JP2007157764A - 蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源 - Google Patents

蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源 Download PDF

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Abstract

【課題】コストの低廉化及び装置全体の小型化を図ることができるとともに、光ファイバの損傷・劣化の発生を防止することができ、かつ光ファイバからの出射光として所望の青色光を得ることができる蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源を提供する。
【解決手段】励起光ａを発する青色半導体レーザ素子２と、青色半導体レーザ素子２からの励起光ａを一方側端面に入射させ、他方側端面から出射する蛍光ファイバ１７とを備え、蛍光ファイバ１７は、各ファイバ端面にレーザ共振器３を構成するためのダイクロイックミラー部を有し、励起光ａで励起されることにより波長変換光を発する３価希土類イオンとして少なくともプラセオジムイオンを低フォノンガラスに含有する波長変換部材によってそのコアが形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源に関し、例えば液晶テレビジョンのバックライト光源を含む各種の光源に用いて好適な蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源に関する。
近年、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子やレーザ（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation：ＬＡＳＥＲ）素子等の半導体発光素子を用いた発光装置は、白熱電球と比べて小型で電力効率が良好であるとともに、長寿命である等の利点をもつことから、各種の光源として広く利用されている。
このような光源においては、例えばカラーレーザディスプレイのバックライト光源として照明光（多波長光）を得る場合、赤色系及び緑色系・青色系３種の半導体発光素子が用いられている。
従来、この種の光源には、半導体発光素子として赤色系及び緑色系・青色系３種のレーザ光源と、これら３種のレーザ光源のうち少なくとも１つのレーザ光源からの励起光によって励起される３価のＰｒ3＋（プラセオジムイオン）をコアに添加してなる光ファイバとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、他の光源としては、光ファイバのコアを構成するフッ化ジルコニウム系ガラスに含有する３価のプラセオジムイオンをアルゴンイオンレーザ（４７６．５ｎｍの波長光）によって励起する機能を備えたアルゴンイオンレーザ装置も知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２００１−２６４６６２号公報 Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ８９（１９９１）３３３−３４０
しかし、特許文献１によると、３つのレーザ光源で３種（赤色・緑色・青色）の波長光を出力するものであるため、部品点数が嵩み、コスト高になるばかりか、装置全体が大型化するという問題があった。
一方、非特許文献１によると、光ファイバのコアがフッ化ジルコニア系ガラスによって形成されているため、光ファイバの機械的強度が低く、損傷し易いばかりか、その化学的耐久性が悪く、大気中で使用する場合には水分を吸収して劣化し易いという不都合があった。また、アルゴンイオンレーザから発する励起光として波長４７６．５ｎｍの励起光を用いているため、励起光が青緑色を呈し、光ファイバの光出射面からの出射光として所望（純粋）の青色光を得ることができないという不都合もあった。
従って、本発明の目的は、コストの低廉化及び装置全体の小型化を図ることができるとともに、光ファイバの損傷・劣化の発生を防止することができ、かつ光ファイバからの出射光として所望の青色光を得ることができる蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、励起光を発する青色半導体レーザ素子と、前記青色半導体レーザ素子からの励起光を一方側端面に入射させ、他方側端面から出射する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、各ファイバ端面にレーザ共振器を構成するためのダイクロイックミラー部を有し、前記励起光で励起されることにより波長変換光を発する３価希土類イオンとして少なくともプラセオジムイオンを低フォノンガラスに含有する波長変換部材によってそのコアが形成されていることを特徴とする蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源を提供する。
（２）上記目的を達成するために、本発明は、励起光を発する青色半導体レーザ素子と、前記青色半導体レーザ素子からの励起光を一方側のファイバ端面に入射させ、他方側のファイバ端面から出射する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、各ファイバ端面にレーザ共振器を構成するためのダイクロイックミラー部を有し、前記励起光として４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲にある波長をもつ励起光で励起されることにより波長変換光を発する蛍光体を低フォノンガラスに含有する波長変換部材によってそのコアが形成されていることを特徴とする蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源を提供する。
