(57)【要約】【課題】高出力なレーザ光源装置を得ること。【解決手段】光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質５と、レーザ媒質の一面側にクラッド４を介して接合されたヒートシンク２と、レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザ１と、レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料７を備え、レーザ媒質は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、光軸及び厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果による空間モードで発振するものであって、クラッドに対するヒートシンクの接合面は、光軸に対し垂直な断面内に一定間隔で配置された櫛構造を有し、櫛構造の両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅が他の櫛歯の櫛幅よりも狭くされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、前記レーザ媒質の一面側にクラッドを介して接合されたヒートシンクと、前記レーザ媒質の光軸上に前記レーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、前記レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、前記レーザ媒質の光軸上に前記レーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、前記レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料とを備え、
前記レーザ媒質は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、前記光軸及び前記厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、前記レーザ光は、前記光軸及び前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで発振するものであって、
前記クラッドに対する前記ヒートシンクの接合面は、光軸に対し垂直な断面内に一定間隔で配置された櫛構造を有し、前記櫛構造の両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅が他の櫛歯の櫛幅よりも狭く構成され、前記櫛構造の櫛歯の先端を前記クラッドに接合したことを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクの接合面は、前記半導体レーザが近接される側の櫛歯の櫛幅と前記非線形材料が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅が異なることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記半導体レーザが近接される側の前記ヒートシンクの櫛歯の櫛幅は、前記非線形材料が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅よりも広くしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プロジェクタ等の光源に用いられる高出力レーザ装置に適用されるレーザ光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高輝度発振が可能なレーザ光源装置を実現するために、図７、図８に示すモード制御導波路型レーザ光源装置が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）。
図７は従来のモード制御導波路型レーザ光源装置の構成を示す側面図である。また、図８は図７内のａ−ａ’断面をレーザ出射側から見た断面図である。
【０００３】
図７において、従来のレーザ光源装置は、励起光を出射する励起用半導体レーザ１０１と、光軸１０６に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、光軸１０６方向にレーザ光を出射するレーザ媒質１０５と、レーザ媒質１０５の下面に接合されたクラッド１０４と、クラッド１０４の下面に接合材１０３により接合されたヒートシンク１０２と、レーザ媒質１０５から出射されたレーザ光が入射し、非線形効果により第２高調波レーザ光に変換を行う非線形材料１０７とを備えている。
そしてヒートシンク１０２は、図８に示すように、クラッド１０４に対するヒートシンク１０２の接合面が、光軸１０６に垂直な断面内で同じ櫛幅Ｗ１の櫛構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３９２０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように従来のレーザ光源装置は、ヒートシンク１０２に設けた周期的な同じ櫛幅Ｗ１の櫛構造にあっては、レーザ媒質１０５で発生した熱が、接合材１０３で接合された櫛歯から放熱され、レーザ媒質１０５の導波路内に周期的な温度分布を発生させることで各櫛歯間に熱レンズを発生させ、均一なレーザ発振を行う。
【０００６】
