CN111929963A - 用于rbg显示的宽带红光发生器 - Google Patents

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Abstract

一种宽线红光发生器配置有单模(SM)脉冲型镱(“Yb”)光纤激光泵浦源，所述泵浦源输出选自1030‑1120nm波长范围的泵浦波长下的基模(“FM”)泵浦光。所公开的发生器还包括接合到Yb光纤激光器泵浦源的输出端的SM光纤拉曼转换器。拉曼转换器引起泵浦光的“n”阶频率斯托克斯移位，以输出1220和1300nm波长范围内的拉曼移位波长下的泵浦光，该泵浦光具有至少10nm的宽光谱线。所公开的光发生器还具有单通二次谐波发生器(“SHG”)，所述单通二次谐波发生器具有光谱接受线宽足以覆盖泵浦光的宽光谱线的三硼酸锂(“LBO”)非线性光学晶体。SHG产生具有至少4nm的宽光谱线的SM脉冲型宽线红光。

Description

用于RBG显示的宽带红光发生器
本申请是于2017年03月16日进入中国国家阶段的国际申请“用于RBG显示的宽带红光发生器”(国家申请号：2015800499347；申请日：2015年9月16日)的分案申请。
技术领域
本公开涉及基于波长转换方案的宽带红光发生器，所述宽带红光发生器包括光纤拉曼转换器以及诸如三硼酸锂非线性光学晶体(LBO)等二次谐波发生器的组合，该组合操作以产生宽光谱线宽至少约为5nm的红光(其能够减少激光照射数字显示器上的斑点噪声)。
背景技术
词汇表
如本公开中所使用地，下面列出的术语具有以下各个含义：
宽光谱线或宽带是指在期望拉曼移位波长下延伸超过5-25nm波长范围的红光和至少10nm的红外辐射的谱线。
连续波(“CW”)激光器是指连续发射辐射而不是以短脉冲(如在脉冲型激光器中)发射辐射的激光器。
占空比是指以规律间隔出现的脉冲的脉冲持续时间和脉冲重复频率(PRF)的乘积。
二极管激光器是指设计为使用受激发射来产生相干光输出的发光二极管。
增益是指通过放大器从一点向另一点发送的信号的强度、功率或脉冲能量的增加。
增益介质是指能够产生光学增益的材料。
绿光是指在大约495-570nm的波长范围内的电磁辐射。
红外辐射(“IR”)是指由约700nm和10,000nm之间的真空波长表征的电磁辐射。
激光器是通过辐射的受激发射实现的光放大的简称。激光器是包含增益介质的腔。
红光通常是频率范围大约对应于在约610到650nm的真空波长范围内的电磁辐射。
横模描述光能在光纤上的分布。
多模光纤是指纤芯的尺寸能够支持多个横模的传播的光纤。
非线性光学晶体是指三硼酸锂非线性光学晶体(LBO)。
光学放大器是指使用由泵浦辐射驱动的增益介质来放大输入光学信号的功率的装置。
光学谐振腔(“腔”)是指由两个或更多个反射表面限定的光路，其中光可以沿着所述光路往复或循环。
偏振保持(PM)光纤是指配置为忠实地保持并传输发射到其中的光的偏振状态的单模光纤。
偏振光是指其中各横向光波彼此平行对准的光。
脉冲持续时间或脉冲宽度是指脉冲前沿和后沿上的半功率点之间的时间间隔。
脉冲周期(T)是指具有两个或更多个脉冲的脉冲列中的连续脉冲的等效点之间的时间。
脉冲重复频率(PRF)是指每单位时间脉冲的重复率。PRF与脉冲周期成反比。
准CW是指以足够高的重复率生成一连串脉冲，以看起来连续。
拉曼散射是指与在通过光纤时散射的光的波长的增加(或频率的减小)相关联的非线性拉曼效应。
单模光纤是指纤芯尺寸能够支持单个横模的传播的光纤。
拉曼光谱的斯托克斯阶(斯托克)是指在单色光的光谱中除了标准线以外由于拉曼散射而出现的不同辐射带或拉曼线。
二次谐波产生(SHG)是指以下频率转换技术：波长λ的输入光在传播通过非线性光学材料(例如，非线性晶体)时产生半波长λ/2(或输入光的光学频率的两倍)的输出光。
晶体的光谱接受是指观察到频率转换的光谱带。
