JP2010507920A

JP2010507920A - 共添加された利得媒質を備えた光励起ソリッド・ステート・レーザ

Info

Publication number: JP2010507920A
Application number: JP2009533997A
Authority: JP
Inventors: ヴァイヒマン，ウルリッヒ; ヨットシュミット，ペーター
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2010-03-11
Also published as: CN101529672A; EP2084792A2; WO2008050258A3; TW200830652A; WO2008050258A2

Abstract

本発明は、Ｃｅ^３＋−イオン、及び更なる希土類材料のイオンが共添加されたソリッドステート母材の利得媒質（６）を含むソリッド・ステート・レーザに関する。母材は、更なる希土類材料のイオンの上位発振状態よりもＣｅ^３＋−イオンの５ｄバンドの下縁がエネルギ的に高いように選択される。前述のレーザは、４００ｎｍ乃至４５０ｎｍの波長域においてＧａＮレーザ・ダイオード（４）によって光励起され得、可視波長域においてレーザ放射を発光する。特に前述のレーザにより、緑色波長域において発光するＧａＮダイオード・レーザ励起ソリッド・ステート・レーザを実現することが可能である。

Description

本発明は、希土類イオンで添加されたソリッドステート母材の利得媒質を備えたソリッド・ステート・レーザに関する。

レーザは、現在、プロジェクション・システム用の光源としてＵＨＰランプ（ＵＨＰ：超高性能）を置き換える好適な候補である。赤色レーザ・ダイオード及び青色レーザ・ダイオードは入手可能であるが、緑色波長域における集積レーザ光源はないことにより、今まで、ディスプレイ又は照明のアプリケーションのためにレーザを広範にわたって使用することが妨げられている。

現在使用されている、緑色波長域のレーザ光源は、赤外レーザ光源の第２高調波発生（ＳＨＧ）によるか、又は、アップコンバージョンによる周波数変換に依存する。

赤外波長域からのアップコンバージョンの代替策には、周知の色素レーザの場合のような青色レーザ光源の周波数変換がある。青紫色域のＧａＮベースのレーザ・ダイオードの最近の開発により、この手法は、全てのソリッドステート・デバイスにとって魅力的になっている。

米国特許６，８１６，５３２Ｂ２号明細書には、利得媒質に希土類イオン（特に、Ｈｏ^３＋−、Ｓｍ^３＋−イオン、Ｅｕ^３＋−イオン、Ｄｙ^３＋−イオン、Ｅｒ^３＋−イオン及びＴｂ^３＋−イオン）が添加されたレーザ・ダイオード励起レーザ装置が開示されている。固体利得媒質は、ＧａＮベースのレーザ・ダイオードによって励起される。開示されたレーザの励起及びレーザ発光には、希土類イオンの４ｆ状態間の遷移が関係する。前述の遷移における吸収は比較的弱いので、デバイスの効率は限定的であり、例えばファイバ・レーザにおけるように相互作用が長いことが必要である。励起源としてのＧａＮレーザ・ダイオードでＴｂ^３＋−イオンのレーザ上準位^５Ｄ_４を埋めるために、^５Ｄ_４準位に向けた連続した関係を伴う、^５Ｄ_３準位に向けた４８８ｎｍ又は３８０ｎｍでの励起が必要である。励起波長４８８ｎｍ及び３８０ｎｍにおける効率的なＧａＮレーザ・ダイオードはまだ入手可能でない。

本発明の目的は、ＧａＮレーザ・ダイオードによって効率的に光励起することが可能な、可視波長域において発光するソリッド・ステート・レーザを提供することである。

この目的は、請求項１記載のソリッド・ステート・レーザによって達成される。効果的な実施例は、従属請求項の主題であるか、又は、本発明を実施する実施例を含む以下の説明に記載されている。

本願で提案するソリッド・ステート・レーザは、Ｃｅ^３＋−イオン、及び更なる希土類イオンが共添加されたソリッドステート母材の利得媒質を含む。母材は、更なる希土類材料のイオンの上位発振状態よりもＣｅ^３＋−イオンの５ｄバンドの下縁がエネルギ的に高いように選択される。

