專利名稱：一種適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種綠光固體激光器，特別是涉及一種采用長波通濾光腔鏡膜制作的 適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器。
背景技術(shù)：
可見波段激光在激光顯示、信息存儲、生物醫(yī)學、光學研究等領域有著越來越廣泛 的應用。其中，以紅、綠、藍(RGB)三基色激光為光源的激光顯示技術(shù)可實現(xiàn)90%的色域空 間覆蓋率，能真實再現(xiàn)客觀世界豐富艷麗的色彩，因此備受關注。目前，獲得綠光的主要途 徑是采用倍頻晶體KTP、PPLN或LBO等，對Nd3+離子產(chǎn)生的1064nm激光進行倍頻獲得532nm 的綠光輸出。但是這種包含激光工作物質(zhì)和倍頻材料兩種晶體的激光器，結(jié)構(gòu)復雜，穩(wěn)定性 不高，而且兩塊晶體的膠合工藝一直限制了這種激光器的高功率輸出和大規(guī)模發(fā)展。自倍頻激光器能夠在一塊晶體中同時實現(xiàn)激光過程和非線性倍頻過程，具有結(jié)構(gòu) 簡單緊湊、穩(wěn)定性強、規(guī)模生產(chǎn)制作成本低等優(yōu)勢，因而成為近年來的研究熱點，并有望在 某些方面取代激光晶體和倍頻晶體的組合系統(tǒng)。摻釹硼酸鈣氧釓(NchGdCOB)晶體，因其制 作原料價格低廉，可以用提拉法生長，容易得到大尺寸、高光學質(zhì)量單晶等特點，成為最具 應用潛力的自倍頻晶體之一。目前，已有研究報道用鈦寶石激光器泵浦NchGdCOB晶體獲得 225mff 自倍頻綠光輸出，如文獻 1 :C. Q. Wang, Y. Τ. Chow, W. A. Gambling, et al.，Efficient self-frequency doubling of Nd:GdCOB crystal by type—I phase matching out of its principal planes, Optics Communications, 174 :471_474,2000 中所介紹。用激光 二極管(LD)泵浦Nd:GdC0B晶體微片獲得1.35W自倍頻綠光輸出，如文獻2 :J. Y. Wang， H. J. Zhang, Ζ. P. Wang, et al. , Watt-level self-frequency-doublingNd:GdCOB Lasers, Optics Express, 18 :11058_11062，2010。然而，Nd:GdC0B自倍頻晶體的基頻光波長具有隨溫度漂移的特性，從而導致高功 率輸出時綠光發(fā)射波長向長波方向紅移。圖1是文獻2中所介紹的Nd:GdC0B自倍頻晶體 基頻光波段發(fā)射截面圖，該晶體主要有1060nm、1068nm和1091nm三個發(fā)射譜帶。在低功率 泵浦激光運轉(zhuǎn)時，1060nm-1068nm附近的基頻光起振；隨著泵浦功率升高，晶體內(nèi)部溫度升 高，長波方向1091nm附近的激光增益會增加。然而，1068nm與1091nm之間波長只相差不 到30nm，通常采用的高反射膜要實現(xiàn)窄帶寬、高陡度，工藝上是非常難的；而且，高反射膜 邊帶波紋明顯，很難在保證1060nm和1068nm處高反射的同時保證1091nm處的高透射。當 1091nm附近的激光增益增加到一定程度時，很容易在腔內(nèi)形成諧振，最終導致自倍頻綠光 波長由530nm-534nm向545. 5nm紅移。越接近526. 3nm的綠光越有利于激光顯示，正如文 獻 3·Z. Y. Xu,Y. Bi,Large laser projection displays utilizing all-solid-state RGB lasers, Light-Emitting Diode Materials and Devices, Proc. of SPIE,5632,115-122, 2005所介紹，因此這種隨泵浦功率升高的紅移現(xiàn)象降低了激光顯示有利波段的輸出效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對NchGdCOB自倍頻晶體發(fā)射自倍頻綠光波長隨泵浦功率 升高單向紅移，無法實現(xiàn)高功率下激光顯示有利波段530nm-534nm高效輸出的問題，從而 提出一種激光晶體采用NchGdCOB自倍頻晶體，以及腔鏡使用長波通濾光腔鏡膜代替?zhèn)鹘y(tǒng) 高反射膜來控制基頻光波長，進而實現(xiàn)適于激光顯示用的高效自倍頻綠光固體激光器。