CN101533989A

CN101533989A - 激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器

Info

Publication number: CN101533989A
Application number: CN200910111549A
Authority: CN
Inventors: 蔡志平; 贾富强; 卜轶坤; 许惠英; 徐斌; 魏栋
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101533989B

Abstract

激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，涉及一种全固体激光器。提供一种单一LD泵浦同时输出R、G、B三基色固体激光的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器。设光纤耦合输出的808nm连续激光二极管、耦合光纤、平面输入镜、Nd:GVO₄激光晶体、倍频晶体、激光输出镜M1、Pr:GVO₄激光晶体、激光输出镜M2和激光输出镜M3；耦合光纤输入端接808nm连续激光二极管的光纤耦合输出端；平面输入镜输入端接耦合光纤；Nd:GVO₄激光晶体输入端面接平面输入镜；倍频晶体设于Nd:GVO₄激光晶体输出端；M1设于倍频晶体后端；Pr:GVO₄激光晶体设于M1输出端；M2和M3分别设于Pr:GVO₄激光晶体输入、输出端。

Description

激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器

技术领域

本发明涉及一种全固体激光器，尤其是涉及一种激光二极管泵浦掺Nd+Pr的红绿蓝全固体激光器。

背景技术

近几年来随着半导体激光器(LD)技术的成熟和商业化，以LD泵浦的全固体激光器(DPSSLs)无论在技术层面还是在应用水平上都取得重要的进展。由于DPSSLs具有结构紧凑、体积小、电-光转换效率高等优点，在精密仪器、工业加工应用、激光显示等领域具有重要的应用前景，特别红、蓝、绿(R、G、B)大功率激光器在即将面市的激光电视中的地位具有至关重要的意义(http://laserdtv.com/osram_opto_semiconductors.htm；2.A.Masters and C.Seaton，LASER FOCUS WORLD，Nov.2006，article 277186)。

经过十几年的发展，目前RGB三基色激光器取得重大进展，其中以美国相干公司的光泵半导体激光器(OPS)(http://www.laserfocusworld.com/articles/277186，A.Masters and C.Seaton，LASER FOCUS WORLD，Nov.2006，article 277186)、中国中科院长春光机所创办的新产业公司的固体激光器(DPSSLs)(http://www.cnilaser.com)和德国非线性变换激光器(A.Nebel et al.，“19 W RGB solid—state laser source for large frame laser projection displays”，ConferenceProceedings-Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting(LEOS.IEEE)，1998，1：395-396；A.Nebel，“Process and apparatus for generating at least three light bundles of differentwavelength，especially for displaying color images”，US6233089，Achim(LDT GmbH&Co.Laser—Display-Techhologies KG(Gera，DE)).2001.05.15)为主流，且处于国际领先水平。但是目前三基色激光器价格每台至少在数十万RMB以上，因此，激光电视尽管品质优秀，至今仍处于样品机阶段。

首台室温染料激光泵浦Pr:YLiF₄脉冲蓝光激光器于1977年在美国海军实验室完成(L.Esterowitz，R.Allen，M.Kruer，F.Bartoli，L.S.Goldberg，“Blue Light Emission by a Pr:LiYF₄-Laser Operated at Room Temperature”，J.Appl.Phys.48(2)：650-652(1977))；1998年俄罗斯科学院Kaminskii研究组(A.A.Kaminskii et al.，“Quasi-cw Pr³⁺:LiYF₄ laser with＝0.6395μm and anaverage output power of 2.3 W”，Quantum Electronics 28(3)：187-188(1998))用灯泵产生瓦级准连续红光Pr³⁺:LiYF₄激光；在德国方面，汉堡大学Huber研究组(T.Danger，T.Sandrock，E.Heumann，G.Huber，and B.Chai，“Pulsed laser action of Pr:GdLiF₄ at room temperature”，AppliedPhysics B Vol.57(3)：239-241(1993))于1993年开始用染料激光泵浦Pr:GdLiF₄产生G、R等多波长脉冲激光，紧接着用Ar⁺激光泵浦Pr³⁺:YAlO₃产生G、R等多条可见连续激光(T.Danger，A.Bleckmann，G.Huber，“Stimulated emission and laser action of Pr³⁺-doped YAlO₃”，AppliedPhysics B，Vol.58(5)：413-420(1994))，他们(E.Osiac，E.Heumann，A.Richter，G.Huber，A.Diening，W.Seelert，“Red Pr³⁺:YLiF₄ laser excited by 480nm optically pumped semiconductor laser”，Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO)2004..Vol.2，Issue，16-21 May 2004 Page(s)：2；A.Richter，E.Heumann，E.Osiac，G.Huber，W.Seelert，and A.Diening，“Diode pumping of acontinuous-wave Pr³⁺-doped LiYF₄ laser”，Optics Letters Vol.29：2638-2670(2004))于2004年率先采用蓝光OPS和GaN基LD泵浦Pr³⁺:YLiF₄产生G、R激光，但是功率仅mW量级，直到最近，才达到100mW量级(R、G单谱线斜体效率接近50％)(K.Hashimoto，and F.Kannari，“High-power GaN diode-pumped continuous wave Pr³⁺-doped LiYF₄ laser”，Optics Letters Vol.32，No.17：2493-2495(2007)；A.Richter，E.Heumann，and G.Huber，V.Ostroumov and W.Seelert，“Power scaling of semiconductor laser pumped Praseodymium-lasers”，Optics Express Vol.15(8)：5172-5178(2007))，主要原因是蓝光OPS和GaN基LD的功率只有1.6W和500mW；另一途径是：美国Laser Power Corporation(P.W.Binun，T.L.Boyd，M.A.Pessot，et al.，“Pr:YLF，intracavity-pumped，room-temperature upconversion laser”，Optics Letters Vol.21(23)：1915-1917(1996))采用上转换技术产生3.5mW 640nm的R激光，不过效率仅0.03％。

