專利名稱：可制造垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用在顯示系統(tǒng)中的光源。更具體地說，本發(fā)明的 目的是利用半導(dǎo)體激光器來取代投影顯示系統(tǒng)中的傳統(tǒng)白光放電燈。
背景技術(shù)：
數(shù)字光處理(DLP )對(duì)于諸如在會(huì)議室中投影圖像的投影顯示系 統(tǒng)、家用電視系統(tǒng)、廣告顯示器、汽車儀表板和危險(xiǎn)警告顯示器和其 它應(yīng)用來說是有價(jià)值的。DLP系統(tǒng)中的發(fā)光器通常包括光源和生成幾 種不同顏色的光所需的其它部件。各種顏色成分經(jīng)過空間調(diào)制，生成 具有所選顏色強(qiáng)度的各個(gè)像素。附加光學(xué)元件將光聚焦在顯示器上。
DLP系統(tǒng)通常包括調(diào)制光源以便以受控強(qiáng)度在投影表面上生成 像素的空間光調(diào)制器。光閥是一種調(diào)制跨越元件陣列上的光的空間光 調(diào)制器。光閥通常調(diào)制陣列上的光學(xué)透射或反射特性。例如，反射液 晶光閥利用液晶元件陣列來調(diào)制陣列上的反射光的強(qiáng)度。另一種常見 的光閥是數(shù)字微鏡器件芯片(常常稱為"數(shù)字光閥，，)，所述數(shù)字微鏡 器件芯片具有可以各自在兩個(gè)位置之間傾斜以便改變反射到顯示表 面上的每個(gè)像素的光量的可移動(dòng)微鏡陣列。數(shù)字微鏡器件可以足夠快 地開關(guān)，以便允許單個(gè)空間調(diào)制器用在以顏色順序模式操作的投影系 統(tǒng)中。這可以比利用慢空間調(diào)制器的按顏色調(diào)制器設(shè)計(jì)更省錢。
傳統(tǒng)上，將明亮白光用作數(shù)字投影系統(tǒng)的光源。例如，常常利用 超高壓(UHP)弧光放電燈來實(shí)現(xiàn)明亮白光源，UHP弧光放電燈是 飛利浦(Philips)電子公司開發(fā)的亮度非常高的小型白光源。旋轉(zhuǎn)色 輪用于從白光源中分離出紅光、綠光和藍(lán)光。因此，當(dāng)色輪的紅色濾 光片對(duì)準(zhǔn)白光源時(shí)，將紅光聚焦在用于紅色像素的空間調(diào)制器上，對(duì) 于色輪的綠色和藍(lán)色濾光片，也是這樣。傳統(tǒng)DLP系統(tǒng)存在幾方面缺點(diǎn)。首先，圖像有時(shí)沒有所希望的 那么明亮。傳統(tǒng)白光源產(chǎn)生有限流明數(shù)的光。另外，傳統(tǒng)DLP系統(tǒng) 浪費(fèi)了相當(dāng)多的光能。其次，顯示圖像的一些屬性諸如色飽和受到色 輪的有害影響，這可以將偽像引入顯示圖像中。第三，DLP系統(tǒng)包括 昂貴的光學(xué)元件。
發(fā)光二極管(LED)是白光源的一種替代品。但是，傳統(tǒng)LED 光源往往比UHP燈更昂貴。另外，LED與UHP燈相比，可以耦合 到顯示屏的亮度和流明數(shù)通常低大約一半。因此，LED作為投影顯示 系統(tǒng)中的光源存在許多局限性。
半導(dǎo)體激光器作為顯示系統(tǒng)中的光源存在許多潛在優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體 激光器具有高的亮度、低的光學(xué)徑角性(etendue)、擴(kuò)充的色域和調(diào) 制能力。例如，可以將幾種不同顏色的分立激光器封裝一起，以生成 不同顏色的光。
但是，現(xiàn)在技術(shù)的半導(dǎo)體激光器作為顯示系統(tǒng)的光源存在幾方面 缺點(diǎn)。與UHP白光源相比，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器沒有成本竟?fàn)幜?，?具有較低的功率(即，光的總流明數(shù)較小)。另外，由于半導(dǎo)體激光 器的高相干性，半導(dǎo)體激光器通常具有無法接受的光斑特性。在顯示 系統(tǒng)的背景下，由于來自散射中心的相長(zhǎng)和相消干涉，高度光斑導(dǎo)致 整個(gè)圖像上的明暗斑點(diǎn)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，眾所周知，半導(dǎo)體激光器在許多投影顯示應(yīng)用中 與UHP燈相比沒有成本竟?fàn)幜Α＠?，?duì)于背投電視(RPTV)來說， 眾所周知，光源必須能夠在不超過大約100美元的總成本為每種顏色 提供300到600流明的光。例如，參見特此全文引用以供參考的K. Kincade 的 "Optoelectro- nics Applications: Projection Displays: Laser based projector target consumer market", Laser Focus World, December 2005。對(duì)于基于激光器的系統(tǒng)來i兌，每種顏色300到600 流明對(duì)應(yīng)于大約3到5瓦。但是，在現(xiàn)有技術(shù)中，具有必需亮度和滿 意光束特性的商用半導(dǎo)體激光器不能滿足RPTV系統(tǒng)要求的100美元 的總價(jià)格?？梢暟雽?dǎo)體激光器的成本取決于許多因素。非線性頻率轉(zhuǎn)換過程
可以用于生成紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)。但是，傳統(tǒng)手段導(dǎo)致難以 制造的復(fù)雜系統(tǒng)。傳統(tǒng)可視高功率半導(dǎo)體激光器需要各種各樣的光學(xué) 元件來維持波長(zhǎng)控制和極化控制，并提供泵浦光源的頻率轉(zhuǎn)換。例如， 加州Sunnyvale的Novalux公司開發(fā)的可視半導(dǎo)體激光器的ProteraTM 線路基于擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)成生成可見光的擴(kuò)充空 腔激光器包括在激光器的壽命內(nèi)在一批工作條件下穩(wěn)定光學(xué)特性的 許多光學(xué)元件。另外，可以包括非線性晶體用于倍頻泵浦光源。光學(xué) 元件最初必須對(duì)準(zhǔn)并保持適當(dāng)對(duì)準(zhǔn)，這使制造成本和復(fù)雜性增加。一 般說來，高功率可視半導(dǎo)體激光器的制造成本隨著加入封裝光學(xué)設(shè)備 中的每個(gè)附加光學(xué)元件而增加。此外，要求嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的每個(gè)光學(xué)元件 也使最終的激光器組件的成本顯著增加。
另外，在投影顯示系統(tǒng)中，半導(dǎo)體激光器的形狀因子也是需要著 重考慮的。隨著時(shí)間的流逝，投影顯示系統(tǒng)的總尺寸已經(jīng)顯著縮小。 例如，參見特此全文引用以供參考的Derra等人的"UHP lamp systems for projection display applications", J.Phys. D: Appl. Phys. 38(2005) 2995-3010。 UHP燈的小型化已經(jīng)將UHP燈的反射鏡尺寸縮小為小于 50x50 mii^或一側(cè)小于大約2英寸。反射鏡具有30 mm直徑的UHP 燈也是常見的，即，與一側(cè)大約l英寸的正方形區(qū)(為了設(shè)計(jì)目的) 相對(duì)應(yīng)的區(qū)域。DLP芯片的尺寸通常是有效(微鏡)區(qū)域小于1英寸 正方形(例如，對(duì)于一些DLP芯片，在每側(cè)大約0.55"到0.75"的范 圍內(nèi))的大約2英寸正方形。因此，UHP燈的尺寸迅速接近大約1 到2立方英寸的小形狀因子。對(duì)于一些微型顯示應(yīng)用來說，人們甚至 希望更小的體積(例如，1立方英寸)。比較而言，加州Sunnyvale 的Novalux公司開發(fā)的高功率可視擴(kuò)充空腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的 Protera 線路從長(zhǎng)度為大約4英寸(101.6 mm)、橫截面為 1.79"xl.59" (44.5x44.5 mm2)的11.6立方英寸封裝為特定顏色的每 個(gè)激光器生成5到20 mW。 ProteraTM封裝包括容納諸如標(biāo)準(zhǔn)具的波 長(zhǎng)控制元件、極化控制元件、表面發(fā)射增益元件、倍頻晶體和其它控制元件的空間。但是，在投影顯示系統(tǒng)中，要求不同波長(zhǎng)的大量
ProteraTM激光器具有所需的波長(zhǎng)范圍和總功率，使得ProteraTM激光 器集合的總體積與傳統(tǒng)UHP燈相比非常大。
作為總發(fā)光器解決方案的一部分，現(xiàn)有技術(shù)中的另一個(gè)未解決問 題是如何最佳地利用半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器具有與UHP白光 燈不同的光學(xué)特性。因此，在投影顯示系統(tǒng)中，過分簡(jiǎn)單地用半導(dǎo)體 激光器直接取代UHP燈可能無法充分利用半導(dǎo)體激光器的潛在好處。
因此，鑒于上述問題，需要發(fā)展本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器(VECSEL ， vertical extended-cavity surface -emitting laser )的陣歹'j包括具有發(fā)射器陣列、 端反射器、用于空腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的非線性晶體、波長(zhǎng)控制元件和極化 控制元件的增益芯片。通過形成組合VECSEL的各個(gè)部件的至少兩 個(gè)的功能的光學(xué)單元，來減少在封裝期間必須對(duì)準(zhǔn)的部件的數(shù)量。
在一個(gè)實(shí)施例中，立體布拉格(Bragg)光柵作為具有端反射器 和波長(zhǎng)控制元件兩者的功能的光學(xué)單元。通過將諸如非線性晶體或極 化控制元件的其它光學(xué)部件附著到立體布拉格光柵上，可以形成較大 的光學(xué)單元。
在另一個(gè)實(shí)施例中，將至少一個(gè)次要光學(xué)部件附著到增益芯片 上。在一種實(shí)現(xiàn)中，將透鏡陣列附著到增益芯片上。在又一種實(shí)現(xiàn)中， 在增益芯片上形成極化控制元件。


通過結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行如下詳細(xì)描述，可以更 全面地認(rèn)識(shí)本發(fā)明，在附圖中
圖1是例示按照本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例，用在投影顯示器中的光源 的透視圖2例示了示范性現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器；圖3例示了用在按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光源中的各個(gè)表面 發(fā)射二極管激光器增益元件；
圖4例示了一種投影顯示系統(tǒng)，其中，紅色、藍(lán)色和綠色或更多 顏色的陣列被聚焦到光導(dǎo)中，隨后成像在微型顯示光閥上，然后再成 像到正投或背投顯示系統(tǒng)中的屏幕上；
圖5例示了一種投影顯示系統(tǒng)，其中，衍射光學(xué)元件用于將來自 光源中的每個(gè)激光元件的圓形高斯激光束轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)方形大禮帽狀分 布，隨后被引導(dǎo)成充分覆蓋光閥的整個(gè)區(qū)域，然后成像到正投或背投 屏幕上;
圖6例示了現(xiàn)有技術(shù)投影系統(tǒng)； 圖7A例示了利用色輪的現(xiàn)有技術(shù)投影系統(tǒng)； 圖7B例示了在消隱周期內(nèi)圖7A的現(xiàn)有技術(shù)投影系統(tǒng)的色輪上 的光束覆蓋區(qū)；
圖7C例示了在有效周期內(nèi)圖7A的現(xiàn)有技術(shù)投影系統(tǒng)的色輪上
的光束覆蓋區(qū)；
圖8例示了現(xiàn)有技術(shù)空間調(diào)制器；
圖9例示了圖8的空間調(diào)制器的元件中的開關(guān)周期；
圖io例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的發(fā)光器系統(tǒng)；
圖llA例示了作為與熱時(shí)間常數(shù)相當(dāng)或長(zhǎng)于熱時(shí)間常數(shù)的脈沖
的峰值電流的函數(shù)計(jì)算的、與圖像跳動(dòng)時(shí)的最大可實(shí)現(xiàn)cw功率相比
基波(虛線)和二次諧波(實(shí)線)的平均功率的功率變化；
圖11B例示了作為顯著短于熱時(shí)間常數(shù)的脈沖的峰值電流的函 數(shù)計(jì)算的、與圖像跳動(dòng)時(shí)的最大可實(shí)現(xiàn)cw功率相比基波(虛線)和
二次諧波(實(shí)線)的平均功率的功率變化；
圖12A例示了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過在子幀水平上交
織顏色，二進(jìn)制調(diào)制源自三種顏色的圖像中的單個(gè)像素的強(qiáng)度；
圖12B例示了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過在幀水平上交織 顏色，二進(jìn)制調(diào)制源自三種顏色的圖像中的單個(gè)像素的強(qiáng)度；
圖13例示了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在顏色順序操作期間利用欠驅(qū)動(dòng)和過驅(qū)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)單色激光源的方法；
圖14例示了按照現(xiàn)有技術(shù)的用于空腔內(nèi)譜濾波的部件的布置； 圖15例示了按照現(xiàn)有技術(shù)的300微米厚標(biāo)準(zhǔn)具隨波長(zhǎng)的透射響
應(yīng)；
圖16例示了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，帶有用于頻率穩(wěn)定的空
腔內(nèi)干涉濾光片的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器；
圖17例示了按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于激光器頻率穩(wěn)定的 薄膜干涉濾光片結(jié)構(gòu)；
圖18例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例形成干涉濾光片的薄膜層的
順序；
圖19例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的千涉濾光片的理論透射率
與波長(zhǎng)的關(guān)系；
圖20例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的干涉濾光片的實(shí)驗(yàn)透射率
與波長(zhǎng)的關(guān)系；
圖21例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，利用干涉濾光片用于頻率
控制的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器陣列；
圖22例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的立體布拉格光柵的實(shí)驗(yàn)反
射率與波長(zhǎng)的關(guān)系；
圖23例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用立體布拉格光柵的擴(kuò) 充空腔激光器；
圖24例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的利用立體布拉格光柵的擴(kuò) 充空腔激光器陣列；
圖25例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，帶有空腔內(nèi)倍頻的垂直擴(kuò) 充空腔表面發(fā)射激光器的功能塊元件；
圖26例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，將端鏡和波長(zhǎng)控制元件的 功能組合在一個(gè)光學(xué)單元中以降低對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性的圖25的功能塊；
圖27例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，將端鏡、波長(zhǎng)控制元件和 非線性晶體的功能組合在一個(gè)光學(xué)單元中以降低對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性的圖25
的功能塊；圖28例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，將端鏡、波長(zhǎng)控制元件、 非線性晶體和極化控制元件的功能組合在 一個(gè)光學(xué)單元中以降低對(duì) 準(zhǔn)復(fù)雜性的圖25的功能塊；
圖29例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，將次要光學(xué)部件的功能合 并到其它單元中以降低對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性的圖25的功能塊；
圖30例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，利用立體布拉格光柵和轉(zhuǎn) 鏡的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射陣列；
圖31例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，具有包括立體布拉格光柵、 非線性光柵和波片的光學(xué)單元的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射陣列；
圖32A是例示按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例， 一種顏色的表面發(fā)射激 光器陣列的封裝設(shè)計(jì)的透視圖32B例示了圖32A的外殼的斷面圖32C例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的三個(gè)激光器封裝陣列的 透視圖33例示了通過質(zhì)子注入來限制驅(qū)動(dòng)電流的倍頻表面發(fā)射激光 器二極管的圖形；
圖34例示了大直徑VECSEL器件的橫向光學(xué)泵浦的影響；以及
圖35是比較作為投影顯示器的光源的表面發(fā)射激光器陣列與傳 統(tǒng)LED和UHP光源的性能的圖表。
在所有附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相應(yīng)的部分。
具體實(shí)施例方式
I.用于投影顯示器的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射光源的基本結(jié)構(gòu) 圖1是示出生成光處理(LP)系統(tǒng)所需的幾種不同顏色的光的 光源100的輪廓圖。在紅綠藍(lán)(RGB) LP系統(tǒng)中，光源生成紅光、 綠光和藍(lán)光。半導(dǎo)體激光器的第一陣列105用于從兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立 激光器中生成藍(lán)光的多個(gè)光束107。半導(dǎo)體激光器的第二陣列110用 于從兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立激光器中生成紅光的多個(gè)光束113。半導(dǎo)體激 光器的第三陣列115用于從兩個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立激光器中生成綠光的多個(gè)光束118。因此，光源100包括不同的激光器組。兩個(gè)或更多個(gè)激 光器的各個(gè)組生成用在LP系統(tǒng)中的特定顏色的光。但是，正如下面 更詳細(xì)描述的那樣，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 一個(gè)組中的各個(gè)激光器被 設(shè)計(jì)成基本上與同一組中的其它激光器不相千(例如，不同相)，以 便減弱光斑。在圖1中，每個(gè)激光器陣列105、 110和115被例示成 從四個(gè)獨(dú)立激光發(fā)射器(未示出)生成四個(gè)光束。但是，更一般地， 每個(gè)激光器陣列105、 110和115可以具有任意數(shù)量的獨(dú)立激光器。
請(qǐng)注意，在一個(gè)實(shí)施例中，光源100中的各個(gè)激光器和光學(xué)元件 (未示出)最好安排成陣列105、 110和115的各光束107、 113和118 至少部分重疊，使得光源100向空間光調(diào)制器(未示出)提供均勻照 明。空間光調(diào)制器可以是光閥，譬如具有微鏡的數(shù)字鏡光閥(有時(shí)被 稱為"數(shù)字光閥")、由液晶元件陣列形成的光閥或硅上液晶(LCOS) 空間調(diào)制器。各光束107、 113和118的初始重疊可以例如只是部分 的，并且可以通過附加光學(xué)元件(未示出)增加。
