DE19504047C1 - Lasersystem für Farbbildprojektion - Google Patents
Lasersystem für FarbbildprojektionInfo
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Description
Die Anmeldung betrifft ein Lasersystem gemäß dem Oberbegriff der
Ansprüche 1 und 2. Ein solches Lasersystem ist aus der WO
91/12556 bekannt. Hier wird die Herstellung von geeigneten rot/grün/blauen
Strahlen mit mindestens einem, hier sind es zwei, IR-Dauerstrichlaser
(Laserdiode) in dem Wellenlängenbereich 850-1320 nm beschrieben, in dem
die Farben unter Anwendung von Frequenzverdopplung und
Summenfrequenzbildung gewonnen werden und ein optischer
parametrischer Oszillator zur Frequenzkonversion eingesetzt wird.
Aus der DE 43 06 797 C1 ist ein Lasersystem zur Herstellung
der geeigneten rot/grün/blauen Strahlen für eine allgemeine
Farbbildprojektion mit mindestens einem, hier drei, Laser bekannt.
Aus Appl. Phys. Lett. 58(12), 25.03.91, S. 1227-1229,
ist ein Lasersystem zur Herstellung der geeigneten rot/grün/blauen Strahlen
für insbesondere hochauflösende Laserdrucker mit mindestens einem, hier
zwei, IR-Dauerstrichlaser (Laserdiode) in dem Wellenlängenbereich 850 bis
1320 nm bekannt, in dem die Farben durch Frequenzkonversion, und zwar
unter Anwendung von Frequenzverdopplung und Summenfrequenzbildung
gewonnen werden.
Aus Appl. Phys. Lett. 56 (9), 26.02.90, S. 811-813, ist ein
Lasersystem zur Herstellung der geeigneten rot/grün/blauen Strahlen für eine
allgemeine Farbbildprojektion mit einem einzigen Laser bekannt.
Aus Optics Letters, Oct. 15, 1990, Vol. 15, No 20, S. 1129
-1131, ist es bekannt, sowohl die Signalwelle als auch die Idlerwelle eines
OPO′s zu verwenden und aus J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 10,
No. 11, Nov. 93, S. 2151 ist es bekannt, den Abstimmbereich einer
Lichtquelle durch Kombinieren von Frequenzverdopplungs- und /oder
Summenfrequenzbildungsschritten mit stimulierter parametrischer
Wechselwirkung zu vergrößern. Optische parametrische Oszillatoren
(OPO′s) sind beispielsweise aus der DE 42 19 169 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß es eine hohe Strahlqualität mit einem
Strahldurchmesser x Strahldivergenz-Produkt nahe der Beugungsgrenze und
bestimmte Farben im sichtbaren Wellenlängenbereich (RGB) aufweist, die
eine gute Überdeckung des Farbempfindlichkeitsbereiches des menschlichen
Auges durch Farbmischung ermöglichen, eine mittlere optische Leistung von
einigen Hundert Milliwatt bis einige Watt besitzt und durch kleine Bauweise
mit einem guten Wirkungsgrad optimiert ist. Es sollen alle 3 Farben in einem
einzigen Laser mit den genannten Anforderungen erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 2 aufgezeigten
Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und
Weiterbildungen angegeben und nachfolgend an Ausführungsbeispielen
beschrieben.
In diesem Konzept bildet ein effizienter IR-Dauerstrichlaser, der Seltenerd-
oder Übergangselemente verwendet, die einzige größere aktive elektroopti
sche Baugruppe des Systems. Zum Erreichen der geforderten langen Le
bensdauer und hohen Effizienz wird vorgeschlagen, Halbleiterlaserdioden
zur Anregung des IR-Dauerstrichlasers, der Seltenerd- oder
Übergangselemente verwendet, zu benutzen.
Die RGB (Rot, Grün, Blau)-Nutzstrahlen werden aus der IR-Emission des
IR-Dauerstrichlasers, der Seltenerd- oder Übergangselemente verwendet,
durch eine einfache passive nichtlineare Frequenzkonversion abgeleitet.