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供一種適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，包括泵浦源、自倍 頻晶體和激光諧振腔；其特征在于所述的自倍頻晶體為NdxGdhCa4O(BO3)3(以下簡寫為 Nd:GdCOB)或 NdxY^Ca4O(BO3) 3(簡寫為 Nd: YC0B)，其中，χ = 0. 001-0. 2 ；所述的自倍頻晶 體按照倍頻相位匹配方向加工成柱狀或板條狀，所述的柱狀或板條狀的兩端面為兩個通光 端面，兩個通光端面分別為泵光輸入端面和激光輸出端面，兩個通光端面進行拋光處理；所 述的自倍頻晶體的通光方向厚度為0. l-20mm;其中，所述的NchGdCOB自倍頻晶體的切割 角度為 θ = 90° 士5°，Φ = 46° 士5°，或者 θ = 160° 士5°，Φ = 0° 士5°，或者 θ =113° 士5°，Φ =47.5° 士5° ；所述的 Nd:YCOB 的切割角度為 θ =90° 士5°， Φ = 35° 士5°，或者 θ = 148° 士5°，Φ = 0° 士5°，或者 θ = 113° 士5°，Φ = 36.5° 士5° ；所述的激光諧振腔的輸入腔鏡和輸出耦合鏡是分別制作在該自倍頻晶體的 兩個通光端面上，其中，所述的輸入腔鏡是在自倍頻晶體的泵光輸入端面上鍍輸入腔鏡膜， 所述的輸入腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸入腔鏡上的長波通濾光腔鏡膜是截止波 長為λ ^的長波通濾光膜(即對波長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透 射)、并同時對泵浦光高透射、對中心波長為λ/2的光高反射；所述的輸出耦合鏡是在自 倍頻晶體的激光輸出端面上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述 輸出腔鏡上的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為Xci的長波通濾光膜(即對波長小于和等 于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對中心波長為XciA的光高透射。在上述的技術(shù)方案中，所述的自倍頻晶體的通光截面為圓形、矩形或橢圓形。在上述的技術(shù)方案中，所述的自倍頻晶體的通光端面可以是平面，也可以加工成 曲率在-①到-50mm或+50mm到+①之間的曲面。在上述的技術(shù)方案中，還包括所述的激光諧振腔的輸入腔鏡是一塊獨立的激光腔 鏡，并在所述的自倍頻晶體的光輸入端面上鍍一層對泵浦光、基頻光和倍頻光都高透射的 膜，以消除菲涅爾反射損耗；所述的輸入腔鏡為一塊曲率在-⑴到-50mm或+50mm到+①之 間的鏡片；在所述的鏡片上鍍輸入腔鏡膜，所述的輸入腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸 入腔鏡的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ ^的長波通濾光膜(即對波長小于和等于Xci 的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對泵浦光高透射、對中心波長為λ 0/2的光 高反射；該輸入腔鏡設置在所述的泵浦源與所述的自倍頻晶體之間(即在所述的泵浦源輸 出光前方的光路上)。在上述的技術(shù)方案中，還包括所述的激光諧振腔的輸出耦合鏡是一塊獨立的激光 腔鏡，并在所述的自倍頻晶體的光輸出端面上鍍一層對泵浦光、基頻光和倍頻光都高透射 的膜，以消除菲涅爾反射損耗；所述的輸出耦合鏡為一塊曲率在-⑴到-50mm或+50mm到+⑴ 之間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸 出腔鏡膜的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ ^的長波通濾光膜(即對波長小于和等于λ0的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對中心波長為λ的光高透射；該輸出耦合 鏡設置在所述的自倍頻晶體后方(即在所述的自倍頻晶體輸出光前方的光路上)。