JP2001203412A

JP2001203412A - アップコンバージョンレーザ装置

Info

Publication number: JP2001203412A
Application number: JP2000013014A
Authority: JP
Inventors: Ken Ito; 謙伊藤; Hideaki Okano; 英明岡野; Kiyoyuki Kawai; 清幸川井; Ritsuo Yoshida; 律生吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-07-27
Anticipated expiration: 2020-01-21
Also published as: JP3394932B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高出力の半導体レーザを励起光源に使え、ア
ップコンバージョンしたレーザ光の波長がディスプレイ
としてふさわしい波長であるアップコンバージョンレー
ザを提供する。【解決手段】赤外線波長の光を励起光源１０１で発生
させ、これをＰｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３
に入射させ、ここでＰｒ³⁺イオンによって赤色にアップ
コンバージョンする。そのアップコンバージョンされた
赤色光を励起光源として、Ｔｍ³⁺アップコンバージョン
レーザ１０５に入射させ、ここでＴｍ³⁺イオンにより青
色にアップコンバージョンさせることで、効率よく青色
へのアップコンバージョンレーザが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、赤外帯域の高出
力半導体レーザまたは外部共振型のレーザを励起光源と
して利用し、希土類添加光ファイバでのアップコンバー
ジョン現象を利用し、ディスプレイ用途としての可視光
を出力するアップコンバージョンレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】希土類添加光ファイバによる、従来のア
ップコンバージョンについて説明する。

【０００３】青色へのアップコンバージョンとして、３
価のツリウム（Ｔｍ³⁺）イオンを赤外光で励起して、４
８０ｎｍ付近の波長での発振させた報告がある。特開平
８−３０７０００号公報「希土類イオン添加短波長レー
ザ装置、希土類イオン添加光増幅器および希土類イオン
添加波長変換器」によれば、１２００ｎｍ付近の波長と
６５０ｎｍ付近の波長を用いて、４８０ｎｍ付近の波長
へアップコンバージョンする、という提案が紹介されて
いる。２波長で励起することで効率良くアップコンバー
ジョンできるとしているが、４８０ｎｍという青色の波
長は、ディスプレイの青としては波長が長すぎるため、
ディスプレイ用途には適さない。

【０００４】同様に、特開平７−１４２８０６号公報
「希土類イオン添加短波長レーザ光源装置」や特開平９
−１０７１４３号公報「青色アップコンバージョンレー
ザ」では、３価のプラセオジウム（Ｐｒ³⁺）イオンとと
もに３価のイッテルビウム（Ｙｂ³⁺）イオンを添加した
ファイバを、１つの波長（８００ｎｍ帯〜９８０ｎｍ、
たとえば８５０ｎｍ）の赤外レーザで励起し、Ｙｂ³⁺イ
オンの１０２０ｎｍ付近のレーザ発振を利用して、Ｐｒ
³⁺イオンを励起し、４９０ｎｍの青色光を得るという提
案がなされている。

【０００５】このように、赤外光を青色光へアップコン
バージョンする提案がなされているが、いずれも青色へ
のディスプレイ用途に相応しい４７０ｎｍ付近の波長に
対してアップコンバージョンする提案はなかった。

【０００６】そこで、本出願人が先に出願した特願平１
１−１４９７５１号「アップコンバージョンファイバレ
ーザ」では、ディスプレイ用の青色を得るためのアップ
コンバージョンファイバレーザを提案している。この中
では、赤色のスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬ
Ｄ）を励起光源として用い、４５０ｎｍと４８０ｎｍの
２波長にアップコンバージョンすることで、その混合に
よりディスプレイ用の青色を得るものである。

【０００７】ただし、将来は改善されると思うが、現時
点は赤外波長用の方がすでに量産されるので赤色波長用
は、コストの面でかなり不利である上、高出力の製品が
入手しにくいというデメリットがある。

【０００８】赤色のレーザ光を出力するものとして、赤
外波長からのアップコンバージョンという方法もある。
Ｐｒ³⁺イオンを添加したファイバは赤外波長を励起光源
として、１．３μｍ帯の信号を増幅するＰｒ³⁺イオン添
加光ファイバ増幅器（ＰＤＦＡ）として実用化されてい
るほか、アップコンバージョンにより、青、緑、赤色に
発光することが知られている。

【０００９】T.Sandrock等による「High-power continu
ous-wave upconversion fiber laser at room temperat
ure 」,Optics letter /vol.22,No.11/June 1,1997 で
は、Ｐｒ^３＋イオンとＹｂ^３＋イオンを添加したファイ
バを８５０ｎｍの付近の励起光を用いて、高出力の６３
５ｎｍのレーザ光を得ている。

