专利名称：双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器的制作方法
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，涉及一种产生红绿蓝三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I11/2和4F3/2-4I13/2跃迁产生的1.3微米和1微米波段辐射的双波长激光通过腔内倍频获得红色和绿色激光1然后再由剩余的1.3微米激光与红色激光在腔外和频获得蓝色激光，通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、4F3/2-4I13/2跃迁输出耦合度、激光运行参数等获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光，并通过对基波的声光调Q提高倍频的转换效率，以实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，国际上主要利用Kr-Ar全色激光(Kin，Yong H.；Lee，Hang W.；Cha，Seung N.；Lee，Sin H.；Park，Young J.；Park，Joung H.；Hong，Sung S.；Hwang，Young M.“Full colorlaser projection display using Kr-Ar laser(White-laser)beam-scanningtechnology”，Proc.SPIE，Vol.3131，P.2-10，Optical Scanning System)和LD泵浦钕激光晶体倍频得到的绿色激光经光参量振荡的898nm信号光和1256nm闲置光的倍频得到449nm蓝光和628nm红光，而在光参量过程中循环的泵浦光作为绿光，以此得到红绿蓝三基色激光(Lee，Dicky；Moultom Peter F.，“Compact OPO-Based RGB source”，Proc.SPIE，Vol.4294，P.60-66，2001，Projection display)。上述技术中，前者效率较低，体积较大，后者设备较复杂，成本较高。
1973年美国Bell实验室的Betha等首次利用YAG晶体中钕离子亚稳能级到不同下能级的跃迁，获得了1064nm和1318nm同时双波长脉冲激光运转(C.G.Betha et al.，“Mega watt power at 1.318μm in Nd3+YAG andsimultaneous oscillation at both 1.06μm and 1.318μm”，IEEEj.Quantum.Electron.，Vol.QE9(1973)254.)，此后，双波长激光引起了人们的广泛兴趣。
“七五”期间，在国家863项目和中国科学院重大项目资助下，中科院福建物构所沈鸿元研究员首次建立了多波长激光振荡条件，并利用NdYAlO3晶体从亚稳能级到不同下能级的同时跃迁首次实现了双波长晶体连续激光运转(H.Y.Shen，“Oscillation condition of simultaneous multiple wavelengthlasing”Chines Physics Letters 7.4(1990)174；Yvonne A.Carts，“NdYAP laserCW at two wavelength simultaneously”，Laser Focus World，World NewsLasersVol.26，No.6，P.42，1990.)。并建立了测量跃迁截面的新方法，研究测量了钕离子在YAlO3晶体中的跃迁截面(H.Y.Shen，T.Q.Lian，et al.，“measurement ofthe stimulated Emission cross section for4F3/2to4I13/2transition of Nd3+ion inYAlO3crystal”，IEEE J.Quantum Electron.，Vol25 No.2(1989).144；LianTianquan，Shen Hongyuan，“A new method for measurement of laser transitioncross section and fluorescence lifetime.”Chinese Journal of Laser，Vol.17，No.1(1990)5.)，基于测量的数据，利用振荡条件比较了一些常用激光晶体(NdYAG、NdYLF、NdBEL和NdYAlO3)实现双波长激光的情况，结果表明，钕离子在YAlO3晶体中4F3/2to4I13/2跃迁截面与4F3/2to4I11/2跃迁截面之比接近1/2，它比上述其他晶体上述跃迁的比大2.4倍以上，所以NdYAlO3比上述其他晶体更容易实现双波长连续激光(H.Y.Shen，et.al.