TWI446012B - 具降低斑點之寬頻雷射燈 - Google Patents

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Description

具降低斑點之寬頻雷射燈
本發明係關於具有降低斑點之寬頻雷射燈，諸如二極體雷射泵浦纖維或波導雷射或半導體二極體雷射及其作為光源以用於替代習知弧光燈之可能用途。本發明之寬頻雷射燈可作為光源用於投影顯示器以及各種照明應用，例如前燈照明、商店照明、家庭照明、重點照明、聚光照明或劇場照明。
斑點係關於雷射光相干性之效應，其導致影像中非吾人所樂見之粒度。歸因於來自於或透過一光學粗糙面之相干光的反射或透射所產生之隨機干擾圖案，雷射斑點是一相當嚴重之問題。斑點看起來非常討厭，且過去用來使斑點最小化之嘗試為干擾與每一波前相關之相位相干性，例如藉由振動投影屏幕。
US-A1 2002/00196414揭示了一具有降低斑點之雷射成像系統；其中該雷射成像系統包括雷射輻射之獨立發射極的空間疊加1維陣列或者2維陣列，其中每一發射極具有一以某一任意波長λ0i 為中心之光譜頻寬△λi 。該陣列之元件藉由設計而允許具有一略微不同之中心波長，藉此產生一整體頻寬△Λ，其遠大於該陣列中任一個別發射極之頻寬△λi 。所得之增加頻寬降低了顯示影像中之斑點。
具有降低斑點之雷射成像系統具有以下缺陷：每一諧振器僅發射一個波長，使得需要大量諧振器，其中每一諧振 器以一略微偏移之波長發射以便降低斑點。另外，需要一額外光學部件來收集足夠數目之該略微偏移之波長以形成一頻寬增強之可見輻射光束以便降低斑點。因此，根據US-A1 2002/00196414之雷射成像系統不允許一低垂直製造範圍、少量之組件、增加之穩健性、改良之緊密性、改良之可見光輸出及/或低成本。
長期以來存在對簡化具有降低斑點之雷射之製造過程的需求，以便提供一低垂直製造範圍、少量之組件、增加之穩健性、改良之緊密性、改良之可見光輸出及/或低成本，以便提供一光源，其具有一優於弧光燈或與之相當之光束效能，使得該雷射(舉例而言)可用作具有較好或類似輻射效能之光源以替代弧光燈。
本發明之一目的係藉由提供一具有降低斑點且具有類似於弧光燈之輻射效能的寬頻雷射來克服上述缺陷。與先前技術中已知之雷射相比較，本發明之寬頻雷射光源更易於產生、更加緊密、且更加類似於弧光燈。
此目的在提供一具有降低斑點雜訊之雷射發光可見輻射之雷射諧振器而達成，其中該光學諧振器藉由在可見輻射發射雷射材料之兩端處的至少一個鏡面或兩個鏡面而形成，其中彼光學諧振器增強多模操作，使得該可見輻射發射雷射材料發射光譜加寬之可見輻射，其中該光譜加寬之可見輻射的包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
如根據本發明所使用之術語"包絡函數"意指高斯函數或羅倫斯函數，其表示至少一波導雷射之個別重疊光譜加寬可見輻射發射光譜，其中該至少一波導雷射包含一具有根據本發明增強多模操作之雷射材料的光學諧振器，見(例如)圖7。
將高斯函數或羅倫斯函數定義如下： 高斯：
羅倫斯：
如本描述內容中使用之術語"光學諧振器"可包含在一雷射輻射發射增益材料之兩端處的一個鏡面且一般而言為兩個鏡面。
根據本發明之光學雷射諧振器允許多模操作並發射複數個空間重疊可見光雷射模式之光譜加寬可見輻射。該等空間重疊可見光雷射模式表現為一光譜加寬可見輻射。為了降低斑點，較佳地該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)，較佳地在3nm至12nm內且更佳地在5nm至10nm內。
較佳地，可見輻射發射雷射材料發射在440nm至470nm之範圍中的藍色輻射、在515nm至550nm之範圍中的綠色輻射及在610nm至680nm之範圍中的紅色輻射，其中自雷射材料發射之光譜加寬可見輻射具有一在1nm至15nm內的半高全寬(FWHM)，較佳地在3nm至12nm內且更佳地在5 nm至10nm內。
