JP2010532558A - 表面発光外部キャビティレーザーデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー要素と周波数変換デバイスの双方をアクティブに温度制御する。
【解決手段】本発明は、キャビティ間で周波数変換を行う表面発光延長されたキャビティレーザーデバイスである。このデバイスは、基本周波数のレーザー光を得るように、多数の層を有する少なくとも１つの表面発光レーザー要素（１）と、前記表面発光レーザー要素（１）から離間し、外部キャビティ（１２）を形成する反射手段と、前記基本周波数と異なる第２周波数で光を発生するよう、前記外部キャビティ（１２）内に配置された周波数変換デバイス（３）と、前記外部キャビティ（１２）内に配置された同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段と、基本周波数での周波数制御を可能にするよう検出手段によって得られる信号に対して、同調可能な検出手段と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャビティ間で周波数変換を行う、表面発光外部キャビティレーザーデバイス、このデバイスに関連する方法および画像投影ユニットに関する。

低コスト製造のための技術では、表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が知られている。最近、外部キャビティを有する垂直表面発光レーザー（ＶＥＣＳＥＬ）が開発されたが、このレーザーは、高品位の状態で大面積のビームを効率的に発生可能にするものである。妥当なコストおよび労力ではレーザー光の直接発生が不可能であった波長でレーザー光を発生することが、外部キャビティ内に周波数変換デバイスを置くことにより、可能となっている。

かかるデバイスの代表的な応用分野は、ＲＧＢ画像プロジェクタであり、高輝度および高ビーム品位に起因し、これらＲＧＢ画像プロジェクタに対し、レーザー光源は理想的なものである。妥当なコストで、レーザーダイオードにより直接赤色レーザー光および青色レーザー光を発生することができるが、現在ではレーザーダイオードを使って直接緑色レーザー光を発生することを実現する可能性はない。従って、この用途に対し、キャビティ間で周波数変換をする垂直表面発光外部キャビティレーザーデバイスは、可能性のあるものと見込まれている。

キャビティ間で周波数変換を行う垂直表面発光外部キャビティレーザーデバイス内では、通常、数個の量子井戸を有する少なくとも１つの利得層と、少なくとも１つの高反射性分散型ブラッグ反射器とを備える、ＶＣＳＥＬデバイスのレーザーチップに類似する半導体レーザー要素内でレーザー光が発生される。レーザー送信機を完成する外部キャビティを形成するように、レーザー要素から離間した状態でレーザーミラーが配置される。レーザー要素が作動されると、このセットアップは基本周波数で光を発生する。外部キャビティ内に周波数変換デバイス、例えば非線形結晶を配置することにより、基本周波数と異なる第２周波数、例えば高調波周波数の光が発生する。この第２周波数の光は、この外部キャビティから外部に容易に結合することができ、所望する用途で使用できる。

半導体レーザー要素と周波数変換デバイスの双方は、一般に温度依存性があるので、ある問題が生じる。すなわち周波数変換デバイスの基本周波数から第２周波数への変換効率は、この位相マッチングバンド幅が正確にマッチングすることに大きく依存しており、この正確なマッチングは、共通する効率的な周波数変換材料のほとんどで、温度に大きく依存している。温度変化に起因してレーザー要素の利得バンド幅が変動する場合、利得バンド幅の位相マッチングバンド幅からずれるように変動することがあり、この結果、変換効率が低くなり、よって第２周波数での光のパワーが低下することもある。通常、この問題は、レーザー要素と周波数変換デバイスの双方をアクティブに温度制御することによって解決できる。

国際特許出願WO2006/105249号明細書は、周波数が安定化された垂直延長キャビティ表面発光レーザーを開示しており、このレーザーは、基本周波数のレーザー光を発生するための半導体レーザーチップと、外部キャビティを構成する出力カプラーと、薄膜干渉フィルタと共に外部キャビティ内に配置された第２高調波周波数で光を発生するための非線形結晶とを備える。

