CN101682168A - 用调制的波长控制信号使激光发射波长与波长转换峰值对准 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一个实施方式，可编程光源包括一个或多个半导体激光器(10，110)、波长转换器件(20，120)以及激光控制器(130)。对控制器进行编程，用经调制的反馈控制信号来操作半导体激光器(10，110)。基于检测到的强度信号与反馈信号的比较结果，调节波长控制信号，以使激光发射波长与波长转换器件(20，120)的转换效率峰值对准。还提供了根据本发明的控制概念进行工作的激光控制器(130)和投影系统。
Description
有关申请的交叉参照
本申请要求2007年5月11日提交的题为“WAVELENGTH CONTROL INWAVELENGTH SELECTIVE，PHASE，AND GAIN REGIONS OFSEMICONDUCTOR LASERS”的美国专利申请60/928,725以及2007年8月22日提交的题为“ALIGNMENT OF LASING WAVELENGTH WITH WAVELENGTHCONVERSION PEAK USING MODULATED WAVELENGTH CONTROL”的美国专利申请11/894,846的优先权。
发明内容
本发明一般涉及半导体激光器、激光控制器、激光投影系统以及其它包括半导体激光器的光学系统。更具体地讲，作为示出而非限制，本发明的各实施方式一般涉及使半导体激光器的激光波长与波长转换器件的转换峰值对准的方法，该波长转换器件光学地耦合到该激光器的输出。
例如，通过将单波长半导体激光器(比如分布反馈(DFB)激光器或分布布拉格反射器(DBR)激光器或法布里波罗激光器)与波长转换器件(比如二次谐波产生(SHG)晶体)组合起来，就可以配置出用于高速调制的短波长的源。通过将比如1060nm DBR或DFB激光器调谐到SHG晶体(该晶体将该波长转换成530nm)的光谱中心，就可以将SHG晶体配置成产生激光信号的基波的更高次谐波。然而，SHG晶体(比如掺MgO的周期性极化的铌酸锂(PPLN))的波长转换效率强烈地取决于激光二极管和SHG器件之间的波长匹配。对激光器设计熟悉的本领域技术人员应该理解，SHG晶体使用非线性晶体的二次谐波特性，使引入该晶体中的激光辐射发生倍频。DFB激光器是使用栅格或相似结构的谐振腔激光器，该栅格或相似结构被蚀刻到半导体材料中成为反射介质。DBR激光器是这样的激光器，其中蚀刻出的光栅与半导体激光器的电子泵浦区域物理地分离开。
PPLN SHG器件的带宽通常是非常小的，对于典型的PPLN SHG波长转换器件而言，半高全宽(FWHM)波长转换带宽通常仅在0.16-0.2nm的范围中，并且很大程度上取决于晶体的长度。在操作过程中，因驱动电流的变化而导致激光腔内出现模式跳变和不受控制的大波长变化，这可能导致半导体激光器的输出波长移动到该可允许的带宽之外。一旦半导体激光器的波长偏移到PPLN SHG器件的波长转换带宽之外，则转换器件在目标波长处的输出功率就急剧地下降。例如，因热串扰效应，DBR部分的温度受到增益部分的驱动电流大小的影响。也有其它因素会使DBR激光波长不同于PPLN波长，这包括环境温度的变化以及DBR激光器和PPLN的制造容限。在使用由DBR激光器和PPLN构成的光源的激光投影系统中，DBR激光器和PPLN之间的波长失配特别成问题，因为它可能产生在图像中特定位置处很容易看作缺陷的非预期的功率变化。这些可见的缺陷通常作为有组织的图案化的图像缺陷凸显在图像上，因为所产生的图像简单地标明了从增益部分到DBR部分的温度串扰。
考虑到与波长匹配以及开发半导体激光源的稳定化有关的挑战，本申请的发明人已认识到用于控制半导体激光器的波长的有益手段，从而使激光波长与波长转换器件的波长转换峰值保持恰当的对准。例如，经编程以操作本发明的半导体激光器的激光控制器是可预期的，由这种控制器所驱动的光源和激光投影系统也是可预期的。尽管本发明的概念主要是在图像形成和激光投影的背景中进行描述的，但是，可以预期，本发明的各种概念也可以应用于激光波长的可重复低频波动是个问题的任何激光应用。
附图说明
在与附图相结合的情况下，可以对本发明的特定实施方式的详细描述作最佳的理解，其中相似的结构是用相似的标号来表示的，其中：
图1是光学地耦合到光波长转换器件的DBR或相似类型半导体激光器的示意图；
图2是根据本发明一个实施方式的激光投影系统的示意图；
图3示出了SHG晶体的转换效率曲线的示例；
图4示出了在半导体激光器中增益电流不断增大的情况下最佳的和实际的DBR电压的演变情况；
图5是根据本发明一个实施方式的可编程光源的示意图；
图6是根据本发明一个实施方式的可编程控制器的配置方式的示意图；以及
图7是示出了根据本发明特定实施方式的流程图。
具体实施方式
尽管可包括本发明特定实施方式的概念的各种半导体激光器的具体结构可以很容易地在半导体激光器设计与制造的相关技术文献中找到，但是，本发明特定实施方式的概念是在参照图1所示三部分DBR型半导体激光器10的情况下进行说明的。在图1中，DBR激光器10光学地耦合到光波长转换器件20。半导体激光器10所发射的光束可以直接地耦合到波长转换器件20的波导中，或者可以通过准直与聚焦光学设备或其它类型的光学元件或光学系统进行耦合。波长转换器件20将入射光转换成更高次谐波并且输出经转换的信号。此类配置特别用于从波长较长的半导体激光器中产生波长较短的激光束，并且可用作激光投影系统的可见激光源。
