(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザにおいて、
レーザ共振器と、
前記レーザ共振器内に配置された、５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶と、
５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を、前記結晶に照射することによって前記結晶を励起するための励起光源と、を有する、レーザであって、
前記結晶は、特定の屈折率楕円体軸を有し、
前記特定の屈折率楕円体軸に対する、希土類ドープ元素の５ｄ−４ｆ遷移の際の可視波長範囲の誘導放出断面積と、前記特定の屈折率楕円体軸に対する、前記可視波長範囲の励起状態吸収断面積との和は、正の値であり、
前記誘導放出断面積は正の符号であらわされ、前記励起状態吸収断面積は負の符号であらわされる、
レーザ。
【請求項２】
前記結晶及び前記励起光源は、生成されたレーザ光が緑色波長範囲内にあるように適応される、請求項１記載のレーザ。
【請求項３】
前記レーザ共振器は、共振器軸を有し、
前記特定の屈折率楕円体軸は、前記共振器軸に対して平行でない、請求項１記載のレーザ。
【請求項４】
前記特定の屈折率楕円体軸は、前記共振器軸に対して直交する、請求項３記載のレーザ。
【請求項５】
前記結晶は、斜方晶系構造を有する、請求項１記載のレーザ。
【請求項６】
前記結晶は、ＣａＦｅ２Ｏ４構造型の結晶構造を持つ、請求項１記載のレーザ。
【請求項７】
前記結晶は、セリウムをドープされている、請求項１記載のレーザ。
【請求項８】
ドーピング元素は、二価の部位で前記結晶に組み込まれる、請求項１記載のレーザ。
【請求項９】
前記結晶内に組み込まれるドーピング元素は、三価である、請求項１記載のレーザ。
【請求項１０】
前記結晶は、ＣａＳｃ２Ｏ４である、請求項１記載のレーザ。
【請求項１１】
請求項１で規定されるレーザを有する照明デバイス。
【請求項１２】
前記照明デバイスは、前記レーザ光とは異なる他の光を生成するための少なくとも１つの他の光源を有し、混合光を生成するために前記レーザ光と前記他の光とを混合する、請求項１１記載の照明デバイス。
【請求項１３】
可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザ方法において、
５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶をレーザ共振器内に供給するステップと、
前記５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を、前記結晶に照射することによって前記結晶を励起するステップと、を有する、レーザ方法であって、
前記結晶は、特定の屈折率楕円体軸を有し、
前記特定の屈折率楕円体軸に対する、希土類ドープ元素の５ｄ−４ｆ遷移の際の可視波長範囲の誘導放出断面積と、前記特定の屈折率楕円体軸に対する、前記可視波長範囲の励起状態吸収断面積との和は、正の値であり、
前記誘導放出断面積は正の符号であらわされ、前記励起状態吸収断面積は負の符号であらわされる、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放出するためのレーザに関する。さらに、本発明は、対応するレーザ方法及びレーザを有する照明デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
A. Richterらによる論文「Diode pumping of a continuous-wave Pr3+-doped LiYF4 laser」（Optics Letters, vol. 29, No. 22, pages 2638 to 2640, November 15, 2004）は、青色光を５２３ｎｍの波長を有する緑色レーザ光に変換するための線形変換材料としてＰｒ：ＹＬＦを有するレーザを開示している。Ｐｒ：ＹＬＦは、１ｎｍよりも小さく、且つ、この狭吸収帯の範囲内の波長を持つ青色励起光の使用が必要なこの線形変換材料を励起するための狭吸収帯を持つ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
