JP2009518842A - 先細りにされている導波路の区域を有する光励起導波路レーザ - Google Patents

Abstract

本発明は、光学伝搬層３、４及び２つの共振器ミラー６、７を備えている導波路を有する光励起導波路レーザ２に関する。伝搬層３、４は、少なくとも前記導波路の区域に沿った利得媒体から成り、前記利得媒体は、入射励起光の上方変換又は下方変換を可能にする。前記共振器ミラーの一方は、前記導波路の第１端面８を介した前記導波路レーザの端面励起を可能にするよう、前記励起光に対して少なくとも部分的に透過的である。伝搬層３、４は、第１端面８から第２端面９に向かって始まる前記導波路の第１区域において減少されている幾何学的な幅を有し、これにより、第２端面９に向かって前記第１区域内を伝搬する前記入射励起光のエネルギ密度を増大させる。提案される導波路レーザにおいて、前記励起光は、前記導波路の前記第１区域内に集中され、この結果、高いエネルギ密度が得られ、前記レーザ閾値を低下させる及び前記効率を向上させる。伝搬層３、４は、伝搬層３、４よりも低い屈折率を有するクラッド材料５によって囲まれている。

Description

本発明は、共振器キャビティを形成する光学伝搬層及び２つの共振器ミラーを備える導波路を有する光励起導波路レーザ（optically pumped waveguide laser）であって、前記伝搬層は、少なくとも前記導波路の１つの区域に沿った利得媒体から構成されており、前記利得媒体は、入射励起光の上方変換又は下方変換を可能にし、前記第１の共振器ミラーは、前記導波路の第１端面を介した前記導波路レーザの端面励起（end pumping）を可能にするように前記励起光に対して少なくとも部分的に透過的である、光励起導波路レーザに関する。本発明は、赤外線（ＩＲ）又は深い青色の波長範囲におけるレーザダイオード又はレーザダイオード棒体から発せられた光の可視波長範囲への上方変換又は下方変換に特に便利である。

波長変換は、ＩＲ又は深い青色の波長の範囲において最も効率的である半導体光源から可視放射を生成するのに重要な技術である。この上方又は下方変換の処理は、前記半導体レーザによって光励起された導波路レーザによって実現されることができる。このような導波路レーザは、典型的には、前記導波路の前記２つの端面に配されている２つの共振器ミラー間に光学伝搬層を持つ導波路を有している。前記伝搬層は、利得媒体（活性化媒体とも呼ばれる）から構成されており、前記利得媒体は、入射励起光の上方変換又は下方変換を提供する。前記伝搬層は、前記伝搬層の材料よりも低い屈折率を有する材料によって包囲されている。この包囲している材料は、クラッド層としても知られている。このような導波路レーザにおいて、前記入射励起光は、前記利得媒体によって吸収され、異なる波長、即ち前記導波路レーザのレージング波長の光に変換される。

上方変換処理に基づく導波路レーザは、例えば、国際特許出願公開第2005/022708号又は米国特許第5,379,311号に記載されている。両方の文献において、前記導波路レーザは、レーザダイオード又はレーザダイオード棒体によって前記共振器ミラーの一方を介して端面励起されている。前記導波路の入力断面、即ち前記導波路の伝搬層の入力断面は、前記レーザダイオードによって発せられる励起光を前記導波路レーザの伝搬層に効率的に結合導入するために、前記レーザダイオードの出口以上の大きさであるように、選択されている。この伝搬層の断面は、前記導波路の２つ端面間において一定に留まっている。

如何なるレーザの効率も、前記レーザの閾値に到達するのに必要な入力パワーの量と、前記閾値よりも高い異なる効率とによって決定される。レーザ活性は、反転分布を必要とし、即ち前記レーザの遷移の基底状態におけるものよりも大量のイオンが、励起状態にあらなければならない。励起エネルギ密度（pump energy density）が高いほど、より容易にこの条件に到達する。

本発明の目的は、特に可視放射のための、改善された効率を有する導波路レーザを提供することにある。

当該目的は、添付の請求項１に記載の前記光励起された導波路レーザによって達成される。この導波路レーザの有利な実施例は、添付の従属請求項の主題であり、又は後続する部分の記載及び例において記載される。

