JP5324453B2 - 可視の波長領域についてのキャビティー内の周波数変換された固体レーザー - Google Patents
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［技術の分野］
本発明は、延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザー、特にＧａＮレーザー、を含むキャビティー内の周波数で変換された固体レーザーに関係する。
本発明は、延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザー、特にＧａＮレーザー、を含むキャビティー内の周波数で変換された固体レーザーに関係する。
レーザーの固有の高い放射輝度は、それらを、高い光学的な要望を伴った用途のための光源としての理想的な候補とする。半導体レーザーの可能性のある高い集積化は、例えば投射におけるＵＨＰランプに取って代わるための、小さい大きさに作られた高い強度の光源を要求するところの用途に高度に好都合なものである。このような用途のために、青色の、緑色の、及び赤色の波長領域（ＲＧＢ）において放出するレーザーは、必要なものである。しかしながら、今までに、集積化された緑色のレーザーは、入手可能なものではないものである。
［発明の背景］
緑色の波長領域における集積化されたレーザー源の欠如は、今までに、表示又は照明の用途のためのレーザーの広範な使用を妨げてきたものである。現今では、緑色の波長領域のための使用されたレーザー源は、赤外のレーザー源のアップコンバージョンによるか又は第二高調波発生（ＳＨＧ）によるかいずれかの周波数変換に頼る。
緑色の波長領域における集積化されたレーザー源の欠如は、今までに、表示又は照明の用途のためのレーザーの広範な使用を妨げてきたものである。現今では、緑色の波長領域のための使用されたレーザー源は、赤外のレーザー源のアップコンバージョンによるか又は第二高調波発生（ＳＨＧ）によるかいずれかの周波数変換に頼る。
赤外の波長領域からのアップコンバージョンに対する代案は、青色のレーザー源の周波数変換である。青色の−紫色の領域のためのＧａＮに基づいたレーザーダイオードの最近の開発で、このスキームは、可視の波長における全ての固体のデバイスにとって魅力的なものにさえなる。
米国特許出願公開第２００５／０２６５４１１Ａ１号明細書（特許文献１）は、希土類がドープされた材料における吸収遷移をポンピングするところの短い波長の半導体レーザーを包含するダイオード励起固体レーザーを記載する。レーザーダイオードポンプ源は、ＧａＮに基づいた半導体レーザーを含むことがある。別個の固体レーザーは、希土類のイオンがドープされたガラスの又は結晶質のホスト材料に基づいたものである。希土類に基づいた固体レーザーは、ＧａＮレーザーダイオードによって放出された放射を吸収すると共に可視の波長の範囲における望まれた放射を放出する。
［発明の概要］
本発明の目的は、高度に集積された様式で製造することができるところの可視の波長領域において放出する固体レーザーを提供するというものである。
本発明の目的は、高度に集積された様式で製造することができるところの可視の波長領域において放出する固体レーザーを提供するというものである。
目的は、付記（１）に従ったキャビティー内の周波数変換された固体レーザーで達成される。この固体レーザーの好都合な実施形態は、従属請求項の主たる事項であるか、又は、後に続く記載及び当該発明を実行するための実施形態に記載されたものである。
提案されたキャビティー内の周波数変換された固体レーザーは、延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザーを含む。第二のレーザーキャビティーは、前記の延長されたレーザーキャビティーの内側に配置されたものである。第二のレーザーキャビティーは、半導体レーザーの放射を吸収すると共に可視の波長領域におけるより高い波長で放射を放出する、即ち、より低い光子エネルギーまで半導体レーザーの放射をダウンコンバージョンする利得媒体を含有する。第二のレーザーキャビティーにおける利得媒体は、適当な希土類のイオンがドープされた固体のホスト材料で形成されたものである。