陣列105、 110和115的一個(gè)或多個(gè)可以利用非線性頻率轉(zhuǎn)換器 120、 125或130將源發(fā)射頻率轉(zhuǎn)換成不同頻率的輸出顏色。非線性頻 率轉(zhuǎn)換允許在一種源頻率上發(fā)射的光轉(zhuǎn)換成另一種頻率。例如，在一 個(gè)實(shí)施例中，通過倍頻各個(gè)激光器中的半導(dǎo)體增益元件所生成的源激 光器頻率，來生成紅色、藍(lán)色和綠色波長(zhǎng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，紅色 激光器在紅色波長(zhǎng)范圍內(nèi)直接工作，但綠色和藍(lán)色通過倍頻生成?？?替代地，紅色激光器可以由通過非線性光學(xué)過程參數(shù)降頻轉(zhuǎn)換的綠色 激光器的陣列組成。非線性頻率轉(zhuǎn)換器可以位于每個(gè)獨(dú)立激光器的激 光諧振器內(nèi)或位于諧振器的外部?？梢杂米鞣蔷€性頻率轉(zhuǎn)換器的非線 性晶體的例子包括周期性極化鈮酸鋰、周期性極化鉭酸鋰和周期性極 化KTP。這些非線性晶體可以使用諸如氧化鎂的適當(dāng)攙雜物，以提高 它們的可靠性和/或極化質(zhì)量。
可以包括耦合光并提供附加頻率穩(wěn)定性的輸出耦合器135、 140 和145。例如，輸出耦合器135、 140和145可以包括耦合光并提供各 個(gè)子陣列的頻率控制的立體布拉格光柵。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，一個(gè)或多個(gè)輸出耦合器包含立體布拉格光柵。另外，可以包括控制每個(gè) 激光器的波長(zhǎng)的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)控制元件(未示出)。波長(zhǎng)控制元件 的例子包括空腔內(nèi)平面光柵、立體光柵、實(shí)心標(biāo)準(zhǔn)具、涂薄膜標(biāo)準(zhǔn)具
和里奧(Lyot)濾光片。這些波長(zhǎng)控制元件可以是分立的，或者為了 緊湊和降低成本起見，也可以與其它空腔內(nèi)元件合為一體。
本發(fā)明的一個(gè)方面是，總的光功率與光源100中的激光器總數(shù)幾 乎成正比。作為一個(gè)可替代例子，光源100可以由三個(gè)不同的半導(dǎo)體 管芯形成，每個(gè)半導(dǎo)體管芯具有至少一行激光器。另外，通過在瓷磚 式配置下包括附加管芯，譬如，陣列105、 110或115的至少一個(gè)包 括兩個(gè)或更多個(gè)管芯，可以進(jìn)一步提高輸出功率。封裝光源100可以 形成，例如，總面積大約l平方厘米的發(fā)射器陣列。在一個(gè)實(shí)施例(未 示出)中，可以用光學(xué)方法組合來自兩個(gè)或更多個(gè)光源100的輸出。 另外，光學(xué)技術(shù)也可以用于將各個(gè)陣列105、 110或115的輸出與發(fā) 射相同顏色的陣列組合。用光學(xué)方法組合兩個(gè)或更多個(gè)陣列105、 110 或115或兩個(gè)或更多個(gè)光源100的光輸出的技術(shù)的例子包括二向色光 學(xué)器件或極化光束組合光學(xué)器件。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是紅色、綠色或藍(lán)色陣列105、 110或115 的一個(gè)或多個(gè)可以由擴(kuò)充空腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器形成。圖2例示 了示范性現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)充空腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器。擴(kuò)充空腔表面發(fā) 射半導(dǎo)體激光器是具有超過邊緣發(fā)射半導(dǎo)體激光器或傳統(tǒng)表面發(fā)射 激光器的許多優(yōu)點(diǎn)的一類半導(dǎo)體激光器。擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器通 常包括位于半導(dǎo)體增益元件內(nèi)的至少一個(gè)反射器。例如，生長(zhǎng)在量子 勢(shì)阱增益區(qū)210每一側(cè)上的一對(duì)空腔內(nèi)布拉格鏡205形成限定基本激 光波長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)的法布里-珀羅(Fabry-Perot)諧振器。與半導(dǎo)體 增益元件隔開的附加外部反射器215限定提供附加波長(zhǎng)控制的光學(xué)諧 振器的擴(kuò)充空腔。通過適當(dāng)選擇量子勢(shì)阱增益區(qū)210、布拉格鏡205 和外部反射器215，可以在很大波長(zhǎng)范圍內(nèi)選擇基波長(zhǎng)。然后，又可 以通過倍頻光學(xué)晶體220來倍頻基波長(zhǎng)，以生成所需顏色的光。
包括光學(xué)倍頻光學(xué)晶體220或其它頻率轉(zhuǎn)換器件的附加光學(xué)元件可以包括在擴(kuò)充空腔的光學(xué)諧振器中用于空腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換。作為另 一個(gè)例子，在擴(kuò)充空腔中(或在半導(dǎo)體增益元件內(nèi))可以包括飽和吸 收器(未示出)，以便形成鎖模激光器。有效鎖模擴(kuò)充空腔半導(dǎo)體激
光器描述在與本申請(qǐng)同 一天提出的發(fā)明名稱為"Apparatus, System,
and Method for Wavelength Conversion of Mode-Locked Extended Cavity Surface Emitting Semiconductor Lasers，，的同時(shí)待審美國(guó)專利 申請(qǐng)第11/194,141號(hào)中，特此全文引用以供參考。
激光器表現(xiàn)出高光功率輸出、長(zhǎng)工作壽命、精確激光器波長(zhǎng)控制和空 間光學(xué)?？刂?，提供了便于制造和測(cè)試的表面發(fā)射的好處，并且可以
適合包括諸如二次諧波倍頻器的光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換元件，以便生成紅色、 綠色和藍(lán)色的光。另外，可以在單個(gè)管芯上制造高功率擴(kuò)充空腔表面 發(fā)射激光器的陣列，使得可以在只利用少量不同半導(dǎo)體管芯、頻率轉(zhuǎn) 換器和頻率控制元件的高度可制造過程中制造光源100。其結(jié)果是， 可以制造出利用擴(kuò)充空腔表面發(fā)射陣列、具有大于傳統(tǒng)白光LP系統(tǒng) 的紅色、綠色和藍(lán)色的有用功率輸出、和由于高度可制造性而可以以 合理價(jià)格制造的光源100。描述Novalux^^司開發(fā)的各個(gè)擴(kuò)充空腔表
面發(fā)射半導(dǎo)體激光器和倍頻表面發(fā)射激光器的背景信息描述在美國(guó) 專利第6,243,407、 6,404,797、 6,614,827、 6，778，582和6，898，225號(hào)中， 特此全文引用以供參考。擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器的其它細(xì)節(jié)描述在 美國(guó)專利申請(qǐng)第10/745,342和10/734,553號(hào)中，特此全文引用以供參 考。另外，下面將更詳細(xì)描述與示范性擴(kuò)充空腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光 器有關(guān)的細(xì)節(jié)。
在一個(gè)實(shí)施例中，光源100中的激光器被設(shè)計(jì)成以脈沖模式工 作。電連接器(未示出)被配備成驅(qū)動(dòng)每個(gè)激光器陣列105、 110和 115的各個(gè)獨(dú)立激光器。激光器控制器180用于調(diào)節(jié)每個(gè)激光器陣列 105、 110和115的驅(qū)動(dòng)電流和/或電壓。激光器控制器180最好允許 各個(gè)激光器陣列105、 110和115以脈沖模式工作。在一個(gè)實(shí)施例中， 激光器控制器180允許各個(gè)激光器陣列105、 110和115順序工作，即，在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)生成紅光，在另一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)生成綠光，并
在另一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)生成藍(lán)光，從而使LP系統(tǒng)中沒有必要使用色輪 來濾光。在一個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)激光器和激光器的子組可被激光器控 制器180獨(dú)立尋址。激光器控制器180也可以使用來自光學(xué)監(jiān)視器(未 示出)的反饋來調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流/電壓，以保持所選輸出特性。例如，激 光器控制器180可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流或脈沖寬度來保持LP系統(tǒng)中的所 需灰度級(jí)。在一個(gè)實(shí)施例中，制造的激光器陣列105、 110和115包 括至少一個(gè)冗余激光器。在這個(gè)實(shí)施例中，激光器控制器180確定用 在每個(gè)陣列中的最初一組可操作激光器。然后，如有需要，接通備用 的冗余激光器取代出故障的激光器，從而延長(zhǎng)光源IOO的使用壽命。
在一個(gè)實(shí)施例中，以脈沖模式來驅(qū)動(dòng)每個(gè)激光器陣列105、 110 和115。脈沖操作模式提供了包括降低熱耗在內(nèi)的許多好處。另外， 取決于脈沖參數(shù)，脈沖操作模式還可以提供有益的鐠擴(kuò)寬。光閥通常 具有它們改變反射或透射狀態(tài)所需的特征時(shí)間和相關(guān)的最短接通時(shí) 間。在脈沖操作模式下，光源IOO最好生成具有高重復(fù)率的脈沖，使 得光脈沖之間的間隔與光閥的最短接通時(shí)間相比較短。因此，高重復(fù) 率允許在其最短可能接通周期內(nèi)預(yù)選的最小數(shù)量激光脈沖撞擊數(shù)字 光閥的微鏡，從而提高灰度分辨率。示范性重復(fù)率與lMHz—樣快， 比用在電視、視頻和計(jì)算機(jī)圖形中的傳統(tǒng)幀重復(fù)率快得多。更一般地， 可以根據(jù)特定LP系統(tǒng)的特性來選擇重復(fù)率。例如，激光重復(fù)率最好 高到與利用用在會(huì)議室投影儀和家用電視中的商用數(shù)字鏡光閥或液 晶光閥來實(shí)現(xiàn)全灰度級(jí)相當(dāng)。
光源100最好設(shè)計(jì)成大致上將LP系統(tǒng)中的光斑減弱到可接受的 程度，即，將光斑減弱到使觀看LP系統(tǒng)中的圖像的人員可接受觀看 感受的程度。正如在光學(xué)領(lǐng)域中眾所周知的那樣，當(dāng)從散射中心反射 相干光時(shí)，會(huì)引起光斑。引起的干涉生成看起來像光斑的明暗斑點(diǎn)。 可以通過光斑圖案的波峰-波谷強(qiáng)度調(diào)制，即，明暗斑點(diǎn)之間的波峰 -波谷強(qiáng)度的百分比變化來數(shù)字地表征光斑。有時(shí)用在LP技術(shù)中的 一條規(guī)則是，為了實(shí)現(xiàn)可接受的觀看感受，在LP系統(tǒng)中要求光斑調(diào)制為大約4%或更小。
在通過激光器照亮的LP系統(tǒng)的背景下，由于從光閥中或LP系 統(tǒng)的其它光學(xué)元件中的散射中心反射相干光，所以會(huì)出現(xiàn)光斑。光斑 會(huì)造成使投影圖像的光學(xué)質(zhì)量下降的光學(xué)不均勻性。在從單個(gè)激光源 接收高度相干光的LP系統(tǒng)中，光斑是特別嚴(yán)重的問題。正如在光學(xué) 領(lǐng)域中眾所周知的那樣，相干性與光波相長(zhǎng)和相消干涉的能力有關(guān)。 光頻、相位和空間屬性的分布窄的單個(gè)激光源是高度相干的，因此易 于生成光斑。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過可以單獨(dú)使用或與通過擴(kuò)大光源 100的光學(xué)屬性(例如，相位，i普寬)的分布來減弱光源100中的相 干性結(jié)合在一起使用的幾種不同技術(shù)，減弱利用光源100的LP系統(tǒng) 沖的光斑。首先，增加光源100中基本上彼此不相干的相同顏色激光 器的數(shù)量將引起光斑減弱。盡管單個(gè)陣列105、 110或115中的每個(gè) 激光器發(fā)射相同顏色的相干激光，但就引起光斑的光干涉效應(yīng)而言， 具有不同相位的相同顏色的不同相激光器彼此不相干。其結(jié)果是，每 個(gè)不同相激光器的光斑引起強(qiáng)度變化與其它激光器無關(guān)，使得不同相 激光器的陣列105、 110或115的綜合照明均勻性隨著不同相激光器 的數(shù)量增加而改善。尤其，光斑往往隨著振幅相等的相同顏色的不同 相激光器的數(shù)量的平方根成反比地減弱。因此，每個(gè)陣列中的激光器 最好^殳計(jì)成彼此不同相地工作，即，各個(gè)陣列105、 110或115被設(shè) 計(jì)成不提供將相互顯著鎖定陣列中的兩個(gè)或更多個(gè)激光器的頻率和 相位的顯著激光器間反饋。其次，由于鐠擴(kuò)寬使光斑減弱，使譜擴(kuò)寬 的任何操作模式都將引起光斑減弱。使半導(dǎo)體激光器的譜擴(kuò)寬的技術(shù) 的例子包括利用選來產(chǎn)生譜擴(kuò)寬的脈沖參數(shù)(例如，接通時(shí)間)在
脈沖模式下操作激光器；選來產(chǎn)生譜擴(kuò)寬的激光器的高頻調(diào)制；產(chǎn)生 譜擴(kuò)寬的鎖模激光器；以及它們的子組合，譬如，在脈沖模式下操作
鎖模激光器。第三，陣列105、 110和115中的各個(gè)激光器可以被設(shè)
計(jì)成以多頻模、軸?；蚩臻g模工作，以擴(kuò)大每個(gè)激光器的頻率、相位
和方向(角度)分布。第四，可以利用光學(xué)元件來加擾光束107、 113和118的方向、相位和極化信息以減弱相干性。
最好，用在激光器陣列105、 110和115中的擴(kuò)充空腔激光器具 有穩(wěn)定的光學(xué)特性。另外，如果使用倍頻，最好使降低二次諧波轉(zhuǎn)換 過程的效率的相移影響最小化。圖3例示了具有用于穩(wěn)定光學(xué)模并減 小倍頻過程中的有害相移的透鏡310的擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器300。 每個(gè)激光器增益元件305都包括光學(xué)增益區(qū)，并且還可以包括一個(gè)或 多個(gè)分布式布拉格反射器(未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，在半導(dǎo)體襯 底315上形成蝕刻透鏡310。在一個(gè)可替代實(shí)施例中，利用外部透鏡 (未示出)來取代蝕刻透鏡310，外部透鏡是利用諸如光學(xué)玻璃的傳 統(tǒng)光學(xué)材料形成的。示范性制造的蝕刻透鏡310例示在詳細(xì)插圖350 中。非線性光學(xué)材料320包含在激光諧振器中。諧振鏡325直接位于 非線性材料上面或可以是光柵器件，兩者都被設(shè)計(jì)成將輸出波長(zhǎng)控制 成與非線性光學(xué)材料320的相位匹配波長(zhǎng)匹配。但是，應(yīng)該明白，也 可以利用其它技術(shù)來制造陣列的各個(gè)元件。
空腔內(nèi)透鏡310用于在半共焦配置下提供穩(wěn)定橫模(最好， TEM。。模)。在這種布置下，在正向諧波光透過扁平輸出耦合器(未 示出)以及反向諧波光從被涂成對(duì)于基波波長(zhǎng)高度透明并在諧波波長(zhǎng) 上高度反射的透鏡310的表面反射的同時(shí)，將紅外光(即，要倍頻的 由半導(dǎo)體生成的基頻光)聚焦在非線性光學(xué)材料320上。這個(gè)透鏡元 件對(duì)于諧波光作為凸面鏡，并且，由于它與基波波長(zhǎng)激光束重疊，將 降低非線性材料中的強(qiáng)度。
與非線性光學(xué)材料320中的基波激光束重疊的區(qū)域中的降低強(qiáng) 度將具有降低將降低總非線性轉(zhuǎn)換效率的任何相移影響的優(yōu)點(diǎn)。正向 和反向波的束發(fā)散幾乎相同。正向波的諧波光的模腰位置在輸出鏡位 置附近，而反向波的諧波光的模腰位置在反射鏡的虛像處。這兩條光 束將在相同方向上傳播，但波束角有點(diǎn)不同。
玻璃:雙光學(xué)透鏡，、來制造空腔/的聚焦透鏡、io:將這樣-透鏡引
入空腔將降低通常存在于具有正dn/dt (折射率隨溫度的變化)的材科的大多數(shù)激光器系統(tǒng)中的熱透鏡化的可變影響。但是，只依靠熱透 鏡來穩(wěn)定空腔的空間模的實(shí)施例也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在這種情況
下，可以通過例如45。分束器來使用提取反向傳播二次諧波光束的更 傳統(tǒng)方法。
非線性晶體320被放在輸出鏡(未示出)上或輸出鏡附近，或它 可以具有在諧波波長(zhǎng)上高度透射以及在基波波長(zhǎng)上高度反射的直接 淀積在其上的鏡325。如果使用分立輸出鏡，它也可以由用于波長(zhǎng)選 擇的立體全息光柵或諸如復(fù)制光柵或諧振標(biāo)準(zhǔn)具反射器的任何其它 波長(zhǎng)諧振反射器組成?？商娲?，鏡可以是涂有寬帶涂層的傳統(tǒng)玻璃 元件，以及可以以傾斜角度將諸如實(shí)心或薄膜淀積標(biāo)準(zhǔn)具的波長(zhǎng)選擇 器放置在空腔中。這樣的元件(光柵或標(biāo)準(zhǔn)具)可以是分立的，或與 其它元件合并在一起(為了緊湊和降低成本)。例如，傳統(tǒng)光柵或薄 膜干涉濾光片可以淀積在非線性晶體的楔形表面或輸出鏡的第二 (在 空腔內(nèi)觀看)表面上。輸出鏡也可以是凸反射器，凸反射器被設(shè)計(jì)成 提供放置非線性光學(xué)材料320的空腔內(nèi)的中間焦點(diǎn)，從而使非線性晶 體中的有效光路長(zhǎng)度加倍。
應(yīng)該明白，光源10 0適合與除了光閥之外的不同類型空間調(diào)制器 一起使用。在一個(gè)實(shí)施例中，光源IOO也可以具有被設(shè)計(jì)成生成用在 掃描光學(xué)系統(tǒng)中的單個(gè)光束的光學(xué)透鏡系統(tǒng)中。在掃描光學(xué)系統(tǒng)中， 空間調(diào)制器包含用于以X-Y網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)來掃描激光束的鏡。對(duì)于掃描 光學(xué)系統(tǒng)，陣列中的每個(gè)光束最好應(yīng)該是幾乎衍射受限的。
圖4是例示從光源100到投影屏幕405的光路的示意性布局、按 照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的LP系統(tǒng)400的方塊圖。來自光源100的光束 可以聚焦到多數(shù)情況下是長(zhǎng)方形的光導(dǎo)410中，然后，在光束從光導(dǎo) 410出來之后，聚焦在光閥420 (例如，數(shù)字光閥)上。光源100生 成的光束將具有一些初始重疊。但是，光導(dǎo)可被選擇成使光束的重疊 增加。尤其，波導(dǎo)的內(nèi)部反射、衍射、模轉(zhuǎn)換或其它電磁特性可以用 于加擾光導(dǎo)410內(nèi)的光束。在這種情況下，所有光束將某種均勻程度 地分別與可能出現(xiàn)在每條光束中的減弱光斑重疊。在鎖模激光器陣列的情況下，鎖模脈沖的鐠擴(kuò)寬將導(dǎo)致光斑進(jìn)一步減弱。由于線性調(diào)頻 或在幾種空間?；蜃V模下工作，使語(yǔ)擴(kuò)寬的脈沖器件也將使光斑某種 程度地減弱。
可以使系統(tǒng)400中的各個(gè)激光器不同相。脈沖操作往往擴(kuò)寬各個(gè) 激光器的鐠，因此降低它們的相干程度并使光斑減弱。單個(gè)透鏡430 將相互平行行進(jìn)的所有激光束聚焦在焦斑上，焦斑的尺寸由每條光束 的直徑和透鏡430的焦距決定?？梢酝ㄟ^將激光束擴(kuò)大到陣列的間距 來填充每個(gè)副孔徑，然后利用單個(gè)透鏡430聚焦，來為所有光束提供 最小光斑尺寸。輸入激光束在光導(dǎo)410內(nèi)經(jīng)歷往往加擾光束的散射， 使得輸出光以被均勻填充成與數(shù)字光閥匹配的長(zhǎng)方形圖案從光導(dǎo)410 出來。
在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)400包括控制激光器陣列的激光器控制器 180和控制光閥的光閥控制器480。兩個(gè)控制器最好具有相互通信的 鏈路490。在一個(gè)實(shí)施例中，激光器控制器180控制諸如重復(fù)率的光 源100的工作屬性。對(duì)于激光器控制器180，可以包括監(jiān)視激光器輸 出并控制輸出功率的傳感器(未示出)，對(duì)于鎖模激光器的情況，激 光器控制器180還可以控制用于鎖模激光器的飽和吸收器的操作。
