TWI556532B - 用於紅綠藍顯示器之寬頻紅光產生器 - Google Patents

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Description

用於紅綠藍顯示器之寬頻紅光產生器
本發明係關於一種基於一波長轉換方案之寬頻紅光產生器，其包含光纖拉曼(Raman)轉換器與第二諧波產生器之一組合，諸如三硼酸鋰非線性光學晶體(LBO)，其操作以產生具有至少約5奈米之一寬光譜線寬之紅光(其能夠減少雷射照明之數位顯示器上之散斑雜訊)。
術語表
如本發明中所使用，下文所列出術語具有下列各自含義：寬光譜線或寬頻係指在紅光之一5奈米至25奈米波長範圍及處於所要拉曼移位波長之紅外線輻射之至少10奈米內延伸的光譜線。
連續波(「CW」)雷射係指一種連續而非在短時間內發射輻射之雷射，如在一脈衝雷射中。
作用時間循環係指針對以規則間隔出現之脈衝之脈衝持續時間與脈衝重複頻率(PRF)的乘積。
二極體雷射係指一種經設計以使用受激發射來產生一同調光輸出之發光二極體。
增益係指一信號之強度、功率或脈衝能量之一增加，其係通過一放大器從一點傳輸至另一點。
增益媒體係指一種能夠產生光學增益之材料。
綠光係指大致495奈米至570奈米之一系列波長中之電磁輻射。
紅外線輻射(「IR」)係指電磁輻射，其特徵在於在約700奈米與10,000奈米之間之一真空波長。
雷射係用於藉由輻射之受激發射之光放大的一縮寫詞。一雷射係含有一增益媒體之一腔。
紅光通常為在大致對應於約610奈米與650奈米之間之一系列真空波長的一系列頻率中之電磁輻射。
橫模(Transverse Mode)描述跨光纖之光能量的分佈。
多模光纖係指具有經定尺寸以支援多個橫模之傳播之一核心的光纖。
非線性光學晶體係指三硼酸鋰非線性光學晶體(LBO)。
光學放大器係指一種使用一增益媒體(其藉由泵激輻射驅動)來放大一輸入光學信號之功率的裝置。
光學共振腔(「腔」)係指一種藉由兩個或更多個反射表面所定義之光學路徑，光可沿其往復或循環。
偏振保持(PM)光纖係指單模光纖，其經組態以如實保存並傳輸被投入至其中之光的偏振狀態。
偏振光係指其中單個橫向光波經對準彼此平行之光。
脈衝持續時間或脈衝寬度係指脈衝之前緣與後緣上之半功率點之間的時間間隔。
脈衝週期(T)係指在一系列兩個或更多個脈衝中之連續脈衝之等效點之間的時間。
脈衝重複頻率(PRF)係指每單位時間脈衝之重複速率。該PRF係與脈衝週期成反比。
準CW係指以一足夠高的重複率產生一脈衝連續，從而連續出現。
拉曼散射係指與在通過一光纖時散射之光之波長增加(或頻率縮 減)相關聯的非線性拉曼效應。
單模光纖係指具有經定尺寸以支援一單一橫模之傳播之核心的光纖。
拉曼光譜之斯托克斯(Stokes)級(斯托克)係指除歸因於拉曼散射之標準線外之出現在單色光之光譜中的不同輻射頻帶或拉曼線。
第二諧波產生(SHG)係指頻率轉換技術，其中處於波長λ之輸入光在傳播通過一非線性光學材料(諸如非線性晶體)時，產生處於一半波長λ/2(或兩倍的輸入光之光學頻率)的輸出光。
晶體之光譜接收係指光譜頻帶，在該光譜頻帶內觀察頻率轉換。
斯托克斯移位係指針對一特定螢光材料之激發與發射最大值之間的波長差。
可見輻射或光-對人眼可見之電磁光譜之部分，如在620奈米與650奈米之間之一波長範圍中的紅光。
散斑係指具有大量顏色之小的斑點或圖塊之痕跡。
散斑雜訊係指散斑之可見隨機強度型樣。
技術論述
亦通常被稱為紅光之610奈米至650奈米波長範圍(雖然嚴格而言，一620奈米波長左右的光並非一真正的紅色而為微紅橙色，而處於650奈米波長展示深紅色調)具有產業應用之一公平共用。例如，紅光被認為係對於種植蔬菜理想的。當前，紅光光源在顯示器產業中發現其最廣泛的應用，例如，紅綠藍(RGB)數位顯示器，其為針對本發明所特定關注的。
二極體雷射由於相當明亮且明確定義之可用顏色之範圍、其深度與飽和度而為用於RGB數位顯示器之最廣泛使用的雷射光光源。然而，紅光二極體之照明效率為低的。單個紅光二極體雷射之輸出功率 幾乎不超出1瓦，其對於符合許多產業雷射應用之要求而言簡直過低。
用於RGB顯示器之雷射光光源之出現係與二極體泵激固態雷射及在如下文隨即簡要揭示之非線性光學器件中確立的經改良非線性光學頻率轉換技術相關聯。
非線性光學器件
