專利名稱：雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器的制作方法
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，涉及一種產(chǎn)生紅綠藍(lán)三基色激光的新技術(shù)，它是基于釹激光晶體中釹離子4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2躍遷產(chǎn)生的1.3微米和1微米波段輻射的雙波長激光通過腔內(nèi)倍頻獲得紅色和綠色激光1然后再由剩余的1.3微米激光與紅色激光在腔外和頻獲得藍(lán)色激光，通過控制材料參數(shù)、倍頻輸出的耦合度、4F3/2-4I13/2躍遷輸出耦合度、激光運(yùn)行參數(shù)等獲得均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光，并通過對基波的聲光調(diào)Q提高倍頻的轉(zhuǎn)換效率，以實(shí)現(xiàn)高效、均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光。
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，國際上主要利用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泵浦釹激光晶體倍頻得到的綠色激光經(jīng)光參量振蕩的898nm信號光和1256nm閑置光的倍頻得到449nm藍(lán)光和628nm紅光，而在光參量過程中循環(huán)的泵浦光作為綠光，以此得到紅綠藍(lán)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)。上述技術(shù)中，前者效率較低，體積較大，后者設(shè)備較復(fù)雜，成本較高。
1973年美國Bell實(shí)驗(yàn)室的Betha等首次利用YAG晶體中釹離子亞穩(wěn)能級到不同下能級的躍遷，獲得了1064nm和1318nm同時(shí)雙波長脈沖激光運(yùn)轉(zhuǎn)(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，雙波長激光引起了人們的廣泛興趣。
“七五”期間，在國家863項(xiàng)目和中國科學(xué)院重大項(xiàng)目資助下，中科院福建物構(gòu)所沈鴻元研究員首次建立了多波長激光振蕩條件，并利用NdYAlO3晶體從亞穩(wěn)能級到不同下能級的同時(shí)躍遷首次實(shí)現(xiàn)了雙波長晶體連續(xù)激光運(yùn)轉(zhuǎn)(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，World NewsLasersVol.26，No.6，P.42，1990.)。并建立了測量躍遷截面的新方法，研究測量了釹離子在YAlO3晶體中的躍遷截面(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.)，基于測量的數(shù)據(jù)，利用振蕩條件比較了一些常用激光晶體(NdYAG、NdYLF、NdBEL和NdYAlO3)實(shí)現(xiàn)雙波長激光的情況，結(jié)果表明，釹離子在YAlO3晶體中4F3/2to4I13/2躍遷截面與4F3/2to4I11/2躍遷截面之比接近1/2，它比上述其他晶體上述躍遷的比大2.4倍以上，所以NdYAlO3比上述其他晶體更容易實(shí)現(xiàn)雙波長連續(xù)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雙波長脈沖激光(H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，″Large energy 1079.5 and 1341.4nm dual wavelengthNdYAP pulsed laser″，Applied Optics，Vol.32，No.30(1993)5952.)，通過雙波長振蕩條件合理選擇激光參數(shù)后，已獲得輸出功率高達(dá)33.7W(1079.5nm)和30W(1341.4nm)的雙波長NdYAlO3連續(xù)激光。該成果已由我國著名光學(xué)專家王大珩院士主持召開的中科院科技成果鑒定會鑒定，樣機(jī)已出口美國，于1996年獲得國家科技進(jìn)步三等獎。并開展了雙波長晶體激光的倍頻、和頻研究，得到了紅色(670.7nm)、橙色(598.1nm)、綠色(539.8nm)、藍(lán)色(447.1nm)和紫色(413.7nm)相干輻射(G.Zhang，H.Y.Shen，et.al.，“The Study of 1341.4nmNdYALO3laser intracavity frequency doubling by LiB3O5.”O(jiān)pticsCommunication，183，46l(2000)；H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，“0.598l sumfrequencymixing in KTP crystal”，chinese physics letters，Vol.8，No.4(1991)215；H.Y.Shen et.al.，“SHG and SFM of a dual wavelength NdYAlO3laser in a fluxgrowth KTP crystal”，IEEE J.Quantum Electron.Vol.28，No.1(1992)48；W.X.Lin，H.Y.Shen，“Tripling the harmonic generation of 1341.4nm NdYAP laser inLiIO3and KTP to get 447.1nm coherent radiations”，Optics Commun.，82，3-4(1991)333；H.Y.Shen et.al.，“Twice SFM of a dual wavelengthhNdYAlO3laser 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.
