JP2016201435A - Laser light source device - Google Patents

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一貴 池田
Kazutaka Ikeda
一貴 池田
基亮 玉谷
Motoaki Tamaya
基亮 玉谷
柳澤 隆行
Takayuki Yanagisawa
隆行 柳澤
山本 修平
Shuhei Yamamoto
修平 山本
充輝 二見
Mitsuteru Futami
充輝 二見
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-output laser light source device.SOLUTION: The laser light source device comprises: a laser medium 5 which has a waveguide structure in a thickness direction of a cross section that is vertical to an optical axis, and generates a gain with respect to laser light; a heat sink 2 that is bonded to one face side of the laser medium via a clad 4; a semiconductor laser 1 which is disposed proximately to one end face of the laser medium and makes excitation light incident to the laser medium; and a nonlinear material 7 which is disposed proximately to the other end face of the laser medium and has a waveguide structure in the same direction as the waveguide structure of the laser medium. The laser medium is oscillated in a spatial mode by lens effects that are effects that a plurality of lenses are arranged side by side in a direction vertical to the optical axis and the thickness direction, in accordance with refractive index distribution within the laser medium. A composition plane of the heat sink to the clad has a comb structures where the teeth of a comb are disposed at fixed intervals within a cross section which is vertical to the optical axis. A comb width of the teeth at both ends of the comb structure and a comb width of the teeth of the comb neighboring to the teeth at both the ends are made narrower than a comb width of the other teeth of the comb.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、プロジェクタ等の光源に用いられる高出力レーザ装置に適用されるレーザ光源装置に関するものである。   The present invention relates to a laser light source device applied to a high-power laser device used for a light source such as a projector.

従来から、高輝度発振が可能なレーザ光源装置を実現するために、図7、図8に示すモード制御導波路型レーザ光源装置が提案されている。(たとえば、特許文献1参照)。
図7は従来のモード制御導波路型レーザ光源装置の構成を示す側面図である。また、図8は図7内のa−a’断面をレーザ出射側から見た断面図である。
Conventionally, in order to realize a laser light source device capable of high-intensity oscillation, a mode control waveguide type laser light source device shown in FIGS. 7 and 8 has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1).
FIG. 7 is a side view showing a configuration of a conventional mode control waveguide type laser light source device. FIG. 8 is a cross-sectional view of the section aa ′ in FIG. 7 as seen from the laser emission side.

図7において、従来のレーザ光源装置は、励起光を出射する励起用半導体レーザ101と、光軸106に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、光軸106方向にレーザ光を出射するレーザ媒質105と、レーザ媒質105の下面に接合されたクラッド104と、クラッド104の下面に接合材103により接合されたヒートシンク102と、レーザ媒質105から出射されたレーザ光が入射し、非線形効果により第2高調波レーザ光に変換を行う非線形材料107とを備えている。
そしてヒートシンク102は、図8に示すように、クラッド104に対するヒートシンク102の接合面が、光軸106に垂直な断面内で同じ櫛幅W1の櫛構造となっている。
In FIG. 7, the conventional laser light source device has an excitation semiconductor laser 101 that emits excitation light, a waveguide structure in the thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis 106, and a laser in the optical axis 106 direction. A laser medium 105 that emits light, a clad 104 bonded to the lower surface of the laser medium 105, a heat sink 102 bonded to the lower surface of the clad 104 by a bonding material 103, and a laser beam emitted from the laser medium 105 are incident. And a non-linear material 107 that converts to a second harmonic laser beam by a non-linear effect.
As shown in FIG. 8, the heat sink 102 has a comb structure in which the joint surface of the heat sink 102 with respect to the clad 104 has the same comb width W <b> 1 in a cross section perpendicular to the optical axis 106.

特許第4392024号公報Japanese Patent No. 4392024

このように従来のレーザ光源装置は、ヒートシンク102に設けた周期的な同じ櫛幅W1の櫛構造にあっては、レーザ媒質105で発生した熱が、接合材103で接合された櫛歯から放熱され、レーザ媒質105の導波路内に周期的な温度分布を発生させることで各櫛歯間に熱レンズを発生させ、均一なレーザ発振を行う。   As described above, in the conventional laser light source device, in the comb structure having the same comb width W 1 provided in the heat sink 102, the heat generated in the laser medium 105 is radiated from the comb teeth joined by the joining material 103. Then, by generating a periodic temperature distribution in the waveguide of the laser medium 105, a thermal lens is generated between the comb teeth, and uniform laser oscillation is performed.

