JP2004503098A - ファイバー内における相互作用に基づく青色レーザー - Google Patents

Abstract

単一の統合されたシステムにおける青色光に関するアプローチを開示する。振動子は、０．９１ミクロン付近の波長の光源放射および数ミリワットのパワーを生成する。このパワーは、１．０５ミクロンの抑制されたゲインを有する、ネオジム添加クラッディング励起ファイバー装置内にてマルチワットレベルに増幅される。調波発生器は、ファイバー装置の出力の周波数を二倍にし、０．４５５ミクロン付近の青色波長の放射を生成する。ファイバー内の鏡、回折格子または他の手段は、０．９１ミクロンの放射をファイバー内に保持する一方、１．０５ミクロンの、または１．０５ミクロン付近の波長光を除去する。１．０５ミクロンにおけるゲインは、１．０５ミクロンの境界モードを除外するようファイバーの屈折率プロファイルを調整することにより、またはファイバーを湾曲させ１．０５ミクロンの放射を減衰することにより抑制することによって、代替的に抑制することが可能である。レーザーは、０．９１ミクロンの放射を生成するために遷移を高める高輝度励起装置を備え得る。調波発生器の作動を助長するために、短パルス、高ピークパワー振動子が使用され得る。青色光源は、三色投影または画像表示システムに取り入れることができる。

Description

【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、一般に非線形光学装置に関する。より詳細には、本発明は三色レーザー光源の青色光の発生に関する。
【０００２】
（発明の背景）
色表示システムは、三つの分離した光源に基づいて光の三原色を生成する。そこで三原色の強度を変更及び混合して、色画像において様々な異なる色を生成し得る。目による色の認知は、虹彩における三つの異なる種類の細胞の応答に関係している。各種類の細胞は、電磁スペクトルの異なる部分に応答する。
【０００３】
表示あるいは投影システムといった特定の目的のための「青色」光の最良の波長は約４５０ｎｍ（真空中）である。このような光は実際には、人間の目には純粋な青色ではなく紫青色として認知される。「純粋な」青色光は一般に、約４６０ｎｍから約４８０ｎｍの範囲の波長により特徴づけられる。４５０ｎｍを使用することの理由は、図１の色度図を用いて説明することができる。色度図上に三色が位置するものとすると、この三色の角部に点を置くことにより形成された三角形の内部においてのみ付加的な色を形成することが可能である。４５０ｎｍの波長が理想的である事は、図１より明らかである。４７０ｎｍの波長に基づく表示システムでは、多くの十分に飽和した紫および赤紫が三角形の外側に位置する状態が形成され、従って表示システムには使用できない。
【０００４】
赤色、緑色および青色の三色の出力を有する単一レーザーは、投影表示装置にとって価値があると思われる。このようなレーザーの開発は、表示装置での使用に十分なパワーレベルの青色光の生成が困難であることにより妨げられていた。最近の高いパワーレベルの青色光発生への取り組みの一つとしては、１０６４ｎｍで作動するＮｄ：ＹＡＧレーザーの使用がある。レーザー出力は、非線形結晶によって周波数が二倍になり５３２ｎｍとなる。二倍周波数の出力はその後、ＯＰＯを励起する。ＯＰＯ出力波長の一つは、その後、５３２−ｎｍの光と組み合わされ青色を生成する。従って、赤外線レーザー光から青色光を生成するためには、二つの別個の結晶における二つの非線形段階が必要である。各段階が結晶を必要とし、その効率が制限されることから、システム全体は高価であり効率が悪い。さらに、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは水冷構造および共振器構造を必要とし、これらはシステムに複雑さ、嵩高さおよびコストを追加するものである。
【０００５】
従って、赤／緑／青表示装置のための小型で効果的で安価な青色レーザーが必要とされている。
【０００６】
（発明の目的と利点）
従って、本発明の主な目的は、投影表示装置のための青色光源を提供することである。本発明のさらなる目的は、従来のシステムと比較して少数でありかつ配列の重要さが小さい構成要素を使用する、青色レーザーを提供することにある。本発明の追加の目的は、唯一つの単一結晶を使用する青色光源を提供することにある。
【０００７】
（概要）
これらの目的および利点は、青色光を生成するための装置および方法、および望ましくない波長のゲインを抑制するための手段を備えるファイバー装置により得られる。この装置は、概して、光学調波発生器に光学的に結合する光発生ファイバー装置から構成される。ファイバー装置は、光学調波発生器を作動させるのに十分なパワーレベルの放射を生成する。光学調波発生器は、該放射の周波数を増加させ青色の出力放射を生成する。ファイバー装置は、ネオジム添加クラッディング励起ファイバー増幅器（ａ ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｃｌａｄｄｉｎｇ−ｐｕｍｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）のような振動子または増幅器であり得る。ファイバー装置は、青色の調波を有する放射のゲインを高めるために、高強度励起源により励起され得る。Ｎｄ：グラスファイバーの短波長遷移を使用する許容可能な効率性のためには、励起パワーは、ほぼファイバー全長に沿って５０ワット／ｍｍ^２より大きいことが好ましい。励起放射のパワーは、励起形態によってファイバー入口において約１００ワット／ｍｍ^２より大きいことが好ましく、約５００ワット／ｍｍ^２以上がさらに好ましい。
