专利名称：可见光激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于腔内倍频技术设计紧凑型高效可见光激光器，在激光显示、距离测量和医疗设备领域需要这种激光器。
背景技术：
基于倍频法产生可见光的技术已得到广泛应用。关于倍频法的一个例子在uJ. A. Armstrong et al. ,Physical Review, vol. 127No. 6, Sep. 15, 1962, pp. 1918-1939，，中披露。在此文献中，提出了一种采用周期性畴反转光栅的倍频器，来满足准相位匹配(QPM)条件。通过在QPM晶体中引入角频率为λ f的泵浦光，来实现频率倍增，以产生具有二次谐波频率的新光。
为实现高功率高效的紧凑型可见光激光器，已经提出了腔内二次谐波发生(SH G)技术。用于形成腔内SHG激光器的一种方法在文献“Mooradian等的美国专利第4，953，166号；Mizuuchi等的美国专利第7907646B2号”中披露，如图I (a)所示。在该文献中，使用发出808nm的泵浦波长的光的多个激光二极管I来对激光晶体3 (例如Nd YV04晶体)进行泵浦，以产生1064nm波长的基波。然后，通过倍频器4 (例如PPLN:周期性极化铌酸锂)对基波进行频率倍增。激光晶体3的输入端面2采用了对泵浦波长减少反射(AR)的镀膜以增强泵浦效率，以及采用了对基频波长和二次谐波(倍频)波长光高反射的(HR)镀膜。倍频器的出射面5采用了对基频波长高反射(HR)和对倍频波长光高透射(HT)的镀膜。已报道的方法仅提供了采用激光二极管作为泵浦的腔内SHG激光器结构的总体思路。并未提供关于如何使激光晶体的入射面和倍频晶体的出射面之间保持精确平行以形成高效激光谐振腔的描述。用于形成可见光激光器的另一种方法在文献“Essaian的美国专利第7724797B2 ；TAKEDA TAKASHI的美国专利第2008/0174738 Al号和Afzal等的美国专利第7149231号”中公开，如图I (b)所示。在这些文献中，是一个可发出808nm泵浦波长光的激光二极管阵列I来对激光晶体3 (例如Nd =YVO4)进行泵浦，以产生1064nm波长的基波。然后，通过倍频器4 (例如PPLN:周期性极化铌酸锂)对基波进行频率倍增。激光晶体3的入射面2采用了可对泵浦波长减少反射(AR)的镀膜，以增强泵浦效率，以及采用了对基频波长和二次谐波(倍频)波长光高反射(HR)的镀膜。倍频器的出射面5采用了对基频波长HR的镀膜和倍频波长高透射(HT)的镀膜。激光晶体3和倍频器4光胶结合在一起，以确保入射面2和出射面5保持平行。已报道的方法仅仅提供了关于采用激光二极管阵列作为泵浦并且采用光胶结合着的激光晶体和倍频晶体分别作为增益介质和倍频器的腔内SHG激光器结构的一种总体思路。关于如何将泵浦光高效地耦合入激光晶体，以及如何实现可见光的高输出功率则并未给出O用于形成可见光激光器的又一种方法在文献“Koyata Yasuharu的欧洲专利EP 2192 443 Al”中公开，如图I (c)所示。在该文献中，是发出808nm泵浦波长光的激光二极管阵列I来对平面波导式激光晶体3 (即Nd YV04晶体)进行泵浦，以产生1064nm波长的基波。然后，通过平面波导式倍频器6 (即PPLN :周期性极化铌酸锂)实现基波的频率倍增。激光晶体3的入射面2采用了对泵浦波长减少反射(AR)的镀膜，以增强泵浦效率，以及对基频波长和二次谐波(倍频)波长高反射(HR)的镀膜。激光晶体3的出射面4和倍频器6的入射面5均采用了对基频波长和倍频波长减少反射(AR)的镀膜。倍频器的出射面7采用了对基频波长HR的镀膜和对倍频波长高透射(HT)的镀膜。激光晶体3和倍频器6之间保持一定的间隙。已报道的方法仅仅提供了关于采用激光二极管阵列作为泵浦以及采用平面波导式激光晶体和倍频晶体分别作为增益介质和倍频器的腔内SHG激光器结构的总体思路。关于如何将泵浦光高效地导入激光晶体，以及如何使端面2和端面7之间保持精确平行以满足高效激光器的需要，则并未给出。此外，用于形成可见光激光器的另一种方法在文献“Shchegrov的美国专利第US7359420B2号”中公开，如图I (d)所示。在该文献中，是发出1064nm的泵浦波长光的垂直扩展激光二极管阵列I对倍频器2 (即PPLN :周期性极化铌酸锂)进行泵浦。然后，倍频 光通过I禹合器3导出。