従って、本発明は、半導体レーザーの、好ましくはＧａＮに基づいたダイオードレーザーの、キャビティー内の周波数変換に基づいた可視の波長領域のための高度に集積化された固体レーザーを提案する。半導体レーザーは、延長されたキャビティーと共に動作させられる。この延長されたキャビティーの内側に、希土類イオンがドープされた固体の材料は、半導体レーザーのポンプ放射の一部分を吸収すると共に可視の波長範囲における放射を放出する。この固体の材料の放出波長は、選抜された希土類イオン及び第二のレーザーキャビティーのレーザーミラーの反射率に依存する。半導体レーザーからのポンプ放射は、それが、希土類がドープされた材料に吸収されるものではないが、半導体レーザーの利得媒体へと逆戻りに反射させられると共にポンプレーザーのためのフィードバックとして役に立つ。
第二のレーザーキャビティーの利得媒体、即ち、希土類イオンがドープされた固体の材料は、ポンプレーザーとして使用された半導体レーザーの波長及び提案された固体レーザーの望まれた放出する波長に従って選択されたものである。適当な半導体レーザー及び希土類がドープされたホストは、当技術において知られたものである。ＧａＮに基づいたポンプレーザーを使用するとき、それが、典型的には、３８０及び４８０ｎｍの間の波長で放出するが、数個のホスト材料における異なる希土類イオンを、赤色、緑色、又は青色に向かった周波数変換のために使用することができる。赤色の波長のための非常に効率的な材料は、ＺＢＬＡＮ、ＣａＦ２、ＬｉＬｕＦ４、又はＹＬＦと同様のＰｒ３＋がドープされたフッ化物であるが、それを、ＧａＮに基づいたレーザーダイオードによってポンピングすると共に６３５ｎｍにおける赤色の遷移において最も効率的に放出することができる。Ｐｒ３＋におけるあまり効率的なものではない遷移を、５２０ｎｍあたりの緑色のレーザーの放射を放出するために使用することができる。緑色のレーザーの放射の発生のための別のイオンは、５４２ｎｍの波長で放出する、Ｔｂ３＋である。このイオンを、異なるホスト材料へと組み込むと共に３８０ｎｍにおけるＧａＮに基づいたポンプレーザーによって直接的にポンピングすることができる。別の例は、Ｔｂ：ＹＡＧ又はＰｒ：ＹＡｌＯ３である。さらには、共同でドープされた材料、特に、共同でドープされたＴｂの材料を、例えば、緑色の波長領域のためのＣｅ及びＴｂの組み合わせ又はＤｙ及びＴｂの組み合わせを、望まれた可視の波長を達成するために使用することができる。もちろん、赤色及び緑色以外の波長の発生は、他の希土類イオン又は希土類イオンの組み合わせを選抜することによって、また可能性のあるものである。
提案された固体レーザーの好都合な実施形態において、第二の利得媒体のためのホスト材料は、ウェハーレベルにおける固体レーザーの完全な集積化の可能性を提供するところのＧａＮに基づいた材料である。この実施形態においては、ＧａＮに基づいた半導体レーザーと共に、高度に集積化された固体レーザーが、達成される。希土類イオンのためのＧａＮに基づいたホスト材料の使用は、ＧａＮ−ダイオードポンプレーザーそれ自体を生産するために使用された材料及び工程との適合性を保証する。この文脈において、用語ＧａＮに基づいたは、典型的には１０％より上までの数％の濃度で、他の材料、例えばＡｌ又はＩｎ、の一部分を含有することがあるところのＧａＮ材料を包含するべきである。
半導体レーザーは、好ましくは、端面発光型レーザーとして設計された及びダウンコンバージョンする利得媒体と一緒に共通の基体に配置されたものである。好都合な実施形態において、半導体レーザーの利得媒体及びダウンコンバージョンする利得媒体は、半導体レーザーの放射及びダウンコンバージョンされた放射のための導波路を形成する。ダウンコンバージョンする利得媒体の内側の半導体レーザーの放射の十分に高い強度を保証する為には、ダウンコンバージョンする利得媒体に形成された導波路の構造は、半導体の利得媒体で形成された導波路と比べてより小さい断面を有する。両方の導波路は、好ましくは、テーパーが付けられた領域によって接続されたものである。
