专利名称：超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，尤其是能同时激发掺Nd激光晶体多波长激光共振，并用一块超晶格实现多个倍频和直接三倍频红、绿、蓝三基色激光器。
此前的相关工作包括2001年12月，南京大学固体微结构实验室(本申请单位)刘照伟、祝世宁等人在JJAP上发表了“用双周期反转畴结构钽酸锂晶体三倍频产生1.064μm激光的三倍频紫外光准连续输出(Ultraviolet generation in a dual-periodic domaininverted structure in LiTaO3crystal by frequency tripling in a 1.064μm laser)”的文章，报导了用双周期结构的LT超晶格对NdYVO4发射的1.064μm激光直接三倍频，同时产生绿光(0.532μm)和紫外光(0.355μm)的结果，两个周期(基本周期和调制周期)分别为l＝6.77μm，L＝51.08μm，倍频绿光和三倍频紫外光的最高功率分别为344mw和21mw，对应效率分别为45.4％和2.7％。
上述文章介绍的是用超晶格晶体对一种基波光(1.064μm)进行倍频和三倍频产生一种或两种可见光输出的结果，不能同时输出红、绿、蓝三色或三基色激光。
1999年11月，Daniel Jaque和Juan Campany等人在Opt.Eng上发表了“用NYAB非线性晶体产生红、蓝、绿激光(Red，blue，and green laser-lightgeneration from the NYAB nonlinear crystal)”文章，介绍了他们在不同的谐振腔系统中，采用NdYAl3(BO3)4(NYAB)晶体匹配自倍频或自和频过程的办法，实现了红、绿、蓝三基色激光的分别输出。其中红光(0.669μm)和绿光(0.531μm)分别是由Nd3+的4F3/2→4I13/2和4F3/2→4I11/2发射谱线(波长分别为1.338μm和1.062μm)对应的激光自倍频获得。而蓝光(0.458μm)是由0.807μm的泵浦激光与1.062μm波长的振荡激光自和频获得。在约1w的钛宝石激光泵浦下，获得红、绿、蓝光的最高功率分别为0.6mw、115mw和20μw。这里三基色激光不是同时输出的，而且改变输出激光的颜色(波长)，需要变换不同的谐振系统和采用不同角度切割得NYAB晶体，作为彩色显示的实用性受到很大限制。
2001年1月J.Campany又在Appl.Phys.Lett.上发表了“非周期极化的掺钕铌酸锂中同时产生红、绿、蓝连续光激光(Simultaneous generation of red，green，andblue continuous-wave laser radiation in Nd3+-doped aperiodically poled lithiumniobate)”的文章。与上面一篇文章中的自倍频和自和频类似，其中红光(0.686μm)和绿光(0.542μm)分别由同时振荡的1.372μm和1.084m的基波自倍频得到，而蓝光(0.441μm，0.482μm)则是由0.774μm的泵浦光与1.084μm和1.372μm的振荡光自和频得到。文章给出的只是光谱检测结果，还包括0.605μm的橙光(由1.084μm和1.372μm的振荡光自和频得到)，总的可见光功率在1mw左右。由于生长的非周期结构无法针对三基色输出进行优化，输出功率和转换效率与红、绿、蓝三基色激光的同时有效输出还有相当的距离。
2001年8月，刘辉、朱永元等人在Appl.Phys.Lett.发表了“用于频率转换的非周期超晶格设计(Aperiodic optical superlattice engineered for opticalfrequency conversion)”的文章，报导了非周期超晶格结构设计方法及实现多波长倍频的理论结果。可以根据需要设计非周期的超晶格(反转畴)序列提供多个(可以大于三个，理论上是任意多个)有效的倒格矢匹配多个倍频过程的位相失配。对使用单一结构超晶格，通过多波长倍频和三倍频实现红、绿、蓝三基色激光的同时输出具有很重要的参考价值。本申请人申请的00119006和00119007也是本发明的超晶格设计的基础。
用超晶格材料作为参量介质和参量耦合介质也可以实现红、绿、蓝三基色激光的同时输出。如专利号98102831.4，名称一种同时输出红、绿、兰三原色激光的激光器，中所描述的，由于采用多次光参量耦合及变频(倍频、和频)相结合的方式，用多块超晶格或多种不同结构的超晶格组合，置于腔内使谐振腔内元件增多、结构复杂，阈值增高；置于腔外则由于参量耦合过程转换效率依次降低，在实际应用中受到限制。
另外，使用混合气体也能获得三基色激光的同时输出，如Cooke公司的White KnightTMlaser series RGB产品采用空阴极的He-Cd混合气体激光器以及Kr-Ar离子三波长激光器。但由于是气体激光器，体积大、效率低、使用不便。
