CN101836339A - 波长转换光学组合件中的强度调制 - Google Patents

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Abstract

本发明的特定实施方式一般涉及用于控制含半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件的光学组合件的方法。光谱滤波器和波长转换器件共同地定义一种波长传递函数，该函数包括可归因于光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于波长转换器件的转换带宽部分。该波长传递函数的透射带宽部分小于半导体激光器的一个自由光谱范围。该方法包括：引导固有激光输出穿过光谱滤波器和波长转换器件；以及通过移动固有波长光谱且使移动量小于半导体激光器的一个自由光谱范围来调谐半导体激光器，从而调制该光学组合件的经波长转换的激光输出的强度。还揭示了其它实施方式。

Description

波长转换光学组合件中的强度调制
有关申请的交叉参照
本申请涉及2007年7月20日提交的题为“INTENSITY MODULATION INWAVELENGTH CONVERTING OPTICAL PACKAGE”的共同待批且一起转让的美国专利申请11/880,289，并要求其权益。
背景技术
本发明一般涉及半导体激光器、激光控制器、激光投影系统以及其它包括半导体激光器的光学系统。更具体地讲，本发明涉及一种半导体激光器耦合到波长转换器件的光学组合件中的光谱滤波和强度调制。
发明内容
半导体激光器可以按照各种方式进行配置。例如，为了说明而非限制，通过将单波长半导体激光器(比如分布反馈(DFB)激光器或分布布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-波罗激光器)与光波长转换器件(比如二次谐波产生(SHG)晶体)组合起来，就可以配置出用于高速调制的短波长的源。通过将比如1060nm DBR或DFB激光器调谐到SHG晶体(该晶体将该波长转换成530nm)的光谱中心，就可以将SHG晶体配置成产生激光信号的基波的更高次谐波。
SHG晶体(比如掺MgO的周期性极化的铌酸锂(PPLN))的波长转换效率强烈地取决于激光二极管和SHG器件之间的波长匹配。如熟悉激光器设计的技术人员所理解的那样，DFB激光器是使用栅格或相似结构的谐振腔激光器，该栅格或相似结构被蚀刻到半导体材料中成为反射介质。DBR激光器是这样的激光器，其中蚀刻出的光栅与半导体激光器的电子泵浦区域物理地分离开。SHG晶体使用非线性晶体的二次谐波产生性质来使激光辐射发生倍频。
PPLN SHG器件的带宽通常是非常小的，对于典型的PPLN SHG波长转换器件而言，半高全宽(FWHM)波长转换带宽通常仅在0.16-0.2nm的范围中，并且很大程度上取决于晶体的长度。在操作过程中，激光腔内的模式跳变和不受控制的大波长变化会导致半导体激光器的输出波长移动到该可允许的带宽之外。一旦半导体激光器的波长偏移到PPLN SHG器件的波长转换带宽之外，则转换器件在目标波长处的输出功率就急剧地下降。例如，在激光投影系统中，这些输出功率的下降特别成问题，因为它们会在图像的特定位置处产生很容易被看作缺陷的瞬时变化。这些可见的缺陷通常作为有组织的图案化的图像缺陷凸显在图像上，因为所产生的图像简直是该激光器的不同部分的温度演变的特征。
通常，当半导体激光器的增益电流增大时，增益部分的温度也会增高。结果，腔模式朝着更高的波长移动。与DBR部分的波长相比，腔模式的波长移动得更快。所以，激光器达到这样一点，即较低波长的腔模式更接近于DBR反射率曲线的最大值。在此刻，与已建立的模式相比，较低波长的模式具有更低的损耗，根据激光物理学的基本原理，激光器接下来会自动地跳到具有更低损耗的模式。通常，发射波长缓慢地增大，并且包括其振幅等于激光腔的一个自由光谱范围的突然的模式跳变。
在许多应用中，通常需要调制含半导体激光器的光学组合件的输出强度。当半导体激光器被调制以产生数据时，热负载恒定地变化。所导致的激光器温度以及激光发射波长变化产生SHG晶体的效率的变化。在12mm长PPLN SHG器件的情况下，相关联的半导体激光器发生大约2℃的温度变化通常就足以使激光器的输出波长偏离到该晶体的0.16nm半高全宽(FWHM)波长转换带宽之外。
例如，并非限制，激光投影系统可以被配置成通过一个或多个基于激光的光源的逐个像素的强度变化而产生复杂的投影图像。本申请的发明人已认识到，当强度被调制时，上述热特征通常持续存在于这种组合件中。在许多情况下，基于激光的光源中的强度调制会加重这种热特征。根据本发明，预期强度调制例程以及相关联的光学组合件和有关器件可用作基于激光的光源中的常规强度调制的备选方案。当然，预期本发明可以解决、管理、最小化或控制一种强度调制的基于激光的光源内的模式跳变和不受控制的大波长变化。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于控制含半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件的光学组合件的方法。