JPWO2014087468A1 - 平面導波路型レーザ励起モジュールおよび平面導波路型波長変換レーザ装置 - Google Patents

Abstract

第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２の間に透明部材４とレーザ媒質５を挟んで導波路を構成し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向に対して垂直な方向から励起光８を入射させ、レーザ媒質５内の共振器モード領域のみ励起するように、透明部材４とレーザ媒質５とを交互にジグザグに伝搬させる。

Description

この発明は、レーザプロジェクタ用光源に好適な平面導波路型レーザ励起モジュール、および平面導波路型レーザ励起モジュールを用いた平面導波路型波長変換レーザ装置に関する。

レーザプロジェクタでは、赤色、青色および緑色の３つの色の光源が要求される。このうちの緑色光源として、１μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光に用いて、第２高調波を発生させる波長変換レーザ装置が開発されている。この光源は、レーザプロジェクタに搭載するために小型である必要がある。また、高輝度が必要なプロジェクタには高出力な光源が求められる。さらに、低消費電力化が求められており、光源を高効率にする必要がある。

以上のような要求を満たす波長変換レーザ装置を実現する方法として、従来、例えば特許文献１で示されるモード制御導波路型レーザ装置が提供されている。特許文献１で示されるモード制御導波路型レーザ装置は、平面状のレーザ媒質と、レーザ媒質を挟み込む２つのクラッドと、片側のクラッドに接合されたヒートシンクとから構成されている。レーザ媒質は周期的なレンズ効果を有し、レーザ媒質の導波路モードで発振するレーザ発振と、レーザ媒質の周期的なレンズ効果で形成される複数の共振器モードで発振するレーザ発振とを有している。レンズ効果を発生させる方法として、ヒートシンクの形状を周期的な櫛型構造にして、励起光をレーザ媒質のヒートシンクと接合していない領域に入射することによって、レーザ媒質内に熱分布を発生させ、屈折率分布を生成させることが示されている。

また、高出力化するための方法として、特許文献２で示される固体レーザ励起モジュールが提供されている。特許文献２で示される固体レーザ励起モジュールは、厚さ方向の表裏面をレーザ光入射面および排熱面にした固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質のレーザ光入射面に光学的に接合された無添加媒質とから構成されている。固体レーザ媒質の排熱面側には内部を伝搬したレーザ光を反射する全反射膜が、レーザ光入射面に接合した無添加媒質には反射防止膜が設置されており、薄板状の固体レーザ媒質の側面から励起光を入射させ、固体レーザ媒質の厚さ方向からレーザを発振させることが示されている。

国際公開第２００６／１０３７６７号 特開２００７−１１００３９号公報

上記特許文献１に開示されているような従来のモード制御導波路型レーザ装置は、端面励起方式であって発振光軸と励起光軸とが一致している。この場合、各モードの出力は半導体レーザの１エミッタあたりの出力で制限され、高出力化が困難であった。また、励起光のビーム間隔とヒートシンクの櫛歯の間隔とを一致させる必要があり、ビーム間隔が制限された。さらに、励起光源である半導体レーザの広がり角によってヒートシンクの櫛歯の上に広がった光は、レーザ発振に寄与しないため、ビームオーバーラップ効率が低下するという課題があった。

他方、発振光軸に対して垂直に励起光を入射する側面励起方式を採用すると、レーザ発振光の光軸方向および光軸の側面方向に多数の半導体レーザを配置できるため、各モードの出力を増加することができるという利点がある。しかしながら、共振器モード以外の領域も励起してしまうため、ビームオーバーラップ効率が低下するという課題があった。

さらに、上記特許文献２に開示されているような従来のディスク型の固体レーザ励起モジュールは、レーザ媒質の厚さ方向に対してレーザ発振させる。一般的にディスクレーザの厚さは数百μｍ程度であるため、高い利得を得にくく、また、共振器損失の変動に対する感度が高いので、レーザ動作が不安定になりやす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、高出力かつ高いビームオーバーラップ効率の平面導波路型レーザ励起モジュールおよび平面導波路型波長変換レーザ装置を提供することを目的とする。

この発明の平面導波路型レーザ励起モジュールは、平面状のレーザ媒質と、レーザ媒質と同等の屈折率を持ち、レーザ媒質の一面に接合された平面状の透明部材と、レーザ媒質および透明部材よりも小さい屈折率を持ち、透明部材のレーザ媒質に接合された一面とは反対の面に接合された第１のクラッドと、レーザ媒質および透明部材よりも小さい屈折率を持ち、レーザ媒質の透明部材に接合された一面とは反対の面に接合され、第１のクラッドとの間に透明部材とレーザ媒質を挟む第２のクラッドと、第２のクラッドを介してレーザ媒質に接合されたヒートシンクとを備え、レーザ発振は、レーザ媒質の導波路モードで発振するレーザ発振と、レーザ媒質の周期的な複数の共振器モードで発振するレーザ発振とを有し、励起光は、レーザ発振の光軸に対して垂直な方向へ進み、レーザ媒質のうちの周期的な複数の共振器モードの領域と透明部材とを交互にジグザグに伝搬するものである。

この発明の平面導波路型波長変換レーザ装置は、上述の平面導波路型レーザ励起モジュールと、平面導波路型レーザ励起モジュールから出力されるレーザ発振光の波長を変換する波長変換素子とを備えるものである。

この発明によれば、励起光が、レーザ発振の光軸に対して垂直な方向に進み、レーザ媒質内の共振器モードの領域と透明部材とを交互にジグザグに伝搬するようにしたので、レーザ発振の光軸に沿って励起光の光源を多数配置できるため、高出力化が可能である。また、レーザ媒質のうちの共振器モードの領域のみ励起するため、高いビームオーバーラップ効率を得ることができる。従って、高出力かつ高いビームオーバーラップ効率の平面導波路型レーザ励起モジュール、およびこの平面導波路型レーザ励起モジュールを用いた平面導波路型波長変換レーザ装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの分解斜視図である。 実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュールを図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。 図３に示す平面導波路型レーザ励起モジュールの一部を拡大した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの分解斜視図である。 実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュールを図５のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの分解斜視図である。 実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュールを図８のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュールの構成を示す外観斜視図である。 実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュールを図１１のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。 この発明の実施の形態５に係る平面導波路型波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。

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形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１に示すように、本実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１は、補強用基板２と、第１のクラッド３−１と、透明部材４と、レーザ媒質５と、第２のクラッド３−２と、ヒートシンク６とを厚さ方向に重ね、励起光８が入射する透明部材４の端面４ａを励起光反射防止部材７で被覆している。図中、励起光８を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示す。

図２に、本実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１を、厚さ方向に分解した斜視図を示す。以下では説明のため、励起光８の光軸方向をｘ、平面導波路型レーザ励起モジュール１の厚さ方向をｙ、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向をｚとし、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が互いに直交する座標系を用いる。