，“Comparision of simultaneous multiple wavelength lasing in variousneogymium host crystal at transitions from4F3/2to4I11/2and4I13/2”，Appliedphysics letters，56，20(1990)1937.)，并研制成大能量NdYAlO3双波长脉冲激光(H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，″Large energy 1079.5 and 1341.4nm dual wavelengthNdYAP pulsed laser″，Applied Optics，Vol.32，No.30(1993)5952.)，通过双波长振荡条件合理选择激光参数后，已获得输出功率高达33.7W(1079.5nm)和30W(1341.4nm)的双波长NdYAlO3连续激光。该成果已由我国著名光学专家王大珩院士主持召开的中科院科技成果鉴定会鉴定，样机已出口美国，于1996年获得国家科技进步三等奖。并开展了双波长晶体激光的倍频、和频研究，得到了红色(670.7nm)、橙色(598.1nm)、绿色(539.8nm)、蓝色(447.1nm)和紫色(413.7nm)相干辐射(G.Zhang，H.Y.Shen，et.al.，“The Study of 1341.4nmNdYALO3laser intracavity frequency doubling by LiB3O5.”OpticsCommunication，183，46l(2000)；H.Y.Shen，Y.P.Zhou，et.al.，“0.598l sumfrequencymixing in KTP crystal”，chinese physics letters，Vol.8，No.4(1991)215；H.Y.Shen et.al.，“SHG and SFM of a dual wavelength NdYAlO3laser in a fluxgrowth KTP crystal”，IEEE J.Quantum Electron.Vol.28，No.1(1992)48；W.X.Lin，H.Y.Shen，“Tripling the harmonic generation of 1341.4nm NdYAP laser inLiIO3and KTP to get 447.1nm coherent radiations”，Optics Commun.，82，3-4(1991)333；H.Y.Shen et.al.，“Twice SFM of a dual wavelengthhNdYAlO3laser to get 413.7nm violet coherent radiations in LiIO3crystal”，Journal of Applied Physics，No.3(1991)1880.)；H.Y.Shen et.al.，“Second harmonic generation and sum frequency mixing of dual wavelengthNdYAlO3laser to 413.7nm violet coherent radiation in LiIO3crystal”，Journalof Applied Physics 72(9)(1992).4472.
80年代末，随着作为泵浦的激光二极管的飞速发展，掀起了一场根据LD泵浦的特性，重新评价现有激光晶体和探索激光新晶体的热潮，NdYVO4是60年代就发现的激光晶体，它虽具有优异的激光光谱特性，但未生长出质量好的大晶体，对于灯泵浦为主的60年代，该晶体未得到人们的应有重视，LD泵浦技术大大地放松了对晶体尺寸的要求，90年代以来，这种晶体的晶体生长技术和LD泵浦NdYVO4激光器取得飞速的发展，从表1看到，YVO4中，4F3/2to4I13/2跃迁截面与4F3/2to4I11/2跃迁截面之比也接近1/2，而且跃迁截面比YAlO3更大，因而也是获得双波长激光的优良晶体。
表1、几种掺钕晶体的跃迁截面
近年来，利用非线性晶体的变频技术，将近红外激光变频获得可见激光的技术日臻成熟，并已成为获得可见激光的主要技术途径。中小功率应用中，KTP晶体由于具有大的非线性系数、容忍温度和容忍角而受到人们的青睐。LBO晶体非线性系数虽小，但它具有特高的破坏阈值，在高功率的应用中具有较大的优势，而提高峰值功率将有助于提高非线性转换的效率，因而也是非线性频率转换中常用的晶体，表2中给出了NdYAlO3和NdYVO4激光晶体利用上述非线性晶体实现频率转换的参数。利用非线性晶体和非线性频率转换技术，通过色散和分光技术，将双波长激光中两个波长激光在腔内分成两路，按包含激光晶体受激发射参数、非线性有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体上光腰半径以及4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，设计高效、均衡、同时输出的红绿蓝激光装置，可以获得足够平均功率的红绿蓝三基色激光。表2-1.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶体中倍频、和频的最佳相位匹配角