尽管本发明的概念主要是在DBR激光器的背景中进行描述的，但是，可以预期，本文所讨论的控制方案也可以应用于各种类型的半导体激光器，包括但不限于DFB激光器、法布里波罗激光器以及许多类型的外部腔激光器。
图1所示的DBR激光器10包括波长选择部分12、相位匹配部分14和增益部分16。波长选择部分12也被称为激光器10的DBR部分，通常包括位于激光腔有效区域之外的一阶或二阶布拉格光栅。这一部分提供波长选择，因为该光栅充当一个其反射系数取决于波长的镜子。DBR激光器10的增益部分16提供激光的主要光学增益，相位匹配部分14产生在增益部分16的增益材料与波长选择部分12的反射材料之间的可调相移。波长选择部分12可以按多种合适的备选配置来提供，其中可以包括或不包括布拉格光栅。
各个控制电极2、4、6被并入到波长选择部分12、相位匹配部分14、增益部分16或它们的组合之中，图1只是示意性地示出。可以预期，电极2、4、6可以采用各种形式。例如，控制电极2、4、6在图1中显示成各个电极对，但是，可以预期，上述这些部分12、14、16中的单个电极元件2、4、6也适于实施本发明的特定实施方式。控制电极2、4、6可以被用于将电流注入到激光器10的相应部分12、14、16中。例如，通过控制激光器的一个或多个部分的温度、将电流注入到激光器基板中所限定的导电掺杂半导体区域、控制激光器10的波长选择部分12和相位匹配部分14的折射率并且控制激光器的增益部分16的光学增益等等，所注入的电流可以被用于改变激光器的操作特性。
图1所示波长转换器件20的波长转换效率％I取决于半导体激光器10的输出与波长转换器件20的波长转换效率曲线之间的波长匹配。在波长转换器件20包括SHG晶体的情况下，当激光器10的输出波长偏离SHG晶体的转换效率曲线的峰值时，SHG晶体20中所产生的更高次谐波的输出功率急剧地下降。图3示出了SHG晶体的转换效率曲线的示例。转换效率曲线的峰值位于约1060nm处。通常，当激光波长偏离该数值时，SHG晶体20中所产生的更高次谐波的输出功率就下降。相应地，应该使激光波长保持尽可能接近转换效率曲线的峰值(1060nm)，以按最大效率工作。
然而，许多因素可以影响激光波长的数值。例如，当半导体激光器10被调制以产生数据时，激光器中的热负载会变化。所导致的激光器温度变化会改变激光波长，从而产生SHG晶体20的效率的变化。在12mm长PPLN SHG器件的情况下，半导体激光器10发生大约2℃的温度变化通常就足以使激光器10的输出波长偏离到SHG晶体20的0.16nm半高全宽(FWHM)波长转换带宽之外。
另外，本申请的发明人已经认识到，半导体激光器通常会遇到波长漂移及相关的腔模式跳变等问题。更具体地讲，当加到增益部分16的注入电流增大时，增益部分的温度也会增大。结果，腔模式朝着更高的波长移动。与DBR部分的波长相比，腔模式的波长移动得更快，所以，激光器达到这样一个时刻，即较低波长的腔模式更接近于DBR反射曲线的最大值。在此刻，与已建立的模式相比，较低波长的模式具有更低的损耗，根据激光物理学的基本原理，激光接下来会自动地跳到具有更低损耗的模式。波长缓慢地增大，并且包括其振幅等于激光腔的一个自由光谱范围的突然的模式跳变。这一行为在上述共同转让待批的美国专利申请中有详细地示出，其内容引用在此作为参考。本申请的发明人已经认识到，半导体激光器通常呈现出一种温度演变特征，这种温度演变特征会在激光器的输出以及耦合到该激光器的波长转换器件的输出中产生不利的图案。
尽管本发明并不限于本文所描述的波长变化的任何特定表现方式，但是，如果这些现象发生在激光投影系统(图2示出了一个示例)中，则这些波长波动会在所投射的图像中产生强度变化和噪声，人眼很容易看到。根据本发明的一个实施方式，引入可编程的光源来解决该问题。参照图5，光源100包括至少一个半导体激光器110、波长转换器件120和激光控制器130，对激光控制器130进行编程以操作半导体激光器110。通常，如上所述，激光器110将包括波长选择部分、增益部分等等。半导体激光器110的输出耦合到波长转换器件120的输入，对激光控制器进行编程以执行根据本发明的步骤或动作或者指挥这些步骤或动作的执行。
具体来讲，根据本发明一实施方式，对激光控制器130进行编程，通过控制注入到半导体激光器110中的增益部分的增益电流IG来控制半导体激光器110的周期性激光发射强度。通常，增益电流IG的周期性频率vDATA表示视频图像或某一其它类型的编码数据信号。
也对控制器130进行编程，通过使用波长控制信号控制波长选择部分的折射率，随后通过控制温度Tλ、相对热效应，或通过载流子效应控制载流子密度，或通过电光效应控制电场，来控制半导体激光器110的激光发射波长λ1。通过热耦合到半导体激光器110的波长选择部分的电阻加热元件中的加热器电流或注入到DBR波长选择部分中的注入电流，可以方便地实现热效应。或者，通过半导体激光器110的波长选择部分中的注入电流，也可以实现载流子效应。另外，通过加到波长选择部分的电压偏压，也可以引入电光效应。
