WO2005088787A1 - コヒーレント光源および光学システム - Google Patents

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WO2005088787A1
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light
light source
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coherent
laser
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PCT/JP2005/002797
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Kiminori Mizuuchi
Kazuhisa Yamamoto
Ken'ichi Kasazumi
Isao Kidoguchi
Yasuo Kitaoka
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4087—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar emitting more than one wavelength

Definitions

  • the present invention relates to a coherent light source and an optical system, and more particularly, to a coherent light source and an optical system including a functional film exhibiting a photocatalytic effect.
  • III-V group nitride-based semiconductor materials such as gallium nitride (AlxGaylnl X yN (where 0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l)) use ultra-high density optical discs. It is a key device for realizing degree recording, and is currently the blue-violet semiconductor laser closest to the practical level. Increasing the output of this blue-violet semiconductor laser is essential not only for enabling high-speed writing of optical disks, but also for cultivating new technological fields such as application to laser displays.
  • a high output semiconductor laser is desired.
  • a method of making the reflectance of the resonator end face asymmetric for example, see Non-Patent Document 1.
  • This method is a general method for a semiconductor laser used for writing on an optical disk.
  • the reflectivity of the end face is made asymmetric by coating the end face forming the resonator with a dielectric film.
  • the front end face of the resonator from which laser light is emitted.
  • the reflectivity of the dielectric multilayer film can be controlled by the refractive index, the layer thickness, and the total number of layers to be used.
  • the semiconductor laser is mounted (assembled) in a can package as shown in FIG.
  • This package includes a base 803 on which a semiconductor laser 801 and a submount 802 as a heat radiator are mounted, and a cap 804.
  • the inside of the cap is sealed with nitrogen (N2) gas or the like.
  • the cap serves as a glass 806 for extracting light and a metal base (can 805), and is bonded with a low-melting glass 807 (fixed at several hundred degrees) to maintain airtightness.
  • a low-melting glass 807 fixed at several hundred degrees
  • a solid-state laser light source has been developed as a high-output coherent light source.
  • a wavelength conversion element into the resonator of a solid-state laser, high-output visible light can be generated.
  • the adhesion of dust on the laser end surface causes deterioration of output characteristics and shortens the life of the laser.
  • it has been proposed to provide a film having a photocatalytic effect on the surface of the optical component for example, see Patent Document 2. Further, a structure in which a film having a photocatalytic function is formed on a solid-state laser resonator mirror is shown.
  • Patent Document 1 JP 2003-59087 A
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-70787
  • Non-Patent Document 1 Kenichi Iga, Ed., “Semiconductor Laser”, 1st edition, Ohmsha Ltd., October 25, 1994, p. 238
  • the purpose of the conventional light source is to activate the catalytic function of the photocatalyst using light from a coherent light source.
  • photocatalysts have a wavelength dependence, and there is a problem that the wavelength of a coherent light source that can be used is limited in order to activate the photocatalytic function.
  • a light source with a wavelength of 390 nm or less is required to efficiently activate the photocatalyst.
  • coherent light sources that can use a photocatalyst are limited to short-wavelength light sources with a wavelength of 390 nm or less.
  • a first invention is a coherent light source that simultaneously emits a first light and a second light having a shorter wavelength than the first light, and a light source body that emits at least the first light; Transmit light or It includes a reflecting member and a functional film provided on at least a part of the member. The functional film exhibits a photocatalytic effect by the second light.
  • the photocatalytic effect is, for example, an effect of removing deposits and the like deposited on a member.
  • the second light emits a photocatalytic effect while emitting the first light. That is, it is possible to provide a coherent light source in which the restriction on the emitted wavelength is relaxed while obtaining a photocatalytic function. Furthermore, since a photocatalytic function can be obtained, it is possible to provide a coherent light source that can emit light stably for a long period as an additional effect.
  • a second invention is the coherent light source according to the first invention, wherein the wavelength of the first light is 400 nm or more.
  • the second light can exhibit a photocatalytic effect.
  • a third invention is the coherent light source according to the first invention, wherein the first light and the second light pass through substantially the same optical path.
  • the first light and the second light pass through substantially the same optical path. For this reason, it is possible to easily configure an optical system for irradiating the second light to the same position as the deposit deposited on the member by the first light.
  • a fourth invention is the coherent light source according to the first invention, wherein the first light and the second light are irradiated on the irradiation surface of the member having the functional film in a region substantially equal to the first light.
  • the irradiation surface is, for example, a surface of the member on which the first light and the second light are irradiated.
  • the region where the first light and the second light are substantially equal is irradiated. For this reason, it becomes possible to irradiate the second light to the same position as the deposit deposited on the member by the first light.
  • a fifth invention is the coherent light source according to the first invention, wherein the light source body includes a semiconductor laser made of a III-V group nitride-based semiconductor material.
  • a sixth invention is the coherent light source according to the first invention, wherein the wavelength of the second light is 390 nm or less.
  • the wavelength of the second light is 390 nm, it is possible to efficiently activate the functional film.
  • a seventh invention is the coherent light source according to the first invention, further comprising a first wavelength conversion element for converting a part of the first light into a second light.
  • An eighth invention is the coherent light source according to the seventh invention, wherein the first wavelength conversion element is made of a non-linear optical material or an up-conversion material.
  • stable short-wavelength light can be generated.
  • a ninth invention is the coherent light source according to the seventh invention, wherein the light source main body is made of a solid-state laser medium containing Nd or Yb.
  • the first wavelength conversion element converts the first light emitted from the solid-state laser into a second light that is a third harmonic.
  • stable light emission can be performed over a long period of time while using a solid-state laser.
  • a tenth invention is the coherent light source according to the seventh invention, wherein the light source body converts a solid-state laser medium containing Nd or Yb and light from the solid-state laser into first light that is a second harmonic. And a second wavelength conversion element.
  • the first wavelength conversion element converts light from the solid-state laser and the first light into second light that is sum frequency light.
  • stable light emission can be performed over a long period of time while using a solid-state laser.
  • An eleventh invention is the coherent light source according to the seventh invention, wherein the light source body is constituted by a semiconductor laser.
  • the first wavelength conversion element converts the first light emitted from the semiconductor laser into a second light that is a harmonic.
  • a twelfth invention is an optical system including a coherent light source, a light collecting or projecting optical member, and a functional film.
  • the coherent light source simultaneously emits the first light and the second light having a shorter wavelength than the first light.
  • the functional film is provided on at least a part of the optical member that receives light irradiation from the coherent light source. The functional film develops a photocatalytic effect by the second light.
  • the photocatalytic effect is, for example, an effect of removing deposits and the like deposited on a member.
  • the second light emits a photocatalytic effect while emitting the first light.
  • the limitation on the emitted wavelength is relaxed while obtaining a photocatalytic function.
  • a photocatalytic function can be obtained, it is possible to provide an optical system capable of performing stable light emission over a long period as an additional effect.
  • a thirteenth invention is the optical system according to the twelfth invention, wherein a functional film is provided on an irradiation surface of the optical member where the first light has a power density of 100 W / cm 2 or more. On the irradiation surface, the first light and the second light are applied to substantially the same area. On the irradiation surface where the power density of the first light is the above value, generally, the deposition of the attached matter becomes remarkable.
  • a functional film is provided on such an irradiation surface, and furthermore, the second light can be applied to the portion where the attachment is deposited by the irradiation of the first light, so that the attachment can be efficiently removed. Removal can be performed.
  • the coherent light source of this invention it becomes possible to provide the coherent light source from which the restriction
  • a light-emitting element that operates stably for a long time can be realized. Further, as an additional effect, it is possible to realize stable operation of an optical system such as an optical disk using a short wavelength light source and an optical system such as a laser display using a visible light. Wear.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a coherent light source of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an optical system of the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a coherent light source according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of another coherent light source according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is another configuration diagram of Embodiment 2 of the present invention.
  • Configuration diagram of coherent light source [FIG. 6] Configuration diagram of coherent light source in Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 7 Configuration diagram of another coherent light source in Embodiment 4 of the present invention
  • FIG. 8 Optical system of the present invention Configuration diagram
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a coherent light source of the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a fiber laser of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic view showing an example of a conventional semiconductor laser.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a coherent light source according to an embodiment of the present invention.
  • the first light 3 emitted from the first light source 1 shown in FIG. 1 is multiplexed with the second light 4 emitted from the second light source 2 by the mirror 5.
  • a functional film 6 is formed on the surface of the mirror 5.
  • a GaN semiconductor laser with a wavelength of 410 nm is used as the first light source
  • a GaN semiconductor laser with a wavelength of 380 nm is used as the second light source.
  • FIG. 2 shows an example of application to an optical disk device as an example of an optical system using this light source.
  • a light source 701 is a package obtained by packaging the coherent light source shown in FIG.
  • the light 706 emitted from the light source 701 passes through the condensing optical system 707, the beam splitter 704, and the condensing optical system 705, and is irradiated on the optical disc 703.
  • the reflected light is reflected by the beam splitter 704 and detected by the detector 702. You.
