CN1305185C - 激光光源 - Google Patents

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Abstract

在一个LiTaO3基底1中形成了一些畴反转层3之后，形成一个光学波导。通过对这样形成的光学波长转换元件进行低温退火，便形成一个稳定质子交换层8，其中在高温退火过程中所产生的折射率增大被减少，由此提供了一个稳定的光学波长转换元件。这样，相位匹配波长变得恒定，谐波输出的变化被消除。结果，对于利用非线性光学效应的光学波长转换元件而言，提供了高度可靠的元件。

Description

激光光源
本申请是专利申请号为96195433.7，中请日为96年5月30日、发明名称为光学元件，激光光源，激光设备，以及制作光学元件的方法的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种例如光学波长转换元件这样的光学元件、一种激光光源、以及一种适用于利用相干光的光学信息处理或光学测量控制领域的激光装置，本发明还涉及一种制作光学元件的方法。
背景技术
现在将参考图1说明一种利用光学波长转换元件的普通激光光源。该激光光源的基本组成是：一个半导体激光器20、一个固体激光晶体21，和一个用非线性光学晶体KNbO3(铌酸钾)做成的光学波长转换元件25。
如图1所示，从半导体激光器20发射的807nm的泵浦光P1a被一个透镜30会聚，激励作为固体激光晶体21的YAG(钇铝石榴石晶体)。在固体激光晶体21上形成有一个全反射镜22。该全反射镜反射99％的947nm波长的光，但透射800nm波段的光。因此，虽然泵浦光P1a被高效率地导入到固体激光晶体21中，但是由固体激光晶体21所产生的947nm波长的光却不会射向半导体激光器20一侧，而是被反射到光学波长转换器25一侧。此外，在光学波长转换元件25的输出面上设置了一个反射镜23，它能反射99％的947nm波长的光，透射400nm波段的光。这两个反射镜22和23对947nm波长的光构成了一个谐振器(腔)，能够产生947nm的基频波P1的振荡。
光学波长转换元件25被插入在由反射镜22和23所确定的腔内，在其中产生谐波P2。腔内基频波P1的功率可达1W或更大。因此从基频波P1到谐波P2的转换可增强，由此能得到高功率的谐波。使用500mW输出的半导体激光器可以得到1mW的谐波。
下面将参考图2说明一种带有光学波导的普通光学波长转换元件。所示的光学波长转换元件在其上入射840nm波长的基频波时将产生它的二次谐波(波长为420nm)。这种光学波长转换器已公开于K.Mizuuchi和K.Yamamoto的论文，发表于Applied Physics Letters(应用物理快报)，第58卷第2732页，1991年6月。
如图2所示，在该光学波长转换元件中，在LiTaO3(钽酸锂)基底1中制作了一个光学波导2，其中沿着光学波导2周期性地排列了一些极化(方向)反转的层3(畴反转层)。LiTaO3基底1上没有制作畴反转层3的那些部分用作畴非反转层4。
当基频波P1入射到光学波导2的一个端面(入射表面)10上时，在该光学波长转换元件中将产生谐波P2，并从光学波导2的另一个端面输出。这里，光在通过光学波导2传播时因为受到由畴反转层3和畴非反转层4所构成的周期性结构的影响，使所产生的谐波2和基频波P1的传播常数之间的不匹配被畴反转层3和畴非反转层4所构成的周期性结构补偿。其结果是，该光学波长转换元件能够高效率地输出谐波P2。
这种光学波长转换元件的一个基本部分是用质子交换法制作的光学波导2。
下面将参考图3说明制作这种光学波长转换元件的一种方法。
首先，在图3的步骤S10中执行畴反转层形成步骤。
较具体地说，首先淀积一层Ta(钽)膜，使之覆盖LiTaO3基底的主表面，其后用普通的光刻和干蚀刻技术使Ta膜成型为带条图案，由此形成一个Ta掩模。
接着，对主表面上已覆盖有Ta掩模的LiTaO3基底1在260℃下进行20分钟的质子交换处理。于是在LiTaO3基底1的没有覆盖Ta掩模的部分中形成了一些0.5μm厚的质子交换层。然后用1∶1的HF和HNF3混合物进行2分钟的腐蚀，除去Ta掩模。
然后，通过1分钟550℃的热处理，在每个质子交换层内形成一个畴反转层。在热处理过程中，温度上升率是50℃/S，冷却率是10℃/S。与LiTaO3
基底1上没有进行质子交换的部分相比，在进行了质子交换的那些部分中Li(锂)的量相对减少了。因此，经过了质子交换的部分的居里温度降低，由此在550℃的温度下能够在质子交换部分部分地形成畴的反转。这个热处理使得能够形成具有反映Ta掩模图案的质子交换层。
接着，在图3的步骤S20中执行光学波导制作步骤。
较具体地说，步骤S20可以分成步骤S21、步骤S22和步骤S23。在步骤S21中形成掩模图案；在步骤S22中进行质子交换处理，在步骤S23中进行高温退火。
下面将说明这些步骤。
在步骤S21，制作用来形成光学波导的Ta掩模。通过在Ta膜中形成一些狭缝状开口(宽度：4μm，长度：12mm)以得到该Ta掩模。在步骤S22，通过对覆盖有Ta掩模的LiTaO3基底1进行16分钟260℃下的质子交换处理，在LiTaO3基底1中形成一个沿某一个方向直线延展的高折射率层(厚度：0.5μm)。这个高折射率层最终将起到光学波导的作用。不过，这样形成的进行过质子交换的部分(高折射率层)的非线性性质将受到破坏。为了恢复该非线性性质，步骤22中在除去Ta掩模之后进行1分钟420℃下的退火。该退将使高折射率层沿垂直方向和横方向扩展，从而使Li扩散到高折射率层中。通过用这种方法减小高折射率层中的质子交换浓度，有可能恢复非线性性质。其结果是，位在Ta掩模各狭缝正下方部分(高折射率层)的折射率比其他部分的折射率增大了约0.03，从而该高折射率层起到一个光学波导的作用。
接着进行保护膜制作步骤(步骤S30)、端面抛光步骤(步骤S40)、和AR(消反射)镀膜步骤(步骤S50)，由此就完成了一个光学波长转换元件。
通过把沿着波导周期性排列的畴反转层的排列步长设定为10.8μm就可能形成一个三次伪相位匹配结构。
利用上述光学波长转换元件，当光学波导2的长度为9mm时，就可以从波长为840nm的基频波P1(功率：27mW)获得功率为0.13mW的谐波P2(转换效率：0.5％)。
若要形成一个一次伪相位匹配结构，则可以把畴反转层的排列步长设定为3.6μm。这时可以从27mW的基频波P1获得0.3mW的谐波P2(转换效率：1％)。本发明的发明人已在实验上制作了一个激光光源，通过把这种光学波长转换元件和一个半导体激光器相结合，该光源能输出蓝色激光。
这种光学波长转换元件有一个问题，即它的相位匹配波长会随时间变化，使得不能得到谐波。当从半导体激光器发出的基频波波长保持恒定，但光学波长转换元件的相位匹配波长却改变时，谐波输出将逐渐减小，最终变为零。
本发明的目的是使激光光源稳定化，增大它的输出，并减小激光装置或光盘设备的尺寸和重量，其方法是在这种装置/设备中配置一个高输出的激光光源。
本发明公开的内容
本发明的激光光源，它包括：
