(57)【要約】  本発明は、２つの共振器エンドミラー３、５間の固体ゲイン媒体と、前記固体ゲイン媒体を光励起するＧａＮベースの励起レーザー１とを有する固体レーザー装置に関する。前記固体ゲイン媒体は、立方結晶構造を有すると共に、６００ｃｍ−１以下の最大フォノンエネルギと５．５ｅＶ以上のバンドギャップとを有するＰｒ３＋ドープ結晶又は多結晶母材４である。提案されている固体レーザーは、発された出力がＧａＮベースの励起レーザー１の温度に対する低減された依存性を示す放射出力を有して、可視光の波長において発光するように設計されている。
2010519756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザキャビティの２つの共振器エンドミラー間に配されている固体ゲイン媒体であって、Ｐｒ３＋ドープ母材により形成されている固体ゲイン媒体と、前記固体ゲイン媒体を光励起させるＧａＮベースの固体励起レーザーとを有する固体レーザー装置において、前記固体ゲイン媒体の母材は、立方結晶構造を有する結晶又は多結晶材料であると共に、６００ｃｍ−１以下の最大フォノンエネルギと５．５ｅＶ以上のバンドギャップとを有するように選択されている、固体レーザー装置。
【請求項２】
立方結晶構造を有する前記結晶又は多結晶材料は、ＫＹ３Ｆ１０、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、及びＬａＡｌＯ３の立方の変形のうちの１つである、請求項１に記載の固体レーザー装置。
【請求項３】
前記固体ゲイン媒体の前記母材が単結晶である、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置。
【請求項４】
前記固体ゲイン媒体の前記母材が透明なセラミックである、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置。
【請求項５】
前記固体ゲイン媒体が導波路として設計されている、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置。
【請求項６】
前記ＧａＮベースの固体励起レーザーが、前記固体ゲイン媒体を備える共通基板上に配されている、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置。
【請求項７】
前記固体ゲイン媒体は、前記ＧａＮベースの固体励起レーザーにより発される励起放射の楕円ビーム形状と一致する導波路として設計されている、請求項６に記載の固体レーザー装置。
【請求項８】
前記２つの共振器エンドミラーは、前記固体ゲイン媒体の端面における反射層構造により形成されている、請求項１又は２に記載の固体レーザー装置。
【請求項９】
共通基板上で少なくとも１つの付加的なＧａＮベースの固体レーザーと一緒に並んでいる請求項１又は２に記載の固体レーザー装置を少なくとも２つ備えているＲＧＢレーザー源であって、前記付加的なＧａＮベースの固体レーザーは前記青色の波長領域における光を発する、ＲＧＢレーザー源において、前記少なくとも２つのレーザー装置のうちの１つは、赤色の波長領域におけるレーザー放射を発するように設計されており、前記少なくとも２台のレーザー装置の他のものは、緑色の波長領域におけるレーザー放射を発するように設計されている、ＲＧＢレーザー源。
【請求項１０】
共通基板上で少なくとも１つの付加的なＧａＮベースの固体レーザーと一緒に並んでいる請求項１又は２に記載の固体レーザー装置を少なくとも２つ備えているＲＧＢレーザー源であって、前記付加的なＧａＮベースの固体レーザーは前記青色の波長領域における光を発する、ＲＧＢレーザー源において、前記少なくとも２つの固体レーザー装置の前記固体ゲイン媒体は、導波管として設計されていると共に、前記付加的なＧａＮベースの固体レーザーにより発されるレーザー放射を導く更なるドープされていない導波路と並んで配されており、前記少なくとも２つの固体レーザー装置のうちの１つは、赤色の波長領域においてレーザー放射を発するように設計されており、前記少なくとも２つの固体レーザー装置の他のものは、緑色の波長領域においてレーザー放射を発するように設計されている、ＲＧＢレーザー源。
【請求項１１】
