DE10252591B9

DE10252591B9 - Verfahren zur Abbildung eines Videobildes mit mindestens drei Laserstrahlen

Info

Publication number: DE10252591B9
Application number: DE2002152591
Authority: DE
Inventors: Harry Fuchs; Ralf Dr. Knappe; Marc Tremont; Richard Prof. Dr. Wallenstein; Sascha Zelt
Original assignee: Lumera Laser GmbH
Current assignee: Lumera Laser GmbH
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2022-11-13
Also published as: DE10252591B4; DE10252591A1

Abstract

Verfahren zur Abbildung eines Videobildes mit mindestens drei Laserstrahlen, bei welchem für jeden der drei Laserstrahlen jeweils eine intensitätssteuerbare Laseranordnung verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die intensitätssteuerbare Laseranordnung eine Laserstrahlquelle (1) und ein optischnichtlineares Element (6) aufweist, wobei die Laserstrahlstrahlquelle (1) einen Laseroszillator (2) und einen Laserverstärker (4) aufweist und wobei in Lichtausbreitungsrichtung gesehen der Laserverstärker (4) dem Laseroszillator (2) und dem Laserverstärker (4) das optisch-nichtlineare Element (6) nachfolgt,
b) die Intensität des Lichtes (13) am Ausgang der Laseranordnung über die Wellenlänge des Lichtes der Laserstrahlquelle (1) gesteuert wird und
c) die Leistung des vom Laseroszillator (2) in den Laserverstärker (4) eingekoppelten Lichtes so eingestellt ist, dass sie größer ist als die Sättigungsleistung des Laserverstärkers (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abbildung eines Videobildes mit mindestens drei Laserstrahlen nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
Die Entwicklung von Diodenlasern mit direkter Emission im sichtbaren Spektralbereich ist zur Zeit ein Schwerpunktthema vieler Forschungsgruppen. Das Ziel derzeitiger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist vor allem die Realisierung von leistungsfähigen Diodenlasern mit grüner und blauer Emission. Bisher konnten im Blauen Diodenlaser realisiert werden, die eine Ausgangsleistung im Bereich von 10–100 mW mit Lebensdauern von einigen hundert bis tausend Stunden liefern. Diese Leistungen reichen für viele moderne technische Anwendungen dieser Laser nicht aus.
Als technisches Gebiet für den Einsatz von blauen Lasern ist hier besonders die Drucktechnik und die Laserprojektionstechnik zu nennen. Bei der Laserprojektions-Technik werden Videobilder analog zur bekannten Videodarstellung mit Bildröhren erzeugt. Allerdings werden die Elektronenstrahlen einer Bildröhre bei der betreffenden Lasertechnik durch Laserstrahlen ersetzt. Die Ablenkung erfolgt dann üblicherweise mit Spiegelsystemen oder akustooptischen Ablenkeinrichtungen. Zum Stand der Technik wird hier insbesondere auf die gattungsbildende Druckschrift DE 4306797 C1 und die darin zitierten Druckschriften verwiesen. Die Bildpunkte eines Videobildes werden demgemäß durch Laserlichtbündel ausgeleuchtet, deren Intensität zur Steuerung von Farbe und Helligkeit jedes Bildpunktes moduliert wird.
Um den Aufwand für derartige Lasersysteme bezüglich Modulation möglichst gering zu halten, wäre es wünschenswert, als Laser Diodenlaser einzusetzen, deren Lichtleistungen über den Betriebsstrom direkt steuerbar sind. Auf Grund der ungenügenden Leistung und geringen Lebensdauer, insbesondere der blaues Licht erzeugenden Laser, ließ sich dieses bisher nicht umsetzen. Daher mussten bisher Gaslaser oder spezielle Laserentwicklungen eingesetzt werden, die ausschließlich kontinuierlich betreibbar sind. Die Intensitätssteuerung erfolgte dabei mittels Modulatoren, die auf elektrooptischen oder magnetooptischen Effekten basieren. Auch diese Technik ist für kostengünstige Laservideosysteme zu aufwendig. Für kommerzielle Videogeräte auf Laserbasis ist daher eine modulierbare Laserlichtquelle hoher Leistung und langer Lebensdauer dringend erforderlich.
