專利名稱：外腔表面發(fā)射激光設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備、與其相關(guān)的方法和圖像投
影單元。
背景技術(shù)：
本領(lǐng)域公知垂直表面發(fā)射激光器(VCSEL)制造成本低。近年來，帶外腔的垂直表 面發(fā)射激光器(VECSEL)發(fā)展起來，其允許高效地產(chǎn)生高光束質(zhì)量大面積光束。通過在外腔 中設(shè)置頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，現(xiàn)在可能產(chǎn)生若干波長(zhǎng)的激光，對(duì)于所述波長(zhǎng)，以合理成本和努力直 接產(chǎn)生激光是不可能的。 這種設(shè)備的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域是RGB圖像投影儀，對(duì)于所述圖像投影儀而言，激 光光源因其高亮度和高光束質(zhì)量而為理想光源。雖然紅色和藍(lán)色激光能夠在合理的成本下 由激光二極管直接產(chǎn)生，但是綠色激光用激光二極管直接產(chǎn)生目前還不可行。因此，帶腔內(nèi) 頻率轉(zhuǎn)換的垂直外腔表面發(fā)射激光設(shè)備將有望用于該應(yīng)用。 在帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的垂直外腔表面發(fā)射激光設(shè)備中，激光產(chǎn)生于半導(dǎo)體激光元件 中，該半導(dǎo)體激光元件類似于VCSEL設(shè)備的激光芯片，其包括至少一個(gè)通常帶有一些量子 阱的增益層和至少一個(gè)高反射的分布式布拉格反射器。激光鏡與激光元件分開布置以形成 外腔，這樣就完整構(gòu)成激光諧振腔。當(dāng)激光元件工作時(shí)，此裝置就產(chǎn)生基頻光。通過在外腔 中布置頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(例如非線性晶體)，就產(chǎn)生不同于基頻的第二頻率(例如諧波頻率) 的光。該第二頻率的光然后能夠容易地耦合出外腔并且用于希望的應(yīng)用。
因?yàn)榘雽?dǎo)體激光元件和頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備兩者的性能通常都與溫度相關(guān)，這就帶來問 題。頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備將基頻轉(zhuǎn)換到第二頻率的轉(zhuǎn)換效率強(qiáng)烈依賴于其相位匹配帶寬的準(zhǔn)確匹 配，其對(duì)于大多數(shù)普通的高效頻率轉(zhuǎn)換材料而言強(qiáng)烈依賴于溫度。如果由于溫度變化使激 光元件的增益帶寬發(fā)生漂移，則增益帶寬可能漂移出相位匹配帶寬之外，這可能導(dǎo)致低的 轉(zhuǎn)換效率，以及因此第二頻率的光的低功率。通常，這個(gè)問題可以通過對(duì)激光元件和頻率轉(zhuǎn) 換設(shè)備兩者的主動(dòng)溫度控制加以解決。 專利文件W0 2006/105249公開了一種頻率穩(wěn)定的垂直擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器， 其包括用于產(chǎn)生基頻激光的半導(dǎo)體激光芯片、限定外腔的輸出耦合器和置于外腔中與薄膜 干涉濾波器一起用于產(chǎn)生二次諧波頻率的光的非線性晶體。 這里，薄膜濾波器用于將激光器的發(fā)射波長(zhǎng)限制在非線性晶體的相位匹配帶寬。盡 管由于這種裝置的原因，激光芯片的溫度控制可以省略，但是仍然有必要主動(dòng)控制非線性晶 體的溫度，這樣做成本高而且可能在將激光設(shè)備集成在小的投影單元中時(shí)導(dǎo)致重大的問題。
因此，本發(fā)明的目標(biāo)是提供帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備，其可以普 遍適用并且可以高成本效率地制造。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的該目標(biāo)是通過根據(jù)權(quán)利要求1的帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備、根據(jù)權(quán)利要求10的圖像投影單元和根據(jù)權(quán)利要求11的用于產(chǎn)生腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換光的方法來解決的。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。 根據(jù)本發(fā)明的激光設(shè)備包括至少一個(gè)具有多個(gè)半導(dǎo)體層的表面發(fā)射激光元件，其
