多波长可见光激光光源

本申请要求2018年11月23日提交的美国临时申请序列号62/770,892的提交日的优先权和权益，其全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种产生波长范围为300nm至700nm的多波长激光束的激光器，包括所述波长的具有优良光束质量的大功率光束。相关方法和系统的实施例除了应用于其他领域外，还可应用于广泛的制造、投影和显示系统。这些方法的实施例提供了直接从单光纤激光光源产生的大功率白光的系统。

背景技术

在本发明之前，通常从二极管激光光源或使用近红外或红外激光的倍频获得300-700nm范围内的激光束。激光光源可以单独产生预定波长，但不能提供一系列宽间隔波长。虽然现有系统可以产生一个密集波长波段或一个波长带宽，但不能产生一组或一系列单独的波长。迄今为止，通常且特别是对于商业上可行的系统，本领域一直不能对这些类型的激光器进行缩放以制造更高的功率，例如，大于500W(0.5kW)的激光器，特别是1kW及以上的激光器，这些激光器对于工业环境具有必要的可靠性。此外，相信不可能复制本发明实施例的商业能力，因为集成在多个单独波长上操作的多个单独激光器，然后将这些激光器组合以尝试实现相同的目标是复杂且困难的。据信，迄今为止还没有进行过这样的组合。本领域通常认为，除了其他原因外，无法获得这些波长的大功率激光器是受到非线性晶体处理大功率水平下所需的热负荷和功率密度的能力等的限制。因此，目前认为可通过倍频获得的最大功率、高光束质量的激光器仅限于约400W(0.4kW)脉冲，需要脉冲来管理晶体上的热负荷。据信，商业可行或有用的工作在单个波长或多个波长下的300-700nm范围内的激光器，具有高功率，例如，1kW以及更高的功率。并且具有高光束质量，例如，M

在本发明的实施例以及在Nuburu[努布鲁有限公司]的未决申请中描述的那些实施例之前，通常有四种类型的蓝色激光器。蓝色激光器是波长在400-505nm之间，通常是405-495nm之间的激光器。这些蓝色激光器是：(i)氦镉激光器，(ii)氩离子激光器，(iii)直接和倍频二极管激光器，以及(iv)固态倍增或参量振荡器。

(i)氦镉激光器是单模的，但功率限制在几百毫瓦，例如0.0001kW。氦镉激光器是典型的单横模激光器，但由于所述激光器的效率较低(<0.025％)，很难将其扩展到大功率水平，因此不适合大功率材料加工应用。

(ii)氩离子激光器是非常低效的，因此被限制在相对较低的功率，多条激光束中每条不到约0.005kW。在所述低功率下，所述激光器是具有多个波长操作的单横模。相关系统的寿命通常小于5000小时，这对于大多数工业应用来说相对较短。

(iii)蓝色二极管激光器正在变得可用。然而，它们的功率较低，通常低于0.0025kW，并且光束质量较差，例如，慢轴M

(iv)倍频蓝色激光光源的输出功率一般限制在0.50kW左右。产生蓝光的方法可以是将800范围(800-899)-900范围(900-999)nm的光源倍频，或者使用两个不同波长的和频混合来产生第三个波长。这两种技术都需要使用非线性倍频晶体，如铌酸锂或KTP。这些晶体相对较短，因此，它们需要较高的峰值功率水平来实现高效转换。在连续波模式下工作时，热问题以及电荷迁移问题会导致晶体的快速退化，以及激光器输出功率的快速下降。

在本发明之前，蓝色波长激光束通常通过参量振荡器、四波混频和直接倍频获得。这些都是低效的工艺，依赖于使用非线性晶体来实现蓝色波长。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。

据信，这些现有类型的蓝色激光器和一般的可见光激光器及其提供的激光束不足以用于大功率显示应用，所述大功率显示应用即来自单个激光光源的多波长可在紧凑的商业可行系统中实现明亮的大屏幕投影。大功率倍频激光光源是典型的快速脉冲光源，具有很高的峰值功率和很短的脉冲。所述很短的脉冲很难做出可行的显示，因此使用很短的脉冲这种方法的设计师通常使用一种更有效的倍频方法，即通过倍频晶体进入一个长脉冲。脉冲长度越长，热负荷越高，工作特性越接近连续波激光器的工作特性，连续波激光器具有与倍频连续波激光器有关的相同的可靠性问题。这些类型的激光器不能提供本发明实施例的大功率和连续波输出以及光束质量。

在本发明之前，450nm或更小的激光束通常通过参量振荡器、四波混频和红外光源的三倍频获得。这些都是低效的工艺，依赖于使用非线性晶体来实现短波长(200nm-450nm)。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。

在本发明之前，700nm-800nm范围内的激光束通常通过泵浦染料激光器、参量振荡器、四波混频和红外光源的倍频来获得。这些都是低效的工艺，染料激光器往往会随着时间的推移而褪色，并且相互作用体积有限，因此很难获得高的连续波功率水平。其他工艺依赖于使用非线性晶体来实现700nm-800nm的波长。这些晶体无法控制当激光功率接近几百瓦连续波时产生的热负荷，更不用说1kw或更大的功率了。

在本申请中，除非另外明确提供，否则术语“显示”、“激光投影”、“投影”、“照明”及类似的此类术语将被赋予其最广泛的可能含义，且将包含户外影院，户外显示，例如体育场、剧院、音乐会场所、室内影院、IMAX影院及任何其它大屏幕格式。用于显示应用的高亮度激光光源的实现将允许在明亮的阳光下观看激光投影图像，例如在体育场中所遇到的。高亮度激光投影仪也将适用于会议中心的显示，而会议中心的室内照明一直是低输出投影提供清晰清晰显示的挑战。

在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“大功率”、“大功率激光器”和“大功率激光束”以及类似术语是指0.5kW至5kW、1kW至10kW、0.5kW至10kW、1kW、2kW、5kW、约1kW至约10kW、约2kW至6kW的功率以及这些范围内的所有功率，以及，更大的功率。

在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“蓝色激光束”、“蓝色激光器”和“蓝色”应被赋予其最广泛的含义，并且通常指：提供激光束、激光束、激光光源的系统，例如激光器和二极管激光器，其提供，例如传播波长在400nm(纳米)到500nm之间，以及约400nm到约500nm之间的激光束或光。典型的蓝色激光器波长在405-495nm之间。蓝色激光器的波长包括450nm、约450nm、460nm和约470nm。蓝色激光器可以具有从约10pm(皮米)到约10nm、约5nm、约10nm和约20nm，以及更大和更小的值的带宽。

在本申请中，除非另有明确说明，否则“紫外”、“紫外线”、“紫外光谱”和“光谱的紫外部分”和类似术语应具有最广泛的含义，并将包括波长从约10nm至约400nm、从10nm到400nm的光。