光谱滤波器和波长转换器件共同地定义一种波长传递函数，该函数包括可归因于光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于波长转换器件的转换带宽部分。该波长传递函数的透射带宽部分小于半导体激光器的一个自由光谱范围。半导体激光器被配置成产生一种包括固有波长光谱的固有激光输出，该固有波长光谱显著地宽于波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分。该方法包括：引导上述固有激光输出穿过光谱滤波器和波长转换器件；以及通过使上述固有波长光谱移动且移动的量小于半导体激光器的一个自由光谱范围，来调谐半导体激光器以调制该光学组合件的波长转换激光输出的强度。
根据本发明的另一实施方式，通过使半导体激光器的固有波长光谱的重要部分从波长传递函数内的波带移动到波长传递函数外的波带，来调谐半导体激光器从而调制上述光学组合件的波长转换激光输出的强度。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种含半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件的光学组合件。光谱滤波器和波长转换器件共同地定义一种波长传递函数，该函数包括可归因于光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于波长转换器件的转换带宽部分。该波长传递函数的透射带宽部分小于半导体激光器的一个自由光谱范围。半导体激光器包括波长可调谐激光源，并且被配置成产生含固有波长光谱的固有激光输出，可以在一个比波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分大的范围中对该固有波长光谱进行调谐。光学组合件被配置成引导半导体激光器的固有激光输出穿过上述光谱滤波器和波长转换器件。
根据本发明的另一个实施方式，半导体激光器包括波长可调谐激光源，它被配置成允许半导体激光器的固有波长光谱的重要部分从波长传递函数内的波带移动到波长传递函数外的波带。
根据本发明的其它实施方式，预期会有被编程为根据本发明的概念来操作半导体激光器的激光控制器。还预期会有含本发明的一个或多个半导体激光器和相应的激光控制器的激光投影系统。尽管本发明的概念主要是在图像形成方面进行描述的，但是，可以预期，本发明的各种概念也可以应用于激光波长的可重复低频波动是个问题的任何激光应用。
附图说明
在与附图相结合的情况下，可以对本发明的特定实施方式的详细描述作最佳的理解，其中相似的结构是用相似的标号来表示的，其中：
图1是相对宽的激光输出光谱以及相应的耦合到激光器的波长转换器件的光谱带宽的图示；
图2是相对于图1所示相应的光谱带宽而得到的经波长调制的相对宽的激光输出光谱的图示；
图3是光学组合件的示意图以及可以使用波长调制以产生经强度调制的光学输出的方式；
图4是根据本发明一实施方式的波长转换器件与经滤波的激光输出光谱的组合而定义的相对窄的波长传递函数的图示；
图5是在图4所示相对窄的波长传递函数的情况下适于强度调制波长调制程度的图示；以及
图6是根据本发明一实施方式定义相对窄的波长传递函数的光学组合件以及可使用波长调制来产生经强度调制的光学输出的方式。
具体实施方式
先参照图1-3，方便地示出了本发明的特定实施方式的概念，半导体激光器10光耦合到光波长转换器件20。半导体激光器10所发射的光束15可以直接地耦合到波长转换器件20的波导中，或者可以通过准直与聚焦光学设备或其它类型合适的光学元件或光学系统进行耦合。波长转换器件20将入射光转换成更高次谐波并且输出经转换的信号25。此类配置特别适用于从波长较长的半导体激光器中产生波长较短的激光束，并且可用作激光投影系统的绿色可见激光源。
通过调制半导体激光器10的波长，就可以调制经转换的信号25的强度，因为波长转换器件20的波长转换效率取决于半导体激光器10和波长转换器件20之间的波长匹配。更具体地讲，参照图1，其中示出了激光输出光谱的示例，当最高强度λMAX的纵模与波长转换器件20的光谱转换带宽w对准时，经转换的信号25的强度将接近最大值。相反，参照图2，当激光器被调谐得使高强度纵模移动到波长转换器件20的光谱转换带宽w之外时，经转换的信号25的强度将显著地下降。图3示意性地示出了这种激光发射波长的移动以及相应的强度下降。产生上述强度下降所对应的激光发射波长的移动程度在图2中被显示成波长调制λMOD。λMOD的幅度通常是足够大的，以使光束15完全消光。通常，该幅度需要至少是全局光谱曲线的半高全宽(FWHM)的两倍或三倍。
