JP2008116692A - 波長変換レーザ光源及びレーザ波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周期分極反転層を形成した二次高調波発生素子が配設された波長変換レーザ光源において、安定した波長変換特性を有する波長変換レーザ光源を提供する。
【解決手段】波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、レーザ光線を集光し焦点化する第１の基盤１２上に設置されるレーザ光源部１１と、レーザ光線の焦点位置に入射面が位置して第２の基盤１３上に設置されるレーザ光線の基本波を第２高調波に変換する分極反転型デバイス１と、を備え、分極反転型デバイス１は、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、かつ、当該両分極領域幅の分極構造の周期が連続的に変化するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源に関し、詳細には、二次高調波発生素子によって波長変換を行う波長変換レーザ光源が安定した波長変換性能を有するレーザ光源及びレーザ波長変換方法に関する。

従来から、カラーレーザディスプレイの高輝度化のために、ワットクラスの出力が得られるレーザ光源が必要とされている。このため、レーザ光源として高出力のＡｒガスレーザやＫｒガスレーザ等が使用されてきた。しかし上述のようなガスレーザ光源は、エネルギー変換効率が０．１％程度と悪く、また水冷機構が必要であるため、装置が大型化し、コストが非常に高いという問題があった。

そこで近年、可視の短波長レーザ光源としてＬＤ励起ＳＨＧレーザが使用され始めた。例えば波長が１０６４ｎｍのＬＤ励起ファイバーレーザを用いた５３２ｎｍの緑色波長を発するレーザではガスレーザよりもエネルギー変換効率が高いものが得られている。（特許文献１参照）。

短波長化の技術としては、ＬＤ励起ファイバーレーザと擬似位相整合（ＱＰＭ)方式の分極反転型デバイスを用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）がある。

図８は一般的なＬＤ励起ファイバーレーザの概略図である。図８を参照すると、ＬＤ励起ファイバーレーザは、ファイバーレーザ１０１と、ポンプレーザダイオード１０２とを備えている。ファイバーレーザ１０１は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３内のＹｂイオンを励起させるようになる１０００ｎｍおよび１１００ｎｍの間の範囲の波長、例えば１０６４ｎｍで第２のポンプ放射を生成するように構成されている。ファイバーレーザ１０１は、好ましくは、第１及び第２のブラッグ回折格子１０４、１０５とを含む。ブラッグ回折格子１０４、１０５は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の両端部にライディングされ、ファイバーレーザ１０１のファブリー−ペロー共振空洞部の境界を画する。ポンプレーザダイオード１０２は、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の一端部に光学的に結合され、Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３をポンピングするための励起光を生成するようになっている。Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー１０３の反対側の端部は、第２のポンプ光を出射するためのファイバー１０６に接合されている。（特許文献２参照）
さらに、ファイバーレーザを高い変換効率で第二高調波に変換するために、ファブリー-ペロー共振空洞部に偏光素子、例えば、ブリュースター角石英ガラスプレートを設け、特性方向に偏光ビームを選択できる偏光素子の作用によって、ＬＤ励起ファイバーレーザを直線偏光にする方法が開示されている。（特許文献３参照）
ファイバーレーザ１０１から出射したレーザ光はコリメートレンズ１０７によって並行にされ、フォーカシングレンズ１０８によって分極反転型デバイス１の端面を通りに分極反転領域２内に集光される。分極反転領域２を伝播して、レーザ光の成分が高調波に変換され、この高調波および変換されなかった基本波が分極反転型デバイスの出射端面より出射される。（特許文献４参照）
分極反転型デバイス１の形成法としては、例えばＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などの強誘電体基板の表面に櫛形電極、裏面には平面電極を形成し、電極に電圧を印加することで周期状の分極反転領域を形成する方法が開示されている。（特許文献５参照）
分極反転型デバイス１は、波長変換効率の高効率化のために、該分極反転型デバイス１の位相整合波長許容幅が０．１ｎｍ程度と小さく設定されている。

図９は、雰囲気温度とＬＤ励起ファイバーレーザの発振波長の関係、図１０は分極反転型デバイス１の雰囲気温度と波長変換特性の関係を示している。図１０では、変換効率がもっともよいのは２２．５℃であり、これから１℃ずれると変換効率はほぼ０になることがわかる。すなわち、雰囲気温度の変化、言い換えれば分極反転型デバイス１に入射する光の波長に依存して、分極反転型デバイス１の波長変換効率は大きく変化してしまう。

