[发明专利]半导体激光器中的强制波长啁啾

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2007年1月23日提交的No.60/886,186的美国临时申请的权益。

发明概述

本发明总地涉及半导体激光器、激光控制器、激光投影系统以及包含半导体激光器的其它光学系统。更具体地，作为示例并且不构成限制，本发明的实施例总地涉及破坏半导体激光器的温度演变特征的方案以及最小化二次谐波产生(SHG)晶体或其它光耦合于半导体激光器的波长转换装置的输出中的系统强度变化的方案。

根据本发明的半导体激光器可以多种方式配置而成。作为示例但不构成限制，可通过将例如分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器或法布里-佩罗特激光器的单波长半导体激光器与例如二次谐波产生(SHG)晶体的光波长转换装置结合而配置短波长源用于高速调制。SHG晶体可配置成通过将例如1060nm DBR或DFB激光器调谐至将波长转换至530nm的SHG晶体的光谱中心而产生基波激光信号的较高次谐波。然而，例如掺杂MGO的周期极化铌酸锂(PPLN)的SHG晶体的波长转换效率强烈地取决于激光二极管和SHG装置之间的波长匹配。如激光器设计领域内技术人员所能理解的那样，DFB激光器是将蚀刻在半导体材料内的栅格结构或类似结构用作反射介质的谐振腔激光器。DBR激光器是其中经蚀刻的光栅与半导体激光器的电子泵激区物理分离的激光器。SHG晶体使用非线性晶体的二次谐波产生特性以倍频激光发射。

PPLN SHG装置的带宽经常非常小，对于典型PPLN SHG波长转换装置来说，半最大值全宽度(FWHM)波长转换带宽经常仅在0.16-0.2nm范围内并大部分取决于晶体的长度。激光腔内的模式跳变和不受控制的大波长变化会致使半导体激光器的输出波长在工作中移动至该允许带宽之外。一旦半导体激光器波长背离到PPLN SHG装置的波长转换带宽以外，转换装置在目标波长处的输出功率急剧下降。例如，在将DBR半导体激光器和SHG晶体用作光源的激光投影系统中，模式跳变是尤其成问题的，这是因为它们能产生容易视为在图像中特定位置的缺陷的瞬时功率变化。这些可视缺陷典型地将其本身表现为横跨图像的有组织、有图案的图像缺陷，这是因为所产生的图像仅为激光器不同部分的温度演变的特征。

作为与开发半导体激光源时的波长匹配和稳定化关联的挑战，本发明已发现通过强制半导体激光器中的波长啁啾而最小化二次谐波产生(SHG)晶体或光耦合于半导体激光器的其它波长转换装置的输出的系统强度变化的有利方案。强制啁啾在热模式效应存在时有效地拓宽激光器的光谱并减少二次谐振光的强度变化。

根据本发明的一些实施例，以相对高(即大约高于0.1GHz)的速度调制DFB或DBR激光器的增益电流。该高速调制造成半导体激光器中的载流子密度振荡，该振荡进而导致激光波长的振荡。可通过使经调制的增益电流的低电平低于激光器阈值电流而进一步增加载流子密度和激光波长振荡。本发明人已认识到，尽管本发明的理念主要基于DBR和DFB激光器的背景予以说明，然而可构想到本文中讨论的控制方案在多种半导体激光器中也具有实用性，包括但不局限于法布里-佩罗特激光器以及许多类型的外腔式激光器。

根据本发明的一个实施例，提供一种控制半导体激光器的方法。根据该方法，半导体激光器的至少一部分被调制以提供数据。作为示例但不构成限制，在DBR半导体激光器和SHG晶体作为光源的激光投影系统的情形下，可调制增益电流I_GAIN以在投影图像中形成灰度级。该调制产生激光器波长的一些波动，这导致投射光的强度的无意变化。在相对静态的图像中，该波长波动将逐帧地重复，导致容易被人眼所察觉的系统化和组织化图像偏差。为了解决这个问题，通过在相对高的频率下附加调制驱动电流而拓宽半导体激光器经时间平均的光谱。一般来说，该附加驱动电流调制的频率足够高以引起在增益电流信号中编码的数据周期内的波长啁啾。

更具体地，根据本发明的一个实施例，提供控制配置以实现经编码数据的光发射的半导体激光器的方法。根据该方法，经编码的数据表示为一连串经编码的数据周期。在每个数据周期内的激光强度是注入到半导体激光器的增益部分内的驱动电流I_GAIN的函数。通过以足以在每个经编码的数据周期中选择半导体激光器中的多个不同发射模式的频率调制驱动电流，半导体激光器经时间平均的光谱被拓宽。

还构思出被编程以操作根据本发明理念的半导体激光器的激光器控制器；激光投影系统是由这些控制器驱动的。尽管本发明的这些理念主要以成像为背景予以描述，然而也构想到将本发明的诸多理念应用于任何激光器波长的重复低频波动成问题的激光器应用中。

附图简述