CN101784953A - 波长转换光学封装中的转换效率扩展 - Google Patents

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Abstract

本发明的特定实施例一般涉及采用半导体激光器和SHG晶体或其它类型的波长转换器件改变光学封装的有效转换效率曲线。例如，根据本发明的一个实施例，提供了一种控制光学封装的方法，其中光学封装被调谐成使代表滤光器的透射曲线的上升部分与代表波长转换器件的转换效率曲线的下降部分对准。在滤光器和波长转换器件如此对准的情况下，光学封装还被调谐成使基波激光信号的波长处于与透射和转换效率曲线的上升部分和下降部分的对准部分相对应的波长范围内。公开并要求保护其它实施例。

Description

波长转换光学封装中的转换效率扩展
相关申请的交叉参照
本申请与2007年7月20日提交的共同待审和共同受让的题为“波长转换光学封装中的转换效率扩展(CONVERSION EFFICIENCY EXPANSIONIN WAVELENGTH CONVERTING OPTICAL PACKAGES)”的美国专利申请S/N 11/880,231相关并要求该申请的权益。
背景技术
本发明一般涉及半导体激光器、激光器控制器、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，本发明涉及其中半导体激光器耦合至波长转换器件的光学封装中的转换效率扩展。
发明内容
半导体激光器可按照多种方式来配置。作为示例和为了说明而非限制的目的，通过将诸如分布反馈式(DFB)激光器、分布式布拉格反射镜(DBR)激光器或法布里-珀罗激光器之类的单波长半导体激光器与诸如二次谐波产生(SHG)晶体之类的光波长转换器件组合，可将短波长源配置用于高速调制。SHG晶体可被配置成通过将例如1060nm DBR或DFB激光器调谐至能将波长转换成530nm的SHG晶体的光谱中心而产生基波激光信号的高次谐波。
诸如MgO掺杂的周期性极化铌酸锂(PPLN)之类的SHG晶体的波长转换效率紧密相关于激光二极管与SHG器件之间的波长匹配。如熟悉激光器设计的技术人员所能理解地，DFB激光器是利用蚀刻到半导体材料中的格栅或类似结构作为反射介质的谐振腔激光器。DBR激光器是其中蚀刻光栅与半导体激光器的电子泵浦区物理分离的激光器。SHG晶体利用非线性晶体的二次谐波发生性质来使激光辐射倍频。
SHG晶体和其它类型的波长转换器件的转换带宽通常非常窄。例如，典型的PPLN SHG波长转换器件的半峰值全带宽(FWHM)波长转换带宽仅处于0.16至0.2nm范围内。激光器腔中的模式跳变和不受控的大波长变化会导致半导体激光器的输出波长在工作期间移出该允许带宽。一旦半导体激光器波长偏移出PPLN SHG器件的波长转换带宽，转换器件在目标波长下的输出功率就急剧降低。例如，在激光投影系统中，输出功率的这些下降尤其是个问题，因为它们会产生即时变化，这些即时变化容易被视为图像中的特定位置处的缺陷。这些可视缺陷通常呈现为图像上的有组织的、图案化的图像缺陷，因为所产生的图像就是激光的不同部分的温度演变的标志。
一般而言，当半导体激光器的增益电流增大时，增益区的温度也升高。因此，腔模向更高的波长移动。腔模的波长比DBR区的波长移动更快。因此，激光器到达较低波长的腔模更接近DBR反射率曲线的最大值的点。在该点处，较低波长的模式比根据激光物理学的基本原理建立的模式的损耗更低，从而激光器自动跳至具有较低损耗的模式。通常，发射波长缓慢增大，且包括幅值等于激光腔的一个自由光谱范围的突然模式跳变。
在许多应用中，通常必须调制包含半导体激光器的光学封装的输出强度。当半导体激光器被调制以产生数据时，热负载恒定地变化。由此产生的激光器温度和激射波长的变化产生SHG晶体的效率的变化。本发明人已经认识到改变采用SHG晶体或其它类型的波长转换器件的光学封装的有效转换效率曲线所带来的优点。例如，根据本发明的一个实施例，提供了一种控制光学封装的方法，其中光学封装被调谐成使代表滤光器的透射曲线的上升部分与代表波长转换器件的转换效率曲线的下降部分对准。在滤光器和波长转换器件如此对准的情况下，光学封装还被调谐成使基波激光信号的波长处于与透射和转换效率曲线的上升部分和下降部分的对准部分相对应的波长范围内。
根据本发明的另一实施例，提供了一种控制光学封装的方法，其中光学封装被调谐成使来自代表滤光器的上透射曲线的透射谷与来自代表波长转换器件的下转换效率曲线的转换效率峰对准。在这个基准框架内，基波激光信号的波长被调谐成使其处于对应于下转换效率曲线的转换效率峰的范围内。
