專利名稱：超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，能同時激發(fā)摻Nd離子激光晶體多波長激光共振，并用一塊超晶格實現(xiàn)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(lán)四色激光同時輸出。
用超晶格晶體進(jìn)行非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換是獲得可見光波段激光輸出的重要手段。通過適當(dāng)?shù)某Ц裎⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計，利用其二階非線性效應(yīng)同時實現(xiàn)多個頻率轉(zhuǎn)換過程(倍頻、三倍頻、和頻)，可以實現(xiàn)可見光波段內(nèi)的多波長激光同時輸出。
2001年1月J.Campany在Appl.Phys.Lett.上發(fā)表了“非周期極化的摻釹鈮酸鋰中同時產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)連續(xù)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(lán)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(jié)果，總的可見光功率在1mw左右。且由于生長的非周期結(jié)構(gòu)無法針對多色輸出進(jìn)行優(yōu)化，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率與有效輸出還有相當(dāng)?shù)木嚯x。
2001年8月，劉輝、朱永元等人在Appl.Phys.Lett.發(fā)表了“用于頻率轉(zhuǎn)換的非周期超晶格設(shè)計(Aperiodic optical superlattice engineered for opticalfrequency conversion)”的文章，報導(dǎo)了非周期超晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及實現(xiàn)多波長倍頻的理論結(jié)果?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計非周期的超晶格(反轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)超晶格，通過多波長倍頻、和頻、三倍頻實現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)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(fā)明中所用超晶格設(shè)計的基礎(chǔ)。
綜上所述，這些研究與技術(shù)途徑均不涉及同時激發(fā)NdYVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長激光共振，用一塊單一結(jié)構(gòu)(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(chǎn)生紅、黃、綠、藍(lán)四色激光同時輸出。
三、本發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的利用摻Nd離子晶體激發(fā)多波長激光共振，用一塊超晶格實現(xiàn)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(yīng)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(nèi)多波長激光輸出；尤其是同時激發(fā)NdYVO4晶體的1.064μm和1.342μm的雙波長激光共振，并用一塊單一結(jié)構(gòu)(非周期)的鉭酸鋰(LiTaO3，LT)超晶格為變頻晶體，開發(fā)出能同時獲得能同時獲得紅、黃、綠、藍(lán)四色激光同時輸出的小型和具有實用性的全固態(tài)激光器。
本發(fā)明是按照下面所述的方式實現(xiàn)的。
本發(fā)明提供的紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器，包括二極管激光(LD)泵浦源，Nd3+YVO4晶體，同時產(chǎn)生雙波長振蕩的雙波長諧振腔，以及能同時實現(xiàn)多個非線性頻率變換過程的特定結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計特定結(jié)構(gòu)(非周期)的LT超晶格。該超晶格可以對NdYVO4發(fā)射的較短波長激光實現(xiàn)倍頻得到一種可見光；同時也對NdYVO4發(fā)射的較長波長的譜線進(jìn)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(yōu)異的激光性能和它的兩條發(fā)射譜線4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2，設(shè)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(shè)計特定結(jié)構(gòu)(非周期)的LT超晶格。該超晶格可以對NdYVO4發(fā)射的1.064μm激光實現(xiàn)倍頻得到綠光(0.532μm)；也對NdYVO4發(fā)射的1.342μm激光實現(xiàn)倍頻和三倍頻，得到0.671μm的紅光和0.447μm的藍(lán)光；同時考慮實現(xiàn)1.064μm激光和1.342μm激光的和頻，得到0.593μm的黃光，從而構(gòu)造出能實現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光輸出的小型全固態(tài)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(nèi)加入聲光調(diào)制器5使1.342μm和1.064μm激光變成準(zhǔn)連續(xù)，提高峰值功率密度和轉(zhuǎn)換效率。超晶格晶體10置于控溫爐9中，放置于(腔內(nèi)或)腔外。
本發(fā)明還可以采用不同基質(zhì)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(fā)射譜線共同諧振、使用不同的超晶格材料、不同的超晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)多種顏色組合的可見光同時輸出。
1.不同基質(zhì)的摻Nd離子激光晶體，包括NdYAG(NdY3Al5O12)、NdYAP(NdYAlO3)和NdGdVO4等，對應(yīng)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發(fā)射譜線的受激發(fā)射截面和對應(yīng)波長與NdYVO4有所不同，這意味著，對其它摻Nd離子晶體，適當(dāng)調(diào)整平衡雙波長共振損耗，也可以實現(xiàn)雙波長共振，相應(yīng)修改超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)，它們也適用于本發(fā)明，只是產(chǎn)生的紅、黃、綠、藍(lán)激光的波長會略有不同。如NdYAP晶體，對應(yīng)的4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2的發(fā)射譜線波長為1.079μm和1.341μm，采用本發(fā)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(lán)光。
2.Nd離子的發(fā)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(shè)計膜系使4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2同時共振，可以設(shè)計相應(yīng)的超晶格，獲得紅、黃、綠、藍(lán)多種顏色和多種顏色組合的激光輸出。
3.LT超晶格實現(xiàn)倍頻和三倍頻的方法參見背景技術(shù)和中國專利公開0019006和0019007。除了LiTaO3晶體外，本發(fā)明還包括LiNbO3、KTP、RTP等其它非線性光學(xué)晶體的超晶格。它們的折射率及色散關(guān)系不同，因此超晶格設(shè)計的參數(shù)也有所不同。
通常情況下，周期的光學(xué)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(xiàn)上述紅、黃、綠、藍(lán)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(chǎn)生三倍頻(藍(lán)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(jié)構(gòu)的超晶格來提供，對應(yīng)的周期分別為Λ1、Λ2、Λ3和Λ4滿足準(zhǔn)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(yīng)于1.342μm和1.064μm基波光波長。本發(fā)明采用的非周期結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，就是通過如下特定的耦合方法將多種周期結(jié)構(gòu)的倒格矢包含在一種特定的非周期結(jié)構(gòu)中，并盡量大的保持其倒格矢高度。其結(jié)構(gòu)函數(shù)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(jié)構(gòu)， ，，根據(jù)所要求的Λi，可以設(shè)計相應(yīng)的非周期結(jié)構(gòu)，提供所需要的多個倒格矢。n是考慮的非線性過程數(shù)，對紅、黃、綠、藍(lán)四色激光同時輸出n＝4。
