ЛАЗЕР Российский патент 2016 года по МПК H01S3/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к лазеру для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне. Изобретение дополнительно относится к соответствующему лазерному способу и осветительному прибору, содержащему лазер.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В статье «Diode Pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser», A Richter et al., Optics Letters, vol.29, № 22, pp.2638-2640, November 15, 2004, описан лазер, содержащий Pr:YLF в качестве материала линейного преобразования для преобразования голубого излучения в зеленое лазерное излучение с длиной волны в 523 нм. Pr:YLF имеет узкую полосу поглощения, меньше 1 нм, и для накачки этого материала линейного преобразования должно использоваться голубое световое излучение накачки, имеющее длину волны в пределах этой узкой полосы поглощения. Источники светового излучения накачки в общем не могут производиться с такой высокой точностью длины волны. Таким образом, после того как некоторое количество источников светового излучения накачки произведено, следует проверить, какие из этих источников светового излучения накачки обеспечивают голубое световое излучение накачки в пределах узкой полосы поглощения Pr:YLF, и эти источники светового излучения накачки выбираются для сборки лазера. Только относительно небольшое количество источников светового излучения накачки может по этой причине использоваться для сборки лазера.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечить лазер для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, при этом требования к точности длины волны светового излучения накачки могут быть снижены. Дополнительной целью изобретения является обеспечение соответствующего лазерного способа и осветительного прибора, в частности лазерного проектора, содержащего лазер.

В первом аспекте настоящего изобретения представлен лазер для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, при этом лазер содержит:

- лазерный резонатор,

- анизотропный кристалл, легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход, при этом кристалл расположен внутри лазерного резонатора,

- источник светового излучения накачки для накачки кристалла посредством освещения кристалла световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода.

5d-4f переход анизотропного кристалла, легированного редкоземельными элементами, содержит полосу поглощения, продолжающуюся на несколько нм. Таким образом, может использоваться световое излучение накачки, имеющее длину волны в пределах относительно широкого диапазона длин волн. Это снижает требования в отношении точности длины волны источника светового излучения накачки. Например, для накачки анизотропного кристалла, легированного редкоземельными элементами, содержащего 5d-4f переход, могут использоваться голубые лазерные диоды, содержащие длину волны, определяемую с точностью примерно 10 нм.

Полоса поглощения анизотропного кристалла, легированного редкоземельными элементами, предпочтительно имеет ширину 5 нм или больше, предпочтительнее 10 нм или больше, еще более предпочтительно 30 нм или больше, а также может иметь ширину 50 нм или больше.

5d-4f переход является предпочтительно 4f^n-¹ 5d¹-4fⁿ переходом.

Предпочтительно, кристалл и источник светового излучения накачки выполнены так, что генерированное лазерное излучение находится в пределах зеленого диапазона длин волн. Лазер, излучающий в зеленом диапазоне длин волн, может использоваться в нескольких приложениях. Например, известно, что мощные красные и голубые полупроводниковые лазеры могут использоваться в целях цифрового проецирования. Если кристалл и источник светового излучения накачки выполнены так, что генерированное лазерное излучение находится в пределах зеленого диапазона длин волн, лазер может формировать источник лазерного излучения RGB совместно с мощными красным и голубым полупроводниковыми лазерами, которые могут использоваться, например, в целях цифрового проецирования.

Также предпочтительно, кристалл выполнен так, что содержит особую ось индикатрисы. При этом сумма сечения вынужденного излучения в видимом диапазоне длин волн на 5d-4f переходе редкоземельного легирующего элемента в отношении особой оси индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в том же видимом диапазоне длин волн в отношении той же особой оси индикатрисы положительна, при этом сечение вынужденного излучения обозначено положительным знаком, а сечение поглощения из возбужденного состояния обозначено отрицательным знаком. Сечение вынужденного излучения 5d-4f перехода и поглощения из возбужденного состояния в отношении оси индикатрисы являются предпочтительно сечениями, в которых вектор электрического поля вынужденного излучаемого света и/или поглощенного света из возбужденного состояния параллелен оси индикатрисы. Сечение 5d-4f перехода предпочтительно является сечением излучения 4f^n-¹ 5d¹-4fⁿ перехода, а сечение поглощения из возбужденного состояния - предпочтительно сечением от самой низкой полосы 5d, то есть от начального состояния, до состояний, отличных от основного состояния 4fⁿ.

