JP4862960B2 - Wavelength conversion laser device and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザ装置に係るものであり、特にレーザ光を短波長化する波長変換技術に関するものである。 The present invention relates to a laser device, and more particularly to a wavelength conversion technique for shortening the wavelength of laser light.
近年、例えば光情報処理分野等の光源として、緑色、青色といった可視光レーザの研究開発が進められている。可視光レーザの一種として、波長変換技術を適用して近赤外レーザ光を短波長化する波長変換レーザ装置が知られている。 In recent years, for example, green and blue visible light lasers have been researched and developed as light sources in the field of optical information processing and the like. As a kind of visible light laser, a wavelength conversion laser device that applies a wavelength conversion technique to shorten the wavelength of near-infrared laser light is known.
一般に波長変換レーザ装置では、非線形光学材料からなる波長変換器が半導体レーザあるいは固体レーザの光共振器の内部あるいは外部に設置され、光共振器により発生したレーザ光(基本波)が非線形光学材料を伝搬することにより、基本波に対して半分の波長(2倍の周波数)に波長変換された第2高調波が出力される。 In general, in a wavelength conversion laser device, a wavelength converter made of a nonlinear optical material is installed inside or outside an optical resonator of a semiconductor laser or a solid-state laser, and a laser beam (fundamental wave) generated by the optical resonator is applied to the nonlinear optical material. By propagating, the second harmonic wave that has been wavelength-converted to a half wavelength (double frequency) with respect to the fundamental wave is output.
このような波長変換レーザ装置としては、例えば日本特許公開昭63−121829号公報(特許文献1)に開示されているものがある。特に実施例3および第3図に開示された波長変換レーザ装置においては、半導体レーザと波長変換器が接合され、それらの片端面に反射器が一体形成されて光共振器が構成されている。半導体レーザの如く小型で低出力、連続発振の励起光を使用する場合にも、波長変換器を光共振器内に挿入して光強度を高めることによって、高周波への高い変換効率が得られるものである。 An example of such a wavelength conversion laser device is disclosed in Japanese Patent Publication No. 63-121829 (Patent Document 1). In particular, in the wavelength conversion laser device disclosed in the third embodiment and FIG. 3, a semiconductor laser and a wavelength converter are joined, and a reflector is integrally formed on one end face thereof to constitute an optical resonator. Even when using small, low-power, continuous-wave excitation light such as a semiconductor laser, high light conversion efficiency can be obtained by inserting a wavelength converter into the optical resonator to increase the light intensity. It is.
しかしながら、このような従来の波長変換レーザ装置では、半導体レーザおよび波長変換器により構成されており、発光面積の小さな狭ストライプ型半導体レーザではワット級の高出力なレーザ光(基本波)が得られないため、波長変換レーザ装置の高出力化には限界がある。一方、発光面積が大きくワット級に高出力化されたブロードエリア型半導体レーザでは、活性層に対して水平方向の横モード(水平横モード)についてモード制御されておらず、ビーム品質の低いマルチ横モードで発振する。このようなブロードエリア型半導体レーザを用いる場合には、ビーム品質の低いレーザ光(基本波)は、波長変換器との結合効率あるいは角度位相整合が十分でなく、高効率な波長変換レーザ装置が得られないという問題がある。 However, such a conventional wavelength conversion laser device is composed of a semiconductor laser and a wavelength converter, and a narrow stripe semiconductor laser having a small light emitting area can provide a high-power laser beam (fundamental wave) of the watt class. Therefore, there is a limit to increasing the output of the wavelength conversion laser device. On the other hand, in a broad area type semiconductor laser having a large light emitting area and high output in the watt class, the horizontal mode (horizontal transverse mode) in the horizontal direction with respect to the active layer is not mode-controlled, and the multi-laterality with low beam quality Oscillates in mode. When such a broad area type semiconductor laser is used, a laser beam (fundamental wave) having a low beam quality has insufficient coupling efficiency or angular phase matching with the wavelength converter, and a highly efficient wavelength conversion laser device is not available. There is a problem that it cannot be obtained.
以上のように、従来の波長変換レーザ装置では、ワット級の高出力でかつ高効率なものが得られないという点で問題があった。 As described above, the conventional wavelength conversion laser device has a problem in that it cannot obtain a watt-class high output and high efficiency.
この発明は、従来の波長変換レーザ装置の有する上記のような問題を解決することを目的とするものである。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the conventional wavelength conversion laser device.
この発明に係る波長変換レーザ装置は、レーザ光を発光する活性層と、前記レーザ光を発振させる光共振器と、前記光共振器内に配置され前記レーザ光が高調波に波長変換される波長変換器であって、前記レーザ光および前記高調波の垂直横モードを制御するとともに前記レーザ光および前記高調波のビーム径を水平方向に広げるためのスラブ形状の光導波路構造を有する波長変換器と、を備え、前記波長変換器は、形状が前記レーザ光の波面とほぼ平行である周期分極反転構造を有するものである。 A wavelength conversion laser device according to the present invention includes an active layer that emits laser light, an optical resonator that oscillates the laser light, and a wavelength that is disposed in the optical resonator and wavelength-converts the laser light into a harmonic. A wavelength converter having a slab-shaped optical waveguide structure for controlling a vertical transverse mode of the laser beam and the harmonic wave and expanding a beam diameter of the laser beam and the harmonic wave in a horizontal direction; The wavelength converter has a periodically poled structure whose shape is substantially parallel to the wavefront of the laser beam.
