CN106716247B - 用于照明投影机系统的rgb激光源 - Google Patents

Abstract

一种用于照明投影机系统的RGB光源包括红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器，每个激光器输出具有至少4nm光谱线宽的随机偏振(RP)单模(SM)光。绿光激光器具有MOPFA结构的泵，其输出基波波长在1μm波长范围内的脉冲泵浦光束，并且还包括SHG。SHG包括接收脉冲泵浦光束并输出BB绿光脉冲序列的LBO非线性晶体。红光激光器配置有QCW光纤激光泵和带有LBO非线性晶体的频率转换器，其中该LBO非线性晶体输出6xx nm波长范围内的红光脉冲序列。

Description

用于照明投影机系统的RGB激光源

相关申请交叉引用

本申请是于2014年9月16日、2015年3月31日以及2015年2月6日向美国专利商标局提交的美国临时申请No.62/050,825、62/140,911和62/112,938的部分接续申请。

技术领域

本发明涉及基于激光的照明应用。更具体地，本公开涉及用于在包括巨型屏幕、主题公园景点、博物馆天文馆和类似的室内和室外应用在内的数字电影中进行投影的基于高功率红、绿和蓝(RGB)光纤激光器的照明系统。

背景技术

高壁插效率(WPE)和长寿命使得发光二极管(LED)成为大多数普通照明和显示应用选择的照明技术。然而，存在对RGB激光照明的独特属性将能够实现新类型的固态光源的新兴需求。

这些需求的第一个是数字电影。超过120,000个电影屏幕现在使用标准化的数字电影投影机，其显示来自加密数据文件的电影，而不是35毫米胶片。这种向数字化的转变对于行业来说是一个可操作的进步，但具有显著的技术讽刺。这些最先进的数字投影机仍然使用60年代的老旧技术-氙弧灯作为它们的光源。逐渐地，弧光灯被LED替代。

RGB激光电影投影机，即具有所有光能量来自激光器的光源的投影机，是LED的良好替代品，因为LED替代氙弧灯的相同原因-长寿命和高壁插效率。但是激光器具有另外的优点，它们产生超高的空间亮度，即小的光学扩展度(mm2-球面度(steradian))，并且从几乎准直的光束中的非常小的光斑传递功率。这种独特的光学性质使能了电影的关键性能以及最终实现新型的特种激光照明：将几乎无限量的RGB光输入数字投影机的能力以及通过高效、灵活的光纤传输千瓦可见光的能力。通过光纤传输的RGB激光照明提供了通过数字投影机实现可接受的亮度的解决方案。光纤传输将使能新的投影和照明能力和应用。

二极管激光器是迄今为止用于数字影院的最常用的光源，因为其具有改进的寿命以及总的光谱和亮度稳定性。然而，仅在最近，包括VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等的二极管激光器阵列已经显示出了输出足够功率以导致所需亮度的前景。RGB颜色中的每一种所需的亮度是大量单个激光器阵列进行组合以匹配投影机流明功率需求的结果。增加数量的二极管激光器带来了技术挑战，包括保持白色平衡、高亮度(优异的光学扩展度)和斑点减少。

每个RGB激光源的波长位移和功率变化有助于白色平衡不稳定性–投影机的技术性能的最重要特性之一。已知的二极管激光源，特别是绿光和红光激光二极管，具有对异质结和偏置电流中的温度变化高度敏感的相应工作波长，而人眼对这些波长变化特别敏感。组合的高功率二极管激光器除了在芯片内产生的热量之外还产生大量的外部热量。尽管红光、绿光和蓝光二极管激光器的每一个具有相当不同的热/波长依赖性，但是不变地相应的工作波长随着温度更高而增加。如果甚至在单色阵列中的所有激光器连接在一起并且具有窄波长(对于二极管激光器这是典型的)，则工作波长的位移导致整个投影机输出的白点和颜色不符合规范。此外，随着温度升高，二极管的增益减小，从而扰乱作为精心控制的值的颜色对比度。为了恢复增益，注入电流应当增加，但是以中心波长稳定性为代价。所有上述要求稳定输出功率和中心波长二者的额外控制机制，这增加了激光源的复杂性和成本。

第二个技术挑战源于激光器的巨大优点-从改进色域的角度所需的光相干性。然而，激光源的相干性通常导致诸如由于屏幕表面的粗糙度而发生的光学干涉和斑点之类的伪像。这些干涉导致在观看者的眼睛中从屏幕散射的光的亮度分布的强烈附加强度调制。拓宽输出的光谱线宽是处理该问题的几种方法之一。然而如上所述，已知二极管激光器具有不可接受的窄线宽。虽然增加数量的二极管激光器有助于比单个二极管的线宽略宽的线宽，但是它仍然不足以从根本上使斑点最小化。结果，图像质量减小到激光辐射的优点消失的程度，或者其使用几乎不带来任何技术或经济上的优点。