因此，以多模操作的根據本發明之單一光學諧振器業已發射光譜加寬可見輻射，其在投影之雷射影像中不具有斑點或具有降低之斑點。因此，由於需要較少構造單元來提供一更加緊密之裝置，所以包含一增強雷射材料之多模操作的根據本發明之光學諧振器之寬頻雷射光更易於產生。
然而，較佳組合允許多模操作及發射複數個空間重疊可見光雷射模式之光譜加寬可見輻射的根據本發明之一個以上光學雷射諧振器。為了降低斑點，較佳地一個以上之該等組合光學雷射諧振器之光譜加寬可見輻射的包絡函數具有一在3nm至15nm內之半高全寬(FWHM)，較佳地在4nm至8nm內且更佳地在5nm至7nm內。
取決於根據本發明所使用之光學諧振器，所發射之光譜加寬可見輻射可為暫時恆定或暫時調變。
增強多模之根據本發明之光學諧振器(舉例而言)為一包含具有二向色塗層之至少一個鏡面的光學諧振器，該塗層具有一跨過其面向該雷射材料之表面變化的反射率，較佳地該二向色塗層具有一反射率梯度。然而，較佳地，該二向色塗層沿鄰近雷射材料(較佳地跨過該鄰近雷射材料之截面)改變最大反射率。
較佳地，具有一梯度之窄頻帶反射塗層可用作一諧振器鏡面。然而，一諧振器鏡面僅具有一梯度濾光片且其它諧振器鏡面可在相關波長範圍處具有一等高反射率即已足夠且為最佳。該光學諧振器之使用可增強多模操作，其中該 一個單一光學諧振器的可見輻射發射雷射材料已發射一具有降低斑點雜訊之光譜加寬可見輻射。
為達成一光譜加寬可見輻射以便降低斑點，對諧振器鏡面之塗層梯度加以選擇，使得根據本發明之光學諧振器之發射雷射材料發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
根據本發明之進一步較佳實施例為一包含至少一布拉格光柵之諧振器，該至少一布拉格光柵具有沿其面向該鄰近雷射材料之表面變化之反射率。根據本發明有用之布拉格光柵具有一跨過鄰近雷射材料之橫截面表面積改變的最大反射率，使得該布拉格光柵不具有平行線。然而，一布拉格光柵僅具有非平行線而其它布拉格光柵具有平行線已經足夠且為最佳，使得與相對之布拉格光柵反射器表面相比較，線空間在該布拉格光柵反射器表面之一端處略有不同。
布拉格光柵反射器及其製造方法通常已在此項技術中已知，參見J.E.Roman，K.A.Winick，Appl.Phys，Lett.61，2744(1992)，且其以引用的方式併入本文。
根據本發明之進一步較佳實施例為一包含法布裏-伯羅腔(Fabry-Perot cavity)之諧振器，使得該光學諧振器之發射雷射材料發射一具有降低斑點之光譜加寬可見輻射。光學諧振器長度之些微改變導致自雷射材料發射之可見波長輻射發生光譜加寬發射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
另外，使用一構建為法布裏-伯羅裝置之外耦合鏡面可改變波長最大值。兩個鏡面之間之間隙的些微改變可導致雷射波長發生光譜加寬。對於一構建為法布裏-伯羅裝置之外耦合鏡面而言，該法布裏-伯羅外耦合鏡面之空氣膜厚度可改變以便增強自該光學諧振器之雷射材料發射之可見波長輻射的光譜加寬發射，使得該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
法布裏-伯羅裝置通常已在此項技術中已知，參見Bergmann,Schaefer,Lehrbuch der Experimentalphysik，第3卷：Optik,Walter de Gruyter Verlag。
為了提供一增強多模操作之光學諧振器，可製造下列配置中之至少一者。
舉例而言，該光學諧振器之至少一鏡面的位置、折射率及/或角度可暫時改變。較佳地，至少一鏡面之位置、折射率及/或角度以25Hz之頻率暫時改變，其中至少一鏡面之改變較佳地包含：a)傾斜二向色鏡面，b)傾斜布拉格光柵，c)電光地改變布拉格光柵之折射率，d)電光地改變法布裏-伯羅鏡面之折射率，e)改變法布裏-伯羅鏡面之距離。
