レーザ源におけるパワー変動の最小化

专利摘要:
本発明は概して、半導体レーザおよびレーザ投影システムに関する。本発明のある実施の形態によれば、半導体レーザの出力ビームを使用して投影レーザ画像が生成される。利得電流コントロール信号は、半導体レーザの利得区画をコントロールするための利得電流フィードバックループにより生成される。半導体レーザの波長ばらつきは、半導体レーザの駆動電流に波長回復動作を組み込むことにより、および利得電流コントロール信号または光強度誤信号の関数として波長回復動作を開始することにより、狭められる。さらなる実施の形態が開示され請求される。
公开号:JP2011509522A
申请号:JP2010541429
申请日:2008-12-22
公开日:2011-03-24
发明作者:ピクラ，ドラガン；エイチ フゥ，マーティン；オー リケッツ，ダニエル；エイ ローバー，デイヴィッド
申请人:コーニング インコーポレイテッド；
IPC主号:H01S5-0687

专利说明:

[0001] 本出願は、２００７年１２月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／０１７，９２１号および２００８年４月７日に出願された米国仮特許出願第１２／０８０，８５２号に優先権を主張する。]
関連出願の相互参照

[0002] 本出願は、２００６年１０月１６日に出願された同時継続で同一譲受人の米国特許出願第１１／５４９，８５６号（Ｄ２０１０６）に関連するが、この出願に優先権を主張しない。]
技術分野

[0003] 本発明は、概して、半導体レーザに関し、より詳細には、高速フィードバックループを使用して半導体レーザのレーザキャビティにおけるフォトン密度をコントロールすることにより、レーザパワー変動を最小化するための方式に関する。フィードバックループは、主として、レーザの利得電流のコントロールに使用され、例えば、倍周波レーザ源における緑色変換のために最適ＩＲについてＤＢＲレーザの波長選択区画がコントロールされるＤＢＲコントロール方式を含む、レーザ発振波長を最適化する他の方式と組み合わされてもよい。本発明はまた、レーザコントローラおよび本発明によりプログラムされるレーザ投影システムに関する。]
発明が解決しようとする課題

[0004] 本発明は、概して、様々の手法で構成されてもよい半導体レーザに関する。例えば、限定ではなく例示として、分布帰還（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザまたはファブリ−ペロ型（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）レーザのような単一波長半導体レーザを、二次高調波発生（ＳＨＧ）結晶のような光波長変換素子と組み合せることにより、高速変調用の短波長源を構成することができる。ＳＨＧ結晶は、例えば、１０６０ｎｍＤＢＲレーザまたはＤＦＢレーザを、波長を５３０ｎｍに変換するＳＨＧ結晶のスペクトル中心に同調させることによって、基本レーザ信号の高次高調波を発生するように構成することができる。しかしながら、ＭｇＯドープ周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）のようなＳＨＧ結晶の波長変換効率は、レーザダイオードとＳＨＧ素子との間の波長整合に強く依存する。レーザ構造に精通する技術者に分かるように、ＤＦＢレーザは、反射性媒体として半導体材料にエッチングされた格子または同様の構造を使用する共振キャビティレーザである。ＤＢＲレーザは、エッチングされた格子または他の波長選択構造が、半導体レーザの利得区画から物理的に分離される、またはレーザ発振波長の微調整のために使用される位相区画を含んでもよい、レーザである。ＳＨＧ結晶は、倍周波レーザ照射のために非線形結晶の二次高調波発生特性を使用する。]
課題を解決するための手段

[0005] 上記の種類のレーザ源の波長変換された出力パワーには多くの要因が影響し得る。例えば、限定ではなく例示として、ＩＲ半導体レーザおよびＰＰＬＮＳＨＧ結晶を含むレーザ源の場合、レーザの寿命を超えるＩＲパワーにおける温度および時間依存性変動により、緑色出力パワーに変動が生じ得る。結晶の入力面上のＳＨＧ導波路に関するＩＲビームアライメントにおける温度および時間依存性変動により、レーザ源の出力パワーにも変動が生じ得る。さらに、ＩＲレーザの寿命を超えレーザの動作温度が変化すると、ＩＲレーザの高次空間モードコンテントが変化し、さらに、高次モードは通常は効果的に緑色に変換しないので、緑色出力パワーも変化し得る。]
[0006] ＰＰＬＮＳＨＧ素子の帯域幅は非常に狭いことが多いので、レーザキャビティ内のモードホッピングおよびコントロールされない大きい波長変動は、出力パワー変動を生じ得る。例えば、代表的なＰＰＬＮＳＨＧ波長変換素子において、波長変換帯域の半値全幅（ＦＷＨＭ）は０.１６〜０.２ｎｍの範囲でしかなく、多くの場合、結晶の長さに依存する。半導体レーザの出力波長が動作中に許容帯域幅から外れると、目標波長における変換素子の出力パワーが急激に低下し得る。レーザ投影システムにおいて、特に、モードホッピングは、画像の特定の場所における欠陥として容易に目に見えるであろう即時的変化を生じ得るため、特に問題である。]