しかしながら、図９に示すようにレーザ媒質１０５内の光軸１０６に対し導波路厚さ方向に垂直な方向の温度分布図は、レーザ媒質１０５の両端部では、ヒートシンク１０２の櫛構造に流れ込む熱量が相対的に少ないため、レーザ媒質１０５の中央部と比較してレーザ媒質温度が低くなる。さらに、レーザ媒質１０５の両端部では、周囲空気と接しており、レーザ媒質１０５と空気との間での熱伝達によりレーザ媒質温度がさらに低下し、レーザ媒質１０５の中央部と両端部では、温度差が生じてしまい、レーザ媒質１０５内に所望の熱レンズが生成できず、レーザ媒質１０５の両端部の基本波レーザ光の発振効率が低下する問題点がある。そして、最終的に得られる第２高調波レーザ光の出力も低下してしまうという問題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高輝度な基本波出力が得られ、高効率な第２高調波変換が可能になるレーザ光源装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るレーザ光源装置は、平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、レーザ媒質の一面側にクラッドを介して接合されたヒートシンクと、レーザ媒質の光軸上にレーザ媒質の一方の端面に近接して配置され、レーザ媒質に励起光を入射する半導体レーザと、レーザ媒質の光軸上にレーザ媒質の他方の端面に近接して配置され、レーザ媒質の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料とを備え、レーザ媒質は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、光軸及び厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、レーザ光は、光軸及び厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振するものであって、クラッドに対するヒートシンクの接合面は、光軸に対し垂直な断面内に一定間隔で配置された櫛構造を有し、櫛構造の両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅が他の櫛歯の櫛幅よりも狭く構成され、櫛構造の櫛歯の先端をクラッドに接合したものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、クラッドとヒートシンクとの接合部の櫛幅を中央部よりも両端部側を狭くすることで、レーザ媒質内の光軸に垂直な方向に、周期的な屈折率分布を発生させることができ、レーザ媒質両端部で、レーザ媒質中央部と同等の基本波レーザ出力を得ることができ、より高出力なレーザ光源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置を示す側面図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるレーザ光源装置を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるレーザ媒質の放熱経路を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるレーザ媒質の放熱経路を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１によるレーザ媒質内温度分布を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２によるヒートシンクの櫛構造を示す上面図である。
【図７】従来のモード制御導波路型レーザ光源装置の側面図である。
【図８】従来のモード制御導波路型レーザ光源装置を示す断面図である。
【図９】従来のモード制御導波路型レーザ光源装置のレーザ媒質内の温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置を図１から図５に基づいて詳細に説明する。
図１と図２はこの発明の実施の形態１に係るレーザ光源装置の構成を示す図であり、図１は側面図、図２は図１のａ−ａ´断面を非線形材料側から見た断面図である。
図１と図２に示される実施の形態１に係るレーザ光源装置は、励起光を出射する半導体レーザ１と、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸６に対して垂直な断面の厚さ方向（ｙ軸方向）に導波路構造を有し、半導体レーザ１からの励起光が導波路構造部に入射してレーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質５と、レーザ媒質５の下面に接合されたクラッド４と、クラッド４の下面に接合材３により接合されたヒートシンク２と、レーザ媒質５の光軸６上に近接して配置され、レーザ媒質５の導波路構造と同じ方向に導波路構造を有する非線形材料７とを備えている。
【００１２】
レーザ媒質５は、光軸６に垂直な一方の端面５ａと他方の端面５ｂの形状がそれぞれ、たとえば長方形でなり、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有する。説明のため、長方形の長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸、光軸６方向をｚ軸とした座標系を用いる。
なお、レーザ媒質５の入射側の端面５ａと出射側の端面５ｂには、それぞれ特定の波長のレーザ光を反射あるいは透過させる光学膜が施されている。端面５ａには、半導体レーザ１から出射される励起光の波長（例えば、波長８０８ｎｍ）のレーザ光を透過させ、レーザ媒質５内で発生する基本波レーザ光（例えば、波長１０６４ｎｍ）を全反射させる光学膜が施されている。また、端面５ｂには、基本波レーザ光を透過させる反射防止膜が施されている。これらの光学膜は、例えば、誘電体多層膜を積層して構成される。また、レーザ媒質５としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。