在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“可见光”、“可见光谱”和“光谱的可见部分”以及类似术语应被赋予其最广泛的含义，并且将包括波长从约380nm到约750nm以及从400nm到700nm的光。

在本申请中，除非另有明确说明，否则术语“绿色激光束”、“绿色激光器”和“绿色”应具有最广泛的含义，并且通常指：提供激光束、激光束、激光光源的系统，例如激光器和二极管激光器，其提供，例如传播波长在500nm至700nm、约500nm至约575nm之间的激光束或光。绿色激光器包括515nm、约515nm、532nm、约532nm、550nm和约550nm的波长。绿色激光器可以具有从约10pm到10nm、约5nm、约10nm和约20nm以及更大和更小的值的带宽。

在本申请中，除非另有说明，室温为25℃。并且，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，否则所有测试、测试结果、物理特性以及温度相关、压力相关或两者皆有的值，均在标准温度和压力下提供。

通常，本申请所用的术语“约”和符号“～”，除非另有说明，意在包含±10％的方差或范围，与获得所述值相关的实验或仪器误差，最好是其中较大的。

在本申请中，除非另有规定，否则值的范围的叙述(从约“x”到约“y”的范围)以及类似的此类术语和量化的叙述仅作为单独引用范围内的单独值的简写方法。因此，它们包括该范围内的每个项目、特征、值、量或数量。在本申请中，除非另有规定，否则一个范围内的每一个和所有单独的点都被纳入本规范，并且是本规范的一部分，如同它们在本申请中被单独引用一样。

本发明背景技术部分旨在介绍可能与本发明的实施例相关的本领域的各个方面。因此，本节中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。

发明内容

除了提供300nm-800nm波长的激光束的激光器以外，长期以来，对其他激光器的需求也一直未得到满足，尤其是用于明亮照明应用以及材料加工应用的可见光激光器和白光激光器。本发明通过提供本申请所启示和公开的制品、装置和工艺以及其他方式来解决这些需求。

本发明提供了一种激光投影显示器，其具有三个主波长以产生由眼睛感知的高质量白光。主波长在观察条件不同时变化，在黑暗中，眼睛的反应是暗视的，即视力转移到可见光谱的蓝色部分；在明亮的光线下，眼睛的反应是明视的，即视力转移到可见光谱的红色部分。

本发明提供了一种激光照明和投影的系统和多个方法，其具有调谐到暗视锐度、明视锐度的系统，以及提供一个具有调谐到两种锐度的多个系统的组合系统，从而在明亮照明或黑暗房间中观看时提供独特的视觉体验。该系统具有一个短波长激光二极管，可直接泵浦拉曼光纤激光器，然后根据需要对任何拉曼阶组合发射激光，以将可见光输出光谱与所需光谱对齐。

本发明提供了一种激光照明和投影的系统和多个方法，其具有用于泵浦大功率、高亮度拉曼光纤激光器的短波长激光二极管，然后泵浦第二拉曼光纤激光器，此设计用于在所需的多个波长上发射激光。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中短波长激光二极管的波长短于所需输出波长以泵浦大功率、高亮度拉曼振荡器，或拉曼光纤激光器；其中多波长输出可以是一系列连续的拉曼阶数振荡或在振荡器或光纤内部振荡的几个阶数，并且只有所需的拉曼阶数才能离开激光器；其中，显示和照明波长为450nm、520nm和650nm；其中，显示和照明波长为约450nm、约520nm和约650nm；其中，显示和照明波长均为原色；其中，显示波长和照明波长均为原色并且具有小于20μm、小于15μm、小于10μm、小于5μm及小于2μm的带宽；其中，显示和照明响应于显示发光强度和环境照明而自动调节，以保持观众的理想色彩感知；其中，三原色可以由使用表1所示的拉曼阶数的单个激光系统提供；其中，所述系统具有所有拉曼阶数作为输出；其中，所述激光照明和投影的方法产生如表1中所列的同时振荡。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：表1所示的一个或多个光纤掺杂剂；一种基于金刚石的拉曼振荡器，或一种基于熔融二氧化硅光纤的系统，该系统具有14个斯托克斯频移以寻址白光显示的所有优选颜色；金刚石拉曼振荡器或基于熔融二氧化硅光纤的系统，该系统具有5个斯托克斯频移以寻址白光显示的所有优选颜色；金刚石拉曼振荡器或基于熔融二氧化硅光纤的系统，该系统具有4到16个斯托克斯频移以寻址白光显示的所有优选颜色；具有5个斯托克斯频移的掺磷系统。

本发明提供了一种方法和系统，该方法和系统利用了如下方法：具有拉曼活性材料，以通过蓝色二极管激光光源或蓝色二极管泵浦拉曼激光光源创建白光显示或多波长激光光源。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有大功率蓝色激光二极管光源，所述大功率蓝色激光二极管光源自由空间耦合到拉曼金刚石振荡器或拉曼振荡器光纤；其中，所述拉曼振荡器光纤具有外包层，所述外包层具有与蓝色激光泵浦能量的亮度匹配的0.22、优选0.5或甚至0.55的数值孔径；其中，拉曼增益出现在直径约4μm、6μm、10μm或更大数量级的阶跃折射率或优选渐变折射率的中央纤芯中，当与优先反射LP01模式的光纤布拉格光栅一起使用时，会导致LP01模式(单模)的优选振荡；来自第一拉曼振荡器的拉曼频移功率在第二拉曼振荡器中振荡，导致第三拉曼频移输出；第三拉曼频移输出功率随后在第四拉曼振荡器中振荡以产生第四拉曼频移输出；这些振荡器中的每一个都在光纤的同一段中，波长较长的振荡器光纤布拉格光栅位于波长较短的振荡器之外。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有二极管泵浦嵌套拉曼振荡器。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：在预定数量的拉曼频移下仅输出单个波长的嵌套拉曼振荡器的输出；多波长设置为470nm、534nm和660nm的嵌套拉曼振荡器的输出；符合在明亮照明环境中运行的大功率显示器的要求的嵌套拉曼振荡器的输出；单个拉曼频移振荡器；嵌套拉曼频移振荡器；从450nm到459nm的拉曼振荡器；从459nm到549nm的拉曼振荡器；其中，存在多个谐振器，并且每个谐振器在光纤的输出端为每个特定波长的输出光束增加功率；其中，每个波长的功率量可以通过调整一个、多于一个和所有谐振腔的Q值来定制；其中，每个波长的功率量可以通过调整一个、多于一个和所有谐振腔的光纤长度来定制；其中，每个波长的功率量可以通过调整谐振腔的Q值和谐振腔的光纤长度来定制。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有大功率蓝色激光二极管光源自由空间耦合到拉曼振荡器光纤，然后该拉曼振荡器光纤在不同的拉曼频移依次泵浦多个拉曼振荡器；其中，所述拉曼振荡器光纤具有外包层，所述外包层具有与蓝色激光泵浦能量的亮度匹配的0.22、优选0.5或甚至0.55的数值孔径；其中，拉曼增益出现在直径约4μm、6μm、10μm或更大数量级的阶跃折射率或优选渐变折射率的中央纤芯中，导致LP01模式的优选振荡；由此，第一振荡器的拉曼输出泵浦第二振荡器，因为第二振荡器直接泵浦在纤芯中，所以可以使用比包层泵浦的第一振荡器短得多的光纤。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中，第一拉曼频移发生器的输出用于泵浦第二拉曼频移发生器；其中，第二拉曼频移发生器的输出通过二向色镜与未取样的第一拉曼发生器的部分重新组合以产生具有两个波长的光束；其中，第三、第四或更多拉曼频移发生器的输出通过二向色镜与未取样的第一拉曼发生器的部分重新组合以产生具有两个波长的光束。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有高亮度450nm激光二极管模块，该模块泵浦拉曼振荡器，然后该拉曼振荡器沿光纤长度的长的方向自发转换为不同波长；一种连续波激光器，其具有一定长度的光纤长度来精确确定拉曼频移的数量，由此光纤的输出在原始波长和频移波长中具有相同的功率水平。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有连续波激光器。

