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レーザーダイオード励起固体レーザー - 富士写真フイルム株式会社
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発明の名称 レーザーダイオード励起固体レーザー
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−36176(P2001−36176A)
公開日 平成13年2月9日(2001.2.9)
出願番号 特願平11−206816
出願日 平成11年7月21日(1999.7.21)
代理人 【識別番号】100073184
【弁理士】
【氏名又は名称】柳田 征史 (外1名)
【テーマコード(参考)】
5F072
【Fターム(参考)】
5F072 AB20 JJ02 JJ04 JJ05 JJ20 PP07 RR03 TT29 
発明者 岡崎 洋二 / 加藤 隆之
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとPr3+とが共ドープされた固体レーザー結晶を、InGaN、InGaNAsあるいはGaNAsからなる活性層を有するレーザーダイオードによって励起する構成を有することを特徴とするレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項2】 465 〜495 nmの波長領域のレーザービームを発振させることを特徴とする請求項1記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項3】 515 〜555 nmの波長領域のレーザービームを発振させることを特徴とする請求項1記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
【請求項4】 600 〜660 nmの波長領域のレーザービームを発振させることを特徴とする請求項1記載のレーザーダイオード励起固体レーザー。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザー結晶をレーザーダイオード(半導体レーザー)によって励起するレーザーダイオード励起固体レーザーに関し、特に詳細には、Pr3+とそれ以外の希土類元素とが共ドープされた固体レーザー結晶を用いるレーザーダイオード励起固体レーザーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えばJournal of Applied Physics ,Vol.48,No.2,pp.650〜653 (1977)や、Applied Physics B58,pp.149〜151 (1994)に記載されているように、Pr3+が添加された固体レーザー結晶をArレーザー等のガスレーザーによって励起するガスレーザー励起固体レーザーが知られている。また、OSA TOPS Vol.19 Advanced Solid State Laser pp.34〜35(1998)に示されるように、Pr3+が添加された固体レーザー結晶をランプ励起固体レーザーのSH光(第2高調波)によって励起する固体レーザーも知られている。
【0003】この種の固体レーザーにおいては、 30 34 の遷移によって波長470 〜490 nmの青色領域のレーザービームを発生させたり、また、 31 35 の遷移によって波長520 〜550 nmの緑色領域のレーザービームを発生させることも可能である。そこでこのような固体レーザーは、カラー感光材料にカラー画像を書き込むための光源として利用することもできる。
【0004】また、上記の青色領域や緑色領域のレーザービームを発する固体レーザーとして、例えば特開平4−318988号に示されるように、共振器内に非線形光学結晶を配して固体レーザービームを第2高調波に波長変換(短波長化)するSHG固体レーザーも知られている。
【0005】また”Visible and UV Sourses”Andy Clarkson,University of Southampton,CLEO’99 TECHNICAL DIGEST(1999)に示されるように、Pr3+が添加された固体レーザー結晶を、上述の青色領域のレーザービームを発するSHG(第2高調波発生)固体レーザーによって励起する固体レーザーも知られている。
【0006】さらに近時は、青色領域やあるいは緑色領域のレーザービームを発振するInGaN系レーザーダイオードや、ZnMgSSe系レーザーダイオードも開発されている。
【0007】ところで、このように青色領域やあるいは緑色領域のレーザービームを発するレーザーは、上記カラー画像記録装置の書込み光源等として用いる場合は、小型、低コスト、軽量であることが望まれる。前述のPr3+が添加された固体レーザー結晶を用いるガスレーザー励起、ランプ励起あるいはSHG固体レーザー励起の固体レーザーは、励起源がかなり大型、高価で、かつ重いので、このような用途には向いていないと言える。
