KR0174775B1 - 파장변환 도파로형 레이저 장치 - Google Patents
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Abstract
반도체 레이저는 TM 모드의 반도체 레이저광을 발진한다. 반도체 레이저광은 제1의 콜리메이터렌즈에 의해 평행광으로 된 후, 브루스터면의 P 편광방향이 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치된 브루스터판을 투과하고, 포커스 렌즈에 의해 파장변환 도파로의 입사면에 결합된다. 반도체 레이저광은 파장변환 도파로를 통과하면서 분극반전영역에 의해 제2고조파광으로 변화된다. 파장변환 도파로의 출사면에서 출사된 반도체 레이저광은 출력밀러에 의해 회절격자에 반사되어서 상기 회절격자에 의해 파장조정이 행하여진다. 파장변환 도파로의 출사면에서 출사된 제2고조파광은 출력 밀러에서 출력된다.
Description
제1도는 본 발명의 제1실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제2도는 본 발명의 제2실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제3도는 본 발명의 제3실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제4도는 본 발명의 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제5도는 상기 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제6도는 본 발명의 제1∼제4실시예에 사용하는 브루스터판의 P 편광에 대한 투과율을 나타낸 도면.
제7도는 본 발명의 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 입출력 특성을 나타낸 도면.
제8도는 본 발명의 제5실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제9도는 본 발명의 제6실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제10도는 본 발명의 제7실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제11도는 상기 제5∼제7실시예에 사용하는 자려발진하는 반도체 레이저의 광출력 파형을 나타낸 도면.
제12도는 상기 제5실시예에 관한 자려발진하는 반도체 레이저를 사용한 파장변환 도파로형 레이저 장치 및 자려발진하지 않는 반도체 레이저를 사용한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 입출력 특성을 나타내는 도면.
제13도는 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제14도는 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도.
제15a도는 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성이고,
제15b도는 제15a도에 도시된 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어 반도체 레이저광 및 제2고조파광의 편광방향을 나타내는 도면.
제16a도는 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성도이고,
제16b도는 제16a도에 도시된 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어 반도체 레이저광 및 제2고조파광의 편광방향을 표시하는 도면이다.
[발명의 배경]
본 발명은 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로를 구비한 파장변환 도파로형 레이저 장치에 관한 것으로, 특히 광디스크의 기록재생장치, 레이저 프린터 또는 레이저 응용계측 장치 등에 사용되는 파장변환 도파로형 레이저 장치에 관한 것이다.
광디스크의 고밀도화나 레이저 프린터의 고품위화를 위하여 단파장의 반도체 레이저 광원이 요망되고 있다. 현재, 실용화되고 있는 반도체 레이저 광원은 파장이 약 630㎚인 적색까지를 출사하는 것이고, 반도체 레이저 광원 단체(單體)의 보다 단파장화(녹색,청색,자외)를 위한 노력은 지금부터의 과제이다.
한편, 반도체 레이저를 사용하는 단파장 레이저 장치로서는 반도체 레이저에 출사된 근적외의 반도체 레이저광을 제2고조파광을 변환하여 청색 또는 자외의 레이저광을 출사하는 방식의 것이 제안되고 있다.
일반적으로, 비선형 광학재료에 의해 제2고조파를 고효율로 발생시키기 위해서는 기본파의 전파정수와 제2고조파의 전파정수를 같게 할 필요가 있다. 그를 위해서는 기본파에 대한 굴절률 Nω와 제2고조파에 대한 굴절률 N2ω가 같도록 하여야 되지만, 벌크(bulk) 재료의 경우, 통상은 굴절률의 파장 분산 때문에 N2ωNω로 되어 제2고조파광의 발생조건을 충족시키지 못한다.
그런데 파장변환 도파로의 경우, 파장변환 도파로 내를 진행하는 광은 특정의 전파정수를 가지는 고유모드로 되어, 그 전파모드의 전파정수는 파장변환 도파로의 사이즈에 의존하므로 파장변환 도파로의 폭이나 깊이를 바꾸는 것에 의해 기본파의 전파정수 Bω의 2배와 제2고조파의 B2ω가 같게 되는 조건을 충족시킬 수가 있다. 파장변환 도파로를 사용하는 경우, 기본파와 제2고조파의 파장변환 도파로 내에 있어 중첩이 크고 또한 기본파의 파워밀도가 높을수록 높은 변환효율을 얻게 되므로 저차 모드를 이용하는 것이 바람직하다.
최근에는 높은 비선형 광학정수를 갖는 LiNbO3기판, LiTaO3기판 또는 KTiO PO4(이하, KTP라고 함) 기판에 형성된 파장변환 도파로에 반도체 레이저광을 결합하여 제2고조파광으로 변환하는 방식의 것이 높은 변환효율을 얻을 수 있으므로 주목되고 있다.
이하, 제13도를 참조하여 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 대하여 설명하기로 한다.
