CN1319227C - 双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器 - Google Patents

双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器 Download PDF

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双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，涉及一种产生红绿蓝(RGB)三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2跃迁产生的1.3微米和1微米波段辐射的双波长激光通过腔内倍频获得红色和绿色激光，部分输出的1.3微米激光与部分红色激光在腔外和频获得蓝光。通过控制材料参数和激光运行参数等获得相应比例的1.3微米、红色和绿色激光，以获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光，并通过对基波的声光调Q提高倍频的转换效率。上述技术产生三基色激光，设备简单、成本低，可作为激光彩色显示的光源，广泛应用于大屏幕、高清晰度彩色电视、激光表演、激光投影仪和指挥、监控、调度中心的大屏幕、高清晰度的彩色显示设备等彩色显示领域。

Description

双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器
技术领域
本发明涉及一种产生红绿蓝三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2跃迁产生的1.3微米和1微米波段辐射的双波长激光通过腔内倍频获得红色和绿色激光，然后再由剩余的1.3微米激光与红色激光在腔外和频获得蓝色激光，通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度、激光运行参数等获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光，并通过对基波的声光调Q提高倍频的转换效率，以实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
背景技术
红绿蓝三基色激光器，国际上主要利用Kr-Ar全色激光(Kin，Yong H.；Lee，Hang W.；Cha，Seung N.；Lee，Sin H.；Park，Young J.；Park，Joung H.；Hong，SungS.；Hwang，Young M.“Full color laser projection display using Kr-Ar laser(White-laser)beam-scanning technology”，Proc.SPIE，Vol.3131，P.2-10，OpticalScanning System)和LD泵浦钕激光晶体倍频得到的绿色激光经光参量振荡的898nm信号光和1256nm闲置光的倍频得到449nm蓝光和628nm红光，而在光参量过程中循环的泵浦光作为绿光，以此得到红绿蓝三基色激光(Lee，Dicky；Moultom Peter F.，“Compact OPO-Based RGB source”，Proc.SPIE，Vol.4294，P.60-66，2001，Projection display)。上述技术中，前者效率较低，体积较大，后者设备较复杂，成本较高。
1973年美国Bell实验室的Betha等首次利用YAG晶体中钕离子亚稳能级到不同下能级的跃迁，获得了1064nm和1318nm同时双波长脉冲激光运转(C.G.Betha et al.，“Mega watt power at 1.318μm in Nd3+：YAG andsimultaneous oscillation at both 1.06μm and 1.318μm”，IEEEj.Quantum.Electron.，Vol.QE9(1973)254.)，此后，双波长激光引起了人们的广泛兴趣。
“七五”期间，在国家863项目和中国科学院重大项目资助下，中科院福建物构所沈鸿元研究员首次建立了多波长激光振荡条件，并利用Nd:YAlO3晶体从亚稳能级到不同下能级的同时跃迁首次实现了双波长晶体连续激光运转(H.Y.Shen，“Oscillation condition of simultaneous multiple wavelengthlasing”Chines Physics Letters 7.4(1990)174；Yvonne A.Carts，“Nd:YAP laserCW at two wavelength simultaneously”，Laser Focus World，World  News：LasersVol.26，No.6，P.42，1990.)。并建立了测量跃迁截面的新方法，研究测量了钕离子在YAlO3晶体中的跃迁截面(H.Y.Shen，T.Q.Lian，et al.，“measurement ofthe stimulated Emission cross section for 4F3/2to4I13/2 transition of Nd3+ion inYAlO3 crystal”，IEEE J.Quantum Electron.，Vo125 No.2(1989).144；LianTianquan，Shen Hongyuan，“A new method for measurement of laser transitioncross section and fluorescence lifetime.”Chinese Journal of Laser，Vol.17，No.1(1990)5.)