JP4401389B2

JP4401389B2 - 白色光レーザ

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Inventors: ロナルドスティーブンコク; ジョンフィリップスプーンハワー
Original assignee: イーストマンコダックカンパニー
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2010-01-20
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Description

本発明は、レーザに関し、より特定的には、白色光レーザに関する。

レーザは、投写型ディスプレイおよび遠隔通信などの広範囲にわたる領域において多くの用途を有する周知の技術である。典型的なレーザは、コヒーレント平行光線の単色、単一波長ビームを発生させる。レーザ偏光を発生させるのにも有益であり、そのような光線ビームは光学用途において広く使用されている。合わせると白色を形成するいくつかの個々の波長の光を含む白色レーザ光ビームに対する用途も存在する。

白色光レーザを生成する手段は当技術分野では周知である。例えば、１９９５年５月２３日にチングリンスキー（Ｚｈｉｎｇｌｉｎｓｋｙ）らに対して発行された「白色光レーザ技術（ＷｈｉｔｅＬｉｇｈｔＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」と題する米国特許第５，４１８，８０３号および１９９５年６月２７日にチングリンスキーらに対して発行された「多波長チューナブルレーザ（Ｍｕｌｔｉ−ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＴｕｎａｂｌｅＬａｓｅｒ」と題する米国特許第５，４２８，６３５号では、単純なレーザ共振空洞の端部として回折格子および反射要素を使用することにより、多色または白色光線を発生させることができるレーザが記述されている。分散要素はそれだけで、または空洞内レンズと組み合わされて、白色光線の各波長成分が、活性媒質の異なる部分により増幅されるように配置される。各波長成分に対する強制振動または正のフィードバックは、オートコリメーション構成で回折格子を作動させることにより達成される。この技術では、特別な回折格子または空洞内レンズ要素の使用が必要であり、製造が複雑で、共振空洞内に活性媒質の複数の層が含まれる。さらに、薄い、低体積レーザ装置が提供されておらず、装置の効率は、単一の空洞からの複数の波長発光を支持するためよくない。この技術は白色偏光の生成も支持しない。

１９９７年３月２５日にギビョウ（Ｇｉｂｅａｕ）らに対して発行された「画像投影のための方法および装置」と題する米国特許第５，６１４，９６１号において記述されているように、３つの線形レーザアレイを使用することにより、個々のレーザビームを組み合わせることによっても、白色レーザ光を形成することができる。各線形アレイは３原色（レッド、グリーン、ブルー）の１つの複数の（Ｎ＞１）平行出力ビームレットを発生させる。対応するビームレットを空間的に組み合わせると、単色の白色光線形アレイ源が形成される。投影／スキャナ光学システムを介して、白色光源のビームレットは同時に、遠く離れた観察スクリーンに誘導され、そのスクリーンを横切って水平に掃引される（ｓｗｅｐｔ）。そのような設計では、複雑なビーム結合光学機器、別個のレーザ光発生装置が必要であり、偏光が生成されない。

さらに別の場合、白色光ビームは、フィルタホイールのように、レーザ光源を回転させることにより、連続して着色光を出力させることにより生成される。例えば、１９９８年６月９日に大内（Ｏｕｃｈｉ）らに対して発行された「レーザ装置」と題する米国特許第５，７６４，６６３号では、予め決められた少なくとも３つの基本波長を有する光ビームを発生させるための固体レーザ媒質と、それぞれ、光ビームをブルー、グリーンおよびレッドの３原色に対応する調波に変換する、周辺に配列されている、少なくとも３つの波長変換器と、波長変換器を保持するための波長変換器ホルダと、波長変換器間に配置された遮光部分と、波長変換器ホルダを回転させ、これにより、波長変換器の各々および遮光部分の各々を固体レーザ媒質の光軸上に繰り返し配置させる回転ユニットと、固体レーザ媒質により発生された光ビームを共振させ、波長変換器により変換された調波を出力するレーザ共振光学システムと、を含む予め決められた波長のレーザビームを発生させるためのレーザ装置が記述されている。この方法では、煩雑で、失敗しがちな機械的回転が必要であり、偏光を発生させることができない。

１９７７年５月３日にワング（Ｗａｎｇ）に対して発行された「白色光を発生させるためのレーザ」と題する米国特許第４，０２１，８４５号では、ｄｃ電圧電源によりエネルギー供給されると白色レーザ光が発生するレーザ構造が記述されている。レーザ管構造は、縦軸を有するガス充填エンベロープと、エンベロープの一部を形成するアノード電極を備える。中空陰極がエンベロープ内に配置され、エンベロープのアノード電極部分に対し同軸上に配置されている。部材がエンベロープの端部と同軸に整合され、そのため、中のガス状媒質を閉じ込めるための構造が提供され、カソードとアノード電極の間にｄｃ電圧が印加され、その間で放電が生じ、放電によりカソードの縦軸に沿って連続波レーザ発光が刺激される。レーザ発光は白色光形態の同時多重線発光を含む。この技術では、ガス充填管の使用が必要であり、製造が困難であり、薄い低体積レーザ装置が提供されず、偏光が生成されない。