In der EP 0 189 29 A2 wird ein gepulster Halbleiterlaser vorgeschlagen, der über die Höhe der Pulse zur Laseranregung moduliert wird. Bei dieser Art der Modulation ist jedoch besonders bei geringen Intensitäten eine hohe Instabilität zu erwarten. Deshalb wird man beispielsweise im Videobereich diese Technik kaum ausnutzen, da dort Modulationen der Lichtquellen mit einem Hell-/Dunkelverhältnis von bis zu 1000 1 oder höher erforderlich sind, was aufgrund der Instabilitäten kaum befriedigend erreicht werden kann.
In dem Artikel „Semiconductor MOPA with monolithically integrated 56 Hz electroabsorption modulator" von J. M. Verdiell, J. S. Osinsky, D. F. Welch and D. R. Scifres, Electronics Letters, July 1995, Vol. 31, Nr. 14, Seiten 1187 bis 1189, ist eine Laserstruktur mit einem Verstärker beschrieben. Der Verstärker ist zusammen mit einem Intensitätsmodulator integriert, der auf dem Prinzip der Elektroabsorption beruht. Die dabei erforderliche Integration verschiedener Materialien für die Erzeugung von Laserstrahlen ist für kommerzielle Videotechnik zu aufwendig. Ob mit Hilfe der Elektroabsorption ein Hell-/Dunkelverhältnis von 1000 : 1 erreicht werden kann, ist unbekannt.
In dem US Patent No. 5,802,084 A ist eine Laseranordnung beschrieben, die aus einem Halbleiterlaser und einem nachgeschalteten Halbleiterlaserverstärker besteht. Die Intensität der erzeugten Strahlung ist modulierbar durch Variation des Stromes mit dem der Verstärker beaufschlagt wird. Eine Änderung des Stromes im Verstärkerändert jedoch die Temperatur und die Temperaturverteilung im Verstärker. Die damit verbundene Änderung des optischen Brechungsindex sowie der Brechungsindexverteilung wirkt sich unmittelbar auf die räumliche Verteilung der Leistung im erzeugten Laserstrahl aus. Das Intensitätsprofil des Laserstrahles ändert sich daher mit der Intensität. Diese Änderungen des Strahlprofils in Abhängigkeit von der Intensität sind für viele Anwendungen nicht akzeptabel.
Aus der US 6,021,141 A ist eine im blauen Spektralbereich durchstimmbare Laserdiode bekannt mit einer Laserstrahlquelle und einem optisch nichtlinearen Element, welches der Laserstrahlquelle in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgt. Die Intensität des Lichtes am Ausgang der Laserstrahlquelle und damit auch die Intensität am Ausgang der Laseranordnung kann über die Wellenlänge des Lichtes der Laserstrahlquelle gesteuert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abbildung eines Videobildes mit mindestens drei Laserstrahlen anzugeben, das es gestatte durch Verwendung von intensitätmodulierbaren Laseranordnungen eine besonders stabile und genaue Steuerung der Lichtintensität am Ausgang der Laseranordnungen zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Laserstrahlquelle besteht bevorzugt aus einem Halbleiterlaser mit steuerbarer Wellenlänge oder einem derartigen Halbleiterlaser mit nachgeschaltetem Halbleiterlaser-Verstärker.
Das optisch-nichtlineare Element hat die Aufgabe, das Licht der Laserstrahlquelle in Licht mit einer anderen, bevorzugt mit einer kürzeren Wellenlänge zu konvertieren.
Das Ausmaß der Umsetzung von Licht der Laserstrahlquelle in konvertierte Strahlung wird üblicherweise als Wirkungsgrad der Konversion bezeichnet. Dieser Wirkungsgrad ist – wie am Beispiel der Frequenzvervielfachung detailliert erläutert wird – abhängig von der Wellenlänge des Laserlichts. Eine Änderung der Wellenlänge des Laserlichtes bewirkt also eine entsprechende Änderung des Wirkungsgrades der Konversion und damit der Intensität der konvertierten Ausgangsstrahlung. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also die Änderung der Wellenlänge der Laserstrahlquelle benutzt um die Intensität des Lichtes zu steuern, das von der Laseranordnung erzeugt wird.
Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Leistung der Strahlung, die die Laserstrahlquelle erzeugt, nicht verändert zu werden braucht und bevorzugt auch nicht verändert wird. Die Laserstrahlquelle ist dann thermisch stets in einem stabilen Gleichgewicht, so dass keine thermischen Änderungen auftreten, die das Strahlprofil oder die Richtung der Laseremission nachteilig beeinflussen.
