JP2014187138A - Laser light source device - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子上に搭載された複数の発光部から放射される基本光を効率的に活用してレーザ光を取り出すことで、取り出し効率を高めたレーザ光源装置を実現する。
【解決手段】 レーザ光源装置1は、基本光を放射する複数の発光部2を備える半導体素子11と、基本光の所定波長帯を選択して第1光を取り出す波長選択素子3と、第1光の一部を波長変換して第2光を取り出す波長変換素子95を備える。波長選択素子3は、複数の発光部のうちの第1発光部から放射された基本光が通過する第1選択領域において選択可能な所定波長帯が、他の発光部の発光時に生じる熱に起因した温度上昇が第1発光部よりも高い第2発光部から放射された基本光が通過する第2選択領域において選択可能な前記所定波長帯よりも短波長となる構成である。
【選択図】 図8A laser light source device is provided that has high extraction efficiency by efficiently using basic light emitted from a plurality of light emitting units mounted on a semiconductor element to extract laser light.
A laser light source device includes a semiconductor element including a plurality of light emitting units that emit basic light, a wavelength selection element that extracts a first light by selecting a predetermined wavelength band of the basic light, and a first light source. A wavelength conversion element 95 is provided that converts the wavelength of part of the light and extracts the second light. The wavelength selection element 3 has a predetermined wavelength band that can be selected in the first selection region through which the basic light emitted from the first light emitting unit among the plurality of light emitting units passes, due to heat generated when the other light emitting units emit light. The temperature rise is shorter than the predetermined wavelength band that can be selected in the second selection region through which the basic light emitted from the second light emitting unit is higher than the first light emitting unit.
[Selection] Figure 8
Description
本発明は外部共振型のレーザ光源装置に関する。より詳細には、本発明は、非線形光学結晶を用いた外部共振型の半導体レーザ光源装置に関する。 The present invention relates to an external resonance type laser light source device. More particularly, the present invention relates to an external resonance type semiconductor laser light source device using a nonlinear optical crystal.
従来、面発光型の半導体レーザに外部共振器を設け、当該半導体レーザと当該外部共振器との間に非線形光学結晶で形成された波長変換素子を配置した波長変換型レーザ光源装置が知られている。この外部共振器としては波長選択性反射鏡が用いられ、波長変換素子としては分極反転型ニオブ酸リチウム(PPLN:Periodically Poled Lithium Niobate)などの光学結晶を用いる技術が知られている(下記特許文献1参照)。また、外部共振器に用いる反射鏡に変わり体積ブラッググレーティング(VBG:Volume Bragg Grating)を用いる技術も知られている(下記特許文献2参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a wavelength conversion type laser light source device in which an external resonator is provided in a surface emitting semiconductor laser, and a wavelength conversion element formed of a nonlinear optical crystal is disposed between the semiconductor laser and the external resonator. Yes. A wavelength-selective reflecting mirror is used as the external resonator, and a technique using an optical crystal such as a polarization-inverted lithium niobate (PPLN) as a wavelength conversion element is known (the following patent document). 1). A technique using a volume Bragg grating (VBG) instead of a reflector used for an external resonator is also known (see
レーザ光源装置を形成するに当たっては、目標となる波長成分がピーク値近傍となるように発光部を設計し、更にこのピーク値を含む狭い波長帯を選択することで、狭い波長分布を示す放射光をレーザ光として生成する。また、必要に応じて、選択された狭い波長帯の光に対して波長変換を施すことで、所望の波長を有する放射光をレーザ光として生成する。 In forming the laser light source device, the light emitting part is designed so that the target wavelength component is in the vicinity of the peak value, and further, the narrow wavelength band including this peak value is selected, and thus the emitted light showing a narrow wavelength distribution Is generated as a laser beam. In addition, if necessary, wavelength conversion is performed on light of a selected narrow wavelength band to generate radiated light having a desired wavelength as laser light.
つまり、レーザ光源装置においては、各発光部から放射される、波長分布を有した光(以下、適宜「基本光」と呼ぶ。)から、波長選択素子において効率的に所望の波長を選択することが重要となる。 That is, in a laser light source device, a wavelength selection element efficiently selects a desired wavelength from light having a wavelength distribution (hereinafter, referred to as “fundamental light” as appropriate) emitted from each light emitting unit. Is important.
本発明者は、鋭意研究により、従来のレーザ光源装置の構成では発光部からの放射される光を完全に有効には活用できていないという課題を見出した。以下では、この内容につき、従来のレーザ光源装置の構成を説明しつつ、明らかにする。 The present inventor has found that the light emitted from the light emitting unit cannot be used completely effectively in the configuration of the conventional laser light source device through intensive research. Hereinafter, this content will be clarified while explaining the configuration of the conventional laser light source device.
図1は、特許文献2に開示されている従来のレーザ光源装置の構成を模式的に示したものである。従来のレーザ光源装置90は、発光部を備える半導体素子11、波長選択素子としての体積ブラッググレーティング(VBG)93及び波長変換素子としての周期的分極反転型ニオブ酸リチウム(PPLN)95を含む。
FIG. 1 schematically shows a configuration of a conventional laser light source device disclosed in
図2に示すように、半導体素子11上には複数の発光部2がアレイ状に配列されている。図2では、半導体素子11上に複数の発光部2が一列に配置された構成が図示されている。この図では、24個の発光部2が配置された例を図示している。これらの発光部2から基本光が放射される。なお、半導体素子11は、発光部2から生じる熱を放熱するためのヒートシンク17上に当接されている。
As shown in FIG. 2, a plurality of
各発光部2から放射される基本光は、所定の波長分布を有する光である。VBG93は、この光から特定の波長帯を選択するために設けられている。また、PPLN95は、入射される光のうち、特定の波長帯の光の一部に対して波長変換を施して出射する機能を有する。
The basic light emitted from each
半導体素子11上に搭載された各発光部2は、基本光を放射する。この基本光は、特定の波長帯の成分のみを有する光ではなく、一定の波長分布を有する光である。この基本光がVBG93を通過すると、所定の波長帯の光のみが選択的に反射される。以下、波長選択素子としてのVBG93によって選択された光を「第1光」と呼ぶ。なお、このVBG93は、後述する第2光の波長帯の光は透過する機能を有している。
Each
VBG93から反射された第1光は、PPLN95内を通過する。PPLN95は、上述したように、特定の波長帯の光の一部に対して波長変換を施して出射する構成である。ここでは、PPLN95は、第1光が有する波長成分の光の一部の波長を変換して、別の異なる波長の光を生成する。以下、PPLN95によって変換された変換後の波長を有する光を「第2光」と呼ぶ。
The first light reflected from the VBG 93 passes through the PPLN 95. As described above, the
