RGB ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ДЛЯ ОСВЕТИТЕЛЬНО-ПРОЕКЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2019 года по МПК H01S3/94 H01S3/67 

Ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка является частичным продолжением предварительных заявок на выдачу патента США №62/050,825, 62/140,911 и 62/112,938, поданных в Бюро по патентам и товарным знакам США соответственно 16 сентября 2014 года, 31 марта 2015 года и 6 февраля 2015 года.

1. Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Настоящее изобретение относится к осветительной аппаратуре на основе лазера. Более конкретно, настоящее изобретение относится к RGB (красный, зеленый, синий) осветительным системам высокой мощности на основе волоконного лазера для проецирования изображения в цифровом кинематографе, в частности, такие системы могут быть использованы в гигантских дисплеях, аттракционах в парках развлечения, музеях, планетариях и подобных практических применениях.

2. Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

Технология освещения на основе светодиодов находит широкое применение в осветительной аппаратуре и дисплеях благодаря присущей светодиодам высокой степени преобразования электрической энергии в оптическую и высокой продолжительности срока службы. Однако современные потребности требуют создания нового класса твердотельных источников света на основе уникальных атрибутов RGB лазерной подсветки.

Одним из примеров является цифровой кинематограф. Для более 120000 киноэкранов используют стандартные, цифровые кинопроекторы, которые показывают фильмы, записанные в зашифрованных файлах данных, а не на 35-миллиметровую пленку. Переход к цифровому формату является техническим преимуществом для индустрии кинематографа, но с заметной технологической иронией. Известные из уровня техники цифровые проекторы все еще используют технологию 60-х годов - ксеноновые дуговые лампы - в качестве источника светового излучения. Постепенно дуговые лампы заменяют светоизлучающими диодами.

RGB лазерные кинопроекторы, т.е. проекторы с источником светового излучения, в котором вся световая энергия поступает от лазеров, являются хорошей заменой светодиодным проекторам по тем же причинам, по которым светодиоды в свое время заменили ксеноновые дуговые лампы, а именно, высокая продолжительность срока службы и высокая степень преобразования электрической энергии. При этом лазерам присуще дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они производят свет с ультра высокой пространственной яркостью, т.е. малым геометрическим фактором пучка (мм²-стерадиан), и передают энергию из очень небольшой точки в почти коллимированном пучке. Это уникальное оптическое свойство предоставляет ключевые возможности для кинематографа и, в конечном итоге, для новых типов специализированного лазерного освещения: способность введения почти неограниченных количеств RGB света в цифровые проекторы и способность передачи видимого света мощностью в несколько киловатт по эффективным, гибким оптическим волокнам. RGB лазерная подсветка, обеспечиваемая при помощи оптического волокна, лежит в основе решения, позволяющего достигнуть приемлемой яркости в цифровом проекторе. Подача светового излучения через волокно обеспечивает новые возможности проецирования и освещения, а также связанные с ними практические применения.

Диодные лазеры являются, вне всяких сомнений, наиболее часто используемыми источниками света для цифрового кинематографа из-за присущих им высокой продолжительности срока службы, общей спектральной стабильности и стабильности яркости. Однако только недавно диодные лазерные матрицы, в том числе лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (ЛПИВОР) и т.п., продемонстрировали перспективу выдачи адекватных значений мощности, обеспечивающих желаемые значения яркости. Требуемая яркость для каждого из RGB цветов является результатом использования большого количества индивидуальных лазерных матриц, объединенных для соответствия требованиям мощности проектора. Большому числу диодных лазеров присущи технические проблемы, включая поддержание баланса белого цвета, обеспечение высокой яркости (отличного геометрического фактора пучка) и понижение уровня спеклов.

Сдвиг длины волны и изменение мощности каждого из RGB лазерных источников отрицательно влияют на стабильность баланса белого цвета - одну из наиболее важных характеристик функционирования проектора. Известные диодные лазерные источники, в частности, зеленые и красные лазерные диоды, имеют соответствующие рабочие значения длин волн, которые в высокой степени чувствительны к температурным изменениям в гетерогенном переходе и току смещения, при этом человеческий глаз является особенно чувствительным к изменениям этих длин волн. Комбинированные диодные лазеры высокой мощности генерируют большое количество внешнего тепла в дополнение к теплу, выделяемому внутри чипа. Хотя каждый из красного, зеленого и синего лазерных диодов характеризуется различной зависимостью температура/длина волны, всегда соответствующие рабочие длины волн увеличиваются при более высоких температурах. Если все лазеры в одноцветной матрице связаны друг с другом и имеют узкую длину волны, что является типичным для диодного лазера, сдвиг рабочих длин волн вызывает выход за пределы спецификации белой точки и цвета на выходе всего проектора. Кроме того, по мере увеличения температуры, усиление диода снижается, нарушая цветовой контраст, который является тщательно регулируемой величиной. Для того чтобы восстановить усиление, инжекционный ток должен быть увеличен, но это происходит за счет стабильности средней длины волны. Все из указанных необходимых дополнительных механизмов управления, стабилизирующих выходную мощность и среднюю длину волны, увеличивают сложность и стоимость лазерного источника.

Вторая техническая проблема связана с большим преимуществом лазеров, а именно с когерентностью света, которая желательна с точки зрения улучшения гаммы воспроизводимых цветов. Однако когерентность лазерных источников, как правило, вызывает артефакты, такие как оптическая интерференция и спекл-стркутуры, возникающие за счет неровностей поверхности экрана. Эти помехи приводят к сильной дополнительной модуляции интенсивности распределения яркости света, рассеиваемого с экрана в глаза зрителя. Увеличение ширины спектральной линии выходного света является одним из новых подходов, направленных на решения этой проблемы. Однако, как отмечено выше, диодные лазеры характеризуются неприемлемо малой шириной линии. Хотя увеличение количества диодных лазеров благоприятно влияет на ширину линии, которая будет несколько больше, чем ширина линии одиночного диода, этот подход не подходит для радикальной минимизации спеклов. Вследствие этого качество изображения ухудшается до такой степени, что исчезают преимущества лазерного излучения или его применение приносит едва заметные технические или экономические эффекты.

Следовательно, существует необходимость в создании проекционной системы на основе лазера, позволяющей успешно решить описанные выше проблемы.

Краткое описание фигур

Признаки и преимущества предлагаемой конструкции будут более понятны при ознакомлении с представленным ниже подробным раскрытием, выполненным со ссылками на прилагаемые фигуры, где:

на фиг. 1А и 1В представлены различные конфигурации известных RGB лазерных источников;

на фиг. 2А-2С представлены различные конфигурации предлагаемого RGB лазерного источника;

на фиг. 3 и 4 представлены соответствующие архитектуры предлагаемого RGB лазерного источника;

на фиг. 4-7 представлены соответствующие предлагаемые конфигурации зеленого лазера, входящего в состав предлагаемого RGB лазерного источника;

на фиг. 8 и 9 представлены сгенерированные компьютером спектры зеленого света для одиночного или нескольких зеленых лазеров, представленных на фиг. 4-7;

[0015] на фиг. 10 представлена общая схема красного лазера, сконфигурированного с комбинационным преобразователем частоты, в предлагаемом RGB лазерном источнике;

на фиг. 11А и 11В представлены сгенерированные компьютером спектры красного лазера, представленного на фиг. 10;

на фиг. 12 представлена оптическая схема предлагаемого красного лазера;

на фиг. 13 представлена конфигурация волоконного усилителя, используемого во всех зеленых и красных лазерах согласно настоящему изобретению;

на фиг. 14 представлен сгенерированный компьютером спектр комбинационного преобразователя;

на фиг. 15 и 16 представлены соответствующие варианты осуществления красного лазера;

на фиг. 17 представлен график, иллюстрирующий стабильность средней длины волны и ширину линии предлагаемого красного лазера, функционирующего с длиной волны 615 нм;

на фиг. 18 представлена схема дополнительного варианта осуществления красного лазера с преобразователем частоты, который основан на нелинейном эффекте сложения частот;

на фиг. 19 и 20 представлены сгенерированные компьютером графики, иллюстрирующие характеристики красного лазера с длиной волны 635 нм; и

на фиг. 21 представлен график, иллюстрирующий ширину линии синего лазера, используемого в предлагаемом RGB источнике света.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

Рассмотрим фиг. 1А и 1В, лазерная проекционная система 10 обязательно содержит лазерный источник 12 света и проектор с проекционной головкой 14. Лазерный источник 12 света может иметь множество различных конфигураций и, как изображено на фигурах, содержит стойку 16, в которой установлены съемные лазерные модули 18 с зелеными, красными и синими лазерами, составляющими три отдельных группы. В зависимости от конфигурации проектора, архитектура может характеризоваться наличием одной или двух проекционных головок 14.

