ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНОГО КРАСНОГО СВЕТА ДЛЯ RGB-ДИСПЛЕЯ
BROADBAND RED LIGHT GENERATOR FOR RGB-DISPLAY

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к генератору широкополосного красного света, основанному на схеме преобразования длины волны, которая включает в себя сочетание волоконного комбинационного преобразователя и генератора второй гармоники, такого как нелинейно-оптический кристалл (ТБЛ) трибората лития, который функционирует для получения красного света с большой шириной спектральной линии, составляющей по меньшей мере приблизительно 5 нм (что способно уменьшить помеху в виде спеклов на цифровом дисплее с лазерной подсветкой).
Словарь терминов
В контексте настоящего документа приведенные ниже термины имеют следующие смысловые значения:
Широкая спектральная линия или широкая полоса - спектральная линия, распространяющаяся в границах диапазона длин волн 5-25 нм красного света и по меньшей мере 10 нм инфракрасного излучения с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны.
Лазер непрерывного излучения (НИ) - лазер, испускающий излучение непрерывно, а не короткими импульсами, как импульсный лазер.
Коэффициент заполнения - произведение длительности импульса и частоты повторения импульсов (ЧПИ) для импульсов, возникающих с регулярными интервалами.
Диодный лазер - светоизлучающий диод, разработанный для использования вынужденного излучения с целью генерирования когерентного выходного излучения.
Усиление - увеличение интенсивности, мощности или энергии импульса сигнала, передаваемого из одной точки в другую через усилитель.
Усиливающая среда - материал, способный генерировать оптическое усиление.
Зеленый свет - электромагнитное излучение в диапазоне длин волн приблизительно 495-570 нм.
Инфракрасное (ИК) излучение - электромагнитное излучение, характеризующееся длиной волны в вакууме приблизительно от 700 нм до 10000 нм.
Лазер - акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation «усиление света посредством вынужденного излучения». Лазер представляет собой полость, содержащую усиливающую среду.
Красный свет - электромагнитное излучение в диапазоне частот, приблизительно соответствующем диапазону длин волн в вакууме приблизительно от 610 до 650 нм.
Поперечная мода описывает распределение энергии света по волокну.
Многомодовое волокно - волокно с сердцевиной, характеризующейся такими размерами, которые позволяют поддерживать распространение множества поперечных мод.
Нелинейно-оптический кристалл - нелинейно-оптический кристалл трибората лития (ТБЛ).
Оптический усилитель - устройство, использующее усиливающую среду, возбуждаемую излучением накачки, для усиления мощности входного оптического сигнала.
Резонансная полость (полость) - оптический путь, заданный двумя или более отражающими поверхностями, вдоль которого свет может двигаться вперед и назад или циркулировать.
Волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения - одномодовое волокно, сконфигурированное для надлежащего сохранения и передачи поляризации запущенного в него света.
Поляризованный свет - свет, в котором индивидуальные поперечные световые волны выровнены параллельно друг другу.
Длительность импульса или ширина импульса - временной интервал между точками половинной мощности на переднем и заднем фронтах импульса.
Период повторения импульсов (Т) - временной интервал между эквивалентными точками последовательных импульсов в серии из двух или более импульсов.
Частота повторения импульсов (ЧПИ) - частота повторения импульсов за единицу времени. ЧПИ является обратно пропорциональной периоду повторения импульсов.
Квазинепрерывное излучение - генерирование последовательности импульсов с достаточно высокой частотой повторения, чтобы излучение казалось непрерывной.
Комбинационное (рамановское) рассеяние - нелинейный эффект (Рамана) комбинационного рассеяния света, связанный с увеличением длины волны (или снижением частоты) света, рассеиваемого при прохождении через волокно.
Одномодовое волокно - волокно с сердцевиной, характеризующейся такими размерами, чтобы поддерживать распространение одной поперечной моды.
Стоксовы порядки спектра комбинационного рассеяния - различные полосы излучения или линии комбинационного рассеяния, появляющиеся в спектре монохроматического света в дополнение к стандартным линиям из-за комбинационного рассеяния.
Генерация второй гармоники (ГВГ) - методика преобразования частоты, в которой входящий свет с длиной волны λ генерирует выходящий свет с половиной длины волны λ/2 (или с удвоенной оптической частотой входного света) при распространении через нелинейный оптический материал, такой как нелинейный кристалл.
Спектральная восприимчивость кристалла - спектральная полоса, внутри которой наблюдается преобразование частоты.
Стоксов сдвиг - разница длины волны между максимумами возбуждения и испускания для конкретного флуоресцентного вещества.
Видимое излучение или свет - часть электромагнитного спектра, которая является видимой человеческим глазом в качестве красного света в диапазоне длин волн от 620 нм до 650 нм.
Спекл - структура с большим числом небольших пятен или крапинок цвета.
Помеха в виде спеклов - наблюдаемая картина случайного распределения спеклов.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Диапазон длин волн 610-650 нм, обычно именуемый красным светом (хотя, строго говоря, свет с длиной волны 620 нм не является истинно красным, а скорее красновато-оранжевым, тогда как длина волны 650 нм демонстрирует глубокие красные тона), широко используется в промышленности. Например, красный свет считается идеальным для выращивания овощей. В настоящее время, источники красного света наиболее широко применяются в выпускающей дисплеи промышленности, например, в RGB-цифровых дисплеях, которые представляют особый интерес в контексте настоящего раскрытия.
