DE19805553A1 - Measuring intensity of laser light - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Intensitätssteuerung des mittels einer Laseranordnung erzeugten Lichts die einen Laser und einen diesem in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgenden mit elektrischer Leistung betriebenen Verstärker aufweist. Weiter betrifft die Erfindung eine intensitätssteuerbare Laseranordnung mit einem Laser zur Lichterzeugung und einem diesem nachgeschalteten Verstärker. Außerdem betrifft die Erfindung Anwendungen des Verfahrens sowie Verwendungen der Laseranordnung.The invention relates to a method for controlling the intensity of the Laser arrangement generated light which a laser and one in Direction of light propagation subsequent amplifier operated with electrical power having. The invention further relates to an intensity-controllable laser arrangement with a Lasers for light generation and an amplifier downstream of them. Furthermore The invention relates to applications of the method and uses of the Laser array.
Die Entwicklung von Diodenlasern mit direkter Emission von blauer Laserstrahlung ist zur Zeit ein Schwerpunktthema vieler Forschungsgruppen. Bisher konnten Diodenlaser realisiert werden, die Ausgangsleistung im 10 mW Bereich bei einer Lebensdauer von einigen hundert Stunden liefern. Dies reicht für moderne technische Anwendungen von Lasern normalerweise nicht aus.The development of diode lasers with direct emission of blue laser radiation is for Time is a main topic of many research groups. So far, diode lasers could be realized the output power in the 10 mW range with a lifespan of a few deliver a hundred hours. This is sufficient for modern technical applications of lasers usually not out.
Als technisches Gebiet für den Einsatz von blauen Lasern ist hier insbesondere die Laserprojektionstechnik zu nennen. Bei dieser Technik werden Videobilder analog zur bekannten Videodarstellung mit Bildröhren erzeugt. Allerdings werden die Elektronenstrahlen einer Bildröhre bei der betreffenden Lasertechnik durch Laserstrahlen ersetzt. Die Ablenkung erfolgt dann üblicherweise mit Spiegelsystemen oder akustooptischen Ablenkeinrichtungen. Zum Stand der Technik wird hier insbesondere auf die DE-PS 43 06 797 und die darin zitierten Druckschriften verwiesen. Die Bildpunkte eines Videobildes werden demgemäß durch Laserlichtbündel ausgeleuchtet, deren Intensität zur Steuerung von Farbe und Helligkeit jedes Bildpunktes moduliert wird. As a technical area for the use of blue lasers here is in particular To name laser projection technology. With this technique, video images are analogous to known video display with picture tubes. However, the Electron beams of a picture tube in the laser technology in question by laser beams replaced. The deflection then usually takes place with mirror systems or acousto-optical deflection devices. The state of the art here is particularly based on the DE-PS 43 06 797 and the references cited therein. The pixels of a Video images are accordingly illuminated by laser light beams, the intensity of which Control of color and brightness of each pixel is modulated.
Um den Aufwand für derartige Lasersysteme bezüglich Modulation möglichst gering zu halten, wäre es wünschenswert, als Laser Diodenlaser einzusetzen, deren Lichtleistungen über den Betriebsstrom direkt steuerbar sind. Aufgrund der ungenügenden Leistung und geringen Lebensdauer, insbesondere für den blaues Licht erzeugenden Laser, ließ sich dies bisher nicht umsetzen. Daher mußten bisher Gaslaser oder spezielle Festkörperlasersysteme eingesetzt werden, deren Intensität nur extern moduliert werden konnte. Die Intensitätssteuerung erfolgte dabei mittels auf elektrooptischen oder magnetooptischen Effekten basierenden Modulatoren. Auch diese Technik ist für kostengünstige Laservideosysteme zu aufwendig. Für kommerzielle Videogeräte auf Laserbasis ist daher eine modulierbare Lichtquelle hoher Leistung und langer Lebensdauer dringend erforderlich.In order to minimize the effort for such laser systems with regard to modulation hold, it would be desirable to use diode lasers with their light powers are directly controllable via the operating current. Due to insufficient performance and This has been shown to have a short lifespan, especially for the laser that generates blue light not yet implemented. Therefore, previously gas lasers or special Solid state laser systems are used, the intensity of which is only modulated externally could. The intensity control was carried out by means of electro-optical or modulators based on magneto-optical effects. This technique is also for Inexpensive laser video systems too expensive. For commercial video equipment on Laser basis is therefore a modular light source of high power and long life urgently required.
In der EP 0 189 295 wird ein gepulster Halbleiterlaser vorgeschlagen, der über die Höhe der Strompulse zur Laseranregung moduliert wird. Bei dieser Art der Modulation ist jedoch besonders bei geringen Intensitäten eine hohe Instabilität zu erwarten. Deshalb wird man beispielsweise im Videobereich diese Technik kaum ausnutzen, da dort Modulationen der Lichtquellen mit einem Hell-/Dunkelverhältnis von ungefähr zu 1000 : 1 oder höher erforderlich sind, was aufgrund der genannten Instabilitäten wohl kaum befriedigend erreicht werden kann.In EP 0 189 295 a pulsed semiconductor laser is proposed which covers the height of the Current pulses are modulated for laser excitation. However, with this type of modulation High instability can be expected, especially at low intensities. That's why you will For example, in the video area, this technology can hardly be used, since there modulations of Light sources with a light / dark ratio of approximately 1000: 1 or higher are required, which is hardly satisfactory due to the instabilities mentioned can be.
