JP6224136B2 - 非線形光周波数変換のための分散熱システム - Google Patents

Description

本開示は、レーザシステムに関連し、より具体的には、レーザの周波数変換を実行するための非線形光学コンポーネントの分散配置を利用するシステムに関する。

非線形光学（NLO : nonlinear optics）は、非線形媒体における光の動作を説明する光学の一分野である。非線形媒体は、誘電分極Ｐが、光の電界Ｅに対して非線形的に応答する特性を有する。この非線形性は、典型的には、パルスレーザによって供給される光強度など、非常に高い光強度（例えば、原子間電界に匹敵する電界の値、典型的には１０^８Ｖ／ｍ）においてのみ観察される。レーザ信号源を非線形媒体又は材料に印加すると、印加されたレーザ信号に対して様々な変化が発生し得る。とりわけ、かかる変化は、レーザ信号が所与の非線形媒体を通過するときに、レーザ信号の周波数又は波長に影響する可能性がある。かかるものとして、非線形構造体を使用する一用途は、レーザ信号源の周波数又は波長変換を実行すること（例えば、１つの周波数を有する入射レーザ信号を異なる周波数に変換すること）である。

レーザの周波数変換の最も一般に用いられる技術の１つは、周波数２倍化又は第２高調波生成である。この技術を用いると、Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの１０６４ｎｍの出力又はＴｉ：サファイアレーザからの８００ｎｍの出力は、５３２ｎｍ（緑色）又は４００ｎｍ（青紫色）の波長を備えた可視光にそれぞれ変換することができる。周波数２倍化は、非線形媒体をレーザビームに配置することによって実行することができる。多くのタイプの非線形媒体が存在するが、最も一般的な媒体は、結晶である。一般に使用される結晶は、例えば、ＢＢＯ（β−ホウ酸バリウム）、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）、ＫＴＰ（チタンリン酸カリウム）、及びニオブ酸リチウムである。これらの結晶は、強く複屈折するという、特定の結晶対称性を有するという、且つ衝突するレーザ光及び周波数を２倍にされた波長の両方に対して透過性であるという必要な特性を有する。結晶に加えて、変換を実行するために多くの非線形半導体材料を使用することができる。

レーザ用の従来の周波数変換器に関する１つの問題は、レーザ源からの入射光の特定の部分が、非線形媒体におけるビーム経路に沿って吸収されるということである。レーザ信号が非線形媒体を通過するときに、吸収されたレーザエネルギは熱に変わり、次に、熱は、媒体において放散され、レーザ信号経路に沿って熱勾配を出現させる。かかる熱勾配は、非線形構造体における屈折率の変化につながる可能性があり、従って非線形構造体の性能、及び結果的に、関連する周波数変換に悪影響を及ぼす可能性がある。

本開示は、レーザ信号の周波数変換を実行するためのシステム及び方法に関する。一例において、レーザ周波数変換器は、第１の平面を形成する第１の基板構造体であって、レーザ信号の周波数変換を実行するために、第１の基板構造体の第１の平面の一部に沿って位置する第１の非線形構造体を含む第１の基板構造体を含む。周波数変換器は、第２の平面を形成し、且つ第１の基板構造体の第１の平面から特定の距離だけ離間された第２の基板構造体を含む。第２の基板構造体は、第１の非線形構造体と協働してレーザ信号の周波数変換を実行するために、第２の基板構造体の第２の平面の一部に沿って位置する第２の非線形構造体を含む。第２の非線形構造体は、レーザ信号の伝搬軸に沿って第１の非線形構造体からオフセットされる。