中布置至少一個(gè)增益層和一個(gè)反射層以便獲得基頻光。增益層通常包括用于發(fā)射基頻光子
的一些量子阱半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如可采用帶AlGaAs的GaAs或帶GaAs的InGaAs。
所述至少一個(gè)反射層在基頻下反射率高，可以為例如分布式布拉格反射器(DBR)，其允許實(shí)現(xiàn)超過99.8%的非常高的反射率。通過反射器裝置就完整構(gòu)成激光諧振腔，該反射器裝置與激光元件分開布置并在基頻時(shí)反射以形成外腔。頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備布置在外腔內(nèi)以產(chǎn)生第二頻率的光，所述第二頻率通常為基頻的諧波頻率。頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備由此將激光元件產(chǎn)生的穿過外腔的基頻光轉(zhuǎn)換為不同于基頻的第二頻率的光。通常，所述第二頻率為基頻的二次諧波頻率，盡管三倍頻或四倍頻以及其它任何頻率下轉(zhuǎn)換或上轉(zhuǎn)換也是可能的，后者例如通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的混頻方法可得。 借助于用于希望的應(yīng)用的適當(dāng)輸出耦合器可以將第二頻率的光耦合出外腔。這可以例如通過向反射器裝置提供適當(dāng)?shù)耐繉觼韺?shí)現(xiàn)，使得第二頻率的光可以通過反射器裝置(例如二向色鏡)耦合出去。 常用的和優(yōu)選的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備為非線性晶體，例如但不限于，周期性極化鈮酸鋰(PPLN)、周期性極化鉭酸鋰(PPLT)或KTP，其中PPLN是特別優(yōu)選的。這些材料可以被設(shè)計(jì)成具有希望的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換特性。這樣的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備通?；谡辔黄ヅ鋷拑?nèi)的準(zhǔn)相位匹配，其中相位匹配帶寬與晶體長(zhǎng)度成反比。例如，將IR輻射從1060納米轉(zhuǎn)換成可見光內(nèi)的530納米的倍頻PPLN晶體的相位匹配帶寬，對(duì)于2毫米長(zhǎng)的晶體大約為1納米，對(duì)于約3-5毫米的典型晶體長(zhǎng)度甚至更窄。為了有效地產(chǎn)生第二頻率的光，基頻必須落在頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬之內(nèi)。 通過適當(dāng)?shù)剡x取量子阱結(jié)構(gòu)、DBR和反射器裝置的構(gòu)造，激光設(shè)備的基頻可以在大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。盡管這允許設(shè)置基頻到規(guī)定溫度下頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬，但是由于激光元件和頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備兩者的特性都與溫度相關(guān)，所以必須采取附加的措施。 因此，根據(jù)本發(fā)明，在外腔中布置可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置，以避免基頻漂移出頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬。 使用帶通濾波裝置，就可以將激光元件發(fā)射的光限制到帶通濾波器的峰值波長(zhǎng)。通過調(diào)諧該濾波裝置，即使激光元件或頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的溫度改變，也能有利地設(shè)置基頻下發(fā)射的光的波長(zhǎng)到頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬。這樣就不必對(duì)這些部件提供溫度控制，因?yàn)橐坏╊l率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬發(fā)生漂移，就可以主動(dòng)調(diào)節(jié)帶通濾波裝置的峰值波長(zhǎng)以及基頻以適應(yīng)頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的相位匹配帶寬，從而能夠獲得第二頻率的光的最大功率。 帶通濾波裝置可依據(jù)檢測(cè)裝置獲取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)用來檢測(cè)至少一個(gè)物理值，其允許最大化第二頻率的光的功率。檢測(cè)裝置因此產(chǎn)生信號(hào)，其允許調(diào)諧帶通濾波器。檢測(cè)裝置可以直接連接到光學(xué)帶通濾波器或者使用任何中間控制電路。檢測(cè)裝置以及(如果必要的話)任何控制電路優(yōu)選地可以在激光元件的半導(dǎo)體襯底上形成以簡(jiǎn)化所述設(shè)備的構(gòu)造。
該激光設(shè)備可以包含進(jìn)一步增強(qiáng)光產(chǎn)生特性的另外的電或光學(xué)元件。例如，激光元件優(yōu)選地可以包括第二個(gè)部分反射的DBR，其布置在增益層面向外腔的一側(cè)，使得增益層夾在兩個(gè)DBR結(jié)構(gòu)之間。該優(yōu)選的布置隔開了增益介質(zhì)和在外腔中的損失。最優(yōu)選的是，所述第二個(gè)DBR在基頻下具有的反射率在85X -95%的范圍內(nèi)。這種采用兩個(gè)DBR的構(gòu)造進(jìn)一步允許例如通過適當(dāng)?shù)脑鲆鎸訐诫s電泵浦增益層。 也可以使用采用第二激光元件的光泵浦，來替代增益層的電泵浦。此外，由于頻率轉(zhuǎn)換通常依賴于光在基頻下的確定極化，所以外腔可以包括極化控制元件，例如二維線光柵結(jié)構(gòu)?？梢源嬖诰劢乖?例如聚焦透鏡)以進(jìn)一步增強(qiáng)激光發(fā)射或所述設(shè)備的頻率轉(zhuǎn)換特性。 如上所述，檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)用來檢測(cè)至少一個(gè)物理值，其允許最大化第二頻率的光的功率。通常，頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的溫度變化是關(guān)鍵的參數(shù)，因此檢測(cè)裝置可以包括溫度檢測(cè)器，其配置用于測(cè)量頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的溫度或其溫度的變化。使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫，就能確定與頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的溫度相應(yīng)的相位匹配帶寬波長(zhǎng)，并且將帶通濾波裝置調(diào)諧到這個(gè)波長(zhǎng)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，檢測(cè)裝置包括光學(xué)檢測(cè)器，其可操作來檢測(cè)第二頻率的光的功率。該實(shí)施例有利地允許直接最大化第二頻率下的光學(xué)功率，而與使功率可能下降的原因無關(guān)。該光學(xué)檢測(cè)器可以是例如pin光電二極管或本領(lǐng)域已知的其它任何適用于希望的第二頻率的光學(xué)檢測(cè)器。檢測(cè)裝置還可以包括控制電路(例如PID控制器)以允許有效地補(bǔ)償波長(zhǎng)漂移。如前所述，檢測(cè)裝置和/或光學(xué)檢測(cè)器優(yōu)選地可以在在激光元件的半導(dǎo)體襯底上形成，以減小所述設(shè)備的整體復(fù)雜度。 盡管優(yōu)選的是將光學(xué)檢測(cè)器置于外腔之外以減小外激光腔中的損失，但是為了獲
得小的設(shè)備形狀因子，可以將光學(xué)檢測(cè)器布置在激光設(shè)備的外腔內(nèi)。例如，耦合出外腔的一
小部分第二頻率的光束可通過本領(lǐng)域已知的分束器導(dǎo)向至光學(xué)檢測(cè)器。 所述可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置可以是任何適當(dāng)?shù)念愋停湓试S對(duì)外腔中的光進(jìn)行
濾波。帶通濾波裝置的帶寬應(yīng)當(dāng)適應(yīng)特定的頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如，使用3毫米長(zhǎng)度的典型
PPLN晶體以便將1060納米的IR輻射轉(zhuǎn)換為綠色可見光范圍，該濾波器的帶寬應(yīng)當(dāng)大致為