  • the deposition of the foreign matter depends on the power density of the light. Therefore, also in the optical system, the deposition of the foreign matter appears remarkably in a portion where the light power density is high.
  • the power density of the light is 100 W / cm2 at the light-emitting end face of the light source, the window of the light source package, the light-receiving surface of the detector, and other parts that condense and use light, especially in the condensing optics, mirrors, and filters. It was a component that the higher the height, the higher the accumulation of foreign matter.
  • An object of the present invention is to solve the conventional problems described above and to provide an optical system and a coherent light source that operate stably for a long period of time, and that a system such as an optical disk using a short-wavelength laser operates stably. To achieve.
  • irradiation of ultraviolet light to activate the photocatalyst is indispensable for the action of the photocatalyst.
  • activation must be performed with light having a wavelength of 413 nm or less
  • activation must be performed with light having a wavelength of 388 nm or less.
  • the activation wavelength can be extended to about 500 nm.
  • irradiation with light with a wavelength of 390 nm or less is required.
  • the present invention proposes, as a light source, a light source that emits light along the optical axis by substantially equalizing second light having a wavelength of 390 nm or less together with the first light to be used.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of the light source of the present invention.
  • dichroic mirrors 5 combine different wavelengths. By depositing the functional film 6 on the surface of the mirror, accumulation of foreign substances is prevented.
  • the light 706 emitted from the light source 701 includes a second light having a wavelength of 390 nm having an optical axis substantially coaxial with the first light to be used.
  • a functional film is deposited on a portion irradiated with the first light, particularly on a portion where deposition of a foreign substance having a high light power density occurs.
  • at least an optical element which constitutes an optical system and transmits or reflects the first light for example, a window of a package of the light source 701, a condensing optical system 705, a condensing optical system 707, or a beam splitter 704 and the like.
  • a functional film is deposited on part (at least one side).
  • the light source 701 is described as the coherent light source shown in FIG. 1.
  • the light source 701 is the coherent light source shown in FIG. It does not have to be. That is, when a functional film is deposited on a part of the optical element,
  • Reference numeral 701 may be any that does not have a functional film but can emit two lights having different wavelengths.
  • the first light and the second light propagate substantially coaxially, so that the portion where foreign matter is deposited can be efficiently irradiated with the second light. For this reason, low power consumption can be achieved.
  • the optical system since it is not necessary to separately prepare a light source and an optical system for activating the functional film, the optical system is simplified and the size can be reduced.
  • the self-cleaning of foreign matter deposits in the system automatically improves the reliability and life of the optical system.
  • an optical system using the light source of the present invention in order to efficiently transmit the second light exerting a seno-reflective effect through the optical system, the light source and the The optical system requires some contrivance.
  • the light source it is desirable to use light having a wavelength of 340 nm to 390 nm as the second light. This is because the reduction of the photocatalytic effect for a shorter wavelength is not so large, but the selection of an optical system that transmits ultraviolet light becomes more severe.
  • the wavelength is 340 nm or less, the material of the optical components of the lens and the filter is limited to quartz or the like, which causes a problem that the price of the optical system becomes high.
  • the wavelength is longer than 390 nm, the efficiency of the photocatalytic effect is greatly reduced.
  • FIG. 1 Another coherent light source of the present invention will be described with reference to FIG.
  • a solid-state laser is used as the light source body.
  • Semiconductor laser pumped solid-state lasers are widely used, especially for solid-state laser materials doped with ions such as Nd and Cr.
  • a typical Nd-doped YAG laser is used as the light source body.
  • Light having a wavelength of 808 nm from a semiconductor laser 402 for pumping a solid-state laser is applied to a solid-state laser medium 403 (YAG laser medium).
  • the solid-state laser medium is resonated by the resonator mirror 405 and performs laser oscillation.
  • the force output centered on infrared light with a wavelength of 1.064 zm has a high output characteristic of several W to several tens of W or more.
  • a wavelength conversion element 404 that converts the light into a third harmonic is introduced.
  • a part of the laser light is wavelength-converted into a third harmonic having a wavelength of about 355 nm. Therefore, the first light 408, which is the fundamental wave having a wavelength of 1.06 xm, which is the first light, and the second light 409, which is the third harmonic, are emitted with substantially the same optical axis. become.
  • the semiconductor laser 402, the solid-state laser medium 403, the wavelength conversion element 404, and the mirror 405 are covered with a package 410, and light is emitted through a window 406. Since the window 406 has a high light density, a functional film 407 is deposited. The functional film 407 deposited on the window 406 is irradiated with a second light having a wavelength of 355 nm. Therefore, the functional film 407 is activated, and the deposition of foreign matter on the window 406 can be prevented.
  • the functional film may be provided, for example, on a part of the mirror 405 located on the optical path of the laser beam.
  • the coherent light source may be used in an optical system, or an optical element having a functional film deposited thereon may be used.
  • the second light radiated coaxially with the first light exerts a self-tuning function, thereby greatly reducing the deterioration of the optical element.
  • the solid-state laser includes a 411 wavelength conversion element, and a fundamental wave having a wavelength of 1.06 / im is converted into a second harmonic by the wavelength conversion element 411, and the It emits green light near 53 Onm.
  • the wavelength conversion element 404 In order to mix this green light with ultraviolet light having a wavelength of 380 nm or less, the wavelength conversion element 404 generates a sum frequency of 1.06 zm light from the solid-state laser and 530 nm wavelength light from the wavelength conversion element 411. Let it. This makes it possible to generate ultraviolet light having a wavelength of 355 nm.
  • the wavelength of the light source When the wavelength of the light source is shortened, the generation of deposits mainly composed of carbon (C) greatly increases.
  • the amount of deposits such as a laser mirror at 532 nm increases by one digit or more compared to infrared light. For this reason, the photocatalyst in the mirror or glass window The self-cleaning effect by this is enormous, and the durability of the laser is greatly increased. Further, as another embodiment, a configuration as shown in FIG. 4 is also possible.
  • FIG. 4A shows an example in which the external mirror 412 of the resonator is constituted by a wavelength conversion element.
  • the substrate is made of MgO: LiNb ⁇ 3 and has a wavelength conversion function by forming a periodic domain-inverted structure inside.
  • Other wavelength conversion materials for ultraviolet light such as LBO, BBO and CLB ⁇ can also be used as nonlinear optical crystals. These wavelength conversion materials are crystals having transmission characteristics up to ultraviolet light and have high transmission characteristics, so that they are promising materials for resonator mirrors.
  • the optical system can be simplified by forming the external mirror 412 with the wavelength conversion element.
  • a wavelength conversion element 503 is provided outside the laser resonator.
  • the configuration of the resonator is simplified, and the instability of the resonator due to resonator noise and the like is reduced.
  • the second light which is an ultraviolet light having a photocatalytic effect on the first light generated coaxially, is superimposed. It is possible to do.
  • the main effect of this configuration is that, for example, by depositing the functional film 407 on the window 406 of the coherent light source, the deposition of foreign substances containing carbon as a main component can be greatly reduced.
  • the characteristics are degraded by deposits on the constituent mirrors and the like, so periodic maintenance is required and continuous operation time is limited.
  • by adding a wavelength conversion function for converting only a part of light to ultraviolet light in the coherent light source as in the present invention it becomes possible to generate ultraviolet light that causes photocatalysis. As a result, deposits on the optical system can be reduced, and the continuous operation time of the laser can be greatly improved.
  • the converted light (the second light) is generated at substantially the same optical axis with respect to the required light (the first light). It can be illuminated with converted light. For this reason, the optical system becomes very simple. Furthermore, since the light used for the photocatalytic effect can be minimized, the efficiency of the light source can be improved.
  • the power density of light By covering the surface of a high optical element, for example, an optical component such as a mirror or a lens with a functional film, a self-cleaning function can be added, and the accumulation of foreign substances can be significantly reduced.
  • the use of wavelength conversion makes it possible to easily generate the second light generated coaxially.
  • Wavelength conversion has no light loss associated with the conversion. Since the light intensity required for photocatalysis is about several mW, the conversion loss of the first light is very small and effective.
  • the optical element is required to have a property of transmitting ultraviolet light having a wavelength of 390 nm or less. It is necessary to irradiate the second light, which is ultraviolet light, at least up to the optical element where foreign matter accumulation occurs. For this reason, in an optical element located in the optical path to the optical element where foreign matter is deposited, the absorption of ultraviolet light is small, and the material is preferable.
  • the wavelength conversion element there are KNb K3, KTiOP ⁇ 4, LiNb ⁇ 3, LiTa ⁇ 3, LiNb ⁇ 3 doped with Mg, LBO, BBO, CLB ⁇ , quartz and the like.
  • a structure in which these crystals are periodically poled is desired.
  • the conversion characteristics can be adjusted according to the wavelength of the fundamental wave whose wavelength is converted by periodically reversing the polarization.
  • wavelength conversion can be performed as in the case of nonlinear materials by using a structure in which the crystal structure is periodically inverted.
  • harmonics such as 2nd and 3rd harmonics
  • the phase matching conditions can be adjusted by optimizing the periodic structure.