励起光源は、一般的に、このような高い波長精度では製造され得ない。このため、大量の励起光源が製造された後、これらの励起光源のうち、どの励起光源が、Ｐｒ：ＹＬＦの上記狭吸収帯の範囲内の青色励起光を提供するのか検査される必要があり、その後、これらの励起光源がレーザを組み立てるために選ばれる。従って、比較的少量の製造された励起光源が、レーザを組み立てるために使用され得る。
【０００４】
本発明の目的は、励起光の波長精度についての必要条件が緩和された、可視スペクトル範囲のレーザ光を放出するためのレーザを提供することである。本発明の他の目的は、対応するレーザ方法及び照明デバイス、特に、当該レーザを有するレーザプロジェクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様では、可視スペクトル範囲のレーザ光を放出するためのレーザが示される。ここで、当該レーザは、レーザ共振器と、レーザ共振器内に配置され、５ｄ−４ｆ遷移を持つ希土類ドープ異方性結晶と、５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を、結晶に照射することによって結晶を励起するための励起光源とを有する。
【０００６】
希土類ドープ異方性結晶の５ｄ−４ｆ遷移は、数ｎｍに及ぶ吸収帯を有する。このため、比較的広い波長範囲を有する波長を持つ励起光が使用され得る。これは、励起光源の波長精度に関する必要条件を緩和する。例えば、約１０ｎｍの精度で規定される波長を有する青色レーザダイオードが、５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶を励起するために使用されてもよい。
【０００７】
希土類ドープ異方性結晶の吸収帯は、好ましくは、５ｎｍ以上の幅を持ち、より好ましくは１０ｎｍ以上の幅を持ち、さらに好ましくは３０ｎｍ以上の幅を持ち、５０ｎｍ以上の幅を持っていてもよい。
【０００８】
５ｄ−４ｆ遷移は、好ましくは、４ｆｎ−１５ｄ１−４ｆｎ遷移である。
【０００９】
結晶及び励起光源が、生成されたレーザ光が緑色波長範囲内にあるように適応される方が好ましい。緑色波長範囲でのレーザ放射は、幾つかのアプリケーションで使用され得る。例えば、デジタル投射目的などのために使用され得る、強力な青色及び赤色半導体レーザが知られている。生成されたレーザ光が緑色波長範囲内にあるように、結晶及び励起光源が適応された場合、レーザは、例えば、デジタル投射目的などのために使用され得る強力な青色及び赤色半導体レーザとともに、ＲＧＢレーザ光源を形成することができる。
【００１０】
結晶は、特定の屈折率楕円体軸を有するように適応される方がより好ましい。ここで、当該特定の屈折率楕円体軸に対する、希土類ドープ元素の５ｄ−４ｆ遷移の際の可視波長範囲の誘導放出断面積と、当該特定の屈折率楕円体軸に対する、当該可視波長範囲の励起状態吸収断面積との和は、正の値である。ここで、誘導放出断面積は正の符号であらわされ、励起状態吸収断面積は負の符号であらわされる。屈折率楕円体軸に対する、５ｄ−４ｆ遷移の誘導放出断面積及び励起状態吸収断面積は、好ましくは、誘導放出光及び／または励起状態吸収光の電場ベクトルが当該屈折率楕円体軸と平行な断面積である。５ｄ−４ｆ遷移の断面積は、好ましくは、４ｆｎ−１５ｄ１−４ｆｎ遷移の放出断面積であり、励起状態吸収断面積は、好ましくは、最低の５ｄ帯、即ち、初期状態から、４ｆｎ基底状態以外の他の状態への断面積である。
【００１１】
レーザ共振器は、共振器軸を有する方がさらに好ましい。ここで、特定の屈折率楕円体軸は、共振器軸に対して平行でない。特に、屈折率楕円体軸は、共振器軸に対して直交していてもよい。屈折率楕円体軸が共振器軸に対して平行でないように、とりわけ直交するように、結晶を共振器軸に対して配置することによって、可視スペクトル範囲のレーザ光を生成する高効率のレーザが提供され得る。
【００１２】
ある実施形態では、励起光は、共振器軸に対して平行でない、とりわけ直交する励起方向で、結晶に光を当てる。このため、レーザは横方向に励起され得る。しかしながら、他の実施形態では、レーザは縦方向に励起され得る。
【００１３】
励起光は偏光され得る。偏光された励起光を使用することによって、レーザ効率は改善され得る。しかしながら、レーザは、偏光されていない励起光を使用することによっても作動され得る。
【００１４】