In dem Artikel "Semiconductor MOPA with monolithically integrated 5 GHz electroabsorption modulator" von J.M. Verdiell, J.S. Osinsky, D.F. Welch und D.R. Scifres, Electronics Letters, July 1995, Vol. 31, Nr. 14, Seiten 1187 bis 1189, ist ferner eine Laserstruktur mit einem Verstärker angegeben. Der Verstärker ist zusammen mit einem Intensitätsmodulator integriert, der auf dem Prinzip der Elektroabsorption beruht. Ob man mit Hilfe der Elektroabsorption ein Hell-/Dunkelverhältnis von 1000 : 1 erreichen wird, ist unbekannt.In the article "Semiconductor MOPA with monolithically integrated 5 GHz electroabsorption modulator "by J.M. Verdiell, J.S. Osinsky, D.F. Welch and D.R. Scifres, Electronics Letters, July 1995, Vol. 31, No. 14, pages 1187 to 1189, is also one Laser structure indicated with an amplifier. The amplifier is together with one Intensity modulator integrated, which is based on the principle of electro absorption. If you with the help of electroabsorption a light / dark ratio of 1000: 1 will be unknown.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein anderes Modulationsverfahren zu finden, das es gestattet, farbige, modulierbare Laseranordnungen zu schaffen. Dabei wird auch angestrebt, mit der Laseranordnung, eventuell auch gemäß entsprechender Weiterbildungen, eine hohe Dynamik zwischen minimal erreichbarer und maximaler Lichtintensität, also ein besonders hohes Hell-/Dunkelverhältnis, zu erreichen.The object of the invention is to find another modulation method that allows to create colored, modular laser arrangements. It is also aimed at using the Laser arrangement, possibly also in accordance with corresponding further training, a high Dynamics between minimum attainable and maximum light intensity, so a special one high light / dark ratio.
Die Aufgabe wird ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik bezüglich des Verfahrens dadurch gelöst, daß die Lichtintensität am Ausgang der Laseranordnung zumindest über einen Teil der dem Verstärker zugeführten elektrischen Leistung gesteuert wird.The task is based on the generic prior art with respect to Process solved in that the light intensity at the output of the laser arrangement controlled at least over part of the electrical power supplied to the amplifier becomes.
Man verwendet hier also im Unterschied zum Stand der Technik den Verstärker selbst für
die Modulation der Laserintensität. Dementsprechend ist eine erfindungsgemäße
intensitätssteuerbare Laseranordnung ausgehend vorn eingangs genannten Stand der
Technik dadurch gekennzeichnet, daß an dem Verstärker ein Anschluß zur Zuführung
elektrischer Leistung vorgesehen ist, der an einer Steuereinrichtung zum Steuern der
Lichtintensität am Ausgang der Laseranordnung angeschlossen ist. Es hat sich gezeigt, wie
auch aus den nachfolgenden Erläuterungen deutlich werden wird, daß derartige
Laserquellen folgenden Anforderungen genügen:
In contrast to the prior art, the amplifier itself is used here for modulating the laser intensity. Accordingly, an intensity-controllable laser arrangement according to the invention, starting from the prior art mentioned at the outset, is characterized in that a connection for supplying electrical power is provided on the amplifier and is connected to a control device for controlling the light intensity at the output of the laser arrangement. It has been shown, as will also become clear from the explanations below, that such laser sources meet the following requirements:
- - Die Emissionswellenlänge kann bei entsprechender technischer Ausgestaltung im sichtbaren Bereich liegen. Es können insbesondere Laser mit Wellenlängen im grünen oder blauen Spektralbereich geschaffen werden.- With the appropriate technical design, the emission wavelength can visible area. In particular, lasers with wavelengths in the green or blue spectral range can be created.
- - Eine mittlere Lichtleistung im Wattbereich ist möglich.- A medium light output in the watt range is possible.
- - Der Aufbau benötigt nur wenig Raum, er ist kompakt und für die Massenfertigung geeignet.- The structure requires little space, it is compact and for mass production suitable.
Als weitere Vorteile, die sich beim Aufbau der Anordnung herausgestellt haben, sind hervorzuheben, daß die Laseranordnung auch eine ausreichend große spektrale Bandbreite zur Unterdrückung von Specklemustern auf der Projektionsfläche ermöglicht, und das Laserlicht eine ausgezeichnete Strahlqualität im Fernfeld, die vor allen Dingen bei Laserprojektionen wichtig ist, aufweist.Other advantages that have emerged in the construction of the arrangement are to emphasize that the laser arrangement also has a sufficiently large spectral bandwidth to suppress speckle patterns on the projection surface, and that Laser light an excellent beam quality in the far field, which above all Laser projections is important.
Ein möglichst gutes Verhältnis zwischen maximaler Lichtintensität und minimaler Lichtintensität, wie es bei der Videoprojektion gefordert ist, läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß möglichst viele Verstärker hintereinander geschaltet und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angesteuert werden, da dann das Hell-/Dunkelverhältnis, also das Verhältnis zwischen der Lichtintensität im hellen und im dunklen Zustand sich in Potenz mit der Anzahl der Verstärker gegenüber dem eines einzelnen Verstärkers erhöht. Nachfolgend werden jedoch auch Weiterbildungen des Verfahrens beschrieben, mit dem das gewünschte Hell-/Dunkelverhältnis auf andere Weise erreicht werden kann. The best possible ratio between maximum light intensity and minimum Light intensity, as required in video projection, can be achieved, for example achieve that as many amplifiers as possible connected in series and according to are controlled according to the invention, since then the light / dark ratio, thus the relationship between the light intensity in the light and in the dark state Potency increased with the number of amplifiers compared to that of a single amplifier. However, further developments of the method with which the desired light / dark ratio can be achieved in other ways.
