JP2013088822A - 紫外線レーザ光源、紫外線光を生成する周波数倍化導波路の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ装置は、単結晶薄膜周波数倍化導波路構造の形で周波数倍化結晶へと繋がる可視レーザ光を生成する半導体レーザ装置を含む。単結晶薄膜周波数倍化導波路は、半導体レーザより出射される可視光の一部を紫外線光へと変換する。可視レーザ光と紫外線レーザ光との両方が、上記周波数倍化導波路から出射される。例えば、上記単結晶薄膜周波数倍化導波路は、β−BaB2O4(β−BBO)から成る周波数倍化結晶領域、紫外線レーザ光線の波長において透過性を有する、あるいはほぼ透過性を有する物質から成るクラッド領域、および、あらゆる物質から成る支持基板を含む。
【選択図】図1
Description
(1)周波数倍化単結晶ウエハーの1つの表面にクラッド層3を設ける(applying)工程。上記クラッド層の材料は、半導体レーザダイオードより出射される光に対して、また、周波数倍化による紫外線光に対して、透過性を有するか、あるいはほぼ透過性を有する。
(2)上記クラッド層を有する上記表面を支持基板4に設ける工程。
(3)上記周波数倍化単結晶の対面をラッピングおよび研磨し、薄膜(40μm未満の厚さ)を形成する工程。
(4)上記周波数倍化単結晶薄膜の研磨された面に対して任意でパターニングおよびエッチングを行い、リッジ型導波路構造を形成する工程。
(5)上記半導体レーザダイオードからの光が上記導波路へと繋がるように、かつ、上記半導体レーザダイオードからの光および周波数倍化による紫外線光が上記導波路の外へと繋がるようにファセットを研磨する工程。
(a)単結晶薄膜周波数倍化導波路に沿って半導体レーザからの可視光および紫外線光を制限することにより、可視光から深紫外線光への変換効率が極めて向上する。上記導波路は少なくとも光線が伝播する方向に垂直な1次元において小サイズかつ高品質な単結晶であり、また、可視光および紫外線光の両方に対する吸収損失が低いため、高い効率性を提供する。
(b)上記導波路の製造プロセスは単純化され、複雑なイオン注入あるいは他の実験技術を用いる必要性に取って換わる。また、サイズにおいて、上記製造プロセスはより大きなサイズの導波路への拡張性がある。
(c)上記レーザシステムは既存の深紫外線レーザよりも低コストかつ小サイズである。
(d)可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方が同じ光源より提供される。それゆえ、装置のサイズおよび電力消費は小さくなる。
(e)特に、可視レーザ光線は、深紫外線光とは異なり肉眼で見ることができるため、安全性の観点から有用である。
(f)細菌をすみやかに破壊し、細菌の蛍光を強く活性化させ、汚染された空気または水において強く吸収される紫外線レーザ波長の高い有効性。
(g)高速かつ効率的な扱いによる、極めて平行かつ堅く焦点の合ったレーザ光線を使用し、空中または水上の微生物から高い感知シグナルを取得する。
9mm×9mm×0.5mmの典型的な寸法(あるいは、特定の用途において必要となるような別の寸法)を有する商業的に調達された単結晶BBOウエハー1は、単結晶の主面のうちの1つ(すなわち、9mm×9mmの2つの面のうちの1つ)において、鏡状の平面度(mirror−like flatness)に機械的にラッピングおよび研磨される。これは、第1の研磨面2について言及している。導波路の製造が完成したとき、半導体レーザダイオードより出射される光の位相整合による周波数倍化を該導波路が提供するように、第1の研磨面の方向が選択される。好適には、導波路の製造が完成したとき、位相整合された導波路における周波数倍化のための非線形係数が最大値となるように、第1の研磨面の方向が選択されることが好ましい。これは、半導体レーザダイオードより出射される光を周波数倍化するための非線形光学結晶から得られる。商業的に利用可能な、適切な方向、平坦さ、および滑らかさで研磨された面を有するウエハーを調達してもよい。BBOは少し吸湿性を有するため、乾燥条件において、保存、加工、および使用すべきである。BBOは比較的柔らかい物質であるため、引っかき傷とほこりから研磨面を保護するように注意する必要がある。