考虑到上述控制激光发射波长λ1的能力，还需注意，可以对控制器130进行编程，通过使用一个或多个上述波长控制机制产生经调制的反馈控制信号，来指挥激光发射波长λ1的调制。根据本发明的这个方面，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD(表现在波长转换器件120的经调制的输出强度I(2vMOD)中)与数据信号的周期性频率vDATA(建立在控制增益电流IG的过程中且表现在波长转换器件120的数据信号输出强度I(2vDATA)中)相比有实质性的差别。为了方便示出，在图5中，通过参照I(2vMOD)和I(2vDATA)，示出了波长转换器件120的经调制的输出强度I(vMOD)和数据信号输出强度I(vDATA)，因为本发明的许多应用都会将倍频SHG晶体用作波长转换器件120。
考虑到波长转换器件120的输出信号的两个不同的部分，可以进一步对控制器进行编程，以确定激光发射波长λ1是否比波长转换器件120的转换效率峰值短或长，其示例在图3中示出。为此，可以对控制器130进行编程，以将经调制的输出强度I(2vMOD)与经调制的反馈控制信号进行比较，并且调节波长控制信号，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值短时就增大激光发射波长λ1，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值长时就减小激光发射波长λ1。
例如，在对控制器130进行编程以通过控制半导体激光器110的波长选择部分的温度Tλ来控制半导体激光器110的激光发射波长λ1的情况下，激光发射波长λ1将随着加热器电流的增大而增大。如果该加热器电流受到经调制的反馈控制信号的调制，则经调制的反馈控制信号的增量将对应于波长选择部分的温度Tλ的增量以及激光发射波长λ1的增量。相应地，通过比较经调制的反馈控制信号的行为与波长转换器件的经调制的输出强度I(2vMOD)，可以确定激光发射波长λ1相对于图3所示转换效率峰值的位置。如果经调制的反馈控制信号的增量(由图3中的λMOD表示)用于使经调制的输出强度I(2vMOD)的幅值增大ΔI，则可以推断出激光发射波长λ1一定位于转换效率峰值的短波长一侧，因为增大的反馈控制信号将与转换效率曲线的增大部分同相。或者，如果经调制的反馈控制信号的增量用于使经调制的输出强度I(2vMOD)的幅值减小ΔI，则可以推断出激光发射波长λ1一定位于转换效率峰值的长波长一侧，因为为了减小输出强度，增大的反馈控制信号必须定义与转换效率曲线异相的波长数值。一旦激光发射波长λ1相对于转换效率峰值的位置被确定，则可以对激光发射波长控制信号进行合适的校正。
在除加热器电流以外的机制支配着激光发射波长的控制的情况下，可以作出类似的处理。例如，在DBR激光器的情况下，当DBR注入电流很低时，经调制的DBR注入电流所导致的载流子效应通常比该注入电流所导致的热效应要强，并且随着经调制的反馈控制信号的增大，激光发射波长实际上在减小。相应地，上述调制/波长关系应逆向控制。更具体地讲，如果经调制的反馈控制信号的增量用于使经调制的输出强度的幅值减小，则可以推断出激光发射波长一定位于转换效率峰值的短波长一侧，因为增大的反馈控制信号必须与转换效率曲线的增大部分异相。
本申请的发明人已经认识到将前馈控制方案与上述反馈控制方案合并所带来的诸多益处。具体来讲，本发明预期使用一种前馈方案，该方案被设计成在应用本文所描述的反馈控制程序之前将激光发射波长置于转换效率峰值附近。根据本发明的这一方面，对控制器进行编程，以根据增益电流IG来执行半导体激光器的参数的前馈控制。通常，增益电流IG将随时间连续变化，因为它携带着可变强度数据。这种预期的IG变化产生了非预期的波长选择部分的温度变化，从而导致非预期的波长变化。通过控制波长选择部分的温度Tλ、注入到波长选择部分的电流Iλ的量、或这两者，根据增益电流IG，可以以一种前馈方式至少部分地校正这种波长变化。例如，通过参照一查询表，前馈控制可以表现在编码数据信号中，该查询表将选定的增益电流IG与相应的温度Tλ或DBR控制信号数值关联起来。例如，参照图4，通常，当输出强度I随着增益电流IG的增大而增大时，加到DBR激光器的DBR加热器上的最佳DBR电压VDBR将朝着最小值下降。相应地，可以使用上述查询表或某些其它手段来建立一组与相应的增益电流IG相关联的DBR电压(FF VDBR)。这样，前馈动作可以被用在本发明中，从而在应用本文所描述的反馈技术之一之前，将激光发射波长控制信号置于转换效率曲线的峰值附近。本发明的这一方面特别适用于转换效率曲线很复杂且包括一个或多个位于最大效率峰值附近的小峰值的情况。
发明人认识到，为了使经调制的反馈信号有效地调制DBR激光器的激光发射波长，一种被称为归零(RZ)的技术是非常有用的。因为DBR激光器有时候有锁定到特定腔模式的倾向，所以即使经调制的反馈信号被加到波长选择部分，激光发射波长的调制可能是非常小的，从而减小了控制方案的有效性。为了使激光发射波长更加响应于经调制的反馈信号，增益部分的驱动电流被周期性地复位到零。
