JP5389055B2 - 平面導波路型レーザおよびディスプレイ装置 - Google Patents

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Description

この発明は平面導波路型レーザおよびそれを用いたディスプレイ装置に関し、特に、プリンターやレーザテレビ、レーザ加工機用光源に好適な、高出力レーザ装置および波長変換レーザ装置等の平面導波路型レーザおよびそれを用いたディスプレイ装置に関するものである。
プリンターやプロジェクションテレビでは、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が要求される。この光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、あるいは、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光として用い、当該基本波レーザ光を、非線形材料を用いて、第２次高調波（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）や第３次高調波（ＴＨＧ：Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）などの高調波レーザ光に波長変換する波長変換レーザが開発されている。高調波において、基本波レーザ光から高調波レーザ光への高い変換効率を実現するためには、非線形材料上の基本波レーザ光のパワー密度を高くすること、および、波面収差の少ない高輝度なレーザ光が要求される。
２次元導波路型レーザでは、基本波レーザ光のパワー密度を高くすることができるので、高調波レーザ光への高い変換効率を実現することが可能となる。一方、高いパワー密度による破壊限界があるため、高出力化には制限がある。また、２次元導波路に結合可能な２次元方向に対してビーム品質がよいＬＤ光にも制限があるため、高出力化には制限がある。
このような波長変換レーザ装置を実現する方法として、導波路を１次元とした平面導波路型レーザを用いることがある（例えば、特許文献１参照）。平面導波路型レーザでは、平板面内でレーザ光軸に鉛直な方向に空間モードでレーザ発振させ、この方向にレーザ光のビーム径を広げたり、マルチ化したりして、高出力化を図っている。このようなレーザでは、励起源であるＬＤ光は平面導波路に１次元方向に結合すればよいので、高出力なブロードエリアＬＤを用いることができ、高出力なレーザ光を得ることができる。さらに、ＬＤ光の発光点を１次元方向に並べたマルチエミッタＬＤを用いることができるので、より大きなレーザ出力を得ることが可能となる。
ここで、１次元の平面導波路型レーザでは、レーザ光は導波路方向には導波路により閉じ込められるため、安定に動作できる。一方、平面方向には空間伝搬するため、安定な動作を得るためには、レーザ共振器内に曲率ミラーやレンズなどを配置する必要がある。
図１３に従来の構成を示す。図１３において、１は半導体レーザ、２は櫛型のヒートシンク、３は接合剤、４はヒートシンク２の上面に接合剤３により接合されたクラッド（低屈折率部）、５はクラッド４の上面に設けられたレーザ媒質、５ａ，５ｂはレーザ媒質５の端面、６は半導体レーザ１のレーザ発振方向を表す光学軸である。図１３に示す構成において、半導体レーザ１からの励起光は、レーザ媒質５の端面５ａから入射され、レーザ媒質５で吸収されて、レーザ媒質５内で、基本波レーザ光に対する利得を発生する。レーザ媒質５内で発生した利得により、基本波レーザ光は、レーザ媒質５の光学軸６に垂直な端面５ｂから出射される。
このとき、図１３の構成では、レーザ媒質５で発生する熱を櫛型のヒートシンク２で排熱している。このように構成することで、レーザ媒質５内では、図１４（ａ）に示すような温度分布が生じ、図１４（ｂ）に示すような熱の流れが生じる。レーザ媒質５は半導体レーザ１で励起されることにより、半導体レーザ１の励起光の波長とレーザ媒質５で発生する光の波長との間の波長差に依存して熱が発生する。このようにして、レーザ媒質５は励起により温度が上昇する。レーザ媒質５は温度の上昇に従い、屈折率が高くなることから、レンズ効果が生じる。このようなレンズを熱レンズと呼ぶ。レーザ動作とともに熱レンズが生じることから、平面方向に曲率ミラーやレンズなどの光学部品を配置する必要がなく、安定なレーザ動作が可能となる。このため、レーザ共振器の両端が平面で構成することができるため、簡単な構成でレーザ出力が得られるなどの特徴がある。
このような熱レンズにより共振器を形成するレーザでは、熱レンズの強さ（レンズパワー）は、レーザ共振器が安定に動作する範囲内に設定される必要がある。使用した熱レンズの強さが、レーザ安定動作条件が得られる熱レンズよりも小さい、または、大きい場合のいずれの場合にも、レーザは発振しない。一方、安定動作条件が得られる範囲内の熱レンズを使用したときは、レーザ出力が得られる。また、安定動作条件の範囲内の熱レンズでも、レーザが非発振となる条件に近い場合には、レーザ共振器でのレーザ共振損失が大きくなることから、レーザ出力が低いなどの特徴がある。このため、レーザ出力を安定に得るためには、熱レンズはレーザ共振器で決定される一定の範囲内のレンズパワーである必要がある。このため、レーザ媒質５で発生する熱量、櫛型のヒートシンク２の形状、熱容量などを適切に設定することで、熱レンズのレンズパワーを安定動作範囲内に設定することができる。このような場合、熱レンズが安定した定常状態では高出力なレーザ出力を安定に得ることができる。
しかし、パルス動作や、連続（ＣＷ）動作の立上がり時には、熱レンズの過渡応答が生じる。レーザ動作前は、発生熱はないため、熱レンズもない。半導体レーザによる励起により熱の発生が開始されると、熱量、櫛型のヒートシンク２の形状、熱容量などにより決定される時定数で、熱レンズのレンズパワーが大きくなり、一定の時間で定常状態のレンズパワーが生じる。このとき、熱レンズのレンズパワーは、励起が開始された瞬間は０であり、時間と共に徐々に強くなる。このため、励起が開始された瞬間からレーザの安定動作条件が得られる熱レンズとなるまではレーザは非発振となる。さらに、レンズパワーが大きくなると出力が増加し、定常状態のレンズパワーでは、損失の小さいレーザ共振器となることから、高い出力のレーザ光が安定に得られる。
国際公開第２００５／０３３７９１号パンフレット
平面方向に熱レンズを利用することで安定動作を得ている平面導波路型レーザでは、パルス動作や、連続（ＣＷ）動作の立上がり時などの、熱レンズの過渡応答動作時には、レーザが非発振となったり、レーザ出力が小さいことがあるなど、出力の時間安定性が低いという問題点があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、励起が開始された瞬間から定常状態と同等のレーザ出力を得ることができる平面導波路型レーザおよびそれを用いたディスプレイ装置を得ることを目的とする。