次に、研磨工程で残ったあらゆる残骸を除去するため、研磨されたBBOウエハーが適切な無水有機溶剤を用いて洗浄される。この時点で、後の動作中に上記導波路に沿って伝播する光(すなわち、半導体レーザより出射される光(波長λ1)および周波数倍化により生成された光(波長λ2))に対して、透過性を有するか、あるいは実質的に透過性を有する第1のクラッド物質(あるいは、複数の物質)3により、BBOウエハーの第1の研磨面がコーティングされてもよい。可能性のあるクラッド物質の大部分は、深紫外線波長において高吸収を有するため、適切な物質を調達するときは、深紫外線レーザの波長λ2において低吸収であることを検証すると共に、注意深く考慮すべきである。波長λ1およびλ2を有する光に対する第1のクラッド物質の減衰係数(k)が0.05以下であるとき、第1のクラッド物質は、波長λ1およびλ2を有する光に対して、透過性を有するか、あるいは実質的に透過性を有する。減衰係数(k)は、波長λ1およびλ2を有する光に対して、0.02未満であることが望ましい。減衰係数は、光に対する物質の透過性を定量化するためのパラメータである。波長λを有し、上記物質を透過する光の強度(I)は、
次に、上記BBOウエハーは、接着層5を用いて、支持基板4(例えば、純溶融石英(PFS))に設けられる。予め、第1の研磨面において、第1のクラッド物質によりBBOウエハーがコーティングされている場合、上記第1の研磨面は結合面となる。第1のクラッド物質が予め適用されていない場合、後の動作中に上記導波路に沿って伝播する光(波長λ1およびλ2)に対して透過性を有するか、あるいは実質的に透過性を有する接着性クラッド物質5が第1の研磨面を上記支持基板に結合するために用いられる。そして、接着性クラッド物質5は、第1のクラッド物質となる。大部分の接着性を有する物質は、深紫外線波長において高吸収を有するため、深紫外線レーザの波長λ2において低吸収であることを保証するために、特別に注意が必要である。波長λ1とλ2を有する光において、接着性クラッド物質は、0.05未満の減衰係数(k)を有し、0.02未満の減衰係数(k)を有することが望ましい。また、各々の波長λ1およびλ2において、第1のクラッド物質は、同じ波長における非線形光学材料の屈折率よりも小さい屈折率(n)を有することが望ましい。BBOなどの複屈折の非線形光学結晶の場合、関連する非線形光学材料の各々の波長における屈折率は、完成した導波路において位相整合された方向に沿って伝播する光の屈折率であり、光の極性が考慮されている。適切な接着材料の例としては、NOA88(ノーランドプロダクツ社によって製造された)、CYTOP(アサヒガラスCo.Ltd.によって製造された)、およびフッ素重合体である。接着硬化工程の間、適切な機械治具を用いて、BBOウエハーおよびPFS基板を互いに繋ぎ合わせることにより、接着の厚さがBBO表面全体に渡って均一であることを保証してもよい。基板の平面において、非線形光学結晶の熱膨張率にほぼ一致する熱膨張率を有するように、支持基板を選択してもよい。
次に、結合したBBOウエハーの主面(露出したままである)は、機械的にラッピングおよび研磨され、該主面の全体の厚さ17は、0.5mmから40μm未満の薄膜の厚さへと減少する(図3および図4参照)。これは、第2の研磨面6について言及している。BBO薄膜の厚さは、第1の研磨面と第2の研磨面との間の距離である。BBO薄膜の厚さは、第1の研磨面の平面に対して垂直な距離に沿って測定される。ラッピングおよび研磨に用いる適切な装置の例としては、PP5研磨治具、およびPM5精密ラッピング研磨機があり、いずれも、ロジテックLtd.(UK)により製造されている。ガラスラッピング板、および、無水エチレングリコールに分散された9μmの酸化アルミニウム(AL2O3)の研磨粒子を用いて、機械的なラッピング工程は実施できる。拡張ポリウレタン板(an expanded polyurethane plate)、および、無水エチレングリコールに分散された0.3μmの酸化アルミニウム(AL2O3)の研磨粒子を用いて、機械的な研磨工程は実施できる。完成したBBO薄膜の厚さは1μmと10μmとの間であることが最も望ましい。ただし、40μm未満のあらゆる厚さが本発明の効果を奏する。機械的なラッピングおよび研磨は、低い周囲湿度の状況下で実施することにより、空気中の湿気に対するBBOの露出を最小限にするべきである。周囲の相対湿度は、30%未満であることが望ましい。さらに、ラッピングおよび研磨は、完全な無水状況の下で実施されることが望ましい。例えば、乾燥した窒素ガスの気体において実施される。結果として得られるBBO単結晶薄膜の厚さは、後の動作中、上記膜を通って光が伝播する方向に沿って、著しく変化してはならない。仮に、上記厚さが著しく変化した場合、周波数倍化のための可干渉距離が短くなり、薄膜導波路における周波数倍化の効率性は低下する。BBO単結晶薄膜の厚さは、後の動作中に光が上記導波路を通って伝播する方向に沿って、2μm未満しか変化しないことが望ましく、上記厚さは、この方向に沿って、0.1μm未満しか変化しないことが最も望ましい。