Dementsprechend sind die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten intensitätssteuerbaren Laseranordnungen ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Intensität des Lichtes, das mit den Laseranordnungen erzeugt wird, die Wellenlänge der jeweiligen Laserstrahlquelle in geeigneter Weise geändert wird. Die Änderung der Wellenlänge ändert den Konversionswirkungsgrad im optischnichtlinearen Element und damit die Leistung der von der jeweiligen Laseranordnung erzeugten konvertierten Strahlung. Es hat sich gezeigt, dass derartige Laseranordnungen folgende Vorteile haben:

– Die Emissionswellenlänge kann bei entsprechender technischer Ausgestaltung im sichtbaren Bereich liegen. Es können insbesondere Laseranordnungen mit einer Laseremission im roten, grünen oder blauen Spektralbereich geschaffen werden.
– Bei geeigneter Wahl der Wellenlänge der Laserstrahlquelle und des nichtlinearen Elements ist auch die Erzeugung von ultravioletter Strahlung möglich.
– Die Erzeugung von sichtbarer Laserstrahlung mit einer mittleren Leistung im Wattbereich ist möglich.
– Der Aufbau benötigt nur wenig Raum, enthält als laseraktive Komponenten bevorzugt nur Halbleiterlaser und gegebenenfalls Halbleiterlaserverstärker. Der Aufbau ist in kompakter Weise ausführbar und für die Massenfertigung geeignet.

Als Laserstrahlquellen mit abstimmbarer Wellenlänge sind bevorzugt Diodenlaser zu verwenden. Die Wellenlänge von Diodenlasern ist abhängig von der Wahl des Halbleitermaterials, vom epitaktischen Schichtaufbau, von der Temperatur und vom elektrischen Injektionsstrom. Weiterhin ist eine Variation der Wellenlänge möglich durch wellenlängenselektive externe Resonatoren, die bevorzugt ein laserexternes optisches Gitter aufweisen, das Licht mit einer bestimmten Wellenlänge selektiert und dieses in den Laser zurückreflektiert, welches dann im Laser weiterverstärkt wird.
In Anordnungen, die aus der Literatur bekannt sind, wird beispielsweise ein optisches Gitter extern zum Halbleiterlaser, der eine entspiegelte Austrittsfacette aufweist, aufgestellt oder das Gitter als Bragg-Gitter in eine optische Faser eingeschrieben, die an den Halbleiterlaser angekoppelt wird.
Im Falle des extern aufgestellten Gitters wird die Wellenlänge bevorzugt durch Drehen des Gitters geändert. Wird eine Faser mit eingeschriebenem Bragg-Gitter als externes wellenselektives Element benutzt, so ist die Wellenlänge durch eine Änderung der Gitterperiode, beispielsweise durch eine Dehnung der Faser, möglich.
Von besonderem Vorteil sind Diodenlaser, die im Halbleitermaterial bereits eine optische Gitterstruktur enthalten. Als solche bekannt sind sogenannte Distributed Feedback (DFB) Diodenlaser und Distributed Bragg Reflector (DBR) Diodenlaser.
Bei beiden Lasertypen ist die Emissionswellenlänge in engen Grenzen über die Temperatur des Lasers mit einer Rate von typisch 10 GHz/K abstimmbar. In DBR-Lasern kann darüber hinaus die Temperatur des laserinternen Bragg Reflektors und damit die Emissionswellenlänge durch einen elektrischen Strom, der über eine Elektrode in den Bragg-Reflektor injiziert wird, geändert werden. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Abstimmung des emittierten Lichts über Bereiche von typisch 100 GHz zu erreichen.
Beim DFB-Laser ändert sich die Wellenlänge mit der Stärke des in den Laser injizierten Stromes. Die Abstimmrate beträgt etwa 1 GHz/mA. Allerdings ändert sich mit dem Strom außer der Wellenlänge auch die Ausgangsleistung. Für Anwendungen, die eine konstante Ausgangsleistung erfordern, kann jedoch der Strom im DFB Laser so gewählt werden, dass das Laserlicht stets eine höhere Leistung besitzt als für die Anwendung erforderlich. Mit Hilfe eines steuerbaren optischen Elements kann dann die Leistung auf den Wert abgeschwächt und stabilisiert werden, den die Anwendung erfordert. Ein derartiges steuerbares optisches Element besteht bevorzugt aus einem optischen Polarisator und einer Pockelszelle, die so gesteuert wird, dass die Leistung des transmittierten Laserlichtes konstant ist.
