JP2010080927A - Laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、UV光または可視光などの短波長のレーザを発生させる装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for generating a laser having a short wavelength such as UV light or visible light.
現在、加工・通信・計測などの多くの分野でレーザが用いられるようになってきた。最近では、光技術の進展に伴い、UVや可視波長のような、より短波長なレーザが必要とされている。特に、半導体の製造、蛍光顕微鏡分野、医療・バイオ用途などの分野では、UV〜可視波長のレーザが必要不可欠になりつつある。 At present, lasers are used in many fields such as processing, communication, and measurement. Recently, with the progress of optical technology, lasers with shorter wavelengths such as UV and visible wavelengths are required. In particular, in the fields of semiconductor manufacturing, fluorescent microscope field, medical and biotechnology, lasers with UV to visible wavelengths are becoming indispensable.
しかし、現存する高出力レーザのほとんどは、特に近赤外〜赤外の波長領域にあり、例えば、Ti:Sapphireレーザ(650nm〜1100nm)、Nd:YAGレーザ(1064nm)、半導体レーザ(波長808nm、915nm、960nm、970〜980nm、等)などが挙げられる。
However, most existing high-power lasers are particularly in the near-infrared to infrared wavelength region, for example, Ti: Sapphire laser (650 nm to 1100 nm), Nd: YAG laser (1064 nm), semiconductor laser (
可視波長領域で直接発光する半導体レーザは少なく、チッ化ガリウム系半導体光源による380〜500nm、赤半導体635nm、650nm帯など、限られたものしかない。これらの波長以外で、現在入手できる可視レーザのほとんどは、上記の高出力な近赤外レーザを波長変換することにより得られている(非特許文献1)。 There are few semiconductor lasers that directly emit light in the visible wavelength region, and there are only limited semiconductor lasers such as 380 to 500 nm, red semiconductor 635 nm, and 650 nm bands using a gallium nitride semiconductor light source. Other than these wavelengths, most visible lasers that are currently available are obtained by wavelength conversion of the high-power near-infrared laser (Non-Patent Document 1).
波長変換には非線形光学結晶(BBO結晶、LBO結晶等)や分極反転素子(PPLN等)などの波長変換デバイスが用いられる。 For wavelength conversion, a wavelength conversion device such as a nonlinear optical crystal (BBO crystal, LBO crystal, etc.) or a polarization inversion element (PPLN, etc.) is used.
しかし、非線形光学結晶を用いた場合、基本波と高調波の進行方向が異なる(いわゆるウォークオフ)ため、高効率な波長変換が得られない。また、分極反転素子を用いた場合にも、分極反転の周期構造の不均一や素子温度の変化などに起因した損失が必ず発生する。以上から分かるように、現存しない可視波長のレーザを波長変換により生成する場合、基本波となる近赤外レーザを新たに作製し、かつ、非線形光学結晶または分極反転素子を新たに設計し、さらには、波長変換デバイスの温度調節を正確に行う必要があり、極めて困難である。 However, when a nonlinear optical crystal is used, high-efficiency wavelength conversion cannot be obtained because the traveling directions of the fundamental wave and the harmonic wave are different (so-called walk-off). Even when a polarization reversal element is used, a loss due to non-uniformity of the periodic structure of the polarization reversal or a change in element temperature always occurs. As can be seen from the above, when a laser with a visible wavelength that does not exist is generated by wavelength conversion, a near-infrared laser as a fundamental wave is newly produced, and a nonlinear optical crystal or a polarization inversion element is newly designed. However, it is necessary to accurately adjust the temperature of the wavelength conversion device, which is extremely difficult.
また、可視光レーザを得る他の手段として、アップコンバージョン現象を用いる方法がある。この方法は、所望の発光波長よりも長い波長の励起光を、希土類イオンに多段階に吸収させることによって、より短波長の光を得る方法である(非特許文献2)。しかし、アップコンバージョンによる発光は、多段階の吸収過程を必要とするが故に、途中の準位から所望の準位以外へと電子状態が遷移してしまうので、その分の励起エネルギーを損失してしまう。 As another means for obtaining a visible light laser, there is a method using an upconversion phenomenon. This method is a method of obtaining light having a shorter wavelength by causing the rare earth ions to absorb excitation light having a wavelength longer than the desired emission wavelength in multiple stages (Non-Patent Document 2). However, since light emission by up-conversion requires a multi-step absorption process, the electronic state transitions from an intermediate level to a level other than the desired level, so the excitation energy is lost accordingly. End up.