當光行進通過一透明媒體(類似玻璃)時，其以改變通過之光之一方式來與分子互相作用。當光強烈時，額外的效應被觀察到。此等之一者係一波長(或等效地，頻率)之光可被轉換至歸因於其與特定類型之透明材料之交互作用之一不同波長的光。此被稱為非線性頻率轉換。
非線性光學頻率轉換
在任何頻率轉換程序中，存在兩個主要因數，該等因數促成處於原始/基本頻率之光被轉換至新頻率的效率或量。第一因數係所使用透明媒體之固有效率。可運用許多不同類型之材料(但一些材料僅是比其他材料更為固有有效的)來達成頻率轉換。數個材料已被識別為具有一高非線性且通常被用在頻率轉換程序中，其包含此處所揭示之三硼酸鋰(「LBO」)非線性光學晶體。光學頻率轉換之一特定實例係第二諧波產生(SHG)，其組成所揭示標的之一部分。
返回至二極體泵激固體雷射，應注意，其等使用已導致具有超過10,000小時之二極體雷射壽命之有效且可靠的低等至中等功率(在紅色與藍色中至多為幾瓦，且在綠色中為十瓦)可見雷射光源。此等光源係基於釹(Nd)離子之各種線的SHG，且因此對基於1000奈米左右之最強Nd雷射轉變之SHG的綠光產生有效。然而，其對基於1300奈米轉變之SHG的紅光產生沒有如此有效。
繼其他產業後，顯示器產業近來已致力於光纖雷射，其可為強 大的、與溫度無關、比二極體雷射更加明亮且有效。然而，光纖雷射僅提供有限波長，在近1、1.5及2微米之中心波長周圍分別使用鐿(Yb)、鉺(Er)與銩(Tm)摻雜劑來調色，這明顯使光纖雷射不適於直接產生可見光(包含紅色)。
然而，光纖雷射已藉由利用非線性光學器件及其效應來實現用以產生可見波長的新光源。功率、光束品質、偏振及線寬性質使光纖雷射成為用於藉由非線性光學晶體之頻率轉換的理想光源。對於至綠色之高功率轉換，使用LBO非線性晶體之Yb光纖雷射之SHG已產生數百瓦及甚至千瓦平均功率綠色繞射有限輸出。在同在申請中之美國專利申請案61923793中揭示後者，該申請案與本申請案一起被相同受讓人擁有且以引用的方式完全併入本文中。但是，SHG其自身不足以產生紅光。
一種光纖中之拉曼波長移位的技術原則上可產生處於任何波長的光學放大，其中用來製造光纖之玻璃材料係透明的。拉曼波長移位係(非令人驚訝地)基於拉曼非線性效應，其揭示於US2011/0268140中，該案之全部內容以引用的方式併入本文中，且與本發明一起被相同受讓人共同擁有。下列係對此現象之一簡要說明。
拉曼效應
當強烈的雷射光被耦合至一光纖中時，其產生歸因於受激拉曼散射之一第二、更長波長。此拉曼散射光其自身可經歷拉曼散射。若光纖係足夠長的，則程序級聯以產生數個波長或斯托克斯級。
多級拉曼散射(SRS)產生(其中初始波長之第i個斯托克斯級充當用於第(i+1)個斯托克斯級之產生的一泵)被用作一級聯波長拉曼轉換器(從較短波長至較長波長)，用於實現一明顯的波長移位。相應地，拉曼轉換器可產生輸出波長，其可能不可從其他類型之雷射光源得到。例如，運用標準偏振保持、單模市售光纖來獲得圖1中之資料。 藉由耦合至光纖中之一1060奈米泵束所產生的前三個(3)斯托克斯波係約：1.1114奈米、2.1170奈米、3.1232奈米。
在過去，為使用非線性晶體將拉曼斯托克斯級有效地轉換成可見波長，所要拉曼斯托克斯波具有一窄光譜線。然而，如圖1中所見，拉曼光譜之峰值在第一斯托克斯處係約10奈米寬且在後繼斯托克斯處更寬。對於非線性光學晶體中之一1220奈米至1300奈米波長範圍內之第三斯托克斯級處IR光的有效轉換，此一寬光譜線視為不可接受寬的，此係因為1220奈米至1300奈米波長範圍內之第三斯托克斯級處IR光具有上文所識別拉曼移位波長範圍內之一窄光譜接收範圍。已知用於窄化拉曼光譜之數種技術。
然而，窄拉曼光譜(特別地，在與許多非線性晶體之光譜接收範圍組合之1220奈米至1280奈米波長範圍中)對於如下文所說明之一散斑雜訊為非常低效的。
散斑雜訊
在雷射照明期間，強干涉出現，其以雷射光與顯示器之表面構形之高同調性產生，其係藉由降級影像之複數個散斑表明。藉由多個散斑所定義之一型樣係光學產生器中之雜訊的一基本來源，且散斑雜訊之抑制在視訊顯示器產業中係極為重要的。
存在允許散斑縮減之數種已知技術。一種技術係使用不同波長之互相非同調雷射光源。由於針對不同波長之散斑型樣係無關聯的，故此達成一些散斑縮減。另一技術係基於偏振之變動。此技術可為對於照明光學產生器之有限設計而言實用的且通常為低效率的。又另一技術包含使用可移位擴散元件，其產生無關聯散斑型樣。