別の例において、レーザ周波数変換器は、第１の平面を形成する第１の基板構造体であって、レーザ信号の周波数変換を実行するために、第１の基板構造体の第１の平面の一部に沿って位置する第１の非線形構造体を含む第１の基板構造体を含む。第１の基板構造体は、レーザ信号の周波数変換中に、第１の非線形構造体からの熱を伝導するために、第１の基板構造体に結合された第１のヒートシンク構造体を含む。第２の基板構造体が、第２の平面を形成し、且つ第１の基板構造体の第１の平面から特定の距離だけ離隔される。第２の基板構造体は、第１の非線形構造体と協働してレーザ信号の周波数変換を実行するために、第２の基板構造体の第２の平面の一部に沿って位置する第２の非線形構造体を含む。第２の非線形構造体は、レーザ信号の伝搬軸に沿って第１の非線形構造体からオフセットされる。第２の基板は、レーザ信号の周波数変換中に、第２の非線形構造体からの熱を伝導するために、第２の基板構造体に結合された第２のヒートシンク構造体を含む。

更に別の例において、レーザ周波数変換器は、第１の平面を形成する第１の基板構造体であって、レーザ信号の周波数変換を実行するために、第１の基板構造体の第１の平面の一部に沿って位置する第１の結合量子井戸（CQW : coupled quantum well）を含む第１の基板構造体を含む。第１の基板構造体は、レーザ信号の周波数変換中に、第１のＣＱＷからの熱を伝導するために、第１の基板構造体に結合された第１のヒートシンク構造体を含む。第２の基板構造体が、第２の平面を形成し、且つ第１の基板構造体の第１の平面から特定の距離だけ離間される。第２の基板構造体は、第１のＣＱＷと協力してレーザ信号の周波数変換を実行するために、第２の基板構造体の第２の平面の一部に沿って位置する第２のＣＱＷを含む。第２のＣＱＷは、レーザ信号用の伝搬軸に沿って第１のＣＱＷからオフセットされる。第２の基板構造体は、レーザ信号の周波数変換中に、第２のＣＱＷからの熱を伝導するために、第２の基板構造体に結合された第２のヒートシンク構造体を含む。

変換器における熱分散を促進するために、オフセットされた非線形構造体を用いるレーザ周波数変換器を示す。 変換器における熱分散を促進するために、オフセットされた結合量子井戸（ＣＱＷ）を用いるレーザ周波数変換器を示す。 レーザ周波数変換器の基板、結合量子井戸、及びヒートシンクのための例示的な層構造を示す。 レーザ周波数変換器の結合量子井戸非線形光学構造体の例示的な吸収スペクトルを示す。

本開示は、非線形光学構造体（nonlinear optical materials）及び装置を用いる高出力レーザ源（例えば、赤外線源）のためのレーザ周波数変換システム及び方法に関する。一例において、かかる非線形構造体は、アパーチャスケーリング（aperture scaling）及び平均出力処理能力（average power handling capabilities）を扱う結合量子井戸（coupled quantum well : ＣＱＷ）構造に基づく。これらの構造は、基板構造体の対向する平面に沿って千鳥配置（staggered arrangement）に配置することができ、千鳥配置、即ちオフセット配置は、レーザ信号の伝搬軸に沿って熱を均一に除去できるようにする。かかる均一性及び分散は、基板構造体及び非線形構造において熱勾配が進展するのを緩和し、従って、レーザ信号の屈折率における歪みを低減し、このことは、周波数変換の効率を改善する。

一例において、レーザ周波数変換装置が、結合量子井戸（ＣＱＷ）構造に基づき、巧みに作られた非線形光学構造体を用いて高出力赤外線源に対して提供される。レーザ周波数変換装置は、ギャップ（例えば、空気、真空）を形成するために、互いに離間された１組のレーザ周波数変換構造を含むことができる。入力レーザビームが特定の角度でギャップに入ることができるように、上部レーザ変換構造は、下部レーザ変換構造からオフセットされる。これにより、ビームが、上部及び下部レーザ変換構造間においてジグザグパターンで前後に反射してギャップを出て、周波数変換された出力レーザ光が供給される。