このように、この波長変換レーザ装置では、波長変換器がビーム径を水平方向に広げるための光導波路構造を有していることにより、活性層と波長変換器の間を伝搬するレーザ光(基本波)の結合損失を低減し、波長変換器における波長変換を高効率化することが可能である。さらに、波長変換器内において水平方向にビーム径を広げてレーザ光(基本波)および高調波のパワー密度を低減しているため、光吸収による発熱が減るとともに放熱面積も広くなり温度上昇を防ぐことができる。このため、温度上昇による位相整合波長のずれが減り、このことからも、波長変換器における波長変換を高効率化することが可能である。また、角度位相整合の調整のため、レーザ光(基本波)の波面にほぼ平行に周期分極反転構造が形成されているので、角度位相整合が十分となり、高効率な波長変換が得られる。 As described above, in this wavelength conversion laser device, the wavelength converter has an optical waveguide structure for expanding the beam diameter in the horizontal direction, so that the laser beam (basic) that propagates between the active layer and the wavelength converter can be obtained. Wave) coupling loss can be reduced, and the wavelength conversion in the wavelength converter can be made highly efficient. Furthermore, the laser beam (fundamental wave) and harmonic power density are reduced by expanding the beam diameter in the horizontal direction in the wavelength converter, thereby reducing heat generation due to light absorption and increasing the heat radiation area to prevent temperature rise. be able to. For this reason, the shift of the phase matching wavelength due to the temperature rise is reduced, which also makes it possible to increase the efficiency of wavelength conversion in the wavelength converter. In addition, since the periodically poled structure is formed substantially parallel to the wavefront of the laser beam (fundamental wave) for adjusting the angle phase matching, the angle phase matching is sufficient and highly efficient wavelength conversion can be obtained.
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る波長変換レーザ装置は、半導体レーザおよび光共振器内に配置された波長変換器を備えるものである。光共振器によりレーザ発振したレーザ光(基本波)は、波長変換器で高調波に波長変換されて出力される。レーザ光(基本波)および高調波の垂直横モードは光導波路構造により制御され、レーザ光(基本波)の水平横モードは光共振器により制御される。
The wavelength conversion laser device according to the first embodiment of the present invention includes a semiconductor laser and a wavelength converter disposed in the optical resonator. Laser light (fundamental wave) laser-oscillated by the optical resonator is wavelength-converted to a harmonic by the wavelength converter and output. The vertical transverse mode of the laser beam (fundamental wave) and the harmonic is controlled by the optical waveguide structure, and the horizontal transverse mode of the laser beam (fundamental wave) is controlled by the optical resonator.
図1および図2は、この発明の実施の形態1による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。
1 and 2 are configuration diagrams showing a wavelength conversion laser device according to
図1において、半導体レーザ1において、例えばInGaAs系化合物半導体混晶からなる活性層1aが形成されている。活性層1aは、層厚が1 μm程度であり、レーザ光(基本波)の垂直横モードを制御するスラブ光導波路を構成する。活性層1aの境界面にはpn接合が形成されている。活性層幅は200 μmで、いわゆるブロ−ドエリア型であり、出力5 W以上の高出力特性を有する。また、光共振器の縦軸方向における半導体レーザ1の長さは4 mmであり、半導体レーザ1は波長946 nmを中心に3 nm程度の利得帯域をもつ。波長変換器2は、例えば周期分極反転構造を有するMgO : LiNbO3結晶からなり、活性層1aの水平方向に対してz軸方向の結晶軸が一致している。波長変換器2は、半導体レーザ1の活性層1aと同程度の厚さで幅の広いスラブ光導波路2aを有しており、レーザ光(基本波)および高調波の垂直横モードが制御される。また、光共振器の縦軸方向における波長変換器の長さは10 mmで、図において縞状に図示している周期分極反転構造は、縦軸方向に4.6 μmの分極反転周期を持つ。なお、半導体レーザ1の活性層1aと波長変換器2のスラブ光導波路2aは、端面で接合されている。3は第1の反射器、4は第2の反射器であり、これらが半導体レーザの光共振器を構成しており、光共振器内に波長変換器2を配置している。第1の反射器3は半導体レーザ1の片端面に一体形成され、波長946 nmに対してほば全反射するコーティング膜である。第2の反射器4は波長変換器2に一体形成され、波長946 nmに対してはほば全反射するとともに波長473 nmに対しては高い透過率を有する分布反射ブラッググレーティング反射器(以下、グレーティングと略称する)である。また、第2の反射器4は半導体レーザ1の水平横モードを制御するため、水平方向に180 mmの曲率半径を有している。さらに、第1の反射器3および第2の反射器4は、発振波長の選択のため、波長946 nmを中心に0.02 nm程度の波長幅で反射スペクトルを有している。5は光共振器内を往復する基本波ビームの水平方向断面を模式的に表わしたものである。
In FIG. 1, an active layer 1a made of, for example, an InGaAs compound semiconductor mixed crystal is formed in a
次に動作について説明する。
図示を省略している電極から半導体レーザ1に順方向電流を流すと、活性層1aに電子と正孔が注入され、電子と正孔が再結合して発光する。第1の反射器3と第2の反射器4が対向して配置され、光共振器が構成される。ここで、注入電流を増加して反転分布を形成すると誘導放出が生じ、第1の反射器3および第2の反射器4における反射スペクトルに対応して、波長946 nmのレーザ光が増幅される。半導体レーザ1における吸収損失、第1の反射器3および第2の反射器4における透過損失、ならびに波長変換器における波長変換や散乱による損失等からなる光共振器損失を、レーザ光の増幅利得が上回るとレーザ発振に至る。
Next, the operation will be described.