图6示出了根据本发明一实施方式的可编程控制器130被配置成包括上述前馈150和反馈160控制部分的功能的方式。前馈控制部分150可以包括查询表150A(如上所述)以及合适的信号滤波组件150B。反馈控制部分160被配置成产生经调制的反馈控制信号的上述周期性频率vMOD，并且还包括信号滤波组件160A、增益电流IG调整逻辑160B以及用于比较经调制的反馈控制信号和经调整的反馈控制信号的逻辑160C。更具体地讲，根据本发明的特定实施方式，可以对控制器130进行编程，通过使经调制的反馈控制信号和经调制的输出强度I(2vMOD)的乘积在给定的调制周期内积分，来比较反馈信号155(用于表示经频率转换的调制的输出强度I(2vMOD)的强度)和经调制的反馈控制信号165。也可以对控制器进行编程，在积分之前使经调制的反馈控制信号相对于经调制的输出强度I(vMOD)及时地移动，以补偿在对经调制的输出强度I(2vMOD)进行滤波和检测的过程中所引入的延迟。用于表示上述比较结果的输出信号、经调制的反馈控制信号以及前馈部分150的输出通过合适的求和组件170而组合起来，并且被用于驱动激光器110的DBR部分。
图6也示出了信号归一化机制，它可以被并入到本发明的方法中以增强对转换效率的分析，这与仅经频率转换的输出强度相反。具体来讲，参照图6，可以对控制器130进行编程，以使经滤波的反馈信号除以经滤波的增益电流信号，从而使所得的控制信号归一化。结果，反馈控制部分160对相对低和相对高的激光功率具有相似的响应，并且不容易受到输入数据信号的频率成分的变化的影响。注意到，针对各种信号滤波组件而列出的频率数值仅仅是作为说明性的数值而呈现的，不应该被视为限制本发明的范围。
参照图7的流程图，描述了根据本发明特定实施方式的过程，其中增益电流数据信号是用于控制激光发射强度和激光发射波长的输入(参见数据信号输入202以及强度和波长控制步骤204)，并且经调制的反馈控制信号是用于调制该激光器的输入(参见反馈信号输入206和波长调制步骤208)。在步骤210中，根据用于表示经调制的输出强度I(2vMOD)(参见输入212)和经调制的反馈控制信号(参见输入214)的数据，确定激光发射波长λ1相对于转换效率峰值的位置。一旦激光发射波长λ1相对于转换效率峰值的位置被确定，就对激光发射波长控制信号作出合适的校正(参见波长控制信号调节步骤216)。反馈闭环可以以连续的模式运行。
根据本发明的一个方面，需要小心确保经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD在数据信号的频率处具有非常少的频率成分，以避免数据信号与反馈控制信号之间发生混淆。例如，在视频投影系统的情况下，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD被设为这样一个数值，即其中该视频信号的成分及其更高次谐波都最小。对于按大约60Hz帧速率操作的视频投影系统而言，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD(表现在波长转换器件的经调制的输出强度I(vMOD)中)可以被设为增益电流IG的周期性频率vDATA的数值的0.5倍、1.5倍、2.5倍、3.5倍等。这样，实施本发明这一方面的技术人员就可以确保将表示视频数据的信号部分与表示经调制的反馈控制信号的信号部分区分开。通常，最方便的是将经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD建立在比增益电流IG的周期性频率vDATA更高的数值处。
值得注意的是，本文所描述的经调制的反馈控制信号的使用也可以平滑掉或平均掉激光输出中突然的波长变化，特别是在正常数据信号处理期间频繁关闭激光器的情况下。相应地，本发明的诸多方面特别适用于在正常数据信号处理期间频繁关闭激光器时的激光控制方案，例如，这包括共同转让待批的美国专利申请11/549,856所揭示的控制方案，该申请于2006年10月16日提交且标题为“WAVELENGTHCONTROL IN SEMICONDUCTOR LASERS”(D 20106/SP06-157)，该申请引用在此作为参考。
本发明的其它实施方式试图控制半导体激光器的周期性激光发射强度，使得经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD超过相应的编码数据信号的帧速率。相应地，对于增益电流IG的周期性频率vDATA表示通过像素阵列投射的视频内容的那些应用而言，有利的是，要确保经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD足够高，以保证对于每一个图像像素而言该投影系统都循环经历多个经调制的反馈控制信号周期。另外，有益的是，要确保半导体激光器的激光发射波长λ1受到控制，以保证经调制的输出强度I(vMOD)的振幅仅仅是数据信号输出强度I(vDATA)的振幅的一小部分。
或者，在某些情况下，可能有益的是，要确保用包括多个频率成分的经调制的反馈控制信号来调制半导体激光器的激光发射波长λ1。通过比较经调制的输出强度I(vMOD)与经调制的反馈控制信号的不止一个频率成分，就可以增强激光投影，因为在特定情况下特定的调制频率可以比其它频率表现得更好。如果在多个频率处同时进行调制并不现实或并不是期望的，则可以预期，对控制器进行编程，用随时间随机或周期性变化的周期性频率vMOD来调制激光发射波长λ1。此外，可以预期，反馈信号的波形和/或振幅也可以随时间而变化，以增强反馈操作。最终，注意到，经调制的反馈控制信号可以被调制成携带编码相关数据，以便随后调节波长控制信号。