Также предпочтительно, что лазерный резонатор содержит ось резонатора, при этом особая ось индикатрисы не параллельна оси резонатора. В частности, особая ось индикатрисы может быть ортогональна оси резонатора. Путем ориентации кристалла в отношении оси резонатора так, что особая ось индикатрисы не параллельна, в частности, ортогональна оси резонатора, может быть обеспечен высокоэффективный лазер, который генерирует лазерное излучение в видимом спектральном диапазоне.

В варианте осуществления световое излучение накачки освещает кристалл в направлении накачки, не параллельном, в частности, ортогональном оси резонатора. Таким образом, лазер может накачиваться в поперечном направлении. Однако в других вариантах осуществления лазер также может накачиваться в продольном направлении.

Световое излучение накачки может быть поляризовано. Путем использования поляризованного светового излучения накачки лазер может быть эффективно улучшен. Однако лазер также может управляться путем использования неполяризованного светового излучения накачки.

Предпочтительно, кристалл содержит ромбическую кристаллическую структуру. Также предпочтительно, кристалл содержит кристаллическую систему, обозначенную Schönflies обозначением «D2h». В варианте осуществления кристалл содержит кристаллическую структуру пространственной группы «P n m a (62)». Кристалл предпочтительно имеет кристаллическую структуру структурного типа CaFe₂O₄. Эти кристаллические структуры анизотропны и могут приводить к сильному полю кристалла вдоль по меньшей мере одной особой оси индикатрисы кристалла. Сильное поле кристалла предпочтительно модифицирует сечения, в частности, увеличивает сечение 5d-4f перехода и/или уменьшает сечение поглощения из возбужденного состояния кристалла. Это увеличивает эффективность лазера.

Также предпочтительно, что кристалл легирован церием. Более того, легирующий элемент может быть включен в кристалл в двухвалентном положении, и легирующий элемент, включенный в кристалл, предпочтительно трехвалентный. Встраивание легирующего элемента, в частности церия, в двухвалентном положении снижает вероятность формирования четырехвалентного церия и перехода с переносом заряда. Путем встраивания легирующего элемента, в частности церия, как трехвалентного элемента может быть обеспечен относительно эффективный 5d-4f переход для генерации лазерного излучения в видимом спектре.

Предпочтительно, кристаллом является CaSc₂O₄. Кристалл содержит относительно сильное внутрикристаллическое поле, которое может увеличить сечение 5d-4f перехода и/или уменьшить сечение поглощения из возбужденного состояния по меньшей мере вдоль одной оси индикатрисы кристалла. Это дополнительно повышает эффективность лазера.

Предпочтительно, кристалл изготавливается путем использования плавки, содержащей 45-75 моль.% (мольных процентов) CaO, 25-55 моль.% Sc₂O₃ и 0-40 моль.% легирующего элемента. Легирующий элемент - предпочтительно церий. Кристалл CaSc₂O₄ может быть легирован, например, до 40 моль.%, например церием.

Предпочтительно, источник светового излучения накачки приспособлен испускать голубое световое излучение накачки. Предпочтительно, голубое световое излучение накачки находится в диапазоне длин волн между 380 и 480 нм.

Голубое световое излучение накачки позволяет возбуждать 4f-5d переход очень эффективно, повышая, таким образом, эффективность лазера. Кроме того, если лазер приспособлен для использования в качестве лазерного проектора, первая часть голубого светового излучения накачки может использоваться для накачки кристалла, а вторая часть голубого светового излучения накачки может применяться в целях проецирования. Таким образом, голубое световое излучение накачки может осуществлять две функции: накачка кристалла и проецирование информации в зоне проецирования.