即ち、波長が１０６４ｎｍの分極反転型デバイスの変換効率の温度特性は、図１０に示すように、狭い範囲でしか高い変換効率が得られない。

このため、分極反転型デイバス１を用いたレーザ光源では、発振波長を固定し、安定した波長変換効率を得るため、電子冷却素子（ペルチェ素子）により温度を固定する方法が一般的にとられている。
特開２０００−３１４９２０号公報 特開２００１−１４４３５４号公報 特開２００３−２５８３４１号公報 特開２００２−１６４６１６号公報 特開２００２−９９００９号公報

工業用途のレーザ光源においては、上述のように電子冷却素子など比較的高価な部品を用いて光源を安定させたり、使用温度環境を限定して使用することが許容されてきた。しかしながら、テレビに代表される民生用途のカラーディスプレイでは、一般的な動作保障温度は０〜４０度と広く、また安価であることも強く要望されており、そのため容量の大きい電子冷却素子を用いることは現実的ではない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度変化に動的に対応し、波長変化が起きても安定した波長変換効率を確保したレーザ光源を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の波長変換レーザ光源は、波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、レーザ光線を集光し焦点化して第１の基盤上に設置されるれレーザ光源部と、当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置して第２の基盤上に設置される前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する分極反転型デバイスと、を備え、
前記分極反転型デバイスは、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、かつ、当該両分極領域幅の分極構造の周期が連続的に変化することを特徴としたものである。

また、本発明のレーザ波長変換方法、レーザ光源部から出射されるレーザ光の波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、前記レーザ光線を集光し焦点化するステップ、前記集光し焦点化されたレーザ光線を所定の温度膨張率を有する基盤上に設置される分極反転型デバイスを用いて前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換するステップ、周囲温度に応じて前記レーザ光線が通過する位置を変化して前記分極反転型デバイスの分極構造の周期を変化するステップ、を備え、前記分極反転型デバイスの分極構造は、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該分極構造の周期は、前記分極反転型デバイスを通過する位置に応じて連続的に変化することを特徴としたものである。

本発明の分極反転型デバイスを用いる波長変換レーザ光源によれば、温度変化による波長変化に動的に対応し、広い温度帯域で安定した波長変換効率を確保することが可能になる。

以下に、本発明の波長変換レーザ光源の実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。

本発明の実施例について図１から図５を用いて説明する。

図１に本実施例における波長変換レーザ光源１０を示す。本実施例における波長変換レーザ光源１０は、ＬＤ励起ファイバーレーザ１０１およびコリメートレンズ１０７、フォーカシングレンズ１０８よりなる光源部１１および光源部１１から出射したレーザ光が集光する位置に配置された周期的な分極反転領域２が形成された分極反転型デバイス１からなる。ここで、光源部１１の詳細は従来のＬＤ励起ファイバーレーザ１０１と同様であるので詳細な説明は省略する。

本実施例の特徴は、以下に示すように、分極反転型デバイス１に形成した分極反転領域２の周期構造、および分極反転型デバイス１の保持方法を所望の構成にすることで、雰囲気温度が変化してもすぐれた波長変換効率を確保することにある。

図２は、本実施例における分極反転型デバイス１の分極反転領域２の分極反転周期を模式的に示したものである。分極反転型デバイスの幅は１ｍｍ、高さ１ｍｍ、長さ１２ｍｍの立方柱形状であり、図２に示すように、分極反転周期は入射レーザ光に対し、垂直方向に周期が変化するように構成されている。分極反転周期は入射レーザ光に対し、上端側で６μｍ、下端側で８μｍである。つまりレーザ光の入射位置に対する分極反転周期の変化率βは（０．００８−０．００６）／１＝０．００２で形成されている。分極反転型デバイス１の高さ位置が１ｍｍ変化すると分極反転周期が２μｍ（０．００２ｍｍ）変化することを示すものである。即ち、高さ位置の単位長（１ｍｍ）当たりの分極反転周期の変化率βが０．００２ということである。