Во время функционирования источник 12 света испускает красный свет, зеленый свет и синий свет, которые при объединении друг с другом образуют белый свет, вводимый в проектор при помощи транспортного волокна 16. Проектор обычно содержит оптические средства для направления и придания формы свету и модуль формирования изображения, выполненный с возможностью разделения белого света на красную, зеленую и синюю составляющие. Каждая составляющая освещает соответствующий пространственный модулятор, который формирует изображение для этого цвета в матрице пикселей, после чего эти составляющие повторно объединяют и проецируют на экран (не показан).

На фиг. 2А и 2В представлен предлагаемый лазерный источник 15 света с множеством съемных лазерных модулей 20 и стойкой для лазерных модулей 20. Лазерный источник 15 включает основной корпус или центральный шкаф 30, в котором расположены, помимо лазерных модулей 20, электронные устройства и другие необходимые периферийные компоненты лазерного источника.

Шкаф 30 может характеризоваться множеством конфигураций, как изображено на фиг. 2С, в зависимости, например, от количества лазерных модулей 20. Как изображено на фигуре, шкаф имеет многокомпонентную структуру с двумя отсеками, служащими для размещения матриц лазерных модулей 20, при этом в дополнительном отсеке размещены периферийные компоненты. Каждая матрица лазерных модулей 20 сконфигурирована с тремя группами из одного или нескольких зеленых волоконных лазеров 22, красных волоконных лазеров 24, соответствующих им сигнальных накачек 28, таких как иттербиевые (Yb) волоконные лазеры, и синих диодных лазеров 26 с волоконными выводами.

На фиг. 3А представлена одна из предлагаемых конфигураций лазерного источника 15. Перед тем как приступить к описанию индивидуальных компонентов представленной системы, необходимо отметить, что предлагаемый источник не обязательно должен быть использован для 3D визуальных систем, в которых происходит объединение шести основных цветов (6Р). Он может очень хорошо функционировать в качестве источника для 2D системы посредством использования лишь одной матрицы RGB лазеров, испускающих соответствующие три основных цвета (3Р).

Наличие двух матриц лазерных модулей, испускающих шесть основных цветов (6Р) для 3D системы, может быть объяснено стереопсисом - визуальным процессом, позволяющим двум глазам увидеть различные изображения, предпочтительно, но не обязательно, одновременно, имеющие небольшое спектральное смещение относительно друг друга. Человеческий мозг образует единый мысленный образ в комплексе с точным восприятием глубины.

Рассмотрим фиг. 3А, волоконные сумматоры 32, 34 и 36 получают соответствующие выходы из синей, зеленой и красной групп лазеров 28, 22 и 24, при этом другая матрица лазеров 28', 22' и 24' испускает соответствующие выходные пучки, объединяемые в волоконных сумматорах 32', 34' и 36'. Свет распространяется по соответствующим транспортным волокнам 38. Пунктирная красная линия 40 отделяет одну матрицу лазерных модулей от другой, тогда как пунктирная линия 42 очерчивает периферию шкафа. Таким образом, все другие компоненты, включая RGB сумматоры 44 и 44', которые сконфигурированы для объединения основных цветов и выдачи белого света, установлены за пределами шкафа и, предпочтительно, расположены внутри проектора.

На фиг. 3В представлен предлагаемый лазерный источник с архитектурой, немного отличающейся от архитектуры, изображенной на фиг. 3А. В частности, в отличие от источника 15 света, изображенного на фиг. 3А, источник 15 света согласно этой фигуре сконфигурирован с RGB волоконными сумматорами 44, 44', установленными в шкафу 30, изображенном на фиг. 2А и 2С. Следовательно, свет, испускаемый источником 15 света, сконфигурированным в соответствии с этой фигурой, является белым светом, который направляют по соответствующим подводящим волокнам 46 и 46' за пределы шкафа.

В целом, требования, предъявляемые к световому излучению, выходящему из проекционной системы 10, среди прочего, включают в себя:

высокую мощность, обеспечивающую необходимую яркость;

большую ширину спектральной линии, сводящую к минимуму образование спекл-структуры; и

стабильную среднюю длину волны, независящую от колебаний температуры и тока смещения диода.

Производительность проекционной системы 10 зависит от индивидуальной производительности каждого из RGB лазерных источников. Ниже подробно раскрывается предлагаемая структура путем отдельного описания каждого из предлагаемых зеленого, красного и синего лазеров, входящих в состав RGB лазерных источников.

Зеленый лазер

Рассмотрим фиг. 4-7, предлагаемый широкополосный зеленый лазер 22 является компактной, надежной, рентабельной структурой с эффективным преобразованием на основе ГВГ типа I и типа II, генерирующего импульсный зеленый свет. Зеленый лазер 15 функционирует для выдачи импульсного излучения в пикосекундном - наносекундном диапазоне длин волн, при этом ширина спектральной линии Δλ, превышает 3 нм при полной ширине на половине максимума с желаемой средней длиной волны в диапазоне 520-545 нм, и эффективность преобразования находится в диапазоне 40-70%. Каждая из архитектур предлагаемого зеленого лазера 15, представленных на фиг. 4-7, содержит сигнальную световую накачку, выполненную с возможностью испускать случайно поляризованное, широкополосное, одномодовое, сигнальное световое излучение накачки. Каждая из архитектур предлагаемого зеленого лазера также содержит генератор второй гармоники (ГВГ), характеризующийся наличием однопроходной или многопроходной схемы преобразования для генерирования зеленого света в диапазоне длин волн 500-599 нм, при этом диапазон 520-540 нм является чрезвычайно предпочтительным.

Сигнальная накачка 418-718, используемая во всех вариантах осуществления, представленных соответственно на фиг. 4-7, характеризуется наличием конфигурации MOPFA (задающий генератор - волоконный усилитель мощности), включающей в себя полупроводниковый (или иначе сконфигурированный) генератор и иттербиевый (Yb) волоконный лазерный усилитель. Конфигурации MOPFA присущ целый ряд преимуществ. Как правило, генератор сконфигурирован в качестве одиночного диодного лазера, при этом модуляция тока смещения обеспечивает возможность быстрой настройки средней длины волны в диапазоне длин волн 1030-1120 нм. Наличие одиночного диодного лазера также обуславливает стабильность выбранной средней длины волны. Иттербиевый волоконный усилитель сконфигурирован в качестве широкополосного волоконного лазера. Применение волоконного усилителя значительно увеличивает выходную мощность сигнального светового излучения накачки, что дает в результате высокую яркость при низком уровне шума.

Сигнальная световая накачка 418-718 может быть сконфигурирована, например, с настраиваемой длительностью импульса, чтобы обеспечить энергию импульса до 1 мДж при переменных значениях длительности импульса в пикосекундном - наносекундном диапазоне. Диапазон частоты повторения может быть задан от 30 до 1 МГц. Полностью волоконный формат допускает регулировку энергии импульса и/или частоты повторения импульсов без какого-либо отрицательного влияния на параметр выходного пучка М² < 3. Предпочтительно, М² меньше 1,5, и стабильная ширина спектральной линии Δλ, может быть получена в диапазоне 10-25 нм при полной ширине на половине максимума. При настолько хорошем значении М² сигнальное световое излучение накачки также именуют низкомодовым или по существу одномодовым, или просто одномодовым световым излучением (светом). Источник 418-718 накачки дополнительно содержит транспортное волокно 420-720, направляющее выходной инфракрасный широкополосный одномодовый пучок накачки в лазерную головку 422-722. Последняя сконфигурирована с корпусом, охватывающим направляющую и коллимирующую оптическую систему, чтобы выдать коллимированное, случайно поляризованное, широкополосное сигнальное световое излучение накачки.

