JP2017535822A

JP2017535822A - プロジェクターシステムの照射のためのｒｇｂレーザー源

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Publication number: JP2017535822A
Application number: JP2017534524A
Authority: JP
Inventors: マニュエル・レオナルド; イゴール・サマルツェフ; アレクセイ・アヴドキン; グレゴリー・キートン
Original assignee: アイピージーフォトニクスコーポレーション
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-11-30
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: CA2961416A1; TWI569086B; JP6667533B2; RU2017108455A3; KR102214966B9; AU2015317799A1; EP3195429A1; US10170886B2; AU2015317799B2; RU2685064C2; MX2017003540A; CN106716247B; KR20170055494A; EP3195429B1; TW201617723A; US20180233878A1; EP3195429A4; CA2961416C; KR102214966B1; RU2017108455A

Abstract

照明プロジェクターシステムのためのＲＧＢ光源は、少なくとも４ｎｍのスペクトル線幅を有するランダムに偏光された（ＲＰ）単一モード（ＳＭ）光をそれぞれ出力する赤色、緑色及び青色レーザーを含む。緑色レーザーは、１μｍの波長範囲内の基本波長でパルス化されたポンプビームを出力するＭＯＰＦＡ構造のポンプを有し、さらにＳＨＧを含む。ＳＨＧは、パルス化されたポンプビームを受け取り、ＢＢ緑色光の一連のパルスを出力するＬＢＯ非線形結晶を含む。赤色レーザーは、ＱＣＷファイバーレーザーポンプ及び６ｘｘｎｍの波長範囲の赤色光の一連のパルスを出力するＬＢＯ非線形結晶を有する周波数変換器を有して構成される。

Description

本出願は、２０１４年９月１６日、２０１５年３月３１日、２０１５年２月６日に米国特許商標庁に出願された米国仮出願第６２／０５０８２５号、第６２／１４０９１１号、及び第６２／１１２９３８号の継続出願である。

本発明は、レーザーに基づく光照射用途に関する。より具体的には、本開示は、巨大スクリーンを含むデジタル映画、テーマパークのアトラクション、博物館、プラネタリウム並びに類似の屋内及び屋外の用途における、高出力の赤、緑及び青色（ＲＧＢ）ファイバーレーザーに基づくプロジェクションのための照射システムに関する。

高いウォールプラグ効率（ＷＰＥ）及び長い寿命は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を、ほとんどの一般的な照明及び表示用途で選択される光照射技術にした。しかし、新しい種類の固体光源を可能にするＲＧＢレーザー照射の独特な特性の新しいニーズが存在する。

これらの第１は、デジタル映画である。今や１２００００を超える映画スクリーンが、３５ｍｍフィルムの代わりに暗号化されたデータファイルから映画を表示する、標準化されたデジタル映画投影を使用している。このデジタルへの変換は、産業に関して運用上の進歩であったが、注目すべき技術的な皮肉を有した。これらの従来技術のデジタルプロジェクターは、依然として６０年前の古い技術、すなわちキセノンアークランプを光源として使用している。次第に、アークランプはＬＥＤに置き換えられつつある。

ＲＧＢレーザー映画プロジェクター、すなわち全ての光エネルギーがレーザーから発せられる光源を有するプロジェクターは、ＬＥＤがキセノンアークランプを置き換えつつあるのと同じ理由、すなわち長寿命及び高いウォールプラグ効率のために、ＬＥＤを大きく代替するものである。しかし、レーザーは、これらが超高空間輝度、すなわち小さな光学エテンデュ（ｍｍ^２−ステラジアン）をもたらし、非常に小さな点源からほぼ平行な光の形で出力を伝達するという点でさらなる利点を有する。この独特の光学特性により、映画についての主要な能力及び究極的には新しい種類の空間レーザー照明についての主要な能力が可能になる。ほぼ無制限の量のＲＧＢ光をデジタルプロジェクターに入力する能力及び、効率的で柔軟な光ファイバーを介して数キロワットの可視光を伝達する能力である。光ファイバーを介して伝達されたＲＧＢレーザー照明は、デジタルプロジェクターを通して許容可能な輝度を達成する解決手段をもたらす。ファイバーによる伝達により、新たな投影及び光照射の能力及び用途を可能にすることとなる。

ダイオードレーザーは、改善された寿命の長さ並びにスペクトル及び輝度の全般的な安定性のために、デジタル映画でははるかに最もよく使用される光源である。しかし、ＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ表面発光レーザー）を含む最近のダイオードレーザーアレイなどのみが、必要な輝度を得ることができる適切なパワーを確実に出力することができる。ＲＧＢの各色に必要な輝度は、プロジェクターのルーメンの出力用途に適合するように結合された多数の個々のレーザーアレイの結果である。ダイオードレーザーの数が増加すると、白色バランス、高輝度（優れたエテンデュ）及びスペックルの低減を維持することを含む技術的課題が生じる。

各ＲＧＢレーザー光源の波長シフト及び出力の変化は、白色バランスの不安定性、すなわちプロジェクターの技術的性能の最も重要な特徴の一つに寄与する。既知のダイオードレーザー源、特に緑色及び赤色レーザーダイオードは、それぞれヘテロ接合及びバイアス電流の温度変化に非常に敏感な動作波長をそれぞれ有し、それに対して人間の眼は特にこれらの波長変化に敏感である。高出力レーザーダイオードを組み合わせると、チップ内部で生じる熱に加えて大きな外部の熱を生じる。赤色、緑色、及び青色のダイオードレーザーのそれぞれはむしろ異なる熱／波長依存性を有するにもかかわらず、常に各動作波長は温度が高くなると増加する。単色アレイでさえもすべてのレーザーが１つにまとめられ、狭い波長を有すると、これはダイオードレーザーにとって典型的であるが、動作波長のシフトによってプロジェクターの出力全体の白色点及び色が仕様から外れることとなる。さらに、温度が上昇すると、ダイオードの利得は低下し、慎重に制御される値である色コントラスト比を乱すこととなる。利得を修復するために、注入電流を増加しなければならないが、中心波長安定性を犠牲にすることとなる。前述の全ては、出力パワー及び中心波長の両方を安定化させる追加的な制御機構を必要とし、レーザー光源の複雑さ及びコストを追加することとなる。

第２の技術的課題は、レーザーの大きな利点、すなわち改善した色域の観点から望ましい光コヒーレンスに由来する。しかし、レーザー光源のコヒーレンスは、典型的にはスクリーン表面の粗さに起因して生じる光学干渉及びスペックルなどのアーティファクトを引き起こす。これらの干渉は、観客の目において、スクリーンから散乱した光の輝度分布の強い追加的な強度変調につながる。出力のスペクトル線幅を拡張することは、この問題を取り扱う数少ない手法の１つである。しかし、前述のように、ダイオードレーザーは、許容できないほど細い線幅を有することが知られている。ダイオードレーザーの数が増加すると、単一のダイオードよりもある程度広くなる線幅に寄与する一方で、依然としてスペックルを根本的に最小化するには不適切である。結果として、画質はレーザー放射の利点が消滅する程度まで、またはその使用がほとんど何の技術的利点や経済的利点をもたらさない程度まで減少する。