本发明提供了在300-700nm范围内商业可行或有用的激光器，其在单波长或多波长下工作，具有例如1kW及以上的大功率，并且具有例如M

本发明提供了一种显示和照明的激光系统和方法，其具有多个蓝色激光二极管泵浦的拉曼振荡器作为对次阶拉曼振荡器的泵浦，其中第一拉曼振荡器充当亮度转换器，其将高度多模激光二极管输出转变为单模或低阶多模源。

本发明提供了一种显示和照明的激光系统和方法，其具有为达到所需波长频移或波长序列而调谐的每个谐振器的Q值。

本发明提供了一种显示和照明的激光系统和方法，其具有一系列大功率蓝色激光二极管泵浦一系列拉曼激光器，所述拉曼激光器随后被用于泵浦另一拉曼激光器，所述另一拉曼激光器将多个激光器的输出转换为单模输出；其中，波长在一系列短谐振腔中按顺序频移。

本发明提供了一种显示和照明的激光系统和方法，其具有：多波长可见光光纤激光器光源；大功率蓝色激光二极管泵浦；嵌套拉曼振荡器，以创建多个波长输出；光纤布拉格光栅，为光纤激光器提供了模式滤波器滤芯。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中，所述大功率蓝色激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中；其中，所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中；具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅；具有直接写入渐变折射率纤芯的光纤布拉格光栅；具有形成谐振器的外部光学器件；具有光纤布拉格光栅序列，这些光栅定义了单个频移的输出波长；具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长；具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层；并且具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有多波长可见光光纤激光器光源；大功率蓝色激光二极管泵浦；连续的拉曼振荡器以创建多个波长输出；在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中，所述大功率蓝色激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中；其中，所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中；具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅；具有直接写入渐变折射率纤芯中光纤布拉格光栅；具有形成谐振器的外部光学器件；具有定义单个频移的输出波长的光纤布拉格光栅序列；具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长；具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层；并且具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有：多波长可见光光纤激光器光源，大功率蓝色激光二极管泵浦；在中央纤芯发出大功率的单个拉曼振荡器；一种产生多波长输出的自发拉曼发生器。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有：多波长可见光光纤激光器光源；由蓝色激光二极管泵浦的多个拉曼振荡器泵浦；一种嵌套拉曼振荡器，用于产生多个波长输出；在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长；具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层；并且具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层。

本发明提供了一些显示和照明的激光系统和方法，其具有：多波长可见光光纤激光器光源；由蓝色激光二极管泵浦的多个拉曼振荡器泵浦；连续的拉曼振荡器以创建多个波长输出；在光纤激光器中提供模式滤波器滤芯的光纤布拉格光栅。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中，所述大功率蓝色激光二极管被发射到所述拉曼振荡器的包层中；其中，所述大功率蓝色激光二极管经光谱光束组合并发射到所述拉曼振荡器的包层中；具有围绕阶跃折射率单模纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有围绕渐变折射率纤芯的高数值孔径包层，芯包比为1:2、1:4、1:6、1:10或更高；具有直接写入阶跃折射率纤芯的光纤布拉格光栅；具有直接写入渐变折射率纤芯中光纤布拉格光栅；具有形成谐振器的外部光学器件；具有定义单个频移的输出波长的光纤布拉格光栅序列；具有光纤布拉格光栅序列，定义了多个谐振腔，从而产生多个输出波长；具有围绕阶跃折射率多模纤芯的高数值孔径包层；具有围绕渐变折射率多模纤芯的高数值孔径包层；具有多个输出波长，可产生用于在昏暗的背景照明中观看投影显示的三个理想波长；具有多个输出波长，可产生用于在明亮的背景照明中观看投影显示的三个理想波长。

本发明提供了一些具有以下一个或多个特征的显示和照明的激光系统和方法：其中大功率蓝色激光二极管被发射到具有诸如金刚石的拉曼活性材料的法布里-珀罗谐振腔中以产生拉曼频移。根据所需的输出波长，一个或多个谐振器可以嵌套或按顺序生成下一个拉曼阶数或n个拉曼阶数。可以调谐拉曼谐振腔以提供用于在所有照明条件下观看的三个理想波长。

本发明还提供了一种投影系统，配置为将图像投影到大的表面上以供观众观看，该系统具有：配置为提供具有小于500nm波长的初始激光束的激光光源；与多色光纤激光光源进行光通信的激光光源；以及，所述多色光纤激光光源被配置成在所述多色激光光源内提供具有多个波长的激光束；以及配置成传送输出投影激光束，其中所述输出投影激光束包括三个原色激光束；其中，第一原色激光束为红色；其中，第二原色激光束为蓝色；其中，第三原色激光束为绿色。

本发明还提供了具有以下一个或多个特征的一些系统和方法：其中，所述多色光纤激光光源从嵌套拉曼振荡器、连续的拉曼振荡器、环形谐振器结构和自由空间拉曼装置组成的组中选择；其中，多色光纤激光光源包括拉曼活性材料，并且拉曼活性材料包含从二氧化硅、二氧化锗、磷、金刚石、Ba(NO