，基于测量的数据，利用振荡条件比较了一些常用激光晶体(Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:BEL和Nd:YAlO3)实现双波长激光的情况，结果表明，钕离子在YAlO3晶体中4F3/2to4I13/2跃迁截面与4F3/2to4I11/2跃迁截面之比接近1/2，它比上述其他晶体上述跃迁的比大2.4倍以上，所以Nd:YAlO3比上述其他晶体更容易实现双波长连续激光(H.Y.Shen，et.al.，“Comparision of simultaneous multipie wavelength lasing in variousneogymium host crystal at transitions from 4F3/2to4I11/2 and 4I13/2”，Appliedphysics letters，56，20(1990)1937.)，并研制成大能量Nd:YAlO3双波长脉冲激光(H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，″Large energy 1079.5 and 1341.4nm dual wavelengthNd:YAP pulsed laser″，Applied Optics，Vol.32，No.30(1993)5952.)，通过双波长振荡条件合理选择激光参数后，已获得输出功率高达33.7W(1079.5nm)和30W(1341.4nm)的双波长Nd:YAlO3连续激光。该成果已由我国著名光学专家王大珩院士主持召开的中科院科技成果鉴定会鉴定，样机已出口美国，于1996年获得国家科技进步三等奖。并开展了双波长晶体激光的倍频、和频研究，得到了红色(670.7nm)、橙色(598.1nm)、绿色(539.8nm)、蓝色(447.1nm)和紫色(413.7nm)相干辐射(G.Zhang，H.Y.Shen，et.al.，“The Study of 1341.4nmNd:YALO3laser intracavity frequency doubling by LiB3O5.”OpticsCommunication，183，461(2000)；H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，“0.5981 sumfrequencymixing in KTP crystal”，chinese physics letters，Vol.8，No.4(1991)215；H.Y.Shen et.al.，“SHG and SFM of a dual wavelength Nd:YAlO3 laser in a fluxgrowth KTP crystal”，IEEE J.Quantum Electron.Vol.28，No.1(1 992)48；W.X.Lin，H.Y.Shen，“Tripling the harmonic generation of 1341.4nm Nd:YAP laser inLiIO3 and KTP to get 447.1nm coherent radiations”，Optics Commun.，82，3-4(1991)333；H.Y.Shen et.al.，“Twice SFM of a dual wavelengthhNd:YAlO3 laser to get413.7nm violet coherent radiationsin LiIO3crystal”，Journal of Applied Physics，No.3(1991)1880.；H.Y.Shen et.al.，“Second harmonic generation and sum frequency mixing of dual wavelengthNd:YAlO3 laser to 413.7nm violet coherent radiation in LiIO3 crystal”，Journalof Applied Physics 72(9)(1992).4472.)
80年代末，随着作为泵浦的激光二极管的飞速发展，掀起了一场根据LD泵浦的特性，重新评价现有激光晶体和探索激光新晶体的热潮，Nd:YVO4是60年代就发现的激光晶体，它虽具有优异的激光光谱特性，但未生长出质量好的大晶体，对于灯泵浦为主的60年代，该晶体未得到人们的应有重视，LD泵浦技术大大地放松了对晶体尺寸的要求，90年代以来，这种晶体的晶体生长技术和LD泵浦Nd:YVO4激光器取得飞速的发展，从表1看到，YVO4中，4F3/2to4I13/2跃迁截面与4F3/2to4I11/2跃迁截面之比也接近1/2，而且跃迁截面比YAlO3更大，因而也是获得双波长激光的优良晶体。
表1、几种掺钕晶体的跃迁截面
  Crystals   Nd:YAG   Nd:YLF   Nd:BEL   Nd:YAP   Nd:YVO4
  Lifetime(μs)   230   480   144   150b   99
4F3/2-4I11/2
  λ(nm)   1064   1074/1053   1070   1079.5   1064
  σ(×10-19cm2)   4.6   3.7/2.6   2.1   4.6   12.0
  στ(×10-19μscm2) 920 867/576 302.4 690 1188
4F3/2-4I13/2
  λ(nm)   1338/1318   1313   1351   1341.4   1342
σ(×10-19cm2) 0.9/0.92  0.6  0.4  2.2  6.0
στ(×10-19μscm2) 207/211.6 288 57.6 330 594