一个分布反馈型半导体激光器，用于发射激光；
一个半导体激光放大器，用于放大该激光；以及
一个光学波长转换元件，用于接收经放大的激光以产生一个谐波，该光学波长转换元件具有周期性的畴反转结构。
其中光学波长转换元件具有调制功能。
其中光学波长转换元件形成在LiNbxTa1-x(0≤X≤1)基底中。
其中半导体激光器是波长锁定的。
本发明的另一种激光光源，它包括：
一个半导体激光器，用于发射激光；以及
一个光学波长转换元件，其中形成有周期性的畴反转结构和一个光学波导，其中
其中光学波长转换元件具有调制功能。
其中光学波长转换元件形成在LiNbxTa1-x(0≤X≤1)基底中。
其中光学波导是渐变型的。
附图的简要说明
图1是说明一个普通短波长光源的图。
图2是说明一个普通光学波长转换元件的结构的图。
图3是说明根据普通方法制作光学波长转换元件的方法中各步骤的流程图。
图4是说明普通光学波长转换元件的谐波输出随时间变化的图。
图5是说明普通光学波长转换元件的相位匹配波长随时间变化的图。
图6是说明普通光学波长转换元件的折射率随时间变化的图。
图7是说明根据本发明例1的光学波长转换元件的结构的图。
图8A、8B、8C、8D和8E是分别说明制作根据本发明例1的光学波长转换元件的方法的各步骤的图。
图9是说明制作根据本发明例1的光学波长转换元件的方法的各步骤的流程图。
图10是说明以退火温度为参量时相位匹配波长随退火时间的变化的特性图。
图11是说明退火温度和相位匹配波长变化量之间的关系的特性图。
图12是说明根据本发明例1的光学波长转换元件的输出的时间特性的图。
图13是说明根据本发明例1的光学波长转换元件的相位匹配波长和有效折射率的时间特性的图。
图14是说明根据本发明例2的制作光学波长转换元件的方法的各步骤的流程图。
图15A、15B和15C是分别说明制作根据本发明例4的光学元件的方法的各个步骤的图。
图16是说明制作根据本发明例5的光学元件的方法的各步骤的流程图。
图17是说明根据本发明的激光光源的一个例子的布局的图。
图18A、18B、18C和18D是分别说明本发明激光光源中的光学波长转换元件的制作步骤的图。
图19是说明本发明激光光源中所使用的光学波长转换元件的光学波导厚度和耐光学损伤性质之间的关系的图。
图20是说明根据本发明一个例子的激光装置的布局的图。
图21是说明根据本发明一个例子的激光光源的布局的图。
图22是说明用于根据本发明一个例子的激光光源的半导体激光器的布局的图。
图23是说明根据本发明一个例子的激光光源的布局的图。
图24是说明根据本发明一个例子的激光光源的布局的图。
图25是说明根据本发明一个例子的分离型激光光源的布局的图。
图26是说明根据本发明一个例子的激光光源的布局的图。
图27是说明根据本发明一个例子的激光装置的布局的图。
图28是说明根据本发明一个例子的用于激光装置的自动切断装置的布局的图。
图29是说明根据本发明一个例子的用于激光装置的自动切断装置的控制系统的图。
图30是说明根据本发明一个例子的激光装置的布局的图。
图31是说明根据本发明一个例子的激光装置的布局的图。
图32是说明根据本发明一个例子的激光装置的布局的图。
图33是说明根据本发明一个例子的光盘设备的布局的图。
实施本发明的最佳模式
本发明的发明人对上述含有一个光学波导的光学波长转换元件研究了为何其相位匹配波长会随着时间流逝而变短的原因，这种变短将使得不再能产生谐波。
图4示出在普通光学波长转换元件中，从制成该元件开始的流经时间和它的谐波输出之间的关系。可以看出，谐波输出随时间流逝快速地下降。
图5示出经过时间和相位匹配波长之间的关系。从元件制成开始经过3天，谐波输出即减小为一半。可以看出，在这个时刻相位匹配波长已向短波方向移动。相位匹配波长λ由畴反转步长∧和谐波有效折射率n2w以及基频波有效折射率nw确定。具体地说有：λ＝2(n2w-nw)·∧。
由于畴反转层的步长∧并不随时间改变而是保持恒定，所以可以认为相位匹配波长λ的减小起因于有效折射率n2w和nw的变化。
图6示出有效折射率n2w和流经时间之间的关系。从图6可以看出，有效折射率n2w随着从制作元件那天开始的流经天数的增加而减小。
本发明的发明人认为其中的原因如下。
制作光学波导时所进行的约400℃的高温处理给质子交换层引入了一些应变或类似变化，从而在质子交换层中形成了一个具有增大的折射率的层(改变层)。该应变随着时间流逝逐渐释放，使改变层的折射率变得接近于其原来的折射率。
虽然在高温退火期间由于应变等原因而形成了具有增大折射率的改变层，但该改变层的折射率要返回到它原来的大小，并且最终该改变层将变为一个稳定的质子交换层。不过，改变层变成这种稳定的质子交换层需要若干年。在本申请的说明书中，一个在常温下(约从0℃到50℃)使用的、其有效折射率不随时间改变的质子交换层被称作是一个“稳定质子交换层”。
上面所述是本发明的发明人所提出的时间变化的机制。为了证明这一点，一个由于时间变化而降低折射率的样品在300℃下被退火1分钟。这样的退火温度和退火时间几乎不会引起质子扩散等效应，所以波导不会增宽。因此，从通常的观点看来，该质子交换层的折射率根本不会变化。但是，在本发明人的一个实验中，经过300℃下1分钟的退火后折射率再次增大了。而且，还观察到了在该退火之后折射率再次随时间流逝而下降的现象。
本发明使减小质子交换层中因相对高温的热处理而产生的应变成为可能，从而防止了光学波长转换元件的时间变化。
下面将参考附图说明一些例子。
(例1)
现在参见图7说明本发明的例1。
在本例的光学波长转换元件中，在LiTaO3(钽酸锂)基底1中形成一个稳定质子交换层的光学波导，并且沿着该光学波导周期性地安排了多个畴反转层3。让一个基频波P1入射到该光学波导的一个输入端上，从其输出端将出射一个谐波P2。在本例中该光学波长转换元件的长度(光学波导的长度)是9mm。此外，为了工作于850nm的波长，畴反转层3的步长设定为3.7μm。
下面将参考图8A至8E说明该光学波长转换元件的一个制作方法。
首先如图8A所示，淀积一层Ta膜，使之覆盖LiTaO3基底1的主表面，其后用普通的光刻和干蚀刻技术使Ta膜(厚度：约200到300nm)成形为条带图案，由此形成Ta掩膜6。本例中所用的Ta掩膜6的各条带各自都是1.2μm宽、10mm长，互相等距地分开排列，条带的排列步长为3.7μm。对主表面上已覆盖有Ta掩膜6的LiTaO3基底进行质子交换处理。该质子交换处理是通过把基底1的表面在加热到230℃的焦磷酸中浸泡14分钟来完成的。这样，在LiTaO3基底1的没有被Ta掩膜覆盖的那些部分中形成了0.5μm厚的质子交换层7。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蚀2分钟以除去Ta掩膜。
接着如图8B所示，通过在550℃温度下进行15s的热处理在每个质子交换层7中形成一个畴反转层。在该热处理中，温度提升率为50℃-80℃/s，冷却率为1℃-50℃/s，在LiTaO3基底1的已进行了质子交换的那些部分中，相对于没有进行质子交换的那些部分来说Li(锂)的量(浓度)被减小了。因此质子交换层7的居里温度相对其他部分来说降低了，因此通过550℃温度的热处理可以在质子交换层中部分地形成畴反转层3。这个热处理使得能形成具有反映了Ta掩膜6的图案的周期图形的畴反转层3。
