JP2001504276A - 可視波長領域のレーザー輻射を発生するレーザーと増幅器のシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザーと増幅器のシステムにあって、好ましくは希土類または遷移金属をドープした結晶材料またはガラス材料から成る、低出力のダイオード・ポンピングされる固体レーザーの輻射を半導体増幅チップに取り込み、このチップが好ましくはGaAs，GaAIAs，InGaAsあるいはInGaAsPから成り、材料系の選択とパターン構造化により固体レーザーの放出波長に合わせて固体レーザーの輻射を増幅し、取り込んだレーザー輻射に対して増幅された出力ビームを発生することが提案されている。

Description

【発明の詳細な説明】 可視波長領域のレーザー輻射を発生するレーザーと増幅器のシステム この発明はレーザーと増幅器のシステムに関する。 特にレーザー表示技術での多くの応用には三原色、赤、緑および青（ＲＧＢ） の領域で発光するレーザーが必要である。これ等のレーザーは１Ｗあるいはそれ 以上の範囲の典型的な出力を出す必要がある。更に、これ等のレーザーは小型化 され、その後の多くの応用を可能にするのに有効でなくてはならない。 当初、ガスレーザーとこれを用いてポンピングするカラーレーザーが使用され ていたが、これ等のレーザーはダイオード・ポンピングされる固体レーザーに代 わっている。これ等の固体レーザーは構造寸法が著しく減少すると効率が数桁良 好になる。このような固体レーザーは通常希土類イオンまたは遷移金属のイオン をドープした結晶またはガラスのレーザー材料を光励起することに基づいている 。ここでは、パルス出力が大きいので有効な周波数変換が可能であるパルス化さ れた主にモード結合レーザーを使用するか、あるいは連続的に発光する（ｃｗ） レーザーが使用される。 パルス化されたレーザーは三原色全てに必要な出力を使えるが、必ずかなり大 きい。連続動作する（ｃｗ）レーザーは著しく小さい。ワット領域の緑色の波長 を発生する典型的なレーザー、例えば共振器内に周波数二倍器を有するダイオー ドポンピングされるNd:ＹＡＧレーザーは、ファイバー結合した10Wダイオードで ポンピングされるが、大体0.5〜２リッターの容積を必要とし、２W(cw)の出力の 場合、光出力対電気出力の効率が大体＞３％となる。 これ等のレーザーはモード結合レーザーに比べて相当小さく、また効率は良い か、広い分野で大量に使用するには未だ実現困難である。これには、一方で小さ く手に持てるシステム中にも置け、他方でそれに応じて低コストで作製できるた め、レーザーが10％の著しく高い効率で、約1/20リッターの容積を有するべきで ある。 それ故、この発明の課題は、主に連続的で可視であるワットの範囲のレーザー 輻射を発生させることのできる、単純で、効率が良く、小型化されたレーザーシ ステムを提示することにある。 この課題は、請求項１の特徴部分に例示する構成により解決されている。この 発明の他の詳細は従属請求項および実施例を説明する記載により与えられる。 ここに示すのは、 図１，低出力のダイオードポンピングされる固体レーザーと半導体増幅器のこ の発明による装置の基本図、 図２，52dBの増幅率の従来技術による多路固体増幅器（ケーン等(Kane et．al .)，SPIE Vol．2381，S．273 ffから引用）， 図３，ダイオードポンピングされる固体レーザーの各波長領域に対して適当な 半導体材料の対応関係を示す図、 図４，ここでは、増幅率の中心点が960nmの従来技術によるInGaAs半導体増幅 器の典型的な増幅率の波形（エベリングとウンガー(Ebeling/Unger)か らの引用、第二中間報告Ｆ＋Ｅ供給マーク13 N 6374/3，ウルム(Ulm)大 学）， 図５，従来技術の半導体増幅器の典型的な増幅率曲線（上記の引用）， 図６，InGaAs増幅器構造体の典型的な層配列（上記の引用）， 図７，スペクトル増幅中心と量子フィルム中の電荷キャリヤ密度の関係を示す グラフ（上記の引用）， 図８，後続する共振周波数多重倍装置を伴う固体増幅器と固体レーザーのこの 発明による配置、 図９，固体レーザー輻射を外部共振器に同調させるため、あるいは振幅変調す るため固体レーザーと半導体増幅器の間にこの発明により変調器を配置 したもの、 図１０a，レーザー輻射が先ず共振周波数多重倍化され、次いで半導体増幅器 内で取り出されるこの発明による固体レーザーの配置、 図１０b，共振器内部（内部空洞）周波数多重倍器とそれに続く半導体素子内 での増幅部を伴うこの発明による固体レーザー、 理想的に小型化された効率の良いレーザーシステムは、例えば三つのカラー、 赤、緑と青を示す電気的にポンピングされる半導体レーザーダイオードであり、 半導体レーザーダイオードと同じように近赤外で50％までの効率に達する。 