多波长可见光激光光源制造技术

本发明专利技术提供大功率和高亮度显示的方法和系统，以及照明系统和方法。在实施例中，提供并使用波长范围为300nm至700nm的多波长激光束，包括该波长的具有优良光束质量的大功率光束。其中三种波长可以是原色，红色、绿色和蓝色。制造和显示系统，允许大功率白光直接从单光纤激光光源产生，如剧院、体育赛事、公共活动、私人和家庭娱乐等。系统配置为明视觉和暗视觉。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多波长可见光激光光源本申请要求2018年11月23日提交的美国临时申请序列号62/770,892的提交日的优先权和权益，其全部公开内容以引用方式并入本文。
本专利技术涉及一种产生波长范围为300nm至700nm的多波长激光束的激光器，包括所述波长的具有优良光束质量的大功率光束。相关方法和系统的实施例除了应用于其他领域外，还可应用于广泛的制造、投影和显示系统。这些方法的实施例提供了直接从单光纤激光光源产生的大功率白光的系统。
技术介绍
在本专利技术之前，通常从二极管激光光源或使用近红外或红外激光的倍频获得300-700nm范围内的激光束。激光光源可以单独产生预定波长，但不能提供一系列宽间隔波长。虽然现有系统可以产生一个密集波长波段或一个波长带宽，但不能产生一组或一系列单独的波长。迄今为止，通常且特别是对于商业上可行的系统，本领域一直不能对这些类型的激光器进行缩放以制造更高的功率，例如，大于500W(0.5kW)的激光器，特别是1kW及以上的激光器，这些激光器对于工业环境具有必要的可靠性。此外，相信不可能复制本专利技术实施例的商业能力，因为集成在多个单独波长上操作的多个单独激光器，然后将这些激光器组合以尝试实现相同的目标是复杂且困难的。据信，迄今为止还没有进行过这样的组合。本领域通常认为，除了其他原因外，无法获得这些波长的大功率激光器是受到非线性晶体处理大功率水平下所需的热负荷和功率密度的能力等的限制。因此，目前认为可通过倍频获得的最大功率、高光束质量的激光器仅限于约400W(0.4kW)脉冲，需要脉冲来管理晶体上的热负荷。据信，商业可行或有用的工作在单个波长或多个波长下的300-700nm范围内的激光器，具有高功率，例如，1kW以及更高的功率。并且具有高光束质量，例如，M2＝～1、M2<1.05、M2<1.1、M2<1.25、M2<1.5，对于所有轴，在本专利技术之前尚未获得。在本专利技术的实施例以及在Nuburu[努布鲁有限公司]的未决申请中描述的那些实施例之前，通常有四种类型的蓝色激光器。蓝色激光器是波长在400-505nm之间，通常是405-495nm之间的激光器。这些蓝色激光器是：(i)氦镉激光器，(ii)氩离子激光器，(iii)直接和倍频二极管激光器，以及(iv)固态倍增或参量振荡器。(i)氦镉激光器是单模的，但功率限制在几百毫瓦，例如0.0001kW。氦镉激光器是典型的单横模激光器，但由于所述激光器的效率较低(<0.025％)，很难将其扩展到大功率水平，因此不适合大功率材料加工应用。(ii)氩离子激光器是非常低效的，因此被限制在相对较低的功率，多条激光束中每条不到约0.005kW。在所述低功率下，所述激光器是具有多个波长操作的单横模。相关系统的寿命通常小于5000小时，这对于大多数工业应用来说相对较短。(iii)蓝色二极管激光器正在变得可用。然而，它们的功率较低，通常低于0.0025kW，并且光束质量较差，例如，慢轴M2>5，快轴M2＝～1。目前，这些装置的寿命约为20000小时，适用于许多工业和商业激光应用。当将这些装置扩展到200W或以上时，光束质量会随着功率的增加而降低。例如，在200W时，M2>50。(iv)倍频蓝色激光光源的输出功率一般限制在0.50kW左右。产生蓝光的方法可以是将800范围(800-899)-900范围(900-999)nm的光源倍频，或者使用两个不同波长的和频混合来产生第三个波长。这两种技术都需要使用非线性倍频晶体，如铌酸锂或KTP。这些晶体相对较短，因此，它们需要较高的峰值功率水平来实现高效转换。在连续波模式下工作时，热问题以及电荷迁移问题会导致晶体的快速退化，以及激光器输出功率的快速下降。