【００１０】また、USP5,805,631「BLUE,GREEN,ORANGE,
AND RED UPCONVERSION LASER」においても、同様にＰｒ
³⁺イオンとＹｂ³⁺イオンを添加したファイバから青、
緑、橙、赤色を得ることを提案している。

【００１１】これらＰｒ³⁺イオンとともにＹｂ³⁺イオン
を添加したファイバに対して、励起光を単独の波長で励
起できるとしているが、効率の点からいえば、Ｙｂ³⁺イ
オンの基底状態吸収（Ground State Absorption ：ＧＳ
Ａ）に適した波長と、Ｐｒ³⁺イオンの励起状態吸収（Ex
cited State Absorption：ＥＳＡ）に適した波長は異な
るわけであるから、効率の面で劣る状態での構成となっ
ており、高出力レーザを想定した場合、この点は大きな
問題になる。

【００１２】ところで、Ｐｒ₃₊イオンの赤色発光スペク
トルに６３０ｎｍ帯と６８０ｎｍ帯のスペクトルがある
が、S.Kisimotoらによる「Direct observation of time
-resolved excited state absorption on Tm³⁺ -doped
various glasses using a laser-flash pump-probe spe
ctroscopy 」,J.Non-Crys t.Solids,1997 によれば、こ
の波長はＴｍ³⁺イオンの基底状態吸収（ＧＳＡ）、励起
状態吸収（ＥＳＡ）の波長に適合した波長であることが
分かっている。

【００１３】しかしながら、今までのＰｒ³⁺イオンを用
いた場合、そのアップコンバージョンしたレーザ光を最
終出力にしており、その出力を再度励起光に使用すると
いうことはなく、せっかくのＴｍ³⁺イオン励起に適した
波長を持つＰｒ³⁺イオンの特性を生かし切れていないと
いう問題点があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のディス
プレイとして使用できる青色のレーザ光をアップコンバ
ージョンレーザで得るときに、６５０ｎｍ付近の高出力
可能な外部共振型ＬＤやスーパールミネッセンスダイオ
ード（ＳＬＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）が現時点で
まだ高価であり、入手が難しい問題点があった。また、
高出力可能な赤外波長出力の半導体励起ではディスプレ
イの波長としては合わないという問題点があった。

【００１５】そこで、この発明の目的は、高出力の半導
体レーザを励起光源に使え、アップコンバージョンした
レーザ光の波長がディスプレイとしてふさわしい波長で
あるアップコンバージョンレーザを提供する。また、よ
り効率の良好な波長で励起可能なアップコンバージョン
レーザを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ために、この発明では、プラセオジウムイオン（Ｐ
ｒ ³⁺）を、アップコンバージョン励起して得られた６３
５ｎｍ付近と６８５ｎｍ付近のレーザ光でツリウムイオ
ン（Ｔｍ³⁺）を励起し、４５０ｎｍ付近と４８０ｎｍ付
近のレーザ光を得ることを特徴とする。

【００１７】また、外部共振型のレーザを配置し、その
第１のキャビティ内にプラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）
添加光ファイバを置き、前記プラセオジウムイオンをア
ップコンバージョン励起して赤色光を発生させ、該赤色
光について共振を行う第２のキャビティ内にツリウムイ
オン（Ｔｍ³⁺）添加光ファイバを置き、前記赤色光を励
起光としてアップコンバージョン発生させて得られた青
色光をさらに共振を行い、レーザー発振させてなること
を特徴とする。

【００１８】さらに、７８０ｎｍ〜９００ｎｍと９５０
ｎｍ〜１０５０ｎｍの２種類の外部共振型レーザのキャ
ビティー内に、Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオンを添加した
光ファイバをおいて励起し、前記Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺
イオンの添加光ファイバでアップコンバージョンされた
赤色光についても共振器構造を作り、赤色のレーザ光を
得ることを特徴とする。

【００１９】またさらに、７８０ｎｍ〜９００ｎｍと９
５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの２種類の外部共振型レーザの
キャビティー内に、Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオンを添加
した光ファイバをおいて励起し、前記Ｐｒ³⁺イオンとＹ
ｂ³⁺イオン添加光ファイバでアップコンバージョンされ
た赤色光についても共振器構造を作り、緑色のレーザ光
を得ることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、こ
の発明の第１の実施の形態について説明するための構成
図である。図１において、励起光源１０１は赤外波長を
発光する光源であり、その波長は７８０ｎｍ〜９００ｎ
ｍの範囲の波長と１０１０ｎｍ付近の波長の２種類であ
る。励起光源１０１より発光されたレーザ光１０２は、
Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３に入射され
る。Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３では、励
起光源１０１からのレーザ光１０２を受け、赤外波長の
光を６３５ｎｍ付近と６８５ｎｍ付近の赤色光にアップ
コンバージョンさせ、レーザ光として出力する。Ｐｒ³⁺
アップコンバージョンレーザ１０３からの赤色出力レー
ザ光１０４は、Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレーザ１０
５に入射する。Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレーザ１０
５では赤色レーザ光１０４を受け、赤色波長の光を４５
０ｎｍ付近と４８０ｎｍ付近の青色光にアップコンバー
ジョンして青色レーザ光１０６として出力する。

