CN101558534A - 可制造垂直扩充空腔表面发射激光器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了垂直扩充空腔表面发射激光器(VECSEL)的阵列。将两个或更多个传统光学部件的功能组合成一个光学单元，以减少在封装期间必须对准的部件的数量。

Description

可制造垂直扩充空腔表面发射激光器阵列

技术领域

本发明一般涉及用在显示系统中的光源。更具体地说，本发明的目的是利用半导体激光器来取代投影显示系统中的传统白光放电灯。

背景技术

数字光处理(DLP)对于诸如在会议室中投影图像的投影显示系统、家用电视系统、广告显示器、汽车仪表板和危险警告显示器和其它应用来说是有价值的。DLP系统中的发光器通常包括光源和生成几种不同颜色的光所需的其它部件。各种颜色成分经过空间调制，生成具有所选颜色强度的各个像素。附加光学元件将光聚焦在显示器上。

DLP系统通常包括调制光源以便以受控强度在投影表面上生成像素的空间光调制器。光阀是一种调制跨越元件阵列上的光的空间光调制器。光阀通常调制阵列上的光学透射或反射特性。例如，反射液晶光阀利用液晶元件阵列来调制阵列上的反射光的强度。另一种常见的光阀是数字微镜器件芯片(常常称为“数字光阀”)，所述数字微镜器件芯片具有可以各自在两个位置之间倾斜以便改变反射到显示表面上的每个像素的光量的可移动微镜阵列。数字微镜器件可以足够快地开关，以便允许单个空间调制器用在以颜色顺序模式操作的投影系统中。这可以比利用慢空间调制器的按颜色调制器设计更省钱。

传统上，将明亮白光用作数字投影系统的光源。例如，常常利用超高压(UHP)弧光放电灯来实现明亮白光源，UHP弧光放电灯是飞利浦(Philips)电子公司开发的亮度非常高的小型白光源。旋转色轮用于从白光源中分离出红光、绿光和蓝光。因此，当色轮的红色滤光片对准白光源时，将红光聚焦在用于红色像素的空间调制器上，对于色轮的绿色和蓝色滤光片，也是这样。

传统DLP系统存在几方面缺点。首先，图像有时没有所希望的那么明亮。传统白光源产生有限流明数的光。另外，传统DLP系统浪费了相当多的光能。其次，显示图像的一些属性诸如色饱和受到色轮的有害影响，这可以将伪像引入显示图像中。第三，DLP系统包括昂贵的光学元件。

发光二极管(LED)是白光源的一种替代品。但是，传统LED光源往往比UHP灯更昂贵。另外，LED与UHP灯相比，可以耦合到显示屏的亮度和流明数通常低大约一半。因此，LED作为投影显示系统中的光源存在许多局限性。

半导体激光器作为显示系统中的光源存在许多潜在优点。半导体激光器具有高的亮度、低的光学径角性(etendue)、扩充的色域和调制能力。例如，可以将几种不同颜色的分立激光器封装一起，以生成不同颜色的光。

但是，现在技术的半导体激光器作为显示系统的光源存在几方面缺点。与UHP白光源相比，传统半导体激光器没有成本竟争力，并具有较低的功率(即，光的总流明数较小)。另外，由于半导体激光器的高相干性，半导体激光器通常具有无法接受的光斑特性。在显示系统的背景下，由于来自散射中心的相长和相消干涉，高度光斑导致整个图像上的明暗斑点。

在现有技术中，众所周知，半导体激光器在许多投影显示应用中与UHP灯相比没有成本竟争力。例如，对于背投电视(RPTV)来说，众所周知，光源必须能够在不超过大约100美元的总成本为每种颜色提供300到600流明的光。例如，参见特此全文引用以供参考的K.Kincade的“Optoelectro-nics Applications：Projection Displays：Laser based projector target consumer market”，Laser Focus World，December 2005。对于基于激光器的系统来说，每种颜色300到600流明对应于大约3到5瓦。但是，在现有技术中，具有必需亮度和满意光束特性的商用半导体激光器不能满足RPTV系统要求的100美元的总价格。

可视半导体激光器的成本取决于许多因素。非线性频率转换过程可以用于生成红色、绿色和蓝色(RGB)。但是，传统手段导致难以制造的复杂系统。传统可视高功率半导体激光器需要各种各样的光学元件来维持波长控制和极化控制，并提供泵浦光源的频率转换。例如，加州Sunnyvale的Novalux公司开发的可视半导体激光器的ProteraTM线路基于扩充空腔表面发射激光器结构。设计成生成可见光的扩充空腔激光器包括在激光器的寿命内在一批工作条件下稳定光学特性的许多光学元件。另外，可以包括非线性晶体用于倍频泵浦光源。光学元件最初必须对准并保持适当对准，这使制造成本和复杂性增加。一般说来，高功率可视半导体激光器的制造成本随着加入封装光学设备中的每个附加光学元件而增加。此外，要求严格对准的每个光学元件也使最终的激光器组件的成本显著增加。

另外，在投影显示系统中，半导体激光器的形状因子也是需要着重考虑的。随着时间的流逝，投影显示系统的总尺寸已经显著缩小。例如，参见特此全文引用以供参考的Derra等人的“UHP lamp systemsfor projection display applications”，J.Phys.D：Appl.Phys.38(2005)2995-3010。UHP灯的小型化已经将UHP灯的反射镜尺寸缩小为小于50×50mm²或一侧小于大约2英寸。反射镜具有30mm直径的UHP灯也是常见的，即，与一侧大约1英寸的正方形区(为了设计目的)相对应的区域。DLP芯片的尺寸通常是有效(微镜)区域小于1英寸正方形(例如，对于一些DLP芯片，在每侧大约0.55″到0.75″的范围内)的大约2英寸正方形。因此，UHP灯的尺寸迅速接近大约1到2立方英寸的小形状因子。对于一些微型显示应用来说，人们甚至希望更小的体积(例如，1立方英寸)。比较而言，加州Sunnyvale的Novalux公司开发的高功率可视扩充空腔表面发射半导体激光器的Protera^TM线路从长度为大约4英寸(101.6mm)、横截面为1.79″×1.59″(44.5×44.5mm²)的11.6立方英寸封装为特定颜色的每个激光器生成5到20mW。Protera^TM封装包括容纳诸如标准具的波长控制元件、极化控制元件、表面发射增益元件、倍频晶体和其它控制元件的空间。但是，在投影显示系统中，要求不同波长的大量Protera^TM激光器具有所需的波长范围和总功率，使得Protera^TM激光器集合的总体积与传统UHP灯相比非常大。

作为总发光器解决方案的一部分，现有技术中的另一个未解决问题是如何最佳地利用半导体激光器。半导体激光器具有与UHP白光灯不同的光学特性。因此，在投影显示系统中，过分简单地用半导体激光器直接取代UHP灯可能无法充分利用半导体激光器的潜在好处。

因此，鉴于上述问题，需要发展本发明的装置、系统和方法。

发明内容

垂直扩充空腔表面发射激光器(VECSEL，verticalextended-cavity surface-emitting laser)的阵列包括具有发射器阵列、端反射器、用于空腔内频率转换的非线性晶体、波长控制元件和极化控制元件的增益芯片。通过形成组合VECSEL的各个部件的至少两个的功能的光学单元，来减少在封装期间必须对准的部件的数量。

在一个实施例中，立体布拉格(Bragg)光栅作为具有端反射器和波长控制元件两者的功能的光学单元。通过将诸如非线性晶体或极化控制元件的其它光学部件附着到立体布拉格光栅上，可以形成较大的光学单元。

在另一个实施例中，将至少一个次要光学部件附着到增益芯片上。在一种实现中，将透镜阵列附着到增益芯片上。在又一种实现中，在增益芯片上形成极化控制元件。

附图说明

通过结合附图对本发明的优选实施例进行如下详细描述，可以更全面地认识本发明，在附图中：

图1是例示按照本发明的一个实施例，用在投影显示器中的光源的透视图；

图2例示了示范性现有技术扩充空腔表面发射激光器；

图3例示了用在按照本发明的一个实施例的光源中的各个表面发射二极管激光器增益元件；

图4例示了一种投影显示系统，其中，红色、蓝色和绿色或更多颜色的阵列被聚焦到光导中，随后成像在微型显示光阀上，然后再成像到正投或背投显示系统中的屏幕上；

图5例示了一种投影显示系统，其中，衍射光学元件用于将来自光源中的每个激光元件的圆形高斯激光束转换成长方形大礼帽状分布，随后被引导成充分覆盖光阀的整个区域，然后成像到正投或背投屏幕上；

图6例示了现有技术投影系统；

图7A例示了利用色轮的现有技术投影系统；

图7B例示了在消隐周期内图7A的现有技术投影系统的色轮上的光束覆盖区；

图7C例示了在有效周期内图7A的现有技术投影系统的色轮上的光束覆盖区；

图8例示了现有技术空间调制器；

图9例示了图8的空间调制器的元件中的开关周期；

图10例示了按照本发明一个实施例的发光器系统；

图11A例示了作为与热时间常数相当或长于热时间常数的脉冲的峰值电流的函数计算的、与图像跳动时的最大可实现cw功率相比基波(虚线)和二次谐波(实线)的平均功率的功率变化；

图11B例示了作为显著短于热时间常数的脉冲的峰值电流的函数计算的、与图像跳动时的最大可实现cw功率相比基波(虚线)和二次谐波(实线)的平均功率的功率变化；

图12A例示了按照本发明的一个实施例，通过在子帧水平上交织颜色，二进制调制源自三种颜色的图像中的单个像素的强度；

图12B例示了按照本发明的一个实施例，通过在帧水平上交织颜色，二进制调制源自三种颜色的图像中的单个像素的强度；

图13例示了按照本发明的一个实施例，在颜色顺序操作期间利用欠驱动和过驱动来驱动单色激光源的方法；

图14例示了按照现有技术的用于空腔内谱滤波的部件的布置；

图15例示了按照现有技术的300微米厚标准具随波长的透射响应；

图16例示了按照本发明的一个实施例，带有用于频率稳定的空腔内干涉滤光片的扩充空腔表面发射激光器；

图17例示了按照本发明的一个实施例，用于激光器频率稳定的薄膜干涉滤光片结构；

图18例示了按照本发明一个实施例形成干涉滤光片的薄膜层的顺序；

图19例示了按照本发明一个实施例的干涉滤光片的理论透射率与波长的关系；

图20例示了按照本发明一个实施例的干涉滤光片的实验透射率与波长的关系；

图21例示了按照本发明一个实施例，利用干涉滤光片用于频率控制的扩充空腔表面发射激光器阵列；

图22例示了按照本发明一个实施例的立体布拉格光栅的实验反射率与波长的关系；

图23例示了按照本发明一个实施例的利用立体布拉格光栅的扩充空腔激光器；

图24例示了按照本发明一个实施例的利用立体布拉格光栅的扩充空腔激光器阵列；

图25例示了按照本发明一个实施例，带有空腔内倍频的垂直扩充空腔表面发射激光器的功能块元件；

图26例示了按照本发明一个实施例，将端镜和波长控制元件的功能组合在一个光学单元中以降低对准复杂性的图25的功能块；

图27例示了按照本发明一个实施例，将端镜、波长控制元件和非线性晶体的功能组合在一个光学单元中以降低对准复杂性的图25的功能块；

图28例示了按照本发明一个实施例，将端镜、波长控制元件、非线性晶体和极化控制元件的功能组合在一个光学单元中以降低对准复杂性的图25的功能块；

图29例示了按照本发明一个实施例，将次要光学部件的功能合并到其它单元中以降低对准复杂性的图25的功能块；

图30例示了按照本发明一个实施例，利用立体布拉格光栅和转镜的扩充空腔表面发射阵列；

图31例示了按照本发明一个实施例，具有包括立体布拉格光栅、非线性光栅和波片的光学单元的扩充空腔表面发射阵列；

图32A是例示按照本发明一个实施例，一种颜色的表面发射激光器阵列的封装设计的透视图；

图32B例示了图32A的外壳的断面图；

图32C例示了按照本发明一个实施例的三个激光器封装阵列的透视图；

图33例示了通过质子注入来限制驱动电流的倍频表面发射激光器二极管的图形；

图34例示了大直径VECSEL器件的横向光学泵浦的影响；以及

图35是比较作为投影显示器的光源的表面发射激光器阵列与传统LED和UHP光源的性能的图表。

在所有附图中相同的标号表示相应的部分。

具体实施方式

I.用于投影显示器的扩充空腔表面发射光源的基本结构

图1是示出生成光处理(LP)系统所需的几种不同颜色的光的光源100的轮廓图。在红绿蓝(RGB)LP系统中，光源生成红光、绿光和蓝光。半导体激光器的第一阵列105用于从两个或更多个独立激光器中生成蓝光的多个光束107。半导体激光器的第二阵列110用于从两个或更多个独立激光器中生成红光的多个光束113。半导体激光器的第三阵列115用于从两个或更多个独立激光器中生成绿光的多个光束118。因此，光源100包括不同的激光器组。两个或更多个激光器的各个组生成用在LP系统中的特定颜色的光。但是，正如下面更详细描述的那样，在一个优选实施例中，一个组中的各个激光器被设计成基本上与同一组中的其它激光器不相干(例如，不同相)，以便减弱光斑。在图1中，每个激光器阵列105、110和115被例示成从四个独立激光发射器(未示出)生成四个光束。但是，更一般地，每个激光器阵列105、110和115可以具有任意数量的独立激光器。

请注意，在一个实施例中，光源100中的各个激光器和光学元件(未示出)最好安排成阵列105、110和115的各光束107、113和118至少部分重叠，使得光源100向空间光调制器(未示出)提供均匀照明。空间光调制器可以是光阀，譬如具有微镜的数字镜光阀(有时被称为“数字光阀”)、由液晶元件阵列形成的光阀或硅上液晶(LCOS)空间调制器。各光束107、113和118的初始重叠可以例如只是部分的，并且可以通过附加光学元件(未示出)增加。

阵列105、110和115的一个或多个可以利用非线性频率转换器120、125或130将源发射频率转换成不同频率的输出颜色。非线性频率转换允许在一种源频率上发射的光转换成另一种频率。例如，在一个实施例中，通过倍频各个激光器中的半导体增益元件所生成的源激光器频率，来生成红色、蓝色和绿色波长。在另一个实施例中，红色激光器在红色波长范围内直接工作，但绿色和蓝色通过倍频生成。可替代地，红色激光器可以由通过非线性光学过程参数降频转换的绿色激光器的阵列组成。非线性频率转换器可以位于每个独立激光器的激光谐振器内或位于谐振器的外部。可以用作非线性频率转换器的非线性晶体的例子包括周期性极化铌酸锂、周期性极化钽酸锂和周期性极化KTP。这些非线性晶体可以使用诸如氧化镁的适当搀杂物，以提高它们的可靠性和/或极化质量。

