專利名稱：光學(xué)元件，激光光源，激光設(shè)備，以及制作光學(xué)元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種例如光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件這樣的光學(xué)元件、一種激光光源、以及一種適用于利用相干光的光學(xué)信息處理或光學(xué)測量控制領(lǐng)域的激光裝置，本發(fā)明還涉及一種制作光學(xué)元件的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在將參考圖1說明一種利用光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的普通激光光源。該激光光源的基本組成是一個(gè)半導(dǎo)體激光器20、一個(gè)固體激光晶體21，和一個(gè)用非線性光學(xué)晶體KNbO3(鈮酸鉀)做成的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。
如圖1所示，從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的807nm的泵浦光P1a被一個(gè)透鏡30會(huì)聚，激勵(lì)作為固體激光晶體21的YAG(釔鋁石榴石晶體)。在固體激光晶體21上形成有一個(gè)全反射鏡22。該全反射鏡反射99％的947nm波長的光，但透射800nm波段的光。因此，雖然泵浦光P1a被高效率地導(dǎo)入到固體激光晶體21中，但是由固體激光晶體21所產(chǎn)生的947nm波長的光卻不會(huì)射向半導(dǎo)體激光器20一側(cè)，而是被反射到光學(xué)波長轉(zhuǎn)換器25一側(cè)。此外，在光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的輸出面上設(shè)置了一個(gè)反射鏡23，它能反射99％的947nm波長的光，透射400nm波段的光。這兩個(gè)反射鏡22和23對947nm波長的光構(gòu)成了一個(gè)諧振器(腔)，能夠產(chǎn)生947nm的基頻波P1的振蕩。
光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25被插入在由反射鏡22和23所確定的腔內(nèi)，在其中產(chǎn)生諧波P2。腔內(nèi)基頻波P1的功率可達(dá)1W或更大。因此從基頻波P1到諧波P2的轉(zhuǎn)換可增強(qiáng)，由此能得到高功率的諧波。使用500mW輸出的半導(dǎo)體激光器可以得到1mW的諧波。
下面將參考圖2說明一種帶有光學(xué)波導(dǎo)的普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。所示的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件在其上入射840nm波長的基頻波時(shí)將產(chǎn)生它的二次諧波(波長為420nm)。這種光學(xué)波長轉(zhuǎn)換器已公開于K.Mizuuchi和K.Yamamoto的論文，發(fā)表于Applied Physics Letters(應(yīng)用物理快報(bào))，第58卷第2732頁，1991年6月。
如圖2所示，在該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件中，在LiTaO3(鉭酸鋰)基底1中制作了一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)2，其中沿著光學(xué)波導(dǎo)2周期性地排列了一些極化(方向)反轉(zhuǎn)的層3(疇反轉(zhuǎn)層)。LiTaO3基底1上沒有制作疇反轉(zhuǎn)層3的那些部分用作疇非反轉(zhuǎn)層4。
當(dāng)基頻波P1入射到光學(xué)波導(dǎo)2的一個(gè)端面(入射表面)10上時(shí)，在該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件中將產(chǎn)生諧波P2，并從光學(xué)波導(dǎo)2的另一個(gè)端面輸出。這里，光在通過光學(xué)波導(dǎo)2傳播時(shí)因?yàn)槭艿接僧牱崔D(zhuǎn)層3和疇非反轉(zhuǎn)層4所構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)的影響，使所產(chǎn)生的諧波2和基頻波P1的傳播常數(shù)之間的不匹配被疇反轉(zhuǎn)層3和疇非反轉(zhuǎn)層4所構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)補(bǔ)償。其結(jié)果是，該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件能夠高效率地輸出諧波P2。
這種光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的一個(gè)基本部分是用質(zhì)子交換法制作的光學(xué)波導(dǎo)2。
下面將參考圖3說明制作這種光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的一種方法。
首先，在圖3的步驟S10中執(zhí)行疇反轉(zhuǎn)層形成步驟。
較具體地說，首先淀積一層Ta(鉭)膜，使之覆蓋LiTaO3基底的主表面，其后用普通的光刻和干蝕刻技術(shù)使Ta膜成型為帶條圖案，由此形成一個(gè)Ta掩模。
接著，對主表面上已覆蓋有Ta掩模的LiTaO3基底1在260℃下進(jìn)行20分鐘的質(zhì)子交換處理。于是在LiTaO3基底1的沒有覆蓋Ta掩模的部分中形成了一些0.5μm厚的質(zhì)子交換層。然后用1∶1的HF和HNF3混合物進(jìn)行2分鐘的腐蝕，除去Ta掩模。
然后，通過1分鐘550℃的熱處理，在每個(gè)質(zhì)子交換層內(nèi)形成一個(gè)疇反轉(zhuǎn)層。在熱處理過程中，溫度上升率是50℃/S，冷卻率是10℃/S。與LiTaO3基底1上沒有進(jìn)行質(zhì)子交換的部分相比，在進(jìn)行了質(zhì)子交換的那些部分中Li(鋰)的量相對減少了。因此，經(jīng)過了質(zhì)子交換的部分的居里溫度降低，由此在550℃的溫度下能夠在質(zhì)子交換部分部分地形成疇的反轉(zhuǎn)。這個(gè)熱處理使得能夠形成具有反映Ta掩模圖案的質(zhì)子交換層。
接著，在圖3的步驟S20中執(zhí)行光學(xué)波導(dǎo)制作步驟。
較具體地說，步驟S20可以分成步驟S21、步驟S22和步驟S23。在步驟S21中形成掩模圖案；在步驟S22中進(jìn)行質(zhì)子交換處理，在步驟S23中進(jìn)行高溫退火。
下面將說明這些步驟。
在步驟S21，制作用來形成光學(xué)波導(dǎo)的Ta掩模。通過在Ta膜中形成一些狹縫狀開口(寬度4μm，長度12mm)以得到該Ta掩模。在步驟S22，通過對覆蓋有Ta掩模的LiTaO3基底1進(jìn)行16分鐘260℃下的質(zhì)子交換處理，在LiTaO3基底1中形成一個(gè)沿某一個(gè)方向直線延展的高折射率層(厚度0.5μm)。這個(gè)高折射率層最終將起到光學(xué)波導(dǎo)的作用。不過，這樣形成的進(jìn)行過質(zhì)子交換的部分(高折射率層)的非線性性質(zhì)將受到破壞。為了恢復(fù)該非線性性質(zhì)，步驟22中在除去Ta掩模之后進(jìn)行1分鐘420℃下的退火。該退將使高折射率層沿垂直方向和橫方向擴(kuò)展，從而使Li擴(kuò)散到高折射率層中。通過用這種方法減小高折射率層中的質(zhì)子交換濃度，有可能恢復(fù)非線性性質(zhì)。其結(jié)果是，位在Ta掩模各狹縫正下方部分(高折射率層)的折射率比其他部分的折射率增大了約0.03，從而該高折射率層起到一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的作用。
接著進(jìn)行保護(hù)膜制作步驟(步驟S30)、端面拋光步驟(步驟S40)、和AR(消反射)鍍膜步驟(步驟S50)，由此就完成了一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。
通過把沿著波導(dǎo)周期性排列的疇反轉(zhuǎn)層的排列步長設(shè)定為10.8μm就可能形成一個(gè)三次偽相位匹配結(jié)構(gòu)。
利用上述光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，當(dāng)光學(xué)波導(dǎo)2的長度為9mm時(shí)，就可以從波長為840nm的基頻波P1(功率27mW)獲得功率為0.13mW的諧波P2(轉(zhuǎn)換效率0.5％)。
若要形成一個(gè)一次偽相位匹配結(jié)構(gòu)，則可以把疇反轉(zhuǎn)層的排列步長設(shè)定為3.6μm。這時(shí)可以從27mW的基頻波P1獲得0.3mW的諧波P2(轉(zhuǎn)換效率1％)。本發(fā)明的發(fā)明人已在實(shí)驗(yàn)上制作了一個(gè)激光光源，通過把這種光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件和一個(gè)半導(dǎo)體激光器相結(jié)合，該光源能輸出藍(lán)色激光。
這種光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件有一個(gè)問題，即它的相位匹配波長會(huì)隨時(shí)間變化，使得不能得到諧波。當(dāng)從半導(dǎo)體激光器發(fā)出的基頻波波長保持恒定，但光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配波長卻改變時(shí)，諧波輸出將逐漸減小，最終變?yōu)榱恪?br> 本發(fā)明的目的是使激光光源穩(wěn)定化，增大它的輸出，并減小激光裝置或光盤設(shè)備的尺寸和重量，其方法是在這種裝置/設(shè)備中配置一個(gè)高輸出的激光光源。
本發(fā)明公開的內(nèi)容本發(fā)明的激光裝置，它包括至少一個(gè)含有一個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光光源；一個(gè)調(diào)制器，用于改變各激光的強(qiáng)度；以及一個(gè)偏轉(zhuǎn)器，用于改變各激光的方向，其中從激光光源發(fā)射的激光被分解成兩個(gè)或多個(gè)光路，以從兩個(gè)方向照射一個(gè)光屏。
其中激光光源包括一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，用于產(chǎn)生一個(gè)諧波；以及一個(gè)單模光纖，用于把來自半導(dǎo)體激光器的激光傳送給光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。
其中激光光源包括半導(dǎo)體激光器；一個(gè)光纖，用于傳送來自該半導(dǎo)體激光器的激光；一個(gè)固體激光晶體，用于接收從光纖出射的激光以產(chǎn)生一個(gè)基頻波；以及一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，用于從該基頻波產(chǎn)生一個(gè)諧波。
