溫度相關性降低的藍色ld泵浦的摻雜鐠的固態(tài)激光裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種固態(tài)激光裝置，該固態(tài)激光裝置帶有在兩個諧振腔端鏡(3，5)之間的固態(tài)增益介質(zhì)以及布置成對所述固態(tài)增益介質(zhì)進行光學泵浦的基于GaN的泵浦激光器(1)。固態(tài)增益介質(zhì)是摻雜Pr3+的晶體或多晶基質(zhì)材料(4)，該基質(zhì)材料具有立方晶體結構和≤600cm-1的最高聲子能量并且提供≥5.5eV的帶隙。所提出的固態(tài)激光器能夠被設計成在若干可見波長發(fā)射且所發(fā)射的功率表現(xiàn)出對基于GaN的泵浦激光器(1)的溫度的相關性降低。
【專利說明】溫度相關性降低的藍色LD泵浦的摻雜鐠的固態(tài)激光裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固態(tài)激光裝置，該固態(tài)激光裝置包括在激光腔的兩個諧振腔端面鏡之間布置的固態(tài)增益介質(zhì)以及被布置成對所述固態(tài)增益介質(zhì)進行光學泵浦的基于GaN的固態(tài)泵浦激光器，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)由摻雜Pr3+的基質(zhì)材料(host material)組成。
[0002]激光器的固有高輻射率使其成為用于高光學要求的所有應用的理想候選光源。一旦可以獲得發(fā)射藍色、綠色和紅色的激光器，它們就能夠例如替代UHP燈作為投影系統(tǒng)中的光源。缺乏處于綠色波長區(qū)內(nèi)的集成激光源至今仍阻礙激光器在顯示或照明應用中的廣泛使用。對于綠色波長區(qū)的現(xiàn)今使用的激光源依靠通過對紅外激光源的上轉換或者通過對紅外激光源的二次諧波發(fā)生的頻率轉換。自紅外波長區(qū)的上轉換或二次諧波發(fā)生的一個可替代方案是對藍色激光源的頻率轉換，正如眾所周知的紅外染料激光器或Nd = YAG激光器的情況那樣。隨著藍色-紫色區(qū)的基于GaN的激光二極管的最近發(fā)展，這種方案對于可見波長的全固態(tài)裝置變得有吸引力。在這種固態(tài)激光裝置中，適當?shù)墓虘B(tài)增益介質(zhì)由基于GaN的激光二極管光學泵浦以便發(fā)射處于藍色、綠色或紅色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射。
【背景技術】
[0003]這種裝置的適當固態(tài)增益介質(zhì)必須具有處于藍色-紫色波長區(qū)內(nèi)的吸收線。摻雜有稀土離子的不同晶體基質(zhì)材料已經(jīng)被提出作為用于這種固態(tài)激光裝置的增益介質(zhì)。在這種情況下Pr3+離子備受關注，因為其在GaN激光二極管的典型發(fā)射波長下表現(xiàn)出吸收并且能夠?qū)⑦@一輻射轉換成在藍色、綠色、紅色和橙色波長的激光發(fā)射。
[0004]US 6，490, 309B1公開了一種固態(tài)激光裝置，其中由基于GaN的激光二極管對摻雜Pr3+的晶體進行光學泵浦。該文獻提出不同的摻雜Pr3+的晶體以從Pr3+獲得若干可見波長的激光發(fā)射。示例性實施例基于摻雜Pr3+的LiYF4(YLF)晶體。在這個文獻中列舉的基質(zhì)材料中僅有一種-Y3Al5O12晶體(YAG)是立方晶體。
[0005]然而，Cheung等人在 Physical Review B、第 49 卷、第 21 期、第 14827-14835 頁的“Excited-state absorption in Pr3+: Y3Al5O12”中論證了從 3Ptl 能級的受激態(tài)吸收排除了在可見光和近紫外光譜區(qū)中將Pr3+: YAG用作固態(tài)激光晶體的可能性。