【０００８】
ファイバー装置がファイバー増幅器である場合は、振動子が選択的にファイバー増幅器に光学的に結合されていてもよい。該振動子は、光源放射を生成する。ファイバー増幅器は、振動子により生成された放射を増幅する。適切な振動子としては、Ｎｄ：ガラス、Ｎｄ：バナジウム酸塩、Ｎｄ：ＹＬＦおよび他のＮｄ材料における遷移に基づくモード固定レーザー、並びにパルス半導体レーザーがある。
【０００９】
前記ファイバー装置は、一般に、可視スペクトルの青色部分に属する調波の周波数を有する赤外線放射を生成する。光学調波発生器は、非線形調波発生プロセスにより赤外光から青色光を発生する。ファイバー装置は、青色でない調波を有する放射のゲインを抑制する手段を備えてもよい。このような手段としては、ドーパント、ファイバー回折格子、および二色性鏡がある。特定の実施態様において、ゲイン抑制手段は、０．９１μｍにおけるゲインを抑制せずに１．０５μｍにおけるゲインを抑制する。
【００１０】
光学ゲイン抑制の第一の代替手段としては、クラッディングとコアとの間にトンネルクラッディングが配置された、クラッディングによって包囲されたコアを有するファイバーがある。望ましくない波長の光は、ファイバー全長にわたってコアの外にトンネルされる。従ってファイバーは、望ましくない波長において境界モードを有さない。光学ゲイン抑制の第二の代替手段としては、湾曲により生じる、波長に依存する損失が望ましくない波長の放射を減衰するような曲げ半径まで湾曲させたファイバーがある。
【００１１】
ファイバー装置および青色レーザー装置は、三色光表示の光源として適用が見出される。本発明の実施態様に基づく光源は、１ワット以上のオーダーの出力パワーの青色光を生成することができる。
【００１２】
（詳細な説明）
以下の詳細な説明は解説を目的として多数の特定要素を含むが、いずれの当業者も、以下の詳細に為される多数の変化および変更が本発明の範囲に含まれることが理解できよう。従って本発明の以下の実施態様は、請求項の発明の普遍性を損なうことなく、また請求項の発明に制限を課すことなしに解説される。
【００１３】
以下の解説において、「一つの」（ａ）は、特に他に述べない限り「一つ以上の」（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）という意味であり得る。以下の解説の目的として、「青色光」は、概ね約６．７×１０^１４Ｈｚから６．３×１０^１４Ｈｚ（真空中、約４３０ｎｍから４８０ｎｍの波長）の間の周波数を有する電磁放射を意味する。「緑色光」は、約５．９×１０^１４Ｈｚから５．５×１０^１４Ｈｚ（真空中、約５１０ｎｍから５５０ｎｍの波長）の間の周波数を有する放射を意味する。「赤色光」は、約４．８×１０^１４Ｈｚから４．２×１０^１４Ｈｚ（真空中、約６２０ｎｍから７２０ｎｍの波長）の間の周波数を有する放射を意味する。
【００１４】
１．青色レーザー
図２Ａは、本発明の第一の実施態様による青色レーザー装置の簡略した概略図である。レーザー２００は概して、調波発生器２２０に光学的に結合されたネオジム添加クラッディング励起光発生ファイバー装置２０２を備える。ファイバー装置２０２は、ファイバー振動子、ファイバー増幅器、または両者を備え得る。調波発生器２２０は、ファイバー装置２０２からの光源放射２０５の調波の、第二次以上のオーダーの調波を発生する。光源放射２０５は、真空中青色に対応する波長により特徴づけられる。
【００１５】
特定の実施態様において、ファイバー装置２０２はファイバー増幅器２１０を備える。ファイバー増幅器２１０は、振動子２３０から光学的パワーを光源放射２０１の形態で受信する。ファイバー増幅器２１０は、振動子２３０からの光学的なパワーを１ワット以上のオーダーのレベルまで増幅する。調波発生器２２０は、例えば、増幅器２１０の出力の周波数を二倍にして青色の出力放射２０３を生成する第二調波発生器であり得る。投影または表示への適用のためには、前記青色放射は、真空中４４０ｎｍから４６０ｎｍの間の波長により特徴づけられることが好ましい。例えば、ネオジム添加されたファイバー増幅器２１０は、青色の半調波（０．９１÷２＝０．４５５ミクロン）の放射を選択的に増幅する。一方調波発生器２２０は、青色の放射を生成するために、第三調波のような光源放射２０１のさらに大きいオーダーの調波を発生し得る。
【００１６】
ファイバー増幅器２１０は概して、ネオジム添加ガラス製のコア２１４を有する光ファイバー２１２を備える。図２Ｂは、光ファイバー２１２の断面概略図である。ファイバー２１２は概して、それぞれ内側クラッディング層および外側クラッディング層２１６，２１８を有するクラッディング２１７によって包囲された、コア２１４を備える。クラッディング層２１６は、励起源２４０に光学的に結合している。励起源２４０は、例えば０．８０ミクロン付近の波長の、一つ以上の高パワー励起ダイオードを備え得る。Ｎｄ：ガラスにおける三段階の遷移特性のために、励起源２４０は、励起遷移の飽和強度のかなりの部分である強度（例、約５００ワット／ｍｍ^２）を有する励起放射２０５を生成することが好ましい。そのような励起源２４０は、本願では一般に、高輝度励起源と呼ぶ。
【００１７】
