(57)【要約】  広域線赤色光発生器は、1030〜1120nm波長範囲から選択されるポンプ波長のポンプ光を基本モード(「FM」)において出力する単一モード(SM)パルス状イッテルビウム(「Yb」)ファイバレーザポンプ光源を用いて構成される。開示される発生器はさらに、Ybファイバレーザポンプ光源の出力に接合されるSMファイバラマン変換器を含む。ラマン変換器は、少なくとも10nmの広域スペクトル線を有する1220から1300nmの波長範囲内のラマンシフト波長のポンプ光を出力するためにポンプ光の「n」次の周波数ストークスシフトを誘導する。開示される光発生器はさらに、ポンプ光の広域スペクトル線をカバーするのに十分であるスペクトル許容性線幅を有する三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶を有する単一パス第二高調波発生器(「SHG」)を有する。SHGは、少なくとも4nmの広域スペクトル線を有するSMパルス状広域線赤色光を発生させる。
2017532613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広域線赤色光発生器(RGBディスプレイのための)において、
1030〜1120nm波長範囲から選択されるポンプ波長のポンプ光を基本モード(「FM」)において放出するように構成される単一モード(SM)パルス状イッテルビウム(「Yb」)ファイバレーザポンプ光源と、
前記Ybファイバレーザポンプ光源の出力に接合され、前記パルス状ポンプ光を案内するコア、および前記コアを取り囲むクラッディングを有するSMファイバラマン変換器であって、前記ラマン変換器は、1220から1300の間で変化しかつ少なくとも10nmの広域スペクトル線を有する所望のラマンシフト波長の前記ポンプ光を出力するために、前記パルス状ポンプ光の「n」次の周波数ストークスシフトを誘導し、ただし「n」は、整数である、SMファイバラマン変換器と、
前記ラマンシフト波長の前記ポンプ光を受け取り、前記ポンプ光の前記広域スペクトル線をカバーするのに十分であるスペクトル許容性線幅を有する三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶を含む単一パス第二高調波発生器(「SHG」)であって、前記SHGは、少なくとも5nmの広域スペクトル線を有する前記所望のラマンシフト波長の半分のSMパルス状広域線赤色光を発生させる、単一パス第二高調波発生器と、
を備える、広域線赤色光発生器。
【請求項２】
前記SM Ybレーザポンプ光源およびSMファイバラマン変換器はそれぞれ、シリカクラッディング内にシリカコアを有するPMファイバを用いて構成される、請求項1に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項３】
前記SMラマン変換器は、前記ポンプ光の前記ポンプ波長を前記所望のラマンシフト波長に変換するために三次または四次の周波数ストークスを誘導するのに十分な長さを有して構成される、請求項2に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項４】
前記SMファイバラマン変換器は、シリカクラッディング内にリン酸塩ガラスコアを含む、請求項1に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項５】
前記SMラマン変換器は、前記ポンプ光の前記ポンプ波長を前記所望のラマンシフト波長に変換するために一次の周波数ストークスを誘導するのに十分な長さを有して構成される、請求項4に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項６】
前記Ybファイバレーザ光源は、前記ポンプ波長の前記ポンプビームを放出するファブリペローダイオードレーザもしくは分布ブラッグ反射器(DBR)もしくは分布帰還型レーザ(DFB)または偏光保持(PM)ファイバピグテールを有する波長安定化レーザダイオードおよびPMファイバブースタを含むマスタ発振器パワー増幅器(MOPFA)スキームを用いて構成され、前記ファイバブースタは、数キロワット(kW)のピークパワーを有する前記パルス状ポンプ光を出力するように構成される、請求項1に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項７】
前記ファイバブースタは、
二重ボトルネック形状の横断面を有して構成され、前記ポンプ波長の前記SFMを支援する寸法のMMコアを有するPM Ybドープのアクティブファイバと、
前記ポンプ光のSMを案内するコアを有するPM SM入力パッシブファイバであって、それぞれのパッシブファイバおよびYbドープのファイバの前記コアは、前記FMをその中で励起する前記Ybドープのファイバの前記MMコアのコア端部への前記SMの結合を提供するために、互いに接合されるそれぞれの端部バット(butt)を有し、前記PM SM入力パッシブファイバの前記コアおよび前記Ybドープのファイバの前記コア端部は、それぞれのSMおよびFMのモードフィールド直径(「MFD」)が、実質的に互いに合致するように構成される、PM SM入力パッシブファイバと、
を含む、請求項6に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項８】
前記SMラマン変換器に結合される前記所望のラマンシフト波長の前記光を放出するために連続波(CW)レジームにおいて動作するラマン光シード光源をさらに備える、請求項6に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項９】
前記ファイバブースタから上流かまたは下流に前記ポンプ光および前記所望のラマンシフト波長の前記光を多重化する波長分割多重化方式(WDM)をさらに備える、請求項8に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１０】
前記ラマン変換器は、50〜80%範囲内の変換効率を有して動作し、前記発生器の全体の壁コンセント効率は、6〜10%範囲内で変化する、請求項2に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１１】