【００１３】
なお、図１において、レーザ媒質５の上面（ｙ軸方向）は空気と接している構成としたが、レーザ媒質５の上面に対し、レーザ媒質５と比較して小さな屈折率を有する第２のクラッド（図示せず）を接合してもよい。このように、レーザ媒質５の上面に第２のクラッドを接合した場合、レーザ媒質５と第２のクラッドの屈折率差を調整することにより、レーザ媒質５のｙ軸方向の伝搬モードを任意に調整することができる。また、第２のクラッドのｙ軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質５の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質５の剛性を高めることができる。
【００１４】
クラッド４は、レーザ媒質５と比較して小さな屈折率を有し、レーザ媒質５のｘｚ平面に平行な一面に接合される。クラッド４は、たとえば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、または、オプティカルコンタクトや拡散接合等で光学材料をレーザ媒質５と光学的に接合することにより構成される。また、クラッド４として、レーザ媒質５と比較して小さな屈折率を有する光学接着材を用いてもよい。
【００１５】
ヒートシンク２は、熱伝導率の高い材料、たとえば、シリコン（Ｓｉ）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（ＳｉＣ）などから成り、クラッド４に対するヒートシンク２の接合面は、光軸６に対し垂直な断面（ｘｙ平面）内に一定間隔で配置された櫛構造（櫛歯）を有し、ヒートシンク２の櫛歯の先端部が、接合材３を介してクラッド４と接合される。
また、ヒートシンク２の櫛構造は、図２に示すように、ｘ軸方向における両端櫛歯２１の櫛幅Ｗ２および両端櫛歯２１の隣の櫛歯の櫛幅Ｗ３が、他の櫛歯の櫛幅Ｗ１よりも狭く構成されている。この理由については後で詳しく説明する。
【００１６】
接合材３は、レーザ媒質５で発生した熱を、クラッド４を介してヒートシンク２に排熱する。この接合材３は、金属はんだや光学接着材、熱伝導接着材等により実現可能である。クラッド４のレーザ媒質５が接合されている面に対向した面には、接合材３との接合強度を上げるため、メタライズ（金属膜を付着）を行ってもよい。また、ヒートシンク２を光学材料で構成した場合には、クラッド４とヒートシンク２を、たとえばオプティカルコンタクト、または、拡散接合等によって直接接合してもよい。
【００１７】
半導体レーザ１は、レーザ媒質５の一方の端面５ａに近接して配置され、必要に応じて、図示しない冷却用のヒートシンクが接合される。半導体レーザ１のｘ軸方向の大きさは、レーザ媒質５のｘ軸方向の大きさとほぼ等しく、ｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ１より出射された励起光は、レーザ媒質５の一方の端面５ａからレーザ媒質５にｘｚ平面方向に入射してレーザ媒質５に吸収される。
そして、レーザ媒質５は、当該レーザ媒質内の屈折率分布により、光軸６及び厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成する。レーザ光は、光軸６及び厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振し、レーザ媒質５から基本波レーザ光が出射される。
【００１８】
非線形材料７は、光軸６に対し垂直な断面がレーザ媒質５とほぼ同じ形状を有し、光軸６に垂直な端面７ａ及び７ｂを有し、一方の端面７ａがレーザ媒質５の他方の端面５ｂに近接して配置される。非線形材料７の端面７ａには、基本波レーザ光を透過し、第２高調波レーザ光を反射する光学膜が施され、非線形材料７の端面７ｂには、基本波レーザ光を反射し、第２高調波レーザ光を透過する光学膜が施されている。また、非線形材料７としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。
【００１９】
次に、図３、図４を参照しながら、図１のレーザ光源装置において、レーザ媒質５内に所望の温度分布を発生させて、レーザ媒質５内に屈折率分布を形成し、この屈折率分布によりレンズ効果を生成する方法について説明する。図３は、図２中のヒートシンク２〜レーザ媒質５の断面図（ｘｙ平面）のｘ軸方向の中央部付近を拡大した図である。図４は、ヒートシンク２〜レーザ媒質５の断面図（ｘｙ平面）で、ヒートシンク２に設けた２つの櫛歯の櫛幅が異なる場合の熱の流れおよび温度分布を示した図である。
【００２０】
レーザ媒質５は、吸収した励起光出力の一部が熱に変換されて熱を発生する。発生した熱は、クラッド４および接合材３を介してヒートシンク２に排熱される。この時、ヒートシンク２は、櫛形状をしており、接合材３を介して接合される範囲が櫛歯の先端部のみであるため、２つの櫛歯の中間部には、図３に示すように２つの櫛歯のほぼ中心部からｘ軸方向の両側に向けて、熱の流れが発生する。したがって、２つの櫛歯のほぼ中間部の温度が最大となり、櫛歯部分に近づくにつれて、温度が低下する。この時、２つ櫛歯の櫛幅が同一幅であるとすると、２つの櫛歯上のレーザ媒質温度はほぼ同一温度となる。
【００２１】
