KR100375805B1

KR100375805B1 - 상위 변환 레이저 장치

Info

Publication number: KR100375805B1
Application number: KR10-2000-0012981A
Authority: KR
Inventors: 이토우겐; 오카노히데아키; 가와이기요유키; 요시다리츠오
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2003-03-15
Also published as: KR20010091372A

Abstract

본 발명은 고출력의 반도체 레이저를 여기(勵起) 광원으로서 이용할 수 있고, 상위 변환된 레이저광의 파장이 디스플레이로서 적합한 파장인 상위 변환 레이저를 제공한다. 적외선 파장의 광을 여기 광원으로 발생시켜서 이것을 Pr³⁺상위 변환 레이저로 입사시키고, 여기서 Pr³⁺이온에 의해 적색으로 상위 변환시킨다. 상위 변환된 적색광을 여기 광원으로서 Tm³⁺상위 변환 레이저로 입사시키고, 여기서 Tm³⁺이온에 의해 청색으로 상위 변환시킨다. 이와 같이 함으로써, 효율적으로 청색으로의 상위 변환이 가능하게 된다.

Description

상위 변환 레이저 장치{UPCONVERSION LASER DEVICE}

본 발명은 적외 대역의 고출력 반도체 레이저 또는 외부 공진형 레이저를 여기 광원으로서 이용하고, 희토(希土)류 첨가 광섬유에서의 상위 변환 현상을 이용하여 디스플레이 용도로서의 가시광을 출력하는 상위 변환 레이저 장치에 관한 것이다.

희토류 첨가 광섬유에 의한 종래의 상위 변환에 대해서 설명한다.

청색으로 상위 변환하는 것으로서, 3가의 톨륨(thulium) 이온(Tm³⁺)을 적외광으로 여기하여 480 nm 부근의 파장에서 발진시키는 방법이 공지되어 있다. 일본 특허 공개 공보 제 96-307000호의 "희토류 이온 첨가 단파장 레이저 장치, 희토류 이온 첨가 광증폭기 및 희토류 이온 첨가 파장 변환기"에 따르면, 1200 nm 부근의 파장과 650 nm 부근의 파장을 이용하여, 480 nm 부근의 파장으로 상위 변환하는 제안이 소개되어 있다. 2파장으로 여기시킴으로써 효율적으로 상위 변환할 수 있다고 하지만, 480 nm인 청색 파장은 디스플레이의 청색으로서는 파장이 너무 길기 때문에, 디스플레이 용도에는 적합하지 않다.

마찬가지로, 일본 특허 공개 공보 제95-142806호의 "희토류 이온 첨가 단파장 레이저 광원 장치"나 일본 특허 공개 공보 제97-107143호의 "청색 상위 변환 레이저"에는 3가의 프라세오디뮴(praseodymium) 이온(Pr³⁺)과 함께 3가의 이테르븀(ytterbium) 이온(Yb³⁺)을 첨가한 광섬유를 하나의 파장(800 nm 내지 980 nm, 예컨대 850 nm)의 적외 레이저로 여기하고, Yb³⁺이온의 1020 nm 부근의 레이저 발진을 이용하여 Pr³⁺이온을 여기하며, 490 nm의 청색광을 얻는 것이 제안되어 있다.

이와 같이 해서, 적외광을 청색광으로 상위 변환하는 제안이 이루어지고 있지만, 이러한 종래의 문헌중의 어느 것도 청색 디스플레이 용도에 적합한 470 nm 부근의 파장으로 상위 변환하는 제안은 없었다.

그래서, 본 발명의 출원인이 앞서 출원한 일본 특허 출원 제 99-149751호의"상위 변환 광섬유 레이저"에는 디스플레이용의 청색을 얻기 위한 상위 변환 광섬유 레이저를 제안하고 있다. 이것은 적색의 초발광 다이오드(SLD)를 여기 광원으로서 이용하여, 450 nm와 480 nm의 2파장으로 상위 변환하여 그 혼합에 의해 디스플레이용의 청색을 얻는 것이다.

단, 장래에는 개선될 것으로 생각하지만, 현시점에서는 적외 파장용 SLD는 이미 양산되고 있기 때문에 비교적 저렴하지만, 적색 파장용 SLD는 비용면에서 상당히 불리함과 동시에, 고출력 제품을 입수하기가 곤란하다고 하는 단점이 있다.

적색 레이저광을 출력하는 것으로서, 적외 파장으로부터의 상위 변환이라는 방법도 있다. Pr³⁺이온을 첨가한 광섬유는 적외 파장을 여기 광원으로 하여 1.3 μm대의 신호를 증폭하는 Pr³⁺이온 첨가 광섬유 증폭기(PDFA)로서 실용화되어 있는 것 이외에 상위 변환에 의해 청색, 녹색, 적색으로 발광하는 것이 공지되어 있다.

