CN104756329A - 平面波导型激光激励模块及平面波导型波长变换激光装置 - Google Patents

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Abstract

将透明部件(4)和激光介质(5)夹在第1包层(3-1)和第2包层(3-2)之间构成波导，使激励光(8)从与第1～第4激光振荡光(9-1～9-4)的光轴方向垂直的方向入射，并以仅在激光介质(5)内的谐振器模式区域中激励的方式，在透明部件(4)和激光介质(5)中交替地呈Z字状传播。

Description

平面波导型激光激励模块及平面波导型波长变换激光装置
技术领域
本发明涉及适合于激光投影仪用光源的平面波导型激光激励模块、以及使用平面波导型激光激励模块的平面波导型波长变换激光装置。
背景技术
在激光投影仪中要求红色、蓝色及绿色这三种颜色的光源。作为其中的绿色光源，研发出了使用1μm宽的激光产生第二谐波而作为基本波激光的波长变换激光装置。该光源需要小型化，以便安装于激光投影仪。另外，对需要高亮度的投影仪还要求高输出的光源。此外，还要求低功耗化，需要将光源设为高效率。
关于实现满足如上所述的需求的波长变换激光装置的方法，以往提供了例如专利文献1公开的模式控制波导型激光装置。专利文献1公开的模式控制波导型激光装置由平面状的激光介质、将激光介质夹在中间的两个包层(clad)、以及与一侧的包层接合的散热器构成。激光介质具有周期性的透镜效应(lens effect)，包括激光介质以波导模式进行振荡的激光振荡、和以基于激光介质的周期性的透镜效应而形成的多个谐振器模式进行振荡的激光振荡。关于产生透镜效应的方法公开了如下的方法：使散热器的形状形成为周期性的梳状构造，使激励光入射到激光介质的不与散热器接合的区域中，由此使激光介质内产生热量分布，生成折射率分布。
另外，关于高输出化的方法，提供了专利文献2公开的固体激光激励模块。专利文献2公开的固体激光激励模块由固体激光介质和无添加介质构成，该固体激光介质将厚度方向的正面及背面设为激光的入射面及散热面，该无添加介质与固体激光介质的激光入射面光学地接合。还公开了这样的内容，在固体激光介质的散热面侧设置有将在内部传播的激光反射的全反射膜，在与激光入射面接合的无添加介质设置有防止反射膜，使激励光从薄板状的固体激光介质的侧面入射，使激光从固体激光介质的厚度方向进行振荡。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国际公开第2006/103767号公报
专利文献2：日本特开2007－110039号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上述专利文献1所公开的以往的模式控制波导型激光装置采用端面激励方式，使振荡光轴与激励光轴一致。在这种情况下，各模式的输出受到半导体激光器的每一发射器的输出的限制，难以实现高输出化。并且，需要使激励光的光束间隔与散热器的梳齿的间隔一致，光束间隔受到限制。另外，根据作为激励光源的半导体激光器的扩散角而扩展到散热器的梳齿上的光无助于激光振荡，因而存在光束重叠效率下降的问题。
另一方面，在采用相对于振荡光轴垂直地入射激励光的侧面激励方式时，能够在激光振荡光的光轴方向及光轴的侧面方向配置多个半导体激光器，因而具有能够增加各模式的输出的优点。但是，由于也在谐振器模式以外的区域中进行振荡，因而存在光束重叠效率下降的问题。
另外，如上述专利文献2所公开的以往的盘型(disk type)固体激光激励模块相对于激光介质的厚度方向进行激光振荡。通常，盘型激光器的厚度约为数百μm，因而难以得到较高的增益，并且由于对谐振器损失的变动的敏感度较高，因而存在激光动作容易不稳定的问题。
本发明正是鉴于为了解决如上所述的问题而提出的，其目的在于，提供一种高输出且光束重叠效率较高的平面波导型激光激励模块、以及平面波导型波长变换激光装置。
用于解决问题的手段
本发明的平面波导型激光激励模块具有：平面状的激光介质；平面状的透明部件，其具有与激光介质同等的折射率，且与激光介质的一面接合；第1包层，其具有比激光介质及透明部件小的折射率，且与透明部件的和被接合于激光介质的一面相反的面接合；第2包层，其具有比激光介质及透明部件小的折射率，且与激光介质的和被接合于透明部件的一面相反的面接合，将透明部件和激光介质夹在该第2包层与第1包层之间；以及散热器，其隔着所述第2包层与所述激光介质接合，激光振荡包括激光介质以波导模式进行振荡的激光振荡、和激光介质以周期性的多个谐振器模式进行振荡的激光振荡，激励光向与激光振荡的光轴垂直的方向行进，并在激光介质中的周期性的多个谐振器模式的区域中和透明部件中交替地呈Z字状传播。
本发明的平面波导型波长变换激光装置具有：上述的平面波导型激光激励模块；以及波长变换元件，其对从平面波导型激光激励模块输出的激光振荡光的波长进行变换。
发明效果
根据本发明，激励光向与激光振荡的光轴垂直的方向行进，并在激光介质内的谐振器模式的区域中和透明部件中交替地呈Z字状传播，因而能够沿着激光振荡的光轴配置多个激励光的光源，所以能够实现高输出化。并且，由于仅在激光介质中的谐振器模式的区域中进行振荡，因而能够得到较高的光束重叠效率。因此，能够提供高输出且光束重叠效率较高的平面波导型激光激励模块、以及使用该平面波导型激光激励模块的平面波导型波长变换激光装置。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的平面波导型激光激励模块的结构的外观立体图。
图2是实施方式1的平面波导型激光激励模块的分解立体图。
图3是将实施方式1的平面波导型激光激励模块沿着图1中的A-A’线切断时的剖视图。
图4是将图3所示的平面波导型激光激励模块的局部放大的剖视图。
图5是示出本发明的实施方式2的平面波导型激光激励模块的结构的外观立体图。
图6是实施方式2的平面波导型激光激励模块的分解立体图。
图7是将实施方式2的平面波导型激光激励模块沿着图5中的A-A’线切断时的剖视图。
图8是示出本发明的实施方式3的平面波导型激光激励模块的结构的外观立体图。
图9是实施方式3的平面波导型激光激励模块的分解立体图。
图10是将实施方式3的平面波导型激光激励模块沿着图8中的A-A’线切断时的剖视图。
图11是示出本发明的实施方式4的平面波导型激光激励模块的结构的外观立体图。
图12是将实施方式4的平面波导型激光激励模块沿着图11中的A-A’线切断时的剖视图。