少なくとも5nmの広域スペクトル線を有する前記所望のラマンシフト波長は、前記RGBディスプレイを照射するときにスペックルノイズを実質的に低減するのに十分である、請求項1に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１２】
広域線赤色光発生器(RGBディスプレイのための)において、
約1030nmから約1120nmの間のポンプ波長のポンプ光を基本モード(「SFM」)において放出する単一モード(SM)パルス状イッテルビウム(「Yb」)ファイバレーザポンプ光源と、
前記Ybファイバレーザポンプ光源の出力に接合され、前記パルス状ポンプ光を案内するコア、および前記コアを取り囲むクラッディングを有するSMファイバラマンレーザであって、前記ラマンレーザは、1220から1300nmの間で変化しかつ少なくとも15nm線幅の広域スペクトル線を有する所望のラマンシフト波長のパルス状ポンプ光を出力するために、前記パルス状ポンプ光の「n」次の周波数ストークスシフトを誘導し、ただしnは、整数である、SMファイバラマンレーザと、
前記所望のラマンシフト波長の前記ポンプ光を受け取り、前記所望のラマンシフト波長の半分のSMパルス状広域線赤色光を発生させるために、前記出力ポンプ光の前記広域スペクトル線をカバーするのに十分なスペクトル許容性帯域幅を有する三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶であって、前記赤色光は、少なくとも5nmの広域スペクトル線を有する、三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶と、
を備える、広域線赤色光発生器。
【請求項１３】
前記SMファイバラマンレーザは、シリカクラッディングによって取り囲まれるシリカコアを用いて構成され、間隔の空いた複数の反射体は、前記シリカコア内に書き込まれて(being written)、共振空洞を規定する、請求項12に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１４】
前記SMラマンレーザは、5つの高反射率ブラッグ格子を含む、請求項13に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１５】
前記ラマンレーザは、前記所望のラマンシフト波長の前記ポンプ光に対して透明である出力低反射率ブラッグ格子を有してまたは有さずに構成される、請求項14に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１６】
前記Ybファイバレーザ光源は、ファブリペローダイオードレーザ、DBF、DBRまたは偏光保持(PM)ファイバピグテールを有する波長安定化レーザダイオードおよびPMファイバブースタを含むマスタ発振器パワー増幅器(MOPFA)スキームを用いて構成され、前記ファイバブースタは、数キロワット(kW)のピークパワーを有する前記パルス状ポンプ光を出力するように構成される、請求項13に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１７】
前記共振空洞内の前記所望のラマンシフト波長の各信号光パルスの往復時間は、前記所望のラマンシフト波長の各後続の信号光パルスが、前記ラマンレーザに結合される前記ポンプ光パルスと時間的にも空間的にも一致するように、ポンプビーム繰り返し率に合致する、請求項16に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１８】
前記Ybファイバレーザ光源は、マイクロ秒範囲内の持続時間をそれぞれ有するポンプパルス列を出力するように構成されるパルス状ファブリペローレーザを含む、請求項13に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項１９】
広域線赤色光発生器(RGBディスプレイのための)において、
1030nm〜1120nm範囲内のポンプ波長のポンプ光を基本モード(「SFM」)において放出する単一モード(SM)パルス状イッテルビウム(「Yb」)ファイバレーザポンプ光源と、
前記Ybファイバレーザポンプ光源の出力に接合され、前記パルス状ポンプ光を案内するコア、および前記コアを取り囲むクラッディングを有するSMファイバラマン変換器であって、前記ラマン変換器は、1220から1300の間で変化しかつ少なくとも15nm線幅の広域スペクトル線を有する所望のラマンシフト波長の信号光を出力するために、前記パルス状ポンプ光の「n」次の周波数ストークスシフトを誘導し、ただしnは、整数である、SMファイバラマン変換器と、
前記ラマンシフト波長の前記信号光を受け取り、前記所望のラマンシフト波長の半分のSMパルス状広域線赤色光を発生させるために、前記ポンプ光の前記広域スペクトル線をカバーするのに十分なスペクトル許容性帯域幅を有する三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶であって、前記赤色光は、少なくとも5nmの広域スペクトル線を有する、三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶と、
を備える、広域線赤色光発生器。
【請求項２０】
前記ラマン変換器は、ラマンシフタまたはラマンレーザである、請求項19に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項２１】
ファブリペローラマンファイバレーザもしくはファブリペローダイオードもしくはDBF、またはDBRもしくは波長安定化レーザから選択され、前記所望のラマンシフト波長のパルス状信号光を放出するように動作するラマン光シード、ならびに前記ラマン変換器から上流に位置し、それぞれのポンプ波長およびラマンシフト波長の前記ポンプ光パルスおよび信号光パルスを多重化するように構成されるWDMをさらに備える、請求項19に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項２２】
少なくとも5nmの広域スペクトル線を有する前記所望のラマンシフト波長は、前記RGBディスプレイを照射するときにスペックルノイズを実質的に低減するのに十分である、請求項19に記載の広域線赤色光発生器。
【請求項２３】
広域線光発生器(RGBディスプレイのための)において、
