DE10114146B4

DE10114146B4 - Method and arrangement for adjusting the power ratio of laser beams with mutually different wavelengths

Info

Publication number: DE10114146B4
Application number: DE2001114146
Authority: DE
Inventors: Peter Heist
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: LDT Laser Display Technology GmbH
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2021-03-17
Also published as: DE10114146A1

Abstract

Verfahren zur Einstellung des Leistungsverhältnisses bei Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen, die aus einem Primärstrahl erzeugt werden, von dem ein erster Teilstrahl als Pumpstrahl für einen optisch parametrischen Oszillator dient, und ein zweiter Teilstrahl mit einem in dem optisch parametrischen Oszillator generierten Strahl durch eine erste nichtlineare optische Wechselwirkung einen ersten der Laserstrahlen erzeugt, und bei dem ein zweiter Laserstrahl durch eine zweite nichtlineare optische Wechselwirkung zwischen einem unkonvertierten Teil des in dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten Strahls und einem Teil des ersten Laserstrahls generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Leistungsverhältnisses zweier Laserstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen innerhalb des Prozesses ihrer Generierung durch eine Veränderung des Teilungsverhältnisses für die aus dem Primärstrahl erzeugten Teilstrahlen erfolgt, mit der eine Maximierung der Gesamtleistung der beiden Laserstrahlen verbunden ist.method for adjusting the power ratio of laser beams with mutually different wavelengths, consisting of a primary beam be generated, of which a first partial beam as a pump beam for a optical parametric oscillator serves, and a second partial beam with a beam generated in the optical parametric oscillator by a first nonlinear optical interaction a first generates the laser beams, and in which a second laser beam through a second nonlinear optical interaction between a unconverted part of the in the optical parametric oscillator generated beam and a portion of the first laser beam generated is characterized in that the adjustment of the power ratio two laser beams with the mutually different wavelengths within the process of their generation by a change of the division ratio for the from the primary beam generated partial beams, with the maximization of overall performance the two laser beams is connected.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Einstellung des Leistungsverhältnisses bei Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen, die aus einem Primärstrahl erzeugt werden, von dem ein erster Teilstrahl als Pumpstrahl für einen optisch parametrischen Oszillator dient, und ein zweiter Teilstrahl mit einem in dem optisch parametrischen Oszillator generierten Strahl durch eine erste nichtlineare optische Wechselwirkung einen ersten der Laserstrahlen erzeugt, und bei dem ein zweiter Laserstrahl durch eine zweite nichtlineare optische Wechselwirkung zwischen einem unkonvertierten Teil des in dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten Strahls und einem Teil des ersten Laserstrahls generiert wird.The The invention relates to the adjustment of the power ratio in laser beams with mutually different wavelengths, the from a primary beam be generated, of which a first partial beam as a pump beam for a optical parametric oscillator, and a second partial beam with a beam generated in the optical parametric oscillator by a first nonlinear optical interaction a first generates the laser beams, and in which a second laser beam through a second nonlinear optical interaction between an unconverted Part of the beam generated in the optical parametric oscillator and a part of the first laser beam is generated.

Bekanntermaßen ist nach der DE 43 06 797 C1 eine Bildprojektion mittels geeignet modulierter Laserstrahlen im roten (R), grünen (G) und blauen (B) Wellenlängenbereich möglich. Die Erzeugung der drei Laserstrahlen erfolgt vorzugsweise in einem sogenannten RGB-Lasersystem aus Laserlicht einer Primärwellenlänge mit nachfolgenden Frequenzwandlungen in die erforderlichen Wellenlängen [ DE 197 13 433 C1 , EP 0 728 400 B1 ].As is known, after the DE 43 06 797 C1 an image projection by means of suitably modulated laser beams in the red (R), green (G) and blue (B) wavelength range possible. The generation of the three laser beams preferably takes place in a so-called RGB laser system of laser light of a primary wavelength with subsequent frequency conversions into the required wavelengths. DE 197 13 433 C1 . EP 0 728 400 B1 ].

So werden bei dem RGB-Lasersystem nach der DE 197 13 433 Laserstrahlen mit den Wellenlängen 628.5 nm (R), 532 nm (G) und 446 nm (B) erzeugt. Für eine farbgetreue Bildwiedergabe müssen die drei Laserstrahlen ein bestimmtes Leistungsverhältnis zueinander aufweisen, so dass einer Projektion auf einen gemeinsamen Punkt durch additive Farbmischung ein sogenanntes Normweiß entsteht. Gemäß Phys. Bl. 52 (1996) Nr. 11, S. 1129–1130 ist es erforderlich, die Leistungen der Laserstrahlen unabhängig voneinander zu steuern.So are the RGB laser system after the DE 197 13 433 Laser beams with the wavelengths 628.5 nm (R), 532 nm (G) and 446 nm (B) produced. For a color-faithful image reproduction, the three laser beams must have a certain power ratio to one another, so that a projection onto a common point by additive color mixing produces a so-called standard white. According to Phys. Bl. 52 (1996) No. 11, p. 1129-1130, it is necessary to control the powers of the laser beams independently of each other.

