(57)【要約】スペックルが低減された高パワーレーザを製造するための方法及び装置が提供される。テルビウムドープされたレージング材料を含むファイバレーザ及び固体レーザが提供される。レーザディスプレイシステムにおいて用いるためのテルビウムドープされたレーザの信号反射帯域幅を増加させ、空間モードの結合及びコヒーレンシを低減し、利得を均等化するための実施形態について説明する。３Ｄレーザディスプレイシステムにおいて用いるための関心対象範囲内の別個の波長を生成するためのスペクトルセレクタについて説明する。2018534789.tif 000003
2018534789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テルビウムドープされたレージング材料を含むレーザキャビティと、
前記レーザキャビティの第１の端部に位置する第１の反射器と、
前記レーザキャビティの第２の端部に位置する出力カプラと、
前記テルビウムドープされたレージング材料が光を放出するように前記レーザキャビティをポンピングするように構成されたポンプと
を含むレーザ。
【請求項２】
ファイバレーザである、請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記第１の反射器は、前記放出光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９０％の反射率を含む、請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
前記第１の反射器は、前記放出光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９８％の反射率を含む、請求項３に記載のレーザ。
【請求項５】
前記第１の反射器は、０．５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む、請求項２に記載のレーザ。
【請求項６】
前記第１の反射器は、５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む、請求項５に記載のレーザ。
【請求項７】
前記第１の反射器は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい信号反射帯域幅を含む、請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記信号反射帯域幅は５４５ｎｍの帯域を含む、請求項７に記載のレーザ。
【請求項９】
前記放出光は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい帯域幅を含む、請求項７に記載のレーザ。
【請求項１０】
離間して配置された複数のテルビウムドープされたファイバコアを含むマルチコアファイバレーザである、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記複数のテルビウムドープされたファイバコアは、前記コアのうちの１つのパワーの−２０ｄＢ未満が隣接コアとオーバーラップするように、離間して配置されている、請求項１０に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記テルビウムドープされたレージング材料はマルチモードファイバコアを含む、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記出力カプラは、前記マルチモードファイバコアの異なるモードが異なる波長でレーザ発振するように構成されたファイバブラッググレーティングを含む、請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１４】
少なくとも、前記マルチモードファイバコアの第１のモードは第１の波長でレーザ発振するように構成され、前記マルチモードファイバコアの第２のモードは、前記第１の波長とは異なる第２の波長でレーザ発振するように構成され、前記マルチモードファイバコアの第３のモードは、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長でレーザ発振するように構成されている、請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１５】
前記第１の反射器は、前記第１の波長、第２の波長、及び第３の波長を含む信号反射帯域幅を含む、請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記第１の反射器は、空間的に変化するスペクトル反射を含む、請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１７】
固体レーザである、請求項１に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記レージング材料は、ガラス、セラミック、及び結晶質材料のうちの１つを含む、請求項１７に記載のレーザ。
【請求項１９】
前記第１の反射器は、前記放出光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９０％の反射率を含む、請求項１７に記載のレーザ。
【請求項２０】
前記第１の反射器は、前記放出光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９８％の反射率を含む、請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記第１の反射器は、０．５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む、請求項１７に記載のレーザ。
【請求項２２】
前記第１の反射器は、５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む、請求項２１に記載のレーザ。
【請求項２３】
前記第１の反射器は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい信号反射帯域幅を含む、請求項２２に記載のレーザ。
【請求項２４】
前記信号反射帯域幅は５４５ｎｍの帯域を含む、請求項２３に記載のレーザ。
【請求項２５】
前記放出光は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい帯域幅を含む、請求項２３に記載のレーザ。
【請求項２６】
マルチモード固体レーザである、請求項１７に記載のレーザ。
【請求項２７】
前記出力カプラは、前記マルチモードレーザの異なるモードが異なる波長でレーザ発振するように構成されている、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２８】
少なくとも、前記マルチモード固体レーザの第１のモードは第１の波長でレーザ発振するように構成され、前記マルチモード固体レーザの第２のモードは、前記第１の波長とは異なる第２の波長でレーザ発振するように構成され、前記マルチモード固体レーザの第３のモードは、前記第１及び第２の波長とは異なる第３の波長でレーザ発振するように構成されている、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項２９】
前記第１の反射器は、前記第１の波長、第２の波長、及び第３の波長を含む信号反射帯域幅を含む、請求項２８に記載のレーザ。
【請求項３０】
前記出力カプラは、空間的に変化するスペクトル反射を含む、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項３１】
前記出力カプラの前記スペクトル反射は、前記出力カプラの中心点から前記出力カプラの外縁に向かって増加する、請求項３０に記載のレーザ。
【請求項３２】
前記スペクトル反射は、前記中心点から前記外縁に向かって増加するようにデジタル的にパターニングされ、前記スペクトル反射は、方位角的に平均化されたスペクトル反射を含む、請求項３１に記載のレーザ。
【請求項３３】
空間的に変化する透過フィルタをさらに含む、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項３４】
前記透過フィルタは光学ミラー上のパターンを含む、請求項３３に記載のレーザ。
【請求項３５】
前記透過フィルタは、前記フィルタの中心に取り付けられて前記フィルタの外縁まで延びる複数のスポークのアレイを含み、前記スポークは特定の波長の光の透過を遮り、前記複数のスポークのそれぞれのサイズは、前記フィルタの中心から前記フィルタの外縁まで増加する、請求項３３に記載のレーザ。
【請求項３６】
前記マルチモードレーザの異なるモード間の結合を減らすために前記レーザキャビティ内の光ビームを変換するように構成された少なくとも１つの結像素子をさらに含む、請求項２６に記載のレーザ。
【請求項３７】
前記少なくとも１つの結像素子は、前記レーザキャビティ内の光ビームをフーリエ変換するように構成されている、請求項３６に記載のレーザ。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの結像素子は、レンズ、曲面ミラー、及び回折光学素子のうちの少なくとも１つを含む、請求項３７に記載のレーザ。
【請求項３９】
スペクトル依存性変動利得を含むテルビウムドープされたレージング材料を含む、レーザキャビティと、
