專利名稱：通過Pr摻雜RGB激光器中的腔長控制進行波長切換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在不同發(fā)射波長之間切換固態(tài)激光器的激光發(fā)射的方法，所述不同發(fā)射波長基于固態(tài)激光器的固態(tài)激光介質(zhì)中的不同電子躍遷。本發(fā)明還包括可依照所述方法在不同發(fā)射波長之間切換的固態(tài)激光設(shè)備。在過去的幾年中，對于開發(fā)在可見波長區(qū)域中發(fā)射的新固態(tài)激光器的興趣增加。 事實上，這些激光源可能在開發(fā)新一代彩色顯示器、新的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、全息技術(shù)、用于天體物理實驗的校準星中是有用的，并且也可能在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用任務(wù)和其他技術(shù)領(lǐng)域中是有用的。一旦以藍色、綠色和紅色發(fā)射的固態(tài)激光器可用，它們可以例如代替投影中的UHP 燈。由于其電子配置，ft"3+離子是稀土離子中作為藍色二極管泵浦固態(tài)激光器中的激活劑的最有希望的候選之一。ft"3+離子在藍色波長處表現(xiàn)出明顯的吸收并且可以將該輻射轉(zhuǎn)換成青色、綠色、紅色和橙色波長的激光發(fā)射。該事實允許從相同的活性介質(zhì)投射不同可見光波長的激光輻射。
背景技術(shù)：
已經(jīng)在YAlO3中證明了室溫下ft·3+離子的激光作用，但是最佳的結(jié)果在氟化物材料中在脈沖和連續(xù)波(cw)狀況下獲得。由于氟化物的低光子能量，作為用于可見激光發(fā)射的上能級的3Ptl能級不被非輻射弛豫猝熄。第一個激光實驗使用)(e閃光燈、染料激光器或 Ar+激光器作為泵浦源。近年來，固態(tài)技術(shù)的發(fā)展增強了使用激光二極管或光學(xué)泵浦半導(dǎo)體激光器(OPS)作為泵浦源的發(fā)射。ft·3+離子中的可見激光躍遷經(jīng)常以兩種主要方式獲得使用I^r3+Ab3+共摻雜，在紅外區(qū)泵浦，或者直接泵浦ft·3+離子的％三重態(tài)(manifold)。由于ft~3+/Yb3+中的雪崩激發(fā)過程而引起的上轉(zhuǎn)換發(fā)射已經(jīng)用來在紅外泵浦下獲得可見光發(fā)射。報道了在ft·3+/ Yb3+:LiYF4 晶體和!^+/Yb3+JrF4, BaF2, LaF3, AlF3, NaF3 (ZBLAN)玻璃中的紅色光譜范圍內(nèi)的激光振蕩。已經(jīng)呈現(xiàn)了紅外激發(fā)下的I^r3+Ab3+ = BaY2F8的紅色和橙色激光振蕩。直接泵浦OPS (光學(xué)泵浦半導(dǎo)體)的％能級，也演示了來自單個ft·3+摻雜LiLuF4晶體的640nm、 721nm、607nm和522nm的激光發(fā)射。發(fā)射的所述不同激光波長通過使用在激射波長處具有高反射率的適當輸出耦合器而單獨地獲得。然而，對于許多不同的應(yīng)用而言，非常希望的是從單個激光設(shè)備中獲得超過一個波長。特別地，允許在不同的發(fā)射波長之間切換的設(shè)備將是很有用的。DE3730563C2描述了一種可在兩個不同發(fā)射波長之間切換的Nd:YAG固態(tài)激光器， 所述發(fā)射波長基于Nd:YAG固態(tài)激光介質(zhì)的不同電子躍遷。在該設(shè)備中，在用于所述不同發(fā)射波長的不同位置處提供了激光腔的兩個不同的外耦合鏡。這些外耦合鏡之一被設(shè)計成對于具有較低增益的發(fā)射波長之一是完全反射的，并且對于另一發(fā)射波長是透射的。第二外耦合鏡設(shè)置在第一外耦合鏡之后并且被設(shè)計成對于第二發(fā)射波長是高度反射的。