又一技術(其與所揭示標的高度相關)係基於具有增加線寬之雷射光源。由於散斑歸因於雷射輻射之高度同調性質而出現，故使用具有減少同調性之光源(諸如直接發射綠色雷射二極體)係實用的。然而， 已知此等二極體雷射具有一窄光譜線寬，其不足以將散斑減少至可接收位準。應注意，現今可用之最明亮且最具功率效率的綠色雷射係倍頻的，其中光譜線寬不超過0.1奈米至0.2奈米。
以引用方式完全併入本文中之US 8,786,940揭示一種裝置，其為所有原色(包含紅色)而藉由使用一光纖中之受激拉曼散射來減少雷射散斑。所揭示裝置經組態成具有基於一Q切換式、倍頻摻釹釔鋰氟化物或摻釹釔鋁石榴石雷射之一紅光光源，其輸出一532奈米波長左右的脈衝綠光。該脈衝綠光被耦合至一MM光纖中，其中其經歷轉換至進一步光學濾除之黃色、橙色及紅色的受激拉曼散射。然而，併入所揭示裝置之實驗並非特別鼓舞人心的，主要因為MM光纖以相對低的功率位準迅速降級。
拉曼散射亦被揭示在教示一黃光光纖光源之WO 2013/175387中。該光源經組態成具有發射處於一第一波長之泵光之一窄光譜線寬Yb脈衝光纖雷射光源，該泵光被耦合至一Yb光纖放大器中。另一窄線CW晶種雷射發射處於一目標波長之一信號光，其亦被耦合至Yb光纖放大器中。耦合至Yb放大器中之泵光被轉換至處於一單一拉曼移位目標波長或第一斯托克斯級之信號光。接著，處於拉曼移位目標波長之經放大的光被入射在產生黃光之一非線性晶體上。
上文所論述之光源具有少許限制。第一，所教示光源經自訂以具有具一窄線寬之輸出，其係藉由各自提供窄線泵與拉曼晶種光源來實現。第二，晶體具有處於經選擇拉曼移位波長之一窄接收光譜線寬？2-讀取申請案；3-Lesha說此為無意義的。若此光源用來照明一顯示器，則所有上述內容將展現此參考之黃光光源對於最小化散斑雜訊為低效率的。
因此，需要一種利用SRS以具有一功率有效、精巧、可靠且具成本效率之結構的紅光光纖雷射光源。
又需要一種紅光光纖雷射光源，其能夠輸出具有一足夠寬的光譜線之紅光以顯著減少出現(例如)在一雷射照明數位顯示器上之散斑雜訊的不利效應。
本發明之基本目的係產生一種紅色雷射光束，其具有足以最小化照明數位顯示器上之散斑雜訊的一寬光譜線。此係藉由基於兩個主要前提之所揭示光纖紅光產生器而獲得：1.拉曼轉換器發射於一拉曼光纖中處於一1220奈米至1300奈米發射波長範圍中之所要拉曼移位波長、具有之至多25奈米的一寬光譜線之光；及2.藉由一LBO非線性晶體對處於上文所識別發射光譜內之所要拉曼移位波長之寬光譜線的光譜接收，以產生一610至650波長範圍內、具有超過5奈米之一光譜線寬的紅光。操作以輸出高功率繞射限制寬頻紅光之所揭示光源的實用實施方案係在下文簡要揭示之數項實施例中實現。
根據實施例之一者，所揭示產生器之基本佈局係基於一單行程拉曼轉換器且包含產生一1030奈米至1120奈米波長範圍中之一泵束的一寬頻脈衝光纖雷射光源及Yb光纖放大器。脈衝束被進一步耦合至一單行程拉曼移位器中，其將泵束轉換至處於所要拉曼移位波長之一脈衝束。該所要拉曼移位波長在約1220奈米與1300奈米之間變化且具有至少10奈米之一寬發射光譜線。接著，信號束被聚焦在操作作為一第二諧波產生器(SHG)之一LBO上，該產生器具有涵蓋處於所要拉曼移位波長之泵光之發射光譜線的一光譜接收。在LBO中產生之紅光亦具有至少5奈米之一寬光譜線，其足以在相當大的程度上最小化照明螢幕上之散斑雜訊。
所揭示單行程拉曼轉換器之操作取決於光纖組態。根據一組態，光纖具有一矽石玻璃覆層中之一磷酸鹽玻璃核心。此組態允許處於第一波長之泵束至處於所要拉曼移位波長之光的一斯托克轉換。以 替代性組態，拉曼轉換器具有一矽石覆層中之一矽石玻璃核心(具有可行的磷酸鹽摻雜劑)。在此處，成為信號束之所要拉曼移位頻率之轉換出現在泵光之第三(3)斯托克斯級。
所揭示紅光產生器之又一實施例包含一多行程拉曼轉換器，即，如US2011/0268140中所揭示之一拉曼雷射。可藉由下列結構實現此實施例。
