高功率超短脉冲光纤激光器照射投影仪制造技术

一种激光照射投影系统被构造有多个红色、绿色和蓝色激光源。绿色激光源具有全光纤式主振荡功率放大器构造，在该构造中，泵浦光在逆向传播方向上被耦合到光纤放大器的输出端，使得绿色源的结构以及因此投影系统紧凑。绿色激光源操作为发出大约1064纳米波长的信号光脉冲，其中脉冲重复率高至大约3000kHz，脉冲持续时间在大约100飞秒至大约100皮秒之间，平均功率在1.5W至30W以上，峰值功率在5MW以上，脉冲能量超过100μJ，并且光束质量参数M2范围位于1.2至1.5之间。因此被构造的绿色激光源基本上减少了光斑，否则该光斑在激光照射的屏幕上是可见的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请涉及标题为“高功率超短脉冲光纤激光器”的美国临时申请，这两个申请被同时提交。
本公开涉及脉冲宽线光纤激光器。更具体地，本公开涉及用于斑点较少的脉冲宽线光纤激光器。
技术介绍
使用激光源用于投影显示器的照明的优点是与使用其他光源相比更引人注目。这包括：提高的图像亮度、提高的功率效率、提高的图像对比度、更广的色谱、降低的成本、照明源和光学系统两者减小的尺寸，以及用于免聚焦用途的提高的景深。使用激光源的主要缺点是：由于高对比度、高空间频率、似乎漂浮在被投影的图像平面前方的颗粒图案的存在，被投影的图像质量潜在地严重的恶化。该图案被已知为斑点。一些斑点由于激光照射的高度相干特征而出现，改进的一种措施是使用具有降低的相干性的光源，诸如直接发射绿色激光二极管。然而，它们的线宽(linewidth)太窄而不能将斑点降低到可接受的水平。最大功效的激光二极管的功率也是不足够的。现在可购得的最亮和最节能的绿色激光不具有足够宽的线宽。近年来，通过使用多模光纤可以经常获得激光投影仪中的斑点抑制。光纤的长度需要足够长以获得事实上所有光纤模式的解相关。该方法的最大优势是不需要机械移动。然而，屏幕上的入射激光束的相关长度增大等于光学系统的放大率的因子。因此，为了在屏幕上保留与远处的光纤端部上的斑点对比度相同的斑点对比度，该方法需要多模光纤的数量基本上等于投影仪物镜的放大率的平方(基本上等于屏幕上的像素的数量＞300000)。虽然为了开发用于将斑点噪声减低到人眼可接受的水平的紧凑系统已经付出了足够的努力，但是该问题仍然存在。因此，存在对构造更简单并且更紧凑的、具有减少的斑点噪声的光纤激光照射投影系统的需求。
技术实现思路
根据本公开的主题，基于光纤激光器的系统被提供以克服现有技术中的上述和其他缺陷。具体地，公开的系统表现出降低的斑点效应。通过设计为用于高性能数字投影系统的高效的、高亮度的、可调红绿蓝(RGB)色脉冲激光系统的组合能够达到该目的。结果是得到紧凑的全光纤式光源，该全光纤式光源有助于最小化斑点效应，具有较低的功耗，提供电力和采暖通风空调操作成本上的节省。公开的激光系统的特征在于，提供高峰值功率和超短脉冲。这些特征的组合提供绿色光的基本频率到期望频率的有效转换。单独地，超短脉冲导致从种子源发出的基本频率的信号光的线宽的加宽，并且因此，斑点减少。附图说明从下文的对附图的详细说明中，公开的系统的特征和优点将变得更加显而易见，其中：图1是公开的系统的基于激光的投影构造。图2是公开的高功率、超短脉冲光纤激光系统的光学示意图；图3是种子源的示例性光学示意图；图4是脉冲展宽器的示例性图；图5是放大器的光学示意图。具体实施方式现在将对本公开的优选实施例进行详细的说明。只要有可能，相同的或类似的附图标记在附图中和说明书中被用于表示相同的类似的部件或不足。附图是非常简化的形式并且在比例上不精确。由于具有单程倍频转换系统的紧凑绿色脉冲光纤激光源，所以公开的激光照射投影仪10被构造为紧凑的组件。绿色激光源的紧凑性是全光纤式主振荡功率放大器(MOPA)的结果，其中，放大器在逆向传播方向上被端面泵浦。