(57)【要約】ダイオード励起の、イッテルビウムドープガラスレーザまたはイッテルビウムドープガラスセラミックレーザが提供される。光ポンプと、ガラスまたはガラスセラミックの利得媒質と、波長変換素子と、および出力フィルタとを含む、レーザ光源が提供される。利得媒質は、イッテルビウムドープガラスまたはイッテルビウムドープガラスセラミックの利得媒質を含み、さらにこの利得媒質を特徴付ける吸収スペクトルは、その吸収スペクトルの別個の波長部分に沿って夫々配置される、最大吸収ピークと準最大吸収ピークとを含む。ポンプ波長λを利得媒質の最大吸収ピークよりも準最大吸収ピーク近傍で同調させるように、光ポンプおよび利得媒質が構成される。さらなる実施形態が開示および請求される。
2013505596.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ポンプ、利得媒質、波長変換素子、および出力フィルタを含むレーザ光源であって、
前記光ポンプが、ポンプ波長λで特徴付けられる光ポンプビームを生成するように構成され、
前記利得媒質が、前記光ポンプから下流に向かって前記出力フィルタへと延びている光路沿いの、前記出力フィルタ上流に位置付けられ、
前記利得媒質が、イッテルビウムドープＣＶＤガラスまたはイッテルビウムドープＣＶＤガラスセラミックの利得媒質を含むものであり、
前記ＣＶＤガラスまたはＣＶＤガラスセラミックの利得媒質の、前記光ポンプの方に向いている入力面は、前記ポンプ波長λで反射防止となり、かつ一時放出波長λ*で高反射となるように構成され、
前記ＣＶＤガラスまたはＣＶＤガラスセラミックの利得媒質の出力面は、前記一次放出波長λ*で反射防止となり、かつ非吸収の前記光ポンプからの放出を再利用するよう前記ポンプ波長λで高反射となるように構成され、
前記利得媒質を特徴付ける吸収スペクトルが、該利得媒質の吸収スペクトルの別個の波長部分に沿って夫々配置される、最大吸収ピークと準最大吸収ピークとを含むものであり、
前記準最大吸収ピークが、少なくともおおよそ２０ｎｍの略ピーク帯域に特徴付けられるものであり、
前記ポンプ波長λを前記利得媒質の前記最大吸収ピークよりも前記利得媒質の前記準最大吸収ピーク近傍で同調させるように、前記光ポンプおよび前記利得媒質が構成され、
前記ポンプ波長λで光励起されたときに、前記利得媒質が、該ポンプ波長λでの光励起下で一次放出波長λ*を放出する固体光ポンプレーザとして構成され、
前記波長変換素子が、前記一次放出波長λ*を周波数変換出力波長に変換するＱＰＭ波長変換帯域に特徴付けられるものであり、
前記一次放出波長λ*が、前記波長変換素子の前記ＱＰＭ帯域の範囲内となることを特徴とするレーザ光源。
【請求項２】
前記ポンプ波長λが前記準最大吸収ピークの前記略ピーク帯域に制限されるよう、前記光ポンプおよび前記利得媒質が構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【請求項３】
前記準最大吸収ピークの吸収ピークが前記最大吸収ピークの吸収ピークよりも少なくともおおよそ３０ｄＢ／ｍ低く、かつ、
前記準最大吸収ピークの前記略ピーク帯域が前記最大吸収ピークの前記略ピーク帯域よりも少なくともおおよそ３倍大きいものとなるように、
前記利得媒質が構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【請求項４】
前記光ポンプが動作波長ドリフトに特徴付けられ、かつ、
前記ポンプ波長λが、前記光ポンプの全ての前記動作波長ドリフトに亘って、前記準最大吸収ピークの前記略ピーク帯域に制限されるよう、前記光ポンプおよび前記利得媒質が構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【請求項５】
前記ポンプ波長λがおおよそ９００ｎｍを超え、かつ前記一次放出波長λ*がおおよそ１０２０ｎｍからおおよそ１０６０ｎｍの間となるように、前記光ポンプおよび前記利得媒質が構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年９月２２日に出願された米国特許出願第１２／５６４，５９１号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は周波数変換レーザ光源に関し、特に、放出安定性を改善するよう構成されたダイオード励起レーザに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
