本發(fā)明屬于激光器,尤其涉及一種覆蓋藍(lán)綠波段的超寬帶可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。
背景技術(shù):
1、藍(lán)色和綠色是三原色中的兩個,因而藍(lán)波段激光器和綠波段激光器是激光顯示中不可或缺的激光器。激光顯示能提供的色域遠(yuǎn)大于其它顯示方式,是目前為止能提供色彩最多、最為接近自然色彩的顯示方式,因此是未來顯示發(fā)展的主要方向之一。同時,藍(lán)綠波段的激光也是水下衰減系數(shù)最小的激光,在水下通信、水下成像、海洋資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、海洋防務(wù)等多個方面都存在極其重要的應(yīng)用價值。此外,藍(lán)激光還是銅等有色金屬焊接最為理想的激光,在集成電路工藝中的應(yīng)用大有可為;綠激光則是激光醫(yī)療等方面優(yōu)質(zhì)的指示光源,顯示度極高。
2、目前成熟的、商業(yè)化程度較高的藍(lán)激光和綠激光,都是分離器件,且其波長一般不能調(diào)諧。分離器件存在諸多的缺陷,比如體積大、功耗高、驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜、互相關(guān)聯(lián)程度不高不能調(diào)諧運行、穩(wěn)定性和可靠性沒有保障、運行維護(hù)成本高等等。在某些重要的應(yīng)用場景中,比如水下通信情況下,要求器件的集成程度盡可能高,從而減小器件體積,減小器件功耗,增加器件安全性、穩(wěn)定性和可靠性;同時還要求激光的波長能夠調(diào)諧,以適應(yīng)不同水質(zhì)環(huán)境下的通信,因為不同水質(zhì)環(huán)境下,衰減最小對應(yīng)的波長不同,因此波長調(diào)諧可以最大程度地減小激光束的衰減,獲得良好的通信質(zhì)量和較遠(yuǎn)的通信距離。
3、要把藍(lán)激光和綠激光集成在一個器件中,同時對激光波長進(jìn)行調(diào)諧,其難度非常大,因為首先需要能提供寬帶增益的激光增益介質(zhì),如此才能發(fā)出藍(lán)波段和綠波段的激光波長;其次需要合適的激光諧振腔,能夠同時支持藍(lán)激光和綠激光激光在諧振腔里都能形成激光振蕩;第三還需要合適耦合輸出裝置,能把產(chǎn)生的藍(lán)波段激光器或者綠波段激光有機(jī)地進(jìn)行耦合,按需輸出;第四還需要能夠?qū)ΣㄩL進(jìn)行調(diào)諧的元件,來分別地調(diào)諧藍(lán)激光和綠激光的輸出波長;最后激光器還必須是一個有機(jī)的整體,以便運行和控制。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種覆蓋藍(lán)綠波段的超寬帶可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器,以解決現(xiàn)有藍(lán)波段激光器和綠波段激光器都是分離器件,其波長一般不能調(diào)諧,且存在體積大、功耗高、互相關(guān)聯(lián)程度不高等缺點,本發(fā)明能夠提升藍(lán)綠激光器的集成度,提高激光器的綜合性能,拓展藍(lán)綠激光器在水下等復(fù)雜場景的應(yīng)用。
2、為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種覆蓋藍(lán)綠波段的超寬帶可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器,包括藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分、綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分、共用諧振部分和耦合輸出部分;
3、所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分用于吸收固定波長的泵浦光能量,產(chǎn)生第一近紅外光并轉(zhuǎn)換為藍(lán)波段激光,同時進(jìn)行波長調(diào)諧;
4、所述綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分用于吸收固定波長的泵浦光能量,產(chǎn)生第二近紅外光并轉(zhuǎn)換為綠波段激光,同時進(jìn)行波長調(diào)諧;
5、所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分和綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分分別與所述共用諧振部分構(gòu)成藍(lán)波段激光諧振腔和綠波段激光諧振腔;
6、所述耦合輸出部分用于輸出藍(lán)綠激光束。