高効率なレーザ発振を得るための1つの手段は、レーザ発振の上準位以上を直接励起することである。最近、波長445nmのチッ化ガリウム系半導体レーザを励起光源としたPr3+添加フッ化物ファイバレーザ(レーザ発振波長635nm)が提案されている(非特許文献3)。波長445nm付近は、Pr3+イオンの吸収帯にまさに一致している上、635nm帯のレーザ発振は4準位系のレーザ発振であるため、基底準位吸収(GSA)がなく、容易にレーザ発振させることができる。しかし、その他の希土類において、半導体レーザで直接上準位を励起してレーザ発振させることが困難であり、今までに報告がない。 One means for obtaining highly efficient laser oscillation is to directly excite the upper level or higher of the laser oscillation. Recently, a Pr 3+ doped fluoride fiber laser (laser oscillation wavelength: 635 nm) using a 445 nm wavelength gallium nitride semiconductor laser as an excitation light source has been proposed (Non-patent Document 3). The wavelength around 445 nm is exactly the same as the Pr 3+ ion absorption band, and the laser oscillation in the 635 nm band is a four-level laser oscillation, so there is no ground level absorption (GSA) and laser oscillation is easy. Can be made. However, in other rare earths, it is difficult to excite the upper level directly with a semiconductor laser to cause laser oscillation, and there has been no report so far.
また、非特許文献3では、チッ化ガリウム系半導体レーザのビーム形状を整形する際に、アナモルフィックプリズム対を利用している。アナモルフィックプリズム対を用いた光学系では、プリズムにより光軸がシフトするため非点収差が発生する。特に、励起光を光導波路等に集光する場合、この非点収差が結合効率を悪化させてしまう。 In Non-Patent Document 3, an anamorphic prism pair is used when shaping the beam shape of a gallium nitride based semiconductor laser. In an optical system using an anamorphic prism pair, astigmatism occurs because the optical axis is shifted by the prism. In particular, when the excitation light is condensed on an optical waveguide or the like, this astigmatism deteriorates the coupling efficiency.
また、チッ化ガリウム系半導体光源として、チッ化ガリウム(GaN)半導体の他に、アルミニウムが添加されているチッ化アルミニウムガリウム(GaAlN)半導体、インジウムが添加されているチッ化インジウムガリウム(GaInN)半導体を用いる光源が知られており、チッ化ガリウム(GaN)のバンドギャップは360nmであり、In(インジウム)を加えると発光波長は長波長側にシフトし、Al(アルミニウム)を加えると発光波長は短波長側にシフトすることが知られている(非特許文献4)。 Further, as a gallium nitride semiconductor light source, in addition to a gallium nitride (GaN) semiconductor, an aluminum gallium nitride (GaAlN) semiconductor to which aluminum is added, and an indium gallium nitride (GaInN) semiconductor to which indium is added Is known, and the band gap of gallium nitride (GaN) is 360 nm. When In (indium) is added, the emission wavelength shifts to the longer wavelength side, and when Al (aluminum) is added, the emission wavelength is It is known to shift to the short wavelength side (Non-Patent Document 4).
上記のように、レーザ媒質の発光波長が所望の波長帯域(UVや可視領域)にない場合、異なる波長帯の既存レーザに対して、必ず損失を伴う波長変換手段をとる必要がある。たとえ既存のレーザ波長と波長変換デバイスの組み合わせたとしても、得ることのできないレーザ波長帯も存在することは言うまでもない。 As described above, when the emission wavelength of the laser medium is not in a desired wavelength band (UV or visible region), it is necessary to always use wavelength conversion means with loss for existing lasers in different wavelength bands. It goes without saying that there are laser wavelength bands that cannot be obtained even if the existing laser wavelength and wavelength conversion device are combined.
また、 アップコンバージョン現象を用いて所望の波長帯域(UVや可視領域)の発光を得る場合においても、複数の励起過程を経る間に、一部の励起エネルギーを失ってしまうので効率的ではない。 Even when light emission in a desired wavelength band (UV or visible region) is obtained using the up-conversion phenomenon, some excitation energy is lost during a plurality of excitation processes, which is not efficient.
唯一、GSAが存在しないため、レーザ発振させることができるPr3+を用いたレーザにおいては、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いた上準位を直接励起する方法が報告されているが、アナモルフィックプリズム対を利用するため非点収差が発生し、結合効率を悪化する。さらにその他の希土類において、直接上準位を励起してレーザ発振させる報告されておらず、UVおよび可視波長領域のレーザ装置は限られている。 Since there is no GSA, in the laser using Pr 3+ that can oscillate the laser, a method of directly exciting the upper level using a gallium nitride semiconductor laser has been reported, but anamorphic is reported. Astigmatism occurs due to the use of the prism pair, and the coupling efficiency deteriorates. Further, other rare earths have not been reported to directly excite the upper level for laser oscillation, and laser devices in the UV and visible wavelength regions are limited.
本発明では、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、直接上準位を励起することにより、UV光または可視光領域のレーザを発生させることができるレーザ装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a laser device capable of generating a laser in the UV light or visible light region by directly exciting the upper level without using wavelength conversion means and up-conversion phenomenon. .
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、波長変換手段およびアップコンバージョン現象を用いずに、種々の希土類元素を用いて、UV光・可視光領域のレーザが構成できることを見出し、本発明に至ったものである。 As a result of intensive studies, the present inventors have found that lasers in the UV light / visible light region can be configured using various rare earth elements without using wavelength conversion means and up-conversion phenomenon. It has come.