Die Ausgangsleistungen von DFB-, DBR Lasern sowie von Lasern mit einem externen wellenlängenselektiven Resonator liegen typisch im Bereich von 10–200 mW. Höhere Leistungen werden erreicht durch die Verstärkung dieser Strahlung in Halbleiterlaserverstärkern, die eine laseraktive Zone aufweisen, die bevorzugt aus einem Wellenleiter und einer trapezförmigen Verstärkerzone bestehen. Derartige Verstärker liefern Ausgangsleistungen im Multiwatt-Bereich. Die Laserleistung wird abgestrahlt in einen Laserstrahl mit guter räumlicher Qualität. Eine derartige Oszillator-Verstärkeranordnung wird beispielsweise beschrieben in dem Artikel „ 2.0 W cw Diffraction-Limited Tapered Amplifier with Diode Injection" von D. Mehuys et al., Electronics Letters 28, 21 1944–45 Oct (1992).
Auf Grund der aus diesem Artikel ersichtlichen Vorteile enthalten die Laserstrahlquellen in einer bevorzugten Weiterbildung einen Verstärker mit trapezförmiger Verstärkerzone, der im folgenden als Trapez-Verstärker bezeichnet wird.
Die Lichtleistung des jeweiligen Oszillators die in den jeweils zugehörigen Verstärker injiziert wird, ist größer als dessen Sättigungsleistung. Eine Änderung der Leistung des wellenlängensteuerbaren Laseroszillators hat dann keine wesentliche Änderung der Leistung der verstärkten Strahlung zur Folge, da die in den Verstärker eingekoppelte Oszillatorleistung größer ist als die Sättigungsleistung.
Die Leistung am Ausgang des Verstärkers kann auch mit hoher Präzision konstant gehalten, werden, indem zwischen Oszillator und Verstärker ein optisches Element eingebracht wird, das die Oszillatorleistung in der bereits beschriebenen Weise auf einen konstanten Wert begrenzt.
In der erfindungsgemäßen Anordnung tritt das Licht der Laserstrahlquelle, die einen Laseroszillator oder einer Oszillator-Verstärkeranordnung aufweist und bevorzugt daraus besteht, in ein optisch-nichtlineares Element ein. In diesem Element wird das Laserlicht in Licht mit einer, anderen, bevorzugt kürzeren Wellenlänge konvertiert. Das optisch-nichtlineare Element hat die Eigenschaft, dass eine Änderung der Wellenlänge des Laserlichtes den Wirkungsgrad ändert, mit dem, das Laserlicht konvertiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weisen die Laseranordnungen jeweils als optischnichtlineares Element einen Frequenzvervielfacher auf. Frequenzvervielfachung erreicht man üblicherweise in nichtlinearen Kristallen aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung des Laserlichtes mit den Atomen des Kristalls. Prinzipiell könnte man höhere Harmonische für die Frequenzvervielfachung verwenden. Jedoch hat sich die zweite Harmonische, d. h. die Frequenzverdopplung, als besonders vorteilhaft herausgestellt unter anderem deshalb, weil diese mit einem höheren Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Harmonischen erzeugbar ist.
Die Konversion von Laserstrahlung mit der Frequenz ω_L in Laserstrahlung mit der doppelten Frequenz ω_D = 2ω_L kann nur unter bestimmten Voraussetzungen effizient stattfinden.
Dazu ist es notwendig, dass die sogenannte Phasenanpassung erfüllt ist. Dieses. bedeutet, dass die folgenden beiden Bedingungen erfüllt sein müssen: 2ωL – ωD = 0 ΔK ⇀ = K ⇀D – 2K ⇀L = 0
Diese Gleichungen beschreiben die Erhaltung von Energie und Impuls beim Konversionsprozess. Dabei gilt für die Beträge der Wellenvektoren K ⇀_L und K ⇀_D der Laserstrahlung und der frequenzverdoppelten Strahlung:
λ_L und λ_D sind die Wellenlängen der Laserstrahlung und der frequenzverdoppelten Strahlung, n(λ_D) und n(λ_L) sind die Brechungsindizes des nichtlinearen Materials bei diesen Wellenlängen.
Aus der Bedingung ΔK ⇀ = 0 folgt, dass eine effiziente Frequenzkonversion nur bei gleicher Phasengeschwindigkeit der beteiligten Wellen möglich ist. Diese Bedingung ist im allgemeinen aufgrund der Dispersion des nichtlinearen Materials nicht zu erfüllen. Verwendet werden daher in der Regel doppelbrechende Kristalle als optisch-nichtlineares Element. In diesen Kristallen unterscheidet man ordentliche und außerordentliche Strahlen. Nur in Richtung der sogenannten optischen Achse sind die Brechungsindizes für den ordentlichen und außerordentlichen Strahl gleich, für Richtungen, die von der optischen Achse abweichen, sind die genannten Brechungsindizes verschieden.
