DE10009381B4

DE10009381B4 - Anordnung zur Erzeugung roter, grüner und blauer Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10009381B4
Application number: DE10009381A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Kränert; Thomas Dr. Gabler; Andreas Prof. Tünnermann; Holger Dr. Zellmer
Original assignee: Jenoptik LDT GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2020-03-01
Also published as: US20010017868A1; DE10009381A1

Abstract

Anordnung zur Erzeugung roten, grünen und blauen Laserlichtes, mit
– einer Laserstrahlungsquelle (1), die Infrarotstrahlung (λ₁) als Dauerstrich-Strahlung oder gepulste Strahlung mit einer Pulswiederholfrequenz von mindestens 100 Hz abgibt,
– einer diese Infrarotstrahlung (λ₁) in mehrere Infrarotteilstrahlen aufteilenden Einrichtung,
– einem Frequenzverdoppler (SHG₁), dem ein Infrarotteilstrahl zugeführt ist und der grünes Laserlicht (λ_G) abgibt,
– mindestens einem Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₁, SRS₂, SRS₃), dem einer der Infrarotteilstrahlen zugeführt ist und der infrarote Strahlung (λ₂, λ₄) abgibt, die größere Wellenlängen enthält als die Infrarotstrahlung (λ₁), und
– einer Einrichtung, die aus der infraroten Strahlung (λ₂, λ₄) durch Summenfrequenzmischung oder durch Frequenzverdopplung und Summenfrequenzmischung rotes und blaues Laserlicht (λ_R, λ_B) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung die aus Laserstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich Licht der Farben Rot, Grün und Blau erzeugt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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 Anordnung zur Erzeugung von R-G-B-Laserstrahlung schaffen, bei der der technische Aufwand geringer ist. Weiterhin soll die Strahlerzeugung der Laserstrahlung in den drei Primärfarben mit stabilen Qualitätsparametern erfolgen.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung roter, grüner und blauer Laserstrahlung, bestehend aus einer Laserstrahlungsquelle, deren infrarote Strahlung 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 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bestimmt. Die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Anspruchs 1.

Die Erfindung besteht zum einen darin, daß ein zweiter Teil der ersten Laserstrahlung über einen Wellenlängenkonverter, der auf der Basis der stimulierten Raman Streuung (SRS) arbeitet, in Laserstrahlung mit größeren Wellenlängen umgewandelt wird, die dann dazu genutzt werden über Summenfrequenzmischung und/oder Frequenzverdopplung die Farben Rot und Blau zu erzeugen.

Die Erfindung ist in einem ersten Fall dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Teil der ursprünglichen Strahlung mit Hilfe des Raman-Wellenlängenkonverters in den Bereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm verschoben wird, diese wellenlängengeschiftete Strahlung mit einem dritten Teil der ursprünglichen Strahlung einer ersten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und sich die Farbe Rot ergibt, weiterhin ein zweiter Teil der geschifteteten Strahlung frequenzverdoppelt wird und die frequenzverdopplete Strahlung mit einem vierten Teil der ursprünglichen Strahlung einer zweiten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe blau sich ergibt.

Die Erfindung ist in einem zweiten Fall dadurch gekennzeichnet, daß die in den Wellenlängenbereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm Raman-verschobene Strahlung aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil der wellenlängengeschifteten Strahlung mit einem dritten Teil der ursprünglichen Strahlung einer ersten Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Rot sich ergibt, dieses rote Licht wird aufgeteilt, weiterhin wird ein zweiter Teil der geschifteten Strahlung mit einem Teil des roten Lichts einer weiteren Summenfrequenzmischung zugeführt und Licht der Farbe Blau ergibt sich.

Die Erfindung ist in einem dritten Fall dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ursprünglichen Laserstrahlung nur bis in den Wellenlängenbereich zwischen 1,2 bis 1,4 μm Raman verschoben wird und der restliche Teil wieder in den Wellenlängenbereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm, der in den Wellenlängenbereich zwischen 1,2 bis 1,4 μm verschobene Teil frequenzverdoppelt wird und die Farbe Rot sich ergibt, weiterhin der in den Wellenlängenbereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm geschiftete Teil der Strahlung frequenzverdoppelt wird, diese frequenzverdoppelte Strahlung mit einem dritten Teil der ursprünglichen Strahlung einer Summenfrequenzmischung zugeführt wird und Licht der Farbe Blau sich ergibt.