米国特許第５，４１８，８０３号明細書米国特許第５，４２８，６３５号明細書米国特許第５，６１４，９６１号明細書米国特許第５，７６４，６６３号明細書米国特許第４，０２１，８４５号明細書

そのため、これらの制限を避ける別の白色光レーザが必要である。

上記要求は、本発明により、基板と、基板に対し垂直な白色レーザ光ビームを放射するために基板上に形成された１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素とを含む白色光レーザ一体化構造（ｉｎｔｇｒａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供することにより満たされる。１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は、１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）および１または複数のＯＬＥＤにより光学的にポンピングされるように配列された複数の有機垂直空洞式レーザを含む。複数の有機垂直空洞式レーザはそれぞれ相異なる色の光を放射し、１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素は、異なる色の光が結合されると、実質的に白色光を放射する。

本発明の別の観点では、基板と、基板に垂直なレーザ光白色ビームを放射するために基板上に形成された１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素とを含む白色偏光レーザが提供される。１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は、１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、１辺の長さが前記１辺と直交する辺の長さと異なる形状を有し偏光を生成する複数の有機垂直空洞式レーザとを含む。１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素は、１または複数のＯＬＥＤにより光学的にポンピングされるように配列される。複数の有機垂直空洞式レーザはそれぞれ相異なる色の光を放射し、１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素は、異なる色の光が結合されると、実質的に白色光を放射する。

本発明の第３の観点では、制御装置およびコネクションと、共通の基板上に形成され、制御装置に応答して画像要素のアレイを生成する複数の個々に制御可能なレーザ光画素と、を含むパターン白色光平行ビームを形成する画像要素のアレイを生成するためのシステムが提供される。複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は、１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、１または複数のＯＬＥＤにより光学的にポンピングされるように配列された複数の有機垂直空洞式レーザとを含み、複数の有機垂直空洞式レーザは基板に垂直でそれぞれ相異なる色の光を放射し、複数の個々に制御可能なレーザ光画素は、異なる色の光が結合されると、実質的に白色光を放射する。

本発明の第４の観点では、基板を提供する工程と、基板上に１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素を形成する工程と、を含み、１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々が１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）および複数の空間的に分配された有機垂直空洞式レーザとを含み、該複数の空間的に分配された有機垂直空洞式レーザから放射される複数のそれぞれ相異なる色の光から基板に垂直なレーザ光白色ビームが放射される、白色光レーザを作製するための方法が提供される。

本発明は、簡単な一体化構造を使用して偏光を有する白色レーザを生成することができるという利点がある。

図１Ａ〜１Ｃについて説明すると、本発明による白色光レーザは基板１０を含み、基板１０上には個々にアドレス可能なレーザ画素１１が形成されており、各画素は、複数の有機垂直空洞式レーザ１２を含み、有機垂直空洞式レーザ１２は、同じ基板１０上に形成され、回路１６を介して電気的に制御される、電気的に制御された有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）１４により光学的にポンピングされる。ＯＬＥＤ１４はインコヒーレント光１５を放射し、有機垂直空洞式レーザ１２が光学的にポンピングされ、次に、該レーザは基板１０に垂直なレーザ光ビーム１３を放射する。複数の有機垂直空洞式レーザ１２は２またはそれ以上の異なる色の光を放射し、それらの光は結合され１つのビームになると、白色レーザ光が形成される。

図１Ａでは、個々にアドレス可能なレーザ画素１１は、白色レーザビーム９を形成する複数の異なる色のレーザ光ビーム１３を放射し、それぞれ、レッド、グリーンおよびブルーレーザエミッタを示す異なる色の有機垂直空洞式レーザ１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂを光学的にポンピングするように選択された唯一の型の発光材料を使用した単一ＯＬＥＤ１４を含む。図１Ｂでは、個々にアドレス可能なレーザ画素１１は、白色レーザビーム９を形成する複数の異なる色のレーザ光ビーム１３を放射し、複数の材料１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂを有するＯＬＥＤ１４を含む。それらの材料は、それぞれ、レッド、グリーンおよびブルーインコヒーレント光を放射し、それぞれ、光学的に、対応する複数のレッド、グリーンおよびブルー有機垂直空洞式レーザ１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂをポンピングする。図１Ｃでは、個々にアドレス可能なレーザ画素１１は、白色光レーザビーム９を形成する複数の異なる色のレーザ光ビーム１３を放射し、複数の材料１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂを有するＯＬＥＤ１４を含む。複数の材料１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂは、それぞれ、レッド、グリーンおよびブルーインコヒーレント光を放射し、それぞれ、対応する空間的に関連するレッド、グリーンおよびブルー有機垂直空洞式レーザ１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂの群を光学的にポンピングする。ＯＬＥＤ１４に対し必要なことは、スペクトルのいくらかの部分が活性層１１４中のホスト材料（ｈｏｓｔｍａｔｅｒｉａｌ）に吸収される光を生成するということのみである（例えば、図３を参照）。これらのスキームのバリエーションは、異なる数の色、例えば、たった２色の異なる色（例え、実質的に白色光を形成するブルーおよびイエロ）または４色の異なる色（例えば、レッド、グリーン、ブルー、およびイエロ）を有する他の垂直空洞式レーザを使用することができる。