在上述的技術(shù)方案中，還包括所述的激光諧振腔的輸入腔鏡和輸出耦合鏡是兩塊 獨立的激光腔鏡，并在所述的自倍頻晶體的光輸入端面和輸出端面上分別鍍一層對泵浦 光、基頻光和倍頻光都高透射的膜，以消除菲涅爾反射損耗；所述的輸入腔鏡為一塊曲率 在-⑴到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸入腔鏡膜，所述的輸入 腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ。的長波通濾光 膜(即對波長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對泵浦光高 透射、對中心波長為XciA的光高反射；該輸入腔鏡設置在所述的泵浦源與所述的自倍頻晶 體之間(即在所述的泵浦源輸出光前方的光路上)；所述的輸出耦合鏡為一塊曲率在-⑴ 到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是 長波通濾光腔鏡膜，所述的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ。的長波通濾光膜(即對波 長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對中心波長為λ/2的光 高透射；該輸出耦合鏡設置在所述的自倍頻晶體后方(即在所述的自倍頻晶體輸出光前方 的光路上)。在上述的技術(shù)方案中，還包括采用泵浦源對自倍頻晶體的側(cè)面泵浦的方式；其中， 所述的泵浦源從自倍頻晶體側(cè)表面泵浦進入晶體；在所述的自倍頻晶體的兩個端面前方， 分別放置獨立的激光輸入腔鏡和獨立的輸出耦合鏡；所述的輸入腔鏡為一塊曲率在_① 到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸入腔鏡膜，所述的輸入腔鏡膜是 長波通濾光腔鏡膜，所述輸入腔鏡上的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ ^的長波通濾光 膜(即對波長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對中心波長 為入0/2的光高反射；所述的輸出耦合鏡為一塊曲率在_①到-50mm或+50mm到+①之間 的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸出 腔鏡膜的長波通濾光腔鏡膜是截止波長為λ ^的長波通濾光膜(即對波長小于和等于λ0 的光高反射、波長大于λ ^的光高透射)、并同時對中心波長為λ 0/2的光高透射。在上述的技術(shù)方案中，還包括一光路耦合裝置，所述的光路耦合裝置由一個或者 一組透鏡組成，其中，該光路耦合部件的位置位于泵浦源和激光諧振腔的輸入腔鏡之間的 光路中，光路耦合部件能夠?qū)⒈闷止飧玫鸟詈先胱员额l晶體，提高泵浦效率。所述的激光諧振腔由輸入腔鏡和輸出耦合鏡組成，兩個腔鏡上都鍍有長波通濾光 腔鏡膜來實現(xiàn)對自倍頻晶體基頻光的波長選擇；所述的長波通濾光腔鏡膜的截止波長設為 入0，使自倍頻晶體發(fā)射的基頻光中，波長小于和等于λ ^的基頻光實現(xiàn)高反射，而波長大于 λ C1的基頻光實現(xiàn)高透射；這樣，在激光諧振腔內(nèi)，自倍頻晶體發(fā)射的波長小于和等于λ ^的 基頻光就實現(xiàn)諧振；并通過晶體的自倍頻效應，得到相應倍頻綠光激光輸出。在上述的技術(shù)方案中，所述的長波通濾光腔鏡膜的截止波長Xci可以設置在 1068歷，這時而:6(10 自倍頻晶體發(fā)射的波長小于λ ^的1060nm和1068nm基頻光都可以 在激光諧振腔內(nèi)諧振，通過NchGdCOB晶體的自倍頻效應，可以實現(xiàn)530nm 534nm波段的 綠光輸出；或者截止波長Xci的位置還可以向長波或短波方向進行移動調(diào)整，從而控制諧振 的基頻光波段范圍，間接調(diào)諧輸出的綠光波長范圍。比如將所述的長波通濾光腔鏡膜的截 止波長λ ο調(diào)整到1060nm，這時實現(xiàn)530nm附近的綠光輸出。
