(57)【要約】【課題】従来のアップ変換レーザーシステムと同じか、またはそれより大きい出力パワーにおいて、コンパクトな寸法を有するアップ変換レーザーシステムを提供する。【解決手段】本発明は、第１ミラー（５）と第２ミラー（６）との間に配置された利得構造体（４）を有する少なくとも１つの半導体レーザーを備え、前記第１ミラー（５）および前記第２ミラー（６）は、前記半導体レーザーのレーザーキャビティ（７）を形成し、更に前記半導体レーザーの基本放射線をアップ変換するためのアップ変換層を備えるアップ変換レーザーシステムに関し、本発明のアップ変換層は、前記半導体レーザーの前記レーザーキャビティ（７）内に配置されていることを特徴とする。提案されたアップ変換レーザーシステムはコンパクトな構造となっている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ミラー（５、１６）と第２ミラー（６）との間に配置された利得構造体（４、１７）を有する少なくとも１つの半導体レーザーを備え、前記第１ミラー（５、１６）および前記第２ミラー（６）は、前記半導体レーザーのレーザーキャビティ（７）を形成し、更に前記半導体レーザーの基本放射線をアップ変換するためのアップ変換層を備えるアップ変換レーザーシステムにおいて、
前記半導体レーザーの前記レーザーキャビティ（７）内に前記アップ変換層が、配置されていることを特徴とする、アップ変換レーザーシステム。
【請求項２】
前記アップ変換レーザーは、２つのミラー（６、９）の間に設けられたアップ変換ソリッドステート媒体（８）を備え、前記ミラーのうちの一方のミラーは、アップ変換された放射線をかなり反射でき、他方のミラーは、アップ変換された放射線を部分的に透過できることを特徴とする、請求項１に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項３】
前記アップ変換レーザーのうちの前記ミラー（６、９）のうちの一方は、前記半導体レーザーのうちの第２ミラー（６）であることを特徴とする、請求項２に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項４】
前記アップ変換レーザーのうちの前記ミラー（６、９）は、前記アップ変換ソリッドステート媒体（８）上の誘電コーティングから形成されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項５】
前記半導体レーザーは、前記アップ変換ソリッドステート媒体（８）内で基本放射線のビームウェスト（１３）を発生する光学系（１２）を備えることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項６】
前記半導体レーザーは、ＶＥＣＳＥＬコンフィギュレーションで構成されていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項７】
前記第１ミラー（５、１６）は、前記利得構造体（４、１７）上にＤＢＲ構造体（１６）として形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項８】
前記半導体レーザーは、ＩＲ（赤外）放射線を発生するようになっていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項９】
前記アップ変換ソリッドステート媒体（８）は、Ｅｒ：ＺＢＬＡＮから製造されていることを特徴とする、請求項２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項１０】
前記半導体レーザーのうちの数個は、レーザー源のアレイを形成するように配置されていることを特徴とする、請求項１、２または３に記載のアップ変換レーザーシステム。
【請求項１１】
投射システムまたは光ファイバー照明ユニット内に設けられていることを特徴する、請求項１〜１０のうちのいずれか１項に記載のアップ変換レーザーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１ミラーと第２ミラーとの間に配置された利得構造体を有する少なくとも１つの半導体レーザーを備え、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーは、前記半導体レーザーのレーザーキャビティを形成する、アップ変換レーザーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高い効率の半導体レーザーは、一般に赤外線（ＩＲ）波長レンジ内の基本放射線を放射する。しかしながら、多くの応用例は、可視波長レンジまたは紫外線波長レンジ内の光放射線を必要としている。かかる応用例に対してＩＲ半導体レーザーを使用するために、可視波長レンジ内の所望するレーザー波長を発生するようになってるアップ変換レーザーの利得媒体、一般に特別な導波レーザーまたはファイバーレーザー内で半導体レーザーの出力を結合することが知られている。