なお、第1光の波長帯がPPLN95による波長変換可能な波長帯内である場合であっても、入射される全ての第1光が一度に第2光に変換されるわけではなく、一部は変換されないままPPLN95を通過する。このため、PPLN95からは、半導体素子11に向かって、PPLN95によって生成された第2光と、PPLN95で波長変換されなかった第1光が出射する。
Even when the wavelength band of the first light is within the wavelength band that can be converted by the
PPLN95と半導体素子11の間には、反射部材25及び27が設けられている。これらの反射部材25及び27は、第2光が有する波長帯の光を反射し、少なくとも第1光が有する波長帯の光を透過するような構成である。このため、PPLN95から半導体素子11に向かって出射された第2光は、反射部材25及び27で反射されることで光の向きが変えられた後、装置90の外部へと出射される(第2光40)。
Reflecting
一方、PPLN95によって波長変換されずにそのまま透過した第1光は、反射部材25を透過して半導体素子11内に進入する。半導体素子11には、反射部材(内部ミラー)が設けられており(不図示)、入射された第1光は、PPLN95の方向に向かって反射する。
On the other hand, the first light that has passed through the
半導体素子11側から入射された第1光は、前述したのと同様、PPLN95内を通過する際に、一部が波長変換されて第2光になる。この第2光は、VBG93に達する。上述したように、VBG93は、第2光が有する波長帯の光を透過する構成のため、入射された第2光はそのまま透過して装置90の外部へと出射される(第2光50)。一方、波長変換されなかった第1光は、再びVBG93で反射されてPPLN95に向かう。
As described above, when the first light incident from the
つまり、レーザ光源装置90は、半導体素子11内に形成された内部ミラーとVBG93の間で外部共振器が形成されており、第1光はこの両者間で反射が繰り返される。そして、この反射が繰り返されている間に、PPLN95を通過した第1光が次々と第2光へと波長変換されて、VBG93又は反射部材27から装置90の外部へと取り出される。
That is, in the laser
すなわち、レーザ光源装置90は、複数の発光部2から放射された基本光から、VBG93によって選択された第1の波長帯を有する第1光を選択し、この第1光から、PPLN95によって波長変換されて第2の波長帯を有する第2光を生成して、この第2光を、目的とするレーザ光として外部に出射する構成である。一例として、第1光をピーク波長が1065nm程度の赤外光とし、第2光をピーク波長が532.5nm程度の緑色可視光とすることができる。
That is, the laser
図3は、基本光の波長分布41、VBG93によって波長選択可能な波長分布42(以下、「選択波長分布」と呼ぶ。)、及びPPLN95によって波長変換可能な波長分布43(以下、「変換波長分布」と呼ぶ。)を重ねて図示したものである。
FIG. 3 shows a
図3によれば、基本光は約1065nmをピーク波長として、広い波長分布を示している。上述したように、この基本光から所望のレーザ光を生成するためには、まずVBG93によって所定の波長帯の光を選択する必要がある。VBG93の選択波長分布42は、図3に示すように急峻な曲線を描く。図3に示す選択波長分布42は、選択可能な波長帯のピークを約1065nmとしているため、VBG93によって基本光から約1065nmの波長の第1光を選択することができる。
According to FIG. 3, the fundamental light has a wide wavelength distribution with a peak wavelength of about 1065 nm. As described above, in order to generate desired laser light from this basic light, it is necessary to first select light in a predetermined wavelength band by the VBG 93. The
更に、VBG93によって選択された第1光から、PPLN95によって所望の波長の第2光に変換する必要がある。図3では、広帯域のPPLN95を用いた場合の変換波長分布43が示されている。図3に示す変換波長分布43は、変換可能な波長帯のピークを約1065nmとしているため、PPLN95によってピーク波長が約1065nmの第1光に対して波長変換が施される。
Furthermore, it is necessary to convert the first light selected by the
つまり、発光部2から放射される基本光から所望の波長のレーザ光を生成するためには、基本光の波長分布41、選択波長分布42、及び変換波長分布43が相互に重なり合う必要がある。この重なり合う面積が広いほど、基本光からレーザ光を高効率で生成できることになる。現実的には、基本光の波長分布41、選択波長分布42、及び変換波長分布43の各ピーク波長の位置を合わせることで、最も効率的にレーザ光を取り出すことが可能となる。
That is, in order to generate laser light having a desired wavelength from the basic light emitted from the
ところで、発光部2から放射される光(基本光)の波長は、発光部2の温度が高くなるほど長波長側にシフトすることが実験的に認められている。図4は、ある発光部2に対して温度を変化させたときに放射される基本光の波長分布を示したグラフである。発光部2の温度が25℃、30℃、35℃、40℃と高温になるほど、ピーク波長及び波長帯が長波長側にシフトしていることが認められる。
By the way, it has been experimentally recognized that the wavelength of light (fundamental light) emitted from the
また、図5は、図4において、各発光部2から放射される光のピーク波長と各発光部2の温度の関係をグラフに示したものである。図5のグラフからは、発光部2の温度が上昇するほど光のピーク波長が長波長側にシフトしていることが、より明らかに見て取れる。なお、図5によれば、発光部2の温度と発光部2から放射される光のピーク波長には、ほぼ線形的な関係があることが分かる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the peak wavelength of light emitted from each
各発光部2は、発光時に通電による発熱を生じる。図2のように複数の発光部2が配列された半導体素子11において、自己の発光部2から生じた熱、並びに隣接又は周囲の発光部2から生じた熱が、各発光部2を昇温させる。本発明者は、各発光部2の配置位置に応じて、周囲の発光部2からの発熱に起因した温度上昇の程度に差異が生じていることに着目した。
Each
図6は、半導体レーザ装置90の駆動中における複数の発光部2の温度分布を示すグラフである。温度条件を同一にするために、ヒートシンク17底面を均一温度に冷却した場合において、各発光部2の温度を測定した。図2における発光部2aの位置からの距離を横軸とし、温度を縦軸としてグラフ化したものである。
FIG. 6 is a graph showing the temperature distribution of the plurality of light emitting
図6によれば、アレイ状に配置された各発光部2において、アレイの外縁に近い位置の発光部2a,2b,2w,2xは、中央部に近いその他の発光部よりも温度が低くなっていることが認められる。
According to FIG. 6, in each
アレイの中央部に近い位置に配置された発光部2は、周囲に他の発光部2を多く有する状態であるため、これらの発光部が生じる熱が伝わりやすく、温度が上昇しやすい環境下にある。他方、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部(2a,2b,2w,2xなど)は、中央部に近い位置に配置された発光部に比べて、周囲に存在する発光部2の数(密度)が少ない。よって、中央部に近い位置に配置された発光部2に比べて、温度の上昇程度が低くなっていると考えられる。
Since the
本発明者は、図4及び図6の結果から、半導体素子11に搭載された複数の発光部2から放射される基本光は、位置に応じて波長分布にバラツキがあるのではないかと推察した。
The inventor has inferred from the results of FIGS. 4 and 6 that the basic light emitted from the plurality of light emitting
図7は、複数の発光部2から放射される基本光のピーク波長の値を示すグラフである。図6と同様、発光部2aの位置からの距離を横軸とし、ピーク波長の値を縦軸としてグラフ化したものである。図7によれば、本発明者の推察通り、位置に応じて基本光の波長にバラツキが生じていることが確認される。より詳細には、アレイ状に配置された各発光部2において、アレイの外縁に近い位置の発光部2a,2b,2w,2xは、中央部に近いその他の発光部よりも短波長側にシフトしていることが認められる。
FIG. 7 is a graph showing the peak wavelength values of the basic light emitted from the plurality of light emitting
図3を参照して上述したように、発光部2から放射される基本光から所望の波長のレーザ光を効率的に取り出すためには、基本光の波長分布41、選択波長分布42、及び変換波長分布43の重なり合う面積をできるだけ広くする必要がある。
As described above with reference to FIG. 3, in order to efficiently extract laser light having a desired wavelength from the basic light emitted from the
従来のレーザ光源装置90では、VBG93として予め選択したい波長毎に設計されたものが用いられていた。例えば、各発光部2から放射された基本光から波長1065nmの光を選択したい場合には、各発光部2を、基本光のピーク波長が1065nmの波長分布となるように設計すると共に、1065nmの波長の光の選択性が高くなるように設計されたVBG93が用いられる。
In the conventional laser
しかし、上述したように、各発光部2の位置に応じて基本光の波長分布にバラツキが生じている場合、発光部2の位置によっては基本光のピーク波長が1065nmからずれた基本光が生じることになる。
However, as described above, when the wavelength distribution of the basic light varies depending on the position of each
例えば、図7の結果によれば、半導体素子11上に24個の発光部2を備えた場合において、中央部に配置された発光部2からの基本光とアレイの外縁に近い位置に配置された発光部2からの基本光には、約1nm程度のピーク波長のズレが生じている。この結果を図3に併せて鑑みれば、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部(2a,2b,2w,2xなど)から放射された基本光の波長分布は、図3に示される波長分布41よりも1nm程度短波長側にシフトされることになる。
For example, according to the result of FIG. 7, in the case where 24
この結果、選択波長分布42との重なり合う領域の面積は小さくなる。つまり、この領域の発光部2から放射された基本光から選択される第1光の強度は、アレイの中央部付近に配置された発光部2から放射された基本光から選択される第1光よりも低下する。このことは、アレイの外縁に位置する発光部2からの放射光を高効率でレーザ光に変換できていないことを示唆するものである。
As a result, the area of the overlapping area with the selected
