CN104115349A - 激光器架构 - Google Patents

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Y·熊
J-F·瑟兰
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Abstract

本发明公开了VCSEL系统的架构。通过使用高功率红外VCSEL元件，可使用块状倍频材料使所述红外光倍频并且在连续波(CW)或脉冲模式下于腔体中产生可见光(红光、绿光、蓝光或紫外光)。这些VCSEL的输出分布布拉格反射器(DBR)的反射率可被设计成增加所述腔体中的功率，而不是VCSEL激光器中的功率。通过使得能够在腔体中使用块状倍频材料并且使VCSEL直接倍频，所述装置可价格便宜、更简单、效率高、可靠性更好并且极大地改善制造和对准容限。有多个腔体架构可用于使来自VCSEL的红外光倍频。所述VCSEL可为单独元件，或为具有高强度元件的阵列。

Description

激光器架构
相关专利申请的交叉引用
本专利申请涉及提交于2012年2月13日、名称为“Laser architectures”(激光器架构)、系列号为61/598,175的美国临时专利申请并且要求其优先权，该临时专利申请以引用方式整体并入本文。
技术领域
本发明整体涉及激光器，更具体地讲，涉及高功率红外激光器技术和组件，包括倍频器、固态激光器、垂直腔面发射激光器以及用于制备高功率可见光激光器的二极管。
背景技术
通常，红光、绿光、蓝光和紫外(UV)激光器在照明、医疗、材料加工、焊接和显示器方面具有许多潜在用途。成本、可靠性、效率、尺寸和功率是选择用于这些不同的市场/技术领域的激光器时可考虑的激光器参数。显示器是市场之一例，该市场具有多个不同的对这些参数重视程度稍有不同的细分市场。在消费类显示器市场中，成本、效率和尺寸可为重要参数，而在专业显示器市场中，可靠性、高功率和成本可为关键参数。廉价、可靠、高效率的绿色、红色或蓝色源对于所有上述应用很重要。这样的绿色激光源尤其意义重大，因为尚不存在用于专业显示器应用的适当波长的高功率直接源，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)或边缘发射二极管。
一般来讲，全彩显示器使用至少红色、绿色和蓝色光源。当用于电影院中时，这些颜色必须在一定范围内以符合电影工业设定的标准，更具体地讲，符合数字影院倡导联盟(Digital Cinema Initiative)设定的标准。电影的大致接受的颜色范围以红色即616-650nm、绿色即523-545nm以及蓝色即455-468nm给出。然而，消费类显示器市场没有此类严格波长要求。随着红色和蓝色二极管的日益可用，对进行背光照明和用于消费类投影仪中的激光器的兴趣不断增加。直接激光源为高性价比、可靠和有效的光源。然而，当前不存在具有显示器所需波长的绿色高功率直接激光源。因此，绿色是一项重要的激光技术，并且本领域需要一种高功率、有效的绿色直接光源。此外，红色激光器当前有非常严苛的冷却要求并且其寿命相对有限。
发明内容
本文公开了基于VCSEL的激光器系统的新型架构，以及使VCSEL系统产生的光倍频而生成红色、绿色或蓝色光的相关方法。在采用高功率红外VCSEL元件阵列的有利实施例中，可使用块状(例如，晶体)倍频材料使红外(红外)光倍频并且在连续波(CW)或脉冲模式下于外部腔体中生成“可见”光(红光、绿光、蓝光或紫外光)。通过使得能够使用块状倍频材料并且使VCSEL的频率直接倍频，装置可价格便宜、更简单、效率高、可靠性更好并且大大改善制造和对准容限。此外，如果使用PPLN(周期性极化铌酸锂)或其他周期性极化材料作为倍频器，则使用高功率阵列元件便于使用一些短的材料(0.2mm至4mm)。这很关键，因为材料越长，其对于对准、温度和波长越敏感。根据本文所公开的原理，有多个腔体架构可用于使来自VCSEL激光器的红外光倍频，并且VCSEL可为单独元件，或为具有高强度元件的阵列。
在一个实施例中，垂直腔面发射激光器系统的架构可包括至少一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件。这种示例性架构还可包括块状晶体倍频材料，所述倍频材料位于与VCSEL元件相邻的腔体中并且被构造成接收从VCSEL元件发出的光，以及使所接收的光基本上倍频。架构的这一实施例也可包括输出耦合器，其被构造成输出来自腔体的倍频光并且输出所述可见光以用于显示器照明。
在另一个实施例中，垂直腔面发射激光器系统的架构可包括至少一个被构造成发出红外光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件，和限定在所述至少一个VCSEL元件和对红外光具有高反射性的反射镜之间的腔体。这种示例性架构还可包括块状晶体倍频材料，所述倍频材料位于腔体中，被构造成接收从VCSEL元件发出的红外光，并且使所接收红外光的频率基本上倍频以输出可见光。