斯托克斯移位是指特定荧光物质的激发最大值和发射最大值之间的波长差。
可见辐射或光-对人眼可见的电磁光谱的部分，如在620nm到650nm的波长范围内的红光。
斑点是指具有大量小点或一片颜色的标记。
斑点噪声是指斑点的可观察到的随机强度图案。
现有技术讨论
610-650nm波长范围通常也称为红光(尽管严格来说，在620nm波长附近的光不是真正的红色而是红橙色，在650nm波长处才显示深红色)，具有相当大份额的工业应用。例如，红光被认为是蔬菜生长的理想选择。目前，红光源在显示器工业中具有最广泛的应用，例如，红-绿-蓝(RGB)数字显示器，其中本公开尤其关注与红-绿-蓝(RGB)数字显示器。
二极管激光器是针对RGB数字显示器的最广泛使用的激光光源，这是由于二极管激光器的相当明亮的范围且良好定义的可用颜色、它们的深度和饱和度。然而，红光二极管的发光效率较低。单个红光二极管激光器的输出功率几乎不超过1W，这对于满足许多工业激光应用的需求而言来说太低了。
用于RGB显示器的激光光源的出现与二极管泵浦固态激光器和改进型非线性光学频率转换技术相关联，如下文所简述地，所述改进型非线性光学频率转换技术植根于非线性光学中。
非线性光学
当光穿过透明介质(如玻璃)时，透明介质以改变通过其中的光的方式与分子相互作用。当光强较强时，观察到附加的效果。这些效果之一是一个波长(或等效地，频率)的光由于与某些类型的透明材料的相互作用而可以被转换为不同波长的光。这被称为非线性频率转换。
非线性光学频变换
在任何频率转换过程中，存在贡献于其效率或原始/基础频率下的多少光被转换为新的频率的两个主要因素。首先是所使用的透明介质的固有效率。可以用许多不同类型的材料实现频率转换，但是有些材料仅比其他材料更有效。其他材料的一个良好示例是本文公开的三硼酸锂(“LBO”)非线性光学晶体。光学频率转换的具体示例是二次谐波生成(SHG)，其中SHG是构成所公开主题的一部分。
返回二极管泵浦固体激光器，应当注意，它们的使用引起了有效率并可靠的中低等功率(红光和蓝光的情况下最多几瓦，绿光的情况下最多几十瓦)可见激光源，其中二极管激光器寿命超过10,000小时。这些光源基于各行钕(Nd)离子的SHG，因此，对于基于1000nm附近的最强Nd激光跃迁的SHG进行绿光生成是有效率的。然而，相同的光源对于基于1300nm跃迁的SHG进行红光产生的效率要低得多。
在其他行业之后，显示器行业最近已转向光纤激光器，光纤激光器可以是大功率的、不受温度影响的、比二极管激光器更加明亮和有效率。然而，光纤激光器使用镱(Yb)、铒(Er)和铥(Tm)掺杂剂分别在接近1、1.5和2μm的中心波长附近仅提供有限波长调谐，这显然使得光纤激光器不适于直接产生包括红光的可见光。
然而，光纤激光器已经使得通过利用非线性光学及其效应的新光源能够用于产生可见波长。功率、波束质量、偏振和线宽属性使光纤激光器成为用于经由非线性光学晶体实现频率转换的理想光源。对于到绿光的大功率转换，使用LBO非线性晶体的Yb光纤激光器的SHG已产生平均功率为几百瓦甚至千瓦的绿光衍射极限输出。后者已被公开于由本申请的同一受让人共同拥有的共同未决美国专利申请61923793中，该申请通过引用完全合并于此。然而，SHG本身不足以产生红光。
原则上，光纤中的拉曼波长移位技术可以在任何波长下产生光放大。意料之中地，拉曼波长移位是基于US2011/0268140中公开的拉曼非线性效应的，该专利是通过引用整体并入本文并由同一受让人与本公开共同拥有。下面是对这种现象的简要说明。
拉曼效应
当强激光耦合到光纤中时，由于受激拉曼散射该激光产生较长的第二波长。该拉曼散射光本身可以经历拉曼散射。如果光纤足够长，则该过程级联，以产生若干波长或斯托克斯阶。
