CN1025394C - 采用二次谐波效应的小型蓝绿激光光源 - Google Patents

Abstract

生成490-500nm相干蓝绿光辐射的装置和方法。激光二极管提供980-1，000nm光束，KTP通过所述光束的非严格相位匹配的二次谐波产生相干辐射。光束波长最好为974nm以生成497nm的辐射。晶体置于光学谐振腔内，激光频率锁定到该谐振腔频率。另一方法是用两个激光二极管提供980-1000nm的正交偏振交束，彼此相差1nm，KTP的a轴和C轴平行于该正交偏振光。KTP可联接光波导，光束沿光波导传播以提高二次谐波生成效率。

Description

本发明涉及一种激光源和产生相干蓝绿光辐射的方法。更具体地说，本发明涉及一种小型固体激光源和通过半导体激光二极管所输出的激光在非线性晶体中生成二次谐波来产生所述辐射的方法。它可以在温度、角度和输入波长的很宽的范围内实现非严格的相位匹配，因而特别适于光存贮应用。

蓝绿激光非常理想，因为它能显著提高光记录系统的存贮密度。但是在研制输出波长小于600nm（即，蓝绿光的范围）的激光二极管时，其基础材料的制作非常困难。

就我们目前所知，只有两例用二次谐波振荡（SHG）来直接倍频激光二极管的辐射的。在87年CLEO的论文WP6中，T.Taniuchi等人公布：通过一种采用LiNbo₃波导的GaAlAs激光二极管的二次谐波可生成波长基本为420nm的辐射。但是，这种材料在420nm不能产生相位匹配的二次谐波，并且这种蓝绿光有一个弯曲的波阵面，不能聚焦成一个衍射极限的光点，因此不适宜用于光学存储和许多其它应用。其次，由于光的折射，LiNbo具有较低的光破坏阈值。

在1985年《应用光学》（Appiled Optics）第24卷，第1299页中，J.C.Baument等报告，在室温下，用KNbo₃可倍频860nm的GaAlAs二极管激光。但这种材料的许多缺点严重地限制了其对实用设备的适用性。例如KNbo₃，难于生长，并且要经历生长温度和室温之间的两个阶段的过渡。另外，相位匹配的温度和波长的裕度极其狭小，因而需要波长非常特殊的激光，还需要二次谐波晶体具有非常高的温度稳定性。

其它有关方法都是利用激光二极管泵浦的钕：钇铝石榴石激光，由相位匹配的二次谐波来生成530nm的辐射，这是由于有许多非线性材料适用于这种方法。类似地，正如在1988年12月13日 颁布的美国专利4，791，631（文件号SA987012，其转让给本发明的受让人）中所公开的，在一种市场上可买到的非线性材料KTiOPO₄（KTP）中可能存在808nm二极管激光和1.06μmNd：YAG激光的频率混合。

我们需要一种实用的非线性材料，它能够切割，用于尽可能短的波长的非严格相位匹配的二次谐波产生，并且能与工作在相位匹配波长的半导体激光二极管相结合。据申请人所知，到现在为止，还没有一例在基本由KTP构成的非线性晶体中由二极管激光的二次谐波来提供相干光辐射的。

以此为目的，在本发明中，我们研制出一种小型蓝绿激光光源，它有两个关键部件：（a）由他人研制的最新半导体激光二极管，输出波长基本为980-1，000nm;（b）KTP晶体，本申请人意外地发现此晶体能在温度、输入波长和光束进入晶体的角度的很大范围内产生波长基本为980-1，000nm的光辐射的非严格的Ⅱ型相位匹配的二次谐波。

具体实现本发明的装置和方法能生成波长基本为490-500nm的相干蓝绿光辐射。诸如应变层型InGaAs/GaAs、半导体激光器等的激光二极管能发射基本上是980-1，000nm的激光束，基本由KTP组成的非线性晶体通过所述激光束的非严格的相位匹配的二次谐波来产生蓝绿光辐射。最好采用波长为994nm的激光束产生497nm的光辐射，而且激光的频率最好能与晶体所在的光谐振腔的频率匹配并锁定到该谐振腔的频率。

