专利名称：相干光源和使用该光源的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用波长变换元件的相干光源以及使用该光源的光学装置。
背景技术：
已开发了固体光纤激光器来作为高输出激光光源。这种使用具有掺杂光纤的激光放大器、且具有高输出并容易改善光束质量的激光光源已广泛地用作高输出激光光源。具有双包层(double clad)结构的光纤激光器能够对激励泵浦光源进行多级放大，从而能够产生高输出。此外，通过将激光光线限制在芯区中，可以实现单模式振荡，并可以在保持高光束质量的同时实现高输出的激光光线。光纤激光器的振荡处于红外光区，而作为对于可见区的应用，提出了通过波长变换来缩短振荡光的波长。目前，针对使用光纤激光器或光纤放大器的激光振荡，实现了向光纤的芯区添加镱、钕、铒或镱/铒的结构。关于振荡波长，对于掺镱光纤，振荡可以发生在1030到1100nm附近，对于掺钕光纤，振荡可以发生在1060nm附近，以及对于掺铒或镱/铒光纤，振荡可以发生在1550nm附近。作为用于输出可见光的光源，已实现了具有如下配置的光源将掺镱或钕光纤的输出变换为二次谐波，并产生波长在530nm附近的绿光；或者将掺铒或镱/铒光纤的输出变换为二次谐波，并产生770nm附近的近红外光。
另一方面，使用光纤激光器来产生蓝光也处于研究中。专利文献1(JP-A-2004-503098)公开了一种通过将掺钕光纤产生的910nm光的基波变换为二次谐波的波长、来产生455nm附近的蓝光的配置。
如上所述，使用光纤放大器的激光振荡能够实现高效率和高输出的激光振荡。但是，在这种情况下，使用光纤的蓝光的直接振荡比较困难。因此，如专利文献1中所述，正在研究通过产生更高谐波来缩短发射光的波长。如果通过光纤激光器产生波长在900nm附近的光，则可以通过产生二次谐波来输出蓝光。
专利文献1JP-A-2004-503098发明内容本发明要解决的问题然而，波长在900nm附近的光在激光介质中被大量吸收，从而类似固体激光器等，使用具有较大的相互作用长度的光纤的激光光源在产生900nm附近的光方面效率较低，并且难以提高光源的效率和输出。因此，难以实现高效率的W类光源。
本发明提供了一种使用其光纤激光器产生效率比900nm附近的光更高的光，来高效地发射蓝光区中的光的相干光源。
此外，本发明提供了一种能够同时产生蓝光和绿光的相干光源。
此外，本发明提供了一种能够同时产生包括红光、蓝光和绿光的三种颜色的光的相干光源。
解决问题的手段本发明的一个方案提供了一种相干光源，包括光源单元，具有掺杂光纤，从掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，具有接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件。
在本发明的一个方案中，第一波长变换元件优选地接收第一波长的光，并发射第一波长的光的二次谐波。
在本发明的一个方案中，波长变换元件单元还优选地包括第二波长变换元件，接收第一波长的光的二次谐波和第二波长的光，并发射具有二次谐波与第二波长的光的和频率的光。
在本发明的一个方案中，光源单元优选地具有含有铒或铒和镱的第一掺杂光纤、以及含有镱的第二掺杂光纤。
在本发明的一个方案中，第一波长优选地是大约1540nm；第二波长优选地是大约1080nm；以及波长变换元件单元优选地接收第一波长的光和第二波长的光，并发射波长大约为450nm的光。
在本发明的一个方案中，波长变换元件单元还优选地包括第三波长变换元件，接收第二波长的光，并发射第二波长的光的二次谐波。
在本发明的一个方案中，波长变换元件单元还优选地包括第四波长变换元件，接收第一波长的光和第二波长的光，并发射具有第一波长和第二波长的和频率的光。
在本发明的一个方案中，优选地，第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；以及第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分。
在本发明的一个方案中，优选地，第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分；以及第四波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分。
在本发明的一个方案中，第一波长变换元件和第二波长变换元件中的至少一个优选地包括掺杂镁的LiNbO3、掺杂镁的LiTaO3和KTiOPO4中的至少一个，理想配比成分的掺杂镁的LiNbO3和理想配比成分的掺杂镁的LiTaO3具有周期偏振反转结构。
在本发明的一个方案中，光源单元还优选地包括主光源，产生进入掺杂光纤的光。
在本发明的一个方案中，优选地，光源单元能够与驱动单元相连，所述驱动单元提供用于驱动光源单元的脉冲状能量。
在本发明的一个方案中，优选地，光源单元具有两根掺杂光纤和两个主光源；以及两个主光源能够与驱动单元相连，并在接收到具有相同周期和相同相位的脉冲状能量时进行操作。
在本发明的一个方案中，掺杂光纤优选地含有镱、铒、铒/镱、钕、镨、铬、钛、钒和钬中的至少一种。
在本发明的一个方案中，第一波长变换元件和第二波长变换元件优选地具有单一非线性光学结晶结构。
在本发明的一个方案中，光源单元优选地具有单一掺杂光纤。
在本发明的一个方案中，掺杂光纤优选地是掺铒/镱光纤。
在本发明的一个方案中，优选地，两个主光源中的至少一个是半导体激光光源。
在本发明的一个方案中，相干光源还优选地包括光纤，用于接收从波长变换元件单元发射的光。
本发明的一个方案提供了一种光学装置，包括光源单元，具有掺杂光纤，从掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，具有接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件；以及图像变换单元，接收从相干光源发射的光，并控制从所述相干光源发射的光的二维强度分布。
本发明的有益效果根据本发明，实现了一种使用光纤激光器的蓝光区的相干光源。该相干光源的效率高，并能够产生高输出。