根據此實施例之可行組態之一者包含具有操作以發射處於在一波長1030奈米至1120奈米範圍內選擇之所要泵波長的一寬光譜線泵光束之一MOPFA架構的一脈衝雷射光源，該泵光束被耦合至一拉曼雷射中。拉曼雷射包含具有一共振腔之一矽石核心/覆層光纖，其具有多個反射器，其中最多的上游及下游反射器定義一共振腔。輸出反射器係對處於來自共振腔之泵束之所要拉曼移位頻率的輸出信號光至少部分透射，該輸出信號光接著被耦合至處於一1220奈米至1300奈米波長範圍中之一波長的LBO中。SH產生器(包含一LBO非線性晶體)接收處於所要拉曼移位波長之泵束且產生具有足以最小化照明顯示器上之散斑雜訊之一足夠寬的光譜線寬之紅光。
以各自具有一皮秒至奈秒範圍中之一脈衝寬度的短脈衝發射泵束。此組態之操作係基於一同步泵拉曼雷射方案。明確言之，此方案操作，使得共振拉曼轉換光脈衝之往返時間匹配泵束重複率，使得處於拉曼移位波長之每一後繼信號光脈衝係與拉曼轉換器中之一各自泵光脈衝時間及空間地一致。
另一結構組態使用一法布裡-珀羅脈衝雷射，其輸出各自具有一微秒及更長範圍中之一寬帶的長泵光脈衝。接著，泵光脈衝被耦合至拉曼雷射中，拉曼雷射經組態以發射處於一1220奈米至1300奈米波長中之所要拉曼移位波長且具有一寬光譜線的信號脈衝。接收拉曼移位光之LBO產生脈衝紅光。與先前所揭示同步泵激方案相比而言，由於 泵光脈衝之寬度實質上長於拉曼雷射之共振腔中之光脈衝的往返，故此組態並非同時發生。
10‧‧‧紅光產生器
12‧‧‧紅外線輻射(IR)泵光源
14‧‧‧單行程拉曼轉換器
16‧‧‧標準三硼酸鋰(LBO)非線性晶體
18‧‧‧可調諧泵晶種/主控振盪器
20‧‧‧前置放大級
22‧‧‧鐿(Yb)光纖雷射放大器或增壓器
26‧‧‧光纖波長分多工(WDM)
28‧‧‧寬頻單模(SM)拉曼晶種
30‧‧‧偏振保持(PM)摻鐿矽石光纖
32‧‧‧被動光纖
34‧‧‧被動光纖
38‧‧‧MM核心
42‧‧‧模式轉換區域
44‧‧‧模式轉換區域
50‧‧‧摻稀土光纖雷射
52‧‧‧高反射率光纖布拉格光柵或反射器
54‧‧‧低反射率輸出反射器或耦合器
56‧‧‧脈衝鐿光纖雷射
58‧‧‧直接調變半導體雷射泵
結合圖式，從下列特定描述將更容易地明白本發明之上述及其他特徵，其中：圖1係一拉曼移位泵光之一拉曼光譜。
圖2繪示所揭示寬線紅光產生器之一基本佈局。
圖3繪示憑藉圖2之組態所獲得之一拉曼光譜的3斯托克斯。
圖4繪示圖2之紅光產生器之修改。
圖5繪示用在圖2與圖4中所展示方案中之一增壓器放大級的組態。
圖6繪示藉由圖4之示意圖之IR泵光源所產生的拉曼光譜。
圖7繪示經組態成具有一拉曼光纖雷射與一直接調變QCW IR泵光源的紅光產生器。
圖8繪示具有一拉曼光纖雷射及具一MOPFA組態之一QCW IR泵光源的紅光產生器。
藉由介紹，本發明之實施例係關於一種新穎的寬光譜線紅光產生器及用於發射610奈米至650奈米(nm)範圍中之高功率、寬線寬、單模(SM)雷射脈衝的方法。一寬線脈衝SM IR光纖雷射光源經組態以發射泵激一SM拉曼光纖轉換器的一系列脈衝，該轉換器導致產生1220奈米與1300奈米之間之一波長範圍中之拉曼移位IR光之IR能量的有效拉曼轉換。選自拉曼移位波長範圍之所要波長具有在10奈米與25奈米之間變化之一寬光譜線寬，其中上限通常甚至更高。處於拉曼移位波長之IR光被耦合至一單行程第二諧波產生器中，該產生器包含產生一610奈米至650奈米波長範圍、具有約5奈米及更寬之一光譜線之SM紅 光脈衝光之一標準LBO非線性晶體。
所揭示之紅光產生器係利用一標準LBO晶體之一獨特結構，其光譜接收係寬的，以接收處於一1210奈米至1250奈米範圍內之所要拉曼移位波長之IR光之10奈米至25奈米線寬之一主要片段，且能夠以所揭示之紅光波長範圍內之約10%的整體器件插座效率操作。具有一千瓦級峰值功率與寬光譜線寬之SM紅光束對於照明一數位顯示器同時有效地最小化散斑雜訊係特別有用的。
現在參考圖式，圖2繪示基於一諧波產生方案之所揭示紅光產生器10的基本佈局，其包含與一標準LBO非線性晶體16組合之一單行程拉曼轉換器14。IR泵光源12藉由輸出處於選自一1030奈米至1120奈米波長範圍之一泵波長的IR脈衝光來定義拉曼增益的時間特性，且在此實施例中具有一MOPFA組態。特定言之，IR光源12包含經組態作為具有一偏振保持(PM)光纖尾纖之一寬光譜線SM二極體雷射18之一可調諧泵晶種/主控振盪器18，其操作以發射一皮秒-奈秒(ps-ns)脈衝寬度範圍中之一系列脈衝。接著，脈衝泵光被耦合至一Yb光纖雷射放大器或增壓器22中，Yb光纖雷射放大器或增壓器22經組態以提高脈衝泵光直至處於所要IR泵波長之一多千瓦峰值功率位準。可選擇地，IR泵雷射光源可包含一或多個前置放大級20，各前置放大級20經組態成具有一摻Yb PM光纖，且在泵晶種信號被耦合至功率放大器或增壓器22中之前逐漸放大該信號。放大級各包含經組態成具有圍封一摻Yb主動光纖之一外殼之一增益區塊，該光纖在其對立端接合至可終止於外殼外之各自SM PM被動光纖。放大器20與放大器22之泵包含操作於一CW狀態(regime)之各別一或多個二極體雷射模組。
