超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法

專利名稱：超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法
技術領域：
本發明涉及一種超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，能同時激發摻Nd離子激光晶體多波長激光共振，并用一塊超晶格實現多個包括倍頻、和頻、三倍頻的非線性頻率變換過程，得到紅、黃、綠、藍四色激光同時輸出。
用超晶格晶體進行非線性光學頻率轉換是獲得可見光波段激光輸出的重要手段。通過適當的超晶格微結構設計，利用其二階非線性效應同時實現多個頻率轉換過程(倍頻、三倍頻、和頻)，可以實現可見光波段內的多波長激光同時輸出。
2001年1月J.Campany在Appl.Phys.Lett.上發表了“非周期極化的摻釹鈮酸鋰中同時產生紅、綠、藍連續光激光(Simultaneous generation of red，green，andblue continuous-wave laser radiation in Nd3+-doped aperiodically poled lithiumniobate)”的文章。其中紅光(0.686μm)和綠光(0.542μm)分別由同時振蕩的1.372μm和1.084μm的基波自倍頻得到，而藍光(0.441μm，0.482μm)則是由0.774μm的泵浦光與1.084μm和1.372μm的振蕩光自和頻得到。文章給出的是光譜檢測結果，總的可見光功率在1mw左右。且由于生長的非周期結構無法針對多色輸出進行優化，輸出功率和轉換效率與有效輸出還有相當的距離。
2001年8月，劉輝、朱永元等人在Appl.Phys.Lett.發表了“用于頻率轉換的非周期超晶格設計(Aperiodic optical superlattice engineered for opticalfrequency conversion)”的文章，報導了非周期超晶格結構設計方法及實現多波長倍頻的理論結果。可以根據需要設計非周期的超晶格(反轉疇)序列提供多個(可以大于三個，理論上是任意多個)倒格矢匹配多個倍頻過程的位相失配。對使用單一結構超晶格，通過多波長倍頻、和頻、三倍頻實現紅、黃、綠、藍四色激光的同時輸出具有很重要的參考價值。本申請人申請的專利(專利號00119006和00119007)也是本發明中所用超晶格設計的基礎。
綜上所述，這些研究與技術途徑均不涉及同時激發NdYVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長激光共振，用一塊單一結構(非周期)的超晶格晶體同時對1.064μm和1.342μm基波倍頻、和頻、三倍頻產生紅、黃、綠、藍四色激光同時輸出。
三、本發明內容本發明的目的利用摻Nd離子晶體激發多波長激光共振，用一塊超晶格實現多個倍頻、和頻、直接三倍頻(指用同一晶體的二階非線性效應同時完成基波光倍頻及倍頻光與基波光和頻得到三倍頻)過程，同時得到可見光波段內多波長激光輸出；尤其是同時激發NdYVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長激光共振，并用一塊單一結構(非周期)的鉭酸鋰(LiTaO3，LT)超晶格為變頻晶體，開發出能同時獲得能同時獲得紅、黃、綠、藍四色激光同時輸出的小型和具有實用性的全固態激光器。
本發明是按照下面所述的方式實現的。
本發明提供的紅、黃、綠、藍四色激光器，包括二極管激光(LD)泵浦源，Nd3+YVO4晶體，同時產生雙波長振蕩的雙波長諧振腔，以及能同時實現多個非線性頻率變換過程的特定結構的超晶格晶體。從Nd離子的4F3/2→4I9/2、4I11/2、4I13/2、4I15/2能級躍遷的多條譜線中，選擇設計雙波長諧振腔，獲得雙波長基波同時輸出；然后針對此雙波長基波設計特定結構(非周期)的LT超晶格。該超晶格可以對NdYVO4發射的較短波長激光實現倍頻得到一種可見光；同時也對NdYVO4發射的較長波長的譜線進行倍頻和三倍頻，分別得到二種可見光；再考慮對兩種譜線的和頻得到另一種可見光，則獲得四色激光同時輸出。利用NdYVO4晶體的優異的激光性能和它的兩條發射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2，設計雙波長諧振腔，獲得1.064μm和1.342μm雙波長基波同時輸出，然后針對此雙波長基波設計特定結構(非周期)的LT超晶格。