JP2011108961A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した面光源の緑色レーザを出射する。
【解決手段】青色レーザを出射するレーザ光源と前記レーザ光源の出射光側に配置されたビームエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーの前記レーザ光源と反対側に隣接して配置した、支持体に配置された青色レーザを緑色レーザに変換する蛍光体からなることを特徴とするレーザ光源発生装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源装置に関する。

光ディスクに使用する発光効率の高い（輝度の高い）緑色レーザ光源が開発されている。図２は従来技術による低雑音で安定な緑色レーザ発光できる半導体レーザ励起固体レーザ装置の断面図である。

固体レーザ部分の共振器構造は同一パッケージ５に固体レーザ媒質であるＮｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６、非線形光学結晶であるＫＴＰ結晶７、起光源となる半導体レーザチップ１２が収められている。そして、これらはベース９をもつパッケージ５内に収納されている。Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザの共振器は、Ｎｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６の励起側端面とＫＴＰ結晶７の出射側端面の間で形成されている。半導体レーザチップ１２は、Ｎｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６の端面に密着させてあり、半導体レーザチップ１２からの出射光が広がる前に十分Ｎｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６を励起できるようになっている。励起されたＮｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６からは、波長１．０６４μｍのレーザ光が生じるが、そのレーザ光をＫＴＰ結晶７により第２高調波である波長０．５３２μｍのグリーン光に変換している。また図において１０はフォトダイオード、１１はガラス窓である。

この従来技術による緑色レーザ光源の第１の特徴は、１５０ｍＷまで安定にシングルモード発振する半導体レーザチップ１２を励起光源としていることである。Ｎｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ（固体レーザ結晶）６のＮｄ濃度は１％で厚さは１ｍｍである。ＫＴＰ結晶（非線形光学結晶）７はＴＹＰＥ２の位相整合で厚さは５ｍｍである。

半導体レーザチップ１２とＮｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６の間隔は約５０μｍである。図２では半導体レーザ光の集光にレンズを使用していないのでＮｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６の端面からの励起光源の戻り光による影響は少ないが、半導体レーザチップ１２とＮｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ６を完全に密着すると戻り光の影響で発振波長が変化するので好ましくない。

なお、１３はペルチェ素子で、半導体レーザチップ１２の温度を制御している。８は温度センサである。（特許文献１参照）

前記の特許文献1記載の緑色レーザ光源は、光ディスクに使用する点光源の緑色レーザを出射するためのもので、マイクロプロジェクタ等に使用する面光源用の緑色レーザとなっていない。

同様に、液晶表示装置等に使用する、光を効率良く液晶表示装置に照射できる面状光源装置が開発されている。図３は従来技術による赤色、青色、緑色レーザを発光する素子と導光板を利用した面状照明装置の模式図（Ａ）と導光板１７のＡ−Ａ’断面図（Ｂ）である。

図３に示す面状照明装置は、以下の構成からなる。すなわち、この面状照明装置は、基本的な構成として、略平行光を出射するレーザ光源１と、このレーザ光源１から出射したレーザ光１８が細長い長方形形状を有する端面部１７Ｃ（第１の端面部）から入射し、長方形形状を有する一方の主面部１７Ａから出射する導光板１７とを備えている。そして、レーザ光１８は、導光板１７の一方の主面部１７Ａ（第２の主面部）に対向する長方形形状を有する他方の主面部１７Ｂ（第１の主面部）に対して傾斜した角度を有して端面部１７Ｃから入射し、他方の主面部１７Ｂにおいてその光路を変更されて一方の主面部１７Ａに入射し、一方の主面部１７Ａから略平行光として出射する。

なお、略平行光とは、例えば、一方の主面部１７Ａから出射されるレーザ光の出射方向が±５°以下の範囲内であることをいい、より望ましくは、一方の主面部１７Ａに対して垂直方向で、且つ±５°以下の範囲で出射することをいう。この場合、ダイクロイックミラーや部分透過ミラー等の光学素子の入射角依存性として、略フラットな反射率又は透過率を得ることができる。その他の場合についても同様の範囲をいう。

導光板１７には、レーザ光１８の入射面である端面部１７Ｃからこの端面部１７Ｃに対向する他方の端面部（第２の端面部）１７Ｄにかけて、導光板１７の厚みが薄くなる方向に傾斜して他方の主面部１７Ｂが設けられている。また、他方の主面部１７Ｂには、端面部１７Ｃから入射するレーザ光１８を一方の主面部１７Ａ方向に向けて反射する曲面が端面部１７Ｃから他方の端面部１７Ｄにかけて複数列形成されている。さらに、一方の主面部１７Ａには、他方の主面部１７Ｂに形成された曲面部により反射されたレーザ光１８を一方の主面部１７Ａから略平行光として出射する曲率を有する曲面部（第２の曲面部）が、他方の主面部１７Ｂの曲面部に対応した位置に複数列形成されている。したがって、導光板１７は、一方の主面部１７Ａと他方の主面部１７Ｂとに形成されている曲面部によりその光路が変更されて一方の主面部１７Ａからレーザ光１８を略平行光として出射することができる。