従って、前述の課題が良く達成されるレーザーに基づくプロジェクションシステムの必要性が存在する。

開示される構造の特徴及び利点は、図面とともに以下の具体的な説明から容易に明らかになるであろう。

周知のＲＧＢレーザー光源の様々な構成を示す。周知のＲＧＢレーザー光源の様々な構成を示す。本発明のＲＧＢレーザー光源の異なる構成を示す。本発明のＲＧＢレーザー光源の異なる構成を示す。本発明のＲＧＢレーザー光源の異なる構成を示す。本発明のＲＧＢレーザー光源の各アーキテクチャを示す。本発明のＲＧＢレーザー光源の各アーキテクチャを示す。開示されたＲＧＢレーザー光源の緑色レーザーの本発明の各構成を示す。開示されたＲＧＢレーザー光源の緑色レーザーの本発明の各構成を示す。開示されたＲＧＢレーザー光源の緑色レーザーの本発明の各構成を示す。開示されたＲＧＢレーザー光源の緑色レーザーの本発明の各構成を示す。図４から７の単一または複数の緑色レーザーについて、コンピュータで生成した緑色光のスペクトルを示す。図４から７の単一または複数の緑色レーザーについて、コンピュータで生成した緑色光のスペクトルを示す。本開示のＲＧＢレーザー光源におけるラマン周波数変換器を有して構成された赤色レーザーの一般的な概略図である。図１０の赤色レーザーの、コンピュータで生成したスペクトルである。図１０の赤色レーザーの、コンピュータで生成したスペクトルである。開示された赤色レーザーの光学的な概略図である。本開示の緑色及び赤色レーザーの全てで使用されるファイバー増幅器の構成である。ラマン変換器のコンピュータで生成したスペクトルである。赤色レーザーの各実施形態を示す。赤色レーザーの各実施形態を示す。６１５ｎｍの波長で動作する本発明の赤色レーザーの中心波長及び線幅の安定性を表すグラフを示す。合計周波数非線形効果に基づく周波数変換器を有する赤色レーザーのさらなる実施形態の概略図である。６３５ｎｍの波長における赤色レーザーの特性を示す、コンピュータで生成されたグラフである。６３５ｎｍの波長における赤色レーザーの特性を示す、コンピュータで生成されたグラフである。本発明のＲＧＢ光源の青色レーザーの線幅を示すグラフである。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、レーザープロジェクターシステム１０は、レーザー光源１２及びプロジェクターヘッド１４を有するプロジェクターを必須として含む。レーザー光源１２は、様々な構成を有しうるものであり、図示されるように、３つの区別されたグループを画定する緑色、赤色及び青色レーザーを有する取り外し可能なレーザーモジュール１８を収容するラック１６を含む。プロジェクターの構成に応じて、アーキテクチャは単一または２つのプロジェクターヘッド１４を有しうる。

動作時には、光源１２は、組み合わせると、伝達ファイバー１６によってプロジェクターに結合された白色光を発生させる赤−緑−青の光を放出する。プロジェクターは典型的には光ガイド成形光学系及び白色光を赤色、緑色及び青色の光の成分に分離するように動作可能なイメージングエンジンを含む。各光成分は、画素アレイ内の色についての画像を形成する対応する空間変調器を照射し、その後にこれらの光成分は再結合され、スクリーン（図示されない）に投射される。

図２Ａ及び２Ｂは、複数の取り外し可能なレーザーモジュール２０及びレーザーモジュール２０のためのラックを有する本発明のレーザー光源１５を示す。レーザー光源１５は、レーザーモジュール２０に加えて、電子部品及びその他の必要なレーザー光源の周辺機器を収容するメインコンソールまたはキャビネット３０を含む。

キャビネット３０は、例えばレーザーモジュール２０の数に応じて、図２Ｃに示されるように様々な構成を有しうる。図示されるように、これはレーザーモジュール２０の各アレイを受容する２つの区画及び周辺機器を収容する別の区画を有する複数区画構成を有する。レーザーモジュール２０の各アレイは、１つ以上の緑色ファイバーレーザー２２、赤色ファイバーレーザー２４、イッテルビウム（Ｙｂ）ファイバーレーザーなどのそれぞれの信号ポンプ２８、及び豚の尾状の青色ダイオードレーザー２６の３グループを有して構成される。

図３Ａは、本発明のレーザー光源１５の構成の１つを示す。図示されたシステムの個別の構成要素を説明する前に、本発明の光源は必ずしも６原色（６Ｐ）が組み合わせられた３Ｄ視覚システムのために使用される必要はないことに注意する必要がある。これは、３原色（３Ｐ）のそれぞれを放出するＲＧＢレーザーのただ１つのアレイを単純に利用することによって、２Ｄシステムのための光源としても非常によく機能しうる。

３Ｄシステムのための６原色（６Ｐ）を放出するレーザーモジュールの２つのアレイが存在することは、立体視、すなわち２つの眼が、互いにわずかにスペクトルがオフセットされた異なる画像を、好適には同時に、しかし必ずしも同時である必要はなく見ることができる視覚プロセスによって説明可能である。人間の脳は、正確な奥行き知覚を伴う完全な単一の心像を形成する。

図３Ａに戻ると、ファイバー結合器３２、３４及び３６は、それぞれレーザー２８、２２及び２４の青色、緑色、赤色のグループから各出力を受け取り、その一方レーザー２８’、２２’及び２４’の他のアレイは、ファイバー結合器３２’、３４’及び３６’に結合された各出力を放出する。光は、各伝達ファイバー３８によって伝達される。赤い点線４０は、レーザーモジュールの１つのアレイを他のアレイから分離し、その一方点線４２はキャビネットの縁を画定する。従って、原色を結合して白色光を出力するように構成されたＲＧＢ結合器４４、４４’を含むその他全ての構成要素は、キャビネットの外側であって好適にはプロジェクタ内に取り付けられる。

図３Ｂは、図３Ａとはわずかに異なるアーキテクチャを有する本発明のレーザー光源を示している。特に、図３Ａの光源１５とは対照的に、ここでは光源１５は図２Ａ及び２Ｃのキャビネット３０内に取り付けられたＲＧＢファイバー結合器４４、４４’を有して構成される。従って、この図に従って構成された光源１５から放出された光は白色光であり、それぞれ供給ファイバー４６及び４６’に沿ってキャビネットの外側に案内される。

一般的に、最低でも、その他のものとともにプロジェクターシステム１０の出力に適用される要求は、
必要な輝度をもたらす高出力と、
スペックル効果をうまく最小化する広いスペクトル線幅と、
温度及びダイオードバイアス電流の変動から独立した安定な中心波長と、を含む。

プロジェクターシステム１０の性能は、ＲＧＢレーザー光源のそれぞれの個別の性能と同等でしかない。以下の議論は、ＲＧＢレーザーのそれぞれの本発明の緑、赤及び青色レーザーを個別に開示することによって、本発明の構造を教示する。

＜緑色レーザー＞
図４から７を参照すると、開示された高帯域（ＢＢ）緑色レーザー２２は、パルス状の緑色の光を発生させるＩ型及びＩＩ型ＳＨＧに基づく、小型、堅牢、変換効率に優れ、コストに優れた構造である。緑色レーザー１５は、ナノ秒からピコ秒の波長範囲におけるパルス状出力を出力するように動作可能であり、スペクトル線幅Δλは、５２０から５４５ｎｍの範囲内の所望の中心波長において半値幅（ＦＷＨＭ）で３ｎｍを超え、変換効率は、有効に、４０％から７０％の範囲にある。図４から７で開示された緑色レーザー１５のアーキテクチャのそれぞれは、ランダムに偏光され、広帯域（ＢＢ）であり、単一モード（ＳＭ）の信号ポンプ光を放出するように動作可能である信号光ポンプを含む。開示された緑色レーザーのアーキテクチャのそれぞれはまた、５ｘｘｎｍの波長範囲の緑色の光を発生させる単一パスまたは複数パス変換方式を有する２次高調波発生器（ＳＨＧ）も利用し、５２０から５４０ｎｍの波長範囲が特に望ましい。

図４から７のそれぞれの実施形態の全てで利用される信号ポンプ４１８から７１８は、半導体（またはその他任意の構成）発振器及びイッテルビウム（Ｙｂ）ファイバーレーザー増幅器を含む、主発振器出力ファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）の構成を有する。ＭＯＰＦＡ構成の利点は非常に少ない。典型的には単一ダイオードレーザーとして構成された発振器では、バイアス電流の変調は、１０３０から１１２０ｎｍの波長で中心波長を高速に調整する。単一ダイオードレーザーを有することはまた、選択された中心波長の安定性ももたらす。Ｙｂファイバー増幅器は、広帯域ファイバーレーザーとして構成される。ファイバー増幅器の利用可能性は、ポンプ信号光の出力を顕著に増加させ、高輝度、低ノイズ出力につながる。