該超晶格可以對NdYVO4發射的1.064μm激光實現倍頻得到綠光(0.532μm)；也對NdYVO4發射的1.342μm激光實現倍頻和三倍頻，得到0.671μm的紅光和0.447μm的藍光；同時考慮實現1.064μm激光和1.342μm激光的和頻，得到0.593μm的黃光，從而構造出能實現紅、黃、綠、藍四色激光輸出的小型全固態激光器。1.064μm激光和1.342μm激光以直腔(1.342μm激光在3、6之間振蕩，1.064μm激光在3、7之間振蕩，說明書附1)或分路折疊的方式(1.342μm激光在13、6之間振蕩，1.064μm激光在12、7之間振蕩，說明書附2)同時振蕩并共線輸出。腔內加入聲光調制器5使1.342μm和1.064μm激光變成準連續，提高峰值功率密度和轉換效率。超晶格晶體10置于控溫爐9中，放置于(腔內或)腔外。
本發明還可以采用不同基質的摻Nd離子激光晶體、不同的泵浦方式(LD泵浦或閃光燈泵浦)、選擇不同的發射譜線共同諧振、使用不同的超晶格材料、不同的超晶格結構參數實現多種顏色組合的可見光同時輸出。
1.不同基質的摻Nd離子激光晶體，包括NdYAG(NdY3Al5O12)、NdYAP(NdYAlO3)和NdGdVO4等，對應的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發射譜線的受激發射截面和對應波長與NdYVO4有所不同，這意味著，對其它摻Nd離子晶體，適當調整平衡雙波長共振損耗，也可以實現雙波長共振，相應修改超晶格的結構參數，它們也適用于本發明，只是產生的紅、黃、綠、藍激光的波長會略有不同。如NdYAP晶體，對應的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發射譜線波長為1.079μm和1.341μm，采用本發明的方法可以獲得波長為0.670μm紅光、0.5981μm的黃光、0.540μm的綠光和0.447μm的藍光。
2.Nd離子的發射譜線除了上述的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2之外，還包括4F3/2→4I15/2和4F3/2→4I9/2，若設計膜系使4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2同時共振，可以設計相應的超晶格，獲得紅、黃、綠、藍多種顏色和多種顏色組合的激光輸出。
3.LT超晶格實現倍頻和三倍頻的方法參見背景技術和中國專利公開0019006和0019007。除了LiTaO3晶體外，本發明還包括LiNbO3、KTP、RTP等其它非線性光學晶體的超晶格。它們的折射率及色散關系不同，因此超晶格設計的參數也有所不同。
通常情況下，周期的光學超晶格材料只能用于倍頻、和頻或差頻等單個非線性頻率變換過程。要實現上述紅、黃、綠、藍四種顏色激光輸出，超晶格必須提供匹配1.342μm和1.064μm激光分別倍頻(紅光和綠光)的倒格矢，匹配1.342μm基波光與其倍頻光(紅光)和頻產生三倍頻(藍光)的倒格矢，以及1.342μm和1.064μm基波光和頻(黃光)的倒格矢。如果分別由四塊周期結構的超晶格來提供，對應的周期分別為Λ1、Λ2、Λ3和Λ4滿足準位相匹配條件2πλ1[2n(λ1/2,T)-2n(λ1,T)]=2πΛ1---(1)]]>2πλ2[2n(λ2/2,T)-2n(λ2,T)]=2πΛ2---(2)]]>2πλ1[3n(λ1/3,T)-2n(λ1/2,T)-n(λ1,T)]=2πΛ3---(3)]]>2πλ1λ2λ1+λ2[n(λ1λ2λ1+λ2,T)-n(λ1,T)-n(λ2,T)]=2πΛ4---(4)]]>其中λ1，λ2分別對應于1.342μm和1.064μm基波光波長。本發明采用的非周期結構設計的方法，就是通過如下特定的耦合方法將多種周期結構的倒格矢包含在一種特定的非周期結構中，并盡量大的保持其倒格矢高度。其結構函數可以表示如下G(x)=Σi=1ngi(x)φ{floor[xd-nfloor(xnd)-i+1]}---(5)]]>其中，d是最小疇的寬度，gi(x)=fi(floor(xd)+ceil(xd)2×d)]]>，而fi(x)=1-2floor(2xΛi)+4floor(xΛi)]]>表示的是周期為Λi的周期結構， ，，根據所要求的Λi，可以設計相應的非周期結構，提供所需要的多個倒格矢。n是考慮的非線性過程數，對紅、黃、綠、藍四色激光同時輸出n＝4。