Phasenanpassung zwischen dem Laserlicht und dem frequenzverdoppelten Laserlicht d. h. die Bedingung ΔK = (4π/λ)(n_D – n_L) = 0 ist daher in geeigneten doppelbrechenden Kristallen durch eine passende Wahl der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen im Kristall zu erreichen.
In der für die Phasenanpassung gewählten Ausbreitungsrichtung ist die Phasenanpassung jedoch nur für Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge λ_L erfüllt.
Wird die Wellenlänge des Laserlichtes geändert, so müsste also die Ausbreitungsrichtung im Kristall ebenfalls geändert werden. Eine Änderung der Ausbreitungsrichtung wird üblicherweise durch Drehen des Kristalls erreicht.
Wird bei Änderung der Wellenlänge des Laserlichtes dagegen die Ausbreitungsrichtung beibehalten, so ist die Phasenanpassung nicht mehr gegeben. Als Folge nimmt der Konversionswirkungsgrad ab. Damit sinkt auch die Intensität der konvertierten Strahlung in entsprechender Weise.
Wird unter Beibehaltung der Ausbreitungsrichtung die Wellenlänge des Laserlichtes geändert, so ändern sich auf Grund der Dispersion des Kristalls die Brechungsindizes sowohl für das Laserlicht als auch für das Licht mit doppelter Frequenz. Im Ergebnis wird ΔK ≠ 0, man spricht in diesem Fall von Phasenfehlanpassung.
Unter Berücksichtigung der Phasenfehlanpassung erhält man für den Konversionswirkungsgrad, also das Verhältnis der Leistung der frequenzverdoppelten Strahlung P_D zur Laserleistung P_L in guter Näherung die folgende Beziehung: PD/PL = C(PL/A)l2sinc2(ΔKl/2)
Dabei ist C eine materialabhängige Konstante, A die Fläche des Laserstrahles und l die Länge des Kristalls. Der Wirkungsgrad ist maximal für ΔK = 0, denn dann ist der Wert von sinc²(ΔKl/2) = 1. Ist dagegen ΔKl/2 = π so ist sinc²(ΔKl/2) = 0, also der Wirkungsgrad ebenfalls gleich Null. Wird nun λ_L in dem Maße geändert, dass sich ΔK zwischen den Werten ΔK = 0 und ΔK = 2π/l variiert, so ändert sich der Wirkungsgrad für die Konversion der Laserstrahlung zwischen dem maximalen Wert gegeben durch P_D/P_L = Cl²P_L/A und dem Wert Null.
Eine geeignete Modulation der Wellenlänge der Laserstrahlung hat also zur Folge, dass die Leistung der konvertierten Laserstrahlung zwischen einem minimalen Wert, der in der Regel gleich Null ist, und einem maximalen Wert variiert. Eine Modulation der Wellenlänge des Laserlichtes wird also durch die Konversion in eine entsprechende Modulation der Intensität der Ausgangsstrahlung umgesetzt.
Bei der nichtlinearen Frequenzkonversion steigt der Konversionswirkungsgrad in der Regel mit der Laserleistung. Für die Frequenzverdopplung ist er beispielsweise – wie aus der oben angegebenen Beziehung ersichtlich – proportional zur Laserleistung P_L.
Daher lässt sich die Erzeugung von Harmonischen besonders effektiv durchführen, wenn der Laser gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gepulst ist. Je kürzer die Pulsdauern sind, desto höher ist die Feldstärke der einzelnen Laserpulse bei gleicher mittlerer Leistung, sodass man am wirkungsvollsten im Pikosekundenbereich pulsen sollte.
Um die Lichtausbeute weiter zu steigern, ist vorgesehen, dass die Frequenzvervielfachung mittels eines quasiphasenangepassten Kristalls erfolgt. Das Prinzip der Quasi-Phasenanpassung und deren Vorteile sind beispielsweise dem Artikel „Quasi-Phase-Matched Second Harmonics Generation: Tuning and Tolerances" von M. Fejer, G. A. Magel, D. H. Jundt and R. L. Byer, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28; No. 11, S. 2631–2654 (1992) zu entnehmen.