なお、分極反転型デバイス１の作成方法は従来例と同様であるが、電極形状を変更し、分極反転周期が高さ方向に連続的に変更するように作成している。なお、図２において、正面となっている面が電極形成時の表面であり、矢印で示す方向が電界印加方向である。即ち、電圧印加方向の一対の表面に分極反転層を形成するために電圧印加のための電極を形成し、所定の電界を印加して反転層を形成する。反転層の形成は、本願発明の要旨でないので、詳しい説明は省略する。

また、光源部１１は石英よりなる第１の基盤である基板１２上に、また分極反転型デバイス１は、マグネシウム合金よりなる第２の基盤である熱膨張支持材１３を介して基板１２上に配置されている。光源部１１、第１の基盤である基板１２、第２の基盤である熱膨張支持材１３および分極反転型デバイス１はそれぞれ、圧入、溶接あるいは接着等により互いに接合されている。熱膨張支持材１３および分極反転デバイス１を例えば−３０℃に冷却し、冷却による熱収縮状態で勘合後、例えば２０℃の常温に戻すことで圧入してある。ここで第１の基盤である基板１２をなす石英の熱膨張係数は、５×１０^-7、一方第２の基盤である熱膨張支持材１３をなすマグネシウム合金の熱膨張係数αは、３×１０^-5であり、熱膨張支持材１３の熱膨張に対し、基板１２の熱膨張は無視しうるように構成されている。

さらに第２の基盤である熱膨張支持材１３は、高さ１３８ｍｍで形成している。このように構成することで波長変換レーザ光源１０の雰囲気温度変化に応じて、熱膨張係数３×１０^-5 ×１３８ｍｍ＝０．００４１４ｍｍ／℃の割合で、光源部１１から出射したレーザ光に対し、分極反転型デバイス１が上下に移動するようにされている。

一方分極反転型デバイス１が上下方向に移動すると、上述のとおり０．００２の割合で分極反転周期が変化するので、本実施例の波長変換レーザ光源１０では、レーザ光が通過する位置における分極反転周期は０．００８３μｍ／℃の割合で変化するようにされている。即ち、分極反転型デバイス１の高さ位置が１ｍｍ変化すると分極反転周期が２μｍ（０．００２ｍｍ）変化する。従って、１℃の温度変化当たり０．００４１４ｍｍ高さ位置が変化するので、高さ位置の変化に対応して、分極反転周期は、２×０．００４１４＝０．００８３μｍ変化する。

図３は、本発明に使用する分極反転型デバイス１の温度変化による波長ずれに対する最適分極反転周期を示したものである。即ち、所望の波長変換を行なうには、２０℃で１０６６ｎｍの入力波長を５３３ｎｍの緑色に変換するには、分極反転周期は７．０２μｍに設定する必要があり、１．０７３μｍの場合、７．１８μｍに設定する必要があることを示す。

図３に示した波長と最適分極反転周期との関係および、従来例で示した図９の波長と温度との関係より、図４に示す雰囲気温度と最適分極反転周期との関係が得られる。図４からは、温度による最適分極反転周期の変化率をγとするとγ＝０．００８３ｕｍ／℃であることがわかる。

温度２０℃において光源部１１から１０６４ｎｍの波長が出射されていると、図４より、このとき最も効率よく波長変換できる分極反転周期は７．０２μｍであることがわかる。さらに、雰囲気温度が０℃なった際には、６．８７μｍ、雰囲気温度が５０℃になった際には７．２９μｍの分極反転周期が最適であることがわかる。

今、雰囲気温度２０℃において本実施例の分極反転型デバイス１の分極反転周期７．０２μｍの位置にレーザ光が入射していると、雰囲気温度の変化によって、分極反転型デバイス１は熱膨張支持材１３の膨張伸縮によって分極反転周期を０．００８３μｍ／℃の割合で変化させる。一方雰囲気温度に依存して最適分極反転周期も０．００８３μｍ／℃の割合で変化するので、雰囲気温度０℃において分極反転周期６．８７μｍ、雰囲気温度５０℃において分極反転周期７．２９μｍの位置をレーザ光が入射、集光し、温度が変化しても常に最適な分極反転周期の位置にレーザ光を入射し、波長変換を行うことができる。

つまり本実施例のように、熱膨張支持材１３の熱膨張係数をα、熱膨張支持材１３の長さをＬ、分極反転周期の変化率をβ、温度変化による最適分極反転周期の変化をγとすると、γ＝α×Ｌ×βの関係を満足するように波長変換レーザ光源１０を構成することで、所定の温度範囲で雰囲気温度に影響されることなく、常に分極反転周期を最適に保つことが可能であり、安定した波長変換効率を確保することができる。