この発明は、略々平板状のレーザ媒質と、上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、上記第１のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質から出射された基本波レーザ光のうちの一部の所定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路と、上記第２のクラッドの上面に接合された熱レンズ発生手段とを備え、鉛直方向は、上記レーザ媒質または上記波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振し、上記波長選択導波路を非線形材料で構成して、上記波長選択導波路に入射された基本波レーザ光を異なる波長のレーザ光に変換して出力することを特徴とする平面導波路型レーザである。
この発明は、略々平板状のレーザ媒質と、上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、上記第１のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質から出射された基本波レーザ光のうちの一部の所定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路と、上記第２のクラッドの上面に接合された熱レンズ発生手段とを備え、鉛直方向は、上記レーザ媒質または上記波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振し、上記波長選択導波路を非線形材料で構成して、上記波長選択導波路に入射された基本波レーザ光を異なる波長のレーザ光に変換して出力することを特徴とする平面導波路型レーザであるので、励起が開始された瞬間から定常状態と同等のレーザ出力を得ることができる。
この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す拡大部分断面図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおける熱レンズを発生させていない場合の動作を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおける熱レンズを発生させた場合の動作を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおける熱レンズを発生させていない場合の半導体レーザ、発生熱、レンズパワー、レーザ繻子力のパルス動作の時間波形を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおける熱レンズを発生させた場合の半導体レーザ、発生熱、レンズパワー、レーザ繻子力のパルス動作の時間波形を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおける熱レンズ発生手段の動作が連続動作でない場合の半導体レーザ、発生熱、レンズパワー、レーザ繻子力のパルス動作の時間波形を説明した説明図である。 この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザにおいて光学軸に沿って出力側に非線形材料７を配置した構成を示す側面図である。 この発明の実施の形態２による平面導波路型レーザの構成を示す拡大部分断面図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路型レーザの構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による平面導波路型レーザの構成を示す拡大部分断面図である。 この発明の実施の形態１〜３による平面導波路型レーザを光源として用いたディスプレイ装置の構成を示す構成図である。 従来の平面導波路型レーザの構成を示す図である。 従来の平面導波路型レーザにおける温度分布および熱の流れを示した説明図である。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従ってこれを説明する。
実施の形態１．
図１Ａ〜図１Ｄは、この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの構成を示す図である。図１Ａは、この発明の実施の形態１による平面導波路型レーザの側面図、図１Ｂは、図１Ａ記載のａ−ａ’断面図、図１Ｃの（ｃ１）および（ｃ２）は、図１Ｂ記載のｂ−ｂ’断面図、図１Ｄは、レーザ共振器の発振モードを示す上面図である。これらの図に示されるように、本実施の形態１による平面導波路型レーザは、半導体レーザ１と、櫛型のヒートシンク２と、接合剤３と、第１および第２のクラッド（低屈折率部）４ａ，４ｂと、レーザ媒質５と、熱レンズ発生手段２０とから構成される。また、６はレーザ発振方向を表す光学軸である。なお、図１に示すように、さらに、接合剤２１および基板２２を、レーザ媒質５の強度を補強するために配置してもよい。また、図８に示すように、平面導波路型レーザの出力側に非線形材料７を配置する場合がある。非線形材料７は、平面導波路型レーザから出力される基本波レーザ光が入射され、その一部を反射し、残りの一部を波長の異なるレーザ光に変換して出力する。
レーザ媒質５は、水平方向に配置された、略々長方形の平板状の部材であり、光学軸６に対して垂直な端面５ａおよび端面５ｂの形状は共に長方形である。端面５ａおよび端面５ｂは、具体的には、ｙ軸方向（鉛直方向）の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向（水平方向）の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有する。なお、以下の説明においては、レーザ媒質５の長方形の長手方向をｘ軸、高さ方向をｙ軸、光学軸６方向をｚ軸とした座標系を用いる。
第１および第２のクラッド４ａ，４ｂは、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有し、レーザ媒質５のｘｚ平面に平行な面に、それぞれ、接合される。具体的には、第１のクラッド４ａはレーザ媒質５の下面に接合され、第２のクラッド４ｂはレーザ媒質５の上面に接合されている。なお、第１および第２のクラッド４ａ，４ｂは、例えば、光学材料を原料とした膜をレーザ媒質５に蒸着するか、あるいは、光学材料をオプティカルコンタクト、または、拡散接合などによって、レーザ媒質５に光学的に接合することにより形成される。第１および第２のクラッド４ａ，４ｂは、レーザ媒質５のｘｚ平面に対して鉛直な方向に導波路を形成するためのものである。
ヒートシンク２は、図１Ｂに示すように、櫛型形状を有している。ヒートシンク２は、熱伝導度の大きな材料で構成され、接合剤３を介して、第１のクラッド４ａと接合される。
接合剤３は、レーザ媒質５で発生した熱を、第１のクラッド４ａを介して、ヒートシンク２に排熱する。この接合剤３は、金属半田や光学接着剤、熱伝導接着剤等から構成される。第１のクラッド４ａの下面、すなわち、接合剤３が塗布される面は、接合剤３との接合の強度を上げるため、メタライズ（金属膜を付着）を行っても良い。なお、ヒートシンク２を光学材料で構成した場合には、第１のクラッド４ａとヒートシンク２とを、接合剤３を用いずに、例えば、オプティカルコンタクト、または、拡散接合などによって、直接接合しても良い。