Durch die gemeinsame Anregungsquelle für alle Farben wird die
Komplexität des Systems minimiert. Mit dem intermittierenden IR-
Dauerstrichlaser; der Seltenerd- oder Übergangselemente verwendet und hohe
Pulsspitzenleistung aufweist wird eine hohe Effizienz der Frequenzkonversion
erreicht. In dem OPO können die Zwischenfrequenzen und damit auch die
Wellenlänge der Nutzstrahlung zur Farbanpassung kontinuierlich
abgestimmt werden.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungs
form des Lasersystems. Die grüne Strahlung im Wellenlängenbereich 510-
550 nm wird durch eine direkte Frequenzverdopplung der Strahlung eines
IR-Festkörperlasers, wie z. B. des wohlbekannten Nd:YAG-Lasers oder
verwandten Lasers wie des Nd:YLF oder Yb:YAG, gewonnen. Aus der
Emissionswellenlänge λ₁ = 1047 nm (z. B. für Nd:YLF) entsteht die geeig
nete Linie bei λg = 524 nm. Nach dem Durchgang durch den
Frequenzverdoppler (SHG) besteht der Strahl aus einem Gemisch der beiden
Wellenlängen der IR Strahlung und der grünen Strahlung.
Mit einem dichroitischem Strahlteiler (51) werden beide Strahlen
unterschiedlicher Wellenlänge voneinander getrennt. In einem weiteren
Strahlteiler (S2) wird dann der grüne Nutzstrahlanteil abgespalten. Der
zweite Teil des grünen Strahles, der als Pumpstrahl der Wellenlänge λg für
den OPO dient, wird dort mit hoher Effizienz in einen Signalstrahl der
Wellenlänge λs und einen Idlerstrahl der Wellenlänge λi konvertiert. Durch
Wahl einer geeigneten Kristallorientierung und/oder Kristalltemperatur des
nichtlinearen Kristalls im OPO können die Ausgangswellenlängen λs und λi
(unter Berücksichtigung der Energierhaltungsbedingung ωg = ωs + ωi)
festgelegt werden.
Der IR-Strahl des Lasers wird mit einem Strahlteiler (S3) aufgeteilt, die
beiden Teilstrahlen anschließend mit Hilfe zweier dichroitischer Spiegel (S4
und S5) jeweils mit den Signal- und Idlerstrahl überlagert und anschließend
in nichtlinearen Kristallen (SFGS und SFGI) mit hoher Effizienz gemischt.
Die Frequenzen ωs und ωi werden so gewählt, daß die Summe ihrer
Frequenzen mit der Frequenz der Grundwelle des IR-Lasers ω₁ die
Frequenzen der benötigten Farben blau, ωb = ω₁ + ωi bzw. rot
ωr = ω₁ + ωs in den geforderten Wellenlängenbereichen ergeben.
Mit der Verwendung eines Nd:YLF-Lasers mit der IR-Grundwellenlänge λ₁
= 1047 nm könnten mit diesem Aufbau z. B. die folgenden geeigneten RGB-
Wellenlängen hergestellt werden:
λr = 620 nm
λg = 524 nm
λb = 450 nm
λg = 524 nm
λb = 450 nm
Die Signal- und Idlerwellenlängen des OPO′s waren in diesem Falle:
λs = 789 nm
λi = 1520 nm
λi = 1520 nm
Als weitere Ausführungsformen dieser Erfindung ist es möglich, mit einer
Laserwellenlänge in einem kurzwelligeren Bereich (860-920 nm) als erstes
die blaue Wellenlänge im Wellenlängenbereich 430-460 nm durch
Frequenzverdopplung zu erzeugen und die restliche Laserwelle zum Pumpen
des OPO′s zu benutzen und dann anschließend die übrigen Farben grün und
rot durch Frequenzmischung der IR-Laserstrahlung mit der Signal- bzw.
Idlerstrahlung wie vorher herzustellen.
Eine weitere mögliche Variante wäre die Verwendung der IR-Laserstrahlung
zum Pumpen des OPO′s und Frequenzmischung der frequenzverdoppelten
bzw. verdreifachten IR-Strahlung mit der Signal- bzw. der Idlerstrahlung zur
Erzeugung der zusätzlichen zwei Farben.
Der Bedarf an optischer Leistung bzw. die Gesamteffizienz lassen sich für
ein derartiges System im praktischen Fall wie folgt abschätzen: Mit 40 W
mittlerer Leistung bei λ₁ = 1,047 µm lassen sich 12 W mittlere Leistung bei
λg = 524 nm erzeugen. Ein Wirkungsgrad von 30% für die
Frequenzverdopplung wird in lampengepumpten, modengekoppelten
Hochleistungslasern erreicht. Wirkungsgrade bis zu 50% in
diodengepumpten Systemen erscheinen aufgrund verbesserter Strahlqualität
möglich und wurden mit niedrigeren Leistungen demonstriert (G.P.A.