7、進(jìn)一步,所述耦合輸出部分分別與所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分和綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分相對,三者之間形成l型;所述共用諧振部分位于l型的一條邊的延長線上;所述藍(lán)波段激光諧振腔內(nèi)的光束、綠波段激光諧振腔內(nèi)的光束以及耦合輸出部分輸出的藍(lán)綠激光束構(gòu)成十字型結(jié)構(gòu)。
8、進(jìn)一步,所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分包括藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元、藍(lán)波段激光增益介質(zhì)和藍(lán)波段激光調(diào)諧單元,所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元用于泵浦出藍(lán)波段泵浦光,所述藍(lán)波段激光增益介質(zhì)能夠吸收所述藍(lán)波段泵浦光并發(fā)出第一近紅外光;所述藍(lán)波段激光增益介質(zhì)與共用諧振部分構(gòu)成藍(lán)波段激光諧振腔;第一近紅外光在藍(lán)波段激光諧振腔中形成激光振蕩,產(chǎn)生第一近紅外激光;所述藍(lán)波段激光調(diào)諧單元包括第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件和藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體;所述第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件用于將第一近紅外激光轉(zhuǎn)變?yōu)閟偏振近紅外激光;所述第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件和藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體均能夠旋轉(zhuǎn)來對藍(lán)波段激光的波長進(jìn)行調(diào)諧;所述藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體用于將所述s偏振近紅外激光轉(zhuǎn)換為p偏振的藍(lán)波段激光束,所述耦合輸出部分能夠輸出所述p偏振的藍(lán)波段激光束;
9、所述綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分包括綠波段激光產(chǎn)生單元、綠波段激光增益介質(zhì)和綠波段激光調(diào)諧單元,所述綠波段激光產(chǎn)生單元用于泵浦出綠波段泵浦光,所述綠波段激光增益介質(zhì)能夠吸收所述綠波段泵浦光并發(fā)出第二近紅外光;所述綠波段激光增益介質(zhì)與共用諧振部分構(gòu)成綠波段激光諧振腔;第二近紅外光在綠波段激光諧振腔中形成激光振蕩,產(chǎn)生第二近紅外激光;所述綠波段激光調(diào)諧單元包括第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件和綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體;所述第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件用于將第二近紅外激光轉(zhuǎn)變?yōu)閜偏振近紅外激光;所述第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件和綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體均能夠旋轉(zhuǎn)來對綠波段激光的波長進(jìn)行調(diào)諧;所述綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體用于將所述p偏振近紅外激光轉(zhuǎn)換為s偏振的綠波段激光束,所述耦合輸出部分能夠輸出所述s偏振的綠波段激光束。
10、進(jìn)一步,所述耦合輸出部分包括偏振選擇性多膜層耦合輸出元件,所述偏振選擇性多膜層耦合輸出元件傾斜45°設(shè)置;
11、所述偏振選擇性多膜層耦合輸出元件在第一通光表面鍍有對45°角入射的s偏振近紅外激光進(jìn)行透射的第一高透過率膜層,和對45°入射的p偏振的藍(lán)波段激光束進(jìn)行反射的第一高反射率膜層;所述偏振選擇性多膜層耦合輸出元件在第二通光表面鍍有對45°角入射的p偏振近紅外激光進(jìn)行反射的第二高反射率膜層,和對45°入射的s偏振的綠波段激光束進(jìn)行透射的第二高透過率膜層;所述共用諧振部分位于藍(lán)波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分和耦合輸出部分的延長線上;
12、或者所述偏振選擇性多膜層耦合輸出元件在第一通光表面鍍有對45°角入射的s偏振近紅外激光進(jìn)行反射的第一高反射率膜層,和對45°入射的p偏振的藍(lán)波段激光束進(jìn)行透射的第一高透過率膜層;所述偏振選擇性多膜層耦合輸出元件在第二通光表面鍍有對45°角入射的p偏振近紅外激光進(jìn)行透射的第二高透過率膜層,和對45°入射的s偏振的綠波段激光束進(jìn)行反射的第二高反射率膜層;所述共用諧振部分位于綠波段激光產(chǎn)生及調(diào)諧部分和耦合輸出部分的延長線上。