図２について説明すると、個々にアドレス可能なレーザ画素１１は従来、コネクション１８を介して、バスインプット２１を有する制御装置１９を用いて、当技術分野で周知のパッシブ・マトリクスまたはアクティブ・マトリクス制御スキームのいずれかにより、制御される。そのようなシステムを使用して、パターン白色光の平行ビームを形成する画像要素のアレイを生成させることができる。個々のアドレス可能なレーザ画素１１は、隣接する電極、例えば単一の隣接カソードおよび単一の隣接アノードを使用することにより、関連するＯＬＥＤ材料すべてを制御することができる。個々に制御されるレーザ画素１１内のＯＬＥＤ材料はすべて一緒にエネルギー供給されるので、インコヒーレント光放射１５に関係なく、別個の電極は必要ない。そのような構成ではレイアウトが簡単であり、本発明の白色レーザ内の層が最小に抑えられる。本発明の個々に制御されたレーザ画素１１は着色レーザ画素（図示せず）と結合させることもできる。着色レーザ画素は単色のみのエミッタを有する。この様式では、白色エミッタには着色レーザエミッタが組み入れられている。

図３について説明すると、本発明により有益な電気的にポンピングされた有機固体レーザ光エミッタ２０の概略断面はＯＬＥＤ１４と、有機垂直空洞式レーザ１２と、ＯＬＥＤ１４と有機垂直式空洞レーザ１２との間に配置された透明な平坦化層１１０を含む。有機垂直空洞式レーザ１２は、一対のミラー１１２および１１６、例えば分散型ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射（ＤＢＲ）ミラーと、下記のようにホスト−ドーパント材料系を使用する有機材料から形成された活性層１１４とを含む、垂直空洞式レーザである。透明な平坦化層１１０は、ＯＬＥＤ１４と適合する光学的に透明な絶縁平坦化層、例えば二酸化ケイ素であるが、ＯＬＥＤ１４と適合する任意の光学的平面層とすることができ、その上に、ＤＢＲミラーを成長させることができる。ＤＢＲミラー１１２は透明平坦化層１１０上に堆積される。従来のスパッタリングまたは電子ビーム（ｅ−ビーム）堆積により成長させることが好ましい。正確な厚さを得ることが重要であるからである。底部ＤＢＲミラー１１２は交互の高屈折率および低屈折率誘電体層から構成され、そのため、レーザ光ビーム１３に対する波長では、その反射率は９９．９％を超え、９０％を超えるインコヒーレント光１５が伝送される。ＤＢＲミラー１１２はλ／４の厚さの交互の高屈折率および低屈折率誘電体層から構成され、レーザ発振波長λ_１で高い反射率が得られる。ＯＬＥＤ１４により放射されるインコヒーレント光１５に対しブロードな透過極大が得られるように、別の交互の高屈折率および低屈折率誘電体層もまた堆積される。ＤＢＲミラー１１２上に有機活性層１１４が堆積され、該活性層は、従来の高真空（１０^−７Ｔｏｒｒ）熱蒸着によりまたは溶液からの回転成形により形成することができる。低いしきい値を得るためには、活性層１１４の厚さはλ／２の整数倍とすることが好ましく、ここでλはレーザ発振波長である。最も低いしきい値は、整数倍数が１または２のいずれかで得られる。

活性層１１４はホストおよびドーパント有機分子を含む。有機分子は低分子量であることが好ましい。現在のところ、低分子量有機分子はより均一に堆積させることができるからである。本明細書で使用されるホスト材料は、インコヒーレント光１５を十分吸収し、それらの励起エネルギーの大部分をフォースター（Ｆｏｒｓｔｅｒ）エネルギー移動を介し、ドーパント材料に移動することができる任意の材料から選択される。当業者であれば、フォースターエネルギー移動の概念に精通している。この移動では、ホスト分子とドーパント分子との間のエネルギーの無放射移動が関係する。