結晶は、斜方晶系構造を有する方が好ましい。また、結晶は、シェーンフリース記号「Ｄ２ｈ」によって表される結晶系を有する方がより好ましい。ある実施形態では、結晶は、空間群「Ｐｎｍａ（６２）」の結晶構造を有する。結晶は、好ましくは、ＣａＦｅ２Ｏ４構造型の結晶構造を持つ。これらの結晶構造は、異方性であり、結晶の少なくとも１つの特定の屈折率楕円体軸に沿って強い結晶場をもたらすことができる。強い結晶場は、好ましくは、断面積を修正する、特に、５ｄ−４ｆ遷移の断面積を増やす、及び／または、結晶の励起状態吸収断面積を減らす。これは、レーザ効率を改善する。
【００１５】
結晶は、セリウムをドープされる方がより好ましい。さらに、ドーピング元素は、二価の部位で結晶内に組み込まれ得る。また、結晶内に組み込まれたドーピング元素は、好ましくは、三価である。ドーピング元素、とりわけセリウムを二価の部位で組み入れることは、四価のセリウムを形成する確率及び電荷移動遷移の確率を低下させる。ドーピング元素、とりわけセリウムを三価元素として組み入れることによって、比較的有効な５ｄ−４ｆ遷移が、可視スペクトルのレーザ光を生成するために提供され得る。
【００１６】
結晶は、ＣａＳｃ２Ｏ４である方が好ましい。この結晶は、結晶の一つの屈折率楕円体軸に少なくとも沿った、５ｄ−４ｆ遷移の断面積を増やすことが可能な、及び／または、励起状態吸収断面積を減らすことが可能な、比較的強い結晶場を有する。これは、レーザの効率を更に増加させる。
【００１７】
また、結晶は、４５〜７５モル百分率のＣａＯ、２５〜５５モル百分率のＳｃ２Ｏ３、及び、０〜４０モル百分率のドーピング元素を有する融液を使用することによって作り出される方が好ましい。ドーピング元素は、好ましくは、セリウムである。ＣａＳｃ２Ｏ４結晶は、例えば、最大４０モル百分率のセリウムなどでドープされてもよい。
【００１８】
励起光源は、青色励起光を放射するように構成される方が好ましい。好ましくは、青色励起光は３８０〜４８０ｎｍの間の波長範囲内にある。
【００１９】
青色励起光は、極めて効率的に４ｆ−５ｄ遷移を励起するのを可能とする。これにより、レーザ効率をさらに改善できる。さらに、レーザがレーザプロジェクタに使用されるのに適している場合、青色励起光の第１の部分は、結晶を励起するのに使用されてもよく、青色励起光の第２の部分は、投射目的のために使用されてもよい。このため、青色励起光は、２つの機能、即ち、結晶を励起する機能及び投射野に情報を投射する機能を発揮する。
【００２０】
本発明のある態様では、請求項１で規定されるようなレーザを有する照明デバイスが示される。
【００２１】
照明デバイスは、好ましくは、レーザ光とは異なる他の光を生成するための少なくとも１つの他の光源を有する。ここで、照明デバイスは、混合光を生成するためにレーザ光と他の光とを混合するように構成される。
【００２２】
照明デバイスは、好ましくは、レーザプロジェクタである。少なくとも１つの他の光源は、好ましくは、赤色光を放射するように構成される。混合光は、白色光であってもよい。ここで、白色光は、緑色レーザ光，赤色レーザ光及び青色レーザ光が混ざった光であってもよい。青色レーザ光は、励起光の一部であってもよいし、または、他の光源の光であってもよい。
【００２３】
本発明の他の態様では、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザ方法が示される。ここで、レーザ方法は、５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶をレーザ共振器内に供給するステップと、５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を、結晶に照射することによって結晶を励起するステップとを有する。
【００２４】
請求項１のレーザ，請求項１３の照明デバイス及び請求項１５のレーザ方法が、同様の、及び／または、同一の好ましい実施形態、とりわけ従属項で規定されるような実施形態を持つことが理解されるべきである。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態が、従属項と各独立項との任意の組み合わせであってもよいことも理解されるべきである。
【００２６】
本発明のこれらの態様及び他の態様が、後述される実施形態を参照して、明確且つ明瞭となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザの実施形態を概略的且つ模範的に示している。
【図２】図２は、セリウムドープ異方性結晶の項図を概略的且つ模範的に示している。
【図３】図３は、結晶の３つの屈折率楕円体軸に関連する３つの異なるスペクトルを模範的に示している。
