JP5389169B2 - 平面導波路型レーザ装置およびそれを用いたディスプレイ装置 - Google Patents

Description

この発明は、プリンタやレーザテレビまたはレーザ加工機用光源に使用した場合に好適な高出力レーザ装置および波長変換レーザ装置を実現するための平面導波路型レーザ装置に関するものである。

一般に、プリンタやディスプレイにおいては、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）およびＢ（青）の３つの色の光源が要求されており、この光源として、従来から波長変換レーザが開発されている。

波長変換レーザは、９００ｎｍ帯、１μｍ帯および１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光として、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）などの高調波に波長変換するものである。

ただし、この場合、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のレーザ光を得ることが要求される。

２次元導波路型レーザは、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可能であるが、高いパワー密度による破壊限界があることから、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次元方向にビーム品質がよいＬＤ（レーザダイオード）光にも制限があるので、高出力化には制限がある。

そこで、高出力の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装置を用いることが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。
平面導波路型レーザ装置においては、平板面内でレーザ光軸に対して垂直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ることや、レーザ光をマルチ化することにより、高出力化を図っている。

このような平面導波路型レーザ装置よれば、励起源であるＬＤ出力光は、平面導波路に１次元方向に結合されればよいので、光源として高出力のブロードエリアＬＤを用いることができ、高出力のレーザ光を得ることができる。

また、ＬＤ出力光の発光点として、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、さらに大きいレーザ出力を得ることが可能となる。
なお、基本波レーザ光は、平面導波路型のレーザ媒質を用い、利得を発生させてレーザ共振を行うことにより発生させることができる。また、高調波は、平面導波路型の波長変換素子（非線形材料）を用いて基本波レーザ光を波長変換することにより得られる。

ＬＤ出力光により励起されたレーザ媒質は、自然放出光を全方位に放出するが、レーザ光軸方向に共振してレーザ発振を行う。これにより、レーザ光軸以外の方向への意図しない寄生発振や、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出が存在すれば、レーザ光軸方向への利得が減少して、レーザ出力パワーは低下することになる。

ここで、平面導波路の平板面内で、レーザ光軸と直交する成分を含む角度の自然放出光は、その角度で導波路内を伝搬して増幅することがある。
このとき、平板面内でレーザ光軸に対して垂直方向に幅の広いブロードエリア型の半導体レーザを励起源に使用している場合、または、発光点を複数配置したマルチエミッタ型の半導体レーザを励起源に使用している場合には、平板面内でレーザ光軸に対して垂直方向の成分を含む角度に伝搬する自然放出光が受ける利得が大きくなるので、意図しない寄生発振や寄生増幅が生じることがある。この結果、意図しないエネルギーの抽出により、レーザ光軸方向への利得が減少し、高出力のレーザ出力が得られないなどの問題がある。

また、平面導波路型のレーザ媒質は、薄い平板形状であることから、機械的強度を確保する目的で、レーザ媒質の上部に基板を張り合わせることがある。さらに、平面導波路型のレーザ媒質においては、導波路として光を伝搬させるために、平板面の上下面に低屈折率のクラッド層が配置されている。

したがって、レーザ媒質に張り合わせられる基板は、クラッドと張り合わせられる。このとき、基板とクラッドとを張り合わせる手法としては、接着剤などの接合剤で張り合わせてもよいし、拡散接合やオプティカルコンタクトなどで張り合わせることもある。

また、基板としては、線膨張係数や機械的特性をレーザ媒質と合わせるために、レーザ媒質中の活性媒質を添加していない毋材が用いられることがある。たとえば、レーザ媒質としてＮｄ（ネオジム）：ＹＶＯ４（イットリウム・バナデート）が用いられた場合、基板にはＹＶＯ４が用いられる。なお、Ｎｄなどの活性媒質の添加による屈折率変化は微小なので、レーザ媒質と基板との各屈折率はほぼ等しい値となる。

このように、クラッドの屈折率がレーザ媒質よりも低いことから、レーザ媒質を導波路として伝搬することができる。ここで、伝搬可能な光の方向は、導波路レーザ光軸に対してほぼ平行（浅い角度成分）であり、導波路の厚さ方向に対して大きい角度を有する成分は、クラッドを通過して基板側に漏れる。

励起が行われたレーザ媒質においては、全方位に自然放出光が放射されるので、クラッドを通過して基板側に漏れる光が存在し、さらに、空気と接する基板上面で一部が透過し、一部が全反射される。

ここで、クラッド上部の基板は、レーザ媒質と同等の高い屈折率を有するので、クラッドと基板との間の屈折率差により、フレネル反射が生じる。
また、基板上部の空気との接触面においても、基板を通過する角度成分の光の一部がフレネル反射によりレーザ媒質側に戻り、戻った光は、レーザ媒質で増幅される。これにより、エネルギーが抽出されて、レーザ光軸方向への利得を減少させるので、高出力のレーザ光が得られないなどの問題がある。

ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕｑｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９（２００３）、ｐ．４９５

従来の平面導波路型レーザ装置は、平板面内でレーザ光軸に対して垂直方向にレーザ光のビーム径を広げることや、レーザ光をマルチ化することにより、高出力化を図った場合に、ビーム径の拡散方向またはマルチ化方向への利得が増加するので、寄生発振が発生して、高出力のレーザ光が得られないという課題があった。