各レーザ周波数変換構造は、半導体ウエハ（例えば、ガリウムひ素ウエハ）上に重なる１つ又は複数のＣＱＷ構造スタックの構造の１つ又は複数の非線形材料周波数変換層（one or more nonlinear material frequency conversion layers）で形成される。半導体ウエハは、レーザ変換材料層とレーザ光ビームの相互作用によって生じた熱を除去するように構成された比較的厚い導電層上に配置された反射層上に重なる。反射層は、熱の通過を可能にするが、光を反射する、可変屈折率の誘電体スタックの約１０〜１００の層で形成することができる。比較的厚い導電層は、レーザ光ビームとの相互作用によって生じた熱を除去できるようにする銅ヒートシンク又は銅冷却ブロックの構造にすることができる。レーザ周波数変換材料層との各相互作用は、レーザ光ビームの全体的な周波数変換効率を改善するために、周波数変換のパーセンテージを改善する。更に、レーザ周波数変換材料層との複数の相互作用を有することは、周波数変換中におけるレーザ光ビームの歪みの低減に帰着する伝熱除去がより効果的であるように、より大きな表面積にわたって放熱を分散させる。

図１は、変換器における熱分散を促進するために、オフセットされた非線形構造体を用いるレーザ周波数変換器１００を示す。本明細書で用いられているように、周波数変換という用語は、１つの入力レーザ周波数を、変換後に、より高いか又は低い周波数を有する出力周波数に変換することを含む。このことは、入力信号波長を有するレーザが、変換後に、より長いか又は短い波長を有する出力信号波長に変換される場合の波長変換という用語を含む。

レーザ周波数変換器１００は、第１の平面１２０を形成する第１の基板構造体（first substrate material）１１０を含む。第１の基板構造体１１０は、レーザ信号の周波数変換を実行するために、第１の基板構造体の第１の平面１２０の一部に沿って位置する非線形材料構造を含む。非線形材料（NLM : nonlinear material）構造は、非線形材料（ＮＬＭ）の第１の層構造１、ＮＬＭの第１の層構造２、及びＮＬＭの第１の層構造Ｎの頭字語であるＮＬＭ１Ｌ１、ＮＬＭ１Ｌ２、及びＮＬＭ１ＬＮとして示され、Ｎは、第１の平面１２０に沿って位置する非線形構造の正整数を表す。第２の基板構造体１３０が、第１の基板構造体１１０の第１の平面１２０から特定の距離（Ｄのラベルを付けられている）だけ離間された第２の平面１４０を形成する。第２の基板構造体１３０は、レーザ信号の周波数変換を実行するために、第２の基板構造体１３０の第２の平面１４０の一部に沿って位置する（ＮＬＭ２Ｌ１、ＮＬＭ２Ｌ２、及びＮＬＭ２ＬＮとして示されている）非線形材料構造を含む。第１の基板構造体１１０の構造ＮＬＭ１Ｌ１〜ＮＬＭ１ＬＮ、及び第２の基板構造体１３０のＮＬＭ２Ｌ１〜ＮＬＭ２ＬＮは、互いに協力して働き、且つレーザ信号の（点の伝搬路として示されている）伝搬軸に沿って互いにオフセットされる。

非線形構造間のオフセットは、第１の基板構造体１１０の非線形構造と第２の基板構造体１３０の非線形構造との間に重なりがない場合に、完全なオフセットを含む。別の例において、対向する平面１２０及び１４０にわたる構造間に特定の重なりが存在し得る場合に、非線形構造間に部分的なオフセットが存在する。示されているように、各平面１２０及び１４０上のオフセットされた非線形構造は、周波数変換器１００を通してジグザグパターンでレーザ信号を伝搬させる独立周波数変換器（周波数変換器１００として集団的に動作する）の分散パターンをもたらす。このパターンは、平面１２０及び１４０間の非線形構造の分散オフセット配置（distributed offset arrangement）を伴う周波数変換器１００へのレーザ信号の角度のあるビーム入力によってもたらされる。かかる配置はまた、周波数変換器１００における伝搬軸に沿って均一な方法で、非線形構造において発生された熱を放散できるようにする。伝搬軸に沿った非線形構造のかかる分散パターンは、屈折率における歪みを緩和するために均一な放熱を促進して、周波数変換器１００の効率を改善する。