多阶拉曼散射(SRS)生成被用作级联波长拉曼转换器(从较短波长转换为较长波长)，以实现显著的波长移位，在所述多阶拉曼散射生成中，初始波长的第i阶斯托克斯用作产生第(i+1)阶斯托克斯光的泵浦光。因此，拉曼转换器可以产生可能无法从其他类型的激光源获得的输出波长。例如，采用标准偏振保持、单模商用光纤来获取图1中的数据。由耦合到所述光纤中的1060nm泵浦波束产生的前三个(3)斯托克斯波近似为：1.1114nm2.1170nm3.1232nm
过去，为了使用非线性晶体来将拉曼斯托克斯阶次的波有效率地转换成可见波长，期望拉曼斯托克斯波具有较窄的谱线。然而，如图1所示，拉曼光谱的峰值在第一斯托克斯(Stokes)处大约为10nm宽，而在随后的斯托克斯(Stokes)处要宽得多。这样的宽光谱线被认为对于在非线性光学晶体中的1220-1300nm波长范围内的第三阶斯托克斯的IR光的有效转换而言是不可接受的，这是由于后者在上述拉曼移位的波长范围内具有较窄的光谱接受范围。已知用于窄化拉曼光谱的几种技术。
然而，窄拉曼光谱(特别是在1220-1280nm波长范围内，结合许多非线性晶体的光谱接受范围)对于如下所述的斑点噪声而言是非常低效的。
斑点噪声
在激光照射期间，由于激光的高相干性和显示器的表面形貌而发生强烈的干扰，其表现为使图像劣化的多个斑点。由多个斑点定义的图案是光学发生器中的噪声的基本来源，且斑点噪声的抑制在视频显示器行业中是至关重要的。
存在几种已知的允许减少斑点的技术。这些技术之一包括操作在不同波长下的互非相干激光源。由于不同波长的斑点图案是不相关的，因此这实现了一些斑点减少。另一种技术是基于偏振的变化。这种技术对于照射光学发生器的有限设计是实用的，并且通常是低效的。再一种技术包括使用可置换的漫射元件，该漫射元件产生不相关的斑点图案。
另一技术是基于具有增加的线宽的激光源，该技术与所公开的主题高度相关。由于斑点是因为激光辐射的高度相干性质而产生的，所以使用具有相干性减弱的源(例如，直接发射绿色激光二极管)是可行的。然而，已知这些二极管激光器具有较窄的光谱线宽，这不足以将斑点减少到可接受的水平。应当注意，目前可用的最亮且功率效率最高的绿色激光器是倍频的，其频谱线宽不超过0.1-0.2nm。
US 8,786,940公开了通过针对包括红色的所有原色在光纤中使用受激拉曼散射来减少激光斑点的装置，其中通过引用将该申请全部并入本文。所公开的装置配置有基于Q开关、倍频型、掺钕的氟化钇锂或掺钕的钇铝石榴石激光器的红光源，其输出532nm波长附近的脉冲型绿光。将脉冲型绿光耦合到MM光纤中，其中该脉冲绿光经历受激拉曼散射，转换成被进一步光学滤除的黄色、橙色和红色。然而，结合所公开的装置的实验并不特别令人鼓舞，大多数是因为MM光纤在相对较低的功率水平下快速退化。
此外，在教导黄光光纤源的WO 2013/175387中公开了拉曼散射。所述源配置有窄光谱线宽Yb脉冲型光纤激光源，所述激光源发射耦合到Yb光纤放大器中的第一波长的泵浦光。另一窄线CW种子激光器发射同样被耦合到Yb光纤放大器中的目标波长的信号光。将耦合到Yb放大器中的泵浦光转换为单个拉曼移位目标波长下或第一阶斯托克斯下的信号光。然后，拉曼移位目标波长下的经过放大的光入射到产生黄光的非线性晶体上。
上述源具有一些限制。例如，所教导的源被调整为具有较窄线宽的输出，其中通过分别提供窄线泵浦源和拉曼种子源来实现上述效果。这将单独呈现出如果该对比文件的黄色光源被用于照亮显示器，则这种光源对于斑点噪声减小是无效的。
因此，需要一种利用SRS的红光光纤激光源，该红光光纤激光源具有较高的功率效率、紧凑的、可靠的和成本较低的结构。
还需要一种能够输出具有足够宽的光谱线的红光的红光光纤激光源，以显着减少例如出现在激光照射数字显示器上的斑点噪声的有害影响。
发明内容
