專利名稱：波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及激光技術(shù)領(lǐng)域。更特別地，本發(fā)明涉及用于選擇特定激光波長 的波導(dǎo)激光裝置。
背景技術(shù)：
基于ft"離子的激光器近來引起了大量的興趣。例如，已經(jīng)利用上轉(zhuǎn)換以及藍色 二極管泵浦成功地建立了 PrJBLAN光纖激光器以便產(chǎn)生紅色廣635nm)、青色廣491nm) 和綠色廣521nm)波長區(qū)域內(nèi)的激光輻射。該激光裝置相對簡單；激光輻射經(jīng)由一個小面 (facet)耦合進光纖的摻雜ft·的核心并且相對的小面用于向外耦合激光輻射。兩個小面適 當?shù)赝糠箅娊橘|(zhì)層，或者適當?shù)溺R附接到這些小面入射小面應(yīng)當允許泵浦輻射(尤其是大 約443nm或者大約479nm的藍色光，或者800nm與900nm之間的用于上轉(zhuǎn)換泵浦的紅外光) 的高透射以及希望的激光輻射的波長的高反射。相對的小面應(yīng)當為激光波長提供一定的透 射率(典型地為1··· 30%)，使得它充當外耦合器。此外，激光器的效率可以借助于經(jīng)由第二 小面涂層通過光纖向后反射在單程中未吸收的泵浦輻射來提高。然而，如近來在CLEO/歐洲會議(慕尼黑2007，CJ-347)提出的U. ffeichmann, J. Baier、J. Bengoechea 禾口 H. Moench 的論文"GaN-diode pumped Pr3+ ZBLAN fiber-lasers for the visible wavelength range”中所公布的，這些類型的涂層相當成功地應(yīng)用于紅色 和青色激光，但是直到現(xiàn)在，還不可能在不采取附加措施的情況下獲得綠色的激光發(fā)射。這 涉及設(shè)置附加的外部輸出耦合器以增大用于綠色激光的反饋。潛在的問題在于，綠色和青 色躍遷(transition)的波長彼此太靠近。利用典型的電介質(zhì)多層涂層，不可能獲得對于青 色具有足夠高的透射并且對于綠色激光仍然具有高Q因子的設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種簡單的裝置，其允許控制具有相似波長的激光躍 遷的激光材料中特定激光波長的發(fā)射。該目的是通過權(quán)利要求1的主題來實現(xiàn)的。從屬權(quán) 利要求中規(guī)定了本發(fā)明的有利改進。總的思想是向形成增益介質(zhì)的核心提供包層，該包層對于不希望的激光躍遷引入 損耗，而對于希望的激光躍遷的光是透明的。相應(yīng)地，提供了一種包括波導(dǎo)的波導(dǎo)激光器，其具有伸長的核心以及至少一個至 少部分地包圍該核心的包層。核心包括摻雜有摻雜劑的基質(zhì)材料(host material).該摻 雜劑提供第一和第二波長處的至少兩個激光躍遷。基質(zhì)材料至少在第一波長處是透明的。 為了抑制或阻尼第二波長處的激光發(fā)射，包層對于第一波長的激光以及泵浦光是透明的， 并且吸收或向外耦合第二波長的激光。優(yōu)選地，第一波長處基質(zhì)材料的吸收系數(shù)小于α =0. 005 cnT1以便提供良好的透明 度。如果在包層中使用吸收摻雜劑以便向第二波長引入損耗，那么包層內(nèi)該波長處的吸收 系數(shù)優(yōu)選地至少為α =0.01 cnT1。