次に、研磨工程で残ったあらゆる残骸を除去するため、適切な純無水有機溶剤を用いて第2の研磨面が洗浄される。この段階において、第2の研磨面の上に第2のクラッド物質7を蒸着してもよい。上記第1のクラッド物質の選択の際に説明したように、波長λ1およびλ2を有する光に対して透過性を有するか、あるいはほぼ透過性を有するという同様の必要条件を第2のクラッド物質も満たすべきである。また、上記第1のクラッド物質において説明したように、波長λ1およびλ2における屈折率(n)に関する同様の必要条件を第2のクラッド物質も満たすことが望ましい。MGF2が第2のクラッド物質として選択されることが望ましいが、上記第1のクラッド物質の可能性のある選択として一覧として挙げた物質を含む、他の適切な物質が選択されてもよい。第2のクラッド物質は、後の取り扱いおよび加工において空気中に含まれる湿気により生じる損害から、BBO単結晶薄膜を保護することができる。
ここで、周波数倍化平面導波路の製造において、光が上記導波路の中へと繋がり、上記導波路から外へと繋がるようにするために、上記単結晶薄膜の端面においてファセットが研磨される。半導体レーザダイオードからの光(波長λ1)が上記導波路の中へと繋がるように、入射ファセット8は研磨される。波長λ1を有する光と波長λ2に周波数倍化された光とが上記導波路の外へと繋がるように、出射ファセット9は研磨される。位相整合による周波数倍化を提供する上記薄膜の平面の方向に沿って光が伝播するように、半導体レーザダイオードからの光が周波数倍化平面導波路に繋がることができるようにする方向で、上記ファセットは研磨される。例えば、上記ファセットの平面に垂直な方向が位相整合された方向にほぼ平行となるように、入射ファセットおよび出射ファセットが研磨されてもよい。位相整合された方向に沿って測られる入射ファセットと出射ファセットとの間の距離は、薄膜平面導波路の長さ18(図3)を定義する。拡張ポリウレタン研磨板、および、無水エチレングリコールに分散した0.3μmの酸化アルミニウム(Al2O3)研磨材を用いて、入射ファセットおよび出射ファセットが研磨されてもよい。任意で、一方あるいは両方の研磨された端面のファセットは、反射防止コーティングを用いてコーティングすることができる。入射ファセットへの反射防止コーティングは、半導体レーザダイオードから導波路への波長λ1の光の伝送を増加させるために設計される。出射ファセットのコーティングは、導波路から外への波長λ2の周波数倍化された光の伝送を増加させるために設計される。関連する波長(例えば、“4分の1波長”コーティング)の伝送を最大化するように調整された厚さで蒸着されたMgF2の単層は、適切な反射防止コーティングの一例である。
最後に、上記ウエハーは、複数の薄膜周波数倍化平面導波路の部材10へとダイシングされる。部材10の各々は、紫外線レーザ装置における使用に適している。
上記BBOの表面に、PMMAの薄膜(例えば、厚さ60nm)が蒸着される。フォトレジスト(例えば、AZ5214E)がPMMA層に蒸着される。標準的な光学リゾグラフィーおよびエッチングを用いて上記フォトレジストはパターニングされ、フォトレジスト/PMMA二重層は完全に除去される。ここでは、上記BBOのリッジが必要となる。次に、最上部の表面に100nm以上の厚さでエッチマスク物質が蒸着される。上記で説明したように、第1のクラッド物質の選択の際に、波長λ1およびλ2を有する光に対して透過性を有するか、あるいはほぼ透過性を有するという同様の必要条件を、上記エッチマスク物質も満たすことが望ましい。また、上記で説明したように、第1のクラッド物質に関する、波長λ1およびλ2における屈折率(n)に関する同様の必要条件を、上記エッチマスク物質も満たすことが望ましい。真空蒸着により蒸着されるMGF2は、上記エッチマスク物質の望ましい選択である。その後、PMMA/フォトレジスト二重層を除去するために、例えばアセトンを用いた溶媒のリフトオフ処理が実施され、それにより、エッチマスク物質の縞模様が上記BBOの表面に残る。その後、BBOのリッジが、目標のリッジの高さとなるまで、BBOにおけるエッチマスク物質の上記縞模様間の領域を除去するために、例えばアルゴンイオンプラズマエッチングのような乾燥エッチング処理が実施される。ここで、任意で、エッチング処理を用いて、リッジの表面からエッチマスク物質を除去してもよい。エッチマスク物質を除去した後、結果として得られるリッジ型構造は、図4に示される。
この段階で、第3のクラッド物質12を上記ウエハーの最上部に蒸着することにより、乾燥エッチング工程において露出したエッチングされた表面、およびリッジの側壁の両方をコーティングしてもよい。第1のクラッド物質の選択の際に上記で説明したように、波長λ1およびλ2を有する光に対して透過性を有するか、あるいはほぼ透過性を有するという同様の必要条件を上記第3のクラッド物質も満たすべきである。また、上記で説明したように、第1のクラッド物質に関して、波長λ1およびλ2における屈折率(n)に関する同様の必要条件を上記第3のクラッド物質も満たすことが好ましい。MGF2は、上記第3のクラッド物質の望ましい選択である。第3のクラッド物質は、後の上記導波路の取り扱い、加工、および、動作の間、空気中に含まれる水分により生じる損傷から、BBO単結晶薄膜を保護することができる。また、第3のクラッド物質は、上記リッジ導波路に沿って伝播する光に対する分散損失を減少させることができる。