对于DBR激光器以及许多其它使用增益部分和波长选择部分的半导体激光器而言，增益部分到DBR的串扰要求对激光器的DBR部分进行合适的控制。基本上，当用各种增益电流信号驱动增益部分时，增益部分中所产生的热的一部分转移到DBR部分。相应地，通过将串扰补偿信号施加到DBR部分，可以小心地补偿该串扰。通常，串扰效应是相对较慢的过程，例如，在10-30ms的量级，因为热需要一些时间从增益部分传播到DBR部分。相应地，从这一点来看，DBR控制环路不需要过快，反馈调制信号的频率可以约为100Hz。然而，根据使用中的激光器的参数，第二种机制可以产生更快的串扰，特别是在增益部分中所产生的光子在DBR部分中被吸收并且在DBR部分中产生一些热的情况下。所产生的热被准-瞬间转移，或者至少比相对较慢的串扰要快很多。事实上，可以预期，在量级约为1μs的时间尺度中，这种准-瞬间串扰机制可以产生25％的功率波动。为了补偿这些波动，那些实施本发明的技术人员可以使用在100Hz以上的反馈信号中的调制频率。根据另一个预期的方案，除了上述相对较慢的反馈环路以外，相对较快的DBR到增益串扰可以以开环的方式被校准和控制并且被应用。
注意到，尽管本发明是参照半导体激光器的波长选择或DBR部分的控制进行描述的，但是通过控制DBR激光器的相位部分的影响激光发射波长的那些性质，也可以获得相似的好处。
参照图5，注意到，可编程控制器130可以进一步包括基于频率的滤波器，该滤波器被配置成在经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD与增益电流IG的周期性频率vDATA之间进行区分。通过使用恰当配置的光学分束器140，波长转换器件120所输出的信号的大部分I(DISPLAY)可以被投影而不经滤波，该输出信号的一小部分I(FEEDBACK)可以被引导至可编程控制器130和相关的电路。对控制器130进行编程，从数据信号输出强度的一部分中除去编码数据信号的内容，以允许比较经调制的输出强度I(vMOD)和经调制的反馈控制信号。
本发明的其它实施方式可以预期，对控制器进行编程，通过比较经调制的输出强度I(vMOD)中的噪声波动与经调制的反馈控制信号，来确定激光发射波长λ1是否比波长转换器件120的转换效率峰值要短或要长。例如，可以对控制器进行编程，以使经调制的反馈控制信号的振幅的增加量或减小量与经调制的输出强度I(vMOD)的噪声的相应增加量或减小量关联起来，从而确定经调制的反馈控制信号是否与波长转换器件的转换效率曲线同相或异相。本发明的其它实施方式可以预期，对控制器进行编程，通过比较经调制的输出强度I(vMOD)中的振幅波动与经调制的反馈控制信号，来确定激光发射波长λ1是否比转换效率峰值要短或要长。例如，可以对根据本发明这一方面的控制器进行编程，以使经调制的反馈控制信号的振幅的增加量或减小量与经调制的输出强度I(vMOD)的振幅的相应增加量或减小量关联起来，从而确定经调制的反馈控制信号是否与波长转换器件的转换效率曲线同相。
注意到，本文中提到的配置成单模光发射的单模激光器不应该将本发明的范围仅限制为以单模工作的激光器。本文中提到的配置成单模光发射的单模激光器应该仅仅是指根据本发明特定实施方式的激光器将以一种输出光谱为特征，其中单模宽或窄的带宽是可辨别的，或者以另一种输出光谱为特征，通过合适的滤波或其它手段能从中辨别出单模。
通过配置图像投影电子器件和相应的激光器驱动电流，以建立在图像像素阵列上变化的像素强度，本发明的图像投影系统就可以产生多色调图像。例如，参照图2，投影系统可以包括：图像源(S)，用于产生单色或多色图像数据流；图像投影软件及相关电子器件(S/E)，用于产生每一个图像原色的激光驱动信号；激光驱动器(D)，用于产生各个激光器(LD)的激光驱动电流，这些激光器被配置成产生每一个图像原色；以及扫描和投影光学器件(O)，用于操作产生单色或多色投影图像(I)，这种图像包括图像像素的阵列。当可编程光源被包括在基于像素的激光投影系统中时，可以对本发明的控制器进行编程，以控制半导体激光器的周期性激光发射强度，使得编码数据信号包括与投影系统的帧速率相对应的多个编码数据周期。
可以预期，本发明的可编程光源可以包括多个半导体激光器，其中至少有一个耦合到波长转换器件并且是根据本发明的控制过程进行控制的。关于扫描激光图像投影系统的配置以及在图像上产生变化的像素强度的方式等细节可以从现有的各种文献中获得。尽管本发明清晰地应用于基于像素的投影系统，但是，可以预期，包含基于激光的光源的其它投影系统也可以从本文所描述的波长控制技术中获益，比如，基于空间光调制器的系统(包括数字光处理(DLP)、透射式LCD和硅上液晶(LCOS))。
本申请中引用了各种电流。为了描述和限定本发明，注意到这种电流是指电学的电流。此外，为了描述和限定本发明，注意到本文中所提到的电流的“控制”并不必然是指电流被主动地控制或作为任何参考值的函数而控制。可以预期，通过仅确定电流的大小，也可以控制电流。
