CN101730960A - 外腔表面发射激光设备 - Google Patents

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Abstract

一种带腔内频率转换的扩展腔表面发射激光器设有：至少一个具有多层的表面发射元件(1)以便获得基频激光；反射器装置，其与激光元件(1)分开以形成外腔(12)；频率转换设备(3)，其置于外腔(12)之中以便产生第二频率的光；可调谐光学带通滤波装置，其置于外腔(12)之中；以及检测装置，其中所述光学带通滤波装置可依据检测装置获取的信号进行调谐以便允许在基频下进行频率控制。

Description

外腔表面发射激光设备
技术领域
本发明涉及带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备、与其相关的方法和图像投影单元。
背景技术
本领域公知垂直表面发射激光器(VCSEL)制造成本低。近年来，带外腔的垂直表面发射激光器(VECSEL)发展起来，其允许高效地产生高光束质量大面积光束。通过在外腔中设置频率转换设备，现在可能产生若干波长的激光，对于所述波长，以合理成本和努力直接产生激光是不可能的。
这种设备的一个典型应用领域是RGB图像投影仪，对于所述图像投影仪而言，激光光源因其高亮度和高光束质量而为理想光源。虽然红色和蓝色激光能够在合理的成本下由激光二极管直接产生，但是绿色激光用激光二极管直接产生目前还不可行。因此，带腔内频率转换的垂直外腔表面发射激光设备将有望用于该应用。
在带腔内频率转换的垂直外腔表面发射激光设备中，激光产生于半导体激光元件中，该半导体激光元件类似于VCSEL设备的激光芯片，其包括至少一个通常带有一些量子阱的增益层和至少一个高反射的分布式布拉格反射器。激光镜与激光元件分开布置以形成外腔，这样就完整构成激光谐振腔。当激光元件工作时，此装置就产生基频光。通过在外腔中布置频率转换设备(例如非线性晶体)，就产生不同于基频的第二频率(例如谐波频率)的光。该第二频率的光然后能够容易地耦合出外腔并且用于希望的应用。
因为半导体激光元件和频率转换设备两者的性能通常都与温度相关，这就带来问题。频率转换设备将基频转换到第二频率的转换效率强烈依赖于其相位匹配带宽的准确匹配，其对于大多数普通的高效频率转换材料而言强烈依赖于温度。如果由于温度变化使激光元件的增益带宽发生漂移，则增益带宽可能漂移出相位匹配带宽之外，这可能导致低的转换效率，以及因此第二频率的光的低功率。通常，这个问题可以通过对激光元件和频率转换设备两者的主动温度控制加以解决。
专利文件WO 2006/105249公开了一种频率稳定的垂直扩展腔表面发射激光器，其包括用于产生基频激光的半导体激光芯片、限定外腔的输出耦合器和置于外腔中与薄膜干涉滤波器一起用于产生二次谐波频率的光的非线性晶体。
这里，薄膜滤波器用于将激光器的发射波长限制在非线性晶体的相位匹配带宽。尽管由于这种装置的原因，激光芯片的温度控制可以省略，但是仍然有必要主动控制非线性晶体的温度，这样做成本高而且可能在将激光设备集成在小的投影单元中时导致重大的问题。
因此，本发明的目标是提供带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备，其可以普遍适用并且可以高成本效率地制造。
发明内容
本发明的该目标是通过根据权利要求1的带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备、根据权利要求10的图像投影单元和根据权利要求11的用于产生腔内频率转换光的方法来解决的。从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