图13是示出本发明的实施方式5的平面波导型波长变换激光装置的结构的俯视图。
具体实施方式
下面，为了更详细地说明本发明，参照附图来说明用于实施本发明的方式。
实施方式1
如图1所示，本实施方式1的平面波导型激光激励模块1在厚度方向上重叠有加强用基板2、第1包层3-1、透明部件4、激光介质5、第2包层3-2、散热器6，并用激励光反射防止部件7覆盖激励光8所入射的透明部件4的端面4a。在图中，用单点划线表示激励光8，用双点划线表示第1～第4激光振荡光9-1～9-4。
图2示出了将本实施方式1的平面波导型激光激励模块1沿厚度方向分解后的立体图。下面为了便于说明，将激励光8的光轴方向设为x，将平面波导型激光激励模块1的厚度方向设为y，将第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向设为z，采用x轴、y轴、z轴相互垂直的坐标系。
在该平面波导型激光激励模块1中，由被夹在第1包层3-1和第2包层3-2之间的透明部件4及激光介质5构成的波导的厚度方向y的厚度较薄，因而使用平板状的加强用基板2增强波导的强度。该加强用基板2优选使用热膨胀率与激光介质5接近的材料，以便减小与激光介质5粘接时的激光介质5的翘曲。另外，在波导自身具有足够的刚性的情况下，也可以不设置加强用基板2。
例如，在激光介质5采用Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG的情况下，加强用基板2可以采用热膨胀率(约7.8×10-6/K)接近的无添加YAG。
另外，在激光介质5采用Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4(热膨胀率a轴方向：约1.7×10-6/K，c轴方向：约8.2×10-6/K)的情况下，加强用基板2可以采用结晶轴的朝向相同的无添加YVO4。
另外，在激光介质5采用Nd：YLF或者Er：YLF(热膨胀率a轴方向：约13.3×10-6/K，c轴方向：约8.3×10-6/K)的情况下，加强用基板2可以采用轴方向相同的无添加YLF。
另外，在激光介质5采用Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass的情况下(热膨胀率约9×10-6/K)，加强用基板2可以采用热膨胀率接近的无添加glass。
第1包层3-1的厚度方向y的上表面与加强用基板2接触，下表面与透明部件4的端面4d接触。第2包层3-2的厚度方向y的上表面与激光介质5的端面5c接触，下表面与散热器6接触。这些第1包层3-1和第2包层3-2具有将激励光8及第1～第4激光振荡光9-1～9-4封入透明部件4及激光介质5的内部的功能。第1包层3-1和第2包层3-2采用具有比透明部件4及激光介质5的折射率低的折射率的材料。
例如，在激光介质5采用Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG的情况下(折射率1.83)，第1包层3-1和第2包层3-2可以采用氧化铝(Al2O3、折射率1.61)或者M3(折射率1.73)。
另外，在激光介质5采用Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4的情况下，第1包层3-1和第2包层3-2可以采用五氧化二钽(Ta2O5)。
另外，在激光介质5采用Nd：YLF或者Er：YLF的情况下(折射率1.47)，第1包层3-1和第2包层3-2可以采用SiO2(折射率1.45)。
另外，在激光介质5采用Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass的情况下(折射率1.56)，第1包层3-1和第2包层3-2可以采用SiO2(折射率1.45)。
透明部件4构成为平板形状，具有供激励光8入射的端面4a和端面4b～4f。端面4a和端面4b相互面对，并处于与激励光8垂直、且与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行的位置关系。透明部件4的端面4c和端面4d相互面对，并处于与激励光8以及第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行的位置关系。并且，端面4c与激光介质5的端面5d接触，端面4d与第1包层3-1接触。透明部件4的端面4e和端面4f相互面对，并处于与激励光8平行、且与第1～第4激光振荡光9-1～9-4垂直的位置关系。
该透明部件4采用使激励光8及第1～第4激光振荡光9-1～9-4透射的材料，而且是与激光介质5的热膨胀率大致相同的材料，以便抑制因接合时的应力而形成的裂纹。另外，透明部件4的材料采用与激光介质5的折射率同等或比其低的材料。关于材料的具体例在后面进行说明。
在该透明部件4的端面4a设有激励光反射防止部件7。激励光反射防止部件7具有使从外部到达透明部件4的端面4a的激励光8没有损失地入射到透明部件4的内部的功能。该激励光反射防止部件7可以采用例如电介质膜等。另外，在将激励光8向端面4a的入射角度设为布儒斯特角(Brewster angle)的情况下，也可以省略激励光反射防止部件7。
另外，为了便于说明，在图中夸大地放大图示激励光反射防止部件7，与实际的比例尺不同。
激光介质5构成为平面形状，具有端面5a～5d，5f以及供第1～第4激光振荡光9-1～9-4入射的端面5e。端面5a和端面5b相互面对，并处于与激励光8垂直、且与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行的位置关系。激光介质5的端面5c和端面5d相互面对，并处于与激励光8以及第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行的位置关系。并且，端面5d与透明部件4的端面4c接触，端面5c与第2包层3-2接触。激光介质5的端面5e和端面5f相互面对，并处于与激励光8平行、且与第1～第4激光振荡光9-1～9-4垂直的位置关系。
作为构成该激光介质5的材料，采用吸收激励光8、并且针对第1～第4激光振荡光9-1～9-4具有增益的材料。
例如，在激光介质5采用Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG的情况下，透明部件4可以采用折射率(约1.83)、热膨胀率(约7.8×10-6/K)接近的无添加YAG。
