CN102379071A - 包括外部光学反馈组件的经频率转换的激光源中的相位调制 - Google Patents

Abstract

提供一种控制经频率转换的激光源的方法，其中激光源包括激光腔、外部光学反馈组件、波长选择组件以及波长转换器件，该方法包括利用相位控制信号驱动激光腔的相位区段，该相位控制信号包括具有调制幅度_MOD的调制分量，该调制幅度_MOD足以在光谱域中移位可用腔模式，使得在调制相位控制信号时建立在若干不同腔模式下的连续激光发射。

Description

包括外部光学反馈组件的经频率转换的激光源中的相位调制

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月7日提交的美国申请No.12/419,572的优先权。

背景

本公开涉及经频率转换的激光源，且尤其涉及配置成用于低水平光学反馈的经频率转换的激光源及其控制方法。

发明内容

尽管本公开的各概念不限于在光谱的任意特定部分中操作的激光器，然而在本文中频繁地引用倍频绿色激光器，其中二极管IR源的波长波动一般产生经频率转换的绿色输出功率的波动。这种波动通常归因于经频率转换的激光器中使用的波长转换器件(典型地是周期性极化铌酸锂(PPLN)SHG晶体)的相对较窄的光谱接受曲线。如果上述经频率转换的激光器用在例如扫描投影仪中，则功率波动可产生不可接受的图像伪影。对于当激光器包括二区段或三区段DBR激光器的激光器时的特定情况，激光腔由在激光器芯片一侧上的相对较高反射率的布拉格反射镜和激光器芯片另一侧上的相对较低反射率涂层(0.5-5％)限定。这种配置的所得往返损耗曲线与布拉格反射镜的光谱反射率曲线成反比。而且，激光器仅选择称为腔模式的离散数量的波长。当芯片工作时，其温度改变，因此半导体材料的折射率改变，使腔模式相对于布拉格反射曲线移位。一旦当前的主腔模式离开布拉格反射曲线的峰值太远，激光器就切换到最接近布拉格反射曲线的峰值的模式，因为该模式对应于最低损耗——称为模式跳变的现象。

模式跳变可产生输出功率的突然变化，并将经常产生所投影图像的稍亮和稍暗区域之间的可见边界，因为模式跳变倾向于出现在所投影图像内的特定位置处。有时，既使当激光器离开布拉格反射峰超过一个自由光谱范围时激光器继续在特定的腔模式下发射——很可能与腔中的空间烧孔和电子光子动力学有关的现象。这导致两个或更多腔模式间隔的模式跳变以及相应的不可接受的大输出功率变化。根据本公开的主题，提供激光器配置和相应的操作方法以解决经频率转换的激光源中这些和其它类型的功率变化。

根据本公开的一个实施例，提供一种控制经频率转换的激光源的方法，其中激光源包括激光腔、外部光学反馈组件、波长选择组件以及波长转换器件，该方法包括利用相位控制信号驱动激光腔的相位区段，该相位控制信号包括足以在光谱域中移位腔模式的调制分量，使得在调制相位控制信号时为激光腔建立在若干不同腔模式下的连续激光发射。构想到另外一些实施例。

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是包括DBR激光二极管和呈现为分色镜的外部光学反馈组件的经频率转换的激光源的示意图；

图2是经频率转换的激光源的一般化示意图；

图3示出根据本公开的激光***的往返延伸腔光谱反射曲线；以及

图4是具有最高往返反射率的延伸腔模式的波长因变于二极管腔谐振移位的图。

详细描述

首先参照图1，根据本公开的一个实施例，经频率转换的激光源100包括以DBR激光二极管10形式呈现的激光腔、呈现为部分反射镜20的外部光学反馈组件、呈现为波导PPLN晶体40的波长转换器件以及耦合光学器件50。尽管本公开讨论特例，在该特例中激光源100包括用作IR泵源的三区段DBR激光二极管10以及用于将频率翻倍至绿色波长范围的波导PPLN晶体40，但应注意本公开的概念可同样适用于各种经频率转换的激光器配置，包括但不限于利用二次谐波发生(SHG)之外的频率转换的配置。本公开的概念还可适用于除激光扫描投影仪外的各种应用。