图1是根据本发明第一实施例的相干光源示例的配置图；图2是具有布拉格光栅的掺杂光纤的配置图；图3是根据本发明第一实施例的相干光源示例的配置图；图4是根据本发明第一实施例的相干光源示例的配置图；图5是根据本发明第一实施例的相干光源示例的配置图；图6是根据本发明第二实施例的相干光源示例的配置图；图7A是根据本发明第二实施例的相干光源示例的配置图；图7B是根据本发明第二实施例的相干光源示例的配置图；图8是根据本发明第二实施例的相干光源示例的配置图；图9是根据本发明第二实施例的相干光源示例的配置图；图10A是光源单元的驱动信号的示例图；
图10B是驱动电源与光源单元之间的连接的示例图；图11是根据本发明第三实施例的相干光源示例的配置图；图12A是根据本发明第三实施例的相干光源示例的配置图；图12B是根据本发明第三实施例的相干光源示例的配置图；图13是根据本发明第三实施例的相干光源示例的配置图；图14是根据本发明第三实施例的相干光源示例的配置图；图15是根据本发明第四实施例的光学装置示例的配置图；图16是根据本发明第四实施例的光学装置示例的配置图；图17是根据本发明第四实施例的光学装置示例的配置图；以及图18是根据本发明第四实施例的适用于光学装置的相干光源示例的配置图。
字母或数字的说明101、103主光源102、104、1002 泵浦光源105、106、204、301、302 掺杂光纤107、303、401、403 SHG元件501、505、511、517 SHG元件108、402、406、503 SFG元件507、513、515 SFG元件109a脉冲驱动电源109b驱动电源151 布拉格光栅801 相干光源802 准直光学系统803、907积分器光学系统804 扩散板805、909液晶板806 屏幕807 投影透镜
901相干光源902、903 反射镜905屏幕911德布罗意波棱镜913r、913g、913b、915 透镜2002 波片3007 非线性光纤具体实施方式
在光纤激光器中，类似固体激光器的用于产生900nm附近的激光光线和通过波长变换来产生蓝色光的光源在产生900nm附近的光的效率方面较低，难以实现高效率和高输出。本申请提出了一种使用光纤激光器的蓝色光源，该光纤激光器用于发射波长在1080nm和1540nm附近的光，并具有增强的高输出性能。
根据本发明实施例的光源具有光纤，并且是用于产生蓝光区的相干光的光源(相干光源)。这种光源具有高输出光纤激光器，还具有可以通过波长变换元件来高效波长在发射蓝光区中的光的配置，其中波长变换元件用于变换从光纤激光器发射的光的波长。
此外，根据本发明的光源具有能够产生蓝光源的高输出、同时产生绿光和蓝光、以及同时产生红光、绿光和蓝光的配置。
此外，根据本发明实施例的显示设备是使用根据本发明的光源的显示设备。
(第一实施例)图1是根据本发明第一实施例的相干光源的配置图。参考图1，简要解释根据本实施例的相干光源的配置和操作。构成光纤放大器的掺杂光纤105发射波长为1ambda_1的光，波长为lambda_1的光是从主光源101发射的，并由泵浦光源102和掺杂光纤105放大。构成另一光纤放大器的掺杂光纤106发射波长为lambda_2的光，波长为lambda_2的光是从主光源103发射的，并由泵浦光源104和掺杂光纤106放大。根据第一实施例，主光源101和103、泵浦光源102和104、以及掺杂光纤105和106构成光源单元。此外，在其他实施例中，光源单元相似地由主光源、泵浦光源和掺杂光纤构成。SHG(二次谐波产生)元件107将从掺杂光纤106发射的波长lambda_2的光变换为具有波长lambda 2/2(＝lambda_3)的SHG光(二次谐波)。从光纤放大器105发射的波长lambda_1的光、以及从SHG元件107发射的波长lambda_3的SHG光进入和频率产生(SFG)元件108，并变换为具有和频率的光。构成由元件108变换和产生的具有和频率的光的SFG光110的波长lambda_4是lambda_4＝(lambda_1×lambda_3)/(lambda_1+lambda_3)＝(lambda_1×lambda_2)/(2×lambda_1+lambda_2)。因此，SFG元件108发射具有波长lambda_4的SFG光110。依照使波长lambda_4包含在蓝光区中的方式，选择从掺杂光纤105和106发射的光的波长lambda_1和lambda_2，并设计SHG元件107和SFG元件108。由此，蓝光可以由构成光纤放大器的掺杂光纤105和106、以及构成波长变换元件的SHG元件107和SFG元件108产生。根据第一实施例，SHG元件107和SFG元件108构成波长变换元件单元。在其他实施例中，波长变换元件单元也是由SFG元件和SHG元件构成的。附带地，SFG元件是波长lambda_a的光和波长lambda_b的光进入的、并发射具有满足关系lambda_c^(-1)＝lambda_a^(-1)+lambda_b^(-1)的波长lambda_c的光的元件。SHG元件是在前述SFG元件中lambda_a等于lambda_b的情况下、通过波长lambda_a的光进入来发射lambda_c＝lambda_a/2的光的波长变换元件。以下详细解释根据本发明的相干光源的原理。
第一光纤放大器中包含的掺杂光纤105具有掺镱光纤。掺杂光纤105能够产生波长大约为1030到1100nm的光。另一方面，构成第二光纤放大器的掺杂光纤106具有掺铒或铒/镱光纤。掺杂光纤106能够产生波长在1540nm附近的光。SHG元件107是能够将波长在1540nm附近的光变换为SHG光、并且能够产生770nm附近的SHG光的元件。
SFG元件108产生具有前述两种光(波长lambda_1和lambda_3的光)的和频率的光，从而可以产生波长在包含于蓝光区中的440nm到460nm附近的蓝光。
光纤激光光源可以由泵浦光源、以及通过在光纤的每个端面上形成反射镜来构成光纤共振器的掺杂光纤105和106配置而成，或者可以使用主光源101和103、以及泵浦光源102和104来配置，从主光源101和103发射的光由泵浦光源102、泵浦光源104和构成光纤放大器的掺杂光纤105和106放大。