激光器控制器180還確定光源100的紅色、綠色或藍(lán)色激光器在 一個(gè)幀內(nèi)的特定時(shí)間段內(nèi)是否發(fā)光。在一個(gè)實(shí)施例中，LP系統(tǒng)400 不具有濾色輪。取而代之，通過將光源100的紅色、綠色或藍(lán)色激光 器同步成在幀的不同時(shí)間內(nèi)以脈沖串模式工作來生成幀的紅色、綠色 或藍(lán)色部分。在脈沖串模式下，只有一組激光器(例如，紅色、綠色 或藍(lán)色)用于生成一列光脈沖。因此，在要顯示的每個(gè)幀中，激光器 控制器和光閥控制器480相互通信，以便當(dāng)光閥420要投影像素的紅 色部分時(shí)只同步接通紅色激光器，當(dāng)光閥420要投影像素的綠色部分 時(shí)只同步接通綠色激光器，而當(dāng)光閥420要投影像素的藍(lán)色部分時(shí)只 同步接通藍(lán)色激光器。這種配合使帶有單個(gè)數(shù)字光閥芯片的系統(tǒng)可以 省略色輪濾光器，提高了可靠性和效率，并且提高了顯示圖像的質(zhì)量。
另外，在一些實(shí)施例中，通過激光器控制器180來調(diào)整激光器重復(fù)率，以計(jì)及諸如數(shù)字光閥中的各自鏡的光閥420中的各個(gè)元件的響 應(yīng)時(shí)間。數(shù)字光閥通過微鏡的接通/關(guān)閉響應(yīng)的脈寬調(diào)制來控制灰度 級(jí)。數(shù)字光閥的各個(gè)微鏡具有與在關(guān)閉狀態(tài)和接通狀態(tài)之間轉(zhuǎn)動(dòng)微鏡 相關(guān)的上升和下降時(shí)間。特定顏色(例如，紅色)的激光的脈沖串是 脈沖序列。如前所述，選擇相對(duì)較高的標(biāo)稱脈沖重復(fù)率便于控制灰度 級(jí)。高脈沖率允許使用相對(duì)較小的最短鏡接通時(shí)間(因?yàn)槊}沖串中的 許多光脈沖將能夠被偏轉(zhuǎn)到投影屏幕)。
在一個(gè)實(shí)施例中，調(diào)整光源100中的每個(gè)激光器的脈沖重復(fù)率， 以便優(yōu)化數(shù)字光閥的微鏡的最關(guān)鍵上升/下降部分的光學(xué)響應(yīng)。例如， 使數(shù)字光閥的微鏡在有限運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)傾斜諸如10°到15°的角度。但 是，最后1到2度的傾斜對(duì)灰度級(jí)的控制產(chǎn)生巨大影響。通過根據(jù)微 鏡的接通/關(guān)閉響應(yīng)來調(diào)整重復(fù)率，可以優(yōu)化數(shù)字光閥的光學(xué)響應(yīng)。還 應(yīng)該明白，通過使數(shù)字光閥和每個(gè)激光器陣列105、 110和115充分 同步，可以有利地定時(shí)每個(gè)激光器陣列脈沖串的接通和關(guān)閉，以便在 相對(duì)于微鏡的接通或關(guān)閉相位的精確時(shí)間啟動(dòng)或停止一系列脈沖。另 外，還應(yīng)該明白，在一個(gè)脈沖串期間可以動(dòng)態(tài)地改變激光器陣列105、 110和115的重復(fù)率。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過將每個(gè)陣列105、 110、 115電劃分成利用 不同相位來驅(qū)動(dòng)以提高有效脈沖重復(fù)率的分立分部("子陣列")來提 高有效脈沖重復(fù)率。在這個(gè)實(shí)施例中，相互之間存在相位延遲地利用 分立驅(qū)動(dòng)器分別將脈沖供應(yīng)給單種顏色的不同子陣列。相差可以選擇 成，例如脈沖重復(fù)率除以子陣列個(gè)數(shù)的分?jǐn)?shù)，以便提高每種顏色的脈 沖的總重復(fù)率。這樣就克服了陣列的任何獨(dú)立元件的任何脈沖重復(fù)率 限制，以便實(shí)現(xiàn)任何適當(dāng)灰度級(jí)并與數(shù)字鏡脈寬和微鏡的上升和下降 時(shí)間兼容。
圖5例示了包括光學(xué)透鏡系統(tǒng)505 (用棋盤圖案例示)的投影系 統(tǒng)的實(shí)施例，光學(xué)透鏡系統(tǒng)505被設(shè)計(jì)成將來自光源500中的每個(gè)激 光器的光輸出轉(zhuǎn)換成與光閥540匹配的輪廓。例如，各個(gè)激光器元件 510具有將它的輸出轉(zhuǎn)換成與光閥540匹配的光輸出的光學(xué)元件。相似地，另一個(gè)激光器元件520具有將它的輸出轉(zhuǎn)換成與光閥540匹配 的光輸出的光學(xué)元件。這種布置的好處是，光閥540表面上的光學(xué)均 勻性與光源500中的哪個(gè)獨(dú)立激光器元件正在工作無關(guān)。也就是說， 光學(xué)透鏡系統(tǒng)505的結(jié)果是，來自每個(gè)激光器的輸出在光閥540上通 過相同輪廓重疊。因此，獨(dú)立激光器元件510或520的一個(gè)或多個(gè)的 故障將不會(huì)影響光閥540上的照明均勻性。因此，在獨(dú)立激光器元件 出故障的情況下，可以提高其它激光器元件的功率輸出，以便不改變 照明均勻性地補(bǔ)償功率損耗。此外，這種布置便于在需要時(shí)被接通以 保持功率輸出的冗余激光器的使用。
在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)透鏡系統(tǒng)505將光源500的陣列中的每個(gè) 激光束投影成成像到數(shù)字光閥520上的長(zhǎng)方形大禮帽狀強(qiáng)度輪廓510。 諸如衍射光學(xué)元件的光學(xué)元件用于將來自光源500中的每個(gè)元件的圓 形高斯激光束轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)方形大禮帽狀光分布，隨后引導(dǎo)成充分覆蓋光 閥的整個(gè)區(qū)域，然后成像到正投或背投屏幕上。這個(gè)透鏡系統(tǒng)可以是 反射的、衍射的或透射的，并可以由例如玻璃透鏡陣列或數(shù)字光學(xué)透 鏡系統(tǒng)制成。數(shù)字光學(xué)透鏡系統(tǒng)可以由諸如塑料的各種材料組成。數(shù) 字光學(xué)透鏡系統(tǒng)可從諸如Alabama州Huntsville的MEMS Optical 公司的各種銷售商那里獲得。作為一個(gè)例子，光學(xué)透鏡系統(tǒng)505可以 包括設(shè)計(jì)成為每一個(gè)生成圓形高斯激光束的激光器的陣列生成大禮 帽狀強(qiáng)度分布的非對(duì)稱雙光學(xué)透鏡布置。更一般地，可以利用考慮到 要成像到光岡540上的所需強(qiáng)度輪廓、選擇光源500中的激光器的布 置和光源500中的每個(gè)激光器的光束特性的光學(xué)模擬技術(shù)來設(shè)計(jì)光學(xué) 透鏡系統(tǒng)。
光學(xué)透鏡系統(tǒng)505允許陣列中的每個(gè)激光器具有近似與數(shù)字光 閥的輪廓匹配的光束輪廓。光學(xué)透鏡系統(tǒng)最好被設(shè)計(jì)成使得陣列中的 每個(gè)激光器具有投影到數(shù)字光閥上的幾乎相同的長(zhǎng)方形大禮帽狀強(qiáng) 度輪廓。這樣就使每個(gè)激光器與數(shù)字光閥幾乎完全匹配。此外，盡管 附加了光學(xué)透鏡系統(tǒng)505，但由于在LP系統(tǒng)中可以省略傳統(tǒng)的三棱 鏡二向色透鏡系統(tǒng)，LP系統(tǒng)的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)可以更^t宜。另外，一個(gè)獨(dú)立激光器的故障可以通過調(diào)整其它激光器的功率來彌補(bǔ)。由于能
夠控制來自陣列的總光功率，圖5的系統(tǒng)使投影系統(tǒng)可以具有均勻的 光強(qiáng)并在系統(tǒng)的壽命內(nèi)保持這個(gè)強(qiáng)度。這可以通過提高到陣列的驅(qū)動(dòng) 電流或通過使陣列具有以后可以接通的附加(冗余)激光器元件來實(shí) 現(xiàn)。
每個(gè)表面發(fā)射陣列105、 110和115可被連線，使得所有元件可 以串行或串行和并行的某種組合地工作。由于使電流減小和使電阻發(fā) 熱減小，因此使供電效率提高了。另外，為了避免熱逃逸，可以利用 一個(gè)電流來驅(qū)動(dòng)串聯(lián)陣列。并且，與所有時(shí)間都接通并使用濾色輪只 選擇一種顏色而拒絕來自燈泡的其它波長(zhǎng)的燈泡不同，可以只在三分 之一的時(shí)間內(nèi)依次驅(qū)動(dòng)每種顏色的子陣列。
雖然前面針對(duì)生成三原色的光源描述了本發(fā)明，但應(yīng)該明白，光 源100和500也適用于通過選擇激光器陣列的特性和數(shù)量以取得所需 輸出顏色的光束，來生成不同序列的顏色或不止三種的顏色。因此， 應(yīng)該明白，本發(fā)明不局限于用在基于紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)光源 的光投影系統(tǒng)中。例如，如果光投影系統(tǒng)需要與RGB不同的顏色組， 則本發(fā)明的光源100和500適合包括生成光投影系統(tǒng)所需的每種不同 顏色的激光器陣列。還應(yīng)該明白，非線性頻率轉(zhuǎn)換可以推廣到三倍或 四倍頻率。
一些類型的空間調(diào)制器對(duì)極化光最有效。作為一個(gè)例子，某些類 型的液晶調(diào)制器調(diào)制極化光。應(yīng)該明白，在一些實(shí)施例中，光源100 和500被設(shè)計(jì)成具有選擇成便于調(diào)制極化光的空間調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制的 極化。
II.驅(qū)動(dòng)用于顯示應(yīng)用的激光源的方法
如前所述，半導(dǎo)體激光器具有包括高亮度、低光學(xué)徑角性、擴(kuò)充 色域和調(diào)制能力的許多顯示優(yōu)點(diǎn)。由于運(yùn)動(dòng)視頻所需的固有調(diào)制，后 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)于顯示尤其重要。在激光源中小心使用調(diào)制有益于整個(gè)顯 示系統(tǒng)。
而且，用于顯示的半導(dǎo)體激光源可以利用非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生所需顯示波長(zhǎng)。所有這些過程與功率成超線性比例。因此，即使平均 輸入功率不變或降低，平均而言，脈沖倍頻半導(dǎo)體激光器也可以導(dǎo)致 輸出或效率提高。但是，為了充分利用脈沖調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體激光 源需要使激光器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)與空間光調(diào)制器協(xié)調(diào)。
與用半導(dǎo)體激光器取代傳統(tǒng)白光源有關(guān)的 一些問題可以參照?qǐng)D
6來理解，圖6例示了由五個(gè)部件組成的傳統(tǒng)投影顯示系統(tǒng)白光源、 濾色片、空間調(diào)制器、投影透鏡組件和投影表面。在一些情況下，譬 如，當(dāng)顯示系統(tǒng)將陰極射線管用作光源和空間調(diào)制器兩者時(shí)，或當(dāng)光 源產(chǎn)生一組離散顏色時(shí)，可以組合一個(gè)或多個(gè)部件，因此可以有效地 包含濾色片。
當(dāng)投影系統(tǒng)用于顯示運(yùn)動(dòng)視頻時(shí)，它們可以通過以比人眼可以跟 隨的更快速率生成一系列靜態(tài)圖像來完成。這個(gè)速率一般被稱為停閃 頻率，通常是24-30 Hz。用于電視的視頻信號(hào)通常按每秒60個(gè)隔行 掃描圖像編碼。隔行掃描是通過將圖像表達(dá)成一系列條紋或線條，并 以交替方式顯示每個(gè)圖像的隔行來加速圖像顯示速率的方法。由于在 任何一個(gè)圖像中只畫出一半線條，可以使速率加倍。這種顯示系統(tǒng)中 的單個(gè)圖像一般被稱為一幀。在許多投影系統(tǒng)中，通過至少三個(gè)顏色 信道，通常紅色、綠色和藍(lán)色的組合來形成圖像。在一些情況下，通 過單個(gè)調(diào)制器依次生成每種顏色的圖像。這被稱為顏色順序操作。
圖7A、 7B和7C更詳細(xì)地例示了傳統(tǒng)投影系統(tǒng)如何將色輪用于 顏色順序操作。圖7A例示了利用色輪的傳統(tǒng)投影系統(tǒng)。白光源通常 是帶有會(huì)聚光學(xué)器件的弧光燈，濾色片由位于轉(zhuǎn)軸附近的一系列濾光 片形成， 一般被稱為色輪，以便隨著組件旋轉(zhuǎn)，依次將光源濾波成組 分顏色，使幾種顏色出現(xiàn)在序列中(例如，隨著色輪旋轉(zhuǎn)，從紅色到 綠色再到藍(lán)色)。序列中的每種顏色持續(xù)的最長(zhǎng)時(shí)間取決于色輪的轉(zhuǎn) 速和輪中的分段數(shù)量。本例中的空間調(diào)制器由作用于序列中的每種顏 色以便在屏蔽上形成綜合圖像的單個(gè)調(diào)制器組成。所有這一切發(fā)生在 視頻信號(hào)的每個(gè)幀內(nèi)。利用這種濾光片的一個(gè)結(jié)果是，隨著濾光片之 間的邊界之一掃過光源，會(huì)產(chǎn)生混合顏色的光。必須防止這種光到達(dá)投影表面。這通常通過將空間調(diào)制器設(shè)置成最小透射狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。因
此，這些周期一般被稱為消隱周期。圖7B例示了消隱周期內(nèi)色輪上 的光束覆蓋區(qū)。圖7C例示了單種顏色的光照射在顯示調(diào)制器上時(shí)， 有效周期內(nèi)色輪上的光束覆蓋區(qū)。因此，舉例來說，在色輪旋轉(zhuǎn)期間， 隨時(shí)間的示范性序列可以是第一時(shí)間周期內(nèi)的紅光、消隱周期、第二 時(shí)間周期內(nèi)的綠光、消隱周期、然后是第三時(shí)間周期內(nèi)的藍(lán)光等。作 為一個(gè)例示性例子，在許多DLP系統(tǒng)中，色輪以大約120Hz旋轉(zhuǎn)， 以支持以60Hz的速率生成的隔行掃描幀。在一些情況下，色輪被進(jìn) 一步劃分成六個(gè)分段，以生成240 Hz的等效紅綠藍(lán)旋轉(zhuǎn)速率，以支 持高分辨率顯示并減少可見偽像。因此，在本例中，顏色將順序改變， 使得以120 - 240 Hz的速率重復(fù)整個(gè)R - G - B序列，以便以60 Hz 生成整個(gè)彩色幀。注意，即使通過增加旋轉(zhuǎn)速率或分段的數(shù)量可以使 色輪的有效旋轉(zhuǎn)速率有所增加，但由于消隱周期的有限寬度，消隱周 期也對(duì)有效旋轉(zhuǎn)速率造成實(shí)際限制。
現(xiàn)有技術(shù)中的一種可替代手段(未示出)是用空間分離組分顏色
的濾色系統(tǒng)來代替色輪，使得每種顏色照射在分立調(diào)制器上。然后在 投影在屏幕上之前重組調(diào)制的顏色。在這種系統(tǒng)中，與消除與顏色順 序操作相關(guān)的一些問題并行地處理組分顏色。額外的調(diào)制器和所需的 光學(xué)器件使這種空間調(diào)制器的并行布置比顏色順序系統(tǒng)更昂貴。因 此，顏色順序系統(tǒng)一般用在消費(fèi)品中。但是，顏色順序系統(tǒng)所需的較 快調(diào)制器可以抵銷其它費(fèi)用節(jié)省，這意味著基于較慢調(diào)制器，例如， 高溫、多晶硅、基于液晶的調(diào)制器的系統(tǒng)享受到相當(dāng)多的市場(chǎng)份額。 特別感興趣的一類投影系統(tǒng)是利用快速、二進(jìn)制型空間調(diào)制器的 投影系統(tǒng)，即，對(duì)于每個(gè)像素，調(diào)制器只具有兩個(gè)狀態(tài)，即接通和關(guān) 閉。參照?qǐng)D8,空間調(diào)制器800具有在特定開關(guān)周期內(nèi)可以接通或關(guān) 閉的大量像素元件805,諸如微鏡。如圖9所示，可通過確定空間調(diào) 制器800中的相應(yīng)像素元件805處于接通狀態(tài)并通過色輪被特定單色 的光照射的幀內(nèi)開關(guān)周期的數(shù)量，來選擇特定像素的光強(qiáng)。在傳統(tǒng)系 統(tǒng)中，色輪在轉(zhuǎn)到下一種顏色的位置之前在大量開關(guān)周期內(nèi)用 一種顏色的光照射空間調(diào)制器。因此，例如，各個(gè)像素的紅色組分取決于空
間調(diào)制器中的相應(yīng)像素元件805處于接通狀態(tài)并通過色輪接收紅光的 幀內(nèi)開關(guān)周期的數(shù)量。
這種數(shù)字光調(diào)制器的例子是來自德州儀器(Texas Instruments ) 的DLPTM調(diào)制器。這些器件通過將單個(gè)幀分解成一系列子幀，通常 2"個(gè)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制深度，其中n通常在6到IO之間。為了實(shí)現(xiàn)特定光 級(jí)，調(diào)制器改變幀內(nèi)特定像素處于接通狀態(tài)的子幀的數(shù)量。顯示幀的 特定像素的顏色取決于對(duì)于每種顏色調(diào)制器的相應(yīng)元件處于"接通，， 狀態(tài)的子幀的數(shù)量。取決于給定像素所需的亮度，在一部分子幀內(nèi)接 通各個(gè)像素。理想地，接通和關(guān)閉的子幀在形成幀期間是交織的。注
意，在許多商用系統(tǒng)中，子幀速率比色輪的有效旋轉(zhuǎn)速率高得多。
傳統(tǒng)顏色順序操作的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果在形成單幀期間光路被中 斷，例如，由于觀眾頭或眼睛的移動(dòng)，或由于顯示器的一部分被物理 遮擋，則幀看起來嚴(yán)重地偏向一種或兩種顏色。例如，如果在對(duì)準(zhǔn)紅 色濾光片時(shí)光路被局部或全部中斷，則由于紅光的強(qiáng)度減弱了，幀將 偏向于綠色和藍(lán)色。另外，如果只有一部分光路被阻塞，那么在整個(gè) 幀上都會(huì)存在色偏。在傳統(tǒng)投影顯示系統(tǒng)中與光路中斷相關(guān)的色偏可 以導(dǎo)致負(fù)面的觀看感受。
參照按照本發(fā)明的圖10，用發(fā)光器組件1000來取代傳統(tǒng)白光源， 發(fā)光器組件1000包括諸如紅色、綠色和藍(lán)色激光器的不同顏色的一 組激光器1005。發(fā)光器組件1000將該組激光器1005與空間調(diào)制器 1010電耦合。控制電子器件1020包括激光器控制器1025、激光器驅(qū) 動(dòng)器1030和空間調(diào)制器控制器1035。該組激光器1005可以包含例如 在本專利申請(qǐng)中所述的任何激光器陣列的激光器組。
該組激光器1005的每種顏色激光器可被以脈沖模式分開驅(qū)動(dòng)。 通過將脈沖激光器用于光源，就不需要色輪了。另外，脈沖速率可以 與空間調(diào)制器1010的各自開關(guān)周期(子幀) 一樣快或比空間調(diào)制器 1010的各自開關(guān)周期(子幀)快?？刂齐娮悠骷?020使脈沖激光器 產(chǎn)生的激光脈沖與空間調(diào)制器的開關(guān)周期同步，使得在單個(gè)子幀內(nèi)發(fā)射一種顏色的所有激光脈沖。當(dāng)激光源的脈沖速率與激光器中的典型
應(yīng)用時(shí)標(biāo)或熱時(shí)標(biāo)相比較快，例如，〉lkHz時(shí)，該激光源一般^L稱為 準(zhǔn)連續(xù)波(QCW， quasi-continuous wave) 。 QCW半導(dǎo)體激光器具 有比它們的平均功率大得多的峰值功率。部分原因是激光器在脈沖模 式下工作限制了降低半導(dǎo)體激光源在基頻上的輸出的熱效應(yīng)。另外， 對(duì)于包括倍頻元件的激光器，轉(zhuǎn)換效率也相對(duì)于泵浦激光功率非線性 地增加。因此，倍頻半導(dǎo)體激光器的脈沖模式操作對(duì)于提高輸出功率 尤其有益。此外，脈沖模式操作還使譜擴(kuò)寬，從而使光斑減弱。
圖11A和11B例示了本專利申請(qǐng)的發(fā)明人對(duì)在脈沖模式下工作 的具有空腔內(nèi)倍頻的擴(kuò)充空腔激光器所作的理論和實(shí)驗(yàn)研究。圖11A
均基波和二次諧波生成(SHG)相對(duì)于電流的變化。注意，平均功率 是對(duì)許多脈沖的平均。由于器件發(fā)熱，基波功率輸出在各個(gè)脈沖內(nèi)將 減小。圖IIB例示了脈沖在時(shí)間長(zhǎng)度上顯著短于熱時(shí)間常數(shù)的例子。 在這種情況下，SHG輸出在較大電流范圍內(nèi)隨電流增大，也導(dǎo)致較高 的平均功率。SHG輸出隨較窄脈沖提高的理由是，二次諧波功率輸出 取決于基波功率的平方。這種對(duì)基波功率輸出的平方律依賴關(guān)系的后 果是，選擇相對(duì)較窄的脈沖可以導(dǎo)致時(shí)間平均二次諧波生成被顯著提 高的狀況。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，正如在特此全文引用以供參考的 Mooradian的專利("High power laser devices",美國(guó)專利第6,243,407 號(hào)；"Efficiency high power laser device"，美國(guó)專利第6,407,797號(hào)； "High power laser",美國(guó)專利第6，614，827號(hào)；和"Coupled cavity high power semiconductor laser",美國(guó)專利第6,778,582號(hào))中所述的那 樣，脈沖激光源由帶有擴(kuò)充空腔的一個(gè)或多個(gè)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器 組成，擴(kuò)充空腔中的非線性光學(xué)材料用于將來自激光器的基波紅外光 轉(zhuǎn)換成用于顯示的可見光。在另一個(gè)實(shí)施例中，光源由像在本專利申 請(qǐng)中的其它地方所述那樣的激光器的陣列形成。
