JP2009181083A - 周期分極反転素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入時の周期分極反転素子の温度をすばやく位相整合温度に制御でき、安定した波長変換レーザ光の発光を可能にする周期分極反転素子モジュールを提供する。
【解決手段】放熱するための基板と、前記基板上に配置した温度調整デバイスと、前記温度調整デバイス上に熱伝導性接着剤にて接着した周期分極反転素子と、前記周期分極反転素子上に接続したサーミスタと、前記サーミスタの検出出力に基づき前記温度調整デバイスの調整温度を指令する温度調整部と、を有する周期分極反転素子モジュール。
【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、高出力が得られるレーザ光源が必要とされていた。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レーザが用いられている。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は、ガスレーザよりもエネルギー変換効率が高い。（例えば、特許文献１参照。）。

このような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)方式の周期分極反転素子を用いた第２高調波発生（ＳＨＧ）が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４参照。）。

これらに用いる周期分極反転素子の形成法としては、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（例えば、特許文献５参照。）。

周期分極反転素子は、温度によって波長変換効率が変化する特性がある。最大変換効率の９０％以上の効率が得られる温度である位相整合温度許容幅は、通常の素子では０．１℃程度と小さい。そのため、周期分極反転素子の温度調整が必要になる。周期分極反転素子を用いたレーザ光源では、安定した波長変換効率を得るためにペルチェ素子により温度を制御する方法が一般的である（例えば、特許文献６参照。）。

図５（ａ）に従来の周期分極反転素子モジュールの側面図を、図５（ｂ）に図５（ａ）中に指示した断面Ａ−Ａを示している。従来の周期分極反転素子モジュールはアルミ材よりなる基板２に接着剤３にて接着されたペルチェ素子４、ペルチェ素子４に熱伝導部材１３を介してホルダ１４がネジ止めされており、ホルダ１４上に周期分極反転素子６が密着されている。周期分極反転素子６と密着しているアルミよりなるホルダ１４は、周期分極反転素子６との熱膨張係数が約１桁異なる。そのため、環境温度の変化によって周期分極反転素子６が割れないように、周期分極反転素子６は板バネ１５によりホルダ１４に押圧することで固定されている。周期分極反転素子６は、ペルチェ素子４、温度をモニターするサーミスタ７、およびＰＩＤ制御を行う温度調整部９によって位相整合温度に温度制御される。
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 特開２００６−３３２４４７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電源を投入して波長変換レーザ光源を起動した直後から周期分極反転素子の温度が位相整合温度に達するまでの時間に遅れが生じる。このような波長変換レーザ光源を映像表示機器に使用すると、電源投入直後の映像は、周期分極反転素子の温度が位相整合温度でないので、映像の色温度や輝度が位相整合温度のものと異なる。このように、従来の波長変換レーザ光源は、電源投入時から周期分極反転素子温度が位相整合温度に達するまでの時間が遅いという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、電源投入時の周期分極反転素子の温度をすばやく位相整合温度に制御でき、安定した波長変換レーザ光の発光を可能にする周期分極反転素子モジュール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、放熱するための基板と、前記基板上に配置した温度調整デバイスと、前記温度調整デバイス上に熱伝導性接着剤にて接着した周期分極反転素子と、前記周期分極反転素子上に接続したサーミスタと、前記サーミスタの検出出力に基づき前記温度調整デバイスの調整温度を指令する温度調整部と、を有することを特徴としたものである。

本発明の周期分極反転素子モジュールによれば、周期分極反転素子を位相整合温度に保ち、常に安定した波長変換が可能である周期分極反転素子モジュールを提供することができる。

以下に、本発明の周期分極反転素子モジュールの実施の形態を、図面とともに詳細に説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について図１を用いて説明する。図１に本実施の形態における周期分極反転素子モジュール１を用いた波長変換レーザモジュールを示す。周期分極反転素子モジュール１は、アルマイト処理を施したアルミ材よりなる基板２、基板２に接着剤３（東レ・ダウコーニング社製シリコーン熱伝導接着剤ＳＥ４４５０）にて接着された、温度を調整するデバイスとしてのペルチェ素子４（フェローテック社製ペルチェ素子９５００／０３５／０４０Ｂ）、ペルチェ素子４に接着剤５（藤倉製ドータイトＤ５００，熱伝導率〜１０Ｗ／ｍＫ）にて直接接着された周期分極反転素子６で構成されている。