この種の半導体レーザーは、現在未だ研究段階にあるが、次の数年の内に少な くとも緑と青の波長範囲の半導体ダイオードを当てにできない。これ等のダイオ ードは許容できる寿命の場合必要な出力とそれに応じた放射品質で発光する。赤 外では、低出力のレーザーダイオードを入手できる。 先ず、ダイオードポンピングされる半導体レーザーの輻射を800と1350nmの近 赤外で代表的な発光により周波数を二倍にできる可能性がある。これは、共振器 内部で行われ、その場合、レーザー共振器内の高い出力密度と、それによる良好 な周波数二倍効率を使用するか、あるいは固体レーザーの輻射を共振器外で二倍 する。これは出力密度が低いので著しく非効率である。共振器内部の方法には、 非線形結合のためレーザー輻射に強い振幅雑音が生じる（所謂「緑の問題」ティ ー・ベイヤー（T．Baer）in J．Opt．Soc．Am，B．Vol．3，No．9，Sept，1986 ，p．117を参照）という難点がある。これは、適当な対抗処置により、例えば電 子制御により、再び相殺する必要がある。他の可能性は、共振器外の周波数二倍 結晶を本来の共振器内に入れることにある。ここでは、二倍効率が高まるため出 力の増大が生じる。もっとも、固体レーザーの輻射を外部の二倍共振器に取り込 む必要かあり、これは固体レーザー輻射が狭い線幅で単一周波数となり、正確な レーザー周波数を二倍共振器の共振周波数に正確に同調させるかまたは逆に同調 させる必要があることになる。 このようような共振方法により、例えば532nmに対する1064nmの二倍効率が76 ％以上になる（アール・パショッタ等(R．Paschotta et al.)，Opt．Lett．(199 4)を参照）。 しかし、出力が１Ｗ cwより著しく大きく線幅が狭い単一周波数のレーザー輻 射を発生させることはかなり非効率である。例えば、捩じれモード共振器装置で は１Ｗの単一周波数の出力は光ポンピング出力が３Ｗの時に達成された。これは 大抵９Ｗの入力電力を必要とする。この場合、レーザーの線幅は15MHzであった （プロリン等(Plorin et al.)，Laser in der Technik，W．Waidelich(Hrsg.)， S．103を参照）。二倍時に70パーセントの変換効率を仮定すれば（これは 前記線幅では壊れやすい），全効率は光に対して電気で８％以下である。更に単 一周波数のレーザーの体積は大体１リッターである。 同様な効率は非平坦な小さいリングレーザーを使用して得られる。ポンピング 出力が２Ｗの場合910ｍＷであり(ケーン等(Kane et．al.)，Opt．Lett．13(1988 )S．970)，従って、６Ｗの入力電力が測定されたので、仮想的な共振主は数二倍 器に対してかろうじて10％以上の全効率が期待できる。もっとも、二つのレーザ ーでは、単一周波数の出力が１Ｗ以上になり得るか否かは未解決である。これは 今まで離散的に形成されたリングレーザーでのみ示されているが、その構造寸法 だけでは必要な仕様を満たしていない。 低出力のレーザー輻射を増幅する増幅装置は多年にわたり周知で、異なった配 置に構成されている。 もっとも、固体レーザー輻射の増幅は従来の技術によればかなり経費がかかる 。ポンピングされる増幅媒質を一回あるいは二回通過する単純な増幅装置では、 増幅率は大体1.5〜2になっている(ダブリュー・シーレルト等(W．Seelert et al .)，OSA Proc．on Advanced Solid-State Lasers(Hilton Head，1991)，Bd．10 （1991）261)。これに反して、50dB以上にもなる著しく大きな増幅率は、多路増 幅装置でのみ達成されている（テー・ジェー・ケーン等(T．J．Kaneet．al.)，S PIE Vol．2381，S．273参照）。