半導(dǎo)體激光器也可以在子幀速度下以顏色順序方式驅(qū)動(dòng)，使得可以在任何兩個(gè)順序子幀之間接通不同顏色。圖12A和12B例示了在形 成圖像的一個(gè)幀期間，帶有快速二進(jìn)制調(diào)制器的系統(tǒng)的投影屏幕上的 單個(gè)像素的光作為時(shí)間的函數(shù)的例子。在這些例子中，使驅(qū)動(dòng)激光器 的控制電子器件與用于空間調(diào)制器的控制電子器件同步。因此，在與 空間光調(diào)制器的子幀相對(duì)應(yīng)的每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)生成整多個(gè)激光脈沖。 另外，控制電子器件確定顏色序列的周期，即，在序列移動(dòng)到下一種 顏色之前特定顏色的激光脈沖照射了多少個(gè)緊接子幀。圖12A例示了 序列具有小的子幀周期的例子(例如，顏色隨著每個(gè)新的子幀"子幀 顏色順序操作"而順序移動(dòng))。圖12B例示了序列具有較大周期的例 子(例如，對(duì)于一大群子幀，譬如幀的許多或所有顏色子幀上的每個(gè) 子幀生成特定顏色的激光脈沖)。注意，控制電子器件可被設(shè)計(jì)成具 有不同的操作模式，使得可以根據(jù)應(yīng)用來采用 一個(gè)發(fā)光器來改變顏色 序列的周期。
在圖12A中，激光脈沖以比利用傳統(tǒng)白光源和色輪能夠達(dá)到的 速率快的速率不分組地按順序格式出現(xiàn)。尤其是，所述順序格式可被 選擇成與子幀水平相對(duì)應(yīng)。這使整個(gè)系統(tǒng)可以在子幀水平上，而不是
在幀水平上以顏色順序方式運(yùn)行。這意味著，在一個(gè)幀內(nèi)光路的任何 中斷都導(dǎo)致僅僅一個(gè)子幀的色偏水平。可替代地，可以將順序格式選 擇成使得系統(tǒng)對(duì)于較小整多個(gè)子幀以顏色順序方式運(yùn)行，以便在一個(gè) 幀內(nèi)光路的中斷導(dǎo)致僅僅幾個(gè)子幀的色偏。由于通常存在26到21()個(gè) 可能子幀(取決于開關(guān)周期的數(shù)量)，偏移的縮小應(yīng)該足以使問題變 得實(shí)際上覺察不到。這樣，只有隨著強(qiáng)度降低才覺察到光路的中斷， 因此，在運(yùn)行時(shí)可以覺察到帶有單個(gè)空間調(diào)制器1010的系統(tǒng)與更復(fù) 雜的多調(diào)制器系統(tǒng)一樣執(zhí)行。
注意，在細(xì)粒度水平上利用色輪來獲得順序格式是行不通的。雖 然從理論上來說可以在子幀水平上利用色輪和白光源來獲得順序格 式，但需要極高的旋轉(zhuǎn)速度(高達(dá)lMHz)以及許多濾光片位于其邊 緣附近的復(fù)雜色輪。由于如前所述的消隱問題，這后一種手段也是極 其低效的。具有許多濾光片意味著需要相似數(shù)量的消隱周期，這又降低了色輪的有效傳輸并提高了光源的所需功率。
在圖12B中，用于特定像素的到達(dá)屏幕的光由紅光、綠光和藍(lán) 光的一系列脈沖組成，其中，顏色被分組并且脈沖組依次出現(xiàn)。在一 些情況下，跳過多個(gè)脈沖，以演示可如何調(diào)制用于單個(gè)圖像的特定顏 色的到達(dá)屏幕的所有光，即，出現(xiàn)的脈沖(接通狀態(tài))越多，那個(gè)幀 中的那個(gè)像素的那種特定顏色就越明亮。
如圖12B所示的操作方法提高了平均功率電平。如上所述，光 源可以包含倍頻半導(dǎo)體激光器。紅外線激光器的非線性頻率轉(zhuǎn)換的基 本方面之一是，轉(zhuǎn)換功率對(duì)輸入功率的超線性依賴關(guān)系。其結(jié)果是， 平均而言，將脈沖供應(yīng)給基波半導(dǎo)體激光器泵浦源可以導(dǎo)致輸出增 加。即使基波源傳遞的平均功率從其CW平均電平降低了，這也是成 立的。如果輸入功率與頻率轉(zhuǎn)換功率之間的依賴關(guān)系表現(xiàn)為使輸入基 波功率自乘到n次冪，其中，n>l，那么，通過峰值脈沖基波功率與 自乘到n次方然后乘以在一個(gè)脈沖周期內(nèi)接通基波的時(shí)間片斷的CW 基波功率的比值，來給出在CW上供應(yīng)脈沖的增強(qiáng)因子。因此，如果 激光源在通過適當(dāng)定時(shí)能夠在時(shí)間上將每種顏色分開的QCW模式下 工作，則如圖12B所示的操作模式允許使用激光源的整個(gè)平均功率， 而如圖12A所示的操作只允許使用平均功率的一部分。因此，圖12B 的方法使脈沖激光得到更有效使用。
支持圖12A和12B的方法的發(fā)光器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，激光器可 以與包括相對(duì)較慢的空間調(diào)制器在內(nèi)的各種類型的空間調(diào)制器一起 使用。另外，發(fā)光器最好可與不同系統(tǒng)兼容，以便可以將發(fā)光器部署 在盡可能大的體積中。
由于它們的成本和復(fù)雜性降低了 ，顏色順序系統(tǒng)是非常流行的。 這意味著，這些系統(tǒng)的要求已經(jīng)設(shè)計(jì)到諸如電子系統(tǒng)的其它輔助系統(tǒng) 中。在設(shè)計(jì)取代白光源用在顏色順序系統(tǒng)中的新光源的過程中，重要 的是識(shí)別這些要求并據(jù)此設(shè)計(jì)光源，使得可以迅速采用新光源。尤其， 最好具有光源和控制器，使得可以在多種多樣的顯示應(yīng)用中將發(fā)光器 用作傳統(tǒng)UHP燈的通用替代品。雖然由于它們的高速度，帶有數(shù)字空間光調(diào)制器的發(fā)光器具有優(yōu) 良的顯示特性，但它們不能代表發(fā)光器的整個(gè)市場(chǎng)。因此，最好將激 光源設(shè)計(jì)成用在具有諸如可以從幾乎零反射率(完全關(guān)閉)調(diào)整到高
得多的反射率(完全接通)的硅上液晶(LCOS)調(diào)制器的較慢但具 有大的調(diào)制范圍的空間調(diào)制器的發(fā)光器中。這樣的空間調(diào)制器通常在 一個(gè)幀或一個(gè)子幀內(nèi)保持恒定調(diào)制電平。在一些設(shè)計(jì)中，每種顏色使 用一個(gè)空間調(diào)制器，以及調(diào)制器在每幀基礎(chǔ)上改變電平。在其它設(shè)計(jì) 中，使用單個(gè)空間調(diào)制器，以及按順序(顏色順序操作)改變照射調(diào) 制器的顏色。當(dāng)光源發(fā)射白光時(shí)，色輪用于提供光源的順序過濾。這 樣的色輪自然存在不同濾光片之間的邊界，并且，在這些邊界之一掃 過光源的時(shí)間內(nèi)，必須關(guān)閉空間調(diào)制器，以便不將失真顏色提供給觀 眾。這些時(shí)間被稱為消隱周期。
圖13例示了驅(qū)動(dòng)與具有相對(duì)較慢空間調(diào)制器的發(fā)光器設(shè)計(jì)兼容 的顏色順序操作的單色激光源的方法。在本例中，每種顏色的激光器 在不包括消隱周期的幀時(shí)間的大約三分之一被接通。因此，在本例中， 按與包括消隱周期的傳統(tǒng)(相對(duì)較慢)顏色順序兼容的順序來驅(qū)動(dòng)多 色激光源的每個(gè)激光器。通過使激光器的操作與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，發(fā)光 器可用作與諸如LCOS調(diào)制器的相對(duì)較慢的非DLP空間調(diào)制器一起 使用的傳統(tǒng)白光源的替代品。應(yīng)該明白，可以將單個(gè)激光器控制器編 程為具有支持DLP (快速數(shù)字空間調(diào)制器)和LCOS (慢速空間調(diào)制 器)兩者的雙模式操作。對(duì)于相對(duì)較慢的空間調(diào)制器的情況，可見偽 像更值得注意(由于一個(gè)激光器顏色有效的時(shí)間周期較長(zhǎng))，因此， 該操作方法應(yīng)該將未被有效驅(qū)動(dòng)的激光器的輸出最小化到覺察不到 的水平，同時(shí)，當(dāng)激光器有效時(shí)，還使激光器幾乎立即"竄到"所需功 率電平。這些特性使得在帶有慢速空間調(diào)制器并不帶色輪的系統(tǒng)中使 用多色激光源是可行的。
再次參照?qǐng)D13,在利用激光源照射相對(duì)較慢空間調(diào)制器的顏色 順序顯示系統(tǒng)中，在正在顯示其它顏色的周期內(nèi)，最好也將除一種激 光顏色之外的所有其它激光顏色的輸出降低到覺察不到的水平，從而可以省略色輪。對(duì)于特定系統(tǒng)，可以通過確定最大程度的色混，例如， 當(dāng)紅色是所需顏色時(shí)，多少藍(lán)光和綠光是可接受的等，來計(jì)算覺察不 到的基本水平。由于諸如預(yù)熱時(shí)間的問題，可能不期望將每個(gè)激光源 的基本水平驅(qū)動(dòng)降到零。取而代之，驅(qū)動(dòng)方案在使可見光輸出保持在 最小電平的同時(shí)，可以利用激光源的閾值特征使驅(qū)動(dòng)電平保持在熱顯 著電平，即與光學(xué)靜止關(guān)閉狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電平，在該狀態(tài)下，激
光器產(chǎn)生低于預(yù)選閾值的可見光，但仍在熱顯著電平上被驅(qū)動(dòng)。激光 源可以被設(shè)計(jì)成通過包含提升激光器的閾值的 一 個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)元件， 諸如通過熱透鏡化穩(wěn)定的激光器空腔，來利用這種方案。另外，如果
通過非線性過程，例如，二次諧波生成(SHG)來生成可見光，那么， 輸入驅(qū)動(dòng)與輸出光之間的非線性關(guān)系可以用于增強(qiáng)上述效應(yīng)。
如圖13所示，在消隱周期內(nèi)可能包括過驅(qū)動(dòng)周期。消隱周期可 以用于以與激光源的光輸出無關(guān)地使它迅速進(jìn)入工作狀態(tài)的方式來 驅(qū)動(dòng)激光源。尤其，如果激光器在它的關(guān)閉狀態(tài)期間在降低的驅(qū)動(dòng)電 平下運(yùn)行("欠驅(qū)動(dòng)")，那么，正如在前節(jié)中所述的那樣，可以在消 隱周期內(nèi)過驅(qū)動(dòng)激光器，以便使它回到正常工作溫度，然后在消隱周 期結(jié)束之前使它回到正常驅(qū)動(dòng)電平。
在許多應(yīng)用中，最好為激光器提供功率穩(wěn)定方案。完成這個(gè)任務(wù) 的傳統(tǒng)方式是根據(jù)激光器的功率電流特性來構(gòu)建反饋回路。注意，驅(qū) 動(dòng)調(diào)制也可能適合用在激光器陣列中。例如，在激光器陣列中，可以 將激光器陣列電配置成可獨(dú)立操作的不同分段。因此，可以在任何一 個(gè)時(shí)刻將脈沖供應(yīng)給特定顏色的一小組激光器?？梢詫Ⅱ?qū)動(dòng)脈沖施加 在激光器陣列的不同空間分段中?？梢赃x擇分段脈沖供應(yīng)來消除相干 鎖定。另外，可以選擇分段脈沖供應(yīng)來穩(wěn)定輸出功率。但是，在脈沖 操作激光器陣列的優(yōu)選實(shí)施例中，可以在功率穩(wěn)定方案中達(dá)到額外靈 活性。在傳統(tǒng)功率電流回路的情況下，陣列的附加優(yōu)點(diǎn)是，陣列提供 的平均化將導(dǎo)致功率電流關(guān)系比單個(gè)發(fā)射器更穩(wěn)定和均勻。穩(wěn)定功率 的另 一種方式是利用固定脈沖電流進(jìn)行操作，但改變脈沖寬度和/或重 復(fù)率。穩(wěn)定或改變功率的又一種方式是有選擇地改變一部分或陣列的功率，甚至到關(guān)閉各個(gè)元件的點(diǎn)。這可以通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的電子方案來 實(shí)現(xiàn)。
這樣的方案也可以用于驅(qū)動(dòng)顯示系統(tǒng)的激光源，在該顯示系統(tǒng) 中，空間調(diào)制器是快速光束掃描器，諸如安裝在電流計(jì)上的一對(duì)鏡。 這些系統(tǒng)需要必須以像素調(diào)制速率(視頻幀速率乘以每幀像素?cái)?shù)量) 發(fā)生的分立強(qiáng)度調(diào)制。諸如半導(dǎo)體激光器的直接電泵浦激光源能夠以 這些速率直接調(diào)制。為了保持圖像保真度，能夠精確產(chǎn)生給定強(qiáng)度水 平是重要的。如上所述，由于功率電流關(guān)系因平均化而變得更加均勻， 使用激光器陣列將使這種要求更易于滿足。另外，可以通過改變脈沖 寬度、脈沖重復(fù)率和到各個(gè)元件的電流來實(shí)現(xiàn)調(diào)制。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施 例中，紅外光源是帶有擴(kuò)充空腔的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器或激光器陣 列，以及非線性材料位于擴(kuò)充空腔內(nèi)并被配置成用于二次諧波轉(zhuǎn)換， 以及激光器或激光器陣列通過直接電注入來激發(fā)。
III.帶有非線性頻率轉(zhuǎn)換的垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器和激 光器陣列的改進(jìn)頻率穩(wěn)定
A.薄膜干涉濾光片
參照?qǐng)D14，擴(kuò)充空腔激光器可以包括增益元件1405、濾i普器1410 和輸出耦合器1420。波長(zhǎng)(或等效地，頻率)控制是激光器設(shè)計(jì)的基 本部分。雖然激光器波長(zhǎng)的一般鄰域由激光器系統(tǒng)的材料增益特性來 限定，但通常作出更多努力的是將激光器的波長(zhǎng)輸出調(diào)整成適合特定 應(yīng)用。
由于半導(dǎo)體材料的光學(xué)增益通?？缭綌?shù)十納米的波長(zhǎng)空間，而最
終應(yīng)用可能需要亞納米波長(zhǎng)i普，所以半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)控制是激光 器設(shè)計(jì)者面臨的共同問題。
已經(jīng)證明，空腔內(nèi)倍頻垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器(VECSEL ) 可用在各種各樣的應(yīng)用中。空腔內(nèi)倍頻VECSEL包括與表面發(fā)射激 光器隔開以形成擴(kuò)充空腔的表面發(fā)射增益元件1405和輸出耦合器 1420。輸出耦合器1420將在基頻上生成的光反射回到表面發(fā)射增益 元件1405?？涨粌?nèi)倍頻晶體1415生成頻率等于基波光束頻率的兩倍的光。
空腔內(nèi)倍頻VECSEL的轉(zhuǎn)換效率取決于VECSEL在基頻上的縱 模特性。對(duì)于實(shí)際長(zhǎng)度(例如，幾亳米)的大多數(shù)非線性晶體，諸如 二次諧波倍頻的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程通常與大約1nm或更小的典型 帶寬存在波長(zhǎng)(頻率)依賴性。因此，在空腔內(nèi)倍頻VECSEL中， 對(duì)基頻附近的激光的頻率和縱模i普加以控制對(duì)于獲取倍頻光的高輸 出功率是至關(guān)緊要的。取決于應(yīng)用，對(duì)所選范圍內(nèi)的頻率加以控制可 以提高非線性轉(zhuǎn)換效率。在發(fā)光器的背景下，可以進(jìn)一步將頻率范圍 選擇成與加以擴(kuò)寬以減弱光斑的譜脈沖的范圍一致。
另外，空腔內(nèi)倍頻VECSEL的轉(zhuǎn)換效率十分依賴于擴(kuò)充空腔內(nèi) 的光損耗耗。眾所周知，光損耗耗會(huì)降低空腔內(nèi)倍頻過程的效率。例 如，參見特此引用以供參考、R. Smith的文章"Theory of intracavity optical second-harmonic generation",IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.6， p.215，(1970))。盡管產(chǎn)生了幾種效應(yīng)，但倍頻過程
過程。為了在VECSEL中在基波波長(zhǎng)上達(dá)到高循環(huán)功率，要求擴(kuò)充 空腔中的損耗相對(duì)較小。
本專利申請(qǐng)的發(fā)明人所作的計(jì)算表明，為了取得高轉(zhuǎn)換頻率，倍 頻VECSEL需要特別小的損耗。具體地說，本專利申請(qǐng)的發(fā)明人所 作的計(jì)算表明，在表面發(fā)射增益元件1405的基波波長(zhǎng)(頻率)上由于空 腔內(nèi)濾譜器1410的1 %單向損耗可以容易地導(dǎo)致基波波長(zhǎng)上空腔內(nèi)循 環(huán)功率的損耗超過10%，這又導(dǎo)致二次諧波功率(對(duì)于空腔內(nèi)倍頻) 下降15到20%或更多。
用于帶有空腔內(nèi)倍頻的VECSEL的濾鐠器的設(shè)計(jì)牽涉到對(duì)幾種 折衷的考慮。能夠控制空腔內(nèi)倍頻VECSEL的頻率的濾譜器也往往 引起相關(guān)光損耗。將附加光學(xué)元件插入空腔內(nèi)倍頻VECSEL中以控
相關(guān)的功率下降之間的折衷。只有光損耗小的頻率選擇元件才導(dǎo)致空 腔內(nèi)倍頻VECSEL的轉(zhuǎn)換頻率的凈提高。通常，對(duì)光損耗的約束再次使在典型半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)頻率選擇元件的選擇局限 于涂膜標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾光片，這可以造成大約1%或更小的損耗?？蓮腅dmunds Optics公司獲得的商用陷波濾光片具有規(guī)定成大約卯 %的最大透射率，這不適合于空腔內(nèi)激光器應(yīng)用。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具和雙折 射濾光片的背景信息描述在特此引用以供參考的C. C. Davis的 "Lasers and Electro-Optics: Fundamentals and Engineering", Cambridge University Press, 2002， p.73和P. J. Valle和F. Moreno的 "Theoretical study of birefringent filters as intracavity wavelength selector", Applied Optics, v.31， p528 (1992)中。典型的布置由與限定 光束方向的光軸成角度地位于激光器空腔中的濾鐠器(法布里-珀羅 標(biāo)準(zhǔn)具或雙折射濾光片)組成。這個(gè)傾角通常用于抑制不想要的反饋 效應(yīng)和/或?qū)V傳器角調(diào)諧到所需語(yǔ)性能。但是，雖然可以選擇損耗小于大約1%的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具和 雙折射濾光片，但這些濾譜器不能對(duì)頻率提供所需控制程度，并且存 在可能限制它們的可制造性的制造缺點(diǎn)。作為一個(gè)例子，法布里-珀 羅標(biāo)準(zhǔn)具具有在透射率中存在具有由標(biāo)準(zhǔn)具的光學(xué)厚度和光的波長(zhǎng) 決定的周期的峰值的光學(xué)響應(yīng)。在激光器二極管的增益譜的背景下， 這意味著單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具不能在擴(kuò)充范圍的工作條件下提供足夠的縱模 鑒別。具體地說，標(biāo)準(zhǔn)具的大量透射峰值可能位于激光器二極管的增 益鐠內(nèi)，使得未在所有工作條件下鎖定縱模。作為與利用標(biāo)準(zhǔn)具來鎖定擴(kuò)充空腔表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的頻 率相關(guān)的一些問題的一個(gè)例子，考慮，沒計(jì)中心波長(zhǎng)為大約1064 nm以 及帶寬(限定成半最大值全寬度或FWHM)為0.4 nm的標(biāo)準(zhǔn)具濾光 片的實(shí)際情況。這樣的帶寬可以利用，例如，兩面涂成在1064 nm波 長(zhǎng)上反射率為大約35 %的300微米厚的熔融氧化硅標(biāo)準(zhǔn)具近似取得。 相應(yīng)透射率曲線例示在圖15中，雖然中心在1064 nm上的譜透射率 峰值滿足0.4 nm的所需帶寬目標(biāo)，但位于距中心峰值近似1.3 nm(標(biāo) 準(zhǔn)具自由譜范圍或FSR)的相鄰?fù)干渎史逯悼赡転榧す獍l(fā)射提供非所 需譜信道。由于半導(dǎo)體激光器可以具有分布在數(shù)十納米上的增益i普，可以從圖15中看到，許多不同標(biāo)準(zhǔn)具峰值將處在激光器的增益鐠內(nèi)。 因此，標(biāo)準(zhǔn)具提供的頻率鑒別可能不充分。對(duì)這個(gè)問題的一種可能解決方案是利用較薄的標(biāo)準(zhǔn)具來擴(kuò)大鐠 范圍，使得較少的標(biāo)準(zhǔn)具峰值處在激光器的增益鐠內(nèi)。