なお、上記の例では発光部2が24個一列に配列されている場合について考察したが、この数が増加するほど、配置位置に応じて各発光部2から放射される基本光の波長分布に差異が生じることが分かる。このことは、基本光の波長分布41と選択波長分布42の重なり合う領域の面積が更に縮小化されること、すなわち、基本光から第1光を取り出す効率が更に低下することを意味するものである。
In the above example, the case where 24
ここで、位置に応じて発光部2から放射される基本光の波長分布41のピーク波長値にバラツキが生じる場合において、各発光部2から放射される基本光の波長分布41と選択波長分布42の重なり合う面積を増加させることのみを考えれば、広帯域を示す選択波長分布42となるような波長選択素子を用いる方法も考えられる。しかし、そもそもレーザ光は狭波長帯の光であることが特徴であるところ、発光部2から放射される基本光から狭帯域の波長の第1光を選択することにこそ、波長選択素子の意義が存在する。つまり、波長選択素子(ここではVBG93)の選択波長分布42を広帯域化させることで、上記の問題に対処することは現実的ではない。
Here, when there is a variation in the peak wavelength value of the
本発明者は、以上において説明したように、従来のレーザ光源装置の場合、半導体素子11に複数の発光部2を配置した構成としても、一部の発光部2から放射された基本光を有効に活用していないことを見出した。
As described above, in the case of the conventional laser light source device, the inventor effectively uses the basic light emitted from some of the
本発明は、上記の課題に鑑み、半導体素子上に搭載された複数の発光部から放射される基本光を効率的に活用してレーザ光を取り出すことで、取り出し効率を高めたレーザ光源装置を実現することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention provides a laser light source device that enhances extraction efficiency by efficiently using basic light emitted from a plurality of light emitting units mounted on a semiconductor element to extract laser light. It aims to be realized.
本発明のレーザ光源装置は、
基本光を放射する複数の発光部を備える半導体素子と、
前記基本光の所定波長帯を選択して第1光を取り出す波長選択素子と、
前記第1光の一部を波長変換して第2光を取り出す波長変換素子を備え、
前記波長選択素子は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から放射された前記基本光が通過する第1選択領域において選択可能な前記所定波長帯が、前記複数の発光部のうち、他の前記発光部の発光時に生じる熱に起因した温度上昇が前記第1発光部よりも高い第2発光部から放射された前記基本光が通過する第2選択領域において選択可能な前記所定波長帯よりも短波長となる構成であることを特徴とする。
The laser light source device of the present invention comprises:
A semiconductor element comprising a plurality of light emitting portions that emit basic light;
A wavelength selection element for selecting the predetermined wavelength band of the basic light and extracting the first light;
A wavelength conversion element for converting the wavelength of a part of the first light and extracting the second light;
The wavelength selection element is configured such that the predetermined wavelength band that can be selected in a first selection region through which the basic light emitted from the first light emitting unit of the plurality of light emitting units passes is, of the plurality of light emitting units, The predetermined wavelength band that can be selected in a second selection region through which the basic light emitted from the second light emitting unit, which has a temperature rise due to heat generated when the other light emitting units emit light, is higher than that of the first light emitting unit. It is the structure which becomes a shorter wavelength than this.
このレーザ光源装置が備える波長選択素子は、異なる領域で選択可能な波長帯を異ならせた構成である。すなわち、複数の発光部のうち、他の発光部からの発熱の影響を受けて温度が上昇しやすい箇所に配置された発光部(上記「第2発光部」)から放射された光が通過する領域(上記「第2選択領域」)においては、比較的長い波長の光が選択される構成としている。逆に、他の発光部からの発熱の影響を第2発光部ほどは受けずに、第2発光部よりは温度が上昇しにくい箇所に配置された発光部(上記「第1発光部」)から放射された光が通過する領域(上記「第1選択領域」)においては、第2選択領域よりも短い波長の光が選択される構成としている。 The wavelength selection element included in the laser light source device has a configuration in which wavelength bands that can be selected in different regions are different. That is, light emitted from a light emitting unit (the “second light emitting unit”) disposed at a location where the temperature is likely to rise due to the influence of heat generated from the other light emitting units among the plurality of light emitting units passes. In the region (the “second selection region”), light having a relatively long wavelength is selected. On the contrary, the light emitting part (the above “first light emitting part”) that is not affected as much as the second light emitting part and is less likely to rise in temperature than the second light emitting part. In the region through which the light emitted from the light passes (the “first selection region”), light having a wavelength shorter than that of the second selection region is selected.
他の発光部からの発熱の影響を受けて温度が上昇しやすい箇所に配置された発光部(第2発光部)から放射される基本光は、長波長の波長分布を示す基本光が放射される。逆に、第2発光部に比べると、他の発光部からの発熱の影響を受けにくく、温度が上昇しにくい箇所に配置された発光部(第1発光部)から放射される基本光は、第2発光部よりも短波長の波長分布を示す基本光が放射される。 The basic light emitted from the light emitting part (second light emitting part) arranged at a location where the temperature is likely to rise due to the influence of heat generated from other light emitting parts is emitted as the basic light indicating the wavelength distribution of the long wavelength. The On the other hand, compared to the second light emitting unit, the basic light emitted from the light emitting unit (first light emitting unit) that is less affected by heat generation from the other light emitting units and is difficult to rise in temperature is Basic light having a wavelength distribution shorter than that of the second light emitting unit is emitted.
上記の波長選択素子は、長波長の波長分布を示す基本光が通過する領域(上記「第2選択領域」)は、選択可能な波長帯が長波長であり、短波長の波長分布を示す基本光が通過する領域(上記「第1選択領域」)は、選択可能な波長帯が短波長となっている。よって、第1発光部から放射される基本光も、第2発光部から放射される基本光も、波長選択素子によって効率的に波長選択が行える。 In the wavelength selection element described above, in the region through which the basic light having a long wavelength distribution (the “second selection region”) passes, the selectable wavelength band is a long wavelength, and the basic wavelength distribution has a short wavelength distribution. In a region through which light passes (the “first selection region”), a selectable wavelength band has a short wavelength. Therefore, both the basic light emitted from the first light emitting unit and the basic light emitted from the second light emitting unit can be efficiently selected by the wavelength selection element.