在再一个实施例中，垂直腔面发射激光器系统的架构可包括：至少一个被构造成发出红外光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件，和块状晶体倍频材料，所述倍频材料位于与VCSEL元件相邻的腔体中，被构造成接收来自VCSEL元件的红外光，并且使所接收红外光的频率基本上倍频以输出可见光。这种示例性架构还可包括与所述至少一个VCSEL元件相对的倍频材料一端上的涂层，所述涂层对红外光具有高反射性。此外，此类架构还可包括校准器或二向色镜，其取向为接近布鲁斯特角并且用作输出耦合器，该输出耦合器被构造成接收来自倍频材料的倍频光并且输出所述倍频光以供使用。
附图说明
实施例通过举例的方式在附图中示出，其中类似的附图标号表示类似的部件，并且其中：
图1为示意图，示出了常规的基于VCSEL的装置的一个实施例；
图2为示意图，示出了根据本发明的VCSEL阵列系统的架构的一个实施例；
图3为示意图，示出了根据本发明的各种VCSEL阵列布局；
图4为示意图，示出了根据本发明的使单个VCSEL元件倍频的一个实施例；
图5为示意图，示出了根据本发明的基于VCSEL的光源的架构的一个实施例，其中功率可在透过倍频材料两次(每个方向一次)之后从腔体中提取；
图6为示意图，示出了根据本发明的基于VCSEL的光源架构的另一个实施例，其可包括至少一个微透镜阵列；
图7为示意图，示出了根据本发明的基于VCSEL的光源的架构的一个实施例，其采用4F系统内腔；以及
图8为示意图，示出了根据本发明的基于VCSEL的光源的架构的一个实施例，其采用输出耦合器来折叠4F系统。
具体实施方式
一般来讲，根据本发明的基于VCSEL的光源的一个实施例可采用VCSEL系统架构的形式，VCSEL系统可使用高功率外VCSEL元件。可使用块状晶体倍频材料使红外光倍频并且在连续波或脉冲模式下于外部腔体中生成“可见”光(红光、绿光、蓝光或紫外光)。这些VCSEL的输出分布布拉格反射器(DBR)的反射率可被设计为增加外部腔体中的功率而非VCSEL激光器中的功率。通过使得能够使用较短的块状或周期性极化倍频材料并且使VCSEL的功率直接倍频，装置可价格便宜、更简单、具有更高效率、更好可靠性并且大大改善制造和对准容限。根据本文所公开的原理，有多个腔体架构可用于使来自VCSEL的红外光倍频，并且VCSEL可为单独元件，或为具有高强度元件的阵列。此类阵列可被设计成为每个元件获得高功率，并且可被设计和制造成增加外部腔体中的功率。在实施过程中，需要阵列从腔体产生足够的总体功率以具有商业可行性。所需瓦特输出的例子在3W至可能的数百瓦可见光功率的范围内。
一般来讲，对获得绿色/蓝色/红色激光器有几种方法。对于其中光的波长不那么关键的非常低功率应用而言，50-100mW大致范围中的直接二极管在大致波长范围中是可用的。例如，这些二极管在用于消费市场的小型、移动、“微”(pico)投影仪方面是令人关注的。然而，对于高功率应用而言，这些源是不可用的。对于较高功率应用而言，常规方法通常采用由固态激光器产生的红外波长，并且随后用非线性晶体倍频。典型例子可包括使光纤激光器以及使用晶体和掺杂玻璃的固态激光器倍频，所述固态激光器例如为YAG激光器，其为灯或二极管泵激的。这些激光器可产生可被倍频的优质红外光。高强度和优质对于使红外光有效倍频以产生可见或紫外光而言是关键性的，例如，1064nm被倍频成532nm(绿色光)，而1232nm可被倍频成616nm(红色光)。虽然当前的这些被倍频的固态源可产生大量绿色波长的功率，在几瓦至几千瓦的大致范围内，但固态源价格较高、较复杂、效率不是很高并且难以使之可靠工作。例如，专业显示器应用通常需要大约30000小时或更多，就此而言大约5至2000瓦的可见光可能是合适的。
已生产的绿色或蓝色激光器的另一种产品形式使用VCSEL阵列，例如图1所示的VCSEL阵列的示例性实施例。图1为示意图，示出了常规的基于VCSEL的装置100的一个实施例。遗憾的是，VCSEL元件自身通常不输出优选应用(诸如上述的那些)所需的合适功率。例如，VCSEL可输出大约150mW或更少，并且在VCSEL阵列的例子中具有波长扩展，例如，大于1至10纳米的大致范围。因此，典型的低功率VCSEL元件或VCSEL阵列可能难以用常规架构有效地实现倍频。然而，使用它们的优点是VCSEL极其可靠并且产生优质红外光。