1030〜1120nm波長範囲から選択されるポンプ波長のポンプ光を基本モード(「FM」)において放出するように構成される単一モード(SM)パルス状イッテルビウム(「Yb」)ファイバレーザポンプ光源と、
前記Ybファイバレーザポンプ光源の出力に接合され、前記パルス状ポンプ光を案内するコア、および前記コアを取り囲むクラッディングを有するSMファイバラマン変換器であって、前記ラマン変換器は、所望のラマンシフト波長の前記ポンプ光を出力するために、前記パルス状ポンプ光の「n」次の周波数ストークスシフトを誘導し、ただし前記「n」次は、第1、第2、第3、第4および第5のストークス次数から成る群から選択される、SMファイバラマン変換器と、
前記ラマンシフト波長の前記ポンプ光を受け取り、前記ポンプ光の広域スペクトル線をカバーするのに十分であるスペクトル許容性線幅を有する三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶を含む第二高調波発生器(「SHG」)であって、前記SHGは、少なくとも1nmの前記広域スペクトル線を有する前記所望のラマンシフト波長の半分のSMパルス状広域線光を発生させる、第二高調波発生器と、
を備える、広域線光発生器。
【請求項２４】
前記広域線光は、緑色、黄色、オレンジ色、赤色およびこれらの組合せから成る群から選択される、請求項23に記載の広域線光発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［開示の分野］
本開示は、ファイバラマン変換器および少なくとも約5nmの広域スペクトル線幅を有する赤色光を生成するように動作する三ホウ酸リチウム非線形光学結晶(LBO)などの第二高調波発生器の組合せを含む波長変換スキームに基づく広帯域赤色光発生器に関する(それは、レーザ照射デジタルディスプレイ上のスペックルノイズを低減する能力がある)。
【０００２】
［用語集］
本開示に使用される場合、以下の記載用語は、次のそれぞれの意味を有する。
【０００３】
広域スペクトル線または広帯域は、赤色光の5〜25nm波長範囲および所望のラマンシフト波長の赤外線放射の少なくとも10nmにわたって延びるスペクトル線を指す。
【０００４】
連続波(「CW」)レーザは、パルスレーザのような短いバーストよりもむしろ連続的に放射を放出するレーザを指す。
【０００５】
デューティサイクルは、一定の間隔を置いて生じるパルスについてのパルス持続時間およびパルス繰り返し周波数(PRF)の積を指す。
【０００６】
ダイオードレーザは、可干渉性の光出力を発生させるために誘導放出を使用するように設計された発光ダイオードを指す。
【０００７】
利得は、増幅器を通って1つの点から別の点に伝達される信号の強度、パワー、またはパルスエネルギーの増加を指す。
【０００８】
利得媒質は、光学利得を発生させる能力がある材料を指す。
【０００９】
緑色光は、およそ495〜570nmの波長範囲内の電磁放射を指す。
【００１０】
赤外線放射(「IR」)は、約700nmから10,000nmの間の真空波長によって特徴付けられる電磁放射を指す。
【００１１】
レーザは、放射の誘導放出による光増幅についての頭字語である。レーザは、利得媒質を含有する空洞である。
【００１２】
赤色光は一般に、約610から650nmの間の真空波長範囲にほぼ対応する周波数範囲内の電磁放射である。
【００１３】
横モードは、ファイバを横断する光エネルギーの分布を記述する。
【００１４】
マルチモードファイバは、多重横モードの伝搬を支援する寸法のコアを有するファイバを指す。
【００１５】
非線形光学結晶は、三ホウ酸リチウム非線形光学結晶(LBO)を指す。
【００１６】
光増幅器は、入力光信号のパワーを増幅するために、ポンピング放射によって駆動される利得媒質を使用する装置を指す。
【００１７】
光共振空洞(「空洞」)は、光がそれに沿って往復するまたは循環することができる2つ以上の反射面によって規定される光路を指す。
【００１８】
偏光保持(PM)ファイバは、その中に発射される光の偏光状態を忠実に保存し、伝達するように構成される単一モードファイバを指す。
【００１９】
偏光は、個々の横光波が互いに平行に整列している光を指す。
【００２０】
パルス持続時間またはパルス幅は、パルスの前縁および後縁上の半パワー点間の時間間隔を指す。
【００２１】
パルス周期(T)は、2つ以上のパルス列内の連続するパルスの等価点間の時間を指す。
【００２２】
パルス繰り返し周波数(PRF)は、単位時間当たりのパルスの繰り返し率を指す。PRFは、パルス周期に反比例する。
【００２３】
準-CWは、連続的に見えるように十分に高い繰り返し率の一連のパルスを発生させることを指す。
【００２４】
ラマン散乱は、ファイバを通過する間に散乱される光の波長の増加(または周波数の減少)と関連する非線形ラマン効果を指す。
【００２５】
単一モードファイバは、単一横モードの伝搬を支援する寸法のコアを有するファイバを指す。
【００２６】
ラマンスペクトルのストークス次数(Stoke)は、ラマン散乱に起因して標準線に加えて単色光のスペクトルに現れる異なる放射バンドまたはラマン線を指す。
【００２７】
第二高調波発生(SHG)は、波長λの入力光が、非線形結晶などの非線形光学材料を通って伝搬する間に波長の半分λ/2(または入力光の光周波数の2倍)の出力光を発生させる、周波数変換技法を指す。
【００２８】
結晶のスペクトル許容性は、周波数変換がその中で観察されるスペクトルバンドを指す。
【００２９】
ストークスシフトは、特定の蛍光物質についての励起極大と発光極大との間の波長の差を指す。
【００３０】
目に見える放射または光-620nmから650nmの間の波長範囲内の赤色光として人間の目に見える電磁スペクトルの部分。
【００３１】
スペックルは、色付きの多数の小さいスポットまたはパッチを有するマークを指す。
【００３２】
スペックルノイズは、スペックルの観察可能なランダム強度パターンを指す。
【背景技術】
【００３３】
［技術の議論］
一般に赤色光ともまた呼ばれる610〜650nm波長範囲は、(厳密に言えば620nm波長近傍の光は、真の赤色ではなく、赤みを帯びたオレンジ色であり、一方650nm波長は、深い赤色の色調を示すけれども)、工業的応用のかなりの市場占有率を有する。例えば、赤色光は、野菜を栽培するのに理想的であると考えられる。現在、赤色光源は、本開示にとって特に関心のあるディスプレイ産業、例えば赤-緑-青(RGB)デジタルディスプレイにおいてそれらの最も広い応用を見いだす。