前述の利得媒質により、本願提案の全ソリッドステートのレーザは、例えば４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長範囲においてＧａＮレーザ・ダイオードで効率的に励起することが可能である。利得媒質は、Ｃｅ^３＋−イオンにおける４ｆ−５ｄ遷移を介して励起レーザの放射を吸収する。Ｃｅ^３＋−イオンの５ｄバンドから、エネルギは、更なる希土類イオンの上位発振状態に移動し、それは次いで、上位発振状態と下位発振状態との間の遷移を介して所望のレーザ放射を放出する。放出レーザの波長は更なる希土類イオンの選択によって影響を受け、更に、ソリッド・ステート・レーザのミラーのスペクトル特性により、影響を受け得る。母材の適切な選択は非常に重要である。この母材が、両方の希土類イオンのエネルギ・レベルに影響を及ぼすからである。

Ｃｅ^３＋−イオン、及び更なる３価希土類イオンの効果的な組合せは、可視波長域における種々の波長で発光するレーザを企図するための、Ｃｅ^３＋−イオンと、Ｐｒ^３＋、Ｓｍ^３＋、Ｅｕ^３＋、Ｄｙ^３＋及びＴｍ^３＋との組合せである。

好ましい実施例では、本願で提案するソリッド・ステート・レーザは、Ｃｅ^３＋−イオン及びＴｂ^３＋−イオンが共添加されたソリッドステート母材の利得媒質を含む。この場合、レーザ励起手法には、Ｃｅ^３＋における４ｆ−５ｄ遷移、レーザ発光が行われるＴｂ^３＋の^５Ｄ_４状態へのＣｅ^３＋５ｄバンドからのエネルギ移動が関係する。この手法は、４ｆ−５ｄ遷移の高い吸収を、希土類４ｆ−４ｆレーザの既知のレーザ特性と組み合わせるので非常に魅力的である。よって、集積度が非常に高く、効率的なレーザ・デバイスが実施可能である。^５Ｄ_４状態が好適に孤立しており、多くの母材において長い寿命を有するので、Ｔｂ^３＋−イオンは、緑色波長域において光励起ソリッド・ステート・レーザを提供することは非常に魅力的である。この^５Ｄ_４準位から、約５４３ｎｍの緑色発光は非常に顕著である。

好ましくは、Ｃｅ^３＋−イオンのドーパント濃度ｃ_Ｃｅは０．０１％ｗｔ乃至５％ｗｔの範囲内である。Ｔｂ^３＋−イオンの濃度ｃ_Ｔｂは、Ｃｅ^３＋−イオンの濃度ｃ_Ｃｅに応じて、ｃ_Ｔｂ＝ｋ^＊ｃ_Ｃｅによって選択され、ｋは０．５と５０との間で変動する。

Ｃｅ^３＋−イオンにおける５ｆバンド、及び更なる希土類イオンにおける発振状態のエネルギ位置は母材に依存するので、この母材の適切な選択が、所望のレーザ動作を達成するために重要である。少なくとも６ｅＶのエネルギ・ギャップを有する母材を使用した場合、非常に効果的なレーザ動作が観察されている。母材は更に、Ｃｅ^３＋−イオンの５ｄバンドと、例えば、Ｔｂ^３＋−イオンの^５Ｄ_４状態との間のエネルギ移動を確実にしなければならない。本願で提案するソリッド・ステート・レーザに好適な母材には、Ｙ_３＿ｘＬｕ_ｘＡｌ_５＿ｙＧａ_ｙＯ_１２（ｘ＝ｌ、２、３；ｙ＝ｌ、２、３、４、５）、Ｙ_３−ｘＣａ_ｘＡｌ_５＿ｘＳｉ_ｘＯ_１２、Ｙ_３−ｘＡｌ_５＿ｘＳｃ_ｘＯ_１２、Ｍ_２Ｏ_３（ここで、Ｍ＝Ｓｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｇｄ、Ｌａ）、ＣａＹＡｌＯ_４、及びＭ_２ＳｉＯ_５（ここで、Ｍ＝Ｙ、Ｌｕ、Ｇｄ又はこれらの組合せ）がある。

本願で提案するソリッド・ステート・レーザでは、Ｃｅ^３＋−イオンは、増感剤としてふるまい、４ｆ−５ｄ遷移を介して励起放射の好適な吸収をもたらす一方、更なる希土類イオンは、レーザ活性イオンとしてふるまう。Ｃｅ^３＋−イオンが添加されたソリッドステート母材が、励起状態の吸収が非常に強いためにレーザ動作に適していないということが当該技術分野において知られているが、Ｃｅ^３＋−イオンを更なる３価希土類イオンと共添加することにより、かつ、適切な母材を選択することにより、レーザ動作を効率的に達成することが可能であるということを本発明の発明者は意外にも見出した。更に、Ｃｅ^３＋−イオン及びＴｂ^３＋−イオンの組合せにより、緑色波長域において発光するようＧａＮベースのレーザ・ダイオードにより、効率的に励起することが可能な全ソリッド・ステート・レーザが実現される。励起レーザを含む前述の全ソリッドステート・レーザ・システムは、集積度が非常に高いやり方で製造することが可能であり、ディスプレイ又は照明のアプリケーションにおけるプロジェクション・システムの光源として特に適している。