Диодные лазеры являются наиболее широко используемыми источниками лазерного излучения для RGB-цифровых дисплеев, что связано с присущим им диапазоном достаточно ярких и хорошо выраженных доступных цветов, которые являются достаточно глубокими и насыщенными. Тем не менее, световая эффективность диодов красного свечения является низкой. Выходная мощность индивидуальных красных диодных лазеров едва превышает 1 Вт, что попросту слишком мало для удовлетворения потребностей многих промышленных применений лазеров.
Появление источников лазерного излучения для RGB-дисплеев связано с твердотельными лазерами с диодной накачкой и улучшенным технологиями нелинейного преобразования частоты оптического диапазона, берущими начало в нелинейной оптике, что кратко раскрыто непосредственно ниже.
Нелинейная оптика
При прохождении света через прозрачную среду, такую как стекло, происходит взаимодействие света с молекулами среды, в результате чего изменяются присущие ему характеристики. Если свет является интенсивным, могут наблюдаться дополнительные эффекты. Один из них состоит в том, что свет с одной длиной волны (или, эквивалентно, частотой) может быть преобразован в свет с отличающейся длиной волны в результате его взаимодействия с определенными типами прозрачных материалов. Этот эффект именуют нелинейным преобразованием частоты.
Нелинейное преобразование частоты оптического диапазона
В любом процессе преобразования частоты существуют два главных фактора, которые влияют на его эффективность или на то, какое количество света с исходной/основной частотой преобразуется в свет с новой частотой. Первым фактором является внутренняя частота используемой прозрачной среды. Преобразование частоты может быть осуществлено при помощи многих типов материалов, но некоторые материалы попросту более эффективны, чем другие. Хорошим примером более эффективных материалов является нелинейно-оптический кристалл трибората лития («ТБЛ»), раскрытый в настоящем документе. Конкретным примером преобразования частоты оптического диапазона является генерация второй гармоники (ГВГ), составляющая часть раскрываемого изобретения.
Возвращаясь к твердотельным лазерами с диодной накачкой следует отметить, что в результате их использования были получены эффективные и надежные источники видимого лазерного излучения с мощностью в диапазоне от низкой до средней (не более нескольких ватт для красного и синего и десяти ватт для зеленого), при этом продолжительность срока службы диодных лазеров превышает 10000 часов. Эти источники основаны на ГВГ различных линий иона неодима (Nd) и, следовательно, являются эффективными для генерирования зеленого света на основе ГВГ сильнейших переходов Nd лазера порядка 1000 нм. Однако эти же источники являются намного менее эффективными для генерирования красного света на основе ГВГ переходов 1300 нм.
Следуя примеру других областей промышленности, изготовители дисплеев недавно обратили свое внимание на волоконные лазеры, которые могут быть более мощными, независимыми от температуры, яркими и эффективными, чем диодные лазеры. Тем не менее, волоконные лазеры предлагают лишь ограниченную перестройку длины волны вокруг средних длин волн порядка 1, 1,5 и 2 мкм при помощи легирования иттербием (Yb), эрбием (Er) и туллием (Tm), что, очевидно, делает волоконные лазеры непригодными для прямого генерирования видимого света, включая красный свет.
Однако, за счет использования нелинейной оптики и присущей ей эффектов, волоконные лазеры могут быть задействованы в новых источниках света, используемых для генерирования длин волн в видимой области спектра. Такие свойства, как мощность, качество луча, поляризация и ширина линии, делают волоконные лазеры идеальными источниками для преобразования частоты при помощи нелинейно-оптических кристаллов. При преобразовании высокой мощность в зеленый свет, ГВГ лазеров на волокне, легированном иттербием, с использованием нелинейных кристаллов ТБЛ выдает дифракционо-ограниченный пучок зеленого света со средней мощность на выходе в несколько сотен ватт и даже киловатт. Это раскрыто в одновременно находящейся на рассмотрении заявке на выдачу патента США №61923793 этого же заявителя, которая ссылкой полностью включена в настоящий документ. Тем не менее, сама по себе ГВГ является недостаточной для получения красного света.
Технология комбинационного сдвига длины волны в оптических волокнах может, в принципе, обеспечить оптическое усиление на любой длине волны. Комбинационный сдвиг длины волны основан на нелинейном эффекте комбинационного рассеивания света, что раскрыто в документе US 2011/0268140 этого же заявителя, включенном ссылкой в настоящий документ. Ниже приведено краткое пояснение этого феномена.
Эффект комбинационного рассеяния света
При введении интенсивного лазерного излучения в оптическое волокно, происходит генерирование второй, большей длины волны из-за вынужденного комбинационного рассеяния. Это излучение, получаемое в результате комбинационного рассеивания, само по себе может быть подвергнуто комбинационному рассеянию. Если волокно является достаточно длинным, то процесс каскадирует для получения нескольких длин волн или стоксовых порядков.