When a forward current is passed from the electrode (not shown) to the
このとき、半導体レーザ1では、レーザ光(基本波)の垂直横モードが活性層1aにより制御されている。波長変換器2では、レーザ光(基本波)および高調波の垂直横モードがスラブ光導波路2aにより制御されている。一方、レーザ光(基本波)および高調波の水平横モードは、活性層1aやスラブ光導波路2aでは制御されない。レーザ光(基本波)の水平横モードは、第1の反射器3および180 mmの曲率半径を有している第2の反射器4により制御されている。ここで、光共振器の空間モードは活性層幅および第2の反射器4の曲率半径で規定され、光共振器損失の低い水平横モードをもつレーザ光(基本波)がレーザ発振し、第2の反射器4におけるレーザ光(基本波)の波面は反射面にほぼ平行となる。
At this time, in the
ここで、ブロードエリア型半導体レーザ1は高出力特性を有しており、水平方向にビーム径を広げてレーザ光(基本波)のパワー密度を低減し、波長変換器2における光損傷および温度上昇を防ぐことができるため、高調波を高出力化することが可能である。半導体レーザ1と波長変換器2はともに光導波路構造を有しており、垂直方向に半導体レーザ1と波長変換器2で成り立つ光導波路の導波モードを整合させ、水平方向に一対の反射器による光共振器で成り立つ空間モードとして半導体レーザ1と波長変換器2の間を伝搬するレーザ光(基本波)の結合損失を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
Here, the broad area
特に波長変換器2がスラブ光導波路2aを有していることにより、波長変換器2内において水平方向にビーム径を広げてレーザ光(基本波)および高調波のパワー密度を低減しているため、光吸収による発熱が減るとともに放熱面積も広くなり上昇を防ぐことができる。このため、温度上昇による位相整合波長のずれが減り、このことからも、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
In particular, since the
また、波長変換器2は周期分極反転構造を有しており、伝搬する高調波は擬似位相整合し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
Further, the
ところで、非線形光学材料の屈折率は波長分散があるため、基本波と第2高調波の位相速度が異なり、各点で発生した第2高調波は各高調波間で位相がずれて伝搬する。位相差がπとなる距離であるコヒーレント長lcを超えて伝搬すると合成した高調波の強度は減少し、コヒーレント長の周期で増減を繰り返すことになる。そこで、周期分極反転構造においては、非線形光学材料の非線形光学定数の符号、すなわち強誘電体の自発分極の向きをコヒーレント長の周期で反転させている。ここで、基本波の波長をλ1、第2高調波の波長をλ2、非線形光学材料の基本波に対する屈折率をn1、第2高調波に対する屈折率をn2とすると、基本波の波数ベクトルk1=(2πn1/λ1)および第2高調波の波数ベクトルk2=(2πn2/λ2)、位相不整合量△k=2k1−k2として、コヒーレント長lcは次の数式1で表される。
lc = π/△k = λ1/4/(n1 − n2) (1)
By the way, since the refractive index of the nonlinear optical material has wavelength dispersion, the fundamental wave and the second harmonic have different phase velocities, and the second harmonic generated at each point propagates with a phase shift between the respective harmonics. Propagating beyond the coherent length lc, which is the distance at which the phase difference becomes π, decreases the intensity of the synthesized harmonics, and repeats increasing and decreasing with the period of the coherent length. Therefore, in the periodic polarization reversal structure, the sign of the nonlinear optical constant of the nonlinear optical material, that is, the direction of spontaneous polarization of the ferroelectric material is reversed at a period of coherent length. Here, assuming that the wavelength of the fundamental wave is λ1, the wavelength of the second harmonic is λ2, the refractive index for the fundamental wave of the nonlinear optical material is n1, and the refractive index for the second harmonic wave is n2, the fundamental wave vector k1 = (2πn1 / λ1) and second harmonic wave vector k2 = (2πn2 / λ2), phase mismatch amount Δk = 2k1-k2, and the coherent length lc is expressed by the following
lc = π / △ k = λ1 / 4 / (n1 − n2) (1)
このようなコヒーレント長の周期で第2高調波の位相が反転し、合成した高調波の位相を補償する擬似位相整合となり、その強度は加算的に増大して効率良く第2高調波を発生させることができる。 The phase of the second harmonic is inverted with such a period of the coherent length, resulting in a quasi-phase matching that compensates for the phase of the synthesized harmonic, and the intensity increases additively to efficiently generate the second harmonic. be able to.
周期分極反転構造では、非線形光学材料の基板表面に周期パターン電極を形成し、電界印可法により強誘電体の保持電界を超える高電圧を加えて分極を反転させており、半導体プロセス技術を応用することによりミクロンオーダーであるコヒーレント長の間隔で製作している。 In the periodic polarization reversal structure, a periodic pattern electrode is formed on the substrate surface of the nonlinear optical material, and the polarization is reversed by applying a high voltage exceeding the holding electric field of the ferroelectric material by applying an electric field. Therefore, it is manufactured at intervals of a coherent length on the order of microns.
非線形光学材料に非線形光学定数の大きいLiNbO3結晶を用いた場合、擬似位相整合では非線形光学定数の最大成分であるd33による高効率な波長変換が実現される。ところが、LiNbO3結晶は光損傷が生じやすいため、基本波のパワー密度は制限されて高出力化には限界がある。MgOをドープしたMgO : LiNbO3結晶を用いた場合、光損傷に対する耐性が増大し、高出力化が可能となる。 When a LiNbO3 crystal having a large nonlinear optical constant is used as the nonlinear optical material, highly efficient wavelength conversion is realized by d33 which is the maximum component of the nonlinear optical constant in the quasi phase matching. However, since LiNbO3 crystals are susceptible to optical damage, the power density of the fundamental wave is limited and there is a limit to increasing the output. When MgO: LiNbO3 crystal doped with MgO is used, resistance against optical damage is increased, and high output can be achieved.