すなわち本発明は、励起光源と、該励起光源から放出される励起光を透過し且つ励起光の波長を除く所望の波長帯の光を反射する第1のミラーと該所望の波長帯の光を反射する第2のミラーが対向して設置され、さらに第1のミラーと第2のミラーの光路間に該励起光により発光するレーザ媒質が配置されている共振器を備えるレーザ装置において、励起光源に、励起光の波長が340nm〜500nmの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともEr3+、Ho3+、Sm3+、Tm3+、Dy3+、Eu3+、Tb3、またはNd3+のいずれか1種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置を提供するものである。 That is, the present invention provides an excitation light source, a first mirror that transmits excitation light emitted from the excitation light source and reflects light in a desired wavelength band excluding the wavelength of the excitation light, and light in the desired wavelength band. An excitation light source in a laser device comprising a resonator in which a second mirror to be reflected is disposed opposite to each other and a laser medium that emits light by the excitation light is disposed between the optical paths of the first mirror and the second mirror In addition, a gallium nitride semiconductor light source having a wavelength of excitation light in the range of 340 nm to 500 nm, a laser medium, at least Er 3+ , Ho 3+ , Sm 3+ , Tm 3+ , Dy 3+ , Eu 3+ , Tb 3 , or one kind is using an addition has been and fluoride glass or fluoride crystal of Nd 3+, and provide a laser apparatus, wherein a laser oscillation wavelength is longer than the excitation wavelength Is shall.
さらには、該共振器の光路中に、該所望の波長帯においてシングルモードとなる光導波路が少なくとも1つ挿入されていることを特徴とする記載のレーザ装置、該レーザ媒質が光導波路のコア部を形成すること特徴とするレーザ装置、または該レーザ媒質の片端または両端に石英系ガラスからなる光導波路が接続されていることを特徴とするレーザ装置を提供するものである。 Furthermore, at least one optical waveguide that becomes a single mode in the desired wavelength band is inserted in the optical path of the resonator, and the laser medium is a core portion of the optical waveguide The present invention provides a laser device characterized in that an optical waveguide made of silica glass is connected to one or both ends of the laser medium.
本発明により、UV光または可視光領域のレーザ発振を高効率に得ることが可能となる。 According to the present invention, laser oscillation in the UV light or visible light region can be obtained with high efficiency.
本発明における実施形態の例を、図1を用いて示す。図1の例は、励起光源101、集光レンズ102、励起光透過/レーザ光反射フィルタ103、希土類添加フッ化物ガラスファイバ104、レーザ光部分反射ミラー105により構成される。励起光源101より放出される励起光は、集光レンズ102により集光され、希土類添加フッ化物ガラスファイバ104の端面104−aへ結合される。励起側のファイバ端104−aは直角に研磨されており、励起光透過/レーザ光反射フィルタ103に隙間なく密着させられている。出力側のファイバ端104−bも直角に研磨されており、レーザ光部分反射ミラー105に隙間なく密着させられている。
An example of an embodiment of the present invention is shown using FIG. 1 includes an
希土類添加フッ化物ガラスファイバ104へ結合された励起光は、希土類添加フッ化物ガラスファイバ104内を伝搬する間に吸収され、自然放出光(ASE光)を放出する。ASE光は励起光透過/レーザ光反射フィルタ103およびレーザ光部分反射ミラー105により構成された共振器中を往復することによりレーザ光となり、一部がレーザ光部分反射ミラー105を透過して出力される。
The excitation light coupled to the rare earth-added
集光レンズ102、励起光透過/レーザ光反射フィルタ103は、励起光の波長においてARコーティングされていることが望ましい。レーザ光部分反射ミラー105の反射率は、該ミラー105を透過して出力されるレーザ光が最大になるように定められるのが望ましい。
The
ファイバ端面(104−aまたは104−b)と励起光透過/レーザ光反射フィルタ103またはレーザ光部分反射ミラー105との密着面に空気層ができると、該ファイバ端面のコアと空気の屈折率差に起因するフレネル反射が生じ、所望の波長帯以外でレーザ発振してしまう可能性があるため、励起光透過/レーザ光反射フィルタ103またはレーザ光部分反射ミラー105に密着させるファイバ端の研磨面は、該ファイバの光軸に対して垂直であることが好ましい。
When an air layer is formed on the close contact surface between the fiber end face (104-a or 104-b) and the excitation light transmitting / laser
該フレネル反射に起因する、所望の波長帯以外でのレーザ発振を抑制するために、図2に示すような構成をとることができる。図2は、図1の構成に加え、コリメートレンズ201が希土類添加フッ化物ガラスファイバ104とレーザ光部分反射ミラー105の間に配置されている。さらに励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端104−bはフレネル反射による戻り光を抑制するために、8°以上に斜め研磨され、コリメートレンズ201は希土類添加フッ化物ガラスファイバ104の発光波長帯において反射防止コーティングされている。これにより、励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端104−bで発生するフレネル反射を抑制できるため、所望の波長帯以外のレーザ発振を抑制することができる。上記のようなフレネル反射抑制手段は、励起側のファイバ端104−aにおいても実施することができる。
In order to suppress laser oscillation outside the desired wavelength band due to the Fresnel reflection, the configuration shown in FIG. 2 can be adopted. 2, in addition to the configuration of FIG. 1, a