【０００３】
このアップ変換プロセスでは、中間共振を介した２つ以上のポンピングフォトンの吸収によって、原子が高レベルにある電子状態が広がる。このような高レベルの電子状態から、より高いエネルギー、従ってポンピング放射線よりも短い波長のフォトンが放出される。このようなアップ変換プロセスを使用し、赤外線レーザー放射線を可視波長レンジ内の放射線に変換することが可能である。顕著な一例として、ＥｒでドープされたＺＢＬＡＮガラスをベースとするアップ変換レーザーを挙げることができる。このレーザーでは、９７０ｎｍ波長の２つのフォトンがＥｒ3+イオンによって吸収され、５５０ｎｍを中心とする放射線が放出される。現在では、このプロセスは青色レーザー集積光源を実現する可能性を提供できるので、このプロセスに対する関心が高まっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アップ変換プロセスのために２つのフォトンを吸収しなければならないことに起因し、高いポンピングパワー密度を提供しなければならない。今日、このことはアップ変換ファイバーレーザーの場合のようにポンピング光を１つの導波体に閉じ込めることによって達成されている。このレーザーでは、例えばレーザーダイオードからのポンピング放射線を、グラスファイバー製のＥｒドープされたコア内に合焦している。ファイバーのファセットは誘電コーティングでコーティングされており、この誘電コーティングはポンピング放射線を透過し、アップ変換レーザー放射線に対して所定の反射性を有するので、共振器が形成される。一般にこれらファイバーのコアは２〜４０μｍのレンジ内の直径を有する。直径がこのように小さいことによって、ポンピング放射線を結合することが困難な作業となっている。ファイバーに対するポンピング放射線の結合損失は、アップ変換レーザーの効率を制限し、レーザーのスレッショルドを比較的高くする。
【０００５】
国際出願第WO2005/022708A1号には、結合効率を改良するアップ変換レーザーシステムの一例が開示されており、図１に示されている。Ｃｕ冷却プレート２の上には、レーザーダイオードバー１として数個の半導体レーザーが設けられている。各レーザーダイオードの出力はアップ変換材料から構成された導波レーザー３内に結合されている。これら導波レーザー３の寸法は、レーザーダイオードの寸法に適合されている。すなわちこれら寸法は、数μｍの範囲内にある。それにもかかわらず、レーザーダイオードから導波レーザー３へポンピング放射線を結合することは困難であり、この結合によってかなりの結合損失が生じる。所望するパワーのアップ変換された放射線を得るには、かかるアップ変換レーザーシステムのこれら結合損失および全体の構造に起因して、アップ変換材料から成る導波体またはファイバーの長さは、一般に５０ｃｍの範囲内にある。
【０００６】
本発明の目的は、上記アップ変換レーザーシステムと同じか、またはそれより大きい出力パワーにおいて、コンパクトな寸法を有するアップ変換レーザーシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載のアップ変換レーザーシステムによって達成され、このレーザーシステムの有利な実施形態は、従属請求項の要旨であるか、または次の説明および実施形態に記載されている。
【０００８】
提案する第１ミラーと第２ミラーとの間に配置された利得構造体を有する少なくとも１つの半導体レーザーを備え、前記第１ミラーおよび前記第２ミラーは、前記半導体レーザーのレーザーキャビティを形成し、更に前記半導体レーザーの基本放射線をアップ変換するためのアップ変換層を備える。本発明に係わるアップ変換レーザーシステムは、前記半導体レーザーの前記レーザーキャビティ内に前記アップ変換層が配置されていることを特徴とする。
【０００９】