請求項１又は２に記載の固体レーザー装置を光源として使用している投影装置。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載のＲＧＢレーザー源を光源として使用している投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザキャビティの２つの共振器エンドミラー間に配される固体（solid state）ゲイン媒体であって、Ｐｒ３＋ドープ母材から構成されている固体ゲイン媒体と、前記固体ゲイン媒体を光励起させるように配されているＧａＮベースの固体励起レーザーとを有する、固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーの固有の高い放射輝度によって、当該レーザーは、高い光学的要求を伴う全てのアプリケーションのための光源として、理想的な候補になっている。ひとたび青色、緑色及び赤色において発光するレーザーが利用可能であると、これらは、例えば、投影システムにおける光源としてのＵＨＰランプに取って代わることができる。緑色の波長領域における集積レーザー源の不足が、表示器又は照明アプリケーションのためのレーザーの広範囲にわたる使用をこれまで妨げていた。緑色の波長領域のために今日使用されているレーザー源は、上方変換か又は赤外線レーザー源の２次高調波発生かの何れかによる周波数変換に頼っている。上方変換又は赤外線波長領域からの二次高調波発生に代替的なものは、よく知られているダイレーザー又は赤外線のためのＮｄ：ＹＡＧレーザーの場合のような、青色レーザー源の周波数変換である。青色−紫色領域のためのＧａＮベースのレーザーダイオードの最近の開発によって、この方式は、可視光の波長における全ての固体装置に魅力的なものとなっている。このような固体レーザー装置において、適切な固体ゲイン媒体が、青、緑又は赤色の波長領域におけるレーザー放射を発するために、ＧａＮベースのレーザーダイオードによって光励起されている。
【０００３】
このような装置に適当な固体ゲイン媒体は、青色―紫色波長領域の吸収線を有していなければならない。希土類イオンをドープされた種々の結晶母材が、このような固体レーザー装置のためのゲイン媒体として、既に提案されている。Ｐｒ３＋イオンは、このような状況において、大変興味深いものである。Ｐｒ３＋イオンは、ＧａＮレーザーダイオードの典型的な放出波長における吸収を示すと共に、この放射を、青、緑、赤及びオレンジ色の波長におけるレーザー放出に変換できるからである。
【０００４】
米国特許第６，４９０，３０９ Ｂ１号は、Ｐｒ３＋ドープ結晶がＧａＮベースのレーザーダイオードによって、光励起されている固体レーザー装置を開示している。この文献は、幾つかの可視光の波長におけるＰｒ３＋からのレーザー放出を得るために、種々のＰｒ３＋ドープ結晶を提案している。例示的な実施例は、Ｐｒ３＋ドープＬｉＹＦ４（ＹＬＦ）の結晶に基づいている。この文献に列挙されている母材のうちのただ１つ、即ちＹ３Ａｌ５Ｏ１２結晶（ＹＡＧ）が立方結晶である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、Ｃｈｅｕｎｇらは、「Ｐｒ３＋：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２の励起状態吸収」（Physical Review B, Vol. 49, No. 21の14827-14835頁）において、３Ｐ０のエネルギレベルからの励起状態の吸収吸収が、可視光の及び近紫外線スペクトル領域における固体レーザ結晶としてのＰｒ３＋：ＹＡＧ使用の可能性を排除することを証明した。
【０００６】
結晶母材内に配される希土類イオンが、幅の狭いスペクトル吸収線を示すことは、よく知られている。図１は、室温における結晶軸に対する２つの異なる偏光について、Ｐｒ３＋：ＬｉＹＦ４の吸収線の例を示している。他方では、ＧａＮベースのレーザーダイオードの放出は、レーザーダイオードの温度及びダイオード電流に関連している波長シフトを呈する。更に、この作製工程が、４４０ｎｍと４５０のｎｍとの間にピークがある異なる放出波長を生じている。種々のダイオード電流に関して、２５℃の固定されているレーザーダイオードのベースプレートの温度における商用利用可能なＧａＮベースのレーザーダイオードのレーザー放出のスペクトルシフトの測定によって、最大放出の波長が、２００ｍＡから５００のｍＡまで変化する前記ダイオード電流に対して、約２ｎｍだけ変化することが示されている。