综上所述，这些研究与技术途径均不涉及同时激发NdYVO4晶体的1.064μm和1.342μm的双波长激光共振，并用一块单一结构(非周期、准周期)的超晶格晶体同时对1.064μm和1.342μm基波倍频和直接三倍频产生红、绿、蓝三基色激光有效输出。
本发明的目的利用掺Nd离子晶体激发多波长激光共振，用一块超晶格实现多个倍频和直接三倍频(指用同一晶体的二阶非线性效应同时完成基波光倍频及倍频光与基波光和频得到三倍频)过程，同时得到可见光波段内多波长激光输出的装置；尤其是同时激发NdYVO4晶体的1.064μm和1.342μm的双波长激光共振，并用一块单一结构(非周期或准周期)的钽酸锂(LiTaO3，LT)超晶格为变频晶体，同时获得红、绿、蓝三色和三基色激光输出的小型和具有实用性的全固态激光器。
本发明是按照下面所述的方式实现的。
本发明提供的超晶格全固态红、绿、蓝三色和三基色激光器，包括LD泵浦源，端面镀膜的Nd3+YVO4晶体，发射波长的双波谐振腔，以及能同时实现多个非线性频率变换过程(两个倍频、一个和频)的特定结构的超晶格晶体。LD泵浦NdYVO4晶体，从4F3/2→4I9/2、4I11/2、4I13/2、4I15/2能级跃迁的多条谱线，选择设计双波长谐振腔，获得双波长基波同时输出，然后针对此双波长基波设计具有特定结构(非周期或准周期)的LT超晶格。该超晶格可以对NdYVO4发射的较短波长激光实现有效的倍频得一种可见光谱线，同时也对NdYVO4发射的较长波长的谱线进行倍频和三倍频，分别得到二种可见光谱线。一般获得红、绿、蓝三色或三基色激光。利用NdYVO4晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2，设计双波长谐振腔，获得1.064μm和1.342μm双波长基波同时输出，然后针对此双波长基波设计具有特定结构(非周期或准周期)的LT超晶格。该超晶格可以对NdYVO4发射的1.064μm激光实现有效的倍频得到绿光(0.532μm)，同时也对NdYVO4发射的1.342μm激光实现倍频和三倍频，得到0.671μm的红光和0.447μm的蓝光，从而构造出能实现红、绿、蓝三色和三基色激光输出的小型全固态激光器。1.342μm激光实现倍频和三倍频，1.064μm激光和1.342μm激光以直腔(1.342μm激光在3、5之间振荡，1.064μm激光在3、6之间振荡，说明书附1)或分路折叠的方式(1.342μm激光在13、5之间振荡，1.064μm激光在12、6之间振荡，说明书附2)同时振荡并共线输出。腔内加入声开关4使1.342μm和1.064μm激光变成准连续，提高峰值功率密度和转换效率。超晶格晶体置于控温炉8中，放置于(腔内或)腔外。
本发明还可以采用不同的掺Nd激光晶体、选择不同的发射谱线共同谐振、使用不同的超晶格材料、不同的超晶格结构参数实现多种颜色组合的可见光同时输出。
1.不同的掺Nd激光晶体，对应的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的发射谱线的受激发射截面和对应波长与NdYVO4有所不同，这意味着，对其它掺Nd晶体，适当调整平衡双波长共振损耗，也可以实现双波共振，相应的修改超晶格的结构，它们也适用于本发明，只是产生的红、绿、蓝三色激光的波长会略有不同。如NdYAP(NdYAlO3)晶体，对应的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的发射谱线波长为1.079μm和1.341μm，采用本发明的方法可以获得0.670μm红光、0.540μm的绿光和0.447μm的蓝光。
2.NdYVO4的发射谱线除了上述的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2之外，还包括4F3/2→4I15/2和4F3/2→4I9/2，对应的波长分别为1.839μm和0.914μm。采用本发明的设计，选择4F3/2→4I13/2和4F3/2→4I9/2的发射谱线双共振，设计相应的超晶格，可以得到红光(0.671μm)、绿光(0.565μm)、蓝光(0.457μm，0.447μm)的输出；若设计谐振膜系使4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2同时共振，可以设计相应的超晶格，获得多种颜色和多种颜色组合激光输出。
3.除了LiTaO3晶体外，本发明还包括LiNbO3、KTP、RTP等其它非线性光学晶体的超晶格。它们的折色率及色散关系不同，因此超晶格设计的参数也有所不同。