次に、光がリッジ導波路へと繋がり、リッジ導波路から外へと繋がるように、エッチングされた単結晶薄膜の端面においてファセットが研磨される。入射ファセット8は、半導体レーザダイオードからの光(波長λ1)がリッジ導波路へと繋がるように研磨される。出射ファセット9は、波長λ1を有する光および波長λ2に周波数倍化された光がリッジ導波路から外へと繋がるように研磨される。光がリッジ導波路に沿って伝播するように、半導体レーザダイオードからの光が周波数倍化リッジ導波路に繋がることができるようにする方向で、ファセットは研磨される。例えば、ファセットの平面に垂直な方向がリッジの方向にほぼ平行となるように、入射ファセットおよび出射ファセットが研磨されてもよい。リッジの方向に沿って測られる入射ファセットと出射ファセットとの間の距離は、薄膜リッジ導波路の長さ18を定義する。拡張ポリウレタン研磨板、および、無水エチレン・グリコールに分散した酸化アルミニウム(Al2O3)研磨剤を用いて、入射ファセットおよび出射ファセットが研磨されてもよい。任意で、一方あるいは両方の研磨された端面のファセットは、反射防止コーティングを用いてコーティングすることができる。入射ファセットへの反射防止コーティングは、半導体レーザダイオードから導波路への波長λ1の光の伝送を増加させるために設計される。出射ファセットのコーティングは、導波路から外へと繋がる波長λ2の周波数倍化した光の伝送を増加させるために設計される。関連する波長(例えば、“4分の1波長”コーティング)の伝送を最大化するように調整された厚さに蒸着されたMgF2の単層は、適切な反射防止コーティングの一例である。
最後に、上記ウエハーは複数の薄膜周波数倍化リッジ導波路の部材13へとダイシングされる。部材13の各々は、紫外線レーザ装置における使用に適している。
以下、本発明の第1の実施形態について説明する。図6に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路15に合わせる1枚以上のレンズ16が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路22へと繋がっている。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。図8に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜平面導波路構造22の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路22に合わせる1枚以上のレンズ23が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路22へと繋がっている。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第3の実施形態について説明する。上記レーザ装置は、導波路製造におけるステップ1で用いられるBBOウエハーの方向以外は、実施形態1で説明したものと同じものである。本実施形態では、典型的な寸法である9mm×9mm×0.5mm(または、特定の実行の必要性に応じた他の寸法)を有する単結晶BBOウエハー1が、非線形光学単結晶として使用される。上記BBOウエハーは、その主面(すなわち、9mm×9mmの面)に垂直な方向から5度未満のBBO<01−10>結晶方向を有し、上記主面の平面に位置するBBO[0001]結晶方向を有する。第1の研磨面2の平面は、BBO結晶の{1−100}格子面に並行な面から5度未満離れている(0度が望ましい)。結晶方向と、BBOウエハー1の第1の研磨面2との間の近似的関係を図9に示す。商業化が可能なBBOウエハーは、既に十分な平面度および滑らかさに研磨された{1−100}平面を用いて調達してもよい。リッジ導波路の残りの製造プロセスは、第1の実施形態で説明したものと同じである。
