KR100796100B1 - 모드 제어 도파로형 레이저 장치 - Google Patents

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슈헤이 야마모토
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기요히데 사카이
야스하루 고야타
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Abstract

본 발명에 따르면, 레이저 매질 내에서 복수의 발진 모드를 발진시킴으로써, 출력의 스케일링이 용이하고, 고휘도의 기본파 출력이 얻어지며, 고효율의 제 2 고조파 변환이 가능하게 한다.
평판 형상을 이루며, 광축(6)에 대하여 수직인 단면의 두께 방향으로 도파로 구조를 갖고, 상기 광축(6) 및 상기 두께 방향에 수직인 방향으로 주기적인 렌즈 효과를 갖는 레이저 매질(5)과, 상기 레이저 매질(5)의 일면에 접합된 클래드(4)와, 상기 레이저 매질(5)의 일면측에 상기 클래드(4)를 거쳐 접합된 히트 싱크(2)를 구비하며, 레이저 발진은, 상기 레이저 매질(5)의 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진과, 상기 레이저 매질(5)의 주기적인 렌즈 효과로 형성되는 복수의 공진기 모드에서 발진하는 레이저 발진을 갖는다.

Description

모드 제어 도파로형 레이저 장치{MODE CONTROL WAVEGUIDE LASER}
본 발명은, 프린터나 프로젝션 텔레비전의 광원에 적합한 고출력 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 장치에 이용되는 모드 제어 도파로형 레이저 장치에 관한 것이다.
프린터나 프로젝션 텔레비전에서는 광원으로서 R(적색), G(녹색), B(청색)의 3개의 색의 광원이 요구된다. 이 광원으로서, 900㎚대, 1㎛대, 1.3㎛대의 레이저광을 기본파 레이저광으로 하여, 비선형 재료를 이용해 제 2 고조파를 발생(SHG : Second Harmonic Generation)하는 파장 변환 레이저가 개발되어 있다. SHG에 있어서, 기본파 레이저광으로부터 제 2 고조파 레이저광으로의 높은 변환 효율을 실현하기 위해서는, 비선형 재료 상의 기본파 레이저광의 파워 밀도를 높게 하는 것, 및 파면 수차가 적은 고휘도의 레이저광이 요구된다.
이러한 파장 변환 레이저 장치를 실현하는 방법으로서, 도 15에 도시한 레이저 공진기 내 제 2 고조파 발생 레이저 장치가 있다(예컨대, 비 특허 문헌 1 참조). 도 15에 도시한 레이저 장치는, 여기광을 출사하는 여기용 반도체 레이저(101) 와, 여기광을 수송하는 광파이버(102)와, 여기광을 집광하는 집광 광학계(103)와, 기본파 레이저광을 반사하고 여기광을 투과하는 제 1 미러(105)와, 레이저 매질(104)과, 기본파 레이저광을 반사하는 제 2 미러(106)와, 기본파 레이저광을 반사하고 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 제 3 미러(107)와, 기본파 레이저광을 제 2 고조파 레이저광으로 변환하는 비선형 재료(109)와, 기본파 레이저광과 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 제 4 미러(108)를 구비하고 있다. 또, 참조 부호 "110"은 제 1 미러와 제 4 미러로 구성되는 기본파 레이저 공진기의 공진기 내의 전파(傳播) 형상, 참조 부호 "111"은 제 2 고조파 레이저광의 출력이다.
도 15에 있어서, 여기용 반도체 레이저(101)로부터 출력된 여기광은, 광파이버(102)에 의해 수송되어 출력되고, 집광 광학계(103)에 의해, 기본파의 전파 형상(110)과 일치하도록 광축 및 빔 사이즈를 조정하여 집광되어, 레이저 매질(104)에 흡수된다. 이에 따라, 레이저 매질(104)에 기본파 레이저광에 대한 이득이 발생하여, 제 1 미러(105)~제 4 미러(108)로 구성되는 공진기에서 기본파 레이저광의 레이저 발진을 발생한다.
이 때, 비선형 재료(109)에 입사된 기본파 레이저광은, 일부가 제 2 고조파 레이저광으로 변환되어, 제 3 미러(107)로부터 제 2 고조파 레이저광 출력(111)으로서 외부로 출력된다. 제 1 미러(105)~제 4 미러(108)로 구성되는 공진기는, 기본파 레이저광에 대하여 고휘도의 레이저 발진이 얻어지도록 구성되어 있어, 파면 수차가 적은 고휘도의 레이저 발진을 실현하고 있다. 또한, 전파 형상(110)으로 나타낸 바와 같이, 비선형 재료(109)로 기본파 레이저광의 빔 사이즈를 작게 하여 기본파 레이저광의 파워 밀도를 높게 함으로써, 고효율의 SHG를 실현하고 있다.
[비 특허 문헌 1] ELSEVIER사 발행의 Optics Co㎜unications 205(2002), 361페이지
그러나, 도 15에 도시한 레이저 장치에서는, 여기광을 입사시키는 집광 광학계나, 공진기를 구성하는 다수의 미러가 필요하며, 광학 부품이 다수 필요하다. 따라서, 장치가 대형이고 고가로 되어 버린다고 하는 문제가 있었다.
또한, 고휘도의 레이저 발진이 얻어지도록 공진기를 구성할 필요가 있는데, 공진기의 길이, 미러의 곡율, 반사 각도에 덧붙여, 레이저 매질의 열 렌즈 효과에 의해 발진 모드가 크게 변화하기 때문에, 안정된 레이저 출력을 얻기 어렵다고 하는 문제가 있었다.
또한, 미러를 이용한 공간형의 공진기 때문에 얼라인먼트 조정이 복잡하고, 또한, 외부로부터의 요란(擾亂)에 의해 쉽게 얼라인먼트 어긋남이 발생하기 때문에, 높은 신뢰성을 얻기 어렵다고 하는 문제가 있었다.
또한, 레이저 출력을 증가시키기 위해서는 여기광을 증가시킬 필요가 있는데, 광파이버로 입사할 수 있는 여기광의 파워가 제한되기 때문에 1개의 광파이버로부터의 출력을 증가시키기 위해서는 제한이 있고, 또한 복수의 광파이버의 출력을 이용하여 레이저 매질에 입사시킨 경우, 집광 광학계의 구성이 복잡하게 되기 때문에, 제 2 고조파 레이저광 출력을 증가시키기는 것이 곤란하다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 레이저 매질 내에서 복수의 발진 모드를 발진시킴으로써, 출력의 스케일링이 용이하고, 고휘도의 기본파 출력이 얻어지며, 고효율의 제 2 고조파 변환이 가능한 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치는, 평판 형상을 이루며, 광축에 대하여 수직인 단면의 두께 방향으로 도파로 구조를 갖고, 상기 광축 및 상기 두께 방향에 수직인 방향으로 주기적인 렌즈 효과를 갖는 레이저 매질과, 상기 레이저 매질의 일면에 접합된 클래드와, 상기 레이저 매질의 일면측에 상기 클래드를 거쳐 접합된 히트 싱크(heat sink)를 구비하고, 레이저 발진은, 상기 레이저 매질의 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진과, 상기 레이저 매질의 주기적인 렌즈 효과로 형성되는 복수의 공진기 모드에서 발진하는 레이저 발진을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저 매질 내에서 복수의 발진 모드를 발진시킴으로써, 출력의 스케일링이 용이하고, 고휘도의 기본파 출력이 얻어지며, 고효율의 제 2 고조파 변환이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성 을 도시한 측면도,
도 2는 도 1의 a-a' 단면을 비선형 재료측에서 본 단면도,
도 3은 도 2 중의 히트 싱크(2)~레이저 매질(5)의 단면도의 일부를 확대하여 도시하며, 레이저 매질(5) 안에서 발생하는 온도 분포에 대해 설명하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 동작을 설명하기 위한 도면,
도 5a는 기판, 레이저 매질, 클래드 및 히트 싱크를 일체화한 도파로를 동시에 제조하는 공정을 설명하는 것으로, 레이저 매질의 연마 공정을 도시한 도면,
도 5b는 도 5a에 이은 기판과 레이저 매질의 접합 공정을 도시한 도면,
도 5c는 도 5b에 이은 레이저 매질의 연마 공정을 도시한 도면,
도 5d는 도 5c에 이은 클래드의 접합 공정을 도시한 도면,
도 5e는 도 5d에 이은 일체화된 도파로의 절단 공정을 도시한 도면,
도 5f는 도 5e에 이은 클래드와 히트 싱크의 접합 공정을 도시한 도면,
도 6은 도 2 및 도 3에 도시한 히트 싱크의 형상과는 다른 형상의 예를 도시한 도면,
도 7은 도 1의 레이저 매질(5) 대신에 반도체 레이저(5A)를 이용한 경우의 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 측면도,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 측면도,
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 레이 저 매질과 비선형 재료를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 실시예 4에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 것으로, 레이저 장치를 측면에서 본 도면,
도 11은 본 발명의 실시예 4에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 것으로, 레이저 장치를 상면에서 본 도면,
도 12는 본 발명의 실시예 5에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 측면도,
도 13은 본 발명의 실시예 6에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 레이저 매질을 도시한 도면으로, 도 12 중의 레이저 매질(5)만을 나타낸 도면,
도 14는 본 발명의 실시예 7에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치에 이용되는 레이저 매질에 굴절율 분포를 부여하는 구성을 도시한 도면으로, 레이저 출사면측에서 레이저 장치를 본 도면,
도 15는 ELSEVIER사 발행의 Optics Co㎜unications 205(2002), 361페이지에 개시된 종래의 레이저 장치의 구성을 도시한 도면.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위하여, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 실시예에 대해 첨부 도면에 따라서 설명한다.
실시예 1
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 도면으로, 도 1은 측면도, 도 2는 도 1의 a-a' 단면을 비선형 재료측에서 본 단면도이다.
도 1과 도 2에 도시된 본 실시예 1에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 발진기는, 반도체 레이저(1)와, 평판 형상을 이루며, 레이저 발진 방향을 나타내는 광축(6)에 대하여 수직인 단면의 두께 방향으로 도파로 구조를 갖고, 광축(6) 및 두께 방향에 수직인 방향으로 주기적인 렌즈 효과를 갖는 레이저 매질(5)과, 레이저 매질(5)의 하면에 접합된 클래드(4)와, 레이저 매질(5)의 하면에 접합된 클래드(4)의 하면에 접합제(3)에 의해 접합된 히트 싱크(2)와, 레이저 매질의 광축 상에 근접하여 배치되고, 레이저 매질(5)의 도파로 구조와 동일한 방향으로 도파로 구조를 갖는 비선형 재료(7)를 구비하고 있다.