全ソリッド・ステート・レーザの光学的設計は、当該技術分野において知られているように選ぶことが可能である。前述のレーザは、例えば、当該技術分野において知られている他のダイオード励起ソリッド・ステート・レーザと同様に、端面励起ロッドの形態で設定することが可能である。本願提案のレーザは、平面導波路レーザの形態で企図することも可能である。この形態では、共添加材料が、レーザ・ダイオードの発光プロファイルに、その幾何形状において適合された平面導波路の形態になる。この場合、レーザ・ダイオード及び共添加変換媒質は好ましくは、共有冷却構造上に配置される。これにより、デバイスの高集積化が可能になる。Ｃｅ^３＋−イオンの吸収が高いことにより、励起放射の方向に対して垂直の方向にレーザ放射が出てくる横位励起幾何構造も可能になる。

本願提案のレーザの好ましい実施例の励起手法を示す図である。本願提案の端面励起幾何構造の例を示す図である。本願提案のレーザの横位励起幾何構造の例を示す図である。

本発明の前述及び他の局面は、実施例を参照すると、明らかであり、明らかにされるであろう。

本願提案のソリッド・ステート・レーザ及びレーザ・システムは、特許請求の範囲記載の保護範囲を制限することなく、添付図面に関して例として以下に説明する。

以下の実施例では、本願提案のレーザの利得媒質にＣｅ^３＋−イオン及びＴｂ^３＋イオンが共添加される。Ｃｅ−Ｔｂレーザは、ＧａＮベースのレーザ・ダイオードで励起される。図１は、前述のソリッド・ステート・レーザの励起及び発振手法を示す。ＧａＮベースのレーザ・ダイオードの青色励起放射１は、Ｃｅ^３＋−イオンの４ｆ−５ｄ遷移を介して吸収される。図示するように、励起放射１による励起後、エネルギ移動２が、Ｃｅ^３＋−イオンの５ｄバンドとＴｂ^３＋−イオンの上位発振状態（^５Ｄ_４状態）との間で生じる。前述のＴｂ^３＋−イオン^５Ｄ_４状態から、約５４３ｎｍのレーザ発光３が、Ｔｂ^３＋−イオンのより低い状態への遷移によって始まる。レーザ発光３は前述のレーザ手法では非常に顕著である。

図２は、本願提案のＣｅ−Ｔｂレーザの端面励起幾何構造の例を示す図である。ＧａＮレーザ・ダイオード４が発光する励起放射は、適切な光学系５により、ソリッド・ステート・レーザの第１の共鳴器端面ミラーを介してＣｅ^３＋−Ｔｂ^３＋共添加利得材料６に集束させる。端面励起に使用される第１の共鳴器端面ミラー７は、緑色波長における放射の場合、反射率が高く、励起放射波長の場合、反射が防止される。一方、第２の共鳴器端面ミラー８は、励起放射波長の場合、反射率が非常に高く、発振動作を達成するために、利得材料６が発光する緑色波長の場合、十分な反射率を有する。一方、前述の第２の共鳴器端面ミラー８は、緑色波長域におけるレーザ発光３の一部分のアウトカプリングを可能にする。

図３は、本願提案のソリッド・ステート・レーザの設計の別の例を示す。この例では、横位励起幾何構造をＣｅ−Ｔｂレーザに使用する。この場合のＣｅ−Ｔｂレーザの利得媒質６は、レーザ動作を維持するために、生成された緑色放射の十分に大きな部分を反射する２つの共鳴器端面ミラー１０を有する。何れの共鳴器端面ミラー１０もレーザ放射３のアウトカプリング・ミラーとしての役目を担う。利得媒質６は、図３に示すように、利得媒質６の長さ全体にわたる励起放射１の発光を達成するために、隣り合わせのいくつかのＧａＮレーザ・ダイオードを含むＧａＮダイオード・レーザ・モジュール９によって横位励起される。