また、光共振器内を往復するレーザ光(基本波)は水平方向に偏光が規定されるため、レーザ光(基本波)の偏光方向に対してMgO : LiNbO3結晶の非線形光学定数が最大であるz軸方向の結晶軸を一致させ、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
Also, since the laser beam (fundamental wave) reciprocating in the optical resonator is polarized in the horizontal direction, the nonlinear optical constant of the MgO: LiNbO3 crystal is maximum with respect to the polarization direction of the laser beam (fundamental wave). It is possible to increase the efficiency of wavelength conversion in the
レーザ光(基本波)の縦モード間隔は光共振器の長さに依存し、0.013 nmと十分に小さくなっている。レーザ光(基本波)の発振波長としては、第1の反射器3および第2の反射器4の反射スペクトルの波長幅内で波長946 nm付近の縦モードが選択される。縦モード選択のために第2の反射器4はグレーティングから構成しており、波長変換器2の位相整合波長とレーザ光(基本波)の発振波長を一致させて高調波の位相不整合量を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。ここで、縦モード間隔が十分に小さいので、レーザ光(基本波)の発振波長を位相整合波長の十分近くに制御することができるのである。
The longitudinal mode interval of the laser beam (fundamental wave) depends on the length of the optical resonator and is sufficiently small at 0.013 nm. As the oscillation wavelength of the laser light (fundamental wave), a longitudinal mode near the wavelength of 946 nm is selected within the wavelength width of the reflection spectrum of the
第1の反射器3および第2の反射器4は、半導体レーザ1および波長変換器2の光導波路に一体形成されているため、第1の反射器3および第2の反射器3により光導波路に反射されて光共振器内を往復するレーザ光(基本波)の回折損失を低減し、高出力で発振したレーザ光(基本波)により高調波を高出力化することが可能である。
Since the
ここで、レーザ光(基本波)は第1の反射器3および第2の反射器4の全反射により光共振器の外部には出力されず光共振器の内部に閉じ込められ、第2の反射器4の高い透過率のために波長変換された高調波のみが外部に出力される。高出力なレーザ光(基本波)が閉じ込められた光共振器の内部に波長変換器2を配置しているため、高効率で波長変換された高調波が高出力で出射されるのである。
Here, the laser light (fundamental wave) is not output to the outside of the optical resonator by the total reflection of the
このように、波長変換器2において波長946 nmのレーザ光(基本波)が高効率に波長変換され、波長473 nmの高調波が3 Wの高出力で出射される。
As described above, the
また、図2に示すように、第1の反射器3および第2の反射器4において、コーティング膜とグレーティングを入れ替えても良い。図2において、第1の反射器3は半導体レーザ1に一体形成され、波長946 nmに対してほば全反射するグレーティング、第2の反射器4は波長変換器2の端面に一体形成され、波長946 nmに対してほぼ全反射するとともに波長473 nmに対して高い透過率を有するコーティング膜である。また、第2の反射器4であるコーティング膜は波長変換器2の曲面形状の端面に形成され、レーザ光(基本波)の水平横モードを制御するため、水平方向に180 mmの曲率半径を有している。さらに、第1の反射器3のコーティング膜および第2の反射器4のグレーティングはレーザ光(基本波)の縦モード選択のため、波長946 nmを中心に0.02 nm程度の波長幅で反射スペクトルを有している。このような図2に示した構成においても、図1の場合と同様の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 2, the coating film and the grating may be interchanged in the
以上のように、この発明の実施の形態1による波長変換レーザ装置では、発光面積が大きくワット級に高出力化されたブロードエリア型半導体レーザにおいて、光共振器によって水平横モードについてモード制御することにより、ビーム品質の高い横モードで発振するようにした。これにより、ワット級の高出力でかつビーム品質の高いレーザ光(基本波)は、波長変換器との結合効率が十分となり、高効率な波長変換が得られるので、ワット級の高出力でかつ高効率な波長変換レーザ装置の実現できる効果がある。 As described above, in the wavelength conversion laser device according to the first embodiment of the present invention, the horizontal lateral mode is controlled by the optical resonator in the broad area type semiconductor laser having a large emission area and high output in the watt class. Therefore, it oscillates in the transverse mode with high beam quality. As a result, laser light (fundamental wave) with high output of watt class and high beam quality has sufficient coupling efficiency with the wavelength converter, and highly efficient wavelength conversion can be obtained. There is an effect that a highly efficient wavelength conversion laser device can be realized.
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態1による波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、光共振器について実施の形態が異なるものである。
The wavelength conversion laser device according to the second embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as the wavelength conversion laser device according to the first embodiment, but the embodiment differs with respect to the optical resonator.
図3は、この発明の実施の形態2による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
FIG. 3 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to
図3において、第1の反射器3は半導体レーザ1に一体形成され、波長946 nmに対してほば全反射のグレーティング、第2の反射器4は波長変換器2の片端面に一体形成され、波長946 nmに対してほば全反射するとともに波長473 nmに対して高い透過率を有するコーティング膜である。また、第1の反射器3のグレーティングは水平方向の横モードを制御するため、水平方向に170 mmの曲率半径を有している。
In FIG. 3, the
実施の形態1と同様に、レーザ光(基本波)の垂直横モードは半導体レーザ1および波長変換器2の光導波路構造により制御されている。一方、水平横モードは170 mmの曲率半径を有している第1の反射器3および第2の反射器4により制御されている。ここで、光共振器の空間モードは活性層幅および第1の反射器3の曲率半径で規定され、光共振器損失の低い水平横モードをもつレーザ光(基本波)がレーザ発振し、第1の反射器3におけるレーザ光(基本波)の波面は反射面にほぼ平行となる。
As in the first embodiment, the vertical transverse mode of the laser beam (fundamental wave) is controlled by the optical waveguide structure of the
さらに、図示は省略するが、第1の反射器3を170 mmの曲率半径を有するコーティング膜とし、第2の反射器4をグレーティングとして構成しても良い。
以上のような実施の形態2による波長変換レーザ装置の動作は、実施の形態1によるものと同様であり、かつそれと同様の効果が得られる。
Further, although not shown, the
The operation of the wavelength conversion laser device according to the second embodiment as described above is the same as that according to the first embodiment, and the same effect can be obtained.