Bei der einfachsten Ausführungsform würde nahezu die gesamte Laserausgangsleistung für den Verstärker aus der Steuerleistung entnommen. Dies ist unerwünscht, da man dann zur Steuerung eine sehr hohe Leistung benötigen würde, was wiederum bei Hochfrequenzanwendungen zu Geschwindigkeits- und Wärmeproblemen in einer Ansteuerung nach sich ziehen könnte. Der schaltungs- und kühltechnische Aufwand sollte aber ebenfalls möglichst gering bleiben.In the simplest embodiment, almost the entire laser output would be for the amplifier is taken from the control power. This is undesirable because you then go to Control would require a very high performance, which in turn High frequency applications to speed and heat problems in one Control could result. The circuitry and cooling effort should but also remain as low as possible.
Dieser Aufwand läßt sich jedoch verringern, wenn der Verstärker gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Eingangsteil und einem getrennt von diesem mit elektrischer Leistung beaufschlagbaren Ausgangsteil besteht, wobei dem Ausgangsteil eine konstante Leistung zugeführt wird und die Lichtintensität am Ausgang der Laseranordnung mittels der im Eingangsteil zugeführten Leistung gesteuert wird. Damit wird die Steuerleistung wesentlich geringer, da der dem Ausgangsteil zugeführte Leistungsanteil die Laserlichtintensität am Ausgang der Laseranordnung wesentlich bestimmt.However, this effort can be reduced if the amplifier is advantageous Development of the method according to the invention from an input part and a exists separately from this output part to which electrical power can be applied, the output part is supplied with a constant power and the light intensity at Output of the laser arrangement controlled by the power supplied in the input part becomes. This means that the control power is significantly lower since the power supplied to the output part Power share the laser light intensity at the output of the laser arrangement significantly certainly.
Demgemäß ist bei der intensitätssteuerbaren Laseranordnung gemäß der Weiterbildung vorgesehen, daß der Verstärker zwei Anschlüsse zur Zuführung elektrischer Energie aufweist, von denen einer näher am Ausgang und ein anderer näher am Eingang des Verstärkers liegt, wobei der Verstärker am ausgangsseitigen Anschluß von einem Netzgerät mit konstanter Energie beaufschlagt ist und der eingangsseitige Anschluß an die Steuereinrichtung angeschlossen ist.Accordingly, in the case of the intensity-controllable laser arrangement according to the further development provided that the amplifier has two connections for supplying electrical energy , one closer to the exit and another closer to the entrance of the Amplifier is located, the amplifier at the output connection of a power supply is charged with constant energy and the input connection to the Control device is connected.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Verstärker eingangsseitig eine wellenleitende Struktur mit einer dieser in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgenden Trapezverstärkerstruktur aufweist, wobei der ausgangsseitige Anschluß die Trapezverstärkerstruktur und der eingangsseitige Anschluß die Wellenleiterstruktur mit Energie versorgt. Damit wird vor allen Dingen die Steuerenergie sehr klein. Weiter wird bei niedriger Steuerenergie auch nur ein geringer Lichtanteil des Lasers zum nachfolgenden Verstärker durchgelassen, so daß auch diese Weiterbildung dafür geeignet ist, ein möglichst großes Hell-/Dunkelverhältnis zu erreichen.According to a preferred development of the invention it is provided that the amplifier on the input side a wave-guiding structure with one of these in the direction of light propagation subsequent trapezoidal amplifier structure, the output-side connection Trapezoidal amplifier structure and the input side connection with the waveguide structure Energy supplied. Above all, this makes the control energy very small. Next will be at low control energy even a small amount of light from the laser to the subsequent one Passed amplifier, so that this training is suitable for a possible to achieve large light / dark ratio.
Ein besonders gutes Hell-/Dunkelverhältnis erreicht man jedoch vor allen Dingen gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, daß die Wellenlänge des aus dem Verstärker austretenden Lichts vor Verlassen der Laseranordnung durch Frequenzvervielfachung verringert wird, bzw. wenn die intensitätssteuerbare Laseranordnung so weitergebildet wird, daß sie einen dem Verstärker in Lichtrichtung nachgeordneten Frequenzvervielfacher aufweist.However, a particularly good light / dark ratio is achieved above all a development of the method according to the invention in that the wavelength of the light emerging from the amplifier before leaving the laser arrangement Frequency multiplication is reduced, or if the intensity controllable Laser arrangement is developed so that it is an amplifier in the direction of light has subordinate frequency multiplier.
Frequenzvervielfachung erreicht man üblicherweise in nichtlinearen Kristallen aufgrund von nichtlinearer Wechselwirkung von Licht mit Materie. Demgemäß erwartet man im nachgeschalteten zur Frequenzvervielfachung eingesetzten Kristall eine überproportionale Abhängigkeit der Ausgangsintensität von einem Steuerstrom im Verstärker. Dies bedeutet, mit einer Frequenzvervielfachung, beispielsweise bei einer Verdopplung, erreicht man in der Ausgangsintensität einen Faktor von 900, wenn der Verstärker nur ein Hell-/Dunkelverhältnis von 1 : 30 hat. Dieses Zahlenbeispiel macht deutlich, mit wie wenig Aufwand gemäß dieser Weiterbildung schon hohe geforderte HeIl-/Dunkelverhältnisse erreicht werden können.Frequency multiplication is usually achieved in nonlinear crystals due to nonlinear interaction of light with matter. Accordingly, one expects in downstream crystal used for frequency multiplication a disproportionate Dependence of the output intensity on a control current in the amplifier. This means, with a frequency multiplication, for example with a doubling, is achieved in the Output intensity a factor of 900 when the amplifier is only one Has a light / dark ratio of 1:30. This numerical example shows how little Effort according to this advanced training already high required light / dark conditions can be achieved.