Beispielsweise ist es zur Erzeugung der Normlichtart D65 [M. Richter: Einführung in die Farbmetrik, de Gruyter, Berlin, New Nork 1981] notwendig, dass die Leistungen bei diesen Wellenlängen in einem Verhältnis von R:G:B = 1,0:0,96:0,68 stehen. Man wird also bestrebt sein, ein solches Leistungsverhältnis zumindest annähernd zu erzeugen und noch vorhandene Fehlverhältnisse in einem sich üblicherweise anbietenden Weißabgleich auszugleichen.For example is it to produce the standard illuminant D65 [M. Judge: Introduction to the colorimetry, de Gruyter, Berlin, New Nork 1981] necessary that the powers at these wavelengths in a ratio of R: G: B = 1.0: 0.96: 0.68. So one will endeavor to be one performance ratio at least approximately to generate and still existing faulty conditions in a usually offering white balance compensate.

Nach Hollemann et al. „RGB lasers for laser projection displays" in Projection Displays 2000: Six in a Series, Ming H. Wu, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3954, 140–151 (2000) kann man dafür einen Weißabgleich benutzen, der aufgrund seiner Position innerhalb der Laseranordnung den mit der niedrigsten relativen Leistung vorhandenen Laserstrahl als Maß verwenden muss, um das erforderliche Leistungsverhältnis herstellen zu können. Das hat zur Folge, dass ein solches Verhältnis in jedem Fall nur durch eine Minderung der Leistungen bei den „stärkeren" Strahlen erfolgen kann, so dass unerwünschte Leistungsverluste unvermeidbar sind. Die Farbe, von der am wenigsten an Leistung erforderlich ist, bestimmt somit darüber, wie viel Leistung bei den anderen Farben vorhanden sein darf. Die Farben selber werden aus einer Primärlaserstrahlung in kaskadenartigen nichtlinearen optischen Prozessen gewonnen.To Hollemann et al. "RGB lasers for laser projection displays "in Projection Displays 2000: Six in a Series, Ming H. Wu, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3954, 140-151 (2000) can one for it a white balance use that due to its position within the laser array the laser beam with the lowest relative power to use as a measure must be able to produce the required power ratio. The As a result, such a relationship in any case only by A reduction in the benefits of the "stronger" beams can be made, so that unwanted power losses are unavoidable. The color required by the least power is determined, therefore, about how much power should be available for the other colors. The Colors themselves become from a primary laser radiation in cascade-like won nonlinear optical processes.

Wie viel Strahlung in den nichtlinearen Prozessen jeweils erzeugt wird bzw. wie viel ungewandelte Strahlung für die nachfolgende Nutzung zur Verfügung steht, hängt im Wesentlichen von den Umwandlungseffektivitäten η der nichtlinearen optischen Prozesse ab. Diese liegen typischerweise zwischen 30 und 60% und hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie

• Einhaltung der Phasenanpassungsbedingung (Kristallorientierung, Temperatur)
• Räumliche und zeitliche Überlappung der Lichtpulse im Falle der SFG
• Länge des optisch-parametrischen Oszillators.

How much radiation is generated in the non-linear processes in each case or how much unconverted radiation is available for subsequent use essentially depends on the conversion efficiencies η of the nonlinear optical processes. These are typically between 30 and 60% and depend on a variety of factors, such as

• compliance with the phase matching condition (crystal orientation, temperature)
Spatial and temporal overlap of the light pulses in the case of the SFG
• Length of the optical parametric oscillator.

In den kaskadenartigen Prozessen, bei denen nichtgewandelte Strahlung eines Prozesses für weitere Frequenzwandlungen genutzt wird, hängt die Umwandlungseffektivität des jeweils nachfolgenden Prozesses auch von räumlichen und zeitlichen Verformungen der Pulse im vorhergehenden Prozess ab.In the cascading processes involving unconverted radiation a process for more Frequency conversions is used depends on the conversion efficiency of each subsequent process also of spatial and temporal deformations the pulses in the previous process.

Auch in der EP 0 728 400 B1 wird darauf hingewiesen, dass es für ein Farbvideosystem zweckmäßig ist, eine hohe Weißleuchtdichte zu erzeugen. Dort wird vorgeschlagen, dass die drei verschiedenfarbigen Farbanteile für die Farben Rot, Grün und Blau ungefähr gleiche Intensitäten haben sollten, da sonst der Laserstrahl mit der kleinsten Intensität für weiß die maximal möglichen Leistungen der anderen Laserstrahlen beschränken würde. Bei stark unterschiedlichen Leistungen müsste andernfalls die Laserleistung des primären Lasers zum Erreichen der gleichen Leuchtstärke sehr hoch sein, was einen zusätzlichen Aufwand nach sich ziehen würde.Also in the EP 0 728 400 B1 It should be noted that it is convenient for a color video system to produce a high white luminance. There it is proposed that the three differently colored color components for the colors red, green and blue should have approximately the same intensities, since otherwise the laser beam with the smallest intensity for white would limit the maximum possible powers of the other laser beams. Otherwise, with very different powers, the laser power of the primary laser would have to be very high to achieve the same luminosity, which would require additional effort.

Die DE 198 19 178 C2 verwendet eine, in einen OPO-Resonator integrierte Frequenzmischung, um gegenüber einer externen Frequenzmischung eine Erhöhung der Konversionseffizienz der nichtlinearen Frequenzkonversion von Strahlung gepulster optischer parametrischer Oszillatoren zu erreichen.The DE 198 19 178 C2 uses a frequency mixing integrated into an OPO resonator to increase the conversion efficiency of the nonlinear frequency conversion of pulsed optical parametric oscillator radiation versus external frequency mixing.

