CN101496237A - 腔内上转换激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种上转换激光系统，其包括至少一个半导体激光器，所述半导体激光器具有设置在第一镜(5)和第二镜(6)之间的增益结构(4)，所述第一镜(5)和所述第二镜(6)形成半导体激光器的激光腔(7)，所述系统还包括用于上转换所述半导体激光器的基本辐射的上转换激光器。本发明的上转换激光系统的特征在于，所述上转换激光器设置在半导体激光器的激光腔(7)中。所提出的上转换激光系统具有紧凑的设计。

Description

腔内上转换激光器

技术领域

本发明涉及包括至少一个半导体激光器的上转换激光系统，所述半导体激光器具有设置在第一镜和第二镜之间的增益结构，所述第一镜和第二镜形成半导体激光器的激光腔。

背景技术

高效半导体激光器典型地发出红外(IR)波长范围内的基本辐射。然而，许多应用要求可见光或者紫外波长范围内的光学辐射。为了将IR半导体激光器用于这样的应用，已知的是将半导体激光器的输出耦合进上转换激光器的增益介质，典型地为特殊波导或者光纤激光器，其产生可见光波长范围内的希望的激光波长。

在上转换过程中，原子的高位电子状态通过经由中间谐振吸收两个或者更多泵浦光子而填充。从该高位电子状态，发出比泵浦辐射具有更高能量以及因而更短波长的光子。使用这种上转换过程，可以将红外激光辐射转换成可见光波长范围内的辐射。一个明显的实例是基于掺Er的ZBLAN玻璃的上转换激光器，其中两个970nm波长的光子由Er³⁺离子吸收并且发出大约550nm的辐射。目前，对于这种过程存在越来越大的兴趣，因为它提供了实现集成绿色激光源的机会。

然而，由于该上转换过程需要吸收两个光子，因而必须提供高泵浦功率密度。如今，像在上转换光纤激光器的情况中一样，这是通过将泵浦光限制到波导中来实现的。在该激光器中，来自例如激光二极管的泵浦辐射聚焦到玻璃光纤的掺Er纤芯中。光纤小平面涂敷有电介质涂层，所述电介质涂层透射泵浦辐射并且具有一定的用于上转换激光辐射的反射率，从而形成谐振器。一般而言，这些光纤的纤芯具有2-40μm范围内的直径。这样的小直径使得泵浦辐射的耦合变成一件困难的事情。泵浦辐射到光纤的耦合损耗限制了上转换激光器的效率并且导致相对较高的激光阈值。

WO 2005/022708A1公开了提高耦合效率的上转换激光系统的一个实例，其示于图1中。在铜冷却板2上提供了若干半导体激光器作为激光二极管棒1。每个激光二极管的输出耦合进由上转换材料构成的波导激光器3中。波导激光器3的尺寸与激光二极管的尺寸适应，即它们处于数微米的范围内。然而，泵浦辐射从激光二极管到波导激光器3的耦合是困难的并且导致显著的耦合损耗。由于这些耦合损耗以及这种上转换激光系统的总体设计的原因，包括上转换材料的波导或光纤的长度通常处于50cm的范围内，以便获得经过上转换的辐射的希望的功率。

发明内容

本发明的目的是提供具有紧凑尺寸的上转换激光系统，其具有与上述上转换激光系统相同或者比上述上转换激光系统更高的输出功率。

这个目的是利用依照权利要求1的上转换激光系统来实现的。这种激光系统的有利实施例是从属权利要求的主题，或者在以下描述和实施例中进行说明。

所提出的上转换激光系统包括至少一个半导体激光器，所述半导体激光器具有设置在第一镜和第二镜之间的增益结构，所述第一镜和第二镜形成半导体激光器的激光腔，所述系统还包括用于上转换所述半导体激光器的基本辐射的上转换激光器。本发明的上转换激光系统的特征在于，所述上转换激光器设置在半导体激光器的激光腔中，所述半导体激光器用作上转换激光器的泵浦激光器。