形成增益介質(zhì)的核心的激發(fā)可以通過上轉(zhuǎn)換和線性轉(zhuǎn)換二者來實現(xiàn)。如果激光躍遷的波長彼此靠近，那么這種裝置是特別有用的。特別地，如果激光躍 遷的波長的差異小于75nm，優(yōu)選地小于50nm，那么本發(fā)明是有利的。而且，本發(fā)明允許選擇弱于另一相鄰激光躍遷的激光躍遷。因此，依照一個有利的 改進，具有第一和第二波長處的激光躍遷的摻雜劑是，第一波長處的激光躍遷弱于第二波 長處的激光躍遷。本發(fā)明特別適合提供摻雜鐠的綠色發(fā)射波導(dǎo)激光器以便避免背景部分中討論的 問題。因此，依照本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例，建議在波導(dǎo)或光纖激光器中利用包層包 圍摻雜ft"的有源介質(zhì)或基質(zhì)材料，該包層對于青色輻射引入損耗，而泵浦和綠色激光輻射 無損耗地或者至少沒有相當大的損耗地透射。通過這種方式，以簡單的方式向激光腔中引 入對于青色波長的損耗，而激光增益仍然可以由綠色躍遷接管。在光纖或波導(dǎo)小面處無需 電介質(zhì)涂層或鏡的復(fù)雜設(shè)計。因此，提出了一種包括波導(dǎo)的波導(dǎo)激光器，其具有伸長的核心以及至少一個至少 部分地包圍該核心的包層。核心包括摻雜有鐠離子的基質(zhì)材料。該基質(zhì)材料被選擇成在大約521nm，優(yōu)選地 521 士5nm的波長處是透明的。包層吸收或者向外耦合具有大約490士5nm的波長的光。本發(fā)明原則上也可以應(yīng)用于選擇摻雜ft·3+的核心的635nm (紅色光)和603nm (橙 色光)處的激光躍遷之一。這些激光躍遷的波長取決于基質(zhì)材料。如上面所給出的值對 于ft~:ZBLAN是典型的。在ft~:YLF的情況下，激光躍遷的波長典型地位于523nm、607nm和 640nm。此外，在Pr KY3Fltl的情況下，典型地在523nm、609nm和645nm處找到這些躍遷。優(yōu)選地，泵浦光源耦合到波導(dǎo)的端面之一。然而，由于包層對于泵浦光是透明的， 因而同樣可能的是側(cè)向地將泵浦光引入到波導(dǎo)核心中。特別地，如果包層對于泵浦光源的光透明并且引導(dǎo)泵浦源的光，則這是有利的。這 允許實現(xiàn)雙包層泵浦，其中泵浦光至少部分地耦合到包層的端面中，而不是將泵浦光耦合 到核心中。與耦合到核心中相比，將泵浦光耦合到包層中放松了將泵浦光源與波導(dǎo)對準的 要求。進一步有利的是采用至少部分地包圍第一包層的第二包層。該第二包層有助于引 導(dǎo)激光和/或泵浦光。如果在吸收或向外耦合第二波長的激光的第一包層內(nèi)引導(dǎo)希望的激 光，那么該實施例是特別合適的。為了吸收第二波長的激光，可以向包層提供適當?shù)膿诫s劑，其吸收該波長的激光 并且其在第一波長處是透明的或者至少基本上透明的。在摻雜ft"3+的核心的優(yōu)選情況下， 可以使用包層吸收490nm的激光，該包層在包層中具有摻雜Tb離子(Tb3+離子)的基質(zhì)材 料?？商鎿Q地或者此外，可以使用吸收不希望的激光的其他摻雜劑。特別地，也可以采用不 同于摻雜Tb3+的核心的情況下的Tb3+的稀土離子作為包層中的吸收摻雜劑。核心中摻雜劑(例如特別是ft·3+離子)的濃度優(yōu)選地被選擇成位于IOOppm與 IOOOOppm之間的范圍內(nèi)。對于用于吸收第二波長的不希望的激光的包層中的摻雜劑(例如 特別是Tb3+離子)而言，所述濃度優(yōu)選地被選擇成位于IOOppm與50000ppm之間的范圍內(nèi)。另一種可能性是具有尤其是全息圖形式的光子構(gòu)造(photonic structuring)的包層，從而在包層內(nèi)引導(dǎo)第一波長的光(在摻雜ft·3+的核心的情況下優(yōu)選地521nm的光)，并 且向外耦合第二波長的光(在摻雜Pr3+的核心的情況下優(yōu)選地490nm波長的光)。核心和包層二者的優(yōu)選材料是^LAN玻璃。^LAN玻璃通常包含鋯、鋇、鑭、鋁和鈉 的氟化物。一種可能的成分范圍是45-60摩爾百分比的&F4、20-45摩爾百分比的BaF、2_8 摩爾百分比的LaF3、l-8摩爾百分比的AlF3和15-25摩爾百分比的堿性氟化物，例如NaF。 ^LAN玻璃通常由可見光范圍內(nèi)的高透明度和低光子能量表征。由于低光子能量的原因，核 心的增益介質(zhì)內(nèi)的激發(fā)態(tài)的非輻射復(fù)合被抑制。當然，也可以采用具有低特性光子能量的其他基質(zhì)材料。有利的是，核心的基質(zhì)材 料的光子能量低于750CHT1。進一步優(yōu)選的是使用具有高帶隙的基質(zhì)材料，該帶隙特別優(yōu)選地為超過6. kV 的帶隙I。具有高帶隙和低光子能量二者的材料是氟化物晶體(YLF、LiLuF4、KY3Fltl、 CaF2,……)、陶瓷或非晶材料，例如碲化物玻璃、前面提及的氟化物材料的陶瓷或非晶層。通常，有利的是對于核心和包層的基質(zhì)使用相同的材料。例如，摻雜有ft·3+離子的 ^LAN核心可以由摻雜有Tb3+離子的^LAN包層包圍。對于包層和核心二者使用相同的或 者至少基本上相同的材料有利于避免熱應(yīng)力并且有助于波導(dǎo)的生產(chǎn)。此外，核心和包層可以在其折射率和/或色散方面不同。即使相同的基質(zhì)材料用 于核心和包層，折射率也可以由于不同的摻雜而改變。核心可以在第一波長處具有比包層 更高的折射率，使得希望的激光波長被引導(dǎo)。然而，如果折射率相等或相似，依照本發(fā)明的 波導(dǎo)激光器也是起作用的。在這種情況下，希望的激光在核心和包層二者內(nèi)被引導(dǎo)。而且，可以調(diào)節(jié)或選擇核心和/或包層材料的色散，使得泵浦光波長處或者泵浦 光波長范圍內(nèi)的折射率在核心和包層內(nèi)是相似的。優(yōu)選地，差異可以小于Δη=0. 05。這有 助于泵浦光從包層渡越到核心中。此外，核心與包層之間的折射率差異的符號在第一與第二波長之間的波長范圍內(nèi) 可以甚至反轉(zhuǎn)。在這種情況下，在核心內(nèi)引導(dǎo)第一波長的希望的激光，并且向外耦合第二波 長的不希望的激光，因為在界面處對于第二波長不存在全反射。因此，依照本發(fā)明的一個改進，核心和包層材料被選擇成使得核心在第一波長處 的折射率高于包層的折射率并且在第二波長處低于包層的折射率。第一波長與第二激光波 長之間的折射率符號的切換可以通過核心或包層內(nèi)的適當摻雜劑而引入，所述摻雜劑在這 些波長之一附近或者在所述波長之間吸收，從而在對應(yīng)材料中引入反常色散。波導(dǎo)激光器的一個優(yōu)選的設(shè)計是光纖激光器。依照該實施例，核心是由包層材料 從周圍包圍的光纖。另一個優(yōu)選的設(shè)計是平面波導(dǎo)激光器。在這種情況下，波導(dǎo)是在作為載體的襯底 上設(shè)置的平面波導(dǎo)。本發(fā)明非常適合于提供用于顯示設(shè)備，特別是激光投影顯示設(shè)備的激光光源。與 已知的綠色發(fā)射激光器相比，使用摻雜ft"3+的核心，可以為用于顯示器，尤其是圖像或視頻 顯示設(shè)備的綠色分量提供相當簡化的設(shè)計。例如，可以在基于激光顯示技術(shù)(LDT)或者光 柵光閥技術(shù)(GLV)的投影儀中采用本發(fā)明。


圖1示出了適合于綠色ft·:ZBLAN激光器的雙包層光纖的截面圖。圖2示出了具有層結(jié)構(gòu)的平面波導(dǎo)激光器的示意圖。圖3示出了圖2中繪出的實施例的變型，該變型采用透鏡將泵浦光聚焦到波導(dǎo)上。圖4示出了圖2實施例的變型，其具有包層的光子構(gòu)造。圖5示出了通過波導(dǎo)的徑向方向上的針對三個波長的折射率的軌跡(course)的 示圖。圖6示出了激光圖像投影儀。
