激光器架構的制作方法

文檔序號：7036737閱讀：277來源：國知局

激光器架構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了VCSEL系統(tǒng)的架構。通過使用高功率紅外VCSEL元件，可使用塊狀倍頻材料使所述紅外光倍頻并且在連續(xù)波(CW)或脈沖模式下于腔體中產生可見光(紅光、綠光、藍光或紫外光)。這些VCSEL的輸出分布布拉格反射器(DBR)的反射率可被設計成增加所述腔體中的功率，而不是VCSEL激光器中的功率。通過使得能夠在腔體中使用塊狀倍頻材料并且使VCSEL直接倍頻，所述裝置可價格便宜、更簡單、效率高、可靠性更好并且極大地改善制造和對準容限。有多個腔體架構可用于使來自VCSEL的紅外光倍頻。所述VCSEL可為單獨元件，或為具有高強度元件的陣列。
【專利說明】激光器架構
[0001] 相關專利申請的奪叉引用
[0002] 本專利申請涉及提交于2012年2月13日、名稱為"Laser architectures"（激光器架構）、系列號為61/598, 175的美國臨時專利申請并且要求其優(yōu)先權，該臨時專利申請以引用方式整體并入本文。

【技術領域】
[0003] 本發(fā)明整體涉及激光器，更具體地講，涉及高功率紅外激光器技術和組件，包括倍頻器、固態(tài)激光器、垂直腔面發(fā)射激光器以及用于制備高功率可見光激光器的二極管。

【背景技術】
[0004] 通常，紅光、綠光、藍光和紫外（UV)激光器在照明、醫(yī)療、材料加工、焊接和顯示器方面具有許多潛在用途。成本、可靠性、效率、尺寸和功率是選擇用于這些不同的市場/技術領域的激光器時可考慮的激光器參數(shù)。顯示器是市場之一例，該市場具有多個不同的對這些參數(shù)重視程度稍有不同的細分市場。在消費類顯示器市場中，成本、效率和尺寸可為重要參數(shù)，而在專業(yè)顯示器市場中，可靠性、高功率和成本可為關鍵參數(shù)。廉價、可靠、高效率的綠色、紅色或藍色源對于所有上述應用很重要。這樣的綠色激光源尤其意義重大，因為尚不存在用于專業(yè)顯示器應用的適當波長的高功率直接源，諸如垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)或邊緣發(fā)射二極管。
[0005] -般來講，全彩顯示器使用至少紅色、綠色和藍色光源。當用于電影院中時，這些顏色必須在一定范圍內以符合電影工業(yè)設定的標準，更具體地講，符合數(shù)字影院倡導聯(lián) 盟（Digital Cinema Initiative)設定的標準。電影的大致接受的顏色范圍以紅色即 616-650nm、綠色即523-545nm以及藍色即455-468nm給出。然而，消費類顯示器市場沒有此類嚴格波長要求。隨著紅色和藍色二極管的日益可用，對進行背光照明和用于消費類投影儀中的激光器的興趣不斷增加。直接激光源為高性價比、可靠和有效的光源。然而，當前不存在具有顯示器所需波長的綠色高功率直接激光源。因此，綠色是一項重要的激光技術，并且本領域需要一種高功率、有效的綠色直接光源。此外，紅色激光器當前有非常嚴苛的冷卻要求并且其壽命相對有限。

【發(fā)明內容】

[0006] 本文公開了基于VCSEL的激光器系統(tǒng)的新型架構，以及使VCSEL系統(tǒng)產生的光倍頻而生成紅色、綠色或藍色光的相關方法。在采用高功率紅外VCSEL元件陣列的有利實施例中，可使用塊狀（例如，晶體）倍頻材料使紅外（紅外）光倍頻并且在連續(xù)波（CW)或脈沖模式下于外部腔體中生成"可見"光（紅光、綠光、藍光或紫外光）。通過使得能夠使用塊狀倍頻材料并且使VCSEL的頻率直接倍頻，裝置可價格便宜、更簡單、效率高、可靠性更好并且大大改善制造和對準容限。此外，如果使用PPLN(周期性極化鈮酸鋰）或其他周期性極化材料作為倍頻器，則使用高功率陣列元件便于使用一些短的材料（〇. 2_至4_)。這很關鍵，因為材料越長，其對于對準、溫度和波長越敏感。根據(jù)本文所公開的原理，有多個腔體架構可用于使來自VCSEL激光器的紅外光倍頻，并且VCSEL可為單獨元件，或為具有高強度元件的陣列。
[0007] 在一個實施例中，垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構可包括至少一個垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件。這種示例性架構還可包括塊狀晶體倍頻材料，所述倍頻材料位于與 VCSEL元件相鄰的腔體中并且被構造成接收從VCSEL元件發(fā)出的光，以及使所接收的光基本上倍頻。架構的這一實施例也可包括輸出耦合器，其被構造成輸出來自腔體的倍頻光并且輸出所述可見光以用于顯示器照明。
[0008] 在另一個實施例中，垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構可包括至少一個被構造成發(fā) 出紅外光的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，和限定在所述至少一個VCSEL元件和對紅外光具有高反射性的反射鏡之間的腔體。這種示例性架構還可包括塊狀晶體倍頻材料，所述倍頻材料位于腔體中，被構造成接收從VCSEL元件發(fā)出的紅外光，并且使所接收紅外光的頻率基本上倍頻以輸出可見光。