[0007] 波長変換素子を使用する一般的なＲＧＢ投影システムにおいて、任意の上記の供給源からのＩＲパワーにおける変動は、投影された画像のカラーバランスを変化させ異常を生じる緑色パワーを生じ得る。本発明者は、利得電流の関数または波長変換された出力強度異常信号としてレーザキャビティにおけるフォトン密度をコントロールすることにより出力パワーを安定させるための潜在的に有益な考えを認識した。]
[0008] 例えば、本発明のある実施の形態によれば、半導体レーザにおいてレーザ波長変動を最小化する方法が提供される。この方法によれば、投影されたレーザ画像が半導体レーザの出力ビームを使用して生じる。利得電流コントロール信号が、半導体レーザの利得区画をコントロールするための利得電流フィードバックループにより生じる。半導体レーザの駆動電流に波長回復動作を組み込むことにより、および利得電流コントロール信号の関数としてまたは波長変換された出力強度異常信号として波長回復動作を開始することにより、半導体レーザの波長のばらつきが狭くなる。]
[0009] 本発明の別の実施の形態によれば、投影レーザ画像を生じるシステムが提供される。このシステムは、少なくとも１つの半導体レーザ、投影光学素子、光学強度モニタ、およびコントローラを含み、コントローラは波長回復を開始するようにプログラムされる。]
[0010] 本発明の概念がＤＢＲレーザとの関連で主に説明されるが、ここに記載されるコントロール方式は、ＤＦＢレーザ、ファブリ−ペロ型レーザを含むがこれに限定されない様々の種類の半導体レーザ、および多くの種類の外部キャビティレーザにおいても有用性を有するであろうと考えられることを発明者は認識する。]
[0011] 本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される添付の図面を伴って読まれる場合に最も良く理解できる。]
図面の簡単な説明

[0012] 本発明の特定の実施の形態による様々のレーザコントロール方式を実施するのに適切なレーザ投影システムの略図
本発明の特定の実施の形態による様々のレーザコントロール方式を実施するのに適切なフィードバックループの略図
時間に対する波長、利得電流および周波数変換された出力パワーの変遷を示すチャート
ＤＢＲレーザにおける利得電流の関数としての発光波長の変遷を示すグラフ
ＤＢＲレーザにおける利得電流の関数としての発光波長の変遷を示すグラフ
本発明のある実施の形態によるレーザ波長をコントロールする方式を示す略図
図５に示されるコントロール方式さらに説明するチャート
本発明の別の実施の形態によるレーザ波長をコントロールする方式を示す略図
図７のコントロール方式のさらに説明するチャート] 図５ 図７
実施例

[0013] 本発明の概念は、その構造および動作が概して上記に説明され半導体レーザの設計および作成に関して容易に入手できる技術的文献に教示される、様々のタイプの半導体レーザに関して実施できるが、図１Ａおよび１Ｂを参照して、本発明の概念は、二区画ＤＢＲタイプ半導体レーザ１２を含むレーザ源１０を全体的に参照して簡便に説明されてもよい。図１Ｂに示されるタイプの倍周波光源の場合、ＤＢＲレーザ１２は、光波長変換素子１４に光結合される。半導体レーザ１２により放射される光ビームは、波長変換素子１４の導波路に直接結合されるか、または、コリメートおよび収束光学系または他のタイプの適切な光学素子または光学系を介して結合できる。波長変換素子１４は、入射光νを高次高調波２νに変換し、変換された信号を出力する。] 図１Ａ 図１Ｂ
[0014] このタイプの構成は、長波長半導体レーザからの短波長レーザビームの生成に特に有用であり、例えば、レーザ源１０、レーザ投影光学部２０、部分的反射ビームスプリッタ２５、光学強度モニタ３０、およびコントローラ４０を含む、単色レーザ投影システム１００または多色ＲＧＢレーザ投影システムのための可視レーザ源１０として使用でき、コントローラ４０は、独立型レーザコントローラまたはレーザコントローラを含むプログラム可能投影コントローラでもよい。レーザ投影光学部２０は、例示だがこれに限定されない２軸ジンバル搭載ＭＥＭＳ走査ミラー２２を含む様々の光学素子を含んでもよい。これらの光学要素は協同して、投影スクリーンまたは画像フィールド５０上に２次元走査レーザ画像を生じる。]
[0015] 部分的反射ビームスプリッタ２５は、レーザ源１０により生じる光の一部を光強度モニタ３０に方向付ける。光強度モニタ３０は、レーザ源により生じる光の強度における変動を示す電気的または光学的信号を生じるよう構成される。光強度モニタ３０と連絡するコントローラ４０は、光強度モニタ３０からの信号を受け取るまたは標本抽出し、さらに以下に詳細に説明されるように、標本抽出された強度の関数としてレーザ源をコントロールするようプログラムできる。本発明の範囲から逸脱せずに出力ビームの強度を観察するために様々の別の構造を使用してもよいと考えられる。ビームスプリッタ２５、レーザ源１０、光強度モニタ３０、およびコントローラ４０は、図１Ａおよび１Ｂに単に概略的に示されるものであり、これらの互いにおよび任意のシステム筐体に関するそれぞれの位置および方向付けは、システムが使用される特定の分野の特定の必要性に従って広く変化してもよいことが留意される。例えば、限定する目的ではなく、ビームスプリッタ２５および光強度モニタ３０は、レーザ源のための筐体の内部または外部に位置してもよいことが留意される。] 図１Ａ