本发明的其它实施例涉及被配置成根据本发明的多个实施例的概念而工作的光学封装和激光投影系统。虽然主要在成像的背景下描述本发明的概念，但可构想的是，本发明的多个概念也可应用于其中基波激光信号的波长的可重复低频波动会成为问题的任何激光器应用。
附图简述
本发明的特定实施例的以下详细描述可在结合以下附图阅读时被最好地理解，在附图中相同的结构使用相同的附图标记指示，而且在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的光学封装的示意图；
图2和3是根据本发明的特定实施例的相应的透射和转换效率曲线可被对准的方式的示意图；以及
图4表示利用本发明的特定实施例的概念在经过转换的激光器信号中的预期增强的强度稳定性的近似。
详细描述
先参照图1-3，本发明的特定实施例的概念可参照包括半导体激光器10、滤光器20以及光波长转换器件30的光学封装而方便地示出。如以上参照SHG晶体和其它类型的波长转换器件所描述的那样，波长转换器件30将入射光转换成较高次谐波，并输出经转换的激光信号35。这种类型的配置在从较长波长的半导体激光器产生较短波长的激光束时尤其有用，而且可用作例如激光投影系统的绿色可见激光源。
虽然调制经转换信号35的强度的特定方式可从本领域中的常规技术或有待开发的技术中收集，但一般而言通过调制半导体激光器10的强度可调制经转换信号35的强度。或者或另外，通过调制半导体激光器10的波长可调制经转换信号的强度，因为波长转换器件20的波长转换效率取决于半导体激光器10与波长转换器件20之间的波长匹配。
本发明人已经认识到，在许多情况下，在光学封装中执行的强度调制和类似于图1中所示的其它操作例程会在经转换信号的强度中产生显著的热图案成型。该热图案成型一般是导致波长漂移的封装的温度变化的结果。此外，上述强度调制和波长调谐还会产生模式跳变，尤其是在波长调制的幅度大于激光器的激光自由光谱范围的情况下。虽然本发明不限于对波长变化或突然模式跳变的任何特定表现，但这些波长波动会产生平滑的强度变化，而且模式跳变会在激光投影系统或利用半导体激光源的其它类型的设备中产生相对陡峭的强度偏移。由这些缺陷在图像中产生的特定图案会是多个因子的函数，这多个因子包括但不限于激光器温度、激光自由光谱范围、SHG晶体光谱带通、激光器DBR相对于SHG晶体的光谱对准等。不论缺陷图案的本质如何，图案本身会在图像中呈现问题，因为它在图像中呈现容易识别的规则结构。而且，对于准静态图像，这些缺陷通常逐帧重复，从而极容易在该图像中识别这些缺陷。
在注意到这些挑战的情况下，与结合半导体激光器使用SHG晶体或其它类型的波长转换器件相关联的更复杂问题之一是晶体的光谱灵敏度。实际上，许多SHG晶体的转换效率高度依赖于激光器10所发射的基波激光信号15的波长。虽然可以设计更能容忍波长波动的PPLN，但在这么做时通常对转换效率存在显著折衷。因此，PPLN参数通常代表转换效率与功率波动之间的某种平衡。此外，针对最小功率波动和最大转换效率而优化的PPLN设计通常难以制造，因为它们的设计复杂，且因为在制造过程中通常必须非常准确地控制晶体极化(poling)。许多这些PPLN设计显现为对热梯度不可接受地敏感。因此，本发明人已经认识到对找出提高系统光谱带宽而不引入这些类型的问题的方法的持续需求。
根据本发明的控制光学封装的一种方法可参照图1和2示出，其中示出了光学封装以及滤光器20的透射曲线(曲线A)和波长转换器件30的转换效率曲线(曲线B)。一般而言，半导体激光器10用来产生相对低频的基波激光信号15。例如，为了在光学封装的输出端处产生绿色激光，基波激光信号将落在波长域的红外部分内。
如图所示，滤光器20和波长转换器件30沿从半导体激光器10的输出端延伸的公共光程定位。为了说明本发明的概念，所示光程并不复杂。然而，要注意的是，半导体激光器10发射的基波激光信号15可直接耦合到滤光器20和波长转换器件20中，或可通过准直和聚焦光学器件或任何其它类型的适当的光学元件或光学系统耦合。如上所述，波长转换器件20将基波激光信号15转换成相对高频的经转换的激光信号35。
虽然在实施本发明时可采用多种滤光器，但要注意的是，滤光器20的透射曲线A应当包括在波长域λ(nm)中插入曲线A的上升部分A↑之间的至少一个局部透射最小值AMIN。例如，滤光器20可包括呈现出在相应的透射最大值与最小值之间周期性变化的透射函数的法布里-珀罗滤光器。实施本发明的本领域技术人员将能理解的是，部分A↑在本文中被称为“上升”部分，因为当波长值远离局部透射最小值AMIN时，透射增大。同样，波长转换器件30可通过转换效率曲线B表征，该转换效率曲线B包括在波长域λ(nm)中插入曲线B的下降部分B↓之间的至少一个局部转换最大值BMAX。
