專利名稱：穩(wěn)頻豎直擴展腔表面發(fā)射激光器的制作方法
技術領域：
圖3按照本發(fā)明的一個實施例，畫出光源中使用的個別
表面發(fā)射二極管激光器增益元件；圖9畫出圖8空間調(diào)制器的一個元件中的切換周期； [00291圖IO按照本發(fā)明的一個實施例，畫出一種光引擎系統(tǒng)； [00301圖IIA對與熱時間常數(shù)可比或更長的脈沖，畫出計算的、 作為峰值電流函數(shù)的基波(虛曲線)及二次諧波(實曲線)兩者平均 功率，與翻轉(zhuǎn)(rollover)上最大可獲得cw (連續(xù))功率比較中的功
率變化；

圖17按照本發(fā)明的一個實施例，畫出用于激光器穩(wěn)頻的 薄膜干涉濾波器結(jié)構(gòu)；圖33畫出電驅(qū)動電流受質(zhì)子注入限制的倍頻表面發(fā)射激
光器二極管簡圖；圖35是表格，把表面發(fā)射激光器陣列與用作投影顯示光 源的常規(guī)LED及UHP光源進行比較。就使用激光器照明的LP系統(tǒng)而言，散斑是作為相干光從 光閥或LP系統(tǒng)其他光學元件的散射中心反射而出現(xiàn)的。散斑產(chǎn)生光 學不均勻性，使投影的圖像質(zhì)量惡化。在接收單個激光器光源高相干 的光的LP系統(tǒng)中，散斑是特別嚴重的問題。光學領域眾所周知，相 干性是與光波的相長干涉和相消干涉的能力關聯(lián)的。有窄的光頻率、 相位、和空間屬性分布的單個激光器光源，是高相干的，因而易于產(chǎn) 生散斑。按照本發(fā)明的一個實施例，^f吏用光源100的LP系統(tǒng)中的 散斑，是通過數(shù)種不同技術縮減的。這些技術可以單獨使用，也可以 組合使用，通過增加光源100的光學屬性(如相位、光譜寬度)分布， 以減小光源100中的相干性。首先，增加光源100中基本上彼此不相 千的同一顏色激光器的數(shù)量，將有助于減少散斑。即使單個陣列105、 110、和115中每一激光器發(fā)射相同顏色的相干光，對導致散斑的光 學相干性效應而言，有不同相位的相同顏色的不同相的激光是彼此不 相干的。結(jié)果是，對每一不同相的激光器，引起散斑的強度變化與其 他激光器是獨立的，使不同相的激光器陣列105、 110、和115的組合 照明均勻性，隨不同相的激光器數(shù)量的增加而改進。具體說，散斑趨
向于與相等振幅相同顏色但不同相的激光器數(shù)量的平方根成反比地 下降。因此，每一陣列中的激光器，最好設計成彼此不同相地工作， 即，各個陣列105、 110、和115，被設計成不提供顯著的激光器間反 饋，因為這種反饋會顯著鎖定陣列中兩個或更多激光器彼此之間的頻 率和相位。其次，因為光譜增寬可以減少散斑，所以任何增寬光譜的
操作模式，將有助于減少散斑。增寬半導體激光器光i普的技術例子， 包括用有選擇地產(chǎn)生光語增寬的脈沖參數(shù)(如接通時間)的脈沖模式 操作激光器；產(chǎn)生光鐠增寬的鎖模激光器；和它們的亞組合，諸如按 脈沖模式操作鎖模激光器。第三，陣列105、 110、和115中各個激光 器，可以設計成以多頻率、軸向、或空間模操作，以增加每一激光器 的頻率、相位、和方向(角度)分布。第四，可以用光學元件擾亂光 束107、 113、和118的方向、相位、和偏振信息，減小相干性。圖4是按照本發(fā)明一個實施例的LP系統(tǒng)400的方框圖， 畫出從光源100到投影屏幕405的示意光路布局。從光源100來的光 束，能夠聚焦進大多數(shù)情形下呈矩形的光波導410中，然后在光束從 光波導410出射后，聚焦在光閥420 (如數(shù)字光閥)上。光源100產(chǎn) 生的光束，將有一些初始的重疊。但是，可以選擇增加光束重疊的光 波導。特別是，可以用內(nèi)反射、衍射、模轉(zhuǎn)換、或波導的其他電磁性 質(zhì)，擾亂光波導410內(nèi)的光束。在這種情形中，所有光束將具有減少 散斑的某些均勻度重疊，該減少的散斑分別出現(xiàn)在每一光束中。在鎖 模激光器陣列的情形中，將從鎖模脈沖的光譜增寬產(chǎn)生另外的散斑減 少。由線性調(diào)頻或工作在數(shù)個空間模或光鐠模而產(chǎn)生光譜增寬的脈沖 裝置，也將有某些程度的散斑減少。系統(tǒng)400中的各個激光器，可以是不同相的。脈沖工作 往往增寬各個激光器的光譜，從而降低它們的相千度并減少散斑。單 個透鏡430將把所有相互平行傳播的激光束，聚焦成一個焦點光斑， 光斑大小由每一光束直徑及透鏡430的焦距確定。每一子孔徑可以被 擴大到陣列間距的激光束填充，然后相繼地以單個透鏡430聚焦，為 所有光束提供最小的光斑尺寸。輸入的激光束在光波導410內(nèi)經(jīng)受數(shù) 次來回振蕩，有助于擾亂光束，于是，均勻填充矩形圖形的輸出光從 光波導410出射，與數(shù)字光閥相匹配。在一個實施例中，光學透鏡系統(tǒng)505把光源500的陣列 中每一激光束，投影成矩形高頂大禮帽式強度輪廓510，成像在數(shù)字 光閥520上。用諸如衍射光學元件的光學元件，把來自光源500中每 一元件的圓形Gauss激光光束，轉(zhuǎn)換為矩形高頂大禮帽式分布，隨后 引向有效地覆蓋光閥的全部面積，然后接著成像在前或后投影屏幕 上。該透鏡系統(tǒng)可以是反射的、衍射的、或透射的，且可以由玻璃透 鏡陣列或例如數(shù)字光學透鏡系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)字光學透鏡系統(tǒng)可以由各種 材料，諸如塑料構(gòu)成。數(shù)字光學透鏡系統(tǒng)可以從各種出售商購得，例 如亞拉巴馬州的Huntsville, MEMS Optical, Inc.。作為一個例子，光 學透鏡系統(tǒng)505可以包括非對稱二進制光學透鏡排列，該非對稱二進 制光學透鏡排列，被設計成把激光器陣列各激光器產(chǎn)生的圓形Gauss