[0016] 図１Ｂに概略的に示されるＤＢＲレーザ１２は、波長選択区画１２Ａおよび利得区画１２Ｂを含む。レーザ１２のＤＢＲ区画とも称される、波長選択区画１２Ａは通常、レーザキャビティの活性領域の外に配置された一次または二次のブラッグ格子を有する。この区画は、その反射係数が波長に依存するミラーとして格子が働くので、波長選択を提供する。ＤＢＲレーザ１２の利得区画１２Ｂはレーザの光利得の大部分を提供する。利得区画１２Ｂの利得材料と波長選択区画１２Ａの反射材料との間の可調位相シフトを生じさせるために、位相整合区画が使用されてもよい。波長選択区画１２Ａは、ブラッグ格子を用いるかもしれず、あるいは用いないかもしれない、多くの適切な別の構成で提供してもよい。] 図１Ｂ
[0017] 図１Ｂに示される波長変換素子１４の波長変換効率は、ＤＢＲレーザ１２と波長変換素子１４との間の波長整合に依存する。ＤＢＲレーザ１２の出力波長が波長変換素子１４の波長変換帯域幅から外れると、波長変換素子１４で生じる高次高調波光の出力パワーが急激に低下する。例えば、半導体レーザがデータ生成のために変調されると、熱負荷が絶えず変化する。結果として生じるレーザ温度およびレーザ発振波長の変化は、関連するＳＨＧ結晶の効率の変動を生じさせる。１２ｍｍ長ＰＰＬＮＳＨＧ素子の形態の波長変換素子１４の場合、ＤＢＲレーザ１２の約２℃の温度変化は一般に、レーザ１２の出力波長を波長変換素子１４の０.１６ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）波長変換帯域の外に出すに十分であろう。本発明は、レーザ波長変動を許容レベルに制限することによりこの問題に対応する。] 図１Ｂ
[0018] 上述されるように、上記のタイプのレーザ源の波長変換された出力パワーに多くの要因が影響を与える可能性があり、一つの例は、モードホッピングおよびレーザキャビティ内のコントロールされない大波長変動である。図３は、任意の単位で示されるＤＢＲレーザにおける、利得電流Ｉの関数として任意の単位で示される発光波長λの変遷を示す。利得電流が増加すると、利得区画の温度も上昇する。この結果、キャビティモードは長波長側に動く。キャビティモードの波長はＤＢＲ区画により選択される名目波長より速く動くので、レーザは短波長のキャビティモードがＤＢＲ反射率曲線の極大に近接する点に達する。この点において、短波長のモードは確立されているモードよりも損失が低くなり、次いでレーザは損失が低いモードに自動的にジャンプする。この挙動が図３の曲線１００に示される。図３に示されるように、波長は徐々に増加し、その振幅がレーザキャビティの１自由スペクトル範囲に等しい突然のモードホッピングが起こる。これらの単一のモードホッピングは、必ずしも深刻な問題ではない。実際に、例えば倍周波ＰＰＬＮ用途の場合、これらのモードホッピングの振幅はＰＰＬＮのスペクトル帯域幅よりも小さい。したがって、これらの小さいモードホッピングに関連する画像ノイズは、許容振幅内に留まる。] 図３
[0019] さらに図３を参照すると、曲線１０１はＤＢＲレーザの大きく異なる発光挙動を示す。詳細には、曲線１００を参照して示されるレーザと同じ全般的製造パラメータを有するレーザは、１自由スペクトル範囲を有するモードホッピングを起こす代りに、レーザが６までまたはそれ以上の自由スペクトル範囲の振幅を有するモードホッピングを示すであろうという意味で、大きく異なる挙動を示すかもしれない。多くの用途に対し、この大きく突然の波長変動は許容されないであろう。例えば、レーザ投影システムの場合、これらの大きいホッピングは、画像において名目グレイスケール値からゼロに近い値への突然の強度ジャンプを生じさせるであろう。発明者は、この現象、並びにレーザの波長不安定性およびヒステリシスを調査して、これらのレーザ発光欠陥が、空間ホールバーニング、スペクトルホールバーニング、利得プロファイル広がりおよび自己誘起ブラッグ格子を含む、様々な要因の１つ以上に帰因し得ることに気付いた。これらの要因は、レーザキャビティにおいて確立された特定のキャビティモードにレーザ発振をロックする、またはより大きなモードホッピングを助長し得ると考えられる。実際に、モードが一旦確立されると、特定の波長においてキャビティ内部にあるフォトンは、特定のエネルギー順位におけるキャリア密度を消耗させることにより、またはキャビティに自己誘起ブラッグ格子を形成することによって、レーザ自体を乱す。これらの現象の相互作用は、単純なまたは閉鎖した形態である、予測またはモデルに基づく解決をそれ自体に与えるものではないこともまた留意される。] 図３
[0020] 図４の曲線１０２は、空間モードホッピング挙動の別の場合を示す。図示された場合において、任意の単位で示される発光波長λは、外部キャビティ効果と称される現象である、レーザの外に位置する成分に帰因する戻り反射を含むので、不安定である。外部キャビティ効果により、外部反射は、レーザキャビティを乱し非常に長い振幅のモードホッピングを生じることができる寄生ファブリ−ペロ型キャビティを生じる。半導体レーザにおける非許容波長ドリフトの原因に関わらず、本発明は、波長ばらつきを最小化し、レーザの時間平均レーザ振動光帯域幅を狭くすることに向けられる。] 図４