本発明によると、コストの低廉化及び装置全体の小型化を図ることができるとともに、光ファイバの損傷・劣化の発生を防止することができ、かつ光ファイバからの出射光として所望の青色光を得ることができる。
[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源としての発光装置を説明するために示す平面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る青色半導体レーザ素子を説明するために示す図である。図２（ａ）は半導体レーザ素子の斜視図、図２（ｂ）はその断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを説明するために示す断面図である。
〔発光装置の全体構成〕
図１において、発光装置１は、励起光源としての青色半導体レーザ素子２と、この青色半導体レーザ素子２から放射された励起光（青色光）ａ及びこの励起光ａで波長変換された波長変換光を誘導放出によって増幅するレーザ共振器３と、このレーザ共振器３と青色半導体レーザ素子２との間に介在する光学レンズ４とから大略構成されている。
（青色半導体レーザ素子２の構成）
青色半導体レーザ素子２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、サファイア基板５及び共振リッジ部Ａ・正孔注入リッジ部Ｂを有し、励起光ａとして４４２ｎｍの波長をもつ青色光を発するように構成されている。サファイア基板５上には、厚さ約５０ｎｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層６が形成されている。なお、バッファ層６の材料としてはＧａＮあるいはＧａＩｎＮ・ＡｌＧａＮでもよい。
バッファ層６上には、厚さ約４．０μｍ，電子密度１×１０18ｃｍ−3のシリコン（Ｓｉ）ドープＧａＮからなるｎ層７と、厚さ約５００ｎｍ，電子密度１×１０18ｃｍ−3のシリコン（Ｓｉ）ドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎからなるｎクラッド層８と、厚さ約１００ｎｍ，電子密度１×１０18ｃｍ−3のＳｉドープＧａＮからなるｎガイド層９と、厚さ約３５ÅのＧａＮからなるバリア層６２と厚さ約３５ÅのＧａ0.95Ｉｎ0.05Ｎからなる井戸層６１とが交互に積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層１０とが順に形成されている。
活性層１０上には、厚さ約１００ｎｍ，ホール密度５×１０17ｃｍ−3のマグネシウム（Ｍｇ）ドープＧａＮからなるｐガイド層１１と、厚さ約５０ｎｍ，ホール密度５×１０17ｃｍ−3のＭｇドープＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるｐ層１２と、厚さ約５００ｎｍ，ホール密度５×１０17ｃｍ−3のＭｇドープＡｌ0.１Ｇａ0.９Ｎからなるｐクラッド層１３と、厚さ２００ｎｍ，ホール密度５×１０17ｃｍ−3のＭｇドープＧａＮからなるｐコンタクト層１４とが形成されている。なお、ｐコンタクト層１４の材料としてはＡｌＧａＮあるいはＧａＩｎＮでもよい。
ｐコンタクト層１４上には、幅５μｍのニッケル（Ｎｉ）からなる電極１５が形成されている。また、ｎ層７上には、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極１６が形成されている。
共振リッジ部Ａはｎクラッド層８及びｎガイド層９・活性層１０・ｐガイド層１１・ｐ層１２から、また正孔注入リッジ部Ｂはｐクラッド層１３及び・ｐコンタクト層１４・電極１５からそれぞれ構成されている。
（レーザ共振器３の構成）
レーザ共振器３は、レーザ媒質としての蛍光ファイバ１７を備え、青色半導体レーザ素子２に光学レンズ４を介して光学的に接続されている。そして、前述したように青色半導体レーザ素子２から放射された励起光（青色光）ａ及びこの励起光で波長変換された波長変換光を誘導放出によって増幅するように構成されている。
蛍光ファイバ１７は、図３に示すように、コア１７Ａ及びクラッド１７Ｂを有し、青色半導体レーザ素子２からの青色光を一方側端面（入射面）に入射させてその一部をそのまま、また青色光の一部をコア１７Ａ内で波長変換して例えば緑色及び橙色・赤色の波長変換光を他方側端面（出射面）からそれぞれ出射するように構成されている。この蛍光ファイバ１７はＺｒＦ４、ＨｆＦ４およびＴｈＦ４等を含有せず、ＡｌＦ３を主成分とするフッ化物ガラスにより、可視域から赤外まで透明で、かつ化学的耐久性がよく、機械的強度の大なる安定なガラスが得られた。この種のガラスはフォノンエネルギーが小さいというフッ化物ガラスの本質的な利点を有する。
蛍光ファイバ１７のファイバ長は、青色半導体レーザ素子２からの励起光ａの全てを吸収せず、またレーザ発振によって緑色光及び橙色光・赤色光の各色光を発するような２００ｍｍ程度の寸法に設定されている。蛍光ファイバ１７の各ファイバ端面には、レーザ共振器３を構成するためのダイクロイックミラー部としての二酸化珪素（ＳｉＯ2）及び二酸化チタン（ＴｉＯ2）を積層してなる誘電体ミラー１８，１９が配置されている。一方の誘電体ミラー１８は入力ミラーとして、また他方の誘電体ミラー１９は出力ミラーとして機能するように構成されている。