因此需要一种成功地满足上述挑战的基于激光器的投影系统。

附图说明

根据结合附图的以下具体描述，所公开结构的特征和优点将变得更容易获得，附图中：

图1A和图1B示出了已知RGB激光源的不同配置；

图2A至图2C示出了本发明的RGB激光源的不同配置；

图3和图4示出了本发明的RGB激光源的各个架构；

图4至图7示出了所公开的RGB激光源的绿光激光器的各种发明结构；

图8和图9示出了图4至图7的单个绿光激光器和多个绿光激光器的计算机产生的绿光光谱；

图10是所公开的RGB激光源中的配置有拉曼频率转换器的红光激光器的一般示意图；

图11A和图11B分别是图10的红光激光器的计算机产生的光谱；

图12是所公开的红光激光器的光学示意图；

图13是在本公开的所有绿光激光器和红光激光器中使用的光纤放大器的配置；

图14是拉曼转换器的计算机产生的光谱；

图15和图16示出了红光激光器的各个实施例；

图17示出了表示工作在615nm波长的本发明的红光激光器的中心波长和线宽稳定性的曲线图；

图18是具有基于和频非线性效应的频率转换器的红光激光器的另一实施例的示意图；

图19和图20是示出了635nm波长红光激光器的特性的计算机产生的曲线图；以及

图21是示出了本发明的RGB光源的蓝光激光器的线宽的曲线图。

具体实施方式

参考图1A和图1B，激光投影机系统10必然包括激光光源12和具有投影头14的投影机。激光光源12可以具有各种配置，并且如图所示，包括容纳可移除激光模块18的支架16，其中所述可移除激光模块18具有定义三个不同组的绿光、红光和蓝光激光器。根据投影机的配置，该架构可以具有单个或两个投影头14。

在操作中，光源12发射红光-绿光-蓝光，其在组合时产生借助于传输光纤16耦合到投影机中的白光。投影机通常包括光导引和整形光学器件，并且成像引擎可操作为将白光分成红光、绿光和蓝光分量。每个光分量照亮相应的空间调制器，其在像素阵列中形成针对该颜色的图像，之后这些分量被重新组合并投影到屏幕(未示出)。

图2A和图2B示出了具有多个可置换激光模块20和用于激光模块20的支架的本发明的激光光源15。激光源15包括主控制台或机柜30，除了激光模块20之外容纳激光源的电子器件和其他必要外围组件。

例如，取决于激光模块20的数量，机柜30可以具有各种构造，如图2C所示。如图所示，它具有多隔间结构，其中两个隔间容纳激光模块20的相应阵列，另一隔间保持外围组件。激光模块20的每个阵列配置有包括一个或多个绿光光纤激光器22、红光光纤激光器24、它们各自的信号泵28(例如，镱(Yb)光纤激光器)和尾纤蓝光二极管激光器26的3个组。

图3A示出了激光源15的发明构造之一。在描述所示系统的单独组件之前，需要注意的是本发明的源不一定必须用于其中组合了六原色(6P)的3D视觉系统。通过简单地仅使用发射相应三原色(3P)的一个RGB激光器阵列，它可以非常好地用作2D系统的源。

对于3D系统存在发射6原色(6P)的两个激光模块阵列可以通过立体观测来解释-允许两只眼睛看到不同图像的视觉过程，优选地但不一定同时地，所述不同图像略微在光谱上彼此偏移。人脑形成单一的心理图像，具有准确的深度感知。

返回图3A，光纤合束器32、34和36分别接收来自绿光、绿光和红光激光器组28、22和24的相应输出，而另一激光器阵列28'、22'和24'发射在光纤合束器32'、34'和36'中组合的相应输出。光由相应的传输光纤38传输。虚线红线40将一个激光模块阵列与另一个分开，而虚线42限定机柜的外围。因此，包括配置为组合原色并输出白光的RGB合束器44和44'的所有其他组件安装在机柜外部并且优选地安装在投影机中。

图3B示出了具有与图3A的架构稍微不同架构的本发明的激光源。具体地，与图3A的光源15相反，这里光源15配置有安装在图2A和图2C的机柜30中的RGB光纤合束器44、44'。因此，从根据该图构造的光源15发射的光是白光，其沿着机柜外部的相应馈送光纤46和46'导引。

一般来说，最低限度下对投影系统10的输出所应用的要求尤其包括：

提供必要亮度的高功率；

成功地最小化斑点效应的宽光谱线宽；以及

独立于温度和二极管偏置电流波动的稳定中心波长。

投影系统10的性能仅单独地与每个RGB激光源的性能一样好。以下讨论通过分别公开每个RGB激光器的本发明的绿光、红光和蓝光激光器来教导本发明的结构。

绿光激光器

参考图4至图7，所公开的宽带(BB)绿光激光器22是基于产生脉冲绿光的I型和II型SHG的紧凑、鲁棒、转换有效和成本有效的结构。绿光激光器15可操作为输出纳秒-皮秒波长范围内的脉冲输出，在520-545nm范围内的所需中心波长的半高全宽(FWHM)处的光谱线宽Δλ超过3nm，并且转换效率介于40％和70％之间。图4至图7所公开的绿光激光器15的每个架构包括可操作为发射随机偏振的、宽带(BB)、单模(SM)信号泵浦光的信号光泵。所公开的绿光激光器的每个架构还利用具有单通或多通转换装置的二次谐波发生器(SHG)来产生5xx nm波长范围内的绿光，特别地期望520-540nm范围。

在各个图4至图7的所有实施例中使用的信号泵418-718具有包括半导体(或任何其他配置)振荡器和镱(Yb)光纤激光放大器的主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)配置。MOPFA配置具有很多优点。在振荡器通常配置为单个二极管激光器的情况下，对偏置电流的调制提供1030-1120nm波长中的中心波长的快速可调谐性。单个二极管激光器还提供所选中心波长的稳定性。Yb光纤放大器被配置为宽带光纤激光器。对光纤放大器的利用大大增加了泵浦信号光的输出功率，导致高亮度、低噪声输出。