前記レージング材料の前記スペクトル依存性変動利得の少なくとも一部分を補償するように構成されたスペクトル整形素子と
を含むレーザ。
【請求項４０】
前記スペクトル整形素子は、キャビティ内フィルタ、光ファイバの端部上のコーティング、またはファイバブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである、請求項３９に記載のレーザ。
【請求項４１】
前記スペクトル整形素子は、前記レーザキャビティの第１の端部に位置するファイバブラッググレーティング反射器と、前記レーザキャビティの第２の端部に位置するファイバブラッググレーティング出力カプラとを含む、請求項３９に記載のレーザ。
【請求項４２】
前記スペクトル整形素子は、前記レージング材料の正味利得が関心対象の波長帯域上で実質的に均一となるように、前記レージング材料のスペクトル依存性変動利得の少なくとも一部分を補償するように構成されている、請求項３９に記載のレーザ。
【請求項４３】
前記関心対象の波長帯域は５３５〜５６０ｎｍである、請求項４２に記載のレーザ。
【請求項４４】
前記関心対象の波長帯域は前記スペクトル依存性変動利得のピークに対応する、請求項４２に記載のレーザ。
【請求項４５】
複数のスペクトル整形素子をさらに含み、前記複数のスペクトル整形素子はそれぞれ、前記レージング材料の正味利得が関心対象の波長帯域上で実質的に均一となるように、前記レージング材料の前記スペクトル依存性変動利得の個別の部分を補償するように構成されている、請求項３９に記載のレーザ。
【請求項４６】
前記レーザは固体レーザであり、前記スペクトル整形素子は、キャビティ内フィルタ、前記レージング材料の端部上のコーティング、または体積ブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである、請求項３９に記載のレーザ。
【請求項４７】
利得帯域幅を含むテルビウムドープされたレージング材料を含む、少なくとも１つのレーザキャビティと、
前記利得帯域幅から第１の帯域を生成するように構成された第１のスペクトルセレクタ素子と、
前記利得帯域幅から、前記第１の帯域とは異なる第２の帯域を生成するように構成された第２のスペクトルセレクタ素子と
を含むレーザシステム。
【請求項４８】
前記少なくとも１つのレーザキャビティと前記第１のスペクトルセレクタとを含む第１のレーザ、及び
テルビウムドープされたレージング材料を含む第２のレーザキャビティと前記第２のスペクトルセレクタとを含む第２のレーザ
を含む、請求項４７に記載のレーザシステム。
【請求項４９】
前記スペクトルセレクタ素子はそれぞれ、キャビティ内フィルタ、光ファイバの端部上のコーティング、ファイバブラッググレーティング、または体積ブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである、請求項４７に記載のレーザシステム。
【請求項５０】
前記テルビウムドープされたレージング材料はスペクトル依存性変動利得を含み、前記レーザシステムは、
前記レージング材料の正味利得が前記第１の帯域上で実質的に均一となるように、前記レージング材料の前記スペクトル依存性変動利得の少なくとも第１の部分を補償するように構成された第１のスペクトル整形素子と、
前記レージング材料の正味利得が前記第２の帯域上で実質的に均一となるように、前記レージング材料の前記スペクトル依存性変動利得の少なくとも第２の部分を補償するように構成された第２のスペクトル整形素子と
をさらに含む、請求項４７に記載のレーザシステム。
【請求項５１】
３次元画像を再生するためのデジタルレーザディスプレイにおいて用いられるように構成されている、請求項４７に記載のレーザシステム。
【請求項５２】
画像を表示するために使用可能な複数のレーザを含むデジタルレーザディスプレイであって、前記複数のレーザはそれぞれ、別個の波長帯域内の光を放出するように構成され、
前記複数のレーザのうちの少なくとも１つは、
テルビウムドープされたレージング材料を含むレーザキャビティと、
前記レーザキャビティの第１の端部に位置する第１の反射器と、
前記レーザキャビティの第２の端部に位置する出力カプラと、
前記テルビウムドープされたレージング材料が所望の波長帯域内の光を放出するように前記レーザキャビティをポンピングするように構成されたポンプであって、前記放出光はスペックルコントラストが１２％未満である、前記ポンプと
を含む、前記デジタルレーザディスプレイ。
【請求項５３】
前記所望の波長帯域は５３５〜５６０ｎｍである、請求項５２に記載のデジタルレーザディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる、２０１５年９月１５日に出願された米国仮出願第６２／２１８、８３０号の優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
背景
デジタルレーザシネマ（ＤＬＣ）プロジェクタなどのレーザベースのディスプレイシステムは、可視光スペクトルの赤色、緑色、及び青色帯域において動作する高パワーレーザを必要とすることが多い。多くの場合、このようなレーザベースのディスプレイシステムで用いるレーザは、出力パワーが１０〜１００Ｗの範囲でありスペックルは無いことが望ましい。スペックルは、レーザディスプレイのスクリーン上の粒状パターンであり、画質を低下させる。スペックルは典型的に、被照射面の粗さが原因で位相がずれたコヒーレント光源の成分が干渉することから生じる。現時点で、赤色及び青色帯域の両方における高パワーレーザは半導体ダイオードレーザとして入手可能である。このようなレーザは低コストで高効率であり、空間的コヒーレンスは不十分でスペクトル幅は十分であるため、本来的にスペックルは軽減されている。赤色及び青色帯域ではこの１０年の間にパワー及び信頼性の進歩が達成されているにもかかわらず、緑色帯域での同様の品質のダイオードレーザは、材料及び製造プロセスでの物理的メカニズムが原因で達成できないままである。ＤＬＣプロジェクタ市場は、ダイオードレーザのコストを商品レベルまで下げるのを後押しするほどに十分に強いが、緑色ダイオードレーザの物理的メカニズムに伴う問題を解決する有意義な研究開発活動を進めてはいない。この理由から、緑色帯域の光を生成するために代替的な方法が現時点で用いられている。
【０００３】
現時点で用いられている１つの方法は、赤外帯域の光を直接放出する高パワーレーザを使用し、周波数倍増技術を用いて緑色帯域を生成することである。しかし、周波数倍増はレーザ源のスペクトルが狭い必要がある。そのため、スペックルをなくすために、レーザ部品とは別個のメカニズムを用いなければならない。たとえば、このような周波数倍増方法では、位相変調器を用いて、目立たないスペクトル側波帯を周波数倍増の前に赤外帯域に生成する（各側波帯はそれ自体で倍増する）または周波数倍増の後に生成することによって、スペクトルを広げる場合がある。このような代替的なメカニズムは、高価な部品が必要であり、システムの複雑さが加わる。たとえば、このようなメカニズムにとって必要な位相変調器及び電気ＲＦ駆動装置は高価であり、レーザディスプレイに不要な複雑さを加える可能性がある。また、このような代替的なメカニズムによって、付加的なそれほど望ましくない故障モードが生まれ、変換プロセスにおいてどんなたった１つの構成要素も損失すると全体のシステム性能が損なわれる。具体的には、このようなシステムにおいて結果として生じるいかなるスペックルも、投影像の品質を大きく低下させて、見る人の気を大いに散らすであろう。これに対し、所望の有色光をダイオードレーザによって直接放出した場合、１つのダイオードレーザが故障したときには、その色帯域におけるパワーがわずかな量減るだけである。このタイプの故障が起こると、厳密には正しくない演色になるが、それでも見る人の気をそれほど散らすことなく見ることができる。加えて、この後者のタイプの故障は、他のダイオードレーザに対してパワーを増加させることによって即座に補償することができる。たとえば、必要な数よりも多いダイオードレーザを使用し、最大パワー未満で動作させて、１つまたは複数のダイオードレーザ故障が起きた場合のパワー増加に対するヘッドルームを可能にする場合がある。
【０００４】
したがって、求められているのは、レーザディスプレイシステムで用いる光を発生させるための既存のレーザ技術に伴う問題を軽減する新しいレーザ発振方法である。
【発明の概要】
【０００５】
概要
以下に、本発明の基本的な理解を得るために、本発明のいくつかの非限定的な実施形態の概要を単純化して示す。この概要は本発明の広範囲にわたる概略ではない。本発明の主要／重要な要素を特定することも、本発明の範囲を詳細に描写することも意図していない。その唯一の目的は、本発明のいくつかの実施形態を、後で示すより詳細な説明に対する前置きとして簡単な形で示すことである。
【０００６】
本明細書で説明するように、方法及び装置によって、レーザディスプレイシステムで用いる所望の波長帯域の光を発生させるための既存のレーザ技術に伴う問題が軽減される。いくつかの非限定的な例では、所望の波長帯域を高効率でかつスペックルが低減された状態で直接放出する新しいタイプのダイオードポンプレーザについて説明する。１つの非限定的な例では、レーザ媒質はテルビウムドープされた材料によって規定される。低減されたスペックルで緑色光に対応する波長帯域において高パワーで動作させることに対処するいくつかの非限的な実施形態について説明する。
【０００７】