제13도에 도시하는 바와 같이 반도체 레이저(50)에서 출사된 파장 860㎚의 반도체 레이저광은 콜리메이터 렌즈(51) 및 포커스 렌즈(52)를 투과하여 Z축의 컷 면을 갖는 LiTaO3기판(53)으로 형성된 파장변환 도파로(54)의 입사면에 결합된다. 파장 860㎚의 반도체 레이저광은 파장변환 도파로(54)내를 전파할 때에 LiTaO3기판(53)으로 형성된 분극 반전영역(55)에 의해 파장 430㎚의 제2고조파광으로 변환된다.
파장변환 도파로(54) 및 분극 반전영역(55)은 프로톤 교환에 의해 LiTaO3기판(53)상에 형성되어 있고, 분극 반전영역(55)의 주기는 변환하는 반도체 레이저광의 파장에 의해 정해진다.
프로톤 교환에 의해 형성된 분극 반전영역(55)의 주기는 통상, 설계치에 대하여 변위를 가지고 있기 때문에, 반도체 레이저광의 파장을 최대 변환효율이 얻어지는 파장으로 조정하는 방법이 채용되고 있다. 반도체 레이저광의 파장은 온도나 출력에 의존하므로 높은 변환효율을 얻기 위해서는 무엇인가의 파장조정을 행하는 기구가 필요하다.
파장변환 도파로(54)에서 출사된 제2고조파광은 콜리메이터 렌즈(56)에 의해 평행광으로 되어진 후 출력 미러(57)에서 출사되지만, 제13도에 있어서는 회절격자(58)에서의 회절반사광을 반도체 레이저(50)에 피드백하는 것에 의해 파장을 조정하는 방식을 표시하고 있다. 반도체 레이저광의 회절격자(58)에서의 입사각을 조정하는 것에 의해 반도체 레이저광의 발진파장을 조정할 수가 있다. 또한 콜리메이터 렌즈(51)와 포커스 렌즈(52)간에 편광자(60)를 설치한 이유에 대해서는 후술한다.
반도체 레이저(50)와 출력 미러(57)로 외부 공진기를 구성하기 위하여 반도체 레이저(50)의 출사면에는 반도체 레이저광에 대하여 무반사(AR)로 되도록 하는 코팅이 시행되고 있고, 출력 미러(57)에는 반도체 레이저광에 대하여 고반사(HR)로 되어 제2고조파광에 대하여서는 무반사로 되는 것과 같은 코팅이 시행되고 있다. 또, 파장변환 도파로(54)의 양 단면에는 반도체 레이저광에 대한 손실을 저감하기 위해 무반사의 코팅이 시행되고 있다.
그런데 LiNbO3기판, LITaO3기판 또는 KTP 기판으로 형성된 파장변환 도파로(54)에서 높은 변환효율을 얻기 위해서는 TM 모드로 발진하는 반도체 레이저광을 파장변환 도파로(54)에 도입할 필요가 있다.
종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서는, 반도체 레이저(50)에서 출사된 반도체 레이저광은 TE(Transverse Electric wave:편광방향의 적층면 내에 있는 광파) 모드로 발진한다. 이 때문에, 제15a도에 도시된 바와 같이 반도체 레이저(50)와 LiTaO3기판(55)을 서로 평행한 평면에 배치하는 경우, 제15b도에 도시된 바와 같이 반도체 레이저광의 편광방향과 제2고조파광의 편광방향이 직교하여 위상정합이 취해지지 않으므로, 반도체 레이저광은 제2고조파광으로 변환되지 않는다. 한편 제16a도에 도시된 바와 같이, 반도체 레이저(50)와 LiTaO3기판(53)을 서로 직교하는 평면에 배치하는 경우, 제16b도에 도시된 바와 같이 반도체 레이저광의 편광방향과 제2고조파광의 편광방향은 일치하나, 타원형상을 표시하는 반도체 레이저광의 장축방향과 타원형상을 표시하는 제2고조파광의 단축방향이 일치하기 때문에 결합효율이 낮게 되어 변환효율이 저하한다.
그러므로 반도체 레이저광의 빔 형상과 제2고조파광의 분포형상을 일치시키기 위하여 통상, 반도체 레이저(50)에서 출사된 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM(Tr ansverse Magnetic wave:편광방향이 z축 방향에 있는 광파) 모드로 변환하여 파장변환 도파로(54)의 입사면에 결합하는 방법이 채용되고 있다. 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM 모드로 변환하는 방법으로서는 제13도에 도시하는 바와 같이 콜리메이터 렌즈(51)와 포커스 렌즈(52)간에 편광자(60)를 배치하는 방법, 또는 제14도에 도시하는 바와 같이 콜리메이터 렌즈(51)와 포커스 렌즈(52)간에 반도체 레이저광에 λ/2의 위상차를 제공하는 λ/2 파장판(60)을 삽입하는 방법이 채용되고 있다.
그런데 제13도에 도시된 바와 같이 편광자(60)를 삽입하여 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM 모드로 변환하는 방식은, 반도체 레이저광의 TE 모드 성분에 높은 손실을 가하면서 TM 모드의 반도체 레이저광을 발진시키므로 반도체 레이저(50)의 발진 임계치 전류의 대폭적인 증가 및 미분효율의 저하를 초래한다고 하는 문제가 있다.