例示的な構成として、信号光ポンプ４１８から７１８は、ｐｓからｎｓ範囲の様々なパルス持続時間で最大１ｍＪのパルスエネルギーを提供する調整可能なパルス持続時間を有して構成されうる。反復率の範囲は、３０から１ＭＨｚまで調整されうる。出力ビームパラメータＭ^２＜３のいずれにも影響を与えることなく、パルスエネルギー及び／またはパルス反復率の調整のために全てのファイバーフォーマットが可能である。好適には、Ｍ^２は１．５よりも小さく、安定スペクトル線幅Δλは、ＦＷＨＭで１０ｎｍから２５ｎｍの範囲内で得られうる。そのような良好なＭ^２値では、信号ポンプ光はさらに、低モード（ＬＭ）、実質的にＳＭ、または単にＳＭ光と呼ばれる。ポンプ光源４１８から７１８はさらに、出力赤外ＢＢＳＭポンプビームをレーザーヘッド４２２から７２２に案内する伝達ファイバー４２０から７２０を含む。これは、コリメートされ、ランダムに偏光されたＢＢ信号ポンプ光を出力することができるように、案内コリメート光学系を収容するハウジングを有して構成される。

特に図４を参照すると、ＳＨＧ４１２は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）などの、間隔をあけた上流側非線形Ｉ型結晶４１４及び下流側非線形Ｉ型結晶４１６を含む、単一パス変換方式を有して提供される。図１に示されるように、出力および下流側結晶４１４、４１６のそれぞれの軸４１４’及び４１６’は、互いに垂直な平面に延設する。従って、元々上流側結晶４１４で発生した緑色光のビームは下流側結晶４１６を通って伝搬し、影響を受けない二次緑色光を発生させる。

Ｙｂファイバーレーザー４１８からのポンプ信号光は、ポンプビームを集束するように構成された入射集束レンズ４２８に入射し、そのウェスト直径は結晶の長さよりも小さなレイリー範囲を有する４０ミクロンよりも小さい。これにより、非線形結晶の本質的に細いスペクトル許容性を解決することができ、緑色光のスペクトル線幅は単にポンプ信号光の線幅によって制限される。非常に小さく集束されたポンプ信号光では、そのピーク強度は最大数百キロワットの非常に高いレベルに到達し、これは結晶の完全性に対する損傷はないことが示されている。小さな長さの上流側ＬＢＯ結晶４１４により、小さく集束された光を、大きく発散させず、これは、高いピーク強度に沿ったポンプと緑色の波との間の比較的長い相互作用長さにつながり、そのため前述のように高いＳＨＧ効率に必要である。

標準的な用語を使用すると、偏光が２軸性ＬＢＯ結晶の選択された平面の主軸に平行である波は、本明細書では通常（ｏ）と呼び、偏光が主軸に直交するその他の波は、特殊（ｅ）と呼ぶ。Ｉ型ＬＢＯ結晶４１４内のＩＲポンプ光の通常波のみが、緑色光の発生に加わる。そのため本来は上流側のＩ型結晶内の変換プロセスに加わらない特殊波を使用することができるように、軸４１６’が上流側のＬＢＯ結晶４１４の軸４１４’に対して９０°回転するように、下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶４１６が配置されることが必要である。

特に、発生した緑色及び変換されていない信号ポンプ光はさらに、入射ビームを、上述したのと同様に下流側ＬＢＯ結晶４１６のバルク内に集束するように構成された第１の中間集束レンズ４３２に入射される。本来発生した緑色の光は妨げられずに下流側結晶４１６を通って伝搬する。しかし、元々の特殊ポンプ波は、別の、２次的な緑色光ビームに、４０％を超える効率で変換する。その後、下流側結晶４１６の出力は、中間コリメータ４３４でコリメートされ、蓄積された緑色光を目的地点に伝達するファイバー４４４に結合することによって、出力コリメートユニット４３６に入る。

出力コリメートユニット４３６は、様々な構成を有しうる。図示されるように、コリメートされたビームは、光路にそって伝搬し、例えば、基本波長で下流側結晶４１６内で変換されなかったポンプ信号ビームに対して透明なダイクロイックミラーとして構成された波長識別機３８に入射する。発生した緑色のビームの合計に等しい平均出力を有する蓄積緑色光は別の高反射率の反射器４４０に向かい、結果的に下流側集束長さ４４２に案内される。最終的に、集束された緑色の光は、コリメータ４４３に入射し、さらに、例えば大型スクリーン４４５でありうる目的地点に案内する伝達ファイバー４４４に結合される。

出力される緑色光の偏光に関連するノイズを最小化するために、複屈折材料から構成されたデポラライザー４４６は、入射コリメートユニット４２４と入射集束レンズ４２８との間でコリメートされたポンプ光を受け取る。知られているように、コリメートされたＢＢ、ＳＭのランダムに偏光した信号ポンプＩＲ光は、依然として、明確な偏光の程度が小さく、これは、排除されなければ、結果的に出力信号に不要なノイズを発生させる。デポラライザー４４６はこれを最小化する。デポラライザー４４６の構成は、１／２波長板、１／４波長板、複数次もしくはゼロ次平板またはその他いずれかの複屈折構成要素から選択されうる。

図５は、４０から７０％の高い効率で３から５ｎｍの範囲を超えるスペクトル線幅Δλを有するＳＭＢＢ緑色光を発生させるＢＢ緑色レーザー２２を示す。緑色レーザー２２は、全て図４に示されたものと同じように構成された信号光のためのポンプ、集束レンズ５２８及び出力コリメートユニット５３６として働くＳＭＢＢＹｂファイバーレーザー５１８を含む。ポンプは、１０ｎｍを超える幅の広いスペクトル線幅を有する１ミクロン範囲のＳＭのランダムに偏光されたＩＲポンプ光をパルス出力する。パルス光は、入力コリメートユニット５２４でコリメートされ、出力集束レンズ５２８で集束され、さらにＳＨＧ方式５４８で周波数変換を受ける。図４とは対照的に、ＳＨＧ５４８はここではＩＩ型ＬＢＯ結晶を含む。

ＩＩ型上流側ＬＢＯ５５４結晶は、集束されたＩＲポンプ信号光の経路に沿って配置され、そのウェストは上流側非線形結晶５５４のバルク内に延設し、この結晶の中心におおよそ位置する。前述のように、小さく集束された光は、非線形結晶の固有の狭いスペクトル許容性の解消を助ける結晶５５４の長さよりも小さなレイリー長さを発生させる。

ＩＩ型下流側ＬＢＯ結晶５５６は、上流側結晶５５４の軸５５４’と平行な軸５５６’を有し、３ｘ３ｘ（３から５）ｍｍである図４から７の上流側結晶と同じ、現在最適である寸法を有しうる。下流側結晶５５６は、結晶４１４、４１６（図４）及び５５４に関して開示したのと同様に、第１の中間レンズ５３２による集束を受ける上流側結晶５５４からの光を受け取る。

図５の緑色レーザー２２は、出力および下流側の１／２波長板５５８、５６０をそれぞれ含む。出力１／２波長板５５８は、レーザーヘッド５２２と集束レンズ５２８との間でコリメートされたポンプ光内に配置され、その一方下流側１／２波長板５２４は下流側ＩＩ型ＬＢＯ結晶５５６からの出力後すぐに配置される。これらの平板は、上流側結晶５５４内でもともと発生した緑色光と下流側結晶５５６内の２次緑色光との間の干渉を防ぐのに望ましく、これは変換されていないポンプ光を、これら２つの緑色ビームをそれぞれ直交偏光板内に配置することによってリサイクルする。