通過阻擋或打開所述兩個外耦合鏡之間的光束路徑，可以在所述兩個發(fā)射波長之間切換激光發(fā)射波長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種在不同發(fā)射波長之間切換固態(tài)激光器的激光發(fā)射的方法以及一種可依照該方法切換的相應(yīng)固態(tài)激光設(shè)備，所述不同發(fā)射波長基于固態(tài)激光器的固態(tài)介質(zhì)中的不同電子躍遷，該方法和設(shè)備允許利用簡單的切換機制在所述不同發(fā)射波長之間進行容易且方便的切換。這個目的是利用依照權(quán)利要求1和6的方法和設(shè)備來實現(xiàn)的。該方法和設(shè)備的有利實施例是從屬權(quán)利要求的主題或者在本說明書的后續(xù)部分中加以描述。在所提出的方法中，提供了一種具有至少兩個形成激光腔的端鏡的固態(tài)激光器， 其中所述端鏡被設(shè)計成允許激光器在不同發(fā)射波長處產(chǎn)生激光并且在激光腔的一個端鏡處將這些不同發(fā)射波長耦合出去。固態(tài)激光介質(zhì)顯然也被選擇成允許在被光學(xué)泵浦或電子泵浦時在與所述不同發(fā)射波長相應(yīng)的不同電子躍遷下產(chǎn)生激光。如本領(lǐng)域中已知的，激光腔的端鏡必須對于所述不同發(fā)射波長具有足夠高的反射率以便允許產(chǎn)生激光，其中這些鏡之一也允許透射激光發(fā)射的一小部分以便向外耦合。在所提出的方法中，激光腔的腔長在不同的腔長之間切換。這可以通過在不同的位置之間移動所述端鏡中的至少一個或者通過改變光學(xué)腔長的任何其他技術(shù)，例如通過旋轉(zhuǎn)腔內(nèi)光束路徑上的玻璃板，或者通過改變腔內(nèi)光束路徑上的像液晶元件那樣的適當元件的折射率來實現(xiàn)。不同的腔長被選擇成使得在所述不同腔長的每一個處，固態(tài)激光器僅在所述不同發(fā)射波長中的一個發(fā)射波長處產(chǎn)生激光，所述一個發(fā)射波長不同于所述不同腔長的其他腔長處的發(fā)射波長。這意味著在依照所述方法調(diào)節(jié)的所選不同腔長的每一個處，固態(tài)激光器在不同的發(fā)射波長處產(chǎn)生激光。適合于在不同發(fā)射波長處的這種激光產(chǎn)生的相應(yīng)腔長可以容易地通過在腔長調(diào)諧期間或者相應(yīng)端鏡的運動期間對激光器的輸出進行光譜測量而找到。相應(yīng)的固態(tài)激光設(shè)備包括至少兩個形成激光腔的端鏡，其中所述端鏡被設(shè)計成允許激光器在不同發(fā)射波長處產(chǎn)生激光并且在激光腔的一個端鏡處將這些不同發(fā)射波長耦合出去；以及設(shè)置在激光腔中的固態(tài)激光介質(zhì)，其中所述不同發(fā)射波長基于固態(tài)激光介質(zhì)中的不同電子躍遷。該固態(tài)激光設(shè)備還包括致動器，其被設(shè)置成改變激光腔的腔長；以及控制單元，其被設(shè)計成控制致動器以便在不同腔長之間改變所述腔長。這些不同腔長被限定為使得在這些不同腔長的每一個處，固態(tài)激光器僅在所述不同發(fā)射波長中的一個發(fā)射波長處產(chǎn)生激光，所述一個發(fā)射波長不同于所述不同腔長的其他腔長處的發(fā)射波長。此外， 泵浦光源被設(shè)置成光學(xué)泵浦固態(tài)激光介質(zhì)。在一個優(yōu)選的實施例中，致動器被設(shè)置成移動所述端鏡中的至少一個以改變腔長，并且控制單元被設(shè)計成控制致動器以便在不同位置之間移動相應(yīng)端鏡，所述不同位置與所述不同腔長相應(yīng)?？刂茊卧梢允请姴考驒C械部件。利用所提出的方法和設(shè)備，所述不同發(fā)射波長之間的切換簡單地通過腔長的小改變而實現(xiàn)。腔長的改變可以例如通過可以電控制的壓電元件而以非常簡單的方式實現(xiàn)。因此，本發(fā)明提供了使用相同激光器設(shè)置并且僅改變固態(tài)激光器的激光腔的長度而獲得兩個或更多不同激射波長的可能性。依賴于腔長的小改變的切換機制也可以利用其他適當致動器而容易地實現(xiàn)。通過適當?shù)剡x擇固態(tài)激光介質(zhì)，可以實現(xiàn)在綠色和紅色波長之間切換激光發(fā)射。這樣的激光波長適合于例如激光顯示器。