光源放射２０１を増幅するために、通常「クラッディング励起」と呼ばれる手法を使用してもよい。クラッディング励起手法では、コア２１４は、マルチ−モードの内側クラッディング層２１６によって包囲されるシングル−モードのコアであり、マルチ−モードの内側クラッディング層２１６は、次に外側クラッディング層２１８によって包囲されていることが好ましい。コア２１４は、一般に、ネオジム（Ｎｄ）が添加されている。励起源からクラッディング２１７内に射出される比較的高パワーのマルチモード励起放射シグナル２０５は、ほぼマルチモードクラッディング層内に制限され、かつ案内される。励起放射２０５は、コア２１４を交差しながらマルチモード内側クラッディング層２１６に沿って伝播する。Ｎｄ添加コア２１４は、励起放射２０５からのエネルギーを吸収する。吸収されたエネルギーは、コア内にて、レーザー出力放射２０３に変換される。ネオジムガラスは、０．９１ミクロンの波長においてゲインを有するが、１．０５ミクロンにおけるゲインの方がより高い。同様の状況がＮｄ：ＹＡＧレーザー結晶内に存在し、ここでは１．０６ミクロンのゲインの方が０．９４６ミクロンのゲインよりも高い。１．０５−ミクロンおよび１．０６−ミクロンの放射（即ち、それぞれ５２５−ｎｍおよび５３０−ｎｍ）の第二調波が青色でない為、ゲインを１．０５および１．０６にて抑制することが望ましい。青色でない第二の調波を有する波長におけるゲイン抑制手段は、この付近の波長における寄生振動が増幅器２１０から全てのパワーを抽出する事を防止するために必要であり得る。
【００１８】
上記の観点から、短波長を使用した（例、Ｎｄ：グラスの０．９１ミクロン遷移）効率的な作動のために、二つの状態が望ましい。第一の状態は、ファイバー２１２が、高いゲインからの、望ましくない長波長遷移からの１．０５ミクロンの放射を所望の短波長遷移からの放射を減衰するよりもより大きく減衰する、分配損失手段（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｌｏｓｓ ｍｅａｎｓ） を有するものである。第二の状態は、８００ｎｍ付近の波長における励起放射２０５の強度が比較的強いものである。Ｎｄ：グラスファイバーの短波長遷移を使用した許容可能な効率のために、励起強度はファイバーのほぼ全長に沿って５０ワット／ｍｍ^２より大きいことが好ましい。ファイバー内におけるパワーは指数関数的に吸収され、一般に、効率を良くするためには９０％近くの吸収が望ましいため、励起放射パワーは、ファイバー２１２を一旦通過した後は、ファイバー入口２０７で約５００ワット／ｍｍ^２以上である事が好ましい。ファイバー２１２の遠端２０９で退出する励起放射２０５が再起反射されることによりファイバー２１２内に戻る場合には、要求される最小の励起強度を約２５０ワット／ｍｍ^２に低下させてもよい。励起放射２０５の強度は、例えばファイバー２１２の両端で同一の励起装置を使用した場合にも減少させることができる。一般に、励起源（例、励起源２４０）は、励起放射２０５がファイバー２１２内で５０ワット／ｍｍ^２以上の強度、およびファイバー２１２の入口で１００ワット／ｍｍ^２以上の強度を有するに十分な励起パワーを生成する。
【００１９】
約１００ワット／ｍｍ^２以上のレベルの励起強度は、ごく最近入手可能となった。ダイオート励起に通常使用される励起源の一つは、エスディーエル（ＳＤＬ）［ 米国カリフォルニア州サンノゼ所在］ 製のＳＤＬ−３４６０−Ｐ６ダイオードである。この励起源は、０．６ｍｍ直径の開口から１６ワットのパワーを提供する。励起強度、即ち開口面積で除算したパワーは、約５７ワット／ｍｍ^２に等しい。これは概ね、二重端（ｄｏｕｂｌｅ−ｅｎｄｅｄ） 励起をもってしても、Ｎｄ：グラスファイバーの短波長遷移の励起、および１．０５ミクロン遷移の抑制に十分ではない。より新しい設計のファイバー励起装置が、リモ（ＬＩＭＯ）［ ドイツ国ドルトムント］ より入手可能である。このダイオード源は、０．２ｍｍ直径のファイバーから約２５ワットのパワーを発生する。これに対応する強度は約７９５ワット／ｍｍ^２である。これは、単一端（ｓｉｎｇｌｅ−ｅｎｄｅｄ）励起によってでも、Ｎｄ：グラスの短波長遷移を励起するのに十分以上である。
【００２０】
Ｎｄ：ガラス（例、９１０ｎｍ）の短波長遷移を使用したレーザーにおいて、波長と励起強度との間にトレードオフ（ｔｒａｄｅｏｆｆ）が存在する。Ｎｄ：ガラスの短波長遷移のような、かなりの波長幅を有する三段階遷移においては、波長が短い程、ゲインを達成するためにより多くの原子の部分を反転させねばならない為、より強力な励起源が必要とされる。非常に小さな励起強度（例、５０ワット／ｍｍ^２またはそれより小さい）では、ゲインは９２０ｎｍより長い波長においてのみ可能である。９００ｎｍから９２０ｎｍの間の範囲でゲインを達成するためには、一般に１００ワット／ｍｍ^２以上の励起強度が必要とされる。さらに大きい励起強度によって、より短い波長を得ることもできる。
【００２１】
上述するように、ファイバー装置内にて望ましくない長波長遷移のゲインを抑制することは、多くの場合有用であり、時には必要である。望ましくない波長にてゲインを抑制する一つの方法は、クラッディング２１７に配置されるドーパントを介するものである。例えばクラッディング２１７は、真空中ネオジムガラスで１．０５ミクロン、Ｎｄ：ＹＡＧで１．０６ミクロンの波長に対応する、^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２の原子遷移によって発する放射を吸収するドーパントを含み得る。ドーパントは、ネオジムガラスにおいて０．９１ミクロン、Ｎｄ：ＹＡＧにおいて０．９４６ミクロンに対応する、^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_９／２の原子遷移によって発する放射に透過性でもあることが好ましい。このようなドーパントには、Ｙｂ^{３ ＋} 、Ｄｙ^{３ ＋} 、Ｐｒ^{３ ＋} 、Ｔｍ^{２ ＋} 及びＳｍ^{３ ＋} 並びにＶ^{３ ＋} のようなイオンがある。