作为示例性结构，信号光泵418-718可以配置有可调节的脉冲持续时间，以在ps-ns范围内的可变脉冲持续时间中提供高达1mJ的脉冲能量。重复率范围可以从30MHz调整到1MHz。所有光纤格式允许调节脉冲能量和/或脉冲重复率，而不影响任何输出光束参数M2<3。优选地，M2小于1.5，并且可以在FWHM处在10nm和25nm范围内获得稳定的光谱线宽Δλ。利用这种良好的M2值，信号泵浦光被进一步称为低模式(LM)光或基本上SM光或简单地SM光。泵浦源418-718还包括将输出红外BB SM泵浦光束导引至激光头422-722的传输光纤420-720。后者配置有包围导引和准直光学器件的壳体，以便输出准直的、随机偏振的BB信号泵浦光。

具体参照图4，SHG 412配置有包括间隔的上游非线性I型晶体414和下游416非线性I型晶体(例如，三硼酸锂(LBO))的单通转换装置。如图1所示，相应的输出和下游晶体414、416的轴414'和416'在相互垂直的平面中延伸。因此，最初在上游晶体414中产生的绿光光束传播通过下游晶体416，下游晶体416产生未受影响的二次绿光。

来自Yb光纤激光器418的泵浦信号光入射到输入聚焦透镜428上，该输入聚焦透镜428配置为聚焦泵浦光束，使得其束腰直径小于40微米，其中瑞利范围小于晶体的长度。后者允许克服非线性晶体的固有窄光谱接受性，使得绿光的光谱线宽仅受泵浦信号光的线宽限制。使用如此紧密聚焦的泵浦信号光，其峰值强度达到高达数百千瓦的非常高的水平，这被证明不会损害晶体的完整性。上游LBO晶体414的较小长度不允许紧密聚焦的光极大地发散，这导致泵和绿波之间的相对长的相互作用长度以及高SHG效率所必需的高峰值强度，如上所述。

使用标准术语，在此将与双轴LBO晶体中的所选平面的主轴平行的偏振波称为寻常(o)，而将具有与主轴正交的偏振的另一个波称为非常(e)。只有I型LBO晶体414中的IR泵浦光的寻常波参与产生绿光。因此，为了使用原本不参与上游I型晶体中的转换过程的非常波，必须定位下游I型LBO晶体416，使得轴416'相对于上游LBO晶体414的轴414'转动90°。

具体地，所产生的绿色和未转换的信号泵浦光进一步入射在第一中间聚焦透镜432上，该第一中间聚焦透镜432被配置为以与上述相同的方式将入射光束聚焦在下游LBO晶体416的主体内。最初产生的绿光不受阻碍地传播通过下游晶体416。然而，原始的非常泵浦波现在以超过40％的效率转换为另一个二次绿光光束。此后，下游晶体416的输出在中间准直器434中被准直，以通过耦合到光纤444中而进入输出准直单元436，光纤444将累积绿光传输到目的地点。

输出准直单元436可以具有各种配置。如图所示，准直光束沿光路传播，并入射到波长鉴别器38上，该鉴别器例如被配置为对在下游晶体416中未转换的基本波长的泵浦信号光束透明的二向色镜。累积绿光的平均功率等于朝向另一高反射率反射器440所产生的绿色光束的总和，并且最终被导引到下游聚焦长度442。最后，聚焦的绿光入射到准直器443上，并且进一步耦合到将其引导到目的地点(其可以是例如巨型屏幕445)的传输光纤444中。

为了使输出绿光中的偏振相关噪声最小化，由双折射材料配置的去偏振器446在输入准直单元424和输入聚焦透镜428之间接收准直的泵浦光。如已知的，准直的BB、SM随机偏振信号泵浦IR光仍然具有小程度的良好限定的偏振，其中如果该偏振没有被消除，则其最终在输出信号中产生不期望的噪声。去偏振器446使其最小化。去偏振器446的配置可以选自1/2波片、1/4波片、多阶或零阶片或任何其他双折射元件。

图5示出了BB绿光激光器22，其以40％和70％之间的高效率产生光谱线宽Δλ超过3至5nm范围的SM BB绿光。绿光激光器22包括用作信号光泵浦的SM BB Yb光纤激光器518、聚焦透镜528和输出准直单元536，它们全部与图4的配置相同。泵浦脉冲输出具有10nm以上的宽光谱线宽的在1微米范围内的SM随机偏振的IR泵浦光。泵浦光在输入准直单元524中被准直并且由输出聚焦透镜528聚焦，以进一步在SHG装置548中进行频率转换。与图4相比，SHG 548在这里包括II型LBO晶体。

II型上游LBO 554晶体沿着聚焦IR泵浦信号光的路径放置，使得该泵浦信号光的束腰在上游非线性晶体554的主体内延伸并且大致位于该晶体的中心。如上所述，紧密聚焦的光产生的瑞利长度小于晶体554的长度，这有助于克服非线性晶体的固有窄光谱接受性。

II型下游LBO晶体556具有与上游晶体554的轴554'平行的轴556'，并且可以具有与图4至图7的上游晶体相同的当前最佳尺寸，其为3×3×(3至5)mm。下游晶体556接收来自上游晶体554的光，其以与关于晶体414、416(图4)和554公开的相同方式由第一中间透镜532进行聚焦。

图5的绿光激光器22分别包括输出1/2波片558和下游1/2波片560。输出1/2波片558位于激光头522和聚焦透镜528之间的准直泵浦光内，而下游1/2片524定位成紧接下游II型LBO晶体556的输出。期望这些片防止上游晶体554中原始产生的绿光与下游晶体556中的二次绿光之间的干涉，从而通过将这两个绿光束置于相应的正交偏振平面中来再循环未转换的泵浦光。

