本申請(qǐng)涉及標(biāo)題為“高功率超短脈沖光纖激光器”的美國臨時(shí)申請(qǐng)，這兩個(gè)申請(qǐng)被同時(shí)提交。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及脈沖寬線光纖激光器。更具體地，本公開涉及用于斑點(diǎn)較少的脈沖寬線光纖激光器。

背景技術(shù)：

使用激光源用于投影顯示器的照明的優(yōu)點(diǎn)是與使用其他光源相比更引人注目。這包括：提高的圖像亮度、提高的功率效率、提高的圖像對(duì)比度、更廣的色譜、降低的成本、照明源和光學(xué)系統(tǒng)兩者減小的尺寸，以及用于免聚焦用途的提高的景深。

使用激光源的主要缺點(diǎn)是：由于高對(duì)比度、高空間頻率、似乎漂浮在被投影的圖像平面前方的顆粒圖案的存在，被投影的圖像質(zhì)量潛在地嚴(yán)重的惡化。該圖案被已知為斑點(diǎn)。

一些斑點(diǎn)由于激光照射的高度相干特征而出現(xiàn)，改進(jìn)的一種措施是使用具有降低的相干性的光源，諸如直接發(fā)射綠色激光二極管。然而，它們的線寬(linewidth)太窄而不能將斑點(diǎn)降低到可接受的水平。最大功效的激光二極管的功率也是不足夠的?，F(xiàn)在可購得的最亮和最節(jié)能的綠色激光不具有足夠?qū)挼木€寬。

近年來，通過使用多模光纖可以經(jīng)常獲得激光投影儀中的斑點(diǎn)抑制。光纖的長(zhǎng)度需要足夠長(zhǎng)以獲得事實(shí)上所有光纖模式的解相關(guān)。該方法的最大優(yōu)勢(shì)是不需要機(jī)械移動(dòng)。然而，屏幕上的入射激光束的相關(guān)長(zhǎng)度增大等于光學(xué)系統(tǒng)的放大率的因子。因此，為了在屏幕上保留與遠(yuǎn)處的光纖端部上的斑點(diǎn)對(duì)比度相同的斑點(diǎn)對(duì)比度，該方法需要多模光纖的數(shù)量基本上等于投影儀物鏡的放大率的平方(基本上等于屏幕上的像素的數(shù)量＞300000)。雖然為了開發(fā)用于將斑點(diǎn)噪聲減低到人眼可接受的水平的緊湊系統(tǒng)已經(jīng)付出了足夠的努力，但是該問題仍然存在。

因此，存在對(duì)構(gòu)造更簡(jiǎn)單并且更緊湊的、具有減少的斑點(diǎn)噪聲的光纖激光照射投影系統(tǒng)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的主題，基于光纖激光器的系統(tǒng)被提供以克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述和其他缺陷。具體地，公開的系統(tǒng)表現(xiàn)出降低的斑點(diǎn)效應(yīng)。

通過設(shè)計(jì)為用于高性能數(shù)字投影系統(tǒng)的高效的、高亮度的、可調(diào)紅綠藍(lán)(RGB)色脈沖激光系統(tǒng)的組合能夠達(dá)到該目的。結(jié)果是得到緊湊的全光纖式光源，該全光纖式光源有助于最小化斑點(diǎn)效應(yīng)，具有較低的功耗，提供電力和采暖通風(fēng)空調(diào)操作成本上的節(jié)省。

公開的激光系統(tǒng)的特征在于，提供高峰值功率和超短脈沖。這些特征的組合提供綠色光的基本頻率到期望頻率的有效轉(zhuǎn)換。單獨(dú)地，超短脈沖導(dǎo)致從種子源發(fā)出的基本頻率的信號(hào)光的線寬的加寬，并且因此，斑點(diǎn)減少。

附圖說明

從下文的對(duì)附圖的詳細(xì)說明中，公開的系統(tǒng)的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，其中：

圖1是公開的系統(tǒng)的基于激光的投影構(gòu)造。

圖2是公開的高功率、超短脈沖光纖激光系統(tǒng)的光學(xué)示意圖；

圖3是種子源的示例性光學(xué)示意圖；

圖4是脈沖展寬器的示例性圖；

圖5是放大器的光學(xué)示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將對(duì)本公開的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。只要有可能，相同的或類似的附圖標(biāo)記在附圖中和說明書中被用于表示相同的類似的部件或不足。附圖是非常簡(jiǎn)化的形式并且在比例上不精確。