該半導(dǎo)體激光器是一個(gè)分布反饋型半導(dǎo)體激光器；并且該激光光源還包括一個(gè)半導(dǎo)體激光放大器，用于放大來自該分布反饋型半導(dǎo)體激光器的激光。
激光光源包括一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，其中形成有一個(gè)用于導(dǎo)引來自半導(dǎo)體激光器的激光的光學(xué)波導(dǎo)和周期性的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，其中該光學(xué)波導(dǎo)的寬度和厚度為40μm或較大。
由兩個(gè)激光光源形成兩個(gè)光路；并且這兩個(gè)激光光源分別受到不同的調(diào)制。
所述的激光裝置，其中兩個(gè)光路按時(shí)間互相切換。
附圖的簡要說明圖1是說明一個(gè)普通短波長光源的圖。
圖2是說明一個(gè)普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是說明根據(jù)普通方法制作光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的方法中各步驟的流程圖。
圖4是說明普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的諧波輸出隨時(shí)間變化的圖。
圖5是說明普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配波長隨時(shí)間變化的圖。
圖6是說明普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的折射率隨時(shí)間變化的圖。
圖7是說明根據(jù)本發(fā)明例1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)的圖。
圖8A、8B、8C、8D和8E是分別說明制作根據(jù)本發(fā)明例1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的方法的各步驟的圖。
圖9是說明制作根據(jù)本發(fā)明例1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的方法的各步驟的流程圖。
圖10是說明以退火溫度為參量時(shí)相位匹配波長隨退火時(shí)間的變化的特性圖。
圖11是說明退火溫度和相位匹配波長變化量之間的關(guān)系的特性圖。
圖12是說明根據(jù)本發(fā)明例1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的輸出的時(shí)間特性的圖。
圖13是說明根據(jù)本發(fā)明例1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配波長和有效折射率的時(shí)間特性的圖。
圖14是說明根據(jù)本發(fā)明例2的制作光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的方法的各步驟的流程圖。
圖15A、15B和15C是分別說明制作根據(jù)本發(fā)明例4的光學(xué)元件的方法的各個(gè)步驟的圖。
圖16是說明制作根據(jù)本發(fā)明例5的光學(xué)元件的方法的各步驟的流程圖。
圖17是說明根據(jù)本發(fā)明的激光光源的一個(gè)例子的布局的圖。
圖18A、18B、18C和18D是分別說明本發(fā)明激光光源中的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的制作步驟的圖。
圖19是說明本發(fā)明激光光源中所使用的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的光學(xué)波導(dǎo)厚度和耐光學(xué)損傷性質(zhì)之間的關(guān)系的圖。
圖20是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光裝置的布局的圖。
圖21是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光光源的布局的圖。
圖22是說明用于根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光光源的半導(dǎo)體激光器的布局的圖。
圖23是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光光源的布局的圖。
圖24是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光光源的布局的圖。
圖25是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的分離型激光光源的布局的圖。
圖26是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光光源的布局的圖。
圖27是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光裝置的布局的圖。
圖28是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的用于激光裝置的自動(dòng)切斷裝置的布局的圖。
圖29是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的用于激光裝置的自動(dòng)切斷裝置的控制系統(tǒng)的圖。
圖30是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光裝置的布局的圖。
圖31是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光裝置的布局的圖。
圖32是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的激光裝置的布局的圖。
圖33是說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)例子的光盤設(shè)備的布局的圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模式本發(fā)明的發(fā)明人對上述含有一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件研究了為何其相位匹配波長會(huì)隨著時(shí)間流逝而變短的原因，這種變短將使得不再能產(chǎn)生諧波。
圖4示出在普通光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件中，從制成該元件開始的流經(jīng)時(shí)間和它的諧波輸出之間的關(guān)系?？梢钥闯?，諧波輸出隨時(shí)間流逝快速地下降。
圖5示出經(jīng)過時(shí)間和相位匹配波長之間的關(guān)系。從元件制成開始經(jīng)過3天，諧波輸出即減小為一半?？梢钥闯觯谶@個(gè)時(shí)刻相位匹配波長已向短波方向移動(dòng)。相位匹配波長λ由疇反轉(zhuǎn)步長∧和諧波有效折射率n2w以及基頻波有效折射率nw確定。具體地說有λ＝2(n2w-nw)·∧。
由于疇反轉(zhuǎn)層的步長∧并不隨時(shí)間改變而是保持恒定，所以可以認(rèn)為相位匹配波長λ的減小起因于有效折射率n2w和nw的變化。
圖6示出有效折射率n2w和流經(jīng)時(shí)間之間的關(guān)系。從圖6可以看出，有效折射率n2w隨著從制作元件那天開始的流經(jīng)天數(shù)的增加而減小。
本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)為其中的原因如下。
制作光學(xué)波導(dǎo)時(shí)所進(jìn)行的約400℃的高溫處理給質(zhì)子交換層引入了一些應(yīng)變或類似變化，從而在質(zhì)子交換層中形成了一個(gè)具有增大的折射率的層(改變層)。該應(yīng)變隨著時(shí)間流逝逐漸釋放，使改變層的折射率變得接近于其原來的折射率。
雖然在高溫退火期間由于應(yīng)變等原因而形成了具有增大折射率的改變層，但該改變層的折射率要返回到它原來的大小，并且最終該改變層將變?yōu)橐粋€(gè)穩(wěn)定的質(zhì)子交換層。不過，改變層變成這種穩(wěn)定的質(zhì)子交換層需要若干年。在本申請的說明書中，一個(gè)在常溫下(約從0℃到50℃)使用的、其有效折射率不隨時(shí)間改變的質(zhì)子交換層被稱作是一個(gè)“穩(wěn)定質(zhì)子交換層”。
上面所述是本發(fā)明的發(fā)明人所提出的時(shí)間變化的機(jī)制。為了證明這一點(diǎn)，一個(gè)由于時(shí)間變化而降低折射率的樣品在300℃下被退火1分鐘。這樣的退火溫度和退火時(shí)間幾乎不會(huì)引起質(zhì)子擴(kuò)散等效應(yīng)，所以波導(dǎo)不會(huì)增寬。因此，從通常的觀點(diǎn)看來，該質(zhì)子交換層的折射率根本不會(huì)變化。但是，在本發(fā)明人的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)過300℃下1分鐘的退火后折射率再次增大了。而且，還觀察到了在該退火之后折射率再次隨時(shí)間流逝而下降的現(xiàn)象。
本發(fā)明使減小質(zhì)子交換層中因相對高溫的熱處理而產(chǎn)生的應(yīng)變成為可能，從而防止了光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的時(shí)間變化。
下面將參考


一些例子。
(例1)現(xiàn)在參見圖7說明本發(fā)明的例1。
在本例的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件中，在LiTaO3(鉭酸鋰)基底1中形成一個(gè)穩(wěn)定質(zhì)子交換層的光學(xué)波導(dǎo)，并且沿著該光學(xué)波導(dǎo)周期性地安排了多個(gè)疇反轉(zhuǎn)層3。讓一個(gè)基頻波P1入射到該光學(xué)波導(dǎo)的一個(gè)輸入端上，從其輸出端將出射一個(gè)諧波P2。在本例中該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的長度(光學(xué)波導(dǎo)的長度)是9mm。此外，為了工作于850nm的波長，疇反轉(zhuǎn)層3的步長設(shè)定為3.7μm。
下面將參考圖8A至8E說明該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的一個(gè)制作方法。