附图说明

图1是示出依赖于照明环境的视觉灵敏度的变化的图，本发明的实施例解决并优化了该变化。

图2是示出根据本发明在昏暗照明环境(例如电影院)或高照明环境(例如体育场)中观看时实现全部颜色范围所需的理想激光波长的图。

图3是根据本发明的大功率蓝色激光系统的实施例的示意图。

图4是根据本发明的大功率蓝色激光系统的实施例的示意图。

图5是示出根据本发明通过7个斯托克斯频移将初阶拉曼振荡器的实施例的输出频移的图。

图6是示出根据本发明的总的10个斯托克斯频移的嵌套拉曼振荡器的实施例的同时波长输出的图。

图7是根据本发明的自由空间耦合到初阶拉曼振荡器的大功率蓝色激光二极管模块的实施例的示意图。

图8是根据本发明的耦合到初阶拉曼振荡器的大功率蓝色激光二极管模块的实施例的示意图。

图9是根据本发明的自由空间方法的实施例的示意图，该方法用于产生n-拉曼波长并将它们重新组合成单个光束。

图10是根据本发明的具有在空间上组合成嵌套拉曼振荡器的一组大功率蓝色激光光源的系统的实施例的示意图。

图11是根据本发明的具有在空间上组合成连续的拉曼振荡器的大功率蓝色激光光源的系统的实施例的示意图。

图12是根据本发明的具有纵向泵浦拉曼振荡器以选择单横模或低阶横模的系统的实施例的示意图。

图13是根据本发明的具有与横向泵浦相结合的沿正向纵向泵浦的拉曼振荡器的系统的实施例的示意图。

图14是根据本发明的具有二极管泵浦拉曼振荡器泵浦自发拉曼发生光纤的系统的实施例的示意图。

图15是根据本发明的具有蓝色激光二极管泵浦的拉曼振荡器泵浦激光器的连续的拉曼级联的系统的实施例的示意图。

图16是根据本发明的具有环形谐振器拉曼激光器的系统的实施例的示意图。

具体实施方式

本发明涉及产生300nm至700nm波长范围的多波长激光束的激光器，包括具有优良光束质量的这些波长的大功率光束。这种方法可以应用于各种制造和显示系统，使大功率白光可以直接由单光纤激光光源产生。

这些大功率系统的实施例，具有300nm到700nm波长范围，可应用于制造、控制运输系统中的单元的工作流程，例如铁路、航空、脐、警告系统、娱乐、体育赛事、艺术、公共艺术、群体艺术、公共艺术展览、弹出艺术、免下车电影、剧院、音乐会场馆、电影院、家庭影院、家庭娱乐、户外场所，以及其他需要照明、投影或显示的图像、物体和两者都有的应用。

这些发明的实施例使用受激拉曼散射(SRS)的非线性现象来增加多模蓝色激光二极管光源的亮度以产生多波长输出光束、改变该光源的输出波长或两者在多组分系统中。图2显示了实现全彩色范围所需的理想激光波长，无论是在昏暗照明环境(电影院)还是高照明环境(体育场)中观看。电影院投影的优选实施例使用本发明的激光系统来提供激光投影光束，该激光投影光束将具有以图2所示的图表100的峰值101(约520nm)、102(约460-420nm)、103(约630-680nm)为中心的三原色，具有用于扫描大屏幕的近单模光束。选择的确切波长将基于如图1所示的照明环境，其中视敏度根据照明条件而变化。图1显示了视觉灵敏度随照明环境的变化。因此，暗视觉的视觉灵敏度由峰值10表示，明视觉的视觉灵敏度由峰值11表示。因此可以看出，峰值视觉灵敏度从昏暗照明环境的暗视觉占优势且峰值灵敏度为510nm转变为高照明环境的明视觉占优势的峰值灵敏度为550nm。

以这种方式，在本发明的系统的实施例中，投影光束中的三原色中的每一种的波长峰值与观看环境匹配或针对观看环境进行了优化。因此，在实施例中，投影光束中的三原色中的每一种的峰值频移可以使其波长频移、强度增加或两者皆有，以补偿取决于照明环境的特定波长的视觉灵敏度的损失或变化。因此，在一个实施例中，投影光束中三原色中的每一种的波长峰值强度可针对图11的明视觉灵敏度进行优化。在一个实施例中，投影光束中的三原色中的每一种的波长峰值强度可针对图10的暗视觉灵敏度进行优化。

在图3的实施例中，大功率蓝色激光二极管模块用于泵浦基于掺磷纤芯的拉曼光纤振荡器和直接写入掺磷纤芯的光纤布拉格光栅，其优先反射LP01模式，从而充当振荡器的模式滤波器。

在图4的实施例中，嵌套或级联拉曼振荡器由耦合到无源光纤中的大功率蓝色激光二极管光纤模块直接泵浦，该无源光纤具有与嵌套拉曼振荡器光纤的泵浦包层相同的阶跃折射率纤芯特性。

图5是示出用于模拟实施例的激光输出波长的图，所述实施例为通过7斯托克斯频移将初阶拉曼振荡器的输出频移并优化为输出单个主波长的实施例。其他波长由于光纤布拉格光栅的缺陷而存在，并且在一个实施例中，可以被光纤出口处的陷波器拒绝。

图6是示出用于模拟实施例的激光输出波长的图，所述实施例为从嵌套拉曼振荡器同时输出波长总共10斯托克斯频移的实施例。这里所有的中间谐振器都具有相同的反射率，从而在不同波长之间形成均匀的功率分布。本实施例提供与由蓝色激光二极管泵浦的嵌套拉曼振荡器的显示要求一致的多波长输出。每个振荡器都是HR:HR[高反射率],除了第2斯托克斯频移、8斯托克斯频移和第16斯托克斯频移,都设置为95％。

在图7的实施例中，大功率蓝色激光二极管模块是自由空间耦合到初阶拉曼振荡器中，以将发射到包层中的多模蓝色功率转换为限制在纤芯中的单模或一系列模，其后依次转换各种谐振器的波长，以从单个激光光源产生一组波长。因此，存在一个大功率的蓝色激光二极管泵浦拉曼振荡器，其后是n个拉曼振荡器，用于产生额外的波长。

在图8的实施例中，大功率蓝色激光二极管模块耦合到初阶拉曼振荡器中，以将发射到光纤包层中的多模蓝色功率转换为限制在纤芯中的单模或一系列模，其后是自发拉曼转换光纤。因此，存在二极管泵浦拉曼光纤振荡器泵浦自发拉曼发生光纤。

