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DE10004412A1 - R-G-B Laserstrahlungsquelle - Google Patents

R-G-B Laserstrahlungsquelle

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Publication number
DE10004412A1
DE10004412A1 DE10004412A DE10004412A DE10004412A1 DE 10004412 A1 DE10004412 A1 DE 10004412A1 DE 10004412 A DE10004412 A DE 10004412A DE 10004412 A DE10004412 A DE 10004412A DE 10004412 A1 DE10004412 A1 DE 10004412A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
laser radiation
radiation source
radiation
laser
frequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10004412A
Other languages
English (en)
Inventor
Juergen Kraenert
Thomas Gabler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LDT Laser Display Technology GmbH
Original Assignee
Schneider Laser Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Laser Technologies AG filed Critical Schneider Laser Technologies AG
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Priority to US09/775,208 priority patent/US20010010698A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle, bestehend aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (1), deren erste Strahlung (lambda¶1¶) im infraroten Wellenlängenbereich aufgeteilt wird, wobei deren erster Teil frequenzverdoppelt wird (SHG¶1¶) und Licht der Farbe Grün (G) sich ergibt und deren weiterer Teil zur Erzeugung von Licht einer anderen Primärfarbe verwendet wird. DOLLAR A Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlung (lambda¶2¶) im infraroten Wellenlängenbereich aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (2) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung (lambda¶2¶) mit einem zweiten Teil der ersten Strahlung (lambda¶1¶) einer ersten Summenfreqenzmischung (SFM¶1¶) zugeführt wird und Licht der Farbe Rot (R) sich ergibt, weiterhin ein zweiter Teil der zweiten Strahlung (lambda¶2¶) frequenzverdoppelt wird (SHG¶2¶), diese frequenzverdoppelte Strahlung (lambda¶3¶) mit einem dritten Teil der ersten Strahlung (lambda¶1¶) einer zweiten Summenfrequenzmischung (SMF¶2¶) zugeführt wird und Licht der Farbe Blau (B) sich ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle, die aus Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich Licht der Farben Rot, Grün und Blau erzeugt. Das Licht in den Farben Rot, Grün und Blau soll insbesondere zur Darstellung farbiger Bilder Verwendung finden.
Bekannt ist die Erzeugung von Licht in den Primärfarben aus den Veröffentlichungen DE 44 32 029 C2, DE 197 13 433 C1, DE 195 04 047 C1, US 5,740,190 A und EP 0 788 015 A2, die sämtlich einen IR-Laser verwenden, dessen Strahlung oder dessen frequenzverdoppelte Strahlung zumindest zu einem Teil einem Optisch-Parametrischen-Oszillator (OPO) zugeführt wird. Mit Hilfe der aus dem Optisch-Parametrischen-Oszillator abgestrahlten Signalstrahlung und/oder Idlerstrahlung wird das Licht in den Farben Rot, Grün und Blau über weitere Schritte der Summenfrequenzmischung und/oder Frequenzverdopplung erzeugt. In der US 5,295,143 A wird ein Drei-Farb-Laser beschrieben, bei dem zwei Ti:S- Laser durch einen frequenzverdoppelten Infrarot-Laser gepumpt werden. Die Ti:S- Laser liefern die Farben Rot und Blau. Der frequenzverdoppelte Infrarot-Laser liefert Grün.
Die Erfindung soll eine neue R-G-B-Laserstrahlungsquelle schaffen, bei der der technischen Aufwand geringer ist. Weiterhin soll die Strahlerzeugung der Laserstrahlung in den drei Primärfarben mit stabilen Qualitätsparametern erfolgen.
Die Erfindung betrifft eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle, bestehend aus einer ersten Laserstrahlungsquelle, deren erste Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich aufgeteilt wird, wobei deren erster Teil frequenzverdoppelt wird und Licht der Farbe Grün sich ergibt und deren weiterer Teil zur Erzeugung von Licht einer anderen Primärfarbe verwendet wird.
Die Erfindung ist in einem ersten Fall dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle erzeugt und aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung mit einem zweiten Teil der ersten Strahlung einer ersten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Rot sich ergibt, weiterhin ein zweiter Teil der zweiten Strahlung frequenzverdoppelt wird, diese frequenzverdoppelte Strahlung mit einem dritten Teil der ersten Strahlung einer zweiten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Blau sich ergibt.
Die Erfindung ist in einem zweiten Fall dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle erzeugt und aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung mit dem zweiten Teil der ersten Strahlung einer ersten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Rot sich ergibt, dieses rote Licht aufgeteilt wird, weiterhin ein zweiter Teil der zweiten Strahlung mit einem Teil des roten Lichts einer weiteren Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Blau sich ergibt.