激光光束，變成高頂大禮帽式強度分布。更一般地說，該光學透鏡系
統(tǒng)的設計包括考慮到要在光閥540上成像所需強度輪廓的光學模型 建立技術的使用；光源500中激光器排列的選擇；和光源500中每一 激光器的光束性質(zhì)?，F(xiàn)有技術中一種替代方案(未畫出)，是用濾波器系統(tǒng) 代替色盤，該濾波器系統(tǒng)使各分量顏色在空間上分離，于是每一顏色 投射在分開的調(diào)制器上。然后，被調(diào)制的顏色在投影到屏幕上之前重 新組合。在該系統(tǒng)中，各分量顏色是并行處理的，消除了與彩色時序 操作關聯(lián)的一些問題。要求的額外調(diào)制器和光學裝置，使該空間調(diào)制 器的并行安排，比彩色時序系統(tǒng)更昂貴。因此，在消費者的產(chǎn)品中， 常常使用彩色時序系統(tǒng)。但是，彩色時序系統(tǒng)要求的更快的調(diào)制器， 能夠抵消其他的成本節(jié)省，這表明，基于較慢調(diào)制器的系統(tǒng)，例如高 溫、多晶硅、液晶基調(diào)制器，享有頗大的市場份額?，F(xiàn)在再參考圖13，在利用激光器光源照射相當慢的空間 調(diào)制器的彩色時序顯示系統(tǒng)中，也需要在其他顏色正在顯示的周期 中，把所有但其中之一除外的激光顏色，降低到察覺不到的水平，以 取消對色盤的需要。對具體系統(tǒng)，察覺不到的基本水平，可以通過確 定彩色混雜的最大水平來計算，例如，當紅色是要顯示的顏色時，多 少藍光和綠光是可接受的，如此類推。由于諸如升溫時間等問題，不 需要把每一激光器光源基本水平的驅(qū)動降低到零。代替的是，驅(qū)動方 案可以利用激光器光源的閾值特性，把驅(qū)動電平保持在熱的顯著水平 上，而把可見光的輸出保持在最小的水平，即，驅(qū)動電平對應于光學 上靜態(tài)斷開狀態(tài)的狀態(tài)，在該狀態(tài)上，激光器產(chǎn)生的可見光在預選的 閾值水平以下，但仍然以熱的顯著水平驅(qū)動。激光器光源的設計，可 以通過結(jié)合提升激光器閾值的一個或多個設計的元件，諸如由熱透鏡 穩(wěn)定的激光器腔，采納該方案的優(yōu)點。另外，如果可見光是經(jīng)過非線 性過程產(chǎn)生的，如二次諧波發(fā)生(SHG)產(chǎn)生，那么輸入驅(qū)動和輸出 光之間的非線性關系，可以用于增強前述的效應。如圖13中所示，在消隱周期中可以包括過驅(qū)動周期。 可以用消隱周期來驅(qū)動激光器光源，方式是，不管激光器光源的輸出， 迅速使它進入它的操作條件。尤其是，如在前一節(jié)所述，如果激光器 已經(jīng)在它的斷開狀態(tài)中以降低的驅(qū)動電平運行("欠驅(qū)動，，)，那么該 激光器可以在消隱周期中過驅(qū)動，使它回到正常運行溫度，然后在消
隱周期結(jié)束前，使之回到正常驅(qū)動電平。有腔內(nèi)倍頻的VECSEL的光鐠濾波器設計，包括數(shù)種 折衷考慮。能控制腔內(nèi)倍頻VECSEL頻率的光譜濾波器，往往引進 關聯(lián)的光學損耗。把附加的光學元件插入腔內(nèi)倍頻VECSEL中以控 制頻率，導致用控制基波頻率以增加轉(zhuǎn)換效率，和與增加光學損耗關 聯(lián)的功率降低之間的折衷。只有小損耗的頻率選擇元件，才能在腔內(nèi)
倍頻VECSEL頻率轉(zhuǎn)換中得到凈的改進。 一般說，對光學損耗的約 束，在通常半導體激光器的波長范圍中，再次把頻率選擇元件的選取 限制于有涂層的標準具和雙折射濾波器，因為它們的損耗約為1%或 更小。與之對照，市場上可從Edmunds Optics購得的陷波濾波器， 它們的最大透射率指定為約90%，不適合腔內(nèi)激光器應用。標準具和 雙折射濾波器的背景知識，在C. C. Davis: "Laser and Electro-Optics: Fundamental and Engineering", Cambridge University Press, 2002， p. 73,和P. J. Valle及F. Moreno: "Theoretical study of birefringent filters as intracavity wavelength selectors". Applied Optics, v. 31， p. 528 ( 1992 )中說明，本文引用兩文內(nèi)容，供參考。典型的安排包 括，使光語濾波器(Fabry-Perot標準具或雙折射)與定義光束方向 的激光器光軸成一定角度，置于激光器腔內(nèi)。該傾角通常用于抑制不 需要的反饋效應和/或?qū)忡挒V波器進行角度調(diào)諧，以達到需要的光語 性能。與使用標準具鎖定擴展腔表面發(fā)射半導體激光器的頻 率關聯(lián)的一些問題，現(xiàn)在舉一例說明，考慮在1064 nm中心波長附近 設計有0.4nm帶寬(定義為半極大的全寬度，或FWHM)的標準具 濾波器的實際情形。這樣的帶寬能夠近似獲得，例如，用300微米厚 度的熔融石英標準具，兩面鍍有l(wèi)(^4nm波長上約35。/。反射率的涂 層。對應的透射率曲線在圖15畫出。雖然圍繞1064 nm為中心的光 譜透射率峰，滿足需要的0.4nm帶寬目標，但鄰接的透射率峰位于離 中心峰約1.3nm(標準具自由光鐠范圍，或FSR)，對激光器發(fā)射可 能提供不希望有的通道。因為半導體激光器的增益光鐠可能擴展數(shù)十 納米，從圖15顯然可見，激光器增益光鐠內(nèi)有許多不同的標準具峰。 因此，標準具提供的頻率鑒別是不夠的。