Bei fehlender Phasenanpassung würde zur frequenzvervielfachten Welle nach einer bestimmten Lauflänge aufgrund der Dispersion im Kristall durch die Grundwelle bekanntlich ein frequenzvervielfachter Wellenanteil mit umgekehrter Phase erzeugt, der die Intensität der bereits erzeugten frequenzvervielfachten Welle wieder verringern würde. Bei der Quasiphasenanpassung sorgt eine Strukturierung des Kristalls in Bereiche mit unterschiedlich orientierten Kristallrichtungen dafür, dass die Phase der frequenzvervielfachten Welle, die von der Grundwelle erzeugt wird, an jedem Ort im Kristall so orientiert ist, dass sie einen konstruktiven Beitrag zu der frequenzvervielfachten Welle leistet, die sich bereits im Kristall ausbreitet.
Darüber hinaus haben optisch-nichtlineare Kristalle mit Quasi-Phasenanpassung den folgenden Vorteil: Die in den Kristall eingebrachte Struktur bestimmt die Lage und die Breite des Wellenlängenintervalls, in dem Laserlicht konvertiert wird. Durch die Wahl der in den Kristall eingebrachten Struktur kann daher die Lage und die Breite dieses Wellenlängenintervalls gezielt beeinflusst werden. Die Breite dieses Intervalls bestimmt die Änderung der Laserwellenlänge, die erforderlich ist, um eine Modulation der Intensität der konvertierten Strahlung in dem gewünschten Ausmaß zu erhalten.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die 1–6 näher beschrieben.
Es zeigt:
1 den Aufbau einer jeweiligen Laseranordnung für ein Verfahren zur Erzeugung von modulierbarer sichtbarer Laserstrahlung;
2 die Ausgangsleistung eines DFB-Lasers aus InGaAs in Abhängigkeit vom elektrischen Betriebsstrom;
3 die Wellenlänge des von einem DFB-Laser emittierten Laserlichtes in Abhängigkeit vom elektrischen Betriebsstrom;
4 die Ausgangsleistung eines 2,75 mm langen Verstärkers aus InGaAs in Abhängigkeit von der optischen Eingangsleistung bei einem Strom von 6 A und einer Temperatur von 25° C;
5 die Abhängigkeit des Wirkungsgrades der Frequenzverdopplung von der Wellenlänge des Laserlichtes. Aufgetragen ist der Wirkungsgrad in relativen Einheiten für die Frequenzverdopplung von 920 nm Laserstrahlung in einem 20 mm langen quasi-phasenangepassten Kristall aus Kaliumtitanylphosphat (KTP); und
6 den Aufbau einer jeweiligen Laseranordnung für ein Verfahren zur Erzeugung von modulierbarer sichtbarer Laserstrahlung, bei dem die Oszillatorleistung durch einen steuerbaren Abschwächer auf einen konstanten Wert begrenzt wird.
Der in der 1 dargestellte Laseraufbau enthält als wesentliche Komponenten eine Laserstrahlquelle (1) mit steuerbarer Wellenlänge und einen optischnichtlinearen Kristall (6) zur Frequenzverdopplung. Die Laserstrahlquelle enthält einen Laseroszillator (2) mit steuerbarer Wellenlänge.
Als Oszillator wird insbesondere ein DFB-Laser aus InGaAs eingesetzt. Wie aus der 2 ersichtlich ist, liefert ein derartiger DFB-Laser bei elektrischen Betriebsströmen von 80–200 mA Laserlicht mit einer Leistung von 10–120 mW. Die Änderung des Laserstromes bewirkt gemäß den Messungen, die in der 3 dargestellt sind, eine Änderung der Wellenlänge von 922,80 nm bis 923,04 nm, also eine Änderung um 0,24 nm. Die Abstimmrate beträgt damit 2,2·10^-3 nm/mA. Dieses entspricht einer Änderung der Lichtfrequenz von 0,8 GHz/mA.
In der Laserquelle (1) ist hinter dem Laser (2) ein optischer Isolator (3) vorgesehen, mit dem verhindert wird, dass Licht aus dem diesen nachfolgenden Verstärker (4) wieder in den Oszillator zurückgekoppelt wird. Dem Verstärker (4) folgt ein weiterer Isolator (5), von dem aus das verstärkte Laserlicht in ein optisch-nichtlineares Element (6) bestehend aus einem quasi-phasenangepassten nichtlinearen Kristall zur Frequenzverdopplung eingeleitet wird.