在图9的实施例中，示出了产生n-拉曼波长并将其重新组合成单个光束的自由空间方法，这里称为自由空间拉曼装置。

在图9的实施例中，示出了一种使用自由空间来分离所有拉曼转换器并解耦其行为并使用可以是滤波器、透射光栅或反射光栅的二向色组合器来重新组合它们的方法。

在图10的实施例中，一组大功率蓝色激光光源在空间上被组合并发射到嵌套的拉曼振荡器的包层中，该嵌套拉曼振荡器将包层中的高度多模光束转换为单模或近单模光束，因为在光纤谐振腔中充当模式滤波器的光纤布拉格光栅。因此，存在一种蓝色激光泵浦拉曼振荡器用于泵浦多波长嵌套拉曼转换器。

在图11的实施例中，一组大功率蓝色激光源在空间上组合并发射到连续的拉曼振荡器的包层中，该连续的拉曼振荡器将包层中的高度多模光束转换为单模或近单模光束，因为在光纤谐振腔中充当模式滤波器的光纤布拉格光栅。因此，存在一个蓝色激光二极管泵浦拉曼振荡器泵浦激光器的连续拉曼级联。

图12示出了多色激光系统1201的一个实施例的示意图。所述系统1201是一个纵向泵浦拉曼振荡器的实施例，其使用半共焦谐振腔来选择单横模或低阶横模。系统1201具有光纤耦合的450nm激光二极管模块1202，其提供激光束并且如图所示处于光通信中，具有准直光学元件1204、模式匹配聚焦光学元件1205、高反射率(HR)第一斯托克斯或更高阶后视镜1206、拉曼激活介质1207，用于阻断或提取拉曼阶数的滤波器1208和输出耦合器1209(由于涂层的设计允许特定的阶数振荡或不振荡，图中描绘了一个半共焦谐振腔，其在要提取的波长处部分传送)。提供了一种低阶单横模输出激光束1210，其可以是一个波长，且优选地是多个波长，且更优选地具有三个原色。

图13示出了多色激光系统1300的实施例的示意图。系统1300是正向纵向泵浦与横向泵浦相结合的拉曼振荡器的实施例。系统1300具有光纤耦合的450nm激光二极管模块1301，其提供激光束并且如图所示处于光通信中，具有准直光学元件1302、模式匹配聚焦光学元件1303、高反射率(HR)第一斯托克斯或更高阶后视镜1304、拉曼激活介质1307、用于阻断或提取拉曼阶数的滤波器1308和输出耦合器1310(由于涂层的设计允许特定的阶数振荡或不振荡，图中描绘了一个半共焦谐振腔，其在要提取的波长处部分传送)。系统1301具有第二光纤耦合的450nm激光二极管模块1309，其提供激光束并且如图所示是光通信，具有准直光学元件1305和光束整形光学元件1306，进而向拉曼激活介质1307提供横向激光束。提供低阶单横模输出激光束1311，该低阶单横模输出激光束可以是一个波长，优选地是多个波长，更优选地具有三原色。

图14示出了多色激光系统1400的实施例的示意图。系统1400是二极管泵浦拉曼振荡器泵浦自发拉曼发生光纤的实施例。系统1400具有光纤耦合的450nm激光二极管模块1401，其提供激光束并且如图所示处于光通信中，具有准直光学元件1402、模式匹配聚焦光学元件1403、高反射率(HR)第一斯托克斯或更高阶后视镜1404、拉曼激活介质1405、用于阻断或提取拉曼阶数的滤波器1406和输出耦合器1407(由于涂层的设计允许特定的阶数振荡或不振荡，图中描绘了一个半共焦谐振腔，其在要提取的波长处部分传送)，其将激光束聚焦到光纤1408中。光纤1408是用于自发产生n-拉曼阶的渐变折射率光纤，其可由光纤的长度或嵌入式光栅来选择。图示了光纤1408的横截面1450，光纤1408具有高数值孔径包层1451和渐变折射率纤芯1452。系统1400提供一个激光束，为一个波长，优选多个波长，更优选具有三个原色。

图15示出了多色激光系统1500的实施例的示意图。系统1500是蓝色激光二极管泵浦的拉曼振荡器泵浦激光器的连续的拉曼级联，拉曼振荡器1由蓝色激光二极管模块(图中未示出)泵浦，然后，拉曼振荡器1产生激光束，所述激光束泵浦拉曼振荡器2，拉曼振荡器2又泵浦拉曼振荡器3，等等至第n个拉曼振荡器。以这种方式提供多个输出波长的激光束，优选地具有三个原色。

图16示出了多色激光系统1600的实施例的示意图。系统1601是为拉曼激光器配置的环形谐振器的实施例。系统1600具有光纤耦合的450nm激光二极管模块1601，其提供激光束并且如图所示处于光通信中，具有准直光学元件1602、模式匹配聚焦光学元件1603、环形镜组件1604。环形组件1604具有高反射镜，高反射镜具有用于在拉曼激活介质1605中创建具有束腰的循环模式的一些光功率。环形组件1604具有镜1606a，后镜1606b(其以蓝色泵浦波长传送并且以预定的或感兴趣的拉曼阶反射)输出耦合器1606c和镜1606d。系统1601提供低阶单横模输出激光束1607，其具有一个波长且优选多个波长，且更优选具有三个原色。

更深入地转到图3的实施例，示出了激光系统300的示意图。系统300具有高功率蓝色激光二极管模块301，其光学连接到具有第一光纤布拉格光栅303、拉曼光纤振荡器304和第二光纤布拉格光栅305的光纤302。在一个优选实施例中，第一光纤布拉格光栅303在激光二极管的波长处具有100％的透射比并且在第一拉曼频移的波长处具有100％的反射比。第二光纤布拉格光栅305在激光二极管波长处具有100％的反射比并且在第一拉曼频移波长处具有90％的反射比。光纤350的横截面显示其具有渐变折射率纤芯352和高数值孔径包层351。

在一个实施例中，蓝色激光二极管具有400nm到495nm、约450nm和约460nm的波长。在一个实施例中，激光二极管也可以是绿色激光二极管并产生或传播绿色激光束，例如500nm到700nm、约515nm和约530nm。在一个实施例中，拉曼光纤振荡器304基于掺磷纤芯。

图3所示的系统是用于将相对低光束质量的蓝色激光二极管模块功率转换为高光束质量、单模或近单模光束的优选实施例。一般来说，这种技术和系统使用三个组件来产生这种高质量输出光束，例如M