可以包括耦合光并提供附加频率稳定性的输出耦合器135、140和145。例如，输出耦合器135、140和145可以包括耦合光并提供各个子阵列的频率控制的立体布拉格光栅。在一个实施例中，例如，一个或多个输出耦合器包含立体布拉格光栅。另外，可以包括控制每个激光器的波长的一个或多个波长控制元件(未示出)。波长控制元件的例子包括空腔内平面光栅、立体光栅、实心标准具、涂薄膜标准具和里奥(Lyot)滤光片。这些波长控制元件可以是分立的，或者为了紧凑和降低成本起见，也可以与其它空腔内元件合为一体。

本发明的一个方面是，总的光功率与光源100中的激光器总数几乎成正比。作为一个可替代例子，光源100可以由三个不同的半导体管芯形成，每个半导体管芯具有至少一行激光器。另外，通过在瓷砖式配置下包括附加管芯，譬如，阵列105、110或115的至少一个包括两个或更多个管芯，可以进一步提高输出功率。封装光源100可以形成，例如，总面积大约1平方厘米的发射器阵列。在一个实施例(未示出)中，可以用光学方法组合来自两个或更多个光源100的输出。另外，光学技术也可以用于将各个阵列105、110或115的输出与发射相同颜色的阵列组合。用光学方法组合两个或更多个阵列105、110或115或两个或更多个光源100的光输出的技术的例子包括二向色光学器件或极化光束组合光学器件。

本发明的另一个方面是红色、绿色或蓝色阵列105、110或115的一个或多个可以由扩充空腔表面发射半导体激光器形成。图2例示了示范性现有技术扩充空腔表面发射半导体激光器。扩充空腔表面发射半导体激光器是具有超过边缘发射半导体激光器或传统表面发射激光器的许多优点的一类半导体激光器。扩充空腔表面发射激光器通常包括位于半导体增益元件内的至少一个反射器。例如，生长在量子势阱增益区210每一侧上的一对空腔内布拉格镜205形成限定基本激光波长的工作波长的法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器。与半导体增益元件隔开的附加外部反射器215限定提供附加波长控制的光学谐振器的扩充空腔。通过适当选择量子势阱增益区210、布拉格镜205和外部反射器215，可以在很大波长范围内选择基波长。然后，又可以通过倍频光学晶体220来倍频基波长，以生成所需颜色的光。

包括光学倍频光学晶体220或其它频率转换器件的附加光学元件可以包括在扩充空腔的光学谐振器中用于空腔内频率转换。作为另一个例子，在扩充空腔中(或在半导体增益元件内)可以包括饱和吸收器(未示出)，以便形成锁模激光器。有效锁模扩充空腔半导体激光器描述在与本申请同一天提出的发明名称为“Apparatus，System，and Method for Wavelength Conversion of Mode-Locked ExtendedCavity Surface Emitting Semiconduetor Lasers”的同时待审美国专利申请第11/194,141号中，特此全文引用以供参考。

加州Sunnyvale的Novalux公司开发的扩充空腔表面发射半导体激光器表现出高光功率输出、长工作寿命、精确激光器波长控制和空间光学模控制，提供了便于制造和测试的表面发射的好处，并且可以适合包括诸如二次谐波倍频器的光学频率转换元件，以便生成红色、绿色和蓝色的光。另外，可以在单个管芯上制造高功率扩充空腔表面发射激光器的阵列，使得可以在只利用少量不同半导体管芯、频率转换器和频率控制元件的高度可制造过程中制造光源100。其结果是，可以制造出利用扩充空腔表面发射阵列、具有大于传统白光LP系统的红色、绿色和蓝色的有用功率输出、和由于高度可制造性而可以以合理价格制造的光源100。描述Novalux公司开发的各个扩充空腔表面发射半导体激光器和倍频表面发射激光器的背景信息描述在美国专利第6,243,407、6,404,797、6,614,827、6,778,582和6,898,225号中，特此全文引用以供参考。扩充空腔表面发射激光器的其它细节描述在美国专利申请第10/745,342和10/734,553号中，特此全文引用以供参考。另外，下面将更详细描述与示范性扩充空腔表面发射半导体激光器有关的细节。

在一个实施例中，光源100中的激光器被设计成以脉冲模式工作。电连接器(未示出)被配备成驱动每个激光器阵列105、110和115的各个独立激光器。激光器控制器180用于调节每个激光器阵列105、110和115的驱动电流和/或电压。激光器控制器180最好允许各个激光器阵列105、110和115以脉冲模式工作。在一个实施例中，激光器控制器180允许各个激光器阵列105、110和115顺序工作，即，在一个时间间隔内生成红光，在另一个时间间隔内生成绿光，并在另一个时间间隔内生成蓝光，从而使LP系统中没有必要使用色轮来滤光。在一个实施例中，各个激光器和激光器的子组可被激光器控制器180独立寻址。激光器控制器180也可以使用来自光学监视器(未示出)的反馈来调整驱动电流/电压，以保持所选输出特性。例如，激光器控制器180可以调整驱动电流或脉冲宽度来保持LP系统中的所需灰度级。在一个实施例中，制造的激光器阵列105、110和115包括至少一个冗余激光器。在这个实施例中，激光器控制器180确定用在每个阵列中的最初一组可操作激光器。然后，如有需要，接通备用的冗余激光器取代出故障的激光器，从而延长光源100的使用寿命。

在一个实施例中，以脉冲模式来驱动每个激光器阵列105、110和115。脉冲操作模式提供了包括降低热耗在内的许多好处。另外，取决于脉冲参数，脉冲操作模式还可以提供有益的谱扩宽。光阀通常具有它们改变反射或透射状态所需的特征时间和相关的最短接通时间。在脉冲操作模式下，光源100最好生成具有高重复率的脉冲，使得光脉冲之间的间隔与光阀的最短接通时间相比较短。因此，高重复率允许在其最短可能接通周期内预选的最小数量激光脉冲撞击数字光阀的微镜，从而提高灰度分辨率。示范性重复率与1MHz一样快，比用在电视、视频和计算机图形中的传统帧重复率快得多。更一般地，可以根据特定LP系统的特性来选择重复率。例如，激光重复率最好高到与利用用在会议室投影仪和家用电视中的商用数字镜光阀或液晶光阀来实现全灰度级相当。

光源100最好设计成大致上将LP系统中的光斑减弱到可接受的程度，即，将光斑减弱到使观看LP系统中的图像的人员可接受观看感受的程度。正如在光学领域中众所周知的那样，当从散射中心反射相干光时，会引起光斑。引起的干涉生成看起来像光斑的明暗斑点。可以通过光斑图案的波峰-波谷强度调制，即，明暗斑点之间的波峰-波谷强度的百分比变化来数字地表征光斑。有时用在LP技术中的一条规则是，为了实现可接受的观看感受，在LP系统中要求光斑调制为大约4％或更小。

在通过激光器照亮的LP系统的背景下，由于从光阀中或LP系统的其它光学元件中的散射中心反射相干光，所以会出现光斑。光斑会造成使投影图像的光学质量下降的光学不均匀性。在从单个激光源接收高度相干光的LP系统中，光斑是特别严重的问题。正如在光学领域中众所周知的那样，相干性与光波相长和相消干涉的能力有关。光频、相位和空间属性的分布窄的单个激光源是高度相干的，因此易于生成光斑。

按照本发明的一个实施例，通过可以单独使用或与通过扩大光源100的光学属性(例如，相位，谱宽)的分布来减弱光源100中的相干性结合在一起使用的几种不同技术，减弱利用光源100的LP系统中的光斑。首先，增加光源100中基本上彼此不相干的相同颜色激光器的数量将引起光斑减弱。尽管单个阵列105、110或115中的每个激光器发射相同颜色的相干激光，但就引起光斑的光干涉效应而言，具有不同相位的相同颜色的不同相激光器彼此不相干。其结果是，每个不同相激光器的光斑引起强度变化与其它激光器无关，使得不同相激光器的阵列105、110或115的综合照明均匀性随着不同相激光器的数量增加而改善。尤其，光斑往往随着振幅相等的相同颜色的不同相激光器的数量的平方根成反比地减弱。因此，每个阵列中的激光器最好设计成彼此不同相地工作，即，各个阵列105、110或115被设计成不提供将相互显著锁定阵列中的两个或更多个激光器的频率和相位的显著激光器间反馈。其次，由于谱扩宽使光斑减弱，使谱扩宽的任何操作模式都将引起光斑减弱。使半导体激光器的谱扩宽的技术的例子包括：利用选来产生谱扩宽的脉冲参数(例如，接通时间)在脉冲模式下操作激光器；选来产生谱扩宽的激光器的高频调制；产生谱扩宽的锁模激光器；以及它们的子组合，譬如，在脉冲模式下操作锁模激光器。第三，阵列105、110和115中的各个激光器可以被设计成以多频模、轴模或空间模工作，以扩大每个激光器的频率、相位和方向(角度)分布。第四，可以利用光学元件来加扰光束107、113和118的方向、相位和极化信息以减弱相干性。

最好，用在激光器阵列105、110和115中的扩充空腔激光器具有稳定的光学特性。另外，如果使用倍频，最好使降低二次谐波转换过程的效率的相移影响最小化。图3例示了具有用于稳定光学模并减小倍频过程中的有害相移的透镜310的扩充空腔表面发射激光器300。每个激光器增益元件305都包括光学增益区，并且还可以包括一个或多个分布式布拉格反射器(未示出)。在一个实施例中，在半导体衬底315上形成蚀刻透镜310。在一个可替代实施例中，利用外部透镜(未示出)来取代蚀刻透镜310，外部透镜是利用诸如光学玻璃的传统光学材料形成的。示范性制造的蚀刻透镜310例示在详细插图350中。非线性光学材料320包含在激光谐振器中。谐振镜325直接位于非线性材料上面或可以是光栅器件，两者都被设计成将输出波长控制成与非线性光学材料320的相位匹配波长匹配。但是，应该明白，也可以利用其它技术来制造阵列的各个元件。

空腔内透镜310用于在半共焦配置下提供稳定横模(最好，TEM₀₀模)。在这种布置下，在正向谐波光透过扁平输出耦合器(未示出)以及反向谐波光从被涂成对于基波波长高度透明并在谐波波长上高度反射的透镜310的表面反射的同时，将红外光(即，要倍频的由半导体生成的基频光)聚焦在非线性光学材料320上。这个透镜元件对于谐波光作为凸面镜，并且，由于它与基波波长激光束重叠，将降低非线性材料中的强度。

与非线性光学材料320中的基波激光束重叠的区域中的降低强度将具有降低将降低总非线性转换效率的任何相移影响的优点。正向和反向波的束发散几乎相同。正向波的谐波光的模腰位置在输出镜位置附近，而反向波的谐波光的模腰位置在反射镜的虚像处。这两条光束将在相同方向上传播，但波束角有点不同。

可以通过蚀刻半导体的表面或通过引入可以以阵列形式制造的玻璃或双光学透镜，来制造空腔中的聚焦透镜310。将这样的透镜引入空腔将降低通常存在于具有正dn/dt(折射率随温度的变化)的材料的大多数激光器系统中的热透镜化的可变影响。但是，只依靠热透镜来稳定空腔的空间模的实施例也在本发明的范围之内。在这种情况下，可以通过例如45°分束器来使用提取反向传播二次谐波光束的更传统方法。

非线性晶体320被放在输出镜(未示出)上或输出镜附近，或它可以具有在谐波波长上高度透射以及在基波波长上高度反射的直接淀积在其上的镜325。如果使用分立输出镜，它也可以由用于波长选择的立体全息光栅或诸如复制光栅或谐振标准具反射器的任何其它波长谐振反射器组成。可替代地，镜可以是涂有宽带涂层的传统玻璃元件，以及可以以倾斜角度将诸如实心或薄膜淀积标准具的波长选择器放置在空腔中。这样的元件(光栅或标准具)可以是分立的，或与其它元件合并在一起(为了紧凑和降低成本)。例如，传统光栅或薄膜干涉滤光片可以淀积在非线性晶体的楔形表面或输出镜的第二(在空腔内观看)表面上。输出镜也可以是凸反射器，凸反射器被设计成提供放置非线性光学材料320的空腔内的中间焦点，从而使非线性晶体中的有效光路长度加倍。

应该明白，光源100适合与除了光阀之外的不同类型空间调制器一起使用。在一个实施例中，光源100也可以具有被设计成生成用在扫描光学系统中的单个光束的光学透镜系统中。在扫描光学系统中，空间调制器包含用于以X-Y网格运动来扫描激光束的镜。对于扫描光学系统，阵列中的每个光束最好应该是几乎衍射受限的。

图4是例示从光源100到投影屏幕405的光路的示意性布局、按照本发明一个实施例的LP系统400的方块图。来自光源100的光束可以聚焦到多数情况下是长方形的光导410中，然后，在光束从光导410出来之后，聚焦在光阀420(例如，数字光阀)上。光源100生成的光束将具有一些初始重叠。但是，光导可被选择成使光束的重叠增加。尤其，波导的内部反射、衍射、模转换或其它电磁特性可以用于加扰光导410内的光束。在这种情况下，所有光束将某种均匀程度地分别与可能出现在每条光束中的减弱光斑重叠。在锁模激光器阵列的情况下，锁模脉冲的谱扩宽将导致光斑进一步减弱。由于线性调频或在几种空间模或谱模下工作，使谱扩宽的脉冲器件也将使光斑某种程度地减弱。

可以使系统400中的各个激光器不同相。脉冲操作往往扩宽各个激光器的谱，因此降低它们的相干程度并使光斑减弱。单个透镜430将相互平行行进的所有激光束聚焦在焦斑上，焦斑的尺寸由每条光束的直径和透镜430的焦距决定。可以通过将激光束扩大到阵列的间距来填充每个副孔径，然后利用单个透镜430聚焦，来为所有光束提供最小光斑尺寸。输入激光束在光导410内经历往往加扰光束的散射，使得输出光以被均匀填充成与数字光阀匹配的长方形图案从光导410出来。

在一个实施例中，系统400包括控制激光器阵列的激光器控制器180和控制光阀的光阀控制器480。两个控制器最好具有相互通信的链路490。在一个实施例中，激光器控制器180控制诸如重复率的光源100的工作属性。对于激光器控制器180，可以包括监视激光器输出并控制输出功率的传感器(未示出)，对于锁模激光器的情况，激光器控制器180还可以控制用于锁模激光器的饱和吸收器的操作。

