專利名稱：適用于投影顯示器的波導(dǎo)激光器光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管激光器泵浦的波導(dǎo)激光器，并且它們用作光源以替代常規(guī)的弧光燈，特別涉及一種上變頻波導(dǎo)激光器。本發(fā)明的波導(dǎo)激光器可以用作光源以替代常規(guī)弧光燈，例如用于投影顯示器以及用于多種照明應(yīng)用如前燈、商店、家用、重點(diǎn)、局部或劇場照明。
激光二極管是一種當(dāng)電流通過它時在可見或紅外(IR)頻譜中產(chǎn)生相干輻射的半導(dǎo)體器件，在所述相干輻射中所有波為相同的頻率和相位。波導(dǎo)激光器包括作為泵浦源的激光二極管和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中二極管激光器的泵浦輻射被吸收并且轉(zhuǎn)換為不同的波長。激光二極管和波導(dǎo)激光器用在光纖系統(tǒng)、壓縮盤(CD)中，用作固態(tài)激光器、激光打印機(jī)、遙控器件、侵入竊密檢測系統(tǒng)的泵浦源，以及用于材料加工如焊接或切割。
背景技術(shù)：
US 5436919 A公開了產(chǎn)生可見或紫外波長輻射的多波長上變頻波導(dǎo)激光器，其包括產(chǎn)生相對長波長輻射的半導(dǎo)體激光二極管，具有將該相對長波長輻射轉(zhuǎn)換為可見或紫外波長輻射的薄膜材料的信道波導(dǎo)，和再循環(huán)該可見或紫外波長輻射的光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔可以使用輸出光學(xué)涂層或一個或多個布拉格光柵反射器作為輸出耦合器。一個或多個光學(xué)諧振腔可以用于產(chǎn)生一個或多個可見或紫外輻射波長。一個或多個獨(dú)立可控的光波調(diào)制器用于調(diào)制這些可見或紫外波長輻射。US 5436919 A中公開了薄膜材料的厚度為0.7μm至2.0μm。
因此二極管激光器以及上變頻波導(dǎo)激光器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
然而，存在簡化波導(dǎo)激光器的制造過程的長期需要，以便為所述波導(dǎo)激光器提供低垂直范圍的制造、小數(shù)量的組件、增加的強(qiáng)度、提高的緊密度和低成本，從而提供光線性能優(yōu)于或比得上弧光燈的光源，以至于所述波導(dǎo)激光器可以用作具有更好或類似輻射性能的光源以替代弧光燈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是通過提供具有類似于弧光燈的輻射性能的波導(dǎo)激光器來克服上述缺點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)中已知的激光二極管相比，本發(fā)明的波導(dǎo)激光器光源更容易制造，更緊密，并且更類似于弧光燈。
本發(fā)明的目的用從IR波長輻射產(chǎn)生可見波長輻射的波導(dǎo)激光器實(shí)現(xiàn)，該波導(dǎo)激光器包括a)至少一個產(chǎn)生IR波長輻射的半導(dǎo)體二極管激光器或激光器棒；b)至少一個上變頻層，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長；c)至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔和/或至少一個再循環(huán)IR波長輻射的光學(xué)諧振腔；借此-上變頻層的厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層布置在相同的基底上或每個在單獨(dú)的基底上；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層相鄰布置，借此形成在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒和上變頻層之間的間隙；或-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層接觸布置；以及借此二極管激光器具有≥2和≤1000的光束質(zhì)量(optical beam quality)M2。
本發(fā)明的目的也可以用從IR波長輻射產(chǎn)生可見波長輻射的波導(dǎo)激光器實(shí)現(xiàn)，該波導(dǎo)激光器包括a)至少一個產(chǎn)生IR波長輻射的半導(dǎo)體二極管激光器或激光器棒；b)至少一個上變頻層，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長；c)至少兩個傳輸IR波長輻射的波導(dǎo)層；d)至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔和/或至少一個再循環(huán)IR波長輻射的光學(xué)諧振腔；借此-上變頻層放置在折射率小于上變頻層折射率的兩個波導(dǎo)層之間；-上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層布置在相同的基底上或每個在單獨(dú)的基底上；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層相鄰布置，借此形成在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒和上變頻層之間的間隙；或-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層接觸布置；以及借此二極管激光器具有≥2且≤1000的光束質(zhì)量M2。