在实施本发明的所示实施例时，光学封装被调谐成使透射曲线A的上升部分A↑在波长域λ(nm)中与转换效率曲线B的下降部分B↓至少部分地对准。换言之，透射曲线A可被表征为包括在波长域中的AMIN处的至少一个透射谷的上透射曲线。同样，转换效率曲线B可被表征为包括在波长域中的Bmax处的至少一个转换效率峰的下转换效率曲线。在这些条件下，光学封装被调谐成使上曲线A的转换效率谷AMIN与下曲线B的转换效率峰BMAX至少部分地对准。
由于上述对准，沿光程传播的光将得到所得的复合转换效率曲线C，该曲线C相比波长转换器件30的局部转换最大值BMAX而言具有更低的转换最大值CMAX。此外，复合转换效率曲线C在跨越半导体激光器的约±2自由光谱范围(FSR)的波长范围上具有显著更低的转换效率偏差ΔC，即ΔB＞＞ΔC。虽然通常不鼓励导致更低转换效率的任何操作或设计参数，但本发明人已经认识到，在许多应用中能忍受更低的转换效率，尤其在相对宽的波长范围上实现更低的转换效率偏差的情况下，如图2所示。因为光学封装在跨越半导体激光器的约±2自由光谱范围(FSR)的波长范围上呈现出显著更低的转换效率偏差ΔC，所以该封装在基波激光信号的波长下能忍受显著的变化，而不会在经转换的激光信号的强度中呈现显著的变化。注意，图2中所示的特定值、标度以及曲线分布是为了说明清楚而给出，而且本发明的概念不限于图2中所示的特定值、标度以及分布。
在工作时，光学封装还可被调谐以确保基波激光信号15的波长处于复合转换效率曲线C的扩展转换效率分布的相对平坦部分内。该分布形状是透射和转换效率曲线A、B以及透射和转换效率曲线A、B的上升和下降部分的相应形状的对准程度的直接结果。例如，在图3中所示的实施例中，透射曲线A的上升部分A↑在约0.4nm的范围上与转换效率曲线B的下降部分B↓对准。因此，复合转换效率曲线C的转换效率偏差ΔC在±2FSR波长范围或大于约0.2nm上远远低于约±5％。
本发明的附加实施例在图3中示出，且可构想范围的扩展，在该扩展范围上转换效率偏差ΔC低于约±5％。更具体而言，在所示实施例中，波长转换器件包括SHG晶体，其中晶体上的极化周期变化，或其中多个不同的晶体区组合以在波长转换器件中限定至少两个波长转换部件。以此方式组合的部件中的每一个可通过在基波激光信号的波长域中不同的转换效率曲线来表征。因此，这种类型的波长转换器件的组合转换效率曲线B′包括多个局部转换最大值BMAX。同样，滤光器的传输曲线A′包括多个局部传输最大值AMIN。在该实施例中，光学封装被调谐成使组合转换效率曲线B的相应局部转换最大值BMAX与滤光器的相应局部透射最小值AMIN至少部分地对准。因此，复合转换效率曲线C′的转换效率偏差在±3FSR波长范围或大于约0.3nm上低于约±5％。可从包括美国专利6,726,763的多种资料源中收集与其中晶体上的极化周期变化或其中组合多个不同晶体区来限定至少两个波长转换部件的SHG晶体的设计有关的更多细节。
为按照上述方式对准曲线A、B，通常将必须调谐光学封装中的一个或多个部件。例如，在所示实施例中，通过有效耦合至波长转换器件30的合适的温度控制机构40控制波长转换器件30的温度，来调谐光学封装。此外，通常必须控制基波激光信号15的波长。如熟悉半导体激光器设计的本领域技术人员所能理解的那样，可按照多种方式来执行波长调谐，包括控制半导体激光器的一个或多个区域的温度、控制对半导体激光器的一个或多个区域的电流注入或二者兼而有之。
虽然图1中所示的本发明的特定实施例示出了定位于半导体激光器10的输出端与波长转换器件30的输入面之间的滤光器20，但要注意的是，波长转换器件可定位在半导体激光器10的输出端与滤光器20的输入面之间。在实施本发明的这个替代实施例时，与相对低频的基波激光信号15的波长域相反，必须将相应曲线A、B的上升和下降部分沿相对高频的经转换激光信号35的波长域中的公共波长坐标轴对准。此外，必须小心地确保滤光器20在相对高频的经转换的激光信号35的波长域中可操作。
同样，虽然图1中所示的本发明的特定实施例将滤光器20示为与波长转换器件30分立的光部件，但可构想滤光器20可设置为在波长转换器件30中形成的布拉格光栅。
图4示出了被设计成提供利用本发明的特定实施例的概念而转换的激光信号中的强度稳定性的指示的实验结果。在图4中，绘制了在具有和没有滤光器的情况下，高频经转换的激光信号在可见光谱的绿色部分中的相对强度与时间的关系。如图4所示，参照曲线图的相对高强度部分，在没有滤光器的情况下，经转换的激光信号的强度随时间显著变化。反之，参照曲线图的相对低强度部分，经转换的激光信号的强度相对恒定。