１つの非限定的な実施形態では、テルビウムドープされたレージング材料を含むレーザが提供される。レーザは、レーザキャビティの第１の端部に位置する第１の反射器と、レーザキャビティの第２の端部に位置する出力カプラと、テルビウムドープされたレージング材料が光を放出するようにレーザキャビティをポンピングするように構成されたポンプとをさらに含んでいる。
【０００８】
ある場合には、第１の反射器は放出光の少なくとも一部の波長に対する高反射率を含む。たとえば、ある場合には、第１の反射器は、光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９０％の反射率を含む。ある場合には、第１の反射器は、光の少なくとも一部の波長に対して少なくとも９８％の反射率を含む。
【０００９】
ある場合には、第１の反射器は、広い信号反射帯域幅を含む。たとえば、ある場合には、第１の反射器は、０．５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む。ある場合には、第１の反射器は、５ｎｍよりも大きい信号反射帯域幅を含む。ある場合には、第１の反射器は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい信号反射帯域幅を含む。ある場合には、信号反射帯域幅は５４５ｎｍの帯域を含む。ある場合には、放出光は、５ｎｍよりも大きく１５ｎｍよりも小さい帯域幅を含む。
【００１０】
いくつかの非限定的な実施形態では、レーザはファイバレーザである。ある場合には、ファイバレーザはデュアルクラッドファイバレーザである。
【００１１】
ある場合には、レーザは、離間して配置された複数のテルビウムドープされたファイバコアを含むマルチコアファイバレーザである。ある場合には、複数のテルビウムドープされたファイバコアは、コアのうちの１つのパワーの−２０ｄＢ未満が隣接コアとオーバーラップするように、離間して配置される。
【００１２】
ある場合には、テルビウムドープされたレージング材料はマルチモードファイバコアを含む。ある場合には、出力カプラは、マルチモードファイバコアの異なるモードが異なる波長でレーザ発振するように構成されたファイバブラッググレーティングを含む。ある場合には、少なくとも、マルチモードファイバコアの第１のモードは第１の波長でレーザ発振するように構成され、マルチモードファイバコアの第２のモードは、第１の波長とは異なる第２の波長でレーザ発振するように構成され、マルチモードファイバコアの第３のモードは、第１及び第２の波長とは異なる第３の波長でレーザ発振するように構成されている。ある場合には、第１の反射器は、第１の波長、第２の波長、及び第３の波長を含む信号反射帯域幅を含む。ある場合には、第１の反射器は、空間的に変化するスペクトル反射を含む。
【００１３】
いくつかの非限定的な実施形態では、レーザは固体レーザである。ある場合には、レージング材料は、ガラス、セラミック、及び結晶質材料のうちの１つを含む。
【００１４】
ある場合には、レーザはマルチモード固体レーザである。ある場合には、出力カプラは、マルチモードレーザの異なるモードが異なる波長でレーザ発振するように構成されている。ある場合には、少なくとも、マルチモード固体レーザの第１のモードは第１の波長でレーザ発振するように構成され、マルチモード固体レーザの第２のモードは、第１の波長とは異なる第２の波長でレーザ発振するように構成され、マルチモード固体レーザの第３のモードは、第１及び第２の波長とは異なる第３の波長でレーザ発振するように構成されている。ある場合には、第１の反射器は、第１の波長、第２の波長、及び第３の波長を含む信号反射帯域幅を含む。
【００１５】
ある場合には、出力カプラは、空間的に変化するスペクトル反射を含む。ある場合には、出力カプラのスペクトル反射は、出力カプラの中心点から出力カプラの外縁に向かって増加する。ある場合には、スペクトル反射は、中心点から外縁に向かって増加するようにデジタル的にパターニングされており、スペクトル反射は、方位角的に平均化されたスペクトル反射を含んでいる。ある場合には、レーザは、空間的に変化する透過フィルタをさらに含む。ある場合には、透過フィルタは出力カプラ上のパターンを含む。ある場合には、透過フィルタは、フィルタの中心に取り付けられてフィルタの外縁まで延びる複数のスポークのアレイを含む。ある場合には、複数のスポークのそれぞれのサイズはフィルタの中心からフィルタの外縁まで変化する。
【００１６】
ある場合には、レーザは、マルチモードレーザの異なるモード間の結合を減らすためにレーザキャビティ内の光ビームを変換するように構成された少なくとも１つの結像素子をさらに含む。ある場合には、少なくとも１つの結像素子は、レーザキャビティ内の光ビームをフーリエ変換するように構成されている。ある場合には、少なくとも１つの結像素子は、レンズ、曲面ミラー、及び回折光学素子のうちの少なくとも１つを含む。
【００１７】
別の非限定的な実施形態では、レーザキャビティとスペクトル整形素子とを含むレーザが提供される。レーザキャビティはテルビウムドープされたレージング材料を含み、テルビウムドープされたレージング材料はスペクトル依存性変動利得を含んでいる。スペクトル整形素子は、レージング材料のスペクトル依存性変動利得の少なくとも一部分を補償するように構成されている。
【００１８】
ある場合には、スペクトル整形素子は、キャビティ内フィルタ、光ファイバの端部上のコーティング、またはファイバブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである。
【００１９】
ある場合には、スペクトル整形素子は、レーザキャビティの第１の端部に位置するファイバブラッググレーティング反射器と、レーザキャビティの第２の端部に位置するファイバブラッググレーティング出力カプラとを含む。
【００２０】
ある場合には、スペクトル整形素子は、レージング材料の正味利得が関心対象の波長帯域上で実質的に均一となるように、レージング材料のスペクトル依存性変動利得の少なくとも一部分を補償するように構成されている。ある場合には、関心対象の波長帯域は５３５〜５６０ｎｍである。ある場合には、関心対象の波長帯域は、スペクトル依存性変動利得のピークに対応する。
【００２１】
ある場合には、レーザは、複数のスペクトル整形素子をさらに含み、複数のスペクトル整形素子はそれぞれ、レージング材料の正味利得が関心対象の波長帯域上で実質的に均一となるように、レージング材料のスペクトル依存性変動利得の個別の部分を補償するように構成されている。
【００２２】
ある場合には、レーザは固体レーザであり、スペクトル整形素子は、キャビティ内フィルタ、レージング材料の端部上のコーティング、または体積ブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである。
【００２３】
別の非限定的な実施形態では、少なくとも１つのレーザキャビティと、第１のスペクトルセレクタ素子と、第２のスペクトルセレクタ素子とを含むレーザシステムが提供される。少なくとも１つのレーザキャビティは、テルビウムドープされたレージング材料を含み、テルビウムドープされたレージング材料は利得帯域幅を含んでいる。第１のスペクトルセレクタ素子は利得帯域幅から第１の帯域を生成するように構成され、第２のスペクトルセレクタ素子は利得帯域幅から、第１の帯域とは異なる第２の帯域を生成するように構成されている。
【００２４】
ある場合には、レーザシステムは、少なくとも１つのレーザキャビティと第１のスペクトルセレクタとを含む第１のレーザ、及びテルビウムドープされたレージング材料を含む第２のレーザキャビティと第２のスペクトルセレクタとを含む第２のレーザを含んでいる。
【００２５】
ある場合には、スペクトルセレクタ素子はそれぞれ、キャビティ内フィルタ、光ファイバの端部上のコーティング、ファイバブラッググレーティング、または体積ブラッググレーティングのうちの少なくとも１つである。
【００２６】
ある場合には、テルビウムドープされたレージング材料はスペクトル依存性変動利得を含み、レーザシステムは、第１のスペクトル整形素子と第２のスペクトル整形素子とをさらに含む。第１のスペクトル整形素子は、レージング材料の正味利得が第１の帯域上で実質的に均一となるように、レージング材料のスペクトル依存性変動利得の少なくとも第１の部分を補償するように構成されている。第２のスペクトル整形素子は、レージング材料の正味利得が第２の帯域上で実質的に均一となるように、レージング材料のスペクトル依存性変動利得の少なくとも第２の部分を補償するように構成されている。
【００２７】
ある場合には、レーザシステムは、３次元画像を再生するためのデジタルレーザディスプレイにおいて用いられるように構成されている。
【００２８】
別の非限定的な実施形態では、複数のレーザを含むデジタルレーザディスプレイが提供される。複数のレーザは画像を表示するために使用可能であり、複数のレーザはそれぞれ、別個の波長帯域内の光を放出するように構成されている。複数のレーザのうちの少なくとも１つは、テルビウムドープされたレージング材料を含むレーザキャビティと、レーザキャビティの第１の端部に位置する第１の反射器と、レーザキャビティの第２の端部に位置する出力カプラと、テルビウムドープされたレージング材料が所望の波長帯域内の光を放出するようにレーザキャビティをポンピングするように構成されたポンプであって、放出光はスペックルコントラストが１２％未満である、前記ポンプとを含む。
【００２９】
ある場合には、所望の波長帯域は５３５〜５６０ｎｍである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１−１】希土類イオンについての原子遷移を示す。
