DE102018116627B3

DE102018116627B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen räumlich kohärenter Strahlung und Verwendung der Vorrichtung zur Projektion eines Bildes

Info

Publication number: DE102018116627B3
Application number: DE102018116627.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Kiessling; Frank Kühnemann; Sebastian Wolf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2038-07-11
Also published as: WO2020011504A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung. Um ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung bereitzustellen, wobei die ausgesandte elektromagnetische Strahlung die Fokussier- und Kollimierbarkeit einer Laserstrahlung aufweist und gleichzeitig Speckle-frei ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mit einer Leuchtdiode eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und Frequenzbandbreite bereitstellt wird, eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz und Frequenzbandbreite bereitstellt wird, wobei die zweite Frequenzbandbreite kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite, ein nichtlinear-optischen Element vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite elektromagnetische Strahlung in das nichtlinear-optische Element derart eingestrahlt werden, dass in diesem Element entweder eine dritte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird oder deren Erzeugung verstärkt wird, und einer Begrenzungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die räumliche Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zu deren Ausbreitungsrichtung begrenzt wird, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung räumlich kohärent ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung. Die vorliegende Erfindung wird insbesondere bei Bildgebungsanwendungen verwendet, kann aber auch bei jeder anderen Anwendung elektromagnetischer Strahlung verwendet werden.
Unter Bildgebungsanwendungen sind solche Anwendungen zu verstehen, bei denen mittels einer Strahlungsquelle bzw. Lichtquelle ein sichtbares Bild erzeugt oder ein Objekt beleuchtet wird. Dazu zählen beispielsweise die Bildprojektionen in der industriellen Fertigung sowie Bildgebung unter Beleuchtung eines Objekts in der Mikroskopie. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Lichtprojektoren beim Produktionsanlauf, bei der Produktionsanpassung und bei der statistischen Prozesskontrolle verwendet.
Für eine Bildgebung werden sehr leistungsstarke Strahlungsquellen benötigt, die elektromagnetische Strahlung mit hoher Intensität und hoher Fokussierbarkeit erzeugen, wodurch scharfe, kontrastreiche und farbintensive Bilder ermöglicht werden.
Laser stellen dabei Strahlungsquellen dar, die elektromagnetische Strahlung in Form von sichtbarem Licht mit einer für diese Zwecke ausreichenden Intensität und Fokussierbarkeit bereitstellen.
Bei der Verwendung von Laserstrahlung nimmt ein Auge oder Detektor auf dem Schirm bzw. der Oberfläche, auf der das Bild erzeugt oder beleuchtet wird, allerdings sogenannte Specklemuster wahr. Speckle sind ein meist räumlich und zeitlich stationäres Muster von Helligkeitsunterschieden. Es handelt sich dabei um vom Auge bzw. dem Detektor wahrgenommene Interferenzmuster, die - im Wellenbild des Lichts gesprochen - durch Überlagerungen der von der Oberfläche reflektierten Laserlichtwellen entstehen.
Die Grundlage für die Entstehung der Speckle ist die Kohärenz der Laserstrahlung und die Rauheit der Oberfläche, auf der das Bild erzeugt oder beleuchtet wird. Die Größenordnung der Rauheit muss dabei in der Größenordnung der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung oder darüber liegen, bei sichtbarem Licht folglich im Bereich von Mikrometern. In der Praxis muss die Rauheit daher zumeist als gegeben und unabdingbar angesehen werden, da die meisten Oberflächen eine Rauheit in dieser Größenordnung oder einer größeren Größenordnung aufweisen. Bei der Kohärenz, d. h. der Fähigkeit der elektromagnetischen Strahlung zur Interferenzbildung, wird zwischen räumlicher und zeitlicher Kohärenz unterschieden. Die räumliche Kohärenz wird auch als transversale Kohärenz bezeichnet und beschreibt die Fähigkeit der Interferenzbildung zweier Wellen eines Wellenbündels, die in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Wellenbündels voneinander beabstandet angeordnet sind. Die zeitliche Kohärenz wird auch als longitudinale Kohärenz bezeichnet und beschreibt die Fähigkeit zur Interferenzbildung zweier Wellen eines Wellenbündels die in Ausbreitungsrichtung des Wellenbündels voneinander beabstandet sind und folglich einen zeitlichen Versatz zueinander aufweisen.
Treffen zwei in Ausbreitungsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung beabstandete, zueinander kohärente Wellen einer Laserstrahlung auf die Oberfläche eines Schirms, so werden die beiden Wellen aufgrund der Rauheit der Oberfläche bei unterschiedlichen Oberflächentiefen reflektiert oder gestreut. Die Orte, an denen die beiden Wellen reflektiert oder gestreut werden, sind als Ausgangspunkte von Elementarwellen zu betrachten, die nun aufgrund des Unterschiedes zwischen den Oberflächentiefen der Ausgangspunkte eine optische Weglängendifferenz zueinander aufweisen. Die von der Oberfläche reflektierten Wellen der Laserstrahlung interferieren daher, wodurch entsprechend der Rauheit der Oberfläche Interferenzmuster mit Helligkeitsmaxima und Helligkeitsminima für einen Betrachter bzw. einen Detektor sichtbar werden. Solche Speckle-Muster setzen die Qualität einer Beleuchtung eines Objekts oder einer Projektion eines Bildes deutlich herab, wodurch die kohärente Laserstrahlung für viele der oben genannten Anwendungen nur bedingt geeignet ist.