下一步，形成用于制作光学波导的Ta掩膜(未示出)。这个Ta掩膜是通过在淀积于基底1上的一个Ta膜(厚度：约200至300nm)中形成一些狭缝状开口而得到的。这些开口确定了波导的平面轮廓。不用说，波导的形状不局限于直线形。Ta掩膜的图案取决于准备形成的波导的形状。通过对覆盖有Ta掩膜的LiTaO3基底1进行260℃下16分钟的质子交换处理，就在LiTaO3基底1中Ta掩膜开口的下方形成了直线形伸展的质子交换层5(厚度：0.5μm，宽度：5μm，长度：10mm)，如图8C所示。该直线形伸展的质子交换层5最终将起着一个波导的作用。然后，用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蚀2分钟，除去Ta掩膜。
接着，用一个红外辐射加热设备在420℃下进行一分钟的退火。通过该退火，质子交换层5的非线性性质得到恢复，同时形成了一个折射率约增大了0.03的改变层8b，如图8D所示。如上所述，这个退火用来使Li和质子在基底1中扩散，从而减小了质子交换层5的质子交换浓度。其后，在基底1的主表面上淀积一个作为保护层的300nm厚SiO2(二氧化硅)层。
下一步，在对垂直于改变层8b的基底1表面进行光学抛光从而形成了该光学波长转换元件的一个入射表面和一个出射表面之后，在该抛光的入射表面和出射表面上镀上消反射(AR)膜15，如图8E所示。
下一步进行低温退火以防止时间变化。在本申请说明书中，“低温退火”是指在基本上不会减小质子交换层中的质子浓度的温度下所进行的热处理。例如，对于LiTaO3基底，“低温退火”意味着在130℃或更低温度下进行的热处理。在本例中，该热处理利用一个炉子在大气环境下进行，温度为60℃，时间为40小时。通过这样的低温退火就形成了稳定质子交换层8a。该稳定质子交换层8a构成了光学波导。
下面将参考图9说明上述制作步骤的流程。
在步骤S10，即于基底内形成畴反转层的步骤之后，进行光学波导形成步骤(S20)。通常该步骤S20分成三个步骤S21、S22和S23。步骤S21中形成掩膜图案；步骤S22中进行质子交换处理；以及步骤S23中进行高温退火。然后进行保护膜形成步骤(S30)、端面抛光步骤(S40)、和AR镀膜步骤(S50)。因为这样制作的光学波长转换元件将有一定的时间变化，所以在步骤S60中进行低温退火，以形成一个稳定质子交换层。
图10示出分别在60℃和120℃下进行低温退火的情形中相位匹配波长改变量和退火时间之间的关系。对于120℃的退火情形，经过几个小时后相位匹配波长改变变量就变得基本恒定，但对于60℃的退火情形，要变得基本恒定需要几十小时。
从图10可以看出，当低温退火的温度较高时，只需较短的退火时间就可达到稳定状态。此外，当退火温度较低时，达到稳定状态时相位匹配波长改变量的值较接近于零。所以，如果增大低温退火的温度，则使改变量回复到零所需的时间变得比较短，但在另一方面这将残留比较大的应变。
图11示出达到稳定状态时的相位匹配波长改变量和低温退火温度之间的关系。从图11可以看出，当退火在120℃下进行时，相位匹配波长在改变量约为0.5nm时变得稳定。如果退火在150℃或更高温度下进行，则稳定后的相位匹配波长改变量为0.8nm或更大。如更残留有这样大小的相位匹配波长改变量，要长时期地使用该光学波长转换元件是困难的。如果把相位匹配波长改变量的容限范围设定为0.5nm或较小，则在超过120℃的温度下进行退火时不能把改变量减小到该容差范围内。如果增大相位匹配波长改变量的容差范围，则又会减小转换效率。当相位匹配波长改变量超过0.5nm时，则输出大约只有零改变量时可得到的输出大小的1/4。如果低温退火在60℃下进行，虽然退火时间比较长，但改变量可以减小到0.1nm或更小，这样便排除了转换效率降低的问题。最好把相位匹配波长的改变量减小到约0.2nm或更小。
根据本实施例，光学波导2中的畴非反转层4和畴反转层3的折射率都没有时间变化，所以被导引光的传播损耗是小的。当把来自一个半导体激光器的激光(波长：850nm)入射到入射表面上时，它将作为基频波P1在光学波导内以单模光形式传播，而波长为425nm的谐波P2则通过出射表面从基底出射。该谐波P2在光学波导2中的小传播损耗1dB/cm使它能高效率地获得。对于27mW的基频波输入，得到了1.2mW的谐波(波长：425nm)。在此情形中转换效率为4.5％。
图12示出经过天数和谐波输出之间的关系。图13示出经过天数和相位匹配波长之间的关系，还示出经过天数和折射率改变之间的关系。
从这些图可以看出，紧接着制作出该元件之后，折射率改变量和相位匹配波长都立即变得稳定。根据本发明的光学波长转换元件的制作方法，有可能实现折射率改变量不随时间流逝而改变，从而具有恒定相位匹配波长的光学波长转换元件。把这种元件和一个半导体激光器相结合，就可能制作出一个稳定的短波长激光器。约60℃温度下40小时或更久的低温退火是特别有效的。
(例2)
下面将说明本发明的例2
首先在LiTaO3基底上淀积Ta膜，使之覆盖其主表面，其后用普通的光刻和干蚀刻技术使该Ta膜(厚度：约200nm至300nm)成形为带条图案，由此形成Ta掩膜。本例中所用Ta掩膜的带条图案中每个带条都是1.2μm宽、10mm长，各带来条距排列，排列的步长为3.6μm。对主表面上已覆盖有Ta掩膜的LiTaO3基底1进行质子交换处理。该质子交换处理是通过把基底的表面在加热到260℃的焦磷酸中浸泡20分钟来实现的。这样，在LiTaO3基底1的没有被Ta掩膜覆盖的那些部分中形成了一些0.5μ厚的质子交换层。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蚀2分钟以除去Ta掩膜。
下一步，通过550℃温度下15秒钟的热处理，在每个质子交换层7中形成一个畴反转层。在该热处理中，温度提升率为50℃/s，冷却率为10℃/s。这个热处理形成了具有由Ta掩膜周期性图案所决定的周期性图案的畴反转层。
下面将参考图14说明上述步骤后面的各步骤的流程。
首先，对其上已形成有畴反转层的基底表面进行质子交换处理，由此形成一个光学波导(步骤S100)。形成一个Ta膜，其中开设了一些4μm宽、12mm长的狭缝，该Ta膜将用作制作光学波导的掩膜。
接着，在焦磷酸中进行260℃下16分钟的质子交换(步骤S110)，其后除去Ta掩膜。在基底的主表面上覆盖一层厚度为300nm的SiO2膜之后，进行低温退火(步骤S120)以完成光学波导的制作。为了防止折射率的增大，在该低温退火中进行了200小时的120℃空气环境热处理。通过这个低温退火，便形成了稳定质子交换层。
通过上述各步骤，在其底中形成了畴反转层和光学波导。当把畴反转层的厚度设定为2.2μm时，为了有效地实现波长转换，光学波导的厚度d应设定得薄于畴反转层的厚度，例如设定为1.8μm。为了对840nm的波长工作，畴反转层的步长设定为3.6μm。
