CN1219345C - 超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法 - Google Patents

Abstract

超品格全固态红、黄、绿三色激光器，以LD泵浦Nd：YVO₄晶体，1.064μm激光和1.342μm激光以直腔(如图1，1.342μm激光在3、6之间振荡，1.064μm激光在3、7之间振荡)或分路折叠的方式同时振荡并共线输出。以一块能同时实现1.064μm激光倍频(绿光)和1.342μm激光倍频(红光)，以及1.064μm激光和1.342μm激光和频(黄光)的非周期LiTaO₃超品格，置于控温炉中，放置在腔内或腔外，得到红、黄、绿三色激光同时输出。超品格全固态红、黄、绿三色激光器，在高亮度的激光显示、激光背投、彩色激光打印等领域由很高的应用价值。

Description

超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法

一、技术领域

本发明涉及一种超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法，能同时激发掺Nd离子激光晶体多波长激光共振，并用一块超晶格实现多个包括倍频、和频的非线性频率变换过程，得到红、黄、绿三色激光同时输出。

用超晶格晶体进行非线性光学频率转换是获得可见光波段激光输出的重要手段。通过适当的超晶格微结构设计，利用其二阶非线性效应同时实现多个频率转换过程(倍频、和频)，可以实现可见光波段内的多波长激光同时输出。

二、技术背景

此前相关的工作包括：

2001年12月，南京大学固体微结构实验室(本申请单位)刘照伟、祝世宁等人在JJAP上发表了“双周期反转畴结构钽酸锂晶体产生1.064μm激光的三倍频紫外光输出(Ultraviolet generation in a dual-periodic domain invertedstructure in LiTaO₃ crystal by frequency tripling in a 1.064μm laser)”的文章，报导了用双周期结构的LiTaO₃超晶格对Nd:YVO₄发射的波长为1.064μm激光直接三倍频，同时产生绿光(0.532μm)和紫外光(0.355μm)的结果，两个周期(基

本周期和调制周期)分别为l＝6.77μm，L＝51.08μm，倍频绿光和三倍频紫外光的最高功率分别为344mw和21mw，对应效率分别为45.4％和2.7％。

2001年1月J.Campany在Appl.Phys.Lett.上发表了“非周期极化的掺钕铌酸锂中同时产生红、绿、蓝连续光激光(Simultaneous generation of red，green，andblue continuous-wave laser radiation in Nd³⁺-doped aperiodically poled lithiumniobatc)”的文章。其中红光(0.686μm)和绿光(0.542μm)分别由同时振荡的1.372μm和1.084μm的基波自倍频得到，而蓝光(0.441μm，0.482μm)则是由0.774μm的泵浦光与1.084μm和1.372μm的振荡光自和频得到。文章给出的是光谱检测结果，总的可见光功率在1mw左右。且由于生长的非周期结构无法针对多色输出进行优化，输出功率和转换效率与有效输出还有相当的距离。

2001年8月，刘辉、朱永元等人在Appl.Phys.Lett.发表了“用于频率转换的非周期超晶格设计(Aperiodic optical superlattice engineered for opticalfrequency conversion)”的文章，报导了非周期超晶格结构设计方法及实现多波长倍频的理论结果。可以根据需要设计非周期的超晶格(反转畴)序列提供多个(可以大于三个，理论上是任意多个)有效的倒格矢匹配多个倍频过程的位相失配。对使用单一结构超晶格，通过多波长倍频、和频实现红、黄、绿三色激光的同时输出具有很重要的参考价值。本申请人申请的专利(申请号：00119006和00119007)也是本发明中所用超晶格设计的基础。

综上所述，这些研究与技术途径均不涉及同时激发Nd:YVO₄晶体的1.064μm和1.342μm的双波长激光共振，用一块单一结构(非周期)的超晶格晶体同时对1.064μm和1.342μm基波倍频、和频产生红、黄、绿三色激光有效输出。

三、发明内容

本发明的目的：利用掺Nd离子晶体激发多波长激光共振，用一块超晶格实现多个倍频、和频过程，同时得到可见光波段内多波长激光输出；尤其是同时激发Nd:YVO₄晶体的1.064μm和1.342μm的双波长激光共振，并用一块单一结构(非周期)的钽酸锂(LiTaO₃，LT)超晶格为变频晶体，开发出能同时获得红、黄、绿三色激光同时输出的小型和具有实用性的全固态激光器。