激光器控制器180还确定光源100的红色、绿色或蓝色激光器在一个帧内的特定时间段内是否发光。在一个实施例中，LP系统400不具有滤色轮。取而代之，通过将光源100的红色、绿色或蓝色激光器同步成在帧的不同时间内以脉冲串模式工作来生成帧的红色、绿色或蓝色部分。在脉冲串模式下，只有一组激光器(例如，红色、绿色或蓝色)用于生成一列光脉冲。因此，在要显示的每个帧中，激光器控制器和光阀控制器480相互通信，以便当光阀420要投影像素的红色部分时只同步接通红色激光器，当光阀420要投影像素的绿色部分时只同步接通绿色激光器，而当光阀420要投影像素的蓝色部分时只同步接通蓝色激光器。这种配合使带有单个数字光阀芯片的系统可以省略色轮滤光器，提高了可靠性和效率，并且提高了显示图像的质量。

另外，在一些实施例中，通过激光器控制器180来调整激光器重复率，以计及诸如数字光阀中的各自镜的光阀420中的各个元件的响应时间。数字光阀通过微镜的接通/关闭响应的脉宽调制来控制灰度级。数字光阀的各个微镜具有与在关闭状态和接通状态之间转动微镜相关的上升和下降时间。特定颜色(例如，红色)的激光的脉冲串是脉冲序列。如前所述，选择相对较高的标称脉冲重复率便于控制灰度级。高脉冲率允许使用相对较小的最短镜接通时间(因为脉冲串中的许多光脉冲将能够被偏转到投影屏幕)。

在一个实施例中，调整光源100中的每个激光器的脉冲重复率，以便优化数字光阀的微镜的最关键上升/下降部分的光学响应。例如，使数字光阀的微镜在有限运动范围内倾斜诸如10°到15°的角度。但是，最后1到2度的倾斜对灰度级的控制产生巨大影响。通过根据微镜的接通/关闭响应来调整重复率，可以优化数字光阀的光学响应。还应该明白，通过使数字光阀和每个激光器阵列105、110和115充分同步，可以有利地定时每个激光器阵列脉冲串的接通和关闭，以便在相对于微镜的接通或关闭相位的精确时间启动或停止一系列脉冲。另外，还应该明白，在一个脉冲串期间可以动态地改变激光器阵列105、110和115的重复率。

在一个实施例中，通过将每个阵列105、110、115电划分成利用不同相位来驱动以提高有效脉冲重复率的分立分部(“子阵列”)来提高有效脉冲重复率。在这个实施例中，相互之间存在相位延迟地利用分立驱动器分别将脉冲供应给单种颜色的不同子阵列。相差可以选择成，例如脉冲重复率除以子阵列个数的分数，以便提高每种颜色的脉冲的总重复率。这样就克服了阵列的任何独立元件的任何脉冲重复率限制，以便实现任何适当灰度级并与数字镜脉宽和微镜的上升和下降时间兼容。

图5例示了包括光学透镜系统505(用棋盘图案例示)的投影系统的实施例，光学透镜系统505被设计成将来自光源500中的每个激光器的光输出转换成与光阀540匹配的轮廓。例如，各个激光器元件510具有将它的输出转换成与光阀540匹配的光输出的光学元件。相似地，另一个激光器元件520具有将它的输出转换成与光阀540匹配的光输出的光学元件。这种布置的好处是，光阀540表面上的光学均匀性与光源500中的哪个独立激光器元件正在工作无关。也就是说，光学透镜系统505的结果是，来自每个激光器的输出在光阀540上通过相同轮廓重叠。因此，独立激光器元件510或520的一个或多个的故障将不会影响光阀540上的照明均匀性。因此，在独立激光器元件出故障的情况下，可以提高其它激光器元件的功率输出，以便不改变照明均匀性地补偿功率损耗。此外，这种布置便于在需要时被接通以保持功率输出的冗余激光器的使用。

在一个实施例中，光学透镜系统505将光源500的阵列中的每个激光束投影成成像到数字光阀520上的长方形大礼帽状强度轮廓510。诸如衍射光学元件的光学元件用于将来自光源500中的每个元件的圆形高斯激光束转换成长方形大礼帽状光分布，随后引导成充分覆盖光阀的整个区域，然后成像到正投或背投屏幕上。这个透镜系统可以是反射的、衍射的或透射的，并可以由例如玻璃透镜阵列或数字光学透镜系统制成。数字光学透镜系统可以由诸如塑料的各种材料组成。数字光学透镜系统可从诸如Alabama州Huntsville的MEMS Optical公司的各种销售商那里获得。作为一个例子，光学透镜系统505可以包括设计成为每一个生成圆形高斯激光束的激光器的阵列生成大礼帽状强度分布的非对称双光学透镜布置。更一般地，可以利用考虑到要成像到光阀540上的所需强度轮廓、选择光源500中的激光器的布置和光源500中的每个激光器的光束特性的光学模拟技术来设计光学透镜系统。

光学透镜系统505允许阵列中的每个激光器具有近似与数字光阀的轮廓匹配的光束轮廓。光学透镜系统最好被设计成使得阵列中的每个激光器具有投影到数字光阀上的几乎相同的长方形大礼帽状强度轮廓。这样就使每个激光器与数字光阀几乎完全匹配。此外，尽管附加了光学透镜系统505，但由于在LP系统中可以省略传统的三棱镜二向色透镜系统，LP系统的整个光学系统可以更便宜。另外，一个独立激光器的故障可以通过调整其它激光器的功率来弥补。由于能够控制来自阵列的总光功率，图5的系统使投影系统可以具有均匀的光强并在系统的寿命内保持这个强度。这可以通过提高到阵列的驱动电流或通过使阵列具有以后可以接通的附加(冗余)激光器元件来实现。

每个表面发射阵列105、110和115可被连线，使得所有元件可以串行或串行和并行的某种组合地工作。由于使电流减小和使电阻发热减小，因此使供电效率提高了。另外，为了避免热逃逸，可以利用一个电流来驱动串联阵列。并且，与所有时间都接通并使用滤色轮只选择一种颜色而拒绝来自灯泡的其它波长的灯泡不同，可以只在三分之一的时间内依次驱动每种颜色的子阵列。

虽然前面针对生成三原色的光源描述了本发明，但应该明白，光源100和500也适用于通过选择激光器阵列的特性和数量以取得所需输出颜色的光束，来生成不同序列的颜色或不止三种的颜色。因此，应该明白，本发明不局限于用在基于红色、绿色和蓝色(RGB)光源的光投影系统中。例如，如果光投影系统需要与RGB不同的颜色组，则本发明的光源100和500适合包括生成光投影系统所需的每种不同颜色的激光器阵列。还应该明白，非线性频率转换可以推广到三倍或四倍频率。

一些类型的空间调制器对极化光最有效。作为一个例子，某些类型的液晶调制器调制极化光。应该明白，在一些实施例中，光源100和500被设计成具有选择成便于调制极化光的空间调制器进行调制的极化。

II.驱动用于显示应用的激光源的方法

如前所述，半导体激光器具有包括高亮度、低光学径角性、扩充色域和调制能力的许多显示优点。由于运动视频所需的固有调制，后一个优点对于显示尤其重要。在激光源中小心使用调制有益于整个显示系统。

而且，用于显示的半导体激光源可以利用非线性光学转换来产生所需显示波长。所有这些过程与功率成超线性比例。因此，即使平均输入功率不变或降低，平均而言，脉冲倍频半导体激光器也可以导致输出或效率提高。但是，为了充分利用脉冲调制的优点，半导体激光源需要使激光器的驱动参数与空间光调制器协调。

与用半导体激光器取代传统白光源有关的一些问题可以参照图6来理解，图6例示了由五个部件组成的传统投影显示系统：白光源、滤色片、空间调制器、投影透镜组件和投影表面。在一些情况下，譬如，当显示系统将阴极射线管用作光源和空间调制器两者时，或当光源产生一组离散颜色时，可以组合一个或多个部件，因此可以有效地包含滤色片。

当投影系统用于显示运动视频时，它们可以通过以比人眼可以跟随的更快速率生成一系列静态图像来完成。这个速率一般被称为停闪频率，通常是24-30Hz。用于电视的视频信号通常按每秒60个隔行扫描图像编码。隔行扫描是通过将图像表达成一系列条纹或线条，并以交替方式显示每个图像的隔行来加速图像显示速率的方法。由于在任何一个图像中只画出一半线条，可以使速率加倍。这种显示系统中的单个图像一般被称为一帧。在许多投影系统中，通过至少三个颜色信道，通常红色、绿色和蓝色的组合来形成图像。在一些情况下，通过单个调制器依次生成每种颜色的图像。这被称为颜色顺序操作。

图7A、7B和7C更详细地例示了传统投影系统如何将色轮用于颜色顺序操作。图7A例示了利用色轮的传统投影系统。白光源通常是带有会聚光学器件的弧光灯，滤色片由位于转轴附近的一系列滤光片形成，一般被称为色轮，以便随着组件旋转，依次将光源滤波成组分颜色，使几种颜色出现在序列中(例如，随着色轮旋转，从红色到绿色再到蓝色)。序列中的每种颜色持续的最长时间取决于色轮的转速和轮中的分段数量。本例中的空间调制器由作用于序列中的每种颜色以便在屏蔽上形成综合图像的单个调制器组成。所有这一切发生在视频信号的每个帧内。利用这种滤光片的一个结果是，随着滤光片之间的边界之一扫过光源，会产生混合颜色的光。必须防止这种光到达投影表面。这通常通过将空间调制器设置成最小透射状态来实现。因此，这些周期一般被称为消隐周期。图7B例示了消隐周期内色轮上的光束覆盖区。图7C例示了单种颜色的光照射在显示调制器上时，有效周期内色轮上的光束覆盖区。因此，举例来说，在色轮旋转期间，随时间的示范性序列可以是第一时间周期内的红光、消隐周期、第二时间周期内的绿光、消隐周期、然后是第三时间周期内的蓝光等。作为一个例示性例子，在许多DLP系统中，色轮以大约120Hz旋转，以支持以60Hz的速率生成的隔行扫描帧。在一些情况下，色轮被进一步划分成六个分段，以生成240Hz的等效红绿蓝旋转速率，以支持高分辨率显示并减少可见伪像。因此，在本例中，颜色将顺序改变，使得以120-240Hz的速率重复整个R-G-B序列，以便以60Hz生成整个彩色帧。注意，即使通过增加旋转速率或分段的数量可以使色轮的有效旋转速率有所增加，但由于消隐周期的有限宽度，消隐周期也对有效旋转速率造成实际限制。

现有技术中的一种可替代手段(未示出)是用空间分离组分颜色的滤色系统来代替色轮，使得每种颜色照射在分立调制器上。然后在投影在屏幕上之前重组调制的颜色。在这种系统中，与消除与颜色顺序操作相关的一些问题并行地处理组分颜色。额外的调制器和所需的光学器件使这种空间调制器的并行布置比颜色顺序系统更昂贵。因此，颜色顺序系统一般用在消费品中。但是，颜色顺序系统所需的较快调制器可以抵销其它费用节省，这意味着基于较慢调制器，例如，高温、多晶硅、基于液晶的调制器的系统享受到相当多的市场份额。

特别感兴趣的一类投影系统是利用快速、二进制型空间调制器的投影系统，即，对于每个像素，调制器只具有两个状态，即接通和关闭。参照图8，空间调制器800具有在特定开关周期内可以接通或关闭的大量像素元件805，诸如微镜。如图9所示，可通过确定空间调制器800中的相应像素元件805处于接通状态并通过色轮被特定单色的光照射的帧内开关周期的数量，来选择特定像素的光强。在传统系统中，色轮在转到下一种颜色的位置之前在大量开关周期内用一种颜色的光照射空间调制器。因此，例如，各个像素的红色组分取决于空间调制器中的相应像素元件805处于接通状态并通过色轮接收红光的帧内开关周期的数量。

这种数字光调制器的例子是来自德州仪器(Texas Instruments)的DLP^TM调制器。这些器件通过将单个帧分解成一系列子帧，通常2n个来实现调制深度，其中n通常在6到10之间。为了实现特定光级，调制器改变帧内特定像素处于接通状态的子帧的数量。显示帧的特定像素的颜色取决于对于每种颜色调制器的相应元件处于“接通”状态的子帧的数量。取决于给定像素所需的亮度，在一部分子帧内接通各个像素。理想地，接通和关闭的子帧在形成帧期间是交织的。注意，在许多商用系统中，子帧速率比色轮的有效旋转速率高得多。

传统颜色顺序操作的一个缺点是，如果在形成单帧期间光路被中断，例如，由于观众头或眼睛的移动，或由于显示器的一部分被物理遮挡，则帧看起来严重地偏向一种或两种颜色。例如，如果在对准红色滤光片时光路被局部或全部中断，则由于红光的强度减弱了，帧将偏向于绿色和蓝色。另外，如果只有一部分光路被阻塞，那么在整个帧上都会存在色偏。在传统投影显示系统中与光路中断相关的色偏可以导致负面的观看感受。

参照按照本发明的图10，用发光器组件1000来取代传统白光源，发光器组件1000包括诸如红色、绿色和蓝色激光器的不同颜色的一组激光器1005。发光器组件1000将该组激光器1005与空间调制器1010电耦合。控制电子器件1020包括激光器控制器1025、激光器驱动器1030和空间调制器控制器1035。该组激光器1005可以包含例如在本专利申请中所述的任何激光器阵列的激光器组。

该组激光器1005的每种颜色激光器可被以脉冲模式分开驱动。通过将脉冲激光器用于光源，就不需要色轮了。另外，脉冲速率可以与空间调制器1010的各自开关周期(子帧)一样快或比空间调制器1010的各自开关周期(子帧)快。控制电子器件1020使脉冲激光器产生的激光脉冲与空间调制器的开关周期同步，使得在单个子帧内发射一种颜色的所有激光脉冲。当激光源的脉冲速率与激光器中的典型应用时标或热时标相比较快，例如，＞1kHz时，该激光源一般被称为准连续波(QCW，quasi-continuous wave)。QCW半导体激光器具有比它们的平均功率大得多的峰值功率。部分原因是激光器在脉冲模式下工作限制了降低半导体激光源在基频上的输出的热效应。另外，对于包括倍频元件的激光器，转换效率也相对于泵浦激光功率非线性地增加。因此，倍频半导体激光器的脉冲模式操作对于提高输出功率尤其有益。此外，脉冲模式操作还使谱扩宽，从而使光斑减弱。

图11A和11B例示了本专利申请的发明人对在脉冲模式下工作的具有空腔内倍频的扩充空腔激光器所作的理论和实验研究。图11A例示了对于脉冲宽度与热时间常数相当或长于热时间常数的脉冲，平均基波和二次谐波生成(SHG)相对于电流的变化。注意，平均功率是对许多脉冲的平均。由于器件发热，基波功率输出在各个脉冲内将减小。图11B例示了脉冲在时间长度上显著短于热时间常数的例子。在这种情况下，SHG输出在较大电流范围内随电流增大，也导致较高的平均功率。SHG输出随较窄脉冲提高的理由是，二次谐波功率输出取决于基波功率的平方。这种对基波功率输出的平方律依赖关系的后果是，选择相对较窄的脉冲可以导致时间平均二次谐波生成被显著提高的状况。

