ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКТОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИНЕГО ДИАПАЗОНА ВИДИМОГО СПЕКТРА ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ПРОЕКТОРА Российский патент 2005 года по МПК H01S3/947 

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к лазерным устройствам, предназначенным для проекции изображений на экраны.

Лазерные устройства для проекции изображений на экраны, используются, например, в тренажерах или других системах для воспроизведения виртуальной реальности. Использование лазеров позволяет получать изображения с высокой яркостью и контрастностью на экранах большой площади. Для формирования полноцветных изображений в таких проекторах обычно используют три одноцветных лазера, формирующих соответственно три основных цвета, излучение которых проецируется на общий экран. В качестве основных цветов обычно используют красный цвет с длиной волны в диапазоне 0,62-0,63 мкм, зеленый цвет с длиной волны в диапазоне 0,52-0,56 мкм и синий цвет с длиной волны в диапазоне 0,44-0,48 мкм. Известны многочисленные типы лазеров, позволяющие формировать излучение в указанных диапазонах длин волн с достаточной для лазерного проектора мощностью.

Серьезной проблемой, требующей решения при создании лазерного проекционного устройства, является возникновение спеклов в формируемых лазерами изображениях. Спеклы представляют собой пятнистые структуры в изображении, существенно ухудшающие его зрительное восприятие и приводящие к быстрому утомлению зрения при его наблюдении. Их возникновение обусловлено интерференционными эффектами, возникающими при рассеянии когерентного света лазера, имеющего узкую спектральную линию излучения, на диффузных поверхностях проекционных экранов. При использовании в лазерных проекторах таких распространенных типов лазеров как газовые лазеры, лазеры на парах металлов и твердотельные лазеры, которые характеризуются малой шириной спектральной линии излучения, спеклы приводят к резкому ухудшению качества изображения. Вследствие этого при использовании указанных типов лазеров в лазерных проекторах приходится принимать специальные меры по подавлению спеклов, что приводит к усложнению этих устройств и повышению их стоимости.

С другой стороны, известно, что лазеры на растворах органических красителей с оптической накачкой характеризуются достаточно большой шириной спектра излучения, намного превышающей ширину спектра газовых лазеров, лазеров на парах металлов или твердотельных лазеров. Поэтому при использовании лазеров на красителях в лазерном проекторе спеклы в формируемом изображении практически отсутствуют. Вместе с тем, лазеры на красителях способны обеспечить выходную мощность, достаточную для формирования изображений на больших экранах с достаточной яркостью. При выборе соответствующего красителя такие лазеры могут генерировать излучение в красной, зеленой и синей областях видимого спектра, что дает возможность создать из трех лазеров на красителях полноцветный лазерный проектор.

Например, в US 6,088,380 описан лазерный проектор для проецирования на экран полноцветных изображений, включающий первый лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, второй лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, третий лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения красного диапазона видимого спектра, источник оптической накачки для формирования излучений накачки и подачи их на указанные активные среды соответственно первого, второго и третьего лазерных резонаторов, включающий лазерный генератор на неодим-содержащем активном элементе, и средства проецирования указанных лазерных излучений, формируемых лазерными резонаторами, на экран.

Устройство для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра в этом лазерном проекторе содержит лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования проецируемого на экран лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, и источник оптической накачки, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе.

В качестве излучения накачки, подаваемого на активную среду лазерного резонатора, формирующего излучение синего диапазона, в этом проекторе используется третья гармоника излучения лазерного генератора на неодимсодержащем активном элементе, генерирующего на доминантной длине волны, составляющей около 1,06 мкм, то есть накачка осуществляется ультрафиолетовым излучением с длиной волны около 0,35 мкм. Использование лазерного генератора с длиной волны 1,06 мкм в источнике оптической накачки является традиционным для лазеров на красителях и обусловлено тем, что на этой длине волны в неодимсодержащем активном элементе наиболее просто обеспечить генерацию лазерного излучения и достичь при этом высокого КПД. Указанная доминантная длина волны при отсутствии специальных мер по ее режекции полностью подавляет другие возможные длины волн генерации неодимового лазера (в частности, 1,32 мкм).