ＩＩ型結晶は、典型的には当業者に知られているように、明りょうな空間ウォークオフ効果を特徴とする。ウォークオフ現象は、横方向のビーム変位を生じさせる。この効果は、ＢＢデポラライズポンプ信号光と発生した緑色光との間の干渉長さを短くし、これは変換効率に有害な影響を及ぼす。相互作用長さを増加させるために、ＢＢデポラライズポンプ信号光は、特殊ビームが上流側結晶５５４に対して反対の角度でウォークオフするように配置されたウォークオフ補償（ＷＣ）平板５５２によって分離される。技術的に、ウォークオフ補償平板５５２の厚さは、結晶５５４の厚さに依存し、ポンプ信号光の通常ＩＲ波及び特殊ＩＲ波は、結晶の中間で重複するという１つの条件が課せられる。

ここで図６を参照すると、パルス状のＢＢ緑色レーザー２２は、Ｉ型ＳＨＧ方式６４８の多数パスアーキテクチャを有して構成される。図４と部分的に同じ構成を有するが、図６のＳＨＧ６４８は下流側結晶を必要とせず、異なる構成の出力コリメータ６６５を必要とする。図６の多数パスＳＨＧ６４８及び図７のＳＨＧ７４８の両方はそれぞれ、図４及び５の構成とそれぞれ比較して、より小さなフットプリント、より低いコストを有し、例えば図４の集束レンズ４３２などの無彩色要素を有さない。

ＩＲＢＢＹｂ信号光ファイバーレーザー６１８、入力ＩＲコリメータ及びデポラライザー６４６を含む図６の緑色レーザー２２の動作は、図４のそれと同じである。ＬＢＯ結晶６７０を通るデポラライズされた集束ポンプ光の第１パスさえも、結晶の２つの対向する面の間で確定された中間平面から横方向にオフセットされた平面内を伝搬することを除いて、図４の緑色レーザー２２と実質的に同じ特性を有する。結晶を通るポンプ信号光の伝搬の平面は、むしろ設計の選択である。

図６に示されるようなＩ型ＳＨＧ６４８の多数パスアーキテクチャについての代替的な設計は、出力ビーム６７２がＬＢＯ結晶６７０を離れるところから始まる。初めに変換された緑色及びポンプ光の特殊波を含む出力ビーム６７２は、１／４波長板６７４及びさらに高反射率リレーイメージング球面ミラー６７６に入射する。これは、反射したビームがＬＢＯ結晶６７０の反対面に入射する前に、同じ１／４波長板６７４を通して後ろ側の伝搬方向でビーム６７２をリレーするように構成される。波長板６７４が１／４波長板として構成される一方で、反対方向にこれを通過する光の二重経路のために、１／２波長板としても動作する。結果として、この平板はデポラライジング平板６４６と組み合わせて、初めに発生した緑色のビームと２次発生した緑色のビームとの間の干渉を防ぐ好ましい条件を生じさせ、蓄積された緑色光の実質的にノイズのない出力となる。初めに発生した緑色のビーム及び２次発生した緑色のビームの合計に等しい平均出力を有する出力緑色光はさらに、２つの離隔されたミラー６７８，６８０で反射され、集束され、出力コリメートユニット６６５にコリメートされて、ファイバー６４４内をさらに案内される。

図７を参照すると、本発明のグリーンレーザー２２の多数パスＩＩ型ＳＨＧ７４８は、図６の本発明の緑色レーザー２２の全ての成分を有する。しかし、ＩＩ型結晶６８２のウォークオフ現象に起因して、このアーキテクチャは図５に関して説明したのと同じ理由で、ウォークオフ補償平板６６２も組み込む。

視覚的にまとめた図８及び９を参照すると、前述の単一緑色レーザー１５は、図８に示されるように、ＨＷＦＰで４から５ｎｍのスペクトル帯域幅を有する広帯域緑色レーザーを出力するように構成される。いくつかの緑色レーザー１５が各チャンネルについて単一の緑色光源を構成する場合、線幅は８から１０ｎｍに広がりうる。また、緑色レーザー１５はレーザー線帯域特性を調整可能にし、ＦＷＨＭにおいて中央に範囲を有するピーク波長の±０．５ｎｍの微調整を可能とする。パルスは、数百ワットから数ｋＷの平均出力および数十ｋＷの範囲のピーク出力を有しうる。換言すれば、緑色レーザー１５によって発生した緑色光の平均出力は、そのポンプ出力にのみ制限される。

＜赤色レーザー＞
開示された赤色レーザーによる基本的な目標は、照射されるデジタルディスプレイのスペックルノイズを最小化し、高い輝度を得るのに十分な広いスペクトル線を有する赤色のレーザービームを発生させることである。これは、１．ラマンファイバー内で最大２５ｎｍの広いスペクトル線を有する１２２０から１３００ｎｍの発光波長範囲の所望のラマンシフトされた波長で発光するラマン変換器、及び２．単一赤色レーザーについてＦＷＨＭで４から５ｎｍ及び複数赤色レーザーで８から１０ｎｍののスペクトル線幅を有する６１０から６５０ｎｍの波長範囲内の赤色光を発生させるために、ＬＢＯ非線形結晶による前述の放出スペクトル範囲内の所望のラマンシフトされた波長で幅広いスペクトル線をスペクトル許容すること、の２つの主要な前提に基づく、開示された赤色ファイバーレーザーによって達成される。高出力の回折制限された広帯域赤色光を出力するように動作する開示された光源の実際の実装形態は、それぞれ６１５ｎｍ及び６３５ｎｍの中心波長で赤色光を発生させる、ラマン散乱及び合計周波数非線形効果を利用する２つの実施形態によって実現される。

ここで図面を参照すると、図１０は、約６１５ｎｍの中心波長でパルス状の赤色光を出力する、当業者に知られた周波数変換方式内の標準的なＬＢＯ非線形結晶１０１６と組み合わせたラマン変換器１０１４を含む、調和発生方式に基づく開示された赤色光レーザー１０１０の基本的なレイアウトを示す。シード１０１８から１０２２は、ＩＲパルス光を１０３０から１１２０ｎｍの波長範囲から選択されたポンプ波長で出力することによるラマン増幅の時間的特性を定義し、本実施形態では、ＭＯＰＦＡ構成を有する。特に、ポンプ１０１２は、ピコ秒からナノ秒（ｐｓからｎｓ）パルス幅範囲の一連のパルスを放出するように動作可能な、豚の尾状の偏光維持（ＰＭ）ファイバーを有する広いスペクトル線のＳＭダイオードレーザー１０１８として構成された調整可能なポンプシード／マスター発振器を含む。次いで、パルス化されたポンプ光は、Ｙｂファイバーレーザー増幅器内に結合され、またはパルスポンプ光を所望のＩＲポンプ波長で複数ｋＷピーク出力レベルまでブーストするように構成されたブースターステージ１０２２に結合される。任意選択的に、ＩＲポンプレーザー光源は、ＹｂドープされたＰＭファイバーを有してそれぞれ構成され、出力増幅器またはブースター１０２２に結合される前に、ポンプシード信号を次第に増幅する１つ以上の前段増幅ステージ１０２０を含みうる。増幅ステージはそれぞれ、ハウジングの外側に終端しうる各ＳＭＰＭ受動ファイバーにその反対端部においてスプライスされたＹｂドープアクティブファイバー１０２４を収容するハウジングを有して構成された増幅ブロックを含む。各Ｙｂドープファイバー１０２４のポンプは、それぞれＣＷ方式で動作する１つ以上のダイオードレーザーポンプを含む。