Für beide Fälle gilt, daß die erste Laserstrahlungsquelle Licht der Wellenlänge im Bereich von 1000 nm bis 1100 nm und die zweite Laserstrahlungsquelle Licht der Wellenlänge im Bereich von 1500 nm bis 1600 nm ausstrahlt.
Nach dem heutigen Stand der Technik ist die erste Laserstrahlungsquelle ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser auf Neodym (Nd) oder Ytterbium (Yb)-Basis oder ein Diodenlaser. Die zweite Laserstrahlungsquelle ist ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser auf Erbium (Er)-Basis oder auf Praseodym (Pr)-Basis. Als Festkörperlaser kommen für die erste Laserstrahlungsquelle insbesondere ein Nd:YAG-Laser, ein Nd:YLF-Laser oder ein Nd:YO4-Laser und für die zweite Laserstrahlungsquelle ein Er-Faserlaser oder Er-Glaslaser oder Laser mit Er­ dotierten oder Pr-dotierten Kristallen oder Diodenlaser zum Einsatz. Es kann aber auch jede andere Art und Kombination von Laserstrahlungsquellen verwendet werden, die die erforderlichen Strahlparameter aufeinander abgestimmt liefern, d. h. aufeinander abgestimmte Strahlleistungen, Divergenz der Laserstrahlungen, geringes Rauschen und eine Wellenlänge im jeweils angegebenen Wellenlängenbereich.
Für eine effiziente Frequenzkonversion ist es wichtig, daß die Strahlung der ersten Laserstrahlungsquelle und/oder deren erzeugte frequenzverdoppelte Strahlung mit der Strahlung der zweiten Laserstrahlungsquelle und/oder mit deren erzeugter frequenzverdoppelter Strahlung in einem nichtlinearen Medium zur Summenfrequenzmischung überlagert wird, wobei sich beide Strahlungen in ihren geometrischen Ausmaßen zumindest teilweise überdecken und die Phasenanpassungsbedingungen für die nichtlineare Frequenzkonversion erfüllt sind. Dieses nichtlineare Medium kann ein nichtlinearer Kristall oder eine periodisch-gepolte Struktur sein.
Die Laser sind vorteilhaft gepulste Laser, insbesondere modensynchronisierte Laser, die Einzelimpulse mit einer Pulswiederholfrequenz bis in den MHz-Bereich liefern. Typische Pulswiderholfrequenzen für Anwendungen zur Bilddarstellung sind 100 Hz, 32 kHz oder größer 50 MHz, wobei für die Bilddarstellung eine Pulsbreite im Bereich von 0,1 ps bis 10 ps erzeugt werden sollte. Beim Einsatz gepulster Laser ist Bedingung, daß die Pulse in dem nichtlinearen Medium zur Summenfrequenzmischung synchron aufeinandertreffen, d. h. sie müssen dort in ihren geometrischen und zeitlichen Ausmaßen übereinstimmen oder sich zumindest teilweise überdecken und es muß Phasenanpassung herrschen.
Die vorgenannte Bedingung der teilweisen Überdeckung wird auch erfüllt, wenn eine Laserstrahlungsquelle mit einer ersten Pulswiederholfrequenz arbeitet und die andere Laserstrahlungsquelle mit einem ganzzahligen Vielfachen oder einem ganzzahligen Teil der ersten Pulswiederholfrequenz arbeitet und die Pulse beider Laserstrahlungsquellen in die geometrische und zeitliche Überdeckung gebracht werden.
Die vorgenannte Bedingung der teilweisen Überdeckung wird auch erfüllt, wenn eine Laserstrahlungsquelle ein Dauerstrich-Laser ist und die andere Laserstrahlungsquelle ein gepulster Laser ist.
Die beiden Laserstrahlungsquellen können auch Dauerstrich-Laser sein. Bei dieser Konfiguration ist die zeitliche Überdeckung von sich aus gegeben. Die Erfindung ermöglicht, mit einer vergleichsweisen geringen Anzahl von Bauelementen auszukommen, um die drei Primärfarben zu erzeugen.
Sind die Strahlparameter, insbesondere die Ausgangsleistungen der beiden Laserstrahlungsquellen vorgegeben, kann durch Teilungsspiegel, die ein festgelegtes Teilungsverhältnis haben eine gewünschte Energieaufteilung in den einzelnen Strahlengängen zur Erzeugung der Farben Rot, Grün und Blau im gewünschten Intensitätsverhältnis vorgenommen werden.