001271該問題的一個可能解決方案是，使用更薄的標準具以增 加光譜范圍，使激光器增益光鐠內(nèi)有更少的標準具峰。更薄的標準具 在諧振峰之間有更寬的距離，但為獲得窄的帶寬，也要求更高的反射 率。無論如何，有高反射率反射鏡的薄標準具，能夠?qū)νㄟ^傾斜的標 準具透射的Gauss光束，導致更高的離散衍射損耗。此外，非常薄的 標準具(IOO微米以下)變得難以制造、鍍膜、和處理。圖19畫出圖18濾波器結(jié)構(gòu)光學透射率響應的理論計 算，該結(jié)構(gòu)是用薄膜設計軟件TFCalc建立模型的?；繕瞬ㄩL上 的理論透射率峰值，以0.4 nm的FWHM接近100%。圖21畫出一個實施例，其中用薄膜干涉濾波器1610提 供增益元件的表面發(fā)射擴展腔激光器陣列2105的頻率控制，該增益 元件形成在乂>共芯片或基片之上?？梢园淹哥R陣列與表面發(fā)射激光器
2105集成，以便控制每一發(fā)射器的空間模。另外，熱透鏡可以用于控 制每一發(fā)射器的腔空間模。如在圖21中所示，圖21中畫出的部件， 全都是有平面表面的優(yōu)選分段，這有助于用少量嚴格對準進行低成本 組裝，下面還要更詳細說明。與激光器芯片集成的部分反射的反射鏡， 可有可無。當有反射鏡時，它的基本功能，不是通過在它本身與高反 射的反射鏡之間建立Fabry-Perot標準具，用于激光器頻率的選擇， 而是使增益介質(zhì)與擴展腔中的損耗分離，諸如反射鏡和增益層在其上 生長的基片中的損耗。 一個透鏡或多個透鏡可以與芯片集成，或分開 地置于擴展腔中。當與芯片集成時，該透鏡可以是因增益區(qū)中產(chǎn)生的 熱而建立熱透鏡，也可以是靜態(tài)的透鏡，如在芯片表面蝕刻的透鏡。 這種透鏡有助于穩(wěn)定激光器的空間本征模，且當人們?yōu)楹喕?或成本 的理由，想要用平的輸出耦合器設計外腔時，它是特別理想的。對陣列的實施例，輸出耦合器1620最好是平的，且它 對激光器陣列中所有發(fā)射器是公共的。但是，對每一個別的發(fā)射器， 同樣可以用形成彎曲的輸出耦合器的微透鏡陣列。同一個非線性晶體 1615，可以用于把基波波長轉(zhuǎn)換為另一種波長，諸如二次陷波(基波 波長的一半)。在此指出，上面說明的激光器設計，不限于任何具體運 行模式，而可以是連續(xù)波或脈沖的，例如通過電泵浦半導體表面發(fā)射 器的直流脈沖產(chǎn)生的脈沖。此外，本發(fā)明說明的表面發(fā)射激光器，能 夠用合適的吸收體元件進行鎖模(例如見K. Jasim， Q. Zhang, A. V. Nurmikko, A. Mooradian, G. Carey, W. Ha，和E. Ippen，"Passively modelocked vertical extended cavity surface emitting diode laser", Electronics Letter, V.39， p. 373 ( 2003 ))。在該情形中，薄膜干涉濾波器或VBG，能夠設計成控制鎖模輸出的光譜寬度，與非線性晶體 的光譜相位匹配帶寬最佳地匹配，優(yōu)化每發(fā)射器的散斑減少。所有以 上說明的設計，規(guī)?？勺兊揭痪S和兩維陣列構(gòu)架，但它們同樣可應用 于單個發(fā)射器的激光器。最后，用本發(fā)明說明的方法，使表面發(fā)射激 光器和激光器陣列穩(wěn)頻，既可以是電學泵浦的，也可以是光學泵浦的。最后，為定義使非線性轉(zhuǎn)換(二次諧波發(fā)生)過程高效 的激光器線偏振，腔需要一種提供偏振控制的元件。圖30中所示偏 振光束分束器元件2320,提供偏振控制功能并還用于把向后傳播的頻 率轉(zhuǎn)換的光束，重新引向腔外。要完成這些功能，該偏振光束分束器 的兩個表面，需要鍍上涂層，以鑒別并為基波激光波長需要的偏振提 供高透射率，且表面之一必需鍍有對頻率轉(zhuǎn)換波長是高反射的涂層。 另外，偏振可能再次受非線性晶體的雙折射控制，如在美國專利申請 No. 10/734,553中所說明，該申請由A. V. Shchegrov, A. Umbrasas， J. P. Watson,和D. Lee提出，標題為"Polarization control of an extended cavity laser",這里引用該申請內(nèi)容，供參考。
[00183圖30中所示設計，允許收集每一發(fā)射器的向前和向后 傳播的兩種頻率轉(zhuǎn)換光束。調(diào)諧反射鏡3005可以用于操縱相同方向 中的光。