图1示出了可购自Necsel公司/Ushio公司(Necsel/Ushio)的基于VCSEL的装置100的图。VCSEL装置100包括红外VCSEL阵列110、PPLN倍频器120、专用输出耦合器(在本实施例中为体布拉格光栅(VBG))130、聚焦透镜140和多模光纤150来传送输出光。由VCSEL阵列110照射的光最初透过二向色镜160。第一路径穿过透镜160来照射倍频器120以用于使光的频率倍频。该光随后传递至体布拉格光栅(VBG)130，其在本实施例中用作输出耦合器。常规架构中需要这种类型的输出耦合器来减小腔体中的频率扩展，以使得较低功率元件可通过长并且非常敏感(但有效)的周期性极化倍频晶体120而被倍频。倍频器120的(>4mm)的长的长度需要使用VBG130以用于使腔体中的红外频率扩展收紧并且将它们锁定于周期性极化倍频器120的最佳频率。长周期性极性倍频器120和VBG输出耦合器130两者对波长、温度和对准有着很严的容限，并且因此对整个激光器的成本和可靠性产生不利影响。VBG130反射有限频率的红外光，使得该红外光可返回透过倍频器120并且倍频器随后使更多的红外光转换到倍频，随后用二向色镜160反射红外光并且接着通过反射镜170朝向聚焦透镜140反射。聚焦透镜140和反射镜170不被考虑设在腔体内部。聚焦透镜140将第一和第二路径聚焦到多模光纤150内，其随后可从装置100中传出以用于照明图像。然而，聚焦透镜140和光纤150不是必需的，因为也可能需要自由空间光束输出。
具体地查看被倍频的第一路径上的光，倍频器120可为如上所述的周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)，其中可采用PPLN而非块状倍频晶体，因为其可能对于使光频率倍频更有效。这可能由于VCSEL光束的较低强度而被采用。然而，PPLN长的长度可能带来一些大的问题。首先，其可能比块状倍频晶体价格更高。第二，为了使PPLN很好发挥作用，其对于对准、红外光波长和温度有着很严的容限。因此，根据晶体的长度，必须将PPLN的温度主动控制到大约0.1℃左右。这种严格温度控制系统价格昂贵并且从可靠性观点来看具有挑战性。
可被PPLN有效倍频的波长扩展也非常具有挑战性。根据PPLN的长度，这通常可低至0.1nm。这样严的容限通常需要使用波长控制装置，例如图1的常规架构中所描述的腔体中的VBG，以使得阵列的所有元件均可被有效地倍频。通常，适当的窄带宽可能表明不可用简单的校准器来使带宽变窄。因此，通常采用难以制造的体布拉格光栅作为输出耦合器130。在批量制造中，该体光栅可为光学系统中价格最高的元件。PPLN和VBG两者也有严格的角度公差，使得难以实现总体结构的批量制造和随温度变化的操作。作为这样的装置，已使用该方法制备了几瓦的低功率装置，但制造此类装置用于高功率应用具有更多问题。
新泽西州默瑟维尔的普林斯顿光电子公司(Princeton Optronics of Mercerville,NewJersey)已能够制造具有独特性能的VCSEL。单独的VCSEL元件可表现出高功率，例如，大于约150mW；非常可靠，例如，大于100000小时；并且具有良好光学品质，其可包括制造于VCSEL元件上的用于提高能量捕获的微透镜。VCSEL及其相应的特性在美国专利No.6,888,871，“VCSEL and VCSEL Array Having Integrated Microlenses For Use In ASemiconductor Laser Pumped Solid State System”(“具有要用于半导体激光器泵浦固态系统的集成微透镜的VCSEL和VCSEL阵列”)和“High Power VCSEL Mature IntoProduction”，Laser Focus World,April2011,pp.61-65(“高功率VCSEL成熟投入生产”，《激光世界》，2011年4月，第61-65页)中进行了总体讨论，上述两者全文以引用方式并入本文以用于所有目的。
使用高功率红外VCSEL元件，可使用块状晶体倍频材料或短周期性极化晶体或其他倍频材料使红外光倍频，并且在连续波或脉冲模式下于外部腔体中生成“可见”光，诸如，红光、绿光、蓝光或紫外光。通过使用块状晶体(如KTP)，大的(可能为正方形)二维VCSEL阵列的所有元件可在同大的倍频晶体中被同时倍频，从而产生非常高的二次谐波功率。因为由于极化过程的限制PPLN通常被制成500μm厚的晶片，这样会限制可用单个PPLN晶体倍频的常规VCSEL阵列的尺寸，从而产生较低的二次谐波总功率。根据本文所公开的原理，这些VCSEL的输出分布布拉格反射器的反射率可被设计成增加外部腔体中的功率而非VCSEL激光器中的功率。通过使得能够使用短长度或块状倍频材料并且使从VCSEL输出的光的频率直接倍频，根据本文所公开原理构建的装置可以价格低廉、更简单、效率高、可靠性更好并且具有大大改善的制造和对准容限。有多个腔体架构可用来使源自此类高功率VCSEL的红外光倍频。VCSEL可为单独元件，或为具有高强度元件的阵列。阵列可被设计成获得每个元件的高功率，并且可被设计和制造成增加外部腔体中的功率，所述外部腔体被本文所公开的原理限定为介于VCSEL元件和紧随块状倍频材料的频率相关高反射性/抗反射性(HR/AR)或高反射性/高反射性(HR/HR)(取决于应用，如下文进一步详述)结构之间。阵列可被制造和适当冷却，以使得波长扩展在倍频材料的合格使用范围内。