0. 7納米FWHM。 為了增加外腔中頻率轉(zhuǎn)換的效率，優(yōu)選的是將帶通濾波裝置的帶寬選擇為極小，這樣就限制了允許產(chǎn)生基頻激光的外腔的縱模的數(shù)量。這可以通過選取濾波器的帶寬小于相鄰縱向擴(kuò)展腔模式的波長(zhǎng)間隔來實(shí)現(xiàn)。最優(yōu)選的是，基頻下的縱模的數(shù)量為1。例如，在1060納米基頻波長(zhǎng)下使用1厘米長(zhǎng)度的外腔，這導(dǎo)致所需的濾波器帶寬低于0. 06納米FWHM。 優(yōu)選地，所述可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置包括可調(diào)諧光學(xué)帶通電介質(zhì)濾波器。這種濾波器可以有利地設(shè)計(jì)成具有非常窄的帶傳輸特性。本領(lǐng)域公知的是，電介質(zhì)濾波器的調(diào)諧可通過改變?yōu)V波器材料的折射率來實(shí)現(xiàn)。例如，可以通過例如改變作用于電介質(zhì)濾波器的壓力來改變由壓力敏感濾波器材料制成的該電介質(zhì)濾波器的折射率，其例如使用壓電元件。此外，還可以通過改變電介質(zhì)濾波器的溫度來調(diào)諧該濾波器，其例如使用適當(dāng)?shù)募訜?致冷裝置，即帕爾貼(Peltier)元件。盡管這樣將需要溫度控制，但是主動(dòng)控制電介質(zhì)濾波器的溫度比控制頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備或激光元件的溫度更簡(jiǎn)單。 最優(yōu)選的是，所述光學(xué)帶通濾波裝置包括法布里_珀羅(Fabry-Perot)干涉儀和用于調(diào)諧該干涉儀的諧振頻率的驅(qū)動(dòng)元件。法布里-珀羅干涉儀(標(biāo)準(zhǔn)具)為本領(lǐng)域公知，其基于兩個(gè)電介質(zhì)反射表面之間的干涉。這種干涉儀的諧振頻率可通過反射表面之間的光程的變化進(jìn)行調(diào)諧。應(yīng)當(dāng)注意，盡管法布里_珀羅干涉儀通常具有多個(gè)諧振頻率以及因而多個(gè)通帶，但是當(dāng)該干涉儀的兩個(gè)諧振峰之間的自由光譜范圍被選取成大于激光元件的可能的溫度漂移帶寬和發(fā)射帶寬時(shí)，就能獲得"準(zhǔn)"單帶通特性。例如，對(duì)于1060納米的基頻和典型地為InGaAs類型的激光元件而言，所述濾波器的最大光程將為10微米。
為了能夠?qū)V波器調(diào)諧并且從而改變反射表面之間的光程，可以采用任何適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器，例如微機(jī)電(MEMS)驅(qū)動(dòng)器。在所示上例中，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)允許有至少100納米的偏離(deflection)。優(yōu)選地，驅(qū)動(dòng)器為壓電驅(qū)動(dòng)器。壓電驅(qū)動(dòng)器有利地允許以亞納米分辨率進(jìn)行精確和快速的定位。最優(yōu)選地，采用疊層型壓電驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)壓電驅(qū)動(dòng)器的類型，可以容易地集成在激光元件的半導(dǎo)體襯底上的驅(qū)動(dòng)電路可能是必要的。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備和帶通濾波器集成地形成。這樣的設(shè)計(jì)有利地減少了激光設(shè)備的必要部分。優(yōu)選地，頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括在激光設(shè)備的光軸上分開布置的第一和第二元件，其中第一和第二元件具有相對(duì)的表面，其形成法布里-珀羅干涉儀。兩個(gè)表面都帶有涂層，用于獲得基頻下的高反射率。最優(yōu)的是，涂層還進(jìn)一步設(shè)計(jì)為對(duì)于第二頻率是抗反射的，以實(shí)現(xiàn)第二頻率的光的有效的外耦合。 采用這種構(gòu)造，有利地在頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備的兩個(gè)元件之間形成干涉儀。帶通濾波器的調(diào)諧可以容易地通過使用前述的驅(qū)動(dòng)器使第一或者第二元件沿光軸移位來實(shí)現(xiàn)。這兩個(gè)反射表面應(yīng)當(dāng)保持相互平行。 第一和/或第二元件可設(shè)計(jì)為具有頻率轉(zhuǎn)換特性。優(yōu)選地，兩個(gè)元件具有相同的折射率，因?yàn)檫@確保光束只平行于光軸移位，這避免了在激光設(shè)備的外腔內(nèi)需要昂貴的角度補(bǔ)償。