因此，通過使用這種技術(shù)先進然而簡單的可切換的激光設(shè)備作為投影光源，將像色輪那樣的投影儀光學(xué)器件的功能集成到激光源本身中，導(dǎo)致簡單得多且更緊湊的投影儀設(shè)置。通常，所提出的方法和固態(tài)激光設(shè)備可以用于其中需要可切換激光發(fā)射的任何應(yīng)用中。這樣的應(yīng)用例如在可見光區(qū)域中產(chǎn)生彩色顯示、 新數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、全息技術(shù)、用于天體物理實驗的校準星以及還有生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用任務(wù)。在一個有利的實施例中，固態(tài)激光介質(zhì)由ft·3+摻雜基質(zhì)材料，尤其是ft·3+ YLF晶體形成?？梢酝ㄟ^在藍色波長區(qū)域中發(fā)射的激光二極管泵浦該固態(tài)激光介質(zhì)。然而，其他作為基于ft·3+發(fā)射的用于可見激光應(yīng)用的基質(zhì)晶體的可能候選對于本領(lǐng)域?qū)＜沂枪牟⑶铱梢岳鐬長iYF4、LiLuF4, K2YF5, KY3F10, KYF4, LiKYF5, LiKGdF5, LiCaAlF6, LiSrAlF6, LiGdF4, ZBLAN、CaF2, SrF2, YF3> CsY2F7, CsGs2F7, BaF2, BaMgF4, BaY2F8, LaF3> CeF3、PrF3> LiPrP4O12, KY (MO4)2, KY (WO4)2, KGd (WO4)2, Ca (NbO3) 2、CaffO4, SrMoO4, YA103、 LuAlO3> SrAl12O19^ Sr3Al2O6^ LaCl3、LaBr3> PrCl3> PrBr3。


在下文中，在不限制如權(quán)利要求所限定的保護范圍的情況下通過實例結(jié)合附圖描述所提出的方法和設(shè)備。附圖示出
圖IPr3+離子的可見電子傳輸；
圖2依照本發(fā)明的設(shè)備的激光諧振器和泵浦方案的示意圖； 圖3圖2的固態(tài)激光介質(zhì)的尺寸和取向；
圖4針對POSl的紅色和橙色激光發(fā)射的規(guī)格化的所獲得的光譜；以及圖5針對P0S2的紅色和橙色激光發(fā)射的規(guī)格化的所獲得的光譜。
具體實施例方式在下文中，示出了所述方法和設(shè)備的一個實例，其中ft~3+:BaY2F8晶體用作固態(tài)激光介質(zhì)并且由在藍色波長區(qū)域中發(fā)射的激光二極管光學(xué)泵浦。該示例性固態(tài)激光設(shè)備分別在640nm和609nm處的紅色和橙色激光發(fā)射之間切換。應(yīng)當理解的是，本發(fā)明并不限于該特定材料或者這兩個特定激光波長。其他的材料將允許實現(xiàn)相同的效果，并且通過修改諧振器和鏡的反射率，例如綠色和紅色激光發(fā)射之間的切換也是可能的。圖1示出了 ft·3+離子的不同可見電子躍遷，該離子是用于固態(tài)激光介質(zhì)的基質(zhì)材料的摻雜的優(yōu)選的候選。由該圖可見，Pr3+離子允許在可見光區(qū)域內(nèi)，尤其是在青色、綠色、 紅色和橙色波長區(qū)域內(nèi)躍遷。取決于使用的基質(zhì)材料，所表示的波長稍微移動。像在本實例中那樣使用BaY2F8作為基質(zhì)材料，640nm和609nm處的激光發(fā)射是可能的。圖2示出了所提出的激光設(shè)備的示例性設(shè)置的示意圖。該固態(tài)激光器的激光腔由兩個端鏡形成；在該情況下，兩個端鏡為輸入平面鏡1和外耦合鏡2。輸入平面鏡1在二極管泵浦激光器4的430nm與460nm之間的波長范圍內(nèi)具有高的透射并且在605nm與650nm 之間的波長范圍內(nèi)具有高的反射率。外耦合鏡2為具有50mm的曲率半徑的凹鏡。該鏡在 640nm處具有ΙΓ99%的高反射率，并且在609nm處具有ΙΓ98%的高反射率。如圖2中所示，固態(tài)激光介質(zhì)3設(shè)置在激光腔的束腰處。該固態(tài)激光介質(zhì)3由二極管泵浦激光器4在443nm 處光學(xué)泵浦。