【図４】図４は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザの他の実施形態を概略的且つ模範的に示している。
【図５】図５は、照明デバイスの実施形態を概略的且つ模範的に示している。
【図６】図６は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザ方法の実施形態を模範的に示しているフローチャートを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザの実施形態を概略的且つ模範的に示している。レーザ１は、５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶２と、５ｄ−４ｆ遷移を使用することにより可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を結晶に照射することによって結晶を励起するための励起光源３とを有する。励起光は、励起光学系６を使用することによって結晶２に結合されるのに適していてもよい。励起光学系６は、一般的に結晶を励起するために使用される光学系であったり、例えば、励起光をコリメート、成形、及び／または、フォーカスする光学系であったりしてもよい。
【００２９】
結晶２は、共振器軸２１を持つ共振器を形成するために、共振器ミラー７と出力結合ミラー８との間に配置される。共振器ミラー７は、励起光に対しては高い透過性を示し、レーザ光に対しては高い反射性を示す。また、出力結合ミラー８は、レーザ光の一部が共振器を出ていくのを可能とするために、レーザ光４に対して部分的に反射性を示す。
【００３０】
結晶２及び励起光源３は、生成されたレーザ光が可視波長範囲内にあるように、より好ましくは、緑色波長範囲内にあるように構成される。結晶２は、好ましくは、斜方晶系構造を持つ。結晶２が、シェーンフリース記号「Ｄ２ｈ」によって表される結晶系を有する方がより好ましい。ある実施形態では、結晶２は、空間群「Ｐｎｍａ（６２）」の結晶構造を有する。また、結晶２が、ＣａＦｅ２Ｏ４の結晶構造を有する方が好ましい。本実施形態では、結晶２は、セリウムをドープされたＣａＳｃ２Ｏ４である。セリウムは、好ましくは、結晶２の二価の部位において、三価的に組み込まれる。
【００３１】
結晶２は、特定の屈折率楕円体軸２２を有するように適応される。ここで、特定の屈折率楕円体軸２２に対する、セリウムの５ｄ−４ｆ遷移の際の誘導放出断面積と、当該特定の屈折率楕円体軸２２に対する励起状態吸収断面積との和は、正の値である。誘導放出断面積は正の符号であらわされ、励起状態吸収断面積は負の符号であらわされる。結晶２は、特定の屈折率楕円体軸２２が共振器軸２１に対して平行でないように、共振器軸２１に対して方向付けられる。ある実施形態では、特定の屈折率楕円体軸２２は、共振器軸２１に対して直交する。
【００３２】
励起光源３は、青色励起光、とりわけ３８０〜４８０ｎｍの間の波長範囲内にある青色励起光を放射するように構成される。本実施形態では、励起光源３は、４７９．５ｎｍの励起波長を持つ、光励起された半導体レーザである。
【００３３】
図２は、三価のセリウム（Ｃｅ３＋）ドープ結晶２の項図を概略的且つ模範的に示している。項図は、セリウムイオンの４ｆエネルギー準位、エネルギー的に拡がった２つの最低の５ｄエネルギー準位、伝導帯ＣＢ、及び、価電子帯ＶＢを示している。さらに、項図は、基底状態吸収（ＧＳＡ）、可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するために使用される誘導放出（ＳＥ）、及び、励起状態吸収（ＥＳＡ）を示している。
【００３４】
励起光で結晶２を励起することによって、低い方の５ｄ準位が占有される。結晶が、共振器軸２１に対して平行でない特定の屈折率楕円体軸２２を有するため、ＥＳＡの断面積は、ＳＥの断面積よりも小さく、レーザ光は、効率的に生成される。
【００３５】