此外，為了進(jìn)一步最小化外腔中的反射損失，優(yōu)選的是向所述元件的不對(duì)法布里_珀羅干涉儀產(chǎn)生貢獻(xiàn)的表面提供至少在基頻下的抗反射涂層。 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，形成法布里_珀羅干涉儀的第一和第二元件的相對(duì)表面相互平行并向光軸傾斜。這種優(yōu)選構(gòu)造允許自由選取表面的反射率，而沒有這些表面在基頻下的反射率太高時(shí)充當(dāng)激光鏡的風(fēng)險(xiǎn)，其允許產(chǎn)生激光而無需對(duì)干涉儀進(jìn)行帶通濾波增強(qiáng)。此外，相對(duì)表面的高反射率值有利地增強(qiáng)了對(duì)比度并且允許實(shí)現(xiàn)干涉儀的窄帶
寬o 優(yōu)選地，所述相對(duì)的表面以高于2。的角度向光軸傾斜。高于2°的大傾角允許將極化控制合并到干涉儀的反射表面中，這有利地增強(qiáng)了設(shè)備的成本有效而緊湊的構(gòu)造。因?yàn)槿缜八?，頻率轉(zhuǎn)換通常依賴于基頻光的確定極化，因此基頻光的極化控制是重要的。
盡管對(duì)于垂直入射來說，電介質(zhì)(光學(xué))表面的反射特性對(duì)于入射光的所有可能的極化是不變的，但是對(duì)于非垂直入射而言，反射系數(shù)是與極化相關(guān)的。然而，大傾角要求干涉儀的表面在光軸上的間距非常小，以避免多次反射的光束失去空間重疊，這將降低干涉儀的性能。優(yōu)選地，傾角在IO。與45°之間。最優(yōu)選的是，置于相對(duì)表面上的涂層為多層涂層，其能有利地設(shè)計(jì)為具有強(qiáng)的極化控制。 如前所述，反射器裝置設(shè)計(jì)為在基頻下具有高反射率以允許在外腔內(nèi)發(fā)射激光，并且優(yōu)選地在第二頻率下表現(xiàn)出抗反射特性，從而允許實(shí)現(xiàn)第二頻率的光的有效外耦合。為此，可采用帶適當(dāng)涂層的普通激光鏡。可替換地，可采用設(shè)計(jì)具有上述適當(dāng)特性的體布拉格光柵來代替激光鏡。 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述反射器裝置為布置在光學(xué)帶通濾波器上或在 頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備上的涂層。該實(shí)施例有利地進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)備的構(gòu)造。為了能夠在外腔內(nèi)發(fā) 射激光，涂層在基頻下具有高反射率，并且優(yōu)選地在第二頻率下表現(xiàn)出抗反射特性。為了實(shí) 現(xiàn)穩(wěn)定的激光操作，可能有必要提供聚焦透鏡。如本領(lǐng)域所已知的，聚焦透鏡可布置在外腔 中或在激光元件的面向外腔的一側(cè)，或可形成為激光元件的半導(dǎo)體襯底中的熱透鏡。優(yōu)選 地，反射器裝置形成為不構(gòu)成法布里_珀羅干涉儀的第二元件的表面上的涂層。
根據(jù)本發(fā)明的圖像投影單元包括至少一個(gè)前述的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備、電子控 制單元和至少一個(gè)空間光調(diào)制器。激光設(shè)備允許產(chǎn)生具有高光束質(zhì)量和高亮度的光束，因 此對(duì)于投影儀應(yīng)用是理想的。由于對(duì)于RGB投影單元而言，以合理的成本和努力直接產(chǎn)生 綠色激光是不可能的，因此上面討論的帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備就非常有 利于這樣的應(yīng)用。舉例來說，使用恰當(dāng)設(shè)計(jì)的PPLN晶體作為頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，就可能通過使 用發(fā)射基本波長(zhǎng)為1064納米的光的IR激光元件產(chǎn)生532納米的綠色光。當(dāng)然，本發(fā)明不 限于產(chǎn)生綠色光；其它的顏色也可以通過部件的適當(dāng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生。為了進(jìn)一步增強(qiáng)投影單元 的亮度，優(yōu)選的是在單個(gè)激光設(shè)備中使用激光元件陣列或每種顏色使用激光設(shè)備陣列。