大功率多模蓝色激光二极管可以是光纤耦合模块，并且输出光纤可以直接熔融到拉曼振荡器光纤(例如图3的实施例)，或者输出光纤可以从蓝色激光二极管模块直接自由空间耦合到拉曼振荡器(例如图7的实施例)。包层可以是从圆形横截面到不对称圆形或矩形横截面的任何设计，目标是最大化包层区域和纤芯区域的模式之间的相互作用的数量。优选实施例是一种设计，其消除了从不穿过纤芯区域的回声模式。当蓝色泵浦光穿过纤芯区域时，它经历了自发拉曼散射，以及虚拟拉曼状态的激发。光纤纤芯捕获部分自发辐射并沿光纤纤芯轴线传播。提供两个FBG，如果泵浦光朝向输出耦合器正向传播，则一个FBG位于光纤后部，在第1斯托克斯频移处高反射(HR)，以及位于光纤的出口端的第二FBG，其具有低于HR但足够高的反射率，使得往返增益超过往返损耗。当满足此条件时，系统将发出激光，入射到输出耦合器FBG上的功率将退出光纤。由于FBG优先反射LP01模式，该输出光束将主要由LP01模式组成，模式质量由任何微弯曲、纤芯加热或其他可能干扰M

图4示出了多色激光系统400的示意图。系统400具有与光纤402进行光通信的激光二极管401，其具有形成拉曼振荡器409的FBG403、404、405、406、407、408。还示出了光纤402的横截面450，具有高数值孔径包层451和渐变折射率纤芯452。图4所示的实施例可以实现更大的波长频移。一组FBG被放置在光纤上，使得第1斯托克斯频移腔(在FBG403和FBG408之间形成)与第2斯托克斯频移腔(在FGB 404和FBG407之间形成)重合。这种结构利用第1斯托克斯频移腔中的高循环强度与第2斯托克斯腔相互作用，导致第2斯托克斯波长上的振荡。如果所有后面的FBG都是HR，且除了最后一个输出耦合器所有前面的FBG都是HR，那么嵌套或阶联拉曼振荡器的输出是一个按n阶斯托克斯频移的单波长，如图5所示。如果所有后面的FBG都是HR，所有前面的FBG有一些较低的有限反射率，最后一个FBG具有最低的反射率，则可以从图6所示的系统中产生一系列输出波长。如果所有后面的FBG都是HR，所有输出耦合器都是HR，除了显示所需的三个波长，即459nm、520nm和634nm，则激光输出由明亮显示所需的三个RGB原色组成。

图7示出了多色激光系统700的示意图。系统700具有与透镜702进行光通信的激光二极管701，并且透镜与光纤703进行光通信。激光束通过自由空间从激光器传播到透镜702。激光束被发射到光纤703中，通过透镜702在自由空间中传播。系统700具有三个拉曼振荡器770、771、773。光纤703具有FBG 704、705、706、707、708、709。图中还显示了光纤703的横截面750，其具有高数值孔径包层751和渐变折射率纤芯752。在该多色激光系统的实施例中，拉曼振荡器770、771、773可以是图3所示的类型。在该系统的优选实施例中，拉曼振荡器770可以是图3的实施例的类型，并且用于将从包层泵浦模式输出的蓝色激光二极管模块转换为纤芯模式。光纤芯中包含的功率现在有非常高的功率密度，范围从几兆瓦每平方厘米(MW/cm

图8示出了多色激光系统800的示意图。该系统800具有与光纤802进行光通信的蓝色激光二极管801、拉曼振荡器870、FBG 803、FBG 804以及在拉曼振荡器870之后的光纤802的长的方向的长度805。图中还示出了光纤802的横截面850，其具有高数值孔径包层851和渐变折射率纤芯852。在一个优选实施例中，该系统使用图3的实施例类型的拉曼振荡器。拉曼振荡器870用于泵浦光纤长的方向的长度805以产生自发拉曼发射。在本实施例中，没有次级谐振器来控制传播光束的模式，因此，采用这种方法的输出光束将具有多模输出以及宽光谱输出。此外，实现所需波长频移所需的长光纤长度将使得难以通过这种方法实现大功率水平，因为这些光纤在可见光区域(15-30dB/km)具有高散射损耗。因此，对于昏暗照明和暗视觉灵敏度，尽管不太受限制，但该方法是优选的。

图9示出了具有拉曼振荡器901和第二、下游(或远端)和并行拉曼振荡器902的多色激光系统900；并且系统900具有自由空间分光器903、904和自由空间二向色组合器905。拉曼振荡器901沿着光束路径901a向分光器903传播激光束901a’(例如，由第1斯托克斯频移产生)。在分束器903处，激光束901a’继续沿着激光束路径901a到自由空间二向色组合器905；激光束901b’沿着激光束路径901b传输到拉曼振荡器902，其中，激光束变成902a’，例如激光束通过第2斯托克斯频移变成902a’。激光束902a’的波长与激光束901a’的波长不同。激光束902a’沿着激光束路径902a传播到自由空间分光器904。在分光器904处，激光束902a’沿着激光束路径902传输到二向色组合器905；激光束902b’被分离出来，具有与激光束902a’不同的波长，并且沿着激光束路径902b传输到二向色组合器。二向色组合器将光束901a’、902a’和902b’作为多色输出光束合并并传送。在本实施例中，自发拉曼信号以并行方式产生。在本实施例中，不需要顺序自发拉曼方法，从而减少原始激光功率的衰减。这种并行方式的拉曼发生技术也可应用于由本说明书教导的系统的任何其它任何实施例。激光束901a’、902a’和902b’的波长基于视觉灵敏度(图1的图形)和图2的图表进行优化，以便为预定的观看环境(例如高照明或昏暗照明)提供最佳波长。

图10示出了多色可见光激光系统1000的一个实施例。系统1000具有四个拉曼振荡器1001、1002、1003、1004，它们组合并用于泵浦多色子系统1005。例如，可以组合来自四个拉曼振荡器的光束，在自由空间或光纤组合器(如框1010所示)。在本实施例中，拉曼振荡器的多色可见光激光系统1000的一个或多个，以及所有的拉曼振荡器可以是图3的实施例的拉曼振荡器。在本实施例中，多色子系统1005可以是嵌套多色系统，优选图4的实施例的系统。可以理解的是，可以使用更多或更少的拉曼振荡器，并且可以使用其他多色子系统。

图11示出了多色可见光激光系统1100的实施例。系统1100具有四个拉曼振荡器1101、1102、1103、1104，它们组合并用于泵浦多色子系统1105。例如，可以组合来自四个拉曼振荡器的光束，在自由空间或光纤组合器(如方框1110所示)。在本实施例中，拉曼振荡器的多色可见光激光系统1100的一个或多个，以及所有的拉曼振荡器可以是图3的实施例的拉曼振荡器。在本实施例中，多色子系统1105可以是串行多色系统，优选图7的实施例的系统。

图10所示方法与图4所示方法之间的区别在于，现在使用更高亮度的拉曼振荡器输出来泵浦嵌套(图10)或顺序(图11)的包层，以实现从泵浦能量到输出波长的远远更高的转换效率。与纤芯的4μm、6μm或10μm相比，这种方法使光纤的外包层达到20μm、25μm、或30μm。当包层为20μm以及纤心是10μm时，包层和纤心中的模式之间的重叠非常高，导致从包层到纤心的能量转换非常有效，其中，转换效率可在转换模式下功率的50％到80％以上的范围内变化。