従来のレーザ光源装置が備える波長選択素子は、入射される基本光の波長分布から一の波長帯の光を選択する構成であった。つまり、発光部の発熱に起因して各発光部に温度分布が生じることにより、各発光部から放射される基本光の波長分布にも位置に応じたバラツキが生じていることは考慮されていなかった。従って、各発光部から放射される基本光の波長分布が最も重なり合っている波長帯を選択するように、発光部と波長選択素子を設計していた。この結果、波長選択素子で選択されない波長分布の基本光を放射する発光部については、その発光部から放射された光が波長選択素子において選択されない状態であり、有効に光が活用されているとはいえなかった。 The wavelength selection element provided in the conventional laser light source device has a configuration for selecting light in one wavelength band from the wavelength distribution of incident basic light. That is, it is not taken into account that the wavelength distribution of the basic light radiated from each light emitting unit varies depending on the position due to the temperature distribution occurring in each light emitting unit due to the heat generation of the light emitting unit. It was. Therefore, the light emitting unit and the wavelength selection element are designed so as to select the wavelength band in which the wavelength distributions of the basic light emitted from each light emitting unit overlap most. As a result, with respect to the light emitting part that emits basic light having a wavelength distribution that is not selected by the wavelength selection element, the light emitted from the light emission part is not selected by the wavelength selection element, and the light is effectively utilized. I could not say.
上記の構成のように、位置に応じて発光部から放射される基本光の波長分布にバラツキがあることを前提とし、このバラツキに応じて波長選択素子の選択可能な波長帯にも分布を持たせることで、全ての発光部から放射される基本光を効率的に波長選択素子によって選択させることができる。よって、この選択された波長の光を、波長変換素子によって波長変換させて取り出すことで、取り出されるレーザ光の光量を従来よりも高めることができる。 As in the above configuration, it is assumed that there is a variation in the wavelength distribution of the basic light emitted from the light emitting unit depending on the position, and there is also a distribution in the selectable wavelength band of the wavelength selection element according to this variation. By doing so, the basic light emitted from all the light emitting units can be efficiently selected by the wavelength selection element. Therefore, by extracting the light having the selected wavelength after wavelength conversion by the wavelength conversion element, it is possible to increase the amount of the extracted laser light as compared with the conventional case.
特に、複数の発光部がアレイ状に配置されている場合、発光部の位置に応じた発熱の影響の受けやすさに差異が生じる。すなわち、アレイの中央部に近い位置に配置された発光部は、周囲に他の発光部を多く有する状態であるため、これらの発光部が生じる熱が伝わりやすく、温度が上昇しやすい環境下にある。他方、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部は、中央部に近い位置に配置された発光部に比べて、周囲に存在する発光部の数(密度)が少ない。これにより、中心に近い位置に配置された発光部に比べて、温度の上昇程度は低くなる。 In particular, when a plurality of light emitting units are arranged in an array, there is a difference in the susceptibility to heat generation depending on the position of the light emitting unit. In other words, since the light emitting section arranged near the center of the array has many other light emitting sections around it, the heat generated by these light emitting sections is easily transferred and the temperature is likely to rise. is there. On the other hand, the number of light emitting parts (density) present in the periphery of the light emitting parts arranged near the outer edge of the array is smaller than that of the light emitting parts arranged near the center part. Thereby, compared with the light emission part arrange | positioned in the position close | similar to a center, the raise degree of temperature becomes low.
つまり、波長選択素子として、アレイの外縁に近い位置に配置された第1発光部から放射される基本光が通過する第1選択領域において、選択可能な波長帯を短波長とし、第1発光部よりもアレイの中央部に近い位置に配置された第2発光部から放射される基本光が通過する第2選択領域において、選択可能な波長帯を長波長とすることで、全ての発光部から放射される基本光に対して効率的に波長選択が行える。 That is, as a wavelength selection element, a selectable wavelength band is set to a short wavelength in the first selection region through which the basic light emitted from the first light emitting unit arranged near the outer edge of the array passes, and the first light emitting unit In the second selection region through which the basic light emitted from the second light emitting unit arranged closer to the center of the array passes, the selectable wavelength band is set to a long wavelength, so that all the light emitting units The wavelength can be efficiently selected for the emitted fundamental light.
半導体素子上に複数の発光部を形成する場合、一般的にはウェハ上に半導体素子を形成し、その上に複数の発光部を形成する。このとき、なるべく一枚のウェハ上に多くの半導体素子を形成すべく、密集して半導体素子が形成される。当然に、各半導体素子上には、密集して発光部が配列される。このようにして形成された半導体素子が、所定の個数の発光部毎に分割され、各レーザ光源装置に搭載される。 In the case where a plurality of light emitting portions are formed on a semiconductor element, the semiconductor elements are generally formed on a wafer, and a plurality of light emitting portions are formed thereon. At this time, the semiconductor elements are densely formed so as to form as many semiconductor elements as possible on one wafer. Naturally, the light emitting portions are densely arranged on each semiconductor element. The semiconductor element formed in this way is divided into a predetermined number of light emitting units and mounted on each laser light source device.
従って、製造効率を高める観点からも、各半導体素子上には複数の発光部を密集して配置するのが一般的であり、このとき、発光部は半導体素子上にアレイ状に配置される。この場合、上述したように、アレイの中央部に近い発光部とアレイの外縁に近い発光部との間には、発光波長に差異が生じる。つまり、上記の構成によれば、高い製造効率を維持しながらレーザ光源装置を製造した場合において、各発光部から放射される基本光を有効に活用する効果が得られる。 Therefore, from the viewpoint of increasing manufacturing efficiency, it is common to arrange a plurality of light emitting portions densely on each semiconductor element. At this time, the light emitting portions are arranged in an array on the semiconductor element. In this case, as described above, there is a difference in the emission wavelength between the light emitting unit near the center of the array and the light emitting unit near the outer edge of the array. That is, according to said structure, when manufacturing a laser light source device, maintaining high manufacturing efficiency, the effect which utilizes effectively the basic light radiated | emitted from each light emission part is acquired.
波長選択素子の選択可能な波長に分布を持たせる具体的な方法としては、以下の方法がある。 Specific methods for providing a distribution of wavelengths that can be selected by the wavelength selection element include the following methods.
一の方法としては、波長選択素子を誘電体多層膜バンドパスフィルタで構成し、第1選択領域の膜厚を第2選択領域の膜厚よりも薄く形成することで実現できる。 One method can be realized by configuring the wavelength selection element with a dielectric multilayer bandpass filter and forming the film thickness of the first selection region smaller than the film thickness of the second selection region.
別の方法としては、波長選択素子をエタロンフィルタで構成し、第1選択領域のギャップ長を第2選択領域のギャップ長よりも短く形成することで実現できる。 Another method can be realized by configuring the wavelength selection element with an etalon filter and forming the gap length of the first selection region shorter than the gap length of the second selection region.
更に別の方法としては、波長選択素子を体積ブラッググレーティング(VBG)で構成し、第1選択領域の層の厚みを第2選択領域の層の厚みよりも薄く形成することで実現できる。 As yet another method, the wavelength selection element is configured by a volume Bragg grating (VBG), and the thickness of the layer of the first selection region is made thinner than the thickness of the layer of the second selection region.
また、上記の構成に加えて、波長変換素子を、波長選択素子の第1選択領域で選択された第1光が通過する第1変換領域において変換可能な波長帯が、波長選択素子の第2選択領域で選択された第1光が通過する第2変換領域において変換可能な波長帯よりも短波長となる構成とするのが好適である。 In addition to the above-described configuration, the wavelength band that can be converted in the first conversion region through which the first light selected in the first selection region of the wavelength selection element passes is the second wavelength selection element. It is preferable that the wavelength is shorter than the wavelength band that can be converted in the second conversion region through which the first light selected in the selection region passes.
第1発光部から放射された基本光が波長選択素子の第1選択領域を通過することで選択された第1光と、第2発光部から放射された基本光が波長選択素子の第2選択領域を通過することで選択された第1光には、波長に差異が生じている。 The first light selected by the basic light emitted from the first light emitting unit passing through the first selection region of the wavelength selecting element and the basic light emitted from the second light emitting unit are the second selected by the wavelength selecting element. The first light selected by passing through the region has a difference in wavelength.