希土類イオンの使用は、半導体レーザーの、特にＧａＮレーザーダイオードの、最適な効率での光学的なポンピングとの組み合わせで可視のレーザー波長の幅広い選抜を可能にする。これらのイオンのためのホスト材料としてのＧａＮの好適な選抜は、ＲＧＢレーザー源についてのみならず単一の波長デバイスについての両方でウェハーレベルにおけるレーザーの集積化を可能にする。ＲＧＢのレーザー源の実施形態は、共通の基体に並んで提案された固体レーザーの少なくとも三つを配置すること及び第二のレーザーキャビティーの適当なミラーとの組み合わせで三つのレーザーのダウンコンバージョンする利得媒体のための異なるドーパントを選択することによって実現されたものである。ポンプパワーの一部分をキャビティー内のポンピングすることの概念のおかげで、それは、吸収されないものであるが、失われるものではなく、レーザーダイオードへとフィードバックされる。これは、より低い希土類のドーピング又はより短い導波路の構造を可能にする。
当該発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載された実施形態から明らかなものであると共にそれらを参照して解明されると思われる。
［図面の簡単な説明］
提案されたキャビティー内の周波数変換された固体レーザーは、請求項によって定義されたような保護の範囲を限定することなく、付随する図との関連で一例として後に続くものにおいて記載される。図は、
図１ キャビティー内の周波数変換された固体レーザーの基本的なレイアウトの例；及び
図２ キャビティー内の周波数変換された固体レーザーのさらなる例の上面図
：を示す。
図１は、キャビティー内の周波数変換された固体レーザーの基本的なレイアウトの例を示す。
図２は、キャビティー内の周波数変換された固体レーザーのさらなる例の上面図を示す。
提案されたキャビティー内の周波数変換された固体レーザーは、請求項によって定義されたような保護の範囲を限定することなく、付随する図との関連で一例として後に続くものにおいて記載される。図は、
図１ キャビティー内の周波数変換された固体レーザーの基本的なレイアウトの例；及び
図２ キャビティー内の周波数変換された固体レーザーのさらなる例の上面図
：を示す。
［発明を実行するための実施形態］
提案された固体レーザーの基本的なレイアウトの例は、図１にスケッチされたものである。固体レーザーは、ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１を含むが、それの一つの末端の表面は、ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１の波長のための、即ち、ポンプ放射のための、反射防止コーティング６を有する。ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１のキャビティーは、延長されたポンプレーザーキャビティー２を形成するところの末端のミラー５及び７を含む。これらのミラー５及び７は、ポンプ放射のための高い反射率のミラーである。レーザーダイオード１からの放射は、いくつかの光学部品９によってコリメートされると共にダウンコンバージョンする媒体３のブロックへと集束させられるが、それは、ポンプ放射の一部を吸収すると共に可視の波長領域に向かって周波数を変換する。このダウンコンバージョンする媒体３は、希土類がドープされた固体の材料、例えばＴｂ：ＧａＮ、Ｐｒ：ＧａＮ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮ、又はＴｂ：ＹＡＧ、である。
提案された固体レーザーの基本的なレイアウトの例は、図１にスケッチされたものである。固体レーザーは、ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１を含むが、それの一つの末端の表面は、ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１の波長のための、即ち、ポンプ放射のための、反射防止コーティング６を有する。ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１のキャビティーは、延長されたポンプレーザーキャビティー２を形成するところの末端のミラー５及び７を含む。これらのミラー５及び７は、ポンプ放射のための高い反射率のミラーである。レーザーダイオード１からの放射は、いくつかの光学部品９によってコリメートされると共にダウンコンバージョンする媒体３のブロックへと集束させられるが、それは、ポンプ放射の一部を吸収すると共に可視の波長領域に向かって周波数を変換する。このダウンコンバージョンする媒体３は、希土類がドープされた固体の材料、例えばＴｂ：ＧａＮ、Ｐｒ：ＧａＮ、Ｐｒ：ＺＢＬＡＮ、又はＴｂ：ＹＡＧ、である。
