WO2016117457A1

WO2016117457A1 - 平面導波路型レーザ装置

Info

Publication number: WO2016117457A1
Application number: PCT/JP2016/051080
Authority: WO
Inventors: 山本　修平; 充輝二見; 徹吉原
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2016-07-28
Also published as: JPWO2016117457A1

Abstract

　平面導波路型レーザ装置（１）は、幅方向に並ぶ複数の発光点を持つ半導体レーザ（１０）と、半導体レーザ（１０）の出力光で励起され、レーザ共振器を構成する平面導波路型の固体レーザ素子（２０）と、当該レーザ共振器が生成するレーザの波長変換を行う波長変換素子（３０）とを備える。波長変換素子（３０）を搭載するヒートシンク（３１）上には、波長変換素子（３０）の幅方向の両外側にそれぞれ配設された温度補償手段（３２）が設けられている。温度補償手段（３２）は、温度補償手段（３２）は、ヒートシンク（３１）の少なくとも波長変換素子（３０）の真下の領域における幅方向の温度分布を均一化する。

Description

平面導波路型レーザ装置

　本発明は、平面導波路型レーザ装置に関するものである。

　例えばプロジェクタなどの光源として、平面導波路型レーザ装置が知られている。平面導波路型レーザ装置は、レーザ光の進行方向に伸長した平板状のレーザ媒質の上下両面を、レーザ媒質よりも屈折率の低いクラッドで挟み込んだ構造を有しており、レーザ媒質は導波路としても機能している。平面導波路型レーザ装置は、導波路の厚さが薄く励起密度が高いため、誘導放出断面積の小さなレーザ媒質を用いた場合でも大きな利得が得られ、高効率な発振動作を実現できる。

　さらに、平面導波路型レーザ装置では、導波路としてのレーザ媒質を幅方向に広げることによって、励起密度を所望の値に保ったままでの出力のスケーリングが可能である。レーザ媒質は半導体レーザにより励起されるため、レーザ媒質の幅方向に半導体レーザの発光点を増やすことで出力のスケーリングが可能となる。

　励起されたレーザ媒質を用いて適切にレーザ共振器を構成することでレーザ発振が行われ、それによってレーザ出力光を得ることができる。活性媒質としてＮｄやＹｂなどを含むレーザ媒質では、最も利得が高く発振が容易なレーザは、基本波である波長１．０６μｍ近傍の赤外レーザ（基本波レーザ）である。さらに、レーザ共振器の内外いずれかに波長変換素子を設けることにより、２倍波である波長０．５３μｍ近傍の緑色レーザ（２倍波レーザ）を得ることができる。

　波長変換素子は、位相整合または擬似位相整合により波長変換を行う。高効率に波長変換を行うためには、波長変換素子を適切な温度に維持する必要がある。逆に言えば、波長変換素子を一定温度に保つことができれば、高効率・高出力な波長変換レーザを得ることができる。

　例えば、下記の特許文献１には、励起用レーザによって励起されるレーザ媒質と、波長変換素子であるＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子とを、共振器である第１共振ミラーと第２共振ミラーで挟んだ構造を有するレーザ共振器が開示されている。特許文献１のレーザ共振器では、波長変換素子の温度をサーミスタで測定し、その測定結果に基づいてヒータを制御することで波長変換素子を一定温度に保っている。

特許第４２７７９０８号公報

　基本波である赤外レーザ（基本波レーザ）から２倍波である緑色レーザ（２倍波レーザ）への波長変換では、原理的には熱の発生はない。しかし実際には、レーザ共振器の内外で生じる不要な放射光や、波長変換素子の材料での光吸収などによって熱が生じる。このため、高出力なレーザであるほど、その動作に伴って波長変換素子の温度が上昇する。さらに、波長変換素子を保持する構造体を通した局所的な排熱によって波長変換素子内の温度が不均一になる。

　波長変換素子の全体での平均温度は、特許文献１のようなサーミスタとヒータを用いて一定に保つことができるが、波長変換素子内の温度分布の調整は困難である。そのため、波長変換素子内の温度分布が不均一になると、波長変換素子内で出力分布が不均一になり、部分的に効率が低下する問題が生じる。この問題は、波長変換素子の全体としての効率を低下させ、高出力な波長変換レーザの実現を困難にする。