以下、本発明の第4の実施形態について説明する。図6に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路15に合わせる1枚以上のレンズ16が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路22へと繋がっている。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に平行な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第5の実施形態について説明する。図8に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜平面導波路構造22の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路22に合わせる1枚以上のレンズ23が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路22へと繋がっている。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に平行な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第6の実施形態について説明する。図12に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザ14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。
以下、本発明の第7の実施形態について説明する。図12に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。
以下、本発明の第8の実施形態について説明する。図13に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路15に合わせる1枚以上のレンズ27が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路15へと繋がっている。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することが望ましい。リッジ導波路の構造および製造は、実施形態1で説明したものと同じである。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第9の実施形態について説明する。図15に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード31を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ31は、レーザチップに一体となって統合された周期構造を含む半導体レーザであり、該レーザチップは、該半導体レーザから出射される光が、従来のファブリー・ペローの半導体レーザから出射される光よりもより狭い波長範囲を有するように設計されている。加えて、この型の半導体レーザのある例では、作動中、上記レーザチップの一部への電圧の印加によって放射波長が調整されてもよい。
以下、本発明の第10の実施形態について説明する。図16に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路16に合わせる1枚以上のレンズ16が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路15へと繋がっている。リッジ導波路構造および製造は実施形態1で説明したものと同じである。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
以下、本発明の第11の実施形態について説明する。図17に示すレーザ装置24は、400nm〜560nmの範囲の波長λ1を有する可視レーザ光を生成する半導体レーザダイオード14を備え、該可視レーザ光は、単結晶薄膜リッジ導波路構造15の形で周波数を倍化するBBOの結晶へと繋がっている。λ1は410nm以上460nm以下の範囲であることが望ましい。半導体レーザ14から出射された光を集光して該光の焦点を導波路15に合わせる1枚以上のレンズ16が用いられ、光は半導体レーザ14から導波路15へと繋がっている。リッジ導波路構造および製造は実施形態1で説明したものと同じである。導波路に入光する光の支配的な極性は、BBO結晶(例えば、単結晶非線形光学材料)と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することが望ましい。半導体レーザダイオードからの可視光の一部は、導波路の内部で周波数倍化され、波長λ2=λ1/2を有する光を生成する。可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の両方は、周波数倍化導波路構造から同時に出射される。