しかしながら、図9に示すようにレーザ媒質105内の光軸106に対し導波路厚さ方向に垂直な方向の温度分布図は、レーザ媒質105の両端部では、ヒートシンク102の櫛構造に流れ込む熱量が相対的に少ないため、レーザ媒質105の中央部と比較してレーザ媒質温度が低くなる。さらに、レーザ媒質105の両端部では、周囲空気と接しており、レーザ媒質105と空気との間での熱伝達によりレーザ媒質温度がさらに低下し、レーザ媒質105の中央部と両端部では、温度差が生じてしまい、レーザ媒質105内に所望の熱レンズが生成できず、レーザ媒質105の両端部の基本波レーザ光の発振効率が低下する問題点がある。そして、最終的に得られる第2高調波レーザ光の出力も低下してしまうという問題があった。   However, as shown in FIG. 9, the temperature distribution diagram in the direction perpendicular to the waveguide thickness direction with respect to the optical axis 106 in the laser medium 105 shows that the amount of heat flowing into the comb structure of the heat sink 102 is at both ends of the laser medium 105. Since it is relatively small, the laser medium temperature is lower than the central part of the laser medium 105. Furthermore, both ends of the laser medium 105 are in contact with the ambient air, and the temperature of the laser medium further decreases due to heat transfer between the laser medium 105 and the air. There is a problem that a difference occurs, a desired thermal lens cannot be generated in the laser medium 105, and the oscillation efficiency of the fundamental laser light at both ends of the laser medium 105 is lowered. And there was a problem that the output of the 2nd harmonic laser beam finally obtained also fell.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高輝度な基本波出力が得られ、高効率な第2高調波変換が可能になるレーザ光源装置を得ることを目的とするものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser light source device that can obtain a high-luminance fundamental wave output and enable high-efficiency second harmonic conversion. It is what.

この発明に係るレーザ光源装置は、平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、レーザ媒質の一面側にクラッドを介して接合されたヒートシンクと、レーザ媒質の光軸上にレーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、レーザ媒質の光軸上にレーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料とを備え、レーザ媒質は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、光軸及び厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、レーザ光は、光軸及び厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振するものであって、クラッドに対するヒートシンクの接合面は、光軸に対し垂直な断面内に一定間隔で配置された櫛構造を有し、櫛構造の両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅が他の櫛歯の櫛幅よりも狭く構成され、櫛構造の櫛歯の先端をクラッドに接合したものである。   A laser light source device according to the present invention has a flat plate shape, has a waveguide structure in the thickness direction of a cross section perpendicular to the optical axis, and generates a gain for the laser light, and one surface side of the laser medium A heat sink joined to the laser medium via the clad, a semiconductor laser disposed on the optical axis of the laser medium in the vicinity of one end surface of the laser medium, and an excitation light incident on the laser medium, and an optical axis of the laser medium And a nonlinear material having a waveguide structure in the same direction as the waveguide structure of the laser medium, the laser medium having an optical axis depending on a refractive index distribution in the laser medium. And a lens effect which is an effect of arranging a plurality of lenses in a direction perpendicular to the thickness direction, and the laser light oscillates in a spatial mode due to the lens effect in a direction perpendicular to the optical axis and the thickness direction. Thus, the joint surface of the heat sink with respect to the clad has a comb structure arranged at regular intervals in a cross section perpendicular to the optical axis, and the comb width of both ends of the comb structure and the comb teeth adjacent to both ends of the comb teeth. Is configured to be narrower than the comb width of the other comb teeth, and the tips of the comb teeth of the comb structure are joined to the clad.

この発明によれば、クラッドとヒートシンクとの接合部の櫛幅を中央部よりも両端部側を狭くすることで、レーザ媒質内の光軸に垂直な方向に、周期的な屈折率分布を発生させることができ、レーザ媒質両端部で、レーザ媒質中央部と同等の基本波レーザ出力を得ることができ、より高出力なレーザ光源装置を得ることができる。   According to this invention, the refractive index distribution is generated in the direction perpendicular to the optical axis in the laser medium by making the comb width of the joint part between the clad and the heat sink narrower at both ends than the center part. The fundamental wave laser output equivalent to that at the center of the laser medium can be obtained at both ends of the laser medium, and a higher-power laser light source device can be obtained.

この発明の実施の形態1に係るレーザ光源装置を示す側面図である。It is a side view which shows the laser light source device which concerns on Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるレーザ光源装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the laser light source device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるレーザ媒質の放熱経路を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the thermal radiation path | route of the laser medium by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるレーザ媒質の放熱経路を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the thermal radiation path | route of the laser medium by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1によるレーザ媒質内温度分布を示す図である。It is a figure which shows the laser medium internal temperature distribution by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態2によるヒートシンクの櫛構造を示す上面図である。It is a top view which shows the comb structure of the heat sink by Embodiment 2 of this invention. 従来のモード制御導波路型レーザ光源装置の側面図である。It is a side view of the conventional mode control waveguide type laser light source apparatus. 従来のモード制御導波路型レーザ光源装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional mode control waveguide type laser light source apparatus. 従来のモード制御導波路型レーザ光源装置のレーザ媒質内の温度分布を示す図である。It is a figure which shows the temperature distribution in the laser medium of the conventional mode control waveguide type laser light source apparatus.