　また、波長変換素子などの光学部品は温度に依存して屈折率が変わるため、波長変換素子の温度が場所によって変化すると、波長変換素子内で屈折率も不均一になる。波長変換素子内に屈折率の異なる領域が存在すると、レーザ光が屈折率の変化量に依存して屈折するため、波長変換素子を通過するレーザ光は直進しなくなる。その場合、幅方向にスケーリングしたときに、複数のレーザ発振光をそれぞれ平行に伝搬させることができない。その結果、レーザ共振器の最適化が一部の領域でしか達成できなくなり、全体としての効率が低下し、高効率・高出力な波長変換レーザを得ることができない。

　本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、波長変換素子内の温度分布を均一化できる平面導波路型レーザ装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る平面導波路型レーザ装置は、幅方向に並ぶ複数の発光点を持つ半導体レーザ（１０）と、前記半導体レーザ（１０）の出力光で励起され、レーザ共振器を構成する平面導波路型の固体レーザ素子（２０）と、前記レーザ共振器が生成したレーザの波長変換を行う平面導波路型の波長変換素子（３０）と、前記波長変換素子（３０）を搭載するヒートシンク（３１）と、前記ヒートシンク（３１）上における前記波長変換素子（３０）の幅方向の両外側にそれぞれ配設された温度補償手段（３２）を備え、前記温度補償手段（３２）は、前記ヒートシンク（３１）の少なくとも波長変換素子（３０）の真下の領域における幅方向の温度分布を均一化することによって、前記波長変換素子（３０）内の幅方向の温度分布を均一化する。

　本発明によれば、波長変換素子内の温度分布が均一化されるため、波長変換素子の幅方向の位置によらず高効率・高出力な波長変換が可能となる。また、波長変換素子内の屈折率分布が均一になり、レーザ光を波長変換素子内で直進させることができるため、容易に幅方向のスケーリングが可能となり、さらに高出力化を実現することができる。

　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の上面図である。実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置の断面図である。実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置内の温度分布を示す図である。実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置において温度補償手段の動作を停止させた状態を説明するための図である。実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置において温度補償手段の動作を停止させた状態を説明するための図である。実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置において温度補償手段の動作を停止させた状態での温度分布を示す図である。実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置の断面図である。実施の形態３に係る平面導波路型レーザ装置の断面図である。実施の形態３に係る平面導波路型レーザ装置の断面図である。

　＜実施の形態１＞
　図１は、本発明の実施の形態１の平面導波路型レーザ装置１の上面図である。図１に示すように、平面導波路型レーザ装置１は、幅方向（レーザの進行方向に垂直な方向）に並ぶ複数の発光点を持つ半導体レーザ１０と、平面導波路型の固体レーザ素子２０と、平面導波路型の波長変換素子３０とを備えている。

　半導体レーザ１０、固体レーザ素子２０および波長変換素子３０は、同一平面上に略同軸で配置される。半導体レーザ１０の出力光で励起される固体レーザ素子２０の入射面（半導体レーザ１０側の面）がレーザ共振器の第１の反射面となり、波長変換素子３０の出射面（固体レーザ素子２０側とは反対側の面）がレーザ共振器の第２の反射面となって、赤外レーザ（基本波レーザ）の共振器が構成され、波長変換素子３０は、その赤外レーザを緑色光（２倍波レーザ）に波長変換するように機能する。

　半導体レーザ１０、固体レーザ素子２０および波長変換素子３０は、それぞれヒートシンク１１，２１，３１上に配設されている。さらに、本実施の形態の平面導波路型レーザ装置１は、波長変換素子３０を搭載するヒートシンク３１上に２つの温度補償手段３２を備えており、波長変換素子３０は温度補償手段３２の間に配設されている。つまり、温度補償手段３２は、波長変換素子３０の幅方向の両方の外側に配置されている。

　原理的には波長変換で熱は発生しないが、実際には、固体レーザ素子２０と波長変換素子３０とで構成されるレーザ共振器の内外で生じる不要な放射光や、波長変換素子３０の材料での光吸収などによって熱が生じる。そのため、高出力なレーザであるほど、その動作に伴って波長変換素子３０の温度が上昇する。

　波長変換素子３０で生じた熱は、波長変換素子３０を保持するヒートシンク３１に排出される。熱は周囲に広がる性質を持つため、仮に、波長変換素子３０での発熱が幅方向に均一であったとしても、通常は波長変換素子３０の温度は中央部で最も高くなり、端の部分で低くなる。しかし、本実施の形態の平面導波路型レーザ装置１では、ヒートシンク３１上に配設された温度補償手段３２が、波長変換素子３０内の幅方向の温度分布を均一化するように働く。

