CN101785158A - 可切换的双波长固态激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有固态增益介质(1)的可切换双波长固态激光器，该固态增益介质被选择为当被光泵浦或电泵浦时发射具有第一偏振的第一波长的光辐射和具有不同于所述第一偏振的第二偏振的至少第二波长的光辐射。偏振器件(7)被布置在激光腔内，所述偏振器件(7)至少在所述第一和所述第二偏振之间是可调节的。激光腔的两个端镜(2，3)被设计为当偏振器件(7)被调节到第一偏振时允许固态激光器以第一波长发射激光，并且当偏振器件(7)被调节到第二偏振时允许固态激光器以第二波长发射激光。所提出的固态激光器允许在两个发射波长之间容易地切换。偏振器件(7)例如由普克尔盒(8)和偏振器(9)的组合实现。端镜(2，3)抑制了不想要的波长并且束流收集器(10)吸收在谐振器中未被反馈的辐射。

Description

可切换的双波长固态激光器
技术领域
本发明涉及具有可切换波长的固态激光器，其至少包括布置在激光腔的两个谐振器端镜之间的固态增益介质，所述固态增益介质在被光泵浦或电泵浦时以若干波长发射光辐射。
激光器固有的高辐射率使得它们对于有高光学需求的所有应用的光源的理想候选。一旦发射蓝色、绿色和红色光的激光器是可获得的，它们便可以例如取代UHP灯作为投影系统的光源。直到现在，缺乏绿色波长区域内的集成激光源阻碍了激光器在显示或照明应用中的广泛使用。现在所使用的绿色波长区域的激光源依赖于通过红外激光源的二次谐波产生或通过上转换的频率转换。从红外波长区域的二次谐波产生或上转换的可替代方案是蓝色激光源的频率转换，正如公知的染料激光器和针对红外线的Nd:YAG激光器的情况。随着基于GaN的、用于蓝紫色区域的激光二极管的最近的发展，该方案变得对可见波长处的全固态器件有吸引力。在这种固态激光器件中，合适的固态增益介质被基于GaN的激光二极管光泵浦以便发射在蓝色、绿色或红色波长区域中的激光辐射。
背景技术
用于这种器件的合适的固态增益介质必须具有蓝紫色波长区域中的吸收线。掺杂稀土离子的不同的结晶的基质材料已经被提出作为用于这种固态激光器件的增益介质。Pr3+离子是本上下文中最令人感兴趣的，因为它显示了在GaN激光二极管的典型发射波长处的吸收并且能够将该辐射转换为在蓝色、绿色、红色和橙色波长处的激光发射。
US 6,490,309B1公开了一种固态激光器件，其中Pr3+掺杂的晶体被基于GaN的激光二极管光泵浦。该文献提出了不同的Pr3+掺杂的晶体以从Pr3+获得在若干可见波长处的激光发射。该文献中示出的示范性实施例基于Pr3+掺杂的LiYF4(YLF)晶体。而且，Pr3+的激光发射据报告是从下面的基质获得的：BaY2F8，Ba(Y，Yb)2F8，LaF3，Ca(NbO3)2，CaWO4，SrMoO4，YAlO3，Y3Al5O12，Y2SiO5，YP5O14，LaP5O14，LuAlO3，LaCl3，LaBr3，PrBr3，YVO4和GdVO4。该文献的固态激光器被设计为仅仅在由Pr掺杂的晶体发射的若干可能的波长之一处工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以容易地在两个不同的发射波长之间切换的固态激光器。
该目的利用根据权利要求1的固态激光器实现。该固态激光器的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分中被描述。