該泵浦光束在通過輸入平面鏡1進入固態(tài)激光介質(zhì)3中之前由具有6. 2mm的焦距f的非球面透鏡5、變形棱鏡6和具有80mm的焦距f的消色差透鏡7定形。外耦合鏡2安裝在壓電致動器8上，所述壓電致動器能夠在激光腔的光軸方向上移動該鏡以便改變腔長L，該腔長L是輸入鏡1與外耦合鏡2之間的距離。壓電致動器8 連接到控制單元9，該控制單元控制致動器以便在與兩個激射波長，即紅色(640nm)和橙色 (609nm)激光發(fā)射相應(yīng)的兩個位置之間移動外耦合鏡2。為了檢測紅色和橙色激光發(fā)射，將焦距f=50mm的透鏡10以及厚度為2mm的黃色濾光器11型GG495設(shè)置在外耦合鏡2之后的激光發(fā)射光束路徑上。為了檢驗僅僅產(chǎn)生了一個激光波長(紅色或橙色)，將分光計設(shè)置在濾光器11之后。用來獲得紅色和橙色激光發(fā)射的固態(tài)激光介質(zhì)3是具有1. 25%的標稱ft·3+摻雜的 BaY2F8晶體。BaY2F2是單斜晶體。晶體b軸是主對稱軸并且垂直于a軸和c軸。a軸和c軸彼此不垂直。在本實例中，該晶體沿著a軸和b軸取向和切割。圖3示出了激光腔內(nèi)的晶體(即固態(tài)激光介質(zhì)3)的取向。泵浦激光束的方向12被示出。該固態(tài)激光介質(zhì)的尺寸在本實例中為 2. 17 χ 3. 59 χ 5. 83 mm3 (w χ h χ 1，參見圖 3)。當對準激光腔時，可以觀察到橙色和紅色激光躍遷下的激光發(fā)射。這歸因于形成用于這兩個波長的諧振器或腔的諧振器鏡的寬反射率。然而，本發(fā)明的發(fā)明人在調(diào)節(jié)這些諧振器鏡時驚奇地發(fā)現(xiàn)其中激光器僅僅工作于所述兩個躍遷之一的配置。在本實例的情況下，發(fā)現(xiàn)了在下文中記為POSl和P0S2的兩個不同幾何設(shè)置配置，其中紅色與橙色之間的切換僅僅通過腔長的小改變就成為可能。在下文中，描述了用來通過維持相同的部件設(shè)置、改變腔長而產(chǎn)生紅色和橙色固態(tài)泵浦激光發(fā)射的幾何腔參數(shù)。為了在紅色與橙色波長之間切換，沿著圖2中所示的ζ方向移動外耦合鏡2。對于所述兩個幾何設(shè)置配置POSl和P0S2，在下面的表格和附圖中示出了功率、測量的光譜以及幾何設(shè)置參數(shù)。在POSl配置中，設(shè)定48. 25mm的腔長并且通過在相應(yīng)的方向上移動外耦合鏡2而將其增加0. 34mm的距離，以便從紅色激光發(fā)射切換到橙色激光發(fā)射。表1示出了腔長L、外耦合鏡2與消色差透鏡7之間的距離D以及這些不同激射波長處測量的功率。圖4中繪出了針對配置的紅色和橙色激光發(fā)射的規(guī)格化的所獲得的光譜。表1
權(quán)利要求
1.一種在不同發(fā)射波長之間切換固態(tài)激光器的激光發(fā)射的方法，所述不同發(fā)射波長基于所述固態(tài)激光器的固態(tài)激光介質(zhì)(3)中的不同電子躍遷，所述方法包括-向固態(tài)激光器提供至少兩個形成激光腔的端鏡(1，2)，所述端鏡(1，2)被設(shè)計成允許激光器在不同發(fā)射波長處產(chǎn)生激光并且在所述激光腔的一個端鏡(2)處將這些不同發(fā)射波長耦合出去，以及-在不同腔長之間切換所述激光腔的腔長，所述不同腔長被選擇成使得在所述不同腔長的每一個處，固態(tài)激光器僅在所述不同發(fā)射波長中的一個發(fā)射波長處產(chǎn)生激光，所述一個發(fā)射波長不同于所述不同腔長的其他腔長處的發(fā)射波長。
2.依照權(quán)利要求1的方法，其中通過在不同位置之間移動所述端鏡(1，2)中的至少一個而在不同腔長之間切換所述激光腔的腔長。
3.依照權(quán)利要求2的方法，其中通過在兩個不同位置之間移動所述端鏡(1，2)中的所述至少一個而在兩個發(fā)射波長之間切換所述激光發(fā)射。
4.依照權(quán)利要求1的方法，其中向所述固態(tài)激光器提供固態(tài)激光介質(zhì)(3)，該固態(tài)激光介質(zhì)由ft·3+摻雜基質(zhì)材料形成。