레이저 매질(5)은, 광축(6)에 수직인 단면(5a), 단면(5b)의 형상이, 예컨대 장방형(長方形)으로 이루어지고, 전형적으로는 y축 방향의 두께가 수~수십㎛, x축 방향의 폭이 수백㎛~수㎜의 크기를 갖는다. 설명을 위해, 장방형의 장변(長邊) 방향을 x축, 단변(短邊) 방향을 y축, 광축(6) 방향을 z축으로 한 좌표계를 이용한다. 또, 레이저 매질(5)의 단면(5a), 단면(5b)의 단변측은 둥글게 되어 있어도 좋고, 단면이 반드시 장방형이 아니어도 좋다.
클래드(4)는, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖고, 레이저 매질(5)의 xz 평면에 평행한 하나의 면에 접합된다. 클래드(4)는, 예컨대 광학 재료를 원료 로 한 막을 증착하거나, 광학 재료를 옵티컬 콘택트, 또는 확산 접합 등에 의해 레이저 매질(5)과 광학적으로 접합함으로써 구성된다. 또한, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 광학 접착제를 이용하여도 좋다.
히트 싱크(2)는 열전도도가 큰 재료로 구성되며, 광축(6)에 수직인 단면(xy 평면)에서 빗 형상을 갖는다. 히트 싱크(2)의 빗살(櫛齒)의 선단부가 접합제(3)를 거쳐 클래드(4)와 접합된다.
접합제(3)는 레이저 매질(5)에서 발생한 열을 클래드(4)를 거쳐서 히트 싱크(2)로 열방출(排熱)한다. 이 접합제(3)는 금속 땜납이나 광학 접착제, 열전도 접착제 등에 의해 실현할 수 있다. 클래드(4)의 레이저 매질(5)이 접합되어 있는 면에 대향한 면은, 접합제(3)와의 접합 강도를 올리기 위해, 메탈라이즈(금속막을 부착)하여도 좋다. 또한, 히트 싱크(2)를 광학 재료로 구성한 경우에는, 클래드(4)와 히트 싱크(2)를, 예컨대 옵티컬 콘택트, 또는 확산 접합 등에 의해 직접 접합하여도 좋다.
또한, 반도체 레이저(1)는 레이저 매질(5)의 단면(5a)에 근접하여 배치되고, 필요에 따라, 도시하지 않은 냉각용의 히트 싱크가 접합된다. 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 크기는 레이저 매질(5)의 x축 방향의 크기와 거의 같으며, x축 방향으로 거의 균일하게 여기광을 출력한다. 반도체 레이저(1)로부터 출력된 여기광은 단면(5a)으로부터 레이저 매질(5)에 xz 평면 방향으로 입사되어 레이저 매질(5)에 흡수된다.
비선형 재료(7)는, 광축(6)에 수직인 단면이 레이저 매질(5)과 거의 동일한 형상을 갖고, 광축(6)에 수직인 단면(7a) 및 단면(7b)을 가지며, 단면(7a)이 레이저 매질(5)의 단면(5b)에 근접하여 배치된다.
여기서, 레이저 매질(5)의 단면(5a)은 기본파 레이저광을 반사하는 전(全)반사막, 단면(5b)은 기본파 레이저광을 투과하는 반사 방지막, 비선형 재료(7)의 단면(7a)은 기본파 레이저광을 투과하고, 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막, 단면(7b)은 기본파 레이저광을 반사하고, 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 광학막이 실시되어 있다. 이들 전반사막, 부분 반사막 및 광학막은, 예컨대 유전체 박막을 적층하여 구성된다. 또, 반도체 레이저(1)로부터 출력되는 여기광을 레이저 매질(5)의 단면(5a)으로부터 입사시키는 경우에는, 단면(5a)의 전반사막은 여기광을 투과하고 기본파 레이저광을 반사하는 광학막으로 된다.
레이저 매질(5)로는, 일반적인 고체 레이저 재료를 사용할 수 있다. 예컨대, Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:Glass, Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Yb:YAG, Yb:YLF, Yb:KGW, Yb:KYW, Er:Glass, Er:YAG, Tm:YAG, Tm:YLF, Ho:YAG, Ho:YLF, Tm, Ho:YAG, Tm, Ho:YLF, Ti:Sapphire, Cr:LiSAF 등을 이용한다.
또한, 비선형 재료(7)로는, 일반적인 파장 변환용 재료를 이용할 수 있다. 예컨대, KTP, KN, BBO, LBO, CLBO, LiNbO3, LiTaO3 등을 이용한다. 또한, 광 손상에 강한 MgO 첨가 LiNbO3, MgO 첨가 LiTaO3, 정비(定比) LiNbO3, 정비 LiTaO3를 이용하면, 입사하는 기본파 레이저광의 파워 밀도를 올릴 수 있기 때문에, 고효율의 파장 변환이 가능하다. 또한, 주기 반전 분극 구조를 갖는 MgO 첨가 LiNbO3, MgO 첨 가 LiTaO3, 정비 LiNbO3, 정비 LiTaO3, KTP를 이용하면, 비선형 정수가 크기 때문에, 더욱 고효율의 파장 변환이 가능하다.
다음에, 레이저 매질(5) 안에서 발생하는 온도 분포에 대해 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 도 2 중의 히트 싱크(2)~레이저 매질(5)의 단면도의 일부를 확대한 도면이다. 레이저 매질(5)은, 흡수한 여기광의 파워의 일부가 열로 변환되어 열을 발생한다. 발생한 열은 클래드(4) 및 접합제(3)를 거쳐서 히트 싱크(2)로 열방출된다.
이 때, 히트 싱크(2)가 빗 형상을 하고 있으며, 접합제(3)에 의해 접합되어 있는 범위가 빗살의 선단부뿐이기 때문에, 2개의 빗살 사이의 중간부에는, 2개의 빗살의 대략 중심으로부터 x축 방향의 양측에 열의 흐름이 발생한다. 따라서, 2개의 빗살의 대략 중심의 온도가 최대로 되고, 빗살의 부분으로 가까이 감에 따라 온도가 저하된다.
레이저 매질(5) 등의 광학 재료는, 온도차에 거의 비례하여 굴절율이 변화된다. 레이저 매질(5)의 광학 재료로서, 단위 온도당 굴절율 변화 dn／dT가 정(正;positive)인 재료를 이용한 경우, 온도가 높은 2개의 빗살의 중심부의 굴절율이 크고, 빗살의 부분으로 가까이 감에 따라 굴절율이 작아진다. 그 결과, x축 방향에는 2개의 빗살의 중심부를 광축으로 한 열 렌즈 효과가 발생한다.
레이저 매질(5)에 입사되는 반도체 레이저(1)에 의한 여기광은 x축 방향으로 거의 균일하게 여기되어 있으며, 히트 싱크(2)의 빗 형상의 빗살은 x축 방향으로 거의 등간격으로 배치되어 있다. 따라서, 열 렌즈 효과도 주기적으로 발생하여, 빗살의 개수를 m개라고 하면, (m－1)개의 렌즈를 거의 등간격으로 나열한 효과가 얻어진다. 주기적으로 발생하는 열 렌즈 효과의 강도 및 주기는, 히트 싱크(2)의 빗살의 간격, 빗살의 굵기, 빗살의 길이, 열전도도, 접합제(3)의 열전도도, 두께, 클래드(4)의 재료, 두께에 따라서 임의로 조정 가능하다.
마찬가지로, 레이저 매질(5)의 광학 재료로서, 단위 온도당 굴절율 변화 dn／dT가 부(負;negative)인 재료를 이용한 경우, 온도 분포와 반대의 굴절율 분포로 되어, 빗에 접합된 부분의 굴절율이 크고, 2개의 빗살의 중심부의 굴절율이 작아진다. 그 결과, x축 방향으로는 빗에 접합된 부분을 광축으로 한 열 렌즈 효과가 발생한다. 이 경우, 빗살의 개수를 m개라고 하면, m개의 렌즈를 거의 등간격으로 나열한 효과가 얻어진다.
또한, 히트 싱크(2)의 빗살 사이의 공간은 통상 공기이지만, 히트 싱크(2)보다 작은 열전도도를 갖는 열 절연 재료로 메워도 좋다. 이 경우, 상기 레이저 매질(5) 내의 굴절율 분포는, 상기 빗살의 선단과 상기 열 절연 재료의 열전도도의 차에 의해 발생하는 주기적인 온도 분포가 생성된다.
이와 같이 구성하면, 열 렌즈 효과의 강도, 분포를 더욱 미조정(微調整)하는 것이 가능하다. 또한, 열절연체를 메움으로써, 히트 싱크(2)의 강성(剛性)을 높이는 것도 가능하다. 또, dn／dT의 정부(正負)에 관계없이 동일한 효과가 얻어지기 때문에, 이후 특별히 명시하지 않는 한, dn／dT가 정인 경우를 이용하여 설명한다.
다음에, 실시예 1에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 동작에 대해 도 4를 이용하여 설명한다.
도 4는 도 1에 도시한 레이저 장치를 z축 방향에서 본 도면이다. 여기서, 기본파 레이저광의 발진 모드와 히트 싱크(2)의 빗살의 관계를 분명히 하기 위해, 히트 싱크(2)의 빗살의 부분을 시인(視認)할 수 있도록 파선(破線)으로 빗살을 도시하였다.
레이저 매질(5)의 단면(5a)으로부터 입사된 여기광은, 레이저 매질(5)에서 흡수되어, 레이저 매질(5) 내부에서 기본파 레이저광에 대한 이득을 발생한다. 레이저 매질(5) 내부에서 발생한 이득에 의해, 기본파 레이저광은 레이저 매질(5)의 광축(6)에 수직인 단면(5a) 및 비선형 재료(7)의 단면(7b) 사이에서 레이저 발진한다.
비선형 재료(7)는, 기본파 레이저광이 입사되면, 비선형 효과에 의해 제 2 고조파 레이저광으로 변환되도록 결정축 각도, 온도, 또는 주기 반전 분극의 주기가 최적화되어 있다. 따라서, 단면(5a)과 단면(7a) 사이에서 발진한 기본파 레이저광이 비선형 재료(7)에 입사되면, 기본파 레이저광의 일부가 제 2 고조파 레이저광으로 변환되어, 단면(7b)으로부터 외부로 출력된다.
또한, 제 2 고조파 레이저광으로 변환되지 않고서 잔류한 기본파 레이저광은, 단면(7b)에서 전반사되어, 재차 비선형 재료(7)를 통과해 제 2 고조파 레이저광으로 변환된다. 잔류한 기본파 레이저광의 일부가 변환되어 발생한 제 2 고조파 레이저광은, 단면(7a)에서 전반사되어 단면(7b)으로부터 외부로 출력된다.
레이저 매질(5)의 y축 방향은, 두께가 파장의 수~수십배 정도이고, 레이저 매질(5)보다 굴절율이 작은 클래드(4) 및 공기에 의해 사이에 끼여 있기 때문에, 굴절율이 높은 레이저 매질(5)에 기본파 레이저광이 갇히는 도파로로서 동작하며, 기본파 레이저광은 도파로의 모드에서 선택적으로 발진한다. 도파로의 모드는 클래드(4)의 굴절율 및 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께를 조정함으로써 임의로 설정 가능하며, 저차(低次)의 모드 또는 단일 모드만을 도파시켜 고휘도 발진을 실현할 수 있다. 열방출에 의해 발생하는 열 분포에 의해, y축 방향에도 굴절율 분포가 발생하는데, 클래드(4)와 레이저 매질(5), 및 공기와 레이저 매질(5)의 굴절율 차가 열 분포에 의한 굴절율 변화에 비해 충분히 크면, 도파로의 모드가 우세하게 되어, 열에 의한 영향은 무시할 수 있다.