レッド発光レーザに対し有益なホスト−ドーパントの組み合わせの例は、ホストとしてのアルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ）およびレッド−発光ドーパントとしての４−（ジシアノメチレン）−２−ｔ−ブチル−６−（１，１，７，７−テトラメチルジュロリジル−９−エニル）−４Ｈ−ピラン（ＤＣＪＴＢ）である。ＤＢＲミラー１１６は活性層１１４上に堆積される。従来のｅ−ビーム堆積により堆積されるが、この時、堆積プロセス中、有機材料の温度は７５℃未満であることが好ましい。上部ＤＢＲミラー１１６は交互の高屈折率および低屈折率誘電体層から構成され、そのため、レーザ光ビーム１３の波長では、その反射率は典型的には９８％を超え、９０％を超えるインコヒーレント光１５が反射される。上部ＤＢＲミラーに対する反射率はレーザ光ビーム１３では９０％またはそれ以上の範囲である。当技術分野では高効率ＬＥＤ（いわゆる共振空洞発光ダイオード、またはＲＣＬＥＤ）は、この範囲の低い端の反射率、約９０％により実現される。例えば、Ｅ．Ｆ．シューベルト（Ｓｃｈｕｂｅｒｔ）らによる「微小空洞を有する高効率発光ダイオード（“ＨｉｇｈｌｙＥｆｆｉｃｉｅｎｔＬｉｇｈｔ−ＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅｓＷｉｔｈＭｉｃｒｏｃａｖｉｔｉｅｓ”」サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、Ｖｏｌ．２６５、１９９４年８月１２日、９４３−９４５ページを参照のこと。そのような装置では、レーザ光ビーム１３のスペクトルおよび角度幅を変更する、ならびに出力波長反射率を調節することにより、コヒーレンスの程度を制御する機会が存在する。結果的に、λ／４の厚さの交互の高屈折率および低屈折率誘電体層（ここで、λは所望のレーザ発振波長付近で選択する）を堆積させることに加えて、追加の交互の高屈折率および低屈折率誘電体層を堆積させると、インコヒーレント光１５に対しブロードな反射極大が得られる。特に、活性層１１４ホスト材料に吸収されるインコヒーレント光１５の部分を反射させることのみが必要である。

有機固体レーザエミッタ２０のＯＬＥＤ１４は、予め決められたスペクトル部分内のインコヒーレント光を生成する１または複数の電気的に駆動される有機発光ダイオード装置である。ＯＬＥＤ装置の例としては、ハング（Ｈｕｎｇ）らに対し２００１年１月９日に発行された「有機発光構造とカソードバッファ層との間に改良された界面を提供する電子注入層」と題する同一出願による米国特許第６，１７２，４５９号を参照のこと。この特許は本明細書内で引用され、その開示内容は参照により組み込まれる。

ＯＬＥＤ１４は、図３に示されるように、基板１０に隣接して、好ましくは基板上に形成され、その上に、電極層１００、例えば正孔注入アノードが形成される。基板１０は当技術分野で説明されているようなＯＬＥＤ装置を構築するのに適した任意の材料とすることができ、例えば、ガラス、石英、またはプラスチックであり、電極層１００は、基板１０上の酸化スズインジウム（ＩＴＯ）の薄層または導電性金属の薄層とすることができる。電極層１００は蒸着、スパッタリング、および化学気相成長法により堆積させることができる。

また、電極層１００は、図４に示されるように、平坦化層１１０上に形成することができ、平坦化層は典型的には電気絶縁性で、光学的に光透過性である。有機正孔輸送層１０２は電極層１００上に形成され、有機発光層１０４は正孔輸送層１０２上に形成され、有機電子輸送層１０６は発光層１０４上に形成される。これらの３つの層の例として、有益名構造は、正孔輸送層１０２に対しジアミン層、例えば、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル（ＮＰＢ）、発光層１０４としてアンドープ９，１０−ビス（２−ナフタレニル）アントラセン（ＡＤＮ）、および電子輸送層１０６としてＡｌｑを含む。これらの有機層は典型的には、高真空熱蒸着により調製される。それらの好ましい厚さはＮＰＢで４０〜２５０ｎｍ、ＡＤＮで１０〜５０ｎｍ、およびＡｌｑで１０〜２００ｎｍである。

さらに図４について説明すると、第２の電極層１０８（例えばカソード）が電子輸送層１０６上に形成され、その材料は、４．０ｅＶ未満の仕事関数を有するように選択される。適した電極層１０８は酸化スズインジウムまたはＭｇＡｇであり、ここでＭｇ−Ａｇ体積比は１０：１である。従来の熱蒸着により形成することができる。平坦化層１１０は第２の電極層１０８上に形成され、有機垂直空洞式レーザ１２は平坦化層１１０上に形成される。当技術分野では公知の追加の層を、ＯＬＥＤ１４構造に含めることができ、例えば正孔注入層および電子注入層である。当技術分野ではよく理解されるように、電圧Ｖは電極間に印加することができ、発光層１０４にインコヒーレント光１５を発生させるのに必要な電場が提供され、インコヒーレント光はＯＬＥＤ１４装置から伝送される。電圧Ｖは連続としてもパルス形態としてもよい。制御装置１９は電圧を提供し、ＯＬＥＤ１４構造を駆動する。

図３および４について説明すると、典型的なバイアス条件下では、電子（負電荷キャリヤ）は電極層１０８から有機電子輸送層１０６中に注入され、正孔（正電荷キャリヤ）は電極層１００から有機正孔輸送層１０２に注入される。電子および正孔は対応する有機輸送層１０６および１０２を通して有機発光層１０４中に輸送される。有機発光層１０４では、電子と正孔が主に、正孔輸送層１０２と発光層１０４との間の接合部付近で再結合する。再結合の結果、有機発光層１０４から光が発光する。発光層で発生した光のうち、約５０％が直接基板１０の方向に放射され、残りの５０％が直接電極層１０８に向かって放射される。電極層１０８は透明であり、光は透明な平坦化層１１０を通過することができ、有機垂直空洞式レーザ１２が光学的にポンピングされる。

