JP2012500469A - 導波路レーザー - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、類似の波長のレーザー遷移を有するレーザー材料における特定のレーザー波長の放出の制御を可能にする簡単な構成の導波路レーザーを提供することにある。この目的のために、ゲイン媒体を形成しているコア4は、望まれないレーザー遷移に損出を導入するが所望のレーザー遷移の光に対しては透過性であるクラッディング6を備えている。第2のクラッディング8は、このレーザー放射の誘導のために設けられている。Tbドープされたクラッディングを備えるPr:ZBLAN、使用されることができる。吸収クラッディング6の代わりに、フォトニック結晶20が使用されても良い。当該レーザーは、レーザーダイオード14によってエンドポンピングされる。
Description
本発明は、一般的には、レーザー技術の分野に関する。より詳細には、本発明は、特定のレーザー波長の選択のために準備される導波路レーザーに関する。
Prイオンに基づくレーザーは、近頃、多くの関心を引きつけている。Pr:ZBLANファイバレーザーは、例えば、赤色(〜635nm)、シアン色(〜491nm)及び緑色(〜521nm)波長領域におけるレーザー放射を生成するように、上方変換と青色ダイオードポンピングとの両方によって上手く設定されている。このレーザーの設定は、比較的簡単である。レーザー放射は、1つの小面及びレーザー放射の導出結合のための対向する小面を経て、前記ファイバのPrドープされたコアに結合導入される。両方の小面は、誘電層によって適切に被覆されている、又は適切なミラーが前記小面に取り付けられている。この入口小面は、前記ポンプ放射(特に、約443nm又は約479nmにおける青色光、又は800nmと900nmとの間の上方変換ポンピングのための赤外線)の高い透過率と、所望のレーザー放射の波長の高い反射とを可能にしなければならない。対向する小面は、結合導出器として機能するように、レーザー波長に対する幾らかの透過率(典型的には1...30%)を提供しなければならない。更に、前記レーザーの効率は、前記第2の小面コーティングを介して当該ファイバを通って戻る単一の経路内で吸収されなかったポンプ放射を反射することによって改善されることができる。
しかしながら、CLEO/ヨーロッパ会議 ミュンヘン(2007年)CJ―347において提示されたU. Weichmann, J. Baier, J. Bengoechea 及び H. Moenchの論文「可視波長範囲のためのGaNダイオードポンピングされたPr3+ZBLANファイバレーザー」において近年発行されたように、この種のコーティングは、赤色及びシアン色レーザーに関しては非常にうまく利用されていたが、今までは、付加的な手段を伴わずに緑色におけるレーザー光線を得ることが可能ではなかった。これは、緑色レーザーに関するフィードバックを増大させるために、付加的な外部の出力カプラの構成を含んでいた。この根底にある問題は、緑色及びシアン色の遷移の波長が、互いに近過ぎるということにあった。典型的な誘電性の多層膜コーティングによって、シアン色のためのより高い十分な透過率と、依然として緑色レーザーのための高いQ値とを有する設計を得ることが、可能ではなかった。
従って、本発明の目的は、類似の波長のレーザー遷移を有するレーザー材料における特定のレーザー波長の放出を制御するのを可能にする簡単な構成を設けることにある。
この目的は、請求項1に記載の内容によって達成される。本発明の有利な改善は、添付の従属請求項において指定されている。
全体的な思想は、望まれていないレーザー遷移に損失を導入するが、所望のレーザー遷移の光に対しては透過性であるクラッディングを有するゲイン媒体を形成するコアを提供することにある。
従って、細長いコアと、前記コアを少なくとも部分的に包囲している少なくとも1つのクラッディングとを備える導波路を有する導波路レーザーが、提供される。前記コアは、ドーパントをドープされた母材を有する。前記ドーパントは、第1の波長及び第2の波長における少なくとも2つのレーザー遷移を提供する。前記母材は、少なくとも前記第1の波長において透過性である。前記第2の波長におけるレーザー放出を抑制する又は減衰させるために、前記クラッディングは、前記第1の波長のレーザー光及びポンプ光に対して透過性であり、前記第2の波長のレーザー光を吸収又は導出結合する。