これ等の装置はかなり経費がかかり、ビームの 案内が複雑であるため強い熱変動を受ける。このような増幅装置のエネルギ収率 もかなり悪い（ここでは9.4Ｗの入力電力で+30ｍＷの発振器出力は835ｍＷの出 力となり、光に対する電気の増幅効率は９％以下になる）。これ等の装置は更に 小さくは殆どできない。 これに反して、半導体レーザー増幅器は特に簡単で、これ等の増幅器は、例え ばGaAs,GaAlAs,InGaAsあるいはInGaAsPのエピタキシャル層列から成る半導体レ ーザーダイオードのように形成される。レーザーダイオードと比べて、このよう な半導体増幅器は両方の端面に反射防止膜を使用するので、この半導体素子は発 振器としてレーザー動作に必要なしきい値出力以下で使用できる。半導体素子の 片側でレーザー輻射を取り込めば、このレーザー輻射は電気的にポンピングされ る半導体材料中で増幅される。このような装置も多年にわたり周知 であり、例えばアール・ワールツ等(R．Waarts et．al.)，Electron．Lett．26 （1990）1926に開示されている。高輻射品質の輻射を発生させるには、半導体増 幅器を特別なパターン構造にするのが普通で、例えば幅広ストリップ構造もしく は台形構造である。ジェー・エヌ・ワルポーレ等(J．N．Walpole et al.)，SPIE Bd．1850，Laser Diode Technology and Applications V（1993）51を参照され たい。 通常、輻射を増幅するレーザー発振器としては、同じ材料の半導体レーザーダ イオードも使用される。そのような共振器・増幅器構造体（Master-Oscillator- Power AmplifierのＭＯＰＡ）は、主に同じエピタキシー基板上に形成され、適 当にパターン構造化してその機能について分離されている。このような構造部分 は、例えばアール・パルケ(R．Parke)，CLEO 93，Tech．Digest，Betrag CTuI4 （1993）108に記載され、市販されている。 もっとも、半導体レーザーダイオードの周波数多重倍化は二つの基本的な問題 のために極度に非効率である。つまり、以下の理由、 ・半導体レーザーダイオードを用いると、半導体素子自体の中で可視輻射が吸 収されるため、レーザー共振器中で周波数の二倍化が行われない。固体レー ザーの場合、周波数二倍効率も非線形媒質中の出力密度の増加と共に上昇す ることによりレーザー共振器中の高い出力密度を利用するため、前記の周波 数多重倍化方式が使用される。 ・赤外レーザーの輻射が供給されている本来の共振器に非線形媒質を導入して いる外部共振周波数多重倍化は、半導体レーザーダイオードを用いても不十 分にしか可能でない。その理由は、輻射品質もレーザー線幅も、レーザーダ イオードを外部の狭帯域（多重）共振器に同調させて（あるいは狭帯域の共 振器をレーザーダイオードに同調させて）良好なモードの合わせや著しい出 力増加にするには充分でないからである。レーザーダイオードで普通の線幅 の場合、外部共振器はスペクトルでそれに合わせて広く設計する必要があり 、これが低品質にし、出力の上昇が僅かにする。 これ等の要請のために、半導体レーザーダイオードは上記の応用には大抵適し ていない。これに反して、ここではこの発明により、線幅が充分１kHz以下の範 囲で使用でき、更に非常に少ない周波数雑音（ジッタ）を使用する固体レーザー 、例えばダイオードポンピングされるNd:ＹＡＧレーザーを使用する。これは、 共振器の非常に大きなＱ値のような他の効果の外に、取り分け、固体レーザーの 場合に温度による光学的な共振器の長さとレーザー輻射の周波数の変化に対する 係数が約二桁小さいために明らかである。この係数は半導体レーザーダイオード の場合、例えば大体0.3nm/℃で、830nmの場合、Nd:ＹＡＧレーザーの場合の大体 3.5GHz/℃に比べて130GHz/℃に相当する。 特に単純なダイオードポンピングされる固体レーザーは微結晶レーザーである 。このレーザーは共振器の長さが短いため必然的に単一周波数で発光する（例え ば、 286,あるいはエヌ・シュミット（N．Schmitt，Abstimmbare Mikrokristall-Lase r，Shaker-Verlag 1995を参照）。このようなレーザーの出口出力は大体30〜50m Wである。