変換する材料３のこのブロックの一方の末端は、ダウンコンバージョンことによって発生させられた可視の波長について高度に反射性のもの及びポンプ放射についての反射防止性のものであるところのコーティング８を担持する。このブロックの他方の末端は、ポンプ放射について高度に反射性のものであるだけでなくまた可視の波長を反射させるものであるところのミラー７でコートされたものであるが、同時に、可視の波長の放射の一部分が、このミラー７を通じて結合させられることを保証するものである。従って、ミラー７は、ポンプレーザーキャビティー２の共振器ミラー及び（ミラー８と一緒に）可視のレーザーキャビティー４の共振器ミラーを形成すると共に可視のレーザーキャビティー４についての出力カップラーとして役に立つ（可視の出力１０）。
ＧａＮレーザーダイオード１の一方の末端の表面における反射防止性のコーティング６の反射率を、また、フィードバックを増加させるために＞０に選抜することができる。他方の側におけるこの反射率は、ＧａＮに基づいたダイオードレーザー１が、延長されたポンプレーザーキャビティー２と比べてより短いキャビティー内でレーザー発振することがないことを保証するために十分に低いものであるのでなければならない。
ＧａＮに基づいたレーザーダイオード１は、変換する材料３と一緒に、共通の基板に配置されたものであると共にＧａＮに基づいたレーザーダイオードについて当技術において知られたような導波路の構造として形成されたものである。このような導波路の構造において、ＧａＮに基づいたレーザーダイオードの活性な材料（利得材料）は、導波路の構造を形成するためにより低い屈折率を備えた材料の層の間に挟まれたものである。このようなＧａＮに基づいたレーザーダイオード、特に端面発光型レーザーのようなもの、を製造するための方法は、当技術において知られたものである。
図２は、図１のような上面図におけるキャビティー内の周波数変換された可視の固体レーザーの十分に集積されたセットアップを示す。固体レーザーは、ＧａＮに基づいたポンプレーザー１及び共通の基板に導波路を形成するところの波長を変換する材料３の層を含む。ＧａＮに基づいたポンプレーザーは、ポンプ放射について両方とも高度に反射性の、末端のミラー５及び末端のミラー７の間にポンプレーザーキャビティー２を有する。同時に末端のミラー７は、変換された放射についての出力カップラーとして役に立つ。可視のレーザーのレーザーキャビティーは、可視の放射の一部分を反射させるものである、このミラー７、及び、可視の放射について高度に反射性のものであると共にポンプ放射について反射防止性のコーティングを形成するところの、ミラー８で形成されたものである。
この実施形態における波長を変換する層は、ＧａＮに基づいたポンプレーザーダイオード１及び波長を変換する材料３の導波路の層の間にテーパーが付けられた領域１１を備えた導波路の形態を有する。このようなテーパーが付けられた構造は、可視のレーザーの低い閾値及び高い効率を可能にする。この実施形態において、波長を変換する材料３のホストは、ＧａＮに基づいた材料である。緑色のレーザーの作用のために、変換する材料３は、例えば、Ｔｂ：ＧａＮ又はＰｒ：ＧａＮであることがある。Ｔｂイオンは、上側のレーザーレベルが、より低い存在するレベルから良好に隔離されたものであると共に、従って無放射の損失が、このイオンについては重要なことではないものであるので、高い光子エネルギーを備えた材料における組み込みに特に適したものである。従って、Ｔｂは、ウェハーレベルにおける提案された固体レーザーの集積化を可能するＧａＮ材料への組み込みのための理想的な候補である。
別の実施形態において、図２のものと同じ構築を備えたレーザーを、非ＧａＮに基づいたホスト材料で実現するが、しかしなおも高度に集積化することができる。このような構造を、ウェハーを加工する間にＧａＮに基づいたウェハーにおいて調製することができる。ウェハーを加工することの後に別個のステップにおいて、希土類がドープされた材料は、構造の上部に堆積させられる。ＧａＮの構造の特徴は、例えばＤＢＲ（分布帰還型反射器）と同様のミラーを包含する導波路を定義する。