ダイオード励起の、イッテルビウムドープガラスレーザまたはイッテルビウムドープガラスセラミックレーザが提供される。本開示の一実施の形態によれば、光ポンプと、ガラスまたはガラスセラミックの利得媒質と、波長変換素子と、および出力フィルタとを含む、レーザ光源が提供される。利得媒質は、イッテルビウムドープガラスまたはイッテルビウムドープガラスセラミックの利得媒質を含み、さらにこの利得媒質を特徴付ける吸収スペクトルは、その吸収スペクトルの別個の波長部分に沿って夫々配置される、最大吸収ピークと準最大吸収ピークとを含む。ポンプ波長λを利得媒質の最大吸収ピークよりも準最大吸収ピーク近傍で同調させるように、光ポンプおよび利得媒質が構成される。
【０００４】
本開示の具体的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、類似の構造体を同じ参照数字で示した以下の図面とともに読むと最も良く理解できる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本開示による様々な種類の周波数変換レーザ光源の種々の態様を示す図
【図２】本開示による様々な種類の周波数変換レーザ光源の種々の態様を示す図
【図３】本開示の一実施の形態による利得媒質の吸収スペクトルを示す図
【発明を実施するための形態】
【０００６】
最初に図１を参照すると、光ポンプレーザ光源１００が提供され、このレーザ光源１００は、ポンプ波長λで特徴付けられる光ポンプビームを生成するよう構成された光ポンプ１０、カップリング光学素子１５、ガラスまたはガラスセラミック利得媒質２０、波長変換素子３０、および出力フィルタ４０を備えている。図１に示したように、ガラスまたはガラスセラミック利得媒質２０は、光ポンプ１０から下流に向かって出力フィルタ４０へと延びている光路沿いの、出力フィルタ４０上流に位置付けられている。このフィルタは、典型的には一体型のＩＲフィルタを含む外部ミラーとして構成されるが、いかなる有意なフィルタリング特性をも有していない出力窓または出力アパーチャを単に備えたものでもよい。
【０００７】
利得媒質２０は、図３に示すように、最大吸収ピークＡと準最大吸収ピークＢとを含む吸収スペクトルに特徴付けられる、イッテルビウムドープガラスまたはイッテルビウムドープガラスセラミックの利得媒質を含む。各ピークＡおよびピークＢは、利得媒質２０の吸収スペクトルの別個の波長部分に沿って配置されている。準最大吸収ピークＢは、図３において、おおよそ５０ｎｍの「略ピーク」の帯域Ｂ*を有するものとして図示されている。これに対し、最大吸収ピークＡの略ピーク帯域Ａ*は大幅に狭く、すなわち１０ｎｍよりも大幅に小さい。「略ピーク」帯域を、そのピークの光吸収最大値よりもおおよそ５ｄＢ／ｍ低い点でのそのピークの帯域を表すものと解釈するという理解の下、本開示の種々の実施形態を実行する際には、以下に詳細に論じる理由で、準最大吸収ピークＢが少なくともおおよそ２０ｎｍの略ピーク帯域Ｂ*を画成するべきであると意図されている。上述の帯域値は、最大吸収ピークＡと準最大吸収ピークＢとの差の定量化を助けるためにここで示されていることに留意されたい。この帯域値は、本開示の概念を実施するための１つの基準として紹介したものであって、絶対的な表現であると解釈されるべきではなく、実施形態によって異なる可能性があるし、さらに典型的には様々なパラメータに依存するであろう。
【０００８】
従来の慣例によると直観に反することであろうが、ポンプ波長λをスペクトル効率の良い最大吸収ピークＡよりも、効率の低い方の準最大吸収ピークＢ近傍で同調させるように、光ポンプ１０および利得媒質２０は構成されている。利得媒質２０は一次放出波長λ*を放出する固体光ポンプレーザとして構成されているが、結果として、この利得媒質２０を利用した光ポンプレーザ光源１００は、準最大吸収ピークＢの略ピーク吸収帯域Ｂ*が最大吸収ピークＡの略ピーク吸収帯域Ａ*よりも大幅に広いため、より広範な動作温度に亘る安定動作に最適となる。本発明者らが認識したところでは、この動作モードは、精巧度の低い比較的安価なレーザの場合にあり得るような、ポンプ波長λが動作温度で著しくドリフトするような用途に特に適している。本発明者らはさらに、準最大吸収ピークＢに同調させることによるいかなる効率損失も、精巧な温度安定化機構の必要性が排除されることにより得られる効率により、少なくとも部分的に補われ得ることも既に認識している。
【０００９】