λ1が410nm≦λ1<411nmであるとき、a5=0、a4=0.188102808664553、a3=−309.194840804581、a2=190590.522011723、a1=−52214207.6963821、a0=5364240308.25265であって、
λ1が411nm≦λ1≦440nmであるとき、a5=−0.000001760705106、a4=0.00377476277753、a3=−3.23698468941742、a2=1387.88016707932、a1=−297527.230809678、a0=25512902.6041867であって、
λ1が440nm<λ1≦560nmであるとき、a5=−0.000000000333886、a4=0.000000873625719、a3=−0.000916331528884、a2=0.482130839856291、a1=−127.52288219078、a0=13654.8448727922である。
2 BBOウエハーの第1の研磨面
3 第1のクラッド物質
4 支持基板
5 接着層
6 第2の研磨面
7 第2のクラッド物質
8 入射ファセット
9 出射ファセット
10 単結晶薄膜周波数倍化平面導波路
11 リッジ
12 第3のクラッド物質
13 単結晶薄膜周波数倍化リッジ導波路
14 可視光を出射する半導体レーザダイオード
15 単結晶薄膜周波数倍化リッジ導波路
16 レンズ
17 非線形物質の厚さ
18 単結晶薄膜周波数倍化導波路の長さ
19 個々の周波数倍化導波路部材の幅
20 リッジの高さ
21 リッジの幅
22 単結晶薄膜周波数倍化平面導波路
23 レンズ
24 紫外線波長レーザ
25 第1の研磨面の平面に対して垂直な方向
26 実施例5における位相整合の望ましい方向
27 レンズ
28 レンズ
29 ビーム分離部材
30 2色性部材
31 DBR/DFBレーザ
32 温度制御部材
33 導波路の周囲の密封包装
34 密封包装への入射窓
35 密封包装からの出射窓
36 半導体レーザと導波路とを含む密封包装
Claims (35)
- 紫外線光を提供するレーザ光源であって、
可視光を出射するように構成された半導体レーザ装置と、
単結晶薄膜を含む周波数倍化導波路とを備え、
上記周波数倍化導波路は、上記半導体レーザ装置に光学的に連結され、そこから出射される可視光を受光し、受光した当該可視光の少なくとも一部を紫外線光に変換するように構成されており、
上記周波数倍化導波路は、
単結晶非線形光学材料を含む周波数倍化領域と、
可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の波長を有する光に対して、実質的に透過性を有する材料を含む第1のクラッド領域と、
支持基板とを備え、
上記第1のクラッド領域は、上記支持基板と上記周波数倍化領域との間に配されていることを特徴とするレーザ光源。 - 上記半導体レーザ装置は、400nm以上560nm以下の波長を有する可視光と、200nm以上280nm以下の波長に変換された上記紫外線光とを出射するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶非線形光学材料は40μm未満の厚さを有し、第1のクラッド層は100nmを越える厚さを有する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。
- 上記単結晶非線形光学材料はBBOを含み、上記単結晶非線形光学材料が40μm未満の厚さを有している方向は、<2−1−10>BBO結晶方向から5度未満離れていることを特徴とする請求項3に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶薄膜は、上記単結晶薄膜の主面を形成する少なくとも1つの研磨面を含み、上記BBO結晶方向は、上記少なくとも1つの研磨面の平面に平行ではないことを特徴とする請求項4に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶非線形光学材料はBBOを含み、上記BBOのウエハーの第1の研磨面の平面に垂直な方向は、BBO結晶の[0001]方向からの角度α=(90−θ)°において、θ>35°としたとき、3度以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶非線形光学材料はBBOを含み、上記BBOのウエハーの第1の研磨面の平面に垂直な方向は、BBO結晶の[0001]方向からの角度α=(90−θ)°において3度以下であり、度で測定されるθは、半導体の上記レーザ光源のnmで測定される波長λ1により、
λ1が410nm≦λ1<411nmであるとき、a5=0、a4=0.188102808664553、a3=−309.194840804581、a2=190590.522011723、a1=−52214207.6963821、a0=5364240308.25265であって、