【００２２】
一方、望ましくない波長におけるゲインは、回折格子または鏡によって抑制することが可能である。例えば、ファイバー２１２は、その全長に沿って周期的に変化する屈折率ｎを有することにより回折格子を形成し得る。ファイバー２１２の屈折率を適切に変化させることにより、回折格子は、特定の波長光をファイバーの外へ反射するとともに、他の波長光を透過させることが可能となる。ファイバー内において最大値ｎの回折格子は、一般に、ファイバー内の望ましくない光の約半波長の距離だけ離間されている。回折格子は、通常ファイバーの軸線に対して非垂直の入射角で配列されている。このような回折格子は、ファイバー２１２のコア２１４から望ましくない波長を退ける。ファイバー２１２は、ファイバーの端部に結合する二色性鏡を備えてもよい。その鏡は、望ましくない範囲内の波長（例、１．０５ミクロン）を透過させるが、他の波長（例、０．９１ミクロン）をファイバー内に反射し戻す。
【００２３】
望ましくない波長を抑制するための第一の代替方法を、図３Ａ〜図３Ｃに示す。望ましくない波長を抑制するための代替方法は、クラッディングに包囲された典型的なファイバーコアが、任意の波長において常に少なくとも一つの境界モードを有するとの観測に基づくものである。図３Ａにて、典型的な光ファイバーの、中心からの半径距離ｒに対する屈折率ｎのグラフ３００を示す。コア領域３０２は、通常、クラッディング領域３０４よりも高い屈折率を有する。内部反射の全ては、コア領域３０２とクラッディング領域３０４との間の境界面３０６で行われる。しかしながら、クラッディング領域３０４よりも小さい屈折率の狭い領域がコア領域３０２を包囲する場合は、光はコア領域３０２から外へトンネルされ得る。このような状態の下では、特定の波長の光が境界モードを有さないことが可能となる。この状態は、図３Ｂのグラフ３１０に概略的に示される。図３Ｂにおいて、ファイバーは、トンネルクラッディング領域３１３で包囲されるコア領域３１２を有する。クラッディング領域３１４は、トンネルクラッディング３１３およびコア領域３１２を囲んでいる。コアは、屈折率ｎ_ｃｏｒｅおよび半径ｒ_ｃにより特徴づけられる。クラッディング領域３１４は、屈折率ｎ_ｃｌおよび厚さｔ_ｃｌにより特徴づけられる。トンネルクラッディング領域３１３は、屈折率ｎ’および厚さｔ’により特徴づけられる。一般にｎ’＜ｎ_ｃｌ＜ｎ_ｃｏｒｅである。このような屈折率プロファイルは、時に「Ｗ」プロファイルと呼ばれる。このようなプロファイルを有するファイバー内の放射の伝搬は、マイケル・モネリー（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｍｏｎｅｒｉｅ）による「二重クラッド−シングルモードファイバーにおける伝搬（Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｏｕｂｌｙ Ｃｌａｄ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ）」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＱＥ−１８ 、５２５ページ（１９８２年）及びその参考文献に詳細に記述される。前記文献は参照により本願に援用される。ｎ_ｃｏｒｅ、ｎ_ｃｌ、ｎ’、ｒ_ｃ、ｔ_ｃｌおよびｔ’の値が、屈折率の二乗平均が＜ ｎ_２（ｒ）＞ ＜ｎ_ｃｌ ^２となるように選択される場合、カットオフ波長λ_ｃが存在し、（真空中で）λ_ｃより大きな波長を有する光は境界モードを有さない。λ_ｃより小さい所望の波長の境界モードがファイバー内に保持される一方で、λ_ｃより大きい望ましくない波長はファイバーの全長に沿って散乱される。通常トンネルクラッディング領域３１３は、＜ ｎ^２（ｒ）＞ ＜ｎ_ｃｌ ^２となるのに十分に厚いが、望ましくない波長の効率的なトンネリングを提供するに十分に薄い。従って、ファイバーの屈折率プロファイルを適切に設計することにより、０．９１μｍ＜λ_ｃ＜１．０５μｍである「Ｗ」分布を有することが可能となる。このようなファイバーでは、波長１．０５μｍの光は境界モードを有さず、ファイバーの全長に沿ってファイバーから通過し去る。波長０．９１μｍの光はファイバー内に包含される境界モードを有するであろう。全体的な効果は、所望の０．９１μｍの放射を保持する一方、望ましくない１．０５μｍの放射を拒絶することである。この原理の実用的な適用の特定の実施態様は、図３Ｃの屈折率プロファイル３２０に図示される三重クラッドファイバーを利用するものである。該ファイバーは概して、トンネルクラッディング領域３２３に包囲されたコア領域３２２から構成される。励起クラッディング領域３２４は、コア３２２およびトンネルクラッディング３２２を囲んでいる。外側クラッディング領域３２６は、コア３２２、トンネルクラッディング３２３、及び励起クラッディング３２４領域を包囲する。コアは、屈折率ｎ_ｃｏｒｅおよび半径ｒ_ｃにより特徴づけられる。トンネルクラッディング領域３２３は、屈折率ｎ’および厚さｔ’により特徴づけられる。励起クラッディング領域３２４は、屈折率ｎｐｃおよび厚さｔｐｃにより特徴づけられる。外側クラッディングは、屈折率ｎｏｃおよび厚さｔｏｃにより特徴づけられる。外側クラッディングは、約１．０の屈折率を有する気体により包囲されていてもよい。一般にｎ’＜ｎ_ｐｃ＜ｎ_ｃｏｒｅおよびｎ_ｏｃ＜ｎ_ｐｃである。このような構成は、望ましくない放射をコア領域３２２から外へトンネルさせる。励起クラッディング３２４と外側クラッディング３２６との間の境界における総内部反射は、コア領域３２２の効果的な励起のための励起放射を制限する境界モードを提供する。