根据本发明的激光设备包括至少一个具有多个半导体层的表面发射激光元件，其中布置至少一个增益层和一个反射层以便获得基频光。增益层通常包括用于发射基频光子的一些量子阱半导体结构，例如可采用带AlGaAs的GaAs或带GaAs的InGaAs。
所述至少一个反射层在基频下反射率高，可以为例如分布式布拉格反射器(DBR)，其允许实现超过99.8％的非常高的反射率。通过反射器装置就完整构成激光谐振腔，该反射器装置与激光元件分开布置并在基频时反射以形成外腔。频率转换设备布置在外腔内以产生第二频率的光，所述第二频率通常为基频的谐波频率。频率转换设备由此将激光元件产生的穿过外腔的基频光转换为不同于基频的第二频率的光。通常，所述第二频率为基频的二次谐波频率，尽管三倍频或四倍频以及其它任何频率下转换或上转换也是可能的，后者例如通过本领域技术人员熟知的混频方法可得。
借助于用于希望的应用的适当输出耦合器可以将第二频率的光耦合出外腔。这可以例如通过向反射器装置提供适当的涂层来实现，使得第二频率的光可以通过反射器装置(例如二向色镜)耦合出去。
常用的和优选的频率转换设备为非线性晶体，例如但不限于，周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极化钽酸锂(PPLT)或KTP，其中PPLN是特别优选的。这些材料可以被设计成具有希望的波长转换特性。这样的频率转换设备通常基于窄相位匹配带宽内的准相位匹配，其中相位匹配带宽与晶体长度成反比。例如，将IR辐射从1060纳米转换成可见光内的530纳米的倍频PPLN晶体的相位匹配带宽，对于2毫米长的晶体大约为1纳米，对于约3-5毫米的典型晶体长度甚至更窄。为了有效地产生第二频率的光，基频必须落在频率转换设备的相位匹配带宽之内。
通过适当地选取量子阱结构、DBR和反射器装置的构造，激光设备的基频可以在大的波长范围内进行选择。尽管这允许设置基频到规定温度下频率转换设备的相位匹配带宽，但是由于激光元件和频率转换设备两者的特性都与温度相关，所以必须采取附加的措施。
因此，根据本发明，在外腔中布置可调谐光学带通滤波装置，以避免基频漂移出频率转换设备的相位匹配带宽。
使用带通滤波装置，就可以将激光元件发射的光限制到带通滤波器的峰值波长。通过调谐该滤波装置，即使激光元件或频率转换设备的温度改变，也能有利地设置基频下发射的光的波长到频率转换设备的相位匹配带宽。这样就不必对这些部件提供温度控制，因为一旦频率转换设备的相位匹配带宽发生漂移，就可以主动调节带通滤波装置的峰值波长以及基频以适应频率转换设备的相位匹配带宽，从而能够获得第二频率的光的最大功率。
带通滤波装置可依据检测装置获取的信号进行调谐。检测装置设计用来检测至少一个物理值，其允许最大化第二频率的光的功率。检测装置因此产生信号，其允许调谐带通滤波器。检测装置可以直接连接到光学带通滤波器或者使用任何中间控制电路。检测装置以及(如果必要的话)任何控制电路优选地可以在激光元件的半导体衬底上形成以简化所述设备的构造。
该激光设备可以包含进一步增强光产生特性的另外的电或光学元件。例如，激光元件优选地可以包括第二个部分反射的DBR，其布置在增益层面向外腔的一侧，使得增益层夹在两个DBR结构之间。该优选的布置隔开了增益介质和在外腔中的损失。最优选的是，所述第二个DBR在基频下具有的反射率在85％-95％的范围内。这种采用两个DBR的构造进一步允许例如通过适当的增益层掺杂电泵浦增益层。
也可以使用采用第二激光元件的光泵浦，来替代增益层的电泵浦。此外，由于频率转换通常依赖于光在基频下的确定极化，所以外腔可以包括极化控制元件，例如二维线光栅结构。可以存在聚焦元件(例如聚焦透镜)以进一步增强激光发射或所述设备的频率转换特性。