Генерирование комбинационного рассеяния с несколькими порядками (вынужденное комбинационного рассеяния), где i-й стоксов порядок исходной длины волны служит в качестве накачки для генерирования (i+1) стокового порядка, используют в качестве каскадного комбинационного (рамановского) преобразователя длины волны (преобразуя меньшую длину волны в большую длину волны) для осуществления значительного сдвига длины волны. Таким образом, комбинационный преобразователь может предоставить выходные длины волн, которые не могут быть получены в других типах лазерных источников. Например, данные, представленные на фиг. 1, были получены при помощи коммерчески доступного стандартного одномодового волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения. Первые три (3) стоксовы волны, генерируемые пучком накачки 1060 нм, введенным в волокно, характеризуются приблизительно следующими параметрами: 1) 1114 нм; 2) 1170 нм; 3) 1232 нм.
В прошлом, для того чтобы осуществить эффективное преобразование комбинационных стоксовых порядков в длины волны в видимой области спектра при помощи нелинейных кристаллов, было желательно, чтобы комбинационные стоксовы волны имели узкую спектральную линию. Пики спектра комбинационного рассеяния, как видно на фиг. 1, характеризуются шириной приблизительно 10 нм в первых стоксовых порядках, при этом в дальнейшем их ширина увеличивается. Такая спектральная линия считается неприемлемо широкой для эффективного преобразования инфракрасного излучения с третьим стоксовым порядком в границах диапазона длины волн 1220-1300 нм в нелинейно-оптических кристаллах, так как последним присущ узкий диапазон спектральной восприимчивости в пределах отмеченного выше диапазона комбинационно сдвинутых длин волн. Из уровня техники известны несколько технологий, служащих для сужения спектра комбинационного рассеяния.
Однако узкий спектр комбинационного рассеяния, в частности, в диапазоне длины волн 1220-1280 нм, в сочетании с диапазоном спектральной восприимчивости многих нелинейный кристаллов является высоко неэффективным касательно описанных ниже помех в виде спеклов.
Помеха в виде спеклов
Во время подсветки лазером происходит сильная интерференция, обусловленная высокой когерентностью лазерного света и рельефом поверхности дисплея, что проявляется в виде множества ухудшающих изображение спеклов. Структура, задаваемая множеством спеклов, является основным источником шума в оптических генераторах, и подавление помех в виде спеклов имеет первостепенное значение в промышленности, занимающейся изготовлением видео дисплеев.
Существует несколько известных технологий, служащих для уменьшения интенсивности и размера спеклов. Одна из таких технологий предусматривает использование взаимно некогерентных лазерных источников, работающих на разных длинах волны. Поскольку спекл-структуры для различных длин волн являются некоррелированными, это обеспечивает некоторое снижение интенсивности и размера спеклов. Другая технология основана на варьировании поляризации. Эта технология может быть использована на практике для ограниченного количества конструкций оптического генератора освещения и, в целом, является малоэффективной. Еще одна технология охватывает использование передвижных рассеивающих элементов, которые создают некоррелированные спекл-структуры.
Еще одна технология, которая имеет отношение к настоящему изобретению, основана на лазерном источнике с увеличенной шириной спектральной линии. Поскольку спекл-структуры возникают из-за высоко когерентной природы лазерного излучения, целесообразно использовать источники с уменьшенной когерентностью, такие как зеленые лазерные диоды прямого излучения. Однако такие диодные лазеры, как известно, характеризуется узкой шириной спектральной линии, которая является недостаточной для уменьшения интенсивности и размеров спекл-структуры до приемлемых уровней. Следует отметить, что наиболее яркие и энергоэффективные зеленые лазеры, доступные на сегодняшний момент, являются лазерами с удвоением частоты, характеризующимися шириной спектральной линии не более 0,1-0,2 нм.
В документе US 8,786,940, который ссылкой полностью включен в настоящий документ, раскрыто устройство, уменьшающее интенсивность и размеры спекл-структуры лазера путем использования вынужденного комбинационного рассеяния в оптическом волокне для всех основных цветов, к которым относится и красный цвет. Раскрытое в этом документе устройство оснащено источником красного света на основе работающего в режиме модулированной добротности лазера с удвоенной частотой на фториде иттрия-лития с примесью неодима или на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима, который выдает импульсный зеленый свет с длиной волны приблизительно 532 нм. Импульсный зеленый свет вводят в многомодовый волоконно-оптический кабель, где его подвергают вынужденному комбинационному рассеянию, преобразовывая в желтый, оранжевый и красные цвета, которые затем подвергают дополнительной оптической фильтрации. Тем не менее, эксперименты с применением указанного устройства не были особо обнадеживающими, так как многомодовый волоконно-оптический кабель быстро разрушался при относительно низких уровнях мощности.
Комбинационное рассеяние также упоминается в документе WO 2013/175387, раскрывающем волоконно-оптический источник желтого света. Источник оснащен иттербиевым импульсным волоконным лазерным источником с узкой шириной спектральной линии, испускающим световое излучение накачки с первой длиной волны, вводимое в иттербиевый волоконный усилитель. Другой затравочный лазер непрерывного излучения с узкой линией испускает сигнальный свет с целевой длиной волны, который также вводят в иттербиевый волоконный усилитель. Световое излучение накачки, введенное в иттербиевый усилитель, преобразуется в сигнальный свет с единой комбинационно сдвинутой целевой длиной волны или первым стоксовым порядком. Усиленный свет с комбинационно сдвинутой целевой длиной волны затем падает на нелинейный кристалл, производя желтый свет.
