KR20120046680A - 레이저광 파장 변환 장치 - Google Patents

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KR20120046680A
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히데카즈 하타나카
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우시오덴키 가부시키가이샤
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Abstract

(과제)원하는 파장의 광을 높은 광취출 효율로 출력할 수 있는 레이저광 파장 변환 장치를 제공하는 것.
(해결 수단)레이저광 파장 변환 장치는, 기본파 광으로서 레이저광을 방사하는 반도체 레이저 소자와, 상기 반도체 레이저 소자에 대해서 외부 공진기를 구성하는 체적 브래그 그레이팅(VBG)으로 이루어지는 기본파 광반사 소자와, 상기 반도체 레이저 소자와 상기 기본파 광반사 소자의 사이에 배치된, 기본파 광의 일부의 기본파 광의 파장을 변환하여 파장 변환광으로 하는 파장 변환 소자를 갖는 레이저광 파장 변환 장치에 있어서, 상기 파장 변환 소자로부터 출사되어 상기 기본파 광반사 소자를 향하는 광 중, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재를 구비함과 더불어, 상기 반도체 레이저 소자와 상기 파장 변환 소자의 사이에, 기본파광을 투과하고, 파장 변환광을 반사시켜 취출하는 다이크로익 미러가 배치되고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저광 파장 변환 장치{LASER BEAM WAVELENGTH CONVERSION APPARATUS}
본 발명은, 비선형 광학 결정을 이용하여 레이저광의 파장을 변환하는 레이저광 파장 변환 장치에 관한 것이며, 더 자세하게는, 외부 공진기를 구성하는 반사 소자로서 체적 브래그 그레이팅(VBG：Volum Bragg Grating)을 이용하고, 비선형 광학 결정으로서 주기적 분극 반전형 니오브산 리튬(PPLN：Periodically Poled Lithium Niobate)을 이용한 레이저광 파장 변환 장치에 관한 것이다.
반도체 레이저 소자로부터 방사되는 레이저광을 비선형광학 결정에 의해, 당해 레이저광의 파장을 원하는 파장, 예를 들면 제2 고조파로 변환하는 장치가 알려져 있다.
이러한 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 파장 변환광의 것보다 높은 광 취출 효율의 실현, 또, 보다 높은 파워의 광출력의 실현이 요구되고 있다.
특히, 높은 파워의 광출력의 실현에는, 온도 변화에 대한 발진 파장의 높은 안정성이 요구되고 있다. 이러한 발진 파장의 높은 안정성을 유지하고, 또한, 장치의 소형화를 실현하기 위해, 반도체 레이저 소자에 대해서 외부 공진기를 구성하는 반사 소자가 설치되고, 당해 반도체 레이저 소자와 당해 반사 소자의 사이에 비선형 광학 결정이 배치된 레이저광 파장 변환 장치가 알려져 있다.
도 2는 종래의 레이저광 파장 변환 장치의 구성의 일례를 나타내는 개략도이다. 이 레이저광 파장 변환 장치는, 기판(11) 상에 설치된, 기본파 광으로서 레이저광을 방사하는 반도체 레이저 소자(12)와, 이 반도체 레이저 소자(12)에 대해서 외부 공진기를 구성하는 체적 브래그 그레이팅(VBG)으로 이루어지는 기본파 광반사 소자(14)와, 반도체 레이저 소자(12)와 기본파 광반사 소자(14)의 사이에 배치된, 기본파 광의 일부의 기본파 광의 파장을 변환하여 파장 변환광으로 하는 파장 변환 소자(13)와, 반도체 레이저 소자(12)와 파장 변환 소자(13)의 사이에 배치된, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사시켜 취출하는 다이크로익 미러(15)와, 이 다이크로익 미러(15)에 의해 반사된 파장 변환광을 반사하여 외부로 출력하는 반사 미러(16)를 가진다.