根据上述的制作方法，畴非反转层和畴反转层各自的折射率都不会有时间变化，并且光的传播损耗是小的。垂直于光学波导的表面进行了光学抛光，以形成一个入射表面和一个出射表面，这样就可以制作成一个光学波长转换元件。另外，该元件的长度为9mm。
当用半导体激光(波长：840nm)作为基频波P1入射到波导的入射表面上时，将通过出射表面从基底取得波长为420nm的谐波P2。对于用80mW输出的基频波入射的情形，得到了10mW输出的谐波(波长：420nm)。这时的转换效率为12％。该谐波输出十分稳定，并且没有光学损伤或时间变化。如果象本例这样在处理过程中不进行高温退火步骤，就可以防止时间变化。
(例3)
下面将说明本发明的例3，其中使用了LiNbO3(铌酸锂)基底(厚度：0.4mm至0.5mm)。
首先，用普通光刻和干蚀刻技术在LiNbO3基底的主表面上形成一个Ta电极(第一Ta电极)，其图案类似于上述两例中所用的Ta掩膜的图案。
然后，在该基底的整个相反表面上淀积一个Ta膜(第二Ta电极)，形成在基底主表面上的第一Ta电极和形成在基底相反表面上的第二Ta电极构成了一个电极结构，用于在基底内施加电场。
下一步，在第一Ta电极和第二Ta电极之间施加一个电压(例如10KV)，以在LiNbO3基底中形成一个电场，通过施加电场，便形成了从基底与第一Ta电极相接触的表面部分延伸到基底相反表面的畴反转层。
接着，用1∶1的HF∶HNF3混合物进行2分钟的腐蚀，除去Ta电极。然后在基底上形成一个Ta掩膜，其中有一些狭缝状开口(宽度：4μm，长度：12mm)，其后用焦磷酸进行质子交换处理(230℃，10分钟)，以形成光学波导。除去Ta掩膜以后，用红外辐射加热设备进行2分钟的420℃退火。通过这个退火，光学波导中的非线性性质得到恢复，但同时也形成了一个改变层，其折射率增大了约0.02。
然后在基底上淀积一个300nm厚的SiO2膜，用作保护膜。接着，为了减小造成折射率增大的应变，在空气中进行20小时的100℃退火(第一次低温退火)，接着再进行10小时的60℃退火(第二次低温退火)。这样，在本例中要进行两次低温退火。低温退火分成两个阶段来进行的目的是减少低温退火所需的总时间。100℃的退火比60℃的退火能更快地减小应变。但如图11C所示，100℃的退火将残留有对应于该温度的相位匹配波长变化的应变。因此，另外再进行一次60℃的低温退火，以完全消除应变。这样的两次退火使得能快速而完成地形成不可能产生应变以“稳定质子交换层”。
用上述各步骤所形成的光学波导的厚度d约为1.8μm。各畴反转层排列的步长为3μm，它工作于840nm的波长。垂直于光学波导的表面被进行光学抛光，形成入射表面和出射表面。这样就可以制作成光学波长转换元件。另外，该元件的长度为10mm。当把半导体激光(波长：840nm)作为基频波P1引导到入射表面上时，便可通过出射表面从基底中取得波长为420nm的谐波P2。当入射基频波为80mW时，得到了13mW的谐波(波长：420nm)。该谐波输出十分稳定，没有时间变化。
虽然在本例中进行了不同温度下的两次不同的低温退火(2阶段退火)，但也可以进行温度逐渐降低，例如在30个小时内从100℃降到60℃的低温退火。
(例4)
下面参考图15A至15C说明本发明的例4。
首先如图15A所示，利用液相外延生长法在LiTaO3基底1上生长一个LiNbO3和LiTaO3的混合膜(LiNb0.5Ta0.5O3膜)16。这时，生长温度超过了1000℃，在混合膜16和LiTaO3基底1的界面处残留有一些应变。接着，如图15B所示，利用普通的光刻技术在混合膜16上形成一个光致抗蚀剂掩膜17。然后，如图15C所示，用离子来蚀刻除去混合膜16上没有覆盖光致抗蚀剂掩膜17的部分，由此留下宽度例如为4μm的光学波导16。
在用气相淀积法在基底1上淀积了一个300nm厚的SiO2膜之后，进行低温退火处理以减小折射率的增大。这个退火包括30小时100℃下的第一次低温退火和60小时70℃下的后继低温退火。通过这样的低温退火，便得到了没有折射率变化的稳定光学波导16。
用上述各步骤制作的光学波导的厚度d是1.8μm。另外，该元件的长度为9mm。垂直于该光学波导的表面被光学抛光，形成入射表面和出射表面。当把半导体激光(波长：840nm)从入射表面导入波导时，波导的损耗十分小。该波导十分稳定，其折射率的时间变化小于可测量的限度。混合膜的材料并不局限于LiNb0.5Ta0.5O3，它可以是LiNbxTa1-xO3(0＜x＜1)或其他光学材料。
(例5)
下面将说明本发明的例5。
将参考图16来说明本例中处理流程的概貌。
首先进行光学波导形成步骤。该光学波导形成步骤一般分成步骤S200、S210和S220。步骤S200形成掩膜图案；步骤S210进行质子交换处理；步骤S220进行高温退火。然后进行电极形成步骤(S230)，低温退火步骤(S240)，端面抛光步骤(S250)和AR镀膜步骤(S260)。
下面将说明该处理的细节。
首先用普通光刻处理和干蚀刻技术使Ta成形为一些狭缝。接着对其上已形成有Ta图案的LiTaO3基底1进行10分钟230℃下的质子交换，在狭缝的正下方形成0.5μm厚的质子交换层。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蚀2分钟除去Ta。用一个扩散炉进行1小时400℃下的退火(第一退火)，从而形成扩射率增大约0.01的改变层。接着，作为电极形成步骤，用汽相淀积法加上一个300nm的SiO2膜。作为一个电极掩膜，把Al(铝)淀积成带条状图案，这样就完成了成形处理。为了减少折射率的增大，进行低温退火。该退火于70℃在空气中进行10小时。这样就形成了一个稳定质子交换层。接着进行第二退火，这次退火的温度比第一退火低330℃。降低200℃或更多是有效的，因为这能大为减少应变。最后进行抛光和AR镀膜。
通过上述各步骤便制作出了带有电极的光学波导。该波导可用作光学调制器。该光学波导的厚度是8μm。垂直于光学波导的表面被光学抛光，形成入射表面和出射表面。这样就能制作出一个光学元件。此外，该元件的长度为9mm。如果在把半导体激光(波长：1.56μm)作为基频波从入射表面导入时在电极上施加调制信号，便可从出射表面取得经调制的光。那里不存在时间变化，并且偏置电压保持恒定超过了2000小时。
虽然在前述各例中是把光学波长转换元件和光学调制器作为光学元件的例子来说明本发明的，但本发明并不局限于此，而是也适用于象菲涅耳透镜或全息图这样的平面器件。与质子交换处理相关连的折射率时间变化可以被防止，同时也抑制了性能的变坏。
(例6)
下面将参考图17来说明本发明的例6。本例涉及到一个含有一个半导体激光器和一个光学波长转换元件的短波长光源。
如图17所示，从半导体激光器20发射的泵浦光P1a被透镜30会聚，以激励用作一个固体激光晶体的YAG(钇铝石榴石)21。
在YAG21上形成有对947nm的全反射镜22，由此将在947nm的波长上发生受激振荡，射出基频波P1。另一方面，在光学波长转换元件25的出射表面上形成一个对于基频波P1的全反射镜23，由此将在两全反射镜之间发生激光振荡。基频波P1被透镜31会聚，然后被光学波长转换元件25转换成谐波P2。在本例中，利用质子交换制作在LiTaO3基底1中的光学波导2被用作为具有形成了周期性的畴反转结构的光学波长转换元件。