提案される当該光励起された導波路レーザは、共振器キャビティを形成するための光学伝搬層及び２つの共振器ミラーを備える導波路を有している。前記伝搬層は、少なくとも前記導波路の１つの区域に沿った利得媒体から構成されており、前記利得媒体は、入射励起光の上方変換又は下方変換を提供する。前記第１の共振器ミラーは、前記導波路の第１端面を介して前記導波路レーザの端面励起を可能にするように、前記励起光に対して少なくとも部分的に透過的である。本発明の導波路は、前記伝搬層が、前記導波路の第１区域内の前記第１端面から開始して第２端面に向かう少なくとも一次元において減少された幾何学的な幅又は断面を有し、これにより、前記第１区域の端部における前記入射励起光のエネルギ密度を増大させることを特徴とする。

この導波路レーザを動作させる場合、好ましくは１つ又は幾つかのレーザダイオードからの、前記のような光学励起光は、前記導波路の第１端面を介して前記第１区域に結合導入される。前記入射励起光の伝搬方向における前記伝搬層の幾何学的な幅の減少によって、エネルギ密度が前記第１区域の端部におけるより小さい体積内に圧縮される。このことは、前記のようなレーザの閾値を低下させ、当該装置の効率を向上させる。従って、本発明において、必要とされる入力パワーは、前記伝搬層の特別な幾何的な形状によって生じる前記導波路内部における前記励起光の前記パワー密度の上昇によって、減少される。

提案される当該導波路レーザの好適実施例において、１つ又は幾つかのレーザダイオード（好ましくはレーザダイオード棒体）が、前記導波路レーザのための前記励起源として使用される。高いパワー要件のために、例えば、約１μｍの厚さと、５０μｍと２００μｍとの間の幅とを有する幅広いストライプ状発光体（broad stripe emitter）が、使用されることができる。小さい幾何学的な程度の方向におけるこのようなレーザダイオード装置の広がり角は、典型的には、２ｘ３０°から２ｘ５０°である。前記のような巨大な開きのために、この軸は、速軸とも呼ばれる。他方の軸（遅軸と呼ばれる）の方向において、前記のような開きは、かなり小さく、例えば２ｘ６°である。この角度の振る舞いは、当該導波路レーザの前記導波路に沿って進行する励起放射のために保存される。上述の好適な実施例において、前記伝搬層の前記幾何学的な幅は、ダイオード励起レーザの前記遅軸の方向のみにおいて減少される。このことは、前記導波路が、前記レーザダイオードによって発せられる前記励起ビームの最大部における効率的な結合のために設計がされていることを考慮に入れている。従って、前記伝搬層の材料と、前記伝搬層の材料よりも低い光学屈折率を有する、前記伝搬層を包囲している媒体の材料とは、前記速軸の励起放射の適切な誘導を保証するのに十分高い屈折率における違いを提供するように選択される。当該実施例は、前記励起ビームの強い非対称性の角度分布を使用している。前記速軸の放射の誘導が、前記屈折率の適切な選択によって取り扱われる一方で、はるかに低い広がりを有する前記遅軸は、重大ではない。従って、前記伝搬層の前記幾何学的な形状は、前記伝搬層の境界における前記遅軸放射の入射角が、前記のような境界の層における速軸放射の入射角を超えない限り、この遅軸の方向において上述の意味において形成されることができる。このことは、この方向における前記伝搬層の前記幾何学的な幅が、５乃至１０分の１に減少されることができることを意味する。

前記伝搬層の前記幾何学的な幅又は断面の減少は、前記導波路の前記第１区域におけるこの伝搬層の先細りにされている幾何学的形状を生じる。前記のような幅の減少は、線形的な減少であっても良く、又は小さい体積内への前記入射レーザ励起光の集中を生じる何らかの他の適切な形状を有していても良い。一つの好適な実施例において、この先細りにされた区域は、放物線形状を有しており、最も好ましくは複合放物線状集光器（ＣＰＣ）の形状を有している。前記幾何学的な断面の減少は、前記導波路に沿って進行する前記励起光の前記伝搬層の境界への入射角を増大させる。好ましくは、幾何学的な断面又は幅の減少は、角度×寸法の量が保存されるように選択される。ここで、寸法とは、前記伝搬層の幅を意味する。この条件は、上述の複合放物線状集光器によって実行されることができる。理想的な集光器の形状ための適切な設計の式は、例えば、参照することにより本明細書に組み込まれるW. T. Welfordらによる「High Collection Nonimaging Optics」（1989年）の、特に第４章又は付録Ｄ及びＥにおいて見つけられることができる。