[0021] 発明者は、図３および４に示される大きい波長ばらつきおよび関連するモードホッピング効果が、レーザキャビティ中のフォトン密度に少なくとも部分的に依存し、著しい外部キャビティ効果を有する場合には増幅できることを認識する。発明者はまた、レーザ発振波長が１つ以上のモードをジャンプすることがあり、この多モードジャンプがスペクトルおよび空間ホールバーニングおよび外部キャビティ効果のような追加のレーザ発振現象に全体的にまたは一部帰因し得ることを認識する。] 図３
[0022] 半導体レーザにおける多モードドリフトの原因にかかわらず、この現象が起こる場合には、レーザ発振波長は通常、キャビティモード間隔の倍数に等しい異常波長ジャンプを示す。大モードホッピングが起こる前に、レーザは通常、大きい連続する波長シフトを示す。より大きい波長ドリフトおよび異常波長ジャンプは、レーザ信号に許容できないノイズを生じ得る。例えば、この現象がレーザ投影システムにおいて系統的に起こると、投影画像内のノイズは容易に人間の眼に見えるであろう。]
[0023] 上記のように、本発明は概して、半導体レーザ駆動電流が駆動部分および適切なタイミングの波長回復部分を含むコントロール方式に関する。図５および６は、駆動部分が、半導体レーザの利得区画に電流として入れられるデータ部分を含む、単一モードレーザ信号において波長をコントロールする方式を示す。したがって、図示される実施の形態において、駆動電流は、データ部分および波長回復部分を含む。特に図５を参照すると、駆動電流または利得注入電流（ＩＧ）のこれらの部分は、レーザデータ信号（ＤＳ）および適切に構成された波長回復信号（ＷＲ）の積を取ることにより導入できる。例えば、だがこれに限定されず、レーザデータ信号は、レーザ投影システムにおいて投影のために画像データを伝えてもよい。図６に示されるように、利得区画駆動電流のデータ部分すなわち利得注入電流が、比較的長い駆動持続時間ｔＤの比較的高い駆動振幅ＩＤを有するのに対し、駆動電流の波長回復部分は、比較的短い回復持続時間ｔＲの比較的低い回復振幅ＩＲを有するように、波長回復信号が構成される。データ部分の比較的高い駆動振幅ＩＤは、レーザ発振モードλ０におけるレーザキャビティ内のレーザ発振に十分である。駆動電流の波長回復部分の比較的低い回復振幅ＩＲは、駆動振幅ＩＤと区別され、駆動振幅ＩＤより低いΔＩとして図６に示される。] 図５ 図６
[0024] 利得区画駆動電流ＩＧのデータ部分の駆動振幅ＩＤおよび持続時間ｔＤは、使用される特定の用途にもちろん依存して、適切なパワーおよび波長を有する光信号を生じるよう作用する。駆動振幅ＩＤは比較的単純な形態で図６に示されるが、利得区画駆動電流ＩＧは、半導体レーザにおいて比較的低い波長ドリフトを補正するために使用される補正成分ＩＡＤＪを含んでもよい。例えば、変換効率が低下すると、補正成分ＩＡＤＪを使用して利得電流ＩＧを増加し、一定の出力パワーを維持することができる。補正成分ＩＡＤＪを使用して、必要な場合に利得電流ＩＧを減少させることもできる。しかしながら、波長ドリフトが比較的に高いレベルに増加すると、利得区画駆動電流ＩＧは許容値を超え、上記の波長回復動作が行われるであろう。通常、利得電流ＩＧの挙動は非周期的なので、波長回復動作は周期的ベースで行われない。] 図６
[0025] 回復振幅ＩＲおよび回復持続時間ｔＲは、レーザキャビティの少なくとも一部内でフォトン密度を減少させるのに十分である。多くの場合ゼロに近いより低い値にフォトン密度を減少させることにより、スペクトルホールバーニング、空間ホールバーニング、利得プロファイル広がり、または自己誘起ブラッグ格子のような大きい波長ドリフトを生じさせる様々の現象が消える。結果として、大きい電流が回復期間の最後に利得区画に再注入されると、レーザは、ＤＢＲ反射曲線の極大に最も近いモードを自動的に選択する。したがって、波長ばらつきは、１レーザ自由スペクトル範囲に制限でき、多キャビティモードホッピングが除去される、または少なくとも大きく減少される。生じる利得区画駆動電流は、データ部分および波長回復部分を含み、これを使用して、波長ドリフトを最小化しレーザの時間平均レーザ振幅光帯域幅を狭くすることができる。]
[0026] 別の言い方をすれば、利得区画駆動電流のデータ部分の駆動振幅ＩＤおよび持続時間ｔＤは、レーザ発振波長が許容できないドリフトを受ける可能性を増加させる。例えば、制限する目的でなく、０．０５ｎｍを超える波長の変化は許容できない波長ドリフトを構成するであろうと考えられる。利得区画駆動電流の密度回復部分の比較的低い回復振幅ＩＲは、駆動電流のデータ部分に従い、許容できない波長ドリフトの可能性を減少する。]
[0027] 波長回復信号は、通常の周期的ベースで実施される必要はない。むしろ、大きい波長ドリフトを蓄積する前に、持続するキャビティモードを遮断するために必要に応じて回復信号を適用してもよい。周期的な波長回復は、確率分布関数に従ってレーザに波長を有効に選択させ、これにより波長整合の可能性が制限される。その一方、必要に応じて波長回復動作を行うことにより、遮断をほとんどすることなく、波長整合の可能性は急激に増加する。]
