JP2009181083A - 周期分極反転素子モジュール - Google Patents
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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
【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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008022333A JP2009181083A (ja) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | 周期分極反転素子モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008022333A JP2009181083A (ja) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | 周期分極反転素子モジュール |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009181083A true JP2009181083A (ja) | 2009-08-13 |
Family
ID=41035072
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008022333A Pending JP2009181083A (ja) | 2008-02-01 | 2008-02-01 | 周期分極反転素子モジュール |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009181083A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013050640A (ja) * | 2011-08-31 | 2013-03-14 | Shimadzu Corp | 温度制御装置 |
JP2017219401A (ja) * | 2016-06-07 | 2017-12-14 | アズビル株式会社 | 熱式流量センサの製造方法 |
WO2021214897A1 (ja) * | 2020-04-22 | 2021-10-28 | 日本電信電話株式会社 | 波長変換装置 |
-
2008
- 2008-02-01 JP JP2008022333A patent/JP2009181083A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2017219401A (ja) * | 2016-06-07 | 2017-12-14 | アズビル株式会社 | 熱式流量センサの製造方法 |
WO2021214897A1 (ja) * | 2020-04-22 | 2021-10-28 | 日本電信電話株式会社 | 波長変換装置 |
JPWO2021214897A1 (ja) * | 2020-04-22 | 2021-10-28 | ||
JP7319582B2 (ja) | 2020-04-22 | 2023-08-02 | 日本電信電話株式会社 | 波長変換装置 |
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