TWI572104B - 雷射合成系統及合成雷射源 - Google Patents

雷射合成系統及合成雷射源 Download PDF

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Description

雷射合成系統及合成雷射源
本發明涉及雷射，特別涉及一種雷射合成系統及合成雷射源。
合成白色雷射具有廣泛的應用，例如雷射顯示、列印、雷射照相機、雷射表演、舞台燈光、彩色全息、雷射醫療、條碼掃描、機器視覺、顯微術及科學成像等，因此有廣大的市場。現有的合成白色雷射一般利用複雜的鏡面混光系統將紅色雷射、綠色雷射及藍色雷射合成一起，體積大。
有鑑於此，有必要提供一種縮小體積的雷射合成系統。
一種雷射合成系統，其包括一基底、一光波導及一布拉格光柵。該基底包括一頂面。該光波導自該頂面向該基底內部擴散形成，並包括一用於傳輸一第一波長雷射的第一分支及一與該第一分支連接且用於傳輸一第二波長雷射的第二分支。該布拉格光柵通過蝕刻該光波導而形成於該第一分支與該第二分支連接處，並用於將該第二波長雷射反射入該第一分支。
本發明還提供一種合成雷射源。
一種合成雷射源，其包括該雷射合成系統、一第一雷射器及一第二雷射器。該基底還包括與該頂面垂直連接一第一側面及一第二 側面。該第一分支在該第一側面形成一第一入口，該第二分支在該第二側面形成一第二入口。該第一雷射器與該第一入口連接，並通過該第一入口向該第一分支發射該第一雷射。該第二雷射器與該第二入口連接，並通過該第二入口向該第二分支發射該第二雷射。
相比於現有的複雜鏡面混光系統，該雷射合成系統體積縮減，因此，該合成雷射源體積同樣縮減。
10‧‧‧合成雷射源
100‧‧‧基底
110‧‧‧頂面
120‧‧‧第一側面
130‧‧‧第二側面
200‧‧‧光波導
210‧‧‧第一分支
212‧‧‧第一入口
220‧‧‧第二分支
222‧‧‧第二入口
230‧‧‧第三分支
232‧‧‧第三入口
234‧‧‧週期極化鈮酸鋰結構
300‧‧‧第一雷射器
310‧‧‧第一雷射
400‧‧‧第二雷射器
410‧‧‧第二雷射
500‧‧‧第一布拉格光柵
510‧‧‧第一縫隙
520‧‧‧第一介質條
600‧‧‧第三雷射器
610‧‧‧第三雷射
620‧‧‧第四雷射
700‧‧‧第二布拉格光柵
710‧‧‧第二縫隙
720‧‧‧第二介質條
圖1為本發明較佳實施方式的合成雷射源的立體示意圖。
請參閱圖1，本發明較佳實施方式的合成雷射源10包括一基底100、一光波導200、一第一雷射器300、一第二雷射器400及一第一布拉格光柵500。該基底100包括一頂面110及與該頂面110垂直連接一第一側面120及一第二側面130。該光波導200自該頂面110向該基底100內部擴散形成，並包括一第一分支210及一與該第一分支210連接的第二分支220。該第一分支在該第一側面120形成一第一入口212，該第二分支220在該第二側面130形成一第二入口222。該第一雷射器300與該第一入口212連接，並通過該第一入口212向該第一分支210發射一第一雷射310。該第二雷射器400與該第二入口222連接，並通過該第二入口222向該第二分支220發射一第二雷射410。該第一布拉格光柵500通過蝕刻該光波導200而形成於該第一分支210與該第二分支220連接處，用於將該第二雷射410反射入該第一分支210以與該第一雷射310合成。
該合成雷射源10採用該基底100、該光波導200及該第一布拉格光 柵500共同構成的雷射合成系統替代現有的複雜鏡面混光系統，體積縮減。
該基底100採用鈮酸鋰晶體，而該光波導200通過在該頂面110上形成與該光波導200形狀對應的金屬鈦薄膜後將金屬鈦高溫(1020攝氏度左右)擴散入該基底100而形成。該金屬鈦薄膜可以通過濺鍍及黃光蝕刻工藝獲得。當然，該基底100及該光波導200並不限於本實施方式，在其他實施方式中可以採用其他材料及其他工藝得到。
本實施方式中，該第一側面120與該第二側面130也垂直連接，該第一分支210平行於該第二側面130設置，而該第二分支220平行於該第一側面120設置，也即是說，該第二分支220與該第一分支垂直連接。
該第一雷射器300及該第二雷射器400可採用分散式回饋雷射器(distributed feedback laser,DFB)，其屬於側面發射的半導體雷射器，可以通過晶片焊接(die bond)方式將發光的側面分別直接焊接到該第一側面120及該第二側面130上。當然，該第一雷射器300及該第二雷射器400也可以採用其他類型雷射光源，並通過其他方式設置。該第一雷射器300與該第二雷射器400的功率大致相同。
本實施方式中，該第一雷射器300為紅色雷射器，該第一雷射310為紅色雷射(波長650nm左右)，該第二雷射器400為藍色雷射器，該第二雷射410為藍色雷射(波長450nm左右)。當然，在其他實施方式中也可採用其他波長的雷射器以產生對應波長的雷射。
該第一布拉格光柵500可以通過黃光蝕刻工藝得到，並形成有多個第一縫隙510及該多個第一縫隙510間隔開的多個第一介質條520(即該光波導200的條狀部分)。
根據布拉格光柵反射原理可知：2 * Λ * sin θ=Iλ
其中，Λ為光柵常數，θ為入射光線布拉格光柵之間的夾角， I為係數，λ為入射光線的波長。
可以通過設置該多條第一縫隙510的寬度(即光柵常數)及角度(決定入射光線布拉格光柵之間的夾角)，便可使該第一布拉格光柵500將該第二雷射410反射入該第一分支210。具體的，本實施方式中，該多條第一縫隙510與該第二分支220之間的夾角為45度。
優選地，本實施方式中，該光波導200還包括一與該第一分支210連接的第三分支230，該第三分支230與該第一分支210垂直連接，並在該第二側面130或其他合適的側面上形成有一第三入口232。該合成雷射源10還包括一與該第三入口232連接的第三雷射器600及一形成於該第一分支210與該第三分支230連接處的第二布拉格光柵700。該第三雷射器600通過該第三入口232向該第三分支230產生一第三雷射610。該第二布拉格光柵700用於將該第三雷射610反射入該第一分支210以與該第一雷射310及該第二雷射410合成。
該第三雷射器600採用分散式回饋雷射器及通過晶片焊接(die bond)方式將發光的側面分別直接焊接到該第二側面130上或其他 合適的側面上。該第三雷射器600可直接採用綠色雷射器。優選的，本實施方式中，該第三雷射器600為紅外雷射器(1050nm)，用於發射一第四雷射620。該第三分支230形成有週期極化鈮酸鋰結構(periodically poled lithium niobate,PPLN)234。如此，利用該週期極化鈮酸鋰結構234的倍頻效應(second-harmonic generation)將該第四雷射620轉化成該第三雷射610。該第三雷射610的波長為該第四雷射620的一半，即525nm，即為綠色雷射。該第三雷射610的功率為該第四雷射620的兩倍。因此，該第三雷射器600的功率為該第一雷射器300或該第二雷射器400的一半，以使該第三雷射610的功率與該第一雷射310及該第二雷射410相同。當然，該第三雷射器600並不限於本實施方式，可以配合該第一雷射器300及該第二雷射器400的工作波長及功率採用其他合適的雷射器以實現既定的雷射合成目的。
該第二布拉格光柵700結構與該第一布拉格光柵500類似，具有多條第二縫隙710及該多個第二縫隙710間隔開的多個第二介質條720(即該光波導200的條狀部分)。可以通過設置該多條第二縫隙710的寬度(即光柵常數)及角度(決定入射光線布拉格光柵之間的夾角)，便可使該第二布拉格光柵700將該第三雷射610反射入該第一分支210。
10‧‧‧合成雷射源
100‧‧‧基底
110‧‧‧頂面
120‧‧‧第一側面
130‧‧‧第二側面
200‧‧‧光波導
210‧‧‧第一分支
212‧‧‧第一入口
220‧‧‧第二分支
222‧‧‧第二入口
230‧‧‧第三分支
232‧‧‧第三入口
234‧‧‧週期極化鈮酸鋰結構
300‧‧‧第一雷射器
310‧‧‧第一雷射
400‧‧‧第二雷射器
410‧‧‧第二雷射
500‧‧‧第一布拉格光柵
510‧‧‧第一縫隙
520‧‧‧第一介質條
600‧‧‧第三雷射器
610‧‧‧第三雷射
620‧‧‧第四雷射
700‧‧‧第二布拉格光柵
710‧‧‧第二縫隙
720‧‧‧第二介質條