Рассмотрим более конкретно фиг. 4, ГВГ 412 сконфигурирован с однопроходной схемой преобразования, содержащей разнесенные вышестоящий 414 и нижестоящий 416 нелинейные кристаллы типа I, такие как кристаллы трибората лития (ТБЛ). Как изображено на фиг. 4, оси 414' и 416' соответствующих выходного и нижестоящего кристаллов 414, 416 проходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Таким образом, пучок зеленого света, изначально генерируемый в вышестоящем кристалле 414, без изменений распространяется через нижестоящий кристалл 416, генерирующий вторичный зеленый свет.

Сигнальное световое излучение накачки из иттербиевого волоконного лазера 418 падает на входную фокусирующую линзу 428, сконфигурированную для фокусировки пучка накачки таким образом, чтобы его диаметр перетяжки был меньше 40 мкм, при этом релеевская длина меньше длины кристалла. Последнее позволяет преодолеть по природе узкое спектральное восприятие нелинейного кристалла, так что ширина спектральной линии зеленого света единственно ограничена шириной линии сигнального светового излучения накачки. При настолько плотно сфокусированном сигнальном световом излучении накачки, его пиковая интенсивность достигает очень высоких уровней (до нескольких сотен киловатт), при этом исследования показали, что указанная интенсивность не оказывает отрицательного влияния на целостность кристалла. Небольшая длина вышестоящего кристалла 414 ТБЛ не позволяет плотно сфокусированному свету значительно расходиться, что приводит к относительно большой длине взаимодействия между волнами накачки и зеленого света, что наряду с высокой пиковой интенсивностью столь необходимо для высокой эффективности ГВГ, как рассмотрено выше.

Используя стандартную терминологию, волну, поляризация которой параллельна главной оси выбранной плоскости в двухосном кристалле ТБЛ, именуют в настоящем документе обыкновенной волной (о), а другую волну с поляризацией, ортогональной главной оси, именуют необыкновенной волной (е). Следует отметить, что только обыкновенная волна инфракрасного светового излучения накачки участвует в генерировании зеленого света в кристалле 414 ТБЛ типа I. Следовательно, для того чтобы использовать необыкновенную волну, которая изначально не участвует в процессе преобразования в вышестоящем кристалле типа I, необходимо, чтобы нижестоящий кристалл 416 ТБЛ типа I был расположен таким образом, чтобы ось 416' была повернута на 90° относительно оси 414' вышестоящего кристалла 414 ТБЛ.

В частности, генерируемый зеленый свет и непреобразованное сигнальное световое излучение накачки далее падают на первую промежуточную фокусирующую линзу 432, сконфигурированную для фокусировки падающего пучка в пределах объема нижестоящего кристалла 416 ТБЛ таким же образом, как рассмотрено выше. Сгенерированный ранее зеленый свет беспрепятственно распространяется через нижестоящий кристалл 416. Однако изначально необыкновенная волна накачки преобразуется в другой, вторичный пучок зеленого света с эффективность более 40%. После этого свет, выходящий из нижестоящего кристалла 416, коллимируют в промежуточном коллиматоре 434 для входа в выходной коллимирующий блок 436 с последующим вводом в волокно 444, переносящее суммарный зеленый свет в конечный пункт.

Выходной коллимирующий блок 436 может иметь множество различных конфигураций. Как изображено на фигуре, коллимированный пучок распространяется вдоль светового пути и падает на дискриминатор 438 длины волны, сконфигурированный, например, в качестве дихроичного зеркала, прозрачного для непреобразованного в нижестоящем кристалле 416 сигнального пучка накачки с основной длиной волны. Суммарный зеленый свет со средней мощностью, равной сумме мощностей сгенерированных зеленых пучков, отражается в направлении другого отражателя 440 с высокой отражающей способностью и, в конце концов, направляется к нижестоящей фокусирующей линзе 442. Наконец, сфокусированный зеленый свет падает на коллиматор 443, после чего он попадает в транспортное волокно 444, направляющее его в конечный пункт, который, например, может представлять собой гигантский экран 445.

Для того чтобы минимизировать связанный с поляризацией шум в выходящем зеленом свете, коллимированное световое излучение накачки подают в деполяризатор 446, сконфигурированный из двоякопреломляющего материала и находящийся между входным коллимирующий блоком 424 и входной фокусирующей линзой 428. Как известно, коллимированному, широкополосному, одномодовому, случайно поляризованному, инфракрасному сигнальному световому излучению накачки все еще присуща небольшая степень четко заданной поляризации, без удаления которой в выходном сигнале будет генерироваться нежелательный шум. Деполяризатор 446 минимизирует указанную поляризацию. Конфигурация деполяризатора 446 может быть выбрана из полуволновой пластины, четвертьволновой пластины, волновой пластины n-го порядка или нулевого порядка или любого другого двоякопреломляющего компонента.

На фиг. 5 представлен широкополосный зеленый лазер 22, генерирующий одномодовый широкополосный зеленый свет, характеризующийся шириной спектральной линии Δλ, превышающей 3-5 нм, с высокой эффективностью, составляющей 40-70%. Зеленый лазер 22 содержит одномодовый широкополосный иттербиевый волоконный лазер 518, функционирующий в качестве накачки для сигнального света, фокусирующую линзу 528 и выходной коллимирующий блок 536, которые сконфигурированы идентично компонентам, изображенным на фиг. 4. Накачка выдает импульсы одномодового, случайно поляризованного инфракрасного светового излучения в одномикронном диапазоне с большой шириной спектральной линии, составляющей более 10 нм. Световое излучение накачки коллимируют во входном коллимирующем блоке 524 и фокусируют при помощи выходной фокусирующей линзы 528, чтобы далее подвергнуть преобразованию частоты в схеме 548 ГВГ. В отличие от фиг. 4, согласно этому варианту осуществления ГВГ 548 содержит кристаллы ТБЛ типа II.

Вышестоящий кристалл 554 ТБЛ типа II расположен на пути сфокусированного инфракрасного сигнального пучка накачки таким образом, что его перетяжка проходит в пределах объема вышестоящего нелинейного кристалла 554 и расположено приблизительно по центру указанного кристалла. Как рассмотрено выше, плотно сфокусированный свет выдает релеевскую длину, которая меньше длины кристалла 554, что способствует преодолению природной узкой спектральной восприимчивости, присущей нелинейным кристаллам.

Нижестоящий кристалл 556 ТБЛ типа II характеризуется наличием оси 556', проходящей параллельно оси 554' вышестоящего кристалла 554, и может иметь такие же оптимальные размеры, как и вышестоящий кристалл, изображенный на фиг. 4-7, которые составляют 3×3×(3-5) мм. Из вышестоящего кристалла 554 в нижестоящий кристалл 556 поступает свет, который подвергается фокусировке первой промежуточной линзой 532 так же, как изложено в отношении кристаллов 414, 416 (фиг. 4) и 554.

Зеленый лазер 22, изображенный на фиг. 5, содержит выходные и нижестоящие полуволновые пластины 558 и 560 соответственно. Выходная полуволновая пластина 558 расположена на пути коллимированного светового излучения накачки между лазерной головкой 522 и фокусирующей линзой 528, а нижестоящая полуволновая пластина 524 расположена непосредственно на выходе из кристалла 556 ТБЛ типа II. Эти пластины желательны для предотвращения помех между изначально сгенерированным зеленым светом в вышестоящем кристалле 554 и вторичным зеленым светом, сгенерированным в нижестоящем кристалле 556, использующем непреобразованное световое излучение накачки, путем расположения этих двух зеленых пучков в соответствующих ортогональных плоскостях поляризации.

Как известно специалисту в данной области техники, кристаллы типа II обычно характеризуются хорошо выраженным эффектом пространственного сноса. Явление сноса вызывает поперечное смещение пучка. Этот эффект сокращает длину взаимодействия между широкополосным деполяризованным сигнальным световым излучением накачки и сгенерированным зеленым светом, что отрицательно влияет на эффективность преобразования. Для того чтобы увеличить длину взаимодействия, широкополосное деполяризованное сигнальное световое излучение накачки разделяют при помощи компенсирующей снос (КС) пластины 522, которая ориентирована таким образом, чтобы необыкновенный пучок смещался под углом, противоположном углу вышестоящего кристалла 554. Технологически, толщина компенсирующей снос пластины 552 зависит от толщины кристалла 554 и подчиняется одному условию: обыкновенные и необыкновенные инфракрасные волны сигнального светового излучения накачки перекрываются в середине кристалла.