Известно, что срок службы органического красителя, используемого в качестве активной среды лазера, определяется фотохимической стойкостью самого красителя и температурой активной среды лазера в рабочем режиме, зависящей в первую очередь от тепловыделения в этой активной среде при ее оптической накачке. Фотохимическая стойкость красителей зависит от длины волны облучающего света, и уменьшается с укорочением длины волны. Тепловыделение в активной среде при оптической накачке определяется разностью между длиной волны генерируемого излучения и длиной волны излучения накачки. Для коротковолновой накачки тепловыделение повышается, и вероятность деградации молекул красителя растет. Процессы деградации особенно существенны для органических красителей, генерирующих излучение в синем диапазоне спектра вследствие значительно меньшей фотохимической стойкости таких красителей по сравнению с красителями, генерирующими в зеленом и красном диапазонах. В вышеупомянутом известном лазерном проекторе, при длине волны генерируемого излучения 0,46-0,48 мкм в синем диапазоне видимого спектра и длине волны накачки 0,35 мкм, значительная разность длин волн генерируемого излучения и излучения накачки приводит, в силу обоих отмеченных выше факторов, к быстрой деградации активной среды и падению КПД лазера на красителе, вплоть до полного прекращения генерации. Малый срок службы красителя приводит к необходимости его частой замены, что повышает стоимость эксплуатации лазера синего диапазона и делает крайне неудобным использование такого лазера в проекционных устройствах.

Известны и другие способы оптической накачки лазеров на красителях синего диапазона, помимо накачки третьей гармоникой излучения неодимового лазера. В число этих способов накачки входит, например, использование некогерентного оптического излучения накачки, создаваемого лампами-вспышками с короткой длительностью импульса, значительная часть спектра излучения которых лежит в ультрафиолетовой области. Однако при использовании такой накачки тепловыделение в активной среде лазера на красителе является еще более высоким, чем при использовании третьей гармоники неодимового лазера, генерирующего на доминантной длине волны, и срок службы красителя становится еще меньше.

Малый срок службы лазеров на красителях, генерирующих излучение в синем диапазоне спектра, который обусловлен, с одной стороны, меньшей фотохимической стойкостью таких красителей по сравнению с красителями, генерирующими в зеленом и красном диапазонах, а с другой стороны - повышенным тепловыделением в активной среде лазера синего диапазона спектра при его оптической накачке известными способами, делает практически неприемлемым применение таких лазеров в проекционных устройствах. По этой причине полноцветные лазерные проекторы на органических красителях, подобные описанным в US 6,088,380, до настоящего времени на практике не получили широкого распространения. В некоторых проекционных устройствах лазеры на красителях использовались только для формирования излучения красного или зеленого диапазонов, в то время как для генерирования синего излучения применялись другие типы лазеров подходящей мощности, такие как газовые или твердотельные. Однако поскольку излучение таких лазеров характеризуется очень узкой спектральной линией, в проецируемом изображении неизбежно присутствуют спеклы, особенно при преобладании в изображении синего цвета, если не принимать специальных мер по подавлению спеклов, приводящих к усложнению конструкции и увеличению стоимости лазерного проектора. Кроме того, применение в одном проекционном устройстве лазеров разных типов является нежелательным, поскольку ограничивает возможности использования унифицированных узлов в трех лазерах, формирующих излучение основных цветов.

Задачей изобретения является увеличение срока службы устройства для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра на органическом красителе для лазерного проектора, а также создание с использованием такого устройства полноцветного лазерного проектора на органических красителях.

Эта задача решается тем, что в лазерном проекторе для проецирования на экран полноцветных изображений, содержащем первый лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, второй лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, третий лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения красного диапазона видимого спектра, источник оптической накачки для формирования излучений накачки и подачи их на указанные активные среды соответственно первого, второго и третьего лазерных резонаторов, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, и средства проецирования указанных лазерных излучений, формируемых лазерными резонаторами, на экран, согласно изобретению, указанный лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе выполнен с возможностью генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм, а источник оптической накачки дополнительно содержит формирователь третьей гармоники указанного излучения для подачи указанной третьей гармоники на активную среду первого лазерного резонатора в качестве излучения накачки.

Использование излучения с длиной волны около 0,44 мкм, получаемой в результате генерирования третьей гармоники излучения неодимового лазера, работающего на недоминантной длине волны 1,32 мкм, обеспечивает существенные преимущества при оптической накачке органического красителя, генерирующего излучение в синем диапазоне спектра на длинах волн 460-480 нм. А именно, в этом случае в несколько раз уменьшается разность длин волн генерируемого излучения и излучения накачки по сравнению с обычным способом накачки органического красителя третьей гармоникой доминантной частоты неодимового лазера с длиной волны 0,35 мкм. Уменьшение разности длин волн накачки и генерируемого излучения приводит как к уменьшению фотоиндуцированного распада молекул, так и к значительному уменьшению тепловыделения в органическом красителе, формирующем синее излучение. Таким образом, срок его службы может быть продлен в несколько раз и значительно приближен к срокам службы красителей, формирующих зеленое и красное лазерное излучение. Это дает реальную возможность создать приемлемый с экономической точки зрения полноцветный лазерный проектор, в котором все три лазерных генератора, формирующие сигналы основных цветов, представляют собой лазеры на органических красителях.