本実施の形態における周期分極反転素子６は、マグネシウムをドープしたリチウムナイオベートより作製した。また、周期分極反転素子６には熱伝導接着剤（藤倉製ドータイトＤ５００）によってサーミスタ７およびセラミックよりなるカバー８が接着してある。カバー８は、ペルチェ素子４と同一の形状をしている。

温度調整部９は、サーミスタ７の測定温度を読み取りながら、ペルチェ素子４の加熱／冷却を制御し、サーミスタ７の測定温度が一定になるように制御する。

ファイバーレーザ１０より出射された基本レーザ光１１は集光レンズ１２によって集光されながら周期分極反転素子６に入射する。本実施の形態における基本レーザ光１１の波長は１０６４ｎｍである。周期分極反転素子６は、入射する基本レーザ光１１と擬似位相整合することによって、２次高調波である波長のレーザ光をとりだすことができる。本実施の形態における２次高調波の波長は５３２ｎｍである。

ペルチェ素子４の表面はセラミックで形成されており、その熱膨張係数は約２ｘ１０−７ｍ／℃である。また、カバー８を構成しているセラミックの熱膨張係数は約２ｘ１０−７ｍ／℃である。一方、周期分極反転素子６を形成しているリチウムナイオベートの熱膨張係数は２ｘ１０−７ｍ／℃程度である。

本発明の特徴は、周期分極反転素子６の熱膨張係数にほぼ等しいペルチェ素子４とカバー８とを直接、接着剤で接合したことにある。従来の技術では、ペルチェ素子４と周期分極反転素子６とをホルダを介して結合していた。両者の熱膨張率に着目し、接触面における熱膨張率の差を少なくすることで、直接接着剤で接合しても熱膨張量の差に起因する周期分極反転素子６の割れを防止できる。

また、サーミスタ７上にカバー８を設けているので、周囲温度が大きく変化しても、サーミスタ７は、周囲温度に影響されず周期分極反転素子６の温度を検出することができる。もちろん、周囲温度の変化が小さい使用環境では、カバー８を設けなくても良いことは言うまでもない。

図２は、環境温度２５℃における本実施の形態における周期分極反転素子モジュールの制御温度を横軸、２次高調波の出力を縦軸に示している。図２から、最大変換効率の９０％以上の効率を確保するためには、周期分極反転素子６の温度を３３＋／−０．１℃という非常に狭い温度範囲に保つ必要があることがわかる。

図３は、周期分極反転素子モジュール１を起動した直後の２次高調波の出力を示したものである。本実施の形態では周期分極反転素子モジュール１を起動すると基本レーザ光１１から５Ｗの基本レーザ光１１が周期分極反転素子６に入射するとともに、温度調整部９がサーミスタ７の温度をモニターしながらペルチェ素子４をＰＩＤ制御によって駆動し始める。本実施の形態でのＰＩＤ制御のパラメータはそれぞれＰ＝６．１２、Ｉ＝４．８０、Ｄ＝１．２０であり、ペルチェ素子４への制御電流の上限と下限はそれぞれ２Ａと−２Ａとした。

図３（ａ）は本実施の形態における、ペルチェ素子４に接着剤５にて周期分極反転素子６を接着した場合の結果、図３（ｂ）は、接着剤５を用いずにペルチェ素子４上に周期分極反転素子６を配置した場合の結果である。

図３から、接着剤５を用いて接着しなかった場合には、レーザ点灯後の出力がゆらいでしまっていることが分かる。これは、ペルチェ素子４による温度の調整が短時間では収束していないためであり、ペルチェ素子４と周期分極反転素子６とが熱伝導接着されていないために熱抵抗が高くなっているからである。一方、本実施の形態における構成では、熱伝導性の接着剤５で密着し、ペルチェ素子４と周期分極反転素子６との間の低熱抵抗を実現しているので、レーザ点灯後すぐに所望の出力を得ることができた。

このように、基本レーザ光１０と効率９０％以上で位相整合させるためには、＋／−０．１℃程度の範囲で周期分極反転素子６の温度を制御する必要があるが、本実施の形態のようにペルチェ素子４に直接、熱伝導性の接着剤５にて周期分極反転素子６を接着することで、周期分極反転素子６とペルチェ素子４との間の熱抵抗を小さくすれば、周期分極反転素子６の温度を＋／−０．１℃で制御し、効率９０％以上の安定した出力を得られることが確認できた。

