发明内容

本发明的第一方面所基于的任务在于提供一种激光光源，在该激光光源中，在非线性介质中形成的信号射束和/或闲频射束的相干长度经调整或者能够被调整。本发明的第二方面所基于的任务在于尽可能高效地使用泵浦激光源的泵浦激光辐射。

根据第一方面，通过上述类型的激光光源解决该任务，所述激光光源还包括：至少一个晶种光源，其用于产生具有比泵浦激光射束的相干长度小的相干长度的晶种信号射束和/或晶种闲频射束；至少一个叠加装置，其用于将该晶种信号射束和/或晶种闲频射束与该泵浦激光射束叠加以共同耦合输入到该非线性光学介质中。

在本发明的第一方面中提出，使用至少一个晶种光源，其产生晶种信号射束和晶种闲频射束，该晶种信号射束和晶种闲频射束的发射光谱使信号射束的信号波长和闲频射束的闲频波长守恒或基本上与其一致。通过使用晶种光源，可以提高非线性介质对晶种射束和/或闲频射束的放大(居量反转)。如果晶种光源涉及可关断的光源，则在这种情况下可以至少在两个状态之间(接通或关断晶种光源)切换根据本发明的激光光源的相干性，更准确地说相干长度。

根据本发明的基于参量降频转换过程的激光光源不需要机械功能构件，因此可小型化。可以通过以下方式借助晶种光源调整所产生的信号射束和闲频射束的相干长度：将非相干或部分相干的晶种辐射耦合输入到非线性光学介质中。此外，通过参量降频转换可能破坏由激光光源产生的激光射束的相干性，因为要么仅信号射束要么仅闲频射束形成激光光源的有效激光射束。在此利用：即使信号射束和闲频射束由于在非线性介质中的共同产生过程而具有强相关性，但闲频射束和信号射束本身具有热光源的波动特性。这种波动足够快，使得几乎完全消除斑点噪声。因此，根据本发明的激光光源适合于在例如数据眼镜、抬头显示器(Head-Up-Display)中产生明亮、无斑点的投影，以用于平板印刷中的微芯片曝光和显微镜中的成像方法(用于照明)。由于可调整的相干性(参见下文)，根据本发明的光源也可以用于产生全息图或用于其他光学应用。

叠加装置可以构造为用于(在空间上)共线地叠加晶种信号射束和/或晶种闲频射束，以便将其沿共同射束路径传递给非线性介质。对于共线叠加，例如可以使用二向色分束器，其对于晶种信号射束(闲频信号射束)的偏振方向反射，并且对于泵浦激光射束的偏振方向透射，或反之。

应当理解，也可以使用其他光学装置作为叠加装置，所述另外的光学装置通过利用两个射束的至少一个不同的特性而使得可以将泵浦激光射束的晶种信号射束或闲频信号射束共线叠加。例如，可以利用泵浦激光射束的晶种或闲频信号射束的不同波长，以便例如借助绕射光栅等实现叠加。

在一种有利的实施方式中，激光光源包括控制装置，其用于控制耦合输入到非线性光学介质中的晶种信号射束、晶种闲频射束和/或泵浦激光射束的功率。该控制装置可以构造为用于调整晶种光源和/或泵浦激光源的功率，以便以此方式影响或调整从非线性介质中耦合输出的信号射束和/或闲频射束的相干性。为了调整耦合输入到非线性介质中的晶种信号射束和/或晶种闲频射束的功率，不一定必须使用具有可调整功率的晶种光源。替代地或附加地，可以借助可调光学滤波器来进行(光学)滤波，以便调整耦合输入到非线性介质中的晶种信号射束和/或晶种闲频射束的功率。这同样适用于泵浦激光源的功率调整。

在另一实施方式中，晶种光源选自包括LED、超发光二极管和激光二极管的组。尽管LED通常具有使得从晶种光源中出射的辐射被视作非相干的大的相干长度，但超发光二极管涉及不具有谐振器的激光二极管。因此，超发光二极管组合了激光二极管的亮度与LED的低相干性(长度)，其相当于由超发光二极管发射的辐射的比由激光二极管发射的激光辐射宽的带宽。激光二极管形式的晶种光源尤其可以涉及多模式激光二极管。由这种多模式激光二极管产生的晶种信号射束或晶种闲频射束还具有比由例如单模式激光二极管形式的泵浦激光源产生的泵浦激光射束小的相干长度。