Рассмотрим фиг. 6, импульсный широкополосный зеленый лазер 22 сконфигурирован с многопроходной архитектурой схемы 648 ГВГ типа I. Частично обладая такой же структурой, как схема ГВГ, изображенная на фиг. 4, ГВГ 648, представленный на фиг. 6, не содержит нижестоящего кристалла и требует другой конфигурации выходного коллиматора 665. Как многопроходной ГВГ 648, изображенный на фиг. 6, так и ГВГ 748, изображенный на фиг. 7, характеризуются меньшей общей занимаемой площадью, более низкой стоимостью и не содержат ахроматических элементов, например, фокусирующей линзы 432, изображенной на фиг. 4, по сравнению с соответствующими конфигурациями на фиг. 4 и 5.

Функционирование зеленого лазера 22, изображенного на фиг. 6, в состав которого входят инфракрасный широкополосный иттербиевый сигнальный волоконный лазер 618, входной инфракрасный коллиматор и деполяризатор 646, аналогично функционированию лазера, изображенного на фиг. 4. При этом даже первый проход деполяризованного сфокусированного светового излучения накачки через кристалл 670 ТБЛ имеет по существу такие же характеристики, как в случае зеленого лазера 22, изображенного на фиг. 4, если не считать распространения излучения в плоскости, которая латерально смещена от медианной плоскости, ограниченной между двумя противоположными гранями кристалла. Плоскость распространения сигнального светового излучения накачки через кристалл зависит скорее от выбора конструкции.

Альтернативная конструкция для многопроходной архитектуры ГВГ 648 типа I, как изображено на фиг. 6, начинается с испускания кристаллом 670 ТБЛ выходящего пучка 672. Выходящий пучок 672, содержащий изначально преобразованный зеленый свет и необыкновенную волну светового излучения накачки, падает на четвертьволновую пластину 674 и далее на сферическое зеркало 676 с высокой отражающей способностью системы формирования и передачи изображения. Последнее сконфигурировано для передачи пучка 672 в обратном направлении распространения, который проходит через четвертьволновую пластину 674 перед попаданием на противоположную грань кристалла 670 ТБЛ. Хотя волновая пластина 674 сконфигурирована в виде четвертьволновой пластины, она функционирует в качестве полуволновой пластины из-за повторного прохождения света через нее в обратном направлении. Как следствие, эта пластина в сочетании с деполяризующей пластиной 646 создает благоприятные условия, предотвращающие помехи между изначально и вторично сгенерированными зелеными пучками, а также обеспечивает по существу свободный от шумов выход суммарного зеленого света. Выходной зеленый свет со средней мощностью, равной сумме мощностей изначально и вторично сгенерированных зеленых пучков, дополнительно отражают при помощи двух пространственно разнесенных зеркал 678 и 680, фокусируют и затем коллимируют в выходном коллимирующем блоке 665, после чего его направляют в волокно 644.

Рассмотрим фиг. 7, многопроходной ГВГ 748 типа II, входящий в состав предлагаемого зеленого лазера 22, содержит все компоненты ГВГ предлагаемого зеленого лазера 22, изображенного на фиг. 6. Однако, из-за явления сноса в кристалле 682 типа II, эта архитектура также включает в себя компенсирующую снос пластину 662 по тем же причинам, которые были описаны выше в отношении фиг. 5.

Рассмотрим фиг. 8 и 9, на которых графически резюмированы характеристики описанного выше зеленого лазера 15, сконфигурированного для выдачи широкополосного зеленого света с шириной спектральной полосы 4-5 нм при полной ширине на половине максимума, как изображено на фиг. 8. Если несколько зеленых лазеров 15 составляют одиночный источник зеленого света для каждого канала, ширина линии может быть увеличена до 8-10 нм. Кроме того, зеленый лазер 15 предоставляет возможность настройки характеристик ширины полосы линии излучения лазера и тонкой регулировки ±0,5 нм пиковой длины волны, которая находится по центру при полной ширине на половине максимума. Средняя мощность импульсов может находиться в диапазоне от сотен Вт до нескольких кВт, а пиковая мощность импульсов может составлять десятки кВт. Иными словами, средняя мощность зеленого света, генерируемого зеленым лазером 15, ограничена лишь мощностью его накачки.

Красный лазер

Основной целью предлагаемого красного лазера является создание лазерного пучка красного цвета, характеризующегося широкой спектральной линией, достаточной для минимизации помехи в виде спеклов на подсвечиваемом цифровом дисплее, и, разумеется, высокой яркостью. Поставленная цель достигается при помощи предлагаемого красного волоконного лазера, основанного на двух основных предпосылках: 1. Комбинационный преобразователь, испускающий свет с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в диапазоне длин волн 1220-1300 нм с широкой спектральной линией до 25 нм в комбинационном волокне; и 2. Спектральная восприимчивость нелинейным кристаллом ТБЛ широкой спектральной линии с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в пределах указанного выше спектра излучения, с тем чтобы получить красный свет в пределах диапазона длин волн 610-650 нм с шириной спектральной линии от 4 до 5 нм при полной ширине на половине максимума для одиночного красного лазера и 8-10 нм для нескольких красных лазеров. Практическая реализация предлагаемого источника, функционирующего для выдачи дифракционно-ограниченного широкополосного красного света высокой мощности, изложена в двух вариантах осуществления, в которых используют нелинейные эффекты комбинационного рассеивания света и сложения частот для получения красного света со средними длинами волн 615 нм и 635 нм.

Рассмотрим фигуры, на фиг. 10 представлена основная схема предлагаемого красного лазера 1010 на основе схемы генерации гармоник, которая содержит комбинационный преобразователь 1014 в сочетании со стандартным нелинейный кристаллом 1016 ТБЛ в границах схемы преобразования частоты, известной специалисту в данной области техники, для выдачи импульсного красного света со средней длиной волны приблизительно 615 нм. Затравочный источник 1018-1022 задает временную характеристику комбинационного усиления путем выдачи инфракрасного импульсного излучения с длиной волны накачки, выбранной из диапазона длин волн 1030-1120 нм, и, согласно этому варианту осуществления, характеризуется конфигурацией MOPFA. В частности, источник 1012 накачки содержит настраиваемый затравочный/задающий генератор накачки, сконфигурированный в качестве одномодового диодного лазера 1018 с широкой спектральной линией с выводом сохраняющего поляризацию проходящего излучения волокна, который функционирует для испускания серии импульсов в пикосекундном - наносекундном (пс - нс) диапазоне ширины импульсов. Затем импульсное световое излучение накачки вводят в иттербиевый волоконный лазерный усилитель или бустерный каскад 1022, сконфигурированный для усиления импульсного светового излучения накачки до уровня пиковой мощности, находящейся в киловаттном диапазоне, с желаемой длиной волны инфракрасной накачки. Необязательно, инфракрасный лазерный источник накачки может содержать один или несколько каскадов 1020 предварительного усиления, каждый из которых выполнен с сохраняющим поляризацию проходящего излучения волокном, легированным иттербием, и постепенно усиливает затравочный сигнал накачки перед тем, как он будет введен в усилитель мощности или бустер 1022. Каждый из каскадов усиления содержит блок усиления, содержащий корпус, в котором находится активное волокно 1024, легированное иттербием, которое соединено на своих противоположных концах с соответствующими сохраняющими поляризацию проходящего излучения одномодовыми пассивными волокнами, которые могут оканчиваться за пределами корпуса. Накачки соответствующих волокон 1024, легированных иттербием, содержат одну или несколько диодных лазерных накачек, функционирующих в режиме непрерывного излучения.