비선형 재료(7)는, y축에 수직인 상하면을 공기 또는 비선형 재료(7)에 비해 작은 굴절율을 갖는 도시하지 않은 클래드에 의해 사이에 끼여져 있고, 두께가 파장의 수~수십배 정도이기 때문에, 레이저 매질(5)과 마찬가지로 y축 방향은 도파로로서 동작한다. 또한, 비선형 재료(7)가 레이저광을 흡수하여 발열하는 경우에는, 비선형 재료(7)의 하면 또는 비선형 재료(7)에 접합된 클래드에 히트 싱크를 접합하여 열방출하여도 좋다.
또, 비선형 재료(7)에 히트 싱크를 직접 접합하는 경우에는, 히트 싱크 재료에 비선형 재료(7)보다 작은 굴절율을 갖는 광학 재료를 사용하거나, 또는 비선형 재료(7)보다 작은 굴절율을 갖는 접합제, 예컨대 광학 접착제 등을 이용하여, 비선형 재료(7)의 y축 방향을 도파로로서 사용할 수 있도록 한다.
레이저 공진기 내의 y축 방향에 있어서의 레이저 발진은, 레이저 매질(5) 또 는 비선형 재료(7)의 도파로의 모드에서 선택적으로 발진한다. 레이저 매질(5)의 도파 모드와 비선형 재료(7)의 도파 모드는, 각각 두께, 클래드와의 굴절율 차에 따라 임의로 설정 가능하며, 저차 모드 또는 단일 모드만 도파시켜 고휘도 발진을 실현할 수 있다.
레이저 매질(5)의 도파 모드와 비선형 재료(7)의 도파 모드는, 반드시 일치할 필요는 없으며, 예컨대 어느 하나의 도파 모드를 멀티 모드로 하고, 다른 한 쪽의 도파 모드를 단일 모드로 하면, 레이저 발진의 모드는 가장 저차 모드로 제한되기 때문에, 단일 모드에서 선택적으로 발진하는 것이 가능하다. 물론, 동일 도파 모드로 되도록 구성하여도 좋다.
레이저 공진기 내의 x축 방향에 있어서의 레이저 발진은, 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)의 폭이 기본파 레이저광 및 제 2 고조파 레이저광의 파장에 비해 충분히 크기 때문에, 도파로에 의한 모드의 선택은 행해지지 않고, 공간형의 공진기로 된다. 레이저 매질(5)에서는, 히트 싱크(2)의 빗 형상 구조에 의해, 2개의 빗살의 중심을 광축으로 하는 열 렌즈 효과가 주기적으로 발생하고 있다. 한편, 비선형 재료(7)의 x축 방향에는 굴절율 분포는 존재하지 않기 때문에, 자유로운 공간에서의 전파로 된다.
따라서, 레이저 발진의 모드는 레이저 매질(5)에서 발생하는 열 렌즈에 의해 주어지며, 각각의 광축에서 독립된 발진 모드를 생성한다. 독립된 각각의 발진 모드가 비선형 재료(7)를 포함한 공진기에서 저차 모드 또는 단일 모드만으로 되도록 레이저 매질(5)의 열 렌즈의 강도, 주기를 조정함으로써, 고휘도 발진이 실현 가능 하다.
또, 히트 싱크(2)의 빗 형상 구조에 있어서, 빗살은 반드시 등간격일 필요는 없으며, 예컨대 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 출력에 분포가 있는 경우에는, 발열량에 따라서 빗살의 간격을 변경함으로써, 레이저 매질(5)의 모든 발진 모드로 고휘도 발진이 실현 가능하다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)의 x축 방향은 공간형의 공진기로 되기 때문에, 자유롭게 x축 방향의 폭을 설정할 수 있다. 또한, 반도체 레이저(1)의 x축 방향에는 높은 빔 품질이 요구되지 않기 때문에, 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 폭에 맞춰 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)의 폭을 조정함으로써, 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 폭은 자유롭게 설정할 수 있다.
따라서, 고출력화가 용이한, 폭넓은 발광 영역을 갖는 브로드 에리어 LD나, 에미터를 일렬로 배치한 LD 어레이를 이용하여, 여기광의 고출력화를 도모하고, 고출력의 제 2 고조파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇아, 비선형 재료(7)에 입사하는 기본파 레이저광의 파워 밀도가 높아지기 때문에, 제 2 고조파 레이저광을 고효율로 출력하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇아, 여기광의 파워 밀도가 높아지기 때문에, 이득이 작은 레이저 매질이나, 하준위 흡수가 큰 삼준위 레이저 매질을 이용하여 높은 이득을 얻을 수 있다. 그 결과, 고효율로 기본파 레이저광을 출력하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇아, 여기광의 파워 밀도가 높아지기 때문에, 이득이 작은 레이저 매질이나, 하준위 흡수가 큰 삼준위 레이저 매질을 이용하여 높은 이득을 얻을 수 있다. 그 결과, 고효율로 기본파 레이저광을 발진시킬 수 있기 때문에, 고효율로 제 2 고조파 레이저광을 출력하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승이 작아져서, 온도 상승에 의해 이득의 저하가 발생하는 삼준위 레이저 매질을 이용하여 고효율로 기본파 레이저광을 출력할 수 있기 때문에, 고효율로 제 2 고조파 레이저광을 출력시키는 것이 가능하다.
또한, 반도체 레이저(1), 레이저 매질(5), 및 비선형 재료(7)를 근접하여 배치할 수 있기 때문에, 여기광용의 집광 광학계, 및 공진기를 구성하는 렌즈나 미러가 불필요하게 되어, 소형으로 염가의 레이저 장치를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 도 1에 도시한 도파로형의 레이저 장치에서는, 도파 모드의 이득／손실비에 의해, 레이저 발진은 직선 편광이 얻어지는 경우가 많다. 따라서, 기본파 레이저광에 직선 편광이 요구되는 비선형 재료(7)를 이용한 경우에도, 고효율로 제 2 고조파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 레이저 매질(5)로서 결정축 방향에 따라 이득이 다른 레이저 매질(호스트가, YLF, YVO4, GdVO4, KGW, KYW, Sapphire 등, 복굴절을 갖는 결정으로 이루어지는 레이저 매질)을 이용하면, 용이하게 이득이 높은 방향의 직선 편광 발진을 얻 을 수 있기 때문에, 기본파 레이저광에 직선 편광이 요구되는 비선형 재료(7)를 이용한 경우에도, 고효율로 제 2 고조파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 레이저 장치에서는, 레이저 매질(5)이 이득을 갖는 범위 내에서, 근소하게 파장이 다른 복수의 세로 모드에 의한 발진이 발생한다. SHG를 포함하는 파장 변환에서는, 기본파 레이저광의 발진 파장 영역이 넓은 경우, 위상 부정합에 의한 변환 효율의 저하가 발생한다. 따라서, 높은 변환 효율을 실현하기 위해서는, 좁은 파장 대역을 갖는 기본파 레이저광이 요구되며, 단일 세로 모드에 의한 발진이 바람직하다.
정재파형의 레이저 발진기에서는, 공진기 내부에서 정재파를 형성하기 때문에, 전계 강도가 0(zero)으로 되는 파절(波節;node)과, 전계 강도가 최대로 되는 파복(波腹;antinode)이 존재한다. 파장이 다르면, 각각의 파장의 정재파의 파복과 파절의 위치가 어긋나기 때문에, 광축(6) 방향으로 주기적으로 손실을 부여하면, 손실과 전계의 중첩에 의해, 파장마다 서로 다른 손실을 부여하는 것이 가능하며, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 1에 도시한 모드 제어 도파로형 레이저 장치에서는, y축 방향은 레이저 매질(5)의 내부에 갇힌 도파로의 모드에서 발진하는데, 클래드(4) 내부에도 누출에 의한 전계가 약간 존재한다. 따라서, 클래드(4)에 주기적인 손실을 부여함으로써, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시킬 수 있다. 또한, 클래드(4)의 굴절율이 주기적으로 변화하면, 레이저 매질(5) 내부의 레이저광의 가둠 강도가 변화하기 때문에, 주기적으로 손실을 부여하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.
클래드(4)에 손실을 부여하는 방법으로는, 예컨대 레이저광을 흡수하는 이온을 클래드(4)에 첨가하는 방법이 있으며, 1㎛의 레이저광에 대해서는 Cr4＋ 이온을 주기적으로 첨가하면 된다. 클래드(4)에 굴절율 변화를 부여하는 방법으로는, 예컨대 강도가 강한 레이저광의 간섭광을 클래드(4)에 조사하여, 주기적으로 굴절율을 변화시킴으로써 실현이 가능하다.
이와 같이 구성하면, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시킬 수 있기 때문에, 파장 변환에 적합한 기본파 레이저광의 발진을 얻는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)로서, 복수의 파장에 이득을 갖는 레이저 매질로 구성한 경우, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 각각의 파장에서 매우 큰 이득이 발생한다. 그 때문에, 소망하는 파장 이외의 파장의 반사가 레이저 매질(5)의 단면(5b)이나, 비선형 재료(7)의 단면(7a, 7b)에서 발생하면, 단면(5a)과 반사면 사이에서 불필요한 파장의 레이저 발진(기생 발진)이 발생하는 경우가 있다. 도 1에 도시한 모드 제어 도파로형 레이저 장치에서는, y축 방향은 레이저 매질(5)의 내부에 갇힌 도파로의 모드에서 발진하지만, 클래드(4) 내부에도 누출에 의한 전계가 약간 존재한다.
따라서, 클래드(4)에, 소망하는 파장에 대해서는 투과하고, 불필요한 파장을 흡수하는 재료를 이용하면, 불필요한 파장의 손실을 증가시켜 기생 발진을 억제할 수 있다. 클래드(4)에서 불필요한 파장을 흡수시키기 위해서는, 예컨대 소망하는 파장에 대해서는 흡수가 없고, 불필요한 파장을 흡수하는 이온을 유리 또는 결정(結晶)에 첨가한 것을 이용하면 된다.
또한, 도 1에 도시한 도파로형의 레이저 장치에서는, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 매우 큰 이득이 발생한다. 그 때문에, 기본파 레이저광을 투과하는 단면(5b) 또는 단면(7a)에서, 기본파 레이저광이 약간 반사되면, 반사면과 단면(5a) 사이에서 불필요한 레이저 발진(기생 발진)이 발생하는 경우가 있다.