另外，在激光介质5采用Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4(折射率(a轴：约1.97，c轴：约2.17)，热膨胀率(a轴方向：约1.7×10-6/K，c轴方向：约8.2×10-6/K))的情况下，透明部件4可以采用结晶轴的朝向相同的无添加YVO4。
另外，在激光介质5采用Nd：YLF、Yb：YLF或者Er：YLF(折射率(a轴：约1.45，c轴：1.47)，热膨胀率(a轴方向：约13.3×10-6/K，c轴方向：约8.3×10-6/K))的情况下，透明部件4可以采用结晶轴的朝向相同的无添加YLF。
另外，在激光介质5采用Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass(折射率1.56、热膨胀率约9×10-6/K)的情况下，透明部件4可以采用无添加glass。
这样，优选在YAG等的主体材料(host material)中添加Nd等活性离子构成激光介质5，并使用该主体材料构成透明部件4。
并且，通过用折射率相同的材料构成透明部件4和激光介质5，并将透明部件4的端面4c与激光介质5的端面4d光学接合，能够在第1包层3-1和第2包层3-2之间形成波导，将激励光8和第1～第4激光振荡光9-1～9-4封入。
另外，在使用折射率比激光介质5低的材料构成透明部件4的情况下，能够将第1～第4激光振荡光9-1～9-4封入在第2包层3-2和透明部件4的端面4c之间。并且，在这种情况下，通过调整透明部件4和激光介质5的折射率差，能够改变第1～第4激光振荡光9-1～9-4的波导模式数。
作为将透明部件4与激光介质5光学接合的手段，例如有如下的方法：将形成透明部件4的陶瓷材料和形成激光介质5的陶瓷材料烧结成一体，将激光介质5和透明部件4接合。另外，还有通过扩散接合将激光介质5和透明部件4接合成一体的方法。另外，还有通过表面活性化接合将激光介质5和透明部件4接合成一体的方法。另外，还有通过光学式接触将激光介质5和透明部件4接合成一体的方法。另外，还有利用光学粘接剂将激光介质5和透明部件4粘接成一体的方法。
散热器6构成为平板形状，被接合在第2包层3-2的下表面上。作为构成散热器6的材料，导热性良好、热膨胀率与加强用基板2接近的材料比较适合。
例如，在激光介质5采用Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG、加强用基板2采用与激光介质5的热膨胀率(约7.8×10-6/K)接近的无添加YAG的情况下，散热器6可以采用导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
另外，在激光介质5采用Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4、加强用基板2采用无添加YAG的情况下，散热器6可以采用导热率约为150～200W/m、热膨胀率约4.5×10-6/K的AlN。
另外，在激光介质5采用Nd：YLF或者Er：YLF的情况下，散热器6可以采用在与a轴平行的方向(热膨胀率约13.3×10-6/K)上导热率约为150～200W/m、热膨胀率约8～15×10-6/K的Al-SiC、或者导热率约为394W/m、热膨胀率约17×10-6/K的Cu，在与c轴平行的方向(热膨胀率约8.3×10-6/K)上导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
另外，在激光介质5采用Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass、加强用基板2采用与激光介质5的热膨胀率(约9×10-6/K)接近的无添加glass的情况下，散热器6可以采用导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
在图1中用单点划线示出的激励光8作为具有被激光介质5吸收的波长的光，通过激励光反射防止部件7从端面4a向透明部件4的内部入射。作为激励光源8的光源，例如可以采用半导体激光器或者纤维激光器。能够沿着第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向x配置该光源，因而使用能够实现高输出的具有宽幅较广的发光区域的宽广区域半导体激光器、或者将发射器配置成一列的半导体激光器阵列，能够实现激励光8的高输出化。
另外，也可以接近透明部件4的端面4a配置激励光源8的光源。另外，也可以是，在激励光源8的光源与端面4a之间设置准直透镜，使激励光8通过准直透镜而成为平行光向端面4a入射。
下面，说明平面波导型激光激励模块1的动作。
图3是将本实施方式1的平面波导型激光激励模块1沿着图1中的A-A’线切断时的剖视图。如图3所示，激励光8从透明部件4的端面4a透过激励光反射防止部件7向透明部件4的内部入射，并朝向第1包层3-1的方向行进。然后，激励光8在到达第1包层3-1与透明部件4的界面时进行反射，朝向激光介质5按照透明部件4、激光介质5的顺序而传播，激励光8的一部分被激光介质5吸收。然后，激励光8在到达第2包层3-2与激光介质5的界面时进行反射，朝向透明部件4按照激光介质5、透明部件4的顺序而传播。这样，激励光8在第1包层3-1、第2包层3-2之间呈Z字状传播，每当通过激光介质5时被吸收。
此时，通过调整透明部件4与激光介质5的厚度之比和激励光8的波导内传播角度，在透明部件4和激光介质5的内部呈Z字状传播的激励光8，以通过激光介质5内的第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4的方式进行传播。
另外，第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4例如使用后述的实施方式5的谐振器模式控制装置48而形成。
下面，参照图4说明导出波导传播角度α的方法，该角度是在透明部件4和激光介质5的内部呈Z字状传播的激励光8通过激光介质5内的第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4所需要的角度。另外，在图4中省略了加强用基板2和激励光反射防止部件7的图示。
在设透明部件4的厚度为d1、设激光介质5的厚度为d2、设第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4各自的间隔为Δx、设从激光介质5的端面5a到第1谐振器模式区域10-1的中心的距离为x0时，波导传播角度α用下式(1)表示。