平面１２０及び１４０における非線形構造の分散配置は、より大きなビームサイズと、より大きな平均出力熱負荷の取り扱いとを可能にする。このことは、例えば、擬似位相整合（QPM : quasi-phase matched）配置における非線形構造体（例えば図２を参照）の結合量子井戸（ＣＱＷ）構造体の分散スタック（distributed stacks）を利用すること、並びにスラブレーザ構造（slab laser structure）の側面１２０及び１４０にＣＱＷ構造を配置することによって、達成することができる。示されているように、レーザ信号は、周波数変換器１００における伝搬軸に沿ったジグザグ経路に従う。非線形構造に蓄積された熱は、基板構造体１１０及び１３０に適用されたヒートシンクによって、効果的に除去することができる。

示されているように、第１のヒートシンク構造体１５０は、レーザ信号の周波数変換中に非線形材料構造からの熱を伝導するために、第１の基板構造体１１０に結合することができる。第２のヒートシンク構造体１６０は、レーザ信号の周波数変換中に第２の非線形構造体からの熱を伝導するために、第２の基板構造体１３０に結合することができる。それぞれの層上のヒートシンク構造体１５０及び１６０は、例えば、変換中に非線形構造からの熱を放散するために、銅などの金属層として堆積することができる。距離Ｄは、典型的には、平面１２０及び１４０間の平行配向を提供するために、伝搬軸に沿って均一に維持される。かかる間隔は、一例において、空気などの気体によって満たすことができ、又は別の例では真空にすることができる。

図２は、変換器における熱分散を促進するために、オフセットされた結合量子井戸を用いるレーザ周波数変換器２００を示す。結合量子井戸（ＣＱＷ）は、例えば、ＩＲ（ＭＷＩＲ及びＬＷＩＲ）並びにＴＨｚ領域への効率的なレーザ周波数変換を提供できる巧みに作られたナノ構造のほんの一例である。ＣＱＷ材料サンプルに対する例示的な吸収測定値が、図４に示されている。第２高調波生成（SHG : second harmonic generation）及び光パラメトリック増幅（OPA : optical parametric amplification）プロセスのモデル分析は、高変換効率を達成するために、非線形性及び吸収に対する所望のトレードオフ条件を提供することができる。かかる観察及びモデリングから、レーザ周波数変換器２００は、一例において位相整合装置を提供する。

変換器２００は、下部及び上部層２１０及び２２０をそれぞれ含み、各層は、層間で互いにオフセットされる非線形構造体に対して、層ごとの基板及び関連ＣＱＷスタックを有する。ヒートシンク２３０及び２４０は、周波数変換中にＣＱＷスタックからの熱を除去するために、基板２１０及び２２０に適用することができる。かかるオフセット配置は、例えば、周期分極ニオブ酸リチウム（PPLN : periodically-poled lithium niobate）及び配向パターン化（orientation-pattered）ＧａＡｓ変換器と比較して、桁違いに大きなビームアパーチャを提供することができる。より大きなアパーチャ、ジグザグビーム経路、並びにヒートシンク２３０及び２４０に近い薄層における熱負荷は、例えば、高平均出力用途によく適している変換装置構成を提供する。この例において、２つの矢印は、伝搬軸に沿った入力として周波数変換器に入る単一レーザ光を表す。矢印間の距離は、単一レーザ信号の所与のビーム幅を表す。

図３は、レーザ周波数変換器の基板３１０、結合量子井戸３２０及びヒートシンク３３０のための例示的な層構造３００を示す。基板構造体３１０は、複数の層を形成することができ、その場合に、ヒートシンク構造体３３０は、基板材料の層の１つに堆積された金属層とすることができる。別の例において、ヒートシンク３３０は、金属ブロック又は他の熱除去構造とすることができ、その場合に、基板は、ブロック上に実装される。金属層は、例えば、銅層又は他の熱導体とすることができる。基板構造体３１０の複数の層のうちの少なくとも１つの層は、レーザ信号を反射させ、且つ伝搬軸に沿って均一にジグザグに進ませる反射層とすることができる。例示的な構造３００において、反射層は、レーザ信号を反射する一連の誘電体層３４０を含む。一連の誘電体層は、レーザ信号を反射するために、例えば約１０の誘電体層〜約１００の誘電体層を含む。ＣＱＷ３２０による周波数変換後に誘電体層３４０によって反射されないレーザエネルギは、ヒートシンク３３０を介してほぼ除去することができる。