所提出的固态激光器包括布置在激光腔的两个谐振器端镜之间的固态增益介质。该固态增益介质被选择为当其被光泵浦或电泵浦时发射具有第一偏振的第一波长的光辐射和至少具有不同于所述第一偏振的第二偏振的第二波长的光辐射。该固态激光器进一步包括布置在激光腔内的偏振器件。该偏振器件至少在所述第一和所述第二偏振之间是可调节的，即在第一调节状态中允许仅仅透过具有所述第一偏振的光辐射并且在第二调节状态中允许仅仅透过具有所述第二偏振的光辐射。激光腔的两个端镜被设计为(即包括合适的依赖于波长的反射率)当偏振器件处于第一调节状态时允许固态激光器以所述第一波长发射激光并且当偏振器件处于第二调节状态时允许固态激光器以所述第二波长发射激光。
利用所提出的固态激光器，通过在两个偏振之间切换或调节偏振器器件，该激光器的发射波长可以容易地在第一和第二波长之间切换。这可以例如通过手动地将偏振器元件从第一偏振旋转到第二偏振来手动地执行。偏振器元件的这种旋转也可以由合适的致动器例如电动机来执行。激光腔内部的用于偏振控制的偏振器件不限于这种简单的偏振器元件。例如，普克尔盒(Pockels-cell)与偏振分束器的组合也可以放置在激光腔内部以形成偏振器件。这允许通过对施加到普克尔盒的电压进行适当控制来在不同偏振之间进行电切换。技术人员清楚，偏振控制的其他装置也可以放置在激光腔内部以执行所需的偏振控制，而不脱离本发明的范围。
当使用以多于两个的不同波长发射具有足够高强度的光辐射的增益介质以允许利用合适的高反射率端镜发射激光时，端镜优选地被设计为使得在不同于第一和第二波长的波长处的激光发射被抑制。这是通过设计该端镜使之在这些不期望的波长处具有足够低的反射系数来实现的。激光腔的端镜优选地是镀介质镜，以便允许针对所提议的激光器波长切换的所需设计。
所述固态增益介质必须为了期望的偏振效应提供光学各向异性，该固态增益介质优选地基于至少双轴对称的掺杂晶体。这种例如掺杂有稀土元素的掺杂晶体已经被发现在不同的发射的波长处显示期望的不同偏振。优选地，Pr掺杂晶体被用作所提出的固态激光器的增益介质。如在引言部分已经概述的，Pr掺杂晶体以若干可见波长发射光辐射，这些可见波长对于可见波长范围内的应用来说是令人感兴趣的，特别是对于投影应用来说是令人感兴趣的。这种Pr掺杂晶体的激光发射已经被报告处于范围从522nm到907nm的6个不同的波长区域中。用于增益介质的基质晶体可以例如从晶体LiYF4、LiLuF4、KYF4、YAlO3、GdAlO3、LaF3、LaBr3或BaY2F8中选择。这种Pr掺杂的增益介质放置在形成光腔的所述两个谐振器镜之间。Pr掺杂的增益介质可以例如被蓝色激光源光泵浦，因为Pr掺杂晶体显示出在该波长区域中很强的吸收。一种可替代方案是利用经由上转换的红外辐射光泵浦这种增益介质。在这种情况下，优选地，执行已知的通过Yb离子的增益介质的共掺，这允许上转换过程的高效率。这种Pr掺杂的增益介质以不同的波长(例如640nm的红色和522nm的绿色)发射具有不同偏振的光辐射。当设计具有合适的依赖于波长的反射率的端镜(例如在640nm处和在522nm处具有高反射率)时，激光器的激光发射波长的切换可以仅仅通过适当地改变激光腔内部的偏振器件的偏振(即在640nm处的光辐射的第一偏振和在522nm处的光辐射的垂直于第一偏振的第二偏振之间改变)而在640nm和522nm之间实现。但是，也可以在对应于Pr掺杂晶体的发射线的其他两个波长之间切换，只要这两个波长的光辐射以不同的偏振被发射并且端镜被适当地设计。
从上面的描述还应当清楚，所提出的固态激光器的原理不依赖于激光腔的设计。例如，也可以使用增益介质的腔内泵浦，即固态增益介质被放置在与泵浦激光器相同的激光腔内。而且，固态增益介质也可以与泵浦激光器(例如基于GaN的泵浦激光器)一起被布置在的公共衬底上。还可以将这种固态激光器中的若干个布置在公共的衬底上，例如以便提供激光源的阵列。
在一个实施例中，RGB(R：红色，G：绿色，B：蓝色)激光源被实现，其中所提出的固态激光器件通过以所需的顺序方式在这两个波长之间切换来提供红光和绿光。可以例如利用在蓝色波长区域中发射的已知GaN激光二极管实现蓝色激光源。