Красный лазер 1010 с большой шириной линии сконфигурирован с источником накачки, работающим в режиме квазинепрерывного излучения, который обеспечивают путем соединения выхода генератора 1018 с отдельным электрооптическим модулятором интенсивности, служащим для настройки импульса или прямой модулирования генератора для задания ширины импульса. Импульсное световое излучение накачки выдают с частотой повторения в частотном диапазоне 1-100 МГц, длиной волны, выбранной из диапазона 1030-1120 нм, и длительностью импульса в пикосекундном - наносекундном диапазоне. Каскад 1020 предварительного усилителя сконфигурирован для выдачи импульсного светового излучения накачки со средней мощностью приблизительно 1 Вт, после чего каскад 1022 усилителя мощности поднимет среднюю мощность импульсного светового излучения накачки до приблизительно 200 Вт и выше. Комбинационный преобразователь 1014 может содержать многометровое нелинейное пассивное волокно, характеризующееся диаметром сердцевины в мультимикронном диапазоне. В схеме, представленной на фиг. 10, приблизительно 50-80% выходного инфракрасного светового излучения накачки может быть преобразовано в третий или четвертый стоксов порядок с длиной волны приблизительно 1230 нм в зависимости от длины волны накачки затравочного источника 1018. Одномодовое импульсное излучение с комбинационно сдвинутой длиной волны 1230 нм, после удвоения частоты в кристалле 1016 ТБЛ длиной 1020 мм, выдает спектр видимого излучения, изображенный на фиг. 11А, со средней длиной волны приблизительно 615 нм и шириной спектральной полосы более 4 нм, что достаточно для существенной минимизации помехи в виде спеклов. В конфигурации с несколькими красными лазерами, изображенной на фиг. 3А, средняя линия может достигать ширины 8 нм, как изображено на фиг. 11В.

Один из ключевых аспектов масштабирования мощности генератора 10 красного света заключается в увеличенном размере сердцевины всех активных и пассивных волокон с большой площадью моды. Например, размер сердцевины может быть 20 микрон, что будет позволять получить чистый спектр комбинационного рассеяния при инфракрасной пиковой мощности 15-20 кВт или более. Специалисту в данной области техники понятно, что повышенная инфракрасная пиковая мощность значительно увеличивает эффективность преобразования. Для предложенных волокон с большой площадью моды эффективность преобразования из 1060 нм в 615 нм может достигать 25%.

Еще один подход к масштабированию мощности генератора 10 красного света предусматривает повышение средней мощности путем управления коэффициентом заполнения инфракрасной накачки. В частности, частота повторения затравочного источника 1018 накачки, изображенного на фиг. 10, может быть увеличена с повышением мощности накачки, сохраняя пиковую мощность постоянной.

На фиг. 12 представлена модификация красного лазера с широкой линией, изображенного на фиг. 10. Аналогично основной схеме, в этой модификации красный лазер 1210 сконфигурирован с накачкой, характеризующейся конфигурацией MOPFA и функционирующей в режиме квазинепрерывного излучения. Накачка содержит задающий генератор 1018, выход которого модулируют для генерирования серии импульсов в диапазоне длин волн 1030-1120 нм. Один или несколько каскадов предварительного усиления и бустерных каскадов сконфигурированы с волокном, легированным иттербием и накачиваемым лазерной диодной накачкой, которая функционирует в режиме непрерывного излучения. Усилители 1020 и 1022 последовательно увеличивают мощность импульсного светового излучения накачки, которое далее вводят в комбинационный преобразователь 1014, в котором происходит его эффективное преобразование в последовательные стоксовы порядки, при этом третий стоксов порядок характеризуется желаемым диапазоном длин волн 1220-1300 нм волн и большой шириной спектральной линии. Однопроходный генератор 1016 второй гармоники, содержащий кристалл ТБЛ, сконфигурирован таким образом, чтобы характеризоваться широкой спектральной восприимчивостью на желаемой комбинационно сдвинутой длине волны, которая охватывает, по меньшей мере, существенную часть ширины спектральной линии инфракрасного излучения в границах желаемого диапазона комбинационно сдвинутых длин волн.

Ширина линии инфракрасного излучения в желаемом диапазоне комбинационно сдвинутых длин волн 1220-1300 нм может быть чрезмерно большой и отрицательно влиять на эффективность преобразования, несмотря на широкополосный диапазон спектральной восприимчивости кристалла ТБЛ. В этом случае, 3-й стоксов порядок может быть сужен путем накачки однопроходного комбинационного преобразователя излучением из широкополосного одномодового комбинационного затравочного источника 1028, функционирующего в режиме непрерывного излучения с длиной волны, которая выбрана из полосы длин волн второго стоксова порядка. Таким образом, второй стоксов порядок усиливают при помощи вынужденного комбинационного рассеяния, что уменьшает ширину линии этого стоксова порядка. В результате этого ширина линии третьего стоксова порядка уменьшается. В этой схеме временные характеристики определяются затравочным источником 1018 накачки, при этом спектральные свойства света с комбинационно сдвинутой длиной волны определяются комбинационным затравочным источником 1028 непрерывного излучения. Следовательно, длина волны и ширина линии одномодового выхода комбинационного затравочного источника могут быть подогнаны к конкретной ширине линии в границах желаемого диапазона длин волн 1220-1300 нм.

На фиг. 13 представлен бустер 1322, сконфигурированный в качестве волоконного блока или блока усиления, который содержит корпус (не показан), охватывающий входное и выходное одномодовые пассивные волокна 1332 и 1334, сохраняющие поляризацию проходящего излучения и имеющие одинаковый размер, которые соединены с соответствующими противоположными концами сохраняющего поляризацию проходящего излучения кварцевого волокна 1330, легированного иттербием. Последнее характеризуется наличием многомодовой сердцевины 1338, способной поддерживать одиночную моду с длиной волны накачки и имеющей противоположные концы одинакового размера, которые сконфигурированы таким образом, чтобы диаметр модового поля основной моды соответствовал диаметру модового поля одномодового светового излучения накачки, направляемого соответствующими одномодовыми волокнами 1332 и 1334. Использование многомодовых волокон в некоторой степени нарушает поляризацию. Согласование размеров диаметра модового поля соответствующих одиночной моды и основной моды, а также адиабатическое расширение и сужение преобразующих моды соответствующих областей 1342, 1344 многомодовой сердцевины 1338 обеспечивают возбуждение и поддержку только одной основной моды.

Рассмотрим фиг. 12, одномодовый комбинационный затравочный источник 1028 непрерывного излучения может быть сконфигурирован в качестве широкополосного волоконного или диодного лазера с резонатором Фабри-Перо, распределенного брэгговского отражателя (РБО), лазера с распределенной обратной связью (ЛРОС) или лазера со стабилизированной длиной волны, которые обеспечивают затравку комбинационного преобразователя 1014 с промежуточными стоксовыми порядками. В частности, комбинационный затравочный источник 1028 испускает свет с комбинационно сдвинутой длиной волны, которая выбрана из диапазона длин волн 1130-1175 нм второго стоксового порядка комбинационного преобразователя 1014. Выходы из соответствующих источника накачки и комбинационного затравочного источника соединены в волоконном волновом мультиплексоре 1026, расположенном предпочтительно, но не обязательно, перед бустером 1022, который усиливает только затравочное излучение накачки с длиной волны 1064 нм до приблизительно средней мощности 20-30 Вт и пиковой мощности 5-10 кВт. Спектр комбинационного рассеяния представлен на фиг. 14 с шириной линии третьего стоксова порядка, составляющей приблизительно 25 нм.

Комбинационный преобразователь 1014 сконфигурирован с одномодовым пассивным волокном, сохраняющим поляризацию проходящего излучения, с длиной более 5 метров и общей степенью преобразования электрической энергии в оптическую, находящейся в диапазоне 6-20%. Например, это пассивное волокно может представлять собой одномодовое пассивное волокно длиной от 30 до 100 метров, сохраняющее поляризацию проходящего излучения и функционирующее с высокой эффективностью преобразования на основе комбинационного рассеивания, составляющей порядка 50-80%, что, в этом примере, обеспечивает комбинационно сдвинутый свет пиковой мощности до 6 кВт с желаемой длиной волны 1230 нм. Однопроходный ГВГ содержит кристалл 1016 ТБЛ, выполненный в виде кристалла I типа с длиной 40 мм, шириной 5 мм и толщиной 3 мм, функционирующего с эффективностью генерации второй гармоники приблизительно 35-50%. Средняя мощность одномодового красного света с длиной волны приблизительно 615 нм находится в диапазоне 45-110 Вт, тогда как его пиковая мощность варьирует от 1,1 до 2,8 кВт.

