DE102018010364A1 - Laser light source and laser projector with it - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle (1), umfassend: mindestens ein nichtlineares optisches Medium (3), insbesondere einen nichtlinearen Kristall, sowie mindestens eine Pump-Laserquelle (2) zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls (5) zur Bildung eines Signal-Strahls (7) und eines Idler-Strahls (8) in dem nichtlinearen optischen Medium (3) durch Parametric-Down-Conversion. Die Laserlichtquelle (1) umfasst mindestens eine als Superlumineszenz-Diode oder als Laserdiode ausgebildete Seed-Lichtquelle (4) zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls (7') und/oder eines Seed-Idler-Strahls mit geringerer Kohärenzlänge als der Kohärenzlänge des Pump-Laserstrahls (5), sowie mindestens eine Überlagerungseinrichtung (16) zur Überlagerung des Seed-Signal-Strahls (7') und/oder des Seed-Idler-Strahls mit dem Pump-Laserstrahl (5) zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium (3). Die Erfindung betrifft auch einen Laser-Projektor mit einer solchen Laserlichtquelle (1).The invention relates to a laser light source (1), comprising: at least one nonlinear optical medium (3), in particular a nonlinear crystal, and at least one pump laser source (2) for generating a pump laser beam (5) to form a signal beam ( 7) and an idler beam (8) in the nonlinear optical medium (3) by parametric down conversion. The laser light source (1) comprises at least one seed light source (4) designed as a superluminescent diode or as a laser diode for generating a seed signal beam (7 ') and / or a seed idler beam with a shorter coherence length than the coherence length of the Pump laser beam (5), and at least one superimposition device (16) for superimposing the seed signal beam (7 ') and / or the seed idler beam with the pump laser beam (5) for common coupling into the nonlinear optical Medium (3). The invention also relates to a laser projector with such a laser light source (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, umfassend: mindestens ein nichtlineares optisches Medium, insbesondere einen nichtlinearen Kristall, sowie mindestens eine Pump-Laserquelle zum Erzeugen eines Pump-Laserstrahls zur Bildung eines Signal-Strahls und eines Idler-Strahls in dem nichtlinearen optischen Medium durch Parametric-Down-Conversion. Die Erfindung betrifft auch einen Laser-Projektor mit einer solchen Laserlichtquelle.The present invention relates to a laser light source comprising: at least one nonlinear optical medium, in particular a nonlinear crystal, and at least one pump laser source for generating a pump laser beam to form a signal beam and an idler beam in the nonlinear optical medium by Parametric -Down conversion. The invention also relates to a laser projector with such a laser light source.
Lichtquellen, die Licht mit hoher Intensität, Farbtreue, Bündelung und geeigneter Kohärenz erzeugen, sind u. a. für Visualisierungsanwendungen, beispielsweise für Projektoren, von Vorteil. Für Visualisierungsanwendungen, speziell für Projektoren, werden häufig Lichtquellen verwendet, die inkohärentes Licht erzeugen, z. B. Lampen oder LEDs. Derartige Lichtquellen haben aber Nachteile bei Intensität, Farbtreue und Strahlbündelung. Laserlichtquellen sind in allen genannten Aspekten überlegen, emittieren allerdings stark kohärentes Licht, welches in der Anwendung in einem Laser-Projektor zu so genanntem Speckle-Rauschen führt, d.h. zu einem granularen (d.h. körnigen) Interferenzeffekt, der die Bildqualität deutlich reduziert. Speckle-Rauschen tritt nicht nur bei Laser-Projektoren auf, sondern überall dort, wo Laserlichtquellen für bildgebende oder messtechnische Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise in der interferometrischen Messtechnik.Light sources that generate light with high intensity, color fidelity, bundling and suitable coherence may be a. for visualization applications, for example for projectors. For visualization applications, especially for projectors, light sources are often used which generate incoherent light, e.g. B. lamps or LEDs. However, such light sources have disadvantages in terms of intensity, color fidelity and beam focusing. Laser light sources are superior in all aspects mentioned, but emit strongly coherent light, which leads to so-called speckle noise when used in a laser projector, i.e. to a granular (i.e. granular) interference effect that significantly reduces the image quality. Speckle noise not only occurs with laser projectors, but everywhere where laser light sources are used for imaging or measurement purposes, for example in interferometric measurement technology.
Zur Reduzierung der Kohärenz von Laserlicht sind unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt: Beispielsweise kann das Laserlicht einer optischen Filterung unterworfen werden, bevor dieses zur Projektion eingesetzt wird. Die zu diesem Zweck eingesetzten optischen Filter benötigen in der Regel jedoch einen erheblichen Bauraum. In der Literatur wurde deshalb eine Reihe von alternativen Vorgehensweisen untersucht, um die Speckle-Problematik bei Laser-Projektoren in den Griff zu bekommen. Einen Überblick gibt die Dissertation „Speckle Reduction in Projection Systems“ von F. Riechert, Univ. Karlsruhe, 2009. Ziel dieser Methoden ist es, voneinander unabhängige (d. h. dekorrelierte) Speckle-Muster inkohärent (d. h. auf Intensitätsbasis) zu überlagern.Different procedures are known for reducing the coherence of laser light: For example, the laser light can be subjected to optical filtering before it is used for projection. However, the optical filters used for this purpose generally require a considerable amount of space. A number of alternative approaches have therefore been examined in the literature in order to get the speckle problem in laser projectors under control. The dissertation "Speckle Reduction in Projection Systems" by F. Riechert, Univ. Karlsruhe, 2009. The aim of these methods is to overlay mutually independent (i.e. decorrelated) speckle patterns incoherently (i.e. on an intensity basis).
In der
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Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Einem ersten Aspekt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserlichtquelle bereitzustellen, bei der die Kohärenzlänge des in dem nichtlinearen Medium gebildeten Signal-Strahls und/oder des Idler-Strahls eingestellt ist oder einstellbar ist. Einem zweiten Aspekt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Pump-Laserstrahlung der Pump-Laserquelle möglichst effizient zu nutzen.A first aspect of the invention is based on the object of providing a laser light source in which the coherence length of the signal beam and / or of the idler beam formed in the nonlinear medium is set or adjustable. A second aspect of the invention is based on the object of using the pump laser radiation of the pump laser source as efficiently as possible.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt gelöst durch eine Laserlichtquelle der eingangs genannten Art, weiter umfassend: mindestens eine Seed-Lichtquelle zur Erzeugung eines Seed-Signal-Strahls und/oder eines Seed-Idler-Strahls mit geringerer Kohärenzlänge als der Kohärenzlänge des Pump-Laserstrahls, sowie mindestens eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls mit dem Pump-Laserstrahl zur gemeinsamen Einkopplung in das nichtlineare optische Medium.According to the first aspect, this object is achieved by a laser light source of the type mentioned at the outset, further comprising: at least one seed light source for generating a seed signal beam and / or a seed idler beam with a shorter coherence length than the coherence length of the pump Laser beam, and at least one superposition device for superimposing the seed signal beam and / or the seed idler beam with the pump laser beam for common coupling into the nonlinear optical medium.
Bei dem ersten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, mindestens eine Seed-Lichtquelle zu verwenden, die einen Seed-Signal-Strahl bzw. einen Seed-Idler-Strahl erzeugt, dessen Emissionsspektrum die Signal-Wellenlänge des Signal-Strahls bzw. die Idler-Wellenlänge des Idler-Strahls enthält bzw. im Wesentlichen mit diesen übereinstimmt. Durch die Verwendung der Seed-Lichtquelle kann die Verstärkung des nichtlinearen Mediums für den Seed-Strahl und/oder den Idler-Strahl erhöht werden (Besetzungsinversion). Handelt es sich bei der Seed-Lichtquelle um eine abschaltbare Lichtquelle, kann die Kohärenz, genauer gesagt die Kohärenzlänge, der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle in diesem Fall zumindest zwischen zwei Zuständen (Seed-Lichtquelle eingeschaltet oder ausgeschaltet) umgeschaltet werden.In the first aspect of the invention it is proposed to use at least one seed light source that generates a seed signal beam or a seed idler beam, the emission spectrum of which is the signal wavelength of the signal beam or the idler wavelength contains or essentially coincides with the idler beam. By using the seed light source, the gain of the nonlinear medium for the seed beam and / or the idler beam can be increased (population inversion). If the seed light source is a light source that can be switched off, the coherence, more precisely the coherence length, of the laser light source according to the invention can in this case be switched at least between two states (seed light source switched on or off).
Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle, die auf dem Prozess der Parametric Down Conversion beruht, benötigt keine mechanischen Funktionsbauteile und ist daher miniaturisierbar. Die Kohärenzlänge des erzeugten Signal-Strahls bzw. Idler-Strahls kann mit Hilfe der Seed-Lichtquelle eingestellt werden, indem inkohärente oder teilkohärente Seed-Strahlung in das nichtlineare optische Medium eingekoppelt wird. Durch die Parametric Down Conversion kann zudem die Kohärenz des von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahls zerstört werden, indem entweder nur der Signal-Strahl oder nur der Idler-Strahl den Nutz-Laserstrahl der Laserlichtquelle bildet. Hierbei wird ausgenutzt, dass der Signal-Strahl und der Idler-Strahl durch den gemeinsamen Entstehungsprozess in dem nichtlinearen Medium zwar starke Korrelationen aufweisen, dass der Idler-Strahl bzw. der Signal-Strahl für sich alleine das Fluktuationsverhalten von thermischen Lichtquellen aufweisen. Diese Fluktuationen sind schnell genug, dass das Speckle-Rauschen praktisch vollständig eliminiert wird. Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle eignet sich daher für die Erzeugung von brillanter, specklefreier Projektion, z.B. in Datenbrillen, in Head-Up-Displays, für die Belichtung von Mikrochips in der Lithographie und für bildgebende Verfahren (zur Beleuchtung) in der Mikroskopie. Die erfindungsgemäße Lichtquelle kann aufgrund der einstellbaren Kohärenz (s.u.) auch zur Erzeugung von Hologrammen oder für andere optische Anwendungen verwendet werden.The laser light source according to the invention, which is based on the process of parametric down conversion, does not require any mechanical functional components and can therefore be miniaturized. The coherence length of the generated signal beam or idler beam can be adjusted with the aid of the seed light source by coupling incoherent or partially coherent seed radiation into the nonlinear optical medium. The coherence of the laser beam generated by the laser light source can also be destroyed by the parametric down conversion, in that either only the signal beam or only the idler beam forms the useful laser beam of the laser light source. This takes advantage of the fact that the Although the signal beam and the idler beam have strong correlations due to the common formation process in the nonlinear medium, the idler beam and the signal beam alone have the fluctuation behavior of thermal light sources. These fluctuations are fast enough that the speckle noise is practically completely eliminated. The laser light source according to the invention is therefore suitable for the generation of brilliant, speckle-free projection, for example in data glasses, in head-up displays, for the exposure of microchips in lithography and for imaging processes (for illumination) in microscopy. Due to the adjustable coherence (see below), the light source according to the invention can also be used to generate holograms or for other optical applications.
Die Überlagerungseinrichtung kann ausgebildet sein, den Seed-Signal-Strahl und/oder den Seed-Idler-Strahl kollinear (räumlich) zu überlagern, um diese entlang eines gemeinsamen Strahlwegs dem nichtlinearen Medium zuzuführen. Für die kollineare Überlagerung kann beispielsweise ein dichroitischer Strahlteiler verwendet werden, der reflektiv für die Polarisationsrichtung des Seed-Signal-Strahls (oder des Idler-Signal-Strahls) und transmissiv für die Polarisationsrichtung des Pump-Laserstrahls ist, oder umgekehrt.The superimposition device can be designed to collinearly (spatially) superimpose the seed signal beam and / or the seed idler beam in order to feed them to the nonlinear medium along a common beam path. For example, a dichroic beam splitter can be used for the collinear superimposition, which is reflective for the polarization direction of the seed signal beam (or the idler signal beam) and transmissive for the polarization direction of the pump laser beam, or vice versa.
Es versteht sich, dass auch eine andere optische Einrichtung als Überlagerungseinrichtung verwendet werden kann, welche eine kollineare Überlagerung des Pump-Laserstrahls und des Seed-Signal-Strahls bzw. des Idler-Signal-Strahls unter Ausnutzung mindestens einer unterschiedlichen Eigenschaft der beiden Strahlen ermöglicht. Beispielsweise können die unterschiedlichen Wellenlängen des Pump-Laserstrahls und des Seed- bzw. des Idler-Signal-Strahls ausgenutzt werden, um die Überlagerung z.B. mit Hilfe eines Beugungsgitters oder dergleichen zu realisieren.It goes without saying that another optical device can also be used as the superimposition device, which enables a collinear superimposition of the pump laser beam and the seed signal beam or the idler signal beam using at least one different property of the two beams. For example, the different wavelengths of the pump laser beam and the seed or idler signal beam can be used to overlap the e.g. with the help of a diffraction grating or the like.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Laserlichtquelle (mindestens) eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Leistung des in das nichtlineare optische Medium eingekoppelten Seed-Signal-Strahls, des Seed-Idler-Strahls und/oder des Pump-Laserstrahls auf. Die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, die Leistung der Seed-Lichtquelle und/oder der Pump-Laserquelle einzustellen, um auf diese Weise die Kohärenz des aus dem nichtlinearen Medium ausgekoppelten Signals-Strahls und/oder des Idler-Strahls zu beeinflussen bzw. einzustellen. Für die Einstellung der Leistung des in das nichtlineare Medium eingekoppelten Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls ist es nicht zwingend erforderlich, eine Seed-Lichtquelle mit einer einstellbaren Leistung zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich kann eine (optische) Filterung mit einem einstellbaren optischen Filter erfolgen, um die in das nichtlineare Medium eingekoppelte Leistung des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls einzustellen. Gleiches gilt für die Einstellung der Leistung der Pump-Laserquelle.In an advantageous embodiment, the laser light source has (at least) one control device for controlling the power of the seed signal beam coupled into the nonlinear optical medium, the seed idler beam and / or the pump laser beam. The control device can be designed to adjust the power of the seed light source and / or the pump laser source in order in this way to influence or adjust the coherence of the signal beam coupled out of the nonlinear medium and / or the idler beam. To set the power of the seed signal beam coupled into the nonlinear medium and / or the seed idler beam, it is not absolutely necessary to use a seed light source with an adjustable power. Alternatively or additionally, (optical) filtering can be carried out with an adjustable optical filter in order to adjust the power of the seed signal beam and / or the seed idler beam coupled into the nonlinear medium. The same applies to the setting of the power of the pump laser source.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Seed-Lichtquelle ausgewählt aus der Gruppe umfassend: LED, Superlumineszenz-Diode und Laserdiode. Während eine LED typischerweise eine Kohärenzlänge aufweist, die so groß ist, dass die aus der Seed-Lichtquelle austretende Strahlung als inkohärent bezeichnet wird, handelt es sich bei der Superlumineszenz-Diode um eine Laserdiode ohne einen Resonator. Eine Superlumineszenz-Diode vereinigt daher die Helligkeit einer Laserdiode mit der geringen Kohärenz(länge) von Leuchtdioden, was gleichbedeutend mit einer größeren Bandbreite der von der Superlumineszenz-Diode emittierten Strahlung im Vergleich zur von einer Laserdiode emittierten Laserstrahlung ist. Bei der Seed-Lichtquelle in Form der Laserdiode kann es sich insbesondere um eine Multi-Mode-Laserdiode handeln. Auch der von einer solchen Multi-Mode-Laserdiode erzeugte Seed-Signal-Strahl bzw. Seed-Idler-Strahl weist eine geringere Kohärenzlänge auf als ein Pump-Laserstrahl, der von einer Pump-Laserquelle z.B. in Form einer Single-Mode-Laserdiode erzeugt wird.In a further embodiment, the seed light source is selected from the group comprising: LED, superluminescent diode and laser diode. While an LED typically has a coherence length that is so large that the radiation emerging from the seed light source is referred to as incoherent, the superluminescence diode is a laser diode without a resonator. A superluminescent diode therefore combines the brightness of a laser diode with the low coherence (length) of light-emitting diodes, which is synonymous with a larger bandwidth of the radiation emitted by the superluminescent diode compared to the laser radiation emitted by a laser diode. The seed light source in the form of the laser diode can in particular be a multi-mode laser diode. The seed signal beam or seed idler beam generated by such a multi-mode laser diode also has a shorter coherence length than a pump laser beam which is emitted by a pump laser source e.g. is generated in the form of a single-mode laser diode.