設定溫度為80℃；按照如下的色散公式計算折射率；ne(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2---(6)]]>其中參數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；本發明的特點1.實現可見光波段內多波長同時輸出的全固態激光器，在高亮度的激光彩色顯示、激光背投、激光彩色打印等設備及娛樂業等領域中具有廣闊的應用前景。本發明提供了實現紅、黃、綠、藍四色激光同時輸出的小型全固態激光器，具有其它激光器所不具備的優點，效率高，結構簡單，使用方便，輸出功率達到一定的水平，可以完善適用于多種應用場合。
2.本發明采用的諧振腔結構可以同時產生1.064μm和1.342μm的激光振蕩，直腔的結構簡單，易于調節；而分路折疊腔可以調節聲光開關控制信號的時延，抑制雙波競爭或改善雙波共振脈沖的同步特性(時間重疊)。
3.NdYVO4晶體具有優異的激光性能，如吸收系數大，吸收帶寬，受激發射截面大，輸出為線偏振等。該晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷都具有較大的發射截面，它們發射截面的比值也易于實現雙波長同時振蕩，獲得高效的1.064μm和1.342μm激光同時輸出。
4.本發明采用的超晶格結構是一種特定的非周期結構。可以根據需要，設計相應的結構，有效地提供多個倒格矢，同時匹配多個非線性頻率變換過程，且對超晶格材料和入射基波都沒有特殊限制，其結構易于得到和制備，具有很大的靈活性和實用性。
圖2本發明另一種超品格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器結構示意1中1 半導體二極管激光器(LD)，波長為0.808μm；2 光纖耦合和準直聚焦系統；3 輸入鏡，對1.064μm和1.342μm雙波長高反，對0.808μm高透；4 NdYVO4晶體，產生1.064μm和1.342μm激光的增益介質；5 聲光調制器；6 1.342μm激光的輸出腔鏡；7 1.064μm激光的輸出腔鏡；8 會聚透鏡；9 控溫爐，用來調節溫度；10 超晶格晶體，頻率變換產生紅、黃、綠、藍四色激光。圖2中1 一半導體二極管激光器(LD)，波長為0.808μm；2 光纖耦合和準直聚焦系統；3 輸入鏡，對1.064μm和1.342μm雙波長高反，對0.808μm高透；4 NdYVO4晶體，產生1.064μm和1.342μm激光的增益介質；5 聲光調制器；6 1.342μm激光的輸出腔鏡；7 1.064μm激光的輸出腔鏡；8 會聚透鏡；9 控溫爐，用來調節溫度；10 超晶格晶體，頻率變換產生紅、黃、綠、藍四色激光；11 45°分束鏡，對1.342μm高反而對1.064μm高透；12 1.064μm 高反腔鏡；13 1.342μm高反腔鏡。
按照說明書附

圖1制作一臺超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器(已經實現)。泵浦源LD輸出波長為0.808μm，最大輸出功率為30W。NdYVO4晶體4前后表面鍍上1.064和1.342μm減反膜。輸入鏡3對1.064μm和1.342μm均高反，與腔鏡6組成1.342μm激光諧振腔，與腔鏡7組成1.064μm激光諧振腔。聲光開關5置于腔內，獲得準連續的1.064μm和1.342μm激光。一塊非周期極化的LT超晶格10(長約1cm)置于控溫爐9中，調節溫度。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍四色激光的同時輸出。實施實例2按照說明書附圖1制作一臺超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器，與實例1中不同的是，超晶格10兩端都鍍以1.064μm和1.342μm減反膜及可見光減反膜，輸入鏡3對可見光也高反，輸出腔鏡6對1.342μm高反對1.064μm和可見光高透，輸出腔鏡7對1.064μm高反對可見光高透，將超晶格置于腔內，實現腔內頻率轉換。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍四色激光的同時輸出。實施實例3按照說明書附圖2制作一臺超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器。與實例1、2均不同的是，采用了折疊分路的方式。輸入鏡3對1.064μm和1.342μm均高反，11是45°分束鏡，對1.342μm高反而對1.064μm高透；12、13分別是對1.064μm和1.342μm高反的腔鏡。1.342μm激光在13、6之間振蕩，1.064μm激光在12和7之間振蕩。