[0009] 在再一個實施例中，垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構可包括：至少一個被構造成發(fā)出紅外光的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，和塊狀晶體倍頻材料，所述倍頻材料位于與VCSEL元件相鄰的腔體中，被構造成接收來自VCSEL元件的紅外光，并且使所接收紅外光的頻率基本上倍頻以輸出可見光。這種示例性架構還可包括與所述至少一個VCSEL元件相對的倍頻材料一端上的涂層，所述涂層對紅外光具有高反射性。此外，此類架構還可包括校準器或二向色鏡，其取向為接近布魯斯特角并且用作輸出耦合器，該輸出耦合器被構造成接收來自倍頻材料的倍頻光并且輸出所述倍頻光以供使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 實施例通過舉例的方式在附圖中示出，其中類似的附圖標號表示類似的部件，并且其中：
[0011] 圖1為示意圖，示出了常規(guī)的基于VCSEL的裝置的一個實施例；
[0012] 圖2為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的VCSEL陣列系統(tǒng)的架構的一個實施例；
[0013] 圖3為不意圖，不出了根據(jù)本發(fā)明的各種VCSEL陣列布局；
[0014] 圖4為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的使單個VCSEL元件倍頻的一個實施例；
[0015] 圖5為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的基于VCSEL的光源的架構的一個實施例，其中功率可在透過倍頻材料兩次（每個方向一次）之后從腔體中提??；
[0016] 圖6為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的基于VCSEL的光源架構的另一個實施例，其可包括至少一個微透鏡陣列；
[0017] 圖7為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的基于VCSEL的光源的架構的一個實施例，其采用4F系統(tǒng)內腔；以及
[0018] 圖8為示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的基于VCSEL的光源的架構的一個實施例，其采用輸出f禹合器來折疊4F系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0019] 一般來講，根據(jù)本發(fā)明的基于VCSEL的光源的一個實施例可采用VCSEL系統(tǒng)架構的形式，VCSEL系統(tǒng)可使用高功率外VCSEL元件?？墒褂脡K狀晶體倍頻材料使紅外光倍頻并且在連續(xù)波或脈沖模式下于外部腔體中生成"可見"光（紅光、綠光、藍光或紫外光）。這些VCSEL的輸出分布布拉格反射器（DBR)的反射率可被設計為增加外部腔體中的功率而非VCSEL激光器中的功率。通過使得能夠使用較短的塊狀或周期性極化倍頻材料并且使 VCSEL的功率直接倍頻，裝置可價格便宜、更簡單、具有更高效率、更好可靠性并且大大改善制造和對準容限。根據(jù)本文所公開的原理，有多個腔體架構可用于使來自VCSEL的紅外光倍頻，并且VCSEL可為單獨元件，或為具有高強度元件的陣列。此類陣列可被設計成為每個元件獲得高功率，并且可被設計和制造成增加外部腔體中的功率。在實施過程中，需要陣列從腔體產生足夠的總體功率以具有商業(yè)可行性。所需瓦特輸出的例子在3W至可能的數(shù)百瓦可見光功率的范圍內。
[0020] 一般來講，對獲得綠色/藍色/紅色激光器有幾種方法。對于其中光的波長不那么關鍵的非常低功率應用而言，50-100mW大致范圍中的直接二極管在大致波長范圍中是可用的。例如，這些二極管在用于消費市場的小型、移動、"微"（Pico)投影儀方面是令人關注的。然而，對于高功率應用而言，這些源是不可用的。對于較高功率應用而言，常規(guī)方法通常采用由固態(tài)激光器產生的紅外波長，并且隨后用非線性晶體倍頻。典型例子可包括使光纖激光器以及使用晶體和摻雜玻璃的固態(tài)激光器倍頻，所述固態(tài)激光器例如為YAG激光器，其為燈或二極管泵激的。這些激光器可產生可被倍頻的優(yōu)質紅外光。高強度和優(yōu)質對于使紅外光有效倍頻以產生可見或紫外光而言是關鍵性的，例如，l〇64nm被倍頻成532nm(綠色光），而1232nm可被倍頻成616nm(紅色光）。雖然當前的這些被倍頻的固態(tài)源可產生大量綠色波長的功率，在幾瓦至幾千瓦的大致范圍內，但固態(tài)源價格較高、較復雜、效率不是很高并且難以使之可靠工作。例如，專業(yè)顯示器應用通常需要大約30000小時或更多，就此而言大約5至2000瓦的可見光可能是合適的。
[0021] 已生產的綠色或藍色激光器的另一種產品形式使用VCSEL陣列，例如圖1所示的 VCSEL陣列的示例性實施例。圖1為示意圖，示出了常規(guī)的基于VCSEL的裝置100的一個實施例。遺憾的是，VCSEL元件自身通常不輸出優(yōu)選應用（諸如上述的那些）所需的合適功率。例如，VCSEL可輸出大約150mW或更少，并且在VCSEL陣列的例子中具有波長擴展，例如，大于1至10納米的大致范圍。因此，典型的低功率VCSEL元件或VCSEL陣列可能難以用常規(guī)架構有效地實現(xiàn)倍頻。然而，使用它們的優(yōu)點是VCSEL極其可靠并且產生優(yōu)質紅外光。
