CN101009421A - 具有调制镜的垂直外腔表面发射激光器及用其的显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有形成外腔的改进镜从而调制所发射的激光束的垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)及使用该激光器的显示设备。该VECSEL包括：泵浦光源；受泵浦光源发出的泵浦束激发而发射预定波长激光束的激光芯片；与激光芯片分开并相对于激光芯片发出的入射光的轴倾斜设置且转变入射激光束的传播路径的折叠镜；面对折叠镜并旋转以选择地将折叠镜所反射的激光束反射到折叠镜的活动镜单元。该显示设备包括：具有上述结构的VECSEL；扫描VECSEL发出的光以在屏幕上产生平面图像的光扫描单元；和设置在VECSEL和屏幕之间并放大及投射激光束到屏幕上的投影光学系统。

Description

具有调制镜的垂直外腔表面发射激光器及用其的显示设备
技术领域
本发明涉及一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)及使用该激光器的显示设备，尤其涉及具有形成外腔的改进镜(mirror)从而调制发出的激光束的VECSEL及使用其的显示设备。
背景技术
VECSEL通过采用外镜(external mirror)代替用于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的上镜(upper mirror)来增加增益区域，并获得几瓦到几十瓦(W)或更高的输出功率。
图1为示出了常规端泵浦(end-pumped)VECSEL的光学配置的示意图。参照图1，常规VECSEL包括提供泵浦束(pump beam)的泵浦单元、受泵浦束激发而发射激光束的激光芯片11、以及位于激光芯片11外侧并形成外腔的第一和第二镜17和19。泵浦单元包括泵浦光源1和使泵浦光源1发出的泵浦束准直的准直透镜5，并为从其发出激光束的激光芯片的部分提供泵浦束。
散热器13设置在激光芯片11的一个表面上并散除激光芯片11所产生的热量。
第一镜17与激光芯片11分开并相对于激光芯片11发出的入射光光轴倾斜设置。第一镜17具有面向激光芯片11和第二镜19的凹形反射面17a。因此，第一镜17防止第二镜19和激光芯片11之间谐振的激光束发散。第二镜19面对第一镜17并将来自第一镜17的光反射回到第一镜17。
双折射过滤器15设置在第一镜17和激光芯片11之间并仅滤出具有预定波长的激光束。二次谐波发生(SHG)晶体21设置在第一和第二镜17和19之间并将激光芯片11发出的激光束转换成其半波长束。
同时，具有上述结构的常规VECSEL没有用于调制激光输出功率的内置调制器。因此，当其被用作用于激光显示设备中每种颜色的扫描光源时，常规VECSEL需要外部光调制器，诸如根据将被投影的图像控制激光输出功率的声光调制器或色轮(color wheel)。
发明内容
本发明提供一种具有形成外腔并能调节激光输出功率的改进镜的垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)及使用该VECSEL的显示设备。
根据本发明的一个方面，提供一种VECSEL，包括：受泵浦光源发出的泵浦束激发而发射预定波长激光束的激光芯片；与激光芯片分开并相对于激光芯片发出的入射光光轴倾斜设置且转变入射激光束的传播光路的折叠镜；面对折叠镜并旋转以选择地将折叠镜所反射的激光束反射到折叠镜的活动镜单元。
该VECSEL还包括：设置在折叠镜和活动镜单元之间的光路上并将激光芯片发出的激光束转变成其半波长束的SHG(二次谐波发生)晶体；设置在激光芯片和折叠镜之间的光路上并仅过滤出预定波长激光束的双折射过滤器；和附在激光芯片一个表面上且从激光芯片散除热量的散热器。
根据本发明的另一方面，提供一种通过将激光束扫描在屏幕上显示图像的激光显示设备，其包括：具有上述结构发射调制激光束的VECSEL；扫描VECSEL发出的光以在屏幕上产生平面图像的光扫描单元；和设置在VECSEL和屏幕之间并放大和投射激光束到屏幕上的投影光学系统。
附图说明
参照附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征及优点将变得更加清楚。附图中：
图1为示出了常规垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)的光学配置的示意图；
图2为示出了具有根据本发明实施例的调制镜的VECSEL的光学配置的示意图；