  • a structure capable of conversion over a wide wavelength range can be realized.
  • design the domain-inverted structure so that conversion is possible over a wide wavelength range so that phase matching is possible even if the wavelength to be converted fluctuates. Desired Les ,.
  • lasers such as Ar lasers and Kr lasers that emit light with wavelengths of 400 nm to 500 ⁇ m also have high output characteristics, foreign matter adheres to the lasers themselves and the optical system due to laser irradiation, and the coherent light source and optical system Deterioration occurs.
  • a configuration using a GaN semiconductor laser instead of the wavelength conversion element can also be used.
  • the coherent light source of the present invention using a GaN semiconductor laser will be described with reference to FIG.
  • the light of the semiconductor laser 501 is multiplexed with the solid-state laser light source via the dichroic mirror 502.
  • the semiconductor laser 501 is a GaN laser having a wavelength of 380 nm. By combining the light of the solid-state laser with the GaN laser collimated coaxially, ultraviolet light can be emitted simultaneously. With this configuration, a light source similar to the above-described configuration can be realized.
  • the efficiency of the photocatalytic function can be increased by using Ti ⁇ 2 doped with Cr, Nd, or the like as the functional film as well as the force using Ti ⁇ 2.
  • the surface provided with the functional film is firstly the surface with high light power density (portion where the power is 100 W / cm2 or more), secondly, the surface from which light is emitted, and thirdly, the surface from which light is diverged It is. It is effective to add a functional film to the outermost surface of the surface satisfying this condition (for example, an emission window of a light source package corresponds to the surface).
  • a force using a wavelength conversion element using a non-linear optical material or a wavelength conversion element using an up-conversion material can be used. Upconversion, unlike ordinary fluorescence, generates light with a shorter wavelength than the excitation light, and is known to be a Yb3 + _Er3 + material.
  • Oscillation wavelengths from 360 nm to 480 nm have been realized in GaN semiconductor lasers, and light can be generated even in a wavelength range of 500 nm or more. In addition, higher output is being achieved, and optical output of several tens of mW is possible.
  • FIG. 6A shows the configuration of a semiconductor laser package.
  • a semiconductor laser 300 is soldered to a submount 302 provided on a base 303.
  • the first light 309 output from the semiconductor laser 300 is partially wavelength-converted by the wavelength conversion element 401 and output as the second light 310.
  • Ti02 is deposited as a functional film 308, and the second light 310 causes a photocatalytic effect.
  • the semiconductor laser 300 is sealed with a cap 304. Such a configuration is effective for long wavelength GaN lasers.
  • blue light having a wavelength of about 440 to 460 nm is efficient.
  • the configuration of the present invention is effective when a light source having such a wavelength is used as a light source having a high output of 100 mW or more. That is, the laser light is converted into a higher harmonic wave by the wavelength conversion element, so that a photocatalytic effect is caused on the functional film 308, and the deterioration of the characteristics due to the adhesion of the foreign matter can be prevented.
  • the wavelength conversion element 401 can be provided outside. Since a short wavelength light having a wavelength of 220 to 230 nm is required as a wavelength conversion element, LBO, BB0, CLBO, etc. are effective.
  • a structure obtained by periodically modulating the quartz crystal structure has a transmission characteristic up to a short wavelength, and the conversion wavelength can be selected according to the period.
  • Such a structure is preferable because it is stable as a crystal.
  • FIG. 7 (b) is a bird's-eye view of the nitride semiconductor laser device according to the embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser 301 as a light source body has a basic structure of a DH (double hetero) structure, an n-type cladding layer 102 of n-type AlGaN on an n-type GaN substrate 101, and a multiple quantum well structure including InGaN.
  • the resonator length, chip width, and thickness of the element were set to 600 ⁇ m, 400 zm, and 80 ⁇ m, respectively.
  • the width of the ridge stripe of the first semiconductor laser 201 is about 1.
  • the width of the second semiconductor laser 202 was 10 zm.
  • the semiconductor laser 301 is composed of a first semiconductor laser 201 and a second semiconductor laser 202.
  • the amount of In in the quantum well active layer 103 is changed between the second semiconductor laser 202 and the first semiconductor laser 201.
  • the first semiconductor laser 201 and the second semiconductor laser 202 oscillate at different wavelengths. For example, the first semiconductor laser 201 oscillates at a wavelength of 410 nm, and the second semiconductor laser 202 oscillates at a wavelength of 380 nm.
  • FIG. 7A shows a coherent light source in which the semiconductor laser 301 is packaged.
  • the semiconductor laser 301 simultaneously emits a first light 309 having a wavelength of 410 nm and a second light 310 having a wavelength of 380 nm.
  • the second light 310 causes a photocatalytic effect on the functional film 308 deposited on the glass window 306.
  • the adhesion of foreign substances to the window glass can be reduced by the self-cleaning effect. Therefore, deterioration of the light source characteristics can be prevented, and the life can be greatly increased.
  • the first semiconductor laser 201 and the second semiconductor laser 202 can be formed so that the light emitting points are close to each other. Therefore, light can be emitted with substantially the same optical axis. Therefore, even when an optical system is formed using this coherent light source, the surface of the optical element can be self-cleaned only by depositing a functional film on the optical element constituting the optical system.
  • the semiconductor lasers have different wavelengths formed on the same substrate.
  • the same effect can be obtained by fixing the semiconductor lasers formed on different substrates on the submount 302 with the light emitting points close to each other. .
  • this semiconductor laser was used as the light source 701 of the optical disk device shown in FIG. 2, the life of the optical system and the device was greatly increased.
  • the first semiconductor laser 201 has a power required to have a high output, single mode characteristic.
  • the second semiconductor laser 202 that generates the second light has an output of about several mW.
  • the transverse mode is multi-mode, it can be configured relatively easily.
  • the first semiconductor laser 201 is used for writing and calling information in an optical disk device, while the second semiconductor laser 202 is turned on simultaneously with the first semiconductor laser 201. do not have to.
  • the second semiconductor laser 202 is turned on when the situation of foreign matter deposition in the optical system is detected and cleaning is required, so that the power consumption of the coherent light source can be reduced.
  • the intensity it is desirable to use the second semiconductor laser 202 at an intensity of 1/10 or less of the intensity of the first semiconductor laser 201.
  • the power of the second semiconductor laser 202 approaches the power of the first semiconductor laser 201, there arises a problem that, when reading and writing information on the optical disk, information on the medium is deteriorated. Therefore, it is preferable to use the laser power of the second semiconductor laser 202 limited.
  • the semiconductor laser is a substrate on which a force III-V nitride semiconductor material formed on the GaN substrate 101 can be epitaxially grown, for example, a sapphire substrate, a SiC substrate, or the like. Is also good.
  • the method of the present invention can also be used for a high-power semiconductor laser that does not necessarily require laser oscillation only in the fundamental transverse mode, whereby carbon deposition is suppressed and a high-power semiconductor laser can be operated stably. be able to.
  • a semiconductor laser device made of a III-V group nitride-based semiconductor material has been described.
  • the wavelength may be 450 nm or less).
  • the effect is obtained for mixed crystal compound semiconductors containing BAlGalnN, arsenic (As), and phosphorus (P).
  • FIG. 8 shows a laser display device as an example of the optical system of the present invention.
  • a first light 602 and a second light 603 emitted from a light source 601 are projected on a screen 606 by a projection optical system 605.
  • a Ti ⁇ 2 film 604 is deposited on at least one outermost surface of the optical system in the middle.
  • the coherent light source described in the above embodiment may be used.
  • the first light 602 and the second light 602 having a shorter wavelength than the first light 602 may be used.
  • Other coherent light sources may be used as long as they emit the same light 603 at the same time.
  • the functional film 604 formed on the optical system by the second light 603 emitted from the light source 601 causes a photocatalytic effect, thereby preventing the deposition of C (carbon) deposited on the optical system.
  • the irradiation surface of the optical element is irradiated with substantially the same area. This makes it possible to effectively clean the deposits such as carbon deposited by the first light 602 with the second light 603 and the functional film.
  • the coherent light source 601 and the functional film 604 of the present invention can solve the problems conventionally seen.
  • the problem is that when a short-wavelength semiconductor laser is driven at high output for a long period of time, the carbon at the hydride opening (such as volatiles of C and H) present in the optical system is decomposed by the laser light, It refers to the problem that foreign matter containing at least carbon (C) is deposited on the emission end face, glass, and optical system.
  • the present invention it is possible to solve the conventional problems described above and to provide an optical system that operates stably for a long period of time, and realize stable operation of a system such as an optical disk using a short-wavelength laser. .
  • the coherent light source may use a fiber laser which is a kind of solid-state laser.
  • a configuration using a fiber laser as another coherent light source of the present invention will be described with reference to FIG.
  • 901 is a pump light source (a semiconductor laser having a wavelength of 915 nm)
  • 902 is a Yb-doped fiber laser
  • 903 is an up-conversion fiber
  • 904 is a functional film.