しかし、これ等の出力はレーザー表示器での応用には充分でない。こ れに反して、出力の強い単一周波数の固体レーザーは大きな周波数雑音を有し、 上で説明したように、著しく非効率で、加えて大抵複雑であり、これは強力に小 型化するのに妨げとなる。 それ故、出力の弱い固体レーザー、取り分け例えば微結晶レーザー（あるいは モノリシックリングレーザーも）のような狭帯域で連続的に発光する固体レーザ ーの輻射を適切に増幅することを提案する。 この発明の実施例は、狭帯域のダイオード・ポンピング固体レーザー、例えば 主に希土類または遷移金属をドープした結晶またはガラス材料から成る微結晶レ ーザーのレーザー輻射を半導体増幅素子により増幅することに基づき、前記増幅 素子はエピタキシー材料の選択やそのパターン構造化により固体レーザーの放出 波長に合わせてある。例えば900と1100nmの間の範囲で発光する固体レーザーに 対して、特にGaAlAs,GaAlAs,InGaAsおよび／またはGaAsPの材料の組み合わせが 適している。図３は、この場合にどの材料系がどの波長範囲に特に適しているか を示す。III−Ｖ材料化合物（周期律の第III族と第Ｖ族の元素の二元素化合物） の間の（太い）接続線は、ここでは所謂三元素化合物（つまり第III InGaAs）を示し、点は二元素化合物を示し、線に沿って両方の二元素化合物のそ の時のパーセント比率に応じて三元素化合物の格子定数と波長が変わる。これ等 の線分の間の領域は四元素化合物（第III族の二つの元素プラス第Ｖ族の二つの 元素、例えばInGaAsP）を表す。水平な線は、ここでは同じ格子定数の化合物を 示し、水平でない線では化合物の格子が捩じれている（歪みを受けた層）。例え ばGaPとAlPおよびAlPとAlAsの間の細い接続線は間接的な半導体の遷移を示す。 例えば750〜900nmの波長範囲のレーザー輻射を増幅するため、主にGaAlAsあるい はInGaAsPの構造体を使用し、900nmから約1,120nmではInAsP，InGaAsあるいはIn GaAsP材料を使用する。GaAsPは630nmの辺りの波長範囲で増幅するのにも特に適 している。半導体増幅器の材料の選択は、発生させるべきレーザーの色またはそ れに必要な周波数倍増すべき基本波長を具体的な波長範囲に従って調整する。更 に、その時の選択は赤、緑および青のレーザーカラーに対する具体的な例に基づ き示される。ここで、三元素化合物や四元素化合物（つまり線分の間の中間領域 ）の材料組み合わせも興味がある。このグラフには、特に興味のある領域が点を 付けた示してあり、赤いレーザー輻射を発生させるため、増幅に関して次の周波 数倍増により増幅すべきレーザー輻射の範囲に対して記号Ａが付けてあり、緑の レーザー輻射の発生には記号Ｂか、また青のレーザー輻射の発生には記号Ｃが付 けてある。領域Ｄは下で更に説明するように、特に増幅の前に周波数を二倍にす ることにより発生する赤のレーザー輻射を増幅するのに適している材料の組み合 わせを示す。 このような半導体増幅器の増幅曲線は大体50〜60nmの広さで（図４，エーベリ ングとウンガー(Ebeling/Unger)，第二中間報告Ｆ＋Ｅ供給マーク13 Ｎ 6 膜ＱＷの幅）を選び、物質をドープしてそれに応じて設定される。図５（上記の 引用）はInGaAs増幅器に対する典型的な層の列を示す。量子膜ＱＷの幅により、 特に増幅率の重心点に影響を与えるキャリヤ密度（キャリヤ濃度）にも影響を与 える（図６，上記の引用）。主に電荷キャリヤの注入により電気的にポンピング されるこのような半導体構造体の増幅率は一般に際立って効果的で、大体50％で 、大体5〜10mWのワットの範囲のレーザー輻射を発生させるのに必要な 飽和強度である（図７，上記の引用）。 図１は、輻射が場合によっては光導体ファイバー（３）を介して伝達されるポ ンプレーザーダイオード（１）と、この例では必要な鏡面層をモノリシックに蒸 着した微結晶として構成されたレーザー材料（４）から成るダイオードポンピン グされる固体レーザーのそのような実施例を示し、その輻射は半導体増幅ユニッ ト（５）に取り込まれる。その時のカップリングに使用される光学部材（レンズ ）2a〜２cも示してある。ポンプ光を微結晶レーザーに伝送するための記入され た光導体ファイバーは全てのレンズと同じように、ここでは自由選択でき、場合 によっては除去できる。