如图2所示，在使用共振器的前述配置中，具有周期性光栅结构的布拉格光栅151可以用作掺杂光纤105(和106)。考虑到波长变换元件的相位匹配波长的变化，优选地设计布拉格光栅151，使其反射大约数个nm的较宽波长范围的光。在光栅等使波段变窄的情况下，由于拉曼散射等现象，可能难以在高输出的同时使激光的振荡波长的波段变窄。一般而言，波长变换元件的相位匹配波长的容限较窄。因此，在将光纤配置为激光共振器的情况下，进入波长变换元件的光具有较宽的波长波段，从而显著降低了变换效率。考虑到这点，依照由泵浦光源102和104以及掺杂光纤105和106放大从主光源101和103发射的光的方式，适当地配置光纤放大器。此外，用诸如DBR激光器或DFB激光器之类的半导体激光器来适当地配置主光源101和103。在这些半导体激光器中，振荡波长由激光器中配置的光栅来固定，从而可以将振荡波长精确地调谐到波长变换元件的相位匹配波长。此外，在激光光线由光纤放大器放大的情况下，可以抑制由光纤的非线性效应引起的波长谱的增加(展宽)，从而可以实现高效的波长变换。
可以对诸如DFB或DBR激光器之类的半导体激光器的输出进行高速调制，从而带来的优点在于，可以对由光纤放大器和波长变换元件变换波长的光进行高速调制。在进入掺杂光纤105和106的主光源101和103的激光光线是脉冲驱动的情况下，可以实现Q开关操作，并可以产生具有高峰值的脉冲光。SHG和SFG波长变换元件107和108利用非线性光学效应。因此，通过增加功率强度，显著提高了变换效率。因此，相比于平常的CW光，使用高峰值的波峰功率有利地将变换效率提高了多个数量级。半导体激光器可以有利地用作光源，以通过输出调制和Q开关操作来改善变换效率。
在使用半导体激光器的情况下，必须注意几点。
一点在于，在对半导体激光器进行调制的情况下，希望抑制与输出调制同时发生的波长改变的啁啾(chirping)。在啁啾发生的情况下，激光光线的振荡波长偏离SHG元件107和SFG元件108的相位匹配波长的容限，从而经常导致变换效率降低和输出调制波形失真的问题。为了防止该问题，优选地将具有三电极结构的DBR激光器用作激光光源。通过配置包括驱动电极、DBR电极和相位电极的三电极DBR激光器，并同时将输入驱动电极部分的调制波形和输入相位电极部分的调制波形作为输出调制来应用，可以抵消由注入半导体激光器的电流产生的热，并可以防止激光的啁啾。将这种配置应用于包括在光纤放大器中的泵浦光源102和104，可以抑制从掺杂光纤105和106发射的激光光线的啁啾，并以构成波长变换元件的SHG元件107和SFG元件108实现高效的波长变换。
另一问题在于，在通过主光源101和103的脉冲驱动进行Q开关操作时，要求精确的脉冲波形匹配。参考图3，解释光纤放大器的脉冲驱动方法。通过将用于驱动主光源103的电源109作为脉冲驱动电源来产生主光源103的脉冲状输出，可以提高变换效率。但是，在这种情况下，铒或铒/镱激光器103、104和106优选地是脉冲驱动的。原因在于波长变换元件的变换效率与基波波长的立方成反比。作为产生基波的光源，铒或铒/镱激光器103、104和106具有1540nm的最长波长，因而其变换效率在光源中最低。为了改善这种情况，产生基波的光源由脉冲驱动，从而有效地提高变换效率。具体地，通过对具有最长波长的光源进行脉冲驱动，可以最有效地提高变换效率。通过对进入构成铒或铒/镱光纤放大器的掺杂光纤106的主光源103进行脉冲驱动，来提高变换效率。
此外，通过进入SFG元件108的两束光的脉冲驱动来提高SFG元件108的效率，可以实现更高的变换效率。但是，除非从构成进入SFG元件108的两束光的光源的掺杂光纤105和106中发射的脉冲光在时间上彼此同步，否则，两束脉冲光的波峰在SFG元件108中未重叠，无法获得高效率。参考图4，示出了两个主光源101和103的脉冲驱动的配置。两个主光源101和103由相同的脉冲驱动电源109a或同步脉冲驱动电源驱动，因此，从掺杂光纤105和106发射的脉冲光在时间上是彼此同步的。图4所示的配置可以实现如下控制操作由单个脉冲驱动电源109a将两个主光源101和103的脉冲振荡同步，以及从掺杂光纤105和106中同时产生光脉冲。
SHG元件107和SFG元件108是适合的波长变换元件，每一个包括具有周期性偏振反转结构的非线性光学晶体。作为具有偏振反转结构的波长变换元件，优选的是KTiOPO4、LiNbO3、LiTaO3、掺杂镁的LiNbO3或LiTaO3、或理想配比的LiNbO3或LiTaO3。这些晶体具有高非线性常数，从而可以实现高效率的波长变换。
此外，这些晶体具有可以通过改变其周期性结构来自由设计相位匹配波长的优点。通过利用该特征，可以由单一光学晶体来产生蓝光。图5是根据具有整体地包括SHG元件401和SFG元件402的波长变换元件的实施例的光源结构图。通过设计偏振反转周期，可以在相同的结晶体上形成SHG元件401和SFG元件402。可以使用掺杂镁的LiNbO3作为构成元件401和402的晶体。例如，具有1540nm波长的基波202从构成光源的掺杂光纤106射出，而具有1080nm波长的基波201从构成光源的掺杂光纤105射出。在这种情况下，基波201和202的波长由主光源101和103的振荡波长确定，振荡波长不限于所示的波长。在本示例中，构成波长变换元件之一的SHG元件401包括周期为27.2微米的偏振反转结构，SFG元件402包括周期为4.1微米的偏振反转结构。这些具有不同周期的偏振反转结构形成在一个掺杂镁的LiNbO3晶体中。SHG元件401将1540nm的光(基波202)变换为770nm的SHG光。然后，SFG元件402产生波长为450nm的蓝光，该蓝光构成了具有770nm的SHG光与1080nm的光(基波201)的和频率的光。此外，形成在单个晶体上的SHG元件401和SFG元件402有助于光源的简化和尺寸减小。
顺带地，虽然根据本发明的配置使用半导体激光器作为主光源101和103，但是可以使用光纤激光器或固体激光光源作为主光源。
在根据本实施例的配置中，两个光源包括光纤放大器102、104、105和106。尽管如此，可以使用固体激光光源。此外，可以使用固体激光光源或半导体激光器作为这两个激光光源或两者之一。例如，通过使用产生波长为980nm的光的半导体激光器和1550nm的光纤激光光源、变换从光纤激光光源射出的光(将光波长变换为原始波长的一半)、以及产生775nm的SHG光与980nm的基波的和频率，可以产生430nm的蓝光。半导体激光器光源的尺寸可以减小，从而有效地减小根据本发明的相干光源的尺寸和成本。