ウェハーレベルにおける集積化は、ＲＧＢレーザー源の経済的な製作を可能にする。これを、ウェハー基板に並んで、例えば各々図２に従って、固体レーザーの三つを製造することによって達成することができるが、それにおいては、三つの波長を変換する層の各々は、赤色の、緑色の、及び青色の光を発生させるための異なる希土類イオンがドープされたものである。ウェハーレベルでこのような固体レーザーを加工するとき、多様なＲＧＢ源を、ウェハーにおいて同時に製造することができる。一つのレーザー源における赤色、緑色、及び青色のこのような十分な集積化の提供は、投射又はファイバー光学的な照明と同様の将来の用途に主要な重要性のものである。
当該発明が、図面において及び先の記載において詳細に図解されてきた及び記載されてきたものである一方で、このような図解及び記載は、例証的なもの又は例示的なものと且つ制限的なものではないものと考慮されるところのものである；当該発明は、開示された実施形態に限定されないものである。また、上に及び請求項に記載された異なる実施形態を、組み合わせることができる。
開示された実施形態への他の変形を、図面、開示、及び添付された請求項の研究から、請求された発明を実用化する際に当業者が理解すると共に果たすことができる。請求項において、単語“を含む”は、他の要素又はステップを排除するものではないと共に、不定冠詞“ある”は、複数を排除するものではない。ある一定の尺度が、相互に異なる従属請求項に記載されたものであるという単なる事実は、これらの尺度の組み合わせを有利に使用することができないことを示唆するものではない。請求項におけるいずれの符号も、これらの請求項の範囲を限定するものとして解釈するべきではないものである。
［付記］
付記（１）：
キャビティー内の周波数変換された固体レーザーであって、
− 延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザー、及び
− 前記延長されたレーザーキャビティーに配置された第二のレーザーキャビティー、
前記第二のレーザーキャビティーが、前記半導体レーザーの放射を吸収すると共に可視の波長領域におけるより高い波長で放射を放出する利得媒体を含有すること
を含む、固体レーザーにおいて、
前記第二のレーザーキャビティーにおける前記利得媒体は、希土類イオンがドープされた固体のホスト材料で形成されたものである、固体レーザー。
付記（２）：
付記（１）に記載の固体レーザーにおいて、
前記半導体レーザーは、ＧａＮレーザーである、固体レーザー。
付記（３）：
付記（２）に記載の固体レーザーにおいて、
前記第二の利得媒体のホスト材料は、ＧａＮに基づいた材料である、固体レーザー。
付記（４）：
付記（１）、（２）、又は（３）に記載の固体レーザーにおいて、
前記半導体レーザーの利得媒体及び前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体は、導波路を形成する、固体レーザー。
付記（５）：
付記（４）に記載の固体レーザーにおいて、
前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体の導波路は、前記半導体レーザーの利得媒体の導波路と比べてより小さい断面を有すると共に、
両方の導波路は、テーパーが付けられた領域を通じて接続されたものである、
固体レーザー。
付記（６）：
付記（１）乃至（５）のいずれか一つに記載の少なくとも三つの固体レーザーを含むＲＧＢの光源であって、
前記三つの固体レーザーは、赤色の、緑色の、及び青色の波長領域において異なる波長で放出するものであると共に共通の基体に製作されたものである、光源。
［付記］
付記（１）：
キャビティー内の周波数変換された固体レーザーであって、
− 延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザー、及び
− 前記延長されたレーザーキャビティーに配置された第二のレーザーキャビティー、
前記第二のレーザーキャビティーが、前記半導体レーザーの放射を吸収すると共に可視の波長領域におけるより高い波長で放射を放出する利得媒体を含有すること