Um dennoch die hohe Intensität der Laserstrahlung nutzen zu können, wird zumeist die Detektierbarkeit bzw. Sichtbarkeit der Speckle-Muster durch Phasenmodulation der verwendeten Laserstrahlung verringert bzw. zerstört. Dabei wird beispielsweise mittels eines bewegten Diffuserelements die Phase der Laserstrahlung auf kurzen Zeitskalen variiert, sodass es innerhalb der Integrationszeit eines Detektors oder des Auges (ca. 20 - 100 ms) zu einem statistisch verteilten räumlichen Wandern der Speckle-Muster kommt. Die Helligkeitsunterschiede heben sich dadurch an jeder Stelle innerhalb der Integrationszeit eines Detektors oder eines menschlichen Auges gegenseitig auf und es kommt folglich zu einer gleichmäßigen Wahrnehmung des Bildes ohne Speckle-Muster.
Ein solches Verfahren lässt sich beispielsweise der US 5,313,479 A entnehmen, in der die Kohärenz der Laserstrahlung durch die Verwendung von Diffuserelementen verringert wird.
Der Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Bereitstellung einer intensiven, Speckle-freien Laserstrahlung besteht darin, dass mit der Verwendung von Diffuserelementen neben der zeitlichen Kohärenz gleichzeitig auch die räumliche Kohärenz der Laserstrahlung verringert oder zerstört wird. Dadurch verliert die Laserstrahlung jedoch ihre guten Kollimations- und Fokussiereigenschaften. Zudem verschwinden die Speckle-Strukturen nur bei ausreichend großen Integrationszeiten des Auges bzw. des Detektors. Bei hinreichend kleinen Integrationszeiten sind die Speckle-Strukturen noch sichtbar bzw. detektierbar.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung sowie eine einfach und kostengünstig herstellbare Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, wobei die ausgesandte elektromagnetische Strahlung die Fokussier- und Kollimierbarkeit einer Laserstrahlung aufweisen soll und gleichzeitig bei der Bestrahlung einer rauen Oberfläche mit dieser elektromagnetischen Strahlung keine Speckle entstehen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zum Erzeugen räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit einer Zielfrequenz. Dabei wird mit einer Leuchtdiode (LED, Light Emitting Diode) eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und einer ersten Frequenzbandbreite erzeugt. Zudem wird eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Frequenzbandbreite, die kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite, erzeugt. Die erste und die zweite elektromagnetische Strahlung werden in ein nichtlinear-optisches Element eingestrahlt, so dass in dem nichtlinear-optischen Element eine dritte elektromagnetische Strahlung mit der Zielfrequenz und einer Zielbandbreite erzeugt wird oder eine Erzeugung der dritten elektromagnetischen Strahlung verstärkt wird. Zudem wird die räumliche Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung begrenzt. Die dritte elektromagnetische Strahlung wird dabei vorzugsweise in allen Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung begrenzt.
Durch dieses Verfahren wird auf besonders einfache und vorteilhafte Weise erreicht, dass die erzeugte dritte elektromagnetische Strahlung eine zeitliche Inkohärenz entsprechend der Strahlung der Leuchtdiode besitzt, aber durch das räumliche Begrenzen in Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung eine ausreichend hohe räumliche Kohärenz aufweist, sodass die Fokussier- und Kollimierbarkeit der dritten elektromagnetischen Strahlung derjenigen einer Laserstrahlung entspricht.
Die dritte elektromagnetische Strahlung ist zeitlich inkohärent, da sich die breitere spektrale Frequenzbandbreite der ersten elektromagnetischen Strahlung auf die dritte elektromagnetische Strahlung überträgt.
Für die Entstehung von Speckle-Mustern ist aber eine hinreichend geringe Frequenzbandbreite und eine damit einhergehende hinreichend hohe zeitliche Kohärenz eine zwingende Voraussetzung, da zwischen zwei bei unterschiedlichen Tiefen der Oberfläche reflektierten Wellen immer ein zeitlicher Versatz besteht.
Aufgrund der auf die dritte elektromagnetische Strahlung übertragenden großen Frequenzbandbreite und der damit verbundenen, ebenfalls übertragenden zeitlichen Inkohärenz ist die dritte elektromagnetische Strahlung Speckle-frei, und zwar für beliebige Integrationszeiten des betrachtenden Auges bzw. Detektors und nicht nur innerhalb ausreichend großer Integrationszeiten. Während der Stand der Technik sich eines statistischen Effekts bedient, indem ein statistisch verteiltes Wackeln der Interferenzmuster über die Integrationszeit eines Auges oder Detektor gemittelt ein Speckle-freies Erscheinungsbild suggeriert, wird durch die vorliegende Erfindung durch die Übertragung einer hohen Frequenzbandbreite der ersten elektromagnetischen Strahlung auf die dritte elektromagnetische Strahlung die zeitliche Kohärenz derart verringert, d. h. das Zeit-Intervall, innerhalb dessen eine Lichtwelle kohärent zu einer anderen Lichtwelle ist, derart verkürzt, dass Interferenzmuster nicht auftreten können.
Unter Begrenzen ist ein Verfahrensschritt zu verstehen, bei dem die elektromagnetische Strahlung in ihrer räumlichen Ausdehnung auf einen bestimmten Raumwinkel begrenzt wird. Beispielsweise kann das Begrenzen durch einen Wellenleiter erfolgen, wobei der Wellenleiter einen Mantel und einen für die Ausbreitung der elektromagnetischen Strahlung vorgesehenen Kern aufweist. Der Mantel umgibt dabei den Kem. Dabei ist der Kern als nichtlinear-optisches Element, z. B. als nichtlinear-optischer Kristall, ausgebildet. In einem alternativen Beispiel ist die erste oder zweite elektromagnetische Strahlung bereits derart in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der jeweiligen Ausbreitungsrichtung räumlich begrenzt, dass die im nichtlinear-optischen Element entstehende dritte elektromagnetische Strahlung in der Folge ebenfalls senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung räumlich begrenzt ist.