実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1に係るレーザ光源装置を図1から図5に基づいて詳細に説明する。
図1と図2はこの発明の実施の形態1に係るレーザ光源装置の構成を示す図であり、図1は側面図、図2は図1のa−a´断面を非線形材料側から見た断面図である。
図1と図2に示される実施の形態1に係るレーザ光源装置は、励起光を出射する半導体レーザ1と、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸6に対して垂直な断面の厚さ方向(y軸方向)に導波路構造を有し、半導体レーザ1からの励起光が導波路構造部に入射してレーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質5と、レーザ媒質5の下面に接合されたクラッド4と、クラッド4の下面に接合材3により接合されたヒートシンク2と、レーザ媒質5の光軸6上に近接して配置され、レーザ媒質5の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料7とを備えている。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the laser light source apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
1 and 2 are diagrams showing a configuration of a laser light source apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1 is a side view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line aa ′ of FIG. It is sectional drawing.
The laser light source device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 has a semiconductor laser 1 that emits excitation light, a flat plate shape, and a cross-sectional thickness perpendicular to the optical axis 6 that represents the laser oscillation direction. A laser medium 5 having a waveguide structure in the vertical direction (y-axis direction), in which excitation light from the semiconductor laser 1 is incident on the waveguide structure and generates a gain for the laser light, and bonded to the lower surface of the laser medium 5 The clad 4, the heat sink 2 bonded to the lower surface of the clad 4 with the bonding material 3, and the optical medium 6 close to the optical axis 6 of the laser medium 5 are disposed in the same direction as the waveguide structure of the laser medium 5. And a non-linear material 7 having a structure.

レーザ媒質5は、光軸6に垂直な一方の端面5aと他方の端面5bの形状がそれぞれ、たとえば長方形でなり、y軸方向の厚さが数〜数十μm、x軸方向の幅が数百μm〜数mmの大きさを有する。説明のため、長方形の長辺方向をx軸、短辺方向をy軸、光軸6方向をz軸とした座標系を用いる。
なお、レーザ媒質5の入射側の端面5aと出射側の端面5bには、それぞれ特定の波長のレーザ光を反射あるいは透過させる光学膜が施されている。端面5aには、半導体レーザ1から出射される励起光の波長(例えば、波長808nm)のレーザ光を透過させ、レーザ媒質5内で発生する基本波レーザ光(例えば、波長1064nm)を全反射させる光学膜が施されている。また、端面5bには、基本波レーザ光を透過させる反射防止膜が施されている。これらの光学膜は、例えば、誘電体多層膜を積層して構成される。また、レーザ媒質5としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。
In the laser medium 5, the shape of one end face 5a and the other end face 5b perpendicular to the optical axis 6 is, for example, rectangular, the thickness in the y-axis direction is several to several tens of μm, and the width in the x-axis direction is several. It has a size of 100 μm to several mm. For the sake of explanation, a coordinate system is used in which the long side direction of the rectangle is the x axis, the short side direction is the y axis, and the optical axis 6 direction is the z axis.
An optical film that reflects or transmits laser light having a specific wavelength is applied to the incident-side end surface 5a and the emission-side end surface 5b of the laser medium 5, respectively. The end face 5a transmits laser light having a wavelength of excitation light (for example, wavelength 808 nm) emitted from the semiconductor laser 1, and totally reflects fundamental wave laser light (for example, wavelength 1064nm) generated in the laser medium 5. An optical film is applied. The end face 5b is provided with an antireflection film that transmits the fundamental laser beam. These optical films are formed by laminating dielectric multilayer films, for example. As the laser medium 5, a general solid laser material can be used.

なお、図1において、レーザ媒質5の上面(y軸方向)は空気と接している構成としたが、レーザ媒質5の上面に対し、レーザ媒質5と比較して小さな屈折率を有する第2のクラッド(図示せず)を接合してもよい。このように、レーザ媒質5の上面に第2のクラッドを接合した場合、レーザ媒質5と第2のクラッドの屈折率差を調整することにより、レーザ媒質5のy軸方向の伝搬モードを任意に調整することができる。また、第2のクラッドのy軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質5の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質5の剛性を高めることができる。   In FIG. 1, the upper surface (y-axis direction) of the laser medium 5 is in contact with air. However, the second upper surface of the laser medium 5 has a smaller refractive index than the laser medium 5. A clad (not shown) may be bonded. As described above, when the second clad is bonded to the upper surface of the laser medium 5, the propagation mode in the y-axis direction of the laser medium 5 can be arbitrarily set by adjusting the refractive index difference between the laser medium 5 and the second clad. Can be adjusted. Further, if the thickness of the second cladding in the y-axis direction is set large, the rigidity of the laser medium 5 can be increased without affecting the waveguide mode of the laser medium 5.