[0022] 圖1不出了可購自Necsel公司/Ushio公司（Necsel/Ushio)的基于VCSEL的裝置100的圖。VCSEL裝置100包括紅外VCSEL陣列110、PPLN倍頻器120、專用輸出耦合器 (在本實施例中為體布拉格光柵（VBG)) 130、聚焦透鏡140和多模光纖150來傳送輸出光。由VCSEL陣列110照射的光最初透過二向色鏡160。第一路徑穿過透鏡160來照射倍頻器 120以用于使光的頻率倍頻。該光隨后傳遞至體布拉格光柵（VBG) 130,其在本實施例中用作輸出耦合器。常規(guī)架構中需要這種類型的輸出耦合器來減小腔體中的頻率擴展，以使得較低功率元件可通過長并且非常敏感（但有效）的周期性極化倍頻晶體120而被倍頻。倍頻器120的（>4mm)的長的長度需要使用VBG130以用于使腔體中的紅外頻率擴展收緊并且將它們鎖定于周期性極化倍頻器120的最佳頻率。長周期性極性倍頻器120和VBG輸出耦合器130兩者對波長、溫度和對準有著很嚴的容限，并且因此對整個激光器的成本和可靠性產生不利影響。VBG130反射有限頻率的紅外光，使得該紅外光可返回透過倍頻器120并且倍頻器隨后使更多的紅外光轉換到倍頻，隨后用二向色鏡160反射紅外光并且接著通過反射鏡170朝向聚焦透鏡140反射。聚焦透鏡140和反射鏡170不被考慮設在腔體內部。聚焦透鏡140將第一和第二路徑聚焦到多模光纖150內，其隨后可從裝置100中傳出以用于照明圖像。然而，聚焦透鏡140和光纖150不是必需的，因為也可能需要自由空間光束輸出。
[0023] 具體地查看被倍頻的第一路徑上的光，倍頻器120可為如上所述的周期性極化鈮酸鋰晶體（PPLN)，其中可采用PPLN而非塊狀倍頻晶體，因為其可能對于使光頻率倍頻更有效。這可能由于VCSEL光束的較低強度而被采用。然而，PPLN長的長度可能帶來一些大的問題。首先，其可能比塊狀倍頻晶體價格更高。第二，為了使PPLN很好發(fā)揮作用，其對于對準、紅外光波長和溫度有著很嚴的容限。因此，根據(jù)晶體的長度，必須將PPLN的溫度主動控制到大約0. 1°C左右。這種嚴格溫度控制系統(tǒng)價格昂貴并且從可靠性觀點來看具有挑戰(zhàn)性。
[0024] 可被PPLN有效倍頻的波長擴展也非常具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)PPLN的長度，這通?？?低至0. lnm。這樣嚴的容限通常需要使用波長控制裝置，例如圖1的常規(guī)架構中所描述的腔體中的VBG，以使得陣列的所有元件均可被有效地倍頻。通常，適當?shù)恼瓗捒赡鼙砻鞑豢?用簡單的校準器來使帶寬變窄。因此，通常采用難以制造的體布拉格光柵作為輸出耦合器 130。在批量制造中，該體光柵可為光學系統(tǒng)中價格最高的元件。PPLN和VBG兩者也有嚴格的角度公差，使得難以實現(xiàn)總體結構的批量制造和隨溫度變化的操作。作為這樣的裝置，已使用該方法制備了幾瓦的低功率裝置，但制造此類裝置用于高功率應用具有更多問題。
[0025] 新澤西州默瑟維爾的普林斯頓光電子公司（Princeton Optronics of Mercerville, New Jersey)已能夠制造具有獨特性能的VCSEL。單獨的VCSEL元件可表現(xiàn)出高功率，例如，大于約150mW ;非?？煽?，例如，大于100000小時；并且具有良好光學品質，其可包括制造于VCSEL元件上的用于提高能量捕獲的微透鏡。VCSEL及其相應的特性在美國專利 No. 6, 888, 871,"VCSEL and VCSEL Array Having Integrated Microlenses For Use In A Semiconductor Laser Pumped Solid State System"（"具有要用于半導體激光器泵浦固態(tài)系統(tǒng)的集成微透鏡的VCSEL和VCSEL陣列"）和"High Power VCSEL Mature Into Production"，Laser Focus World, April2011,pp. 61-65 ( "高功率 VCSEL 成熟投入生產"，《激光世界》，2011年4月，第61-65頁）中進行了總體討論，上述兩者全文以引用方式并入本文以用于所有目的。
[0026] 使用高功率紅外VCSEL元件，可使用塊狀晶體倍頻材料或短周期性極化晶體或其他倍頻材料使紅外光倍頻，并且在連續(xù)波或脈沖模式下于外部腔體中生成"可見"光，諸如，紅光、綠光、藍光或紫外光。通過使用塊狀晶體（如KTP)，大的（可能為正方形）二維VCSEL 陣列的所有元件可在同大的倍頻晶體中被同時倍頻，從而產生非常高的二次諧波功率。因為由于極化過程的限制PPLN通常被制成500 μ m厚的晶片，這樣會限制可用單個PPLN晶體倍頻的常規(guī)VCSEL陣列的尺寸，從而產生較低的二次諧波總功率。根據(jù)本文所公開的原理，這些VCSEL的輸出分布布拉格反射器的反射率可被設計成增加外部腔體中的功率而非 VCSEL激光器中的功率。通過使得能夠使用短長度或塊狀倍頻材料并且使從VCSEL輸出的光的頻率直接倍頻，根據(jù)本文所公開原理構建的裝置可以價格低廉、更簡單、效率高、可靠性更好并且具有大大改善的制造和對準容限。有多個腔體架構可用來使源自此類高功率 VCSEL的紅外光倍頻。VCSEL可為單獨元件，或為具有高強度元件的陣列。陣列可被設計成獲得每個元件的高功率，并且可被設計和制造成增加外部腔體中的功率，所述外部腔體被本文所公開的原理限定為介于VCSEL元件和緊隨塊狀倍頻材料的頻率相關高反射性/抗反射性（HR/AR)或高反射性/高反射性（HR/HR)(取決于應用，如下文進一步詳述）結構之間。陣列可被制造和適當冷卻，以使得波長擴展在倍頻材料的合格使用范圍內。