近年来，利用非线性晶体的变频技术，将近红外激光变频获得可见激光的技术日臻成熟，并已成为获得可见激光的主要技术途径。中小功率应用中，KTP晶体由于具有大的非线性系数、容忍温度和容忍角而受到人们的青睐。LBO晶体非线性系数虽小，但它具有特高的破坏阈值，在高功率的应用中具有较大的优势，而提高峰值功率将有助于提高非线性转换的效率，因而也是非线性频率转换中常用的晶体，表2中给出了Nd:YAlO3和Nd:YVO4激光晶体利用上述非线性晶体实现频率转换的参数。利用非线性晶体和非线性频率转换技术，通过色散和分光技术，将双波长激光中两个波长激光在腔内分成两路，按包含激光晶体受激发射参数、非线性有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体上光腰半径以及4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，设计高效、均衡、同时输出的红绿蓝激光装置，可以获得足够平均功率的红绿蓝三基色激光。
表2-1.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶体中倍频、和频的最佳相位匹配角
         B+B          B*+B*           A+A          A*+A*           B+2B         B*+2B*
  φm(°)   θm(°)    φm(°)   θm(°)   φm(°)  θm(°)   φm(°)   θm(°)   φm(°)  θm(°)   φm(°)  θm(°)
 KTP   0   58.7     0   59.4   0  87.03   23.1   90   0  77.86   0  77.76
 LBO   0   86.13     0   86.13   10.4  90   11.4   90   0  15.48   0  15.51
表2-2.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶体中的相位匹配特性
KTP LBO
  B+B   deff(10-12m/V) 3.049 1.012
  走离角(°) 2.528 0.201
  允许角(mrad/cm) Δθ＝2.947、Δφ＝168.323 Δθ＝21.038、Δφ＝76.77
 B*+B* deff(10-12m/V) 3.049 1.012
走离角(°) 2.529 0.2
允许角(mrad/cm) Δθ＝2.947、Δφ＝168.353 Δθ＝21.086、Δφ＝76.791
 A+A deff(10-12m/V) 3.634 1.004
走离角(°) 0.32 .0363
允许角(mrad/cm) Δθ＝20.812、Δφ＝159.322 Δθ＝59.561、Δφ＝8.330
 A*+A* deff(10-12m/V) 3.355 1.001
走离角(°) 0.236 0.397
允许角(mrad/cm) Δθ＝37.883、Δφ＝18.923 Δθ＝59.684、Δφ＝7.528
 2B+B deff(10-12m/V) 3.565 0.826
走离角(°) 1.17 0.788
允许角(mrad/cm) Δθ＝3.099、Δφ＝110.631 Δθ＝4.686、Δφ＝194.483
 2B*+B deff(10-12m/V) 3.538 0.826
走离角(°) 1.380 0.790
允许角(mrad/cm) Δθ＝2.663、Δφ＝113.492 Δθ＝4.678、Δφ＝194.071
基于以上考虑，本发明提出的钕激光晶体1.3微米波段和1微米波段双波长激光通过非线性晶体的腔内倍频、腔外和频获得红绿蓝三基色激光是可行的。
发明内容
本发明的目的是利用KTP、LBO等非线性晶体将Nd:YAlO3、Nd:YVO4等钕激光晶体的4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2跃迁产生的1300nm和1000nm波段的双波长激光，通过腔内倍频、腔外和频技术获得高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
近期可用氪灯或氙灯作为泵浦源，待作为泵浦的激光二极管价格下降后，可采用高效、长寿命、结构紧凑的激光二极管(LD)作为泵浦源，以实现更实用的全固化红绿蓝三基色激光器。
以下以KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNd:YAlO3双波长激光腔内倍频、腔外和频的红绿蓝三基色激光为例，提供本发明的具体方案。利用其他激光和非线性晶体时，激光运行参数和非线性耦合度将做相应的改变。泵浦灯也可用LD取代，利用端面和侧面泵浦技术来激励工作物质。
以KTP和LBO为非线性晶体的1341.4nm和1079.5nmNd:YAlO3双波长激光腔内倍频、腔外和频的红绿蓝三基色激光器是通过泵浦源激励YAlO3晶体中Nd3+离子，在适当设计的双波长激光器中由4F3/2R1子能级跃迁到4I11/2的X3子能级和4F3/2R2子能级跃迁到4I13/2Y3子能级分别产生1079.5nm和1341.4nm激光，在腔内适当位置放置对1079.5nm和1341.4nm倍频的KTP和LBO晶体，获得539.7nm和670.7nm绿红色激光，一部分1341.4nm输出激光和部分670.7nm红光在腔外和频，获得447.1nm蓝色激光。通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度、激光运行参数等，控制腔内两种基波的功率密度，以实现红绿蓝三基色激光的均衡和同时输出。为了提高倍频的转换效率，利用声光调制技术，将连续激光转换成高重复率的纳秒级短脉冲，提高倍频晶体中的功率密度。
上述技术产生三基色激光，设备简单、成本低，可作为激光彩色显示的光源，广泛应用于大屏幕、高清晰度彩色电视、激光表演、激光投影仪和指挥、监控、调度中心的大屏幕、高清晰度的彩色显示设备等彩色显示领域。
以下结合附图对KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNd:YAlO3双波长激光腔内倍频、腔外和频的红绿蓝三基色激光做进一步的说明。