Bei einer Ausführungsform ist die Pump-Laserquelle zur Erzeugung eines Pump-Laserstrahls mit einer Pump-Wellenlänge von weniger als 460 nm ausgebildet. Die Pump-Wellenlänge der Pump-Laserquelle sollte bei der Verwendung der Laserlichtquelle zur Projektion nicht größer gewählt werden, da bei der Parametric-Down-Conversion in dem nichtlinearen Medium die konvertierten Ausgangs-Wellenlängen größer sind als die Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls. Bei einer Pump-Wellenlänge, die beispielsweise bei 450 nm oder weniger, beispielsweise bei ca. 375 nm oder weniger liegt, können die drei Grundfarben blau (zwischen ca. 420 nm und ca. 470 nm), grün (zwischen ca. 520 nm und ca. 540 nm) und rot (zwischen ca. 635 nm und 780 nm) durch Parametric-Down-Conversion erzeugt werden. Zur Erzeugung von drei Signal-Strahlen bzw. Idler-Strahlen mit Wellenlängen im blauen, grünen und roten Wellenlängenbereich können drei Pump-Laserquellen verwendet werden, die nicht zwingend dieselbe Pump-Wellenlänge nutzen. Die Erzeugung von drei Signal-Strahlen bzw. Idler-Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen kann auch mit Hilfe einer einzigen Pump-Laserquelle erfolgen, indem der Pump-Laserstrahl auf drei nichtlineare Medien aufgeteilt wird. Auch eine serielle Erzeugung von drei Signal- bzw. Idler-Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen ist möglich, wie weiter unten näher beschrieben wird.In one embodiment, the pump laser source is designed to generate a pump laser beam with a pump wavelength of less than 460 nm. The pump wavelength of the pump laser source should not be chosen to be larger when using the laser light source for projection, since in the parametric down conversion in the nonlinear medium the converted output wavelengths are larger than the pump wavelength of the pump laser beam. At a pump wavelength that is, for example, 450 nm or less, for example approximately 375 nm or less, the three primary colors can be blue (between approximately 420 nm and approximately 470 nm), green (between approximately 520 nm and 540 nm) and red (between approx. 635 nm and 780 nm) by parametric down conversion. Three pump laser sources that do not necessarily use the same pump wavelength can be used to generate three signal beams or idler beams with wavelengths in the blue, green and red wavelength range. Three signal beams or idler beams with different wavelengths can also be generated with the aid of a single pump laser source, in that the pump laser beam is divided into three nonlinear media. Serial generation of three signal or idler beams with different wavelengths is also possible, as will be described in more detail below.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Pump-Laserquelle einen Festkörperlaser, insbesondere einen Diodenlaser bzw. eine Laserdiode, auf. Der Diodenlaser kann kontinuierlich (cw) oder gepulst betrieben werden. Bei einem gepulsten Betrieb des Diodenlasers besteht die Möglichkeit, den dem Diodenlaser zur Erzeugung des Pump-Laserstrahls zugeführten Injektionsstrom für die einzelnen Pulse größer zu wählen als den cw-Injektionsstrom, d.h. den Diodenlaser zu überpulsen. Im zeitlichen Mittel ergibt sich beim Überpulsen aufgrund der Pulspausen ein Injektionsstrom, der im Wesentlichen dem cw-Injektionsstrom entspricht.In a further embodiment, the pump laser source has a solid-state laser, in particular a diode laser or a laser diode. The diode laser can be operated continuously (cw) or pulsed. In the case of pulsed operation of the diode laser, it is possible to select the injection current supplied to the diode laser for generating the pump laser beam to be larger than the cw injection current, ie to pulse the diode laser. On average, when pulsing over, an injection current results due to the pulse pauses, which essentially corresponds to the cw injection current.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle zusätzlich einen optischen Isolator zum Schutz der Pump-Laserquelle vor Rückreflexen. Bei dem optischen Isolator kann es sich beispielsweise um einen Faraday-Rotator oder um eine andere Art von optischem Isolator handeln, welcher verhindert, dass ein Anteil des rückreflektierten Pump-Laserstrahls in die Pump-Laserquelle, genauer gesagt in den Diodenlaser, eingekoppelt wird.In a further embodiment, the laser light source additionally comprises an optical isolator to protect the pump laser source from back reflections. The optical isolator can be, for example, a Faraday rotator or another type of optical isolator, which prevents a portion of the back-reflected pump laser beam from being coupled into the pump laser source, more precisely into the diode laser.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das nichtlineare Medium innerhalb eines Resonators für eine Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls, insbesondere innerhalb eines optisch-parametrischen Oszillators, angeordnet. Die Pump-Laserquelle kann in diesem Fall mit einem externen Resonator betrieben werden, wobei der Endspiegel des externen Resonators im Strahlweg des Pump-Laserstrahls hinter dem nichtlinearen optischen Medium angeordnet ist. In diesem Fall kann die Facette des Diodenlasers, aus welcher der Pump-Laserstrahl austritt, mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sein, welche eine Reflektivität von z. B. weniger als 2 % aufweist, damit die zurück reflektierte Pump-Laserstrahlung möglichst in einem großen Temperatur- und Wellenlängenbereich auf der stabilisierten Pumpwellenlänge emittiert (Locking range).In a further embodiment, the nonlinear medium is arranged within a resonator for a pump wavelength of the pump laser beam, in particular within an optical-parametric oscillator. In this case, the pump laser source can be operated with an external resonator, the end mirror of the external resonator being arranged in the beam path of the pump laser beam behind the nonlinear optical medium. In this case, the facet of the diode laser from which the pump laser beam emerges can be provided with an antireflection coating, which has a reflectivity of e.g. B. has less than 2%, so that the reflected pump laser radiation emits as far as possible in a large temperature and wavelength range on the stabilized pump wavelength (locking range).
Alternativ zur Verwendung eines externen Resonators kann ein weiterer Endspiegel des Resonators im Strahlweg des Pump-Laserstrahls vor dem nichtlinearen optischen Medium angeordnet werden, um den Anteil des Pump-Laserstrahls, der an dem Endspiegel, welcher im Strahlweg des Pump-Laserstrahls hinter dem nichtlinearen optischen Medium angeordnet ist, reflektiert wird, in das nichtlineare optische Medium zurück zu reflektieren. In diesem Fall bildet das nichtlineare optische Medium mit den beiden Endspiegeln typischerweise einen optisch-parametrischen Oszillator. Die beiden Endspiegel können insbesondere in Form von hochreflektierenden Beschichtungen an den Stirnseiten bzw. Endfacetten des nichtlinearen optischen Mediums in Form eines nichtlinearen Kristalls ausgebildet sein, der ggf. einen Wellenleiter aufweist (s.u.).As an alternative to using an external resonator, a further end mirror of the resonator can be arranged in the beam path of the pump laser beam in front of the nonlinear optical medium by the proportion of the pump laser beam which is at the end mirror which is in the beam path of the pump laser beam behind the nonlinear optical Medium is arranged, is reflected back into the nonlinear optical medium. In this case, the nonlinear optical medium with the two end mirrors typically forms an optical parametric oscillator. The two end mirrors can be designed in the form of highly reflective coatings on the end faces or end facets of the nonlinear optical medium in the form of a nonlinear crystal, which may have a waveguide (see below).
Der nichtlineare Kristall bildet in diesem Fall einen Resonator zur Leistungsüberhöhung des Pump-Laserstrahls. Die Intensität des Pump-Laserstrahls innerhalb des nichtlinearen optischen Kristalls kann auf diese Weise deutlich gesteigert werden und es können Verluste durch aus dem nichtlinearen Kristall austretende, nicht konvertierte Leistungsanteile des Pump-Laserstrahls reduziert werden. Der optisch-parametrische Oszillator ist typischerweise nur für die Pump-Wellenlänge resonant, aber nicht für die Signal-Wellenlänge des Signal-Strahls bzw. für die Idler-Wellenlänge des Idler-Strahls. Die beiden als Endspiegel dienenden reflektierenden Beschichtungen sind somit nur für die Pump-Wellenlänge hoch reflektierend, aber nicht für die Signal-Wellenlänge bzw. für die Idler-Wellenlänge.In this case, the nonlinear crystal forms a resonator for increasing the power of the pump laser beam. The intensity of the pump laser beam within the nonlinear optical crystal can be significantly increased in this way and losses due to non-converted power components of the pump laser beam emerging from the nonlinear crystal can be reduced. The optical parametric oscillator is typically only resonant for the pump wavelength, but not for the signal wavelength of the signal beam or for the idler wavelength of the idler beam. The two reflecting coatings serving as end mirrors are thus highly reflective only for the pump wavelength, but not for the signal wavelength or for the idler wavelength.