在图17中，代号1表示一个Z板LiTaO3基底，2代表所形成的光学波导；3代表畴反转层；10代表基频波P1的入射表面；12代表谐波P2的出射表面。进入光学波导2的基频波P1被长度为相位匹配长度L的畴反转层3转变成谐波P2。然后谐波功率被同样具有长度L的畴非反转层4增大。
这样，功率在光学波导2中被增大了的谐波P2就从出射表面12射出。出射的谐波P2通过透镜32成为平行光。
此外，在光学波长转换元件25上隔开一个保护膜13形成有一个电极14。下面将参考附图简要说明使光学波长转换元件25的制作方法。
首先如图18A所示，在厚度为0.3mm的LiNbO3基底1的全表面上用普通光刻和干蚀刻技术形成一个Ta电极(第一Ta电极)6，其图案类似于前述各例中所用的Ta掩膜的图案。
然后，在基底1的整个相反表面上淀积Ta膜(第二Ta电极)6b。形成在基底1的主表面上的第一Ta电极和形成在基底1的相反表面上的第二Ta电极构成一个用来在基底1中施加电场的电极结构。
接着，在第一Ta电极6和第二Ta电极6b之间施加一个电压(例如10KV)，在LiNbO3基底1内形成一个电场。通过施加电场，形成了从基底1表面上的与第一Ta电极6相接触的部分延伸到基底1相反表面上的畴反转层3，如图18B所示。畴反转层3在光传播方向上的长度L为2.5μm。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蚀20分钟，除去Ta电极6和6b。
然后在基底1上形成带有一些狭缝状开口(宽度：4μm，长度12mm)的Ta掩膜(未示出)，其后用焦磷酸进行质子交换处理(260℃，40分钟)，形成光学波导2，如图18C所示。Ta掩膜上有一些狭缝(宽度：6μm，长度：10mm)，这些狭缝确定了光学波导2的平面布局。除去Ta掩模后，用红外辐射加热设备进行5小时460℃的退火。通过该退火，已进行了质子交换的光学波导就恢复其非线性性质，这部分的折射率增大了约0.002。光沿着高折射率的光学波导2传播。光学波导2的厚度d为50μm，宽度为70μm。畴反转层3沿着波导2延伸的方向的排列步长为5μm，从而该光学波长转换元件工作于波长为947nm的基频波。
接着如图18D所示，在基底1上形成一个由SiO2组成的保护膜(厚度：300nm至400nm)13之后，用汽相淀积法在保护层13上形成一个Al膜(厚度：200nm)。用光刻技术使Al膜成形，形成Al电极14。该Al电极用于调制输出光的强度。
垂直于光学波导2的延伸方向的表面被光学抛光，形成入射表面10和出射表面12，如图17所示。此外，在入射表面10上布设对于基频波P1的消反射镀层。在出射表面12上布设对基频波P1的反射镀层(99％)和对谐波P2的消反射镀层。
这样就能够制作出如图17所示的光学波长转换元件25(元件长度：10mm)。
在图17中，当从入射表面10导入作为基频波P1的947nm波长的光时，它将以单模形式传播，通过出射表面12可以从基底取出波长为473nm的谐波P2。光学波导2中的传播损耗低达0.1dB/cm，从而改善了腔的性能，提高了基频波P1的功率密度，并以高效率产生谐波P2。
减小损耗的原因可能包括：用磷酸形成了均匀的光学波导和改小了波导中的限制。而且，由于是弱限制的波导，谐波密度被减小了，从而光学损伤大为改善。这是因为，比普通技术中的面积大100倍的面积将能耐受大100倍的光学损伤。
图19示出光学波导厚度和抗光学损伤耐受功率之间的关系。抗光学损伤耐受功率是指这样一个功率，即能够耐受的最强蓝光谐波的功率，也就是不发生光学变化的最强蓝光谐功率。可以看到，当光学波导的厚度增大时，由于扩散而使其宽度也同时增大，从而抗光学损伤耐受功率基本上按光学波导厚度的平方关系改善。由于所需激光辐射的功率至少为2W，光学波导的厚度最好等于或大于40μm。
此外，如果对于波导内以及波导邻近的折射率分布按阶梯式变化的情形增大波导的横截面，则将出现多模传播现象。为了避免这一现象，在本例中形成的是渐变型折射率分布。
当半导体激光器20的输出光P1a的功率为10W时，得到了3W输出功率的谐波P2。这时的转换效率为30％。该光学波长转换元件对波长变化的容限范围是0.4nm。即使波长改变了0.4nm，该固定激光器的振荡波长也仍然恒定，同时谐波输出也是稳定的，为了进行调制，通过在Al电极14上施加电压将使波导内及波导邻近的折射率改变，从而使该光学波长转换元件的相位匹配波长发生改变。利用施加电压可以很大地改变相位匹配波长这一现象，便能够通过施加比较低的约100V的电压来调制谐波输出。
这样，利用采用本例中的周期性畴反转结构的光学波长转换元件，可以容易地通过施加电压来调制谐波输出，而且所需施加的电压很低，提供了高度的工业实用性。
这样，可以把调制器集成在一起，从而有可能做到较小的尺寸，较轻的重量和较低的成本。此外还有一个优势，这就是本例中所用的非线性光学晶体LiTaO3可以以大块晶体的形式获得，从而可以利用光学集成处理方法容易地对光学波长转换元件进行批量生产。基频波的多模传播将造成不稳定的谐波输出，从而是不实用的，反之，单模传播是好的。象本例这样把具有周期性畴反转结构的元件用作为光学波长转换元件是十分有利的，因为这能够改善效率，实现光学调制器的集成，以及允许通过改变步长来取得除了蓝色激光之外的红色和绿色的激光。光学调制器也可以与波长转换元件分开。
下面将参考图20说明一种根据本发明的激光投影设备。如图20所示，图17中的蓝色激光光源用作该激光投影设备的光源。代号45代表一个其波长处于蓝色的473nm波段内的激光光源。通过向调制电极输入一个调制信号而使该蓝光得到调制。经调制的蓝激光入射到偏转器上。代号56代表垂直偏转器，代号57代表水平偏转器，这两个偏转器都是旋转多面镜。使用增益为3的光屏70，在4m×3m大小的光屏上得到了亮度为300cd/m攩2攪，对比度为100∶1，水平分辨率1000线的电视图象。所以，与普通技术相比，分辨率大为提高。与采用气体激光器的总体结构相比，也得到了其他方面的巨大改进，例如：千分之一的重量、千分之一的体积，和百分之一的功耗。激光光源的小尺寸和低功耗以及光学调制器的集成对这些改进作出了巨大贡献。也就是说，这些改进起因于，采用了半导体激光器和光学波长转换元件的结构能亚小型化，并且对电源功率的转换效率要比气体激光器的大两个数量级左右。尤其是把具有周期性畴反转结构的元件用作光学波长转换元件是特别有效的，由此既可提高效率又可把光学调制器集成在一起。虽然在本例中激光是从光屏背面照明的，但它也可以从正面照明。
下面将参考图21说明本发明激光光源的另一个例子。
如图21所示，从半导体激光器20射出的基频波P1通过透镜30、半波片37和聚光透镜31被导引到光学波长转换元件25上，然后被转换成谐波P2。也就是说，在本例中不使用固定激光器而得到蓝光。光学波长转换元件25的结构与例1中的基本相同。本例中也采用LiTaO3基底和光学波导型的光学波长转换元件。此外，为了实现调制，也形成了电极14和保护膜13。不过，本例没有使用腔结构。