在一个优选实施例中，正如在特此全文引用以供参考的Mooradian的专利(“High power laser devices”，美国专利第6,243,407号；“Efficiency high power laser device”，美国专利第6,407,797号；“High power laser”，美国专利第6,614,827号；和“Coupled cavity highpower semiconductor laser”，美国专利第6,778,582号)中所述的那样，脉冲激光源由带有扩充空腔的一个或多个表面发射半导体激光器组成，扩充空腔中的非线性光学材料用于将来自激光器的基波红外光转换成用于显示的可见光。在另一个实施例中，光源由像在本专利申请中的其它地方所述那样的激光器的阵列形成。

半导体激光器也可以在子帧速度下以颜色顺序方式驱动，使得可以在任何两个顺序子帧之间接通不同颜色。图12A和12B例示了在形成图像的一个帧期间，带有快速二进制调制器的系统的投影屏幕上的单个像素的光作为时间的函数的例子。在这些例子中，使驱动激光器的控制电子器件与用于空间调制器的控制电子器件同步。因此，在与空间光调制器的子帧相对应的每个时间间隔内生成整多个激光脉冲。另外，控制电子器件确定颜色序列的周期，即，在序列移动到下一种颜色之前特定颜色的激光脉冲照射了多少个紧接子帧。图12A例示了序列具有小的子帧周期的例子(例如，颜色随着每个新的子帧“子帧颜色顺序操作”而顺序移动)。图12B例示了序列具有较大周期的例子(例如，对于一大群子帧，譬如帧的许多或所有颜色子帧上的每个子帧生成特定颜色的激光脉冲)。注意，控制电子器件可被设计成具有不同的操作模式，使得可以根据应用来采用一个发光器来改变颜色序列的周期。

在图12A中，激光脉冲以比利用传统白光源和色轮能够达到的速率快的速率不分组地按顺序格式出现。尤其是，所述顺序格式可被选择成与子帧水平相对应。这使整个系统可以在子帧水平上，而不是在帧水平上以颜色顺序方式运行。这意味着，在一个帧内光路的任何中断都导致仅仅一个子帧的色偏水平。可替代地，可以将顺序格式选择成使得系统对于较小整多个子帧以颜色顺序方式运行，以便在一个帧内光路的中断导致仅仅几个子帧的色偏。由于通常存在2⁶到2¹⁰个可能子帧(取决于开关周期的数量)，偏移的缩小应该足以使问题变得实际上觉察不到。这样，只有随着强度降低才觉察到光路的中断，因此，在运行时可以觉察到带有单个空间调制器1010的系统与更复杂的多调制器系统一样执行。

注意，在细粒度水平上利用色轮来获得顺序格式是行不通的。虽然从理论上来说可以在子帧水平上利用色轮和白光源来获得顺序格式，但需要极高的旋转速度(高达1MHz)以及许多滤光片位于其边缘附近的复杂色轮。由于如前所述的消隐问题，这后一种手段也是极其低效的。具有许多滤光片意味着需要相似数量的消隐周期，这又降低了色轮的有效传输并提高了光源的所需功率。

在图12B中，用于特定像素的到达屏幕的光由红光、绿光和蓝光的一系列脉冲组成，其中，颜色被分组并且脉冲组依次出现。在一些情况下，跳过多个脉冲，以演示可如何调制用于单个图像的特定颜色的到达屏幕的所有光，即，出现的脉冲(接通状态)越多，那个帧中的那个像素的那种特定颜色就越明亮。

如图12B所示的操作方法提高了平均功率电平。如上所述，光源可以包含倍频半导体激光器。红外线激光器的非线性频率转换的基本方面之一是，转换功率对输入功率的超线性依赖关系。其结果是，平均而言，将脉冲供应给基波半导体激光器泵浦源可以导致输出增加。即使基波源传递的平均功率从其CW平均电平降低了，这也是成立的。如果输入功率与频率转换功率之间的依赖关系表现为使输入基波功率自乘到n次幂，其中，n＞1，那么，通过峰值脉冲基波功率与自乘到n次方然后乘以在一个脉冲周期内接通基波的时间片断的CW基波功率的比值，来给出在CW上供应脉冲的增强因子。因此，如果激光源在通过适当定时能够在时间上将每种颜色分开的QCW模式下工作，则如图12B所示的操作模式允许使用激光源的整个平均功率，而如图12A所示的操作只允许使用平均功率的一部分。因此，图12B的方法使脉冲激光得到更有效使用。

支持图12A和12B的方法的发光器的另一个优点是，激光器可以与包括相对较慢的空间调制器在内的各种类型的空间调制器一起使用。另外，发光器最好可与不同系统兼容，以便可以将发光器部署在尽可能大的体积中。

由于它们的成本和复杂性降低了，颜色顺序系统是非常流行的。这意味着，这些系统的要求已经设计到诸如电子系统的其它辅助系统中。在设计取代白光源用在颜色顺序系统中的新光源的过程中，重要的是识别这些要求并据此设计光源，使得可以迅速采用新光源。尤其，最好具有光源和控制器，使得可以在多种多样的显示应用中将发光器用作传统UHP灯的通用替代品。

虽然由于它们的高速度，带有数字空间光调制器的发光器具有优良的显示特性，但它们不能代表发光器的整个市场。因此，最好将激光源设计成用在具有诸如可以从几乎零反射率(完全关闭)调整到高得多的反射率(完全接通)的硅上液晶(LCOS)调制器的较慢但具有大的调制范围的空间调制器的发光器中。这样的空间调制器通常在一个帧或一个子帧内保持恒定调制电平。在一些设计中，每种颜色使用一个空间调制器，以及调制器在每帧基础上改变电平。在其它设计中，使用单个空间调制器，以及按顺序(颜色顺序操作)改变照射调制器的颜色。当光源发射白光时，色轮用于提供光源的顺序过滤。这样的色轮自然存在不同滤光片之间的边界，并且，在这些边界之一扫过光源的时间内，必须关闭空间调制器，以便不将失真颜色提供给观众。这些时间被称为消隐周期。

图13例示了驱动与具有相对较慢空间调制器的发光器设计兼容的颜色顺序操作的单色激光源的方法。在本例中，每种颜色的激光器在不包括消隐周期的帧时间的大约三分之一被接通。因此，在本例中，按与包括消隐周期的传统(相对较慢)颜色顺序兼容的顺序来驱动多色激光源的每个激光器。通过使激光器的操作与现有系统兼容，发光器可用作与诸如LCOS调制器的相对较慢的非DLP空间调制器一起使用的传统白光源的替代品。应该明白，可以将单个激光器控制器编程为具有支持DLP(快速数字空间调制器)和LCOS(慢速空间调制器)两者的双模式操作。对于相对较慢的空间调制器的情况，可见伪像更值得注意(由于一个激光器颜色有效的时间周期较长)，因此，该操作方法应该将未被有效驱动的激光器的输出最小化到觉察不到的水平，同时，当激光器有效时，还使激光器几乎立即“窜到”所需功率电平。这些特性使得在带有慢速空间调制器并不带色轮的系统中使用多色激光源是可行的。

再次参照图13，在利用激光源照射相对较慢空间调制器的颜色顺序显示系统中，在正在显示其它颜色的周期内，最好也将除一种激光颜色之外的所有其它激光颜色的输出降低到觉察不到的水平，从而可以省略色轮。对于特定系统，可以通过确定最大程度的色混，例如，当红色是所需颜色时，多少蓝光和绿光是可接受的等，来计算觉察不到的基本水平。由于诸如预热时间的问题，可能不期望将每个激光源的基本水平驱动降到零。取而代之，驱动方案在使可见光输出保持在最小电平的同时，可以利用激光源的阈值特征使驱动电平保持在热显著电平，即与光学静止关闭状态相对应的驱动电平，在该状态下，激光器产生低于预选阈值的可见光，但仍在热显著电平上被驱动。激光源可以被设计成通过包含提升激光器的阈值的一个或多个设计元件，诸如通过热透镜化稳定的激光器空腔，来利用这种方案。另外，如果通过非线性过程，例如，二次谐波生成(SHG)来生成可见光，那么，输入驱动与输出光之间的非线性关系可以用于增强上述效应。

如图13所示，在消隐周期内可能包括过驱动周期。消隐周期可以用于以与激光源的光输出无关地使它迅速进入工作状态的方式来驱动激光源。尤其，如果激光器在它的关闭状态期间在降低的驱动电平下运行(“欠驱动”)，那么，正如在前节中所述的那样，可以在消隐周期内过驱动激光器，以便使它回到正常工作温度，然后在消隐周期结束之前使它回到正常驱动电平。

在许多应用中，最好为激光器提供功率稳定方案。完成这个任务的传统方式是根据激光器的功率电流特性来构建反馈回路。注意，驱动调制也可能适合用在激光器阵列中。例如，在激光器阵列中，可以将激光器阵列电配置成可独立操作的不同分段。因此，可以在任何一个时刻将脉冲供应给特定颜色的一小组激光器。可以将驱动脉冲施加在激光器阵列的不同空间分段中。可以选择分段脉冲供应来消除相干锁定。另外，可以选择分段脉冲供应来稳定输出功率。但是，在脉冲操作激光器阵列的优选实施例中，可以在功率稳定方案中达到额外灵活性。在传统功率电流回路的情况下，阵列的附加优点是，阵列提供的平均化将导致功率电流关系比单个发射器更稳定和均匀。稳定功率的另一种方式是利用固定脉冲电流进行操作，但改变脉冲宽度和/或重复率。稳定或改变功率的又一种方式是有选择地改变一部分或阵列的功率，甚至到关闭各个元件的点。这可以通过适当设计的电子方案来实现。

这样的方案也可以用于驱动显示系统的激光源，在该显示系统中，空间调制器是快速光束扫描器，诸如安装在电流计上的一对镜。这些系统需要必须以像素调制速率(视频帧速率乘以每帧像素数量)发生的分立强度调制。诸如半导体激光器的直接电泵浦激光源能够以这些速率直接调制。为了保持图像保真度，能够精确产生给定强度水平是重要的。如上所述，由于功率电流关系因平均化而变得更加均匀，使用激光器阵列将使这种要求更易于满足。另外，可以通过改变脉冲宽度、脉冲重复率和到各个元件的电流来实现调制。在一个优选实施例中，红外光源是带有扩充空腔的表面发射半导体激光器或激光器阵列，以及非线性材料位于扩充空腔内并被配置成用于二次谐波转换，以及激光器或激光器阵列通过直接电注入来激发。

III.带有非线性频率转换的垂直扩充空腔表面发射激光器和激光器阵列的改进频率稳定

A.薄膜干涉滤光片

参照图14，扩充空腔激光器可以包括增益元件1405、滤谱器1410和输出耦合器1420。波长(或等效地，频率)控制是激光器设计的基本部分。虽然激光器波长的一般邻域由激光器系统的材料增益特性来限定，但通常作出更多努力的是将激光器的波长输出调整成适合特定应用。

由于半导体材料的光学增益通常跨越数十纳米的波长空间，而最终应用可能需要亚纳米波长谱，所以半导体激光器的波长控制是激光器设计者面临的共同问题。

已经证明，空腔内倍频垂直扩充空腔表面发射激光器(VECSEL)可用在各种各样的应用中。空腔内倍频VECSEL包括与表面发射激光器隔开以形成扩充空腔的表面发射增益元件1405和输出耦合器1420。输出耦合器1420将在基频上生成的光反射回到表面发射增益元件1405。空腔内倍频晶体1415生成频率等于基波光束频率的两倍的光。

空腔内倍频VECSEL的转换效率取决于VECSEL在基频上的纵模特性。对于实际长度(例如，几毫米)的大多数非线性晶体，诸如二次谐波倍频的非线性频率转换过程通常与大约1nm或更小的典型带宽存在波长(频率)依赖性。因此，在空腔内倍频VECSEL中，对基频附近的激光的频率和纵模谱加以控制对于获取倍频光的高输出功率是至关紧要的。取决于应用，对所选范围内的频率加以控制可以提高非线性转换效率。在发光器的背景下，可以进一步将频率范围选择成与加以扩宽以减弱光斑的谱脉冲的范围一致。

另外，空腔内倍频VECSEL的转换效率十分依赖于扩充空腔内的光损耗耗。众所周知，光损耗耗会降低空腔内倍频过程的效率。例如，参见特此引用以供参考、R.Smith的文章“Theory of intracavityoptical second-harmonic generation”，IEEE Journal of QuantumElectronics，vo1.6，p.215，(1970))。尽管产生了几种效应，但倍频过程是转换过程的效率非线性地取决于基波波长上的循环功率的非线性过程。为了在VECSEL中在基波波长上达到高循环功率，要求扩充空腔中的损耗相对较小。

本专利申请的发明人所作的计算表明，为了取得高转换频率，倍频VECSEL需要特别小的损耗。具体地说，本专利申请的发明人所作的计算表明，在表面发射增益元件1405的基波波长(频率)上由于空腔内滤谱器1410的1％单向损耗可以容易地导致基波波长上空腔内循环功率的损耗超过10％，这又导致二次谐波功率(对于空腔内倍频)下降15到20％或更多。

用于带有空腔内倍频的VECSEL的滤谱器的设计牵涉到对几种折衷的考虑。能够控制空腔内倍频VECSEL的频率的滤谱器也往往引起相关光损耗。将附加光学元件插入空腔内倍频VECSEL中以控制频率导致通过控制基频所提供的增大转换频率和与增大的光损耗相关的功率下降之间的折衷。只有光损耗小的频率选择元件才导致空腔内倍频VECSEL的转换频率的净提高。通常，对光损耗的约束再次使在典型半导体激光器的波长范围内对频率选择元件的选择局限于涂膜标准具和双折射滤光片，这可以造成大约1％或更小的损耗。可从Edmunds Optics公司获得的商用陷波滤光片具有规定成大约90％的最大透射率，这不适合于空腔内激光器应用。有关标准具和双折射滤光片的背景信息描述在特此引用以供参考的C.C.Davis的“Lasers and Electro-Optics：Fundamentals and Engineering”，Cambridge University Press，2002，p.73和P.J.Valle和F.Moreno的“Theoretical study of birefringent filters as intracavity wavelengthselector”，Applied Optics，v.31，p528(1992)中。典型的布置由与限定光束方向的光轴成角度地位于激光器空腔中的滤谱器(法布里-珀罗标准具或双折射滤光片)组成。这个倾角通常用于抑制不想要的反馈效应和/或将滤谱器角调谐到所需谱性能。

但是，虽然可以选择损耗小于大约1％的法布里-珀罗标准具和双折射滤光片，但这些滤谱器不能对频率提供所需控制程度，并且存在可能限制它们的可制造性的制造缺点。作为一个例子，法布里-珀罗标准具具有在透射率中存在具有由标准具的光学厚度和光的波长决定的周期的峰值的光学响应。在激光器二极管的增益谱的背景下，这意味着单个标准具不能在扩充范围的工作条件下提供足够的纵模鉴别。具体地说，标准具的大量透射峰值可能位于激光器二极管的增益谱内，使得未在所有工作条件下锁定纵模。