当該導波路レーザにおいて、前記導波路は、前記第１端面から開始する第１区域と、前記第１区域を前記導波路の第２端面に接続する第２区域とを有している。前記伝搬層の先細りにされている形状は、前記導波路の前記第１区域に利用される。好ましくは、前記伝搬層は、前記第２区域全体にわたって一定の断面又は幅を有する。前記伝搬層は、前記導波路全体にわたって、即ち前記第１区域及び前記第２区域全体にわたって利得媒体によって形成されることができる。しかしながら、好適実施例において、前記伝搬層は、前記第２区域内の前記利得媒体のみから成る。このことは、例えば、十分に高い濃度において適切な元素をドープされた場合のみに利得媒体として振舞う、ＺＢＬＡＮのような、前記伝搬層内の適切なホスト材料を使用することによって、実現されることができる。この場合において、このホスト材料は、前記第２領域において適切な元素をドープされているのみである。このような要素の例は、希土類イオンであり、好ましくはＥｒ^＋である。ＥｒドープされたＺＢＬＡＮは、赤外線励起光のための利得媒体として機能する。前記伝搬層の基本材料としてのＺＢＬＡＮの場合、包囲している材料も、屈折率の必要な差分を達成するように、異なる化学量論的組成を有するＺＢＬＡＮから構成され得る。

前記導波路レーザと前記ダイオード励起レーザ又はレーザ棒体とは、同じ基板上又は別個の基板上に位置されることができる。前記基板は、ガラス材料、セラミック材料及び/又は金属（例えば、銅）からできていても良い。好ましくは、前記ダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体は、赤外線又は深い青色の波長領域において励起光を発し、前記利得媒体は、前記励起光が前記可視領域（例えば青、緑又は赤色放射）における光に変換されるように、選択される。前記導波路の前記共振器ミラーは、好ましくは、前記導波路端面におけるダイクロックコーティングの形態において実現される。前記導波路レーザの一実施例において、前記導波路の前記第１区域と前記第２区域との間に前記第１の共振器ミラーを配することも可能である。この場合において、前記第１の端部ミラーは、好ましくは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）として形成され、前記共振器キャビティは、前記導波路の前記第２区域のみを有する。前記第１の共振器ミラーは、到来する励起光に対しては高い透過性を有すると共に、前記導波路レーザの生成されるレーザ光に対しては、高い反射性を有するように、作られる。前記第２のミラーは、生成されるレーザ光の一部を結合導出することができるように前記レーザ光に対して部分的に透過的である。

本明細書及び添付の請求項において、「有する」という語は、他の構成要素又はステップを排除するものではなく、単数形の構成要素は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。前記請求項における如何なる符号も、これらの請求項の範囲を限定するようにみなしてはならない。

以下の記載は、本発明の範囲を限定することなく、添付図面を参照しての、提案される導波路レーザの模範的実施例に関するものである。

図１は、本発明による導波路レーザの第１の実施例の概略図である。この概略図は、ダイオードレーザの励起光の遅軸方向に対して垂直なものである。速軸方向に対して垂直な概略図は、図４に示されている。これらの図は、導波路レーザ２の第１端面８の近くに出射面が配されているダイオードレーザ棒体１を示している。導波路レーザ２は、伝搬層３、４よりも低い屈折率を有するクラッド材料５によって包囲されている伝搬層３、４を有する。

図から分かるように、前記伝搬層の幅は、導波路レーザ２の第１区域において大幅に減少されており、次いで、この導波路レーザの第２区域にわたって一定に留まっている。前記伝搬層の先細りにされている部分３は、複合放物線状集光器の形状を有しており、従って、導波路レーザ２に対する励起光の入射を前記伝搬層の前記第２部分４内の小さい体積内に集中させる。ダイオードレーザ棒体１の励起光のこの集中により、前記導波路内のエネルギ密度は増大し、前記レーザ閾値に、更に容易に到達する。更に、前記導波路レーザによって発せられるエネルギの密度は、高い。前記伝搬層は、ダイオードレーザ棒体１の発光幅にほぼ等しい導波路レーザ２の第１端面８における幅を有して開始している。導波路レーザ２のこの側に、第１の共振器ミラー６が配されており、ダイオードレーザ棒体１の波長を伝達する。伝搬層３、４は、励起波長を強く吸収すると共に可視波長範囲において発光する利得媒体から成る。第１の共振器ミラー６が、導波路レーザ２の第２端面９における第２の共振器ミラー７と一緒に、図４に示されている。この側において、可視レーザ光は、示されている方向に導波路レーザ２から発せられる。図１及び４の比較から分かるように、伝搬層３、４の幅は、ダイオードレーザ光の遅軸の方向に減少されている。