应该理解，先前的描述旨在提供一种概述或框架，以便理解本发明的本质和特征。对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种修改和变化。由此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案中就可以。
为了描述和限定本发明，注意到本文所提到的“在一指定大小的量级上的”数值应该包括与该指定大小相差不超过一个或多个量级的任何数值。注意到，一个或多个权利要求引述一种“被编程”以执行一个或多个动作的控制器。为了描述和限定本发明，注意到该表述是作为一种广泛的过渡词汇而被引入权利要求中的，并且应该被解释成更常使用的广泛的术语“包括”。另外，注意到，本文引述的本发明的组件(比如控制器，经编程以特定方式实施特定性质、功能等)是结构性的引述，与有意使用的引述相反。更具体地讲，本文所引述的对组件进行“编程”的方式是指该组件的现有的物理条件，并且被视为该组件的结构性特征的明确引述。
注意到，在本文中，像“较佳地”、“通常”和“典型地”等术语并不旨在限制本发明的范围或暗指某些特征对于本发明的结构和功能而言是关键性的、必不可少的或很重要的。相反，这些术语仅仅旨在凸显本发明特定实施方式中可以使用或不使用的备选或额外的特征。此外，注意到，提到数值、参数或变量是另一个数值、参数或变量的“函数”不应该被视为意指该数值、参数或变量仅是一个数值、参数或变量的函数。
为了描述并限定本发明，注意到，本文用“实质地”一词来表示任何定量比较、值、测量、或其它表示固有的不确定性。术语“基本上”也用在本文中，表示量化表示的程度，例如，“基本上在零之上”与“零”是不同的，应该被解释成要求该量化表示与所声称的参考值相差一个可辨识的数量。
Claims (20)
1.一种可编程光源，它包括至少一个半导体激光器(10，110)、波长转换器件(20，120)和激光控制器(130)，对所述激光控制器(130)进行编程以操作所述半导体激光器(10，110)，其中，所述半导体激光器(10，110)包括波长选择部分和增益部分，所述半导体激光器(10，110)的输出耦合到波长转换器件(20，120)的输入，并且
对所述激光控制器(130)进行编程以执行以下操作：
通过控制注入到所述半导体激光器(10，110)的增益部分中的增益电流IG的量，控制所述半导体激光器(10，110)的周期性激光发射强度，其中，增益电流IG的周期性频率vDATA表示编码数据信号；
通过使用波长控制信号控制所述波长选择部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分中的电流Iλ的量、或这两者，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1；
通过使用经调制的反馈控制信号控制所述波长选择部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分中的电流Iλ的量、或这两者，调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1；其中，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD与增益电流IG的周期性频率vDATA相比有实质性的不同，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD正如所述波长转换器件(20，120)的经调制的输出强度中所表现的那样，增益电流IG的周期性频率vDATA正如所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度中所表现的那样；
通过比较经调制的输出强度与经调制的反馈控制信号，确定激光发射波长λ1是否比所述波长转换器件(20，120)的转换效率峰值更短或更长；
调节所述波长控制信号，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值短时就增大激光发射波长λ1，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值长时就减小激光发射波长λ1；以及
通过使用经调节的波长控制信号，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1。
2.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD还不同于增益电流IG的周期性频率vDATA的更高频率谐波，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD正如所述波长转换器件(20，120)的经调制的输出强度中所表现的那样，增益电流IG的周期性频率vDATA正如所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度中所表现的那样。
3.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程以执行以下操作：
控制所述半导体激光器(10，110)的周期性激光发射强度，使得编码数据信号包括多个编码数据周期；以及