图1为根据本发明的一个实施例表示的生成蓝绿光的加强谐振腔装置。

图2为根据本发明的另一个实施例表示的这种装置。

图3为根据修改后的实施例表示的生成蓝绿光的加强谐振器的装置。

图4为根据本发明的一种变型表示的用光波导产生蓝绿光的装置。

如图1所示，实施本发明的装置包括两个带有准直光学系统的应变层型InGaAs/GaAs激光二极管10、11，分别输出调制光束12、13，它们基本为994nm的基波辐射。光束12、13的正交偏振的，并且投向有普通镀模的偏振分光镜14。偏振分光镜14把994nm的光束12、13合成为光束15，再投向标准分光镜16。分光镜16经聚焦透镜17把这种994nm的基波辐射传送给无源法布里-珀罗（Febry-Perot）谐振腔18，谐振腔18的谐振波长为994nm。可以在高度反射994nm光束的两面镜子20、21之间放一个基本由KTP构成的晶体19来构成这种谐振腔。或者最好是这样构成谐振腔18：把晶体两端抛磨成球面和/或平面，并在其上镀以高反射膜。镜子20、21的相对表面反射994nm的光，并且镜子21透射497nm的光辐射。

KTP晶体19的双折射使得谐振腔18有两种谐振方式。激光二极管10沿KTP晶体的a轴方向线偏振，并按以后将要谈到的方式锁定频率到谐振腔a轴方向的偏振谐振频率。激光二极管11沿晶体c轴方向偏振，同样，其频率也锁定到谐振腔c轴的偏振谐振频率。基本为994nm辐射的光束15经透镜17聚焦后投入KTP晶体19并沿b轴方向传播，这样通过光束15的非严格的相位匹配的二次谐波产生出基本为497nm的相干蓝绿光辐射的光束22。这两种谐振的频率可能不完全相同，但是，一旦他们处于二次谐波的1.4nm宽度的相位匹配带宽中时，就可有效地生成光束22。

激光二极管10、11的频率锁定到谐振腔18的谐振频率是通过各自的反馈回路实现的，该反馈回路包括偏振分光镜25和两个检测反馈线路26、27。分光镜16引导994nm的辐射光束28到分光镜25，然后由分光镜25将该光束分成沿a轴偏振的光束29和沿c轴偏振的光束30。光束29射入检测/反馈线路26（为了解释方便，这个线路可以是1987年4月发行的《IEEE光波技术杂志》的第485页及其后所公开的那种类型的线路）。线路26主要包括（没给图示）产生表示光束12的频率与谐振腔18的频率的偏差的信号以及调整激光二极管10的注入电流和/或温度以保持激光频率与谐振腔频率相同的装置。光束30射入检测反馈线路27，线路27由相同的装置组成（没给图示），用以调整激光二极管11的注入电流和/或温度。

如图2所示，实施本发明的装置包括带有准直光学系统的单个应变层型InGaAs/GaAs激光二极管60，其输出的光束61基本为994nm的线偏振基波辐射。基本为KTP的非线性晶体64是无源谐振腔65的一部分。位于晶体64两端的镜子66、67高度反射994nm的光束，镜子67高度透 过497nm的光束。非线性晶体的取向使其a轴和c轴与基本为994nm的光束61的偏振方向成45°角，用以产生Ⅱ型非严格相位匹配的二次谐波。相移片69的取向使其修正晶体64所发出的994nm光辐射的偏振方向，从而这个994nm的光辐射经过该谐振一个来回后重新进入KTP晶体64时，其偏振方向与晶体64的a轴和c轴成45°角。激光二极管60的频率锁定到谐振腔65的频率是通过由分光镜62和检测反馈线路71组成的反馈回路来实现的。和图1所示实施例一样，反馈线路71调整激光二极管60的注入电流和/或温度。

如图3所示，实施本发明的装置包括带有准直光学系统的单个应变层型InGaAs/GaAs激光二极管40，输出的调制光束41基本为994nm的基波辐射。光束41经-二向分光镜42和聚焦透镜43进入基本为KTP的晶体44，此晶体是无源谐振腔45的一部份。晶体44两端的镜子46、47（或者说其高反射膜）高度反射497nm的光线。但是，对于采用的具体的KTP晶体的特性，镜子47可透过少量为获得蓝绿光的最大输出而调节的497nm光线。