コア１７Ａは、３価希土類イオンとして少なくともＰｒ3＋（プラセオジムイオン）を赤外線透過フッ化物ガラス等の低フォノンガラスに５００ｐｐｍ程度含有する波長変換部材によって形成されている。そして、青色半導体レーザ素子２からの励起光（青色光）ａの一部で励起されることにより緑色及び橙色・赤色の波長変換光を発するように構成されている。コア１７Ａのコア径は６μｍ程度の寸法に設定されている。なお、低フォノンガラスとしては、赤外線透過フッ化物ガラスの他に重金属酸化物ガラスが用いられる。
クラッド１７Ｂは、コア１７Ａの周囲に配置され、全体がガラスや透明性樹脂によって形成されている。クラッド１７Ｂの屈折率ｎ１は、コア１７Ａの屈折率ｎ２（ｎ２≒１．５）より小さい屈折率（ｎ１≒１．４５）に設定されている。クラッド１７Ｂのクラッド径（蛍光ファイバ１７の外径）は、２００μｍ程度の寸法に設定されている。クラッド１７Ｂの外周面は、光透過性樹脂又は光非透過性樹脂からなるカバー部材１８で被覆されている。
（光学レンズ４の構成）
光学レンズ４は、両凸レンズからなり、前述したように青色半導体レーザ素子２とレーザ共振器３との間に配置されている。そして、誘電体ミラー１８の入射側端面であって、蛍光ファイバ１７（コア１７Ａ）の入力側端面に位置する部位に青色半導体レーザ素子２からの励起光ａを集光するように構成されている。
〔発光装置１の動作〕
先ず、青色半導体レーザ素子２に電源から電圧が印加されると、その発光層において青色光ａを発光し、これら青色光ａが光学レンズ側に放射される。次いで、青色半導体レーザ素子２からの青色光ａが光学レンズ４を介してレーザ共振器３の誘電体ミラー１８に入射する。そして、レーザ共振器３においては、青色光ａが誘電体ミラー１８を透過して蛍光ファイバ１７のコア１７Ａに入射し、コア１７Ａ内で全反射を繰り返しながら誘電体ミラー１９へ導出される。そして、青色光ａが誘電体ミラー１９に到達すると、誘電体ミラー１９で反射され、コア１７Ａ内で全反射を繰り返しながら誘電体ミラー１８へ導出される。この場合、コア１７Ａ内では青色光ａが両誘電体１８，１９での反射を繰り返し、またプラセオジムイオンを励起して緑色及び橙色・赤色の波長変換光を発する。しかる後、誘電体ミラー１９から青色光ａ及び波長変換光が誘電体ミラー１９を透過し、誘電体ミラー１９からレーザ共振器３外に多波長の出力光ｂとして出射される。
次に、本実施の形態に示す発光装置１から出射される多波長の出力光ｂを観察した実験結果について説明する。
本実験は、青色光ａを透過し、かつ入力鏡として橙色光・赤色光を９９％反射する誘電体ミラー１８及び出力鏡として橙色光・赤色光を９０％反射する誘電体ミラー１９を用意し、青色半導体レーザ素子２（２０ｍＷ，３５ｍＷ）から青色光（波長４４２ｎｍ）をレーザ共振器３に入射して実施した。これによると、励起光ａとしての４４２ｎｍの青色光と共に、２０ｍＷの励起においては波長変換光としての６３５ｎｍの赤色光が、また３５ｍＷの励起において同じく波長変換光としての６３５ｎｍの赤色光及び６０６ｎｍの橙色光がそれぞれ確認された。赤色・橙色の発光時の出射光を測定すると、励起光の青色光と波長変換光の赤色光・橙色光との鋭い発光波長ピークをもつ発光スペクトルが観測された。このことは、図４（縦軸は光強度を、また横軸は波長をそれぞれ示す。）に示す通りである。
[第１の実施の形態の効果]
以上説明した第１の実施の形態によれば、次に示す効果が得られる。
（１）単一のレーザ光源（青色半導体レーザ素子２）で多波長光を出力するものであるため、部品点数を削減することができ、コストの低廉化及び装置全体の小型化を図ることができる。
（２）蛍光ファイバ１７がＺｒＦ４、ＨｆＦ４およびＴｈＦ４等を含有せず、ＡｌＦ３を主成分としたフッ化物ガラスからなる低フォノンガラスによって形成されているため、蛍光ファイバ１７の機械的強度及び化学的耐久性が高くなり、その損傷・劣化発生を防止することができる。
（３）励起光ａとして４４２ｎｍの青色光を用いているため、蛍光ファイバ１７の光出射面からの出射光として所望（純粋）の青色光を得ることができる。
[第２の実施の形態]
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図である。図５において、図３と同一の部材については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図５に示すように、第２の実施の形態に示す発光装置（図１に示す）は、コア１７Ａの外周面に隣接する第１クラッド５１Ａ及びこの第１クラッド１５Ａの外周面に隣接する第２クラッド５１Ｂからなるクラッド５１を有する蛍光ファイバ５０を備えた点に特徴がある。
このため、第１クラッド５１Ａの屈折率ｎ１は、コア１７Ａの屈折率ｎ２（ｎ２≒１．５０）より小さく、かつ第２クラッド５１Ｂの屈折率ｎ３（ｎ３≒１．４５）より大きい屈折率（ｎ１≒１．４８）に設定されている。
[第２の実施の形態の効果]
以上説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果（１）〜（３）に加え、次に示す効果が得られる。
第１クラッド５１Ａを光導波路として機能させることができるとともに、第１クラッド５１Ａ内に導入した励起光ａをコア１７Ａに導出して緑色及び橙色・赤色の波長変換光を得ることができる。