【００２４】
ここで＜ ｎ^２（ｒ）＞ は、
【数１】

と定義される。前記式中、ｒ_ｐｃは、励起クラッディング内に設置されたファイバーの軸線からのある距離を表し、Ａは軸のｒｐｃ内のファイバーの断面領域を表す。例えば、ファイバーが円形の断面を有するときは、Ａ＝πｒ_ｐｃ ^２である。半径ｒ_ｐｃは通常、いくつかの望ましくない波長よりも大きい。
【００２５】
望ましくない波長を抑制する第二の代替方法は、図４Ａ〜図４Ｂに関して示される。第二の代替方法は、ファイバーを巻回することにより波長に依存する損失を生じるという事実に基づくものである。図４Ａにて、巻回されたファイバーの、波長λに対する減衰のグラフ４００を示す。減衰はｄＢで測定される。減衰は、波長が増大するにつれ急激に上昇する。減衰曲線における急激な上昇４０２は、波長軸を、弱い減衰領域４０４と強い減衰領域４０６とに効果的に分割する。急激な上昇４０２の位置と、従って弱い減衰領域と強い減衰領域との間の境界は、巻回されたファイバーの湾曲半径に依存する。それ故、巻回されたファイバーを適切に湾曲することによって、ファイバーは、所望のより短い波長ではなく、望ましくない長波長を減衰し得る。例えば、曲げ半径の適切な選択によって、巻回されたファイバーは９１０ｎｍ（即ち、０．９１ミクロン）の放射ではなく１０５０ｎｍ（即ち、１．０５ミクロン）放射を減衰するよう設計され得る。
【００２６】
図４Ｂは、望ましくない波長にて光学ゲインを抑制するために巻き付けたファイバーを内蔵した、青色レーザー装置の模範的実施態様を示す。該装置は概して、クラッディング励起ファイバー装置４２０を備える。ファイバー装置４２０は概ね、半径Ｒのマンドレルの周囲に巻回された光ファイバー４２２から構成される。マンドレル４２４の半径は、上記するように、望ましくない波長（例、１０５０ｎｍ）にてゲインを抑制するために、ファイバー４２２の曲げ半径を決定する。赤外線内にてゲインを抑制するために、Ｒは通常１０ｍｍのオーダーである。光ファイバーを湾曲させることによる放射の減衰は、サカイ（Ｓａｋａｉ）ら、Ａｐｐｌｉｅｄ　 Ｏｐｔｉｃｓ　第１７巻、１４９９ページ（１９７８）に詳細に記述され、参照により本願に取り入れられる。励起装置４１０は、ファイバー装置４２０に励起放射を提供する。励起装置４１０はファイバー４２２のクラッディングに光学的に結合し、図２Ｂに関して上述する励起を提供する。光源４１２は、ファイバー４２２のコアに放射を提供する。ファイバー装置４２０は調波発生器４３０に結合されており、例えば９１０ｎｍの赤外放射を二倍にすることにより青色放射を生成し得る。
【００２７】
望ましくない波長におけるゲイン抑制のための両者の代替方法は、所望の波長より長い波長についてゲイン抑制効果が生じる事実に依存している。さらに当業者は、所望の波長を保持する一方、望ましくない波長を拒絶する装置を提供するために、図３Ｂ〜図３Ｃのトンネルクラッディング手法と図４の湾曲手法とを組み合わせる事が可能であると理解できよう。
【００２８】
図２Ａに戻り、調波発生器２２０は通常、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ホウ酸リチウム（ＬｉＢＯ_３）、ニオブ酸カリウム、周期分極反転（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ） ニオブ酸リチウム（ＬｉＢＯ_３）、周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）、ＭｇＯ：ＰＰＬＮ、ＫＴＰ、ＰＰＫＴＰ、ＲＴＡ、ＢＢＯ、またはＰＰＲＴＡのような材料を含む非線形結晶から成る。調波発生器２２０は、源放射２０１の二つの光子と相互作用して出力放射２０３の単一光子を生成する、第二調波発生器であってもよい。例えば、光源放射２０１が９１０ｎｍの波長を有するときは、出力放射２０３は４５５ｎｍの波長を有し、この波長は目に青色として感知される。第二調波発生のために、非線形結晶の任意の一片は、入力パワーがワット毎％の単位の周波数二倍係数の特徴を有する。一般に、入力パワーが大きくなると、変換効率が高くなる。出力放射２０３のパワーは、入力光源放射２０１の二乗が、入力が相当減少する点に達すると消滅する。第二調波発生器２２０から成る材料の結晶軸は、正しい方向を有し、かつその結晶は正しい温度にある必要がある。また該結晶は、強力な入力パワーによって損傷されるものであってはならない。他の点を考慮することにより二重の結晶の選択性が制約されるが、これは当業者に周知である。当業者は、非線形結晶を、光源放射２０１の周波数を三倍にするための第三調波発生器としても、あるいはより高いオーダーの調波発生器としても使用し得ることが理解できよう。
【００２９】