II型晶体的典型特征在于明显的空间走离效应(spatial walk-off effect)，如本领域技术人员已知的。走离现象引起横束位移(transverse beam displacement)。该效应缩短了BB去偏振泵浦信号光和产生的绿光之间的相互作用长度，这不利地影响转换效率。为了增加相互作用长度，BB去偏振泵浦信号光被走离补偿(WC)板552分离，其中走离补偿(WC)板552被定向为使非常光束以与上游晶体554的角度相反的角度离开。在技术上，走离补偿板552的厚度取决于晶体554的厚度并且受制于一个条件：泵浦信号光的寻常IR波和非常IR波在晶体的中间重叠。

现在转到图6，脉冲BB绿光激光器22配置有I型SHG装置648的多通道架构。具有与图4的结构部分相同的结构，然而图6的SHG 648不需要下游晶体并且需要不同配置的输出准直器665。当与图4和图5中的相应配置比较时，图6的多通SHG 648和图7的SHG 748两者都具有较小的占用面积、较低的成本并且没有消色差元件，例如图4中的聚焦透镜432。

包括IR BB Yb信号光纤激光器618、输入IR准直器和去偏振器646的图6的绿光激光器22的操作与图4的相同。甚至去偏振的聚焦泵浦光通过LBO晶体670的第一通道具有与图4中的绿光激光器22基本上相同的特性，除了其在与在晶体的两个相对面之间限定的中间平面横向偏移的平面中传播之外。泵浦信号光通过晶体的传播平面是设计的选择。

对于如图6所示的I型SHG 648的多通架构的替代设计开始于输出光束672离开LBO晶体670。包括泵浦光的原始转换的绿色波和非常波在内的输出光束672入射在1/4波片674上，并且进一步入射在高反射率中继成像球面镜676上。后者被配置为在反射光束照射到LBO晶体670的相对面上之前，通过相同的1/4波片674沿反向传播方向中继光束672。虽然波片674被配置为1/4波片，但是由于光在相反方向上双向通过波片674，波片674作为1/2片操作。因此，该片与去偏振片646组合产生防止原始产生的绿光束和二次产生的绿光束之间干涉的有利条件以及累积绿光的基本无噪声输出。平均功率等于原始产生的绿光束和二次产生的绿光束总和的输出绿光进一步被两个间隔的反射镜678和680反射、聚焦，然后在输出准直单元665中准直，以在光纤644中被进一步引导。

转到图7，本发明的绿光激光器22的多通II型SHG 748具有图6的本发明的绿光激光器22的所有组件。然而，由于II型晶体682中的走离现象，出于与上面关于图5所解释的相同原因，该架构还包括走离补偿板662。

参考图8和图9，它们图示地概述了上述公开的单个绿光激光器15被配置为在HWFP处输出具有4至5nm光谱带宽的宽带绿光，如图8所示。如果几个绿光激光器15构成用于每个通道的单个绿色光源，则线宽可以增加到8-10nm。此外，绿光激光器15实现了激光线带宽特性的可调谐性以及在FWHM处在中心范围的峰值波长的精细±0.5nm调整。脉冲可以介于几百瓦和几kW的平均功率之间以及具有几十kW的峰值功率。换句话说，由绿光激光器15产生的绿光的平均功率仅限于其泵的功率。

红光激光器

所公开的红光激光器附带的基本目标是产生红色激光束，其具有足以使发光数字显示器上的斑点噪声最小化的宽光谱线，并且当然具有高亮度。这是基于两个主要前提通过所公开的红色光纤激光器实现的：1.拉曼转换器在拉曼光纤中发射具有高达25nm的宽光谱线的1220-1300nm发射波长范围内的所需拉曼位移波长的光，以及2.通过LBO非线性晶体在上述识别的发射光谱内的所需拉曼位移波长的宽光谱线的光谱接受性，以对于单个红光激光器产生在FWHM处具有4和5nm之间的光谱线宽的610-650nm波长范围内的红光，以及对于多个红光激光器产生具有8-10nm之间的光谱线宽的610-650nm波长范围内的红光。通过利用拉曼散射以及和频非线性效应的两个实施例来实现所公开的用于输出高功率衍射限制宽带红光的源的实际实现，以产生相应的中心615nm和635nm波长的红光。

现在参考附图，图10示出了基于谐波生成装置的所公开的红光激光器1010的基本布局，该谐波生成装置包括与激光器领域的普通技术人员已知的频率转换装置内的标准LBO非线性晶体1016组合的拉曼转换器1014，以输出中心波长在约615nm的脉冲红光。种子1018-1022通过输出选自1030-1120nm波长范围的泵浦波长的IR脉冲光来定义拉曼增益的时间特性，并且在该实施例中具有MOPFA配置。具体地，泵1012包括被配置为具有偏振保持(PM)光纤尾纤的宽光谱线SM二极管激光器1018的可调谐泵种子/主振荡器，其中所述偏振保持(PM)光纤尾纤可操作为发射皮秒-纳秒(ps-ns)脉冲宽度范围内的脉冲序列。然后将脉冲泵浦光耦合到Yb光纤激光放大器或增强级1022中，该放大器或增强级1022被配置为将脉冲泵浦光提升到期望IR泵浦波长处的多kW峰值功率水平。可选地，IR泵浦激光源可以包括一个或多个预放大级1020，每个预放大级配置有Yb掺杂的PM光纤，并且在泵种子信号被耦合到功率放大器或增强器1022之前逐渐地放大泵种子信号。放大级均包括配置有壳体的增益块，该壳体包围Yb掺杂的有源光纤1024，该Yb掺杂的有源光纤1024在其相对端接合到可终止在壳体外部的相应SM PM无源光纤。各个Yb掺杂的光纤1024的泵包括以CW方式操作的相应的一个或多个二极管激光泵。