如上所述，检测装置设计用来检测至少一个物理值，其允许最大化第二频率的光的功率。通常，频率转换设备的温度变化是关键的参数，因此检测装置可以包括温度检测器，其配置用于测量频率转换设备的温度或其温度的变化。使用适当的数据库，就能确定与频率转换设备的温度相应的相位匹配带宽波长，并且将带通滤波装置调谐到这个波长。
在本发明的优选实施例中，检测装置包括光学检测器，其可操作来检测第二频率的光的功率。该实施例有利地允许直接最大化第二频率下的光学功率，而与使功率可能下降的原因无关。该光学检测器可以是例如pin光电二极管或本领域已知的其它任何适用于希望的第二频率的光学检测器。检测装置还可以包括控制电路(例如PID控制器)以允许有效地补偿波长漂移。如前所述，检测装置和/或光学检测器优选地可以在在激光元件的半导体衬底上形成，以减小所述设备的整体复杂度。
尽管优选的是将光学检测器置于外腔之外以减小外激光腔中的损失，但是为了获得小的设备形状因子，可以将光学检测器布置在激光设备的外腔内。例如，耦合出外腔的一小部分第二频率的光束可通过本领域已知的分束器导向至光学检测器。
所述可调谐光学带通滤波装置可以是任何适当的类型，其允许对外腔中的光进行滤波。带通滤波装置的带宽应当适应特定的频率转换设备，例如，使用3毫米长度的典型PPLN晶体以便将1060纳米的IR辐射转换为绿色可见光范围，该滤波器的带宽应当大致为0.7纳米FWHM。
为了增加外腔中频率转换的效率，优选的是将带通滤波装置的带宽选择为极小，这样就限制了允许产生基频激光的外腔的纵模的数量。这可以通过选取滤波器的带宽小于相邻纵向扩展腔模式的波长间隔来实现。最优选的是，基频下的纵模的数量为1。例如，在1060纳米基频波长下使用1厘米长度的外腔，这导致所需的滤波器带宽低于0.06纳米FWHM。
优选地，所述可调谐光学带通滤波装置包括可调谐光学带通电介质滤波器。这种滤波器可以有利地设计成具有非常窄的带传输特性。本领域公知的是，电介质滤波器的调谐可通过改变滤波器材料的折射率来实现。例如，可以通过例如改变作用于电介质滤波器的压力来改变由压力敏感滤波器材料制成的该电介质滤波器的折射率，其例如使用压电元件。此外，还可以通过改变电介质滤波器的温度来调谐该滤波器，其例如使用适当的加热/致冷装置，即帕尔贴(Peltier)元件。尽管这样将需要温度控制，但是主动控制电介质滤波器的温度比控制频率转换设备或激光元件的温度更简单。
最优选的是，所述光学带通滤波装置包括法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪和用于调谐该干涉仪的谐振频率的驱动元件。法布里-珀罗干涉仪(标准具)为本领域公知，其基于两个电介质反射表面之间的干涉。这种干涉仪的谐振频率可通过反射表面之间的光程的变化进行调谐。应当注意，尽管法布里-珀罗干涉仪通常具有多个谐振频率以及因而多个通带，但是当该干涉仪的两个谐振峰之间的自由光谱范围被选取成大于激光元件的可能的温度漂移带宽和发射带宽时，就能获得“准”单带通特性。例如，对于1060纳米的基频和典型地为InGaAs类型的激光元件而言，所述滤波器的最大光程将为10微米。
为了能够对带通滤波器调谐并且从而改变反射表面之间的光程，可以采用任何适当的驱动器，例如微机电(MEMS)驱动器。在所示上例中，驱动器应当允许有至少100纳米的偏离(deflection)。优选地，驱动器为压电驱动器。压电驱动器有利地允许以亚纳米分辨率进行精确和快速的定位。最优选地，采用叠层型压电驱动器。根据压电驱动器的类型，可以容易地集成在激光元件的半导体衬底上的驱动电路可能是必要的。
在本发明的一个优选实施例中，频率转换设备和带通滤波器集成地形成。这样的设计有利地减少了激光设备的必要部分。优选地，频率转换设备包括在激光设备的光轴上分开布置的第一和第二元件，其中第一和第二元件具有相对的表面，其形成法布里-珀罗干涉仪。两个表面都带有涂层，用于获得基频下的高反射率。最优的是，涂层还进一步设计为对于第二频率是抗反射的，以实现第二频率的光的有效的外耦合。