広い線幅の赤色光レーザー１０１０は、パルスを設定するための、またはパルス幅を設定するための発振器を直接変調するための別個の電気光学強度変調器に発振器１０１８の出力を結合することによって、またはパルス幅を設定するための発振器を直接変調することによってもたらされる、準連続波（ＱＣＷ）方式で動作するポンプ光源を有して構成される。パルス状のポンプ光は、１から１００ＭＨｚの周波数範囲の反復率、１０３０から１１２０ｎｍの範囲から選択された波長及びｎｓからｐｓ範囲のパルス持続時間を有して出力される。前段増幅器ステージ１０２０は、出力増幅器ステージ１０２２がパルス状のポンプ光の平均出力を約２００Ｗ及びそれより高くまでブーストする前に、約１Ｗの平均出力でパルス状のポンプ光を出力するように構成される。ラマン変換器１０１４は、複数のミクロンサイズのコア直径を有する数メートルの長さの非線形受動ファイバーを含んでもよい。図１０の概略図では、約５０から８０％の出力ＩＲポンプ光が、シード１０１８のポンプ波長に応じて約１２３０ｎｍの波長で３次または４次ストークスオーダーに変換されうる。１０２０ｍｍの長さのＬＢＯ１０１６内で周波数二重化された後の１２３０のラマンシフトされた波長におけるＳＭパルス光は、約６１５ｎｍの中心波長及びスペックルノイズを実質的に最小化するのに十分な４ｎｍを超えるスペクトル帯域幅で図１１Ａに示された可視スペクトルを発生させる。図３Ａの複数の赤色レーザーを含む構成において、中心線は、図１１Ｂに示されるように幅８ｎｍに達しうる。

赤色光発生器１０の出力拡大のために重要なことの１つは、全ての能動的及び受動的な、大きなモード面積のファイバーのコアサイズの増大にある。例えば、コアの大きさは、クリーンなラマンスペクトルが１５から２０ｋＷまたはそれ以上のＩＲピーク出力で発生することを可能にする２０ミクロンであってもよい。ＩＲピーク出力を増大させると、当業者が容易に理解するように、変換効率が顕著に増大する。示唆された大きなモード面積のファイバーでは、１０６０ｎｍから６１５ｎｍの変換効率は２５％に達しうる。

赤色光発生器１０の出力拡大のためのさらに別の手法は、ＩＲポンプのデューティサイクルを制御することによる、平均出力の増大を含む。特に、図１０のポンプシード１０１８の反復率は、ピーク出力を一定に維持しつつポンプ出力を増大につながるように増大可能である。

図１２は、図１０に示された広い線幅の赤色レーザーの改良例を示す。基本的なレイアウトと類似して、ここでは赤色光レーザー１２１０は、ＭＯＰＦＡ構成を有するポンプを有し、ＱＣＷ方式で動作するポンプを有して構成される。ポンプはその出力が１０３０から１１２０ｎｍの波長範囲の一連のパルスを発生させるように変調されるマスター発振器１０１８を含む。１つ以上の前段増幅及びブースターカスケードがそれぞれ、ＣＷ方式で動作するレーザーダイオードポンプによってポンプされたＹｂドープファイバーを有して構成される。増幅器１０２０及び１０２２は、パルス状のポンプ光の出力を順に増大させ、ポンプ光はさらにラマン変換器１０１４内に結合され、ここで、望ましい１２２０から１３００ｎｍの波長範囲及び広いスペクトル線幅である３次ストークスオーダーを有する連続的なストークスオーダーに効率的に変換される。ＬＢＯ結晶を含む単一パスＳＨＧ１０１６は、所望のラマンシフトされた波長範囲内のＩＲ光のスペクトル線幅の少なくとも実質的に一部を覆う所望のラマンシフトされた波長で、広いスペクトル許容度を有して構成される。

所望の１２２０から１３００ｎｍのラマンシフトされた波長範囲のＩＲ光の線幅は、依然として過剰に広く、ＬＢＯの広帯域スペクトル許容度範囲の代わりに変換効率に悪影響を及ぼしうる。この場合、３次ストークスオーダーは、２次ストークスオーダーの波長帯域から選択された波長で、ＣＷ方式で動作する広帯域ＳＭラマンシード１０２８からの光によって、単一パスラマン変換器をポンピングすることにより狭められうる。そのようにすることで、２次ストークスはこのストークスの線幅を低下させる、刺激されたラマン散乱によって増幅される。結果的に、３つのストークスの線幅は狭くなる。この方式において、時間的特性はポンプシード１０１８によって決定され、一方ラマンシフトされた波長における光のスペクトル特性はＣＷラマンシード１０２８によって決定される。従って、ラマンシードのＳＭ出力の波長及び線幅は、所望の１２２０から１３００ｎｍの波長範囲内の特定の線幅に合うように調整可能である。

図１３は、ＰＭＹｂドープされたシリカファイバー１３３０の両端のそれぞれにスプライスされた同じ寸法の入力及び出力ＳＭＰＭ受動ファイバー１３３２及び１３３４を収容するハウジング（図示されない）を含むファイバーまたは増幅ブロックとして構成されたブースター１３２２を示す。これは、ポンプ波長におけるＳＭをサポートし、基本モード（ＦＭ）のＭＦＤがＳＭファイバー１３３２及び１３３４のそれぞれによって案内されたＳＭポンプ光のＭＦＤと整合するように構成された均一な寸法のコアの両端を含むことが可能なＭＭコア１３３８を有する。ＭＭファイバーの使用は、偏光に何らかのかく乱を生じる。ＳＭ及びＦＭのそれぞれのＭＦＤ寸法の整合及びＭＭコア１３３８のモード変換領域１３４２、１３４４をそれぞれ断熱的に延長し、狭めると、１つのＦＭのみの励起及びサポートがもたらされる。

図１２に戻ると、ＣＷＳＭラマンシード１０２８は、中間ストークスにおいてラマン変換器１０１４をシードする、高帯域ファブリーペローファイバーもしくはダイオードレーザー、分散ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、分散フィードバックレーザー（ＤＦＢ）または波長安定レーザーとして構成可能である。具体的には、ラマンシード１０２８はラマン変換器１０１４の２次ストークスオーダーの１１３０から１１７５ｎｍの波長範囲から選択されたラマンシフトされた波長で光を放出する。ポンプ及びラマンシード源のそれぞれの出力は、好適には、しかし必須ではなく、１０６４ｎｍの波長のポンプシード光のみを約２０から３０Ｗの平均出力及び５から１０ｋＷのピーク出力に増幅するブースター１０２２の上流に配置されたファイバーＷＤＭ１０２６に結合される。約２５ｎｍの３次ストークスの線幅を有するラマンスペクトルが、図１４に示されている。

ラマン変換器１０１４は、５メートルよりも長い長さを有し、６から２０％の範囲の全ウォールプラグ効率を有するＳＭＰＭ受動ファイバーを有して構成される。例えば、この受動ファイバーは、３０から１００メートルの長さの、この例では所望の１２３０ｎｍの波長の最大６ｋＷピーク出力のラマンシフトされた光に変換する５０から８０％の高いラマン変換効率で動作するＳＭＰＭ受動ファイバーでありうる。単一パスＳＨＧは、４０ｍｍの長さ、５ｍｍの幅及び３ｍｍの厚さの、約３５から５０％のＳＨＧ効率で動作するＩ型結晶であるような寸法にされたＬＢＯ１０１６を含む。約６１５ｎｍの波長におけるＳＭ赤色光の平均出力は４５から１１０Ｗの範囲内であり、その一方そのピーク出力は１．１から２．８ｋＷの間で変動する。

ラマン変換器及び単一パスＳＨＧ波長変換方式に基づく、広帯域赤色光発生器の上で開示された構成の両方は、開示されたラマン変換器のためのＳＭＰＭシリカコア受動非線形ファイバーを利用する。しかし、シリカベースのファイバーは、１２２０から１３００ｎｍの範囲のＩＲ光を発生させるための唯一の選択肢ではない。シリカファイバーの可能な代替例は、標準的なシリカコアファイバーよりも実質的に広い１次ストークスオーダーを発生させるリン酸ガラスコアを有するファイバーの使用を含む。実際に、そのように幅広いと、所望の１２２０から１３００ｎｍのラマンシフトされた波長帯域が１次ストークスによってカバーされる。