Bevorzugt erfolgt das Begrenzen der räumlichen Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung innerhalb des nichtlinearen Elements. Der Vorteil des räumlichen Begrenzens der dritten elektromagnetischen Strahlung innerhalb des nichtlinear-optischen Elements besteht darin, dass ein Minimum an optischen Elementen für die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung verwendet wird und ein Minimum an Strahlungsleistung verloren geht, da die dritte elektromagnetische Strahlung an der Stelle begrenzt wird, an der sie erzeugt wird und folglich keine Leistungsverluste durch ein nachträgliches Begrenzen der dritten elektromagnetischen Strahlung entstehen.
Das nichtlinear-optische Element ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Element mit einem elektrischen Suszeptibilitätstensor, dessen Terme zweiter Ordnung nicht verschwinden, d. h. ein Element, für das gilt x⁽²⁾ ≠ 0. Insbesondere werden auch nichtlinear-optische Element verwendet, bei denen alle Terme des elektrischen Suszeptibilitätstensors mit einer Ordnung, die höher ist als zwei, verschwinden bzw. vernachlässigbar klein sind.
Das Begrenzen der dritten elektromagnetischen Strahlung kann zudem in einer Ausführungsform derart erfolgen, dass das nichtlinear-optische Element als Lichtquelle der dritten elektromagnetischen Strahlung angesehen wird und als solche eine Strahlqualität M² < 10 aufweist. Für Ausführungsformen, bei der die dritte elektromagnetische Strahlung aus einer kreisrunden Austrittsfläche mit dem Radius w₀ aus dem nichtlinear-optischen Element austritt, gilt dabei bevorzugt, dass für den Radius w₀ und die Divergenz θ, d.h. den halben Emissionswinkel, der dritten elektromagnetischen Strahlung $θ = arctan (\frac{λ}{π w_{o}}) .$
Eine derart charakterisierte dritte elektromagnetische Strahlung weißt eine besonders hohe räumliche Kohärenz auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Begrenzen der räumlichen Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung derart, dass die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen ausschließlich eine TEMoo-Mode aufweist. Unter einer TEMoo-Mode ist die transversale elektromagnetische Mode einer elektromagnetischen Strahlung der niedrigsten Ordnung, d.h. die Grundmode, zu verstehen. Eine elektromagnetische Strahlung, die im Wesentlichen ausschließlich eine TEMoo-Mode aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass sie als Gauß-Strahl beschrieben werden kann. Eine elektromagnetische Strahlung, die als Gauß-Strahl beschrieben werden kann, ist hinreichend räumlich kohärent, sodass sie eine vergleichbare Fokussier- und Kollimierbarkeit wie eine Laserstrahlung besitzt.
In einer weiteren Ausführungsform sind die erste Frequenz und die Zielfrequenz im Wesentlichen identisch, wobei die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz. Die zweite elektromagnetische Strahlung wird derart in das nichtlinear-optische Element eingestrahlt, dass in dem nichtlinear-optischen Element eine Idlerstrahlung mit einer Idlerfrequenz und eine Signalstrahlung mit derZielfrequenz entstehen. Dabei ist die zweite Frequenz gleich der Summe aus der Idlerfrequenz und der Zielfrequenz. Bei der Signalstrahlung handelt es sich um die zu generierende dritte elektromagnetische Strahlung, wobei in dem nichtlinear-optischen Element eine optisch-parametrische Verstärkung stattfindet, so dass eine Intensität der dritten elektromagnetischen Strahlung größer ist als eine Intensität der ersten elektromagnetischen Strahlung. Die erste elektromagnetische Strahlung stellt folglich eine Seed-Strahlung für die optisch-parametrische Verstärkung bereit. Die zeitliche Inkohärenz der Signalstrahlung/dritten elektromagnetischen Strahlung ergibt sich folglich aus der zeitlichen Inkohärenz der Seed-Strahlung in Form der ersten elektromagnetischen Strahlung der Leuchtdiode. Damit die dritte elektromagnetische Strahlung bei der gewünschten Frequenz entsteht, wird das nichtlinear-optische Element in einer Ausführungsform für diese Frequenz entsprechend ausgebildet und angeordnet.
Unter einer optisch-parametrischen Verstärkung wird ein physikalischer Prozess verstanden, bei dem eine intensive sogenannte Pumpstrahlung (hier: die zweite elektromagnetische Strahlung) und eine weniger intensive Seed-Strahlung (hier: die erste elektromagnetische Strahlung) in ein nicht linear-optisches Element eingestrahlt werden. Durch den im nichtlinear-optischen Element bestehenden nichtlinearen Zusammenhang zwischen elektrischem Feld und Polarisierung des nichtlinear-optischen Elements entstehen innerhalb des nichtlinear-optischen Elements aus der intensiven Pumpstrahlung eine Idlerstrahlung und eine Signalstrahlung. Beim Vorhandensein einer Seed-Strahlung entsteht die Signalstrahlung dabei besonders effizient bei den Frequenzen der Seed-Strahlung. Folglich wird im Frequenzspektrum Energie von den Frequenzen der Pumpstrahlung auf die Frequenzen der Seed-Strahlung übertragen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass im Photonenbild ein vom nichtlinear-optischen Element ausgesandtes Photon der Signalstrahlung (hier: der dritten elektromagnetische Strahlung) als ein im nichtlinear-optischen Element neu erzeugtes Photon angesehen wird, das aufgrund der Seed-Strahlung bevorzugt bei der Frequenz der Seed-Strahlung entsteht.
Es besteht zudem die Möglichkeit, dass das nicht linear-optische Element auch Reste der ursprünglichen Pumpstrahlung transmittiert.
Diese Ausführungsform des Verfahrens, bei der es zu einer optisch-parametrischen Verstärkung kommt, zeichnet sich durch ihre Einfachheit aus, da kein größerer Justieraufwand von Nöten ist, um das Verfahren erfolgreich durchzuführen.