图3为图2所示活动镜单元的示意性透视图；
图4A和4B示出了图2中所示的活动镜单元的工作状态；
图5为示出了根据本发明实施例使用VECSEL的显示设备的光学配置的示意图；
图6为示出了根据本发明另一实施例使用VECSEL的显示设备的光学配置的示意图。
具体实施方式
现参照附图更全面地描述具有调制镜的垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)和使用根据本发明优选实施例的VECSEL的显示设备。图2为示出了具有根据本发明实施例的调制镜(modulating mirror)的VECSEL的光学配置的示意图且图3为活动镜单元(movable mirror unit)的示意性透视图。
参照图2和图3，VECSEL包括：泵浦光源31，受泵浦光源31发出的泵浦束激发而发射预定波长激光束的激光芯片41，以及折叠镜47和与激光芯片41协作的活动镜单元50从而形成腔。
泵浦光源31设置在发出激光束的激光芯片41的表面上或其后面并为激光芯片41提供泵浦束。VECSEL还包括设置在泵浦光源31和激光芯片41之间并使泵浦光源31发出的泵浦束准直的准直透镜35。激光芯片412包括受泵浦束激发而发出预定波长光的有源层和分布布喇格反射器(DBR)层。DBR层为将有源层产生的激光束朝活动镜单元50反射使得激光束在DBR层和活动镜单元50之间谐振的镜层。
散热器43附在激光芯片41的一个表面上并从激光芯片41散除热量。当泵浦光源31设置在发出激光束的激光芯片41的表面的后面时，散热器43由能够透射泵浦光源31发出的泵浦束的透明材料制成或具有泵浦束可通过的开口(未示出)。
折叠镜47转变入射激光束的传播路径并与激光芯片41分开且相对于激光芯片41发出的入射光光轴I倾斜设置。也就是说，从激光芯片41入射的光被朝向活动镜单元50反射并且从活动镜单元50入射的大部分光被朝向激光芯片41反射。折叠镜47透射符合预定条件的预定波长的光从而发出激光束。
折叠镜47具有面向激光芯片41的凹形反射表面47a并防止在激光芯片41和活动镜单元50之间谐振的大部分激光在激光芯片41和活动镜单元50之间发散。
折叠镜47还包括设置在凹形反射面47a上并具有根据入射光波长而变化的反射和透射的波长过滤器48。例如，波长过滤器48反射激光芯片41发出的预定波长的激光并透射由后面说明的二次谐波发生(SHG)晶体49进行波长转换的激光的至少部分。
活动镜单元50面向凹形反射面47a。活动镜单元50与折叠镜47形成外腔并调制已经通过折叠镜(folding mirror)47的激光束。为了实现该功能，活动镜单元50包括基座51、可旋转地安装在基座51上的活动镜55和设置在基座51上并往复旋转活动镜55的致动器59。活动镜55借助柱53与基座51分开并旋转地安装在设置于柱53和活动镜55之间的铰链(hinge)57上。
通过压电作用、静电电容作用或电磁作用所提供的驱动力使得致动器59往复地旋转活动镜55。也就是说，致动器59根据通过电源60是否提供电能将活动镜55驱动至图4A和4B所示的工作状态。
图4A示出了活动镜单元50的开启(on)状态。当活动镜55置于图4A所示的方式时，在激光芯片(图2的41)和活动镜55之间形成腔结构从而正常发射激光束。图4B示出了活动镜单元50的关闭(off)状态。当活动镜55如图4B所示离位时，从激光芯片(图2的41)入射的光束L1当其被活动镜55反射时按照L2所示的不同路径传播。因此，根据本实施例的VECSEL在其处于关闭状态时不发射激光束。如上所述，通过用活动镜单元50替换外腔镜，根据活动镜55的工作状态能够控制激光束的输出。VECSEL能够在没有附加外部调制器的情况下产生可被调制的调制激光束。参照图2，VECSEL还包括SHG晶体49和双折射过滤器45。SHG晶体49置于折叠镜47和活动镜单元50之间的光路上并将激光芯片41发出的激光束转换成其半波长束。例如，当激光芯片41发出的激光具有1,064nm的波长时，SHG晶体49所转换的激光具有532nm的波长。
双折射过滤器45置于激光芯片41和折叠镜47之间的光路上并滤出仅预定波长的激光从而滤出的激光可谐振。
图5为示出了根据本发明实施例使用VECSEL的激光显示设备的光学配置。参照图5，通过将激光束扫描在屏幕150上来显示图像的激光显示设备包括发射调制激光束的VECSEL 100、激光扫描单元和置于VECSEL 100和屏幕150之间并放大和投射光到屏幕150上的投影光学系统130。