  • the doped fiber laser 902 is excited by the pump light source 901 to perform laser oscillation near 1080 nm. A portion of the 1080 nm light is converted to short wavelength light by the up-conversion fiber 903, and the 1080 nm light and the short wavelength light are simultaneously emitted from one end of the fiber.
  • a functional film 904 is formed on one end surface of the fiber.
  • the functional film 904 prevents foreign matter from adhering to the end face of the up-conversion fiber 903 by the photocatalytic effect of the short wavelength light.
  • the fiber laser 902 can have a high output and a single transverse mode oscillation, and therefore have a high light power density. For this reason, in the related art, foreign matter deposits on the end face of the fiber laser 902 remarkably occur.
  • the functional film 904 and the up-conversion fiber 903 as a short-wavelength light source are provided, the end face is effectively cleaned.
  • the beam quality is high and the light collection characteristics are good, the power density of light is easily improved. For this reason, in the present invention, it is possible to effectively perform cleaning by providing a functional film even in an optical system that handles output from a laser.
  • a doping material for the fiber a material such as Yb, Nd, Er, or Er / Yb can be doped.
  • the end cap 906 may be provided with a wavelength conversion function. Further, in the present invention, a functional film 907 may be provided on the emission end face of the end cap 906. A part of the light from the fiber laser is wavelength-converted to short-wavelength light, and the wavelength-converted light causes the functional film 907 provided on the emission end face of the end cap 906 to exert a photocatalytic effect. This makes it possible to add a cleaning effect to the emission part of the fiber laser.
  • the coherent light source of the present invention is effective mainly for a coherent light source that generates high-output and short-wavelength light. It is also effective in optical information processing fields using coherent light sources, such as optical discs, copiers and printers such as laser printers, lighting equipment, optical communications, laser displays, laser processing, and medical systems.
  • coherent light sources such as optical discs, copiers and printers such as laser printers, lighting equipment, optical communications, laser displays, laser processing, and medical systems.

Abstract

　出射される波長の制限が緩和されたコヒーレント光源を提供することを課題とする。本発明のコヒーレント光源は、第１の光（３）と、第１の光（３）より波長の短い第２の光（４）を同時に出射するコヒーレント光源であり、少なくとも第１の光（３）を出射する光源本体と、第１の光（３）を透過又は反射するミラー（５）と、ミラー（５）の少なくとも一部に設けられた機能性膜（６）と、を備えている。機能性膜（６）は、第２の光（４）により光触媒効果を発現する。

Description

明 細 書
コヒーレント光源および光学システム 技術分野
[0001] 本発明は、コヒーレント光源および光学システム、特に、光触媒効果を発現する機 能性膜を備えるコヒーレント光源および光学システムに関するものである。
背景技術
[0002] 窒化ガリウムをはじめとする III V族窒化物系半導体材料 (AlxGaylnl X yN (た だし、 0≤x≤l、 0≤y≤lである））からなる半導体レーザは、光ディスクによる超高密 度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに最も近い青紫色 半導体レーザである。この青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書 き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野 の開拓に必須の技術である。
録画再生型の光ディスクシステムにおいては、高出力半導体レーザが望まれる。高 出力化の有効な手段のひとつとして、共振器端面の反射率を非対称とする方法が知 られている（例えば、非特許文献 1参照。）。この方法は、光ディスクの書き込みに用 レ、られる半導体レーザでは一般的な方法である。この方法は、共振器を形成する端 面を誘電体膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にする方法で、共振 器を形成する端面のうち、レーザ光が出射する共振器の前方端面を低反射率に、ま た、その反対側の後方端面の反射率を高反射率とする (例えば前方端面 10%、後 方端面 90%)。誘電体多層膜の反射率は、用いる誘電体の屈折率、層厚、および積 層する総数によって制御することができる。
半導体レーザは、図 11に示すようなキャン'パッケージに実装 (組立）される。このパ ッケージは、半導体レーザ 801およびその放熱体であるサブマウント 802が実装され るベース 803と、キャップ 804力ら成る。キャップの内部は、窒素（N2)ガス等で封止 される。
キャップは、光を取り出すためのガラス 806と金属製の土台（缶 805)力 なり、気密 を保っために、低融点ガラス 807 (数百度で固着）で接着されている。 この様な半導体レーザにぉレ、て、レーザパッケージの表面にゴミゃカビなどが付着 して、出力特性に影響を及ぼすことが問題となっている。この問題を解決する方法と して、レーザのパッケージの表面に光触媒機能を有する膜を形成することが提案され ている（例えば、特許文献 1参照。）。
また、高出力のコヒーレント光源として固体レーザ光源が開発されている。固体レー ザの共振器に波長変換素子を揷入することで、高出力の可視光の発生が可能となる 。この様な固体レーザにおいても、レーザ端面のゴミの付着は出力特性の劣化を招 き、レーザの寿命を短くする。この問題を解決するため、光学部品の表面に光触媒効 果を有する膜を設けることが提案されている（例えば、特許文献 2参照。）。また固体 レーザ共振器ミラーに光触媒機能を有する膜を形成する構造が示されている。 特許文献 1 :特開 2003 - 59087号公報
特許文献 2：特開 2001 - 70787号公報
非特許文献 1 :伊賀健一編著、「半導体レーザ」、第 1版、株式会社オーム社、平成 6 年 10月 25曰、 p. 238
発明の開示
(発明が解決しょうとする課題）
従来の光源においては、コヒーレント光源からの光を用いて光触媒の触媒機能を活 性化させることを目的としている。し力、しながら、光触媒は波長依存性があり、光触媒 機能を活性化させるには、利用できるコヒーレント光源の波長が限られるという問題が ある。具体的には、光触媒を効率よく活性化させるには波長 390nm以下の光源が必 要となる。このため、光触媒を利用できるコヒーレント光源は波長 390nm以下の短波 長光源に限られるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、出射される波長の制限が緩和されたコヒーレ ント光源を提供することを課題とする。さらに、別の本発明は、出射される波長の制限 が緩和された光学システムを提供することを課題とする。
(課題を解決するための手段）