作为与利用标准具来锁定扩充空腔表面发射半导体激光器的频率相关的一些问题的一个例子，考虑设计中心波长为大约1064nm以及带宽(限定成半最大值全宽度或FWHM)为0.4nm的标准具滤光片的实际情况。这样的带宽可以利用，例如，两面涂成在1064nm波长上反射率为大约35％的300微米厚的熔融氧化硅标准具近似取得。相应透射率曲线例示在图15中，虽然中心在1064nm上的谱透射率峰值满足0.4nm的所需带宽目标，但位于距中心峰值近似1.3nm(标准具自由谱范围或FSR)的相邻透射率峰值可能为激光发射提供非所需谱信道。由于半导体激光器可以具有分布在数十纳米上的增益谱，可以从图15中看到，许多不同标准具峰值将处在激光器的增益谱内。因此，标准具提供的频率鉴别可能不充分。

对这个问题的一种可能解决方案是利用较薄的标准具来扩大谱范围，使得较少的标准具峰值处在激光器的增益谱内。较薄的标准具具有较宽的谐振峰间间距，但也需要更高的反射率来实现更窄的带宽。但是，对于透过倾斜标准具的高斯光束，带有高反射率镜的薄标准具可以导致较高的逸散衍射损耗。另外，极薄的标准具(在100微米以下)更难以制造、涂膜和处理。

另一种可能的解决方案可以利用两个标准具来实现，使得组合光学响应具有窄的带宽和比单个标准具大的透射率峰间间距。带有两个标准具的空腔内激光器描述在C.A.Amsden、M.K.Liebman、A.V.Shchegrov和J.P.Watson提出的发明名称为“Compact ExtendedCavity Laser”的美国专利申请第10/745,342号中。但是，双标准具激光器设计增加了激光器的复杂性和成本。

双折射滤光片存在与标准具的那些有点类似的问题。用于空腔内双折射滤光片的最常用材料是结晶石英。生产FWHM为0.4nm的滤谱器需要一块厚石英(取决于晶体切割和空腔内的角取向，大约1cm或更厚)，这使得无法用在紧凑和低成本空腔中。一种解决方案仍然是使用几个双折射滤波片，但也增加了不合乎紧凑和低成本空腔要求的复杂性和成本。

还有一个考虑是标准具和双折射滤光片两者都依靠制造的滤光片的谐振频率具有大的方差的干涉效应。例如，为了预测标准具的准确谐振频率，不得不制造精度在几分之一波长内的标准具厚度。可以利用机械、热或电光调整将标准具的滤波响应的制造方差调整成使滤谱器的峰值波长与非线性材料的峰值波长匹配。但是，这些选项经常需要显著偏离(例如，角度和热的)所需标称值，并可能不合乎必须设计成紧凑和低成本的激光器系统的要求。

制造上的考虑也往往以各种方式限制标准具和双折射滤光片的设计。标准具具有反向取决于标准具的厚度的谱范围(谐振峰间间距)。例如，如上所述，薄标准具具有大的谱范围。但是，薄标准具也具有比厚标准具大的滤谱器峰位置随厚度的百分比变化。还应该注意到，标准具将具有因标准具变化的制造容限，并且还具有相对于沿着一个标准具的厚度的制造容限。因此，难以制造能够支持覆盖大区域的表面发射激光器的阵列的大区域标准具。

本发明的装置和系统就是在考虑了上述问题之后开发出来的。本发明的实施例描述了利用取代诸如标准具和双折射滤光片的传统频率选择滤光片的频率选择滤光片，来稳定表面发射激光器或激光器阵列的频率的方法。这提供了潜在的成本降低、提高了可制造性、使精确设计输出激光波长成为可能、以及不需要对滤谱器进行昂贵的机械或热调整来取得所需谱特性。本发明的实施例还特别适用于为空腔内非线性频率转换，诸如利用被设计成周期性极化的非线性材料的二次谐波生成设计的稳频激光器或激光器阵列。这一点特别重要，因为这样的非线性材料可被设计用于恰好在目标波长并具有无需额外机械或热调整地稳频激光器的简单和低成本手段的非线性转换，导致超过诸如标准具和双折射滤光片的用于稳频的其它可替代手段的明显成本优势。

图16例示了按照本发明一个实施例的带有空腔内倍频的VECSEL，其中，用薄膜干涉滤光片1610来取代传统滤谱器。VECSEL具有位于芯片上用于生成基频的光的表面发射半导体增益元件1605。示范性增益元件基于描述在特此全文引用以供参考的Mooradian的专利(“High power laser devices”，美国专利第6,243,407号；“Efficiency high power laser device”，美国专利第6,407,797号；“Highpower laser”，美国专利第6,614,827号；和“Coupled cavity high powersemiconductor laser”，美国专利第6,778,582号)中的设计。基本增益元件1605的许多变种都在本发明的范围之内，譬如，布拉格镜结构和包含一个或多个透镜以稳定空间本征模的变种。

可选地，可以包括非线性晶体1615。与增益元件1605隔开的输出耦合器1620限定扩充空腔。输出耦合器1620可以包括，例如将基频的光反射回到增益元件1605的反射镜。

在一个优选实施例中，增益元件1605包含两个外延生长的四分之一波长布拉格镜叠层1601和1603，其中之一在设计波长，例如976nm上是高度反射的，而另一个在这个波长上是部分反射的。通常包含量子势阱的增益介质1607也是外延生长的，并在具有在基波波长上与波长的总数相对应的光学厚度的区域1609中夹在两个镜叠层之间。用谐振隔片层隔开布拉格镜叠层1601和1603的布置导致增益元件1605具有谐振频率和相关带宽。但是，在实际应用中，由于存在光增益和电子-空穴对，折射率的实部和虚部在增益区中变化。因此，布拉格镜叠层1601和1603本身不在工作条件范围上对激光波长提供足够的控制。

在空腔内倍频配置中，最好将扩充空腔激光器设计成在基频达到大的光子密度。例如，可以将输出耦合器1620设计成在基频附近具有极高的反射率，使得具有基频的光子在空腔内往返许多次。这种具有基频的循环光在每一次穿过非线性晶体1615时都有一部分被转换成具有倍频频率的光。但是，非线性转换过程对输入功率密度极其敏感。因此，在空腔内倍频配置中，最好将扩充空腔激光器设计成使得在扩充空腔内循环的具有基频的光具有高功率密度。具有倍频频率的光通过输出耦合器直接耦合到空腔外部，或通过附加耦合机构(未示出)耦合到空腔外部，以便有选择地将二次谐波的光耦合到扩充空腔的外部。

在一个实施例中，薄膜滤光片1610包括被选择提供附加频率控制的布拉格镜配置。在一个优选实施例中，薄膜干涉滤光片1610包括限定谐振响应的布拉格镜。在一个实施例中，薄膜干涉滤光片1610具有在光学上与增益元件1605类似的谐振响应。尤其，布拉格镜和布拉格镜之间的间距在光学上可以类似于增益元件1605的布拉格镜结构。在一个实施例中，一个布拉格镜主要将一部分或全部波长控制功能从增益元件1605分开并将它移入外部空腔中。

图17更详细地例示了按照本发明一个实施例的示范性薄膜干涉滤光片1610。利用传统淀积技术在衬底1720上形成薄膜层1701、1703和1709。虽然可以使用包括诸如GaAs的半导体材料的不同衬底，但使用诸如熔融氧化硅的常用光学衬底可以更方便。衬底和薄膜涂层可以选择成与半导体材料相比具有高度可控制性和折射率稳定性。例如，所有光学层和薄膜可以由诸如绝缘体和/或金属氧化物的非半导体的材料制成。示范性的结构包括四分之一波长较高和较低指数层对的两个叠层1701和1703以及镜叠层之间的谐振隔片1709(也可以是熔融氧化硅)。镜层叠层1701和1703可以具有相同的反射率，以及非谐振隔片层1711可以生长在第二镜叠层上，以保证两个叠层的反射率相同。最后，结构两侧的外层被设计成对于目标波长(这里是976nm)和如果需要，对于二次谐波波长(488nm)是抗反射的。与用例如薄到规定厚度以及两侧涂成满足相同反射率要求的熔融氧化硅或BK7光学玻璃制成的传统实心标准具不同，本发明的干涉滤光片设计允许精确设计目标最大透射波长。

图18更详细地例示了实现干涉滤光片的薄膜涂层的示范性顺序。在本例中，利用例如离子束溅射使二氧化硅和氧化钽涂层淀积在熔融氧化硅衬底上。涂层被设计成使基波波长为976nm的谐振透射峰值具有0.4nm的FWHM。注意，薄膜干涉滤光片也透射488nm的二次谐波的光(因为四分之一波长叠层对于具有一半基波波长的二次谐波频率表现为二分之一波长叠层)。使双频带抗反射涂层淀积在干涉滤光片的两侧。

图19例示了利用薄膜设计软件TFCalc模拟的图18的滤光片结构的光透射响应的理论计算。在基波目标波长上的理论透射率峰值在0.4nm的FWHM接近100％。

图20是例示具有与图18类似的层顺序的制成滤光片的经验研究的曲线图。利用离子束溅射(IBS)涂覆技术来制成干涉滤光片。然后利用可调谐激光器进行这种滤光片的透射率测量。FWHM是0.4nm以及在目标波长上的透射率大于99％。还应该注意到，在大于几纳米的扩充波长范围内只有一个谐振峰。尤其，在可以放大成超过十纳米的波长范围的传统半导体增益材料的波长范围内只有一个谐振峰。因此，与存在有限谱范围的传统标准具不同，谐振响应将便于将频率锁定在所需波长范围上。

干涉滤光片的一种可替代设计是对“左”和“右”布拉格镜叠层使用稍有不同的配方，将结构优化成使它们的反射率相等并使“右”镜叠层对于二次谐波(488nm)产生抗反射的效果。这种设计可以省略非谐振隔片层和右边的抗反射涂层叠层，使涂层更简单。

在本发明人提出描述在本发明中的设计并进行测试之前，利用如上所述那种类型的薄膜干涉滤光片稳定激光器或激光器阵列未被人们当作实际解决方案。对此存在几方面的原因。首先，虽然具有所例示的带宽的窄带滤谱器(也称为陷波滤光片)是为一定范围的应用设计和商业制造的，但它们的带宽一般没有如图19-20所示的滤光片那么窄，并且存在明显较高的透射损耗。例如，来自Edmonds公司的传统陷波干涉滤光片只具有大约90％的透射率。相反，从图19(模型)中和有点令人惊讶地从图20(实验)中可以看出，按照本发明的教义形成的干涉滤光片的透射率在小于1纳米的FWHM内超过99％，这正是空腔内激光器用于许多应用所需要的。

薄膜干涉滤光片1610位于外部空腔内，最好成一角度以避免反馈到增益区。因此，这样的滤光片起与传统涂层实心标准具和与激光器增益芯片组合在一起的法布里-珀罗标准具两者类似的作用，综合了两种情况的优点。为倍频(或一般说来，非线性频率转换)适当选择的非线性晶体1615也位于通过输出耦合器1620完成的扩充空腔中。输出耦合器涂层被优选成在基波波长(干涉滤光片的设计波长)上是高度反射的并在频率转换后波长上是高度透射的。空腔长度、晶体长度和输出耦合器的曲率像在激光器设计的现有技术中已知的那样优化成适合设计目标。在优选实施例中，非线性晶体是诸如周期性极化KTP、LiNbO₃或LiTaO₃的周期性极化非线性晶体。使用这种晶体的优点是它们呈现高度非线性，并可被制造用于选择的波长的非线性频率转换。

薄膜干涉滤光片1610起的作用是使激光器发射变窄到所需带宽。在诸如仪器应用中所需的一些情况下，滤光片的带宽必须足够窄，以保证激光器的单纵模操作。这也保证了稳定、低噪声激光器操作，并当适当调谐时，将发射约束在非线性转换带宽的峰值上。在其它情况下，薄膜干涉滤光片1610的带宽被设计得较宽，使得激光器可以在不止一种纵模下操作，以实现所需频率范围。但是，仍然最好将这些模式约束在非线性晶体1615的非线性转换带宽内。

如特此引用以供参考的A.V.Shchegrov、A.Umbrasas、J.P.Watson、和D.Lee提出的发明名称为“Polarization control of anextended cavity laser”的美国专利申请第10/734,553号所述，非线性晶体1615可以用于控制表面发射激光器的极化。

而且，为了提高紧凑性和降低激光器的成本，最好使薄膜干涉滤光片1610淀积在非线性晶体1615的晶面之一上，并且将两个元件组合成一个单元。这样的布置是本发明的另一个实施例。

干涉滤光片1610设计的一个重要方面是，该设计在光学上可以与表面发射激光器芯片1605的波长控制元件类似。例如，在设计在基频附近具有明确谐振的薄膜干涉滤光片设计时，表面发射激光器芯片中的层的光学厚度可以用作起点。正如在光学中众所周知的那样，层的光学厚度取决于光学波长，光学波长又是光的频率和光穿过的介质的折射率的函数。表面发射增益元件1605具有布拉格反射镜1601和1603，布拉格反射镜1601和1603通常被设计成在基频上产生谐振响应。谐振响应也具有相关带宽。表面发射增益元件的设计(例如，布拉格叠层中的层数)部分受到其它设计考虑的约束，诸如在扩充空腔中实现高的光学功率和降低元增益元件内的材料损耗。如前所述，表面发射芯片本身提供一定程度的频率控制，但将它调整成适合足够窄的带宽可能导致可用在外部空腔中用于频率转换的功率的损耗。在一个实施例中，干涉滤光片的设计基于表面发射激光器芯片的设计(转换成薄膜实现)，调整成适合产生所需频率选择并实现成具有高峰值透射率的空腔内滤谱器。显然，在干涉滤光片和激光器芯片之间存在几种明显差异。一种差异是在干涉滤光片中缺乏增益(有效)层。另一种差异是激光器芯片结构通常基于诸如GaAs、AlAs、像GaAlAs的复合物等的半导体材料。这可以通过构建可以包含增益层(量子势阱)并在应力下，即，在激光器操作期间可靠运行的高质量结构来完成。对于干涉滤光片，应力不那么严重，因为这不是有源元件。相反，主要设计目标是低损耗和一定谱带宽。这就是为何薄膜干涉滤光片最好被制造成具有最好利用离子束溅射(IBS)方法淀积的绝缘涂层。这样做是为了保证尽可能低的损耗。