80年代末，隨著作為泵浦的激光二極管的飛速發(fā)展，掀起了一場根據(jù)LD泵浦的特性，重新評價(jià)現(xiàn)有激光晶體和探索激光新晶體的熱潮，NdYVO4是60年代就發(fā)現(xiàn)的激光晶體，它雖具有優(yōu)異的激光光譜特性，但未生長出質(zhì)量好的大晶體，對于燈泵浦為主的60年代，該晶體未得到人們的應(yīng)有重視，LD泵浦技術(shù)大大地放松了對晶體尺寸的要求，90年代以來，這種晶體的晶體生長技術(shù)和LD泵浦NdYVO4激光器取得飛速的發(fā)展，從表1看到，YVO4中，4F3/2to4I13/2躍遷截面與4F3/2to4I11/2躍遷截面之比也接近1/2，而且躍遷截面比YAlO3更大，因而也是獲得雙波長激光的優(yōu)良晶體。
表1、幾種摻釹晶體的躍遷截面
近年來，利用非線性晶體的變頻技術(shù)，將近紅外激光變頻獲得可見激光的技術(shù)日臻成熟，并已成為獲得可見激光的主要技術(shù)途徑。中小功率應(yīng)用中，KTP晶體由于具有大的非線性系數(shù)、容忍溫度和容忍角而受到人們的青睞。LBO晶體非線性系數(shù)雖小，但它具有特高的破壞閾值，在高功率的應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢，而提高峰值功率將有助于提高非線性轉(zhuǎn)換的效率，因而也是非線性頻率轉(zhuǎn)換中常用的晶體，表2中給出了NdYAlO3和NdYVO4激光晶體利用上述非線性晶體實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的參數(shù)。利用非線性晶體和非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過色散和分光技術(shù)，將雙波長激光中兩個(gè)波長激光在腔內(nèi)分成兩路，按包含激光晶體受激發(fā)射參數(shù)、非線性有效非線性系數(shù)、腔長、激光和非線性晶體上光腰半徑以及4F3/2to4I13/2躍遷輸出耦合度等激光運(yùn)行參數(shù)的四能級激光速率方程的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)高效、均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)激光裝置，可以獲得足夠平均功率的紅綠藍(lán)三基色激光。表2-1.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶體中倍頻、和頻的最佳相位匹配角
表2-2.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶體中的相位匹配特性
基于以上考慮，本發(fā)明提出的釹激光晶體1.3微米波段和1微米波段雙波長激光通過非線性晶體的腔內(nèi)倍頻、腔外和頻獲得紅綠藍(lán)三基色激光是可行的。
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其發(fā)明的目的是利用KTP、LBO等非線性晶體將NdYAlO3、NdYVO4等釹激光晶體的4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2躍遷產(chǎn)生的1300nm和1000nm波段的雙波長激光，通過腔內(nèi)倍頻、腔外混頻技術(shù)獲得高效、均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光。
近期可用氪燈或氙燈作為泵浦源，待作為泵浦的激光二極管價(jià)格下降后，可采用高效、長壽命、結(jié)構(gòu)緊湊的激光二極管(LD)作為泵浦源，以實(shí)現(xiàn)更實(shí)用的全固化紅綠藍(lán)三基色激光器。
以下以KTP和LBO晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔內(nèi)倍頻、腔外混頻的紅綠藍(lán)三基色激光為例，提供本發(fā)明的具體方案。利用其他激光和非線性晶體時(shí)，激光運(yùn)行參數(shù)和非線性耦合度將做相應(yīng)的改變。泵浦燈也可用LD取代，利用端面和側(cè)面泵浦技術(shù)來激勵工作物質(zhì)。