Каждая из описанных выше конфигураций генератора широкополосного красного света, основанного на схеме преобразования длины волны с комбинационным преобразователем и однопроходным ГВГ, использует одномодовое пассивное нелинейное волокно с кварцевой сердцевиной, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, для комбинационного преобразователя. Однако волокна на основе кварца являются не единственными волокнами, подходящими для получения инфракрасного излучения в диапазоне 1220-1300 нм. В качестве альтернативы кварцевым волокнам можно использовать волокна с сердцевиной из фосфатного стекла, которые обеспечивают по существу более широкий первый стоксов порядок, чем стандартное волокно с кварцевой сердцевиной. Фактически, более широкая полоса, по сравнению с желаемой полосой комбинационно сдвинутых длин волн 1220-1300 нм, охватывается первым стоксовым порядком.

Еще один вариант осуществления, иллюстрирующий каскадный комбинационный волоконный лазер, представлен на фиг. 15. В основе этого варианта осуществления лежит принцип, заключающийся в преобразовании длины волны выхода лазерной накачки на волокне, легированным редкоземельными элементами, в необходимую выходную длину волны красного света при помощи группы комбинационных стоксовых сдвигов. Как правило, преобразование длины волны в ходе двух или более стоксовых сдвигов осуществляют путем использования каскадного комбинационного резонатора. Указанный резонатор состоит из вложенных друг в друга полостей на каждой из промежуточных длин волн, выполненных из волоконных брэгговских решеток или отражателей 1552 с высокой отражающей способностью. Каждая промежуточная длина волны в резонаторе выбрана таким образом, чтобы быть близко к пику комбинационного усиления предшествующей ей длины волны. Выходной отражатель или соединитель 1554 с низкой отражающей способностью завершает преобразование длины волны, выбранной из диапазона длин волн 1220-1300 нм.

Предложенный красный лазер 1550 содержит широкополосный генератор 1556 на волокне, легированном иттербием, квазинепрерывного излучения с затравочным диодным лазером 1558, выдающим сигнальное световое излучение накачки с желаемой длиной волны накачки в полость генератора 1556 на волокне, легированном иттербием, которая ограничена между отражателем 1552 с высокой отражающей способностью и отражателем 1554 с низкой отражающей способностью. В отличие от всех волокон, легированных иттербием, используемых в описанных выше конфигурациях, волокно 1556, легированное иттербием, может быть или может не быть сохраняющим поляризацию проходящего излучения волокном. Накачка выполнена с возможностью выдачи продолжительных микросекундных импульсов с желаемой длиной волны накачки.

Сигнальное световое излучение накачки вводят в многокаскадный одномодовый LP комбинационный лазер 1555, оснащенный несколькими отражателями 1552 с высокой отражающей способностью и нижестоящим отражателем 1554 с низкой отражающей способностью, что обеспечивает генерацию трех стоксовых порядков, при этом третий стоксов порядок с желаемым диапазоном комбинационно сдвинутых длин волн выходит из полости, опционально оснащенной отражателем 1554 с низкой отражающей способностью. Комбинационно сдвинутое световое излучение накачки, испускаемое из комбинационного лазера 1555, характеризуется широкой спектральной линией, спектрально воспринимаемой кристаллом 1516 ТБЛ, который выполнен с возможностью генерации одномодового красного света с большой шириной спектральной линии по меньшей мере приблизительно 5 нм в диапазоне длин волн 1220-1300 нм.

На фиг. 16 представлен красный лазер 1650 с квазинепрерывной световой накачкой, характеризующейся конфигурацией MOPFA, которая содержит затравочный источник 1018 накачки и один или несколько каскадов 1620 и 1622 усиления. Бустерный каскад 1622 основан на такой же конфигурации волокон, которая показана на фиг. 13. Остальные компоненты соответствуют компонентам красного лазера, представленного на фиг. 13, и включают широкополосный комбинационный затравочный диодный лазер или затравочный источник 1628 и волновой мультиплексор 1626. Усиленное световое излучение накачки с желаемыми длинами волн накачки объединяют в волновом мультиплексоре 1626 со светом из комбинационного затравочного источника 1628, который сгенерирован с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны, выбранной из диапазона длин волн 1220-1300 нм. Усиленное световое излучение накачки и комбинационно сдвинутый свет затем вводят в комбинационный лазер 1655, сконфигурированный с группой отражателей 1652 с высокой отражающей способностью и выходным отражателем 1664 с низкой отражающей способностью. Свет с комбинационно сдвинутой длиной волны преобразуют в ГВГ с кристаллом 1616 ТБЛ в желаемый широкополосный красный свет с длиной волны 615 нм.

На фиг. 17 представлены преимущества предлагаемого одиночного красного лазера с длиной волны 615 нм, генерируемой всеми описанными выше оптическими схемами. Как видно на указанной фигуре, средняя длина волны 615 нм характеризуется очень стабильным характером с небольшим приростом 0,5 нм на 30 Вт. Ширина спектральной линии также является стабильной и варьирует от 2,5 до 3,5 нм в пределах тридцатипятиватного диапазона выходной мощности красного света. Ширина линии может быть увеличена до 4-5 нм для одиночного красного лазера и 8-10 нм для нескольких красных лазеров, объединенных вместе, как изображено на фиг. 3, без существенной модификации изображенных конфигураций. Как очевидно специалисту в данной области техники, описанные выше схемы могут быть использованы для генерирования красного света с более длинными средними или основными длинами волн в пределах интервала длин волн, присущих красной области видимого спектра.

Рассмотрим фиг. 18, импульсный красный лазер 1850 с архитектурой, отличающейся от архитектуры описанных выше схем, выполнен с возможностью выдачи красного света с длиной волны приблизительно 635 нм. Человеческий глаз более чувствителен к свету с длиной волны 615 нм, чем к свету с длиной волны 653 нм. Однако генерирование света с длиной волны 635 нм является более эффективным, чем генерирование света с длиной волны 615 нм.

В красном лазере 1850 длину волны 635 нм генерируют путем осуществления смешения частот иттербиевой и эрбиевой волоконных накачек. Как импульсные иттербиевые, так и эрбиевые накачки используют одиночные диодные лазеры с длиной волны 975 нм, выполняющие затравку одного или нескольких каскадов 1800 и 1802 усиления соответственно. Выходные пучки иттербиевой и эрбиевой волоконных накачек фокусируют при помощи соответствующих линз 1804 на входных зеркалах 1805 и 1806, при этом пучок из эрбиевой накачки, отражается от входного зеркала 1805 к входному зеркалу 1806, которое является прозрачным для пучка из иттербиевой накачки. Каждый бустер 1800, 1802 может быть сконфигурирован в соответствии с бустером, изображенным на фиг. 13, и может выдавать соответствующие световые сигналы с высокой пиковой мощностью, достигающей десятки кВт. Пучки из иттербиевой и эрбиевой накачек далее проходят через кристалл 1812 ТБЛ, в котором происходит суммирование соответствующих им частот. В результате этого красный свет с длиной волны 635 нм отражается от зеркала 1808, которое является прозрачным для света, который не был преобразован в кристалле 1812 ТБЛ, и поступает в выходной соединитель 1810.

На фиг. 19 и 20 представлены характеристики пучка красного света, генерируемого схемой, изображенной на фиг. 18. Как видно на фиг. 19, ширина спектральной линии составляет приблизительно 4-5 нм для одиночного красного лазера. Согласно фиг. 20 средняя длина волны составляет приблизительно 634,2 нм ± 0,1 нм, при этом ширина спектральной линии составляет 3,1 нм ± 0,9, что является достаточным для эффективного подавления спеклов. Таким образом, предлагаемый красный лазер с длиной волны 635 нм обеспечивает яркий свет со стабильной средней длиной волны и шириной линии в пределах широкого эксплуатационного диапазона лазера.