图2为示意图，示出了根据本文所公开原理的VCSEL阵列系统200的架构的一个实施例。图2示出了架构的一个例子，该架构使用高功率元件的二维VCSEL阵列210来产生可见光。另外，图2示出了使用位于腔体220中的块状倍频材料230使源自VCSEL阵列210的多个高功率红外光束在腔内220倍频。来自腔体220的倍频光可直接使用，或如图2所示，其可使用聚焦透镜240或微透镜阵列250和透镜240的组合或者它们的任意组合耦合到多模光纤260中。然而，聚焦透镜240和光纤260又是任选的。
高功率VCSEL元件210的一维或二维阵列产生红外光并且可具有集成微透镜(未示出)，其被制造在顶部以提高腔体220中的光束强度。倍频材料230可通过非线性转换过程来产生可见光，所述转化方法例如有(但不限于)倍频或二次谐波生成，并且可包括类型I和/或类型II相位匹配。用于倍频材料230的典型块状倍频晶体的例子可包括(但不限于)BBO(硼酸钡)、KDP(磷酸二氢钾)、KTP(磷酸氧钛钾-如图所示)、铌酸锂、LBO(三硼酸锂)、KnbO3(铌酸钾)等等。另外，除了晶体之外还存在并且可使用其他类型的倍频材料230，包括(但不限于)非线性聚合物、有机材料等等。
倍频材料230的另一侧可包括红外反射镜270。该红外反射镜270可对红外波长具有高反射性(HR)涂层和/或对可见波长具有抗反射性(AR)涂层。使用这些涂层，未倍频光(例如，1064nm)将从红外反射镜270反射回到倍频材料230内并且反射回VCSEL阵列210，而倍频光(例如，532nm)透过红外反射镜270以从装置200输出。在本实施例中，红外反射镜270形成腔体的一端，因为反射光也可被倍频并且反射出腔体。
VCSEL阵列系统200可分别采用1064nm和532nm作为红外和可见波长的例子，但可产生许多其他波长。这些激光器可被直接倍频，从而可使用宽泛范围的红外波长产生从红色到紫外波长或在700nm至350nm的大致范围内的可见光。在图2所示实施例中，认为倍频在腔内进行，因为根据本文所公开的原理，倍频器230位于由VCSEL阵列210和红外反射镜270形成的腔体220的内部。如果阵列210上的VCSEL元件受到脉冲作用，则可由于脉冲强度的增加而在没有红外反射镜270的情况下进行外部倍频。更具体地讲，在外部倍频中，VCSEL阵列210进行自激射并且不存在外部输出耦合器(例如，反射镜270)来形成腔体220。(或者可以说腔体220形成于VCSEL阵列210和倍频材料230的输出侧即远侧之间)。相反，来自VCSEL阵列210的输出直接耦合到倍频材料230。因为红外光束不在谐振腔体220本身的内部，因此强度较低，从而使与功率相关的倍频减小。因此，由于来自脉冲VCSEL阵列的输出远高于连续模式，倍频变得更为实用和有效。
在其他实施例中，这些涂层(280)可直接制造到倍频材料230的表面上，而不使用具有对于红外光的HR涂层和对于可见光的AR涂层的红外反射镜270。涂层280可制造在远离VCSEL阵列210的一侧上。这可去除一个元件(例如，红外反射镜270)并且可增加与倍频材料230对准的可能性。除了AR和HR涂层之外，保护性涂层(未示出)，如SiO2，可位于这些HR和AR涂层280的外部和/或内部。保护性涂层和/或层可施加在分开的反射镜元件红外反射镜270上，或者在涂层280的情况下，被结合进倍频材料230内。
倍频材料230也可在两侧都具有AR涂层，或可被布鲁斯特切割(其中切割表面具有布鲁斯特角或接近布鲁斯特角)以基本上最小化反射。布鲁斯特切割倍频器也可提高腔内功率的偏振纯度并且从而提高倍频效率。
图3为示意图，示出了根据本文所公开原理的各种VCSEL阵列布局的一个实施例300。图3的顶部VCSEL阵列布局310示出了大约39300微米孔径VCSEL元件的图案。图3的底部VCSEL阵列布局320示出了一系列大约105200微米孔径VCSEL阵列。VCSEL元件可为不同尺寸，目标是使得孔径较大以增加功率/强度，但是将孔径保持到足够小使得光学品质可适用于有效倍频。VCSEL尺寸的典型范围可在10微米和1mm之间的大致范围内。可如图所示排列或形成各种图案，例如(但不限于)排成垂直或水平。间距可按冷却阵列的需要来确定。将阵列设计成阵列来增加光的偏振也是合乎需要的。