T. Sandrock 등에 의한 1997년 6월 1일자로 발간된 Optics letter지의 통권 22, 제11호의 "High-power continuous-wave upconversion fiber laser at room temperature"에서는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유로부터 850 nm 부근의 여기광을 이용하여 고출력의 635 nm의 레이저광을 얻는 것으로 하고 있다.

또한, 미국 특허 제5,805,631호의 "BLUE, GREEN, ORANGE AND RED UPCONVERSION LASER"에 있어서도, 마찬가지로 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유로부터 청색, 녹색, 주황색, 적색을 얻는 것을 제안하고 있다.

Pr³⁺이온과 함께 Yb³⁺이온을 첨가한 이들 섬유를 이용하는 경우에는 단일 파장의 여기광으로 여기할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 효율면에서 말하면, Yb³⁺이온의 기저 상태 흡수(Ground State Absorption : GSA)에 적합한 파장과 Pr³⁺이온의 여기 상태 흡수(Excited State Absorption : ESA)에 적합한 파장은 동일하지 않기 때문에, 단일 파장으로는 여기 효율이 열화되는 상태의 구성이 되고, 고출력 레이저의 실현을 상정한 경우, 이 점은 큰 문제가 된다.

그런데, Pr³⁺이온의 적색 발광 스펙트럼에 630 nm대와 680 nm대의 스펙트럼이 있지만, S. Kisimoto 등에 의한 "Direct observation of time-resolved excited state absorption on Tm³⁺-doped various glasses using a laser-flash pump-probe spectroscopy"(J. Non-Crys t. Solids, 1997년)에 따르면, 이 파장은 Tm³⁺이온의 기저 상태 흡수(GSA), 여기 상태 흡수(ESA)의 파장에 적합한 파장인 것을 알 수 있다.

그러나, Pr³⁺이온을 이용하는 지금까지의 경우에는 그 상위 변환한 레이저광을 최종 출력으로 하고, 그 출력을 재차 여기광으로서 사용하지 않기 때문에, 모처럼의 Tm³⁺이온 여기에 알맞은 파장을 갖는 Pr³⁺이온의 특성을 그 이상 살리지는 않는다.

본 발명은 고출력 반도체 레이저를 여기 광원으로서 이용할 수 있고, 또한상위 변환된 레이저광의 파장이 디스플레이로서 적합한 파장이 되는 상위 변환 레이저를 제공하는 것을 제1 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 보다 효율적인 파장으로 여기 가능한 상위 변환 레이저를 제공하는 것을 제2 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 2는 Pr 이온의 에너지 준위에 대해서 설명하기 위한 설명도.

도 3은 Tm 이온의 에너지 준위에 대해서 설명하기 위한 설명도.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 7은 본 발명의 제5 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 8은 본 발명의 제6 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 9는 본 발명의 제7 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

도 10은 본 발명의 제8 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

101 : 여기 광원

102 : 적외 레이저광

103 : Pr³⁺상위 변환 레이저

105 : Tm³⁺상위 변환 레이저

108 : Pr³⁺+Yb³⁺상위 변환 레이저

104 : 적색 레이저광

106 : 청색 레이저광

109, 111, 112, 114 : 반사 소자

110 : Pr³⁺첨가 광섬유

113 : Tm³⁺첨가 광섬유

115 : 외부 공진형 LD

116 : 단부면

126 : 파장 합성기

128 : Tm³⁺상위 변환 레이저

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 프라세오디뮴 이온(Pr³⁺)을 상위 변환 여기하는 제1 상위 변환 레이저와, 상기 제1 상위 변환 레이저로 얻어진 파장 635 nm 부근과 685 nm 부근의 레이저광으로 톨륨 이온(Tm³⁺)을 여기하는 제2 상위 변환 레이저를 가지며, 상기 제2 상위 변환 레이저의 출력 레이저광은 파장 450 nm 부근과 480 nm 부근인 것을 특징으로 한다.