好ましくは、前記第1の波長における母材の吸収係数は、良好な透過性を提供するために、α=0.005cm−1未満である。吸収ドーパントが前記第2の波長に対する損失を導入するために前記クラッディング内で使用される場合、
前記クラッディング内のこの波長における吸収係数は、好ましくは、少なくともα=0.01cm−1である。
前記クラッディング内のこの波長における吸収係数は、好ましくは、少なくともα=0.01cm−1である。
前記ゲイン媒体を形成している前記コアの励起は、上方変換及び線形変換の両方によって達成されても良い。
この構成は、前記レーザー遷移の波長が互いに近いある場合、特に便利である。本発明は、特に、前記レーザー遷移の波長の差が75nm未満である場合、好ましくは50nm未満である場合、有利である。
更に、本発明は、更に隣接するレーザー遷移よりも弱いレーザー遷移を選択するのを可能にする。従って、有利な改良によれば、ドーパントは、前記1の波長及び前記第2の波長におけるレーザー遷移を有しており、前記第1の波長のレーザー遷移は前記第2の波長の前記レーザー遷移よりも弱い。
本発明は、背景部において議論された問題を回避するために、緑色発光プラセオジウムをドープされた導波路レーザーを提供するのに特に適している。
従って、本発明の好ましい実施例によれば、前記シアン放射に対する損失を導入するクラッディングを備える導波路レーザー又はファイバレーザー内の活性な、Prドープされた媒体又は母材を包囲することが提案される一方で、前記ポンプ及び緑色レーザー放射は、損失を伴うことなく又は相当な損失を伴うことなく、透過される。このようにして、前記シアン波長に対する損失が、簡単な仕方においてレーザーキャビティ内に導入される一方で、前記レーザーのゲインは、依然として緑色の遷移によって占有されることができる。前記ファイバ又は導波路小面における前記誘電性のコーティング又はミラーの複雑な設計に対する如何なる必要性も、存在しない。
従って、細長いコアと、前記コアを少なくとも部分的に包囲する少なくとも1つのクラッディングとを備える導波路を有する導波路レーザーが、提案される。
前記コアは、プラセオジウムイオンをドープされた母材を有している。前記母材は、約521nm、好ましくは、521±5nmの波長において透過性であるように選択される。このクラッディングは、約490±5nmの波長を有する光を吸収する又は導出結合する。
本発明は、原則として、Pr3+ドープされたコアの635nm(赤色光)及び603nm(オレンジ光)におけるレーザー遷移のうちの1つを選択するために利用されることができる。前記レーザー遷移の波長は、前記母材に依存する。上述で与えられた値は、Pr:ZBLANに典型的なものである。Pr:YLFの場合、前記レーザー遷移の波長は、典型的には、523nm、607nm及び640nmに位置されている。更に、Pr:KY3F10の場合、前記遷移は、典型的には、523nm、609nm及び645nmにおいて見出される。
好ましくは、前記ポンプ光源は、前記導波路の端面のうちの1つに結合される。しかしながら、前記クラッディングが前記ポンプ光に対して透過性であるので、前記ポンプ光を前記導波路のコア内に横方向に導入することも可能である。
特に、前記クラッディングがポンプ光源の光に対して透過性であり、ポンプ源の光を導く場合、有利である。このことは、ダブルクラッドポンピングを可能にし、前記ポンプ光は、前記コアに前記ポンプ光を結合導入する代わりに、前記クラッディングの端面内に少なくとも部分的に結合導入される。前記コアへの結合導入と比較して、前記クラッディングへのポンプ光の結合導入は、前記ポンプ光源を前記導波路に位置合わせするための要件を緩和する。
前記第1のクラッディングを少なくとも部分的に包囲している第2のクラッディングを使用することが、更に有利である。前記第2のクラッディングは、前記レーザー光及び/又は前記ポンプ光の誘導を容易にする。この実施例は、所望のレーザー光が、前記第2の波長の前記レーザー光を吸収する又は導出結合する第1のクラッディング内に導かれる場合、特に適切である。
前記第2の波長のレーザー光を吸収するために、前記クラッディングは、この波長のレーザー光を吸収する適切なドーパントを備えていても良く、前記第1の波長において透過性であるか又は少なくとも実質的に透過性である。Pr3+ドープされたコアの好ましい場合、490nmのレーザー光は、前記クラッディング内のTbイオン(Tb3+イオン)をドープされた母材を有するクラッディングを使用して吸収されることができる。望まれないレーザー光を吸収している他のドーパントが、代替的に又は付加的に使用されても良い。特に、Tb3+ドープされたコアの場合のTb3+以外の希土類イオンも、前記クラッディング内の吸収ドーパントとして使用されることができる。