[00184例如，能夠為圍繞1064 nm的波長設計半導體激光器陣 列-在該例子中，能夠用諸如MOCVD或MBE技術，在GaAs晶片 上生長外延結(jié)構(gòu)，而外延生長的反射鏡和量子阱可以把1064 nm作為 目標。能夠把體Bragg光柵設計成在1064 nm上提供最大的反射，而 其光譜帶寬窄得足以停留在非線性材料的相位匹配(或準相位匹配) 帶寬內(nèi)。能夠適當選擇非線性材料，以提供從1064 nm到532 nm高 效的二次諧波發(fā)生。這種材料的例子，包括PPKTP、 PPLN(它可以
用MgO摻雜的，以增加它的損壞閾值)、PPLT、 KTP、及其他。
[00185圖30的腔設計將導致沿兩個方向傳播的二次諧波光束 的發(fā)生。雖然用半導體芯片上或非線性晶體上的二向色涂層，反射向 后傳播的光束，能夠重新組合這些光束和使這些光束共線地重疊，但 如在圖30中所示，簡單地收集向前和向后傳播的光束，在諸如投影 顯示光源的應用中，是可接受的。此外，簡單的系統(tǒng)避免復雜的相位 控制，該復雜的相位控制是為避免光束組合方案中的相消干涉而要求 的。但是，通過設計適當?shù)亩蛏繉?，最好是對反射用設計的同相 相移，使向前和向后傳播的光束重疊，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。這里 指出，在重新組合以降低干涉效應之前，可以選擇充分長的向前和向 后傳播的二次諧波光束光路。尤其是，向前和向后傳播光束，可以在 越過大于它們相千長度的光路長度之后，重新組合。
[00186激光器設計領域中公知的其他方式，可以用于改進二次 諧波光抽取的效率。 一種抽取方式(圖上沒有畫出)，是把腔折疊成 L形，并使基波和二次諧波光兩者回到它們的向前路徑上。這一設計 對陣列平臺也是規(guī);f莫可變的，且也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[00187還有另一種規(guī)才莫可變設計在圖31中畫出，它允許向前 和向后傳播的光束的共線重新組合。這里指出，雖然畫出接合成單片 的元件3120的優(yōu)選低成本實施例，但分開的光學元件同樣允許。只 有二次諧波光束以點線畫出。向前傳播的二次諧波光束通過體Bragg 光柵抽取。向后傳播的二次諧波光束的偏振被旋轉(zhuǎn)卯度(避免相消 干涉和/或相移效應)，然后反射回體Bragg光柵。
[00188圖31中所示實施例，^使用四分之一波片3105 (用于二 次諧波波長)旋轉(zhuǎn)二次諧波光的偏振，然后通過波片上或表面發(fā)生芯 片上合適的二向色涂層，把二次諧波光反射回去。這樣允許向后產(chǎn)生 的光束與正交偏振的向前傳播二次諧波光束重新組合。這種類型的光 束組合，幫助避免光束間潛在的不希望有的相消干涉。在該實施例中， 二次諧波光的兩種偏振被從合成的激光器光源收集?？梢园褜Χ沃C 波是四分之一波的波片，設計成對基波波長是半波長的波片，這樣它
不影響激光器在基波波長上的運行。這種類型的波片可在市場上購
得。此外，可以把二向色涂層夾在兩個相同的相互旋轉(zhuǎn)90度的波片 之間。這樣的系統(tǒng)可使透射光接收零變化的偏振，而使因反射離開二 向色涂層的光被改變?nèi)我舛?，例如旋轉(zhuǎn)90度。這種設計的另一個優(yōu) 點，是它低成本的組裝結(jié)構(gòu)，因為數(shù)個元件可以接合成單片，而只有 兩種子配件需要為獲得最佳激光器運行而進行機械對準。至于使晶體 獲得最佳非線性轉(zhuǎn)換常常是必要的那種熱對準，由于體Bragg光柵對 以0. 1 nm/°C或更小調(diào)諧速率的溫度變化，通常是非常穩(wěn)定的這一事 實，使它變得容易。這一點意味著，只有非線性晶體需要調(diào)諧，例如 通過低成本的電阻性加熱器，可以獲得最佳轉(zhuǎn)換，而其他元件不要求 類似的有源溫度控制。在圖3中所示優(yōu)選實施例中，只有一個元件必 需對整個陣列對準。另外，對這種腔設計的對準容差，不是非?？燎?的。例如，每發(fā)射器約100到120微米的增益直徑，在約5%可見光 功率內(nèi)的對準容差，約為l毫弧度的傾斜。
[00189最后，圖30和31的兩種設計，是頗為微型的，而且， 特別當半導體芯片中的熱透鏡使腔穩(wěn)定時，為獲得最佳激光器運行所 必需的步驟，只有無源的機械對準。
[00190圖31中所示實施例，要求分開的偏振控制元件。雖然 它也能夠如圖30中所示，使用光束分束器途徑，但最好保持設計的 簡單并把偏振控制功能與任何已有光學元件(表面發(fā)射陣列、波片、 晶體、和VBG)集成。要實現(xiàn)該目的的優(yōu)選途徑之一，是在這些元件 之一上淀積導線柵偏振器，以排除不需要的偏振和向需要的偏振提供 非常低的損耗。再次指出，該途徑的想法，是為低成本、大量制造而 縮減元件數(shù)和對準步驟。
001911圖30和31的兩種設計和它們的推廣，是對低成本、激 光器系統(tǒng)大量可制造平臺進行優(yōu)化。然而，低成本的設計，使它對二 次諧波轉(zhuǎn)換過程中獲得需要的功率目標指標更具挑戰(zhàn)性。增加二次諧 波轉(zhuǎn)換過程效率的一種方式，是設計有透鏡陣列的腔，或者該透鏡陣 列把基波波長的光束會聚成位于晶體中有小光腰的光束。雖然這一選
項在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但它不是獲得低成本的、有高效倍頻的構(gòu)架的 主要途徑。改進二次諧波過程效率的優(yōu)選途徑，是以短脈沖驅(qū)動表面