本發(fā)明者驚人地發(fā)現(xiàn)上變頻波導(dǎo)激光器可以適合于具有類似于弧光燈的輻射性能在于光束質(zhì)量M2被調(diào)節(jié)到≥2且≤1000。這通過上變頻層的厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm來實(shí)現(xiàn)。
用于本說明書中的術(shù)語“光學(xué)諧振腔”包括至少兩個反射鏡，其再循環(huán)可見波長輻射和/或再循環(huán)IR波長輻射。
用于本說明書中的術(shù)語“發(fā)射層”意指激光二極管或激光二極管棒中的層，其傳輸激光并確定每個單發(fā)射器的激光產(chǎn)生點(diǎn)的大小。這些層在典型的激光二極管中包括量子阱結(jié)構(gòu)夾在中間的兩個波導(dǎo)層，對于IR激光二極管而言一般具有至少1μm的總厚度。
用于本說明書中的術(shù)語“上變頻層”意指優(yōu)選由稀土元素?fù)诫sZBLAN層如ZBLAN:Er構(gòu)成的層結(jié)構(gòu)，其傳輸輸入耦合IR光和由稀土元素離子通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程發(fā)射的可見光。上變頻層可以放置在具有較低折射率的兩層之間，這兩層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成。同樣，上變頻層可以放置在具有較低折射率的兩個波導(dǎo)層之間，這兩個波導(dǎo)層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成，上述這些層又可以放置在折射率低于波導(dǎo)層的兩層之間，這兩層例如由具有化學(xué)計算成分不同于上變頻層和波導(dǎo)層的ZBLAN構(gòu)成。
上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別可以為至少2.1μm，優(yōu)選為至少2.5μm，更優(yōu)選為至少3μm。進(jìn)一步，上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度可以為至少3.5μm，或至少4μm，或至少5μm，或至少6μm。
用于本說明書中的術(shù)語“波導(dǎo)層”意指由優(yōu)選未摻雜的ZBLAN構(gòu)成的層，并傳輸輸入耦合IR光，但不傳輸可見光或可見光的一個僅較小的部分。
在本發(fā)明的波導(dǎo)激光器包括激光二極管的情況下，上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別比激光二極管的相鄰發(fā)射層的厚度至少厚1μm。
在本發(fā)明的波導(dǎo)激光器包括激光二極管棒的情況下，每個上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別比相鄰激光二極管棒的每個相鄰發(fā)射層的厚度至少厚μm。
在本發(fā)明的波導(dǎo)激光器包括激光二極管疊層的情況下，上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別比相鄰激光二極管疊層的每個相鄰發(fā)射層的厚度至少厚1μm。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器具有≥2且≤1000的光束質(zhì)量M2，而且優(yōu)選為≥2.5且≤200，進(jìn)一步優(yōu)選≥3且≤150，更優(yōu)選≥3.5且≤100，最優(yōu)選≥4且≤50。
投影顯示系統(tǒng)對光源具有高的要求，因此通常使用UHP燈，即短弧高壓放電燈。現(xiàn)在本發(fā)明者驚人地發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器可以用于替代投影系統(tǒng)的弧光燈。進(jìn)一步，當(dāng)使用本發(fā)明的激光光源替代弧光燈時，在上述投影系統(tǒng)中的光學(xué)元件的數(shù)目變得冗余。此外，本發(fā)明的波導(dǎo)激光器優(yōu)選具有大于5％，優(yōu)選大于7％，更優(yōu)選大于10％的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率。光學(xué)轉(zhuǎn)換效率是波導(dǎo)激光器的可見光輸出與輸入到激光二極管或激光二極管棒的電功率的比例。