В одном аспекте настоящего изобретения представлен осветительный прибор, содержащий лазер, как определено в п.1 формулы изобретения.

Осветительный прибор предпочтительно содержит по меньшей мере один дополнительный источник света для генерации дополнительного светового излучения, отличного от лазерного излучения, при этом осветительный прибор приспособлен, чтобы смешивать лазерное излучение с дополнительным световым излучением для генерации смешанного светового излучения.

Осветительный прибор предпочтительно является лазерным проектором. По меньшей мере один дополнительный источник светового излучения предпочтительно приспособлен испускать красное световое излучение. Смешанное световое излучение может быть белым, при этом белое световое излучение может быть смесью зеленого лазерного излучения, красного лазерного излучения и голубого лазерного излучения. Голубое лазерное излучение может быть частью светового излучения накачки или светового излучения дополнительного источника светового излучения.

В другом аспекте настоящего изобретения представлен лазерный способ для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, при этом лазерный способ содержит:

- обеспечение анизотропного кристалла, легированного редкоземельными элементами, содержащего 5d-4f переход в лазерном резонаторе;

- накачку кристалла посредством освещения кристалла световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода.

Следует понимать, что лазер по п.1 формулы, осветительный прибор по п.12 формулы и лазерный способ по п.14 формулы имеют сходные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, в частности, как определено в зависимых пунктах формулы изобретения.

Понятно, что предпочтительный вариант осуществления изобретения может также быть любой комбинацией зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.

Эти и другие аспекты изобретения будут ясны из вариантов осуществления, описанных ниже, и растолкованы со ссылкой на них.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На следующих чертежах:

Фиг.1 примерно и схематично демонстрирует вариант осуществления лазера для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне;

Фиг.2 примерно и схематично демонстрирует элементную диаграмму анизотропного кристалла, легированного церием;

Фиг.3 примерно демонстрирует три разностных спектра, которые соотносятся с тремя осями индикатрисы кристалла.

Фиг.4 примерно и схематично демонстрирует дополнительный вариант осуществления лазера для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне;

Фиг.5 примерно и схематично демонстрирует вариант осуществления осветительного прибора, и

Фиг.6 демонстрирует блок-схему последовательности операций, примерно иллюстрирующую вариант осуществления лазерный способ для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 примерно и схематично демонстрирует вариант осуществления лазера для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне. Лазер 1 содержит анизотропный кристалл 2, легированный редкоземельными элементами с 5d-4f переходом, и источник 3 светового излучения накачки для накачки кристалла 2 посредством освещения кристалла 2 световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода. Световое излучение накачки может быть приспособлено для соединения с кристаллом 2 посредством оптики 6 накачки. Оптика 6 накачки может быть оптикой, которая, в общем, используется для накачки кристалла и, например, коллимирует, формирует и/или фокусирует световое излучение накачки.

Кристалл 2 расположен между зеркалом 7 резонатора и выходным зеркалом 8 для формирования резонатора, имеющего ось 21 резонатора. Зеркало 7 резонатора является в высокой степени пропускающим для светового излучения накачки и в высокой степени отражающим для лазерного излучения, и выходное зеркало 8 является частично отражающим для лазерного излучения 4, чтобы допускать то, что часть лазерного излучения покидает резонатор.

Кристалл 2 и источник 3 светового излучения накачки сконфигурированы так, что генерированное лазерное излучение находится в пределах видимого диапазона длин волн, более предпочтительно - в пределах зеленого диапазона длин волн. Кристалл 2 предпочтительно имеет ромбическую кристаллическую структуру. Также предпочтительно, кристалл 2 содержит кристаллическую структуру, обозначенную Schönflies-обозначением «D2h». В варианте осуществления кристалл 2 содержит кристаллическую структуру пространственной группы «P n m a (62)». Также предпочтительно, что кристалл 2 содержит кристаллическую структуру структурного типа CaFe₂O₄. В этом варианте осуществления кристалл 2 - CaSc₂O₄, легированный церием. Церий предпочтительно трехвалентно включен в двухвалентном положении кристалла 2.