λ1が411nm≦λ1≦440nmであるとき、a5=−0.000001760705106、a4=0.00377476277753、a3=−3.23698468941742、a2=1387.88016707932、a1=−297527.230809678、a0=25512902.6041867であって、
λ1が440nm<λ1≦560nmであるとき、a5=−0.000000000333886、a4=0.000000873625719、a3=−0.000916331528884、a2=0.482130839856291、a1=−127.52288219078、a0=13654.8448727922であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のレーザ光源。 - 上記第1のクラッド領域は、MgF2、CaF2、LaF3AlF3、GaF3、NOA88、CYTOP、およびフッ素重合体からなる材料のグループから選択された材料を含むことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記クラッド領域は、上記可視光および上記紫外線光の両方の波長において、0.05未満の減衰係数(k)を有することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶非線形光学材料は、ベータホウ酸バリウム(Beta−Barium Borate、BBO)、フルオロホウ酸ベリリウム酸カリウム(potassium fluroboratoberyllate)、四ホウ酸リチウム(lithium tetraborate)、四ホウ酸リチウムルビジウム(lithium rubidium tetraborate)、または、フッ化マグネシウムバリウム(magnesium barium fluoride)のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記単結晶非線形光学材料は、疑似位相整合周波数倍化材料であることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路は、1mm以上20mm以下の可干渉距離による周波数倍化を提供するように構成されていることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路は、上記周波数倍化導波路の長さよりも長い、周波数倍化のための可干渉距離を提供するように構成されていることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記レーザ光源は、上記半導体レーザ装置と上記周波数倍化導波路との間に光学的に配置された少なくとも1枚のレンズをさらに含み、上記少なくとも1枚のレンズは、上記半導体レーザ装置から出射された光を集光し、集光された上記光の焦点を上記周波数倍化導波路へと合わせるように構成されていることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記半導体レーザ装置からの光は、上記周波数倍化導波路に直接繋がることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路は、周波数倍化リッジ導波路を含むことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路は、周波数倍化平面導波路を含むことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路は、周波数倍化平面導波路または周波数倍化リッジ導波路のうち少なくとも1つを含み、上記単結晶薄膜は、主面を有するBBOを含み、BBO<01−10>の結晶方向は、上記主面に垂直な方向から5度未満であり、BBO[0001]の結晶方向は、上記主面の平面に位置することを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記レーザ光源は、上記半導体レーザ装置により出射される上記光の波長範囲を狭くするように構成された2色性部材をさらに含むことを特徴とする請求項1から18のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記レーザ光源は、上記半導体レーザ装置により出射された光から、周波数倍化による紫外線光を分離するように構成されたビーム分離部材をさらに含むことを特徴とする請求項19に記載のレーザ光源。
- 上記2色性部材は、
上記半導体レーザ装置から出射された光と同じ経路に沿って、格子から回折した光線が後ろから通るように配向された回折格子か、