【0008】一方、非線形光学結晶によって固体レーザービームを短波長化するようにしたレーザーダイオード励起固体レーザーにあっては、現状では波長変換効率が十分に高くないので、高出力を得ることが難しいという問題がある。またこのレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、発振モードを単一縦モード化するエタロン等が挿入されるために共振器ロスが大きくなり、この点からも高出力化が困難となっている。
【0009】さらにこの種のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、波長変換の位相整合を取るために、高精度の温度制御を行なう必要があり、そのために出力安定性に欠けるという問題も認められる。またこのレーザーダイオード励起固体レーザーは、非線形光学結晶やエタロンが設けられるため部品点数が多く、コストが高くつくものとなっていた。
【0010】またInGaN系レーザーダイオードでは、Inの含有量を増やすのに従って発振波長が長波長化するので、波長470 〜490 nmの青色領域のレーザービームや波長520 〜550 nmの緑色領域のレーザービームを発振させることも理論上は可能である。しかし、Inの含有量を増やすにつれて結晶性が悪化するという事情があるため、実用上はInの含有量をさほど多くすることはできず、450 nm程度が長波長化の限界となっている。
【0011】また、他に青色光が得られるレーザーダイオードとして、InGaNAsあるいはGaNAsからなる活性層を有するレーザーダイオードがある。これらにおいては、Asをドープすることによって長波長化が可能となるが、Asの含有量を増やすにつれて、やはり結晶性が悪化するという問題があり、高出力化できる波長としては450 〜460 nm程度となってしまう。
【0012】さらにZnMgSSe系レーザーダイオードには、500 nm以上の長波長でないと連続室温発振できない、寿命が現状では100 時間程度しかない、という問題がある。
【0013】本出願人は上記の事情に鑑みて、効率良く高出力の青色領域や緑色領域のレーザービームを発生可能で、また低コストでかつ出力安定性も高いレーザーダイオード励起固体レーザーを先に提案した(特開平11−17266号参照)。このレーザーダイオード励起固体レーザーは、前述のPr3+が添加された固体レーザー結晶を、InGaN系レーザーダイオード(活性層がInGaN系材料からなるレーザーダイオード)InGaNAs系レーザーダイオード(活性層がInGaNAs系材料からなるレーザーダイオード)あるいはGaNAs系レーザーダイオード(活性層がGaNAs系材料からなるレーザーダイオード)によって励起することを特徴とするものである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】このレーザーダイオード励起固体レーザーは、所期の目的を達成するものであるが、固体レーザー結晶における励起光の吸収量が未だ十分ではなく、この点に改善の余地が残されている。
【0015】本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、InGaN、InGaNAsあるいはGaNAsからなる活性層を有するレーザーダイオードによって固体レーザー結晶を励起するレーザーダイオード励起固体レーザーにおいて、固体レーザー結晶での励起光の吸収量を大きくして、高効率化および高出力化を実現することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明によるレーザーダイオード励起固体レーザーは、Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm3+およびNd3+のうちの少なくとも1つとPr3+とが共ドープされた固体レーザー結晶を、GaN系レーザーダイオードすなわち、InGaN、InGaNAsあるいはGaNAsからなる活性層を有するレーザーダイオードによって励起する構成を有することを特徴とするものである。
【0017】なおこのレーザーダイオード励起固体レーザーにおいては、波長465 〜495 nmの青色領域のレーザービームを発振させることもできるし、波長515 〜555 nmの緑色領域のレーザービームを発振させることもできし、さらには、波長600〜660 nmの赤色領域のレーザービームを発振させることもできる。
【0018】
【発明の効果】Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm3+およびNd3+は波長380 〜430 nmに吸収帯があり、GaN系レーザーダイオードによって励起され得る。そして、励起された電子をPr3+の励起準位(例えば 30 もしくは 31 )にエネルギー移動し、下準位に落とすことにより、Pr3+の発振ラインである青、緑、赤色領域の発振が可能となる。
【0019】波長380 〜430 nmはGaN系レーザーダイオードが比較的発振しやすい波長帯であり、そして特に波長400 〜410 nmは、現在提供されているGaN系レーザーダイオードの最大出力が得られる波長帯であるので、Er3+、Ho3+、Dy3+、Eu3+、Sm3+、Pm3+およびNd3+をGaN系レーザーダイオードによって励起すれば、励起光の吸収量が大きくなり、高効率化および高出力化が達成される。