Благодаря широким спектральным линиям излучения лазеров на красителях в таком проекторе эффективно предотвращается появление спеклов в формируемом изображении. При этом лазеры на красителях имеют достаточно высокий КПД, относительно малые габариты и относительно низкую стоимость. Дополнительное удобство достигается благодаря возможности использования унифицированных узлов в трех лазерных генераторах, входящих в состав полноцветного проектора, поскольку они представляют собой однотипные лазеры на красителях.

Формирователь третьей гармоники в предложенном лазерном проекторе может быть выполнен с возможностью подачи излучения той же самой третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм на активную среду второго лазерного резонатора в качестве излучения накачки для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, предпочтительная длина волны которого составляет 0,52-0,56 мкм, что позволяет упростить конструкцию генератора накачки.

В другом варианте выполнения лазерного проектора источник оптической накачки дополнительно содержит второй лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, выполненный с возможностью генерирования излучения с длиной волны около 1,06 мкм, т.е. на доминантной длине волны, и формирователь второй гармоники этого излучения для подачи указанной второй гармоники в качестве излучения накачки на активную среду третьего лазерного резонатора, генерирующую лазерное излучение красного диапазона спектра, предпочтительная длина волны которого составляет 0,62-0,63 мкм. Эта же вторая гармоника, имеющая длину волны около 0,53 мкм, может подаваться в качестве излучения накачки и на активную среду второго лазерного резонатора, генерирующую лазерное излучение в зеленом диапазоне спектра, предпочтительная длина волны которого составляет 0,54-0,56 мкм.

Кроме того, формирователь второй гармоники может быть выполнен с возможностью подачи второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм на активную среду третьего лазерного резонатора, а формирователь третьей гармоники может быть выполнен с возможностью подачи третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм на активную среду второго лазерного резонатора в качестве излучения накачки.

В одном из вариантов осуществления изобретения лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе может быть выполнен с возможностью поочередного генерирования лазерного излучения с длиной волны около 1,32 мкм и лазерного излучения с длиной волны около 1,06 мкм, а источник оптической накачки дополнительно содержит формирователь второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм для подачи указанной второй гармоники в качестве излучения накачки на активную среду третьего лазерного резонатора, когда лазерный генератор генерирует излучение с длиной волны около 1,06 мкм, при этом формирователь третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм обеспечивает формирование указанной третьей гармоники, когда лазерный генератор генерирует излучение с длиной волны около 1,32 мкм. В этом случае формирователь второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм может быть выполнен с возможностью подачи указанной второй гармоники на активную среду третьего лазерного резонатора, а указанный формирователь третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм может быть выполнен с возможностью подачи указанной третьей гармоники на активную среду второго лазерного резонатора в качестве излучения накачки.

Для обеспечения поочередного генерирования лазерного излучения с длиной волны около 1,32 мкм и лазерного излучения с длиной волны около 1,06 мкм лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе может быть выполнен в виде лазерного генератора с резонатором на коммутируемых селективных зеркалах, генерирующим лазерное излучение с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм поочередно путем коммутации селективных зеркал.

Источник оптической накачки в лазерном проекторе может быть выполнен с возможностью формирования излучений накачки в виде последовательных импульсов оптического излучения, подаваемых поочередно на активные среды указанных первого, второго и третьего лазерных резонаторов для формирования проецируемого на экран лазерного излучения в виде последовательных импульсов в соответствующих диапазонах видимого спектра.

Активная среда первого лазерного резонатора, используемая для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, предпочтительно представляет собой раствор кумаринового красителя, такого как Coumarin 30 или Coumarin 314.

Активная среда второго лазерного резонатора, используемая для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, предпочтительно представляет собой раствор родаминового красителя, такого как Rhodamin 110, или кумаринового красителя, такого как Coumarin 153.

Активная среда третьего лазерного резонатора, используемая для формирования лазерного излучения красного диапазона видимого спектра, предпочтительно представляет собой раствор красителя Crezyl Violet или DCM.

Задача изобретения решается также тем, что в устройстве для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра для лазерного проектора, предназначенного для проекции изображений на экран, содержащем лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования проецируемого на экран лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, и источник оптической накачки, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, согласно изобретению, указанный лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе выполнен с возможностью генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм, а источник оптической накачки дополнительно содержит формирователь третьей гармоники указанного излучения для подачи указанной третьей гармоники на активную среду указанного лазерного резонатора в качестве излучения накачки.

Активная среда при этом может представлять собой раствор кумаринового красителя, такого как Coumarin 30 или Coumarin 314.