較薄的標(biāo)準(zhǔn)具 具有較寬的諧振峰間間距，但也需要更高的反射率來實(shí)現(xiàn)更窄的帶 寬。但是，對(duì)于透過傾斜標(biāo)準(zhǔn)具的高斯光束，帶有高反射率鏡的薄標(biāo) 準(zhǔn)具可以導(dǎo)致較高的逸散衍射損耗。另外，極薄的標(biāo)準(zhǔn)具(在100微 米以下)更難以制造、涂膜和處理。另 一種可能的解決方案可以利用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具來實(shí)現(xiàn)，使得組合光 學(xué)響應(yīng)具有窄的帶寬和比單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具大的透射率峰間間距。帶有兩個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)具的空腔內(nèi)激光器描述在C. A. Amsden、 M. K. Liebman、 A. V. Shchegrov和J. P. Watson提出的發(fā)明名稱為"Compact Extended Cavity Laser，，的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/745,342號(hào)中。但是，雙標(biāo)準(zhǔn)具激 光器設(shè)計(jì)增加了激光器的復(fù)雜性和成本。雙折射濾光片存在與標(biāo)準(zhǔn)具的那些有點(diǎn)類似的問題。用于空腔內(nèi)雙折射濾光片的最常用材料是結(jié)晶石英。生產(chǎn)FWHM為0.4 nm的濾譜器需要一塊厚石英(取決于晶體切割和空腔內(nèi)的角取向，大約lcm或更厚)，這使得無法用在緊湊和低成本空腔中。 一種解決方案仍然是使用幾個(gè)雙折射濾波片，但也增加了不合乎緊湊和低成本空腔要求的復(fù)雜性和成本。還有一個(gè)考慮是標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾光片兩者都依靠制造的濾光片的諧振頻率具有大的方差的干涉效應(yīng)。例如，為了預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)具的準(zhǔn) 確諧振頻率，不得不制造精度在幾分之一波長(zhǎng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)具厚度?？梢?利用機(jī)械、熱或電光調(diào)整將標(biāo)準(zhǔn)具的濾波響應(yīng)的制造方差調(diào)整成使濾 語(yǔ)器的峰值波長(zhǎng)與非線性材料的峰值波長(zhǎng)匹配。但是，這些選項(xiàng)經(jīng)常需要顯著偏離(例如，角度和熱的)所需標(biāo)稱值，并可能不合乎必須 設(shè)計(jì)成緊湊和低成本的激光器系統(tǒng)的要求。制造上的考慮也往往以各種方式限制標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾光片的 設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)具具有反向取決于標(biāo)準(zhǔn)具的厚度的i普范圍(諧振峰間間距)。例如，如上所述，薄標(biāo)準(zhǔn)具具有大的鐠范圍。但是，薄標(biāo)準(zhǔn)具 也具有比厚標(biāo)準(zhǔn)具大的濾鐠器峰位置隨厚度的百分比變化。還應(yīng)該注 意到，標(biāo)準(zhǔn)具將具有因標(biāo)準(zhǔn)具變化的制造容限，并且還具有相對(duì)于沿 著一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的厚度的制造容限。因此，難以制造能夠支持覆蓋大區(qū)域的表面發(fā)射激光器的陣列的大區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)具。本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)就是在考慮了上述問題之后開發(fā)出來的。本 發(fā)明的實(shí)施例描述了利用取代諸如標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾光片的傳統(tǒng)頻 率選擇濾光片的頻率選擇濾光片，來穩(wěn)定表面發(fā)射激光器或激光器陣 列的頻率的方法。這提供了潛在的成本降低、提高了可制造性、使精 確設(shè)計(jì)輸出激光波長(zhǎng)成為可能、以及不需要對(duì)濾譜器進(jìn)行昂貴的機(jī)械 或熱調(diào)整來取得所需譜特性。本發(fā)明的實(shí)施例還特別適用于為空腔內(nèi) 非線性頻率轉(zhuǎn)換，諸如利用被設(shè)計(jì)成周期性極化的非線性材料的二次 諧波生成設(shè)計(jì)的穩(wěn)頻激光器或激光器陣列。這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)檫@或熱調(diào)i地穩(wěn)頻;光器的簡(jiǎn)單和;氐成本手段的非線性轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致超過 諸如標(biāo)準(zhǔn)具和雙折射濾光片的用于穩(wěn)頻的其它可替代手段的明顯成本優(yōu)勢(shì)。圖16例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的帶有空腔內(nèi)倍頻的 VECSEL，其中，用薄膜干涉濾光片1610來取代傳統(tǒng)濾譜器。VECSEL 具有位于芯片上用于生成基頻的光的表面發(fā)射半導(dǎo)體增益元件1605。 示范性增益元件基于描述在特此全文引用以供參考的Mooradian的 專利("High power laser devices"，美國(guó)專利第6,243,407號(hào)； "Efficiency high power laser device",美國(guó)專利第6,407,797號(hào)；"High power laser",美國(guó)專利第6,614,827號(hào)；和"Coupled cavity high power semiconductor laser",美國(guó)專利第6,778,582號(hào))中的設(shè)計(jì)?；驹?益元件1605的許多變種都在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，譬如，布拉格鏡結(jié) 構(gòu)和包含一個(gè)或多個(gè)透鏡以穩(wěn)定空間本征模的變種?？蛇x地，可以包括非線性晶體1615。與增益元件1605隔開的輸 出耦合器1620限定擴(kuò)充空腔。輸出耦合器1620可以包括，例如將基頻的光反射回到增益元件1605的反射鏡。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，增益元件1605包含兩個(gè)外延生長(zhǎng)的四分 之一波長(zhǎng)布拉格鏡疊層1601和1603，其中之一在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，例如976 nm上是高度反射的，而另一個(gè)在這個(gè)波長(zhǎng)上是部分反射的。通常包 含量子勢(shì)阱的增益介質(zhì)1607也是外延生長(zhǎng)的，并在具有在基波波長(zhǎng) 上與波長(zhǎng)的總數(shù)相對(duì)應(yīng)的光學(xué)厚度的區(qū)域1609中夾在兩個(gè)鏡疊層之 間。用諧振隔片層隔開布拉格鏡疊層1601和1603的布置導(dǎo)致增益元 件1605具有諧振頻率和相關(guān)帶寬。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在 光增益和電子-空穴對(duì)，折射率的實(shí)部和虛部在增益區(qū)中變化。因此， 布拉格鏡疊層1601和1603本身不在工作條件范圍上對(duì)激光波長(zhǎng)提供 足夠的控制。在空腔內(nèi)倍頻配置中，最好將擴(kuò)充空腔激光器設(shè)計(jì)成在基頻達(dá)到 大的光子密度。例如，可以將輸出耦合器1620設(shè)計(jì)成在基頻附近具 有極高的反射率，使得具有基頻的光子在空腔內(nèi)往返許多次。這種具 有基頻的循環(huán)光在每一次穿過非線性晶體1615時(shí)都有一部分被轉(zhuǎn)換 成具有倍頻頻率的光。但是，非線性轉(zhuǎn)換過程對(duì)輸入功率密度極其敏 感。因此，在空腔內(nèi)倍頻配置中，最好將擴(kuò)充空腔激光器設(shè)計(jì)成使得 在擴(kuò)充空腔內(nèi)循環(huán)的具有基頻的光具有高功率密度。具有倍頻頻率的 光通過輸出耦合器直接耦合到空腔外部，或通過附加耦合機(jī)構(gòu)(未示 出)耦合到空腔外部，以便有選擇地將二次諧波的光耦合到擴(kuò)充空腔 的外部。在一個(gè)實(shí)施例中，薄膜濾光片1610包括被選擇提供附加頻率控 制的布拉格鏡配置。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，薄膜干涉濾光片1610包 括限定諧振響應(yīng)的布拉格鏡。在一個(gè)實(shí)施例中，薄膜干涉濾光片1610 具有在光學(xué)上與增益元件1605類似的諧振響應(yīng)。尤其，布拉格鏡和 布拉格鏡之間的間距在光學(xué)上可以類似于增益元件1605的布拉格鏡 結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中， 一個(gè)布拉格鏡主要將一部分或全部波長(zhǎng)控制 功能從增益元件1605分開并將它移入外部空腔中。圖17更詳細(xì)地例示了按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示范性薄膜干涉濾光片1610。利用傳統(tǒng)淀積技術(shù)在襯底1720上形成薄膜層1701、1703 和1709。雖然可以使用包括諸如GaAs的半導(dǎo)體材料的不同襯底，但 使用諸如熔融氧化硅的常用光學(xué)襯底可以更方便。村底和薄膜涂層可 以選擇成與半導(dǎo)體材料相比具有高度可控制性和折射率穩(wěn)定性。例 如，所有光學(xué)層和薄膜可以由諸如絕緣體和/或金屬氧化物的非半導(dǎo)體 的材料制成。示范性的結(jié)構(gòu)包括四分之一波長(zhǎng)較高和較低指數(shù)層對(duì)的 兩個(gè)疊層1701和1703以及鏡疊層之間的諧振隔片1709(也可以是熔 融氧化硅)。鏡層疊層1701和1703可以具有相同的反射率，以及非 諧振隔片層1711可以生長(zhǎng)在第二鏡疊層上，以保證兩個(gè)疊層的反射 率相同。最后，結(jié)構(gòu)兩側(cè)的外層被設(shè)計(jì)成對(duì)于目標(biāo)波長(zhǎng)(這里是976 nm)和如果需要，對(duì)于二次諧波波長(zhǎng)(488 nm )是抗反射的。與用 例如薄到規(guī)定厚度以及兩側(cè)涂成滿足相同反射率要求的熔融氧化硅 或BK7光學(xué)玻璃制成的傳統(tǒng)實(shí)心標(biāo)準(zhǔn)具不同，本發(fā)明的干涉濾光片 設(shè)計(jì)允許精確設(shè)計(jì)目標(biāo)最大透射波長(zhǎng)。圖18更詳細(xì)地例示了實(shí)現(xiàn)千涉濾光片的薄膜涂層的示范性順 序。在本例中，利用例如離子束濺射使二氧化硅和氧化鉭涂層淀積在 熔融氧化硅襯底上。涂層被設(shè)計(jì)成使基波波長(zhǎng)為976 nm的諧振透射 峰值具有0.4 nm的FWHM。注意，薄膜干涉濾光片也透射488 nm 的二次諧波的光(因?yàn)樗姆种徊ㄩL(zhǎng)疊層對(duì)于具有一半基波波長(zhǎng)的二 次諧波頻率表現(xiàn)為二分之一波長(zhǎng)疊層)。使雙頻帶抗反射涂層淀積在 干涉濾光片的兩側(cè)。圖19例示了利用薄膜設(shè)計(jì)軟件TFCalc模擬的圖18的濾光片結(jié) 構(gòu)的光透射響應(yīng)的理論計(jì)算。在基波目標(biāo)波長(zhǎng)上的理論透射率峰值在 0.4 nm的FWHM接近100 % 。圖20是例示具有與圖18類似的層順序的制成濾光片的經(jīng)驗(yàn)研究 的曲線圖。利用離子束濺射(IBS)涂覆技術(shù)來制成干涉濾光片。然 后利用可調(diào)諧激光器進(jìn)行這種濾光片的透射率測(cè)量。FWHM是0.4 nm以及在目標(biāo)波長(zhǎng)上的透射率大于99%。還應(yīng)該注意到，在大于幾 納米的擴(kuò)充波長(zhǎng)范圍內(nèi)只有一個(gè)諧振峰。尤其，在可以放大成超過十納米的波長(zhǎng)范圍的傳統(tǒng)半導(dǎo)體增益材料的波長(zhǎng)范圍內(nèi)只有一個(gè)諧振 峰。因此，與存在有限鐠范圍的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)具不同，諧振響應(yīng)將便于將 頻率鎖定在所需波長(zhǎng)范圍上。干涉濾光片的一種可替代設(shè)計(jì)是對(duì)"左"和"右"布拉格鏡疊層使 用稍有不同的配方，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化成使它們的反射率相等并使"右"鏡疊層對(duì)于二次諧波(488 nm)產(chǎn)生抗反射的效果。這種設(shè)計(jì)可以省略非 諧振隔片層和右邊的抗反射涂層疊層，使涂層更簡(jiǎn)單。在本發(fā)明人提出描述在本發(fā)明中的設(shè)計(jì)并進(jìn)行測(cè)試之前，利用如 上所述那種類型的薄膜干涉濾光片穩(wěn)定激光器或激光器陣列未被人 們當(dāng)作實(shí)際解決方案。對(duì)此存在幾方面的原因。首先，雖然具有所例 示的帶寬的窄帶濾譜器(也稱為陷波濾光片)是為一定范圍的應(yīng)用設(shè) 計(jì)和商業(yè)制造的，但它們的帶寬一般沒有如圖19-20所示的濾光片 那么窄，并且存在明顯較高的透射損耗。例如，來自Edmonds公司 的傳統(tǒng)陷波干涉濾光片只具有大約90%的透射率。相反，從圖19 (模 型)中和有點(diǎn)令人驚訝地從圖20 (實(shí)驗(yàn))中可以看出，按照本發(fā)明的 教義形成的干涉濾光片的透射率在小于1納米的FWHM內(nèi)超過99。/。， 這正是空腔內(nèi)激光器用于許多應(yīng)用所需要的。薄膜干涉濾光片1610位于外部空腔內(nèi)，最好成一角度以避免反 饋到增益區(qū)。因此，這樣的濾光片起與傳統(tǒng)涂層實(shí)心標(biāo)準(zhǔn)具和與激光 器增益芯片組合在一起的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具兩者類似的作用，綜合 了兩種情況的優(yōu)點(diǎn)。為倍頻(或一般說來，非線性頻率轉(zhuǎn)換)適當(dāng)選 擇的非線性晶體1615也位于通過輸出耦合器1620完成的擴(kuò)充空腔 中。輸出耦合器涂層被優(yōu)選成在基波波長(zhǎng)(干涉濾光片的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)) 上是高度反射的并在頻率轉(zhuǎn)換后波長(zhǎng)上是高度透射的?？涨婚L(zhǎng)度、晶 體長(zhǎng)度和輸出耦合器的曲率像在激光器設(shè)計(jì)的現(xiàn)有技術(shù)中已知的那 樣優(yōu)化成適合設(shè)計(jì)目標(biāo)。在優(yōu)選實(shí)施例中，非線性晶體是諸如周期性 極化KTP、 LiNK)3或LiTa03的周期性極化非線性晶體。使用這種晶 體的優(yōu)點(diǎn)是它們呈現(xiàn)高度非線性，并可被制造用于選擇的波長(zhǎng)的非線 性頻率轉(zhuǎn)換。薄膜千涉濾光片1610起的作用是使激光器發(fā)射變窄到所需帶 寬。在諸如儀器應(yīng)用中所需的一些情況下，濾光片的帶寬必須足夠窄， 以保證激光器的單縱模操作。這也保證了穩(wěn)定、低噪聲激光器操作， 并當(dāng)適當(dāng)調(diào)諧時(shí)，將發(fā)射約束在非線性轉(zhuǎn)換帶寬的峰值上。在其它情 況下，薄膜干涉濾光片1610的帶寬被設(shè)計(jì)得較寬，使得激光器可以 在不止一種縱模下操作，以實(shí)現(xiàn)所需頻率范圍。但是，仍然最好將這 些模式約束在非線性晶體1615的非線性轉(zhuǎn)換帶寬內(nèi)。如特此引用以供參考的A. V. Shchegrov、 A. Umbrasas、 J. P. Watson、和D. Lee提出的發(fā)明名稱為"Polarization control of an extended cavity laser"的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/734,553號(hào)所述，非線性 晶體1615可以用于控制表面發(fā)射激光器的極化。而且，為了提高緊湊性和降低激光器的成本，最好使薄膜干涉濾 光片1610淀積在非線性晶體1615的晶面之一上，并且將兩個(gè)元件組 合成一個(gè)單元。這樣的布置是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。干涉濾光片1610設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是，該設(shè)計(jì)在光學(xué)上可以 與表面發(fā)射激光器芯片1605的波長(zhǎng)控制元件類似。例如，在設(shè)計(jì)在 基頻附近具有明確諧振的薄膜干涉濾光片設(shè)計(jì)時(shí)，表面發(fā)射激光器芯 片中的層的光學(xué)厚度可以用作起點(diǎn)。正如在光學(xué)中眾所周知的那樣， 層的光學(xué)厚度取決于光學(xué)波長(zhǎng)，光學(xué)波長(zhǎng)又是光的頻率和光穿過的介 質(zhì)的折射率的函數(shù)。表面發(fā)射增益元件1605具有布拉格反射鏡1601和1603，布拉格反射鏡1601和1603通常被設(shè)計(jì)成在基頻上產(chǎn)生諧振 響應(yīng)。諧振響應(yīng)也具有相關(guān)帶寬。表面發(fā)射增益元件的設(shè)計(jì)(例如， 布拉格疊層中的層數(shù))部分受到其它設(shè)計(jì)考慮的約束，諸如在擴(kuò)充空 腔中實(shí)現(xiàn)高的光學(xué)功率和降低元增益元件內(nèi)的材料損耗。如前所述， 表面發(fā)射芯片本身提供一定程度的頻率控制，但將它調(diào)整成適合足夠 窄的帶寬可能導(dǎo)致可用在外部空腔中用于頻率轉(zhuǎn)換的功率的損耗。在 一個(gè)實(shí)施例中，干涉濾光片的設(shè)計(jì)基于表面發(fā)射激光器芯片的設(shè)計(jì) (轉(zhuǎn)換成薄膜實(shí)現(xiàn))，調(diào)整成適合產(chǎn)生所需頻率選擇并實(shí)現(xiàn)成具有高 峰值透射率的空腔內(nèi)濾譜器。顯然，在干涉濾光片和激光器芯片之間存在幾種明顯差異。 一種差異是在干涉濾光片中缺乏增益(有效)層。另一種差異是激光器芯片結(jié)構(gòu)通常基于諸如GaAs、 AlAs、像GaAlAs 的復(fù)合物等的半導(dǎo)體材料。這可以通過構(gòu)建可以包含增益層(量子勢(shì) 阱)并在應(yīng)力下，即，在激光器操作期間可靠運(yùn)行的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)來完 成。對(duì)于干涉濾光片，應(yīng)力不那么嚴(yán)重，因?yàn)檫@不是有源元件。相反， 主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是低損耗和一定鐠帶寬。這就是為何薄膜干涉濾光片最 好被制造成具有最好利用離子束濺射(IBS)方法淀積的絕緣涂層。 這樣做是為了保證盡可能低的損耗。圖21例示了薄膜干涉濾光片1610用于提供在常用芯片或襯底上 形成的增益元件的表面發(fā)射擴(kuò)充空腔激光器陣列2105的頻率控制的 實(shí)施例?？梢詫⑼哥R陣列與表面發(fā)射激光器2105合并在一起來控制 每個(gè)發(fā)射器的空間模。如圖21所示，例示在圖21中的部件最好都是 表面平坦的分段，正如下面更詳細(xì)描述的那樣，這有助于幾乎沒有關(guān) 鍵對(duì)準(zhǔn)的低成本組件。與激光器芯片合并在一起的部分反射鏡可能存 在也可能不存在。當(dāng)這種鏡存在時(shí)，它的主要功能不是通過在本身與 高度反射鏡之間形成法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具而為激光器選擇頻率，而是 將增益介質(zhì)與外部空腔內(nèi)的損耗，例如鏡和增益層生長(zhǎng)在上面的村底 中的損耗隔開?？梢詫⒁粋€(gè)或多個(gè)透鏡與芯片集成在一起或分開地放 置在擴(kuò)充空腔中。當(dāng)與芯片集成在一起時(shí)，透鏡可以是由增益區(qū)中產(chǎn) 生的熱產(chǎn)生的熱透鏡、或例如在芯片表面上蝕刻的靜態(tài)透鏡。這樣的 透鏡可有助于穩(wěn)定激光器的空間本征模，當(dāng)某人為了簡(jiǎn)單起見和/或由 于成本原因想設(shè)計(jì)帶有扁平輸出耦合器的外部空腔時(shí)，尤其希望這樣 的透鏡。對(duì)于陣列實(shí)施例，輸出耦合器1620最好是平坦的并公用于激光 器陣列中的所有發(fā)射器。但是，也可以使用形成用于每個(gè)獨(dú)立發(fā)射器 的彎曲輸出耦合器的微鏡的陣列。