4.除了非周期超晶格，本发明还包含其它准周期和复合结构光学超晶格。例如通过合适的参数选择，三组元的准周期结构也能提供有效的倒格矢，准位相匹配实现上述多个频率转换过程。一种可行的结构参数为D＝32.5μm，DA＝19μm，DB＝13.7μm，DC＝7.066μmm，正畴宽度lc＝4.9μm，与投影角有关的参数η1＝1.205，η2＝0.997，η3＝1。该序列是由投影法得到。即在一个三维立方点阵中作一条投影线；空间坐标系的三根轴在垂直投影线平面的投影组成一个六边形，将该六边形延着投影线方向延伸，形成一个六边形柱；所有落在这个六边形柱中的格点都可以投影在这条投影线上，且得到的投影序列是由三个长度不等的基本单元构成；这个序列就是三组元的准周期序列，投影线与坐标系成的角度决定了三个基本组元的长度比例。本发明所涉及的准周期介电超晶格材料就是按上述序列结构制备的。可参见本申请发明人祝世宁等人的专利0019006.7和0019007.5周期和准周期结构的介电体超晶格材料的设计和制备方法。
通常情况下，周期光学超晶格材料只能用于倍频、和频或差频等单个非线性频率变换过程。要实现上述红绿蓝三基色激光输出，超晶格必须提供匹配1.342μm和1.064μm激光分别倍频(红光和绿光)的倒格矢，以及匹配1.342μm基波光与其倍频光(红光)和频产生三倍频(蓝光)的倒格矢。如果分别由三块具有周期结构的超晶格来提供，对应的周期分别为∧1、∧2和∧3，满足准位相匹配条件2πλ1[2n(λ1/2,T)-2n(λ1,T)]=2πΛ1---(1)]]>2πλ2[2n(λ2/2,T)-2n(λ2,T)]=2πΛ2---(2)]]>2πλ1[3n(λ1/3,T)-2n(λ1/2,T)-n(λ1,T)]=2πΛ3---(3)]]>其中λ1，λ2分别对应于1.342μm和1.064μm基波光波长。本发明采用的非周期结构设计的方法，就是通过如下特定的耦合方法将多种周期结构的倒格矢包含在一种特定的非周期结构中，并尽量大的保持其倒格矢高度。其结构函数可以表示如下G(x)=g1(x)φ{floor[xd-3floor(x3d)]}+g2(x)φ{foor[xd-3floor(x3d)-1]}+]]>g3(x)φ{floor[xd-3floor(x3d)-2]}]]>其中，d是最小畴的宽度，gi(x)=fi(floor(xd)+ceil(xd)2×d)]]>，而fi(x)=1-2floor(2xΛi)+4floor(xΛi)]]>表示的是周期为∧i的周期结构， ，根据所要求的∧i，可以设计相应的非周期结构，提供所需要的多个倒格矢。详细过程和方法参见刘辉、朱永元等的文章“Aperiodicoptical superlattice engineered for optical frequency conversion”，Appl.Phys.Lett.79(6)728-730，2001。
设定温度为80C；按照如下的色散公式计算折射率；ne(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2---(4)]]>其中参数A＝4.5284， B＝7.249×10-3，C＝0.2453，D＝-2.3670×10-2，E＝7.7690×10-2，F＝0.1838，b(T)＝2.6794×10-8(T+273.15)2，c(T)＝1.6234×10-8(T+273.15)2；计算其傅里叶谱，在 对应的位置具有较高的傅里叶分量，分别为0.2065、0.2017和0.1849。
本发明的优越性1.红、绿、蓝三基色激光器在高亮度的激光彩色显示、激光彩色打印等设备中处于核心地位，具有广阔的应用前景。目前的固体三基色激光器中，绿光激光器发展比较成熟，并已形成产品。红、蓝激光器都只是处于技术探索阶段。本发明提供了一种实现红、绿、蓝三基色激光同时有效输出的小型全固态激光器，具有其它激光器所不具备的优点，效率高，结构简单，使用方便，输出功率达到一定的水平，可以完善适用于多种应用场合，三基色激光的功率比可以调节，实现白光输出。
2.本发明采用的谐振腔结构可以同时产生1.064μm和1.342μm的激光振荡，直腔的结构简单，易于调节；而分路折叠腔可以调节声光开关控制信号的时延抑制双波竞争或改善双波共振脉冲的同步特性(时间重叠)。3.NdYVO4晶体具有优异的激光性能，如吸收系数大，吸收带宽，受激发射截面大，输出为线偏振等。该晶体的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁都具有较大的发射截面，它们发射截面的比值也易于实现双波长同时振荡，获得高效的1.064μm和1.342μm激光同时输出。4.本发明采用的超晶格结构是一种特定的非周期结构。可以根据需要，设计相应的结构，有效地提供多个倒格矢，并调节它们的高度，同时匹配多个非线性频率变换过程，且对超晶格材料和入射基波都没有特殊限制。其结构易于得到和制备，具有很大的灵活性和实用性。
五具体实施例方式
下面结合附图和实验例对本发明做进一步的详细说明。
实施实例1按照说明书附
图1制作一台超晶格全固态红、绿、蓝三基色激光器(已经实现)。甭浦源LD是Coherent公司的FAP-SystemTM，输出波长为807nm，最大输出功率为30w。NdYVO4晶体3前表面镀高反膜，与腔镜5组成1.342μm激光谐振腔，与腔镜6组成1.064μm激光谐振腔。声光开关4置于腔内，获得准连续的1.064μm和1.342μm激光。一块非周期极化的LT超晶格9(长约1cm)置于控温炉8中，调节温度，再匹配温度处得到红、绿、蓝三基色激光的同时输出。