Использование третьей гармоники излучения неодимового лазера, генерирующего на длине волны около 1,32 мкм, для оптической накачки органического красителя, формирующего синее лазерное излучение, дает возможность существенно увеличить срок службы этого красителя благодаря значительному ослаблению фотоиндуцированной деградации молекул красителя и уменьшению тепловыделения при его оптической накачке по сравнению с известными способами оптической накачки. Это позволяет практически использовать такой лазер на органическом красителе в лазерном проекторе для формирования проецируемого на экран лазерного излучения синего диапазона видимого спектра. Использование органического красителя в качестве активной среды лазерного резонатора при его применении в лазерном проекторе предотвращает появление спеклов в проецируемом изображении благодаря широкой спектральной линии излучения лазера на красителе и вместе с тем позволяет обеспечить достаточно высокий КПД, относительно малые габариты и относительно низкую стоимость устройства.

На фиг.1 схематически показан вариант выполнения полноцветного лазерного проектора в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг.2 показан возможный вариант выполнения источника оптической накачки в лазерном проекторе в соответствии с предлагаемым изобретением.

На фиг.3 представлена одна из возможных циклограмм работы источника накачки, показанного на фиг.2.

На фиг.4 представлена зависимость относительной эффективности лазера на красителе, излучающего в синем диапазоне, от экспозиционной дозы накачки, выполняемой на длинах волн 0,355 мкм и 0,440 мкм.

На всех чертежах элементы, выполняющие аналогичные функции, обозначены одинаковыми номерами позиций.

Полноцветный лазерный проектор, показанный в схематическом виде на фиг.1, содержит три лазерных резонатора 1, 2 и 3, в каждом из которых имеется активная среда в виде органического красителя для формирования лазерного излучения синего, зеленого и красного диапазона видимого спектра, соответственно. Лазерный проектор снабжен источником оптической накачки 4, предназначенным для формирования излучений накачки и подачи их на активные среды лазерных резонаторов 1-3, а также средствами 5 проецирования указанных лазерных излучений, формируемых лазерными резонаторами 1-3, на экран 6. Средства 5 проецирования могут представлять собой, например, три отдельных проекционных объектива, установленных так, что формируемые ими изображения основных цветов накладываются друг на друга на экране 6.

Источник 4 оптической накачки, показанный на фиг.1, включает лазерный генератор 7, выполненный на одном неодимсодержащем активном элементе с возможностью поочередного генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм. Однако в других вариантах выполнения источника накачки он может содержать два отдельных лазерных генератора для генерирования излучений с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм, соответственно.

Источник 4 оптической накачки включает также формирователь 8 третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм и формирователь 9 второй гармоники лазерного излучения с длиной волны около 1,06 мкм, оптически связанные с выходом лазерного генератора 7. Выход формирователя 8 третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм оптически связан с оптическим коммутатором 10, обеспечивающим подачу излучения с выхода формирователя 8 на активные среды лазерных резонаторов 1 или 1 и 2, по выбору, в качестве излучений накачки. Выход формирователя 9 второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм оптически связан с оптическим коммутатором 10, обеспечивающим подачу излучения с выхода формирователя 9 на активные среды лазерных резонаторов 3 или 3 и 2, по выбору, в качестве излучений накачки. Оптический коммутатор 10 может быть выполнен с использованием светоделителей и оптических переключателей любого подходящего типа, например, оптико-механических, электрооптических и т.п.

На фиг.2 показана оптическая схема возможного варианта выполнения источника 4 накачки, содержащего лазерный генератор с коммутируемыми селективными зеркалами, выполненный на одном неодимсодержащем активном элементе с возможностью поочередного генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм и выводом генерируемого излучения из резонатора в различных направлениях с целью последующего формирования излучения высших гармоник.

Лазерный генератор, показанный на фиг.2, включает неодимсодержащий активный элемент в виде неодимсодержащего кристалла 11, например кристалла алюмо-иттриевого граната с неодимом (Nd:Y₃Al₅O₁₂, Nd:YAG), фторида иттрия-лития с неодимом (Nd:YLiF₄) или галлий-гадолиниевого граната с неодимом (Nd:GGG). Неодимсодержащий кристалл 11 помещен внутри системы 12 оптической накачки, которая может быть выполнена с использованием газоразрядных ламп, или лазерных диодных линеек, или двумерных матриц лазерных диодов. Система 12 оптической накачки соединена с блоком питания (не показан).

Оптический резонатор лазерного генератора, показанного на фиг.2, формируется в зависимости от положения пластины 13 оптического переключателя, либо зеркалами 14 и 15, либо зеркалами 14 и 16.

Зеркало 14 и селективное зеркало 15 имеют высокий коэффициент отражения на длине волны 1,32 мкм и, таким образом, образуют оптический резонатор на этой длине волны. При этом селективное зеркало 15 просветлено на длину волны, близкую к 1,06 мкм, так что зеркала 13 и 15 не образуют оптического резонатора на длинах волн около 1,06 мкм.