上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別比半導(dǎo)體二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚1μm，通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長，并可以由已知為ZBLAN的氟化玻璃構(gòu)成，所述材料由組分ZrF4，BaF2，LaF3，AlF3和NaF構(gòu)成，摻雜有來自組Er，Yb，Pr，Tm，Ho，Dy，Eu，Nd中的一個或多個稀土元素離子或其組合，或者由摻雜有一種或多種上述稀土元素離子的晶體LiLuF4，LiYF4，BaY2F8，SrF2，LaCl3，KPb2Cl5，LaBr3之一構(gòu)成，或者由稀土元素?fù)诫s的金屬氟化物如Ba-Ln-F或Ca-Ln-F構(gòu)成，其中Ln是一種或多種上述稀土元素離子。在Journal ofLightwave Technology LT-2(5)，602(1984)公開的作者為K.Ohsawa，T.shibita的、題為“ZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3玻璃光纖的制備和特性(Preparation and characterization ofZrF4-BaF2-LaF3-NaF-AlF3glass optical fibers)”文章中進(jìn)一步描述了ZBLAN材料。
例如，上變頻層可以由Er摻雜ZBLAN的玻璃層構(gòu)成，所述材料沉積在銅基底上的ZBLAN層上?？商鎿Q地，上變頻層可以由Yb，Er摻雜的ZBLAN構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選包括在組Er，Ho，Nd，Pr，Pr/Yb和/或Tm中的稀土元素金屬。然而，制備上述上變頻層的制造技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。根據(jù)本發(fā)明的可以用于上變頻層的稀土元素?fù)诫s金屬例如在US 6510276 B1中公開。
常規(guī)半導(dǎo)體IR激光二極管用作光泵。半導(dǎo)體激光二極管應(yīng)當(dāng)在790nm和1150nm之間的波長處工作。已經(jīng)認(rèn)識到其他稀土元素?fù)诫s物可能要求不同的泵浦波長。功率要求根據(jù)上變頻層進(jìn)行變化。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明使用的二極管激光器棒或疊層的IR輸出功率可以≥20W，更優(yōu)選≥50W。單個激光二極管的IR輸出功率應(yīng)當(dāng)≥1W，更優(yōu)選≥2W。
根據(jù)本發(fā)明，至少一個頻率轉(zhuǎn)換層接觸IR二極管激光器或二極管激光器棒或二極管激光器疊層，所述頻率轉(zhuǎn)換層由上變頻層和可選擇的至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔構(gòu)成。更詳細(xì)地，IR二極管激光器或二極管激光器棒或疊層的IR波長輻射通過稀土元素?fù)诫s的上變頻層如玻璃或晶體層來進(jìn)行上變頻，所述上變頻層定位于二極管激光器或二極管激光器棒的前方。
IR二極管激光器或二極管激光器棒或疊層和上變頻層可以放置在相同基底或單獨(dú)的基底上?；卓梢杂刹ＡР牧虾?或陶瓷和/或金屬例如銅制成，優(yōu)選基底由具有高熱導(dǎo)率的材料制成，以允許器件的有效冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，布置在基底上的IR二極管激光器或二極管激光器棒插入在一個n電極和一個p電極之間。上變頻層布置在相同的基底上并定位在IR二極管激光器或激光器棒的前方附近。可見激光器可以以腔內(nèi)或腔外配置的形式來實(shí)現(xiàn)。在腔外配置的情況下，激光二極管或激光二極管棒包括在一側(cè)上的對于所需IR波長具有高反射率的反射鏡，和在其中上變頻層定位的另一側(cè)上的現(xiàn)有技術(shù)中已知的輸出耦合反射鏡。這些反射鏡一般實(shí)現(xiàn)為在二極管激光器或二極管激光器棒的端面上的二向色涂層。第二諧振腔通過在上變頻層結(jié)構(gòu)的兩端處的兩個反射鏡形成。放置在IR二極管激光器和上變頻層結(jié)構(gòu)之間的一個反射鏡在所需可見波長處是高反射的，在器件端部處的另一個反射鏡用作輸出耦合反射鏡，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。這些反射鏡也可以以二向色涂層的形式實(shí)現(xiàn)。在腔內(nèi)配置的情況下，IR輸出反射鏡放置在器件的端部，即在上變頻層的端部。在該情況下，反射鏡可以包括對于所需IR波長的高反射率。