JP4284680B2 - Ｄｐｓｓレーザー - Google Patents

Description

本発明は、固体レーザーに関するもので、特にＤＰＳＳレーザー（Diode Pumped Solid State laser:ダイオード励起固体レーザー)に関するものである。

一般的に、ＤＰＳＳレーザーは普通のレーザーに比べて比較的大きさが小さく、高効率及び高出力を発するレーザーである。これによって、マーキングやカッティングなどのような産業用技術分野への適用頻度が増加傾向にある。また最近は、小型、高効率、高出力特性のためディスプレー用光源としても開発が進められている。このようなＤＰＳＳレーザーは、その構成によってエンドポンピング型とサイドポンピング型がある。これを添付した図面を参照して更に詳しく説明する。

図５は、従来技術によるエンドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した図面である。ここに図示したように、ＤＰＳＳレーザーは、レーザーダイオード（ＬＤ）１１０から照射されるポンピング光が、集束レンズ１２０を通じてレーザー媒質１４０に入射すると、レーザー媒質１４０でポンピング光をビームモードに形成し、出力カプラー１５０を通じて発振光を出力させる。

この時、レーザー媒質１４０の前面には、発振波長に対するＰＲ（Partial Reflection：部分反射）コーティング１３０が形成されて、入射するポンピング光の一部分だけを透過する。

このようなエンドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、照射されるレーザー光がレーザー媒質１４０の発振領域と重なる部分が広く、効率及びビームモードの形成に有利である。しかしながら、エンドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、熱レンズ現象のためレーザーパワーの高出力化に一定の限界がある。

図６は、従来技術によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した図面である。ここに図示したように、ＤＰＳＳレーザーは、レーザー媒質２４０の両側に位置する二つのレーザーダイオード２１０＿Ａ、２１０＿Ｂから照射されるポンピング光が、集束レンズ２２０＿Ａ、２２０＿Ｂを経て前記レーザー媒質２４０に入射すると、レーザー媒質２４０でポンピング光をビームモードに形成し、出力カプラー２５０を介して発振光を出力させる。

ここで、レーザー媒質２４０の前面には、発振波長に対するＰＲコーティングが形成されるので、入射する発振光の一部だけが透過する。また、レーザー媒質２４０の後面にはポンピング波長に対するＨＲ（High Reflection：高反射）コーティング２６０が形成されて全反射するため、一方だけに発振光が進む。

このようなサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、発振領域の長さが長くなってレーザーパワーの高い出力には有利であるが、ポンピング光の効率に劣り、ビームモード構成には不利な問題点があった。従って、ディスプレー用光源としてレーザーを使用するためには、レーザーパワーの高出力と共に、ポンピング光の効率が高く、小型であるという条件を満足させなければならないため、レーザー媒質の長さを長くして高出力の発振を可能とし、ポンピング光の効率を向上させることができるレーザーの開発が必要である。

本発明は、上記関連技術の問題点を解決するためのもので、ディスプレー用光源として用いられるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、レーザーパワーの高出力と共に、ポンピング光の効率の高いサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、ポンピング光を発する第１レーザーチップと、前記第１レーザーチップと平行であるが、前記ポンピング光とは一致しないように所定間隔をずらして形成されてポンピング光を発する第２レーザーチップと、前記発生したポンピング光を集束する第１及び第２集束レンズと、前記集束したポンピング光をビームモードに形成して発振光に出力するサイドポンピングミディアムとを含んでおり、前記サイドポンピングミディアムは、板型に加工したレーザー媒質と、前記板型のレーザー媒質の厚みを隔てて相対する両側面に接合されて各面にはＡＲコーティングとＨＲコーティングとが各々交差形成されたサファイア板と、前記サファイア板の上部に接合されて前記サファイア板を固定しつつ熱を外部に発散させる銅ブロックと、前記サイドポンピングミディアムの後面に形成されて発振光を全反射させるＨＲコーティングと、前記サイドポンピングミディアムの前面に形成されて発振光の一部だけを透過させるＰＲコーティングと、を備えていることを特徴とする。