[0028] 回復周期の周波数について、２つの回復周期の間の波長変動を許容できる振幅に制限するのに十分な周波数であることが通常必要である。図１Ａおよび１Ｂに示される本発明の実施の形態において、光強度モニタ３０、コントローラ４０、およびレーザ源１０は、利得電流フィードバックループを形成し、ここでは、コントローラ４０は光強度モニタ３０からの信号を受け取るまたは標本抽出し、標本抽出された強度の関数としてＤＢＲレーザ１２の利得区画１２Ｂをコントロールするようプログラムされる。] 図１Ａ
[0029] より詳細には、図１Ｂを参照すると、光強度モニタ３０からの信号が波長変換素子１４からの倍周波信号において許容できない程度の低いまたは高い出力強度を示す場合、利得電流コントロール信号を使用し、ＤＢＲレーザ１２の利得区画をコントロールして、ＤＢＲレーザ１２における利得を増加または減少することができる。さらに、上記の波長回復動作は、利得電流コントロール信号の関数として開始できる。例えば、図２を参照すると、利得電流コントロール信号ＩＧが高くなり過ぎる、すなわち特定の回復閾値ＩＴＨを超える場合に、波長回復動作を開始することができる。生じる回復事象Ｒは、利得電流コントロール信号ＩＧにおける一時的な低下および周波数変換出力パワー２νにおける対応する低下として図２に明示される。回復事象Ｒは、必ずしも周期的ではない。時間に対する通常の波長挙動λも図２に示される。] 図１Ｂ 図２
[0030] あるいは、利得電流コントロール信号が所定の持続時間について回復閾値を超える場合、利得電流コントロール信号の積分が回復閾値を超える場合、または波長回復動作の実行が有利である、すなわち標的発光波長が許容できない量をドリフトする動作条件を利得電流コントロール信号の履歴または現況が示す任意の他の時点において、波長回復動作を開始してもよい。波長回復動作はまた、参照強度および光強度モニタ３０により生じる光強度信号の比較から単に生じる、光強度誤信号の関数として開始してもよい。利得電流コントロール信号ＩＧとは対照的に、光強度誤信号は回復動作を誘発することを除き、時間に対する光強度誤信号および波長回復動作の変遷は、図２に示されるものに類似する。] 図２
[0031] 図１Ｂに示されるように、本発明の特定の実施の形態において、ＤＢＲレーザ１２は、利得区画１２Ｂに加えて波長選択区画１２Ａを含んでもよい。さらに、ＤＢＲレーザ１２、光強度モニタ３０、およびコントローラ４０は、利得電流コントロール信号を最小化するようにレーザ１２の波長選択区画１２Ａをコントロールするために使用できるＤＢＲフィードバックループを形成するように構成できる。より詳細には、利得電流は標的緑色パワーを伝えるように調整されるので、ＤＢＲコントロールループは、光強度モニタ３０により生じる利得電流コントロール信号または強度信号を観察し、利得区画１２Ｂにおいて必要とされる利得を最小化するようにＤＢＲ波長を調整するために波長選択区画１２Ａをコントロールするように構成されてもよい。ＤＢＲフィードバックループは、図１Ｂに概略的に示され、様々の形態を取ってもよいと考えられる。] 図１Ｂ
[0032] 例えば、倍周波ＰＰＬＮ緑色レーザを含むレーザ投影システムの場合、本発明の実施の形態に従う波長コントロールが用いられていなければ、画像ディスプレイの一走査線に亘ってレーザにより発光される緑色パワーは、多キャビティモードホッピングによる突然のパワー変動を示すであろう。この結果、投影画像には、５０％程度およびそれ以上の振幅で、パワーが急激に低下するであろう。しかしながら、駆動信号が適切な間隔で変調される本発明に従う波長コントロール方式を使用することにより、レーザパワーにおける所望でない現象が大いに緩和され、投影画像は比較的高い空間周波数を有する欠陥を示すが、通常は裸眼に容易に分からないであろう。]
[0033] 回復振幅ＩＲはゼロでもよいが、多キャビティモードホッピングの原因を除去するあるいはレーザの波長挙動を改良するのに十分な任意の値でもよい。利得区画駆動電流の回復ＩＲは、駆動振幅ＩＤよりも低くなり、実質的にゼロを超えてもよい。比較的高い駆動振幅ＩＤは、実質的に連続してもよいが、図１Ａに示されるように、特に半導体レーザが画像投影システムに組み込まれる場合に、しばしば強度が変動するであろう。] 図１Ａ
[0034] レーザがコード化データの発光用に構成される場合、コード化データを示すデータ信号がレーザに適用される。例えば、だが限定する目的ではなく、データ信号は、レーザの利得区画に注入される駆動信号の強度またはパルス幅変調データ部分として組み込まれてもよい。本発明の波長回復動作は、データ信号においてコード化されるデータと少なくとも部分的に独立して行われてもよい。例えば、駆動電流がレーザの利得区画に注入される場合、その駆動部分はデータをコード化するように強度変調されてもよい。駆動電流の波長回復部分は、コード化データと独立して、駆動電流上に重ね合わせられる。同様に、駆動部分がデータをコードするためにパルス幅変調される場合、駆動電流の波長回復部分もまた駆動電流上に重ね合わせられる。]