首先如圖8A所示，淀積一層Ta膜，使之覆蓋LiTaO3基底1的主表面，其后用普通的光刻和干蝕刻技術(shù)使Ta膜(厚度約200到300nm)成形為條帶圖案，由此形成Ta掩膜6。本例中所用的Ta掩膜6的各條帶各自都是1.2μm寬、10mm長，互相等距地分開排列，條帶的排列步長為3.7μm。對主表面上已覆蓋有Ta掩膜6的LiTaO3基底進(jìn)行質(zhì)子交換處理。該質(zhì)子交換處理是通過把基底1的表面在加熱到230℃的焦磷酸中浸泡14分鐘來完成的。這樣，在LiTaO3基底1的沒有被Ta掩膜覆蓋的那些部分中形成了0.5μm厚的質(zhì)子交換層7。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蝕2分鐘以除去Ta掩膜。
接著如圖8B所示，通過在550℃溫度下進(jìn)行15s的熱處理在每個(gè)質(zhì)子交換層7中形成一個(gè)疇反轉(zhuǎn)層。在該熱處理中，溫度提升率為50℃-80℃/s，冷卻率為1℃-50℃/s，在LiTaO3基底1的已進(jìn)行了質(zhì)子交換的那些部分中，相對于沒有進(jìn)行質(zhì)子交換的那些部分來說Li(鋰)的量(濃度)被減小了。因此質(zhì)子交換層07的居里溫度相對其他部分來說降低了，因此通過550℃溫度的熱處理可以在質(zhì)子交換層中部分地形成疇反轉(zhuǎn)層3。這個(gè)熱處理使得能形成具有反映了Ta掩膜6的圖案的周期圖形的疇反轉(zhuǎn)層3。
下一步，形成用于制作光學(xué)波導(dǎo)的Ta掩膜(未示出)。這個(gè)Ta掩膜是通過在淀積于基底1上的一個(gè)Ta膜(厚度約200至300nm)中形成一些狹縫狀開口而得到的。這些開口確定了波導(dǎo)的平面輪廓。不用說，波導(dǎo)的形狀不局限于直線形。Ta掩膜的圖案取決于準(zhǔn)備形成的波導(dǎo)的形狀。通過對覆蓋有Ta掩膜的LiTaO3基底1進(jìn)行260℃下16分鐘的質(zhì)子交換處理，就在LiTaO3基底1中Ta掩膜開口的下方形成了直線形伸展的質(zhì)子交換層5(厚度0.5μm，寬度5μm，長度10mm)，如圖8C所示。該直線形伸展的質(zhì)子交換層5最終將起著一個(gè)波導(dǎo)的作用。然后，用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蝕2分鐘，除去Ta掩膜。
接著，用一個(gè)紅外輻射加熱設(shè)備在420℃下進(jìn)行一分鐘的退火。通過該退火，質(zhì)子交換層5的非線性性質(zhì)得到恢復(fù)，同時(shí)形成了一個(gè)折射率約增大了0.03的改變層8b，如圖8D所示。如上所述，這個(gè)退火用來使Li和質(zhì)子在基底1中擴(kuò)散，從而減小了質(zhì)子交換層5的質(zhì)子交換濃度。其后，在基底1的主表面上淀積一個(gè)作為保護(hù)層的300nm厚SiO2(二氧化硅)層。
下一步，在對垂直于改變層8b的基底1表面進(jìn)行光學(xué)拋光從而形成了該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的一個(gè)入射表面和一個(gè)出射表面之后，在該拋光的入射表面和出射表面上鍍上消反射(AR)膜15，如圖8E所示。
下一步進(jìn)行低溫退火以防止時(shí)間變化。在本申請說明書中，“低溫退火”是指在基本上不會(huì)減小質(zhì)子交換層中的質(zhì)子濃度的溫度下所進(jìn)行的熱處理。例如，對于LiTaO3基底，“低溫退火”意味著在130℃或更低溫度下進(jìn)行的熱處理。在本例中，該熱處理利用一個(gè)爐子在大氣環(huán)境下進(jìn)行，溫度為60℃，時(shí)間為40小時(shí)。通過這樣的低溫退火就形成了穩(wěn)定質(zhì)子交換層8a。該穩(wěn)定質(zhì)子交換層8a構(gòu)成了光學(xué)波導(dǎo)。
下面將參考圖9說明上述制作步驟的流程。
在步驟S10，即于基底內(nèi)形成疇反轉(zhuǎn)層的步驟之后，進(jìn)行光學(xué)波導(dǎo)形成步驟(S20)。通常該步驟S20分成三個(gè)步驟S21、S22和S23。步驟S21中形成掩膜圖案；步驟S22中進(jìn)行質(zhì)子交換處理；以及步驟S23中進(jìn)行高溫退火。然后進(jìn)行保護(hù)膜形成步驟(S30)、端面拋光步驟(S40)、和AR鍍膜步驟(S50)。因?yàn)檫@樣制作的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件將有一定的時(shí)間變化，所以在步驟S60中進(jìn)行低溫退火，以形成一個(gè)穩(wěn)定質(zhì)子交換層。
圖10示出分別在60℃和120℃下進(jìn)行低溫退火的情形中相位匹配波長改變量和退火時(shí)間之間的關(guān)系。對于120℃的退火情形，經(jīng)過幾個(gè)小時(shí)后相位匹配波長改變變量就變得基本恒定，但對于60℃的退火情形，要變得基本恒定需要幾十小時(shí)。
從圖10可以看出，當(dāng)?shù)蜏赝嘶鸬臏囟容^高時(shí)，只需較短的退火時(shí)間就可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，當(dāng)退火溫度較低時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)相位匹配波長改變量的值較接近于零。所以，如果增大低溫退火的溫度，則使改變量回復(fù)到零所需的時(shí)間變得比較短，但在另一方面這將殘留比較大的應(yīng)變。
圖11示出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的相位匹配波長改變量和低溫退火溫度之間的關(guān)系。從圖11可以看出，當(dāng)退火在120℃下進(jìn)行時(shí)，相位匹配波長在改變量約為0.5nm時(shí)變得穩(wěn)定。如果退火在150℃或更高溫度下進(jìn)行，則穩(wěn)定后的相位匹配波長改變量為0.8nm或更大。如更殘留有這樣大小的相位匹配波長改變量，要長時(shí)期地使用該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是困難的。如果把相位匹配波長改變量的容限范圍設(shè)定為0.5nm或較小，則在超過120℃的溫度下進(jìn)行退火時(shí)不能把改變量減小到該容差范圍內(nèi)。如果增大相位匹配波長改變量的容差范圍，則又會(huì)減小轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)相位匹配波長改變量超過0.5nm時(shí)，則輸出大約只有零改變量時(shí)可得到的輸出大小的1/4。如果低溫退火在60℃下進(jìn)行，雖然退火時(shí)間比較長，但改變量可以減小到0.1nm或更小，這樣便排除了轉(zhuǎn)換效率降低的問題。最好把相位匹配波長的改變量減小到約0.2nm或更小。
根據(jù)本實(shí)施例，光學(xué)波導(dǎo)2中的疇非反轉(zhuǎn)層4和疇反轉(zhuǎn)層3的折射率都沒有時(shí)間變化，所以被導(dǎo)引光的傳播損耗是小的。當(dāng)把來自一個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光(波長850nm)入射到入射表面上時(shí)，它將作為基頻波P1在光學(xué)波導(dǎo)內(nèi)以單模光形式傳播，而波長為425nm的諧波P2則通過出射表面從基底出射。該諧波P2在光學(xué)波導(dǎo)2中的小傳播損耗1dB/cm使它能高效率地獲得。對于27mW的基頻波輸入，得到了1.2mW的諧波(波長425nm)。在此情形中轉(zhuǎn)換效率為4.5％。
圖12示出經(jīng)過天數(shù)和諧波輸出之間的關(guān)系。圖13示出經(jīng)過天數(shù)和相位匹配波長之間的關(guān)系，還示出經(jīng)過天數(shù)和折射率改變之間的關(guān)系。
從這些圖可以看出，緊接著制作出該元件之后，折射率改變量和相位匹配波長都立即變得穩(wěn)定。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的制作方法，有可能實(shí)現(xiàn)折射率改變量不隨時(shí)間流逝而改變，從而具有恒定相位匹配波長的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。把這種元件和一個(gè)半導(dǎo)體激光器相結(jié)合，就可能制作出一個(gè)穩(wěn)定的短波長激光器。約60℃溫度下40小時(shí)或更久的低溫退火是特別有效的。
(例2)下面將說明本發(fā)明的例2首先在LiTaO3基底上淀積Ta膜，使之覆蓋其主表面，其后用普通的光刻和干蝕刻技術(shù)使該Ta膜(厚度約200nm至300nm)成形為帶條圖案，由此形成Ta掩膜。本例中所用Ta掩膜的帶條圖案中每個(gè)帶條都是1.2μm寬、10mm長，各帶來?xiàng)l距排列，排列的步長為3.6μm。對主表面上已覆蓋有Ta掩膜的LiTaO3基底1進(jìn)行質(zhì)子交換處理。該質(zhì)子交換處理是通過把基底的表面在加熱到260℃的焦磷酸中浸泡20分鐘來實(shí)現(xiàn)的。這樣，在LiTaO3基底1的沒有被Ta掩膜覆蓋的那些部分中形成了一些0.5μ厚的質(zhì)子交換層。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蝕2分鐘以除去Ta掩膜。
下一步，通過550℃溫度下15秒鐘的熱處理，在每個(gè)質(zhì)子交換層7中形成一個(gè)疇反轉(zhuǎn)層。在該熱處理中，溫度提升率為50℃/s，冷卻率為10℃/s。這個(gè)熱處理形成了具有由Ta掩膜周期性圖案所決定的周期性圖案的疇反轉(zhuǎn)層。
下面將參考圖14說明上述步驟后面的各步驟的流程。
首先，對其上已形成有疇反轉(zhuǎn)層的基底表面進(jìn)行質(zhì)子交換處理，由此形成一個(gè)光學(xué)波導(dǎo)(步驟S100)。形成一個(gè)Ta膜，其中開設(shè)了一些4μm寬、12mm長的狹縫，該Ta膜將用作制作光學(xué)波導(dǎo)的掩膜。
接著，在焦磷酸中進(jìn)行260℃下16分鐘的質(zhì)子交換(步驟S110)，其后除去Ta掩膜。在基底的主表面上覆蓋一層厚度為300nm的SiO2膜之后，進(jìn)行低溫退火(步驟S120)以完成光學(xué)波導(dǎo)的制作。為了防止折射率的增大，在該低溫退火中進(jìn)行了200小時(shí)的120℃空氣環(huán)境熱處理。通過這個(gè)低溫退火，便形成了穩(wěn)定質(zhì)子交換層。
通過上述各步驟，在其底中形成了疇反轉(zhuǎn)層和光學(xué)波導(dǎo)。當(dāng)把疇反轉(zhuǎn)層的厚度設(shè)定為2.2μm時(shí)，為了有效地實(shí)現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換，光學(xué)波導(dǎo)的厚度d應(yīng)設(shè)定得薄于疇反轉(zhuǎn)層的厚度，例如設(shè)定為1.8μm。為了對840nm的波長工作，疇反轉(zhuǎn)層的步長設(shè)定為3.6μm。
根據(jù)上述的制作方法，疇非反轉(zhuǎn)層和疇反轉(zhuǎn)層各自的折射率都不會(huì)有時(shí)間變化，并且光的傳播損耗是小的。垂直于光學(xué)波導(dǎo)的表面進(jìn)行了光學(xué)拋光，以形成一個(gè)入射表面和一個(gè)出射表面，這樣就可以制作成一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。另外，該元件的長度為9mm。
