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技術 平面導波路型レーザ増幅器

出願人 三菱電機株式会社
発明者 渡辺洋次郎高田ゆかり柳澤隆行
出願日 2015年9月28日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-189684
公開日 2017年4月6日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-069252
状態 特許登録済
技術分野 半導体レーザ レーザ(2)
主要キーワード モード形 複屈折性媒質 Nd濃度 マルチモード半導体レーザ 活性化イオン 伝搬角 励起密度 表面活性化接合
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図面 (19)

課題

単一横モードで高出力な信号光を出力することができる平面導波路レーザ増幅器を得ることを目的とする。

解決手段

クラッド2a,2bの屈折率における3つの主軸のうち、主軸(nZ軸)がy軸方向とz軸方向がなすyz面内で、z軸方向からθだけ傾けられており、コア1が、クラッド2a,2bにおける主軸(nZ軸)での屈折率nzより小さく、かつ、主軸(nX軸、nY軸)での屈折率nx,nyより大きい屈折率ncを有する材料で構成されており、コア1に入射される励起光Eが、x軸方向の偏光を有する励起光であるように構成する。

概要

背景

平面導波路レーザ増幅器では、信号光伝搬方向(進行方向)に伸長している薄い平板状のレーザ媒質からなるコアにおける一対の平板面である上面と下面に、レーザ媒質よりも屈折率が低いクラッド接合されている構造を有している。
この平面導波路型レーザ増幅器のコアは、導波路としても機能するが、導波路の厚さが薄く、励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いている場合でも、大きな利得が得られる。
したがって、信号光の高効率な増幅発振動作を実現することができる。

以下の特許文献1に開示されている平面導波路型レーザ増幅器では、コアを構成している平板状のレーザ媒質として、信号光の伝搬方向である光軸に対して垂直な断面内に光学軸を有する複屈折材料が用いられている。このため、コアは、x偏光及びy偏光に対して、異なる屈折率を有する材料が用いられている。
クラッドは、x偏光及びy偏光に対して、同じ屈折率を有する材料が用いられている。
ここで、x偏光は、電界がx軸方向に振動する光であり、y偏光は、電界がy軸方向に振動する光である。

レーザ媒質のx偏光に対する屈折率は、クラッドのx偏光に対する屈折率より小さい。また、レーザ媒質のy偏光に対する屈折率は、クラッドのy偏光に対する屈折率より大きい。
このため、x偏光及びy偏光のうち、x偏光が、コアとクラッドとの境界面において全反射条件を満たさなくなり、全反射条件を満たすy偏光がコア内に閉じ込められ、この全反射条件を満たすy偏光に対してレーザ発振が可能となる。これにより、特許文献1の平面導波路型レーザ増幅器では、直線偏光出力を得ることができる。

概要

単一横モードで高出力な信号光を出力することができる平面導波路型レーザ増幅器を得ることを目的とする。クラッド2a,2bの屈折率における3つの主軸のうち、主軸(nZ軸)がy軸方向とz軸方向がなすyz面内で、z軸方向からθだけ傾けられており、コア1が、クラッド2a,2bにおける主軸(nZ軸)での屈折率nzより小さく、かつ、主軸(nX軸、nY軸)での屈折率nx,nyより大きい屈折率ncを有する材料で構成されており、コア1に入射される励起光Eが、x軸方向の偏光を有する励起光であるように構成する。

目的

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる平面導波路型レーザ増幅器を得ることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

励起光を吸収して利得を発生している際に信号光入射されると、前記信号光を増幅するレーザ媒質からなる平板状のコアと、前記コアの平板面接合されるクラッドとを備え、前記クラッドが、前記コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、前記コア及び前記クラッドによって、前記2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されており、前記コアに入射される信号光が、前記単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、前記コアに入射される励起光が、前記高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であることを特徴とする平面導波路レーザ増幅器