图2是经频率转换的激光源100’的更一般化示意图，其包括激光腔10’、外部光学反馈组件20’和波长转换器件40’。激光腔10’包括增益区段11’、相位区段13’和介于相对较高反射率的后反射器12’和相对较低反射率的输出反射器14’之间的波长选择DBR区段15’。来自激光腔10’的光的一部分沿输出路径L1穿过输出反射器14’发射，而其余的光在激光腔10’中来回反射，每次都穿过增益区段11’的增益介质。外部光学反馈组件20’沿激光源100的光程从输出反射器14’移位，且配置成通过沿返回路径L2部分反射所发射的光L1使其穿过输出反射器14’至激光腔10’来形成延伸腔16’。输出和返回路径L1、L2通常将是共线的，但为了清楚而示为单独的光程。

分析如图1所示的三反射镜腔的一种方式包括计算***的往返损耗和腔模式。可通过将***视为由一侧上的激光器的后反射器以及另一侧上的激光输出面和外部反馈光学组件形成的法布里-珀罗标准器形成，来获得往返损耗。然后从DBR激光器后反射器的光谱反射曲线和通常为光谱周期函数的法布里-珀罗反射率曲线的乘积给出的往返反射率的逆来获得***的总损耗。结果在图3中示出。

通过确定可形成驻波的波长(即往返光波相位变化为2π的波长)来计算腔模式。此处，计算还包括将有效反射镜***视为由一侧上的DBR激光器后反射镜和另一侧上的外部法布里-珀罗标准器形成。结果取决于很多参数，诸如反射镜的反射率及其间隔。可示出，当外部反馈光学组件的反射率大于激光输出面的反射率时，***的模式结构由延伸腔支配，导致与不具有外部反馈光学组件的激光腔相比模式之间的光谱距离(也称为***的自由光谱范围)显著变小。

总之，通过在***中增加外部反馈反射镜，自由光谱范围减小，且较小光谱幅度的模式跳变成为可能。而且，当外部反射镜反射率相对接近激光器输出面之一时，图3所示的调制对比接近100％。结果，当激光腔内的材料的折射率开始变化时，当前操作(激光发射)腔模式将在光谱域中移动，但外部法布里-珀罗标准器的反射率峰将不会移动从而损耗将从最小值快速地变化到接近100％的值。因为损耗变得非常高，激光器将切换(跳变)到具有较低损耗的模式。增加外部腔于是导致光谱域中较小幅度的模式跳变。为了放大该现象，本领域的技术人员可调制施加到相位区段的电流，以便连续改变该区段的折射率，因此形成高频低幅模式跳变。

根据本文所述的方法，利用增益信号驱动激光腔10’的增益区段11’，该增益信号包括数据分量，该数据分量相对较慢且不一定是周期性的，而激光腔10’的相位区段13’由包括相位调制分量的相位控制信号驱动，该相位调制分量较快且是周期性的。例如但不作为限制，增益信号的数据分量可表示视频信号的视频内容，而相位控制信号的相位调制分量可以是频率高于图像像素频率的恒幅正弦调制。相位调制分量的特征是调制幅度φ_MOD足以在光谱域中移位腔模式，使得当调制相位控制信号时连续地建立激光腔10’的若干不同腔模式的激光发射。

更具体地，参考图1，其中DBR激光器10包括增益区段11、相位区段13和波长选择DBR区段15，低反射率反射镜20位于PPLN晶体40之后以主要传送绿光并反射部分其余的IR泵。DBR激光腔10的DBR区段15提供光谱选择性。DBR激光腔10的相位区段13一般不提供增益，但允许调制光相位或有效的腔长度。可用相对较低反射率涂层涂覆激光器10的前面以形成输出反射器14。可在两侧上对PPLN晶体40进行角度抛光，并且可对其进行针对绿光和IR波长的AR涂覆。为了简化配置，一个方便的选项是使用具有面向DBR激光器10的有角度输入面和部分反射的非有角度输出面的PPLN晶体。