半導体レーザ１は、図１Ａに示すように、レーザ媒質５の端面５ａに近接して配置され、レーザ媒質５の端面５ａに励起光を入射する。図示は省略したが、必要に応じて、半導体レーザ１に対して、冷却用のヒートシンクを接合するようにしてもよい。半導体レーザ１のｘ軸方向の大きさは、図１Ｃに示すように、レーザ媒質５のｘ軸方向の大きさとほぼ等しい。これにより、半導体レーザ１は、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。また、半導体レーザ１は、図１Ｃに示すように、ＬＤ光を出力する複数個の活性層１ａをｘ軸方向に配列したマルチエミッタ半導体レーザであっても良い。この場合、複数個の活性層１ａから複数のＬＤ光が出力するので、ｘ軸方向に複数並んだレーザ出力光が得られる。半導体レーザ１より出力されたＬＤ光は、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。
熱レンズ発生手段２０は、レーザ媒質５の上面に配置された第２のクラッド４ｂの上面に配置されている。熱レンズ発生手段２０は、図１Ａ〜図１Ｃに示されるように、レーザ発振方向を示す光学軸６と平行な帯状の部材であり、上から見た場合、図１Ｃに示すように、櫛型のヒートシンク２の櫛歯の間に配置されている。なお、活性層１ａが複数個あるマルチエミッタの半導体レーザである場合には、エミッタ数毎に帯状の熱レンズ発生手段２０を設けてもよい。また、その場合に、熱レンズ発生手段２０は、半導体レーザ１のそれぞれの活性層１ａから出力される励起光のほぼ上面になるように配置する。
熱レンズ発生手段２０は、帯状の薄膜抵抗で構成することができる。このとき、熱レンズ発生手段２０は、帯状の薄膜抵抗の両端に電圧を印可することで熱を発生する。マルチエミッタの半導体レーザ１において、帯状の薄膜抵抗を複数個並べて熱レンズ発生手段を構成する例としては、図１Ｃ（ｃ１）および（ｃ２）に示す２例がある。すなわち、図１Ｃ（ｃ１）のように、複数の帯状の薄膜抵抗を並列に接続してもよいし、あるいは、図１Ｃ（ｃ２）のように、複数の帯状の薄膜抵抗を直列に接続してもよい。このようにして接続した薄膜抵抗の両端に電圧を印可することで、熱レンズ発生手段２０は、複数の励起光の上部でそれぞれ熱を発生させることができる。
また、熱レンズ発生手段２０を構成する帯状の薄膜抵抗は、第２のクラッド４ｂの上面全体に蒸着やメッキにより形成した後、エッチングにより選択的に残して帯状にすることができる。薄膜抵抗の材料は、例えば、Ｎｉ−ＰやＣｒなどを用いる。さらに、蒸着やメッキが可能な他の材料を用いてもよい。
ここで、レーザ媒質５の端面５ａには基本波レーザ光を反射する全反射膜が施され、端面５ｂには基本波レーザ光を透過する反射防止膜が施されている。また、図８に示すように、平面導波路型レーザの出力側に非線形材料７を配置した場合には、レーザ出力が入射される端面を端面７ａとし、第二高調波レーザ光を出力する端面を端面７ｂとすると、端面７ａには、基本波レーザ光を透過して、第二高調波レーザ光を反射する光学膜が施され、端面７ｂには、基本波レーザ光を反射して、第二高調波レーザ光を透過する光学膜が施される。これらの全反射膜、反射防止膜、及び、光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層して構成される。なお、半導体レーザ１より出力される励起光を、レーザ媒質５の端面５ａから入射する場合には、端面５ａの全反射膜は、励起光を透過し、基本波レーザ光を反射する光学膜となる。
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。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどを用いる。
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。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いる。また、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるため、高効率な波長変換が可能である。さらに、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいため、さらに高効率な波長変換が可能である。
次に、レーザ媒質５の中で発生する温度分布について、図２を用いて説明する。図２は、図１Ｂに示した、ヒートシンク２から基板２２までの構成を示した拡大部分断面図である。
図２に示すように、レーザ媒質５内では、発熱領域において、半導体レーザ１から入射されて吸収した励起光のパワーの一部が熱に変換されて、熱が発生される。発生した熱は、第１のクラッド４ａおよび接合剤３を介して、ヒートシンク２に伝導され、ヒートシンクにより外部に排熱される。この時、ヒートシンク２が櫛型形状をしており、接合剤３により第１のクラッド４ａに接合されている部分が、櫛歯の先端部のみであるため、２つの櫛歯の中間部には、２つの櫛歯のほぼ中心からｘ軸方向の両側に熱の流れが発生する。したがって、２つの櫛歯のほぼ中心の温度が最大となり、櫛歯の部分に近づくに従い、温度が低下する（図２（ａ）の温度分布を参照のこと）。
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。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、温度の高い２つの櫛歯の中心部の屈折率が大きくなり、櫛歯の部分に近づくに従い屈折率が小さくなる。その結果、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（熱レンズ効果）が発生する。こうして、熱レンズ発生手段２０により、各櫛歯の中心部を光軸とした熱レンズ（熱レンズ効果）が発生するため、レーザ媒質５に周期的な熱レンズ効果が形成される。
レーザ媒質５は、半導体レーザ１により複数の活性層１ａから等間隔に励起されており、上面から見た場合、励起はヒートシンク２の櫛歯の間に位置している。ヒートシンク２の櫛歯も、ｘ軸方向にほぼ等間隔に配置されている。したがって、熱レンズ効果も周期的に発生し、櫛歯の本数をｍ本とすると（ｍ−１）個のレンズをほぼ等間隔に並べた効果が得られる。周期的に発生する熱レンズの強さ、および、周期は、ヒートシンク２の櫛歯の間隔、櫛歯の太さ、櫛歯の長さ、および、熱伝導度と、接合剤３の熱伝導度、および、厚さと、第１および第２のクラッド４ａおよび４ｂの材料および厚さとにより、任意に調整可能である。
このように、半導体レーザ１の熱レンズは、半導体レーザ１の動作に依存して、レーザ媒質５内で発生する。一方、熱レンズ発生手段２０は薄膜抵抗により構成しているため、電圧の印可により発熱させることができる。熱レンズ発生手段２０は、半導体レーザ１で励起を行なう軸上に配置されているため、励起により発生する熱レンズのレンズパワーを強くすることができる。また、励起を行なっていない場合でも、熱レンズ発生手段２０を構成している薄膜抵抗の発生熱により、レーザ媒質５に熱レンズを生じさせることができる。