また、レーザ光源１は、Ｒ光、Ｇ光及びＢ光の３原色をそれぞれ発光するＲ光源１Ａ、Ｇ光源１Ｂ及びＢ光源１Ｃ（ＬＤ素子）からなり、これらは、所定の偏光を有する略平行光を出射するように構成されている。それぞれの波長のレーザ光は、ダイクロイックミラー１４により合波された後、ビームエキスパンダー２を用いて端面導光板１６の端面部の大きさと略同じ程度に拡げられる。そして、レーザ光１８が、反射ミラー１５を介して端面導光板１６の端面部１６Ａから端面導光板１６の内部に入射する。なお、本例では、上記ダイクロイックミラー１４がレーザ合波部となる。

また、端面導光板１６には、一定のピッチで複数の部分透過ミラー１６Ｂが設けられており、一定の拡がりを有して入射したレーザ光１８の一部は、部分透過ミラー１６Ｂにより反射されて導光板１７の端面部１７Ｃに入射し、残りは次の部分透過ミラー１６Ｂに入射する。そして、この部分透過ミラー１６Ｂでも同様に一部が反射されて導光板１７の端面部１７Ｃに入射し、残りはさらに次の部分透過ミラー１６Ｂに入射する。以下、これを順次繰り返し、最後の部分透過ミラー１６Ｂが入射された全ての光を反射することで、端面導光板１６から導光板１７の端面部１７Ｃの全面にわたり均一で、且つ略平行光を入射させることができる。

このような構成により、レーザ光１８は、所定の偏光を有する略平行光として導光板１７の端面部１７Ｃから導光板１７の一方の主面部１７Ｂに略平行に入射して、他方の主面部１７Ｂに形成されている曲面部により反射される。この反射光であるレーザ光１８が一方の主面部１７Ａに形成されている曲面部に入射し、この曲面部で屈折して光路が変更される結果、偏光状態を保持した状態で略平行光のレーザ光１８が、一方の主面部１７Ａから垂直方向に出射する。

前記のように、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の各ＬＤ素子から出射したレーザを導光板によって面光源としている。（特許文献２）。しかし、緑のＬＤ素子は大量生産できる段階になく、高価なばかりか、実用できるほどの高出力が得られていない。また導光板以外に反射ミラー、端面導光板、部分反射ミラーが必要であり構造が複雑であり、面状照明装置が大きくなってしまう。

特開平５−１８３２２０号公報 特開２００８−２２６８２９号公報

青色レーザを出射するレーザ光源と前記レーザ光源の出射光側に配置されたビームエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーの前記レーザ光源と反対側に隣接して配置した、支持体に配置された青色レーザを緑色レーザに変換する蛍光体からなることを特徴とするレーザ光源発生装置。

光ディスク用の点光源で安定な緑色レーザ光源や、液晶表示装置用の赤色、青色、緑色レーザを発光するレーザ素子と導光板を使用した、光の偏光を保持して光の利用効率を高めた照明装置は提案されているが、簡単な形状で安定した面光源の緑色レーザを出射する照明装置は提案されていない。

緑色の光を直接発光するＬＤ素子は現時点で大量生産できる段階になく、また、出力が小さく、工業的に使用できる環境にない。

本発明の目的は、緑色レーザを出射するＬＤ素子の代替として、大量生産可能な青色レーザを出射するＬＤ素子を使用し、安定した緑色レーザを出射する面光源のレーザ光源装置を得ることにある。

青色レーザを出射するレーザ光源と前記レーザ光源の出射光側に配置されたビー
ムエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーの前記レーザ光源と反対側に隣接して配置した、支持体に配置された青色レーザを緑色レーザに変換する蛍光体からなるレーザ光源発生装置とする。

前記支持体の蛍光体は、透明支持体に形成し、さらに、該蛍光体は、透明支持体と透明部材との間に封止される構造を有するレーザ光源発生装置とする。

前記支持体は、エキスパンダーの少なくとも一部が兼務しているレーザ光源発生装置とする。

前記支持体は、蛍光体の熱を外部に放熱するためのヒートシンクに接続するレーザ光源発生装置とする。

請求項１の発明によると、安定した面光源の緑色レーザを発光するレーザ光源装置が提供できる。

請求項２の発明によると、蛍光体が大気に触れている状態で強いレーザ光を蛍光体に照射すると蛍光体が空気中の酸素を結合して、劣化が発生することを防止することができる。

請求項３の発明によると、蛍光体を支持体上に直接設けることで、部品低減が可能である。

請求項４の発明によると、蛍光体の温度が上昇し、蛍光体を劣化させることを防止することができる。

本発明によるレーザ光源装置の一実施形態を示す模式図 従来技術による緑色レーザ発光できる半導体レーザ励起固体レーザ装置の断面図 従来技術による赤色、青色、緑色レーザを発光する素子と導光板を利用した面状照明装置の模式図（Ａ）と導光板１７のＡ−Ａ’断面図（Ｂ）

