專利名稱：雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器的制作方法
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，涉及一種產(chǎn)生紅綠藍三基色激光的新技術，它是基于釹激光晶體中釹離子4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2躍遷產(chǎn)生的1.3微米和1微米波段輻射的雙波長激光通過腔外倍頻獲得紅色和綠色激光，然后再由剩余的1.3微米激光與紅色激光腔外和頻獲得藍色激光，通過控制兩種基波激光輸出功率的比例和腔內(nèi)聲光調(diào)Q，實現(xiàn)高效、均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，國際上主要利用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，Sung S.；Hwang，Young M.“Full colorlaser projection display using Kr-Ar laser(White-laser)beam-scanningtechnology”，Proc.SPIE，Vol.3131，P.2-10，Optical Scanning System)和LD泵浦釹激光晶體倍頻得到的綠色激光經(jīng)光參量振蕩的898nm信號光和1256nm閑置光的倍頻得到449nm藍光和628nm紅光，而在光參量過程中循環(huán)的泵浦光作為綠光，以此得到紅綠藍三基色激光(Lee，Dicky；Moultom PeterF.，“Compact OPO-Based RGB source”，Proc.SPIE，Vol.4294，P.60-66，2001，Projection display)。上述技術中，前者效率較低，體積較大，后者設備較復雜，成本較高。
1973年美國Bell實驗室的Betha等首次利用YAG晶體中釹離子亞穩(wěn)能級到不同下能級的躍遷，獲得了1064nm和1318nm同時雙波長脈沖激光運轉(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，雙波長激光引起了人們的廣泛興趣。
“七五”期間，在國家863項目和中國科學院重大項目資助下，中科院福建物構所沈鴻元研究員首次建立了多波長激光振蕩條件，并利用NdYAlO3晶體從亞穩(wěn)能級到不同下能級的同時躍遷首次實現(xiàn)了雙波長晶體連續(xù)激光運轉(H.Y.Shen，“Oscillation condition of simultaneous multiple wavelengthlasing”Chines Physics Letters 7.4(1990)174；Yvonne A.Carts，“NdYAP laserCW at two wavelength simultaneously”，Laser Focus World，WorldNewsLasersVol.26，No.6，P.42，1990.)。并建立了測量躍遷截面的新方法，研究測量了釹離子在YAlO3晶體中的躍遷截面(H.Y.Shen，T.Q.Lian，et al.，“measurement ofthe stimulated Emission cross section for4F3/2to4I13/2transition of Nd3+ion inYAlO3crystal”，IEEE J.Quantum Electron.，Vol25 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.)，基于測量的數(shù)據(jù)，利用振蕩條件比較了一些常用激光晶體(NdYAG、NdYLF、NdBEL和NdYAlO3)實現(xiàn)雙波長激光的情況，結果表明，釹離子在YAlO3晶體中4F3/2to4I13/2躍遷截面與4F3/2to4I11/2躍遷截面之比接近1/2，它比上述其他晶體上述躍遷的比大2.4倍以上，所以NdYAlO3比上述其他晶體更容易實現(xiàn)雙波長連續(xù)激光(H.Y.Shen，et.al.，“Comparision of simultaneous multiple wavelength lasing in variousneogymium host crystal at transitions from4F3/2to4I11/2and4I13/2”，Appliedphysics letters，56，20(1990)1937.)，并研制成大能量NdYAlO3雙波長脈沖激光(H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，″Large energy 1079.5 and 1341.4nm dualwavelength NdYAP pulsed laser″，Applied Optics，Vol.32，No.30(1993)5952.)，通過雙波長振蕩條件合理選擇激光參數(shù)后，已獲得輸出功率高達33.7W(1079.5nm)和30W(1341.4nm)的雙波長NdYAlO3連續(xù)激光。