また、寄生発振に至らない場合であっても、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出によってレーザ光軸方向への利得が減少し、高出力のレーザ光が得られないという課題があった。

さらに、平面導波路型レーザ装置を補強する基板の境界面で生じたフレネル反射光がレーザ媒質内に戻ることによって、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出が発止し、レーザ光軸方向への利得が減少するので、高出力のレーザ光が得られないという課題があった。

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、寄生発振や、レーザ光軸以外への自然放出光の増幅によるエネルギー抽出を抑制し、高出力の基本波レーザ光が得られるとともに、高効率の第２高調波変換が可能な波長変換レーザ装置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。

水平方向に延長された平板状のレーザ媒質と、レーザ媒質の入射端面に近接配置されてレーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、レーザ媒質の上面に接合されてレーザ媒質の垂直方向に第１のマルチモード導波路を形成する第１クラッドと、レーザ媒質の下面に接合されてレーザ媒質の垂直方向に第２のマルチモード導波路を形成する第２クラッドと、第１クラッドの上面に接合された基板とを備えた平面導波路型レーザ装置において、基板の屈折率ｎ４は、第１クラッドの屈折率ｎ２と比較して、０〜＋０．１の範囲内となるように、以下の条件式、ｎ２≦ｎ４＜ｎ２＋０．１を満たす値に設定されたものである。

この発明によれば、寄生発振や、レーザ光軸以外への自然放出光の増幅によるエネルギー抽出を抑制し、高出力の基本波レーザ光が得られるとともに、高効率の第２高調波変換を可能にすることができる。

この発明の実施例１に係る平面導波路型レーザ装置の構成を示す側面図である。（実施例１） この発明の実施例１に係る平面導波路型レーザ装置の要部を示す平面図である。（実施例１） この発明の実施例１における自然放出光の放射および散乱状態を示す説明図である。（実施例１） この発明の実施例２における自然放出光の放射および散乱状態を示す説明図である。（実施例２） 一般的なレーザ出力の励起ＬＤエミッタ依存性を示す説明図である。（実施例２） この発明の実施例２におけるレーザ出力のエミッタ位置依存性を示す説明図である。（実施例２） この発明の実施例３における自然放出光の放射および散乱状態を示す説明図である。（実施例３） この発明の実施例４における自然放出光の放射および反射状態を示す説明図である。（実施例４） この発明の実施例５に係る平面導波路型レーザ装置を用いたレーザＴＶを示すブロック図である。（実施例５）

（実施例１）
以下、図面を参照しながら、この発明の実施例１について説明する。
図１、図２はこの発明の実施例１に係る平面導波路型レーザ装置の構成を示す側面図および要部平面図である。

図１、図２において、平面導波路型レーザ装置は、励起光（ＬＤ出力光）Ｌを出射する半導体レーザ１と、半導体レーザ１に対向配置されたレーザ媒質５と、レーザ媒質５に対向配置された非線形材料７と、レーザ媒質５の上下面に設けられた第１クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂと、レーザ媒質５の下面に設けられた接合剤３およびヒートシンク２と、レーザ媒質５の上面に設けられた接合剤２１および基板２２と、により構成されている。

レーザ媒質５は、第１クラッド４ａ、第２クラッド４ｂ、接合剤３、ヒートシンク２、接合剤２１および基板２２とともに一体化され、平面導波路型レーザ装置の固体レーザ素子を構成している。

ヒートシンク２は、熱伝導度が比較的大きい材料からなり、接合剤３を介してレーザ媒質５の第２クラッド４ｂに接合されている。
接合剤３は、金属半田や光学接着剤または熱伝導接着剤などからなり、レーザ媒質５から発生して第２クラッド４ｂを介した放出熱を、ヒートシンク２に排熱する。

基板２２は、レーザ媒質５の強度を補強するために、レーザ媒質５の第１クラッド４ａに接合されている。なお、基板２２と第１クラッド４ａとの接合方法としては、接合剤２１を用いてもよく、拡散接合またはオプティカルコンタクトなどの手法により直接接合してもよい。

レーザ媒質５は、レーザ光軸６（レーザ発振方向：ｚ軸方向）に延長されており、ヒートシンク２、第１クラッド４ａ、第２クラッド４ｂおよび基板２２は、レーザ媒質５と一体化されている。
半導体レーザ１の発光点（活性層）は、図２に示すように、レーザ光軸６に対して垂直方向（ｘ軸方向）に沿って配列されている。

レーザ媒質５は、レーザ光軸６に対して垂直方向の入射端面５ａおよび出射端面５ｂを有する。
入射端面５ａおよび出射端面５ｂの各形状は長方形であり、典型的には、ｙ軸方向の厚さが数μｍ〜数１０μｍ、ｘ軸方向の幅が数１００μｍ〜数ｍｍの大きさを有する。ここでは、入射端面５ａおよび出射端面５ｂの長方形の長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸、レーザ光軸６の方向をｚ軸とした座標系を用いている。

第１クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂは、レーザ媒質５と比較して小さい屈折率を有し、レーザ媒質５の各１面（ｘ−ｚ平面と平行な上下面）に個別に接合される。
第１クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂは、たとえば、光学材料を原料とした膜を蒸着やスパッタなどの製法により形成するか、オプティカルコンタクトまたは拡散接合などにより、レーザ媒質５に光学材料を光学的に接合することにより構成される。