前記コア内の前記ドーパント(例えば、特に、Pr3+イオン)の濃度は、好ましくは、100ppmと10000ppmとの間の範囲内にあるように選択される。前記第2の波長の望まれないレーザー光の吸収のための前記クラッディング内のドーパント(例えば、特に、Tb3+イオン)のために、前記濃度は、好ましくは、100ppmと50000ppmとの間の範囲内にあるように選択される。
他の可能性は、フォトニック構造を備えるクラッディング、特に、前記第1の波長の光(好ましくは、Pr3+ドープされたコアの場合の521nmの光)が前記クラッディング内に導かれ、前記第2の波長の光(好ましくは、Pr3+ドープされたコアの場合の490nmの波長の光)は結合導出されるような、ホログラムの形態におけるクラッディングを備えていることである。
前記コア及び前記クラッディングの両方に好ましい材料は、ZBLANガラスである。ZBLANガラスは、一般に、ジルコニウム、バリウム、ランタン、アルミニウム及びナトリウムのフッ化物を含む。あり得る組成範囲は、45〜60モルパーセントのZrF4、20〜45モルパーセントのBaF、2〜8モルパーセントのLaF3、1〜8モルパーセントのAlF3及び15〜25モルパーセントのアルカリ性フッ化物(例えば、NaF)である。ZBLANガラスは、一般的に、低いフォノンエネルギと可視領域における高い透過性とによって特徴づけられる。低いフォノンエネルギのために、前記コアのゲイン媒体内の励起状態の非発光性再結合が、抑制される。
もちろん、低い特徴的なフォノンエネルギを有する他の母材も、使用されることができる。有利には、前記コアの母材のフォノンエネルギは、750cm−1未満である。
高いバンドギャップ、特に6.5eVを超えているバンドギャップEgを有する母材を使用するのが、更に好ましい。高いバンドギャップ及び低いフォノンエネルギの両方を有する材料は、フッ化物結晶(YLF、LiLuF4、KY3F10、CaF2、…)、セラミック又はアモルファス材料(例えば、テルル化物ガラス)、上述したフッ化物材料のセラミック又はアモルファス層である。
一般に、前記コア及び前記クラッディングの前記母材に同一の材料を使用するのが、有利である。例えば、Pr3+イオンをドープされたZBLANコアは、Tb3+イオンをドープされたZBLANクラッディングによって包囲されることができる。前記クラッディング及び前記コアの両方に同じ又は少なくとも実質的に同じ材料を使用することは、熱応力を回避すると同時に、前記導波路の生産を容易にするのに有利である。
更に、前記コア及び前記クラッディングは、屈折率及び/又は分散において異なっていても良い。同じ母材が前記コア及び前記クラッディングに使用される場合でさえも、前記屈折率は、異なるドーピングにより変化されることができる。前記コアは、前記所望のレーザー波長が導かれるように、前記第1の波長において前記クラッディングより高い屈折率を有していても良い。しかしながら、本発明による導波路レーザーは、前記屈折率が等しい又は類似である場合においても、働く。この場合、所望のレーザー光は、前記コア内及びクラッディング内の両方に導かれる。
更に、前記コア及び/又はクラッディング材料の分散は、前記ポンプ光波長における又は前記ポンプ光波長範囲内の屈折率が、コア及びクラッディング内で類似であるように、調整される又は選択されることができる。好ましくは、この差は、Δn=0.05未満でありえる。このことは、前記クラッディングから前記コアへのポンプ光の遷移を容易にする。
更に、コアとクラッディングとの間の屈折率の差の符号は、前記第1の波長と前記第2の波長との間の波長範囲内においてさえも逆転されることができる。この場合、前記第1の波長の所望のレーザー光は、前記コア内に導かれ、前記第2の波長の望まれないレーザー光は、前記第2の波長に関して界面における全反射が存在しないので、導出結合される。
従って、本発明の改良によれば、前記第1の波長の前記コアの屈折率が、前記クラッディングの屈折率よりも高く、かつ、前記第2の波長の前記クラッディングの屈折率よりも低いように、前記コア及びクラッディング材料は、選択される。前記第1の波長と前記第2のレーザー波長との間の屈折率の符号の切り替えは、異常分散が、対応する材料内に導入されるように、これらの波長のうちの又はこれらの波長間の近いものを吸収する前記コア又は前記クラッディング内の適切なドーパントによって導入されることができる。