次に動作について説明する。
レーザ媒質５の端面５ａから入射した励起光は、レーザ媒質５で吸収されて、レーザ媒質５内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。図１Ａ〜図１Ｂには、レーザ媒質５の端面５ｂに、基本波レーザ光の一部を反射する部分反射膜を形成し、レーザ媒質５の光学軸６に垂直な端面５ａおよび端面５ｂ間でレーザ発振する基本波レーザについて示す。さらに、図８には、レーザ媒質５の端面５ｂに、基本波レーザ光を透過する反射防止膜５ｃを形成し、光学軸６に沿って非線形材料７を配置した構成について示す。
図８の構成において、レーザ媒質５内部で発生した利得により、基本波レーザ光は、レーザ媒質５の端面５ａおよび非線形材料７の端面７ａ間で、レーザ発振する。なお、非線形材料７は、基本波レーザ光が入射されたときに、非線形効果により基本波レーザ光が第２高調波レーザ光に変換されるように、結晶軸角度、温度、または、周期反転分極の周期が最適化されている。したがって、端面５ａと端面７ａとの間で発振した基本波レーザ光が、非線形材料７に入射すると、基本波レーザ光の一部が波長変換されて、第二高調波レーザ光に変換され、端面７ｂより外部に出力される。
また、第二高調波レーザ光に変換されずに残留した基本波レーザ光は、端面７ｂで全反射されて、再度、非線形材料７を通過して、第二高調波レーザ光に変換される。こうして残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第二高調波レーザ光は、端面７ａで全反射して、端面７ｂより外部に出力される。
このように、非線形材料７は、レーザ媒質５の光学軸６上に、レーザ媒質５の端面５ｂに近接して配置され、所望の波長の基本波レーザ光の一部を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路として動作する。
本発明においては、基本波レーザを出力する構成、および、波長変換を行う高調波レーザ光を出力する構成のいずれにも適用可能であり、以降、基本波レーザを出力する構成について説明するが、波長変換素子である非線形材料７を配置することで、波長変換を行う高調波レーザ光を出力する構成にも同様の特徴を有する。
レーザ媒質５のｙ軸方向は、厚さが波長の数〜数十倍程度であり、レーザ媒質５よりも屈折率の小さな第１および第２のクラッド４ａ及び４ｂ、および、空気により挟まれているため、屈折率の高いレーザ媒質５に基本波レーザ光が閉じ込められる導波路として動作し、基本波レーザ光は導波路のモードで選択的に発振する。導波路のモードは、第１および第２のクラッド４ａ及び４ｂの屈折率、および、レーザ媒質５のｙ軸方向の厚さを調整することにより任意に設定可能であり、低次のモード、または、単一モードのみを導波させて、高輝度発振が実現可能である。また、排熱により発生する熱分布により、ｙ軸方向にも屈折率分布が発生するが、第１および第２のクラッド４ａ及び４ｂとレーザ媒質５との屈折率差、および、空気とレーザ媒質５との屈折率差が、熱分布による屈折率変化に比べて十分大きければ、導波路のモードが優勢となり、熱による影響は無視することができる。
非線形材料７は、ｙ軸に垂直な上下面を空気、あるいは、非線形材料７に比べて小さな屈折率を有するクラッド（図示省略）で挟まれており、厚さが波長の数〜数十倍程度であるため、レーザ媒質５と同様に、ｙ軸方向は導波路として動作する。また、非線形材料７がレーザ光を吸収して発熱する場合には、非線形材料７の下面、または、非線形材料７に接合したクラッドに、ヒートシンクを接合して排熱しても良い。なお、非線形材料７に直接ヒートシンクを接合する場合には、ヒートシンク材料に非線形材料７よりも小さな屈折率を有する光学材料を使用するか、または、非線形材料７よりも小さな屈折率を有する接合剤、例えば、光学接着剤などを用いて、非線形材料７のｙ軸方向を導波路として使用できるようにする。
レーザ共振器内のｙ軸方向におけるレーザ発振は、レーザ媒質５、または、非線形材料７の導波路のモードで、選択的に発振する。レーザ媒質５の導波モードと、非線形材料７の導波モードは、それぞれ、厚さ、および、クラッドとの屈折率差により、任意に設定可能であり、低次のモード、または、単一モードのみ導波させて、高輝度発振が実現可能である。
レーザ媒質５の導波モードと非線形材料７の導波路モードは、必ずしも一致する必要はなく、例えば、いずれかの導波モードをマルチモードとして、もう一方の導波モードを単一モードとすれば、レーザ発振のモードは最も低次のモードで制限されるため、単一モードで選択的に発振することが可能である。もちろん、同じ導波モードとなるように構成しても良い。
レーザ共振器内のｘ軸方向におけるレーザ発振は、レーザ媒質５、および、非線形材料７の幅が、基本波レーザ光、および、第二高調波レーザ光の波長に比べて十分大きいため、導波路によるモードの選択は行われず、空間型の共振器となる。すなわち、ｘ軸方向は、熱レンズ発生手段２０によりレーザ媒質５に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振する。
次に、熱レンズ発生手段２０で熱レンズを発生させていない場合と、発生させた場合の動作について説明する。
はじめに、熱レンズ発生手段２０で熱レンズを発生させていない場合について説明する。図５に、半導体レーザの動作、発生熱、レンズパワー（１／熱レンズ焦点距離）、レーザ出力のパルス動作の時間波形を示す。また、図３に、パルス、または、ＣＷ動作の立上がり時の動作についての説明図を示す。パルス動作、および、ＣＷ動作の立上がり時には、ＬＤ電流波形（図５（ａ））が矩形状であれば、固体レーザ媒質での発生熱（図５（ｂ））もほぼＬＤ電流波形に依存して矩形状になる。しかしながら、熱レンズの発生は、発生熱量、ヒートシンク２の櫛歯の間隔、櫛歯の太さ、櫛歯の長さ、熱伝導度、接合剤３の熱伝導度、厚さ、第１および第２のクラッド４の材料、厚さ、各材料の熱抵抗などにより、応答の遅れが生じる。このため、レンズパワー（１／熱レンズ焦点距離）（図５（ｃ））は、ＬＤ電流の動作開始から徐々に増加し、時間ｔ１後に定常状態のレンズパワーとなる。また、ＬＤ電流の停止後には、徐々にレンズパワー（図５（ｃ））が弱くなる。図３に説明するように、レンズパワーが小さい場合には、レーザ共振のシングルモードビームサイズが大きくなることから、周回損失が大きくなり、レーザ媒質５の増幅利得よりも周回損失が大きいことから、非発振となる。一方、レンズパワーが徐々に強くなり、１／ｆ１よりも強くなることで、レーザ発振が開始する。レーザ共振シングルモードビームサイズは小さくなり、共振損失は徐々に小さくなることからレーザ出力は増加する。レンズパワーが１／ｆ２よりも強く１／ｆ６よりも弱い範囲においては、ビーム径の大きさによる周回損失の発生が小さくなり、周回するレーザ光の他の損失要因（例えば導波路の導波損失やレーザ媒質５の端面コーティングの反射損、波長変換素子７との結合損失など）が支配的になることからビーム径に依存せずレーザ出力は一定になる。さらに、レンズパワーが強くなり、最終的に定常状態のレンズパワー１／ｆ３となる動作点（１）で、レーザ動作は安定する。このようにレンズパワーがＬＤ電流の動作開始から強くなることから、図５（ｄ）に示すように、レンズパワーが１／ｆ１になるまでの時間ｔ２の間は、発振せず、レーザ出力が得られない。次に、レンズパワーが１／ｆ１から１／ｆ２まで強くなる間ｔ３は、ビーム径が小さくなることで周回損失が小さくなるためにレーザ出力が増加する。レンズパワーが１／ｆ２から定常状態の１／ｆ３になる間は、レーザ出力はすでに定常状態で出力している。このため、レーザ出力が定常状態で安定に出力するためには、ＬＤ電流の動作開始から、時間（ｔ２＋ｔ３）の経過を待たなければならない。このような光源を例えばレーザを光源に用いたＴＶに利用することを考えた場合、立上がり時の出力が小さいことから表示される色が変化し、低品質な画質になるなどの問題がある。