第 1の発明は、第 1の光と、第 1の光より波長の短い第 2の光を同時に出射するコヒ 一レント光源であり、少なくとも第 1の光を出射する光源本体と、第 1の光を透過又は 反射する部材と、部材の少なくとも一部に設けられた機能性膜と、を備えている。機 能性膜は、第 2の光により光触媒効果を発現する。
ここで、光触媒効果とは、例えば、部材に堆積する付着物などを除去する効果など である。
本発明では、第 1の光を出射させつつ、第 2の光により光触媒効果を発現する。す なわち、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和されたコヒーレント光源 を提供することが可能となる。さらに、光触媒機能を得ることができるため、付随的な 効果として、長期的に安定した発光を行うことができるコヒーレント光源を提供すること が可能となる。
第 2の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、第 1の光の波長が 400nm 以上である。
本発明では、第 1の光の波長が 400nm以上であっても、第 2の光により、光触媒効 果を発現させることが可能となる。
第 3の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、第 1の光と第 2の光とがほぼ 同じ光路を通過する。
本発明では、第 1の光と第 2の光とがほぼ同じ光路を通過する。このため、第 1の光 により部材に堆積する付着物と同じ位置に第 2の光を照射させるための光学系を簡 易に構成することが可能となる。
第 4の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、機能性膜を備えた部材の 照射面において、第 1の光と第 2の光とがほぼ等しい領域に照射されている。
ここで、照射面とは、例えば、部材において、第 1の光および第 2の光が照射される 面である。
本発明では、第 1の光と第 2の光とがほぼ等しい領域に照射されている。このため、 第 1の光により部材に堆積する付着物と同じ位置に第 2の光を照射させることが可能 となる。
第 5の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、 III一 V族窒化 物系半導体材料からなる半導体レーザを含んでいる。
本発明では、 III一 V族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザにおいて、長期 的に安定した発光を行うことが可能となる。
第 6の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、第 2の光の波長が 390nm 以下である。
本発明では、第 2の光の波長が 390nmであるため、効率よく機能性膜を活性化さ せること力 S可肯 となる。
第 7の発明は、第 1の発明のコヒーレント光源であって、第 1の光の一部を第 2の光 に変換する第 1の波長変換素子をさらに備える。
本発明では、波長変換素子により、第 1の光を第 2の光に変換するため、簡易な光 学系であっても、第 1の光と第 2の光とをほぼ同軸に発生させることが可能となる。 第 8の発明は、第 7の発明のコヒーレント光源であって、第 1の波長変換素子が非線 形光学材料またはアップコンバージョン材料からなる。
本発明では、例えば、安定した短波長光発生が可能となる。
第 9の発明は、第 7の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、 Nd又は Ybを 含む固体レーザ媒体から構成されている。第 1の波長変換素子は、固体レーザから 出射された第 1の光を第 3高調波である第 2の光に変換する。
本発明では、固体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能とな る。
第 10の発明は、第 7の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、 Nd又は Yb を含む固体レーザ媒体と、固体レーザからの光を第 2高調波である第 1の光に変換 する第 2の波長変換素子とから構成される。第 1の波長変換素子は、固体レーザから の光と第 1の光とを和周波光である第 2の光に変換する。
本発明では、固体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能とな る。
第 11の発明は、第 7の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、半導体レー ザから構成される。第 1の波長変換素子は、半導体レーザから出射された第 1の光を 高調波である第 2の光に変換する。
本発明では、半導体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能と なる。 第 12の発明は、コヒーレント光源と、集光または投射光学部材と、機能性膜とを備 える光学システムである。コヒーレント光源は、第 1の光と、第 1の光より波長の短い第 2の光を同時に出射する。機能性膜は、コヒーレント光源からの光照射を受ける光学 部材の少なくとも一部に設けられている。機能性膜は、第 2の光により光触媒効果を 発現する。
ここで、光触媒効果とは、例えば、部材に堆積する付着物などを除去する効果など である。
本発明では、第 1の光を出射させつつ、第 2の光により光触媒効果を発現する。す なわち、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和された光学システムを 提供すること力 S可能となる。さらに、光触媒機能を得ることができるため、付随的な効 果として、長期的に安定した発光を行うことができる光学システムを提供することが可 能となる。
第 13の発明は、第 12の発明の光学システムであって、光学部材において、第 1の 光のパワー密度が 100W/cm2以上になる照射面においては、機能性膜が設けら れている。照射面において第 1の光と第 2の光とがほぼ同じ領域に照射される。 第 1の光のパワー密度が上記値である照射面では、一般に、付着物の堆積が顕著 となる。
本発明では、この様な照射面に機能性膜を設け、さらに、第 1の光の照射により付 着物が堆積する部分に第 2の光を照射させることができるため、効率的に付着物の 除去を行うことが可能となる。
(発明の効果）
本発明のコヒーレント光源の構造によれば、光触媒機能を得つつ、出射される波長 の制限が緩和されたコヒーレント光源を提供することが可能となる。さらに、別の本発 明は、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和された光学システムを提 供すること力 S可肯 となる。
また、付随的な効果として、長期的に安定して動作する発光素子を実現することが できる。さらに、付随的な効果として、短波長光源を用いた光ディスク等のシステム、 可視光を用いたレーザディスプレイ等の光学システムの安定稼動を実現することがで きる。
図面の簡単な説明
[0004] [図 1]本発明のコヒーレント光源の構成図
[図 2]本発明の光学システムの構成図
[図 3]本発明の実施の形態 2におけるコヒーレント光源の構成図 [図 4]本発明の実施の形態 2における他のコヒーレント光源の構成図 [図 5]本発明の実施の形態 2における他のコヒーレント光源の構成図 [図 6]本発明の実施の形態 3におけるコヒーレント光源の構成図 [図 7]本発明の実施の形態 4における他のコヒーレント光源の構成図 [図 8]本発明の光学システムの構成図
[図 9]本発明のコヒーレント光源の構成図
[図 10]本発明のファイバーレーザの構成図
[図 11]従来の半導体レーザの一例を示す模式図
符号の説明
[0005] 1 第 1の光源
2 第 2の光源
3 第 1の光
4 第 2の光
5 ミラー
6 機能性膜
101 基板
102 n— AlGaNクラッド層
103 活性層
104 p— AlGaNクラッド層
105 p— GaNコンタクト層
106 リッジストライプ
107 電流狭窄層
108 p電極 109 n電極
201 第 1半導体レーザ 202 第 2半導体レーザ 300， 301 半導体レーザ
302 サブマウント
303 ベ一ス
304 キャップ
305 缶
306 ガラス窓
307 低融点ガラス
308 機能性膜
309 第 1の光
310 第 2の光
401 波長変換素子
402 半導体レーザ
403 固体レーザ
404 波長変換素子
405 ミラー
406 寧
407 機能性膜
408 第 1の光
409 第 2の光
410 ノ ッケージ
411 波長変換素子
501 半導体レーザ
502 ミラー
503 波長変換素子
601 光源 602 第 1の光
603 第 2の光
604 機能性膜
605 投射光学系
606 スクリーン
701 光源
702 ディテクタ
703 光ディスク
704 ビームスプリツ
705 集光光学系
706 光
707 集光光学系
801 半導体レーザ
802 サブマウント
803 ベース
804 キャップ
805 缶
806 ガラス
807 低融点ガラス
808 機能性膜
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態 1)
図 1は本発明の実施の形態に係るコヒーレント光源の構成図である。図 1に示した 第 1の光源 1から出た第 1の光 3は、第 2の光源 2から出た第 2の光 4とミラー 5によって 合波されている。ミラー 5の表面には、機能性膜 6が形成されている。第 1の光源とし て、例えば波長 410nmの GaN半導体レーザ、第 2の光源として例えば波長 380nm の GaN半導体レーザを用レ、る。 また、この光源を用いた光学システムの一例として光ディスク装置に応用した例を 図 2に示す。図 2においては、光源 701は、図 1に示したコヒーレント光源をパッケ一 ジ化したものである。光源 701から出た光 706は、集光光学系 707、ビームスプリッタ 704、集光光学系 705を通過した後、光ディスク 703に照射され、反射光がビームス プリッタ 704によって反射され、ディテクタ 702によって検出される。