この平面導波路型レーザ励起モジュール１において、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間に挟まれた透明部材４およびレーザ媒質５により構成される導波路の厚さ方向ｙの厚さが薄いため、平板状の補強用基板２を使用して導波路の強度を補強している。この補強用基板２は、レーザ媒質５との接着時のレーザ媒質５の反りを小さくするために、レーザ媒質５と熱膨張率が近い材料を用いることが好ましい。なお、導波路のみで十分な剛性を有する場合には補強用基板２を設けなくてもよい。

例えば、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧを用いる場合は、補強用基板２に熱膨張率（約７．８×１０^−６／Ｋ）が近い無添加ＹＡＧを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４（熱膨張率ａ軸方向：約１．７×１０^−６／Ｋ、ｃ軸方向：約８．２×１０^−６／Ｋ）を用いる場合は、補強用基板２に結晶軸の向きが同じ無添加ＹＶＯ_４を用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＬＦまたはＥｒ：ＹＬＦ（熱膨張率ａ軸方向：約１３．３×１０^−６／Ｋ、ｃ軸方向：約８．３×１０^−６／Ｋ）を用いる場合は、補強用基板２に同じ軸方向の無添加ＹＬＦを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓを用いる場合（熱膨張率約９×１０^−６／Ｋ）は、補強用基板２に熱膨張率が近い無添加ｇｌａｓｓを用いるとよい。

第１のクラッド３−１は、厚さ方向ｙの上面が補強用基板２と接し、下面が透明部材４の端面４ｄと接している。第２のクラッド３−２は、厚さ方向ｙの上面がレーザ媒質５の端面５ｃと接し、下面がヒートシンク６と接している。これら第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２は、励起光８および第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を、透明部材４およびレーザ媒質５の内部に閉じ込める機能を有する。第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２には、透明部材４およびレーザ媒質５の屈折率より低い屈折率を有する材料を用いる。

例えば、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧを用いる場合（屈折率１．８３）は、第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２として、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３、屈折率１．６１）またはＭ_３（屈折率１．７３）を用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４を用いる場合は、第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２として、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＬＦまたはＥｒ：ＹＬＦを用いる場合（屈折率約１．４７）は、第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２として、ＳｉＯ_２（屈折率１．４５）を用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓを用いる場合（屈折率１．５６）は、第１のクラッド３−１および第２のクラッド３−２として、ＳｉＯ_２（屈折率１．４５）を用いるとよい。

透明部材４は平板形状に構成され、励起光８が入射する端面４ａおよび端面４ｂ〜４ｆを有する。端面４ａおよび端面４ｂは励起光８に対して垂直、かつ、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行な位置関係にあり、互いに向かい合っている。透明部材４の端面４ｃおよび端面４ｄは、励起光８および第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行な位置関係にあり、互いに向かいあっている。また、端面４ｃはレーザ媒質５の端面５ｄと接し、端面４ｄは第１のクラッド３−１と接している。透明部材４の端面４ｅおよび端面４ｆは励起光８に対して平行、かつ、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して垂直な位置関係にあり、互いに向かい合っている。

この透明部材４は、励起光８および第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を透過する材料であって、接合時の応力による割れを抑制するためにレーザ媒質５の熱膨張率と略等しい材料を用いる。また、透明部材４の材料として、レーザ媒質５の屈折率と同等か低い材料を用いる。材料の具体例は後述する。

この透明部材４の端面４ａには、励起光反射防止部材７が設けられている。励起光反射防止部材７は、外部から透明部材４の端面４ａに達した励起光８を損失なく透明部材４の内部に入射させる機能を有する。この励起光反射防止部材７としては、例えば誘電体膜等を用いるとよい。また、端面４ａに対する励起光８の入射角度をブリュースター角にした場合には、励起光反射防止部材７を省略してよい。
なお、説明のため、図中では励起光反射防止部材７を誇張拡大して示しており、実際の縮尺とは異なる。

レーザ媒質５は平面形状に構成され、端面５ａ〜５ｄ，５ｆおよび第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４が入射する端面５ｅを有する。端面５ａおよび端面５ｂは励起光８に対して垂直、かつ、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行な位置関係にあり、互いに向かい合っている。レーザ媒質５の端面５ｃおよび端面５ｄは、励起光８および第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行な位置関係にあり、互いに向かい合っている。また、端面５ｄは透明部材４の端面４ｃと接し、端面５ｃは第２のクラッド３−２と接している。レーザ媒質５の端面５ｅおよび端面５ｆは励起光８に対して平行、かつ、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して垂直な位置関係にあり、互いに向かい合っている。

このレーザ媒質５を構成する材料としては、励起光８を吸収し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して利得を持つ材料を用いる。

例えば、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧを用いる場合、透明部材４には、屈折率（約１．８３）、熱膨張率（約７．８×１０^−６／Ｋ）の近い無添加ＹＡＧを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４（屈折率（ａ軸：約１．９７、ｃ軸：約２．１７）、熱膨張率（ａ軸方向：約１．７×１０^−６／Ｋ、ｃ軸方向：約８．２×１０^−６／Ｋ））を用いる場合、透明部材４には結晶軸の向きが同じ無添加ＹＶＯ_４を用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＬＦまたはＥｒ：ＹＬＦ（屈折率（ａ軸：約１．４５、ｃ軸：約１．４７）、熱膨張率（ａ軸方向：約１３．３×１０^−６／Ｋ、ｃ軸方向：約８．３×１０^−６／Ｋ））を用いる場合、透明部材４には結晶軸の向きが同じ無添加ＹＬＦを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓを用いる場合（屈折率１．５６、熱膨張率約９×１０^−６／Ｋ）、透明部材４には無添加ｇｌａｓｓを用いるとよい。

このように、Ｎｄ等の活性イオンをＹＡＧ等のホスト材料に添加してレーザ媒質５を構成すると共に、このホスト材料を用いて透明部材４を構成することが好ましい。
また、透明部材４とレーザ媒質５を屈折率が等しい材料で構成し、透明部材４の端面４ｃとレーザ媒質５の端面４ｄとを光学的に接合することによって、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２の間で導波路を形成し、励起光８と第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を閉じ込めている。

なお、透明部材４を、レーザ媒質５より屈折率が低い材料を用いて構成した場合、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を第２のクラッド３−２と透明部材４の端面４ｃとの間に閉じ込めることができる。また、この場合、透明部材４とレーザ媒質５の屈折率差を調整することによって、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の導波路モード数を変化させることが可能である。