【００２１】図２は、Ｐｒ³⁺イオンのエネルギー準位に
ついて説明するための説明図である。Ｐｒ³⁺イオンは基
底準位である³Ｈ₄から励起準位である¹Ｇ₄に励起さ
れるのに１０１０ｎｍ付近の赤外波長の光を吸収する。
この¹Ｇ₄準位からさらに７９０ｎｍ〜９００ｎｍの赤
外波長の光を吸収して、さらなる励起準位の³Ｐ₀、 ³
Ｐ₁の準位に励起される。³Ｐ₀→³Ｆ₂、³Ｐ₁→³
Ｆ₃と遷移する際に、それぞれ６３５ｎｍ付近と６８５
ｎｍ付近の波長の光を発光する。この２波長に対して共
振器を作り、誘導放出を行わせることで、６３５ｎｍ付
近と６８５ｎｍ付近の波長でのレーザ光を得る。

【００２２】同様に、図３を用いてＴｍ³⁺イオンのエネ
ルギー準位について説明する。Ｔｍ ³⁺イオンは、基底準
位である³Ｈ₆から励起準位である³Ｆ₂に励起される
のに６８５ｎｍ付近の赤外波長の光を吸収する。この³
Ｆ₂準位から直ちに、³Ｈ₄準位に落ちるが、この³Ｈ
₄準位からさらに６３５ｎｍの赤波長の光を吸収して、
さらなる励起準位の¹Ｄ₂に励起される。¹Ｄ_２
→³Ｆ₄へ遷移する際に、４５０ｎｍ付近の波長の光を
発光する。この³Ｆ₄準位からさらに６３５ｎｍの赤波
長の光を吸収して、¹Ｇ₄準位に励起される。¹Ｇ₄→
³Ｈ₆へ遷移する際に、４８０ｎｍ付近の波長の光を発
光する。この２つの波長に対して共振器を作り、誘導放
出を行わせることで４５０ｎｍ付近と４８０ｎｍ付近の
波長でのレーザ光を得ることができる。

【００２３】以上説明したように、Ｐｒ³⁺イオンの発光
する波長がちょうどＴｍ³⁺イオンの励起に適した波長を
持っている。すなわち、Ｔｍ³⁺イオンにとって４５０ｎ
ｍと４８０ｎｍの発光に至る励起過程でのＧＳＡにふさ
わしい波長が６８５ｎｍ付近にあり、ＥＳＡにふさわし
い波長が６３５ｎｍ付近にあるので、赤色レーザ光から
青色レーザ光への変換を高効率で行うことができる。こ
れにより、励起光源に赤外波長を持つ高出力の外部共振
型ＬＤ、ＳＬＤやＬＤを使用することができ、ディスプ
レイとして最適な青色のレーザ光を得ることができる。

【００２４】次に、この発明の第２の実施の形態につい
て図４を用い説明する。この実施の形態は、図１におけ
るＰｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３を、Ｐｒ³⁺
＋Ｙｂ³⁺アップコンバージョンレーザ１０８に置き換え
たもので、図１と同一の構成部分には同一の符号を付し
て説明する。

【００２５】Ｙｂ³⁺イオンの特徴は、９８０ｎｍを中心
とする幅広い波長を吸収し、それを１０１０ｎｍ付近の
エネルギー準位へ励起することができ、近いエネルギー
準位を持つ他のイオンへエネルギー伝達によって与える
ことができることである。

【００２６】図２に示すように、Ｙｂ³⁺イオンは９８０
ｎｍを中心とする光を吸収することにより、エネルギー
準位²Ｆ_7/2→²Ｆ_5/2へと励起され、その後²Ｆ_5/2
準位からＰｒ³⁺の¹Ｇ₄準位へエネルギー伝達が行われ
る。これにより、Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺アップコンバージョン
レーザの励起波長を変えることができるので、励起光源
１０１からのレーザ光１０７の波長を７８０ｎｍ〜９０
０ｎｍの範囲と９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲として
広げることができる。

【００２７】また、Ｙｂ³⁺イオンは８５０ｎｍ付近の光
でも効率は悪いが励起できるので、励起光源１０１から
のレーザ光１０７の波長を８５０ｎｍ付近として１波長
とすることも可能となる。励起されたあとのＰｒ³⁺イオ
ンとＴｍ³⁺イオンの励起過程およびレーザ光発生動作に
ついては、第１の実施の形態の説明と同じである。