半導体増幅器（５）は、電荷キャリヤをｐｎ境界層に注 入して主に電気的に対応する導入導線（７）によりポンピングされる。増幅器の 空間的な構造体（６）は、好ましくは正方形（広いストリップ）であるか、ある いは図面に例示的に記入したように台形状である。後者には増幅器の出力端で輻 射品質がより良いという利点がある。収束のためには、ここではレンズあるいは レンズ特性を有する他の部材（ホログラム、ロッドルンズ等）を使用する。固体 レーザーとしては、主に微結晶レーザー、モノリシックリングレーザーあるいは 一般に縦方向にポンピングされるレーザーのような小型化されたダイオード・ポ ンピングされる固体レーザーを使用する。半導体素子はただ増幅器として使用さ れ、つまり共振で使用されないので、一次のレーザー線の狭帯域性が得られてい る。従って、固体レーザーの良好のレーザー特性と電気的にポンピングされる半 導体素子の大きくて有効な増幅度と組み合わせて、レーザー線幅が著しく狭いワ ット領域の出口出力を発生する小型化された効率の良いレーザーシステムを提供 できる。 発振器としての微結晶レーザーは、特に好適なこの発明による構成を示す。何 故なら、優れたレーザー特性の外に、外部で周波数を二倍するのに正に必要な（ 40Hzまでの狭い線幅、優れた輻射プロフィールＭ²大体＜1.2，シュミット(Schmi tt)を参照）であるように、特に既に強く小型化されているからである。例えば モノリシックに蒸着された結晶片から成る、ポンプダイオードや結合光学系のな い微結晶レーザー全体の典型的な寸法は２〜３mmの直径で、大体200〜700μmの 厚さである。この直径は更に１mmに低減させることができる。従って、 この微結晶レーザーは半導体増幅器構造体の大きさの程度であり（二方向の横寸 法で大体数100μmであり、厚さで50〜100μmである），そのためこの構造体と共 に共通のハウジングに導入できる。これは製造でのコストの低減にも、レーザー システムの小型化にも合っている。典型的には各寸法が数100μmで、厚さが50〜 100μmであるポンプレーザーダイオードと、結合光学系もハウジングに導入でき るか、あるいはポンプレーザーダイオードは光導体ファイバーにより独立したハ ウジングに結合させて配置できる。この場合、後者は交換性を改善する。微結晶 レーザーや結合光学系も横を金属化処理され、半導体増幅器や、場合によっては 、ポンプレーザーダイオードもハイブリッドハウジングに半田付けできる。 特別な構成では、微結晶レーザーと半導体増幅器も例えば同じ熱シンクに組み 込むことができる。これは機械的な安定性を著しく高めることができる。 長さＬの共振器が充分短いので、ただ一つの縦共振器モードかレーザー材料の 増幅率範囲δνにあり、Ｌ≦ｃ/(nδν)(nは共振器内部の媒質の屈折率、シュミ ット(Schmitt)，同調可能な固体レーザー)と記載される機能原理である微結晶レ ーザーの代わりに、小型化された周波数の安定な他の単一周波数のレーザーも原 則的に使用できる。これは、ミラーの近くに導入された高濃度にドープされた物 質を有する例えばダイオードポンピングされるレーザーである。これにより空間 的な「焼き穴」が防止される（ジー・ジェー・キンツ等(G．J．Kintz et．al.) ，IEEE J．Quant．Electron．26（1990）1457を参照）。更に、例えばティー・ ジェー・カーン(T．J．Kane)，Opt．Lett．10（1985）65に記載するように、モ ノリシックのリンクルーザーでもよい。 典型的な応用例（図８a）では、例えば青のレーザー輻射を発生するレーザー 発振器としてダイオード・ポンピングされる単一周波数の固体レーザー（好まし くは微結晶レーザー）（４）を使用する。このレーザーは920nmと950nmの間の範 囲で発光し（例えばNdをドープした結晶あるいはガラス材料の準三レベル遷移を 使用して、カミンスキー(Kaminskii)，Laser Crystals，Springer-Verlagを参照 ），次いでその輻射は半導体素子（５）の中で増幅され、次に狭帯域の外部共振 器（ミラー８aと８bから成る）に取り込まれる。この共振器は周波 数を二倍にする（例えばＬＢＯ結晶あるいはＢＢＯ結晶等の中の）適当な非線形 素子（９）を含む。