这意味着上转换材料置于泵浦激光腔内。在泵浦激光腔内，泵浦功率密度最高并且该腔的损耗理想地仅由上转换材料中的吸收给定。此外，泵浦辐射在多次穿过上转换材料时被吸收，从而该材料的单次通过吸收可以保持比例如光纤激光器的情况低得多。因此，上转换材料的长度可以大约为数毫米。这是显著的尺寸减小，甚至没有上转换材料的掺杂浓度的任何变化。因此，所提出的上转换激光系统可以以非常紧凑的尺寸来设计。

在用于上转换激光器的这种腔内泵浦方案中，不需要波导或者光纤。上转换激光器的增益区域由泵浦束限定。这使得这种上转换激光器的对准是一件容易的事情，并且耦合损耗降低到最小。

当置于泵浦激光器的腔内时，上转换材料的泵浦要均匀得多。在光纤激光器中，由于光纤中泵浦辐射的吸收的原因，光纤的第一部分的泵浦总是比最后部分强烈得多。由于如上面说明的那样，在本上转换激光系统中相互作用长度急剧减小，因而沿着上转换材料的泵浦吸收比在光纤激光器中均匀得多。

相对较高的输出功率下的紧凑尺寸使得所提出的上转换激光器是替换当前的UHP灯作为用于投影系统的光源或者用作光纤照明单元中(例如内窥镜或者显示系统中)的光源的良好候选。所述激光系统允许容易的功率大小调整以及大批量制造。上转换材料以及半导体激光器的谐振镜之一可以在单个元件中制造。这个元件可以置于单个条纹边缘发射激光器的前面以及激光棒或者甚至激光二极管叠层之前。其可以置于用于单个上转换激光系统的单个VECSEL(竖直外部腔表面发射激光器)之前或者VECSEL阵列之前。给定适当的光学腔布局，在所有这些情况下，仅有的关键参数是其上涂敷了所述镜的上转换材料必须被放置的角度。这意味着激光器对准是简单的。

在所提出的上转换激光系统中，上转换激光器优选地包括位于两个镜之间的由上转换材料制成的固态介质，对于经过上转换的辐射而言，一个镜是高度反射的(优选地T＜1％)，另一个镜是部分透射的(优选地T＝1-30％)。然而，对于部分透射的镜而言，甚至多于30％的透射会是优选的(对于PrYb而言，高达96％被证明在光纤中是高效的，对于Er-ZBLAN而言，高达70％被证明是高效的)。在该优选的实施例中，上转换激光器的所述镜之一是半导体激光器的第二镜。该镜优选地与上转换材料直接接触并且还允许向外耦合经过上转换的辐射的一部分。在一个优选实施例中，上转换激光器的两个镜由直接施加到上转换材料的表面的电介质涂层形成。

在也可以与所提出的上转换激光系统的其他实施例相结合的另一个优选实施例中，在上转换材料内产生基本辐射的束腰的光学系统设置在半导体激光腔内。这个光学系统可以是单个透镜或者更为复杂的光学元件装置。这种光学系统具有两方面的优点。首先，泵浦激光腔或者谐振器的端镜可以是平面镜，其有助于激光器的对准。第二，更为重要的是，在上转换材料中光束直径减小并且从而泵浦功率密度增大，导致上转换激光器的效率的进一步提高。利用置于谐振镜(第二镜)处的泵浦激光器的束腰，实现了泵浦功率密度方面的最佳情况。

在泵浦激光器具有发出红外波长范围内的基本辐射(例如处于970nm的中心波长)的增益材料的情况下，上转换激光器的上转换材料优选地为掺杂了Er³⁺的ZBLAN玻璃。然而，本上转换激光系统不限于红外辐射的上转换或者不限于将掺杂的ZBLAN玻璃用作上转换材料。本领域技术人员能够使用增益材料的其他组合来产生希望波长的激光输出。这样的材料例如其他的稀土离子或者ZBLAN中的离子组合，或者像LiLuF₄、YLF、BaY₂F₈、Y₂O₃、YAlO₃那样的其他宿主(host)或者亚碲酸盐玻璃，它们的特征都在于低的光子能量。尽管在以下实例中描述了两种特殊的腔布局，但是还存在所提出的上转换激光系统的腔布局的其他可能性，其在激光技术领域中是公知的。