宽线宽红光激光器1010配置有以准连续波(QCW)方式操作的泵浦源，其中通过将振荡器1018的输出耦合到单独的电光强度调制器来提供所述准连续波(QCW)方式，所述电光强度调制器用于设置脉冲或直接调制振荡器以设置脉冲宽度。脉冲泵浦光以1至100MHz频率范围内的重复率输出，其波长选自1030至1120nm范围，并且具有ns-ps范围内的脉冲持续时间。前置放大器级1020被配置为在功率放大器级1022将脉冲泵浦光的平均功率提升到约200W和更高之前输出平均功率约1W的脉冲泵浦光。拉曼转换器1014可以包括具有几个微米纤芯直径的几米长的非线性无源光纤。在图10的示意图中，取决于种子1018的泵浦波长，约50-80％的输出IR泵浦光可以在大约1230nm波长转换为第三或第四斯托克斯级(Stokesorder)。在1020mm长的LBO 1016中进行频率倍增之后，在1230拉曼位移波长的SM脉冲光产生图11A所示的可见光谱，该可见光谱的中心波长大约615nm和该可见光谱的大于4nm的光谱带宽足以基本上最小化斑点噪声。在包括图3A的多个红光激光器的配置中，中心线可以达到8nm的宽度，如图11B所示。

红光发生器10的功率缩放的关键之一在于所有有源和无源大模式面积光纤增加的纤芯尺寸。例如，纤芯尺寸可以是20微米，这将允许在15-20kW IR峰值功率或更大功率处产生干净的拉曼光谱。如普通技术人员容易实现的，增加的IR峰值功率显著地提高了转换效率。对于建议的大模式面积光纤，从1060nm到615nm的转换效率可接近25％。

红光发生器10的功率缩放的另一种方法包括通过控制IR泵的占空比来提高平均功率。具体地，可以增大图10的泵种子1018的重复率，这导致泵功率增加，同时保持峰值功率恒定。

图12示出了图10所示的宽线红光激光器的变型。类似于基本布局，这里红光激光器1210配置有具有MOPFA配置并且以QCW方式操作的泵。该泵包括主振荡器1018，其输出被调制以产生1030-1120nm波长范围内的脉冲序列。一个或多个预放大和增强器级联各自配置有由以CW方式操作的激光二极管泵泵浦的Yb掺杂光纤。放大器1020和1022顺序地增大脉冲泵浦光的功率，脉冲泵浦光进一步耦合到拉曼转换器1014中，其中它被有效地转换为相继的斯托克斯级，其中第三斯托克斯级是期望的1220-1300nm波长范围和宽光谱线宽。包括LBO晶体的单通SHG 1016被配置为在所需拉曼位移波长处具有宽光谱接受度，其覆盖所需拉曼位移波长范围内IR光的光谱线宽的至少大部分。

所需的1220-1300nm拉曼位移波长范围内的IR光的线宽可能仍然过宽，并且不利地影响转换效率，而不管LBO的宽带光谱可接受范围。在这种情况下，可以通过用来自宽带SM拉曼种子1028的光对单通拉曼转换器进行泵浦来缩窄第三斯托克斯级，其中所述宽带SM拉曼种子1028在选自第二斯托克斯级的波长带的波长处以CW方式操作。通过这样做，第二斯托克斯通过受激拉曼散射而放大，这减小了该斯托克斯的线宽。结果，3个斯托克斯的线宽变窄。在该示意图中，时间特性由泵种子1018确定，而拉曼位移波长处的光的光谱特性由CW拉曼种子1028确定。因此，拉曼种子的SM输出的波长和线宽可以被裁量为期望的1220至1300nm波长范围内的特定线宽。

图13示出了配置为光纤或增益块的增强器1322，其包括外壳(未示出)，该外壳包含输入和输出相同尺寸的SM PM无源光纤1332和1334，它们被接合到PM Yb掺杂的二氧化硅光纤1330的相应相对端。后者具有MM纤芯1338，其能够支持泵浦波长处的SM，并且包括相对均匀尺寸的纤芯端，所述纤芯端被配置为使得基模(MF)的MFD与由相应的SM光纤1332和1334引导的SM泵浦光的MFD相匹配。MM光纤的使用在一定程度上干扰偏振。MM纤芯1338的相应SM和FM以及绝热膨胀和窄化模式变换区域1342、1344各自的匹配MFD直径仅提供对一个FM的激励和支持。

返回图12，CW SM拉曼种子1028可以被配置为在中间斯托克斯处接种拉曼转换器1014的宽带法布里-珀罗光纤或二极管激光器、分布布拉格反射器(DBR)或分布反馈激光器(DFB)或波长稳定的激光器。具体地，拉曼种子1028发射拉曼位移波长的光，该拉曼位移波长选自拉曼转换器1014的第二斯托克斯级的1130-1175nm波长范围。相应的泵浦和拉曼种子源的输出在优选地位于但不一定位于增强器1022上游的光纤WDM 1026中组合，其中增强器1022仅将1064nm波长的泵种子光放大到约20-30W的平均功率和5-10kW的峰值功率。图14中示出了拉曼光谱，其中第3斯托克斯的线宽为约25nm。