図３では、電極層１００および下にある基板１０のうち少なくとも１つは反射するように形成することができ、そのため、電極層１００に向かって発光された光の一部は反射され装置から出て行き、平坦化層１１０をうまく通過することができる。アノードおよびカソード、ならびに正孔および電子注入および／または輸送層の位置は逆転させることができ、そのため、電極層１００はカソードとなり、電極層１０８はアノードとなることは当技術分野では周知である。この場合、反射型カソードは基板１０上に堆積させることができ、アノードは透明である。

図３および４について説明すると、ＯＬＥＤ１４を出た後、インコヒーレント光１５は底部ＤＢＲミラー１１２を介して有機垂直空洞式レーザ１２に入る。底部ＤＢＲミラー設計のために、その光の大部分が活性層１１４中に入る。構成により、活性層ホストはインコヒーレント光１５のいくらかのフラクションを吸収する。吸収されなかった光フラクションのうち（活性層の吸収長が小さすぎる場合）、インコヒーレント光１５の残りのフラクションは上部ＤＢＲミラー１１６に入り、それにより、大部分の光が、第２パスのために、活性層１１４に逆反射される。第２パス中、インコヒーレント光１５の追加のフラクションが活性層ホストにより吸収される。フォースターエネルギー移動機構を介し、ホストにより吸収された光エネルギーはドーパント分子に非放射的に移動する。ドーパント分子は発光に対し高い量子効率を有し、このため、非放射的に移動したエネルギーの大部分がより長い波長の光として再発光される。例えば、ＯＬＥＤ１４光エミッタ材料としてＡＤＮ、活性層ホストとしてＡｌｑ、活性層ドーパントとしてＤＣＪＴＢを使用する場合、発光ＯＬＥＤ１４光はブルーであり、Ａｌｑは主にブルーを吸収し、ＤＣＪＴＢはレッドを発光する。

有機垂直空洞式レーザ１２は、レッド光に対しては、特に上部および底部ＤＢＲミラーが最も高い反射率を有する波長に対しては高Ｑ空洞となるように設計される。当業者であれば、レーザ発振は最も高い純益を有する特別な波長で起きるという概念を熟知している。その波長では、レーザ光ビーム１３は何度も、上部ＤＢＲミラーと底部ＤＢＲミラーの間で反射し、その後、主に上部ＤＢＲミラー１１６を介して放射される(設計により、底部ＤＢＲミラーのミラー損失は上部ＤＢＲミラーのミラー損失よりもずっと低いからである)。

図３に示した実施態様では、有機垂直空洞式レーザ１２と電気的に駆動されるＯＬＥＤ１４は、基板１０上に形成された一体化装置において結合される。電気的に駆動されるＯＬＥＤ１４は基板１０上に位置し、有機垂直空洞式レーザ１２はＯＬＥＤ１４上に位置し、平坦化層１１０により分離される。その結果、底部ＤＢＲミラー１１２は交互の高屈折率および低屈折率誘電体層から構成され、そのため、レーザ光ビーム１３に対する波長では、その屈折率は９９．９％を超え、９０％を超えるインコヒーレント光１５が伝送される。したがって、上部ＤＢＲミラー１１６は交互の高屈折率および低屈折率誘電体層から構成され、そのため、レーザ光ビーム１３に対する波長では、その屈折率は９８％を超え、９０％を超えるインコヒーレント光１５が反射される。そのような上部ＤＢＲミラー１１６の設計は、図３および図４で示される実施態様では異なることに注意すべきである。レーザ光ビーム１３が前者では空気中に、後者では基板１０中に放射されるという事実によるためである。同様に、底部ＤＢＲミラー１１２もまた、２つの実施態様で幾分異なっている。

図４について説明すると、本発明の別の態様では、基板１０は透明であり、有機垂直空洞式レーザ１２に隣接して配置され、好ましくは有機垂直空洞式レーザ１２が該基板上に形成され、そのため、光は基板１０を通して放射される。

レーザの効率は、垂直空洞式有機レーザ構造に対し別の活性層１１４を使用することで改善することができる。図５について説明すると、周期利得（ｐｅｒｉｏｄｉｃｇａｉｎ）層３０５が、装置の定在波電磁場の波腹と整合されている。この図では、レーザ要素２００中のレーザの定在波電場パターン３２０の概略が示されている。誘導放出は波腹で最も高く、電磁場のノードではごくわずかであるので、有機スペーサ層３１０により分離して、図５に示すように周期利得層３０５を形成すると本質的に好都合である。有機スペーサ層３１０は誘導放出または自然放出を受けず、大体レーザ光ビーム１３またはインコヒーレント光１５波長のいずれも吸収しない。有機スペーサ層３１０を形成するのに適した材料の一例は、有機材料１，１−ビス（４−ビス（４−メチル−フェニル）−アミノ−フェニル）−シクロヘキサン（ＴＡＰＣ）である。