한편, 제14도에 도시된 바와 같이, λ/2 파장판(59)을 삽입하여 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM 모드로 변환하는 방식은 λ/2 파장판(59)이 외부 공진기내에 있기 때문에 λ/2 파장판(59)의 투과손실에 의해 반도체 레이저 광원의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효율의 저하를 초래한다고 하는 문제가 있다.
반도체 레이저의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효율의 저하는 반도체 레이저의 동작전류가 증가하는 원인이 되므로 바람직하지 않다.
[발명의 개요]
상기에 감안하여 본 발명은 반도체 레이저의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효과의 저하를 초래하지 않고, 단파장의 제2고조파광을 얻을 수 있는 파장변환 도파로형 레이저 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반도체 레이저 광원으로서 TM 모드로 발진하고 또한 편광방향이 파장변환 도파로의 TM 모드 방향과 일치하는 반도체 레이저를 사용하는 것이다.
본 발명의 제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치는, 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하고 또한 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드 방향과 일치하도록 배치된 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기를 구비하고 있다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 의하면, 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM 모드로 변환할 필요가 없기 때문에, 모드 변환에 수반하는 손실을 억제할 수 있으므로 반도체 레이저 광원의 동작전류를 증가시키지 않고 단파장의 제2고조파광, 예를 들면 청색의 레이저광을 얻는 것이 가능하게 된다.
상기 반도체 레이저 광원은 반도체 레이저광을 TM 모드로 자려발진하는 반도체 레이저인 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 반도체 레이저 광원으로서 자려발진하는 반도체 레이저를 사용하고 있기 때문에 불필요한 복수(輻射)의 원인으로 되는 발진기 전원을 사용하지 않아도 되므로 발진기 회로 및 불필요한 복사를 차단하기 위한 시일드 기구가 필요없게 된다. 이 때문에, 소형의 파장변환 도파로형 레이저 장치를 실현할 수 있다.
상기 외부 공진기내에 브루스터(Brewster)면의 P 편광방향이 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치된 브루스터판을 구비하고 있는 것이 바람직하다.
브루스터판은 P 편광의 반도체 레이저광에 대하여 100%의 투과율이기 때문에, 브루스터판을 외부 공진기내에 배치하여도 반도체 레이저 광원의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효율의 저하를 초래하지 않고, 반도체 레이저 광원의 동작전류는 거의 증가하지 않으므로 고효율의 단파장 레이저광을 얻을 수가 있다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서, 외부 공진기내에 배치되고, 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역(狹帶域)의 밴드패스특성을 가지는 밴드패스 필터를 구비하고 있는 것이 바람직하다. 이와같이 하면 반도체 레이저 광원에서 출사되는 반도체 레이저광의 파장을 협대역으로 조정할 수가 있다.
외부 공진기내에 밴드패스 필터를 구비하는 대신에 브루스터판 1개의 면에 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터층이 설치되어 있어도 된다. 이와 같이 하면 반도체 레이저 광원의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효율의 저하의 억제와, 반도체 레이저광의 파장조정을 1개의 디바이스에 의해 실현할 수 있으므로, 파장변환 도파로형 레이저 장치의 컴팩트화를 도모할 수가 있다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서, 반도체 레이저 광원은 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광이 상기 파장변환 도파로의 입사면에 브루스터각으로 입사하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 브루스터판을 설치하지 않고 반도체 레이저 광원의 발진임계치 전류의 증가 및 미분효율의 저하의 억제를 도모할 수가 있다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서, 집광렌즈는 평탄면이 브루스터면인 반구상의 렌즈로 되고, 또한 브루스터면의 P 편광방향이 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저의 편광방향과 일치하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 집광렌즈가 브루스터판의 기능을 가지고 있으므로 브루스터판을 설치하지 않고, 반도체 레이저 광원의 발진 임계치 전류의 증가 및 미분효율 저하의 억제를 도모할 수가 있다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서, 집광렌즈는 평탄면이 브루스터면인 제1의 반구렌즈와 상기 제1의 반구렌즈의 평탄면과 대향하는 평탄면을 가지는 제2의 반구렌즈로 되는 구(球)렌즈이고, 브루스터면의 P 편광방향이 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치되어 있고, 제2의 반구렌즈의 평탄면에는 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 집광렌즈가 브루스터판 및 밴드패스 필터의 기능을 가지고 있으므로 파장변환 도파로가 컴팩트하게 된다. 또 집광렌즈가 구렌즈이고, 상기 구렌즈를 반도체 레이저광의 광축에 대하여 회전하여도 초점위치가 어긋나지 않기 때문에, 반도체 레이저광을 파장변환 도파로에 집광한 상태로 브루스터면의 P 편광방향을 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치시키는 작업 및 반도체 레이저광의 파장조정작업을 행할 수가 있으므로 이들의 작업이 용이하게 된다.