ここで、薄膜フィルタは、レーザーの発光波長を非線形結晶の位相がマッチングするバンド幅に制限するように働く。このセットアップに起因し、レーザーチップの温度制御を省略できるが、非線形結晶の温度をアクティブに制御する必要性が依然として存在する。このことはコストがかかり、レーザーデバイスの小型の投影ユニット内に組み込む際に大きな問題となり得る。

従って、本発明の目的は、普遍的に使用でき、コスト上効率的に製造できる、キャビティ間周波数変換を行う表面発光外部キャビティレーザーデバイスを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載のキャビティ間で周波数変換を行う表面発光外部キャビティレーザーデバイス、請求項１０に記載の画像投影ユニットおよび請求項１１に記載のキャビティ間で周波数変換された光を発生するための方法によって解決される。従属項は本発明の好ましい実施形態に関するものである。

本発明に係わるレーザーデバイスは、基本周波数のレーザー光を得るように、少なくとも１つの利得層と１つの反射層とが配置されている、多数の半導体層を有する少なくとも１つの表面発光レーザー要素を備える。利得層は、一般に基本周波数でフォトンを放出するための数個の量子井戸半導体構造体を含み、例えばＡｌＧａＡｓを有するＧａＡｓ、またはＧａＡｓを有するＩｎＧａＡｓを使用できる。

少なくとも１つの反射層は、基本周波数での反射率が高く、この反射層を例えば９９.８％よりも大きい、極めて高い反射率を可能にする分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）とすることができる。このレーザー共振器は、レーザー要素から離間して配置され、外部キャビティを形成するよう、基本周波数で反射性である反射手段によって完成される。一般に、基本周波数の高調波の周波数である第２周波数で光を発生するよう、外部キャビティ内に周波数変換デバイスが配置される。従って、この周波数変換デバイスは、外部キャビティを通って進む基本周波数でレーザー要素によって発生される光を、基本周波数と異なる第２周波数の光に変換する。通常、第２周波数は、基本周波数の第２高調波の周波数となっているが、周波数の３倍化または４倍化だけでなく、他の周波数をダウン変換またはアップ変換することも可能であり、後者の周波数のアップ変換、例えば当業者に周知の周波数混合方法による周波数変換も使用できる。

所望する用途に使用するための適当な出力カプラーにより、外部キャビティから第２周波数の光を結合してもよい。この結合は、例えば反射手段、例えばダイクロイックミラーを通して第２周波数の光を結合できるように、適当な被膜（コーティング）を反射手段に設けることによって達成できる。

頻繁に使用される、好ましい周波数変換デバイスは、例えば非線形結晶であり、限定をしなければ周期的な極性のニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的な極性のタンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ）またはＫＴＰであり、ここでＰＰＬＮが特に好ましい。これら材料は、所望する波長変換特性を有するように設計できる。かかる周波数変換デバイスは、通常、狭位相マッチングバンド幅内の準位相マッチングに基づくものであり、ここで位相マッチングバンド幅は、結晶の長さに反比例する。例えば１０６０ｎｍからのＩＲ放射を可視光内の５３０ｎｍに変換する、周波数倍増ＰＰＬＮ結晶の位相マッチングバンド幅は、２ｍｍの長い結晶では、約１ｎｍであり、約３〜５ｍｍの代表的な結晶長さでは、より狭くなる。第２周波数で光を効率的に発生するには、基本周波数を周波数変換デバイスの位相マッチングバンド幅内に収めなければならない。

量子井戸構造、ＤＢＲおよび反射手段のセットアップを適当に選択することにより、広い波長レンジ内でレーザーデバイスの基本周波数を選択できる。これによって、所定温度で基本周波数を周波数変換デバイスの位相マッチングバンド幅に設定することが可能となるが、レーザー要素と周波数変換デバイスの双方の特性は、温度に依存するので、別の対策をとらなければならない。

従って、本発明によれば、基本周波数が周波数変換デバイスの位相マッチングバンド幅からドリフトするのを防止するために、外部キャビティ内に同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段が配置される。