本申请的发明人已认识到，在许多情况下，图1-3所示的波长调制可以产生显著的热图案，因为强度调制所必需的波长调谐程度λMOD可以产生会导致波长移动的温度变化。另外，上述波长调谐也可以产生模式跳变，特别是在波长调制λMOD的幅度大于激光器自由光谱范围的情况下，正如图1、2所示的情况。尽管本发明并不限于波长变化或突然的模式跳变的任何特定的显现，但是在激光投影系统中，这些波长波动可以产生平滑的强度变化并且模式跳变可以产生相对突然的强度偏移。这些缺陷在图像中产生的特定图案可以与许多因素有关，其中包括但不限于：激光器温度；激光器自由光谱范围；PPLN晶体光谱带通；激光器DBR相对于PPLN晶体的光谱对准等等。不管缺陷图案的本质如何，该图案本身可以代表图像中的问题，因为它在图像中呈现出很容易识别的系统性结构。此外，对于准静态图像而言，这些缺陷通常在每个帧中都重复出现，从而非常容易识别出图像中的缺陷。本申请的发明人已认识到，当激光器经历一些模式跳变时，模式被选中的方式似乎遵循某些随机的规则。结果就是，鉴于模式选择的不可预计性，所以凡是涉及波长变化且其变化幅度大于激光器自由光谱范围的所有调制方法都是很难控制的。
根据本发明的通过波长调谐实现强度调制的各种光学组合件以及相关控制方法可以结合图4-6进行示出，其中光学组合件包括可调谐半导体激光器10、光谱滤波器30和波长转换器件20。光谱滤波器30与波长转换器件20共同定义一种波长传递函数，传递函数带宽是w′，因为该传递函数是光谱滤波器30的透射带宽与波长转换器件20的转换带宽部分的组合。通常，传递函数带宽w′不会延伸超越波长转换器件20和光谱滤波器30所定义的各个带宽边界。例如，当波长转换器件20和光谱滤波器30的各个带宽彼此大致对准并且宽度大致相等时，上述传递函数带宽w′将与各个部分的带宽一样。当波长转换器件20和光谱滤波器30的各个带宽彼此大致对准但具有不同的值时，上述传递函数带宽w′将取这两个带宽部分中较窄的带宽值。当波长转换器件20和光谱滤波器30的各个带宽仅仅是交叠时，上述传递函数带宽w′将被限于该交叠部分的带宽。
在实施本发明的各实施方式的过程中，应该小心确保波长转换器件20和光谱滤波器30的各个带宽至少有一定程度的交叠，因为如果没有交叠，则该光学组合件不会发出显著的经转换的激光输出。例如，并非限制，在光谱滤波器30包括法布里-波罗滤波器且波长转换器件20包括PPLN SHG晶体的情况下，光谱滤波器30的透射带宽可以小于0.06，晶体20的转换带宽可以是0.06nm、0.1nm、0.2nm或更小。在本示例中，传递函数带宽w′会小于或等于0.06nm。
如图4所示，当最高强度λMAX的纵模与波长转换器件20的传递函数带宽w′的中心对准时，波长转换器件20的输出处所产生的经转换的信号25′的强度将接近最大值。相反，参照图5，当激光器被调谐以使高强度纵模λMAX移动到波长转换器件20的传递函数带宽w′之外时，经转换的信号25′的强度将显著地下降。图6示意性地示出了这种激光发射波长的移动以及相应的强度下降。通常，半导体激光器10被配置成产生固有红外或近红外激光输出15，波长转换器件20被配置成产生经波长转换的蓝色或绿色激光输出25′。
产生上述强度下降所对应的激光发射波长的移动程度在图5中被显示成波长调制λ′MOD，并且幅度显著小于图2-3所示的相应的波长调制λMOD，在图2-3中没有提供光谱滤波器。结果，通过提供光谱滤波器30并且配置光学组合件使得光谱滤波器30的透射带宽是波长传递函数的一部分，就可以使用相对小的幅值波长调制在经转换的信号25′中产生显著的强度调制。此外，通过配置光学组合件使得光谱滤波器的透射带宽部分小于半导体激光器的一个自由光谱范围，那些实施本发明的技术人员就可以解决、管理、最小化或控制经强度调制的基于激光的光源内的模式跳变以及不受控制的大波长变化。
在操作过程中，半导体激光器10产生含固有波长光谱的固有激光输出15，该固有波长光谱显著宽于波长传递函数的透射带宽和转换带宽部分，与图1和2所示的相似。然而，如图4-6所示，引导相对宽的固有激光输出15穿过光谱滤波器30和波长转换器件20，通过图5所示相对窄的波长调制λ′MOD来调谐半导体激光器10。根据这种调制方案，固有波长光谱的移动量小于半导体激光器的一个自由光谱范围就足以调制光学组合件的经波长转换的激光输出25′的强度。考虑到固有激光输出15具有相对大的宽度，仅仅使半导体激光器10的固有波长光谱的一部分从传递函数带宽w′之内移动到传递函数带宽w′之外的波带通常就足够了，正如图5所示那样。
通常，通过使半导体激光器10的固有波长光谱15移动一个量且该移动量小于可归因于光谱滤波器30的透射带宽，就可以对半导体激光器进行强度调制。例如，并非限制，在光谱滤波器的透射带宽小于0.06nm的情况下，通过使半导体激光器的固有波长光谱移动一个小于0.06nm的量，就可以实现强度调制。注意到，波长传递函数的一部分也可归因于波长转换器件20，也预期到，通过使半导体激光器10的固有波长光谱15移动一个量且该移动量小于可归因于波长转换器件20的转换带宽，就可以对半导体激光器进行强度调制。例如，并非限制，在波长传递函数的转换带宽大约小于0.2nm的情况下，通过使半导体激光器的固有波长光谱移动一个小于0.06nm的量，就可以实现强度调制。考虑到光谱滤波器和波长转换器件被预计具有显著更窄的带宽，预期到，远小于0.1nm的波长移动量(在0.01nm的量级上)可以被用于在波长转换光学组合件中实现强度调制。
在本发明的特定实施方式中，半导体激光器10包括DBR激光器，通过将电流加到DBR激光器的相位部分，使波长移动。在本发明的其它实施方式中，半导体激光器10包括DBR激光器，通过将电流加到激光器的相位部分和DBR部分，使波长移动，从而防止半导体激光器中的模式跳变。在本发明的其它实施方式中，半导体激光器10包括DBR激光器，通过将反向电压加到半导体激光器10的相位部分，使波长移动，从而防止热漂移。