In einer alternativen Ausführungsform wird die erste, breitbandige elektromagnetische Strahlung derart in das nichtlinear-optische Element eingestrahlt, dass in dem nichtlinear-optischen Element durch optisch-parametrische Fluoreszenz eine Idlerstrahlung mit einer Idlerfrequenz und eine Signalstrahlung mit der Zielfrequenz entsteht, wobei die erste Frequenz gleich der Summe aus der Idlerfrequenz und der Zielfrequenz ist und die Zielfrequenz größer ist als die Idlerfrequenz. Die Idlerstrahlung wird dabei resonant in das nichtlinear-optische Element zurückgekoppelt, so dass ein optisch-parametrischer Oszillatorprozess in dem nichtlinear-optischen Element bewirkt wird, wobei die Idlerstrahlung die zweite elektromagnetische Strahlung und die Signalstrahlung die dritte elektromagnetische Strahlung ist. Damit die Signalstrahlung (hier die dritte elektromagnetische Strahlung) bei der gewünschten Frequenz entsteht, ist das nichtlinear-optische Element entsprechend ausgebildet und angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform bedarf es keiner externen Strahlungsquelle für die zweite elektromagnetische Strahlung. Vielmehr wird die zweite elektromagnetische Strahlung durch den Zerfall der ersten elektromagnetischen Strahlung in eine Idlerstrahlung und eine Signalstrahlung gewonnen. Die entstandene Idlerstrahlung wird dabei mit einem Resonator, beispielsweise einem Ring- oder Linearresonator, resonant verstärkt, wobei sich das nichtlinear-optische Element im Strahlengang des Resonators befindet. Dadurch wird die resonant verstärkte Idlerstrahlung in das nichtlinear-optische Element zurückgekoppelt. Durch diesen Rückkopplungsprozess wird die Energie des Systems bestmöglich ausgenutzt, wodurch sich diese Ausführungsform durch eine besonders hohe Energieeffizienz auszeichnet.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum Erzeugen räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung gelöst. Dabei weist die Vorrichtung eine erste Strahlungsquelle auf, die eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und einer ersten Frequenzbandbreite bereitstellt. Bei der ersten Strahlungsquelle handelt es sich um eine Leuchtdiode (Light-Emitting Diode, LED). Zudem weist die Vorrichtung eine zweite Strahlungsquelle auf, die eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Frequenzbandbreite bereitstellt, wobei die zweite Frequenzbandbreite kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite. Zusätzlich ist ein nichtlinear-optisches Element, vorzugsweise ein nichtlinear-optischer Kristall, vorgesehen, wobei die erste und die zweite Strahlungsquelle derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die erste und die zweite elektromagnetische Strahlung in das nichtlinear-optische Element eingestrahlt werden, so dass in dem nichtlinear-optischen Element entweder eine dritte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird oder eine Erzeugung der dritten elektromagnetischen Strahlung verstärkt wird. Dabei ist eine Begrenzungseinrichtung vorgesehen, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die räumliche Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung begrenzt wird und die dritte elektromagnetische Strahlung räumlich kohärent ist. Die dritte elektromagnetische Strahlung wird dabei vorzugsweise in allen Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung begrenzt. Eine solche Vorrichtung dient zur erfolgreichen Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Strahlungsquelle ein Laser. Da die zweite Strahlung bevorzugt eine intensive und näherungsweise monochromatische Strahlung sein soll, damit innerhalb des nichtlinear-optischen Elements eine parametrische Verstärkung bzw. parametrische Fluoreszenz mit einer ausreichenden Intensität erfolgen kann, ist ein Laser als zweite Strahlungsquelle gut geeignet. Ein Laser stellt dabei eine einfache und leicht zugängliche Möglichkeit dar, die zweite elektromagnetische Strahlung bereitzustellen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Begrenzungseinrichtung ein Lichtwellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, wobei der Kern für die Ausbreitung der dritten elektromagnetischen Strahlung vorgesehen ist und einen für das Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehenen Eingang und einen für das Auskoppeln einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehenen Ausgang aufweist. Der Kern bildet dabei das nichtlinear-optische Element. Bei dieser Ausführungsform sind folglich Begrenzungseinrichtung und das nichtlinear-optische Element als ein einheitliches Element ausgebildet. Hierbei werden erste und zweite elektromagnetische Strahlung in den Eingang des Wellenleiters eingekoppelt. Innerhalb des Kerns finden die nichtlinearen parametrischen Prozesse (parametrische Fluoreszenz, parametrische Verstärkung) statt, da der Kern selbst aus einem nichtlinear-optischen Material besteht. Hierbei kann als Kernmaterial beispielsweise ein nichtlinear-optischer Kristall verwendet werden. Der Wellenleiter selbst besitzt die Eigenschaft einer Begrenzungseinrichtung, da durch den Querschnitt des Kerns in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung die maximal mögliche einnehmbare Querschnittsfläche der im Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung vorgegeben wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Lichtwellenleiter um einen Einmodenwellenleiter, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen ausschließlich eine TEM₀₀-Mode aufweist. Damit werden Multimoden, d. h. weitere transversale Moden höherer Ordnung, ausgeschlossen, welche die räumliche Kohärenz der dritten elektromagnetischen Strahlung zumindest verringern.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erste Strahlungsquelle eine der ersten Frequenz zugehörige Wellenlänge λ und eine der ersten Frequenzbandbreite zugehörige Wellenlängenbandbreite Δλ, wobei das Verhältnis Δλ/λ gleich oder größer als 0,001 ist. Da sich die Bandbreite der ersten elektromagnetischen Strahlung auf die dritte elektromagnetische Strahlung überträgt und dadurch die zeitliche Inkohärenz der dritten elektromagnetischen Strahlung erzeugt wird, wird durch die Wahl der Bandbreite der ersten elektromagnetischen Strahlung die Speckle-Freiheit der dritten elektromagnetischen Strahlung beeinflusst. Eine Verhinderung der Entstehung von Speckle-Mustern kann insbesondere garantiert werden, wenn das Verhältnis aus der zur Strahlung gehörenden Bandbreite Δλ und Wellenlänge λ gleich oder größer als 0,001 ist, also $\frac{Δ λ}{λ} \geq 0,1 %$
ist. In einer Ausführungsform ist die Bandbreite der ersten Strahlungsquelle derart gewählt, dass der Speckle-Kontrast kleiner gleich 10 % ist. Ein derart niedriger Speckle-Kontrast ist für die meisten Detektoren gleichbedeutend mit einer Speckle-Freiheit des aufgenommenen Bildes. Dabei ist der Speckle-Kontrast definiert als die Standardabweichung der Intensität geteilt durch die mittlere Intensität, der einen Schirm beleuchtenden elektromagnetischen Strahlung.