【００３４】
ダイオードレーザは、かなり明るく、明確に定義された利用可能な色の範囲、それらの深さおよび飽和の故に、RGBデジタルディスプレイのために最も広く使用されるレーザ光源である。しかしながら、赤色光ダイオードの発光効率は、低い。個々の赤色光ダイオードレーザの出力パワーは、1Wをほとんど越えず、それは、多くの工業的レーザ応用の要求を満たすにはまったく低すぎる。
【００３５】
RGBディスプレイのためのレーザ光源の出現は、すぐ下で簡潔に開示されるように、ダイオード励起固体レーザおよび非線形光学に根差している改善された非線形光周波数変換技法と関連している。
【００３６】
［非線形光学］
光が、ガラスのような透明媒質を通って伝わるとき、それは、通過する光を変える方法で分子と相互作用する。光が、強いときは、付加的効果が、観察される。これらの1つは、1つの波長(または同等に周波数)の光が、ある種の透明材料とのその相互作用に起因して異なる波長の光に変換されることもあるということである。これは、非線形周波数変換と呼ばれる。
【００３７】
［非線形光周波数変換］
任意の周波数変換プロセスには、その効率に、または元の/基本的周波数の光のどのくらいが新しい周波数に変換されるかに寄与する2つの主な要因がある。第一は、使用される透明媒質の固有の効率である。周波数変換は、多くの異なる種類の材料を用いて達成可能であるが、しかしいくつかは、単純に他のものよりも効率的である。後者の良い例は、ここで開示される三ホウ酸リチウム(「LBO」)非線形光学結晶である。光周波数変換の特定の例は、開示される主題の一部を構成する第二高調波発生(SHG)である。
【００３８】
ダイオード励起固体レーザに戻ると、それらの使用は、10,000時間を超えるダイオードレーザ寿命を有する、効率的で、信頼できる、低から中程度のパワー(赤色および青色においては高々数ワット、緑色においては数十ワット)の可視レーザ光源をもたらしたことに留意すべきである。これらの光源は、ネオジム(Nd)イオンの様々な線のSHGに基づいており、それ故に1000nm近傍の最も強いNdレーザ遷移のSHGに基づく緑色光発生にとって効率が良い。しかしながら、同じ光源は、1300nm遷移のSHGに基づく赤色光発生にとってそれほど効率は良くない。
【００３９】
他の産業に続いて、ディスプレイ産業は最近、強力で、温度に依存せず、ダイオードレーザとは比較にならないほど明るく、効率的なこともあるファイバレーザに転向した。それにもかかわらず、ファイバレーザは、イッテルビウム(Yb)、エルビウム(Er)、およびツリウム(Tm)のドーパントを使用して1、1.5、および2μmに近い中心波長近傍に調整する制限された波長だけをもたらし、それらはそれぞれ、明らかにファイバレーザを、赤色を含む可視光を直接発生させるのに適さなくする。
【００４０】
しかしながら、ファイバレーザは、非線形光学およびその効果を利用することによって可視波長を発生させるために使用される新しい光源を可能にした。パワー、ビーム品質、偏光、および線幅特性は、ファイバレーザを非線形光学結晶による周波数変換のための理想的な光源にする。緑色への高パワー変換については、LBO非線形結晶を使用するYbファイバレーザのSHGは、数百ワットおよびキロワットさえもの平均パワーの緑色回折限界出力を生成している。後者は、同じ指定代理人によって本出願とともに共同所有され、参照により本明細書に完全に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第61923793号において開示される。それにもかかわらず、SHGはそれだけでは、赤色光を生成するのに不十分である。
【００４１】
光ファイバ内でのラマン波長シフティングの技術は、原理的には任意の波長において光増幅を生成することができる。ラマン波長シフトは、当然のことながら、ラマン非線形効果に基づいており、それは、参照により全体として本明細書に組み込まれ、同じ指定代理人によって本開示とともに共同所有される、米国特許出願公開第2011/0268140号において開示される。下記は、この現象の簡潔な説明である。
【００４２】
［ラマン効果］
強いレーザ光が、光ファイバに結合されると、それは、誘導ラマン散乱に起因して第2のより長い波長を発生させる。このラマン散乱光は、それ自体ラマン散乱を受けることもある。もしファイバが、十分長いならば、そのプロセスは、いくつかの波長またはストークス次数を生成するようにカスケード的に起こる。
【００４３】
初期波長のi番目のストークス次数が、(i+1)番目のストークス次数の発生のためのポンプとしての役割を果たす、多重次数ラマン散乱(SRS)発生は、大幅な波長シフトを成し遂げるためのカスケード型波長ラマン変換器(より短い波長からより長い波長への)として利用される。それに応じて、ラマン変換器は、他の種類のレーザ光源から利用できないこともある出力波長を生成することができる。例えば、図1におけるデータは、標準的な偏光保持単一モード市販ファイバを用いて取得された。ファイバに結合された1060nmポンプビームによって発生される第1の3つのストークス波は、近似的に1. 1114nm、2. 1170nm、3. 1232nmである。
【００４４】
過去においては、非線形結晶を使用してラマンストークス次数を可視波長に効率的に変換するために、ラマンストークス波は、狭いスペクトル線を有することが望ましかった。図1に見られるようなラマンスペクトルのピークはしかしながら、第1のストークスにおいて約10nm幅であり、後続のストークスにおいてはより広い。そのような広いスペクトル線は、非線形光学結晶が、上で確認されたラマンシフト波長範囲内の狭いスペクトル許容性範囲を有するので、非線形光学結晶内での1220〜1300nm波長範囲内の第3のストークス次数のIR光の効率的な変換にとって許容できないほど広いと考えられる。ラマンスペクトルを狭くするためのいくつかの技法が、知られている。
【００４５】
しかしながら、特に多くの非線形結晶のスペクトル許容性範囲との組合せにおける1220〜1280nm波長範囲内の狭いラマンスペクトルは、以下で説明されるようなスペックルノイズに対して非常に非効率的である。
【００４６】
［スペックルノイズ］