寬線寬紅光產生器10經組態成具有操作在一QCW狀態之IR泵光源12，其係藉由為設定脈衝將泵晶種光源18之輸出端耦合至一分開的電光強度調變器或為設定一脈衝寬度直接調變雷射二極體而提供。輸 出處於一1至100兆赫茲頻率範圍中之一重複率、選自一1030奈米至1120奈米範圍之波長且具有一皮秒-奈秒範圍中之一脈衝的脈衝泵光。前置放大器20經組態以在功率放大器將脈衝泵光之平均功率提高至約200瓦及更高之前，輸出處於約1W之一平均功率的脈衝光。拉曼轉換器可包含具有一多微米核心直徑之一多米長非線性被動光纖。在圖2之示意圖中，輸出IR泵功率之約50%至80%可取決於晶種18之泵波長而被轉換至處於約1230奈米波長的第三或第四斯托克斯級。處於1230拉曼移位波長之SM脈衝光在於20毫米長的LBO 16中為倍頻之後，產生圖3中所展示之可見光譜，其具有約615奈米之一中心波長及5奈米以上之一光譜頻寬，其足以實質上最小化散斑雜訊。
紅光產生器10的功率比例調整之關鍵之一者在於所有主動與被動大模式面積光纖之增加的核心尺寸。例如，核心尺寸可為20微米，其將允許以15至20千瓦IR峰值功率或更大功率產生一乾淨的拉曼光譜。如一般技術者容易地認識到，增加的IR峰值功率在相當大的程度上增加轉換效率。對於所提出之大模式面積光纖，從1060奈米至615奈米之轉換效率可接近25%。
紅光產生器10之功率比例調整之又另一方法包含藉由控制IR泵光源之作用時間循環來增加平均功率。特定言之，泵晶種18之重複率可被增加並調高泵功率，保持峰值功率恆定。
圖4繪示圖2中所展示寬線紅光產生器之一修改。類似於基本佈局，紅光產生器10經組態成具有主控振盪器18，主控振盪器18之輸出經調變以產生一1030奈米至1120奈米波長範圍中之一系列脈衝。一或多個前置放大及增壓器級聯各經組態成具有一摻Yb光纖，藉由操作在一CW狀態之一雷射二極體泵來泵激該光纖。放大器20與放大器22循序增加被進一步耦合至拉曼轉換器14中之脈衝泵光的功率，其中該泵光被有效地轉換至循序斯托克斯級，其中第三斯托克斯級為所要 1220奈米至1300奈米波長範圍及一寬光譜線寬。包含一LBO晶體之單行程SH產生器16經組態成具有處於所要拉曼移位波長之一寬光譜接收，該光譜接收涵蓋所要拉曼移位波長範圍內之IR光之光譜線寬的至少一主要部分。
在所要1220奈米至1300奈米拉曼移位波長範圍中之IR光之線寬可能不管LBO之寬頻光譜接收範圍而仍為過分寬的且不利地影響轉換效率。在此情況中，可藉由根據來自操作在一CW狀態之一寬頻SM拉曼晶種28、處於一波長的光泵激單行程拉曼轉換器來窄化第三斯托克斯級，該波長選自第二斯托克斯級之一波長頻帶。通過這樣做，藉由受激拉曼散射放大第二斯托克，其減少此斯托克之線寬。因此，3斯托克之線寬變窄。在此示意圖中，時間特性係藉由泵晶種18進行判定，而處於拉曼移位波長之光之光譜性質係藉由CW拉曼晶種28進行判定。相應地，拉曼晶種之SM輸出之波長與線寬可被自訂為所要1220奈米至1300奈米波長範圍內的一特定線寬。
圖5繪示經組態作為一光纖或增益區塊之增壓器22，其包含圍封輸入與輸出相等尺寸之SM PM被動光纖32及34的一外殼(未展示)，該等光纖被接合至PM摻Yb矽石光纖30之各自對立端。PM摻Yb矽石光纖30具有一MM核心38，其能夠支援處於泵波長之一SM且包含對立的均勻尺寸之核心端，其經組態使得一基本模式(FM)之一MFD匹配藉由各自SM光纖32與SM光纖34導引之SM泵光的一MFD。MM核心38之各自SM與FM之匹配MFD直徑及各自絕熱膨脹與窄化模式轉換區域42、44提供僅一FM之激發與支援。