ＴＡＰＣはスペーサ層３１０としてうまく働く。というのは、ＴＡＰＣは、大体、レーザ出力およびポンプ−ビームエネルギーのいずれも吸収せず、さらに、その屈折率がほとんどの有機ホスト材料の屈折率よりわずかに低いからである。この屈折率差が有益である。これにより、電磁場波腹と周期利得層３０５との間のオーバーラップが最大となるように支援されるからである。本発明について下記で検討するように、バルク利得領域の代わりに周期利得領域を使用すると、電力変換効率がより高くなり、望ましくない自然放出が著しく減少する。利得領域の配置は、標準光学マトリクス法を用いて決定する（スコット（ｓｃｏｔｔ）Ｗ．コルジン（Ｃｏｒｚｉｎｅ）ら、ＩＥＥＥ量子エレクトロニクスジャーナル（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．６、１９８９年６月、１４１５−１５２４ページ）。良好な結果を得るために、周期利得層３０５の厚さは、望ましくない自然放出を避けるように５０ｎｍまたはそれ以下とする必要がある。

図６に示されるように、位相固定有機レーザアレイ２２０を使用することにより空間コヒーレンス度を維持しながら、レーザ画素１１の面積を増大させることができる。二次元位相固定レーザアレイ２２０を形成するためには、要素間間隔２１０により分離されたレーザ要素２００が、有機垂直空洞式レーザ１２の表面上で規定される必要がある。位相固定を得るためには、強度および位相情報をレーザ要素２００間で交換しなければならない。これは、少量の埋め込みインデックスまたは利得導波路（ｇｕｉｄｉｎｇ）のいずれかにより、例えば、ミラーのうちの１つの反射率を調節することにより、レーザ発光をレーザ発振領域に弱く閉じ込めることにより最もよく得られる。

図６で示した態様では、反射率調節は、標準フォトリソグラフィーおよびエッチング技術を用いて、底部誘電体スタック内でエッチ領域をパターニングおよび形成することにより影響され、このように、等角で示されている底部誘電体スタックの表面上に円柱形態でレーザ要素２００の二次元アレイを形成する。有機レーザ微小空洞構造の残りは、上記で説明したようにパターン底部誘電体スタック上に堆積される。この態様では、レーザ要素２００の形状は円形であるが、他の形状、例えば長方形も可能である。要素間の間隔２１０は０．２５〜４μｍの範囲である。

位相固定アレイ動作は、より大きな要素間間隔２１０に対しても生じるが、より大きな間隔では、光学ポンピングエネルギーの利用が低効率なものとなる。エッチ深さは好ましくは２００〜１０００ｎｍである。奇数層を超えて底部誘電体スタック中にエッチングすることにより、利得媒質のピークから離れたエッチ領域では縦軸モード波長の著しいシフトが達成される。このように、レーザ要素２００間の領域では、レーザ発振作用が防止され、自然放出が著しく減少する。エッチ領域を形成すると、最終的に、レーザ放射がレーザ要素２００に弱く閉じ込められ、エッチ領域間の領域からはレーザ発振は起きず、コヒーレント位相固定レーザ光はレーザアレイ２２０により放射される。

個々にアドレス可能なレーザ画素１１の各レーザ光エミッタ２０は、インコヒーレントＯＬＥＤ１４により放射される周波数および有機垂直空洞式レーザ１２の構成により決定される特定の色の光を放射する。レーザ光エミッタ２０は典型的には非常に小さく、約数平方μｍである。白色光レーザ８（図７に示す）は、各個々にアドレス可能なレーザ画素１１に対応する基板１０上に異なる色の光を放射するレーザ光エミッタ２０を空間的に交互にすることにより得られる。画素の光は、結合されると、実質的に白色光を形成する。個々にアドレス可能なレーザ画素１１は少なくとも１０またはそれ以上の平方μｍサイズを有し、複数のレーザ光エミッタ２０を含む。これらのレーザ光エミッタ２０は、個々にアドレス可能なレーザ画素１１の範囲にわたり様々な様式で配列してもよい。

図７について説明すると、個々にアドレス可能なレーザ画素１１は異なる色、例えばレッド２０Ｒ、グリーン２０Ｇ、およびブルー２０Ｂの光を放射する複数のレーザ光エミッタ２０を含む。図１で示した、レーザ光エミッタ２０と関連するＯＬＥＤ１４光エミッタは、相応して、異なる光出力を有してもよく、レーザ光エミッタの各々のレーザ光出力が最適化される。異なる有機垂直空洞式レーザ１２は相応して、異なる構造を有してもよく、光出力の色が提供される。全体の光出力の色は、特異的な比率の異なる着色レーザ発振エミッタ２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂを含ませることにより制御することができる（図７において同じ数字で示す）。要素タイプの各々の特定の比率は、それらの色および所望の光の白色点に依存する。