また、図2においてコリメートレンズ201とレーザ光部分反射ミラー105の代わりに、凹面状のレーザ光部分反射ミラーの凹面側を希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面104−bに向けて設置することにより、希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面104−bより放出されるASE光を反射し再び該ファイバ端面104−bに結合させることもできる。凹面状のレーザ光部分反射ミラーを用いた場合においても、発生するASE光は励起光透過/レーザ光反射フィルタ103および凹面状のレーザ光部分反射ミラーにより構成される共振器中を往復してレーザ光となり、一部が凹面状のレーザ光部分反射ミラーを透過して出力される。
Further, in FIG. 2, instead of the
あるいは、図1において、励起光透過/レーザ光反射フィルタ103をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面104−a上に直接施しても良い。また、レーザ光部分反射ミラー105をファイバ端面に接触させる代わりに、同じ機能を有するコーティングをファイバ端面104−b上に直接施しても良い。
Alternatively, in FIG. 1, instead of bringing the excitation light transmission / laser
また、レーザ媒質の例として希土類添加フッ化物ガラスファイバ104を用いているが、該ファイバ104の位置に配置されるレーザ媒質はファイバ形状である必要はなく、希土類添加フッ化物バルクガラス、希土類添加フッ化物バルク結晶、またはファイバ形状でない希土類添加フッ化物光導波路も使用できる。さらには、該レーザ媒質の両端または片端に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いることができる。
Although the rare earth-added
レーザ媒質に添加される希土類元素は、励起光源の発振波長が340nm〜500nmの範囲内のいずれかの波長である光を吸収する希土類元素であればよいが、特に、Er3+、Ho3+、Sm3+、Tm3+、Dy3+、Eu3+、Tb3+、Nd3+が好ましい。 Rare earth elements to be added to the laser medium, the oscillation wavelength of the excitation light source but may be a rare earth element that absorbs light is any wavelength in the range of 340Nm~500nm, particularly, Er 3+, Ho 3+, Sm 3+ , Tm 3+ , Dy 3+ , Eu 3+ , Tb 3+ and Nd 3+ are preferable.
例えば、コアに添加される希土類元素が、Er3+では、発振波長が355nm〜390nm、400nm〜415nmnm、438nm〜460nm、477nm〜497nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Ho3+では、発振波長が340nm〜370nm、380nm〜390nm、410nm〜420nm、440nm〜495nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Sm3+では、発振波長が355nm〜380nm、390nm〜410nmnm、455nm〜490nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Tm3+では、発振波長が345nm〜365nm、455nm〜485nmの範囲内にある励起光を用いることができ、Dy3+では、発振波長が340nm〜〜405nm、440nm〜460nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Eu3+では、発振波長が390nm〜400nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Tb3+では、発振波長が340nm〜385nm、475nm〜495nmのいずれかの範囲内にある励起光を用いることができ、Nd3+では、発振波長が340nm〜360nm、425nm〜435nm、445nm〜485nm、490nm〜500nmの範囲内にある励起光を用いることができる。 For example, when the rare earth element added to the core is Er 3+ , excitation light having an oscillation wavelength in the range of 355 nm to 390 nm, 400 nm to 415 nm nm, 438 nm to 460 nm, or 477 nm to 497 nm can be used. With 3+ , it is possible to use excitation light having an oscillation wavelength in a range of 340 nm to 370 nm, 380 nm to 390 nm, 410 nm to 420 nm, or 440 nm to 495 nm. With Sm 3+ , an oscillation wavelength of 355 nm to 380 nm, 390 nm to 390 nm to Excitation light having a wavelength in the range of 410 nm, 455 nm to 490 nm can be used. In Tm 3+ , excitation light having an oscillation wavelength in the range of 345 nm to 365 nm, 455 nm to 485 nm can be used, and Dy 3+ Then, the oscillation wavelength is 3 0Nm, can be used an excitation light within any range 440Nm~460nm, the Eu 3+, can be used excitation light emission wavelength is within any range of 390Nm~400nm, In Tb 3+ , an excitation light having an oscillation wavelength in any range of 340 nm to 385 nm and 475 nm to 495 nm can be used. In Nd 3+ , the oscillation wavelength is 340 nm to 360 nm, 425 nm to 435 nm, 445 nm to 485 nm, and 490 nm. Excitation light in the range of ~ 500 nm can be used.
また、励起光を添加されている希土類元素の励起に効率的に利用するためには、レーザ媒質のホストガラスとして低フォノンエネルギーを有する物質が好ましいことから、レーザ媒質にフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用いる。フッ化物ガラスよりフォノンエネルギーが大きい石英ガラスなどを増幅部の光導波路のコア部に用いると、非輻射緩和速度が速いために、添加されている希土類元素を励起しても、非発光の過程を経て基底状態に戻る割合が多くなるため、効率が悪い。 In order to efficiently use excitation light for excitation of rare earth elements to which the excitation light is added, a material having low phonon energy is preferable as the host glass of the laser medium. Therefore, fluoride glass or fluoride crystal is used as the laser medium. Is used. When quartz glass, which has a higher phonon energy than fluoride glass, is used for the core of the optical waveguide of the amplification section, the non-radiative relaxation rate is fast. Since the ratio of returning to the ground state increases, the efficiency is poor.