In einer alternativen Ausführungsform ist die zweite elektromagnetische Strahlung eine beim Einstrahlen der ersten elektromagnetischen Strahlung in das nichtlinear-optische Element durch optisch-parametrische Fluoreszenz entstehende und mit einem Resonator verstärkte Idlerstrahlung. Dabei ist der Resonator derart angeordnet und ausgebildet, dass er die Idlerstrahlung in dem nichtlinear-optischen Element in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Idlerstrahlung räumlich begrenzt, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen ausschließlich eine TEMoo-Mode aufweist. Durch das Begrenzen der Idlerstrahlung wird gewährleistet, dass auch die im nichtlinear-optischen Element entstehende Signalstrahlung ebenso räumlich begrenzt und dementsprechend räumlich kohärent ist.
Beispielsweise kann eine solche Ausführungsform eine Spiegelanordnung aufweisen, die aus einem ersten frequenzselektiven Spiegel besteht, der die Idlerstrahlung nach dem Verlassen des nichtlinear-optischen Elements reflektiert und die Signalstrahlung transmittiert. Die reflektierte Idlerstrahlung wird dann an zwei Spiegeln weitergespiegelt und anschließend mittels eines zweiten, im Strahlengang der ersten elektromagnetischen Strahlung stehenden wellenlängenselektiven Spiegels zusammen mit der ersten elektromagnetischen Strahlung in das nichtlinear-optische Element eingestrahlt. Die Idlerstrahlung durchläuft folglich immer wieder den gleichen Strahlengang und wird dadurch resonant verstärkt. Ein solcher Aufbau zeichnet sich durch seine Energieeffizienz aus, da näherungsweise die gesamte Energie der eingestrahlten ersten elektromagnetischen Strahlung zur Erzeugung der ausgestrahlten dritten elektromagnetischen Strahlung und der damit verbundenen Erzeugung der Idlerstrahlung verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zielfrequenzbandbreite einstellbar. Dies bietet den Vorteil, dass die erzeugte räumlich kohärente Strahlungsquelle für unterschiedliche Anwendungen, die unterschiedlich große Zielfrequenzbandbreiten benötigen, verwendbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das nichtlinear-optische Element ein an die Zielfrequenz phasenangepasster nichtlinear-optischer Kristall. Nichtlinear-optische Prozesse laufen dann besonders effizient ab, wenn die beteiligten elektromagnetischen Strahlungen die für den jeweiligen nichtlinearen Prozess relevante Phasenanpassungsbedingung erfüllen. Für eine optisch-parametrische Verstärkung beispielsweise lautet diese Bedingung n_pv_p = n_Sv_S + n_Iv_I, wobei n_p, n_S und n_I die Brechungsindizes und v_p, v_S und v_I die Frequenzen für die entsprechenden Pump- , Signal- und Idlerstrahlungen sind. Diese Bedingung ist allerdings im Allgemeinen aufgrund der Dispersion, der Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Strahlungen innerhalb des nichtlinear-optischen Materials nicht erfüllt. Eine entsprechende Phasenanpassung kann aber beispielsweise unter Ausnutzung einer doppelbrechenden Eigenschaft eines nichtlinear-optischen Elements eingestellt werden, da der Brechungsindex des bei der Doppelbrechung auftretenden außerordentlichen Strahls abhängig ist vom Winkel zwischen optischer Achse und geometrischer Achse des nichtlinear-optischen Elements, wobei die geometrische Achse die Achse der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlungen darstellt, wohingegen der Brechungsindex des ordentlichen Strahls keine solche Abhängigkeit zeigt. Für die Phasenanpassung muss daher der Winkel zwischen der geometrischen Längsachse des nichtlinear-optischen Elements und der optischen Achse derart gewählt werden, dass die entsprechende Phasenanpassungsbedingung - im Falle einer optisch-parametrischen Verstärkung, die oben genannte - erfüllt ist.
Im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Phasenanpassung, die unter Nutzung der doppelbrechenden Eigenschaften eines nichtlinear-optischen Elements erreicht wird, wird bei einer Quasi-Phasenanpassung eine Dispersion der elektromagnetischen Wellen lokal begrenzt zugelassen. Durch eine Aneinanderreihung von Abschnitten des optisch-nichtlinearen Elements in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlungen mit abwechselnd jeweils entgegensetzt gepolten Polarisationen wird die innerhalb eines ersten Bestandteils erlaubte Dispersion allerding innerhalb des darauffolgenden Bestandteils rückgängig gemacht. Somit wird eine Dispersion nur innerhalb einer bestimmten Länge geduldet, die derart gewählt ist, dass es nicht zu einer durch destruktive Interferenz verursachten gegenseitigen Auslöschung der elektromagnetischen Strahlungen kommt. Diese Art der Phasenanpassung erlaubt auf besonders einfache und vorteilhafte Weise eine Phasenanpassung für drei unterschiedliche Zielfrequenzen.