本開示の特定の実施形態において、ポンプ波長λは、光ポンプの全ての動作波長ドリフトに亘って準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域Ｂ*に制限されるように選択される。あるいは、またはさらに、準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域Ｂ*が光ポンプ１０の動作波長ドリフトよりも大きくなるように利得媒質２０を構成してもよい。本発明を説明および画成するために、光ポンプ１０の「動作波長ドリフト」には、通常操作による使用下での光ポンプ１０の放出波長のドリフト範囲が含まれるが、わずかな波長スパイクや、あるいは持続時間がそれほど長くないために表示された像内で肉眼では認識できないような他の波長のずれは除外されることに留意されたい。
【００１０】
周波数変換レーザ光源における波長変換素子の使用に精通した当業者には明らかであろうが、波長変換素子３０は、一次放出波長λ*を周波数変換された出力波長に変換するＱＰＭ波長変換帯域に特徴付けられる。本開示の概念を実行する際、一次放出波長λ*が確実に波長変換素子３０のＱＰＭ帯域の範囲内となるようにすることが好ましい。
【００１１】
様々な波長のチューニングおよび同調のシナリオが本開示の概念の実行に適しているであろうが、図３に示したようにポンプ波長λが準最大吸収ピークＢの範囲内となりかつ最大吸収ピークＡ外となるように、光ポンプ１０および利得媒質２０を構成し得ると意図されている。より具体的には、ポンプ波長λを準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域Ｂ*に制限してもよい。他の事例では、ポンプ波長λを確実に準最大吸収ピークＢのピーク吸収の２０ｎｍ範囲内とすれば十分であろう。他の事例では、±１０ｎｍ変化するポンプ波長λを受容するのに十分な幅を、準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域Ｂ*が確実に有することが好ましいであろう。適切な可変または固定波長レーザダイオードの光ポンプ１０を使用してこれらの基準を満たすためには、イッテルビウムドープガラスおよびイッテルビウムドープガラスセラミックの利得媒質が特に最適である。上述の波長の値は、ポンプ波長λを定量化するのを助けるためにここで示されていることに留意されたい。波長の値および範囲は、本開示の概念を実施するための１つの基準として紹介したものであって、絶対的な表現であると解釈されるべきではなく、実施形態によって異なる可能性があるし、さらに典型的には様々なパラメータに依存するであろう。
【００１２】
利得媒質２０の入力面２２、すなわち光ポンプ１０に向いている面は、ポンプ波長λで反射防止（ＡＲ）となりかつ一次放出波長λ*で高反射（ＨＲ）となるように構成してもよい。本開示の概念の実行に必須のものではないが、この反射性が、波長変換素子３０の受容帯域に適合する狭帯域を画成するものであることが好ましい。
【００１３】
ガラスまたはガラスセラミックは非平坦形状に研削または鋳造し易いため、本発明者は、イッテルビウムドープのガラスまたはガラスセラミックが、成形された表面を利得媒質に設ける点でＹＡＧまたはバナデートなどの結晶よりも適していることを認識していた。したがって、適切な研削または鋳造を経て利得媒質の出力面２４を非球面形状に構成することで、一次放出ビームをレーザ光源１００内の選択された焦点で集束させることができると考えられている。本発明者は、グレーデッドインデックス分布を取り込むのにイッテルビウムドープのガラスまたはガラスセラミックが最適であることもまた既に認識しているが、これはＣＶＤ（化学蒸着；Chemical Vapor Deposition）動作中などガラスを堆積させているときにドーパントを導入させることができるためである。これに対し、従来の結晶成長技術ではグレーデッドインデックスの実現可能性は低い。したがって図２に概略的に示すように、利得媒質の出力領域を、横断するグレーデッドインデックス分布２６を代わりに含むものとし、一次放出ビームをレーザ光源１００内の選択された焦点に集束させるのを助けてもよい。いずれの事例でも、非球面表面またはグレーデッドインデックスを使用して、光ポンプ１０からの平行ビームを投影し、かつ利得媒質２０により形成されたレンズの焦点に位置する外部ミラー上にこれを集束させることができる。
【００１４】
本発明者が認識したところでは、過剰な励起原子は自然放出する傾向にあり、一般にレーザビームに寄与しない。さらに、レーザの光軸近傍に存在している励起原子の量が不十分であって、レーザ共振器の基本モードにおいて得ることができる最大出力が制限される場合、レーザ共振器の基本レーザモードにおいて得られる最大出力は制限され得る。これらの動作上の課題に対処するため、ドーパント材料を段階的に導入して、ドーパント濃度をレーザ共振器のモードの強度プロファイルに一致させることができると考えられている。このようなドーパント分布によれば、動作中、より多くの励起原子が光伝播軸近傍に存在し、この場合レーザ共振器のモードの強度が典型的には最も高くなることから、レーザ光源の効率向上が可能となる。これから副次的に得られる１つの他の有益な効果として挙げられるのは、段階的なドーパント濃度は、レーザ共振器の基本モードを強く優先させるものであるということ、そしてレーザが単一の空間モードで動作し続けるのを助けるものであるということである。これは、レーザ走査プロジェクタにおける事例のように、高空間コヒーレンスが要求される用途にとって望ましい。