Селективное зеркало 16 имеет высокий коэффициент отражения на длине волны 1,06 мкм, а зеркало 14 на этой длине волны является полупрозрачным, например, его коэффициент отражения на этой длине волны может составлять 4...80%. Таким образом, зеркала 14 и 16 образуют оптический резонатор на длину волны 1,06 мкм, в котором зеркало 14 является выходным зеркалом, предназначенным для вывода лазерного излучения из резонатора. Селективное зеркало 16 просветлено на длину волны, близкую к 1,32 мкм, так что зеркала 14 и 16 не образуют оптического резонатора на длинах волн около 1,32 мкм.

Оптический переключатель для коммутации зеркал 15 и 16 может быть выполнен, как показано на фиг.2, в виде плоскопараллельной прозрачной пластины 13, установленной на оси вращения. Привод (не показан) обеспечивает колебательное или вращательное движение пластины 13 вокруг этой оси. При таком движении пластина 13 периодически занимает положения, обозначенные на фиг.2 как (а), (b) и (с). В среднем положении (b) плоскопараллельные грани пластины 13 перпендикулярны оси оптического резонатора, образованного зеркалами 14 и 15. В положении (а), когда пластина 13 повернута на заданный угол (например на 45° градусов) по часовой стрелке относительно положения (b), ось оптического резонатора смещена относительно исходного положения, но оптический резонатор остается образованным зеркалами 14 и 15. Однако в положении (с), когда пластина 13 повернута на заданный угол (например на 45°) против часовой стрелки относительно положения (b), оптический резонатор лазерного генератора образован зеркалами 14 и 16. Таким образом, при вращении или колебательном движении пластины 13 вокруг ее оси ось оптического резонатора периодически перемещается между селективными зеркалами 15 и 16.

Между неодимсодержащим кристаллом 11 и пластиной 13 оптического переключателя установлен внутрирезонаторный телескоп 17 с диафрагмой 18.

В пределах оптического резонатора лазерного генератора размещены также электрооптический затвор 19 и поляризатор 20, которые предназначены для модуляции добротности оптического резонатора, а также для вывода из резонатора излучения с длиной волны около 1,32 мкм. Как показано на фиг.2, электрооптический затвор 19 размещен между неодимсодержащим кристаллом 11 и зеркалом 14. Затвор 19 обеспечивает преобразование линейно поляризованного излучения (например, излучения, поляризованного в вертикальной плоскости, соответствующей плоскости фиг.5), в эллиптически поляризованное излучение, в котором соотношение горизонтально и вертикально поляризованных составляющих, определяется величиной приложенного к затвору управляющего напряжения. При этом при определенном значении управляющего напряжения затвор 19 полностью преобразует излучение, линейно поляризованное в вертикальной плоскости, в излучение, линейно поляризованное в горизонтальной плоскости, т.е. фактически поворачивает плоскость поляризации света на 90°.

Источник накачки, показанный на фиг.2, содержит также блок управления (не показан), предназначенный для управления системой 12 накачки, пластиной 13, затвором 19, а также оптическим коммутатором 10, показанным на фиг.1, с целью обеспечения их согласованной работы.

Поляризатор 20, помещенный между затвором 19 и зеркалом 15, пропускает излучение, поляризованное в одной плоскости (например, в вертикальной плоскости, т.е. в плоскости чертежа фиг.2), и отражает излучение, поляризованное в поперечной (горизонтальной) плоскости. Поляризатор 20 установлен под таким углом к оси оптического резонатора, что горизонтально-поляризованное излучение, падающее на него справа, со стороны затвора 19, отражается от поляризатора 20 в направлении формирователя 8 третьей гармоники излучения с длиной волны 1,32 мкм.

Формирователь 9 второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм установлен за выходным зеркалом 14, полупрозрачным для этой длины волны. Формирователь 9 расположен так, чтобы в него поступало излучение с длиной волны 1,06 мкм, выводимое из оптического резонатора через выходное зеркало 14.

Формирователи 8 и 9 гармоник могут быть выполнены известным образом, например, на кристаллах КТР или LBO, или на других подходящих нелинейных оптических элементах.