以上、本発明の発光装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能であり、例えば次に示すような変形も可能である。
（１）各実施の形態では、レーザ共振器３を構成するためのダイクロイックミラー部が、蛍光ファイバ１７の各ファイバ端面に誘電体ミラー１８，１９を配置することにより形成される場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、反射膜を蒸着することにより形成されているものでもよい。また、蛍光ファイバの各ファイバ端面に対向する位置にコリメートレンズを介して反射鏡を配置することによりダイクロイックミラー部を形成してもよい。
（２）各実施の形態では、青色半導体レーザ素子２から出射される励起光ａとして４４２ｎｍの波長をもつ青色光である場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、励起効率が高く、かつそのまま出力光として使用可能な４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲にある波長をもつ青色光であればよい。
（３）各実施の形態では、３価のプラセオジムイオン（Ｐｒ3＋）の含有量ｍが５００ｐｐｍの含有量に設定されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、１００ｐｐｍ≦ｍ≦１００００ｐｐｍの範囲にある含有量に設定されていればよい。この場合、含有量ｍが１００ｐｐｍより小さいと、コア１７Ａ内で波長変換光が得られない。また、含有量が１００００ｐｐｍより大きいと、コア１７Ａ内の光透過性が悪くなる。
本発明の第１の実施の形態に係る蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源としての発光装置を説明するために示す平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の青色半導体レーザ素子を説明するために示す斜視図と断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図。 本発明の第１の実施の形態に係る発光装置から出射される出力光のスペクトル図。 本発明の第２の実施の形態に係る発光装置の蛍光ファイバを説明するために示す断面図。
符号の説明
１…発光装置、２…青色半導体レーザ素子、３…レーザ共振器、４…光学レンズ、５…サファイア基板、６…バッファ層、７…ｎ層、８…ｎクラッド層、９…ｎガイド層、１０…活性層、１１…ｐガイド層、１２…ｐ層、１３…ｐクラッド層、１４…ｐコンタクト層、１５，１６…電極、１７，５０…蛍光ファイバ、１７Ａ…コア、１７Ｂ，５１…クラッド、１８，１９…誘電体ミラー、５１Ａ…第１クラッド、５１Ｂ…第２クラッド、ａ…励起光（青色光）、ｂ…出力光

Claims (6)

  1. 励起光を発する青色半導体レーザ素子と、
    前記青色半導体レーザ素子からの励起光を一方側端面に入射させ、他方側端面から出射する光ファイバとを備え、
    前記光ファイバは、各ファイバ端面にレーザ共振器を構成するためのダイクロイックミラー部を有し、前記励起光で励起されることにより波長変換光を発する３価希土類イオンとして少なくともプラセオジムイオンを低フォノンガラスに含有する波長変換部材によってそのコアが形成されていることを特徴とする蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
  2. 前記３価のプラセオジムイオンは、その含有量ｍが１００ｐｐｍ≦ｍ≦１００００ｐｐｍの範囲にある含有量に設定されている請求項１に記載の蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
  3. 励起光を発する青色半導体レーザ素子と、
    前記青色半導体レーザ素子からの励起光を一方側のファイバ端面に入射させ、他方側のファイバ端面から出射する光ファイバとを備え、
    前記光ファイバは、各ファイバ端面にレーザ共振器を構成するためのダイクロイックミラー部を有し、前記励起光として４４０ｎｍ〜４６０ｎｍの範囲にある波長をもつ励起光で励起されることにより波長変換光を発する蛍光体を低フォノンガラスに含有する波長変換部材によってそのコアが形成されていることを特徴とする蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
  4. 前記光ファイバは、そのクラッドが前記コアの外周面に隣接する第１クラッド及び前記第１クラッドの外周面に隣接する第２クラッドからなり、
    前記第１クラッドの屈折率は、前記コアの屈折率より小さく、かつ前記第２クラッドの屈折率より大きい屈折率に設定されている請求項１又は３に記載の蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
  5. 前記ダイクロイックミラー部は、前記光ファイバの各ファイバ端面に反射鏡を配置することにより形成されている請求項１又は３に記載の蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
  6. 前記ダイクロイックミラー部は、前記光ファイバの各ファイバ端面に反射膜を蒸着することにより形成されている請求項１又は３に記載の蛍光ファイバを用いた多波長レーザ光源。
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