同一非線性晶體1615可以用于將 基波波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成諸如二次諧波(基波波長(zhǎng)的一半)的另一種波長(zhǎng)。在低成本陣列組件中，干涉濾光片可以用作分立元件或附在諸如 非線性晶體1615的另一個(gè)部件上，以減少對(duì)于組裝激光器來說在光學(xué)上必須對(duì)準(zhǔn)的部件的數(shù)量。可替代地，干涉濾光片也可以與輸出鏡1620的表面之一組合在一起，但在這種情況下，最好楔入輸出鏡元件， 并且使用內(nèi)(空腔內(nèi))表面用于濾光片涂層以及外表面用于高反射鏡 涂層。雖然干涉濾光片可能只用作濾鐠器，但更一般地應(yīng)該明白，干涉 濾光片也可以與其它濾鐠元件組合在一起來控制激光器的波長(zhǎng)。作為 一個(gè)例子，干涉濾光片可以貼在、粘在或淀積在擴(kuò)充空腔的端鏡的楔 形表面上。B.用于頻率控制的立體布拉格光柵按照本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例，立體布拉格光柵可以作為濾譜器用于 帶有空腔內(nèi)倍頻的VECSEL。如前所述，帶有空腔內(nèi)倍頻的VECSEL 對(duì)于高轉(zhuǎn)換效率存在幾方面要求。首先，波長(zhǎng)必須鎖定在非線性晶體 的最佳帶寬內(nèi)，通常小于大約l納米，使得諧振響應(yīng)具有小于1納米 的FWHM。其次，濾鐠器在半導(dǎo)體增益介質(zhì)的帶寬內(nèi)最好沒有次級(jí) 峰，即，在諸如十納米范圍的幾個(gè)納米的波長(zhǎng)范圍上存在單個(gè)諧振峰。 第三，在基波波長(zhǎng)由濾i普器引起的總光損耗最好小于大約1%。在本 發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，VBG用于帶有空腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射激光器陣 列的頻率控制。立體布拉格光柵(VBG)是由周期性折射率變化記錄在其中的 特殊玻璃制成的波長(zhǎng)選擇反射元件。這樣的折射率變化可被設(shè)計(jì)成產(chǎn) 生可以幫助控制該設(shè)計(jì)所選擇的窗口內(nèi)的激光器譜的譜變窄高反射 率元件。雖然已知光纖布拉格光柵在遠(yuǎn)程通信波長(zhǎng)(例如，1.55微米) 上用在遠(yuǎn)程通信激光器設(shè)計(jì)應(yīng)用中已有一些年頭了 ，但它們的立體對(duì) 應(yīng)物(VBG)只是在最近才開始商用。這種光柵元件的制造細(xì)節(jié)和特 性描述在O. M. Efimov、 L. B. Glebov、 V. L. Smirnov和L. Glebova 提出的發(fā)明名稱為"Process for production of high efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass，，的美國(guó)專利第 6,586,141號(hào)、和O. M. Efimov、 L. B. Glebov和V. L. Smirnov提出 的發(fā)明名稱為"High efficiency volume diffractive elements inphoto-thermal refractive glass，，的美國(guó)專利第6,673,497中。類似的全 息元件最近也制造出來，并用在介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)中(例如，通過同相技 術(shù))，雖然在如下的討論中我們將使用術(shù)語(yǔ)"立體布拉格光柵(VBG )"， 但假設(shè)使用這樣的全息光柵元件也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。近年來，人們 已經(jīng)描述了如何將VBG用于邊緣發(fā)射激光器或激光器陣列的穩(wěn)頻(G. Vensus、 V. L. Smirnov和L. Glebova的"Spectral Stabilization of Laser D'iodes by External Bragg Resonator", Proceedings of Solid State and Diode Laser Technology Review, Albuquerque, NM， June 2004; B. L. Volidin和V. S. Ban的"Use of Volume Bragg gratings for the conditioning of laser emission characteristics", 美國(guó)專利申請(qǐng)第 10/884,524號(hào))。立體布拉格光柵當(dāng)前可從Optigrate (Orlando, FL ) 、 PD-LD (Pennington, NJ )和Ondax ( Monrovia, CA )等公司獲得。進(jìn)行經(jīng) 驗(yàn)研究可以確定商用VBG是否適用于穩(wěn)頻帶有非線性頻率轉(zhuǎn)換的垂 直空腔表面發(fā)射激光器。本專利申請(qǐng)的發(fā)明人所作的經(jīng)驗(yàn)研究證明，VBG可被設(shè)計(jì)成具 有可用于帶有空腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的VECSEL的FWHM和低損耗的組 合，以便從紅外基波泵浦波長(zhǎng)中生成綠光和藍(lán)光。圖22是商用VBG的反射率隨波長(zhǎng)變化的曲線圖。利用可調(diào)諧 激光器對(duì)在976 nm的目標(biāo)波長(zhǎng)上設(shè)計(jì)的VBG進(jìn)行反射率測(cè)量。經(jīng)驗(yàn) 結(jié)果證明，F(xiàn)WHM小于lnm，即，0.6 nm。反射率超過99%。盡管 經(jīng)驗(yàn)反射率在FWHM的外部有點(diǎn)不規(guī)則，但反射率在FWHM上迅 速下降，超出FWHM沒有伴峰。因此，經(jīng)驗(yàn)結(jié)果證明，可在十納米 的波長(zhǎng)范圍上具有增益的傳統(tǒng)半導(dǎo)體增益材料的波長(zhǎng)范圍內(nèi)只有一 個(gè)主峰。因此，經(jīng)驗(yàn)結(jié)果證明，VBG可被設(shè)計(jì)成具有適用于帶有空腔 內(nèi)倍頻的VECSEL的屬性組合。圖23例示了利用VBG 2310來穩(wěn)頻表面發(fā)射激光器的帶有空腔 內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換(例如，倍頻)的VECSEL的實(shí)施例。VBG 2310也用作 輸出耦合器的反射元件，從而限定擴(kuò)充空腔。半導(dǎo)體激光器增益元件1605和非線性晶體1615描述在上面例示在圖16中的實(shí)施例中。最好包括極化控制元件。在一個(gè)實(shí)施例中，極化分束器2320提 供極化控制功能，并且還用于將向后傳播頻率轉(zhuǎn)換光束(用虛線2360 示出)改向到空腔的外部。為了執(zhí)行這些功能，將這種極化分束器2320 的兩個(gè)表面涂成在基波激光波長(zhǎng)上為所需極化提供高透射率，并將表 面之一涂成在頻率轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)上具有高反射率。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中， 如A. V. Shehegrov、 A. Umbrasas、 J. P. Watson和D. Lee提出的發(fā) 明名稱為"Polarization control of an extended cavity laser，，的美國(guó)專 利申請(qǐng)第10/734,553號(hào)所述，通過非線性晶體的雙折射來控制極化。在一些應(yīng)用中，最好將VBG 2310設(shè)計(jì)成在諸如920 nm、976 nm、 1064 nm或1260 nm的基波i殳計(jì)波長(zhǎng)上具有最高反射率。然后，可以 在VBG的兩個(gè)表面上涂上在基波波長(zhǎng)和頻率轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)，例如，460 nm、 488 nm、 532 nm或630 nm兩者上抗反射的涂層。在其它情況 下，將VBG設(shè)計(jì)成主要實(shí)現(xiàn)i脊帶寬目標(biāo)而犧牲一些最大折射率是有 意義的。為了獲得高效空腔內(nèi)非線性轉(zhuǎn)換，可以在VBG上涂上在基 波波長(zhǎng)上高度反射的涂層2340,以便將空腔"封閉"起來，并最大化空 腔內(nèi)循環(huán)功率。涂層2340也可被設(shè)計(jì)成在頻率轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)上(例如， 在倍頻的二次諧波上)是抗反射的，以便將頻率轉(zhuǎn)換光從立體布拉格 光柵2310耦合出來。這允許一種配置，其中，基波光束每次在朝向 VBG的向前方向上穿過非線性晶體1615時(shí)都產(chǎn)生可能通過VBG離 開空腔的頻率轉(zhuǎn)換光，而從VBG反射回到擴(kuò)充空腔的基波光通過非 線性晶體1615沿著向后方向行進(jìn)，合成頻率轉(zhuǎn)換光通過極化分束器 2320耦合到空腔外部。VBG的語(yǔ)特性可以調(diào)整成適合特定應(yīng)用。在一些情況下，期望 將VBG的帶寬設(shè)計(jì)成窄到足以為高性能、儀器級(jí)質(zhì)量激光器提供低 噪聲單縱模操作。在其它情況下，期望允許幾種縱模，并將它們約束 在例如與非線性轉(zhuǎn)換過程的帶寬匹配的鐠帶寬內(nèi)。圖24例示了 VBG用于為表面發(fā)射陣列提供光反饋和濾譜的實(shí) 施例。將VBG用于表面發(fā)射擴(kuò)充空腔激光器陣列的穩(wěn)頻尤其有利。單個(gè)VBG元件2340用于穩(wěn)頻增益元件2105的整個(gè)激光器陣列，以 及單個(gè)非線性晶體1615用于倍頻陣列中的所有表面發(fā)射器。單個(gè)分 束器2320用于限定極化，以及如果需要，用于從空腔中提取光束的 頻率轉(zhuǎn)換向后傳播陣列。光束的向前傳播頻率轉(zhuǎn)換陣列可以通過VBG 來提取。在也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的另一種情況下，如果對(duì)于頻率轉(zhuǎn) 換光高度反射的二向色涂層位于非線性晶體、VBG或半導(dǎo)體激光器芯 片的適當(dāng)表面上，則可以在相同方向上收集向前和向后傳播光束。最 好通過將楔塊放在適當(dāng)光學(xué)表面上或利用適當(dāng)光學(xué)表面的傾斜，在空 間上將每個(gè)發(fā)射器的兩條頻率轉(zhuǎn)換光束(向前和向后)分開。在許多應(yīng)用中，最好在基本相同的頻率下操作所有陣列元件，以 便最大化非線性轉(zhuǎn)換以及最小化成本。但是，在一些情況下，在稍微 不同的頻率下運(yùn)行不同的發(fā)射器是有利的。這有助于降低不同元件之 間的串?dāng)_和降低整個(gè)激光器陣列光源的相干性，從而有助于減弱來自 這種光源的光斑。傳統(tǒng)VBG應(yīng)用通常是單個(gè)波長(zhǎng)。但是，在本發(fā)明中，最好將 VBG修改成考慮系統(tǒng)包括基波(泵浦)波長(zhǎng)和頻率轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)(例如， 二次諧波波長(zhǎng))。 一個(gè)方面是如前所述的VBG上的光學(xué)涂層的適當(dāng) 設(shè)計(jì)。另外，本發(fā)明對(duì)VBG的優(yōu)選設(shè)計(jì)是二向色的，即，VBG必須 在基波激光波長(zhǎng)上具有窄鐠類反射率以及在第二諧波上具有非諧振 高透射率。在一個(gè)實(shí)施例中，通過理論和/或經(jīng)驗(yàn)?zāi)M來優(yōu)化VBG二 向色屬性。例如，可以針對(duì)基波波長(zhǎng)和二次諧波波長(zhǎng)的特定選擇來測(cè) 試幾種不同VBG光柵屬性和成分，以便針對(duì)特定應(yīng)用優(yōu)化VBG的二 向色特性。進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)測(cè)試證明，為了穩(wěn)頻帶有非線性頻率轉(zhuǎn)換的表面 發(fā)射激光器，可以將VBG優(yōu)化成具有適當(dāng)?shù)亩蛏匦?。在一些?shí)施例中，最好將VBG和非線性晶體合為一體。通常， 這不會(huì)影響非線性晶體的相位匹配或準(zhǔn)相位匹配熱調(diào)整，因?yàn)閂BG 通常具有它們的反射譜的極高溫度穩(wěn)定性，具有大約0.01 nm/°C的譜 調(diào)整。注意，如上所述的激光器設(shè)計(jì)不局限于任何特定操作模式，并且可以是連續(xù)波或脈沖，例如，通過電泵浦半導(dǎo)體表面發(fā)射器的直流脈 沖脈動(dòng)的脈沖。另外，本發(fā)明所述的表面發(fā)射激光器可以利用飽和吸收元件被鎖模(例如，參見K. Jasim， Q. Zhang， A. V. Nurmikko， A. Mooradian， G. Carey, W. ha and E. Ippen的"Passively modelocked vertical extended cavity surface emitting diode laser，，， Electronics letters, V.39, p.373(2003))。在這種情況下，薄膜干涉濾光片或VBG 可被設(shè)計(jì)成控制鎖模輸出的語(yǔ)寬，以便最佳地匹配非線性晶體的i脊相 位匹配帶寬，以便優(yōu)化每個(gè)發(fā)射器的光斑減弱。如上所述的所有設(shè)計(jì) 都可以沿著一維和二維兩者縮放成與陣列結(jié)構(gòu)相稱，但它們也可以同 等地應(yīng)用于單發(fā)射器激光器。最后，可以電泵浦或光泵浦通過在本發(fā) 明中所述的方法穩(wěn)頻的表面發(fā)射激光器和激光器陣列。在本發(fā)明的主要應(yīng)用實(shí)施例之一中，圍繞等于對(duì)投影顯示應(yīng)用有 價(jià)值的波長(zhǎng)的兩倍的RGB波長(zhǎng)，即， 635 nm(紅色)、~ 532 nm (綠色)和 460 nm (藍(lán)色)，來設(shè)計(jì)表面發(fā)射增益元件。本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例是穩(wěn)頻倍頻激光器或激光器陣列，使它們 無需昂貴的有效溫度控制(例如，通過熱電冷卻器的溫度控制)就可 以在擴(kuò)充范圍的環(huán)境溫度下工作。在涉及例如，像PDA(個(gè)人數(shù)字助 理)那樣的手持設(shè)備、激光打印機(jī)等的許多應(yīng)用中，最好將它們?cè)O(shè)計(jì) 成可以在大范圍環(huán)境溫度，例如-l(^C-5()V:下工作。傳統(tǒng)解決方案 需要通過，例如熱電冷卻器對(duì)激光器和關(guān)鍵部件進(jìn)行有效溫度控制。 本發(fā)明可以利用如上所述，立體布拉格光柵通常是在0.01 nm/GC或更 小調(diào)整的極高溫度穩(wěn)定元件，并可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)成對(duì)溫度不敏感的事 實(shí)。這使得可以將激光器的波長(zhǎng)鎖定在所需值上，并可以通過按插件 設(shè)計(jì)的廉價(jià)加熱元件將非線性晶體調(diào)整到鎖定激光波長(zhǎng)。這種解決方 案可以用在可以通過不同工具泵浦、包括表面發(fā)射和邊緣發(fā)射半導(dǎo)體 激光器和固態(tài)激光器的各種類型激光器或激光器陣列上。存在幾種穩(wěn)頻激光器或激光器陣列特別有用的應(yīng)用。其中有作為 用于投影顯示的可見光激光器或激光器陣列源的應(yīng)用、像流動(dòng)血細(xì)胞 計(jì)數(shù)器或共焦顯微鏡那樣的單縱模激光器的儀器級(jí)應(yīng)用、打印應(yīng)用、IV.高度可制造緊湊倍頻垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器陣列本發(fā)明的實(shí)施例描述了在可縮放和低成本平臺(tái)上構(gòu)造可視激光 器陣列的技術(shù)手段。可縮放性應(yīng)用于陣列的輸出功率和在大量晶片規(guī)模制造過程中可以按比例降低的價(jià)格。而且，當(dāng)制造這樣的RGB激 光器陣列時(shí)，這種技術(shù)手段允許再次以導(dǎo)致成本降低的相似方式來獲 得所有所需可見顏色。本發(fā)明的實(shí)施例描述了倍頻垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器 (VECSEL)的倍頻陣列的低成本高度可制造設(shè)計(jì)。在VECSEL中， 由形成表面發(fā)射增益元件的陣列的表面發(fā)射激光器芯片和端鏡來限 定激光器空腔。激光器芯片具有至少一個(gè)外延生長(zhǎng)鏡和增益區(qū)。在一 個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，增益區(qū)包含一個(gè)或幾個(gè)量子勢(shì)阱。圖25是例示VECSEL陣列的主要部件的方塊圖。表面發(fā)射激光 器增益芯片具有增益元件的陣列2510。極化控制元件2520配備成控 制極化。非線性晶體2530是為倍頻配備的。波長(zhǎng)控制單元2540配備 成控制波長(zhǎng)。包括端鏡2550是為了提供光反饋并限定擴(kuò)充空腔。也 可以包括諸如微透鏡的陣列2515或孔徑的陣列2525的次要部件。激光器陣列的制造成本取決于部件個(gè)數(shù)以及對(duì)準(zhǔn)和封裝部件的 成本。最近，制造VECSEL半導(dǎo)體管芯的成本已經(jīng)下降，以及組裝 密度隨VECSEL的半導(dǎo)體部分的生長(zhǎng)和制造不斷改善而提高。本發(fā) 明人的研究表明，制成設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)和封裝成本現(xiàn)在是VECSEL的主 要成本因素。傳統(tǒng)的空腔設(shè)計(jì)需要仔細(xì)地機(jī)械或熱對(duì)準(zhǔn)各個(gè)激光器元 件。尤其，傳統(tǒng)上需要幾個(gè)關(guān)鍵性光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。關(guān)鍵性光學(xué)對(duì)準(zhǔn)需要精 確對(duì)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高的設(shè)備效率，并且通常還需要仔細(xì)設(shè)計(jì)封裝固定件以便在激光器的整個(gè)壽命內(nèi)保持關(guān)鍵性光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。相反，在本發(fā)明的低 成本設(shè)計(jì)實(shí)施例中，我們的目的是消除對(duì)準(zhǔn)陣列的每個(gè)獨(dú)立發(fā)射器的需要，而是同時(shí)對(duì)準(zhǔn)所有的陣列元件，以便同時(shí)最大化所有陣列發(fā)射 器上的增益和非線性轉(zhuǎn)換。一個(gè)方面是可以將多個(gè)發(fā)射器(增益元件)安排在單個(gè)管芯上并附到相同熱宿上，并且在單個(gè)制造步驟中電連線。通過利用在公用管 芯上形成的表面發(fā)射激光器的陣列，大量激光器可被同時(shí)對(duì)準(zhǔn)和封 裝，從而提高了可制造性。利用陣列手段的另一種優(yōu)點(diǎn)是提高了它的 可靠性，因?yàn)殛嚵袥]有傳統(tǒng)激光器的單故障點(diǎn)缺點(diǎn)。功率的可能下降 或甚至一些陣列元件完全失效不會(huì)招致整個(gè)光源的不可恢復(fù)惡化，并 可以以不適用于傳統(tǒng)激光器系統(tǒng)的方式來補(bǔ)償。另外，當(dāng)功率密度沒 有像用在功率相當(dāng)?shù)膯伟l(fā)射器激光器中那么高時(shí)，可以極大地提高非 線性光學(xué)元件的可靠性。相反，可以使每個(gè)發(fā)射器的功率密度保持在 適度低水平上。在一個(gè)實(shí)施例中，端鏡是具有平坦面的分段，以便于端鏡與表面 發(fā)射激光器陣列芯片之間的簡(jiǎn)單對(duì)準(zhǔn)過程。光學(xué)設(shè)計(jì)是相應(yīng)計(jì)及平面 端鏡的設(shè)計(jì)。例如，可以包括微透鏡的陣列來限定模腰。其它主要光 學(xué)部件也可被實(shí)現(xiàn)成具有平坦面的分段以便于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。本發(fā)明的另一個(gè)方面是可以將圖25的兩個(gè)或更多個(gè)部件組合成 一個(gè)光學(xué)組件(例如，通過將兩個(gè)或更多個(gè)部件合成一個(gè)單元)，以 便進(jìn)一步降低對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜性。在一些情況下，各個(gè)部件提供多種功能。 在其它情況下，各個(gè)部件形成通過將這些部件"^殳計(jì)成具有可以相互貼 在一起的基本平坦表面而便于相互貼在一起的部件的較大光學(xué)組件。 參照?qǐng)D26，利用例如立體布拉格光柵，可以將波長(zhǎng)控制元件和端鏡的 功能組合成一個(gè)單元，以提供光反饋和頻率控制。