カスケード状のラマンファイバーレーザーを示すさらなる実施形態が、図１５に示されている。この実施形態の原理は、希土類ドープファイバーレーザーポンプの出力の波長を一連のラマンストークスシフトを用いて必要な赤色光の出力波長に変換することである。従来は、２つ以上のストークスシフトに渡る波長変換は、カスケード状のラマン共振器の使用を通して行われる。これは、高反射率のファイバーブラッグ格子または反射器１５５２で形成された中間波長のそれぞれにおいて入れ子化されたキャビティからなる。共振器の中間波長のそれぞれは、先行する波長のラマン増幅のピークに近接するように選択される。低反射率の出力反射器または結合器１５５４は、１２２０から１３００ｎｍの波長範囲から選択された波長変換を終端させる。

開示された赤色光レーザー１５５０は、高反射器（ＨＲ）１５５２と低反射器（ＬＲ）１５５４との間に画定される、Ｙｂファイバー発振器１５５６のキャビティ内に所望のポンプ波長における信号ポンプ光を出力するシードダイオードレーザー１５５８を有する広帯域ＱＣＷＹｂドープファイバー発振器１５５６を含む。前述の構成で使用される全てのＹｂドープファイバーとは対照的に、Ｙｂドープファイバー１５５６は、ＰＭファイバーであってもなくてもよい。ポンプは、所望のポンプ波長で長いマイクロ秒のパルスを出力するように動作可能である。

信号ポンプ光は、ＬＲ１５４４を有する、または有しないキャビティから結合する所望のラマンシフトされた波長範囲で３次ストークスを有する３つのストークスを発生させる複数のＨＲ１５５２及び下流ＬＲ１５５４を有して設けられた複数カスケード状のＳＭＬＰラマンレーザー１５５５にさらに結合される。ラマンレーザー１５５５から放出されたラマンシフトされたポンプ光は、１２２０から１３００ｎｍの波長範囲で少なくとも約５ｎｍの広いスペクトル線幅を有するＳＭ赤色光を発生させるように動作可能であるＬＢＯ１５１６によってスペクトル的に受容される広いスペクトル線を特徴とする。

図１６は、ポンプシード１０１８並びに１つ以上の増幅ステージ１６２０及び１６２２を有するＭＯＰＦＡ構成を有するＱＣＷ光ポンプを有する赤色レーザー１６５０を示す。ブースターステージ１６２２は、図１３に示されたのと同じファイバー構成に基づいている。残りの構成要素は、図１３の赤色レーザーの構成要素のそれぞれに対応し、広帯域ラマンシードダイオードレーザーまたはシード１６２８及びＷＤＭ１６２６を含む。所望のポンプ波長における増幅ポンプ光は、１２２０から１３００ｎｍの波長範囲から選択された所望のラマンシフトされた波長で発生したラマンシード１６２８からの光でＷＤＭ１６２６に結合される。次いで、増幅されたポンプ光及びラマンシフトされた光は、一連のＨＲ１６５２及び出力ＬＲ１６６４を有して構成されたラマンレーザー１６５５に結合される。ラマンシフトされた波長の光は、ＳＨＧ内で、ＬＢＯ１６１６によって約６１５ｎｍの所望の広帯域赤色光に変換される。

図１７は、上述の光学方式の全てによって発生する開示された６１５ｎｍの単一赤色レーザーの利点を示す。図示されるように、中心波長６１５ｎｍは、３０Ｗにおいてわずかに０．５ｎｍだけ増加する、非常に安定した特性を有する。スペクトル線幅も、３５Ｗ赤色出力範囲に渡って２．５から３．５ｎｍの間で安定的に変動する。線幅は、図示された構成に実質的に変更を加えることなく、単一の赤色レーザーについて４から５ｎｍ、図３に示されたように１つに結合された複数の赤色について８から１０ｎｍに増加しうる。レーザー技術分野の当業者には容易に明らかであるように、上述の方式は、赤色波長間隔を有する、より長い中心または基本波長における赤色光を発生させるために使用可能である。

図１８を参照すると、前述の方式とは異なるアーキテクチャを有するパルス状の赤色レーザー１８５０は、約６３５ｎｍの波長で赤色光を出力するように動作可能である。人間の眼は、６３５ｎｍの光よりも６１５ｎｍの光により反応する。しかし、６３５ｎｍにおける光発生の効率は、６１５ｎｍの効率よりも高い。

赤色レーザー１８５０において、６３５ｎｍの波長はシードされたＹｂ及びエルビウム（Ｅｒ）ファイバーポンプの周波数混合を採用することによって発生する。パルス化されたＹｂ及びＥｒポンプは共に、１つまたは複数の増幅ステージ１８００及び１８０２をそれぞれシードする９７５ｎｍの各単一ダイオードレーザーを利用する。Ｙｂ及びＥｒファイバーポンプの出力は、入力ミラー１８０５から、Ｙｂビームに対して透明である入力ミラー１８００６に向かって反射するＥｒビームで、入力ミラー１８０５及び１８０６に、各レンズ１８０４によって集束される。各ブースター１８００、１０８２は、図１３のブースターに従って構成可能であり、数十ｋＷに達する各高ピーク出力光信号を出力可能である。Ｙｂ及びＥｒビームは共に、ＬＢＯ１８１２を通ってさらに伝搬し、その各周波数が合計される。結果的に、１５３５ｎｍにおける赤色光は、ＬＢＯ１８１２で変換されなかった光に対しては透明であるミラー１８０８から反射され、結合器１８１０に出力される。

図１９及び２０は、図１８の方式によって発生した赤色光ビームの特徴を示している。図１９から分かるように、スペクトル線幅は単一の赤色レーザーについて約４から５ｎｍである。図２０に示されるように、中心波長は約６３４．２ｎｍ±０．１ｎｍであり、一方スペクトル線幅は３．１ｎｍ±０．９ｎｍで変動し、これはスペックルの効果的な抑制にとって適切であるものよりも大きい。従って、６３５ｎｍの開示された赤色レーザーは、幅広い範囲のレーザー動作条件に渡って、明るく安定した中心波長及び線幅を伝達する。

＜青色レーザー＞
図２Ｂの青色レーザー２６は、複数の複数モード（ＭＭ）ダイオードレーザーを含む。ダイオードレーザーは、例えば６または１２個のダイオードレーザーをそれぞれ収容しうる１つまたは複数のモジュールにグループ化される。各モジュールの出力は、最大で約４０Ｗに達することができ、所望の出力の要求は、いくつかのモジュールを１つにパッケージすることによって達成可能である。実用的な考慮事項に関して、青色レーザー２６の出力は、例えば１００から５００Ｗの間で変動可能である。青色レーザー２６は、前述の緑色及び赤色レーザーのように、４４０から４７０ｎｍの間で変動する安定した中心波長を有する。最終的な目標、スペックルの抑制に対して真に、図２１に示されるように青色レーザー２６は約４から８ｎｍの間の安定した広い帯域を有する光を出力する。

＜概観＞
図３及び４を参照すると、ＲＧＢレーザー光源１５は、出力の拡大が容易であり、所望の設定の制御が容易であり、必要になれば、これを変調することが容易である。まとめると、デジタル映画などについての本発明のＲＧＢレーザー光源は、好適には赤色、緑色及び青色のチャンネルをそれぞれ含む２つのＲＧＢセットを有する。ＣＷ／ＱＣＷ／パルス方式で動作可能である本発明の光源１５のランダムに偏光した光のビームの輝度は、約１５０ｋｌｍに達しうる。

パルス状のＹｂファイバーポンプを有する緑色レーザー２２は、５２４から５４６ｎｍの波長範囲の安定的な中心波長、ランダムに偏光した出力ビームによって生じたＦＷＨＭにおける単一の緑色レーザーについて約４から５ｎｍ、複数の緑色レーザーについて約８から１０ｎｍのスペクトル帯域を有する緑色光を出力するように動作可能である。パルス反復率は、ＭＨｚの範囲で変動する。緑色レーザー１５の平均出力は、ＩＲポンプの平均出力によってのみ制限され、１から、数ｋＷにも達しうる。