拉曼转换器1014配置有长度大于5米并且总壁插效率在6％-20％范围内的SM PM无源光纤。例如，该无源光纤可以是在50％-80％的高拉曼转换效率下工作的30至100米长的SM PM无源光纤，在该示例中，其在期望的1230nm波长处转换为高达6kW峰值功率的拉曼位移光。单通SHG包括尺寸为40mm长、5mm宽和3mm厚的I型晶体的LBO 1016，其以约35％-50％SHG效率操作。约615nm波长的SM红光的平均功率在45-110W范围内，而其峰值功率在1.1和2.8kW之间变化。

基于拉曼转换器和单通SHG波长转换装置的宽带红光发生器的上述公开配置都使用用于所公开的拉曼转换器的SM PM二氧化硅芯无源非线性光纤。然而，基于二氧化硅的光纤不是产生1220-1300nm范围内的IR光的唯一选择。二氧化硅光纤的可行替代物包括使用具有磷酸盐玻璃芯的光纤，其产生比标准二氧化硅芯光纤显著更宽的1斯托克斯级。事实上，期望的1220-1300拉曼位移波长带被第一斯托克斯覆盖的宽得多。

示出级联拉曼光纤激光器的另一实施例在图15中示出。该实施例的原理是使用一系列拉曼斯托克斯位移将稀土掺杂光纤激光器泵浦输出的波长转换为所需的红光输出波长。通常，通过使用级联拉曼谐振器来执行两个或更多个斯托克斯位移上的波长转换。它包括由高反射率光纤布拉格光栅或反射器1552制成的每个中间波长处的嵌套腔。谐振器中的每个中间波长被选择为接近其前面的波长的拉曼增益的峰值。低反射率输出反射器或耦合器1554终止选自1220-1300nm波长范围的波长转换。

所公开的红光激光器1550包括具有种子二极管激光器1558的宽带QCW Yb掺杂光纤振荡器1556，种子二极管激光器1558将期望泵浦波长的信号泵浦光输出到Yb光纤振荡器1556的腔中，Yb光纤振荡器1556被限定在高反射器(HR)1552和低反射器(LR)1554之间。与在上述公开的配置中使用的所有Yb掺杂光纤相比，Yb掺杂光纤1556可以是或可以不是PM光纤。泵可操作为输出期望泵浦波长的长微秒脉冲。

信号泵浦光进一步耦合到设置有多个HR 1552和下游LR 1554的多级SM LP拉曼激光器1555中，以在使用或不使用LR 1554的情况下提供从腔耦合出的期望拉曼位移波长范围处具有第三斯托克斯的三个斯托克斯的产生。从拉曼激光器1555发射的拉曼位移泵浦光的特征在于光谱上由LBO 1516接受的宽光谱线，LBO 1516可操作为产生在1220-1300nm波长范围内具有至少约5nm的宽光谱线宽的SM红光。

图16示出了包括具有MOPFA配置的QCW光泵的红光激光器1650，其具有泵种子1018和一个或多个放大级1620和1622。增强器级1622基于与图13所示相同的光纤配置。其余组件对应于图13的红光激光器的相应组件，并且包括宽带拉曼种子二极管激光器或种子1628和WDM 1626。在WDM 1626中将期望泵浦波长的放大后泵浦光与从拉曼种子1628在选自1220-1300nm波长范围的期望拉曼位移波长产生的光进行组合。然后将放大后泵浦光和拉曼位移光耦合到配置有一系列HR 1652和输出LR 1664的拉曼激光器1655中。拉曼位移波长的光在具有LBO 1616的SHG中转换为约615nm的期望宽带红光。

图17示出了由所有上述公开的光学装置产生的所公开的在615nm处的单个红光激光器的优点。可以看出，中心波长615nm具有非常稳定的特性，在30W下略微增加0.5nm。在35W红色输出功率范围内，光谱线宽也在2.5和3.5nm之间稳定地变化。在不对所示配置进行实质性修改的情况下，如图3所示，对于单个红光激光器，线宽可以增加到4至5nm，并且对于组合在一起的多个红光激光器，线宽可以增加至8至10nm。对于激光领域的普通技术人员显而易见的是，上述公开的装置可以用于产生具有红色波长间隔的较长中心波长或基本波长的红光。

参考图18，具有与上述公开的装置不同的架构的脉冲红光激光器1850可操作为输出大约635nm波长的红光。人眼对615nm的光比对635nm的光更敏感。然而，635nm的光产生效率高于615nm的光产生效率。

在红光激光器1850中，通过采用种子Yb光纤泵和铒(Er)光纤泵的频率混合来产生635nm波长。脉冲Yb泵和Er泵都使用975nm的相应单个二极管激光器，以分别接种相应的一个或多个放大级1800和1802nm。Yb光纤泵和Er光纤泵的输出由相应的透镜1804聚焦在输入镜1805和1806上，其中Er光束从输入镜1805反射向对Yb光束透明的输入镜1806。每个增强器1800、1082可以根据图13的增强器来配置，并输出达到几十kW的相应的高峰值功率光信号。Yb和Er光束都进一步传播通过LBO 1812，其中它们各自的频率被求和。结果，1535nm处的红光从反射镜1808反射到输出耦合器1810，其中反射镜1808对LBO 1812中的未转换光是透明的。

图19和图20示出了由图18的示意图产生的红光光束特性。从图19可以看出，对于单个红光激光器，光谱线宽约为4-5nm。关于图20，中心波长约为634.2nm±0.1nm，而光谱线宽在3.1nm±0.9nm内变化，这对于有效抑制斑点是足够的。因此，所公开的635nm处的红光激光器在宽范围的激光器操作条件下提供明亮稳定的中心波长和线宽。