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態1および実施の形態2の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、波長変換器において角度位相整合の調整手段を備えるものである。
The wavelength conversion laser device according to the third embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as those of the wavelength conversion laser devices of the first and second embodiments, but is an angle phase matching adjusting means in the wavelength converter. Is provided.
図4および図5は、この発明の実施の形態3による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
4 and 5 are configuration diagrams showing a wavelength conversion laser device according to
図4において、図1と異なる実施の形態として、半導体レーザ1は、活性層幅100 μmのブロ−ドエリア型で高出力特性を有する。また、第2の反射器4のグレーティングは水平横モードを制御するため、水平方向に16 mmの曲率半径を有している。さらに、波長変換器2の周期分極反転構造は約4.6 μmの分極反転周期を持つが、角度位相整合の調整のため、水平方向でレーザ光(基本波)の波面にほぼ平行となる曲面形状に形成されている。
In FIG. 4, as an embodiment different from FIG. 1, the
ところで、角度位相整合の問題は、高調波を位相整合させて波長変換器に基本波を伝搬させる場合、伝搬角度の許容量が制限されることであり、小さなビーム拡がりでビーム品質の良い基本波のレーザ光が必要となる。例えば実施の形態1における図1に示したような平面形状の周期分極反転構造では、基本波のビームが水平方向において曲面状に拡がってビームの中心部と周辺部で伝搬角度がδ異なると分極反転周期ΛがΛ/cosδに変化し、ビームの周辺部で波長変換効率が低下してしまう。 By the way, the problem of angular phase matching is that when the fundamental wave is propagated to the wavelength converter by phase matching of the harmonics, the allowable amount of propagation angle is limited, and the fundamental wave with good beam quality with small beam expansion. Laser light is required. For example, in the planar periodic domain-inverted structure as shown in FIG. 1 in the first embodiment, the polarization of the fundamental wave beam spreads in a curved shape in the horizontal direction and the propagation angle is different by δ between the central portion and the peripheral portion of the beam. The inversion period Λ changes to Λ / cos δ, and the wavelength conversion efficiency decreases at the periphery of the beam.
ここで、図4に示す実施の形態3による波長変換器2では、レーザ光(基本波)のビームは水平方向に拡がり、最大0.1 deg傾斜する。しかし、周期分極反転構造が水平方向でレーザ光(基本波)の波面にほぼ平行となる曲面形状に形成されているので、基本波のビーム拡がりに対して分極反転周期はほぼ一致して高調波が十分に擬似位相整合し、波長変換器における波長変換を高効率化することが可能である。
Here, in the
また、図5に示すように、図3と異なる実施の形態として、半導体レーザ1は、活性層幅120 μmのブロ−ドエリア型で高出力特性を有する。第2の反射器4のグレーティングは水平方向の横モードを制御するため、水平方向に14 mmの曲率半径を有している。さらに、波長変換器2の周期分極反転構造は約4.6 μmの分極反転周期を持つが、角度位相整合の調整のため、水平方向でレーザ光(基本波)の波面にほぼ平行となる曲面形状に形成されている。波長変換器2では、レーザ光(基本波)のビームは水平方向に拡がり、最大0.06 deg傾斜する。しかし、このような図5の構成においても、図4の場合と同様の動作および効果が得られる。
As shown in FIG. 5, as an embodiment different from FIG. 3, the
以上のように、この発明の実施の形態3による波長変換レーザ装置では、角度位相整合の調整のため、レーザ光(基本波)の波面にほぼ平行な曲面形状に周期分極反転構造が形成されているので、角度位相整合が十分となり、高効率な波長変換の得られる効果がある。
As described above, in the wavelength conversion laser device according to
実施の形態4.
この発明の実施の形態4に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態3の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、光共振器の反射器を形成した光導波路素子を備えるものである。
The wavelength conversion laser device according to the fourth embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as the wavelength conversion laser device of the third embodiment, but includes an optical waveguide element in which a reflector of an optical resonator is formed. It is.
図6は、この発明の実施の形態4による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
FIG. 6 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to
図6において、6は光導波路素子であり、波長変換器2のスラブ光導波路2aとほぼ同じの厚さのスラブ光導波路6aを備えている。また、波長変換器6の長さは5 mmで、さらに、第2の反射器4は光導波路素子に一体形成されたグレーティングであり、水平方向に130 mmの曲率半径を有している。
In FIG. 6,
以上のような実施の形態4による波長変換レーザ装置の動作は、実施の形態3によるものと同様であり、かつそれと同様の効果が得られる。それに加えて、第2の反射器4を独立した光導波路素子に形成し、異なる設計の第2の反射器4を選択あるいは交換できるようにしたので、波長変換レーザ装置における設計の自由度の高くなる効果がある。
さらに、図示は省略するが、第1の反射器3を、半導体レーザ1の活性層1aとほぼ同じの厚さのスラブ光導波路を備える光導波路素子に一体形成されたグレーティングとして構成しても良く、上記のものと同様の効果が得られる。
The operation of the wavelength conversion laser device according to the fourth embodiment as described above is the same as that according to the third embodiment, and the same effect is obtained. In addition, since the
Further, although not shown, the
実施の形態5.