レーザ照射中は、レーザ光の高い干渉性およびディスプレイの表面トポグラフィに由来する強い干渉が、生じ、それは、画像を劣化させる複数のスペックルにより明らかになる。多重スペックルによって規定されるパターンは、光発生器における基本的ノイズ源であり、スペックルノイズの抑制は、ビデオディスプレイ産業において最も重要である。
【００４７】
スペックル低減を可能にするいくつかの公知の技法がある。その技法の1つは、異なる波長において動作する相互に非干渉性のレーザ光源を含む。異なる波長についてのスペックルパターンは、無相関であるので、これは、いくらかのスペックル低減を達成する。別の技法は、偏光の変化に基づいている。この技法は、照射光発生器の限られた設計にとって有用なこともあり、一般に非効率的である。なお別の技法は、無相関のスペックルパターンを生じさせる置換可能な拡散要素の使用を包含する。
【００４８】
開示される主題に大いに関連する、さらなる技法は、増加した線幅を有するレーザ光源に基づいている。スペックルは、レーザ放射の高い可干渉性に起因して生じるので、直接放出緑色レーザダイオードなどの、低減した可干渉性を有する光源を使用することは、実際的である。しかしながら、これらのダイオードレーザは、スペックルを許容できるレベルまで低減するのに不十分である、狭いスペクトル線幅を有することが知られている。現在利用できる、最も明るく、最もパワー効率の良い緑色レーザは、スペクトル線幅が0.1〜0.2nmを越えない状態で周波数を2倍にされることに留意すべきである。
【００４９】
参照により本明細書に完全に組み込まれる、米国特許第8,786,940号は、赤色を含むすべての原色について光ファイバ内の誘導ラマン散乱を使用することによってレーザスペックルを低減する装置を開示する。開示される装置は、532nm波長近傍のパルス状緑色光を出力する、Qスイッチの、周波数を2倍にされた、ネオジムドープのイットリウムリチウムフッ化物またはネオジムドープのイットリウムアルミニウムガーネットのレーザに基づく赤色光源を用いて構成される。パルス状緑色光は、MMファイバに結合され、そこでそれは、誘導ラマン散乱を経験して、黄色、オレンジ色および赤色に変換し、それらはさらに、光学的にフィルタ処理されて出る。開示される装置を組み込む実験はしかしながら、MMファイバが、比較的低いパワーレベルにおいて急速に劣化するので、特に大部分は有望でなかった。
【００５０】
ラマン散乱はまた、黄色光ファイバ光源を教示するWO2013/175387においても開示される。光源は、Ybファイバ増幅器に結合される、第1の波長のポンプ光を放出する、狭域スペクトル線幅のYbパルス状ファイバレーザ光源を用いて構成される。他の狭域線CWシードレーザは、目標波長の信号光を放出し、それもまた、Ybファイバ増幅器に結合される。Yb増幅器に結合されたポンプ光は、単一ラマンシフト目標波長または第1のストークス次数の信号光に変換される。ラマンシフト目標波長の増幅光は次いで、黄色光を生成する非線形結晶に入射する。
【００５１】
上で論じられた光源は、少しの制限を有する。例えば、教示される光源は、狭域線ポンプおよびラマンシード光源をそれぞれ提供することによって実現される狭域線幅を有する出力を有するように調整される。もしこの光源が、ディスプレイを照射するために使用されるならば、これは単独では、この言及の黄色光源をスペックルノイズ低減にとって非効率的にすることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】米国特許出願第61923793号
【特許文献２】米国特許出願公開第2011/0268140号
【特許文献３】米国特許第8,786,940号
【特許文献４】WO2013/175387
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５３】
従って、パワー効率が良く、小型で、信頼でき、コスト効率の良い構造を有するためにSRSを利用する赤色光ファイバレーザ光源の必要性が、存在する。
【００５４】
例えばレーザ照射デジタルディスプレイ上に現れるスペックルノイズの有害な影響をかなり低減するために十分に広いスペクトル線を有する赤色光を出力する能力がある赤色光ファイバレーザ光源のさらなる必要性が、存在する。
【課題を解決するための手段】
【００５５】
本開示の基本的目標は、照射されるデジタルディスプレイ上のスペックルノイズを最小限にするのに十分な広域スペクトル線を有する赤色のレーザビームを生成することである。これは、2つの主な前提、1. ラマンファイバ内で25nmに至るまでの広域スペクトル線を有する1220〜1300nm放出波長範囲内の所望のラマンシフト波長の光を放出するラマン変換器、ならびに2. 4nmを越えるスペクトル線幅を有する610〜650nm波長範囲内の赤色光を生成するためのLBO非線形結晶による上で確認された放出スペクトル内の所望のラマンシフト波長の広域スペクトル線のスペクトル許容性に基づく、開示されるファイバ赤色光発生器によって達成される。高パワー回折限界広帯域赤色光を出力するように動作する、開示される光源の実際的実施は、以下で簡潔に開示されるいくつかの実施形態において実現される。
【００５６】
実施形態の1つによると、開示される発生器の基本的レイアウトは、1030〜1120nm波長範囲内のポンプビームを発生させる広帯域パルス状ファイバレーザ光源、およびYbファイバ増幅器を含む。パルス状ビームはさらに、ポンプビームを所望のラマンシフト波長のパルス状ビームに変換するラマンシフタに結合される。所望のラマンシフト波長は、約1220から1300nmの間で変化し、少なくとも10nmの広域放出スペクトル線を有する。信号ビームは次いで、所望のラマンシフト波長のポンプ光の放出スペクトル線をカバーするスペクトル許容性を有する単一パス第二高調波発生器(SHG)として動作するLBO上に集められる。LBO内で生成される赤色光もまた、少なくとも4〜5nmの広域スペクトル線を有し、それは、照射されるスクリーン上のスペックルノイズを大幅に最小限にするのに十分である。
【００５７】
開示される単一パスラマン変換器の動作は、ファイバ構成に依存する。一構成によると、ファイバは、シリカガラスクラッディング内にリン酸塩ガラスコアを有する。この構成は、所望のラマンシフト波長の光への第1の波長のポンプビームの第1のストークス次数変換を可能にする。代替構成においては、ラマン変換器は、シリカクラッディング内にシリカガラスコア(リン酸塩ドーパントを有する可能性もある)を有する。ここで、信号ビームの所望のラマンシフト周波数への変換は、ポンプ光の第3のストークス次数において生じる。