このことは、１１０ｍＷから４８０ｍＷまでの出力電力の変化に対応する。固定されているダイオード電流における２０℃と３０℃との間のレーザーダイオードのベースプレートの温度変化に対するスペクトルシフトは、１０℃につき約０．５ｎｍである。このＧａＮベースのレーザーダイオードの放出の波長は、２０℃における、（このレーザーダイオードの閾値よりもちょうど上である）１１０ｍＡのダイオード電流の場合の４４３．７ｎｍと、３０℃における（このレーザーダイオードの場合の最大の仕様の電流である）５００ｍＡのダイオード電流の場合の４４６．５ｎｍとの間で変化する。前記ゲイン媒体の幅が狭いスペクトル吸収線と、ＧａＮベースのレーザーダイオードの最大放出の温度及び電流依存性のために、対応する固体レーザー装置は、強い温度感度を示す。このことが、ＧａＮベースのレーザーダイオードによる、Ｐｒ３＋ドープ母材の効率的かつ安定な光励起を困難なものにしている。
【０００７】
本発明の目的は、低減された温度感度を有する固体レーザー装置であって、ＧａＮベースの励起レーザーによって光励起される固体ゲイン媒体を有している固体レーザー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、添付の請求項１に記載の固体レーザー装置により達成される。この固体レーザー装置の有利な実施例は、添付の従属請求項の対象であるか又は後述の一部において記載される。
【０００９】
提案されている固体レーザー装置は、少なくとも、レーザキャビティの２つの共振器エンドミラーの間に配されている固体ゲイン媒体と、前記固体ゲイン媒体を光励起するＧａＮベースの励起レーザーとを有している。前記固体ゲイン媒体は、Ｐｒ３＋ドープ多結晶又は結晶材料であり、立方結晶構造を有しており、６００ｃｍ−１以下の最大フォノンエネルギと、５．５ｅＶ以上のバンドギャップとを有するように選択されている。
【００１０】
立方結晶構造、小さいフォノンエネルギ及び大きいバンドギャップによって特徴づけられるＰｒ３＋イオンをドープされているこの結晶又は多結晶の母材を使用する場合、驚いたことに、前記レーザー装置の温度感度の著しい低減が達成される。従って、本発明は、可視光の波長領域に対して温度感度がない固体レーザー装置であって、共振器エンドミラーの設計に依存して、青、緑、赤及びオレンジ色の波長領域におけるレーザー放射を発することができる固体レーザー装置を提供する。この低減された温度感度により、このような固体レーザー光源は、照明又は投影装置のような消費者アプリケーションにおいて、容易に使用されることができる。従って、提案された固体レーザー装置は、投影のための光源として今日使用されているＵＨＰランプに取って代わる将来性を提供するものである。唯一の今までに報告されているＰｒ３＋イオンをドープドープされている立方母材は、ＹＡＧ結晶であり、ＹＡＧ結晶は室温におけるレーザーのゲイン媒体としての使用に適していないことが分かっているのみであるにもかかわらず、本願発明者は、上述のように、広いバンドギャップ及び小さいフォノンエネルギの上述の要件を満たしているこの立方母材が、やはり、ゲイン材料として適切であり、驚異的に低い温度依存性を提供するものであることを見出した。好適な母材は、ＫＹ３Ｆ１０、ＳｒＦ２、ＣａＦ２、又はＬａＡｌＯ３の立方の変形である。典型的なドーピング濃度は、０．０５ａｔ％乃至１０ａｔ％の領域内である。
【００１１】
この立方母材の使用は、これらの材料が透明セラミックとして準備されることができるという付加的な有利な点を提供する。結晶の延伸は、ゆっくりとした退屈な手順であり、一般に、多大な手入れがなされることを必要とする。立方構造を有する母材は、焼結によって、透明なセラミックとして生成されることができ、劇的に多くの量の製造を容易にする。更に、焼結技術によって、前記レーザー材料を準備する可能性は、例えば、ＧａＮベースのレーザーダイオードの楕円ビーム形状と効率的に適合することができる導波路の形態において、前記レーザー材料を構築するより容易な仕方への扉を開くものである。立方結晶は等方性材料であるので、導波路を得るために、基板上の配向工程の問題を伴うことなく、結晶化される膜を直接的に成長させることも容易に可能である。
【００１２】