为限定和描述本发明，在本文中将特定波长的光谱描述或陈述为“相对低频”或“相对高频”。应当在理解这些光谱在本文中被描述和陈述为相对于彼此“低频”或“高频”且不是某些其它值或基准的情况下阅读说明书和权利要求。
虽然主要在DBR激光器的背景下描述了本发明的概念，但可构想的是，本文中讨论的控制方案也可用于多种类型的半导体激光器，包括但不限于DFB激光器、法布里-珀罗激光器以及许多类型的外腔激光器。
可构想本发明的概念将可应用于包括但不限于基于像素的投影系统和基于空间光调制器的系统(包括数字光处理(DLP))、透射型LCD以及硅上液晶(LCOS)的多种情形中。
注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至对要求保护的本发明的结构或功能而言重要。相反，这些术语仅仅旨在标识本发明的实施例的特定方面，或强调可用于也可不用于本发明的特定实施例的替代或附加特征。
可以理解，本发明的以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的本发明的本质和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种修改和变化。因而，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改和变型，只要它们落在所附权利要求书及其等价技术方案的范围中即可。

Claims (21)

1.一种控制包括半导体激光器、滤光器以及波长转换器件的光学封装的方法，其特征在于：
所述半导体激光器用于产生包括波长域中的相对低频光谱的基波激光信号；
所述滤光器和所述波长转换器件沿从所述半导体激光器的输出端延伸的公共光程定位；
所述滤光器能由一透射曲线表征，所述透射曲线包括插入所述波长域中的所述曲线的上升部分之间的至少一个局部转换最小值；
所述波长转换器件能由一转换效率曲线表征，所述转换效率曲线包括插入所述波长域中的所述曲线的下降部分之间的至少一个局部转换最大值；
所述波长转换器件被配置成将所述基波激光信号转换成包括相对高频的波长谱的经转换激光信号；
所述光学封装被调谐成使所述透射曲线的所述上升部分在所述波长域中与所述转换效率曲线的所述下降部分至少部分地对准；以及
所述光学封装还被调谐成使所述基波激光信号的波长处于与所述透射和转换效率曲线的所述上升部分和下降部分的对准部分相对应的波长范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透射和转换效率曲线的所述上升和下降部分的对准程度和相应形状使所得的复合转换效率曲线相比所述波长转换器件的所述局部转换最大值而言具有更低的转换最大值，且相比所述半导体激光器的约±2FSR的波长范围上的所述转换效率曲线而言具有更低的转换效率偏差。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合转换效率曲线的所述转换效率偏差在±2FSR波长范围上低于约±5％。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述复合转换效率曲线的所述转换效率偏差在±3FSR波长范围上低于约±5％。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透射和转换效率曲线的所述上升和下降部分的对准程度和相应形状使所得的复合转换效率曲线相比所述波长转换器件的所述局部转换最大值而言具有更低的转换最大值，且相比大于约0.2nm的波长范围上的所述转换效率曲线而言具有更低的转换效率偏差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述复合转换效率曲线的所述转换效率偏差在大于约0.2nm的波长范围上低于约±5％。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述复合转换效率曲线的所述转换效率偏差在大于约0.3nm的波长范围上低于约±5％。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制所述波长转换器件的温度来调谐所述光学封装，以使所述透射和转换效率曲线对准。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制所述半导体激光器的一个或多个区域的温度、注入所述半导体激光器的一个或多个区域的电流或控制所述温度和所述电流二者来调谐所述光学封装，以控制所述基波激光信号的波长。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤光器沿所述半导体激光器的输出端与所述波长转换器件的输入面之间的所述公共光程定位。