一例において、基板構造体３１０は、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板とすることができる。示されているように、図１に関連して上記で説明された非線形構造体は、例示的な構造３００の結合量子井戸（ＣＱＷ）３２０であるが、しかし実質的に任意の非線形光学構造体が使用可能である。単一のＣＱＷ３２０だけが構造３００に示されているが、複数の結合量子井戸が、基板３１０の平面に沿って位置し得る。ＣＱＷ３２０はまた、非線形材料の１つ又は複数の層から構成することができる。

上記で説明されたものは、例である。もちろん、コンポーネント又は方法の全ての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、しかし当業者は、多くの更なる組み合わせ及び置換が可能であることを理解されよう。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲内に入る全てのかかる代替形態、修正形態、及び変形形態を包含するように意図されている。本明細書で用いられているように、用語「含む」は、含むが、しかし限定されないことを意味し、用語「含む」は、含んでいるが、しかし限定されないことを意味する。用語「〜に基づいて」は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。更に、本開示又は特許請求の範囲が、「第１の」又は「別の」要素若しくはその均等物を挙げた場合に、これは、１つ又は複数のかかる要素を含み、２つ以上のかかる要素を要求することも排除することもないと解釈されるべきである。

Claims (14)

1. レーザ周波数変換器であって、
   第１の平面を形成する第１の基板構造体であって、前記第１の基板構造体の前記第１の平面の一部に沿って位置し、レーザ信号の周波数変換を実行する第１の非線形構造体を含む前記第１の基板構造体と、
   第２の平面を形成し、且つ前記第１の基板構造体の前記第１の平面から特定の距離だけ離間された第２の基板構造体であって、前記第２の基板構造体の前記第２の平面の一部に沿って位置し、前記第１の非線形構造体と協働して前記レーザ信号の前記周波数変換を実行する第２の非線形構造体を含む前記第２の基板構造体とを備え、
   前記第２の非線形構造体は、前記レーザ信号の伝搬軸に沿って前記第１の非線形構造体からオフセットされ、
   前記第１の非線形構造体および前記第２の非線形構造体の各々は、
   前記レーザ信号の周波数変換を実行する結合量子井戸（ＣＱＷ）と、
   前記結合量子井戸と前記第１または第２の基板構造体との間に配置され、前記レーザ信号を反射する複数の誘電体層とを含む、レーザ周波数変換器。
2. 前記第１の基板構造体に結合され、前記レーザ信号の前記周波数変換中に前記第１の非線形構造体からの熱を伝導する第１のヒートシンク構造体と、
   前記第２の基板構造体に結合され、前記レーザ信号の前記周波数変換中に、前記第２の非線形構造体からの熱を伝導する第２のヒートシンク構造体と、を更に備える請求項１に記載のレーザ周波数変換器。
3. 前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体のそれぞれが、複数の層を形成し、
   前記第１及び第２のヒートシンク構造体が、それぞれ、前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体の前記複数の層のうちの１つの層に堆積された金属層である、請求項２に記載のレーザ周波数変換器。
4. 前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体上の金属層が、銅層である、請求項３に記載のレーザ周波数変換器。
5. 前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体の前記複数の層の少なくとも１つが、前記第１の非線形構造体と前記第２の非線形構造体との間で前記レーザ信号をジグザグに進ませ、且つ前記伝搬軸に沿って前記レーザ信号を進ませる反射層である、請求項３に記載のレーザ周波数変換器。
