用于照明投影机系统的RGB激光源技术方案

一种用于照明投影机系统的RGB光源包括红光激光器、绿光激光器和蓝光激光器，每个激光器输出具有至少4nm光谱线宽的随机偏振(RP)单模(SM)光。绿光激光器具有MOPFA结构的泵，其输出基波波长在1μm波长范围内的脉冲泵浦光束，并且还包括SHG。SHG包括接收脉冲泵浦光束并输出BB绿光脉冲序列的LBO非线性晶体。红光激光器配置有QCW光纤激光泵和带有LBO非线性晶体的频率转换器，其中该LBO非线性晶体输出6xx nm波长范围内的红光脉冲序列。

RGB laser source for illumination projector system

A RGB light source for a lighting projector system includes a red laser, a green laser, and a blue laser, each laser outputting a random polarization (RP) single-mode (SM) light having at least 4nm spectral linewidth. The green laser has a pump with a MOPFA structure, whose output fundamental wavelength is a pulsed pump beam in the range of 1 m, and includes SHG. The SHG consists of a LBO nonlinear crystal that receives a pulsed pumping beam and outputs a BB green pulse sequence. Red laser with QCW fiber laser pump and frequency converter with LBO nonlinear crystal, the nonlinear crystal LBO output 6xx nm in the wavelength range of light pulse sequence.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于照明投影机系统的RGB激光源相关申请交叉引用本申请是于2014年9月16日、2015年3月31日以及2015年2月6日向美国专利商标局提交的美国临时申请No.62/050,825、62/140,911和62/112,938的部分接续申请。
本专利技术涉及基于激光的照明应用。更具体地，本公开涉及用于在包括巨型屏幕、主题公园景点、博物馆天文馆和类似的室内和室外应用在内的数字电影中进行投影的基于高功率红、绿和蓝(RGB)光纤激光器的照明系统。
技术介绍
高壁插效率(WPE)和长寿命使得发光二极管(LED)成为大多数普通照明和显示应用选择的照明技术。然而，存在对RGB激光照明的独特属性将能够实现新类型的固态光源的新兴需求。这些需求的第一个是数字电影。超过120,000个电影屏幕现在使用标准化的数字电影投影机，其显示来自加密数据文件的电影，而不是35毫米胶片。这种向数字化的转变对于行业来说是一个可操作的进步，但具有显著的技术讽刺。这些最先进的数字投影机仍然使用60年代的老旧技术-氙弧灯作为它们的光源。逐渐地，弧光灯被LED替代。RGB激光电影投影机，即具有所有光能量来自激光器的光源的投影机，是LED的良好替代品，因为LED替代氙弧灯的相同原因-长寿命和高壁插效率。但是激光器具有另外的优点，它们产生超高的空间亮度，即小的光学扩展度(mm2-球面度(steradian))，并且从几乎准直的光束中的非常小的光斑传递功率。这种独特的光学性质使能了电影的关键性能以及最终实现新型的特种激光照明：将几乎无限量的RGB光输入数字投影机的能力以及通过高效、灵活的光纤传输千瓦可见光的能力。通过光纤传输的RGB激光照明提供了通过数字投影机实现可接受的亮度的解决方案。光纤传输将使能新的投影和照明能力和应用。二极管激光器是迄今为止用于数字影院的最常用的光源，因为其具有改进的寿命以及总的光谱和亮度稳定性。然而，仅在最近，包括VCSEL(垂直腔表面发射激光器)等的二极管激光器阵列已经显示出了输出足够功率以导致所需亮度的前景。RGB颜色中的每一种所需的亮度是大量单个激光器阵列进行组合以匹配投影机流明功率需求的结果。增加数量的二极管激光器带来了技术挑战，包括保持白色平衡、高亮度(优异的光学扩展度)和斑点减少。每个RGB激光源的波长位移和功率变化有助于白色平衡不稳定性–投影机的技术性能的最重要特性之一。已知的二极管激光源，特别是绿光和红光激光二极管，具有对异质结和偏置电流中的温度变化高度敏感的相应工作波长，而人眼对这些波长变化特别敏感。组合的高功率二极管激光器除了在芯片内产生的热量之外还产生大量的外部热量。尽管红光、绿光和蓝光二极管激光器的每一个具有相当不同的热/波长依赖性，但是不变地相应的工作波长随着温度更高而增加。