クラッド4は、レーザ媒質5と比較して小さな屈折率を有し、レーザ媒質5のxz平面に平行な一面に接合される。クラッド4は、たとえば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、または、オプティカルコンタクトや拡散接合等で光学材料をレーザ媒質5と光学的に接合することにより構成される。また、クラッド4として、レーザ媒質5と比較して小さな屈折率を有する光学接着材を用いてもよい。   The clad 4 has a smaller refractive index than that of the laser medium 5 and is bonded to one surface parallel to the xz plane of the laser medium 5. The clad 4 is configured by, for example, depositing a film made of an optical material as a raw material, or optically bonding the optical material to the laser medium 5 by optical contact, diffusion bonding, or the like. Further, as the clad 4, an optical adhesive having a smaller refractive index than that of the laser medium 5 may be used.

ヒートシンク2は、熱伝導率の高い材料、たとえば、シリコン(Si)、窒化アルミ(AlN)、窒化ケイ素(SiC)などから成り、クラッド4に対するヒートシンク2の接合面は、光軸6に対し垂直な断面(xy平面)内に一定間隔で配置された櫛構造(櫛歯)を有し、ヒートシンク2の櫛歯の先端部が、接合材3を介してクラッド4と接合される。
また、ヒートシンク2の櫛構造は、図2に示すように、x軸方向における両端櫛歯21の櫛幅W2および両端櫛歯21の隣の櫛歯の櫛幅W3が、他の櫛歯の櫛幅W1よりも狭く構成されている。この理由については後で詳しく説明する。
The heat sink 2 is made of a material having high thermal conductivity, for example, silicon (Si), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (SiC), and the joint surface of the heat sink 2 to the clad 4 is perpendicular to the optical axis 6. It has a comb structure (comb teeth) arranged at regular intervals in the cross section (xy plane), and the tips of the comb teeth of the heat sink 2 are joined to the clad 4 via the joining material 3.
Further, as shown in FIG. 2, the comb structure of the heat sink 2 is such that the comb width W2 of the both-end comb teeth 21 and the comb width W3 of the comb teeth adjacent to the both-end comb teeth 21 in the x-axis direction are other comb teeth. It is configured to be narrower than the width W1. The reason for this will be described in detail later.

接合材3は、レーザ媒質5で発生した熱を、クラッド4を介してヒートシンク2に排熱する。この接合材3は、金属はんだや光学接着材、熱伝導接着材等により実現可能である。クラッド4のレーザ媒質5が接合されている面に対向した面には、接合材3との接合強度を上げるため、メタライズ(金属膜を付着)を行ってもよい。また、ヒートシンク2を光学材料で構成した場合には、クラッド4とヒートシンク2を、たとえばオプティカルコンタクト、または、拡散接合等によって直接接合してもよい。   The bonding material 3 exhausts heat generated in the laser medium 5 to the heat sink 2 via the clad 4. The bonding material 3 can be realized by metal solder, an optical adhesive, a heat conductive adhesive, or the like. Metallization (attaching a metal film) may be performed on the surface of the clad 4 facing the surface to which the laser medium 5 is bonded in order to increase the bonding strength with the bonding material 3. In the case where the heat sink 2 is made of an optical material, the clad 4 and the heat sink 2 may be directly bonded by, for example, optical contact or diffusion bonding.

半導体レーザ1は、レーザ媒質5の一方の端面5aに近接して配置され、必要に応じて、図示しない冷却用のヒートシンクが接合される。半導体レーザ1のx軸方向の大きさは、レーザ媒質5のx軸方向の大きさとほぼ等しく、x軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ1より出射された励起光は、レーザ媒質5の一方の端面5aからレーザ媒質5にxz平面方向に入射してレーザ媒質5に吸収される。
そして、レーザ媒質5は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、光軸6及び厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成する。レーザ光は、光軸6及び厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振し、レーザ媒質5から基本波レーザ光が出射される。
The semiconductor laser 1 is disposed in the vicinity of one end face 5a of the laser medium 5, and a heat sink for cooling (not shown) is joined as necessary. The size of the semiconductor laser 1 in the x-axis direction is substantially equal to the size of the laser medium 5 in the x-axis direction, and pumping light is output substantially uniformly in the x-axis direction. Excitation light emitted from the semiconductor laser 1 is incident on the laser medium 5 from one end face 5 a of the laser medium 5 in the xz plane direction and is absorbed by the laser medium 5.
The laser medium 5 generates a lens effect, which is an effect of arranging a plurality of lenses in a direction perpendicular to the optical axis 6 and the thickness direction, based on the refractive index distribution in the laser medium. The laser light oscillates in a spatial mode due to the lens effect in a direction perpendicular to the optical axis 6 and the thickness direction, and the fundamental laser light is emitted from the laser medium 5.