図２は、更なる例であって、前記伝搬層の先細りにされている部分３の形状においてのみ、図１の例とは異なっている例を示している。図２の例において、この先細りにされている部分は、単純に先細りにされており、即ち前記幅は、線形に減少する。この場合において、角度×寸法の量のみが、先細りにされている部分３に渡っておおよそ保存されている。この実施例によって実現されている横方向の寸法における減少は、図１におけるものよりも幾分か小さい。

図３は、提案される導波路レーザの第３の実施例を示しており、伝搬層３、４は、図１の伝搬層３、４と幾何学的に同一である。しかしながら、図３の実施例において、前記伝搬層の第２部分４のみが、利得媒体を提供している。このことは、両方の部分における前記伝搬層の適切なホスト材料の選択によって実現され、この結果、第２部分４のみが、レーザの利得をつかさどる希土類イオンを十分にドープされている。この実施例の有利な点は、前記伝搬層の先細りにされている部分３における比較的大きい体積が、励起されることがないことであり、即ち前記励起光が、この部分において吸収されずに、この結果、前記導波路レーザの閾値が、更に低下される。この実施例は、前記伝搬層の、当該伝搬層の異なる部分に異なるドープレベルを与える特別な堆積過程が必要である。この第３の実施例において、第１の共振器ミラー６は、前記伝搬層の第１端面８に配されていても良く、又は、ＤＢＲとして、第１部分３と第２部分４との間に配されていても良い。後者は、図３において破線で示されている。

一般的に、このような導波路レーザは、基板上への薄膜の堆積と、横方向における前記導波路の所望の層の後続する構成とによって製造されることができる。この発明において記載されている特別な形状は、直接描画（direct writing）又は標準的なリソグラフィ技術によって容易に達成されることができる。

提案される導波路レーザの第１の実施例の概略図である。 提案される導波路レーザの第２の実施例の概略図である。 提案される導波路レーザの第３の実施例の概略図である。 提案される導波路レーザの例の模式的な側面図である。

符号の説明

１ ダイオードレーザ棒体
２ 導波路レーザ
３ 伝搬層の第１部分
４ 伝搬層の第２部分
５ クラッド材料
６ 第１の共振器ミラー
７ 第２の共振器ミラー
８ 第１端面
９ 第２端面

Claims (10)

1. 共振器キャビティを形成する光学伝搬層及び２つの共振器ミラーを備える導波路
   を有する光励起導波路レーザであって、
   前記のような伝搬層は、前記導波路の少なくとも１つの区域に沿った利得媒体であって、入射励起光の上方変換又は下方変換を提供する利得媒体から成り、
   前記共振器ミラーの第１のものは、前記導波路の第１端面を介した前記のような導波路レーザの端面励起を可能にするように前記励起光に対して少なくとも部分的である、
   光励起導波路レーザにおいて、
   前記伝搬層の幅が、前記第１端面から第２端面に向かって始まる前記導波路の第１区域において減少されていることを特徴とする、
   光励起導波路レーザ。
2. 前記導波路レーザは、ダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体に、前記ダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体によって前記導波路レーザを端面励起するために結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の導波路レーザ。
3. 前記ダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体は、ＩＲ又は深い青色の波長領域における励起光を発することを特徴とする、請求項２に記載の導波路レーザ。
4. 前記伝搬層の幅は、前記励起光の遅軸の方向に減少されていることを特徴とする、請求項２に記載の導波路レーザ。
5. 前記幅は、複合放物線状集光器（ＣＰＣ）の幾何学的な形状に従って減少されていることを特徴とする、請求項１又は４に記載の導波路レーザ。
6. 前記幅は、線形に減少されていることを特徴とする、請求項１又は４に記載の導波路レーザ。
7. 前記伝搬層は、前記導波路の第２区域に沿って一定の幅又は断面を有しており、前記第２区域は、前記導波路の前記第１区域と前記第２端面とを相互接続していることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載の導波路レーザ。
8. 前記第１区域において、前記伝搬層は、前記利得媒体とは異なる材料から成り、前記材料は、前記励起光を吸収しない、又は前記励起光に対して前記利得媒体の吸収係数よりも低い吸収係数を有することを特徴とする、請求項７に記載の導波路レーザ。
9. 前記伝搬層は、前記第２区域にわたって前記利得媒体から成ることを特徴とする、請求項７又は８に記載の導波路レーザ。
10. 前記利得媒体は、ＥｒドープされているＺＢＬＡＮであり、前記導波路レーザは、ＩＲスペルトル範囲における励起光を発するダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体に、前記ダイオードレーザ又はダイオードレーザ棒体による前記導波路レーザの端面励起のために結合されている、請求項１又は４に記載の導波路レーザ。

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