【００５８】
開示される赤色光発生器のさらなる実施形態は、米国特許出願公開第2011/0268140号において開示されるような多波長ラマンレーザを含む。この実施形態は、次の構造によって実現されてもよい。
【００５９】
この実施形態による可能性のある構成の1つは、ラマンレーザに結合される波長1030〜1120nm範囲内で選択される所望のポンプ波長の広域スペクトル線ポンプ光ビームを放出するように動作するMOPFAアーキテクチャを有するパルス状レーザ光源を含む。後者は、最も上流および下流の反射体が共振空洞を規定する状態の多重反射体を有する共振空洞を有するシリカコア/クラッディングファイバを含む。出力反射体は、共振空洞からポンプビームの所望のラマンシフト周波数の信号光を出力するために少なくとも部分的に透光性であり、それは次いで、1220〜1300nm波長範囲内の波長においてLBOに結合される。LBO非線形結晶を含むSH発生器は、所望のラマンシフト波長のポンプビームを受け取り、照射されるディスプレイ上のスペックルノイズを最小限にするために十分に広いスペクトル線幅を有する赤色光を生成する。
【００６０】
ポンプビームは、ピコ秒〜ナノ秒範囲のパルス幅をそれぞれ有する短パルスにおいて放出される。この構成の動作は、同期ポンプラマンレーザスキームに基づいている。具体的には、このスキームは、ラマンシフト波長の各後続の信号光パルスが、ラマン変換器においてそれぞれのポンプ光パルスと時間的にも空間的にも一致するように、共振するラマン変換光パルスの往復時間が、ポンプビーム繰り返し率に合致するように動作する。
【００６１】
別の構造的構成は、マイクロ秒およびより長い範囲の幅をそれぞれ有する長いポンプ光パルスを出力するファブリペローパルス状レーザを使用する。ポンプ光パルスは次いで、広域スペクトル線を有する、1220〜1300nm波長内の所望のラマンシフト波長の信号パルスを放出するように構成されるラマンレーザに結合される。ラマンシフト光を受け取るLBOは、パルス状赤色光を生成する。前に開示された同期ポンピングスキームと対照的に、この構成は、ポンプ光パルスの幅が、ラマンレーザの共振空洞内の光パルスの往復よりも実質的に長いので、同時性を必要としない。
【００６２】
本開示の上記の特徴および他の特徴は、図面と併せて次の具体的記述からより容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ラマンシフトポンプ光のラマンスペクトルである。
【図２】開示される広域線赤色光発生器の基本的レイアウトを例示する図である。
【図３】図2の構成を用いて得られるラマンスペクトルの第3のストークス次数を例示する図である。
【図４】図2の赤色光発生器の変更を例示する図である。
【図５】図2および図4に示されるスキームにおいて利用されるブースタ増幅段の構成を例示する図である。
【図６】図4の概略図のIRポンプ光源によって生成されるラマンスペクトルを例示する図である。
【図７】ラマンファイバレーザおよび直接変調QCW IRポンプ光源を用いて構成される赤色光発生器を例示する図である。
【図８】ラマンファイバレーザおよびMOPFA構成を有するQCW IRポンプ光源を有する赤色光発生器を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
序論として、本開示の実施形態は、610〜650ナノメートル(nm)範囲内の高パワー、広域線幅、単一モード(SM)レーザパルスを放出するための新規の広域スペクトル線赤色光発生器および方法に向けられる。広域線パルス状SM IRファイバレーザ光源は、1220から1300nmの間の波長範囲内のラマンシフトIR光を発生させるIRエネルギーの効率的なラマン変換につながるSMラマンファイバ変換器をポンピングするパルス列を放出するように構成される。ラマンシフト波長範囲から選択される所望の波長は、10から25nmの間で変化する広域スペクトル線幅を有し、上限は典型的には、さらにより高い。ラマンシフト波長のIR光は、約5nmおよびより広いスペクトル線を有する610〜650nm波長範囲内のSM赤色光パルス光を生成する標準的なLBO非線形結晶を含む単一パス第二高調波発生器に結合される。
【００６５】
開示される赤色光発生器は、標準的なLBO結晶を利用する特有の構造であり、そのスペクトル許容性は、1210〜1250nm範囲内の所望のラマンシフト波長のIR光の10〜25nm線幅の実質的なセグメントを受け入れるために広く、開示される赤色光波長範囲内で約10%のデバイス全体の壁コンセント効率を有して動作する能力がある。kWレベルのピークパワーおよび広域スペクトル線幅を有するSM赤色光ビームは、スペックルノイズを効果的に最小限にしながら、デジタルディスプレイを照射するのに特に有用である。
【００６６】
今から図面を参照すると、図2は、標準的なLBO非線形結晶16との組合せでラマン変換器14を含む高調波発生スキームに基づく、開示される赤色光発生器10の基本的レイアウトを例示する。IRポンプ光源12は、1030〜1120nm波長範囲から選択されるポンプ波長のIRパルス光を出力することによってラマン利得の時間特性を規定し、この実施形態では、MOPFA構成を有する。特に、IR光源12は、ピコ秒〜ナノ秒(ps〜ns)のパルス幅範囲内のパルス列を放出するように動作する偏光保持(PM)ファイバピグテールを有する広域スペクトル線SMダイオードレーザ18として構成される調節可能なポンプシード/マスタ発振器18を含む。パルス状ポンプ光は次いで、所望のIRポンプ波長において数kWのピークパワーレベルに至るまでパルス状ポンプ光をブーストするように構成されるYbファイバレーザ増幅器またはブースタ22に結合される。オプションとして、IRポンプレーザ光源は、YbドープのPMファイバを用いてそれぞれ構成され、それがパワー増幅器またはブースタ22に結合される前にポンプシード信号を徐々に増幅する1つまたは複数の前置増幅段20を含んでもよい。増幅段はそれぞれ、筐体の外側で終わることもあるそれぞれのSM PMパッシブファイバにその対向する端部を接合されるYbドープのアクティブファイバを包み込む筐体を用いて構成される利得ブロックを含む。増幅器20および22のポンプは、CWレジームにおいて動作するそれぞれの1つまたは複数のダイオードレーザモジュールを含む。