以KTP和LBO為非線性晶體的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔內(nèi)倍頻、腔外混頻的紅綠藍(lán)三基色激光器是通過泵浦源激勵YAlO3晶體中Nd3+離子，在適當(dāng)設(shè)計(jì)的雙波長激光器中由4F3/2R1子能級躍遷到4I11/2的X3子能級和4F3/2R2子能級躍遷到4I13/2Y3子能級分別產(chǎn)生1079.5nm和1341.4nm激光，在腔內(nèi)適當(dāng)位置放置對1079.5nm和1341.4nm倍頻的KTP和LBO晶體，獲得539.7nm和670.7nm綠紅色激光，一部分1341.4nm輸出激光和部分670.7nm紅光在腔外和頻，獲得447.1nm藍(lán)色激光。通過控制材料參數(shù)、倍頻輸出的耦合度、4F3/2to4I13/2躍遷輸出耦合度、激光運(yùn)行參數(shù)等，控制腔內(nèi)兩種基波的功率密度，以實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)三基色激光的均衡和同時(shí)輸出。為了提高倍頻的轉(zhuǎn)換效率，利用聲光調(diào)制技術(shù)，將連續(xù)激光轉(zhuǎn)換成高重復(fù)率的納秒級短脈沖，提高倍頻晶體中的功率密度。
上述技術(shù)產(chǎn)生三基色激光，設(shè)備簡單、成本低，可作為激光彩色顯示的光源，廣泛應(yīng)用于大屏幕、高清晰度彩色電視、激光表演、激光投影儀和指揮、監(jiān)控、調(diào)度中心的大屏幕、高清晰度的彩色顯示設(shè)備等彩色顯示領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖
對KTP和LBO晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔內(nèi)倍頻、腔外混頻的紅綠藍(lán)三基色激光做進(jìn)一步的說明。
附圖中，(1)為工作物質(zhì)NdYAlO3，(2)是泵浦用氪燈或氙燈，(3)是濾去泵浦燈紫外輻射的濾光管，(4)是緊包式橢圓型聚光腔，腔內(nèi)充滿介質(zhì)冷卻液，冷卻工作物質(zhì)和泵浦燈，(5)是自循環(huán)冷卻器，(6)是激光電源，(7)、(8)分別是對1079.5nm和1341.4nm全反射的介質(zhì)鏡，(9)是對1079.5nm和539.7nm全反的雙色鏡，(10)是對1341.4nm部分透過和對670.7nm增透的雙色鏡，該鏡對1341.4nm的透過率根據(jù)紅綠藍(lán)均衡輸出的要求確定，作為和頻產(chǎn)生的藍(lán)光的1341.4nm和670.7nm激光的輸出鏡，(11)是對1079.5nm全反對539.7nm增透的雙色鏡，用作綠光的輸出鏡，(12)是對1341.4nm全反對670.7nm部分透過的雙色鏡，用作紅光的輸出鏡，(9)、(11)和(10)、(12)鏡子的曲率半徑和鏡間距離根據(jù)獲得均衡輸出所要求的倍頻耦合度來確定，(13)是對1079.5nm倍頻的晶體，如KTP等，(14)是對1341.4nm倍頻的晶體，如LBO等，(15)是對1341.4nm和670.7nm和頻的晶體，如LBO等，(16)是1341.4nm和670.7nm混頻中的光束補(bǔ)償系統(tǒng)，(17)、(18)是1079.5nm和1341.4nm的大色散率的分光系統(tǒng)，(19)、(20)分別是1079.5nm和1341.4nm的聲光調(diào)制器(包括驅(qū)動源)。
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，附圖是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，實(shí)施本發(fā)明的典型方案是以KTP和LBO晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔內(nèi)倍頻、腔外混頻的紅綠藍(lán)三基色激光為例(LD泵浦時(shí)只需將泵浦燈用LD取代，通過端面泵浦和側(cè)面泵浦激勵工作物質(zhì))，提供本發(fā)明的典型方案。接通電源(6)后，自循環(huán)冷卻系統(tǒng)(5)即將水箱中的去離子水泵入含有NdYAlO3棒(1)和泵浦用氪燈或氙燈(2)的密封聚光腔(4)中，視需要可在自循環(huán)冷卻器中通過二次冷卻水(通常用自來水)或用電冰箱壓縮機(jī)冷卻自循環(huán)水箱中的去離子水。啟動電源，使燈工作在適當(dāng)?shù)碾娏?，此時(shí)泵浦燈發(fā)出的光在聚光腔中集中到NdYAlO3晶體上，YAlO3晶體中釹離子吸收泵浦光后，釹離子發(fā)出的1079.5nm輻射經(jīng)色散元件(17)和(18)在諧振腔(7)和(9)間振蕩，在倍頻晶體(13)中產(chǎn)生539.7nm綠光，從雙色鏡(11)輸出；釹離子發(fā)出的1341.4nm輻射經(jīng)色散元件(17)和(18)，在諧振腔(8)和(10)之間振蕩，部分1341.4nm輻射從雙色鏡(10)輸出，在倍頻晶體(14)上產(chǎn)生的670.7nm紅光，其中，以部分670.7nm紅光從雙色鏡(12)輸出，另一部分紅光從雙色鏡(10)與部分輸出的1341.4nm輻射同光路輸出，經(jīng)光束補(bǔ)償系統(tǒng)(16)后，在非線性晶體(15)中和頻，得到447.1nm藍(lán)色激光輸出。按包含激光晶體受激發(fā)射參數(shù)、有效非線性系數(shù)、腔長、激光和非線性晶體上光腰半徑以及4F3/2to4I13/2躍遷輸出耦合度等激光運(yùn)行參數(shù)的四能級激光速率方程的計(jì)算結(jié)果，獲得相應(yīng)比例的1.3微米、紅色和綠色激光，以獲得均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光，并通過對基波的聲光調(diào)Q提高倍頻的轉(zhuǎn)換效率，以實(shí)現(xiàn)高效、均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光。