在IR二極管激光器的腔內(nèi)配置的情況下，即沒有IR反射鏡放置在IR二極管激光器和上變頻層之間的情況下，優(yōu)選反射可見波長輻射而透射IR波長輻射的反射鏡放置在IR二極管激光器棒或疊層和上變頻層之間且在上變頻層一側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，IR二極管激光器或二極管激光器棒布置在第一基底上并插入在一個n電極和一個p電極之間。上變頻層布置在第二基底上并定位在IR二極管激光器或激光器棒的前方。可見激光器可以以腔內(nèi)或腔外配置的形式來實(shí)現(xiàn)。在腔外配置的情況下，激光二極管或激光二極管棒包括在一側(cè)上的對于所需IR波長具有高反射率的反射鏡，和在其中上變頻層定位的另一側(cè)上的現(xiàn)有技術(shù)中已知的輸出耦合反射鏡。這些反射鏡一般實(shí)現(xiàn)為在二極管激光器或二極管激光器棒的端面上的二向色涂層。第二諧振腔通過在上變頻層結(jié)構(gòu)的兩端處的兩個反射鏡形成。放置在IR二極管激光器和上變頻層結(jié)構(gòu)之間的一個反射鏡在所需可見波長處是高反射的，在器件端部處的另一個反射鏡用作輸出耦合反射鏡，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。這些反射鏡也可以以二向色涂層的形式實(shí)現(xiàn)。在腔內(nèi)配置的情況下，IR輸出反射鏡放置在器件的端部，即在上變頻層的端部。在該情況下，反射鏡可以包括對于所需IR波長的高反射率。在IR二極管激光器的腔內(nèi)配置的情況下，即沒有IR反射鏡放置在IR二極管激光器和上變頻層之間的情況下，優(yōu)選反射可見波長輻射而透射IR波長輻射的反射鏡放置在IR二極管激光器棒或疊層和上變頻層之間且在上變頻層一側(cè)。
根據(jù)本發(fā)明，波導(dǎo)激光器光源可以包括至少1個，優(yōu)選至少5個，更優(yōu)選至少10個，最優(yōu)選至少20個二極管激光發(fā)射器，即一個激光二極管棒。
可替換地，根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器光源可以包括-大于一個半導(dǎo)體二極管激光器棒的疊層，其產(chǎn)生IR波長輻射；并包括上變頻層，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長，如上所述。
根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器光源可以在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒和上變頻層具有≥0μm且≤10μm的間隙。然而，優(yōu)選在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒、至少一個光學(xué)諧振腔的反射鏡材料和上變頻層之間，沒有間隙形成。如果間隙形成在相鄰布置的二極管激光器棒、至少一個光學(xué)諧振腔的反射鏡材料和上變頻層之間，則優(yōu)選間隙充滿填充材料，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的折射率匹配(index-matching)液體或凝膠。
間隙可以≥0.1μm且≤9μm，優(yōu)選≥0.2μm且≤8μm，進(jìn)一步優(yōu)選≥0.3μm且≤7.0μm，同樣優(yōu)選≥0.5μm且≤6.0μm，更優(yōu)選≥0.7μm且≤6.0μm。然而，間隙可以≥0.4μm且≤5μm，或≥0.8μm且≤4μm，或≥0.9μm且≤3.0μm，或≥1.0μm且≤2.0μm。


本發(fā)明的示例性實(shí)施例將參考以下附圖進(jìn)行描述圖1示出了位于一個基底上的波導(dǎo)激光器的示意側(cè)視圖；圖2示出了位于兩個基底上的波導(dǎo)激光器的示意側(cè)視圖；圖3示出了在一個基底上具有三個發(fā)射器的激光二極管棒和三個上變頻層的波導(dǎo)激光器的示意圖；圖4示出了在兩個基底上具有三個發(fā)射器的激光二極管棒和三個上變頻層的波導(dǎo)激光器的示意圖；圖5示出了位于一個基底上的波導(dǎo)激光器的示意側(cè)視圖，其中上變頻層放置在兩個波導(dǎo)層之間；圖6示出了位于兩個基底上的波導(dǎo)激光器的示意側(cè)視圖，其中上變頻層放置在兩個波導(dǎo)層之間。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了由激光二極管棒(2)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(1)的示意側(cè)視圖，該棒利用焊接層(5)焊接到基底(3)上。上變頻層(4)放置在相同的基底(3)上。上變頻層由ZBLAN:Er構(gòu)成并放置在較低折射率的兩層之間，這兩層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成。