【００６７】
広域線幅赤色光発生器10は、パルス幅を設定するためにパルスまたは直接変調レーザダイオードを設定するための別個の電気光学強度変調器にポンプシード光源18の出力を結合することによって提供されるQCWレジームにおいて動作するIRポンプ光源12を用いて構成される。パルス状ポンプ光は、1から100MHz周波数範囲内の繰り返し率、1030〜1120nm範囲から選択される波長において、かつps〜ns範囲内のパルスを有して出力される。前置増幅器20は、パワー増幅器が、パルス状ポンプ光の平均パワーを約200W以上にブーストする前に、約1Wの平均パワーのパルス光を出力するように構成される。ラマン変換器は、数ミクロンコア径を有する数メートル長の非線形パッシブファイバを含んでもよい。図2の概略図において、出力されるIRポンプパワーの約50〜80%は、シード18のポンプ波長に応じて約1230nm波長の第3または第4のストークス次数に変換されてもよい。20mm長のLBO16において周波数を2倍にされた後の1230nmラマンシフト波長のSMパルス光は、615nm近傍の中心波長およびスペックルノイズを実質的に最小限にするのに十分である5nmよりも大きいスペクトルバンド幅を有する、図3に示される可視スペクトルを生成する。
【００６８】
赤色光発生器10のパワースケーリングのカギの1つは、すべてのアクティブおよびパッシブ大モード面積ファイバの増加したコアサイズにある。例えば、コアサイズは、20ミクロンであってもよく、それは、清浄なラマンスペクトルが15〜20kWのIRピークパワー以上において生成されることを可能にすることになる。増加したIRピークパワーは、当業者なら容易に気付くように、変換効率を大幅に増加させる。提案される大モード面積ファイバについては、1060nmから615nmへの変換効率は、25%に近づくこともある。
【００６９】
赤色光発生器10のパワースケーリングへのなお別の手法は、IRポンプ光源のデューティサイクルを制御することによって平均パワーを増加させることを含む。特に、ポンプシード18の繰り返し率が、増加されてもよく、ピークパワーを一定に保って、ポンプパワーを上向かせることができる。
【００７０】
図4は、図2に示される広域線赤色光発生器の変更を例示する。基本的レイアウトと同様に、赤色光発生器10は、マスタ発振器18を用いて構成され、その出力は、1030〜1120nm波長範囲内のパルス列を発生させるように変調される。1つまたは複数の前置増幅およびブースタのカスケードはそれぞれ、CWレジームにおいて動作するレーザダイオードポンプによってポンピングされるYbドープのファイバを用いて構成される。増幅器20および22は、パルス状ポンプ光のパワーを連続して増加させ、それはさらに、ラマン変換器14に結合され、そこでそれは、連続的ストークス次数に効果的に変換され、第3のストークス次数は、所望の1220〜1300nm波長範囲および広域スペクトル線幅である。LBO結晶16を含む単一パスSH発生器は、所望のラマンシフト波長範囲内のIR光のスペクトル線幅の少なくとも実質的部分をカバーするラマンシフタ14によって提供される所望のラマンシフト波長において広域スペクトル許容性を有して構成される。
【００７１】
所望の1220〜1300nmラマンシフト波長範囲内のIR光の線幅はなお、過度に広く、LBO16の広帯域スペクトル許容性範囲にもかかわらず変換効率に悪影響を及ぼすこともある。この場合、第3のストークス次数は、第2のストークス次数の波長帯域から選択される波長においてCWレジームで動作する広帯域SMラマンシード28からの光によってラマン変換器をポンピングすることによって狭くされることもある。そうすることによって、第2のストークス次数は、このストークス次数の線幅を減少させる誘導ラマン散乱によって増幅される。結果として、第3のストークス次数の線幅は、狭くなる。この概略図において、時間特性は、ポンプシード18によって決定され、一方ラマンシフト波長の光のスペクトル特性は、CWラマンシード28によって決定される。それに応じて、ラマンシードのSM出力の波長および線幅は、所望の1220〜1300nm波長範囲内の特定の線幅に調整されてもよい。
【００７２】
図5は、PM Ybドープのシリカファイバ30のそれぞれの対向する端部に接合される入力および出力の同一寸法のSM PMパッシブファイバ32および34を包み込む筐体(図示されず)を含むブースタ22を例示する。後者は、ポンプ波長のSMを支援する能力があり、基本モード(FM)のMFDが、それぞれのSMファイバ32および34によって案内されるSMポンプ光のMFDに合致するように構成される対向する均一寸法のコア端部を含むMMコア38を有する。それぞれのSMおよびFMのMFD直径を合致させ、MMコア38のモード変換領域42、44をそれぞれ断熱膨張させ、狭くすることで、ただ1つだけのFMの励起および支援を提供する。
【００７３】
CW SMラマンシード28は、中間ストークスにおける広帯域ファブリペローファイバもしくはダイオードレーザ、分布ブラッグ反射器(DBR)もしくは分布帰還型レーザ(DFB)または波長安定化レーザシーディングラマン変換器14として構成されてもよい。特に、ラマンシード28は、ラマン変換器14の第2のストークス次数の1130〜1175nm波長範囲内から選択されるラマンシフト波長の光を放出する。それぞれのポンプおよびラマンシード光源の出力は、好適に位置するが、しかし1064nm波長のポンプシード光だけを約20〜30W平均パワーおよび5〜10kWピークパワーまで増幅するブースタ22から必ずしも上流に位置しないファイバWDM26内で組み合わされる。ラマンスペクトルは、約25nmの第3のストークス次数の線幅を有して図6に例示される。
【００７４】
ラマンファイバシフタ14は、5メートルを超える長さを有して構成される。例えば、それは、この例では、所望の1230nm波長の最大6kWまでのピークパワーのラマンシフト光に変わる、高い50〜80%ラマン変換効率において動作する、30〜100メートル長のSM PMパッシブファイバとすることができる。LBO16は、約35〜50%SHG効率において動作する40mm長、5mm幅および3mm厚のI型結晶となる寸法である。約615nm波長のSM赤色光の平均パワーは、45〜110W範囲内であり、一方そのピークパワーは、1.1から2.8kWの間で変化する。