この様な光学システム、特に短波長、高出力のレーザを取り扱う場合に、長期信頼 性における問題が顕著になってきている。この問題とは、（短波長の半導体レーザを 高出力（例えば 30mW)で長期に渡って駆動させた時に、レーザの近傍に存在する ハイド口カーボン（Cと Hの化合物、例えばアルデヒドなど）がレーザ光により分解し、 光学部品の端面に楕円状に異物が析出するという問題である。元素分析 (EDX等の 質量分析）により、この異物は、主成分がカーボン (C)からなることが分かった。析出 する異物は、光出力の増加に伴い顕著であり、録画再生型の光ディスク装置の高速 化（この様な装置では、レーザは、高出力のものが必要となる）の際に、より問題とな つてくる。さらに、この様な現象は、光ディスクに限らず、短波長、高出力なコヒーレン ト光源を利用する光学システム総てにおいて生じる問題であり、長期信頼性を劣化さ せる要因である。
また、光学システムを構成する光学系、光源において、上記異物の堆積は、光のパ ヮー密度に依存する。従って、光学系においても、異物の堆積は、光のパワー密度 が高い部分に顕著に現れる。例えば、光源の出射端面、光源パッケージの窓、ディ テクタの受光表面、その他、集光光学系、ミラー、フィルタ一部で特に光を集光して 利用する部分において光のパワー密度が 100W/cm2以上に高くなると、異物の堆 積が高くなることが分力 た。また異物は、使用環境にも大きく依存し、外気の埃、塵 、煙等の多い場所では、その堆積の速度が高くなることが分かった。これらは、光学 部品の透過特性、反射特性等を劣化させるため、光学システムの寿命を制限する。 この現象は、他の半導体レーザ (赤色レーザや赤外レーザ)では観察されていない こと力ら、波長 600nm以下の短波長光、または非常にパワー密度の高いレーザ光源 において特に顕著になる。また、この現象は、短波長の半導体レーザ (例えば、発振 波長が 400nm帯）においては、さらに顕著となる。 本発明は、前述の従来の課題を解決し、長期的に安定して動作する光学システム およびコヒーレント光源を提供することを目的としており、短波長のレーザを用いた光 ディスク等のシステムの安定稼動を実現する。
この様な、光学システムにおける異物の堆積を防止する方法として、光触媒作用に よるセルフクリーニング機能を利用した方法が着目されている。この方法では、光学 面の最外部にコーティングした Ti〇2等の機能性膜の強い光触媒作用により、ハイド 口カーボンを C02や H2〇等に変化させる。これにより、光学システムへの異物の堆 積を防止する。
し力、しながら、光触媒の作用には光触媒を活性化するための紫外光の照射が必要 不可欠である。光触媒としてルチル型の酸化チタンを用いた場合、 413nm以下の波 長の光で活性化する必要があり、アナターゼ型の酸化チタンを用いた場合、 388nm 以下の波長の光で活性化する必要がある。 Crをドーピングした酸化チタンを用いた 場合、 500nm近傍まで活性化の波長を長波長化できる。し力 ながら、効率良く酸 化チタンを活性化するには波長 390nm以下の光による照射が必要である。
この問題を解決するために、本発明では、光源として、利用したい第 1の光とともに 、波長 390nm以下の第 2の光をほぼ等しレ、光軸で出射する光源を提案する。
図 1に本発明の光源の構成図を示す。図 1において、ダイクロイツクミラー 5は、異な る波長を合波している。このミラーの表面に機能性膜 6を堆積することで、異物の堆 積を防止している。
さらにこの様な光源を用いた図 2の光学システムにおいては、光源 701から出射さ れた光 706は、使用する第 1の光とほぼ同軸の光軸を持つ波長 390nmの第 2の光を 含む。第 1の光が照射される部分で特に光のパワー密度が高ぐ異物の堆積が起こ る部分には、機能性膜が堆積されている。例えば、光学システムを構成し、第 1の光 を透過又は反射する光学素子（例えば、光源 701のパッケージの窓、集光光学系 70 5、集光光学系 707、あるいはビームスプリッタ 704)などの少なくとも一部（少なくとも 一面）に機能性膜が堆積されている。
なお、光源 701は、図 1に示したコヒーレント光源であると記載した力 光学素子の 一部に機能性膜が堆積される場合には、光源 701は、図 1に示したコヒーレント光源 でなくてもよい。すなわち、光学素子の一部に機能性膜が堆積される場合には、光源
701は、機能性膜を備えていないが波長の異なる 2つの光を出射できるものであれ ばよい。
図 1および図 2に示した構成では、第 1の光と第 2の光がほぼ同軸で伝搬しているた め、異物の堆積が起こる部分に効率よく第 2の光を照射できる。このため、低消費電 力化が可能となる。また機能性膜を活性化するための光源や光学系を別に用意する 必要がないので、光学系が単純になり小型化が図れる。さらに、システムにおける異 物の堆積が自動的にセルフクリーニングされるため、光学系の信頼性向上、寿命の 増大が著しく向上する。
また、図 2に示すように、本発明の光源を用いた光学系を構成する場合、セノレフクリ 一二ング作用を及ぼす第 2の光を効率良く光学系を透過させるためには、光源およ び光学系に工夫が必要である。例えば、光源に対する工夫として、第 2の光として、 3 40nm— 390nmの波長の光を用いることが望ましレ、。これは、短波長化に対する光 触媒効果の低下はそれほど大きくないが、紫外光を透過する光学系の選択が厳しく なるからである。例えば、波長が 340nm以下になるとレンズやフィルターの光学部品 の材料として石英等に限られるため光学系の価格が高くなるという問題が生じる。一 方、 390nmより長波長になると光触媒効果の効率が大幅に低下する。
(実施の形態 2)
本発明の他のコヒーレント光源について図 3を用いて説明する。ここでは、光源本 体として固体レーザが用いられてレ、る。
半導体レーザ励起の固体レーザは、 Nd, Cr等のイオンをドーピングした固体レー ザ材料を中心に広く使用されている。図 3では、光源本体として、その代表的なもの である Ndドープの YAGレーザが用いられている。固体レーザ励起用の半導体レー ザ 402からの波長 808nmの光が固体レーザ媒質 403 (YAGレーザ媒質）に照射さ れる。固体レーザ媒質は、共振器ミラー 405で共振され、レーザ発振を行う。レーザ 発振としては、波長 1. 064 z mの赤外光が中心である力 出力は、数 Wから数 10W 以上と高出力特性を有する。
この様な固体レーザを用いた場合においても、レーザ光の光路に位置するレーザミ ラーおよびこの固体レーザを用いた光学系における異物堆積が懸念される。この問 題を解決する方法として、図 3 (a)に示すように波長変換素子 404を挿入する構成を 提案する。
例えば、波長 1. 06 x mの固体レーザ発振において、その光を 3倍高調波に変換 する波長変換素子 404を揷入する。これによりレーザ光の一部が波長 355nm近傍 の 3倍波に波長変換される。このため、第 1の光である波長 1. 06 x mの基本波であ る第 1の光 408と、 3倍高調波である第 2の光 409とがほぼ等しい光軸で出射されるこ とになる。
半導体レーザ 402、固体レーザ媒質 403、波長変換素子 404、ミラー 405は、パッ ケージ 410で覆われており、窓 406を通って光が出射する。窓 406部分は光のパヮ 一密度が高いため、機能性膜 407を堆積する。窓 406に堆積された機能性膜 407に は、波長 355nmの第 2の光が照射されている。このため、機能性膜 407が活性化さ れ、窓 406への異物の堆積を防止できる。
また、機能性膜は、例えば、レーザ光の光路に位置するミラー 405の一部にもうけら れていてもよい。
また、このコヒーレント光源を用レ、た光学系におレ、ても機能性膜を堆積した光学素 子を用いてもよい。この場合、第 1の光と同軸で照射される第 2の光によりセルフタリ 一二ング機能が発現され、光学素子の劣化を大幅に低減できる。
この様な固体レーザを用いるコヒーレント光源の形態としては幾つかの形態がある。 図 3 (b)は、その他の構成として、固体レーザに 411の波長変換素子を含んでおり、 1. 06 /i mの波長の基本波を波長変換素子 411により第 2高調波に変換し、波長 53 Onm近傍のグリーン光を発生するものである。
このグリーン光に波長 380nm以下の紫外光を混ぜるために、波長変換素子 404に よって、固体レーザからの 1. 06 z mの光と、波長変換素子 411からの波長 530nm の光との和周波を発生させる。これにより波長 355nmの紫外光発生が可能となる。 光源波長が短波長化するとカーボン (C)を主成分とする付着物の発生が大幅に増 大する。出力が数 Wの光源においては、赤外光に比べて、 532nmでのレーザミラー 等の付着物は一桁以上増大する。このため、ミラーまたはガラス窓において光触媒に よるセルフクリーニング効果は絶大であり、レーザの耐久性が大幅に増大する。 また、その他の形態として図 4に示すような構成も可能である。
図 4 (a)は、共振器の外部ミラー 412を波長変換素子で構成した例である。基板とし て MgO : LiNb〇3、を用レ、、内部に周期状の分極反転構造を形成することで、波長 変換機能を持たせている。非線形光学結晶としては、その他 LBO、 BBO、 CLB〇と いった紫外用の波長変換材料も利用できる。これらの波長変換材料は、紫外光まで の透過特性を有する結晶で、透過特性が高いため共振器ミラーの材質としては、有 望である。
以上のように、外部ミラー 412を波長変換素子で形成することにより光学系を簡素 化できる。
また図 4 (b)の構成では、レーザ共振器の外部に波長変換素子 503を設けている。 共振器の外部に波長変換素子 503をおくことで、共振器の構成を簡単にし、共振 器ノイズ等による共振器の不安定性を低減している。
これらのように、レーザ光の一部を波長変換素子により変換することで、紫外光発生 を行えば、同軸に発生する第 1の光に光触媒作用を及ぼす紫外光である第 2の光を 重畳することが可能となる。
この構成の主な効果としては、例えば、コヒーレント光源の窓 406に機能性膜 407 を堆積することで、カーボンを主成分とする異物堆積を大幅に減らせる。従来の高出 力の固体レーザにおいては、構成ミラー等への付着物により特性が劣化するため、 定期的なメンテナンスが必要であり、連続稼働時間が限定される。一方、本発明のよ うに、コヒーレント光源内に、光の一部のみを紫外光へ変換する波長変換機能を加え ることで、光触媒作用を起こす紫外光の発生が可能となる。この結果、光学系への付 着物堆積を低減でき、レーザの連続稼働時間を大幅に向上させることができる。 さらに、本発明の構成では、必要とする光（第 1の光）に対して変換光（第 2の光）が ほぼ同じ光軸で発生するため、付着物の堆積する部分のみを、効率よく変換光で照 射できる。このため、光学系が非常に簡単になる。さらに、光触媒効果へ利用する光 を最小限に抑えることができるため、光源の効率化が図れる。