Кристалл 2 выполнен так, что содержит особую ось 22 индикатрисы. При этом сумма сечения вынужденного излучения на 5d-4f переходе церия в отношении особой оси 22 индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в отношении той же особой оси 22 индикатрисы положительна. Сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, а сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком. Кристалл 2 ориентирован в отношении оси 21 резонатора так, что особая ось 22 индикатрисы не параллельна оси 21 резонатора. В варианте осуществления особая ось 22 индикатрисы ортогональна оси 21 резонатора.

Источник 3 светового излучения накачки приспособлен испускать голубое световое излучение накачки, в частности, голубое световое излучение накачки в диапазоне длин волн между 380 и 480 нм. В этом варианте осуществления источником 3 светового излучения накачки является полупроводниковый лазер с оптической накачкой, имеющий длину волны накачки 479,5 нм.

Фиг.2 примерно и схематично демонстрирует элементную диаграмму кристалла 2, легированного трехвалентным церием (Ce³⁺). Элементная диаграмма демонстрирует 4f энергетические уровни иона церия, два нижних 5d энергетических уровня, энергетически расширенные, зону проводимости СВ и валентную зону VB. Кроме того, элементная диаграмма демонстрирует поглощение из основного состояния (GSA), вынужденное излучение (SE), используемое для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, и поглощение из возбужденного состояния (ESA).

Путем накачки кристалла 2 световым излучением накачки заполняется нижний 5d уровень. Поскольку кристалл содержит особую ось 22 индикатрисы, которая не параллельна оси 21 резонатора, сечение ESA меньше сечения SE, и лазерное излучение эффективно генерируется.

Фиг.3 примерно и схематично демонстрирует три разностных спектра 10, 11, 12 кристалла 2. Спектры 10, 11, 12 обусловлены вынужденным излучением на 5d-4f переходе (положительные значения) и поглощением из возбужденного состояния (отрицательные значения). Разностные спектры 10, 11, 12 определяются путем вычитания спектра, измеренного без накачки кристалла 2, из спектра, измеренного при накачке кристалла 2, при этом разностные спектры 10, 11, 12 соотносятся с различными осями индикатрисы кристалла. Кристалл 2 накачивается с мощностью 270 МВт путем использования полупроводникового лазера с оптической накачкой, имеющего длину волны 479,5 нм. Таким образом, разностный спектр для определенной оси индикатрисы определяется путем вычисления разности между первым спектром светового излучения, поляризованного параллельно определенной оси индикатрисы, который измеряется при накачке кристалла 2 с помощью полупроводникового лазера с оптической накачкой, и вторым спектром светового излучения, поляризованного параллельно определенной оси индикатрисы, который измеряется без накачки кристалла 2 полупроводниковым лазером с оптической накачкой. Для измерения поглощения из первого возбужденного состояния, то есть с самого низкого энергетического уровня энергетической зоны 5d, световое излучение широкополосной излучающей ксеноновой лампы с полной мощностью 450 Вт направляется на кристалл 2 так, чтобы световое излучение накачки полупроводникового лазера с оптической накачкой и световое излучение ксеноновой лампы освещали кристалл 2 с противоположных сторон. Световое излучение, имеющее длину волны меньше 475 нм, отфильтровывается. Следует отметить, что ксеноновая лампа, конечно, используется только для определения спектров 10, 11, 12, но не для генерации лазерного излучения.

Спектр 10 имеет положительные значения диапазона длин волн примерно от 490 до 580 нм. Таким образом, лазерное излучение, которое поляризовано параллельно оси индикатрисы, соответствующей спектру 10, может быть генерировано в диапазоне длин волн между 490 и 580 нм.

В варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг.1, кристалл 2 накачивается в продольном направлении. Однако кристалл также может накачиваться в другом направлении. Например, кристалл может накачиваться в поперечном направлении, как примерно и схематично показано на фиг.4.

Лазер 201, показанный на фиг.4, содержит анизотропный кристалл 202, легированный редкоземельными элементами с 5d-4f переходом, который может быть сходным с кристаллом 3, описанным выше со ссылкой на фиг.1. Лазер 201 содержит источник 203 светового излучения накачки для накачки кристалла 202 посредством освещения кристалла 202 световым излучением 204 накачки вдоль направления 224 накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода. Источник 203 светового излучения накачки может быть сходным с источником 3 светового излучения накачки, описанным выше со ссылкой на фиг.1.

Кристалл 202 расположен между зеркалом 207 резонатора и выходным зеркалом 208 для формирования резонатора, имеющего ось 221 резонатора. Зеркало 207 резонатора является в высокой степени отражающим лазерное излучение, а выходное зеркало 8 - частично отражающим по отношению к лазерному излучению, допуская, чтобы часть лазерного излучения покидала резонатор. Также в этом варианте осуществления кристалл 202 содержит особую ось 222 индикатрисы, при этом сумма сечения вынужденного излучения на 5d-4f переходе церия в отношении особой оси 222 индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в отношении той же особой оси 222 индикатрисы положительна. При этом сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, а сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком.

Особая ось 222 индикатрисы не параллельна и может быть ортогональна оси 221 резонатора. Направление 224 накачки ортогонально оси 221 резонатора. Направление 224 накачки может также образовывать другой угол с осью 221 резонатора, например, угол в 45 градусов.

Лазер 201 дополнительно содержит оптику 206 накачки для приспособления светового излучения 204 накачки известным образом, например, для коллимации, формирования и/или фокусировки светового излучения 204 накачки.

Кристалл 2 был выращен путем использования метода Чохральского и с использованием расплава, содержащего CaO, Sc₂O₃ и церий, при этом 0,5 моль.% двухвалентных ионов кальция была заменена в расплаве ионами церия.

Фиг.5 примерно и схематично демонстрирует вариант осуществления осветительного прибора, содержащего лазер 1. Осветительный прибор 20 представляет собой лазерный проектор, содержащий первый лазер 13 для испускания голубого светового излучения, второй лазер 1 для испускания зеленого светового излучения, являющийся лазером, описанным выше со ссылкой на фиг.1, и третий лазер 14 для испускания красного светового излучения. Осветительный прибор 20 дополнительно содержит первое зеркало 15, являющееся в высокой степени пропускающим для голубого светового излучения и в высокой степени отражающим зеленое и красное световое излучение, и второе зеркало 16, являющееся в высокой степени пропускающим для красного светового излучения и в высокой степени отражающим зеленое световое излучение, и третье зеркало 17, являющееся в высокой степени отражающим красное световое излучение. Зеркала 15, 16, 17 используются для смешивания голубого светового излучения, зеленого светового излучения и красного светового излучения, испускаемых лазерами 13, 1, 14. Смешанное световое излучение направлено на регулируемую проекционную головку 18 для генерации проекционного лазерного излучения 19. Проекционное лазерное излучение 19 содержит информацию, которая подлежит проецированию в зоне проецирования на, к примеру, стене комнаты, при этом проекционное лазерное излучение 19 направлено на зону проецирования для демонстрации информации.