導波路レーザーの1つの好ましい設計は、ファイバレーザーである。この実施例によれば、前記コアは、前記クラッディング材料によって円周方向に包囲されたファイバである。
他の好ましい設計は、平らな導波路レーザーである。この場合、前記導波路は、担体として基板上に配される平らな導波路である。
本発明は、表示装置(特に、レーザー投射表示装置)のためのレーザー光源を提供するのに、非常に適している。Pr3+ドープされたコアを使用して、表示器、特に画像又はビデオ表示装置のための緑色成分は、既知の緑色発光レーザーと比較してかなり簡略化されている設計によって提供されることができる。例えば、本発明は、レーザー表示器技術(LDT)又はグレーティング光バルブ技術(GLV)に基づくプロジェクタにおいて使用されることができる。
本発明の好ましい実施例によれば、シアン放射に関する損失が導入される一方で、ポンプ及び緑色レーザー放射が損失を伴うことなく透過されるような仕方においてドープされたクラッディングを備える導波管レーザー又はファイバレーザーの活性なPrドープされた媒体を包囲することが提案されている。このようにして、前記シアン波長に関する損失が、単純な仕方において前記レーザーキャビティ内に導入される一方で、前記レーザーのゲインは、依然として緑色の遷移によって占有されることができる。前記ファイバ又は導波路の小面における誘電性コーティング又はミラーの複雑な設計に関する必要性が、存在しない。従って、提案されているこのクラッディングの使用は、所謂ダブルクラッドポンピングを可能にし、前記ポンプ放射が、非常により大きい直径の前記クラッディング内に結合導入され、従って前記レーザーの構成の公差は、大幅に減少される。
以下において、提案される本発明の幾つかの好ましい改良が、添付図面を参照して記載される。本発明は、Prドープされた材料の青色ダイオードポンプに限定されるものではないことを述べておく。本発明は、Pr:Ybドープ材料内のよく知られているアバランシェ過程を介する赤外線による上方変換に利用されることができる。ここに記載された例は、導波管又はファイバに形成されたPrドープされたZBLANガラスに関するものであるが、フッ化物結晶(YLF、LiLuF4、KY3F10、CaF2、…)、セラミック又はアモルファス材料(例えば、テルル化物ガラス、上述したフッ化物材料のセラミック又はアモルファス層)のような、低いフォノンエネルギ(Ephonon<750cm−1)及びより高いバンドギャップ(Eg>6.5eV)によって特徴づけられる他の適切な母材も、適している。
本発明の第1の好ましい実施例は、図1の断面に示されている。導波路レーザー2は、例えば、Tb3+イオンをドープされた第1のクラッディング6によって包囲されている(典型的には、100ppmと10000ppmとの間の)Pr3+ドープされた内側コア4を備えるZBLANファイバを有している。
Tb3+イオンは、7F6基底状態から5D4励起状態までの約490nmにおける強い吸収を有するが、(443nm、又は800nmと900nmとの間の)内側コアにおけるPrイオンのポンプ波長における吸収は有さない。従って、Tb3+ドープされたクラッディングを使用する本発明の実施例は、線形変換及び青色ポンプ光源、並びに赤色又は赤外線ポンプ光源(例えば、800nmと900nmとの間の波長を有する)及び上方変換の両方によって働く。
全体の構造は、当該ファイバ内のレーザー放射の誘導を保証する外側の又は第2のクラッディング8によって包囲されている。コア4及び第1のクラッディング6内のPr及びTbイオンのドーピングのレベルに依存して、コア4及び第1のクラッディング6の屈折率とは、大きい程度において変化されることができる。
上述の原理は、更に平らな導波路レーザーにも容易に利用されることができる。平らな導波路レーザーは、図2に模式的に描かれている。この場合、図1によるファイバレーザーに関して記載されたのと非常に類似の構造を有している層状導波路10が、使用されている。この層は、第2のクラッディング8、第1のクラッディング6及びコア4を形成しており、前記層のための担体を形成している基板12上へ堆積されている。