한편, 도 1에 도시한 도파로형의 레이저 장치에서는, 단면(5b), 단면(7a)은 각각, 단면(5a), 단면(7b)과 평행할 필요는 없으며, 단면(5b) 및 단면(7a)을 레이저 매질(5)에서 발생하는 열 렌즈에 의해 주어지는 광축에 대하여 경사지게 하여도 좋다. 이 경우, 광축은 경사진 단면에서 굴절하여, 경사진 단면을 통과했을 때에 각도가 변화하지만, 단면(5a) 및 단면(7a)이 각도가 변화된 광축에 대하여 수직으로 설치되어 있으면, 전술한 마찬가지의 효과가 얻어진다.
이와 같이 구성하면, 단면(5b) 또는 단면(7a)에서 기본파 레이저광의 반사가 발생하더라도, 단면(5a)과의 사이에 안정된 공진기를 구성할 수가 없기 때문에, 기생 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 도파로형의 레이저 장치에서는, 레이저 매질의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 매우 큰 이득이 발생한다. 그 때문에, 단면(5a, 5b)에서 반사된 레이저광이 클래드(4)의 히트 싱크에 접합된 면 및 레이저 매질(5)의 상면에서 반사되어, 소망하는 도파로 모드와 다른 모드로 기생 발진을 발생시키는 경우가 있다. 그래서, 클래드(4)의 히트 싱크에 접합된 면에, 레이저광을 흡수하는 흡수막을 실시하고, 소망하는 도파로 모드와 다른 모드의 레이저광에 대한 손실을 증가시켜, 기생 발진을 억제할 수 있다. 흡수막은, 기생 발진의 레이저광 파장에 대하여 흡수를 갖는 재료를 이용하면 되며, 예컨대 Cr 금속막을 실시하면 된다. 이와 같이 구성하면, 소망하는 도파로 모드는, 레이저 매질(5)과, 클래드(4)에 약간 배어나올 뿐이므로, 흡수막에 의한 손실은 발생하지 않아, 기생 발진을 억제할 수 있다.
또한, 전술한 레이저 장치에서는, 단면(7a)은 기본파 레이저광을 투과하고, 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막을 실시하는 것으로 하였지만, 단면(5a)에 기본파 레이저광 및 제 2 고조파 레이저광을 전반사하는 전반사막을 실시하고, 단면(7a)을 기본파 레이저광 및 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 반사 방지막을 실시하더라도, 동일한 효과가 얻어지는 것은 분명하다.
또한, 반도체 레이저(1)는, 레이저 매질(5)의 단면(5a)에 근접하여 배치하는 것으로 하였지만, yz 면에 평행한 측면에 근접하여 배치하여도 좋다. 이와 같이 배치하면, 기본파 레이저광의 누설광이 반도체 레이저(1)에 직접 입사되지 않기 때문에, 반도체 레이저(1)의 파손 가능성이 저감되어, 신뢰성이 높은 레이저 장치를 구성할 수 있다.
또, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 제 2 클래드를 접합하여도 좋다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 제 2 클래드의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 제 2 클래드의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 제 2 접합제를 거쳐서 기판을 접합하여도 좋다. 제 2 접합제는, 예컨대 광학 접착제가 이용된다. 또한, 기판은, 예컨대 광학 재료, 금속 등이 이용된다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 접합제의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 기판의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다.
또, 레이저 매질(5)의 온도 상승에 의해 열 팽창이 발생한 경우, 광학 접착제는 결정이나 유리 재료에 비해 강성이 낮기 때문에, 레이저 매질(5)의 팽창에 맞춰 변형되므로, 레이저 매질(5)에 부여하는 응력을 완화시키는 것이 가능하다.
또, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 광학막을 실시하고, 광학막의 표면에, 옵티컬 콘택트나 확산 접합에 의해 레이저 매질(5)과 거의 동일한 열 팽창율을 갖는 기판을 더 접합하여도 좋다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 광학막의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 기판의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고 서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다.
또, 레이저 매질(5)과 기판은 거의 동일한 열 팽창율을 갖기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승에 의해 열 팽창이 발생한 경우, 기판도 거의 동일한 비율로 팽창한다. 그 때, 광학막은 결정이나 유리 재료에 비해 밀도가 낮아, 강성이 낮기 때문에, 기판의 팽창에 맞춰 변형되어, 레이저 매질(5)에 부여하는 응력을 완화시키는 것이 가능하다. 또한, 광학막과 기판을 접합할 때에, 광학 접합이 용이한 광학막 재료와 기판을 선택함으로써, 접합의 강도를 높이는 것이 가능하다.
또한, 전술한 레이저 매질(5)은 두께가 수~수십㎛이기 때문에, 단체(單體)로 제조하는 것은 곤란하다. 그래서, 예컨대 도 5a~도 5f에 개시한 방법에 의해 제조하는 것이 가능하다.
도 5a에 있어서, 우선, 레이저 매질(5)의 일면을 연마한다.
도 5b에 있어서, 다음에, 도 5a에서 연마한 면에, 레이저 매질(5)보다 작은 굴절율을 갖는 기판을 옵티컬 콘택트나 확산 접합 등에 의해 직접 접합하거나, 금속이나 광학 재료로 구성된 기판을 레이저 매질(5)보다 작은 굴절율을 갖는 광학 접착제에 의해 접합하거나, 또는 레이저 매질(5)보다 작은 굴절율을 갖는 광학막을 레이저 매질에 실시한 후, 광학막에 기판을 옵티컬 콘택트나 확산 접합 등에 의해 접합한다.
도 5c에 있어서, 레이저 매질(5)의 기판을 접합한 면과 대향하는 면의 연마를 실시하여, 레이저 매질(5)을 소망하는 두께로 한다.
도 5d에 있어서, 레이저 매질(5)보다 작은 굴절율을 갖는 클래드(4)를 증착 하거나, 또는 광학 접합이나 광학 접착제를 이용해 접합하여, 기판, 레이저 매질(5), 클래드(4)를 일체화한 도파로를 제조한다.
도 5e에 있어서, 일체화한 도파로를 절단하여, 소망하는 크기의 도파로를 복수 제작한다.
도 5f에 있어서, 클래드(4)와 히트 싱크(2)를 접합제를 이용하여 접합한다.
이상에 의해, 다수의 일체화한 도파로를 동시에 제조하는 것이 가능하여, 제조 비용의 저감을 도모할 수 있다. 제조 후, 레이저 매질(5) 단체로의 강성이 충분하면, 기판은 제거하여도 좋다.
또한, 레이저 매질(5)과 클래드(4)는, 동일한 호스트 재료로 제조하는 것도 가능하다. 일반적으로, 호스트 재료에 활성 이온을 첨가하여 레이저 매질을 제조한 경우, 호스트 재료와 레이저 매질은 근소하게 굴절율이 변화한다. 그래서, 활성 이온을 첨가하면 굴절율이 높아지는 호스트 재료를 이용하여, 레이저 매질(5)의 영역에만 활성 이온을 첨가하고, 클래드(4)는 활성 이온을 첨가하지 않도록 하면, 동일한 효과가 얻어진다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 클래드(4)를 옵티컬 콘택트 또는 확산 접합에 의해 광학적으로 접합한 경우에, 동종 재료의 접합이 되기 때문에, 높은 접합 강도를 얻을 수 있다. 또한, 결정을 분쇄하여 가루 형상으로 가공해서 압축 성형한 후에 소결하는 세라믹 제조 방법에 의해, 활성 이온이 첨가된 레이저 매질(5), 활성 이온이 첨가되어 있지 않은 클래드(4)를 일체적으로 제조하는 것도 가능하다. 또한, 세라믹 제조 방법을 이용한 경우, 결정에 비해서 활성 이온을 고농 도로 첨가할 수 있으므로, 레이저 매질(5)의 고흡수효율화, 고이득화를 도모할 수 있다.
또한, 전술한 히트 싱크(2)는, 광축(6)에 수직인 단면에서 빗 형상을 갖는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)의 내부에 온도 분포를 발생할 수 있는 형상이면, 어떠한 형상이어도 좋다. 도 6은 히트 싱크 형상의 다른 예를 설명한 것으로, 히트 싱크(2A), 접합제(3A), 클래드(4) 및 레이저 매질(5)을 도시하고 있다.
클래드(4) 및 레이저 매질(5)은, 도 3에 도시한 클래드(4) 및 레이저 매질(5)과 동일한 구성을 갖고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 3에서 도시한 클래드(4) 및 레이저 매질(5)과 동일한 기능을 갖는다.
히트 싱크(2A)는, 열전도도가 큰 재료로 구성되며, 광축(6)에 수직인 단면(xy 평면)에서 주기적인 요철 형상을 갖는다. 히트 싱크(2A)의 요철면은 접합제(3A)를 거쳐서 클래드(4)와 접합된다.
통상, 히트 싱크(2A)와 접합제(3A)는 서로 다른 열전도도를 갖는다. 접합제(3A)가 히트 싱크(2A)에 비해 작은 열전도도를 갖는 경우, 도 6에 있어서, 접합제(3A)의 두께가 얇은 부분, 즉 히트 싱크(2A)의 볼록부는 열방출의 효율이 높아 온도가 저하되고, 접합제(3A)의 두께가 두꺼운 부분, 즉 히트 싱크(2A)의 오목부는 열방출의 효율이 낮아 온도가 높아진다.
그 결과, 레이저 매질(5)의 x축 방향에는, 히트 싱크(2A)의 오목부를 광축으로 한 열 렌즈 효과가 발생하여, 빗 형상의 히트 싱크(2)와 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 이와 같이 구성하면, 클래드(4)의 열방출측의 전면(全面)이 접합제(3A) 에 접합되어, 레이저 매질(5)에서 발생한 열을 방출하기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 클래드(4)의 열방출측의 전면이 접합제(3A)에 접합되기 때문에, 클래드(4)를 빗 형상의 선단에서만 고정한 경우에 비해서, 높은 강성이 얻어진다.
또, 도 1에서 나타낸 모드 제어 도파로형 레이저 장치에서는, 레이저 매질(5)로서 반도체 레이저(1)에 의해 여기되어 이득을 발생하는 고체 레이저 매질(5)을 이용하였지만, 도 7에 도시한 바와 같이, 레이저 매질(5)로서 반도체 레이저(5A)를 이용하여도 좋다.
반도체 레이저(5A)는, 도시하지는 않았지만, 반도체 레이저(5A)의 상하면에 전압을 인가하여 전류를 흘리는 것에 의해, 소망하는 파장의 레이저광에 이득을 발생시킨다. 그 때, 전류의 일부가 열로 변환되어 반도체 레이저(5A) 내에서 열이 발생한다.
따라서, 도 2에 도시한 바와 같이, 히트 싱크(2)를 이용하는 것에 의해 x축 방향으로 2개의 빗살의 중심부를 광축으로 한 주기적인 열 렌즈 효과가 발생한다.
이와 같이 구성하면, 도 1에 도시한 모드 제어 도파로형 레이저 장치에 비해 부품수를 저감시킬 수 있기 때문에, 제조 비용을 저감할 수 있다. 또한, 광학 부품이 적기 때문에, 조정이 적으며, 신뢰성이 높은 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 구성할 수 있다.