　温度補償手段３２は例えばヒータであり、温度補償手段３２が生成する熱をヒートシンク３１に排出することで、ヒートシンク３１の温度分布を制御することができる。ヒートシンク３１の温度分布は、波長変換素子３０の発熱による温度成分と、温度補償手段３２の発熱による温度成分との和によって決まるので、温度補償手段３２の発熱量を調整してヒートシンク３１の温度分布を均一化することによって、波長変換素子３０の幅方向の温度分布を均一化できる。

　温度補償手段３２の温度（発熱量）の制御は、波長変換素子３０の上または周囲に１つ以上設けられたサーミスタ等の温度測定手段（不図示）によって波長変換素子３０の温度を測定し、その測定結果に基づいて行われる。すなわち、波長変換素子３０の温度分布が均一になるように、温度補償手段３２の発熱量が設定される。

　図２は、平面導波路型レーザ装置１の断面図であり、図１に示すＡ１－Ａ２線に沿った断面に対応している。波長変換素子３０および温度補償手段３２で生じた熱は、それぞれヒートシンク３１に排出される。このとき、図２に示すように、波長変換素子３０の発熱による熱流Ｈ１は、波長変換素子３０の真下とその周囲に伝達され、温度補償手段３２の発熱による熱流Ｈ２は、温度補償手段３２の真下とその周囲に伝達される。

　図３は、実施の形態１に係る平面導波路型レーザ装置１内の温度分布を示す図である。図３において、実線Ｔ_{Ｂ１－Ｂ２}は波長変換素子３０の幅方向の温度分布（図２に示すＢ１－Ｂ２線に沿った断面の温度分布）を示しており、実線Ｔ_{Ｃ１－Ｃ２}はヒートシンク３１における幅方向の温度分布（図２に示すＣ１－Ｃ２線に沿った断面の温度分布）を示している。また、破線Ｔ１は、ヒートシンク３１における波長変換素子３０の発熱による温度成分を示しており、破線Ｔ２は、ヒートシンク３１における温度補償手段３２の発熱による温度成分を示している。

　ヒートシンク３１において、波長変換素子３０の発熱による温度成分は、破線Ｔ１のように波長変換素子３０の真下で最も高くなり、温度補償手段３２の発熱による温度成分は、破線Ｔ２のように２つの温度補償手段３２それぞれの真下で最も高くなる。温度補償手段３２の発熱量を適切に設定すれば、波長変換素子３０の発熱による温度成分と温度補償手段３２の発熱による温度成分との和によって決まるヒートシンク３１内の温度分布を、実線Ｔ_{Ｃ１－Ｃ２}のように均一にすることができる。そうすることによって、ヒートシンク３１が搭載する波長変換素子３０内の温度分布も、実線Ｔ_{Ｂ１－Ｂ２}のように均一化される。なお、ヒートシンク３１全体の温度分布が均一化される必要はなく、実線Ｔ_{Ｃ１－Ｃ２}のように、少なくとも波長変換素子３０の真下の領域における幅方向の温度分布が均一化されればよい。

　このように、温度補償手段３２を用いて波長変換素子３０の幅方向の温度分布を均一化すると、波長変換素子３０の幅方向によらず高効率・高出力な波長変換ができる。それにより、容易に幅方向にスケーリングが可能となり、さらに高出力化を実現することができる。

　さらに、波長変換素子３０の温度分布が均一化されることで、波長変換素子３０の幅方向の屈折率が均一化されるので、図１に示すように、固体レーザ素子２０と波長変換素子３０で構成されるレーザ共振器内を伝搬する複数のレーザ発振光２がそれぞれ直進するようになる。従って、固体レーザ素子２０と波長変換素子３０を略同軸に配置することで、幅方向全体に高効率で高出力なレーザ発振が可能となる。レーザ発振した赤外の基本波光は、波長変換素子３０で２倍波に波長変換されることから、高効率・高出力な緑色のレーザ出力光３を得ることができる。

　ここで、図４～図６を用いて、平面導波路型レーザ装置１における温度補償手段３２の動作を停止させた状態を説明する。図４～図６は、温度補償手段３２の動作していないときの平面導波路型レーザ装置１の上面図、断面図および温度分布図を示しており、それぞれ図１～図３に対応している。

