激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器的制作方法

专利名称：激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全固体激光器，尤其是涉及一种激光二极管泵浦掺Nd+Pr的红绿蓝全固 体激光器。
背景技术：
近几年来随着半导体激光器(LD)技术的成熟和商业化，以LD泵浦的全固体激光器 (DPSSLs)无论在技术层面还是在应用水平上都取得重要的进展。由于DPSSLs具有结构紧凑、 体积小、电-光转换效率高等优点，在精密仪器、工业加工应用、激光显示等领域具有重要的 应用前景，特别红、蓝、绿(R、 G、 B)大功率激光器在即将面市的激光电视中的地位具有至 关重要的意义(http:〃 laserdtv.com/osram—opto—semiconductors.htm: 2. A.Masters肌d C.Seaton， LASER FOCUS WORLD, Nov. 2006, article 277186)。
经过十几年的发展，目前RGB三基色激光器取得重大进展，其中以美国相干公司的光泵 半导体激光器(OPS) (http:〃www.laserfocusworld.com/articles/277186, A.Masters and C.Seaton, LASER FOCUS WORLD, Nov. 2006， article 277186)、中国中科院长春光机所创办的新产业公 司的固体激光器(DPSSLs)( http:〃www.cnilaser.com)和德国非线性变换激光器(A.Nebel et al.， "19 W RGB solid —state laser source for large frame laser projection displays", Conference Proceedings-Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting(LEOS.IEEE)， 1998， 1: 395-396; A.Nebel， "Process and apparatus for generating at least three light bundles of different wavelength,especially for displaying color images", US6233089, Achim(LDT GmbH&Co丄aser— Display-Technologies KG(Gera，DE)).2001.05.15)为主流，且处于国际领先水平。但是目前三基 色激光器价格每台至少在数十万RMB以上，因此，激光电视尽管品质优秀，至今仍处于样 品机阶段。
首台室温染料激光泵浦Pn YLiF4脉冲蓝光激光器于1977年在美国海军实验室完成 (L.Esterowitz, R.Allen, M.Kruer， F.Bartoli， LS.Goldberg, "Blue Light Emission by a Pr丄iYF4 -Laser Operated at Room Temperature", J. Appl. Phys. 48 (2): 650-652 (1977)); 1998年俄罗斯科学 院Kaminskii研究组(A.A.Kaminskii et al., "Quasi-cw Pr3,LiYF4 laser with =0.6395 (im and an average output power of 2.3 W"， Quantum Electronics 28 (3) :187-188 (1998))用灯泵产生瓦级准
3连续红光Pr3+:LiYF4激光；在德国方面，汉堡大学Huber研究组(T.Danger, T.Sandrock, E.Heumann, G.Huber， and B.Chai, "Pulsed laser action of Pr:GdLiF4 at room temperature", Applied Physics B Vol.57(3): 239-241(1993))于1993年开始用染料激光泵浦Pr:GdLiF4产生G、 R等多 波长脉冲激光，紧接着用Ar+激光泵浦Pr^YA103产生G、 R等多条可见连续激光(T.Danger, A.Bleckmann, G.Huber, "Stimulated emission and laser action of Pr3+-doped YA103", Applied Physics B, Vol.58(5): 413-420(1994))，他们(E.Osiac, E.Heumann, A.Richter, GHuber, A.Diening, W.Seelert, "Red Pr3+:YLiF4 