この発明の実施の形態5に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態3の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、半導体レーザと波長変換器の間に高調波を反射させる反射器を備えるものである。
The wavelength conversion laser device according to the fifth embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as the wavelength conversion laser device of the third embodiment, but a reflection that reflects harmonics between the semiconductor laser and the wavelength converter. It is equipped with a vessel.
図7および図8は、この発明の実施の形態5による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
7 and 8 are configuration diagrams showing a wavelength conversion laser device according to
図7において、7は第3の反射器であり、半導体レーザ1と波長変換器2の間に形成され、波長473 nmに対してほぼ全反射するコーティング膜である。また、図8において、第3の反射器7は半導体レーザ1と波長変換器2の間に設置した光導路素子6に形成され、波長473 nmに対してほぼ全反射するグレーティングである。
In FIG. 7,
光共振器内に波長変換器2を配置した構成では、レーザ光(基本波)が光共振器内を往復するため、波長変換器2から半導体レーザ1の方向に伝搬するレーザ光(基本波)も波長変換器2により高調波に波長変換される。そこで、波長変換器から半導体レーザの方向に伝搬する高調波を第3の反射器7で折り返し、第2の反射器から出射させることにより、高調波をさらに高出力化することが可能である。さらに、半導体レーザ1への高調波の入射を第3の反射器7で遮断して、高調波が半導体レーザ1の活性層1aに吸収されることに起因する温度上昇や光損傷を防ぐことが可能である。
In the configuration in which the
実施の形態6.
この発明の実施の形態6に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態5の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、半導体レーザと波長変換器の間に垂直横モード変換手段を備えるものである。
The wavelength conversion laser device according to the sixth embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as the wavelength conversion laser device of the fifth embodiment, but a vertical transverse mode conversion means is provided between the semiconductor laser and the wavelength converter. It is to be prepared.
図9、図10、図11および図12は、この発明の実施の形態6による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
9, FIG. 10, FIG. 11 and FIG. 12 are configuration diagrams showing a wavelength conversion laser device according to
図9において、半導体レーザ1と波長変換器2のスラブ光導波路の厚さが異なっており、8は横モード変換手段であり、光導波路素子に形成されているスラブ光導波路の厚さが徐々に変化している。図10においては、横モード変換手段8として、垂直方向にのみ曲面を有している円柱レンズを備えている。図11においては、横モード変換手段8として、垂直方向に徐々に減少する屈折率分布を有しているグレーテッドインデックス型のレンズを備えている。図12においては、横モード変換手段8として、半導体レーザ1の活性層1aの厚さが徐々に変化している。
In FIG. 9, the thicknesses of the slab optical waveguides of the
半導体レーザ1と波長変換器2のスラブ光導波路の厚さおよび屈折率分布が異なると、半導体レーザ1におけるレーザ光の垂直横モードと波長変換器2におけるレーザ光の垂直横モードとのモード不整合が生じる。そこで、横モード変換手段8により、半導体レーザ1と波長変換器2のスラブ光導波路に入射するレーザ光(基本波)のビーム径、拡がり角および波面をそれぞれ調整して半導体レーザ1と波長変換器2の間を伝搬するレーザ光(基本波)の結合損失を低減し、波長変換器における波長変換を高効率化することが可能である。
When the thickness and refractive index distribution of the slab optical waveguides of the
実施の形態7.
この発明の実施の形態7に係る波長変換レーザ装置は、実施の形態5の波長変換レーザ装置とほぼ同様の構成および動作をもつが、半導体レーザと波長変換器の温度制御手段を備えるものである。
The wavelength conversion laser device according to the seventh embodiment of the present invention has substantially the same configuration and operation as the wavelength conversion laser device of the fifth embodiment, but includes a semiconductor laser and temperature control means for the wavelength converter. .
図13、図14は、この発明の実施の形態7による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
13 and 14 are configuration diagrams showing a wavelength conversion laser device according to
図13において、9は温度制御手段であり、波長変換器2に接して設置され、波長変換器2の温度を変化させるとともに一定に保つペルチェ素子(熱電素子)である。
In FIG. 13, 9 is a temperature control means, which is a Peltier element (thermoelectric element) that is installed in contact with the
温度制御手段9が波長変換器2の温度を変化させると、屈折率の変化および熱膨張により位相整合波長が波長シフトする。一方、波長変換器2に一体形成された第2の反射器4の温度も変化し、グレーティングにおける屈折率の変化および熱膨張により反射スペクトルが波長シフトする。そして、この反射スペクトルに依存するレーザ光(基本波)の発振波長が波長シフトする。ここで、位相整合波長と発振波長における温度変化に対する波長シフト割合が異なるので、波長変換器2の温度制御により、位相整合波長と発振波長がほぼ一致するように調整することが可能である。このような調整により、高調波の位相不整合量を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。なお、レーザ光(基本波)の縦モードは離散的であるが、この実施の形態における縦モード間隔は十分に小さいので、発振波長が位相整合波長とほぼ一致するように調整することができるのである。
When the temperature control means 9 changes the temperature of the
さらに、図14において、温度制御手段9は、半導体レーザ1、波長変換器2、光導波路素子6に接して設置され、これらの温度を変化させるとともに一定に保つペルチェ素子(熱電素子)である。
Further, in FIG. 14, the temperature control means 9 is a Peltier element (thermoelectric element) that is installed in contact with the
図14に示した構成によれば、周囲温度が変動する場合にも、温度制御手段9により半導体レーザ1、波長変換器2および光導波路素子6の温度を一定に保つことで、これらの屈折率の変化および熱膨張を抑え、波長変換レーザ装置としての高出力・高効率特性を安定化することが可能である。
According to the configuration shown in FIG. 14, even when the ambient temperature fluctuates, the temperature control means 9 keeps the temperatures of the
ところで、位相整合波長と発振波長における温度変化に対する波長シフト割合をほぼ等しく設定すれば、温度制御しなくても波長変換効率がほぼ一定に保たれる。このために、図14に示した構成において、光導波路素子6の材料を適切に選択し、各素子における温度変化による屈折率の変化および熱膨張の影響が相殺されるようにすることが可能である。これにより、周囲温度が変動する場合にも、温度制御しなくても波長変換器の2位相整合波長とレーザ光(基本波)の発振波長を一致させて高調波の位相不整合量を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
By the way, if the wavelength shift ratio with respect to the temperature change in the phase matching wavelength and the oscillation wavelength is set to be approximately equal, the wavelength conversion efficiency can be kept substantially constant without temperature control. For this reason, in the configuration shown in FIG. 14, it is possible to appropriately select the material of the
実施の形態8.