尽管图6示出了光谱滤波器30是在波长转换器件20的上游，但是预期到，可以在引导固有激光输出15穿过波长转换器件20之前或之后(或两种情况同时存在)，引导该固有激光输出15穿过光谱滤波器30。关于光谱滤波器30和波长转换器件20的选择和配置，注意到，通常更方便的是，配置光学组合件使得可归因于光谱滤波器30的透射带宽小于或等于可归因于波长转换器件20的转换带宽。
预期到，本发明的概念可以被用于各种基于激光的光源，这些光源可以被用于基于像素的投影系统、基于空间光调制器的系统(包括数字光处理(DLP)、透射式LCD和硅上液晶(LCOS))等。还预期到，光学组合件可以被配置成通过为该组合件提供激光控制器从而实施本发明的特定方面，该激光控制器被编程为使半导体激光器的固有波长光谱发生移动从而以本文所描述的方式对光学组合件的经波长转换的输出进行强度调制。
应该理解，先前的描述旨在提供一种概述或框架，以便理解本发明的本质和特征。对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。由此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案中就可以。
注意到，在本文中，像“较佳地”、“共同地”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。
为了描述并限定本发明，注意到，本文用“大约”一词来表示任何定量比较、值、测量、或其它表示固有的不确定性。

Claims (21)

1.一种用于控制光学组合件的方法，所述光学组合件包括半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件，其中：
所述光谱滤波器和所述波长转换器件共同地定义一波长传递函数，所述波长传递函数包括可归因于所述光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于所述波长转换器件的转换带宽部分；
所述波长传递函数的透射带宽部分小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围；
所述半导体激光器被配置成产生含固有波长光谱的固有激光输出，可在大于或等于所述波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分的范围中调谐所述固有波长光谱；以及
所述方法包括：引导所述固有激光输出穿过所述光谱滤波器和所述波长转换器件；以及通过使所述固有波长光谱移动且移动的量小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围，来调谐所述半导体激光器以调制所述光学组合件的经波长转换的激光输出的强度。
2.一种用于控制光学组合件的方法，所述光学组合件包括半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件，其中：
所述光谱滤波器和所述波长转换器件共同地定义一波长传递函数，所述波长传递函数包括可归因于所述光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于所述波长转换器件的转换带宽部分；
所述半导体激光器被配置成产生含固有波长光谱的固有激光输出，所述固有波长光谱显著地宽于所述波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分；以及
所述方法包括：引导所述固有激光输出穿过所述光谱滤波器和所述波长转换器件；以及通过使所述半导体激光器的固有波长光谱的重要部分从所述波长传递函数内的波带移动到所述波长传递函数外的波带，来调谐所述半导体激光器以调制所述光学组合件的经波长转换的激光输出的强度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述波长传递函数的透射带宽部分小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围；
通过使所述固有波长光谱移动且移动的量小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围，来调谐所述半导体激光器。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
通过使所述半导体激光器的固有波长光谱移动一个小于所述波长传递函数的透射带宽部分的量，来调谐所述半导体激光器。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述波长传递函数的透射带宽部分大约小于0.06nm，
通过使所述半导体激光器的固有波长光谱移动且移动的量大约小于0.06nm，来调谐所述半导体激光器。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