Осветительный прибор 20 дополнительно содержит блок 23 управления для управления первым лазером 13, вторым лазером 1, третьим лазером 14 и регулируемой проекционной головкой 18, и блок 30 ввода, чтобы давать пользователю возможность вводить информацию, подлежащую проецированию в зоне проецирования. Блок 30 ввода является, например, устройством ввода видеосигнала, таким как DVD-плеер, в которое может быть вставлен носитель данных, содержащий видео. Контроллер 23 переводит видео в сигналы управления для модуляции интенсивности трех лазеров 13, 1 и 14 и для смещения проекционного лазерного излучения 19, чтобы оно двигалось по зоне проецирования для проецирования информации в зоне проецирования. Регулируемая проекционная головка предпочтительно содержит зеркала для перемещения проекционного лазерного излучения 19 так, что информация демонстрируется в зоне проецирования. Осветительный прибор 20, следовательно, предпочтительно использует технологию бегущего пятна. Однако другие технологии лазерной проекции также могут использоваться для проецирования информации в зоне проецирования. Например, могут применяться технологии лазерной проекции, которые задействуют элементы DMD, LCD или LCoS. Кроме того, накачиваемый в поперечном направлении лазер, как лазер, описанный выше со ссылкой на фиг.4, может использоваться как, например, зеленый лазер в осветительном приборе 20.

Лазеры 13, 1 и 14 излучают предпочтительно в голубой (430-450 нм), зеленой (510-550 нм) и красной (610-650 нм) областях спектра. Первый лазер 13, испускающий голубое световое излучение, и третий лазер 14, испускающий красное световое излучение, предпочтительно являются полупроводниковыми лазерами.

Интенсивность лазерного излучения первого лазера, второго лазера и/или третьего лазера может модулироваться с помощью внешнего модулятора или путем модуляции напрямую выходной мощности лазеров.

Фиг.6 демонстрирует блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую вариант осуществления способа лазера для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне. На этапе 101 обеспечивается анизотропный кристалл 2, легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход, и на этапе 102 кристалл 2 накачивается посредством освещения кристалла 2 световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода.

Лазер 1 предпочтительно основан на принципе линейного преобразования частоты испускающего голубое световое излучение лазерного диода, являющегося источником светового излучения накачки. По сравнению с генерацией зеленого светового излучения путем использования генерации второй гармоники или преобразования с повышением частоты, это гораздо более простой подход, поскольку только линейные процессы поглощения и эмиссии способствуют преобразованию частоты.

Упомянутая выше статья А. Richter et al. описывает лазер, содержащий Pr:YLF в качестве материала линейного преобразования для преобразования голубого лазерного излучения в зеленое лазерное излучение с длиной волны в 523 нм. Однако Pr:YLF имеет, как уже было упомянуто выше, относительно небольшую полосу поглощения, относительно низкие коэффициенты поглощения, относительно небольшую полосу испускания и относительно длительное время установления. В противоположность этому, кристаллы, используемые лазерами, описанными выше со ссылкой на фиг.1 и фиг.4, предпочтительно содержат большую полосу поглощения, большие коэффициенты поглощения, большую полосу испускания и меньшее время установления.

Переход лазера в Pr:YLF лазере представляет собой 4f внутризонный переход, запрещенный по четности. Чтобы получить большие сечения, которые способствуют уменьшению времени установления, лазеры 1 и 201 предпочтительно используют 5d-4f переход, разрешенный по четности, в сильном кристаллическом поле, вызванном ассиметрично распределенными вокруг легирующего элемента кристалла ионами кислорода. Кроме того, анизотропность вызывает лазерное усиление на 5d-4f переходе в видимой области спектра, при этом ESA легирующего элемента, в частности иона церия, зависит от поляризации лазерного излучения, при этом фотоны в пределах зеленой области спектра усиливаются по меньшей мере вдоль одной из кристаллографических осей. В некоторых кристаллах церий излучает в ультрафиолетовой области спектра. Однако путем использования кристалла, имеющего относительно сильное поле кристалла, получается излучение в видимой области спектра. В качестве примера такого легированного церием анизотропного кристалла с сильным полем кристаллическим полем подходящим материалом будет Ce³⁺:CaSc₂O₄.