13、進(jìn)一步,所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元包括藍(lán)波段激光泵浦光源、第一光束整形鏡和第二光束整形鏡,所述藍(lán)波段激光泵浦光源用于發(fā)出能夠被所述藍(lán)波段激光增益介質(zhì)吸收的光束,所述第一光束整形鏡和第二光束整形鏡用于對所述藍(lán)波段激光泵浦光源發(fā)出的光束進(jìn)行整形;整形后的光束發(fā)射至所述藍(lán)波段激光增益介進(jìn)行吸收;
14、所述綠波段激光產(chǎn)生單元包括綠波段激光泵浦光源、第三光束整形鏡和第四光束整形鏡,所述綠波段激光泵浦光源用于發(fā)出能夠被所述綠波段激光增益介質(zhì)吸收的光束,所述第三光束整形鏡和第四光束整形鏡用于對所述綠波段激光泵浦光源發(fā)出的光束進(jìn)行整形;整形后的光束發(fā)射至所述綠波段激光增益介質(zhì)進(jìn)行吸收。
15、進(jìn)一步,所述藍(lán)波段激光增益介質(zhì)或綠波段激光增益介質(zhì)分別固定在所述第一熱沉和第二熱沉上;
16、所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元和藍(lán)波段激光增益介質(zhì)分別位于第一熱沉的兩側(cè)或同側(cè);所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元和藍(lán)波段激光增益介質(zhì)分別位于第一熱沉的兩側(cè)時,第一熱沉上設(shè)有第一通孔,所述第一通孔用于通過藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元產(chǎn)生的光束;所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元和藍(lán)波段激光增益介質(zhì)分別位于第一熱沉的同側(cè)時,所述藍(lán)波段激光產(chǎn)生單元產(chǎn)生的光束傾斜射向藍(lán)波段激光增益介質(zhì);
17、所述綠波段激光產(chǎn)生單元和綠波段激光增益介質(zhì)分別位于第二熱沉的兩側(cè)或同側(cè);所述綠波段激光產(chǎn)生單元和綠波段激光增益介質(zhì)分別位于第二熱沉的兩側(cè)時,第二熱沉上設(shè)有第二通孔,所述第二通孔用于通過綠波段激光產(chǎn)生單元產(chǎn)生的光束;所述綠波段激光產(chǎn)生單元和綠波段激光增益介質(zhì)分別位于第二熱沉的同側(cè)時,所述綠波段激光產(chǎn)生單元產(chǎn)生的光束傾斜射向綠波段激光增益介質(zhì)。
18、進(jìn)一步,所述藍(lán)波段激光增益介質(zhì)包括第一后端高反射率反射鏡、第一前端發(fā)光區(qū)、第一高勢能透明窗口層和第一防氧化保護(hù)層;所述綠波段激光增益介質(zhì)包括第二后端高反射率反射鏡、第二前端發(fā)光區(qū)、第二高勢能透明窗口層和第二防氧化保護(hù)層;所述第一后端高反射率反射鏡和第二后端高反射率反射鏡分別與所述共用諧振部分構(gòu)成藍(lán)波段激光諧振腔和綠波段激光諧振腔;
19、所述第一后端高反射率反射鏡用于對第一前端發(fā)光區(qū)發(fā)出的第一近紅外光進(jìn)行反射;所述第一后端高反射率反射鏡不吸收所述藍(lán)波段激光泵浦光源所發(fā)出的泵浦光;所述第二后端高反射率反射鏡用于對第二前端發(fā)光區(qū)發(fā)出的第二近紅外光進(jìn)行反射;所述第二后端高反射率反射鏡不吸收所述綠波段激光泵浦光源所發(fā)出的泵浦光;
20、所述第一高勢能透明窗口層用于阻止所述第一前端發(fā)光區(qū)中載流子的擴(kuò)散;所述第一高勢能透明窗口層不吸收藍(lán)波段激光泵浦光源所發(fā)出的泵浦光,也不吸收第一前端發(fā)光區(qū)所發(fā)出的第一近紅外光;所述第二高勢能透明窗口層用于阻止所述第二前端發(fā)光區(qū)中載流子的擴(kuò)散;所述第二高勢能透明窗口層不吸收綠波段激光泵浦光源所發(fā)出的泵浦光,也不吸收第二前端發(fā)光區(qū)所發(fā)出的第二近紅外光。
21、進(jìn)一步,所述第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件和第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件與光軸夾角均為布儒斯特角。
22、進(jìn)一步,所述藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體的兩個通光面上均鍍有對藍(lán)波段激光波長和近紅外波波長進(jìn)行透射的第三高透過率膜層;所述綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體的兩個通光面上均鍍有對綠波段激光波長和近紅外波波長進(jìn)行透射的第四高透過率膜層。
