JP2005150304A - 赤色レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ装置では所望の波長以外の発振により、所望の波長の発振効率が低下す
るため、本発明では光共振器のＱ値を制御することにより、大出力の可視光レーザを効率
良く、低コストで得る赤色レーザ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の赤色レーザ装置は、励起光源と、プラセオジウムイオン（Ｐｒ3+
）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ3+）を共添加したレーザ媒質を内部に含み、前記励起光
源からの光が入射されることによって前記レーザ媒質が励起される光共振器とを備え、前
記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm及び715nm付近のＱ値が低くなる
ように、前記光共振器のＱ値を、前記光共振器の入射側及び出射側に配置した共振ミラー
の波長透過特性により制御したり、前記光共振器内に設けたフィルターにより制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、映像表示装置や記録装置などの光源として利用可能な赤色レーザ装置に関す
るものである。

従来、光ファイバのコア部にプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（
Ｙｂ³⁺）を添加し、波長780nm 〜 900nmの励起光でアップコンバージョン励起を行い、波
長490nm〜720nmまでのレーザ光を得る装置が提案されている。

例えば特許文献１では、共振器ミラーの特性を制御したり、波長可変素子を共振器内部
に入れることにより、490nm付近（青色波長）、520nm付近（緑色波長）、605nm付近（オ
レンジ色波長）、635nm付近（赤色波長）、715nm付近（赤外波長）等を発振可能にした例
が記載されている。

これらの発光は全て励起順位³Ｐ₀、あるいは³Ｐ₀と熱的につながりのある励起順位³Ｐ₁
から電子が脱励起する際に生じるものであり、所望の波長以外の波長が発振してしまうと
、所望の波長の発振効率が悪化してしまう。しかしながら、特許文献１のように所望の波
長は高反射、それ以外は低反射にするというのでは共振器の作製に負担がかかる。例えば
反射素子を誘電体ミラーで作製するとすれば、発振させたくない波長帯域が広くなり、全
てを低反射とし、所望の波長のみ高反射にするとなると、誘電体膜の膜層も厚く複雑にな
るため、ミラー自体の損失も大きくなり、作製のコストも大きくなってしまう。
米国特許５８０５６３１号明細書

上記したように、従来のレーザ装置では所望の波長以外の発振を抑えるための共振器特
性がはっきりしないため、必要以上の特性を持った共振器特性となってしまい、所望の波
長の発振効率も充分でなく、また製造コストも大きくなってしまう問題があった。

そこで、本発明は光共振器のＱ値の制御により、大出力可視光レーザを効率良く、かつ
低コストで得る赤色レーザ装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の赤色レーザ装置は、励起光源と、プラセオジウムイオン（Ｐｒ
³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加したレーザ媒質を内部に含み、前記励起
光源からの光が入射されることによって前記レーザ媒質が励起される光共振器とを備え、
前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が低
くなるようにしたことを特徴とする。

前記光共振器のＱ値は、前記光共振器の入射側及び出射側に配置した共振ミラーの波長
透過特性により制御したり、前記光共振器内に設けたフィルターにより制御するものであ
る。

また、請求項９記載の本発明の赤色レーザ装置は、半導体レーザ光源と、コア部にプラ
セオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加し、前記半導体
レーザ光源からの光が入射されることによって前記コア部が励起される光ファイバとこの
光ファイバの入射側及び出射側に配置した共振ミラーを含む光共振器とを備え、
前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が
低くなるように、前記入射側の共振ミラーは、695nm付近の波長の反射率を高くし、635nm
付近及び715nm付近の波長の反射率を低くし、前記出射側の共振ミラーは、635nm付近及び
715nm付近の波長の反射率を低くし、695nm付近の波長を部分反射する特性を有することを
特徴とする。

さらに、請求項１０記載の本発明の赤色レーザ装置は、半導体レーザ光源と、コア部に
プラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加し、前記半
導体レーザからの光が入射されることによって前記コア部が励起される光ファイバとこの
光ファイバの入射側及び出射側に配置した共振ミラーを含む光共振器とを備え、
前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が
低くなるように、前記光共振器内にフィルターを設け、このフィルターは、695nm付近お
よび780〜900nmの波長はほぼ透過し、635nm付近及び715nm付近の波長に対しては高反射の
特性を有し、光共振器内の光軸に対して斜めに設置したことを特徴とする。