【図１−２】希土類イオンについての原子遷移を示す。
【図２】波長４８８ｎｍでポンピングしたときのテルビウムドープされたケイ酸塩ガラスからのフォトルミネッセンス発光スペクトルを示す。
【図３】広帯域のテルビウムドープされたファイバレーザの概略的な例である。
【図４】マルチコアデュアルクラッドファイバレーザの断面図の例を示す。
【図５】広帯域のテルビウムドープされた固体レーザの概略的な例である。
【図６】マルチモードファイバ内に書き込まれたＦＢＧの一例についてのスペクトル反射ピークを図式的に例示する。
【図７】ファイバの端部のコーティングにおける半径方向寸法とともに変化するスペクトル反射の例を図式的に例示する。
【図８】反射率が中心から外縁に向かって増加する空間的に設計された反射器の半径方向の反射プロファイルの例を示す。
【図９】反射器の中心から外縁まで増加する方位角的に平均化された反射率を有する、六角形でデジタル的にパターニングされた反射器の例を示す。
【図１０】フィルタの中心から縁まで取り付けられた遮断スポークのアレイを含む空間的に設計された透過フィルタの例を示す。
【図１１】（ａ）マルチモードレーザの利得媒質の内部の異なる空間モードのビームの横断面図を示す。（ｂ）フーリエ変換されたマルチモードレーザの利得媒質の内部の異なる空間モードのビームの横断面図を示す。
【図１２】（ａ）固体レーザ共振器キャビティの例の概略図を示す。（ｂ）ＦＴレーザの例の概略図を示す。
【図１３】利得均等化ストラテジの例を示す。
【図１４】利得均等化ストラテジの例を示す。
【図１５】利得ピークの付近での利得均等化ストラテジの例を示す。
【図１６】セグメント化されたスペクトルを伴う利得均等化ストラテジの例を示す。
【図１７】テルビウムドープされたレーザにおける２つの別個の緑色を選択するための２つのスペクトルセレクタの例を示す。
【図１８】テルビウムドープされたファイバレーザにおける利得均等化された２つの別個の緑色帯域の例を示す。
【図１９】テルビウムドープされた固体レーザにおける利得均等化された２つの別個の緑色帯域の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
発明の詳細な説明
本明細書における言及は、緑色波長の光を発生させるためのレーザに対して主になされるが、当業者であれば分かるように、この特許で説明する発明は、たとえば赤色及び青色波長範囲を含む他の波長範囲の光を発生させるためのレーザに適用してもよい。
【００３２】
当業者であれば分かるように、所与のレーザに対して用いるレーザ媒質及びドーパントは、数ある因子の中でも特に、信頼性、効率、及びパワー出力に大きく影響する。詳細には、ファイバレーザ及び他の固体レーザによって信頼性及び効率の点で実益が得られる。直接可視ファイバレーザにおける最近の研究では、希土類（ＲＥ）ドーパント、たとえばプラセオジム（Ｐｒ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、及びテルビウム（Ｔｂ）をいくつかの理由で用いているが、少なくともいくつかの実施形態では、Ｔｂが、ファイバ可視レーザ及び他の固体可視レーザとともに用いるのに好ましいドーパントである。具体的には、２０１４年９月２２日に出願された米国特許出願第６２／０５３，４９１号（内容全体がこの参照によって本明細書に組み入れられる）に説明されている通り、Ｔｂイオンは、励起電子の遷移確率を下げる好ましいエネルギー準位間隔を有し、Ｔｂは望ましい吸収特性を有し、Ｔｂイオンは、他のＲＥイオンよりも多くのアクセス可能な可視発光帯を伴い、視覚的色識別に関して広範囲の可視光に及ぶ輝線を有する。
【００３３】
図１に示すのは、多くのＲＥイオンについての原子遷移であり、右側の垂直軸は、ほとんどのＲＥイオンがいくつかの可視発光遷移を有することを示している（光学発光は、エネルギー準位マーカーの下の半円によって示されている）。図１に見られるように、Ｔｂは、５Ｄ４レベルが次に低いレベルよりも１４ｃｍ−１上方にあるので、少なくともいくつかの実施形態においてレージングＲＥイオンの優れた候補である。このエネルギー準位間隔は、可視光学遷移を伴うすべての他のＲＥイオンよりも大きく、ユウロピウムを除く他のすべてのＲＥイオンよりもエネルギー分離が２倍以上である。同じく図１に例示しているのは、ＰｒまたはＤｙよりも、Ｔｂにはより多くのアクセス可能な可視発光帯が存在していて、その結果、他のいずれのＲＥ元素よりもはるかに広い範囲の可視スペクトルをカバーすることができるということである。Ｔｂは、以下に説明する実施形態のいくつかに対して好ましいドーパントであるが、他の実施形態では代替的なまたはさらなるドーパントを用いてもよい。
【００３４】
図２に示すのは、波長４８８ｎｍでポンピングしたときのテルビウムドープされたケイ酸塩ガラスからのフォトルミネッセンス発光スペクトルである。曲線下の領域は、ＣＩＥ１９３１色度図を用いて光学波長を知覚色にマッピングすることによって埋められている。図２は、色知覚スケールのほぼ全体（バイオレット以外）が単一の利得媒質を用いて実現できることを示している。当業者であれば分かるように、このことはエネルギー節約型高パワーレーザディスプレイに対して大きな意味合いを有する。
【００３５】
Ｔｂのこれらの特性は、Ｔｂドープされたレーザが信頼性、効率、及びパワー出力の増加をもたらすことを示唆しているが、依然として、多くの場合に、このようなレーザ、たとえば、ＤＬＣなどのレーザディスプレイシステムにおいて用いるレーザなどに付随するスペックルを低減する必要がある。したがって、これらの必要性に対処する実施形態について以下に説明する。
【００３６】
１．広帯域ファイバレーザ
いくつかの実施形態では、レーザディスプレイシステムにおけるスペックルの抑制に適した反射帯域幅を有する反射器を有する広帯域レーザを提供する。たとえば、テルビウムドープされたファイバの部分を有し、ファイバの両端に反射器を備えたファイバレーザを提供してもよい。図３は、広帯域のテルビウムドープされたファイバレーザの一例である。図３に示すように、レーザキャビティにＴｂドープされたファイバコアが含まれている。いくつかの実施形態では、ファイバコアはシングルモードファイバコアである。図３の左端部において、Ｔｂドープされたコアが光を放出するようにレーザキャビティをポンピングするポンプ入力が提供されている。図示では、ポンプ光を左端部にのみ注入しているが、当然のことながら、ポンプ入力はポンプ光をレーザキャビティの一方または両方の端部に注入してもよい。また当然のことながら、ファイバは、当業者に知られた方法により、コアポンピングされてもよいしまたはクラッディングポンピングされてもよい。
【００３７】
図３の例には、スペックルの抑制に適した反射帯域幅を有するようにデザインされてもよい反射器ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、及びＦＢＧ３が含まれている。いくつかの実施形態では、反射器ＦＢＧ１〜３はそれぞれファイバブラッググレーティングであり、ファイバ内に直接書き込まれたスペクトル依存性の反射器である。たとえば、ＦＢＧ１〜３をそれぞれ、図３に例示するレーザのＴｂドープされたファイバ内に直接書き込んでもよい。別の実施形態では、ＦＢＧ１〜３はそれぞれ、図３に例示するレーザのＴｂドープされたファイバとつなぎ合わされるかまたは他の方法で一体化されていてもよい別個の光学素子である。いくつかの実施形態では、ＦＢＧ１は、レーザに関連する信号帯域において高反射率を有する一方で、ポンプ光をＴｂドープされたファイバコア内に透過させる反射器である。たとえば、ＦＢＧ１は信号反射率が少なくとも９０％であってもよい。別の例として、ＦＢＧ１は信号反射率が少なくとも９８％であってもよい。いくつかの実施形態では、ＦＢＧ２は信号帯域において出力カプラとして働く反射器である。いくつかの実施形態では、出力カプラの反射率はレーザの出力パワー及び効率を最適化するように選択してもよい。たとえば、すでに組み入れられた米国特許出願第６２／０５３，４９１号で説明されているように、レーザキャビティにフィードバックを提供し、使用可能なパワーをレーザキャビティから放出できるようにするために、出力カプラは部分反射してもよい。具体的には、出力カプラの反射率を、すでに組み入れられた米国特許出願第６２／０５３，４９１号で説明される実施形態に従って、キャビティ内パワーを最適化し、その結果としてレーザの出力パワーを最適化するように選択してもよい。
【００３８】
前述したように、反射器ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、及び／またはＦＢＧ３を、レーザをたとえばディスプレイシステムで用いるときにスペックルを抑制するのに適した反射帯域幅を有するようにデザインしてもよい。反射帯域幅を発光帯域幅により選択してもよい。たとえば、テルビウム発光帯域幅が１０ｎｍの場合、一例では、信号反射帯域幅は０．５ｎｍよりも大きい。別の例では、信号反射帯域幅は５ｎｍよりも大きい。一実施形態では、信号反射帯域は連続的である。別の実施形態では、信号反射帯域は連続的ではない。いくつかの好ましい実施形態では、レーザを用いて、たとえばＤＬＣなどのレーザディスプレイシステムで使用するための緑色光を発生させる場合、反射スペクトルは緑色帯域のピークの付近である。たとえば、反射スペクトルは５４５ｎｍの帯域を含んでいてもよく、これは、図２に示すように、緑色帯域のピークに対応してもよい。当業者であれば分かるように、反射器の広帯域の性質により、レーザ出力のコヒーレンシが減り、その結果としてレーザ出力のスペックルが低減する。いくつかの実施形態では、レーザの放出光のスペックルコントラストが１２％未満となるようにスペックルを低減することが望ましい場合がある。