虽然根据本实施例的配置包括光纤激光器作为激光放大器，但是可以用半导体放大器替代光纤激光器。半导体放大器可以由电流激励，从而能够有效地减小光源的尺寸。
使用掺铒或铒/镱光纤作为构成光纤放大器的掺杂光纤106，或者使用掺镱光纤作为构成光纤放大器的掺杂光纤105，可以产生380到410nm附近的蓝光。
除了上述激光器，还可以通过含有钕、镨、铬、钛、钒和钬元素的离子之一的配置，实现光纤放大器。在使用掺钕光纤的情况下，在1060nm附近的光发射更加便利。此外，对于前述除钕之外的其他离子，也可以实现不同波长的光源。
(第二实施例)根据本实施例的相干光源具有如下配置能够同时产生具有多个波长区(例如，蓝色和绿色两个波长区)中的波峰的相干光。图6是根据本实施例的相干光源的配置图。SHG元件107将从构成掺铒/镱光纤的掺杂光纤302中射出的波长为1540nm的光变换为波长为770nm的光。SFG元件108将从构成掺镱光纤的掺杂光纤301中射出的波长为1080nm的光和波长为770nm的SHG光变换为构成波长为450nm的蓝光的SFG光110。此外，第二SHG元件303将射出但未被SFG元件108变换的波长为1080nm的光分离开来，并将其变换为构成波长为540nm的绿光的SHG光304。根据本实施例的相干光源能够同时产生绿光(例如，波长为540nm的光)和蓝光(例如，波长为450nm的光)。根据本实施例的相干光源使用波长为1080nm且未被SFG元件108变换的基波，来产生SHG光304。因此，可以提高光源总体上的利用率，并降低功耗。此外，可以由单光源同时产生蓝光和绿光，从而可以减小光源尺寸，简化结构。
此外，如图7A所示，可以将SHG元件401、SFG元件402和SHG元件403集成(集成为单片元件)，以实现小型光源。在波长变换元件401、402和403中，在掺杂镁的LiNbO3晶体上，具有27.2微米的周期的偏振反转结构可以形成在具有1540nm波长的基波202的SHG元件401所代表的部分中，具有4.1微米的周期的偏振反转结构可以形成在SFG元件402所代表的部分中，具有7.3微米的周期的偏振反转结构可以形成在具有1080nm波长的SHG元件403所代表的部分中。基波202由SHG元件401变换为SHG光203，SHG光203和基波201由SFG元件402变换为SFG光404。此外，基波201由SHG元件403变换为SHG光405。通过将SHG元件401、403和SFG元件402转换为单片元件，减小了光源尺寸，降低了成本。对SFG、SHG等的自由控制可以简单地通过设计周期性偏振反转结构的周期来实现，从而可以非常有效地制造单片元件。
此外，通过设置构成第二和频率元件的SFG元件406，可以同时产生红色、蓝色和绿色三种波长。图7B示出了该配置。波长变换元件包括SHG元件401和403以及SFG元件402和406。此外，通过将构成波长变换单元的波长变换元件401、402、403和406集成到一个衬底上，可以减小光源尺寸。可以依照如下方式来在掺杂镁的LiNbO3晶体上形成波长变换元件具有27.2微米的周期的偏振反转结构形成为构成了波长为1540nm的基波202的SHG元件401的部分，具有4.1微米的周期的偏振反转结构形成为构成了SFG元件402的部分，具有11.7微米的周期的偏振反转结构形成为构成了SHG元件406的部分，具有7.3微米的周期的偏振反转结构形成为构成了波长为1080nm的SHG元件403的部分。具有1540nm波长的基波202由SHG元件401变换为具有770nm波长的SHG光203，具有770nm波长的SHG光203和具有1080nm波长的基波201由SFG元件402变换为具有450nm波长的SFG光(蓝色)404。此外，具有1080nm波长的基波201由SHG元件403变换为SHG光(绿色)405。此外，具有1080nm波长的基波201和具有1540nm波长的基波202由SFG元件406变换为具有635nm波长的SFG光(红色)407。因此，可以同时产生红(R)光、绿(G)光和蓝(B)光。由这种光源产生的三种颜色的光的所有波长具有高发光率，非常适合显示应用。此外，因为可以由两种基波光源同时产生三种颜色，所以可以提高基波的利用率。关于波长变换的顺序，优选的是首先变换为1540nm的SHG光。如上所述，这是因为该波长最长，从而变换效率最低。之后，优选地产生具有和频率的蓝光，接着产生具有和频率的红光，最后产生构成1080nm的SHG光的绿光。采用以变换功率下降的顺序进行变换，并进一步使用外来光进行变换，提高了利用率，从而可以总体上实现光源的高输出。此外，关于绿光的产生，可以通过停止或至少减少1540nm波长的光的输出，来停止或至少抑制两种和频率的产生，从而可以将1080nm的光只用于绿光的产生。因此，除了红光和蓝光的产生，还可以单独实现绿光的高输出产生。在RGB光源用于激光显示器的情况下，发光率要求绿光的输出功率比红光和蓝光的输出功率高。因为可以比另外的光更加高效地利用绿光，所以根据本发明的配置是优选的。作为基波光源的波长区，使用1550+50或-50nm附近的波长和1080+50或-50nm附近的波长可以实现RGB光的同时产生。在使用掺铒光纤的情况下，可以输出1550+50或-50nm附近的波长的光，而在使用掺镱光纤的情况下，可以输出1080+50或-50nm附近的波长的光。使用该波长区中的光源可以产生红光区中610到660nm波长、蓝光区中430到470nm波长和绿光区中515到565nm波长的光。
此外，由光源103、104和302产生的光的波长优选地是1500到1570nm。原因在于对于1570nm或更长的波长，由具有1060nm附近波长的其他光源101、102和301的和频率产生的红光的波长增加到640nm或更长，从而降低了显示应用的发光率。降低的发光率提高了所需的功率，从而增大了功耗。因此，红光的波长最好不大于640nm。为满足该条件，从光源103、104和302发射的光的波长最好不大于1570nm。另一方面，在从光源103、104和302发射的光的波长减小到或低于1500nm的情况下，红光波长减小到或低于620nm。由于红光波长减小到或低于620nm，红光显示范围变窄，颜色再现性恶化。因此，为了确保红光波长不小于620nm，从光源103、104和302发射的光的波长最好不小于1500nm。更好的是1540到1560nm。原因在于在掺铒/镱光纤302中，针对泵浦光的变换效率最高。