本发明是按照下面所述的方式实现的。

本发明提供的超晶格全固态红、黄、绿三色激光器，包括二极管激光(LD)泵浦源，Nd³⁺:YVO₄晶体，同时产生双波长振荡的双波长谐振腔，以及能同时实现多个非线性频率变换过程(两个倍频、一个和频)的特定结构的超晶格晶体。从Nd离子的⁴F_3/2→⁴I_9/2、⁴I_11/2、⁴I_13/2、⁴I_15/2能级跃迁的多条谱线中，选择设计双波长谐振腔，获得双波长基波同时输出；然后针对此双波长基波设计特定结构(非周期)的LT超晶格。该超晶格可以对Nd:YVO₄发射的两种波长激光实现倍频得到两种可见光；同时也对Nd:YVO₄发射两种波长激光实现和频，得到一种可见光；这样可以得到三色的激光同时输出。利用Nd:YVO₄晶体的优异的激光性能和它的两条发射谱线⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，设计双波长谐振腔，获得1.064μm和1.342μm双波长基波同时输出，然后针对此双波长基波设计特定结构(非周期)的LT超晶格。该超晶格可以对Nd:YVO₄发射的1.064μm激光实现倍频得到绿光(0.532μm)；也对Nd:YVO₄发射的1.342μm激光实现倍频，得到0.671μm的红光；同时对1.064μm激光和1.342μm激光的和频，得到0.593μm的黄光，从而构造出能实现红、黄、绿三色激光同时输出的小型全固态激光器。1.064μm激光和1.342μm激光以直腔(1.342μm激光在3、6之间振荡，1.064μm激光在3、7之间振荡，说明书附图图1)或分路折叠的方式(1.342μm激光在13、6之间振荡，1.064μm激光在12、7之间振荡，说明书附图图2)同时振荡并共线输出。腔内加入声光调制器5使1.342μm和1.064μm激光变成准连续，提高峰值功率密度和转换效率。超晶格晶体10置于控温炉9中，放置于(腔内或)腔外。

本发明还可以采用不同基质的掺Nd离子激光晶体、不同的泵浦方式(LD泵浦或闪光灯泵浦)、选择不同的发射谱线共同谐振、使用不同的超晶格材料、不同的超晶格结构参数实现红、黄、绿三色及其多种颜色组合的可见光同时输出。

1.不同基质的掺Nd离子激光晶体，包括Nd:YAG(Nd:Y₃Al₅O₁₂)、Nd:YAP(Nd:YAlO₃)和Nd:GdVO₄等，对应的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线的受激发射截面和对应波长与Nd:YVO₄有所不同，这意味着，对其它掺Nd离子晶体，适当调整平衡双波长共振损耗，也可以实现双波长共振，相应修改超晶格的结构参数，它们也适用于本发明，只是产生的红、黄、绿激光的波长会略有不同。如Nd:YAP晶体，对应的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2的发射谱线波长为1.079μm和1.341μm，采用本发明的方法可以获得波长为0.670μm红光、0.5981μm的黄光、0.540μm的绿光。

2.Nd离子的发射谱线除了上述的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2之外，还包括⁴F_3/2→⁴I_15/2和⁴F_3/2→⁴I_9/2，若设计膜系使⁴F_3/2→⁴I_9/2、⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2同时共振，可以设计相应的超晶格，获得红、黄、绿多种颜色和及其多种颜色组合的激光输出。

3.LT超晶格实现倍频和三倍频的方法参见背景技术和中国专利公开0019006和0019007。除了LiTaO₃晶体外，本发明还包括LiNbO₃、KTP、RTP等其它非线性光学晶体的超晶格。它们的折射率及色散关系不同，因此超晶格设计的参数也有所不同。

通常情况下，周期的光学超晶格材料只能用于倍频、和频或差频等单个非线性频率变换过程。要实现上述红、黄、绿三种颜色激光输出，超晶格必须提供匹配1.342μm和1.064μm激光分别倍频(红光和绿光)的倒格矢，以及1.342μm和1.064μm基波光和频(黄光)的倒格矢。如果分别由三块周期结构的超晶格来提供，对应的周期分别为Λ₁、Λ₂、Λ₃满足准位相匹配条件

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}[2n({\mathrm{\λ}}_1/2,T)-2n({\mathrm{\λ}}_1,T)]=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_1}---\left(1\right)$

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}[2n({\mathrm{\λ}}_2/2,T)-2n({\mathrm{\λ}}_2,T)]=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_2}---\left(2\right)$

$\frac{2\mathrm{\π}}{\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2}}[n(\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2},T)-n({\mathrm{\λ}}_1,T)-n({\mathrm{\λ}}_2,T)]=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\Λ}}_3}---\left(3\right)$