Die Erfindung ist in einem vierten Fall dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der ursprünglichen Laserstrahlung nur bis in den Wellenlängenbereich zwischen 1,2 bis 1,4 μm und der restliche Teil wieder in den Wellenlängenbereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm Raman verschoben wird, der in den Wellenlängenbereich zwischen 1,2 bis 1,4 μm verschobene Teil frequenzverdoppelt wird und die Farbe Rot ergibt sich, dieses rote Licht wird aufgeteilt, weiterhin wird der in den Bereich zwischen 1,4 bis 1,6 μm verschobene Teil der Strahlung mit einem Teil des roten Lichts einer weiteren Summenfrequenzmischung zugeführt und Licht der Farbe Blau sich ergibt.

Für alle Fälle gilt, daß die Laserstrahlungsquelle Licht der Wellenlänge im Bereich von 1,0 bis 1,1 μm ausstrahlt.

Nach dem heutigen Stand der Technik ist die Laserstrahlungsquelle ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser auf Neodym (Nd) oder Ytterbium (Yb)-Basis oder ein Diodenlaser. Als Festkörperlaser kommen insbesondere ein Nd:YAG-Laser, ein Nd:YLF-Laser oder ein Nd:YO₄-Laser. Es kann aber auch jede andere Art von Laserstrahlungsquelle verwendet werden, die die erforderlichen Parameter liefert, d. h. Strahlleistung, Divergenz der Laserstrahlungen, geringes Rauschen und eine Wellenlänge im angegebenen Wellenlängenbereich.

Die nichtlinearen Medien für die Frequenzverdopplung und die Summenfrequenzmischung können ein nichtlinearer Kristall oder eine periodisch gepolte Struktur sein.

Der Laser ist vorteilhaft ein gepulster Laser, insbesondere ein modensynchronisierter Laser, der Einzelimpulse mit einer Pulswiederholfrequenz bis in den MHz-Bereich liefert. 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 eines gepulsten Lasers 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 Laserstrahlungsquelle kann auch ein 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.

Durch Teilungsspiegel, die ein festgelegtes Teilungsverhältnis haben, kann eine gewünschte Energieaufteilung in den einzelnen Strahlengängen zur Erzeugung der Farben Rot, Grün und Blau im gewünschten Intensitätsverhältnis vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend Hand von Figuren beschrieben. Es zeigen:

1: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit einem Raman-Wellenlängenkonverter (SRS) und vier Kristallen zur Wellenlängenwandlung

2: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit einem Raman-Wellenlängenkonverter (SRS) und drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung

3: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit zwei Raman-Wellenlängenkonvertern und vier Kristallen zur Wellenlängenwandlung

4: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit zwei Raman-Wellenlängenkonvertern und drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung

5: R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit einem Raman-Wellenlängenkonverter, der auf zwei Wellenlängen betrieben wird.