透明部材４とレーザ媒質５とを光学的に接合する手段として、例えば、透明部材４をなすセラミクス材料とレーザ媒質５をなすセラミクス材料とを一体に焼結させ、レーザ媒質５と透明部材４を接合させる方法がある。また、レーザ媒質５と透明部材４を拡散接合により一体に接合させる方法がある。また、レーザ媒質５と透明部材４を表面活性化接合により一体に接合させる方法がある。さらに、レーザ媒質５と透明部材４をオプティカルコンタクトにより一体に接合させる方法がある。さらに、レーザ媒質５と透明部材４を光学接着剤により一体に接着させる方法がある。

ヒートシンク６は平板形状に構成され、第２のクラッド３−２の下面に接合されている。ヒートシンク６を構成する材料としては、熱伝導に優れ、補強用基板２と熱膨張率が近い材料がよい。

例えば、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧを、補強用基板２にレーザ媒質５の熱膨張率（約７．８×１０^−６／Ｋ）に近い無添加ＹＡＧを用いた場合、ヒートシンク６には、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４を、補強用基板２に無添加ＹＶＯ_４を用いた場合、ヒートシンク６には熱伝導率が約１５０〜２００Ｗ／ｍ、熱膨張率が約４．５×１０^−６／ＫのＡｌＮを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＬＦまたはＥｒ：ＹＬＦを用いる場合、ａ軸に平行な方向（熱膨張率約１３．３×１０^−６／Ｋ）に対しては、熱伝導率が約１５０〜２００Ｗ／ｍ、熱膨張率が約８〜１５×１０^−６／ＫのＡｌ−ＳｉＣ、または熱伝導率が約３９４Ｗ／ｍ、熱膨張率が約１７×１０^−６／ＫのＣｕを、ｃ軸に対して平行な方向（熱膨張率約８．３×１０^−６／Ｋ）に対しては、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを、ヒートシンク６に用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓを、補強用基板２にレーザ媒質５の熱膨張率（約９×１０^−６／Ｋ）に近い無添加ｇｌａｓｓを用いた場合、ヒートシンク６には、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを用いるとよい。

図１に一点鎖線で示す励起光８は、レーザ媒質５が吸収する波長を持つ光とし、励起光反射防止部材７を介して端面４ａから透明部材４の内部へ入射している。励起光８の光源として、例えば半導体レーザ、またはファイバレーザを用いるとよい。この光源を、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｘに沿って配置することが可能であるため、高出力が可能な、幅が広い発光領域を持つブロードエリア半導体レーザ、またはエミッタを一列に配置した半導体レーザアレーを用いて、励起光８の高出力化を図ることができる。

なお、励起光８の光源を、透明部材４の端面４ａに近接配置させてもよい。また、励起光８の光源と端面４ａとの間にコリメートレンズを設置して、励起光８をコリメートレンズで平行光にして端面４ａへ入射させるようにしてもよい。

次に、平面導波路型レーザ励起モジュール１の動作を説明する。
図３は、本実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１を図１のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図３に示すように、励起光８は、透明部材４の端面４ａから、励起光反射防止部材７を透過して透明部材４の内部へ入射し、第１のクラッド３−１の方向に向かって進む。続いて励起光８は、第１のクラッド３−１と透明部材４との界面に到達すると反射し、レーザ媒質５に向かって透明部材４、レーザ媒質５の順に伝搬し、レーザ媒質５で励起光８の一部が吸収される。続いて励起光８は、第２のクラッド３−２とレーザ媒質５の界面に到達すると反射し、透明部材４に向かってレーザ媒質５、透明部材４の順に伝搬する。このように、励起光８は、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間をジグザグに伝搬し、レーザ媒質５を通過する度に吸収される。

このとき、透明部材４およびレーザ媒質５の厚さの比と励起光８の導波路内伝搬角度とを調整することによって、透明部材４およびレーザ媒質５の内部をジグザグに伝搬する励起光８が、レーザ媒質５内の第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４を通過するように伝搬していく。
なお、第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４は、例えば、後述する実施の形態５の共振器モード制御装置４８を使用して形成される。

次に、図４を参照して、透明部材４とレーザ媒質５の内部をジグザグに伝搬する励起光８が、レーザ媒質５内の第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４を通過するために必要な導波路伝搬角度αを導出する方法を説明する。なお、図４では補強用基板２と励起光反射防止部材７の図示を省略している。

透明部材４の厚さをｄ_１、レーザ媒質５の厚さをｄ_２、第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４の各間隔をΔｘ、レーザ媒質５の端面５ａから第１の共振器モード領域１０−１の中心までの距離をｘ_０とすると、導波路伝搬角度αは、下式（１）で表される。
α＝ｔａｎ^−１（Δｘ／（２×（ｄ_１＋ｄ_２））） （１）
なお、透明部材４とレーザ媒質５の屈折率は同値とし、励起光８はコリメートレンズを通過させた平行光と仮定している。

また、このときの励起光８の透明部材４の端面４ａへの入射角度θ_ｉｎは、透明部材４の屈折率をｎとすると、下式（２）で表される。この導波路伝搬角度αは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を含む平面（即ち、ｘｚ平面）に対する傾斜角度である。
θ_ｉｎ＝ｓｉｎ^−１（ｎ×ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（Δｘ／（２×（ｄ_１＋ｄ_２））））） （２）

また、レーザ媒質５の端面５ａから第１の共振器モード領域１０−１の中心までの距離ｘ_０は、下式（３）で表される。
ｘ_０＝（１．５×ｄ_１＋ｄ_２）×ｔａｎα （３）

なお、式（３）では、励起光８の端面４ａへの入射位置を、透明部材４の厚さ方向ｙにおける中心とし、第１のクラッド３−１に向かって励起光８を入射した場合を表している。他方、第２のクラッド３−２に向かって励起光８を入射する場合は、下式（４）と表せる。
ｘ_０＝（０．５×ｄ_１＋ｄ_２）×ｔａｎα （４）

例えば、透明部材４を厚さ５μｍの無添加ＹＶＯ_４で構成し、レーザ媒質５を厚さ５μｍのＮｄ：ＹＶＯ_４で構成し、第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４の各間隔を５０μｍにした場合、ＹＶＯ_４の波長１μｍの屈折率は２．１９であるため、上式（１）、（２）より、導波路伝搬角度αは２１．８°、入射角度θ_ｉｎは５４．４°と見積もられる。このとき、レーザ媒質５の端面５ａから第１の共振器モード領域１０−１までの距離ｘ_０は、第１のクラッド３−１に向けて励起光８を入射した場合に上式（３）より３１．２５μｍ、第２のクラッド３−２に向けて励起光８を入射した場合に上式（４）より１８．７５μｍと見積もられる。

図示例では、共振器モード領域が４個ある場合について示したが、共振器モード領域の数が変わっても、透明部材４の厚さｄ_１とレーザ媒質５の厚さｄ_２の比、または励起光８の導波路伝搬角度αを調整することによって、励起光８がレーザ媒質５内の共振器モード領域を通過するように導波路内を伝搬させることができる。