本発明によれば、共振器のＱ値を制御することにより、高効率な大出力赤色レーザを得
ることができるという利点がある。

以下、図面を参照しながら本発明に係る赤色レーザ装置について詳細に説明する。

図１は、本発明の赤色レーザ装置の第１の実施例を示す構成図である。なお以下全ての
図面において、同一の構成要素は同一の符号を付す。図１において、１１は光ファイバで
あり、コア部とその外側に配されたクラッドにて構成され、コア部にプラセオジウムイオ
ン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加したものであり、例えばフォノ
ンエネルギーの小さなフッ化物ファイバからなる。またＰｒ³⁺／Ｙｂ³⁺の添加濃度は3000
／20000ppm by w.t. である。

１２，１３は光ファイバ１１の入射側端面及び出射側端面に設置された反射素子（ミラ
ー）であり、例えば誘電体ミラーからなり、共振器ミラーを構成する。また、１４は光フ
ァイバ１１に添加されたＰｒ³⁺／Ｙｂ³⁺を励起する励起光源であり、780nm付近〜900nm付
近の波長を発する半導体レーザからなる。また、１５は励起光源１４から出力される励起
光であり、１６は励起光を光ファイバ１１に入射するための光学系（レンズ）である。
さらに、１７は出力側反射素子１３から出力されるレーザ光であり、波長は695nm付近（
以下では695nmと記す）である。

次に、共振器ミラー１２，１３の特性および上記赤色レーザ装置の動作を説明する。図
２はＰｒ³⁺ とＹｂ³⁺のエネルギー準位図、図３、図４は共振器ミラー１２，１３の透過
特性の例であり、横軸を波長、縦軸を透過率としている。

まず半導体レーザ光源１４から励起光が出射されるが、励起光１５は光学系１６にて光
ファイバ１１に入射される。光ファイバ１１に入射した励起光は、光ファイバ１１に添加
されたＹｂ³⁺により吸収され、その後、Ｐｒ³⁺ にエネルギー伝達され、励起されたＰｒ^3
+ から発生した波長695nmの光を共振器ミラー１２，１３でくり返し反射増幅することに
より赤色波長695nmのレーザ光１７を得、共振器ミラー１３から取り出すことができる。

この励起の様子と695nm波長の発振の原理を図２のエネルギー準位図、図３、図４の共
振器ミラー１２，１３の透過特性を用いて詳しく説明する。

図２において、Ｙｂ³⁺の基底状態²Ｆ_7/2にある電子は、例えば波長830nm付近の励起光
を吸収し順位²Ｆ_5/2へ励起される。この準位に励起された電子は、Ｐｒ³⁺ の励起順位¹Ｇ
₄にエネルギー伝達される。さらに、¹Ｇ₄の電子は励起光830nm付近を再び吸収しＰｒ³⁺
の³Ｐ₁の準位に励起される。ここから励起順位³Ｆ₃へ遷移する際、695nmの赤色光が発生
する。

この695nmの光をレーザ発振させるためには上位準位³Ｐ₁と下位準位³Ｆ₃との間で電子
のいわゆる反転分布状態を形成する必要がある。しかしながら、この準位間の反転分布よ
りも熱的につながりのある準位³Ｐ₀と下位準位³Ｆ₂の反転分布が起こりやすいため、695n
mではなく、635nm付近（以下では635nmと記す）の赤色波長が先に発振してしまう。

さらに、波長635nmを発振しないように処理したとしても、励起順位³P₀と³F₄の間で反
転分布が起こり、波長715nm付近（以下、715nmと記す）の光が先に発振してしまう。

そこで本発明では、赤色の安定したレーザ光を発振させるために、光共振器用ミラーで
の635nm及び715nmの透過率をできるだけ低く、つまり反射率をできるだけ下げて、光共振
器のＱ値を小さくすることにより、635nm及び715nmの発振を阻害し、695nmのＱ値を高く
して695nmの光を発振させるようにした点に特徴がある。

尚、695nmも635nmも赤色波長であるが、表示装置の光源としてＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ
（青）の光を必要とする場合、青色波長を発振させる上で、695nmの励起光が必要となる
ため、応用性を考慮すると695nmの赤色波長を発振させることに意義がある。

ここで、赤色波長695nmのＱ値を高くし、波長635nm及び715nmのＱ値を下げた特徴をも
つ光共振器ミラー特性の具体例を説明する。図３は入射側のミラー特性を示し、図４は出
力側のミラー特性を示している。図３に示すように、入射側ミラー１２は、励起光を100
％に近い透過率にし、695nmの波長は、100％に近い反射率にする。この時、635nm及び715
nmのＱ値を下げるために、それぞれの波長は出来るだけ低い反射率になるように作製する
のが望ましい。