Bei einer alternativen Ausführungsform durchläuft der Pump-Laserstrahl das nichtlineare Medium in einem Einzeldurchgang oder in einem Doppeldurchgang, ggf. in einem Mehrfach-Durchgang, d.h. das nichtlineare optische Medium ist nicht innerhalb eines Resonators mit zwei Endspiegeln für die Pump-Wellenlänge angeordnet. Die Pump-Laserstrahlung erzeugt bei dem Einzeldurchgang durch das nichtlineare optische Medium einen inkohärenten bzw. teilweise kohärenten Signal-Strahl bzw. Idler-Strahl. Die Leistung eines beim Durchlaufen des nichtlinearen optischen Mediums nicht in den Signal-Strahl bzw. in den Idler-Strahl konvertierten Leistungsanteils des Pump-Laserstrahls kann ggf. weiter genutzt werden, wie weiter unten näher beschrieben wird. Durchläuft der Pump-Laserstrahl das nichtlineare Medium in einem Doppeldurchgang, kann der Pump-Laserstrahl beispielsweise an einer für die Pump-Wellenlänge reflektierenden Beschichtung, die auf eine der Pump-Laserquelle abgewandten Seite des nichtlinearen Mediums aufgebracht ist, in das nichtlineare Medium zurück reflektiert werden und propagiert nach dem zweiten Durchgang zu dieser zurück, sofern nicht ein optischer Isolator vorgesehen ist, um dies zu verhindern (s.u.).In an alternative embodiment, the pump laser beam passes through the nonlinear medium in a single pass or in a double pass, possibly in a multiple pass, i.e. the nonlinear optical medium is not located within a resonator with two end mirrors for the pump wavelength. The pump laser radiation generates an incoherent or partially coherent signal beam or idler beam during the single passage through the nonlinear optical medium. The power of a power component of the pump laser beam that has not been converted into the signal beam or into the idler beam when passing through the nonlinear optical medium can optionally be used further, as will be described in more detail below. If the pump laser beam passes through the nonlinear medium in a double pass, the pump laser beam can be reflected back into the nonlinear medium, for example on a coating reflecting the pump wavelength, which is applied to a side of the nonlinear medium facing away from the pump laser source and propagates back to it after the second pass, unless an optical isolator is provided to prevent this (see below).
Da bei dem zweiten Durchgang des Pump-Laserstrahls durch das nichtlineare Medium Photonen des Signal-Strahls erzeugt werden, die ebenfalls in Richtung auf die Pump-Laserquelle bzw. auf die Seed-Lichtquelle propagieren, kann an der entgegengesetzten Seite des nichtlinearen Mediums eine für die Signal-Wellenlänge (aber nicht für die Pump-Wellenlänge) reflektierende Beschichtung aufgebracht werden. Um trotz der reflektierenden Beschichtung einen ausreichenden Leistungsanteil des Seed-Signal-Strahls in das nichtlineare Medium einkoppeln zu können, sollte die Reflektivität dieser reflektierenden Beschichtung für die Signal-Wellenlänge nicht zu groß gewählt werden und kann beispielsweise im Bereich zwischen ca. 50% und ca. 99%, insbesondere zwischen ca. 70% und ca. 90% liegen. An Stelle eines Doppeldurchgangs kann der Pump-Laserstrahl das nichtlineare Medium auch in einem Mehrfach-Durchgang, d.h. mindestens drei Mal, durchlaufen.Since in the second passage of the pump laser beam through the nonlinear medium photons of the signal beam are generated, which also propagate in the direction of the pump laser source or the seed light source, one for the opposite side of the nonlinear medium Signal wavelength (but not for the pump wavelength) reflective coating can be applied. In order to be able to couple a sufficient amount of power from the seed signal beam into the nonlinear medium despite the reflective coating, the reflectivity of this reflective coating should not be too large for the signal wavelength and can, for example, be in the range between approx. 50% and approx 99%, in particular between approximately 70% and approximately 90%. Instead of a double pass, the pump laser beam can also move the nonlinear medium into a multiple pass, ie at least three times.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der nichtlineare Kristall einen Wellenleiter auf. Zur Herstellung eines Wellenleiters in einem nichtlinearen Kristall können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen, beispielsweise Ionenimplantation. Der Wellenleiter ist derart ausgelegt, dass er den Pump-Laserstrahl bei der Pump-Wellenlänge, den Signal-Strahl bei der Signal-Wellenlänge und den Idler-Strahl bei der Idler-Wellenlänge in dem nichtlinearen Kristall verlustarm führt.In a further embodiment, the nonlinear crystal has a waveguide. Different methods can be used to produce a waveguide in a nonlinear crystal, for example ion implantation. The waveguide is designed such that it guides the pump laser beam at the pump wavelength, the signal beam at the signal wavelength and the idler beam at the idler wavelength in the nonlinear crystal with little loss.
Bei einer Weiterbildung weist die Laserlichtquelle eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Pump-Laserstrahls, des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls auf eine Eintrittsfläche des Wellenleiters auf. Bei der Fokussiereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Fokussierlinse handeln. Im Strahlengang nach dem nichtlinearen Medium kann ebenfalls eine Kollimationseinrichtung angeordnet sein, um den typischerweise divergent aus dem Wellenleiter austretenden Pump-Laserstrahl, den Signal-Strahl und/oder den Idler-Strahl zu kollimieren. Als Linsen für die Fokussierung und/oder für die Kollimation können beispielsweise so genannte „Graded index lens“(GRIN-)Linsen zum Einsatz kommen. Die Linsen können insbesondere zu einem monolithischen hybriden Mikrosystem verbunden werden. GRIN-Linsen weisen herstellungsbedingt eine vergleichsweise kleine Dezentrierung auf und sind auch zur passiven Montage in einer (V-)Nut oder an einem Anschlag geeignet. Es versteht sich aber, dass die Linsen nicht zwingend als GRIN-Linsen ausgebildet sein müssen.In one development, the laser light source has a focusing device for focusing the pump laser beam, the seed signal beam and / or the seed idler beam onto an entry surface of the waveguide. The focusing device can be, for example, a focusing lens. A collimation device can also be arranged in the beam path after the nonlinear medium in order to collimate the pump laser beam, which typically emerges divergently from the waveguide, the signal beam and / or the idler beam. So-called “Graded index lens” (GRIN) lenses can be used, for example, as lenses for focusing and / or for collimation. The lenses can in particular be connected to form a monolithic hybrid microsystem. Due to the manufacturing process, GRIN lenses have a comparatively small decentration and are also suitable for passive mounting in a (V) groove or on a stop. However, it goes without saying that the lenses do not necessarily have to be designed as GRIN lenses.
Insbesondere bei der Verwendung eines optischen Isolators ist es günstig, den aus der Pump-Laserquelle austretenden Pump-Laserstrahl mit Hilfe einer Kollimationseinrichtung, beispielsweise mit Hilfe einer Kollimationslinse, zu kollimieren, bevor dieser in den optischen Isolator eintritt. Für den Fall, dass kein optischer Isolator verwendet wird, kann die Funktion der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung vor dem nichtlinearen optischen Medium von ein- und derselben Linse übernommen werden.In particular when using an optical isolator, it is favorable to collimate the pump laser beam emerging from the pump laser source with the aid of a collimation device, for example with the aid of a collimation lens, before it enters the optical isolator. In the event that no optical isolator is used, the function of the collimation device and the focusing device in front of the nonlinear optical medium can be performed by one and the same lens.
Für den Fall, dass die Pump-Laserquelle einen Kantenemitter mit einer asymmetrischen Abstrahlcharakteristik, d.h. mit unterschiedlichen Divergenz-Winkeln entlang der so genannten „slow axis“ (SA) bzw. der „fast axis“ (FA) aufweist, wie dies typischerweise bei Laserdioden der Fall ist, kann vor der Einkopplung in den Wellenleiter ein Zylinderlinsenteleskop oder eine anamorphotische, das AspektVerhältnis verändernde Kollimation mit Hilfe von gekreuzten Zylinderlinsen erfolgen, um die Divergenzwinkel bzw. das Aspektverhältnis an den Modendurchmesser bzw. an die Abmessungen der Eintrittsfläche des Wellenleiters anzupassen. Besonders bevorzugt ist zu diesem Zweck ein asymmetrischer Wellenleiter mit eingangsseitig gleichem Aspektverhältnis wie die transversalen Strahlradien des Diodenlasers ohne Verwendung eines Teleskops vorgesehen.In the event that the pump laser source has an edge emitter with an asymmetrical radiation characteristic, i.e. with different divergence angles along the so-called "slow axis" (SA) or the "fast axis" (FA), as is typically the case with laser diodes, a cylindrical lens telescope or an anamorphic, the aspect ratio-changing collimation is carried out with the aid of crossed cylindrical lenses in order to adapt the divergence angle or the aspect ratio to the mode diameter or to the dimensions of the entry surface of the waveguide. For this purpose, an asymmetrical waveguide with an aspect ratio that is the same on the input side as the transverse beam radii of the diode laser without the use of a telescope is particularly preferred.
Für die Einkopplung des Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls der Seed-Lichtquelle in den Wellenleiter ist es günstig, wenn diese über eine optische Faser geführt wird/werden bzw. wenn diese aus einer optischen Faser austreten, bevor sie auf die Überlagerungseinrichtung treffen. Insbesondere kann in diesem Fall der (Moden-)Durchmesser der Austrittsfläche der optischen Faser an den ModenDurchmesser des Wellenleiters, genauer gesagt der Eintrittsfläche des Wellenleiters, angepasst werden. Alternativ kann z.B. durch eine Blende der Modenfeld-Durchmesser der Pump-Lichtquelle an den Modenfeld-Durchmesser des Wellenleiters und entsprechend auch an den Akzeptanzwinkel des Wellenleiters angepasst werden.For the coupling of the seed signal beam and / or the seed idler beam of the seed light source into the waveguide, it is advantageous if it is / are guided over an optical fiber or if they emerge from an optical fiber before they meet the overlay device. In particular, in this case the (mode) diameter of the exit surface of the optical fiber can be adapted to the mode diameter of the waveguide, more precisely the entry surface of the waveguide. Alternatively, e.g. by means of an aperture, the mode field diameter of the pump light source can be adapted to the mode field diameter of the waveguide and accordingly also to the acceptance angle of the waveguide.
Bei einer Ausführungsform ist der nichtlineare Kristall periodisch gepolt. Durch die periodische Polung kann die Phasenanpassung optimiert und somit die Konversionseffizienz im nichtlinearen Medium erhöht werden. Die periodische Polung der ferroelektrischen Domänen des nichtlinearen Kristalls kann während der Herstellung des nichtlinearen Kristalls beispielsweise mittels einer periodisch strukturierten Elektrode hergestellt werden.In one embodiment, the nonlinear crystal is periodically poled. The periodic polarization allows the phase adjustment to be optimized and thus the conversion efficiency in the nonlinear medium to be increased. The periodic polarity of the ferroelectric domains of the nonlinear crystal can be produced during the production of the nonlinear crystal, for example by means of a periodically structured electrode.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der nichtlineare Kristall ausgewählt aus der Gruppe umfassend: KTP (Kaliumtitanylphosphat), PP-KTP (periodisch gepoltes Kaliumtitanylphosphat), LiNbO3 (Lithiumniobat), PP-LN (periodisch gepoltes Lithiumniobat), Ti:LN (Titan-Lithiumniobat), AIN (Aluminiumnitrid), LNol (Lithiumniobat auf Isolationssubstrat), BBO (Beta-Barium-Oxid) und LBO (Lithium-Barium Oxid). Diese nichtlinearen Kristalle sind für Wellenlängen von mehr als ca. 380 nm transparent. Für die Laserlichtquelle sollte ein nichtlinearer Kristall ausgewählt werden, der sowohl für die Pump-Wellenlänge als auch für die Signal-Wellenlänge und die Idler-Wellenlänge eine geringe Absorption und somit eine hohe Transparenz aufweist.In a further embodiment, the nonlinear crystal is selected from the group comprising: KTP (potassium titanyl phosphate), PP-KTP (periodically poled potassium titanyl phosphate), LiNbO 3 (lithium niobate), PP-LN (periodically poled lithium niobate), Ti: LN (titanium-lithium niobate) ), AIN (aluminum nitride), LNol (lithium niobate on an insulating substrate), BBO (beta barium oxide) and LBO (lithium barium oxide). These nonlinear crystals are transparent for wavelengths of more than approx. 380 nm. A non-linear crystal should be selected for the laser light source, which has low absorption and thus high transparency for the pump wavelength as well as for the signal wavelength and the idler wavelength.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle mindestens eine Strahlteilereinrichtung zur (räumlichen) Trennung des Signal-Strahls und/oder des Idler-Strahls vom Pump-Laserstrahl. Die mindestens eine Strahlteilereinrichtung ist im Strahlweg nach dem nichtlinearen optischen Medium angeordnet. Die Trennung des Signal-Strahls bzw. des Idler-Strahls von dem Pump-Laserstrahl kann beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Polarisation des Signal-Strahls und des Idler-Strahls erfolgen. Die Strahlteilereinrichtung kann auch ein wellenlängenselektives Element aufweisen, um die Trennung der Strahlen aufgrund von deren unterschiedlicher Wellenlänge vorzunehmen. Typischerweise ist die Laserlichtquelle zum Austritt des bzw. der Signal-Strahlen aus der Laserlichtquelle ausgebildet, während der bzw. die Idler-Strahlen die Laserlichtquelle nicht verlassen, es ist aber grundsätzlich auch der umgekehrte Fall möglich. Alternativ können sowohl der bzw. die Signal-Strahlen und der bzw. die Idler-Strahlen die Laserlichtquelle verlassen.In a further embodiment, the laser light source comprises at least one beam splitter device for (spatial) separation of the signal beam and / or the idler beam from the pump laser beam. The at least one beam splitter device is arranged in the beam path after the nonlinear optical medium. The signal beam or the idler beam can be separated from the pump laser beam, for example, on the basis of the different polarization of the signal beam and the idler beam. The beam splitter device can also have a wavelength-selective element around which To separate the beams based on their different wavelengths. Typically, the laser light source is designed to exit the signal beam (s) from the laser light source, while the idler beam (s) do not leave the laser light source, but the reverse is also possible in principle. Alternatively, both the signal beam (s) and the idler beam (s) can leave the laser light source.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle mindestens eine Sensor-Einrichtung, insbesondere eine Photo-Diode, zur Messung der Intensität des Signal-Strahls und/oder des Idler-Strahls. Anhand der gemessenen Intensität kann eine Regelung der Laserlichtquelle erfolgen, wie weiter unten näher beschrieben wird. In der Regel ist es ausreichend, wenn die Intensität des Signal-Strahls oder des Idler-Strahls gemessen wird. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter der gemessenen Intensität des Signal-Strahls bzw. des Idler-Strahls nicht zwingend die gesamte Intensität des jeweiligen aus dem nichtlinearen Medium austretenden Strahls verstanden, sondern vielmehr eine zur gesamten Intensität des Signal-Strahls bzw. des Idler-Strahls proportionale Größe, da diese ebenfalls für eine Regelung verwendet werden kann. Für den Fall, dass der Idler-Strahl die Laserlichtquelle nicht verlassen soll, hat es sich als günstig erwiesen, die gesamte Intensität des Idler-Strahls auf die Sensor-Einrichtung einzustrahlen, da in diesem Fall auf einen Absorber verzichtet werden kann. Der Sensor-Einrichtung kann ein Wellenlängenfilter vorgeschaltet sein, dessen wellenlängenabhängige Transmission im Bereich der zu messenden Idler-Wellenlänge (oder ggf. der Signal-Wellenlänge) maximal ist. Die Verwendung des Idler-Strahls hat sich aufgrund seiner typischerweise im infraroten Wellenlängenbereich liegenden Idler-Wellenlänge als vorteilhaft herausgestellt, da diese sich ohne eine weitere Wellenlängen-Konversion nicht für Visualisierungsanwendungen eignet.In a further embodiment, the laser light source comprises at least one sensor device, in particular a photo diode, for measuring the intensity of the signal beam and / or the idler beam. The laser light source can be regulated on the basis of the measured intensity, as will be described in more detail below. It is usually sufficient if the intensity of the signal beam or the idler beam is measured. In the sense of this application, the measured intensity of the signal beam or the idler beam is not necessarily understood to mean the total intensity of the respective beam emerging from the nonlinear medium, but rather the total intensity of the signal beam or the idler beam proportional size, since this can also be used for a control. In the event that the idler beam should not leave the laser light source, it has proven to be advantageous to irradiate the entire intensity of the idler beam onto the sensor device, since in this case an absorber can be dispensed with. A wavelength filter can be connected upstream of the sensor device, the wavelength-dependent transmission of which is at a maximum in the range of the idler wavelength to be measured (or possibly the signal wavelength). The use of the idler beam has proven to be advantageous due to its idler wavelength, which is typically in the infrared wavelength range, since it is not suitable for visualization applications without a further wavelength conversion.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laserlichtquelle zusätzlich eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur des nichtlinearen Mediums und/oder der Leistung der Pump-Laserquelle in Abhängigkeit von der mittels der Sensor-Einrichtung gemessenen Intensität des Signal-Strahls und/oder des Idler-Strahls. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird in dem nichtlinearen Medium die Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls in die Signal-Wellenlänge und in die Idler-Wellenlänge konvertiert. Dieser Konvertierungsprozess hat sein Maximum in einem spezifischen Temperaturbereich des nichtlinearen optischen Mediums, der beispielsweise in einem Wertebereich zwischen ca. 20°C und ca. 60°C liegt. Mit Hilfe der Regeleinrichtung kann die Temperatur des nichtlinearen Mediums angepasst werden, so dass der Wirkungsgrad des Konversionsprozesses maximiert wird. Dies ist typischerweise der Fall, wenn die Intensität der von der Sensor-Einrichtung gemessenen Idler-Strahlung (oder ggf. Signal-Strahlung) maximal ist. Auch die Leistung der Pump-Laserquelle kann geregelt werden, um die Effizienz des Konversionsprozesses zu optimieren. Für den Fall, dass das nichtlineare optische Medium in einem Resonator angeordnet ist, kann bei der Regelung auch die Resonanzbedingung, d.h. die optische Weglänge des Resonators, so angepasst werden, dass diese für die Pump-Wellenlänge des Pump-Laserstrahls optimiert ist. Zu diesem Zweck kann zusätzlich zur Temperatur des nichtlinearen optischen Mediums auch die Leistung der Pump-Laserquelle verändert werden, da die Leistung der Pump-Laserquelle zu einer geringfügigen Verschiebung der Pump-Wellenlänge führt, welche zu einer Wellenlängen-Stabilisierung führen kann. Es versteht sich, dass die Regeleinrichtung und die weiter oben beschriebene Steuerungseinrichtung als ein- und dieselbe elektronische Baukomponente, beispielsweise als programmierbares elektronisches Bauteil, realisiert werden können.In a further embodiment, the laser light source additionally comprises a regulating device for regulating the temperature of the non-linear medium and / or the power of the pump laser source as a function of the intensity of the signal beam and / or the idler beam measured by means of the sensor device. As described above, in the nonlinear medium, the pump wavelength of the pump laser beam is converted into the signal wavelength and the idler wavelength. This conversion process has its maximum in a specific temperature range of the nonlinear optical medium, which is, for example, in a value range between approximately 20 ° C. and approximately 60 ° C. With the help of the control device, the temperature of the nonlinear medium can be adjusted so that the efficiency of the conversion process is maximized. This is typically the case when the intensity of the idler radiation (or possibly signal radiation) measured by the sensor device is at a maximum. The power of the pump laser source can also be regulated to optimize the efficiency of the conversion process. In the event that the nonlinear optical medium is arranged in a resonator, the resonance condition, i.e. the optical path length of the resonator can be adjusted so that it is optimized for the pump wavelength of the pump laser beam. For this purpose, in addition to the temperature of the nonlinear optical medium, the power of the pump laser source can also be changed, since the power of the pump laser source leads to a slight shift in the pump wavelength, which can lead to wavelength stabilization. It goes without saying that the control device and the control device described above can be implemented as one and the same electronic component, for example as a programmable electronic component.
Bei einer Weiterbildung weist die Laserlichtquelle zur Regelung der Temperatur des nichtlinearen Mediums mindestens eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung auf. Gegebenenfalls kann es ausreichend sein, lediglich eine Heizung oder eine Kühlung des nichtlinearen Mediums vorzunehmen. Es kann aber auch vorteilhaft sein, wenn eine Temperierung, d.h. sowohl eine Heizung als auch eine Kühlung, des nichtlinearen Mediums durchgeführt werden kann. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung kann als Stelleinrichtung der weiter oben beschriebenen Regeleinrichtung dienen.In one development, the laser light source has at least one heating and / or cooling device for regulating the temperature of the nonlinear medium. If necessary, it may be sufficient to merely heat or cool the nonlinear medium. However, it can also be advantageous if tempering, i.e. Both heating and cooling of the non-linear medium can be carried out. The heating and / or cooling device can serve as an actuating device of the control device described above.
Bei einer Weiterbildung weist die Laserlichtquelle eine Heizlichtquelle zur Strahlungsheizung des nichtlinearen optischen Mediums auf. Bei der Heizlichtquelle kann es sich beispielsweise um eine LED oder eine andere Lichtquelle handeln, deren Emissionsspektrum idealerweise im blauen oder im UV-Wellenlängenbereich, d.h. typischerweise bei Wellenlängen von weniger als ca. 380 nm oder ca. 360 nm liegt. Die Verwendung von Heizstrahlung mit einer kleinen Wellenlänge ist günstig, um sicherzustellen, dass diese in dem nichtlinearen optischen Medium bzw. im Volumen des nichtlinearen optischen Kristalls absorbiert und in thermische Leistung umgewandelt wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist der nichtlineare Kristall für größere Wellenlängen im Wesentlichen transparent, um die Pump-Wellenlänge, die Signal-Wellenlänge und die Idler-Wellenlänge möglichst ohne Verluste transportieren zu können.In one development, the laser light source has a heating light source for radiant heating of the nonlinear optical medium. The heating light source can be, for example, an LED or another light source whose emission spectrum is ideally in the blue or in the UV wavelength range, i.e. typically at wavelengths of less than about 380 nm or about 360 nm. The use of heating radiation with a small wavelength is favorable in order to ensure that it is absorbed in the nonlinear optical medium or in the volume of the nonlinear optical crystal and converted into thermal power. As described above, the nonlinear crystal is essentially transparent for longer wavelengths in order to be able to transport the pump wavelength, the signal wavelength and the idler wavelength with as little loss as possible.
Bei einer Weiterbildung weist die Laserlichtquelle mindestens eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung, insbesondere ein Peltier-Element, auf, welche mit dem nichtlinearen Medium in flächigem Kontakt steht. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung beispielsweise in Form des Peltier-Elements kann zur Kühlung und/oder zur Heizung des Gehäuses bzw. der Oberfläche des nichtlinearen Kristalls dienen. Das Peltier-Element oder eine andere Art von Kontakt-Heiz- bzw. Kühlelement kann aufgrund des flächigen Kontakts dem nichtlinearen optischen Medium Wärme zuführen bzw. Wärme von diesem abführen.In a further development, the laser light source has at least one heating and / or cooling device, in particular a Peltier element, which is in flat contact with the nonlinear medium. The heating and / or cooling device for example in the form of the Peltier element can be used for cooling and / or for heating the housing or the surface of the nonlinear crystal. The Peltier element or another type of contact heating or cooling element can supply heat to the nonlinear optical medium or remove heat from it due to the flat contact.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn für die Regelung der Temperatur des nichtlinearen Mediums ein Heiz- und/oder Kühlelement, welches in flächigem Kontakt mit dem nichtlinearen Medium steht, mit einer Heizlichtquelle kombiniert wird. Die Heizlichtquelle kann insbesondere zur Feinregelung der Temperatur des nichtlinearen optischen Mediums dienen, während durch das Heiz- und/oder Kühlelement, das mit dem nichtlinearen optischen Medium bzw. mit dessen Gehäuse in flächigem Kontakt steht, eine Grobregelung der Temperatur erfolgen kann.It has proven to be advantageous if a heating and / or cooling element, which is in flat contact with the nonlinear medium, is combined with a heating light source for regulating the temperature of the nonlinear medium. The heating light source can be used, in particular, for fine regulation of the temperature of the nonlinear optical medium, while the heating and / or cooling element, which is in flat contact with the nonlinear optical medium or with its housing, can provide a rough control of the temperature.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Laserlichtquelle ein erstes nichtlineares optisches Medium zur Bildung eines ersten Signal-Strahls und eines ersten Idler-Strahls durch Parametric-Down-Conversion, ein zweites nichtlineares optisches Medium zur Bildung eines zweiten Signal-Strahls und eines zweiten Idler-Strahls durch Parametric-Down-Conversion sowie bevorzugt ein drittes nichtlineares optisches Medium zur Bildung eines dritten Signal-Strahls und eines dritten Idler-Strahls durch Parametric Down Conversion auf.In a further embodiment, the laser light source has a first nonlinear optical medium for forming a first signal beam and a first idler beam by parametric down conversion, a second nonlinear optical medium for forming a second signal beam and a second idler beam by parametric down conversion and preferably a third nonlinear optical medium to form a third signal beam and a third idler beam by parametric down conversion.
Eine solche Laserlichtquelle kann beispielsweise für Projektionsanwendungen genutzt werden, da es bei diesen Anwendungen typischerweise erforderlich ist, Laserstrahlen bei drei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erzeugen. Die drei nichtlinearen optischen Medien können parallel von drei Pump-Laserstrahlen durchlaufen werden. Es ist möglich, dass eine einzige Pump-Laserquelle einen Pump-Laserstrahl erzeugt, dessen Pump-Leistung auf die drei nichtlinearen optischen Medien aufgeteilt wird. In der Regel ist es in diesem Fall jedoch günstig, wenn jedem nichtlinearen optischen Medium eine eigene Pump-Laserquelle zugeordnet ist, da auf diese Weise die Einstellung der Leistung des in dem jeweiligen nichtlinearen optischen Medium erzeugten Signal-Strahls und/oder Idler-Strahls auf besonders einfache Weise durch die Steuerung des Injektionsstroms möglich ist. Auch können in diesem Fall für die Erzeugung der drei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Pump-Wellenlängen verwendet werden. Dies kann ggf. günstig sein, wenn die drei nichtlinearen optischen Medien Idler-Strahlung bei derselben Idler-Wellenlänge erzeugen sollen, was ggf. für die weiter oben beschriebene Regelung der Laserlichtquelle vorteilhaft sein kann.Such a laser light source can be used, for example, for projection applications, since in these applications it is typically necessary to generate laser beams at three different wavelengths in the visible wavelength range. The three nonlinear optical media can be traversed in parallel by three pump laser beams. It is possible for a single pump laser source to generate a pump laser beam, the pump power of which is distributed over the three nonlinear optical media. In this case, however, it is generally favorable if a separate pump laser source is assigned to each nonlinear optical medium, since in this way the power of the signal beam and / or idler beam generated in the respective nonlinear optical medium is set control of the injection current is particularly simple. In this case, different pump wavelengths can also be used to generate the three different wavelengths. This may be advantageous if the three nonlinear optical media are to generate idler radiation at the same idler wavelength, which may be advantageous for the regulation of the laser light source described above.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle, wie sie in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist und welche insbesondere wie weiter oben in Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben ausgebildet sein kann. Die Laserlichtquelle ist ausgebildet, den Pump-Laserstrahl von der Pump-Laserquelle dem ersten nichtlinearen optischen Medium zuzuführen, den aus dem ersten nichtlinearen optischen Medium austretenden Pump-Laserstrahl dem zweiten nichtlinearen optischen Medium zuzuführen und bevorzugt den aus dem zweiten nichtlinearen optischen Medium austretenden Pump-Laserstrahl dem dritten nichtlinearen optischen Medium zuzuführen.Another aspect of the invention relates to a laser light source as described in the introduction to the description and which can be designed in particular as described above in connection with the first aspect of the invention. The laser light source is designed to supply the pump laser beam from the pump laser source to the first nonlinear optical medium, to supply the pump laser beam emerging from the first nonlinear optical medium to the second nonlinear optical medium, and preferably to supply the pumping light emerging from the second nonlinear optical medium. Feed the laser beam to the third nonlinear optical medium.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erfolgt die Erzeugung des ersten und des zweiten sowie bevorzugt des dritten Signal-Strahls sowie des jeweils zugehörigen Idler-Strahls seriell bzw. kaskadiert. Auf diese Weise kann eine Laserlichtquelle mit einer kompakten Bauweise realisiert werden, wobei gleichzeitig die elektro-optische Effizienz vergrößert werden kann, da die aus dem ersten bzw. aus dem zweiten nichtlinearen optischen Medium austretende, nicht konvertierte Pump-Laserstrahlung in ein nachfolgendes nichtlineares optisches Medium eingekoppelt wird, um dort die Parametric-Down-Conversion durchzuführen. Auf diese Weise können insbesondere die drei Wellenlängen (z.B. rot, grün und blau), die zur Erzeugung von weißem Licht z.B. für Projektionsanwendungen benötigt werden, seriell mittels eines einzigen Pump-Laserstrahls erzeugt werden.According to the second aspect of the invention, the first and second, and preferably the third, signal beam and the associated idler beam are generated in series or cascade. In this way, a laser light source can be realized with a compact design, and at the same time the electro-optical efficiency can be increased, since the unconverted pump laser radiation emerging from the first or from the second non-linear optical medium into a subsequent non-linear optical medium is coupled in to carry out the parametric down conversion there. In this way, in particular the three wavelengths (e.g. red, green and blue) which are used to generate white light e.g. for projection applications, are generated serially by means of a single pump laser beam.
Bei diesem Aspekt der Erfindung wird bzw. werden zumindest das erste und das zweite nichtlineare optische Medium von dem Pump-Laserstrahl bevorzugt in einem Einfachdurchgang durchlaufen, um einen ausreichenden Anteil der Leistung des Pump-Laserstrahls in ein jeweiliges im Strahlweg nachfolgendes nichtlineares optisches Medium einkoppeln zu können. Bei diesem Aspekt der Erfindung kann wie weiter oben beschrieben wurde eine Seed-Lichtquelle in Kombination mit einer Überlagerungseinrichtung verwendet werden, um einen Seed-Signal-Strahl und/oder einen Seed-Idler-Strahl in das jeweilige nichtlineare optische Medium einzukoppeln. Durch die Leistung der jeweiligen Seed-Lichtquelle kann die Verstärkung des jeweiligen nichtlinearen optischen Mediums beeinflusst werden. Auf diese Weise kann die Intensität des jeweiligen Farb- bzw. Wellenlängenanteils des aus dem jeweiligen nichtlinearen optischen Medium austretenden Signal-Strahls und/oder Idler-Strahls eingestellt werden.In this aspect of the invention, the pump laser beam preferably runs through at least the first and the second nonlinear optical medium in a single pass in order to couple a sufficient portion of the power of the pump laser beam into a respective nonlinear optical medium following in the beam path can. In this aspect of the invention, as described above, a seed light source can be used in combination with a superimposition device in order to couple a seed signal beam and / or a seed idler beam into the respective nonlinear optical medium. The amplification of the respective nonlinear optical medium can be influenced by the power of the respective seed light source. In this way, the intensity of the respective color or wavelength component of the signal beam and / or idler beam emerging from the respective nonlinear optical medium can be set.
Zur Einstellung der Kohärenz kann dem jeweiligen nichtlinearen optischen Medium wahlweise kein Seed-Signal zugeführt werden, d.h. ein entsprechender Eingangs-Port für den Seed-Strahl bleibt unbesetzt, oder es kann dem jeweiligen nichtlinearen Medium ein teilweise kohärenter Seed-Signal-Strahl bzw. Seed-Idler-Strahl mittels einer Seed-Lichtquelle in Form einer LED, einer Superlumineszenz-Diode oder dergleichen zugeführt werden. Insbesondere bei diesem Aspekt der Erfindung kann an Stelle einer Seed-Lichtquelle, welche eine geringere Kohärenzlänge als die Pump-Laserquelle aufweist, auch eine Seed-Laserquelle, beispielsweise eine Laserdiode, verwendet werden, die einen kohärenten Seed-Signal-Strahl bzw. einen kohärenten Seed-Idler-Strahl erzeugt. Auch in diesem Fall kann über die Leistung des in das nichtlineare optische Medium eingekoppelten Seed-Signal-Strahls und/oder des Seed-Idler-Strahls die Kohärenz der Laserlichtquelle eingestellt werden.In order to adjust the coherence, no seed signal can optionally be supplied to the respective nonlinear optical medium, ie a corresponding input port for the seed beam remains unoccupied, or a partially coherent seed signal beam can be sent to the respective nonlinear medium or seed idler beam can be supplied by means of a seed light source in the form of an LED, a superluminescent diode or the like. In particular in this aspect of the invention, instead of a seed light source which has a shorter coherence length than the pump laser source, a seed laser source, for example a laser diode, can also be used, which has a coherent seed signal beam or a coherent one Seed idler beam generated. In this case too, the coherence of the laser light source can be set via the power of the seed signal beam coupled into the nonlinear optical medium and / or the seed idler beam.
Gegebenenfalls kann bei dem zweiten Aspekt der Erfindung auf das Vorsehen einer Seed-Lichtquelle und einer zugehörigen Überlagerungseinrichtung vollständig verzichtet werden: Auch für den Fall, dass die Seed-Lichtquelle ausgeschaltet bzw. nicht vorhanden ist, wird in dem nichtlinearen optischen Medium bis zu einer systemspezifischen Pump-Schwellenintensität ein Signal-Strahl sowie ein Idler-Strahl erzeugt, die für sich alleine das Fluktuationsverhalten einer thermischen Lichtquelle aufweisen, so dass durch die Nutzung entweder des Signal-Strahls oder des Idler-Strahls das Speckle-Rauschen z.B. bei Projektionsanwendungen nahezu vollständig eliminiert werden kann.In the second aspect of the invention, the provision of a seed light source and an associated superimposition device can be dispensed with entirely: even in the event that the seed light source is switched off or is not present, the nonlinear optical medium is up to a system-specific one Pump threshold intensity generates a signal beam and an idler beam, which by themselves have the fluctuation behavior of a thermal light source, so that by using either the signal beam or the idler beam, the speckle noise, for example can be almost completely eliminated in projection applications.