系统10是高效的，并且它的高亮度的、可调红绿蓝(RGB)色激光技术被构造为输出超短脉冲，该输出超短脉冲具有从飞秒到皮秒范围内的脉冲持续时间以及大约0.5纳米至几纳米之间的线宽。结果是紧凑的光源，该紧凑的光源基本上最小化了斑点的出现，具有较长的寿命，低功耗，提供电力和暖通空调操作成本上的节省。图1示出了公开的激光照射投影系统10的大体示意图。系统10被构造有三个激光光源12、16和18，它们分别发出绿色、红色和蓝色信号束，并且一起构成激光源组件。这些信号束在自由空间中或输出无源光纤20中经由相应的大量聚焦光学器件而被引导，并且能够以本领域的技术人员已知的方式组合在照射屏幕23的红绿蓝(RGB)色投影仪头21中。参考图2，绿色激光源12具有全光纤构造，该全光纤构造与用在电影院中的其他已知的激光源组件相比，显著地降低激光源组件的整体尺寸。构造作为MOPA，源21因此包括发出1μm波长范围的短脉冲光的种子22。该脉冲在高功率光纤放大级24中被进一步放大，并且借助于体布拉格光栅13最终被压缩到期望的脉冲持续时间。利用单程倍频系统14，该系统具有非线性晶体，诸如硼酸锂(LBO)或本领域技术人员已知的其他任何适当晶体，该基本频率下的信号光被转换为期望频率下的绿色光。现在转而参考图3，种子22可以具有多个光学几何尺寸，该光学几何尺寸是本领域的技术人员已知的并且取决于使用无源锁模技术还是有源锁模技术。例如，如图3所示，利用可饱和吸收镜(SESAM)可以实现种子22的无源锁模。SESAM可以被用于大范围的激光腔中的锁模。脉冲源自于在连续波激光操作中支持的多激光模式的相位锁定(经由可饱和吸收体的损耗机理)。吸收体在高强度下变得饱和，因此允许腔体能量的大部分通过吸收体以到达布拉格镜30，在该布拉格镜30处，腔体能量通过布拉格光纤光栅38被反射回被限定在弱侧的激光腔中。在低强度下，吸收体是不饱和的，并且吸收所有的入射能量，由于可能的Q切换模式锁定的抑制，有效地从激光腔移走该入射能量。布拉格镜30被安装在诸如GaAs等的半导体晶片32上，该晶片被确定吸收的吸收体层和顶膜系统覆盖。虽然半导体可饱和吸收镜已经被用于大范围的激光腔中的锁模，但是SAM必须被设计为用于各个特定应用。各个激光的不同的损耗、增益谱、内腔功率等需要稍微不同的吸收体特征。种子激光腔中的有源光纤36掺杂有稀土元素(诸如镱)的离子，并且被发射自泵38的光泵浦，该泵38包括二极管激光器或光纤激光器，该二极管激光器或光纤激光器以已知的方式并且在975nm中心波长周围的期望波长范围内泵浦有源光纤36。为了通过超短脉冲从放大器中抽取更多的能量，使用称为啁啾脉冲放大(chirpedpulseamplification)的方法。在公开的整体封装中延展脉冲的一个方法是使用线性啁啾布拉格光纤光栅(FBG)/带宽反射器34。FBG34能够被设计为将脉冲从0.1皮秒或更短的飞秒延展到1000皮秒或更长。线性啁啾FBG34尤其有利地用于快速切换。参考图4与图3的组合，通过可调脉冲延展器44实现对脉冲持续时间的实时调节，该可调脉冲延展器44使用保持线性啁啾FBG34的机械挠曲座架42。该压电体被定位在围绕挠曲点优化FBG的延展的位置处。与具有有限位移的已知的基于压电的结构对比，该有限位移需要使用非线性啁啾FBG34以用于有限的脉冲持续时间调节，压电座架42导致被保持在座架42中的FBG34的长度的更大的改变。压电操作范围的改变允许使用线性啁啾FBG从而将脉冲持续时间从0.5皮秒调整到5皮秒，并且对于激光领域的技术人员而言是显而易见的，对于该范围的修改甚至能够进一步从500飞秒延展到30皮秒，其中切换时间短至几微秒。脉冲延展器34的切换频率一般地基于两个因素：压电元件的到达MHz水平的操作频率和座架42的材料。因此选择满足给定需求的材料，脉冲延展器44能够在KHz和几百KHz之间的切换频率范围中操作。