一般而言，对于不是自发拉曼实施例的实施例，优选地调谐每个谐振器的Q值以实现所需的波长频移或波长序列。在嵌套谐振器的情况中，每个谐振器是强耦合的，通过选择所有中间拉曼频移谐振腔来具有高Q值，然后输出是选择具有高输出耦合的最后一个谐振器，以抑制下一个拉曼阶数的产生。如图6所示，当谐振腔的Q值全部减小时，奇数阶的每个拉曼阶的输出功率高，偶数阶每个拉曼阶的的输出功率低。这是因为在这种情况下，谐振器都是相同的，奇数阶从偶数阶偷电。两种情况下都会出现这种情况，但是在这种情况下，输出耦合器的反射率为98％，因此每个振荡器的功率都会从光纤的末端逸出。

提供以下实施例以说明本发明的激光阵列、系统、装置和方法的各种实施例。这些实施例用于说明目的，可以是预言性的，并且不应被视为，且不以其它方式限制本发明的范围。

实施例1

本发明提供了一种激光投影显示器的实施例，该实施例要求三个主波长以产生眼睛所感知的高质量白光。主波长在观察条件之间变化，在黑暗中，眼睛的反应是暗视的，视敏度转移到可见光谱的蓝色部分；在明亮的光线中，眼睛的反应是明视的，视敏度转移到可见光谱的红色部分(图1)。当在明亮照明或黑暗房间中观看时，本实施例可以调谐为提供独特视觉体验的任一视敏度。该系统将使用短波激光二极管(通常比所需输出波长短)以直接泵浦拉曼光纤激光器，然后根据需要将激光u总用于拉曼阶数的任意组合，使可见光输出光谱与所需光谱对齐。该实施例还可以使用短波长激光二极管(通常短于所需输出波长)来泵浦大功率、高亮度拉曼光纤激光器，该拉曼光纤激光器随后泵浦设计成在所需多个波长上作用激光的第二拉曼光纤激光器。多波长输出可以是连续的一系列拉曼阶振荡或几个阶数在光纤内部振荡，只有所需的拉曼阶才能离开激光器。图2示出用于全色显示的色度图，并识别用于这种显示的理想波长：450nm、520nm和650nm。这些波长通常被激光投影显示器的设计者认为是显示器的理想波长。通过提供这三个主波长，可以响应于显示发光强度和环境照明来调整显示器，以保持观众的理想色彩感知。三原色可由使用表1所示使用拉曼阶数的单个激光系统提供，或者系统可设计为提供所有拉曼阶数作为输出。此方法可用于产生表1所列的三种普通光纤及其掺杂剂的同时振荡，突出白光显示的理想波长(即：第1斯托克斯/硅蓝-4.59E-05，第1斯托克斯/磷蓝4.79E-05；第3斯托克斯/磷绿5.48E-05；第5斯托克斯/磷绿6.42E-05，第7斯托克斯/硅绿5.22E-05；第14斯托克斯/硅红6.23E-05)。

表1普通光纤的拉曼频移

实施例2

这些激光器和系统的实施例可以使用任何材料作为光纤中的喘气剂，表1示出了三种最常见的掺杂剂及其相关斯托克斯频移。基于二氧化硅光纤的系统需要多达14斯托克斯频移来处理白光显示的所有优选颜色。锗显示出相同的波长频移光谱，同样显示出实现三原色所需的大量频移。考虑到在这些波长处的光纤中的高损耗，为实现所需输出所需要的频移次数越多，系统的效率就越低，因为系统中有许多往返行程。然而，掺磷光纤具有可用的最大拉曼频移之一，因此，对于高亮度、大功率激光投影显示，仅需要5斯托克斯频移来处理所有三个主波长，并且是优选实施例。

实施例3

这些激光器和激光系统的实施例可使用范围广泛的拉曼活性材料，表II总结了这些材料以及它们如何也可用于从蓝色二极管激光光源或蓝色二极管泵浦拉曼激光光源创建白光显示或多波长激光光源。突出白光显示的理想波长(即：第1斯托克斯/金刚石蓝4.79E-05、第1斯托克斯/KGW蓝4.69E-05、第1斯托克斯/YVO

表2几种常见拉曼材料的拉曼频移

实施例4

图3示出耦合到拉曼振荡器光纤的大功率蓝色激光二极管光源自由空间的实施例的图。拉曼振荡器光纤由具有0.22、优选0.5甚至0.55的数值孔径的外包层组成，该数值孔径与蓝色激光泵浦能量的亮度匹配。拉曼增益出现在中央纤芯中，中央纤芯是阶跃折射率或优选渐变折射率纤芯，约为4μm、6μm、10μm或更大，这导致当与优先反射LP01模式的光纤布拉格光栅一起使用时LP01模式(单模)的优选振荡。来自第一拉曼振荡器的拉曼频移功率随后在第二拉曼振荡器中振荡，致使第三拉曼频移输出。第三拉曼频移输出功率随后在第四拉曼振荡器中振荡以产生第四拉曼频移输出。这些振荡器中的每一个都在光纤的同一段中，波长较长的振荡器光纤布拉格光栅在波长较短的振荡器之外。图4示出了二极管泵浦嵌套拉曼振荡器的实施例。图5示出了嵌套拉曼振荡器的输出，该振荡器仅通过预定数量的拉曼频移具有单个波长输出。图6示出了多波长设置为470nm、534nm和660nm的嵌套拉曼振荡器的输出，其多波长匹配在明亮照明环境中操作的大功率显示器的要求。

实施例5

图7示出了耦合到拉曼振荡器光纤的大功率蓝色激光二极管光源自由空间的实施例的图，所述拉曼振荡器光纤随后以不同的拉曼频移依次泵送多个拉曼振荡器。拉曼振荡器光纤由具有0.22、优选0.5或甚至0.55的数值孔径的外包层组成，该数值孔径与蓝色激光泵浦能量的亮度匹配。拉曼增益出现在直径约4μm、6μm、10μm或更大数量级的阶跃折射率或优选渐变折射率的中央纤芯中，导致LP01模式的优选振荡。第一振荡器的拉曼输出泵浦第二振荡器，因为第二振荡器直接泵浦在纤芯中，所以可以使用比包层泵浦的第一振荡器短得多的光纤。这些可以是单拉曼频移振荡器，或者需要更长波长频移的嵌套拉曼频移振荡器，例如在从450nm到459nm的频移中，涉及单个频移，但是接下来的频移将从459nm到549nm，这将是具有两个嵌套拉曼振荡器的谐振器。每个谐振器在光纤输出端的每个特定波长处向输出光束添加功率。每个波长的功率量可以通过调整谐振腔的Q值和谐振腔的光纤长度来定制。