發(fā)射的、用電泵浦的激光器陣列，該短脈沖例如是100ns，有足夠大 的例如5-10%的占空因素，以增加腔內(nèi)基波波長光束的峰值功率， 和增加二次諧波光束的平均功率。用高重復率的如1 MHz的脈沖操 作，能夠如同連續(xù)波操作那樣在許多應用中被接受。例如，在顯示應 用中，該重復率將不被人眼感覺到脈沖操作，從而該脈沖源如同連續(xù) 波源那樣被接受。還有，因為脈沖操作能夠為顯示系統(tǒng)的設計者提供 更大的靈活性，它們是同樣理想的。
[00192用電泵浦的、頻率轉(zhuǎn)換的激光器陣列源的另一個優(yōu)點 是，這些光源能夠被調(diào)制的電驅(qū)動以高速率例如25 MHz直接調(diào)制。 在諸如基于掃描的激光器投影裝置等這類應用中，調(diào)制能力是理想 的。
[00193其他在本發(fā)明范圍內(nèi)的設計，包括有頻率控制元件而不 是體Bragg光柵的激光器陣列。這種元件的一個例子，是薄膜涂層干 涉濾波器，可以把該濾波器設計成，在基波設計波長上提供諧振的窄 帶寬的透射率。
001941本發(fā)明激光器光源實施例主要應用之一，是投影顯示。 對這些應用，理想的是有紅、綠、和藍(RGB)色，為最佳觀看體驗 獲得全彩色空間的表示。上面說明的實施例沒有指定任何顏色，從而 可用于設計全RGB激光器陣列光源，這是本發(fā)明的一部分。例如， 可以圍繞1260 nm、 1064 nm、和920 nm i殳計半導體增益材料和反射 鏡疊片，并為諸如鈮酸鋰等非線性材料選擇適當?shù)臉O化周期及光學涂 層，又圍繞這些波長設計VBG及光束分束器或波片，我們可以獲得 630 nm (紅)、532 nm (綠)、和460 nm (藍)的激光器陣列光源。
[00195每種顏色的功率，可以通過簡單增加陣列中發(fā)射器數(shù)量 而按比例變化。例如，許多周期極化的非線性晶體，是用薄的 0.5mm 橫截面制成的，它可能難于與沿該維度的多行發(fā)射器配合。在此情形 下，最好沿單一維度調(diào)節(jié)發(fā)射器的數(shù)量?；蛘撸梢杂脙删S發(fā)射器陣
列并當不希望增加非線性材料的厚度時，用光學接觸的薄晶體子配件 代替單個晶體。
[00196本發(fā)明的應用，包括用于投影顯示的光源、發(fā)光應用、 自動照明、和其他消費者電子產(chǎn)品應用。例如，基于相干激光器光源 的投影顯示系統(tǒng)，可能受散斑效應之害。但是，當增加激光器陣列中 的發(fā)射器數(shù)量時，散斑效應將降低。還有，作為本發(fā)明優(yōu)選實施例的 多縱模運行，降低各發(fā)射器的相干性，從而減少散斑。通過激光器的 脈沖操作，進一步增進這一優(yōu)點。因為一個發(fā)射器的失效，不意味整 個光源的失效，和因為非線性晶體和其他光學部件中的功率密度，不 象在可比功率的單個發(fā)射激光器中那樣高，例如背投顯示電視激光器 光源需要的那樣數(shù)瓦水平，所以本發(fā)明還有另一個優(yōu)點，是增加這種 陣列的可靠性。
[001971用這些設計設計的激光器，與低成本組裝方法是一致 的。尤其是，能夠使這些激光器微型化且簡單的對準。在一個優(yōu)選實 施例中，嚴格的對準是在激光器陣列表面和輸出反射鏡表面之間，這 兩個表面是平的。激光器的設計，是按該對準的容差能夠以無源方法 滿足的方式，或以最小的方式，無源對準足以獲得初始的激光，其后 容易對初始的激光優(yōu)化。這樣消除了尋找初始運行的必要。如此簡單 的組件容易結(jié)合成多色組件，為顯示應用的激光器系統(tǒng)提供進一步的 空間縮減。這種組件的一個例子在圖32A、 32B、和32C中畫出。圖 32A畫出單一陣列(如一種顏色的光一個陣列)組件。圖32B畫出沿 線3200的截面。圖32C畫出一組組裝的陣列，例如一組產(chǎn)生紅、綠、 和藍光的陣列。
[00198在圖32A、 32B、和32C所示組件中，有若干元件對整 個系統(tǒng)有利。首先，組件不要求有源的溫度穩(wěn)定。這是通過除了使組 件有高導熱性的設計外，還通過表面發(fā)射激光器的設計和激光器與組 件基座之間小距離的設計達到的。其次，對準能夠向激光器組件中高 精度基準記號用無源的對準施行。諸如圖32A、 32B、和33C中所示 那些系統(tǒng)，最好具有與現(xiàn)代中央處理單元(CPU )芯片等價的熱耗散， 那么，任何設計用于這些CPU有效的低成本冷卻解決方案，都可以
用于這種激光器。
[001991第二是，以最小數(shù)量元件設計系統(tǒng)。在圖32A和32B 所示的單元情形，只有4個不同的元件激光器、偏振器、非線性材 料、和VBG。再有，只有VBG需要嚴格的對準。因此，組裝成本由 于極少數(shù)量的嚴格對準而減少。此外，部件個數(shù)的減少還有利于在該 單元壽命期間，保持光學對準。
[00200第三是，系統(tǒng)被設計成微型的。在一個實施例中，組件 寬度小于1.5英寸，總體積約小于2英寸，使該組件激光器可用作各 種各樣投影顯示系統(tǒng)中UHP燈的替代。這是通過限制元件數(shù)量和使 用有簡單、微型腔的激光器陣列取代單個激光器達到的，由于單個激 光器更高的性能，將要求更嚴格的對準和用于這些對準的更多的空間 及元件。
V.用于代替顯示系統(tǒng)中UHP燈的微型、高效、高功率陣列 VECSEL的設計