另一方面，从光源101、102和301发射的光的波长优选地在1060nm到1090nm的范围中。这个波长区是掺镱光纤激光器301的变换效率较高的区域，从而可以降低功耗。更好的是1065到1080nm。使用这个波长区域可以实现较高的颜色再现性。
图8和9示出了能够同时产生RGB光的光源配置。在图8所示的光源中，使用来自第一光源单元101、102和301的1554nm的光、以及来自第二光源单元103、104和302的1084nm的光，来同时产生RGB光。
SHG元件501将部分1084nm的激光光线变换为542nm的绿光，并将542nm的光射向外部。将部分1554nm的激光光线与1084nm的激光光线组合，由SFG元件503产生具有639nm的和频率的红光。从而将红光射向外部。此外，SHG元件505将1554nm的光变换为777nm的光，SFG元件507将777nm的光和1084nm的光变换为和频率，从而产生457nm的蓝光。这种配置能够从两个光源单元同时产生RGB光。
以下解释图9所示的光源配置。SHG元件511将从第二光源单元103、104和302的1084nm发射的1554nm的激光光线的一部分变换为777nm的光。SFG元件513将777nm的光和1084nm的光的一部分变换为具有453nm和频率的光，将453nm的光射向外部。此外，SFG元件515将1084nm和1554nm的激光光线的一部分变换为639nm的和频率。此外，SHG元件517将1084nm的光变换为542nm的绿光。
从RGB变换效率来看，图9所示的配置是优选的。如前所述，随着波长的增加，波长变换效率降低。因此，将1554nm波长变换为777nm波长的效率最低。因此，首先执行该变换，以提高效率。
如上所述，在图7B、8和9所示的配置中，可以实现RGB的同时输出。现在，解释对RGB光源的输出进行切换的方法。
在将能够产生RGB光的光源用于激光显示器等的情况下，可以通过切换RGB输出来降低功耗。这里对切换输出的方法进行解释。关于绿光，通过停止产生1540nm附近的基波的产生(停止第二光源103、104和302的输出)，来使和频率的产生停止，从而可以有效地取得构成具有1080nm波长的基波的SHG光的540nm绿光。换言之，可以通过开启/关闭1540nm基波的产生来切换绿光的产生。
另一方面，在同时产生具有1540nm和1080nm波长的基波的情况下，可以通过用于将1540nm波长的基波变换为SHG光的波长变换元件(例如SHG元件505)来实现蓝光和红光的切换。通过替换SHG元件、施加电场或控制温度、从而转换相位匹配条件，可以控制770nm的SHG光的产生强度，从而可以切换蓝光和红光。只要770nm光的产生是开启的(产生强度较大)，就加强450nm附近的蓝光的产生，另一方面，只要770nm光的产生是关闭的(产生强度较小)，就加强具有640nm附近波长的红光的产生。这种方法可以实现RGB强度切换和用于平衡输出的调整。在只有RGB中的红/绿、蓝/绿或红/蓝等两种光产生的情况下，也可以将相似方法用于切换操作。
此外，通过使用偏振反转结构，可以在单个衬底上以单片形式形成RGB产生所需的两个二次谐波产生元件和两个和频率产生元件，从而简化结构，减小光源尺寸。
在将根据本发明的光源用作彩色显示的RGB光源时，优选地通过切换来输出RGB。可以通过在时间上切换R、G和B中的每一个的图像，来配置彩色图像。在这种情况下，对于光源，通过切换RGB输出，可以使用构成图像变换单元的单个图像变换元件来实现向彩色图像的变换。
在根据本发明的配置中，对1554nm光的产生进行切换，从而在1554nm光的产生开启的情况下，同时输出RGB，而在1554nm光的产生关闭的情况下，只输出542nm的绿光。这样，通过切换光源的输出，可以有效地输出图像。
此外，在形成彩色图像的情况下，绿光的最大亮度是必要的。图10A示出了第一光源单元101、102和301的开/关模式的示例601、以及第二光源单元103、104和302的开/关模式的示例603。图10B示出了两个驱动电源109b以模式601驱动主光源101或泵浦光源102、以及以模式603驱动主光源103或泵浦光源104的方式的图。通过这样驱动两个光源单元，当模式601和603同时开启时，两个光源单元都保持开启，从而可以同时发射RGB光。另一方面，只要模式601关闭，模式603开启，就可以只发射绿光。所以，在根据本发明的配置中，通过在同时产生RGB与只产生绿光之间切换，增加了绿光的累积光量，可以实现更高亮度的图像。
此外，在开启/关闭1554nm光源以切换输出的情况下，与图8的配置相比较，图9的配置能够更加有效地产生绿光。在关闭1554nm光的输出的情况下，1084nm光不再被中间元件变换，而直接达到SHG元件517。由此，减小了1084nm光的变换损耗，SHG元件517可以高效地产生绿光。另一方面，在开启1554nm光的输出的情况下，可以在产生绿光之前输出B和R，从而可以针对更高的光源利用率，实现高效的波长变换。由于上述原因，在通过切换来输出基波的情况下，可以更加有效地取得绿光。
在图7B中，还可以利用相似优点。在通过切换1064nm和1554nm输出来对RGB同时产生与绿光产生进行切换的情况下，通过将用于产生绿光的SHG元件403设置在最后一级，可以提高绿光产生效率。