23、進(jìn)一步,所述共用諧振部分包括超寬帶反射鏡,所述超寬帶反射鏡上鍍有能夠反射s偏振近紅外激光的第三高反射率膜層,和能夠反射p偏振近紅外激光的第四高反射率膜層。
24、本技術(shù)方案的工作原理在于:在藍(lán)波段激光產(chǎn)生及波長調(diào)諧部分,藍(lán)波段激光泵浦光源發(fā)出能被藍(lán)波段激光增益介質(zhì)吸收的光束,先經(jīng)過第一光束整形鏡整形為平行光束,再通過第二光束整形鏡整形為第一匯聚光束。第一匯聚光束通過一個開有通孔的第一熱沉,到達(dá)藍(lán)波段激光增益介質(zhì)(或者第一匯聚光束直接傾斜射向藍(lán)波段激光增益介質(zhì)),穿過藍(lán)波段激光增益介質(zhì)中的第一后端高反射率反射鏡,被藍(lán)波段激光增益介質(zhì)中的第一前端發(fā)光區(qū)域吸收。藍(lán)波段激光增益介質(zhì)中的第一前端發(fā)光區(qū)域吸收泵浦光的能量后,發(fā)出第一近紅外光,第一近紅外光在藍(lán)波段激光增益介質(zhì)的第一后端高反射率反射鏡和共用諧振部分的超寬帶反射鏡所形成的藍(lán)波段激光諧振腔中形成激光振蕩,產(chǎn)生第一近紅外激光。第一近紅外激光通過第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件后變成s偏振近紅外激光。s偏振近紅外激光再經(jīng)過藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體后,產(chǎn)生p偏振的藍(lán)波段激光束,經(jīng)過偏振選擇性多膜層耦合輸出元件輸出。其中,通過旋轉(zhuǎn)第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件可改變近紅外光的波長,結(jié)合藍(lán)波段頻率轉(zhuǎn)換晶體的角度調(diào)諧,進(jìn)而可改變藍(lán)波段激光的波長,從而實現(xiàn)對藍(lán)波段激光進(jìn)行波長調(diào)諧。
25、在綠波段激光產(chǎn)生及波長調(diào)諧部分,其情況與藍(lán)波段激光產(chǎn)生及波長調(diào)諧部分類似。綠波段激光泵浦光源發(fā)出能被綠波段激光增益介質(zhì)吸收的光束,先經(jīng)過第三光束整形鏡整形為平行光束,再通過第四光束整形鏡整形為第二匯聚光束。第二匯聚光束通過一個開有通孔的第二熱沉,到達(dá)綠波段激光增益介質(zhì)(或者第二匯聚光束直接傾斜射向綠波段激光增益介質(zhì)),穿過綠波段激光增益介質(zhì)中的第二后端高反射率反射鏡,被綠波段激光增益介質(zhì)中的第二前端發(fā)光區(qū)域吸收。綠波段激光增益介質(zhì)中的第二前端發(fā)光區(qū)域吸收泵浦光的能量后,發(fā)出第二近紅外光,第二近紅外光在綠波段激光增益介質(zhì)的第二后端高反射率反射鏡和共用諧振部分的超寬帶反射鏡所形成的綠波段激光諧振腔中形成激光振蕩,產(chǎn)生第二近紅外激光。第二近紅外激光通過第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件后變成p偏振近紅外激光。p偏振近紅外激光再經(jīng)過綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體后,產(chǎn)生s偏振的綠波段激光束,經(jīng)過偏振選擇性多膜層耦合輸出元件輸出。其中,通過旋轉(zhuǎn)第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件可改變近紅外光的波長,結(jié)合綠波段頻率轉(zhuǎn)換晶體的角度調(diào)諧,進(jìn)而可改變綠波段激光束的波長,從而實現(xiàn)對綠波段激光進(jìn)行波長調(diào)諧。
26、其中,共用諧振部分的超寬帶反射鏡把藍(lán)波段激光器所需的諧振腔和綠波段激光器所需的諧振腔整合為一個整體。激光器產(chǎn)生的藍(lán)波段激光或者綠波段激光,則通過特殊設(shè)置、特殊鍍膜的偏振選擇性多膜層耦合輸出元件輸出。藍(lán)波段激光或者綠波段激光的波長,由各自部分的第一近紅外波長偏振及調(diào)諧元件或第二近紅外波長偏振及調(diào)諧元件來進(jìn)行調(diào)諧。
27、本技術(shù)方案的有益效果在于:把傳統(tǒng)意義上彼此獨立、各自互不相關(guān)的藍(lán)波段激光器和綠波段激光器整合為一個有機(jī)的整體,使得激光器既能發(fā)出藍(lán)波段激光束,也能發(fā)出綠波段激光束,同時激光的輸出波長還可以進(jìn)行調(diào)諧。本發(fā)明的激光器其結(jié)構(gòu)簡單緊湊,體積小于兩個分離器件、功耗小于兩個分離器件、成本小于兩個分離器件,而穩(wěn)定性優(yōu)于兩個分離器件、安全性優(yōu)于兩個分離器件、波長調(diào)諧優(yōu)于兩個分離器件。因此,本發(fā)明的激光器性能和功用都大于傳統(tǒng)的兩個分離器件的之和,產(chǎn)生了1+1>2的集成創(chuàng)新效果,具有極大的技術(shù)優(yōu)勢和應(yīng)用價值。