이 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사된 기본파 광(λa)은, 다이크로익 미러(15)를 투과하여, 파장 변환 소자(13)를 투과함으로써, 당해 기본파 광(λa)의 일부가 파장 변환되어 파장 변환광(λab)이 된다. 그리고, 파장 변환 소자(13)로부터 출사되어 기본파 광반사 소자(14)를 향하는 광 중, 파장 변환광(λab)은 기본파 광반사 소자(14)를 투과하여 외부로 출력되고, 한편, 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa2)은 기본파 광반사 소자(14)에 의해 반사되어, 다시 파장 변환 소자(13)를 투과함으로써, 당해 기본파 광(λa2)의 일부가 파장 변환되어 파장 변환광(λa2b)이 된다. 그리고, 파장 변환 소자(13)로부터 출사되어 반도체 레이저 소자(12)를 향하는 광 중, 파장 변환광(λa2b)은, 다이크로익 미러(15) 및 반사 미러(16)에 의해 반사되어 외부로 출력되고, 한편, 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa3)은, 다이크로익 미러(15)를 투과하여, 반도체 레이저 소자(12)를 향하고, 반도체 레이저 소자(12) 내부에서 다시 증폭된다.
이러한 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사된 기본파 광(λ)이, 반도체 레이저 소자(12)와 기본파 광반사 소자(14)의 사이에서 반사 및 증폭을 반복함으로써, 당해 기본파 광(λa)의 일부가, 파장 변환 소자(13)에 의해 파장 변환되어 파장 변환광(λab, λa2b…)이 되고, 순차적으로, 외부로 출력된다.
그러나, 상기와 같은 레이저광 파장 변환 장치에 따라서는, 외부로 출력되는 파장 변환광(λab, λa2b) 중, 기본파 광반사 소자(14)를 투과하는 파장 변환광(λab)은, 그 일부가 기본파 광반사 소자(14)에 흡수되고, 파장 변환광의 높은 광출사 효율을 확보하는 것이 곤란해지고, 그 결과, 높은 파워의 광출력의 실현이 충분히 도모되지 않는다는 문제가 있다.
구체적으로는, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사되는 기본파 광(λa)이 예를 들면 파장 1064㎚의 적외광인 경우에 있어서, 파장 변환 소자(13)에 의해 파장 변환된 파장 변환광(λab)의 기본파 광반사 소자(14)의 투과율이 68.9%, 즉 기본파 광반사 소자(14)에 입사된 파장 변환광(λab) 중 약 1/3이 당해 기본파 광반사 소자(14)에 흡수되게 된다. 또, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사되는 기본파 광(λa)이 예를 들면 파장 930㎚의 적외광인 경우에 있어서, 파장 변환 소자(13)에 의해 파장 변환된 파장 변환광(λab)의 기본파 광반사 소자(14)의 투과율이 51.8%, 즉 기본파 광반사 소자(14)에 입사된 파장 변환광(λab) 중 약 1/2이 당해 기본파 광반사 소자(14)에 흡수되게 된다. 또한, 이 투과율은, 기본파 광반사 소자(14)의 두께가 4㎜일 때의 값이다.
이러한 기본파 광반사 소자(VBG)에 의한 흡수와 같은 문제가 있는 한편, 기본파 광반사 소자(VBG)로의 입사하는 광이 반사한다고 하는 문제도 있고, 이것을 해결하기 위해, 기본파 광반사 소자(VBG)의 반사면에 AR(Anti-Reflection) 코드를 실시하는 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).