(第三实施例)现在，对具有用于单片结构的光纤放大器(泵浦光源和掺杂光纤)的配置的光源进行解释。根据本实施例，同时掺杂有铒和镱的掺杂光纤204用作光纤放大器。通过使用具有975nm或915nm波长的泵浦光源102对掺杂光纤204进行泵浦，掺杂光纤204可以用作光纤放大器。这种光纤放大器在1540nm附近和1080nm附近的波长区中执行放大操作。当来自主光源101和103的光输入该光纤放大器时，掺杂光纤204放大主光源的波长。例如，假设主光源101具有1080nm附近的波长，主光源103具有1540nm附近的波长，单个掺杂光纤204可以使不同波长的光振荡。在图11的配置中，通过从主光源101和103同时发射1540nm和1080nm波长的光，可以从掺杂光纤204同时射出这些光。然后，通过SHG元件107和SFG元件108的波长变换，可以用第一实施例中所述的波长变换元件配置来产生蓝色的SFG光110。光纤激光器的集成消除了对用于组合来自光纤的激光光线的光学系统的需求，可以简化光学系统，降低尺寸和成本。
此外，这还可以用于产生绿光。图12A示出了根据本发明、具有另一配置的相干光源。将SHG元件403添加到前述配置中，将具有1080nm波长的基波201变换为具有540nm波长的绿光405。具有这种配置的光源可以同时产生蓝光和绿光。此外，因为两种光是沿着相同的轴产生的，所以可以很大程度地有效简化使用该激光光线的光学系统。
图12B是具有波长变换元件的光源的配置图，其中还将SFG元件406添加到构成图12A所示光源的波长变换元件的一部分中。如上所述，采用这种结构，形成了可以同时发射RGB光的光源。
图13是具有波片2002的光源的配置图。在具有这种配置的光源中，掺铒/镱光纤204同时产生1064nm和1550nm的光，1064nm和1550nm的光由构成波长变换元件单元的元件401、402、403和406变换为RGB三种颜色。光纤激光器204同时产生两种波长，由于两种波长的振荡扰乱了泵浦激光的增益，所以有时使振荡不稳定。作为防止上述问题的方法，优选地使来自两个主光源101和103的光的偏振方向以直角彼此交叉，防止相互干扰。在这种配置中，光纤204优选是保偏光纤。这是因为两个正交偏振光彼此不干扰的事实。通过将来自主光源101和103的光作为相互正交的偏振光而输入，使1550nm和1064nm的光作为相互正交的偏振光而振荡，从而稳定输出。但是，考虑到两种光在输入波长变换元件时需要以相同的方式偏振，在光源单元与波长变换单元之间插入波片2002，从而将两种波长的偏振光变换为相同的偏振光，并进入波长变换元件。
图14是使用不同波长的两个泵浦光源的光源的配置图。泵浦光源102具有915nm波长，泵浦光源1002具有1480nm波长。泵浦光源102激励1550和1064nm的光发射增益，而1480nm的光只激励1550nm的光。因此，通过控制泵浦光源102和1002的功率，可以控制1064nm和1550nm波长的光的产生，以确保稳定性。
顺带地，对于泵浦光源1002的波长，除了1480nm，还可以使用920到970nm的波长区。
顺带地，通过使用保偏光纤作为光纤204，并将1550和1064nm两种波长的偏振光彼此分离，可以稳定地产生两种波长。
根据本发明的配置使用具有不同波长的主激光器，作为由泵浦激光器激励的光纤。尽管如此，也可以有效地采用包括用于发射其他不同波长的光的主激光器的配置。例如，除了用于产生1080nm波长的光的光源之外，还添加了用于产生1040nm波长的光的光源、以及用于接收1040nm波长的光并产生二次谐波的波长变换元件。这样，可以另外产生520nm波长的SHG光。通过增加主光源产生的光的波长种类，可以增加从这些光源中可以发射的光的波长种类。因此，通过切换由主光源产生的光的波长，可以切换产生的光的波长。在可以依照多种方式切换光源所产生的光的波长的情况下，可以在作为显示单元的光源的应用中，扩大可以在显示单元上显示的颜色范围。
顺带地，本实施例具有通过光纤来放大主激光器的光的配置。但是，本发明不限于这种配置，而还包括通过使用光纤光栅的共振器来进行激光振荡的配置。这种共振器配置为在光纤激光器上两个相互远离的点处具有光纤光栅，光可以在这些光纤光栅之间发生共振。由此，可以用单个泵浦激光器，使两种波长的激光振荡。在使用这种光栅来使激光振荡的情况下，不需要主光源，这种光源配置可以有效地简化，并降低成本。这些光纤光栅优选地具有如下光栅结构，该光栅结构具有使布拉格反射发生在所需的两种不同波长上的不同周期。在光纤激光器具有共振结构的情况下，优选地采用使用保偏光纤来在不同偏振方向上激励不同波长的光的配置。当在单根光纤中激励两种波长时，可能扰乱光纤增益。但是，通过在不同偏振方向上进行激励，可以抑制对增益的扰乱，并可以使具有稳定输出的两种波长振荡。
此外，如稍后所述的，根据本发明的相干光源还可以有利地用于激光显示设备。原因之一在于光源的光轴彼此一致。一致的光轴简化了构成使用RGB光源的显示器的光学系统。另一点在于在使用RGB(红、蓝和绿)三原色光源的激光显示器配置中，通过同时产生以及独立和交替的光发射，可以提高作为光源的激光器的利用率。此外，在使用DMD或反射型液晶板的图像变换的情况下，通过切换RGB光，可以使用单个板，从而降低了尺寸和成本。根据本发明的配置有效地实现了这种顺序开启。在由外部调制器对光源的输出进行调制的情况下，连续振荡RGB三原色的光，从而需要是顺序开启功耗的三倍大的功耗。在根据本发明顺序开启蓝光和绿光的情况下，第一步骤是使具有1540nm附近波长的主光源103停止，以发射绿光。则只有1080nm附近的光从光纤中射出，并且只有具有540nm波长的绿色SHG光射出。此外，在发射蓝光的情况下，同时开启主光源101和103。在这种情况下，只发射蓝光比较困难。但是，通过提高SFG元件402的变换效率，可以大幅度减少绿光的产生。可以通过切换主光源101和103来切换蓝光和绿光的产生，从而可以顺序地开启蓝光和绿光，显著降低功耗。
(第四实施例)现在，对构成光学装置的激光显示器进行解释，其中所述光学装置使用了根据本发明实施例的相干光源。
可以使用RGB激光器来实现具有高色彩再现性的显示器。虽然开发了具有高输出的红色半导体激光器，作为激光光源，但是还未实现蓝光的高输出，对于绿光，很难形成半导体激光器。因此，需要使用波长变换的绿光和蓝光光源。使用光纤激光器，可以容易地制造具有高输出的根据本发明的相干光源，从而可以实现具有大屏幕的激光显示器。可以使用同时产生绿光和蓝光、或红光、绿光和蓝光的光源作为使用光纤激光器的光源。