在上述的技術(shù)方案中，所述的泵浦源是閃光燈、單管或者模塊形式的半導體激光 器、光纖激光器、或者可調(diào)諧鈦寶石激光器；泵浦源的輸出波長對應晶體的吸收峰位置；泵 浦源的輸出形式可以是連續(xù)輸出也可以是脈沖輸出；泵浦方式可以為端面泵浦方式或側(cè)面 泵浦方式。在上述的技術(shù)方案中，所述的用長波通濾光腔鏡膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)高反射膜來控制基頻 光諧振波長的方法，可以推廣應用于NchGdCOB或Nd:YC0B等自倍頻晶體中其它具有相似發(fā) 射特性的波段(比如紅光自倍頻輸出和藍光自和頻輸出)，即將截止波長λ ^的位置設置在 紅光自倍頻或者藍光自和頻所對應的基頻光波段，來抑制隨泵浦功率升高，發(fā)射波長單向 紅移而降低有效發(fā)射波段輸出效率的現(xiàn)象。本發(fā)明提供一種采用長波通濾光腔鏡膜產(chǎn)生適于激光顯示用的高效自倍頻綠光 固體激光器，相對于已有綠光固體激光器具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明自倍頻綠光固體激光器基于NchGdCOB自倍頻晶體，和采用長波通濾光 腔鏡膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)高反射膜來控制晶體基頻光諧振波長，進而有效抑制高功率下綠光波長單 向紅移現(xiàn)象，實現(xiàn)可用于激光顯示的高效的綠光輸出。由于NchGdCOB自倍頻晶體的lOeOnm 附近基頻光波長具有隨溫度漂移的特性，容易導致高功率輸出時基頻光發(fā)射波長向長波方 向紅移，從而使得綠光發(fā)射波長也單方向紅移。所以，本發(fā)明采用長波通濾光腔鏡膜代替?zhèn)?統(tǒng)高反射膜來控制晶體基頻光諧振波長，進而有效抑制高功率下綠光波長單向紅移現(xiàn)象， 實現(xiàn)可用于激光顯示的高效的綠光輸出。由于Nd3+離子微能級之間的粒子熱分布特征，很 多光發(fā)射在高功率下都會發(fā)生紅移，因此本發(fā)明也可以推廣應用于NchGdCOB自倍頻晶體 的其它具有相似發(fā)射特性的波段；或者推廣應用于其它具有相似發(fā)射特性的自倍頻晶體， 比如Nd:YCOB自倍頻晶體。2、采用長波通濾光腔鏡膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)高反射膜來控制晶體基頻光諧振波長，只需單 邊控制截止波長，既實現(xiàn)了高陡度截止控制，又簡化了激光腔鏡膜制作工藝，提高了制作精 度；另外，本發(fā)明采用的長波通濾光腔鏡膜具有獨特的壓縮波紋效果，能夠確保透射波段很 高的透射率和反射波段很高的反射率，有效抑制高功率下綠光波長單向紅移現(xiàn)象，實現(xiàn)激 光顯示用于具有高效的530nm-534nm綠光輸出。


圖1是在室溫下，NdiGdCOB晶體不同偏振方向的發(fā)射截面譜圖。圖2是本發(fā)明采用自倍頻晶體(Nd:GdC0B晶體)制作的自倍頻綠光固體激光器的 基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3給出了實施例1采用自倍頻晶體和在該自倍頻晶體上所鍍的截止波長在 1068nm附近的長波通濾光膜的透射率曲線圖(實線)，同時圖中還給出了通常采用的 1068nm附近的高反射膜的透射率曲線圖(虛線)。圖4是本發(fā)明制作的的又一種NchGdCOB晶體的自倍頻綠光固體激光器結(jié)構(gòu)示意 圖。圖5是本發(fā)明采用2塊獨立的輸入腔鏡和輸出耦合鏡組成的諧振腔的一種自倍頻 綠光固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明采用一塊獨立的輸出耦合鏡制作的另一種基于摻釹硼酸鈣氧釔
7(NdiYCOB)晶體的自倍頻綠光固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明制作的一種側(cè)面泵浦NchGdCOB晶體板條的自倍頻綠光固體激光器 結(jié)構(gòu)示意圖。圖面說明
具體實施方式
1-泵浦源2－自倍頻晶體3-輸入腔鏡膜 4-輸出腔鏡膜5－泵浦源的冷卻散熱裝置6-光路耦合裝置7-晶體的冷卻散熱裝置 8-出射激光 9-輸入腔鏡10-輸出耦合鏡11-高透射膜