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 Strahlung λ₁ liegt im infraroten Wellenlängenbereich, im Beispiel bei 1064 nm, deren Pulsbreite ist 4 ps bei einer Pulswiederholfrequenz von 120 MHz.
Diese 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 mit Hilfe eines Raman-Wellenlängenkonverters aus der ursprünglichen Strahlung λ₁ erzeugt. Im Beispiel besteht der Raman-Wellenlängenkonverter aus einer mit Bragg-Reflektoren versehenen P-dotierten Faser (siehe z.B. Karpov, V.I.: „Laser-diode-pumped Raman Laser" in Optics Letters July 1, 1999 Vol. 24 No. 13, 887–889). 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 frequenzverdoppelte 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. Die Realisierung der zeitlichen Überlappung der beiden Pulse wird mit Hilfe der Einstellung der optischen Weglängen im Strahlengang 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.
2 zeigt eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle, die mit nur drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung arbeitet. Sie besteht aus einer Laserstrahlungsquelle, im Beispiel einem Faserlaser auf Nd-Basis, deren 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. Ein zweiter Teil wird zur Erzeugung von Licht der Primärfarbe Blau verwendet.
Gemäß der Erfindung wird ein dritter Teil der Laserstrahlung λ₁ in den Wellenlängenbereich λ₂ verschoben. 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.
3 zeigt eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit zwei Raman-Wellenlängenkonvertern SRS₁ und SRS₂ und mit vier Kristallen zur Wellenlängenwandlung entsprechend der Lösung in 1.
4 zeigt eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit zwei Raman-Wellenlängenkonvertern SRS₁ und SRS₂ und mit drei Kristallen zur Wellenlängenwandlung entsprechend der Lösung in 2
5 zeigt eine R-G-B-Laserstrahlungsquelle mit einem Raman-Wellenlängenkonverter SRS₃, der auf den zwei Wellenlängen λ₂ und λ₄ betrieben wird. Die Wellenlängenumwandlung entspricht der in 4.
Ein derartiger Raman-Wellenlängenkonverter SRS₃ ist auch für die Lösung in 3 einsetzbar.

Claims

Anordnung zur Erzeugung roten, grünen und blauen Laserlichtes, mit – einer Laserstrahlungsquelle (1), die Infrarotstrahlung (λ₁) als Dauerstrich-Strahlung oder gepulste Strahlung mit einer Pulswiederholfrequenz von mindestens 100 Hz abgibt, – einer diese Infrarotstrahlung (λ₁) in mehrere Infrarotteilstrahlen aufteilenden Einrichtung, – einem Frequenzverdoppler (SHG₁), dem ein Infrarotteilstrahl zugeführt ist und der grünes Laserlicht (λ_G) abgibt, – mindestens einem Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₁, SRS₂, SRS₃), dem einer der Infrarotteilstrahlen zugeführt ist und der infrarote Strahlung (λ₂, λ₄) abgibt, die größere Wellenlängen enthält als die Infrarotstrahlung (λ₁), und – einer Einrichtung, die aus der infraroten Strahlung (λ₂, λ₄) durch Summenfrequenzmischung oder durch Frequenzverdopplung und Summenfrequenzmischung rotes und blaues Laserlicht (λ_R, λ_B) erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der ein Teil der vom Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₁, SRS₂) abgegebenen infraroten Strahlung (λ₂) zusammen mit einem der Infrarotteilstrahlen (λ₁) einem Summenfrequenzmischer (SFM₁) zugeführt ist, der das rote Laserlicht (λ_R) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die vom Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₁) abgegebene infrarote Strahlung (λ₂) zusammen mit dem roten Laserlicht (λ_R) und/oder einem der Infrarotteilstrahlen einem Summenfrequenzmischer (SFM₂) zugeführt ist, der das blaue Laserlicht (λ_B) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die vom Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₁) abgegebene infrarote Strahlung (λ₂) einem Frequenzverdoppler (SHG₂) zugeführt ist, dessen Ausgangsstrahlung (λ₃) mit einem der Infrarotteilstrahlen einem Summenfrequenzmischer (SFM₂) zugeführt ist, der das blaue Laserlicht (λ_B) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, mit einem weiteren Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₂), dem einer der Infrarotteilstrahlen zugeführt ist, und der einen infraroten Strahl (λ₄) abgibt, welcher einem Frequenzverdoppler (SHG₃) zugeführt ist, der das rote Laserlicht (λ_R) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 3, bei der dem Raman-Wellenlängenkonverter (SRS₃) zwei der Infrarotteilstrahlen zugeführt sind und der zwei infrarote Strahlen (λ₂, λ₄) abgibt, die einem Frequenzverdoppler (SHG₃) und einem Summenfrequenzmischer (SFM₂) zugeführt sind, wobei der Frequenzverdoppler (SHG₃) das rote und der Summenfrequenzmischer das blaue Laserlicht (λ_R, λ_B) abgibt.
Anordnung nach einem der obigen Ansprüche, mit einer gepulste Strahlung abgebenden Laserstrahlungsquelle und optischen Delays, die bewirken, daß die Pulse bei der Summenfrequenzmischung zeitlich überlappend auftreten.