在本说明书以及权利要求中，措词“包括”并不排除其他的元件或步骤，“一”或“一个”并不排除复数。另外，权利要求中的任何附图标记都不应当被视为限制了这些权利要求的范围。

附图说明

以下结合附图描述了所提出的上转换激光系统的示例性实施例，这并不限制由专利权利要求所限定的本发明的范围。这些附图示出：

图1为已知上转换激光系统的一个实例；

图2为依照本发明的上转换激光系统的第一实例的示意图；

图3为依照本发明的上转换激光系统的第二实例的示意图；

图4为计算的依赖于被吸收泵浦功率的分数的上转换材料长度的函数。

具体实施方式

图2示出了所提出的本发明的上转换激光系统的一个实例的示意图。红外二极管激光器由置于第一端镜5和第二端镜6之间的增益介质4形成，所述第一端镜5和第二端镜6形成二极管激光器的腔，所述腔在下文中也称为泵浦激光腔7。第一镜5对于二极管激光器的基本IR辐射是高度反射的并且涂敷到增益介质4的端面上。第二镜6涂敷到上转换材料8的端面上，所述上转换材料8置于泵浦激光器的腔中。该第二镜6对于基本IR辐射也是高度反射的并且同时形成上转换激光器的向外耦合镜，所述上转换激光器由第二镜6和第三镜9之间的上转换材料8形成。位于上转换材料8的端部的第二镜6以及第三镜9形成用于上转换激光器的谐振器，即上转换激光腔10。第三镜9对于基本IR辐射是透明的并且对于经过上转换的可见光辐射是高度反射的。该第三镜9优选地还包括用于基本IR辐射的抗反射涂层。第二和第三镜6、9可以由直接施加到上转换材料8的表面上的电介质涂层形成。如同样在图2中示出的，泵浦激光器的增益材料4携带了用于IR辐射的抗反射或者部分反射涂层11，以便最小化泵浦激光腔7内的基本IR辐射的反射损耗。

在泵浦激光腔7内，放置透镜12以便在上转换材料8(例如掺杂了3000ppm Er：ZBLAN)中实现泵浦激光辐射的束腰13。通过第二镜6将经过上转换的辐射耦合出这种上转换激光系统，其在图2中表示为可见光输出14。

透镜12减小了上转换材料8中的泵浦辐射的光束直径，导致上转换过程的效率提高。在图2中，上转换激光器的谐振器被勾画成非稳定的谐振器，在上转换材料8的相对端部只有两个平行的表面。然而，所述光学腔布局可以比图2中勾画的布局更复杂。例如，上转换材料8的一端可以形成球形弯曲表面，使得用于上转换激光器的谐振器是稳定的。这必须由泵浦激光腔内的光学装置进行补偿，使得两个激光器，即泵浦激光器和上转换激光器使用具有匹配模式的稳定谐振器。

图3为依照本发明的上转换激光系统的另一个实例的示意图。在这个实例中，激光系统以VECSEL构造设计，所述构造也称为PUCSEL(飞利浦上转换表面发射激光器)。第一端镜由DBR(分布式布拉格反射器)16形成，其作为用于泵浦激光器的增益介质附着到活动层(active layer)17。在活动层17的右侧上，设置了部分反射基本红外辐射(优选地T＝5-20％)的部分DBR 18以便降低泵浦激光器的产生激光的阈值。热透镜或者集成透镜20用于在上转换材料8的内部产生束腰13。电接触19用于半导体泵浦激光器的电泵浦。这些部件设置在用于在工作期间去除热量的散热器15上。上转换激光腔10以已经结合图2描述的相同方式形成。泵浦激光器的两个DBR层16、18用来修整红外激光器的工作波长，结果外部腔镜可以是非常简单的元件。