图22示出半导体激光器20的内部结构。该半导体激光器20由一个分布反馈型(以下简称DBR)半导体激光器20a和一个半导体激光放大器20b组成。DBR半导体激光器20a含有一个采用光栅的DBR区27，从而能在一个恒定波长上稳定地振荡。从DBR半导体激光器20a发射的稳定基频波P0被透镜30a导引到半导体激光放大器20b上。其功率被半导体激光放大器20b的活性层26b放大，从而提供出稳定的基频波P1。通过把这个基频波导入光学波长转换元件25，可以大为改善转换效率和谐波输出。畴反转的步长为3μm，光学波导长度为7mm。在本例中，半导体激光器的振荡波长为960nm，所产生的谐波P2的波长为480nm，其颜色是蓝的。对于10W的输入转换效率为10％。不存在光学损伤，谐波输出十分稳定。DBR半导体激光器有稳定的振荡波长，有利于稳定谐波的输出。
接着，对此DBR半导体激光器进行RF叠加(射频叠加)。通过向DBR半导体施加一个正弦形的800MHz电信号并利用弛张振荡，从该半导体激光器得到了光学的脉冲序列输出。在对DBR半导体激光器进行这样的RF叠加时，基频波的峰值输出大为提高，同时保持了恒定的振荡波长。当基频波的平均输出功率为10W时，得到了5W的谐波，转换效率为50％。与不进行RF叠加的情形相比，转换效率提高为5倍。
虽然在本例中DBR半导体激光器和半导体激光放大器是互相分开的，但如果把它们集成在一起可以得到进一步的小型化。
下面将参考图23说明本发明激光光源的又一个例子。来自半导体激光器20的基频波P1被镜透低度地会聚到光学波长转换元件25上。在本例中用LiNbO3代替LiTaO3作为基底。此外，使用了块型光学波长转换元件25。LiNbO3基底1a具有大非线性性的特点。峰值功率被半导体激光器20的RF驱动提高，由此大为改善了光学波长转换元件的转换效率。畴反转层3的步长为3.5μm，光学波长转换元件25的长度为7mm。在本例中，利用光学反馈方法使谐波P2的输出稳定。该光学波长转换元件25的波长容差范围窄达约0.1nm。没有被光学波长转换元件25转换的那部分基频波P1被透镜32准直，并被光栅36反射，返回到半导体激光器20上。这样，半导体激光器20的振荡波长被锁定在光栅36的反射波长上。为了把振荡波长调节到光学波长转换元件25的相位匹配波长上，可以改变光栅36的倾斜角度。
另一方面，谐波P2被一个二色性反射镜35反射，所以从另一个不同的方向取出。在本倒中，半导体激光器的振荡波长是980nm，取出的谐波P2是波长为490nm的蓝光。这时所施加的是输出功率为5W的810MHz的RF电信号。另外，对于平均输出为15W基频波得到了3W的谐波。没有光学损伤，谐波输出十分稳定。不出现光学损伤的原因是基频波只会聚成约100μm的光斑，所以相应地谐波的功率密度不是太大。
虽然在本例中利用光栅实现的光学反馈锁定了波长，但本发明并不局限于此，它例如也可以用滤波器选择波长来得到光学反馈。此外，如果用本例的激光光源来构成激光投影设备，便可能达到较小的尺寸、较轻的重量和较低的成本。还有，根据本例，也可以通过直接调制半导体激光器来调制谐波，此可使结构简单化，并有可能减少成本。
下面将参考图24说明本发明激光光源的另一个例子。光学波长转换元件(块型)25的横截面示于图24。
从半导体激光器20发射的波长为806nm的泵浦光P1a入射到光纤40上并在光纤40中传播。以光纤40出射的泵浦光P1a进入光学波长转换元件25。该光学波长转换元件25的材料是LiTaO3基底1b，其中掺入了稀土元素Nd(钕)，并且形成了有步长为5.1μm的畴反转结构。Nd的掺入量为1mol％。代号22表示一个能99％地反射波长为947nm的光但能透射800nm波段的光的全反射镜。代号23也表示一个全反射镜，它能反射99％的波长为947nm的光，但能透射470nm波段的光。此外，该全反射镜部分做成为球面形。也就是说，它用作球面反射镜。当光学波长转换元件被半导体激光器20激励时，它将振荡于947nm的波长，并且该光被畴反转层3的畴反转结构转换成谐波P2并输出。对于20W的泵浦光P1得到了2W的谐波。此外，用一个Peliter(帕尔梯)元件进行了恒温，使该光学波长转换元件的温度不会有大的变化。根据本例的激光光源的转换部分的长度为10mm，通过把稀土元素掺入到光学波长转换元件内并设计得使泵浦光经过光纤传播，该激光光源可以做得非常紧凑。此外，有可能通过把光学波长转换元件设置在远离由半导体激光器产生的热量的地方，来防止温度变化。
还有，通过改变全反射镜22和23上的镀层使它们反射1060nm波长段的光，同时改变畴反转层3的步长使之适合于1060nm波长，就可以得到1060nm波长的振荡，由此便得到了作为谐波P2的绿色激光(波长：530nm)。另外，通过改变全反射镜22和23上的镀层使它们反射1300nm波长段的光，同时改变畴反转层3的步长使之适合于1300nm波长，就可以得到1300nm波长的振荡，由此便得到了作为谐波P2的红色激光(波长：650nm)。用这样的布局，容易得到三种原色的激光，即蓝、绿、红色激光。图25示出了另一种布局，其中固体激光晶体和光学波长转换元件是互相分开的。用作固体激光晶体21的Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)被粘结在光纤的输出端。在LiTaO3基底1的光学波长转换元件25中形成了周期性的畴反转结构。用这个布局的激光光源也得到了稳定的2W蓝色激光。
现在将参考附图说明本发明的再一个例子。图26示出根据本例的激光光源的布局。从半导体激光器20发射的波长为806nm的泵浦光P1a被固体激光晶体21转换成基频波P1，后者入射到光纤40上并在其中传播。光纤40是一个单模光纤。从光纤40出射的基频波P1进入光学波长转换元件25。在本例中，利用质子交换制作在LiTaO3基底1中的光学波导2被用作带有周期性畴反转结构的光学波长转换元件。在该图中，代号1表示一个Z板的LiTaO3基底；2表示所形成的光学波导；3表示畴反转层；10表示基频波P1的入射表示基频波P1的入射表面：12表示谐波P2的出射表面。进入了光学波导2的基频波P1被畴反转层3转换成谐波P2。这样，在光学波导2中提高了功率的谐波P2将通过出射表面12射出。射出的谐波P2被透镜32准直。
此外，在该元件上隔开一个保护膜13形成了电极14。对于30W的泵浦光P1a得到了10W的谐波P2。通过在形成于光学波长转换元件25上的电极14上施加一个调制信号，蓝色的激光被调制于30MHz。根据本例的激光光源的转换部分的长度为10mm，通过设计得使基频波P1由光纤传播，它可以制作得十分紧凑。还有，通过把光学波长转换元件设置在远离半导体激光器的地方便可能防止温度变化。
图26示出了一个不使用固体激光晶体的例子。
使用了一个输出为10W的980nm半导体激光器。该激光器通过光纤40与光学波长转换元件25相耦合，以直接进行转换。得到了波长为490nm的2W输出。