以上より、実施の形態１によれば、平面導波路型レーザ励起モジュール１は、平面状のレーザ媒質５と、レーザ媒質５と同等の屈折率を持ち、レーザ媒質５の端面５ｄに接合された平面状の透明部材４と、レーザ媒質５および透明部材４よりも小さい屈折率を持ち、透明部材４の端面４ｄに接合された第１のクラッド３−１と、レーザ媒質５および透明部材４よりも小さく屈折率を持ち、レーザ媒質５の端面５ｃに接合され第１のクラッド３−１との間に透明部材４とレーザ媒質５を挟む第２のクラッド３−２と、第２のクラッド３−２を介してレーザ媒質５に接合されたヒートシンク６とを備え、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４は、レーザ媒質５の周期的な第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４で発振し、励起光８は第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｚに対して垂直な励起光８の光軸方向ｘへ進み、レーザ媒質５のうちの周期的な第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４と透明部材４とを交互にジグザグに伝搬するように構成した。このため、レーザ発振の光軸に沿って励起光の光源を多数配置できるため、高出力化が可能である。また、レーザ媒質のうちの共振器モードの領域のみ励起するため、高いビームオーバーラップ効率を得ることができる。従って、高出力かつ高いビームオーバーラップ効率の平面導波路型レーザ励起モジュール、およびこの平面導波路型レーザ励起モジュールを用いた平面導波路型波長変換レーザ装置を提供することができる。

実施の形態２．
図５は、本実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１１の構成を示す外観斜視図であり、図６は分解斜視図である。図５および図６に示すように、本実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１１は、補強用基板２と、第１のクラッド３−１と、透明部材４と、レーザ媒質５と、第２のクラッド３−２と、ヒートシンク１６とを厚さ方向ｙに重ね、励起光８が入射する透明部材４の端面４ａを励起光反射防止部材７で被覆している。図中、励起光８を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示す。

本実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１１の構成は、ヒートシンク１６以外、上記実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１の構成と同じであるため、図５および図６において図１および図２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

平面導波路型レーザ励起モジュール１１において、ヒートシンク１６は、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｚに対して平行、かつ、励起光８の光軸方向ｘに対して垂直な方向に直線状の溝が周期的に複数形成されており、第２のクラッド３−２と接合する面と接合しない面が周期的に存在する櫛型構造となっている。図示例では、共振器モード領域の数に合わせて、櫛型構造の溝を４箇所形成している。このヒートシンク１６を構成する材料としては、熱伝導に優れ、補強用基板２と熱膨張率が近い材料がよい。

例えば、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧを、補強用基板２にレーザ媒質５の熱膨張率（約７．８×１０^−６／Ｋ）に近い無添加ＹＡＧを用いた場合、ヒートシンク１６には、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４を、補強用基板２に無添加ＹＶＯ_４を用いた場合、ヒートシンク１６には熱伝導率が約１５０〜２００Ｗ／ｍ、熱膨張率が約４．５×１０^−６／ＫのＡｌＮを用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＬＦまたはＥｒ：ＹＬＦを用いる場合、ａ軸に平行な方向（熱膨張率約１３．３×１０^−６／Ｋ）に対しては、熱伝導率が約１５０〜２００Ｗ／ｍ、熱膨張率が約８〜１５×１０^−６／ＫのＡｌ−ＳｉＣ、または熱伝導率が約３９４Ｗ／ｍ、熱膨張率が約１７×１０^−６／ＫのＣｕを、ｃ軸に対して平行な方向（熱膨張率約８．３×１０^−６／Ｋ）に対しては、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを、ヒートシンク１６に用いるとよい。
また、レーザ媒質５にＮｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓを、補強用基板２にレーザ媒質５の熱膨張率（約９×１０^−６／Ｋ）に近い無添加ｇｌａｓｓを用いた場合、ヒートシンク１６には、熱伝導率が約１６０〜２３０Ｗ／ｍ、熱膨張率が約６．４〜８．３×１０^−６／ＫのＣｕＷを用いるとよい。

次に、平面導波路型レーザ励起モジュール１１の動作を説明する。
図７は、本実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１１を図５のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図７に示すように、励起光８は、透明部材４の端面４ａから、励起光反射防止部材７を透過して透明部材４の内部へ入射し、第１のクラッド３−１の方向に向かって進む。続いて励起光８は、第１のクラッド３−１と透明部材４との界面に到達すると反射し、レーザ媒質５に向かって透明部材４、レーザ媒質５の順に伝搬し、レーザ媒質５で励起光８の一部が吸収される。続いて励起光８は、第２のクラッド３−２とレーザ媒質５の界面に到達すると反射し、透明部材４に向かってレーザ媒質５、透明部材４の順に伝搬する。このように、励起光８は、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間をジグザグに伝搬し、レーザ媒質５を通過する度に吸収される。

励起光８がレーザ媒質５内のヒートシンク１６との未接合領域に入射すると、レーザ媒質５によって吸収され、その吸収した励起光８の一部が熱に変わる。励起光８の吸収によって発生したレーザ媒質５内の熱は、図７に実線で示すようにレーザ媒質５とヒートシンク１６との接合領域へ流れ、レーザ媒質５内に複数の温度分布を発生させる。従って、レーザ媒質５とヒートシンク１６の未接合領域の温度が高く、接合領域に近づくに従い温度が低下する。

レーザ媒質５は、温度差に略比例して屈折率が変化するため、図７に示す温度分布に伴い、レーザ媒質５内に屈折率分布が生じる。従って、レーザ媒質５の材料として単位温度当たりの屈折率変化が正の材料を用いた場合、レーザ媒質５とヒートシンク１６の未接合領域の屈折率が大きく、接合領域に近づくに従い屈折率が小さくなる熱レンズが複数発生し、熱レンズが第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４を形成する。
他方、レーザ媒質５の材料として単位温度当たりの屈折率変化が負の材料を用いた場合、レーザ媒質５とヒートシンク１６の未接合領域の屈折率が小さく、接合領域に近づくに従い屈折率が大きくなる熱レンズが複数発生する。

この構成において、上記実施の形態１と同様に、透明部材４およびレーザ媒質５の厚さの比と励起光８の導波路内伝搬角度とを調整することによって、励起光８は、レーザ媒質５内のヒートシンク１６との未接合領域（即ち、第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４）を通過するように、透明部材４およびレーザ媒質５の内部をジグザグに伝搬していく。

図示例では、共振器モード領域が４個ある場合について示したが、共振器モード領域の数が変わっても、ヒートシンク１６の櫛歯の数、透明部材４およびレーザ媒質５の厚さの比、または励起光８の導波路伝搬角度を調整することによって、励起光８がレーザ媒質５内の共振器モード領域を通過するように伝搬させることができる。