非線形材料7は、光軸6に対し垂直な断面がレーザ媒質5とほぼ同じ形状を有し、光軸6に垂直な端面7a及び7bを有し、一方の端面7aがレーザ媒質5の他方の端面5bに近接して配置される。非線形材料7の端面7aには、基本波レーザ光を透過し、第2高調波レーザ光を反射する光学膜が施され、非線形材料7の端面7bには、基本波レーザ光を反射し、第2高調波レーザ光を透過する光学膜が施されている。また、非線形材料7としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。   The non-linear material 7 has a cross section perpendicular to the optical axis 6 substantially the same shape as the laser medium 5, has end faces 7 a and 7 b perpendicular to the optical axis 6, and one end face 7 a is the other of the laser medium 5. It arrange | positions in proximity to the end surface 5b. The end face 7a of the nonlinear material 7 is provided with an optical film that transmits the fundamental laser light and reflects the second harmonic laser light. The end face 7b of the nonlinear material 7 reflects the fundamental laser light, and An optical film that transmits the second harmonic laser beam is provided. Further, as the nonlinear material 7, a general wavelength conversion material can be used.

次に、図3、図4を参照しながら、図1のレーザ光源装置において、レーザ媒質5内に所望の温度分布を発生させて、レーザ媒質5内に屈折率分布を形成し、この屈折率分布によりレンズ効果を生成する方法について説明する。図3は、図2中のヒートシンク2〜レーザ媒質5の断面図(xy平面)のx軸方向の中央部付近を拡大した図である。図4は、ヒートシンク2〜レーザ媒質5の断面図(xy平面)で、ヒートシンク2に設けた2つの櫛歯の櫛幅が異なる場合の熱の流れおよび温度分布を示した図である。   Next, referring to FIGS. 3 and 4, in the laser light source device of FIG. 1, a desired temperature distribution is generated in the laser medium 5 to form a refractive index distribution in the laser medium 5, and this refractive index. A method for generating a lens effect by distribution will be described. 3 is an enlarged view of the vicinity of the central portion in the x-axis direction of the cross-sectional view (xy plane) of the heat sink 2 to the laser medium 5 in FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view (xy plane) of the heat sink 2 to the laser medium 5 and shows the heat flow and temperature distribution when the comb widths of the two comb teeth provided on the heat sink 2 are different.

レーザ媒質5は、吸収した励起光出力の一部が熱に変換されて熱を発生する。発生した熱は、クラッド4および接合材3を介してヒートシンク2に排熱される。この時、ヒートシンク2は、櫛形状をしており、接合材3を介して接合される範囲が櫛歯の先端部のみであるため、2つの櫛歯の中間部には、図3に示すように2つの櫛歯のほぼ中心部からx軸方向の両側に向けて、熱の流れが発生する。したがって、2つの櫛歯のほぼ中間部の温度が最大となり、櫛歯部分に近づくにつれて、温度が低下する。この時、2つ櫛歯の櫛幅が同一幅であるとすると、2つの櫛歯上のレーザ媒質温度はほぼ同一温度となる。   The laser medium 5 generates heat by converting a part of the absorbed pumping light output into heat. The generated heat is exhausted to the heat sink 2 through the clad 4 and the bonding material 3. At this time, the heat sink 2 has a comb shape, and the range bonded through the bonding material 3 is only the tip portion of the comb teeth. In addition, a heat flow is generated from substantially the center of the two comb teeth toward both sides in the x-axis direction. Therefore, the temperature at the substantially middle portion between the two comb teeth becomes the maximum, and the temperature decreases as the comb tooth portion is approached. At this time, if the comb widths of the two comb teeth are the same, the laser medium temperatures on the two comb teeth are substantially the same temperature.