該成果已由我國著名光學專家王大珩院士主持召開的中科院科技成果鑒定會鑒定，樣機已出口美國，于1996年獲得國家科技進步三等獎。并開展了雙波長晶體激光的倍頻、和頻研究，得到了紅色(670.7nm)、橙色(598.1nm)、綠色(539.8nm)、藍色(447.1nm)和紫色(413.7nm)相干輻射(G.Zhang，H.Y.Shen，et.al.，“The Study of 1341.4nm NdYALO3laser intracavity frequency doubling byLiB3O5.”O(jiān)ptics Communication，183，46l(2000)；H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，“0.5981 sum frequencymixing in KTP crystal”，chinese physics letters，Vol.8，No.4(1991)215；H.Y.Shen et.al.，“SHG and SFM of a dual wavelengthNdYAlO3laser in a flux growth KTP crystal”，IEEE J.Quantum Electron.Vol.28，No.1(1992)48；W.X.Lin，H.Y.Shen，“Tripling the harmonic generation of1341.4nm NdYAP laser in LiIO3and KTP to get 447.1nm coherent radiations”，Optics Commun.，82，3-4(1991)333；H.Y.Shen et.al.，“Twice SFM of a dualwavelengthh NdYAlO3laser to get 413.7nm violet coherent radiations in LiIO3crystal”，Journal of Applied Physics，No.3(1991)1880.)；H.Y.Shen et.al.，“Second harmonic generation and sum frequency mixing of dual wavelengthNdYAlO3laser to 413.7nm violet coherent radiation in LiIO3crystal”，Journalof Applied Physics 72(9)(1992).4472。
80年代末，隨著作為泵浦的激光二極管的飛速發(fā)展，掀起了一場根據(jù)LD泵浦的特性，重新評價現(xiàn)有激光晶體和探索激光新晶體的熱潮，NdYVO4是60年代就發(fā)現(xiàn)的激光晶體，它雖具有優(yōu)異的激光光譜特性，但未生長出質(zhì)量好的大晶體，對于燈泵浦為主的60年代，該晶體未得到人們的應有重視，LD泵浦技術大大地放松了對晶體尺寸的要求，90年代以來，這種晶體的晶體生長技術和LD泵浦NdYVO4激光器取得飛速的發(fā)展，從表1看到，YVO4中，4F3/2to4I13/2躍遷截面與4F3/2to4I11/2躍遷截面之比也接近1/2，而且躍遷截面比YAlO3更大，因而也是獲得雙波長激光的優(yōu)良晶體。
表1、幾種摻釹晶體的躍遷截面
近年來，利用非線性晶體的變頻技術，將近紅外激光變頻獲得可見激光的技術日臻成熟，并已成為獲得可見激光的主要技術途徑。中小功率應用中，KTP晶體由于具有大的非線性系數(shù)、容忍溫度和容忍角而受到人們的青睞。LBO晶體非線性系數(shù)雖小，但它具有特高的破壞閾值，在高功率的應用中具有較大的優(yōu)勢，而提高峰值功率將有助于提高非線性轉換的效率，因而也是非線性頻率轉換中常用的晶體，表2中給出了NdYAlO3和NdYVO4激光晶體利用上述非線性晶體實現(xiàn)頻率轉換的參數(shù)。利用非線性晶體和非線性頻率轉換技術，通過色散和分光技術，將雙波長激光中兩個波長激光在腔內(nèi)分成兩路，按照多波長激光運轉理論(H.Y.Shen，H.Su，“Operating conditiod ofcontineous wave simultaneous dual wavelength laser in neodymium hostcrystal”，Journal of Applied physics Vol.86，No.12，6647(1999).)，控制兩種波長激光輸出功率的比例，獲得相應輸出功率的1341.4nm和1079.5nm激光，在腔外用相應的非線性晶體倍頻獲得紅色和綠色激光，然后將剩余的1.3微米激光與部分紅色激光腔外和頻，獲得藍色激光，以獲得均衡輸出的紅綠藍三基色激光。表2-1.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶體中倍頻、和頻的最佳相位匹配角
表2-2.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶體中的相位匹配特性
基于以上考慮，本發(fā)明提出的釹激光晶體1.3微米波段和1微米波段雙波長激光通過非線性晶體腔外倍頻、和頻獲得均衡輸出的紅綠藍三基色激光是可行的。