제1의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서, 반도체 레이저 광원은 실굴절률 도파 구조의 활성층을 가지는 반도체 레이저, 활성층에 변형을 제공한 반도체 레이저, 외부에서 TM 모드와 평행한 편광방향에서 발진하는 반도체 레이저광의 입사를 받는 것에 의해 TM 모드로 발진하는 반도체 레이저광을 출사하는 반도체 레이저, 또는 DFB 반도체 레이저인 것이 바람직하다. 이와 같이 하면, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하는 반도체 레이저 광원을 확실하게 실현할 수 있다.
본 발명에 관한 제2의 파장변환 도파로형 레이저 장치는 반도체 레이저광을 제2고조파광에 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드방향과 일치하도록 배치된 면 발광 반도체 레이저로 되는 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기를 구비하고 있다.
제2의 파장변환 도파로형 레이저 장치에 의하면, 반도체 레이저광을 TE 모드에서 TM 모드로 변환할 필요가 없기 때문에, 모드변환에 수반하는 손실을 억제할 수 있다. 반도체 레이저 광원의 동작전류를 증가시키지 않고 단파장의 제2고조파광, 예를 들면, 청색의 레이저광을 얻는 것이 가능하게 된다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
제1도는 본 발명의 제1실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 표시하고 있고, 제1도에 있어서, 10은 발진파장 860㎚의 실굴절귤 도파구조의 활성층을 가지고 TM 모드로 발진하는 반도체 레이저광을 출사면에서 출사하는 반도체 레이저 광원으로서의 반도체 레이저, 11은 반도체 레이저(10)에서 출사된 반도체 레이저광을 평행광으로 하는 제1의 콜리메이터 렌즈, 12는 브루스터면의 P 편광방향이 반도체 레이저(10)에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치된 두께 0.5밀리의 BK7 유리로 되는 브루스터판, 13은 브루스터판(12)을 투과한 반도체 레이저광을 파장변환 도파로(14)의 입사면에 집광하는 포커스 렌즈이다. 파장변환 도파로(14)는 LiTaO3기판(15)상에 형성되어 있고, 또, 파장변환 도파로(14)에는 파장 860㎚의 반도체 레이저광을 파장 460㎚의 제2고조파광으로 변환하기 위한 분극 반전영역(16)이 형성되어 있다. 또, 제1도에 있어서, 17은 파장변환 도파로(14)의 출사면에서 출사된 반도체 레이저광을 평행광으로 하는 제2의 콜리메이터 렌즈, 18은 반도체 레이저광을 회절격자(19)에 반사하는 동시에 제2고조파광을 출력하는 출력 미러이다.
회절격자(19)가 반도체 레이저광의 파장을 조정하는 기구, 반도체 레이저(10)의 출사면 및 출력 미러(18)에 의해 외부 공진기를 구성하기 때문에 반도체 레이저(10)의 출사면에 반도체 레이저광에 대하여 무반사의 코팅이 시행되고 있는 것 및 출력 미러(18)에 반도체 레이저광에 대하여 고반사로 제2고조파광에 대하여 무반사 코팅이 시행되고 있는 것에 대해서는 종래와 동일하다.
일반적으로, 반도체 레이저에 있어서는 TE 모드의 이득은 TM 모드의 이득보다도 충분히 높기 때문에 TE 모드로 발진한다. 그런데, 활성층의 전류밀도가 높은 상태나 활성층에 왜곡이 생긴 상태에서는 TM 모드의 이득이 높게 되므로, TE 모드와 함께 TM 모드도 발진할 수가 있다. 이 때문에, TE 모드에 손실을 가하면 TM 모드만을 발진시킬 수가 있다.
그러므로 제1실시예에 있어서는 외부 공진기내에 브루스터판(12)을 배치하고, 반도체 레이저(10)에서 발진하는 반도체 레이저광의 TE 모드에 손실을 주는 것에 의해, TM 모드발진을 실현하고 있다. 브루스터판(12)은 반도체 레이저광의 입사각이 브루스터각(BK7 유리의 경우, 대략 56°이다)으로 되도록 배치되어 있고, 이것에 의해 브루스터판(12)의 P 편광방향은 반도체 레이저(10)에서 출사되는 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하고 있다.
또 상기 제1실시예에 있어 브루스터판(12)을 설치하지 않고 반도체 레이저(10)를 상기 반도체 레이저(10)에서 출사된 반도체 레이저광이 파장변환 도파로(14)의 입사면에 브루스터각으로 입사하도록 배치하여도 된다.
반도체 레이저(10)는 그 출사면에서 발진하는 TM 모드의 반도체 레이저광의 편광방향이 파장변환 도파로(14)의 TM 모드 방향과 일치하도록 배치되어 있다.
제2도는 본 발명의 제2실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 표시하고 있다. 제2실시예에 있어서는 제1실시예와 같은 구성요소에 대해서는 제1실시예와 같은 부호를 붙이는 것으로 설명은 생략한다.