Рассмотренному выше источнику присущи некоторые ограничения. Например, упомянутый источник настроен таким образом, чтобы выдавать излучение с узкой шириной линии, что достигается путем обеспечения соответственно узкополосных накачек и комбинационных затравочных источников. Это само по себе сделало бы источник желтого света, раскрываемый в этом документе, неэффективным для снижения помехи в виде спеклов при его использовании в качестве подсветки дисплея.
Следовательно, существует необходимость в создании волоконного лазерного источника красного света, использующего вынужденное комбинационное рассеивание для обеспечения энергоэффективной, компактной, надежной и экономически эффективной конструкции.
Кроме того, существует необходимость в создании волоконного лазерного источника красного света, способного выдавать красный свет с достаточно широкой спектральной линией, чтобы значительно снизить отрицательные воздействия помехи в виде спеклов, возникающей, например, в цифровом дисплее с лазерной подсветкой.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Основной целью настоящего изобретения является создание лазерного пучка красного цвета, характеризующегося широкой спектральной линией, достаточной для минимизации помехи в виде спеклов на подсвечиваемом цифровом дисплее. Поставленная цель достигается при помощи предлагаемого волоконного генератора красного света, основанного на двух основных предпосылках: 1. Комбинационный преобразователь, испускающий свет с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в диапазоне длин волн 1220-1300 нм с широкой спектральной линией до 25 нм в комбинационном волокне; и 2. Спектральная восприимчивость нелинейным кристаллом ТБЛ широкой спектральной линии с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в пределах указанного выше спектра излучения, с тем чтобы получить красный свет в пределах диапазона длин волн 610-650 нм с шириной спектральной линии, превышающей 4 нм. Практическая реализация предлагаемого источника, функционирующего для выдачи дифракционно-ограниченного широкополосного красного света высокой мощности, изложена в нескольких вариантах осуществления, кратко описанных ниже.
В соответствии с одним из вариантов осуществления основная схема предлагаемого генератора содержит широкополосный импульсный волоконный лазерный источник, генерирующий пучок накачки в диапазоне длин волн 1030-1120 нм, и иттербиевый волоконный усилитель. Импульсный пучок далее вводят в комбинационное устройство сдвига, преобразующее пучок накачки в импульсный пучок с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны. Желаемая комбинационно сдвинутая длина волны варьирует в диапазоне приблизительно 1220-1300 нм и характеризуется широкой спектральной линией излучения по меньшей мере 10 нм. Сигнальный пучок затем фокусируют на кристалле ТБЛ, функционирующем в качестве однопроходного генератора второй гармоники (ГВГ), который характеризуется спектральной восприимчивостью, охватывающей спектральную линию светового излучения накачки с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны. Красный свет, выдаваемый кристаллом ТБЛ, также характеризуется широкой спектральной линией по меньшей мере 4-5 нм, что является достаточным для существенной минимизации помехи в виде спеклов на подсвечиваемом экране.
Функционирование предлагаемого однопроходного комбинационного преобразователя зависит от конфигурации волокна. В соответствии с одной конфигурацией волокно характеризуется наличием сердцевины из фосфатного стекла в оболочке из кварцевого стекла. Это конфигурация обеспечивает преобразование первого стоксова порядка пучка накачки с первой длиной волны в свет с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны. Согласно альтернативной конфигурации комбинационный преобразователь характеризуется сердцевиной из кварцевого стекла (с возможными фосфатными легирующими присадками) в кварцевой оболочке. Согласно этому варианту преобразование в желаемую комбинационно сдвинутую частоту сигнального пучка происходит с третьим стоксовым порядком светового излучения накачки.
Дополнительный вариант осуществления предлагаемого генератора красного света содержит многоволновой комбинационный лазер, раскрытый в документе US2011/0268140. Этот вариант осуществления может быть реализован при помощи следующих конструкций.
Одна из возможных конфигураций в соответствии с этим вариантом осуществления содержит импульсный лазерный источник с архитектурой MOPFA, функционирующий для испускания пучка светового излучения накачки с широкой спектральной линией с желаемой длиной волны накачки, выбранной в границах диапазона длин волн 1030-1120 нм, который вводят комбинационный лазер. Последний содержит волокно, состоящее из кварцевой сердцевины/оболочки, с резонансной полостью, которая характеризуется наличием множества отражателей, при этом концевые отражатели ограничивают резонансную полость. Выходной отражатель является, по меньшей мере, частично прозрачным для выдачи сигнального света с желаемой комбинационно сдвинутой частотой пучка накачки из резонансной полости, который затем вводят в кристалл ТБЛ с длиной волны в диапазоне длин волн 1220-1300 нм. Генератор второй гармоники, включающий в себя нелинейный кристалл ТБЛ, получает пучок накачки с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны и выдает красный свет с достаточно большой шириной спектральной линии, которая достаточна для минимизации помехи в виде спеклов на подсвечиваемом дисплее.