【００２８】これにより、Ｐｒ³⁺イオンにＹｂ³⁺イオン
を加えたアップコンバージョンレーザを使用すること
で、励起光源に赤外波長の高出力の外部共振型ＬＤ、Ｓ
ＬＤやＬＤを選択する際に、幅広い波長の中から選択で
きるようになり、より高出力のデバイスを使用すること
ができる。大画面化となった際の高出力が求められるデ
ィスプレイとして最適な青色のレーザ光を得ることがで
きる。また、８５０ｎｍ付近の１波長での励起も可能な
ので、効率は悪くなるが、構成が簡単になるので、小
型、簡易型用のディスプレイ光源用途としても使用可能
になる。

【００２９】以上の説明では、励起光源、アップコンバ
ージョンレーザを個々の独立したものと扱っているが、
個々の共振器内キャビティーの一部が重なるような構成
も可能である。

【００３０】図５は、この発明の第３の実施の形態につ
いて説明するためのもので、図１のＰｒ³⁺アップコンバ
ージョンレーザ１０３とＴｍ³⁺アップコンバージョンレ
ーザ１０５の具体例に説明する。

【００３１】励起光源１０１から出射されたレーザ光１
０２は、Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３に入
射する。Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３は、
第１の反射素子１０９とＰｒ³⁺添加光ファイバ１１０と
第２の反射素子１１１とにより構成され、入射されたレ
ーザ光１０２は第１の反射素子１０９を通過し、Ｐｒ ³⁺
添加光ファイバ１１０に入射する。Ｐｒ³⁺添加光ファイ
バ１１０では、励起光源１０１からレーザ光１０２をア
ップコンバージョンして、６３５ｎｍと６８５ｎｍの光
を放出する。第１の反射素子１０９は励起光源１０１か
らのレーザ光１０２を通過させるが、６３５ｎｍ、６８
５ｎｍ付近の光を１００％近く反射する特性を持ってい
る。

【００３２】第２の反射素子１１１はレーザ光１０２の
赤外波長の光と６３５ｎｍ、６８５ｎｍ付近の光を反射
する特性を持っているので、２つの反射素子１０９，１
１１により共振器が構成され、６３５ｎｍ、６８５ｎｍ
付近の光が誘導放出により増幅されレーザ発振がおこ
る。ここで、第２の反射素子１１１の６３５ｎｍ、６８
５ｎｍ付近の反射率は、第１の反射素子１０９の反射率
よりも低くして、レーザ光１０４を放出させる。第２の
反射素子１１１を通過したレーザ光１０４はＴｍ ³⁺アッ
プコンバージョンレーザ１０５に入射される。

【００３３】Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレーザ１０５
は、第３の反射素子１１２とＴｍ³⁺添加光ファイバ１１
３と第４の反射素子１１４から構成し、入射されたレー
ザ光１０４は第３の反射素子１１２を通過し、Ｔｍ³⁺添
加光ファイバ１１３に入射する。Ｔｍ³⁺添加光ファイバ
１１３では、赤色であるレーザ光１０４をアップコンバ
ージョンして、４５０ｎｍ、４８０ｎｍの波長の光を放
出する。第３の反射素子１１２は赤色のレーザ光１０４
を通過させるが、４５０ｎｍ，４８０ｎｍ付近の光を１
００％近く反射する特性を持っている。

【００３４】第４の反射素子１１４はレーザ光１０４の
波長の光と４５０ｎｍ，４８０ｎｍの光を反射する特性
を持っているので、２つの反射素子１１２，１１４によ
り共振器が構成され、４５０ｎｍ，４８０ｎｍの光が誘
導放出により増幅されレーザ発振がおこる。ここで、第
４の反射素子１１４の４５０ｎｍ，４８０ｎｍ付近の反
射率は第３の反射素子１１２よりも低くして、青色レー
ザ光１０６のみを放出させる。

【００３５】ここで、共振器を構成する各反射素子の特
性としては、発振させたい波長を十分に反射させること
と、発振させたくない波長については共振器を構成しな
いようにその波長に対する反射率を低くしておく必要が
ある。

【００３６】なお、Ｐｒ³⁺添加光ファイバ１１０に代え
て、Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバとすると、図４の実
施の形態の具体的な構成となる。その場合は励起光源１
０１からのレーザ光１０２の波長が変わるので、第１、
第２の反射素子１０９，１１１の特性をレーザ光１０２
にあった波長に変えておくことで対応できる。