Bevorzugt ist daher der nichtlinear-optische Kristall für drei elektromagnetische Strahlungen mit sich jeweils unterscheidenden Zielfrequenzen quasi-phasenangepasst, so dass in dem nichtlinear-optischen Kristall entweder drei Signalstrahlungen mit drei voneinander verschiedenen Zielfrequenzen erzeugt werden oder das Erzeugen dreier Signalstrahlungen verstärkt wird. Dies bietet den Vorteil, dass mit einer einzelnen Strahlungsquelle - einer Leuchtdiode - räumlich kohärent aber zeitlich inkohärente Strahlung/Licht in drei unterschiedlichen Farben erzeugt werden kann. Dabei können dies insbesondere die sichtbaren Farben rot, grün und blau sein (RGB), mit denen sich ein Farbbild erzeugen lässt. Somit wir nur eine Leuchtdiode benötigt, um mittels dieser Ausführungsform einen Farbprojektor bereitzustellen.
Zudem wird eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Projektion eines Bildes mithilfe der von der Vorrichtung erzeugten dritten elektromagnetischen Strahlung umfasst. Insbesondere kann dadurch ein Projektor bereitgestellt werden, der alle Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufweist. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, da sie z.B. in der Industrie dafür verwendet werden kann, eine präzise Lichtprojektion auf eine Oberfläche, beispielsweise eines Werkstücks bzw. eines Objekts, mithilfe der dritten elektromagnetischen Strahlung abzubilden, die zur Qualitätsprüfung genutzt werden kann.
Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Beleuchtung verwendet werden. Beispielsweise werden Laser in der Mikroskopie aufgrund ihrer Lichtintensität eingesetzt, um eine zu untersuchende Probe zu beleuchten, sodass das von einem Detektor (oder einem Auge) detektierte Bild der Probe ein hohes Signal-zu-Rauschen Verhältnis aufweist. Auftretende Speckle begrenzen dabei die Qualität des Bildes der Probe. Durch die räumlich kohärente und Speckle-freie dritte elektromagnetische Strahlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit eine vorteilhafte Beleuchtung, beispielsweise für Mikrokopie-Anwendungen, bereitgestellt werden, durch die eine erhöhte Bildqualität gewährleistet werden kann.
Des Weiteren wird im Speziellen eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beansprucht, die zur Projektion eines Bildes mit einem Farbraum, der durch die Farben rot, grün und blau gebildet wird, dient. Somit kann mit dieser Vorrichtung auf einfache und kostengünstige Weise eine Laserprojektion bzw. LED-Projektion eines Farbbildes generiert werden.
Das Verfahren sowie die Vorrichtung dienen bevorzugt zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich, d. h. zur Erzeugung von Lichtwellen bzw. Photonen mit Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 800 nm.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der in 1 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden eine erste elektromagnetische Strahlung 1 und eine zweite elektromagnetische Strahlung 2 in einen Wellenleiter 7 eingestrahlt, wobei der Wellenleiter 7 einen nichtlinear-optischen Kristall als Kern aufweist. Bei der ersten elektromagnetischen Strahlung 1 handelt es sich um eine LED-Strahlung mit einer ersten Frequenz und bei der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 handelt es sich um eine Laserstrahlung mit einer zweiten Frequenz, wobei im hier gezeigten Fall die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz. Erste und zweite elektromagnetische Strahlung werden zunächst mit einem Winkel von 90° zueinander eingestrahlt, an einem frequenzselektiven Spiegelräumlich kollinear überlagert und in der Folge über eine Fokussieranordnung (nicht gezeigt) kollinear in den Wellenleiter 7 und somit in den in dem Wellenleiter befindlichen nichtlinear-optischen Kristall eingestrahlt. In 1 sind die erste elektromagnetische Strahlung 1 und zweite elektromagnetische Strahlung 2 durch parallel verlaufende Pfeile schematisch dargestellt.
Durch die hohe Intensität der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 (in 1 durch die Dicke des Pfeils symbolisiert) kommt es in dem nicht linear-optischen Kristall zu einer optisch-parametrischen Verstärkung. Die zweite elektromagnetische Strahlung 2 übernimmt dabei folglich die Funktion als Pumpstrahlung. Aus der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 entsteht eine Idlerstrahlung 9 und eine Signalstrahlung, wobei die Erzeugung von Signal- und Idlerstrahlung durch die Gegenwart der weniger intensiven ersten elektromagnetischen Strahlung 1 maximal effizient abläuft. Der nichtlinear-optische Kristall ist dabei für die Frequenz der Signalstrahlung phasenangepasst. Die erste elektromagnetische Strahlung 1 wird in diesem Zusammenhang als Seed-Strahlung bezeichnet, weil sie wie ein Keim wirkt, aus dem sich die Signalstrahlung entwickelt.
Die aus dem Wellenleiter 7 austretende Signalstrahlung stellt die dritte elektromagnetische Strahlung 3 dar. Da die Erzeugung dieser dritten elektromagnetischen Strahlung 3 an die zeitlich inkohärente erste elektromagnetischen Strahlung 1 - die Seed-Strahlung - gekoppelt ist, ist auch die dritte elektromagnetische Strahlung 3 zeitlich inkohärent. Mit anderen Worten entwickelt sich die Signalstrahlung zeitlich entsprechend ihrem Keim, der Seed-Strahlung. Allerdings besitzt die Signalstrahlung nun eine höhere Intensität als die Seed-Strahlung/erste elektromagnetische Strahlung 1, da sich ihre Intensität aus der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 - der intensiven Laserstrahlung - ergibt.
Die räumliche Kohärenz der dritten elektromagnetischen Strahlung 3 wird durch die räumlich beschränkte Ausdehnung des Wellenleiters 7 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Strahlung im Wellenleiter 7 bewirkt. Der Wellenleiter 7 ist in dieser Ausführungsform folglich die Begrenzungseinrichtung. Der Kern des Wellenleiters 7, in dem sich die elektromagnetische Strahlung innerhalb des Wellenleiters 7 ausbreitet und in dem auch die dritte elektromagnetische Strahlung 3 erzeugt wird, weist eine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung 3 von 10 µm oder weniger auf.