由于具有單程倍頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的緊湊綠色脈沖光纖激光源，所以公開的激光照射投影儀10被構(gòu)造為緊湊的組件。綠色激光源的緊湊性是全光纖式主振蕩功率放大器(MOPA)的結(jié)果，其中，放大器在逆向傳播方向上被端面泵浦。系統(tǒng)10是高效的，并且它的高亮度的、可調(diào)紅綠藍(lán)(RGB)色激光技術(shù)被構(gòu)造為輸出超短脈沖，該輸出超短脈沖具有從飛秒到皮秒范圍內(nèi)的脈沖持續(xù)時(shí)間以及大約0.5納米至幾納米之間的線寬。結(jié)果是緊湊的光源，該緊湊的光源基本上最小化了斑點(diǎn)的出現(xiàn)，具有較長(zhǎng)的壽命，低功耗，提供電力和暖通空調(diào)操作成本上的節(jié)省。

圖1示出了公開的激光照射投影系統(tǒng)10的大體示意圖。系統(tǒng)10被構(gòu)造有三個(gè)激光光源12、16和18，它們分別發(fā)出綠色、紅色和藍(lán)色信號(hào)束，并且一起構(gòu)成激光源組件。這些信號(hào)束在自由空間中或輸出無源光纖20中經(jīng)由相應(yīng)的大量聚焦光學(xué)器件而被引導(dǎo)，并且能夠以本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方式組合在照射屏幕23的紅綠藍(lán)(RGB)色投影儀頭21中。

參考圖2，綠色激光源12具有全光纖構(gòu)造，該全光纖構(gòu)造與用在電影院中的其他已知的激光源組件相比，顯著地降低激光源組件的整體尺寸。構(gòu)造作為MOPA，源21因此包括發(fā)出1μm波長(zhǎng)范圍的短脈沖光的種子22。該脈沖在高功率光纖放大級(jí)24中被進(jìn)一步放大，并且借助于體布拉格光柵13最終被壓縮到期望的脈沖持續(xù)時(shí)間。利用單程倍頻系統(tǒng)14，該系統(tǒng)具有非線性晶體，諸如硼酸鋰(LBO)或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他任何適當(dāng)晶體，該基本頻率下的信號(hào)光被轉(zhuǎn)換為期望頻率下的綠色光。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)而參考圖3，種子22可以具有多個(gè)光學(xué)幾何尺寸，該光學(xué)幾何尺寸是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的并且取決于使用無源鎖模技術(shù)還是有源鎖模技術(shù)。例如，如圖3所示，利用可飽和吸收鏡(SESAM)可以實(shí)現(xiàn)種子22的無源鎖模。

SESAM可以被用于大范圍的激光腔中的鎖模。脈沖源自于在連續(xù)波激光操作中支持的多激光模式的相位鎖定(經(jīng)由可飽和吸收體的損耗機(jī)理)。吸收體在高強(qiáng)度下變得飽和，因此允許腔體能量的大部分通過吸收體以到達(dá)布拉格鏡30，在該布拉格鏡30處，腔體能量通過布拉格光纖光柵38被反射回被限定在弱側(cè)的激光腔中。在低強(qiáng)度下，吸收體是不飽和的，并且吸收所有的入射能量，由于可能的Q切換模式鎖定的抑制，有效地從激光腔移走該入射能量。

布拉格鏡30被安裝在諸如GaAs等的半導(dǎo)體晶片32上，該晶片被確定吸收的吸收體層和頂膜系統(tǒng)覆蓋。雖然半導(dǎo)體可飽和吸收鏡已經(jīng)被用于大范圍的激光腔中的鎖模，但是SAM必須被設(shè)計(jì)為用于各個(gè)特定應(yīng)用。各個(gè)激光的不同的損耗、增益譜、內(nèi)腔功率等需要稍微不同的吸收體特征。種子激光腔中的有源光纖36摻雜有稀土元素(諸如鐿)的離子，并且被發(fā)射自泵38的光泵浦，該泵38包括二極管激光器或光纖激光器，該二極管激光器或光纖激光器以已知的方式并且在975nm中心波長(zhǎng)周圍的期望波長(zhǎng)范圍內(nèi)泵浦有源光纖36。

