釹鎂共摻鈮-鉭酸鋰晶體的激光特性及其在激光顯示中的應用研究.pdf

1、近十年來，利用激光實現(xiàn)大色域投影顯示引起科學界和產(chǎn)業(yè)界的極大關注，是當前一個十分活躍的研究領域。激光光源是激光顯示的核心技術，當前研究的焦點在于如何實現(xiàn)高電光轉(zhuǎn)換效率、高可靠性、成本低的紅綠藍三基色激光器和如何抑制激光相干散斑效應，實現(xiàn)激光顯示的產(chǎn)業(yè)化。目前，紅藍半導體激光器關鍵技術已經(jīng)獲得突破并商業(yè)化?，F(xiàn)在綠光激光器主要采用的是利用非線性晶體(KTP, LBO，PPLN)倍頻得到的。這種激光器具有效率高、功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，但是由

2、于這種激光器產(chǎn)生的激光具有很好的單色性和相干性，容易在屏幕上形成耀眼的相干散斑，降低了顯示圖像畫質(zhì)，引起觀看者的視覺疲勞。2012年，日亞公司報道了1.1W綠光半導體激光器，但依然存在可靠性和成本方面的問題，遠沒有達到商業(yè)化要求。如何獲得高效率、高亮度、低相干性綠光激光器已經(jīng)成為國際上激光顯示領域的重大課題。
　　實驗研究發(fā)現(xiàn)，采用寬線寬、多波長的激光器能夠有效地抑制散斑。通過后期處理將激光器的線寬擴展到3nm后，散斑將有明顯的下

3、降。本課題組近期發(fā)現(xiàn)，釹鎂共摻的鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體具有非常優(yōu)異的激光特性，包括寬的熒光譜帶，較大的吸收截面和激光發(fā)射截面，可以實現(xiàn)大功率雙波長、寬譜帶近紅外激光輸出。進一步發(fā)展，采用周期極化結(jié)構(gòu)的Nd∶Mg∶LiNbO3晶體，可以實現(xiàn)倍頻、和頻等多個非線性過程級聯(lián)耦合，有望獲得激光線寬大于5nm的綠光激光。如此大的綠光線寬在抑制激光散斑等方面具有其它晶體無法相比的優(yōu)勢。隨著外加電場極化和生長條紋技術制備周期極化鈮酸鋰(Periodica

4、lly Poled Lithium Niobate，PPLN)晶體的發(fā)展，近年來周期極化共摻Nd∶Mg∶LiNbO3晶體的自倍頻綠光、和頻紅光和光學參量振蕩都有報道。采用外加電場極化法制備的周期極化Nd∶Mg∶LiNbO3晶體有潛力實現(xiàn)高效率的激光輸出。
　　為了為激光顯示提供穩(wěn)定可靠、有助于減弱散斑的綠光光源，本論文主要開展了以下工作:
　　1、研究外加電場特性對鈮酸鋰周期極化性能的影響:使用外加電場法制備了周期極化鈮酸鋰

5、晶體，發(fā)現(xiàn)使用單一的脈沖電壓，獲得的晶體的疇結(jié)構(gòu)不能極化完全，而且靠近+Z面的鐵電疇發(fā)生了嚴重的合并，影響了晶體的非線性頻率轉(zhuǎn)換效率;施加反向電壓后，利用極化反轉(zhuǎn)過程中的自發(fā)反向極化，可以有效的抑制+Z面的合并，得到周期性的疇結(jié)構(gòu);進而改進極化電壓波形，使用短脈沖串來進行極化反轉(zhuǎn)，不止抑制了+Z面的鐵電疇的合并，而且極大地增加鐵電疇的貫穿厚度，最后得到了周期是6.97μm、極化反轉(zhuǎn)深度大于0.9mm、占空比接近于50％的PPLN晶體，為

6、基于準相位匹配的固體激光器提供了品質(zhì)優(yōu)良的非線性晶體。
　　2、研究了PPLN晶體的紅外非線性光學特性:采用周期為6.97μm、尺寸為10 mm×5 mm×1 mm(a×b×c)的PPLN晶體，進行了單通倍頻實驗。泵浦光是重頻為10 kHz、脈沖寬度是84 ns的1064 nm聲光調(diào)Q Nd∶YVO4激光。測得隨著泵浦功率的升高，晶體的最佳工作溫度向著低溫方向偏移，溫度帶寬大約是2℃，獲得了最高44.05％的非線性轉(zhuǎn)換效率。分析了