本公开的基本目的在于产生红色激光束，所述红色激光束具有足以使照射数字显示器上的斑点噪声最小化的宽光谱线。这通过所公开的基于两个主要前提的光纤红光发生器来获得：1.拉曼转换器在拉曼光纤中发射期望的拉曼移位波长并具有高达25nm宽光谱线的光，所述期望的拉曼移位波长在1220-1300nm发射波长范围内；以及2.通过LBO非线性晶体对在上述发射光谱内的期望的拉曼移位波长下的宽光谱线的光谱接受性用于产生610-650波长范围内且光谱线宽超过4nm的红光。在以下简要公开的若干实施例中实现所公开的操作用以输出大功率衍射极限的宽带红光的源的实际实现方案。
根据实施例之一，所公开的发生器的基本布局包括产生1030-1120nm波长范围内的泵浦束的宽带脉冲型光纤激光源以及Yb光纤放大器。脉冲型光束进一步耦合到拉曼移相器中，所述拉曼移位器将泵浦束转换成期望的拉曼移位波长的脉冲型光束。期望的拉曼移位波长在约1220和1300nm之间变化，并具有至少10nm的宽发射谱线。然后，将信号束聚焦在作为单通二次谐波发生器(SHG)的LBO上，其中SHG具有覆盖泵浦光在期望的拉曼移位波长下的发射光谱线的光谱接受度。在LBO中产生的红光也具有至少4-5nm的宽光谱线，其足以显著最小化被照射屏幕上的斑点噪声。
所公开的单通拉曼转换器的操作取决于光纤配置。根据一种配置，光纤在石英玻璃包层中具有磷酸盐玻璃芯。这种配置允许第一波长下的泵浦束到期望的拉曼移位波长下的光的一个斯托克斯转换。在备选配置中，拉曼转换器在石英包层中具有石英玻璃纤芯(可能是磷酸盐掺杂剂)。本文中，到期望拉曼移位频率的信号束的转换发生在泵浦光的第三(3)阶斯托克斯处。
所公开的红光发生器的另一实施例包括如US2011/0268140中公开的多波长拉曼激光器。可以通过以下结构实现本实施例。
根据该实施例的可能配置之一包括：脉冲型激光源，具有操作以发射期望的泵浦波长下的宽光谱线泵浦光束的MOPFA架构，所述期望的泵浦波长选自1030-1120nm的波长范围，并被耦合到拉曼激光器。后者包括具有谐振腔的石英纤芯/包层光纤，谐振腔具有多个反射器，其中最上游的反射器和最下游的反射器限定谐振腔。输出反射器至少部分地透射来自谐振腔的输出信号光，所述输出信号光具有泵浦束的期望的拉曼移位频率，然后所述信号光被耦合到波长在1220-1300nm波长范围内的LBO中。包括LBO非线性晶体的SH发生器接收期望拉曼移位波长的泵浦束，并产生足够宽的光谱线宽的红光，该光谱线宽足以最小化被照射显示器上的斑点噪声。
以短脉冲发射泵浦束，每个脉冲具有皮秒-纳秒范围内的脉冲宽度。该配置的操作基于同步泵浦拉曼激光方案。具体地，该方案操作使得谐振拉曼转换光脉冲的往返时间与泵浦束重复率相匹配，从而拉曼移位波长下的每个后续信号光脉冲在时间上和空间上与拉曼转换器中的对应泵浦光脉冲一致。
另一结构配置使用输出长泵浦光脉冲的法布里-珀罗脉冲型激光器，每个泵浦光脉冲的宽度在微秒和更长范围内。然后将泵浦光脉冲耦合到拉曼激光器中，所述拉曼激光器被配置为发射在1220-1300nm波长内的期望拉曼移位波长下的信号脉冲，该信号脉冲具有较宽的谱线。接收拉曼移位光的LBO产生脉冲型红光。与先前公开的同步泵浦方案相比，由于泵浦光脉冲的宽度基本上比拉曼激光器的谐振腔中的光脉冲的往返时间更长，因此该配置不需要同步性。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，将更清楚本公开的上述和其他特征，附图中：
图1是拉曼移位泵浦光的拉曼光谱。
图2示出了所公开的宽线红光发生器的基本布局；
图3示出了通过图2的配置获得的拉曼光谱的第三阶斯托克斯。
图4示出了图2的红光发生器的变型。
图5示出了在图2和图4所示的方案中使用的升压放大级的配置。
图6示出了由图4的示意图的IR泵浦源产生的拉曼光谱。
图7示出了配置有拉曼光纤激光器和直接调制的QCW IR泵浦源的红光发生器。
图8示出了具有拉曼光纤激光器和具有MOPFA配置的QCW IR泵浦源的红光发生器。
具体实施方式