具有根据图2-4B所述允许调制的结构的VECSEL 100发射对应于将被投影在屏幕150上的图像的激光束。在此情况下，VECSEL 100包括发射红、蓝和绿色激光束的第一至第三VECSEL 101、103和105从而实现彩色显示。可以以不同顺序设置第一至第三VECSEL 101、103和105。虽然如上所述第一至第三VECSEL 101、103和105可以发射红、蓝和绿色激光束，但其可以发射不同波长的光或VECSEL 100可包括两个或至少四个VECSEL。
光扫描单元扫描VECSEL 100所发出的光以在屏幕150上产生平面图像。为实现此功能，光扫描单元包括柱面透镜单元110、线性反射板(reflectivepanel)120和扫描镜141。柱面透镜单元110将VECSEL 100发出的入射光形成形成为具有线性横截面形状的光。参照图5，当第一至第三VECSEL 101、103和105用作光源时，柱面透镜单元110包括第一至第三柱面透镜111、113和115，其置于第一至第三柱面透镜111、113和115发出的激光束沿其传播的光路上并将光束形成形成为所需形状。
线性反射板120置于柱面透镜单元110和扫描镜141之间并为每个像素单独反射入射的线性形状的光以产生线性图像。为此，线性反射显示器120可被设置线性光沿其入射的一列并具有多个数字微镜装置(DMD)，每个对应线性图像的一个像素。
如图5所示，当第一至第三VECSEL 101、103和105用作光源时，线性反射板120包括第一至第三反射板121、123和125，其设置在通过第一至第三柱面透镜111、113和115所形成形成的束沿其传播的路径上。
由于驱动源145提供的驱动力，扫描镜141往复地旋转并对线性反射板120所产生的线性图像C进行垂直线扫描以在屏幕150上产生平面图像D。
投影光学系统130设置在VECSEL 100和屏幕150之间并放大以及投射激光束到屏幕150上。显示设备使用具有能够允许激光束输出调制的调制镜的VECSEL 100，从而提供全色图像而没有使用单独的色轮。
图6为示出了根据本发明另一实施例使用VECSEL的激光显示设备的光学配置。参照图6，根据本发明实施例的用于通过将激光束扫描在屏幕250上显示图像的激光显示设备包括发射调制激光束的VECSEL 200、光扫描单元、和设置在VECSEL 200和屏幕250之间并放大和投射光到屏幕250上的投影光学系统230。
具有上述允许调制的结构的VECSEL 200发射对应于将被投影在屏幕250上的图像的激光束。在此情况下，VECSEL 200包括发射红、蓝和绿色激光束以实现彩色显示的第一至第三VECSEL 201、203和205。可以以不同顺序设置第一至第三VECSEL 201、203和205。因为VECSEL 200具有与VECSEL 100基本相同的构造，故不给出其详细的说明。
光扫描单元扫描VECSEL 200所发出的光以在屏幕250上产生平面图像。为实现此功能，光扫描单元包括柱面透镜单元210、线性反射板220和扫描镜241。柱面透镜单元210将VECSEL 200发出的入射光形成为具有线性横截面形状的光。线性反射板220置于柱面透镜210和扫描镜241之间并为每个像素单独反射入射的线性形状的光以产生线性图像。
不同于柱面透镜(图5的110)和线性反射板(图5的120)，柱面透镜210和线性反射板220具有单个元件。根据该实施例的显示设备还包括引导第一至第三VECSEL 201、203和205所发出的激光束的光路转换单元260，以使得激光束沿相同的路径传播。光路转换单元260置于柱面透镜210和第一至第三VECSEL 201、203和205之间并包括第一至第三分束器261和263及单个反射镜265。
第一分束器261透射第一VECSEL 201所发出的预定波长的激光束，如红色激光束，同时反射第二和第三VECSEL 203和205所发出的预定波长的激光束，如蓝色和绿色激光束。因此，第一分束器261朝柱面透镜210引导第一至第三VECSEL 201、203和205发出的所有激光束。
第二分束器263反射第二VECSEL 203发出的预定波长的激光束，如蓝色激光束，同时透射第三VECSEL 205发出的预定波长的激光束，如绿色激光束。因此，第二分束器263朝第一分束器210引导第二和第三VECSEL 203和205发出的激光束。
反射镜265置于第三VECSEL 205和第二分束器263之间并朝第二分束器263反射第三VECSEL 205所发出的预定波长的激光束，例如绿色激光束。
光路转换单元260中的第一和第二分束器261和263以及镜265可以具有不同的功能并以各种其他方式进行设置。例如，光路转换单元260可以将第一至第三VECSEL 201、203和205发出的激光束合在一起并朝柱面透镜210引导所产生的光束。