Aus Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 5. Auflage, München u. a.: Hanser 1987, S. 527–528 ist ein variabler Strahlenteiler bekannt, der aus einer λ/2-Platte und einem drehbaren polarisierenden Strahlteiler besteht.Out Naumann / Schröder, Components of optics, 5th edition, Munich u. a .: Hanser 1987, p. 527-528 a variable beam splitter consisting of a λ / 2 plate and a rotatable polarizing beam splitter.

Gemäß der DE 40 41 803 A1 ist es bei der Videotechnik bekannt, das Leistungsverhältnis zwischen Rot und Blau zu ermitteln und beim Weißabgleich einzusetzen.According to the DE 40 41 803 A1 It is known in video technology to determine the power ratio between red and blue and use the white balance.

Es besteht die Aufgabe, eine solche Einstellung des Leistungsverhältnisses der Laserstrahlen zueinander zu ermöglichen, bei der eine Leistungsverringerung zur Anpassung an einen niedrigsten Leistungswert vermieden und somit die Effektivität bei der Umwandlung einer Ausgangsleistung in verwertbare Teilleistungen erhöht wird.It the task is to set such a power ratio to allow the laser beams to each other, in which a power reduction to adapt to a lowest power value avoided and thus the effectiveness at the conversion of an output into usable partial services elevated becomes.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Einstellung des Leistungsverhältnisses bei Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen gelöst, die aus einem Primärstrahl erzeugt werden, von dem ein erster Teilstrahl als Pumpstrahl für einen optisch parametrischen Oszillator dient, und ein zweiter Teilstrahl mit einem in dem optisch parametrischen Oszillator generierten Strahl durch eine erste nichtlineare optische Wechselwirkung einen ersten der Laserstrahlen erzeugt, und bei dem ein zweiter Laserstrahl durch eine zweite nichtlineare optische Wechselwirkung zwischen einem unkonvertierten Teil des in dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten Strahls und einem Teil des ersten Laserstrahls generiert wird, indem die Einstellung des Leistungsverhältnisses zweier Laserstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen innerhalb des Prozesses ihrer Generierung durch eine Veränderung des Teilungsverhältnisses für die aus dem Primärstrahl erzeugten Teilstrahlen erfolgt, mit der eine Maximierung der Gesamtleistung der beiden Laserstrahlen verbunden ist.The Task is according to the invention by a method for adjusting the power ratio solved by laser beams with mutually different wavelengths, the from a primary beam be generated, of which a first partial beam as a pump beam for a optical parametric oscillator serves, and a second partial beam with a beam generated in the optical parametric oscillator by a first nonlinear optical interaction a first generates the laser beams, and in which a second laser beam through a second nonlinear optical interaction between a unconverted part of the in the optical parametric oscillator generated beam and a portion of the first laser beam generated is done by adjusting the power ratio of two laser beams with the mutually different wavelengths within the process their generation through a change of the division ratio for the the primary beam produced partial beams, with the maximization of the overall performance of connected to both laser beams.

Eine derartige Einstellung des erforderlichen Leistungsverhältnisses durch Veränderung des Teilungsverhältnisses ist besonders vorteilhaft für ein Lasersystem einsetzbar, das zur Erzeugung der Farben Rot, Grün und Blau (RGB-Lasersystem) für eine Bildprojektion vorgesehen ist. Von diesen drei Farben eignen sich besonders Rot und Blau für die erfindungsgemäße Einstellung des Leistungsverhältnisses.A Such adjustment of the required power ratio through change of the division ratio is particularly advantageous for a laser system used to generate the colors red, green and blue (RGB laser system) for an image projection is provided. Of these three colors are suitable especially red and blue for the setting according to the invention of the power ratio.

Besonders positive Auswirkungen sind mit der Anwendung der Erfindung verbunden, wenn nach der Erzeugung der entsprechenden Laserwellenlängen für die Farben Rot und Blau von den Laserstrahlen noch optische Strecken durchlaufen werden müssen, deren Transmission keine zuvor bekannte konstante Größe ist. Solche optischen Strecken sind in RGB-Lasern zur Bildprojektion üblicherweise Kanäle zur Modulation der jeweiligen Laserleistung mit dem Videosignal, wobei als Modulatoren akustooptische oder elektrooptische Modulatoren (AOM bzw. EOM) verwendet werden. Deren maximale Transmission hängt von verschiedenen, nicht immer vorhersehbaren Faktoren ab, wie z. B. den Laserstrahleigenschaften (Strahlgüte, Strahldurchmesser im Modulator) oder der Justierung des Modulators (Ort und Einfallswinkel des Strahldurchtritts durch den Modulator). Ein weiteres optisches Element kann eine Übertragungsfaser zum Bildprojektionskopf und deren Ein- und Auskoppeloptik sein. Auch hier sind schwankende Strahleigenschaften, Justierungenauigkeiten oder Alterung der Faser (Transmissionsabnahme) Ursachen für vorher nicht absehbare oder im Nachhinein veränderliche Verhältnisse der Farbleistungen zueinander (Alterung der Faser, Dejustierungen).Especially positive effects are associated with the application of the invention, if after generating the appropriate laser wavelengths for the colors Red and blue of the laser beams still go through optical routes Need to become, whose transmission is not a previously known constant size. Such optical paths are commonly used in RGB lasers for image projection channels for modulating the respective laser power with the video signal, where as modulators acousto-optic or electro-optical modulators (AOM or EOM) can be used. Their maximum transmission depends on different, not always predictable factors from such. B. the laser beam properties (beam quality, beam diameter in the modulator) or the adjustment of the modulator (location and angle of incidence of the beam passage through the modulator). Another optical element may be a transmission fiber to the image projection head and their input and output optics. Again, there are fluctuating beam characteristics, justification inaccuracies or aging of the fiber (transmission decrease) causes for before unpredictable or retrospectively changeable conditions the color performances to each other (aging of the fiber, misalignments).