【００７５】
ラマン変換器および単一パスSHG波長変換スキームに基づく、広帯域赤色光発生器の上で開示される構成の両方は、開示されるラマン変換器のためにSM PMシリカコアパッシブ非線形ファイバを利用する。しかしながら、シリカベースのファイバは、1220〜1300nm範囲内のIR光を生成するための唯一の選択ではない。シリカファイバの実行可能な代替案は、標準的なシリカコアファイバよりも実質的に広い第1のストークス次数を生成する、リン酸塩ガラスコアを有するファイバの使用を含む。実際には、所望の1220〜1300ラマンシフト波長帯域が第1のストーク次数によってカバーされるほど非常により広い。
【００７６】
カスケード型ラマンファイバレーザを例示するさらなる実施形態は、図7および図8に例示される。この実施形態の原理は、一連のラマンストークスシフトを使用してポンプの出力の周波数を必要とされる赤色光出力波長に変換することである。従来は、2つ以上のストークスシフトにわたる波長変換は、カスケード型ラマン共振器によって行われる。それは、高反射率ファイバブラッグ格子または反射器52を用いて作られる中間波長の各々における入れ子空洞で構成される。共振器内の各中間波長は、それに先行する波長のラマン利得のピークに近いように選択される。低反射率出力反射体またはカプラ54は、波長の1220〜1300nm範囲から選択される波長変換を終わらせる。
【００７７】
図7を具体的に参照すると、開示される赤色光発生器は、外部電気パルス発生器によって実現される直接変調半導体レーザシード58を有する広帯域QCW IRポンプ光源を含む。所望のポンプ波長の光は、高反射体(HR)と低反射体(LR)との間に規定されるパルス状Ybファイバレーザ56の空洞に結合される。上で開示される構成に使用されるすべてのファイバと対照的に、Ybドープのファイバレーザは、PMファイバであってもよくまたはなくてもよい。IR光源は、所望のポンプ波長の長いマイクロ秒パルスを出力するように動作する。
【００７８】
ポンプ光はさらに、多重HRを提供される多カスケード型SM LPラマンレーザ50および下流のLRに結合され、LR54を有するかまたは有さずに空洞から外へ結合する所望のラマンシフト波長範囲の第3のストークス次数を有する3つのストークスの発生を提供する。ラマンレーザ50から放出されるラマンシフトポンプ光は、1220〜1300nm波長範囲内で少なくとも約5nmの広域スペクトル線幅を有するSM赤色光を発生するように動作するLBO16によってスペクトル的に許容される広域スペクトル線によって特徴付けられる。
【００７９】
図8は、シード18および1つまたは複数の増幅段22を有するMOPFA構成を用いて構成されるIRポンプ光源を例示する。ブースタ段は、図5に示されるのと同じファイバ構成に基づいている。コンポーネントの残りは、図4の発生器10のそれぞれのコンポーネントに対応し、広帯域ラマンシード28およびWDM26を含む。ラマンレーザは、同期ポンピングされる。所望のポンプ波長の増幅ポンプ光は、1220〜1300nm波長範囲から選択される所望のラマンシフト波長において発生されるラマンシード28からの光とWDM26内で組み合わされる。増幅ポンプ光およびラマンシフト光は次いで、ラマンレーザ50に結合される。ラマンシフト波長の光は、SHG LBOにおいて所望の広帯域赤色光に変換される。
【００８０】
上で開示される広域スペクトル線光発生器の基本的プラットフォームは、緑色、黄色、オレンジ色「589nm」および長い赤色光を発生させるために容易に利用されてもよい。図2、図4、図5および図7〜図8に示されるようなプラットフォームは、1030〜1070nm範囲のIR QCWレーザ光源、開示されるラマンシフタを用いて構成される広帯域光発生器および単一パスSHG波長変換器スキームを含む。特定の色の発生は、どのストークス次数が、最終的にラマン変換器において変換されるかに依存する。明らかに、第1のストークス次数は、緑色光をもたらす。発生される第2のストークス次数は、黄色、オレンジ色および特定の基本波長、例えば1064nmを出力するのに必要である。第4およびさらに第5のストークス次数は、変換される光の波長を長い赤色光波長範囲に広げる。出力色にかかわらず、出力光の線幅は、少なくとも1nmであり、それは、レーザ照射ディスプレイ産業だけでなく、また例えばマーキングを含む多くの他のものにも首尾よく使用されてもよい。
【００８１】
付随する図面を参照して本発明の実施形態を述べたが、本発明は、それらの正確な実施形態に限定されず、様々な変形、変更および適合が、添付のクレームに規定されるような本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく当業者によってその中で達成されてもよいことを理解すべきである。
【符号の説明】
【００８２】
10  赤色光発生器
12  IRポンプ光源
14  ラマン変換器、ラマンシフタ
16  LBO非線形結晶
18  ポンプシード光源、マスタ発振器、SMダイオードレーザ
20  前置増幅段、前置増幅器
22  ブースタ、Ybファイバレーザ増幅器、パワー増幅段
26  WDM
28  ラマンシード
30  Ybドープのシリカファイバ
32  SMファイバ
34  SMファイバ
38  MMコア
42  モード変換領域
44  モード変換領域
50  多カスケード型SM LPラマンレーザ
52  ブラッグ格子または反射器
54  カプラ、低反射体
56  パルス状Ybファイバレーザ
58  半導体レーザシード
【図１】
2017532613.tif 000003
【図２】
2017532613.tif 000004
【図３】
2017532613.tif 000005
【図４】
2017532613.tif 000006
【図５】
2017532613.tif 000007
【図６】
2017532613.tif 000008
【図７】
2017532613.tif 000009
【図８】
2017532613.tif 000010
【国際調査報告】
2017532613.tif 000011
2017532613.tif 000012
2017532613.tif 000013