波長変換素子が、広帯域な波長に対して変換可能な構成であれば、このように位置に応じてピーク波長に差異の有する第1光が入射されても、これらを第2光に変換させることが可能である。しかし、このような広帯域の波長に対して変換可能な波長変換素子を設計した場合、変換後に得られる第2光の強度が比較的低くなってしまう。 If the wavelength conversion element is configured to be able to convert a broadband wavelength, the first light having a difference in peak wavelength depending on the position is converted into the second light even when the first light having a difference in peak wavelength is incident. Is possible. However, when a wavelength conversion element that can convert such a wide-band wavelength is designed, the intensity of the second light obtained after the conversion is relatively low.
逆に、変換可能な波長帯の帯域が狭い波長変換素子を設計した場合には、変換後に得られる第2光の強度を高くすることが可能となる。しかしこの場合、位置に応じて異なるピーク波長を示す第1光が入射されるため、変換可能な波長帯の帯域をあまりに狭くすると、位置に応じては第1光の波長が変換可能な帯域の外に位置する、又は変換効率が極めて低下することが想定される。 On the other hand, when a wavelength conversion element having a narrow convertible wavelength band is designed, the intensity of the second light obtained after conversion can be increased. However, in this case, since the first light having a different peak wavelength is incident according to the position, if the band of the convertible wavelength band is made too narrow, the wavelength of the first light can be converted according to the position. It is assumed that it is located outside or the conversion efficiency is extremely lowered.
そこで、波長変換素子においても、波長選択素子と同様に、位置に応じて変換可能な波長帯に分布を持たせる。これにより、一の箇所における変換可能な波長帯の帯域は狭くして変換後の光強度を高めつつ、全ての箇所において入射される第1光を変換させることが可能となる。より具体的には、第1選択領域によって選択された、比較的短波長の第1光が通過する領域(上記「第1変換領域」)において変換可能な波長帯を、第2選択領域によって選択された、比較的長波長の第1光が通過する領域(上記「第2変換領域」)において変換可能な波長帯よりも短波長となるように構成する。これにより、強度の高い第2光が生成され、取り出し効率が向上する。 Therefore, similarly to the wavelength selection element, the wavelength conversion element has a distribution in the wavelength band that can be converted according to the position. This makes it possible to convert the first light incident at all locations while narrowing the wavelength band that can be converted at one location to increase the light intensity after conversion. More specifically, the second selection region selects the wavelength band that can be converted in the region through which the first light having a relatively short wavelength passes (the “first conversion region”) selected by the first selection region. In the region through which the first light having a relatively long wavelength passes (the “second conversion region”), the wavelength is shorter than the convertible wavelength band. Thereby, high intensity | strength 2nd light is produced | generated and extraction efficiency improves.
波長変換素子の変換可能な波長に分布を持たせる具体的な方法としては、波長変換素子を周期的分極反転型ニオブ酸リチウム(PPLN)で構成し、第1変換領域の層の厚みを第2変換領域の層の厚みよりも薄く形成することで実現できる。 As a specific method for providing a distribution of wavelengths that can be converted by the wavelength conversion element, the wavelength conversion element is composed of periodically poled lithium niobate (PPLN), and the thickness of the first conversion region layer is set to a second value. This can be realized by forming the conversion region to be thinner than the thickness of the layer.
本発明の構成によれば、発光部の発熱に起因した温度上昇の程度が異なる複数の発光部を備えたレーザ光源装置において、各発光部から放射される基本光の波長分布にバラツキが生じていても、波長選択素子によって各発光部から放射された基本光が示す波長分布から効率的に所定の波長帯の光を選択することができる。これにより、外部に取り出されるレーザ光の光量を増やすことができ、取り出し効率が高められる。 According to the configuration of the present invention, in the laser light source device including a plurality of light emitting units with different degrees of temperature rise caused by heat generation of the light emitting units, the wavelength distribution of the basic light emitted from each light emitting unit varies. However, it is possible to efficiently select light in a predetermined wavelength band from the wavelength distribution indicated by the basic light emitted from each light emitting unit by the wavelength selection element. As a result, the amount of laser light extracted to the outside can be increased, and the extraction efficiency is increased.
本発明のレーザ光源装置につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。 The laser light source device of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
[第1実施形態]
レーザ光源装置の第1実施形態につき説明する。
[First Embodiment]
A first embodiment of the laser light source device will be described.
図8は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。レーザ光源装置1は、図1に示す従来のレーザ光源装置90と比較して、波長選択素子としてVBG93に代えて、TFF(誘電体薄膜フィルタ)3及び光学部材4を備える点が異なる。他の構成は、レーザ光源装置90と同様であるため、説明を省略する。本実施形態では、TFF3が「波長選択素子」に対応する。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the configuration of the laser light source device in the present embodiment. The laser
TFF3は、半導体素子11に搭載された複数の発光部2から放射される基本光の波長分布から、所定の波長帯の第1光を選択して透過させる機能を有する。また、光学部材4は、第1の特定の波長帯の光を反射し、且つ第2の特定の波長帯の光を透過する構成である。より具体的には、TFF3で選択された波長帯の光(第1光)を反射し、PPLN95で変換された波長帯の光(第2光)を透過するように設計される。光学部材4は、例えば、第1の特定の波長帯に対する高反射(HR)コートと第2の特定の波長帯に対する減反射(AR)コートがTFF3のガラス基板上に形成されることで実現される。
The
この構成においても、発光部2からレーザ光40、50を取り出す仕組みの基本的な原理は、図1のレーザ光源装置90と共通する。
Also in this configuration, the basic principle of the mechanism for extracting the
すなわち、半導体素子11に搭載された複数の発光部2から放射された基本光は、波長選択素子としてのTFF3を通過することで、所定の波長帯の光のみが選択的に透過される。TFF3で選択透過された光が「第1光」に対応する。この第1光は、光学部材4によって反射されてPPLN95の方に進行する。PPLN95は、第1光のうちの一部の光に対して波長変換を施して第2光を生成し、この第2光が反射部材25及び27を介して外部に取り出される(第2光40)。
That is, the basic light emitted from the plurality of light emitting
また、PPLN95によって波長変換されずにそのまま透過した第1光は、反射部材25を透過して半導体素子11内に進入し、内部ミラーによって反射されてPPLN95へと送られる。PPLN95において一部の第1光が第2光へと波長変換され、これが光学部材4を透過して外部に取り出される(第2光50)。また、波長変換されなかった第1光は、再度、光学部材4で反射されてPPLN95へと送られる。
Further, the first light that is transmitted as it is without being wavelength-converted by the PPLN 95 passes through the reflecting
すなわち、レーザ光源装置1は、半導体素子11内に形成された内部ミラーと反射素子としての光学部材4の間で外部共振器が形成されており、第1光はこの両者間で反射が繰り返される。そして、この反射が繰り返されている間に、PPLN95を通過した第1光が次々と第2光へと波長変換されて、光学部材4又は反射部材27から装置90の外部へと取り出される。
That is, in the laser
