CN101192738A

CN101192738A - 一种用于激光显示的激光光源装置

Info

Publication number: CN101192738A
Application number: CNA2006101442461A
Authority: CN
Inventors: 周翊; 毕勇; 颜博霞; 赵江山
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-04

Abstract

本发明提供了一种用于激光显示的激光光源装置，包括红光、绿光和蓝光激光发生装置，以及分别设置于所述红光、绿光和蓝光激光发生装置输出光路上的第一、第二和第三非线性倍频晶体，其特征在于，所述红光、绿光、蓝光激光发生装置分别由至少一个垂直面发射半导体激光器组成，其中红光垂直面发射半导体激光器输出波长为1200nm－1400nm，绿光垂直面发射半导体激光器输出波长为1000nm－1100nm，蓝光垂直面发射半导体激光器输出波长为880nm－980nm。同现有的激光显示的光源相比，本发明具有无需激光晶体和其它复杂的光学系统，结构简单，成本低廉，可靠性高的优点。

Description

一种用于激光显示的激光光源装置

技术领域：

本发明涉及一种激光光源装置，特别是一种用于激光显示的激光光源装置。

背景技术：

激光显示具有大屏幕、高分辨率、大色域和高的色饱和度等优点，是显示领域的重大发展方向，同时也是国际显示领域的研发热点之一。在大型公众媒体终端显示、娱乐表演以及未来家庭中都有应用前景，具有重大的社会和科学价值。

目前，激光显示用的红、蓝、绿三基色激光光源主要由以下方法产生：

公开号为CN1721963A的中国发明专利用半导体二极管激光器(LaserDiode，以下简称LD)产生的808nm的激光抽运激光晶体Nd:YVO4，产生1342nm的基频光，经过LBO倍频，产生671nm的红光，绿光激光器是LD泵浦激光晶体，产生1064nm的激光，经KTP晶体倍频得到532nm的绿光，蓝光激光器是808nm LD泵浦激光晶体，产生946nm的基频光，经倍频晶体LBO，产生473nm的蓝光。

2001年SPIE杂志4362卷203-212页，报道美国Q-Peak公司研发的激光显示用的三基色激光器，采用LD泵浦Nd:YLF的振荡-放大结构产生高功率1047nm激光后，倍频获得524nm绿光，然后泵浦LBO光学参量振荡OPO(opticalparametric oscillation，简称OPO)产生898nm的信号光和1256nm的闲频光，信号光和闲频光分别倍频得到449蓝光和628nm的红光，从而得到三基色光源。

公开号为CN1713691A的中国发明专利采用半导体可饱和吸收镜(Semiconductor saturable absorber mirror，简称SESAM)锁模激光器输出的1064nm基频光泵浦周期极化晶体的光学参量产生(optical parametric generation，简称OPG)，获得1570nm的近红外参量激光，再将1570nm的参量光与1064nm的泵浦光注入KTP晶体，经和频过程产生红光，将透射的近红外参量光与红光注入LBO晶体，经和频过程产生蓝光，然后将泵浦基频光直接倍频获得的绿光与红光和蓝光分离后作为三基色激光光源输出。

但是上述这些激光光源由于包括半导体激光、耦合系统、激光晶体、倍频、光参量等多个部分，导致激光光源的体积大、功耗高、可靠性低、成本高等缺点，阻碍激光显示真正走向市场。因此，显示用的红、绿、蓝三基色激光光源仍是激光器研究领域的热点之一。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述激光显示用的激光光源存在的缺陷，从而提供一种用于激光显示的激光光源装置。

本发明提供的一种用于激光显示的激光光源装置，包括红光、绿光和蓝光激光发生装置，以及分别设置于所述红光、绿光和蓝光激光发生装置输出光路上的第一、第二和第三非线性倍频晶体，其特征在于，所述红光、绿光、蓝光激光发生装置分别由至少一个垂直面发射半导体激光器组成，其中红光垂直面发射半导体激光器输出波长为1200-1400nm，绿光垂直面发射半导体激光器输出波长为1000-1100nm，蓝光垂直面发射半导体激光器输出波长为880-980nm。