レーザ媒質5などの光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化する。レーザ媒質5の光学材料として、単位温度あたりの屈折率変化dn/dTが正の材料を用いた場合、2つの櫛歯の中心部の温度が高くなるため、屈折率は大きくなり、櫛歯部分に近づくにつれて、屈折率は小さくなる。この結果、x軸方向には、2つの櫛歯の中心部を光軸とした熱レンズ効果が発生する。同様に、レーザ媒質5の光学材料として、単位温度あたりの屈折率分布dn/dTが負の材料を用いた場合には、温度分布と反対の屈折率分布となり、櫛歯に接合された部分の屈折率が大きく、2つの櫛歯の中心部の屈折率が小さくなる。この結果、x軸方向には、櫛歯に接合された部分を光軸とした熱レンズ効果が発生する。なお、dn/dTの正負によらず、同様の効果が得られるので、以後、特に明記しない限り、dn/dTが正の場合を用いて説明する。   The refractive index of the optical material such as the laser medium 5 changes almost in proportion to the temperature difference. When a material having a positive refractive index change dn / dT per unit temperature is used as the optical material of the laser medium 5, the temperature at the center of the two comb teeth increases, so the refractive index increases, and the comb tooth portion As the value approaches, the refractive index decreases. As a result, a thermal lens effect is generated in the x-axis direction with the center portion of the two comb teeth as the optical axis. Similarly, when a material having a negative refractive index distribution dn / dT per unit temperature is used as the optical material of the laser medium 5, the refractive index distribution is opposite to the temperature distribution, and the portion bonded to the comb teeth The refractive index is large, and the refractive index at the center of the two comb teeth is small. As a result, in the x-axis direction, a thermal lens effect is generated with the portion bonded to the comb teeth as the optical axis. Since the same effect can be obtained regardless of whether dn / dT is positive or negative, the following description will be made using the case where dn / dT is positive unless otherwise specified.

次に、ヒートシンク2のx軸方向の櫛構造は、ほぼ等間隔に設置された複数の櫛歯から構成されているが、図2に示すように、ヒートシンク2の両端櫛歯21の櫛幅W2およびその隣(内側)の櫛歯の櫛幅W3は、そのほかの中央部の櫛歯の櫛幅W1とは異なっている。ここで、中央部の櫛歯の櫛幅をW1、両端櫛歯及びその隣の櫛歯の櫛幅をW2、W3とすると、W2、W3<W1となるように櫛幅は設定されている。
なお、両端櫛歯21の櫛幅W2は、その隣(内側)の櫛歯の櫛幅W3と同じか、それよりも狭くする。
Next, the comb structure in the x-axis direction of the heat sink 2 is composed of a plurality of comb teeth arranged at almost equal intervals. As shown in FIG. 2, the comb width W2 of the comb teeth 21 at both ends of the heat sink 2 is shown. The comb width W3 of the comb tooth adjacent to the inner side (inner side) is different from the comb width W1 of the other central comb teeth. Here, when the comb width of the comb teeth at the center is W1, and the comb widths of both ends and adjacent comb teeth are W2 and W3, the comb widths are set so that W2 and W3 <W1.
The comb width W2 of the both-end comb teeth 21 is the same as or narrower than the comb width W3 of the adjacent (inner) comb teeth.

ここで、図4に示すように、例えば、櫛幅W1の櫛歯と、櫛幅W1よりも狭い櫛幅W3の櫛歯が隣り合う場合には、櫛幅W3の櫛歯から排熱できる熱量は櫛幅W1の場合と比較して小さくなるため、櫛幅W3の櫛歯上のレーザ媒質5の温度は、櫛幅W1の櫛歯上のレーザ媒質5の温度よりも上昇することになる。つまり、図2においては、ヒートシンク2の両端櫛歯21およびその隣の櫛歯の櫛幅W2、W3を調整することで、温度分布の補正が可能である。   Here, as shown in FIG. 4, for example, when a comb tooth having a comb width W1 and a comb tooth having a comb width W3 smaller than the comb width W1 are adjacent to each other, the amount of heat that can be exhausted from the comb teeth having a comb width W3. Therefore, the temperature of the laser medium 5 on the comb teeth having the comb width W3 is higher than the temperature of the laser medium 5 on the comb teeth having the comb width W1. That is, in FIG. 2, the temperature distribution can be corrected by adjusting the comb widths W2 and W3 of the comb teeth 21 at both ends of the heat sink 2 and the adjacent comb teeth.