Пучок накачки испускают короткими импульсами, каждый из которых характеризуется шириной импульса в пикосекундном-наносекундном диапазоне. Функционирование этой конфигурации основано на схеме комбинационного лазера с синхронной накачкой. В частности, эта схема функционирует таким образом, что время прохождения в прямом и обратном направлениях резонирующего комбинационно преобразованного импульса света соответствует частоте повторения пучка накачки, в результате чего каждый последующий импульс сигнального света с комбинационно сдвинутой длиной волны совпадает по времени и в пространстве с соответствующим импульсом светового излучения накачки в комбинационном преобразователе.
В другой структурной конфигурации используют импульсный лазер с резонатором Фабри-Перо, выдающий длинноволновые импульсы светового излучения накачки, каждый из которых характеризуется шириной в микросекундном диапазоне или более. Импульсы светового излучения накачки затем вводят в комбинационный лазер, который сконфигурирован для испускания сигнальных импульсов с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в диапазоне длин волн 1220-1300 нм и широкой спектральной линией. Кристалл ТБЛ, принимающий комбинационно сдвинутый свет, выдает импульсный красный свет. В отличие от предложенной выше схемы с синхронной накачкой, эта конфигурация не нуждается в синхронности, так как ширина импульса светового излучения накачки существенно больше, чем время прохождения в прямом и обратном направлениях импульса света в резонансной полости комбинационного лазера.
Краткое описание фигур
Представленные выше и другие признаки настоящего изобретения будут более понятны при ознакомлении с представленным ниже подробным раскрытием, выполненным со ссылками на прилагаемые фигуры, где:
на фиг. 1 представлен спектр комбинационного рассеяния для комбинационно сдвинутого светового излучения накачки;
на фиг. 2 представлена основная схема предлагаемого генератора широкополосного красного света;
на фиг. 3 представлен третий стоксов порядок спектра комбинационного рассеяния, который получен при помощи конфигурации, изображенной на фиг. 2;
на фиг. 4 представлена модификация генератора красного света, изображенного на фиг. 2;
на фиг. 5 представлена конфигурация бустерного каскада усиления, используемого в схемах, представленных на фиг. 2 и 4;
на фиг. 6 представлены спектры комбинационного рассеяния, полученные при помощи инфракрасного источника накачки из схематического изображения, представленного на фиг. 4;
на фиг. 7 представлен генератор красного света, оснащенный комбинационным волоконным лазером и инфракрасным источником накачки квазинепрерывного излучения с прямой модуляцией;
на фиг. 8 представлен генератор красного света, содержащий комбинационный волоконный лазер и инфракрасный источник накачки квазинепрерывного излучения с конфигурацией MOPFA (задающий генератор-усилитель мощности).
Подробное раскрытие настоящего изобретения
В качестве введения следует отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения относятся к новому генератору красного света с широкой спектральной линией, а также к способу испускания высокомощных, одномодовых лазерных импульсов с большой шириной линии в диапазоне 610-650 нанометров (нм). Импульсный одномодовый инфракрасный волоконный лазерный широкополосный источник сконфигурирован для испускания серии импульсов, накачивающих одномодовый комбинационный волоконный преобразователь, что приводит к эффективному преобразованию на основе комбинационного рассеивания энергии инфракрасного излучения с генерированием комбинационно сдвинутого инфракрасного излучения в диапазоне длины волн от 1220 до 1300 нм. Желаемая длина волны, выбранная из диапазона комбинационно сдвинутых длин волн, характеризуется большой шириной спектральной линии, варьирующей от 10 до 25 нм, при этом верхний предел обычно является даже более высоким. Инфракрасное излучение с комбинационно сдвинутой длиной волны вводят в однопроходный генератор второй гармоники, который содержит стандартный нелинейный кристалл ТБЛ, выдающий одномодовое импульсное излучение красного света в диапазоне длин волн 610-650 нм со спектральной линией приблизительно 5 нм и шире.
Предлагаемый генератор красного света является уникальной конструкцией, использующей стандартный кристалл ТБЛ, которому присуща широкая спектральная восприимчивость для восприятия существенного сегмента ширины линии 10-25 нм инфракрасного излучения с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны в диапазоне 1210-1250 нм, и способной функционировать с общей степенью преобразования электрической энергии в оптическую приблизительно 10% в раскрытом диапазоне длины волны красного света. Одномодовый луч красного света с пиковой мощность, находящейся в киловаттном диапазоне, и большой шириной спектральной линии является чрезвычайно пригодным для подсветки цифрового дисплея с обеспечением эффективной минимизации помехи в виде спеклов.