Weiter befinden sich im optischen Strahlengang optische Systeme (7, 8, 9 und 10), um die Übertragung des Lichts zwischen den einzelnen Bauelementen optimal anzupassen. Die Formung der Lichtbündel ist in der 1 schematisch angedeutet. Dafür wurden für die Begrenzung der Lichtbündel zeichnerisch dünnere Strichstärken verwendet als für die übrigen Bauelemente. Der Verstärker (4) erhöht die Ausgangsleistung des Oszillators. Er besteht aus InGaAs und enthält zwei laseraktive Zonen, die aus einem Wellenleiter (11) und einer Zone (12) mit trapezförmiger Geometrie bestehen. Die Gesamtlänge der laseraktiven Zone beträgt 2,75 mm.
Der Verstärker (4) verstärkt die Oszillatorstrahlung auf Leistungen im Wattbereich. Die 4 zeigt die Ausgangsleistung des Trapezverstärkers in Abhängigkeit von der optischen Eingangsleistung. Der Verstärker wird bei einer Temperatur von 25° C und einem Injektionsstrom von 6 A betrieben. Bei einer optischen Eingangsleistung von 50 mW beträgt die Leistung der verstärkten Strahlung 3,7 W. Aus der 4 wird die Sättigung der Verstärkung und damit der Ausgangsleistung bei hohen optischen Eingangsleistungen deutlich. Bei Sättigung wird die Ausgangsleistung des Verstärkers nahezu unabhängig von kleinen Änderungen der optischen Eingangsleistung. Die verstärkte Strahlung wird vom Verstärker in einem Strahl mit fast beugungsbegrenzter räumlicher Divergenz abgestrahlt.
Die verstärkte Strahlung wird mit dem optischen Element (9) in einen quasiphasenangepassten Kristall eingestrahlt. Der Kristall ist ein 20 mm langer Kristall aus Kaliumtitanylphosphat (KTP), in den zur Quasiphasenanpassung 5,5 μm breite ferroelektrische Domänen eingebracht sind. Bei einer eingestrahlten Leistung von 3,7 W wird im Kristall durch Frequenzverdopplung blaues Licht der Wellenlänge 460 nm mit einer Leistung von 280 mW erzeugt, das den Kristall in einem Lichtstrahl (13) verlässt.
Die Abhängigkeit des Wirkungsgrades der Frequenzverdopplung von der Wellenlänge des Laserlichts zeigt die 5. Der Abstand der Wellenlängen, für die der Wirkungsgrad und damit die Leistung des erzeugten blauen Lichtes maximal oder minimal ist beträgt 0,100 nm. Eine Änderung der Wellenlänge der Laserstrahlquelle, also der Wellenlänge des DFB-Diodenlaseroszillators, um einen Betrag von 0,100 nm erfordert gemäß 3 eine Änderung des Betriebsstromes des DFB-Diodenlasers um 45 mA.
Eine Änderung des DFB-Laserstromes um 45 mA, beispielsweise von 100–145 mA ändert gemäß 2 die Oszillatorleistung von 30 auf 70 mW. Bei diesen Leistungen ist der Verstärker gemäß 4 nahezu gesättigt, die Ausgangsleistung also weitgehend unabhängig von der Eingangsleistung.
Die Änderung des DFB-Laserstromes um 45 mA bewirkt eine Änderung der Wellenlänge um 0,100 nm. Diese Änderung reicht aus um den Wirkungsgrad für die Frequenzverdopplung um 100 Prozent zu ändern. In gleichem Ausmaß ändert sich die Leistung des erzeugten sichtbaren Lichtes.
Mit einer Modulation des DFB Laserstromes im Bereich von 100–145 mA wird daher eine vollständige Modulation des erzeugten sichtbaren Lichtes erreicht. Die Wellenlänge für die die Frequenzverdopplung im quasi-phasenangepassten Kristall maximal ist, wird bestimmt durch die Breite der ferroelektrischen Domänen, die in den Kristall (6) eingebracht wurden, und durch die Kristalltemperatur. Durch geeignete Wahl der Periodenbreite sowie der Kristalltemperatur kann die Wellenlänge, für die die Verdopplungseffizienz im Kristall maximal ist, auf die Wellenlänge des DFB Diodenlasers (2) abgestimmt werden.