具體實施例方式依照本發(fā)明的優(yōu)選實施例，建議利用包層包圍波導(dǎo)激光器或光纖激光器中的摻雜 ft·的有源介質(zhì)，該包層被摻雜成使得對于青色輻射的損耗被引入，而泵浦和綠色激光輻射 無損耗地透射。通過這種方式，對于青色波長的損耗以簡單的方式被引入激光腔中，而激光 增益仍然可以由綠色躍遷接管。在光纖或波導(dǎo)小面處無需電介質(zhì)涂層或鏡的復(fù)雜設(shè)計。此 外，提出的該包層的使用允許所謂的雙包層泵浦，其中泵浦輻射耦合進包層的大得多的直 徑，因而激光裝置的公差急劇降低。在下文中，將參照附圖描述所提出的本發(fā)明的一些優(yōu)選的改進。應(yīng)當提及的是，本 發(fā)明并不限于ft"摻雜材料的藍色二極管泵浦。本發(fā)明也可以應(yīng)用于I^rlb摻雜材料中經(jīng) 由公知雪崩過程的紅外輻射的上轉(zhuǎn)換。此外，即使這里描述的實例涉及形成到波導(dǎo)或光纖 的Pr摻雜^LAN玻璃，由低光子能量(EphtjtmOSOcnr1)和高帶隙(Eg>6. 5eV)表征的其他適 當基質(zhì)材料，比如氟化物晶體(YLF、LiLuF4,KY3F10^CaF2,……)、陶瓷或非晶材料(例如碲化 物玻璃、前面提及的氟化物材料的陶瓷或非晶層、……)也是適當?shù)?。圖1的截面圖中示出了本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例。波導(dǎo)激光器2包括^LAN光 纖，其具有由摻雜有例如iTb3+離子的第一包層6包圍的摻雜有ft·3+ (典型地介于IOOppm與 IOOOOppm之間)的內(nèi)核心4。Tb3+離子從7F6基態(tài)到嗆4激發(fā)態(tài)在大約490nm處具有強吸收，但是在內(nèi)核心中的 Pr離子的泵浦波長處(443nm或者介于800nm與900nm之間)沒有吸收。因此，使用摻雜Tb3+ 的包層的本發(fā)明的實施例對于線性轉(zhuǎn)換和藍色泵浦光源以及紅色或紅外泵浦光源(例如具 有800nm與900nm之間的波長)和上轉(zhuǎn)換起作用。整個結(jié)構(gòu)利用外包層或第二包層8包圍，其確保在光纖內(nèi)引導(dǎo)激光輻射。取決于 核心4和第一包層6中的ft·離子和Tb離子的摻雜水平，可以在大的程度上改變核心4和 第一包層6的折射率。上述原理也可以容易地應(yīng)用于平面波導(dǎo)激光器。平面波導(dǎo)激光器在圖2中示意性 地繪出。在這種情況下，使用了具有與針對依照圖1的光纖激光器描述的結(jié)構(gòu)非常相似的 結(jié)構(gòu)的分層波導(dǎo)10。形成第二包層8、第一包層6和核心4的層沉積到形成用于這些層的 載體的襯底12上。所繪出的實例示出了泵浦激光二極管14的有源層16與波導(dǎo)層4、6、8之間的直接 鄰近耦合的情況。第一包層6的附加優(yōu)點是第一包層波導(dǎo)的相對較大的截面，其允許收集 激光二極管的大多數(shù)輻射并且因而降低耦合損耗。利用這種增大的截面，也有可能將二極管放置在離波導(dǎo)10的一定距離處并且仍然收集波導(dǎo)的數(shù)值孔徑內(nèi)的大多數(shù)(強烈發(fā)散的) 泵浦輻射。圖3中示出了適當裝置的另一種可能性。依照該實施例，簡單透鏡18放置在泵 浦激光二極管14與波導(dǎo)10之間，對位置精度僅有低的要求，因為耦合到第一包層6中的泵 浦光也由于聚焦的泵浦光的光束發(fā)散性而穿透核心4。顯然，Tb3+不是可以用于本發(fā)明目的的唯一離子。在技術(shù)文獻中可以找到用于第 一包層6的與該包層的吸收和透射性質(zhì)的要求匹配的其他適當?shù)碾x子和離子-基質(zhì)組合。使用用于第一包層的吸收材料的另一可替換方案是光子構(gòu)造，其向外耦合青色波 長或者更一般地不希望的波長的輻射，同時仍然在波導(dǎo)內(nèi)部引導(dǎo)泵浦和激光輻射。該實例 在圖4中繪出。該示例性實施例的裝置類似于圖2的實施例。代替對包層6摻雜Tb3+的是或者除 了對包層6摻雜Tb3+之外，將光子構(gòu)造20引入到第二包層8的界面中。