α＝tan-1(Δx/(2×(d1+d2)))  (1)
另外，假设透明部件4和激光介质5的折射率是相同的值，激励光8是通过准直透镜后的平行光。
另外，在设透明部件4的折射率为n时，此时的激励光8向透明部件4的端面4a的入射角度θin用下式(2)表示。该波导传播角度α是指相对于包括第1～第4激光振荡光9-1～9-4的平面(即x z平面)的倾斜角度。
θin＝sin-1(n×sin(tan-1(Δx/(2×(d1+d2)))))  (2)
另外，从激光介质5的端面5a到第1谐振器模式区域10-1的中心的距离x0用下式(3)表示。
x0＝(1.5×d1+d2)×tanα  (3)
另外，式(3)表示将激励光8向端面4a的入射位置作为透明部件4的厚度方向y的中心，激励光8朝向第1包层3-1入射的情况。另一方面，将激励光8朝向第2包层3-2入射的情况表示为式(4)。
x0＝(0.5×d1+d2)×tanα  (4)
例如，在用厚度5μm的无添加YVO4构成透明部件4、用厚度5μm的Nd：YVO4构成激光介质5、设第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4各自的间隔为50μm的情况下，YVO4的波长1μm的折射率是2.19，因而根据上式(1)、(2)，可以估算出波导传播角度α是2.18°、入射角度θin是54.4°。此时，关于从激光介质5的端面5a到第1谐振器模式区域10-1的中心的距离x0，在激励光8朝向第1包层3-1入射的情况下，根据上式(3)可以估算出该距离x0是31.25μm，在激励光8朝向第2包层3-2入射的情况下，根据上式(4)可以估算出该距离x0是18.75μm。
在图示例子中示出了谐振器模式区域为4个的情况，然而在谐振器模式区域的数量变化时，通过调整透明部件4的厚度d1与激光介质5的厚度d2之比或者激励光8的波导传播角度α，能够使激励光8以在激光介质5内的谐振器模式区域中通过的方式在波导内传播。
根据以上所述的实施方式1，平面波导型激光激励模1构成为具有：平面状的激光介质5；平面状的透明部件4，其具有与激光介质5同等的折射率，且与激光介质5的端面5d接合；第1包层3-1，其具有比激光介质5及透明部件4小的折射率，且与透明部件4的端面4d接合；第2包层3-2，其具有比激光介质5及透明部件4小的折射率，与激光介质5的端面5c接合，将透明部件4和激光介质5夹在该第2包层3-2与第1包层3-1之间；以及散热器6，其隔着第2包层3-2与激光介质5接合，第1～第4激光振荡光9-1～9-4在激光介质5的周期性的第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4中进行振荡，激励光8向与第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向z垂直的激励光8的光轴方向x行进，并在激光介质5中的周期性的第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4中和透明部件4上交替地呈Z字状传播。因此，能够沿着激光振荡的光轴配置多个激励光的光源，因而能够实现高输出化。并且，由于仅在激光介质中的谐振器模式的区域中进行振荡，因而能够得到较高的光束重叠效率。因此，能够提供高输出且光束重叠效率较高的平面波导型激光激励模块、以及使用该平面波导型激光激励模块的平面波导型波长变换激光装置。
实施方式2
图5是示出本实施方式2的平面波导型激光激励模块11的结构的外观立体图，图6是分解立体图。如图5和图6所示，本实施方式2的平面波导型激光激励模块11使加强用基板2、第1包层3-1、透明部件4、激光介质5、第2包层3-2、散热器16在厚度方向y上重叠，并用激励光反射防止部件7覆盖供激励光8入射的透明部件4的端面4a。在图中，用单点划线表示激励光8，用双点划线表示第1～第4激光振荡光9-1～9-4。
本实施方式2的平面波导型激光激励模块11的结构除散热器16以外、与上述实施方式1的平面波导型激光激励模块1的结构相同，因而在图5和图6中对与图1和图2相同或者相当的部分标注相同的标号，并省略说明。
在平面波导型激光激励模块11中，散热器16在与第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向z平行、且与激励光8的光轴方向x垂直的方向上周期性地形成有多个直线状的槽，并且成为与第2包层3-2接合的面和不与第2包层3-2接合的面周期性存在的梳状构造。在图示例子中，对应谐振器模式区域的数量，形成了4处梳状构造的槽。作为构成该散热器16的材料，导热性良好、热膨胀率与加强用基板2接近的材料比较适合。
例如，在激光介质5采用Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG、加强用基板2采用与激光介质5的热膨胀率(约7.8×10-6/K)接近的无添加YAG的情况下，散热器16可以采用导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
另外，在激光介质5采用Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4、加强用基板2采用无添加YAG的情况下，散热器16可以采用导热率约为150～200W/m、热膨胀率约4.5×10-6/K的AlN。
另外，在激光介质5采用Nd：YLF或者Er：YLF的情况下，散热器16可以采用在与a轴平行的方向(热膨胀率约13.3×10-6/K)上导热率约为150～200W/m、热膨胀率约8～15×10-6/K的Al-SiC、或者导热率约为394W/m、热膨胀率约17×10-6/K的Cu，在与c轴平行的方向(热膨胀率约8.3×10-6/K)上导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
另外，在激光介质5采用Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass、加强用基板2采用与激光介质5的热膨胀率(约9×10-6/K)接近的无添加glass的情况下，散热器16可以采用导热率约为160～230W/m、热膨胀率约6.4～8.3×10-6/K的CuW。
下面，说明平面波导型激光激励模块11的动作。