其中λ₁，λ₂分别对应于1.342μm和1.064μm基波光波长。本发明采用的非周期结构设计的方法，就是通过如下特定的耦合方法将多种周期结构的倒格矢包含在一种特定的非周期结构中，并尽量大的保持其倒格矢高度。其结构函数可以表示如下：

$G\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{g}_i\left(x\right)\mathrm{\φ}\left\{\mathrm{floor}\right[\frac{x}{d}-\mathrm{nfloor}\left(\frac{x}{\mathrm{nd}}\right)-i+1\left]\right\}---\left(4\right)$

其中，d是最小畴的宽度， $g_1\left(x\right)=f_1(\frac{\mathrm{floor}\left(\frac{x}{d}\right)+\mathrm{ceil}\left(\frac{x}{d}\right)}{2}\×d),$ 而 $f_i\left(x\right)=1-2\mathrm{floor}\left(\frac{2x}{{\mathrm{\Λ}}_i}\right)+4\mathrm{floor}\left(\frac{x}{{\mathrm{\Λ}}_i}\right)$ 表示的是周期为Λ₁的周期结构， $\mathrm{\φ}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if\; x}=0\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.,$ 根据所要求的Λ₁，可以设计相应的非周期结构，提供所需要的多个倒格矢。n是考虑的非线性过程数，对红、黄、绿三色输出n＝3。

设定温度为80℃；按照如下的色散公式计算折射率；

$n_e(\mathrm{\λ},T)=A+\frac{B+b\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-[C+c\left(T\right){]}^2}+\frac{E}{{\mathrm{\λ}}^2-F^2}+{\mathrm{D\λ}}^2---\left(5\right)$

其中参数

A＝4.5284，B＝7.249×10^-3，C＝0.2453，D＝-2.3670×10^-2，

E＝7.7690×10^-2，F＝0.1838，b(T)＝2.6794×10^-8(T+273.15)²，

c(T)＝1.623×10^-8(T+273.15)²；

本发明的优越性：

1.实现可见光波段内多波长同时输出的全固态激光器，在高亮度的激光彩色显示、激光背投、激光彩色打印等设备及娱乐业等领域中具有广阔的应用前景。本发明提供了实现红、黄、绿三色激光同时输出的小型全固态激光器，具有其它激光器所不具备的优点，效率高，结构简单，使用方便，输出功率达到一定的水平，可以完善适用于多种应用场合。

2.本发明采用的谐振腔结构可以同时产生1.064μm和1.342μm的激光振荡，直腔的结构简单，易于调节；而分路折叠腔可以调节声光开关控制信号的时延，抑制双波竞争或改善双波共振脉冲的同步特性(时间重叠)。

3.Nd:YVO₄晶体具有优异的激光性能，如吸收系数大，吸收带宽，受激发射截面大，输出为线偏振等。该晶体的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2跃迁都

具有较大的发射截面，它们发射截面的比值也易于实现双波长同时振荡，获得高效的1.064μm和1.342μm激光同时输出。

4.本发明采用的超晶格结构是一种特定的非周期结构。可以根据需要，设计相应的结构，有效地提供多个倒格矢，同时匹配多个非线性频率变换过程，且对超晶格材料和入射基波都没有特殊限制，其结构易于得到和制备，具有很大的灵活性和实用性。