【００３７】ここで、Ｐｒ³⁺、Ｔｍ³⁺、Ｙｂ³⁺を添加し
た光ファイバのガラス母材としては、励起してあげた上
位準位から発光せずに下位準位へ無駄に遷移することの
ないように、フォノンエネルギーの小さいガラスがふさ
わしい。すなわち、フォノンエネルギーが小さいといわ
れるインジウム系フッ化物ガラス、アルミニウム系フッ
化物ガラス、ジルコニウム系フッ化物ガラスなどのフッ
化物系ガラスを添加光ファイバのガラス母材として用い
ることで、発光効率のよいファイバレーザを実現するこ
とができる。

【００３８】次に図６を用いて、この発明の第４の実施
の形態について説明する。図５と同一の構成部分には同
一の符号を付して説明する。

【００３９】すなわち、励起光源１０１は外部共振型Ｌ
Ｄ１１５と第２の反射素子１１１とから構成されてい
る。外部共振型ＬＤ１１５の端面１１６と第２の反射素
子１１１とで共振器を構成しており、レーザ光１０２の
波長の光を誘導放出させている。この共振器内のキャビ
ティー内にＰｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３が
置かれている。

【００４０】Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３
は第１の反射素子１０９とＰｒ³⁺添加光ファイバ１１０
と第２の反射素子１１１からなり、入射されたレーザ光
１０２は第１の反射素子１０９を通過し、Ｐｒ³⁺添加光
ファイバ１１０にはいる。Ｐｒ³⁺添加光ファイバ１１０
では、励起光源１０１からレーザ光１０２をアップコン
バージョンして、６３５ｎｍ，６８５ｎｍ付近の光を放
出している。第１の反射素子１０９はレーザ光１０２を
通過させるが、６３５ｎｍ、６８５ｎｍ付近の光を１０
０％近く反射する特性を持っている。

【００４１】第２の反射素子１１１はレーザ光１０２の
波長の光と６３５ｎｍ、６８５ｎｍ付近の光を反射する
特性を持っているので、２つの反射素子１０９，１１１
により共振器が構成され、６３５ｎｍ、６８５ｎｍ付近
の光が誘導放出により増幅されレーザ発振がおこる。こ
こで、第２の反射素子１１１の６３５ｎｍ、６８５ｎｍ
付近の反射率は、第１の反射素子１０９の反射率よりも
低くして、レーザ光１０４を放出させる。第２の反射素
子１１１を通過したレーザ光１０４は、Ｔｍ³⁺アップコ
ンバージョンレーザ１０５に入射する。

【００４２】ここで、外部共振型ＬＤ１１５としては、
キャビティー内にあるＰｒ³⁺アップコンバージョンレー
ザ１０３は大きな損失と見なせるので、それをカバーす
るだけの増幅を持つ必要があるので、複数個を並べた構
成としてもよい。

【００４３】以下、Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレーザ
１０５に、レーザ光１０４が入射されて４５０ｎｍ、４
８０ｎｍの波長のレーザ光１０６が出力される。

【００４４】また、Ｐｒ³⁺添加光ファイバ１１０に代え
て、Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバとしてもよく、その
場合はレーザ光１０２の波長が変わるので、第１、第２
の反射素子１０９，１１１の特性をレーザ光１０２にあ
った波長に変えておくことで対応できる。

【００４５】このように、励起光源のキャビティー内に
Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザを置いても同様の効
果が得られ、ディスプレイとして最適な青色のレーザ光
を得ることができる。同じように、Ｐｒ³⁺アップコンバ
ージョンレーザのキャビティー内にＴｍ³⁺アップコンバ
ージョンレーザを置くことも可能である。

【００４６】次に、図７の構成図を用いてこの発明の第
５の実施の形態について説明する。すなわち、励起光源
１０１から出射されたレーザ光１０２は、Ｐｒ³⁺アップ
コンバージョンレーザ１０３に入射する。Ｐｒ³⁺アップ
コンバージョンレーザ１０３は、第１の反射素子１０９
とＰｒ³⁺添加光ファイバ１１０とＴｍ³⁺添加アップコン
バージョンレーザ１０５と第２の反射素子１１１からな
り、入射されたレーザ光１０２は第１の反射素子１０９
を通過し、Ｐｒ³⁺添加光ファイバ１１０に入る。Ｐｒ³⁺
添加光ファイバ１１０では、励起光源１０１からレーザ
光１０２をアップコンバージョンして、６３５ｎｍ６８
５ｎｍの光を放出する。第１の反射素子１０９は励起光
源１０１からのレーザ光１０２を通過させるが、６３５
ｎｍ、６８５ｎｍ付近の光を１００％近く反射する特性
を持っている。