[00201本發(fā)明激光器陣列的一種應用，是作為投影顯示中常規(guī) 白光光源的替代。如前所述， 一種規(guī)模可變的可制造的構(gòu)架，允許選 擇VECSEL的數(shù)量，以達到高功率的、可靠的、基本上無散斑的輸 出。此外，實驗數(shù)據(jù)指出，VECSEL陣列能夠極其緊湊并有高的效率。 實驗數(shù)據(jù)表明，各個VECSEL用脈沖模式倍頻，產(chǎn)生的可見光輸出 功率，在30到50mW的量級。泵浦激光器的脈沖寬度的優(yōu)化，已經(jīng) 在平均脈沖SHG功率中產(chǎn)生大于兩倍的改進。熱學模型已經(jīng)表明， 對脈沖模式應用，VECSEL能夠以約2:1到3:1的組裝比緊密地組裝。
[00202VECSEL的增益元件，最好為低的光學損耗而優(yōu)化。對 使用100到400微米增益直徑的50到100微米厚度的基片，對基片 摻雜濃度低至中等E16 n型，載流子增益分布接近高頂大禮帽形。
[00203已經(jīng)通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，VECSEL效率隨電泵浦直徑的 增加而增加。例如，使用質(zhì)子注入或其他限制電流注入預選直徑的技 術，VECSEL的每一增益元件可以有局限于預選直徑的電流。實驗研
究表明，能夠在脈沖模式中使用高組裝密度的陣列，降低激光器半導 體部分的成本。
[00204j現(xiàn)在參考圖33，在把電流注入限制在選擇的直徑的 VECSEL中，將有電泵浦的量子阱增益區(qū)。然而，如果電泵浦區(qū)中的 增益足夠高且直徑足夠大，也將在量子阱的側(cè)面出現(xiàn)基本上被放大的 自發(fā)發(fā)射。結(jié)果是，將出現(xiàn)有低光學損耗的光學泵浦環(huán)形區(qū)，如圖34 中所示。這些效應格外準許高電流脈沖模式操作和大直徑的 VECSEL，諸如范圍在80-150微米電泵浦直徑的VECSEL。該環(huán)形 側(cè)面的泵浦，產(chǎn)生附加的光學增益和低的損耗區(qū)。對被高度地泵浦的 大直徑裝置，光功率的40-60%是在光學泵浦的環(huán)形區(qū)。另一種理解 環(huán)形側(cè)面泵浦效應的方式是，只要調(diào)整外腔模，使光學模直徑回收至 少一些環(huán)形區(qū)中的功率，則側(cè)面放大的自發(fā)發(fā)射能量損失可以被回 收。
[00205j實驗研究已經(jīng)表明，有150微米直徑電泵浦增益區(qū)的 VECSEL，擴展腔中基波波長的往復功率接近數(shù)百瓦。這樣高的往復 功率密度又改善了 SHG的輸出。此外，相當大的電泵浦直徑與小直 徑的VECSEL相比，放寬了對準容差。另外，另一種理解大直徑 VECSEL的方式是，除了由側(cè)面光學泵浦提供的附加利益外，大直徑 對制造中未對準的某一特定角度，產(chǎn)生更低的光學耦合損耗。
[00206VECSEL高的效率也降低了熱耗散、降低冷卻的要求。 此外，高的效率和高的組裝密度，允許總體積為l或2立方英寸的相 對微型模塊，在數(shù)種可見波長上，例如RGB上，產(chǎn)生相當大的功率。
[00207圖35是圖表，對VECSEL ( ECSEL欄)、LED、和 UHP燈進行比較。按照本發(fā)明教導制造的VECSEL陣列，現(xiàn)在有優(yōu) 于UHP燈的功率、亮度、效率、和成本的特征。此外，VECSEL陣 列極其緊湊，消除DLP系統(tǒng)對色盤和風扇的需要。在其他顯示應用 中，諸如在3LCD引擎的應用中，取消了附加的偏振器、色濾波器、 調(diào)諧反射鏡、蠅眼透鏡的需要。結(jié)果是，在許多投影顯示系統(tǒng)中， VECSEL陣列可取代UHP燈。再有，微型尺寸為進入哪怕相當小的
微顯示器，提供高的耦合。因此，本專利申請中說明的光源和操作方
法，可以作為常規(guī)LED和UHP燈的替代，用在各種各樣的光引擎構(gòu) 架中。
VI. 其他的優(yōu)化
[00208本發(fā)明的實施例可以用各種各樣的優(yōu)化實施。非線性晶 體的變化被認為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。非線性晶體例如可以是周期極 化的材料，諸如周期極化的的鈮酸鋰(PPLN)、周期極化的鉭酸鋰 (PPLT)、周期極化的磷酸鈦氧鉀(PPKTP)、和周期極化的砷酸 鈦氧銣(PPRTA)。非線性晶體可以用線性調(diào)頻的非周期圖形極化， 以增加非線性轉(zhuǎn)換光鐠和溫度帶寬。非線性晶體可以是大塊非線性材 料，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)。
[00209增益元件可以由各種半導體材料形成，諸如GalnAs、 GaAlAs、 GalnAsN、和GaN。
[00210體Bragg光柵可以用線性調(diào)頻的折射率圖形設計，以提 供減小的陣列相干性和散斑。
[00211附加的光學元件，例如可以包括光纖Bragg光柵，用于 提供頻率控制。
VII. 組合和亞組合
[00212雖然已經(jīng)就各個例子說明本發(fā)明，但應當指出，各個例 子也可以組合^f吏用和亞組合〗吏用。
VIII. 其他應用
[00213雖然本專利申請的各個激光器和激光器陣列，已經(jīng)就投 影顯示應用廣泛地說明，但還是應當指出，它們可以用于其他的應用。