图15是具有光源801的激光显示器的配置图，通过以液晶板(即构成二维开关的图像变换单元)控制二维光强度分布(即图像变换)将图像投影到屏幕上。从相干光源801射出的光穿过准直光学系统802、积分器光学系统803和扩散板804，之后，液晶板805执行图像变换，并由投影透镜807将图像投影到屏幕上。采用摆动机制(swinging mechanism)来重新定位扩散板，从而减小在屏幕上产生的斑点噪声。根据本发明的相干光源能够相对外部温度改变，产生稳定输出，从而可以实现高输出的稳定图像。此外，较高的波束质量方便了光学系统的设计，能够减小尺寸，简化设备。
顺带地，除了液晶板，还可以使用反射型液晶开关、DMD反射镜等作为二维开关。
作为根据本发明的激光显示装置，图16所示的方法也是有效的。反射镜902和903对从相干光源901射出的激光光线进行扫描，从而在屏幕上绘制二维图像。在这种情况下，激光光源最好配备有高速切换功能。根据本发明任一实施例的相干光源901能够产生高输出，并且优势之处在于能够产生稳定输出。此外，可以获得稳定输出，而无需温度控制元件或只需简单的温度控制。
此外，光束质量较高，从而可以减小和简化扫描光学系统。此外，使用MEMS的小型扫描设备可以用作光束扫描光学系统。较高的光束质量伴随着更好的聚焦特性和准直特性，并可以使用诸如MEMS之类的小型反射镜。由此，可以实现扫描型的激光显示器。
此外，作为根据本发明的激光显示装置，图17所示的方法是有效的。通过分别进入透镜913r、913g和913b，从根据本发明的相干光源中射出的R、G和B三色光(未示出)被放大，并在穿过光量均衡光学系统(积分器)907之后，由构成二维开关的液晶板909变换为图像。然后，光穿过组合棱镜911和透镜915，图像投影在屏幕905上。
顺带地，在将根据本发明的相干光源用于显示装置的情况下，根据激光光线的相干程度，可能引起斑点噪声。斑点噪声是由于屏幕上反射的激光光线的相互干扰等产生的，降低了图像质量。因此，较好的是减小光源所产生的光的相干性。
图18示出了将非线性光纤3007添加到根据本发明的相干光源上的配置。非线性光纤3007对从波长变换元件中射出的RGB光进行耦合和引导。由于非线性效应，由非线性光纤3007引导的光产生拉曼散射，扩展了振荡谱。在进入波长变换元件单元401、402、403、406等之前，激光光线优选地具有大约0.1到0.2nm的窄带特性，以提高变换效率。但是，优选的是，非线性光纤3007将从波长变换元件单元401、402、403、406等中射出的光的光谱扩展到大约10nm，从而较大程度地减小了相干性。这样，通过将非线性光纤3007添加到光源配置的一部分中，可以实现具有高图像质量而无斑点噪声的显示器。
虽然以上将激光显示器描述为光学装置，但是其在光盘设备或测量仪器中的应用也是有效的。存在通过提高写速度来改善光盘设备的激光输出的需求。此外，激光光线要求衍射极限的聚焦特性，所以其单模实现是必须的。根据本发明的光源具有高输出和高相干性，因此可以有效地应用于光盘等。
根据本发明，使用了如下配置泵浦激光器和主光源用作构成光源单元的光纤激光器。但是，光纤激光器可以配置有光栅光纤(图2)和泵浦光源，而不使用主光源。
工业应用性如上所述，根据本发明的相干光源配置为可以使用波长变换来产生蓝光。特别地，使用光纤放大器以容易地产生高输出的激光光源能够产生高输出的蓝光，因此，其实用效果很大。
此外，可以由两种不同波长的激光光线同时产生蓝和绿光、或红、蓝和绿光，并且可以切换输出。因为可以用单光源产生高亮度的RGB光，所以其实用效果很大。
此外，使用这种相干光源能够实现高输出的小型RGB光源，从而可以应用于诸如光盘设备和激光显示器之类的多种光学设备，所以实用效果很大。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种相干光源，包括光源单元，包括单一掺杂光纤，并从所述掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，包括接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件。
2.根据权利要求1所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光，并发射第一波长的光的二次谐波。
3.根据权利要求2所述的相干光源，其中波长变换元件单元还包括第二波长变换元件，接收第一波长的光的二次谐波和第二波长的光，并发射具有二次谐波与第二波长的光的和频率的光。
4.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长是大约1540nm；第二波长是大约1080nm；以及所述波长变换元件单元接收第一波长的光和第二波长的光，并发射波长大约为450nm的光。
5.根据权利要求3所述的相干光源，其中所述波长变换元件单元还包括第三波长变换元件，接收第二波长的光，并发射第二波长的光的二次谐波。
6.根据权利要求5所述的相干光源，其中所述波长变换元件单元还包括第四波长变换元件，接收第一波长的光和第二波长的光，并发射具有第一波长和第二波长的和频率的光。
7.根据权利要求1所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；以及第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分。
8.根据权利要求6所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分；以及第四波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分。
9.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长变换元件和第二波长变换元件中的至少一个包括掺杂镁的LiNbO3、掺杂镁的LiTaO3和KTiOPO4中的至少一个，理想配比成分的掺杂镁的LiNbO3和理想配比成分的掺杂镁的LiTaO3具有周期性偏振反转结构。
10.根据权利要求1所述的相干光源，其中所述光源单元还包括主光源，产生进入掺杂光纤的光。
11.根据权利要求10所述的相干光源，其中所述光源单元能够与驱动单元相连，所述驱动单元提供用于驱动所述光源单元的脉冲状能量。