【００４７】第２の反射素子１１１は６３５ｎｍ、６８
５ｎｍ付近の光を１００％近く反射する特性を持ってい
るので、２つの反射素子１０９，１１１により共振器が
構成され、６３５ｎｍ、６８５ｎｍ付近の光が誘導放出
により増幅されレーザ発振がおこる。また、第２の反射
素子１１１はＴｍ³⁺添加アップコンバージョンレーザで
発生したレーザ光１０６の光を通過する特性を持ってい
る。

【００４８】レーザ光１０４は、Ｔｍ³⁺アップコンバー
ジョンレーザ１０５に入射される。Ｔｍ³⁺アップコンバ
ージョンレーザ１０５は、第３の反射素子１１２とＴｍ
³⁺添加光ファイバ１１３と第４の反射素子１１４からな
り、入射されたレーザ光１０４は第３の反射素子１１２
を通過し、Ｔｍ³⁺添加光ファイバ１１３に入射する。Ｔ
ｍ³⁺添加光ファイバ１１３では、赤色であるレーザ光１
０４をアップコンバージョンして、４５０ｎｍ，４８０
ｎｍの波長の光を放出する。

【００４９】第３の反射素子１１２は赤色のレーザ光１
０４を通過させるが、４５０ｎｍ，４８０ｎｍ付近の光
と励起光源からのレーザ光１０２の光を１００％近く反
射する特性を持っている。

【００５０】第４の反射素子１１４は、４５０ｎｍ，４
８０ｎｍの光を反射する特性を持っているので、２つの
反射素子１１２，１１４により共振器を構成し、４５０
ｎｍ，４８０ｎｍの光が誘導放出により増幅されレーザ
発振が起こる。第４の反射素子１１４の４５０ｎｍ，４
８０ｎｍ付近の反射率は、第３の反射素子１１２よりも
低くして、青色レーザ光１０６のみを放出させる。

【００５１】ここで、第２の反射素子１１１と第４の反
射素子１１４として分けて説明したが、一緒にして４５
０ｎｍ，４８０ｎｍ付近の反射率は第３の反射素子１１
２よりも低くし、赤色のレーザ光１０４を１００％近く
反射させるようにしてもかまわない。

【００５２】図８は、この発明の第６の実施の形態につ
いて説明するための構成図である。この実施の形態は、
励起光源１０１のキャビティー内に、Ｐｒ³⁺アップコン
バージョンレーザ１０３のＰｒ³⁺添加光ファイバを置
き、さらにＰｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１０３の
キャビティー内にＴｍ³⁺アップコンバージョンレーザを
置いたものである。

【００５３】この場合の第３の反射素子１１２はレーザ
光１０４を通過させ、レーザ光１０２と４５０ｎｍ，４
８０ｎｍ付近の光を１００％近く反射させる特性を有
し、第４の反射素子１１４はレーザ光１０４を１００％
近く反射し、４５０ｎｍ，４８０ｎｍ付近の光の一部を
通過させてレーザ光１０６を出力する特性も有してい
る。これにより、励起光源の共振器は端面１１６と第３
の反射素子１１２との間で構成され、Ｐｒ³⁺アップコン
バージョンレーザ１０３の共振器は第１の反射素子１０
９と第４の反射素子１１４との間で構成される。

【００５４】また、フォノンエネルギーが小さいといわ
れるインジウム系フッ化物ガラス、アルミニウム系フッ
化物ガラス、ジルコニウム系フッ化物ガラスなどのフッ
化物系ガラスを添加光ファイバのガラス母材として用い
ることがふさわしいことはいうまでもない。

【００５５】反射素子としては、それぞれ波長に合わせ
た反射率を設定した誘電体ミラーを用いてもいいし、フ
ァイバグレーティングを用いても実現できる。ファイバ
グレーティングを用いる場合は、同時に複数の波長に対
しての反射は難しいので複数の波長に対するものを並べ
て実現することになる。上記、説明の中で個々の反射素
子で指定した複数の波長別にファイバーグレーティング
で実現して、それを並べることで対応できる。

【００５６】以上、説明した構成によっても、励起光源
に赤外波長の高出力の外部共振器型ＬＤやＳＬＤ、ＬＤ
を使用することができ、ディスプレイとして最適な青色
のレーザ光を得ることができる。

【００５７】なお、図６〜図８の各実施の形態では、そ
れぞれＰｒ³⁺添加光ファイバ１１０の代えて、図４の実
施の形態で説明したＰｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバとし
てもよく、その場合は励起光源１０１からのレーザ光１
０２の波長が変わるので、各反射素子の特性をレーザ光
１０２にあった波長に変えておくことで対応できる。