进一步地，还包括分别设置于所述红光、绿光、蓝光激光发生装置和第一、第二、第三非线性倍频晶体之间的第一、第二、第三聚焦透镜。

进一步地，所述第一、第二、第三非线性倍频晶体的激光出射端面镀有对应输出倍频光波长的倍频光增透膜。

进一步地，还包括分别设置于所述第一、第二、第三非线性倍频晶体输出光路上的第一、第二、第三输出镜，所述第一、第二、第三输出镜为平面透镜、平凹透镜或体布拉格光栅镜(Volume Bragg Grating，简称VBG)；所述平面透镜或平凹透镜的激光入射面镀有对应输出倍频光波长的基频光增反膜和倍频光增透膜。

进一步地，所述红光、绿光、蓝光激光发生装置为垂直面发射半导体激光器阵列。

进一步地，所述垂直面发射半导体激光器包括垂直腔面发射激光器(verticalcavity surface emitting lasers，简称VCSEL)和外腔式垂直腔面发射激光器(verticalexternal cavity surface emitting laser，简称VECSEL)。

进一步地，还包括分别设置在红光、绿光、蓝光激光发生装置上的第一、第二、第三制冷装置。

进一步地，还包括分别设置在第一、第二、第三非线性倍频晶体上的第一、第二、第三控温装置。

进一步地，所述非线性倍频晶体包括LBO、BBO、KTP等晶体及周期性极化铁电晶体。

进一步地，所述铁电晶体包括LiNbO₃、LiTaO₃、KTP、KNbO₃，以及掺氧化镁(MgO)的LiNbO₃、近化学计量比LiNbO₃、近化学计量比LiTaO₃晶体等。

进一步地，所述垂直面发射半导体激光器的泵浦方式包括电泵浦和光泵浦，其运转方式包括连续和脉冲两种。

本发明的用于激光显示的激光光源装置，具有以下优点：

与其它用于激光显示的光源相比，无需激光晶体和其它复杂的光学系统，结构简单，成本低廉，可靠性高；

垂直面发射激光器具有较小的远场发散角，光束质量好，发出圆形对称高斯光束，只需简单整形即可。而传统的边发射激光器发出的光是带像散的椭圆高斯光束，需要复杂、昂贵的光束整形系统。另外，垂直面发射激光器的线宽很窄，可以与固体激光器相媲美，所以本发明中无需再泵浦激光晶体。

