[发明专利]用于可见波长区域的腔内变频固态激光器

说明书

技术领域

本发明涉及腔内变频固态激光器，该固态激光器包括具有加长(extended)激光腔的半导体激光器，尤其是GaN激光器。

激光器的固有的高辐射性使它们成为用于具有高光学需求应用的光源的理想侯选者。半导体激光器的可能的高集成度对于要求小尺寸、高强度光源的应用非常有利，例如用来代替投射用的UHP灯。对于这样的应用，在蓝、绿、红波长区域(RGB)发射的激光器是必需的。但是，直到现在，集成的绿色激光器还不能提供。

发明背景

在绿色波长区域的集成的激光源的缺乏至今一直阻碍着激光器在显示或照明应用中的广泛使用。当今，对于绿色波长区域所用的激光源依赖于变频，该变频或者通过上变频(upconversion)或者通过红外激光源的二次谐波发生(SHG)。

从红外波长区域的上变频的替代方法是蓝色激光源的变频。随着近来用于蓝紫区域的基于GaN的激光二极管的发展，这个方案对于在可见波长的所有固态设备变得更有吸引力了。

US 2005/0265411A1描述了一种二极管泵浦固态激光器，其包括在掺杂稀土的材料中泵浦吸收跃迁的短波长半导体激光器。该激光器二极管泵浦源可以包括基于GaN的半导体激光器。分离的固态激光器基于掺杂稀土离子的玻璃或者晶体基质(host)材料。基于稀土的固态激光器吸收由GaN激光二极管发射的辐射并发射想要的可见波长区域的辐射。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以以高集成方式制作的在可见波长区域发射的固态激光器。

该目的通过根据权利要求1的腔内变频固态激光器来实现。该固态激光器的优选实施例是从属权利要求的主题或在下面的说明以及用于实现本发明的实施例中被描述。

本发明的腔内变频固态激光器包括具有加长激光腔的半导体激光器。第二激光腔放置在所述的加长激光腔的内部。第二激光腔包含增益介质，该增益介质吸收半导体激光器的辐射并且发射可见波长区域内更高波长的辐射，即，下变频(downconvert)半导体激光器的辐射到较低的光子能量。第二激光腔中的增益介质由掺杂有适当的稀土离子的固态基质材料形成。

因此，本发明提出一种基于半导体激光器(特别是GaN激光二极管)的腔内变频的用于可见波长区域的高集成固态激光器。该半导体激光器用加长激光腔工作。在该加长腔内，掺杂稀土离子的固态材料吸收半导体激光器的一部分泵浦辐射并发射可见波长范围的辐射。该固态材料的发射波长取决于所选择的稀土离子和第二激光腔的激光反射镜的反射率。在掺杂稀土的材料中未被吸收的半导体激光器的泵浦辐射被反射回半导体激光器增益材料中并用作对泵浦激光器的反馈。

第二激光腔的增益介质，即，掺杂稀土离子的固态材料，是根据被用作泵浦激光器的半导体激光器的波长和本发明的固态激光器的想要的发射波长来选择的。适当的半导体激光器和掺杂稀土的基质在本领域是已知的。当使用基于GaN的泵浦激光器时，该激光器主要以在380nm到480nm之间的波长发射，在几种基质材料中的不同稀土离子可以被用于向红、绿、蓝的变频。用于红色波长的非常有效的材料是掺杂Pr³⁺的氟化物，比如ZBLAN，CaF₂，LiLuF₄或者YLF，它们可以由基于GaN的激光二极管泵浦并且在红色跃迁上以635nm最有效地发射。在Pr³⁺中的次有效跃迁可以用于发射大约520nm的绿色激光辐射。用于产生绿色激光辐射的另一种离子是Tb³⁺，以542nm的波长发射。该离子可以被结合到不同的基质材料中而且由基于GaN的泵浦激光器在380nm直接泵浦。其他例子是Tb:YAG或Pr:YAlO3。此外，共同掺杂的材料，尤其是共同掺杂的Tb材料，可以用于实现想要的可见波长，例如用于绿色波长区域的Ce和Tb的组合或者Dy和Tb的组合。当然除红色和绿色外的波长的产生也可以通过选择其他稀土离子或者稀土离子的组合来进行。

在本发明的固态激光器的有利实施例中，用于第二增益介质的基质材料是基于GaN的材料，该基于GaN的材料提供固态激光器在晶片级别上的完全集成的可能性。在该实施例中，用基于GaN的半导体激光器，实现了高集成的固态激光器。对于稀土离子基于GaN的基质材料的使用确保了制作GaN二极管泵浦激光器本身所用的材料和过程的兼容性。在该上下文中，术语基于GaN应包括可以包含一小部分其他材料的GaN材料，所述其它材料例如Al或者In，其浓度典型地在百分之几到百分之十以上。