제2실시예의 특징으로서, 반도체 레이저광의 파장을 조성하기 위하여, 제1실시예에 있어 회절격자(19)에 대신하여 브루스터판(12)과 포커스 렌즈(13) 사이에 파장 860㎚이 반도체 레이저광에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터(20)가 배치되어 있다. 밴드패스 필터(20)는 BK7 유리의 일면에 반도체 레이저광의 파장(대략 860㎚)에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가질 수 있는 유전체 다층막이 형성되어, 상기 BK7 유리의 다른 면에 무반사의 코팅이 시행되는 것에 의해 제작되어 있다. 반도체 레이저광의 파장 조정은 반도체 레이저광이 밴드패스 필터(20)에 입사하는 각도를 조정하는 것에 의해 행한다.
제2실시예에 있어서는, 반도체 레이저(10)와 출력 미러(18)에 의하여 외부 공진기를 구성하기 때문에 반도체 레이저(10)의 출사면에 반도체 레이저광에 대하여 무반사의 코팅이 시행되어 있는 동시에, 출력 미러(18)에 반도체 레이저광에 대하여 고반사로 제2고조파광에 대하여 무반사 코팅층이 형성되어 있다.
제3도는 본 발명의 제3실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 표시하고 있다. 제3실시예에 있어서는, 제1실시예 또는 제2실시예와 같은 구성요소에 대해서는 제1실시예 또는 제2실시예와 같으 부호를 붙이고 설명은 생략한다.
제3실시예의 특징으로서, 제2실시예의 기능을 손상시키지 않고도 광학계를 간소화하고 소형화를 도모하기 위해 브루스터판(12)에서 LiTaO3기판(15)측의 면에 밴드패스 필터층(21)이 설치되어 있다. 즉, 브루스터판(12)에 있어 반도체 레이저(10)측의 면은 기초이고, LiTaO3기판(15)측의 면에는 반도체 레이저광의 파장(대략 860㎚)에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가질 수 있는 유전체 다층막이 형성되어 있다. 제6도에 도시하는 바와 같이 브루스터판(12)의 투과특성은 브루스터각의 근방에서는 P 편광에 대한 투과율이 대략 100%에 가까운 특성을 표시하는 한편, S 편광에 대해서는 10 수 퍼센트의 손실을 주는 특성을 표시하고 있다. 따라서, 브루스터각 근방에 있어서는 반도체 레이저광의 입사각을 적게 바꾸는 것에 의해, 브루스터판(12)의 기능을 손상하지 않고 최적한 밴드패스 특성을 얻을 수가 있으므로 1개의 디바이스에 의해 P 편광에 대하여 대략 100%의 투과율을 확보하면서 반도체 레이저광의 파장조정을 행할 수가 있다.
제3실시예에 있어서는, 반도체 레이저(10)와 파장변환 도파로(14)의 출사면(15a)에 의해 외부 공진기를 구성하기 위해 반도체 레이저(10)의 출사면에 반도체 레이저광에 대하여 무반사 코팅이 시행되고 있는 동시에, 파장변환 도파로(14)의 출사면(15a)에 반도체 레이저광에 대하여 고반사로 제2고조파광에 대하여 무반사 코팅이 시행되고 있다.
제4도는 본 발명의 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 표시하고 있다. 제4실시예에 있어서도, 제1실시예 또는 제2실시예와 같은 구성요소에 대해서는 제1실시예 또는 제2실시예와 같은 부호를 붙이는 것으로 설명은 생략한다.
제4실시예의 특징으로서, 제2실시예의 기능을 손상시키지 않고도 광학계를 보다 간소화하여 파장변환 도파로형 레이저 장치의 한층 더 컴팩트화를 도모하기 위해 제2실시예에 있어 제1의 콜리메이터 렌즈(11), 브루스터판(12), 투과필터(20) 및 포커스 렌즈(13)의 기능을 함께 갖는 구상(球狀)의 마이크로렌즈(22)를 설치하고 있다.
제5도는 구상의 마이크로렌즈(22)의 분해구조를 표시하고 있고, 상기 마이크로렌즈(22)는 직경 5㎜의 BK7 유리로 되는 제1의 반구렌즈(22a)와 제2의 반구렌즈(22b)가 두께 약 0.1㎜의 링 형상의 스페이서(22c)를 통하여 일체화되고 있다. 또한 마이크로렌즈(22)는 제1 및 제2의 반구렌즈(22a,22b)와 스페이서(22c)에 의해 진구상(眞球狀)으로 형성되어 있다. 제1의 반구렌즈(22a)의 평탄면은 BK7 유리의 기초상태로 되는 브루스터면이고, 제2의 반구렌즈(22b)의 평탄면에는 반도체 레이저광의 파장(대략 860㎚)에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 유전체 다층막이 코팅되어 있다. 마이크로렌즈(22)는 제1의 반구렌즈(22a)의 평탄면(브루스터면)의 P 편광방향이 반도체 레이저 광원(10)에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치되어 있다.