四、附图说明

图1本发明一种超晶格全固态红、黄、绿三色激光器结构示意图

图2本发明另一种超晶格全固态红、黄、绿三色激光器结构示意图

图1中

1 半导体二极管激光器(LD)，波长为0.808μm；

2 光纤耦合和准直聚焦系统；

3 输入镜，对1.064μm和1.342μm双波长高反，对0.808μm高透；

4 Nd:YVO₄晶体，产生1.064μm和1.342μm激光的增益介质；

5 声光调制器；

6 1.342μm激光的输出腔镜；

7 1.064μm激光的输出腔镜；

8 会聚透镜；

9 控温炉，用来调节温度；

10 超晶格晶体，频率变换产生红、黄、绿三色激光。

图2中：

1 一半导体二极管激光器(LD)，波长为0.808μm；

2 光纤耦合和准直聚焦系统；

3 输入镜，对1.064μm和1.342μm双波长高反，对0.808μm高透；

4 Nd:YVO₄晶体，产生1.064μm和1.342μm激光的增益介质；

5 声光调制器；

6 1.342μm激光的输出腔镜；

7 1.064μm激光的输出腔镜；

8会聚透镜；

9控温炉，用来调节温度；

10超晶格晶体，频率变换产生红、黄、绿三色激光；

11 45°分束镜，对1.342μm高反而对1.064μm高透；

12 1.064μm高反腔镜；

13 1.342μm高反腔镜。

五、具体实施方式

下面结合附图和实验例对本发明做进一步的详细说明。

实施实例1

按照说明书附图1制作一台超晶格全固态红、黄、绿三色激光器(已经实现)。泵浦源LD输出波长为0.808μm，最大输出功率为30W。Nd:YVO₄晶体4前后表面镀上1.064和1.342μm减反膜。输入镜3对1.064μm和1.342μm均高反，与腔镜6组成1.342μm激光谐振腔，与腔镜7组成1.064μm激光谐振腔。声光开关5置于腔内，获得准连续的1.064μm和1.342μm激光。一块非周期的LT超晶格10(长约1cm)置于控温炉9中，调节温度。在匹配温度处可得到红、黄、绿三色激光的同时输出。

实施实例2

按照说明书附图1制作一台超晶格全固态红、黄、绿三色激光器，与实例1中不同的是，超晶格10两端都镀以1.064μm和1.342μm减反膜及可见光减反膜，输入镜3对可见光也高反，输出腔镜6对1.342μm高反对1.064μm和可见光高透，输出腔镜7对1.064μm高反对可见光高透，将超晶格置于腔内，实现腔内频率转换。在匹配温度处可得到在匹配温度处可得到红、黄、绿三色激光的同时输出。

实施实例3

按照说明书附图2制作一台超晶格全固态红、黄、绿三色激光器。与实例1、2均不同的是，采用了折叠分路的方式。输入镜3对1.064μm和1.342μm均高反，11是45°分束镜，对1.342μm高反而对1.064μm高透；12、13分别是对1.064μm和1.342μm高反的腔镜。1.342μm激光在13、6之间振荡，1.064μm激光在12和7之间振荡。由声光调制器产生准连续光，可以调节两路声光控制信号的时延抑制双波竞争或改善双波脉冲的同步特性(时间重叠)。在腔外，超晶格10置于控温炉9中，调节温度。在匹配温度处可得到红、黄、绿三色激光的同时输出。

实施实例4

按照说明书附图2制作一台超晶格全固态红、黄、绿三色激光器。与实例3不同的是超晶格两端镀以1.064μm、1.342μm减反膜以及可见光区的减反膜，要求腔镜6对1.342μm高反对1.064μm和可见光高透，腔镜7对1.064μm高反对可见光高透，12、13对可见光也高反。超晶格置于腔内，实现腔内频率转换。在匹配温度处可得到红、黄、绿三色激光的同时输出。

Claims (4)

1、超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法，其特征在于：以掺Nd离子晶体为增益介质，即Nd:YAG、Nd:YAP或Nd:GdVO₄等，从⁴F_3/2→⁴I_9/2、⁴I_11/2、⁴I_13/2、⁴I_15/2能级跃迁的多条谱线中，选择两条谱线并设计双波长谐振腔，获得双波长基波同时输出，然后针对此双波长基波设计具有非周期或准周期的LT超晶格，该超晶格对Nd:YVO₄发射的双波长激光分别实现有效的倍频得到两种可见光，同时对两条谱线的和频过程实现匹配，得到一种可见光，得到三色激光的同时输出。

2.如权利要求1所述的超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法，其特征在于：对掺Nd离子晶体发射的⁴F_3/2→⁴I_11/2跃迁谱线激光实现有效的倍频得到绿光，同时也对掺Nd离子晶体发射的⁴F_3/2→⁴I_13/2跃迁谱线激光实现倍频，得到红光，以及对⁴F_3/2→⁴I_11/2跃迁谱线和⁴F_3/2→⁴I_13/2跃迁谱线和频得到的黄光，得到三色激光同时输出。

3.如权利要求1所述的超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法，其特征在于：用单一结构的LiTaO₃非周期超晶格，实现1.064μm激光的倍频，同时实现1.342μm激光的倍频过程，以及1.064μm激光和1.342μm激光的和频，非周期超晶格材料包括LiTaO₃、LiNbO₃、KTP或RTP非线性光学材料。

4.如权利要求1所述的超晶格全固态红、黄、绿三色激光器的设置方法，其特征在于：设计超晶格结构，针对掺Nd离子晶体的⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2跃迁，匹配多个频率变换过程产生红、黄、绿三种可见光同时输出，还包括改变结构参数和匹配温度，以准位相匹配方式同时产生红、黄、绿三色激光。