図３は、結晶２の正規化差スペクトル１０，１１，１２を概略的且つ模範的に示している。スペクトル１０，１１，１２は、５ｄ−４ｆ遷移における誘導放出（正の値）及び励起状態吸収（負の値）によって生じる。差スペクトル１０，１１，１２は、結晶２が励起されていない間に測定されたスペクトルを、結晶２が励起されている間に測定されたスペクトルから差し引くことによって決定される。ここで、差スペクトル１０，１１，１２は、結晶の異なる屈折率楕円体軸に関係する。結晶２は、４７９．５ｎｍの波長を持つ光励起された半導体レーザを使用することによって、２７０ｍＷの電力で励起される。このため、ある屈折率楕円体軸についての差スペクトルは、結晶２が光励起された半導体レーザによって励起されている間に測定された、ある屈折率楕円体軸に対して平行に偏光された光の第１のスペクトルと、結晶２が光励起された半導体レーザによって励起されていない間に測定された、ある屈折率楕円体軸に対して平行に偏光された光の第２のスペクトルとの間の差を算出することによって決定される。第１の励起状態からの、即ち、５ｄ帯の最低エネルギー準位からの吸収を測定するために、総電力４５０Ｗを具備する広帯域発光キセノンランプの光が、光励起された半導体レーザの励起光及びキセノンランプの光が互いに反対方向から結晶２を照射するように、結晶２に向けられる。４７５ｎｍより小さい波長を持つ光が除去される。なお、キセノンランプは、もちろん、スペクトル１０，１１，１２を決定するためにのみ使用されるのであって、レーザ光を生成するためには使用されないことに留意すべきである。
【００３６】
スペクトル１０は、約４９０〜５８０ｎｍの波長範囲で正の値を持つ。このため、スペクトル１０に対応する屈折率楕円体軸に対して平行に偏光されたレーザ光は、４９０〜５８０ｎｍの間の波長範囲で生成され得る。
【００３７】
図１を参照して上述された実施形態では、結晶２は、長手方向に励起される。しかしながら、結晶は、他の方向に励起されてもよい。例えば、結晶は、図４に概略的且つ模範的に示されるように、横方向に励起されてもよい。
【００３８】
図４に示されたレーザ２０１は、図１を参照して上述された結晶２と同様のものであってもよい、５ｄ−４ｆ遷移を持つ希土類ドープ異方性結晶２０２を有する。レーザ２０１は、５ｄ−４ｆ遷移を使用することにより可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光２０４を、励起方向２２４に沿って結晶２０２に照射することによって結晶２０２を励起するための励起光源２０３を有する。励起光源２０３は、図１を参照して上述された励起光源３と同様のものであってもよい。
【００３９】
結晶２０２は、共振器軸２２１を持つ共振器を形成するために、共振器ミラー２０７と出力結合ミラー２０８との間に配置される。共振器ミラー２０７は、レーザ光に対しては高い反射性を示す。また、出力結合ミラー２０８は、レーザ光の一部が共振器を出ていくのを可能とするために、レーザ光に対して部分的に反射性を示す。また、本実施形態では、結晶２０２は、特定の屈折率楕円体軸２２２を有する。ここで、特定の屈折率楕円体軸２２２に対する、セリウムの５ｄ−４ｆ遷移の際の誘導放出断面積と、当該特定の屈折率楕円体軸２２２に対する、励起状態吸収断面積との和は、正の値である。誘導放出断面積は正の符号であらわされ、励起状態吸収断面積は負の符号であらわされる。
【００４０】
特定の屈折率楕円体軸２２２は、共振器軸２２１に対して平行でないが、共振器軸２２１に対して直交していてもよい。励起方向２２４は、共振器軸２２１に対して直交している。励起方向２２４は、共振器軸２２１に対して他の角度、例えば４５度の角をなしていてもよい。
【００４１】
レーザ２０１は、既知の手段で、例えば、励起光２０４のコリメート、成形、及び／または、フォーカスなどで、励起光２０４を調整するための励起光学系２０６をさらに有する。
【００４２】
結晶２は、チョクラルスキー法を使用することによって、且つ、０．５モル百分率の二価のカルシウムイオンが融液中でセリウムイオンによって交換されたＣａＯ，Ｓｃ２Ｏ３及びセリウムを有する融液を使用することによって、成長された。
【００４３】
図５は、レーザ１を有する照明デバイスの実施形態を概略的且つ模範的に示している。照明デバイス２０は、青色光を放射するための第１のレーザ１３と、図１を参照して上述されたレーザである、緑色光を放射するための第２のレーザ１と、赤色光を放射するための第３のレーザ１４とを有するレーザプロジェクタである。照明デバイス２０は、青色光に対しては高い透過性を示す一方、緑色光及び赤色光に対しては高い反射性を示す第１のミラー１５と、赤色光に対しては高い透過性を示す一方、緑色光に対しては高い反射性を示す第２のミラー１６と、赤色光に対して高い反射性を示す第３のミラー１７とをさらに有する。ミラー１５，１６，１７は、レーザ１３，１，１４によって放出された青色光，緑色光及び赤色光を混合するために使用される。混合光は、投射レーザ光１９を生成するための調整可能な投射ヘッド１８に向けられる。投射レーザ光１９は、例えば、部屋の壁などの投射野に投射されるべきである情報を有する。ここで、投射レーザ光１９は、情報を示すために投射野に向けられる。