ファイバー装置がファイバー増幅器２１０のようなファイバー増幅器を備え、また増幅器が振動子２３０のような振動子に結合されている場合には、多くの選択および制約が存在する。制約の一つは、増幅器２１０が一般に波長はシフトしないことから、振動子は、光源放射２０１を正しい波長にて提供する必要がある事である。別の制約は、増幅器２１０における放射の平均パワーは、増幅器２１０が安定して低ノイズで作動するように、１０ｍＷ以上のオーダーであることが好ましい事である。別の制約は、振動子は、増幅後のピークパワーが調波発生器２２０における効率的な非線形変換にとって十分高くなるよう、十分低い負荷サイクルを有する必要がある事である。振動子２３０は、例えば、ネオジム添加ファイバー増幅器２１０のために０．９１ミクロン付近の波長の赤外放射および数ミリワットのパワーを生成する、短パルス振動子であってもよい。振動子２３０の模範的実施態様としては、パルスされた、低負荷サイクル半導体レーザーおよびモード固定Ｎｄ：ガラスまたは結晶レーザーがある。低負荷サイクル、短パルス（例、＜１００ｐｓ）振動子が、一般に、存在する調波発生器に十分なピークパワーを提供するために使用される。
【００３０】
振動子の一つのタイプは、Ｎｄ：グラスファイバー２１２と同一遷移にて作動する、モード固定ネオジムバルク結晶またはグラスファイバーがある。モード固定レーザーは都合のよいことに、ピークパワーの平均パワーに対する比が１０００である。従って、１ワットの平均パワーの増幅信号は１キロワットのピークパワーを有し、これは効果的な非線形変換に十分である。歴史的に、モード固定レーザーは保守および作動が困難であった。これらは通常、複雑な電子機器回路および厳密な機械的公差を必要とした。最近、より単純でより安定した「受動的モード固定」（ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ）レーザーの製造が可能となった。このような「受動的モード固定」は通常、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：バナジン酸イットリウム、またはＮｄ：グラスを使用する。このような「受動的モード固定」レーザーを、振動子２３０として使用してもよい。
【００３１】
振動子２３０の別の可能なタイプは、変調半導体レーザーである。９１０ｎｍの波長を有する半導体レーザーは入手可能である。これらレーザーのいくつかは、電気的にパルスされ１００ｐｓｅｃ（１０^−１０秒）もの短いパルスを提供し得る一方、平均パワーを１ｍＷ付近に、およびピークパワーを１００ｍＷ付近に保持する。このようなパワーレベルおよび負荷サイクルは、平均パワーを約１０ワットおよびピークパワーを約１ｋＷに増加する増幅の後、青色光へ効果的に変換するにほぼ十分である。半導体レーザー技術の改良は、この手法をモード固定レーザーに対してより競争力のあるものにし得る。
【００３２】
振動子２００として、外部変調半導体レーザーを使用することも可能である。半導体レーザーは、例えば導波路変調器を使用して、外部から変調されてもよい。導波路変調器は、半導体レーザー自体の電気的パルスよりも速い場合がある。さらに、導波路変調器は安定性がより優れている場合がある。
【００３３】
２．表示装置のための三色光
図２Ａおよび図２Ｂに関して上述したタイプの青色光は、本発明の第二の実施態様による三色光源に取り入れることができる。以下の記述は、このような光源を使用して青色光を発生する特定の実施態様を説明するが、一般性を損なうことなく他の青色レーザー源を使用してもよい。
【００３４】
図５は、本発明の第四の実施態様による表示システム５００の、簡略した概略図である。システム５００は概ね三色光源５０２から成り、スキャン手段５０６は光源５０２に光学的に結合している。光源５０２は、上述したように青色レーザー光を生成する。光源５０２は、任意の適切な手段により緑色光および赤色光を生成し得る。一方、光源５０２は、青色を含む、三つ以上の他の色の組み合わせを生成し得る。
【００３５】
変調手段５０４は、異なる色を生成するために、赤色光、緑色光および青色光の強度を変調する。例えば、光源５０２から出現する光は、波長選択ビームスプリッターの使用によって各ビームが異なる色に対応する三つの分離したビームに分裂され得る。三つ以上の原色を混合することにより異なる色を生成することは、当業者に周知である。三つのビームのそれぞれは別々に変調され得、その後再結合し出力ビーム５０８を形成する。
【００３６】
スキャナ５０６は、変調出力ビームから像５１０を生成する。スキャナは、光源５０２または変調器５０４に連結され得る。スキャナは、従来のビデオイメージ生成と同様な特徴を有する方法にて、出力ビーム５０８をスクリーン５１２にわたって２次元方向にラスタースキャンし得る。ラスタースキャンシステムでは、変調器５０４は出力放射ビームのパワーを変調し、高速スキャンシステムではスクリーンを横切ってビームをラスターする。これに代わって、スキャナ５０６は、像を一ラインごとに形成してもよい。一ラインごとに形成するシステムは、光を変調器の線形配列上に広げることにより一度に表示の全「ライン」を形成する。このラインはその後、スクリーン５１２を横切って一次元方向のみでスキャンされる。
【００３７】