이것에 의해, Pr³⁺이온의 발광하는 파장이 마침 Tm³⁺이온의 여기에 알맞은 파장을 가지고 있기 때문에, 적색 레이저광으로부터 청색 레이저광으로의 변환을 고효율로 행할 수 있다. 그에 따라서, 여기 광원으로 적외 파장을 갖는 고출력 외부 공진형 LD, SLD, LD를 사용할 수 있고, 디스플레이로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 공진형 레이저와 프라세오디뮴 이온(Pr³⁺) 첨가 광섬유를 가지며, 상기 외부 공진형 레이저가 발광하는 레이저광을 여기광으로서 상기 프라세오디뮴 이온을 상위 변환 여기하여 적색광을 발생하고, 상기 적색광에 대해서 공진시켜 레이저 발진하는 제1 캐비티와, 톨륨 이온(Tm³⁺) 첨가 광섬유를 가지며, 상기 적색광을 여기광으로서 상기 톨륨 이온을 상위 변환 여기하여 청색광을 발생하고, 상기 청색광에 대해서 공진시켜 레이저 발진하는 제2 캐비티를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이것에 의해, 여기 광원으로서, 적외 고출력 외부 공진형 LD를 선택할 수 있게 되고, 선택된 고출력 디바이스를 사용할 수 있다. 또한, 대화면(大畵面)화된 디스플레이에 있어서 고출력이 요구되는 경우에도 디스플레이로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 파장 780 nm 내지 900 nm와 950 nm 내지 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 발하는 외부 공진형 레이저를 포함하는 캐비티와, 상기 캐비티 속에 설치되고 상기 레이저광이 입사되는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유와, 상기 캐비티 속에 설치되고 상기 광섬유로 상위 변환되어 발생된 적색광에 대해서 공진시키는 공진기 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

이것에 의해, 고효율로 상위 변환 적색 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 파장 780 nm 내지 900 nm와 950 nm 내지 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 발하는 외부 공진형 레이저를 포함하는 캐비티와, 상기 캐비티 속에 설치되고 상기 레이저광이 입사되는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유와, 상기 캐비티 속에 설치되고 상기 광섬유로 상위 변환되어 발생된 녹색광에 대해서 공진시키는 공진기 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 고효율로 상위 변환 녹색 레이저광을 얻을 수 있다.

(바람직한 실시예의 설명)

본 발명에 있어서, 바람직한 예로서, Pr³⁺이온의 상위 변환 여기는 파장 780 내지 900 nm와 1010 nm 부근의 2 종류의 레이저광에 의해 행해진다.

또한, 바람직한 예로서, 제1 상위 변환 레이저는 Pr³⁺이온에 이테르븀 이온(Yb³⁺)이 첨가된 것에 대해서 상위 변환 여기한다.

또한, 바람직한 예로서, 프라세오디뮴 이온(Pr³⁺) 첨가 광섬유는 프라세오디뮴 이온에 이테르븀 이온(Yb³⁺)이 더 첨가되어 있다.

또한, 바람직한 예로서, 프라세오디뮴 이온 첨가 광섬유 호스트 유리는 인듐계 플루오르화물 유리, 알루미늄계 플루오르화물 유리, 지르코늄계 플루오르화물 유리 중 어느 하나이다.

또한, 바람직한 예로서, 외부 공진형 레이저는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온의 여기를 위해 파장 850 nm 부근의 레이저광을 발광한다.

또한, 바람직한 예로서, Pr³⁺이온의 여기를 위해 파장 780 nm 내지 900 nm와 950 nm 내지 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 이용한다.

또한, 바람직한 예로서, 적색광에 대해서 공진시키거나 또는 청색광에 대해서 공진시키는 구조로서, 섬유 그레이팅 또는 유전체 미러를 이용한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도이다. 도 1에 있어서, 여기 광원(101)은 적외 파장을 발광하는 광원이며, 그 파장은 780 nm 내지 900 nm 범위의 파장과 1010 nm 부근의 파장의 2 종류이다. 여기 광원(101)으로부터 발광된 레이저광(102)은 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)에 입사된다. Pr³⁺상위 변환 레이저(103)는 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(102)을 받아 이 적외 파장의 광을 635 nm 부근과 685 nm 부근의 적색광으로 상위 변환시켜 레이저광을 출력한다.

Pr³⁺상위 변환 레이저(103)로부터의 적색 레이저광(104)은 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)에 입사된다. Tm³⁺상위 변환 레이저(105)는 적색 레이저광(104)을 받아 이 적색 파장의 광을 450 nm 부근과 480 nm 부근의 청색광으로 상위 변환시켜 청색 레이저광(106)을 출력한다.

도 2는 Pr³⁺이온의 에너지 준위에 대해서 설명하기 위한 설명도이다. Pr³⁺이온은 기저 준위인³H₄로부터 여기 준위인³G₄로 여기되는데 1010 nm 부근의 적외 파장의 광을 흡수한다. 이³G₄준위로부터 더욱 790 nm 내지 900 nm의 적외 파장의 광을 흡수하여 한층 더 여기 준위인³P₀,³P₁의 준위로 여기된다.³P₀에서³F₂으로,³P₁에서³F₃으로 천이할 때, 각각 635 nm 부근과 685 nm 부근의 파장의 광을 발광한다. 이 2파장에 대하여 공진기를 만들어 유도 방출시킴으로써 635 nm 부근과 685 nm 부근의 파장에서의 레이저광을 얻는다.