加えて、本実施の形態における周期分極反転素子６は長さ３２ｍｍ、ペルチェ素子４の長さは３０ｍｍであり、周期分極反転素子６の両端は１ｍｍずつ、ペルチェ素子４より突出するように構成した。このように周期分極反転素子６の両端面を接着部材、本実施の形態ではペルチェ素子４から突出させることにより、周期分極反転素子６を接着剤５にて接着する際に、周期分極反転素子６の端面に接着剤が回りこみ、レーザ光の入射、出射がさまたげられないようにすることができる。

加えて、周期分極反転素子６を接着剤５を用いて接着する場合には、周期分極反転素子６を接着した後に、接着剤３、接着剤５の脱ガスのためのベーク処理を施すことが望ましい。

図４は、周期分極反転素子モジュール１を温度５５℃、湿度８５％の高温高湿環境で１００時間のレーザ発光試験を行った際の、周期分極反転素子６の端面の写真である。

図４（ａ）は、周期分極反転素子モジュール１を組み立てた後、接着剤の脱ガスのためのベーク処理を行わずにレーザ発光試験を行った場合、図４（ｂ）は周期分極反転素子モジュール１を組み立てた後に１７５℃にて１時間の接着剤の脱ガスベーク処理を行ってからレーザ発光試験を行った場合である。図４（ａ）では端面に付着物が観察されているが、図４（ｂ）では付着物が検出されなかった。

図４（ａ）のように周期分極反転素子６の端面に付着物が付着すると、周期分極反転素子６への基本レーザ光１１の入射および、周期分極反転素子６からの２次高調波の出射を阻害するので、本実施の形態のように接着剤を用いて基板２、ペルチェ素子４、周期分極反転素子６を接着にて固定する際には、接着後のベーク処理を行うことが望ましい。

なお、本実施の形態では、接着剤３に東レ・ダウコーニング社製シリコーン接着剤ＳＥ４４５０、接着剤５に藤倉製ドータイトＤ５００を用いて接着したが、接着剤５として熱硬化型の熱伝導性接着剤、例えばダイエマット社製ＤＭ６０３０ＳＦ（熱伝導率〜２０Ｗ／ｍＫ）等を用いた際には、接着剤５を硬化させるために１７５℃にて約１時間ほどの加熱が必要であるため、接着剤5の硬化と発ガスを抑制するためのベーク処理を同時に行うことができる。さらに本実施の形態では発ガスが発生するのでベークが必要であったが、発ガスの少ない接着剤を用いた場合にはベークは必ずしも必要ではない。

本発明にかかる周期分極反転素子モジュールは、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。

本発明に係る実施の形態１の波長変換モジュールを示す図 周期分極反転素子の温度と２次高調波の関係を示す図 ２次高調波の出力を示す図 周期分極反転素子の端面を示す図 従来の波長変換モジュールを示す図

符号の説明

１ 周期分極反転素子モジュール
２ 基板
３ 接着剤
４ ペルチェ素子
５ 接着剤
６ 周期分極反転素子
７ サーミスタ
８ カバー
９ 温度調整部
１０ ファイバーレーザ
１１ 基本レーザ光
１２ 集光レンズ
１３ 熱伝導部材
１４ ホルダ
１５ 板バネ

Claims (7)

1. 放熱するための基板と、
   前記基板上に配置した温度調整デバイスと、
   前記温度調整デバイス上に熱伝導性接着剤にて接着した周期分極反転素子と、
   前記周期分極反転素子上に接続したサーミスタと、
   前記サーミスタの検出出力に基づき前記温度調整デバイスの調整温度を指令する温度調整部と、を有する周期分極反転素子モジュール。
2. 前記基板は、アルマイト処理したアルミニウムからなる請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。
3. 温度調整デバイスは、ペルチェ素子である請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。
4. 前記熱伝導性接着剤は、シリコーン、銀、アルミ、銅のいずれかの金属を含む請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。
5. 前記熱伝導接着剤は、前記温度調整デバイスと前記周期分極反転素子とを接着後、ベーク処理されている請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。
6. 前記周期分極反転素子は、その入射光側端面と出射光側端面がともに前記温度調整デバイスより突出している請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。
7. 前記サーミスタの上部にセラミックからなり前記温度調整デバイスと同一の形状を持つカバーを前記温度調整デバイスと合わせるように接続する請求項１に記載の周期分極反転素子モジュール。

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