Синий лазер

Синий лазер 26, изображенный на фиг. 2В, содержит множество многомодовых диодных лазеров. Диодные лазеры сгруппированы в одном или нескольких модулях, каждый из которых может вмещать, например, 6 или 12 диодных лазеров. Выходная мощность каждого модуля может достигать приблизительно 40 Вт, и желаемая требуемая мощность может быть обеспечена путем компоновки нескольких модулей друг с другом. На практике выходная мощность синего лазера 26 может варьировать, например, от 100 до 500 Вт. Синий лазер 26, как и описанные ранее зеленый и красный лазеры, характеризуются стабильной средней длиной волны, варьирующей от 440 нм до 470 нм. В отношении основной цели, состоящей в снижении уровня спекл-структур, следует отметить, что синий лазер 26 выдает свет, характеризующийся стабильной шириной полосы от приблизительно 4 нм до приблизительно 8 нм, что изображено на фиг. 21.

Общий обзор

Рассмотрим фиг. 3 и 4, RGB лазерный источник 15 предусматривает простое масштабирование мощности, простое управление желаемыми настройками и, при необходимости, модулирование последних. Таким образом, предлагаемый RGB лазерный источник для цифрового кинематографа и подобных применений предпочтительно содержит два RGB комплекта, каждый из которых содержит красный, зеленый и синий каналы. Яркость случайно поляризованного пучка света предлагаемого источника 15, который может функционировать в режиме непрерывного излучения, режиме квазинепрерывного излучения и импульсном режиме, может достигать приблизительно 150 килолюмен.

Зеленый лазер 22 с импульсной иттербиевой волоконной накачкой выполнен с возможностью выдавать зеленый свет со стабильной средней длиной волны в диапазоне длин волн 524-546 нм и шириной спектральной полосы приблизительно 4-5 нм для одиночного зеленого лазера и приблизительно 8-10 нм для нескольких зеленых лазеров при полной ширине на половине максимума, получаемый при помощи случайно поляризованного выходного пучка. Частота повторения импульсов варьирует в мегагерцовом диапазоне. Средняя мощность зеленого лазера 15 ограничена только средней мощностью инфракрасной накачки и может достигать одного или даже нескольких киловатт.

Красный лазер 24 выдает стабильный сигнал в диапазоне средних длин волн 615-645 нм со стабильной шириной спектральной линии 4-5 нм для одиночного красного лазера и приблизительно 8-10 нм для нескольких красных лазеров. Частота повторения красного лазера, работающего предпочтительно в квазинепрерывном режиме или импульсном режиме, варьирует в мегагерцовом диапазоне. Выходная средняя мощность лазера 24 может достигать пятисотваттного диапазона, что в настоящее время является желательным.

Синий лазер сконфигурирован с несколькими многомодовыми диодными лазерами, расположенными группами по 6 или 12 единиц, которые помещены в один корпус для формирования модуля. Синий лазер 28 может выдавать свет мощностью до нескольких сотен ватт, например, 200 Вт или более. Средняя длина волны может быть выбрана в диапазоне длин волн 430-470 нм со стабильной шириной спектральной линии 4-5 нм для одиночного диодного лазера и 8-10 нм для нескольких диодных лазеров одного модуля.

Выше были описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами осуществления, при этом различные изменения, модификации и адаптации представленных вариантов осуществления могут быть осуществлены специалистом в данной области техники без отступления от объема и сути настоящего изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.

RGB источник света для осветительно-проекционной системы содержит красный, зеленый и синий лазеры, каждый из которых выдает случайно поляризованный одномодовый свет с шириной спектральной линии по меньшей мере 4 нм. Зеленый лазер содержит накачку с конфигурацией MOPFA (задающий генератор - волоконный усилитель мощности) для выдачи импульсного случайно поляризованного широкополосного одномодового пучка накачки с основной длиной волны в одномикронном диапазоне длин волн и генератор второй гармоники с нелинейным кристаллом трибората лития (ТБЛ). Красный лазер сконфигурирован с волоконной лазерной накачкой квазинепрерывного излучения, выдающей случайно поляризованный широкополосный одномодовый импульсный пучок накачки со средней длиной волны, и преобразователем частоты с нелинейным кристаллом ТБЛ. Технический результат – высокая мощность, обеспечивающая необходимую яркость, большая ширина спектральной линии, сводящая к минимуму образование спекл-структуры, и стабильная средняя длина волны, не зависящая от колебаний температуры и тока смещения диода. 17 з.п. ф-лы, 26 ил.

1. RGB (красный, зеленый, синий) лазерный источник света для осветительно-проекционной системы, содержащий по меньшей мере первый канал, сконфигурированный со следующим:

случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый лазер, содержащий:

накачку с конфигурацией MOPFA (задающий генератор - волоконный усилитель мощности), которая выполнена с возможностью выдачи импульсного случайно поляризованного широкополосного одномодового пучка накачки с основной длиной волны в одномикронном диапазоне длин волн, и

генератор второй гармоники (ГВГ), сконфигурированный с нелинейным кристаллом трибората лития (ТБЛ), в который поступает одномодовый широкополосный импульсный пучок накачки и который выдает серию импульсов широкополосного зеленого света в диапазоне длин волн 500-599 нм с большой шириной спектральной линии Δλ₁, составляющей по меньшей мере 4 нм;

случайно поляризованный широкополосный одномодовый красный лазер, сконфигурированный с волоконной лазерной накачкой квазинепрерывного излучения, которая выполнена с возможностью выдавать случайно поляризованный широкополосный одномодовый импульсный пучок накачки со средней длиной волны, и преобразователем частоты с нелинейным кристаллом ТБЛ, в который поступает случайно поляризованный широкополосный одномодовый импульсный пучок накачки для выдачи серии импульсов красного света в диапазоне длин волн 600-699 нм с широкой спектральной линией Δλ₂ по меньшей мере 4 нм; и

синий лазер, выдающий случайно поляризованный синий свет со средней длиной волны в диапазоне длин волн 400-499 нм с большой шириной спектральной линии Δλ₃, составляющей по меньшей мере 4 нм.

2. RGB источник света по п. 1, дополнительно содержащий второй канал, включающий в себя случайно поляризованные широкополосные одномодовые зеленый, красный и синий лазеры, выдающие соответствующие зеленый свет, красный свет и синий свет со средними длинами волн, которые отличаются от соответствующих средних длин волн первого канала, чтобы выдать трехмерное изображение.

3. RGB источник света по п. 1 или 2, дополнительно содержащий проектор, выполненный с возможностью выдавать двухмерное или трехмерное изображение.

4. RGB источник света по п. 2, дополнительно содержащий:

несколько монохроматических красных, зеленых и синих сумматоров, в каждый из которых поступает свет от соответствующих нескольких красных лазеров, нескольких зеленых лазеров и нескольких синих лазеров в каждом из первого и второго каналов, и каждый из которых сконфигурирован для выдачи соответствующего суммарного красного света, зеленого света и синего света с широкой спектральной линией по меньшей мере 8 нм, и

несколько нижестоящих сумматоров, в каждый из которых поступает соответствующий суммарный красный свет, суммарный зеленый свет и суммарный синий свет из соответствующих первого и второго каналов и каждый из которых выполнен с возможностью выдачи случайно поляризованного белого света.

5. RGB источник света по п. 1, в котором случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый лазер дополнительно содержит фокусирующую оптическую систему, сконфигурированную для фокусировки случайно поляризованного широкополосного одномодового импульсного пучка накачки таким образом, чтобы его диаметр перетяжки составлял не более 40 мкм внутри кристалла ТБЛ.

6. RGB источник света по п. 5, в котором ГВГ сконфигурирован в качестве однопроходной схемы преобразования и характеризуется наличием вышестоящего и нижестоящего кристаллов ТБЛ типа I, соответствующие оси которых проходят в перпендикулярных плоскостях, и первой фокусирующей линзы, которая фокусирует выходящий пучок из вышестоящего кристалла ТБЛ типа I в пределах объема нижестоящего кристалла ТБЛ типа I, сконфигурированного для выдачи суммарного случайно поляризованного широкополосного одномодового зеленого света и случайно поляризованного широкополосного одномодового пучка накачки, не преобразованного в вышестоящем кристалле ТБЛ типа I.