图3示出根据上述方法获得的往返延伸腔光谱反射曲线的一个示例。为了完整性，注意图3的曲线已进行归一化，使得最大反射等于1.0。又参考图1，注意图3的曲线是利用DBR区段15获得的，该DBR区段15具有的全宽度半最大值(FWHM)光谱带宽为0.4nm、输出反射器反射率为2.5％、再循环IR功率约为15％(包括DBR激光器和PPLN波导之间的耦合损耗，但忽略由于SHG引起的非线性损耗)、DBR激光腔长度为3mm(无延伸腔的光谱范围为0.06nm)、以及延伸腔长度为44mm。

由图3中的曲线表示的反射率调制的频率取决于延伸腔的长度，且深度(对比度)取决于输出反射器14的反射率和外部光学反馈组件20的反射率之比。当该比接近一时，对比度接近100％。曲线上的实点表示与延伸腔模式对应的波长，这可从光波的往返相位变化等于2π的整数倍的条件来计算出。典型地，尽管二极管激光器可同时在多个腔模式下操作，但当激光器切换至导通时，它将选择具有最低损耗的模式并在该模式下操作，即在图3中由圆点指示的模式。

当通过调制相位控制信号来改变激光腔的有效长度时，图3中的曲线停留在适当位置上，因为其在波长域中的位置由输出反射器14和外部光学反馈组件20之间的固定距离确定。然而，如图3中的实点所指示的，延伸腔模式的相应位置将沿共同方向移位，且图中的一些点沿曲线的倾斜部分向上移动而一些点向下移动。由圆实点表示的最初在峰值往返反射处或其附近的模式将向下移动，指示该模式的损耗增加。在一些点处，激光器将切换到具有较高往返反射率或较低往返损耗的另一种模式，导致模式跳变。

图4是具有最高往返反射率(最低损耗)的延伸腔模式的波长因变于二极管腔谐振移位的图。为了简化，假设在新的延伸腔模式变为最低损耗模式之后立即发生模式跳变，图表表示这一激光器的输出波长的演变。事实上，由于诸如空间烧孔和光子-电子动力学之类的现象，最初选择的低损耗模式可比所示持续更长时间，甚至在它不再是低损耗模式之后。

比较本文所述的具有和不具有延伸腔的激光源，注意，当不具有延伸腔的激光源中有效腔长度变化时，最初选择的低损耗模式通常跟随移位腔谐振，直到激光器跳变至最接近布拉格反射峰的另一谐振。不幸的是，新模式通常与旧模式分离一个光谱范围以上。对于采用本文所述的延伸腔的激光源，当调制相位控制信号时，操作模式可沿有效反射率曲线快速向下移动，并在显著偏离布拉格反射峰之前强制激光器选择新的操作模式。如此，新模式在波长上非常接近原始模式，且很少会远离超过不具有外部反射镜的激光腔的一个自由光谱范围。因此，即使调制相位控制信号以激励模式跳变，操作波长将维持接近布拉格反射峰且将仅导致波长转换器件的输出功率中的小变化。

再次参考图2中示意性示出的激光源100’，在实施本文所述的方法时，注意，由后反射器12’和外部光学反馈组件20’限定的延伸激光腔16’可配置成通过确保可在激光腔16’的波长选择DBR区段15’的反射峰的FWHM光谱带宽内并且在波长转换器件40’的FWHM转换带宽内建立以若干不同的腔模式的激光发射，来优化输出稳定性。为此，可将外部腔配置成使得若干周期性法布里-珀罗谐振落在激光腔16’的波长选择组件的反射峰的FWHM光谱带宽内并且在波长转换器件40’的FWHM转换带宽内。例如而非作为限制，在激光腔16’的波长选择DBR区段15’的反射峰的FWHM光谱带宽介于约0.4nm至约0.6nm之间且波长转换器件40’的FWHM转换带宽为约0.1nm的情况下，周期性法布里-珀罗谐振可分离约0.0125nm。或者，且不限制本公开的范围，周期性法布里-珀罗谐振可分离约0.025nm或更少，周期性法布里-珀罗谐振的间隔是输出反射器14’和外部光学反馈组件20’沿光程的相对定位的函数。输出反射器14’和外部光学反馈组件20’之间的光程部分应优选地比激光腔10’内的光程部分要长。