CW SM拉曼晶種28可經組態作為一寬頻法布裡-珀羅光纖或二極體雷射、分佈式布拉格反射器(DBR)或分佈式回饋雷射(DFB)或處於中間斯托克斯之波長穩定的雷射晶種拉曼轉換器14。特定言之，拉曼晶種28發射處於一拉曼移位波長之光，該波長選自拉曼轉換器14之2 斯托克斯級之一1130奈米至1175奈米波長範圍中。各自泵與拉曼晶種光源之輸出被組合在一光纖WDM 26中，光纖WDM 26較佳(但非必要)定位於增壓器22之上游，其僅將處於1064奈米波長之泵晶種光放大至約20至30瓦平均功率及5至10千瓦峰值功率。在圖6中繪示具有約25奈米之3斯托克之線寬的拉曼光譜。
單行程拉曼轉換器14經組態成具有以一高的50%至80%拉曼轉換效率操作之大於5米(例如，30至100米長)SM PM被動光纖，在此實例中，其轉化為處於所要1230奈米波長之至多6千瓦峰值功率拉曼移位光。LBO 16經定尺寸為以約35%至50% SHG效率操作之40毫米長、5毫米寬及3毫米厚的I型晶體。處於約615奈米波長之SM紅光之平均功率係在一45至110瓦範圍內，而其峰值功率在1.1千瓦與2.8千瓦之間變化。
基於一單行程拉曼轉換器與LBO SHG波長轉換方案的寬頻紅光產生器之上文所揭示組態之二者將一SM PM矽石核心被動非線性光纖用於所揭示拉曼轉換器。然而，矽石基光纖並非產生一1220奈米至1300奈米範圍中之IR光的唯一選擇。矽石光纖之一可行替代品包含使用具有一磷酸鹽玻璃核心之光纖，該等光纖產生比一標準矽石核心光纖之一實質上更寬的1斯托克斯級。事實上寬得多的所要1220至1300拉曼移位波長頻帶被第一斯托克涵蓋。
在圖7與圖8中繪示闡釋一級聯拉曼光纖雷射之又一實施例。此實施例之原理係使用一系列拉曼斯托克斯移位來將一摻稀土光纖雷射50之輸出波長轉換至所要求紅光輸出波長。按照慣例，透過使用一級聯拉曼共振器而執行兩個或更多個斯托克斯移位內之波長轉換。級聯拉曼共振器包含以高反射率光纖布拉格光柵或反射器52製成、處於中間波長之各者之嵌套腔。共振器中之每一中間波長經選擇以靠近先於其之波長之拉曼增益的峰值。一低反射率輸出反射器或耦合器54終止 選自波長之1220奈米至1330奈米範圍之波長轉換。
明確參考圖7，所揭示紅光產生器包含具有直接調變半導體雷射泵58之一寬頻QCW IR泵光源，直接調變半導體雷射泵58係藉由一外部電氣脈衝產生器實現。處於所要泵波長之泵光被耦合至脈衝Yb光纖雷射56之一腔中，脈衝Yb光纖雷射56被定義在一高反射器(HR)與低反射器(LR)之間。與以上文所揭示組態使用之所有光纖相比而言，摻Yb光纖雷射可或可不為一PM光纖。IR光源操作以輸出處於所要泵波長之長微秒脈衝。
泵光被進一步耦合至配備多個HR與下游LR之一多級聯SM LP拉曼雷射50中，多級聯SM LP拉曼雷射50提供三個斯托克斯之產生，其中處於所要拉曼移位波長範圍之第3斯托克，耦合脫離具有或不具有LR 54之腔。從拉曼雷射50發射之拉曼移位泵光之特徵在於藉由LBO 16光譜接收之一寬光譜線，LBO 16操作以產生具有一1220奈米至1300奈米波長範圍中之至少約5奈米之一寬光譜線寬的SM紅光。
圖8繪示經組態成具有一MOPFA組態之IR泵光源，其具有晶種18及一或多個放大級22。增壓器級係基於如圖5中所展示之相同光纖組態。其餘組件對應於圖4之產生器10之各自組件且包含寬頻拉曼晶種26及WDM 28。拉曼雷射被同步泵激。在WDM 28中組合處於所要泵波長之經放大泵光與來自拉曼晶種26、以所要拉曼移位波長(其選自一1220奈米至1300奈米波長範圍)產生之光。接著，經放大泵光與拉曼移位光被耦合至拉曼雷射50中。處於拉曼移位波長之光係在SHG LBO中被轉換至所要寬頻紅光。
可輕易利用上文所揭示寬光譜線光產生器之基本平台以產生綠色、黃色、橙色「589奈米」及長紅光。如圖2、圖4、圖5與圖7至圖8中所展示，平台包含處於一1030奈米至1070奈米範圍之一IR QCW雷射光源、經組態成具有所揭示單行程拉曼轉換器及LBO SHG波長轉 換方案之寬頻光產生器。一特定顏色之產生取決於何種斯托克級最後在拉曼轉換器中進行轉換。明顯地，第一斯托克產生綠光。產生之第二斯托克有必要輸出黃色與橙色及一特定基本波長(例如，1064奈米)。第四與甚至第五斯托克斯幫助將經轉換光之波長延伸至長紅光波長範圍。無關於輸出顏色，輸出光之線寬為至少1奈米，從而不僅可成功地用在雷射照明顯示器產業中，而且可用在許多其他產業(例如，其包含標記)中。