励起光源としては、発振波長が340nm〜500nmの範囲より選ばれる1つ以上の波長を有するものであれば特に限定されない。 The excitation light source is not particularly limited as long as the oscillation wavelength has one or more wavelengths selected from the range of 340 nm to 500 nm.
例えば、チッ化ガリウム系半導体光源、He−Cdレーザ、色素レーザ、Arイオンレーザ、波長変換レーザなどが利用できる。 For example, a gallium nitride semiconductor light source, a He—Cd laser, a dye laser, an Ar ion laser, a wavelength conversion laser, or the like can be used.
しかし、サイズおよび消費電力を考慮すると、小型で消費電力の小さい光源である波長変換レーザまたはチッ化ガリウム系半導体光源が好ましい。また、電気/光変換効率に注目すると、波長変換レーザでは、基本波レーザを波長変換する際に損失が生じるので、直接340nm〜500nm付近の波長を発光できる、チッ化ガリウム系半導体光源がより好ましい。 However, in consideration of size and power consumption, a wavelength conversion laser or a gallium nitride semiconductor light source which is a small light source with low power consumption is preferable. Further, when attention is paid to the electrical / optical conversion efficiency, the wavelength conversion laser causes a loss when converting the wavelength of the fundamental laser, and therefore, a gallium nitride based semiconductor light source that can directly emit light having a wavelength in the vicinity of 340 nm to 500 nm is more preferable. .
特にチッ化ガリウム系半導体光源において、チッ化ガリウム系半導体レーザを用いる場合、その出射ビームは楕円形状をしているため、レーザ媒質が円形のコアを有する光ファイバなどの光導波路に対しては、円形ビームに変形するビームの整形を行うことが好ましい。例えば、シリンドリカルレンズを用いてビームを整形した励起光とすることがより望ましい。 In particular, when using a gallium nitride based semiconductor laser in a gallium nitride based semiconductor light source, the emitted beam has an elliptical shape, so that the laser medium has an optical waveguide such as an optical fiber having a circular core. It is preferable to perform shaping of a beam that is transformed into a circular beam. For example, it is more desirable to use excitation light obtained by shaping a beam using a cylindrical lens.
また、光導波路のレーザ媒質を用い、且つ、該レーザ媒質の片側または両側に石英系ガラスからなる光導波路を接続して用いる場合、該光導波路の導波路パラメータは、接続する導波路間の接続損失が0.2dB以下であるように設定されることが好ましい。導波路パラメータが大きく異なる場合には、接続部で損失が発生するだけではなく、構造の不整合に起因する反射が発生する可能性がある。さらに好ましくは、接続部分での反射を抑制するために、融着接続を用いるのが好ましい。 When a laser medium of an optical waveguide is used and an optical waveguide made of silica glass is connected to one side or both sides of the laser medium, the waveguide parameter of the optical waveguide is the connection between the waveguides to be connected. It is preferable to set the loss to be 0.2 dB or less. When the waveguide parameters are greatly different, not only loss occurs at the connection portion, but reflection due to structural mismatch may occur. More preferably, in order to suppress reflection at the connection portion, it is preferable to use fusion splicing.
さらに、光導波路のレーザ媒質に石英系ガラスからなる光導波路を接続することは、下記の理由から、該レーザ媒質の励起光入射端の破損を防ぐ効果もある。励起光の形状が完全なシングルモードでない場合、励起光が光導波路に入射される際に、光の一部が光導波路のコアの外に放射されてしまう。また、励起光入射側の光導波路端面において、コア部近傍に傷や構造不整が在った場合には、電場集中により発熱する場合がある。特に、ガラス転移温度の低いフッ化物ガラス(ZBLANガラスでは約280℃)では注意が必要である。レーザ媒質の端面を保護するために、例えば図1に示される例において、励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面104−aに石英系ファイバを融着接続することもできる。石英系ガラスはフッ化物ガラスに比べてガラス転移温度が高いので、発熱に対する耐性が高い。 Furthermore, connecting an optical waveguide made of silica glass to the laser medium of the optical waveguide also has an effect of preventing the excitation light incident end of the laser medium from being damaged for the following reasons. When the shape of the excitation light is not a complete single mode, a part of the light is emitted outside the core of the optical waveguide when the excitation light is incident on the optical waveguide. In addition, in the end face of the optical waveguide on the excitation light incident side, if there are scratches or structural irregularities in the vicinity of the core, heat may be generated due to electric field concentration. In particular, caution is required for fluoride glass having a low glass transition temperature (about 280 ° C. for ZBLAN glass). In order to protect the end face of the laser medium, for example, in the example shown in FIG. 1, a silica-based fiber can be fusion-bonded to the end face 104-a of the rare earth-doped fluoride glass fiber on the excitation side. Since quartz glass has a higher glass transition temperature than fluoride glass, it has high resistance to heat generation.