[0006]眾所周知，置于晶體基質(zhì)材料中的稀土離子表現(xiàn)出狹窄的光譜吸收線。圖1示出了 Pr3+ = LiYF4在室溫下對于相對于晶軸的兩個不同偏振的吸收線的示例。另一方面，基于GaN的激光二極管的發(fā)射呈現(xiàn)與激光二極管的溫度以及二極管電流有關的波長偏移。此外，制作工藝產(chǎn)生不同的發(fā)射波長，其峰值居中于440和450nm之間。商業(yè)上可用的基于GaN的激光二極管對于不同二極管電流和固定激光二極管基板溫度25°C下的激光發(fā)射的光譜偏移的測量結果表明:對于二極管電流從200mA變化到500mA，最大發(fā)射的波長改變了大約2nm。這對應于從IlOmW到480mW的輸出功率變化。對于固定二極管電流和20與30°C之間的激光二極管基板溫度變化下的光譜偏移大約為，對于10°C而言是0.5nm。這個基于GaN的激光二極管的發(fā)射波長在443.7nm和446.5nm之間變化，其中443.7nm對應20°C和IlOmA(剛好大于激光二極管的閾值)的二極管電流，而446.5nm對應30°C和500mA(這個激光二極管的最大規(guī)定電流)的二極管電流。由于增益介質(zhì)的狹窄光譜吸收線以及基于GaN的激光二極管的最大發(fā)射的溫度與電流相關性，相應的固態(tài)激光裝置表現(xiàn)出很強的溫度敏感性。這使得很難借助于基于GaN的激光二極管來有效且穩(wěn)定地光學激發(fā)摻雜Pr3+的基質(zhì)材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一個目的是提供一種溫度敏感性降低的固態(tài)激光裝置，所述固態(tài)激光器包括由基于GaN的泵浦激光器光學泵浦的固態(tài)增益介質(zhì)。
[0008]這個目的是利用根據(jù)權利要求1的固態(tài)激光裝置來實現(xiàn)的。這個固態(tài)激光裝置的有利實施例是從屬權利要求的主題或者在說明書的后續(xù)部分中加以描述。
[0009]所提出的固態(tài)激光裝置至少包括在激光腔的兩個諧振腔端鏡之間布置的固態(tài)增益介質(zhì)以及被布置成對所述固態(tài)增益介質(zhì)進行光學泵浦的基于GaN的泵浦激光器。固態(tài)增益介質(zhì)是摻雜Pr3+的多晶材料或晶體材料，該材料具有立方晶體結構并且被選擇成具有(600CHT1的最大聲子能量和> 5.5eV的帶隙。
[0010]當使用這種摻雜有Pr3+離子的晶體或多晶基質(zhì)材料(其由立方晶體結構、低聲子能量和高帶隙表征)時，令人驚訝地實現(xiàn)了激光裝置的溫度敏感性的顯著降低。因此，本發(fā)明為可見波長區(qū)提供了溫度不敏感的固態(tài)激光裝置，其能夠發(fā)射處于藍色、綠色、紅色和橙色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射，這取決于諧振腔端鏡的設計。由于降低的溫度敏感性，這種固態(tài)激光光源能夠容易地用于消費應用中，如照明或投影裝置中。因此，所提出的固態(tài)激光裝置提供了替代現(xiàn)今使用的UHP燈作為投影光源的可能性。盡管迄今報導的摻雜有Pr3+離子的唯一立方基質(zhì)材料是YAG晶體-已表明其在室溫下不適合用作激光器的增益介質(zhì)，但是發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，滿足大帶隙和低聲子能量的上述要求的立方基質(zhì)材料仍然適合作為增益材料并且此外還提供如上所述的令人驚訝的低溫度相關性。優(yōu)選的基質(zhì)材料是KY3F1(l、SrF2、CaF2或者LaAlO3的等軸晶型(cubic modification)。典型的摻雜濃度是在0.05at%到10at%的范圍內(nèi)。
[0011]立方基質(zhì)材料的使用提供了這些材料能夠被制備成透明陶瓷的附加優(yōu)點。拉晶是一種緩慢冗長的程序，這通常需要很小心地完成。具有立方結構的基質(zhì)材料能夠借助于燒結而制造成透明陶瓷，這極大地有助于大批量的生產(chǎn)。而且，通過燒結技術制備激光材料的可能性為例如以波導形式對其進行結構化的更容易的方式提供了可能，所述波導能夠有效地匹配基于GaN的激光二極管的橢圓形光束形狀。由于立方晶體是各向同性材料，所以，為了獲得波導還可能容易地在基底上直接生長結晶化膜而沒有取向處理問題。
[0012]在優(yōu)選的實施例中固態(tài)增益介質(zhì)連同基于GaN的泵浦激光器一起被布置在公共基底上。例如為了提供激光光源的陣列，還可以將若干這樣的固態(tài)激光裝置布置在相同基底上。在另一實施例中，實現(xiàn)了 RGB (R:紅色，G:綠色，B:藍色)激光光源，其中在藍色波長區(qū)中發(fā)射的基于GaN的激光二極管與兩個所提出的固態(tài)激光裝置并排布置在公共基底上，所述固態(tài)激光裝置之一在紅色波長區(qū)中發(fā)射而另一個在綠色波長區(qū)中發(fā)射。
[0013]本發(fā)明的這些及其他方面將參照下文中描述的實施例來說明并從中變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]在下面通過示例方式結合附圖來描述所提出的固態(tài)激光裝置而不限制由權利要求所限定的保護范圍。這些圖示出了:
[0015]圖1在室溫下對于兩種不同偏振的Pr3+ = LiYF4的基態(tài)吸收線；
[0016]圖2根據(jù)本發(fā)明的在640nm發(fā)射的Pr3+: KY3F10激光器對于不同的基板溫度所測量的輸出功率；
[0017]圖3Pr3+:KY3Fltl和Pr3+ = LiYF4的吸收光譜的比較；
[0018]圖4Pr3+:KY3F1Q和基于GaN的激光二極管發(fā)射對不同溫度值和二極管電流值的吸收截面；
[0019]圖5所提出的固態(tài)激光裝置的示例性構造的示意圖；和
[0020]圖6作為集成RGB激光源的一部分的本發(fā)明固態(tài)激光裝置的另一示例性構造的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]圖1所示的Pr3+ = LiYF4吸收光譜已經(jīng)在本說明書的背景部分中進行了解釋。由于吸收線的半寬很小以及基于GaN的激光二極管的溫度偏移，很難實現(xiàn)基于這種增益介質(zhì)與基于GaN的泵浦激光器的組合的固態(tài)激光裝置的穩(wěn)定工作。
[0022]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)激光裝置的輸出功率的測量結果。這個測量結果是基于利用Pr3+ = KY3Fltl增益介質(zhì)在640nm發(fā)射的固態(tài)激光裝置。該圖示出了基于GaN的泵浦激光二極管在15°C和30°C之間的不同基板溫度下所測量的輸出功率。從這個圖中顯而易見很低的溫度敏感性。對于15°C的溫度范圍僅觀察到輸出功率的微小變化。
[0023]與其它基質(zhì)材料相比這種顯著降低的溫度敏感性是基于Pr3+離子在置于立方結構的晶體(如KY3Fltl、SrF2XaF2)或者LaAlO3的等軸晶型(cubic modification)中時異常寬的吸收線。作為示例，圖3示出了與根據(jù)不同晶體取向的Pr3+ = LiYF4(YLF)的兩個吸收光譜相比的Pr3+ = KY3Fltl的吸收分布，其與偏振無關。從該圖中顯而易見的是，Pr3+ = KY3Fltl的吸收線明顯更寬。
[0024]如已經(jīng)在本說明書的背景部分中所概括的，基于GaN的激光二極管呈現(xiàn)出依賴于二極管溫度以及所施加的二極管電流這兩者的其發(fā)射波長的偏移。當來自基于GaN的激光二極管的激光發(fā)射用來激勵晶體中稀土離子的激光發(fā)射時，泵浦激光器的波長偏移會嚴重地影響稀土離子所吸收的功率并且因此影響固態(tài)激光器的輸出。與已經(jīng)描述的Pr3+ = LiYF4的情形不同，置于如KY3F1Q、LaA103、SrF2或CaF2的立方晶體中的Pr3+離子表現(xiàn)出寬且強的吸收線，所述吸收線在光譜上與基于GaN的激光二極管發(fā)射非常好地重疊。在這些基質(zhì)中，基于GaN的激光二極管的發(fā)射和Pr3+的吸收之間的重疊被優(yōu)化，此外該吸收隨激光二極管溫度僅呈現(xiàn)微小的變化。在Pr3+ = KY3Fltl的情況下，這些吸收線形成寬帶而與晶體取向無關，并且從435nm擴展到450nm且其最大值處在446nm附近。這示于圖4中，圖4示出了Pr3+IKY3F10和基于GaN的激光二極管發(fā)射對于不同溫度值和二極管電流值的吸收截面。
[0025]當處理鐠(Pr)的可見激光作用時對基質(zhì)材料的另一要求是為避免3Ptl上激光能級的粒子數(shù)減少而需要的低聲子能量。KY3Flt as體的最大聲子能量是495CHT1。一般而言，已發(fā)現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)激光裝置中所用的立方晶體中的最高聲子能量必須小于或等于600CHT1。已知的YAG晶體具有700CHT1的最高聲子能量因此不適合用于所提出的固態(tài)激光裝 置。
[0026]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的固態(tài)激光裝置的示意性設置?；贕aN的化合物激光二極管I的激光發(fā)射借助于光學機構2 (例如透鏡)而聚焦到摻雜Pr3+的晶體4中。需要兩個鏡3、5來建立激光諧振腔。這兩個鏡由摻雜Pr3+的晶體4的端面上的適當涂層形成。用于將泵浦輻射耦合進來的向內(nèi)耦合鏡3被涂布以在446nm的泵浦波長具有高透射率(80%或更高)并且對于摻雜Pr3+的晶體4的激光波長(例如在645nm的紅色波長)是高反射性的。置于向外耦合側的第二鏡5被涂布以在446nm的泵浦波長是高反射性的并且在激射波長具有部分透射率，例如對于645nm的紅色波長透射率為10%。摻雜Pr3+的KY3Fltl晶體4例如具有2mm的長度并且吸收60-90%的泵浦功率。在這個示例中，中心波長為645nm的可見激光發(fā)射在圖5中由附圖標記6表不。