[0027] 圖2為示意圖，示出了根據(jù)本文所公開原理的VCSEL陣列系統(tǒng)200的架構的一個實施例。圖2示出了架構的一個例子，該架構使用高功率元件的二維VCSEL陣列210來產生可見光。另外，圖2示出了使用位于腔體220中的塊狀倍頻材料230使源自VCSEL陣列 210的多個高功率紅外光束在腔內220倍頻。來自腔體220的倍頻光可直接使用，或如圖2 所示，其可使用聚焦透鏡240或微透鏡陣列250和透鏡240的組合或者它們的任意組合耦合到多模光纖260中。然而，聚焦透鏡240和光纖260又是任選的。
[0028] 高功率VCSEL元件210的一維或二維陣列產生紅外光并且可具有集成微透鏡（未示出），其被制造在頂部以提高腔體220中的光束強度。倍頻材料230可通過非線性轉換過程來產生可見光，所述轉化方法例如有（但不限于）倍頻或二次諧波生成，并且可包括類型 I和/或類型II相位匹配。用于倍頻材料230的典型塊狀倍頻晶體的例子可包括（但不限于）ΒΒ0 (硼酸鋇）、KDP (磷酸二氫鉀）、KTP (磷酸氧鈦鉀-如圖所示）、鈮酸鋰、LB0 (三硼酸鋰）、Knb03(鈮酸鉀）等等。另外，除了晶體之外還存在并且可使用其他類型的倍頻材料 230,包括（但不限于）非線性聚合物、有機材料等等。
[0029] 倍頻材料230的另一側可包括紅外反射鏡270。該紅外反射鏡270可對紅外波長具有高反射性（HR)涂層和/或對可見波長具有抗反射性（AR)涂層。使用這些涂層，未倍頻光（例如，l〇64nm)將從紅外反射鏡270反射回到倍頻材料230內并且反射回VCSEL陣列210,而倍頻光（例如，532nm)透過紅外反射鏡270以從裝置200輸出。在本實施例中，紅外反射鏡270形成腔體的一端，因為反射光也可被倍頻并且反射出腔體。
[0030] VCSEL陣列系統(tǒng)200可分別采用1064nm和532nm作為紅外和可見波長的例子，但可產生許多其他波長。這些激光器可被直接倍頻，從而可使用寬泛范圍的紅外波長產生從紅色到紫外波長或在700nm至350nm的大致范圍內的可見光。在圖2所示實施例中，認為倍頻在腔內進行，因為根據(jù)本文所公開的原理，倍頻器230位于由VCSEL陣列210和紅外反射鏡270形成的腔體220的內部。如果陣列210上的VCSEL元件受到脈沖作用，則可由于脈沖強度的增加而在沒有紅外反射鏡270的情況下進行外部倍頻。更具體地講，在外部倍頻中，VCSEL陣列210進行自激射并且不存在外部輸出耦合器（例如，反射鏡270)來形成腔體220。（或者可以說腔體220形成于VCSEL陣列210和倍頻材料230的輸出側即遠側之間）。相反，來自VCSEL陣列210的輸出直接耦合到倍頻材料230。因為紅外光束不在諧振腔體220本身的內部，因此強度較低，從而使與功率相關的倍頻減小。因此，由于來自脈沖VCSEL陣列的輸出遠高于連續(xù)模式，倍頻變得更為實用和有效。
[0031] 在其他實施例中，這些涂層（280)可直接制造到倍頻材料230的表面上，而不使用具有對于紅外光的HR涂層和對于可見光的AR涂層的紅外反射鏡270。涂層280可制造在遠離VCSEL陣列210的一側上。這可去除一個元件（例如，紅外反射鏡270)并且可增加與倍頻材料230對準的可能性。除了 AR和HR涂層之外，保護性涂層（未示出），如Si02,可位于這些HR和AR涂層280的外部和/或內部。保護性涂層和/或層可施加在分開的反射鏡元件紅外反射鏡270上，或者在涂層280的情況下，被結合進倍頻材料230內。
[0032] 倍頻材料230也可在兩側都具有AR涂層，或可被布魯斯特切割（其中切割表面具有布魯斯特角或接近布魯斯特角）以基本上最小化反射。布魯斯特切割倍頻器也可提高腔內功率的偏振純度并且從而提高倍頻效率。
[0033] 圖3為不意圖，不出了根據(jù)本文所公開原理的各種VCSEL陣列布局的一個實施例 300。圖3的頂部VCSEL陣列布局310示出了大約39300微米孔徑VCSEL元件的圖案。圖 3的底部VCSEL陣列布局320示出了一系列大約105200微米孔徑VCSEL陣列。VCSEL元件可為不同尺寸，目標是使得孔徑較大以增加功率/強度，但是將孔徑保持到足夠小使得光學品質可適用于有效倍頻。VCSEL尺寸的典型范圍可在10微米和1_之間的大致范圍內。可如圖所示排列或形成各種圖案，例如（但不限于）排成垂直或水平。間距可按冷卻陣列的需要來確定。將陣列設計成陣列來增加光的偏振也是合乎需要的。
[0034] 對于這種類型應用的VCSEL陣列的其他問題可包括外部腔體中的波長多樣性和功率。輸出DBR可被設計為增加外部腔體而非VCSEL激光器中的功率?？僧a生比獨立VCSEL 中可能通常采用的反射率低的反射率。在一個例子中，為了使紅外光更有效地倍頻，在倍頻晶體中紅外光可被相位匹配。VCSEL陣列的設計、封裝、焊接、加工和選擇可被設計為提高整個陣列上的波長和功率均勻度。例如，將整個陣列上的熱差別最小化可提高整個陣列上的波長和功率均勻度。使陣列面積最小化并且從晶片的中部選料可提高均勻度。如果難以實現(xiàn)足夠窄的波長光譜，例如，小于3nm，則可使用校準器使光譜更窄。校準器使頻率變窄，但與VBG相比沒有那么多。另外，校準器價格便宜很多并且對溫度和波長具有大得多的容限。校準器也可帶有AR涂層或者帶有涂層以反射可見光，或成為接近布魯斯特角的角度以提高偏振。對于顯示器應用而言，較寬光譜對于減弱散斑可能是可取的。如果光譜比單個裝置（諸如可見光激光器）可有效生成的光譜較寬，則可將具有VCSEL陣列的兩個或更多個裝置一起使用，所述陣列可被設計為在稍微不同波長下操作。