Рассмотрим фигуры, на фиг. 2 представлена основная схема прилагаемого генератора 10 красного света на основе схемы генерации гармоник, которая содержит комбинационный преобразователь 14 в сочетании со стандартным нелинейный кристаллом 16 ТБЛ. Инфракрасный источник 12 накачки задает временную характеристику комбинационного усиления путем выдачи инфракрасного импульсного излучения с длиной волны накачки, выбранной из диапазона длин волн 1030-1120 нм, и, согласно этому варианту осуществления, характеризуется конфигурацией MOPFA. В частности, инфракрасный источник 12 содержит настраиваемый затравочный/задающий генератор 18 накачки, сконфигурированный в качестве одномодового диодного лазера 18 с широкой спектральной линией с выводом сохраняющего поляризацию проходящего излучения волокна, который функционирует для испускания серии импульсов в пикосекундном-наносекундном (пс-нс) диапазоне ширины импульсов. Затем импульсное световое излучение накачки вводят в иттербиевый волоконный лазерный усилитель или бустер 22, сконфигурированный для усиления импульсного светового излучения накачки до уровня пиковой мощности, находящейся в киловаттном диапазоне, с желаемой длиной волны накачки. Необязательно, инфракрасный лазерный источник накачки может содержать один или несколько каскадов 20 предварительного усиления, каждый из которых выполнен с сохраняющим поляризацию проходящего излучения волокном, легированным иттербием, и постепенно усиливает затравочный сигнал накачки перед тем, как он будет введен в усилитель мощности или бустер 22. Каждый из каскадов усиления содержит блок усиления, содержащий корпус, в котором находится активное волокно, легированное иттербием, которое соединено на своих противоположных концах с соответствующими сохраняющими поляризацию проходящего излучения одномодовыми пассивными волокнами, которые могут оканчиваться за пределами корпуса. Накачка усилителей 20 и 22 содержит один или несколько модулей диодных лазеров, функционирующих в режиме непрерывного излучения.
Генератор 10 красного света с большой шириной линии сконфигурирован с инфракрасным источником 12 накачки, работающим в режиме квазинепрерывного излучения, который обеспечивают путем соединения выхода затравочного источника 18 накачки с отдельным электрооптическим модулятором интенсивности, служащим для настройки лазерного диода с импульсной или прямой модуляцией для задания ширины импульса. Импульсное световое излучение накачки выдают с частотой повторения в частотном диапазоне от 1-100 МГц, длиной волны, выбранной из диапазона 1030-1120 нм, и импульсом в пикосекундном-наносекундном диапазоне. Предварительный усилитель 20 сконфигурирован для выдачи импульсного излучения со средней мощностью приблизительно 1 Вт, после чего усилитель мощности поднимет среднюю мощность импульсного светового излучения накачки до приблизительно 200 Вт и выше. Комбинационный преобразователь может содержать многометровое нелинейное пассивное волокно, характеризующееся диаметром сердцевины в микронном диапазоне. В схеме, представленной на фиг. 2, приблизительно 50-80% выходной мощности инфракрасного излучения накачки может быть преобразовано в третий или четвертый стоксов порядок с длиной волны приблизительно 1230 нм в зависимости от длины волны накачки затравочного источника 18. Одномодовое импульсное излучение с комбинационно сдвинутой длиной волны 1230 нм, после удвоения частоты в кристалле 16 ТБЛ длиной 20 мм, выдает спектр видимого излучения, изображенный на фиг. 3, со средней длиной волны приблизительно 615 нм и шириной спектральной полосы более 5 нм, что достаточно для существенной минимизации помехи в виде спеклов.
Один из ключевых аспектов масштабирования мощности генератора 10 красного света заключается в увеличенном размере сердцевины всех активных и пассивных волокон с большой площадью моды. Например, размер сердцевины может быть 20 микрон, что будет позволять получить чистый спектр комбинационного рассеяния при инфракрасной пиковой мощности 15-20 кВт или более. Специалисту в данной области техники понятно, что повышенная инфракрасная пиковая мощность значительно увеличивает эффективность преобразования. Для предложенных волокон с большой площадью моды эффективность преобразования из 1060 нм в 615 нм может достигать 25%.
Еще один подход к масштабированию мощности генератора 10 красного света предусматривает повышение средней мощности путем управления коэффициентом заполнения инфракрасного источника светового излучения накачки. В частности, частота повторения затравочного источника 18 накачки может быть увеличена с повышением мощности накачки, сохраняя пиковую мощность постоянной.
На фиг. 4 представлена модификация генератора красного света с широкой линией, изображенного на фиг. 2. Аналогично основной схеме, генератор 10 красного света сконфигурирован с задающим генератором 18, выход которого модулирован для генерирования серии импульсов в диапазоне длин волн 1030-1120 нм. Один или несколько каскадов предварительного усиления или бустерных каскадов сконфигурированы с волокном, легированным иттербием и накачиваемым лазерной диодной накачкой, которая функционирует в режиме непрерывного излучения. Усилители 20 и 22 последовательно увеличивают мощность импульсного светового излучения накачки, которое введено в комбинационный преобразователь 14, в котором происходит его эффективное преобразование в последовательные стоксовы порядки, при этом третий стоксов порядок характеризуется желаемым диапазоном длин волн 1220-1300 нм волн и большой шириной спектральной линии. Однопроходный генератор второй гармоники, содержащий кристалл 16 ТБЛ, сконфигурирован таким образом, чтобы характеризоваться широкой спектральной восприимчивостью на желаемой комбинационно сдвинутой длине волны, обеспечиваемой комбинационным устройством 14 сдвига, которая охватывает, по меньшей мере, существенную часть ширины спектральной линии инфракрасного излучения в границах желаемого диапазона комбинационно сдвинутых длин волн.