　温度補償手段３２が動作していないとき、温度補償手段３２は発熱しないので、ヒートシンク３１には図５のように波長変換素子３０の発熱による熱流Ｈ１のみが生じる。このため、ヒートシンク３１の温度分布は、図６の実線Ｔ_{Ｃ１－Ｃ２}のように、波長変換素子３０の真下で最も高くなり、そこから離れるに従って低くなる。よって、波長変換素子３０内の温度分布は、図６の実線Ｔ_{Ｂ１－Ｂ２}のように、波長変換素子３０の中央部で高く、端部で低くなる。このように波長変換素子３０内の温度が幅方向に均一でない場合、波長変換素子３０の一部でしか最も高効率な波長変換を行うことができず、波長変換効率が低くなる。さらに、波長変換素子３０の屈折率が幅方向に均一でなくなるため、図４に示すように、波長変換素子３０を通過するレーザ発振光２は屈折率の高い方へ曲がる。このため、波長変換素子３０の中央部から離れた位置で反射光４が生じ、それが周回することでレーザ発振光２の損失となり、レーザ出力光３の強度が低下することとなる。

　なお、本実施の平面導波路型レーザ装置１においても、特許文献１と同様に、波長変換素子３０の温度を一定に保つ温度制御手段を設けることが好ましい。それにより、平面導波路型レーザ装置１の更なる高効率化・高出力化を図ることができる。この温度制御手段としては、例えば、波長変換素子３０の温度を測定するサーミスタと、その測定結果に基づいて波長変換素子３０の温度を一定にするヒータとから構成されるものが考えられる。温度制御手段のヒータは、ヒートシンク３１の上面（ヒートシンク３１と波長変換素子３０との間や、ヒートシンク３１と温度補償手段３２との間など）に配置してもよいし、ヒートシンク３１の下面（波長変換素子３０の搭載面とは反対側の面）に配置してもよい。あるいは、ヒータをヒートシンク３１内に埋め込んでもよい。また、サーミスタは、波長変換素子３０上、温度補償手段３２上、ヒートシンク３１上など、適切な位置に配置すればよい。

　また、以上の説明では、波長変換素子３０は、基本波を２倍波に変換するものとして説明したが、３倍波（青色レーザ）または４倍波（紫外レーザ）を出力するものであってもよい。また、ヒートシンク３１は、例えばステンレス鋼材（ＳＵＳ：Steel Use Stainless）など、熱伝導率が低い鋼材を用いることが好ましい。それにより、温度補償手段３２および上記の温度制御手段の発熱量を低く抑えることができる。

　＜実施の形態２＞
　図７は、実施の形態２に係る平面導波路型レーザ装置１の断面図である。実施の形態２の平面導波路型レーザ装置１の構成は基本的に図１と同様であり、図７は図１に示すＡ１－Ａ２線に沿った断面に対応している。

　実施の形態２において、２つの温度補償手段３２は、１つの基板３２ａ（例えばセラミック基板）に埋め込まれることによって一体的な構成となっている。すなわち、温度補償手段３２と基板３２ａとで、一体型温度補償手段３３を構成している。

　波長変換素子３０は一体型温度補償手段３３上に配設される。一体型温度補償手段３３においても、２つの温度補償手段３２は、実施の形態１と同様に波長変換素子３０の幅方向の両外側に配置される。つまり、波長変換素子３０は、２つの温度補償手段３２の間の基板３２ａの上に搭載される。

　実施の形態２においても、一体型温度補償手段３３に含まれる温度補償手段３２の作用によって、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、一体型温度補償手段３３を１つヒートシンク３１上に取り付ければ、２つの温度補償手段３２がヒートシンク３１上の適切な位置に配設されるので、２つの温度補償手段３２をそれぞれ個別にヒートシンク３１上に取り付ける作業が不要になる。よって、組立工数を削減でき、本発明に係る平面導波路型レーザ装置１の信頼性向上および低コスト化に寄与できる。

　なお、図７では、温度補償手段３２が基板３２ａに埋め込まれた構造の一体型温度補償手段３３を示したが、一体型温度補償手段３３は基板３２ａに貼り付けられていてもよい。

　また、ここでは基板３２ａの例としてセラミック基板を示した。一般に、セラミックは、ヒートシンク３１の例として示したＳＵＳよりも熱伝導率が低いが、基板３２ａの熱伝導率は任意でよく、基板３２ａがヒートシンク３１よりも高い熱伝導率を有していてもよい。