При работе источника накачки, показанного на фиг.2, плоскопараллельная пластина 13 посредством привода (не показан) вращается с заданной частотой, например, против часовой стрелке, периодически занимая последовательные положения (а), (b) и (с). Когда пластина 13 находится в положении (а), ось резонатора, образованного зеркалами 14 и 15, сдвинута (на фиг.2 - по направлению вверх) вследствие преломления света на противолежащих плоскопараллельных гранях пластины 13. Однако ось резонатора находится в пределах зеркала 15, так что оптический резонатор лазерного генератора при таком положении пластины 13 будет образован зеркалами 14 и 15. В следующем положении (b) плоскопараллельные грани пластины 13 перпендикулярны оси резонатора, образованного зеркалами 14 и 15. Оптический резонатор лазерного генератора при таком положении пластины 13 по-прежнему образован зеркалами 14 и 15. При дальнейшем повороте пластины 13 на 45° против часовой стрелки она приходит в положение (с), в котором ось оптического резонатора сдвигается (на фиг.2 - по направлению вниз) так, что выходит за пределы зеркала 15, переходя на зеркало 16. Таким образом, оптический резонатор лазерного генератора в положении (с) пластины 12 формируется зеркалами 14 и 16. Благодаря плоскопараллельности граней пластины 13 ее вращение вокруг оси практически не приводит к угловым разъюстировкам оптического резонатора. Внутрирезонаторный телескоп 17с диафрагмой 18 сужают пучок излучения, поступающий в пластину 13 со стороны кристалла 11, обеспечивая согласование размеров этого пучка с размерами пластины 13. На фиг.2 схематически показан ход лучей в резонаторе, соответствующий генерации лазерного излучения при трех положениях плоскопараллельной вращающейся пластины 13.

Очевидно, что вместо описанного выше вращения пластины 13 вокруг оси в одном направлении может быть использовано качание этой пластины на заданный угол по часовой стрелке и против часовой стрелки. При таком колебательном движении пластина 13 также будет периодически занимать три показанных на фиг.2 положения. Вместо плоскопараллельной пластины для коммутации селективных зеркал могут быть использованы и любые другие подходящие типы оптических переключателей.

Система 12 накачки осуществляет оптическое возбуждение кристалла 11 импульсным либо непрерывным излучением лазерных диодов. На графике фиг.3(а) для примера показаны световые импульсы лазерных диодов системы 12 накачки, соответствующие импульсам тока, подаваемым на эти диоды от импульсного блока питания. Длительность импульсов накачки предпочтительно составляет 100...500 мкс, что соответствует временам жизни верхнего рабочего уровня в неодимсодержащих кристаллах (так, например, для кристалла алюмоиттриевого граната, активированного неодимом, время жизни составляет ˜200 мкс). Импульсы лазерных диодов синхронизированы с перемещением пластины 13 таким образом, что моменты окончания этих импульсов соответствуют трем показанным на фиг.2 положениям пластины 13. Например, в момент окончания импульсов (а) пластина находится в положении (а), в момент окончания импульсов (b) - в положении (b), а в момент окончания импульсов (с) - в положении (с). В том случае, когда выбран непрерывный режим излучения лазерных диодов накачки, синхронизация положения пластины 13 с излучением лазера на неодимсодержащей среде выполняется соответствующим выбором режима работы затвора 19.

Во время подачи оптической накачки на кристалл 11 на затвор 19 подается такое управляющее напряжение, при котором затвор 19 полностью преобразует линейно поляризованное излучение (на фиг.2 соответствующее вертикальной плоскости), в излучение с ортогональной поляризацией (на фиг.2 - соответствует горизонтальному направлению, перпендикулярному плоскости чертежа). Поскольку поляризатор 20 практически не пропускает горизонтально-поляризованного излучения, добротность оптического резонатора, в котором находится кристалл 11, при таком управляющем напряжении на затворе является низкой и недостаточной для возникновения лазерной генерации, и происходит накопление инверсии в активной среде (неодимсодержащий кристалл 11). В момент переключения оптического затвора 19 в состояние, соответствующее высокой добротности резонатора, происходит генерация лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм или с длиной волны 1,32 мкм, в зависимости от текущего положения пластины 13 оптического переключателя.

А именно, для формирования лазерного излучения с длиной волны 1,32 мкм, когда пластина 13 находится в положении (а) или (b) и оптический резонатор образован зеркалами 14 и 15, на затвор 19 подают такое управляющее напряжение, при котором он преобразует вертикально-поляризованное излучение в излучение с эллиптической поляризацией с заданным соотношением вертикальной и горизонтальной составляющих. Для импульсного режима питания лазерных диодов это соответствует импульсам (а) и (b) на фиг.3. При этом величина вертикально-поляризованной составляющей, которую размещенный в резонаторе поляризатор 20 пропускает практически без потерь, выбирается так, чтобы для этой составляющей усиление неодимсодержащего кристалла 11 превосходило потери в резонаторе. В результате при переключении затвора 19 в описанное выше состояние генерируется импульс лазерного излучения с длиной волны около 1,32 мкм, длительность которого составляет единицы наносекунд, а положение во времени соответствует моменту переключения затвора 19. Часть генерируемого лазерного излучения, проходя через затвор 19, преобразуется им в горизонтально-поляризованное излучение 21, которое, отражаясь от поляризатора 20, выводится из оптического резонатора, поступая далее в формирователь 8 третьей гармоники. Таким образом, соотношение вертикально поляризованной и горизонтально поляризованной составляющих в формируемом затвором 19 эллиптически поляризованном излучении определяет, какая часть мощности генерируемого излучения с длиной волны около 1,32 мкм будет выведена из резонатора и подана в формирователь 8 третьей гармоники.

