高功率超短脉冲光纤激光器照射投影仪的制作方法

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。

技术领域

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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(chirped pulse amplification)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。FBG 34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FBG 34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FBG 34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FBG 34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FBG 34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能够被用在任何啁啾脉冲放大激光系统中。

参考图5与图2的组合，绿色激光系统的整体布局包括容纳种子22的主控制台46、一个或多个泵浦源13、用于种子激光器和泵浦源的可选的预放大级联、电子器件、冷却系统、用于种子激光器和泵浦源的动力供给装置，并且所有的其他必要部件累加地表示为35。

由种子激光器22发出的SM信号光被耦合到SM无源输出光纤48，该SM无源输出光纤48将SM信号光输送到具有围绕MM芯部的双层构造的光纤放大器的有源光纤60。有源光纤60穿越挠性输送光缆50，该挠性输送光缆50在主控制台46和激光头52之间的整个自由空间中延伸穿过。有源光纤60的MM芯部被掺杂有一个或多个光发射器，诸如镱(Yb)的离子。一个或多个无源多模式泵浦光输出光纤58在电缆50内部在控制台46和激光头52之间的整个自由空间中延伸穿过。种子源22的输出SM无源光纤48被接合到电缆50内部的有源光纤60。

转而简要地参考图6，有源光纤60可以被构造为具有单独制造的均匀尺寸的光纤64和熔合在一起的瓶颈形状的光纤杆66，但是该光纤杆66优选地被制作为整体的连续的一体结构。如果有必要，该信号光被放大到期望的水平，该期望的水平达到MW峰值功率水平，如从放大级24中发出，其中发出的信号光的M²束质量参数在1.1至1.5之间变化。

有源光纤60的MM芯部75被构造有至少三个区域：具有均匀尺寸的输入区域68、截头圆锥模式转换区域70和输出放大区域72。通过最初使得MM芯部75的基础模式的模场直径(MFD)与种子激光器的输出无源光纤48(图5)的模场直径匹配，而实现掺杂MM芯部75中的只有基础模式的激励。因此，耦合到放大级24的有源光纤60的信号光基本上只激励基本模式。随着信号光被引导通过转换区域70和在放大区域72中被放大，基本模式进一步绝热地扩展。

参考图5和7，激光头52容纳反射元件62，诸如镜子。设置在镜子62中的并且被居中在系统10的光轴上的开口74的尺寸被规定为防止或最小化传播方向A上的信号光损耗。优选地，开口74具有光束直径的两倍的直径，但是可以一定程度上更大，例如，光束腰的直径的三倍。镜子62的直径基本上与有源光纤60的下游面和开口74之间的距离相等。镜子62被构造为在逆向传播方向上将从泵浦光纤58中发出的泵浦光返回到有源光纤60的输出端中，如下文将更加详细地讨论。

激光头52此外还容纳缓冲器76，该缓冲器具有熔合到所有的光纤60和58的输出端的输入端。缓冲器76可以被构造为硅玻璃无芯杆并且可操作地防止由于传播通过缓冲器76的体积的输出束的降低的功率密度而引起的对光纤端部的损坏。远程定位的并且容易替换的激光头52简化绿色激光系统的部署。然而，激光头52可以被安装在主控制台中。

泵浦光输送光纤58被构造为无源MM光纤。优选地，泵浦光纤58的下游端区域平行于有源光纤60的输出区段40延伸。相应的光纤58和60的输出端可以沿着传播方向A被直接接合到缓冲器76的上游面。两个光纤之间的其他空间关系也位于本公开的范围之内。例如，输送光纤和有源光纤中的一个能够以相对于其他光轴成一定角度的方式被接合到缓冲器的上游面。一个以上的单个输送光纤能够与有源光纤60组合使用。

包括种子22和放大器24的公开的Yb光纤激光器在1.5W至30W以上之间变化的平均功率下操作，并且峰值功率在5MW以上。脉冲能量可以超过100μJ并且能够低至5μJ。束质量的范围在1.2至1.5之间。脉冲持续时间覆盖100飞秒至100皮秒的间隔，并且脉冲重复率能够达到3000kHz和以上。

参考图1、2和5，激光头52可以被构造有容纳压缩机13(图2)的延伸体78，该压缩机13被构造为体布拉格光栅，该体布拉格光栅被操作为，在原始持续时间在第二谐波产生器系统14中被倍频之前，将脉冲持续时间降低到其原始持续时间，以输出515nm至545nm波长范围内的绿色光，该绿色光借助于大量的光学器件被输送到RGB投影头。

生成超短绿色光脉冲的特征在于：因为来自屏幕28(图1)的向回反射，所以通过超高峰值功率可以潜在地威胁地整个绿色光模块的整体性。为了防止此种可能性，系统10包含绿色光波长下的另一体布拉格光栅80(图5)，以延展反射自屏幕20的脉冲，从而降低向回反射的光的高峰值功率。

蓝色和红色激光器光源可以被构造为二极管激光器。替代地，诸如包含公开的Yb激光器的和频系统的非线性效应可以被用于生成期望的颜色。

虽然参考公开的示例已经说明了本公开，但是在脱离下文权利要求的范围和精神的情况下，对上述公开实施例的多种修改和/或添加对于本领域的技术人员而言是显而易见的。