[00214前面為解釋的目的而作的說明，是用專用術語提供本發(fā) 明的完整了解。但是，本領域熟練人員顯然知道，為了實現(xiàn)本發(fā)明， 不需要具體的細節(jié)。因此，前面對本發(fā)明特定實施例的說明，是為演
示和說明的目的而給出的。不希望它們窮舉或把本發(fā)明限制在公開的 精確形式，顯然，借助上面的教導，許多修改和變化是可能的。實施
例的選擇和說明，是為了最佳地解釋本發(fā)明的原理和它的實際應用， 從而使本領域的其他熟練人員，能最佳地以各種被認為適合特定使用 的修改利用本發(fā)明和各個實施例。這里著重指出，下面的權(quán)利要求書 和它們的等價表述，定義本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種有腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中在倍頻頻率上的輸出功率，隨腔內(nèi)每單程損耗超過約1％而迅速下降，該表面發(fā)射擴展腔激光器包括表面發(fā)射激光器增益元件，用于在圍繞基波波長至少數(shù)納米的波長頻段中產(chǎn)生光學增益，所述基波波長與基波頻率對應；與所述激光器增益元件分隔開的輸出耦合器，用于形成擴展腔，所述輸出耦合器對所述基波頻率上的光，有高的反射率；置于所述擴展腔中的非線性晶體，用于使所述擴展腔內(nèi)往復的所述基波頻率的光倍頻，所述非線性晶體的有效倍頻帶寬約1納米或更小，且所述非線性晶體的倍頻輸出功率，對所述基波頻率上的光強存在非線性依賴性；和使輸出光穩(wěn)頻的薄膜干涉濾波器，所述薄膜干涉濾波器置于所述擴展腔中，并作為圍繞基波頻率的陷波濾波器工作，該陷波濾波器有小于1納米的帶寬和對所述基波頻率上的光每單程光學損耗不大于1％。
2. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述干涉濾 波器，在二次諧波頻率上是透射的。
3. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述干涉濾 波器，在至少數(shù)納米的波長范圍上，起陷波濾波器作用。
4. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述干涉濾 波器，可在操作上取代常規(guī)的標準具或雙折射濾波器。
5. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中的干涉濾波 器包括光學基片、對所述基波頻率為四分之一波長層的第一 Bragg 反射鏡層疊片、光學厚度等于所述基波波長整數(shù)波長的諧振腔、和由 所述基波頻率的四分之一波長層形成的第二 Bragg反射鏡層疊片。
6. 按照權(quán)利要求2的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述干涉濾 波器，是置于所述表面發(fā)射激光器增益元件中一系列Bragg反射鏡的 光學模擬。
7. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中選擇干涉濾 波器的帶寬，以強制激光腔的單縱模運行。
8. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中選擇干涉濾 波器的帶寬，以允許在擴展腔的多于一個縱模中產(chǎn)生激光。
9. 按照權(quán)利要求1的表面發(fā)射擴展腔激光器，被構(gòu)造成陣列，其中所述表面發(fā)射激光器增益元件，包括置于公共芯片上的發(fā)射器陣列；所述輸出耦合器對所述發(fā)射器陣列是>^共的； 所述非線性晶體為所述發(fā)射器陣列的每一個發(fā)射器提供倍頻作 用；和所述薄膜干涉濾波器，使所述發(fā)射器陣列的每一個發(fā)射器穩(wěn)頻。
10. —種有腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中在倍頻頻率 上的輸出功率，隨腔內(nèi)每單程損耗超過約1%而迅速下降，該表面發(fā) 射擴展腔激光器包括有增益區(qū)和至少一個Bragg反射鏡的表面發(fā)射激光器增益元件， 該Bragg反射鏡圍繞基波波長產(chǎn)生諧振條件，所述表面發(fā)射激光器增 益元件，在圍繞基波波長至少數(shù)納米的波長頻段中產(chǎn)生光學增益，所 述基波波長與基波頻率對應；與所述激光器增益元件分隔開的輸出耦合器，用于形成擴展腔，所述輸出耦合器對所述基波頻率上的光，有高的反射率；置于所述擴展腔中的非線性晶體，用于使所迷擴展腔內(nèi)往復的所 述基波頻率的光倍頻，所述非線性晶體的有效倍頻帶寬約1納米或更 小，且所述非線性晶體的倍頻輸出功率，對所述基波頻率上的光強存在非線性依賴性；和置于所述擴展腔中的薄膜干涉濾波器，該薄膜干涉濾波器有一系 列Bragg反射鏡和關聯(lián)的襯墊，這些Bragg反射鏡是所述表面發(fā)射激 光器的那些Bragg反射鏡的光學模擬，為的是使所述薄膜干涉濾波器 作為陷波濾波器工作，該陷波濾波器圍繞基波頻率有小于1納米的帶 寬，和對所述基波頻率上的光每單程光學損耗不大于1%。