第２クラッド４ｂは、一方の面がレーザ媒質５に接合され、他方の面が接合剤３に接合されており、他方の面においては、接合剤３との接合の強度を上げるために、メタライズ（金属膜を付着）してもよい。
また、ヒートシンク２を光学材料で構成した場合には、たとえばオプティカルコンタクトまたは拡散接合などにより、第２クラッド４ｂとヒートシンク２とを直接接合してもよい。

レーザ媒質５の入射端面５ａに近接配置された半導体レーザ１には、必要に応じて、冷却用のヒートシンク（図示せず）が接合される。
半導体レーザ１のｘ軸方向の大きさは、図２に示したように、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Ｌを出射する。

なお、半導体レーザ１は、励起光Ｌを出射する活性層をｘ軸方向に複数配置したマルチエミッタ半導体レーザであってもよい。マルチエミッタ半導体レーザの場合、複数の活性層から複数の励起光Ｌが出射されるので、ｘ軸方向に複数並んだ励起光Ｌが得られる。
半導体レーザ１からｘ−ｚ平面方向に出射された励起光Ｌは、入射端面５ａからレーザ媒質５に入射されて、レーザ媒質５に吸収される。

非線形材料７は、レーザ媒質５のレーザ光軸上に近接して配置され、垂直方向に導波路構造を有する。
具体的には、非線形材料７は、レーザ光軸６に対して垂直方向の断面がレーザ媒質５とほぼ同じ形状を有し、レーザ光軸６に対して垂直方向の入射端面７ａと、入射端面７ａに対向した出射端面７ｂとを有する。非線形材料７の入射端面７ａは、レーザ媒質５の出射端面５ｂに近接して配置される。

レーザ媒質５の入射端面５ａには、励起光Ｌを透過し、基本波レーザ光Ｌ１を反射する全反射膜が施されており、レーザ媒質５の出射端面５ｂには、基本波レーザ光Ｌ１を透過する反射防止膜が施されている。

非線形材料７の入射端面７ａには、基本波レーザ光Ｌ１を透過し、第２高調波レーザ光Ｌ２を反射する光学膜が施され、出射端面７ｂには、基本波レーザ光Ｌ１を反射し、第２高調波レーザ光Ｌ２を透過する光学膜が施されている。

レーザ媒質５および非線形材料７の全反射膜、部分反射膜および光学膜は、たとえば、誘電体薄膜を積層して構成されている。
なお、半導体レーザ１から出射される励起光Ｌを、レーザ媒質５の入射端面５ａから入射する場合には、入射端面５ａの全反射膜は、励起光Ｌを透過し、基本波レーザ光Ｌ１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、たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどが用いられる。なお、固体レーザ材料は、結晶であってもよいし、セラミック材であってもよい。

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、たとえば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などが用いられる。

また、非線形材料７として、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、レーザ媒質５から入射される基本波レーザ光Ｌ１のパワー密度を上げることができるので、高効率の波長変換が可能である。

さらに、非線形材料７として、周期反転分極構造を有する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ので、さらに高効率の波長変換が可能である。

基板２２としては、レーザ媒質５と比較して屈折率が低く、第１クラッド４ａの屈折率に近い材料が用いられる。
ここで、空気の屈折率をｎ０、レーザ媒質５の屈折率をｎ１、第１クラッド４ａの屈折率をｎ２、第２クラッド４ｂの屈折率をｎ３、基板２２の屈折率をｎ４とする。
このとき、基板２２の屈折率ｎ４と、第１クラッド４ａの屈折率ｎ２との関係は、以下の条件式（１）で表される。

ｎ２−０．１＜ｎ４＜ｎ２＋０．１ ・・・（１）

次に、図１および図２に示したこの発明の実施例１に係る平面導波路型レーザ装置の動作について説明する。
まず、レーザ媒質５の入射端面５ａから入射した励起光Ｌは、レーザ媒質５で吸収されて、レーザ媒質５の内部で基本波レーザ光Ｌ１に対する利得を発生する。

レーザ媒質５の内部において、基本波レーザ光Ｌ１に対して発生した利得により、基本波レーザ光Ｌ１は、レーザ媒質５のレーザ光軸６に垂直な入射端面５ａと、非線形材料７の出射端面７ｂとの間でレーザ発振する。

非線形材料７においては、基本波レーザ光Ｌ１が入射されると、非線形効果によって第２高調波レーザ光Ｌ２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。

これにより、レーザ媒質５の入射端面５ａと非線形材料の出射端面７ｂとの間で発振した基本波レーザ光Ｌ１が、非線形材料７に入射すると、基本波レーザ光Ｌ１の一部が第２高調波レーザ光Ｌ２に変換されて、非線形材料７の出射端面７ｂから外部に出射される。

また、非線形材料７の出射端面７ｂへの到達時に、第２高調波レーザ光Ｌ２に変換されずに残留した基本波レーザ光Ｌ１は、非線形材料７の出射端面７ｂで全反射されて、再度、非線形材料７内をレーザ光軸６方向とは逆方向に通過して、第２高調波レーザ光Ｌ２に変換される。