【００４４】
照明デバイス２０は、第１のレーザ１３，第２のレーザ１，第３のレーザ１４及び調整可能な投射ヘッド１８を制御するための制御ユニット２３と、投射野に投射すべきである情報をユーザが入力できるようにするための入力ユニット３０とをさらに有する。入力ユニット３０は、例えば、ビデオを有するデータ記憶媒体が挿入され得るＤＶＤプレイヤのようなビデオ入力ユニットである。コントローラ２３は、ビデオを、３つのレーザ１３，１，１４の強度を変調するための制御信号であって、投射野に情報を投射するために投射レーザ光１９を投射野に移動させるように投射レーザ光１９を動かすための制御信号に変換する。調整可能な投射ヘッドは、好ましくは、情報が投射野に示されるように、投射レーザ光１９を動かすためのミラーを有する。照明デバイス２０は、従って、好ましくは、フライングスポット技術を使用する。しかしながら、他のレーザ投射技術も、投射野に情報を投射するために使用され得る。例えば、ＤＭＤ，ＬＣＤまたはＬＣｏＳ素子を使用するレーザ投射技術が用いられ得る。さらに、図４を参照して上述されたレーザのような横方向に励起されたレーザが、例えば、照明デバイス２０の緑色レーザとして使用されてもよい。
【００４５】
レーザ１３，１，１４は、好ましくは、青色（４３０〜４５０ｎｍ），緑色（５１０〜５５０ｎｍ）及び赤色（６１０〜６５０ｎｍ）のスペクトル領域で発光する。青色光を放射する第１のレーザ１３及び赤色光を放射する第３のレーザ１４は、好ましくは、半導体レーザである。
【００４６】
第１のレーザ，第２のレーザ及び／または第３のレーザのレーザ放射強度は、外部の変調器によって、または、レーザの出力パワーを直接変調することによって、変調されてもよい。
【００４７】
図６は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザ方法の実施形態を模範的に示すフローチャートを示している。ステップ１０１では、５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶２が与えられ、ステップ１０２では、結晶２が、５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するための励起光を、結晶２に照射することによって励起される。
【００４８】
レーザ１は、好ましくは、励起光源である青色発光レーザダイオードの線形周波数変換の原理に基づいている。第二次高調波発生またはアップコンバージョンの使用による緑色レーザ光の生成と比較して、これは、かなり単純な手法である。なぜなら、線吸収及び放射プロセスのみが周波数変換に寄与するからである。
【００４９】
上述されたA. Richterらによる論文は、青色光を波長５２３ｎｍの緑色レーザ光に変換するための線形変換材料としてＰｒ：ＹＬＦを有するレーザを開示している。しかしながら、Ｐｒ：ＹＬＦは、既に上述されたように、比較的小さい吸収帯、比較的小さい吸収係数、比較的小さい発光帯、及び、比較的大きい設定時間を持つ。対照的に、図１及び図４を参照して上述されたレーザによって使用される結晶は、好ましくは、より大きい吸収帯、より大きい吸収係数、より大きい発光帯、及び、より小さい設定時間を有する。
【００５０】
Ｐｒ：ＹＬＦレーザにおけるレーザ遷移は、パリティ禁制４ｆバンド内遷移である。設定時間を減らす、より大きい断面積を得るために、レーザ１，２０１は、好ましくは、結晶のドーピング元素の周囲に非対称に分布される酸素イオンによって引き起こされた強い結晶場内のパリティ許容５ｄ−４ｆ遷移を使用する。さらに、異方性は、可視スペクトル範囲における５ｄ−４ｆ遷移でのレーザ増幅をもたらす。ここで、ドーピング元素、特にセリウムイオンのＥＳＡは、レーザ光の偏光に依存し、緑色スペクトル領域の光子は、結晶軸の１つに少なくとも沿って増幅される。幾つかの結晶では、セリウムは、紫外スペクトル領域で発光する。しかしながら、比較的強い結晶場を持つ結晶を使用することによって、可視スペクトル範囲の発光が得られる。このような強い結晶場を有する異方性セリウムドープ結晶の例としては、Ｃｅ３＋ＣａＳｃ２Ｏ４が適した材料である。
【００５１】