laser excited by 480 nm optically pumped semiconductor laser", Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO) 2004.. Vol.2, Issue, 16-21 May 2004 Page(s): 2; A.Richter, E.Heumann, E.Osiac, G.Huber, W.Seelert, and A.Diening, "Diode pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol.29: 2638-2670 (2004))于2004年率 先采用蓝光OPS和GaN基LD泵浦Pr3+:YLiF4产生G、 R激光，但是功率仅mW量级，直到 最近，才达到lOOmW量级(R、 G单谱线斜体效率接近50%) (K.Hashimoto， and RKannari， "High-power GaN diode-pumped continuous wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol. 32, No. 17: 2493-2495(2007); A. Richter, E. Heumann, and G. Huber, V. Ostroumov and W. Seelert, "Power scaling of semiconductor laser pumped Praseodymium-lasers", Optics Express Vol. 15(8): 5172-5178(2007))，主要原因是蓝光OPS和GaN基LD的功率只有1.6W和500mW;另一途 径是美国loser Power Cor; ora"o" (P.W.Binun, T丄.Boyd, M.A.Pessot， et al.， "Pr:YLF， intracavity-pumped， room-temperature upconversion laser", Optics Letters Vol.21(23): 1915-1917(1996))采用上转换技术产生3.5mW 640 nm的R激光，不过效率仅0.03%。
上述产生的R、 G等激光都是单色的，为了提高输出功率，必须提高泵浦源激光的功率。 从目前技术看，OPS由美国相干公司专有，蓝光最大也达到5 W以上，但是价格达10万美 元以上，而GaN基LD最大功率只有500mW(K.Hashimoto, and F.Kannari, "High-power GaN diode-pumped continuous wave Pr3+-doped LiYF4 laser", Optics Letters Vol. 32， No. 17: 2493-2495(2007)),将来数年内难于大幅提高，本申请人在固体激光器研制方面取得突破，成 功研制的波长473nm全固体连续蓝光激光器，获得最高1.6W的稳定输出功率，课题组主要 成员贾富强博士与卜轶坤博士在中科院长春光机所博士论文期间取得大于5W波长456nm和 457nm的稳、定功率输出(F.Q.Jia, Y.K.Bu， et al., 5.3W deep-blue light generation by intra-cavity frequency doubling of Nd: GdV04， Applied Physics B (2006) 83(2): 244-246; Q.H.Xue, Q.Zheng, Y.K.Bu, F.Q.Jia, L.S.Qian, High-power efficient diode-pumped Nd:YVO4/LBO 457nm blue laser w他4.6-W output power, Optics Letters (2006) 31(8): 1070-1072)。而最新研究(邹玉林，吴敬朋，臧竞存等，Pr:GdV04晶体的光谱特性及光谱计算，中国科技论文在线，2007年09月26日， http:Vwww.paper.edu.cn)表明，Pr:GV04激光晶体在455 nm附近(FWMH=6nm)具有强的吸 收，适合456nm/457nm的DPSSLs泵浦。

发明内容
本发明的目的在于针对现有的LD泵浦固体激光器仅输出单一的R、 G、 B激光等不足， 提供一种单一LD泵浦同时输出R、 G、 B三基色固体激光的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激
光器o
本发明的技术方案是采用新的腔体和膜系结构。
本发明设有
光纤耦合输出的808nm连续激光二极管LD;