Prinzipiell könnte man höhere Harmonische für die Frequenzvervielfachung verwenden. Jedoch hat sich die zweite Harmonische als besonders vorteilhaft herausgestellt, unter anderem deshalb, weil diese mit hohem Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Harmonischen erzeugbar ist.In principle, higher harmonics could be used for frequency multiplication. However, the second harmonic has proven to be particularly advantageous under partly because they are highly efficient compared to others Harmonics can be generated.
Bei der nichtlinearen Frequenzkonversion steigt der Konversionswirkungsgrad mit der Laserleistung. Daher läßt sich die Erzeugung höherer Harmonischer besonders effektiv durchführen, wenn der Laser gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gepulst wird. Zum Beispiel steigt bei der zweiten Harmonischen die Leistung der erzeugten Strahlung quadratisch mit der Laserleistung.With nonlinear frequency conversion, the conversion efficiency increases with Laser power. Therefore, the generation of higher harmonics can be particularly effective perform when the laser is pulsed according to an advantageous development of the invention becomes. For example, at the second harmonic, the power of the generated increases Radiation square with the laser power.
Je kürzer die Pulszeiten sind, desto höher ist die Feldstärke der einzelnen Laserpulse bei gleicher mittlerer Leistung, so daß man am wirkungsvollsten im Pikosekundenbereich pulsen sollte, was vor allen Dingen auch den Vorteil hat, daß die Bandbreite der ausgehenden Laserstrahlen vergleichsweise groß ist. Das bedingt eine geringe Kohärenzlänge, die wiederum dazu führt, daß die bekannten, die Laserprojektion störenden Speckleeffekte, drastisch verringert werden.The shorter the pulse times, the higher the field strength of the individual laser pulses same average power, so that one is most effective in the picosecond range should pulse, which above all has the advantage that the range of outgoing laser beams is comparatively large. That means a small one Coherence length, which in turn leads to the known, disturbing the laser projection Speckle effects can be drastically reduced.
Um die Lichtausbeute weiter zu steigern, ist vorgesehen, daß die Frequenzvervielfachung mittels eines quasiphasenangepaßten Kristalls erfolgt. Bei fehlender Phasenanpassung würde zur frequenzvervielfachten Welle nach einer bestimmten Lauflänge aufgrund Dispersion im Kristall durch die Grundwelle auch ein frequenzvervielfachter Wellenanteil mit umgekehrter Phase erzeugt, der die Intensität der höheren Harmonischen wieder verringern würde. Bei der Quasiphasenanpassung sorgt man dagegen durch Bereiche mit unterschiedlich polarisierten Kristallrichtungen dafür, daß die Phasenanpassung der zweiten Harmonischen zur Grundwelle immer so gewählt ist, daß die frequenzvervielfachte Welle stets einen konstruktiven Beitrag liefert.In order to further increase the light output, it is provided that the frequency multiplication by means of a quasi-phase-adapted crystal. In the absence of phase adjustment would become a frequency multiplied wave after a certain run length Dispersion in the crystal by the fundamental wave also a frequency-multiplied wave component with the reverse phase generated, the intensity of the higher harmonics again would decrease. In the quasi-phase adjustment, on the other hand, you take care of areas differently polarized crystal directions that the phase adjustment of the second Harmonics to the fundamental wave is always chosen so that the frequency multiplied wave always makes a constructive contribution.
Um alle vorgenannten Vorteile ausschöpfen zu können, hat sich ein Laser in der Laseranordnung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als besonders geeignet herausgestellt, bei der dieser einen im Pulsbetrieb arbeitenden Oszillator, einen Wellenleiter und einen optischen Isolator in Reihe aufweist.In order to be able to exploit all of the above-mentioned advantages, a laser has been installed in the Laser arrangement according to an advantageous development of the invention as special suitably emphasized, in which this is an oscillator operating in pulse mode, a Has waveguides and an optical isolator in series.
Mit Hilfe des Wellenleiters läßt sich die Pulsanregung des Oszillators auf eine bestimmte Frequenz und Bandbreite anpassen, die insbesondere für eine nachfolgende Frequenzvervielfachung geeignet ist. Der Aufwand ist dabei wesentlich geringer als bei anderen Laserstrukturen.With the help of the waveguide, the pulse excitation of the oscillator can be set to a specific one Adjust frequency and bandwidth, particularly for a subsequent one Frequency multiplication is suitable. The effort is much less than with other laser structures.