參照?qǐng)D27，通過例 如將立體布拉格光柵貼在非線性晶體上，可以組合非線性晶體、波長(zhǎng) 控制元件和端鏡的功能。如圖28所示，通過例如將極化控制元件貼 在又安裝在立體布拉格光柵上的非線性晶體上，可以組合極化控制元 件、非線性晶體、波長(zhǎng)控制元件和端鏡的功能。如圖29所示，也可 以將次要光學(xué)部件的功能與其它功能塊組合在一起。例如，可以將微 透鏡的陣列貼在諸如官面透鏡的陣列的表面發(fā)射激光器陣列芯片上， 以有助于優(yōu)化激光器空腔的空間模和/或?qū)⒐饩劢沟椒蔷€性晶體上。作 為另 一個(gè)例子，可以進(jìn)一步將官面的陣列涂成在基波波長(zhǎng)是透射的和 在二次諧波上是高度反射的，使得反射二次諧波的光，擴(kuò)大和縮小向前傳播二次諧波光束的空間重疊。作為另一個(gè)例子，可以將孔徑的陣 列與表面發(fā)射激光器陣列芯片合成為一體。因此，可以減少必須對(duì)準(zhǔn) 并以穩(wěn)定光學(xué)對(duì)準(zhǔn)封裝的部件的數(shù)量。實(shí)現(xiàn)如上所述的優(yōu)點(diǎn)需要大量創(chuàng)新設(shè)計(jì)步驟。這些步驟包括但不 局限于，利用立體布拉格光柵(只在最近商業(yè)化的新元件)、利用陣 列的脈動(dòng)，利用特定設(shè)計(jì)的薄膜干涉濾光片等，通過簡(jiǎn)單和可制造的 空腔設(shè)計(jì)來最大化非線性頻率轉(zhuǎn)換過程。圖30和31例示了兩個(gè)優(yōu)選空腔布局實(shí)施例。但是，諸如彎折空 腔、加入用于模式控制的透鏡和孔徑陣列、以及利用保持設(shè)計(jì)可縮放 的其它激光器設(shè)計(jì)選項(xiàng)的這些設(shè)計(jì)的擴(kuò)展和修改也在本發(fā)明的范圍 之內(nèi)。這意味著，這些空腔設(shè)計(jì)可以同等地用于單發(fā)射器配置、 一維 陣列和二維陣列。如圖30所示的空腔設(shè)計(jì)包含電泵浦半導(dǎo)體表面發(fā)射激光器陣列 2105、和由極化分束器2320、非線性晶體1615和立體布拉格光柵2310 組成的擴(kuò)充空腔。半導(dǎo)體激光器或激光器陣列的設(shè)計(jì)描述在特此全文 引用以供參考的Mooradian的專利("High power laser devices",美 國(guó)專利第6,243,407號(hào)；"Efficiency high power laser device",美國(guó)專 利第6,407,797號(hào)；"High power laser",美國(guó)專利第6,614,827號(hào)；和 "Coupled cavity high power semiconductor laser，，, 美國(guó)專利第 6，778，582號(hào))中?？梢詫⑼哥R陣列與芯片合并在一起或分開地放置在 擴(kuò)充空腔中。當(dāng)與芯片合并在一起時(shí)，透鏡可以是由增益區(qū)中所產(chǎn)生 的熱產(chǎn)生的熱透鏡、或例如在芯片表面上蝕刻的靜態(tài)透鏡。這樣的透 鏡有助于穩(wěn)定激光器的空間本征模，當(dāng)某人為了簡(jiǎn)單起見和/或由于成 本原因，想設(shè)計(jì)帶有扁平輸出耦合器的外部空腔時(shí)，尤其希望這樣。 正如在前面的討論中所述的那樣，表面發(fā)射陣列配置的獨(dú)特方面是它 的可縮放性一可以將大量發(fā)射器放在同一管芯上，該管芯可以安放在 相同熱宿上和無需傳統(tǒng)分立激光器件所需的額外步驟就可以制造。相 鄰表面發(fā)射器之間的間距被優(yōu)化成使熱串?dāng)_最小化。在實(shí)驗(yàn)上和通過 模擬已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大約2.5的間隔和與增益孔徑直徑的較大比率可以達(dá)到最小熱串?dāng)_，并且這可以提供在小型插件中容納許多發(fā)射器的組裝密度。例如，投影顯示應(yīng)用的3W單色激光源的一種優(yōu)選設(shè)計(jì)可以利 用大約lmmx7mm橫截面的管芯來生產(chǎn)，具有20- 30個(gè)大約100-120微米增益直徑的發(fā)射器。如果必要，陣列上發(fā)射器的排列可以選 擇成非周期性的(具有非均勻間距)，以優(yōu)化熱性能和減少處在表面 發(fā)射陣列芯片中心的發(fā)送器的發(fā)熱。立體布拉格光柵(VBG)是由周期性折射率變化寫在其中的特 殊玻璃制成的波長(zhǎng)選擇元件。這樣的折射率變化可以設(shè)計(jì)成生產(chǎn)可以 幫助控制該設(shè)計(jì)選擇的窗口中的激光器鐠的鐠變窄高反射率元件。雖 然已知光纖布拉格光柵用在遠(yuǎn)程通信激光器設(shè)計(jì)應(yīng)用中已有一些年 頭了，但它們的立體對(duì)應(yīng)物(VBG)只是在最近才開始商用。這樣光 柵元件的原理描述在O. M. Efimov、 L， B. Glebov、 V. L. Smirnov、 和L. Glebova提出的發(fā)明名稱為"Process for production of highefficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass"的美國(guó)專利第6,586,141號(hào)、和O. M. Efimov、 L. B. Glebov和 V. L. Smirnov提出的發(fā)明名稱為"High efficiency volume diffractive elements in photo-thermal refractive glass，，的美國(guó)專利第6,673,497 中。以前，人們已經(jīng)描述了如何將VBG用于邊緣發(fā)射激光器或激光 器陣列的穩(wěn)頻(G. Vensus、 V. Smirnov和L. Glebova, "Spectral Stabilization of Laser Diodes by External Bragg Resonator，，， Proceedings of Solid State and Diode Laser Technology Review, Albuquerque,匪，June 2004; B丄Volidin和V. S. Ban的"Use of volume Bragg gratings for the conditioning of laser emission characteristics",美國(guó)專利申請(qǐng)第10/884,524號(hào))。立體布拉格光柵 元件當(dāng)前可從Optigrate ( Orlando, FL ) 、 PD-LD ( Pennington, NJ ) 和Ondax ( Monrovia, CA )等公司獲得。類似的全息元件也已經(jīng)制造 出來，用在介質(zhì)存儲(chǔ)技術(shù)中(例如，通過同相技術(shù))，雖然在如下的 討論中我們將使用術(shù)語(yǔ)"立體布拉格光柵(VBG)",但假設(shè)使用這樣 的全息光柵元件也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在優(yōu)選實(shí)施例中，非線性晶體是諸如周期性極化KTP、 LiNb03 或LiTa03的周期性極化非線性晶體。使用這種晶體的優(yōu)點(diǎn)是它們呈 現(xiàn)高度非線性，并可被制造用于選擇的波長(zhǎng)的非線性頻率轉(zhuǎn)換。類似 地，表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器芯片和立體布拉格光柵可以圍繞相同波長(zhǎng) 設(shè)計(jì)。諸如KTP、 LiNb03或LiTa03的晶體的非周期性(線性調(diào)頻) 極化擴(kuò)大了溫度和/或波長(zhǎng)空間中的非線性轉(zhuǎn)換帶寬。但是，也可以使 用諸如KTP、 LBO、 KNb03等的傳統(tǒng)大塊非線性材料。在一些情況 下，最好形成這些晶體的光學(xué)接觸組件，例如，通過光學(xué)接觸兩個(gè)較 薄片可以增加周期性極化材料的厚度。最后，為了限定使非線性頻率轉(zhuǎn)換(二次諧波生成)過程有效的 激光器的線性極化，空腔需要提供極化控制的元件。如圖30所示的 極化分束器元件2320提供了極化控制功能，并且還用于將向后傳播 頻率轉(zhuǎn)換光束改向到空腔的外部。為了執(zhí)行這些功能，需要將這種極 化分束器的兩個(gè)表面涂成在基波激光波長(zhǎng)上鑒別所需極化和為所需 極化提供高透射率，以及需要將表面之一涂成在頻率轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)上具有 高反射率?？商娲?，如特此引用以供參考的A. V, Shchegrov、 A. Umbrasas、 J. P. Watson和D. Lee提出的發(fā)明名稱為"Polarization control of an extended cavity laser，，的美國(guó)專利申請(qǐng)第10/734,553號(hào) 所述，仍然可以通過非線性晶體的雙折射來控制極化。如圖30所示的設(shè)計(jì)允許收集每個(gè)發(fā)射器的向前和向后傳播頻率 轉(zhuǎn)換光束兩者。轉(zhuǎn)向鏡3005可以用于將光引向同一方向。例如，可以針對(duì)大約1064 nm的波長(zhǎng)來設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光源陣列—在本例中，可以通過諸如GaAs晶片上的MOCVD或MBE的技術(shù)來生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)，并且可以將外延生長(zhǎng)鏡和量子勢(shì)阱對(duì)準(zhǔn)1064 nm。 立體布拉格光柵可被設(shè)計(jì)成在窄到足以停留在非線性材料的相位匹配(或準(zhǔn)相位配置)帶寬內(nèi)的語(yǔ)帶寬中的1064 nm上提供最大反射。 非線性材料可被適當(dāng)?shù)剡x擇成提供從1064 nm到532 nm的有效二次 諧波生成。這種材料的例子包括PPKTP、 PPLN (可以摻雜MgO以 提高其損壞閾值)、PPLT、 KTP等。圖30的空腔設(shè)計(jì)將導(dǎo)致生成在兩個(gè)方向上傳播的二次諧波光 束。雖然可以通過半導(dǎo)體芯片或非線性晶體上的二向色涂層反射向后 傳播光束，來共線地重新組合和重疊這些光束，但簡(jiǎn)單收集如圖30 所示的向前和向后傳播光束在諸如投影顯示光源的應(yīng)用中也是可接 受的。另外，簡(jiǎn)單系統(tǒng)避免了在光束組合方案中避免相消干涉所需的 復(fù)雜相位控制。但是，通過針對(duì)反射最好利用設(shè)計(jì)的同相移動(dòng)來設(shè)計(jì) 適當(dāng)二向色涂層來重疊向前和向后傳播光束也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。 注意，向前和向后傳播二次諧波光束的光路可被選擇成在重新組合之 前足夠長(zhǎng)，以降低干涉效應(yīng)。尤其，可以在穿過了長(zhǎng)于它們的相干長(zhǎng) 度的光路長(zhǎng)度之后重新組合向前和向后傳播光束。在激光器設(shè)計(jì)的技術(shù)中已知的其它方式可以用于提高二次諧波 光提取的效率。做到這一點(diǎn)的一種方式(在圖中未示出)是將空腔彎 折成L形，并使基波和二次諧波光兩者返回到它們的向前路徑。這樣 的設(shè)計(jì)也可縮放到陣列平臺(tái)，并且也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。允許共線重新組合向前和向后傳播光束的另一種可縮放設(shè)計(jì)例 示在圖31中。這里，示出了合為一體元件3120的優(yōu)選低成本實(shí)施例，但也允許光學(xué)元件分開的設(shè)計(jì)。圖中只用虛線示出了二次諧波光束。 向前傳播二次諧波光束通過立體布拉格光柵來提取。向后傳播二次諧波光束的極化被旋轉(zhuǎn)了 90° (以避免相消干涉和/或相移效應(yīng))，然后 反射回到立體布拉格光柵。如圖31所示的實(shí)施例^^用了四分之一波片3105 (對(duì)于二次諧波 波長(zhǎng))來旋轉(zhuǎn)二次諧波光的極化，然后通過波片或表面發(fā)射芯片上的 適當(dāng)二向色涂層使其反射回來。這使向后生成光束可以與正交極化的 向前傳播二次諧波光束重新組合在一起。這種類型的光束組合有助于避免光束之間的潛在非所需相消干涉。在本實(shí)施例中，將從所得激光 源中收集二次諧波光的極化。用于二次諧波的四分之一波長(zhǎng)的波片可 被設(shè)計(jì)成等于基波波長(zhǎng)的一半，以便不會(huì)影響激光器在基波波長(zhǎng)下的 操作。這種類型的波片可從市場(chǎng)中獲得。另外，可以將二向色涂層夾 在相互旋轉(zhuǎn)90°的兩個(gè)相同波片之間。這樣的系統(tǒng)使透射光的極化沒有改變，而使從二向色涂層反射的光改變?nèi)我饨嵌龋缧D(zhuǎn)90°。 這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的低成本封裝結(jié)構(gòu)，因?yàn)榭梢詫讉€(gè)元件 合為一體，并且只需機(jī)械對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)子組件以實(shí)現(xiàn)最佳激光器操作。至 于通常通過晶體實(shí)現(xiàn)最佳非線性轉(zhuǎn)換所需的熱對(duì)準(zhǔn)，通過就O.l nm嚴(yán)C 或更少的調(diào)整率來說立體布拉格光柵相對(duì)于溫度變化通常是非常穩(wěn) 定的事實(shí)而易于實(shí)現(xiàn)。這意味著只需調(diào)整非線性晶體就可以實(shí)現(xiàn)最佳 轉(zhuǎn)換，例如，通過低成本電阻加熱器，其它元件不需要類似的有效溫 度控制。在優(yōu)選實(shí)施例中，如圖3所示，對(duì)于整個(gè)陣列，只需對(duì)準(zhǔn)一 個(gè)元件。而且，這種空腔設(shè)計(jì)的對(duì)準(zhǔn)容限不是非?？量痰?。例如，對(duì) 于每個(gè)發(fā)射器大約100到200微米的增益直徑，在大約5%的可見功 率內(nèi)對(duì)準(zhǔn)的容限是大約1毫弧度的傾斜。
最后，圖30和31的兩種設(shè)計(jì)都是相當(dāng)緊湊的，尤其當(dāng)半導(dǎo)體芯 片中的熱透鏡穩(wěn)定空腔時(shí)，可能只需要被動(dòng)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)步驟來實(shí)現(xiàn)最佳 激光器操作。
如圖31所示的實(shí)施例需要分立極化控制元件。雖然仍然可以使 用如圖30所示的分束器手段，但最好保持設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且將極化控 制功能與任何現(xiàn)有光學(xué)元件(表面發(fā)射陣列、波片、晶體和VBG)合 并在一起。做到這一點(diǎn)的優(yōu)選手段之一是，使線柵極化器淀積在這些 元件之一上，以拒絕不期望的極化并使所需極化的損耗極低。并且， 這種手段的概念是減少元件的數(shù)量和低成本大量制造的對(duì)準(zhǔn)步驟。
可以為激光器系統(tǒng)的低成本高度可制造平臺(tái)優(yōu)化圖30和31的設(shè) 計(jì)和它們的擴(kuò)展。但是，低成本設(shè)計(jì)使在二次諧波轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)所 需功率目標(biāo)要求變得更具挑戰(zhàn)性。提高二次諧波過程的效率的一種方 式是，將空腔設(shè)計(jì)成帶有將基波波長(zhǎng)的光束聚焦成帶有位于晶體中的 細(xì)腰的光束的一個(gè)或多個(gè)透鏡陣列。雖然這種選擇在本發(fā)明的范圍之 內(nèi)，但不是實(shí)現(xiàn)利用有效倍頻的低成本結(jié)構(gòu)的主要手段。提高二次諧 波過程的效率的優(yōu)選手段是，利用占空比足夠大，例如5-10%的例 如IOO nm的短脈沖來驅(qū)動(dòng)表面發(fā)射電泵浦激光器陣列，以提高基波 波長(zhǎng)空腔內(nèi)光束的峰值功率和提高二次諧波光束的平均功率。利用諸如例如1 MHz的高重復(fù)率的脈沖操作在^^多應(yīng)用中可以與連續(xù)波操 作一樣可接受。例如，在顯示應(yīng)用中，這樣的重復(fù)率使肉眼覺察不出 是脈沖操作。因此，這樣的脈沖源與連續(xù)波源一樣可接受。而且，由 于脈沖操作可以為顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供更多靈活性，它們甚至可以 是期望的。
電泵浦頻率轉(zhuǎn)換激光器陣列光源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，可以通過調(diào)制 電子設(shè)備而直接在像，例如25MHz的高速率上調(diào)制。調(diào)制能力在諸 如基于掃描的激光投影設(shè)備等的應(yīng)用中是合乎要求的。
在本發(fā)明范圍之內(nèi)的其它設(shè)計(jì)包括帶有除立體布拉格光柵之外 的其它頻率控制元件的激光器陣列。這種元件的一個(gè)例子是薄膜涂層 干涉濾光片，該薄膜涂層干涉濾光片可被設(shè)計(jì)成在基波設(shè)計(jì)波長(zhǎng)上提 供諧振窄帶透射。
本發(fā)明的激光源實(shí)施例的主要應(yīng)用之一是投影顯示。對(duì)于這些應(yīng) 用，最好利用紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)來實(shí)現(xiàn)觀看感受最佳的全色 空間表示。如上所述的實(shí)施例不專用于任何顏色，并且可以用于設(shè)計(jì) 作為本發(fā)明一部分的全RGB激光器陣列光源。例如，可以圍繞1260 nm、 1064 nm和920 nm來設(shè)計(jì)半導(dǎo)體增益材料和鏡疊層。并且，通 過選擇諸如鈮酸鋰的非線性材料的適當(dāng)極化周期和光學(xué)涂層，并圍繞 這些波長(zhǎng)設(shè)計(jì)VBG和分束器或波片，我們獲得630 nm (紅色)、532 nm (綠色)和460 nm (藍(lán)色)的激光器陣列光源。
可以通過簡(jiǎn)單增加陣列中的發(fā)射器的數(shù)量來提高每種顏色的功 率。在一些情況下，最好使用發(fā)射器的一維陣列。例如，可以將許多 周期性極化的非線性晶體制造成具有難以沿著那 一 維裝配多行發(fā)射 器的薄橫斷面 0.5mm。在這種情況下，最好沿著單個(gè)方向增減發(fā)射 器的數(shù)量?？商娲兀梢允褂枚S發(fā)射器陣列，當(dāng)不希望增加非線 性晶體的厚度時(shí)，可以使用光學(xué)接觸薄晶體的子組件來取代單個(gè)晶體。
本發(fā)明的應(yīng)用包括用于投影顯示的光源、照明應(yīng)用、汽車照明和 其它消費(fèi)電子設(shè)備應(yīng)用。例如，基于相干激光源的投影顯示系統(tǒng)可能受光斑影響。但是，當(dāng)在激光器陣列中增加發(fā)射器的數(shù)量時(shí)，光斑影 響被減弱。并且，作為本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的多縱模操作降低了每個(gè)發(fā) 射器的相干性，從而減弱了光斑。通過激光器的脈沖操作可以進(jìn)一步 提升這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提高了這種陣列的可靠性，因?yàn)橐粋€(gè)發(fā) 射器中的故障并不意味著整個(gè)光源出故障，并因?yàn)榉蔷€性晶體和其它 光學(xué)元件中的功率密度沒有像用在功率相當(dāng)?shù)膯伟l(fā)射激光器中那么 高，例如，在背投顯示電視的激光源所需的多瓦水平上。
這種設(shè)計(jì)的激光器與低成本封裝的方法兼容。尤其，可以使這些 激光器變得緊湊和帶有簡(jiǎn)單對(duì)準(zhǔn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，關(guān)鍵性對(duì)準(zhǔn)處在 兩者都是扁平的激光器陣列的表面和輸出鏡的表面之間。激光器以這 樣的方式設(shè)計(jì)，即這種對(duì)準(zhǔn)的容限可以被動(dòng)地滿足，或至少被動(dòng)對(duì)準(zhǔn) 足以實(shí)現(xiàn)接著可以容易優(yōu)化的初始激光發(fā)射。這樣就消除了搜索初始 操作的需要。這樣的簡(jiǎn)單插件可以容易地合并到多色插件中，提供了
用于顯示應(yīng)用的激光器系統(tǒng)中的進(jìn)一步空間縮小。在圖32A、 32B和 32C中示出了這種插件的例子。圖32A示出了單個(gè)陣列(例如，用于 一種顏色的光的陣列)的插件。圖32B示出了沿著線3200的橫斷面。 圖32C示出了諸如生成紅光、綠光和藍(lán)光的一組的一組封裝陣列。
在如圖32A、 32B和32C所示的插件中，存在幾個(gè)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有 好處的要素。首先，插件不需要有效溫度穩(wěn)定。這是通過將表面發(fā)射 激光器以及插件制造成具有高導(dǎo)熱性以及激光器與插件基底之間的 短距離來實(shí)現(xiàn)的。其次，可以利用與激光器插件的高精度基準(zhǔn)標(biāo)記的 -故動(dòng)對(duì)準(zhǔn)來進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。4象如圖32A、 32B和32C所示的那些的系統(tǒng)最 好具有與現(xiàn)代中央處理單元(CPU)芯片相當(dāng)?shù)臒岷纳?，因此，為這 些CPU設(shè)計(jì)的任何有效低成本冷卻解決方案都可以用于這樣的激光 器。