由聲光調制器產生準連續光，可以調節兩路聲光控制信號的時延抑制雙波競爭或改善雙波脈沖的同步特性(時間重疊)。在腔外，超晶格10置于控溫爐9中，調節溫度。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍四色激光的同時輸出。實施實例4按照說明書附圖2制作一臺超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器。與實例3不同的是超晶格兩端鍍以1.064μm、1.342μm減反膜以及可見光區的減反膜，要求腔鏡6對1.342μm高反對1.064μm和可見光高透，腔鏡7對1.064μm高反對可見光高透，12、13對可見光也高反。超晶格置于腔內，實現腔內頻率轉換。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍四色激光的同時輸出。
權利要求
1.超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于以摻Nd離子晶體為增益介質，包括NdYVO4、NdYAG(NdY3Al5O12)、NdYAP(NdYAlO3)和NdGdVO4等，從從Nd離子4F3/2→4I9/2、4I11/2、4I13/2、4I15/2能級躍遷的多條譜線中，選擇兩條譜線并設計雙波長諧振腔，獲得雙波長基波同時輸出，即一條較長和較短波長的兩條譜線，然后針對此雙波長基波設計非周期的光學超晶格，該超晶格對摻Nd離子晶體發射的較短波長激光實現倍頻得到一種可見光，對摻Nd離子晶體發射的較長的譜線進行倍頻和三倍頻，分別得到另外兩種可見光，同時實現兩條譜線的和頻，得到一種可見光，實現四色激光的同時輸出。
2.以權利要求1所述的超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于對摻Nd離子晶體發射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線激光實現倍頻得到綠光，同時也對摻Nd離子晶體發射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線激光實現倍頻和三倍頻，得到紅光和藍光，以及對4F3/2→4I11/2躍遷譜線和4F3/2→4I13/2躍遷譜線和頻得到黃光，從而構造出能實現紅、黃、綠、藍四色激光輸出的小型全固態激光器。
3.以權利要求1所述的超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于泵浦摻Nd離子晶體，激發4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，包括摻Nd離子晶體其它發射譜線如4F3/2→4I9/2和4F3/2→4I15/2參與的雙波長同時振蕩，由超晶格同時實現多個頻率變換過程，同時輸出多波長可見光。
4.以權利要求1所述的超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于泵浦摻Nd離子晶體，激發4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，包括多個發射譜線同時振蕩，由超晶格同時實現多個頻率變換過程，同時輸出多波長可見光。
5.以權利要求1所述的超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于用單一結構的非周期超晶格，實現1.064μm激光的倍頻，同時實現1.342μm激光的倍頻和三倍頻，以及1.064μm激光和1.342μm激光的和頻，材料包括LiTaO3、LiNbO3、KTP、RTP等非線性光學材料。
6.由權利要求1所述的超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器的設置方法，其特征在于設計超晶格結構，針對摻Nd離子晶體的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2躍遷，匹配多個頻率變換過程產生紅、黃、綠、藍四種可見光同時輸出，還包括改變結構參數和匹配溫度，以準位相匹配方式同時產生紅、黃、綠、藍激光及其顏色組合激光輸出的所有全固態多色激光器。
全文摘要
超晶格全固態紅、黃、綠、藍四色激光器，以LD泵浦NdYVO
文檔編號H01S3/10GK1434553SQ03112848
公開日2003年8月6日 申請日期2003年2月19日 優先權日2003年2月19日
發明者何京良, 廖軍, 劉輝, 祝世寧, 朱永元, 王慧田, 閔乃本 申請人:南京大學