空間光調(diào)制器可以是任何設(shè)備，其允許根據(jù)給定的顏色分布(例如視頻信號(hào))產(chǎn) 生圖像。這種空間光調(diào)制器可以是二進(jìn)制光閥，例如DLP設(shè)備、LCOS(硅上液晶)調(diào)制器、 LCD設(shè)備或微機(jī)電(MEMS)掃描儀，其可以通過掃描激光束產(chǎn)生圖像。 應(yīng)當(dāng)理解的是，圖像投影單元可以包括其它電的、光的或機(jī)械的部件，其依據(jù)希望 的應(yīng)用而可能是必要的。 根據(jù)本發(fā)明的方法，腔內(nèi)轉(zhuǎn)換光利用外腔表面發(fā)射激光設(shè)備產(chǎn)生，該設(shè)備包括至 少一個(gè)具有多層的表面發(fā)射激光元件，其中布置至少一個(gè)增益層和反射層以便獲得基頻激 光；反射器裝置，其與表面發(fā)射激光器分開布置以形成外腔；頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其置于外腔中 以產(chǎn)生不同于基頻的、通常是基頻的諧波頻率的第二頻率的光；可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置， 其置于外腔中；以及檢測(cè)裝置，其中所述帶通濾波裝置依據(jù)檢測(cè)裝置獲取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧， 以最大化激光設(shè)備在第二頻率下的輸出功率。 為了調(diào)諧所述帶通濾波器，可以采用任何適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。該信號(hào)可用檢測(cè)裝置 直接產(chǎn)生或由適當(dāng)?shù)目刂齐娐?例如微控制器)產(chǎn)生。為了有效地最大化第二頻率下的輸 出功率，本領(lǐng)域已知一些適當(dāng)?shù)牡瓦f歸最大化方法。這種方法可以有效地用于閉環(huán)以
實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操作或在給定時(shí)間間隔內(nèi)操作。


本發(fā)明的上述和其它目標(biāo)、特征及優(yōu)勢(shì)根據(jù)以下優(yōu)選實(shí)施例的描述將變得清楚明 白，其中 圖1以截面視圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光設(shè)備的第一實(shí)施例，禾口
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光設(shè)備的第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖i顯示了根據(jù)本發(fā)明的帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備的第一實(shí)施例。半導(dǎo)體表面發(fā)射激光元件1設(shè)計(jì)為帶有增益層la，該層被夾在兩個(gè)分布式布拉格反射 器(DBR) lb、lc之間。襯底Id用于機(jī)械地支承激光元件1的各層，并且在基頻下是透明的。 上述及圖中所示的構(gòu)造與典型的VCSEL激光設(shè)備的構(gòu)造類似。 增益層la包括嵌入GaAs中的InGaAs量子阱，其設(shè)計(jì)用于發(fā)射基頻或波長(zhǎng)為 1064納米的光。兩個(gè)DBR lb、lc形成內(nèi)激光腔，因此DBR lb在基頻下具有高反射率(> 99.8%)。 DBR lc的反射率較低，從而允許外耦合到和反饋?zhàn)酝馇?2，外腔由激光鏡2構(gòu) 成。DBR lb為p型摻雜，DBR lc為n型摻雜，它們提供電泵浦電流給增益層la以允許實(shí)現(xiàn) 電泵浦。當(dāng)然，也可以以相反的順序摻雜DBR lb和lc，這取決于希望的應(yīng)用。
激光鏡2在基頻下表現(xiàn)出高反射率，并在其面向外腔12的內(nèi)表面有至少對(duì)于第二 頻率的抗反射涂層(圖中未顯示)。可替換地，激光鏡2可以用本領(lǐng)域已知的具有適當(dāng)特性 的體布拉格光柵來代替。 第二頻率的光由頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備3產(chǎn)生，該設(shè)備包含第一元件3a和第二元件3b。元 件3a由周期性極化鈮酸鋰非線性材料制成，其被設(shè)計(jì)成將基頻光轉(zhuǎn)換為第二頻率的光。這 里，第二頻率為基頻的波長(zhǎng)為532納米的二次諧波頻率。元件3b由光學(xué)玻璃構(gòu)成，在基頻 和第二頻率下是透明的。元件3b可替代地可以由元件3a的材料(例如鈮酸鋰)制成。元 件3a和3b表現(xiàn)出相同的折射率，因此光束在腔12中穿行時(shí)不會(huì)有角度移位。