以上より、実施の形態２によれば、平面導波路型レーザ励起モジュール１１は、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｚに対して平行な溝が周期的に複数形成された櫛型構造を有するヒートシンク１６を備え、各櫛歯の先端を第２のクラッド３−２を介してレーザ媒質５に接合してレーザ媒質５に周期的な温度分布を生じさせ、当該周期的な温度分布により周期的な熱レンズを生成するように構成した。このため、上記実施の形態１と同様の効果に加え、櫛型構造を有するヒートシンクを用いて共振器モードを制御できることにより、共振器モードを制御する光学部品（例えば、後述する共振器モード制御装置４８）が不要となり、部品点数の削減および共振器内損失の抑制が可能となる。また、従来のヒートシンクの形状が周期的な櫛型構造を持つ平面導波路型レーザ励起モジュールのように、励起光のビーム間隔とヒートシンクの櫛歯の間隔とを合わせる必要がないため、ヒートシンクの櫛歯の間隔を自由に設定でき、発熱分布の調整および励起幅の設計の自由度が向上する。従って、高出力化およびレーザ共振器の安定化を図ることができる。さらに、ヒートシンクの櫛歯の上に広がった励起光成分はレーザに寄与しないが、本実施の形態２では、レーザ発振の光軸方向に対して垂直な方向に励起光を入射させているので、励起光が広がってもレーザ発振光軸方向に広がりビームオーバーラップが取りやすい。

実施の形態３．
図８は、実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュール２１の構成を示す外観斜視図であり、図９は分解斜視図である。図８および図９に示すように、本実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュール２１は、補強用基板２と、第１のクラッド３−１と、透明部材２４と、レーザ媒質２５と、第２のクラッド３−２と、ヒートシンク１６とを厚さ方向ｙに重ね、励起光８が入射する透明部材２４の端面２４ａを励起光反射防止部材７で被覆している。図中、励起光８を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示す。

本実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュール２１の構成は、透明部材２４とレーザ媒質２５以外、上記実施の形態２に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１１の構成と同じであるため、図８および図９において図５〜図７と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

平面導波路型レーザ励起モジュール２１において、透明部材２４は、励起光８が入射する端面２４ａおよび端面２４ｂ〜２４ｆからなる。互いに向き合う端面２４ａと端面２４ｂは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行、かつ、端面２４ｅと端面２４ｆに対して垂直な位置関係にあり、厚さ方向のｙ軸に対して傾斜しているため端面２４ｄに対して鋭角に接続すると共に端面２４ｃに対して鈍角に接続している。互いに向き合う端面２４ｃと端面２４ｄは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行、かつ、端面２４ｅと端面２４ｆに対して垂直な位置関係にあり、端面２４ｃはレーザ媒質２５の端面２５ｄと光学的に接続し、端面２４ｄは第１のクラッド３−１と光学的に接続している。互いに向き合う端面２４ｅと端面２４ｆは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して垂直、かつ、端面２４ａ、端面２４ｂ、端面２４ｃおよび端面２４ｄに対して垂直な位置関係にある。

なお、この透明部材２４において、端面２４ｅおよび端面２４ｆはヒートシンク１６に向かって先細りするテーパ形状になっているため、厚さ方向ｙに切断した断面が台形形状になる。

透明部材２４は、励起光８および第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を透過する材料であって、接合時の応力による割れを抑制するために、レーザ媒質２５の熱膨張率と略等しい材料を用いる。また、透明部材２４の材料として、レーザ媒質２５の屈折率と同等か低い材料を用いる。

レーザ媒質２５は、端面２５ａ〜２５ｄ，２５ｆおよび第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４が入射する端面２５ｅからなる。互いに向き合う端面２５ａと端面２５ｂは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行、かつ、端面２５ｅと端面２５ｆに対して垂直な位置関係にあり、厚さ方向のｙ軸に対して傾斜しているため端面２５ｄに対して鋭角に接続すると共に端面２５ｃに対して鈍角に接続している。互いに向き合う端面２５ｃと端面２５ｄは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して平行、かつ、端面２５ｅと端面２５ｆに対して垂直な位置関係にあり、端面２５ｃは第２のクラッド３−２と光学的に接続し、端面２５ｄは透明部材２４の端面２４ｃと光学的に接続している。互いに向き合う端面２５ｅと端面２５ｆは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して垂直、かつ、端面２５ａ、端面２５ｂ、端面２５ｃおよび端面２５ｄに対して垂直な位置関係にある。

なお、このレーザ媒質２５において、端面２５ｅおよび端面２５ｆはヒートシンク１６に向かって先細りするテーパ形状になっているため、厚さ方向ｙに切断した断面が台形形状になる。

透明部材２４とレーザ媒質２５を屈折率が等しい材料で構成し、透明部材２４の端面２４ｃとレーザ媒質２５の端面２５ｄとを光学的に接合することによって、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２の間で導波路を形成し、励起光８と第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を閉じ込めている。

なお、透明部材２４を、レーザ媒質２５より屈折率が低い材料を用いて構成した場合、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を第２のクラッド３−２と透明部材２４の端面２４ｃとの間に閉じ込めることができる。また、この場合、透明部材２４とレーザ媒質２５の屈折率差を調整することによって、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の導波路モード数を変化させることが可能である。

次に、平面導波路型レーザ励起モジュール２１の動作を説明する。
図１０は、本実施の形態３に係る平面導波路型レーザ励起モジュール２１を図８のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図１０に示すように、励起光８は、透明部材２４の端面２４ａから、励起光反射防止部材７を透過して透明部材２４の内部へ入射し、第１のクラッド３−１の方向に向かって進む。続いて励起光８は、第１のクラッド３−１と透明部材２４との界面に到達すると反射し、レーザ媒質２５に向かって透明部材２４、レーザ媒質２５の順に伝搬し、レーザ媒質２５で励起光８の一部が吸収される。続いて励起光８は、第２のクラッド３−２とレーザ媒質２５の界面に到達すると反射し、透明部材２４に向かってレーザ媒質２５、透明部材２４の順に伝搬する。このように、励起光８は、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間をジグザグに伝搬し、レーザ媒質２５を通過する度に吸収される。

励起光８がレーザ媒質２５内のヒートシンク１６との未接合領域に入射すると、レーザ媒質２５によって吸収され、その吸収した励起光８の一部が熱に変わる。励起光８の吸収によって発生したレーザ媒質２５内の熱は、図１０に実線で示すようにレーザ媒質２５とヒートシンク１６との接合領域へ流れ、レーザ媒質２５内に複数の温度分布を発生させる。これに伴い、レーザ媒質２５内に屈折率分布が生じ、複数の熱レンズが発生し、第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４を形成する。

この構成において、上記実施の形態１と同様に、透明部材２４およびレーザ媒質２５の厚さの比と励起光８の導波路伝搬角度とを調整することによって、励起光８は、レーザ媒質２５内のヒートシンク１６との未接合領域を通過するように、透明部材２４およびレーザ媒質２５の内部をジグザグに伝搬していく。