これにより、残留した基本波レーザ光Ｌ１の一部が再度変換されて発生した第２高調波レーザ光Ｌ２は、非線形材料７の入射端面７ａで全反射して、非線形材料７の出射端面７ｂから外部に出射されることになる。

このとき、レーザ媒質５は、ｙ軸方向の厚さが波長の数倍〜数１０倍程度に設定され、また、レーザ媒質５の屈折率ｎ１よりも小さい屈折率ｎ２、ｎ３の第１クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂ（および、屈折率ｎ０の空気）により挟まれているので、基本波レーザ光Ｌ１の導波路として動作する。
したがって、基本波レーザ光Ｌ１は、高い屈折率ｎ１のレーザ媒質５に閉じ込められて、導波路モードで選択的に発振する。

導波路モードは、第１クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂの屈折率ｎ２、ｎ３と、レーザ媒質５のｙ軸方向の厚さと、を調整することにより任意に設定可能であり、低次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。

なお、ヒートシンク２を介した排熱によって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クラッド４ａおよび第２クラッド４ｂの屈折率ｎ２、ｎ３と、レーザ媒質５の屈折率ｎ１との差「ｎ１−ｎ２（ｎ３）」（および、空気の屈折率ｎ０と、レーザ媒質５の屈折率ｎ１との差「ｎ１−ｎ０」）が、熱分布による屈折率変化と比較して十分に大きければ、導波路モードが優勢となるので、熱による影響を無視することができる。

非線形材料７は、ｙ軸に対して垂直方向の上下面を空気で挟まれているか、または、非線形材料７と比較して小さい屈折率を有するクラッド（図示せず）で挟まれており、厚さが波長の数倍〜数１０倍程度に設定されているので、レーザ媒質５と同様に、ｙ軸方向に関しては導波路として動作する。

なお、非線形材料７が基本波レーザ光Ｌ１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（図示せず）を接合して排熱してもよい。

また、非線形材料７に直接的にヒートシンクを接合する場合には、ヒートシンクの材料として、非線形材料７よりも小さい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よりも小さい屈折率を有する接合剤（たとえば、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ことが望ましい。

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の導波路モードで選択的に行われる。
レーザ媒質５の導波路モードおよび非線形材料７の導波路モードは、それぞれ、材料の厚さや、上下面に接合されたクラッドとの屈折率差などにより、任意に設定可能であり、低次モードまたは単一モードのみ導波させて、高輝度発振を実現することが可能である。

また、レーザ媒質５の導波モードと非線形材料７の導波路モードとは、同じ導波モードとなるように構成してもよいが、必ずしも一致させる必要はない。
たとえば、いずれか一方の導波モードをマルチモードとし、他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が最も低次のモードで制限されるので、単一モードで選択的に発振することが可能である。

また、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Ｌ１および第２高調波レーザ光Ｌ２の波長と比較して十分に大きいので、導波路によるモードの選択は行われず、空間型の共振器として動作することになる。

また、図１、図２では、非線形材料７を用いたが、非線形材料７の代わりに、レーザ発振の基本波レーザ光Ｌ１を部分反射する出力鏡（図示せず）を、レーザ光軸６上に配置してもよく、これにより、基本波レーザ光Ｌ１を出射することができる。

また、レーザ媒質５の出射端面５ｂとして、基本波レーザ光Ｌ１の一部を反射する部分反射膜を用いてもよく、これにより、基本波レーザ光Ｌ１を出射することができる。

以上のように、この発明の実施例１（図１、図２）によれば、垂直方向に関しては、レーザ媒質５または非線形材料７の導波路モードでレーザ発振し、水平方向に関しては、空間型の共振器モードでレーザ発振する。

ここで、半導体レーザ１として、水平方向に励起光Ｌの幅を広げたブロードエリア型ＬＤを用いるか、または、発光点を複数配置したマルチエミッタＬＤを用いて、水平方向に複数のレーザ共振器を配置して複数のレーザ光を得ることにより、高出力化を実現することができる。
また、複数の空間モードを形成するために、ヒートシンク２の接合面の形状を、レーザ光軸６の方向に沿って櫛型として、熱レンズを形成してもよい。

ところで、励起されたレーザ媒質５においては、図３のように、全方位に自然放出光Ｌｎが放射される。
図３はこの発明の実施例１における自然放出光Ｌｎの放射および散乱状態を示す説明図であり、図２内のＡ−Ａ’線による断面図を拡大して示している。

図３においては、励起された１点での自然放出光Ｌｎの放射状態を示しているが、実際には、励起されたレーザ媒質５内のすべての場所で、同様の自然放出光Ｌｎの放射が生じる。

図３において、レーザ媒質５内で放射された自然放出光Ｌｎのうち、レーザ光軸６方向（ｚ軸方向）の成分は、レーザ発振の種光となり、レーザ共振器で増幅されてレーザ発振光が得られる。

一方、自然放出光Ｌｎのうち、ｙ軸方向に角度を有する成分（２点鎖線矢印）の一部（点線矢印）は、第１クラッド４ａで全反射するが、第２クラッド４ｂを通過する。
また、ｙ軸方向に角度を有する成分（２点鎖線矢印）は、第１クラッド４ａを通過し、さらに基板２２を通り、平面導波路型レーザ装置の固体レーザ素子の外部に漏れる。