また、共振器中を往復している所望のレーザ光がマルチモードで発振している場合、該共振器の光路中に所望の波長帯でシングルモードである光導波路を挿入することにより、シングルモード以外の成分へ損失を与え、選択的にシングルモードでレーザ発振させることもできる。 In addition, when the desired laser beam reciprocating in the resonator is oscillating in a multimode, a single mode optical waveguide is inserted into the optical path of the resonator by a single mode in the desired wavelength band. It is also possible to cause laser oscillation in a single mode selectively by giving loss to other components.
また、使用する石英系ガラスからなる光導波路は、コア部が石英系ガラスであればよいが、紫外光〜可視光領域に対して吸収の少ないものが好ましい。特に、紫外〜青紫領域のレーザ発振を行う場合は、該光導波路のコア材料として、紫外〜青紫にかけて吸収を有するGeが高添加されている石英ガラスは好ましくなく、例えば、純粋石英ガラスを用いることが好ましい。 In addition, the optical waveguide made of silica-based glass to be used may have a core portion of silica-based glass, but is preferably one having little absorption in the ultraviolet light to visible light region. In particular, when performing laser oscillation in the ultraviolet to blue-violet region, quartz glass to which Ge having absorption from ultraviolet to blue-violet is highly added is not preferable as the core material of the optical waveguide. For example, pure quartz glass should be used. Is preferred.
以下に、本発明を用いた具体的な実施例を開示する。 Specific examples using the present invention are disclosed below.
図3に第1の実施例を示す。図3に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ401(インジウム添加有り、中心波長448nm:日亜化学工業製)、非球面レンズ402(NA:0.60)、シリンドリカルレンズ403(f=−25mm)、シリンドリカルレンズ404(f=50mm)、非球面レンズ405(NA:0.30)、フィルタ406(AR:448nm、HR:470−570nm)、レーザ媒質であるEr3+添加フッ化物ガラスファイバ407(ホストガラス:ZBLANガラス、Er3+:3000ppm、NA:0.22、コア径:3.3μm、ファイバ長:65cm)、非球面レンズ408(NA:0.55)、ミラー409(波長:543±10nmにおいて反射率:76%、その他の波長は透過)により構成される。 FIG. 3 shows a first embodiment. The optical system shown in FIG. 3 includes a gallium nitride semiconductor laser 401 (with indium added, center wavelength 448 nm: manufactured by Nichia Corporation), an aspherical lens 402 (NA: 0.60), and a cylindrical lens as an excitation light source. 403 (f = -25 mm), cylindrical lens 404 (f = 50 mm), aspherical lens 405 (NA: 0.30), filter 406 (AR: 448 nm, HR: 470-570 nm), Er 3+ as a laser medium added Fluoride glass fiber 407 (host glass: ZBLAN glass, Er 3+ : 3000 ppm, NA: 0.22, core diameter: 3.3 μm, fiber length: 65 cm), aspheric lens 408 (NA: 0.55), mirror 409 (Wavelength: 543 ± 10 nm, reflectivity: 76%, other wavelengths are transmitted) .
励起光が透過する光学部品(402,403,404,405,406)は波長448nmにおいて反射防止コーティングされている。レーザ光が透過する光学部品408には波長500nm〜600nm、820nm〜880nm、および1500nm〜1580nmにおいて反射防止コーティングされている。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ端面407−aは直角に研磨され、フィルタ406に隙間なく密着させた。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ端面407−bはフレネル反射を抑制するために、8°研磨した。ミラー409を透過してきた光を測定用ファイバ(コア径:62.5μm、マルチモードGI型ファイバ)に結合し、その波長スペクトルを光スペクトラムアナライザ(ANDO製:AQ−6315A)を用いて測定した。
The optical components (402, 403, 404, 405, 406) through which the excitation light passes are anti-reflection coated at a wavelength of 448 nm. The
その結果、励起光120mW以上投入したとき、波長543nm帯でレーザ発振を確認した。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ407に励起光176mWを結合させたとき、レーザ共振器から出力されたレーザ光の波長スペクトルを図4に示す。
As a result, when excitation light of 120 mW or more was applied, laser oscillation was confirmed in the wavelength 543 nm band. FIG. 4 shows the wavelength spectrum of the laser light output from the laser resonator when the excitation light 176 mW is coupled to the Er 3 + -added
また、透過光のうち波長543±10nmに含まれる光パワーをバンドパスフィルタ(透過波長:543±10nm)および、パワーメータヘッド(Anritsu製:MA9411A)を用いて測定した。図5にファイバに投入した励起光パワーと得られたレーザ出力の関係を示す。最大200mWの励起光をファイバに投入すると、最大12mWのレーザ出力を得た。 Further, the optical power included in the transmitted light at a wavelength of 543 ± 10 nm was measured using a bandpass filter (transmitted wavelength: 543 ± 10 nm) and a power meter head (manufactured by Anritsu: MA9411A). FIG. 5 shows the relationship between the pumping light power input to the fiber and the obtained laser output. When excitation light of a maximum of 200 mW was input to the fiber, a laser output of a maximum of 12 mW was obtained.