其次，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成帶有最少數(shù)量的元件。在如圖32A和32B 所示的單元的情況下，只存在四個(gè)不同元件激光器、極化器、非線 性材料和VBG。而且，只有VBG需要關(guān)鍵性對(duì)準(zhǔn)。因此，封裝成本 因關(guān)鍵性對(duì)準(zhǔn)的數(shù)量最少而降低。另外，部件個(gè)數(shù)的減少也便于在單元的整個(gè)壽命期間保持光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
第三，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成緊湊的。在一個(gè)實(shí)施例中，插件具有小于
1.5英寸的寬度和小于大約兩英寸的總體積，使得封裝激光器可以作 為UHP燈的替代品用在各種各樣投影顯示系統(tǒng)中。這是通過限制元 件的數(shù)量、以及取代單個(gè)激光器而利用帶有簡(jiǎn)單緊湊空腔的激光器陣 列來實(shí)現(xiàn)的，單個(gè)激光器由于其較高性能，需要更多的關(guān)鍵性對(duì)準(zhǔn)， 和相應(yīng)地需要更多的空間和元件來進(jìn)行那些對(duì)準(zhǔn)。
V.顯示系統(tǒng)中取代UHP燈的緊湊、高效高功率陣列的VECSEL
設(shè)計(jì)
本發(fā)明的激光器陣列的一種應(yīng)用是作為用在投影顯示中的傳統(tǒng) 白光源的替代品。如前所述，可縮放、可制造結(jié)構(gòu)允許選擇VECSEL 的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)高功率、可靠和基本無光斑的輸出。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 明，VECSEL陣列可以十分緊湊并具有很高的效率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明， 各個(gè)VECSEL可以利用脈沖才莫式倍頻在可見光內(nèi)生成大約30-50 mV的輸出功率。優(yōu)化泵浦激光器的脈沖寬度可以使平均脈沖SHG功 率提高兩倍多。熱模擬證明，對(duì)于脈沖模式應(yīng)用，可以以大約2: 1 到3: 1的組裝比來緊密地組裝VECSEL。
VECSEL增益元件最好被優(yōu)化成低的光損耗。對(duì)于利用100到 400微米增益直徑的50到100微米的村底厚度，載波增益分布對(duì)于降 至mid E16 n-type的村底摻雜水平接近大禮帽形狀。
通過經(jīng)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，VECSEL的效率隨著電泵浦直徑的增大而 提高。VECSEL的每個(gè)增益元件可以利用，例如，質(zhì)子注入或其它技 術(shù)將電流注入限制在預(yù)選直徑上，以將電流限制在預(yù)選直徑上。經(jīng)驗(yàn) 研究證明，可以在脈沖模式下使用組裝密度高的陣列，從而降低激光 器的半導(dǎo)體部分的成本。
參照?qǐng)D33,在電流注入局限于所選直徑的VECSEL中，可以對(duì) 量子勢(shì)阱增益區(qū)進(jìn)行電泵浦。但是，如果電泵浦區(qū)中的增益足夠高和 直徑足夠?qū)?，則在量子勢(shì)阱的側(cè)面也存在顯著放大的自發(fā)發(fā)射。其結(jié) 果是，如圖34所示，存在光損耗低的光泵浦環(huán)形區(qū)。這些影響尤其被宣稱用于大電流脈沖模式操作和大直徑VECSEL，這樣的VECSEL 具有在80 - 150微米范圍內(nèi)的電泵浦直徑。這種環(huán)形側(cè)面泵浦產(chǎn)生附 加光增益和低損區(qū)。對(duì)于高度泵浦的大直徑設(shè)備，光功率的40-60 %可以在光泵浦環(huán)形區(qū)內(nèi)。理解環(huán)形側(cè)面泵浦的影響的另一種方式 是，只要調(diào)整外部空腔模式，可以恢復(fù)側(cè)面放大自發(fā)發(fā)射造成的能量 損耗，使得光學(xué)模直徑至少恢復(fù)環(huán)形區(qū)中的一些功率。
經(jīng)驗(yàn)研究證明，存在150孩i米直徑電泵浦增益區(qū)的VECSEL在 擴(kuò)充空腔內(nèi)在基波波長(zhǎng)上具有接近幾百瓦特的循環(huán)功率。高循環(huán)功率 密度又提高了SHG輸出。另外，與小直徑VECSEL相比，相對(duì)較大 電泵浦直徑放寬了對(duì)準(zhǔn)容限?？商娲?，理解大直徑VECSEL的另 一種方式是，除了側(cè)面光泵浦提供的附加好處之外，對(duì)于特定程度的 制造失準(zhǔn)，大直徑造成較低的光耦損耗。
VECSEL的高效率也降低了熱耗散，從而降低了冷卻要求。另 外，高效率和高組裝密度使總體積為1到2立方英寸的相對(duì)緊湊模塊 在諸如RGB的幾個(gè)可見光波長(zhǎng)上生成相當(dāng)大的功率。
圖35是比較VECSEL ( ECSEL列)、LED和UHP燈的圖表。 按照本發(fā)明的教義制造的VECSEL陣列現(xiàn)在具有超過UHP燈的功 率、亮度、效率和成本特性。另外，VECSEL陣列十分緊湊，消除了 將色輪和風(fēng)扇用于DLP系統(tǒng)的需要。在諸如3LCD發(fā)光器的其它顯 示應(yīng)用中，消除了附加極化器、濾色片、轉(zhuǎn)向鏡和蠅眼透鏡的需要。 因此，VECSEL陣列可作為UHP燈的替代品用在許多投影顯示應(yīng)用 中。此外，緊湊尺寸還提供與相對(duì)來說甚至更小的微型顯示器的高耦 合。因此，在本專利申請(qǐng)中所述的光源和操作方法可作為傳統(tǒng)LED 和UHP燈的替代品用在各種各樣的發(fā)光器結(jié)構(gòu)中。
VI.其它優(yōu)化
本發(fā)明的實(shí)施例可以通過各種各樣的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。非線性晶體的 變種被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。非線性晶體可以是，例如諸如周期 性極化鈮酸鋰(PPLN)、周期性極化鉭酸鋰(PPLN)、周期性極化 磷酸鈦氧鉀(PPKTP)、或周期性極化砷酸鈥氧銣(PPRTA)的周期性極化材料。非線性晶體可以是利用線性調(diào)頻非周期性圖案極化 的，以擴(kuò)大非線性轉(zhuǎn)換鐠和溫度帶寬。非線性晶體可以是諸如三硼酸
鋰(LBO )、磷酸鈦氧鉀(KTP ) 、 P-硼酸鋇(BBO )、硼酸銫鋰(CLBO ) 或鈮酸鉀(KNb03)的大塊非線性材料。
增益元件可以由諸如GalnAs、 GaAlAs、 GalnAsN和GaN的各 種各樣半導(dǎo)體材料形成。
立體布拉格光柵可被設(shè)計(jì)成具有線性調(diào)頻折射率圖案，以提供降 低的陣列相干性和光斑。
可以包括諸如光纖布拉格光柵的另外光學(xué)元件來提供頻率控制。
VII. 組合和子組合
雖然針對(duì)各種例子對(duì)本發(fā)明作了描述，但應(yīng)該明白，也可以以組 合和子組合形式使用各種例子。
VIII. 其它應(yīng)用
雖然針對(duì)投影顯示應(yīng)用廣泛地描述了本專利申請(qǐng)的各個(gè)激光器 和激光器陣列，但應(yīng)該明白，它們也可以用在其它應(yīng)用中。
前面的描述為了說明的目的，使用特定的術(shù)語(yǔ)幫助人們?nèi)媪私?本發(fā)明。但是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，顯而易見，特定的 細(xì)節(jié)不是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所必需的。因此，前面給出本發(fā)明的特定實(shí)施例 的描述只是為了例示和描述。它們不是用于窮舉的或?qū)⒈景l(fā)明限制在 公開的確切形式上；顯然，可以考慮了上面的教義之后作出許多修改 和改變。選擇的描述實(shí)施例是為了最好地說明本發(fā)明的原理和它的實(shí) 際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠借助于像適合設(shè)想的特定 使用那樣的各種修改最好地利用本發(fā)明和各種實(shí)施例。我們的意圖 是，所附權(quán)利要求書及其等效物限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種帶有空腔內(nèi)非線性倍頻的半導(dǎo)體垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器陣列，包括具有在公用半導(dǎo)體襯底中形成的發(fā)射器陣列的電泵浦表面發(fā)射半導(dǎo)體增益芯片，每個(gè)發(fā)射器生成基波波長(zhǎng)附近的光；與所述表面發(fā)射半導(dǎo)體增益芯片隔開以限定每個(gè)所述發(fā)射器陣列的擴(kuò)充空腔的端反射器，所述端反射器在基波激光波長(zhǎng)上具有高反射率；位于擴(kuò)充空腔內(nèi)以便為整個(gè)發(fā)射器陣列提供光的倍頻的非線性晶體；位于擴(kuò)充空腔內(nèi)以便為整個(gè)發(fā)射器陣列提供波長(zhǎng)控制的波長(zhǎng)控制元件；以及位于擴(kuò)充空腔內(nèi)以便為整個(gè)發(fā)射器陣列提供極化控制的極化控制元件；所述表面發(fā)射激光器陣列具有光學(xué)單元，所述光學(xué)單元具有所述增益芯片、所述端反射器、所述非線性晶體、所述波長(zhǎng)控制元件和所述極化控制元件的至少兩個(gè)的功能，以減少必須在封裝期間對(duì)準(zhǔn)的部件的數(shù)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，所述端反射器是 立體布拉格光柵，所述立體布拉格光柵為所述端反射器和所述波長(zhǎng)控制元件服務(wù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器陣列，其中，所述立體布拉格 光柵包括淀積在所述立體布拉格光柵的外表面上的高反射率光學(xué)涂 層，以提高激光器空腔內(nèi)基波波長(zhǎng)上的循環(huán)功率強(qiáng)度以及提高非線性 轉(zhuǎn)換效率。
4. 根椐權(quán)利要求2所述的激光器陣列，其中，所述非線性晶體 附在所述立體布拉格光柵上，作為用作所述端反射器、所述波長(zhǎng)控制 元件和所述非線性晶體的一個(gè)單元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光器陣列，其中，所述單元進(jìn)一步包括附在所述非線性晶體上的極化控制元件，使得所述單元用作所述端反射器、波長(zhǎng)控制元件、非線性晶體和極化控制元件。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件是波片。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件是線柵極化器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，所述波長(zhǎng)控制元件是薄膜涂層干涉濾光片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元本上不造成損耗的涂層分束器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件是附在另一個(gè)平坦部件上以形成平坦子單元的平坦元件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件是線柵極化器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件是可以是分開的或與非線性晶體相同的、對(duì)非所需極化造成離散和失準(zhǔn)的雙折射晶體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，平坦透鏡陣列被置于所述擴(kuò)充空腔內(nèi)以便對(duì)所述激光器陣列提供橫?？刂啤?br> 14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的激光器陣列，其中，所述透鏡是與表面發(fā)射陣列的每個(gè)發(fā)射器相關(guān)的熱透鏡。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，平坦孔徑陣列被置于所述擴(kuò)充空腔內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的激光器陣列，其中，所述平坦孔徑陣列與所述增益芯片合為 一體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，所述極化控制元件包含二向色涂覆的分束器，所述分束器將二次諧波頻率的光耦合到所述擴(kuò)充空腔的外部。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，所述空腔具有光束朝向所述端反射器穿越的向前方向和光束朝向所述增益芯片穿越的向后方向，所述分束器接收并改向在向后方向上穿越的二次諧波光束到激光器空腔的外部。
19. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光器陣列，進(jìn)一步包含位于所述擴(kuò)充空腔的外部的角轉(zhuǎn)向鏡，以便將向后傳播二次諧波光束的陣列引向平行路徑。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光器陣列，其中，所述向后傳播二次諧波被反射，并在與沿著向前方向行進(jìn)的二次諧波光束相同的方向上通過所述端反射器耦合到所述擴(kuò)充空腔的外部。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的激光器陣列，其中，向前傳播生成二次諧波光束被立體布拉格光柵的非線性晶體上的涂層沿原路或利用傾斜或楔形成一角度地反射回到空腔，然后與向后傳播生成二次諧波光束一起被二向色分束器重新收集。
22. 根據(jù)權(quán)利要求l所迷的激光器陣列，其中，波片被置于擴(kuò)充空腔內(nèi)，以便旋轉(zhuǎn)向后傳播生成的二次諧波光束的極化，所述向后傳播生成的二次諧波光束然后由波片或表面發(fā)射激光器芯片上的涂層反射回其原路，然后與正交極化的向前傳播生成二次諧波光束重新組合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的激光器陣列，其中，所述波片、非線性晶體和立體布拉格光柵合為一體，以形成限定擴(kuò)充空腔的低成本子單元。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，波片被置于擴(kuò)充空腔內(nèi)非線性晶體之后，以便旋轉(zhuǎn)向前傳播生成的二次諧波光束的極化，所述向前傳播生成的二次諧波光束然后由波片或諸如立體布拉格光柵的端反射器上的涂層反射回其原路，然后與正交極性的向后傳播生成的二次諧波光束重新組合。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，利用與激光器插件的高精度基準(zhǔn)標(biāo)記的被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)來機(jī)械對(duì)準(zhǔn)擴(kuò)充空腔中的所有光學(xué)元件。
26. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，所述光學(xué)元件之一被形成楔形或傾斜并被涂覆，以便為向前和向后傳播二次諧波光束提供反射和角度分離。
27. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，在半導(dǎo)體表面發(fā)射芯片上形成f面透鏡的陣列，以有助于優(yōu)化激光器空腔的空間模，并將基波光束聚焦到非線性晶體中。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的激光器陣列，其中，官面的陣列涂有在基波波長(zhǎng)上抗反射的涂層和在二次諧波波長(zhǎng)上高度反射的涂層，以便提供也被空間擴(kuò)展并從而與向前傳播二次諧波光束的空間重疊減少的向后傳播二次諧波光束的反射。
29. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，二次諧波光束的輸出陣列被衍射光學(xué)元件重新成形，以實(shí)現(xiàn)所需照明分布。
30. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，通過選擇發(fā)射器的數(shù)量以及通過促進(jìn)多縱模操作以降低激光源的總空間和譜相千性來減弱光斑。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器陣列，其中，向前和向后傳播二次諧波光束經(jīng)過將它們分離長(zhǎng)于激光器的相干長(zhǎng)度的光路被重新組合，以便降低這些光束之間的干涉。
32. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光器陣列，其中，組合一個(gè)或更多個(gè)元件，并以使插件的總體積小于1立方英寸的方式來封裝其余元件。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的激光器陣列，其中，以使插件的總體積小于2立方英寸的方式來組合和封裝所述元件。
34. —種帶有空腔內(nèi)非線性倍頻的半導(dǎo)體垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器陣列，包括具有在單個(gè)半導(dǎo)體襯底中形成的發(fā)射器陣列的電泵浦表面發(fā)射半導(dǎo)體增益芯片，每個(gè)發(fā)射器生成基波波長(zhǎng)附近的光；器陣列的擴(kuò)充空腔的端反射器的立體布拉格光柵，所述立體布拉格光柵在基波激光波長(zhǎng)上具有高反射率并提供控制所述激光器陣列的每個(gè)發(fā)射器的頻率的譜過濾；以及為整個(gè)發(fā)射器陣列提供光的空腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換的非線性晶體。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的激光器陣列，所述激光器陣列被配置成只需一個(gè)其中所述立體布拉格光柵與所述增益芯片對(duì)準(zhǔn)地封裝的關(guān)鍵性光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，以及其它部件不需要關(guān)鍵性光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的表面發(fā)射激光器陣列，進(jìn)一步包含附在所述非線性晶體上的波片。
37. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的表面發(fā)射激光器陣列，其中，所述非線性晶體附在所述立體布拉格光柵上。
38. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的表面發(fā)射激光器陣列，其中，在所述增益芯片中形成用于控制每個(gè)發(fā)射器的空間模的透鏡。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的表面發(fā)射激光器陣列，其中，所述透鏡包含熱透鏡。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的表面發(fā)射激光器陣列，其中，所述透鏡包含與所述增益芯片粘在一起的透鏡的陣列。
41. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的表面發(fā)射激光器陣列，進(jìn)一步包含在所述增益芯片上形成的孔徑陣列以便控制空間模。
42. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的表面發(fā)射激光器陣列，進(jìn)一步包含在置于擴(kuò)充空腔內(nèi)的另一個(gè)波長(zhǎng)控制元件上形成的極化元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了垂直擴(kuò)充空腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)的陣列。將兩個(gè)或更多個(gè)傳統(tǒng)光學(xué)部件的功能組合成一個(gè)光學(xué)單元，以減少在封裝期間必須對(duì)準(zhǔn)的部件的數(shù)量。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101558534SQ200680017483
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者安德列·V.·什切格羅夫, 杰森·P.·沃特森, 約漢·W.·格林, 邁克爾·簡(jiǎn)森, 迪克·李, 阿蘭·莫拉迪安, 阿爾維達(dá)斯·烏姆布拉薩斯, 雷內(nèi)·達(dá)托 申請(qǐng)人:諾瓦光電技術(shù)公司