【００５８】図９は、この発明の第７の実施の形態につ
いて説明するための構成図である。励起光源１０１は外
部共振型ＬＤ１１５と第２の反射素子１１１とから構成
されている。外部共振型ＬＤ１１５の端面１１６と第２
の反射素子１１１とで共振器を構成しており、レーザ光
１０２の波長の光を誘導放出させている。この共振器内
のキャビティー内にＰｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺アップコンバージョ
ンレーザ１１７が置かれている。Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加ア
ップコンバージョンレーザ１１７は第１の反射素子１０
９とＰｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバ１１８と第２の反射
素子１１１からなり、入射されたレーザ光１０２は第１
の反射素子１０９を通過し、Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファ
イバ１１８に入射する。Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバ
１１８では、励起光源１０１からレーザ光１０２をアッ
プコンバージョンして、６３５ｎｍ，６８５ｎｍ付近の
光を放出している。第１の反射素子１０９はレーザ光１
０２を通過させるが、６３５ｎｍ付近の光を１００％近
く反射する特性を持っている。

【００５９】第２の反射素子１１１は、レーザ光１０２
の波長の光と６３５ｎｍ付近の光を反射する特性を持っ
ているので、２つの反射素子１０９，１１１により共振
器が構成され、６３５ｎｍ付近の光が誘導放出により増
幅されレーザ発振が起こる。ここで、第２の反射素子１
１１での６３５ｎｍ付近の反射率は第１の反射素子１０
９の反射率よりも低くして、レーザ光１１９を放出させ
る。また、他の波長の誘導放出が起きないように発振さ
せたくない波長の反射率は低くしておく。

【００６０】これにより、波長６３５ｎｍの赤色レーザ
光を得ることができる。また、上記説明での反射素子の
反射波長を変えるとことで、他の波長のレーザ光を得る
ことができる。図２において、Ｐｒ³⁺イオンの発光波長
は赤だけでなく、³Ｐ₀→³Ｈ₅の遷移で５２０ｎｍ波
長の緑色光も発光している。従って、図９での反射素子
１０９，１１１の特性を５２０ｎｍに対して反射するよ
うに変えた場合、５２０ｎｍの緑色のレーザ光を得るこ
とができる。

【００６１】この赤色波長６３５ｎｍ、緑色５２０ｎｍ
はディスプレイ用途としてふさわしい波長であるので、
青色４５０ｎｍ＋４８０ｎｍと合わせて光の３原色ＲＧ
Ｂのレーザ光源を得ることができる。

【００６２】また、これまで６３５ｎｍ＋６８５ｎｍと
説明していたＰｒ³⁺アップコンバージョンレーザを個々
の波長別にし、Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレーザに入
射するときにこれらの波長を合わせることで、個々の波
長での出力を調整することも可能である。

【００６３】図１０は、この発明の第８の実施の形態に
ついて説明するための構成図である。すなわち、励起光
源１２０，１２１はそれぞれＰｒ³⁺アップコンバージョ
ンレーザ１２２、１２３に入射されアップコンバージョ
ンされる。Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１２２，
１２３のそれぞれの出力１２４，１２５は、波長合成器
１２６に入射され合わされた後、レーザ光１２７として
出力される。レーザ光１２７はＴｍ³⁺アップコンバージ
ョンレーザ１２８に入射され、青色レーザ光１２９とし
て出力される。

【００６４】Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１２２
では、６３５ｎｍのレーザ光１２４が発振するようにし
ておき、Ｐｒ³⁺アップコンバージョンレーザ１２３では
６８５ｎｍのレーザ光１２５が発振するようにしてお
き、波長合成器１２６にて６３５ｎｍ＋６８５ｎｍのレ
ーザ光１２７を得るようにする。この構成では６３５ｎ
ｍと６８５ｎｍの出力調整を独立に行える利点がある。
また、励起光源を外部共振型にかえて、Ｐｒ³⁺アップコ
ンバージョンレーザ１２２をキャビティー内にいれるな
ど、前述してきたような構成も可能である。

【００６５】以上説明してきたように、高出力の赤外励
起光源を利用したディスプレイ用に適した波長の効率の
良好なＲＧＢレーザ光源を実現することが可能になる。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、Ｐｒ³⁺イオンを励起して赤色レーザ光を得ること
で、高出力の赤外波長の外部共振型ＬＤ、ＳＬＤ、ＬＤ
などの使用が可能となり、Ｔｍ³⁺イオンにとっては、基
底状態吸収（ＧＳＡ）、励起状態吸収（ＥＳＡ）に適し
た波長で励起できるので、効率よく青色へのアップコン
バージョンレーザが可能になる。また、ディスプレイ用
途にふさわしい波長を持つレーザ光を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図２】Ｐｒイオンのエネルギー準位について説明する
ための説明図。