Ширина линии инфракрасного излучения в желаемом диапазоне комбинационно сдвинутых длин волн 1220-1300 нм может быть чрезмерно большой и отрицательно влиять на эффективность преобразования, несмотря на широкополосный диапазон спектральной восприимчивости кристалла 16 ТБЛ. В этом случае, 3-й стоксов порядок может быть сужен путем накачки комбинационного преобразователя излучением из широкополосного одномодового комбинационного затравочного источника 28, функционирующего в режиме непрерывного излучения с длиной волны, которая выбрана из полосы длин волн второго стоксова порядка. Таким образом, второй стоксов порядок усиливают при помощи вынужденного комбинационного рассеяния, что уменьшает ширину линии этого стоксова порядка. В результате этого ширина линии третьего стоксова порядка уменьшается. В этой схеме временные характеристики определяются затравочным источником 18 накачки, при этом спектральные свойства света с комбинационно сдвинутой длиной волны определяются комбинационным затравочным источником 28 непрерывного излучения. Следовательно, длина волны и ширина линии одномодового выхода комбинационного затравочного источника могут быть подогнаны к конкретной ширине линии в границах желаемого диапазона длин волн 1220-1300 нм.
На фиг. 5 представлен бустер 22, содержащий корпус (не показан), охватывающий входное и выходное одномодовые пассивные волокна 32 и 34, сохраняющие поляризацию проходящего излучения и имеющие одинаковый размер, которые соединены с соответствующими противоположными концами сохраняющего поляризацию проходящего излучения кварцевого волокна 30, легированного иттербием. Последнее характеризуется наличием многомодовой сердцевины 38, способной поддерживать одиночную моду с длиной волны накачки и имеющей противоположные концы одинакового размера, которые сконфигурированы таким образом, чтобы диаметр модового поля основной моды соответствовал диаметру модового поля одномодового светового излучения накачки, направляемого соответствующими одномодовыми волокнами 32 и 34. Согласование размеров диаметра модового поля соответствующих одиночной моды и основной моды, а также адиабатическое расширение и сужение преобразующих моды соответствующих областей 42, 44 многомодовой сердцевины 38 обеспечивают возбуждение и поддержку только одной основной моды.
Одномодовый комбинационный затравочный источник 28 непрерывного излучения может быть сконфигурирован в качестве широкополосного волоконного или диодного лазера с резонатором Фабри-Перо, распределенного брэгговского отражателя (РБО), лазера с распределенной обратной связью (ЛРОС) или лазера со стабилизированной длиной волны, которые обеспечивают затравку комбинационного преобразователя 14 с промежуточными стоксовыми порядками. В частности, комбинационный затравочный источник 28 испускает свет с комбинационно сдвинутой длиной волны, которая выбрана из диапазона длин волн 1130-1175 нм второго стоксового порядка комбинационного преобразователя 14. Выходы из соответствующих источника накачки и комбинационного затравочного источника соединены в волоконном волновом мультиплексоре 26, расположенном предпочтительно, но не обязательно, перед бустером 22, который усиливает только затравочное излучение накачки с длиной волны 1064 нм до приблизительно средней мощности 20-30 Вт и пиковой мощности 5-10 кВт. Спектр комбинационного рассеяния представлен на фиг.6 с шириной линии третьего стоксова порядка, составляющей приблизительно 25 нм.
Волоконное комбинационное устройство 14 сдвига характеризуется длиной, превышающей 5 метров. Например, указанное устройство может представлять собой одномодовое пассивное волокно длиной от 30 до 100 метров, сохраняющее поляризацию проходящего излучения и функционирующее с высокой эффективностью преобразования на основе комбинационного рассеивания, составляющей порядка 80-100%, что, в этом примере, обеспечивает комбинационно сдвинутый свет пиковой мощности до 6 кВт с желаемой длиной волны 1230 нм. Кристалл 16 ТБЛ выполнен в виде кристалла I типа с длиной 40 мм, шириной 5 мм и толщиной 3 мм, функционирующий с эффективностью ГВГ приблизительно 35-50%. Средняя мощность одномодового красного света с длиной волны приблизительно 615 нм находится в диапазоне 45-110 Вт, тогда как его пиковая мощность варьирует от 1,1 до 2,8 кВт.
Каждая из описанных выше конфигураций генератора широкополосного красного света, основанного на схеме преобразования длины волны с комбинационным преобразователем и однопроходным ГВГ, использует одномодовое пассивное нелинейное волокно с кварцевой сердцевиной, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, для комбинационного преобразователя. Однако волокна на основе кварца являются не единственными волокнами, подходящими для получения инфракрасного излучения в диапазоне 1220-1300 нм. В качестве альтернативы кварцевым волокнам можно использовать волокна с сердцевиной из фосфатного стекла, которые обеспечивают по существу более широкий первый стоксов порядок, чем стандартное волокно с кварцевой сердцевиной. Фактически, более широкая полоса, по сравнению с желаемой полосой комбинационно сдвинутых длин волн 1220-1300 нм, преобразуется первым стоксовым порядком.