光子構(gòu)造可以通過使用要向外耦合的用于曝光的波長的光進行光刻結(jié)構(gòu)化來產(chǎn)生。通常，優(yōu)選的是將核心4的折射率選擇為在希望的激光波長處高于第一包層6的 折射率以便將希望的激光輻射限制在核心4內(nèi)。即使第一和第二波長處的折射率相似并且 第二波長的激光也被引導(dǎo)，但是包層內(nèi)的損耗也會引入到第二波長的光，因為其消逝波延 伸到包層6中。然而，包層和核心的色散也可以被選擇成使得核心在第一波長處的折射率高于包 層的折射率并且在第二波長處低于包層的折射率。圖5的示圖中示出了一個實例。該示圖 示出了沿著例如如圖1中所示的波導(dǎo)光纖的徑向方向r的折射率的兩個曲線圖22、24。曲 線圖M反映了沿著徑向方向并且在r=0處，即在核心4的中心處開始的第一希望的波長處 的折射率的軌跡。第二波長的折射率的軌跡示為曲線圖22。由曲線圖M可見，對于第一波長而言，核心4具有比第一包層6更高的折射率，使 得核心引導(dǎo)希望的激光模式。與此形成對照的是，由曲線圖22可見，與核心4相比，第二波 長處的折射率在包層6內(nèi)更高。這樣，第二波長的不希望的激光不在核心4內(nèi)引導(dǎo)，而是向 外耦合到包層中。這種效應(yīng)可以用來支持該激光在包層內(nèi)的吸收，或者在包層6的光子構(gòu) 造處的偏轉(zhuǎn)。而且，這種效應(yīng)可以甚至足以將損耗引入到不希望的激光模式而無需光子構(gòu) 造或者吸收第二波長的光的包層材料。此外，如曲線圖22、24中所示，對于所述兩個波長而言，第二包層內(nèi)的折射率可以 低于核心和所述包層的折射率。第三曲線圖沈示出了針對泵浦波長，例如443nm或者800nm與900nm之間的波長 的折射率的軌跡。依照示例性曲線圖26所示的本發(fā)明的改進，核心和包層材料的色散被選 擇成使得泵浦波長處的折射率相等或者至少基本上相等。優(yōu)選地，核心4與包層6之間的 折射率的差值可以小于0. 05。圖6示出了用于將圖像或視頻投影到屏幕39上的激光投影儀30的示意性設(shè)置。 該激光投影儀包括依照本發(fā)明的波導(dǎo)激光器2連同兩個另外的激光器31、32。激光器2、 31,32中的每一個提供不同的顏色分量，從而可以通過疊加并且單獨地分別控制激光器2、 31,32的激光束35、36、37的強度來產(chǎn)生任意顏色。因此，通過控制激光器2、31、32的強度 并且同時跨屏幕39掃描光束35、36、37而投影圖像。光束35、36、37借助于調(diào)制器38而被 偏轉(zhuǎn)并且在屏幕39上掃描。例如，調(diào)制器可以包括DMD芯片(DMD=數(shù)字鏡設(shè)備)、光柵光閥或者檢流計掃描儀。 盡管在附圖中示出并且在前面的描述中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是應(yīng)當理 解的是，本發(fā)明并不限于所公開的這些實施例，而是能夠在不脫離如以下權(quán)利要求書中所 述的本發(fā)明的范圍的情況下進行許多修改。
權(quán)利要求
1.一種包括波導(dǎo)(1)的波導(dǎo)激光器(2)，其具有伸長的核心(4)以及至少一個至少部 分地包圍所述核心(4)的包層(6)，-所述核心(4)包括摻雜有摻雜劑的基質(zhì)材料，該摻雜劑提供第一和第二波長處的至 少兩個激光躍遷，所述基質(zhì)材料至少在第一波長處是透明的，-所述包層(6)對于第一波長的激光以及泵浦光是透明的，并且吸收或向外耦合所述 第二波長的激光。
2.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器(2)，其中所述核心(4)的所述基質(zhì)材料摻雜有鐠離 子，所述基質(zhì)材料在大約521 士5nm的波長處是透明的，并且-所述包層(6)吸收或者向外耦合具有大約490士5nm的波長的光。