将非线性晶体放入外腔式垂直面发射激光器内腔内倍频产生高效率倍频输出，体积小，功耗低；

采用垂直面发射半导体激光器，易于集成二维阵列，可以弥补单管发射功率不足的缺点；垂直面发射半导体激光器，可在片测试，极大降低成本，并且容易模块化和封装。

总之，本发明用于激光显示的激光光源装置，具有结构简单、体积小、输出稳定、成本低的优点。

附图说明：

图1：垂直面发射半导体激光器腔外直接倍频装置图。

图2：外腔式垂直面发射半导体激光器腔内倍频装置图。

图面说明：

1-第一制冷片 2-红光垂直面发射半导体激光器

3-第一聚焦透镜 4-第一非线性倍频晶体

5-第一控温装置 7-第一输出镜

11-第二制冷片 12-绿光垂直面发射半导体激光器

13-第二聚焦透镜 14-第二非线性倍频晶体

15-第二控温装置 17-第二输出镜

21-第三制冷片 22-蓝光垂直面发射半导体激光器

23-第三聚焦透镜 24-第三非线性倍频晶体

25-第三控温装置 27-第三输出镜

具体实施例

下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释和说明：

实施例1

本实施例的用于激光显示的激光光源装置如图1所示，第一制冷片1、第二制冷片11和第三制冷片21分别设置在红光垂直面发射半导体激光器2、绿光垂直面发射半导体激光器12和蓝光垂直面发射半导体激光器22不发光的一侧，各个激光器发射的激光经过对应的第一聚焦透镜3、第二聚焦透镜13和第三聚焦透镜23会聚后垂直入射到各自对应的第一非线性倍频晶体4、第二非线性倍频晶体14和第三非线性倍频晶体24内；其中，所有的垂直面发射半导体激光器都采用垂直腔面发射半导体激光器，每个垂直腔面发射半导体激光器的发光面直径都为200μm，红光垂直腔面发射导体激光器2输出波长一般为1200-1400nm，本实施例中采用1260nm，绿光垂直腔面发射导体激光器12输出波长一般为1000-1100nm，本实施例中采用1060nm，蓝光垂直腔面发射导体激光器22输出波长一般为880-980nm，本实施例中采用920nm，所有的非线性倍频晶体都选用掺镁的周期性极化铌酸锂晶体(periodically poled lithium niobate，简称PPLN)晶体，也可选用其他如LBO、BBO、KTP等晶体及周期极化铁电晶体如LiNbO₃、LiTaO₃、KNbO₃、掺MgO的LiNbO₃、近化学计量比LiNbO₃、近化学计量比LiTaO₃等；第一非线性倍频晶体4的出射端面镀有对应输出红光波长630nm的增透膜，第二非线性倍频晶体14的出射端面镀有对应输出绿光波长530nm的增透膜，第三非线性倍频晶体24的出射端面镀有对应蓝光输出波长460nm的增透膜；每个非线性倍频晶体还分别设置有一个控温装置，本实施例中，第一非线性倍频晶体4设置有第一控温装置5，第二非线性倍频晶体14设置有第二控温装置15，第三非线性倍频晶体24设置有第三控温装置25，所述控温装置选用控温炉，控温精度为0.1℃；所有非线性晶体通过其控温装置保持温度恒定为30℃，红、绿、蓝垂直腔面发射半导体激光器发出的激光经过倍频后得到波长分别为630nm，530nm和460nm的激光输出，就可以作为激光显示的光源，再经过如中国发明专利CN1721963A等所述的本技术领域熟知的合束系统等装置，进行激光显示。

实施例2

本实施例的用于激光显示的激光光源装置如图2所示，还包括第一、第二、和第三输出镜，所述输出镜选用平凹透镜，第一制冷片1、第二制冷片11和第三制冷片21分别设置在红光垂直面发射半导体激光器2、绿光垂直面发射半导体激光器12和蓝光垂直面发射半导体激光器22不发光的一侧，第一、第二、第三非线性倍频晶体4，14，24分别对应设置在各个激光器2，12，22发光的一侧，各个激光器发射的激光直接入射到各自对应的第一非线性倍频晶体4、第二非线性倍频晶体14和第三非线性倍频晶体24内，经过各个非线性倍频晶体倍频后出射的激光束垂直入射到各自对应的第一、第二、第三平凹透镜7，17，27的凹面上，得到的输出激光就可以作为激光显示的光源；其中，所有垂直面发射半导体激光器都采用外腔式垂直面发射半导体激光器，发光面直径为200μm，单管输出功率1w以上，光束质量M²＜1.2，红光外腔式垂直面发射半导体激光器2输出波长为1240nm，绿光外腔式垂直面发射半导体激光器12输出波长为1060nm，蓝光外腔式垂直面发射导体激光器22输出波长为920nm，平凹透镜的凹面曲率半径均为R＝-50mm，且在第一平凹透镜的凹面镀有对红光基频光波长1240nm高反射的介质膜和对红光倍频光波长620nm增透的介质膜；在第二平凹透镜的凹面镀有对绿光基频光波长1060nm高反射的介质膜和对绿光倍频光波长530nm增透的介质膜；在第三平凹透镜的凹面镀有对蓝光基频光波长920nm高反射的介质膜和对蓝光倍频光波长460nm增透的介质膜；本实施例的非线性倍频晶体采用掺镁的PPLN，也可以选用LBO、BBO、KNO₃等非线性晶体，非线性倍频晶体的控温装置等其他装置与实施例1相同。