また、別の態様では、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、前記ＰＲコーティングと前記レーザー媒質との間に、前記ポンピング光が発振するＴＥＭ ₀₀ モードの光を除いてほぼ全てフィルタリングできるように中間部分を取り除いて形成されたストップコーティングを備えていることを特徴とする。

また、別の態様では、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーにおいて、前記第１及び第２集束レンズは、所定の平面に対して入射する光の垂直成分を集束し、水平成分は平行に進めることを特徴とする。

本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、レーザー媒質を薄くし、その両側にＡＲコーティング及びＨＲコーティングされたサファイア板を接合し、これと同時にマイクロレンズでポンピング光を集中させることで、ポンピング光が発振領域に全て吸収されて光効率を高めることができる。

また、熱伝導率が高いサファイア板をレーザー媒質に接合させることで、前記レーザー媒質に発生する熱を冷却部に素早く伝達することができる。これによって、熱レンズ問題も容易に緩和させることができる。

以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明の一実施形態によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示す平面図である。ここに図示したように、ポンピング光を発生させるレーザーチップ３１０＿Ａ、３１０＿Ｂと、照射されたポンピング光をフォーカスする集束レンズ３２０Ａ、３２０Ｂと、集束されたポンピング光をビームモードに形成して発振光に出力するサイドポンピングミディアム３９０とを含む。

レーザーチップ３１０＿Ａ、３１０＿Ｂは、サイドポンピングミディアム３９０を間に置いて互いに平行であるが、照射されるポンピング光は互いに一致しないように所定の位置にずれて形成する。以下、説明の便宜のために、レーザーポンピング波長に対する高反射（High Reflection）コーティングと低反射（Anti-Reflection）コーティングをそれぞれＨＲコーティングおよびＡＲコーティングと言い、レーザー発振波長に対する部分反射（Partial Reflection）コーティングをＰＲコーティングと言う。

サイドポンピングミディアム３９０は、図１の平面図と図２の正面図に図示したように、非常に薄い板型に加工したレーザー媒質３８０の両側面に、ＡＲコーティングとＨＲコーティングが所定の間隔に交互に形成されたサファイア板３６０を接合し、サファイア板３６０を固定しながら冷却部（図示せず）に熱を伝達する銅ブロック３５０をサファイア板３６０上部に接合して形成される。また、サイドポンピングミディアム３９０の後面(即ち、ポンピング光が発振される反対面)にはＨＲコーティング３７０を形成して入射光を全反射させ、その反対面には、ポンピング光が発振するＴＥＭ ₀₀ モードの光を除いてほぼ全てフィルタリングできるように中間部分を取り除き、ポンピング光を全て吸収することができるストップコーティング３４０を薄膜工程により形成する。そして、ストップコーティング３４０前面に発振光の一部のみを透過させるＰＲコーティング３３０を形成する。

ここで、レーザー媒質３８０の厚さは、発振するレーザーのビームウェスト（beam waist）程度のサイズで製作し、レーザー媒質３８０のドーピング量は、レーザー媒質３８０に入射したポンピング光がレーザー媒質３８０を往復した時にレーザー媒質３８０内で全て吸収され得る程度の値にすることが望ましい。

集束レンズ３２０＿Ａ、３２０＿Ｂは、従来技術で説明した集束レンズ１２０、２２０＿Ａ、２２０＿Ｂとは異なり、所定の平面に対して入射される光の垂直成分は集束するが、水平成分は平行に進める。従って、レーザーチップ３１０＿Ａ、３１０＿Ｂから発生したポンピング光は、サファイア板３６０のＡＲコーティングを通じて光の垂直成分がレーザー媒質３８０に集中する。このような集束レンズ３２０＿Ａ、３２０＿Ｂの例として、トーリック（toric）型マイクロレンズが挙げられる。

即ち、図３（ａ）及び図３（ｂ）に図示したように、サイドポンピングミディアム３９０に照射されたポンピング光は、先にＡＲコーティングを透過し、レーザー媒質３８０を経てＨＲコーティングで反射する。この時、入射するポンピング光の垂直成分は集束されるが（図３（ａ））、水平成分は一直線に進められる（図３（ｂ））。このような集束レンズ３２０＿Ａ、３２０＿Ｂを利用すれば、サイドポンピングミディアム３９０内のポンピング効率を増加させることができる。