表2-2.1079.5nm(A)、1064nm(A*)、1341.4nm(B)和1342nm(B*)激光在KTP和LBO晶体中的相位匹配特性
基于以上考虑，本发明提出的钕激光晶体1.3微米波段和1微米波段双波长激光通过非线性晶体的腔内倍频、腔外和频获得红绿蓝三基色激光是可行的。
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其发明的目的是利用KTP、LBO等非线性晶体将NdYAlO3、NdYVO4等钕激光晶体的4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2跃迁产生的1300nm和1000nm波段的双波长激光，通过腔内倍频、腔外混频技术获得高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
近期可用氪灯或氙灯作为泵浦源，待作为泵浦的激光二极管价格下降后，可采用高效、长寿命、结构紧凑的激光二极管(LD)作为泵浦源，以实现更实用的全固化红绿蓝三基色激光器。
以下以KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3双波长激光腔内倍频、腔外混频的红绿蓝三基色激光为例，提供本发明的具体方案。利用其他激光和非线性晶体时，激光运行参数和非线性耦合度将做相应的改变。泵浦灯也可用LD取代，利用端面和侧面泵浦技术来激励工作物质。
以KTP和LBO为非线性晶体的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3双波长激光腔内倍频、腔外混频的红绿蓝三基色激光器是通过泵浦源激励YAlO3晶体中Nd3+离子，在适当设计的双波长激光器中由4F3/2R1子能级跃迁到4I11/2的X3子能级和4F3/2R2子能级跃迁到4I13/2Y3子能级分别产生1079.5nm和1341.4nm激光，在腔内适当位置放置对1079.5nm和1341.4nm倍频的KTP和LBO晶体，获得539.7nm和670.7nm绿红色激光，一部分1341.4nm输出激光和部分670.7nm红光在腔外和频，获得447.1nm蓝色激光。通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度、激光运行参数等，控制腔内两种基波的功率密度，以实现红绿蓝三基色激光的均衡和同时输出。为了提高倍频的转换效率，利用声光调制技术，将连续激光转换成高重复率的纳秒级短脉冲，提高倍频晶体中的功率密度。
上述技术产生三基色激光，设备简单、成本低，可作为激光彩色显示的光源，广泛应用于大屏幕、高清晰度彩色电视、激光表演、激光投影仪和指挥、监控、调度中心的大屏幕、高清晰度的彩色显示设备等彩色显示领域。
以下结合附图
对KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3双波长激光腔内倍频、腔外混频的红绿蓝三基色激光做进一步的说明。
附图中，(1)为工作物质NdYAlO3，(2)是泵浦用氪灯或氙灯，(3)是滤去泵浦灯紫外辐射的滤光管，(4)是紧包式椭圆型聚光腔，腔内充满介质冷却液，冷却工作物质和泵浦灯，(5)是自循环冷却器，(6)是激光电源，(7)、(8)分别是对1079.5nm和1341.4nm全反射的介质镜，(9)是对1079.5nm和539.7nm全反的双色镜，(10)是对1341.4nm部分透过和对670.7nm增透的双色镜，该镜对1341.4nm的透过率根据红绿蓝均衡输出的要求确定，作为和频产生的蓝光的1341.4nm和670.7nm激光的输出镜，(11)是对1079.5nm全反对539.7nm增透的双色镜，用作绿光的输出镜，(12)是对1341.4nm全反对670.7nm部分透过的双色镜，用作红光的输出镜，(9)、(11)和(10)、(12)镜子的曲率半径和镜间距离根据获得均衡输出所要求的倍频耦合度来确定，(13)是对1079.5nm倍频的晶体，如KTP等，(14)是对1341.4nm倍频的晶体，如LBO等，(15)是对1341.4nm和670.7nm和频的晶体，如LBO等，(16)是1341.4nm和670.7nm混频中的光束补偿系统，(17)、(18)是1079.5nm和1341.4nm的大色散率的分光系统，(19)、(20)分别是1079.5nm和1341.4nm的声光调制器(包括驱动源)。
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，附图是本发明的结构示意图。