3.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述包層(6)引導(dǎo)所述泵浦源的所述光。
4.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，進一步包括至少部分地包圍所述第一包層(6)的第 二包層(8)。
5.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述包層(6)包括摻雜有鋱離子的基質(zhì)材料。
6.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述包層(6)包括光子構(gòu)造(20)，從而在該包 層(6)內(nèi)引導(dǎo)所述第一波長的光，并且向外耦合所述第二波長的光。
7.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述核心(4)的所述基質(zhì)材料是^LAN玻璃。
8.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述核心(4)的所述基質(zhì)材料具有低于750cm—1 的光子能量以及超過6. 5eV的帶隙。
9.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中在所述核心(4)中提供第一和第二波長處的至 少兩個激光躍遷的所述摻雜劑的濃度處于IOOppm與IOOOOppm之間的范圍內(nèi)。
10.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中核心和包層材料被選擇成使得所述核心(4) 在第一波長處的折射率高于所述包層(6)的折射率并且在所述第二波長處低于包層(6)的 折射率。
11.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述核心(4)是由所述包層從周圍包圍的光纖。
12.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，其中所述波導(dǎo)(10)是在襯底(12)上設(shè)置的平面波導(dǎo)。
13.依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器，進一步包括耦合到所述波導(dǎo)(10)的端面之一的泵 浦光源(14)。
14.依照權(quán)利要求9的波導(dǎo)激光器，其中泵浦光源(14)至少部分地耦合到所述包層的端面。
15.一種激光投影儀(30)，包括依照權(quán)利要求1的波導(dǎo)激光器(2)。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種波導(dǎo)激光器的簡單裝置，其允許控制具有相似波長的激光躍遷的激光材料中特定激光波長的發(fā)射。為此目的，向形成增益介質(zhì)的核心(4)提供包層(6)，該包層對于不希望的激光躍遷引入損耗，而對于希望的激光躍遷的光是透明的。第二包層(8)被提供用于引導(dǎo)激光輻射。可以使用具有摻雜Tb:的包層的Pr:ZBLAN。代替吸收包層(6)的是，可以使用光子晶體(20)。激光由激光二極管(14)進行端面泵浦。
文檔編號H01S3/063GK102124615SQ200980131786
公開日2011年7月13日 申請日期2009年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月15日
發(fā)明者本戈徹亞阿佩斯特吉亞 J., 韋希曼 U., 麥肯斯 U. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司