耦合光纤Coup,耦合光纤Coup输入端接808nrn连续激光二极管LD的光纤耦合输出端； 平面输入镜M0，平面输入镜M0的输入端接耦合光纤Coup的输出端； 带温控装置的Nd:GV04激光晶体，Nd:GV04激光晶体的输入端面接平面输入镜MO; 倍频晶体(LBO)，倍频晶体(LBO)设于Nd:GV04激光晶体的输出端； 激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体(LBO)的后端，作为蓝光的输出镜； Pr:GV04激光晶体，Pr:GV04激光晶体设于激光输出镜Ml的输出端； 激光输出镜M2，激光输出镜M2设于Pr:GV04激光晶体的输入端，作为红光的输出镜； 激光输出镜M3，激光输出镜M3设于Pr:GV04激光晶体的输出端，作为绿光的输出镜。 温控装置可采用常规的半导体制冷器，带温控装置的Nd:GV04激光晶体和光学耦合系
统与其它光学元件一块固定在基座上。
平面输入镜为808nrn增透(HT)和反射率11>99.5%的912nm、 456nm、 522nm禾卩640nm
高反介质膜，直接镀在Nd:GV04激光晶体的输入端面，作为激光器的输入镜。
本发明提出以大功率LD泵浦Nd:GV04/LBO 456 nm激光泵浦，采用"Z"型腔结构，使
得R、 G、 B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三基
色全固体激光。本发明的突出效果将在具体实施方式
中加以进一步的说明。


图1为本发明实施例的结构框图。 图2为本发明实施例的装置示意图。
图3为本发明实施例的Nd:GV04激光晶体的输入端面的膜系理论曲线。在图3中，横 坐标为波长Wavelength (nm)，纵坐标为透射率Transmittance(%)。图4为本发明实施例的Nd:GV04激光晶体的输出端面的膜系理论曲线。在图4中，横 坐标为波长Wavelength (證)，纵坐标为透射率Transmittance(%)。
图5为本发明实施例的蓝光B的输出镜M1的膜系理论曲线。在图5中，横坐标为波长 Wavelength (nm)，纵坐标为透射率Transmittance(°/o)。
图6为本发明实施例的红光R的输出镜M2的膜系理论曲线。在图6中，横坐标为波长 Wavelength (nm),纵坐标为透射率Transmittance(%)。
图7为本发明实施例的绿光G的输出镜M3的膜系理论曲线。在图7中，横坐标为波长 Wavelength (nm)，纵坐标为透射率Transmittance(%)。
图8为本发明实施例的激光晶体Pr:GV04双端面的膜系理论曲线。在图8中，横坐标为 波长Wavelength (nm)，纵坐标为反射率Reflectance (%)。
具体实施例方式
如图1、 2所示，本发明包含三个部分光学耦合系统、晶体设计与温控装置和谐振腔
体设计，具体设有
光纤耦合输出的808nrn连续激光二极管LD;
耦合光纤Coup，耦合光纤Coup输入端接808nrn连续激光二极管LD的光纤耦合输出端； 平面输入镜M0，平面输入镜M0的输入端接耦合光纤Coup的输出端； 带温控装置的Nd:GV04激光晶体Cl， Nd:GV04激光晶体Cl的输入端面接平面输入镜
M0;
倍频晶体(LBO) C2，倍频晶体(LBO) C2设于Nd:GVCV激光晶体Cl的输出端； 激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体(LBO) C2的后端，作为蓝光的输出镜； Pr:GV04激光晶体C3， Pr:GV04激光晶体C3设于激光输出镜Ml的输出端； 激光输出镜M2，激光输出镜M2设于Pr:GV04激光晶体C3的输入端，作为红光的输出
镜；
激光输出镜M3，激光输出镜M3设于Pr:GV04激光晶体的输出端，作为绿光的输出镜。 光纤耦合输出的808nm连续激光二极管LD通过耦合系统Coup (通常可由一对焦距为 10mm组成的耦合透镜组构成，起到对泵浦光的准直与聚焦入激光晶体的耦合作用)；带温控 装置的Nd:GV04激光晶体的输入端面作为平面输入镜MO, M0镀上808nm、 1064nm、 1034nm 处透射率T〉98。/。的增透(HT)和912nm处高反射率(HR)R〉99.5。/。的介质膜，其理论设计曲线如 图3所示；Nd:GVO4激光晶体的输出端面镀上456nm、522nm和640nm高反R〉99.5n/。，912nm、 1064nm、 1034nm处透射率7>98%的增透HT介质膜，其理论设计曲线如图4所示；激光输出镜Ml放置于Nd:GV04激光晶体的输出端，作为蓝光B的输出镜。激光输出镜M1:镀1064nm、 1034nm高透(1>60%)和456nm部分透射，同时912nm、 640nm、 522nm高反(R>99.5%)介质膜，其理论设计曲线如图5所示，这里456nm部分透 射率设定为T=20%。