利要求
1.三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，该激光器利用钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I13/2，4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I9/2跃迁产生的1.3微米、1微米和0.9微米波段辐射的三波长激光通过腔内或腔外倍频获得红绿蓝三基色激光。
2.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括钕激光晶体和用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成Nd3+激活离子粒子数反转分布的泵浦系统；用于产生1.3微米、1微米和0.9微米波段的三波长辐射。
3.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括使1.3微米、1微米和0.9微米波段辐射在其中谐振的谐振腔。
4.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括大色散率的色散元件，在腔内将1.3微米、1微米和0.9微米波段辐射分开，并在相应的谐振腔内振荡，产生1.3微米、1微米和0.9微米激光。
5.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括三块非线性晶体，在腔内或腔外分别对1.3微米、1微米和0.9微米波段进行倍频，获得红色、绿色和蓝色激光。
6.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，所述的腔内倍频，是按包含激光晶体受激发射参数、有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体长度及光腰半径等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，设计均衡、同时输出的红绿蓝激光装置。
7.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，所述的腔外倍频，是按照多波长激光运转理论，根据三波长激光运转条件和三种波长倍频晶体的倍频特性，控制三种波长激光输出的比例，在腔外用相应的非线性晶体倍频获得均衡、同时输出的红绿蓝激光。
8.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，在需要时，包含1.3微米、1微米和0.9微米的声光开关及其驱动器，使连续1.3微米、1微米和0.9微米激光转换成高重复率的纳秒级高峰值功率短脉冲，以提高非线性转换效率，获得高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
9.如权利要求1所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，还包括所述激光装置及倍频装置的冷却和控温系统以及LD的控温装置。
10.如权利要求2所述的三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，所述的泵浦系统的泵浦源是激光二极管及其驱动源，以实现端面或侧面泵浦。
全文摘要
三波长钕激光器腔内或腔外倍频的红绿蓝三基色激光器，涉及一种产生红绿蓝三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子
文档编号H01S3/00GK1459897SQ0211736
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者沈鸿元, 张戈, 黄呈辉, 位民, 陈振强, 黄凌雄 申请人:中国科学院福建物质结构研究所