バンドパスフィルタ手段を使用することにより、レーザー要素から発光される光をバンドパスフィルタのピーク波長に制限することが可能となっている。レーザー要素または周波数変換デバイスの温度が変化した場合でも、フィルタ手段を同調させることにより、基本周波数で発生される光の波長を、周波数変換デバイスの位相マッチング波長に有利に設定できる。このようにすることにより、これら部品のための温度制御が不要となっている。その理由は、周波数変換デバイスの位相マッチングバンド幅がドリフトした際には、バンドパスフィルタ手段のピーク波長をアクティブに適合させ、よって基本周波数を周波数変換デバイスの位相マッチングバンド幅に適合させ、よって第２周波数での光の最大パワーを得られるからである。

バンドパスフィルタ手段は、検出手段によって得られる信号に対して同調可能である。検出手段は、第２周波数で光のパワーを最大にできる少なくとも１つの物理的値を検出するように設計されている。従って、この検出手段はバンドパスフィルタの同調を可能にする信号を発生する。この検出手段は直接光学的バンドパスフィルタに接続してもよいし、または任意の中間制御回路を使用してもよい。デバイスのセットアップを簡略化するように、レーザー要素の半導体基板上に検出手段および必要な場合には任意の制御回路を好ましく形成できる。

レーザーデバイスは、光発生特性を更に高めるよう、別の電気的要素または光学的要素を含むことができる。例えばレーザー要素は、外部キャビティに向いた、利得層の側に配置された、一部が反射性の第２ＤＢＲを含むことが好ましく、よって２つのＤＢＲ構造体の間に利得層が挟持される。このような好ましい配置は、外部キャビティにおける損失が生じないよう、利得媒体の分離を行っている。最も好ましい第２ＤＢＲは、基本周波数において８５％〜９５％のレンジ内の反射率を有する。２つのＤＢＲを使用するこのセットアップは、例えばＤＢＲ層を適当にドーピングすることにより、利得層の電気的なポンピングを可能にする。

利得層の電気的ポンピングとは異なり、第２レーザー要素を使用する光学的ポンピングも使用できる。更に、外部キャビティは偏光制御要素、例えば二次元のライン格子構造体を含むことができる。その理由は、周波数変換は基本周波数における光の所定の偏光に依存するからである。デバイスのレーザー発生または周波数変換特性を更に高めるために、合焦要素、例えば合焦レンズが存在していてもよい。

上記のように、検出手段は第２周波数での光のパワーを最大にできる、少なくとも１つの物理的値を検出するように設計されている。通常、周波数変換デバイスの温度変化は、重要なパラメータであるので、検出手段は周波数変換デバイスの温度またはその温度の変化を測定する温度検出器を含むことができる。適当なデータべースを使用すると、周波数変換デバイスの温度に対応する位相マッチングバンド幅波長を決定すると共に、バンドパスフィルタ手段をこの波長に同調させることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態では、検出手段は第２周波数での光のパワーを検出するように作動できる光学的検出器を含む。本実施形態は、パワーを潜在的に減少させる要因とは別個に、第２周波数における光学的パワーを直接有利に最大化することを可能にする。光学的検出器を、例えばｐｉｎフォトダイオードまたは当技術分野で公知の所望する第２周波数に対して適当な他の任意の光学的検出器とすることができる。この検出手段は、波長のドリフトを効率的に補償できるよう、更に制御回路、例えばＰＩＤコントローラを含むことができる。上記のように、デバイスの全体の複雑度を下げるよう、レーザー要素の半導体基板上に検出手段および／または光学的検出器を形成することができる。

デバイスの形状ファクターを小さくするために、レーザーデバイスの外部キャビティ内部に光学的検出器を設置することができるが、外部レーザーキャビティ内での損失を低減するよう、外部に光学的検出器を設けることが好ましい。例えば外部キャビティの外部に結合される、第２周波数における少ないパーセントの光のビームを、当技術分野で公知のビームスプリッタにより、光学的検出器へ向けることができる。

この同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段は、外部キャビティにおける光のフィルタリングを可能にする任意の適当なタイプとすることができる。バンドパスフィルタ手段のバンド幅は、例えば１０６０ｎｍでのＩＲ放射線を、緑色の可視レンジに変換するよう、３ｍｍの長さを有する代表的なＰＰＬＮ結晶を使って、特別な周波数変換デバイスに適合させなければならない。このフィルタのバンド幅は、約０.７ｎｍＦＷＨＭとすべきである。