好適実施例において、前記固体ゲイン媒体は、ＧａＮベースの励起レーザーと一緒に共通基板上に配される。例えば、レーザー光源のアレイを提供するために、このような固体レーザー装置の幾つかを同じ基板上に配することも可能である。他の実施例において、ＲＧＢ（Ｒ：赤色、Ｇ：緑色、Ｂ：青色）レーザー光源であって、青色の波長領域において発光するＧａＮベースのレーザーダイオードが当該提案されている固体レーザー装置を２つ有する共通基板上に並べて配されており、２つの前記固体レーザー装置のうちの一方は、赤色の波長領域において発光し、他方は、緑色波長領域において発光する、ＲＧＢ光源が、実現される。
【００１３】
本発明のこれら及び他の見地は、本願明細書に記載されている実施例を参照して、明らかになり、説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】室温における２つの異なる偏光に関してのＰｒ３＋：ＬｉＹＦ４の基底状態の吸収線である。
【図２】種々のベースプレートの温度について、６４０ｎｍにおいて発光する本発明によるＰｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０レーザーの測定された出力電力である。
【図３】Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０及びＰｒ３＋：ＬｉＹＦ４の吸収スペクトルの比較である。
【図４】異なる値の温度及びダイオード電流に関してのＰｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０の吸収断面積と及びＧａＮベースのレーザーダイオード放出である。
【図５】提案された固体レーザー装置の例示的な製造の概略図である。
【図６】集積ＲＧＢレーザー源の一部としての本発明の固体レーザー装置の更なる例示的な構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
提案された固体レーザー装置は、前記請求項によって、保護規定されているようにの前記範囲を制限することのない前記添付の図に関連して、例を経由して以下のものに記載されている。
【００１６】
図１に示されているＰｒ３＋：ＬｉＹＦ４の吸収スペクトルは、本明細書の導入部において既に説明されている。吸収線の小さい半値幅及びＧａＮベースのレーザーダイオードの温度シフトのため、このようなゲイン媒体とＧａＮベースの励起レーザーとの組合せに基づく固体レーザー装置の安定な動作は、達成するのが困難である。
【００１７】
図２は、本発明による固体レーザー装置の出力電力の測定値を示している。この測定値は、Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０のゲイン媒体を有する６４０ｎｍにおいて発光する固体レーザー装置に基づいている。この図は、１５℃と３０℃との間にＧａＮベースの励起レーザーダイオードの異なるベースプレート温度に関して、測定された出力電力を示している。この図から、非常に低い温度感度は明らかである。出力電力の軽微な変化のみが、１５℃の温度領域に関して観察される。
【００１８】
他の母材と比較してこの著しく低減されている温度感度は、ＫＹ３Ｆ１０、ＳｒＦ２、ＣａＦ２のような立方構造又はＬａＡｌＯ３の立方の変形の結晶内に配された場合の、Ｐｒ３＋イオンの驚くほどに幅広い吸収線に基づくものである。例として、図３は、Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０の吸収断面積を、偏光から独立して、種々の結晶方位によるＰｒ３＋：ＬｉＹＦ４（ＹＬＦ）の２つの吸収スペクトルと比較して示している。Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０の著しく幅広い吸収線は、この図から明白である。
【００１９】