光束41沿着与晶体44的a轴、c轴成45°角的方向偏振，谐振器45被设计为在基本为497nm的二次谐波波长谐振。由于这个二次谐波辐射是沿晶体44的a轴方向线偏振的，所以在晶体内生成的二次谐波辐射能激发谐振器45的a轴偏振谐振模式。因此，光束41经透镜43聚焦后，由其非严格相位匹配的二次谐波产生基本为497nm的相干蓝绿光辐射的光束48。

所生成的二次谐波辐射的波长可通过调谐二极管激光的基波波长来控制，从而，通过使光束49导向检测/反馈线路50，所生成的基本为497nm的光辐射的频率被锁定，与谐振器的频率匹配。与前面叙述的实施例一样，线路50调整激光二极管40的注入电流和/或温度。

必须注意，图1和图2结构获得的效率基本上等于它们各自无源谐振腔18，65精度的平方。图3结构的效率基本上等于谐振腔45的精度。因此，图3结构的效率较低。但是这种结构比图1结构简单，其中只有一个激光二极管需要锁定频率到谐振腔的一种谐振模式。

如果愿意，谐振腔18或45可用环形谐振腔代替，它由三个或更多的反射面组成。这些反射面可以是晶体外部的镜子，也可以是抛光的晶体表面，像1988年6月发行的《IEEE量子电子学杂志》第913页及其后所介绍的那样。

如果愿意，如图4所示，可以在KTP晶体51的边上加一光波导50。带有准直光学系统的激光二极管52输出调制光束53，提供基本为994nm的基波辐射，光束53经聚焦透镜54导入波导，以提高生成基本为497nm的相干蓝绿光辐射的光束55时的二次谐波生成效率。注意在这个实施例中，不要求将激光频率锁定到谐振腔频率。

同样必须注意，根据本发明的特征，这里所述的Ⅱ型激光相位匹配是通过精细调节激光器的注入电流，将二极管激光的频率调谐到无源谐振腔的频率来实现的。与此对照，现有技术的方法是通过对谐振腔施加电场（磁场），将谐振腔的频率调谐到激光源的频率。

用这些最佳实施例所描述和给出的本发明特别适于光存贮应用，本发明还同样极适于用在打印机和彩色显示中。并且，本技术领域的熟练人员将会理解，可以对这些实施例进行形式上和细节上的修改而不偏离本发明的范围和教导。因此，这里所公开的装置和方法仅仅是说明性的。

Claims (21)

1、产生其波长基本为490-550nm的相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

激光二极管，用来提供波长基本为980-1000nm的光束；它具有第一和第二正交偏振分量；和

基本为KTP的非线性晶体，它通过所述光束的非严格相位匹配的二次谐波来生成相干光辐射，该晶体的定位使其b轴基本上平行于光束的传播方向，而a轴和c轴基本上分别平行于第一和第二正交偏振分量，该装置可允许光束波长、晶体定位和工作温度方面的变化。

2、权利要求1的装置，其特征为，该激光二极管是应变层型InGaAs/GaAs激光二极管。

3、权利要求1的装置，其特征为，该光束具有基本为994nm的波长，用来生成波长基本为497nm的光辐射。

4、权利要求1的装置，其特征为包括谐振波长基本为980-1，000nm的谐振腔，并在该谐振腔中放入所述晶体。

5、权利要求4的装置，其特征为：包括使波长基本为980-1，000nm的光束的频率的谐振腔的谐振频率相匹配的装置。

6、权利要求1的装置，其特征为：晶体放在一个光谐振腔内，并且激光的频率与谐振腔的频率相匹配。

7、权利要求1的装置，其特征为：包括在该晶体两侧附近放置的，提供一对反射器的装置，所述反射器具有反射所述光束的相对表面。

8、权利要求1的装置，其特征为：包括谐振波长基本为490-500nm的谐振腔，并在该谐振腔中放入所述晶体。

9、权利要求8的装置，其特征为：包括使所述生成的二次谐波辐射的频率与谐振腔的频率匹配的装置。

10、产生波长基本为490-500nm的相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

第一激光二极管，用于提供以第一方向偏振的波长基本上是980-1000nm的第一光束;

第二激光二极管，用于提供以第二方向偏振的波长基本上是980-1000nm的第二光束，第二方向大致上与第一方向正交;