为了避免图像伪影，相位控制信号的调制分量的调制频率f_MOD应达到或超过增益信号的数据分量的最高频率f_数据。对于光栅扫描激光器投影应用的情况，该频率f_数据将等于像素频率(与投影单个图像像素的时间成反比)。此外，相位调制频率f_MOD还可与增益信号的最高频率f_数据的倍数同步以避免图像混叠。

尽管外部光学反馈组件在图1和2中被示为独立的反射器，但可构想到可将反馈组件设置成各种形式以引入本文所述的延伸腔，包括例如通过在波长转换器件的输出面上形成分色镜作为反射涂层。此外，为了优化延伸腔的完整性，外部光学反馈组件和输出反射器的相应反射率应为同一数量级。

而且，为了最优性能，优选的是将输出反射器和外部光学反馈组件的反射率保持相对较低，因此高反射率可增加激光器内的功率密度并影响***的可靠性。而且，高反馈可形成不稳定性并降低转换效率，因为波长转换器件通常在对应于转换效率最大值的波长处引入附加损耗。因此优选地选择具有低转换的模式，导致较低效率。实验上，我们观察到利用0.5-2.5％范围的激光输出反射率和5-20％范围的反馈幅度获得最佳结果。当增加反馈反射率时，实验指示激光器落入其中光谱宽度显著增加导致转换效率下降的一些操作模式。而且，理论预测该方法应与较长的延伸腔一起工作，因为增加外部腔反射镜的距离会减小腔模式之间的间隔。然而，由于组件尺寸限制，从激光器输出面至外部反馈组件的距离一般相对较短，例如在20mm至30mm的范围内。

波长选择组件也可设置成各种形式并且在沿激光源的光程的诸位置处。例如，在图1的实施例中，波长选择组件包括DBR激光器10的分布式布拉格反射器。在其它实施例中，波长选择组件可位于延伸腔中或沿激光源的光程的任意位置，包括例如作为波长转换器件40中形成的光栅，该光栅也沿延伸激光腔16’中的光程定位。

尽管已经在特例的背景下介绍本公开的诸方面，其中相位控制信号被施加于DBR激光二极管的相位区段，但可构想到本公开的诸方面还可延伸到其它配置，诸如利用法布里—珀罗或其它类型的外部腔激光器且波长选择组件位于激光腔内且相位调制区段呈现为单独的相位调制器的配置。

已详细地并参照本发明的具体实施例描述了本发明的主题，但显然多种修改和变化是可能的，且不背离所附权利要求书中所限定的本发明的范围。更具体地，虽然本发明的某些方面在本文中被标识为优选的或特别有优势的，但可构想本发明不一定限于这些方面。例如，构想到激光器的增益控制信号可包括调制分量I_MOD，可将调制分量I_MOD选择地应用于激光器的增益区段以在光谱域中移位可用腔模式，使得当调制信号时建立在多个不同腔模式下的连续激光发射。因为很多波长转换器件将非线性引入激光源，所以激光源的经频率转换的输出功率也可能是非线性的：

P_2v＝k(I_DATA+I_MOD)²

其中P_2v表示经波长转换的输出功率，I_数据表示增益信号的数据分量，I_MOD表示增益信号的调制分量，且k表示常数。结果，为了避免图像伪影，可通过根据以下关系将负调制分量合并在增益信号I_g中来校正该非线性：