ここで、ヒートシンク2の両端櫛歯21及び両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅W2=W3=80μm、そのほかの櫛幅W1=90μmとしたときのレーザ媒質5の温度分布の計算例を図5に示す。レーザ媒質5としては、Nd:YVO4を用いた場合とし、そのほかの計算条件として、室温25℃において、ヒートシンク2の櫛歯数=16本、櫛歯中心間隔=200μm、光軸6方向の櫛歯長さ=1.5mm、レーザ媒質5内の総発熱量6.4Wの場合を示している。
図5に示すように、レーザ媒質5内のx軸方向では、2つの櫛歯の中心部の温度と櫛歯の温度が、レーザ媒質5の両端部、中央部ともに、それぞれほぼ同等の温度周期(温度差)が得られており、各櫛歯間には均一な熱レンズが生成することができることが分かる。
Here, a calculation example of the temperature distribution of the laser medium 5 when the comb width W2 = W3 = 80 μm of the comb teeth 21 adjacent to the both ends comb teeth 21 of the heat sink 2 and the other comb width W1 = 90 μm is shown. As shown in FIG. As the laser medium 5, Nd: YVO4 is used, and other calculation conditions are as follows: the number of comb teeth of the heat sink 2 = 16, the center distance of the comb teeth = 200 μm, and comb teeth in the direction of the optical axis 6 at room temperature of 25 ° C. The case where the length is 1.5 mm and the total heat generation amount in the laser medium 5 is 6.4 W is shown.
As shown in FIG. 5, in the x-axis direction in the laser medium 5, the temperature of the center portion of the two comb teeth and the temperature of the comb teeth are substantially equal in both end portions and the center portion of the laser medium 5. (Temperature difference) is obtained, and it can be seen that a uniform thermal lens can be generated between the comb teeth.

また、レーザ媒質5内の発熱量(励起光のレーザ出力)などの設計値が変わる場合には、ヒートシンク2の両端櫛歯21およびその隣の櫛歯の櫛幅を調整することで、周期的な温度分布を形成でき複数の均一な熱レンズをレーザ媒質5内に生成することができる。
さらには、両端櫛歯およびその隣の櫛歯の櫛幅を調整するだけでは、各櫛歯間の熱レンズ効果にばらつきが発生する場合には、さらに内側の櫛歯の櫛幅を変更することで、周期的なレンズ効果が得られるように調整することが可能である。
When the design value such as the amount of heat generated in the laser medium 5 (laser output of excitation light) changes, the comb widths of the comb teeth 21 at both ends of the heat sink 2 and the adjacent comb teeth are adjusted to periodically A uniform temperature distribution can be formed, and a plurality of uniform thermal lenses can be generated in the laser medium 5.
Furthermore, if the thermal lens effect varies between each comb tooth only by adjusting the comb widths of the both end comb teeth and the adjacent comb teeth, the comb width of the inner comb teeth may be further changed. Thus, it is possible to adjust so as to obtain a periodic lens effect.

このような構成にすることにより、レーザ媒質5内のx軸方向に、ほぼ一定周期の温度分布を形成することで、各櫛歯間に均一な熱レンズを生成し、レーザ媒質5のx軸方向の両端部付近で発振する基本波レーザ出力を、中央部と同程度まで向上させることができ、レーザ光源装置全体として、レーザ出力の向上を図ることができる。   With this configuration, a uniform thermal lens is generated between the comb teeth by forming a temperature distribution with a substantially constant period in the x-axis direction in the laser medium 5, and the x-axis of the laser medium 5. The fundamental laser output that oscillates in the vicinity of both end portions in the direction can be improved to the same extent as the central portion, and the laser output can be improved as a whole laser light source device.

実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係るレーザ光源装置を図6に基づいて詳細に説明する。
図6は、この発明の実施の形態2に係るレーザ光源装置のヒートシンク2を上面から見た図である。実施の形態2のレーザ光源装置においては、実施の形態1と比較して、ヒートシンク2に設けられた櫛歯の櫛幅が、レーザ媒質5の光軸方向に、入射側の端面5aから出射側の端面5bに向かうにつれて櫛幅が次第に狭く変化している点で異なる。その他の構成は、実施の形態1と同一であり、同一または相当する部分には同一符号を付して説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a laser light source apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 6 is a view of the heat sink 2 of the laser light source apparatus according to Embodiment 2 of the present invention as viewed from above. In the laser light source device of the second embodiment, the comb width of the comb teeth provided in the heat sink 2 is larger than the first embodiment in the direction of the optical axis of the laser medium 5 from the incident-side end surface 5a. The difference is that the width of the comb gradually narrows toward the end face 5b. Other configurations are the same as those of the first embodiment, and the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