图21例示了薄膜干涉滤光片1610用于提供在常用芯片或衬底上形成的增益元件的表面发射扩充空腔激光器阵列2105的频率控制的实施例。可以将透镜阵列与表面发射激光器2105合并在一起来控制每个发射器的空间模。如图21所示，例示在图21中的部件最好都是表面平坦的分段，正如下面更详细描述的那样，这有助于几乎没有关键对准的低成本组件。与激光器芯片合并在一起的部分反射镜可能存在也可能不存在。当这种镜存在时，它的主要功能不是通过在本身与高度反射镜之间形成法布里-珀罗标准具而为激光器选择频率，而是将增益介质与外部空腔内的损耗，例如镜和增益层生长在上面的衬底中的损耗隔开。可以将一个或多个透镜与芯片集成在一起或分开地放置在扩充空腔中。当与芯片集成在一起时，透镜可以是由增益区中产生的热产生的热透镜、或例如在芯片表面上蚀刻的静态透镜。这样的透镜可有助于稳定激光器的空间本征模，当某人为了简单起见和/或由于成本原因想设计带有扁平输出耦合器的外部空腔时，尤其希望这样的透镜。

对于阵列实施例，输出耦合器1620最好是平坦的并公用于激光器阵列中的所有发射器。但是，也可以使用形成用于每个独立发射器的弯曲输出耦合器的微镜的阵列。同一非线性晶体1615可以用于将基波波长转换成诸如二次谐波(基波波长的一半)的另一种波长。

在低成本阵列组件中，干涉滤光片可以用作分立元件或附在诸如非线性晶体1615的另一个部件上，以减少对于组装激光器来说在光学上必须对准的部件的数量。可替代地，干涉滤光片也可以与输出镜1620的表面之一组合在一起，但在这种情况下，最好楔入输出镜元件，并且使用内(空腔内)表面用于滤光片涂层以及外表面用于高反射镜涂层。

虽然干涉滤光片可能只用作滤谱器，但更一般地应该明白，干涉滤光片也可以与其它滤谱元件组合在一起来控制激光器的波长。作为一个例子，干涉滤光片可以贴在、粘在或淀积在扩充空腔的端镜的楔形表面上。

B.用于频率控制的立体布拉格光栅

按照本发明的一个实施例，立体布拉格光栅可以作为滤谱器用于带有空腔内倍频的VECSEL。如前所述，带有空腔内倍频的VECSEL对于高转换效率存在几方面要求。首先，波长必须锁定在非线性晶体的最佳带宽内，通常小于大约1纳米，使得谐振响应具有小于1纳米的FWHM。其次，滤谱器在半导体增益介质的带宽内最好没有次级峰，即，在诸如十纳米范围的几个纳米的波长范围上存在单个谐振峰。第三，在基波波长由滤谱器引起的总光损耗最好小于大约1％。在本发明的一个实施例中，VBG用于带有空腔内倍频的表面发射激光器阵列的频率控制。

立体布拉格光栅(VBG)是由周期性折射率变化记录在其中的特殊玻璃制成的波长选择反射元件。这样的折射率变化可被设计成产生可以帮助控制该设计所选择的窗口内的激光器谱的谱变窄高反射率元件。虽然已知光纤布拉格光栅在远程通信波长(例如，1.55微米)上用在远程通信激光器设计应用中已有一些年头了，但它们的立体对应物(VBG)只是在最近才开始商用。这种光栅元件的制造细节和特性描述在O.M.Efimov、L.B.Glebov、V.L.Smirnov和L.Glebova提出的发明名称为“Process for production of high efficiency volumediffractive elements in photo-thermal refractive glass”的美国专利第6,586,141号、和O.M.Efimov、L.B.Glebov和V.L.Smirnov提出的发明名称为“High efficiency volume diffractive elements inphoto-thermal refractive glass”的美国专利第6,673,497中。类似的全息元件最近也制造出来，并用在介质存储技术中(例如，通过同相技术)，虽然在如下的讨论中我们将使用术语“立体布拉格光栅(VBG)”，但假设使用这样的全息光栅元件也在本发明的范围内。近年来，人们已经描述了如何将VBG用于边缘发射激光器或激光器阵列的稳频(G.Vensus、V.L.Smirnov和L.Glebova的“Spectral Stabilization ofLaser Diodes by External Bragg Resonator”，Proceedings of SolidState and Diode Laser Technology Review，Albuquerque，NM，June2004；B.L.Volidin和V.S.Ban的“Use of Volume Bragg gratings forthe conditioning of laser emission characteristics”，美国专利申请第10/884,524号)。

立体布拉格光栅当前可从Optigrate(Orlando，FL)、PD-LD(Pennington，NJ)和Ondax(Monrovia，CA)等公司获得。进行经验研究可以确定商用VBG是否适用于稳频带有非线性频率转换的垂直空腔表面发射激光器。

本专利申请的发明人所作的经验研究证明，VBG可被设计成具有可用于带有空腔内频率转换的VECSEL的FWHM和低损耗的组合，以便从红外基波泵浦波长中生成绿光和蓝光。

图22是商用VBG的反射率随波长变化的曲线图。利用可调谐激光器对在976nm的目标波长上设计的VBG进行反射率测量。经验结果证明，FWHM小于1nm，即，0.6nm。反射率超过99％。尽管经验反射率在FWHM的外部有点不规则，但反射率在FWHM上迅速下降，超出FWHM没有伴峰。因此，经验结果证明，可在十纳米的波长范围上具有增益的传统半导体增益材料的波长范围内只有一个主峰。因此，经验结果证明，VBG可被设计成具有适用于带有空腔内倍频的VECSEL的属性组合。

图23例示了利用VBG 2310来稳频表面发射激光器的带有空腔内频率转换(例如，倍频)的VECSEL的实施例。VBG 2310也用作输出耦合器的反射元件，从而限定扩充空腔。半导体激光器增益元件1605和非线性晶体1615描述在上面例示在图16中的实施例中。

最好包括极化控制元件。在一个实施例中，极化分束器2320提供极化控制功能，并且还用于将向后传播频率转换光束(用虚线2360示出)改向到空腔的外部。为了执行这些功能，将这种极化分束器2320的两个表面涂成在基波激光波长上为所需极化提供高透射率，并将表面之一涂成在频率转换波长上具有高反射率。在一个优选实施例中，如A.V.Shchegrov、A.Umbrasas、J.P.Watson和D.Lee提出的发明名称为“Polarization control of an extended cavity laser”的美国专利申请第10/734,553号所述，通过非线性晶体的双折射来控制极化。

在一些应用中，最好将VBG 2310设计成在诸如920nm、976nm、1064nm或1260nm的基波设计波长上具有最高反射率。然后，可以在VBG的两个表面上涂上在基波波长和频率转换波长，例如，460nm、488nm、532nm或630nm两者上抗反射的涂层。在其它情况下，将VBG设计成主要实现谱带宽目标而牺牲一些最大折射率是有意义的。为了获得高效空腔内非线性转换，可以在VBG上涂上在基波波长上高度反射的涂层2340，以便将空腔“封闭”起来，并最大化空腔内循环功率。涂层2340也可被设计成在频率转换波长上(例如，在倍频的二次谐波上)是抗反射的，以便将频率转换光从立体布拉格光栅2310耦合出来。这允许一种配置，其中，基波光束每次在朝向VBG的向前方向上穿过非线性晶体1615时都产生可能通过VBG离开空腔的频率转换光，而从VBG反射回到扩充空腔的基波光通过非线性晶体1615沿着向后方向行进，合成频率转换光通过极化分束器2320耦合到空腔外部。

VBG的谱特性可以调整成适合特定应用。在一些情况下，期望将VBG的带宽设计成窄到足以为高性能、仪器级质量激光器提供低噪声单纵模操作。在其它情况下，期望允许几种纵模，并将它们约束在例如与非线性转换过程的带宽匹配的谱带宽内。

图24例示了VBG用于为表面发射阵列提供光反馈和滤谱的实施例。将VBG用于表面发射扩充空腔激光器阵列的稳频尤其有利。单个VBG元件2340用于稳频增益元件2105的整个激光器阵列，以及单个非线性晶体1615用于倍频阵列中的所有表面发射器。单个分束器2320用于限定极化，以及如果需要，用于从空腔中提取光束的频率转换向后传播阵列。光束的向前传播频率转换阵列可以通过VBG来提取。在也在本发明的范围之内的另一种情况下，如果对于频率转换光高度反射的二向色涂层位于非线性晶体、VBG或半导体激光器芯片的适当表面上，则可以在相同方向上收集向前和向后传播光束。最好通过将楔块放在适当光学表面上或利用适当光学表面的倾斜，在空间上将每个发射器的两条频率转换光束(向前和向后)分开。

在许多应用中，最好在基本相同的频率下操作所有阵列元件，以便最大化非线性转换以及最小化成本。但是，在一些情况下，在稍微不同的频率下运行不同的发射器是有利的。这有助于降低不同元件之间的串扰和降低整个激光器阵列光源的相干性，从而有助于减弱来自这种光源的光斑。

传统VBG应用通常是单个波长。但是，在本发明中，最好将VBG修改成考虑系统包括基波(泵浦)波长和频率转换波长(例如，二次谐波波长)。一个方面是如前所述的VBG上的光学涂层的适当设计。另外，本发明对VBG的优选设计是二向色的，即，VBG必须在基波激光波长上具有窄谱类反射率以及在第二谐波上具有非谐振高透射率。在一个实施例中，通过理论和/或经验模拟来优化VBG二向色属性。例如，可以针对基波波长和二次谐波波长的特定选择来测试几种不同VBG光栅属性和成分，以便针对特定应用优化VBG的二向色特性。进行经验测试证明，为了稳频带有非线性频率转换的表面发射激光器，可以将VBG优化成具有适当的二向色特性。

在一些实施例中，最好将VBG和非线性晶体合为一体。通常，这不会影响非线性晶体的相位匹配或准相位匹配热调整，因为VBG通常具有它们的反射谱的极高温度稳定性，具有大约0.01nm/℃的谱调整。

注意，如上所述的激光器设计不局限于任何特定操作模式，并且可以是连续波或脉冲，例如，通过电泵浦半导体表面发射器的直流脉冲脉动的脉冲。另外，本发明所述的表面发射激光器可以利用饱和吸收元件被锁模(例如，参见K.Jasim，Q.Zhang，A.V.Nurmikko，A.Mooradian，G.Carey，W.ha and E.Ippen的“Passively modelockedvertical extended cavity surface emitting diode laser”，Electronicsletters，V.39，p.373(2003))。在这种情况下，薄膜干涉滤光片或VBG可被设计成控制锁模输出的谱宽，以便最佳地匹配非线性晶体的谱相位匹配带宽，以便优化每个发射器的光斑减弱。如上所述的所有设计都可以沿着一维和二维两者缩放成与阵列结构相称，但它们也可以同等地应用于单发射器激光器。最后，可以电泵浦或光泵浦通过在本发明中所述的方法稳频的表面发射激光器和激光器阵列。

在本发明的主要应用实施例之一中，围绕等于对投影显示应用有价值的波长的两倍的RGB波长，即，～635nm(红色)、～532nm(绿色)和～460nm(蓝色)，来设计表面发射增益元件。

本发明的另一个实施例是稳频倍频激光器或激光器阵列，使它们无需昂贵的有效温度控制(例如，通过热电冷却器的温度控制)就可以在扩充范围的环境温度下工作。在涉及例如，像PDA(个人数字助理)那样的手持设备、激光打印机等的许多应用中，最好将它们设计成可以在大范围环境温度，例如-10℃-50℃下工作。传统解决方案需要通过，例如热电冷却器对激光器和关键部件进行有效温度控制。本发明可以利用如上所述，立体布拉格光栅通常是在0.01nm/℃或更小调整的极高温度稳定元件，并可以进一步设计成对温度不敏感的事实。这使得可以将激光器的波长锁定在所需值上，并可以通过按插件设计的廉价加热元件将非线性晶体调整到锁定激光波长。这种解决方案可以用在可以通过不同工具泵浦、包括表面发射和边缘发射半导体激光器和固态激光器的各种类型激光器或激光器阵列上。

存在几种稳频激光器或激光器阵列特别有用的应用。其中有作为用于投影显示的可见光激光器或激光器阵列源的应用、像流动血细胞计数器或共焦显微镜那样的单纵模激光器的仪器级应用、打印应用、照明应用等。

IV.高度可制造紧凑倍频垂直扩充空腔表面发射激光器阵列

本发明的实施例描述了在可缩放和低成本平台上构造可视激光器阵列的技术手段。可缩放性应用于阵列的输出功率和在大量晶片规模制造过程中可以按比例降低的价格。而且，当制造这样的RGB激光器阵列时，这种技术手段允许再次以导致成本降低的相似方式来获得所有所需可见颜色。

本发明的实施例描述了倍频垂直扩充空腔表面发射激光器(VECSEL)的倍频阵列的低成本高度可制造设计。在VECSEL中，由形成表面发射增益元件的阵列的表面发射激光器芯片和端镜来限定激光器空腔。激光器芯片具有至少一个外延生长镜和增益区。在一个优选实施例中，增益区包含一个或几个量子势阱。

图25是例示VECSEL阵列的主要部件的方块图。表面发射激光器增益芯片具有增益元件的阵列2510。极化控制元件2520配备成控制极化。非线性晶体2530是为倍频配备的。波长控制单元2540配备成控制波长。包括端镜2550是为了提供光反馈并限定扩充空腔。也可以包括诸如微透镜的阵列2515或孔径的阵列2525的次要部件。

激光器阵列的制造成本取决于部件个数以及对准和封装部件的成本。最近，制造VECSEL半导体管芯的成本已经下降，以及组装密度随VECSEL的半导体部分的生长和制造不断改善而提高。本发明人的研究表明，制成设备的对准和封装成本现在是VECSEL的主要成本因素。传统的空腔设计需要仔细地机械或热对准各个激光器元件。尤其，传统上需要几个关键性光学对准。关键性光学对准需要精确对准以实现高的设备效率，并且通常还需要仔细设计封装固定件以便在激光器的整个寿命内保持关键性光学对准。相反，在本发明的低成本设计实施例中，我们的目的是消除对准阵列的每个独立发射器的需要，而是同时对准所有的阵列元件，以便同时最大化所有阵列发射器上的增益和非线性转换。

一个方面是可以将多个发射器(增益元件)安排在单个管芯上并附到相同热宿上，并且在单个制造步骤中电连线。通过利用在公用管芯上形成的表面发射激光器的阵列，大量激光器可被同时对准和封装，从而提高了可制造性。利用阵列手段的另一种优点是提高了它的可靠性，因为阵列没有传统激光器的单故障点缺点。功率的可能下降或甚至一些阵列元件完全失效不会招致整个光源的不可恢复恶化，并可以以不适用于传统激光器系统的方式来补偿。另外，当功率密度没有像用在功率相当的单发射器激光器中那么高时，可以极大地提高非线性光学元件的可靠性。相反，可以使每个发射器的功率密度保持在适度低水平上。