【0020】一方、GaN系レーザーダイオードは熱伝導係数が130 W/m℃と、ZnMgSSe系レーザーダイオードの4W/m℃等と比べて極めて大きい。またそれに加えて、転移の移動度もZnMgSSe系レーザーダイオードと比べて非常に小さいことから、COD(カタストロフィック・オプティカル・ダメージ)が非常に高く、高寿命、高出力が得やすいものである。このように高寿命、高出力が得やすいGaN系レーザーダイオードを励起光源として用いたことにより、本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、高寿命で、高出力の青色や緑色領域のレーザービームを発生可能となる。
【0021】なお励起光源であるGaN系レーザーダイオードとしては、単一縦、横モード型のものを使用できることは勿論、その他ブロードエリア型、フェーズドアレー型、あるいはMOPA型の高出力タイプのものを1個または複数個使用することもできる。そのようにすることにより本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、さらなる高出力、例えばW(ワット)クラスの高出力を得ることも可能である。
【0022】また、それに加えて本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、非線形光学結晶やエタロン等を必要とするものではないから、それらによるロスがなく、したがって高効率で青色や緑色領域のレーザービームを発生可能となる。具体的には、50%以上のスロープ効率を得ることも可能である。そしてこのように非線形光学結晶やエタロン等を必要としないことから、本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは光学部品が少なくて簡潔な構成となり、そして温度安定領域も広いものとなる。したがって本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、低コストで、安定性の高い光源となり得るものである。
【0023】さらに本発明のレーザーダイオード励起固体レーザーは、波長変換を行なうものではないから、位相整合を取るための高精度の温度制御は不要であり、よって、この温度制御のために出力安定性が損なわれるようなことはなく、出力安定性も高いものとなる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態によるレーザーダイオード励起固体レーザーを示すものである。このレーザーダイオード励起固体レーザーは、励起光としてのレーザービーム10を発するレーザーダイオード11と、発散光であるレーザービーム10を集光する集光レンズ12と、Pr3+およびEr3+が共ドープされた固体レーザー媒質であるLiYF4 結晶(以下、Pr3+、Er3+:YLF結晶と称する)13とを有している。
【0025】以上の各要素11〜13はペルチェ素子14の上に固定されている。またこのペルチェ素子14上には温度検出用のサーミスタ15が固定され、このサーミスタ15の出力は図示しない温度調節回路に入力されるようなっている。そしてこの温度調節回路により、サーミスタ15の出力に基づいてペルチェ素子14が駆動され、レーザーダイオード11、集光レンズ12およびPr3+、Er3+:YLF結晶13が所定温度に保たれる。
【0026】レーザーダイオード11としては、発振波長410 nmのブロードエリア型InGaN系レーザーダイオードが用いられている。またPr3+、Er3+:YLF結晶13の光入射面である後方端面13aには、波長410 nmの光は80%以上の透過率で良好に透過させる一方、後述する波長479 nmの光に対して高反射率(99%以上さらに好ましくは99.9%以上)で、この479 nm以外のPr3+の発振線つまり528 nmおよび600 〜650 nmの光に対しては低反射率(60%以下さらに好ましくは30%以下)のコーティングが施され、一方この結晶13の光出射面である前方端面13bには、波長479 nmの光を1%だけ透過させ(反射率99%)、上記528 nmおよび600 〜650 nmの光に対しては低反射率(60%以下さらに好ましくは30%以下)のコーティングが施されている。
【0027】InGaN系レーザーダイオード11から発せられた波長410 nmのレーザービーム10は、Pr3+、Er3+:YLF結晶13の後方端面13aから該結晶13内に入射する。Pr3+、Er3+:YLF結晶13においては、入射したレーザービーム10によってEr3+が励起され、励起された電子がPr3+の励起準位にエネルギー移動し、下準位に落ちることにより、Pr3+の1つの発振線である波長479 nmの光を発する。なお、この場合の遷移は 30 34 と考えられる。