為了通過超短脈沖從放大器中抽取更多的能量，使用稱為啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification)的方法。在公開的整體封裝中延展脈沖的一個(gè)方法是使用線性啁啾布拉格光纖光柵(FBG)/帶寬反射器34。FBG 34能夠被設(shè)計(jì)為將脈沖從0.1皮秒或更短的飛秒延展到1000皮秒或更長(zhǎng)。線性啁啾FBG 34尤其有利地用于快速切換。

參考圖4與圖3的組合，通過可調(diào)脈沖延展器44實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖持續(xù)時(shí)間的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，該可調(diào)脈沖延展器44使用保持線性啁啾FBG 34的機(jī)械撓曲座架42。該壓電體被定位在圍繞撓曲點(diǎn)優(yōu)化FBG的延展的位置處。與具有有限位移的已知的基于壓電的結(jié)構(gòu)對(duì)比，該有限位移需要使用非線性啁啾FBG 34以用于有限的脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)節(jié)，壓電座架42導(dǎo)致被保持在座架42中的FBG 34的長(zhǎng)度的更大的改變。壓電操作范圍的改變?cè)试S使用線性啁啾FBG從而將脈沖持續(xù)時(shí)間從0.5皮秒調(diào)整到5皮秒，并且對(duì)于激光領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的，對(duì)于該范圍的修改甚至能夠進(jìn)一步從500飛秒延展到30皮秒，其中切換時(shí)間短至幾微秒。脈沖延展器34的切換頻率一般地基于兩個(gè)因素：壓電元件的到達(dá)MHz水平的操作頻率和座架42的材料。因此選擇滿足給定需求的材料，脈沖延展器44能夠在KHz和幾百KHz之間的切換頻率范圍中操作。因此，如果需要改變相鄰脈沖之間的脈沖持續(xù)時(shí)間，脈沖延展器44能夠滿足該需求。應(yīng)當(dāng)注意，如上公開的脈沖延展器44能夠被用在任何啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)中。

參考圖5與圖2的組合，綠色激光系統(tǒng)的整體布局包括容納種子22的主控制臺(tái)46、一個(gè)或多個(gè)泵浦源13、用于種子激光器和泵浦源的可選的預(yù)放大級(jí)聯(lián)、電子器件、冷卻系統(tǒng)、用于種子激光器和泵浦源的動(dòng)力供給裝置，并且所有的其他必要部件累加地表示為35。

由種子激光器22發(fā)出的SM信號(hào)光被耦合到SM無源輸出光纖48，該SM無源輸出光纖48將SM信號(hào)光輸送到具有圍繞MM芯部的雙層構(gòu)造的光纖放大器的有源光纖60。有源光纖60穿越撓性輸送光纜50，該撓性輸送光纜50在主控制臺(tái)46和激光頭52之間的整個(gè)自由空間中延伸穿過。有源光纖60的MM芯部被摻雜有一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射器，諸如鐿(Yb)的離子。一個(gè)或多個(gè)無源多模式泵浦光輸出光纖58在電纜50內(nèi)部在控制臺(tái)46和激光頭52之間的整個(gè)自由空間中延伸穿過。種子源22的輸出SM無源光纖48被接合到電纜50內(nèi)部的有源光纖60。

轉(zhuǎn)而簡(jiǎn)要地參考圖6，有源光纖60可以被構(gòu)造為具有單獨(dú)制造的均勻尺寸的光纖64和熔合在一起的瓶頸形狀的光纖桿66，但是該光纖桿66優(yōu)選地被制作為整體的連續(xù)的一體結(jié)構(gòu)。如果有必要，該信號(hào)光被放大到期望的水平，該期望的水平達(dá)到MW峰值功率水平，如從放大級(jí)24中發(fā)出，其中發(fā)出的信號(hào)光的M²束質(zhì)量參數(shù)在1.1至1.5之間變化。