TFF3は、高屈折率の材料と低屈折率の材料とが複数積層されることで構成される。これらの材料の屈折率と膜厚を調整することで、選択される光の波長帯が設定される。なお、選択される光の波長分布(上記「選択波長分布」)は、図3に示すVBG93の曲線42と同様に、急峻な曲線を描く。
The
ここで、レーザ光源装置1が備えるTFF3は、位置に応じて選択可能な波長帯を異ならせている。図9は、TFF3の模式的な断面構造の一例である。領域31、領域32、及び領域33において膜厚をそれぞれ異ならせることでTFF3を設計している。なお、図9では、基板上に4層の膜が成膜されているかのように図示されているが、これは単に領域毎に膜厚が異なっていることを示すために模式的に示したものであり、実際は成膜する層数はもっと多いものとして構わない。
Here, the
より具体的な構成例として、TFF3は、低屈折材料としてSiO2を、高屈折材料としてTa2O5を用い、これらを交互に積層して形成している。TFF3の設計としては最も一般的なBPF(バンドパスフィルタ)の設計パターンであるワンキャビティ(1つのキャビティ層を有する構成)とし、SiO2のキャビティ層(6qw)を高屈折率層/低屈折率層(各1qw)を8ペアで挟んだ構成とした。なお、qwとは1/4波長(quarter wave)を指しており、6qwとは1/4波長の6倍の厚みの層であることを表している。このときの透過率を、膜設計ツールとして知られるTFCalcを用いて計算した結果を図10に示す。なお、領域32は、領域31における各層の膜厚を1.001倍し、領域33は領域31における各層の膜厚を1.002倍して積層させた。
As a more specific configuration example, the
図10は、図3に示したVBGの選択波長分布42と同様の描画方法で図示されたものである。選択波長分布31aが、TFF3内の領域31において波長選択可能な波長分布に対応する。同様に、選択波長分布32aが、TFF3内の領域32において波長選択可能な波長分布に対応し、選択波長分布33aが、TFF3内の領域33において波長選択可能な波長分布に対応する。
FIG. 10 shows a drawing method similar to the
図10によれば、基本光がTFF3を通過した場合、領域31を通過した基本光については1064.04nm近傍の波長が選択され、領域32を通過した基本光については1065.10nm近傍の波長が選択され、領域33を通過した基本光については1066.16nm近傍の波長が選択される。つまり、TFF3を通過する領域に応じて、基本光から選択される波長帯を異ならせることができる。
According to FIG. 10, when the basic light passes through
つまり、TFF3の膜厚を位置に応じて異ならせることで、TFF3の選択波長分布を位置に応じて変化させることが可能となる。より詳細には、選択したい波長を長波長側にしたい場合には膜厚を厚く形成し、逆に選択したい波長を短波長側にしたい場合には膜厚を薄く形成すればよい。
That is, by changing the film thickness of the
レーザ光源装置1が備えるTFF3は、この点に鑑み、位置に応じて膜厚を変化させている。より詳細には、半導体素子1に搭載された複数の発光部2のうち、周囲の発光部2からの発熱によって温度が上昇しやすい位置に配置されている発光部2(「第2発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第2選択領域」に対応)については、膜厚を厚く形成する。逆に、周囲の発光部2からの発熱による影響を比較的受けにくい位置に配置されている発光部2(「第1発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第1選択領域」に対応)については、膜厚を薄く形成する。
In view of this point, the
これにより、各発光部2から放射される基本光のピーク波長が、近接する発光部2からの発熱に起因して、位置に応じて異なる構成であっても、波長選択素子としてのTFF3が、この基本光のピーク波長のズレに合わせてその波長選択分布を位置に応じてずらすことができる。これにより、各発光部2からの基本光の波長分布と波長選択素子としてのTFF3の選択波長分布の重ね合わせの面積を大きく取ることができる。よって、発光部2の位置に関わらず、基本光から高い強度の第1光を選択することができるので、この第1光から波長変換素子(ここではPPLN95)によって波長変換させて第2光を取り出すことで、取り出されるレーザ光の光量を従来よりも高めることができる。
Thus, even if the peak wavelength of the basic light emitted from each
なお、図2に示すように、複数の発光部2が半導体素子11上にアレイ状に搭載されている場合、アレイの中央部に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光の波長が、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光の波長よりも長くなる傾向にある(図7参照)。よって、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光が通過する第1選択領域のTFF3の膜厚を薄くし、逆に、アレイの中央部に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光が通過する第2選択領域のTFF3の膜厚を厚くすることで、全ての発光部2から放射される基本光に対して効率的に波長選択が行える。
As shown in FIG. 2, when a plurality of light emitting
なお、TFF3の膜厚を位置に応じて異ならせる方法としては、種々の方法が採用され得る。一例としては、成膜時に真空蒸着を行う際に、蒸着源に対して基板を垂直に配置せず所定の傾斜角を設けて蒸着源からの距離を変化させることで膜厚を変化させることができる。また、基板と蒸着源の間に、マスク板を配置して、マスク形状を適切に設計、配置することによっても、位置に応じて膜厚を異ならせることが可能である。
Various methods can be adopted as a method of varying the film thickness of the
[第2実施形態]
レーザ光源装置の第2実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Second Embodiment]
Only a different part from 1st Embodiment is demonstrated about 2nd Embodiment of a laser light source apparatus.
図11は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ光源装置1aは、図8に示す第1実施形態の構成と比較して、波長選択素子としてTFF3に代えてエタロンフィルタ5を備えた点が異なる。このエタロンフィルタ5は、より詳細には光学部材6をPPLN95と離間を有して対向して配置することで実現される。
FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of the laser light source device in the present embodiment. The laser
光学部材6は、入射された光をそのまま透過して出射する光学部材であり、例えば石英ガラスで構成される。PPLN95の第1面95aと、光学部材6の第1面6aの間に設けられたギャップにより、エタロンフィルタ5が形成される。なお、光学部材6の第1面6aとは反対の第2面6b側には、光学部材4が形成されている。この光学部材4は、エタロンフィルタ5で選択された波長帯の光(第1光)を反射し、PPLN95で変換された波長帯の光(第2光)を透過するように設計される。
The
レーザ光源装置1aは、波長選択素子として、TFF3に代えてエタロンフィルタ5が採用された点を除けば、第1実施形態のレーザ光源装置1と同じであるため、発光部2から放射された基本光から、所望波長のレーザ光(第2光40,50)を取り出すまでの原理は共通である。従って、この説明を省略する。
The laser
本実施形態においては、エタロンフィルタ5に対して、位置に応じて選択される波長分布を異ならせる。エタロンフィルタ5は、対向する光学面の面間隔によって、選択される波長が決定される。より詳細には、PPLN95の第1面95aと、光学部材6の第1面6aの間に設けられたギャップ長dを長くすると、選択波長が長波長側にシフトされ、逆にギャップ長dを短くすると、選択波長が短波長側にシフトされる。すなわち、位置に応じてギャップ長dを異ならせることで、位置に応じて選択される波長分布を異ならせることができる。
In the present embodiment, the wavelength distribution selected according to the position is made different from that of the
より詳細には、半導体素子1に搭載された複数の発光部2のうち、周囲の発光部2からの発熱によって温度が上昇しやすい位置に配置されている発光部2(「第2発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第2選択領域」に対応)については、エタロンフィルタ5のギャップ長dを長く形成する。逆に、周囲の発光部2からの発熱による影響を比較的受けにくい位置に配置されている発光部2(「第1発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第1選択領域」に対応)については、エタロンフィルタ5のギャップ長dを短く形成する。これにより、第1実施形態のレーザ光源装置1と同様の効果が得られる。
More specifically, among the plurality of light emitting
すなわち、各発光部2から放射される基本光のピーク波長が、近接する発光部2からの発熱に起因して位置に応じて異なる構成であっても、波長選択素子としてのエタロンフィルタ5の波長選択分布のピーク波長の値を、その位置に応じてずらすことができる。これにより、各発光部2からの基本光の波長分布と波長選択素子としてのエタロンフィルタ5の選択波長分布の重ね合わせの面積を大きく取ることができる。
That is, even if the peak wavelength of the basic light emitted from each
よって、発光部2の位置に関わらず、基本光から高い強度の第1光を選択することができるので、この第1光から波長変換素子(ここではPPLN95)によって波長変換させて第2光を取り出すことで、取り出されるレーザ光の光量を従来よりも高めることができる。
Therefore, the first light having a high intensity can be selected from the basic light regardless of the position of the
なお、図2に示すように、複数の発光部2が半導体素子11上にアレイ状に搭載されている場合には、アレイの外縁に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光が通過する第1選択領域のエタロンフィルタ5のギャップ長dを短くし、アレイの中央部に近い位置に配置された発光部2から放射される基本光が通過する第2選択領域のエタロンフィルタ5のギャップ長dを長くする。これにより、全ての発光部2から放射される基本光に対して効率的に波長選択が行える。
As shown in FIG. 2, when a plurality of light emitting
なお、エタロンフィルタ5のギャップ長dを位置に応じて異ならせる方法としては、種々の方法が採用され得る。一例としては、光学部材6の第1面6aを曲面で構成する。より具体的には、複数の発光部2が半導体素子11上にアレイ状に搭載されている場合には、中央部が外縁部よりもPPLN95の第1面95aから遠ざかるように、光学部材6の第1面6aを凹面形状にすることで実現できる。なお、PPLN95の第1面95aを曲面で構成してもよいし、両方を曲面で構成してもよい。
Various methods can be employed as a method of varying the gap length d of the
[第3実施形態]
レーザ光源装置の第3実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Third Embodiment]
Only a different part from 1st Embodiment is demonstrated about 3rd Embodiment of a laser light source apparatus.