마찬가지로, 도 3을 이용하여 Tm³⁺이온의 에너지 준위에 대해서 설명한다. Tm³⁺이온은 기저 준위인³H₆로부터 여기 준위인³F₂로 여기되는데 685 nm 부근의 적외 파장의 광을 흡수한다. 이³F₂준위에서 즉시³H₄준위로 떨어지지만, 이³H₄준위로부터 635 nm의 적파장의 광을 더 흡수하여 한층 더 여기 준위인¹D₂로 여기된다.¹D₂에서³F₄로 천이했을 때, 450 nm 부근의 파장의 빛을 발광한다. 이³F₄준위로부터 635 nm의 적파장의 빛을 더 흡수하여¹G₄준위로 여기된다.¹G₄→³H₆로 천이했을 때에, 480 nm 부근의 파장의 빛을 발광한다. 이 2개의 파장에 대하여 공진기를 만들어 유도 방출을 시킴으로써 450 nm 부근과 480 nm 부근의 파장에서의 레이저광을 얻을 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, Pr³⁺이온의 발광하는 파장이 마침 Tm³⁺이온의 여기에 알맞은 파장을 가지고 있다. 즉, Tm³⁺이온에 있어서 450 nm와 480 nm의 발광에 이르는 여기 과정에서의 GSA에 적합한 파장이 685 nm 부근에 있고, ESA에 적합한파장이 635 nm 부근에 있기 때문에, 적색 레이저광으로부터 청색 레이저광으로의 변환을 고효율로 행할 수 있다. 이에 따라, 여기 광원으로 적외 파장을 갖는 고출력 외부 공진형 LD, SLD, LD를 사용할 수 있고, 디스플레이로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다.

다음에, 본 발명의 제2 실시예에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다. 이 실시예는 도 1에 있어서의 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)를 Pr³⁺+Yb³⁺상위 변환 레이저(108)로 대체한 것으로, 도 1과 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여서 설명한다.

Yb³⁺이온의 특징은 980 nm을 중심으로 하는 폭넓은 파장을 흡수하여 Pr³⁺이온의 1010 nm의 광에 의한 여기 준위 부근의 에너지 준위로 여기하고, 그 에너지를 가까운 에너지 준위를 갖는 다른 이온으로의 에너지 전달에 의해 부여할 수 있는 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, Yb³⁺이온은 980 nm을 중심으로 하는 광을 흡수함으로써, 에너지 준위가²F₇/₂에서²F_5/2로 여기되고, 그 후²F_5/2준위로부터 Pr³⁺의¹G₄준위로 에너지 전달이 행해진다. 이에 따라, Pr³⁺+Yb³⁺상위 변환 레이저의 여기 파장은 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(107)의 파장으로서 780 nm 내지 900 nm의 범위와 950 nm 내지 1050 nm의 범위가 되고, Pr³⁺만의 경우보다 확대할 수 있다.

또한, Yb³⁺이온은 효율은 나쁘지만 850 nm 부근의 광으로도 여기할 수 있기때문에, 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(107)의 파장을 850 nm 부근으로서 1파장으로 하는 것도 가능해진다. 여기된 후의 Pr³⁺이온과 Tm³⁺이온의 여기 과정 및 레이저광 발생 동작에 대해서는 제1 실시예의 설명과 동일하다.

이와 같이, Pr³⁺이온에 Yb³⁺이온을 첨가한 상위 변환 레이저를 사용함으로써, 여기 광원으로서는, 적외 광원보다 폭넓은 파장 중에서 고출력의 외부 공진형 LD, SLD, LD를 선택할 수 있게 되고, 선택된 고출력의 디바이스를 사용할 수 있다. 이에 따라, 대화면(大畵面)화된 디스플레이에 있어서 고출력이 요구되는 경우에도 디스플레이로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다.

또한, 850 nm 부근의 1파장에서의 여기도 가능하기 때문에, 효율은 나빠지지만, 구성을 간단히 할 수 있다. 이 경우, 소형 및 간이형용(用) 디스플레이 광원 용도로서도 사용할 수 있게 된다.

이상의 설명에서는, 여기 광원, 상위 변환 레이저를 각각의 독립된 것으로서 취급하고 있지만, 각각의 공진기 내 캐비티의 일부가 중복되는 구성도 가능하다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 대해서 설명하기 위한 것으로, 도 1의 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)와 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)의 구체예를 설명한다.

여기 광원(101)으로부터 출사된 레이저광(102)은 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)에 입사된다. Pr³⁺상위 변환 레이저(103)는 제1 반사 소자(109)와 Pr³⁺첨가 광섬유(110)와 제2 반사 소자(111)에 의해 구성되고, 입사된 레이저광(102)은 제1 반사 소자(109)를 통과하여 Pr³⁺첨가 광섬유(110)에 입사된다. Pr³⁺첨가 광섬유(110)는 여기 광원(101)으로부터 레이저광(102)을 상위 변환하여 635 nm와 685 nm의 광을 방출한다. 제1 반사 소자(109)는 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(102)을 통과시키지만, 635 nm, 685 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제2 반사 소자(111)는 레이저광(102)의 적외 파장의 광과 635 nm, 685 nm 부근의 광을 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(109, 111)에 의해 공진기가 구성되고, 635 nm, 685 nm 부근의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 여기서, 제2 반사 소자(111)의 635 nm, 685 nm 부근의 반사율은 제1 반사 소자(109)의 반사율보다 낮추어서 레이저광(104)을 방출시킨다. 제2 반사 소자(111)를 통과한 레이저광(104)은 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)에 입사된다.