當(dāng)用半導(dǎo)體激光(波長840nm)作為基頻波P1入射到波導(dǎo)的入射表面上時(shí)，將通過出射表面從基底取得波長為420nm的諧波P2。對于用80mW輸出的基頻波入射的情形，得到了10mW輸出的諧波(波長420nm)。這時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為12％。該諧波輸出十分穩(wěn)定，并且沒有光學(xué)損傷或時(shí)間變化。如果象本例這樣在處理過程中不進(jìn)行高溫退火步驟，就可以防止時(shí)間變化。
(例3)下面將說明本發(fā)明的例3，其中使用了LiNbO3(鈮酸鋰)基底(厚度0.4mm至0.5mm)。
首先，用普通光刻和干蝕刻技術(shù)在LiNbO3基底的主表面上形成一個(gè)Ta電極(第一Ta電極)，其圖案類似于上述兩例中所用的Ta掩膜的圖案。
然后，在該基底的整個(gè)相反表面上淀積一個(gè)Ta膜(第二Ta電極)，形成在基底主表面上的第一Ta電極和形成在基底相反表面上的第二Ta電極構(gòu)成了一個(gè)電極結(jié)構(gòu)，用于在基底內(nèi)施加電場。
下一步，在第一Ta電極和第二Ta電極之間施加一個(gè)電壓(例如10KV)，以在LiNbO3基底中形成一個(gè)電場，通過施加電場，便形成了從基底與第一Ta電極相接觸的表面部分延伸到基底相反表面的疇反轉(zhuǎn)層。
接著，用1∶1的HF∶HNF3混合物進(jìn)行2分鐘的腐蝕，除去Ta電極。然后在基底上形成一個(gè)Ta掩膜，其中有一些狹縫狀開口(寬度4μm，長度12mm)，其后用焦磷酸進(jìn)行質(zhì)子交換處理(230℃，10分鐘)，以形成光學(xué)波導(dǎo)。除去Ta掩膜以后，用紅外輻射加熱設(shè)備進(jìn)行2分鐘的420℃退火。通過這個(gè)退火，光學(xué)波導(dǎo)中的非線性性質(zhì)得到恢復(fù)，但同時(shí)也形成了一個(gè)改變層，其折射率增大了約0.02。
然后在基底上淀積一個(gè)300nm厚的SiO2膜，用作保護(hù)膜。接著，為了減小造成折射率增大的應(yīng)變，在空氣中進(jìn)行20小時(shí)的100℃退火(第一次低溫退火)，接著再進(jìn)行10小時(shí)的60℃退火(第二次低溫退火)。這樣，在本例中要進(jìn)行兩次低溫退火。低溫退火分成兩個(gè)階段來進(jìn)行的目的是減少低溫退火所需的總時(shí)間。100℃的退火比60℃的退火能更快地減小應(yīng)變。但如圖11C所示，100℃的退火將殘留有對應(yīng)于該溫度的相位匹配波長變化的應(yīng)變。因此，另外再進(jìn)行一次60℃的低溫退火，以完全消除應(yīng)變。這樣的兩次退火使得能快速而完成地形成不可能產(chǎn)生應(yīng)變以“穩(wěn)定質(zhì)子交換層”。
用上述各步驟所形成的光學(xué)波導(dǎo)的厚度d約為1.8μm。各疇反轉(zhuǎn)層排列的步長為3μm，它工作于840nm的波長。垂直于光學(xué)波導(dǎo)的表面被進(jìn)行光學(xué)拋光，形成入射表面和出射表面。這樣就可以制作成光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。另外，該元件的長度為10mm。當(dāng)把半導(dǎo)體激光(波長840nm)作為基頻波P1引導(dǎo)到入射表面上時(shí)，便可通過出射表面從基底中取得波長為420nm的諧波P2。當(dāng)入射基頻波為80mW時(shí)，得到了13mW的諧波(波長420nm)。該諧波輸出十分穩(wěn)定，沒有時(shí)間變化。
雖然在本例中進(jìn)行了不同溫度下的兩次不同的低溫退火(2階段退火)，但也可以進(jìn)行溫度逐漸降低，例如在30個(gè)小時(shí)內(nèi)從100℃降到60℃的低溫退火。
(例4)下面參考圖15A至15C說明本發(fā)明的例4。
首先如圖15A所示，利用液相外延生長法在LiTaO3基底1上生長一個(gè)LiNbO3和LiTaO3的混合膜(LiNb0.5Ta0.5O3膜)16’。這時(shí)，生長溫度超過了1000℃，在混合膜16和LiTaO3基底1的界面處殘留有一些應(yīng)變。接著，如圖15B所示，利用普通的光刻技術(shù)在混合膜16’上形成一個(gè)光致抗蝕劑掩膜17。然后，如圖15C所示，用離子來蝕刻除去混合膜16上沒有覆蓋光致抗蝕劑掩膜17的部分，由此留下寬度例如為4μm的光學(xué)波導(dǎo)16。
在用氣相淀積法在基底1上淀積了一個(gè)300nm厚的SiO2膜之后，進(jìn)行低溫退火處理以減小折射率的增大。這個(gè)退火包括30小時(shí)100℃下的第一次低溫退火和60小時(shí)70℃下的后繼低溫退火。通過這樣的低溫退火，便得到了沒有折射率變化的穩(wěn)定光學(xué)波導(dǎo)16。
用上述各步驟制作的光學(xué)波導(dǎo)的厚度d是1.8μm。另外，該元件的長度為9mm。垂直于該光學(xué)波導(dǎo)的表面被光學(xué)拋光，形成入射表面和出射表面。當(dāng)把半導(dǎo)體激光(波長840nm)從入射表面導(dǎo)入波導(dǎo)時(shí)，波導(dǎo)的損耗十分小。該波導(dǎo)十分穩(wěn)定，其折射率的時(shí)間變化小于可測量的限度?；旌夏さ牟牧喜⒉痪窒抻贚iNb0.5Ta0.5O3，它可以是LiNbxTa1-xO3(0＜x＜1)或其他光學(xué)材料。
(例5)下面將說明本發(fā)明的例5。
將參考圖16來說明本例中處理流程的概貌。
首先進(jìn)行光學(xué)波導(dǎo)形成步驟。該光學(xué)波導(dǎo)形成步驟一般分成步驟S200、S210和S220。步驟S200形成掩膜圖案；步驟S210進(jìn)行質(zhì)子交換處理；步驟S220進(jìn)行高溫退火。然后進(jìn)行電極形成步驟(S230)，低溫退火步驟(S240)，端面拋光步驟(S250)和AR鍍膜步驟(S260)。
下面將說明該處理的細(xì)節(jié)。
首先用普通光刻處理和干蝕刻技術(shù)使Ta成形為一些狹縫。接著對其上已形成有Ta圖案的LiTaO3基底1進(jìn)行10分鐘30攩o攪C下的質(zhì)子交換，在狹縫的正下方形成0.5μm厚的質(zhì)子交換層。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蝕2分鐘除去Ta。用一個(gè)擴(kuò)散爐進(jìn)行1小時(shí)400攩o攪C下的退火(第一退火)，從而形成擴(kuò)射率增大約0.01的改變層。接著，作為電極形成步驟，用汽相淀積法加上一個(gè)300nm的SiO2膜。作為一個(gè)電極掩膜，把Al(鋁)淀積成帶條狀圖案，這樣就完成了成形處理。為了減少折射率的增大，進(jìn)行低溫退火。該退火于70攩o攪C在空氣中進(jìn)行10小時(shí)。這樣就形成了一個(gè)穩(wěn)定質(zhì)子交換層。接著進(jìn)行第二退火，這次退火的溫度比第一退火低330攩o攪C。降低200℃或更多是有效的，因?yàn)檫@能大為減少應(yīng)變。最后進(jìn)行拋光和AR鍍膜。
通過上述各步驟便制作出了帶有電極的光學(xué)波導(dǎo)。該波導(dǎo)可用作光學(xué)調(diào)制器。該光學(xué)波導(dǎo)的厚度是8μm。垂直于光學(xué)波導(dǎo)的表面被光學(xué)拋光，形成入射表面和出射表面。這樣就能制作出一個(gè)光學(xué)元件。此外，該元件的長度為9mm。如果在把半導(dǎo)體激光(波長1.56μm)作為基頻波從入射表面導(dǎo)入時(shí)在電極上施加調(diào)制信號(hào)，便可從出射表面取得經(jīng)調(diào)制的光。那里不存在時(shí)間變化，并且偏置電壓保持恒定超過了2000小時(shí)。
雖然在前述各例中是把光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件和光學(xué)調(diào)制器作為光學(xué)元件的例子來說明本發(fā)明的，但本發(fā)明并不局限于此，而是也適用于象菲涅耳透鏡或全息圖這樣的平面器件。與質(zhì)子交換處理相關(guān)連的折射率時(shí)間變化可以被防止，同時(shí)也抑制了性能的變壞。
(例6)下面將參考圖17來說明本發(fā)明的例6。本例涉及到一個(gè)含有一個(gè)半導(dǎo)體激光器和一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的短波長光源。
如圖17所示，從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的泵浦光P1a被透鏡30會(huì)聚，以激勵(lì)用作一個(gè)固體激光晶體的YAG(釔鋁石榴石)21。
在YAG 21上形成有對947nm的全反射鏡22，由此將在947nm的波長上發(fā)生受激振蕩，射出基頻波P1。另一方面，在光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的出射表面上形成一個(gè)對于基頻波P1的全反射鏡23，由此將在兩全反射鏡之間發(fā)生激光振蕩?；l波P1被透鏡31會(huì)聚，然后被光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25轉(zhuǎn)換成諧波P2。在本例中，利用質(zhì)子交換制作在LiTaO3基底1中的光學(xué)波導(dǎo)2被用作為具有形成了周期性的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。
在圖17中，代號(hào)1表示一個(gè)Z板LiTaO3基底，2代表所形成的光學(xué)波導(dǎo)；3代表疇反轉(zhuǎn)層；10代表基頻波P1的入射表面；12代表諧波P2的出射表面。進(jìn)入光學(xué)波導(dǎo)2的基頻波P1被長度為相位匹配長度L的疇反轉(zhuǎn)層3轉(zhuǎn)變成諧波P2。然后諧波功率被同樣具有長度L的疇反轉(zhuǎn)層4增大。
這樣，功率在光學(xué)波導(dǎo)2中被增大了的諧波P2就從出射表面12射出。出射的諧波P2被透鏡32準(zhǔn)備。
此外，在光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25上隔開一個(gè)保護(hù)膜13形成有一個(gè)電極14。下面將參考附圖簡要說明使光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的制作方法。
首先如圖18A所示，在厚度為0.3mm的LiNbO3基底1的全表面上用普通光刻和干蝕刻技術(shù)形成一個(gè)Ta電極(第一Ta電極)6，其圖案類似于前述各例中所用的Ta掩膜的圖案。
然后，在基底1的整個(gè)相反表面上淀積Ta膜(第二Ta電極)6b。形成在基底1的主表面上的第一Ta電極和形成在基底1的相反表面上的第二Ta電極構(gòu)成一個(gè)用來在基底1中施加電場的電極結(jié)構(gòu)。
接著，在第一Ta電極6和第二Ta電極6b’之間施加一個(gè)電壓(例如10KV)，在LiNbO3基底1內(nèi)形成一個(gè)電場。通過施加電場，形成了從基底1表面上的與第一Ta電極6相接觸的部分延伸到基底1相反表面上的疇反轉(zhuǎn)層3，如圖18B所示。疇反轉(zhuǎn)層3在光傳播方向上的長度L為2.5μm。然后用1∶1的HF∶HNF3混合物腐蝕20分鐘，除去Ta電極6和6b。