Für diese Anpassung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wellenleiter gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein Bragg-Gitter aufweist. Derartige Wellenleiter sind heutzutage kommerziell erhältlich. Als Bezugsquelle sei hier beispielsweise Bragg Photonics Inc., 2274 Saint Francois Road, Dorval, Quebec, H9P 1K2, Kanada, genannt, die auch über E-Mail: Bragg@Global.ca erreichbar ist. Diese Firma liefert Wellenleiter mit einem Reflexionsgrad von über 95% für die verschiedensten Wellenlängen. Es sind beispielsweise Wellenleiter verfügbar, die gemäß Technical Note BP-106 bei einer Wellenlänge im Bereich von 1560 nm maximal reflektieren. Durch entsprechende Frequenzvervielfachung nach dem Verstärken in der Laseranordnung, lassen sich mit dem beispielhaft genannten infraroten Laserlicht verschiedenste Ausgangslichtstrahlen für die Videoprojektion mit geeigneten Lichtwellenlängen zur Verfügung stellen.For this adaptation, it is particularly advantageous if the waveguide conforms to a preferred development of the invention has a Bragg grating. Such waveguide are commercially available today. Bragg is an example of a source of supply Photonics Inc., 2274 Saint Francois Road, Dorval, Quebec, H9P 1K2, Canada can also be reached via email: Bragg@Global.ca. This company also supplies waveguides a reflectance of over 95% for a wide variety of wavelengths. There are For example, waveguides are available, which according to Technical Note BP-106 at a Reflect maximum wavelength in the range of 1560 nm. By appropriate Frequency multiplication after amplification in the laser arrangement can be done with the Infrared laser light, for example, various output light beams for the Provide video projection with suitable light wavelengths.
Weiter kann man die Wellenleiter durch Dehnung abstimmen, um Frequenzanpassung zwischen den einzelnen Komponenten, wie z. B. bezüglich des vorhergenannten frequenzvervielfachenden Kristalls in der Laseranordnung einzustellen. Dafür ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Einrichtung zur Längenänderung des Wellenleiters, insbesondere ein piezoelektrisches Element, zur Abstimmung des Bragg- Gitters auf die Wellenlänge eines Frequenzvervielfachers vorgesehen.Furthermore, one can tune the waveguide by stretching to adjust the frequency between the individual components, such as. B. regarding the aforementioned frequency-multiplying crystal in the laser array. For that is according to an advantageous development of the invention, a device for changing the length of the Waveguide, in particular a piezoelectric element, for tuning the Bragg Grid provided on the wavelength of a frequency multiplier.
Wie vorstehend schon deutlich wurde, sind derartige Laseranordnungen und das darin verwirklichte Verfahren besonders gut in einem Videogerät mit mindestens drei Laserstrahlen (Primärfarben rot, grün, blau) geeignet, wobei die Abbildung des Videobildes beinhaltet, daß die Lasererzeugung und dessen Intensitätssteuerung für mindestens eine Primärfarbe mittels der intensitätssteuerbaren Laseranordnung bewirkt wird.As has already been made clear above, there are such laser arrangements and that realized method particularly well in a video device with at least three Laser beams (primary colors red, green, blue) are suitable, with the image of the video image includes that the laser generation and its intensity control for at least one Primary color is effected by means of the intensity-controllable laser arrangement.
Dabei wirken sich die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber der bekannten Modulation der
Strahlung mit einem externen Modulator besonders durch folgende Eigenschaften aus,
nämlich:
The advantages of this method compared to the known modulation of radiation with an external modulator have the following properties in particular, namely:
- 1. Reduktion der Anzahl der optischen Elemente und damit der optischen Verluste.1. Reduction in the number of optical elements and thus the optical losses.
- 2. Modulationsfrequenzen bis zur technisch maximal möglichen Modulationsfrequenz der Ansteuerelektronik.2. Modulation frequencies up to the technically maximum possible modulation frequency of Control electronics.
- 3. Modulation von geringen Spannungen und Strömen, wobei typisch U < 10 V und I < 20 A erreicht werden. Das sind Werte, die sich in der Praxis als besonders günstig herausgestellt haben.3. Modulation of low voltages and currents, typically U <10 V and I <20 A can be achieved. These are values that have proven particularly favorable in practice to have.
- 4. Möglicher Einfluß auf die Strahlformen durch Änderung der optischen Weglängen im Modulator.4. Possible influence on the beam shapes by changing the optical path lengths in the Modulator.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung näher beschrieben.The invention is described below using an exemplary embodiment with reference to FIG the drawing consisting of a single figure described in more detail.
In der einzigen Figur ist der Aufbau für ein Verfahren zur Erzeugung von modulierbarer sichtbarer Laserstrahlung, insbesondere für die Laserprojektionstechnik, dargestellt. Der Aufbau besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten. Ein Oszillator 1 erzeugt gepulste Strahlung mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich. Insbesondere werden vorzugsweise Pulse im Bereich von 1 bis 10 Pikosekunden bei einer Repetitionsrate von typisch 2 bis 5 GHz eingesetzt. Zum Resonator der Laserstruktur gehört auch eine Faser 2 mit Bragg-Gitter, mit der ein Teil der Laserleistung zurück in den Oszillator 1 gekoppelt wird. Diese Faser 2 ist aufgrund des internen Bragg-Gitters zur Reflexion von Licht bestimmter Frequenzen in einem bestimmten Frequenzbereich ausgelegt, wobei das frequenzselektierte Licht in den Oszillator zur stimulierten Emission zurückgekoppelt wird.In the single figure, the structure for a method for generating modulatable visible laser radiation, in particular for laser projection technology, is shown. The structure essentially consists of the following components. An oscillator 1 generates pulsed radiation with a pulse length in the picosecond range. In particular, pulses in the range from 1 to 10 picoseconds are preferably used at a repetition rate of typically 2 to 5 GHz. The resonator of the laser structure also includes a fiber 2 with a Bragg grating, with which part of the laser power is coupled back into the oscillator 1 . Due to the internal Bragg grating, this fiber 2 is designed to reflect light of certain frequencies in a certain frequency range, the frequency-selected light being fed back into the oscillator for stimulated emission.
