JP2013061466A - レーザ発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 シンプルな構造であるにもかかわらず、従来困難であった波長の異なるレーザ光の切り換えを容易に行うことができるレーザ発光装置を提供すること。
【解決手段】 加熱電極を担持する電極用基板と、この電極用基板上に配置されて励起光を伝達する光導波路層と、当該光導波路層上に配置される障壁層と、当該障壁層上の所定位置に配置される少なくとも２つのレーザ発光素子とを備え、前記障壁層は、前記光導波路層およびレーザ発光素子の材料よりも屈折率が小さく且つ光を透過させる材料から構成され、前記加熱電極は、前記各レーザ発光素子にそれぞれ対応する位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、レーザ発光装置に係り、特に、１つのレーザ発光装置で異なる波長のレーザ光を切り換えて出力することができるレーザ発光装置に関する。

従来から、１つの励起光に基づいて、異なる波長のレーザ光を出力するレーザ発光装置が公知である。ここで、図５は分岐部を有する導波路を備えたレーザ発光装置５１を示している。このレーザ発光装置５１では、励起光導入手段（光ファイバ）から光導波路が２つに分岐し、この分岐した２つの光導波路がさらにそれぞれ２つの光導波路に分岐したものである。このため、合計で４つの光導波路に分岐している。そして、各分岐部にはそれぞれ加熱電極が設けられている。

当該レーザ発光装置５１を用いる場合には、以下のような制御を行う。例えば、図中の最も奥側に配置されているレーザ発光素子からレーザ光を出力したい場合、励起光導入手段に一番近い分岐部において、図中奥側の導波路に対応する加熱電極に電力を供給する。これにより、励起光の大部分が奥側の導波路に導かれる。次に、２番目の分岐部においても、奥側の導波路に対応する加熱電極に電力を供給する。これにより、励起光は一番奥側の光導波路に導かれる。そして、励起光は最も奥側のレーザ発光素子に入り、所定の波長のレーザ光が出力される。

以上のように、各分岐部において分岐した光導波路の各加熱電極の電力供給状態を切り換えることによって、所望の波長のレーザ光を出力させることができるのである。

しかしながら、上記従来のレーザ発光装置には以下のような問題点があった。すなわち、励起光導入手段からレーザ発光素子までに、複数の分岐部を設ける必要がある。そして、光の伝達効率を考慮した場合、分岐部の分岐角度はそれほど大きくすることは現実的では無い。このため、励起光導入手段からレーザ発光素子までの間の寸法を短くすることには自ずと限界があった。このことは、レーザ発光素子自体の小型化を進める上では大きな障害となる。特に、出力したい波長の数を増やすほど小型化は困難となる。

また、分岐部は光導波路を２方向に分岐させるものであるため、波長の数としては２のｎ乗に限定されてしまい、波長の数を柔軟に選択することが難しい。また、励起光は分岐部において減衰してしまうため、励起光が通過する分岐部の数が増えるほど、エネルギ損失が大きくなってしまう。さらに、レーザ発光素子自体は、光導波路に沿った方向に設置する必要があり、レーザ光の照射方向の自由度が著しく低い。

本願発明は、上記のような様々な問題点に鑑みてなされたものであって、シンプルな構造であるにもかかわらず、従来困難であった波長の異なるレーザ光の切り換えを容易に行うことができるレーザ発光装置を提供することをその目的とする。また、励起光の伝達方向とレーザ発光素子の方向も自由に選択できるレーザ発光装置を提供することを目的とする。さらに、上記のような機能を有するにもかかわらず、安価に製造することができ、コストの面からも１回利用を想定したレーザ発光装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明１では、加熱電極を担持する電極用基板と、この電極用基板上に配置されて励起光を伝達する光導波路層と、当該光導波路層上に配置される障壁層と、当該障壁層上の所定位置に配置される少なくとも２つのレーザ発光素子とを備え、前記障壁層は、前記光導波路層およびレーザ発光素子の材料よりも屈折率が小さく且つ光を透過させる材料から構成され、前記加熱電極は、前記各レーザ発光素子にそれぞれ対応する位置に配置されている、という構成を採っている。

また、発明２では、発明１において、前記少なくとも２つのレーザ発光素子は、相互に波長の異なるレーザ光を出力するものである、という構成を採っている。

また、発明３では、発明１又は２において、前記レーザ発光素子は細長い形状で形成され、その長手方向は前記励起光の伝達方向に対して所定の角度を有している、という構成を採っている。