Die Erfindung wird nachfolgen an Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit vier Kristallen zur Wellenlängenwandlung
Fig. 2: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen R-G-B- Laserstrahlungsquelle. Sie besteht zunächst aus einer ersten Laserstrahlungsquelle 1, im Beispiel ein modensynchronisierter Nd-YAG-Festkörperlaser. Deren erste Strahlung λ1 liegt im infraroten Wellenlängenbereich, im Beispiel bei 1064 nm, deren Pulsbreite ist 4 ps bei einer Pulswiederholfrequenz von 120 MHz. Diese erste Strahlung λ1 wird aufgeteilt, wobei deren erster Teil beim Durchgang durch einen ersten Kristall SHG1 aus LBO oder KTP oder BBO frequenzverdoppelt wird und Licht der Farbe Grün mit einer Wellenlänge von 532 nm sich ergibt. Weitere Teile werden zur Erzeugung von Licht der Primärfarben Rot und Blau verwendet, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Gemäß der Erfindung wird eine zweite Strahlung λ2 im infraroten Wellenlängenbereich durch eine zweite Laserstrahlungsquelle 2 erzeugt. Im Beispiel ist dies ein modensynchronisierter Faserlaser auf Erbium (Er) Basis. Die zweite Strahlung λ2 hat eine Wellenlänge von 1560 nm, ebenfalls mit einer Pulsbreite von 4 ps bei einer Pulswiederholfrequenz von 120 MHz.
Weiterhin wird auch die zweite Strahlung λ2 aufgeteilt, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung λ2 mit einem zweiten Teil der ersten Strahlung λ1 einem zweiten Kristall SMF1 einer ersten Summenfrequenzmischung in einem KTA- oder LBO- oder KNbO3-Kristall zugeführt, womit Licht der Farbe Rot mit einer Wellenlänge von 632 nm sich ergibt.
Weiterhin wird ein zweiter Teil der zweiten Strahlung λ2 in einem dritten Kristall SHG2 frequenzverdoppelt und diese frequenzverdoppelte Strahlung λ3 mit einer Wellenlänge von 780 nm mit einem dritten Teil der ersten Strahlung λ1 einem vierten Kristall SFM2 aus KNbO3 oder KTP oder LBO für eine zweite Summenfrequenzmischung zugeführt, womit Licht der Farbe Blau mit einer Wellenlänge von 450 nm sich ergibt.
Die Pulse beider Laserstrahlungsquellen oder deren frequenzverdoppelten Pulse müssen in den nichtlinearen Kristallen, in denen sie aufeinandertreffen, in ihren geometrischen und zeitlichen Ausmaßen übereinstimmen und beide Pulse müssen phasenangepaßt sein, um eine effiziente Frequenzmischung zu erreichen. Dazu wird die Pulswiederholfrequenz der Pulse beider Laserstrahlungsquellen identisch eingestellt und im Bedarfsfall durch eine Nachstellung einer der Resonatorlängen gleich gehalten. Die Realisierung der zeitlichen Überlappung der beiden Pulse wird mit Hilfe der Einstellung der optischen Weglängen im Strahlengang einer der Laserstrahlungsquellen 1 oder 2 vor der räumlichen Zusammenführung der Laserstrahlen vor jedem nichtlinearen Kristall, in dem die Summenfrequenzmischung erfolgt, realisiert. Dazu ist im Beispiel im Strahlengang der Wellenlänge λ1 vor jedem der nichtlinearen Kristalle zur Summenfrequenzmischung SFM1 und SFM2 jeweils ein optisches Delay 3, 4 angeordnet.
Weiterhin müssen die beiden Strahlen in jedem Fall innerhalb der nichtlinearen Kristalle zur Summenfrequenzmischung SFM1 und SFM2 in ihren geometrischen Ausmaßen und ihren Ausrichtungen überlagert werden. Dies erfolgt durch die bekannte Anordnung von Spiegeln und Linsen im Strahlengang der beiden Laserstrahlen, mit denen die Summenfrequenzmischung erfolgt.
Phasenanpassung der Pulse wird durch Ausnutzung der Anisotropie jedes nichtlinearen Kristalls erreicht, in der Regel durch eine Kristallorientierung.
Fig. 2 zeigt eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle, die mit nur drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung arbeitet. Sie bestehend aus einer ersten Laserstrahlungsquelle, im Beispiel einem Faserlaser auf Nd-Basis, deren erste Strahlung λ1 im infraroten Wellenlängenbereich liegt.
Diese Strahlung wird mit einem Teilungsspiegel aufgeteilt, wobei deren erster Teil in dem ersten Kristall SHG1 frequenzverdoppelt wird und Licht der Farbe Grün mit einer Wellenlänge von 532 nm ergibt. Deren zweiter Teil wird zur Erzeugung von Licht der Primärfarbe Blau verwendet.
Gemäß der Erfindung ist eine zweite Laserstrahlungsquelle 2 vorgesehen, deren zweite Strahlung λ2 aus einem Faserlaser auf Er-Basis gewonnen wird. Auch diese zweite Strahlung wird mit einem Teilungsspiegel aufgeteilt, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung λ2 im infraroten Wellenlängenbereich mit dem zweiten Teil der ersten Strahlung λ1 dem zweiten Kristall SMF1 zur ersten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Rot mit der Wellenlänge von 632 nm sich ergibt.