在一个实施例中，端镜是具有平坦面的分段，以便于端镜与表面发射激光器阵列芯片之间的简单对准过程。光学设计是相应计及平面端镜的设计。例如，可以包括微透镜的阵列来限定模腰。其它主要光学部件也可被实现成具有平坦面的分段以便于光学对准。

本发明的另一个方面是可以将图25的两个或更多个部件组合成一个光学组件(例如，通过将两个或更多个部件合成一个单元)，以便进一步降低对准复杂性。在一些情况下，各个部件提供多种功能。在其它情况下，各个部件形成通过将这些部件设计成具有可以相互贴在一起的基本平坦表面而便于相互贴在一起的部件的较大光学组件。参照图26，利用例如立体布拉格光栅，可以将波长控制元件和端镜的功能组合成一个单元，以提供光反馈和频率控制。参照图27，通过例如将立体布拉格光栅贴在非线性晶体上，可以组合非线性晶体、波长控制元件和端镜的功能。如图28所示，通过例如将极化控制元件贴在又安装在立体布拉格光栅上的非线性晶体上，可以组合极化控制元件、非线性晶体、波长控制元件和端镜的功能。如图29所示，也可以将次要光学部件的功能与其它功能块组合在一起。例如，可以将微透镜的阵列贴在诸如穹面透镜的阵列的表面发射激光器阵列芯片上，以有助于优化激光器空腔的空间模和/或将光聚焦到非线性晶体上。作为另一个例子，可以进一步将穹面的阵列涂成在基波波长是透射的和在二次谐波上是高度反射的，使得反射二次谐波的光，扩大和缩小向前传播二次谐波光束的空间重叠。作为另一个例子，可以将孔径的阵列与表面发射激光器阵列芯片合成为一体。因此，可以减少必须对准并以稳定光学对准封装的部件的数量。

实现如上所述的优点需要大量创新设计步骤。这些步骤包括但不局限于，利用立体布拉格光栅(只在最近商业化的新元件)、利用阵列的脉动，利用特定设计的薄膜干涉滤光片等，通过简单和可制造的空腔设计来最大化非线性频率转换过程。

图30和31例示了两个优选空腔布局实施例。但是，诸如弯折空腔、加入用于模式控制的透镜和孔径阵列、以及利用保持设计可缩放的其它激光器设计选项的这些设计的扩展和修改也在本发明的范围之内。这意味着，这些空腔设计可以同等地用于单发射器配置、一维阵列和二维阵列。

如图30所示的空腔设计包含电泵浦半导体表面发射激光器阵列2105、和由极化分束器2320、非线性晶体1615和立体布拉格光栅2310组成的扩充空腔。半导体激光器或激光器阵列的设计描述在特此全文引用以供参考的Mooradian的专利(“High power laser devices”，美国专利第6,243,407号；“Efficiency high power laser device”，美国专利第6,407,797号；“High power laser”，美国专利第6,614,827号；和“Coupled cavity high power semiconductor laser”，美国专利第6,778,582号)中。可以将透镜阵列与芯片合并在一起或分开地放置在扩充空腔中。当与芯片合并在一起时，透镜可以是由增益区中所产生的热产生的热透镜、或例如在芯片表面上蚀刻的静态透镜。这样的透镜有助于稳定激光器的空间本征模，当某人为了简单起见和/或由于成本原因，想设计带有扁平输出耦合器的外部空腔时，尤其希望这样。正如在前面的讨论中所述的那样，表面发射阵列配置的独特方面是它的可缩放性-可以将大量发射器放在同一管芯上，该管芯可以安放在相同热宿上和无需传统分立激光器件所需的额外步骤就可以制造。相邻表面发射器之间的间距被优化成使热串扰最小化。在实验上和通过模拟已经发现，大约2.5的间隔和与增益孔径直径的较大比率可以达到最小热串扰，并且这可以提供在小型插件中容纳许多发射器的组装密度。例如，投影显示应用的3W单色激光源的一种优选设计可以利用大约1mm×7mm横截面的管芯来生产，具有20-30个大约100-120微米增益直径的发射器。如果必要，阵列上发射器的排列可以选择成非周期性的(具有非均匀间距)，以优化热性能和减少处在表面发射阵列芯片中心的发送器的发热。

立体布拉格光栅(VBG)是由周期性折射率变化写在其中的特殊玻璃制成的波长选择元件。这样的折射率变化可以设计成生产可以帮助控制该设计选择的窗口中的激光器谱的谱变窄高反射率元件。虽然已知光纤布拉格光栅用在远程通信激光器设计应用中已有一些年头了，但它们的立体对应物(VBG)只是在最近才开始商用。这样光栅元件的原理描述在O.M.Efimov、L.B.Glebov、V.L.Smirnov、和L.Glebova提出的发明名称为“Process for production of highefficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractiveglass”的美国专利第6,586,141号、和O.M.Efimov、L.B.Glebov和V.L.Smirnov提出的发明名称为“High efficiency volume diffractiveelements in photo-thermal refractive glass”的美国专利第6,673,497中。以前，人们已经描述了如何将VBG用于边缘发射激光器或激光器阵列的稳频(G.Vensus、V.Smirnov和L.Glebova，“SpectralStabilization of Laser Diodes by External Bragg Resonator”，Proceedings of Solid State and Diode Laser Technology Review，Albuquerque，NM，June 2004；B.L.Volidin和V.S.Ban的“Use ofvolume Bragg gratings for the conditioning of laser emissioncharacteristics”，美国专利申请第10/884,524号)。立体布拉格光栅元件当前可从Optigrate(Orlando，FL)、PD-LD(Pennington，NJ)和Ondax(Monrovia，CA)等公司获得。类似的全息元件也已经制造出来，用在介质存储技术中(例如，通过同相技术)，虽然在如下的讨论中我们将使用术语“立体布拉格光栅(VBG)”，但假设使用这样的全息光栅元件也在本发明的范围内。

在优选实施例中，非线性晶体是诸如周期性极化KTP、LiNbO₃或LiTaO₃的周期性极化非线性晶体。使用这种晶体的优点是它们呈现高度非线性，并可被制造用于选择的波长的非线性频率转换。类似地，表面发射半导体激光器芯片和立体布拉格光栅可以围绕相同波长设计。诸如KTP、LiNbO₃或LiTaO₃的晶体的非周期性(线性调频)极化扩大了温度和/或波长空间中的非线性转换带宽。但是，也可以使用诸如KTP、LBO、KNbO₃等的传统大块非线性材料。在一些情况下，最好形成这些晶体的光学接触组件，例如，通过光学接触两个较薄片可以增加周期性极化材料的厚度。

最后，为了限定使非线性频率转换(二次谐波生成)过程有效的激光器的线性极化，空腔需要提供极化控制的元件。如图30所示的极化分束器元件2320提供了极化控制功能，并且还用于将向后传播频率转换光束改向到空腔的外部。为了执行这些功能，需要将这种极化分束器的两个表面涂成在基波激光波长上鉴别所需极化和为所需极化提供高透射率，以及需要将表面之一涂成在频率转换波长上具有高反射率。可替代地，如特此引用以供参考的A.V.Shchegrov、A.Umbrasas、J.P.Watson和D.Lee提出的发明名称为“Polarizationcontrol of an extended cavity laser”的美国专利申请第10/734,553号所述，仍然可以通过非线性晶体的双折射来控制极化。

如图30所示的设计允许收集每个发射器的向前和向后传播频率转换光束两者。转向镜3005可以用于将光引向同一方向。

例如，可以针对大约1064nm的波长来设计半导体激光源阵列-在本例中，可以通过诸如GaAs晶片上的MOCVD或MBE的技术来生长外延结构，并且可以将外延生长镜和量子势阱对准1064nm。立体布拉格光栅可被设计成在窄到足以停留在非线性材料的相位匹配(或准相位配置)带宽内的谱带宽中的1064nm上提供最大反射。非线性材料可被适当地选择成提供从1064nm到532nm的有效二次谐波生成。这种材料的例子包括PPKTP、PPLN(可以掺杂MgO以提高其损坏阈值)、PPLT、KTP等。

图30的空腔设计将导致生成在两个方向上传播的二次谐波光束。虽然可以通过半导体芯片或非线性晶体上的二向色涂层反射向后传播光束，来共线地重新组合和重叠这些光束，但简单收集如图30所示的向前和向后传播光束在诸如投影显示光源的应用中也是可接受的。另外，简单系统避免了在光束组合方案中避免相消干涉所需的复杂相位控制。但是，通过针对反射最好利用设计的同相移动来设计适当二向色涂层来重叠向前和向后传播光束也在本发明的范围之内。注意，向前和向后传播二次谐波光束的光路可被选择成在重新组合之前足够长，以降低干涉效应。尤其，可以在穿过了长于它们的相干长度的光路长度之后重新组合向前和向后传播光束。

在激光器设计的技术中已知的其它方式可以用于提高二次谐波光提取的效率。做到这一点的一种方式(在图中未示出)是将空腔弯折成L形，并使基波和二次谐波光两者返回到它们的向前路径。这样的设计也可缩放到阵列平台，并且也在本发明的范围之内。

允许共线重新组合向前和向后传播光束的另一种可缩放设计例示在图31中。这里，示出了合为一体元件3120的优选低成本实施例，但也允许光学元件分开的设计。图中只用虚线示出了二次谐波光束。向前传播二次谐波光束通过立体布拉格光栅来提取。向后传播二次谐波光束的极化被旋转了90°(以避免相消干涉和/或相移效应)，然后反射回到立体布拉格光栅。

如图31所示的实施例使用了四分之一波片3105(对于二次谐波波长)来旋转二次谐波光的极化，然后通过波片或表面发射芯片上的适当二向色涂层使其反射回来。这使向后生成光束可以与正交极化的向前传播二次谐波光束重新组合在一起。这种类型的光束组合有助于避免光束之间的潜在非所需相消干涉。在本实施例中，将从所得激光源中收集二次谐波光的极化。用于二次谐波的四分之一波长的波片可被设计成等于基波波长的一半，以便不会影响激光器在基波波长下的操作。这种类型的波片可从市场中获得。另外，可以将二向色涂层夹在相互旋转90°的两个相同波片之间。这样的系统使透射光的极化没有改变，而使从二向色涂层反射的光改变任意角度，例如旋转90°。这种设计的另一个优点是它的低成本封装结构，因为可以将几个元件合为一体，并且只需机械对准两个子组件以实现最佳激光器操作。至于通常通过晶体实现最佳非线性转换所需的热对准，通过就0.1nm/℃或更少的调整率来说立体布拉格光栅相对于温度变化通常是非常稳定的事实而易于实现。这意味着只需调整非线性晶体就可以实现最佳转换，例如，通过低成本电阻加热器，其它元件不需要类似的有效温度控制。在优选实施例中，如图3所示，对于整个阵列，只需对准一个元件。而且，这种空腔设计的对准容限不是非常苛刻的。例如，对于每个发射器大约100到200微米的增益直径，在大约5％的可见功率内对准的容限是大约1毫弧度的倾斜。

最后，图30和31的两种设计都是相当紧凑的，尤其当半导体芯片中的热透镜稳定空腔时，可能只需要被动机械对准步骤来实现最佳激光器操作。

如图31所示的实施例需要分立极化控制元件。虽然仍然可以使用如图30所示的分束器手段，但最好保持设计简单，并且将极化控制功能与任何现有光学元件(表面发射阵列、波片、晶体和VBG)合并在一起。做到这一点的优选手段之一是，使线栅极化器淀积在这些元件之一上，以拒绝不期望的极化并使所需极化的损耗极低。并且，这种手段的概念是减少元件的数量和低成本大量制造的对准步骤。

可以为激光器系统的低成本高度可制造平台优化图30和31的设计和它们的扩展。但是，低成本设计使在二次谐波转换过程中实现所需功率目标要求变得更具挑战性。提高二次谐波过程的效率的一种方式是，将空腔设计成带有将基波波长的光束聚焦成带有位于晶体中的细腰的光束的一个或多个透镜阵列。虽然这种选择在本发明的范围之内，但不是实现利用有效倍频的低成本结构的主要手段。提高二次谐波过程的效率的优选手段是，利用占空比足够大，例如5-10％的例如100nm的短脉冲来驱动表面发射电泵浦激光器阵列，以提高基波波长空腔内光束的峰值功率和提高二次谐波光束的平均功率。利用诸如例如1MHz的高重复率的脉冲操作在许多应用中可以与连续波操作一样可接受。例如，在显示应用中，这样的重复率使肉眼觉察不出是脉冲操作。因此，这样的脉冲源与连续波源一样可接受。而且，由于脉冲操作可以为显示系统的设计者提供更多灵活性，它们甚至可以是期望的。

电泵浦频率转换激光器阵列光源的另一个优点是，可以通过调制电子设备而直接在像，例如25MHz的高速率上调制。调制能力在诸如基于扫描的激光投影设备等的应用中是合乎要求的。

在本发明范围之内的其它设计包括带有除立体布拉格光栅之外的其它频率控制元件的激光器阵列。这种元件的一个例子是薄膜涂层干涉滤光片，该薄膜涂层干涉滤光片可被设计成在基波设计波长上提供谐振窄带透射。

本发明的激光源实施例的主要应用之一是投影显示。对于这些应用，最好利用红色、绿色和蓝色(RGB)来实现观看感受最佳的全色空间表示。如上所述的实施例不专用于任何颜色，并且可以用于设计作为本发明一部分的全RGB激光器阵列光源。例如，可以围绕1260nm、1064nm和920nm来设计半导体增益材料和镜叠层。并且，通过选择诸如铌酸锂的非线性材料的适当极化周期和光学涂层，并围绕这些波长设计VBG和分束器或波片，我们获得630nm(红色)、532nm(绿色)和460nm(蓝色)的激光器阵列光源。

可以通过简单增加阵列中的发射器的数量来提高每种颜色的功率。在一些情况下，最好使用发射器的一维阵列。例如，可以将许多周期性极化的非线性晶体制造成具有难以沿着那一维装配多行发射器的薄横断面～0.5mm。在这种情况下，最好沿着单个方向增减发射器的数量。可替代地，可以使用二维发射器阵列，当不希望增加非线性晶体的厚度时，可以使用光学接触薄晶体的子组件来取代单个晶体。

本发明的应用包括用于投影显示的光源、照明应用、汽车照明和其它消费电子设备应用。例如，基于相干激光源的投影显示系统可能受光斑影响。但是，当在激光器阵列中增加发射器的数量时，光斑影响被减弱。并且，作为本发明优选实施例的多纵模操作降低了每个发射器的相干性，从而减弱了光斑。通过激光器的脉冲操作可以进一步提升这个优点。另一个优点是提高了这种阵列的可靠性，因为一个发射器中的故障并不意味着整个光源出故障，并因为非线性晶体和其它光学元件中的功率密度没有像用在功率相当的单发射激光器中那么高，例如，在背投显示电视的激光源所需的多瓦水平上。