これは、近赤外線を青のレーザー輻射に変換する。周波数を 同調させるため、レーザーを外部の二倍共振器の周波数に同調させるか、あるい は外部の二倍共振器をレーザーの周波数に同調させる。周波数を同調させるため 、熱的な同調や可動ミラーを使用した同調（あるいは組み合わせ）も考えられる （シュミット(Schmitt)，同調可能な微結晶レーザー(Abstimmbare Mikrokristal -Laser)を参照）。この代わりに、あるいはこれに加えて、固定レーザーと増幅 器の間に、例えば集積光学導波体変調器として構成され、導波体（１１）のパタ ーン構造を付け、電極（１２a，１２b）を備えた電気光学的な基板から成る変調 器（１０）も周波数変調または位相変調のために採用できる。この変調器により 、共振器の周波数の結合（「ロック」）が行われ（図９），場合によっては、周 波数を多重倍化した輻射の出口出力を変調できる。この代わりに、ポンプレーザ ーダイオード（１）の輻射の変調により固体レーザー輻射の周波数変調が行われ る。 この発明による装置には、更に固体レーザーの小さな出力を増幅の前に変調す る必要があり、これは大きな出力の変調よりも簡単に非常に多く行われる（例え ば集積光学的な導波構造体、ファイバー変調器等により）という重要な利点があ る。 変調器（１０）は振幅変調器であってもよい。これは、例えば表示技術で必要 なような周波数多重倍にされたレーザー光も早く変調させる。出口出力全体を変 調する場合に比較的低いレーザー出力の範囲の変調器を配置することは、更にこ の発明による装置の重要な利点を表す。 固体レーザーあるいは外部の多重倍共振器の周波数変調も振幅変調の代わりの 形である。これは周波数を誤同調させ、変調の時の有効な周波数の二倍化を防止 する。この乱れを入れたり止めたりして可視レーザービームの振幅も変調できる 。 他の代わりの方法は、半導体増幅器をポンピングする電流を変調することにあ る。全ての方法、つまり増幅器の前の周波数変調または振幅変調や固体レーザー または外部共振器の周波数同調も、および半導体増幅器のポンプ電流の変調によ り、出力の大きい可視レーザー輻射自体の通常の変調に比べて振幅変調の動特性 を著しく高くする。何故なら、その作用は可視レーザー輻射の発生に非線形に入 るからである。更に、これ等の全ての方法は相互の組み合わせも可能にする。 緑のレーザー輻射を発生させるためにも図１の配置を使用する。その場合、こ こでは固体レーザーは約1045〜1080nmの範囲のレーザー輻射を発光するように設 計されている。ここでは、例えばNdをドープした結晶材料あるいはガラス材料の 非常に多くのレーザー遷移がある（再びカミンスキー、Laser Crystalを参照） 。 緑のレーザー輻射を発生させる冒頭に述べた収支と比較して、エネルギ収支は 以下のように見なされる。入力電力が0.75Ｗの場合（光ポンプ出力250ｍＷ）で は、微結晶レーザーから約50ｍＷの単一周波数の出口出力が得られる。これは効 率が50％の半導体増幅器内で１〜３Ｗに増幅され（入力電力２〜６Ｗ），次に上 に説明したように共振的に（ＫＴＰ，ＫＴＡ，ＬＢＯ等を使用して）周波数が二 倍にされる。これには、上のように70％の二倍効率から出る。その場合、これは ここでも実現される。何故なら、微結晶レーザーは外部の狭い線幅を利用するか らであって、これは共振器のＱ値が大きい場合二倍共振器をそれに応じて狭帯域 に設計でき、従って、二倍結晶のところでそれに応じた大きな出力増加となるか らである。結局、光に対する電気の効率は1/2.75〜3/6.75つまり、36〜44％とな る。 赤のレーザー輻射を発生させるため、同じ方式により1200と1350nmの範囲の固 体レーザーを使用できる。しかし、特別な応用は630nmの赤のレーザー輻射の波 長を必要とする。1200〜1350nmの波長範囲では、重要なレーザー移行部を持つ若 干の少ない既知レーザー結晶があり、特に遷移金属をドープした、例えば苦土か んらん石のような広帯域で同調可能な結晶がある。しかし、この波長領域で増幅 を行う半導体材料も見出すことは困難である。これは図３の領域「Ａ」内にある 。 代わりの方式とこの発明による構想の他の実施例は、固体レーザーを1200と13 50nmの間の範囲で先ず二倍にし（あるいはレーザーをもっと大きい波長に応じて 多重倍化し），次いでこれにより発生した出力の低い赤い輻射を二倍に増幅する 。