对于这种类型应用的VCSEL阵列的其他问题可包括外部腔体中的波长多样性和功率。输出DBR可被设计为增加外部腔体而非VCSEL激光器中的功率。可产生比独立VCSEL中可能通常采用的反射率低的反射率。在一个例子中，为了使红外光更有效地倍频，在倍频晶体中红外光可被相位匹配。VCSEL阵列的设计、封装、焊接、加工和选择可被设计为提高整个阵列上的波长和功率均匀度。例如，将整个阵列上的热差别最小化可提高整个阵列上的波长和功率均匀度。使阵列面积最小化并且从晶片的中部选料可提高均匀度。如果难以实现足够窄的波长光谱，例如，小于3nm，则可使用校准器使光谱更窄。校准器使频率变窄，但与VBG相比没有那么多。另外，校准器价格便宜很多并且对温度和波长具有大得多的容限。校准器也可带有AR涂层或者带有涂层以反射可见光，或成为接近布鲁斯特角的角度以提高偏振。对于显示器应用而言，较宽光谱对于减弱散斑可能是可取的。如果光谱比单个装置(诸如可见光激光器)可有效生成的光谱较宽，则可将具有VCSEL阵列的两个或更多个装置一起使用，所述阵列可被设计为在稍微不同波长下操作。
图4为示意图，示出了根据本文所公开原理使单个VCSEL410倍频的一个实施例400。图4所示的架构可用于使VCSEL元件的阵列倍频。此外，VCSEL装置410可生成600nm-1300nm波长范围内的光。在该示例性架构中，采用布鲁斯特板440以提高由VCSEL元件410产生的红外光的偏振纯度。布鲁斯特板440可在两侧都被涂布以基本上最小化腔体420中的红外功率损失并且提供一种耦合输出倍频光的方法。布鲁斯特板可包括切割面，该面具有为布鲁斯特角或接近布鲁斯特角的角度。光离开VCSEL元件或阵列410，其中可通过布鲁斯特板440清理偏振，并且随后光可进入倍频材料430内，该材料在图4的图示实施例中示为KTP晶体。
倍频材料430的长度可能需要加以权衡，因为材料越长，倍频效率越好，但对角度、温度和波长的容限越严格。块状倍频器430的典型长度可在1mm和30mm的大致范围内，在图示实施例中，当示例性腔体为大约19mm时，其长度为示例性的5mm。输出耦合器450可以对于未倍频和倍频波长分别施加HR和AR涂层460而再作为高反射率窗口。同样，在可供选择的实施例中，这些涂层460可添加到远离VCSEL410的至少在所述倍频材料430的外侧表面上以省去输出耦合器450。
图5为示意图，示出了根据本文所公开原理构建的基于VCSEL的系统的架构的一个实施例500，并且其中可沿两个方向从腔体中提取功率。另外，图5示出了另一种架构，其中可沿两个方向从腔体520中提取功率，这可使可见光输出近乎倍频，或增加大约80％。
红外VCSEL阵列510可通过红外波长中的HR反射镜540或者折叠输出耦合器或涂布校准器而被反射大约45度。可通过透镜560将光束腰传递进倍频材料530内。在倍频材料530之后，另一个透镜570可使光再准准直并且基本上红外和可见光两者均可由反射镜550反射。光随后可返回并且再次透过倍频材料530，其可生成可通过反射镜550离开腔体520的更多可见光，所述反射镜在红外波长中可为HR并且对倍频(可见)波长带有AR涂层，如图所示。
图6为示意图，示出了根据本文所公开原理构建的基于VCSEL的系统的架构的另一个实施例600，并且其可包括腔体中的至少一个微透镜阵列。具体地讲，图6示出了与图5类似的架构，并且因而可包括VCSEL元件或阵列610，以及HR/AR输出耦合器640和倍频材料630，两者均在腔体620中。然而，在图6所示的实施例中，可采用微透镜阵列660a、660b(总称为660)代替会聚透镜(如图5所示)。粗略地说，每个红外光束可通过预先选定的会聚微透镜660a，并且随后透过倍频材料630和另一个微透镜阵列660b，然后红外和倍频波长两者均可由HR反射镜650基本上反射回。优化非线性晶体中的光束直径和分散度的腔内透镜(例如，如图5和6所示)的使用，还可优化根据本文所公开原理构建的架构的二次谐波生成转换效率。光可再次通过折叠输出耦合器640被提取，所述输出耦合器同样对于红外波长为HR并且对于倍频波长有AR涂层，如上所述。
另外，相对于图5和6，可将HR反射镜(550、650)置于倍频材料(530、630)的外侧表面上。更具体地讲，透镜(560、660)(可以为大透镜或微透镜阵列)的焦面可位于倍频材料(530、630)的外侧表面附近或位于该外侧表面，并且该表面处的反射镜可基本上将可见和红外光反射回来并透过倍频材料(530、630)、透镜(560、660a)和输出耦合器(540、640)。这样可折叠腔体(520、620)而不使用另外的元件。
图7为示意图，示出了一个实施例700，该实施例采用基于VCSEL的系统中的4F系统内腔。图7示出了使用包括VCSEL阵列710的4F(2F1、2F2)系统，并且其中两个透镜(715、725)的像平面和物平面由大约4个焦距分开以将光束腰(位置标记为735)成像到倍频材料(例如，KTP)730内。可使用另一个4F系统和输出耦合器750(对红外波长为HR并且对可见波长为AR)使光束基本上准直并且产生回射。任选的校准器760可减小VCSEL阵列710的波长范围以提高倍频效率。在图示实施例中，LO为VCSEL元件至输出光束焦点的距离。LO可为正数或负数，如在具有虚拟焦点的发散光束的情况下一样。