当業者にとって、上述の実施態様は、本発明の範囲を逸脱することなしに多様に変換できることが明らかであろう。ファイバー増幅器を利用する本発明の実施態様は、ファイバー増幅器が非常に効果的である事から、競合する技術と比較してはるかに効果的であり得る。ファイバー増幅器が励起波長に関して緩和された許容度を有するため、励起ダイオードの温度は比較的重要性が低い。本発明の実施態様は、より効果的なシステムは熱の放散が小さく、また許容度の高い励起波長の仕様は一般に正確な温度制御を比較的必要としないため、水冷を有することなく作動させることができる。さらに、ファイバーを基にしたシステムは、ファイバーが低容積に巻き上げることができることから、コンパクトであり得る。
【００３８】
従って本発明の範囲は、請求項およびそれらの法的な等価物によって決定するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】色の位置を表示する色度図。
【図２Ａ】本発明の第一の実施態様による青色レーザーの簡略した概略図。
【図２Ｂ】図２Ａのレーザーに使用されるファイバーの断面概略図。
【図３Ａ】従来のファイバーの屈折率のグラフ。
【図３Ｂ】本発明の実施態様によるファイバーのコアからの望ましくない波長を拒絶する屈折率グラフ。
【図３Ｃ】本発明の実施態様によるファイバーのコアからの望ましくない波長を拒絶する屈折率のグラフ。
【図４Ａ】巻回されたファイバーの曲げ波長に対する減衰。
【図４Ｂ】望ましくない波長のゲインを抑制するために巻回されたファイバーを組み込んだ青色光源の実施態様。
【図５】本発明の第四の実施態様による表示システムの簡略した概略図。

Claims (49)

1. 青色光を生成する装置であって、
   ａ）第一の放射を発生するネオジム添加クラッディング励起ファイバー装置と、ｂ）前記放射の周波数を増大させて青色の出力放射を生成するために、ファイバー装置に光学的に結合された光学調波発生器と、を備える装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記ファイバー装置は振動子を有する装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、前記振動子は青色の調波を有する赤外光を生成し、それにより前記調波発生器は前記赤外光と相互作用して青色光を生成する装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記赤外光は約０．９１ミクロンの波長を有する装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記青色光は約０．４５５ミクロンの波長を有する装置。
6. 請求項２に記載の装置であって、前記振動子はモード固定レーザーである装置。
7. 請求項２に記載の装置であって、前記振動子は半導体レーザーである装置。
8. 請求項１に記載の装置であって、前記ファイバー装置は調波発生器を作動させるのに十分なパワーの第一の放射を生成する装置。
9. 請求項１に記載の装置であって、前記青色光は、真空中で約４４０ｎｍから約４６０ｎｍの間の波長を有する装置。
10. 請求項１に記載の装置であって、前記ファイバー装置はネオジムグラスファイバーを有する装置。
11. 請求項１に記載の装置であって、前記装置は平均約１ワット以上のパワーの青色の出力放射を生成することが可能である装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、前記ファイバー装置は第一の放射を増幅するファイバー増幅器を有する装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、前記ファイバー装置内にて、青色でない第二の調波を有する望ましくない波長の光学ゲインを抑制する装置をさらに備える装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、前記光学ゲインを抑制する装置は、ファイバー増幅器に光学的に結合する一つ以上の回折格子を有する装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、前記一つ以上の回折格子は、ファイバー増幅器内の望ましくない放射の波長の約半分の周期を有する装置。
16. 請求項１３に記載の装置であって、前記光学ゲインを抑制する装置は、ファイバー装置に光学的に結合する一つ以上の二色性鏡を有する装置。
17. 請求項１３に記載の装置であって、前記ファイバー装置はクラッディングに包囲されたコアを有する光ファイバーを有し、前記光学ゲインを抑制する装置はクラッディング内に配置されたドーパントを有し、かつ該ドーパントは^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２の原子遷移により発せられる放射を吸収する装置。
18. 請求項１７に記載の装置であって、前記ドーバントは^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２の原子遷移により発せられる放射に対して透過性である装置。
19. 請求項１８に記載の装置であって、前記ドーパントはＹｂ^{３ ＋}，　Ｄｙ^{３ ＋}，　Ｐｒ^{３ ＋}，　Ｓｍ^{２ ＋}，　Ｖ^{３ ＋} 　およびＳｍ^{２ ＋} のうちから選択されるイオンを含む装置。
20. 請求項１３に記載の装置であって、前記ファイバー装置は、第二の屈折率により特徴づけられるクラッディング領域により包囲された、第一の屈折率により特徴づけられるコア領域を有し、前記光学ゲインを抑制する装置は、前記コア領域と前記クラッディング領域との間に配置されたトンネルクラッディング領域を有する装置。