Die Faser 2 ist auf einem piezoelektrischen Aktuator 3 aufgewickelt. Durch Anlegen einer Spannung an den Aktuator 3 wird die Lichtleitfaser 2 gedehnt. Damit läßt sich das Bragg-Gitter in der Faser 2 verstimmen, wodurch das aus der Faser 2 austretende Licht bezüglich Frequenz und Bandbreite in gewissem Maße abstimmbar ist.The fiber 2 is wound on a piezoelectric actuator 3 . The optical fiber 2 is stretched by applying a voltage to the actuator 3 . The Bragg grating in the fiber 2 can thus be detuned, as a result of which the light emerging from the fiber 2 can be tuned to a certain extent with regard to frequency and bandwidth.
Alternativ kann das Gitter in den Laser integriert werden, wie dieses zum Beispiel von Diodenlasern, mit dem Fachmann bekannten Aufbauweisen, wie von DBR (Distributed Bragg Reflector) und DFB (Distributed Feedback), bekannt ist.Alternatively, the grating can be integrated into the laser, such as this from Diode lasers, with designs known to the person skilled in the art, as described by DBR (Distributed Bragg Reflector) and DFB (Distributed Feedback).
Hinter der Faser ist ein optischer Isolator 4 vorgesehen, mit dem verhindert wird, daß Licht aus dem diesem nachfolgenden Verstärker 5 wieder in den Oszillator rückgekoppelt wird. Dem Verstärker folgt ein weiterer Isolator 6, von dem aus dann das verstärkte Laserlicht in einen quasiphasenangepaßten Kristall 7 zur Frequenzverdopplung eingeleitet wird.An optical isolator 4 is provided behind the fiber, which prevents light from the amplifier 5 following this from being fed back into the oscillator. The amplifier is followed by a further isolator 6 , from which the amplified laser light is then introduced into a quasi-phase-adapted crystal 7 for frequency doubling.
Weiter befinden sich im optischen Strahlengang die optischen Systeme 8, 9, 10, 11 und 12, um die Übertragung des Lichts zwischen den einzelnen Bauelementen optimal anzupassen, und Umlenkspiegel 14, 15 zur Faltung des Strahlenganges, um eine kompakte Bauweise zu erreichen. Die Formung der Lichtbündel ist in der einzigen Figur schematisch angedeutet. Dafür wurden für die Begrenzung der Lichtbündel zeichnerisch dünnere Strichstärken verwendet als für die übrigen Bauelemente.Furthermore, the optical systems 8 , 9 , 10 , 11 and 12 are located in the optical beam path in order to optimally adapt the transmission of light between the individual components, and deflection mirrors 14 , 15 for folding the beam path in order to achieve a compact design. The shaping of the light bundles is indicated schematically in the single figure. To achieve this, thinner line widths were used to delimit the light bundles than for the other components.
Der Verstärker 5 erhöht die Leistung des Oszillators. Außerdem wird die Leistung des Ausgangslichtstrahls 12 mit dem Verstärker 5 gesteuert. Kleine Verstärkerströme führen im Ausgang zu einer kleinen Lichtleistung, während große Verstärkerströme zur maximalen Verstärkung und damit maximaler Lichtstärke führen.The amplifier 5 increases the power of the oscillator. In addition, the power of the output light beam 12 is controlled by the amplifier 5 . Small amplifier currents lead to a small light output, while large amplifier currents lead to maximum amplification and thus maximum light intensity.
Der quasiphasenangepaßte Kristall 7 ist für eine Frequenzverdopplung vorgesehen, wodurch aufgrund der Nichtlinearität der Wechselwirkung von Licht mit Materie, im quasiphasenangepaßten Kristall 7 eine quadratische Abhängigkeit der Ausgangslichtleistung von der in den quasiphasenangepaßten Kristall 7 eingeleiteten Lichtleistung erzielt wird. Aufgrund der Frequenzverdopplung mit dem quasiphasenangepaßten Kristall 7 läßt sich wegen des daraus resultierenden quadratischen Verhaltens ein hohes Hell-/Dunkelverhältnis erzielen. Unter Hell-/Dunkelverhältnis wird in dieser Beschreibung das Verhältnis maximaler Lichtintensität zu minimaler Lichtintensität verstanden. Bei Fernsehprojektion wird beispielsweise ein Wert von größer als 1000 : 1 verlangt. Derartige Werte lassen sich mit diesem Ausführungsbeispiel erreichen. The quasi phase matched crystal 7 is provided for frequency doubling, whereby due to the nonlinearity of the interaction of light with matter, a quadratic dependence of the output light power is obtained from the introduced into the quasi-phase-matched crystal 7 light power in the quasi-phase-matched crystal. 7 Due to the frequency doubling with the quasi-phase-adapted crystal 7 , a high light / dark ratio can be achieved due to the resulting quadratic behavior. In this description, light / dark ratio is understood to mean the ratio of maximum light intensity to minimum light intensity. For television projection, for example, a value greater than 1000: 1 is required. Such values can be achieved with this exemplary embodiment.
Außerdem eignet sich dieses Verfahren prinzipiell sowohl zur Erzeugung von blauer, grüner sowie auch roter Laserstrahlung. Für die einzelnen Farben müssen jeweils geeignete Halbleitermaterialien und ein entsprechender nichtlinearer Kristall ausgewählt werden. Im folgenden werden die einzelnen Komponenten und die zu erreichenden Leistungen am Beispiel der Erzeugung von blauer Strahlung bei 460 nm beschrieben.In addition, this method is suitable in principle for the production of blue, green as well as red laser radiation. Suitable for each color must be appropriate Semiconductor materials and a corresponding nonlinear crystal can be selected. in the The following are the individual components and the services to be achieved on Example of the generation of blue radiation at 460 nm is described.