Claims (10)

  1. 一種雷射合成系統，其包括一基底、一光波導及一布拉格光柵；該基底包括一頂面；該光波導自該頂面向該基底內部擴散形成，並包括一用於傳輸一第一波長雷射的第一分支及一與該第一分支連接且用於傳輸一第二波長雷射的第二分支；該布拉格光柵通過蝕刻該光波導而形成於該第一分支與該第二分支連接處，並用於將該第二波長雷射反射入該第一分支。
  2. 如請求項1所述的雷射合成系統，其中，該基底採用鈮酸鋰晶體。
  3. 如請求項2所述的雷射合成系統，其中，該光波導通過在該基底高溫擴散金屬鈦而形成。
  4. 如請求項1所述的雷射合成系統，其中，該第一布拉格光柵通過黃光蝕刻工藝得到。
  5. 如請求項1所述的雷射合成系統，其中，該第一布拉格光柵形成有多個第一縫隙及該多個第一縫隙間隔開的多個第一介質條，該第一分支垂直於該第二分支，該第二分支與該第一縫隙之間的夾角為45度。
  6. 如請求項1所述的雷射合成系統，其中，該第一雷射器及該第二雷射器功率相同。
  7. 一種合成雷射源，其包括如請求項1-5任一項所述的雷射合成系統、一第一雷射器及一第二雷射器；該基底還包括與該頂面垂直連接一第一側面及一第二側面；該第一分支在該第一側面形成一第一入口，該第二分支在該第二側面形成一第二入口；該第一雷射器與該第一入口連接，並通過該第一入口向該第一分支發射該第一雷射；該第二雷射器與該第二入口連接，並通過該第二入口向該第二分支發射該第二雷射。
  8. 如請求項7所述的合成雷射源，其中，該光波導還包括一與該第一分支連接的第三分支，該第三分支在該第二側面上形成有一第三入口；該合成雷射源還包括一與該第三入口連接的第三雷射器及一形成於該第一分支與該第三分支連接處的第二布拉格光柵；該第三雷射器通過該第三入口向該第三分支產生一第三雷射；該第二布拉格光柵用於將該第三雷射反射入該第一分支以與該第一雷射及該第二雷射合成。
  9. 如請求項8所述的合成雷射源，其中，該第三雷射器為紅外雷射器，用於發射一第四雷射；該第三分支形成有週期極化鈮酸鋰結構；該第三雷射器的功率為該第一雷射器或該第二雷射器的一半。
  10. 如請求項8所述的合成雷射源，其中，該第一雷射、該第二雷射及該第三雷射為紅色雷射、藍色雷射及綠色雷射。
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