このとき、透明部材２４の端面２５ｅ，２４ｆとレーザ媒質２５の端面２５ｅ，２５ｆがテーパ形状になっているので、レーザ媒質２５の端面２５ｅと端面２５ｆの間での寄生発振を抑制できる。

図示例では、共振器モード領域が４個ある場合について示したが、共振器モード領域の数が変わっても、ヒートシンク１６の櫛歯の数、透明部材２４およびレーザ媒質２５の厚さの比、または励起光８の導波路伝搬角度を調整することによって、励起光８がレーザ媒質２５内の共振器モード領域を通過するように伝搬させることができる。

なお、上記説明では、透明部材２４の端面２４ａを励起光反射防止部材７で被覆したが、端面２４ａに対する励起光８の入射角をブリュースター角にした場合には励起光反射防止部材７を省略可能である。

また、上記説明では、透明部材２４の端面２４ｅ，２４ｆとレーザ媒質２５の端面２５ｅ，２５ｆを、ヒートシンク１６に向かって先細りするテーパ形状にしたが、逆に、補強用基板２に向かって先細りするテーパ形状にしてもよい。

また、上記説明では、透明部材２４の端面２４ｅ，２４ｆとレーザ媒質２５の端面２５ｅ，２５ｆをテーパ形状にしたが、加工を容易にするために補強用基板２およびヒートシンク１６の同じ方向の面もテーパ形状にしてもよい。

以上より、実施の形態３によれば、平面導波路型レーザ励起モジュール２１は、レーザ媒質２５および透明部材２４の、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｚに対して垂直な厚さ方向ｙの各断面が台形形状になるように構成した。このため、上記実施の形態１と同様の効果に加え、レーザ媒質２５の励起光８が入射する端面２５ａと、この端面２５ａに向き合う端面２５ｂとの間で発生し得る寄生発振を抑制することができる。

実施の形態４．
図１１は、本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１の構成を示す外観斜視図である。図１１に示すように、本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１は、補強用基板２と、平面導波路型レーザ励起モジュール３１と、透明部材４と、レーザ媒質５と、第２のクラッド３−２と、ヒートシンク６とを厚さ方向ｙに重ね、第１の励起光８−１が入射する透明部材４の端面４ａを第１の励起光反射防止部材７−１で被覆し、第２の励起光８−２が入射する透明部材４の端面４ｂを第２の励起光反射防止部材７−２で被覆している。図中、第１および第２の励起光８−１，８−２を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示す。

本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１の構成は、透明部材４の互いに向き合う端面４ａ，４ｂから第１および第２の励起光８−１，８−２を入射する場合にこれら端面４ａ，４ｂに第１および第２の励起光反射防止部材７−１，７−２を設けた以外、上記実施の形態１に係る平面導波路型レーザ励起モジュール１の構成と同じであるため、図１１において図１および図２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

第１および第２の励起光８−１，８−２は、レーザ媒質５が吸収する波長を持つ光とし、第１および第２の励起光反射防止部材７−１，７−２を介して端面４ａ，４ｂから透明部材４の内部へ入射している。第１および第２の励起光８−１，８−２の光源として、例えば半導体レーザ、またはファイバレーザを用いるとよい。この光源を、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向に沿って配置することが可能であるため、高出力が可能な、幅が広い発光領域を持つブロードエリア半導体レーザ、またはエミッタを一列に配置した半導体レーザアレーを用いて、第１および第２の励起光８−１，８−２の高出力化を図ることができる。

なお、第１および第２の励起光８−１，８−２の各光源を、透明部材４の端面４ａ，４ｂに近接配置させてもよい。また、第１および第２の励起光８−１，８−２の各光源と端面４ａ，４ｂとの間にそれぞれコリメートレンズを設置して、第１および第２の励起光８−１，８−２を平行光にして端面４ａ，４ｂへ入射させるようにしてもよい。

次に、平面導波路型レーザ励起モジュール３１の動作を説明する。
図１２は、本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１を図１１のＡ−Ａ’線に沿って切断した断面図である。図１２に示すように、第１の励起光８−１は、透明部材４の端面４ａから、第１の励起光反射防止部材７−１を透過して透明部材４の内部へ入射し、第１のクラッド３−１の方向に向かって進む。続いて第１の励起光８−１は、第１のクラッド３−１と透明部材４との界面に到達すると反射し、レーザ媒質５に向かって透明部材４、レーザ媒質５の順に伝搬し、レーザ媒質５で第１の励起光８−１の一部が吸収される。続いて第１の励起光８−１は、第２のクラッド３−２とレーザ媒質５の界面に到達すると反射し、透明部材４に向かってレーザ媒質５、透明部材４の順に伝搬する。このように、第１の励起光８−１は、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間をジグザグに伝搬し、レーザ媒質５を通過する度に吸収される。

第２の励起光８−２は、透明部材４の端面４ｂから、第２の励起光反射防止部材７−２を透過して透明部材４の内部へ入射し、第１のクラッド３−１の方向に向かって進む。続いて第２の励起光８−２は、第１のクラッド３−１と透明部材４との界面に到達すると反射し、レーザ媒質５に向かって透明部材４、レーザ媒質５の順に伝搬し、レーザ媒質５で第２の励起光８−２の一部が吸収される。続いて第２の励起光８−２は、第２のクラッド３−２とレーザ媒質５の界面に到達すると反射し、透明部材４に向かってレーザ媒質５、透明部材４の順に伝搬する。このように、第２の励起光８−２は、第１の励起光８−１と同様に、第１のクラッド３−１と第２のクラッド３−２との間をジグザグに伝搬し、レーザ媒質５を通過する度に吸収される。

このとき、上記実施の形態１と同様に、透明部材４およびレーザ媒質５の厚さの比と、第１および第２の励起光８−１，８−２の各導波路伝搬角度とを調整することによって、透明部材４およびレーザ媒質５の内部をジグザグに伝搬する第１および第２の励起光８−１，８−２が、レーザ媒質５内の第１〜第４の共振器モード領域１０−１〜１０−４を通過するように伝搬していく。

以上より、実施の形態４によれば、平面導波路型レーザ励起モジュール３１は、第１および第２の励起光８−１，８−２が対向する２方向（端面４ａ側と端面４ｂ側）それぞれから入射するように構成した。そのため、上記実施の形態１と同様の効果に加え、上記実施の形態１に対してレーザ媒質のサイズを変えることなく、更なる高出力化が実現できる。また、対向する２方向から励起光を入射しているため、レーザ媒質全体の熱分布を対称にすることが可能となり、安定したレーザ発振が実現可能となる。

なお、実施の形態４では、上記実施の形態１の平面導波路型レーザ励起モジュール１に対して第１および第２の励起光反射防止部材７−１，７−２を設けて第１および第２の励起光８−１，８−２を入射する構成にしたが、同様に、上記実施の形態２，３の平面導波路型レーザ励起モジュール１１，２１に対しても適用でき、レーザ発振の高出力化および安定化が可能となる。