圖2示出了由激光二極管棒(2)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(6)的示意側(cè)視圖，該棒利用焊接層(5)焊接到第一基底(3a)上。ZBLAN:Er的上變頻層(4)放置在單獨(dú)的第二基底(3b)上，借此所述上變頻層布置在較低折射率的兩層之間，這兩層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成。該第二基底(3b)相鄰于第一基底(3a)定位，并且在激光二極管棒(2)和上變頻層(4)之間是充滿材料的間隙(7)，該材料的折射率在激光二極管棒(2)的折射率和上變頻層(4)的折射率之間。
圖3示出了由三個發(fā)射器(8)的激光二極管棒和三個上變頻層(9a；9b；9c)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(11)的示意圖，其中所述激光二極管棒利用焊接層(5)焊接到基底(10)上，所述上變頻層放置在相同基底(10)上的發(fā)射器輸出面的前方。在該情況下，三個獨(dú)立的上變頻激光器(9a；9b；9c)發(fā)射紅光(9a)，綠光(9b)和藍(lán)光(9c)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，波導(dǎo)激光器由三個發(fā)射器的激光二極管棒和在相同基底上放置在發(fā)射器輸出面前方的三個上變頻層構(gòu)成。在該情況下，三個獨(dú)立的上變頻激光器僅發(fā)射一種顏色的光。然而，根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器可以在一個器件中具有或多或少的發(fā)射器，并發(fā)射一種或多種顏色的光(特別是多于三種顏色)。
圖4示出了由三個發(fā)射器(8)的激光二極管棒和焊接到單獨(dú)的第二基底(14)上的三個上變頻層(13a；13b；13c)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(15)的示意圖，該激光二極管棒利用焊接層(5)焊接到第一基底(12)上。焊接到所述第二基底(14)的三個上變頻層(13a；13b；13c)放置在第一基底(12)上并位于二極管激光器棒的發(fā)射器輸出面的前方。在該情況下，三個獨(dú)立的上變頻激光器(13a；13b；13c)發(fā)射紅光(13a)，綠光(13b)和藍(lán)光(13c)。
圖5示出了由激光二極管棒(2)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(1)的示意側(cè)視圖，該棒利用焊接層(5)焊接到基底(3)上。上變頻層(4b)放置在相同的基底(3)上。上變頻層由ZBLAN:Er構(gòu)成并放置在較低折射率的兩個波導(dǎo)層(4a，4c)之間，這兩層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成。上變頻層(4b)和兩個波導(dǎo)層(4a，4c)可以又放置在折射率低于波導(dǎo)層的兩層之間，這兩層例如由化學(xué)計算成分不同于上變頻層和波導(dǎo)層的ZBLAN構(gòu)成。
圖6示出了由激光二極管棒(2)構(gòu)成的波導(dǎo)激光器(6)的示意側(cè)視圖，該棒利用焊接層(5)焊接到第一基底(3a)上。ZBLAN:Er的上變頻層(4b)放置在單獨(dú)的第二基底(3b)上，借此所述上變頻層布置在較低折射率的兩個波導(dǎo)層(4a，4c)之間，這兩層例如由具有不同化學(xué)計算成分的ZBLAN構(gòu)成。上變頻層(4b)和兩個波導(dǎo)層(4a，4c)可以又放置在折射率低于波導(dǎo)層的兩層之間，這兩層例如由化學(xué)計算成分不同于上變頻層和波導(dǎo)層的ZBLAN構(gòu)成。該第二基底(3b)相鄰于第一基底(3a)定位，并且在激光二極管棒(2)和上變頻層(4)之間是充滿材料的間隙(7)，該材料的折射率在激光二極管棒(2)的折射率和上變頻層(4)的折射率之間。
然而，圖4的波導(dǎo)激光器可以實(shí)現(xiàn)以至于三個獨(dú)立的上變頻激光器(13a；13b；13c)僅發(fā)射一種顏色的光，和/或所述波導(dǎo)激光器可以具有或多或少的發(fā)射器，并發(fā)射一種或多種顏色的光，特別是多于三種顏色。
當(dāng)二極管激光器端面涂敷有局部透射紅外波長的端鏡時，上變頻層的對著IR二極管激光器端面的端面涂敷有高反射可見波長且高透射紅外波長的涂層，優(yōu)選相鄰的二極管激光器和上變頻層之間的間隙充滿對于可見波長輻射和/或紅外波長輻射半透明的材料，借此填充材料優(yōu)選具有在二極管激光器或二極管激光器棒的折射率和上變頻層的折射率之間的折射率。
更優(yōu)選，填充材料的折射率與激光器棒的折射率或與上變頻材料的折射率或與波導(dǎo)層的折射率偏差不大于0.2，更優(yōu)選不大于0.1。
當(dāng)二極管激光器端面涂敷有局部透射紅外波長且高反射可見波長的端鏡時，優(yōu)選相鄰的二極管激光器和上變頻層之間的間隙充滿對于可見波長輻射和紅外波長輻射半透明的材料，借此填充材料具有與上變頻層的折射率偏差不大于0.2的折射率。