如果甚至在单色阵列中的所有激光器连接在一起并且具有窄波长(对于二极管激光器这是典型的)，则工作波长的位移导致整个投影机输出的白点和颜色不符合规范。此外，随着温度升高，二极管的增益减小，从而扰乱作为精心控制的值的颜色对比度。为了恢复增益，注入电流应当增加，但是以中心波长稳定性为代价。所有上述要求稳定输出功率和中心波长二者的额外控制机制，这增加了激光源的复杂性和成本。第二个技术挑战源于激光器的巨大优点-从改进色域的角度所需的光相干性。然而，激光源的相干性通常导致诸如由于屏幕表面的粗糙度而发生的光学干涉和斑点之类的伪像。这些干涉导致在观看者的眼睛中从屏幕散射的光的亮度分布的强烈附加强度调制。拓宽输出的光谱线宽是处理该问题的几种方法之一。然而如上所述，已知二极管激光器具有不可接受的窄线宽。虽然增加数量的二极管激光器有助于比单个二极管的线宽略宽的线宽，但是它仍然不足以从根本上使斑点最小化。结果，图像质量减小到激光辐射的优点消失的程度，或者其使用几乎不带来任何技术或经济上的优点。因此需要一种成功地满足上述挑战的基于激光器的投影系统。附图说明根据结合附图的以下具体描述，所公开结构的特征和优点将变得更容易获得，附图中：图1A和图1B示出了已知RGB激光源的不同配置；图2A至图2C示出了本专利技术的RGB激光源的不同配置；图3和图4示出了本专利技术的RGB激光源的各个架构；图4至图7示出了所公开的RGB激光源的绿光激光器的各种专利技术结构；图8和图9示出了图4至图7的单个绿光激光器和多个绿光激光器的计算机产生的绿光光谱；图10是所公开的RGB激光源中的配置有拉曼频率转换器的红光激光器的一般示意图；图11A和图11B分别是图10的红光激光器的计算机产生的光谱；图12是所公开的红光激光器的光学示意图；图13是在本公开的所有绿光激光器和红光激光器中使用的光纤放大器的配置；图14是拉曼转换器的计算机产生的光谱；图15和图16示出了红光激光器的各个实施例；图17示出了表示工作在615nm波长的本专利技术的红光激光器的中心波长和线宽稳定性的曲线图；图18是具有基于和频非线性效应的频率转换器的红光激光器的另一实施例的示意图；图19和图20是示出了635nm波长红光激光器的特性的计算机产生的曲线图；以及图21是示出了本专利技术的RGB光源的蓝光激光器的线宽的曲线图。具体实施方式参考图1A和图1B，激光投影机系统10必然包括激光光源12和具有投影头14的投影机。激光光源12可以具有各种配置，并且如图所示，包括容纳可移除激光模块18的支架16，其中所述可移除激光模块18具有定义三个不同组的绿光、红光和蓝光激光器。根据投影机的配置，该架构可以具有单个或两个投影头14。在操作中，光源12发射红光-绿光-蓝光，其在组合时产生借助于传输光纤16耦合到投影机中的白光。投影机通常包括光导引和整形光学器件，并且成像引擎可操作为将白光分成红光、绿光和蓝光分量。每个光分量照亮相应的空间调制器，其在像素阵列中形成针对该颜色的图像，之后这些分量被重新组合并投影到屏幕(未示出)。图2A和图2B示出了具有多个可置换激光模块20和用于激光模块20的支架的本专利技术的激光光源15。激光源15包括主控制台或机柜30，除了激光模块20之外容纳激光源的电子器件和其他必要外围组件。例如，取决于激光模块20的数量，机柜30可以具有各种构造，如图2C所示。如图所示，它具有多隔间结构，其中两个隔间容纳激光模块20的相应阵列，另一隔间保持外围组件。激光模块20的每个阵列配置有包括一个或多个绿光光纤激光器22、红光光纤激光器24、它们各自的信号泵28(例如，镱(Yb)光纤激光器)和尾纤蓝光二极管激光器26的3个组。图3A示出了激光源15的专利技术构造之一。在描述所示系统的单独组件之前，需要注意的是本专利技术的源不一定必须用于其中组合了六原色(6P)的3D视觉系统。通过简单地仅使用发射相应三原色(3P)的一个RGB激光器阵列，它可以非常好地用作2D系统的源。对于3D系统存在发射6原色(6P)的两个激光模块阵列可以通过立体观测来解释-允许两只眼睛看到不同图像的视觉过程，优选地但不一定同时地，所述不同图像略微在光谱上彼此偏移。人脑形成单一的心理图像，具有准确的深度感知。返回图3A，光纤合束器32、34和36分别接收来自绿光、绿光和红光激光器组28、22和24的相应输出，而另一激光器阵列28'、22'和24'发射在光纤合束器32'、34'本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于照明投影机系统的红绿蓝(RGB)激光光源，至少包括第一通道，所述第一通道配置有：随机偏振(RP)宽带(BB)单模(SM)绿光激光器，包括：主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)泵，其操作为输出基波波长在1μm波长范围内的脉冲RP BB SM泵浦光束，以及二次谐波发生器(SHG)，配置有三硼酸锂(LBO)非线性晶体，其接收SM BB脉冲泵浦光束并输出在5xx nm波长范围内的宽光谱线宽Δλ1至少为4nm的BB绿光脉冲序列；RP BB SM红光激光器，配置有相应的准连续波(QCW)光纤激光器泵以及具有LBO非线性晶体的频率转换器，所述准连续波(QCW)光纤激光器泵操作为输出中心波长处的RP SM BB脉冲泵浦光束，所述LBO非线性晶体接收RP SM BB脉冲泵浦光束以输出在6xx nm波长范围内的宽光谱线Δλ2至少为4nm的红光脉冲序列；以及蓝光激光器，输出中心波长在4xx nm波长范围内的宽光谱线宽Δλ3至少为4nm的RP蓝光。