실시예 2
파장 선택을 하지 않는 통상의 레이저 공진기에서는, 레이저 매질이 이득을 갖는 범위 내에서, 근소하게 파장이 다른 복수의 세로 모드에 의한 발진이 발생하여, 발진 파장 영역이 넓어진다. SHG를 포함하는 파장 변환에서는, 기본파 레이저광의 발진 파장 영역이 넓은 경우, 위상 부정합에 의한 변환 효율의 저하가 발생한다. 따라서, 높은 변환 효율을 실현하기 위해서는, 좁은 파장 대역을 갖는 기본파 레이저광이 요구되며, 단일 세로 모드에 의한 발진이 바람직하다.
상기 실시예 1에서는, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시키는 방법으로서, 클래드(4)에 손실을 부여하는 방법에 대하여 설명하였다. 그러나, 클래드(4)에 손실을 부여한 경우, 소망하는 파장에도 손실이 발생하여, 기본파 레이저광의 효율이 저하되어 버린다.
본 실시예 2에서는, 파장을 선택하는 소자를 이용하여, 상기 불량을 해소하는 구성을 개시하는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 측면도이다. 도 8에 있어서, 새로운 부호로서, 참조 부호 "8"은 파장 선택 도파로이고, 반도체 레이저(1)~비선형 재료(7)는 도 1에 도시한 반도체 레이저(1)~비선형 재료(7)와 동일한 구성을 나타내고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 1에서 도시한 반도체 레이저(1)~비선형 재료(7)와 동일한 기능을 갖는다.
파장 선택 도파로(8)는, 광축(6)에 수직인 단면이 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)와 거의 동일한 형상을 갖고, 광축(6)에 수직인 단면(8a, 8b)을 가지며, 단 면(8a)이 비선형 재료(7)의 단면(7b)에 근접하여 배치된다.
파장 선택 도파로(8)는, 소망하는 파장의 기본파 레이저광을 전반사하고, 그 밖의 파장의 기본파 레이저광 및 제 2 고조파 레이저광을 투과한다. 파장 선택 도파로(8)가 반사하는 파장 대역은, 비선형 재료(7)에 있어서의 파장 변환에서 발생하는 위상 부정합이 충분히 작아지도록 설정되어 있다.
파장 선택 도파로(8)의 반사에 파장 선택성을 부여하는 방법으로는, 예컨대 파장 선택 도파로(8)의 단면(8b)에 소망하는 파장을 반사하고 그 밖의 파장을 투과하는 광학막을 실시하는 방법이나, 파장 선택 도파로(8)에 광축(6)의 방향으로 굴절율 분포를 부여하고, 소망하는 파장만을 반사하는 회절 격자를 구성하면 된다. 광학막은, 예컨대 유전체 다층막으로 구성된다. 또한, 모드 제어 도파로(8)에 굴절율 변화를 부여하는 방법으로는, 예컨대 강도가 강한 레이저광의 간섭광을 모드 제어 도파로(8)에 조사하고, 주기적으로 굴절율을 변화시킴으로써 실현이 가능하다.
또한, 파장 선택 도파로(8)는, y축에 수직인 상하면을 공기, 또는 도시하지는 않았지만, 파장 선택 도파로(8)에 비해 작은 굴절율을 갖는 클래드에 의해 사이에 끼여 있고, 두께가 파장의 수~수십배 정도이기 때문에, y축 방향은 도파로로서 동작한다. 파장 선택 도파로(8)는, 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)의 도파로 모드와 거의 동일한 도파로 모드를 갖는다.
기본파 레이저 발진은, 레이저 매질(5)의 광축(6)에 수직인 단면(5a) 및 파장 선택 도파로(8) 사이에서 발생하며, 단면(5a)은 기본파 레이저광을 반사하는 전 반사막, 단면(5b)은 기본파 레이저광을 투과하는 반사 방지막, 단면(7a)은 기본파 레이저광을 투과하고 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막, 단면(7b)은 기본파 레이저광과 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 반사 방지막이 실시되어 있다. 이들 전반사막, 반사 방지막 및 광학막은, 예컨대 유전체 박막을 적층하여 구성된다.
이와 같이 구성하면, 손실을 부여하지 않고 소망하는 파장의 기본파 레이저광의 레이저 발진을 얻을 수 있기 때문에, 비선형 재료(7)에 있어서 제 2 고조파로의 높은 변환 효율을 실현할 수 있다.
또한, 도 8에 도시한 레이저 장치에서는, 파장 선택 도파로(8)는 레이저 매질(5) 및 비선형 재료(7)의 도파로 모드와 거의 동일한 도파로 모드를 갖는 것으로 하였지만, 파장 선택 도파로(8)의 y축 방향의 두께 및 클래드의 굴절율을 조정하여, 저차 모드 또는 단일 모드만을 도파하도록 구성하여도 좋다.
이와 같이 구성하면, y축 방향의 레이저 발진은 공진기 중의 가장 저차 모드로 제한되기 때문에, 레이저 매질(5), 및 비선형 재료(7)의 y축 방향으로 소망하는 도파 모드가 얻어지지 않는 경우에도, 파장 선택 도파로(8)의 저차 모드 또는 단일 모드에서 발진하기 때문에, 고휘도 발진이 실현 가능하다.
실시예 3
본 실시예 3은, 1개의 레이저 장치로부터 복수 파장의 제 2 고조파 레이저광을 출력하는 구성을 개시하는 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 모드 제어 도파로형 파장 변환 레이저 장 치의 레이저 매질과 비선형 재료를 도시한 도면이다. 도 9에 있어서, 레이저 매질(5)과 비선형 재료(7A~7C)는, 각각 도 1에 도시한 레이저 매질(5)과 비선형 재료(7)와 동일한 구성을 나타내고 있으며, 명시하지 않는 한 도 1에 도시한 레이저 매질(5)과 비선형 재료(7)와 동일한 기능을 갖는다.
레이저 매질(5)의 x축 방향은, 히트 싱크(2)의 2개의 빗살의 중심을 광축으로 한 복수의 독립된 발진 모드가 형성되어 있다. 따라서, 레이저 매질(5)의 단면(5a), 단면(5b)에 실시된 전반사막, 부분 반사막의 파장 특성을 발진 모드마다 변화시키고, 또한 각각의 파장으로 제 2 고조파 레이저광으로 변환되도록 설계된 복수의 비선형 재료(7A~7C)를 나열함으로써, 1개의 레이저 장치로부터 복수의 파장을 갖는 고휘도의 제 2 고조파 레이저광 출력을 얻을 수 있다.
레이저 매질(5)은, 복수의 파장에 이득을 갖는 레이저 매질로 구성되어 있으며, 예컨대 946㎚(파장 1), 1064㎚(파장 2), 1338㎚(파장 3)에 이득을 갖는 Nd:YAG로 구성된다. 영역 A~C는 각각, 출력되는 제 2 고조파 레이저광의 범위를 나타낸다.
도 9에 있어서, 레이저 매질(5)의 영역 A에 있어서의 단면(5a)에는 파장 1을 전반사하고, 파장 2, 파장 3을 투과하는 광학막, 레이저 매질(5)의 영역 A에 있어서의 단면(5b)에는 파장 1~3을 투과하는 광학막, 비선형 재료(7A)의 단면(7Aa)에는 파장 1~3을 투과하고 파장 1의 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막, 비선형 재료(7A)의 단면(7Ab)에는 파장 1을 전반사하고, 파장 2, 파장 3, 및 파장 1의 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 광학막이 실시되어 있다.
마찬가지로, 레이저 매질(5)의 영역 B에 있어서의 단면(5a)에는 파장 2를 전반사하고, 파장 1, 파장 3을 투과하는 광학막, 레이저 매질(5)의 영역 B에 있어서의 단면(5b)에는 파장 1~3을 투과하는 광학막, 비선형 재료(7B)의 단면(7Ba)에는 파장 1~3을 투과하고 파장 2의 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막, 비선형 재료(7B)의 단면(7Bb)에는 파장 2를 전반사하고, 파장 1, 파장 3, 및 파장 2의 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 광학막이 실시되어 있다.
마찬가지로, 레이저 매질(5)의 영역 C에 있어서의 단면(5a)에는 파장 3을 전반사하고, 파장 2, 파장 3을 투과하는 광학막, 레이저 매질(5)의 영역 C에 있어서의 단면(5b)에는 파장 1~3을 투과하는 광학막, 비선형 재료(7C)의 단면(7Ca)에는 파장 1~3을 투과하고 파장 3의 제 2 고조파 레이저광을 반사하는 광학막, 비선형 재료(7C)의 단면(7Cb)에는 파장 3을 전반사하고, 파장 1, 파장 2, 및 파장 3의 제 2 고조파 레이저광을 투과하는 광학막이 실시되어 있다.
따라서, 영역 A에서는 파장 1의 레이저 발진이 발생하여 파장 1의 제 2 고조파 레이저광만이 출력되고, 영역 B에서는 파장 2의 레이저 발진이 발생하여 파장 2의 제 2 고조파 레이저광만이 출력되며, 영역 C에서는 파장 3의 레이저 발진이 발생하여 파장 3의 제 2 고조파 레이저광만이 출력된다.
이와 같이 구성하면, 1개의 레이저 장치로부터 복수 파장의 제 2 고조파 레이저광을 동시에 출력할 수 있기 때문에, 소형의 레이저 장치를 구성하는 것이 가능하다. 또, 전술한 예에서는 파장의 수를 3개로 하였지만, 2 파장 이상이면 동일한 효과가 얻어지는 것은 분명하다. 또한, 최대로, 독립적으로 발진하는 발진 모 드의 수의 파장을 동시에 출력시키는 것이 가능하다.
또한, 비선형 재료(7A~7C)의 재료로서 주기 분극 반전 구조를 갖는 비선형 재료를 이용하여, 1개의 기판에 각각의 파장에 최적화된 복수의 반전 주기 구조를 제작하여도 좋다. 이와 같이 구성하면, 비선형 재료(7A~7C)를 일체적으로 구성할 수 있기 때문에, 광학 부품의 수를 감소할 수 있어, 염가이면서 소형의 파장 변환 레이저 장치를 구성할 수 있다.
실시예 4
상기 실시예 1에서는, 독립된 복수의 공진기 모드로 기본파 레이저광을 발진하고, 비선형 재료에 의해 공진기 내에서 파장 변환을 하여, 고효율로 제 2 고조파 레이저광을 출력하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 개시하였다. 한편, 파장 변환 방식의 방식으로서, 기본파 레이저광을 공진기 외부로 출력하고, 출력된 기본파 레이저광을 비선형 재료에 입사시켜 파장 변환하는 외부 파장 변환 방식이 있다.