さらに、このコヒーレント光源を用いた光学システムにおいても、光のパワー密度の 高い光学素子、例えば、ミラーやレンズといった光学部品の表面を機能性膜で覆うこ とでセルフクリーニング機能を付加し、異物堆積を大幅に低減できる。
また、本発明では、波長変換を用いることで、同軸に発生する第 2の光を容易に発 生すること力 S可能となる。波長変換は変換に伴う光の損失がない。光触媒作用に必 要な光の強度は数 mW程度なので、第 1の光の変換ロスは非常に小さく有効である。 なお、本発明のコヒーレント光源を有効に利用する光学システムにおいては、光学 素子に波長 390nm以下の紫外光を透過する特性が要求される。少なくとも異物堆 積が生じる光学素子までは紫外光である第 2の光を照射する必要がある。このため、 異物堆積が生じる光学素子までの光路に位置する光学素子においては、紫外光の 吸収の少なレ、材料が好ましレ、。
なお、波長変換素子としては、 KNb〇3、 KTiOP〇4、 LiNb〇3、 LiTa〇3、 Mgを ドーピングした LiNb〇3、 LBO、 BBO、 CLB〇、石英等がある。またこれらの結晶を 周期的に分極反転した構造が望まれる。周期的に分極反転することで波長変換する 基本波の波長にあわせて変換特性を調整できる。石英の場合も結晶構造を周期的 に反転させる構造を用いれば非線形材料と同様に波長変換が可能となる。 2倍波、 3 倍波等の高調波を発生する場合、周期構造を最適化することで位相整合条件を調 整できる。さらに、変換する位相整合波長の波長許容度を増大させるために、分極反 転の周期構造を設計することで広い波長範囲に渡って変換が可能な構造も実現で きる。基本波の波長変動が大きな半導体レーザ等に利用する場合は、変換する波長 が変動した場合でも位相整合が可能なように、広い波長範囲に渡って変換可能なよ うに分極反転構造を設計することが望ましレ、。
なお、本実施の形態では固体レーザについて説明した力 その他、ガスレーザ、色 素レーザ等についても同様である。 Arレーザ、 Krレーザ等の波長 400nmから 500η mの発振性を有するレーザにおいても同様に高出力特性を有するため、レーザ自体 および光学系におけるレーザ照射による異物の付着が生じ、コヒーレント光源および 光学系の劣化が発生する。この問題を解決するために、レーザ光の一部を高調波に 波長変換する波長変換素子を備え、レーザ光とその変換光である波長 390nm以下 の光を同時に出射する構成をとれば、光源または光学システムに必要な場所 (異物 堆積が生じやすい場所)の最外面に機能性膜 (Ti02)をコーティングすることで、特 性劣化を大幅に低減可能となり、レーザを用いた光学システムの安定稼動を実現す る。
また波長変換素子の代わりに GaN半導体レーザを用いた構成も利用できる。 GaN 半導体レーザを用いた本発明のコヒーレント光源について図 5を用いて説明する。 固体レーザ光源にダイクロイツクミラー 502を介して、半導体レーザ 501の光を合波 してレ、る。半導体レーザ 501は、波長 380nmの GaNレーザである。固体レーザの光 と同軸でコリメートした GaNレーザをあわせることで、紫外光を同時に出射することが できる。この構成で、上述した構成と同様の光源が実現できる。
なお、機能性膜としては Ti〇2を用いた力 その他 Cr， Nd等をドーピングした Ti〇2 を用いることで、光触媒機能の発生効率を高めることができる。
なお、光学素子等への付着物対策として、機能性膜を備える位置を以下のように決 定すると効果的である。例えば、光によるトラッピング作用によりカーボン等の付着物 が堆積しやすい面は、光のパワー密度に依存するため、光のパワー密度が高い面に 機能性膜を備えるのが望ましい。それ以外にも、光の入射面側より出射面側、特に光 を集光する側ではなく発散する側の出射面において不純物の付着が特に多いため 、その面に機能性膜を備えるのが望ましい。従って、機能性膜を備える面は、第 1に 光のパワー密度が高い面 (パワーが 100W/cm2以上の部分）、第 2に光の出射す る面側、第 3に光が発散する面である。この条件を満たす面の最表面部（例えば光源 パッケージの出射窓等はそれに当たる）に機能性膜を付加するのが効果的である。 なお、本発明の実施の形態では、非線形光学材料を用いた波長変換素子を用い た力 その他アップコンバージョン材料を用いた波長変換素子も利用できる。アップ コンバージョンは、通常の蛍光とは異なり、励起光より波長の短い光を発生するもの であり、 Yb3 +_Er3 +系の材料力 なるものが知られている。フッ素系のガラス材料 にこれらの材料を添加することで、波長の長レ、励起光より緑から青色の光を発生する ことが可能である。アップコンバージョンは、励起光の波長依存性が小さぐ広い波長 範囲に渡り吸収が可能であるため、安定な短波長光発生が可能である。
(実施の形態 3) GaN半導体レーザを用いた本発明のコヒーレント光源について図 6を用いて説明 する。
GaN半導体レーザでは、 360nm— 480nmまでの発振波長が実現されており、さ らに 500nm以上の波長範囲でも光の発生が可能である。さらに、高出力化が進んで おり、数 10mWの光出力が可能である。
波長が 400nm以上の GaN半導体レーザにおいて、レーザ光の集中するレーザパ ッケージの窓部分、またレーザを用いた光学系におレ、て光のパワー密度の高レ、部分 において、異物の堆積が問題となっている。この問題を解決するために、図 6に示す 構成を提案する。
図 6 (a)は、半導体レーザパッケージの構成を示すもので、ベース 303に設けられ たサブマウント 302には、半導体レーザ 300が半田付けされている。この半導体レー ザ 300から出力された第 1の光 309は、波長変換素子 401により一部波長変換され て、第 2の光 310として出力される。ガラス窓 306の表面には、機能性膜 308として Ti 02が堆積されており、第 2の光 310により光触媒効果を起こす。半導体レーザ 300 は、キャップ 304で封止されている。この様な構成は、波長の長い GaNレーザに有効 である。
レーザ表示装置等の視感度の高い光を必要とする装置においては、青色光として 波長 440— 460nm程度の光が効率的である。この様な波長の光源を lOOmW以上 の高出力の光源として利用する場合に、本発明の構成は有効となる。すなわち、レー ザ光を波長変換素子により高調波に変換することで機能性膜 308に光触媒効果を 起こし、異物付着による特性の劣化を防止できる。
なお、図 6 (b)に示すように、波長変換素子 401を外部におくことも可能である。波 長変換素子としては、波長 220 230nmの短波長光発生が必要なため、 LBO、 BB 0、 CLBO等が有効である。
また石英の結晶構造を周期的に変調した構造は、短波長までの透過特性を有し、 周期により変換波長を選択できる。またこの様な構造は、結晶としても安定なため、好 ましい。
(実施の形態 4) 半導体レーザとしては、図 7 (b)は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体レー ザ素子の鳥瞰図である。
光源本体としてのこの半導体レーザ 301は、 DH (ダブルへテロ）構造の基本的な 構成であり、 n型 GaN基板 101上の n型 AlGaNからなる n型クラッド層 102、 InGaN を含む多重量子井戸構造からなる活性層 103、 p型 AlGaNからなる p型クラッド層 10 4、 p型 GaN力もなるコンタクト層 105から成る。
本実施の形態では、素子の共振器長、チップ幅、および厚みは、それぞれ 600 μ m、 400 z m、および 80 x mとした。第 1半導体レーザ 201のリッジストライプの幅は、 約 1. である。第 2半導体レーザ 202の幅は、 10 z mとした。
半導体レーザ 301は、第 1半導体レーザ 201および第 2半導体レーザ 202から構 成されており、量子井戸活性層 103における Inの量を第 2半導体レーザ 202と第 1半 導体レーザ 201とで変えることで、第 1半導体レーザ 201と第 2半導体レーザ 202と は、異なる波長で発振する。例えば、第 1半導体レーザ 201は、波長 410nmで発振 し、第 2半導体レーザ 202は、波長 380nmで発振している。
この半導体レーザ 301をパッケージしたコヒーレント光源を図 7 (a)に示す。このコヒ 一レント光源では、半導体レーザ 301は、波長 410nmの第 1の光 309と波長 380nm の第 2の光 310とを同時に出射する。
第 2の光 310は、ガラス窓 306上に堆積した機能性膜 308に光触媒効果を起こす。 この結果、セルフクリーニング効果により窓ガラスの異物付着を低減できる。このため 、光源特性の劣化を防止でき、寿命を大幅に増大できる。また同一基板に異なる波 長のレーザを形成することで、第 1半導体レーザ 201と第 2半導体レーザ 202とは発 光点を近接して形成できる。このため、ほぼ同じ光軸で光を出射できる。よって、この コヒーレント光源を用いて光学系を形成する場合にも、光学系を構成する光学素子 に機能性膜を堆積するだけで、光学素子の表面をセルフクリーニングできる。
なお、半導体レーザは同一基板に異なる波長のレーザを形成することが望ましいが 、異なる基板に形成した半導体レーザをサブマウント 302上に、発光点を接近させて 固定しても同様の効果が得られる。ただし、この場合は 2つの光がほぼ同じ光軸をと つて進むように、発光点の間隔を 100 μ m以下に近接させて配置することが好ましい この半導体レーザを図 2に示した光ディスク装置の光源 701として用いたところ、光 学系および装置の寿命が大幅に増大した。なお、光ディスク等へ利用する場合は、 第 1半導体レーザ 201には、高出力、シングノレモードの特性が要求される力 第 2の 光を発生する第 2半導体レーザ 202は、出力が数 mW程度、横モードがマルチモー ドでも問題ないので、比較的容易に構成できるという特徴を持つ。