既にこの説明の導入部で概説されているように、ＧａＮベースのレーザーダイオードは、ダイオードの温度と供給されているダイオード電流との両方に依存するこれらの放出波長のシフトを呈する。ＧａＮベースのレーザーダイオードからのレーザー放出が、結晶内の希土類イオンのレーザー放出を刺激するのに使用されている場合、励起レーザーの波長シフトは、前記希土類イオンにより吸収される電力に強く影響を与え、従って前記固体レーザーの出力に影響を与え得る。Ｐｒ３＋：ＬｉＹＦ４の上述された状況とは異なって、ＫＹ３Ｆ１０、ＬａＡｌＯ３、ＳｒＦ２又はＣａＦ２のような立方結晶内に配されるＰｒ３＋イオンは、ＧａＮベースのレーザーダイオード放出とスペクトル的に非常によく重複している幅広くかつ強度の吸収線を示している。これらの母材において、ＧａＮベースのレーザーダイオードの放出とＰｒ３＋の吸収との間の重複は、更に最適化され、前記吸収は、前記レーザーダイオードの温度による軽微な変化しか示さない。Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０の場合、これらの吸収線は、結晶の方向とは独立に、４４６ｎｍ程度に最大値がある４３５ｎｍから４５０ｎｍまで広がっている幅広いバンドを形成する。このことは、図４に図示されおり、図４は、種々の値の温度及びダイオード電流に関して、Ｐｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０及びＧａＮベースのレーザーダイオードの放出の吸収断面積を示している。
【００２０】
プラセオジウム（Ｐｒ）からの可視光のレーザー作用を取り扱う場合の前記母材に対する他の要件は、３Ｐ０の上方のレーザレベルの減少（depopulation）を回避するために必要とされる小さいフォノンエネルギである。ＫＹ３Ｆ１０の結晶の最大フォノンエネルギは、４９５ｃｍ―１である。一般に、本発明による固体レーザー装置において使用されている立方結晶の最大フォノンのエネルギは、６００ｃｍ−１以下でなければならないことが分かっている。既知のＹＡＧの結晶は、７００ｃｍ−１の最大フォノンエネルギを有しており、従って、提案されている固体レーザー装置に適切なものではない。
【００２１】
図５は、本発明の１つの例示的な実施例による固体レーザー装置の模式的な構成を示している。ＧａＮベースの複合レーザーダイオード１のレーザー放出は、光学装置２（例えば、レンズ）によって、Ｐｒ３＋ドープ結晶４内に集束される。２つのミラー３、５は、レーザー共振器を構築するのに必要とされている。これらの２つのミラーは、Ｐｒ３＋ドープ結晶４の端面への適当なコーティングによって形成される。励起放射の結合導入のための導入結合ミラー３は、４４６ｎｍの励起波長において高い透過率（８０％以上）を有すると共にＰｒ３＋ドープ結晶４（例えば、６４５ｎｍの赤色の波長）のレーザー波長に対しては高い反射率を有するように、被覆されている。導出結合側に位置されている、第２のミラー５は、導出結合側において、４４６ｎｍの励起波長において高い反射率を有すると共に、レーザー波長における（例えば、６４５ｎｍの赤色の波長に対して１０％の透過率）偏った透過性（partial transmittance）を有するように被覆されている。Ｐｒ３＋ドープＫＹ３Ｆ１０の結晶４は、例えば、２ｍｍの長さを有しており、励起電力の６０−９０％を吸収する。可視光のレーザー放出は、この例においては６４５ｎｍの中心波長を有して、図５における符号６によって示されている。
【００２２】
図６は、提案された固体レーザー装置が集積ＲＧＢレーザーの一部である、他の例示的な実施例を示している。この例におけるＰｒ３＋ドープ結晶材料は、導波路レーザー７を形成するように導波路の形態にされている。このような機構において、この能動媒体（即ち導波路）の幾何学的配置は、ＧａＮベースのレーザーダイオード１の楕円ビーム形状と適合しており、光学機構を単純化している。導波路レーザー７は、この場合には、ＧａＮベースのレーザーダイオードに直接的に接続されているものであっても良い。
【００２３】
図６における、提案されている固体レーザー装置の２つは、並んで形成されている。これらのレーザー装置のうちの一方は、赤色の波長領域において発光するように設計されており、他方は、緑色の波長領域において発光するように設計されている。この目的のために、導出結合ミラー５の被覆は、一方のレーザー装置においては緑色の波長領域における高い透過率を有すると共に赤色の波長領域における高い反射率を有するように設計されており、他方の装置においては赤色の波長領域における高い透過率を有すると共に緑色の波長領域における高い反射率を有するように設計されている。更なるＧａＮベースのレーザーダイオード１が、これらの２つの固体レーザー装置に隣接して配されている。この更なるＧａＮベースのレーザーダイオードは、導波路レーザー７の同じ寸法の導波路を有するドープされていない導波路８に結合導入される４４６ｎｍにおける青色のレーザー放射を発する。冷却構造を当該レーザーに提供している共通基板９上のこの配置を、ＲＧＢレーザー源が備えている。