基本上是KTP的非线性晶体，它接受第一第二光束，并通过光束的非严格相位匹配二次谐波产生相干光辐射，该晶体的定位使其b轴基本上平行于相干光辐射的传播方向，而a轴和c轴基本上分别平行于第一第二偏振方向，该装置可允许光束波长、晶体定位和工作温度方向的变化;

一个谐振腔，晶体置于其内，以产生相干辐射功率。

11、权利要求10的装置，其特征为：激光二极管是应变层型InCaAs/CaAs激光二极管。

12、权利要求10的装置，其特征为：两束光的波长都基本为994nm，用来生成波长为497nm的光辐射。

13、权利要求10的装置，其特征为，包括在晶体两侧的附近提供一对反射器的装置，所述反射器具有反射所述光线的相对表面和透射相干光辐射的另两个表面。

14、生成波长基本为490-500nm的相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

包含其中放置一个基本上KTP晶体的光学谐振腔;

在该谐振腔外的两个激光二极管，提供波长基本为980-1，000nm的光束;

合成该两束激光的包括偏振分光器装置的装置;

将该两束激光频率锁定到谐振频率的装置，其谐振腔的谐振沿所述晶体的a轴和c轴方向偏振。

15、权利要求14的装置，其特征为：所述锁定装置包括：

对每束激光产生表示该激光光束的频率与各自预选频率的偏差的信号的装置，和

对每束激光根据所述信号的变化控制该激光光束的温度和/或注入电流，以保持该激光光束的频率与各自的预选频率相同的装置，该装置包括反馈装置。

16、生成波长基本为490-500nm的相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

一个提供基本为980-1，000nm波长基频辐射光束的激光二极管，该光束在第一方向偏振;

一个基本为KTP的非线性晶体，它接收基频辐射并产生第二谐波辐射，晶体的定位使其b轴基本上平行于基频辐射的传播方向，而a轴和c轴与偏振的第一方向大致成45°角，所述装置可允许基频辐射波长、晶体定位和工作温度的变化;

一个谐振腔，晶体置于其内以增加第二谐波辐射的功率，该谐振腔谐振在第二谐波辐射的频率上。

17、权利要求16的装置，其特征为：所述晶体是一个以所述二次谐波谐振的谐振器的一部分，并且该装置包括调谐所述光束使得所产生的相干光辐射的频率锁定匹配于所述谐振器的谐振频率的装置。

18、权利要求16的装置，其特征为：所述调谐装置包括检测和反馈线路，用于至少调整下列参数之一：所述激光器的注入电流和所述激光器的温度。

19、生成波长基本为490-500nm相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

一个激光二极管及其准直光学系统，用来提供波长基本为980-1，000nm的线偏振光束;

由一非线性晶体和一片相移片组成的光学谐振腔;

所述非线性晶体基本为KTP，并且取向为其b轴与所述光束平行，其a轴和c轴与所述光束的偏振方向基本成45°角;

所述相移片放置于谐振腔里，并且其取向使得基本为980-1，000nm的光辐射通过谐振腔内一个来回后重新进入晶体时，其偏振方向与晶体的a轴和c轴基本成45°角;

将激光二极管的频率锁定到谐振腔的谐振频率的装置。

20、生成波长基本为490-5000nm相干蓝绿光辐射的装置，其特征为包括：

一个提供波长基本为980-1，000nm基波辐射光束的激光二极管，该光束在第一方向偏振;

一个形成在基本为KTP的非线性晶体上的光波导，它接收基频辐射并产生第二谐波辐射，该晶体的定位使其b轴大致平行于波导中基频辐射的传播方向，而a轴和c轴对于偏振的第一方向成45°角，该装置允许在基波辐射波长、晶体定位和工作温度方面的变化。

21、生成波长基本为490-500nm相干蓝绿光辐射的方法，其特征为包括下列步骤：

用激光二极管产生基本上980-1000nm波长基波辐射，它具有第一和第二正交偏振分量;

通过一个基本是KTP的非线性晶体传播该基波辐射，这种传播是大致沿晶体b轴的平行方向进行的，而第一第二偏振分量大致分别沿着晶体的a轴和c轴的平行方面，该方法允许基波辐射波长、晶体定位和工作温度方面的变化。

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