このことは、ポンピングレーザーキャビティ内にアップ変換材料が位置することを意味する。ポンピングレーザーキャビティの内部でポンピングパワー密度が最大となり、このキャビティに対する損失はアップ変換材料内の吸収によってしか生じないことが理想的である。更に、ポンピング放射線はアップ変換材料が多数回の通過する時に吸収されるので、この材料の１回の通過吸収量を、例えばファイバーレーザーの場合よりもかなり小さく維持できる。従って、アップ変換材料の長さを数ミリの長さにすることができる。このことは、アップ変換材料のドープ濃度を変えなくても、サイズを劇的に小さくできることを意味する。
【００１０】
アップ変換レーザーに対するこのようなキャビティ内ポンピング方式では、導波体またはファイバーは不要である。アップ変換レーザーの利得領域はポンピングビームによって定められる。これによってかかる変換レーザーの整合が容易な作業となり、結合損失は最小値まで低減される。
【００１１】
ポンピングレーザーのキャビティ内部にアップ変換材料を配置すると、アップ変換材料はより均質的にポンピングされる。ファイバーレーザーでは、ファイバーの最初の部分はファイバーにおけるポンピング放射線の吸収に起因し、最終部分よりも常により強力にポンピングされる。本発明のアップ変換レーザーシステムでは、上記のように相互作用長さが劇的に短縮されるので、アップ変換材料に沿ったポンピング吸収はファイバーレーザー内よりもより均質となる。
【００１２】
相対的に高い出力パワーでサイズがコンパクトとなっていることにより、提案するアップ変換レーザーを、今日のＵＨＰランプをプロジェクタシステムのための光源に置換するか、または例えば内視鏡またはディスプレイシステムにおける光ファイバー照明ユニットにおける光源として働くための良好な候補手段にできる。このレーザーシステムにより、容易なパワースケーリングおよび大量生産が可能となる。アップ変換材料と半導体レーザーの共振ミラーのうちの１つを単一要素内に製造できる。この要素を単一ストリップのエッジ放射レーザーの前方だけでなくレーザーバーまたはレーザーダイオードスタックの前方にも置くことができる。またこの要素を単一アップ変換レーザーシステムのための単一ＶＥＣＳＥＬ（垂直外部キャビティ表面発生レーザー）の前方またはＶＥＣＳＥＬのアレイの前方に配置することも可能である。適当な光学的キャビティのレイアウトを仮定した場合、これらすべてのケースでは、重要なパラメータは、ミラーがコーティングされているアップ変換材料が位置しなければならない角度である。
【００１３】
提案するアップ変換レーザーシステムでは、アップ変換レーザーは２つのミラーの間に配置されたアップ変換材料から製造されたソリッドステート媒体を含むことが好ましく、ここで一方のミラーは、アップ変換された放射線をかなり反射でき（好ましくはＴ＜１％）、他方のミラーは、アップ変換された放射線を部分的に透過できる（好ましくはＴ＝１〜３０％）。それにもかかわらず、部分透過性ミラーに対しては３０％よりも高い透過率が好ましい（ＰｒＹｂに対するファイバーでは９６％までの透過率のミラーが効率的に作動し、Ｅｒ−ＺＢＬＡＮに対しては７０％までの透過率のミラーが効率的に作動することが証明されている）。好ましい実施形態では、アップ変換レーザーの前記ミラーのうちの一方は、半導体レーザーの第２ミラーであり、このミラーはアップ変換材料に直接接触することが好ましく、アップ変換された放射線の一部を出力結合できるようにもしている。好ましい実施形態では、アップ変換レーザーの２つのミラーは、アップ変換材料の表面に直接塗布された誘電コーティングから形成される。
【００１４】
提案するアップ変換レーザーシステムの他の実施形態と組み合わせることもできる、更に好ましい実施形態では、アップ変換材料内で基本放射線のビームウェストを発生する光学系は、半導体レーザーキャビティ内部に配置される。この光学系は、単一レンズでもよいし、または光学素子のより複雑な配置でもよい。かかる光学系は、二重の利点を有する。まず第１の利点は、ポンピングレーザーキャビティ、すなわち共振器の端部ミラーを平らなミラーにすることができ、これによってレーザーの整合を容易にできることである。第２のより重要な利点は、ビーム径が小さくなり、よってアップ変換材料内でポンピングのパワー密度が増し、この結果、アップ変換レーザーの効率を更に改善できることである。ポンピングレーザーのビームウェストが共振ミラー（第２ミラー）に配置されている場合、ポンピングパワー密度の観点から最適な状況が得られる。
【００１５】