图7是将本实施方式2的平面波导型激光激励模块11沿着图5中的A-A’线切断时的剖视图。如图7所示，激励光8从透明部件4的端面4a透过激励光反射防止部件7向透明部件4的内部入射，并朝向第1包层3-1的方向行进。然后，激励光8在到达第1包层3-1与透明部件4的界面时进行反射，朝向激光介质5按照透明部件4、激光介质5的顺序而传播，激励光8的一部分被激光介质5吸收。然后，激励光8在到达第2包层3-2与激光介质5的界面时进行反射，朝向透明部件4按照激光介质5、透明部件4的顺序而传播。这样，激励光8在第1包层3-1和第2包层3-2之间呈Z字状传播，每当通过激光介质5时被吸收。
激励光8在入射到激光介质5内的与散热器16的未接合区域中时被激光介质5吸收，该吸收的激励光8的一部分变为热量。由于吸收激励光8而产生的激光介质5内的热量，按照图7中实线所示向激光介质5与散热器16的接合区域流动，使在激光介质5内产生多个温度分布。因此，激光介质5与散热器16的未接合区域的温度升高，温度随着接近接合区域而降低。
激光介质5的折射率大致与温度差成比例地变化，因而按照图7所示的温度分布，在激光介质5内产生折射率分布。因此，在激光介质5的材料采用每单位温度的折射率变化为正的材料的情况下，激光介质5与散热器16的未接合区域的折射率增大，产生折射率随着接近接合区域而减小的多个热透镜，热透镜形成第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4。
另一方面，在激光介质5的材料采用每单位温度的折射率变化为负的材料的情况下，激光介质5与散热器16的未接合区域的折射率减小，产生折射率随着接近接合区域而增大的多个热透镜。
在这种结构中，与上述实施方式1一样，通过调整透明部件4与激光介质5的厚度之比、以及激励光8的波导内传播角度，能够使激励光8以在激光介质5内的与散热器16的未接合区域(即第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4)中通过的方式、在透明部件4和激光介质5的内部呈Z字状传播。
在图示例子中示出了谐振器模式区域为4个的情况，然而在谐振器模式区域的数量变化时，通过调整散热器16的梳齿的个数、透明部件4与激光介质5的厚度之比、或者激励光8的波导传播角度，能够使激励光8以在激光介质5内的谐振器模式区域中通过的方式传播。
根据以上所述的实施方式2，平面波导型激光激励模块11构成为具有散热器16，散热器16具有形成有周期性的多个槽的梳状构造，该槽与第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向z平行，使各梳齿的末端隔着第2包层3-2与激光介质5接合而在激光介质5产生周期性的温度分布，利用该周期性的温度分布生成周期性的热透镜。因此，在与上述实施方式1一样的效果的基础上，通过使用具有梳状构造的散热器控制谐振器模式，将不再需要控制谐振器模式的光学部件(例如后述的谐振器模式控制装置48)，能够削减部件数目及抑制谐振器内损失。并且，不需要如以往散热器的形状具有周期性的梳状构造的平面波导型激光激励模块那样、使激励光的光束间隔与散热器的梳齿的间隔一致，因而能够任意设定散热器的梳齿的间隔，提高了发热分布的调整及激励宽幅的设计的自由度。因此，能够实现高输出化及激光谐振器的稳定性。另外，在散热器的梳齿上扩展的激励光成分对激光器没有作用，因而在本实施方式2中，使激励光向与激光振荡的光轴方向垂直的方向入射，因而即使激励光扩散时，也是在激光振荡光轴方向上扩散，容易获得光束重叠。
实施方式3
图8是示出本实施方式3的平面波导型激光激励模块21的结构的外观立体图，图9是分解立体图。如图8和图9所示，本实施方式3的平面波导型激光激励模块21使加强用基板2、第1包层3-1、透明部件24、激光介质25、第2包层3-2、散热器16在厚度方向y上重叠，并用激励光反射防止部件7覆盖供激励光8入射的透明部件24的端面24a。在图中，用单点划线表示激励光8，用双点划线表示第1～第4激光振荡光9-1～9-4。
本实施方式3的平面波导型激光激励模块21的结构除透明部件24和激光介质25以外、与上述实施方式2的平面波导型激光激励模块11的结构相同，因而在图8和图9中对与图5和图6相同或者相当的部分标注相同的标号，并省略说明。
在平面波导型激光激励模块21中，透明部件24由供激励光8入射的端面24a和端面24b～24f构成。相互面对的端面24a和端面24b处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行、且与端面24e及端面24f垂直的位置关系，由于相对于厚度方向的y轴而倾斜，因而与端面24d呈锐角连接，与端面24c呈钝角连接。相互面对的端面24c和端面24d处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行、且与端面24e及端面24f垂直的位置关系，端面24c与激光介质25的端面25d光学连接，端面24d与第1包层3-1光学连接。相互面对的端面24e和端面24f处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4垂直、且与端面24a、端面24b、端面24c及端面24d垂直的位置关系。
另外，在该透明部件24中，端面24e和端面24f形成为朝向散热器16而变尖细的锥状，因而沿厚度方向y切断时的截面呈梯形形状。
透明部件24采用使激励光8及第1～第4激光振荡光9-1～9-4透射的材料，而且是热膨胀率与激光介质25大致相同的材料，以便抑制因接合时的应力而形成的裂纹。另外，透明部件24的材料采用与激光介质25的折射率同等或比其低的材料。
激光介质25由端面25a～25d、25f以及供第1～第4激光振荡光9-1～9-4入射的端面25e构成。相互面对的端面25a和端面25b处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行、且与端面25e及端面25f垂直的位置关系，由于相对于厚度方向的y轴而倾斜，因而与端面25d呈锐角连接，与端面25c呈钝角连接。相互面对的端面25c和端面25d处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4平行、且与端面25e及端面25f垂直的位置关系，端面25c与第2包层3-2光学连接，端面25d与透明部件24的端面24c光学连接。相互面对的端面25e和端面25f处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4垂直、且与端面25a、端面25b、端面25c及端面25d垂直的位置关系。