此外，根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器可以具有-上變頻層的長度，其≥100μm且≤100,000μm，優(yōu)選≥200μm，更優(yōu)選≥500μm，最優(yōu)選≥1000μm且≤50,000μm；和/或-上變頻層的寬度，其與二極管激光器的發(fā)射層具有大約相同的寬度，優(yōu)選比所述發(fā)射器寬度多出＞1μm，但不比所述發(fā)射器寬度多出大于200μm；和/或-上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度，其分別比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚1μm，優(yōu)選比所述發(fā)射器厚度厚2μm，但是不比所述發(fā)射器厚度多出大于20μm。
然而，上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度可以分別比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚1μm，優(yōu)選比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚1.5μm，更優(yōu)選比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚2μm。此外，上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度可以分別比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚2.5μm，比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚3μm，比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚4μm，或比發(fā)射層的厚度至少厚5μm。
獨(dú)立的IR二極管激光器可以導(dǎo)電接觸以至于每個IR二極管激光器可以單獨(dú)控制和/或IR二極管激光器組可以導(dǎo)電接觸以至于IR二極管激光器組可以共同工作。例如，IR二極管激光器組可以是許多IR二極管激光器，其在各個上變頻層中產(chǎn)生相同的顏色或不同的顏色。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供的光源包括許多波導(dǎo)激光器組，借此許多紅色，綠色和藍(lán)色發(fā)射波導(dǎo)激光器共同進(jìn)行工作，每個允許具有不同顏色的波導(dǎo)激光器按照時序工作。這允許例如通過改變各個IR二極管激光器和/或共同工作的IR二極管激光器的電功率，適配不同可見波長輻射即不同顏色的輸出功率。
此外，IR二極管激光器組也可以包括獨(dú)立的用于泵浦波導(dǎo)如上變頻層的IR二極管激光器，導(dǎo)致不同的顏色。然而，優(yōu)選IR二極管激光器組用于泵浦波導(dǎo)如上變頻層，導(dǎo)致相同的顏色輸出。
進(jìn)一步優(yōu)選用于泵浦具有相同顏色輸出的波導(dǎo)的許多IR二極管激光器組可以操作成以至于每個組可以獨(dú)立尋址。
IR二極管激光器的獨(dú)立工作，即IR二極管激光器獨(dú)立導(dǎo)電接觸，提供斷開具有故障的IR二極管激光器的可能性。此外，它允許避免具有故障的IR二極管激光器的短路或不必要的熱量產(chǎn)生。
打算建立本發(fā)明的波導(dǎo)激光器以至于二極管激光器棒或疊層與至少一個上變頻層相鄰布置。然而，根據(jù)本發(fā)明的二極管激光器棒或疊層可以包括至少一個上變頻層。通常，每個上變頻層將IR波長轉(zhuǎn)換為特定的可見波長，優(yōu)選轉(zhuǎn)換為基色紅(R)、綠(G)或藍(lán)(B)的一種顏色。上變頻層相鄰布置在相同或單獨(dú)的基底上以產(chǎn)生R-G-B圖案和/或上變頻層相鄰布置以產(chǎn)生交替的R/G/B圖案或重復(fù)R-G-B圖案。
在制造過程中，能從與二極管激光器棒相鄰布置在相同或單獨(dú)基底上的一個上變頻層開始。最初一個上變頻層的側(cè)向結(jié)構(gòu)可以利用已知技術(shù)之一實(shí)現(xiàn)，這些技術(shù)例如光刻，通過激光消融的去除，機(jī)械去除或通過例如離子轟擊或UV處理得到的折射率的變化。
在更優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的IR激光二極管包括定位在一個基底上的一個二極管激光器棒和定位在相同基底或單獨(dú)基底上的三個上變頻層，借此激光器棒和三個上變頻層彼此相鄰布置，從而第一上變頻層具有藍(lán)光輸出，第二上變頻層具有綠光輸出，第三上變頻層具有紅光輸出。
每個上變頻層定位在二極管激光器的一個單個發(fā)射器面的前方。在二極管激光器棒的情況下，對每個發(fā)射器，存在相同或不同材料和/或摻雜的一個單獨(dú)的上變頻層(見圖3和4)。
為了增加光功率級，當(dāng)IR二極管激光器包括至少兩個激光器或兩個或多個二極管激光器棒的疊層時，至少兩個上變頻層可以使用。