請求項2

前記クラッドの屈折率における3つの主軸のうち、1つの主軸が前記クラッドにおける厚さ方向と前記光軸がなす面内で前記光軸から傾けられ、前記コアが、前記クラッドにおける前記1つの主軸での屈折率より小さく、かつ、前記クラッドにおける残り2つの主軸での屈折率より大きい屈折率を有する材料で構成されることで、前記2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項3

前記コアが、前記2つの偏光方向の屈折率が異なり、かつ、前記コアの屈折率が前記クラッドの屈折率より大きくなる複屈折材料で構成されて、前記コアの屈折率の主軸が前記コアの厚さ方向に向けられ、前記クラッドの屈折率の主軸が前記光軸の方向に向けられることで、前記2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項4

前記コアが、前記2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されて、前記コアの屈折率の主軸が前記コアの平面方向に向けられ、前記クラッドの屈折率の主軸が前記クラッドにおける厚さ方向と前記光軸がなす面内で前記光軸から傾けられることで、前記2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されていることを特徴とする請求項1記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項5

前記コアにおける一対の平板面のうち、一方の平板面に、凸形状の部材であるリッジ部が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項6

前記コアに入射される励起光が、半導体レーザから出力されたレーザ光であることを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項7

前記コアは、Yb:YAG、Nd:YAG、Er:YAG、Er,Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Tm,Ho:YAG又はPr:YAGで構成されており、前記クラッドは、KTPで構成されていることを特徴とする請求項2記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項8

前記コアは、Er:YVO4、Yb:YVO4、Er,Yb:YVO4、Nd:YVO4又はNd:GdVO4で構成されており、前記クラッドは、YVO4で構成されていることを特徴とする請求項3記載の平面導波路型レーザ増幅器。

請求項9

前記コアは、Nd:GdVO4で構成されており、前記クラッドは、YVO4で構成されていることを特徴とする請求項4記載の平面導波路型レーザ増幅器。

技術分野

0001

この発明は、信号光の高効率な増幅発振動作を実現する平面導波路レーザ増幅器に関するものである。

背景技術

0002

平面導波路型レーザ増幅器では、信号光の伝搬方向(進行方向)に伸長している薄い平板状のレーザ媒質からなるコアにおける一対の平板面である上面と下面に、レーザ媒質よりも屈折率が低いクラッド接合されている構造を有している。
この平面導波路型レーザ増幅器のコアは、導波路としても機能するが、導波路の厚さが薄く、励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いている場合でも、大きな利得が得られる。
したがって、信号光の高効率な増幅と発振動作を実現することができる。

0003

以下の特許文献1に開示されている平面導波路型レーザ増幅器では、コアを構成している平板状のレーザ媒質として、信号光の伝搬方向である光軸に対して垂直な断面内に光学軸を有する複屈折材料が用いられている。このため、コアは、x偏光及びy偏光に対して、異なる屈折率を有する材料が用いられている。
クラッドは、x偏光及びy偏光に対して、同じ屈折率を有する材料が用いられている。
ここで、x偏光は、電界がx軸方向に振動する光であり、y偏光は、電界がy軸方向に振動する光である。

0004

レーザ媒質のx偏光に対する屈折率は、クラッドのx偏光に対する屈折率より小さい。また、レーザ媒質のy偏光に対する屈折率は、クラッドのy偏光に対する屈折率より大きい。
このため、x偏光及びy偏光のうち、x偏光が、コアとクラッドとの境界面において全反射条件を満たさなくなり、全反射条件を満たすy偏光がコア内に閉じ込められ、この全反射条件を満たすy偏光に対してレーザ発振が可能となる。これにより、特許文献1の平面導波路型レーザ増幅器では、直線偏光出力を得ることができる。

先行技術

0005

国際公開第2009/016703号

発明が解決しようとする課題

0006

従来の平面導波路型レーザ増幅器は以上のように構成されているので、直線偏光出力を得ることができるが、単一横モードで信号光を出力すると同時に、信号光の高出力化に必要な励起光高次横モード化を図る構成にはなっていない。このため、単一横モードで高出力な信号光を出力することができないという課題があった。