次に、熱レンズ発生手段２０で熱レンズを発生させた場合について説明する。図６に、半導体レーザの動作、発生熱、レンズパワー（１／熱レンズ焦点距離）、レーザ出力のパルス動作の時間波形を示す。また、図４に、パルス、または、ＣＷ動作の立上がり時の動作についての説明図を示す。熱レンズ発生手段２０で定常的に熱を発生させており（図６（ｂ）記載のＥ２）、ＬＤの動作前から１／ｆ４のレンズパワーが生じる。１／ｆ４のレンズパワーは定常状態のレーザ出力が得られるレンズパワー範囲（１／ｆ２〜１／ｆ６）の間となるように設定する。このため、レーザ動作開始時には、図４の動作点（２）で動作する。パルス動作、および、ＣＷ動作の立上がり時には、ＬＤ電流波形（図６（ａ））が矩形状であれば、固体レーザ媒質で発生する分の発生熱（図６（ｂ）記載のＥ１）も、ほぼＬＤ電流波形に依存して矩形状になる。このため、ＬＤ電流動作時には熱レンズ発生手段２０と励起による発生熱の合計の熱量が生じる。ＬＤ電流の動作開始から励起による発生熱によりレンズパワーは徐々に強くなり、時間ｔ１の経過後に定常状態のレンズパワー１／ｆ５となる。ＬＤ電流の停止後は徐々にレンズパワーが弱くなり、熱レンズ発生手段２０によるレンズパワーの１／ｆ４となる。ここで、ＬＤ電流動作時の定常状態の熱レンズ１／ｆ５を定常状態のレーザ出力が得られるレンズパワー範囲（１／ｆ２〜１／ｆ６）の間となるように設定しておくことで、ＬＤ電流の動作によるレンズパワーの変化に依存せず、常に一定のレーザ出力が得られる。このため、定常状態では図４の動作点（３）で動作する。したがって、ＬＤ電流動作開始直後から最大出力が得られ、パルス動作およびＣＷ動作の立上がり時のいずれの時間においても出力の安定したレーザ光が得られるなどの効果がある。
レンズパワーが１／ｆ２〜１／ｆ６となる範囲においては、シングルモードビームサイズによる周回損失の発生が小さくなり、周回するレーザ光の他の損失要因（例えば導波路の導波損失やレーザ媒質５の端面コーティングの反射損、波長変換素子７との結合損失など）が支配的になることから、ビーム径に依存せず、レーザ出力は一定になる。一方、半導体レーザにより励起領域には変化はないため、シングルモードビームサイズが変化した場合、レーザ発振するビームの横モードは変化する。シングルモードビームサイズが小さくなることで、高次の横モードでのレーザ発振となる。従って、レーザ出力は変化がないが、ビーム品質は変化することとなる。このように熱レンズのレンズパワーが定常状態ではないパルス動作およびＣＷ動作の立上がり時には、ビーム品質が一定ではなく変化するなどの特徴がある。
次に、熱レンズ発生手段２０の動作が連続動作ではなく、半導体レーザが駆動していない時間でのみ動作するように設定した場合について説明する。図７（ｂ）に示すように、熱レンズ発生手段２０の発生熱をＬＤ電流駆動時の励起による発生熱と同等の熱量で、半導体レーザが駆動していない時間でのみ動作するように設定する。このため、発生熱の合計はＬＤ電流の動作に依存せず、常に一定となる。このため、パルス動作を行なった場合でも、レンズパワーの変化は生じない。従って、パルス動作およびＣＷ動作の立上がり時のいずれの時間においても、出力の安定したレーザ光が得られ、さらに、熱レンズの変化がないことから、レーザ共振のシングルモードビーム径の変化もなく、レーザ出力のビーム品質が常に一定に保たれるなどの効果がある。
以上のように、本実施の形態１に係る平面導波路型レーザは、水平方向に配置された、略々平板状のレーザ媒質５と、レーザ媒質５の光学軸６上に、レーザ媒質５の一方の端面５ａに近接して配置され、レーザ媒質５に励起光を入射する半導体レーザ１と、レーザ媒質５の下面に接合され、レーザ媒質５の鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッド４ａと、レーザ媒質５の上面に接合され、レーザ媒質５の鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッド４ｂと、第１のクラッド４ａの下面に接合されたヒートシンク２と、レーザ媒質５の光学軸６上に、レーザ媒質５の他方の端面５ｂに近接して配置され、レーザ媒質５から出射された基本波レーザ光のうちの一部の所定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路と、第２のクラッド４ｂの上面に接合された熱レンズ発生手段２０とを備えている。また、波長選択導波路を非線形材料７で構成して、上記波長選択導波路に入射された基本波レーザ光を異なる波長のレーザ光に変換して出力するようにした。この構成により、本実施の形態１に係る平面導波路型レーザは、ｙ軸方向（鉛直方向）は、レーザ媒質５の導波路モード（非線形材料７が設けられていれば、非線形材料７の導波路モード）でレーザ発振し、ｘ軸方向（水平方向）は、熱レンズ発生手段２０によりレーザ媒質５に周期的なレンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振するようにしたので、励起による熱レンズの大きさによらず、周回損失の小さな共振器を形成することができ、パルス動作やＣＷ動作の立ち上がり特性を平滑にし、高出力で安定した出力を得ることができる。
また、本実施の形態１による平面導波路型レーザは、例えば、レーザを光源として用いたテレビやディスプレイ装置に利用することができる。レーザを光源として用いた例としては、リアプロジェクションＴＶ、フロントプロジェクションＴＶ、液晶ＴＶのバックライトとしての利用などがあるが、これら以外の種々のテレビおよびディスプレイ装置にも利用可能である。代表例として、図１２に、本発明の波長変換レーザを光源として用いたレーザテレビの構成を示す。図１２に示すように、レーザテレビ２５は、赤色光源２６と、緑色光源２７と、青色光源２８と、これらの光源２６〜２８に接続された光伝搬手段２９と、光伝搬手段２９に接続された光学系３０と、光学系３０からの画像が投影されるスクリーン３１とから構成される。赤色光源２６、緑色光源２７、および、青色光源２８により出射される各光は、光伝搬手段２９によって結合されて光学系３０に出射され、光学系３０によってスクリーン３１に投影される。なお、これらの赤色光源２６、緑色光源２７、および、青色光源２８を、本実施の形態１による平面導波路型レーザで構成する。このように、本実施の形態１の平面導波路型レーザをテレビ用光源及びディスプレイ装置用光源に用いることによって、色再現性に優れ、高輝度、高精細、高色域、低消費電力な、レーザテレビ及びディスプレイ装置が実現できる。