另外，在该激光介质25中，端面25e和端面25f形成为朝向散热器16而变尖细的锥状，因而沿厚度方向y切断时的截面呈梯形形状。
通过用折射率相同的材料构成透明部件24和激光介质25，并将透明部件24的端面24c和激光介质25的端面25d光学接合，能够在第1包层3-1和第2包层3-2之间形成波导，将激励光8和第1～第4激光振荡光9-1～9-4封入。
另外，在使用折射率比激光介质25低的材料构成透明部件24的情况下，能够将第1～第4激光振荡光9-1～9-4封入在第2包层3-2和透明部件24的端面24c之间。并且，在这种情况下，通过调整透明部件24和激光介质25的折射率差，能够改变第1～第4激光振荡光9-1～9-4的波导模式数。
下面，说明平面波导型激光激励模块21的动作。
图10是将本实施方式3的平面波导型激光激励模块21沿着图8中的A-A’线切断时的剖视图。如图10所示，激励光8从透明部件24的端面24a透过激励光反射防止部件7向透明部件24的内部入射，并朝向第1包层3-1的方向行进。然后，激励光8在到达第1包层3-1与透明部件24的界面时进行反射，朝向激光介质25按照透明部件24、激光介质25的顺序而传播，激励光8的一部分被激光介质25吸收。然后，激励光8在到达第2包层3-2与激光介质25的界面时进行反射，朝向透明部件24按照激光介质25、透明部件24的顺序而传播。这样，激励光8在第1包层3-1、第2包层3-2之间呈Z字状传播，每当通过激光介质25时被吸收。
激励光8在入射到激光介质25内的与散热器16的未接合区域中时被激光介质25吸收，该吸收的激励光8的一部分变为热量。由于吸收激励光8而产生的激光介质25内的热量，按照图10中实线所示向激光介质25与散热器16的接合区域流动，使在激光介质25内产生多个温度分布。随之，在激光介质25内产生折射率分布，并产生多个热透镜，形成第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4。
在这种结构中，与上述实施方式1一样，通过调整透明部件24与激光介质25的厚度之比、以及激励光8的波导传播角度，能够使激励光8以在激光介质25内的与散热器16的未接合区域中通过的方式、在透明部件24和激光介质25的内部呈Z字状传播。
此时，透明部件24的端面25e、24f以及激光介质25的端面25e、25f形成为锥状，因而能够抑制在激光介质25的端面25e和端面25f之间的寄生振荡。
在图示例子中示出了谐振器模式区域为4个的情况，然而在谐振器模式区域的数量变化时，通过调整散热器16的梳齿的个数、透明部件24与激光介质25的厚度之比、或者激励光8的波导传播角度，能够使激励光8以在激光介质25内的谐振器模式区域中通过的方式传播。
另外，在上述说明中，用激励光反射防止部件7覆盖透明部件24的端面24a，然而在将激励光8向端面24a的入射角设为布儒斯特角的情况下，也能够省略激励光反射防止部件7。
另外，在上述说明中，使透明部件24的端面24e、24f以及激光介质25的端面25e、25f形成为朝向散热器16变尖细的锥状，但也可以是相反地朝向加强用基板2变尖细的锥状。
另外，在上述说明中，使透明部件24的端面24e、24f以及激光介质25的端面25e、25f形成为锥状，但也可以使加强用基板2和散热器16的相同方向的面形成为锥状，以便容易加工。
根据以上所述的实施方式3，平面波导型激光激励模块21构成为使激光介质25及透明部件24的、在与第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向z垂直的厚度方向y上的各个截面形成为梯形形状。因此，在与上述实施方式1相同的效果的基础上，能够抑制在激光介质25的供激励光8入射的端面25a、和与该端面25a相面对的端面25b之间有可能产生的寄生振荡。
实施方式4
图11是示出本实施方式4的平面波导型激光激励模块31的结构的外观立体图。如图11所示，本实施方式4的平面波导型激光激励模块31使加强用基板2、平面波导型激光激励模块31、透明部件4、激光介质5、第2包层3-2、散热器6在厚度方向y上重叠，并用第1激励光反射防止部件7-1覆盖供第1激励光8-1入射的透明部件4的端面4a，用第2激励光反射防止部件7-2覆盖供第2激励光8-2入射的透明部件4的端面4b。在图中，用单点划线表示第1及第2激励光8-1、8-2，用双点划线表示第1～第4激光振荡光9-1～9-4。
关于本实施方式4的平面波导型激光激励模块31的结构，在第1及第2激励光8-1、8-2从透明部件4的相互面对的端面4a、4b入射的情况下，在这些端面4a、4b设置第1及第2激励光反射防止部件7-1、7-2，除此以外与上述实施方式1的平面波导型激光激励模块1的结构相同，因而在图11中对与图1和图2相同或者相当的部分标注相同的标号，并省略说明。
第1及第2激励光8-1、8-2是具有被激光介质5吸收的波长的光，通过第1及第2激励光反射防止部件7-1、7-2从端面4a、4b向透明部件4的内部入射。作为第1及第2激励光8-1、8-2的光源，例如可以采用半导体激光器或者纤维激光器。能够沿着第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向配置该光源，因而使用能够实现高输出的具有宽幅较广的发光区域的宽广区域半导体激光器、或者将发射器配置成一列的半导体激光器阵列，能够实现第1及第2激励光8-1、8-2的高输出化。
另外，也可以接近透明部件4的端面4a、4b配置第1及第2激励光8-1、8-2各自的光源。另外，也可以是，在第1及第2激励光8-1、8-2各自的光源与端面4a、4b之间分别设置准直透镜，使第1及第2激励光8-1、8-2成为平行光向端面4a、4b入射。
下面，说明平面波导型激光激励模块31的动作。
图12是将本实施方式4的平面波导型激光激励模块31沿着图11中的A-A’线切断时的剖视图。如图12所示，第1激励光8-1从透明部件4的端面4a透过第1激励光反射防止部件7-1向透明部件4的内部入射，并朝向第1包层3-1的方向行进。然后，第1激励光8-1在到达第1包层3-1与透明部件4的界面时进行反射，朝向激光介质5按照透明部件4、激光介质5的顺序而传播，第1激励光8-1的一部分被激光介质5吸收。然后，第1激励光8-1在到达第2包层3-2与激光介质5的界面时进行反射，朝向透明部件4按照激光介质5、透明部件4的顺序而传播。这样，第1激励光8-1在第1包层3-1和第2包层3-2之间呈Z字状传播，每当通过激光介质5时被吸收。