外部キャビティにおける周波数変換の効率を高めるには、バンドパスフィルタ手段のバンド幅を極端に狭くするように選択し、よって基本周波数においてレーザー光の発生を可能にする外部キャビティの長手方向モードの数を制限することが好ましい。このことは、隣接する長手方向に延長したキャビティモードの波長間隔よりも狭いフィルタのバンド幅を選択することによって達成できる。例えば１０６０ｎｍの基本波長において、１ｃｍの長さを有する外部キャビティを使うと、この結果、必要なフィルタバンド幅は、０.０６ｎｍのＦＷＨＭよりも狭くなる。

同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段は、同調可能な光学的バンドパスフィルタ誘電フィルタを含むことが好ましい。かかるフィルタは、極めて狭いバンド透過特性を有するように有利に設計できる。誘電フィルタの同調は、当技術分野で一般に知られているフィルタ材料の屈折率を変えることによって行うことができる。例えば、ピエゾ素子を使ってフィルタに加えられる圧力を変えることにより、圧力を検出できるフィルタ材料から製造された誘電フィルタの屈折率を変えることが可能である。更に、例えば、適当なヒーター／クーラー装置、例えばペルチエ素子を使って誘電フィルタの温度を変えることにより、フィルタを同調させることが可能である。これによって温度制御が必要となるが、レーザー要素または周波数変換デバイスの温度よりも誘電フィルタの温度をアクティブに制御するほうが、より簡単である。

最も好ましい光学的バンドパスフィルタ手段は、ファブリ・ペロー干渉計と、この干渉計の共振周波数を同調させるための作動要素とを含む。ファブリ・ペロー干渉計（エタロン）は、一般に当技術分野で知られており、２つの誘電反射表面の間の干渉に基づくものである。かかる干渉計の共振周波数は、反射表面の間の光学的長さを変えることによって同調できる。ファブリ・ペロー干渉計は、通常、複数の共振周波数を有するので、複数のパスバンドを有するが、干渉計の２つの共振ピークの間の自由スペクトルレンジが、レーザー要素の発光バンド幅および起こり得る温度ドリフトバンド幅よりも広く選択されるときに、「準」単バンドパス特性を得ることができ、例えば１０６０ｎｍの基本周波数および代表的なＩｎＧａＡｓタイプのレーザー要素に対し、フィルタの最大光学的長さは１０μｍとなる。

バンドパスフィルタの同調を可能にし、よって反射表面の間の光学的長さを変えるために、任意の適当なアクチュエータ、例えばマイクロ電気機械式（ＭＥＭＳ）アクチュエータを使用できる。上に示した例では、アクチュエータは少なくとも１００ｎｍの屈曲を可能にしなければならない。このアクチュエータはピエゾアクチュエータであることが好ましい。ピエゾアクチュエータは、サブナノメータの分解能で精密かつ高速の位置決めを有利に可能にできる。スタックタイプのピエゾアクチュエータを使用することが最も好ましい。ピエゾアクチュエータのタイプによっては、レーザー要素の半導体基板上に容易に集積化できるドライブ回路が必要となる場合がある。

本発明の好ましい実施形態では、周波数変換デバイスとバンドパスフィルタとが一体に形成される。かかる構造は、レーザーデバイスの必要な部品を好ましく低減できる。周波数変換デバイスは、レーザーデバイスの光軸上で離間した第１要素と第２要素を含むことが好ましく、ここでは第１要素と第２要素とはファブリ・ペロー干渉計を形成する対向した表面を有する。双方の表面には基本周波数で高い反射率を得るための被膜が設けられる。この被膜は、第２周波数での光の効率的な外部カップリングを達成するため、第２周波数に対して反射防止性となるように更に設計することが最も好ましい。

このセットアップでは、周波数変換デバイスの２つの要素の間に干渉計を形成することが好ましい。上記アクチュエータを使って、光学軸に沿って第１要素または第２要素のいずれかを変位させることにより、バンドパスフィルタの同調を容易に達成できる。これら２つの反射表面は互いに平行状態に維持しなければならない。