【００１５】
利得媒質２０は本開示の範囲内で様々な形を取り得、また様々な動作特性を画成し得るが、図３に示した実施形態や多くの他の意図されている事例において、準最大吸収ピークＢの吸収ピークは最大吸収ピークＡの吸収ピークよりも、少なくともおおよそ３０ｄＢ／ｍ低いものとなる。さらに、準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域は、典型的には、最大吸収ピークＡの略ピーク帯域よりも少なくともおおよそ３倍大きいものとなる。上述の吸収の値は、最大吸収ピークＡと準最大吸収ピークＢとの間の相対関係の定量化を助けるためにここで示されていることに留意されたい。この値は、本開示の概念を実施するための１つの基準として紹介したものであって、絶対的な表現であると解釈されるべきではなく、実施形態によって異なる可能性があるし、さらに典型的には様々なパラメータに依存するであろう。
【００１６】
例えば、以下の量は見積りであって事例により異なるであろうが、準最大吸収ピークＢの吸収ピークが最大吸収ピークＡの吸収ピークよりもおおよそ２０ｄＢ／ｍからおおよそ７０ｄＢ／ｍまで低いものとなり、一方で準最大吸収ピークＢの略ピーク帯域Ｂ*が最大吸収ピークＡの略ピーク帯域Ａ*よりもおおよそ２倍からおおよそ２０倍大きいものとなるように、イッテルビウムドープガラスおよびイッテルビウムドープガラスセラミックの利得媒質を構成し得ると意図されている。さらなる意図されている実施形態において、準最大吸収ピークＢの略ピークの帯域Ｂ*は、おおよそ３０ｎｍよりも大きく、あるいはおおよそ３０ｎｍからおおよそ６０ｎｍまでの間である。
【００１７】
図示の実施形態において、ポンプ波長λはおおよそ９１４ｎｍであり、そして一次放出波長λ*はおおよそ１０３０ｎｍである。これらの特定の波長は２つの点で有利である。第１に、ポンプ波長λおよび一次放出波長λ*が比較的近接している場合、特に約８００ｎｍのポンプ波長および約１０６４ｎｍの放出波長を要するＮｄドープ利得媒質を利用している光ポンプレーザと比較すると、相対的に高いポンプ吸収効率を呈する。第２に、１０３０ｎｍ発光の周波数２倍波長は５１５ｎｍであるが、この波長によればよりよい色深度が得られるため投写型ディスプレイにとって優れた選択となる。
【００１８】
より広範な意味では、一次放出波長λ*がおおよそ１０２０ｎｍからおおよそ１０６０ｎｍの間となりかつポンプ波長λがおおよそ９００ｎｍを超えるものとなるように、光ポンプ１０および利得媒質２０を構成することで、前述の利点は維持し得ると考えられる。より具体的には、ポンプ波長λはおおよそ９１０ｎｍからおおよそ９２５ｎｍの間で確立し得、一方一次放出波長λ*はおおよそ１０２５ｎｍからおおよそ１０４５ｎｍの間となると考えられる。多くの事例において、利得媒質におけるエネルギー損失を最小にするために、一次放出波長λ*が確実に、ポンプ波長λよりもおおよそ２００ｎｍ上回る長さを超えないようにすることが有用であろう。
【００１９】
図１に示すように、出力フィルタ４０を確実に、一次放出波長λ*で高反射または高吸収でありかつ周波数変換された出力波長λ*／２で反射防止であるものとすることにより、光学的効率をさらに強化することができる。同様に、図１に示したように、波長変換素子３０の入力面３２および出力面３４を一次放出波長λ*で反射防止となるように構成してもよい。あるいは、図２に示したように、波長変換素子３０の入力面３２を一次放出波長λ*で反射防止となるように構成すると同時に、波長変換素子３０の出力面３４を一次放出波長λ*で高反射となるように構成してもよい。図２においては、波長変換素子３０の入力面３２を、一次放出波長λ*で反射防止となりかつポンプ波長λで高反射となるように構成し、光ポンプ１０からの非吸収の放出を再利用する。本開示の概念を実行する当業者には明らかであろうが、周波数変換光または上流に伝播する一次放出波長λ*の光を再利用したいか否かに応じて、波長変換素子３０の入力面３２に、周波数変換された出力波長λ*／２でのＡＲコーティングまたはＨＲコーティングを施してもよい。
【００２０】