上述产生的R、G等激光都是单色的，为了提高输出功率，必须提高泵浦源激光的功率。从目前技术看，OPS由美国相干公司专有，蓝光最大也达到5W以上，但是价格达10万美元以上，而GaN基LD最大功率只有500mW(K.Hashimoto，and F.Kannari，“High-power GaNdiode-pumped continuous wave Pr³⁺-doped LiYF₄ laser”，Optics Letters Vol.32，No.17：2493-2495(2007))，将来数年内难于大幅提高，本申请人在固体激光器研制方面取得突破，成功研制的波长473nm全固体连续蓝光激光器，获得最高1.6W的稳定输出功率，课题组主要成员贾富强博士与卜轶坤博士在中科院长春光机所博士论文期间取得大于5W波长456nm和457nm的稳定功率输出(F.Q.Jia，Y.K.Bu，et al.，5.3W deep-blue light generation by intra-cavityfrequency doubling of Nd:GdVO₄，Applied Physics B(2006)83(2)：244-246；Q.H.Xue，Q.Zheng，Y.K.Bu，F.Q.Jia，L.S.Qian，High-power efficient diode-pumped Nd:YVO₄/LBO 457nm blue laserwith 4.6-W output power，Optics Letters(2006)31(8)：1070-1072)。而最新研究(邹玉林，吴敬朋，臧竞存等，Pr:GdVO₄晶体的光谱特性及光谱计算，中国科技论文在线，2007年09月26日，http://www.paper.edu.cn)表明，Pr:GVO₄激光晶体在455nm附近(FWMH＝6nm)具有强的吸收，适合456nm/457nm的DPSSLs泵浦。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的LD泵浦固体激光器仅输出单一的R、G、B激光等不足，提供一种单一LD泵浦同时输出R、G、B三基色固体激光的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器。

本发明的技术方案是采用新的腔体和膜系结构。

本发明设有：

光纤耦合输出的808nm连续激光二极管LD；

耦合光纤Coup，耦合光纤Coup输入端接808nm连续激光二极管LD的光纤耦合输出端；

平面输入镜M0，平面输入镜M0的输入端接耦合光纤Coup的输出端；

带温控装置的Nd:GVO₄激光晶体，Nd:GVO₄激光晶体的输入端面接平面输入镜M0；

倍频晶体(LBO)，倍频晶体(LBO)设于Nd:GVO₄激光晶体的输出端；

激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体(LBO)的后端，作为蓝光的输出镜；

Pr:GVO₄激光晶体，Pr:GVO₄激光晶体设于激光输出镜M1的输出端；

激光输出镜M2，激光输出镜M2设于Pr:GVO₄激光晶体的输入端，作为红光的输出镜；

激光输出镜M3，激光输出镜M3设于Pr:GVO₄激光晶体的输出端，作为绿光的输出镜。

温控装置可采用常规的半导体制冷器，带温控装置的Nd:GVO₄激光晶体和光学耦合系统与其它光学元件一块固定在基座上。

平面输入镜为808nm增透(HT)和反射率R>99.5％的912nm、456nm、522nm和640nm高反介质膜，直接镀在Nd:GVO₄激光晶体的输入端面，作为激光器的输入镜。

本发明提出以大功率LD泵浦Nd:GVO4/LBO 456nm激光泵浦，采用“Z”型腔结构，使得R、G、B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三基色全固体激光。本发明的突出效果将在具体实施方式中加以进一步的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的结构框图。

图2为本发明实施例的装置示意图。

图3为本发明实施例的Nd:GVO₄激光晶体的输入端面的膜系理论曲线。在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图4为本发明实施例的Nd:GVO₄激光晶体的输出端面的膜系理论曲线。在图4中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图5为本发明实施例的蓝光B的输出镜M1的膜系理论曲线。在图5中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图6为本发明实施例的红光R的输出镜M2的膜系理论曲线。在图6中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图7为本发明实施例的绿光G的输出镜M3的膜系理论曲线。在图7中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为透射率Transmittance(％)。