Tm³⁺상위 변환 레이저(105)는 제3 반사 소자(112)와 Tm³⁺첨가 광섬유(113)와 제4 반사 소자(114)로 구성되고, 입사된 레이저광(104)은 제3 반사 소자(112)를 통과하여 Tm³⁺첨가 광섬유(113)에 입사된다. Tm³⁺첨가 광섬유(113)는 적색인 레이저광(104)을 상위 변환하여 450 nm, 480 nm의 파장의 광을 방출한다. 제3 반사 소자(112)는 적색 레이저광(104)을 통과시키지만, 450 nm, 480 nm 부근의 광을 100%가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제4 반사 소자(114)는 레이저광(104)의 파장의 광과 450 nm, 480 nm의 광을 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(112, 114)에 의해 공진기가 구성되고, 450 nm, 480 nm의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 여기서, 제4 반사 소자(114)의 450 nm, 480 nm 부근의 반사율은 제3 반사 소자(112)보다 낮추어 청색 레이저광(106)만을 방출시킨다.

여기서, 공진기를 구성하는 각 반사 소자의 특성으로서는, 발진시키고 싶은 파장을 충분히 반사시키는 것과, 발진시키고 싶지 않은 파장에 대해서는 공진기를 구성하지 않도록 그 파장에 대한 반사율을 낮출 필요가 있다.

또한, Pr³⁺첨가 광섬유(110) 대신에 Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유로 하면, 도 4의 실시예의 구체적인 구성이 된다. 그 경우는 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(102)의 파장이 변하기 때문에, 제1, 제2 반사 소자(109, 111)의 특성을 레이저광(102)에 있던 파장으로 대치시킴으로써 대응시킬 수 있다.

여기서, Pr³⁺, Tm³⁺, Yb³⁺를 첨가한 광섬유의 유리 모재(母材)로서는, 여기해 준 상위 준위로부터 발광하지 않고서 하위 준위로 불필요하게 천이하지 않도록, 포논 에너지가 작은 유리가 적합하다. 즉, 포논 에너지가 작은 인듐계 플루오르화물 유리, 알루미늄계 플루오르화물 유리, 지르코늄계 플루오르화물 유리등의 플루오르화물계 유리를 첨가 광섬유의 유리 모재로서 이용함으로써 발광 효율이 좋은 섬유 레이저를 실현할 수 있다.

다음에 도 6을 이용하여 본 발명의 제4 실시예에 대해서 설명한다. 도 5와 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명한다.

즉, 여기 광원(101)은 외부 공진형 LD(115)와 제2 반사 소자(111)로 구성되어 있다. 외부 공진형 LD(115)의 단부면(116)과 제2 반사 소자(111)로 공진기를 구성하고 있고, 레이저광(102)의 파장의 광을 유도 방출시키고 있다. 이 공진기 내의 캐비티 내에 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)가 배치되어 있다.

Pr³⁺상위 변환 레이저(103)는 제1 반사 소자(109)와 Pr³⁺첨가 광섬유(110)와 제2 반사 소자(111)로 이루어지고, 입사된 레이저광(102)은 제1 반사 소자(109)를 통과하여 Pr³⁺첨가 광섬유(110)로 들어간다. Pr³⁺첨가 광섬유(110)는 여기 광원(101)으로부터 레이저광(102)을 상위 변환하여 635 nm, 685 nm 부근의 광을 방출한다. 제1 반사 소자(109)는 레이저광(102)을 통과시키지만, 635 nm, 685 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제2 반사 소자(111)는 레이저광(102)의 파장의 광과 635 nm, 685 nm 부근의 광을 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(109, 111)에 의해 공진기가 구성되고, 635 nm, 685 nm 부근의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 여기서, 제2 반사 소자(111)의 635 nm, 685 nm 부근의 반사율은 제1 반사 소자(109)의 반사율보다 낮추어 레이저광(104)을 방출시킨다. 제2 반사 소자(111)를 통과한 레이저광(104)은 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)에 입사된다.

여기서, 외부 공진형 LD(115)로서는, 캐비티 내에 있는 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)를 큰 손실로 볼 수 있기 때문에, 그것을 커버하는 만큼의 증폭을 갖도록 여러 개를 배열한 구성으로 하여도 좋다.