Преобразование излучения с длиной волны около 1,32 мкм в третью гармонику 22 в формирователе 8 третьей гармоники может осуществляться, например, путем формирования второй гармоники с помощью кристалла КТР или LBO с последующим суммированием частот второй гармоники и основной частоты в кристалле КТР или LBO. Положения импульсов этой третьей гармоники 22 во времени, соответствующие положениям (а) и (b) пластины 13, показаны на фиг.3 (b). Эти импульсы третьей гармоники 22, длина волны которых составляет около 440 нм, с выхода формирователя 8 третьей гармоники поступают в оптический коммутатор 10, показанный на фиг.1, и используются либо лишь для накачки лазера, генерирующего в синей области спектра, либо для накачки лазеров, генерирующих в синей и зеленой областях спектра. В последнем случае оптическим коммутатором 10 управляют так, что один из двух последовательных импульсов, показанных на фиг.3 (b), поступает в качестве излучения накачки на активную среду лазерного резонатора 1 для формирования синего излучения, а другой из этих импульсов - на активную среду лазерного резонатора 2 для формирования зеленого излучения. Импульсы, подаваемые из оптического коммутатора 10 на активную среду лазерного резонатора 1, показаны на фиг.3с, а импульсы, подаваемые на активную среду лазерного резонатора 2 - на фиг.3d.

Для формирования лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм, когда пластина 13 находится в положении (с) и резонатор образован зеркалами 14 и 16, затвор 19 переключают в такое состояние, в котором он не изменяет состояния поляризации проходящего через него поляризованного излучения. Благодаря тому, что поляризатор 20 пропускает вертикально поляризованное излучение практически без потерь, усиление неодимсодержащего кристалла 11 для такого излучения превосходит потери в оптическом резонаторе и генерируется импульс лазерного излучения с длиной волны около 1,06 мкм, длительность которого составляет единицы наносекунд, а положение во времени соответствует окончанию импульса накачки лазерных диодов. Часть энергии этого импульса в виде лазерного излучения 23 через полупрозрачное зеркало 14 выводится из лазерного резонатора и поступает в формирователь 9 второй гармоники. В формирователе 9 второй гармоники с помощью кристалла КТР осуществляется преобразование лазерного излучения 23 с длиной волны около 1,06 мкм во вторую гармонику 24 этого излучения, имеющую длину волны около 0,53 мкм. Положение импульсов второй гармоники 24 во времени показано на фиг.3(е). Эти импульсы 24 используются либо лишь для накачки активной среды лазерного резонатора 3 для формирования красного излучения, либо для накачки лазеров, генерирующих в красной и зеленой областях спектра. В последнем случае оптический коммутатор 10 может, например, работать как светоделитель, подавая часть мощности соответствующего импульса второй гармоники 24 на активную среду лазерного резонатора 3 для формирования красного излучения, а другую часть мощности этого импульса - на активную среду лазерного резонатора 2 для формирования зеленого излучения.

Использование третьей гармоники излучения неодимового лазера, работающего на длине волны 1,32 мкм, для накачки органического красителя, формирующего синее излучение, позволяет в предложенном проекторе в несколько раз уменьшить разность длин волн генерируемого излучения и излучения накачки по сравнению с обычным способом накачки органического красителя третьей гармоникой излучения с длиной волны 1,06 мкм. Уменьшение разности длин волн накачки и генерируемого излучения приводит к значительному уменьшению тепловыделения в органическом красителе. Благодаря этому срок службы красителя, формирующего синее излучение, может быть продлен в несколько раз. На фиг.4 представлены результаты эксперимента, выполненного авторами настоящего изобретения. Кривые представляют зависимость относительной эффективности лазера, генерирующего на длине волны 0,47 мкм, от экспозиционной дозы излучения накачки: кривая (1) - на длине волны 0,355 мкм излучением третьей гармоники лазера, излучающего на длине волны 1,064 мкм; кривая (2) - на длине волны 0,44 мкм излучением третьей гармоники лазера, излучающего на длине волны 1,32 мкм. Активная среда лазера на растворе красителя Coumarin 314 в диоксане имела длину 3 мм, а концентрация красителя была оптимизирована для каждой из длин волн накачки. Принимая в качестве критерия срока службы лазера падение относительной эффективности на 10%, величина соответствующей экспозиционной дозы для лазера, накачиваемого излучением с длиной волны 0,440 мкм, в соответствии с изобретением, составляла в условиях эксперимента 100 Дж/см³, по сравнению с величиной 50 Дж/см³ для прототипа, т.е. увеличение срока службы составило 2 раза.

Таким образом, это дает возможность создать приемлемый с экономической точки зрения полноцветный лазерный проектор, в котором все три лазерных генератора, формирующие сигналы основных цветов, представляют собой лазеры на органических красителях.