【0028】この光は上記の通りのコーティングが施されている結晶端面13a、13bの間で共振し、レーザー発振を引き起こす。こうして発生した波長479 nmの青色のレーザービーム16は、Pr3+、Er3+:YLF結晶13の前方端面13bから出射する。なお上記のコーティングの特性により、479 nm以外のPr3+の発振線つまり528 nmおよび600 〜650 nmでの発振は抑制される。
【0029】波長410 nmは、InGaN系レーザーダイオード11の最大出力が得られる波長帯にあるので、Pr3+、Er3+:YLF結晶13における波長410 nmのレーザービーム10の吸収量が大きくなり、高効率化および高出力化が達成される。具体的に本実施形態においては、出力600 mWのレーザーダイオード11を用いて、出力50mWの青色のレーザービーム16を得ることができた。
【0030】それに対して、Pr3+のみがドープされたYLF結晶を用い、それをInGaN系レーザーダイオードから発生させた波長444 nmのレーザービームで励起する場合は、励起光出力が同様に600 mWのとき、青色レーザービームの出力は1mWにとどまった。
【0031】次に図2を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。なおこの図2において、図1中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての重複した説明は省略する。
【0032】この第2の実施形態のレーザーダイオード励起固体レーザーにおいても、固体レーザー媒質としてはPr3+およびEr3+が共ドープされたYLF結晶(Pr3+、Er3+:YLF結晶)23が用いられている。
【0033】そしてこのPr3+、Er3+:YLF結晶23の光入射面である後方端面23aには、波長410 nmの光は80%以上の透過率で良好に透過させる一方、後述する波長528 nmの光に対して高反射率(99%以上さらに好ましくは99.9%以上)で、この528 nm以外のPr3+の発振線つまり479 nmおよび600 〜650 nmの光に対しては低反射率(60%以下さらに好ましくは30%以下)のコーティングが施され、一方この結晶23の光出射面である前方端面23bには、波長528 nmの光を1%だけ透過させ(反射率99%)、上記479 nmおよび600 〜650 nmの光に対しては低反射率(60%以下さらに好ましくは30%以下)のコーティングが施されている。
【0034】InGaN系レーザーダイオード11から発せられた波長410 nmのレーザービーム10は、Pr3+、Er3+:YLF結晶23の後方端面23aから該結晶23内に入射する。Pr3+、Er3+:YLF結晶23においては、入射したレーザービーム10によってEr3+が励起され、そして励起された電子がPr3+の励起準位にエネルギー移動し、下準位に落ちることにより、Pr3+の1つの発振線である波長528 nmの光を発する。なお、この場合の遷移は 31 35 と考えられる。
【0035】この光は上記の通りのコーティングが施されている結晶端面23a、23bの間で共振し、レーザー発振を引き起こす。こうして発生した波長528 nmの緑色のレーザービーム26は、Pr3+、Er3+:YLF結晶23の前方端面23bから出射する。なお上記のコーティングの特性により、528 nm以外のPr3+の発振線つまり479 nmおよび600 〜650 nmでの発振は抑制される。
【0036】この場合も、前述と同様の理由により、高効率化および高出力化が達成される。具体的に本実施形態においては、出力600 mWのレーザーダイオード11を用いて、出力100mWの緑色のレーザービーム26を得ることができた。
【0037】それに対して、Pr3+のみがドープされたYLF結晶を用い、それをInGaN系レーザーダイオードから発生させた波長444 nmのレーザービームで励起する場合は、励起光出力が同様に600 mWのとき、緑色レーザービームの出力は10mWにとどまった。
【0038】以上、InGaNから活性層を構成したレーザーダイオードについて説明したが、InGaNAs系材料あるいはGaNAs系材料から活性層を構成したレーザーダイオードを励起用光源として用いることも可能である。特に、固体レーザー結晶の吸収帯が長波長側にずれている場合は、InGaN系レーザーダイオードと比べてより長波長化が実現しやすいInGaNAs系あるいはGaNAs系レーザーダイオードを用いるのが望ましく、それにより吸収効率を向上させることができる。
【0039】また、上に説明した2つの実施形態はそれぞれ青色、緑色の固体レーザービームを発振させるものであるが、本発明においては、600 〜660 nmの波長領域の赤色のレーザービームを発振させることも可能である。
【0040】またレーザー母材結晶としては、上の実施形態で説明したYLFに限らず、BaY2 8 、Ba(Y,Yb)2 8 、LaF3 、Ca(NbO3 2 CaWO4 、SrMoO4 、YAlO3 (YAP)、Y3 Al5 12(YAG)、Y2SiO5 、YP5 14 、LaP5 14 、LuAlO3 、LaCl3 、LaBr3 、PrBr3 等を用いることもできる。




 

 


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