[특허 문헌 1]일본국 특개2008-282883호 공보
본 발명은, 이상과 같은 사정에 기초하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 원하는 파장의 광을 높은 광취출 효율로 출력할 수 있는 레이저광 파장 변환 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 레이저광 파장 변환 장치는, 기본파 광으로서 레이저광을 방사하는 반도체 레이저 소자와,
상기 반도체 레이저 소자에 대해서 외부 공진기를 구성하는 체적 브래그 그레이팅(VBG)으로 이루어지는 기본파 광반사 소자와,
상기 반도체 레이저 소자와 상기 기본파 광반사 소자의 사이에 배치된, 기본파 광의 일부의 기본파 광의 파장을 변환하여 파장 변환광으로 하는 파장 변환 소자를 가지는 레이저광 파장 변환 장치에 있어서,
상기 파장 변환 소자로부터 출사되어 상기 기본파 광반사 소자를 향하는 광 중, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재를 구비함과 더불어,
상기 반도체 레이저 소자와 상기 파장 변환 소자의 사이에, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사시켜 취출하는 다이크로익 미러가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 상기 파장 변환 소자가, 주기적 분극 반전형 니오브산 리튬(PPLN)인 것이 바람직하다.
본 발명의 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 상기 다이크로익 미러가, 상기 기본파 광반사 소자의 광축에 대해서, 경사진 상태로 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 레이저광 파장 변환 장치에 의하면, 파장 변환 소자에 의해 파장 변환된 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재가 구비되어 있음으로써, 당해 파장 변환광이 기본파 광반사 소자를 투과하지 않고, 다이크로익 미러를 경유하여 외부로 출력됨으로써, 파장 변환광의 높은 광취출 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 레이저광 파장 변환 장치의 구성의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 종래의 레이저광 파장 변환 장치의 구성의 일례를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 레이저광 파장 변환 장치의 구성의 일례를 나타내는 개략도이다.
이 레이저광 파장 변환 장치는, 반도체 레이저 소자로부터 방사되는 레이저광을 당해 레이저광의 파장을 원하는 파장, 예를 들면 제2 고조파로 변환하는 것으로서, 기판(11) 상에 설치된, 기본파 광으로서 레이저광을 방사하는 예를 들면 칩 형상의 반도체 레이저 소자(12)와, 이 반도체 레이저 소자(12)의 레이저광 방사 방향 전방에, 반도체 레이저 소자(12)의 광방사면(12a)과 대향하도록 배치된 기본파 광반사 소자(14)와, 반도체 레이저 소자(12)와 기본파 광반사 소자(14)의 사이에, 기본파 광반사 소자(14)의 광축(L) 상, 즉 반도체 레이저 소자(12)의 광방사면(12a)에 대해서 수직인 방향으로 신장되는 광축(L) 상에 배치된 파장 변환 소자(13)와, 반도체 레이저 소자(12)와 파장 변환 소자(13)의 사이에, 광축(L)에 대해서 경사한 상태로 배치된 평판 형상의 다이크로익 미러(15)를 갖는다.
이 예에 있어서의 반도체 레이저 소자(12)는, 복수개의 반도체 레이저 소자(12)가 도 1에 있어서 지면에 대해서 수직 방향으로 늘어서도록 기판(11) 상에 배치되어 이루어지는 것으로서, 반도체 레이저 소자가 배치되는 기판면(11a)에 대해서 수직 방향으로 레이저광이 공진되어 출사되는 면발광형(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 어레이이다. 또한, 기판(11)에 평행 방향으로 레이저광이 공진되어 출사되는 단면 발광형 어레이를 이용할 수도 있다.
반도체 레이저 소자(12)로부터 방사되는 기본파 광으로서는, 예를 들면 파장 1064㎚의 적외광, 파장 976㎚의 적외광, 파장 930㎚의 적외광 등을 들 수 있다.
파장 변환 소자(13)는, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사된 기본파 광의 일부의 기본파 광의 파장을 변환하는 비선형 광학 결정이며, 이러한 비선형 광학 결정으로서는, 주기적 분극 반전형 니오브산 리튬(PPLN)인 것이 바람직하다.