实施实例2按照说明书附图1制作一台超晶格全固态红、绿、蓝三基色激光器，与实例1中不同的是，超晶格两端都镀以1.064μm和1.342μm减反膜及可见光减反膜，NdYVO4晶体前表面膜对可见光也高反，输出腔镜5、6对可见光高透，将超晶格置于腔内，实现腔内频率转换得到红、绿、蓝三基色激光的同时输出。
实施实例3按照说明书附图2制作一台超晶格全固态红、绿、蓝三基色激光器。与实例1、2均不同的是，NdYVO4晶体3两端均镀以1.064μm和1.342μm减反膜；10是对1.064μm和1.342μm均高反的双波长高反镜；11是45°分束镜，对1.342μm高反而对1.064μm高透；12、13分别是对1.064μm和1.342μm高反的腔镜。1.342μm激光在13、5之间振荡，1.064μm激光在12和6之间振荡。由声光开关连续光，可以调节两路声光控制信号的时延抑制双波竞争或改善双波脉冲的同步特性(时间重叠)。在腔外，超晶格9置于控温炉8中，调节温度得到红、绿、蓝三基色激光的同时输出。
实施实例4按照说明书附图2制作一台超晶格全固态红、绿、蓝三基色激光器。与实例3不同的是超晶格两端镀以1.064μm、1.342μm减反膜以及可见光区的减反膜，要求腔镜5、6对可见光也高透，12、13对可见光也高反。超晶格置于腔内，实现腔内频率转换得到红、绿、蓝三基色激光的同时输出。
权利要求
1.超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器的设置方法，其特征在于LD泵浦NdYVO4晶体，从4F3/2→4I9/2、4I11/2、4I13/2、4I15/2能级跃迁的多条谱线，选择设计双波长谐振腔，获得双波长基波同时输出，即一条较长和较短波长的两条谱线，然后针对此双波长基波设计具有非周期或准周期的LT超晶格，该超晶格对NdYVO4发射的较短激光实现有效的倍频得到一种可见光，同时也对NdYVO4发射的较长的谱线进行倍频和三倍频，分别得到另外两种可见光。
2.以权利要求1所述的超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，其特征在于对NdYVO4发射的1.064μm激光实现有效的倍频得到绿光(0.532μm)，同时也对NdYVO4发射的1.342μm激光实现倍频和三倍频，得到0.671μm的红光和0.447μm的蓝光，从而构造出能实现红、绿、蓝三色和三基色激光输出的小型全固态激光器。
3.以权利要求2所述的超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，其特征在于LD泵浦NdYVO4晶体，激发4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2双波长同时振荡，包括NdYVO4晶体其它发射谱线如4F3/2→4I9/2和4F3/2→4I15/2参与的双波长或多波长同时振荡，由超晶格同时实现多个频率变换过程，同时输出多波长可见光。
4.以权利要求1所述的超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，其特征在于LD泵浦NdYVO4晶体，激发4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2双波长同时振荡，包括两个或多个发射谱线同时振荡，由超晶格同时实现多个频率变换过程，同时输出多波长可见光。
5.以权利要求1所述的超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，其特征在于用单一结构的超晶格(非周期或准周期)，实现1.064μm激光的倍频，同时实现1.342μm激光的倍频和三倍频过程，材料包括LiTaO3、LiNbO3、KTP、RTP等非线性光学材料。
6.由权利要求1所述的超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器，其特征在于设计超晶格结构，针对NdYVO4晶体的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁，匹配多个频率变换过程产生红、绿、蓝三种可见光同时输出，还包括改变结构参数和匹配温度，以准位相匹配方式同时产生红、绿、蓝激光及其各种颜色组合激光输出的所有全固态多色激光器。
全文摘要
超晶格全固态红、绿、蓝三色激光器的设置方法，LD泵浦NdYVO
文档编号H01S3/00GK1402387SQ0213828
公开日2003年3月12日 申请日期2002年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者王慧田, 廖军, 何京良, 刘辉, 祝世宁, 朱永元, 闵乃本 申请人:南京大学