また、 2つの半導体レーザの駆動方法としては、第 1半導体レーザ 201は、光デイス ク装置において情報の書き込みおよび呼び出しに利用されるが、第 2半導体レーザ 202は、第 1半導体レーザ 201と同時に点灯する必要はない。第 2半導体レーザ 20 2は、光学系での異物堆積の状況が検出されクリーニングが必要とされる場合に点灯 することで、コヒーレント光源の消費電力を低減できる。
また、強度としては、第 2半導体レーザ 202は、第 1半導体レーザ 201の 1/10以 下の強度で利用するのが望ましい。第 2半導体レーザ 202のパワーが第 1半導体レ 一ザ 201のパワーに近づくと、光ディスク上に情報の読み出し、書き込みを行う場合 に、媒体の情報を劣化させるといった問題が発生する。このため、第 2半導体レーザ 202のレーザパワーは限定して使うのが好ましい。
なお、本実施形態において、半導体レーザは、 GaN基板 101上に形成した力 III 一 V族窒化物系半導体材料がその上にェピタキシャル成長できる基板、例えば、サフ アイャ基板や SiC基板等であってもよい。
また、ここでは、ひとつのレーザ素子にひとつのストライプ構造を形成する半導体レ 一ザにっレ、て述べてきたが、ひとつのレーザ素子に複数のストライプが形成されるマ ルチビーム型の半導体レーザであっても、同様の効果が得られる。さらに、必ずしも 基本横モードのみでのレーザ発振を必要としない大出力半導体レーザにおいても、 本発明の方法を用いることができ、これによりカーボンの析出が抑制され、大出力の 半導体レーザを安定稼動させることができる。
また、本実施の形態では、 III一 V族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザ素 子について説明したが、半導体レーザ素子は、これに限るものではなぐ発光ダイォ ード素子などの発光素子（特に波長は 450nm以下）であってもよい。。さらに、上記 効果は BAlGalnNや砒素 (As)、リン (P)を含有した混晶化合物半導体全般に成り
(実施の形態 5)
図 8は、本発明の光学システムの一例であるレーザディスプレイ装置である。構成と しては、光源 601から出た第 1の光 602と第 2の光 603とが投射光学系 605によって 、スクリーン 606に投射されている。途中の光学系の少なくとも片面の最表面に Ti〇2 膜 604が堆積されている。図 8に示した光学システムにおいては、上記実施の形態に おいて説明したコヒーレント光源が用いられてもよレ、が、第 1の光 602と、第 1の光 60 2より波長の短い第 2の光 603とを同時に出射する光源であれば、その他のコヒーレ ント光源であってもよい。
この光学システムでは、光源 601から出た第 2の光 603により光学系に形成された 機能性膜 604が光触媒効果を起こし、光学系に堆積した C (カーボン)の析出を防止 する。
また、第 1の光 602と第 2の光 603とがほぼ同軸で照射されているため、光学素子 における照射面をほぼ等しい面積で照射している。これによつて第 1の光 602で堆積 するカーボン等の付着物を第 2の光 603と機能性膜とにより効果的にクリーニングす ること力 Sできる。本発明のコヒーレント光源 601および機能性膜 604により、従来に見 られた課題を解決することができる。この課題とは、短波長の半導体レーザを高出力 で長期に渡って駆動させた時に、光学システム内に存在するハイド口カーボン（Cと H の揮発物など）がレーザ光により分解し、レーザの出射端面やガラス、光学系に少な くともカーボン (C)を含有する異物が析出するという問題を言う。
本発明により、前述の従来の課題を解決し、長期的に安定して動作する光学システ ムを提供することが実現でき、短波長のレーザを用いた光ディスク等のシステムの安 定稼動を実現できる。
(その他）
なお、上記では、コヒーレント光源として、半導体レーザおよび固体レーザを用いた コヒーレント光源について説明した。し力、し、コヒーレント光源は、その他、固体レーザ の一種であるファイバーレーザを用いたものであってもよい。 図 9を用いて、本発明の他のコヒーレント光源としてファイバーレーザを用いた構成 について説明する。
図 9において、 901は、ポンプ光源（波長 915nmの半導体レーザ）、 902は、 Ybド ープファイバーレーザ、 903は、アップコンバージョンファイバー、 904は、機能性膜 である。
ポンプ光源 901によりドープファイバーレーザ 902が励起され 1080nm近傍のレー ザ発振を行う。 1080nmの光の一部は、アップコンバージョンファイバー 903により短 波長光に変換され、ファイバ一端から 1080nmの光と短波長光とが同時に出射され る。
ファイバ一端面には、機能性膜 904が形成されている。この機能性膜 904は、短波 長光による光触媒効果により、アップコンバージョンファイバー 903の端面へ異物の 付着を防止している。
ファイバーレーザ 902は、高出力化が可能で、かつ単一横モード発振が可能なた め、光のパワー密度が高い。このため、従来では、ファイバーレーザ 902の端面での 異物堆積が顕著に発生する。一方、本発明では、機能性膜 904と短波長光源として のアップコンバージョンファイバー 903を備えるため、端面のクリーニングが有効に行 われる。また、ビーム品質が高ぐ集光特性も良好であるため、光のパワー密度が向 上しやすい。このため、本発明では、レーザからの出力を扱う光学系においても機能 性膜を備えることでクリーニングを有効に行うことが可能となる。
なお、本発明においてはアップコンバージョンファイバーを用いた力 その他、波長 変換素子を用いた高調波発生も可能である。ファイバーへのドープ材料としては、 Y b、 Nd、 Er、 Er/Yb等の材料をドープすることも可能である。
また、ファイバーレーザの高出力化において、ファイバ一端面の劣化が問題となつ ている。この劣化は、ファイバー内での光のパワー密度が高ぐファイバ一端面の表 面におけるわずかな劣化層において端面破壊が生じるため発生する。この劣化と同 時に、ファイバ一端面では、パワー密度が高いため、レーザトラッピングによるダスト 等の堆積も顕著になる。この端面の汚れが光を吸収し端面破壊を生じるという問題も 存在する。 従来では、ファイバ一端面でのパワー密度を低減する方法として、ファイバーレー ザのファイバ一端面にエンドキャップを施すことが行われている。エンドキャップは、 バルタ材料で、エンドキャップ内で光のビーム径を拡大して、出射端面でのパワー密 度を低減する目的に使用されている。
本発明では、図 10に示すように、エンドキャップ 906に波長変換機能を設けてもよ レ、。さらに、本発明では、エンドキャップ 906の出射端面に機能性膜 907を設けても よい。ファイバーレーザからの光の一部を短波長光に波長変換し、波長変換された 光により、エンドキャップ 906の出射端面に設けた機能性膜 907に光触媒効果を発 揮させる。これにより、ファイバーレーザの出射部にクリーニング効果を付加すること が可能となる。
産業上の利用可能性
本発明のコヒーレント光源は、主に高出力、短波長光発生のコヒーレント光源に有 効である。またコヒーレント光源を利用した、光ディスクなどの光情報処理分野、レー ザプリンタなどの複写機や印刷機、照明機器、光通信、レーザディスプレイ、レーザ 加工、医用等の光学システムにおいても有効である。

Claims

請求の範囲
[1] 第 1の光と、前記第 1の光より波長の短い第 2の光とを同時に出射するコヒーレント 光源であり、
少なくとも第 1の光を出射する光源本体と、
前記第 1の光を透過又は反射する部材と、
前記部材の少なくとも一部に設けられた機能性膜と、
を備え、
前記機能性膜は、前記第 2の光により光触媒効果を発現することを特徴とする、 コヒーレント光源。
[2] 前記第 1の光の波長が 400nm以上である、
請求項 1記載のコヒーレント光源。
[3] 前記第 1の光と前記第 2の光とがほぼ同じ光路を通過することを特徴とする、 請求項 1記載のコヒーレント光源。
[4] 前記機能性膜を備えた前記部材の照射面において、前記第 1の光と前記第 2の光 とがほぼ等しレ、領域に照射されてレ、ることを特徴とする、
請求項 1記載のコヒーレント光源。
[5] 前記光源本体は、 III一 V族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザを含んでい る、
請求項 1記載のコヒーレント光源。
[6] 前記第 2の光の波長が 390nm以下である、
請求項 1記載のコヒーレント光源。
[7] 前記第 1の光の一部を前記第 2の光に変換する第 1の波長変換素子をさらに備え たことを特徴とする、
請求項 1記載のコヒーレント光源。
[8] 前記第 1の波長変換素子が非線形光学材料またはアップコンバージョン材料から なる、
請求項 7記載のコヒーレント光源。
[9] 前記光源本体は、 Nd又は Ybを含む固体レーザ媒体から構成され、 前記第 1の波長変換素子は、前記固体レーザから出射された前記第 1の光を第 3 高調波である前記第 2の光に変換することを特徴とする、
請求項 7記載のコヒーレント光源。
[10] 前記光源本体は、 Nd又は Ybを含む固体レーザ媒体と、前記固体レーザからの光 を第 2高調波である前記第 1の光に変換する第 2の波長変換素子とから構成され、 前記第 1の波長変換素子は、前記固体レーザからの光と前記第 1の光とを和周波 光である前記第 2の光に変換することを特徴とする、
請求項 7記載のコヒーレント光源。
[11] 前記光源本体は、半導体レーザから構成され、
前記第 1の波長変換素子は、前記半導体レーザから出射された前記第 1の光を高 調波である前記第 2の光に変換することを特徴とする、
請求項 7記載のコヒーレント光源。
[12] 第 1の光と、前記第 1の光より波長の短い第 2の光とを同時に出射するコヒーレント 光源と、
集光または投射光学部材と、
前記コヒーレント光源からの光照射を受ける前記光学部材の少なくとも一部に設け られた機能性膜と、
を備え、
前記機能性膜は、前記第 2の光により光触媒効果を発現することを特徴とする、 光学システム。
[13] 前記光学部材において、前記第 1の光のパワー密度が 100W/cm2以上になる照 射面においては、前記機能性膜が設けられており、
前記照射面において前記第 1の光と前記第 2の光とがほぼ同じ領域に照射されるこ とを特徴とする、
請求項 12記載の光学システム。
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