Bei Variation des Stromes des Lasers (2) ist dessen Leistung stets größer als die Sättigungsleistung des Verstärkers (4), so dass dessen Ausgangsleistung weitestgehend unabhängig von der Leistung und damit vom Strom im Laser (2) ist. Alternativ kann die Lichtleistung, die in den Verstärker eingekoppelt wird, mit Hilfe eines steuerbaren Abschwächers auf einen konstanten Wert begrenzt und damit stabilisiert werden. Dieser Wert sollte bevorzugt nahe am Wert der Sättigungsleistung des Verstärkers liegen. Wie in der 6 gezeigt, wird der steuerbare Abschwächer (14) bevorzugt zwischen dem Isolator (3) und dem optischen Element (8) angeordnet. Als steuerbare Abschwächer sind viele, dem Fachmann bekannte Varianten denkbar. Bevorzugt einsetzbar ist eine Kombination aus Polarisator und Pockelszelle, deren Spannung so gesteuert wird, dass die transmittierte Laserleistung einen vorgegebenen konstanten Wert besitzt.
Bei geeigneter Justierung und Auslegung der optischen Komponenten sind ferner Anordnungen möglich, in denen auf den Isolator 3 oder 5 oder auf beide verzichtet werden kann.
Desweiteren sind auch Anordnungen denkbar, in denen auf eine Verstärkung des Lichtes aus dem Laseroszillator verzichtet wird. Auch in diesem Fall ist das Verfahren voll funktionsfähig, die Leistung der Laserstrahlung und damit der frequenzverdoppelten Strahlung jedoch entsprechend geringer.
Andererseits ist mit geeigneten Verstärkern die Strahlung des Oszillators auf Leistungen zu verstärken, die zumindest im Bereich von 4–10 W liegen. Auf diese Weise ist die Leistung der erzeugten sichtbaren Strahlung auf Werte von zumindest 300–600 mW zu steigern. Darüber hinaus ist eine Erhöhung der Leistung der sichtbaren Strahlung durch längere nichtlineare Kristalle zu erhöhen. Denn der Wirkungsgrad für die Konversion der Laserstrahlung in die zweite Harmonische steigt proportional mit der Kristallänge. Damit lassen sich auf einfache Weise mittlere Leistungen im Bereich von mehr als 1 W erzeugen. Diese Leistung ist für kommerzielle Videogeräte auf Laserbasis ausreichend. Um das Ausführungsbeispiel gemäß der 1 für ein Laserprojektionsgerät zu verwenden, wird vorgeschlagen, drei derartige Laseranordnungen mit den Farben rot, grün und blau zu verwenden, deren Ausgangslichtbündel (12) dann zusammengefasst werden und in die Ablenkeinrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem, eingeleitet werden. Zum Zusammenfassen in ein einziges Lichtbündel eignen sich dichroitische Spiegel oder Lichtleitfasern sowie auch Prismen. Einzelheiten für den Aufbau des Videoprojektionssystems auf Laserbasis lassen sich aus der Literatur entnehmen, insbesondere der eingangs genannten DE 43 06 797 C1

Claims

Verfahren zur Abbildung eines Videobildes mit mindestens drei Laserstrahlen, bei welchem für jeden der drei Laserstrahlen jeweils eine intensitätssteuerbare Laseranordnung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) die intensitätssteuerbare Laseranordnung eine Laserstrahlquelle (1) und ein optischnichtlineares Element (6) aufweist, wobei die Laserstrahlstrahlquelle (1) einen Laseroszillator (2) und einen Laserverstärker (4) aufweist und wobei in Lichtausbreitungsrichtung gesehen der Laserverstärker (4) dem Laseroszillator (2) und dem Laserverstärker (4) das optisch-nichtlineare Element (6) nachfolgt, b) die Intensität des Lichtes (13) am Ausgang der Laseranordnung über die Wellenlänge des Lichtes der Laserstrahlquelle (1) gesteuert wird und c) die Leistung des vom Laseroszillator (2) in den Laserverstärker (4) eingekoppelten Lichtes so eingestellt ist, dass sie größer ist als die Sättigungsleistung des Laserverstärkers (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (2), einen Halbleiterlaser aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laseroszillator (2) ein DFB-Halbleiterlaser ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des DFB-Halbleiterlasers durch Änderung des in den Laser injizierten elektrischen Stromes gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Laseroszillator (2) ein DBR-Halbleiterlaser ist.
Verfahren nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des DBR-Halbleiterlasers durch Änderung der Temperatur einer DBR-Sektion des DBR-Halbleiterlasers moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung nach dem Laseroszillator (2) ein steuerbarer Abschwächer (14) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch-nichtlineare Element (6) eine Frequenzvervielfachung bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzvervielfachung von einem quasi-phasenangepassten Kristall bewirkt wird.