赤色レーザー２４は、単一の赤色レーザーについて４から５ｎｍ、複数の赤色レーザーについて約８から１０ｎｍの安定したスペクトル線幅を有する６１５から６４５ｎｍの中心波長の安定した信号を出力する。好適にはＱＣＷまたはパルス方式で動作する赤色レーザーの反復率は、ＭＨｚの範囲で変動する。レーザー２４の出力される平均出力は、本発明では望ましい、最大５００ワットの範囲に達しうる。

青色レーザーは、モジュールを決定するために一つに収容される６から１２のグループに配置された複数のＭＭダイオードレーザーを有して構成される。青色レーザー２８は、最大数百ワット、例えば２００Ｗ以上の光を出力しうる。中心波長は、単一モジュールの単一のダイオードレーザーについて４から５ｎｍ、複数のダイオードレーザーについて８から１０ｎｍの安定したスペクトル線幅を有して、４３０から４７０ｎｍの波長範囲内で選択されうる。

本発明の実施形態を、添付した図面を参照して説明したが、本発明はこれらの正確な実施形態に限定されるのではなく、様々な変更、改良及び適合化が、添付された特許請求の範囲に定義されるように本発明の範囲または思想から逸脱することなく、当業者によって有効になされうることは理解されるべきである。

２青色ダイオードレーザー
１０レーザープロジェクターシステム
１２、１５レーザー光源
１４プロジェクターヘッド
１６ラック
１８、２０レーザーモジュール
２２緑色ファイバーレーザー
２４赤色ファイバーレーザー
２８信号ポンプ
３０キャビネット
３２、３４、３６ファイバー結合器
３８波長識別器
４４、４４’ ＲＧＢ結合器
４６、４６’ 供給ファイバー
４１２、５４８、６４８、７４８、１０１６ＳＨＧ
４１４上流側非線形Ｉ型結晶
４１４’ 軸
４１６下流側非線形Ｉ型結晶
４１６’ 軸
４１８Ｙｂファイバーレーザー
４２４、５２４入射コリメートユニット
４２８、５２８入射集束レンズ
４３４中間コリメータ
４３６、５３６出力コリメートユニット
４４０反射器
４４３コリメータ
４４４ファイバー
４４５大型スクリーン
４４６デポラライザー
５２２レーザーヘッド
５２８集束レンズ
５３２第１の中間レンズ
５５２、６６２ウォークオフ補償平板
５５４ＩＩ型上流側ＬＢＯ結晶
５５４’ 軸
５５６ＩＩ型下流側ＬＢＯ結晶
５５６’ 軸
５５８出力１／２波長板
５６０下流側１／２波長板
６１８ＩＲＢＢＹｂ信号光ファイバーレーザー
６４４ファイバー
６４６デポラライジング平板
６６５出力コリメータ
６７０ＬＢＯ結晶
６７２出力ビーム
６７４１／４波長板
６７６高反射率リレーイメージング球面ミラー
６７８、６８０ミラー
６８２ＩＩ型結晶
１０１０、１２１０赤色光レーザー
１０１２ポンプ
１０１４ラマン変換器
１０１６ＬＢＯ非線形結晶
１０１８ＳＭダイオードレーザー
１０２０前段増幅ステージ
１０２２ブースター
１０２４Ｙｂドープアクティブファイバー
１０２６ＷＤＭ
１０２８ＣＷラマンシード
１３２２ブースター
１３３０シリカファイバー
１３３２入力ＳＭＰＭ受動ファイバー
１３３４出力ＳＭＰＭ受動ファイバー
１３３８ＭＭコア
１３４２、１３４４モード変換器
１５１６ＬＢＯ
１５５０赤色光レーザー
１５５２高反射器
１５５４低反射器
１５５５ＳＭＬＰラマンレーザー
１５５６ＱＣＷＹｂドープファイバー発振器
１５５８シードダイオードレーザー
１６１６ＬＢＯ
１６２０、１６２２増幅ステージ
１６２６ＷＤＭ
１６２８広帯域ラマンシードダイオードレーザー
１６５２ＨＲ
１６５５ラマンレーザー
１６６４ＬＲ
１８００、１８０２増幅ステージ
１８０５、１８０６入力ミラー
１８０８ミラー
１８１０結合器
１８１２ＬＢＯ
１８５０赤色レーザー