図５は、温度変化と波長変換効率の関係を、従来の構成と本実施例の構成で比較し、示したものである。図５からも、本実施例の構成は広い温度範囲で優れた波長変換効率を有していることが一目瞭然である。

上述のように、波長変換レーザ光源１０を構成することで、広い温度範囲で優れた波長変換特性を有する波長変換レーザ光源１０を提供することが可能となる。特に、分極反転型デバイス１は位相整合波長許容幅が狭いので、本実施例のように基本波がレーザダイオードあるいはファーバーレーザより出射されるビーム品質が高く波長幅が狭いレーザ光との組み合わせでは、安定した波長変換特性を確保する有用な技術である。

本発明の実施例について図６を用いて説明する。

図６に本実施例における波長変換レーザ光源２０を示す。本実施例における波長変換レーザ光源２０は、光源部１１を出射したレーザ光の一部がビームスプリッタ３１を介して光検出器３２に入り、波長を検出するようにされている。光検出器３２は、例えば応答速度の異なる複数のフォトダイオードが内蔵されており、それぞれのフォトダイオードの応答から誤差補正された波長を求めるよう構成されている。一方、分極反転型デバイス１は、圧電素子により駆動系が構成されている、ステージ３３上に配置されている。その他の構成は実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。また分極反転型デバイス１も、実施例１で図２に示した構成と同じである。

本実施例では、光源部１１より出射したレーザ光の波長を光検出器３２で検出することが可能となっており、光検出器３２で検出した波長に応じて、駆動回路３４によってステージ３３を圧電素子により駆動するようにされている。駆動回路３４は、検出器３２で検出されたレーザ光の波長に基づいて圧電素子３３を駆動する駆動電圧を生成し、分極反転型デバイス１の高さ位置を移動する。そして、移動量に応じて分極反転型デバイス１の分極反転周期を変化してレーザ光の波長変化に対応するものである。

光検出器３２で検出した波長シフトとステージ３３の駆動量との関係は、実施例１で図３〜図５を用いて説明した関係と同様である。

本実施例のように波長変換レーザ光源２０を構成することで、実施例１に示したような熱膨張支持材を必要とすることなく、波長変化に応じて安定した波長変換効率を確保することができ、すぐれた波長変換レーザ光源を提供することができる。

本発明の実施例について図７を用いて説明する。

図７に本実施例における波長変換レーザ光源３０を示す。本実施例における波長変換レーザ光源３０は、熱電対などよりなる温度検出器３５を介して温度を検出するようにされている。一方、分極反転型デバイス１は、圧電素子により駆動系が構成されているステージ３３上に配置されている。その他の構成は実施例２と同様であるので詳細な説明は省略する。

本実施例では、温度検出器３５を介して波長変換レーザ光源３０の雰囲気温度を検出可能とされており、検出した温度に応じて駆動回路３４によってステージ３３を圧電素子により駆動するようにされている。即ち、駆動回路３４は、熱電対などの温度検出器３５で検出された雰囲気温度に基づいて圧電素子３３を駆動する駆動電圧を生成し、分極反転型デバイス１の高さ位置を移動する。そして、移動量に応じて分極反転型デバイス１の分極反転周期を変化してレーザ光の波長変化に対応するものである。温度検出器３５で検出した温度変化とステージ３３の駆動量との関係は、実施例１で図３〜図５を用いて説明した関係と同様である。

本実施例のように波長変換レーザ光源３０を構成することで、実施例１に示したような熱膨張支持材を必要とすることなく、温度変化に応じて安定した波長変換効率を確保することができ、すぐれた波長変換レーザ光源を提供することができる。

加えて、本実施例では、１０６４ｎｍから５３２ｎｍの波長を得る波長変換レーザ光源として本発明の効果を説明したが、波長変換レーザ光源の波長を限定するものではなく、本発明の効果は、あらゆる波長の波長変換レーザ光源に適用可能であることは言うまでもない。

本発明にかかる波長変換レーザ光源は、波長変換レーザ光源の安定した波長変換効率を確保する構成を有し、レーザディスプレイの高輝度光源を広い温度範囲において使用可能とする技術として有用である。