Da am Ende der Übertragungskette (am Ausgang des Projektionskopfes) das erforderliche Leistungsverhältnis R:G:B vorliegen muss, ist es vorteilhaft, dieses durch die Anwendung der hier beschriebenen Erfindung einzustellen.There at the end of the transmission chain (at the output of the projection head) the required power ratio R: G: B must be present, it is advantageous by the application of the adjust the invention described herein.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Veränderung des Teilungsverhältnisses zur Einstellung des erforderlichen Leistungsverhältnisses über eine Regelschleife während des Betriebszustandes des Lasersystems steuerbar ist. Dadurch wird eine ständige Anpassung an Systemveränderungen, wie z. B. Drifterscheinungen durch Alterungsprozesse oder Dejustierungen gewährleistet. Eine Anpassung an Systemveränderungen kann auch notwendig sein, wenn sich beim Einsatz der Erfindung in einem RGB-Lasersystem für die Bildprojektion ein Übergang von einer Farbnorm zu einer anderen erforderlich macht.Advantageous It is also when the change of division ratio for setting the required power ratio over a control loop during the Operating state of the laser system is controllable. This will be a constant adaptation to system changes, such as B. drift phenomena due to aging processes or misalignments guaranteed. An adaptation to system changes may also be necessary if, when using the invention in an RGB laser system for the image projection a transition from one color standard to another.

Weiterhin ist es bei der Anwendung der Erfindung in einem RGB-Lasersystem von Vorteil, wenn die Einstellung der Leistung für die Farbe Grün in die Regelschleife eingebunden ist und durch Phasenanpassung eines zur Grün-Erzeugung vorgesehenen nichtlinearen optischen Kristalls erfolgt.Farther it is in the application of the invention in an RGB laser system beneficial when adjusting the power for the color green in the control loop integrated by phase matching of a non-linear to green generation optical crystal takes place.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung zur Einstellung des Leistungsverhältnisses bei Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen, die aus einem Primärstrahl erzeugt sind, von dem ein erster Teilstrahl als Pumpstrahl für einen optisch parametrischen Oszillator dient, und ein zweiter Teilstrahl mit einem in dem optisch parametrischen Oszillator generierten Strahl durch eine Wechselwirkung in einem ersten nichtlinearen optischen Element einen ersten der Laserstrahlen erzeugt, und bei der ein zweiter Laserstrahl durch eine Wechselwirkung in einem zweiten nichtlinearen Kristall zwischen einem unkonvertierten Teil des in dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten Strahls und einem Teil des ersten Laserstrahls generiert wird, wobei im Strahlengang des Primärstrahls ein Strahlteiler mit variablem Teilerverhältnis angeordnet ist, mit dem das Leistungsverhältnis zweier Laserstrahlen mit den voneinander verschiedenen Wellenlängen innerhalb des Prozesses ihrer Generierung einstellbar und die Summe der Leistungen der beiden Laserstrahlen maximierbar ist.The invention further relates to an arrangement for adjusting the power ratio of laser beams with mutually different wavelengths, which are generated from a primary beam, of which a first partial beam serves as a pump beam for an optical parametric oscillator, and a second partial beam with a in the optical parametric oscillator generated beam generated by an interaction in a first nonlinear optical element, a first of the laser beams, and in which generates a second laser beam by an interaction in a second non-linear crystal between an unconverted part of the beam generated in the optical parametric oscillator and a part of the first laser beam is, wherein in the beam path of the primary beam, a beam splitter is arranged with a variable divider ratio, with which the power ratio of two laser beams with each other Wavelengths within the process of their generation adjustable and the sum of the powers of the two laser beams can be maximized.

Vorteilhafterweise umfasst der Strahlteiler einen Polarisationsstrahlteiler, der zur Einstellung des Teilerverhältnisses in Verbindung mit einer drehbaren Halbwellenplatte (λ/2-Platte) arbeitet.advantageously, The beam splitter comprises a polarization beam splitter, which is used for Setting the divider ratio in conjunction with a rotatable half-wave plate (λ / 2 plate) is working.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the schematic drawings be explained in more detail. It demonstrate:

1 ein Prinzipschema zur Erzeugung dreier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen aus einem Primärstrahl 1 a schematic diagram for generating three laser beams of different wavelengths from a primary beam

2 eine Anordnung zur Erzeugung von Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen und zur Einstellung des Leistungsverhältnisses der beiden Laserstrahlen zueinander 2 an arrangement for generating laser beams with mutually different wavelengths and for adjusting the power ratio of the two laser beams to each other

3 ein Diagramm zur Einstellbarkeit des Leistungsverhältnisses zweier Laserstrahlen mit Hilfe der Anordnung gemäß 2 3 a diagram for adjustability of the power ratio of two laser beams by means of the arrangement according to 2

4 die Auswirkungen einer reduzierten Umwandlungseffektivität auf den Verlust an Leistung bei der Erzeugung der Farbe Rot 4 the effects of reduced conversion efficiency on the loss of power in generating the color red