赤外線波長レンジ内で、例えば９７０ｎｍの中心波長で、基本放射線を発生する利得材料を有するポンピングレーザーの場合、アップ変換レーザーのアップ変換材料はＥｒ3+ドープされたＺＢＬＡＮガラスであることが好ましい。それにもかかわらず、本発明のアップ変換レーザーシステムは、赤外放射線のアップ変換材料またはドープされたＺＢＬＡＮガラスのアップ変換材料としての使用に限定されるものではない。当業者であれば、所望する波長のレーザー出力を発生するために利得材料の他の組み合わせも使用することができよう。かかる材料として、例えば他の希土類イオンまたはＺＢＬＡＮにおけるイオンの組み合わせ、またはＬｉＬｕＦ4、ＹＬＦ、ＢａＹ2Ｆ8、Ｙ2Ｏ3、ＹＡｌＯ3、またはテルライトガラスのような他の群を挙げることができ、これらはいずれもフォノンエネルギーが低いことを特徴とする。以下の例では、特別なキャビティの２つのレイアウトについて説明するが、レーザー技術の分野で一般に知られている、提案するアップ変換レイアウトシステムのキャビティレイアウトは、他の可能性も存在する。
【００１６】
本明細書および特許請求の範囲において、「含む」または「備える」なる用語は、他の要素またはステップが存在することを排除するものでなく、また「１つの」または「ある」なる用語は、複数のものが存在することを排除するものではない。更に請求項に記載した参照符号は、これら請求の範囲を制限するものと見なしてはならない。
【００１７】
特許請求の範囲に記載した発明の範囲を制限することなく、次の説明では、添付図面を参照し、本明細書で提案するアップ変換レーザーシステムの実施形態について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図２は、本発明に係わるアップ変換レーザーシステムの一例の概略図を示す。第１端部ミラー５と第２端部ミラー６との間に配置された利得媒体４から赤外線ダイオードレーザーが形成されており、第１端部ミラー５と第２端部ミラー６とは、以下、ポンピングレーザーキャビティ７とも称す、ダイオードレーザーのキャビティを形成している。第１ミラー５は、ダイオードレーザーの基本ＩＲ（赤外）放射線に対し、高度の反射性があり、利得媒体４の端面までコーティングされている。第２ミラー６は、アップ変換材料８の端面にコーティングされており、アップ変換材料８は、ポンピングレーザーのキャビティ内部に配置されている。この第２ミラー６も、基本ＩＲ放射線に対して極めて反射性があり、同時にアップ変換レーザーの出力結合ミラーを形成しており、この出力結合ミラーは第２ミラー６と第３ミラー９との間に設けられたアップ変換材料８から形成されている。アップ変換材料８の端部にある第２ミラー６と第３ミラー９とは、アップ変換レーザーに対する共振器、すなわちアップ変換レーザーキャビティ１０を構成している。第３ミラー９は、基本ＩＲ放射線を透過するが、変換されていない可視放射線に対しては高度な反射性がある。この第３ミラー９は、基本ＩＲ放射線に対する反射防止コーティングも含むことが好ましい。第２ミラー６および第３ミラー９は、アップ変換材料８の表面に直接塗布された誘電コーティングから形成できる。図にも示されるように、ポンピングレーザーの利得材料４は、ポンピングレーザーキャビティ７内での基本ＩＲ放射線の反射損失を最小にするよう、ＩＲ放射線に対して反射を防止できるか、または部分的にしか反射しないコーティング１１を支持している。
【００１９】
ポンピングレーザーキャビティ７内では、アップ変換材料８、例えば３０００ｐｐｍドープされたＥｒ：ＢＬＡＮ内でポンピングレーザー放射線のビームウェスト１３を得るために、レンズ１２が配置されている。アップ変換された放射線は、図２において可視出力１４として示されているアップ変換された放射線が、第２ミラー６を介してこのアップ変換レーザーシステムから出力結合される。
【００２０】
レンズ１２は、アップ変換材料８内でのポンピング放射線のビーム径を小さくし、アップ変換プロセスの効率を改善する。図２では、アップ変換レーザーの共振器は、不安定な共振器として描かれており、この不安定な共振器は、アップ変換材料８の両端に２つの平行な表面を有する。しかしながら、この光学的キャビティのレイアウトを、図２に描かれているレイアウトよりも複雑にすることができる。例えばアップ変換材料８の一端は、アップ変換レーザーに対する共振が安定となるよう、球面湾曲した表面を形成できる。このことは、レー双方のレーザー、ポンピングレーザーおよびアップ変換レーザーが整合されたモードを有する安定した共振器を使用するように、ポンピングレーザーキャビティ内に設けられた光学系により補償しなければならない。
【００２１】