　＜実施の形態３＞
　図８は、実施の形態３に係る平面導波路型レーザ装置１の断面図である。実施の形態３の平面導波路型レーザ装置１の構成も基本的に図１と同様であり、図８は図１に示すＡ１－Ａ２線に沿った断面に対応している。

　図８のように実施の形態３の平面導波路型レーザ装置１においては、ヒートシンク３１上にサブマウント３４が配設されており、波長変換素子３０はサブマウント３４の上に配設されている。すなわち、波長変換素子３０は、ヒートシンク３１上に、サブマウント３４を介して搭載されている。サブマウント３４は、ヒートシンク３１よりも熱伝導率が高い材料で構成される。例えばヒートシンク３１の材料がＳＵＳの場合、サブマウント３４の材料としては銅を用いることができる。

　このように、波長変換素子３０の直下に熱伝導率の高いサブマウント３４を配置することで、波長変換素子３０で生じた熱がサブマウント３４で幅方向に均一化されてからヒートシンク３１に排出されるようになるため、幅方向の温度変化をより小さくできる。また、実施の形態１と同様に、波長変換素子３０の幅方向の両外側に配設された温度補償手段３２の作用によって、波長変換素子３０の幅方向の温度分布はさらに均一化され、より高効率・高出力な平面導波路型レーザ装置１が得られる。

　実施の形態３は、実施の形態２と組み合わせることも可能である。つまり、図９のように、一体型温度補償手段３３をヒートシンク３１上に配設し、その上にサブマウント３４を介して波長変換素子３０を配設してもよい。すなわち、波長変換素子３０を、サブマウント３４を介して、２つの温度補償手段３２の間の基板３２ａの上に搭載させてもよい。これにより、上記の効果に加え、組立工数の削減による平面導波路型レーザ装置１の信頼性向上および低コスト化の効果も得られる。この場合、サブマウント３４の熱導電率は基板３２ａよりも高いことが望ましいが、基板３２ａがサブマウント３４よりも高い熱導電率を有していてもよい。

　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

　１　平面導波路型レーザ装置、２　レーザ発振光、３　レーザ出力光、４　反射光、１０　半導体レーザ、１１　ヒートシンク、２０　固体レーザ素子、２１　ヒートシンク、３０　波長変換素子、３１　ヒートシンク、３２　温度補償手段、３３　一体型温度補償手段、３４　サブマウント。

Claims

　幅方向に並ぶ複数の発光点を持つ半導体レーザ（１０）と、
　前記半導体レーザ（１０）の出力光で励起され、レーザ共振器を構成する平面導波路型の固体レーザ素子（２０）と、
　前記レーザ共振器が生成したレーザの波長変換を行う平面導波路型の波長変換素子（３０）と、
　前記波長変換素子（３０）を搭載するヒートシンク（３１）と、
　前記ヒートシンク（３１）上における前記波長変換素子（３０）の幅方向の両外側にそれぞれ配設された温度補償手段（３２）を備え、
　前記温度補償手段（３２）は、前記ヒートシンク（３１）の少なくとも波長変換素子（３０）の真下の領域における幅方向の温度分布を均一化することによって、前記波長変換素子（３０）内の幅方向の温度分布を均一化する
ことを特徴とする平面導波路型レーザ装置（１）。
　前記温度補償手段（３２）はヒータである
請求項１記載の平面導波路型レーザ装置（１）。
　前記温度補償手段（３２）は、１つの基板（３２ａ）に取り付けられて一体的に構成されており、
　前記波長変換素子（３０）は、前記温度補償手段（３２）の間の前記基板（３２ａ）上に搭載されている
請求項１または請求項２記載の平面導波路型レーザ装置（１）。
　前記波長変換素子（３０）は、前記ヒートシンク（３１）よりも熱伝導率の高いサブマウント（３４）を介して、前記ヒートシンク（３１）の上に搭載されている
請求項１または請求項２記載の平面導波路型レーザ装置（１）。
　前記波長変換素子（３０）は、前記ヒートシンク（３１）よりも熱伝導率の高いサブマウント（３４）を介して、前記温度補償手段（３２）の間の前記基板（３２ａ）上に搭載されている
請求項３記載の平面導波路型レーザ装置（１）。