기본파 광반사 소자(14)는, 반도체 레이저 소자(12)에 대해서 외부 공진기를 구성하는 체적 브래그 그레이팅(VBG)으로 이루어지는 것이다. 이 체적 브래그 그레이팅(VBG)은, 저굴절률 재료와 고굴절률 재료를 반복하여 배치함으로써 특정의 파장 영역의 광을 반사하는 파장 선택 특성을 가지는 것이다.
이 기본파 광반사 소자(14)는, 그 두께가 예를 들면 3~6㎜인 것이 바람직하다.
기본파 광반사 소자(14)에 있어서의 반도체 레이저 소자(12)에 대향하는 일면(14a)측에는, 파장 변환 소자(13)로부터 출사되어 기본파 광반사 소자(14)를 향하는 광 중, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재(17)가 설치되어 있다.
이 선택성 반사 부재(17)로서는, 예를 들면 실리카(SiO2)층 및 티타니아(TiO2)층으로 이루어지는 다층막이 적층되어 이루어지는 적층체로 이루어지는 것이 바람직하다. 이와 같은 적층체로서는, 예를 들면 기본파 광으로서 파장 대역이 다른 광(예를 들면 2대역의 광)을 이용하는 구성에 있어서는, SiO2층 및 TiO2층으로 이루어지는 다층막이 20~30층 적층되어 이루어지는 것이 바람직하고, 또 예를 들면 기본파 광으로서 파장 대역이 좁은 광을 이용하는 구성에 있어서는, 다층막이 10~15층 적층되는 것이 바람직하다.
이 선택성 반사 부재(17)는, 그 두께가 예를 들면 1~3㎛인 것이 바람직하다.
이러한 선택성 반사 부재(17)에 대해서는, 증착법에 의해 형성할 수 있다.
이 선택성 반사 부재(17)는, 기본파 광반사 소자(14)의 일면(14a)측에 일체적으로 설치되어 있어도, 기본파 광반사 소자(14)와는 별개로 설치되어 있어도 된다.
다이크로익 미러(15)는, 박막에 의한 광의 간섭을 이용하여, 특정의 파장 영역의 광을 투과하고, 나머지의 파장 영역의 광을 반사하는 파장 선택 특성을 가지는 것이며, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사시켜 취출하는 것이다.
이 다이크로익 미러(15)는, 파장 변환광을 반사시켜 취출할 수 있도록 배치되어 있으면, 그 배치 상태는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 기본파 광반사 소자(14)로부터 반사된 파장 변환광이 입사되는 면(15b)이 광축(L)에 대해서 30~60도 경사한 상태로 배치되는 것이 바람직하다.
이 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 예를 들면, 반사면(16a)이 다이크로익 미러(15)의 면(15b)과 수직이 되도록 배치된 반사 미러(16)가 설치되어 있고, 이로 인해, 다이크로익 미러(15)의 면(15b)으로부터 반사된 파장 변환광을 광축(L)과 평행한 평행광으로 하여 외부로 출력하는 구성으로 된다.