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。實施例1參考圖2，制作一種基于摻釹硼酸鈣氧釓(NchGdCOB)晶體的適于激光顯示用的自 倍頻綠光固體激光器。泵浦源1采用發(fā)射波長為808nm的連續(xù)輸出半導體激光二極管，泵浦方式為端面 泵浦。泵浦源1配有泵浦源的冷卻散熱裝置5 (從市場上買到的)，光路耦合裝置6采用兩 個曲率為50mm的凸透鏡組成，光路耦合部件能夠?qū)⒈闷止飧玫鸟詈先胱员额l晶體，提高 泵浦效率。自倍頻晶體2采用摻雜濃度為5at. %&Nd:GdC0B晶體，按照倍頻相位匹配方向 θ =113°，φ =36.4°切割成柱狀，該柱狀的兩端面為兩個通光端面，兩個通光端面分別 為泵光輸入端面和激光輸出端面；該自倍頻晶體的通光截面為圓形、矩形或橢圓形都可以， 例如該NchGdCOB自倍頻晶體的通光截面為正方形，邊長為3mm，通光方向長5mm(兩通光端 面之間的距離)，自倍頻晶體2的兩個通光端面按照激光晶體的拋光工藝進行拋光處理。自倍頻晶體2輸入端面為平面，在該輸入端面上鍍輸入腔鏡膜3，輸入腔鏡膜3是 長波通濾光腔鏡膜，該長波通濾光腔鏡膜是截止波長為1068nm的長波通濾光膜(即對波 長小于和等于1068nm的光高反射、波長大于1068nm的光高透射)、并同時對泵浦光808nm 高透射、對中心波長為534nm的光高反射；自倍頻晶體2輸出端面為平面，在該輸出端面上 鍍輸出腔鏡膜4，輸出腔鏡膜4是長波通濾光腔鏡膜，該長波通濾光腔鏡膜是截止波長為 1068nm的長波通濾光膜(即對波長小于和等于1068nm的光高反射、波長大于1068nm的光 高透射)、并同時對中心波長為534nm的光高透射。該自倍頻晶體2放置于晶體的冷卻散 熱裝置7中，采用常規(guī)的傳導制冷方式，以接觸式紫銅熱沉晶體架固定晶體，并作為導熱媒 介，紫銅熱沉晶體架通過水路散熱。對于在自倍頻晶體2的兩個通光端面上鍍腔鏡膜，例如 可以采用離子束濺射、磁控濺射、離子鍍(ion planting)、電子束熱蒸發(fā)等方法制作的，以 及自倍頻晶體安裝在冷卻散熱裝置中，這些都是本領域技術(shù)人員可以實施的。本實施例自倍頻綠光固體激光器的激光諧振腔采用平平腔型激光諧振腔，如圖2 所示，采用端面泵浦方式，泵浦源1輸出泵光的前方光路上依次設置耦合裝置6、自倍頻晶 體(Nd:GdC0B)2，泵浦光從自倍頻晶體2的輸入端面入射，沿該自倍頻晶體2輸出；當泵浦 光達到閾值時，獲得530-534nm自倍頻綠光激光8輸出，如果在所述的長波通濾光腔鏡膜的 截止波長λ 0設置在1060nm，這時實現(xiàn)530nm附近的綠光輸出。隨著泵浦光功率升高，發(fā)射波長不發(fā)生紅移，因此，本發(fā)明制作的自倍頻綠光激光器有利于激光顯示應用。圖3給出了本實施例的諧振腔鏡上鍍有，截止波長在1068nm附近的長波通濾光膜 的透射率曲線圖(實線)，同時圖3中還給出了通常采用的1068nm附近的高反射膜的透射 率曲線圖(虛線)。通常采用高反射膜來控制晶體基頻光諧振波長，比較難實現(xiàn)窄帶寬、高 陡度的制作要求，而且邊帶波紋明顯，很難保證反射帶兩邊波段的高透射率。由圖3可見， 高反射膜反射帶兩邊的波紋很明顯，該圖中1091nm處透射率只有30%。對于Nd:GdC0B自 倍頻晶體，1091nm附近的激光增益隨著泵浦功率升高而增加，這樣很容易導致其在腔內(nèi)諧 振，使自倍頻綠光由530nm-534nm向545. 5nm紅移。本發(fā)明的自倍頻綠光固體激光器采用 長波通濾光膜代替高反射膜來控制基頻光波長，將截止波長設置在1068nm，只需單邊控制 截止波長，既能保證對小于和等于1068nm波段的高反射率，也能保證對1091nm波段的高透 射率，從而抑制了 NchGdCOB自倍頻晶體隨著泵浦功率升高1091nm附近波段的起振，進而控 制高功率下綠光波長不向545. 5nm方向漂移，實現(xiàn)高效的530nm-534nm綠光輸出。實施例2參考圖4，制作一種基于摻釹硼酸鈣氧釓(NchGdCOB)晶體的適于激光顯示用的自 倍頻綠光固體激光器。本實施例采用的自倍頻固體激光器的組成光路與實施例1相同。差別在于(1)泵浦源1采用的是可調(diào)諧鈦寶石激光器，發(fā)射波長調(diào)節(jié)到885nm。(2)自倍頻晶體2采用摻雜濃度為8at. %的Nd:GdC0B晶體，按θ = 90°，Φ = 46.5°方向切割成柱狀，自倍頻晶體2通光端面為正方形，邊長為3mm，通光方向長8mm。晶 體通光方向的兩個端面按照激光晶體的拋光工藝進行拋光處理。(3)自倍頻晶體2的一端作為輸入端面，該輸入端面為曲率半徑為200mm的球面， 在自倍頻晶體2輸入端面上鍍參數(shù)如下的輸入腔鏡膜3 截止波長為lOeOnm的長波通濾光 膜(即對波長小于和等于lOeOnm的光高反射、波長大于lOeOnm的光高透射)、并同時對泵 浦光885nm高透射、對中心波長為530nm的光高反射(4)自倍頻晶體2的一端作為輸出端面，該輸出端面為曲率半徑為200mm的球面， 自倍頻晶體2輸出端面上鍍參數(shù)如下的輸出腔鏡膜4 截止波長為lOeOnm的長波通濾光 膜，并同時對中心波長為530nm的光高透射。