11. 按照權(quán)利要求10的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述干涉濾波器，可在操作上取代常規(guī)的標準具或雙折射濾波器。
12. —種有腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中在倍頻頻率 上的輸出功率，隨基波上往復功率損耗每往返一次超過約1%而迅速 下降，該表面發(fā)射擴展腔激光器包括表面發(fā)射激光器增益元件，用于在圍繞基波波長的波長頻段中產(chǎn) 生光學增益，該基波波長與基波頻率對應；與所述激光器增益元件分隔開的體Bragg光柵，起擴展腔的端 面反射鏡的作用，所述體Bragg光柵對所述基波頻率上的光，有高的 反射率；置于所述擴展腔中的非線性晶體，用于使所述擴展腔內(nèi)往復的所 述基波頻率的光倍頻，所述非線性晶體的有效倍頻帶寬約1納米或更 小，且所述非線性晶體的倍頻輸出功率，對所述基波頻率上的光強存 在非線性依賴性；和所述體Bragg光柵作為圍繞基波頻率的陷波反射濾波器工作， 該陷波反射濾波器對所述基波頻率上的光，有小于1納米的帶寬和至 少99°/。的反射率。
13. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述體 Bragg光柵還包括，在基波頻率上反射的光學涂層。
14. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中設計足夠 窄的體Bragg光柵帶寬，以強制激光腔的單縱模運行，而其中陣列發(fā) 射器的數(shù)量等于1。
15. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中的二次諧 波光，是通過鍍有二向色涂層的光束分束器，從腔中抽出的。
16. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中選擇體 Bragg光柵的光i普帶寬，以允許在擴展腔的多于一個縱模中產(chǎn)生激光。
17. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中所述體 Bragg光柵，在所迷二次諧波頻率上是透射的。
18. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，其中選擇所述 體Bragg光柵對溫度的光學響應，使所述擴展腔激光器在一定溫度范 圍上是穩(wěn)定的，以致不需要對激光器部件進行有源的溫度調(diào)諧。
19. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，被構(gòu)造成陣列，其中所述表面發(fā)射激光器增益元件包括，置于公共芯片上的發(fā)射器陣列；所述體Bragg光柵對所述發(fā)射器陣列是公共的； 所述非線性晶體為所述發(fā)射器陣列的每一個發(fā)射器提供倍頻作 用；和所述體Bragg光柵，使所述發(fā)射器陣列的每一個發(fā)射器穩(wěn)頻。
20. 按照權(quán)利要求12的表面發(fā)射擴展腔激光器，所述體Bragg 光柵，取消了對常規(guī)標準具或雙折射濾波器的需要。
21. —種有腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射擴展腔激光器，包括 表面發(fā)射激光器增益元件，用于在圍繞基波波長至少數(shù)納米的波長頻段中產(chǎn)生光學增益，所述基波波長與基波頻率對應；與所述激光器增益元件分隔開的輸出耦合器，用于形成擴展腔，所述輸出耦合器對所述基波頻率上的光，有高的反射率；置于所述擴展腔中的非線性晶體，用于使所述擴展腔內(nèi)往復的所述基波頻率的光倍頻，所述非線性晶體具有用于有效倍頻作用的光譜帶寬；和使輸出光穩(wěn)頻的薄膜干涉濾波器，所迷薄膜千涉濾波器置于所述 擴展腔中，并作為圍繞基波頻率的陷波濾波器工作，該陷波濾波器的濾波器帶寬在所述光譜帶寬內(nèi)；所述表面發(fā)射擴展腔激光器有穩(wěn)定的基波頻率，不需要用標準具 或雙折射濾波器來鎖定基波頻率。
22. —種有腔內(nèi)倍頻的表面發(fā)射擴展腔激光器，包括 表面發(fā)射激光器增益元件，用于在圍繞基波波長的波長頻段中產(chǎn)生光學增益，該基波波長與基波頻率對應；與所述激光器增益元件分隔開的體Bragg光柵，起擴展腔的端 面反射鏡的作用，所述體Bragg光柵對所述基波頻率上的光，有高的 反射率；置于所述擴展腔中的非線性晶體，用于使所述擴展腔內(nèi)往復的所 述基波頻率的光倍頻，所述非線性晶體具有用于有效倍頻作用的光鐠帶寬；和所述體Bragg光柵作為圍繞基波頻率的陷波濾波器工作，該陷 波濾波器的濾波器帶寬在所述光鐠帶寬內(nèi)；所述表面發(fā)射擴展腔激光器有穩(wěn)定的頻率，不需要用標準具或雙 折射濾波器來鎖定頻率。
全文摘要
一種豎直擴展腔表面發(fā)射激光器(VECSEL)，包括腔內(nèi)倍頻。常規(guī)的頻率控制元件，諸如標準具，被薄膜干涉濾波器或體Bragg光柵取代。
文檔編號H01S3/10GK101180778SQ200680017815
公開日2008年5月14日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月30日
發(fā)明者安德瑞·V·施徹格諾夫 申請人:諾瓦光電技術公司