采用这种构造，有利地在频率转换设备的两个元件之间形成干涉仪。带通滤波器的调谐可以容易地通过使用前述的驱动器使第一或者第二元件沿光轴移位来实现。这两个反射表面应当保持相互平行。
第一和/或第二元件可设计为具有频率转换特性。优选地，两个元件具有相同的折射率，因为这确保光束只平行于光轴移位，这避免了在激光设备的外腔内需要昂贵的角度补偿。此外，为了进一步最小化外腔中的反射损失，优选的是向所述元件的不对法布里-珀罗干涉仪产生贡献的表面提供至少在基频下的抗反射涂层。
在本发明的一个优选实施例中，形成法布里-珀罗干涉仪的第一和第二元件的相对表面相互平行并向光轴倾斜。这种优选构造允许自由选取表面的反射率，而没有这些表面在基频下的反射率太高时充当激光镜的风险，其允许产生激光而无需对干涉仪进行带通滤波增强。此外，相对表面的高反射率值有利地增强了对比度并且允许实现干涉仪的窄带宽。
优选地，所述相对的表面以高于2°的角度向光轴倾斜。高于2°的大倾角允许将极化控制合并到干涉仪的反射表面中，这有利地增强了设备的成本有效而紧凑的构造。因为如前所述，频率转换通常依赖于基频光的确定极化，因此基频光的极化控制是重要的。
尽管对于垂直入射来说，电介质(光学)表面的反射特性对于入射光的所有可能的极化是不变的，但是对于非垂直入射而言，反射系数是与极化相关的。然而，大倾角要求干涉仪的表面在光轴上的间距非常小，以避免多次反射的光束失去空间重叠，这将降低干涉仪的性能。优选地，倾角在10°与45°之间。最优选的是，置于相对表面上的涂层为多层涂层，其能有利地设计为具有强的极化控制。
如前所述，反射器装置设计为在基频下具有高反射率以允许在外腔内发射激光，并且优选地在第二频率下表现出抗反射特性，从而允许实现第二频率的光的有效外耦合。为此，可采用带适当涂层的普通激光镜。可替换地，可采用设计具有上述适当特性的体布拉格光栅来代替激光镜。
根据本发明的一个优选实施例，所述反射器装置为布置在光学带通滤波器上或在频率转换设备上的涂层。该实施例有利地进一步简化了设备的构造。为了能够在外腔内发射激光，涂层在基频下具有高反射率，并且优选地在第二频率下表现出抗反射特性。为了实现稳定的激光操作，可能有必要提供聚焦透镜。如本领域所已知的，聚焦透镜可布置在外腔中或在激光元件的面向外腔的一侧，或可形成为激光元件的半导体衬底中的热透镜。优选地，反射器装置形成为不构成法布里-珀罗干涉仪的第二元件的表面上的涂层。
根据本发明的图像投影单元包括至少一个前述的外腔表面发射激光设备、电子控制单元和至少一个空间光调制器。激光设备允许产生具有高光束质量和高亮度的光束，因此对于投影仪应用是理想的。由于对于RGB投影单元而言，以合理的成本和努力直接产生绿色激光是不可能的，因此上面讨论的带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备就非常有利于这样的应用。举例来说，使用恰当设计的PPLN晶体作为频率转换设备，就可能通过使用发射基本波长为1064纳米的光的IR激光元件产生532纳米的绿色光。当然，本发明不限于产生绿色光；其它的颜色也可以通过部件的适当设计产生。为了进一步增强投影单元的亮度，优选的是在单个激光设备中使用激光元件阵列或每种颜色使用激光设备阵列。
空间光调制器可以是任何设备，其允许根据给定的颜色分布(例如视频信号)产生图像。这种空间光调制器可以是二进制光阀，例如DLP设备、LCOS(硅上液晶)调制器、LCD设备或微机电(MEMS)扫描仪，其可以通过扫描激光束产生图像。
应当理解的是，图像投影单元可以包括其它电的、光的或机械的部件，其依据希望的应用而可能是必要的。