【００３９】
一実施形態では、信号反射器は、所望の信号反射帯域幅が得られるようにコーティングされた自由空間素子である。別の実施形態では、信号反射器は、ファイバの端部に直接適用されたコーティングである。ＦＢＧ１〜３に関して前述したが、いくつかの実施形態では、信号反射帯域幅は単一の均一ＦＢＧを用いて得られる。別の実施形態では、信号反射帯域幅は単一のチャープＦＢＧを用いて得られる。さらに別の実施形態では、信号反射帯域幅は、均一またはチャープの性質の、連結された一連の別個のＦＢＧを用いて得られる。
【００４０】
２．マルチコアファイバレーザ
前述ではシングルコアファイバに関して述べたが、いくつかの実施形態では、従来のシングルコアファイバの代わりにマルチコアファイバが提供される。当業者であれば分かるように、マルチコアファイバのコアが十分に分離していて、そのため１つのコア内を進む光が隣接コアに入って結合するようなことがないならば、各コアは事実上、別個のファイバレーザである。こうして、各ファイバコアは正確に同じ波長でレーザ発振することができ（しかしその必要はない）、依然としてインコヒーレントであるため、スペクトル帯域幅が狭いスペックルフリーの動作が得られる。
【００４１】
いくつかの好ましい実施形態では、マルチコアファイバはデュアルクラッドファイバである。図４に示すのは、このようなマルチコアデュアルクラッドのＴｂドープされたファイバレーザの断面図の例である。種々の実施形態では、コアの数は３個、７個、１９個またはそれ以上とすることができ、標準的な六角形パック（hex-pack）または当業者ならば分かるような他の構成で配列することができる。好ましい実施形態では、クラッディングの外縁はコアに非常に近い。たとえば、クラッディングの外縁とコアとの間の距離は２５μｍ未満であってもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態では、Ｔｂドープされたコアはそれぞれ、コア間の光信号パワー結合が無視できるようにデザインされ離間して配置されている。このように、各コアは別個のレーザとして機能し、したがって各コアから放出される光はインコヒーレントである。各コアから放出されるスペクトルが同一で狭帯域であり得たとしても、このインコヒーレンスによってスペックルは自然に低減する。さらなる実施形態では、単一コア内のパワーの−２０ｄＢ未満が、隣接コアとオーバーラップする。別の実施形態では、単一コア内のパワーの−３０ｄＢ未満が、隣接コアとオーバーラップする。
【００４３】
いくつかの実施形態では、コアはシングルモードである。他の実施形態では、各コアは数モード型（ｆｅｗ−ｍｏｄｅｄ）またはマルチモードである。一実施形態では、各コア内のＦＢＧ反射器は単一の均一ＦＢＧである。一実施形態では、ＦＢＧ反射器はすべて、１回の曝露中にすべてのコア内に同時に書き込まれる。別の実施形態では、別個のＦＢＧが各コア内に書き込まれる。
【００４４】
３．広帯域固体レーザ
図５に示すのは、スペックルを低減するように構成されたテルビウムドープされた固体レーザの例である。少なくともいくつかの実施形態では、固体レーザにはディスプレイシステムについていくつかの優位点がある。たとえば、従来のＤＬＣプロジェクタの青色及び赤色帯域は半導体ダイオードレーザによって直接生成され、これらのレーザからの光出力は、光ファイバによって一体化ロッドまで伝送され、一体化ロッドでは、単一の均質な出力ビームを提供するため、組み合わされたレーザビームが空間的に混合される。いくつかの実施形態では、緑色固体レーザの場合、テルビウムドープされた利得媒質を一体化ロッド自体として用いて、この追加部品の必要性をなくすことができる。いくつかの実施形態では、青色及び赤色レーザをそれらのそれぞれの一体化ロッドに送るのとほとんど同様に、ポンプ光をダイオードレーザから伝送ファイバによって送ることが可能である。代替的な実施形態では、伝送ファイバも無くしてコストを削減することができ、ダイオードレーザはテルビウム利得媒質を直接ポンピングすることができる。
【００４５】
図５に示すのは、レーザキャビティを画定する反射器をテルビウムドープされた固体材料の両側に備えた、テルビウムドープされた固体レーザである。いくつかの実施形態では、テルビウムのホストは、ガラスであるか、セラミックであるか、または結晶質であることができる。ファイバレーザの場合と同様に、図５の左端部に、Ｔｂドープされた材料が光を放出するようにレーザキャビティをポンピングするポンプ入力が提供されている。図示では、ポンプ光を左端部にのみ注入しているが、当然のことながら、ポンプ入力はポンプ光をレーザキャビティの一方または両方の端部に注入してもよい。
【００４６】
いくつかの実施形態では、反射防止（ＡＲ）コーティングによって信号光は反射するがポンプ光は通過させるダイクロイックミラーを通して、ポンプ光をキャビティ内に注入する。たとえば、ダイクロイックミラーは信号反射率が少なくとも９０％であってもよい。好ましい実施形態では、ダイクロイックミラーは信号反射率が少なくとも９８％であってもよい。キャビティの他方の端部上では、反射器は信号帯域における出力カプラである。いくつかの実施形態では、出力カプラの反射率は、レーザの出力パワー及び効率を最適化するように選択してもよい。たとえば、すでに組み入れられた米国特許出願第６２／０５３，４９１号で説明されているように、レーザキャビティにフィードバックを提供し、使用可能なパワーをレーザキャビティから放出できるようにするために、出力カプラは部分反射してもよい。具体的には、出力カプラの反射率を、すでに組み入れられた米国特許出願第６２／０５３，４９１号で説明される実施形態に従って、キャビティ内パワーを最適化し、その結果としてレーザの出力パワーを最適化するように選択してもよい。さらなる実施形態では、キャビティの反対側の端部における反射器はポンプ波長において高反射性であり、キャビティ内でポンプ光を２回通過させる。いくつかの実施形態では、反射器は自由空間素子である。別の実施形態では、反射器は体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）である。さらに別の実施形態では、反射器は回折光学素子である。好ましい実施形態では、反射器は、テルビウムドープされた利得素子に適用されたコーティングである。
【００４７】
図３のレーザの反射器に関して前述したように、図５のレーザの反射器を、レーザをディスプレイシステムで用いるときにスペックルを抑制するのに適した反射帯域幅を有するようにデザインしてもよい。テルビウム発光帯域幅は約１０ｎｍであるため、反射器の帯域幅をそれに応じて選択してもよい。一実施形態では、信号反射帯域幅は０．５ｎｍよりも大きい。別の実施形態では、信号反射帯域幅は５ｎｍよりも大きい。一実施形態では、信号反射帯域は連続的である。別の実施形態では、信号反射帯域は連続的ではない。好ましい実施形態では、レーザを用いて、たとえばＤＬＣなどのレーザディスプレイシステムで使用するための緑色光を発生させる場合、反射スペクトルは緑色帯域のピークの付近である。たとえば、反射スペクトルは５４５ｎｍの帯域を含んでいてもよく、これは、図２に示すように、緑色帯域のピークに対応してもよい。当業者であれば分かるように、反射器の広帯域の性質により、レーザ出力のコヒーレンシが減り、その結果としてレーザ出力のスペックルが低減する。前述したように、いくつかの実施形態では、レーザの放出光のスペックルコントラストが１２％未満となるようにスペックルを低減することが望ましい場合がある。
【００４８】
４．高パワー広帯域レーザ
いくつかの実施形態では、スペックルを低減及び／または抑制するためにマルチモードレーザが提供される。当業者であれば分かるように、レーザキャビティ内に複数のモードを与えると、モードはわずかに異なる波長で動作して、そのためこれらのモードは互いにインコヒーレントとなる。このインコヒーレンシの結果、そうでなければシングルモードレーザに付随し得るスペックルが低減及び／または抑制される。
【００４９】
たとえば、テルビウムドープされたファイバコアがマルチモードファイバコアであることを除き、図３で説明したものと同様のファイバレーザを用いてもよい。いくつかの実施形態では、コアは５個を超えるモードを支持する。さらなる実施形態では、コアは１０個を超えるモードを支持する。上記の図３に関して説明したように、テルビウムドープされたファイバコアを、コア内で、またはファイバがデュアルクラッドでもある実施形態ではクラッディング内で、ポンピングすることができる。
【００５０】
図３に関して前述したように、いくつかの実施形態では、信号反射器はＦＢＧである。さらなる実施形態では、ＯＣ反射器は単一の狭帯域ＦＢＧであってもよい。当業者であれば分かるように、マルチモードファイバ内に書き込まれたＦＢＧは、各ファイバモードに対して異なるスペクトル反射を示す。たとえば、図６に例示するのは、マルチモードファイバ内に書き込まれたＦＢＧによって測定された各ファイバモードに対する異なるスペクトル反射ピークである。さらに当然のことながら、マルチモードファイバ内に書き込まれたＦＢＧは、この異なるスペクトル反射を各モードに対して示すため、各モードは異なる波長でレーザ発振し、その結果、自然なスペクトルの広がり及びスペックル低減が得られる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、マルチモードファイバレーザは、高い信号反射率を有する反射器を含んでいてもよい（図３に関して前述したように）。いくつかの実施形態では、図３に関して前述したように、高い信号反射率を有する反射器は広い信号反射帯域幅を有する。別の好ましい実施形態では、高い信号反射率を有する反射器の帯域幅は、ＯＣ反射器ＦＢＧの各空間モードの中心（ブラッグ）波長間の間隔を上回る。さらなる実施形態では、図３に関して前述したように、高い信号反射率を有する反射器はＦＢＧである。さらなる実施形態では、高い信号反射率を有する反射器の帯域幅は、ＦＢＧの各空間モードの中心（ブラッグ）波長間の間隔を上回る。