[0035] 圖4為示意圖，示出了根據(jù)本文所公開原理使單個VCSEL410倍頻的一個實施例400。圖4所示的架構可用于使VCSEL元件的陣列倍頻。此外，VCSEL裝置410可生成 600nm-1300nm波長范圍內的光。在該示例性架構中，采用布魯斯特板440以提高由VCSEL 元件410產生的紅外光的偏振純度。布魯斯特板440可在兩側都被涂布以基本上最小化腔體420中的紅外功率損失并且提供一種耦合輸出倍頻光的方法。布魯斯特板可包括切割面，該面具有為布魯斯特角或接近布魯斯特角的角度。光離開VCSEL元件或陣列410,其中可通過布魯斯特板440清理偏振，并且隨后光可進入倍頻材料430內，該材料在圖4的圖示實施例中示為KTP晶體。
[0036] 倍頻材料430的長度可能需要加以權衡，因為材料越長，倍頻效率越好，但對角度、溫度和波長的容限越嚴格。塊狀倍頻器430的典型長度可在1_和30_的大致范圍內，在圖示實施例中，當示例性腔體為大約19_時，其長度為示例性的5_。輸出耦合器450可以對于未倍頻和倍頻波長分別施加 HR和AR涂層460而再作為高反射率窗口。同樣，在可供選擇的實施例中，這些涂層460可添加到遠離VCSEL410的至少在所述倍頻材料430的外側表面上以省去輸出f禹合器450。
[0037] 圖5為不意圖，不出了根據(jù)本文所公開原理構建的基于VCSEL的系統(tǒng)的架構的一個實施例500,并且其中可沿兩個方向從腔體中提取功率。另外，圖5示出了另一種架構，其中可沿兩個方向從腔體520中提取功率，這可使可見光輸出近乎倍頻，或增加大約80%。
[0038] 紅外VCSEL陣列510可通過紅外波長中的HR反射鏡540或者折疊輸出耦合器或涂布校準器而被反射大約45度?？赏ㄟ^透鏡560將光束腰傳遞進倍頻材料530內。在倍頻材料530之后，另一個透鏡570可使光再準準直并且基本上紅外和可見光兩者均可由反射鏡550反射。光隨后可返回并且再次透過倍頻材料530,其可生成可通過反射鏡550離開腔體520的更多可見光，所述反射鏡在紅外波長中可為HR并且對倍頻（可見）波長帶有 AR涂層，如圖所示。
[0039] 圖6為示意圖，示出了根據(jù)本文所公開原理構建的基于VCSEL的系統(tǒng)的架構的另一個實施例600,并且其可包括腔體中的至少一個微透鏡陣列。具體地講，圖6示出了與圖 5類似的架構，并且因而可包括VCSEL元件或陣列610,以及HR/AR輸出耦合器640和倍頻材料630,兩者均在腔體620中。然而，在圖6所示的實施例中，可采用微透鏡陣列660a、 660b (總稱為660)代替會聚透鏡（如圖5所示）。粗略地說，每個紅外光束可通過預先選定的會聚微透鏡660a，并且隨后透過倍頻材料630和另一個微透鏡陣列660b，然后紅外和倍頻波長兩者均可由HR反射鏡650基本上反射回。優(yōu)化非線性晶體中的光束直徑和分散度的腔內透鏡（例如，如圖5和6所示）的使用，還可優(yōu)化根據(jù)本文所公開原理構建的架構的二次諧波生成轉換效率。光可再次通過折疊輸出耦合器640被提取，所述輸出耦合器同樣對于紅外波長為HR并且對于倍頻波長有AR涂層，如上所述。
[0040] 另外，相對于圖5和6,可將HR反射鏡（550、650)置于倍頻材料（530、630)的外側表面上。更具體地講，透鏡（560、660)(可以為大透鏡或微透鏡陣列）的焦面可位于倍頻材料（530、630)的外側表面附近或位于該外側表面，并且該表面處的反射鏡可基本上將可見和紅外光反射回來并透過倍頻材料（530、630)、透鏡（560、660 &)和輸出耦合器（540、640)。這樣可折疊腔體（520、620)而不使用另外的元件。
[0041] 圖7為示意圖，示出了一個實施例700,該實施例采用基于VCSEL的系統(tǒng)中的4F 系統(tǒng)內腔。圖7示出了使用包括VCSEL陣列710的4F(2F1、2F2)系統(tǒng)，并且其中兩個透鏡 (715、725)的像平面和物平面由大約4個焦距分開以將光束腰（位置標記為735)成像到倍頻材料（例如，KTP) 730內。可使用另一個4F系統(tǒng)和輸出耦合器750 (對紅外波長為HR并且對可見波長為AR)使光束基本上準直并且產生回射。任選的校準器760可減小VCSEL陣列710的波長范圍以提高倍頻效率。在圖示實施例中，L0為VCSEL元件至輸出光束焦點的距離。L0可為正數(shù)或負數(shù)，如在具有虛擬焦點的發(fā)散光束的情況下一樣。
[0042] 圖8為示意圖800,示出了基于VCSEL的系統(tǒng)的一個實施例，其具有與圖7所示實施例類似的4F系統(tǒng)，并且采用輸出耦合器折疊4F系統(tǒng)。如圖8的系統(tǒng)所示，第一 4F系統(tǒng) 可將光束腰（位置標記為835)成像至倍頻材料830的另一側，并且可將輸出耦合850或如上所述的倍頻材料830上的等同涂層置于該位置。腔體820也可用輸出耦合器840 (如，布魯斯特板840)折疊在第一透鏡815和VCSEL陣列810之間，如圖5和6所示。當前輸出耦合器850可用針對紅外和可見波長兩者的HR反射鏡替換，如上述所公開的實施例中所述，并且用折疊的輸出耦合器840提取可見光，這可由于紅外光束在被從腔體820中提取之前兩次通過倍頻器830而導致提取更多可見功率。