較佳地，鏡面可以25Hz之頻率暫時改變。然而，鏡面可以50Hz、75Hz或>100Hz之頻率暫時改變。
根據本發明有用之雷射材料可為如先前已知之任何合適 雷射材料。根據本發明較佳使用之雷射材料發射選自由R、G及B組成之群之原色的光譜加寬可見輻射。
雷射材料較佳地可為半導體雷射二極體之增頻轉換材料、降頻轉換材料或可見輻射發射材料。
因此，本發明之進一步態樣係針對一發射光譜加寬可見輻射之寬頻雷射，其包含具有光學雷射諧振器之至少一雷射，該光學雷射諧振器具有一雷射材料，其根據本發明可增強多模操作。
具有用於發射光譜加寬可見輻射以便降低斑點之根據本發明之光學諧振器的雷射或雷射裝置較佳為半導體雷射、增頻轉換雷射或降頻轉換雷射。
半導體雷射通常在先前技術中已為吾人所知。一典型半導體雷射係用光微影技術製造而成。通常，半導體雷射係由III-V族化合物(諸如砷化鎵、磷化銦、或砷化銦)製成或係由II-VI族及III-V族化合物製成。基於砷化鎵之雷射以660-900nm之波長放射雷射。基於磷化銦之雷射以1300-1550nm之波長放射雷射。該半導體雷射具有半導體裝置之所有一般的優點及便利性：其緊密、有效、便宜、結實、且易於大量生產。然而，半導體雷射之其中一項最重要特徵為其高效率。
半導體雷射及其製造方法通常已在此項技術中已知，參見Springer-Verlag《Topics Appl.Phys.78》(2000)R.Diehl(編輯)「High-Power Diode Lasers」且其以引用的方式併入本文。
在其最簡單之形式中，半導體雷射係由具有充當鏡面之兩個分裂刻面(cleaved facet)的半導體材料之小長方形板組成，其形成光學諧振器。
根據本發明，較佳地半導體雷射之光學諧振器增強多模操作，使得該諧振器之可見輻射發射雷射材料發射光譜加寬可見輻射。該光譜加寬可見輻射之半高全寬可為暫時恆定或暫時調變。
上文已描述了光學諧振器，其增強可用於根據本發明之半導體雷射之多模操作。具有根據本發明之光學諧振器之半導體雷射發射光譜加寬可見輻射，其包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
另外，如所述之根據本發明之光學諧振器可用於降頻轉換雷射以便降低斑點。降頻轉換雷射(諸如Nd：YAG及ND：YVO)通常已在先前技術中已知。詳言之，在可見範圍中發射之降頻轉換雷射及其製造方法描述於US 2002/0172251中且其以引用的方式併入本文。
一般而言，一降頻轉換雷射裝置包含一發射具有短波長之雷射光束的雷射源及一包含降頻轉換材料之光學諧振器。該降頻轉換材料使雷射源之輻射轉換或偏移朝向較長波長。換言之，藉由降頻轉換材料將具有較高能量之光子轉換為具有較低能量之光子。
為了提供一具有降低斑點之降頻轉換雷射裝置，使用可增強多模操作之根據本發明之光學諧振器，其中該光學諧振器包含一降頻轉換材料。就降頻轉換材料而言，可使用 任何合適之降頻轉換材料。
根據本發明適當使用之降頻轉換材料為摻雜有Pr3 、Ho3+ 、Sm3+ 、Eu3+ 、Dy3+ 、Er3+ 、Tm3+ 及/或Tb3+ 之雷射晶體，其在380至420nm之波長範圍中具有吸收帶。並且，呈光學纖維或光學波導形式之降頻轉換材料可適當使用，包括具有一摻雜有Pr3 、Ho3+ 、Sm3+ 、Eu3+ 、Dy3+ 、Er3+ 、Tm3+ 及/或Tb3+ 之核心的光學纖維或波導。
為了激勵稀土離子，較佳地使用雷射二極體。然而，最可能製造基於GaN之化合物雷射二極體。因此，可用於激勵降頻轉換材料之雷射二極體包括一具有一由InGaN、InGaNAs及GaNAs材料中之一者製成之作用層的雷射二極體。
具有根據本發明之光學諧振器之降頻轉換雷射裝置(其中該光學諧振器包含降頻轉換材料)發射光譜加寬可見輻射，其包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