【００５２】
前述したように、いくつかの実施形態では、反射器はファイバの端部上のコーティングである。さらなる実施形態によれば、このコーティングを半径方向に変化させて、ファイバ端部上の半径方向の各点において異なるスペクトル反射が得られるようにしてもよい。図７に、本発明の実施形態により、スペクトル反射がファイバの端部におけるコーティング内の半径方向寸法とともにどのように変化するかを例示する。図７に示すように、好ましい実施形態では、半径方向寸法の増加とともにピーク反射波長が減少してもよい。
【００５３】
別の例として、本発明の実施形態によりマルチモード固体レーザを提供してもよい。前述したマルチモードファイバレーザのモードの場合と同様に、固体レーザを、そのモードが同じくわずかに異なる波長で動作して互いに相互インコヒーレントとなるように構成してもよく、その結果、スペックルが自然に低減または抑制されたインコヒーレントなマルチモード出力ビームが生じる。
【００５４】
図５に説明するように、マルチモード固体レーザに広帯域反射器を設けてもよいが、当業者であれば分かるように、独立したレージングモードが、わずかに異なる波長でレーザ発振するため、具体的にデザインされた広帯域コーティングがなくても自然に広がるスペクトルが形成される。また当業者であれば分かるように、いくつかの実施形態では、マルチ空間モード動作は空間輝度を下げることができる場合があり、結果として、レーザディスプレイに共通の一体化ロッドをなくすことができる場合がある。
【００５５】
いくつかの実施形態では、マルチモード固体レーザのポンプ分布を、レーザの複数の空間モードが高利得飽和の状態下であってもほぼ同じ光学利得を受けられるようにデザインしてもよい。いくつかの実施形態では、これを、レンズシステムまたはＬＣＤなどの光学システムを用いて実現してもよい。他の実施形態では、これを、利得媒質内のテルビウムイオンの半径方向分布によって実現してもよい。さらなる実施形態では、同様の利得を有するモードの数は５個よりも多い。別の実施形態では、同様の利得を有するモードの数は１０個よりも多い。さらなる実施形態では、任意のモードが受ける利得は、他の各モードが受ける利得と±１０％以内で同様である。別の実施形態では、任意のモードが受ける利得は、他の各モードが受ける利得と±２％以内で同様である。
【００５６】
いくつかの実施形態では、マルチモード固体レーザキャビティには空間的に設計された反射器が含まれている。好ましい実施形態では、空間的に設計された反射器はレーザの出力カプラである。さらに好ましい実施形態では、空間的に設計された反射器は、反射率が中心から外縁に向かって増加する半径方向の反射プロファイルを有する。図８に示すのは、本発明の実施形態により、反射率が中心から外縁に向かって増加する、空間的に設計された反射器の半径方向の反射プロファイルの例である。一実施形態では、半径方向の反射プロファイルは、図８（ａ）と同様に、形式Ｒ（ｒ）＝Ｒ０×（ａ＋ｂ×ｒ２）の放物線プロファイルによって表される。別の実施形態では、半径方向の反射プロファイルは、図８（ｂ）に示すように、反射プロファイルの外縁がほぼ均一な反射率を有することを除き、放物線プロファイルによって表される。別の実施形態では、半径方向の反射プロファイルは、形式Ｒ（ｒ）＝Ｒ０×（ａ＋ｂ×ｒ）の線形プロファイルによって表される。別の実施形態では、半径方向の反射プロファイルは、図８（ｃ）と同様に、反射プロファイルの外縁がほぼ均一な反射率を有することを除き、線形プロファイルによって表される。さらに他の実施形態では、半径方向に増加する反射プロファイルは、図８（ｄ）と同様に、反射率が増加する一連の半径方向ステップとして離散的に表される。
【００５７】
いくつかの実施形態では、空間的に設計された反射器をデジタル的にパターニングする。好ましい実施形態では、デジタルパターンは、方位角的に平均化された反射率が反射器の中心から縁まで概ね増加するようにデザインされている。一実施形態では、方位角的に平均化された反射率は、半径方向において放物線プロファイルをデジタル的に近似している。別の実施形態では、方位角的に平均化された反射率は、半径方向において線形プロファイルをデジタル的に近似している。パターンは、六角形、正方形、または他の形状を用いて形成することができるし、当業者に知られているように、サイズ、形状、及び位置を無作為に選ぶことができる。反射器の中心から外縁まで増加する方位角的に平均化された反射率を有する、六角形でデジタル的にパターニングされた反射器の非限定的な例を、図９に示す。
【００５８】
別の実施形態では、マルチモード固体レーザキャビティには空間的に設計された透過フィルタが含まれている。さらなる実施形態では、空間的に設計された透過フィルタは光学ミラー上のパターンである。一実施形態では、空間的に設計された透過フィルタのパターンを、方位角的に平均化された透過が反射器の中心から縁まで概ね増加するようにデザインする。たとえば、方位角的に平均化された透過は、半径方向において放物線プロファイルを近似していてもよい。別の例として、方位角的に平均化された透過は、半径方向において線形プロファイルを近似していてもよい。当業者であれば分かるように、パターンは、連続的に、離散的に（たとえば、リング）、または六角形、正方形、もしくは他の形状を用いてデジタル的に形成することができるし、サイズ、形状、及び位置を無作為に選ぶことができる。
【００５９】
別の実施形態では、空間的に設計された透過フィルタは、フィルタの中心から縁まで取り付けられた遮断スポークのアレイを含む。図９に示すのは、本発明の実施形態により、フィルタの中心から縁まで取り付けられた遮断スポークのアレイを含む、空間的に設計された透過フィルタの非限定的な例である。一実施形態では、スポークは、図１０（ａ）に示すように、方位角方向に均一に配列されている。別の実施形態では、直径にまたがるスポークが、図１０（ｂ）に示すように、ランダムに配列されている。さらに他の実施形態では、中心から縁までの半径方向のスポークが、図１０（ｃ）に示すように、ランダムに配列されている。別の実施形態では、スポークのサイズがフィルタの中心から縁まで変化する。
【００６０】
いくつかの実施形態では、マルチモード固体レーザキャビティには、波長依存性が空間的位置とともに変化する波長選択素子が含まれていてもよい。位置波長依存性によって、隣接する空間モードが強制的に異波長で動作し、インコヒーレンス及びスペックル低減が実現される。一実施形態では、半径方向の波長依存性を、半径方向に変化するコーティングを用いて取り入れて、光学部品上の半径方向の各点において異なるスペクトル反射を得る。好ましい実施形態では、最適な波長は素子の中心からその縁まで増加する。一実施形態では、素子によって波長依存性の反射が得られる。別の実施形態では、素子によって波長依存性の透過が得られる。
【００６１】
別に前述したが、当業者であれば分かるように、空間的に設計された反射器、空間的に設計された透過フィルタ、及び波長選択素子のいずれかまたは全部を、本発明の実施形態により組み合わせて用いてもよい。
【００６２】
５．フーリエ変換固体レーザ
前述したようなマルチモードレーザでは、各モードがわずかに異なる波長でレーザ発振すれば相互インコヒーレンスが生じ得るが、ある場合には、マルチモードレーザキャビティ内の種々のメカニズムによって光が空間モード間で結合されて、同じ波長でレーザ発振することによってコヒーレンスが誘起される場合がある。したがって、空間モード間の結合を低減して空間レージングモードのインコヒーレンシを維持するための実施形態を開示する。
【００６３】
高効率レーザにおいて空間モード間で光を結合させる顕著なメカニズムの１つは光学利得それ自体である。光学利得が存在することによって媒質の屈折率に変化が導入されることが分かっている。マルチモード動作の場合、このような変化によってモード間の結合が生じる可能性がある。特に、マルチモード動作中の利得飽和の効果を考慮すると、プロセスは定常状態にはおそらく到達せず、プロセスは、当初の共振器のモード間の結合のみ（すなわち、利得により誘起される指数変化を含まない）によって説明することができる。
【００６４】
従来のレーザ共振器は、当業者に知られた方法を用いることによってキャビティ内に安定した伝搬ビームを発生させるようにデザインされていることが多い。これらのビームは、特定の共振器形状に応じて、エルミートガウシアン、ラゲールガウシアン、及びベッセルガウシアンとして説明されることが多い。典型的なマルチモード共振器では、モードは利得媒質内で空間的にオーバーラップする。この状況を図１１（ａ）に示す。ここでは、従来のマルチモードレーザの内部の異なる空間モードのビームの横断面図が示されている。簡単にするために、モード強度の空間パターンを、着色した輪郭のみによって表して、モードのオーバーラップ特性を強調する。図示した各モードは、単一色（赤色、黄色、または青色）によって表している。モード強度プロファイルは、利得媒質内で著しく（典型的に＞７５％）オーバーラップするため、これらは前述した利得メカニズムを通して強く結合する可能性がある。