描かれている例は、ポンプレーザーダイオード14の活性層16と導波路層4、6、8との間の直接的な近接結合の場合を示している。第1のクラッディング層6の更なる有利な点は、この第1のクラッディング導波路の比較的大きな断面であり、前記レーザーダイオードの放射の殆どの収集を可能にし、従って、結合損出を減少する。このような拡大された断面によって、このダイオードを導波路10からの幾らかの距離に配置し、依然として、前記導波路の開口数内の(強い拡散性の)ポンプ放射の殆どを収集することも可能である。適切な構成の他の可能性は、図3に示されている。この実施例によれば、第1のクラッディング6内に結合導入されるポンプ光も、集束されたポンプ光のビーム拡散によりコア4に浸透するので、簡単なレンズ18が、位置の精度に対する低い要件のみによってポンプレーザーダイオード14と導波路10との間に配される。
Tb3+が、この発明のために使用されることができる唯一のイオンでないことは明らかである。第1のクラッディング6に関して、このクラッディングの吸収及び透過特性に関する要件と整合する他の適切なイオン及びイオン母材の組み合わせは、技術文献において見つけられることができる。
前記第1のクラッディングに対する吸収材料の使用に対する他の代替的なものは、フォトニック構造であり、前記シアン波長における又は更に一般的には望まれていない波長における放射を結合導出する一方で、前記ポンプ放射及び前記レーザー放射が、依然として前記導波路内部に導かれる。この例は、図4に描かれている。
この例示的な実施例の配置は、図2の実施例と類似している。クラッディング6のTb3+ドーピングの代わりに又はこれに加えて、フォトニック構造20は、第2のクラッディング8に対する界面内に導入される。
前記フォトニック構造は、結合導出されるべき前記照射のための前記波長の光を使用してフォトリソグラフィー構造によって生成されることができる。
一般的に、コア4内に所望のレーザー放射を閉じ込めるために、コア4の屈折率を、前記所望のレーザーの波長の第1のクラッディング6の屈折率よりも高いように選択するのが好ましい。前記第1の波長及び前記第2の波長の屈折率は類似であり、前記第2の波長のレーザー光も同様に導かれる場合でさえも、前記クラッディング内の損失は、エバネッセント波がクラッディング6内に延在しているので、やはり、前記第2の波長の光にも導入され得る。
しかしながら、前記クラッディング及び前記コアの分散も、前記第1の波長における前記コアの屈折率が、前記クラッディングの屈折率より高く、かつ、前記第2の波長における前記クラッディングの屈折率より低いように、選択されることもできる。一例が、図5の図に示されている。この図は、例えば、図1に示されているような、導波路ファイバの半径方向rに沿った屈折率の2つのグラフ22、24を示している。グラフ24は、r=0(即ちコア4の中心)から始まっている半径方向に沿った、第1の、所望の波長の屈折率の変化を示している。前記第2の波長に対する屈折率の変化は、グラフ22として示されている。
図24から分かるように、コア4は、前記コアが前記所望のレーザーモードを導くように、前記第1の波長に関して第1のクラッディング6より高い屈折率を有している。このこととは対照的に、グラフ22から分かるように、前記第2の波長における屈折率は、コア4と比較してクラッディング6内で高い。この方法において、前記第2の波長の望まれていないレーザー光は、コア4内に導かれないが、前記クラッディング内に結合導出される。この効果は、前記クラッディング内のこのレーザー光の吸収、又はクラッディング6のフォトニック構造における偏向を支持するために使用されることができる。更に、この効果は、前記第2の波長の光を吸収するフォトニック構造又はクラッディング材料を必要とすることなく、望まれていないレーザーモードに損失を導入するのに十分なものでさえある。
更に、図22、24に示されているように、前記第2のクラッディング内の屈折率は、両方の波長に関して、前記コア及び前記クラッディングの屈折率よりも低くても良い。
第3のグラフは、ポンプ波長(例えば443nm、又は800nmと900nmとの間の波長)に関する屈折率の変化を示している。例示的なグラフ26によって示されている本発明の改良によれば、前記コア及びクラッディング材料の分散は、前記ポンプ波長における屈折率が、等しい又は少なくとも実質的に等しいように、選択される。好ましくは、コア4とクラッディング6との間の屈折率の差は、0.05未満であり得る。