因此，有可能實現(舉例而言)雷射二極體激勵之固態降頻轉換雷射，其中該固態雷射包含根據本發明之光學諧振器，其可發射光譜加寬雷射光束輻射，其包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)，其不具有能夠藉由習知雷射二極體激勵之固態雷射設備所產生之雷射光。
根據本發明之寬頻雷射裝置包含至少一降頻轉換波導雷射、降頻轉換纖維雷射及/或降頻轉換固態雷射。另外，較佳地寬頻雷射包含具有根據本發明之該等光學雷射諧振器 裝置之複數個降頻轉換雷射，該等光學雷射諧振器裝置可增強多模操作。
增頻轉換雷射通常已在先前技術中已知。一典型增頻轉換雷射產生可見或紫外波長輻射，其包括：一半導體雷射二極體，其產生給定波長(通常在紅外波長範圍中)之輻射；一增頻轉換材料，其將此給定波長輻射轉換為較短波長(例如在可見或紫外波長範圍中)之光；及一光學諧振器，其再循環可見或紫外波長輻射。
如本描述內容中使用之術語"增頻轉換材料"可意指一種材料，例如呈晶體、玻璃、光學纖維或光學波導之形式，其藉由在發射前之光子吸收能量轉移的增頻轉換過程來傳送由稀土離子發射之內耦合IR光及波長輻射。
為了提供一具有降低斑點之增頻轉換雷射裝置，使用如上文描述之根據本發明之光學諧振器，其可增強多模操作，其中該光學諧振器包含一增頻轉換材料。一般而言，可使用任何合適之增頻轉換材料。
舉例而言，呈晶體、光學纖維或光學波導之形式的增頻轉換材料可由熟知為ZBLAN之氟化玻璃組成，其由摻雜有來自群Er、Yb、Pr、Tm、Ho、Dy、Eu、Nd之一或多種稀土離子或其組合的組份ZrF4 、BaF2 、LaF3 、AlF3 及NaF組成。另外，增頻轉換材料可由摻雜有如上文之一或多種稀土離子或經稀土摻雜之金屬氟化物(諸如Ba-Ln-F或Ca-Ln-F)的LiLuF4 、LiYF4 、BaY2 F8 、SrF2 、LaCl3 、KPb2 Cl5 、LaBr3 組成，其中Ln為如上文之一或多種稀土離子。ZBLAN材料進 一步描述於K.Ohsawa,T.Shibita之Preparation and characterization of ZrF4 -BaF2 -LaF3 -NaF-AlF3 glass optical fibers,Journal of Lightwave Technology LT-2(5),602(1984)。
如本描述內容中所使用之術語"增頻轉換層"可意指層結構，其較佳地由經稀土摻雜之ZBLAN層組成，例如ZBLAN：Er3+ ，其藉由在發射前之光子吸收能量轉移的增頻轉換過程來傳送由稀土離子發射之內耦合IR光及可見光。
本發明在下文更詳細地描述了根據本發明之寬頻雷射，詳言之為寬頻波導雷射，其針對投影雷射影像中之發射顏色(舉例而言紅色、綠色或藍色)發射具有降低斑點雜訊之可見輻射，其中該光學諧振器藉由在一可見輻射發射雷射材料之兩端處的至少兩個鏡面形成，其中彼光學諧振器增強多模操作，使得該可見輻射發射雷射材料發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
可根據本發明使用之寬頻增頻轉換或降頻轉換雷射包含：a)產生激勵輻射之至少一半導體二極體雷射或雷射棒或堆疊；b)根據本發明之至少一光學諧振器，其再循環該激勵輻射且增強多模操作；c)至少一增頻轉換材料，其藉由在發射前之光子吸收能量轉移的增頻轉換過程將激勵輻射轉換為可見波長，其中 該增頻轉換材料配置於增強多模操作之該多模光學諧振器中，或至少一降頻轉換材料，其藉由在發射前之光子吸收的降頻轉換過程將激勵輻射轉換為可見波長，其中降頻轉換材料配置於增強多模操作之該多模光學諧振器中。
寬頻增頻轉換或降頻轉換雷射可置於一基板上。該基板可為玻璃材料及/或陶瓷及/或金屬，例如銅，較佳地，該基板為一種具有高導熱率之材料以允許有效冷卻該裝置。二極體雷射或二極體雷射棒或堆疊及增頻轉換或降頻轉換材料可置於相同基板上或置於獨立基板上。