图8为本发明实施例的激光晶体Pr:GVO₄双端面的膜系理论曲线。在图8中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为反射率Reflectance(％)。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明包含三个部分：光学耦合系统、晶体设计与温控装置和谐振腔体设计，具体设有：

光纤耦合输出的808nm连续激光二极管LD；

带温控装置的Nd:GVO₄激光晶体C1，Nd:GVO₄激光晶体C1的输入端面接平面输入镜M0；

倍频晶体(LBO)C2，倍频晶体(LBO)C2设于Nd:GVO₄激光晶体C1的输出端；

激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体(LBO)C2的后端，作为蓝光的输出镜；

Pr:GVO₄激光晶体C3，Pr:GVO₄激光晶体C3设于激光输出镜M1的输出端；

激光输出镜M2，激光输出镜M2设于Pr:GVO₄激光晶体C3的输入端，作为红光的输出镜；

光纤耦合输出的808nm连续激光二极管LD通过耦合系统Coup(通常可由一对焦距为10mm组成的耦合透镜组构成，起到对泵浦光的准直与聚焦入激光晶体的耦合作用)；带温控装置的Nd:GVO₄激光晶体的输入端面作为平面输入镜M0，M0镀上808nm、1064nm、1034nm处透射率T>98％的增透(HT)和912nm处高反射率(HR)R>99.5％的介质膜，其理论设计曲线如图3所示；Nd:GVO₄激光晶体的输出端面镀上456nm、522nm和640nm高反R>99.5％，912nm、1064nm、1034nm处透射率T>98％的增透HT介质膜，其理论设计曲线如图4所示；激光输出镜M1放置于Nd:GVO₄激光晶体的输出端，作为蓝光B的输出镜。

激光输出镜M1：镀1064nm、1034nm高透(T>60％)和456nm部分透射，同时912nm、640nm、522nm高反(R>99.5％)介质膜，其理论设计曲线如图5所示，这里456nm部分透射率设定为T＝20％。

激光输出镜M2：镀640nm部分透射(设T＝10％)，同时912nm、456nm、522nm高反(R>99.5％)介质膜，起到蓝、绿光后镜和红光输出镜的双重作用，其理论设计曲线如图6所示。

激光输出镜M3：镀522nm部分透射(设T＝10％)，同时912nm、456nm、640nm高反(R>99.5％)介质膜，起到蓝、红光后镜和绿光输出镜的双重作用，其理论设计曲线如图7所示。

倍频晶体LBO镀上商业化的宽带增透介质膜。

激光晶体Pr:GVO₄镀上选择波段增透介质膜：456nm、522nm、640nm处透射率T>99.8％，912nm处T>99.9％，其理论设计曲线如图8所示。

在本发明中，为了提高三基色RGB激光输出功率与光束质量等特性，可作以下设计：

膜系设计：根据已知的偏振光谱性质，优化设计LD泵浦Nd:GVO₄/LBO产生基波912nm及其倍频456nm的腔体结构、晶体参数和膜系，提高456nm蓝光激光的输出功率水平；同时，根据不同的三基色激光产生的方案，设计掺镨激光晶体B、G、R线偏振激光的腔体与相应的膜系参数。

腔体设计：选择合适的腔体结构，利用相应的谐振腔原理对腔长和泵浦光的耦合输入系统进行计算设计，确定激光晶体的位置，保证晶体对泵浦光的吸收达到最佳；同时考虑输出耦合镜的曲率半径和镀膜，尽可能减小腔内的损耗，获得较好的光束质量。

激光研究：首先采用线性腔结构，以大功率LD泵浦Nd:GVO4/LBO 456nm激光泵浦，产生520nm、640nm四能级偏振激光；其次，采用“Z”型腔结构，特殊地设计膜系，同时输出B、G或B、R双色激光，使各条谱线激光输出功率均大于1W；最后，采用“Z”型腔结构，使得R、G、B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三基色全固体激光。

本发明同样适合于以大功率LD泵浦Nd:YVO4/LBO 457nm激光泵浦，采用“Z”型腔结构，使得R、G、B三色激光同时起振，并分别从三端耦合镜输出，实现红、绿、蓝同时输出的三基色全固体激光。

Claims

1.激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于设有：

光纤耦合输出的808nm连续激光二极管；

耦合光纤，耦合光纤输入端接808nm连续激光二极管的光纤耦合输出端；

平面输入镜，平面输入镜的输入端接耦合光纤的输出端；

带温控装置的Nd:GVO₄激光晶体，Nd:GVO₄激光晶体的输入端面接平面输入镜；

倍频晶体，倍频晶体设于Nd:GVO₄激光晶体的输出端；

激光输出镜M1，激光输出镜M1设于倍频晶体的后端，作为蓝光的输出镜；

2.如权利要求1所述的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于温控装置为半导体制冷器。

3.如权利要求1所述的激光二极管泵浦红绿蓝全固体激光器，其特征在于平面输入镜为808nm增透和反射率R>99.5％的912nm、456nm、522nm和640nm高反介质膜，直接镀在Nd:GVO₄激光晶体的输入端面，作为激光器的输入镜。