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.16 US 62/050,825;2015.02.06 US 62/112,938;1.一种用于照明投影机系统的红绿蓝(RGB)激光光源，至少包括第一通道，所述第一通道配置有：随机偏振(RP)宽带(BB)单模(SM)绿光激光器，包括：主振荡器功率光纤放大器(MOPFA)泵，其操作为输出基波波长在1μm波长范围内的脉冲RPBBSM泵浦光束，以及二次谐波发生器(SHG)，配置有三硼酸锂(LBO)非线性晶体，其接收SMBB脉冲泵浦光束并输出在5xxnm波长范围内的宽光谱线宽Δλ1至少为4nm的BB绿光脉冲序列；RPBBSM红光激光器，配置有相应的准连续波(QCW)光纤激光器泵以及具有LBO非线性晶体的频率转换器，所述准连续波(QCW)光纤激光器泵操作为输出中心波长处的RPSMBB脉冲泵浦光束，所述LBO非线性晶体接收RPSMBB脉冲泵浦光束以输出在6xxnm波长范围内的宽光谱线Δλ2至少为4nm的红光脉冲序列；以及蓝光激光器，输出中心波长在4xxnm波长范围内的宽光谱线宽Δλ3至少为4nm的RP蓝光。2.根据权利要求1所述的RGB光源，还包括第二通道，所述第二通道包括：RPBBSM绿光激光器、RPBBSM红光激光器和RPBBSM蓝光激光器，它们输出中心波长与所述第一通道的各个中心波长不同的相应RGB光，以输出3D图像。3.根据权利要求1或2所述的RGB光源，还包括操作为输出2D或3D图像的投影机。4.根据权利要求2所述的RGB光源，还包括：多个单色合束器，每个合束器从所述第一通道和所述第二通道之一的多个红光激光器、多个绿光激光器和多个蓝光激光器接收光，并且配置为输出各自具有至少8nm的宽光谱线的相应累积红光、绿光和蓝光，以及多个下游合束器，每个下游合束器接收来自相应的第一通道和第二通道的红色累积光、绿色累积光和蓝色累积光，并且操作为输出随机偏振(RP)的白光。5.根据权利要求1所述的RGB光源，其中所述RPBBSM绿光激光器还包括：聚焦光学器件，配置为将所述RPBBSM脉冲泵浦光束聚焦到所述LBO内不超过40μm的束腰直径。6.根据权利要求5所述的RGB光源，其中所述SHG配置为单通转换装置，并且具有：上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体，所述上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体各自的轴在垂直平面中延伸；以及第一聚焦透镜，将来自上游I型LBO晶体的输出聚焦在下游I型LBO晶体的主体内，所述下游I型LBO晶体配置为输出累积的RPBBSM绿光和在所述上游I型LBO晶体中未转换的RPBBSM泵浦光束。7.根据权利要求6所述的RGB光源，还包括：输出准直单元，操作为输出其输出平均功率与在所述上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体中产生的绿光之和相等的累积RPBBSM绿光，所述输出准直单元包括对所述下游I型LBO晶体中未转换的RPBBSM泵浦光束透明并沿输出路径反射所述累积RPBBSM绿光的波长鉴别器，其中高反射镜沿所述输出路径将累积BB绿光引导至下游聚焦透镜以将累积BB绿光聚焦在输出准直器中。8.根据权利要求6所述的RGB光源，还包括：位于所述上游I型LBO晶体的下游的双折射去偏振器，其中来自相应的上游I型LBO晶体和下游I型LBO晶体的RPBBSM绿光彼此不干涉地传播。9.根据权利要求5所述的RGB光源，其中所述绿光激光器的SHG还包括：一对间隔开的上游II型LBO晶体和下游II型LBO晶体，其各自的轴在平行平面中延伸，上游1/2波片和下游1/2波片，分别位于第一II型LBO晶体和第二II型LBO晶体的上游，并且配置为防止来自上游II型LBO晶体的RPBB绿光和来自下游II型LBO晶体的RPBB绿光之间的干涉，走离补偿板，由双折射材料制成并位于第一II型LBO晶体的上游，所述走离补偿板配置为沿与所述第一II型LBO晶体提供的方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：曼纽尔·莱昂纳多，伊格尔·山马尔特瑟夫，阿列克谢·阿夫多欣，格雷格里·基顿，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US