由自倍頻晶體2的兩個通光端面所鍍的腔鏡膜構(gòu)成自倍頻固體激光器的雙凹腔 型激光諧振腔(如圖4所示)，采用端面泵浦方式，泵浦源1的輸出光依次進入耦合裝置6、 輸入腔鏡膜3、自倍頻晶體(NchGdCOB) 2和輸出腔鏡膜4 ；當泵浦光達到閾值時，實驗獲得 530nm自倍頻綠光激光8輸出，隨著泵浦光功率升高，發(fā)射波長不發(fā)生紅移，有利于激光顯 示應用。實施例3參考圖5，制作一種基于摻釹硼酸鈣氧釓(NchGdCOB)晶體的適于激光顯示用的自 倍頻綠光固體激光器。本實施例采用的自倍頻晶體2、晶體的冷卻散熱裝置9、以及自倍頻固體激光器的 組成光路與實施例1相同。差別在于(1)泵浦源1為波長為808nm的半導體激光器，輸出形式為脈沖形式，重復頻率為 3. 3Hz，脈沖寬度為0. Is。
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(2)輸入腔鏡9采用獨立的平鏡，在該平鏡上鍍有截止波長為1068nm的長波通濾 光膜(即對波長小于和等于1068nm的光高反射、波長大于1068nm的光高透射)、并同時對 泵浦光808nm高透射、對中心波長為534nm的光高反射。(3)輸出耦合鏡10采用獨立的平鏡，在該平鏡上鍍有截止波長為1068nm的長波通 濾光膜，并同時對中心波長為534nm的光高透射。(4)晶體的兩個通光端面上都鍍有對泵浦光808nm、基頻光1068nm附近和倍頻光 530-534nm附近的高透射膜11，以消除菲涅爾反射損耗。采用外加輸入鏡9和輸出耦合鏡10構(gòu)成平平腔型激光諧振腔，將自倍頻晶體2設 置在該平平腔內(nèi)；如圖5所示，采用端面泵浦方式，泵浦光從自倍頻晶體2的一端面入射，沿 泵浦源1輸出光前方依次設置耦合裝置6、輸入腔鏡9、自倍頻晶體(NchGdCOB) 2、輸出耦合 腔鏡10 ；當泵浦光達到閾值時，實驗獲得530-534nm自倍頻綠光激光8輸出，隨著泵浦光功 率升高，發(fā)射波長不發(fā)生紅移，有利于激光顯示應用。實施例4參考圖6，制作一種基于摻釹硼酸鈣氧釔(Nd:YC0B)晶體的適于激光顯示用的自 倍頻綠光固體激光器。本實施例采用的泵浦源1和自倍頻固體激光器的組成光路與實施例1相同。差別在于(1)自倍頻晶體2采用摻雜濃度為8at. %的Nd:YCOB晶體，按θ = 113°，Φ = 35.4°方向切割成柱狀，通光面為圓形，尺寸為04mmX5mm。晶體通光方向的兩個端面按照 激光晶體的拋光工藝進行拋光處理。(2)自倍頻晶體2輸入端面為平面，根據(jù)Nd:YC0B晶體的發(fā)射特性，設計鍍參數(shù)如 下的輸入腔鏡膜3 截止波長為lOeinm的長波通濾光膜、并同時對泵浦光808nm高透射、對 中心波長為530. 5nm的光高反射。(3)自倍頻晶體2輸出端面為平面，其上鍍有對泵浦光808nm、基頻光1061nm附近 和倍頻光530. 5nm附近的高透射膜11，以消除菲涅爾反射損耗。(4)在晶體輸出端設置獨立的輸出耦合鏡10，其曲率為-200mm，輸出耦合鏡10上 鍍有截止波長為lOeinm的長波通濾光膜，并同時對中心波長為530. 5nm的光高透射。外加獨立的輸出耦合鏡10與晶體輸入端面的輸入腔鏡膜構(gòu)成平凸腔型激光諧振 腔。如圖6所示，采用端面泵浦方式，泵浦光從自倍頻晶體2的一端面入射，泵浦源1的輸 出光依次進入耦合裝置6、輸入腔鏡膜3、自倍頻晶體(NchGdCOB) 2、輸出耦合腔鏡10 ；當泵 浦光達到閾值時，實驗獲得530. 5nm自倍頻綠光激光8輸出，隨著泵浦光功率升高，發(fā)射波 長不發(fā)生紅移，有利于激光顯示應用。實施例5參考圖7，制作一種基于NchGdCOB晶體的側(cè)面泵浦的自倍頻綠光固體激光器。本實施例采用的自倍頻晶體(NchGdCOB) 2、兩個諧振腔鏡的鍍膜參數(shù)與實施例3 相同。差別在于(1)泵浦源1采用了中心波長為808nm的半導體激光器模塊，并且被放置在泵浦源 1的冷卻散熱裝置5上。(2)自倍頻晶體2被加工成5X1 X3mm3的板條狀，水平方向為倍頻相位匹配方向