已參考隨附圖式描述本發明之實施例，應瞭解本發明並不限於其等精確實施例，且應瞭解可藉由熟悉此項技術者而在其中實現各種改變、修改及調適，而不背離如隨附申請專利範圍中所定義之本發明之範疇或精神。
10‧‧‧紅光產生器
14‧‧‧單行程拉曼轉換器
16‧‧‧標準三硼酸鋰(LBO)非線性晶體
18‧‧‧可調諧泵晶種/主控振盪器
20‧‧‧前置放大級
22‧‧‧鐿(Yb)光纖雷射放大器或增壓器
26‧‧‧光纖波長分多工(WDM)
28‧‧‧寬頻單模(SM)拉曼晶種

Claims (24)

  1. 一種寬線紅光產生器(用於一RGB顯示器)，其包括：一單模(SM)脈衝鐿(「Yb」)光纖雷射泵光源，其經組態以發射在一基本模式(「FM」)中、處於選自一1030奈米至1120奈米波長範圍之一泵波長的泵光；一單行程SM光纖拉曼轉換器，其被接合至該Yb光纖雷射泵光源之一輸出端，且具有導引該脈衝泵光之一核心，及圍繞該核心之一覆層，其中該拉曼轉換器包含該脈衝泵光之一「n」級頻率斯托克斯移位，以輸出處於一所要拉曼移位波長之該泵光，該波長在1220與1300之間變化且具有至少10奈米之一寬光譜線，其中「n」係一整數；及一第二諧波產生器(「SHG」)，其包含一三硼酸鋰(「LBO」)非線性光學晶體，該晶體接收處於該拉曼移位波長之該泵光，且具有足以涵蓋該泵光之該寬光譜線之一光譜接收線寬，其中該SHG產生處於一半之該所要拉曼移位波長、具有至少5奈米之一寬光譜線之一SM脈衝寬線紅光。
  2. 如請求項1之寬線紅光產生器，其中該SM Yb雷射泵光源與單行程SM光纖拉曼轉換器各經組態成具有一PM光纖，該PM光纖具有一矽石覆層中之一矽石核心。
  3. 如請求項2之寬線紅光產生器，其中該單行程SM拉曼轉換器經組態成具有足以引發一第三或第四級頻率斯托克斯之一長度，以將該泵光之該泵波長轉換至該所要拉曼移位波長。
  4. 如請求項1之寬線紅光產生器，其中該單行程SM光纖拉曼轉換器包含一矽石覆層中之一磷酸鹽玻璃核心。
  5. 如請求項4之寬線紅光產生器，其中該單行程SM拉曼轉換器經組 態成具有足以引發一第一級頻率斯托克之一長度，以將該泵光之該泵波長轉換至該所要拉曼移位波長。
  6. 如請求項1之寬線紅光產生器，其中該Yb光纖雷射光源經組態成具有一主控振盪器功率放大器(MOPFA)方案，該方案包含一法布裡-珀羅二極體雷射或分佈式布拉格反射器(DBR)或分佈式回饋雷射(DFB)或具有發射處於該泵波長之該泵束之一偏振保持(PM)光纖尾纖之波長穩定的雷射二極體及一PM光纖增壓器，該光纖增壓器經組態以輸出具有數千瓦(kW)之一峰值功率的該脈衝泵光。
  7. 如請求項6之寬線紅光產生器，其中該PM增壓器包含一PM摻Yb主動光纖，其具有一MM核心，其經組態成具有一雙瓶頸形截面，且經定尺寸以支援處於該泵波長之該SFM，一PM SM輸入被動光纖，其具有導引該泵光之一SM之一核心，各自被動且摻Yb核心之該等核心具有彼此接合的各自端對接，以提供至在其中激發該FM之該摻Yb光纖之該MM核心之一核心端之該SM的耦合，該PM SM輸入被動光纖之該核心與該摻Yb光纖之該核心端經組態，使得各自SM與FM之模式場直徑(「MFD」)實質上彼此匹配。
  8. 如請求項6之寬線紅光產生器，進一步包括一拉曼光晶種光源，該光源操作於一連續波(CW)狀態以發射處於該所要拉曼移位波長之該光，該光被耦合至該單行程SM拉曼轉換器中。
  9. 如請求項8之寬線紅光產生器，進一步包括一波長分多工(WDM)，其多工來自該PM光纖增壓器上游或來自該PM光纖增壓器下游的該泵光及處於該所要拉曼移位波長的光。
  10. 如請求項2之寬線紅光產生器，其中該單行程拉曼轉換器以一50%至80%範圍內之一轉換效率操作，且該產生器之整體插座效 率在一6%至10%範圍內變化。
  11. 如請求項1之寬線紅光產生器，其中具有至少5奈米之一寬光譜線之該所要拉曼移位波長足以實質上減少照明該RGB顯示器上的散斑雜訊。
  12. 一種寬線紅光產生器(用於一RGB顯示器)，其包括：一單模(SM)脈衝鐿(「Yb」)光纖雷射泵光源，其發射在一基本模式(「SFM」)中、處於約1030奈米與約1120奈米之間之一泵波長的泵光；一SM光纖拉曼雷射，其經接合至該Yb光纖雷射泵光源之一輸出端，且具有導引該脈衝泵光之一核心，及圍繞該核心之一覆層，其中該拉曼雷射引發該脈衝泵光之一「n」級頻率斯托克斯移位，以輸出處於一所要拉曼移位波長之脈衝泵光，該波長在1220奈米與1300奈米之間變化且具有至少一15奈米線寬之一寬光譜線，其中n係一整數；及一三硼酸鋰(「LBO」)非線性光學晶體，其接收處於該所要拉曼移位波長之該泵光，且具有足以涵蓋該輸出泵光之該寬光譜線之一光譜接收頻寬，以產生處於一半的該所要拉曼移位波長之一SM脈衝寬線紅光，其中該紅光具有至少5奈米之一寬光譜線。