[0035] 上記の重ね合わせは、コード化データと完全に独立してもよく、または、コード化データを示す駆動電流の強度またはパルス幅の持続時間が閾値に達する場合にのみ適用されてもよく、この場合コード化データに部分的に依存するであろう。しかしながら、一旦重ね合わされると、波長回復部分の独立の程度は、十分な波長回復が確実に得られるように十分である必要があるであろう。別の言い方をすれば、駆動電流の波長回復部分は、データ信号がそうでなれば波長回復を妨げる条件下で、駆動電流を支配しなければならない。例えば、パルス幅変調されたデータ信号の場合、比較的短い、高振幅パルス幅には、波長回復は必要でないかもしれないと考えられる。しかしながら、コード化データが比較的長い、高振幅パルス幅を含む場合、駆動動作および波長回復動作により定まる負荷サイクルは、許容できない波長ドリフトが観察される前に波長回復が達成できることを確実にするように、高振幅パルス幅の最大持続時間を制限するのに十分でなければならない。例えば、パルス幅の最大持続時間が、駆動動作および波長回復動作により定まる負荷サイクルの約９０％を超えないことを確実にすることが好ましいかもしれない。さらに、パルス幅変調データの場合、波長回復部分の回復振幅ＩＲは、半導体レーザの閾レーザ発振電流以下または波長を回復するのに十分低いことを確実にするように注意しなければならない。]
[0036] 図７および８は、半導体レーザ駆動電流の上記の駆動部分が半導体レーザの波長選択部分に注入された波長コントロール信号（λＳ）を含む場合の単一モードレーザ信号における波長をコントロールする方式を示す。したがって、半導体レーザの波長選択区画に注入された駆動電流は、波長コントロール部分および波長回復部分を含む。上記のように、ＤＢＲレーザの波長選択区画は一般にレーザのＤＢＲ区画と称されるので、この駆動電流は、ＤＢＲ注入電流（ＩＤＢＲ）とも称される。] 図７
[0037] 特に図７を参照すると、ＤＢＲ注入電流の波長コントロール部分および波長回復部分は、標準ＤＢＲ波長コントロール信号（λＳ）および本発明に従って適切に構成された波長回復信号（ＷＲ）の積を取ることにより導入できる。図８に示されるように、ＤＢＲ注入電流の波長コントロール部分が、比較的長い駆動持続時間ｔＤの駆動振幅ＩＤを有するのに対し、駆動電流の波長回復部分は比較的短い回復持続時間ｔＲの回復振幅ＴＲを有するように、波長回復信号が構成される。ＤＢＲ注入電流の波長回復部分の回復振幅ＩＲは、駆動振幅ＩＤと区別され、駆動振幅ＩＤよりも低いまたは高くてもよく、図８に示されるようにΔＩまたはΔＩ’だけ駆動振幅ＩＤと異なる。] 図７ 図８
[0038] 波長コントロール部分の振幅ＩＤは、倍周波ＰＰＬＮレーザの場合に２逓倍結晶の波長により固定される十分な波長にＤＢＲ波長を調整し続けるのに十分である。ＤＢＲ電流が、駆動振幅ＩＤと十分に異なる回復振幅ＩＲに変化されると、ブラッグ波長は異なる波長にシフトされ、新しいキャビティモードがレーザ発振を開始する。元のレーザ発振キャビティモードは停止される。新しいキャビティモードが元のレーザ発振キャビティモードから十分に移動すると、レーザ名目標的波長において、多キャビティモードホッピングの原因である現象が消失し、または実質的に分散する。ＤＢＲ回復パルスの終わりで、ＤＢＲ電流はブラッグ波長を元の位置にシフトさせ、元のレベルに戻る。この時点では、新しいキャビティモードが停止され、回復された光利得スペクトルの下で、元のブラッグ波長におけるまたはその近くの回復されたモードにおいてレーザ発振が再開する。生じる画像は、図５および６のコントロール方式に関して上記で説明されたのと同様の特性を有するであろう。] 図５
[0039] 本発明は、電流注入を介してＤＢＲレーザの利得またはＤＢＲ区画をコントロールすることとの関連で説明されてきたが、レーザ源１０のこれらの部分のいずれかまたは両方をレーザの各部分に熱的に結合されたマイクロヒータを介してコントロールできることが考えられる。マイクロヒータコントロールは通常、電流注入を介するレーザコントロールにより示されるよりもゆっくりとした反応機構を示すという事実を考えると、マイクロヒータではなく、電流注入を使用して波長回復動作のコントロールを確実に行うことが好ましいかもしれない。したがって、レーザのための標準コントロール操作がマイクロヒータ技術によって容易になる一方で、電流注入機構が波長回復のために提供される、ハイブリッド構成が考えられる。]
[0040] 図７および８に示される本発明の実施の形態についての理論的根拠の１つの考えられる説明は、この方式は、利得圧縮波長におけるフォトン定在波を空間ホールバーニング領域の外の別の波長に実質的に変化させるということである。定在波における変化の持続時間は比較的短く、通常は、スペクトルホールバーニングを除去し元の利得スペクトルを回復するのに十分長いだけである。回復振幅ＩＲの下で導入された波長シフトは、大きさにおいて変化するかもしれないが、しばしば好ましくは少なくとも約２つのレーザ発振モードの波長シフトに等しいであろうと考えられる。実際に、波長シフトはレーザキャビティによるレーザ発振を無効にするほど大きいかもしれないと考えられる。また、外部フィードバックを変化させることにより図７および８のコントロール方式を外部キャビティ半導体レーザに適用して、キャリアがスペクトルホールを充填するように元の位置の外にレーザ発振波長を一時的に移動してもよいことが考えられる。] 図７