另外，較佳地：-稱為轉換材料之增頻轉換或降頻轉換材料置於折射率小於該轉換材料之折射率的兩個波導層之間；-該轉換材料及該等兩個波導層之總厚度至少比半導體二極體雷射中發射層之厚度厚1μm；-雷射二極體或雷射二極體棒及轉換材料配置於相同基板上或每一者配置於一分離之基板上；-雷射二極體或雷射二極體棒及夾於一增強多模操作之光學諧振器之間的轉換材料被鄰近配置，藉此形成鄰近配置之二極體雷射或二極體雷射棒與轉換材料之間的間隙；或-雷射二極體或雷射二極體棒及夾於一增強多模操作之光學諧振器之間的轉換材料被接觸配置。
上述措施可提供一具有降低斑點之波導雷射，其具有一低垂直製造範圍、少量之組件、增加之穩健性、改良之緊密性及改良之可見光輸出。
根據本發明之第一實施例，配置於基板上之IR二極體雷射或二極體雷射棒被夾於一n電極與一p電極之間。增頻轉換層配置於相同基板上且定位於鄰近IR二極體雷射或雷射棒前方。可見光雷射可以腔內或腔外配置之形式實現。
根據本發明，一激勵雷射源可包含至少1個、較佳地至少5個、更佳地至少10個、最佳地至少20個二極體雷射發射極。一雷射二極體棒包含至少5個二極體雷射發射極且較佳地包含20個二極體雷射發射極。
根據本發明，可較佳地使用一具有一增強多模操作且發射光譜加寬可見輻射之光學諧振器的雷射，其中該雷射藉由單一雷射二極體而被激勵或泵浦。
本發明之進一步實施例係針對複數個雷射，其每一者或大部分此等雷射具有一光學諧振器，該光學諧振器可增強多模操作並發射一具有在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)的光譜加寬可見輻射，其中該等雷射可較佳地藉由至少一個二極體雷射棒而被激勵或泵浦。泵浦源或激勵源較佳地包含1至20個發射極。
本發明係進一步針對一雷射源或雷射成像系統，其包含產生激勵輻射之一個以上半導體二極體雷射棒之一堆疊且包括雷射輻射之獨立發射極的根據本發明之空間疊加波導雷射，其中每一發射極或大部分發射極發射光譜加寬可見輻射。
根據本發明之波導雷射之元件經設計而允許每一者具有略微不同之光譜加寬可見輻射，其具有一在1nm至15nm內 之半高全寬(FWHM)，藉此產生一整體頻寬，其中該整體光譜加寬之可見光發射輻射之包絡函數具有一在5nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。所得增加之頻寬降低了顯示影像中之斑點。
因此，較佳地，根據本發明之雷射源可包含產生激勵輻射之一個以上半導體二極體雷射棒之堆疊；且包含一增頻轉換材料或降頻轉換材料，其將激勵波長輻射轉換為光譜加寬可見輻射，其中如上文所述該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在5nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
必須注意，根據本發明，僅可使用一具有一雷射二極體之波導雷射，其發射根據本發明之光譜加寬可見輻射。因此，該等圖為本發明之例示性實施例。
圖1展示了波導雷射(1)之示意性側視圖，該波導雷射(1)由一使用焊接層(5)而焊接至基板(3)之雷射二極體或雷射二極體棒(2)組成。在相同基板(3)上置放有增頻轉換層(4)，該增頻轉換層(4)配置於一增強多模操作之光學諧振器(16a/16b)中，其中鏡面(16a)具有一可見輻射反射塗層，且鏡面(16b)塗佈有一具有厚度梯度之可見輻射反射二向色塗層。該增頻轉換層為ZBLAN：Er且置於兩層較低折射率層之間，例如由ZBLAN與一不同化學計量組合物組成。在此情況下，該增頻轉換層(4)發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