図１は本発明によるレーザ光源装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示す青色レーザを出射するレーザ光源１Ｂ（図面と異なる）と前記レーザ光源の出射光側に配置されたビームエキスパンダー２と、前記ビームエキスパンダー２の前記レーザ光源と反対側に隣接して配置した、支持体３に配置された青色レーザを緑色レーザに変換する蛍光体４からなるレーザ光源装置とする。前記レーザ光源１Ｂから出射された青色レーザをビームエキスパンダー２に入射して、照射面積を１０倍にする。照射面積が１０倍になったことで、レーザ光の強度が１／１００になった青色レーザを前記蛍光体４に照射する。蛍光体４は青色光によって励起されて緑色光を発光する緑色蛍光体である。蛍光体４に青色レーザを照射すると励起されて緑色レーザが発光する。従って、前記レーザ光源１Ｂの照射面積の１０倍の面積を照射する緑色レーザを出射できる。

蛍光体４において、従来の蛍光体は紫外線が照射されてできる蛍光体焼けが発生する。（プラズマディスプレイの駆動時で情報表示用途として静止画での連続点灯を行った場合では数１００〜１０００時間程度で蛍光体層表面に蛍光体焼けによる着色が発生する。（参考文献：特開２００２−１９４３４５号公報）蛍光体焼けした蛍光体は茶褐色に変色してしまい、緑色光が発光できなくなってしまうが、前記レーザ光源１Ｂを使用することで、蛍光体へ照射される紫外線が無くなり蛍光体焼けを防ぐことができる。

また、従来の緑色蛍光体は１００℃を超えると、発光効率が急激に低下することが報告されている。(参考文献：一般論文「高効率と高演色性をともに実現できる白色ＬＥＤ用緑色サイアロン蛍光体」) よって、蛍光体４がレーザ光照射により発熱し、熱劣化させない必要がある。

前記レーザ光源１Ｂが、従来の小型プロジェクターで使用するレーザ光源の仕様（照射径０．２ｍｍ、出力は約０．１Ｗ）とした場合、蛍光体４にそのままレーザ光を照射すると、蛍光体４の照射部分が受けるエネルギー密度は約７９．６Ｗ／ｃｍ２で、太陽光のエネルギー密度（０．１Ｗ／ｃｍ２）の約８００倍になるので、レーザ光が照射された蛍光体部分が熱劣化してしまうが、前記レーザ光源１Ｂから出射したレーザ光を前記ビームエキスパンダー２により１０倍の照射面積にすることで蛍光体に照射される光の強度が１／１００になるので、エネルギー強度が約０．７９Ｗ／ｃｍ２となり太陽光のエネルギー密度の約８倍程度になるので、蛍光体４への負担を小さくでき、蛍光体の熱劣化を防ぐことでき、緑色レーザ光が安定して発光できる。

また、蛍光体４の熱劣化を防ぐために、支持体３にヒートシンク１９を接続させて蛍光体４の熱を外部に放熱することで、蛍光体４の熱劣化を防ぐことができ、緑色レーザ光が安定して発光できる。

１ レーザ光源
１Ａ 赤色レーザ光源
１Ｂ 青色レーザ光源
１Ｃ 緑色レーザ光源
２ ビームエキスパンダー
３ 支持体
４ 蛍光体
５ パッケージ
６ Ｎｄ：ＹＶＯ４マイクロチップ（固体レーザ結晶）
７ ＫＴＰ結晶
８ 温度センサ
９ ベース
１０ フォトダイオード
１１ ガラス窓
１２ 半導体レーザチップ
１３ ペルチェ素子
１４ ダイクロイックミラー
１５ 反射ミラー
１６ 端面導光板
１６Ａ 端面導光板入射部
１６Ｂ 部分透過ミラー
１７ 導光板
１７Ａ 導光板の端面部（レーザ光の出射面）
１７Ｂ 導光板の端面部（レーザ光の反射面）
１７Ｃ 導光板の端面部（レーザ光の入射面）
１７Ｄ 導光板の端面部（レーザ光の入射面の反対にある面）
１８ レーザ光
１９ ヒートシンク

Claims (4)

1. 青色レーザを出射するレーザ光源と前記レーザ光源の出射光側に配置されたビームエキスパンダーと、前記ビームエキスパンダーの前記レーザ光源と反対側に隣接して配置した、支持体に配置された青色レーザを緑色レーザに変換する蛍光体からなることを特徴とするレーザ光源発生装置。
2. 前記支持体の蛍光体は、透明支持体に形成し、さらに、該蛍光体は、透明支持体と透明部材との間に封止される構造を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源発生装置。
3. 前記支持体は、エキスパンダーの少なくとも一部が兼務してことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光源発生装置。
4. 前記支持体は、蛍光体の熱を外部に放熱するためのヒートシンクに接続することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のレーザ光源発生装置。

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