Malcolm, M. Ebrahmzade, A.I.Ferguson "Efficient Frequency Conversion
of Mode-Locked Diode-Pumped and Tunable All-Solid-State Laser
Sources", IEEE J. Quant. Electr. 28 (1992) 1172).
Photonenkonversionseffizienzen von jeweils 30% in den Signal- und
Idlerstrahl werden in einem OPO erwartet, so daß ca. 2,6 W bzw. 1,4 W bei
den Wellenlängen Xs = 789 nm und λi = 1520 nm zur Verfügung stehen. Die
Summenfrequenzerzeugung mit der restlichen, sehr intensiven Strahlung der
Wellenlänge λ₁ (20-30 W) erlaubt eine Quanteneffizienz von ca. 30%, was
zu Ausgangsleistungen von 1-2 W für die rote und blaue Nutzstrahlung
führt.
Der optische Wirkungsgrad bei der Konversion der Pumpdiodenstrahlung in
die primäre IR-Laserstrahlung beträgt heute typisch 30-40%, der elektrisch
optische Wirkungsgrad der Pumpdiode ist 30-50%. Der gesamte elektrisch
optische Wirkungsgrad von einigen Prozent dürfte damit erreichbar sein.
Als nichtlineare Kristalle für die Frequenzverdopplung, im OPO und für die
Summen- bzw. Differenzfrequenzerzeugung können prinzipiell alle
effizienten nichtlinearen Materalien wie z. B. Kalium Titanyl Phosphat (KTP)
oder Beta Barium Borat (BBO), Lithium Triborat (LBO), Kalium Titanyl
Arsenat, Kalium- und Lithium Niobat oder auch Lithium Jodat eingesetzt
werden. Prinzipiell kommen auch Polymere mit hohen nichtlinearen
Koeffizienten in Frage.
Grundsätzlich können die hier beschriebenen Frequenzumwandlungsprozesse
sowohl mit Laserstrahlung im Dauerstrich als auch mit gepulster
Laserstrahlung realisiert werden. Da die Effizienz dieser Prozesse in erster
Näherung proportional der Leistungsdichte der Strahlung ist, besteht hier ein
erheblicher Vorteil in der Verwendung von gepulsten Systemen mit hoher
Pulsspitzenleistung, wie sie modengekoppelte Laser bieten.
Nach dem heutigen Stand der Technik ist das Erreichen einer vergleichbaren
Gesamteffizienz in Dauerstrichsystemen erheblich schwieriger, komplexer
und kostenintensiver.
Bei der Verwendung von gepulsten Systemen zur Bildprojektion mit der
schnellen Ablenkung des Laserstrahles über die Bildfläche und der
gleichzeitigen Modulation der Strahlintensität der drei kollinearen RGB-
Strahlen ist es notwendig, daß die Pulswiederholfrequenz des Lasers
mindestens gleich oder höher ist als die Bildpunktfrequenz (Pixelfrequenz).
Je nach eingesetztem Projektionsstandard liegt diese im Bereich von 10-100
MHz.
Für diese hohe Pulsfrequenz sind vor allem die modengekoppelten
Dauerstrichlaser geeignet. Es kann sowohl eine aktive Modenkopplung, z. B.
mit Hilfe von akustooptischen Modulatoren bzw. eine passive
Modenkoppelung mit geeigneten ausbleichbaren Materalien innerhalb des
Resonators, zum Erreichen der hohen Pulsfrequenz eingesetzt werden. Mit
einer optischen Länge des Resonators von L₀ ergibt sich als
Pulswiederholfrequenz f des modengekoppelten Lasers:
f=c/2L₀
wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bezeichnet. Zum Erzielen von
100 MHz muß die optische Länge L₀ = 150 cm und von 1 GHz, L₀ = 15 cm
sein. Die verwendete Pulswiederholfrequenz wird sich nach dem
Anwendungsfall richten. Es wird aber vorteilhaft sein, die
Pulswiederholfrequenz deutlich höher zu wählen als die Bildpunktfrequenz,
damit eventuelle Frequenz-, Phasen- bzw. Intensitätsfluktuationen möglichst
wenig die Qualität der Bildwiedergabe beeinflussen.