【００６５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、結合を減らすために、レーザキャビティビームを利得媒質に入る前にフーリエ変換する。高次モードほどますます微細な空間的構造を有するため、それらの空間周波数（モードのフーリエ変換によって規定される）は明確に異なる。光ビームの物理的（光学的）フーリエ変換（ＦＴ）を、単純なレンズを用いることによって生成することができる。すべてのモードが同じレンズによる同じフーリエ変換プロセスを受ける場合、それらの空間周波数は結像システムのＦＴ面内に物理的に現れる。空間周波数が明確に異なるということは、ＦＴ面内のビームが互いから広がって、著しくはオーバーラップしないことを意味する。レーザ利得媒質をこのＦＴ面に配置するということは、図１１（ｂ）に示すように各モード（ＦＴ面内）の空間的オーバーラップが著しく減り、したがって前述した利得メカニズムを通したモード間の結合が著しく低減することを意味する。モード間の結合が著しく低減されると、共振器内の各空間モードは他のものから独立してレーザ発振するため、レーザキャビティからインコヒーレントなマルチモードの光ビームが発せられることになる。当業者であれば分かるように、このインコヒーレントなビームは、スペクトルが極めて狭帯域であり得るという事実にもかかわらず、本来的にスペックルがない。
【００６６】
図１２（ａ）に示すのは、典型的な固体レーザ共振器キャビティの単純化した表現である。図１２（ａ）に見られるように、キャビティ内のレーザビームは２つ以上のミラーによって形成される。当業者には知られているように、ミラーのうちの１つ以上に本来的に十分な曲率が備わっていると、熱レンズ効果の補償を含む安定した発振器構成が形成されるか、または意図的に不安定な共振器になる可能性がある。図１２（ｂ）に示すのは、本発明の実施形態によるＦＴレーザの単純化した表現である。ＦＴレーザでは、図１２（ｂ）に示すように、利得媒質内でのモード間のオーバーラップを低減するため、結像光学系のセットが利得媒質の周りに配置されて、フーリエ空間によって表されるキャビティの軸方向部分が生成される。
【００６７】
いくつかの実施形態では、結像システムを従来の固体レーザキャビティに追加して、「フーリエ変換空間」として当業者によって主に規定される軸方向領域をキャビティ内に形成する。このＦＴ軸方向領域では、光場は概ね、このＦＴ軸方向領域の外側のビームのフーリエ変換として表される。好ましい実施形態では、利得媒質はこのＦＴ軸方向領域内に配置される。さらに他の実施形態では、利得媒質はフーリエ変換面に配置される。
【００６８】
いくつかの実施形態では、結像システムの結像素子はレンズである。他の実施形態では、結像素子は曲面ミラーである。さらに他の実施形態では、結像素子は回折光学素子である。
【００６９】
いくつかの実施形態では、レーザキャビティは対称的な折返しキャビティである。さらなる実施形態では、利得媒質は折返し（対称）点に配置されている。さらに他の実施形態では、折返し（対称）点はＦＴ軸方向領域の内部にある。さらに他の実施形態では、折返し（対称）点は正確にＦＴ軸方向領域の中心にある。
【００７０】
いくつかの実施形態では、利得媒質は固体の薄いディスクである。別の実施形態では、利得素子は半導体利得素子である。さらなる実施形態では、半導体利得素子を垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）として用いる。
【００７１】
６．高パワー固体レーザ
前述したように、ＤＬＣなどのレーザディスプレイ応用例を含む多くのレーザ応用では、高パワー動作が必要である。したがって、本明細書で説明したレーザを高パワー動作のためにスケール変更するための実施形態について説明する。
【００７２】
いくつかの実施形態では、高パワー動作を、レーザ利得材料をクラッディング材料で囲むことによって実現してもよい。好ましい実施形態では、クラッディング材料は可視波長での吸収が小さい。たとえば、クラッディングはガラス材料で作製してもよい。別の例として、クラッディングをセラミック材料で作製してもよい。さらに別の例では、クラッディングを結晶質材料で作製してもよい。
【００７３】
いくつかの実施形態では、利得材料及びクラッディング材料によって光導波路を形成する。好ましい実施形態では、導波路は複数の横モードを支持する。さらなる実施形態では、導波路は５個を超える横モードを支持する。別の実施形態では、導波路は１０個を超える横モードを支持する。
【００７４】
いくつかの実施形態では、高パワー動作を、熱を取り除くためにクラッディングの外側を金属でコーティングすることによって実現してもよい。別の実施形態では、熱の除去を、クラッディング材料として液体を用いることによって行なってもよい。さらなる実施形態では、クラッディング材料は流動液体である。当業者であれば分かるように、液体クラッディングはポンプ光を閉じ込めるだけでなく、熱交換器としても機能する。
【００７５】
いくつかの実施形態では、高パワー動作を、クラッディングをポンプクラッディングで囲むことによって実現してもよい。さらなる実施形態では、ポンプクラッディングは開口数が０．１０よりも大きい。別の実施形態では、ポンプクラッディングは開口数が０．２０よりも大きい。当業者であれば分かるように、開口数が増加すると、より多くのポンプ光を結合させることができるため、レーザの出力パワーを高めることができる。いくつかの実施形態では、ポンプクラッディングの断面積は利得材料のそれより１０％未満大きい。当業者であれば分かるように、断面積が減少すると、ポンプ強度が高まり、変換がより効率的になる。
【００７６】
いくつかの実施形態では、高パワー動作を、ポンプを利得材料内で結合させることによって実現してもよい。他の実施形態では、ポンプをクラッディング材料内で結合させる。別の実施形態では、ポンプを利得材料及びクラッディング材料の両方の中で結合させる。
【００７７】
７．帯域幅拡張レーザ
図３及び図５で説明したレーザに関して前述したように、帯域幅が広い反射器を有するレーザによって、レーザディスプレイシステムにおいてスペックルの低減が得られる。利得媒質によっては本来的に、所望の光波長帯域に渡って均一な利得が得られるわけではないので、変化のある利得の一部分を補償するための実施形態を提供する。
【００７８】
一例として、Ｔｂドープされたレーザ内のＴｂイオンによって生成される利得はスペクトル依存性を有していて、そのため緑色帯域におけるすべての波長が、Ｔｂドープされた利得媒質内を伝搬しながら同じ利得を受けるわけではない。このようなスペクトル依存性に対処するために、本発明の実施形態により、スペクトル整形素子をレーザキャビティに追加して、スペクトル的に整形された利得を補償する。こうして、キャビティ内での正味利得は、関心対象の帯域のいくつかの部分にわたって比較的平坦である。いくつかの実施形態では、平坦度は関心対象の帯域上で±１０％である。他の実施形態では、平坦度は関心対象の帯域上で±２％である。
【００７９】
いくつかの実施形態では、スペクトル整形素子はキャビティ内フィルタである。他の実施形態では、レーザがファイバレーザである場合、スペクトル整形素子はファイバの端部上のコーティングである。好ましい実施形態では、レーザがファイバレーザである場合、スペクトル整形はＦＢＧによって与えられる。いくつかの実施形態では、レーザが固体レーザである場合、スペクトル整形素子はコーティングされたミラーである。他の実施形態では、レーザが固体レーザである場合、スペクトル整形素子は利得素子の端部上のコーティングである。さらに他の実施形態では、レーザが固体レーザである場合、スペクトル整形素子はＶＢＧである。
【００８０】
前述したように、ファイバレーザの場合の好ましい実施形態では、スペクトル整形はファイバレーザのＦＢＧによって与えられる。いくつかの実施形態では、スペクトル整形は、共振器の信号ＦＢＧ（図３に関して説明したようにＨＲ及びＯＣ）によって与えられる。テルビウムイオンによって生成される利得は、媒質の中を１回通過するとＧ（□）のパワー利得が得られるようなスペクトル依存性を有する。信号反射器の組合せたセットは、光学パワーに対するスペクトル依存性Ｒ（□）＝ＲＨＲ（□）×ＲＯＣ（□）を有する。この実施形態では、信号帯域反射器のセットによって、正味の往復利得Ｒ（□）×Ｇ２（□）が緑色帯域のいくつかの部分上でほぼ均一となるような均等化が反射スペクトルに与えられる。非限定的な例を図１３に概念的に示す。ここでは、正味の往復利得Ｒ（□）×Ｇ２（□）が所望の波長範囲上でほぼ均一である。たとえば、所望の波長範囲には、緑色帯域の一部分に対応する５３５〜５６０ｎｍが含まれていてもよい。好ましい実施形態では、このほぼ均一な領域は緑色帯域のピークの付近である。好ましい実施形態では、スペクトル整形素子はＯＣ  ＦＢＧである。
【００８１】
同様に、固体レーザに関して、好ましい実施形態では、スペクトル整形は共振器の信号反射器によって与えられる。テルビウムイオンによって生成される利得は、媒質の中を通過してキャビティを完全に往復するとＧ（□）の利得が得られるようなスペクトル依存性を有する。キャビティを通る往復を与える信号帯域反射器の組合せたセットは、光学パワーに対するスペクトル依存性Ｒ（□）を有する。この実施形態では、信号帯域反射器のセットによって、正味の往復キャビティ利得Ｒ（□）×Ｇ（□）が緑色帯域のいくつかの部分上でほぼ均一となるような均等化が反射スペクトルに与えられる。非限定的な例を図１４に概念的に示す。ここでは、往復のキャビティ利得Ｒ（□）×Ｇ（□）が所望の波長範囲上でほぼ均一である。たとえば、所望の波長範囲には、緑色帯域の一部分に対応する５３５〜５６０ｎｍが含まれていてもよい。前述したファイバレーザの実施形態と同様に、好ましい実施形態では、このほぼ均一な領域は緑色帯域のピークの付近である。別の好ましい実施形態では、スペクトル整形素子はキャビティのＯＣ反射器である。