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，实施本发明的典型方案是以KTP和LBO晶体将灯泵浦的1341.4nm和1079.5nmNdYAlO3双波长激光腔内倍频、腔外混频的红绿蓝三基色激光为例(LD泵浦时只需将泵浦灯用LD取代，通过端面泵浦和侧面泵浦激励工作物质)，提供本发明的典型方案。接通电源(6)后，自循环冷却系统(5)即将水箱中的去离子水泵入含有NdYAlO3棒(1)和泵浦用氪灯或氙灯(2)的密封聚光腔(4)中，视需要可在自循环冷却器中通过二次冷却水(通常用自来水)或用电冰箱压缩机冷却自循环水箱中的去离子水。启动电源，使灯工作在适当的电流，此时泵浦灯发出的光在聚光腔中集中到NdYAlO3晶体上，YAlO3晶体中钕离子吸收泵浦光后，钕离子发出的1079.5nm辐射经色散元件(17)和(18)在谐振腔(7)和(9)间振荡，在倍频晶体(13)中产生539.7nm绿光，从双色镜(11)输出；钕离子发出的1341.4nm辐射经色散元件(17)和(18)，在谐振腔(8)和(10)之间振荡，部分1341.4nm辐射从双色镜(10)输出，在倍频晶体(14)上产生的670.7nm红光，其中，以部分670.7nm红光从双色镜(12)输出，另一部分红光从双色镜(10)与部分输出的1341.4nm辐射同光路输出，经光束补偿系统(16)后，在非线性晶体(15)中和频，得到447.1nm蓝色激光输出。按包含激光晶体受激发射参数、有效非线性系数、腔长、激光和非线性晶体上光腰半径以及4F3/2to4I13/2跃迁输出耦合度等激光运行参数的四能级激光速率方程的计算结果，获得相应比例的1.3微米、红色和绿色激光，以获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光，并通过对基波的声光调Q提高倍频的转换效率，以实现高效、均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
权利要求
1.双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，利用钕激光晶体中钕离子4F3/2-4I13/2和4F3/2-4I11/2跃迁产生的1.3微米和1微米波段辐射的双波长激光通过腔内倍频获得红色和绿色激光，然后再由剩余的1.3微米激光与红色激光在腔外和频获得蓝色激光，从而实现红绿蓝三基色激光。
2.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括钕激光晶体和用于泵浦所述晶体以及使所述晶体形成Nd3+激活离子粒子数反转分布的泵浦系统；用于产生1.3微米波段和1微米波段的双波长辐射。
3.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括大色散率的色散元件，在腔内将1.3微米和1微米波段辐射分开，并在相应的谐振腔内振荡，产生1.3微米和1微米激光。
4.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括使1.3微米和1微米波段辐射在其中谐振的谐振腔，并能输出部分的1.3微米激光和红色及绿色激光。
5.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，包括三块非线性晶体，其中两块放在腔内，分别对1.3微米和1微米波段进行倍频，通过控制材料参数、倍频输出的耦合度、4F3/2-4I13/2跃迁输出耦合度、激光运行参数等获得相应比例的1.3微米、红色和绿色激光；另一块放在腔外的非线性晶体，将输出的1.3微米激光和部分红色激光进行和频，产生蓝色激光，以获得均衡、同时输出的红绿蓝三基色激光。
6.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，在需要时，包含1.3微米和1微米的声光开关及其驱动器，使连续1.3微米和1微米激光转换成高重复率的纳秒级高峰值功率短脉冲，以提高非线性转换效率，以获得高效、均衡、同时输出的红绿蓝激光。
7.如权利要求1所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，还包括所述激光装置及倍频、和频装置的冷却和控温系统以及LD控温装置。
8.如权利要求2所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，所述泵浦系统的泵浦源是能连续改变输入功率或能量的连续、脉冲或重复率脉冲驱动源和作为泵浦灯的氪灯或氙灯。
9.如权利要求2所述的双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，其特征在于，所述泵浦系统的泵浦源是激光二极管及其驱动源，以实现端面或侧面泵浦。
全文摘要
双波长钕激光器腔内倍频腔外和频的红绿蓝三基色激光器，涉及一种产生红绿蓝(RGB)三基色激光的新技术，它是基于钕激光晶体中钕离子
文档编号H01S3/00GK1459895SQ0211736
公开日2003年12月3日 申请日期2002年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者沈鸿元, 张戈, 黄呈辉, 位民, 陈振强, 黄凌雄 申请人:中国科学院福建物质结构研究所