在室温下，本实施例的装置可以得到输出波长为620nm、530nm、460nm红绿蓝激光，输出功率10mW-40mW。

本实施例中的输出镜也可以选用平面透镜，并且所述平面透镜在激光束入射的一侧镀有与所述平凹透镜的凹面相同的基频光增反膜和倍频光增透膜，同样可以达到很好的效果。

实施例3

因为垂直面发射半导体激光器的激光腔方向垂直于半导体有源层，与边发射半导体激光器相比，光束沿着垂直于衬底的方向出射，所以易于集成二维阵列，本实施例中分别采用红光、绿光、蓝光激光器列阵替代实施例2中的垂直外腔面发射半导体激光器2、12、22，并且采用第一、第二、第三体布拉格光栅镜作为第一、第二、第三输出镜，其中，每个激光器阵列由40个垂直外腔面发射半导体激光器或者垂直腔面发射半导体激光器构成；并且每个体布拉格光栅镜都制作成对相应的倍频光波长的基频光具有高反射率，对倍频光具有高透射率；其他部分结构与实施例2相同，即可以实现瓦级的RGB激光输出，将上述RGB激光器作为用于激光显示的三基色光源，其结构简单、体积小、功耗低、输出稳定、成本低。

Claims

1.一种用于激光显示的激光光源装置，包括红光、绿光和蓝光激光发生装置，以及分别设置于所述红光、绿光和蓝光激光发生装置输出光路上的第一、第二和第三非线性倍频晶体，其特征在于，所述红光、绿光、蓝光激光发生装置分别由至少一个垂直面发射半导体激光器组成，其中红光垂直面发射半导体激光器输出波长为1200nm-1400nm，绿光垂直面发射半导体激光器输出波长为1000nm-1100nm，蓝光垂直面发射半导体激光器输出波长为880nm-980nm。

2.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，还包括分别设置于所述红光、绿光、蓝光激光发生装置和第一、第二、第三非线性倍频晶体之间的第一、第二、第三聚焦透镜。

3.按权利要求1或2所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，所述第一、第二、第三非线性倍频晶体的激光出射端面镀有对应输出倍频光波长的倍频光增透膜。

4.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，还包括分别设置于所述第一、第二、第三非线性倍频晶体输出光路上的第一、第二、第三输出镜，所述第一、第二、第三输出镜为平面透镜，平凹透镜或者为体布拉格光栅镜，所述平面透镜或平凹透镜的激光入射面镀有对应输出倍频光波长的基频光增反膜和倍频光增透膜。

5.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，所述红光、绿光、蓝光激光发生装置为垂直面发射半导体激光器阵列。

6.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，所述垂直面发射半导体激光器包括垂直腔面发射激光器和外腔式垂直腔面发射激光器。

7.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，还包括分别设置在红光、绿光、蓝光激光发生装置上的第一、第二、第三制冷装置。

8.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，还包括分别设置在第一、第二、第三非线性倍频晶体上的第一、第二、第三控温装置。

9.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，所述非线性倍频晶体包括LBO、BBO、KTP晶体及周期性极化铁电晶体，所述铁电晶体包括LiNbO₃、LiTaO₃、KTP、KNbO₃以及掺氧化镁的LiNbO₃、近化学计量比LiNbO₃、和近化学计量比LiTaO₃晶体。

10.按权利要求1所述的用于激光显示的激光光源装置，其特征在于，所述垂直面发射半导体激光器的泵浦方式包括电泵浦和光泵浦，其运转方式包括连续运转和脉冲运转。