本発明を説明および画成するために、反射防止（ＡＲ）コーティングは、特定波長の光信号の強度の少なくとも約９５％を伝送するために構成されることに留意されたい。同様に、高反射（ＨＲ）コーティングは、特定波長の光信号の強度の少なくとも約９５％を反射するために構成される。ＡＲ部品およびＨＲ部品は、１以上の光学部品など、様々な形で示すことができる。例えば、ＡＲ部品およびＨＲ部品は、素子の入力面または出力面上に直積堆積されたコーティングとして形成された、ダイクロイックミラーを含んでもよい。
【００２１】
図示していないが、レーザ光源１００は、１以上のカップリングレンズを光路沿いに位置付けて含んでもよいし、あるいは従来のまたはこれから開発される近接結合技術を用いて光結合させてもよいと意図されている。
【００２２】
本開示の主題について詳細にかつその特定の実施形態を参照して説明してきたが、本書において開示した種々の詳細は、本記述に付随する各図面内に特定の要素が図示されている場合であっても、本書において説明する種々の実施形態に不可欠な部品である要素に、これら詳細が関連していることを意味するものであると理解されるべきではないことに留意されたい。むしろ、ここに添付される請求項が、本開示の広さを示す唯一の表現であり、かつ本書で説明される種々の発明に対応する範囲であると理解されるべきである。
【００２３】
さらに、添付の請求項において画成される本発明の範囲から逸脱することなく、改変および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は本書において好適または特に有用であると識別されているが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されるものではないと意図されている。例えば、周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）ＳＨＧ結晶など２次または高次の波長変換素子を用いて基本レーザ信号をより短い波長信号に変換する場合、本書では波長変換されたグリーンレーザを参照することが多いが、本開示の種々の概念は、任意の特定部分の光スペクトルで動作するレーザに限定されるものではない。
【００２４】
本開示の構成要素が、特定の性質を具現化するように、あるいは特定の手法において機能するように、特定の状態で「構成」されているという本書の記述は、目的用途に関する記述ではなく構造的な記述であることに留意されたい。より具体的には、ある構成要素が「構成」される様態を本書において参照する際には、その構成要素の現存の物理的条件を意味し、したがってその構成要素の構造的特徴の明確な記述と理解されるべきである。
【００２５】
「好適に」、「一般に」、および「典型的には」といったような用語が本書において使用されるとき、これらの用語の使用は、請求される発明の範囲を限定するためのものではないし、あるいは、請求される発明の構造または機能にとって特定の特徴が重大であるとか、不可欠であるとか、または重要であるということさえ意味するためのものではないことに留意されたい。むしろこれらの用語は、本開示の一実施の形態の特定の態様を識別すること、あるいは、本開示の特定の実施形態において利用され得るまたは利用され得ない、代わりのまたは追加の特徴を強調することを、単に意図したものである。
【００２６】
本発明を説明および画成するために、「おおよそ」という用語は、任意の定量比較、値、測定値、または他の表現に起因し得る、固有の不確実さの度合いを表すために本書において用いられていることに留意されたい。さらに「おおよそ」という用語は、論じている主題の基本的機能に変化を生じさせることなく、記載した基準から定量的表現を変動させ得る度合いを表すために、本書において用いられる。
【００２７】
１以上の以下の請求項は、伝統的な表現として「ことを特徴とする」という用語を使用していることに留意されたい。本発明を画成するために、この用語は、構造の一連の特性に関する記述を紹介するために使用される、オープンエンドの伝統的表現として請求項に導入されているものであり、より一般的に使用されているオープンエンドの前文の用語「を含む」と同じように解釈されるべきであることに留意されたい。
【符号の説明】
【００２８】
１０    光ポンプ
２０    利得媒質
３０    波長変換素子
４０    出力フィルタ
１００    光ポンプレーザ光源
【図１】
2013505596.tif 000003
【図２】
2013505596.tif 000004
【図３】
2013505596.tif 000005
【国際調査報告】
2013505596.tif 000006
2013505596.tif 000007
2013505596.tif 000008