0007

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる平面導波路型レーザ増幅器を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0008

この発明に係る平面導波路型レーザ増幅器は、励起光を吸収して利得を発生している際に信号光が入射されると、その信号光を増幅するレーザ媒質からなる平板状のコアと、コアの平板面に接合されるクラッドとを備え、クラッドが、コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、コア及びクラッドによって、2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されており、コアに入射される信号光が、単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、コアに入射される励起光が、高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であるようにしたものである。

発明の効果

0009

この発明によれば、クラッドが、コア内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、コア及びクラッドによって、2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されており、コアに入射される信号光が、単一横モードの偏光方向の偏光を有する信号光であり、コアに入射される励起光が、高次横モードの偏光方向の偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果がある。

図面の簡単な説明

0010

この発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図1の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図である。
図1の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
この発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬モードを模式的に示す説明図である。
この発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角偏光依存性を模式的に示す説明図である。
この発明の実施の形態2による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図6の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図である。
図6の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
この発明の実施の形態2による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
この発明の実施の形態3による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図10の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図である。
図10の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
この発明の実施の形態3による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
この発明の実施の形態4による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図14の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
マルチモード半導体レーザの遅軸方向をリッジ型導波路のy軸方向に結合する場合の平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。
半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。

実施例

0011

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

0012

実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図2図1の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図であり、図3図1の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
図1から図3において、平板状のコア1は等方性媒質のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Eを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。

0013

クラッド2aはコア1内での信号光Sの伝搬方向(進行方向)である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア1の平板面である下面に接合されている。
クラッド2bはコア1内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア1の平板面である上面に接合されている。
コア1及びクラッド2a,2bによって、2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態1では、コア1の上面と下面の双方にクラッド2が接合されている例を示しているが、コア1の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド2が接合されていればよい。

0014

図1から図3では、コア1の上面及び下面に平行な面内で、上面及び下面における直交する2つの辺に平行な方向をそれぞれx軸とz軸とし、x軸とz軸の両方に垂直な方向をy軸としている。また、z軸方向を信号光Sの光軸としている。
クラッド2a,2bの屈折率における3つの主軸(nX軸、nY軸、nZ軸)のうち、主軸(nZ軸)が、クラッド2a,2bの厚さ方向であるy軸方向と光軸がなすyz面内で、光軸に対してθだけ傾けられている。
このように、クラッド2a,2bの主軸(nZ軸)が光軸に対して傾斜していることで、y軸方向の偏光であるy偏光に対して単一横モードが形成される。
このとき、クラッド2a,2bの主軸(nX軸)は、図3に示すように、光軸に対して直交している。

0015

コア1の屈折率ncは、クラッド2a,2bの主軸(nX軸)での屈折率nx、主軸(nY軸)での屈折率ny、主軸(nZ軸)での屈折率nzとの関係で、下記の式(1)を満足する材料で構成されている。
nx<ny<nc<nz
または
ny<nx<nc<nz
(1)

0016

次に動作について説明する。
平板状のコア1は、レーザ媒質で構成されているため、側面から励起光Eが入射されると、その励起光Eを吸収することで反転分布状態を形成する。また、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア1は、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。

0017

この実施の形態1では、平面導波路型レーザ増幅器が、単一横モードで高出力な信号光を出力することができるようにするため、クラッド2a,2bの主軸(nZ軸)が、光軸に対してθだけ傾けられ、コア1の屈折率ncが、式(1)の関係を満足する屈折率に設定されている。
また、コア1に入射される励起光Eが、コア1の平面方向であるx軸方向の偏光を有する励起光であるようにしている。

0018

以下、式(1)の関係を満足するコア1及びクラッド2a,2bの具体的な材料の組み合わせを例示する。ただし、具体的な材料の組み合わせは一例に過ぎず、式(1)の関係を満足する材料であれば、他の組み合わせであってもよいことは言うまでもない。
コア1 → Yb:YAG、Nd:YAG、Er:YAG、
Er,Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、
Tm,Ho:YAG、または、Pr:YAG
クラッド2a,2b → KTP