参照本文下面描述的实施例，本发明的这些和其他方面将会清楚并得以阐明。
附图说明
下面在不限制权利要求所限定的保护范围的情况下，通过实例结合附图描述所提出固态激光器。该附图示出：
图1在室温下对于泵浦激光器的两个不同偏振的LiYF4:Pr的基态吸收线；
图2由443nm处的偏振激光辐射泵浦的LiLuF4:Pr的偏振发射；
图3所提出的固态激光器的实例的示意图；以及
图4根据所提出的固态激光器的一个实施例的激光腔的两个端镜的反射率的实例。
具体实施方式
用于固态激光器的一些已知的增益介质在被光泵浦时以不同的波长发射具有不同偏振的光辐射。特别地，在双轴对称的晶体中，例如Pr3+展现出吸收和发射的很强的偏振依赖性。这在图1中被示出，图1示出了LiYF4:Pr的基态吸收。在该图中，针对泵浦激光器的电场E描绘了吸收系数，泵浦激光器的电场E一方面平行于增益介质的晶体学c轴c，另一方面垂直于该晶体学c轴。晶体中Pr的掺杂水平为cPr＝0.2％。
图2针对平行于晶体的晶体学c轴c的泵浦激光器的电场E的情况示出LiLuF4:Pr的发射。该图示出对应于晶体的不同发射线的不同波长的依赖于偏振的发射，如在发射峰值处于522nm和640nm的情况下。在522nm处的发射峰值的辐射具有平行于晶体的晶体学c轴c的偏振，而在640nm处的发射具有垂直于该晶体学c轴的偏振。图2基于在443nm处的泵浦激光辐射，其中泵浦激光器的电场E平行于晶体学c轴。
由于在不同波长处的发射的偏振依赖性，所提出的固态激光器的发明人认识到这种增益介质可以允许通过适当地设计该激光器而在不同偏振的波长之间切换。
图3示出适当设计的具有这种增益介质(即Pr:LiLuF4晶体1)的固态激光器的实例，该增益介质用于在红色和绿色波长之间切换。该固态激光器的示意性结构(setup)包括布置在形成激光腔的两个谐振器端镜2、3之间的激光晶体1。第二端镜3是针对激光发射4的向外耦合镜。如图3所示，泵浦辐射5由耦合光学器件6经过第一端镜2耦合进入激光晶体1中。为了允许在Pr掺杂晶体1的红色和绿色发射线之间切换，谐振器端镜2、3必须允许同时以绿色和红色跃迁(transition)发射激光，同时抑制青色(491nm)和橙色(603nm到606nm)跃迁。因此，图3中左侧的高反射率谐振器镜2必须对于泵浦激光的波长和对于青色波长具有高透过率，例如在420nm到500nm处T＞80％，对于绿色波长具有高反射率，例如在500nm到570nm处R＞90％，在橙色波长范围中具有高透过率，例如在580nm和620nm之间T＞60％，以及对于红色波长区域再次具有高反射率，例如在630nm到660nm处R＞90％。用作向外耦合镜的第二端镜将具有相似的属性，但存在例外，即必须在绿色和红色激光波长处允许某种透过率以便向外耦合，例如在510nm到530nm和630nm到660nm的波长范围中T＝2％。
图4示出两个端镜2、3的独立于波长的镜透过率(mirrortransmission)的实例。在该图中，第一谐振器端镜2对于红色和绿色波长具有近100％的高反射率，而在这些波长范围中向外耦合镜3仍然具有近2％的小透过率。
为了允许在红色和绿色波长之间进行切换，偏振控制器7(参见图3)被布置在激光晶体1和激光腔内的端镜2、3之一之间。在该腔内的这种偏振控制器7的最简单的情况是能够相对于Pr:LiLuF4晶体1的晶体学c轴c围绕谐振器光轴旋转的偏振器。由于电场E平行于晶体的c轴，与图2中的曲线图相同，将偏振器轴p设置为平行于晶体的c轴c将允许绿色跃迁以发射激光并且将抑制红色跃迁。旋转偏振器90°设置轴p垂直于c并且因此引入绿色波长的损失并允许在红色跃迁上发射激光。因为所有令人感兴趣的Pr跃迁源于热耦合能级3P0-2和1I6，所以发射波长之间的切换是快速的并且不会由于激光上能级的寿命而减慢。