Благодаря широким спектральным линиям излучения лазеров на красителях в таком проекторе эффективно предотвращается появление спеклов в формируемом изображении. При этом лазеры на красителях имеют достаточно высокий КПД, относительно малые габариты и относительно низкую стоимость.

Использование: для проекций полноцветных изображений на экран. Сущность: заключается в том, что лазерный проектор для проецирования на экран полноцветных изображений содержит первый лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, второй лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, третий лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения красного диапазона видимого спектра, источник оптической накачки для формирования излучений накачки и подачи их на указанные активные среды соответственно первого, второго и третьего лазерных резонаторов, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, и средства проецирования указанных лазерных излучений, формируемых лазерными резонаторами, на экран. Для увеличения срока службы органического красителя, используемого для формирования лазерного излучения синего диапазона, лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе выполнен с возможностью генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм, а источник оптической накачки дополнительно содержит формирователь третьей гармоники указанного излучения для подачи указанной третьей гармоники на активную среду первого лазерного резонатора в качестве излучения накачки. Технический результат: увеличение срока службы устройства для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра на органическом красителе для лазерного проектора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лазерный проектор для проецирования на экран полноцветных изображений, содержащий первый лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, второй лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения зеленого диапазона видимого спектра, третий лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования лазерного излучения красного диапазона видимого спектра, источник оптической накачки для формирования излучений накачки и подачи их на указанные активные среды соответственно первого, второго и третьего лазерных резонаторов, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, средства проецирования указанных лазерных излучений, формируемых лазерными резонаторами, на экран, отличающийся тем, что источник оптической накачки включает лазерный генератор, выполненный на одном неодимсодержащем активном элементе с возможностью поочередного генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм, при этом источник оптической накачки включает также формирователь третьей гармоники лазерного излучения с длиной волны около 1,32 мкм и формирователь второй гармоники лазерного излучения с длиной волны около 1,06 мкм, оптически связанные с выходом лазерного генератора, выход формирователя третьей гармоники излучения с длиной волны около 1.32 мкм оптически связан с оптическим коммутатором, обеспечивающим подачу излучения с выхода формирователя третьей гармоники излучения с длиной волны около 1,32 мкм на активную среду первого лазерного резонатора или первого и второго лазерных резонаторов, по выбору, в качестве излучений накачки, выход формирователя второй гармоники излучения с длиной волны около 1,06 мкм оптически связан с оптическим коммутатором, обеспечивающим подачу излучения с выхода формирователя на активную среду третьего лазерного резонатора или второго и третьего лазерных резонаторов, по выбору, в качестве излучений накачки, после чего лазерное излучение подается на средства прецирования и на экран.2. Лазерный проектор по п.1, отличающийся тем, что источник накачки может содержать два отдельных лазерных генератора для генерирования излучений с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм.3. Лазерный проектор по п.1, отличающийся тем, что лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе выполнен в виде лазерного генератора с резонатором на коммутируемых селективных зеркалах для генерирования лазерного излучения с длиной волны около 1,32 мкм и около 1,06 мкм поочередно путем коммутации селективных зеркал.4. Лазерный проектор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что источник оптической накачки выполнен с возможностью формирования указанных излучений накачки в виде последовательных импульсов оптического излучения, подаваемых поочередно на активные среды указанных первого, второго и третьего лазерных резонаторов для формирования проецируемого на экран лазерного излучения в виде последовательных импульсов в соответствующих диапазонах видимого спектра.5. Лазерный проектор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанная первая активная среда представляет собой раствор кумаринового красителя, такого, как Coumarin 30 или Coumarin 314.6. Лазерный проектор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что указанная вторая активная среда представляет собой раствор родаминового красителя, такого, как Rhodamin 110, или кумаринового красителя, такого, как Coumarin 153.7. Лазерный проектор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что указанная третья активная среда представляет собой раствор красителя Crezyl Violet или DCM.8. Устройство для формирования лазерного излучения синего диапазона видимого спектра для лазерного проектора, предназначенного для проекции изображений на экран, содержащее лазерный резонатор, содержащий активную среду в виде органического красителя для формирования проецируемого на экран лазерного излучения синего диапазона видимого спектра, и источник оптической накачки, включающий лазерный генератор на неодимсодержащем активном элементе, отличающееся тем, что указанный лазерный генератор на неодим-содержащем активном элементе выполнен с возможностью генерирования излучения с длиной волны около 1,32 мкм, а источник оптической накачки дополнительно содержит формирователь третьей гармоники указанного излучения для подачи указанной третьей гармоники на активную среду указанного лазерного резонатора в качестве излучения накачки.9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанная активная среда представляет собой раствор кумаринового красителя, такого, как Coumarin 30 или Coumarin 314.