이 방식에서는, 기본파 레이저광을 출력하는 레이저 장치와, 파장 변환을 하는 비선형 재료를 개별적으로 구성할 수 있기 때문에, 설계가 용이하게 된다고 하는 특징이 있다. 한편, 기본파 레이저광의 파워 밀도는, 동일한 빔 직경이더라도 공진기 내부에 비해 공진기 외부 쪽이 작아지며, 고효율의 파장 변환을 실현하기 위해서는 작은 빔 직경에 집광할 수 있는 고휘도의 기본파 레이저광 출력이 요구된다.
본 실시예 4는 외부 파장 변환에 적합한, 독립된 복수의 모드에서 발진하여, 고휘도의 기본파 레이저광을 출력하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 실현하는 것이다.
도 10과 도 11은 본 발명의 실시예 4에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 도면이며, 도 10은 레이저 장치를 측면에서 본 돋면, 도 11은 레이저 장치를 상면에서 본 도면이다. 도 10과 도11에 도시한 본 실시예 4에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치는, 반도체 레이저(1), 히트 싱크(굴절율 분포 부가 수단)(2), 접합제(3), 클래드(저(低)굴절율부)(4), 레이저 매질(5)로 구성된다. 또한, 참조 부호 "6"은 레이저 발진 방향을 나타내는 광축이다. 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)은 도 1에 도시한 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)과 동일한 구성을 나타내고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 1에서 도시한 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)과 동일한 기능을 갖는다.
여기서, 레이저 매질(5)의 단면(5a)은 기본파 레이저광을 반사하는 전반사막, 단면(5b)은 기본파 레이저광의 일부를 반사하고, 일부를 투과하는 반사 방지막이 실시되어 있다. 이들 전반사막 및 부분 반사막은, 예컨대 유전체 박막을 적층하여 구성된다. 또, 반도체 레이저(1)로부터 출력되는 여기광을 레이저 매질(5)의 단면(5a)으로부터 입사시키는 경우에는, 단면(5a)의 전반사막은 여기광을 투과하고 기본파 레이저광을 반사하는 광학막으로 된다.
다음에, 동작에 대하여 도 10을 이용하여 설명한다.
레이저 매질(5)의 단면(5a)으로부터 입사된 여기광은, 레이저 매질(5)에서 흡수되어, 레이저 매질(5) 내부에서 기본파 레이저광에 대한 이득을 발생한다. 레이저 매질(5) 내부에서 발생한 이득에 의해, 기본파 레이저광은, 레이저 매질(5)의 광축(6)에 수직인 단면(5a) 및 단면(5b) 사이에서 레이저 발진하여, 발진광의 일부가 단면(5b)으로부터 공진기 외부로 출력된다.
레이저 공진기 내의 y축 방향에 있어서의 레이저 발진은, 레이저 매질(5)의 도파로의 모드에서 선택적으로 발진한다. 레이저 매질(5)의 도파 모드는, 두께, 클래드와의 굴절율 차에 따라 임의로 설정 가능하며, 저차 모드 또는 단일 모드만 도파시켜 고휘도 발진이 실현 가능하다.
레이저 공진기 내의 x축 방향에 있어서의 레이저 발진은, 레이저 매질(5)의 폭이, 기본파 레이저광의 파장에 비해 충분히 크기 때문에, 도파로에 의한 모드의 선택은 행해지지 않고, 공간형의 공진기로 된다. 레이저 매질(5)에서는, 히트 싱크(2)의 빗 구조에 의해, 2개의 빗살의 중심을 광축으로 하는 열 렌즈 효과가 주기적으로 발생하고 있기 때문에, 레이저 발진의 모드는 레이저 매질(5)에서 발생하는 열 렌즈에 의해 부여되며, 각각의 광축에서 독립된 발진 모드를 생성한다. 독립된 각각의 발진 모드가 저차 모드 또는 단일 모드만으로 되도록, 레이저 매질(5)의 열 렌즈의 강도, 주기를 조정함으로써, 고휘도 발진이 실현 가능하다.
또, 히트 싱크(2)의 빗살 구조는 반드시 등간격일 필요는 없으며, 예컨대 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 출력에 분포가 있는 경우에는, 발열량에 따라 빗살의 간격을 바꿈으로써, 레이저 매질(5)의 모든 독립된 발진 모드로 고휘도 발진이 실현 가능하다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)의 x축 방향은 공간형의 공진기이기 때문에, 자유롭게 x축 방향의 폭을 설정할 수 있다. 또한, 반도체 레이저(1)의 x축 방향에는 높은 빔 품질이 요구되지 않기 때문에, 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 폭에 맞춰 레이저 매질(5)의 폭을 조정함으로써, 반도체 레이저(1)의 x축 방향의 폭은 자유롭게 설정할 수 있다. 따라서, 고출력화가 용이한, 폭이 넓은 발광 영역을 갖는 브로드 에리어 LD나, 에미터를 일렬로 배치한 LD 어레이를 이용하여, 여기광의 고출력화를 도모하고, 파장 변환에 적합한 고휘도이면서 고출력의 기본파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇아, 여기광의 파워 밀도가 높아지기 때문에, 이득이 작은 레이저 매질이나, 하준위 흡수가 큰 삼준위 레이저 매질을 이용하여 높은 이득을 얻을 수 있어, 파장 변환에 적합한 고휘도의 기본파 레이저광을 고효율로 출력하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승이 작아져서, 온도 상승에 의해 이득의 저하가 발생하는 삼준위 레이저 매질을 이용하여, 파장 변환에 적합한 고휘도의 기본파 레이저광을 고효율로 출력하는 것이 가능하다.
또한, 반도체 레이저(1)를 레이저 매질(5)에 근접하여 배치할 수 있기 때문에, 여기광용의 집광 광학계, 공진기를 구성하는 광학계가 불필요하게 되어, 소형이면서 염가의 레이저 장치를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 공진기의 얼라인먼트 조정이 불필요하기 때문에, 신뢰성이 높은 레이 저 장치를 구성하는 것이 가능하다.
또한, 도 10에 도시한 도파로형의 레이저 장치에서는, 도파 모드의 이득／손실비에 따라, 레이저 발진은 직선 편광이 얻어지는 경우가 많다. 따라서, 파장 변환에 있어서 기본파 레이저광에 직선 편광이 요구되는 경우에도, 파장 변환에 적합한 고휘도의 기본파 레이저광을 출력할 수 있다. 또한, 레이저 매질(5)로서 결정축 방향에 따라 이득이 서로 다른 레이저 매질(호스트가, YLF, YVO4, GdVO4, KGW, KYW, Sapphire 등, 복굴절을 갖는 결정으로 이루어지는 레이저 매질)을 이용하면, 용이하게 이득이 높은 방향의 직선 편광 발진을 얻을 수 있기 때문에, 파장 변환에 있어서 기본파 레이저광에 직선 편광이 요구되는 경우에도, 파장 변환에 적합한 고휘도의 기본파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 도 1에 도시한 레이저 장치에서는, 레이저 매질(5)이 이득을 갖는 범위 내에서, 근소하게 파장이 다른 복수의 세로 모드에 의한 발진이 발생한다. SHG를 포함하는 파장 변환에서는, 기본파 레이저광의 발진 파장 영역이 넓은 경우, 위상 부정합에 의한 변환 효율의 저하가 발생한다. 따라서, 높은 변환 효율을 실현하기 위해서는, 좁은 파장 대역을 갖는 기본파 레이저광이 요구되며, 단일 세로 모드에 의한 발진이 바람직하다.
정재파형의 레이저 발진기에서는, 공진기 내부에서 정재파를 형성하기 때문에, 전계 강도가 0(zero)으로 되는 파절과, 전계 강도가 최대로 되는 파복의 부분이 존재한다. 파장이 서로 다르면, 각각의 파장의 정재파의 파복과 파절의 위치가 어긋나기 때문에, 광축(6) 방향으로 주기적으로 손실을 부여하면, 손실과 전계의 중첩에 의해 파장마다 서로 다른 손실을 부여하는 것이 가능하며, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시키는 것이 가능해진다.
또한, 도 10에 도시한 모드 제어 도파로형 레이저 장치에서는, y축 방향은 레이저 매질(5)의 내부에 갇힌 도파로의 모드에서 발진하지만, 클래드(4) 내부에도 누출에 의한 전계가 약간 존재한다. 따라서, 클래드(4)에 주기적인 손실을 부여하는 것에 의해, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시킬 수 있다.
또한, 클래드(4)의 굴절율이 주기적으로 변화하면, 레이저 매질(5) 내부의 레이저광의 가둠 강도가 변화하기 때문에, 주기적으로 손실을 부여하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.
클래드(4)에 손실을 부여하는 방법으로는, 예컨대, 레이저광을 흡수하는 이온을 클래드(4)에 첨가하는 방법이 있으며, 1㎛의 레이저광에 대해서는 Cr4＋ 이온을 주기적으로 첨가하면 된다. 클래드(4)에 굴절율 변화를 부여하는 방법으로는, 예컨대 강도가 강한 레이저광의 간섭광을 클래드(4)에 조사하고 주기적으로 굴절율을 변화시킴으로써 실현이 가능하다. 이와 같이 구성하면, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시킬 수 있기 때문에, 파장 변환에 적합한 기본파 레이저광의 발진을 얻는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)로서, 복수의 파장에 이득을 갖는 레이저 매질로 구성한 경우, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 두께가 얇기 때문에, 각각의 파장에서 매우 큰 이득이 발생한다. 그 때문에, 소망하는 파장 이외의 파장의 반사가 레이저 매 질(5)의 단면(5b)에서 발생하면, 단면(5a)과 반사면 사이에서 불필요한 파장의 레이저 발진(기생 발진)이 발생하는 경우가 있다.
도 10에 도시한 모드 제어 도파로형 레이저 장치에서는, y축 방향은 레이저 매질(5)의 내부에 갇힌 도파로의 모드에서 발진하지만, 클래드(4) 내부에도 누출에 의한 전계가 약간 존재한다. 따라서, 클래드(4)에, 소망하는 파장에 대해서는 투과하고, 불필요한 파장을 흡수하는 재료를 이용하면, 불필요한 파장의 손실을 증가시켜서 기생 발진을 억제할 수 있다. 클래드(4)에서 필요한 파장을 흡수시키기 위해서는, 예컨대 소망하는 파장에 대해서는 흡수가 없고, 불필요한 파장을 흡수하는 이온을 유리 또는 결정에 첨가한 것을 이용하면 된다.
또한, 반도체 레이저(1)는, 레이저 매질(5)의 단면(5a)에 근접하여 배치하는 것으로 하였지만, yz 면에 평행한 측면에 근접하여 배치하여도 좋다. 이와 같이 배치하면, 기본파 레이저광의 누설광이 반도체 레이저(1)에 직접 입사되지 않기 때문에, 반도체 레이저(1)의 파손의 가능성이 저감되어, 신뢰성이 높은 레이저 장치를 구성할 수 있다.
또, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하고 있는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 제 2 클래드를 접합하여도 좋다. 이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 제 2 클래드의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 제 2 클래드의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하고 있는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 제 2 접합제를 거쳐 기판을 접합하여도 좋다. 제 2 접합제는, 예컨대 광학 접착제가 이용된다. 또, 기판은, 예컨대 광학 재료, 금속 등이 이용된다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 접합제의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 기판의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다. 또, 레이저 매질(5)의 온도 상승에 의해 열 팽창이 발생한 경우, 광학 접착제는 결정이나 유리 재료에 비해 강성이 낮기 때문에, 레이저 매질(5)의 팽창에 맞춰 변형되므로, 레이저 매질(5)에 부여하는 응력을 완화시키는 것이 가능하다.
또, 레이저 매질(5)의 클래드(4)가 접합된 면에 대향한 면은 공기에 접하고 있는 것으로 하였지만, 레이저 매질(5)에 비해 작은 굴절율을 갖는 광학막을 실시하고, 광학막의 표면에, 옵티컬 콘택트나 확산 접합에 의해 레이저 매질(5)과 거의 동일한 열 팽창율을 갖는 기판을 더 접합하여도 좋다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 광학막의 굴절율 차를 조정함으로써, 레이저 매질(5)의 y축 방향의 전파 모드를 임의로 조정할 수 있다. 또한, 기판의 y축 방향의 두께를 두껍게 하면, 레이저 매질(5)의 도파 모드에 영향을 주지 않고서 레이저 매질(5)의 강성을 높게 하는 것이 가능하다. 또, 레이저 매질(5)과 기판은 거의 동일한 열 팽창율을 갖기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승에 의해 열 팽창이 발생한 경우, 기판도 거의 동일한 비율로 팽창한다. 그 때, 광학막은 결정이나 유리 재료에 비해 밀도가 낮아, 강성이 낮기 때문에, 기판의 팽창에 맞춰 변형되어, 레이저 매질(5)에 부여하는 응력을 완화시키는 것이 가능하다. 또한, 광학막과 기판을 접합할 때에, 광학 접합이 용이한 광학막 재료와 기판을 선택함으로써, 접합의 강도를 높이는 것이 가능하다.
또한, 레이저 매질(5)과 클래드(4), 및 상기 제 2 클래드는, 동일한 호스트 재료로 제조하는 것도 가능하다. 일반적으로, 호스트 재료에 활성 이온을 첨가하여 레이저 매질을 제조한 경우, 호스트 재료와 레이저 매질은, 근소하게 굴절율이 변화한다. 그래서, 활성 이온을 첨가하면 굴절율이 높아지는 호스트 재료를 이용하여, 레이저 매질(5)의 영역에만 활성 이온을 첨가하고, 클래드(4) 및 제 2 클래드는 활성 이온을 첨가하지 않도록 하면, 동일한 효과가 얻어진다.를 얻을 수 있다.
이와 같이 구성하면, 레이저 매질(5)과 클래드(4), 및 레이저 매질(5)과 제 2 클래드를 옵티컬 콘택트, 또는 확산 접합에 의해 광학적으로 접합한 경우에, 동종 재료의 접합이 되기 때문에, 높은 접합 강도가 얻어진다. 또한, 결정을 분쇄하여 가루 형상으로 가공해서 압축 성형한 후에 소결한 세라믹 제조 방법에 의해, 활성 이온이 첨가된 레이저 매질(5), 활성 이온이 첨가되어 있지 않은 클래드(4) 및 제 2 클래드를 일체적으로 제조하는 것도 가능하다. 또한, 세라믹 제조 방법을 이용한 경우, 결정에 비해 활성 이온을 고농도로 첨가할 수 있으므로, 레이저 매질(5)의 고흡수효율화, 고이득화를 도모하는 것이 가능하다.
실시예 5
파장 선택을 하지 않는 통상의 레이저 공진기에서는, 레이저 매질이 이득을 갖는 범위 내에서, 근소하게 파장이 다른 복수의 세로 모드에 의한 발진이 발생하여, 발진 파장 영역이 넓어진다. SHG를 포함하는 파장 변환에서는, 기본파 레이저광의 발진 파장 영역이 넓은 경우, 위상 부정합에 의한 변환 효율의 저하가 발생한다. 따라서, 높은 변환 효율을 실현하기 위해서는, 좁은 파장 대역을 갖는 기본파 레이저광이 요구되며, 단일 세로 모드에 의한 발진이 바람직하다.
상기 실시예 4에서는, 소망하는 파장만을 선택적으로 발진시키는 방법으로서, 클래드(4)에 손실을 부여하는 방법에 대하여 설명하였다. 그러나, 클래드(4)에 손실을 부여한 경우, 소망하는 파장에도 손실이 발생하여, 기본파 레이저광의 효율이 저하되어 버린다.
본 실시예 5에서는, 파장을 선택하는 소자를 이용하여 상기 불량을 해소하는 구성을 개시하는 것이다.
도 12는, 본 발명의 실시예 5에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시한 측면도이다. 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)은, 도 10에 도시한 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)과 동일한 구성을 나타내고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 10에서 도시한 반도체 레이저(1)~레이저 매질(5)과 동일한 기능을 갖는다. 또한, 파장 선택 소자(8A)는 도 8에 도시한 파장 선택 소자(8)과 동일한 구성을 나타내고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 8에서 나타낸 파장 선택 소자(8)와 동일한 기능을 갖는다.
파장 선택 도파로(8A)는, 광축(6)에 수직인 단면이 레이저 매질(5)과 거의 동일한 형상을 갖고, 광축(6)에 수직인 단면(8a, 8b)을 가지며, 단면(8a)이 레이저 매질(5)의 단면(5b)에 근접하여 배치된다.
파장 선택 도파로(8A)는, 소망하는 파장의 기본파 레이저광의 일부를 반사하고, 그 밖의 파장의 기본파 레이저광을 투과한다. 파장 선택 도파로(8A)가 반사하는 파장 대역은, 공진기 외부에 설치하는 비선형 재료에 있어서의 파장 변환에서 발생하는 위상 부정합이 충분히 작아지도록 설정되어 있다.
파장 선택 도파로(8A)의 반사에 파장 선택성을 부여하는 방법으로는, 예컨대 파장 선택 도파로(8A)의 단면(8b)에 소망하는 파장을 반사하고 그 밖의 파장을 투과하는 광학막을 실시하는 방법이나, 파장 선택 도파로(8A)에 광축(6)의 방향으로 굴절율 분포를 부여하고, 소망하는 파장만을 반사하는 회절 격자를 구성하면 된다. 광학막은, 예컨대 유전체 다층막으로 구성된다. 또한, 모드 제어 도파로(8A)에 굴절율 변화를 부여하는 방법으로는, 예컨대 강도가 강한 레이저광의 간섭광을 유리나 결정에 조사하고, 주기적으로 굴절율을 변화시킴으로써 실현이 가능하다.
또한, 파장 선택 도파로(8A)는, y축에 수직인 상하면을 공기, 또는 도시하지는 않았지만, 파장 선택 도파로(8A)에 비해 작은 굴절율을 갖는 클래드에 의해 사이에 끼여 있으며, 두께가 파장의 수~수십배 정도이기 때문에, y축 방향은 도파로로서 동작한다. 파장 선택 도파로(8A)는 레이저 매질(5)의 도파로 모드와 거의 동일한 도파로 모드를 갖는다.
기본파 레이저 발진은, 레이저 매질(5)의 광축(6)에 수직인 단면(5a), 및 파 장 선택 도파로(8A) 사이에서 발생하며, 단면(5a)은 기본파 레이저광을 반사하는 전반사막, 단면(5b)은 기본파 레이저광을 투과하는 반사 방지막이 실시되어 있다. 이들 전반사막, 반사 방지막은, 예컨대 유전체 박막을 적층하여 구성된다.
이와 같이 구성하면, 손실을 부여하지 않고 소망하는 파장의 기본파 레이저광의 레이저 발진을 얻을 수 있기 때문에, 파장 변환에 적합한 고휘도로 고출력의 기본파 레이저광을 출력할 수 있다.
또한, 상기 도 12에 도시한 레이저 장치에서는, 파장 선택 도파로(8A)는, 레이저 매질(5)의 도파로 모드와 거의 동일한 도파로 모드를 갖는 것으로 하였지만, 파장 선택 도파로(8A)의 y축 방향의 두께, 및 클래드의 굴절율을 조정하여, 저차 모드 또는 단일 모드만을 도파하도록 구성하여도 좋다.
이와 같이 구성하면, y축 방향의 레이저 발진은 공진기 중의 가장 저차 모드로 제한되기 때문에, 레이저 매질(5)의 y축 방향으로 소망하는 도파 모드가 얻어지지 않는 경우에도, 파장 선택 도파로(8A)의 저차 모드 또는 단일 모드에서 발진하기 때문에, 고휘도 발진이 실현 가능하다.
실시예 6
본 실시예 6은, 1개의 레이저 장치로부터 복수 파장의 기본파 레이저광을 출력하는 구성을 개시하는 것이다.
도 13은 본 발명의 실시예 6에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치의 레이저 매질을 도시한 도면으로, 도 12 중의 레이저 매질(5)만을 나타낸 도면이다. 도 13에 있어서, 참조 부호 "5"는 도 12에 도시한 레이저 매질(5)과 동일한 구성을 갖고 있으며, 명시하지 않는 한 도 12에서 나타낸 레이저 매질(5)과 동일한 기능을 갖는다.
레이저 매질(5)의 x축 방향은, 히트 싱크(2)의 2개의 빗살의 중심을 광축으로 한 복수의 독립된 발진 모드가 형성되어 있다. 따라서, 레이저 매질(5)의 단면(5a), 단면(5b)에 실시된 전반사막, 부분 반사막의 파장 특성을, 발진 모드마다 바꿈으로써, 1개의 레이저 매질(5)로부터 복수의 파장을 갖는 고휘도의 레이저 발진광을 얻을 수 있다.
레이저 매질(5)은, 복수의 파장에 이득을 갖는 레이저 매질로 구성되어 있으며, 예컨대 946㎚(파장 1), 1064㎚(파장 2), 1338㎚(파장 3)에 이득을 갖는 Nd:YAG로 구성된다. 반사막(5c~5h)은 레이저 매질(5)의 단면(5a), 단면(5b)에 실시된 전반사막 및 부분 반사막을 나타낸다.
도 13에 있어서, 반사막(5c)은 파장 1을 전반사하고, 파장 2, 파장 3을 투과하며, 반사막(5d)은 파장 1을 부분 반사하고, 파장 2, 파장 3을 투과한다. 또한, 반사막(5e)은 파장 2를 전반사하고, 파장 1, 파장 3을 투과하며, 반사막(5f)은 파장 2를 부분 반사하고, 파장 1, 파장 3을 투과한다. 또, 반사막(5g)은 파장 3을 전반사하고, 파장 2, 파장 3을 투과하며, 반사막(5h)은 파장 3을 부분 반사하고, 파장 1, 파장 2를 투과한다.