個々にアドレス可能なレーザ画素１１内の別個のレーザ要素は発光の色によりグループ分けしてもよく、群のメンバー間でのモードロッキングが促進される。図８について説明すると、個々にアドレス可能な発光レーザ画素１１は異なる色の光を放射するためのレーザ要素２００の３つのレーザアレイ２２０を含む。各レーザアレイ２２０は１または複数のレーザ要素２００を含み、ここで、１つのレーザアレイ２２０内のレーザ要素２００はすべて同じ色の光を放射する。その群内のレーザ要素２００は、空間的に互いに近くてもよく、そのため、群の要素間でのモードロッキングおよびコヒーレンスが促進される。これに反して、レーザアレイ２２０間の間隔はより大きくしてもよい。レーザアレイ２２０を空間的にさらに離すと、モードロッキングが阻害される。別の態様では、レーザ画素１１の形状は円形であるが、他の画素形状、例えば長方形も可能である。レーザ要素２００間の間隔は０．２５〜４μｍの範囲である。画素間の間隔がより大きくなると、位相固定アレイ動作もまた起こるが、光学ポンピングエネルギーの非効率的な使用につながる。利得媒質のピークから離れたレーザ要素２００間の空間で縦軸モード波長の著しいシフトを達成することができる。このように、この領域では、レーザ発振作用は阻止され、自然放出が著しく減少する。最終的には、レーザ発光はレーザアレイ２２０に弱く閉じ込められ、レーザ要素２００間の空間からのレーザ発振はなく、コヒーレント位相固定レーザ光が位相固定レーザアレイ２２０により放射される。

上記のように、レーザアレイ２２０は異なる数の要素を有してもよく、各群から特定の強度の発光が提供される。レーザ画素１１から放射される光の全体としての色は、各群からの発光強度を調節することにより、例えば、白色発光レーザ画素１１の白色点を調節することにより、調節することができる。また、白色発光画素１１はモードロックされていないが、レーザ要素２００からの色の混合を促進するように配列されている、異なる色のレーザ要素２００の混合群を含んでもよい。

異なるＯＬＥＤ材料を、所望のように各群に関連させて使用することができ、単一の個々にアドレスされる発光レーザ画素１１内の各群からの異なる色の光の発光を支援することができる。また、個々にアドレス可能なレーザ画素１１内のすべてのＯＬＥＤ１４に対し、ブロードバンドの白色ＯＬＥＤ材料を使用してもよい。ＯＬＥＤ１４が、活性層１１４内のホスト材料によりインコヒーレント光１５が吸収されるスペクトル範囲とオーバーラップするスペクトル範囲の光出力を有することが必要である。前に記述した実施態様では、アルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ）層はブルースペクトル領域、大体４００〜４５０ｎｍの光を吸収し、他のホスト材料は異なるスペクトル領域の光を吸収する。活性層１１４に吸収されない光は、異なる色の光の発光を支援するのに有益である。

動作中、基板１０上の回路を介して個々にアドレス可能なレーザ画素１１に電力が印加される。１または複数の個々に制御されるレーザ画素の各々は、単一の隣接カソードおよび単一の隣接アノードを使用し、電力をＯＬＥＤに提供する（図３および４において電極層１００および電極層１０８として図示）。その後、電力により、個々にアドレス可能なレーザ画素１１に対応する１または複数のＯＬＥＤが、関連するレーザエミッタ２０Ｒ、２０Ｇおよび２０Ｂをポンピングする光を放射する。レーザエミッタ２０は共に、基板１０に直交する白色レーザ光を放射する。ＯＬＥＤ１４パターニング要求は、レーザ要素２００に対するパターニング要求よりもかなり簡単であることに注意すべきである。白色点が固定され、白色点調節が必要でない場合、１つのＯＬＥＤ１４が、レーザ画素１１のレーザ要素２００を同時に励起する。白色点の調節が必要な場合、ＯＬＥＤ１４とレーザ要素２００との数と位置の間では１対１の対応が存在する。このように、白色点は、個々のレッド、グリーン、およびブルー要素を励起するＯＬＥＤ１４光レベルを調節することにより変化させることができる。

様々な異なる色のレーザ要素２００を個々にアドレス可能なレーザ画素１１と関連させてもよい。例えば、４つの要素を使用して、白色光源を使用する任意の用途の全範囲を増大させてもよい。また、２つの要素、例えばブルーとイエロまたはレッドとシアンまたはグリーンとマゼンタを使用してもよい。

図９では、偏光白色光レーザ５７０の端面図が示されている。偏光白色光レーザは、放射される光の偏光方向に対し単一の配向を有する実質的に白色のレーザ光を生成する装置である。偏光方向は放射光の電場の方向を示す。図９について説明すると、偏光有機垂直空洞式レーザ構造５６０は、偏光放射レーザ光を生成することができる偏光有機垂直空洞式装置５５０の二次元アレイである。ＶＣＳＥＬが偏光モード制御に対する機会を提供することは垂直空洞式レーザの技術分野では周知である。レーザ偏光制御のための多くの方法が存在する。カール（Ｃａｒｌ）Ｗ．ウイルムセン（Ｗｉｌｍｓｅｎ）による「垂直空洞式表面発光レーザ」、ケンブリッジ大学出版（ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ）１９９９では、例えば、非対称垂直空洞式レーザアレイ要素の使用による偏光モードの制御が記述されている。安定な単偏光を有するレーザ出力を生成する１つのメカニズムは、一次元で垂直空洞式レーザ装置のサイズを減少させるものである。例えば、６×３．５μｍの寸法の長方形垂直空洞式レーザ装置は、完全に対称な装置形状（６×６μｍ）からサイズを減少させることにより、基本モード発光の回折損失が増大する。これにより、偏光発光方向のピニングに至る。偏光レーザ光（図示せず）は偏光有機垂直空洞式装置５５０の表面に垂直に発光される。個々の偏光有機垂直空洞式装置５５０は、異なる色の偏光が放射されるように作製され、そのため、偏光白色光レーザ５７０からは偏光白色光出力が得られる。