このように構成された本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーの動作を、ポンピング過程と発振過程とに分けて説明する。

１) ポンピング過程
レーザーチップ３１０＿Ａ、３１０＿Ｂからポンピング光が照射されると、照射されたポンピング光は、集束レンズ３２０＿Ａ、３２０＿Ｂによって、サイドポンピングミディアム３９０内に形成されたサファイア板３６０のＡＲコーティングを通過してレーザー媒質３８０に集中する。この時、レーザー媒質３８０に入射するレーザー光のうちレーザー媒質３８０に吸収されずに通過したポンピング光は、ポンピング光が入射した反対側のサファイア板３６０のＨＲコーティングで反射して、レーザー媒質３８０に再び吸収される。

２) 発振過程
上記ポンピング過程でレーザー媒質３８０に吸収されたポンピング光によって蛍光発光(fluorescence)が発生し、この蛍光発光の共振条件を満足させる蛍光発光だけがレーザー媒質３８０の両先端に構成されたＨＲコーティング３７０及びＰＲコーティング３３０によって共振を始める。以後、ＰＲコーティング３３０側にあるストップコーティング３４０の作用によりＴＥＭ₀₀モードに近いモードで共振して発振する。

本発明の他の実施形態について図４を参照して説明する。図４は、本発明の他の実施形態によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した平面図である。このＤＰＳＳレーザーは、ここに図示したように、複数のポンピング光を発するポンピングＬＤ(レーザーダイオード)１００、１００´と、照射されたポンピング光をそれぞれフォーカスする集束レンズアレイ２００、２００´と、集束されたポンピング光をビームモードに形成して発振光に出力するサイドポンピングアセンブリー９００とを含む。ポンピングＬＤ１００、１００´は、複数個のレーザーチップが含まれて複数個のポンピング光を発生させる。また、ポンピングＬＤ１００、１００´は、サイドポンピングアセンブリー９００を間に置いて互いに平行であるが、照射されるポンピング光は互いに一致しないように間隔をずらして形成する。

集束レンズアレイ２００、２００´は、複数個の集束レンズを配列して構成する。そして、サイドポンピングアセンブリー９００は、非常に薄い板型に加工したレーザー媒質７００の両方に、複数個のＡＲコーティングとＨＲコーティングが所定間隔で交互に形成されたサファイア板６００を接合し、サファイア板６００を固定しながら冷却部（図示せず）に熱を伝達する銅ブロック８００をサファイア板６００上部に接合して成る。また、サイドポンピングアセンブリーの後面(光が発振する反対面)にＨＲコーティング５００を形成し、その反対面には、ポンピング光が発振するＴＥＭ ₀₀ モードの光を除いてほぼ全てフィルタリングできるように中間部分を取り除き、ポンピング光を全て吸収することができるストップコーティング４００を、薄膜工程で形成する。そして、ストップコーティング４００とレーザー媒質７００との間の発振光の一部のみを透過するＰＲコーティング３００を形成する。 以下、ポンピング過程及び発振過程は、図２〜図４の説明と非常に類似しているため省略する。

以上詳しく説明したように、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーは、レーザー媒質を薄くし、その両側にＡＲコーティング及びＨＲコーティングされたサファイア板を接合し、これと同時にマイクロレンズでポンピング光を集中させることで、ポンピング光が発振領域に全て吸収されて光効率を高める効果がある。また、熱伝導率が高いサファイア板をレーザー媒質に接合させることで、レーザー媒質に発生する熱を冷却部に素早く伝達することができる。これによって、熱レンズ問題も容易に緩和させる効果がある。

本発明の一実施形態によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示す平面図である。 本発明の一実施形態によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示す正面図である。 （ａ）は、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーのポンピング光集束状態を所定の平面に対して垂直方向に示した図面であり、（ｂ）は、本発明によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーのポンピング光集束状態を所定の平面に対して水平方向に示した図面である。 本発明の他の実施形態によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した平面図である。 従来技術によるエンドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した図面である。 従来技術によるサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザーを示した図面である。