따라서, 반사막(5c)과 반사막(5d) 사이에 끼여 있는 레이저 매질(5) 내에서는 파장 1의 레이저 발진만이 발생하고, 반사막(5e)과 반사막(5f) 사이에 끼여 있 는 레이저 매질(5) 내에서는 파장 2의 레이저 발진만이 발생하며, 반사막(5g)과 반사막(5h) 사이에 끼여 있는 레이저 매질(5) 내에서는 파장 3의 레이저 발진만이 발생한다.
이와 같이 구성하면, 1개의 레이저 매질(5)로부터 복수의 파장의 레이저광을 동시에 출력할 수 있기 때문에, 소형의 레이저 장치를 구성하는 것이 가능하다.
또, 전술한 예에서는 파장의 수를 3개로 하였지만, 2파장 이상이면 동일한 효과가 얻어지는 것은 분명하다. 또한, 최대로, 독립적으로 발진하는 발진 모드의 수의 파장을 동시에 출력시키는 것이 가능하다.
실시예 7
상기 실시예 1~6에서는, 빗 구조를 갖는 히트 싱크(2)를 이용하여, 레이저 매질(5)의 내부에 주기적인 렌즈 효과를 발생시킨 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 개시하였다. 본 실시예 7은, 레이저 매질(5)에 주기적으로 응력을 가함으로써 굴절율 분포를 발생시켜, 레이저 매질(5)의 내부에 주기적인 렌즈 효과를 발생시킨 모드 제어 도파로형 레이저 장치를 실현하는 것이다.
도 14는 본 발명의 실시예 7에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 장치에 이용되는 레이저 매질에 굴절율 분포를 부여하는 구성을 도시한 도면으로, 레이저 출사면측에서 레이저 장치를 본 도면이다. 본 실시예 7에 따른 모드 제어 도파로형 레이저 발진기는, 레이저 매질(5), 클래드(4A), 클래드(4B), 접합제(9A), 접합제(9B), 히트 싱크(10), 기판(11)으로 구성된다.
클래드(4A) 및 클래드(4B)는 도 3에 도시한 클래드(4)와 동일한 구성을 갖고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 3에서 도시한 클래드(4)와 동일한 기능을 갖는다. 또한, 레이저 매질(5)은 도 3에 도시한 레이저 매질(5)과 동일한 구성을 갖고 있으며, 특별히 명기하지 않는 한, 도 3에서 나타낸 레이저 매질(5)과 동일한 기능을 갖는다.
히트 싱크(10)는, 광축(6)에 수직인 단면(xy 평면)에서 주기적인 요철 형상을 가지며, 히트 싱크(10)의 요철면은 접합제(9A)를 거쳐서 클래드(4A)와 접합된다. 또, 히트 싱크(10)는 열전도도가 큰 재료로 구성되며, 레이저 매질(5)에서 발생한 열은 접합제(9A)를 거쳐 히트 싱크(10)로 열방출된다.
기판(11)은 광축(6)에 수직인 단면(xy 평면)에서 주기적인 요철 형상을 가지며, 기판(11)의 요철면은 접합제(9B)를 거쳐 클래드(4B)와 접합된다. 또한, 히트 싱크(10)의 볼록부와 기판(11)의 볼록부는, x축 방향의 위치가 동일하게 되도록 배치되어 있다.
접합제(9A) 및 접합제(9B)는 히트 싱크(10) 및 기판(11)에 비해 강성이 낮고, 부드러운 재료를 이용하고 있으며, 예컨대 금속 땜납이나 광학 접착제, 열전도 접착제 등에 의해 실현 가능하다.
히트 싱크(10)와 기판(11)은, 레이저 매질(5)의 y축 방향으로 응력을 부여하도록, 외측으로부터 압력이 부가되어 있다.
다음에, 레이저 매질(5) 안에서 발생하는 응력 분포에 대해 도 14를 이용하여 설명한다. 히트 싱크(10) 및 기판(11)에 외측으로부터 압력을 부가하면, 히트 싱크(10) 및 기판(11)에 비해 부드러운 접합제(9A), 접합제(9B)를 거쳐서 레이저 매질(5)에 응력이 부여된다. 이 때, 히트 싱크(10), 기판(11)의 오목부는, 접합제(9A), 접합제(9B)의 두께가 두껍기 때문에, 접합제(9A), 접합제(9B)의 압축에 의해 압력이 완화되어, 레이저 매질(5)에 부여하는 응력이 작아진다. 한편, 히트 싱크(10), 기판(11)의 볼록부는, 접합제(9A), 접합제(9B)의 두께가 얇기 때문에, 접합제(9A), 접합제(9B)의 압축량이 작아, 레이저 매질(5)에 큰 응력이 인가된다.
레이저 매질 등의 광학 재료는, 응력이 인가되면, 굴절율이 변화된다. 따라서, 압축의 응력이 부가되었을 때에 굴절율이 커지는 재료를 이용한 경우, 히트 싱크(10), 기판(11)의 볼록부의 위치에서는 레이저 매질(5)의 굴절율이 커지고, 오목부로 가까이 감에 따라 굴절율이 작아진다. 그 결과, x축 방향에는 볼록부를 광축으로 한 주기적인 렌즈 효과가 발생한다.
이와 같이 구성하면, 상기 실시예 1에서 개시한 빗 형상의 히트 싱크와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 응력에 의해 주기적인 렌즈 효과를 부여할 수 있기 때문에, 여기광의 강도나 분포에 의존하지 않는 안정적인 레이저 장치를 구성할 수 있다.
또, 클래드(4A)의 열방출측의 전면이 접합제(9A)에 접합되어, 레이저 매질(5)에서 발생한 열을 방출하기 때문에, 레이저 매질(5)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한, 클래드(4A)의 열방출측의 전면이 접합제(9A)에 접합되기 때문에, 클래드(4A)를 빗 형상의 선단에서만 고정한 경우에 비해 높은 강성이 얻어진다.
또, 레이저 매질(5)은 클래드(4A)와 클래드(4B) 사이에 끼여 있는 것으로 하 였지만, 접합제(9A) 및 접합제(9B)로서 레이저 매질(5)보다 작은 굴절율을 갖는 재료를 이용하면, 클래드(4A) 및 클래드(4B)는 없어도 되며, 접합제(9A) 및 접합제(9B)를 직접 레이저 매질(5)에 접합하여도 좋다.
본 발명에 따르면, 레이저 매질 내에서 복수의 발진 모드를 발진시킴으로써, 출력의 스케일링이 용이하고, 고휘도의 기본파 출력이 얻어지며, 고효율의 제 2 고조파 변환이 가능하게 되어, 프린터나 프로젝션 텔레비전의 광원에 적합한 고출력 레이저 장치 및 파장 변환 레이저 장치에 이용된다.

Claims (14)

  1. 평판 형상을 이루며, 광축에 대하여 수직인 단면의 두께 방향으로 도파로 구조를 갖고, 상기 광축 및 상기 두께 방향에 수직인 방향으로 주기적인 렌즈 효과를 갖는 레이저 매질과,
    상기 레이저 매질의 일면에 접합된 클래드와,
    상기 레이저 매질의 일면쪽에 상기 클래드를 사이에 두고 접합된 히트 싱크
    를 구비하며,
    레이저 발진은, 상기 레이저 매질의 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진과, 상기 레이저 매질의 주기적인 렌즈 효과로 형성되는 복수의 공진기 모드에서 발진하는 레이저 발진을 갖는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 매질의 광축 상에 근접하여 배치되고, 상기 레이저 매질의 도파로 구조와 동일한 방향으로 도파로 구조를 갖는 비선형 재료를 더 구비하며,
    상기 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진은, 상기 레이저 매질 또는 상기 비선형 재료 중 어느 하나의 도파로 모드에서 발진하고,
    상기 비선형 재료에 입사된 기본파 레이저광이 다른 파장의 레이저광으로 변 환되어 출력되는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비선형 재료의 광축 상에 근접하여 배치되고, 소망하는 파장의 레이저광을 반사하고 그 밖의 파장을 투과하는 파장 선택 도파로를 더 구비하며,
    상기 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진은, 상기 레이저 매질, 상기 비선형 재료 또는 상기 파장 선택 도파로 중 어느 하나의 도파로 모드에서 발진하고,
    상기 파장 선택 도파로가 반사하는 소망하는 파장으로 기본파 레이저광이 레이저 발진하는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 매질의 광축 상에 근접하여 배치되고, 소망하는 파장의 레이저광을 반사하고 그 밖의 파장을 투과하는 파장 선택 도파로를 더 구비하며,
    상기 도파로 모드에서 발진하는 레이저 발진은, 상기 레이저 매질 또는 상기 파장 선택 도파로 중 어느 하나의 도파로 모드에서 발진하고,
    상기 파장 선택 도파로가 일부를 반사하는 소망하는 파장으로 레이저 발진하 는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 매질은 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 매질은, 상기 레이저 매질에 근접하여 배치된 반도체 레이저에 의해 여기되어 이득을 발생하는 고체 레이저 매질인 것을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 매질은, 상기 레이저 매질 내의 굴절율 분포에 의해 주기적인 렌즈 효과를 생성하는 것을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 클래드에 대한 상기 히트 싱크의 접합면은, 광축에 수직인 단면 내에서 빗 구조(comb structure)를 갖고,
    상기 레이저 매질 내의 굴절율 분포는, 상기 빗 구조의 빗살의 선단을 상기 클래드에 접합하여 발생하는 주기적인 온도 분포로 생성되는 것
    을 특징으로 하느 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 빗 구조의 빗살 사이는, 상기 히트 싱크보다 열전도도가 작은 열 절연 재료에 의해 메워져 있고,
    상기 레이저 매질 내의 굴절율 분포는, 상기 빗살의 선단과 상기 열 절연 재료의 열전도도의 차에 의해 발생하는 주기적인 온도 분포로 생성되는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 히트 싱크의 접합면은 광축에 수직인 단면 내에서 주기적인 요철 구조를 갖고, 상기 히트 싱크보다 작은 열전도율을 갖는 접합제로 상기 클래드에 접합 되며,
    상기 레이저 매질 내의 굴절율 분포는, 상기 접합제의 두께의 차에 의해 발생하는 주기적인 온도 분포로 생성되는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 매질 내의 굴절율 분포는, 상기 레이저 매질에 주기적인 압력을 인가하여 생성되는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 클래드는, 상기 레이저 매질과의 접합면에 레이저광을 주기적으로 흡수하는 흡수부가 마련되어, 소망하는 파장으로 레이저 발진시키는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 클래드는, 상기 레이저 매질과의 접합면에 주기적인 굴절율 변화가 마 련되어, 소망하는 파장으로 레이저 발진시키는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클래드는, 상기 레이저 매질이 이득을 발생하는 복수의 파장에 대하여, 1개의 파장을 투과하고 그 밖의 파장을 흡수하는 재료로 구성되어, 소망하는 파장으로 레이저 발진시키는 것
    을 특징으로 하는 모드 제어 도파로형 레이저 장치.
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