ここで、基板２２が、レーザ媒質５に含まれる活性媒質を添加していない材料で構成されている場合には、第１クラッド４ａの屈折率ｎ２よりも基板２２の屈折率ｎ４の方が高いので、フレネル反射により透過光の一部（点線矢印）が反射する。

たとえば、レーザ媒質５がＮｄ：ＹＶＯ４の場合には、基板２２は、活性媒質Ｎｄを除去したＹＶＯ４となり、その屈折率ｎ４は、ｃ軸方向に関して２．１７である。
また、第１クラッド４ａにＳｉＯ２を用いた場合には、屈折率ｎ２が１．４５となるので、第１クラッド４ａと基板２２との間において、垂直入射の場合、７％のフレネル反射が生じる。また、このとき、基板２２の上面と空気との間の界面でのフレネル反射は、１３．４％も生じる。

一方、入射角度が垂直でない場合には、反射面との偏光方向に応じて、反射率が大きくなる偏光方向と小さくなる偏光方向とがあるが、いずれにせよ、第１クラッド４ａと基板２２との間の屈折率差「ｎ４−ｎ２＝０．７２」が大きいことから、反射率は高くなる。

このように、第１クラッド４ａと基板２２との境界で反射した光（点線矢印）は、第２クラッド４ｂを通過し、接合剤３またはヒートシンク２で散乱または吸収される。

同様に、基板２２と空気層との間においても、フレネル反射により一部（点線矢印）が反射し、反射した光は、第１クラッド４ａ、レーザ媒質５および第２クラッド４ｂを通過して、接合剤３またはヒートシンク２で散乱または吸収される。

このとき、レーザ媒質５を通過する光や、接合剤３またはヒートシンク２で散乱した光は、レーザ媒質５を再度通過することによって増幅され、蓄えられたエネルギーを抽出するので、レーザ光軸６方向のレーザ利得が減少し、低効率で低出力のレーザ出力となる可能性がある。

しかし、この発明の実施例１によれば、第１クラッド４ａおよび基板２２の屈折率ｎ２、ｎ４が、前述の条件式（１）のように設定されているので、第１クラッド４ａと基板２２との境界面、および、基板２２の上面と空気との境界面でのフレネル反射を抑制することができる。

たとえば、レーザ媒質５がＮｄ：ＹＶＯ４であって、第１クラッド４ａがＳｉＯ２である場合には、基板２２として、条件式（１）を満たすガラス材などを用いることができる。
これにより、第１クラッド４ａと基板２２との境界面で垂直入射した場合に、フレネル反射を１％程度に低減させることができる。また、基板２２と空気との境界面でのフレネル反射成分の４％程度に低減される。

このように、第１クラッド４ａと基板２２との屈折率差「ｎ４−ｎ２」が小さくなるように構成したので、フレネル反射を小さくすることができ、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎを低減させることができる。
この結果、意図しない寄生増幅が抑制され、レーザ光軸６方向の利得が向上するので、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの顕著な効果を奏することができる。

なお、第１クラッド４ａの屈折率ｎ２と基板２２の屈折率ｎ４との関係を、以下の条件式（２）のように設定してもよい。

ｎ２≦ｎ４＜ｎ２＋０．１ ・・・（２）

これにより、レーザ媒質５を通過して第１クラッド４ａに伝搬する光は、すべて基板２２側に伝搬することになり、第１クラッド４ａと基板２２との間の全反射が生じることがなく、レーザ媒質５に戻る光をさらに低減することができる。
したがって、前述と同様に、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎを低減させることができ、意図しない寄生増幅が抑制されて、レーザ光軸６方向の利得が向上するので、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの効果を奏することができる。

なお、第２クラッド４ｂの屈折率ｎ３は、第１クラッド４ａの屈折率ｎ２よりも低い値に設定することが望ましい。
たとえば、第１クラッド４ａをＳｉＯ２とし、第２クラッドをＴａ２Ｏ５で構成すれば、Ｔａ２Ｏ５の屈折率は２．０８程度であり、Ｎｄ：ＹＶＯ４の異常屈折率２．１６よりも低く、かつＮｄ：ＹＶＯ４の常屈折率１．９６よりも高いので、異常屈折率が得られる方向の直線偏光が得られる。

したがって、直線偏光が必要な波長変換で高効率が得られることから、高出力の波長変換出力が得られるなどの効果がある。
また、レーザ媒質５と第２クラッド４ｂとの屈折率差「ｎ１−ｎ３」が小さいことから、高次モード光は伝搬ができなくなり、低次モードの高輝度レーザが得られるなどの効果がある。
また、第１クラッド４ａと基板２２との屈折率差「ｎ４−ｎ２」が小さいことから、上述したようにフレネル反射が小さくなり、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの効果がある。

また、この発明の実施例１によれば、レーザ媒質５で利得が生じる様々な波長でレーザ発振が可能である。
たとえば、活性媒質としてＮｄを用いたレーザ媒質５においては、１μｍ帯、０．９μｍ帯および１．３μｍ帯のレーザ発振が可能となる。