ヒートシンク2に設けられた櫛歯は、光軸6方向で櫛歯の櫛幅が異なる台形形状をしており、半導体レーザ1からの励起光が入射する端面5a側の櫛幅は、中央部ではW1、両端櫛歯およびその隣の櫛歯ではW2、W3となっている。一方、レーザ媒質5内で発生した基本波レーザ光が出射する端面5b側の櫛幅は、中央部ではW1’、両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯ではW2’、W3’とすると、それぞれW1’<W1、W2’<W2、W3’<W3となるように設定されている。
即ち、半導体レーザ1が近接される側のヒートシンク2の櫛歯の櫛幅W1、W2、W3は、非線形材料7が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅W1’、W2’、W3’より、それぞれ広くなるように異なっている。
The comb teeth provided on the heat sink 2 have a trapezoidal shape in which the comb width of the comb teeth is different in the direction of the optical axis 6, and the comb width on the side of the end face 5a on which the excitation light from the semiconductor laser 1 is incident is W1, W2 and W3 are the comb teeth at both ends and the adjacent comb teeth. On the other hand, the width of the comb on the side of the end face 5b from which the fundamental laser beam generated in the laser medium 5 is emitted is W1 ′ at the center, and W2 ′ and W3 ′ at the comb teeth adjacent to both ends and both ends. , W1 ′ <W1, W2 ′ <W2, and W3 ′ <W3 are set.
That is, the comb widths W1, W2, and W3 of the heat sink 2 on the side to which the semiconductor laser 1 is adjacent are comb widths W1 ′, W2 ′, and W3 of the comb tooth on the side on which the nonlinear material 7 is adjacent. 'Be different from each other to become wider.

このような構成にすることにより、レーザ媒質5内において、非線形材料7側の端面5bの各櫛歯の中心部の温度と櫛歯上の温度差を十分に確保することができ、熱レンズの調整範囲を広げることができ、制御性が向上する。   By adopting such a configuration, it is possible to secure a sufficient temperature difference between the central portion of each comb tooth on the end surface 5b on the nonlinear material 7 side and the temperature on the comb tooth in the laser medium 5, and the thermal lens The adjustment range can be expanded and controllability is improved.

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments, and various design changes can be made. Within the scope of the present invention, each embodiment These embodiments can be freely combined, and each embodiment can be modified or omitted as appropriate.

1:半導体レーザ、 2:ヒートシンク、 3:接合材、 4:クラッド、
5:レーザ媒質 5a:レーザ媒質の入射側端面、 5b:レーザ媒質の出射側端面、
6:光軸、 7:非線形材料、 7a:非線形材料の入射側端面、
7b:非線形材料の出射側端面
1: semiconductor laser, 2: heat sink, 3: bonding material, 4: clad,
5: Laser medium 5a: Incident side end surface of the laser medium, 5b: Output side end surface of the laser medium,
6: optical axis, 7: nonlinear material, 7a: incident end face of nonlinear material,
7b: Output side end face of nonlinear material

Claims (3)

平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の一面側にクラッドを介して接合されたヒートシンクと、前記レーザ媒質の光軸上に前記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、前記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、前記レーザ媒質の光軸上に前記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料とを備え、
前記レーザ媒質は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、前記光軸及び前記厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、前記レーザ光は、前記光軸及び前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで発振するものであって、
前記クラッドに対する前記ヒートシンクの接合面は、光軸に対し垂直な断面内に一定間隔で配置された櫛構造を有し、前記櫛構造の両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅が他の櫛歯の櫛幅よりも狭く構成され、前記櫛構造の櫛歯の先端を前記クラッドに接合したことを特徴とするレーザ光源装置。
It has a flat plate shape, has a waveguide structure in the thickness direction of the cross section perpendicular to the optical axis, and is joined to one surface side of the laser medium via a cladding. A heat sink, a semiconductor laser disposed adjacent to one end face of the laser medium on the optical axis of the laser medium, and an excitation light incident on the laser medium; and a laser diode on the optical axis of the laser medium. A non-linear material disposed near the other end face and having a waveguide structure in the same direction as the waveguide structure of the laser medium,
The laser medium generates a lens effect, which is an effect of arranging a plurality of lenses in a direction perpendicular to the optical axis and the thickness direction, based on a refractive index distribution in the laser medium. Oscillates in a spatial mode due to the lens effect in a direction perpendicular to the axis and the thickness direction,
The joint surface of the heat sink with respect to the clad has a comb structure arranged at regular intervals in a cross section perpendicular to the optical axis, and the comb width of both ends of the comb structure and the comb teeth adjacent to both ends of the comb teeth Is configured to be narrower than the comb width of the other comb teeth, and the tip of the comb teeth of the comb structure is joined to the clad.
前記ヒートシンクの接合面は、前記半導体レーザが近接される側の櫛歯の櫛幅と前記非線形材料が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅が異なることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源装置。   2. The bonding surface of the heat sink, wherein a comb width of a comb tooth on a side where the semiconductor laser is adjacent is different from a comb width of a comb tooth on a side where the nonlinear material is disposed in proximity. The laser light source device described. 前記半導体レーザが近接される側の前記ヒートシンクの櫛歯の櫛幅は、前記非線形材料が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅よりも広くしたことを特徴とする請求項2に記載のレーザ光源装置。
The comb width of the comb teeth of the heat sink on the side where the semiconductor laser is close is wider than the comb width of the comb teeth on the side where the nonlinear material is close. Laser light source device.
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