放置在較低折射率的例如由具有不同化學(xué)計算成分的未摻雜ZBLAN構(gòu)成的兩個波導(dǎo)層之間的上變頻層可以結(jié)合在IR二極管激光器棒或疊層的前方附近，或通過例如脈沖激光沉積(PLD)沉積在那里。
隨后，本發(fā)明將基于根據(jù)本發(fā)明的具有上變頻層的波導(dǎo)激光器的例子進(jìn)行更詳細(xì)的解釋，所述波導(dǎo)激光器具有在波長455nm，544nm和635nm處的三種基色的輸出，IR與可見波長轉(zhuǎn)換效率例如分別為16％，20％和10％。
在具有1000銀幕光通量和約50％的光學(xué)效率的投影顯示器中，其可和D65的白光色平衡進(jìn)行比較，激光光源必須發(fā)出2.1W的紅光(635nm)，2.2W的綠光(544nm)和2.4W的藍(lán)光(455nm)。根據(jù)如上所述的光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，假定對于50W IR，20個IR二極管激光器用于一個棒中，借此9個IR二極管激光器對于轉(zhuǎn)換為紅光是必要的，5個IR二極管激光器對于轉(zhuǎn)換為綠光是必要的，以及6個IR二極管激光器對于轉(zhuǎn)換為藍(lán)光是必要的。為了在上述例子中實(shí)現(xiàn)基色的精確平衡，與用于泵浦藍(lán)色激光器的其他IR二極管激光器相比，至少一個用于泵浦綠和紅色激光器的IR二極管激光器的IR二極管激光器功率可以稍稍地調(diào)小是必要的。這例如當(dāng)IR二極管激光器獨(dú)立接觸和/或相同顏色輸出的所有IR二極管激光器接觸為一組時實(shí)現(xiàn)，如前所述?？商鎿Q地，通過調(diào)節(jié)綠色和紅色輸出功率，色點(diǎn)可以移動。
用于泵浦具有基色之一輸出的波導(dǎo)、單獨(dú)尋址的IR二極管激光器或IR二極管激光器組由于下述原因是有利的-基色的功率級可以獨(dú)立或成組改變；-IR激光二極管可以在不同的時間獨(dú)立或成組激活，例如在時序模式中，其中在第一時隙產(chǎn)生紅光，在第二時隙產(chǎn)生綠光，以及在第三時隙產(chǎn)生藍(lán)光。
這在所有的單板顯示器中是有利的并允許工作而不需要色輪或?yàn)V色片，其通常與白光源結(jié)合使用。時隙的長度可以相同，但是也可以選擇為對于基色是不同的。在后者的情況下，與上述功率級適配的情況相比，這允許平衡顏色的進(jìn)一步提高。不同的功率級可以通過對于一種基色選擇相對于其它基色更短的時間量程以減少投影系統(tǒng)中每種顏色的有效光功率來適配。
本發(fā)明的另一目的涉及包括至少一個本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的照明單元，其設(shè)計成用于下述應(yīng)用之一-商店照明，-家用照明，-重點(diǎn)照明，-局部照明，-劇場照明，-汽車前燈，-纖維光學(xué)應(yīng)用，和-投影系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種從IR波長輻射產(chǎn)生可見波長輻射的波導(dǎo)激光器，包括a)至少一個產(chǎn)生IR波長輻射的半導(dǎo)體二極管激光器或激光器棒；b)至少一個上變頻層，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長，并且其厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm；c)至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔和/或至少一個再循環(huán)IR波長輻射的光學(xué)諧振腔；借此一激光二極管或激光二極管棒和一個或多個上變頻層布置在相同的基底上或每個在單獨(dú)的基底上；-激光二極管或激光二極管棒和一個或多個上變頻層相鄰布置，借此形成在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒和一個或多個上變頻層之間的間隙；或-激光二極管或激光二極管棒和一個或多個上變頻層以該順序接觸布置；以及借此波導(dǎo)激光器具有≥2和≤1000的光束質(zhì)量M2。
2.一種從IR波長輻射產(chǎn)生可見波長輻射的波導(dǎo)激光器，包括a)至少一個產(chǎn)生IR波長輻射的半導(dǎo)體二極管激光器或激光器棒；b)至少一個上變頻層，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長；c)至少兩個傳輸IR波長輻射的波導(dǎo)層；d)至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔和/或至少一個再循環(huán)IR波長輻射的光學(xué)諧振腔；借此-上變頻層放置在折射率小于上變頻層折射率的兩個波導(dǎo)層之間；-上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層布置在相同的基底上或每個在單獨(dú)的基底上；-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層相鄰布置，借此形成在相鄰布置的二極管激光器或二極管激光器棒和上變頻層之間的間隙；或-激光二極管或激光二極管棒和上變頻層接觸布置；以及借此二極管激光器具有≥2且≤1000的光束質(zhì)量M2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的波導(dǎo)激光器，借此半導(dǎo)體二極管激光器棒可以包括至少2個，優(yōu)選至少5個，更優(yōu)選至少10個，最優(yōu)選至少20個單個的二極管激光發(fā)射器。