Bei der seriellen Anordnung der nichtlinearen optischen Medien hat es sich als günstig erwiesen, in dem ersten nichtlinearen optischen Medium einen Signal-Strahl im blauen Wellenlängenbereich (zwischen ca. 420 nm und 470 nm) zu erzeugen, im zweiten nichtlinearen optischen Medium einen Signal-Strahl im grünen Wellenlängenbereich (zwischen ca. 520 nm und ca. 540 nm) und im dritten nichtlinearen optischen Medium einen Signal-Strahl im roten Wellenlängenbereich (zwischen ca. 635 nm und ca. 780 nm) zu erzeugen, da die Konversionseffizienz mit zunehmender Wellenlänge abnimmt.With the serial arrangement of the nonlinear optical media, it has proven to be advantageous to generate a signal beam in the blue wavelength range (between approx. 420 nm and 470 nm) in the first nonlinear optical medium, and a signal beam in the second nonlinear optical medium generate a signal beam in the red wavelength range (between approx. 520 nm and approx. 540 nm) and in the third nonlinear optical medium (between approx. 635 nm and approx. 780 nm), since the conversion efficiency decreases with increasing wavelength ,
Sowohl bei der seriellen Erzeugung als auch bei der weiter oben beschriebenen parallelen Erzeugung kann entweder ein jeweiliger Signal-Strahl oder ein jeweiliger Idler-Strahl, der in einem der drei nichtlinearen optischen Medien erzeugt wird, in mindestens einer Überlagerungseinrichtung zu einem gemeinsamen, aus der Laserlichtquelle austretenden Laserstrahl mit mindestens zwei, bevorzugt mit drei Wellenlängen überlagert werden. Die drei Wellenlängen (rot, grün und blau) und deren individuelle optische Leistungen, die zu dem austretenden Laserstrahl überlagert werden, werden idealerweise so gewählt, dass diese in Summe einen für Projektionszwecke geeigneten Weißton ergeben, idealerweise einen Weißton mit 6500 K Farbtemperatur. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, die nichtlinearen optischen Medien geeignet auszuwählen bzw. die Länge der nichtlinearen optischen Medien sowie deren periodische Polung geeignet auszulegen, um die gewünschten Wellenlängen zu erzeugen.Both in the serial generation and in the parallel generation described above, either a respective signal beam or a respective idler beam, which is generated in one of the three nonlinear optical media, can be combined in at least one superposition device to a common one from the laser light source emerging laser beam with at least two, preferably with three wavelengths are superimposed. The three wavelengths (red, green and blue) and their individual optical powers, which are superimposed on the emerging laser beam, are ideally selected so that they add up to a white shade suitable for projection purposes, ideally a white shade with 6500 K color temperature. For this purpose, it is necessary to select the nonlinear optical media appropriately or to design the length of the nonlinear optical media and their periodic polarity appropriately in order to generate the desired wavelengths.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Laser-Projektor, der eine Laserlichtquelle umfasst, die wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist. Die weiter oben beschriebene Laserlichtquelle, bei der jeweils entweder der aus einem jeweiligen nichtlinearen optischen Medium austretende Signal-Strahl oder der austretende Idler-Strahl mit Hilfe von mindestens einer Überlagerungseinrichtung überlagert werden, um einen Laserstrahl mit drei unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen, die typischerweise im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen, kann beispielsweise in einem Laser-Projektor eingesetzt werden, um ein annähernd specklefreies Bild auf einer Projektionsfläche zu erzeugen. Für die Erzeugung des Bildes auf der Projektionsfläche kann der Laser-Projektor eine Scannereinrichtung zur zweidimensionalen Ablenkung des Laserstrahls aufweisen, die beispielsweise mindestens einen Spiegel umfassen kann. Ein solcher Laser-Projektor kann insbesondere als Head-Up-Display in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, bei dem beispielsweise die Frontscheibe als Projektionsfläche dient. Die Laserlichtquelle kann aber auch als Beleuchtungsquelle für die Projektion von Bildern dienen, für deren Erzeugung ortsauflösende Modulatoren verwendet werden, z.B. so genannte DMDs (Digital Mirror Devices) oder SLMs (Spatial Light Modulators).Another aspect of the invention relates to a laser projector which comprises a laser light source which is designed as described above. The laser light source described above, in which either the signal beam emerging from a respective nonlinear optical medium or the emerging idler beam are superimposed with the aid of at least one superimposition device in order to generate a laser beam with three different wavelengths, which are typically in the visible Wavelength range can be used, for example, in a laser projector to generate an almost speckle-free image on a projection surface. To generate the image on the projection surface, the laser projector can have a scanner device for two-dimensionally deflecting the laser beam, which can comprise, for example, at least one mirror. Such a laser projector can be used in particular as a head-up display in a motor vehicle in which, for example, the front window serves as a projection surface. However, the laser light source can also serve as an illumination source for the projection of images, for whose generation spatially resolving modulators are used, e.g. so-called DMDs (Digital Mirror Devices) or SLMs (Spatial Light Modulators).
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, the features mentioned above and those listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laserlichtquelle mit einem nichtlinearen Kristall, einer Pump-Laserquelle und einer Seed-Lichtquelle, wobei der nichtlineare Kristall von einem Pump-Laserstrahl in einem Einzeldurchgang durchlaufen wird, -
1b eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laserlichtquelleanalog zu 1a , bei welcher der Pump-Laserstrahl den nichtlinearen Kristall in einem Doppeldurchgang durchläuft, -
2 eine schematische Darstellung einer Laserlichtquelleanalog zu 1a , welche eine Regeleinrichtung zur Temperaturregelung des nichtlinearen Kristalls aufweist, der in einem optischen parametrischen Oszillator angeordnet ist, -
3 eine Darstellung einer Laserlichtquelle, bei der drei nichtlineare Kristalle in Serie angeordnet sind, die von ein- und demselben Pump-Laserstrahl durchlaufen werden, sowie -
4 eine Darstellung einer Laserlichtquelle, bei der drei nichtlineare Kristalle parallel von drei Pump-Laserstrahlen durchlaufen werden.
-
1a -
1b a schematic representation of an embodiment of a laser light source analogous to1a , in which the pump laser beam passes through the nonlinear crystal in a double pass, -
2 a schematic representation of a laser light source analogous to1a , Which has a control device for temperature control of the nonlinear crystal, which in a optical parametric oscillator is arranged -
3 a representation of a laser light source, in which three nonlinear crystals are arranged in series, which are traversed by one and the same pump laser beam, and -
4 a representation of a laser light source in which three non-linear crystals are traversed in parallel by three pump laser beams.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the drawings, identical reference numerals are used for identical or functionally identical components.
Der Pump-Laserstrahl
Im Strahlweg nach dem nichtlinearen Kristall
Für die Trennung des Signal-Strahls
Der Idler-Strahl
Die in
Für die Überlagerung in der Überlagerungseinrichtung
Die Fokussierlinse
Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für die Holographie, kann es sinnvoll sein, wenn die Laserlichtquelle
Die Steuerungseinrichtung
In
Hierbei wird ausgenutzt, dass die Intensität bzw. die Leistung des Seed-Signal-Strahls
Bei der in
Da der erste Endspiegel
Wie in
Zusätzlich zu der Heizlichtquelle
Zusätzlich zur Regelung der Temperatur
Eine Stabilisierung der Pump-Wellenlänge
Bei der seriellen Anordnung der Laser-Module
Die Laser-Module
Die in
Der von der Laserlichtquelle
Die Laserquelle
Die drei Idler-Strahlen
Wie bei der in
Ein jeweiliger zweiter Strahlteiler
Bei der in
Bei den weiter oben beschriebenen Beispielen ist die Seed-Lichtquelle
Es versteht sich, dass es bei allen weiter oben beschriebenen Beispielen mit Hilfe einer Steuerungseinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- WO 2006/105259 A2 [0004]WO 2006/105259 A2 [0004]
- WO 2006/129211 A2 [0005]WO 2006/129211 A2 [0005]
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- WO 2013/034813 A2 [0010]WO 2013/034813 A2 [0010]
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113324951A (en) * | 2020-02-28 | 2021-08-31 | 弗劳恩霍夫应用研究促进协会 | Method for imaging or spectral analysis using a non-linear interferometer |
-
2018
- 2018-07-27 DE DE102018010364.2A patent/DE102018010364A1/en active Pending
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Representative=s name: KOHLER SCHMID MOEBUS PATENTANWAELTE PARTNERSCH, DE |