然后在基底1上形成帶有一些狹縫狀開口(密度4μm，長度12mm)的Ta掩膜(未示出)，其后用焦磷酸進(jìn)行質(zhì)子交換處理(260℃，40分鐘)，形成光學(xué)波導(dǎo)2，如圖18C所示。Ta掩膜上有一些狹縫(寬度6μm，長度10mm)，這些狹縫確定了光學(xué)波導(dǎo)2的平面布局。除去Ta掩模后，用紅外輻射加熱設(shè)備進(jìn)行5小時(shí)460℃的退火。通過該退火，已進(jìn)行了質(zhì)子交換的光學(xué)波導(dǎo)就恢復(fù)其非線性性質(zhì)，這部分的折射率增大了約0.002。光沿著高折射率的光學(xué)波導(dǎo)2傳播。光學(xué)波導(dǎo)2的厚度d為50μm，寬度為70μm。疇反轉(zhuǎn)層3沿著波導(dǎo)2延伸的方向的排列步長為5μm，從而該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件工作于波長為947nm的基頻波。
接著如圖18D所示，在基底1上形成一個(gè)由SiO2組成的保護(hù)膜(厚度300nm至400nm)13之后，用汽相淀積法在保護(hù)層13上形成一個(gè)Al膜(厚度200nm)。用光刻技術(shù)使Al膜成形，形成Al電極14。該Al電極用于調(diào)制輸出光的強(qiáng)度。
垂直于光學(xué)波導(dǎo)2的延伸方向的表面被光學(xué)拋光，形成入射表面10和出射表面12，如圖17所示。此外，在入射表面10上布設(shè)對于基頻波P1的消反射鍍層。在出射表面12上布設(shè)對基頻波P1的反射鍍層(99％)和對諧波P2的消反射鍍層。
這樣就能夠制作出如圖17所示的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25(元件長度10mm)。
在圖17中，當(dāng)從入射表面10導(dǎo)入作為基頻波P1的947nm波長的光時(shí)，它將以單模形式傳播，通過出射表面12可以從基底取出波長為473nm的諧波P2。光學(xué)波導(dǎo)2中的傳播損耗低達(dá)0.1dB/cm，從而改善了腔的性能，提高了基頻波P1的功率密度，并以高效率產(chǎn)生諧波P2。
減小損耗的原因可能包括用磷酸形成了均勻的光學(xué)波導(dǎo)和改小了波導(dǎo)中的限制。而且，由于是弱限制的波導(dǎo)，諧波密度被減小了，從而光學(xué)損傷大為改善。這是因?yàn)?，比普通技術(shù)中的面積大100倍的面積將能耐受大100倍的光學(xué)損傷。
圖19示出光學(xué)波導(dǎo)厚度和抗光學(xué)損傷耐受功率之間的關(guān)系?？构鈱W(xué)損傷耐受功率是指這樣一個(gè)功率，即能夠耐受的最強(qiáng)藍(lán)光諧波的功率，也就是不發(fā)生光學(xué)變化的最強(qiáng)藍(lán)光諧功率?？梢钥吹剑?dāng)光學(xué)波導(dǎo)的厚度增大時(shí)，由于擴(kuò)散而使其寬度也同時(shí)增大，從而抗光學(xué)損傷耐受功率基本上按光學(xué)波導(dǎo)厚度的平方關(guān)系改善。由于所需激光輻射的功率至少為2W，光學(xué)波導(dǎo)的厚度最好等于或大于40μm。
此外，如果對于波導(dǎo)內(nèi)以及波導(dǎo)鄰近的折射率分布按階梯式變化的情形增大波導(dǎo)的橫截面，則將出現(xiàn)多模傳播現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象，在本例中形成的是漸變型折射率分布。
當(dāng)半導(dǎo)體激光器20的輸出光P1a的功率為10W時(shí)，得到了3W輸出功率的諧波P3。這時(shí)的轉(zhuǎn)換效率為30％。該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件對波長變化的容限范圍是0.4nm。即使波長改變了0.4nm，該固體激光器的振蕩波長也仍然恒定，同時(shí)諧波輸出也是穩(wěn)定的，為了進(jìn)行調(diào)制，通過在Al電極14上施加電壓將使波導(dǎo)內(nèi)及波導(dǎo)鄰近的折射率改變，從而使該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配波長發(fā)生改變。利用施加電壓可以很大地改變相位匹配波長這一現(xiàn)象，便能夠通過施加比較低的約100V的電壓來調(diào)制諧波輸出。
這樣，利用采用本例中的周期性疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，可以容易地通過施加電壓來調(diào)制諧波輸出，而且所需施加的電壓很低，提供了高度的工業(yè)實(shí)用性。
這樣，可以把調(diào)制器集成在一起，從而有可能做到較小的尺寸，較輕的重量和較低的成本。此外還有一個(gè)優(yōu)勢，這就是本例中所用的非線性光學(xué)晶體LiTaO3可以以大塊晶體的形式獲得，從而可以利用光學(xué)集成處理方法容易地對光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行批量生產(chǎn)?；l波的多模傳播將造成不穩(wěn)定的諧波輸出，從而是不實(shí)用的，反之，單模傳播是好的。象本例這樣把具有周期性疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件用作為光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是十分有利的，因?yàn)檫@能夠改善效率，實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制器的集成，以及允許通過改變步長來取得除了藍(lán)色激光之外的紅色和綠色的激光。光學(xué)調(diào)制器也可以與波長轉(zhuǎn)換元件分開。
下面將參考圖20說明一種根據(jù)本發(fā)明的激光投影設(shè)備。如圖20所示，圖17中的藍(lán)色激光光源用作該激光投影設(shè)備的光源。代號(hào)45代表一個(gè)其波長處于藍(lán)色的473nm波段內(nèi)的激光光源。通過向調(diào)制電極輸入一個(gè)調(diào)制信號(hào)而使該藍(lán)光得到調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的藍(lán)激光入射到偏轉(zhuǎn)器上。代號(hào)56代表垂直偏轉(zhuǎn)器，代號(hào)57代表水平偏轉(zhuǎn)器，這兩個(gè)偏轉(zhuǎn)器都是旋轉(zhuǎn)多面鏡。使用增益為3的光屏70，在4m×3m大小的光屏上得到了亮度為300cd/m攩2攪，對比度為100∶1，水平分辨率1000線的電視圖象。所以，與普通技術(shù)相比，分辨率大為提高。與采用氣體激光器的總體結(jié)構(gòu)相比，也得到了其他方面的巨大改進(jìn)，例如千分之一的重量、千分之一的體積，和百分之一的功耗。激光光源的小尺寸和低功耗以及光學(xué)調(diào)制器的集成對這些改進(jìn)作出了巨大貢獻(xiàn)。也就是說，這些改進(jìn)起因于，采用了半導(dǎo)體激光器和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)能亞小型化，并且對電源功率的轉(zhuǎn)換效率要比氣體激光器的大兩個(gè)數(shù)量級左右。尤其是把具有周期性疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件用作光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是特別有效的，由此既可提高效率又可把光學(xué)調(diào)制器集成在一起。雖然在本例中激光是從光屏背面照明的，但它也可以從正面照明。
下面將參考圖21說明本發(fā)明激光光源的另一個(gè)例子。
如圖21所示，從半導(dǎo)體激光器20射出的基頻波P1通過透鏡30、半波片37和聚光透鏡31被導(dǎo)引到光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25上，然后被轉(zhuǎn)換成諧波P2。也就是說，在本例中不使用固體激光器而得到藍(lán)光。光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的結(jié)構(gòu)與例1中的基本相同。本例中也采用LiTaO3基底和光學(xué)波導(dǎo)型的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。此外，為了實(shí)現(xiàn)調(diào)制，也形成了電極14和保護(hù)膜13。不過，本例沒有使用腔結(jié)構(gòu)。
圖22示出半導(dǎo)體激光器20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體激光器20由一個(gè)分布反饋型(以下簡稱DBR)半導(dǎo)體激光器20a和一個(gè)半導(dǎo)體激光放大器20b組成。DBR半導(dǎo)體激光器20a含有一個(gè)采用光柵的DBR區(qū)27，從而能在一個(gè)恒定波長上穩(wěn)定地振蕩。從DBR半導(dǎo)體激光器20a發(fā)射的穩(wěn)定基頻波P0被透鏡30a導(dǎo)引到半導(dǎo)體激光放大器20b上。其功率被半導(dǎo)體激光放大器20b的活性層26b放大，從而提供出穩(wěn)定的基頻波P1。通過把這個(gè)基頻波導(dǎo)入光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25，可以大為改善轉(zhuǎn)換效率和諧波輸出。疇反轉(zhuǎn)的步長為3μm，光學(xué)波導(dǎo)長度為7mm。在本例中，半導(dǎo)體激光器的振蕩波長為960nm，所產(chǎn)生的諧波P2的波長為480nm，其顏色是藍(lán)的。對于10W的輸入轉(zhuǎn)換效率為10％。不存在光學(xué)損傷，諧波輸出十分穩(wěn)定。DBR半導(dǎo)體激光器有穩(wěn)定的振蕩波長，有利于穩(wěn)定諧波的輸出。
接著，對此DBR半導(dǎo)體激光器進(jìn)行RF疊加(射頻疊加)。通過向DBR半導(dǎo)體施加一個(gè)正弦形的800MHz電信號(hào)并利用弛張振蕩，從該半導(dǎo)體激光器得到了光學(xué)的脈沖序列輸出。在對DBR半導(dǎo)體激光器進(jìn)行這樣的RF疊加時(shí)，基頻波的峰值輸出大為提高，同時(shí)保持了恒定的振蕩波長。當(dāng)基頻波的平均輸出功率為10W時(shí)，得到了5W的諧波，轉(zhuǎn)換效率為50％。與不進(jìn)行RF疊加的情形相比，轉(zhuǎn)換效率提高為5倍。
雖然在本例中DBR半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體激光放大器是互相分開的，但如果把它們集成在一起可以得到進(jìn)一步的小型化。