図３は、本発明に係わるアップ変換レーザーシステムの別の例の概概略図である。この例では、このレーザーシステムは、ＰＵＣＳＥＬ（Philips Upconversion Surface Emitting Laser）とも称されるＶＥＣＳＥＬコンフィギュレーションで設計されている。第１端部ミラーは、ＤＢＲ（分散ブラッグ反射器）１６から形成されており、このＤＢＲはポンピングレーザーのための利得媒体としてアクティブ層１７に取り付けられている。このアクティブ層１７の右側には、ポンピングレーザーのレーザー発振スレッショルドを下げるよう、基本赤外放射線を部分的に低減（好ましくはＴ＝５〜２０％）する部分ＤＢＲ１８が配置されている。アップ変換材料８の内部でビームウェスト１３を発生するように、熱レンズまたは一体化されたレンズ２０が働く。半導体ポンピングレーザーを電気的にポンピングするために、電気接点１９が使用されている。これらコンポーネントは、作動中に熱を除去するよう、ヒートシンク１５上に配置されている。図２を参照して既に説明したのと同じように、アップ変換レーザーキャビティ１０が形成されている。赤外線レーザーの作動の波長を注文に合わせて、ポンピングレーザーの２つのＤＢＲ層１６、１８が使用され、外部キャビティミラーを極めて簡単な要素にできるようになっている。
【００２２】
アップ変換材料における吸収に起因し、キャビティ内パワーが１〜１０％だけ低減されるようにアップ変換材料８を製造しなければならない。このアップ変換材料の吸収特性は、ドーパントの濃度および媒体の長さによって注文に合わせることができる。この検討すべき事項は、アップ変換材料としての３０００ｐｐｍＥｒ3+ドープされたＺＢＬＡＮにより説明しなければならない。この材料は、約９７０ｎｍの波長で、ほぼα＝０.１２ｃｍ-1の吸収係数を有する。波長ｘおよび吸収効率αの材料による吸収率は、次の式によって記述できる。
【数１】
2009535796.tif 000003
【００２３】
この材料は、長さＬを有していなければならない。材料を通過するポンピング放射線のラウンドトリップは、２Ｌの吸収パスに対応する。吸収されるポンピングパワーの分数ｋは、ポンピングレーザーキャビティからのラウンドトリップ損失でなければならない。従って、ポンピングレーザーキャビティにフィードバックされるパワーは次のようになる。
【数２】
2009535796.tif 000004
【００２４】
最後に、吸収率ｋを関数とするアップ変換材料の長さＬ（ｋ）は、次の式に従って計算できる。
【数３】
2009535796.tif 000005
【００２５】
この曲線は、図４内でプロットされたものであり、吸収されたポンピングパワーの種々の比率ｋに対するアップ変換材料の長さＬを示す。ｌ＝２ｍｍの場合、アップ変換材料では、ポンピングパワーのｋ≒５％の吸収率となる。アップ変換材料の長さは代表的なアップ変換ファイバーレーザーの５０ｃｍの長さと比較して、数ミリの大きさにできることが明らかである。この値は、ＥｒドープされたＺＢＬＡＮアップ変換材料のドーピング濃度を変えることなく、劇的に低減されたサイズとなっている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】公知のアップ変換レーザーシステムの一例を示す。
【図２】本発明に係わるアップ変換レーザーシステムの第１の例の概略図である。
【図３】本発明に係わるアップ変換レーザーシステムの第２の例の概略図である。
【図４】吸収されるポンピングパワーの何分の１かに依存するアップ変換材料の長さの、計算された関数である。
【符号の説明】
【００２７】
１    レーザーダイオードバー
２    冷却構造体
３    アップ変換レーザー
４    ダイオードレーザーのための利得媒体
５    第１ミラー
６    第２ミラー
７    ポンピングレーザーキャビティ
８    アップ変換材料
９    第３ミラー
１０    アップ変換レーザーキャビティ
１１    反射防止コーティング
１２    レンズ
１３    ビームウェスト
１４    可視出力
１５    ヒートシンク
１６    ＤＢＲ
１７    アクティブ層
１８    部分ＤＢＲ
１９    電気コンタクト
２０    内蔵レンズ
【図１】
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【図２】
2009535796.tif 000007
【図３】
2009535796.tif 000008
【図４】
2009535796.tif 000009
【国際調査報告】
2009535796.tif 000010
2009535796.tif 000011
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