7. RGB источник света по п. 6, дополнительно содержащий выходной коллимирующий блок, выполненный с возможностью выдачи суммарного случайно поляризованного, широкополосного одномодового зеленого света со средней выходной мощностью, равной сумме мощностей зеленого света, сгенерированного в вышестоящем и нижестоящем кристаллах ТБЛ типа I, причем указанный выходной коллимирующий блок содержит дискриминатор длины волны, прозрачный для случайно поляризованного широкополосного одномодового пучка накачки, не преобразованного в нижестоящем кристалле ТБЛ типа I, и отражающий суммарный случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет вдоль выходного пути, на протяжении которого зеркало с высокой отражающей способностью направляет суммарный широкополосный зеленый свет к нижестоящей фокусирующей линзе для фокусировки суммарного широкополосного света на выходном коллиматоре.

8. RGB источник света по п. 6, дополнительно содержащий двоякопреломляющий деполяризатор, расположенный после вышестоящего кристалла ТБЛ типа I, при этом случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет из вышестоящего кристалла ТБЛ типа I и случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет из нижестоящего кристалла ТБЛ типа I распространяются без помех со стороны друг друга.

9. RGB источник света по п. 5, в котором ГВГ зеленого лазера дополнительно содержит:

пару разнесенных кристаллов ТБЛ типа II, один из которых вышестоящий, а другой нижестоящий, при этом указанные кристаллы характеризуются наличием соответствующих осей, которые проходят в параллельных плоскостях,

вышестоящую и нижестоящую полуволновые пластины, расположенные перед соответствующими первым и вторым кристаллами ТБЛ типа II и сконфигурированные для предотвращения помех между случайно поляризованным широкополосным зеленым светом из вышестоящего кристалла ТБЛ типа II и случайно поляризованным широкополосным зеленым светом из нижестоящего кристалла ТБЛ типа II,

компенсирующую снос пластину, выполненную из двоякопреломляющего материала и расположенную перед первым кристаллом ТБЛ типа II, при этом компенсирующая снос пластина сконфигурирована для обеспечения сноса необыкновенной волны накачки в направлении, противоположном направлению сноса первого кристалла ТБЛ типа II,

выходной коллимирующий блок, выполненный с возможностью выдавать суммарный случайно поляризованный широкополосный зеленый свет со средней выходной мощностью, равной сумме мощностей зеленого света, сгенерированного в вышестоящем кристалле ТБЛ типа II, и зеленого света, сгенерированного в нижестоящем кристалле ТБЛ типа II, при этом указанный коллимирующий блок оснащен дискриминатором длины волны, прозрачным для случайно поляризованного широкополосного одномодового пучка накачки, не преобразованного вторым кристаллом ТБЛ типа II, и отражающим суммарный широкополосный зеленый свет вдоль выходного пути.

10. RGB источник света по п. 5, в котором ГВГ случайно поляризованного широкополосного одномодового зеленого лазера содержит кристалл ТБЛ типа I и сконфигурирован для функционирования в качестве многопроходной схемы преобразования частоты, которая оснащена следующим:

вогнутый отражатель с высокой отражающей способностью, расположенный после кристалла ТБЛ типа I на прямом пути распространения света, чтобы получать из него любое непреобразованное случайно поляризованное широкополосное одномодовое световое излучение накачки и случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет, при этом вогнутый отражатель с высокой отражающей способностью сконфигурирован для отражения назад полученного света вдоль обратного пути распространения света через кристалл ТБЛ типа I для преобразования непреобразованного случайно поляризованного широкополосного одномодового светового излучения накачки в случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет, причем прямой и обратный пути распространения света не пересекают друг друга внутри кристалла ТБЛ типа I, и коллиматор зеленого света, принимающий и выдающий зеленый свет, преобразованный в прямом и обратном направлениях.

11. RGB источник света по п. 5, в котором ГВГ случайно поляризованного широкополосного одномодового зеленого лазера дополнительно содержит компенсирующую снос пластину, расположенную перед кристаллом ТБЛ типа II, при этом ГВГ сконфигурирован для функционирования в качестве многопроходной схемы преобразования частоты, содержащей следующее:

вогнутый отражатель с высокой отражающей способностью, расположенный после кристалла ТБЛ типа II на прямом пути распространения света, чтобы получать из него непреобразованное случайно поляризованное широкополосное одномодовое световое излучение накачки и случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет, при этом вогнутый отражатель с высокой отражающей способностью сконфигурирован для отражения назад полученного света вдоль обратного пути распространения света через кристалл ТБЛ типа II для преобразования непреобразованного случайно поляризованного широкополосного одномодового светового излучения накачки в случайно поляризованный широкополосный одномодовый зеленый свет, причем прямой и обратный пути распространения света не пересекают друг друга внутри кристалла ТБЛ типа II, и коллиматор зеленого света, принимающий и выдающий зеленый свет, преобразованный в прямом и обратном направлениях.

12. RGB источник света по п. 1, в котором волоконная лазерная накачка квазинепрерывного излучения, входящая в состав случайно поляризованного широкополосного одномодового красного лазера, сконфигурирована со схемой MOPFA, содержащей генератор на основе одиночного лазерного диода и одномодовый иттербиевый (Yb) волоконный лазерный усилитель мощности, при этом волоконная лазерная накачка квазинепрерывного излучения выполнена с возможностью испускания импульсного светового излучения накачки на одиночной моде с длиной волны в диапазоне 1030-1120 нм;

преобразователь частоты сконфигурирован в качестве однопроходного одномодового волоконного комбинационного преобразователя, соединенного с выходом иттербиевого усилителя мощности и характеризующегося наличием сердцевины, направляющей импульсное световое излучение накачки, и оболочки, окружающей сердцевину,

при этом комбинационный преобразователь вызывает стоксов сдвиг частоты n-го порядка импульсного светового излучения накачки для выдачи светового излучения накачки с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны, которое варьирует в диапазоне 1220-1300 нм и характеризуется широкой спектральной линией по меньшей мере 10 нм, причем n является целым числом.

13. RGB источник света по п. 12, в котором комбинационный преобразователь сконфигурирован с сохраняющим поляризацию проходящего излучения волокном, которое характеризуется наличием кварцевой сердцевины в кварцевой оболочке или сердцевины из фосфатного стекла,

комбинационный преобразователь с кварцевой сердцевиной характеризуется такой длиной, которая достаточна для вызова стоксовых сдвигов частоты третьего и четвертого порядка для преобразования длины волны накачки в желаемую комбинационно сдвинутую длину волны, и

комбинационный преобразователь с сердцевиной из фосфатного стекла сконфигурирован с такой длиной, которая достаточна для вызова стоксового сдвига частоты первого порядка для преобразования длины волны светового излучения накачки в желаемую комбинационно сдвинутую длину волны.

14. RGB источник света по п. 12, дополнительно содержащий затравочный источник, функционирующий в режиме непрерывного излучения для испускания света с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны, который введен в однопроходный одномодовый комбинационный преобразователь.

15. RGB источник света по п. 14, дополнительно содержащий волновой мультиплексор, который объединяет световое излучение накачки и свет с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны либо после, либо перед иттербиевым волоконным лазерным усилителем мощности.

16. RGB источник света по п. 12, в котором однопроходной комбинационный преобразователь функционирует с эффективностью преобразования в диапазоне 50-80%, при этом общая степень преобразования электрической энергии в оптическую RGB источника света варьирует в диапазоне от 6-20%.

17. RGB источник света по п. 1, в котором волоконная лазерная накачка квазинепрерывного излучения, входящая в состав случайно поляризованного широкополосного одномодового красного лазера, сконфигурирована с иттербиевым и эрбиевым (Еr) волоконными источниками накачки, каждый из которых характеризуется схемой MOPFA, содержащей генератор на основе одиночного лазерного диода и волоконный лазерный усилитель мощности, при этом волоконная лазерная накачка квазинепрерывного излучения выполнена с возможностью испускания двух импульсных световых излучений накачки на одиночной моде с длинами волн в диапазонах 1000-1099 нм и 1500-1599 нм соответственно;

преобразователь частоты сконфигурирован в качестве многопроходной схемы преобразования с нелинейным кристаллом ТБЛ, обеспечивающим суммарную частоту световых излучений иттербиевой и эрбиевой накачек для выдачи красного света в диапазоне длин волн 600-699 нм.

18. RGB источник света по п. 1, в котором накачки зеленого и красного лазеров сконфигурированы с многомодовой усиливающей средой, способной поддерживать только одиночную моду.