또한, Tm³⁺상위 변환 레이저(105)에 레이저광(104)이 입사되어 450 nm, 480 nm의 파장의 레이저광(106)이 출력된다.

또한, Pr³⁺첨가 광섬유(110) 대신에 Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유로서도 좋고, 그 경우에는 레이저광(102)의 파장이 달라지기 때문에, 제1, 제2 반사 소자(109, 111)의 특성을 레이저광(102)에 있던 파장으로 대치함으로써 대응시킬 수 있다.

이와 같이, 여기 광원의 캐비티 내에 Pr³⁺상위 변환 레이저를 배치하여도 동일한 효과를 얻을 수 있고, 디스플레이 용도로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다. 동일하게, Pr³⁺상위 변환 레이저의 캐비티 내에 Tm³⁺상위 변환 레이저를 배치시킬 수도 있다.

다음에, 도 7의 구성도를 이용하여 본 발명의 제5 실시예에 대해서 설명한다. 즉, 여기 광원(101)으로부터 출사된 레이저광(102)은 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)에 입사된다. Pr³⁺상위 변환 레이저(103)는 제1 반사 소자(109)와 Pr³⁺첨가 광섬유(110)와 Tm³⁺첨가 상위 변환 레이저(105)와 제2 반사 소자(111)로 이루어지고, 입사된 레이저광(102)은 제1 반사 소자(109)를 통과하여 Pr³⁺첨가 광섬유(110)로 들어간다. Pr³⁺첨가 광섬유(110)는 여기 광원(101)으로부터 레이저광(102)을 상위 변환하여 635 nm, 685 nm의 광을 방출한다. 제1 반사 소자(109)는 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(102)을 통과시키지만, 635 nm, 685 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제2 반사 소자(111)는 635 nm, 685 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(109, 111)에 의해 공진기가 구성되고, 635 nm, 685 nm 부근의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 또한, 제2 반사 소자(111)는 Tm³⁺첨가 상위 변환 레이저로 발생한 레이저광(106)의 광을 통과시키는 특성을 가지고 있다.

레이저광(104)은 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)에 입사된다. Tm³⁺상위 변환 레이저(105)는 제3 반사 소자(112)와 Tm³⁺첨가 광섬유(113)와 제4 반사 소자(114)로 이루어지고, 입사된 레이저광(104)은 제3 반사 소자(112)를 통과하여 Tm³⁺첨가 광섬유(113)에 입사된다. Tm³⁺첨가 광섬유(113)는 적색인 레이저광(104)을 상위 변환하여 450 nm, 480 nm의 파장의 광을 방출한다.

제3 반사 소자(112)는 적색 레이저광(104)을 통과시키지만, 450 nm, 480 nm 부근의 광과 여기 광원으로부터의 레이저광(102)의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제4 반사 소자(114)는 450 nm, 480 nm의 광을 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(112, 114)에 의해 공진기를 구성하고, 450 nm, 480 nm의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 제4 반사 소자(114)의 450 nm, 480 nm 부근의 반사율은 제3 반사 소자(112)보다 낮추어 청색 레이저광(106)만을 방출시킨다.

여기서, 제2 반사 소자(111)와 제4 반사 소자(114)는 구분하여 설명했지만, 단일한 것으로서 그 450 nm, 480 nm 부근의 반사율은 제3 반사 소자(112)보다도 낮추어 적색 레이저광(104)을 100% 가까이 반사시키도록 하여도 상관없다.

도 8은 본 발명의 제6 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도이다. 이 실시예는 여기 광원(101)의 캐비티 내에 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)의 Pr³⁺첨가 광섬유(110)를 배치하고, 또한 Pr³⁺상위 변환 레이저(103)의 캐비티 내에 Tm³⁺상위 변환 레이저(105)를 배치한 것이다.

이 경우의 제3 반사 소자(112)는 레이저광(104)을 통과시켜 레이저광(102)과 450 nm, 480 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사시키는 특성을 가지며, 제4 반사 소자(114)는 레이저광(104)을 100% 가까이 반사하고, 450 nm, 480 nm 부근의 광의 일부를 통과시켜 레이저광(106)을 출력하는 특성도 가지고 있다. 이에 따라, 여기 광원의 공진기는 단부면(116)과 제3 반사 소자(112) 사이에 구성되고, Pr³⁺상위 변환 레이저(103)의 공진기는 제1 반사 소자(109)와 제4 반사 소자(114) 사이에 구성된다.

또한, 포논 에너지가 작은 인듐계 플루오르화물 유리, 알루미늄계 플루오르화물 유리, 지르코늄계 플루오르화물 유리등의 플루오르화물계 유리를 첨가 광섬유(110, 113)의 유리 모재로서 이용하는 것이 적합하다.