10θ =113°，Φ =36.4°，該板條狀的自倍頻晶體2兩端面經(jīng)光學拋光并鍍上對于基頻光 和倍頻光高透射的膜12。板條狀自倍頻晶體2被放置并固定在晶體的冷卻散熱裝置7上。(3)輸入腔鏡9采用曲率-200mm的凹面鏡，在該凹面鏡上鍍有截止波長為1068nm 的長波通濾光膜(即對波長小于和等于1068nm的光高反射、波長大于1068nm的光高透 射)、并同時對泵浦光808nm高透射、對中心波長為534nm的光高反射。(4)輸出耦合鏡10采用曲率-200mm的凹面鏡，在該凹面鏡上鍍有截止波長為 1068nm的長波通濾光膜，并同時對中心波長為534nm的光高透射。輸入腔鏡9和輸出耦合 鏡10分別設置在板條狀的自倍頻晶體2兩端。(5)自倍頻晶體2兩個通光端面上都鍍有對基頻光1068nm附近和倍頻光534nm附 近的高透射膜11，以消除菲涅爾反射損耗。泵浦光從自倍頻晶體2上側(cè)表面大面積泵浦進入晶體，屬于側(cè)面泵浦方式。在晶 體通光方向上，依次放置獨立的激光輸入腔鏡9、自倍頻晶體2、和獨立的輸出耦合鏡10 ；泵 浦源1從自倍頻晶體2側(cè)面大面積泵浦進入晶體。輸入腔鏡9和輸出耦合鏡10形成雙凹 型激光諧振腔。當泵浦光達到閾值時，基頻激光在腔內(nèi)形成諧振，倍頻光沿8方向出射。隨 著泵浦光功率升高，發(fā)射波長不發(fā)生紅移，有利于激光顯示應用。當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟 悉本領域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變型，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
1權(quán)利要求
一種適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，包括泵浦源、自倍頻晶體和激光諧振腔；其特征在于所述的自倍頻晶體為NdxGd1 xCa4O(BO3)3或NdxY1 xCa4O(BO3)3，其中，x＝0.001 0.2；將該自倍頻晶體按照倍頻相位匹配方向切割成柱狀或板條狀，所述的柱狀或板條狀的兩端面為兩個通光端面，兩個通光端面分別為泵光輸入端面和激光輸出端面，兩個通光端面進行拋光處理；所述的自倍頻晶體的通光方向厚度為0.1 20mm；所述的激光諧振腔的輸入腔鏡和輸出耦合鏡是分別制作在該自倍頻晶體的兩個通光端面上，其中，所述的輸入腔鏡是在自倍頻晶體的泵光輸入端面上鍍輸入腔鏡膜，所述的輸入腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸入腔鏡上的長波通濾光腔鏡膜是對波長小于和等于λ0的光高反射、波長大于λ0的光高透射、并同時對泵浦光高透射、對中心波長為λ0/2的光高反射；所述的輸出耦合鏡是在自倍頻晶體的激光輸出端面上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸出腔鏡上的長波通濾光腔鏡膜是對波長小于和等于λ0的光高反射、波長大于λ0的光高透射、并同時對中心波長為λ0/2的光高透射；其中，所述的Nd:GdCOB自倍頻晶體按照倍頻相位匹配方向切割的切割角度為θ＝90°±5°，φ＝46°±5°、θ＝160°±5°，φ＝0°±5°、或者θ＝113°±5°，φ＝47.5°±5°；所述的NdxY1 xCa4O(BO3)3按照倍頻相位匹配方向切割的切割角度為θ＝90°±5°，φ＝35°±5°、θ＝148°±5°，φ＝0°±5°、或者θ＝113°±5°，φ＝36.5°±5°。
2.按照權(quán)利要求1所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征在于所 述的自倍頻晶體的通光端面是平面，或加工成曲率在_⑴到-50mm或+50mm到+⑴之間的 曲面。
3.按照權(quán)利要求1所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征在于還 包括所述的激光諧振腔的輸入腔鏡是一塊獨立的激光腔鏡，并在所述的自倍頻晶體的泵光 輸入端面上鍍一層以消除菲涅爾反射損耗的對泵浦光、基頻光和倍頻光都高透射的膜；其 中，所述的輸入腔鏡為一塊曲率在_⑴到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡 片上鍍長波通濾光腔鏡膜，所述的長波通濾光腔鏡膜是即對波長小于和等于λ ^的光高反 射、波長大于λ ^的光高透射、并同時對泵浦光高透射、對中心波長為λ的光高反射；該 輸入腔鏡設置在所述的泵浦源與所述的自倍頻晶體之間。
4.按照權(quán)利要求1所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征在于還 包括所述的激光諧振腔的輸出耦合鏡是一塊獨立的激光腔鏡，并在所述的自倍頻晶體的光 輸出端面上鍍一層以消除菲涅爾反射損耗的對泵浦光、基頻光和倍頻光都高透射的膜；所 述的輸出耦合鏡為一塊曲率在_⑴到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡片上 鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸出耦合鏡上的長波通濾光 腔鏡膜是對波長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光高透射、并同時對中心波長 為的光高透射；該輸出耦合鏡設置在所述的自倍頻晶體后方。