В силу относительно большого поглощения кристалла, он может накачиваться в поперечном направлении с помощью светового излучения накачки от источника светового излучения накачки. Кроме того, ввиду широкой полосы испускания, лазер может быть приспособлен таким образом, чтобы длина волны излучения лазера могла варьироваться. Это может быть полезным для спектроскопических приложений.

Предпочтительно, чтобы ионы церия были включены на двухвалентной стороне, чтобы предотвратить формирование трехвалентного церия и снизить вероятность перехода с переносом заряда. Однако церий может также быть включен в анизотропный кристалл на трехвалентной стороне.

Хотя в описанном выше варианте осуществления легированный кристалл CaSc₂O₄, в других вариантах осуществления для генерации лазерного излучения в видимой области спектра с помощью 5d-4f перехода могут использоваться другие анизотропные кристаллы, которые легированы другим легирующим элементом. Например, другие легированные оксиды могут применяться в качестве анизотропного кристалла, при этом легированные оксиды могут быть легированы церием или другим легирующим элементом. Ионы кислорода имеют, по сравнению, например, с фтором или хлором, относительно высокие поляризуемость и ковалентность. Из-за этих относительно высоких поляризуемости и ковалентности изменение центра тяжести 5d полосы, представленной в анизотропном кристалле, может сместить 5d-4f переход из ультрафиолетовой области спектра в видимую область спектра.

Также предпочтительно, чтобы анизотропный кристалл содержал ионы кислорода, которые ассиметрично распределяются вокруг легирующего элемента, в частности вокруг иона церия, то есть ассиметричные узлы кристаллической решетки предпочтительны для легирующего элемента. Ассиметричное распределение ионов кислорода может генерировать поле кристалла, достаточно сильное для того, чтобы расширить 5d полосы, что также может привести к смещению 5d-4f перехода из ультрафиолетовой области спектра в видимую область спектра. К примеру, ассиметричное распределение ионов кислорода может формировать деформированный куб или тетраэдр, чтобы генерировать поле кристалла, позволяющее лазеру генерировать лазерное излучение в видимой области спектра.

Вместо использования кристалла CaSc₂O₄, другой анизотропный легированный кристалл может применяться для генерации лазерного излучения в видимой области спектра. Например, может использоваться другой анизотропный легированный кристалл, имеющий структуру CaFe₂O₄, как CaY₁Sc₁O₄.

Хотя в описанном выше варианте осуществления полупроводниковый лазер с оптической накачкой, имеющий длину волны 479,5 нм, использовался в качестве источника светового излучения накачки, в других вариантах осуществления могут применяться другие источники светового излучения накачки, например, полупроводниковые лазерные диоды, излучающие на длине волны, например, 405 нм или 455 нм.

Хотя в описанном выше варианте осуществления со ссылкой на фиг.5 лазер используется как лазерный проектор, он может применяться и в виде других осветительных приборов, как блок волоконно-оптического освещения, точечный светильник и так далее.

Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть понятны специалистам в данной области техники и осуществлены ими при практической реализации заявленного изобретения на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и использование единственного числа не исключает множества.

Один блок или устройство может выполнять функции нескольких элементов, обозначенных в формуле изобретения. Просто факт того, что определенные меры приведены в отличных друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть успешно использована.

Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.

Изобретение относится к лазеру для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне. Анизотропный кристалл, легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход, размещается внутри лазерного резонатора, и источник светового излучения накачки накачивает кристалл для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода. 5d-4f переход анизотропного кристалла легированного редкоземельными элементами содержит полосу поглощения, продолжающуюся на несколько нм. Таким образом, может использоваться световое излучение накачки, имеющее длину волны в пределах относительно широкого диапазона длин волн. Это снижает требования в отношении точности длины волны источника светового излучения накачки, и, таким образом, больше источников светового излучения накачки из числа изготовленных источников светового излучения накачки может использоваться для сборки лазера, снижая, таким образом, долю брака.