激光输出镜M2:镀640nm部分透射(设T=10%)，同时912nm、 456nm、 522nm高反 (R>99.5%)介质膜，起到蓝、绿光后镜和红光输出镜的双重作用，其理论设计曲线如图6 所示。激光输出镜M3:镀522nm部分透射(设T=10%)，同时912nm、 456nm、 640nm高反 (R>99.5%)介质膜，起到蓝、红光后镜和绿光输出镜的双重作用，其理论设计曲线如图7 所示。倍频晶体LBO镀上商业化的宽带增透介质膜。激光晶体Pr:GV04镀上选择波段增透介质膜456nm、 522nm、 640nm处透射率T> 99.8%，912nrn处T>99.9°/。，其理论设计曲线如图8所示。在本发明中，为了提高三基色RGB激光输出功率与光束质量等特性，可作以下设计 膜系设计根据已知的偏振光谱性质，优化设计LD泵浦Nd:GV04/LBO产生基波912 nm及其倍频456 nm的腔体结构、晶体参数和膜系，提高456 nm蓝光激光的输出功率水平；同时，根据不同的三基色激光产生的方案，设计掺镨激光晶体B、 G、 R线偏振激光的腔体与相应的膜系参数。腔体设计选择合适的腔体结构，利用相应的谐振腔原理对腔长和泵浦光的耦合输入系 统进行计算设计，确定激光晶体的位置，保证晶体对泵浦光的吸收达到最佳；同时考虑输出 耦合镜的曲率半径和镀膜，尽可能减小腔内的损耗，获得较好的光束质量。激光研究首先采用线性腔结构，以大功率LD泵浦Nd:GV04/LB0 456nm激光泵浦， 产生520 nm、 640 nm四能级偏振激光；其次，采用"Z"型腔结构，特殊地设计膜系，同时输 出B、 G或B、 R双色激光，使各条谱线激光输出功率均大于1W;最后，釆用"Z"型腔结构， 使得R、 G、 B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三 基色全固体激光。本发明同样适合于以大功率LD泵浦Nd:YV04/LBO 457nm激光泵浦，采用"Z"型腔结构， 使得R、 G、 B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三 基色全固体激光。
权利要求
1. 激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于设有光纤耦合输出的808nm连续激光二极管；耦合光纤，耦合光纤输入端接808nm连续激光二极管的光纤耦合输出端；平面输入镜，平面输入镜的输入端接耦合光纤的输出端；带温控装置的NdGVO4激光晶体，NdGVO4激光晶体的输入端面接平面输入镜；倍频晶体，倍频晶体设于NdGVO4激光晶体的输出端；激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体的后端，作为蓝光的输出镜；PrGVO4激光晶体，PrGVO4激光晶体设于激光输出镜M1的输出端；激光输出镜M2，激光输出镜M2设于PrGVO4激光晶体的输入端，作为红光的输出镜；激光输出镜M3，激光输出镜M3设于PrGVO4激光晶体的输出端，作为绿光的输出镜。
2. 如权利要求1所述的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于温控装置为 半导体制冷器。
3. 如权利要求1所述的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于平面输入镜 为808nm增透和反射率R〉99.5y。的912nm、 456nm、 522nm和640nm高反介质膜，直接镀在 Nd:GV04激光晶体的输入端面，作为激光器的输入镜。
全文摘要
激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，涉及一种全固体激光器。提供一种单一LD泵浦同时输出R、G、B三基色固体激光的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器。设光纤耦合输出的808nm连续激光二极管、耦合光纤、平面输入镜、Nd:GVO₄激光晶体、倍频晶体、激光输出镜M1、Pr:GVO₄激光晶体、激光输出镜M2和激光输出镜M3；耦合光纤输入端接808nm连续激光二极管的光纤耦合输出端；平面输入镜输入端接耦合光纤；Nd:GVO₄激光晶体输入端面接平面输入镜；倍频晶体设于Nd:GVO₄激光晶体输出端；M1设于倍频晶体后端；Pr:GVO₄激光晶体设于M1输出端；M2和M3分别设于Pr:GVO₄激光晶体输入、输出端。
文档编号H01S3/23GK101533989SQ200910111549
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月21日 优先权日2009年4月21日
发明者卜轶坤, 斌 徐, 蔡志平, 许惠英, 贾富强, 栋 魏 申请人:厦门大学