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２による平面導波路型レーザの構成を示す図である。図９に示す構成は、特に明記しない限り、図１で示した構成と基本的に同じである。従って、以下の説明においては、図１の構成と異なる点について説明する。図９は、図１Ａ記載のａ−ａ’断面図の一部を拡大した拡大部分断面図である。なお、本実施の形態２による平面導波路型レーザも、実施の形態１と同様に、レーザテレビ及びディスプレイ装置に利用可能である。
本実施の形態２においては、図９に示すように、熱レンズ発生手段２０を第１のクラッド４ａの下面に配置した。熱レンズ発生手段２０は、実施の形態１と同様に、帯状の薄膜抵抗で構成することができる。熱レンズ発生手段２０を構成する帯状の薄膜抵抗は、第１のクラッド４ａの下面全面に蒸着やメッキにより形成した後、エッチングにより選択的に残して帯状にすることができる。なお、熱レンズ発生手段２０を構成する帯状の薄膜抵抗は、図９に示すように、ヒートシンク２の櫛型構造の櫛歯の間に配置する。また、当該櫛歯の先端に施す接合剤３として、樹脂などの接着剤を用いることで、隣り合った薄膜抵抗間を絶縁することができるので、図１Ｃ（ｃ１）および（ｃ２）に示すように、薄膜抵抗を直列や並列に接続することができる。また、接合剤３として、はんだなどの金属系の接合剤を用いる場合には、ヒートシンク２の櫛歯の上部のみを選択的に接合することが望ましい。また、薄膜抵抗への配線を容易にするために、基板２２および接合剤２１（図示す省略）の大きさを、レーザ媒質５の平板面の大きさよりも、小さくしておくことが望ましい。
以上のように、本実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様に、ｙ軸方向（鉛直方向）は、レーザ媒質５または波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、ｘ軸方向（水平方向）は、熱レンズ発生手段２０によりレーザ媒質５に周期的なレンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振するようにしたので、励起による熱レンズの大きさによらず、周回損失の小さな共振器を形成することができ、パルス動作やＣＷ動作の立ち上がり特性を平滑にし、高出力で安定した出力を得ることができる。
また、本実施の形態２においては、熱レンズ発生手段２０を第１のクラッド４ａの下面に配置し、熱の発生を連続的に行なうことにより、ＬＤ電流動作開始直後から最大出力が得られ、パルス動作およびＣＷ動作の立上がり時のいずれの時間においても出力の安定したレーザ光が得られる。
また、熱レンズ発生手段２０を半導体レーザ１が駆動していない時間でのみ動作することで、パルス動作およびＣＷ動作の立上がり時のいずれの時間においても出力の安定したレーザ光が得られ、さらに、熱レンズの変化がないことからレーザ共振のシングルモードビーム径の変化もなく、レーザ出力のビーム品質が常に一定に保たれる。
また、熱レンズ発生手段２０を第１のクラッド４ａの下面に配置することで、第２のクラッド４ｂと基板２２との接合面に段差がなく、強い接合強度が得られることから、素子全体の剛性が向上し、長期信頼性が向上する。また、段差がないことから、接合剤２１も不要となり、その分だけ、製造工程が容易になるとともに、コスト削減が図れる。
実施の形態３．
図１０および図１１は、本発明の実施の形態３による平面導波路型レーザの構成を示す図である。図１０に示す構成は、特に明記しない限り、図１で示した構成と基本的に同じである。従って、以下の説明においては、図１の構成と異なる点について説明する。図１０は、図１Ａ記載のａ−ａ’断面図であり、図１１は、図１０のａ−ａ’断面図の一部を拡大した拡大部分断面図である。なお、本実施の形態３による平面導波路型レーザも、実施の形態１及び２と同様に、レーザテレビ及びディスプレイ装置に利用可能である。
本実施の形態３においては、レーザ媒質５の下面に配置している第１のクラッド４ａは接合材３によりヒートシンク２ｂと全面接合している。なお、本実施の形態３におけるヒートシンク２ｂは櫛型の形状をしておらず、接合面は平面形状である。このように、第１のクラッド４ａの全面を接合剤３を介してヒートシンク２ｂに全面接合したため、平面導波路型レーザの剛性が向上し、長期信頼性が向上するなどの効果がある。
しかしながら、第１のクラッド４ａを全面接合することで、半導体レーザ１の励起による熱レンズのレンズパワーは小さくなる。励起領域が発熱領域になり、熱は拡散しながら、ヒートシンク２ｂに排熱される。上記の実施の形態１および２で説明した櫛型の接合をしている場合に比べ、本実施の形態３においては、接合面が大きいため、熱抵抗が小さく、レーザ媒質５の温度上昇が小さい。このため、熱レンズのレンズパワーが小さく、熱レンズ発生手段２０が動作してない場合は、定常状態の熱レンズでもレーザ発振可能なシングルモードビーム径よりも大きく、損失の大きい共振器となるため、レーザ発振が困難になる。
そのため、本実施の形態３においては、熱レンズ発生手段２０に定常的に十分な発熱を電気的に発生させることで、熱抵抗が小さい場合でも、レーザ発振が可能な熱レンズが得られるようにした。パルス動作およびＣＷ動作の立上がり時においては、励起ＬＤによる発生熱により温度上昇し、熱レンズのレンズパワーが強くなるが、ヒートシンク２ｂが全面接合されており、熱抵抗が小さいため、櫛型のヒートシンク２で接合している場合に比べ、励起ＬＤの動作によるレンズパワーの変化が小さい。このため、熱レンズ発生手段２０で共振器損失が十分に小さくなるシングルモードビームサイズとなるような発生熱で動作させることで、高出力なレーザ出力がＬＤ電流の駆動開始から安定に得られるとともに、励起ＬＤによる発生熱によるレンズパワーの変化が小さいことからビーム品質の変化も小さいなどの効果がある。また、熱レンズ発生手段２０は、ＤＣ電流を一定に印可しておけばよく、励起ＬＤの動作に依存した制御を行う必要がないなど制御が簡便であるなどの効果もある。
以上のように、本実施の形態３においても、上記の実施の形態１および２と同様に、ｙ軸方向（鉛直方向）は、レーザ媒質５または波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、ｘ軸方向（水平方向）は、熱レンズ発生手段２０によりレーザ媒質５に周期的なレンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振するようにしたので、励起による熱レンズの大きさによらず、周回損失の小さな共振器を形成することができ、パルス動作やＣＷ動作の立ち上がり特性を平滑にし、高出力で安定した出力を得ることができる。