图8为示意图800，示出了基于VCSEL的系统的一个实施例，其具有与图7所示实施例类似的4F系统，并且采用输出耦合器折叠4F系统。如图8的系统所示，第一4F系统可将光束腰(位置标记为835)成像至倍频材料830的另一侧，并且可将输出耦合850或如上所述的倍频材料830上的等同涂层置于该位置。腔体820也可用输出耦合器840(如，布鲁斯特板840)折叠在第一透镜815和VCSEL阵列810之间，如图5和6所示。当前输出耦合器850可用针对红外和可见波长两者的HR反射镜替换，如上述所公开的实施例中所述，并且用折叠的输出耦合器840提取可见光，这可由于红外光束在被从腔体820中提取之前两次通过倍频器830而导致提取更多可见功率。
对于脉冲操作而言，可将可饱和吸收器、声光调制器、电光调制器等等置于腔体820中以引起脉冲或使脉冲同步至系统中的另一个元件。在其中可采用这些元件中的任何一者的系统中，元件可包括在腔体820中的准准直空间内。脉冲诱导元件的可能位置可示为图8中的KTP倍频材料830右侧的元件870。作为另外一种选择，VCSEL阵列810可受到脉冲作用以在脉冲模式下操作激光器。
本领域的技术人员能够理解，也可使用本文所公开和所述的各种架构和腔体元件的组合。
应该指出的是，本发明的实施例可用于多种光学系统和投影系统中。示例性实施例可包括或工作于各种投影仪、投影系统、光学组件、计算机系统、处理器、独立成套的投影仪系统、视觉和/或视听系统以及电和/或光学装置。实际上，本发明的方面可以跟与光学和电装置、光学系统、显示系统、呈现系统有关的任何设备，或者可包括任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本发明的实施例可用于光学系统、视觉和/或光学呈现中使用的装置、视觉外围设备等，并且可用于包括互联网、内联网、局域网、广域网等在内的多种计算环境。
在进入本文所详细公开的实施例之前，应当理解，本文所述的图示实施例在应用或建立中并不限于所示的具体配置细节，因为这些实施例能够采用其他配置。此外，可以不同的组合和配置来阐述实施例的各个方面，以限定实施例在其自身能力上的独特性。另外，本文使用的术语是为了说明的目的，而非限制。
如本文可能所用，术语“基本上”和“大约”为其相应的术语和/或术语之间的相关性提供了行业可接受的容差。此类行业可接受的容差在小于1％至10％的范围内，并且对应于但不限于元件值、角度等等。各项之间的此类相关性在小于1％至10％的范围内。
虽然上文描述了根据本文所公开的原理的多个实施例，但应当理解，它们仅以举例的方式示出，而并非限制。因此，本发明的广度和范围不应受到任何上述示例性实施例的限制，而应该仅根据产生于本发明的任何权利要求及其等同物来限定。另外，所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但不应将此类公开的权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。
另外，本文的章节标题是为了符合37CFR1.77下的建议或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可产生于本发明的任何权利要求中所陈述的发明。具体地和以举例的方式，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求不应受到在该标题下选择用于描述所谓的领域的语言的限制。此外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本发明中的任何实施例而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为公开的权利要求中所述的实施例的表征。另外，该公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于辩称在该公开中仅有一个新颖点。可以根据产生于本发明的多项权利要求来提出多个实施例，并且此类权利要求因此限定由其保护的实施例和它们的等同物。在所有情况下，应根据本公开基于权利要求书本身来考虑其范围，而不应受本文给出的标题的约束。

Claims (44)

1.一种垂直腔面发射激光器系统的架构，所述架构包括：
至少一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件；
倍频材料，所述倍频材料位于与所述VCSEL元件相邻的腔体中并且被构造成接收从所述VCSEL元件发出的光，并且使所接收光的频率基本上倍频；以及
输出耦合器，所述输出耦合器被构造成输出来自所述腔体的倍频光。
2.根据权利要求1所述的架构，其中从所述VCSEL元件发出的所述光包括红外光，并且所述倍频光包括选自由红光、绿光、蓝光或紫外光组成的组的可见光。