図12は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ光源装置1bは、図8の第1実施形態の構成と比較して、波長選択素子としてTFF3に代えてVBG7を備えた点が異なる。つまり、図1に示す従来のレーザ光源装置90のVBG93を、本実施形態の構成が備えるVBG7に代えたものに対応する。
FIG. 12 is a diagram schematically showing the configuration of the laser light source device in the present embodiment. The laser
このVBG7は、従来のVBG93とは異なり、位置に応じて選択波長分布を異ならせた構成としている。より詳細には、周囲の発光部2からの発熱によって温度が上昇しやすい位置に配置されている発光部2(「第2発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第2選択領域」に対応)については、選択波長分布が長波長側となるように設計する。逆に、周囲の発光部2からの発熱による影響を比較的受けにくい位置に配置されている発光部2(「第1発光部」に対応)から放射される基本光が通過する領域(「第1選択領域」に対応)については、選択波長分布が短波長側となるように設計する。これにより、第1実施形態、第2実施形態のレーザ光源装置と同様の効果が得られる。
Unlike the
VBG7に対して、位置に応じて選択波長分布を異ならせる方法としては、種々の方法が採用され得る。VBG7は、2光束干渉などの技術を用いて、感光性ガラス材料に層構造の屈折率分布を作り出すことで形成される。そして、VBG7によって反射される光の波長λは、層の厚さをΔ、VBG7に入射される光の入射角をθとした場合に、λ=2n・Δ・cosθで表される。よって、層の厚さΔを変化させることで、VBG7から反射される光の波長λを変化させることができる。
Various methods can be adopted as a method of varying the selected wavelength distribution according to the position with respect to the
よって、感光性ガラス材料に光を照射して屈折率分布を作り出す際に、所定のマスクを形成して光を照射することで、マスクの形状(例えば縞形状のマスクを利用するなど)によって位置に応じて層の厚さΔを変化させることが可能である。 Therefore, when a photosensitive glass material is irradiated with light to create a refractive index distribution, a predetermined mask is formed and irradiated with light, so that the position can be determined according to the shape of the mask (for example, using a striped mask). It is possible to change the thickness Δ of the layer according to.
[第4実施形態]
レーザ光源装置の第4実施形態につき、第1実施形態と異なる箇所のみを説明する。
[Fourth Embodiment]
Only a different part from 1st Embodiment is demonstrated about 4th Embodiment of a laser light source apparatus.
図13は、本実施形態におけるレーザ光源装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ光源装置1cは、図8の第1実施形態の構成と比較して、波長変換素子としてPPLN95に代えてPPLN8を備えた点が異なる。
FIG. 13 is a diagram schematically showing the configuration of the laser light source device in the present embodiment. The laser
このPPLN8は、PPLN95とは異なり、位置に応じて変換波長分布を異ならせた構成としている。
Unlike the
このため、上述したように、第1発光部から放射された基本光が波長選択素子の第1選択領域を通過することで選択された第1光と、第2発光部から放射された基本光が波長選択素子の第2選択領域を通過することで選択された第1光には、波長に差異が生じている。 For this reason, as described above, the basic light emitted from the first light emitting unit is selected by passing through the first selection region of the wavelength selection element, and the basic light emitted from the second light emitting unit. The first light selected by passing through the second selection region of the wavelength selection element has a difference in wavelength.
上述した第1〜第3実施形態のレーザ光源装置は、位置に応じて選択波長分布が異なる特性を示す波長選択素子(TFF3、エタロンフィルタ5、VBG7)を備えた構成であった。この構成の場合、温度上昇の影響を受けにくい位置に配置された第1発光部から放射された基本光が波長選択素子の第1選択領域を通過することで選択された第1光と、温度上昇の影響を受けやすい位置に配置された第2発光部から放射された基本光が波長選択素子の第2選択領域を通過することで選択された第1光には、波長に差異が生じている。これは、例えば図10において、領域31、領域32、領域33を通過する各基本光から選択される光(各第1光)のピーク波長が、それぞれ異なることからも理解できる。
The laser light source devices of the first to third embodiments described above have a configuration including wavelength selection elements (TFF3,
しかし、このような状態であっても、第1〜第3実施形態のレーザ光源装置が備える波長変換素子が、PPLN95のように図3の変換波長分布43のような広帯域な波長に対して変換可能な構成であれば、このように位置に応じてピーク波長に差異の有する第1光が入射されても、これらを第2光に変換させることが可能である。
However, even in such a state, the wavelength conversion element included in the laser light source devices of the first to third embodiments converts a broadband wavelength such as the
しかし、このような広帯域の波長に対して変換可能な波長変換素子を設計した場合、変換後に得られる第2光の強度が比較的低くなってしまう。 However, when a wavelength conversion element that can convert such a wide-band wavelength is designed, the intensity of the second light obtained after the conversion is relatively low.
