JP5389277B2 - モード制御導波路型レーザ装置 - Google Patents
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Description
図9は従来のモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す側面図である。また、図10は図9内のa−a’断面をレーザ出射側から見た断面図、図11は図9内のb−b’断面を上面から見た断面図である。
また、図10、図11のように、ヒートシンク102は、光軸106(z軸)に対して平行な延長歯構造を有する。
レーザ媒質105内部で発生した利得により、レーザ光は、レーザ媒質105の光軸106に垂直な端面105aと端面105bとの間でレーザ発振し、発振光の一部が端面105bからレーザ共振器の外部に出力される。
また、決定した励起パワーのパワースケールにしたがって、励起光の導波路幅方向(x軸方向)の励起領域が決定し、さらに、ヒートシンク102の延長歯構造の各歯の相互間隔は、励起領域に依存して決定する。
以下、図面を参照しながら、この発明を実施するための最良の形態について説明する。
図1〜図3はこの発明の実施の形態1に係るモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す図であり、図1は側面図、図2は図1のa−a’断面を光軸方向から見た断面図、図3は図1のb−b’断面を上面から見た断面図である。
レーザ媒質5は、平板上をなし、レーザ発振方向または信号光進行方向を表す光軸6に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有する。
なお、レーザ媒質5の端面5a、5bは、必ずしも長方形でなくてもよく、たとえば、端面5a、5bの短辺側は円弧形状であっていてもよい。
クラッド4は、たとえば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、または、オプティカルコンタクトや拡散接合などで光学材料をレーザ媒質5と光学的に接合することにより構成される。また、クラッド4として、レーザ媒質5に比べて小さな屈折率を有する光学接着剤を用いてもよい。
また、ヒートシンク2は、レーザ媒質5の入射側の端面5aおよび出射側の端面5bにそれぞれ対応した端面2a、2bを有する。
なお、クラッド4の下面は、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)を施してもよい。
また、ヒートシンク2を光学材料で構成した場合には、クラッド4とヒートシンク2とを、たとえば、オプティカルコンタクトや拡散接合などにより直接接合してもよい。
また、励起光入射手段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。
なお、ここでは一例として、励起光入射手段1を半導体レーザとしたが、レーザ媒質5に利得を持たせることが可能な構成であれば、必ずしも半導体レーザを用いなくてもよい。
なお、励起光入射手段1から出射される励起光を、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、励起光を透過しレーザ光を反射する光学膜となる。
また、第2のクラッドのy軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質5の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質5の剛性を高くすることが可能である。
第2の接合剤としては、たとえば光学接着剤が用いられ、基板としては、たとえば光学材料または金属などが用いられる。
また、基板のy軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質5の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質5の剛性を高くすることが可能である。
また、基板のy軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質5の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質5の剛性を高くすることが可能である。
その際、レーザ媒質5と基板との間の光学膜は、結晶やガラス材料に比べて密度が低く、剛性が低いので、基板の膨張に合わせて変形され、レーザ媒質5に与える応力を緩和することが可能である。
また、光学膜と基板とを接合する際に、光学接合が容易な光学膜材料および基板を選択することにより、接合の強度を高めることが可能である。
また、図3に示すように、レーザ媒質5の光軸6(z軸)の方向の全長をLoとし、光軸方向の一部に設置された櫛構造部分の幅をAとする。
この場合、櫛構造の接合部(幅Aを形成する調整側)は、端面2bすなわち光軸6の出射側に設置されている。
この結果、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効果が発生する。
この結果、x軸方向には、櫛歯に接合された部分を光軸とした熱レンズ効果が発生する。なお、dn/dTの正負によらず、同様の効果が得られるので、以後、特に明記しない限り、dn/dTが正の場合を用いて説明する。
したがって、レーザ媒質5内に発生する熱レンズ効果を調整することができる。
また、図5はDiopter[1/m](熱レンズ焦点距離の逆数)の変化を示ており、A/Lo=0からA/Lo=1まで櫛構造部分の幅Aを変化させた場合のDiopterの変化を示している。
また、A/Lo=1のときには、レーザ媒質5内で発生する熱レンズ焦点距離は74.3mm(Diopter=13.46[1/m])となる。
すなわち、幅Aを「0」から「1」まで変化させることにより、熱レンズ焦点距離を「2.9m〜74.3mm」の範囲で任意に調整することが可能となる。
このように、レーザ媒質5の端面5a側から励起を行う端面励起の場合、レーザ媒質5内の温度上昇は、端面5a側が最も高くなり、端面5a側の温度分布が最も顕著となるので、入射側の端面5a側に櫛構造を有する接合部を設置することにより、最も容易に熱レンズ焦点距離の調整が可能となる。
この結果、レーザ媒質5内で発生する熱レンズ効果を調整することができ、且つ、熱レンズ効果を抑制することができる。
また、レーザ媒質5内の光軸方向の櫛構造は、レーザ媒質の端面5a、5b両面に設置してもよい。
このように構成することによって、側面励起など、レーザ媒質5内のレーザ光軸方向に対称な温度分布が発生する場合でも、熱レンズ焦点距離の調整が可能となる。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド4の排熱側の前面が接合剤3に接合されて、レーザ媒質5で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質5の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド4を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク2の剛性を高めることができる。
具体的には、ヒートシンク2は、レーザ光の光軸6の一部に、光軸6に平行な櫛構造を有する接合部(図3内のハッチング部)を備え、櫛構造の範囲を調整することにより、レーザ媒質に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質内の屈折率分布を生成する。
すなわち、櫛構造を有する接合部は、端面2b側すなわち、レーザ媒質5の光軸6のレーザ光が出射する出射面(端面5b)の接合面に設置されており、櫛歯を構成しない接合部は、端面2a側すなわち、レーザ媒質5の入射面(端面5a)の接合面に設置されている。
なお、上記実施の形態1(図1〜図5)では、レーザ媒質5内で発生する熱レンズを調整するために、ヒートシンク2の光軸6(z軸)の方向の一部に櫛構造を設け、櫛構造部分の幅Aを調整することにより導波路内の温度分布を調整したが、図6のように、ヒートシンク2の光軸方向の櫛構造部分を、断続的に複数本設けてもよい。
図6はこの発明の実施の形態2に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク2の形状を示す断面図であり、前述(図1)の断面b−b’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク2の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図1に示した通りであり、特に明記しない限り、前述(図1)の励起光入射手段1〜レーザ媒質5と同等の機能を有するものとする。