実施の形態５．
図１３は、実施の形態５に係る平面導波路型波長変換レーザ装置４１の構成を示す上面図である。図１３に示すように、平面導波路型波長変換レーザ装置４１は、平面導波路型レーザ励起モジュール３１と、平面導波路型波長変換素子４２と、共振器モード制御装置４８とによって構成されている。図中、第１および第２の励起光８−１，８−２を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示し、第１〜第４の波長変換光４７−１〜４７−４を実線で示す。

本実施の形態５に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１の構成は、上記実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１の構成と同じであるため、図１３において図１１および図１２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。

平面導波路型レーザ励起モジュール３１において、透明部材４の端面４ａには第１の励起光反射防止部材７−１が、この端面４ａと向き合う端面４ｂには第２の励起光反射防止部材７−２が設けられている。また、平面導波路型レーザ励起モジュール３１のレーザ媒質５の端面５ｅには第１の基本波光反射部材４３−１が、この端面５ｅと向き合う端面５ｆには第１の基本波光透過部材４４−１が設けられている。この第１の基本波光透過部材４４−１と対向する位置には共振器モード制御装置４８が設置される。

また、平面導波路型レーザ励起モジュール３１の形状を、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の光軸方向ｚに長い直方体状にして、レーザ媒質５の長手方向にレーザ発振させるようにした。これにより、高い利得が得られ、かつ、共振器損失の変動に対する感度が低くなるため、安定したレーザ動作が可能となる。

平面導波路型波長変換レーザ装置４１において、平面導波路型波長変換素子４２は、非線形光学部材と、２個のクラッドと、補強用基板と、ヒートシンクとで構成されている。非線形光学部材の上下面にクラッドがそれぞれ接合され、一方のクラッドにヒートシンクが接合され、もう一方のクラッドには補強用基板が接着されている。この平面導波路型波長変換素子４２の端面４２ａおよび端面４２ｂは、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対して垂直な位置関係にあり、互いに向き合っている。この端面４２ａが、平面導波路型レーザ励起モジュール３１のレーザ媒質５の端面５ｆと対向する位置に、共振器モード制御装置４８を挟んで近接配置されている。

また、平面導波路型波長変換素子４２の端面４２ａには、第２の基本波光透過部材４４−２と波長変換光反射部材４５が設けられている。もう一方の端面４２ｂには、第２の基本波光反射部材４３−２と波長変換光透過部材４６が設けられている。

平面導波路型波長変換素子４２を構成する非線形光学材料としては、一般的な波長変換用材料が用いられる。例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＴａＯ_３などを用いる。また、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ_３、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＴａＯ_３、定比ＬｉＮｂＴａＯ_３など、または周期分極反転構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ_３、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＴａＯ_３、定比ＬｉＮｂＯ_３、定比ＬｉＮｂＴａＯ_３などを用いる。

平面導波路型波長変換レーザ装置４１において、共振器モード制御装置４８は、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の共振器モードを形成する機能を持ち、その両端面には第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対する反射防止部材（不図示）が設けられている。この共振器モード制御装置４８としては例えばレンズアレイなどを用いる。
なお、図１３の例では共振器モード制御装置４８を平面導波路型レーザ励起モジュール３１と平面導波路型波長変換素子４２との間に配置したが、平面導波路型レーザ励起モジュール３１の外側または平面導波路型波長変換素子４２の内側に配置してもよい。

次に、平面導波路型波長変換レーザ装置４１の動作を説明する。
第１および第２の励起光８−１，８−２を、平面導波路型レーザ励起モジュール３１の透明部材４の端面４ａ，４ｂから第１および第２の励起光反射防止部材７−１，７−２を透過して、透明部材４の内部へそれぞれ入射している。その後の動作は、上記実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１と同様のため、説明を省略する。

平面導波路型レーザ励起モジュール３１内のレーザ媒質５に第１および第２の励起光８−１，８−２が入射すると、これら第１および第２の励起光８−１，８−２がレーザ媒質５に吸収され、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４に対する利得が発生し、レーザ媒質５の端面５ｅに設けられた第１の基本波光反射部材４３−１と平面導波路型波長変換素子４２の端面４２ｂに設けられた第２の基本波光反射部材４３−２との間で第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４（基本波光）が発生する。

このとき、平面導波路型波長変換素子４２に入射した第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の一部が、基本波光とは波長の異なる第１〜第４の波長変換光４７−１〜４７−４に変換され、平面導波路型波長変換素子４２の端面４２ｂに設けられた波長変換光透過部材４６を透過して外部に出力される。一方、第１〜第４の波長変換光４７−１〜４７−４に変換されなかった第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４は、平面導波路型波長変換素子４２の端面４２ａ，４２ｂに設けられた第１および第２の基本波光反射部材４３−１，４３−２の間で反射して、再度、第１〜第４の波長変換光４７−１〜４７−４に変換される。

平面導波路型波長変換素子４２の非線形光学材料の位相整合条件を変えることによって、第二高調波、和周波、および差周波を発生させたり、光パラメトリック発振させることも可能である。例えば、平面導波路型レーザ励起モジュール３１のレーザ媒質５にＮｄＹＶＯ_４を、平面導波路型波長変換素子４２の非線形光学材料に波長１０６４ｎｍの第二高調波を発生させる周期分極反転構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ_３を用いた場合、第１〜第４の波長変換光４７−１〜４７−４として波長５３２ｎｍの緑色光を出力させることができる。

以上より、実施の形態５によれば、平面導波路型波長変換レーザ装置４１は、側面励起方式であってビームオーバーラップ効率を改善した平面導波路型レーザ励起モジュール３１と、平面導波路型レーザ励起モジュール３１から出力される第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４の波長を変換する平面導波路型波長変換素子４２とを組み合わせた構成にしたので、レーザプロジェクタの光源に好適な高効率、高出力、小型な波長変換レーザ装置を提供することができる。

なお、実施の形態５では、上記実施の形態４の平面導波路型レーザ励起モジュール３１に対して平面導波路型波長変換素子４２および共振器モード制御装置４８を適用し平面導波路型波長変換レーザ装置４１を構成したが、同様に、上記実施の形態１〜３の平面導波路型レーザ励起モジュール１，１１，２１に対しても適用でき、この構成の場合にも実施の形態５と同様の効果が得られる。
ただし、上記実施の形態２，３の平面導波路型レーザ励起モジュール１１，２１のように、周期的な櫛型構造を持つヒートシンク１６を用いて、レーザ媒質５内に熱レンズを発生させ、共振器モードを形成している場合には、共振器モード制御装置４８は不要になり、部品点数の削減が可能となる。