一方、図４に示すように出力側ミラー１３も同様に、635nm及び715nmのＱ値を下げるた
めに、635nm及び715nmの波長は出来るだけ低い反射率になるように作製する。また波長69
5nmの反射率は、高出力を得るために部分反射にする。また、励起光の波長に関しては、
高反射にする事で励起光の利用効率を高める事が出来るように作製する。この際、両側か
ら励起光を入射する場合においては、100％に近い透過率にするのは明白である。

このように波長635nm及び715nmの透過率を高くすることで、共振器のＱ値を低下させ、
波長635nm及び715nmの発振を阻害し、これにより波長695nmのＱ値を高くすることができ
る。すなわち本発明のように波長635nm及び715nmの発振を阻害し、695nmの波長のみ発振
するような共振器ミラー特性とすることで、阻害要因となる波長の発振が抑えられるため
、高効率で大出力の赤色レーザ装置が可能となる。

尚、上記実施例において、Ｐｒ³⁺／Ｙｂ³⁺を光ファイバに添加したが、ファイバに限る
ことはなく、バルク状の結晶、ガラスでも良い。また、励起光源１４も半導体レーザに限
定する必要はなく、他の種類の光源でも良い。

図５は、この発明の第２の実施例について説明するための概略構成図である。図５にお
いて、１８，１９は光共振器を構成する反射素子（ミラー）である。また２０は光共振器
内部に設置されたフィルターであり、例えば誘電体多層膜フィルターからなる。

上記実施例１で述べた通り、波長695nm光をレーザ発振させるためには、上位準位³Ｐ₁
と下位準位3F3との間で電子のいわゆる反転分布状態を形成する必要がある。しかしなが
ら、この準位間の反転分布よりも熱的につながりのある³Ｐ₁の直ぐ下の準位³Ｐ₀と下位準
位3Ｆ2の反転分布が起こりやすいため、波長635nmの赤色が先に発振してしまう。さらに
、波長635nmを発振しないように処理したとしても、励起順位³Ｐ₀と³F₄の間で反転分布が
起こり、波長715nm付近の光が先に発振してしまう。そこで、波長635nm及び715nmのＱ値
を下げる必要がある。

本発明の実施例２では発振させたくない波長635nm及び715nmの共振器のＱ値を下げるが
、実施;例２の形態においては、Ｑ値を下げる手段としてこれら波長の損失を増やす手段
を設けている。

即ち、２０は、Ｑ値を低下させるためのフィルターであり、例えば波長695nm、780nm〜
900nmに対してはほぼ透過し、波長635nm及び715nmに対しては高反射の特性を持ち、共振
器内の光軸に対して斜めに反射するように設置している。したがって、このフィルター２
０により発振させたくない波長635nm及び715nmの光は、共振器外に反射され損失が大きく
なりＱ値が低下するため発振することはない。この際、光共振器用のミラー１８，１９は
波長695nmのQ値を上げるように作製し、波長635nm及び715nmを特に処置する必要は無いが
、反射率を下げるようにしても良い。

図６は、フィルター２０の具体的な構造例を示すもので、光ファイバ１１の一部を斜め
にカットし、カット面のいずれか一方に誘電体ミラー等からなるフィルター素子２１を直
接蒸着して接合し、この誘電体ミラー２１に波長695nm、780nm〜900nmに対してはほぼ透
過し、波長635nm及び715nmに対しては高反射の特性を持たせるようにしたものである。こ
れにより、波長635nm及び715nmの光は共振器外に反射されることになる。

また、図７は、フィルター２０の別の具体構造例を示すもので、光ファイバ１１の一部
をカットし、カット面の一方から出力した光をレンズ２２でコリメート（平行化）し、フ
ィルター素子２３を介してレンズ２４に入力し、レンズ２４で再び集光して光ファイバ１
１のカット面の他方に入力するようにしたものである。この例において、フィルター素子
２３は誘電体ミラー等からなり、この誘電体ミラー２３に波長695nm、780nm〜900nmに対
してはほぼ透過し、波長635nm及び715nmに対しては高反射の特性を持たせるようにしたも
のである。これにより、波長635nm及び715nmの光は共振器外に反射されることになる。