結晶の比較的大きい吸収のため、結晶は、励起光源の励起光によって横方向に励起され得る。さらに、広い発光帯のため、レーザは、レーザの発光波長が可変となるよう適合される。これは、分光アプリケーションにおいて有用であろう。
【００５２】
四価のセリウムを形成するのを防止し、且つ、電荷移動遷移の可能性を減らすために、セリウムイオンは二価の部位で組み込まれるのが好ましい。しかしながら、セリウムは、三価の部位で異方性結晶に組み込まれてもよい。
【００５３】
上述された実施形態では、ドープ結晶は、ＣａＳｃ２Ｏ４であるが、他の実施形態では、ドーピング元素をドープされた他の異方性結晶が、５ｄ−４ｆ遷移を使用することによって可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するために、用いられてもよい。例えば、他のドープ酸化物が、ドープ異方性結晶として用いられてもよい。ここで、ドープ酸化物は、セリウムまたは他のドーピング元素でドープされてもよい。酸素イオンは、例えば、フッ素または塩素に比して、相対的に高い分極率及び共有原子価を持つ。この相対的に高い分極率及び共有原子価のため、異方性結晶内に存在する５ｄ帯の重心変位は、５ｄ−４ｆ遷移を、紫外スペクトル領域から可視スペクトル領域へ移動させる。
【００５４】
異方性結晶は、ドーピング元素の周囲、特にセリウムイオンの周囲に非対称に分布された酸素イオンを有することが更に好ましい。即ち、非対称格子サイトがドーピング元素にとって好ましい。酸素イオンの非対称分布は、５ｄ帯を拡げるのに十分強い結晶場を生成し得る。これは、紫外スペクトル領域から可視スペクトル領域への５ｄ−４ｆ遷移の移動ももたらし得る。例えば、酸素イオンの非対称分布は、レーザが可視スペクトル領域のレーザ光を生成することを可能とする結晶場を生成するために、変形立方体または四面体を形成することができる。
【００５５】
ＣａＳｃ２Ｏ４結晶を使用する代わりに、他の異方性ドープ結晶が、可視スペクトル領域のレーザ光を生成するために使用され得る。例えば、ＣａＹ１Ｓｃ１Ｏ４のようなＣａＦｅ２Ｏ４構造を持つ他のドープ異方性結晶が使用され得る。
【００５６】
上述された実施形態では、４７９．５ｎｍの波長を有する光励起された半導体レーザが励起光源として用いられてきたが、他の実施形態では、他の励起光源、例えば、４０５ｎｍまたは４５０ｎｍなどの波長で発光する半導体レーザダイオードが用いられてもよい。
【００５７】
図５を参照して上述された実施形態では、レーザはレーザプロジェクタ内で使用されるが、レーザは、光照明ユニット，スポットライトなどの他の照明デバイス内で用いられてもよい。
【００５８】
開示された実施形態に対する他の変形が、本発明の実施に際し、図面、開示及び添付の請求項から、当該技術における当業者によって、理解され、もたらされる。
【００５９】
請求項では、「有する」なる文言は、他の要素や他のステップを除外せず、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は、複数を除外しない。
【００６０】
単一のユニットまたはデバイスが請求項で規定された幾つかの項目の機能を満たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属項で言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に用いられないということを示すものではない。
【００６１】
請求項中の任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００６２】
本発明は、可視スペクトル範囲のレーザ光を放射するためのレーザに関する。５ｄ−４ｆ遷移を有する希土類ドープ異方性結晶がレーザ共振器内に配置され、励起光源が、５ｄ−４ｆ遷移を使用することにより可視スペクトル範囲のレーザ光を生成するために、結晶を励起する。希土類ドープ異方性結晶の５ｄ−４ｆ遷移は、数ｎｍに及ぶ吸収帯を有する。このため、比較的広い波長範囲の波長を持つ励起光が用いられ得る。これは、励起光源の波長精度についての必要条件を緩和し、このため、大量に製造された励起光源のうち、より多くの励起光源がレーザを組み立てるために使用されることができ、従って、不良品の量を減らすことができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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