図6は、スクリーン39上に画像又はビデオを投射するレーザープロジェクタ30の模式的な構成を示している。前記レーザープロジェクタは、2つの更なるレーザー31、32と一緒に本発明による導波路レーザー2を有している。レーザー2、31、32の各々は、レーザー2、31、32のレーザービーム35、36、37の重ね合わせ及びこれらの個別の強度の制御によって任意の色が生成されることができるように、それぞれ、異なる色成分を供給する。従って、画像は、レーザー2、31、32の強度を制御すると同時に、スクリーン39にわたってビーム35、36、37を走査することによって投射される。ビーム35、36、37は、変調器38によって偏向される及びスクリーン39上に走査される。例えば、前記変調器は、DMDチップ(DMDは、デジタルミラー装置)、グレーティング光バルブ又はガルバノメータースキャナを有し得る。
本発明の好ましい実施例は、添付図面において示されると共に上述されたが、本発明は、開示されている実施例に限定されるものではなく、添付の請求項に記載されている本発明の範囲を逸脱することなく、多くの変形がなされることができることを理解されたい。
Claims (15)
- 細長いコアと前記コアを少なくとも部分的に包囲している少なくとも1つクラッディングとを備える導波路を有する導波路レーザーであって、
− 前記コアは、第1の波長及び第2の波長における少なくとも2つのレーザーの遷移を提供するドーパントをドープされた母材であって、少なくとも前記第1の波長に対して透過性である母材を有しており、
− 前記クラッディングは、前記第1の波長のレーザー光及びポンプ光に対して透過性であると共に、前記第2の波長のレーザー光を吸収する又は導出結合する、
導波路レーザー。 - 前記コアの前記母材がプラセオジウムイオンをドープされており、前記母材は、約521±5nmの波長において透過性であり、前記クラッディングは、約490±5nmの波長を持つ光を吸収する又は導出結合する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記クラッディングがポンプ源の光を導く、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 第1の前記クラッディングを少なくとも部分的に包囲している第2の前記クラッディングを更に有する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記クラッディングが、テルビウムイオンをドープされた母材を有する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記クラッディングは、前記第1の波長の光が前記クラッディング内に導かれ、前記第2の波長の光は結合導出されるようなフォトニック構造を有する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記コアの前記母材がZBLANガラスである、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記コアの前記母材が750cm−1未満のフォノンエネルギと、6.5eVよりも大きいバンドギャップとを有する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 第1の波長及び第2の波長における少なくとも2つのレーザー遷移を提供する前記ドーパントの濃度が、100ppmと10000ppmと間の範囲内にある、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記コア及び前記クラッディング材料は、前記第1の波長における前記コアの屈折率が、前記クラッディングの屈折率よりも高く、かつ、前記第2の波長における前記クラッディングの屈折率よりも低いように、選択される、請求項1に記載の導波路レーザー。
- 前記コアが、前記クラッディングによって円周方向に包囲されるファイバである、請求項1に記載の波路レーザー。
- 前記導波路は、基板上に配されている平らな導波路である、請求項1に記載の波路レーザー。
- 前記導波路の端面の1つに結合されているポンプ光源を更に有する、請求項1に記載の導波路レーザー。
- ポンプ光源は、少なくとも部分的に前記クラッディングの端面に結合されている、請求項9に記載の導波路レーザー。
- 請求項1に記載の導波路レーザーを有するレーザープロジェクタ。
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