5 die Auswirkungen einer reduzierten Umwandlungseffektivität auf den Verlust an Leistung bei der Erzeugung der Farbe Blau 5 the effect of reduced conversion efficiency on the loss of power in generating the color blue

6 die Abhängigkeit des Reflexionsgrades des Strahlteilers von der Winkelverdrehung der λ/2-Platte, wobei Φ der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung und der sogenannten langsamen Kristallachse der λ/2-Platte ist 6 the dependence of the reflectance of the beam splitter on the angular rotation of the λ / 2 plate, where Φ is the angle between the polarization direction of the incident radiation and the so-called slow crystal axis of the λ / 2 plate

Die in 1 dargestellte Anordnung enthält zur Erzeugung von drei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen für die Farben Rot, Grün und Blau kaskadenartig nacheinander angeordnete nichtlineare optische Bauelemente NLO I, NLO II, NLO III und NLO IV für nichtlineare optische Wechselwirkungen der jeweils beteiligten Laserstrahlen. Infrarotstrahlung eines Laserstrahls 1 mit einer Wellenlänge IR I wird als Folge hochrepetierender kurzer Pulse im ps-Bereich auf das nichtlineare optische Bauelement NLO I gerichtet, in dem durch Frequenzverdopplung (SHG) eines Strahlungsanteils des Laserstrahls 1 zunächst Grün erzeugt wird. Für die Erzeugung der Farben Rot und Blau wird der andere Strahlungsanteil des Laserstrahls 1 dem nichtlinearen optischen Bauelement NLO II zugeführt, das als optischparametrischer Oszillator (OPO) Strahlung 2 mit einer Wellenlänge IR II generiert, die wiederum mit dem verbliebenen nichtgewandelten Teil des Laserstrahls 1 in dem Bauelement NLO III über Summenfrequenzgeneration (SFG I) Strahlung Rot im roten Wellenlängenbereich erzeugt. Diese so erzeugte rote Strahlung tritt in einer weiteren nachfolgenden Summenfrequenzgeneration (SFG II) im Bauelement NLO IV mit der verbliebenen nichtgewandelten Strahlung 2 aus dem optisch-parametrischen Oszillator in Wechselwirkung und erzeugt Strahlung Blau im blauen Wellenlängenbereich. Der verbliebene, nichtgewandelte Anteil roter Laserstrahlung steht zur weiteren Verwendung zur Verfügung.In the 1 illustrated arrangement includes for generating three laser beams with different wavelengths for the colors red, green and blue cascade successively arranged nonlinear optical components NLO I, NLO II, NLO III and NLO IV for non-linear optical interactions of the laser beams involved. Infrared radiation of a laser beam 1 with a wavelength IR I is directed as a result of hochrepetierender short pulses in the ps range on the non-linear optical element NLO I, in which by frequency doubling (SHG) of a radiation component of the laser beam 1 initially green is generated. For the generation of the colors red and blue, the other radiation component of the laser beam 1 fed to the nonlinear optical component NLO II, the opto-parametric oscillator (OPO) radiation 2 generated with a wavelength IR II, in turn, with the remaining unconverted part of the laser beam 1 generated in the device NLO III via sum frequency generation (SFG I) radiation red in the red wavelength range. This red radiation thus generated occurs in a further subsequent sum frequency generation (SFG II) in the NLO IV component with the remaining unconverted radiation 2 from the optical parametric oscillator interacts and generates blue radiation in the blue wavelength range. The remaining, unconverted portion of red laser radiation is available for further use.

Die mit Hilfe der nichtlinearen optischen Bauelemente NLO I, NLO II, NLO III und NLO IV erzeugten Wellenlängen hängen von der Wellenlänge des Laserstrahls 1 und von den gewählten Bedingungen im NLO-II-Bauelement und hier im Wesentlichen vom verwendeten Kristalltyp ab. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Wellenlänge des Laserstrahls 1 1064 nm, woraus sich durch Frequenzverdopplung (SHG) im NLO I die halbe Wellenlänge von 532 nm für Grün ergibt. Durch die Verwendung eines KTA-Kristalls im OPO (NLO II) wird eine Wellenlänge IR II von 1535 nm erzeugt, so dass in den nachfolgenden Prozessen durch Summenfrequenzgeneration (SFG I und II) Wellenlängen von 628,5 nm für Rot und 446 nm für Blau entstehen.The wavelengths generated by means of the nonlinear optical components NLO I, NLO II, NLO III and NLO IV depend on the wavelength of the laser beam 1 and of the selected conditions in the NLO-II device and here essentially of the type of crystal used. In the present exemplary embodiment, the wavelength of the laser beam 1 is 1064 nm, resulting in half the wavelength of 532 nm for green by frequency doubling (SHG) in NLO I. By using a KTA crystal in the OPO (NLO II), a wavelength IR II of 1535 nm is generated, so that in the subsequent processes by sum frequency generation (SFG I and II) wavelengths of 628.5 nm for red and 446 nm for blue arise.