取代简单的偏振器，如图3所示，可以实现偏振控制器7的更加精心设计的版本。在这种情况下，普克尔盒8与偏振分束器9相组合，将在激光腔之外错误地偏振的辐射偏转到束流收集器10。然而，当前技术发展水平的偏振控制器的其他装置也是可能的。
上述实施例中示出的固态激光器允许在Pr+掺杂的激光晶体的不同发射波长之间容易地且方便地切换。所提出的激光器可以在处于522nm的绿色和处于640nm的红色之间切换。然而，通过适当地设计端镜，也可以在激光晶体的其他发射线之间切换。上述两个发射波长适用于激光显示器或投影仪。因此，通过使用这种技术，提供了高级可切换激光器结构(比如投影光源)，其中投影仪光学器件的一些功能(如色轮)被集成到激光源自身中，从而将来产生简单得多的且紧凑的投影仪结构。
尽管在附图和前面的描述中详细示出并描述了本发明，但是这种示出和描述被认为是说明性的或示范性的而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。上述和权利要求中的不同实施例也可以被组合。本领域技术人员在实践要求保护的本发明时通过研究附图、公开文本和所附权利要求书，能够理解并实现所公开的实施例的其他改变。例如，所提出的结构不限于在红色和绿色之间切换。其他组合也是可能的，如在红色和青色之间以及甚至在绿色-橙色和红色-橙色之间切换。激光器结构的任何修改也是可能的。图3中描绘的大块晶体也可以是波导的形式。一个可能的实例是外延生长在LiYF4上的Pr:LiLuF4。激光器不限于光泵浦的增益介质。
在权利要求中，文字“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述措施这个起码的事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中任何附图标记不应当被解释为限制这些权利要求的范围。
附图标记的列表
1Pr掺杂的激光晶体
2第一谐振器端镜
3第二谐振器端镜
4激光发射
5泵浦辐射
6耦合光学器件
7偏振控制器
8普克尔盒
9偏振分束器
10束流收集器

Claims (9)

1.具有可切换波长的固态激光器，至少包括布置在激光腔的两个谐振器端镜(2，3)之间的固态增益介质(1)，所述固态增益介质(1)被选择为当被光泵浦或电泵浦时发射具有第一偏振的第一波长的光辐射和具有不同于所述第一偏振的第二偏振的至少第二波长的光辐射，
其中偏振器件(7)被布置在所述激光腔内，所述偏振器件(7)至少在所述第一和所述第二偏振之间是可调节的，并且其中所述两个端镜(2，3)被设计为当所述偏振器件(7)被调节到第一偏振时允许所述固态激光器以所述第一波长发射激光，且当所述偏振器件(7)被调节到所述第二偏振时允许所述固态激光器以所述第二波长发射激光。
2.根据权利要求1的固态激光器件，
其中所述固态增益介质(1)由至少双轴对称的掺杂晶体形成。
3.根据权利要求1或2的固态激光器件，
其中所述固态增益介质是Pr掺杂的。
4.根据权利要求1的固态激光器件，
其中所述偏振器件(7)是可围绕光学谐振器轴旋转的偏振器元件。
5.根据权利要求1的固态激光器件，
其中所述偏振器件(7)包括与偏振分束器(9)组合的普克尔盒(8)。
6.根据权利要求1的固态激光器件，
其中所述固态增益介质(1)在被光泵浦或电泵浦时还以不同于所述第一和第二波长的第三波长发射光辐射，并且其中所述端镜(2，3)被设计为抑制以所述第三波长发射激光。
7.根据权利要求1的固态激光器件，
其中所述第一波长处于绿色波长区域中并且所述第二波长处于红色波长区域中。
8.包括至少一个根据权利要求1的固态激光器的RGB激光源。
9.一种投影设备，包括至少一个根据权利要求1的固态激光器作为光源。
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