在一种实施方式中，泵浦激光源构造为用于产生具有小于460nm的泵浦波长的泵浦激光射束。当使用激光光源用于投影时，泵浦激光源的泵浦波长不应被选择为较大，因为在非线性介质中的参量降频转换期间，经转换的输出波长大于泵浦激光射束的泵浦波长。当泵浦波长例如为450nm或更小，例如约375nm或更小时，可以通过参量降频转换来产生三个基本色：蓝色(约420nm和约470nm之间)、绿色(约520nm和约540nm之间)和红色(约635nm和约780nm之间)。为了产生具有在蓝色、绿色和红色波长范围内的波长的三个信号射束或闲频射束，可以使用三个泵浦激光源，所述泵浦激光源不一定使用相同的泵浦波长。也可以借助单一的泵浦激光源来产生具有不同波长的三个信号射束或闲频射束，其方式是，在三个非线性介质上划分泵浦激光射束。可以串行地产生具有不同波长的三个信号或闲频射束，如下文将进一步描述的那样。

在另一实施方式中，泵浦激光源包括固体激光器，尤其二极管激光器或激光二极管。二极管激光器可以连续地(cw)运行或脉冲式地运行。在二极管激光器的脉冲式的运行中存在以下可能性，针对各个脉冲选择比cw注入电流大的注入电流，所述注入电流提供给二极管激光器以产生泵浦激光射束，即，使二极管激光器过脉冲。在平均时间内，由于脉冲暂停而在过脉冲期间产生基本上相应于cw注入电流的注入电流。

在另一实施方式中，激光光源附加地包括光学隔离器，其用于保护泵浦激光源免受反向反射。光学隔离器例如可以涉及法拉第旋转器或其他类型的光学隔离器，其防止反向反射的泵浦激光射束的部分耦合输入到泵浦激光源或更准确地说二极管激光器中。

在另一实施方式中，非线性介质布置在用于泵浦激光射束的泵浦波长的谐振器、尤其光学参量振荡器内。在这种情况下，泵浦激光源可以借助外部谐振器来运行，其中，该外部谐振器的端镜在泵浦激光射束的射束路径中布置在非线性光学介质后面。在这种情况下，泵浦激光射束从其中出射的二极管激光器的棱面设有抗反射涂层，其具有例如小于2％的反射率，因此反射回的泵浦激光辐射在大的温度和波长范围内尽可能以稳定泵浦波长发射(锁定范围)。

替代于使用外部谐振器，谐振器的另一端镜可以在泵浦激光射束的射束路径中布置在非线性光学介质前面，以便将泵浦激光射束的以下部分反射回到非线性光学介质中：所述部分在泵浦激光射束的射束路径中布置在非线性光学介质后面的端镜处反射。在这种情况下，具有两个端镜的非线性光学介质通常形成光学参量振荡器。两个端镜尤其可以以高度反射的涂层的形式构造，该高度反射涂层位于可能具有波导(参见下文)的非线性晶体形式的非线性光学介质的正面或端棱面(Endfacetten)上。

在这种情况下，非线性晶体形成用于泵浦激光射束的功率提高的谐振器。以这种方式，可以显着增加非线性光学晶体内的泵浦激光射束的强度并且可以通过泵浦激光射束的从非线性晶体中出射的、未经转换的功率分量来减少损耗。光学参量振荡器通常仅关于泵浦波长谐振，而不关于信号射束的信号波长或闲频射束的闲频波长谐振。因此，充当端镜的两个反射涂层仅对于泵浦波长高度反射，而不对于信号波长或闲频波长高度反射。

在一种替代的实施方式中，泵浦激光射束单次(Einzeldurchgang)或两次通过(必要时多次通过)非线性介质，即非线性光学介质不布置在具有用于泵浦波长的两个端镜的谐振器内。在单次通过非线性光学介质时，泵浦激光辐射产生非相干或部分相干的信号射束或闲频射束。必要时还可以使用泵浦激光射束的在通过非线性光学介质时未转换为信号射束或闲频射束的功率分量的功率，如下文将进一步描述的那样。如果泵浦激光射束两次通过非线性介质，则泵浦激光射束可以例如在关于泵浦波长反射的涂层(其施加在非线性介质的背向泵浦激光源的侧上)上反射回到非线性介质中，并且在两次通过之后反向传播至该泵浦激光源，除非设置光学隔离器来防止这一点(参见下文)。

由于在泵浦激光射束第二次通过非线性介质时产生信号射束的光子，因此可以在非线性介质的相对置的侧上施加用于信号波长(但不关于泵浦波长)反射的涂层，所述光子也朝泵浦激光源或晶种光源的方向传播。为了尽管有反射涂层但能够将晶种信号射束的足够功率分量耦合输入到非线性介质中，反射涂层关于信号波长的反射率不应被选择为太大并且可以例如在约50％和约90％之间、尤其在约70％和约90％之间的范围中。替代于两次通过，泵浦激光射束也可以多次，即至少三次通过非线性介质。