5.按照權(quán)利要求1所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征在于所 述的激光諧振腔的輸入腔鏡和輸出耦合鏡是兩塊獨立的激光腔鏡，并在所述的自倍頻晶體 的光輸入端面和輸出端面上分別鍍一層以消除菲涅爾反射損耗的對泵浦光、基頻光和倍頻 光都高透射的膜；所述的輸入腔鏡為一塊曲率在_⑴到-50mm或+50mm到+⑴之間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸入腔鏡膜，所述的輸入腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸入腔鏡上 的長波通濾光腔鏡膜是對波長小于和等于λ。的光高反射、波長大于λ。的光高透射、并 同時對泵浦光高透射、對中心波長為XtlA的光高反射；該輸入腔鏡設置在所述的泵浦源與 所述的自倍頻晶體之間；所述的輸出耦合鏡為一塊曲率在_⑴到-50mm或+50mm到+⑴之 間的鏡片，在所述的鏡片上鍍輸出腔鏡膜，所述的輸出腔鏡膜是長波通濾光腔鏡膜，所述輸 出耦合鏡上的長波通濾光腔鏡膜是對波長小于和等于λ ^的光高反射、波長大于λ ^的光 高透射、并同時對中心波長為XtlA的光高透射；該輸出耦合鏡設置在所述的自倍頻晶體后 方。
6.按照權(quán)利要求6所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征在于還 包括一泵浦源從自倍頻晶體側(cè)面泵浦的方式，所述的泵浦源和自倍頻晶體都處于冷卻散熱 裝置內(nèi)，在所述的自倍頻晶體的兩個通光端面的兩端，分別放置所述的激光輸入腔鏡和輸 出華禹合鏡ο
7.按照權(quán)利要求1、3、4或5所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征 在于還包括一光路耦合裝置，所述的光路耦合裝置由一個或者一組透鏡組成，其中，該光 路耦合部件位于泵浦源和激光諧振腔的輸入腔鏡之間的光路中。
8.按照權(quán)利要求1、3、4或5所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征 在于所述的長波通濾光腔鏡膜的截止波長λ。設置在1068nm，或λ Q調(diào)整到1060nm。
9.按照權(quán)利要求1、3、4或5所述的適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，其特征 在于所述的泵浦源是閃光燈、單管或者模塊形式的半導體激光器、光纖激光器、或者可調(diào) 諧鈦寶石激光器；泵浦源的輸出波長對應自倍頻晶體的吸收峰位置；泵浦源的輸出形式是 連續(xù)輸出或是脈沖輸出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適于激光顯示用的自倍頻綠光固體激光器，包括泵浦源、自倍頻晶體和激光諧振腔；自倍頻晶體為NdxGd1-xCa4O(BO3)3或NdxY1-xCa4O(BO3)3，其中，x＝0.001-0.2；自倍頻晶體按照倍頻相位匹配方向加工成柱狀或板條狀，通光方向厚度為0.1-20mm；激光諧振腔的輸入腔鏡和輸出耦合鏡分別在該自倍頻晶體的兩個通光端面上鍍腔鏡膜制作的，或者獨立設置輸入腔鏡和輸出耦合鏡，輸入腔鏡膜和輸出耦合鏡采用長波通濾光腔鏡膜來控制基頻光諧振波長。本發(fā)明采用長波通濾光腔鏡膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)高反射膜來控制基頻光波長，只需單邊控制截止波長，簡化激光腔鏡膜制作工藝，提高了制作精度；同時，長波通濾光腔鏡膜有獨特的壓縮波紋效果，使透射波段的高透射率，得到高功率下適用于激光顯示波段的高效綠光輸出。
文檔編號H01S3/081GK101950918SQ20101027296
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者于浩海, 宗楠, 張懷金, 彭欽軍, 王保山, 王正平, 王繼揚, 蔣民華, 許祖彥, 韓琳 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所;山東大學