作为介绍，本公开的实施例针对用于发射610-650纳米(nm)范围内的大功率、宽线宽、单模(SM)激光脉冲的新型宽光谱线红光发生器和方法。宽线脉冲型SM IR光纤激光源被配置为发射对SM拉曼光纤转换器进行泵浦的脉冲串，SM拉曼光纤转换器引起产生1220到1300nm波长范围内的拉曼移位IR光的IR能量的有效率拉曼转换。从拉曼移位波长范围选择的期望波长的宽光谱线宽在10和25nm之间改变，其上限通常甚至更高。将拉曼移位波长下的IR光耦合到单通二次谐波发生器中，该单通二次谐波发生器包括标准LBO非线性晶体，该标准LBO非线性晶体产生610-650nm波长范围内以及谱线约5nm且更宽的SM红光脉冲型光。
所公开的红光发生器是利用标准LBO晶体的独有结构，LBO晶体的光谱接受性宽到足以接受在1210-1250nm范围内的期望拉曼移位波长下线宽为10-25nm的IR光的实质区段，并且能够在所公开的红光波长范围内以约10％的总器件光电转换效率(wall plugefficiency)进行操作。具有kW级峰值功率和宽光谱线宽的SM红光束对于照射数字显示器同时高效地最小化斑点噪声特别有用。
现参考附图，图2示出了所公开的基于谐波产生方案的红光发生器10的基本布局，谐波产生方案包括拉曼转换器14以及标准LBO非线性晶体16。IR泵浦源12通过输出选自1030-1120nm波长范围的泵浦波长下的IR脉冲型光来定义拉曼增益的时间特性，且在该实施例中，IR泵浦源12具有MOPFA配置。具体地，IR源12包括配置为宽光谱线SM二极管激光器18的可调谐泵浦种子/主振荡器18，其中所述宽光谱线SM二极管激光器18具有可操作用以发射皮秒-纳秒(ps-ns)脉冲宽度范围内的脉冲串的偏振保持(PM)光纤尾纤。然后，将脉冲型泵浦光耦合到Yb光纤激光放大器或升压器22中，其中Yb光纤激光放大器或升压器22被配置为在期望IR泵浦波长下将脉冲型泵浦光增强至几kW峰值功率水平。可选地，IR泵浦激光源可以包括一个或更多个前置放大级20，每个前置放大级20配置有掺Yb PM光纤，并在将泵浦种子信号耦合到功率放大器或升压器22之前逐渐放大泵浦种子信号。放大级各自包括配置有外壳的增益块，其中所述外壳包围掺Yb有源光纤，该掺Yb有源光纤在其两端处接合到可以外壳外部端接的相应SM PM无源光纤。放大器20和22的泵浦源包括各自以CW制式操作的一个或更多个二极管激光器模块。
宽线宽红光发生器10配置有以QCW制式操作的IR泵浦源12，其中通过将泵浦种子源18的输出耦合到单独电光强度调制器来提供QCW制式，其中单独电光强度调制器用于设置脉冲或直接调制激光二极管以便设置脉冲宽度。脉冲型泵浦光以1至100MHz频率范围内的重复率输出，波长选自1030-1120nm范围，且具有ps-ns范围内的脉冲。前置放大器20被配置为在功率放大器将脉冲型泵浦光的平均功率提升到大约200W和更高之前以约1W的平均功率输出脉冲型光。拉曼转换器可以包括纤芯直径为几微米的几米长的非线性无源光纤。在图2的示意图中，可以根据种子18的泵浦波长，将约50-80％的输出IR泵浦功率转换为约1230nm波长下的第三阶或第四阶斯托克斯。在20mm长的LBO 16中进行倍频之后，在1230拉曼移位波长下的SM脉冲型光产生图3所示的可见光谱，其中心波长约为615nm，光谱带宽大于5nm，其中所述光谱带宽足以使斑点噪声实质上最小化。
红光发生器10的功率缩放的关键之一在于：增加所有有源和无源大模场面积光纤的纤芯尺寸。例如，纤芯尺寸可以是20微米，这将允许以15-20kW的IR峰值功率或更大峰值功率产生干净的拉曼光谱。普通技术人员容易认识到地，增加的IR峰值功率显着地提高了转换效率。对于所述的大模场面积光纤，从1060nm到615nm的转换效率可以接近25％。
红光发生器10的功率缩放的另一种方法包括：通过控制IR泵浦光源的占空比来增加平均功率。具体地，可以增加泵浦种子18的重复率，并调高泵浦功率，从而保持峰值功率恒定。