6. 前記反射層が、前記レーザ信号を反射する一連の誘電体層を含み、
   前記一連の誘電体層が、前記レーザ信号を反射するために、１０の誘電体層〜１００の誘電体層を含む、請求項５に記載のレーザ周波数変換器。
7. 前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体のそれぞれが、ガリウムひ素（ＧａＡｓ）基板を含む、請求項１に記載のレーザ周波数変換器。
8. 前記複数の誘電体層は、１０の誘電体層〜１００の誘電体層を含む、請求項１に記載のレーザ周波数変換器。
9. 前記第１の平面に沿って位置された複数の第１の非線形構造体と、
   前記第２の平面に沿って位置され、前記伝搬軸に沿って前記レーザ信号をジグザグに進ませるために前記第１の平面における前記複数の第１の非線形構造体からオフセットされた複数の第２の非線形構造体と、を備え、
   前記複数の第１の非線形構造体の各々は、
   結合量子井戸と、
   該結合量子井戸と前記第１の基板構造体との間に配置された複数の誘電体層と、を含み、
   前記複数の第２の非線形構造体の各々は、
   結合量子井戸と、
   該結合量子井戸と前記第２の基板構造体との間に配置された複数の誘電体層と、を含む、請求項１に記載のレーザ周波数変換器。
10. 前記第１の平面と前記第２の平面との離間された間隔は、空気で満たされるか又は真空である、請求項１に記載のレーザ周波数変換器。
11. レーザ周波数変換器であって、
    第１の平面を形成する第１の基板構造体であって、
    前記第１の基板構造体の前記第１の平面の一部に沿って位置し、レーザ信号の周波数変換を実行する第１の非線形構造体と、
    前記第１の基板構造体に結合され、前記レーザ信号の前記周波数変換中に前記第１の非線形構造体からの熱を伝導する第１のヒートシンク構造体とを含む前記第１の基板構造体と、
    第２の平面を形成し、且つ前記第１の基板構造体の前記第１の平面から特定の距離だけ離隔された第２の基板構造体であって、
    前記第２の基板構造体の前記第２の平面の一部に沿って位置し、前記第１の非線形構造体と協働して前記レーザ信号の前記周波数変換を実行する第２の非線形構造体であって、前記レーザ信号の伝搬軸に沿って前記第１の非線形構造体からオフセットされる前記第２の非線形構造体と、
    前記第２の基板構造体に結合され、前記レーザ信号の前記周波数変換中に前記第２の非線形構造体からの熱を伝導する第２のヒートシンク構造体とを含む前記第２の基板構造体と、を備え、
    前記第１の非線形構造体および前記第２の非線形構造体の各々は、
    前記レーザ信号の周波数変換を実行する結合量子井戸（ＣＱＷ）と、
    前記結合量子井戸と前記第１または第２の基板構造体との間に配置され、前記レーザ信号を反射する複数の誘電体層とを含む、レーザ周波数変換器。
12. 前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体のそれぞれが、複数の層を形成し、
    前記第１及び第２のヒートシンク構造体が、それぞれ、前記第１の基板構造体及び前記第２の基板構造体の前記複数の層のうちの１つの層に堆積された金属層である、請求項１１に記載のレーザ周波数変換器。
13. 前記複数の誘電体層は、１０の誘電体層〜１００の誘電体層を含む、請求項１１に記載のレーザ周波数変換器。
14. 前記第１の平面に沿って位置された複数の第１の非線形構造体と、
    前記第２の平面に沿って位置され、前記伝搬軸に沿って前記レーザ信号をジグザグに進ませるために前記第１の平面における前記複数の第１の非線形構造体からオフセットされた複数の第２の非線形構造体と、を備え、
    前記複数の第１の非線形構造体の各々は、
    結合量子井戸と、
    該結合量子井戸と前記第１の基板構造体との間に配置された複数の誘電体層と、を含み、
    前記複数の第２の非線形構造体の各々は、
    結合量子井戸と、
    該結合量子井戸と前記第２の基板構造体との間に配置された複数の誘電体層と、を含む、請求項１１に記載のレーザ周波数変換器。