반도체 레이저(10)에서 출사된 반도체 레이저광을 파장변환 도파로(14)에 집광하기 위해 마이크로렌즈(22)는 제1의 반구렌즈(22a)의 평탄면 및 제2의 반구렌즈(22b)의 평탄면이 함께 상기 반도체 레이저광에 대하여 브루스터각으로 될 수 있는 위치에 배치되어 있다. 또, 상기 반도체 레이저광의 파장조정은 마이크로렌즈(22)를 회전하는 것에 의해 행한다. 제4실시예에 있어서는, 전구상의 마이크로렌즈(22)가 사용되고 있기 때문에 상기 마이크로렌즈(22)를 상기 반도체 레이저광의 광축에 대하여 회전하여도 마이크로렌즈(22)의 초점위치 변위는 생기지 않는다. 이 때문에 반도체 레이저(10)에서 출사된 반도체 레이저광을 파장변환 도파로(14)의 입사면에 집광한 상태에서 파장조정을 할 수가 있다.
제7도는 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치 및 종래의 파장변환 도파로형 레이저 장치의 입출력 특성을 표시하고 있다. 제4실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치에 의하면, 동작전류가 100㎃일 때에 3.5㎽의 청색 레이저광을 얻을 수 있었다.
또한 상기 제1∼제4실시예에 있어서는, 파장변환 도파로(14)를 형성하는 기판으로서 LiTaO3기판(15)을 사용하였으나, 이것에 대신하여 LiNbO3기판이나 KTP 기판 등의 다른 비선형 광학결정으로 되는 기판을 사용하여도 된다.
상기 제1∼제4의 실시예에 있어서는 펄스전원에 의해 구동되는 반도체 레이저(10)를 사용하였으나, 이하 설명하는 제5∼제7의 실시예에 있어서는 DC 전원에 의해 구동되어 펄스발진(자려발진)하는 반도체 레이저를 사용하고 있다.
일반적으로, 제2고조파광으로의 변환효율은 기본파의 파워밀도에 비례하기 때문에 기본파, 즉 반도체 레이저광의 출력이 클수록 높은 변환효율을 얻을 수 있다. 반도체 레이저에 있어서는, CW(continuous wave) 구동보다도 펄스 구동쪽이 고출력을 얻게 된다. 따라서, 펄스의 반복 주파수가 충분히 높으면(수백 ㎒ 이상), 제2고조파광의 평균출력으로서는 CW 구동의 반도체 레이저를 사용하는 것보다도 펄스구동의 반도체 레이저를 사용하는 쪽이 높은 출력을 얻을 수가 있다.
그런데 반도체 레이저에서 높은 출력의 반도체 레이저광을 얻기 위해서는 큰 진폭의 전류에 의해 반도체 레이저를 구동할 필요가 있다. 그러나 높은 주파수이면서 큰 진폭의 전류에 의해 반도체 레이저를 구동하는 발진기 전원은 필요없는 복사가 크므로 필요없는 복사를 차단하지 않으면 안된다. 그러나 한정된 공간에 있어서 필요없는 복사에 대하여 충분한 시일드 효과를 가지게 하는 것은 일반용의 기기에 있어서는 매우 곤란하다.
그러므로 이하 제5∼제7의 실시예에 있어서는 반도체 레이저 광원으로서 발진기 전원에 의해 펄스 구동되는 반도체 레이저에 대신하여 DC 전원에 의해 구동되어 펄스발진(자려발진)하는 반도체 레이저를 사용한다.
제8도는 본 발명의 제5실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 표시하고 있다. 제5실시예에 있어서는, 제1실시예 또는 제2실시예와 같은 구성요소에 대해서는 제1실시예 또는 제2실시예와 같은 부호를 붙이는 것에 의해 설명은 생략한다.
제5실시예의 특징으로서, 반도체 레이저 광원으로서 자려발진하는 반도체 레이저(30)를 사용하고 있다. 이것에 의해, 반도체 레이저를 펄스 구동하기 위한 발진기 전원을 사용하지 않아도 되기 때문에 상기 불필요한 복사의 문제를 해결할 수 있다. 게다가, 발진기 회로가 필요없게 되므로 소형의 파장변환 도파로형 레이저 장치를 실현할 수가 있다.
CD 플레이어 등의 광원으로서 사용되고 있는 이득 도파 구조를 가지는 자려발진형 반도체 레이저는 일반적으로 평균 출력이 대략 5㎽(펄스 피크 출력은 20㎽ 정도이다) 이하에서는 자려발진 상태에 있으나, 평균출력이 대략 5㎽ 이상으로 되면 자려발진하지 않게 된다. 그런데 본 실시예에 있어서는 실굴절률 도파로 구조를 가지는 반도체 레이저(30)를 사용하고 있으므로 평균출력이 수백 ㎽(펄스피크 출력은 1W 정도이다)로 될 때까지 자려발진이 계속한다. 상기한 바와 같이, 제2고조파광에의 변환효율은 기본파의 파워밀도에 비례하기 때문에 파장변환 도파로형 레이저 장치의 광원으로서는 고펄스 출력을 얻게 되는 실굴절률 도파로 구조를 가지는 반도체 레이저가 적합하다. 본 실시예에 있어 반도체 레이저(30)는 발진파장 860㎚의 실굴절률 도파구조의 활성층을 가지고 있다.
제11도는 자려발진하는 반도체 레이저(30)의 광출력 파형을 표시하고 있고, 피크 펄스 출력은 1W(평균출력은 100㎽이다), 펄스 주파수는 2㎓이다.