반사 소자로서는, 각각 파장에 맞춰 반사율을 설정한 유전체 미러를 이용하여도 좋고, 섬유 그레이팅을 이용하여도 실현된다. 섬유 그레이팅을 이용하는 경우는 동시에 복수의 파장에 대한 반사율 설정은 어렵기 때문에 개별 파장에 대한 것을 복수 배열하여 실현하게 된다. 즉, 설명 중에서 각각의 반사 소자에 대하여 지정한 파장별 반사율을 복수의 섬유 그레이팅으로 실현하여 그것을 배열함으로써 대응시킬 수 있다.

이상, 설명한 구성에 의해서도, 여기 광원으로서 적외 파장의 고출력 외부 공진기형 LD, SLD, LD를 사용할 수 있고, 디스플레이 용도로서 최적의 청색 레이저광을 얻을 수 있다.

또, 도 6 내지 도 8의 각 실시예는 각각 Pr³⁺첨가 광섬유(110) 대신에 도 4의 실시예에서 설명한 Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유로 하여도 좋고, 그 경우에는 여기 광원(101)으로부터의 레이저광(102)의 파장이 달라지기 때문에, 각 반사 소자의 특성을 레이저광(102)에 있던 파장으로 대치함으로써 대응시킬 수 있다.

도 9는 본 발명의 제7 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도이다. 여기 광원(101)은 외부 공진형 LD(115)와 제2 반사 소자(111)로 구성되어 있다. 외부 공진형 LD(115)의 단부면(116)과 제2 반사 소자(111)로 공진기를 구성하고 있고, 레이저광(102)의 파장의 광을 유도 방출시키고 있다. 그 공진기 내의 캐비티 내에 Pr³⁺+Yb³⁺상위 변환 레이저(103)가 배치되어 있다. Pr³⁺+Yb³⁺상위 변환 레이저(103)는 제1 반사 소자(109)와 Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유(118)와 제2 반사 소자(111)로 이루어지고, 입사된 레이저광(102)은 제1 반사 소자(109)를 통과하여 Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유(118)에 입사된다. Pr³⁺+Yb³⁺첨가 광섬유(118)는 여기 광원(101)으로부터 레이저광(102)을 상위 변환하여 635 nm, 685 nm 부근의 광을 방출한다. 제1 반사 소자(109)는 레이저광(102)을 통과하지만, 635 nm 부근의 광을 100% 가까이 반사하는 특성을 가지고 있다.

제2 반사 소자(111)는 레이저광(102)의 파장의 광과 635 nm 부근의 광을 반사하는 특성을 가지고 있기 때문에, 2개의 반사 소자(109, 111)에 의해 공진기가 구성되고, 635 nm 부근의 광이 유도 방출에 의해 증폭되어 레이저 발진이 일어난다. 여기서, 제2 반사 소자(111)에서의 635 nm 부근의 반사율은 제1 반사 소자(109)의 반사율보다 낮추어 레이저광(119)을 방출시킨다. 또한, 다른 파장의 유도 방출이 일어나지 않도록 발진시키고 싶지 않은 파장의 반사율은 낮게 해 둔다.

이에 따라, 파장 635 nm의 적색 레이저광을 얻을 수 있다. 또한, 상기 설명에서의 반사 소자의 반사 파장을 바꿈으로써, 다른 파장의 레이저광을 얻을 수 있다. 도 2에 있어서, Pr³⁺이온의 발광 파장은 적색뿐만 아니라³P₀에서³H₅로의 천이로 520 nm 파장의 녹색광도 발광하고 있다. 따라서, 도 9에서의 발사(發射) 소자(109, 111)의 특성을 520 nm에 대하여 반사하도록 바꾼 경우, 520 nm의 녹색 레이저광을 얻을 수 있다.

이 적색 파장 635 nm, 녹색 520 nm은 디스플레이 용도로서 적합한 파장이기 때문에, 청색 450 nm + 480 nm와 맞추어 광의 3원색(RGB)의 레이저 광원을 얻을 수 있다.

또한, 지금까지 635 nm + 685 nm으로 설명하였던 Pr³⁺상위 변환 레이저를 각각의 파장별로 출력되도록 구성하고, 또한 Tm³⁺상위 변환 레이저에 입사할 때에 이들 파장을 맞추는 구성으로 함으로써 각각의 파장에서의 출력을 조정하는 것도 가능하다.

도 10은 본 발명의 제8 실시예에 대해서 설명하기 위한 구성도이다. 즉, 여기 광원(120, 121)은 각각 Pr³⁺상위 변환 레이저(122, 123)에 입사되어 상위 변환된다. Pr³⁺상위 변환 레이저(122, 123)의 각각의 출력(124, 125)은 파장 합성기(126)에 입사되어 맞춰진 후, 레이저광(127)으로서 출력된다. 레이저광(127)은 Tm³⁺상위 변환 레이저(128)에 입사되어 청색 레이저광(129)으로서 출력된다.