設(shè)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(shù)A＝4.5284，B＝7.249×10-3， C＝0.2453， D＝-2.3670×10-2，E＝7.7690×10-2，F(xiàn)＝0.1838， b(T)＝2.6794×10-8(T+273.15)2，c(T)＝1.623×10-8(T+273.15)2；本發(fā)明的特點(diǎn)1.實現(xiàn)可見光波段內(nèi)多波長同時輸出的全固態(tài)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(shè)備及娛樂業(yè)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明提供了實現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光同時輸出的小型全固態(tài)激光器，具有其它激光器所不具備的優(yōu)點(diǎn)，效率高，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，輸出功率達(dá)到一定的水平，可以完善適用于多種應(yīng)用場合。
2.本發(fā)明采用的諧振腔結(jié)構(gòu)可以同時產(chǎn)生1.064μm和1.342μm的激光振蕩，直腔的結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)；而分路折疊腔可以調(diào)節(jié)聲光開關(guān)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(yōu)異的激光性能，如吸收系數(shù)大，吸收帶寬，受激發(fā)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(fā)射截面，它們發(fā)射截面的比值也易于實現(xiàn)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(fā)明采用的超晶格結(jié)構(gòu)是一種特定的非周期結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)需要，設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)易于得到和制備，具有很大的靈活性和實用性。
圖2本發(fā)明另一種超品格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器結(jié)構(gòu)示意1中1 半導(dǎo)體二極管激光器(LD)，波長為0.808μm；2 光纖耦合和準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)；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(chǎn)生1.064μm和1.342μm激光的增益介質(zhì)；5 聲光調(diào)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(diào)節(jié)溫度；10 超晶格晶體，頻率變換產(chǎn)生紅、黃、綠、藍(lán)四色激光。圖2中1 一半導(dǎo)體二極管激光器(LD)，波長為0.808μm；2 光纖耦合和準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)；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(chǎn)生1.064μm和1.342μm激光的增益介質(zhì)；5 聲光調(diào)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(diào)節(jié)溫度；10 超晶格晶體，頻率變換產(chǎn)生紅、黃、綠、藍(lán)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(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器(已經(jīng)實現(xiàn))。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(guān)5置于腔內(nèi)，獲得準(zhǔn)連續(xù)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(diào)節(jié)溫度。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍(lán)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(tài)紅、黃、綠、藍(lán)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(nèi)，實現(xiàn)腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍(lán)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(tài)紅、黃、綠、藍(lán)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(diào)制器產(chǎn)生準(zhǔn)連續(xù)光，可以調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)溫度。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍(lán)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(tài)紅、黃、綠、藍(lán)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(qū)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(nèi)，實現(xiàn)腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換。在匹配溫度處可得到紅、黃、綠、藍(lán)四色激光的同時輸出。
權(quán)利要求
1.超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于以摻Nd離子晶體為增益介質(zhì)，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(shè)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(shè)計非周期的光學(xué)超晶格，該超晶格對摻Nd離子晶體發(fā)射的較短波長激光實現(xiàn)倍頻得到一種可見光，對摻Nd離子晶體發(fā)射的較長的譜線進(jìn)行倍頻和三倍頻，分別得到另外兩種可見光，同時實現(xiàn)兩條譜線的和頻，得到一種可見光，實現(xiàn)四色激光的同時輸出。
2.以權(quán)利要求1所述的超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于對摻Nd離子晶體發(fā)射的4F3/2→4I11/2躍遷譜線激光實現(xiàn)倍頻得到綠光，同時也對摻Nd離子晶體發(fā)射的4F3/2→4I13/2躍遷譜線激光實現(xiàn)倍頻和三倍頻，得到紅光和藍(lán)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(gòu)造出能實現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光輸出的小型全固態(tài)激光器。
3.以權(quán)利要求1所述的超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于泵浦摻Nd離子晶體，激發(fā)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(fā)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(xiàn)多個頻率變換過程，同時輸出多波長可見光。
4.以權(quán)利要求1所述的超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于泵浦摻Nd離子晶體，激發(fā)4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2雙波長同時振蕩，包括多個發(fā)射譜線同時振蕩，由超晶格同時實現(xiàn)多個頻率變換過程，同時輸出多波長可見光。
5.以權(quán)利要求1所述的超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于用單一結(jié)構(gòu)的非周期超晶格，實現(xiàn)1.064μm激光的倍頻，同時實現(xiàn)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(xué)材料。
6.由權(quán)利要求1所述的超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)四色激光器的設(shè)置方法，其特征在于設(shè)計超晶格結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生紅、黃、綠、藍(lán)四種可見光同時輸出，還包括改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配溫度，以準(zhǔn)位相匹配方式同時產(chǎn)生紅、黃、綠、藍(lán)激光及其顏色組合激光輸出的所有全固態(tài)多色激光器。
全文摘要
超晶格全固態(tài)紅、黃、綠、藍(lán)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(yōu)先權(quán)日2003年2月19日
發(fā)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(xué)