由于頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備3具有用于頻率轉(zhuǎn)換的窄相位匹配帶寬，該帶寬可能例如當(dāng)溫 度變化時(shí)發(fā)生漂移，因此在基頻下需要頻率控制。 因此，元件3a和3b的相對(duì)表面整體構(gòu)成可調(diào)諧的法布里_珀羅干涉儀，從而能夠 控制激光元件1的發(fā)射頻率并且使基頻下發(fā)射的光的帶寬為窄。如圖1中的放大部分所描 繪的，這兩個(gè)表面都具有涂層11以便在基頻下獲得高反射率。 為了調(diào)諧法布里_珀羅干涉儀，元件3a和3b之間的距離在平行于光軸的方向上 變化，其在圖中以虛線表示。因此，疊層型壓電驅(qū)動(dòng)器6布置在第二元件3b上。壓電驅(qū)動(dòng) 器6連接到控制單元9并被其控制。作為控制單元9的輸入，光學(xué)檢測(cè)器7布置在外腔12 之外，其配置用于測(cè)量第二頻率的光的功率。檢測(cè)器8檢測(cè)第二頻率的光束5的功率，該光 束通過激光鏡2耦合出外腔12。因此，光束5通過使用分束器8而分開，該分束器將一小部 分第二頻率的光導(dǎo)向檢測(cè)器8。 采用上述布置，就可以有效地確定第二頻率的光的功率并用此信息優(yōu)化兩個(gè)元件 3a和3b之間的距離，由此調(diào)諧法布里_珀羅干涉儀的帶通頻率。這允許調(diào)節(jié)激光元件1發(fā) 射的光的頻率以適應(yīng)所述非線性材料的相位匹配帶寬。因此，有可能在閉環(huán)操作中易于最 大化第二頻率的光的功率。最大化可用本領(lǐng)域已知的方法進(jìn)行，例如使用梯度方法進(jìn)行。
還如圖中所描繪的，元件3a和3b的相對(duì)表面相互平行并向光軸傾斜。傾角避免 了這些表面充當(dāng)激光鏡的風(fēng)險(xiǎn)。 圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的激光設(shè)備的另一實(shí)施例。根據(jù)圖2的實(shí)施例的構(gòu)造總體 上與圖l的實(shí)施例類似。因此，采用相應(yīng)的附圖標(biāo)記。 與圖1的實(shí)施例相反，在本實(shí)施例中，外腔12由布置在頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備3的第二元 件3b上的電介質(zhì)涂層2'構(gòu)成。根據(jù)此實(shí)施例的布置因此減小了設(shè)備的復(fù)雜度。為了調(diào) 諧法布里_珀羅干涉儀并由此改變第一元件3a和第二元件3b之間的距離，設(shè)置了 MEMS驅(qū) 動(dòng)器6'。穩(wěn)定的激光操作被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴僮髌陂g在激光元件1的襯底ld內(nèi)形成熱聚焦透鏡。 本發(fā)明已在附圖和前面的說明中給予圖示和詳細(xì)說明。這些圖示和說明應(yīng)當(dāng)被理 解為是說明性或示例性而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。 在權(quán)利要求中，詞語"包括/包含"不排除其它元件，不定冠詞"一"不排除復(fù)數(shù)。 在相互不同的從屬權(quán)利要求中陳述某些措施這個(gè)事實(shí)并不表明這些措施的組合不能加以 利用。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)當(dāng)被視為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
權(quán)利要求
一種帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的外腔表面發(fā)射激光設(shè)備，包括至少一個(gè)具有多層的表面發(fā)射激光元件(1)，其中布置至少一個(gè)增益層(1a)和反射層(1b)以便獲得基頻激光，反射器裝置，其與表面發(fā)射激光元件(1)分開布置以形成外腔(12)，頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)，其布置在外腔(12)中以便產(chǎn)生不同于基頻的第二頻率的光，可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置，其布置在外腔(12)中，和檢測(cè)裝置，其中所述光學(xué)帶通濾波裝置可依據(jù)檢測(cè)裝置獲取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧。