第１要素および／または第２要素は、周波数変換特性を有するように設計できる。双方の要素は同じ屈折率を有することが望ましい。その理由は、光学的ビームだけが光軸に対して平行に変位するように保証すれば、これによってレーザーデバイスの外部キャビティ内でのコストのかかる回転角方向の補償が不要となるからである。更に、外部キャビティ内での反射損失を更に最小にするよう、少なくとも基本周波数において反射防止性の被膜を、ファブリ・ペロー干渉計に寄与しない要素の表面に設けることが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、ファブリ・ペロー干渉計を形成する第１および第２要素の対向する表面は、互いに平行であり、かつ光軸に向かって傾斜している。基本周波数での反射率が過度に高いときに、これら表面がレーザーミラーとして働いて、これによって干渉計のバンドパスフィルタ特性を強化するのではなく、レーザーの発生を可能にしてしまうという危険性を生じることなく、このような好ましいセットアップは、これら表面の反射率の自由な選択を可能にする。更に、これら対向する表面の高い反射率の値は、干渉計のコントラストを有利に強化すると共に、狭いバンド幅を可能にする。

対向する表面は光軸に対して２°よりも大きい角度だけ傾斜していることが好ましい。傾斜角を２°よりも大きくすることによって、干渉計の反射表面に偏光制御機能を組み込むことが可能となり、これによって好ましいことにデバイスのコスト的に効率的で、かつコンパクトなセットアップが強化される。上記のように、周波数変換は基本周波数における光の所定の偏光に依存するので、基本周波数における光の偏光制御は重要である。

垂直入射に対し、誘電（光学的）表面の反射特性は、入射光のすべての起こり得る偏光に対して一定であるが、反射係数は垂直でない入射に対して偏光に依存する。しかしながら、傾斜角を大きくするには多数回反射されるビームの空間的オーバーラップが喪失することを防止するよう、光軸上での干渉計の表面のスペースを極めて狭くしなければならず、このようにすると、干渉計の性能が低下することになる。傾斜角は、１０°から４５°の間にあることが好ましい。対向する表面上に設けられる被膜は、多層被膜であることが最も好ましく、このようにすることは強力な偏光制御により好ましく設計できる。

上記のように、反射手段は外部キャビティ内でのレーザーの発生を可能にすると共に、第２周波数での光の効率的な外部結合を可能にするのを第２周波数での反射防止特性を好ましく呈することができるよう、基本周波数で極めて反射性があるように設計される。このようにするために、適当な被膜を有する共通レーザーミラーを使用できる。これとは異なり、レーザーミラーの代わりに上記のような適当な性質を有するように設計された容積ブラッグ格子を使用してもよい。

本発明の好ましい実施形態によれば、反射手段は光学的バンドパスフィルタまたは周波数変換デバイス上に設けられた被膜である。このような実施形態は、好ましいことにデバイスのセットアップを更に簡略化できる。外部キャビティ内でのレーザー発生を可能にするよう、被膜は基本周波数で極めて高い反射率を有し、第２周波数では、反射防止特性を示すことが好ましい。安定的なレーザー動作を達成するには、合焦レンズを設けなければならないことがある。この合焦レンズは、外部キャビティ内または外部キャビティに向いたレーザー要素の側面に配置してもよいし、または当技術分野で公知のように、レーザー要素の半導体基板内の熱レンズとして形成してもよい。反射手段は、ファブリ・ペロー干渉計を形成しない、第２要素の表面に設けられた被膜として形成されることが好ましい。