4.一種波導(dǎo)激光器，包括根據(jù)權(quán)利要求1至3的至少2個波導(dǎo)激光器的疊層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的波導(dǎo)激光器，借此二極管激光器端面涂敷有局部透射紅外波長的端鏡，上變頻層的對著IR二極管激光器端面的端面涂敷有高反射可見波長且高透射紅外波長的涂層，相鄰的二極管激光器和上變頻層之間的間隙充滿對于可見波長輻射和/或紅外波長輻射半透明的材料，借此填充材料優(yōu)選具有在二極管激光器或二極管激光器棒的折射率和上變頻層的折射率之間的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5的波導(dǎo)激光器，借此二極管激光器端面涂敷有局部透射紅外波長且高反射可見波長的端鏡，相鄰的二極管激光器和上變頻層之間的間隙充滿對于可見波長輻射和紅外波長輻射半透明的材料，借此填充材料具有與上變頻層的折射率偏差不大于0.2的折射率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6的波導(dǎo)激光器，借此-上變頻層的長度≥100μm且≤100,000μm，優(yōu)選≥200μm，更優(yōu)選≥500μm，最優(yōu)選≥1000μm且≤50,000μm；和/或-上變頻層的寬度具有與二極管激光器的發(fā)射層大約相同的寬度，優(yōu)選比所述發(fā)射器寬度多出＞1μm，但不比所述發(fā)射器寬度多出大于200μm；和/或-上變頻層的厚度或上變頻層和兩個波導(dǎo)層的總厚度分別比二極管激光器的發(fā)射層的厚度至少厚1μm，優(yōu)選比所述發(fā)射器厚度厚2μm，但是不比所述發(fā)射器寬度多出大于20μm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7的波導(dǎo)激光器，借此二極管激光器棒和/或疊層與一個p電極和一個n電極導(dǎo)電連接，或借此單個二極管激光發(fā)射器和/或疊層彼此分離電連接、或作為獨(dú)立組或共同導(dǎo)電連接，以便接收所需起動。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8的二極管激光器，借此二極管激光器包括至少3個，優(yōu)選至少15個上變頻層，優(yōu)選每個上變頻層將IR波長轉(zhuǎn)換為基色紅(R)、綠(G)或藍(lán)(B)的一種顏色，更優(yōu)選上變頻層相鄰布置以產(chǎn)生R-G-B圖案或上變頻層相鄰布置以產(chǎn)生交替的R/G/B圖案或重復(fù)R-G-B圖案。
10.一種照明單元，其包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的二極管激光器并設(shè)計成用于下述應(yīng)用之一-商店照明，-家用照明，-重點(diǎn)照明，-局部照明，-劇場照明，-汽車前燈，-纖維光學(xué)應(yīng)用，和-投影系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于泵浦波導(dǎo)的半導(dǎo)體二極管激光器，并且它們用作光源。根據(jù)本發(fā)明的從IR波長輻射產(chǎn)生可見波長輻射的波導(dǎo)激光器(15)包括a)至少一個產(chǎn)生I R波長輻射的半導(dǎo)體二極管激光器或激光器棒(8)；b)至少一個上變頻層(13a，13b，13c)，其通過發(fā)射之后的光子吸收能量轉(zhuǎn)移的上變頻過程將IR波長輻射轉(zhuǎn)換為可見波長并且厚度至少比半導(dǎo)體二極管激光器中發(fā)射層的厚度厚1μm；c)至少一個再循環(huán)可見波長輻射的光學(xué)諧振腔和/或至少一個再循環(huán)IR波長輻射的光學(xué)諧振腔；借此－激光二極管或激光二極管棒和上變頻層布置在相同的基底上或每個在單獨(dú)的基底(12，14)上；－激光二極管或激光二極管棒和上變頻層相鄰布置，借此形成在相鄰布置的二極管激光器棒和上變頻層之間的間隙；或－激光二極管或激光二極管棒和上變頻層以該順序接觸布置；以及借此波導(dǎo)激光器具有≥2和≤1000的光束質(zhì)量M2。
文檔編號H01S3/16GK1842946SQ200480024819
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者H·門希, G·霍伊斯勒 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司