上記以外にも、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係る平面導波路型レーザ励起モジュールは、励起光が透明部材とレーザ媒質をジグザグに伝搬するようにしたので、高出力が要求されるレーザプロジェクタの光源などに用いるのに適している。

１，１１，２１，３１ 平面導波路型レーザ励起モジュール、２ 補強用基板、３−１，３−２ 第１，第２のクラッド、４，２４ 透明部材、４ａ〜４ｆ，５ａ〜５ｆ，２４ａ〜２４ｆ，２５ａ〜２５ｆ，４２ａ，４２ｂ 端面、５，２５ レーザ媒質、６，１６ ヒートシンク、７ 励起光反射防止部材、７−１，７−２ 第１，第２の励起光反射防止部材、８ 励起光、８−１，８−２ 第１，第２の励起光
９−１〜９−４ 第１〜第４のレーザ発振光、１０−１〜１０−４ 第１〜第４の共振器モード領域、４１ 平面導波路型波長変換レーザ装置、４２ 平面導波路型波長変換素子、４３−１，４３−２ 第１，第２の基本波光反射部材、４４−１，４４−２ 第１，第２の基本波光透過部材、４５ 波長変換光反射部材、４６ 波長変換光透過部材、４７−１〜４７−４ 第１〜第４の波長変換光、４８ 共振器モード制御装置。

この発明の平面導波路型レーザ励起モジュールは、平面状のレーザ媒質と、レーザ媒質と同等の屈折率を持ち、レーザ媒質の一面に接合された平面状の透明部材と、レーザ媒質および透明部材よりも小さい屈折率を持ち、透明部材のレーザ媒質に接合された一面とは反対の面に接合された第１のクラッドと、レーザ媒質および透明部材よりも小さい屈折率を持ち、レーザ媒質の透明部材に接合された一面とは反対の面に接合され、第１のクラッドとの間に透明部材とレーザ媒質を挟む第２のクラッドと、第２のクラッドを介してレーザ媒質に接合されたヒートシンクとを備え、レーザ発振は、平面方向に間隔を設けて並んだ複数の光軸で複数のレーザ発振が発生し、励起光は、レーザ発振の光軸に対して垂直な方向へ入射し、レーザ媒質の複数の光軸上と透明部材とを交互に伝搬するものである。

この発明によれば、励起光が、レーザ発振の光軸に対して垂直な方向に入射し、レーザ媒質内の複数の光軸上と透明部材とを交互に伝搬するようにしたので、レーザ発振の光軸に沿って励起光の光源を多数配置できるため、高出力化が可能である。また、レーザ媒質のうちの共振器モードの領域のみ励起するため、高いビームオーバーラップ効率を得ることができる。従って、高出力かつ高いビームオーバーラップ効率の平面導波路型レーザ励起モジュール、およびこの平面導波路型レーザ励起モジュールを用いた平面導波路型波長変換レーザ装置を提供することができる。

実施の形態４．
図１１は、本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１の構成を示す外観斜視図である。図１１に示すように、本実施の形態４に係る平面導波路型レーザ励起モジュール３１は、補強用基板２と、第１のクラッド３−１と、透明部材４と、レーザ媒質５と、第２のクラッド３−２と、ヒートシンク６とを厚さ方向ｙに重ね、第１の励起光８−１が入射する透明部材４の端面４ａを第１の励起光反射防止部材７−１で被覆し、第２の励起光８−２が入射する透明部材４の端面４ｂを第２の励起光反射防止部材７−２で被覆している。図中、第１および第２の励起光８−１，８−２を一点鎖線で示し、第１〜第４のレーザ発振光９−１〜９−４を二点鎖線で示す。

Claims (14)

1. 平面状のレーザ媒質と、
   前記レーザ媒質と同等の屈折率を持ち、前記レーザ媒質の一面に接合された平面状の透明部材と、
   前記レーザ媒質および前記透明部材よりも小さい屈折率を持ち、前記透明部材の前記レーザ媒質に接合された一面とは反対の面に接合された第１のクラッドと、
   前記レーザ媒質および前記透明部材よりも小さい屈折率を持ち、前記レーザ媒質の前記透明部材に接合された前記一面とは反対の面に接合され、前記第１のクラッドとの間に前記透明部材と前記レーザ媒質を挟む第２のクラッドと、
   前記第２のクラッドを介して前記レーザ媒質に接合されたヒートシンクとを備え、
   レーザ発振は、前記レーザ媒質の導波路モードで発振するレーザ発振と、前記レーザ媒質の周期的な複数の共振器モードで発振するレーザ発振とを有し、
   励起光は、前記レーザ発振の光軸に対して垂直な方向へ進み、前記レーザ媒質のうちの前記周期的な複数の共振器モードの領域と前記透明部材とを交互にジグザグに伝搬することを特徴とする平面導波路型レーザ励起モジュール。
2. 前記レーザ媒質および前記透明部材の、前記レーザ発振の光軸に対して垂直な方向の各断面が台形形状であることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
3. 前記励起光の入射角度がブリュースター角であることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
4. 前記励起光が対向する２方向それぞれから入射することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
5. 前記励起光の入射角度が、前記周期的な複数の共振器モードで発振する複数の前記レーザ発振を含む平面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
6. 前記透明部材は、前記レーザ媒質のホスト材料からなることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
7. 前記レーザ媒質と前記透明部材は、前記レーザ媒質をなすセラミクス材料と前記透明部材をなすセラミクス材料が一体に焼結されて接合されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
8. 前記レーザ媒質と前記透明部材は、拡散接合により一体に接合されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
9. 前記レーザ媒質と前記透明部材は、表面活性化接合により一体に接合されていることを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
10. 前記ヒートシンクは、前記レーザ発振の光軸に対して平行な方向の溝が周期的に複数形成された櫛型構造を有し、各櫛歯の先端を前記第２のクラッドを介して前記レーザ媒質に接合して前記レーザ媒質に周期的な温度分布を生じさせ、当該周期的な温度分布により周期的な熱レンズを生成することを特徴とする請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
11. 前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＡＧまたはＥｒ：ＹＡＧからなり、
    前記透明部材は、無添加ＹＡＧからなることを特徴とする請求項６記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
12. 前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｙｂ：ＹＶＯ_４またはＥｒ：ＹＶＯ_４からなり、
    前記透明部材は、無添加ＹＶＯ_４からなることを特徴とする請求項６記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
13. 前記レーザ媒質は、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓまたはＥｒ：ｇｌａｓｓからなり、
    前記透明部材は、無添加ｇｌａｓｓからなることを特徴とする請求項６記載の平面導波路型レーザ励起モジュール。
14. 請求項１記載の平面導波路型レーザ励起モジュールと、
    前記平面導波路型レーザ励起モジュールから出力されるレーザ発振光の波長を変換する波長変換素子とを備える平面導波路型波長変換レーザ装置。

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