Еще один вариант осуществления, иллюстрирующий каскадный комбинационный волоконный лазер, представлен на фиг.7 и 8. В основе этого варианта осуществления лежит принцип, заключающийся в преобразовании частоты выхода накачки в необходимую выходную длину волны красного света при помощи группы комбинационных стоксовых сдвигов. Как правило, преобразование длины волны в ходе двух или более стоксовых сдвигов осуществляют при помощи каскадного комбинационного резонатора. Указанный резонатор состоит из вложенных друг в друга полостей на каждой из промежуточных длин волн, выполненных из волоконных брэгговских решеток или отражателей 52 с высокой отражающей способностью. Каждая промежуточная длина волны в резонаторе выбрана таким образом, чтобы быть близко к пику комбинационного усиления предшествующей ей длины волны. Выходной отражатель или соединитель 54 с низкой отражающей способностью завершает преобразование длины волны, выбранной из диапазона длин волн 1220-1300 нм.
Рассмотрим фиг. 7, предлагаемый генератор красного света содержит широкополосный инфракрасный источник накачки квазинепрерывного излучения с полупроводниковым лазерным источником 58 затравки с прямой модуляцией, который реализован при помощи внешнего генератора электрических импульсов. Свет с желаемой длиной волны накачки вводят в полость импульсного иттербиевого волоконного лазера 56, которая ограничена отражателем с высокой отражающей способностью (ВОС) и отражателем с низкой отражающей способностью (НОС). В отличие от всех волокон, используемых в описанных выше конфигурациях, лазер на волокне, легированном иттербием, может быть или может не быть сохраняющим поляризацию проходящего излучения волокном. Инфракрасный источник выполнен с возможностью выдачи продолжительных микросекундных импульсов с желаемой длиной волны накачки.
Световое излучение накачки вводят в многокаскадный одномодовый LP комбинационный лазер 50, оснащенный несколькими отражателями с высокой отражающей способностью и расположенным ниже по потоку отражателем с низкой отражающей способностью, что обеспечивает генерацию трех стоксовых порядков, при этом третий стоксов порядок с желаемым диапазоном комбинационно сдвинутых длин волн выходит из полости, опционально оснащенной отражателем 54 с низкой отражающей способностью. Комбинационно сдвинутое световое излучение накачки, испускаемое из комбинационного лазера 50, характеризуется широкой спектральной линией, спектрально воспринимаемой кристаллом 16 ТБЛ, который выполнен с возможностью генерации одномодового красного света с большой шириной спектральной линии по меньшей мере приблизительно 5 нм в диапазоне длин волн 1220-1300 нм.
На фиг. 8 представлен инфракрасный источник накачки, характеризующийся конфигурацией MOPFA, которая содержит источник 18 затравки и один или несколько каскадов 22 усиления. Бустерный каскад основан на такой конфигурации волокон, как показана на фиг. 5. Остальные компоненты соответствуют компонентам генератора 10, представленного на фиг. 4, и включают широкополосный комбинационный затравочный 28 источник и волновой мультиплексор 26. Комбинационный лазер характеризуется синхронной накачкой. Усиленное световое излучение накачки с желаемыми длинами волн накачки объединяют в волновом мультиплексоре 26 со светом из комбинационного затравочного 28 источника, который сгенерирован с желаемой комбинационно сдвинутой длиной волны, выбранной из диапазона длин волн 1220-1300 нм. Усиленное световое излучение накачки и комбинационно сдвинутый свет затем вводят в комбинационный лазер 50. Свет с комбинационно сдвинутой длиной волны преобразуют в ГВГ на основе кристалла ТБЛ в желаемый широкополосный красный свет.
Базовая платформа описанного выше генератора света с широкой спектральной линией может быть легко использована для генерирования зеленого, желтого, оранжевого с длиной волны 589 нм и длинноволнового красного света. Платформа, представленная на фиг. 2, 4, 5, 7 и 8, содержит генератор широкополосного света, содержащий инфракрасный лазерный источник квазинепрерывного излучения с диапазоном 1030-1070 нм и сконфигурированный с предлагаемой схемой преобразования длины волны, в состав которой входят комбинационное устройство сдвига и однопроходный ГВГ. Генерирование определенного цвета зависит от того, какой стоксов порядок в итоге преобразуют в комбинационном преобразователе. Очевидно, первый стоксов порядок дает зеленый свет. Сгенерированный второй стоксов порядок необходим для получения желтого и оранжевого светов, а также конкретной длины основной волны, например, 1064 нм. Четвертый или даже пятый стоксов порядок способствует увеличению длины волны преобразованного света до длинноволнового диапазона длин волн красного света. Независимо от выдаваемых цветов, ширина линии выходного света составляет по меньшей мере 1 нм, что может быть успешно использовано не только в индустрии лазерной подсветки дисплеев, но также и в других областях промышленности, включая например, например, разметку.
Выше были описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые фигуры. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этими вариантами осуществления, при этом различные изменения, модификации и адаптации представленных вариантов осуществления могут быть осуществлены специалистом в данной области техники без отступления от объема и сути настоящего изобретения, изложенных в прилагаемой формуле изобретения.