12.根据权利要求11所述的相干光源，其中所述光源单元包括两个主光源；以及所述两个主光源能够与驱动单元相连，并在接收到具有相同周期和相同相位的脉冲状能量时进行操作。
13.根据权利要求1所述的相干光源，其中掺杂光纤含有镱、铒、铒/镱、钕、镨、铬、钛、钒和钬元素中的至少一种。
14.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长变换元件和第二波长变换元件具有单一非线性光学晶体结构。
15.根据权利要求1所述的相干光源，其中所述掺杂光纤是掺铒/镱光纤。
16.根据权利要求12所述的相干光源，其中所述两个主光源中的至少一个是半导体激光光源。
17.根据权利要求1所述的相干光源，还包括光纤，用于接收从所述波长变换元件单元发射的光。
18.一种光学装置，包括相干光源，包括光源单元，具有单一掺杂光纤，从所述掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，具有接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件；以及图像变换单元，接收从相干光源发射的光，并控制从所述相干光源发射的光的二维强度分布。
19.根据权利要求10所述的相干光源，其中所述光源单元包括两个主光源，所述两个主光源的光的偏振方向彼此以直角交叉。
20.根据权利要求19所述的相干光源，其中将波片插入在所述光源单元与所述波长变换元件单元之间；以及所述波片将所述光变换为具有单一偏振方向的偏振光。
权利要求
1.一种相干光源，包括光源单元，包括掺杂光纤，并从所述掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，包括接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件。
2.根据权利要求1所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光，并发射第一波长的光的二次谐波。
3.根据权利要求2所述的相干光源，其中波长变换元件单元还包括第二波长变换元件，接收第一波长的光的二次谐波和第二波长的光，并发射具有二次谐波与第二波长的光的和频率的光。
4.根据权利要求1所述的相干光源，其中所述光源单元包括含有铒或铒和镱的第一掺杂光纤、以及含有镱的第二掺杂光纤。
5.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长是大约1540nm；第二波长是大约1080nm；以及所述波长变换元件单元接收第一波长的光和第二波长的光，并发射波长大约为450nm的光。
6.根据权利要求3所述的相干光源，其中所述波长变换元件单元还包括第三波长变换元件，接收第二波长的光，并发射第二波长的光的二次谐波。
7.根据权利要求6所述的相干光源，其中所述波长变换元件单元还包括第四波长变换元件，接收第一波长的光和第二波长的光，并发射具有第一波长和第二波长的和频率的光。
8.根据权利要求1所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；以及第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分。
9.根据权利要求7所述的相干光源，其中第一波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分；第二波长变换元件接收从第一波长变换元件发射的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分；第三波长变换元件接收第二波长的光的至少一部分；以及第四波长变换元件接收第一波长的光的至少一部分、以及第二波长的光的至少一部分。
10.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长变换元件和第二波长变换元件中的至少一个包括掺杂镁的LiNbO3、掺杂镁的LiTaO3和KTiOPO4中的至少一个，理想配比成分的掺杂镁的LiNbO3和理想配比成分的掺杂镁的LiTaO3具有周期性偏振反转结构。
11.根据权利要求1所述的相干光源，其中所述光源单元还包括主光源，产生进入掺杂光纤的光。
12.根据权利要求11所述的相干光源，其中所述光源单元能够与驱动单元相连，所述驱动单元提供用于驱动所述光源单元的脉冲状能量。
13.根据权利要求12所述的相干光源，其中所述光源单元具有两根掺杂光纤和两个主光源；以及所述两个主光源能够与驱动单元相连，并在接收到具有相同周期和相同相位的脉冲状能量时进行操作。
14.根据权利要求1所述的相干光源，其中掺杂光纤含有镱、铒、铒/镱、钕、镨、铬、钛、钒和钬元素中的至少一种。
15.根据权利要求3所述的相干光源，其中第一波长变换元件和第二波长变换元件具有单一非线性光学晶体结构。
16.根据权利要求1所述的相干光源，其中所述光源单元包括单一掺杂光纤。
17.根据权利要求16所述的相干光源，其中所述掺杂光纤是掺铒/镱光纤。
18.根据权利要求13所述的相干光源，其中所述两个主光源中的至少一个是半导体激光光源。
19.根据权利要求1所述的相干光源，还包括光纤，用于接收从所述波长变换元件单元发射的光。
20.一种光学装置，包括相干光源，包括光源单元，具有掺杂光纤，从所述掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，具有接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件；以及图像变换单元，接收从相干光源发射的光，并控制从所述相干光源发射的光的二维强度分布。
全文摘要
提供了一种相干光源，包括光源单元，具有掺杂光纤，并从所述掺杂光纤中发射第一波长的光和第二波长的光；以及波长变换元件单元，包括接收第一波长的光、并发射波长比第一波长短的光的第一波长变换元件。
文档编号H01S3/06GK1997936SQ200580021538
公开日2007年7月11日 申请日期2005年7月15日 优先权日2004年7月15日
发明者水内公典, 山本和久 申请人:松下电器产业株式会社