または、光の異なる波長に対して異なる反射率を有する鏡のうち、少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項19また20に記載のレーザ光源。 - 上記2色性部材は、
光学的に上記周波数倍化導波路の出口に連結しているか、
光学的に上記半導体レーザ装置と上記周波数倍化導波路との間に配置されているか、
または、上記半導体レーザ装置のファセットへと光をフィードバックするように配置されているかのうち、
少なくとも1つであることを特徴とする請求項19から21のいずれか1項に記載のレーザ光源。 - 上記半導体レーザ装置は、一体となって上記半導体レーザ装置に統合された周期構造を含み、
上記周期構造は、上記半導体レーザ装置から出射された光に、ファブリー・ペローの半導体レーザから出射された光よりも狭い波長範囲を含ませるように構成されていることを特徴とする請求項1から22のいずれか1項に記載のレーザ光源。 - 上記レーザ光源は、上記半導体レーザ装置に連結する温度制御部材をさらに備え、
上記温度制御部材は、上記半導体レーザ装置の温度を補正するように構成されていることを特徴とする請求項1から23のいずれか1項に記載のレーザ光源。 - 上記半導体レーザ装置および上記周波数倍化導波路のうち少なくとも1つは、密封包装に封入されており、上記可視光および上記紫外線光は、上記密封包装における透過性を有する窓領域を通って出射されることを特徴とする請求項1から24のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記レーザ光源の紫外線出力は、0.01mW以上500mW以下であることを特徴とする請求項1から25のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記レーザ光源は、紫外線光と可視光との両方を出射するように構成されていることを特徴とする請求項1から26のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記半導体レーザ装置は、半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項1から27のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路に入光する光の支配的な極性は、上記単結晶非線形光学材料と第1のクラッド層との間の接触面に垂直な電界を有することを特徴とする請求項1から28のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 上記周波数倍化導波路に入光する光の支配的な極性は、上記単結晶非線形光学材料と第1のクラッド層との間の接触面に平行な電界を有することを特徴とする請求項1から29のいずれか1項に記載のレーザ光源。
- 紫外線光を生成する周波数倍化導波路の製造方法であって、上記周波数倍化導波路は周波数倍化領域を含み、
上記周波数倍化領域の面に、可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の波長を有する光に対して実質的に透過性を有する材料を含むクラッド領域を設ける工程と、
基板に上記クラッド領域を設ける工程と、
上記周波数倍化領域をラッピングおよび研磨し、単結晶非線形光学材料の薄膜を形成する工程と、
上記薄膜をエッチングし、リッジ型導波路構造を形成する工程とを含むことを特徴とする製造方法。 - 紫外線光を生成する周波数倍化導波路の製造方法であって、上記周波数倍化導波路は周波数倍化領域を含み、
上記周波数倍化領域の面に、可視レーザ光線および紫外線レーザ光線の波長を有する光に対して実質的に透過性を有する材料を含むクラッド領域を設ける工程と、
基板に上記クラッド領域を設ける工程と、
上記周波数倍化領域をラッピングおよび研磨し、単結晶非線形光学材料の薄膜を形成する工程と、
上記基板、上記クラッド領域、および上記周波数倍化領域をダイシングし、平面導波路構造を形成する工程とを含むことを特徴とする製造方法。 - 上記薄膜のエッチングは、第1のクラッド層と同じ上記材料でできているエッチマスク層の使用を含むことを特徴とする請求項31または32に記載の製造方法。
- 上記エッチマスク層の使用は、リッジ型導波路構造の最上部に、最上部のコーティング層として上記エッチマスク層を保持すること含むことを特徴とする請求項33に記載の製造方法。
- 上記単結晶非線形光学材料を形成する工程は、ベータホウ酸バリウム(Beta−Barium Borate、BBO)から上記単結晶非線形光学材料を形成する工程を含むことを特徴とする請求項31から34のいずれか1項に記載の製造方法。
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