ただし、この場合、１μｍ帯の利得が最も大きいことから、０．９μｍ帯および１．３μｍ帯のレーザ発振を行う場合に、さらに利得の高い波長の増幅を抑制する必要があるので、レーザ光軸６方向には、端面の誘電体多層膜の設計により所望の波長を反射または透過する構成とする。

一方、フレネル反射や散乱においては、波長依存性が小さいので、寄生発振や寄生増幅が生じ易いことから、たとえば、０．９μｍ帯のレーザ発振を行う場合に、さらに利得の高い１．０μｍ帯や１．３μｍ帯の寄生増幅を抑制する必要がある。

この発明の実施例１に係る平面導波路型レーザ装置においては、上述したように、導波路に結合する自然放出光Ｌｎの割合を低減させることができるので、高出力の０．９μｍ帯の基本波レーザ光Ｌ１が得られる。
また、非線形材料７において、基本波レーザ光Ｌ１を第２高調波レーザ光Ｌ２に波長変換することにより、０．４μｍ帯の青色レーザが得られる。

（実施例２）
なお、上記実施例１（図１〜図３）では、特に言及しなかったが、図４に示すように、ｘ軸に対して垂直方向（レーザ光軸６（ｚ軸方向）にほぼ平行）となる側端面に荒し面１６が形成された固体レーザ素子において、上記条件式（１）、（２）の構成を適用してもよい。

図４はこの発明の実施例２における自然放出光Ｌｎの放射および散乱状態を示す説明図であり、荒し面１６が形成された固体レーザ素子に条件式（１）、（２）を適用した場合を示している。

図４において、前述（図３参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。なお、この発明の実施例２に係る平面導波路型レーザ装置の全体構成は、図１および図２に示した通りである。

一般に、平面導波路型レーザ装置においては、平板面内でレーザ光軸６（ｚ軸方向）に対して垂直方向（ｘ軸方向）にレーザ光のビーム径を広げることにより、または、半導体レーザ１の発光点を複数配置したマルチエミッタＬＤを用いることにより、高出力化を実現できることが知られている。

このとき、ｘ軸方向への利得が増加することから、寄生発振や寄生増幅が起こり易くなるので、図４のように、平面導波路型レーザ装置のレーザ光軸６（ｚ軸方向）に対してほぼ平行となる固体レーザ素子の側端面に、荒し面１６を形成することが望ましい。

図４において、レーザ媒質５内で発生した自然放出光Ｌｎのｘ軸方向に進む成分（破線矢印）は、荒し面１６に照射されることによって散乱光（１点鎖線矢印）となるので、レーザ光軸６に対してほぼ平行の対向２面間で光学的に閉じ込められることがなく、寄生発振が抑制されるなどの効果がある。

ただし、荒し面１６で散乱された自然放出光Ｌｎ（１点鎖線矢印）は、様々な角度成分を有し、ｙ軸方向に角度を有する一部の成分（点線矢印）は、第１クラッド４ａで全反射するが、第２クラッド４ｂを通過する。

また、ｙ軸方向に角度を有する成分（２点鎖線矢印）は、第１クラッド４ａを通過して、さらに基板２２を通り、平面導波路型レーザ装置の固体レーザ素子の外部に漏れる。

ここで、基板２２が、レーザ媒質５に含まれる活性媒質を添加していない材料で構成されている場合には、第１クラッド４ａの屈折率ｎ２よりも基板２２の屈折率ｎ４の方が高いので、フレネル反射により透過光の一部（点線矢印）が反射する。同様に、基板２２と空気層の間でもフレネル反射により一部（点線矢印）が反射する。

これにより、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎに起因した寄生増幅により、蓄えられたエネルギーが抽出されるので、レーザ光軸６方向のレーザ利得が減少し、低効率で低出力のレーザ出力となる可能性がある。
したがって、特に対策を施さなければ、荒し面１６での散乱光（１点鎖線）に起因した寄生増幅により、荒し面１６の近傍のレーザ媒質５の利得を減少させる可能性がある。

図５は一般的なレーザ出力の励起ＬＤエミッタ依存性を示す説明図であり、たとえば、半導体レーザ１（励起ＬＤ）において、ｘ軸方向に１５個のエミッタをアレイ化して配置した場合の励起ＬＤエミッタ依存性を示している。
図５から明らかなように、荒らし面１６の近傍のレーザ媒質５の利得が減少するので、荒らし面１６に近いエミッタではレーザ出力が低くなることが分かる。

しかし、この発明の実施例２によれば、第１クラッド４ａおよび基板２２の屈折率ｎ２、ｎ４が、前述の条件式（１）、（２）のように設定されているので、第１クラッド４ａと基板２２との境界面、および、基板２２の上面と空気との境界面でのフレネル反射を抑制することができる。

図６はこの発明の実施例２におけるレーザ出力のエミッタ位置依存性を示す説明図であり、１５個のエミッタＬＤ励起が行われた場合のエミッタ位置依存性を示している。

図６から明らかなように、荒し面１６による散乱光が再度導波路を通過することが抑制されることから、利得が減少してレーザ出力が低下することなく、均一な分布で高効率に高出力のレーザ光が得られることが分かる。

以上のように、この発明の実施例２によれば、側端面に荒し面１６を有する固体レーザ素子に適用した場合も、前述と同様に、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎは低減し、意図しない寄生増幅が抑制されるので、レーザ光軸６方向の利得が向上して、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの効果がある。