[0027]圖6示出了其中所提出的固態(tài)激光裝置是集成RGB激光器的一部分的另一示例性實施例。在這個示例中將摻雜Pr3+的晶體材料加工成波導的形式以形成波導激光器7。在這種機構中，這個有源介質(zhì)、即波導的幾何形狀適合基于GaN的激光二極管I的橢圓形光束形狀，這就簡化了該光學機構。在這種情況下，波導激光器7能夠被直接連接到基于GaN的
激光二極管。
[0028]在圖6中，兩個所提出的固態(tài)激光裝置并排地形成。這些激光裝置之一被設計成在紅色波長區(qū)中發(fā)射而另一個被設計成在綠色波長區(qū)中發(fā)射。為此，向外耦合鏡5的涂層被設計成在一個激光裝置中在綠色波長區(qū)中是高度透明的而在紅色波長區(qū)中是高度反射的，而在另一個激光裝置中在紅色波長區(qū)中是高度透明的而在綠色波長區(qū)中是高度反射的。另一基于GaN的激光二極管I被布置成鄰近這兩個固態(tài)激光裝置。這個另一基于GaN的激光二極管發(fā)射446nm的藍色激光輻射，其被耦合到未摻雜的波導8中，該波導8具有與波導激光器7的波導相同的尺寸。利用在給激光器提供冷卻結構的公共基底9上的這種布置，提供了 RGB激光源。
[0029]這里應當強調(diào)兩件事情。一方面，在藍色光譜區(qū)中Pr3+ = KY3Fltl的吸收的最大值與在高電流時工作的基于GaN的化合物激光二極管的發(fā)射的最大值匹配。另一方面，置于這些基質(zhì)中的Pr3+的寬吸收允許利用寬光譜發(fā)射(這種基于GaN的激光二極管的特性)，導致通過Pr3+離子的激光輻射的有效吸收。這種組合使得所提出的固態(tài)激光裝置非常適合從Pr3+離子獲得490、522、545、607和645nm的有效激光發(fā)射且溫度敏感性極大地降低。通過設計帶有適當激光鏡的諧振腔，自Pr3+ = KY3Fltl晶體的在所有這些波長的激光發(fā)射是可能的。例如，如果需要在綠色波長的激光發(fā)射，則鏡3應當在520到550nm范圍內(nèi)的波長是高反射性的并且應當對446nm的泵浦波長以及優(yōu)選地還對Pr3+離子所發(fā)射的其它波長具有高透射率，以便抑制其激光作用。光學鏡5應當對激射波長(例如在522nm)具有部分透射率，以及對于Pr3+離子所發(fā)射的其余波長具有高透射率。這些要求典型地用二向色鏡或二向色涂層來實現(xiàn)。
[0030]雖然在附圖和前面的描述中詳細說明和描述了本發(fā)明，但是這樣的說明和描述將被認為是說明性的或者示例性的而非限制性的，本發(fā)明不限于所公開的實施例。還可以組合上面描述的和權利要求中的不同實施例。在實踐所要求保護的發(fā)明時，根據(jù)對附圖、公開內(nèi)容和所附權利要求的研究，本領域技術人員能夠理解和實現(xiàn)對所公開的實施例的其他改變。例如，所提出的固態(tài)激光裝置不限于根據(jù)圖5和6的激光器機構。如本領域已知的，對這種機構的若干修改是可能的。所提出的基質(zhì)材料的使用不將本發(fā)明限于任何特殊的激光器裝置。可以使用本領域就這種固態(tài)激光裝置而言已知的任何激光器裝置。
[0031]在權利要求中，詞“包括”不排除其他元件或步驟，以及不定冠詞“一”(“a”或“an”)不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中敘述措施的事實不表示這些措施的組合不能被有利地使用。權利要求中的任何附圖標記不應當被理解為限制這些權利要求的范圍。
[0032]附圖標記的列表
[0033]I基于GaN的激光二極管
[0034]2光學機構
[0035]3向內(nèi)耦合鏡
[0036]4摻雜Pr3+的晶體
[0037]5向外耦合鏡
[0038]6激光發(fā)射
[0039]7波導激光器
[0040]8未摻雜波導層[0041 ] 9 基底
【權利要求】