圖2展示了波導雷射(6)之示意性側視圖，該波導雷射(6)由一使用一焊接層(5)而焊接至第一基板(3a)的雷射二極體或雷射二極體棒(2)組成。在一分離之第二基板(3b)上置放有一ZBLAN：Er增頻轉換層(4)，藉此該增頻轉換層配置於兩層較低折射率層之間，例如由ZBLAN與一不同化學計量組合物組成。該增頻轉換層(4)配置於一增強多模操作之光學諧振器(17a/17b)中，其中鏡面(17a)具有一可見輻射反射塗層，且鏡面(17b)為一法布裏-伯羅外耦合鏡面。此第二基板(3b)定位成鄰近於第一基板(3a)，且在雷射二極體棒(2)與增頻轉換層(4)之間的為一間隙(7)，該間隙(7)填充有折射率介於二極體雷射棒(2)之折射率與增頻轉換層(4)之折射率之間的材料。在此情況下，增頻轉換層(4)發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
圖3展示了波導雷射(11)之示意圖，該波導雷射(11)在此情況下係由一使用一焊接層(5)而焊接至基板(10)之三個發射極(8)的雷射二極體棒及置於相同基板(10)上且在發射極輸出面之前的三個增頻轉換層組成。該等增頻轉換層各配置於一增強多模操作之光學諧振器(18a/18b)中，其中鏡面(18a)為一布拉格光柵，且鏡面(18b)為一具有不同結構之布拉格光柵，該結構具有非平行線。在此情況下，三個個別增頻轉換雷射各發射不同可見輻射之紅色(9a)、綠色(9b)及藍色輻射(9c)的光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬 (FWHM)。
圖4展示了波導雷射(15)之示意圖，其由使用一焊接層(5)而焊接至第一基板(12)之三個發射極(8)的雷射二極體棒及焊接至一分離之第二基板(14)之三個增頻轉換層組成。焊接至該第二基板(14)之該三個增頻轉換層係置於該第一基板(12)上的二極體雷射棒之發射極輸出面之前方。該等增頻轉換層各配置於一增強多模操作之光學諧振器(18a/18b)中，其中鏡面(18a)為一布拉格光柵，且鏡面(18b)為一具有不同結構之布拉格光柵，該結構具有非平行線。在此情況下，三個個別增頻轉換雷射各發射不同可見輻射之紅色(13a)、綠色(13b)及藍色光(13c)之光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
圖5展示了波導雷射(1)之示意性側視圖，該波導雷射(1)由一使用一焊接層(5)而焊接至基板(3)之雷射二極體棒(2)組成。在相同基板(3)上置放有一增頻轉換層(4b)。該增頻轉換層為ZBLAN：Er且置於兩個具有較低折射率之波導層(4a、4c)之間，例如由ZBLAN與一不同化學計量組合物組成。增頻轉換層(4b)及兩個波導層(4a、4c)可依次置於折射率低於波導層之兩個層之間，例如由ZBLAN與一不同於增頻轉換層及波導層之化學計量組合物組成。增頻轉換層(4b)配置於一增強多模操作之光學諧振器(19a/19b)中，其中鏡面(19a)為一布拉格光柵且鏡面(19b)為具有非平行線之布拉格光柵，其折射率以>25Hz之頻率電光地改變。在此情 況下，增頻轉換層(4b)發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
圖6展示了波導雷射(6)之示意性側視圖，該波導雷射(6)由一使用一焊接層(5)而焊接至第一基板(3a)之雷射二極體棒(2)組成。在一分離之第二基板(3b)上置放有一ZBLAN：Er增頻轉換層(4b)，藉此該增頻轉換層配置於兩個具有較低折射率之波導層(4a、4c)之間，例如由ZBLAN與一不同化學計量組合物組成。增頻轉換層(4b)及兩個波導層(4a、4c)可依次置於折射率低於波導層之兩個層之間，例如由ZBLAN與一不同於增頻轉換層及波導層之化學計量組合物組成。此第二基板(3b)定位成鄰近於第一基板(3a)且在雷射二極體棒(2)與增頻轉換層(4)之間的為一間隙(7)，該間隙(7)填充有折射率在二極體雷射棒(2)之折射率與增頻轉換層(4)之折射率之間的材料。增頻轉換層(4b)及波導層配置於一增強多模操作之光學諧振器(20a/20b)中，其中鏡面(20a)為一法布裏-伯羅鏡面且鏡面(20b)為一法布裏-伯羅外耦合鏡面，該法布裏-伯羅外耦合鏡面之最大反射率以>25Hz之頻率壓電地改變。在此情況下，增頻轉換層(4b)發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬(FWHM)。