【図３】Ｔｍイオンのエネルギー準位について説明する
ための説明図。

【図４】この発明の第２の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図５】この発明の第３の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図６】この発明の第４の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図７】この発明の第５の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図８】この発明の第６の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図９】この発明の第７の実施の形態について説明する
ための構成図。

【図１０】この発明の第８の実施の形態について説明す
るための構成図。

【符号の説明】

１０１…励起光源、１０３…Ｐｒ³⁺アップコンバージョ
ンレーザ、１０５…Ｔｍ³⁺アップコンバージョンレー
ザ、１０８…Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺アップコンバージョンレー
ザ、１０９…第１の反射素子、１１０…Ｐｒ³⁺添加光フ
ァイバ、１１１…第２の反射素子、１１２…第３の反射
素子。１１３…Ｔｍ³⁺添加光ファイバ、１１４…第４の
反射素子、１１５…外部共振型ＬＤ、１１６…端面、１
１７…Ｐｒ ³⁺＋Ｙｂ³⁺アップコンバージョンレーザ、１
１８…Ｐｒ³⁺＋Ｙｂ³⁺添加光ファイバ、１２０，１２１
…励起光源、１２２，１２３…Ｐｒ³⁺アップコンバージ
ョンレーザ、１２６…波長合成器、１２８…Ｔｍ³⁺アッ
プコンバージョンレーザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川井清幸神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者吉田律生神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内Ｆターム(参考） 5F072 AB07 AK06 JJ20 KK01 KK06 PP07 YY20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）を、ア
ップコンバージョン励起して得られた６３５ｎｍ付近と
６８５ｎｍ付近のレーザ光でツリウムイオン（Ｔｍ³⁺）
を励起し、４５０ｎｍ付近と４８０ｎｍ付近のレーザ光
を得ることを特徴とするアップコンバージョンレーザ装
置。
【請求項２】前記Ｐｒ³⁺イオンの励起波長として、７
８０〜９００ｎｍと１０１０ｎｍ付近の２種類のレーザ
光を用いることを特徴とする請求項１に記載のアップコ
ンバージョンレーザ装置。
【請求項３】外部共振型のレーザを配置し、その第１
のキャビティ内にプラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）添加
光ファイバを置き、前記プラセオジウムイオンをアップ
コンバージョン励起して赤色光を発生させ、該赤色光に
ついて共振を行う第２のキャビティ内にツリウムイオン
（Ｔｍ³⁺）添加光ファイバを置き、前記赤色光を励起光
としてアップコンバージョン発生させて得られた青色光
をさらに共振を行い、レーザー発振させることを特徴と
するアップコンバージョンレーザ装置。
【請求項４】前記Ｐｒ³⁺イオンとともにイッテリビウ
ムイオン（Ｙｂ³⁺）も添加し、アップコンバージョンす
ることを特徴とする請求項１または３に記載のアップコ
ンバージョンレーザ装置。
【請求項５】前記イオン添加光ファイバのホストガラ
スとして、インジウム系フッ化物ガラス、アルミニウム
系フッ化物ガラス、ジルコニウム系フッ化物ガラスなど
のフッ化物系ガラスを用いることを特徴とする請求項３
に記載のアップコンバージョンレーザ装置。
【請求項６】前記Ｐｒ³⁺イオンの励起波長として、８
５０ｎｍ付近のレーザ光を用いることを特徴とする請求
項４に記載のアップコンバージョンレーザ装置。
【請求項７】前記Ｐｒ³⁺イオンの励起波長として、７
８０ｎｍ〜９００ｎｍと９５０ｎｍ〜１０５０ｎｍの２
種類のレーザ光を用いることを特徴とする請求項４に記
載のアップコンバージョンレーザ装置。
【請求項８】前記共振構造を作る手段として、ファイ
バグレーティングまたは誘電体ミラーを用いることを特
徴とする請求項３に記載のアップコンバージョンレーザ
装置。
【請求項９】７８０ｎｍ〜９００ｎｍと９５０ｎｍ〜
１０５０ｎｍの２種類の外部共振型レーザのキャビティ
ー内に、Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオンを添加した光ファ
イバをおいて励起し、前記Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオン
の添加光ファイバでアップコンバージョンされた赤色光
についても共振器構造を作り、赤色のレーザ光を得るこ
とを特徴とするアップコンバージョンレーザ装置。
【請求項１０】７８０ｎｍ〜９００ｎｍと９５０ｎｍ
〜１０５０ｎｍの２種類の外部共振型レーザのキャビテ
ィー内に、Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオンを添加した光フ
ァイバをおいて励起し、前記Ｐｒ³⁺イオンとＹｂ³⁺イオ
ン添加光ファイバでアップコンバージョンされた赤色光
についても共振器構造を作り、緑色のレーザ光を得るこ
とを特徴とするアップコンバージョンレーザ装置。