1.固態(tài)激光裝置，包括在激光腔的兩個諧振腔端鏡(3，5)之間布置的固態(tài)增益介質(zhì)以及布置成對所述固態(tài)增益介質(zhì)進行光學泵浦的基于GaN的固態(tài)泵浦激光器(I)，所述固態(tài)增益介質(zhì)由摻雜Pr3+的基質(zhì)材料(4)形成，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)的基質(zhì)材料是具有立方晶體結構的晶體或多晶材料并且被選擇成具有< 600cm 1的最聞聲子能量和> 5.5eV的帶隙。
2.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)激光裝置，其中具有立方晶體結構的所述晶體或多晶材料是以下之一:KY3F1Q、SrF2, CaF2和LaAlO3的等軸晶型。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的固態(tài)激光裝置，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)的所述基質(zhì)材料是單晶。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的固態(tài)激光裝置，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)的所述基質(zhì)材料是透明陶瓷。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的固態(tài)激光裝置，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)被設計為波導。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的固態(tài)激光裝置，其中所述基于GaN的固態(tài)泵浦激光器(I)與所述固態(tài)增益介質(zhì)一起被布置在公共基底(9)上。
7.根據(jù)權利要求6所述的固態(tài)激光裝置，其中所述固態(tài)增益介質(zhì)被設計為波導，該波導適于匹配由基于GaN的固態(tài)泵浦激光器(I)所發(fā)射的泵浦輻射的橢圓形光束形狀。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的固態(tài)激光裝置，其中所述兩個諧振腔端鏡(3，5)由在固態(tài)增益介質(zhì)端面上的反射層結構形成。
9.RGB激光源，帶有并排在公共基底(9)上的根據(jù)權利要求1或2的至少兩個固態(tài)激光裝置以及至少一個附加的基于GaN的固態(tài)激光器(I)，所述附加的基于GaN的固態(tài)激光器(I)在藍色波長區(qū)中發(fā)射，其中所述至少兩個激光裝置之一被設計成發(fā)射紅色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射而所述至少兩個激光裝置中的另一個被設計成發(fā)射綠色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射。
10.RGB激光源，帶有并排在公共基底(9)上的根據(jù)權利要求1或2的至少兩個固態(tài)激光裝置以及至少一個附加的基于GaN的固態(tài)激光器(I)，所述附加的基于GaN的固態(tài)激光器(I)在藍色波長區(qū)中發(fā)射，其中所述至少兩個固態(tài)激光裝置的固態(tài)增益介質(zhì)被設計為波導并且與另一未摻雜波導(8)并排布置,所述未摻雜波導(8)引導由所述附加的基于GaN的固態(tài)激光器(I)所發(fā)射的激光輻射，且其中所述至少兩個激光裝置之一被設計成發(fā)射紅色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射而所述至少兩個激光裝置中的另一個被設計成發(fā)射綠色波長區(qū)內(nèi)的激光輻射。
11.一種投影裝置，該投影裝置將根據(jù)權利要求1或2的固態(tài)激光裝置用作光源。
12.一種投影裝置，該投影裝置將根據(jù)權利要求9或10的RGB激光源用作光源。
【文檔編號】H01S3/0941GK103444019SQ200880006448
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2008年2月22日 優(yōu)先權日:2007年2月27日
【發(fā)明者】U·韋克曼, J·本戈奇阿佩茲特古亞, P·J·-P·卡米, J·-L·道蘭, R·蒙科格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司, 卡昂大學, 法國國家科學研究中心