[发明专利]频率转换激光源中的脉冲模式调制

说明书

相关申请交叉参考

本申请要求2009年8月27日提交的美国专利申请第12/548958号的优先权。

技术领域

本发明涉及频率转换激光源，更具体涉及频率转换激光源。

背景技术

本发明一般涉及半导体激光器，这种激光器可以按照多种方式构造。作为举例说明而非限制，通过使半导体激光器的输出端与光波长转换装置的波导如二次谐波发生(SHG)晶体光学耦合，可以将短波长源构造成用于高速调制。通过将例如1060纳米DBR或DFB激光器调谐到将波长转换到530纳米的SHG晶体的光谱中心，可以将SHG晶体构造成产生基础激光信号的更高次谐波。但是，SHG晶体例如MgO掺杂的周期性极化的铌酸锂(PPLN)的波长转换效率高度依赖于基础激光信号的强度，所述基础激光信号可以例如由以下激光器产生：分布式反馈(DFB)激光器、分布式布拉格反射器(DBR)激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)或法布里珀罗(Fabry-Perot)激光器。

发明内容

作为举例而非限制，在扫描类激光投影系统中，上述频率转换激光源可以构造成低成本、紧凑型、高效率的绿光源。本发明的实施方式涉及优化频率转换绿光激光器中的电功率效率的特定方法，特别适用于系统的要求中规定采用较高调制频率的情况。例如，将这种激光器用于扫描投影源模块中时，对于使用扫描激光束的视频应用，通常需要在接近或超过40兆赫的频率下以至少30分贝的消光比对光功率进行调制。本发明的发明人已经认识到，在这些种类的系统中，转换效率随着基础激光信号的功率增大，对于采用SHG晶体进行波长转换的倍频光学封装件的情况，所述基础激光信号的功率是指红外激光器的功率。

对于显示器应用，所需的(绿光)输出强度根据图象内容变化，转换效率仅在高绿光输出水平最大化。对于便携式图象投影应用，一个关键参数是电池寿命，最直观地界定绿光激光源对电池寿命的影响的方式是考虑投影机在图象调制条件下的插座效率。由于简单的线性调制方案导致转换效率小于最佳转换效率，所以人们已经提出将脉冲宽度调制作为使红外到绿光转换效率最大化的一种机制。但是，许多应用要求调制率大于2GHz，这就要求激光信号中的脉冲非常窄。对于一些投影应用，投影像素可以短至10-30纳秒，对于普通应用，要求动态范围至少为20分贝。因此，对于这些应用中的脉冲宽度调制(PWM)方案，将要求最短脉冲持续时间为0.1-0.3纳秒。在一些应用中，还可能要求最大为30分贝的动态范围，这使得对动态范围的要求进一步提高，甚至要求10GHz的调制能力。

尽管领先的红外激光器具有令人印象深刻的调制能力，但是，产生如此高速的调制信号存在显著的电子学局限。具体来说，高强度种子激光器需要大电流来产生所需的输出水平，能满足这种高强度激光器的电流要求的现有开关电流驱动器的上升和下降时间为1-2纳秒，这是会严重限制紧凑型激光器的调制速度的一个因素。或者，为了实现高调制速度和消光比的组合，高速模拟电路通常需要高成本的部件以及设计和制造技术。考虑到这些实际限制因素，传统的PWM方案的缺点是降低图象分辨率或限制动态范围。作为以上讨论的可用驱动器技术和分辨率的局限性的例子，投影系统可能受限于100纳秒(20分贝动态范围)或40纳秒(若可接受的动态范围是16分贝)的像素。但是，为了在扫描应用中实现VGA品质的分辨率，通常需要产生25-35纳秒范围或更短的像素。

根据本发明的一些方面，提出了一种新颖的高速调制方案，解决了上述的一些或全部的设计问题，并且为基于非线性波长转换的合成绿光激光器具体优化了该方案。具体来说，描述了一种连续调制方案，该方案保留了基本PWM方案的大部分转换效率，同时符合采用功率效率较低的线性调制能实现的全动态范围的要求。本发明开发的调制方案的额外益处是，引入了无中断且可限定的强度-灰度关系函数。这种特征对于许多高品质显示器所要求的精确色彩平衡是特别适用的。