应当按照这样的方式来制造上转换材料8，即腔内功率由于上转换材料中的吸收的原因而降低1-10％。上转换材料的吸收特性可以由掺杂剂浓度和所述介质的长度调节。这种考虑应当利用掺杂了3000ppm Er³⁺的ZBLAN作为上转换材料的实例来进行解释。这种材料在大约970nm的波长处具有大约α＝0.12cm^-1的吸收系数。通过长度为x以及吸收系数为α的材料的吸收由下列等式进行描述：

I(x)＝I₀e^-αx

所述材料应当具有长度L。于是，泵浦辐射通过所述材料的一个往返对应于2L的吸收路径。被吸收泵浦功率的分数k应当为泵浦激光腔的往返损耗。因此，反馈到泵浦激光腔的功率为：

I(2L)＝(1-k)I₀

最后，作为吸收k的函数的上转换材料的长度L(k)可以依照下式来计算：

$L\left(k\right)=-\frac{\ln (1-k)}{2\mathrm{\α}}$

该曲线在图4中绘出，图4示出了对于被吸收泵浦功率的不同分数k的上转换材料的长度L。L＝2mm的长度导致上转换材料中k≈5％的泵浦功率的吸收。显然，相比于上转换光纤激光器的典型的50cm长度而言，上转换材料的长度可以约为几毫米。这是显著的尺寸减小，甚至没有掺杂了Er的ZBLAN上转换材料的掺杂浓度的任何变化。

1激光二极管棒

2冷却结构

3上转换激光器

4用于二极管激光器的增益介质

5第一镜

6第二镜

7泵浦激光腔

8上转换材料

9第三镜

10上转换激光腔

11抗反射涂层

12透镜

13束腰

14可见输出

15散热器

16DBR

17活动层

18部分DBR

19电接触

20集成透镜

Claims (11)

1.上转换激光系统，包括至少一个半导体激光器，所述半导体激光器具有设置在第一镜(5，16)和第二镜(6)之间的增益结构(4，17)，所述第一镜(5，16)和所述第二镜(6)形成半导体激光器的激光腔(7)，所述系统还包括用于上转换所述半导体激光器的基本辐射的上转换激光器，

其特征在于，所述上转换激光器设置在半导体激光器的激光腔(7)中。

2.依照权利要求1的上转换激光系统，

其特征在于，所述上转换激光器包括位于两个镜(6，9)之间的上转换固态介质(8)，对于经过上转换的辐射而言，所述镜之一是高度反射的，另一个镜是部分透射的。

3.依照权利要求2的上转换激光系统，

其特征在于，所述上转换激光器的所述镜(6，9)之一是所述半导体激光器的第二镜(6)。

4.依照权利要求2或3的上转换激光系统，

其特征在于，所述上转换激光器的所述镜(6，9)是由所述上转换固态介质(8)上的电介质涂层形成。

5.依照权利要求1、2或3的上转换激光系统，

其特征在于，所述半导体激光器包括在所述上转换固态介质(8)内产生基本辐射的束腰(13)的光学系统(12)。

6.依照权利要求1、2或3的上转换激光系统，

其特征在于，所述半导体激光器以VECSEL构造来设计。

7.依照权利要求6的上转换激光系统，

其特征在于，所述第一镜(5，16)形成为所述增益结构(4，17)上的DBR结构(16)。

8.依照权利要求1、2或3的上转换激光系统，

其特征在于，所述半导体激光器被设计成产生IR辐射。

9.依照权利要求2或3的上转换激光系统，

其特征在于，所述上转换固态介质(8)由Er:ZBLAN制成。

10.依照权利要求1、2或3的上转换激光系统，

其特征在于，若干所述半导体激光器被设置成形成激光源阵列。

11.投影系统中或者光纤照明单元中的依照权利要求1-10之一的上转换激光系统。

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