下面將參考圖23說明本發(fā)明激光光源的又一個(gè)例子。來自半導(dǎo)體激光器20的基頻波P1被鏡透低度地會(huì)聚到光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25上。在本例中用LiNbO3代替LiTaO3作為基底。此外，使用了塊型光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。LiNbO3基底1a具有大非線性性的特點(diǎn)。峰值功率被半導(dǎo)體激光器20的RF驅(qū)動(dòng)提高，由此大為改善了光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元伯的轉(zhuǎn)換效率。疇反轉(zhuǎn)層3的步長為3.5μm，光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的長度為7mm。在本例中，利用光學(xué)反饋方法使諧波P2的輸出穩(wěn)定。該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的波長容差范圍窄達(dá)約0.1nm。沒有被光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25轉(zhuǎn)換的那部分基頻波P1被透鏡32準(zhǔn)直，并被光柵36反射，返回到半導(dǎo)體激光器20上。這樣，半導(dǎo)體激光器20的振蕩波長被鎖定在光柵36的反射波長上。為了把振蕩波長調(diào)節(jié)到光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的相位匹配波長上，可以改變光柵36的傾斜角度。
另一方面，諧波P2被一個(gè)二色性反射鏡35反射，所以從另一個(gè)不同的方向取出。在本倒中，半導(dǎo)體激光器的振蕩波長是980nm，取出的諧波P2是波長為490nm的藍(lán)光。這時(shí)所施加的是輸出功率為5W的810MHz的RF電信號(hào)。另外，對于平均輸出為15W基頻波得到了3W的諧波。沒有光學(xué)損傷，諧波輸出十分穩(wěn)定。不出現(xiàn)光學(xué)損傷的原因是基頻波只會(huì)聚成約100μm的光斑，所以相應(yīng)地諧波的功率密度不是太大。
雖然在本例中利用光柵實(shí)現(xiàn)的光學(xué)反饋鎖定了波長，但本發(fā)明并不局限于此，它例如也可以用濾波器選擇波長來得到光學(xué)反饋。此外，如果用本例的激光光源來構(gòu)成激光投影設(shè)備，便可能達(dá)到較小的尺寸、較輕的重量和較低的成本。還有，根據(jù)本例，也可以通過直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器來調(diào)制諧波，此可使結(jié)構(gòu)簡單化，并有可能減少成本。
下面將參考圖24說明本發(fā)明激光光源的另一個(gè)例子。光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件(塊型)25的橫截面示于圖24。
從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的波長為806nm的泵浦光P1a入射到光纖40上并在光纖40中傳播。以光纖40出射的泵浦光P1a進(jìn)入光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的材料是LiTaO3基底1b，其中摻入了稀土元素Nd(釹)，并且形成了有步長為5.1μm的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。Nd的摻入量為1mol％。代號(hào)22表示一個(gè)能99％地反射波長為947nm的光但能透射800nm波段的光的全反射鏡。代號(hào)23也表示一個(gè)全反射鏡，它能反射99％的波長為947nm的光，但能透射470nm波段的光。此外，該全反射鏡部分做成為球面形。也就是說，它用作球面反射鏡。當(dāng)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件被半導(dǎo)體激光器20激勵(lì)時(shí)，它將振蕩于947nm的波長，并且該光被疇反轉(zhuǎn)層3的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成諧波P2并輸出。對于20W的泵浦光P1得到了2W的諧波。此外，用一個(gè)Peliter(帕爾梯)元件進(jìn)行了恒溫，使該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的溫度不會(huì)有大的變化。根據(jù)本例的激光光源的轉(zhuǎn)換部分的長度為10mm，通過把稀土元素?fù)饺氲焦鈱W(xué)波長轉(zhuǎn)換元件內(nèi)并設(shè)計(jì)得使泵浦光經(jīng)過光纖傳播，該激光光源可以做得非常緊湊。此外，有可能通過把光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在遠(yuǎn)離由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的熱量的地方，來防止溫度變化。
還有，通過改變?nèi)瓷溏R22和23上的鍍層使它們反射1060nm波長段的光，同時(shí)改變疇反轉(zhuǎn)層3的步長使之適合于1060nm波長，就可以得到1060nm波長的振蕩，由此便得到了作為諧波P2的綠色激光(波長530nm)。另外，通過改變?nèi)瓷溏R22和23上的鍍層使它們反射1300nm波長段的光，同時(shí)改變疇反轉(zhuǎn)層3的步長使之適合于1300nm波長，就可以得到1300nm波長的振蕩，由此便得到了作為諧波P2的紅色激光(波長650nm)。用這樣的布局，容易得到三種原色的激光，即藍(lán)、綠、紅色激光。圖25示出了另一種布局，其中固體激光晶體和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是互相分開的。用作固體激光晶體21的Nd:YVO4(摻釹釩酸釔)被粘結(jié)在光纖的輸出端。在LiTaO3基底1的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25中形成了周期性的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。用這個(gè)布局的激光光源也得到了穩(wěn)定的2W藍(lán)色激光。
現(xiàn)在將參考

本發(fā)明的再一個(gè)例子。圖26示出根據(jù)本例的激光光源的布局。從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的波長為806nm的泵浦光P1a被固體激光晶體21轉(zhuǎn)換成基頻波P1，后者入射到光纖40上并在其中傳播。光纖40是一個(gè)單模光纖。從光纖40出射的基頻波P1進(jìn)入光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。在本例中，利用質(zhì)子交換制作在LiTaO3基底1中的光學(xué)波導(dǎo)2被用作帶有周期性疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。在該圖中，代號(hào)1表示一個(gè)Z板的LiTaO3基底；2表示所形成的光學(xué)波導(dǎo)；3表示疇反轉(zhuǎn)層；10表示基頻波P1的入射表示基頻波P1的入射表面12表示諧波P2的出射表面。進(jìn)入了光學(xué)波導(dǎo)2的基頻波P1被疇反轉(zhuǎn)層3轉(zhuǎn)換成諧波P2。這樣，在光學(xué)波導(dǎo)2中提高了功率的諧波P2將通過出射表面12射出。射出的諧波P2被透鏡32準(zhǔn)直。
此外，在該元件上隔開一個(gè)保護(hù)膜13形成了電極14。對于30W的泵浦光P1a得到了10W的諧波P2。通過在形成于光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25上的電極14上施加一個(gè)調(diào)制信號(hào)，藍(lán)色的激光被調(diào)制于30MHz。根據(jù)本例的激光光源的轉(zhuǎn)換部分的長度為10mm，通過設(shè)計(jì)得使基頻波P1由光纖傳播，它可以制作得十分緊湊。還有，通過把光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件設(shè)置在遠(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器的地方便可能防止溫度變化。
圖26示出了一個(gè)不使用固體激光晶體的例子。
使用了一個(gè)輸出為10W的980nm半導(dǎo)體激光器。該激光器通過光纖40與光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25相耦合，以直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。得到了波長為490nm的2W輸出。
下面將參考圖27說明本發(fā)明的一種激光投影設(shè)備。用作激光光源的是例5中的藍(lán)色激光光源、綠色激光光源和紅色激光光源這三種顏色的光源。代號(hào)45表示位于473nm波長段的藍(lán)色激光光源、綠色激光光源和紅色激光光源這三種顏色的光源。代號(hào)45表示位于473nm波長段的藍(lán)色激光光源。代號(hào)46表示位于530nm波長段的綠色激光光源；代號(hào)47表示位于650nm波長段的紅激光光源。每個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件上都設(shè)置有一個(gè)調(diào)制電極。各個(gè)光源輸出被向調(diào)制電極輸入的調(diào)制信號(hào)所調(diào)制。綠色激光通過一個(gè)雙色鏡61與藍(lán)色激光結(jié)合在一起。紅色激光通過一個(gè)雙色鏡62與另兩色激光結(jié)合在一起。代號(hào)56代表一個(gè)垂直偏轉(zhuǎn)器，代號(hào)57代表一個(gè)水平偏轉(zhuǎn)器，它們都是旋轉(zhuǎn)多面鏡。采用增益為3的光屏70時(shí)，在2m×1m的屏幕大小上得到了亮度為2000cd/m攩2攪、對比度為100∶1、水平分辨率為1000線和垂直分辨率為100線的電視圖象。所以，本發(fā)明的激光投影設(shè)備在提供高亮度、高分辨率和極低功耗等方面是十分有效的。
雖然在本例中使用了疇反轉(zhuǎn)型的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，但并不局限于這種情況。此外，如果紅色激光光源是直接振蕩的半導(dǎo)體激光器，則成本可進(jìn)一步降低。另外，直接振蕩型激光器也可以用作藍(lán)色或綠色激光光源。它們的組合關(guān)系可以任意確定。
還有，在本例中為了安全性還采取了以下措施。激光器的設(shè)計(jì)使它在激光掃描停止時(shí)自動(dòng)切斷。與投影激光一起掃描的有一束來自弱輸出副半導(dǎo)體激光器的紅外激光，其設(shè)計(jì)使得當(dāng)有物體接觸到激光時(shí)激光就自動(dòng)斷開。紅外半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是低成本和長壽命。