Der Oszillator 1 emittiert modengekoppelte Laserstrahlung, die zum Beispiel mit einem externen Fasergitter, hier die Faser 2 mit Bragg-Gitter, und einem Hochfrequenzgenerator erzeugt werden kann. Das emittierte Spektrum wird durch die Wahl des Fasergitters bestimmt, das allerdings in gewissen Bereichen über den Aktuator 3 abstimmbar ist. Für eine effektive Frequenzverdopplung in einem quasiphasenangepaßten Kristall ist eine spektrale Breite von ungefähr 0,2 nm zweckmäßig.The oscillator 1 emits mode-locked laser radiation, which can be generated, for example, with an external fiber grating, here the fiber 2 with Bragg grating, and a high-frequency generator. The spectrum emitted is determined by the choice of the fiber grating, which, however, can be tuned via the actuator 3 in certain areas. A spectral width of approximately 0.2 nm is expedient for effective frequency doubling in a quasi-phase-matched crystal.
Ein geeigneter Einstreifendiodenlaser emittiert mittels einer externen Faser mit einem Reflexionskoeffizienten von ungefähr 60% im kontinuierlichen Betrieb eine Ausgangsleistung von ungefähr 50 mW. Im modengekoppelten Betrieb lassen sich vergleichbare mittlere Leistungen erreichen. Die Spitzenleistungen im modengekoppelten gepulsten Betrieb im Pikosekundenbereich ist bei Diodenlasern ungefähr sechzigfach höher als beim kontinuierlichen Betrieb, so daß eine Spitzenleistung im Bereich von einigen hundert Milliwatt bei einer Pulslänge von 1 bis 10 Pikosekunden möglich wird. Derartige Leistungen sind geeignet, um einen Verstärker vollständig zu sättigen und somit die räumlichen und spektralen Eigenschaften des Verstärkers 5 zu kontrollieren.A suitable single-strip diode laser emits an output power of approximately 50 mW by means of an external fiber with a reflection coefficient of approximately 60% in continuous operation. Comparable medium outputs can be achieved in mode-locked operation. The peak power in mode-locked pulsed operation in the picosecond range is approximately sixty times higher in diode lasers than in continuous operation, so that a peak power in the range of a few hundred milliwatts is possible with a pulse length of 1 to 10 picoseconds. Such powers are suitable to completely saturate an amplifier and thus to control the spatial and spectral properties of the amplifier 5 .
Der Verstärker 5 besteht aus zwei Teilen, einmal einer wellenleitenden Struktur 20 und einer Trapezstruktur 21, die elektrisch voneinander isoliert sind. Während über die Wellenleiterstruktur 20 ein Steuerstrom angelegt wird, dient die Trapezstruktur 21, die mit einem konstanten Strom beaufschlagt wird, zur vollständigen Verstärkung, bei der die volle Ausgangsleistung erzielt wird.The amplifier 5 consists of two parts, firstly a wave-guiding structure 20 and a trapezoidal structure 21 , which are electrically insulated from one another. While a control current is applied via the waveguide structure 20 , the trapezoidal structure 21 , to which a constant current is applied, serves for complete amplification, in which the full output power is achieved.
Der Aufbau aus den Strukturen 20 und 21 ermöglicht die Modulation der Ausgangsleistung bis in den Gigahertzbereich. Für die Anwendung in der Videotechnik reichen jedoch schon Modulationsfrequenzen bis in den Bereich von etwa 30 Megahertz aus, so daß mit der angegebenen Laserstruktur noch ein großer Spielraum zur Verbesserung der Videotechnik, insbesondere auch eine Erhöhung der Bildauflösung, gegeben ist. The structure of the structures 20 and 21 enables the output power to be modulated into the gigahertz range. However, modulation frequencies in the range of approximately 30 megahertz are sufficient for use in video technology, so that there is still a great deal of scope for improving the video technology, in particular also increasing the image resolution, with the specified laser structure.
Der Trapezverstärker emittiert im kontinuierlichen Betrieb eine typische Ausgangsleistung von 4 Watt. Allerdings wird die Leistung durch die Transmission des Isolators 6 etwas erniedrigt, wobei man jedoch immer noch mit einer typischen Leistung von ungefähr 3 Watt rechnen kann. Die Verstärkung der Pikosekundenpulse ändert weder das Spektrum der Pulse noch deren Pulslänge. Die maximalen Pulsspitzenleistung ist ungefähr sechzigfach höher, wie vorhergehend schon ausgeführt wurde, so daß in dem quasiphasenangepaßten Kristall 7 eine Spitzenleistung von bis zu 180 Watt für die Frequenzverdopplung zur Verfügung steht.The trapezoidal amplifier emits a typical output power of 4 watts in continuous operation. However, the power is somewhat reduced by the transmission of the isolator 6 , although a typical power of approximately 3 watts can still be expected. The amplification of the picosecond pulses does not change the spectrum of the pulses or their pulse length. The maximum pulse peak power is approximately sixty times higher, as previously stated, so that a peak power of up to 180 watts is available for frequency doubling in the quasi-phase-matched crystal 7 .
Die Verstärkung der Oszillatorstrahlung in einem kontinuierlich angeregten Halbleiterverstärker zeichnet sich dadurch aus, daß die thermische Last des Verstärkers 5 konstant ist und daß aufgrund der kurzen Lichtpulse keine Zerstörung in der Art erfolgt, wie sie in der Fachwelt als Catastrophical Optical Damage (COD) bekannt ist.The amplification of the oscillator radiation in a continuously excited semiconductor amplifier is characterized in that the thermal load of the amplifier 5 is constant and that, due to the short light pulses, there is no destruction in the manner known in the art as catastrophical optical damage (COD) .