Selbstverständlich ist die Erfindung auch für andere Wellenlängen anwendbar, solange die Art und Weise der Erzeugung der Laserstrahlen gemäß 1 bzw. 2 erfolgt. So kann man im OPO beispielsweise auch einen KTP-Kristall verwenden, der bei ansonsten gleichen Bedingungen, wie der Wellenlänge für die Laserstrahlung 1 von 1064 nm, eine Wellenlänge IR II von 1575 nm bereitstellt, woraus sich durch die nachfolgenden Summenfrequenzprozesse für Rot die Wellenlänge 635 nm und für Blau die Wellenlänge 452 nm ergibt.Of course, the invention is also applicable to other wavelengths, as long as the manner of generating the laser beams according to 1 respectively. 2 he follows. For example, in the OPO you can also use a KTP crystal that has the same conditions as the wavelength for the laser radiation 1 of 1064 nm, provides a wavelength IR II of 1575 nm, resulting in the following sum frequency processes for red, the wavelength of 635 nm and blue, the wavelength 452 nm.

Zur Erzeugung der Normlichtart D65 müssen die drei Farben mit diesen Wellenlängen bei additiver Mischung in folgendem Verhältnis von R:G:B = 1,0:0,76:0,55 stehen.to Generation of standard illuminant D65 must be the three colors with these wavelengths with additive mixture in the following ratio of R: G: B = 1.0: 0.76: 0.55 stand.

Der Grundaufbau der in 2 dargestellten Anordnung entspricht dem der Anordnung gemäß 1, wobei das erste nichtlineare optische Bauelement NLO I für die Grünerzeugung nicht dargestellt ist. So bildet der bisherige andere Strahlungsanteil des Laserstrahls 1 nunmehr einen Primärstrahl 3, in dessen Strahlengang ein Strahlteiler 4 mit variablem Teilerverhältnis angeordnet ist. Die Eigenschaft ausnutzend, dass die Laserstrahlung des Primärstrahls 3 linear polarisiert ist, umfasst der Strahlteiler 4 einen Polarisationsstrahlteiler (PBS) 5, der zur Einstellung des Teilerverhältnisses in Verbindung mit einer drehbaren λ/2-Platte 6 arbeitet. Mit Hilfe der λ/2-Platte 6 erfolgt zunächst eine Aufteilung in zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationskomponenten, deren Verhältnis durch den Drehwinkel Φ der λ/2-Platte 6 bestimmt ist. Das Verhältnis der Polarisationskomponenten zueinander bestimmt darüber, welcher Anteil an Laserleistung transmittiert und welcher reflektiert wird.The basic structure of in 2 The arrangement shown corresponds to that of the arrangement according to 1 wherein the first non-linear optical component NLO I for the green generation is not shown. Thus, the previous forms other radiation component of the laser beam 1 now a primary beam 3 , in whose beam path a beam splitter 4 arranged with variable divider ratio. Taking advantage of the property that the laser radiation of the primary beam 3 is linearly polarized, includes the beam splitter 4 a polarization beam splitter (PBS) 5 for adjusting the divider ratio in conjunction with a rotatable λ / 2 plate 6 is working. With the help of the λ / 2 plate 6 First, a division into two mutually perpendicular polarization components, their ratio by the rotation angle Φ of the λ / 2 plate 6 is determined. The ratio of the polarization components to each other determines what proportion of laser power is transmitted and which is reflected.

Ein erster Teilstrahl 7 des Primärstrahls 3, hier der reflektierte, wird zum Pumpstrahl für den optischparametrischen Oszillator im nichtlinearen optischen Element NLO II. Ein zweiter Teilstrahl 8 wird über eine Verzögerungsstrecke ΔL geführt und anschließend mit dem in dem optisch-parametrischen Oszillator generierten Strahl 2 durch den SFG I – Prozess im NLO III zur Roterzeugung vereinigt. Im Weiteren weist die Anordnung eine gleichartige Funktionsweise auf, wie sie bereits für 1 beschrieben ist.A first partial beam 7 of the primary beam 3 , here the reflected, becomes the pumping beam for the optical parametric oscillator in the nonlinear optical element NLO II. A second partial beam 8th is passed over a delay line ΔL and then with the generated in the optical parametric oscillator beam 2 through the SFG I process in NLO III for red production. Furthermore, the arrangement has a similar functioning, as already for 1 is described.

Es hat sich gezeigt, dass es durch die Veränderung des Teilungsverhältnisses für die aus dem Primärstrahl 3 erzeugten Teilstrahlen 7 und 8 gelingt, das Leistungsverhältnis zweier Laserstrahlen mit voneinander verschiedenen Wellenlängen, hier für die Farben Rot und Blau, die mit Hilfe von kaskadenartig nacheinander angeordneten nichtlinearen optischen Bauelementen aus einem Primärstrahl erzeugt sind, trotz der Vielzahl schwer beeinflussbarer Randbedingungen innerhalb der Prozesse ihrer Generierung derart einzustellen, dass die erzielbare Gesamtleistung der beiden Laserstrahlen maximierbar ist und nicht wie bisher zu einer Reduzierung einer bereits erzeugten Gesamtleistung führen muss.It has been shown that it is by changing the division ratio for those from the primary beam 3 generated partial beams 7 and 8th manages to set the power ratio of two laser beams with mutually different wavelengths, here for the colors red and blue, which are generated by means of cascaded successively arranged nonlinear optical components of a primary beam, despite the large number of difficult to influence boundary conditions within the processes of their generation such that the achievable overall performance of the two laser beams can be maximized and does not have to lead to a reduction of an already generated overall power as hitherto.