レーザ媒質５などの光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化する。レーザ媒質５の光学材料として、単位温度あたりの屈折率変化ｄｎ／ｄＴが正の材料を用いた場合、２つの櫛歯の中心部の温度が高くなるため、屈折率は大きくなり、櫛歯部分に近づくにつれて、屈折率は小さくなる。この結果、ｘ軸方向には、２つの櫛歯の中心部を光軸とした熱レンズ効果が発生する。同様に、レーザ媒質５の光学材料として、単位温度あたりの屈折率分布ｄｎ／ｄＴが負の材料を用いた場合には、温度分布と反対の屈折率分布となり、櫛歯に接合された部分の屈折率が大きく、２つの櫛歯の中心部の屈折率が小さくなる。この結果、ｘ軸方向には、櫛歯に接合された部分を光軸とした熱レンズ効果が発生する。なお、ｄｎ／ｄＴの正負によらず、同様の効果が得られるので、以後、特に明記しない限り、ｄｎ／ｄＴが正の場合を用いて説明する。
【００２２】
次に、ヒートシンク２のｘ軸方向の櫛構造は、ほぼ等間隔に設置された複数の櫛歯から構成されているが、図２に示すように、ヒートシンク２の両端櫛歯２１の櫛幅Ｗ２およびその隣（内側）の櫛歯の櫛幅Ｗ３は、そのほかの中央部の櫛歯の櫛幅Ｗ１とは異なっている。ここで、中央部の櫛歯の櫛幅をＷ１、両端櫛歯及びその隣の櫛歯の櫛幅をＷ２、Ｗ３とすると、Ｗ２、Ｗ３＜Ｗ１となるように櫛幅は設定されている。
なお、両端櫛歯２１の櫛幅Ｗ２は、その隣（内側）の櫛歯の櫛幅Ｗ３と同じか、それよりも狭くする。
【００２３】
ここで、図４に示すように、例えば、櫛幅Ｗ１の櫛歯と、櫛幅Ｗ１よりも狭い櫛幅Ｗ３の櫛歯が隣り合う場合には、櫛幅Ｗ３の櫛歯から排熱できる熱量は櫛幅Ｗ１の場合と比較して小さくなるため、櫛幅Ｗ３の櫛歯上のレーザ媒質５の温度は、櫛幅Ｗ１の櫛歯上のレーザ媒質５の温度よりも上昇することになる。つまり、図２においては、ヒートシンク２の両端櫛歯２１およびその隣の櫛歯の櫛幅Ｗ２、Ｗ３を調整することで、温度分布の補正が可能である。
【００２４】
ここで、ヒートシンク２の両端櫛歯２１及び両端櫛歯の隣の櫛歯の櫛幅Ｗ２＝Ｗ３＝８０μｍ、そのほかの櫛幅Ｗ１＝９０μｍとしたときのレーザ媒質５の温度分布の計算例を図５に示す。レーザ媒質５としては、Ｎｄ：ＹＶＯ４を用いた場合とし、そのほかの計算条件として、室温２５℃において、ヒートシンク２の櫛歯数＝１６本、櫛歯中心間隔＝２００μｍ、光軸６方向の櫛歯長さ＝１．５ｍｍ、レーザ媒質５内の総発熱量６．４Ｗの場合を示している。
図５に示すように、レーザ媒質５内のｘ軸方向では、２つの櫛歯の中心部の温度と櫛歯の温度が、レーザ媒質５の両端部、中央部ともに、それぞれほぼ同等の温度周期（温度差）が得られており、各櫛歯間には均一な熱レンズが生成することができることが分かる。
【００２５】
また、レーザ媒質５内の発熱量（励起光のレーザ出力）などの設計値が変わる場合には、ヒートシンク２の両端櫛歯２１およびその隣の櫛歯の櫛幅を調整することで、周期的な温度分布を形成でき複数の均一な熱レンズをレーザ媒質５内に生成することができる。
さらには、両端櫛歯およびその隣の櫛歯の櫛幅を調整するだけでは、各櫛歯間の熱レンズ効果にばらつきが発生する場合には、さらに内側の櫛歯の櫛幅を変更することで、周期的なレンズ効果が得られるように調整することが可能である。
【００２６】
このような構成にすることにより、レーザ媒質５内のｘ軸方向に、ほぼ一定周期の温度分布を形成することで、各櫛歯間に均一な熱レンズを生成し、レーザ媒質５のｘ軸方向の両端部付近で発振する基本波レーザ出力を、中央部と同程度まで向上させることができ、レーザ光源装置全体として、レーザ出力の向上を図ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置を図６に基づいて詳細に説明する。
図６は、この発明の実施の形態２に係るレーザ光源装置のヒートシンク２を上面から見た図である。実施の形態２のレーザ光源装置においては、実施の形態１と比較して、ヒートシンク２に設けられた櫛歯の櫛幅が、レーザ媒質５の光軸方向に、入射側の端面５ａから出射側の端面５ｂに向かうにつれて櫛幅が次第に狭く変化している点で異なる。その他の構成は、実施の形態１と同一であり、同一または相当する部分には同一符号を付して説明は省略する。
【００２８】
ヒートシンク２に設けられた櫛歯は、光軸６方向で櫛歯の櫛幅が異なる台形形状をしており、半導体レーザ１からの励起光が入射する端面５ａ側の櫛幅は、中央部ではＷ１、両端櫛歯およびその隣の櫛歯ではＷ２、Ｗ３となっている。一方、レーザ媒質５内で発生した基本波レーザ光が出射する端面５ｂ側の櫛幅は、中央部ではＷ１’、両端櫛歯および両端櫛歯の隣の櫛歯ではＷ２’、Ｗ３’とすると、それぞれＷ１’＜Ｗ１、Ｗ２’＜Ｗ２、Ｗ３’＜Ｗ３となるように設定されている。
即ち、半導体レーザ１が近接される側のヒートシンク２の櫛歯の櫛幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、非線形材料７が近接して配置される側の櫛歯の櫛幅Ｗ１’、Ｗ２’、Ｗ３’より、それぞれ広くなるように異なっている。
【００２９】
このような構成にすることにより、レーザ媒質５内において、非線形材料７側の端面５ｂの各櫛歯の中心部の温度と櫛歯上の温度差を十分に確保することができ、熱レンズの調整範囲を広げることができ、制御性が向上する。
【００３０】
以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、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。
【符号の説明】
【００３１】
１：半導体レーザ、  ２：ヒートシンク、  ３：接合材、  ４：クラッド、
５：レーザ媒質  ５ａ：レーザ媒質の入射側端面、  ５ｂ：レーザ媒質の出射側端面、
６：光軸、  ７：非線形材料、  ７ａ：非線形材料の入射側端面、
７ｂ：非線形材料の出射側端面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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