本発明に係わる画像投影ユニットは、上記のように少なくとも１つの表面発光外部キャビティレーザーデバイスと、電子制御ユニットと、少なくとも１つの空間光変調器とを備える。レーザーデバイスによって高品位かつ高輝度の光ビームを発生することが可能となるので、レーザーデバイスはプロジェクタ用途に対して理想的である。適当なコストおよび労力で、ＲＧＢ投影ユニットのための緑色のレーザー光を直接発生することはできないので、かかる用途に対しては上記のようなキャビティ間周波数変換を行う表面発光外部キャビティレーザーデバイスが極めて好ましい。例えば適正に設計されたＰＰＬＮ結晶を周波数変換デバイスとして使用することにより、１０６４ｎｍの基本波長で発光するＩＲレーザー要素を使用すれば、５３２ｎｍで緑色光を発生することが可能である。当然ながら、本発明は緑色光の発生だけに限定されるものではなく、部品を適当に設計することによって同じように他のカラーも発生できる。投影ユニットの輝度を更に高めるには、単一レーザーデバイス内に複数のレーザー要素のアレイを使用するか、またはカラーごとに複数のデバイスのアレイを使用することが望ましい。

空間光変調器は、所定のカラー分布に従って画像、例えばビデオ信号を発生できる任意のデバイスとすることができる。かかる空間光変調器は、二進光バルブ、例えばＤＬＰデバイス、ＬＣＯＳ（液晶オンシリコン）変調器、ＬＣＤデバイスまたはマイクロ電気機械式（ＭＥＭＳ）スキャナとすることができ、これら変調器はレーザービームをスキャンすることによって画像を発生できる。

画像投影ユニットは、他の電気的、光学的または機械的部品を含むことができ、これら部品は所望する用途に応じて必要となり得ると理解すべきである。

本発明の方法によれば、基本周波数のレーザー光を得るように、少なくとも１つの利得層と１つの反射層とが配置されている、多数の層を有する少なくとも１つの表面発光レーザー要素と、前記表面発光レーザー要素から離間し、外部キャビティを形成する反射手段と、前記基本周波数と異なる第２周波数で光を発生するよう、前記外部キャビティ内に配置された周波数変換デバイスと、前記外部キャビティ内に配置された同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段と、前記第２周波数で前記レーザーデバイスの出力パワーを最大にするよう検出手段によって得られる信号に対して、前記光学的バンドパスフィルタ手段を同調できる検出手段とを備える、表面発光外部キャビティレーザーデバイスによりキャビティ間で変換された光が発生される。

バンドパスフィルタを同調するためには、適当な任意の制御手段を使用できる。この信号は、検出手段を使って直接発生してもよいし、または適当な制御回路、例えばマイクロコントローラにより発生してもよい。第２周波数での出力パワーをアクティブに最大にするには、当技術分野で適当な繰り返し最大化方法および再帰的最大化方法が知られている。かかる方法は、リアルタイムの作動をするように、閉ループ内でアクティブに作動させてもよいし、または所定の時間インターバル内で作動させてもよい。
好ましい実施形態の次の説明から、本発明の上記およびそれ以外の目的、特徴および利点が明らかとなろう。

本発明のレーザーデバイスの第１実施形態を示す横断面図である。 本発明に係わるレーザーデバイスの第２実施形態を示す横断面図である。

図１は、本発明に係わるキャビティ間で周波数変換を行う表面発光外部キャビティレーザーデバイスの第１実施形態を示す。２つの分散型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１ｂ、１ｃの間に利得層１ａが挟持された、半導体表面発光レーザー要素１が設けられている。基板１ｄは、レーザー要素１の層を機械的に支持するように働き、基本周波数では透過性となっている。これまで説明し、図に示したセットアップは、代表的なＶＣＳＥＬレーザーデバイスのセットアップに類似したものである。

利得層１ａは、基本周波数、すなわち１０６４ｎｍの波長で光を発生するＧａＡｓ内に埋め込まれたＩｎＧａＡｓ量子井戸を備える。２つのＤＢＲ１ｂ、１ｃは、内部レーザーキャビティを形成するので、ＤＢＲ１ｂは基本周波数で高い反射率（＞９９.８％）を有し、ＤＢＲ１ｃの反射率は、レーザーミラー２によって形成される外部キャビティ１２に対する外部結合およびこの外部キャビティ１２からのフィードバックを可能にするよう、より低くなっている。

ＤＢＲ１ｂはｐドープされており、ＤＢＲ１ｃはｎドープされており、電気的なポンピングを可能にするよう、利得層１ａに電気ポンプ電流を供給するようになっている。当然ながら、所望する用途によっては、ＤＢＲ１ｂおよびＤＢＲ１ｃを逆の順にドープすることも可能である。