因此，如果需要改变相邻脉冲之间的脉冲持续时间，脉冲延展器44能够满足该需求。应当注意，如上公开的脉冲延展器44能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光照射投影系统，包括：多个激光源，所述多个激光源发出红色、绿色和蓝色(“RGB”)光束，绿色激光源具有主振荡器/功率放大器(MOPA)结构，该结构包括：光纤种子激光器，所述光纤种子激光器能够操作以在沿着光路的传播方向上发出基本频率下的单模(SM)信号光的亚纳秒脉冲，光纤放大器，所述光纤放大器被设置有光发射器掺杂式多模芯部(MM)，该光发射器掺杂式多模芯部具有朝向其下游延伸且接收SM信号光的脉冲的瓶颈状横截面，以及反射元件，所述反射元件被定位在光纤放大器的下游并且被构造为接收泵浦光并且在反向传播方向上将泵浦光反射到MM芯部的下游中，其中MM芯部被构造为大致地在基本模式下发出基本频率下的经放大的信号光的亚纳秒脉冲，以及单程第二谐波发生器(SHG)，所述单程第二谐波发生器接收经放大的信号光的脉冲并且被构造为使基本频率加倍，从而生成绿色光的亚纳秒脉冲；以及RGB投影头，所述RGB投影头被构造为接收RGB光束。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.03 US 61/935,2411.一种激光照射投影系统，包括：多个激光源，所述多个激光源发出红色、绿色和蓝色(“RGB”)光束，绿色激光源具有主振荡器/功率放大器(MOPA)结构，该结构包括：光纤种子激光器，所述光纤种子激光器能够操作以在沿着光路的传播方向上发出基本频率下的单模(SM)信号光的亚纳秒脉冲，光纤放大器，所述光纤放大器被设置有光发射器掺杂式多模芯部(MM)，该光发射器掺杂式多模芯部具有朝向其下游延伸且接收SM信号光的脉冲的瓶颈状横截面，以及反射元件，所述反射元件被定位在光纤放大器的下游并且被构造为接收泵浦光并且在反向传播方向上将泵浦光反射到MM芯部的下游中，其中MM芯部被构造为大致地在基本模式下发出基本频率下的经放大的信号光的亚纳秒脉冲，以及单程第二谐波发生器(SHG)，所述单程第二谐波发生器接收经放大的信号光的脉冲并且被构造为使基本频率加倍，从而生成绿色光的亚纳秒脉冲；以及RGB投影头，所述RGB投影头被构造为接收RGB光束。2.根据权利要求1所述的激光照射投影系统，其中，绿色激光源能够操作以发出大约1064纳米波长的信号光脉冲，其中脉冲重复率高至大约3000kHz，各个脉冲都具有大约100飞秒至大约100皮秒之间的脉冲持续时间，在1.5W至30W以上的平均功率，在5MW以上的峰值功率，超过100μJ的脉冲能量，并且范围位于1.2至1.5之间的光束质量参数M2。3.根据权利要求1所述的激光照射投影系统，其中，光纤放大器包括尺寸均匀的较长的上游光纤区段，和较短的下游光纤杆区段，该光纤杆区段终止于SHG的上游，MM芯部延伸通过光纤放大器的整个长度并且具有：尺寸均匀的上游部，该尺寸均匀的上游部与所述光纤区段共同延伸并且接收来自种子激光器的SM信号光；绝热扩展模式转换部；以及形状均匀的放大部，所述形状均匀的放大部具有比上游部的横截面大的横截面，MM光纤的所述放大部延伸通过光纤放大器的所述光纤杆部分区段。4.根据权利要求3所述的激光照射投影系统，其中，MM芯部的光纤部的尺寸被设定为使得，来自光纤种子激光器的SM信号光在耦合到光纤放大器中时只激励基本模式，MM芯部的模式转换部被构造为在不激励高阶模式的情况下绝热地扩展基本模式。5.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦丁·P·盖庞特瑟夫，伊格尔·山马尔特瑟夫，亚历克斯·俞斯姆，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国;US