控制经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD，使得每一个编码数据周期包括多个经调制的反馈控制信号周期。
4.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程以调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1，使得经调制的输出强度的振幅是数据信号输出强度的振幅的一小部分。
5.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程以执行以下操作：
使用包括多个频率成分的经调制的反馈控制信号，来调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1；以及
比较经调制的输出强度与经调制的反馈控制信号的多个频率成分。
6.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，以使用包括周期性频率vMOD的经调制的反馈控制信号来调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1，所述周期性频率vMOD随时间随意地变化或以周期性的方式变化。
7.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
经调制的反馈控制信号被调制成携带编码相关数据以便随后调节波长控制信号。
8.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
所述可编程光源还包括基于频率的滤波器，所述滤波器被配置成区分经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD与增益电流IG的周期性频率vDATA，增益电流IG的周期性频率vDATA正如所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度中所表现的那样。
9.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
进一步对控制器进行编程，以从数据信号输出强度的一部分中除去编码数据信号的内容，以允许对经调制的输出强度和经调制的反馈控制信号进行比较。
10.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，通过比较经调制的输出强度中的噪声波动与经调制的反馈控制信号，确定激光发射波长λ1是否比所述波长转换器件(20，120)的转换效率峰值更短或更长。
11.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，通过比较经调制的输出强度中的振幅波动与经调制的反馈控制信号，确定激光发射波长λ1是否比所述波长转换器件(20，120)的转换效率峰值更短或更长。
12.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，相对于(i)来自所述半导体激光器(10，110)的波长选择部分中的加热器电流的热效应或(ii)来自所述半导体激光器(10，110)的增益部分中的注入电流的热效应来控制波长选择部分的温度Tλ，从而调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1。
13.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，相对于来自所述半导体激光器(10，110)的波长选择部分中的注入电流的载流子效应来控制注入到波长选择部分中的电流Iλ的量，从而调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1。
14.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，通过使经调制的反馈控制信号和经调制的输出强度的乘积在调制周期内积分，来比较经调制的输出强度与经调制的反馈控制信号。
15.如权利要求14所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，通过在比较之前使经调制的反馈控制信号相对于经调制的输出强度及时地移动，以补偿在经调制的输出强度的检测过程中的延迟。
16.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
对控制器进行编程，以根据增益电流IG对波长选择部分的温度Tλ、注入到波长选择部分中的电流Iλ的量、或这两者执行前馈控制。
17.如权利要求16所述的可编程光源，其特征在于，
所述前馈控制表现在编码数据信号中。
18.如权利要求1所述的可编程光源，其特征在于，
所述可编程光源包括多个半导体激光器(10，110)；以及
至少一个半导体激光器耦合到所述波长转换器件(20，120)并且经受根据权利要求1中的各种条件的控制，使得所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度以及其余的半导体激光器的激光发射波长占据光谱的不同部分。