Als modengekoppelte IR-Laser für diese Anwendungen sind vor allem die
diodengepumpten Laser der Seltenenerden wie Neodymium und Ytterbium
oder Übergangsmetalle wie Titan oder Chrom geeignet. In Zukunft werden
wahrscheinlich weitere Kandidaten für effiziente Dauerstrichlaser in dem
besonders geeigneten Spektralbereich von 850-1320 nm zur Verfügung
stehen. Für diese Anwendung kommen sowohl linear aufgebaute
Kristallaser, Ringlaser als auch Glasfaserlaser dotiert mit diesen laserfähigen
Ionen in Frage.
Zur Frequenzverdopplung eignen sich Anordnungen, bei denen der gepulste
Strahl direkt ohne weitere optische Hilfseinrichtungen in den
Frequenzverdoppler-Kristall fokussiert wird. Bei modengekoppelten Lasern
kann eine Effizienz der Frequenzverdopplung bereits bis 50% erreicht
werden.
Externe Resonatoren können auch zur Verbesserung der Effizienz durch
Erhöhung der Verweilzeit der IR-Welle im Frequenzverdoppler eingesetzt
werden. Dafür eignen sich sowohl lineare Resonatoren als auch
Ringresonatoren. Diese beiden Resonatorstrukturen können auch bei dem
optisch parametrischen Oszillator eingesetzt werden. Die Summenfrequenz
wird vorzugsweise in einem nichtlinearen Kristall ohne weitere optische
Hilfsmittel erzeugt.
Zur Erhöhung der Effizienz sind auch Anordnungen in Betracht zu ziehen,
bei denen einzelne Frequenzkonversionsschritte innerhalb eines Resonators
(intracavity) stattfinden.
Claims (5)
1. Lasersystem zur Herstellung von rot/grü/blauen Strahlen aus
mindestens einem IR-Dauerstrichlaser des Wellenlängenbereichs 850 bis
1320 nm durch Frequenzkonversion, nämlich mindestens durch
Frequenzmischung und entweder Frequenzverdopplung oder
Frequenzverschiebung in einem optischen parametrischen Oszillator,
dadurch gekennzeichnet, daß für eine allgemeine Farbbildprojektion ein
einziger modengekoppelter IR-Dauerstrichlaser, der Seltenerdelemente oder
Übergangsmetalle verwendet, eingesetzt wird und daß nach der
Frequenzverdopplung eines Teils der IR-Strahlung diese
frequenzverdoppelte Strahlung zum Teil direkt für die Bildprojektion benutzt
wird, und ein weiterer Teil der frequenzverdoppelten Strahlung als
Pumpstrahlung für einen optischen parametrischen Oszillator (OPO)
verwendet wird und der geeignete Zwischenfrequenzen als Signal- und
Idlerwelle herstellt, die nach einer Frequenzmischung mit dem restlichen
Teil der IR-Strahlung in je einem nichtlinearen Kristall je eine der beiden
übrigen Farben erzeugt.
2. Lasersystem zur Herstellung von rot/grün/blauen Strahlen aus
mindestens einem IR-Dauerstrichlaser des Wellenlängenbereichs 850 bis
1320 nm durch Frequenzkonversion, nämlich mindestens durch
Frequenzmischung und entweder Frequenzverdopplung oder
Frequenzverschiebung in einem optischen parametrischen Oszillator,
dadurch gekennzeichnet, daß für eine allgemeine Farbbildprojektion ein
einziger modengekoppelter IR-Dauerstrichlaser, der Seltenerdelemente oder
Übergangsmetalle verwendet, eingesetzt wird und daß nach der
Frequenzverdopplung eines Teils der IR-Strahlung diese
frequenzverdoppelte Strahlung zum Teil direkt für die Bildprojektion benutzt
wird, daß die restliche, also nicht frequenzverdoppelte IR-Strahlung als
Pumpstrahlung für einen optischen parametrischen Oszillator (OPO)
verwendet wird und daß die restliche frequenzverdoppelte Strahlung mit der
Signal-und der Idlerwelle des OPO′s in je einem nichtlinearen Kristall durch
Frequenzmischung die zwei zusätzlichen Farben erzeugt.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Farben rot/blau/grün in jeweils den Wellenlängenbereichen 620-630
nm, 510-520 nm, 440-460 nm erzeugt werden.
4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die mittlere Leistung der einzelnen Strahlen rot/blau/grün je nach
Anwendung, der erforderlichen Größe der Projektionsfläche, der Intensität
der Hintergrundbeleuchtung und der erforderlichen Helligkeit der Bildfläche
angepaßt ist.
5. Lasersystem nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz des modengekoppelten Lasers
mindestens gleich der verwendeten Bildpixelfrequenz der Bildprojektion ist.
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