これに対し、この発明の実施の形態2(図6)によれば、ヒートシンク2の光軸方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けることにより、上記不具合(y軸方向の熱レンズの発生)を解消することができる。
また、ある幅の櫛構造の本数を調整することによっても、熱レンズの焦点距離を調整することができる。
なお、図6においては、各櫛構造部分の幅が一定であるが、各幅は必ずしも均一である必要はない。
これにより、光軸方向の熱伝導が増大し、この結果、y軸方向に発生する熱分布を光軸6に平行な方向に平均化することができ、y軸方向の熱レンズの発生を低減することができる。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド4の排熱側の前面が接合剤3に接合されて、レーザ媒質5で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質5の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド4を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク2の剛性を高めることができる。
なお、上記実施の形態1、2(図1〜図6)では、特に言及しなかったが、レーザ共振器内のx軸方向におけるレーザ発振においては、レーザ媒質5の幅(x軸)が、レーザ光の波長に比べて十分大きいので、y軸での導波路によるモード選択は行われず、空間モードのレーザ共振器となる。
そこで、図7のように、ヒートシンク2の光軸6に平行な方向に、接合剤3を介してクラッド4に接合される櫛歯を複数本設け、レーザ媒質5内のx軸方向に2つの櫛歯の中心を光軸とする熱レンズ効果を周期的に発生させることにより、x軸方向に周期的な複数の発振モードを生成可能に構成してもよい。
図7はこの発明の実施の形態3に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク2の形状を示す断面図であり、前述(図1)の断面b−b’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク2の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図1に示した通りであり、特に明記しない限り、前述(図1)の励起光入射手段1〜レーザ媒質5と同等の機能を有するものとする。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド4の排熱側の前面が接合剤3に接合されて、レーザ媒質5で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質5の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド4を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク2の剛性を高めることができる。
なお、上記実施の形態3(図7)では、レーザ媒質5内で発生する熱レンズ焦点距離を調整するために、x軸方向に複数のレンズ効果を生成し、y軸方向では導波路モードで発振し、x軸方向ではレンズ効果による空間モードで複数発振する装置において、ヒートシンク2の光軸方向に櫛構造を設け、櫛構造部分の幅Aまたは複数本存在する櫛構造部分の本数を調整することにより、導波路内の温度分布を調整したが、図8にように、ヒートシンク2の光軸(z軸)の方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けてもよい。
図8はこの発明の実施の形態4に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク2の形状を示す断面図であり、前述(図1)の断面b−b’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク2の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図1に示した通りであり、特に明記しない限り、前述(図1)の励起光入射手段1〜レーザ媒質5と同等の機能を有するものとする。
これに対し、この発明の実施の形態4(図8)によれば、ヒートシンク2の光軸方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けることにより、レーザ媒質5に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質5内に屈折率分布を生成し、この屈折率分布により、x軸方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、y軸方向においては導波路モードで発振し、x軸方向においてはレンズ効果による空間モードで複数発振する装置においても、上記不具合を解消することができる。
なお、各櫛構造部分の幅Aは必ずしも一定である必要はない。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド4の排熱側の前面が接合剤3に接合されて、レーザ媒質5で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質5の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド4を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク2の剛性を高めることができる。
Claims (8)
- 平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の一面に接合されたクラッドと、
前記レーザ媒質の一面側に前記クラッドを介して接合されたヒートシンクと、を備え、
前記レーザ媒質は、屈折率分布によりレンズ効果を生成し、
前記レーザ光は、前記厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで発振するモード制御導波路型レーザ装置であって、
前記ヒートシンクは、前記レーザ光の光軸方向に対して、前記光軸に平行な櫛構造を有する接合部と、前記光軸に平行な櫛構造を有していない接合部と、を備えたことを特徴とするモード制御導波路型レーザ装置。 - 前記レーザ媒質は、前記屈折率分布により、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、
前記レーザ光は、前記厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで複数発振することを特徴とする請求項1に記載のモード制御導波路型レーザ装置。 - 前記櫛構造の範囲を調整することにより、前記レーザ媒質に所望の温度分布を発生させて前記レーザ媒質内の屈折率分布を生成することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
- 前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面の接合面に設置されたことを特徴とする請求項3に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
- 前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が出射する出射面の接合面に設置されたことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
- 前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面を除く接合面に設置されたことを特徴とする請求項3に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
- 前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が出射する出射面を除く接合面に設置されたことを特徴とする請求項3または請求項6に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
- 前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面から断続的に複数個設置されたことを特徴とする請求項3から請求項7までのいずれか1項に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
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