7、影響轉(zhuǎn)換效率的因素，發(fā)現(xiàn)對于特定長度的非線性晶體，其轉(zhuǎn)換效率隨功率密度的增加并不呈簡單地增加趨勢。利用具有三個周期(28.5μm、29μm、29.5μm)結(jié)構(gòu)的PPLN晶體進行光參量振蕩實驗，得到了具有3822.05 nm、4001.46 nm、4159.95 nm三個波長的中紅外激光輸出。
　　3、研究了共摻晶體Nd∶Mg∶LiNbO3的光學性質(zhì)，分析了其不同的偏振特性:對于σ偏振，其吸收光譜的中心是809 nm，發(fā)射具有五個獨

8、立的發(fā)射峰，且強度相當;對于π偏振，其吸收光譜的中心是813 nm，雖然具有三個獨立的發(fā)射峰，但是在1083.64 nm處的發(fā)射峰明顯強于其他兩個，暗示著晶體在不同方向具有不同的激光運轉(zhuǎn)特性;其熒光壽命為107.64μs，適合用來作為激光活性介質(zhì);使用LASCAD軟件對其在激光運轉(zhuǎn)時的熱學、力學等特性進行了分析，模擬出了其熱透鏡焦距;使用c切Nd∶Mg∶LiNbO3晶體，得到了最高輸出功率為1.97W的雙波長激光輸出，激光波長是1077

9、.5 nm和1093.6 nm;使用a切Nd∶Mg∶ LiNbO3晶體，得到了最高輸出功率為1.24W的單波長激光輸出，激光波長是1084.7nm。使用c切Nd∶Mg∶LiTaO3晶體，得到了最高輸出功率為2.7W的雙波長激光輸出，激光波長是1076nm和1092nm。多波長激光器，其經(jīng)過多個非線性過程后，可以獲得多波長的綠光或者近紅外-中紅外激光輸出，在激光顯示、光電對抗等領域有著重要的應用。
　　4、設計了Nd、Mg共摻鉭酸鋰

10、與PPLN結(jié)合的激光器，研究了其激光特性:采用腔內(nèi)倍頻的方法，以Nd∶Mg∶LiTaO3為激光晶體，多周期的PPLN晶體為非線性晶體，獲得了多波長、寬譜帶的綠光激光;從高斯光束傳輸?shù)腁BCD矩陣出發(fā)，計算了在不同諧振腔參數(shù)下腔內(nèi)的光束半徑，得到了最佳的諧振腔參數(shù);采用具有三個周期（7.55μm、7.38μm和7.22μm）結(jié)構(gòu)的PPLN晶體，得到了最高輸出功率是62 mW的三波長綠光激光輸出，激光波長是538 nm、542 nm和546

11、 nm。對532 nm、546 nm、538 nm和三波長綠光激光的散斑對比度進行了測量，其散斑對比度分別為13.41％、5.16％、5.2％和3.38％。三波長綠色激光的散斑對比度只有532 nm單波長綠光的1/4，證明少量的寬譜帶綠光與主波長激光混合可以有效地減弱激光散斑，為激光散斑的消除提供了可靠的解決方案。
　　6、研究了周期極化Nd、Mg共摻鈮酸鋰晶體的極化特性，首次制備了基于周期極化自倍頻激光器:制備了周期極化的Nd∶

12、Mg∶LiNbO3晶體;在極化反轉(zhuǎn)的過程中發(fā)現(xiàn)，其極化電壓相比于Mg∶LiNbO3略有升高，晶體+Z傾向于形成許多鏈狀疇核點，通過施加負向電壓、采用多脈沖串的形式，可以抑制疇核的擴張，增加獲得的周期性疇結(jié)構(gòu)的厚度;制備了周期為7.41μm，尺寸為16 mm×5 mm×1mm（a×b×c）的PPNdMgLN晶體，并采用腔內(nèi)倍頻的方式進行了自倍頻實驗，獲得了80 mW的自倍頻綠光，激光波長是542 nm。這是國際上首次采用外加電場極化法制備