在另一实施方式中，非线性晶体包括波导。可以使用不同的方法来在非线性晶体中产生波导，例如离子植入。波导如此设计，使得其在非线性晶体中以低损耗的方式在引导泵浦波长处的泵浦激光射束、引导信号波长处的信号射束、引导闲频波长处的闲频射束。

在一种扩展方案中，激光光源具有聚焦装置，其用于将泵浦激光射束、晶种信号射束和/或晶种闲频射束聚焦在波导的输入面。聚焦装置例如可以涉及聚焦透镜。在射束路径中在非线性介质之后也可以布置有准直装置，以便对通常发散地从波导中出射的泵浦激光射束、信号射束和/或闲频射束进行准直。可以使用例如所谓的“渐变折射率透镜”(GRIN)透镜作为用于聚焦和/或准直的透镜。尤其可以将透镜组合至单片的混合微系统。GRIN透镜由制造决定地具有相对较小的偏心性(Dezentrierung)并且也适合于被动地安装在(V)沟槽或止挡部(Anschlag)上。但是应当理解，透镜不一定必须构造为GRIN透镜。

尤其当使用光学隔离器时有利的是，在从泵浦激光源中出射的泵浦激光射束射入到光学隔离器中之前，借助准直装置，例如借助准直透镜来对所述泵浦激光射束进行准直。对于不使用光学隔离器的情况，非线性光学介质前面的准直装置和聚焦装置的功能可以由相同的透镜承担。

对于泵浦激光源具有带有非对称辐射特性(即沿所谓的“慢轴(SA)”和“快轴(FA)”的不同发散角，如通常在激光二极管的情况中)的边缘发射器的情况，则可以在耦合输入到波导中之前，借助交叉的圆柱形透镜来实现圆柱形透镜望远镜或实现变形的、改变纵横比的准直，以便使发散角或纵横比匹配于波导的输入面的模式直径或尺寸。特别优选地，为此目的设置非对称的波导，其在入口侧具有与二极管激光器的横向射束半径相同的纵横比且无需使用望远镜。

为了将晶种光源的晶种信号射束和/或晶种闲频射束耦合输入到波导中，引导所述晶种信号射束和/或晶种闲频射束通过光纤或使其在到达叠加装置之前从光纤中出射是有利的。在这种情况下，尤其可以使光纤的出射面的(模式)直径匹配于波导(更准确地说波导的输入面)的模式直径。替代地，可以例如通过光圈使泵浦光源的模场直径匹配于波导的模场直径并因此也匹配于波导的接收角。

在一种实施方式中，周期性地极化非线性晶体。通过周期性极化，可以优化相位匹配并且因此提高非线性介质的转换效率。可以在非线性晶体的制造期间例如借助周期性结构化的电极来完成非线性晶体的铁电域的周期性极化。

在另一实施方式中，非线性晶体选自包括KTP(磷酸钛氧钾)、PP-KTP(周期性极化磷酸钛氧钾)、LiNbO₃(铌酸锂)、PP-LN(周期性极化铌酸锂)、Ti:LN(铌酸钛-锂)、AlN(氮化铝)、LNoI(绝缘体基板上的铌酸锂)、BBO(β-氧化钡)和LBO(氧化锂-钡)的组。这种非线性晶体透射大于约380nm的波长。对于激光光源，应选择不仅关于泵浦波长而且关于信号波长和闲频波长具有低吸收度并因此具有高透射度的非线性晶体。

在另一实施方式中，激光光源包括至少一个分束装置，其用于在空间上分离信号射束和/或闲频射束与泵浦激光射束。至少一个分束装置在射束路径中布置在非线性光学介质之后。信号射束或闲频射束与泵浦激光射束的分离可以例如基于信号射束和闲频射束的不同偏振实现。分束装置也可以具有波长选择性组件，以便执行射束由于其不同波长的分离。通常，激光光源构造为用于从激光光源中出射一个或多个信号射束，而一个或多个闲频射束不离开激光光源，但原则上相反情况也是可能的。替代地，一个或多个信号射束和一个或多个闲频射束都可以离开激光光源。