この発明の実施の形態8に係る波長変換レーザ装置は、半導体レーザおよび光共振器外に配置された波長変換器を備えるものである。光共振器によりレーザ発振したレーザ光(基本波)は、波長変換器で高調波に波長変換されて出力される。レーザ光(基本波)および高調波の垂直横モードは光導波路構造により制御され、レーザ光(基本波)の水平横モードは光共振器により制御される。
The wavelength conversion laser device according to the eighth embodiment of the present invention includes a semiconductor laser and a wavelength converter arranged outside the optical resonator. Laser light (fundamental wave) laser-oscillated by the optical resonator is wavelength-converted to a harmonic by the wavelength converter and output. The vertical transverse mode of the laser beam (fundamental wave) and the harmonic is controlled by the optical waveguide structure, and the horizontal transverse mode of the laser beam (fundamental wave) is controlled by the optical resonator.
図15は、この発明の実施の形態8による波長変換レーザ装置を示す構成図である。なお、半導体レーザの活性層に対して(a)垂直方向および(b)水平方向について、波長変換レーザ装置の断面構造を図示している。また、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
FIG. 15 is a block diagram showing a wavelength conversion laser device according to
図15において、第1の反射器3は半導体レーザ1の片端面に一体形成され、波長946 nmに対してほば全反射するコーティング膜、第2の反射器4は半導体レーザ1に一体形成され、波長946nmに対して部分反射するグレーティングである。また、第2の反射器4のグレーティングは水平方向の横モードを制御するため、水平方向に曲率半径を有している。波長変換器2は、半導体レーザ1の片端面に接して、光共振器外に配置している。
In FIG. 15, the
次に動作について説明する。
実施の形態1と同様に、半導体レーザ1における吸収、第1の反射器3および第2の反射器4における透過損失等からなる光共振器損失を、レーザ光の増幅利得が上回るとレーザ発振に至る。
Next, the operation will be described.
As in the first embodiment, laser oscillation occurs when the laser resonator amplification gain exceeds the optical resonator loss including absorption in the
このとき、半導体レーザ1では、レーザ光(基本波)の垂直横モードが活性層1aにより制御されている。波長変換器2では、レーザ光(基本波)および高調波の垂直横モードがスラブ光導波路2aにより制御されている。一方、レーザ光(基本波)および高調波の水平横モードは、活性層1aやスラブ光導波路2aでは制御されない。レーザ光(基本波)の水平横モードは、第1の反射器3および曲率半径を有している第2の反射器4により制御されている。ここで、光共振器の空間モードは第2の反射器4の曲率半径で規定され、光共振器損失の低い水平横モードをもつレーザ光(基本波)がレーザ発振し、第2の反射器4におけるレーザ光(基本波)の波面は反射面にほぼ平行となる。
At this time, in the
ここで、ブロードエリア型半導体レーザ1は高出力特性を有しており、水平方向にビーム径を広げてレーザ光(基本波)のパワー密度を低減し、波長変換器2における光損傷および温度上昇を防ぐことができるため、高調波を高出力化することが可能である。また、半導体レーザ1と波長変換器2はともに光導波路構造を有しており、垂直方向に半導体レーザ1と波長変換器2で成り立つ光導波路の導波モードを整合させ、水平方向に一対の反射器による光共振器で成り立つ空間モードとして半導体レーザ1と波長変換器2の間を伝搬するレーザ光(基本波)の結合損失を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
Here, the broad area
光共振器内を往復するレーザ光(基本波)は水平方向に偏光が規定される。このため、レーザ光(基本波)の偏光方向に対して波長変換器2の非線形光学定数が最大であるz軸方向の結晶軸を一致させ、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。また、波長変換器2は周期分極反転構造を有しており、伝搬する高調波は擬似位相整合し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。さらに、周期分極反転構造は光伝搬方向に沿って水平方向でレーザ光(基本波)の波面にほぼ平行に形成されており、角度位相整合が十分となり、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
The laser beam (fundamental wave) reciprocating in the optical resonator is polarized in the horizontal direction. For this reason, the crystal axis in the z-axis direction where the nonlinear optical constant of the
レーザ光(基本波)の縦モード間隔は光共振器の長さに依存し、0.13 nmである。レーザ光(基本波)の発振波長としては、第1の反射器3および第2の反射器4の反射スペクトルの波長幅内で波長946 nm付近の縦モードが選択される。縦モード選択のために第2の反射器4はグレーティングから構成しており、波長変換器2の位相整合波長とレーザ光(基本波)の発振波長を一致させて高調波の位相不整合量を低減し、波長変換器2における波長変換を高効率化することが可能である。
The longitudinal mode interval of the laser beam (fundamental wave) depends on the length of the optical resonator and is 0.13 nm. As the oscillation wavelength of the laser light (fundamental wave), a longitudinal mode near the wavelength of 946 nm is selected within the wavelength width of the reflection spectrum of the
実施の形態9.