PPLNの分極反転のピッチを精度よく製作すると、変換効率を高めることができる。しかし、この場合、変換波長分布も狭帯域になってしまう(図14参照)。図14は、図3と同様に、基本光の波長分布41、VBG93の選択波長分布42、及び狭帯域で高効率に変換可能なPPLN95の変換波長分布44を重ねて図示したものである。
If the PPLN polarization inversion pitch is accurately manufactured, the conversion efficiency can be increased. However, in this case, the conversion wavelength distribution also becomes a narrow band (see FIG. 14). FIG. 14 shows the
第1〜第3実施形態の構成において、図14の変換波長分布44のような特性を示すPPLN95を用いた場合について検討する。上述したように、波長選択素子によって選択された第1光は、位置に応じて波長に差異が生じる構成である。つまり、PPLN95に対して位置に応じて異なるピーク波長を示す第1光が入射されるため、変換可能な波長帯の帯域をあまりに狭くすると、位置に応じては第1光の波長が変換可能な帯域の外に位置する、又は変換効率が極めて低下することが想定される。
In the configuration of the first to third embodiments, the case where the
そこで、本実施形態のPPLN8は、変換波長分布44のように、狭帯域で高効率に変換可能な特性を有し、且つ、位置に応じて変換可能な波長帯に分布を持たせた構成としている。より詳細には、第1選択領域によって選択された、比較的短波長の第1光が通過する領域(「第1変換領域」に対応)において変換可能な波長帯を、第2選択領域によって選択された、比較的長波長の第1光が通過する領域(「第2変換領域」に対応)において変換可能な波長帯よりも短波長となるように構成する。これにより、発光部2の位置に関わらず、基本光から高い強度の第1光が選択され、更にこの第1光が高い強度の第2光に変換されるので、取り出されるレーザ光の光量を従来よりも高めることができる。
Therefore, the
PPLN8に対して、位置に応じて変換波長分布を異ならせる方法としては、種々の方法が採用され得る。PPLN8は、LiNbO3などのバルク結晶の内部に周期的な分極反転層を形成することで、所定波長の光に対して擬似的な位相整合を達成するものであり、分極反転層の周期を変えることで変換可能な波長帯域を調整することができる。この分極反転層の形成方法の一例としては、バルク結晶の上面及び一側面に所定間隔(分極反転層の周期と同一)でスリット状の電極を形成しておき、この電極に高電圧を印加することで、電極の位置に対応したバルク結晶内部に分極反転層が形成される。 Various methods can be adopted as a method of making the conversion wavelength distribution different depending on the position with respect to the PPLN8. PPLN8 achieves pseudo phase matching for light of a predetermined wavelength by forming a periodic polarization inversion layer inside a bulk crystal such as LiNbO 3 and changes the period of the polarization inversion layer. Thus, the convertible wavelength band can be adjusted. As an example of the method of forming this domain-inverted layer, slit-like electrodes are formed at a predetermined interval (same as the period of domain-inverted layer) on the upper surface and one side surface of the bulk crystal, and a high voltage is applied to this electrode. Thus, a polarization inversion layer is formed inside the bulk crystal corresponding to the position of the electrode.
よって、バルク結晶の面に形成する電極の位置の間隔を、位置に応じて所定の規則の下で異ならせておくことで、位置に応じて異なる分極反転層の周期を形成することができる。これにより、PPLN8に対して、位置に応じて変換波長分布を異ならせることができる。なお、この電極の形成方法は、スパッタリング、写真製版によるパターニング、エッチングなどの半導体製造プロセスと同様の手法を用いることができる。
Therefore, by changing the interval between the positions of the electrodes formed on the surface of the bulk crystal under a predetermined rule according to the position, it is possible to form different periods of the domain-inverted layers according to the positions. As a result, the conversion wavelength distribution can be made different for
なお、図13のレーザ光源装置1cは、第1実施形態のレーザ光源装置1に対して、位置に応じて波長分布特性が異なる性質を有するPPLN8を備えた構成としたが、第2実施形態のレーザ光源装置1aや第3実施形態のレーザ光源装置1bに対しても同様に適用可能である。
The laser
[別実施形態]
上記各実施形態では、いずれも半導体素子11と波長選択素子(TFF3、エタロンフィルタ5、VBG7)の間に、波長変換素子(PPLN95、PPLN8)を位置させた構成とした。これに対し、波長選択素子と波長変換素子の位置を入れ替えても構わない。
[Another embodiment]
In each of the above embodiments, the wavelength conversion elements (PPLN95, PPLN8) are positioned between the
図15は、図8に示す第1実施形態のレーザ光源装置1において、TFF3とPPLN95の位置関係を反転させた構成のレーザ光源装置1dを、模式的に示したものである。この場合、TFF3で選択された波長帯の光(第1光)を反射し、PPLN95で変換された波長帯の光(第2光)を透過するように設計された光学部材4は、TFF3とは反対側の面においてPPLN95と対向する位置に設けられる。
FIG. 15 schematically shows a laser
この構成においても、図8に示すレーザ光源装置1と同様の原理により、第2光40,50が外部に取り出される。なお、図15では、第1実施形態のレーザ光源装置1を例に挙げて説明したが、第2〜第4実施形態においても同様に、波長選択素子と波長変換素子の位置を入れ替えた構成とすることが可能である。
Also in this configuration, the
また、上記実施形態では、波長変換素子として、PPLN(PPLN95、PPLN8)を用いる場合につき説明したが、これに限らず、LiTaO3に分極反転構造を形成した周期的分極反転タンタル酸リチウム(PPLT:Periodically Poled Lithium Tantalate)を含む他の擬似位相整合型波長変換(QPM:Quasi-Phase Matching)素子を用いるものとしても構わない。 In the above-described embodiment, the case where PPLN (PPLN95, PPLN8) is used as the wavelength conversion element has been described. However, the present invention is not limited to this, and periodically poled lithium tantalate (PPLT :) having a polarization inversion structure formed in LiTaO 3. Other quasi phase matching type wavelength conversion (QPM: Quasi-Phase Matching) elements including Periodically Poled Lithium Tantalate may be used.
1,1a,1b,1c,1d : レーザ光源装置
2(2a,2b,…,2w,2x) : 発光部
3 : TFF(誘電体薄膜フィルタ)
4 : 光学部材
5 : エタロンフィルタ
6 : 光学部材
6a : 光学部材の第1面
6b : 光学部材の第2面
7 : VBG
8 : PPLN
11 : 半導体素子
17 : ヒートシンク
25 : 反射部材
27 : 反射部材
31,32,33 : TFFの領域
31a,32a,33a : TFFの領域毎の選択波長分布
40 : 第2光
41 : 基本光の波長分布
42 : 選択波長分布
43 : 変換波長分布
44 : 狭帯域の変換波長分布
50 : 第2光
90 : 従来のレーザ光源装置
93 : VBG
95 : PPLN
95a : PPLNの第1面
d : エタロンフィルタのギャップ長
1, 1a, 1b, 1c, 1d: Laser light source device 2 (2a, 2b,..., 2w, 2x): Light emitting unit 3: TFF (dielectric thin film filter)
4: Optical member 5: Etalon filter 6:
8: PPLN
11: Semiconductor element 17: Heat sink 25: Reflective member 27:
95: PPLN
95a: First surface of PPLN d: Gap length of etalon filter
Claims (7)
前記基本光の所定波長帯を選択して第1光を取り出す波長選択素子と、
前記第1光の一部を波長変換して第2光を取り出す波長変換素子を備え、
前記波長選択素子は、前記複数の発光部のうちの第1発光部から放射された前記基本光が通過する第1選択領域において選択可能な前記所定波長帯が、前記複数の発光部のうち、他の前記発光部の発光時に生じる熱に起因した温度上昇が前記第1発光部よりも高い第2発光部から放射された前記基本光が通過する第2選択領域において選択可能な前記所定波長帯よりも短波長となる構成であることを特徴とするレーザ光源装置。 A semiconductor element comprising a plurality of light emitting portions that emit basic light;
A wavelength selection element for selecting the predetermined wavelength band of the basic light and extracting the first light;
A wavelength conversion element for converting the wavelength of a part of the first light and extracting the second light;
The wavelength selection element is configured such that the predetermined wavelength band that can be selected in a first selection region through which the basic light emitted from the first light emitting unit of the plurality of light emitting units passes is, of the plurality of light emitting units, The predetermined wavelength band that can be selected in a second selection region through which the basic light emitted from the second light emitting unit, which has a temperature rise due to heat generated when the other light emitting units emit light, is higher than that of the first light emitting unit. A laser light source device characterized in that the wavelength becomes shorter than that of the laser light source device.
前記第1発光部は、前記第2発光部よりもアレイの外縁に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光源装置。 The plurality of light emitting units are arranged in an array,
2. The laser light source device according to claim 1, wherein the first light emitting unit is disposed at a position closer to an outer edge of the array than the second light emitting unit.
The wavelength conversion element is a periodically poled lithium niobate (PPLN), and the thickness of the layer in the first conversion region is thinner than the thickness of the layer in the second conversion region. The laser light source device according to claim 6.
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