Für den quasiphasenangepaßten Kristall 7 eignet sich als Material zum Beispiel KTP oder LiTaO3.Suitable material for the quasi-phase-adapted crystal 7 is, for example, KTP or LiTaO 3 .
Der KTP-Kristall zeichnet sich allerdings gegenüber LiTaO3 dadurch aus, daß er sogar bei Raumtemperatur eine zu KNbO3 vergleichbare Konversionseffizienz hat. Die spektrale Akzeptanzbandbreite von KTP beträgt ferner ca. 0,2 nm bei einer Kristallänge von 1 cm und perfekter Periodizität der Domänenstruktur (Periodenlänge 5,7 µm), die für eine effiziente Konversion in quasiphasenangepaßten Kristallen notwendig ist. Die Akzeptanzbandbreite entspricht der Bandbreite der Strahlung des modengekoppelten Oszillators bei einer Pulslänge von ca. 5 ps.However, the KTP crystal is distinguished from LiTaO 3 in that it has a conversion efficiency comparable to KNbO 3 even at room temperature. The spectral acceptance bandwidth of KTP is also approximately 0.2 nm with a crystal length of 1 cm and perfect periodicity of the domain structure (period length 5.7 µm), which is necessary for efficient conversion in quasi-phase-adapted crystals. The acceptance bandwidth corresponds to the bandwidth of the radiation from the mode-locked oscillator with a pulse length of approx. 5 ps.
Eine konservative Abschätzung der zu erwartenden Ausgangsleistung basiert auf einem effektiven nichtlinearen Koeffizienten deff von 6,7 pm/V, bei einer Kristallänge von 7 mm, wobei theoretisch sogar deff < 9 pm/V möglich ist. Bisherige Untersuchungen im kontinuierlichen Betrieb haben gezeigt, daß die Leistung der frequenzverdoppelten Strahlung bis zu einer Leistung der fundamentalen Strahlung von 2 W quadratisch ansteigt. Geht man davon aus, daß dieser Zusammenhang auch noch bei einer fundamentalen Impulsleistung von 180 W gelten würde, so ergäbe sich eine Impulsleistung der frequenzverdoppelten Strahlung von über 100 W (bei einer Repetitionsrate von 5 GHz). Geht man dagegen von einem linearen Anstieg aus, so wird immer noch eine Spitzenleistung von 7 W erreicht. Beide Fälle beschreiben den oberen und unteren Grenzbereich. Deshalb kann man realistisch immer noch von einer Spitzenleistung von über 20 W ausgehen. Dem entspricht eine mittlere Leistung von über 500 mW bei 460 nm.A conservative estimate of the output power to be expected is based on an effective non-linear coefficient d eff of 6.7 pm / V with a crystal length of 7 mm, whereby theoretically even d eff <9 pm / V is possible. Previous investigations in continuous operation have shown that the power of the frequency-doubled radiation increases quadratically up to a power of the fundamental radiation of 2 W. If one assumes that this relationship would also apply to a fundamental pulse power of 180 W, this would result in a pulse power of the frequency-doubled radiation of over 100 W (with a repetition rate of 5 GHz). On the other hand, assuming a linear increase, a peak power of 7 W is still achieved. Both cases describe the upper and lower limits. Therefore, you can still realistically assume a peak power of over 20 W. This corresponds to an average power of over 500 mW at 460 nm.
Insbesondere durch die Verbesserung der Qualität des quasiphasenangepaßten Kristalls 7 sollte es möglich werden, den theoretischen Wert für die Konversionseffizienz zu erreichen. Insbesondere läßt sich die Länge des Kristalls 7 vergrößern. Die Länge des Kristalls geht quadratisch in die Gleichung für die erzeugte sichtbare Leistung, also für die Effizienz der Konversion der Grundwelle in die zweite Harmonische ein. Damit lassen sich auf einfache Weise mittlere Ausgangsleistungen im Bereich von mehr als 1 W erzeugen.In particular, by improving the quality of the quasi-phase-adapted crystal 7 , it should be possible to achieve the theoretical value for the conversion efficiency. In particular, the length of the crystal 7 can be increased. The length of the crystal is squared in the equation for the visible power generated, i.e. for the efficiency of the conversion of the fundamental wave into the second harmonic. This makes it easy to generate average output powers in the range of more than 1 W.
Diese Leistung ist für kommerzielle Videogeräte auf Laserbasis ausreichend. Um das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur für ein Laserprojektionsgerät zu verwenden, wird vorgeschlagen, drei derartige Laseranordnungen mit den Farben rot, grün und blau einzusetzen, deren Ausgangslichtbündel 13 dann zusammengefaßt werden und in die Ablenkeinrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem, eingeleitet werden. Zum Zusammenfassen in einem einzigen Lichtbündel eignen sich dichroitische Spiegel oder Lichtleitfasern sowie auch Prismen. Einzelheiten für den Aufbau des Videoprojektionssystems auf Laserbasis lassen sich aus der Literatur entnehmen.This performance is sufficient for commercial laser-based video equipment. In order to use the exemplary embodiment according to the figure for a laser projection device, it is proposed to use three such laser arrangements with the colors red, green and blue, the output light bundles 13 of which are then combined and introduced into the deflection device, for example a mirror system. Dichroic mirrors or optical fibers as well as prisms are suitable for combining in a single light bundle. Details for the construction of the laser-based video projection system can be found in the literature.
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