圖7展示了相對於一光譜加寬可見輻射高斯函數(實線)與個別重疊雷射發射光譜之和(非實線)的擬合，該光譜加寬可見輻射藉由針對輸出外耦合鏡面之四個不同位置的輸出 雷射波長在一ZBLAN：Er纖維雷射中移動外耦合鏡面而獲得，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數(高斯函數)具有一約為5nm之半高全寬(FWHM)。
根據本發明之個別寬頻雷射可導電性地接觸。舉例而言，每一二極體雷射可獨立控制及/或二極體雷射組可導電性地接觸使得一組二極體雷射可結合地操作。
用於發射光譜加寬可見輻射以便降低斑點的具有根據本發明之光學諧振器之寬頻雷射或雷射裝置較佳地為半導體雷射、增頻轉換雷射及/或降頻轉換雷射。在本發明之一較佳實施例中，提供了一寬頻雷射裝置，其包括眾多雷射組，該等雷射組具有一配置於增強多模操作之光學諧振器中的雷射材料。歸因於本發明之光學諧振器，該雷射材料發射光譜加寬可見輻射，使得發射具有降低斑點之眾多紅色、綠色及藍色輻射。該寬頻雷射或雷射裝置可結合地操作，其每一者允許該等具有不同顏色之雷射的時序操作。可較佳地群集眾多相同顏色或不同顏色之斑點降低的光束。
此允許(舉例而言)藉由改變個別激勵雷射之電功率來調適不同可見波長輻射(即不同顏色)之輸出功率。
另外，根據本發明之寬頻雷射裝置亦可包含用於泵浦增頻轉換材料或降頻轉換材料之個別激勵雷射，諸如二極體雷射。
根據本發明包含一配置於一增強多模操作之光學諧振器中之雷射材料的寬頻雷射裝置可進一步被調適成針對2及1000之可見波長輻射具有光束品質M2 。
寬頻雷射裝置之朝著上限值的光束品質M2 係由如所指之多模操作產生。另外，因為雷射材料之橫截面面積垂直於可見輻射發射方向而延伸，所以一寬頻雷射裝置之朝著上限值的光束品質M2 可增加。
本發明之另一目的係關於一照明裝置，其包含如上文所述之至少一雷射諧振器或一寬頻雷射燈，其經設計而用於下列應用中之一者：- 投影應用系統，- 光學應用系統，- 醫學照明應用系統，- 汽車應用。
為提供全面之揭示內容而不會過度加長說明書，申請者藉此以引用的方式併入上文引用之專利及專利應用之每一者。
上文詳細描述之實施例中的元件及特徵之特定組合僅為例示性的；亦清楚地設想在此及以引用方式併入之專利/申請案中此等教示與其它教示之互換及替代。如熟習此項技術者將認識到，在不背離如請求之本發明之精神及範疇的前提下，此項技術中一般的技術人員可想到本文所描述之內容的變化、修改及其它建構。因此，上述描述內容僅為舉例且並不意欲具有限制性。本發明之範疇被界定於下列申請專利範圍及其均等物中。此外，在描述內容及申請專利範圍中所使用之參考符號並不限制如請求之本發明之範疇。
1‧‧‧波導雷射
2‧‧‧雷射二極體棒
3‧‧‧基板
3a‧‧‧基板
3b‧‧‧第二基板
4‧‧‧增頻轉換層
4a‧‧‧波導層
4b‧‧‧增頻轉換層
4c‧‧‧波導層
5‧‧‧焊接層
6‧‧‧波導雷射
7‧‧‧間隙
8‧‧‧發射極
9a‧‧‧增頻轉換層
9b‧‧‧增頻轉換層
9c‧‧‧增頻轉換層
10‧‧‧基板
11‧‧‧波導雷射
12‧‧‧第一基板
13a‧‧‧增頻轉換層
13b‧‧‧增頻轉換層
13c‧‧‧增頻轉換層
14‧‧‧第二基板
15‧‧‧波導雷射
16a‧‧‧光學諧振器
16b‧‧‧光學諧振器
17a‧‧‧光學諧振器
17b‧‧‧光學諧振器