本発明は、図面及び上記明細書において詳細に図示し、説明しているが、前述の図示及び説明は、例証又は例示であり、限定するものでないものとし、本発明は、記載した実施例に限定されるものでない。本明細書及び特許請求の範囲記載の種々の実施例は、組み合わせることも可能である。

本願記載の実施例に対する他の変形は、図面、明細書及び特許請求の範囲の検討から、特許請求の範囲記載の発明を実施するうえで当業者によって理解され、実施され得る。特許請求の範囲では、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の語は他の構成要素又は工程を排除せず、「ａ」又は「ａｎ」の不定冠詞は複数形を排除しない。単に特定の方策が相互に別々の従属請求項に記載されていることは、前述の方策の組合せを使用して効果を得ることが可能でないことを示すものでない。特許請求の範囲記載の参照符号は、前述の特許請求の範囲記載の範囲を限定するものと解されるべきでない。

参照符号リスト
１励起放射
２エネルギ移動
３レーザ放射
４ＧａＮレーザ・ダイオード
５光学系
６Ｃｅ^３＋−Ｔｂ^３＋共添加利得材料
７第１の共鳴器端面ミラー
８第２の共鳴器端面ミラー
９ＧａＮダイオード・レーザ・モジュール
１０共鳴器ミラー

Claims

Ｃｅ^３＋−イオン、及び更なる希土類材料のイオンが共添加されたソリッドステート母材の利得媒質を備えるソリッド・ステート・レーザであって、前記母材は、前記更なる希土類材料のイオンの上位発振状態よりも前記Ｃｅ^３＋−イオンの５ｄバンドの下縁がエネルギ的に高いように選択されるソリッド・ステート・レーザ。
請求項１記載のソリッド・ステート・レーザであって、
前記更なる希土類材料のイオンがＴｂ^３＋−イオンであるソリッド・ステート・レーザ。
請求項２記載のソリッド・ステート・レーザであって、
前記母材は、前記Ｔｂ^３＋−のイオンの^５Ｄ_４状態よりも前記Ｃ^ｅ３＋−イオンの５ｄバンドの下縁がエネルギ的に高く、前記母材のエネルギ・ギャップ＞６ｅＶであるように選択されるソリッド・ステート・レーザ。
請求項１又は２に記載のソリッド・ステート・レーザであって、
前記母材は、Ｙ_３−ｘＬｕ_ｘＡｌ_５＿ｙＧａ_ｙ０_１２（ｘ＝ｌ，２，３；ｙ＝ｌ，２，３，４，５）、Ｙ_３−ｘＣａ_ｘＡｌ_５＿ｘＳｉ_ｘＯ_１２、Ｙ_３−ｘＡｌ_５＿ｘＳ_ｃｘ０_１２、Ｍ_２Ｏ_３（ここで、Ｍ＝Ｓｃ、Ｙ、Ｌｕ、Ｇｄ、Ｌａ）、ＣａＹＡｌＯ_４及びＭ_２ＳｉＯ_５（Ｍ＝Ｙ、Ｌｕ、Ｇｄ、又は前述の組合せ）
の材料のうちの１つから選択されるソリッド・ステート・レーザ。
請求項４記載のソリッド・ステート・レーザであって、
前記母材は、０．０１％ｗｔ乃至５％ｗｔの範囲内のＣｅ^３＋−イオンのドーパント濃度、及び、前記Ｃｅ^３＋−イオンのドーパント濃度の０．５倍乃至５０倍の、Ｔｂ^３＋−イオンのドーパント濃度を有するソリッド・ステート・レーザ。
請求項１記載のソリッド・ステート・レーザであって、
前記更なる希土類材料のイオンがＰｒ^３＋−イオン、Ｓｍ^３＋−イオン、Ｅｕ^３＋−イオン、Ｄｙ^３＋−イオン、及びＴｍ^３＋−イオンから選択されるソリッド・ステート・レーザ。
請求項１記載のソリッド・ステート・レーザ、及び前記ソリッド・ステート・レーザの利得媒質を光励起するよう構成された少なくとも１つのＧａＮレーザ・ダイオードを備えたソリッド・ステート・レーザ・システム。
請求項４記載のソリッド・ステート・レーザ、及び前記ソリッド・ステート・レーザの利得媒質を光励起するよう構成された少なくとも１つのＧａＮレーザ・ダイオードを備えたソリッド・ステート・レーザ・システム。