I_g＝(P_2v/k)^0.5-I_MOD

为了确保无负电压施加到增益区段，可将经校正的增益信号I_g限于0值或高于0值。

还可通过使增益信号的调制分量I_MOD与增益信号的数据分量I_数据成比例来校正增益信号I_g，从而补偿输出功率非线性：

I_MOD＝αI_数据

其中α表示常数。在这种情况下，可将倍频功率写为：

P_2v＝k(1+α)²I_数据 ²

对视频信号施加的校正开始：

I_g＝(P_2v/k)^0.5/(1+α)

关于该最后的公式的一个有趣的特征是数字存储的图像通常包含用于补偿诸如LCD或CRT屏幕之类的常规显示器的非线性的校正因数。该校正因数称为γ校正。结果是对于激光投影***，需要通过以下公式对图像进行反补偿：

I_数据＝I_数字 ^γ

其中系数γ通常接近2.2。通过将该公式代入前一公式，我们以以下公式结束：

I_g＝(I_数字 ^1.1/k^0.5)/(1+α)

通过认为指数(1.1)足够接近1，在第一逼近中可将进入增益区段的电流视为数字信息的线性函数，且仅需要线性校正。

作为另一个示例，构想到本文公开的方法可应用于多种控制方案，其中可利用DBR信号驱动激光腔的波长选择区段(即DBR激光器的DBR区段)，该DBR信号包括具有调制幅度I_MOD的调制分量，该调制幅度I_MOD足以在光谱域中移位可用腔模式，使得当调制DBR信号时建立若干不同腔模式下的连续激光发射。

为描述和限定本发明，注意本文中提到的作为参数或另一变量的“函数”的变量并不旨在表示该变量仅是所列举的参数或变量的函数。相反，本文所提到的作为所列举的参数的“函数”的变量旨在作为开放式的描述，以使该变量可以是单个参数或多个参数的函数。

还应注意，本文中对本发明的部件以特定方式“配置”以使特定属性具体化、或以特定方式起作用的叙述都是结构性的叙述，与期望用途的叙述相反。更具体地，本文所提到的部件被“配置”的方式表示该部件的现有物理状态，因此，它应被理解为对部件的结构特性的明确陈述。

注意，类似“优选”、“普遍”和“通常”之类的术语在本文中采用时不用于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。

为了描述和定义本发明，注意在本文中采用术语“近似”来表示可归因于任何定量比较、数值、测量值、或其它表示的固有不确定程度。本文还采用术语“近似”来表示一定量表示偏离规定参考值的程度，但不会在此问题上导致本发明主题的基本功能改变。

注意，所附权利要求中的一项或多项使用术语“其中”作为过渡短语。出于限定本发明的目的，应注意该术语是作为开放式的过渡短语而被引入所附权利要求中的，该开放式的过渡短语用于引入对所述结构的一系列特性的陈述，且应当按照与更常用的开放式前序术语“包括”相似的方式进行解释。

Claims (18)