有源光纖60的MM芯部75被構(gòu)造有至少三個(gè)區(qū)域：具有均勻尺寸的輸入?yún)^(qū)域68、截頭圓錐模式轉(zhuǎn)換區(qū)域70和輸出放大區(qū)域72。通過最初使得MM芯部75的基礎(chǔ)模式的模場(chǎng)直徑(MFD)與種子激光器的輸出無源光纖48(圖5)的模場(chǎng)直徑匹配，而實(shí)現(xiàn)摻雜MM芯部75中的只有基礎(chǔ)模式的激勵(lì)。因此，耦合到放大級(jí)24的有源光纖60的信號(hào)光基本上只激勵(lì)基本模式。隨著信號(hào)光被引導(dǎo)通過轉(zhuǎn)換區(qū)域70和在放大區(qū)域72中被放大，基本模式進(jìn)一步絕熱地?cái)U(kuò)展。

參考圖5和7，激光頭52容納反射元件62，諸如鏡子。設(shè)置在鏡子62中的并且被居中在系統(tǒng)10的光軸上的開口74的尺寸被規(guī)定為防止或最小化傳播方向A上的信號(hào)光損耗。優(yōu)選地，開口74具有光束直徑的兩倍的直徑，但是可以一定程度上更大，例如，光束腰的直徑的三倍。鏡子62的直徑基本上與有源光纖60的下游面和開口74之間的距離相等。鏡子62被構(gòu)造為在逆向傳播方向上將從泵浦光纖58中發(fā)出的泵浦光返回到有源光纖60的輸出端中，如下文將更加詳細(xì)地討論。

激光頭52此外還容納緩沖器76，該緩沖器具有熔合到所有的光纖60和58的輸出端的輸入端。緩沖器76可以被構(gòu)造為硅玻璃無芯桿并且可操作地防止由于傳播通過緩沖器76的體積的輸出束的降低的功率密度而引起的對(duì)光纖端部的損壞。遠(yuǎn)程定位的并且容易替換的激光頭52簡(jiǎn)化綠色激光系統(tǒng)的部署。然而，激光頭52可以被安裝在主控制臺(tái)中。

泵浦光輸送光纖58被構(gòu)造為無源MM光纖。優(yōu)選地，泵浦光纖58的下游端區(qū)域平行于有源光纖60的輸出區(qū)段40延伸。相應(yīng)的光纖58和60的輸出端可以沿著傳播方向A被直接接合到緩沖器76的上游面。兩個(gè)光纖之間的其他空間關(guān)系也位于本公開的范圍之內(nèi)。例如，輸送光纖和有源光纖中的一個(gè)能夠以相對(duì)于其他光軸成一定角度的方式被接合到緩沖器的上游面。一個(gè)以上的單個(gè)輸送光纖能夠與有源光纖60組合使用。

包括種子22和放大器24的公開的Yb光纖激光器在1.5W至30W以上之間變化的平均功率下操作，并且峰值功率在5MW以上。脈沖能量可以超過100μJ并且能夠低至5μJ。束質(zhì)量的范圍在1.2至1.5之間。脈沖持續(xù)時(shí)間覆蓋100飛秒至100皮秒的間隔，并且脈沖重復(fù)率能夠達(dá)到3000kHz和以上。

參考圖1、2和5，激光頭52可以被構(gòu)造有容納壓縮機(jī)13(圖2)的延伸體78，該壓縮機(jī)13被構(gòu)造為體布拉格光柵，該體布拉格光柵被操作為，在原始持續(xù)時(shí)間在第二諧波產(chǎn)生器系統(tǒng)14中被倍頻之前，將脈沖持續(xù)時(shí)間降低到其原始持續(xù)時(shí)間，以輸出515nm至545nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的綠色光，該綠色光借助于大量的光學(xué)器件被輸送到RGB投影頭。

生成超短綠色光脈沖的特征在于：因?yàn)閬碜云聊?8(圖1)的向回反射，所以通過超高峰值功率可以潛在地威脅地整個(gè)綠色光模塊的整體性。為了防止此種可能性，系統(tǒng)10包含綠色光波長(zhǎng)下的另一體布拉格光柵80(圖5)，以延展反射自屏幕20的脈沖，從而降低向回反射的光的高峰值功率。

藍(lán)色和紅色激光器光源可以被構(gòu)造為二極管激光器。替代地，諸如包含公開的Yb激光器的和頻系統(tǒng)的非線性效應(yīng)可以被用于生成期望的顏色。

雖然參考公開的示例已經(jīng)說明了本公開，但是在脫離下文權(quán)利要求的范圍和精神的情況下，對(duì)上述公開實(shí)施例的多種修改和/或添加對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。