下面將參考圖28對此作一說明。三個(gè)原色激光束借助于偏轉(zhuǎn)器在光屏70的一個(gè)顯示區(qū)71內(nèi)掃描。掃描時(shí)激光束將通過位在顯示區(qū)周邊上的傳感器A和B。傳感器A和B的輸出信號(hào)始終被監(jiān)視著。另一方面，來自一個(gè)由紅外半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的紅外激光光源的激光束借助于偏轉(zhuǎn)器58始終沿著光屏70的周邊掃描。其反射光進(jìn)入傳感器C。也就是說，設(shè)計(jì)得使周邊上任何位置處的反射光都能進(jìn)入傳感器C。
下面參考圖29說明其控制過程。在圖29中，只要傳感器A和B中任一個(gè)的信號(hào)在某個(gè)時(shí)間長度沒有到達(dá)控制電路，則激光光源的主電源將被切斷，使藍(lán)、紅、綠三個(gè)激光光源切斷。也就是說，通過切斷掃描，便可以防止某個(gè)位置上受到過分集中的激光照射。此外，即使傳感器C的信號(hào)僅僅出現(xiàn)了暫短的中斷，激光光源的電源也將被控制電路切斷。這樣就保證了安全性，因?yàn)槿祟惢蚱渌矬w永遠(yuǎn)也不會(huì)碰到高功率輸出的短波激光束。
雖然在本例中切斷了激光光源的電源，但也可以是遮擋住激光的光路。此外，也可以通過利用一個(gè)電壓之類來改變光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的相位匹配波長，或者通過改變作為基頻波光源的半導(dǎo)體激光器的振蕩波長，以停止產(chǎn)生短波長激光，這種方法可以使重新起動(dòng)所需的時(shí)間大為縮短。
下面將參考圖30說明本發(fā)明的三維激光投影設(shè)備的一個(gè)例子。
這是一種能向觀眾提供體視視覺的設(shè)計(jì)。圖30示出根據(jù)本例的激光投影設(shè)備的布局。如圖30所示，通過對三色激光插入一個(gè)棱鏡型光路轉(zhuǎn)換器66，使激光分解成兩個(gè)方向。分開的兩激光束分別被反射鏡64和65反射以及被調(diào)制器5a和5b調(diào)制，然后入射到光屏70上。一個(gè)從右方看去的圖象和一個(gè)從左方看去的圖象分別被調(diào)制器5a和5b重疊在一個(gè)位置上，并且兩光束是從不同方向射到光屏70上的，于是看起來將有體視感。此外，以規(guī)則的時(shí)間間隔交替地轉(zhuǎn)換光路1和光路2，使人們感覺起來不同的圖象好似來自兩個(gè)方向，從而使體視圖象更為清晰。在本例中，可以容易地看到體視圖象，不需要載體視鏡。
體視觀看也可以用半反射鏡等對光束的一分為二來實(shí)現(xiàn)。此外，雖然在上例中分解了單個(gè)光束，但也可以用兩個(gè)同樣顏色的激光光源從不同的方向去照射光屏。這時(shí)，對每個(gè)光源只需一半的輸出功率。
下面將說明本發(fā)明激光投影設(shè)備的又一個(gè)例子。
圖31示出根據(jù)本例的激光投影設(shè)備的布局。一個(gè)采用了光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的紫外激光光源被用作光源。通過用紫外激光照射一個(gè)涂敷有螢光材料的光屏70，就會(huì)發(fā)射出RGB光，即紅、綠、藍(lán)光。在該激光光源的結(jié)構(gòu)中，由一個(gè)半導(dǎo)體激光器直接振蕩產(chǎn)生的650nm紅色激光被一個(gè)LiTaO3光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換成一半波長即523nm的激光。該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是塊型的，其中形成有疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。代號(hào)48代表該激光光源。這里，紫外調(diào)制信號(hào)由直接調(diào)制紅色半導(dǎo)體激光器得到。經(jīng)調(diào)制的紫外激光射向偏轉(zhuǎn)器。代號(hào)56表示垂直偏轉(zhuǎn)器，代號(hào)57表示水平偏轉(zhuǎn)器，它們都采用旋轉(zhuǎn)多面鏡。光屏70上分別涂敷有產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)光的螢光材料，以產(chǎn)生螢光。對于1m×0.5m的光屏尺寸得到了亮度為300cd/m攩2攪，對比度為100∶1，水平分辨率為600線的電視圖象。如本例中這樣，可以用單個(gè)激光光源產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三個(gè)原色，因此可以實(shí)現(xiàn)更小的尺寸和更低的成本?？梢悦馊ビ糜诮Y(jié)合各光波的雙色鏡也是有利的。
下面參考圖32說明本發(fā)明的一種激光投影設(shè)備。如圖32所示，一個(gè)采用光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的藍(lán)色激光光源45被用作光源。從激光光源45發(fā)射的激光被透鏡30準(zhǔn)直。在該準(zhǔn)直激光束中插入一個(gè)液晶光閥68。通過對液晶光閥68施加信號(hào)，光將受到空間調(diào)制，然后被透鏡31放大，投射到光屏上，得到可以觀看的圖象。如果采用三個(gè)原色激光光源，該方法可以用于多色投影。
與普通技術(shù)相比，其效率大為改善，功耗大為減少。此外的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所產(chǎn)生的熱量是小的。
下面參考圖32說明根據(jù)本發(fā)明的一種激光投影設(shè)備。從外表看其結(jié)構(gòu)與圖20所示的激光投影設(shè)備例子相同。采用圖23的藍(lán)色激光光源作為光源，而且這里所用的激光光源是有RF疊加的。此外，除了RF疊加之外，藍(lán)色激光還被輸入的調(diào)制信號(hào)所調(diào)制。經(jīng)調(diào)制的藍(lán)色激光入射到偏轉(zhuǎn)器上。當(dāng)采用增益為2的光屏?xí)r，在2m×1m的光屏尺寸上得到了200cd/m攩2攪的亮度。在光屏上未見到激光干涉可能造成的散斑噪聲。這是因?yàn)镽F疊加減小了激光的相干性，所以RF疊加作為一種抗散斑噪聲手段是十分有效。雖然在本例中采用了圖23的激光光源布局，但RF疊加對于采用基于半導(dǎo)體激光器直接波長轉(zhuǎn)換的激光光源的激光投影設(shè)備也是有效的。此外，當(dāng)紅、綠、藍(lán)激光直接由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生時(shí)，也同樣可以防止散斑噪聲。不用說，它也適用于彩色激光投影設(shè)備。
雖然在上例中使用LiNbO3和LiTaO3作為非線性光學(xué)晶體，但使用象KNbO3或KTP這樣的鐵電材料、象MNA這樣的有機(jī)材料、和其他在這些材料中摻入了稀土元素的材料也都是可以的。此外，除了本例中所用的Nd以外，象Er(鉺)或Tl(鉈)等稀土元素也都很有前途。還有，盡管這里用YAG作為固體激光晶體，但YLF、YVO4等其他晶體也都可用。LiSAF和LiCAF也都是有效的固體激光晶體。
下面將參考圖33說明一個(gè)例子，其中本發(fā)明的激光光源被應(yīng)用于一個(gè)光盤設(shè)備。
該光盤設(shè)備含有任何一個(gè)光學(xué)讀出頭104內(nèi)的帶有疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25，從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的激光通過光纖40被傳送給該光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。
除了光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25之外，光學(xué)讀出頭104還含有一個(gè)準(zhǔn)直透鏡32，用于把從光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25出射諧波轉(zhuǎn)變成一個(gè)準(zhǔn)直光束；一個(gè)偏振分束器105，用于讓準(zhǔn)直光束透過，射向光盤，一個(gè)聚光透鏡106，用于把光會(huì)聚到光盤上；以及一個(gè)探測器103，用于探測從光盤反射的光。偏振分束器105有選擇地反射從光盤反射的光，把它傳向探測器103。
光學(xué)讀出頭104被一個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，而半導(dǎo)體激光器20卻固定在光盤設(shè)備上。借助于柔軟的光纖，光學(xué)讀出頭104能可靠地接收來自固定在光盤設(shè)備上的半導(dǎo)體激光器20的激光。
下面將說明工作過程。
從半導(dǎo)體激光器20發(fā)射的光(泵浦光)被固體激光器21轉(zhuǎn)換成基頻波P1，并射入光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25。光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件25的結(jié)構(gòu)類似于上述例子中的結(jié)構(gòu)，它把基頻波P1轉(zhuǎn)換成諧波P2。諧波P2被準(zhǔn)直透鏡32準(zhǔn)直，通過偏振分束器105，然后經(jīng)過聚光透鏡106會(huì)聚到光盤媒體102上。從光盤媒體102反射的光再次經(jīng)過同樣的光路返回，然后被偏振分束器105反射，并被探測器103探測。
這樣，既可以把一個(gè)信號(hào)記錄在光盤媒體上，也可以再生記錄在其上的信號(hào)。
在偏振分束器105和聚光透鏡106之間插入了一個(gè)四分之一波片108，使諧波的偏振方向在其出射途徑和返回途徑中旋轉(zhuǎn)90當(dāng)把一個(gè)輸出為1W的半導(dǎo)體激光器用作半導(dǎo)體激光器20時(shí)，得到了200mW的諧波P2。從固定激光器21發(fā)射的光波長為947nm，諧波波長為473nm。
通過使用能產(chǎn)生200mW輸出的大功率激光，能夠使記錄操作的速度達(dá)到使用普通的20mW輸出光的光盤設(shè)備所能達(dá)到的記錄速度的10倍。傳送率為60Mbps。
此外，工作時(shí)會(huì)發(fā)熱的半導(dǎo)體激光器20被固定在光盤設(shè)備的一個(gè)燈室中，并且遠(yuǎn)離光學(xué)頭。這樣，作為半導(dǎo)體激光器遠(yuǎn)離光學(xué)頭的結(jié)果，不再必要為半導(dǎo)體激光器配置一個(gè)專門的散熱結(jié)構(gòu)。這樣就可能構(gòu)成一個(gè)亞小型的和輕重量的光學(xué)頭。其結(jié)果是，光學(xué)頭可以被驅(qū)動(dòng)器高速驅(qū)動(dòng)，由此便能達(dá)到高傳輸率的快速記錄。