符号の説明

３１０＿Ａ、３１０＿Ｂ レーザーチップ
３２０＿Ａ、３２０＿Ｂ 集束レンズ
３３０ ＰＲコーティング
３４０ ストップコーティング
３５０ 銅ブロック
３６０ サファイア板
３７０ ＨＲコーティング
３８０ レーザー媒質
３９０ サイドポンピングミディアム

Claims (8)

1. ポンピング光を発する第１レーザーチップと、前記第１レーザーチップと平行であるが、前記ポンピング光とは一致しないように所定間隔をずらして形成されてポンピング光を発する第２レーザーチップと、前記発生したポンピング光を集束する第１及び第２集束レンズと、前記集束したポンピング光をビームモードに形成して発振光に出力するサイドポンピングミディアムと、を含んでおり、
   前記サイドポンピングミディアムは、板型に加工したレーザー媒質と、前記板型のレーザー媒質の厚みを隔てて相対する両側面に接合されて各面にはＡＲコーティングとＨＲコーティングとが各々交差形成されたサファイア板と、前記サファイア板の上部に接合されて前記サファイア板を固定しつつ熱を外部に発散させる銅ブロックと、前記サイドポンピングミディアムの後面に形成されて発振光を全反射させるＨＲコーティングと、前記サイドポンピングミディアムの前面に形成されて発振光の一部だけを透過させるＰＲコーティングと、を備えており、前記第１及び第２集束レンズは、所定の平面に対して入射する光の垂直成分は集束し、水平成分は平行に進めることを特徴とするサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
2. 前記ＰＲコーティングと前記レーザー媒質との間に、前記ポンピング光が発振するＴＥＭ₀₀モードの光を除いてほぼ全てフィルタリングできるように中間部分を取り除いて形成されたストップコーティングを備えていることを特徴とする請求項１に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
3. 前記レーザー媒質は、その厚さが、発振するレーザーのビームウェスト程度のサイズであることを特徴とする請求項１に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
4. 前記レーザー媒質は、そのドーピング量が、前記レーザー媒質に入射した前記ポンピング光が前記レーザー媒質を往復した時に前記レーザー媒質内で全て吸収できる値であることを特徴とする請求項１に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
5. 複数のポンピング光を発する第１ポンピングレーザーダイオード（ＬＤ）と、前記第１ポンピングレーザーダイオードと平行であるが、前記ポンピング光とは一致しないように形成されて複数のポンピング光を発する第２ポンピングレーザーダイオード（ＬＤ）と、前記発生した複数のポンピング光を集束する集束レンズが複数個からなる第１及び第２集束レンズアレイと、前記集束されたポンピング光をビームモードに形成して発振光に出力するサイドポンピングアセンブリーと、を備えており、
   前記サイドポンピングアセンブリーは、板型に加工したレーザー媒質と、前記板型のレーザー媒質の厚みを隔てて相対する両側面に接合されて各面にはＡＲコーティングとＨＲコーティングがそれぞれ順次に交差形成されたサファイア板と、前記サファイア板上部に接合されて前記サファイア板を固定しながら熱を外部に発散させる銅ブロックと、前記サイドポンピングアセンブリーの後面に形成されて発振光を全反射させるＨＲコーティングと、前記サイドポンピングアセンブリーの前面に形成されて発振光の一部のみを透過させるＰＲコーティングと、を含んでおり、前記集束レンズアレイは、それぞれの集束レンズが、所定の平面に対して入射する光の垂直成分は集束し、水平成分は一直線に進めることを特徴とするサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
6. 前記ＰＲコーティングとレーザー媒質との間に、前記ポンピング光が発振するＴＥＭ ₀₀ モードの光を除いてほぼ全てフィルタリングできるように中間部分を取り除いて形成されたストップコーティングを更に備えていることを特徴とする請求項５に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
7. 前記レーザー媒質は、その厚さが、発振されるレーザーのビームウェスト程度のサイズであることを特徴とする請求項５に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。
8. 前記レーザー媒質は、そのドーピング量が、前記レーザー媒質に入射したポンピング光が前記レーザー媒質を往復した時に前記レーザー媒質内で全て吸収可能な値であることを特徴とする請求項５に記載のサイドポンピング型のＤＰＳＳレーザー。