（実施例３）
なお、上記実施例２（図４）では、側端面に垂直の荒し面１６を有する固体レーザ素子に適用した場合を示したが、図７に示すように、傾斜した荒し面（荒し傾斜面）１６Ａを有する固体レーザ素子に、上記条件式（１）、（２）の構成を適用してもよい。

図７はこの発明の実施例３における自然放出光Ｌｎの放射および散乱状態を示す説明図であり、荒し傾斜面１６Ａが形成された固体レーザ素子に条件式（１）、（２）を適用した場合を示している。

図７において、前述（図４参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。なお、この発明の実施例３に係る平面導波路型レーザ装置の全体構成は、図１および図２に示した通りである。

前述のように、高出力化を実現するために、ｘ軸方向にレーザ光のビーム径を広げた場合、または、半導体レーザ１としてマルチエミッタＬＤを用いた場合には、ｘ軸方向への利得が増加して寄生発振や寄生増幅が起こり易くなる。
そこで、レーザ光軸６に対してほぼ平行となる固体レーザ素子の側端面に、図７に示すように、ほぼ４５°の角度を有する荒し傾斜面１６Ａを形成することが望ましい。

図７のように荒し傾斜面１６Ａを形成することにより、荒し傾斜面１６Ａにおける自然放射光Ｌｎ（破線矢印）の散乱光（１点鎖線矢印）の主軸（実線矢印）を、基板２２に対して垂直方向（ｙ軸方向）に向けることができる。

これにより、第１クラッド４ａまたは第２クラッド４ｂで反射可能な導波成分の反射光を低減し、基板２２側に散乱光の主成分（１点鎖線矢印）を逃がすことができるので、側端面の荒し傾斜面１６Ａで散乱した光を種光源とした寄生増幅を抑制することができる。

ただし、第１クラッド４ａと基板２２との間、または、基板２２の上面と空気との間でのフレネル反射（点線矢印）は生じるうえ、基板２２側に散乱光の主軸を向けたことから、基板２２の上面でのフレネル反射光の強度も大きくなる。
したがって、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光（点線矢印）による寄生増幅が発生し、レーザ効率を低下させる可能性がある。

しかし、この発明の実施例３によれば、第１クラッド４ａおよび基板２２の屈折率ｎ２、ｎ４が、前述の条件式（１）、（２）のように設定されているので、第１クラッド４ａと基板２２との境界面、および、基板２２の上面と空気との境界面でのフレネル反射を抑制することができる。

以上のように、この発明の実施例３によれば、側端面に荒し傾斜面１６Ａを有する固体レーザ素子に適用した場合も、前述と同様に、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎは低減し、意図しない寄生増幅が抑制されるので、レーザ光軸６方向の利得が向上して、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの効果がある。

（実施例４）
なお、上記実施例３（図７）では、側端面に荒し傾斜面１６Ａを有する固体レーザ素子に適用した場合を示したが、図８に示すように、傾斜した鏡面（傾斜鏡面）１６Ｂを有する固体レーザ素子に、上記条件式（１）、（２）の構成を適用してもよい。

図８はこの発明の実施例４における自然放出光Ｌｎの放射および反射状態を示す説明図であり、傾斜鏡面１６Ｂが形成された固体レーザ素子に条件式（１）、（２）を適用した場合を示している。

図８において、前述（図７参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。なお、この発明の実施例４に係る平面導波路型レーザ装置の全体構成は、図１および図２に示した通りである。

図８において、レーザ光軸６に対してほぼ平行となる固体レーザ素子の側端面には、傾斜鏡面１６Ｂが形成されている。
図８のように、側端面に傾斜鏡面１６Ｂを形成することにより、傾斜鏡面１６Ｂにおいては、散乱光が発生しなくなり、基板２２側に反射するレーザ光軸成分（実線矢印）のみの反射光が発生することになる。

このとき、第１クラッド４ａと基板２２との屈折率差「ｎ４−ｎ２」が大きい場合には、フレネル反射による戻り光（点線矢印）のすべてが導波路に再結合するので、前述（図７）の荒し傾斜部１６Ａよりも結合効率が高くなり、大きな寄生増幅が発生し、レーザ出力も大きく低下する。

しかし、この発明の実施例４によれば、第１クラッド４ａおよび基板２２の屈折率ｎ２、ｎ４が、前述の条件式（１）、（２）のように設定されているので、第１クラッド４ａと基板２２との境界面、および、基板２２の上面と空気との境界面でのフレネル反射を抑制することができる。

以上のように、この発明の実施例４によれば、側端面に傾斜鏡面１６Ｂを有する固体レーザ素子に適用した場合も、前述と同様に、レーザ媒質５を再度通過する自然放出光Ｌｎは低減し、意図しない寄生増幅が抑制されるので、レーザ光軸６方向の利得が向上して、高効率で高出力のレーザ光が得られるなどの効果がある。

また、フレネル反射による寄生増幅を低減させることができるとともに、傾斜鏡面１６Ｂでの反射による散乱が生じないことから、反射の主軸からずれた散乱成分による直接導波路に再結合する成分を除去することができるので、導波路に再結合する自然放出光の割合を大きく低減することができ、意図しない寄生増幅がさらに抑制され、さらに高効率で高出力のレーザ光が得られる。