ここで、上の設定（あるいはこれからの選択）による周知の半導体材料を 良好に使用するので、ここでも低出力の（ダイオード・ポンピングされる）固体 レーザーと半導体増幅器を使用して可視レーザー輻射を発生させる。固体レーザ ーの周波数多重倍は再び共振的に行われる（図１０a）か、あるいは固体レーザ ーの（ミラー（８b）および微結晶上に蒸着されたミラーから成る）共振器内（ 内部空洞）で行われる（図１０b）。後者の場合には、再びレーザー共振器自体 の高出力密度を使用する。この場合にはレーザーは単一周波数で発光しない。 増幅の前に共振器内部で周波数を二倍にする場合には、固体レーザーが単一周波 数で狭帯域な発光をすることは必ずしも必要ではない。ここでは、多数の縦モー ドで放出するレーザーも使用できる。その場合、冒頭で述べたように、振幅雑音 を低減する安全処置を講ずる必要がある。 一般にＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ，LiNbO₃．LiTaO₃．ＣＢＯ，ＫＴＡ等のような 非線形結晶を使用することに基づくここに説明した周波数二倍法の代わりに、例 えば周期的に分極しているLiNbO₃.ＫＴＰ，ＲＴＡ等の準位相同調材料も使用で きる。これ等の材料は、一回通過でも高い非線形周波数二倍効率を有するので、 ここでは共振器内で出力高める要請を省け、従って強制的な単一周波数のレーザ ー輻射による要請も省ける。 結局、赤、緑あるいは青のレーザーカラーを発生するこの発明によるレーザー は基本波長に対する約3〜５cm³の寸法プラス周波数二倍用の約5〜10cm³の寸法、 全体で約15cm³より小さい寸法を有する。 要約すると、出力の弱い固体レーザー、取り分け微結晶レーザーのような狭帯 域で連続発光する固体レーザーの輻射を適当に増幅することを提案している。そ の場合、増幅用の半導体材料をその時の波長範囲に合わせてその組成と構造に関 して選択して設計する必要がある。そこでも、増幅は周波数変換前に行われるか 、あるいは先ず周波数変換を行って、次いで可視レーザー光を増幅する。どの方 式をその都度使用するかは、上に示したように、可能な増幅材料のスペクトル範 囲から与えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウンガー・ペーター ドイツ連邦共和国、Ｄ―89081 ウルム、 アルベルト―アインシュタイン―アレー、 45

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. レーザーと増幅器のシステムにおいて、好ましくは希土類または遷移金属を ドープした結晶材料またはガラス材料から成る、低出力のダイオード・ポン ピングされる固体レーザーの輻射を半導体増幅チップに取り込み、このチッ プが好ましくはGaAs,GaAlAs,InGaAsあるいはInGaAsPから成り、 材料系の選択とパターン構造化により固体レーザーの放出波長に合わせて固 体レーザーの輻射を増幅し、取り込んだレーザー輻射に対して増幅された出 力ビームを発生することを特徴とするレーザーと増幅器のシステム。 2. 半導体増幅器は電気的にポンピングされることを特徴とする請求項１に記載 のレーザーと増幅器のシステム。 3. 半導体増幅器は正方形状の増幅パターン構造を有することを特徴とする請求 項１または２に記載のレーザーと増幅器のシステム。 4. 半導体増幅器は台形状の増幅パターン構造を有することを特徴とする請求項 １または２に記載のレーザーと増幅器のシステム。 5. 固体レーザーは横基本モード（ＴＥＭ₀₀）で放射されることを特徴とする請 求項１〜４の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 6. 固体レーザーの輻射は単一周波数で、輻射を発生させるため、好ましくは微 結晶レーザーあるいはモノリシックリングレーザーを使用することを特徴と する請求項１〜５の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 7. 半導体増幅器の後には、増幅したレーザー輻射の周波数を多重倍にする装置 が続くことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のレーザーと増幅 器のシステム。 