根据本发明的方法，腔内转换光利用外腔表面发射激光设备产生，该设备包括：至少一个具有多层的表面发射激光元件，其中布置至少一个增益层和反射层以便获得基频激光；反射器装置，其与表面发射激光器分开布置以形成外腔；频率转换设备，其置于外腔中以产生不同于基频的、通常是基频的谐波频率的第二频率的光；可调谐光学带通滤波装置，其置于外腔中；以及检测装置，其中所述带通滤波装置依据检测装置获取的信号进行调谐，以最大化激光设备在第二频率下的输出功率。
为了调谐所述带通滤波器，可以采用任何适当的控制信号。该信号可用检测装置直接产生或由适当的控制电路(例如微控制器)产生。为了有效地最大化第二频率下的输出功率，本领域已知一些适当的迭代和递归最大化方法。这种方法可以有效地用于闭环以实现实时操作或在给定时间间隔内操作。
附图说明
本发明的上述和其它目标、特征及优势根据以下优选实施例的描述将变得清楚明白，其中：
图1以截面视图显示了根据本发明的激光设备的第一实施例，和
图2显示了根据本发明的激光设备的第二实施例。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备的第一实施例。半导体表面发射激光元件1设计为带有增益层1a，该层被夹在两个分布式布拉格反射器(DBR)1b、1c之间。衬底1d用于机械地支承激光元件1的各层，并且在基频下是透明的。上述及图中所示的构造与典型的VCSEL激光设备的构造类似。
增益层1a包括嵌入GaAs中的InGaAs量子阱，其设计用于发射基频或波长为1064纳米的光。两个DBR 1b、1c形成内激光腔，因此DBR 1b在基频下具有高反射率(＞99.8％)。DBR 1c的反射率较低，从而允许外耦合到和反馈自外腔12，外腔由激光镜2构成。DBR 1b为p型掺杂，DBR 1c为n型掺杂，它们提供电泵浦电流给增益层1a以允许实现电泵浦。当然，也可以以相反的顺序掺杂DBR 1b和1c，这取决于希望的应用。
激光镜2在基频下表现出高反射率，并在其面向外腔12的内表面有至少对于第二频率的抗反射涂层(图中未显示)。可替换地，激光镜2可以用本领域已知的具有适当特性的体布拉格光栅来代替。
第二频率的光由频率转换设备3产生，该设备包含第一元件3a和第二元件3b。元件3a由周期性极化铌酸锂非线性材料制成，其被设计成将基频光转换为第二频率的光。这里，第二频率为基频的波长为532纳米的二次谐波频率。元件3b由光学玻璃构成，在基频和第二频率下是透明的。元件3b可替代地可以由元件3a的材料(例如铌酸锂)制成。元件3a和3b表现出相同的折射率，因此光束在腔12中穿行时不会有角度移位。
由于频率转换设备3具有用于频率转换的窄相位匹配带宽，该带宽可能例如当温度变化时发生漂移，因此在基频下需要频率控制。
因此，元件3a和3b的相对表面整体构成可调谐的法布里-珀罗干涉仪，从而能够控制激光元件1的发射频率并且使基频下发射的光的带宽为窄。如图1中的放大部分所描绘的，这两个表面都具有涂层11以便在基频下获得高反射率。
为了调谐法布里-珀罗干涉仪，元件3a和3b之间的距离在平行于光轴的方向上变化，其在图中以虚线表示。因此，叠层型压电驱动器6布置在第二元件3b上。压电驱动器6连接到控制单元9并被其控制。作为控制单元9的输入，光学检测器7布置在外腔12之外，其配置用于测量第二频率的光的功率。检测器8检测第二频率的光束5的功率，该光束通过激光镜2耦合出外腔12。因此，光束5通过使用分束器8而分开，该分束器将一小部分第二频率的光导向检测器8。
采用上述布置，就可以有效地确定第二频率的光的功率并用此信息优化两个元件3a和3b之间的距离，由此调谐法布里-珀罗干涉仪的带通频率。这允许调节激光元件1发射的光的频率以适应所述非线性材料的相位匹配带宽。因此，有可能在闭环操作中易于最大化第二频率的光的功率。最大化可用本领域已知的方法进行，例如使用梯度方法进行。