蓝光激光器

图2B的蓝光激光器26包括多个多模(MM)二极管激光器。二极管激光器被分组在一个或多个模块中，每个模块可以容纳例如6个或12个二极管激光器。每个模块的输出功率可以高达约40W，并且通过将多个模块封装在一起可以满足期望的功率需求。出于实际考虑，蓝光激光器26的输出功率可以在例如100W和500W之间变化。与先前公开的绿光激光器和红光激光器类似，蓝光激光器26具有在440nm和470nm之间变化的稳定中心波长。真正的最终目标-斑点抑制-蓝光激光器26输出具有在约4nm和8nm之间的稳定宽带宽的光，如图21所示。

概述

参考图3和图4，RGB激光源15易于功率调节，易于控制期望的设置，并且如果需要易于调制后者。总之，用于数字影院等的本发明的RGB激光源优选地具有两个RGB集，每个RGB集包括红色通道、绿色通道和蓝色通道。能够以CW/QCW/脉冲方式操作的本发明的源15的随机偏振光束的亮度可以达到约150klm。

具有脉冲Yb光纤泵的绿光激光器22可操作为：在由随机偏振输出光束产生的FWHM处，对于单个绿光激光器，输出具有524-546nm波长范围内的稳定中心波长和约4-5nm的光谱带宽的绿光，以及对于多个绿光激光器，输出具有524-546nm波长范围内的稳定中心波长和约8-10nm的光谱带宽的绿光。脉冲重复率在MHz范围内变化。绿光激光器15的平均功率仅受IR泵的平均功率的限制，并且可以达到1或者甚至几个kW。

对于单个红光激光器，红光激光器24输出具有4-5nm的稳定光谱线宽的在615-645nm中心波长中的稳定信号，以及对于多个红光激光器，输出具有约8-10nm的稳定光谱线宽的在615-645nm中心波长中的稳定信号。优选地以QCW或脉冲方式操作的红光激光器的重复率在MHz范围内变化。激光器24的输出平均功率可以高达目前所需的500瓦特范围。

蓝光激光器配置有以被容纳在一起来确定模块的6个或12个为一组布置的多个MM二极管激光器。蓝光激光器28可以输出高达几百瓦特的光，例如200W和更高。中心波长可以在430-470nm波长范围内选择，对于单个模块的单个二极管激光器，稳定光谱线宽为4-5nm，而对于单个模块的多个二极管激光器，稳定光谱线宽为8-10nm。

已经参考附图描述了本发明的实施例，将理解的是，本发明不限于那些具体实施例，并且本领域技术人员可以在本文中执行各种改变、修改和适应，而不偏离所附权利要求中定义的本发明的范围或精神。

Claims (17)

1.一种用于照明投影机系统的红绿蓝RGB激光光源，至少包括第一通道，所述第一通道配置有：

随机偏振RP宽带BB单模SM绿光激光器，包括：

主振荡器功率光纤放大器MOPFA泵，其操作为输出基波波长在1μm波长范围内的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束；

二次谐波发生器SHG，配置有三硼酸锂LBO非线性晶体，其接收随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束并输出在520-545nm波长范围内的宽光谱线宽Δλ1至少为4nm的BB绿光脉冲序列；以及

聚焦光学器件，配置为将所述随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束聚焦到所述LBO内不超过40μm的束腰直径；

随机偏振宽带单模红光激光器，配置有相应的准连续波QCW光纤激光器泵以及具有LBO非线性晶体的频率转换器，所述QCW光纤激光器泵操作为输出中心波长处的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束，所述LBO非线性晶体接收随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束以输出在610-650nm波长范围内的宽光谱线Δλ2至少为4nm的红光脉冲序列；以及

蓝光激光器，输出中心波长在440-470nm波长范围内的宽光谱线宽Δλ3至少为4nm的RP蓝光。

2.根据权利要求1所述的RGB激光光源，还包括第二通道，所述第二通道包括：随机偏振宽带单模绿光激光器、随机偏振宽带单模红光激光器和随机偏振宽带单模蓝光激光器，它们输出中心波长与所述第一通道的各个中心波长不同的相应RGB光，以输出3D图像。

3.根据权利要求1或2所述的RGB激光光源，还包括操作为输出2D或3D图像的投影机。

4.根据权利要求2所述的RGB激光光源，还包括：

多个单色红光、绿光和蓝光合束器，每个合束器从所述第一通道和所述第二通道之一的相应的多个红光激光器、多个绿光激光器和多个蓝光激光器接收光，并且配置为输出各自具有至少8nm的宽光谱线的相应累积红光、绿光和蓝光，以及

多个下游合束器，每个下游合束器接收来自相应的第一通道和第二通道的相应的红色累积光、绿色累积光和蓝色累积光，并且操作为输出随机偏振RP的白光。

5.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述SHG配置为单通转换装置，并且具有：上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体，所述上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体各自的轴在垂直平面中延伸；以及第一聚焦透镜，将来自上游I型LBO晶体的输出聚焦在下游I型LBO晶体的主体内，所述下游I型LBO晶体配置为输出累积的随机偏振宽带单模绿光和在所述上游I型LBO晶体中未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束。

6.根据权利要求5所述的RGB激光光源，还包括：输出准直单元，操作为输出其输出平均功率与在所述上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体中产生的绿光之和相等的累积随机偏振宽带单模绿光，所述输出准直单元包括对所述下游I型LBO晶体中未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束透明并沿输出路径反射所述累积随机偏振宽带单模绿光的波长鉴别器，其中高反射镜沿所述输出路径将累积BB绿光引导至下游聚焦透镜以将累积BB绿光聚焦在输出准直器中。

7.根据权利要求5所述的RGB激光光源，还包括：位于所述上游I型LBO晶体的下游的双折射去偏振器，其中来自相应的上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体的随机偏振宽带单模绿光彼此不干涉地传播。

8.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述绿光激光器的SHG还包括：

一对间隔开的上游II型LBO晶体和下游II型LBO晶体，其各自的轴在平行平面中延伸，

上游1/2波片和下游1/2波片，分别位于上游II型LBO晶体和下游II型LBO晶体的上游，并且配置为防止来自上游II型LBO晶体的随机偏振宽带绿光和来自下游II型LBO晶体的随机偏振宽带绿光之间的干涉，

走离补偿板，由双折射材料制成并位于上游II型LBO晶体的上游，所述走离补偿板配置为沿与所述上游II型LBO晶体提供的方向相反的方向提供特别泵浦波的走离，

输出准直单元，操作为输出其输出平均功率与上游II型LBO晶体和下游II型LBO晶体中产生的绿光之和相等的累积随机偏振宽带绿光，所述输出准直单元设置有对下游II型LBO晶体未转换的任何随机偏振宽带单模脉冲泵浦光束透明并且沿输出路径反射累积BB绿光的波长鉴别器。

9.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述随机偏振宽带单模绿光激光器的SHG包括I型LBO晶体，并且配置为作为多通频率转换装置操作，所述多通频率转换装置设置有：

高反射率凹反射器，定位在沿着正向传播光路而言I型LBO晶体的下游，以从中接收任何未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光和随机偏振宽带单模绿光，所述高反射率凹反射器配置为沿着反向光传播光路反向反射所接收的光通过I型LBO晶体，以便将未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光转换为随机偏振宽带单模绿光，其中正向传播光路和反向传播光路在I型LBO晶体内彼此不交叉；以及绿光准直器，其接收和输出沿正向和反向方向转换的绿光。

10.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述LBO非线性晶体是II型LBO晶体，其中所述随机偏振宽带单模绿光激光器的SHG还包括位于所述II型LBO晶体上游的走离板，所述SHG配置为作为多通频率转换装置操作，所述多通频率转换装置包括：

高反射率凹反射器，定位在沿着正向传播光路而言II型LBO晶体的下游，以从中接收未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光和随机偏振宽带单模绿光，所述高反射率凹反射器配置为沿着反向光传播光路反向反射所接收的光通过II型LBO晶体，以便将未转换的随机偏振宽带单模脉冲泵浦光转换为随机偏振宽带单模绿光，其中正向传播光路和反向传播光路在II型LBO晶体内彼此不交叉；以及绿光准直器，接收和输出沿正向方向和反向方向转换的绿光。

11.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述随机偏振宽带单模红光激光器的QCW光纤激光泵配置有包括单个二极管激光振荡器和单模镱Yb功率放大器光纤激光器的MOPFA，所述QCW光纤激光泵装置操作为发射波长在1030nm至1120nm之间的SM脉冲泵浦光；

所述频率转换器配置为接合到Yb功率放大器输出的单通SM光纤拉曼转换器，并且具有引导脉冲泵浦光的纤芯和围绕所述纤芯的包层，

其中所述拉曼转换器诱发脉冲泵浦光的“n”阶频率斯托克斯位移，以输出在1220和1300nm之间变化且具有至少10nm的宽光谱线的所需拉曼位移波长的泵浦光，其中“n”是整数。

12.根据权利要求11所述的RGB激光光源，其中所述拉曼转换器配置有具有磷酸盐玻璃纤芯或二氧化硅包层中的二氧化硅纤芯的PM光纤，

具有二氧化硅纤芯的拉曼转换器具有足以诱发三阶或四阶频率斯托克斯位移的长度，以将泵浦波长转换为所需的拉曼位移波长，

具有磷酸盐玻璃纤芯的拉曼转换器配置有足以诱发一阶频率斯托克斯位移的长度，以将泵浦光的泵浦波长转换为所需的拉曼位移波长。

13.根据权利要求11所述的RGB激光光源，还包括以连续波CW方式操作的种子，以发射所需拉曼位移波长的光，所述所需拉曼位移波长的光被耦合到单通SM拉曼转换器中。

14.根据权利要求13所述的RGB激光光源，还包括波分复用WDM，其将来自Yb功率放大器光纤激光器的上游或下游的所需拉曼位移波长的光与泵浦光复用。

15.根据权利要求11所述的RGB激光光源，其中所述拉曼转换器以50％-80％范围内的转换效率操作，并且所述RGB激光光源的整体壁插效率在6％-20％的范围内变化。

16.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述随机偏振宽带单模红光激光器的QCW光纤激光泵配置有Yb光纤泵浦源和铒Er光纤泵浦源，每个泵浦源具有包括单个二极管激光振荡器和功率放大器光纤激光器的MOPFA，所述QCW光纤激光泵装置操作为发射分别在1030-1120nm和1535nm波长的均为SM形式的两个泵浦光；

所述频率转换器配置为具有LBO非线性晶体的多通转换装置，其中LBO非线性晶体提供Yb泵浦光和Er泵浦光的和频，以输出610-650nm波长范围内的红光。

17.根据权利要求1所述的RGB激光光源，其中所述绿光激光器和所述红光激光器的泵配置有只支持SM的MM增益介质。

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