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光学封装被调谐成使所述透射曲线的所述上升部分沿所述相对低频的基波激光信号的波长域中的公共波长坐标轴与所述转换效率曲线的所述下降部分至少部分地对准。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长转换器件沿所述半导体激光器的输出端与所述滤光器的输入面之间的所述公共光程定位。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述光学封装被调谐成使所述透射曲线的所述上升部分沿所述相对高频的经转换的激光信号的波长域中的公共波长坐标轴与所述转换效率曲线的所述下降部分至少部分地对准。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤光器包括法布里-珀罗滤光器。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤光器被设置为在所述波长转换器件中形成的布拉格光栅。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤光器呈现出在相应的透射最大值与最小值之间周期性变化的透射函数。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长转换器件包括SHG晶体。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述波长转换器件包括至少两个波长转换部件；
所述波长转换部件中的每一个可通过在所述基波激光信号的波长域中不同的转换效率曲线来表征；
所述波长转换器件的所述波长转换部件中的每一个的组合转换效率曲线包括所述波长域中的多个局部转换最大值；
所述滤光器的所述传输曲线包括多个局部转换最小值；以及
所述光学封装被调谐成使所述波长转换部件的组合转换效率曲线的相应局部转换最大值与所述滤光器的相应局部转换最小值至少部分地对准。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述透射曲线包括上透射曲线，所述上透射曲线包括所述波长域中的至少一个转换效率谷；
所述转换效率曲线包括下转换效率曲线，所述下转换效率曲线包括所述波长域中的至少一个转换效率峰；以及
所述光学封装被调谐成使所述上透射曲线的所述转换效率谷在所述波长域中与所述下转换效率曲线的所述转换效率峰至少部分地对准。
20.一种控制包括半导体激光器、滤光器以及波长转换器件的光学封装的方法，其特征在于：
所述半导体激光器用于产生包括波长域中的相对低频波长谱的基波激光信号；
所述滤光器和所述波长转换器件沿从所述半导体激光器的输出端延伸的公共光程定位；
所述滤光器可由包括所述波长域中的至少一个透射谷的上透射曲线表征；
所述波长转换器件可由包括所述波长域中的至少一个转换效率峰的下转换效率曲线表征；
所述波长转换器件被配置成将所述基波激光信号转换成包括相对高频的波长谱的经转换激光信号；
所述光学封装被调谐成使所述上透射曲线的所述透射谷在所述波长域中与所述下转换效率曲线的所述转换效率峰至少部分地对准；以及
所述光学封装还被调谐成使所述基波激光信号的波长处于与所述下转换效率曲线的所述转换效率峰相对应的波长范围内。
21.一种包括半导体激光器、滤光器以及波长转换器件的光学封装，其特征在于：
所述半导体激光器被配置成产生包括波长域中的相对低频波长谱的基波激光信号；
所述滤光器和所述波长转换器件沿从所述半导体激光器的输出端延伸的公共光程定位；
所述滤光器可由包括所述波长域中的至少一个透射谷的上透射曲线表征；
所述波长转换器件可由包括所述波长域中的至少一个转换效率峰的下转换效率曲线表征；
所述波长转换器件被配置成将所述基波激光信号转换成包括相对高频的波长谱的经转换激光信号；
所述滤光器包括温度控制机构，所述温度控制机构被配置成至少部分地控制所述光程中的所述滤光器的一部分的温度，以影响所述上透射曲线的所述透射谷在所述波长域中相对于所述下转换效率曲线的所述转换效率峰的对准；以及
所述半导体激光器包括波长控制机构，所述波长控制机构被配置成至少部分地控制所述半导体激光器的一个或多个区域的温度、注入所述半导体激光器的一个或多个区域的电流、或控制所述温度和电流两者，以影响所述基波激光信号的所述波长相对于所述下转换效率曲线的所述转换效率峰的对准。
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