0019

例えば、コア1の材料がEr,Yb:YAGである場合、コア1は、波長1615nmにおいて、約1.806の屈折率ncを有する。
また、クラッド2a,2bの材料がKTPである場合、クラッド2a,2bは、y偏光を有する波長1615nmにおいて、主軸(nY軸)での屈折率nyが約1.736、主軸(nZ軸)での屈折率nzが約1.814になる。
したがって、コア1の屈折率ncと、クラッド2a,2bにおける主軸(nY軸、nZ軸)での屈折率ny,nzとの関係は、下記の式(2)のようになり、式(1)の関係を満足している。
ny(約1.736)<nc(約1.806)<nz(約1.814) (2)

0020

ここで、光軸と主軸(nZ軸)のなす角θにおけるクラッド2a,2bのy軸方向の偏光の屈折率nyz(λ,θ)は、下記の式(3)で表される。

式(3)において、λは波長である。

0021

このとき、y軸方向の偏光を有する信号光Sが単一横モードとなるように、光軸と主軸(nZ軸)のなす角θを定めれば、y軸方向の偏光を有する信号光Sを高ビーム品質で伝搬させることができる。
光軸と主軸(nZ軸)のなす角θが、下記の式(4)の関係を満足すれば、y軸方向の偏光を有する信号光Sが単一横モードになる。

式(4)において、tはコア1の厚さである。

0022

また、コア1の材料がEr,Yb:YAGである場合、コア1は、波長940nmにおいて、約1.817の屈折率ncを有する。
クラッド2a,2bの材料がKTPである場合、クラッド2a,2bは、x偏光を有する波長940nmにおいて、主軸(nX軸)での屈折率nxが約1.741になる。
したがって、コア1の屈折率ncと、クラッド2a,2bにおける主軸(nX軸)での屈折率nxとの関係は、下記の式(5)のようになり、式(1)の関係を満足している。
nx(約1.741)<nc(約1.817) (5)

0023

光軸に対して直交しているクラッド2a,2bの主軸(nX軸)での屈折率nxがコア1の屈折率ncより小さい場合(式(5)の条件を満足している場合)、励起光Eの高次横モード化が図られるが、例えば、コア1の厚さが10μmである場合、モード数が11になる。
これにより、コア1の平面方向であるx軸方向の偏光を有する励起光Eが高次横モード化されて伝搬される。

0024

ここで、図4はこの発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬モードを模式的に示す説明図である。
図4では、信号光Sが単一横モードで伝搬されており、励起光Eが高次横モード(0次の横モード、1次の横モード、2次の横モード、・・・)で伝搬されていることを示している。

0025

図5はこの発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図5では、y偏光を有する信号光Sの高次モード放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Sの高次モードが放射モードとなって、信号光Sの高次モードがコア1の外部に放射されていることを示している。
また、図5では、x偏光を有する励起光Eは高次横モードで伝搬されていることを示している。

0026

次に、この発明の実施の形態1による平面導波路型レーザ増幅器の製造方法について説明する。
まず、レーザ媒質が平板状のコア1となるように切断した後、一対の平板面(zx面)である上面及び下面のうち、一方のzx面を研磨する。
次に、研磨したコア1のzx面に対して、式(1)を満足する材料で構成されているクラッド2を接合する。ここでは、説明の便宜上、コア1のzx面(下面)にクラッド2aを接合するものとする。ただし、コア1のzx面(下面)に接合するクラッド2aは、屈折率における3つの主軸(nX軸、nY軸、nZ軸)が図1〜3に示すような方向になっているクラッドである。
コア1のzx面に対するクラッド2aの接合は、オプティカルコンタクト表面活性化接合拡散接合などの方法で直接接合する。あるいは、コア1とクラッド2aの熱膨張差緩和させるようなバッファ層を挟んで接合する。
次に、コア1のzx面のうち、未だ研磨していない方のzx面(上面)を研磨することで、コア1の厚さを所定の厚さに調整する。
最後に、未だクラッド2bを接合していないコア1のzx面(上面)に対して、クラッド2bを接合する。ただし、コア1のzx面(上面)に接合するクラッド2bは、屈折率における3つの主軸(nX軸、nY軸、nZ軸)が図1〜3に示すような方向になっているクラッドである。