在本专利技术之前，蓝色波长激光束通常通过参量振荡器、四波混频和直接倍频获得。这些都是低效的工艺，依赖于使用非线性晶体来实现蓝色波长。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。据信，这些现有类型的蓝色激光器和一般的可见光激光器及其提供的激光束不足以用于大功率显示应用，所述大功率显示应用即来自单个激光光源的多波长可在紧凑的商业可行系统中实现明亮的大屏幕投影。大功率倍频激光光源是典型的快速脉冲光源，具有很高的峰值功率和很短的脉冲。所述很短的脉冲很难做出可行的显示，因此使用很短的脉冲这种方法的设计师通常使用一种更有效的倍频方法，即通过倍频晶体进入一个长脉冲。脉冲长度越长，热负荷越高，工作特性越接近连续波激光器的工作特性，连续波激光器具有与倍频连续波激光器有关的相同的可靠性问题。这些类型的激光器不能提供本专利技术实施例的大功率和连续波输出以及光束质量。在本专利技术之前，450nm或更小的激光束通常通过参量振荡器、四波混频和红外光源的三倍频获得。这些都是低效的工艺，依赖于使用非线性晶体来实现短波长(200nm-450nm)。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。在本专利技术之前，700nm-800nm范围内的激光束通常通过泵浦染料激光器、参量振荡器、四波混频和红外光源的倍频来获得。这些都是低效的工艺，染料激光器往往会随着时间的推移而褪色，并且相互作用体积有限，因此很难获得高的连续波功率水平。其他工艺依赖于使用非线性晶体来实现700nm-800nm的波长。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。在本申请中，除非另外明确提供，否则术语“显示”、“激光投影”、“投影”、“照明”及类似的此类术语将被赋予其最广泛的可能含义，且将包含户外影院，户外显示，例如体育场、剧院、音乐会场所、室内影院、IMAX影院及任何其它大屏幕格式。用于显示应用的高亮度激光光源的实现将允许在明亮的阳光下观看激光投影图像，例如在体育场中所遇到的。高亮度激光投影仪也将适用于会议中心的显示，而会议中心的室内照明一直是低输出投影提供清晰清晰显示的挑战。在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“大功率”、“大功率激光器”和“大功率激光束”以及类似术语是指0.5kW至5kW、1kW至10kW、0.5kW至10kW、1kW、2kW、5kW、约1kW至约10kW、约2kW至6kW的功率以及这些范围内的所有功率，以及，更大的功率。在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光器”和“蓝色”应被赋予其最广泛的含义，并且通常指：提供激光束、激光束、激光光源的系统，例如激光器和二极管激光器，其提供，例如传播波长在400nm(纳米)到500nm之间，以及约400nm到约500nm之间的激光束或光。典型的蓝色激光器波长在405-495nm之间。蓝色激光器的波长包括450nm、约450nm、460nm和约470nm。蓝色激光器可以具有从约10pm(皮米)到约10nm、约5nm、约10nm和约20nm，以及更大和更小的值的带宽。在本申请中，除非另有明确说明，否则“紫外”、“紫外线”、“紫外光谱”和“光谱的紫外部分”和类似术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：/na.通过大功率蓝色激光二极管进行泵浦；/nb.产生多波长输出的嵌套拉曼振荡器；/nc.在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181123 US 62/770,8921.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：
a.通过大功率蓝色激光二极管进行泵浦；
b.产生多波长输出的嵌套拉曼振荡器；
c.在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。