还如图中所描绘的，元件3a和3b的相对表面相互平行并向光轴倾斜。倾角避免了这些表面充当激光镜的风险。
图2显示了根据本发明的激光设备的另一实施例。根据图2的实施例的构造总体上与图1的实施例类似。因此，采用相应的附图标记。
与图1的实施例相反，在本实施例中，外腔12由布置在频率转换设备3的第二元件3b上的电介质涂层2′构成。根据此实施例的布置因此减小了设备的复杂度。为了调谐法布里-珀罗干涉仪并由此改变第一元件3a和第二元件3b之间的距离，设置了MEMS驱动器6′。稳定的激光操作被实现，因为操作期间在激光元件1的衬底1d内形成热聚焦透镜。
本发明已在附图和前面的说明中给予图示和详细说明。这些图示和说明应当被理解为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
在权利要求中，词语“包括/包含”不排除其它元件，不定冠词“一”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施这个事实并不表明这些措施的组合不能加以利用。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对本发明范围的限制。

Claims (12)

1.一种带腔内频率转换的外腔表面发射激光设备，包括：
至少一个具有多层的表面发射激光元件(1)，其中布置至少一个增益层(1a)和反射层(1b)以便获得基频激光，
反射器装置，其与表面发射激光元件(1)分开布置以形成外腔(12)，
频率转换设备(3)，其布置在外腔(12)中以便产生不同于基频的第二频率的光，
可调谐光学带通滤波装置，其布置在外腔(12)中，
和检测装置，其中所述光学带通滤波装置可依据检测装置获取的信号进行调谐。
2.如权利要求1的设备，其中检测装置包括光学检测器(7)，该光学检测器可操作来检测第二频率的光的功率。
3.如权利要求1-2中的任何一项的设备，其中带通滤波装置包括可调谐电介质滤波器。
4.如权利要求1-2中的任何一项的设备，其中带通滤波装置包括法布里-珀罗干涉仪和用于调谐该干涉仪的谐振频率的驱动元件(6，6′)。
5.如权利要求4的设备，其中驱动器元件为压电驱动器(6)。
6.如权利要求4-5中的任何一项的设备，其中频率转换设备(3)和带通滤波装置集成地形成。
7.如权利要求6的设备，其中频率转换设备(3)包括在激光器的光轴上分开布置的第一(3a)和第二(3b)元件，其中第一(3a)和第二(3b)元件具有设有涂层(11)的相对表面，其构成法布里-珀罗干涉仪。
8.如权利要求7的设备，其中第一(3a)和第二(3b)元件的相对表面相互平行并向光轴倾斜。
9.如权利要求8的设备，其中相对表面以高于2°的角度向光轴倾斜。
10.如上述权利要求中的任何一项的设备，其中反射器装置为涂层(2′)，其置于光学带通滤波装置上或频率转换设备(3)上。
11.图像投影单元，其具有至少一个如上述权利要求中的任何一项的外腔表面发射激光设备、电子控制单元和至少一个空间光调制器。
12.采用外腔表面发射激光设备产生腔内频率转换光的方法，所述外腔表面发射激光设备包括：至少一个具有多层的表面发射激光元件(1)，其中布置至少一个增益层(1a)和反射层(1b)以便获得基频激光；反射器装置，其与表面发射激光元件(1)分开布置以形成外腔(12)；频率转换设备(3)，其置于外腔(12)中以便产生不同于基频的第二频率的光；可调谐光学带通滤波装置，其置于外腔(12)中；和检测装置，其中所述带通滤波装置依据检测装置获取的信号进行调谐，以便最大化激光设备在第二频率下的输出功率。
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