제5실시예에 있어서는 파장변환 도파로(31)는 KTP 기판(32)의 Ka 이온이 주기적으로 Rb 이온에 의해 치환되는 것에 의해 형성되어 있다. 또 KTP 기판(32)에 있어서는 Ka→Rb의 이온교환이 행하여지게 되지만, LiNbO3기판 또는 LiTaO3기판에 있어서는 Li→H의 이온교환이 행하여진다. 기판면에 대하여 평행한 x축 또는 y축 방향보다 기판면에 대하여 수직인 z축 방향으로 이온을 신속히 확산시키기 때문에 파장변환 도파로(31)는 KTP 기판(31)의 z면 상에 형성한다. KTP 기판(31)의 결정은 정의 복굴절성을 가지고 있기 때문에 z축 방향의 굴절률은 x축 방향 또는 y축 방향의 굴절률보다도 높게 된다. 또, KTP 기판(31)의 결정은 z축에 관계하는 비선형 광학정수가 높다.
제5실시예에 있어서는, 반도체 레이저(30)와 파장변환 도파로(31)에 의해 외부 공진기를 구성하기 위해 반도체 레이저(30)의 출사면에 반도체 레이저광에 대하여 무반사의 코팅이 시행되고 파장변환 도파로(31)의 입사면(31a)에 반도체 레이저광에 대하여 고반사로 제2고조파광에 대하여 무반사의 코팅이 시행되고 있다.
제2실시예와 동일, 반도체 레이저(30)는 그 출사면에서 발진하는 TM 모드의 반도체 레이저광의 편광방향이 파장변환 도파로(31)의 TM 모드 방향과 일치하도록 배치되어 있다.
또 브루스터판(12)은 반도체 레이저광의 입사각이 브루스터각으로 되도록 배치되어 있고, 이것에 의해 브루스터판(12)의 P 편광방향은 반도체 레이저(30)에서 출사되는 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하고 있다.
자려발진하는 반도체 레이저(30)의 발진상태는 다수 종(從)모드이나, 제5실시예와 같이 외부 공진기내에 협대역의 밴드패스 필터(20)를 설치하면 반도체 레이저(30)는 밴드패스 필터(20)에 의해 선택된 파장으로 단일 종모드 발진한다.
제12도는 제5실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 입출력 특성(○표시)을 하고 있다. 횡축은 파장변환 도파로(31)로의 입력 Pω로서의 반도체 레이저(30)의 평균출력을 표시하고, 종축은 파장변환 도파로에서의 제2고조파광의 평균출력 P2ω를 표시한다. 제12도에 있어서는 비교를 위하여 CW 발진하는 반도체 레이저를 광원으로서 사용한 경우의 입출력 특성(●표시)도 표시하고 있다.
자려발진하지 않는 반도체 레이저를 광원으로서 사용한 경우에는 반도체 레이저의 출력이 100㎽일 때의 파장변환 도파로(31)에서의 제2고조파광의 출력은 5㎽이다. 한편, 제5실시예와 같이 자려발진하는 반도체 레이저를 광원으로서 사용한 경우에는 반도체 레이저의 평균출력이 100㎽일 때의 파장변환 도파로(31)에서의 제2고조파광의 출력은 50㎽이다. 자려발진하는 반도체 레이저를 파장변환 도파로형 레이저 장치의 광원으로 사용하는 것에 의해 10배의 변환효율을 얻게 되는 것을 알게 된다.
또한 광원으로 되는 반도체 레이저가 자려발진하고 있으면 제2고조파광도 반도체 레이저의 자려발진 주파수와 같은 주파수(수 ㎓)로 변조된다. 그러나 본 실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치를 광디스크 장치의 광원으로 사용하는 경우 제2고조파광의 주파수는 광디스크 장치의 신호주파수(수십 ㎒)보다 충분히 높으므로 영향은 없다.
광디스크 장치 등의 광원으로서 파장변환 도파로형 레이저 장치를 사용하기 위해서는 소형이 아니면 안된다.
제9도는 제5실시예의 기능을 손상시키지 않고도 광학계를 간소화하여 소형화를 도모한 제6실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시하고 있다. 제6실시예는 제3실시예와 제5실시예를 합한 구조이므로 제3실시예 또는 제5실시예와 같은 구성요소에 대해서는 같은 부호를 붙이는 것으로 설명은 생략한다.
제10도는 제5실시예의 기능을 손상시키지 않고도 광학계를 더욱 간소화하여 한층 더 소형화를 도모한 제7실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치의 구성을 도시하고 있다.