Der Wellenleiter 7 ist derart ausgebildet, dass sich in ihm ausschließlich eine TEMoo-Mode ausbildet, sodass die austretende dritte elektromagnetische Strahlung als Gaußstrahl beschrieben werden kann und gute Fokussier- und Kollimationseigenschaften besitzt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier ist eine erste elektromagnetische Strahlung 1 ersichtlich, die von einer Leuchtdiode (LED) erzeugt wird und in einen nichtlinear-optischen Kristall 6 eintritt. Innerhalb des nicht linear-optischen Kristalls 6 entstehen aufgrund optisch-parametrischer Fluoreszenz eine Idlerstrahlung 9 und eine Signalstrahlung. Die Signalstrahlung verlässt die Vorrichtung über einen frequenzselektiven Spiegel 4 und stellt auch in diesem Fall die dritte elektromagnetische Strahlung 3 dar.
In diesem Fall ist anders als in der Ausführungsform gemäß 1 keine von einer externen Quelle bereitgestellte Seed-Strahlung vorhanden. Allerdings wird die Idlerstrahlung 9 in einem für die Idlerstrahlung 9 resonanten und für die Signalstrahlung transmittierenden Ringresonator 8 gefangen und zur Verstärkung in den nichtlinear-optischen Kristall gekoppelt. Der Ringresonator 8 besteht dabei aus vier reflektierenden Elementen 4, 5, wobei die beiden Spiegel 4 frequenzselektive Spiegel sind. Die Idlerstrahlung 9 trifft in der hier gezeigten Darstellung kollinear mit der ersten elektromagnetischen Strahlung 1 durch eine stirnseitige Oberfläche des nicht linear-optischen Kristalls 6 in diesen ein. In diesem Sinne handelt es sich bei der resonant verstärkten und rückgekoppelten Idlerstrahlung 9 um die zweite elektromagnetische Strahlung 2 im Sinne der vorliegenden Erfindung. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die erste elektromagnetische Strahlung 1 die Pumpstrahlung.
Die zweite Strahlungsquelle wird in dieser Ausführungsform folglich durch die Kombination aus erster Strahlungsquelle (Leuchtdiode), dem nicht linear-optischen Kristall 6 und dem Resonator 8 gebildet. Mit anderen Worten ausgedrückt weist diese Ausführungsform eine interne zweite Strahlungsquelle auf, wohingegen die in 1 gezeigte Ausführungsform eine externe zweite Strahlungsquelle aufweist.
Durch die eingestrahlte zweite elektromagnetische Strahlung 2 - die resonant verstärkte und rückgekoppelte Idlerstrahlung 9 - wird ein optisch-parametrischer Oszillatorprozess angeregt. Dadurch wird die Erzeugung der Idlerstrahlung 2 und Signalstrahlung 3 wiederum verstärkt bis der optisch-parametrische Oszillator in einem Gleichgewichtszustand schwingt und die Energie der einfallenden ersten elektromagnetischen Strahlung 1 im Wesentlichen vollständig auf die Idler- und Signalstrahlung übergeht.
Das Begrenzen der dritten elektromagnetischen Strahlung 3 erfolgt durch das Begrenzen der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung innerhalb des Resonators 8. Der Resonator 8 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass nur eine transversale Mode der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 resonant verstärkt wird und in den nichtlinear-optischen Kristall 6 fokussiert eingestrahlt wird. Die dritte elektromagnetische Strahlung 3 wird daher nur in dem von der zweiten elektromagnetischen Strahlung 2 vorgegebenen, räumlich begrenzten Volumen des Kristalls 6 erzeugt. Die Begrenzungseinrichtung wird daher bei der in 2 gezeigten Ausführungsform durch die Kombination aus Resonator 8 und nichtlinear-optischem Kristall 6 gebildet.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Zusammenfassend lässt sich die vorliegende Erfindung wie folgt beschreiben: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen von räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung. Um ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung bereitzustellen, wobei die ausgesandte elektromagnetische Strahlung die Fokussier- und Kollimierbarkeit einer Laserstrahlung aufweist und gleichzeitig Speckle-frei ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass mit einer Leuchtdiode eine erste elektromagnetische Strahlung mit einer ersten Frequenz und Frequenzbandbreite bereitstellt wird, eine zweite elektromagnetische Strahlung mit einer zweiten Frequenz und Frequenzbandbreite bereitstellt wird, wobei die zweite Frequenzbandbreite kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite, ein nichtlinear-optischen Element vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite elektromagnetische Strahlung in das nichtlinear-optische Element derart eingestrahlt werden, dass in diesem Element entweder eine dritte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird oder deren Erzeugung verstärkt wird, und einer Begrenzungseinrichtung vorgesehen ist, mit der die räumliche Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung in einer Richtung senkrecht zu deren Ausbreitungsrichtung begrenzt wird, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung räumlich kohärent ist.
Bezugszeichenliste

1: Erste elektromagnetische Strahlung
2: Zweite elektromagnetische Strahlung
3: Dritte elektromagnetische Strahlung, Signalstrahlung
4: Frequenzselektiver Spiegel
5: Reflektierendes Element
6: Nichtlinear-optisches Element/Kristall
7: Lichtwellenleiter
8: (Ring-)Resonator
9: Idlerstrahlung

Claims

Verfahren zum Erzeugen von räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit einer Zielfrequenz mit den Schritten Erzeugen einer ersten elektromagnetischen Strahlung (1) mit einer ersten Frequenz und einer ersten Frequenzbandbreite mit einer Leuchtdiode, Erzeugen einer zweiten elektromagnetischen Strahlung (2) mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Frequenzbandbreite, die kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite, Einstrahlen der ersten und der zweiten elektromagnetischen Strahlung (1, 2) in ein nichtlinear-optisches Element (6), sodass in dem nichtlinear-optischen Element entweder eine dritte elektromagnetische Strahlung (3) mit der Zielfrequenz und einer Zielbandbreite erzeugt wird oder eine Erzeugung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) verstärkt wird, Begrenzen der räumlichen Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) in einer Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3).