21. 請求項２０に記載の装置であって、前記トンネルクラッディング領域の厚さ及び屈折率は、望ましくない波長の放射がファイバー内で境界モードを有さず、かつ所望の波長が境界モードを有するように選択されている装置。
22. 請求項２１に記載の装置であって、前記望ましくない波長は約１．０５ミクロンである装置。
23. 請求項２１に記載の装置であって、前記所望の波長は約０．９１ミクロンである装置。
24. 請求項２０に記載の装置であって、前記トンネルクラッディング領域は、第一および第二の屈折率より小さい第三の屈折率により特徴づけられる装置。
25. 請求項２０に記載の装置であって、前記ファイバー装置はクラッディング領域を包囲する外側クラッディング領域をさらに有する装置。
26. 請求項２５に記載の装置であって、前記外側クラッディング領域は、第二の屈折率より小さい屈折率により特徴づけられる装置。
27. 請求項１３に記載の装置であって、前記ファイバー装置は、波長に依存する損失が望ましくない波長の光学ゲインを抑制するような湾曲半径まで湾曲された装置。
28. 請求項２７に記載の装置であって、前記ファイバー装置はマンドレルの周囲に巻回された光ファイバーを有する装置。
29. 請求項２７に記載の装置であって、前記望ましくない波長は約１．０５ミクロンである装置。
30. 請求項１に記載の装置であって、前記調波発生器は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ホウ酸リチウム（ＬｉＢＯ_３）、ニオブ酸カリウム、分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）ＭｇＯ：ＰＰＬＮ、ＫＴＰ、ＰＰＫＴＰ、ＲＴＡ、ＢＢＯ、およびＰＰＲＴＡのうちから選択される材料を含む装置。
31. 請求項１に記載の装置であって、
    ｃ）前記ファイバー装置の第一の端において該ファイバー装置に光学的に結合する第一の励起源をさらに有する装置。
32. 請求項３１に記載の装置であって、前記励起源はファイバー装置の入口にて約１００Ｗ／ｍｍ^２以上の強度を有する装置。
33. 請求項３１に記載の装置であって、ファイバー装置の第二の端にて励起放射を第一の端に再起反射する手段をさらに有する装置。
34. 請求項３１に記載の装置であって、ファイバー装置の第二の端にてファイバー装置に結合する第二の励起源をさらに有する装置。
35. 請求項１に記載の装置であって、前記装置は約１ワット以上のパワーの青色の出力放射を生成する装置。
36. ａ）第一の放射を発生するネオジム添加クラッディング励起ファイバー装置と、
    ｂ）該放射の周波数を増加させて青色の出力放射を生成するために、ファイバー装置に光学的に結合された光学調波発生器と、
    ｃ）緑色光と赤色光とを生成する手段と、
    ｄ）赤色光、緑色光および青色光の強度を変調する手段と、
    ｅ）画像を形成するために、赤色光、緑色光および青色光をスキャンする手段と、を備える画像表示装置。
37. 青色光を生成する方法であって、
    ａ）ネオジム添加クラッディング励起ファイバー装置によって赤外光を生成する工程と、
    ｂ）青色光を生成するために赤外光の周波数を二倍にする工程と、からなる方法。
38. 請求項３７に記載の方法であって、
    ｃ）赤外光の望ましくない周波数のゲインを抑制する工程をさらに含む方法。
39. 請求項３７に記載の方法であって、前記青色光は、真空中で約４４０ｎｍから約４６０ｎｍの間の波長を有する方法。
40. 請求項３７に記載の方法であって、前記ファイバー装置内にて青色ではない第二の調波を有する望ましくない波長の光学ゲインを抑制する工程をさらに含む方法。
41. 請求項４０に記載の方法であって、前記ファイバー装置はクラッディングに包囲されたコアを有し、前記光学ゲインはクラッディング内に配置されたドーパントにより抑制される方法。
42. 請求項４１に記載の方法であって、前記ドーパントは、^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２の原子遷移により発せられる放射を吸収する方法。
43. 請求項４１に記載の方法であって、前記ドーパントは、^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_９／２の原子遷移により発せられる放射に対して透過性である装置。
44. 請求項４３に記載の方法であって、前記ドーパントはＹｂ^{３ ＋}，　Ｄｙ^{３ ＋}，　Ｐｒ^{３ ＋}，　Ｓｍ^{２ ＋}，　Ｖ^{３ ＋} およびＳｍ^{２ ＋} のうちから選択されるイオンを含む方法。
45. 請求項３７に記載の方法であって、前記ファイバー装置はコアを有する光ファイバーを有し、望ましくない波長の光学ゲインはコアを包囲するトンネルクラッディングにより抑制される方法。
46. 請求項４５に記載の方法であって、前記望ましくない波長を有する放射は、トンネルクラッディングを介してコアの外へトンネルする方法。
47. 請求項３７に記載の方法であって、前記ファイバー装置は光ファイバーを有し、望ましくない波長の光学ゲインはファイバーを湾曲させることにより抑制される方法。
48. 請求項３７に記載の方法であって、前記ファイバー装置は光ファイバーを有し、ファイバー内の励起放射の強度は５０ワット／ｍｍ^２より大きい方法。
49. 請求項３７に記載の方法であって、前記ファイバー装置は光ファイバーを有し、ファイバーの入口における励起放射の強度は１００ワット／ｍｍ^２より大きい方法。

Images