在另一实施方式中，激光光源包括至少一个传感器装置，尤其光二极管，其用于测量信号射束和/或闲频射束的强度。可以根据所测量的强度来进行对激光光源的调节，如下文将更进一步描述的那样。通常，测量信号射束或闲频射束的强度已足够。在本申请的意义下，信号射束或闲频射束的所测量的强度不一定理解为从非线性介质出射的相应射束的总强度，而是理解为与信号射束或闲频射束的总强度成比例的变量，因为所述成比例的变量也可以用于调节。对于闲频射束不应离开激光光源的情况，证明有利的是，将闲频射束的全部强度射入传感器装置，因为在这种情况下可以省去吸收器。波长滤波器可以连接在传感器装置上游，在待测量的闲频波长(或可能是信号波长)的区域中，波长滤波器的波长相关的透射度最大。闲频射束的使用由于其闲频波长通常位于红外波长区域中而被证明是有利的，因为所述闲频射束的使用无进一步的波长转换而不适合于可视化应用。

在另一实施方式中，激光光源附加地包括调节装置，其用于根据信号射束和/或闲频射束的借助传感器装置测量的强度来调节非线性介质的温度和/或泵浦激光源的功率。如上文所述，在非线性介质中，将泵浦激光射束的泵浦波长转换为信号波长和闲频波长。这种转换过程在非线性光学介质的特定温度范围(其在约20℃和约60℃之间的值范围内)内具有其最大值。可以借助调节装置来匹配非线性介质的温度，使得最大化转换过程的效率。当由传感器装置测量的闲频辐射(或可能是信号辐射)的强度最大时通常是这种情况。也可以调节泵浦激光源的功率以优化转换过程的效率。对于非线性光学介质布置在谐振器中的情况，也可以在调节时如此匹配谐振条件(即谐振器的光学路径长度)，使得针对泵浦激光射束的泵浦波长优化谐振条件。为此目的，除了非线性光学介质的温度之外，也可以改变泵浦激光源的功率，因为泵浦激光源的功率导致泵浦波长的轻微移动，这可以导致波长稳定。应当理解，调节装置和上述控制装置可以实现为同一电子组件，例如可程序化电子组件。

在一种扩展方案中，激光光源包括至少一个加热和/或冷却装置，其用于调节非线性介质的温度。可能仅执行非线性介质的加热或冷却就足够了。但也可能有利的是能够执行非线性介质的调温，即加热以及冷却。加热和/或冷却装置可以用作上述调节装置的执行装置(Stelleinrichtung)。

在一种扩展方案中，激光光源具有加热光源，其用于对非线性光学介质进行辐射加热。加热光源例如可以涉及LED或者其发射光谱理想地位于蓝色或UV波长区域(即波长通常小于约380nm或约360nm)中的其他光源。使用具有小波长的加热辐射有利地确保该加热辐射在非线性光学介质或非线性光学晶体的体积(Volumen)中被吸收并转换为热功率。如上所述，非线性晶体基本上透射较大波长，以便能够尽可能无损耗地传输泵浦波长、信号波长和闲频波长。

在一种扩展方案中，激光光源包括与非线性介质表面接触的至少一个加热和/或冷却装置，尤其帕耳帖(Peltier)元件。例如帕耳帖元件形式的加热和/或冷却装置可用于冷却和/或加热非线性晶体的壳体或表面。帕耳帖元件或其他类型的接触式加热或冷却装置可以通过表面接触来将热引导给非线性光学介质或从非线性光学介质导释放热。

证明有利的是，为了调节非线性介质的温度，将与非线性介质表面接触的加热和/或冷却组件与加热光源组合。加热光源尤其可以用于对非线性光学介质的温度进行微调，而温度的粗调可通过与非线性光学介质或其壳体有表面接触的加热和/或冷却组件进行。

在另一实施方式中，激光光源具有：第一非线性光学介质，其通过参量降频转换来形成第一信号射束和第一闲频射束；第二非线性光学介质，其通过参量降频转换来形成第二信号射束和第二闲频射束；优选地第三非线性光学介质，其通过参量降频转换来形成第三信号射束和第三闲频射束。

这种激光光源例如可用于投影应用，因为在这种应用中，通常需要产生可见波长范围内的三个不同波长的激光射束。三个非线性光学介质可以被三个泵浦激光射束并行通过。单一的泵浦激光源可以产生其泵浦功率分配到三个非线性光学介质中的泵浦激光射束。然而，在这种情况下，通常有利的是，每个线性光学介质配属有自身泵浦激光源，因为以这种方式能够通过控制注入电流以特别简单的方式来调整在相应的非线性光学介质中产生的信号射束和/或闲频射束的功率。在这种情况下，也可以使用不同的泵浦波长来产生三个不同波长。可能有利的是，三个非线性光学介质产生相同闲频波长的闲频辐射，这对于激光光源的上述调节可能是有利的。