附图中，(1)为工作物质Nd:YAlO3，(2)是泵浦用氪灯或氙灯，(3)是滤去泵浦灯紫外辐射的滤光管，(4)是紧包式椭圆型聚光腔，腔内充满介质冷却液，冷却工作物质和泵浦灯，(5)是自循环冷却器，(6)是激光电源，(7)、(8)分别是对1079.5nm和1341.4nm全反射的第一介质镜和第二介质镜，(9)是对1079.5nm和539.7nm全反的第三介质镜，(10)是对1341.4nm部分透过和对670.7nm增透的第四介质镜，该镜对1341.4nm的透过率根据红绿蓝均衡输出的要求确定，作为和频产生的蓝光的1341.4nm和670.7nm激光的输出镜，(11)是对1079.5nm全反射539.7nm增透的第五介质镜，用作绿光的输出镜，(12)是对1341.4nm全反射670.7nm部分透过的第六介质镜，用作红光的输出镜，(9)、(11)和(10)、(12)镜子的曲率半径和镜间距离根据获得均衡输出所要求的倍频耦合度来确定，(13)是对1079.5nm倍频的晶体，如KTP等，(14)是对1341.4nm倍频的晶体，如LBO等，(15)是对1341.4nm和670.7nm和频的晶体，如LBO等，(16)是1341.4nm和670.7nm和频中的光束补偿系统，(17)是1079.5nm和1341.4nm的大色散率的第一分光系统，(18)是1079.5nm和1341.4nm的大色散率的第二分光系统，(19)、(20)分别是1079.5nm和1341.4nm的声光调制器(包括驱动源)。
附图说明
附图是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施本发明的典型方案是：以KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNd:YAlO3双波长激光腔内倍频、腔外和频的红绿蓝三基色激光为例(LD泵浦时只需将泵浦灯用LD取代，通过端面泵浦和侧面泵浦激励工作物质)，提供本发明的典型方案。接通电源(6)后，自循环冷却系统(5)即将水箱中的去离子水泵入含有Nd:YAlO3棒(1)和泵浦用氪灯或氙灯(2)的密封聚光腔(4)中，视需要可在自循环冷却器中通过二次冷却水(通常用自来水)或用电冰箱压缩机冷却自循环水箱中的去离子水。启动电源，使灯工作在适当的电流，此时泵浦灯发出的光在聚光腔中集中到Nd:YAlO3晶体上，YAlO3晶体中钕离子吸收泵浦光后，钕离子发出的1079.5nm辐射经第一分光系统(17)和第二分光系统(18)在第一介质镜(7)、第三介质镜(9)和第五介质镜(11)组成的谐振腔间振荡，在倍频晶体(13)中产生539.7nm绿光，从第五介质镜(11)输出；钕离子发出的1341.4nm辐射经第一分光系统(17)和第二分光系统(18)，在第二介质镜(8)、第四介质镜(10)和第六介质镜(2)组成的谐振腔之间振荡，在倍频晶体(14)上产生670.7nm红光，其中，一部分670.7nm红光从第六介质镜(12)输出，另一部分红光从第四介质镜(10)输出，谐振腔内的部分1341.4nm辐射也从第四介质镜(10)输出，与从第四介质镜(10)输出的670.7nm同光路红光，经光束补偿系统(16)后，在非线性晶体(15)中和频，得到447.1nm蓝色激光输出。按包含激光晶体受激发射参数、有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体上光腰半径以及4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，获得相应比例的1.3微米、红色和绿色激光，以获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光，也可以采用声光开关(19)和(20)对基波进行声光调Q提高倍频的转换效率，以实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。

Claims (3)

1.双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，利用钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2跃迁产生1.3微米和1微米波段的双波长激光，1.3微米和1微米波段激光通过大色散率的第一分光系统(17)和第二分光系统(18)分成两个光路，由第一介质镜(7)、第三介质镜(9)和第五介质镜(11)构成1微米激光的谐振腔，1微米激光在位于第三介质镜(9)和第五介质镜(11)之间的KTP晶体(13)中产生绿色激光，从第五介质镜(11)输出；由第二介质镜(8)、第四介质镜(10)和第六介质镜(12)构成1.3微米激光的谐振腔，1.3微米激光在位于第四介质镜(10)和第六介质镜(12)之间的LBO晶体(14)上产生红色激光，其中，一部分红色激光从第六介质镜(12)输出，另一部分红色激光从第四介质镜(10)输出，谐振腔内的部分1.3微米辐射也从第四介质镜(10)输出，与从第四介质镜(10)输出的同光路红色激光在非线性晶体LBO或KTP(15)中和频获得蓝色激光，从而实现红绿蓝三基色激光。
2.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，激光晶体采用氪灯或氙灯泵浦或者采用LD端面或侧面泵浦。
3.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、1.3微米波段激光输出耦合度、激光运行参数等获得相应比例的1.3微米、红色和绿色激光；从而获得相应比例的红、绿、蓝三基色激光，获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
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