図6に第2の実施例を示す。図6に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ701(インジウム添加有り、中心波長448nm:日亜化学工業製)、非球面レンズ702(NA:0.60)、シリンドリカルレンズ703(f=−25mm)、シリンドリカルレンズ704(f=50mm)、非球面レンズ705(NA:0.30)、フィルタ706(AR:448nm、HR:470−570nm)、レーザ媒質であるEr3+添加フッ化物ガラスファイバ707(ホストガラス:ZBLANガラス、Er3+:3000ppm、NA:0.22、コア径:3.3μm、ファイバ長:65cm)、石英ファイバ709(Nufern製460HP、ファイバ長:1m、波長543nmにおいてシングルモード)、非球面レンズ710(NA:0.55)、ミラー711(波長:543±10nmにおいて反射率:82%、その他の波長は透過)により構成される。励起光が透過する光学部品(702,703,704,705,706)は波長448nmにおいてARコーティングされている。レーザ光が透過する光学部品710には波長520nm〜560nm、830nm〜870nm、1510nm〜1570nmにおいて反射防止コーティングされている。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ端面707−aは直角に研磨され、フィルタ706に隙間なく密着させた。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ707と石英ファイバ709は融着接続(融着接続部708)されている。
FIG. 6 shows a second embodiment. The optical system shown in FIG. 6 includes a gallium
レーザ媒質であるEr3+添加フッ化物ガラスファイバ707は所望のレーザ波長(本実施例では543nm)において、シングルモードであることが望ましいが、その必要はない。一般に、高出力なチッ化ガリウム系半導体光源のエミッタサイズ(今回使用した励起光源のエミッタサイズは約1μm×7μm)は、可視波長で動作するシングルモードファイバのコアサイズ(およそ3μm)に比べて大きい。故に、より多くの励起光をファイバのコアに導入させたい場合、コア直径を少し大きく設定するのがより好ましい。
The Er 3 + -added
本実施例では、より多くの励起光を利用するために、所望波長の543nmにおいてマルチモードとなる希土類添加ファイバを用い、さらに、543nmのレーザ光をシングルモード化するために、波長543nmにおいてシングルモードである石英ファイバ709を導入した。好ましくは、励起光の伝搬を妨げないように、シングルモードファイバはEr3+添加フッ化物ガラスファイバ707とミラー711の間に配置されるのがよい。
In this embodiment, in order to use more excitation light, a rare-earth doped fiber that becomes a multimode at a desired wavelength of 543 nm is used. Further, in order to convert the laser light of 543 nm to a single mode, a single mode is used at a wavelength of 543 nm. A
部分反射ミラー711を透過して得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ(ANDO製:AQ−6315A)によりモニタしながら、励起パワーを増加させたとき、130mW以上の励起パワーにおいて、波長543nmでレーザ発振を確認した。また、ミラー711を透過したレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ(透過波長:543±10nm)および、パワーメータヘッド(Anritsu製:MA9411A)を用いて測定した。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ707に励起光200mWを入射させたとき、543nmレーザの出力は8mWであった。尚、ミラー711を透過した光はシングルモードファイバより出射されているので、そのビーム形状はシングルモード(LP01)であることは明らかである。
When the excitation power is increased while monitoring the laser beam obtained through the
図7に第3の実施例を示す。図7に示される光学系は、励起光源であるチッ化ガリウム系半導体レーザ801(インジウム添加有り、中心波長448nm:日亜化学工業製)、非球面レンズ802(NA:0.60)、シリンドリカルレンズ803(f=−25mm)、シリンドリカルレンズ804(f=50mm)、非球面レンズ805(NA:0.30)、フィルタ806(AR:448nm、HR:470−570nm)、レーザ媒質であるEr3+添加フッ化物ガラスファイバ807(ZBLAN、Er3+:3000ppm、NA:0.22、コア径:3.3μm、ファイバ長:65cm)、石英ファイバで構成されたタップカプラ809(Nufern製460HP:波長543nmにおいてシングルモード、波長543nmにおける分岐比は9:1)、ミラー811(波長:543±10nmにおいて反射率:99.5%、その他の波長は透過)により構成される。
FIG. 7 shows a third embodiment. The optical system shown in FIG. 7 is a gallium nitride semiconductor laser 801 (with indium added, center wavelength 448 nm: manufactured by Nichia Corporation), an aspheric lens 802 (NA: 0.60), a cylindrical lens, which is an excitation light source. 803 (f = −25 mm), cylindrical lens 804 (f = 50 mm), aspherical lens 805 (NA: 0.30), filter 806 (AR: 448 nm, HR: 470-570 nm), Er 3+ as a laser medium added Fluoride glass fiber 807 (ZBLAN, Er 3+ : 3000 ppm, NA: 0.22, core diameter: 3.3 μm, fiber length: 65 cm),
Er3+添加フッ化物ガラスファイバ807は石英ファイバ809−aと融着接続(融着接続部808)されている。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ807で発生した光はカプラの809−aポートに入力され、809−bポートに90%、809−dポートに10%出力される。809−bポートに出力された光のうち、543±10nmの範囲の光はミラー811によって反射されて逆向きに進行し、再度、カプラのポート809−bに結合される。逆向きに進行する光のうち、90%は809−aポートに結合され、10%は809−cポートに結合される。故に、レーザ光は809−cおよび809−dの両ポートから出力され、共振器より外部に取り出されるレーザ光は共振器内部に蓄えられているエネルギーの19%に相当する。809−cおよび809−dポートのファイバ先端で発生した反射光は共振器内部へ再結合される可能性があるので、809−cおよび809−dポートのファイバ端面は、斜めクリーブの処理を施してある。斜めクリーブの処理の他に、光アイソレータを設置することでも反射光を抑制できる。