5.依照權(quán)利要求4的方法，其中所述固態(tài)激光器由在藍色波長區(qū)域內(nèi)發(fā)射的激光二極管(4)光學(xué)泵浦。
6.一種可在不同發(fā)射波長之間切換的固態(tài)激光設(shè)備，包括-至少兩個形成激光腔的端鏡(1，2)，所述端鏡(1，2)被設(shè)計成允許激光器在不同發(fā)射波長處產(chǎn)生激光并且在所述激光腔的一個端鏡(2)處將這些不同發(fā)射波長耦合出去，-設(shè)置在所述激光腔中的固態(tài)激光介質(zhì)(3)，所述不同發(fā)射波長基于所述固態(tài)激光介質(zhì)(3)中的不同電子躍遷，-泵浦光源，其被設(shè)置成光學(xué)泵浦所述固態(tài)激光介質(zhì)(3)，-致動器(8)，其被設(shè)置成改變所述激光腔的腔長，以及-控制單元(9)，其被設(shè)計成控制所述致動器(8)以便在不同腔長之間改變所述腔長， 其中這些不同腔長被限定為使得在所述不同腔長的每一個處，固態(tài)激光器僅在所述不同發(fā)射波長中的一個發(fā)射波長處產(chǎn)生激光，所述一個發(fā)射波長不同于所述不同腔長的其他腔長處的發(fā)射波長。
7.依照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中致動器(8)被設(shè)置成移動所述端鏡(1，2)中的至少一個以改變腔長，并且其中控制單元(9)被設(shè)計成控制所述致動器(8)以便在不同位置之間移動所述端鏡(1，2)中的所述至少一個，所述不同位置與所述不同腔長相應(yīng)。
8.依照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中固態(tài)激光介質(zhì)(3)由ft·3+摻雜基質(zhì)材料形成。
9.依照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中固態(tài)激光介質(zhì)(3)由ft~3+:YLF晶體形成。
10.依照權(quán)利要求7或8的設(shè)備，其中泵浦光源為在藍色波長區(qū)域中發(fā)射的激光二極管(4)。
11.依照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中端鏡(1，2)和控制單元(9)被設(shè)計成在綠色波長區(qū)域中的發(fā)射波長與紅色波長區(qū)域中的發(fā)射波長之間切換發(fā)射波長。
12.依照權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述致動器(8)為壓電元件。
13.投影設(shè)備，具有至少一個作為投影光源的依照權(quán)利要求6的固態(tài)激光設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在不同發(fā)射波長之間切換固態(tài)激光器的激光發(fā)射的方法，所述不同發(fā)射波長基于固態(tài)激光器的固態(tài)激光介質(zhì)(3)中的不同電子躍遷。固態(tài)激光器的至少兩個端鏡(1，2)被設(shè)計成允許激光器在不同發(fā)射波長處產(chǎn)生激光并且在激光腔的一個端鏡(2)處將這些不同發(fā)射波長耦合出去。激光發(fā)射的切換通過在不同腔長之間切換激光腔的腔長而實現(xiàn)，其中所述不同腔長被選擇成使得在所述腔長的每一個處，固態(tài)激光器僅在所述不同發(fā)射波長中的一個發(fā)射波長處產(chǎn)生激光，所述一個發(fā)射波長不同于所選擇的腔長的其他腔長處的發(fā)射波長。利用所述方法和相應(yīng)的設(shè)備，固態(tài)激光器的發(fā)射波長之間的容易的切換是可能的。
文檔編號H01S3/08GK102301546SQ201080005698
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者本戈埃切亞 阿佩斯特吉亞 J., 博內(nèi)利 L., 魏希曼 U. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司