图4示出了图2所示的宽线红光发生器的变型。与基本布局类似，红光发生器10配置有主振荡器18，其输出被调制以产生1030-1120nm波长范围内的脉冲串。一个或更多个前置放大和升压器级联各自配置有由以CW制式操作的激光二极管泵浦来泵浦的掺Yb光纤。放大器20和22顺序地增加脉冲型泵浦光的功率，脉冲型泵浦光进一步耦合到拉曼转换器14中，在拉曼转换器14中，脉冲泵浦光被有效地转换成顺序斯托克斯阶，其中第三阶斯托克斯是期望的1220-1300nm波长范围和宽光谱线宽。包括LBO晶体16的单通SH发生器在由拉曼移相器14提供的期望拉曼移位波长处配置有宽光谱接受度，其中所述宽光谱接受度至少覆盖期望拉曼移位波长范围内的IR光的光谱线宽的实质部分。
期望的1220-1300nm的拉曼移位波长范围内的IR光的线宽可能仍过宽并不利地影响转换效率，而与LBO 16具有宽带光谱接受范围无关。在这种情况下，可以通过用来自以CW制式操作的宽带SM拉曼种子28的光来泵浦拉曼转换器，缩窄第三阶斯托克斯，其中所述光的波长选自第二阶斯托克斯的波长带。通过这样做，第二阶斯托克斯通过受激拉曼散射而被放大，这降低了该斯托克斯的线宽。因此，第三阶斯托克斯的线宽变窄。在该示意图中，由泵浦种子18确定时间特征，同时通过CW拉曼种子28来确定拉曼移位波长处的泵浦光的光谱特征。因此，拉曼种子的SM输出的波长和线宽可以被调整为期望的1220-1300nm波长范围内的特定线宽。
图5示出了升压器22包括外壳(未示出)，该外壳包围输入SM PM无源光纤32和输出SM PM无源光纤34，二者尺寸相同并分别被接合到PM掺Yb石英光纤30的两端。后者具有MM纤芯38，MM纤芯38能够在泵浦波长下支持SM并且包括相对的均匀尺寸的芯端，其中将所述芯端配置为使得基模(FM)的MFD与由相应的SM光纤32和34导引的SM泵浦光的MFD相匹配。将对应SM和FM的MFD直径匹配以及将MM纤芯38的模式转换区域42、44绝热膨胀和收缩提供对仅一个FM的激励和支撑。
CW SM拉曼种子28可以被配置为宽带法布里-珀罗光纤或二极管激光器、分布式布拉格反射器(DBR)或分布反馈激光器(DFB)或波长稳定的激光器，在中间斯托克斯处播种拉曼转换器14。具体地，拉曼种子28发射拉曼移位波长下的光，其中所述拉曼移位波长选自拉曼转换器14的第二阶斯托克斯的1130-1175nm波长范围内。在光纤WDM 26中组合相应泵浦和拉曼种子源的输出，所述光纤WDM 26优选地而非必要地布置在升压器22的上游，其中所述升压器22仅将1064nm波长下的泵浦种子光放大至约20-30W平均功率和5-10kW峰值功率。图6示出了拉曼光谱，其中第三阶斯托克斯的线宽约25nm。
将拉曼光纤移位器14的长度配置为超过5米。例如，可以是以较高的50-80％拉曼转换效率操作的30-100米长的SM PM无源光纤，在该示例中，转换为在期望1230nm波长下高达6kW峰值功率拉曼移位光。LBO 16的尺寸为40mm长、5mm宽和3mm厚的I型晶体，以约35-50％SHG效率操作。在约615nm波长下的SM红光的平均功率在45-110W范围内，而其峰值功率在1.1和2.8kW之间变化。
上述公开的基于拉曼转换器和单通SHG波长转换方案的宽带红光发生器的配置都针对所公开的拉曼转换器使用SM PM石英纤芯无源非线性光纤。然而，基于石英的光纤不是产生1220-1300nm范围内的IR光的唯一选择。石英光纤的可行替代物包括使用具有磷酸盐玻璃纤芯的光纤，其比标准二氧化硅纤芯光纤产生实质上更宽的1阶斯托克斯。事实上，宽到使得期望的1220-1300拉曼移位波长带被第一阶斯托克覆盖。
图7和图8示出了示出级联拉曼光纤激光器的另一实施例。该实施例的原理在于通过使用一系列拉曼斯托克斯移位将泵浦输出的频率转换为所需的红光输出波长。传统地，通过级联拉曼谐振器执行超过两个或更多个斯托克斯移位的波长转换。级联拉曼谐振器包括在每个中间波长下的嵌套腔，每个嵌套腔由高反射率光纤布拉格光栅或反射器52制成。谐振器中的每个中间波长被选择为接近其前面的波长的拉曼增益的峰值。低反射率输出反射器或耦合器54终止选自1220-1300nm波长范围的波长转换。