【００８２】
いくつかの実施形態では、（前述したファイバまたは固体の実施形態のいずれかについての）平坦化された帯域幅は、利得ピークの付近だけであり、これを図１５に示す。他の実施形態では、複数の連結されたＦＢＧ（ファイバレーザの場合）または単一の光学部品上の多重バンドコーティングもしくは複数の光学部品上の単一バンドコーティング（固体レーザの場合）を用いて、図１６に示すような離散的に広がった発光スペクトルを得る。
【００８３】
固体状態レーザにおいてキャビティ内フィルタを用いる一実施形態では、フィルタは、正味の一回通過利得Ｔ（□）×Ｇ（□）が緑色帯域のいくつかの部分上でほぼ均一となるような透過依存性Ｔ（□）を有する。
【００８４】
いくつかの実施形態では、透過素子及び反射素子の組み合わせをファイバレーザ内で用いて、関心対象の帯域（複数可）上でほぼ均一な正味のキャビティ往復利得Ｒ（□）×Ｔ２（□）×Ｇ２（□）が得られる。いくつかの実施形態では、透過素子及び反射素子の組み合わせを固体レーザ内で用いて、関心対象の帯域（複数可）上でほぼ均一な正味のキャビティ往復利得Ｒ（□）×Ｔ（□）×Ｇ（□）が得られる。
【００８５】
当業者であれば分かるように、スペクトル依存性の反射器及びフィルタを用いることで往復利得の均等化をほぼ均一に行うことによって、これを他のタイプのレーザキャビティ、たとえばリング共振器に適用することが可能である。この場合、反射、フィルタ透過、及び利得についての往復関数、すなわちそれぞれ、ＲＲＴ（□）、ＴＲＴ（□）、及びＧＲＴ（□）によって、量ＲＲＴ（□）×ＴＲＴ（□）×ＧＲＴ（□）に対して正味利得の均一状態が得られる。
【００８６】
８．帯域端レーザ
前述したように、ＤＬＣなどのデジタルレーザディスプレイで用いるには高パワーでスペックルフリーのレーザが特に望ましい。ＤＬＣなどのいくつかのデジタルレーザディスプレイは３Ｄ映画を投影するために用いられ、ＤＬＣにおいて３Ｄ映画を投影するための現在の主要な方法は、３つの関連する色帯域の各々における２つの近傍の波長、すなわち、２つの赤色波長、２つの緑色波長、及び２つの青色波長を用いることである。３Ｄ画像を見るために、見る人は、２つの別個のレンズ（たとえば、１つは左側で１つは右側）を有する３Ｄ眼鏡を装着する。３Ｄ眼鏡内の各レンズはカラーフィルタを有していて、赤色／緑色／青色の一方の組の波長を通過させながら、他方を遮るようになっている。こうして、両方の組のＲＢＧ波長が投影されるが、一方の組のみが、見る人の各眼によって見られる。このような用途が増えることを考慮すると、前述した色分割３Ｄ  ＤＬＣプロジェクタで用いるための所与の波長範囲内の２つの明確に別個の帯域を生成することが望ましい。したがって、レーザにおいて２つの別個の帯域を選択するための実施形態が提供される。
【００８７】
テルビウム利得帯域幅は十分に大きいため、２つの別個のスペクトルセレクタを用いて、たとえば、色分割３Ｄ  ＤＬＣプロジェクタで使用可能な２つの緑色を生成してもよい。それらは、テルビウム利得スペクトル上の２つの異なる点に所望の分離によってスペクトル的に位置づけることができる。一実施形態では、スペクトルセレクタはキャビティ内フィルタである。他の実施形態では、スペクトルセレクタはファイバまたは他の利得材料の端部上のコーティングである。さらに別の実施形態では、スペクトル反射器は体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）である。いくつかの実施形態では、スペクトルセレクタはＦＢＧである。さらなる実施形態では、ＦＢＧは、スペクトルサイドローブをなくすためにアポダイズする。
【００８８】
図１７に例示するのは、２つの異なるスペクトルセレクタが反射器Ｒ１（□）及びＲ２（□）である例である。一実施形態では、２つの緑色が別個のレーザにおいて生成される。別の実施形態では、２つの緑色が同じレーザにおいて生成される。
【００８９】
別の実施形態では、図１３〜１６に関して前述したスペクトル整形素子などのスペクトル整形素子を、利得スペクトルを補償するようにデザインする。こうして、キャビティ内での正味利得は、緑色帯域のいくつかの部分にわたって各色に対して比較的平坦である。一実施形態では、平坦度は関心対象の各帯域上で±１０％である。別の実施形態では、平坦度は関心対象の各帯域上で±２％である。
【００９０】
いくつかの実施形態では、レーザがファイバレーザである場合、スペクトルセレクタはキャビティのＨＲ及びＯＣ反射器である。好ましい実施形態では、スペクトルセレクタはＯＣ反射器である。図１８に示すのは、スペクトル依存性Ｒ１（□）＝Ｒ１、ＨＲ（□）×Ｒ１、ＯＣ（□）及びＲ２（□）＝Ｒ２、ＨＲ（□）×Ｒ２、ＯＣ（□）を有する信号反射器の２つの別個のセットをどのように選ぶかについての非限定的な例である。信号反射器の各セットによって、Ｒ１（□）×Ｇ２（□）及びＲ２（□）×Ｇ２（□）がそれぞれ緑色帯域の異なる部分上でほぼ均一となるような利得が得られる。２つの色が同じレーザによって生成される一実施形態では、量［Ｒ１（□）＋Ｒ２（□）］×Ｇ２（□）は、関心対象の両方の帯域上でほぼ均一である。
【００９１】
いくつかの実施形態では、レーザが固体レーザである場合、スペクトルセレクタはキャビティ反射器である。図１９に示すのは、往復スペクトル依存性Ｒ１（□）及びＲ２（□）の組み合わせを有する信号反射器の２つの別個のセットをどのように選ぶかについての非限定的な例である。信号反射器の各セットによって、Ｒ１（□）×Ｇ（□）及びＲ２（□）×Ｇ（□）がそれぞれ緑色帯域の異なる部分上でほぼ均一となるような利得が得られる。２つの色が同じレーザによって生成される一実施形態では、量［Ｒ１（□）＋Ｒ２（□）］×Ｇ（□）は、関心対象の両方の帯域上でほぼ均一である。
【００９２】
好ましい実施形態では、スペクトルセレクタはレーザキャビティのＯＣ反射器である。他の実施形態では、複数の連結されたＦＢＧ（ファイバレーザの場合）または単一の光学部品上の多重バンドコーティングもしくは複数の光学部品上の単一バンドコーティング（固体レーザの場合）を用いて、各緑色帯域において離散的に広がった発光スペクトルを得る。
【００９３】
キャビティ内フィルタを用いる一実施形態では、フィルタは、正味利得Ｔ（□）×Ｇ（□）が緑色帯域のいくつかの部分上でほぼ均一となるような透過依存性Ｔ（□）を有する。
【００９４】
いくつかの実施形態では、透過素子及び反射素子の組み合わせをファイバレーザ内で用いて、関心対象の帯域（複数可）でほぼ均一である正味のキャビティ往復利得ＲＲＴ（□）×ＴＲＴ（□）×ＧＲＴ（□）が得られる。いくつかの実施形態では、透過素子及び反射素子の組み合わせを固体レーザ内で用いて、関心対象の帯域（複数可）でほぼ均一である正味のキャビティ往復利得Ｒ（□）×Ｔ（□）×Ｇ（□）が得られる。
【００９５】
当業者には明らかであるように、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく本発明に種々の変更及び変形を施すことができる。本発明を、開示した特定の1つまたは複数の形式に限定することは意図されておらず、逆に、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の趣旨及び範囲に入るすべての変更、代替的な構成、及び均等物に及ぶことが意図されている。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲に入るならば本発明の変更及び変形に及ぶことが意図されている。
【図１−１】
2018534789.tif 000004
【図１−２】
2018534789.tif 000005
【図２】
2018534789.tif 000006
【図３】
2018534789.tif 000007
【図４】
2018534789.tif 000008
【図５】
2018534789.tif 000009
【図６】
2018534789.tif 000010
【図７】
2018534789.tif 000011
【図８】
2018534789.tif 000012
【図９】
2018534789.tif 000013
【図１０】
2018534789.tif 000014
【図１１】
2018534789.tif 000015
【図１２】
2018534789.tif 000016
【図１３】
2018534789.tif 000017
【図１４】
2018534789.tif 000018
【図１５】
2018534789.tif 000019
【図１６】
2018534789.tif 000020
【図１７】
2018534789.tif 000021
【図１８】
2018534789.tif 000022
【図１９】
2018534789.tif 000023
【国際調査報告】
2018534789.tif 000024
2018534789.tif 000025
2018534789.tif 000026
2018534789.tif 000027
2018534789.tif 000028