Pr³⁺상위 변환 레이저(122)는 635 nm의 레이저광(124)이 발진하도록 하고,Pr³⁺상위 변환 레이저(123)는 685 nm의 레이저광(125)이 발진하도록 하며, 파장 합성기(126)로 635 nm + 685 nm의 레이저광(127)을 얻도록 한다. 이 구성은 635 nm와 685 nm의 출력 조정을 독립적으로 행할 수 있는 이점이 있다. 또한, 여기 광원을 외부 공진형으로 바꾸어 Pr³⁺상위 변환 레이저(122)를 캐비티 내에 넣는 등, 전술한 바와 같은 구성도 가능하다.

이와 같이, 고출력 적외 여기 광원을 이용하여 디스플레이 용도에 알맞은 파장 효율이 양호한 RGB 레이저 광원을 실현할 수 있게 된다.

Claims

프라세오디뮴 이온(Pr³⁺)을 상위 변환 여기하는 제1 상위 변환 레이저와;

상기 제1 상위 변환 레이저로 얻어진 파장 635 nm 부근과 685 nm 부근의 레이저광으로 톨륨 이온(Tm³⁺)을 여기하는 제2 상위 변환 레이저를 구비하며,

상기 제2 상위 변환 레이저의 출력 레이저광은 파장 450 nm 부근과 480 nm 부근인 것을 특징으로 하는 상위 변환 레이저 장치.
제1항에 있어서, 상기 Pr³⁺이온의 상위 변환 여기는 파장 780 ~ 900 nm와 1010 nm 부근의 2 종류의 레이저광에 의해 행해지는 것인 상위 변환 레이저 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 상위 변환 레이저는 상기 Pr³⁺이온에 이테르븀 이온(Yb³⁺)이 첨가된 것에 대해서 상위 변환 여기하는 것인 상위 변환 레이저 장치.
외부 공진형 레이저와 프라세오디뮴 이온(Pr³⁺) 첨가 광섬유를 가지며, 상기 외부 공진형 레이저가 발광하는 레이저광을 여기광으로서 상기 프라세오디뮴 이온을 상위 변환 여기하여 적색광을 발생시키고, 상기 적색광에 대해서 공진시켜서 레이저 발진하는 제1 캐비티와;

톨륨 이온(Tm³⁺) 첨가 광섬유를 가지며, 상기 적색광을 여기광으로서 상기 톨륨 이온을 상위 변환 여기하여 청색광을 발생시키고, 상기 청색광에 대해서 공진시켜서 레이저 발진하는 제2 캐비티를 구비하는 것을 특징으로 하는 상위 변환 레이저 장치.
제4항에 있어서, 상기 프라세오디뮴 이온(Pr³⁺) 첨가 광섬유는 프라세오디뮴 이온에 이테르븀 이온(Yb³⁺)이 첨가되어 있는 것인 상위 변환 레이저 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 프라세오디뮴 이온 첨가 광섬유의 호스트 유리는 인듐계 플루오르화물 유리, 알루미늄계 플루오르화물 유리 및 지르코늄계 플루오르화물 유리 중 어느 하나인 것인 상위 변환 레이저 장치.
제5항에 있어서, 상기 외부 공진형 레이저는 상기 Pr³⁺이온과 상기 Yb³⁺이온의 여기를 위해 파장 850 nm 부근의 레이저광을 발광하는 것인 상위 변환 레이저 장치.
제5항에 있어서, 상기 Pr³⁺이온의 여기를 위해 파장 780 nm ~ 900 nm와 950 nm ~ 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 이용하는 것인 상위 변환 레이저 장치.
제4항에 있어서, 상기 적색광에 대해서 공진시키거나 또는 상기 청색광에 대해서 공진시키는 구조로서, 섬유 그레이팅 또는 유전체 미러를 이용하는 것인 상위 변환 레이저 장치.
파장 780 nm ~ 900 nm와 950 nm ~ 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 발광하는 외부 공진형 레이저를 포함하는 캐비티와;

상기 캐비티 내에 설치되고 상기 레이저광이 입사되는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유와;

상기 캐비티 내에 설치되고 상기 광섬유로 상위 변환되어 발생된 적색광에 대해서 공진시키는 공진기 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 상위 변환 장치.
파장 780 nm ~ 900 nm와 950 nm ~ 1050 nm의 2 종류의 레이저광을 발광하는 외부 공진형 레이저를 포함하는 캐비티와;

상기 캐비티 내에 설치되고 상기 레이저광이 입사되는 Pr³⁺이온과 Yb³⁺이온을 첨가한 광섬유와;

상기 캐비티 내에 설치되고 상기 광섬유로 상위 변환되어 발생된 녹색광에대해서 공진시키는 공진기 구조를 구비하는 것을 특징으로 하는 상위 변환 장치.