由于投影光学系统230和扫描镜245与根据图5中所示实施例的显示设备中对应部件具有基本相同的功能和配置，故不给出其详细说明。
如上所述，根据该实施例的显示设备利用具有允许激光束输出调制的调制镜的VECSEL 200，从而实现全色图像而没有使用单独的色轮。显示设备也包括允许VECSEL 200发出的激光束沿单个路径传播的光路转换单元，从而通过使用单个柱面透镜210和线性反射板220实现全色图像和紧凑尺寸。
如上所述，因为根据本发明的VECSEL将活动镜单元用作外腔来提供调制的激光输出，故能够广泛地用于需要光调制的应用中而不使用单独光调制器或色轮。根据本发明采用具有调制镜的VECSEL的显示设备能够提供对应于将被投影图像的全色图像激光输出功率而没有使用单独的光调制器或色轮。
尽管参照本发明的示例性实施例已经特殊地示出和描述了本发明，但本领域的普通技术人员应当理解在不脱离本发明由随后权利要求所限定的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行各种改变。

Claims (13)

1.一种VECSEL(垂直外腔表面发射激光器)，包括：
泵浦光源；
激光芯片，受该泵浦光源发出的泵浦束激发从而发射预定波长的激光束；
折叠镜，与该激光芯片分开并相对于该激光芯片发出的入射光的轴倾斜设置且转变入射激光束的传播路径；
活动镜单元，面对该折叠镜并旋转从而选择地将该折叠镜所反射的激光束反射到该折叠镜。
2.如权利要求1所述的VECSEL，其中所述活动镜单元包括：
基座；
旋转地安装在该基座上的活动镜；和
设置在该基座上并旋转该活动镜的致动器。
3.如权利要求2所述的VECSEL，其中该致动器由于通过压电作用、静电电容作用或电磁作用提供的驱动力旋转该活动镜。
4.  如权利要求1所述的VECSEL，还包括设置在该折叠镜和该活动镜单元之间的光路上并将该激光芯片发出的激光束转变成其半波长束的SHG(二次谐波发生)晶体。
5.如权利要求4所述的VECSEL，还包括：
设置在该激光芯片和该折叠镜之间的光路上并过滤出仅预定波长激光束的双折射过滤器；和
附在该激光芯片一个表面上且从该激光芯片散除热量的散热器。
6.如权利要求4所述的VECSEL，还包括设置在该折叠镜面向该激光芯片的一个表面上并反射与该激光芯片发出的激光束具有相同预定波长的大部分激光束且透射被SHG晶体进行波长转换的大部分激光束。
7.一种通过将激光束扫描在屏幕上来显示图像的激光显示设备，该设备包括：
权利要求1所述的发射调制激光束的VECSEL；
扫描该VECSEL发出的光从而在屏幕上产生平面图像的光扫描单元；及
设置在该VECSEL和该屏幕之间并放大和投射激光束到该屏幕上的投影光学系统。
8.如权利要求7所述的设备，其中该光扫描单元包括：
将该VECSEL发出的入射光形成为具有线性截面形状的光的柱面透镜；
为每个像素单独反射该入射的线性光从而产生线性图像的线性反射板；
扫描该线性反射板所产生的该线性图像从而在该屏幕上产生平面图像的扫描镜。
9.如权利要求8所述的设备，其中该VECSEL包括发射红、蓝和绿色激光束的第一至第三VECSEL，
其中所述柱面透镜包括设置在红、蓝和绿色激光束沿其传播的路径上的第一至第三柱面透镜，以及
其中该线性反射板包括第一至第三线性反射板，其设置在通过所述第一至第三柱面透镜所形成的束沿其传播的路径上，从而实现全色图像。
10.如权利要求8所述的设备，其中该柱面透镜和该线性反射板分别具有单个元件，以及
其中该VECSEL包括发射红、蓝和绿色激光束的第一至第三VECSEL；
还包括光路转换单元，其设置在所述第一至第三VECSEL和所述柱面透镜之间并引导所述第一至第三VECSEL所发出的激光束从而其沿着相同路径传播。
11.如权利要求7所述的设备，其中该VECSEL还包括设置在该折叠镜和该活动镜单元之间的光路上并将该激光芯片发出的激光束转变成其半波长束的SHG(二次谐波发生)晶体。
12.如权利要求11所述的设备，其中该VECSEL还包括：
设置在该激光芯片和该折叠镜之间的光路上并过滤出仅预定波长激光束的双折射过滤器；和
附在该激光芯片一个表面上且从该激光芯片散除热量的散热器。
13.如权利要求11所述的设备，其中该VECSEL还包括设置于该折叠镜面向该激光芯片的一个表面上并反射与该激光芯片发出的激光束具有相同预定波长的大部分激光束且透射被SHG晶体进行波长转换的大部分激光束。
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