[0041] 図１Ａに概略的に示されるレーザ投影システムを参照すると、本発明による駆動電流コントロール方式は、このシステム内において様々の形態で行ってもよいことが留意される。例えば、限定する目的でなく、駆動電流の波長回復部分は、投影ソフトウェアおよび電子部品による描画中に回復部分をビデオ信号に統合することにより行ってもよい。あるいは、駆動信号の波長回復部分は、レーザ駆動電子部品に統合されてもよい。この手法において、画像ストリームから導かれる駆動信号は、電流スケーリングの前に波長回復信号により周期的に無効にされるであろう。さらなる代案として、レーザへの駆動電流は、周期的に分路され、または減少され、所望の強度レベルと無関係に駆動電流を減少または修正する。] 図１Ａ
[0042] 図５〜８は、単一モードレーザ信号においてノイズを減少するために代わりにまたは共に使用してもよいレーザ操作方式を示すことが分かる。さらに、図５〜８の方式は、１つ以上の単一モードレーザを組み込むシステムで使用してもよい。例えば、以下にさらに詳細に説明されるように、図５〜８の方式は、１つ以上の単一モードレーザを組み込むレーザ画像投影システムにおいて代わりにまたは共に使用してもよいことが考えられる。ここで、単一モードレーザまたは単一モード発光のために構成されるレーザへの言及は、本発明の範囲を単一モードにおいてのみ動作するレーザに制限するよう解釈されるべきではないことも留意される。むしろ、ここで単一モードレーザまたは単一モード発光のために構成されるレーザへの言及は、本発明により考えられるレーザが、広いまたは狭い帯域幅の単一モードがその中に識別可能な出力スペクトルにより、または適切なフィルタリングまたは他の手段により単一モードをその中から識別できる出力スペクトルにより、特徴付けられるであろうことを単に意味すると解釈されるべきである。] 図５ 図６ 図７ 図８
[0043] レーザ投影システムの場合に駆動持続時間ｔＤおよび回復持続時間ｔＲのそれぞれの値を確立する際に、さらなる検討材料を考慮する必要がある。例えば、限定する目的でなく、図１Ａに示されるのと同様に示される走査レーザ投影システムの場合、走査された画像は、一連の画像画素による一連の画像走査線を含む一連の画像フレームから成る。画像中の画素の活性画素持続時間は、４０ナノ秒またはそれ以下でもよい。通常、回復持続時間ｔＲは画素持続時間ｔＰより少ないであろう。好ましくは、回復持続時間ｔＲは、画素持続時間ｔＰの少なくとも５０％未満である。その一方、駆動持続時間ｔＤはシステム設計者の好みに依存して、画素持続時間ｔＰよりも大きく、より少なく、または等しくてもよい。] 図１Ａ
[0044] 当業者は、活性画素持続時間ｔＰが、走査速度の変化の結果として画像に亘って穏やかにおよび周期的に変化してもよいことを認識するであろう。したがって、「活性画素持続時間により特徴付けられる」投影システムへの言及は、画像中の各画素が同じ画素持続時間を有することを意味するものであると解釈されるべきではない。むしろ、ディスプレイ内の個々の画素は、それぞれが活性画素持続時間ｔＰにより特徴付けられるディスプレイの一般概念に該当する異なる画素持続時間を有してもよいと考えられる。]
[0045] 画像投影電子部品および対応するレーザ駆動電流を、画像画素の配列に亘って変化する画素強度を確立するように構成することによって、画像投影システムにより多調画像を生成できる。この場合、駆動電流の波長回復部分は、変化する画素強度をコード化する信号上に重ね合わせられる。走査レーザ画像投影システムの構成および画像に亘って変化する画素強度が生じる様式に関するさらなる詳細は、本発明の範囲を超え、これに関する様々の容易に入手できる教示から集めることができる。]
[0046] レーザベース光源を組み込んでいる、（デジタル光処理（ＤＬＰ）、透過型ＬＣＤおよびシリコン上液晶（ＬＣＯＳ）を含む）空間光変調器ベースシステムのような、他のタイプのレーザ投影システムも、本明細書に説明される波長安定化技術から恩恵を得られると考えられる。これらの場合には、レーザへの入力信号はコード化データ周期ｔＰにより特徴付けられ、駆動電流は、波長回復部分の回復持続時間がコード化データ周期ｔＰよりも少なくなるように構成されるであろう。]
[0047] 本出願を通して、様々のタイプの流れ（電流）への言及がなされる。本発明を説明し、定める目的のため、そのような流れは電流を称することに注意されたい。さらに、本発明を説明し、定める目的のため、電流の「コントロール」への本明細書における言及は、電流が能動的にコントロールされるかまたは任意の基準値の関数としてコントロールされることを必ずしも意味しないことが留意される。むしろ、電流は電流の大きさを確立するだけでコントロールされ得るであろうと考えられる。]
[0048] 本発明の上記の詳細な説明が、特許請求されるような、本発明の性質および特徴の理解のための概要または枠組みの提供を目的としていることが理解されるべきである。本発明の精神および範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変および変形がされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変および変形が、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変および変形を包含することが意図される。]