0027

次に平面導波路型レーザ増幅器に励起光を供給する具体的な光源について説明する。
単一横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、シングルモードファイバ出力のレーザ光源、リッジ型導波路レーザ、その他固体レーザなどが挙げられる。
また、高次横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザ、マルチモードファイバ出力のレーザ光源、平面導波路レーザ、その他固体レーザなどが挙げられる。
一般に、高出力な光源は、高次横モードのレーザ光を出力することが多く、レーザ光におけるビーム広がり角が、0次モードの広がり角と比べて大きい。このため、高出力なレーザ光である励起光を効率良く、単一横モードで信号光Sを伝搬する平面導波路と結合することが困難である。
しかし、この実施の形態1では、例えば、半導体レーザから出力された高出力なレーザ光が励起光Eとしてコア1の側面から入射されると、その励起光Eがコア1内で高次横モード化されるため、その励起光Eは、単一横モードで信号光Sを伝搬する平面導波路と効率良く結合される。

0028

以上で明らかなように、この実施の形態1によれば、クラッド2a,2bが、コア1内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成され、クラッド2a,2bの屈折率における3つの主軸(nX軸、nY軸、nZ軸)のうち、主軸(nZ軸)がy軸方向とz軸方向がなすyz面内で、z軸方向からθだけ傾けられており、コア1が、クラッド2a,2bにおける主軸(nZ軸)での屈折率nzより小さく、かつ、主軸(nX軸、nY軸)での屈折率nx,nyより大きい屈折率ncを有する材料で構成されており、コア1に入射される励起光Eが、コア1の平面方向であるx軸方向の偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Sampを出力することができる効果を奏する。

0029

実施の形態2.
上記実施の形態1では、コア1を構成しているレーザ媒質が等方性媒質である例を示したが、レーザ媒質が複屈折性媒質であるものであってもよい。

0030

図6はこの発明の実施の形態2による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図7図6の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図であり、図8図6の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
図6から図8において、平板状のコア3は複屈折性媒質(複屈折材料)のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Eを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。
この実施の形態2では、平板状のコア3における屈折率の主軸の1つであるc軸結晶軸)が、コア3の厚さ方向であるy軸方向と平行になるように向けられている。

0031

クラッド4aはコア3内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア3の平板面である下面に接合されている。
クラッド4bはコア3内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア3の平板面である上面に接合されている。
コア3及びクラッド4a,4bによって、2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態2では、コア3の上面と下面の双方にクラッド4が接合されている例を示しているが、コア3の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド4が接合されていればよい。
この実施の形態2では、クラッド4a,4bの屈折率がコア3の屈折率より僅かに小さく、クラッド4a,4bにおける屈折率の主軸の1つであるc軸が、光軸の方向であるz軸方向と平行になるように向けられている。
また、コア3に入射される信号光Sがx偏光を有する信号光であり、コア3に入射される励起光Eがy偏光を有する励起光であるようにしている。

0032

次に動作について説明する。
平板状のコア3は、レーザ媒質で構成されているため、側面から励起光Eが入射されると、その励起光Eを吸収することで反転分布状態を形成する。また、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア3は、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。