这种设计的激光器与低成本封装的方法兼容。尤其，可以使这些激光器变得紧凑和带有简单对准。在优选实施例中，关键性对准处在两者都是扁平的激光器阵列的表面和输出镜的表面之间。激光器以这样的方式设计，即这种对准的容限可以被动地满足，或至少被动对准足以实现接着可以容易优化的初始激光发射。这样就消除了搜索初始操作的需要。这样的简单插件可以容易地合并到多色插件中，提供了用于显示应用的激光器系统中的进一步空间缩小。在图32A、32B和32C中示出了这种插件的例子。图32A示出了单个阵列(例如，用于一种颜色的光的阵列)的插件。图32B示出了沿着线3200的横断面。图32C示出了诸如生成红光、绿光和蓝光的一组的一组封装阵列。

在如图32A、32B和32C所示的插件中，存在几个对整个系统有好处的要素。首先，插件不需要有效温度稳定。这是通过将表面发射激光器以及插件制造成具有高导热性以及激光器与插件基底之间的短距离来实现的。其次，可以利用与激光器插件的高精度基准标记的被动对准来进行对准。像如图32A、32B和32C所示的那些的系统最好具有与现代中央处理单元(CPU)芯片相当的热耗散，因此，为这些CPU设计的任何有效低成本冷却解决方案都可以用于这样的激光器。

其次，将系统设计成带有最少数量的元件。在如图32A和32B所示的单元的情况下，只存在四个不同元件：激光器、极化器、非线性材料和VBG。而且，只有VBG需要关键性对准。因此，封装成本因关键性对准的数量最少而降低。另外，部件个数的减少也便于在单元的整个寿命期间保持光学对准。

第三，将系统设计成紧凑的。在一个实施例中，插件具有小于1.5英寸的宽度和小于大约两英寸的总体积，使得封装激光器可以作为UHP灯的替代品用在各种各样投影显示系统中。这是通过限制元件的数量、以及取代单个激光器而利用带有简单紧凑空腔的激光器阵列来实现的，单个激光器由于其较高性能，需要更多的关键性对准，和相应地需要更多的空间和元件来进行那些对准。

V.显示系统中取代UHP灯的紧凑、高效高功率阵列的VECSEL设计

本发明的激光器阵列的一种应用是作为用在投影显示中的传统白光源的替代品。如前所述，可缩放、可制造结构允许选择VECSEL的数量来实现高功率、可靠和基本无光斑的输出。另外，实验数据表明，VECSEL阵列可以十分紧凑并具有很高的效率。实验数据证明，各个VECSEL可以利用脉冲模式倍频在可见光内生成大约30-50mV的输出功率。优化泵浦激光器的脉冲宽度可以使平均脉冲SHG功率提高两倍多。热模拟证明，对于脉冲模式应用，可以以大约2∶1到3∶1的组装比来紧密地组装VECSEL。

VECSEL增益元件最好被优化成低的光损耗。对于利用100到400微米增益直径的50到100微米的衬底厚度，载波增益分布对于降至mid E16 n-type的衬底掺杂水平接近大礼帽形状。

通过经验研究发现，VECSEL的效率随着电泵浦直径的增大而提高。VECSEL的每个增益元件可以利用，例如，质子注入或其它技术将电流注入限制在预选直径上，以将电流限制在预选直径上。经验研究证明，可以在脉冲模式下使用组装密度高的阵列，从而降低激光器的半导体部分的成本。

参照图33，在电流注入局限于所选直径的VECSEL中，可以对量子势阱增益区进行电泵浦。但是，如果电泵浦区中的增益足够高和直径足够宽，则在量子势阱的侧面也存在显著放大的自发发射。其结果是，如图34所示，存在光损耗低的光泵浦环形区。这些影响尤其被宣称用于大电流脉冲模式操作和大直径VECSEL，这样的VECSEL具有在80-150微米范围内的电泵浦直径。这种环形侧面泵浦产生附加光增益和低损区。对于高度泵浦的大直径设备，光功率的40-60％可以在光泵浦环形区内。理解环形侧面泵浦的影响的另一种方式是，只要调整外部空腔模式，可以恢复侧面放大自发发射造成的能量损耗，使得光学模直径至少恢复环形区中的一些功率。

经验研究证明，存在150微米直径电泵浦增益区的VECSEL在扩充空腔内在基波波长上具有接近几百瓦特的循环功率。高循环功率密度又提高了SHG输出。另外，与小直径VECSEL相比，相对较大电泵浦直径放宽了对准容限。可替代地，理解大直径VECSEL的另一种方式是，除了侧面光泵浦提供的附加好处之外，对于特定程度的制造失准，大直径造成较低的光耦损耗。

VECSEL的高效率也降低了热耗散，从而降低了冷却要求。另外，高效率和高组装密度使总体积为1到2立方英寸的相对紧凑模块在诸如RGB的几个可见光波长上生成相当大的功率。

图35是比较VECSEL(ECSEL列)、LED和UHP灯的图表。按照本发明的教义制造的VECSEL阵列现在具有超过UHP灯的功率、亮度、效率和成本特性。另外，VECSEL阵列十分紧凑，消除了将色轮和风扇用于DLP系统的需要。在诸如3LCD发光器的其它显示应用中，消除了附加极化器、滤色片、转向镜和蝇眼透镜的需要。因此，VECSEL阵列可作为UHP灯的替代品用在许多投影显示应用中。此外，紧凑尺寸还提供与相对来说甚至更小的微型显示器的高耦合。因此，在本专利申请中所述的光源和操作方法可作为传统LED和UHP灯的替代品用在各种各样的发光器结构中。

VI.其它优化

本发明的实施例可以通过各种各样的优化来实现。非线性晶体的变种被认为在本发明的范围之内。非线性晶体可以是，例如诸如周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极化钽酸锂(PPLN)、周期性极化磷酸钛氧钾(PPKTP)、或周期性极化砷酸钛氧铷(PPRTA)的周期性极化材料。非线性晶体可以是利用线性调频非周期性图案极化的，以扩大非线性转换谱和温度带宽。非线性晶体可以是诸如三硼酸锂(LBO)、磷酸钛氧钾(KTP)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)或铌酸钾(KNbO₃)的大块非线性材料。

增益元件可以由诸如GaInAs、GaAIAs、GaInAsN和GaN的各种各样半导体材料形成。

立体布拉格光栅可被设计成具有线性调频折射率图案，以提供降低的阵列相干性和光斑。

可以包括诸如光纤布拉格光栅的另外光学元件来提供频率控制。

VII.组合和子组合

虽然针对各种例子对本发明作了描述，但应该明白，也可以以组合和子组合形式使用各种例子。

VIII.其它应用

虽然针对投影显示应用广泛地描述了本专利申请的各个激光器和激光器阵列，但应该明白，它们也可以用在其它应用中。

前面的描述为了说明的目的，使用特定的术语帮助人们全面了解本发明。但是，对于本领域的普通技术人员来说，显而易见，特定的细节不是实现本发明所必需的。因此，前面给出本发明的特定实施例的描述只是为了例示和描述。它们不是用于穷举的或将本发明限制在公开的确切形式上；显然，可以考虑了上面的教义之后作出许多修改和改变。选择的描述实施例是为了最好地说明本发明的原理和它的实际应用，从而使本领域的普通技术人员能够借助于像适合设想的特定使用那样的各种修改最好地利用本发明和各种实施例。我们的意图是，所附权利要求书及其等效物限定本发明的范围。

Claims (42)

1.一种带有空腔内非线性倍频的半导体垂直扩充空腔表面发射激光器阵列，包括：

具有在公用半导体衬底中形成的发射器阵列的电泵浦表面发射半导体增益芯片，每个发射器生成基波波长附近的光；

与所述表面发射半导体增益芯片隔开以限定每个所述发射器阵列的扩充空腔的端反射器，所述端反射器在基波激光波长上具有高反射率；

位于扩充空腔内以便为整个发射器阵列提供光的倍频的非线性晶体；

位于扩充空腔内以便为整个发射器阵列提供波长控制的波长控制元件；以及

位于扩充空腔内以便为整个发射器阵列提供极化控制的极化控制元件；

所述表面发射激光器阵列具有光学单元，所述光学单元具有所述增益芯片、所述端反射器、所述非线性晶体、所述波长控制元件和所述极化控制元件的至少两个的功能，以减少必须在封装期间对准的部件的数量。

2.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述端反射器是立体布拉格光栅，所述立体布拉格光栅为所述端反射器和所述波长控制元件服务。

3.根据权利要求2所述的激光器阵列，其中，所述立体布拉格光栅包括淀积在所述立体布拉格光栅的外表面上的高反射率光学涂层，以提高激光器空腔内基波波长上的循环功率强度以及提高非线性转换效率。

4.根据权利要求2所述的激光器阵列，其中，所述非线性晶体附在所述立体布拉格光栅上，作为用作所述端反射器、所述波长控制元件和所述非线性晶体的一个单元。

5.根据权利要求2所述的激光器阵列，其中，所述单元进一步包括附在所述非线性晶体上的极化控制元件，使得所述单元用作所述端反射器、波长控制元件、非线性晶体和极化控制元件。

6.根据权利要求5所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是波片。

7.根据权利要求6所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是线栅极化器。

8.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述波长控制元件是薄膜涂层干涉滤光片。

9.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是对非所需极化造成损耗并对所述基波波长上的光的所需极化基本上不造成损耗的涂层分束器。

10.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是附在另一个平坦部件上以形成平坦子单元的平坦元件。

11.根据权利要求10所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是线栅极化器。

12.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件是可以是分开的或与非线性晶体相同的、对非所需极化造成离散和失准的双折射晶体。

13.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，平坦透镜阵列被置于所述扩充空腔内以便对所述激光器阵列提供横模控制。

14.根据权利要求13所述的激光器阵列，其中，所述透镜是与表面发射阵列的每个发射器相关的热透镜。

15.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，平坦孔径阵列被置于所述扩充空腔内。

16.根据权利要求15所述的激光器阵列，其中，所述平坦孔径阵列与所述增益芯片合为一体。

17.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述极化控制元件包含二向色涂覆的分束器，所述分束器将二次谐波频率的光耦合到所述扩充空腔的外部。

18.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述空腔具有光束朝向所述端反射器穿越的向前方向和光束朝向所述增益芯片穿越的向后方向，所述分束器接收并改向在向后方向上穿越的二次谐波光束到激光器空腔的外部。

19.根据权利要求19所述的激光器阵列，进一步包含位于所述扩充空腔的外部的角转向镜，以便将向后传播二次谐波光束的阵列引向平行路径。

20.根据权利要求19所述的激光器阵列，其中，所述向后传播二次谐波被反射，并在与沿着向前方向行进的二次谐波光束相同的方向上通过所述端反射器耦合到所述扩充空腔的外部。

21.根据权利要求20所述的激光器阵列，其中，向前传播生成二次谐波光束被立体布拉格光栅的非线性晶体上的涂层沿原路或利用倾斜或楔形成一角度地反射回到空腔，然后与向后传播生成二次谐波光束一起被二向色分束器重新收集。

22.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，波片被置于扩充空腔内，以便旋转向后传播生成的二次谐波光束的极化，所述向后传播生成的二次谐波光束然后由波片或表面发射激光器芯片上的涂层反射回其原路，然后与正交极化的向前传播生成二次谐波光束重新组合。

23.根据权利要求23所述的激光器阵列，其中，所述波片、非线性晶体和立体布拉格光栅合为一体，以形成限定扩充空腔的低成本子单元。

24.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，波片被置于扩充空腔内非线性晶体之后，以便旋转向前传播生成的二次谐波光束的极化，所述向前传播生成的二次谐波光束然后由波片或诸如立体布拉格光栅的端反射器上的涂层反射回其原路，然后与正交极性的向后传播生成的二次谐波光束重新组合。

25.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，利用与激光器插件的高精度基准标记的被动对准来机械对准扩充空腔中的所有光学元件。

26.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，所述光学元件之一被形成楔形或倾斜并被涂覆，以便为向前和向后传播二次谐波光束提供反射和角度分离。

27.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，在半导体表面发射芯片上形成穹面透镜的阵列，以有助于优化激光器空腔的空间模，并将基波光束聚焦到非线性晶体中。

28.根据权利要求27所述的激光器阵列，其中，穹面的阵列涂有在基波波长上抗反射的涂层和在二次谐波波长上高度反射的涂层，以便提供也被空间扩展并从而与向前传播二次谐波光束的空间重叠减少的向后传播二次谐波光束的反射。

29.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，二次谐波光束的输出阵列被衍射光学元件重新成形，以实现所需照明分布。

30.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，通过选择发射器的数量以及通过促进多纵模操作以降低激光源的总空间和谱相干性来减弱光斑。

31.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，向前和向后传播二次谐波光束经过将它们分离长于激光器的相干长度的光路被重新组合，以便降低这些光束之间的干涉。

32.根据权利要求1所述的激光器阵列，其中，组合一个或更多个元件，并以使插件的总体积小于1立方英寸的方式来封装其余元件。

33.根据权利要求32所述的激光器阵列，其中，以使插件的总体积小于2立方英寸的方式来组合和封装所述元件。

34.一种带有空腔内非线性倍频的半导体垂直扩充空腔表面发射激光器阵列，包括：

具有在单个半导体衬底中形成的发射器阵列的电泵浦表面发射半导体增益芯片，每个发射器生成基波波长附近的光；

与所述表面发射半导体增益芯片隔开以形成限定每个所述发射器阵列的扩充空腔的端反射器的立体布拉格光栅，所述立体布拉格光栅在基波激光波长上具有高反射率并提供控制所述激光器阵列的每个发射器的频率的谱过滤；以及

为整个发射器阵列提供光的空腔内频率转换的非线性晶体。

35.根据权利要求34所述的激光器阵列，所述激光器阵列被配置成只需一个其中所述立体布拉格光栅与所述增益芯片对准地封装的关键性光学对准，以及其它部件不需要关键性光学对准。

36.根据权利要求34所述的表面发射激光器阵列，进一步包含附在所述非线性晶体上的波片。

37.根据权利要求34所述的表面发射激光器阵列，其中，所述非线性晶体附在所述立体布拉格光栅上。

38.根据权利要求34所述的表面发射激光器阵列，其中，在所述增益芯片中形成用于控制每个发射器的空间模的透镜。

39.根据权利要求38所述的表面发射激光器阵列，其中，所述透镜包含热透镜。

40.根据权利要求38所述的表面发射激光器阵列，其中，所述透镜包含与所述增益芯片粘在一起的透镜的阵列。

41.根据权利要求34所述的表面发射激光器阵列，进一步包含在所述增益芯片上形成的孔径阵列以便控制空间模。

42.根据权利要求34所述的表面发射激光器阵列，进一步包含在置于扩充空腔内的另一个波长控制元件上形成的极化元件。

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