[0049] 例えば、ここに記載されるコントロール方式は、半導体レーザの利得区画または波長選択ＤＢＲ区画に適用される駆動電流における波長回復部分の組み込みを称するが、レーザ動作方式において本発明の波長回復動作を組み込む方法は、レーザのこれらの部分のみに適用される駆動電流に限定されないことが考えられる。例えば、限定する目的でなく、レーザは、回復信号が適用される場合にフォトンを吸収するよう構成される回復部分を含んでもよい。この場合、ここに記載される利得およびＤＢＲ区画について使用されるのと同様の態様で、必要に応じてフォトン密度を減少させるために回復部分を使用してもよい。]
[0050] さらに、特定の状態、条件、値、または他のタイプの変数またはパラメータの「関数として」行われるとここに記載されまたは請求される特定の工程または動作への本明細書での言及は、工程または動作の実行を指定された変数またはパラメータの関数としてのみに制限するよう解釈すべきでないことが理解されるべきである。むしろ、追加の要因が、工程または動作の実行において何らかの役割を果たし得ることが理解されるべきである。例えば、本発明の特定の実施の形態は、利得電流コントロール信号の関数として波長回復動作の開始を記載するが、この記載は動作の実行を利得電流コントロール信号の関数としてのみに制限するよう解釈されるべきではない。]
[0051] 本明細書に用いられる場合、「好ましい」、「一般に」および「通常」のような用語は、特許請求される本発明の範囲を限定する、またはある特徴が特許請求される本発明の構造または機能に肝要、本質的あるいは重要であることを意味することを目的とするものでないことに留意する。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施の形態に利用されるかもしれず、または利用されないかもしれない、別のまたは追加の特徴を際立たせることが目的であるに過ぎない。さらに、別の値、パラメータまたは変数の「関数」である値、パラメータまたは変数への言及は、その値、パラメータまたは変数が唯一の値、パラメータまたは変数の関数であることを意味すると解釈されるべきではないことに留意する。]
[0052] 本発明を説明し、定める目的のため、「実質的に」なる用語は、任意の量的な比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の本来的な度合いを表すために、本明細書に用いられる。「実質的に」なる用語は、量的表現、例えば「実質的にゼロを超える」が、言明される基準、例えば「ゼロ」から変わる度合いを表すために本明細書に用いられ、その量的表現が言明された基準から容易に認められる量だけ変わることを要求すると解されるべきである。]
[0053] 特定の特性、または特定の態様で機能を具体化するために、ある特定の点で、本発明の成分が「構成される」または「プログラムされる」なる記載は、意図的な用途の記載に対して構造的な記載であることに留意する。より詳細には、成分が「構成される」または「プログラムされる」態様への本明細書での言及は、成分の現存する物理的条件を示し、したがって、成分の構造的特徴の明確な記載であると解釈されるべきである。]

权利要求:

請求項1
投影レーザ画像を生成するシステムを操作する方法であって、該システムが、少なくとも１つのレーザ源、光強度モニタ、およびコントローラを含み、前記レーザ源が波長変換素子に光結合した半導体レーザを含み、前記光強度モニタおよび前記コントローラが、光強度の関数として半導体レーザの利得区画をコントロールするよう構成された利得電流フィードバックループの少なくとも一部を形成し、この方法が、前記半導体レーザの出力ビームを使用して投影レーザ画像を生成し；前記利得電流フィードバックループにより生じる利得電流コントロール信号を使用して前記半導体レーザの利得区画をコントロールし；および前記半導体レーザの駆動電流において波長回復動作を組み込むことにより該半導体レーザの波長ばらつきを狭める、各工程を含み、前記波長回復動作が、前記半導体レーザの標的波長においてフォトン密度を減少させるのに十分であり、かつ利得電流コントロール信号の関数として開始される、ことを特徴とする方法。
請求項2
前記波長回復動作がさらに、参照強度と光強度モニタにより生じる光強度信号との比較から生じる光強度誤信号の関数として開始されることを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項3
前記波長回復動作が、利得電流コントロール信号またはその積分が回復閾値を超える場合に開始されることを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項4
前記回復動作が、利得電流コントロール信号の現況または履歴が半導体レーザの標的波長において許容できない波長ドリフトを示す場合に開始されることを特徴とする請求項１記載の方法。
請求項5
前記半導体レーザがさらに波長選択区画を含み；前記半導体レーザ、前記光強度モニタおよび前記コントローラが、前記半導体レーザの波長選択区画をコントロールするように構成されるＤＢＲフィードバックループの少なくとも一部を形成する、ことを特徴とする請求項１記載の方法。