所报道的方法仅仅提供了关于采用垂直扩展激光二极管阵列作为泵浦的腔内SHG激光器结构的总体思路。关于如何将泵浦光高效地导入激光晶体，以及如何采用更廉价的808nm激光二极管阵列作为泵浦光源，则并未给出。此外，用于形成可见光激光器的另一种方法在文献“Kang Li, Proc ofSPIE，Vol. 7578，pp. 1-6，2010”中公开，如图I (e)所示。在该文献中，是发出1064nm泵浦波长光的激光二极管阵列I对倍频器3 (即PPLN :周期性极化铌酸锂)进行泵浦，以产生波长为532nm的倍频波。泵浦光导入倍频器3中以及从倍频器导出分别通过透镜阵列2和透镜阵列4来完成。激光谐振腔由耦合镜5形成。已报道的方法仅仅提供了关于采用激光二极管阵列作为泵浦和采用透镜阵列将泵浦光导入/导出倍频晶体的腔内SHG激光器结构的总体思路。关于如何采用更廉价的808nm激光二极管阵列作为泵浦光源，则并未说明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有改善效率的简单结构来实现基于腔内SHG技术的低成本紧凑型可见光激光器。根据本发明的一方面(如图2所示)，可见光激光器包括激光二极管阵列I、一根光束整形光纤2、激光晶体4 (例如Nd:YV04)、两个间隔件6、7以及倍频晶体9 (例如PPLN)。激光晶体4的入射面3采用了对泵浦波长减少反射(AR)的镀膜，以增强泵浦效率，以及采用了可对基频波长和二次谐波(倍频)波长高反射(HR)的镀膜。激光晶体4的出射面5和倍频器9的入射面8均采用了可对基频波长和倍频波长减少反射(AR)的镀膜。倍频器9的出射面10采用了可对基频波长高反射(HR)和对倍频波长高透射(HT)的镀膜。激光晶体4和倍频器9之间通过两个相同的间隔件6和间隔件7连接。
从以下结合附图本文所给出的详细描述中，本发明将会被更全面地理解。附图中图I (a)是基于腔内SHG法的可见光激光器结构的现有技术的示意图。图I (b)是采用激光二极管阵列的基于腔内SHG法的可见光激光器结构的现有技术的示意图。图I (C)是采用激光二极管阵列和板条波导的基于腔内SHG法的可见光激光器结构的现有技术的不意图。图I (d)是采用叠阵激光二极管阵列的基于腔内SHG法的可见光激光器结构的现有技术的不意图。图I (e)是采用透镜阵列的基于腔内SHG法的可见光激光器结构的现有技术的示 意图。图2是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第一优选实施例的示意图。图3是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第二优选实施例的示意图。图4是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第三优选实施例的示意图。图5是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第四优选实施例的示意图。图6是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第五优选实施例的示意图。图7是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第六优选实施例的示意图。图8是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第七优选实施例的示意图。图9是用于说明根据本发明的可见光激光器结构的第八优选实施例的示意图。
具体实施例方式本发明通过下述手段来解决之前所存在的问题。在第一优选实施例中，如图2所示，可见光激光器包括激光二极管阵列I、一根光束整形光纤2、激光晶体4 (例如Nd :YV04)、两个间隔件6、7以及倍频晶体9 (例如PPLN)。激光晶体4的入射面3采用了可对泵浦波长光减少反射(AR)的镀膜，以增强泵浦效率，以及可对基频波长和二次谐波(SH)波长光高反射(HR)的镀膜。激光晶体4的出射面5和倍频器9的入射面8均采用了可对基频波长和倍频波长光减少反射(AR)的镀膜。倍频器9的出射面10采用了对基频光进行高反射(HR)和对倍频光进行高透射(HT)的镀膜。激光晶体4和倍频器9之间通过两个相同的间隔件6和间隔件7连接。光纤2使得能够在不需要使用额外的光学元件的情况下，就可将来自泵浦激光二极管阵列I的泵浦光高效地耦合入激光晶体。