[0043] 對于脈沖操作而言，可將可飽和吸收器、聲光調制器、電光調制器等等置于腔體 820中以引起脈沖或使脈沖同步至系統(tǒng)中的另一個元件。在其中可采用這些元件中的任何一者的系統(tǒng)中，元件可包括在腔體820中的準準直空間內。脈沖誘導元件的可能位置可示為圖8中的KTP倍頻材料830右側的元件870。作為另外一種選擇，VCSEL陣列810可受到脈沖作用以在脈沖模式下操作激光器。
[0044] 本領域的技術人員能夠理解，也可使用本文所公開和所述的各種架構和腔體元件的組合。
[0045] 應該指出的是，本發(fā)明的實施例可用于多種光學系統(tǒng)和投影系統(tǒng)中。示例性實施例可包括或工作于各種投影儀、投影系統(tǒng)、光學組件、計算機系統(tǒng)、處理器、獨立成套的投影儀系統(tǒng)、視覺和/或視聽系統(tǒng)以及電和/或光學裝置。實際上，本發(fā)明的方面可以跟與光學和電裝置、光學系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、呈現(xiàn)系統(tǒng)有關的任何設備，或者可包括任何類型的光學系統(tǒng)的任何設備一起使用。因此，本發(fā)明的實施例可用于光學系統(tǒng)、視覺和/或光學呈現(xiàn)中使用的裝置、視覺外圍設備等，并且可用于包括互聯(lián)網、內聯(lián)網、局域網、廣域網等在內的多種計算環(huán)境。
[0046] 在進入本文所詳細公開的實施例之前，應當理解，本文所述的圖示實施例在應用或建立中并不限于所示的具體配置細節(jié)，因為這些實施例能夠采用其他配置。此外，可以不同的組合和配置來闡述實施例的各個方面，以限定實施例在其自身能力上的獨特性。另外，本文使用的術語是為了說明的目的，而非限制。
[0047] 如本文可能所用，術語"基本上"和"大約"為其相應的術語和/或術語之間的相關性提供了行業(yè)可接受的容差。此類行業(yè)可接受的容差在小于1%至10%的范圍內，并且對應于但不限于元件值、角度等等。各項之間的此類相關性在小于1%至10%的范圍內。 [0048] 雖然上文描述了根據(jù)本文所公開的原理的多個實施例，但應當理解，它們僅以舉例的方式示出，而并非限制。因此，本發(fā)明的廣度和范圍不應受到任何上述示例性實施例的限制，而應該僅根據(jù)產生于本發(fā)明的任何權利要求及其等同物來限定。另外，所描述的實施例中提供了上述優(yōu)點和特征，但不應將此類公開的權利要求的應用限于實現(xiàn)任何或全部上述優(yōu)點的方法和結構。
[0049] 另外，本文的章節(jié)標題是為了符合37CFR1. 77下的建議或者提供組織線索。這些標題不應限制或表征可產生于本發(fā)明的任何權利要求中所陳述的發(fā)明。具體地和以舉例的方式，雖然標題是指"【技術領域】"，但權利要求不應受到在該標題下選擇用于描述所謂的領域的語言的限制。此外，"【背景技術】"中對技術的描述不應被理解為承認某些技術對本發(fā)明中的任何實施例而言是現(xiàn)有技術。"
【發(fā)明內容】
"也并非要被視為公開的權利要求中所述的實施例的表征。另外，該公開中對單數(shù)形式的"發(fā)明"的任何引用不應被用于辯稱在該公開中僅有一個新穎點?？梢愿鶕?jù)產生于本發(fā)明的多項權利要求來提出多個實施例，并且此類權利要求因此限定由其保護的實施例和它們的等同物。在所有情況下，應根據(jù)本公開基于權利要求書本身來考慮其范圍，而不應受本文給出的標題的約束。
【權利要求】
1. 一種垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構，所述架構包括：至少一個垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件；倍頻材料，所述倍頻材料位于與所述VCSEL元件相鄰的腔體中并且被構造成接收從所述VCSEL元件發(fā)出的光，并且使所接收光的頻率基本上倍頻；以及輸出f禹合器，所述輸出f禹合器被構造成輸出來自所述腔體的倍頻光。
2. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中從所述VCSEL元件發(fā)出的所述光包括紅外光，并且所述倍頻光包括選自由紅光、綠光、藍光或紫外光組成的組的可見光。
3. 根據(jù)權利要求2所述的架構，其中所述至少一個VCSEL元件包括VCSEL元件的二維陣列。
4. 根據(jù)權利要求1所述的架構，還包括位于與所述至少一個VCSEL元件相對的所述腔體一端的反射鏡，所述反射鏡對紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對可見光譜中的光具有抗反射性。
5. 根據(jù)權利要求1所述的架構，還包括在與所述至少一個VCSEL元件相對的所述倍頻材料一端上的涂層，所述涂層對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性。
6. 根據(jù)權利要求1所述的架構，還包括具有角度大約接近布魯斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間，并且被構造成提高由所述至少一個VCSEL元件產生的所述光的偏振純度。
7. 根據(jù)權利要求6所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間的布魯斯特板，其中所述布魯斯特板包括涂層，所述涂層對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性。