また、本実施の形態３においては、ヒートシンク２ｂを櫛型とせずに、接合面を平面形状として、ヒートシンク２ｂを第１の４ａに全面接合するようにしたので、熱抵抗が小さく、励起ＬＤの動作によるレンズパワーの変化が小さくなるため、熱レンズ発生手段２０で共振器損失が十分に小さくなるような発生熱で動作させることで、高出力なレーザ出力をＬＤ電流の駆動開始から安定に得られるという効果が得られる。
なお、上記の説明においては、本実施の形態３を、図１に示した実施の形態１の構成に適用させた例について説明した。しかしながら、本実施の形態３を、図９に示した実施の形態２の構成に適用させるようにしてもよく、その場合においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

Claims (8)

  1. 略々平板状のレーザ媒質と、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、
    上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、
    上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、
    上記第１のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質から出射された基本波レーザ光のうちの一部の所定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路と、
    上記第２のクラッドの上面に接合された熱レンズ発生手段と
    を備え、
    鉛直方向は、上記レーザ媒質または上記波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、
    水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振し、
    上記波長選択導波路を非線形材料で構成して、上記波長選択導波路に入射された基本波レーザ光を異なる波長のレーザ光に変換して出力する
    ことを特徴とする平面導波路型レーザ。
  2. 略々平板状のレーザ媒質と、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、
    上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、
    上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、
    上記第１のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、
    上記第２のクラッドの上面に接合された熱レンズ発生手段と
    を備え、
    鉛直方向は、上記レーザ媒質の導波路モードでレーザ発振し、
    水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振する
    ことを特徴とする平面導波路型レーザ。
  3. 略々平板状のレーザ媒質と、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、
    上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、
    上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、
    ２以上の突起を有し、当該突起の先端部を接合面として上記第１のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質から出射された基本波レーザ光のうちの一部の所定の波長のレーザ光を反射し、その他の波長を透過する波長選択導波路と、
    上記ヒートシンクの上記突起間に配置され、上記第１のクラッドの下面に接合された熱レンズ発生手段と
    を備え、
    鉛直方向は、上記レーザ媒質または上記波長選択導波路の導波路モードでレーザ発振し、
    水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振し、
    上記波長選択導波路を非線形材料で構成して、上記波長選択導波路に入射された基本波レーザ光を異なる波長のレーザ光に変換して出力する
    ことを特徴とする平面導波路型レーザ。
  4. 略々平板状のレーザ媒質と、
    上記レーザ媒質の光学軸上に上記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、上記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、
    上記レーザ媒質の下面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第１のクラッドと、
    上記レーザ媒質の上面に接合され、上記レーザ媒質に対して鉛直方向に導波路を形成する第２のクラッドと、
    上記第２のクラッドの下面に接合されたヒートシンクと、
    上記第１のクラッドの下面に接合された熱レンズ発生手段と
    を備え、
    鉛直方向は、上記レーザ媒質の導波路モードでレーザ発振し、
    水平方向は、上記熱レンズ発生手段により上記レーザ媒質に周期的な熱レンズ効果を形成して複数の共振器モードでレーザ発振する
    ことを特徴とする平面導波路型レーザ。
  5. 上記ヒートシンクは上記光学軸に垂直な断面内で櫛型構造を有し、上記ヒートシンクの接合面は上記櫛型構造部の櫛歯の先端部であって、上記レーザ媒質で発生した熱が上記櫛歯の先端部に伝導されて排熱されることにより生じる周期的な温度分布で、上記周期的な熱レンズ効果を形成することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の平面導波路型レーザ。
  6. 上記熱レンズ発生手段は、上記光学軸に平行で、かつ、上記半導体レーザからの上記励起光に隣接する部分に選択的に形成される複数の帯状構造を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の平面導波路型レーザ。
  7. 上記熱レンズ発生手段の上記帯状構造は薄膜抵抗で構成されることを特徴とする請求項６に記載の平面導波路型レーザ。
  8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の平面導波路型レーザを光源として用いたことを特徴とするディスプレイ装置。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4754020B2 (ja) 2007-07-27 2011-08-24 三菱電機株式会社 平面導波路型レーザ装置
JP5933246B2 (ja) * 2011-12-15 2016-06-08 三菱電機株式会社 モード制御平面導波路型レーザ装置