19.一种可编程光源，它包括至少一个半导体激光器(10，110)、波长转换器件(20，120)和激光控制器(130)，对所述激光控制器(130)进行编程以操作所述半导体激光器(10，110)，其中，所述半导体激光器(10，110)包括波长选择部分、相位匹配部分和增益部分，所述半导体激光器(10，110)的输出耦合到波长转换器件(20，120)的输入，并且
对所述激光控制器(130)进行编程以执行以下操作：
通过控制注入到所述半导体激光器(10，110)的增益部分中的增益电流IG的量，控制所述半导体激光器(10，110)的周期性激光发射强度，其中，增益电流IG的周期性频率vDATA表示编码数据信号；
通过使用波长控制信号控制所述波长选择部分或相位匹配部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分或相位匹配部分中的电流Iλ的量、或它们的组合，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1；
通过使用经调制的反馈控制信号控制所述波长选择部分或相位匹配部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分或相位匹配部分中的电流Iλ的量、或它们的组合，调制所述激光发射波长λ1，其中，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD与增益电流IG的周期性频率vDATA相比有实质性的不同，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD正如所述波长转换器件(20，120)的经调制的输出强度中所表现的那样，增益电流IG的周期性频率vDATA正如所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度中所表现的那样；
通过比较经调制的输出强度与经调制的反馈控制信号，确定激光发射波长λ1是否比所述波长转换器件(20，120)的转换效率峰值更短或更长；
调节所述波长控制信号，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值短时就增大激光发射波长λ1，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值长时就减小激光发射波长λ1；以及
通过使用经调节的波长控制信号，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1。
20.一种操作可编程光源的方法，所述可编程光源包括至少一个半导体激光器(10，110)和波长转换器件(20，120)，其中，所述半导体激光器(10，110)包括波长选择部分和增益部分，并且所述半导体激光器(10，110)的输出耦合到所述波长转换器件(20，120)的输入，
所述方法包括：
通过控制注入到所述半导体激光器(10，110)的增益部分中的增益电流IG的量，控制所述半导体激光器(10，110)的周期性激光发射强度，其中，增益电流IG的周期性频率vDATA表示编码数据信号；
通过使用波长控制信号控制所述波长选择部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分中的电流Iλ的量、或这两者，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1；
通过使用经调制的反馈控制信号控制所述波长选择部分的温度Tλ、注入到所述波长选择部分中的电流Iλ的量、或这两者，调制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1，其中，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD与增益电流IG的周期性频率vDATA相比有实质性的不同，经调制的反馈控制信号的周期性频率vMOD正如所述波长转换器件(20，120)的经调制的输出强度中所表现的那样，增益电流IG的周期性频率vDATA正如所述波长转换器件(20，120)的数据信号输出强度中所表现的那样；
通过比较经调制的输出强度与经调制的反馈控制信号，确定激光发射波长λ1是否比所述波长转换器件(20，120)的转换效率峰值更短或更长；
调节所述波长控制信号，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值短时就增大激光发射波长λ1，当比较结果指示激光发射波长λ1比转换效率峰值长时就减小激光发射波长λ1；以及
通过使用经调节的波长控制信号，控制所述半导体激光器(10，110)的激光发射波长λ1。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US92872507P | 2007-05-11 | 2007-05-11 | |
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