1.一种控制经频率转换的激光源的方法，所述激光源包括激光腔、外部光学反馈组件、波长选择组件以及波长转换器件，其中：

所述激光腔包括增益区段、相位区段和介于相对较高反射率的后反射器与相对较低反射率的输出反射器之间的波长选择区段，且被配置成穿过输出反射器发射光；

所述外部光学反馈组件沿激光源的光程从输出反射器移位，且被配置成通过部分反射所发射的光使光穿过输出反射器返回至激光腔；

所述波长转换器件沿激光源的光程定位，且其特征为具有全宽度半最大值(FWHM)的光谱接受曲线；

所述后反射器、输出反射器和外部光学反馈组件限定可用腔模式，且频率选择组件确保激光器操作仅发生在位于波长转换器件的FWHM内的可用腔模式中；

所述方法包括利用包括数据分量的增益信号驱动激光腔的增益区段，并利用包括调制分量的相位控制信号驱动激光腔的相位区段；以及

所述相位控制信号的调制分量包括相位调制幅度φ_MOD，所述相位调制幅度φ_MOD足以在光谱域中移位可用腔模式，使得当调制相位控制信号时建立若干不同腔模式下的连续激光发射。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增益区段、所述相位区段和所述波长选择区段形成DBR激光二极管，且所述方法包括利用调制相位控制信号驱动DBR激光二极管的相位区段。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增益区段、所述相位区段和所述波长选择区段形成外部腔激光二极管，且所述方法包括利用调制相位控制信号驱动外部腔激光二极管的相位区段。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波长选择组件的特征为具有FWHM光谱带宽的反射峰，且***的参数使得在波长选择组件的反射峰的FWHM光谱带宽内且在波长转换器件的FWHM转换带宽内建立若干不同的腔模式下的激光发射。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述波长选择组件的反射峰的FWHM光谱带宽介于约0.4nm至约0.6nm之间；

所述波长转换器件的FWHM转换带宽介于约0.1nm至约0.2nm之间；以及

输出反射器和外部光学反馈组件沿光程的相对定位产生间隔开约0.0125nm的周期性法布里-珀罗谐振。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，后反射器和外部光学反馈组件限定长度小于30mm的延伸激光腔。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，输出反射器和外部光学反馈组件沿光程的相对定位产生间隔开约0.025nm或更小的周期性法布里-珀罗谐振。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

后反射器和外部光学反馈组件形成沿光程的延伸激光腔；以及

输出反射器和外部光学反馈组件的相对定位产生沿光程的法布里-珀罗谐振。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述延伸激光腔包括激光腔中的光程的一部分。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于：

激光腔中法布里-珀罗谐振的频率是外部光学反馈组件和输出反射器之间的光学位移的函数；以及

激光腔中法布里-珀罗谐振的深度是外部光学反馈组件和输出反射器的相应反射率的函数。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相位控制信号的调制分量包括达到或超过增益信号的数据分量的最高数据频率f_数据的相位调制频率f_MOD。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，相位控制信号的调制分量包括与增益信号的数据分量的最高数据频率f_数据的倍数同步的相位调制频率f_MOD，以避免图像伪影。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

后反射器具有大于约75％的反射率系数；

输出反射器具有低于约5％的反射率系数；以及

由输出反射器和外部腔形成的法布里-珀罗的调制对比度至少为50％。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外部光学反馈组件和输出反射器的相应反射率为同一数量级。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

外部光学反馈组件包括独立的分色镜或在波长转换器件的输出面上形成的反射涂层；

波长转换器件的输出面不成角度且未被涂覆；以及

外部光学反馈组件在激光发射模式的波长下和在激光发射模式的经转换的波长下部分地反射。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，波长选择组件定位在激光腔内或沿激光源的光程定位，且包括DBR激光器的分布式布拉格反射器或波长转换器件中形成的光栅。

17.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

输出反射器和外部光学反馈组件形成沿光程的延伸激光腔；以及

波长转换器件定位在延伸的激光腔中。

18.一种控制经频率转换的激光源的方法，所述激光源包括激光腔、外部光学反馈组件、波长选择组件以及波长转换器件，其中：

激光腔包括介于相对较高反射率的后反射器和相对较低反射率的输出反射器之间的增益介质，且被配置成穿过输出反射器发射光；

所述外部光学反馈组件沿激光源的光程从输出反射器移位，且被配置成通过部分反射所发射的光使光穿过输出反射器返回至激光腔；

所述波长转换器件沿激光源的光程定位，且其特征为具有全宽度半最大值(FWHM)的光谱接受曲线；

所述后反射器、输出反射器和外部光学反馈组件限定可用腔模式，且频率选择组件确保激光器操作仅发生在位于波长转换器件的FWHM内的可用腔模式中；

所述方法包括利用包括数据分量的增益信号驱动激光腔的增益区段，并利用包括调制分量的相位控制信号驱动激光腔的相位区段；以及

所述相位控制信号的调制分量包括相位调制幅度φ_MOD，所述相位调制幅度φ_MOD足以在光谱域中移位可用腔模式，使得当调制相位控制信号时建立若干不同腔模式下的连续激光发射。

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