8. 周波数多重倍化はこのために固有に形成された共振器の中で共振状態で行わ れることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のレーザーと増幅器 のシステム。 9. 共振的に周波数を二倍にするため、周波数を二倍にする外部共振器を固体レ ーザーの周波数に同調させるか、あるいは固体レーザーの周波数を二倍共振 器の共振に同調させることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の レーザーと増幅器のシステム。 10．固体レーザーと半導体増幅器の間には変調器が挿入され、この変調器は固体 レーザーの輻射の周波数を二倍共振器の共振周波数に同調させることを特徴 とする請求項１〜９の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 11．低出力の固体レーザーのレーザー輻射を先ず周波数多重倍化し、次いで周波 数多重倍化された輻射を半導体増幅器に取り込み、この半導体増幅器は材料 系の選択とエピタキシーパターン構造化により周波数多重倍化された固体レ ーザーの輻射の放出波長に同調されていて、固体レーザーの周波数多重倍化 された輻射を増幅し、取り込んだレーザー輻射に対して増幅された出力ビー ムを発生することを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載のレーザ ーと増幅器のシステム。 12．固体レーザーと半導体レーザーの間には、固体レーザーの輻射の位相、周波 数または振幅を変調する変調器が挿入されていることを特徴とする請求項１ 〜１１の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 13．共振器の対応する誤同調により周波数を多重倍されたレーザー輻射の振幅変 調が生じるように、固体レーザーが外部周波数多重倍共振器の共振周波数に 対して、あるいは外部周波数多重倍化共振器がレーザー周波数に対して離調 （周波数変調）されていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に 記載のレーザーと増幅器のシステム。 14．レーザービームを変調器および／または半導体チップに取り込むため、収束 用のレンズまたは類似の部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜 １３の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 15．固体レーザーシステムの位相、周波数あるいは振幅の変調はポンプダイオー ドの電流変調により発生させることを特徴とする請求項１〜１４の何れか１ 項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 16．増幅されたレーザービームの変調は半導体増幅器の電流変調により発生させ ることを特徴とする請求項１〜１５の何れか１項に記載のレーザーと増幅器 のシステム。 17．固体レーザーは半導体増幅器に固く接触させてあることを特徴とする請求項 １〜１６の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシステム。 18．固体レーザー結晶と半導体増幅器は同じ熱シンクの上に取り付けてあること を特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載のレーザーと増幅器のシス テム。 19．固体レーザーは半導体増幅器から切り離した熱シンクの上に取り付けてあり 、固体レーザーと熱シンクのところに加熱および／または冷却素子が取り付 けてあり、この素子は固体レーザー輻射の熱による周波数同調を可能にする ことを特徴とする請求項１〜１８の何れか１項に記載のレーザーと増幅器の システム。 20．固体レーザー、場合によっては、ポンピングダイオードであるが、特に半導 体増幅器も、および自由選択的な固体レーザーと半導体増幅器の間に配置さ れている位相、周波数あるいは振幅の変調器はただ一つのハウジング内に配 置されていることを特徴とする請求項１〜１９の何れか１項に記載のレーザ ーと増幅器のシステム。