具体参考图7，所公开的红光发生器包括具有直接调制的半导体激光器种子58的宽带QCW IR泵浦源，其中所述直接调制的半导体激光器种子58由外部电脉冲发生器来实现。将期望泵浦波长下的光耦合到脉冲型Yb光纤激光器56的腔中，该腔限定在高反射器(HR)和低反射器(LR)之间。与在上述公开的配置中使用的所有光纤相比，掺Yb光纤激光器可以是或可以不是PM光纤。IR源可操作用以输出期望泵浦波长的长微秒脉冲。
泵浦光进一步耦合到设置有多个HR和下游LR的多级联SM LP拉曼激光器50中，提供产生从具有或不具有LR 54的腔中耦合出三个斯托克斯，其中第三阶斯托克斯在期望拉曼移位波长范围处。从拉曼激光器50发射的拉曼移位泵浦光的特征在于：LBO 16光谱接受的宽光谱线，其中所述LBO可操作用以产生在1220-1300nm波长范围内具有至少约5nm的宽光谱线宽的SM红光。
图8示出了配置有MOPFA配置的IR泵浦源，其中MOPFA配置具有种子18以及一个或更多个放大级22。升压级基于如图5所示的相同光纤配置。其余部件对应于图4的发生器10的相应部件，并包括宽带拉曼种子28和WDM 26。对拉曼激光器进行同步泵浦。在WDM26中将期望泵浦波长下的放大泵浦光与来自拉曼种子26的光组合，其中所述拉曼种子26的光是在选自1220-1300nm波长范围的期望拉曼移位波长下产生的。然后，将放大的泵浦光和拉曼移位光耦合到拉曼激光器50中。在SHG LBO中将拉曼移位波长下的光转换成期望的宽带红光。
上述公开的宽光谱线光发生器的基本平台可以容易地用于产生绿色、黄色、橙色“589nm”和长红色光。如图2、图4、图5和图7-图8所示的平台包括在1030-1070nm范围下的IRQCW激光源，配置有所公开的拉曼移位器和单通SHG波长转换方案的宽带光发生器。特定颜色的生成取决于在拉曼转换器中最终转换哪个斯托克斯阶。显然，第一阶斯托克斯产生绿光。所产生的第二阶斯托克斯对于输出黄光和橙光以及特定基本波长(例如，1064nm)是必要的。第四阶以及甚至第五阶斯托克斯有助于将转换的光的波长扩展到长红光波长范围。不管输出颜色如何，输出光的线宽至少为1nm，这种输出光不仅可以成功地用于激光照射显示器工业中，而且还可以应用于包括例如标记的许多其它行业。
已经参照附图描述了本发明的实施例，将理解的是，本发明不限于那些特定实施例，并且本领域技术人员可以在本文中执行各种改变、修改和适应，而不偏离所附权利要求中定义的本发明的范围或精神。

Claims (19)

1.一种用于RGB显示器的宽线光发生器，包括：
单模(SM)脉冲型镱(Yb)光纤激光泵浦源，配置为发射选自1030-1120nm波长范围的泵浦波长下的基模(FM)泵浦光；
SM光纤拉曼转换器，被接合到Yb光纤激光泵浦源的输出端并具有导引脉冲型泵浦光的纤芯以及包围所述纤芯的包层，
其中所述拉曼转换器引起所述脉冲型泵浦光的“n”阶频率斯托克斯移位，以输出在期望拉曼移位波长下的脉冲泵浦光，其中所述“n”阶选自由一阶斯托克斯、二阶斯托克斯、三阶斯托克斯、四阶斯托克斯和五阶斯托克斯构成的组；以及
二次谐波发生器(SHG)，包括三硼酸锂(LBO)非线性光学晶体，所述三硼酸锂(LBO)非线性光学晶体接收在拉曼移位波长下的泵浦光，并具有足以覆盖所述泵浦光的宽光谱线的光谱接受线宽，其中所述SHG产生期望拉曼移位波长的一半下的SM脉冲型宽线光，所述SM脉冲型宽线光具有至少为1nm的宽光谱线。
2.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中所述宽线光选择由绿色光、黄色光、橙色光、红色光及其组合构成的组。