【００２４】
２つのことが、ここで強調されなければならない。一方では、青色スペクトル領域におけるＰｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０の吸収の最大は、大きい電流において、動作するＧａＮベースの複合レーザーダイオードの放出の最大と一致する。他方では、これらの母材内に位置されるＰｒ３＋の幅広い吸収は、幅広いスペクトルの放出、即ちこのようなＧａＮベースのレーザーダイオードの特性の活用を可能にし、Ｐｒ３＋イオンによる前記レーザー放射の効率的な吸収を生じる。この組合せが、提案されている固体レーザー装置を、劇的に低減された温度感度を有する４９０、５２２、５４５、６０７及び６４５ｎｍにおけるＰｒ３＋イオンからの効率的なレーザー放出を得るのに理想的なものにしている。全てのこれらの波長におけるＰｒ３＋：ＫＹ３Ｆ１０結晶からのレーザー放出が、適当なレーザーミラーを備える共振器を設計することによって可能である。例えば、緑色の波長のレーザー放出が必要とされる場合、ミラー３は、これらのレーザーの動作を抑制するために、５２０乃至５５０ｎｍの範囲の波長における高い反射率を有していなければならないと共に、４４６ｎｍの励起波長に対して、好ましくは、Ｐｒ３＋イオンにより発される他の波長に対しても、高い透過率を有していなければならない。光学ミラー５は、レーザー波長（例えば、５２２ｎｍ）に対して偏った透過率と、Ｐｒ３＋イオンにより発される波長の残りのものに対する高い透過率とを有していなければならない。典型的には、これらの要件は、ダイクロイックミラー又はダイクロックコーティングによって得られる。
【００２５】
本発明は、添付図面及び上述において詳細に説明され記載されたが、このような図及び記載は、説明的なもの及び例示的なものとみなされるべきであり、本発明は、開示されているこれらの実施例に限定されるものではない。上述された種々の実施例と請求項に記載されているものとが、組み合わせられてもいい。開示されている実施例に対する他の変形は、添付図面、本願明細書及び添付請求項の検討から、添付請求項に記載されている本発明を実施する当業者により理解され、遂行されることができる。例えば、提案されている固体レーザー装置は、図５及び６に記載のレーザー機構に限定されるものではない。このような機構の幾つかの変形が、従来技術において知られているように可能である。提案されている母材の使用は、本発明を何らかの特別なレーザー装置に限定するものではない。このような固体レーザー装置に関する従来技術において知られている如何なるレーザー装置も、使用されることができる。
【００２６】
添付請求項において、「有する」なる語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形の構成要素は、複数のこのような構成要素を排除するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において、引用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なるように使用されることができないと示すものではない。添付請求項における如何なる符号も、これらの請求項の範囲を限定するものとみなされるべきではない。
【符号の説明】
【００２７】
１    ＧａＮベースのレーザーダイオード
２    光学機構
３    導入結合ミラー
４    Ｐｒ３＋ドープ結晶
５    導出結合ミラー
６    レーザー放出
７    導波路レーザー
８    ドープされていない導波路層
９    基板
【図１】
2010519756.tif 000003
【図２】
2010519756.tif 000004
【図３】
2010519756.tif 000005
【図４】
2010519756.tif 000006
【図５】
2010519756.tif 000007
【図６】
2010519756.tif 000008
【国際調査報告】
2010519756.tif 000009
2010519756.tif 000010
2010519756.tif 000011