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其發(fā)明的目的是利用KTP、LBO等非線性晶體將NdYAlO3、NdYVO4等釹激光晶體的4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2躍遷產(chǎn)生的1.3微米和1微米波段的雙波長激光，通過腔外倍頻、和頻技術獲得高效、均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。用作激光彩色顯示的光源。
近期可用氪燈或氙燈作為泵浦源，待作為泵浦的激光二極管價格下降后，可采用高效、長壽命、結構緊湊的激光二極管(LD)作為泵浦源，以實現(xiàn)更實用的全固化紅綠藍三基色激光器。
以下以KTP和LBO晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光為例，提供本發(fā)明的具體方案。利用其他激光和非線性晶體時，激光運行參數(shù)將做相應的改變。泵浦燈也可用LD取代，利用端面和側面泵浦技術來激勵工作物質(zhì)。
以KTP和LBO為非線性晶體的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器是通過泵浦源激勵YAlO3晶體中Nd3+離子，在適當設計的雙波長激光器中由4F3/2的R2子能級躍遷到4I13/2的X3子能級和4F3/2的R1子能級躍遷到4I11/2的Y3子能級分別產(chǎn)生1341.4nm和1079.5nm輻射，按照多波長激光運轉理論控制兩種波長激光輸出功率的比例，獲得相應輸出功率的1341.4nm和1079.5nm激光，在腔外分別用LBO和KTP晶體倍頻獲得670.7nm紅色和539.7nm綠色激光，然后將剩余的1341.4nm激光與部分670.7nm激光腔外和頻，獲得447.1nm藍色激光。從而獲得均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。為了提高倍頻的轉換效率，利用聲光調(diào)制技術，將連續(xù)激光轉換成高重復率的納秒級高峰值功率短脈沖，提高倍頻晶體中的功率密度，實現(xiàn)高效、均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。
上述技術產(chǎn)生三基色激光，設備簡單、成本低，可作為激光彩色顯示的光源，廣泛應用于大屏幕、高清晰度彩色電視、激光表演、激光投影儀和指揮、監(jiān)控、調(diào)度中心的大屏幕、高清晰度的彩色顯示設備等彩色顯示領域。
以下結合附圖
對LBO和KTP晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光做進一步的說明。
附圖中，(1)為工作物質(zhì)NdYAlO3，(2)是泵浦用氪燈或氙燈，(3)是濾去泵浦燈紫外輻射的濾光管，(4)是緊包式橢圓型聚光腔，腔內(nèi)充滿介質(zhì)冷卻液，冷卻工作物質(zhì)和泵浦燈，(5)是自循環(huán)冷卻器，(6)是激光電源，(7)、(8)分別是對1079.5nm和1341.4nm全反射的介質(zhì)鏡，(9)、(10)是相應比例輸出1079.5nm和1341.4nm雙波長激光運轉時的最佳耦合輸出鏡，分別作為按相應比例輸出1079.5nm和1341.4nm激光的輸出鏡，(11)、(12)分別是對1079.5nm和1341.4nm激光聚焦的光學系統(tǒng)，(13)是對1079.5nm倍頻的KTP晶體，(14)是對1341.4nm倍頻的LBO晶體，(15)是對670.7nm紅光部分反射，對1341.4nm激光增透的雙色鏡，該鏡作為紅色激光輸出的耦合鏡以及透過剩余的670.7nm紅光和1341.4nm激光的雙色鏡，它們經(jīng)過光束補償系統(tǒng)(17)在LBO(或KTP)和頻晶體(18)上和頻，獲得藍色激光，(19)、(20)是大色散率的色散元件，(21)、(22)分別是1079.5nm和1341.4nm的聲光調(diào)制器(包括驅動源)。
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，附圖是本發(fā)明的結構示意圖。
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，實施本發(fā)明的典型方案是以KTP和LBO晶體將燈泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3雙波長激光腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光為例(LD泵浦時只需將泵浦燈用LD取代，通過端面泵浦和側面泵浦激勵工作物質(zhì))，提供本發(fā)明的典型方案。接通電源(6)后，自循環(huán)冷卻系統(tǒng)(5)即將水箱中的去離子水泵入含有NdYAlO3棒(1)和泵浦用氪燈或氙燈(2)的密封聚光腔(4)中，視需要可在自循環(huán)冷卻器中通過二次冷卻水(通常用自來水)或用電冰箱壓縮機冷卻自循環(huán)水箱中的去離子水。啟動電源，使燈工作在適當?shù)碾娏?