レーザーミラー２は、基本周波数で高い反射率を有し、このレーザーミラー２の内側表面は、反射防止被膜（図示せず）で被覆されており、この被膜は少なくとも第２周波数のために外部キャビティ１２に向いている。これとは異なり、レーザーミラー２を、当業者に公知の適当な特性を有する容積ブラッグ格子に置換することもできる。

第１要素３ａと第２要素３ｂとを備える周波数変換デバイス３により、第２周波数の光が発生される。要素３ａは、基本周波数の光を第２周波数の光に変換するように設計された周期的な極性のニオブ酸リチウムの非線形材料から製造される。ここで第２周波数は、５３２ｎｍの波長を有する基本周波数の第２高調波周波数である。要素３ｂは、基本周波数および第２周波数で透過性の光学的ガラスから成る。上記とは異なりこの要素３ｂは、要素３ａの材料、例えばニオブ酸リチウムから構成してもよい。要素３ａ、３ｂは、同じ反射率を有するので、キャビティ１２内を進む光ビームは回転角方向には変位しない。

周波数変換デバイス３は、周波数変換のための狭い位相マッチングバンド幅を有し、このバンド幅は、例えば温度変化時に変動することがあるので、基本周波数での周波数制御が必要である。

従って、要素３ａと３ｂの対向する表面は、レーザー要素１の発光周波数の制御を可能にすると共に、基本周波数で発生される光のバンド幅を狭くするよう、同調可能なファブリ・ペロー干渉計を一体的に形成している。図１の拡大図から示すことができるように、基本周波数での高い反射率を得るため、双方の表面には被膜１１が設けられている。

ファブリ・ペロー干渉計を同調させるために、図で点線で示されている光軸に平行な方向の、要素３ａと３ｂとの間の距離を変える。従って、第２要素３ｂにはスタックタイプのピエゾアクチュエータ６が配置されている。このピエゾアクチュエータ６は、制御ユニット９に接続されており、この制御ユニットによって制御される。制御ユニット９への入力手段として、第２周波数での光のパワーを測定する光学的検出器７が第２キャビティ１２の外側に配置されている。この検出器７は、第２周波数での光のビーム５のパワーを検出する。この光のビームは外部キャビティ１２からレーザーミラー２を通って結合されている。従って、このビーム５はビームスプリッタ８を使って分割され、このビームスプリッタ８は第２周波数の光の一部を検出器７に向ける。

上記装置を使用すると、第２周波数の光のパワーをアクティブに測定し、この情報を使って、２つの要素３ａと３ｂとの間の距離を最適にし、よってファブリ・ペロー干渉計のバンドパス周波数を同調させることが可能となっている。これによって、レーザー要素１から発生される光の周波数を非線形材料の位相マッチングバンド幅に適合させることが可能となっている。従って、閉ループ動作で第２周波数の光のパワーを容易に最大にすることが可能となっている。当技術分野で公知の方法を使って、例えば勾配方法を使って最大化を行うことができる。

図から更に分かるように、要素３ａおよび３ｂの対向する表面は互いに平行であり、かつ光軸に対して傾斜している。この傾斜角によって表面がレーザーミラーとして働く危険性を防止している。

図２は、本発明に係わるレーザーデバイスの別の実施形態を示す。一般に図２の実施形態のセットアップは、図１の実施形態に類似しているので、対応する参照符号を使用する。

この実施形態では、図１の実施形態と対照的に、周波数変換デバイス３の第２要素３ｂの上に配置された誘電被膜２’により、外部キャビティ１２が形成されている。従って、この実施形態に係わる配置によりデバイスの複雑度が低下している。ファブリ・ペロー干渉計を同調させ、よって第１要素３ａと第２要素３ｂとの間の距離を変えるために、ＭＥＭＳアクチュエータ６’が配置されている。レーザー要素１が基板１ｄ内で作動する間、熱合焦レンズが形成されるので、適当なレーザー動作が達成される。