下面将参考图27说明本发明的一种激光投影设备。用作激光光源的是例5中的蓝色激光光源、绿色激光光源和红色激光光源这三种颜色的光源。代号45表示位于473nm波长段的蓝色激光光源。代号46表示位于530nm波长段的绿色激光光源；代号47表示位于650nm波长段的红激光光源。每个光学波长转换元件上都设置有一个调制电极。各个光源输出被向调制电极输入的调制信号所调制。绿色激光通过一个双色镜61与蓝色激光结合在一起。红色激光通过一个双色镜62与另两色激光结合在一起。代号56代表一个垂直偏转器，代号57代表一个水平偏转器，它们都是旋转多面镜。采用增益为3的光屏70时，在2m×1m的屏幕大小上得到了亮度为2000cd/m攩2攪、对比度为100∶1、水平分辨率为1000线和垂直分辨率为100线的电视图象。所以，本发明的激光投影设备在提供高亮度、高分辨率和极低功耗等方面是十分有效的。
虽然在本例中使用了畴反转型的光学波长转换元件，但并不局限于这种情况。此外，如果红色激光光源是直接振荡的半导体激光器，则成本可进一步降低。另外，直接振荡型激光器也可以用作蓝色或绿色激光光源。它们的组合关系可以任意确定。
还有，在本例中为了安全性还采取了以下措施。激光器的设计使它在激光扫描停止时自动切断。与投影激光一起扫描的有一束来自弱输出副半导体激光器的红外激光，其设计使得当有物体接触到激光时激光就自动断开。红外半导体激光器的特点是低成本和长寿命。
下面将参考图28对此作一说明。三个原色激光束借助于偏转器在光屏70的一个显示区71内扫描。扫描时激光束将通过位在显示区周边上的传感器A和B。传感器A和B的输出信号始终被监视着。另一方面，来自一个由红外半导体激光器构成的红外激光光源的激光束借助于偏转器58始终沿着光屏70的周边扫描。其反射光进入传感器C。也就是说，设计得使周边上任何位置处的反射光都能进入传感器C。
下面参考图29说明其控制过程。在图29中，只要传感器A和B中任一个的信号在某个时间长度没有到达控制电路，则激光光源的主电源将被切断，使蓝、红、绿三个激光光源切断。也就是说，通过切断扫描，便可以防止某个位置上受到过分集中的激光照射。此外，即使传感器C的信号仅仅出现了暂短的中断，激光光源的电源也将被控制电路切断。这样就保证了安全性，因为人类或其他物体永远也不会碰到高功率输出的短波激光束。
虽然在本例中切断了激光光源的电源，但也可以是遮挡住激光的光路。此外，也可以通过利用一个电压之类来改变光学波长转换元件的相位匹配波长，或者通过改变作为基频波光源的半导体激光器的振荡波长，以停止产生短波长激光，这种方法可以使重新起动所需的时间大为缩短。
下面将参考图30说明本发明的三维激光投影设备的一个例子。
这是一种能向观众提供体视视觉的设计。图30示出根据本例的激光投影设备的布局。如图30所示，通过对三色激光插入一个棱镜型光路转换器66，使激光分解成两个方向。分开的两激光束分别被反射镜64和65反射以及被调制器5a和5b调制，然后入射到光屏70上。一个从右方看去的图象和一个从左方看去的图象分别被调制器5a和5b重叠在一个位置上，并且两光束是从不同方向射到光屏70上的，于是看起来将有体视感。此外，以规则的时间间隔交替地转换光路1和光路2，使人们感觉起来不同的图象好似来自两个方向，从而使体视图象更为清晰。在本例中，可以容易地看到体视图象，不需要载体视镜。
体视观看也可以用半反射镜等对光束的一分为二来实现。此外，虽然在上例中分解了单个光束，但也可以用两个同样颜色的激光光源从不同的方向去照射光屏。这时，对每个光源只需一半的输出功率。
下面将说明本发明激光投影设备的又一个例子。
图31示出根据本例的激光投影设备的布局。一个采用了光学波长转换元件的紫外激光光源被用作光源。通过用紫外激光照射一个涂敷有萤光材料的光屏70，就会发射出RGB光，即红、绿、蓝光。在该激光光源的结构中，由一个半导体激光器直接振荡产生的650nm红色激光被一个LiTaO3光学波长转换元件转换成一半波长即325nm的激光。该光学波长转换元件是块型的，其中形成有畴反转结构。代号48代表该激光光源。这里，紫外调制信号由直接调制红色半导体激光器得到。经调制的紫外激光射向偏转器。代号56表示垂直偏转器，代号57表示水平偏转器，它们都采用旋转多面镜。光屏70上分别涂敷有产生红、绿、蓝光的萤光材料，以产生萤光。对于1m×0.5m的光屏尺寸得到了亮度为300cd/m攩2攪，对比度为100∶1，水平分辨率为600线的电视图象。如本例中这样，可以用单个激光光源产生红、绿、蓝三个原色，因此可以实现更小的尺寸和更低的成本。可以免去用于结合各光波的双色镜也是有利的。
下面参考图32说明本发明的一种激光投影设备。如图32所示，一个采用光学波长转换元件的蓝色激光光源45被用作光源。从激光光源45发射的激光被透镜30准直。在该准直激光束中插入一个液晶光阀68。通过对液晶光阀68施加信号，光将受到空间调制，然后被透镜31放大，投射到光屏上，得到可以观看的图象。如果采用三个原色激光光源，该方法可以用于多色投影。
与普通技术相比，其效率大为改善，功耗大为减少。此外的一个优点是所产生的热量是小的。
下面参考图32说明根据本发明的一种激光投影设备。从外表看其结构与图20所示的激光投影设备例子相同。采用图23的蓝色激光光源作为光源，而且这里所用的激光光源是有RF叠加的。此外，除了RF叠加之外，蓝色激光还被输入的调制信号所调制。经调制的蓝色激光入射到偏转器上。当采用增益为2的光屏时，在2m×1m的光屏尺寸上得到了200cd/m攩2攪的亮度。在光屏上未见到激光干涉可能造成的散斑噪声。这是因为RF叠加减小了激光的相干性，所以RF叠加作为一种抗散斑噪声手段是十分有效。虽然在本例中采用了图23的激光光源布局，但RF叠加对于采用基于半导体激光器直接波长转换的激光光源的激光投影设备也是有效的。此外，当红、绿、蓝激光直接由半导体激光器产生时，也同样可以防止散斑噪声。不用说，它也适用于彩色激光投影设备。
虽然在上例中使用LiNbO3和LiTaO3作为非线性光学晶体，但使用象KNbO3或KTP这样的铁电材料、象MNA这样的有机材料、和其他在这些材料中掺入了稀土元素的材料也都是可以的。此外，除了本例中所用的Nd以外，象Er(铒)或Tl(铊)等稀土元素也都很有前途。还有，尽管这里用YAG作为固体激光晶体，但YLF、YVO4等其他晶体也都可用。LiSAF和LiCAF也都是有效的固体激光晶体。
下面将参考图33说明一个例子，其中本发明的激光光源被应用于一个光盘设备。
该光盘设备含有任何一个光学读出头104内的带有畴反转结构的光学波长转换元件25，从半导体激光器20发射的激光通过光纤40被传送给该光学波长转换元件25。
除了光学波长转换元件25之外，光学读出头104还含有：一个准直透镜32，用于把从光学波长转换元件25出射谐波转变成一个准直光束；一个偏振分束器105，用于让准直光束透过，射向光盘，一个聚光透镜106，用于把光会聚到光盘上；以及一个探测器103，用于探测从光盘反射的光。偏振分束器105有选择地反射从光盘反射的光，把它传向探测器103。
光学读出头104被一个驱动器驱动，而半导体激光器20却固定在光盘设备上。借助于柔软的光纤，光学读出头104能可靠地接收来自固定在光盘设备上的半导体激光器20的激光。
下面将说明工作过程。