この発明の実施の形態9に係る画像表示装置は、実施の形態1〜実施の形態8の波長変換レーザ装置を、画像を生成するための光源として用いるものである。
An image display apparatus according to
この発明の画像表示装置では、高輝度の光源からのレーザ光を光変調手段で変調し、投射してスクリーン上に画像を生成する。ここで、例えば3原色のうち青色の光源として波長473 nmで3 Wを出力する波長変換レーザ装置を、緑色の光源として波長532 nmで2 Wを出力する波長変換レーザ装置を用いる。なお、3原色のうち赤色の光源として半導体レーザ装置を用いる。 In the image display device of the present invention, the laser light from the high-intensity light source is modulated by the light modulation means and projected to generate an image on the screen. Here, for example, a wavelength conversion laser device that outputs 3 W at a wavelength of 473 nm is used as a blue light source among the three primary colors, and a wavelength conversion laser device that outputs 2 W at a wavelength of 532 nm is used as a green light source. A semiconductor laser device is used as a red light source among the three primary colors.
また、光変調手段として液晶またはディジタル反射素子DMD(Digital Micromirror Device)を用いる。光変調手段に液晶を用いた液晶方式のディスプレイ装置では、液晶材料をガラス基板などで挟んで素子とし、外部から電界を加えて液晶の分子配列の変化とともに引き起こされる素子の光学的性質の変化を利用して画像を生成する。また、光変調手段にDMDを用いたマイクロミラー方式の画像表示装置では、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により製造したマイクロミラーを2次元状に並べ、各ミラーを振ることによりON/OFF駆動して画像を生成する。 Further, a liquid crystal or a digital reflection element DMD (Digital Micromirror Device) is used as the light modulation means. In a liquid crystal display device using liquid crystal as the light modulation means, a liquid crystal material is sandwiched between glass substrates, etc., and an external electric field is applied to change the optical properties of the element caused by changes in the molecular arrangement of the liquid crystal. Use it to generate images. In a micromirror image display device using DMD as a light modulation means, micromirrors manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology are two-dimensionally arranged, and each mirror is shaken to be turned ON / OFF. To generate an image.
画像を生成するための光源として波長変換レーザ装置を用いると、従来のランプ装置に比べてレーザ光の単色性および高輝度といった利点があり、光変調手段による画像の生成において光エネルギーの利用効率を向上させることが可能である。また、波長変換レーザ装置には従来のランプ装置に比べて高効率および長寿命といった利点があり、画像表示装置における省エネルギー化および長寿命化が可能である。 When a wavelength conversion laser device is used as a light source for generating an image, there are advantages such as monochromaticity and high brightness of laser light compared to a conventional lamp device. It is possible to improve. Further, the wavelength conversion laser device has advantages such as high efficiency and long life compared with the conventional lamp device, and energy saving and long life can be achieved in the image display device.
Claims (17)
前記レーザ光を発振させる光共振器と、
前記光共振器内に配置され前記レーザ光が高調波に波長変換される波長変換器であって、前記レーザ光および前記高調波の垂直横モードを制御するとともに前記レーザ光および前記高調波のビーム径を水平方向に広げるためのスラブ形状の光導波路構造を有する波長変換器と、
を備え、
前記波長変換器は、形状が前記レーザ光の波面とほぼ平行である周期分極反転構造を有することを特徴とする波長変換レーザ装置。 An active layer that emits laser light;
An optical resonator for oscillating the laser beam;
A wavelength converter that is disposed in the optical resonator and converts the wavelength of the laser beam into a harmonic wave, and controls a vertical transverse mode of the laser beam and the harmonic wave, and the laser beam and the harmonic beam. A wavelength converter having a slab-shaped optical waveguide structure for expanding the diameter in the horizontal direction;
With
2. The wavelength conversion laser device according to claim 1, wherein the wavelength converter has a periodically poled structure whose shape is substantially parallel to the wavefront of the laser beam.
前記一対の対向する反射器における反射面の形状が、前記レーザ光の波面とほぼ平行であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換レーザ装置。 The optical resonator includes a pair of opposing reflectors having reflecting surfaces shaped such that the optical resonator loss for the required horizontal transverse mode of the laser light is lower than the optical resonator loss for other horizontal transverse modes. Configured,
2. The wavelength conversion laser device according to claim 1, wherein a shape of a reflection surface of the pair of opposing reflectors is substantially parallel to a wavefront of the laser light.
前記一対の対向する反射器の1つが、前記波長変換器における前記光共振器の外側に凸の曲面形状をもつ片端面に一体形成されているコーティング膜であることを特徴とする請求項1に記載の波長変換レーザ装置。 The optical resonator includes a pair of opposing reflectors having reflecting surfaces shaped such that the optical resonator loss for the required horizontal transverse mode of the laser light is lower than the optical resonator loss for other horizontal transverse modes. Configured,
The one of the pair of opposing reflectors is a coating film integrally formed on one end face having a convex curved shape outside the optical resonator in the wavelength converter. The wavelength conversion laser device described.
画像を生成するための光源として用いることを特徴とする画像表示装置。 The wavelength conversion laser device according to any one of claims 1 to 12,
An image display device used as a light source for generating an image.
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