光纤2与激光二极管阵列I连接，以可沿垂直方向压缩光束，从而使从激光二极管阵列I的各个发光器发出的光束的形状呈近似正方形。光纤的直径可以具有范围为100和300um之间的值，这取决于激光二极管阵列中所使用的发光器的发光区的尺寸。光纤可粘结在激光二极管阵列I的基板上，以形成紧凑的结构。光纤2和激光晶体4之间的间隙应被设置得尽可能小。激光晶体4和倍频晶体9之间通过使用两个厚度完全相同的间隔件6、7连接，确保了只要激光晶体和倍频晶体的入射面和出射面平行，激光晶体4的入射面3和倍频器9的出射面10之间就彼此精确地平行。由于入射面3和出射面10精确地平行，并采用了对基频波长(例如1064nm)高反射(HR)的镀膜，所以可形成高Q值的激光谐振腔(lasercavity)，这对于高效率激光器是至关重要的。根据第一优选实施例，如图2所示，来自激光二极管阵列I的808nm波长的泵浦光通过光束整形光纤2而高效耦合入激光晶体4 (即Nd YV04)中，并且1064nm波长的基频光被高效地产生并被牢牢地限定在由入射面3和出射面10形成的激光谐振腔内。波长为532nm的倍频光由倍频晶体9产生在激光谐振腔内。由于入射面3采用了对倍频波长HR的镀膜，以及出射面10采用了对倍频波长HT的镀膜，所以所产生的倍频光可从激光器的输出方向高效提取。此外，由于这种高Q值的激光谐振腔由位于晶体端部的两个间隔件6、7保持，而与发光功率无关，所以所创作的激光器还适合于高功率用途。在本发明的第二优选实施例中，激光晶体4和倍频晶体5光胶结合一起，如图3所示。在这种结构中，不采用间隔件。只要激光晶体和倍频晶体的入射面和出射面之间是平行的，通过两个晶体之间的光胶结合可相对容易地实现入射面3和端面6之间的平行。这种结构适合于低功率可见光激光器，这是因为激光晶体4和倍频晶体5之间的光胶结合在 高功率下会断开。为了保证来自激光二极管阵列I的各发光器的光束接近正方形形状使用了一根光纤2，这与第一优选实施例中所述的类似。在本发明的第三优选实施例中，如图4所示，可见光激光器包括激光二极管阵列I、一根光束整形光纤2、激光晶体4(例如Nd :YV04 )、两个间隔件6、7、倍频晶体9(例如PPLN)以及耦合镜阵列11。激光晶体4的入射面3采用对泵浦波长(即808nm)减少反射(AR)的镀膜，以增强泵浦效率，以及对基频波长(即1064nm)和二次谐波(倍频)波长(即532nm)高反射(HR)的镀膜。激光晶体4的出射面5和倍频晶体9的入射/出射面8和10均采用了对基频波长和倍频波长减少反射(AR)的镀膜。耦合镜阵列11采用了对基频波长高反射(HR)和对倍频波长高透射(HT)的镀膜。耦合镜阵列11的镜的数量与节距与激光二极管阵列I相同。为了保证来自激光二极管阵列I的各发光器的光束接近正方形的形状，使用光束整形光纤2，这与第一优选实施例中所述的类似。光纤2和激光晶体4之间的间隙应设置得尽可能小。激光晶体4和倍频晶体9通过使用两个厚度完全相同的间隔件6、7连接，这与本发明的第一优选实施例中所述的类似。由于激光晶体4的入射面3和耦合镜阵列11均是对基频波长(例如1064nm) HR的镀膜，所以可形成高Q值的激光谐振腔，这对于高效激光器是至关重要的。根据第三优选实施例，如图4所示，来自激光二极管阵列I的808nm波长泵浦光通过光束整形光纤2高效地耦合入激光晶体4 (即Nd YV04), 1064nm波长的基频光被高效地产生并牢牢地限制在由入射面3和耦合镜阵列11形成的激光谐振腔内。波长为532nm的倍频光由倍频晶体9产生在激光谐振腔内。由于入射面3采用了对倍频波长HR的镀膜和耦合镜阵列11采用了对倍频波长HT的镀膜，所以所产生的倍频光可从激光器的输出方向高效提取。此外，由于这种高Q值的激光谐振腔由位于晶体端部的两个间隔件6、7保持，而与发光功率无关，所以所创作的激光器还适合于高功率用途。另外，由于是平凹激光谐振腔，所以很容易实现激光器稳定运转。在本发明的第五优选实施例中，使用垂直层叠式激光二极管阵列I作为泵浦光源，并且采用厚激光晶体4和厚倍频晶体6分别作为激光增益介质和倍频器，如图6所示。这种结构可看作为本发明第一优选实施例的变形例。由于是较高的泵浦功率，采用本发明的结构可实现甚至更高的可见光功率。在本发明的第六优选实施例中，采用垂直层叠式激光二极管阵列I作为泵浦光源，并且采用厚激光晶体4和厚倍频晶体5分别作为激光增益介质和倍频器，如图7所示。这种结构可看作为本发明第二优选实施例的变形例。由于是较高的泵浦功率，采用本发明的结构可实现较高的可见光功率。