3.根据权利要求2所述的架构，其中所述至少一个VCSEL元件包括VCSEL元件的二维阵列。
4.根据权利要求1所述的架构，还包括位于与所述至少一个VCSEL元件相对的所述腔体一端的反射镜，所述反射镜对红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对可见光谱中的光具有抗反射性。
5.根据权利要求1所述的架构，还包括在与所述至少一个VCSEL元件相对的所述倍频材料一端上的涂层，所述涂层对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性。
6.根据权利要求1所述的架构，还包括具有角度大约接近布鲁斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间，并且被构造成提高由所述至少一个VCSEL元件产生的所述光的偏振纯度。
7.根据权利要求6所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间的布鲁斯特板，其中所述布鲁斯特板包括涂层，所述涂层对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性。
8.根据权利要求6所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面被设置在所述倍频材料上。
9.根据权利要求1所述的架构，其中所述输出耦合器包括位于与所述至少一个VCSEL元件相邻的所述腔体一端的倾斜反射镜，所述倾斜反射镜对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性，并且其中从所述至少一个VCSEL元件发出的非可见光被所述倾斜反射镜反射到所述倍频材料内，而离开所述倍频材料的可见光透过所述反射镜到达所述腔体外。
10.根据权利要求9所述的架构，还包括位于与所述输出耦合器和所述至少一个VCSEL元件相对的所述腔体一端的第二反射镜，所述第二反射镜对非可见光和可见光均具有高反射性，使得从所述倍频材料接收的所述光被反射回到所述倍频材料内并且朝向所述输出耦合器。
11.根据权利要求10所述的架构，还包括位于所述输出耦合器和所述第二反射镜之间的所述倍频材料相对两端的会聚透镜。
12.根据权利要求10所述的架构，还包括位于所述输出耦合器和所述第二反射镜之间的所述倍频材料相对两端的微透镜阵列。
13.根据权利要求1所述的架构，其中所述至少一个VCSEL元件可在连续波或脉冲模式的任一者中操作。
14.根据权利要求1所述的架构，其中所述倍频材料通过非线性转换过程使所述光的所述频率倍频，所述转换过程例如是倍频或二次谐波生成。
15.根据权利要求1所述的架构，其中使用聚焦透镜、一个或更多个微透镜阵列或它们的组合将所述倍频光耦合至多模光纤内。
16.根据权利要求1所述的架构，还包括位于所述腔体内并且邻近所述至少一个VCSEL元件的4F透镜系统，所述4F系统包括两个透镜，其中像平面和物平面由4个焦距分离并且被构造成将从所述至少一个VCSEL元件发出的光的光束腰成像到所述倍频材料内。
17.根据权利要求16所述的架构，还包括位于所述腔体内并且邻近所述输出耦合器的第二4F系统，所述第二4F系统被构造成使来自所述倍频材料的所述倍频光基本上准直。
18.根据权利要求16所述的架构，还包括所述至少一个VCSEL元件和所述4F系统之间的校准器，所述校准器被构造成减小从所述至少一个VCSEL元件发出的光的波长范围。
19.根据权利要求1所述的架构，其中所述倍频材料包括选自由硼酸钡、磷酸二氢钾、磷酸氧钛钾、铌酸锂、三硼酸锂和铌酸钾组成的组的晶体。
20.一种垂直腔面发射激光器系统的架构，所述架构包括：
至少一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件，所述垂直腔面发射激光器元件被构造成发出红外光；
腔体，所述腔体被限定在所述至少一个VCSEL元件和对红外光具有高反射性的反射镜之间；以及
倍频材料，所述倍频材料位于所述腔体中并且被构造成接收从所述VCSEL元件发出的红外光，并且使所接收红外光的频率基本上倍频以输出可见光。
21.根据权利要求20所述的架构，还包括输出耦合器，所述输出耦合器被构造成接收来自所述腔体的可见光以用于显示器照明。
22.根据权利要求21所述的架构，其中所述反射镜对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性，并且其中所述输出耦合器与所述腔体外部的所述反射镜相邻。
23.根据权利要求21所述的架构，其中所述输出耦合器包括位于与所述至少一个VCSEL元件相邻的所述腔体一端的第二倾斜反射镜，其中所述第二倾斜反射镜对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性，并且其中从所述至少一个VCSEL元件发出的非可见光被倾斜反射镜反射到所述倍频材料内，而离开所述倍频材料的可见光透过所述倾斜反射镜到达所述腔体外。