이러한 레이저광 파장 변환 장치에 있어서는, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사된 기본파 광(λa)은, 다이크로익 미러(15)의 면(15a)에 입사되어 다이크로익 미러(15)를 투과하고, 다이크로익 미러(15)의 면(15b)으로부터 출사되어, 파장 변환 소자(13)의 일면(13a)에 입사된다. 이 기본파 광(λa)이 파장 변환 소자(13)를 투과함으로써, 당해 기본파 광(λa)의 일부가 파장 변환되어 파장 변환광(λab)이 되고, 파장 변환광(λab) 및 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa2)이 파장 변환 소자(13)의 타면(13b)으로부터 출사된다. 그리고, 파장 변환 소자(13)의 타면(13b)으로부터 출사되어 기본파 광반사 소자(14)를 향하는 광(λab, λa2) 중, 파장 변환광(λab)은 선택성 반사 부재(17)에 의해 반사되어, 다시 파장 변환 소자(13)의 타면(13b)에 입사되어 파장 변환 소자(13)를 투과하여 파장 변환 소자(13)의 일면(13a)으로부터 출사되어, 다이크로익 미러(15)의 면(15b) 및 반사 미러(16)의 반사면(16a)에 의해 반사되어 광축(L)과 평행한 평행광으로서 외부로 출력된다. 한편, 파장 변환 소자(13)의 타면(13b)으로부터 출사되어 기본파 광반사 소자(14)를 향하는 광(λab, λa2) 중, 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa2)은 선택성 반사 부재(17)을 투과하여, 기본파 광반사 소자(14)에 의해 반사되어, 다시 선택성 반사 부재(17)를 투과하고 파장 변환 소자(13)의 타면(13b)에 입사된다. 이 기본파 광(λa2)이 파장 변환 소자(13)를 투과함으로써, 당해 기본파 광(λa2)의 일부가 파장 변환되어 파장 변환광(λa2b)이 되고, 파장 변환광(λa2b) 및 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa3)이 파장 변환 소자(13)의 일면(13a)으로부터 출사된다. 그리고, 파장 변환 소자(13)의 일면(13a)으로부터 출사되어 반도체 레이저 소자(12)를 향하는 광(λa2b, λa3) 중, 파장 변환광(λa2b)은 다이크로익 미러(15)의 면(15b) 및 반사 미러(16)의 반사면(16a)에 의해 반사되어 광축(L)과 평행한 평행광으로서 외부로 출력된다. 한편, 파장 변환 소자(13)의 일면(13a)으로부터 출사된 광(λa2b, λa3) 중, 파장 변환되지 않은 기본파 광(λa3)은, 다이크로익 미러(15)의 면(15b)에 입사되어 다이크로익 미러(15)를 투과하고, 다이크로익 미러(15)의 면(15a)으로부터 출사되어, 반도체 레이저 소자(12)의 광방사면(12a)에 입사하고, 반도체 레이저 소자(12) 내부에서 다시 증폭되어 방사된다.
이와 같이, 반도체 레이저 소자(12)로부터 방사된 기본파 광(λa)은, 반도체 레이저 소자(12)와 기본파 광반사 소자(14)의 사이에서 반사 및 증폭을 반복함으로써, 당해 기본파 광(λa)의 일부가, 파장 변환 소자(13)에 의해 파장 변환되어 파장 변환광(λab, λa2b???)이 되고, 순차적으로, 다이크로익 미러(15) 및 반사 미러(16)를 경유하여 외부로 출력된다.
그리고, 이 기본파 광이, 예를 들면 파장 1064㎚의 적외광인 경우에 있어서는, 외부로 출력되는 파장 변환광은, 파장 532㎚의 녹색의 가시광이 되고, 또 예를 들면 파장 976㎚의 적외광인 경우에 있어서는, 외부로 출력되는 파장 변환광은, 파장 488㎚의 청색의 가시광이 되고, 또 예를 들면 파장 930㎚의 적외광인 경우에 있어서는, 외부로 출력되는 파장 변환광은, 파장 465㎚의 청색의 가시광이 된다.
상기의 레이저광 파장 변환 장치에 의하면, 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재(17)가 설치되어 있음으로써, 당해 파장 변환광이 기본파 광반사 소자(14)를 투과하지 않고, 다이크로익 미러(15)를 경유하여 외부로 출력됨으로써, 높은 광 취출 효과가 얻어진다.
(실시예)
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 설명하지만, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1에 나타내는 구성에 따라, 하기의 조건에 의해 레이저광 파장 변환 장치(1)를 제작했다.
?반도체 레이저 소자(12)：기본파 광(λa)으로서 파장 1064㎚의 적외광을 방사하는 반도체 레이저 소자 구조를 갖는 어레이를 기판(11) 상에 배치했다.
?파장 변환 소자(13)：주기적 분극 반전형 니오브산 리튬(PPLN)을 이용했다.