2. 如權(quán)利要求1的設(shè)備，其中檢測(cè)裝置包括光學(xué)檢測(cè)器(7)，該光學(xué)檢測(cè)器可操作來檢 測(cè)第二頻率的光的功率。
3. 如權(quán)利要求1-2中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中帶通濾波裝置包括可調(diào)諧電介質(zhì)濾波器。
4. 如權(quán)利要求1-2中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中帶通濾波裝置包括法布里_珀羅干涉儀 和用于調(diào)諧該干涉儀的諧振頻率的驅(qū)動(dòng)元件(6，6')。
5. 如權(quán)利要求4的設(shè)備，其中驅(qū)動(dòng)器元件為壓電驅(qū)動(dòng)器(6)。
6. 如權(quán)利要求4-5中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)和帶通濾波裝置集成 地形成。
7. 如權(quán)利要求6的設(shè)備，其中頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)包括在激光器的光軸上分開布置的第 一 (3a)和第二 (3b)元件，其中第一 (3a)和第二 (3b)元件具有設(shè)有涂層(11)的相對(duì)表面， 其構(gòu)成法布里-珀羅干涉儀。
8. 如權(quán)利要求7的設(shè)備，其中第一 (3a)和第二 (3b)元件的相對(duì)表面相互平行并向光 軸傾斜。
9. 如權(quán)利要求8的設(shè)備，其中相對(duì)表面以高于2。的角度向光軸傾斜。
10. 如上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的設(shè)備，其中反射器裝置為涂層(2')，其置于光學(xué) 帶通濾波裝置上或頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)上。
11. 圖像投影單元，其具有至少一個(gè)如上述權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)的外腔表面發(fā)射激 光設(shè)備、電子控制單元和至少一個(gè)空間光調(diào)制器。
12. 采用外腔表面發(fā)射激光設(shè)備產(chǎn)生腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換光的方法，所述外腔表面發(fā)射激光 設(shè)備包括至少一個(gè)具有多層的表面發(fā)射激光元件(l)，其中布置至少一個(gè)增益層(la)和 反射層(lb)以便獲得基頻激光；反射器裝置，其與表面發(fā)射激光元件(1)分開布置以形成外腔(12);頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)，其置于外腔(12)中以便產(chǎn)生不同于基頻的第二頻率的光； 可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置，其置于外腔(12)中；和檢測(cè)裝置，其中所述帶通濾波裝置依據(jù)檢測(cè)裝置獲取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧，以便最大化激光設(shè)備在第二頻率下的輸出功率。
全文摘要
一種帶腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的擴(kuò)展腔表面發(fā)射激光器設(shè)有至少一個(gè)具有多層的表面發(fā)射元件(1)以便獲得基頻激光；反射器裝置，其與激光元件(1)分開以形成外腔(12)；頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備(3)，其置于外腔(12)之中以便產(chǎn)生第二頻率的光；可調(diào)諧光學(xué)帶通濾波裝置，其置于外腔(12)之中；以及檢測(cè)裝置，其中所述光學(xué)帶通濾波裝置可依據(jù)檢測(cè)裝置獲取的信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧以便允許在基頻下進(jìn)行頻率控制。
文檔編號(hào)H01S3/109GK101730960SQ200880023451
公開日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月5日
發(fā)明者H·莫恩克, J·拜爾 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司