24.根据权利要求23所述的架构，其中所述第一反射镜对非可见光和可见光均具有高反射性，使得从所述倍频材料接收的光被反射回到所述倍频材料内并且朝向所述第二倾斜反射镜。
25.根据权利要求24所述的架构，还包括位于所述第一反射镜和所述第二倾斜反射镜之间的所述倍频材料相对两端的会聚透镜。
26.根据权利要求24所述的架构，还包括位于所述第一反射镜和所述第二倾斜反射镜之间的所述倍频材料相对两端的微透镜阵列。
27.根据权利要求20所述的架构，还包括具有角度大约接近布鲁斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间，并且被构造成提高由所述至少一个VCSEL元件产生的所述光的偏振纯度。
28.根据权利要求27所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间的布鲁斯特板，其中所述布鲁斯特板包括涂层，所述涂层对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性。
29.根据权利要求27所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面被设置在所述倍频材料上。
30.根据权利要求20所述的架构，其中所述VCSEL元件可在连续波或脉冲模式的任一者中操作。
31.根据权利要求20所述的架构，其中所述倍频材料通过非线性转换过程使所述光的频率倍频，所述转换过程例如是倍频或二次谐波生成。
32.根据权利要求20所述的架构，其中使用聚焦透镜、一个或更多个微透镜阵列或它们的组合将所述倍频光耦合至多模光纤内。
33.根据权利要求20所述的架构，其中所述倍频材料包括选自由硼酸钡、磷酸二氢钾、磷酸氧钛钾、铌酸锂、三硼酸锂和铌酸钾组成的组的晶体。
34.根据权利要求20所述的架构，其中所述至少一个VCSEL元件包括VCSEL元件的二维阵列。
35.一种垂直腔面发射激光器系统的架构，所述架构包括：
至少一个垂直腔面发射激光器(VCSEL)元件，所述垂直腔面发射激光器元件被构造成发出红外光；
倍频材料，所述倍频材料位于与所述VCSEL元件相邻的腔体中并且被构造成接收从所述至少一个VCSEL元件发出的红外光，并且使所接收红外光的频率基本上倍频以输出可见光；
在与所述至少一个VCSEL元件相对的所述倍频材料的一端上的涂层，所述涂层对红外光具有高反射性；以及
输出耦合器，所述输出耦合器被构造成接收来自所述倍频材料的所述倍频光。
36.根据权利要求35所述的架构，其中所述输出耦合器限定与所述至少一个VCSEL元件相对的所述腔体的一端，并且其中所述涂层对红外光具有高反射性并且对可见光具有抗反射性。
37.根据权利要求35所述的架构，还包括具有角度大约接近布鲁斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间，并且被构造成提高由所述至少一个VCSEL元件产生的所述光的偏振纯度。
38.根据权利要求37所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一个VCSEL元件和所述倍频材料之间的布鲁斯特板，其中所述布鲁斯特板包括涂层，所述涂层对红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对可见光谱中的光具有抗反射性。
39.根据权利要求37所述的架构，其中具有角度大约接近所述布鲁斯特角的所述切割表面被设置在所述倍频材料上。
40.根据权利要求35所述的架构，其中所述涂层对红外光和可见光均具有高反射性，并且其中所述输出耦合器包括位于与所述至少一个VCSEL元件相邻的所述腔体一端的倾斜反射镜，所述倾斜反射镜对所述红外光谱中的非可见光具有高反射性并且对所述可见光谱中的光具有抗反射性，并且其中从所述至少一个VCSEL元件发出的非可见光被所述倾斜反射镜反射到所述倍频材料内，而离开所述倍频材料的可见光透过所述反射镜到达所述腔体外。
41.根据权利要求35所述的架构，其中所述至少一个VCSEL元件可在连续波或脉冲模式的任一者中操作。
42.根据权利要求35所述的架构，其中所述倍频材料通过非线性转换过程使所述光的所述频率倍频，所述转换过程例如是倍频或二次谐波生成。
43.根据权利要求35所述的架构，其中所述倍频材料包括选自由硼酸钡、磷酸二氢钾、磷酸氧钛钾、铌酸锂、三硼酸锂和铌酸钾组成的组的晶体。
44.根据权利要求35所述的架构，其中所述至少一个VCSEL元件包括VCSEL元件的二维阵列。
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