?기본파 광반사 소자(14)：두께 4㎜의 체적 브래그 그레이팅(VBG)을 이용했다.
?선택성 반사 부재(17)：실리카(SiO2)층 및 티타니아(TiO2)층으로 이루어지는 다층막이 17층 적층되어 이루어지는 체적체를 증착법에 의해 형성했다.(두께 2.4㎛)
?다이크로익 미러(15)：면(15b)이 광축(L)에 대해서 45도 경사한 상태로 배치했다.
?반사 미러(16):반사면(16a)이 다이크로익 미러(15)의 면(15b)과 수직이 되도록 배치했다.
또한, 이 레이저광 파장 변환 장치(1)는, 파장 변환광으로서 파장 532㎚의 녹색의 가시광을 출력하는 것이다.
(실시예 2)
실시예 1과 같은 구성에 있어서, 반도체 레이저 소자(12)의 발진 파장을 930㎚의 적외광으로 하고, 그 외의 부재도 같은 파장에 대응하도록 주기 구조, 반사율 등을 조정하고, 레이저광 파장 변환 장치(2)를 제작했다.
또한, 이 레이저광 파장 변환 장치(2)는, 파장 변환광으로서 파장 465㎚의 청색의 가시광을 출력하는 것이다.
(비교예 1)
실시예 1에 있어서, 선택성 반사 부재(17)를 설치하지 않은 것 외는 마찬가지로 하여 레이저광 파장 변환 장치(3)를 제작했다.
또한, 이 레이저광 파장 변환 장치(3)는, 파장 변환광으로서 파장 532㎚의 녹색의 가시광을 출력하는 것이다.
(비교예 2)
실시예 2에 있어서, 선택성 반사 부재(17)를 설치하지 않은 것 외는 마찬가지로 하여 레이저광 파장 변환 장치(4)를 제작했다.
또한, 이 레이저광 파장 변환 장치(4)는, 파장 변환광으로서 파장 465㎚의 청색의 가시광을 출력하는 것이다.
(평가)
레이저광 파장 변환 장치(1)~(4)를 이용하여, 비교예 1을 기준으로 하여 실시예 1, 비교예 2를 기준으로 하여 실시예 2의 출력 증가율을 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
11:기판 11a:기판면
12:반도체 레이저 소자 12a:광방사면
13:파장 변환 소자 13a:일면
13b:타면 14:기본파 광반사 소자
14a:일면 15:다이크로익 미러
15a:면 15b:면
16:반사 미러 16a:반사면
17:선택성 반사 부재 L:광축
λa:기본파 광 λab:파장 변환광

Claims (3)

  1. 기본파 광으로서 레이저광을 방사하는 반도체 레이저 소자와,
    상기 반도체 레이저 소자에 대해서 외부 공진기를 구성하는 체적 브래그 그레이팅(VBG)으로 이루어지는 기본파 광반사 소자와,
    상기 반도체 레이저 소자와 상기 기본파 광반사 소자의 사이에 배치된, 기본파 광의 일부의 기본파 광의 파장을 변환하여 파장 변환광으로 하는 파장 변환 소자를 가지는 레이저광 파장 변환 장치에 있어서,
    상기 파장 변환 소자로부터 출사되어 상기 기본파 광반사 소자를 향하는 광 중, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사하는 선택성 반사 부재를 구비함과 더불어,
    상기 반도체 레이저 소자와 상기 파장 변환 소자의 사이에, 기본파 광을 투과하고, 파장 변환광을 반사시켜 취출하는 다이크로익 미러가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저광 파장 변환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파장 변환 소자가, 주기적 분극 반전형 니오브산 리튬(PPLN)인 것을 특징으로 하는 레이저광 파장 변환 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 다이크로익 미러가, 상기 기본파 광반사 소자의 광축에 대해서, 경사진 상태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저광 파장 변환 장치.
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