また、発明４では、発明１又は２において、前記レーザ発光素子はピクセル状である、という構成を採っている。

また、発明５では、発明４において、前記レーザ発光素子は、赤、緑、青のレーザ光を出力するものが順に連続して配置されている、という構成を採っている。

さらに、発明６では、発明１〜５の何れかにおいて、前記加熱電極は、前記各レーザ発光素子の略真下あるいは前記励起光の伝達方向のわずかに上流側にずれた位置に配置されている、という構成を採っている。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ発光装置を示す斜視図である。 図１に開示したレーザ発光装置を示し、図２（Ａ）は平面図であり、図２（Ｂ）は側面図である。 図１に開示したレーザ発光装置の一部分を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ発光装置を示し、図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は側面図である。 従来のレーザ発光装置を示す斜視図である。

以下において、図面を参照しながら本願発明の実施形態について説明する。

［全体概要］
図１は、本願発明の一実施形態にかかるレーザ発光装置１の斜視図である。この図に示すように、レーザ発光装置１は、加熱電極３ａ〜３ｄを担持する電極用基板３と、この電極用基板３上に配置される光導波路層５と、前記光導波路層５上に配置される障壁層７と、当該障壁層上の所定位置に配置される少なくとも２つのレーザ発光素子９ａ〜９ｄとを備え、前記障壁層７は、前記光導波路層５およびレーザ発光素子９ａ〜９ｄの材料よりも屈折率が小さく且つ光を透過させる材料から構成され、前記加熱電極３ａ〜３ｄは、前記各レーザ発光素子９ａ〜９ｄにそれぞれ対応する位置に配置されている。光導波路層５には、励起光を導入する励起光導入手段（光ファイバ）１１が接続されている。

［電極用基板］
電極用基板３は、平面形状が矩形の基板であり、ガラス、プラスチック、酸化物、その他の誘電体等の材料から構成されている。但し、材料自体は特に限定されるものでは無く、後述する加熱温度（例えば、３０〜５０℃程度）に耐えうるものであれば、どのような材料であっても使用することが可能である。また、加熱電極３ａ〜３ｄを担持する構造であるため、絶縁性の材料であることが必要である。

電極用基板３の表面には、一例として４つの加熱電極３ａ〜３ｄが設けられている。具体的には、長方形となっている電極用基板３の長手方向に対して略直交する方向に、細長い加熱電極３ａ〜３ｄが配向されており、これら各加熱電極３ａ〜３ｄが互いに平行に電極用基板３の長手方向に沿って並んでいる。ここで、電極用基板３の長手方向は、励起光Lの伝達方向と概ね一致しているため、加熱電極３ａ〜３ｄの長手方向と励起光Lの伝達方向とが略直交する関係となっている。但し、加熱電極３ａ〜３ｄの設置方向あるいは設置位置は、後述するレーザ発光素子９ａ〜９ｄの位置に対応していればよいので、レーザ発光素子９ａ〜９ｄの設置方向や設置位置に応じて、励起光Lの伝達方向に対して所定の角度で傾斜させるようにしてもよい。

各加熱電極３ａ〜３ｄには、図示しない切換回路と電源が接続されている。電源は各加熱電極３ａ〜３ｄを３０〜５０℃程度に加熱するための電力を供給できるようになっており、この電源と電極用基板３との間に切換回路が設けられている。切換回路は、各加熱電極３ａ〜３ｄへの電力供給を切り換えるものであり、原則的には１度に１つの加熱電極のみに電力を供給するようになっている。但し、必要に応じて、４つの加熱電極３ａ〜３ｄのうち、特定の２つあるいは３の加熱電極に電力を同時に供給するような制御をするようにしてもよい。

なお、加熱電極３ａ〜３ｄの数については、後述するレーザ発光素子９ａ〜９ｄの数に応じて決定されるものであるため、実施形態で示す４つに限定されるものではない。

［光導波路層］
光導波路層５は、電極用基板３の上面に配置されるものであり、図示しない光源からの励起光Lを伝達する。この図では、光源からの励起光Lは図中の左方から 光ファイバ１１を経由して光導波路層５へ導かれる。ここで、光導波路を伝搬する光が電極により減衰することを避けるため、光導波路層５と電極の間に２μｍ以下の薄いバッファ層を置いても良い。この場合、バッファ層の屈折率は光導波路層５より低く設定する。光導波路層５の左方部分は、光ファイバ１１から供給される励起光が外へ漏れないように、両側面部がテーパー形状となっており、中央部分および右方部分は矩形状となっている。但し、光導波路層５のテーパー形状は必須なものではなく、単純な矩形形状であってもよい。本実施形態の光導波路層の例示的寸法としては、テーパー形状の部分を除いて、１５ｍｍ×３０ｍｍ程度である。但し、当該寸法はあくまでも一例であり、より小型あるいは大型のものを製造することも可能である。