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер для испускания излучения в видимом диапазоне содержит помещенный в резонатор анизотропный кристалл, легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход. Кристалл (2; 202) выполнен таким образом, что содержит особую ось индикатрисы. Сумма сечения вынужденного излучения в видимом диапазоне длин волн на 5d-4f переходе редкоземельного легирующего элемента в отношении особой оси индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в том же видимом диапазоне длин волн в отношении той же особой оси индикатрисы положительна, при этом сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, а сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком. Технический результат заключается в обеспечении возможности снижения требований к точности длины волны излучения накачки. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Лазер (1, 201) для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, содержащий:
- лазерный резонатор (7, 8; 207, 208), отличающийся тем, что содержит
- анизотропный кристалл (2; 202), легированный редкоземельными элементами, содержащий 5d-4f переход, причем кристалл расположен внутри лазерного резонатора (7, 8; 207, 208), при этом кристалл (2; 202) выполнен таким образом, что содержит особую ось (22; 222) индикатрисы, причем сумма сечения вынужденного излучения в видимом диапазоне длин волн на 5d-4f переходе редкоземельного легирующего элемента в отношении особой оси (22; 222) индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в том же видимом диапазоне длин волн в отношении той же особой оси (22; 222) индикатрисы положительна, при этом сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, и сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком;
- источник (3; 203) светового излучения накачки для накачки кристалла (2; 202) посредством освещения кристалла (2; 202) световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода.

2. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кристалл (2; 202) и источник (3; 203) светового излучения накачки выполнены таким образом, что генерируемое лазерное излучение находится в пределах зеленого диапазона длин волн.

3. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что лазерный резонатор (7, 8; 207, 208) содержит ось (21; 221) резонатора и при этом особая ось (22; 222) индикатрисы не параллельна оси (21; 221) резонатора.

4. Лазер по п. 3, отличающийся тем, что особая ось индикатрисы ортогональна оси резонатора.

5. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кристалл (2; 202) содержит ромбическую кристаллическую структуру.

6. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кристалл (2; 202) имеет кристаллическую структуру структурного типа CaFe₂O₄.

7. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кристалл (2; 202) легирован церием.

8. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что легирующий элемент включен в кристалл (2; 202) на двухвалентной стороне.

9. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что легирующий элемент, включенный в кристалл (2; 202), является трехвалентным.

10. Лазер по п. 1, отличающийся тем, что кристаллом (2; 202) является CaSc₂O₄.

11. Осветительный прибор, отличающийся тем, что содержит лазер (1; 201) по п. 1.

12. Осветительный прибор по п. 11, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере один дополнительный источник (13, 14) для генерации дополнительного светового излучения, отличного от лазерного излучения, при этом осветительный прибор (20) выполнен с возможностью смешивать лазерное излучение с этим дополнительным световым излучением для генерации смешанного светового излучения.

13. Лазерный способ для испускания лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне, отличающийся тем, что содержит:
- обеспечение анизотропного кристалла (2; 202), легированного редкоземельными элементами, содержащего 5d-4f переход, в лазерном резонаторе (7, 8; 207, 208), при этом кристалл (2; 202) выполнен таким образом, что содержит особую ось (22; 222) индикатрисы, причем сумма сечения вынужденного излучения в видимом диапазоне длин волн на 5d-4f переходе редкоземельного легирующего элемента в отношении особой оси (22; 222) индикатрисы и сечения поглощения из возбужденного состояния в том же видимом диапазоне длин волн в отношении той же особой оси (22; 222) индикатрисы положительна, при этом сечение вынужденного излучения отмечено положительным знаком, и сечение поглощения из возбужденного состояния отмечено отрицательным знаком;
- накачку кристалла (2; 202) посредством освещения кристалла световым излучением накачки для генерации лазерного излучения в видимом спектральном диапазоне путем использования 5d-4f перехода.