实施例6

图8中的实施例是高亮度450nm激光二极管模块，该模块泵浦拉曼振荡器，然后该拉曼振荡器沿光纤长度的长的方向自发转换为不同波长；这种方法需要光纤纤芯中的大率水平来实现拉曼频移的自发产生，例如，模拟表明，当光纤长度和纤芯中的功率超过临界值时，光从一种波长自发转换到另一种波长。临界值取决于光纤中的散射损耗、光纤掺杂和光纤结构。然后是为给定的输出波长或波长组选择光纤长度的问题。利用连续波激光器，可以选择光纤的长度来精确确定拉曼频移的数量，从而使光纤的输出在原始波长和频移波长中具有相同的功率水平。与本发明的其他实施例相比，该方法的潜在缺点是，光纤通常具有高损耗(>25dB/km)，并且输出功率随着光束传播而显著降低，从而限制了可产生的拉曼阶数。这种方法的另一个缺点是，由于没有谐振腔，使得没有模式选择性，因此对于自发拉曼方法，中央纤芯在所产生的所有波长上优选地是单模(LP01)。

实施例7

在具有连续波激光器的实施例中，可以选择光纤的长度来精确确定拉曼频移的数量，从而使光纤的输出在原始波长和频移波长中具有相同的功率水平。这种技术具有足够功率时也可以用于产生一系列的n个拉曼频移输出。在本实施例(例如图9)中，第一拉曼频移发生器901的输出用于泵浦第二拉曼频移发生器。然后，通过二向色镜将第二拉曼频移发生器902的输出与未取样的第一拉曼发生器的部分重新组合，以产生具有两个波长的光束。该技术可以扩展到第三、第四或更多的拉曼频移发生器，以产生由每个拉曼频移发生器中的许多波长组成的光束。这种方法的优点是，第一拉曼光源的功率损失不受沿光纤长度的散射损耗的影响，因为它在第一功率分光器中分离出来，并通过自由空间光学器件与其他拉曼光源重新组合。与本发明的其他实施例相比，一个潜在的缺点是与耦合进出每根光纤有关的衍射效应。

实施例8

图10是实现与实施例8中类似结果的方法的实施例，但是现在使用几个蓝色激光二极管泵浦的拉曼振荡器作为到次阶拉曼振荡器的泵浦。在这种情况下，第一拉曼振荡器充当亮度转换器，其将高度多模激光二极管输出转变为单模或低阶多模源。多个源可以具有相同的波长并且在空间上组合，或者它们可以具有稍微不同的波长并且经光谱光束组合以产生用于嵌套拉曼振荡器的足够明亮的泵浦光束。可见光中的高散射损耗通常为25、30、50或更多dB/km，必须通过增益来克服，以实现这种配置中的激光，这就是为何使用多个拉曼振荡器将大光功率直接发射到纤芯或紧密约束的包层中。包层可以是10μm，纤芯可以是4μm，或者包层可以是20μm，纤芯可以是10μm，以及其他几种组合，唯一的限制是轴上强度必须保持较高，以保持增益高于谐振腔内损耗。图10示出了将多个拉曼激光器自由空间耦合到光纤包层中，所述光纤包层直径为10μm、15μm、20μm、30μm或更大，这取决于可用拉曼泵浦激光器的功率水平。包层的数值孔径为0.2、0.22、0.5、0.55或更大。中央纤芯是渐变折射率纤芯，其直径为4μm、6μm、10μm或更大，具体取决于维持LP01模式(单模)有效振荡所需的折射率分级。

除了自发拉曼情况外，所有情况都要求对每个谐振器的Q值进行调谐，以实现所需的波长频移或波长序列。在嵌套谐振器的情况中，每个谐振器是强耦合的，通过选择所有中间拉曼频移谐振腔来具有高Q值，然后输出是选择具有高输出耦合的最后一个谐振器，以抑制下一个拉曼阶数的产生。如图6所示，当谐振腔的Q值全部减小时，奇数阶的每个拉曼阶的输出功率高，偶数阶每个拉曼阶的的输出功率低。这是因为在这种情况下，谐振器都是相同的，奇数阶从偶数阶偷电。两种情况下都会出现这种情况，但是在这种情况下，输出耦合器的反射率为98％，因此每个振荡器的功率都会从光纤的末端逸出。

实施例9

在一个实施例中，一系列大功率蓝色激光二极管泵浦一系列拉曼激光器，然后用于泵浦另一个拉曼激光器，将多个激光器的输出转换为单模输出。然后，如图11所示的单模输出在一系列短谐振腔中按顺序而不是嵌套地进行波长频移。

注意，不要求提供或解决作为本发明实施例的主题或与本发明实施例相关联的新颖性和突破性性能或其他有益特征和特性的基础理论。然而，本说明书中提供了各种理论以进一步推进这一重要领域的技术，特别是在激光器、激光加工和激光应用的重要领域。本说明书中提出的这些理论，除非另有明确说明，否则决不限定、限制或缩小所要求保护的发明的保护范围。这些理论很多都不是为了利用现有发明而需要或实践的。还应理解，本发明可导致新的、迄今未知的理论来解释本发明的方法，制品，材料，装置和系统的实施例的操作、功能和特征；而这种后来发展起来的理论，不应限制本发明所提供的保护范围。

本说明书中阐述的激光器、二极管、阵列、模块、组件、活动和操作的各种实施例可用于上述识别的领域和各种其他领域。除其他外，本发明的实施例可与专利申请公开号WO2014/179345、2016/0067780、2016/0067827、2016/0322777、2017/0343729、2017/0341180和2017/0341144的方法、装置和系统一起使用，其每一个的全部公开内容以引用方式并入本文。此外，例如，这些实施例可与下述一起使用：现有激光器、附加制造系统、操作和活动以及其他现有设备；未来激光器、增材制造系统的操作和活动；以及可根据本说明书的教导部分修改的项目。此外，本说明书中阐述的各种实施例可以以不同和各种组合彼此一起使用。因此，在本说明书的各种实施例中提供的配置可以彼此一起使用。例如，具有A、A’和B的实施例的组件和具有A”、C和D的实施例的组件可以以各种组合(例如A、C、D和A，A”、C和D等)彼此使用，符合本说明书的教导。因此，本发明提供的保护范围不应限于在特定实施例、实施例示例或特定附图的实施例中阐述的特定实施例、配置或布置。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以本文具体公开的形式以外的其他形式体现。所描述的实施例在所有方面都应被认为仅是说明性的而非限制性的。