を含む、固体レーザーにおいて、
前記第二のレーザーキャビティーにおける前記利得媒体は、希土類イオンがドープされた固体のホスト材料で形成されたものである、固体レーザー。
付記（２）：
付記（１）に記載の固体レーザーにおいて、
前記半導体レーザーは、ＧａＮレーザーである、固体レーザー。
付記（３）：
付記（２）に記載の固体レーザーにおいて、
前記第二の利得媒体のホスト材料は、ＧａＮに基づいた材料である、固体レーザー。
付記（４）：
付記（１）、（２）、又は（３）に記載の固体レーザーにおいて、
前記半導体レーザーの利得媒体及び前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体は、導波路を形成する、固体レーザー。
付記（５）：
付記（４）に記載の固体レーザーにおいて、
前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体の導波路は、前記半導体レーザーの利得媒体の導波路と比べてより小さい断面を有すると共に、
両方の導波路は、テーパーが付けられた領域を通じて接続されたものである、
固体レーザー。
付記（６）：
付記（１）乃至（５）のいずれか一つに記載の少なくとも三つの固体レーザーを含むＲＧＢの光源であって、
前記三つの固体レーザーは、赤色の、緑色の、及び青色の波長領域において異なる波長で放出するものであると共に共通の基体に製作されたものである、光源。
［符号の一覧］
１ ＧａＮに基づいたレーザーダイオード
２ ポンプレーザーキャビティー
３ 変換する材料
４ 可視のレーザーキャビティー
５ ポンプレーザーキャビティーの第一の末端のミラー
６ ポンプレーザーの放射のための反射防止性のコーティング
７ ポンプレーザーキャビティーの第二の末端のミラー
８ 可視のレーザーキャビティーの末端のミラー
９ 光学部品
１０ 可視の出力
１１ テーパーが付けられた領域
１ ＧａＮに基づいたレーザーダイオード
２ ポンプレーザーキャビティー
３ 変換する材料
４ 可視のレーザーキャビティー
５ ポンプレーザーキャビティーの第一の末端のミラー
６ ポンプレーザーの放射のための反射防止性のコーティング
７ ポンプレーザーキャビティーの第二の末端のミラー
８ 可視のレーザーキャビティーの末端のミラー
９ 光学部品
１０ 可視の出力
１１ テーパーが付けられた領域
Claims (6)
- キャビティー内の周波数変換された固体レーザーであって、
延長されたレーザーキャビティーを備えた半導体レーザー、及び
前記半導体レーザーの放射を吸収する利得媒体を含有すると共に希土類イオンがドープされた固体の状態のホスト材料で形成されたものである第二のレーザーキャビティー
を具備する、固体レーザーにおいて、
上記の第二のレーザーキャビティーは、上記の延長されたレーザーキャビティー内に配置されたものであると共に、
前記第二のレーザーキャビティーにおける上記の利得媒体は、可視の波長の領域におけるより高い波長で放射を放出するものである
ことを特徴とする、固体レーザー。 - 請求項１に従った固体レーザーにおいて、
上記の半導体レーザーは、ＧａＮレーザーである、
固体レーザー。 - 請求項２に従った固体レーザーにおいて、
前記第二の利得媒体のホスト材料は、ＧａＮに基づいた材料である、
固体レーザー。 - 請求項１、２、又は３に従った固体レーザーにおいて、
前記半導体レーザーの利得媒体及び前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体は、導波路を形成する、
固体レーザー。 - 請求項４に従った固体レーザーにおいて、
前記第二のレーザーキャビティーの利得媒体の導波路は、前記半導体レーザーの利得媒体の導波路と比べてより小さい断面を有すると共に、
両方の導波路は、テーパーが付けられた領域を通じて接続されたものである、
固体レーザー。 - 請求項１から５までの一つに従った少なくとも三つの固体レーザーを具備するＲＧＢの光源であって、
上記の三つの固体レーザーは、赤色の、緑色の、及び青色の波長の領域において異なる波長で放出するものであると共に共通の基体に製作されたものである、
光源。
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