  13. 如請求項12之寬線紅光產生器，其中該SM光纖拉曼雷射經組態成具有一矽石覆層中之一矽石核心，複數個經隔開之反射器被寫入定義一共振腔之該矽石核心中。
  14. 如請求項13之寬線紅光產生器，其中該SM拉曼雷射包含五個高反射率布拉格光柵。
  15. 如請求項14之寬線紅光產生器，其中該拉曼雷射經組態成具有 或不具有一輸出低反射率布拉格光柵，該光柵對處於該所要拉曼移位波長之該泵光透明。
  16. 如請求項13之寬線紅光產生器，其中該Yb光纖雷射光源經組態成具有一主控振盪器功率放大器(MOPFA)方案，該方案包含一法布裡-珀羅二極體雷射、DBF、DBR，或具有一偏振保持(PM)光纖尾纖之波長穩定及一PM光纖增壓器，該光纖增壓器經組態以輸出具有數千瓦(kW)之一峰值功率之該脈衝泵光。
  17. 如請求項16之寬線紅光產生器，其中該共振腔中之處於該所要拉曼移位波長之每一信號光脈衝之一往返時間匹配一泵束重複率，使得處於該所要拉曼移位波長之每一後繼信號光脈衝係與經耦合至該拉曼雷射中之該泵光脈衝時間地且空間地一致。
  18. 如請求項13之寬線紅光產生器，其中該Yb光纖雷射光源包含一脈衝法布裡-珀羅雷射，其經組態以輸出各自具有一微秒範圍之持續時間的一系列泵脈衝。
  19. 一種寬線紅光產生器(用於一RGB顯示器)，其包括：一單模(SM)脈衝鐿(「Yb」)光纖雷射泵光源，其發射在一基本模式(「SFM」)中、處於一1030奈米至1120奈米範圍中之一泵波長的泵光；一SM光纖拉曼轉換器，其經接合至該Yb光纖雷射泵光源之一輸出端，且具有導引該脈衝泵光之一核心及圍繞該核心之一覆層，其中該拉曼轉換器引發該脈衝泵光之一「n」級頻率斯托克斯移位，以輸出處於一所要拉曼移位波長的信號光，該波長在1220與1300之間變化，且具有至少一15奈米線寬之一寬光譜線，其中n係一整數；及一三硼酸鋰(「LBO」)非線性光學晶體，其接收處於該拉曼移 位之該信號光，且具有足以涵蓋該泵光之該寬光譜線之一光譜接收頻寬，以產生處於一半之該所要拉曼移位波長之一SM脈衝寬線紅光，其中該紅光具有至少5奈米之一寬光譜線。
  20. 如請求項19之寬線紅光產生器，其中該拉曼轉換器係一單行程拉曼移位器或一拉曼雷射。
  21. 如請求項19之寬線紅光產生器，進一步包括：一拉曼光晶種，其選自一法布裡-珀羅拉曼光纖雷射或法布裡-珀羅二極體或DBF或DBR或波長穩定的雷射，且操作以發射處於該所要拉曼移位波長的脈衝信號光；及一WDM，其位於距該拉曼轉換器之上游，且經組態以多工處於各自泵及拉曼移位波長之該等泵及信號光脈衝。
  22. 如請求項19之寬線紅光產生器，其中具有至少5奈米之一寬光譜線之該所要拉曼移位波長足以實質上減少照明該RGB顯示器上的散斑雜訊。
  23. 一種寬線光產生器(用於一RGB顯示器)，其包括：一單模(SM)脈衝鐿(「Yb」)光纖雷射泵光源，其經組態以發射在一基本模式(「SFM」)中、處於選自一1030奈米至1120奈米波長範圍之一泵波長的泵光；一單行程SM光纖拉曼轉換器，其經接合至該Yb光纖雷射泵光源之一輸出端，且具有導引該脈衝泵光之一核心及圍繞該核心之一覆層，其中該拉曼轉換器引發該脈衝泵光之一「n」級頻率斯托克斯移位，以輸出處於一所要拉曼移位波長之該泵光，其中該「n」級係選自由第一、第二、第三、第四及第五斯托克斯級組成之群組；及一第二諧波產生器(「SHG」)，其包含一三硼酸鋰(「LBO」) 非線性光學晶體，該晶體接收處於該拉曼移位波長之該泵光，且具有足以涵蓋該泵光之該寬光譜線之一光譜接收線寬，其中該SHG產生處於一半之該所要拉曼移位波長、具有至少1奈米之一寬光譜線之一SM脈衝寬線光。
  24. 如請求項23之寬線產生器，其中該寬線光係選自由綠色、黃色、橙色、紅色及此等之一組合組成的群組。
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