第2激励光8-2从透明部件4的端面4b透过第2激励光反射防止部件7-2向透明部件4的内部入射，并朝向第1包层3-1的方向行进。然后，第2激励光8-2在到达第1包层3-1与透明部件4的界面时进行反射，朝向激光介质5按照透明部件4、激光介质5的顺序而传播，第2激励光8-2的一部分被激光介质5吸收。然后，第2激励光8-2在到达第2包层3-2与激光介质5的界面时进行反射，朝向透明部件4按照激光介质5、透明部件4的顺序而传播。这样，第2激励光8-2与第1激励光8-1一样在第1包层3-1和第2包层3-2之间呈Z字状传播，每当通过激光介质5时被吸收。
此时，与上述实施方式1一样，通过调整透明部件4与激光介质5的厚度之比和第1及第2激励光8-1、8-2各自的波导传播角度，在透明部件4和激光介质5的内部呈Z字状传播的第1及第2激励光8-1、8-2，以在激光介质5内的第1～第4谐振器模式区域10-1～10-4中通过的方式进行传播。
根据以上所述的实施方式4，平面波导型激光激励模块31构成为第1及第2激励光8-1、8-2分别从相面对的两个方向(端面4a侧和端面4b侧)入射。因此，在与上述实施方式1一样的效果的基础上，不需对上述实施方式1变更激光介质的尺寸，即可实现更进一步的高输出化。并且，由于从相面对的两个方向入射激励光，因而能够使激光介质整体的热量分布对称，能够实现稳定的激光振荡。
另外，在实施方式4中构成为，相对于上述实施方式1的平面波导型激光激励模块1，设置第1及第2激励光反射防止部件7-1、7-2来入射第1及第2激励光8-1、8-2，同样也能够适用于上述实施方式2、3的平面波导型激光激励模块11、21，能够实现激光振荡的高输出化和稳定性。
实施方式5
图13是示出实施方式5的平面波导型波长变换装置41的结构的俯视图。如图13所示，平面波导型波长变换装置41由平面波导型激光激励模块31、平面波导型波长变换元件42、和谐振器模式控制装置48构成。在图中，用单点划线表示第1及第2激励光8-1、8-2，用双点划线表示第1～第4激光振荡光9-1～9-4，用实线示出第1～第4波长变换光47-1～47-4。
本实施方式5的平面波导型激光激励模块31的结构与上述实施方式4的平面波导型激光激励模块31的结构相同，因而在图13中对与图11和图12相同或者相当的部分标注相同的标号，并省略说明。
在平面波导型激光激励模块31中，在透明部件4的端面4a设有第1激励光反射防止部件7-1，在与该端面4a相面对的端面4b设有第2激励光反射防止部件7-2。并且，在平面波导型激光激励模块31的激光介质5的端面5e设有第1基波光反射部件43-1，在与该端面5e相面对的端面5f设有第1基波光透射部件44-1。在与该第1基波光透射部件44-1相面对的位置设置有谐振器模式控制装置48。
另外，将平面波导型激光激励模块31的形状设为沿第1～第4激光振荡光9-1～9-4的光轴方向z较长的长方体状，使在激光介质5的长边方向上进行激光振荡。由此，能够得到较高的增益，而且相对于谐振器损失的变动的敏感度降低，因而能够实现稳定的激光动作。
在平面波导型波长变换激光装置41中，平面波导型波长变换元件42由非线性光学部件、两个包层、加强用基板、和散热器构成。包层分别被接合在非线性光学部件的上表面及下表面上，散热器被接合在一个包层上，加强用基板被粘接在另一个包层上。该平面波导型波长变换元件42的端面42a和端面42b相互面对，并且处于与第1～第4激光振荡光9-1～9-4垂直的位置关系。该端面42a隔着谐振器模式控制装置48接近配置在平面波导型激光激励模块31的与激光介质5的端面5f相面对的位置。
另外，在平面波导型波长变换元件42的端面42a设有第2基波光透射部件44-2和波长变换光反射部件45。在另一个端面42b设有第2基波光反射部件43-2和波长变换光透射部件46。
作为构成平面波导型波长变换元件42的非线性光学材料，采用普通的波长变换用材料。例如，采用KTP、KN、BBO、LBO、CLBO、LiNbO3、LiNbTaO3等。另外，采用抗光损伤性较强的添加MgO的LiNbO3、添加MgO的LiNbTaO3、定比LiNbTaO3等，或者采用具有周期极化反转构造的添加MgO的LiNbO3、添加MgO的LiNbTaO3、定比LiNbO3、定比LiNbTaO3等。
在平面波导型波长变换激光装置41中，谐振器模式控制装置48具有形成第1～第4激光振荡光9-1～9-4的谐振器模式的功能，在其两个端面设有针对第1～第4激光振荡光9-1～9-4的反射防止部件(未图示)。该谐振器模式控制装置48例如使用透镜阵列等。
另外，在图13的例子中，将谐振器模式控制装置48配置在平面波导型激光激励模块31和平面波导型波长变换元件42之间，但也可以配置在平面波导型激光激励模块31的外侧或者平面波导型波长变换元件42的内侧。
下面，说明平面波导型波长变换激光装置41的动作。
使第1及第2激励光8-1、8-2分别从平面波导型激光激励模块31的透明部件4的端面4a、4b透过第1及第2激励光反射防止部件7-1、7-2向透明部件4的内部入射。以后的动作与上述实施方式4的平面波导型激光激励模块31一样，因而省略说明。
第1及第2激励光8-1、8-2在入射到平面波导型激光激励模块31内的激光介质5时，这些第1及第2激励光8-1、8-2被激光介质5吸收，产生针对第1～第4激光振荡光9-1～9-4的增益，在设于激光介质的端面5e的第1基波光反射部件43-1与设于平面波导型波长变换元件42的端面42b的第2基波光反射部件43-2之间，产生第1～第4激光振荡光9-1～9-4(基波光)。
此时，入射到平面波导型波长变换元件42的第1～第4激光振荡光9-1～9-4的一部分，被变换成波长与基波光不同的第1～第4波长变换光47-1～47-4，并透射在平面波导型波长变换元件42的端面42b设置的波长变换光透射部件46而输出到外部。另一方面，未被变换成第1～第4波长变换光47-1～47-4的第1～第4激光振荡光9-1～9-4，在设于平面波导型波长变换元件42的端面42a、42b的第1及第2基波光反射部件43-1、43-2之间反射，再次被变换成第1～第4波长变换光47-1～47-4。