2.如权利要求1所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中。


3.如权利要求1所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中。


4.如权利要求1所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


5.如权利要求1所述的激光器，其具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


6.如权利要求1所述的激光器，其具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


7.如权利要求1所述的激光器，其具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


8.如权利要求1所述的激光器，其具有形成谐振器的外部光学器件。


9.如权利要求1所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了单个频移的输出波长。


10.如权利要求1所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长。


11.如权利要求1所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


12.如权利要求1所述的激光器，其具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


13.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：
a.通过大功率蓝色激光二极管进行泵浦；
b.产生多波长输出的连续的拉曼振荡器；
c.在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。


14.如权利要求13所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中。


15.如权利要求13所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中。


16.如权利要求13所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


17.如权利要求13所述的激光器，其具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


18.如权利要求13所述的激光器，其具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


19.如权利要求13所述的激光器，其具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


20.如权利要求13所述的激光器，其具有形成谐振器的外部光学器件。


21.如权利要求13所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了单个频移的输出波长。


22.如权利要求13所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长。


23.如权利要求13所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


24.如权利要求13所述的激光器，其具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


25.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：
a.通过大功率蓝色激光二极管进行泵浦；
b.在中央纤芯发出大功率的单个拉曼振荡器；
c.产生多波长输出的自发拉曼发生器。


26.如权利要求25所述的激光器，其中所述大功率蓝光激光二极管被发射到第一拉曼振荡器的包层中。


27.如权利要求25所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到第一拉曼振荡器的包层中。


28.如权利要求25所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


29.如权利要求25所述的激光器，其具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


30.如权利要求25所述的激光器，其具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


31.如权利要求25所述的激光器，其具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


32.如权利要求25所述的激光器，其具有形成谐振器的外部光学器件。


33.如权利要求25所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


34.如权利要求25所述的激光器，其具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


35.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：
a.通过蓝色光二极管泵浦的多个拉曼振荡器进行泵浦；
b.产生多波长输出的嵌套拉曼振荡器；
c.在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。


36.如权利要求35所述的激光器，其中所述大功率蓝光激光二极管被发射到第一拉曼泵浦振荡器的包层中。


37.如权利要求35所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到第一拉曼泵浦振荡器的包层中。


38.如权利要求35所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


39.如权利要求35所述的激光器，其具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


40.如权利要求35所述的激光器，其具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


41.如权利要求35所述的激光器，其具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


42.如权利要求35所述的激光器，其具有形成谐振器的外部光学器件。


43.如权利要求35所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了单个频移的输出波长。


44.如权利要求35所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长。


45.如权利要求35所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


46.如权利要求35所述的激光器，其具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


47.一种多波长可见光光纤激光器光源，包括：
a.通过蓝色光二极管泵浦的多个拉曼振荡器进行泵浦；
b.产生多波长输出的连续的拉曼振荡器；
c.在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。


48.如权利要求47所述的激光器，其中所述大功率蓝光激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中。


49.如权利要求47所述的激光器，其中所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中。


50.如权利要求47所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


51.如权利要求47所述的激光器，其具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高。


52.如权利要求47所述的激光器，其具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


53.如权利要求47所述的激光器，其具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅。


54.如权利要求47所述的激光器，其具有形成谐振器的外部光学器件。


55.如权利要求47所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了单个频移的输出波长。


56.如权利要求47所述的激光器，其具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长。


57.如权利要求47所述的激光器，其具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


58.如权利要求47所述的激光器，其具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。


59.如权利要求1、13、25、35和47所述的激光器，其具有多个输出波长，可产生用于在昏暗的背景照明中观看投影显示的三个理想波长。


60.如权利要求1、13、25、35和47所述的激光器，其具有多个输出波长，可产生用于在明亮的背景照明中观看投影显示的三个理想波长。


61.一种显示系统，其具有权利要求1至60中的一个或多个激光器。


62.一种照明系统，其具有权利要求1至60中的一个或多个激光器。


63.如权利要求62所述的系统，其中所述照明系统位于免下车电影院。...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·S·泽迪克，
申请(专利权)人：努布鲁有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US