，此時泵浦燈發(fā)出的光在聚光腔中集中到NdYAlO3晶體上，YAlO3晶體中釹離子吸收泵浦光后，釹離子發(fā)出的1079.5nm輻射經(jīng)色散元件(19)和(20)在諧振腔(7)和(9)間振蕩并經(jīng)(9)輸出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)(11)在倍頻晶體KTP(13)中產(chǎn)生539.7nm綠光；釹離子發(fā)出的1341.4nm輻射經(jīng)色散元件(19)和(20)，在諧振腔(8)和(10)之間振蕩并并經(jīng)(10)輸出，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)(12)在倍頻晶體LBO(14)上產(chǎn)生的670.7nm紅光，其中，部分670.7nm紅光經(jīng)雙色鏡(15)和反射鏡(16)輸出，另一部分紅光透過對紅光部分反射和對1341.4nm激光增透的雙色鏡(15)與剩余的1341.4nm輻射同光路輸出，經(jīng)光束補償系統(tǒng)(17)后，在非線性晶體LBO(或KTP)(18)中和頻，得到447.1nm藍色激光輸出。按照多波長激光運轉理論控制兩種波長激光輸出功率的比例，獲得相應輸出功率的1341.4nm和1079.5nm激光，以獲得均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。必要時，啟動聲光電源，讓兩束激光經(jīng)聲光開關(21)(22)轉變成高重復率的納秒級高峰值功率的1079.5nm和1341.4nm短脈沖，實現(xiàn)高效、均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。
權利要求
1.雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，該激光器利用釹激光晶體中釹離子4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2躍遷產(chǎn)生的1.3微米和1微米波段輻射的雙波長激光通過腔外倍頻獲得紅色和綠色激光，然后再由剩余的1.3微米激光與紅色激光在腔外和頻獲得藍色激光，從而實現(xiàn)紅綠藍三基色激光。
2.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，包括釹激光晶體和用于泵浦所述晶體以及使所述晶體形成Nd3+激活離子粒子數(shù)反轉分布的泵浦系統(tǒng)；用于產(chǎn)生1.3微米波段和1微米波段的雙波長輻射。
3.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，包括大色散率的色散元件，在腔內(nèi)將1.3微米和1微米波段輻射分開，并在相應的諧振腔內(nèi)振蕩，產(chǎn)生1.3微米和1微米激光。
4.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，包括使1.3微米和1微米波段輻射在其中諧振的諧振腔，并能同時按相應比例輸出1.3微米和1微米激光。
5.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于包括三塊放在腔外的非線性晶體，其中兩塊在腔外分別對1.3微米和1微米波段激光進行倍頻，獲得紅色和綠色激光，另一塊放在腔外的非線性晶體，將剩余的1.3微米激光和部分紅色激光進行和頻，產(chǎn)生藍色激光，控制兩種基波激光輸出功率的比例，以獲得均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。
6.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，在需要時，包含1.3微米和1微米的聲光開關及其驅動器，使連續(xù)1.3微米和1微米激光轉換成高重復率的納秒級高峰值功率短脈沖，以提高非線性轉換效率，實現(xiàn)高效、均衡、同時輸出的紅綠藍三基色激光。
7.如權利要求1所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，還包括所述激光裝置及倍頻、和頻裝置的冷卻和控溫系統(tǒng)以及LD控溫裝置。
8.如權利要求2所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源是能連續(xù)改變輸入功率或能量的連續(xù)、脈沖或重復率脈沖驅動源和作為泵浦燈的氪燈或氙燈。
9.如權利要求2所述的雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，其特征在于，所述的泵浦系統(tǒng)的泵浦源是激光二極管及其驅動源，以實現(xiàn)端面或側面泵浦。
全文摘要
雙波長釹激光器腔外倍頻、和頻的紅綠藍三基色激光器，涉及一種產(chǎn)生紅綠藍三基色激光的新技術，它是基于釹激光晶體中釹離子
文檔編號H01S3/00GK1459894SQ0211736
公開日2003年12月3日 申請日期2002年5月21日 優(yōu)先權日2002年5月21日
發(fā)明者沈鴻元, 張戈, 黃呈輝, 位民, 陳振強, 黃凌雄 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結構研究所