以上で、これまでの説明および図面において本発明について詳細に説明し、図示した。かかる図示および説明は、説明または例に過ぎず、限定的ではないと見なすべきであり、本発明は、開示した実施形態だけに限定されるものではない。

特許請求項において、「備える」または「含む」なる単語は、他の要素が存在することを排除するものではなく、「１つの」または「ある」なる不定詞は、複数存在することを排除するものではない。互いに異なる従属項において、所定の対策について記載していることは、これら対策の組み合わせを有利に使用できないことを示すものではない。請求項内の参照符号は発明の範囲を限定するものと見なすべきではない。

１ レーザー要素
１ａ 利得層
１ｂ、１ｃ ブラッグ反射器
１ｄ 基板
２ レーザーミラー
３ 周波数変換デバイス
３ａ 第１要素
３ｂ 第２要素
５ ビーム
６ ピエゾアクチュエータ
７ 光学的検出器
８ ビームスプリッタ
９ 制御ユニット
１１ 被膜
１２ 外部キャビティ

Claims (12)

1. キャビティ間で周波数変換を行う表面発光外部キャビティレーザーデバイスであって、
   多数の層を有する少なくとも１つの表面発光レーザー要素であって、基本周波数のレーザー光を得るように、少なくとも１つの利得層と１つの反射層とが配置されている前記表面発光レーザー要素、
   外部キャビティを形成するように前記表面発光レーザー要素から離間した反射手段と、
   前記基本周波数と異なる第２周波数で光を発生するように、前記外部キャビティ内に配置された周波数変換デバイスと、
   前記外部キャビティ内に配置された同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段と、
   検出手段であって、この検出手段によって得られる信号に対して、前記光学的バンドパスフィルタ手段を同調できる前記検出手段と、
   を有するデバイス。
2. 前記検出手段は、第２周波数で前記光のパワーを検出するように作動できる光学的検出器を備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記バンドパスフィルタ手段は、同調可能な誘電フィルタを備える、請求項１又は請求項２に記載のデバイス。
4. 前記バンドパスフィルタ手段は、ファブリ・ペロー干渉計と、この干渉計の共振周波数を同調させるための作動要素とを備える、請求項１又は請求項２に記載のデバイス。
5. 前記作動要素は、ピエゾアクチュエータである、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記周波数変換デバイスと前記バンドパスフィルタ手段とが、一体に形成されている、請求項４又は請求項５に記載のデバイス。
7. 前記周波数変換デバイスは、前記レーザーの光軸上で離間している第１要素と、第２要素とを備え、前記第１要素と前記第２要素とは、ファブリ・ペロー干渉計を形成する、被膜が設けられた対向する表面を有する、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記第１要素および前記第２要素の対向する表面は互いに平行であり、光軸に向かって傾斜している、請求項７に記載のデバイス。
9. 前記対向する表面は、２°より大きい角度だけ光軸に向かって傾斜している、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記反射手段は、前記光学的バンドパスフィルタ手段上、または前記周波数変換デバイス上に設けられた被膜である、請求項１乃至９の何れか１項に記載のデバイス。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の少なくとも１つの表面発光外部キャビティレーザーデバイスと、電子制御ユニットと、少なくとも１つの空間光変調器と、を有する画像投射ユニット。
12. 表面発光外部キャビティレーザーデバイスによりキャビティ間で周波数変換された光を発生するための方法であって、この表面発光外部キャビティレーザーデバイスが、
    多数の層を有する少なくとも１つの表面発光レーザー要素であって、基本周波数のレーザー光を得るように、少なくとも１つの利得層と１つの反射層とが配置されている前記表面発光レーザー要素と、
    外部キャビティを形成するために前記表面発光レーザー要素から離間した反射手段と、
    前記基本周波数と異なる第２周波数で光を発生するよう、前記外部キャビティ内に配置された周波数変換デバイスと、
    前記外部キャビティ内に配置された同調可能な光学的バンドパスフィルタ手段と、
    検出手段であって、この検出手段によって得られる信号に対して、前記光学的バンドパスフィルタ手段を同調させ、第２周波数での前記レーザーデバイスの出力パワーを最大にするための検出手段と、を有する方法。

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