8. 根據(jù)權利要求6所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面被設置在所述倍頻材料上。
9. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中所述輸出耦合器包括位于與所述至少一個VCSEL 元件相鄰的所述腔體一端的傾斜反射鏡，所述傾斜反射鏡對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性，并且其中從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的非可見光被所述傾斜反射鏡反射到所述倍頻材料內，而離開所述倍頻材料的可見光透過所述反射鏡到達所述腔體外。
10. 根據(jù)權利要求9所述的架構，還包括位于與所述輸出耦合器和所述至少一個VCSEL 元件相對的所述腔體一端的第二反射鏡，所述第二反射鏡對非可見光和可見光均具有高反射性，使得從所述倍頻材料接收的所述光被反射回到所述倍頻材料內并且朝向所述輸出耦合器。
11. 根據(jù)權利要求10所述的架構，還包括位于所述輸出耦合器和所述第二反射鏡之間的所述倍頻材料相對兩端的會聚透鏡。
12. 根據(jù)權利要求10所述的架構，還包括位于所述輸出耦合器和所述第二反射鏡之間的所述倍頻材料相對兩端的微透鏡陣列。
13. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中所述至少一個VCSEL元件可在連續(xù)波或脈沖模式的任一者中操作。
14. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中所述倍頻材料通過非線性轉換過程使所述光的所述頻率倍頻，所述轉換過程例如是倍頻或二次諧波生成。
15. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中使用聚焦透鏡、一個或更多個微透鏡陣列或它們的組合將所述倍頻光耦合至多模光纖內。
16. 根據(jù)權利要求1所述的架構，還包括位于所述腔體內并且鄰近所述至少一個VCSEL 元件的4F透鏡系統(tǒng)，所述4F系統(tǒng)包括兩個透鏡，其中像平面和物平面由4個焦距分離并且被構造成將從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的光的光束腰成像到所述倍頻材料內。
17. 根據(jù)權利要求16所述的架構，還包括位于所述腔體內并且鄰近所述輸出耦合器的第二4F系統(tǒng)，所述第二4F系統(tǒng)被構造成使來自所述倍頻材料的所述倍頻光基本上準直。
18. 根據(jù)權利要求16所述的架構，還包括所述至少一個VCSEL元件和所述4F系統(tǒng)之間的校準器，所述校準器被構造成減小從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的光的波長范圍。
19. 根據(jù)權利要求1所述的架構，其中所述倍頻材料包括選自由硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧鈦鉀、鈮酸鋰、三硼酸鋰和鈮酸鉀組成的組的晶體。
20. -種垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構，所述架構包括：至少一個垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，所述垂直腔面發(fā)射激光器元件被構造成發(fā)出紅外光；腔體，所述腔體被限定在所述至少一個VCSEL元件和對紅外光具有高反射性的反射鏡之間；以及倍頻材料，所述倍頻材料位于所述腔體中并且被構造成接收從所述VCSEL元件發(fā)出的紅外光，并且使所接收紅外光的頻率基本上倍頻以輸出可見光。
21. 根據(jù)權利要求20所述的架構，還包括輸出耦合器，所述輸出耦合器被構造成接收來自所述腔體的可見光以用于顯示器照明。
22. 根據(jù)權利要求21所述的架構，其中所述反射鏡對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性，并且其中所述輸出耦合器與所述腔體外部的所述反射鏡相鄰。
23. 根據(jù)權利要求21所述的架構，其中所述輸出耦合器包括位于與所述至少一個 VCSEL元件相鄰的所述腔體一端的第二傾斜反射鏡，其中所述第二傾斜反射鏡對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性，并且其中從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的非可見光被傾斜反射鏡反射到所述倍頻材料內，而離開所述倍頻材料的可見光透過所述傾斜反射鏡到達所述腔體外。
24. 根據(jù)權利要求23所述的架構，其中所述第一反射鏡對非可見光和可見光均具有高反射性，使得從所述倍頻材料接收的光被反射回到所述倍頻材料內并且朝向所述第二傾斜反射鏡。
25. 根據(jù)權利要求24所述的架構，還包括位于所述第一反射鏡和所述第二傾斜反射鏡之間的所述倍頻材料相對兩端的會聚透鏡。
26. 根據(jù)權利要求24所述的架構，還包括位于所述第一反射鏡和所述第二傾斜反射鏡之間的所述倍頻材料相對兩端的微透鏡陣列。