3.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中所述宽线光的谱线至少为5nm。
4.根据权利要求3所述的宽线光发生器，其中输出的脉冲泵浦光的谱线至少为15nm。
5.根据权利要求3所述的宽线光发生器，其中所述期望拉曼移位波长的至少为5nm的宽谱线足以在照射所述RGB显示器时实质上减小斑点噪声。
6.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中，所述SM Yb激光泵浦源和SM光纤拉曼转换器均配置有PM光纤，所述PM光纤在石英包层中具有石英纤芯。
7.根据权利要求6所述的宽线光发生器，其中，所述SM拉曼转换器配置有足以引起三阶或四阶频率斯托克斯以将所述泵浦光的泵浦波长转换为期望拉曼移位波长的长度。
8.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中所述SM光纤拉曼转换器包括在石英包层中的磷酸盐玻璃纤芯。
9.根据权利要求8所述的宽线光发生器，其中，所述SM拉曼转换器配置有足以引起一阶频率斯托克斯以将所述泵浦光的泵浦波长转换为期望拉曼移位波长的长度。
10.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中所述Yb光纤激光源配置有主振荡器功率放大器(MOPFA)方案，包括具有发射泵浦波长下的泵浦波束的偏振保持(PM)光纤尾纤以及PM光纤升压器的法布里-珀罗二极管激光器或分布式布拉格反射器(DBR)或分布式反馈激光器(DFB)或波长稳定型激光二极管，其中所述光纤升压器配置为输出几千瓦(kW)的峰值功率的脉冲型泵浦光。
11.根据权利要求10所述的宽线光发生器，其中所述光纤升压器包括：
PM掺Yb有源光纤，具有MM纤芯，所述MM纤芯配置有双瓶颈形横截面且尺寸被设计成支持在泵浦波长下的SFM，
PM SM输入无源光纤，具有导引泵浦光的SM的纤芯，对应无源光纤的纤芯以及掺Yb纤芯具有彼此对接接合的相应端部以提供将SM耦合到掺Yb光纤的MM纤芯的芯端，PM SM输入无源光纤的纤芯以及掺Yb光纤的芯端被配置为使得相应SM和FM的模场直径(“MFD”)实质上彼此匹配，其中在所述掺Yb光纤的MM纤芯中激发FM。
12.根据权利要求10所述的宽线光发生器，还包括以连续波(CW)制式操作的拉曼光种子源，以发射被耦合到SM拉曼转换器中的期望拉曼移位波长下的光。
13.根据权利要求12所述的宽线光发生器，还包括波分复用(WDM)，所述WDM在所述光纤升压器的上游或下游复用所述泵浦光以及期望拉曼移位波长下的光。
14.根据权利要求10所述的宽线光发生器，其中期望拉曼移位波长下的每个信号光脉冲在所述谐振腔中的往返时间与泵浦束重复率相匹配，使得期望拉曼移位波长下的每个后续信号光脉冲在时间上和空间上与耦合到所述拉曼激光器中的泵浦光脉冲一致。
15.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中，所述SM光纤拉曼激光器配置有由石英包层包围的石英纤芯，多个间隔的反射器被写在所述石英纤芯中，从而限定谐振腔。
16.根据权利要求15所述的宽线光发生器，其中，所述SM拉曼激光器包括五个高反射率布拉格光栅。
17.根据权利要求16所述的宽线光发生器，其中，所述拉曼激光器配置为具有或者不具有输出低反射率布拉格光栅，所述输出低反射率布拉格光栅对于期望拉曼移位波长的泵浦光是透明的。
18.根据权利要求15所述的宽线光发生器，其中所述Yb光纤激光源包括脉冲型法布里-珀罗激光器，所述脉冲型法布里-珀罗激光器配置为输出泵浦脉冲串，每个泵浦脉冲具有在微秒范围内的持续时间。
19.根据权利要求1所述的宽线光发生器，其中所述拉曼转换器是拉曼移位器或拉曼激光器。
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