また本発明にかかる波長変換レーザ光源は、安定した波長変換効率を必要とするレーザ光源に広く適用できる。

本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の構成を模式的に示す図 本発明の実施例１における波長変換レーザ光源に用いる分極反転型デバイスの拡大図 本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の波長と最適分極反転周期との関係を示す図 本発明の実施例１における波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの最適分極反転周期の温度特性を示す図 波長変換レーザ光源の分極反転デバイスの温度と波長変換効率との関係を示す図 本発明の実施例２における波長変換レーザ光源の構成を模式的に示す図 本発明の実施例３における波長変換レーザ光源の構成を模式的に示す図 従来の波長変換レーザ光源の構成を示す図 温度と発振波長との関係を示す図 従来の波長変換レーザ光源の温度と波長変換効率との関係を示す図

符号の説明

１ 分極反転型デバイス
２ 分極反転領域
１０ 実施例１における波長変換レーザ光源
１１ 光源部
１２ 基板
１３ 熱膨張支持材
２０ 実施例２における波長変換レーザ光源
３０ 実施例３における波長変換レーザ光源
３１ ビームスプリッタ
３２ 光検出器
３３ ステージ
３４ 駆動回路
３５ 温度検出器
１０１ ファイバーレーザ
１０２ ポンプレーザ
１０３ Ｙｂ添加ダブルクラッドファイバー
１０４ 第１のブラッグ回折格子
１０５ 第２のブラッグ回折格子
１０６ ファイバー
１０７ コリメートレンズ
１０８ フォーカシングレンズ

Claims (9)

1. 波長変換を行なう波長変換レーザ光源において、
   レーザ光線を集光し焦点化して第１の基盤上に設置されるれレーザ光源部と、
   当該レーザ光線の焦点位置に入射面が位置して第２の基盤上に設置される前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換する分極反転型デバイスと、
   を備え、
   前記分極反転型デバイスは、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、かつ、当該両分極領域幅の分極構造の周期が連続的に変化することを特徴とする波長変換レーザ光源。
2. 前記第１の基盤は、温度変化に対応して当該基盤の高さ方向位置が変化し、前記レーザ光線の前記分極反転型デバイスの通過位置が変更されて前記レーザ光線の波長を変換することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
3. 前記第２の基盤は、前記第１の基盤に比較して十分に大きな所定の温度係数を有することを特徴とする請求項２に記載の波長変換レーザ光源。
4. 前記分極構造の周期は、前記レーザ光線の波長の略１０６４ｎｍを半分の波長への変換に対応する周期であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
5. 前記第２の基盤である熱膨張支持材の熱膨張係数をα、熱膨張支持材の長さをＬ、分極反転周期の変化率をβ、温度変化による最適分極反転周期の変化をγとすると、γ＝α×Ｌ×βの関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
6. 前記レーザ光源部のレーザ発振素子は、レーザダイオード励起型ファイバーレーザであることを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ光源。
7. 前記第２の基盤中に圧電部を有し、当該圧電部は、温度変化に対応する駆動電圧が印加され、前記レーザ光線の前記分極反転型デバイスの通過位置を変更し、前記レーザ光線の波長を変換することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
8. 前記第２の基盤中に圧電部を有し、当該圧電部は、前記レーザ光線の温度変化に起因する波長変化に対応して駆動電圧が印加され、前記レーザ光線の前記分極反転型デバイスの通過位置を変更し、前記レーザ光線の波長を変換することを特徴とする請求項１に記載の波長変換レーザ光源。
9. レーザ光源部から出射されるレーザ光線の波長変換を行なうレーザ光波長変換方法において、
   前記レーザ光線を集光し焦点化するステップ、
   前記集光し焦点化されたレーザ光線を所定の温度膨張率を有する基盤上に設置される分極反転型デバイスを用いて前記レーザ光線の基本波を第２高調波に変換するステップ、
   周囲温度に応じて前記レーザ光線が通過する位置を変化して前記分極反転型デバイスの分極構造の周期を変化するステップ、
   を備え、
   前記分極反転型デバイスの分極構造は、順分極領域と反転分極領域とが交互に配置される分極構造を有し、当該分極構造の周期は、前記分極反転型デバイスを通過する位置に応じて連続的に変化することを特徴とするレーザ波長変換方法。
   

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