此外，由于是更多的发光器，所以所得到的可见光激光器具有更好的去斑性，这对于激光显示器的应用十分重要。在本发明的第七优选实施例中，采用了晶体表面开槽的可替换激光晶体，如图8所示。开槽的目的是形成脊，以防止相邻光束在激光谐振腔中融合或串扰。可通过切割法来形成这些槽。脊的数量和节距与前述优选实施例中所采用的激光二极管阵列的那些相同。在本发明的第八优选实施例中，采用了开槽的另一种激光晶体，并在晶体的表面采用导热层，如图9所示。开槽的目的是形成脊，以防止相邻光束在激光谐振腔中融合或串 扰。使用导热层来在激光器工作过程中将激光晶体上的热量高效地消除。脊的数量和节距与前述优选实施例中所采用的激光二极管阵列的那些相同。上述实施例已经描述了采用Nd YV04作为激光晶体的可见光激光器。当然，本发明所述方法还可以用于其他激光材料，如Nd :YAG等。上述实施例描述了采用PPLN作为倍频晶体的可见光激光器。当然，本发明所述方法还可以用于其他倍频晶体，如PPLT、PPKTP等。上述实施例描述了采用SHG来产生可见光。当然，本发明所述方法还可以应用于基于OPO (光参量振荡器)、SFG (和频光谱)、DFG (差频光谱)等来产生其他光。上述实施例描述了通过在激光晶体的一个表面上引入沟槽来约束激光束并消除热量。当然，也可以在激光晶体的其他表面开槽。上述实施例描述了通过在激光晶体内开槽来约束激光束并消除热量。当然，也可以在倍频晶体内开槽。
权利要求
1.一种可见光激光器，包含泵浦激光二极管阵列、激光谐振腔和具有结合着的激光晶体的倍频晶体。
2.—种可见光激光器，包含泵浦激光二极管阵列、激光谐振腔、具有结合着的激光晶体的倍频晶体和耦合镜阵列。
3.—种可见光激光器，包含垂直层叠式泵浦激光二极管阵列、激光谐振腔和具有结合着的激光晶体的厚倍频晶体。
4.一种可见光激光器，包含垂直层叠式泵浦激光二极管阵列、激光谐振腔、具有结合着的激光晶体的厚倍频晶体和耦合镜阵列。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的可见光激光器，所述激光二极管阵列中具有光束整形元件，所述光束整形元件连接在所述激光二极管阵列的出射面上。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的可见光激光器，所述倍频晶体/厚倍频晶体直接结合在激光晶体/厚激光晶体上。
7.根据权利要求I至4中任一项所述的可见光激光器，所述倍频晶体/厚倍频晶体通过两个相同的间隔件结合在激光晶体/厚激光晶体上。
8.根据权利要求6或7所述的可见光激光器，所述激光晶体/厚激光晶体的入射面采用了对泵浦波长减少反射的镀膜，并且对基频波长和二次谐波波长高反射的镀膜。
9.根据权利要求6或7所述的可见光激光器，所述倍频晶体/厚倍频晶体的出射面采用了对基频波长高反射的镀膜，并且对二次谐波波长高透射的镀膜。
10.根据权利要求7所述的可见光激光器，所述激光晶体/厚激光晶体的出射面采用了对基频波长和二次谐波波长减少反射的镀膜。
11.根据权利要求7所述的可见光激光器，所述倍频晶体/厚倍频晶体的入射面采用了对基频波长和二次谐波波长减少反射的镀膜。
12.根据权利要求2或4所述的可见光激光器，所述耦合镜阵列的输入表面采用了对基频波长高反射的镀膜，并且对二次谐波波长高透射的镀膜。
13.根据权利要求12所述的可见光激光器，所述耦合镜阵列包含多个曲面镜，所述多个曲面镜的数量和节距与上述权利要求2中的激光二极管阵列相同。
14.根据权利要求12所述的可见光激光器，所述耦合镜阵列包含二维布置的多个曲面镜，所述多个曲面镜的数量和节距与权利要求4中的垂直层叠式激光二极管阵列相同。
全文摘要
一种紧凑型可见光激光器结构，包含泵浦激光二极管阵列、激光二极管光束整形器、两端面被适当镀膜的激光晶体、两个间隔件以及两端面被适当镀膜的倍频晶体。间隔件的作用是在激光晶体和倍频晶体之间保持一定的间隙，并确保通过间隔件连接的端面之间保持精确平行。激光晶体和倍频晶体端面被镀膜是为了对基波形成激光谐振腔，以提高对泵浦波长的泵浦效率，降低基波的腔损耗，以及提高二次谐波波长的提取效率。
文档编号H01S3/06GK102832531SQ20121020289
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月18日 优先权日2011年6月17日
发明者徐卫文 申请人:徐卫文