27. 根據(jù)權利要求20所述的架構，還包括具有角度大約接近布魯斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間，并且被構造成提高由所述至少一個VCSEL元件產生的所述光的偏振純度。
28. 根據(jù)權利要求27所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間的布魯斯特板，其中所述布魯斯特板包括涂層，所述涂層對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性。
29. 根據(jù)權利要求27所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面被設置在所述倍頻材料上。
30. 根據(jù)權利要求20所述的架構，其中所述VCSEL元件可在連續(xù)波或脈沖模式的任一者中操作。
31. 根據(jù)權利要求20所述的架構，其中所述倍頻材料通過非線性轉換過程使所述光的頻率倍頻，所述轉換過程例如是倍頻或二次諧波生成。
32. 根據(jù)權利要求20所述的架構，其中使用聚焦透鏡、一個或更多個微透鏡陣列或它們的組合將所述倍頻光耦合至多模光纖內。
33. 根據(jù)權利要求20所述的架構，其中所述倍頻材料包括選自由硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧鈦鉀、鈮酸鋰、三硼酸鋰和鈮酸鉀組成的組的晶體。
34. 根據(jù)權利要求20所述的架構，其中所述至少一個VCSEL元件包括VCSEL元件的二維陣列。
35. -種垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的架構，所述架構包括：至少一個垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL)元件，所述垂直腔面發(fā)射激光器元件被構造成發(fā)出紅外光；倍頻材料，所述倍頻材料位于與所述VCSEL元件相鄰的腔體中并且被構造成接收從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的紅外光，并且使所接收紅外光的頻率基本上倍頻以輸出可見光；在與所述至少一個VCSEL元件相對的所述倍頻材料的一端上的涂層，所述涂層對紅外光具有商反射性；以及輸出耦合器，所述輸出耦合器被構造成接收來自所述倍頻材料的所述倍頻光。
36. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述輸出耦合器限定與所述至少一個VCSEL元件相對的所述腔體的一端，并且其中所述涂層對紅外光具有高反射性并且對可見光具有抗反射性。
37. 根據(jù)權利要求35所述的架構，還包括具有角度大約接近布魯斯特角的切割表面，所述切割表面位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間，并且被構造成提高由所述至少一個VCSEL元件產生的所述光的偏振純度。
38. 根據(jù)權利要求37所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面包括位于所述至少一個VCSEL元件和所述倍頻材料之間的布魯斯特板，其中所述布魯斯特板包括涂層，所述涂層對紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對可見光譜中的光具有抗反射性。
39. 根據(jù)權利要求37所述的架構，其中具有角度大約接近所述布魯斯特角的所述切割表面被設置在所述倍頻材料上。
40. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述涂層對紅外光和可見光均具有高反射性，并且其中所述輸出耦合器包括位于與所述至少一個VCSEL元件相鄰的所述腔體一端的傾斜反射鏡，所述傾斜反射鏡對所述紅外光譜中的非可見光具有高反射性并且對所述可見光譜中的光具有抗反射性，并且其中從所述至少一個VCSEL元件發(fā)出的非可見光被所述傾斜反射鏡反射到所述倍頻材料內，而離開所述倍頻材料的可見光透過所述反射鏡到達所述腔體外。
41. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述至少一個VCSEL元件可在連續(xù)波或脈沖模式的任一者中操作。
42. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述倍頻材料通過非線性轉換過程使所述光的所述頻率倍頻，所述轉換過程例如是倍頻或二次諧波生成。
43. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述倍頻材料包括選自由硼酸鋇、磷酸二氫鉀、磷酸氧鈦鉀、鈮酸鋰、三硼酸鋰和鈮酸鉀組成的組的晶體。
44. 根據(jù)權利要求35所述的架構，其中所述至少一個VCSEL元件包括VCSEL元件的二維陣列。
【文檔編號】H01S5/183GK104115349SQ201380009037
【公開日】2014年10月22日申請日期:2013年2月11日優(yōu)先權日:2012年2月13日
【發(fā)明者】R·范利文, B·徐, Y·熊, J-F·瑟蘭, C·戈什申請人:瑞爾D股份有限公司

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