通过改变平面波导型波长变换元件42的非线性光学材料的相位整合条件，能够使产生第二谐波、和频波、及差频波，并进行光参量振荡。例如，在平面波导型激光激励模块31的激光介质5使用NdYVO4、平面波导型波长变换元件42的非线性光学材料采用使产生波长1064nm的第二谐波且具有周期极化反转构造的添加MgO的LiNbO3的情况下，能够输出波长532nm的绿色光作为第1～第4波长变换光47-1～47-4。
根据以上所述的实施方式5，平面波导型波长变换激光装置41是将以侧面激励方式改善了光束重叠效率的平面波导型激光激励模块31、变换从平面波导型激光激励模块31输出的第1～第4激光振荡光9-1～9-4的波长的平面波导型波长变换元件42进行组合而构成的，因而能够提供适合于激光投影仪的光源的高效率、高输出、小型的波长变换激光装置。
另外，在实施方式5中，将平面波导型波长变换元件42和谐振器模式控制装置48适用于上述实施方式4的平面波导型激光激励模块31来构成平面波导型波长变换激光装置41，同样也能够适用于上述实施方式1～3的平面波导型激光激励模块1、11、21，在这种结构中也能够得到与实施方式5相同的效果。
另外，在如上述实施方式2、3的平面波导型激光激励模块11、21那样使用具有周期性的梳状构造的散热器16，使在激光介质5内产生热透镜来形成谐振器模式的情况下，将不需要谐振器模式控制装置48，能够实现部件数目的削减。
除上述的情况以外，本申请发明能够在本发明的范围内进行各实施方式的自由组合、或者各实施方式的任意构成要素的变形、或者在各实施方式中省略任意的构成要素。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的平面波导型激光激励模块使激励光在透明部件和激光介质中呈Z字状传播，因而适合用于要求高输出的激光投影仪的光源等。
标号说明
1、11、21、31平面波导型激光激励模块；2加强用基板；3-1、3-2第1包层、第2包层；4、24透明部件；4a～4f、5a～5f、24a～24f、25a～25f、42a、42b端面；5、25激光介质；6、16散热器；7激励光反射防止部件；7-1、7-2第1激励光反射防止部件、第2激励光反射防止部件；8激励光；8-1、8-2第1激励光、第2激励光；9-1～9-4第1～第4激光振荡光；10-1～10-4第1～第4谐振器模式区域；41平面波导型波长变换激光装置；42平面波导型波长变换元件；43-1、43-2第1基波光反射部件、第2基波光反射部件；44-1、44-2第1基波光透射部件、第2基波光透射部件；45波长变换光反射部件；46波长变换光透射部件；47-1～47-4第1～第4波长变换光；48谐振器模式控制装置。

Claims (14)

1.一种平面波导型激光激励模块，其特征在于，该平面波导型激光激励模块具有：
平面状的激光介质；
平面状的透明部件，其具有与所述激光介质同等的折射率，且与所述激光介质的一面接合；
第1包层，其具有比所述激光介质及所述透明部件小的折射率，且与所述透明部件的和被接合于所述激光介质的一面相反的面接合；
第2包层，其具有比所述激光介质及所述透明部件小的折射率，与所述激光介质的和被接合于所述透明部件的所述一面相反的面接合，将所述透明部件和所述激光介质夹在该第2包层与所述第1包层之间；以及
散热器，其隔着所述第2包层与所述激光介质接合，
激光振荡包括所述激光介质以波导模式进行振荡的激光振荡、和所述激光介质以周期性的多个谐振器模式进行振荡的激光振荡，
激励光向与所述激光振荡的光轴垂直的方向行进，并在所述激光介质中的所述周期性的多个谐振器模式的区域中和所述透明部件中交替地呈Z字状传播。
2.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质及所述透明部件的、与所述激光振荡的光轴垂直的方向的各个截面呈梯形形状。
3.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激励光的入射角度是布儒斯特角。
4.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激励光从相对的两个方向分别入射。
5.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激励光的入射角度相对于包含以所述周期性的多个谐振器模式进行振荡的多个所述激光振荡的平面而倾斜。
6.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述透明部件由所述激光介质的主体材料形成。
7.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质及所述透明部件是将形成所述激光介质的陶瓷材料和形成所述透明部件的陶瓷材料烧结成一体而接合起来的。
8.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质及所述透明部件通过扩散接合被接合成一体。
9.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质及所述透明部件通过表面活性化接合被接合成一体。
10.根据权利要求1所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述散热器具有周期性地形成有多个与所述激光振荡的光轴平行的方向的槽的梳状构造，使各梳齿的末端隔着所述第2包层与所述激光介质接合而在所述激光介质中产生周期性的温度分布，利用该周期性的温度分布生成周期性的热透镜。
11.根据权利要求6所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质由Nd：YAG、Yb：YAG或者Er：YAG构成，
所述透明部件由无添加YAG构成。
12.根据权利要求6所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质由Nd：YVO4、Yb：YVO4或者Er：YVO4构成，
所述透明部件由无添加YVO4构成。
13.根据权利要求6所述的平面波导型激光激励模块，其特征在于，所述激光介质由Nd：glass、Yb：glass或者Er：glass构成，
所述透明部件由无添加glass构成。
14.一种平面波导型波长变换激光装置，该平面波导型波长变换激光装置具有：
权利要求1所述的平面波导型激光激励模块；以及
波长变换元件，其对从所述平面波导型激光激励模块输出的激光振荡光的波长进行变换。
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