The Er 3 + -added
809−cポートより得られたレーザ光を光スペクトラムアナライザ(ANDO製:AQ−6315A)によりモニタしながら、励起光200mWをEr3+添加フッ化物ガラスファイバ807に投入し、励起パワーを増加させたとき、120mW以上の励起パワーにおいて、波長543nmでレーザ発振を確認した。
次にポート809−cおよびポート809−dより出力されたレーザ光の光パワーをバンドパスフィルタ(透過波長543±10nm)および、パワーメータヘッド(Anritsu製:MA9411A)を用いて測定した。Er3+添加フッ化物ガラスファイバ807に励起光200mWを入射させたとき、2つの出力ポートから得られた543nmレーザの出力の合計値は11mWであった。尚、ミラー811を透過した光はシングルモードファイバより射出されているので、そのビーム形状はシングルモード(LP01)であることは明らかである。
When the laser light obtained from the 809-c port is monitored by an optical spectrum analyzer (ANDO: AQ-6315A), 200 mW of excitation light is introduced into the Er 3 + -added
Next, the optical power of the laser light output from the ports 809-c and 809-d was measured using a band-pass filter (transmission wavelength 543 ± 10 nm) and a power meter head (manufactured by Anritsu: MA9411A). When 200 mW of the excitation light was incident on the Er 3 + -added
本発明は、医療・生物分野で使用される光源、工業用検査光源、ディスプレイ用光源、プロジェクション用光源、光ジャイロ用光源などとして利用できる。 The present invention can be used as a light source used in the medical / biological field, an industrial inspection light source, a display light source, a projection light source, an optical gyro light source, and the like.
101:励起光源
102:集光レンズ
103:励起光透過/レーザ光反射フィルタ
104:希土類添加フッ化物ガラスファイバ
104−a:励起側の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
104−b:励起側と反対の希土類添加フッ化物ガラスファイバ端面
105:レーザ光部分反射ミラー
201:コリメートレンズ
401、701、801:チッ化ガリウム系半導体レーザ
402、405、408、702、705、710、802、805:非球面レンズ
403、404、703、704、803、804:シリンドリカルレンズ
406、706、806:フィルタ
407、707、807:Er3+添加フッ化物ガラスファイバ
407−a、707−a:励起側のEr3+添加フッ化物ガラスファイバ端面
407−b:励起側と反対のEr3+添加フッ化物ガラスファイバ端面
409、711、811:ミラー
708、808:融着接続部
709:石英ファイバ
809:タップカプラ
101: Excitation light source 102: Condensing lens 103: Excitation light transmission / laser light reflection filter 104: Rare earth-added fluoride glass fiber 104-a: Excitation side rare earth-added fluoride glass fiber end face 104-b: Opposite to excitation side Rare earth-doped fluoride glass fiber end face 105: laser beam partial reflection mirror 201: collimating
Claims (4)
励起光源に、励起光の波長が340nm〜500nmの範囲内である、チッ化ガリウム系半導体光源、レーザ媒質に、少なくともEr3+、Ho3+、Sm3+、Tm3+、Dy3+、Eu3+、Tb3、またはNd3+のいずれか1種類が添加されているフッ化物ガラスまたはフッ化物結晶を用い、
かつ、レーザ発振波長が励起波長よりも長いことを特徴とするレーザ装置。 An excitation light source, a first mirror that transmits excitation light emitted from the excitation light source and reflects light in a desired wavelength band excluding the wavelength of the excitation light, and a second mirror that reflects light in the desired wavelength band In a laser device including a resonator in which a mirror is disposed to be opposed and a laser medium that emits light by the excitation light is disposed between optical paths of a first mirror and a second mirror,
The excitation light source has a wavelength of excitation light in the range of 340 nm to 500 nm, the gallium nitride semiconductor light source, and the laser medium have at least Er 3+ , Ho 3+ , Sm 3+ , Tm 3+ , Dy 3+ , Eu 3+ , Tb 3 , Or fluoride glass or fluoride crystals to which any one of Nd 3+ is added,
A laser device characterized in that the laser oscillation wavelength is longer than the excitation wavelength.
4. The laser device according to claim 1, wherein an optical waveguide made of silica glass is connected to one end or both ends of the laser medium.
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2009
- 2009-07-21 JP JP2009170384A patent/JP2010080927A/en active Pending
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