Claims

少なくとも第１のチャンネルを含む照明プロジェクターシステムのための赤・緑・青（ＲＧＢ）レーザー光源であって、第１のチャンネルが、
ランダムに偏光された（ＲＰ）広帯域（ＢＢ）単一モード（ＳＭ）緑色レーザーを有して構成され、
前記ＲＰＢＢＳＭ緑色レーザーが、
１μｍの波長範囲の基本波長でパルス状のＲＰＢＢＳＭポンプビームを出力するように動作可能であるマスター発振器出力ファイバー増幅器（ＭＯＰＦＡ）ポンプと、
ＳＭＢＢパルスポンプビームを受け取り、５ｘｘｎｍの波長範囲、少なくとも４ｎｍの広いスペクトル線幅Δλ_１のＢＢ緑色光の一連のパルスを出力する三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）非線形結晶を有して構成された、２次調和発生器（ＳＨＧ）と、
中心波長でＲＰＳＭＢＢパルスポンプビームを出力するように動作可能な準連続波（ＱＣＷ）ファイバーレーザーポンプ及び、６ｘｘｎｍの波長範囲の、少なくとも４ｎｍの広いスペクトル線Δλ_２を有する赤色光の一連のパルスを出力するようにＲＰＳＭＢＢパルス状ポンプビームを受け取るＬＢＯ非線形結晶を有する周波数変換器を有して構成されたＲＰＢＢＳＭ赤色レーザーと、
４ｘｘｎｍの波長範囲の中心波長で少なくとも４ｎｍの広いスペクトル線幅Δλ_３のＲＰ青色光を出力する青色光レーザーと、を含む、
ＲＧＢレーザー光源。
３Ｄ画像を出力するために、前記第１のチャンネルの各中心波長とは異なる中心波長で各ＲＧＢ光を出力するＲＰＢＢＳＭ緑色、赤色及び青色レーザーを含む、第２のチャンネルをさらに含む、請求項１に記載のＲＧＢ光源。
２Ｄまたは３Ｄ画像を出力するように動作可能なプロジェクターをさらに含む、請求項１または２に記載のＲＧＢ光源。
それぞれが、前記第１及び第２のチャンネルのそれぞれの複数の赤色レーザー、複数の緑色レーザー、及び複数の青色レーザーから光をそれぞれ受け取り、少なくとも８ｎｍの広いスペクトル線をそれぞれ有する、蓄積赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ出力するように構成された、複数の単色結合器と、
前記第１及び第２のチャンネルのそれぞれから蓄積赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ受け取り、ランダムに偏光された（ＲＰ）白色光を出力するように動作可能である複数の下流側結合器と、をさらに含む、請求項２に記載のＲＧＢ光源。
前記ＲＰＢＢＳＭ緑色レーザーがさらに、前記ＲＰＢＢＳＭパルス状ポンプビームを、前記ＬＢＯ内で４０ｎｍを超えないウェスト直径のビームに集束するように構成された集束光学系を含む、請求項１に記載のＲＧＢ光源。
前記ＳＨＧが、単一パス変換方式として構成され、垂直な平面に延設する軸をそれぞれ有する上流側及び下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶、並びに蓄積ＲＰＢＢＳＭ緑色光及び前記上流側Ｉ型ＬＢＯ結晶内で変換されなかったＲＰＢＢＳＭポンプビームを出力するように構成された前記下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶のバルク内の前記上流側Ｉ型ＬＢＯ結晶からの出力を集束する第１の集束レンズを有する、請求項５に記載のＲＧＢ光源。
前記上流側及び下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶内で発生した緑色光の合計に等しい平均出力で蓄積ＲＰＢＢＳＭ緑色光を出力するように動作可能である出力コリメートユニットをさらに含み、前記出力コリメートユニットが、前記下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶内で変換されていないＲＰＢＢＳＭポンプビームに対して透明であり、高反射率ミラーが出力コリメータ内で前記蓄積ＢＢ緑色光を集束するように下流側集束レンズに前記蓄積ＢＢ緑色光を案内する出力経路に沿って前記蓄積ＲＰＢＢＳＭ緑色光を反射する波長識別器を含む、請求項６に記載のＲＧＢ光源。
前記上流側Ｉ型ＬＢＯ結晶から下流側に配置された複屈折デポラライザーをさらに含み、上流側及び下流側Ｉ型ＬＢＯ結晶のそれぞれからの前記ＲＰＢＢＳＭ緑色光が、互いに干渉することなく伝搬する、請求項６に記載のＲＧＢ光源。
前記緑色光の前記ＳＨＧがさらに、
平行平面内に延設する軸をそれぞれ有する、一対の上流側及び下流側の離隔されたＩＩ型ＬＢＯ結晶と、
第１及び第２のＩＩ型ＬＢＯ結晶のそれぞれから上流側に位置し、前記上流側及び下流側ＩＩ型ＬＢＯ結晶のそれぞれからのＲＰＢＢ緑色光間の干渉を防ぐように構成された上流側及び下流側１／２波長板と、
複屈折材料からなり、前記第１のＩＩ型ＬＢＯ結晶から上流側に配置されたウォークオフ補償平板であって、前記ウォークオフ補償平板が、特殊ポンプ波のウォークオフを、前記第１のＩＩ型ＬＢＯ結晶によって提供されるのと反対の方向に提供するように構成された、ウォークオフ補償平板と、
前記上流側及び下流側の第２のＩＩ型ＬＢＯ結晶内で発生した緑色光の合計に等しい平均出力を有する蓄積ＲＰＢＢ緑色光を出力するように動作可能な出力コリメートユニットであって、コリメートが、前記第２のＩＩ型ＬＢＯ結晶によって変換されていないＲＰＢＢＳＭポンプビームに対して透明であり、出力経路に沿って前記蓄積ＢＢ緑色光を反射する波長識別器で提供される、出力コリメートユニットと、を含む、請求項５に記載のＲＧＢ光源。
前記ＲＰＢＢＳＭ緑色光のＳＨＧがＩ型ＬＢＯ結晶を含み、複数パス周波数変換方式として動作するように構成され、複数パス周波数変換方式が、
変換されていないＲＰＢＢＳＭポンプ光及びＲＰＳＭＢＢ緑色光を受け取るための前方伝搬光経路に沿って、前記Ｉ型ＬＢＯ結晶の下流に配置された高反射率凹面反射器であって、前記高反射率凹面反射器が、前記変換されていないＲＰＳＭＢＢポンプ光をＲＰＳＭＢＢ緑色光に変換するための前記Ｉ型ＬＢＯ結晶を通る後方光伝搬光経路に沿って、受け取った光を反射して戻すように構成され、前記前方伝搬光経路及び前記後方伝搬光経路が前記Ｉ型ＬＢＯ結晶内で互いに交差しない、高反射率凹面反射器と、前記前方及び後方で変換された緑色光を受け取り、出力する緑色光コリメータと、を有して提供される、請求項５に記載のＲＧＢ光源。
前記ＲＰＢＢＳＭ緑色レーザーの前記ＳＨＧがさらに、ＩＩ型ＬＢＯ結晶から上流側に配置されたウォークオフ平板を含み、前記ＳＨＧが複数パス周波数変換方式として動作するように構成され、
変換されていないＲＰＳＭＢＢポンプ光及びＲＰＳＭＢＢ緑色光を受け取る前方伝搬光経路に沿って、前記ＩＩ型ＬＢＯ結晶から下流側に配置された高反射率凹面反射器であって、前記高反射率凹面反射器が、前記変換されていないＲＰＳＭＢＢポンプ光をＲＰＳＭＢＢ緑色光に変換するための前記ＩＩ型ＬＢＯ結晶を通して後方光伝搬光経路に沿って、受け取った光を反射して戻すように構成され、前記前方及び後方伝搬光経路が、前記ＩＩ型ＬＢＯ結晶内で互いに交差しない、高反射率凹面反射器と、前記前方及び後方に変換された緑色光を受け取り、出力する緑色光コリメータと、を含む、請求項５に記載のＲＧＢ光源。
前記ＲＰＢＢＳＭ赤色レーザーの前記ＱＣＷファイバーレーザーポンプが、単一ダイオードレーザー発振器及びＳＭイッテルビウム（Ｙｂ）出力増幅器ファイバーレーザーを含むＭＯＰＦＡ方式を有して構成され、前記ＱＣＷファイバーレーザーポンプが１０３０から１１２０ｎｍの波長でＳＭ内でパルス状のポンプ光を放出するように動作可能であり、
前記周波数変換器が、前記Ｙｂ出力増幅器の出力にスプライスされた単一パスＳＭファイバーラマン変換器として構成され、前記パルス状のポンプ光を案内するコア及び前記コアを取り囲むクラッディングを有し、
前記ラマン変換器が、前記パルス状のポンプ光の「ｎ」次周波数ストークスシフトを誘導して、１２２０から１３００の間で変動し、少なくとも１０ｎｍの広いスペクトル線を有する所望のラマンシフトされた波長で前記ポンプ光を出力し、「ｎ」が整数である、請求項１に記載のＲＧＢ光源。
前記ラマン変換器が、シリカクラッディング内のシリカコアまたはリン酸ガラスコアを有するＰＭファイバーを有して構成され、
前記シリカコアを有するラマン変換器が、前記ポンプ波長を前記所望のラマンシフトされた波長に変換するために３次または４次周波数ストークスを誘導するのに十分な長さを有し、
前記リン酸ガラスコアを有するラマン変換器が、前記ポンプ光のポンプ波長を前記所望のラマンシフトされた波長に変換するために１次周波数ストークスを誘導するのに十分な長さを有して構成された、請求項１２に記載のＲＧＢ光源。
前記単一パスＳＭラマン変換器に結合された前記所望のラマンシフトされた波長で光を放出するための、連続波（ＣＷ）方式で動作するシードをさらに含む、請求項１２に記載のＲＧＢ光源。
前記ポンプ光と、前記Ｙｂ出力増幅器ファイバーレーザーから上流側または下流側で前記所望のラマンシフトされた波長の光を多重化する波長分割多重化（ＷＤＭ）をさらに含む、請求項１４に記載のＲＧＢ光源。
前記単一パスラマン変換器が、５０から８０％の範囲の変換効率で動作し、前記ＲＧＢ光源の全ウォールプラグ効率が６から２０％の範囲で変動する、請求項１２に記載のＲＧＢ光源。
前記ＲＰＢＢＳＭ赤色レーザーの前記ＱＣＷファイバーレーザーポンプが、単一ダイオードレーザー発振器及び出力増幅器ファイバーレーザーを含むＭＯＰＦＡ方式をそれぞれ有するＹｂ及びエルビウム（Ｅｒ）ファイバーポンプ光源を有して構成され、前記ＱＣＷファイバーレーザーポンプが、１０ｘｘｎｍから１５ｘｘｎｍの波長でそれぞれＳＭ内で２つのポンプされたポンプ光を放出するように動作可能であり、
前記周波数変換器が、６ｘｘｎｍの波長範囲の赤色光を出力するためにＹｂ及びＥｒポンプ光の合計周波数を提供するＬＢＯ非線形結晶を有する複数パス変換方式として構成された、請求項１に記載のＲＧＢ光源。
前記緑色レーザー及び赤色レーザーのポンプが、ＳＭのみをサポートすることが可能であるＭＭ増幅媒体を有して構成された、請求項１に記載のＲＧＢ光源。