0033

この実施の形態2では、平面導波路型レーザ増幅器が、コア3内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の偏光のうち、x軸方向の偏光であるx偏光に対して単一横モードが形成されて、y偏光に対して高次横モードが形成されるようにするため、クラッド4a,4bの屈折率がコア3の屈折率より僅かに小さい関係を有するコア3及びクラッド4a,4bの材料を選定する。ここで、「僅かに小さい関係」とは、波長、コア3の厚さ、コア3の屈折率とクラッド4a,4bの屈折率から定まるモード数が1となるような、コア3及びクラッド4a、4bの屈折率の差の関係を示すものである。
また、コア3における屈折率のc軸がy軸方向と平行になるように向けられ、クラッド4a,4bにおける屈折率のc軸がz軸方向と平行になるように向けられている。
図6〜8の例では、x偏光に対して単一横モードが形成されて、y偏光に対して高次横モードが形成されているが、y偏光に対して単一横モードが形成されて、x偏光に対して高次横モードが形成されているものであってもよい。ただし、この場合には、コア3に入射される信号光Sがy偏光を有する信号光であって、コア3に入射される励起光Eがx偏光を有する励起光であるようにする必要がある。

0034

クラッド4a,4bの屈折率は、上述したように、コア3の屈折率より僅かに小さいが、以下、この屈折率の関係を満足するコア3及びクラッド4a,4bの具体的な材料の組み合わせを例示する。ただし、具体的な材料の組み合わせは一例に過ぎず、他の組み合わせであってもよいことは言うまでもない。
コア3 → Er:YVO4、Yb:YVO4、
Er,Yb:YVO4、または、Nd:YVO4
クラッド4a,4b → YVO4

0035

例えば、コア3の材料がNd:YVO4であり、クラッド4a,4bの材料がYVO4である場合、Nd:YVO4のc軸がy軸方向と平行になるように向けられ、YVO4のc軸がz軸方向と平行になるように向けられる。
このとき、コア3の材料であるNd:YVO4の屈折率は、活性イオンNdの添加により、クラッド4a,4bの材料であるYVO4の屈折率よりも僅かに大きくなる。このため、x軸方向において、YVO4の屈折率よりも、Nd:YVO4の屈折率の方が僅かに高くなる。
したがって、この実施の形態2では、YVO4の屈折率よりも、活性イオンNdを添加しているNd:YVO4の屈折率の方が僅かに高くなるため、x偏光を有する信号光Sを単一横モードで伝搬させることが可能になる。
例えば、コア3の側面に入射されるx偏光を有する信号光Sの波長が、1064nmである場合、その信号光Sに対するNd:YVO4(Nd濃度1at.%)の常光線の屈折率が約1.9576で、YVO4の常光線の屈折率が約1.9571である。
したがって、x偏光を有する波長1064nmの信号光Sが入射されると、その信号光Sに対するコア3の屈折率が1.9576、クラッド4a,4bの屈折率が1.9571となる。
このとき、例えば、コア3の厚さが10μmであれば、モード数が1になる。

0036

また、コア3の側面に入射されるy偏光を有する励起光Eの波長が、例えば808nmである場合、その励起光Eに対するYVO4の常光線の屈折率が約1.97で、Nd:YVO4(Nd濃度1at.%)の異常光線の屈折率が約2.19である。
したがって、y偏光を有する波長808nmの励起光Eが入射されると、その励起光Eに対するコア3の屈折率が2.19、クラッド4a,4bの屈折率が1.97となる。
このとき、例えば、コア3の厚さが10μmであれば、モード数が24になる。
これにより、y軸方向の偏光を有する励起光Eが高次横モード化されて伝搬される。

0037

ここで、図9はこの発明の実施の形態2による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図9では、x偏光を有する信号光Sの高次モードが放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Sの高次モードが放射モードとなって、信号光Sの高次モードがコア3の外部に放射されていることを示している。
また、図9では、y偏光を有する励起光Eは高次横モードで伝搬されていることを示している。