かくして、本発明のように波長695の発振に必要な励起順位³P₁と³F₃間の発振のみが発
振するようなＱ値制御フィルターを共振器内に設置することで、高効率で大出力が可能な
赤色レーザ装置を得ることができる。その他の動作及び効果は前述したものと同じである
。

また、上記第１，第２の実施例において、光ファイバはマルチモードの光ファイバであ
っても良い。また、レーザ媒質を励起する励起光はマルチモードの半導体レーザであって
も良い。これらを併用することにより大出力の赤色レーザ光を取り出すことが可能となる
。

この発明の赤色レーザ装置について説明するための概略構成図。（実施例１） Ｐｒ³⁺／Ｙｂ³⁺のエネルギー遷移を説明するエネルギー準位図。 この発明に使用する入力側共振器ミラーの透過特性を示す特性図。 この発明に使用する出力側共振器ミラーの透過特性を示す特性図。 この発明の赤色レーザ装置について説明するための概略構成図。（実施例２） 図５のフィルター２０の具体構造例を説明するための構成図。 図５のフィルター２０の他の具体構造例を説明するための構成図。

符号の説明

１１ 光ファイバ
１２ 反射素子
１３ 反射素子
１４ 励起光源
１５ 励起光
１６ 光学系
１７ レーザ光
１８ 反射素子
１９ 反射素子
２０ フィルター

Claims (10)

1. 励起光源と、
   プラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加したレーザ
   媒質を内部に含み、前記励起光源からの光が入射されることによって前記レーザ媒質が励
   起される光共振器とを備え、
   前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が低
   くなるようにしたことを特徴とする赤色レーザ装置。
2. 前記光共振器のＱ値は、前記光共振器の入射側及び出射側に配置した共振ミラーの波長透
   過特性により制御することを特徴とする請求項１記載の赤色レーザ装置。
3. 前記光共振器の入射側の共振ミラーは、695nm付近の波長の反射率を高くし、635nm付近及
   び715nm付近の波長の反射率を低くし、前記出射側の共振ミラーは、635nm付近及び715nm
   付近の波長の反射率を低くし、695nm付近の波長を部分反射する特性を有することを特徴
   とする請求項２記載の赤色レーザ装置。
4. 前記光共振器のＱ値は、前記光共振器内に設けたフィルターにより制御することを特徴と
   する請求項１記載の赤色レーザ装置。
5. 前記フィルターは、695nm付近および780〜900nmの波長はほぼ透過し、635nm付近及び715n
   m付近の波長に対しては高反射の特性を有し、光共振器内の光軸に対して斜めに反射する
   ように設置したことを特徴とする請求項４記載の赤色レーザ装置。
6. 前記レーザ媒質を励起する励起光源は、マルチモードの半導体レーザであることを特徴と
   する請求項１記載の赤色レーザ装置。
7. 前記レーザ媒質は、光ファイバの内部に設けられたコア部であることを特徴とする請求項
   １記載の赤色レーザ装置。
8. 前記光ファイバは、マルチモードの光ファイバであることを特徴とする請求項７記載の赤
   色レーザ装置。
9. 半導体レーザ光源と、
   コア部にプラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加し
   、前記半導体レーザ光源からの光が入射されることによって前記コア部が励起される光フ
   ァイバと、この光ファイバの入射側及び出射側に配置した共振ミラーを含む光共振器とを
   備え、
   前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が
   低くなるように、前記入射側の共振ミラーは、695nm付近の波長の反射率を高くし、635nm
   付近及び715nm付近の波長の反射率を低くし、前記出射側の共振ミラーは、635nm付近及び
   715nm付近の波長の反射率を低くし、695nm付近の波長を部分反射する特性を有することを
   特徴とする赤色レーザ装置。
10. 半導体レーザ光源と、
    コア部にプラセオジウムイオン（Ｐｒ³⁺）とイッテルビウムイオン（Ｙｂ³⁺）を共添加し
    、前記半導体レーザからの光が入射されることによって前記コア部が励起される光ファイ
    バと、この光ファイバの入射側及び出射側に配置した共振ミラーを含む光共振器とを備え
    、
    前記光共振器は、波長695nm付近のＱ値が高く、波長635nm付近及び715nm付近のＱ値が
    低くなるように、前記光共振器内にフィルターを設け、このフィルターは、695nm付近お
    よび780〜900nmの波長はほぼ透過し、635nm付近及び715nm付近の波長に対しては高反射の
    特性を有し、光共振器内の光軸に対して斜めに設置したことを特徴とする赤色レーザ装置
    。
    
    
    

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