从半导体激光器20发射的光(泵浦光)被固定激光器21转换成基频波P1，并射入光学波长转换元件25。光学波长转换元件25的结构类似于上述例子中的结构，它把基频波P1转换成谐波P2。谐波P2被准直透镜32准直，通过偏振分束器105，然后经过聚光透镜106会聚到光盘媒体102上。从光盘媒体102反射的光再次经过同样的光路返回，然后被偏振分束器105反射，并被探测器103探测。
这样，既可以把一个信号记录在光盘媒体上，也可以再生记录在其上的信号。
在偏振分束器105和聚光透镜106之间插入了一个四分之一波片108，使谐波的偏振方向在其出射途径和返回途径中旋转90
当把一个输出为1W的半导体激光器用作半导体激光器20时，得到了200mW的谐波P2。从固定激光器21发射的光波长为947nm，谐波波长为473nm。
通过使用能产生200mW输出的大功率激光，能够使记录操作的速度达到使用普通的20mW输出光的光盘设备所能达到的记录速度的10倍。传送率为60Mbps。
此外，工作时会发热的半导体激光器20被固定在光盘设备的一个灯室中，并且远离光学头。这样，作为半导体激光器远离光学头的结果，不再必要为半导体激光器配置一个专门的散热结构。这样就可能构成一个亚小型的和轻重量的光学头。其结果是，光学头可以被驱动器高速驱动，由此便能达到高传输率的快速记录。
虽然在本例中固定激光器是位在半导体激光器一侧的，但它也可以放置在光学波长转换元件一侧。此外，也可以不用固定激光器，而把来自半导体激光器的光作为基频波直接转换成谐波。
光学头104的内部结构并不局限于本例所示那样。例如，如果使用一个偏振分离全息图，就可以免除一个透镜和偏振分束器。这样，光学头可以做得更小。
工业应用性
如上所述，在本发明的光学波长转换元件中，当在LiNbxTa1-xO3(0≤X≤1)基底中制作了一个光学元件之后，进行了低温退火处理以抑制例如高温退火过程中的热处理所造成的折射率增大，从而形成了稳定的质子交换层，由此便能得到稳定的光学元件。特别地，如果要把一个其相位匹配波长不随折射率改变而改变的光学波长转换元件予以实用，本发明是不可缺少的。
此外，在低温退火时进行两个不同温度下的两次退火是有效的，因为这能快速地使稳定质子交换层完全达到没有时间变化。其效性还在于，通过在比第一次退火温度低200℃的温度下进行第二次退火可以更有效地抑制应变，得到稳定的质子交换层。其有效性又在于，如果在120℃或更低的温度下进行至少1小时的低温退火，相位匹配波长的时间改变可小到0.5nm或更小，尤其当上述退火温度为90℃或更低时更为有效，这时相位匹配波长改变量将更小。如果该温度为50℃或更低，则将产生退火时间极长的问题。因此，退火需要在上面提及的温度下进行。
还有，采用本发明的激光光源有可能稳定半导体激光器的振荡波长，并且通过在分布反馈型半导体激光器和光学波长转换元件之间插入一个半导体激光放大器，便可能增大基频波的输出，同时，利用带有畴反转层结构的高效率光学波长转换元件，还可能稳定地获得最大的谐波输出。
另外，采用本发明的激光光源，通过设计得使泵浦光或基频波通过一个光纤来传送，则光学波长转换元件部分能够做得十分紧凑。此外，有可能把光学波长转换元件放置得远离半导体激光器所产生的热量以防止温度变化，由此可以使用高输出的半导体激光器。
还有，如果把周期性的畴反转结构用作光学波长转换元件，则除了可以大为提高转换效率之外，还可以容易地通过施加低电压信号来实现调制，由此呈现了工业上的优越性。于是，调制器可以集成在一起，由此可达到更小的尺寸，更轻的重量和更低的成本。此外，通过使用弱限制的光学波导作为光学波长转换元件，则谐波的功率密度变小，由此可明显地改善光学损伤。这是因为，比普通技术大100倍的面积可以忍受大100倍的光学损伤。此外，采用本发明的激光光源，有可能采用多条带型或宽条带型高输出半导体激光器，并用固体激光晶体把泵浦光转换成基频波，由此便能获得高输出的谐波。
由于这些因素，可得到半导体激光器的例如30％的电光转换效率和光学波长转换元件的70％的转换功率，将它们相乘便得到20％的总转换效率。此外，通过在本发明的激光光源中的半导体激光器上叠加RF信号，则与不进行RF叠加相比其转换效率例如可提高为5倍。
另外，如果采用本发明的激光投影设备，则因为它是基于半导体激光器的，所以有可能达到小得多的尺寸、重量和成本。而且，通过利用高输出的基于半导体激光器的激光光源和光学波长转换元件，有可能使设备同时达到更小的尺寸、重量和成本。此外，功耗也能够是极低的。其中的一个原因是该设备不是有分开的激光调制器，而是把它与光学波长转换元件集成在一起。还有，与普通技术相比，分辨率也大为提高了。例如与使用气体激光器的结构相比，得到了极大的改进，例如：一千分之一的重量、一千分之一的体积和一百分之一的功耗。所使用激光光源的小尺寸和低功耗以及在其中集成了光学调制器；在这里起着重大作用。也就是说，这些改进起因于：这种利用半导体激光器和光学波长转换元件的结构是可以亚小型化的，同时对电源的利用效率可以比气体激光器高出约2个数量级。尤其是，把具有周期性畴反转结构的元件用作光学波长转换元件是特别有效的，因为这有可能提高效率和实现对以低电压驱动的光学调制器的集成。
此外，有可能通过让荧光材料被紫外激光光源照射而产生三个原色，从而达到更小的尺寸和更低的成本，由此呈现出巨大的工业优越性。这样有可能用单个激光光源产生红、绿、蓝三原色。可以免去用来结合各光波的二色镜也是有利的。
还有，当扫描结束时，本发明的激光投影设备可防止某个位置被激光集中的照射，由此呈现了激光终止或切断功能。另外，即使一个传感器的信号只是发生了瞬间中断，激光光源的电源也会被一个控制电路切断。这样，因为人们或其他物体再也不会碰到高功率输出的短波长激光，从而具有安全性。该激光投影设备的安全性就是象上述这样来保证的。
还有，对于使用基于半导体激光器直接波长转换的激光光源的激光投影设备，RF叠加是有效的。这是因为它可以防止产生散斑噪声，从而得到清晰的图象。此外，对于红、绿、蓝三色激光直接由半导体激光器产生的情况，也可以防止散斑噪声。

Claims (7)

1、一种激光光源，包括：
分布反馈型半导体激光器，用于发射激光；
半导体激光放大器，用于放大该激光；以及
光学波长转换元件，用于接收经放大的激光以产生一个谐波，该光学波长转换元件具有周期性的畴反转结构，
其中，这种分布反馈型半导体激光器是波长锁定的。
2、根据权利要求1的激光光源，其中光学波长转换元件具有调制功能。
3、根据权利要求1的激光光源，其中光学波长转换元件形成在LiNbxTa1-xO3(0≤X≤1)基底中。
4、根据权利要求1的激光光源，其特征在于，在光学波长转换元件中形成一个光波导，
该光学波导的厚度为40μm或更大。
5、根据权利要求4的激光光源，其中光学波长转换元件具有调制功能。
6、根据权利要求4的激光光源，其中光学波长转换元件形成在LiNbxTa1-xO3(0≤X≤1)基底中。
7、根据权利要求4的激光光源，其中光学波导是渐变型折射率分布的光学波导。
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