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzen der räumlichen Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) innerhalb des nichtlinear-optischen Elements (6) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Begrenzen der räumlichen Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) derart erfolgt, dass die dritte elektromagnetische Strahlung ausschließlich eine TEMoo-Mode aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz und die Zielfrequenz im Wesentlichen identisch sind, die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz und die zweite elektromagnetische Strahlung (2) derart in das nichtlinear-optische Element (6) eingestrahlt wird, dass in dem nichtlinear-optischen Element (6) eine Idlerstrahlung (9) mit einer Idlerfrequenz und eine Signalstrahlung mit der Zielfrequenz entstehen, wobei die zweite Frequenz gleich der Summe aus der Idlerfrequenz und der Zielfrequenz ist und die Signalstrahlung die dritte elektromagnetische Strahlung (3) ist, und wobei in dem nichtlinear-optischen Element (6) eine optisch-parametrische Verstärkung erfolgt, sodass eine Intensität der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) größer ist als eine Intensität der ersten elektromagnetischen Strahlung (1).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektromagnetische Strahlung (1) derart in das nichtlinear-optische Element (6) eingestrahlt wird, dass in dem nichtlinear-optischen Element (6) durch optisch-parametrische Fluoreszenz eine Idlerstrahlung (9) mit einer Idlerfrequenz und eine Signalstrahlung mit der Zielfrequenz entsteht, wobei die erste Frequenz gleich der Summe aus der Idlerfrequenz und der Zielfrequenz ist und die Zielfrequenz größer ist als die Idlerfrequenz, wobei die Idlerstrahlung (9) resonant in das nichtlinear-optischen Element (6) zurückgekoppelt wird, sodass ein optisch-parametrischer Oszillatorprozess in dem nichtlinear-optischen Element (6) bewirkt wird, wobei die Idlerstrahlung (9) die zweite elektromagnetische Strahlung (2) und die Signalstrahlung die dritte elektromagnetische Strahlung ist.
Vorrichtung zum Erzeugen räumlich kohärenter elektromagnetischer Strahlung mit einer ersten Strahlungsquelle, die eine erste elektromagnetische Strahlung (1) mit einer ersten Frequenz und einer ersten Frequenzbandbreite bereitstellt, wobei die erste Strahlungsquelle eine Leuchtdiode ist, einer zweiten Strahlungsquelle, die eine zweite elektromagnetische Strahlung (2) mit einer zweiten Frequenz und einer zweiten Frequenzbandbreite bereitstellt, wobei die zweite Frequenzbandbreite kleiner ist als die erste Frequenzbandbreite, einem nichtlinear-optischen Element (6), wobei die erste und die zweite Strahlungsquelle derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die erste und die zweite elektromagnetische Strahlung (1, 2) in das nichtlinear-optische Element (6) eingestrahlt werden, sodass in dem nichtlinear-optischen Element (6) entweder eine dritte elektromagnetische Strahlung erzeugt wird oder eine Erzeugung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) verstärkt wird, und einer Begrenzungseinrichtung, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die räumliche Ausdehnung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) in einer Richtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) begrenzt wird und die dritte elektromagnetische Strahlung (3) räumlich kohärent ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlungsquelle ein Laser ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungseinrichtung ein Lichtwellenleiter (7) mit einem Kern und einem Mantel ist, wobei der Kern für die Ausbreitung der dritten elektromagnetischen Strahlung (3) vorgesehen ist und einen für das Einkoppeln einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehenen Eingang und einen für das Auskoppeln einer elektromagnetischen Strahlung vorgesehenen Ausgang aufweist, wobei der Kern das nichtlinear-optische Element (6) bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (7) ein Einmodenwellenleiter ist, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen ausschließlich eine TEM₀₀-Mode aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlungsquelle eine der ersten Frequenz zugehörige erste Wellenlänge λ und eine der ersten Frequenzbandbreite zugehörige erste Wellenlängenbandbreite Λλ besitzt, wobei das Verhältnis Δλ/λ gleich oder größer als 0,001 ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite elektromagnetische Strahlung (2) eine beim Einstrahlen der ersten elektromagnetischen Strahlung (1) in das nichtlinear-optische Element (6) durch optisch-parametrische Fluoreszenz entstehende und mit einem Resonator (8) verstärkte Idlerstrahlung (9) ist, wobei der Resonator (8) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass er die Idlerstrahlung (9) in dem nichtlinear-optischen Element (6) in einer Richtung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Idlerstrahlung (9) räumlich begrenzt, sodass die dritte elektromagnetische Strahlung im Wesentlichen ausschließlich eine TEMoo-Mode aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielfrequenzbandbreite einstellbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlinear-optische Element (6) ein an die Zielfrequenz phasenangepasster nichtlinear-optischer Kristall ist, wobei der nichtlinear-optische Kristall (6) bevorzugt für drei elektromagnetische Strahlungen mit sich jeweils unterscheidenden Zielfrequenzen phasenangepasst ist, sodass in dem nichtlinear-optischen Kristall (6) entweder drei Signalstrahlungen mit drei voneinander verschiedenen Zielfrequenzen erzeugt werden oder das Erzeugen dreier Signalstrahlungen verstärkt wird.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13 zur Projektion eines Bildes mithilfe der dritten elektromagnetischen Strahlung (3).
Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13 zur Projektion eines Bildes mit einem Farbraum, der durch die Farben Rot, Grün und Blau gebildet wird.