本発明の別の態様では、光学システム、例えば、拡散レンズ（ｓｐｒｅａｄｉｎｇｌｅｎｓ）システムを使用し、より広い領域にわたりレーザ光ビームを拡散させ、画像を拡大してもよい。また、ビームのサイズを減少させるために光学システムを使用することができる。図１０について説明すると、従来技術において周知のガリレイビームエキスパンダー（ＧａｌｉｌｅａｎＢｅａｍＥｘｐａｎｄｅｒ）は、平行レーザ光ビーム１３の入射光を変換し、よりブロードなビーム１７に拡大する少なくとも２つの光学要素３０および３２を有する。光学システムの倍率は、２つの要素３０および３２の焦点距離の比率であり、要素３０と３２との間の距離は焦点距離の和である。

本発明について、特に一定の好ましい態様を参照して詳細に記述してきたが、本発明の精神および範囲内で、変更および改変が可能であることは理解されるであろう。

（Ａ〜Ｃ）本発明による白色レーザ光のための構造のブロック図である。本発明による個々にアドレス可能なレーザ画素と相互作用する制御装置の概略図である。本発明による、共同して動作するＯＬＥＤと垂直空洞式レーザの概略図である。本発明による、共同して動作するＯＬＥＤと垂直空洞式レーザの別の態様の概略図である。本発明で使用される例示的な有機垂直空洞式レーザの概略図である。図５の有機垂直空洞式レーザにより形成されるレーザ画素の例示的な概略図である。本発明による白色光レーザの例示的な概略図である。本発明で使用される個々にアドレス可能なレーザ画素の概略図である。本発明による白色偏光レーザの端面図である。従来のビーム拡大器である。

符号の説明

８白色光レーザ、９白色光レーザビーム、１０基板、１１レーザ画素、１２有機垂直空洞式レーザ、１２Ｒレッド有機垂直空洞式レーザ、１２Ｂブルー有機垂直空洞式レーザ、１２Ｇグリーン有機垂直空洞式レーザ、１３レーザ光ビーム、１４ＯＬＥＤ、１４ＲレッドＯＬＥＤ、１４ＢブルーＯＬＥＤ、１４ＧグリーンＯＬＥＤ、１５レーザ光、１６回路、１７ビーム、１８コネクション、１９制御装置、２０レーザ光エミッタ、２０Ｒレッドエミッタ、２０Ｂブルーエミッタ、２０Ｇグリーンエミッタ、２１バスインプット、３０要素、３２要素、１００電極層、１０２輸送層、１０４発光層、１０６輸送層、１０８電極層、１１０平坦化層、１１２ミラー、１１４活性層、１１６ミラー、１２０ＯＬＥＤ光、２００レーザ要素、２１０要素間間隔、２２０レーザアレイ、３０５周期利得層、３１０スペーサ層、３２０場パターン、５５０偏光有機垂直空洞式装置、５６０有機垂直空洞式レーザ構造、５７０偏光白色光レーザ。

Claims

ａ）基板と、
ｂ）前記基板上に形成され、該基板に垂直なレーザ光白色ビームを放射するための１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素と、
を備え、
前記１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、前記１または複数のＯＬＥＤにより光学的にポンピングされるように配列された複数の有機垂直空洞式レーザとを含み、
前記複数の有機垂直空洞式レーザはそれぞれ相異なる色の光を放射し、前記１または複数の個々に制御可能な発光画素は、前記異なる色の光が結合されると、白色光を放射する、白色光レーザ一体化構造。
ａ）基板と、
ｂ）前記基板上に形成され、該基板に垂直なレーザ光白色ビームを放射するための１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素と、
を備え、
前記１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、１辺の長さが前記１辺と直交する辺の長さと異なる形状を有し、偏光を生成する、前記１または複数のＯＬＥＤにより光学的にポンピングされるように配列された複数の有機垂直空洞式レーザとを含み、
前記複数の有機垂直空洞式レーザはそれぞれ相異なる色の光を放射し、前記１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素は、前記異なる色の光が結合されると、白色光を放射する、偏光白色光レーザ。
ａ）基板を提供する工程と、
ｂ）前記基板上に、１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素を形成する工程と、
を含み、
前記１または複数の個々に制御可能なレーザ光画素の各々は１または複数の有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）と、複数の空間的に分配された有機垂直空洞式レーザとを含み、前記複数の空間的に分配された有機垂直空洞式レーザから放射された複数のそれぞれ相異なる色の光から前記基板に垂直なレーザ光の白色ビームが放射される、白色光レーザを作製するための方法。