光導波路層５は、励起光Lを伝達する機能を有することから、透明な材料で形成されている。具体的な材料としては、ガラスやプラスチック、酸化物など誘電体などが考えられる。但し、透明であって、加熱電極３ａ〜３ｄによる加熱に耐えられるものであれば、どのようなものでも使用することが可能である。光導波路層５の厚みは、本実施形態においては１０〜２０μｍ程度である。図においては、電極用基板３と同様の厚みを有するように示されているが、これは説明の便宜のためであり、実際には電極用基板３よりも相当に薄く形成されている。光導波路層５は、コーティング技術や印刷技術等を用いて形成される。

［障壁層］
障壁層７は、光導波路層５の上に形成されるものであり、後述する熱光学効果による励起光Lの切り換えの効率を高めるためのものである。この障壁層７も光導波路層５と同様に、透明なガラスやプラスチックなどの材質から形成されている。障壁層７の平面形状は、光導波路層５と同様に励起光Lが導入される左方部分がテーパー状となっており、中央部分および右方部分は矩形状となっている。また、障壁層７の厚みは、本実施形態においては１０〜２０μｍ程度である。

障壁層７の特性としては、光導波路層５および後述するレーザ発光素子９ａ〜９ｄの材料よりも、屈折率が小さいことが必要となる。これは、加熱電極３ａ〜３ｄによる加熱が行われていない状態では、励起光Lが光導波路層５から漏れないようにするためである。なお、障壁層７もコーティング技術や印刷技術等を用いて形成される。

［レーザ発光素子］
次に、レーザ発光素子９ａ〜９ｄについて説明する。このレーザ発光素子９ａ〜９ｄは、上記したように、光導波路層５における励起光Lの伝達方向と略直交する方向に細長いフィルムレーザである。本実施形態では、一例として４つのフィルムレーザ９ａ〜９ｄが設けられている。このフィルムレーザ９ａ〜９ｄは、印刷技術等を用いて障壁層７上に形成されており、それぞれ異なる波長のレーザ光を出力できるものである。

フィルムレーザ９ａ〜９ｄの長さは、障壁層７あるいは光導波路層５の幅と略等しくなっており、熱光学効果によって光導波路層５から漏れた励起光Lの大部分が各フィルムレーザ９ａ〜９ｄに入射されるようになっている。なお、フィルムレーザ９ａ〜９ｄの数については一例であって、２つ、３つあるいは５つ以上のフィルムレーザ９ａ〜９ｄを設けてもよい。その場合には、光導波路層５と障壁層７の長さを拡大し、その拡大した領域に多数のフィルムレーザを集積することとなる。尚、フィルムレーザ９ａ〜９ｄも所定の厚さを有するように図示されているが、これは説明の便宜のためである、実際には数μ〜数十μｍ程度の厚さである。

［作用］
次に、本実施形態にかかるレーザ発光装置１の作用について説明する。先ず、励起光導入手段（光ファイバ）１１から所定の励起光Lが光導波路層５に導入される。光導波路層５に導入された励起光Lは、加熱電極３ａ〜３ｄが機能していない状態では、障壁層７の作用によって光導波路層５から漏れること無く伝達される。一方、所定の波長のレーザ光を出力したい場合には、これに対応する加熱電極に電力が供給される。ここでは、図中の最も左側にあるフィルムレーザ９ａによってレーザ光を出力する場合について説明する。

図示しない切換回路によって、電源からの電力が、最も左側に設けられている加熱電極３ａに供給される。具体的には、光導波路層５を３０〜４０℃、場合によっては５０℃程度まで加熱できるように電力が供給される。加熱電極３ａによって光導波路層５が加熱されると、その法線方向（図３におけるＺ軸方向）に温度勾配が生じる。すなわち、加熱電極３ａ付近が最も高温であり、加熱電極３ａから鉛直方向に離れるに従って低温となる。ここで、一般的に物質の屈折率は温度上昇によって低下するため、光導波路層５に法線方向の屈折率勾配が発生することとなる。

光導波路層５に法線方向の屈折率勾配が発生すると、光導波路層５内を通過する励起光Ｌは、屈折率勾配によって障壁層７側に曲げられる。そして、この曲げられた励起光Ｌは、障壁層７に漏洩し放射伝搬によって対応する最も左側のフィルムレーザ９ａに入射することとなる。フィルムレーザ９ａに励起光Ｌが入射すると、フィルムレーザ９ａ内でレーザ発振が生じ、フィルムレーザ９ａの端面から所定波長のレーザ光が出力される。

次に、異なる波長のレーザ光に切り換える場合について説明する。切換回路により、電源から最も左側の加熱電極３ａへの電力供給が停止される。それと同時に、切り換えたいフィルムレーザ（例えば、左から２番目）９ｂに対応する加熱電極３ｂへ電力が供給される。これにより、上記したのと同様に光導波路層５に屈折率勾配が発生し、左から２番目のフィルムレーザ９ｂに励起光Ｌが入射される。そして、左から２番目のフィルムレーザ９ｂから、異なる波長のレーザ光が出力される。