Diesen Sachverhalt heben besonders deutlich die Leistungskurven für die Summenfrequenzen R und B sowie deren Verhältnis B/R in Abhängigkeit vom Reflexionsgrad R_PBS des Polarisationsstrahlteilers PBS in 3 hervor. 3 zeigt, dass es mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung möglich ist, die Leistungen P_R und P_B der Strahlungen für die Farben Rot und Blau bereits bei den Summenfrequenzgenerationen SFG I und SFG II gleichzeitig zu beeinflussen und das Verhältnis B/R in weiten Bereichen (zwischen ca. 30% und 120% einzustellen. Der Reflexionsgrad R_PBS wird durch Drehung der λ/2-Platte 6 mit der in 7 dargestellten Abhängigkeit eingestellt. Es wird deutlich, dass nur ein einstellbarer Wert existiert, bei dem ein geeignetes Verhältnis B/R vorliegt.This fact is emphasized particularly clearly by the power curves for the sum frequencies R and B and their ratio B / R as a function of the reflectance R _{PBS of} the polarization beam splitter PBS in FIG 3 out. 3 shows that it is possible with the aid of the inventive arrangement, the power P _R and P _{B of} the red and blue radiation already at the sum frequency generations SFG I and SFG II simultaneously affect and the ratio B / R in wide ranges (between 30% and 120%, the reflectance R _PBS is determined by rotation of the λ / 2 plate 6 with the in 7 depicting dependency set. It becomes clear that only one adjustable value exists, with a suitable ratio B / R.

Die Anordnung erlaubt sowohl die exakte Einstellung des erforderlichen Leistungsverhältnisses als auch eine Aufrechterhaltung dieses Verhältnisses durch eine Regelschleife.The Arrangement allows both the exact adjustment of the required performance ratio as well as a maintenance of this relationship by a control loop.

Die Kurve für die Gesamtleistung P_SUM der beiden Laserstrahlen verläuft über einen weiten Bereich der Verstellung des Reflexionsgrades des Polarisationsstrahlteilers PBS im Wesentlichen konstant und weicht über diesen Bereich nur geringfügig vom maximal erreichbaren Gesamtleistungswert ab. Die Gesamtleistung beträgt im vorliegenden Beispiel 11 W, was typisch ist für eine Primärstrahlung IR I von ca. 40 W. Dagegen ist das Verhältnis B/R stark reflexionsgradabhängig.The curve for the total power P _{SUM of} the two laser beams is substantially constant over a wide range of the adjustment of the reflectance of the polarization beam splitter PBS and deviates only slightly from the maximum achievable total power value over this range. The total power in the present example is 11 W, which is typical for a primary radiation IR I of about 40 W. On the other hand, the ratio B / R is strongly reflection-dependent.

Die in den 4 und 5 dargestellten Kurven widerspiegeln Ereignisse, bei denen die Erzeugung der Farben Rot und Blau durch die Summenfrequenzgenerationen SFG I und SFG II in den nichtlinearen optischen Elementen NLO III und NLO IV mit einer Umwandlungseffektivität η_R bzw. η_B erfolgt, die gegenüber einem ursprünglichen optimalen Wert verringert ist. Die Gründe dafür können verschiedene Ursachen haben, wie z. B. die Alterung der verwendeten Kristalle oder der Antireflexschichten auf den Endflächen der Kristalle sowie eine Dejustierung der Kristalle aus dem optimalen Phasenanpassungswinkel. Eine Spiegelverstellung aufgrund thermischer Beeinflussung führt zu einer nicht mehr vollständigen Strahlüberlappung, so dass keine optimale Wechselwirkung zwischen den Strahlen vorhanden ist. In jedem Fall führt ein derartiges Ereignis dazu, dass das Leistungsverhältnis B/R von dem geforderten (im vorliegenden Beispiel B/R = 0,68) abweicht und erneut eingestellt werden muss.The in the 4 and 5 illustrated curves reflect events in which the generation of the red and blue colors by the summation frequency generations SFG I and SFG II in the nonlinear optical elements NLO III and NLO IV with a conversion efficiency η _R and η _B , which decreases from an original optimum value is. The reasons for this can have different causes, such as: For example, the aging of the used crystals or the antireflection layers on the end faces of the crystals as well as a misalignment of the crystals from the optimum phase matching angle. A mirror adjustment due to thermal influence leads to a no longer complete beam overlap, so that no optimal interaction between the beams is present. In any case, such an event causes the power ratio B / R to deviate from the required (B / R = 0.68 in the present example) and must be readjusted.

Verwendet man dazu einen der Farberzeugung nachgeordneten Weißabgleich, führt das zu Verlustkurven, die in gestrichelter Weise dargestellt sind.used to do this, one of the color generation downstream white balance, does that to loss curves, which are shown in dashed lines.

Mit den durchgezogenen Kurven ist dagegen der Fall dargestellt, wonach das erforderliche Leistungsverhältnis durch Änderung des Reflexionsgrades R(PBS) des Strahlteilers 4 eingestellt wird, indem der Drehwinkel Φ der λ/2-Platte 6 verändert wird. Während bei der Erzeugung von Blau mit nachgeschaltetem Weißabgleich ein Verlust von 9% zu verzeichnen ist, beträgt dieser bei der Verwendung der Erfindung dagegen nur 2%.With the solid curves, however, the case is shown, after which the required power ratio by changing the reflectance R (PBS) of the beam splitter 4 is adjusted by the angle of rotation Φ of the λ / 2 plate 6 is changed. By contrast, while the generation of blue with downstream white balance has a loss of 9%, this is only 2% when using the invention.