雖然在本例中固體激光器是位在半導(dǎo)體激光器一側(cè)的，但它也可以放置在光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件一側(cè)。此外，也可以不用固體激光器，而把來自半導(dǎo)體激光器的光作為基頻波直接轉(zhuǎn)換成諧波。
光學(xué)頭104的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不局限于本例所示那樣。例如，如果使用一個(gè)偏振分離全息圖，就可以免除一個(gè)透鏡和偏振分束器。這樣，光學(xué)頭可以做得更小。
工業(yè)應(yīng)用性如上所述，在本發(fā)明的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件中，當(dāng)在LiNbxTa1-xO3(0≤X≤1)基底中制作了一個(gè)光學(xué)元件之后，進(jìn)行了低溫退火處理以抑制例如高溫退火過程中的熱處理所造成的折射率增大，從而形成了穩(wěn)定的質(zhì)子交換層，由此便能得到穩(wěn)定的光學(xué)元件。特別地，如果要把一個(gè)其相位匹配波長不隨折射率改變而改變的光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件予以實(shí)用，本發(fā)明是不可缺少的。
此外，在低溫退火時(shí)進(jìn)行兩個(gè)不同溫度下的兩次退火是有效的，因?yàn)檫@能快速地使穩(wěn)定質(zhì)子交換層完全達(dá)到?jīng)]有時(shí)間變化。其效性還在于，通過在比第一次退火溫度低200℃的溫度下進(jìn)行第二次退火可以更有效地抑制應(yīng)變，得到穩(wěn)定的質(zhì)子交換層。其有效性又在于，如果在120℃或更低的溫度下進(jìn)行至少1小時(shí)的低溫退火，相位匹配波長的時(shí)間改變可小到0.5nm或更小，尤其當(dāng)上述退火溫度為90℃或更低時(shí)更為有效，這時(shí)相位匹配波長改變量將更小。如果該溫度為50℃或更低，則將產(chǎn)生退火時(shí)間極長的問題。因此，退火需要在上面提及的溫度下進(jìn)行。
還有，采用本發(fā)明的激光光源有可能穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的振蕩波長，并且通過在分布反饋型半導(dǎo)體激光器和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件之間插入一個(gè)半導(dǎo)體激光放大器，便可能增大基頻波的輸出，同時(shí)，利用帶有疇反轉(zhuǎn)層結(jié)構(gòu)的高效率光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，還可能穩(wěn)定地獲得最大的諧波輸出。
另外，采用本發(fā)明的激光光源，通過設(shè)計(jì)得使泵浦光或基頻波通過一個(gè)光纖來傳送，則光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件部分能夠做得十分緊湊。此外，有可能把光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件放置得遠(yuǎn)離半導(dǎo)體激光器所產(chǎn)生的熱量以防止溫度變化，由此可以使用高輸出的半導(dǎo)體激光器。
還有，如果把周期性的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)用作光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，則除了可以大為提高轉(zhuǎn)換效率之外，還可以容易地通過施加低電壓信號(hào)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制，由此呈現(xiàn)了工業(yè)上的優(yōu)越性。于是，調(diào)制器可以集成在一起，由此可達(dá)到更小的尺寸，更輕的重量和更低的成本。此外，通過使用弱限制的光學(xué)波導(dǎo)作為光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，則諧波的功率密度變小，由此可明顯地改善光學(xué)損傷。這是因?yàn)椋绕胀夹g(shù)大100倍的面積可以忍受大100倍的光學(xué)損傷。此外，采用本發(fā)明的激光光源，有可能采用多條帶型或?qū)挆l帶型高輸出半導(dǎo)體激光器，并用固體激光晶體把泵浦光轉(zhuǎn)換成基頻波，由此便能獲得高輸出的諧波。
由于這些因素，可得到半導(dǎo)體激光器的例如30％的電光轉(zhuǎn)換效率和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的70％的轉(zhuǎn)換功率，將它們相乘便得到20％的總轉(zhuǎn)換效率。此外，通過在本發(fā)明的激光光源中的半導(dǎo)體激光器上疊加RF信號(hào)，則與不進(jìn)行RF疊加相比其轉(zhuǎn)換效率例如可提高為5倍。
另外，如果采用本發(fā)明的激光投影設(shè)備，則因?yàn)樗腔诎雽?dǎo)體激光器的，所以有可能達(dá)到小得多的尺寸、重量和成本。而且，通過利用高輸出的基于半導(dǎo)體激光器的激光光源和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，有可能使設(shè)備同時(shí)達(dá)到更小的尺寸、重量和成本。此外，功耗也能夠是極低的。其中的一個(gè)原因是該設(shè)備不是有分開的激光調(diào)制器，而是把它與光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件集成在一起。還有，與普通技術(shù)相比，分辨率也大為提高了。例如與使用氣體激光器的結(jié)構(gòu)相比，得到了極大的改進(jìn)，例如一千分之一的重量、一千分之一的體積和一百分之一的功耗。所使用激光光源的小尺寸和低功耗以及在其中集成了光學(xué)調(diào)制器；在這里起著重大作用。也就是說，這些改進(jìn)起因于這種利用半導(dǎo)體激光器和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件的結(jié)構(gòu)是可以亞小型化的，同時(shí)對電源的利用效率可以比氣體激光器高出約2個(gè)數(shù)量級。尤其是，把具有周期性疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的元件用作光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件是特別有效的，因?yàn)檫@有可能提高效率和實(shí)現(xiàn)對以低電壓驅(qū)動(dòng)的光學(xué)調(diào)制器的集成。
此外，有可能通過讓熒光材料被紫外激光光源照射而產(chǎn)生三個(gè)原色，從而達(dá)到更小的尺寸和更低的成本，由此呈現(xiàn)出巨大的工業(yè)優(yōu)越性。這樣有可能用單個(gè)激光光源產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)三原色?？梢悦馊ビ脕斫Y(jié)合各光波的二色鏡也是有利的。
還有，當(dāng)掃描結(jié)束時(shí)，本發(fā)明的激光投影設(shè)備可防止某個(gè)位置被激光集中的照射，由此呈現(xiàn)了激光終止或切斷功能。另外，即使一個(gè)傳感器的信號(hào)只是發(fā)生了瞬間中斷，激光光源的電源也會(huì)被一個(gè)控制電路切斷。這樣，因?yàn)槿藗兓蚱渌矬w再也不會(huì)碰到高功率輸出的短波長激光，從而具有安全性。該激光投影設(shè)備的安全性就是象上述這樣來保證的。
還有，對于使用基于半導(dǎo)體激光器直接波長轉(zhuǎn)換的激光光源的激光投影設(shè)備，RF疊加是有效的。這是因?yàn)樗梢苑乐巩a(chǎn)生散斑噪聲，從而得到清晰的圖象。此外，對于紅、綠、藍(lán)三色激光直接由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的情況，也可以防止散斑噪聲。
權(quán)利要求
1.一種激光裝置，它包括至少一個(gè)含有一個(gè)半導(dǎo)體激光器的激光光源；一個(gè)調(diào)制器，用于改變各激光的強(qiáng)度；以及一個(gè)偏轉(zhuǎn)器，用于改變各激光的方向，其中從激光光源發(fā)射的激光被分解成兩個(gè)或多個(gè)光路，各分開的激光被輸入了彼此不同信號(hào)的調(diào)制器分開地調(diào)制，該被分開調(diào)制的激光從兩個(gè)方向照射一個(gè)光屏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中激光光源包括一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，用于產(chǎn)生一個(gè)諧波；以及一個(gè)單模光纖，用于把來自半導(dǎo)體激光器的激光傳送給光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中激光光源包括半導(dǎo)體激光器；一個(gè)光纖，用于傳送來自該半導(dǎo)體激光器的激光；一個(gè)固體激光晶體，用于接收從光纖出射的激光以產(chǎn)生一個(gè)基頻波；以及一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，用于從該基頻波產(chǎn)生一個(gè)諧波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中該半導(dǎo)體激光器是一個(gè)分布反饋型半導(dǎo)體激光器；并且該激光光源還包括一個(gè)半導(dǎo)體激光放大器，用于放大來自該分布反饋型半導(dǎo)體激光器的激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中激光光源包括一個(gè)光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件，其中形成有一個(gè)用于導(dǎo)引來自半導(dǎo)體激光器的激光的光學(xué)波導(dǎo)和周期性的疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，
6.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中由兩個(gè)激光光源形成兩個(gè)光路；并且這兩個(gè)激光光源分別受到不同的調(diào)制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的激光裝置，其中兩個(gè)光路按時(shí)間互相切換。
全文摘要
在一個(gè)LiTaO
文檔編號(hào)H01S3/109GK1540815SQ20041002822
公開日2004年10月27日 申請日期1996年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月2日
發(fā)明者山本和久, 典, 水內(nèi)公典, 北岡康夫, 夫, 加藤誠 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社