權(quán)利要求
1.雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，利用釹激光晶體中釹離子4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2躍遷產(chǎn)生的1.3微米和1微米波段輻射的雙波長激光通過腔內(nèi)倍頻獲得紅色和綠色激光，然后再由剩余的1.3微米激光與紅色激光在腔外和頻獲得藍(lán)色激光，從而實(shí)現(xiàn)紅綠藍(lán)三基色激光。
2.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，包括釹激光晶體和用于泵浦所述晶體以及使所述晶體形成Nd3+激活離子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的泵浦系統(tǒng)；用于產(chǎn)生1.3微米波段和1微米波段的雙波長輻射。
3.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，包括大色散率的色散元件，在腔內(nèi)將1.3微米和1微米波段輻射分開，并在相應(yīng)的諧振腔內(nèi)振蕩，產(chǎn)生1.3微米和1微米激光。
4.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，包括使1.3微米和1微米波段輻射在其中諧振的諧振腔，并能輸出部分的1.3微米激光和紅色及綠色激光。
5.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，包括三塊非線性晶體，其中兩塊放在腔內(nèi)，分別對1.3微米和1微米波段進(jìn)行倍頻，通過控制材料參數(shù)、倍頻輸出的耦合度、4F3/2-4I13/2躍遷輸出耦合度、激光運(yùn)行參數(shù)等獲得相應(yīng)比例的1.3微米、紅色和綠色激光；另一塊放在腔外的非線性晶體，將輸出的1.3微米激光和部分紅色激光進(jìn)行和頻，產(chǎn)生藍(lán)色激光，以獲得均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)三基色激光。
6.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，在需要時(shí)，包含1.3微米和1微米的聲光開關(guān)及其驅(qū)動器，使連續(xù)1.3微米和1微米激光轉(zhuǎn)換成高重復(fù)率的納秒級高峰值功率短脈沖，以提高非線性轉(zhuǎn)換效率，以獲得高效、均衡、同時(shí)輸出的紅綠藍(lán)激光。
7.如權(quán)利要求1所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，還包括所述激光裝置及倍頻、和頻裝置的冷卻和控溫系統(tǒng)以及LD控溫裝置。
8.如權(quán)利要求2所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，所述泵浦系統(tǒng)的泵浦源是能連續(xù)改變輸入功率或能量的連續(xù)、脈沖或重復(fù)率脈沖驅(qū)動源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。
9.如權(quán)利要求2所述的雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，其特征在于，所述泵浦系統(tǒng)的泵浦源是激光二極管及其驅(qū)動源，以實(shí)現(xiàn)端面或側(cè)面泵浦。
全文摘要
雙波長釹激光器腔內(nèi)倍頻腔外和頻的紅綠藍(lán)三基色激光器，涉及一種產(chǎn)生紅綠藍(lán)(RGB)三基色激光的新技術(shù)，它是基于釹激光晶體中釹離子
文檔編號H01S3/00GK1459895SQ0211736
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
發(fā)明者沈鴻元, 張戈, 黃呈輝, 位民, 陳振強(qiáng), 黃凌雄 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所