In den beiden Beispielen nach den 4 und 5 wird deutlich, dass mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahmen die mit dem Rückgang der Umwandlungseffektivitäten verbundenen Leistungsverluste durch eine verlustarme Regulierung des Leistungsverhältnisses minimiert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, das Lasersystem mit einem hohen Gesamtleistungsniveau über einen längeren Zeitraum betreiben zu können, ohne dass Eingriffe, wie z. B. ein Teilewechsel (Kristall, Spiegel) oder Spiegelnachjustierungen erforderlich sind.In the two examples after the 4 and 5 It is clear that with the aid of the measures according to the invention, the power losses associated with the reduction of the conversion efficiencies can be minimized by a low-loss regulation of the power ratio. Another advantage is to be able to operate the laser system with a high overall level of performance over a longer period of time, without interference, such. B. a change of parts (crystal, mirror) or Spiegelnachjustierungen are required.

Gegenüber der einmaligen Einstellung des Leistungsverhältnisses, wie es gemäß 3 beispielsweise bei der Fertigung eines RGB-Lasersystems erfolgen kann, zeigen die Inhalte der 4 und 5 den Vorteil der Erfindung, das erforderliche Leistungsverhältnis B/R mit Hilfe einer Regelschleife im Laserbetrieb mit den o. g. Leistungsvorteilen ständig aufrechtzuerhalten. Eine derartige Regelung ist dafür geeignet, die Farbleistung an gegebene Verhältnisse so anzupassen, dass immer ein Maximum an Gesamtleistung zur Verfügung steht.Compared to the one-time adjustment of the power ratio, as according to 3 for example, in the manufacture of a RGB Lasersys tems can show the contents of the 4 and 5 the advantage of the invention to constantly maintain the required power ratio B / R by means of a control loop in the laser mode with the above-mentioned performance advantages. Such a regulation is suitable for adapting the color performance to given conditions in such a way that a maximum of total power is always available.

Darüber hinaus ist die Erfindung auch dazu geeignet, bei einem erwünschten Wechsel der Leistungsverhältnisse, wie z. B. bei einem Übergang von einer Farbnorm zu einer anderen, eine Einstellung der optimalen Leistungsbilanz zu gestatten.Furthermore the invention is also suitable for a desired Change of performance conditions, such as B. at a transition from one color norm to another, a setting of optimal Allow current account.

Die Leistung der in dem nichtlinearen optischen Element NLO I erzeugten grünen Strahlung kann in einer solchen Regelschleife einfach über Stellglieder durch eine Beeinflussung der Phasenanpassung erfolgen.The Power of the generated in the nonlinear optical element NLO I. green Radiation can easily in such a control loop via actuators done by influencing the phase matching.

Das kann vorteilhafterweise die Kristall-Solltemperatur sein, da diese üblicherweise in einem Regelkreis konstant gehalten wird. Denkbar ist aber auch die Veränderung des Einfallswinkels auf den in dem nichtlinearen optischen Element NLO I vorhandenen Kristall, z. B. durch ein steuerbares Rotationselement, auf dem der Kristall montiert ist.The may advantageously be the crystal target temperature, as these are usually is kept constant in a control loop. It is also conceivable the change the angle of incidence on the in the nonlinear optical element NLO I existing crystal, z. B. by a controllable rotation element, on which the crystal is mounted.

Claims

A method of adjusting the power ratio of laser beams of mutually different wavelengths generated from a primary beam of which a first sub-beam serves as pumping beam for an optical parametric oscillator and a second sub-beam having a beam generated in the optical parametric oscillator through a first non-linear one optical interaction generates a first of the laser beams, and in which a second laser beam is generated by a second nonlinear optical interaction between an unconverted part of the beam generated in the optical parametric oscillator and a part of the first laser beam, characterized in that the adjustment of the power ratio of two Laser beams with the mutually different wavelengths within the process of their generation by changing the division ratio for the partial beam generated from the primary beam takes place, with the maximizing the total power of the two laser beams is connected.

Method according to claim 1, characterized in that that change of the division ratio for setting the required power ratio in a laser system This is done to generate the colors red, green and blue for an image projection is provided.

Method according to claim 2, characterized in that that the performance ratio between the colors red and blue.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that change of the division ratio To set the required power ratio controllable via a control loop is.

Method according to claim 4, characterized in that that setting the power for the color green in the Control loop is integrated and by phase matching a to Green generation provided non-linear optical crystal takes place.

Method according to claim 5, characterized in that that change of the division ratio at a transition from one color standard to another.

Arrangement for adjusting the power ratio of laser beams with mutually different wavelengths, which are generated from a primary beam, of which a first partial beam serves as pumping beam for an optical parametric oscillator, and a second partial beam with a beam generated in the optical parametric oscillator by an interaction in a first nonlinear optical element generates a first of the laser beams, and in which a second laser beam is generated by an interaction in a second nonlinear crystal between an unconverted part of the beam generated in the optical parametric oscillator and a part of the first laser beam, characterized in that in the beam path of the primary beam ( 3 ) a beam splitter ( 4 ) is arranged with variable divider ratio, with which the power ratio of two laser beams with the mutually different wavelengths within the process of their generation adjustable and the sum of the powers of the two laser beams can be maximized.

Arrangement according to claim 7, characterized in that the beam splitter ( 4 ) a polarization beam splitter ( 5 ) which is used to set the divider ratio in conjunction with a rotatable λ / 2 plate ( 6 ) is working.