通过使所述半导体激光器的固有波长光谱移动一个小于所述波长传递函数的转换带宽部分的量，来调谐所述半导体激光器。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：
通过使所述半导体激光器的固有波长光谱移动且移动的量大约小于0.06nm，来调谐所述半导体激光器。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述半导体激光器包括DBR激光器，
通过将电流加到DBR激光器的相位部分，使波长发生移动。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述半导体激光器包括DBR激光器，
通过将电流加到激光器的相位部分和DBR部分以使波长发生移动，从而防止半导体激光器中的模式跳变。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述半导体激光器包括DBR激光器，
通过将反向电压加到所述半导体激光器的相位部分以使波长发生移动，从而防止热漂移。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
在引导所述固有激光输出穿过所述波长转换器件之前，引导所述固有激光输出穿过所述光谱滤波器。
12.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
在引导所述固有激光输出穿过所述光谱滤波器之前，引导所述固有激光输出穿过所述波长转换器件。
13.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述光谱滤波器包括法布里-波罗滤波器。
14.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述波长转换器件包括SHG晶体。
15.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述半导体激光器被配置成产生固有的红外或近红外激光输出，
所述波长转换器件被配置成产生经波长转换的蓝色或绿色激光输出。
16.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述波长传递函数的透射带宽部分小于或大约等于所述波长传递函数的转换带宽部分。
17.一种包括半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件的光学组合件，其中：
所述光谱滤波器和所述波长转换器件共同地定义一波长传递函数，所述波长传递函数包括可归因于所述光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于所述波长转换器件的转换带宽部分；
所述波长传递函数的透射带宽部分小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围；
所述半导体激光器包括波长可调谐激光源，并且被配置成产生含固有波长光谱的固有激光输出，所述固有波长光谱显著地宽于所述波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分；以及
所述光学组合件被配置成引导所述半导体激光器的固有激光输出穿过所述光谱滤波器和所述波长转换器件。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述光学组合件是可见光源的一部分并且被包括在激光投影系统中。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：
所述光学组合件还包括激光控制器，所述激光控制器被编程为使所述半导体激光器的固有波长光谱发生移动。
20.一种包括半导体激光器、光谱滤波器和波长转换器件的光学组合件，其中：
所述光谱滤波器和所述波长转换器件共同地定义一波长传递函数，所述波长传递函数包括可归因于所述光谱滤波器的透射带宽部分以及可归因于所述波长转换器件的转换带宽部分；
所述半导体激光器被配置成产生含固有波长光谱的固有激光输出，所述固有波长光谱显著地宽于所述波长传递函数的透射带宽部分和转换带宽部分；
所述光学组合件被配置成引导所述半导体激光器的固有激光输出穿过所述光谱滤波器和所述波长转换器件；以及
所述半导体激光器包括波长可调谐激光源，所述波长可调谐激光源被配置成允许所述半导体激光器的固有波长光谱的重要部分从所述波长传递函数内的波带移动到所述波长传递函数外的波带。
21.如权利要求20所述的光学组合件，其特征在于：
所述波长传递函数的透射带宽部分小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围；
所述光学组合件还包括激光控制器，所述激光控制器被编程为通过使所述固有波长光谱移动且移动的量小于所述半导体激光器的一个自由光谱范围，对所述光学组合件的经波长转换的输出进行强度调制。
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