제7실시예에 있어서는, 제5실시예에 있어 제1의 콜리메이터 렌즈(11), 브루스터판(12), 밴드패스 필터(20) 및 포커스 렌즈(13)의 기능을 합하여 가진 직경 5㎜의 구상 마이크로렌즈(33)를 설치하고 있다. 제7실시예에 있어 구상의 마이크로렌즈(32)가 제4실시예에 있어 구상의 마이크로렌즈(22)와 다른 것은 스페이서(22c)가 설치되어 있지 않는 점과, 제1의 반구렌즈(33a) 및 제2의 반구렌즈(33b)만에 의해 진구상으로 형성되어 있는 점이다. 제7실시예의 마이크로렌즈(33)에 있어서도, 제4실시예의 마이크로렌즈(22)와 마찬가지로, 제1의 반구렌즈(33a)의 평탄면은 BK7 유리의 기초상태로 되는 브루스터면이고, 제2의 반구렌즈(33b)의 평탄면에는 반도체 레이저광의 파장(대략 86㎚)에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 유전체 다층막이 코팅되어 있다.
제6실시예 및 제7실시예에 관한 파장변환 도파로형 레이저 장치에 있어서도, 제5실시예의 파장변환 도파로형 레이저 장치와 동등한 성능을 얻게 된다.
또한 상기 각 실시예에 있어서는, 브루스터판(12), 밴드패스 필터(20) 및 마이크로렌즈(22,33)의 재료로서는 BK7 유리를 사용하였으나, 이것에 대신하여 다른 광학유리, 광학수지 또는 유기재료를 사용하여도 같은 효과를 얻을 수가 있다.
또 상기 각 실시예에 있어서는 반도체 레이저(10,30)로서, 실굴절률 도파구조의 활성층을 가지는 반도체 레이저를 사용하였으나, 이 실굴절률 도파구조의 반도체 레이저(10,30)에 있어서는 전류 협착층에 반도체 레이저광에 대하여 투명으로 되는 재료를 사용하여 광의 저손실화를 도모하기 위해 TE 모드와 TM 모드의 이득차가 작으므로 TM 모드 발진을 얻게 된다.
실굴절률 도파구조의 활성층을 가지는 반도체 레이저(10,30)에 대신하여 활성층에 변형을 준 반도체 레이저, 외부에서 TM 모드의 레이저광이 주입된 반도체 레이저 또는 DFB(Distributed Feedback:분포귀환)형 반도체 레이저를 사용하여도 된다.
활성층에 변형을 준 반도체 레이저는 활성층에 변형을 주어서 밴드 구조를 바꾸는 것에 의해 TM 모드의 이득을 높게 하고, 이것에 의해 TM 모드발진을 얻게 된다.
외부에서 TM 모드의 레이저광이 주입되는 반도체 레이저에 의하면, TM 모드의 이득이 높게 되므로 TM 모드 발진을 얻게 된다.
DEF 반도체 레이저는 TM 모드에 귀환이 행하여지도록 설계된 격자에 의해 TM 모드의 이득을 높게 하고, 이것에 의해 TM 모드 발진을 얻게 된다.
또 제1∼제4실시예에 있어서, 반도체 레이저(10)로서 면발광 반도체 레이저를 사용하여도 된다. 이 경우에는 상기 면발광 반도체 레이저에서 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 파장변환 도파로(14)의 TM 모드 방향과 일치하도록 배치한다.
Claims (6)
- 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하고 또한 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드방향과 일치하도록 배치된 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기와, 상기 외부 공진기 내에 브루스터면의 P 편광방향이 상기 반도체 레이저 광원으로부터 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치된 브루스터판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 외부 공진기내에 배치되고, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터를 추가로 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 브루스터판의 1개면에 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역의 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
- 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하고 또한 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드 방향과 일치하도록 배치된 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기를 구비하고, 상기 반도체 레이저 광원은 상기 반도체 레이저 광원으로부터 출사된 반도체 레이저광이 상기 파장변환 도파로의 입사면에 브루스터각으로 입사하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
- 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하고 또한 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드방향과 일치하도록 배치된 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기를 구비하고, 상기 집광렌즈는 평탄면이 브루스터면인 반구 형상의 렌즈로 되고, 상기 브루스터면의 P 편광방향이 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일차하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
- 반도체 레이저광을 제2고조파광으로 변환하면서 전파하는 파장변환 도파로와, 출사면에서 반도체 레이저광을 TM 모드로 발진하고 또한 발진하는 반도체 레이저광의 편광방향이 상기 파장변환 도파로의 TM 모드방향과 일치하도록 배치된 반도체 레이저 광원과, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 상기 파장변환 도파로의 입사면에 집광하는 집광렌즈와, 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광을 공진하는 외부 공진기를 구비하고, 상기 집광렌즈는 평탄면이 브루스터면인 제1의 반구렌즈와 상기 제1의 반구렌즈의 평탄면과 대향하는 평탄면을 가지는 제2의 반구렌즈로 되고 구렌즈로 되고, 상기 브루스터면의 P 편광방향이 상기 반도체 레이저 광원에서 출사된 반도체 레이저광의 편광방향과 일치하도록 배치되고, 상기 제2의 반구렌즈의 평탄면에는 상기 반도체 레이저 광원으로부터 출사된 반도체 레이저광의 파장에 대하여 협대역인 밴드패스 특성을 가지는 밴드패스 필터층이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 파장변환 도파로형 레이저 장치.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20041025 Year of fee payment: 7 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |