CN1464597A - 大功率全固态双共振和频蓝光激光装置 - Google Patents

大功率全固态双共振和频蓝光激光装置 Download PDF

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张鸿博
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Abstract

本发明涉及一种大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,包括在光路上依次安置泵光源,泵光源安置在一块谐振腔镜的前方从端面泵浦激光晶体,谐振腔镜设置成一激光谐振腔;并在谐振腔镜形成的谐振腔内依次安置激光晶体、倍频晶体;还包括在激光谐振腔内的激光晶体与倍频晶体之间的光路上设有一色散补偿元件,在倍频晶体后的光路上安置一和频晶体,在谐振腔镜输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。该装置采用双共振组成单通或双通和频光路,克服了原有技术采用准三能级难于镀膜和难于散热的缺点,并且结构简单,其功率可达几瓦到几十瓦,实现了高效、大功率的蓝光输出。

Description

大功率全固态双共振和频蓝光激光装置
                              技术领域
本发明涉及一种激光器,特别是涉及一种大功率全固态双共振和频蓝光激光装置。
                              背景技术
通常由铝离子的三谱线法产生的蓝光,主要是采用铝离子的三谱线中的946nm的荧光振荡,然后倍频产生蓝光。由于946nm和1064nm波长接近,镀膜(如946nm高反、1064nm和1319nm高透)比较困难,而且1064nm谱线的发射截面是946nm谱线的十倍以上,946nm的谱线的起振很容易被抑制,所以说传统装置对腔镜和晶体的镀膜提出了很高的要求。而且,由于946nm的荧光的产生属于准三能级,其基态的上能级的粒子数与温度的指数成正比,伴随温度的升高粒子数急剧增加,这样就给粒子数翻转带来了很大困难。所以传统的铝离子的三谱线法产生的蓝光很难做到大功率,而且很难稳定。如文献1:M.Pierrou等人1999年在Opt.Lett(Vol 24)上发表了“Geeneration of 740mW of blue light by intracavity frequency doubling with afirst-order quasi-phase-matched KTiOPO4 crystal”中所述:它是采用周期极化的钛氧磷酸钾(PPKTP)来对946nm的基频光倍频,产生了740mW的473nm的蓝光,实验中仅稳定了半分钟。
利用半导体激光器(LD)泵浦固体增益介质,开发的高效率、大功率全固态可见光激光器件具有结构紧凑、寿命长、效率高等优点,可应用于工业、科研、医疗、军事、显示等领域,近年来成为激光领域最为活跃且最具前景的方向之一。
目前有一种激光器同时输出多种波长的激光,例如:中国专利申请号:01136095.X,发明名称为:“大功率全固态红、黄、蓝光激光装置”,它是在两个谐振腔镜之间依次放置非线性光学晶体、分光棱镜和激光晶体,依靠分光棱镜使一条或两条谱线起振,由于分光棱镜的分光作用,光路并不是一条直线,这就给调节带来了很大的困难。
                              发明内容
本发明的目的在于克服已有YAG激光器由于它的三条谱线(946nm、1064nm、1319nm)比较接近,在谐振腔镜上镀膜很难实现946nm的谱线的起振的缺点;另外,为了克服已有的另一种全固态红、黄、蓝光激光装置的缺点,即该激光装置是依靠分光棱镜使一条或两条谱线起振,由于分光棱镜的分光作用,光路并不是一条直线,这就给调节带来了很大的困难。为了实现高效率大功率蓝光激光输出,本发明采用双共振和频方法来改变传统装置光路中通过对946nm的激光进行倍频输出蓝光的目的,克服了原有技术中准三能级难于起振的缺点,可获得440nm、447nm、438nm的蓝光输出,从而提供一种广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置。
本发明的目的是这样实现的:本发明提供的一种大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,包括:在光路上依次安置泵光源、谐振腔镜、激光晶体、倍频晶体和谐振腔镜;两块谐振腔镜组成激光谐振腔;泵光源安置在一块谐振腔镜的前方从端面泵浦激光晶体;其特征是:还包括在激光谐振腔内的激光晶体与倍频晶体之间的光路上设有一色散补偿元件,在倍频晶体后的光路上安置一和频晶体,在谐振腔镜输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
还包括一复合腔镜,该复合腔镜安置在分光棱镜与非线性光学晶体之间的光路上;所述的复合腔镜为平镜。形成双和倍频。
还包括在激光晶体与复合腔镜或激光晶体与分光棱镜之间安置Q开关,以产生准连续蓝光输出。所述Q开关可以用电光Q开关、声光Q开关、声光锁模装置。
所述的谐振腔镜至少是两块或是两块以上;第3块谐振腔镜安置在谐振腔镜反射光路上,并在谐振腔镜与谐振腔镜之间安置一和频晶体。
还包括第4块谐振腔镜,谐振腔镜安置在谐振腔镜的反射光路上,并在谐振腔镜与谐振腔镜之间安置一和频晶体,在谐振腔镜输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜(7)。还可以包括多块谐振腔镜进行多次折返。
所述的泵光源源是半导体激光器(LD),例如:半导体激光器;该半导体激光器可以放在一块谐振腔镜端面的正前方或侧前方,泵光源入射到谐振腔镜的入射镜上或激光晶体的侧面进行泵浦。
所述的激光晶体是掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)或钇铝石榴石(YAG)或掺铝钒酸钇(Nd:YVO4);利用半导体激光器(LD)泵浦激光晶体产生1319nm、1342nm和1321nm的荧光。
所述的分光棱镜是布儒斯特角棱镜或其它棱镜。
所述谐振腔镜可以是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅、法布里—珀罗标准具。
所述的倍频晶体包括:三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、铌酸钾(KNbO3)、钛氧磷酸钾(KTP)、周期性极化钛氧磷酸钾(PPKTP)、周期性极化钽酸锂(PPLT)、周期性极化铌酸锂(PPLN);或其它非线性光学晶体以及光学超晶格晶体。
所述的和频晶体包括:三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、铌酸钾(KNbO3)、钛氧磷酸钾(KTP)、周期性极化钛氧磷酸钾(PPKTP)、周期性极化钽酸锂(PPLT)、周期性极化铌酸锂(PPLN);或其它非线性光学晶体以及光学超晶格晶体。
当半导体激光器泵浦Nd:YAG激光晶体产生1319nm的荧光,荧光经过一块倍频晶体后产生660nm的倍频光,利用色散补偿元件使两束光腔内同时起振,再用和频晶体把两束光和频,就可输出440nm的蓝光。还包括在分光棱镜与非线性光学晶体之间的光路上安置一复合腔镜的结构,以实现双通倍频提高非线性光学晶体转换效率,得到蓝光输出。
本实用新型的工作过程:当半导体激光器泵浦Nd:YAG激光晶体产生1319nm的荧光,荧光经过一块倍频晶体后产生660nm的倍频光,利用色散补偿元件使两束光腔内同时起振,再用和频晶体把两束光和频,就可输出440nm的蓝光。还包括在分光棱镜与非线性光学晶体之间的光路上安置一复合腔镜的结构,以实现双通倍频提高非线性光学晶体转换效率,得到蓝光输出。
本实用新型的优越性:本实用新型的激光装置采用双共振和频输出蓝光的,它由谐振腔镜、激光晶体、色散补偿元件、倍频晶体和一块和频晶体置于光路上,激光晶体安置在谐振腔镜和色散补偿元件之间,泵光源由侧面或端面泵浦Nd:YAG,产生的1319nm的基频光被倍频成660nm的红光,调节色散补偿元件使基频光和倍频光同时起振,在和频晶体上和频产生440nm的蓝光输出,克服已有技术调节困难的缺点。
本实用新型还可以同时输出红光和蓝光。
本实用新型提供的一种采用双共振和频输出蓝光的激光装置采用两块非线性光学晶体与两个腔镜组成双通和频光路,克服了原有技术中的准三能级946nm的难于起振的缺点,并且结构简单,其功率可达几瓦至几十瓦,实现了高效、大功率的蓝光输出,广泛适用于连续波、准连续波,为高效率的复合腔双通倍频技术实用化开辟了广阔的前景,可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域。
                              附图说明
图1是本实用新型激光装置组成示意图
图2是本实用新型的和频输出蓝光激光装置的光路图(连续波)
图3是本实用新型的和频输出蓝光复合腔激光装置的光路图(连续波)
图4是本实用新型的采用双共振外腔和频蓝光激光装置的光路图(准连续波)
图5是本实用新型的折叠腔蓝光激光装置的光路图(连续波)
图6是本实用新型的四镜折叠腔蓝光激光装置的光路图(连续波)
图面说明:
1,6,11,12-谐振腔镜;               2-激光晶体;
3-色散补偿元件;                      4-倍频晶体;
5-和频晶体;                          7-分光棱镜;
8-复合腔镜;                          9-Q开关
10-泵光源
                            具体实施方式
实施例1:按照图2的光路制作一台输出连续波蓝光的双共振和频蓝光激光装置
该激光激光装置包括在光路上依次安置半导体激光器作泵光源10,用平凹镜,其平面镀808nm的增透膜,凹面镀808nm的增透膜和1319nm、660nm、440nm的高反膜作谐振腔镜1;激光晶体Nd:YAG 2、倍频晶体4、腔镜6选用平凹镜,其凹面镀1319nm、660nm的高反膜和440nm的增透膜;和分光棱镜7;还包括:一块和频晶体5,它选用LBO晶体,其切割角为θ=90.0°,Ф=21.0°,放在倍频晶体4和腔镜6之间、色散补偿元件3和一分光棱镜7;其中泵光源10安置在一块谐振腔镜1的前方从端面泵浦激光晶体2、两个谐振腔镜1、6之间的光路上依次安置激光晶体2;色散补偿元件3为一各向同性的玻璃劈,放在激光晶体2和倍频晶体4之间;一块倍频晶体4选用BBO晶体,BBO的切割角为θ=20.4°,放在色散补偿元件3和和频晶体5之间,和频晶体LBO5,在另一谐振腔镜6输出的光路上按布氏角安置的分光棱镜7;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
该激光装置的激光晶体Nd:YAG2被半导体激光器端面泵浦后,产生1319nm的激光在由谐振腔镜1、6构成的谐振腔内振荡,该波长的激光在经过倍频晶体4时被倍频,通过色散补偿元件3使基频光和倍频光同时起振,基频光和倍频光经过和频晶体5时被和频成蓝光。这样就巧妙地避开了准三能级的946nm起振。将1319nm波长的激光倍频成为660nm的红光;半导体激光器LD作为泵光源10安置在谐振腔镜1的后面从端面泵浦激光晶体2。调节谐振腔镜1和6使1319nm的荧光起振,调节玻璃劈3使1319nm的激光和660nm的激光同时起振,则在布氏角棱镜7处输出440nm的连续波蓝光。
实施例2:按图3的光路制作一台输出连续波蓝光的双共振和频蓝光复合腔激光装置
该激光装置包括在光路上依次安置LD半导体激光器作泵光源10,用平凹镜,平面镀808nm的增透膜,凹面镀808nm的增透膜和1319nm、660nm、440nm的高反膜作谐振腔镜1;激光晶体Nd:YAG2、一块倍频晶体4选用LBO晶体,BBO的切割角为θ=4.2°,Ф=0°、一凹面镀1319nm、660nm的高反膜和440nm的增透膜的平凹镜作腔镜6和分光棱镜7,其特征是:还包括:复合腔镜8、一块和频晶体5选用周期极化铌酸锂晶体PPLN,PPLN的极化周期为4.0μm,放在复合腔镜8和腔镜6之间、色散补偿元件3;其中泵光源10安置在一块谐振腔镜1的前方从端面泵浦激光晶体2、两个谐振腔镜1、6之间的光路上依次安置激光晶体2、色散补偿元件3为一单轴双折射晶体,放在激光晶体2和倍频晶体4之间,晶轴与光路的方向正交、倍频晶体为LBO4、复合腔镜8选用平镜,靠近倍频晶体4的一面镀1319nm的部分反射膜(R=90%);和和频晶体PPLN5,在另一谐振腔镜6输出的光路上按布氏角安置的分光棱镜7;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
该激光装置的激光晶体Nd:YAG2被半导体激光器端面泵浦后,产生1319nm的激光在由谐振腔镜1、6构成的谐振腔内振荡,该波长的激光在经过倍频晶体4时被倍频,通过色散补偿元件3使基频光和倍频光在由复合腔镜8和谐振腔镜6构成的谐振腔之间起振,并被和频晶体5和频成蓝光。这样就巧妙地避开了准三能级的946nm起振。一块倍频晶体4放在色散补偿元件3和复合腔镜8之间,将1319nm波长的激光倍频成为660nm的红光;
调节谐振腔镜1和6使1319nm的荧光起振,调节单轴双折射晶体3使1319nm的激光和660nm的激光同时起振,调节复合腔镜8使1319nm的激光与660nm的激光产生和频,则在布氏角棱镜7处输出440nm的连续波蓝光。
实施例3:
按图4的光路制作一台输出准连续波蓝光的双共振外腔和频蓝光激光装置
该激光装置包括依次安置半导体激光器作泵光源10,用前端面镀808nm的增透膜和1342nm、671nm、447nm的高反膜,后端面镀1342nm、671nm、447nm的增透膜的激光晶体2的前端面作谐振腔镜;色散补偿元件3、倍频晶体4、和频晶体5、和分光棱镜7,其特征是:还包括:一个Q开关9放置在倍频晶体4和和频晶体5之间;其中泵光源10安置在激光晶体2的前方从端面进行泵浦、用靠近Q开关9的一面镀1342nm、671nm、447nm的增透膜,后端面镀1342nm、671nm的高反膜和447nm的增透膜的和频晶体5的后端面作谐振腔镜,谐振腔内的光路上依次安置激光晶体2、色散补偿元件3、倍频晶体BBO4、Q开关9和和频晶体KTP5,在光路的输出端按布氏角安置的分光棱镜7;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
该激光装置的激光晶体Nd:YVO42被半导体激光器端面泵浦后,产生1342nm的激光在由激光晶体2的前端面和和频晶体5的后端面构成的谐振腔内振荡,该波长的荧光在经过倍频晶体4时被倍频,通过色散补偿元件3使基频光和倍频光同时起振,基频光和倍频光经过和频晶体5时被和频成蓝光。这样就巧妙地避开了准三能级的914nm起振。一块和频晶体5选用KTP晶体,KTP的切割角为θ=78.6°,Ф=0°,放在Q开关9的后面;一块倍频晶体4选用BBO晶体,BBO的切割角为θ=20.3°,放在色散补偿元件3和和频晶体5之间,将1342nm波长的激光倍频成为671nm的红光;色散补偿元件3为一各向同性的玻璃劈,放在激光晶体2和倍频晶体4之间;半导体激光器LD作为泵光源10安置在激光晶体2的前面从端面进行泵浦。
调节激光晶体2和和频晶体5使1342nm的荧光起振,调节玻璃劈3使1342nm的激光和671nm的激光同时起振,则在布氏角棱镜7处输出447nm的准连续波蓝光。
实施例4:按图5制作一台输出连续波蓝光的双共振和频蓝光折叠腔激光装置
该激光装置包括第3块谐振腔镜11,该谐振腔镜11安置在谐振腔镜6反射光路上,并在谐振腔镜11与谐振腔镜6之间安置一和频晶体5。其余光学部件同实施例1;其光路图按图5。该激光器组成由依次安置半导体激光器作泵光源10,用平凹镜,平面镀808nm的增透膜,凹面镀808nm的增透膜和1313nm、656nm的高反膜作谐振腔镜1;激光晶体Nd:YLF2、倍频晶体4、谐振腔镜6、11和分光棱镜7,还包括:和频晶体5、色散补偿元件3和一分光棱镜7;其中泵光源10安置在一块谐振腔镜1的前方从端面泵浦激光晶体2、两个谐振腔镜1、6、11之间的光路上依次安置激光晶体2、色散补偿元件3、倍频晶体LBO4、和频晶体LBO5,在谐振腔镜6输出的光路上按布氏角安置的分光棱镜7;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
该激光器的激光晶体Nd:YLF2被半导体激光器端面泵浦后,产生1313nm的激光在由谐振腔镜腔1、6、11构成的谐振腔内振荡,该波长的荧光在经过倍频晶体4时被倍频,通过色散补偿元件3使基频光和倍频光同时起振,基频光和倍频光经过和频晶体5时被和频成蓝光。腔镜1选用平凹镜,平面镀808nm的增透膜,凹面镀808nm的增透膜和1313nm、656nm的高反膜;腔镜6选用平凹镜,凹面镀1313nm、656nm的高反膜和438nm的增透膜;腔镜11选用平镜,靠近和频晶体5的一面镀1313nm、656nm、438nm的高反膜;一块倍频晶体4选用LBO晶体,LBO的切割角为θ=4.3°,Ф=0°,放在色散补偿元件3和谐振腔镜6之间,将1313nm波长的激光倍频成为656nm的红光;一块和频晶体5选用LBO晶体,LBO的切割角为θ=13.9°,Ф=0°,放在腔镜6和腔镜11之间;色散补偿元件3为一电光晶体,放在激光晶体2和倍频晶体4之间;半导体激光器LD作为泵光源10安置在谐振腔镜1的后面从端面泵浦激光晶体2。
调节谐振腔镜1和11使1313nm的荧光起振,调节电光晶体3使1313nm的激光和656nm的激光同时起振,调节腔镜6使1313nm的激光与656nm的激光产生和频,则在布氏角棱镜7处输出438nm的连续波蓝光。
实施例5:按图6制作一台输出连续波蓝光的双共振和频蓝四镜光折叠腔激光器
该激光器是还包括第4块谐振腔镜的,第4块谐振腔镜12安置在谐振腔镜11的反射光路上,并在谐振腔镜11与谐振腔镜12之间安置一和频晶体5,在谐振腔镜11输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜7。该激光器按图6制作,包括在光路上依次安置谐振腔镜1、激光晶体Nd:YAG2、倍频晶体4、谐振腔镜6、11、12和分光棱镜7,其特征是:还包括:和频晶体5、色散补偿元件3和一分光棱镜7;其中泵光源10安置在激光晶体2的侧面从侧面泵浦激光晶体2、两个谐振腔镜1、6、11、12之间的光路上依次安置激光晶体2、色散补偿元件3、倍频晶体BBO4、和频晶体5,在另一谐振腔镜11输出的光路上按布氏角安置的分光棱镜7;所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
该激光器的激光晶体Nd:YAG2被半导体激光器端面泵浦后,产生1319nm的激光在由谐振腔镜腔1、6、11、12构成的谐振腔内振荡,该波长的荧光在经过倍频晶体4时被倍频,通过色散补偿元件3使基频光和倍频光同时起振,基频光和倍频光经过和频晶体5时被和频成蓝光。这样就巧妙地避开了准三能级的946nm起振。腔镜1选用平凹镜,平面镀808nm的增透膜,凹面镀808nm的增透膜和1319nm、660nm的高反膜;腔镜6选用平凹镜,凹面镀1319nm、660nm的高反膜;腔镜11选用平凹镜,凹面镀1319nm、660nm的高反膜和440nm的增透膜;腔镜12选用平凹镜,凹面镀1319nm、660nm和440nm的高反膜;一块倍频晶体4选用BBO晶体,BBO的切割角为θ=20.4°,放在谐振腔镜6和11之间,将1319nm波长的激光倍频成为660nm的红光;一块和频晶体5选用周期性极化钛氧磷酸钾晶体PPKTP,PPKTP的极化周期为5.1μm,放在腔镜11和12之间;色散补偿元件3为一电光晶体,放在激光晶体2和倍频晶体4之间。
调节谐振腔镜1、6、11和12使1319nm的荧光起振,调节电光晶体3使1319nm的激光和660nm的激光同时起振,调节腔镜6使1319nm的激光与660nm的激光产生和频,则在布氏角棱镜7处输出440nm的连续波蓝光。

Claims (13)

1.一种大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,包括:在光路上依次安置泵光源(10)、谐振腔镜(1)、激光晶体(2)、倍频晶体(4)和谐振腔镜(6);谐振腔镜(1)、(6)组成激光谐振腔;泵光源(10)安置在一块谐振腔镜(1)的前方从端面泵浦激光晶体(2);其特征是:还包括在激光谐振腔内的激光晶体(2)与倍频晶体(4)之间的光路上设有一色散补偿元件(3),在倍频晶体(4)后的光路上安置一和频晶体(5),在谐振腔镜(6)输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜(7);所述光学元件固定在光学具座上,光学具座固定在光学平台上。
2.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:还包括在光路中有一复合腔镜(8),该复合腔镜(8)安置在倍频晶体(4)与和频晶体(5)之间的光路中;该复合腔镜(8)为平镜。
3.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:还包括在光路中有一Q开关(9),该Q开关(9)安置在倍频晶体(4)与和频晶体(5)之间的光路中;所述的Q开关(9)为电光Q开关、声光Q开关或声光锁模装置。
4.按权利要求3所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的谐振腔镜至少是两块或是两块以上;第3块谐振腔镜(11)安置在谐振腔镜(6)反射光路上,并在谐振腔镜(11)与谐振腔镜(6)之间安置一和频晶体(5)。
5.按权利要求4所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:还包括第4块谐振腔镜(12),谐振腔镜(12)安置在谐振腔镜(11)的反射光路上,并在谐振腔镜(11)与谐振腔镜(12)之间安置一和频晶体(5),在谐振腔镜(11)输出的光路上按布氏角安置一分光棱镜(7)。
6.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的谐振腔镜(1)、(6)可以是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅或法布里—珀罗标准具。
7.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的激光晶体(5)包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF。
8.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的色散补偿元件(3)包括各向同性的玻璃劈、单轴双折射晶体、电光晶体,或是其它色散补偿元件。
9.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的倍频晶体(2)包括:三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾、周期性极化钛氧磷酸钾、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂或其它非线性光学晶体。
10.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的和频晶体(2)包括:三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾、周期性极化钛氧磷酸钾、周期性极化钽酸锂、周期性极化铌酸锂或其它非线性光学晶体。
11.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的泵浦光源(4)为半导体激光器。
12.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的泵浦方式可以是端面泵浦,也可以是侧面泵浦。
13.按权利要求1所述的大功率全固态双共振和频蓝光激光装置,其特征是:所述的分光棱镜(7)可以是布氏角棱镜或其它棱镜。
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WO2011029294A1 (zh) * 2009-09-11 2011-03-17 青岛海信电器股份有限公司 一种激光显示光源和激光显示系统
CN117673883A (zh) * 2024-01-31 2024-03-08 西安晟光硅研半导体科技有限公司 一种蓝光固体激光器

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