0038

以上で明らかなように、この実施の形態2によれば、コア3及びクラッド4a,4bが、コア3内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なり、かつ、コア3の屈折率がクラッド4a,4bの屈折率より大きくなる複屈折材料で構成されて、コア3の屈折率のc軸がコア3の厚さ方向に向けられ、クラッド4a,4bの屈折率のc軸が光軸の方向に向けられることで、x偏光に対して単一横モードが形成されて、y偏光に対して高次横モードが形成されており、コア3に入射される信号光Sが、x偏光を有する信号光であり、コア3に入射される励起光Eが、y偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Sampを出力することができる効果を奏する。
また、この実施の形態2では、コア3が複屈折材料で構成されているため、平面導波路の層構造作製時や導波路固定時において、予期せぬ応力分布が発生することによる屈折率分布が発生しても、その屈折率分布の大きさは、元々の材料である複屈折材料と比べて一般に小さいため、直線偏光出力を得ることができる。

0039

実施の形態3.
上記実施の形態1では、コア1を構成しているレーザ媒質が等方性媒質である例を示したが、レーザ媒質が複屈折性媒質であるものであってもよい。
この実施の形態3では、上記実施の形態2と異なり、レーザ媒質の屈折率の活性化イオン依存性を用いずにモード形成を行っている。

0040

図10はこの発明の実施の形態3による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
また、図11図10の平面導波路型レーザ増幅器におけるy−z平面図であり、図12図10の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
図10から図12において、平板状のコア5は複屈折性媒質(複屈折材料)のレーザ媒質から構成されており、側面から入射された励起光Eを吸収して反転分布状態を形成することで利得を発生し、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。
この実施の形態3では、平板状のコア5における屈折率の主軸の1つであるc軸(結晶軸)が、コア5の平面方向であるx軸方向と平行になるように向けられている。

0041

クラッド6aはコア5内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア5の平板面である下面に接合されている。
クラッド6bはコア5内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されており、コア5の平板面である上面に接合されている。
コア5及びクラッド6a,6bによって、2つの偏光方向のうち、一方の偏光方向の偏光に対して単一横モードが形成されて、他方の偏光方向の偏光に対して高次横モードが形成されている。
この実施の形態3では、コア5の上面と下面の双方にクラッド6が接合されている例を示しているが、コア5の上面と下面のうち、少なくとも一方の面にクラッド6が接合されていればよい。
この実施の形態3では、クラッド6a,6bにおける屈折率の主軸の1つであるc軸が、クラッド6a,6bにおける厚さ方向であるy軸方向と、光軸の方向であるz軸方向とがなすyz面内で、光軸に対してθだけ傾けられている。
また、コア5に入射される信号光Sがy偏光を有する信号光であり、コア5に入射される励起光Eがx偏光を有する励起光であるようにしている。

0042

次に動作について説明する。
平板状のコア5は、レーザ媒質で構成されているため、側面から励起光Eが入射されると、その励起光Eを吸収することで反転分布状態を形成する。また、反転分布状態を形成することで利得を発生する。
平板状のコア5は、反転分布状態を形成しているときに、側面からレーザ光である信号光Sが入射されると、その利得によって信号光Sを増幅して、増幅後の信号光Sampを出力する。

0043

この実施の形態3では、平面導波路型レーザ増幅器が、コア5内での信号光Sの伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の偏光のうち、y軸方向の偏光であるy偏光に対して単一横モードが形成されて、x軸方向の偏光であるx偏光に対して高次横モードが形成されるようにするため、コア5における屈折率のc軸がx軸方向と平行になるように向けられて、クラッド6a,6bのc軸がyz面内でz軸からθだけ傾けられている。このθの傾き角は、上記実施の形態1に記載しているθと同じ目的で傾けられている。即ち、y軸方向の偏光であるy偏光に対して単一横モードを形成することを目的としている。

0044

この実施の形態3では、例えば、コア5の材料としてNd:GdVO4を用い、クラッド6a,6bの材料としてYVO4を用いるものとする。
この場合、Nd:GdVO4における屈折率のc軸がx軸方向と平行になるように向けられ、YVO4における屈折率のc軸がyz面内で光軸からθだけ傾けられるが、Nd:GdVO4のc軸方向の偏光を有する励起光の屈折率と比べて、YVO4のc軸に垂直な方向の偏光方向を有する励起光の屈折率が小さいため、x偏光を有する励起光Eを高次横モード化することが可能である。