18a‧‧‧光學諧振器
18b‧‧‧光學諧振器
19a‧‧‧光學諧振器
19b‧‧‧光學諧振器
20a‧‧‧光學諧振器
20b‧‧‧光學諧振器
圖1展示了位於一基板上之波導雷射的示意性側視圖；圖2展示了位於兩個基板上之波導雷射的示意性側視圖；圖3展示了位於一基板上的具有三個發射極及三個增頻轉換層之雷射二極體棒之波導雷射的示意圖；圖4展示了位於兩個基板上的具有三個發射極及三個增頻轉換層之雷射二極體棒之波導雷射的示意圖；圖5展示了位於一基板上之波導雷射之示意性側視圖，其中增頻轉換層置於兩個波導層之間；圖6展示了位於兩個基板上之波導雷射之示意性側視圖，其中增頻轉換層置於兩個波導層之間；圖7展示了高斯函數(實線)與個別重疊雷射發射光譜之和(非實線)的擬合。

Claims (12)

  1. 一種具有降低斑點雜訊(speckle noise)之雷射發光可見輻射(laser emitting visible radiation)之雷射諧振器，其中該雷射諧振器係藉由在一可見輻射發射雷射材料之兩端處的至少一個鏡面而形成，其中該雷射諧振器增強多模操作(multimode operation)，使得該可見輻射發射雷射材料發射一光譜加寬可見輻射，其中該光譜加寬可見輻射之包絡函數(enveloping function)具有一在1nm至15nm內之半高全寬(full width at half maximum，縮寫為FWHM)。
  2. 如請求項1之雷射諧振器，其中該雷射諧振器包含具有一層二向色(dichroic)塗層之至少一個鏡面，其中該二向色塗層具有一沿其面向該雷射材料之表面變化的反射率。
  3. 如請求項2之雷射諧振器，其中該二向色塗層具有一厚度梯度。
  4. 如請求項1至3中任一項之雷射諧振器，其中該雷射諧振器包含至少一布拉格(Bragg)光柵，該布拉格光柵具有一沿其面向該雷射材料之表面變化的反射率。
  5. 如請求項1至3中任一項之雷射諧振器，其中該雷射諧振器包含一法布裏-伯羅(Fabry-Perot)腔，其顯示相對於其波長最大值偏移之複數個不同可見輻射。
  6. 如請求項1至3中任一項之雷射諧振器，其中該雷射諧振器之至少一鏡面之至少位置、折射率或角度被暫時改變，其中至少一鏡面之該改變包含：a)傾斜一二向色鏡面， b)傾斜一布拉格光柵，c)電光地改變一布拉格光柵之折射率，d)電光地改變一法布裏-伯羅鏡面之折射率，e)改變該等法布裏-伯羅鏡面之距離。
  7. 如請求項6之雷射諧振器，其中該雷射諧振器之至少一鏡面之至少位置、折射率或角度係在25Hz之一頻率予以暫時改變。
  8. 如請求項1至3中任一項之雷射諧振器，其中該可見輻射發射雷射材料發射一選自由以下輻射組成之群的原色：在440nm至470nm之波長範圍中的藍色輻射、在515nm至550nm之波長範圍中的綠色輻射及在610nm至680nm之波長範圍中的紅色輻射。
  9. 一種寬頻雷射裝置，其包含具有一如請求項1至8中任一項之雷射諧振器的一或多個雷射。
  10. 如請求項9之寬頻雷射裝置，其中該等雷射中之至少一者為一波導雷射、一增頻轉換纖維雷射、一增頻轉換固態雷射、一降頻轉換纖維雷射、一降頻轉換固態雷射或一半導體二極體雷射。
  11. 如請求項9或10之寬頻雷射裝置，其中該等波導雷射之元件具有一不同之光譜加寬可見輻射，其中該等波導雷射之每一者之包絡函數具有一在1nm至15nm內之半高全寬，藉此該等波導雷射產生一整體頻寬，其中該光譜加寬可見輻射之該整體之包絡函數具有一在5nm至15nm內之半高全寬。
  12. 一種照明裝置，其包含如請求項1至8中任一項之至少一雷射諧振器或一如請求項9至11中任一項之寬頻雷射裝置，其經設計以運用在下列應用之一中：a)投影應用系統，b)光學應用系統，c)醫學照明應用系統，d)汽車應用。
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