なお、図２および３においては、それぞれの加熱電極３ａ〜３ｄは、対応する各レーザ発光素子の略真下あるいは励起光Ｌの伝達方向のわずかに上流側にずれた位置に配置されているように示されている。これは、光導波路層５および障壁層７において、励起光Ｌが１／１００程度の傾斜角度でフィルムレーザ９ａ〜９ｄに入射するからである。但し、光導波路層５および障壁層７の厚さは１０〜２０μｍ程度と薄いため、上記した加熱電極３ａ〜３ｄとフィルムレーザ９ａ〜９ｄとのずれは、本実施形態では１００μｍ程度と極僅かである。

上記したように、本実施形態のレーザ発光装置１は、光導波路層５の熱光学効果とそれに伴う漏洩光制御によって、出力するレーザ光を切り換えている。特に、障壁層７を設けることで、加熱電極３ａ〜３ｄが機能していない状態での光の漏洩を確実に防止するとともに、加熱電極３ａ〜３ｄが機能した場合に、光導波路層５の励起光Ｌを確実に所望のフィルムレーザ９ａ〜９ｄへ伝達することができる。このため、エネルギ損失を抑制でき、エネルギ効率の高いレーザ発光装置１を提供することができる。

なお、本発明は光導波路層５を加熱することによる熱光学効果を用いているため、切換速度については１秒程度を想定している。しかしながら、光導波路層５の材質として比熱の小さなものを選択することで、切換速度を向上させることは可能である。また、ある加熱電極３ａ〜３ｄの加熱効果が広範囲に広がってしまうと、励起光Ｌの意図しない漏洩をもたらす場合も想定される。このため、加熱電極３ａ〜３ｄの幅を狭くして加熱範囲が狭い範囲に限定されるように工夫してもよい。

［第２の実施形態］
次に、図４に基づいて、本発明の第２の実施形態に係るレーザ発光装置３１について説明する。当該レーザ発光装置３１は、上記した実施形態と基本的な構成を共通にしている。一方で、レーザ発光素子であるフィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・がピクセル状に配置されている点で異なっている。具体的には、障壁層７の表面には、それぞれ独立したピクセル状のフィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・が設けられ、これら各フィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・に対応するように、ピクセル状の加熱電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ・・・・が設けられている。

加熱電極３３ａ，３３ｂ，３３ｃ・・・へは、マトリックス状の配線が接続されており、縦方向の配線と横方向の配線の両方に通電された加熱電極のみが光導波路層を加熱するようになっている。光導波路層が加熱されることで、フィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・に励起光Ｌが入射し、レーザ光が出力される。このとき、レーザ光の一部または全部はフィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・から法線方向に出力される。この性質を利用し、各フィルムレーザ３９ａ，３９ｂ，３９ｃ・・・・を赤、緑、青の順番で連続的に配置することで、例えばディスプレイを構成することが可能となる。

本発明は、固体色素レーザを組み込んだ装置や、蛍光ディスプレイ装置などに利用することが可能である。

１ レーザ発光装置
３ 電極用基板
３ａ〜３ｄ 加熱電極
５ 光導波路層
７ 障壁層
９ａ〜９ｄ レーザ発光素子（フィルムレーザ）
１１ 励起光導入手段（光ファイバ）

Claims (6)

1. 加熱電極を担持する電極用基板と、この電極用基板上に配置されて励起光を伝達する光導波路層と、当該光導波路層上に配置される障壁層と、当該障壁層上の所定位置に配置される少なくとも２つのレーザ発光素子とを備え、
   前記障壁層は、前記光導波路層およびレーザ発光素子の材料よりも屈折率が小さく且つ光を透過させる材料から構成され、
   前記加熱電極は、前記各レーザ発光素子にそれぞれ対応する位置に配置されている、ことを特徴とするレーザ発光装置。
2. 前記少なくとも２つのレーザ発光素子は、相互に波長の異なるレーザ光を出力するものであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ発光装置。
3. 前記レーザ発光素子は細長い形状で形成され、その長手方向は前記励起光の伝達方向に対して所定の角度を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ発光装置。
4. 前記レーザ発光素子はピクセル状であることを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザ発光装置。
5. 前記レーザ発光素子は、赤、緑、青のレーザ光を出力するものが順に連続して配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のレーザ発光装置。
6. 前記加熱電極は、前記各レーザ発光素子の略真下あるいは前記励起光の伝達方向のわずかに上流側にずれた位置に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ発光装置。