本发明的另一方面涉及一种激光光源，其如说明书引言中所描述的那样并且尤其可以如上文结合本发明的第一方面描述的那样构造。激光光源构造为用于将泵浦激光射束从泵浦激光源提供给第一非线性光学介质、将从第一非线性光学介质出射的泵浦激光射束提供给第二非线性光学介质并且优选地将从第二非线性光学介质中出射的泵浦激光射束提供给第三非线性光学介质。

根据本发明的第二方面，串行地或级联地产生第一信号射束、第二信号射束和优选地第三信号射束以及各自所配属的闲频射束。以这种方式，可以实现具有紧凑结构方式的激光光源，其中，同时可以提高电光效率，因为从第一非线性光学介质或第二非线性光学介质中出射的未经转换的泵浦激光辐射耦合输入到后面的非线性光学介质中，以便在非线性光学介质中执行参量降频转换。以这种方式，尤其可以借助单一的泵浦激光射束串行地产生对于产生白光(例如用于投影应用)所需的三个波长(例如红色、绿色和蓝色)。

在本发明的该方面中，泵浦激光射束优选地单次通过至少第一非线性光学介质和第二非线性光学介质，以便能够将泵浦激光射束的功率的足够分量耦合输入到在射束路径中跟随的相应非线性光学介质中。在本发明的该方面中，如上所述，可以结合叠加装置组合使用晶种光源，以便将晶种信号射束和/或晶种闲频射束耦合输入到相应的非线性光学介质中。通过相应的晶种光源的功率可以影响相应的非线性光学介质的放大。以这种方式，可以调整从相应的非线性光学介质中出射的信号射束和/或闲频射束的相应颜色分量或波长分量。

为了调整相干性，可以选择性地不将晶种信号提供给相应的非线性光学介质，即晶种射束的相应入口端保持不被占用，或者可以借助LED、超发光二极管等形式的晶种光源将部分相干的晶种信号射束或晶种闲频射束提供给相应的非线性介质。尤其在本发明的该方面中，替代于具有比泵浦激光源小的相干长度的晶种光源，还可以使用产生相干晶种信号射束或相干晶种闲频射束的晶种激光源，例如激光二极管。在这种情况下，也可以通过耦合输入到非线性光学介质中的晶种信号射束和/或晶种闲频射束的功率来调整激光光源的相干性。

在本发明的第二方面中，必要时可以完全省去设置晶种光源和所配属的叠加装置：对于晶种光源被切断或不存在的情况，在非线性光学介质中产生高达系统特定的泵浦阈值强度的信号射束和闲频射束，所述信号射束和闲频射束本身就具有热光源的波动特性，使得通过使用信号射束或闲频射束可以几乎完全消除例如投影应用中的斑点噪声。

在非线性光学介质的串行布置中，证明有利的是，在第一非线性光学介质中产生蓝色波长范围(约420nm和470nm之间)内的信号射束、在第二非线性光学介质中产生绿色波长范围(约520nm和约540nm之间)的信号射束，并且在第三非线性光学介质中产生红色波长范围(约635nm和约780nm之间)的信号射束，因为转换效率随波长增大而降低。

在串行产生以及在上述并行产生中，在三个非线性光学介质之一中产生的相应信号射束或相应闲频射束可以在至少一个叠加装置中被叠加成从激光光源中出射的共同激光射束，所述共同激光射束具有至少两个波长，优选地三个波长。理想地如此选择被叠加成出射激光射束的三个波长(红色、绿色和蓝色)及其个别的光学功率，使得其总体上产生适合于投影目的的白色调，理想地具有6500K色温的白色调。为此目的，需要合适地选择非线性光学介质或合适地设计非线性光学介质的长度及其周期性极化，以便产生所期望的波长。

本发明的另一方面涉及一种激光投影器，其包括如上文所述地构造的激光光源。上文所述的激光光源可以用于例如激光投影器中，以便在投影表面上产生几乎无斑点的影像，在所述激光投影器中，分别借助至少一个叠加装置将从相应的非线性光学介质中出射的信号射束或出射闲频射束叠加，以便产生具有通常位于可见波长范围内的三个不同波长的激光射束。为了在投影表面上产生图像，激光投影器可以具有用于二维偏转激光射束的扫描仪装置，扫描仪装置可以包括例如至少一个镜。这种激光投影器可以尤其用作机动车中的抬头显示器，其中，例如前挡风玻璃用作投影表面。但激光光源也可以用作用于投影图像的照明源，为产生所述图像，使用空间解析调变器( Modulatoren)，例如所谓的DMD(数字镜装置)或SLM(空间光调变器)。