（実施例５）
なお、上記実施例１〜４（図１〜図８）では、平面導波路型レーザ装置の具体的な用途について言及しなかったが、たとえば、図９に示すように、ディスプレイ装置として機能するレーザＴＶ（テレビ）２５に適用してもよい。

図９はこの発明の実施例５に係る平面導波路型レーザ装置を用いたレーザＴＶ２５を示すブロック図であり、代表例として、波長変換レーザを光源として用いたレーザＴＶの構成を示している。

図９において、レーザＴＶ２５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、または、他のＴＶに利用可能であり、赤色光源２６と、緑色光源２７と、青色光源２８と、光伝搬手段２９と、光学系３０と、スクリーン３１とにより構成されている。

赤色光源２６、緑色光源２７および青色光源２８は、それぞれ、前述の実施例１〜４に係る平面導波路型レーザ装置によって構成されている。
赤色光源２６、緑色光源２７および青色光源２８から出射された各レーザ光は、光伝搬手段２９を介して結合された後、光学系３０に出射され、光学系３０からスクリーン３１に投影される。

このように、平面導波路型レーザ装置をレーザＴＶ２５の各光源２６〜２８として用いることにより、色再現性に優れ、高輝度、高精細、高色域、かつ低消費電力のディスプレイ装置を実現することができる。

１ 半導体レーザ、２ ヒートシンク、３ 接合剤、４ａ 第１クラッド、４ｂ 第２クラッド、５ レーザ媒質、５ａ 入射端面（基本波レーザ光を反射する全反射膜）、５ｂ 出射端面（基本波レーザ光を透過する反射防止膜、基本波レーザ光の一部を反射する部分反射膜）、６ レーザ光軸、７ 非線形材料、７ａ 入射端面、７ｂ 出射端面、１６ 荒し面、１６Ａ 荒し傾斜面、１６Ｂ 傾斜鏡面、２１ 接合剤、２２ 基板、２５ レーザＴＶ（ディスプレイ装置）、２６ 赤色光源、２７ 緑色光源、２８ 青色光源、２９ 光伝搬手段、３０ 光学系、３１ スクリーン、Ｌ 励起光、Ｌ１ 基本波、Ｌ２ 第２高調波レーザ光、Ｌｎ 自然放出光。

Claims (7)

1. 水平方向に延長された平板状のレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質の入射端面に近接配置されて前記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、
   前記レーザ媒質の上面に接合されて前記レーザ媒質の垂直方向に第１のマルチモード導波路を形成する第１クラッドと、
   前記レーザ媒質の下面に接合されて前記レーザ媒質の垂直方向に第２のマルチモード導波路を形成する第２クラッドと、
   前記第１クラッドの上面に接合された基板と
   を備えた平面導波路型レーザ装置において、
   前記基板の屈折率ｎ４は、前記第１クラッドの屈折率ｎ２と比較して、０〜＋０．１の範囲内となるように、以下の条件式、
   ｎ２≦ｎ４＜ｎ２＋０．１
   を満たす値に設定されたことを特徴とする平面導波路型レーザ装置。
2. 前記レーザ媒質の出射端面のレーザ光軸上に近接配置された非線形材料を備え、
   前記非線形材料は、垂直方向に導波路構造を有し、
   垂直方向に関しては、前記レーザ媒質または前記非線形材料の導波路モードでレーザ発振し、
   水平方向に関しては、複数の共振器モードでレーザ発振し、
   前記レーザ媒質から前記非線形材料に入射された基本波レーザ光は、前記非線形材料により、異なる波長のレーザ光に変換されて出射されることを特徴とする請求項１に記載の平面導波路型レーザ装置。
3. 垂直方向に関しては、前記レーザ媒質の導波路モードでレーザ発振し、
   水平方向に関しては、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請求項１または２に記載の平面導波路型レーザ装置。
4. 前記レーザ媒質の側端面に設けられた荒し面を備え、
   前記荒し傾斜面は、前記レーザ媒質が放射する自然放出光のうち、前記レーザ媒質の平板状の主面に対して平行であって、前記レーザ発振光のレーザ光軸と直交する方向に進む自然放出光を散乱させることを特徴とする前記請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の平面導波路型レーザ装置。
5. 前記レーザ媒質の側端面に設けられた荒し傾斜面を備え、
   前記荒し傾斜面は、前記レーザ媒質が放射する自然放出光のうち、前記レーザ媒質の平板状の主面に対して平行であって、前記レーザ発振光のレーザ光軸と直交する方向に進む自然放出光を、前記平板状の主面側に反射するように、所定角度だけ傾斜されたことを特徴とする前記請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の平面導波路型レーザ装置。
6. 前記レーザ媒質の側端面に設けられた傾斜鏡面を備え、
   前記傾斜鏡面は、前記レーザ媒質が放射する自然放出光のうち、前記レーザ媒質の平板状の主面に対して平行であって、前記レーザ発振光のレーザ光軸と直交する方向に進む自然放出光を、前記平板状の主面側に反射するように、所定角度だけ傾斜されたことを特徴とする前記請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の平面導波路型レーザ装置。
7. 請求項１に記載の平面導波路型レーザ装置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。

Images