Dieses rote Licht wird mit einem weiteren Teilungsspiegel aufgeteilt. Ein Teil des roten Lichtes steht an einem Ausgang des R-G-B-Lasers zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung und der andere Teil wird zur Erzeugung der Farbe Blau verwendet. Dazu wird ein zweiter Teil der zweiten Strahlung λ2 mit dem einem Teil des roten Lichts einem weiteren Kristall SFM3 aus LBO oder KNbO3 zu einer weiteren Summenfrequenzmischung zugeführt und Licht der Farbe Blau mit einer Wellenlänge von 450 nm ergibt sich. Beide Laser werden als Dauerstrich-Laser betrieben. Die nichtlinearen Kristalle sind hier als gepolte Strukturen ausgeführt.

Claims (8)

1. R-G-B-Laserstrahlungsquelle, bestehend aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (1), deren erste Strahlung (λ1) im infraroten Wellenlängenbereich aufgeteilt wird, wobei deren erster Teil frequenzverdoppelt wird (SHG1) und Licht der Farbe Grün (G) sich ergibt und deren weiterer Teil zur Erzeugung von Licht einer anderen Primärfarbe verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlung (λ2) im infraroten Wellenlängenbereich aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (2) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung (λ2) mit einem zweiten Teil der ersten Strahlung (λ1) einer ersten Summenfrequenzmischung (SFM1) zugeführt wird und Licht der Farbe Rot (R) sich ergibt, weiterhin ein zweiter Teil der zweiten Strahlung (λ2) frequenzverdoppelt wird (SHG2), diese frequenzverdoppelte Strahlung (λ3) mit einem dritten Teil der ersten Strahlung (λ1) einer zweiten Summenfrequenzmischung (SMF2) zugeführt wird und Licht der Farbe Blau (B) sich ergibt (Fig. 1).
2. R-G-B-Laserstrahlungsquelle, bestehend aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (1), deren erste Strahlung (λ1) im infraroten Wellenlängenbereich aufgeteilt wird, wobei deren erster Teil frequenzverdoppelt wird (SHG1) und Licht der Farbe Grün sich ergibt und deren weiterer Teil zur Erzeugung von Licht einer anderen Primärfarbe verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Strahlung (λ2) im infraroten Wellenlängenbereich aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (2) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der zweiten Strahlung (λ2) mit einem zweiten Teil der ersten Strahlung (λ1) einer ersten Summenfrequenzmischung (SMF1) zugeführt wird und Licht der Farbe Rot (R) sich ergibt, dieses rote Licht aufgeteilt wird, weiterhin ein zweiter Teil der zweiten Strahlung (λ2) mit einem Teil des roten Lichts einer weiteren Summenfrequenzmischung (SFM3) zugeführt wird und Licht der Farbe Blau (B) sich ergibt (Fig. 2).
3. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Laserstrahlungsquelle (1) Strahlung der Wellenlänge (λ1) im Bereich von 1000 nm bis 1100 nm und die zweite Laserstrahlungsquelle (2) Strahlung der Wellenlänge (λ2) im Bereich von 1500 nm bis 1600 nm ausstrahlt.
4. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der ersten Laserstrahlungsquelle und/oder deren erzeugte frequenzverdoppelte Strahlung mit der Strahlung der zweiten Laserstrahlungsquelle und/oder mit deren erzeugter frequenzverdoppelter Strahlung in einem nichtlinearen Medium zur Summenfrequenzmischung überlagert wird, wobei sich beide Strahlungen in ihren geometrischen Ausmaßen zumindest teilweise überdecken und die Phasenanpassungsbedingungen für die nichtlineare Frequenzkonversion erfüllt sind.
5. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlungsquellen gepulst sind und ein Puls der ersten Laserstrahlungsquelle und/oder deren erzeugter frequenzverdoppelter Puls mit einem Puls der zweiten Laserstrahlungsquelle und/oder deren erzeugter frequenzverdoppelter Puls in einem nichtlinearen Medium zur Summenfrequenzmischung synchron aufeinandertreffen.
6. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlungsquelle mit einer ersten Pulswiederholfrequenz arbeitet und die andere Laserstrahlungsquelle mit der gleichen Pulswiederholfrequenz oder mit einem ganzzahligen Vielfachen oder einem ganzzahligen Teil der ersten Pulswiederholfrequenz arbeitet.
7. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Laserstrahlungsquelle ein Dauerstrich-Laser ist und die andere Laserstrahlungsquelle ein gepulster Laser ist.
8. R-G-B-Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laserstrahlungsquellen Dauerstrich-Laser sind.
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