US9981124B2 (en) 2012-04-26 2018-05-29 Medtronic, Inc. Devices and techniques for detecting magnetic resonance imaging field
WO2017006395A1 (ja) * 2015-07-03 2017-01-12 三菱電機株式会社 レーザ装置
EP3322049B1 (en) * 2015-08-07 2020-06-03 Mitsubishi Electric Corporation Planar waveguide type laser device
CN105576492A (zh) * 2016-02-01 2016-05-11 西安电子科技大学 一种利用热效应控制激光光束指向角的方法
JP6627651B2 (ja) * 2016-06-09 2020-01-08 三菱電機株式会社 レーザ素子、レーザ素子の製造方法
US9972960B1 (en) * 2016-12-16 2018-05-15 Raytheon Company Reflection/absorption coating for metallurgical bonding to a laser gain medium
CN112332006B (zh) 2019-08-27 2021-09-17 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池包
WO2021214897A1 (ja) * 2020-04-22 2021-10-28 日本電信電話株式会社 波長変換装置
CN114759062B (zh) * 2022-04-01 2024-06-21 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种热偶式高灵敏度微波功率传感芯片及传感器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02146784A (ja) * 1988-11-29 1990-06-05 Asahi Glass Co Ltd レーザダイオード励起固体レーザ
WO2006103767A1 (ja) * 2005-03-30 2006-10-05 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha モード制御導波路型レーザ装置
WO2007013608A1 (ja) * 2005-07-28 2007-02-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. レーザ光源およびディスプレイ装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58189553U (ja) * 1982-06-14 1983-12-16 株式会社東芝 固体レ−ザ発振装置
US5132980A (en) 1991-02-13 1992-07-21 Coherent, Inc. Method and device for preconditioning a laser having a solid state gain medium
EP0499396A3 (en) * 1991-02-13 1993-04-14 Coherent, Inc. Method and device for preconditioning a laser having a solid state gain medium
DE19510713C2 (de) * 1995-03-15 2001-04-26 Laser Analytical Systems Las E Festkörperlaservorrichtung mit Mitteln zur Einstellung eines Temperaturprofils des Laserkörpers
DE19647677A1 (de) * 1996-11-19 1998-05-20 Daimler Benz Ag Laser- und Verstärkersystem zur Erzeugung einfrequenter Laserstrahlung
DE19755457A1 (de) * 1997-12-01 1999-06-10 Deutsche Telekom Ag Verfahren und Anordnung zur Wellenlängenabstimmung einer optoelektronischen Bauelemente-Anordnung
JP2001203410A (ja) * 2000-01-20 2001-07-27 Hamamatsu Photonics Kk ジグザグスラブ固体レーザ増幅器、及びジグザグスラブ固体レーザの熱レンズ効果補償方法
GB0211202D0 (en) * 2002-05-16 2002-06-26 Univ Heriot Watt Novel waveguide resonator
EP1669799B1 (en) 2003-10-01 2013-06-19 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Wavelength conversion laser and image display
US20080063016A1 (en) * 2006-09-13 2008-03-13 Vikram Bhatia Thermal compensation in semiconductor lasers
JP4754020B2 (ja) 2007-07-27 2011-08-24 三菱電機株式会社 平面導波路型レーザ装置
JPWO2009028079A1 (ja) 2007-08-30 2010-11-25 三菱電機株式会社 固体レーザ素子

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02146784A (ja) * 1988-11-29 1990-06-05 Asahi Glass Co Ltd レーザダイオード励起固体レーザ
WO2006103767A1 (ja) * 2005-03-30 2006-10-05 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha モード制御導波路型レーザ装置
WO2007013608A1 (ja) * 2005-07-28 2007-02-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. レーザ光源およびディスプレイ装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6009008825; 平野嘉仁，柳澤隆行，山本修平，小矢田康晴，秋野陽介，岡野 誠，関 浩二，吉原 徹，中村 聡，濱口恒夫: 'プレーナ導波路アレイ内部波長変換グリーンレーザ（１） - 構成 -' 第６９回応用物理学会学術講演会 講演予稿集 第３分冊, 20080902, 第９３９頁, 社団法人応用物理学会 *

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