0045

ここで、図13はこの発明の実施の形態3による平面導波路型レーザ増幅器でのレーザ光(信号光S、励起光E)の伝搬角の偏光依存性を模式的に示す説明図である。
図13では、y偏光を有する信号光Sの高次モードが放射モードとなり、単一横モードで伝搬されていることを示している。図中、破線は信号光Sの高次モードが放射モードとなって、信号光Sの高次モードがコア5の外部に放射されていることを示している。
また、図13では、x偏光を有する励起光Eは高次横モードで伝搬されていることを示している。

0046

以上で明らかなように、この実施の形態3によれば、コア5及びクラッド6a,6bが、コア5内での信号光の伝搬方向である光軸と直交する2つの偏光方向の屈折率が異なる複屈折材料で構成されて、コア5における屈折率のc軸がx軸方向と平行になるように向けられて、クラッド6a,6bにおける屈折率のc軸がyz面内で光軸からθだけ傾けられることで、y軸方向の偏光であるy偏光に対して単一横モードが形成されて、x軸方向の偏光であるx偏光に対して高次横モードが形成されており、コア5に入射される信号光Sが、y偏光を有する信号光であり、コア5に入射される励起光Eが、x偏光を有する励起光であるように構成したので、単一横モードで高出力な信号光を出力することができる効果を奏する。即ち、高ビーム品質で、かつ、高出力な増幅後の信号光Sampを出力することができる効果を奏する。
また、この実施の形態3では、コア5が複屈折材料で構成されているため、平面導波路の層構造作製時や導波路固定時において、予期せぬ応力分布が発生することによる屈折率分布が発生しても、その屈折率分布の大きさは、元々の材料の複屈折と比べて一般に小さいため、直線偏光出力を得ることができる。

0047

実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、コア1,3,5の形状が平板状であるものを示したが、コア1,3,5における一対の平板面(上面、下面)のうち、一方の平板面にリッジ構造が設けられているようにしてもよい。

0048

図14はこの発明の実施の形態4による平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。また、図15図14の平面導波路型レーザ増幅器におけるx−y平面図である。
図14及び図15において、図1から図3と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
リッジ部1aは凸形状の部材であり、コア1の上面に形成されている。リッジ部1aの部材はコア1の部材と同じであり、コア1の一部をなしている。
図14及び図15の例では、リッジ部1aがコア1の上面に形成されているが、コア1の下面に形成されていてもよい。
また、図14及び図15では、上記実施の形態1における平面導波路型レーザ増幅器のコア1がリッジ部1aを有する例を示しているが、上記実施の形態2,3における平面導波路型レーザ増幅器のコア3,5がリッジ部を有するものであってもよい。

0049

コア1がリッジ部1aを有するリッジ型導波路の場合、コア1のリッジ部1aにおける等価屈折率が、コア1のリッジ部1a以外の部分における等価屈折率より大きくなる。このため、光軸であるz軸方向に垂直な断面において、2方向の光を閉じ込めて導波させる構造になっている。
また、コア1はレーザ媒質で構成されており、モードフィールド径が小さく、励起密度が高いため、誘導放出断面積が小さなレーザ媒質を用いた場合でも大きな利得が得られ、高効率な増幅と発振動作の実現が可能である。
図14では、上記実施の形態1と同様に、y軸方向のモードが単一横モード化されて、コア5に入射される信号光Sが、y偏光を有する信号光である例を示しているが、コア1がリッジ部1aを有することで、x軸方向のモードを単一横モード化することが可能であり、x軸方向及びy軸方向共に良好なビーム品質を得ることが可能である。

0050

ここで、平面導波路型レーザ増幅器に励起光を供給する具体的な光源の例を列挙する。
光軸に対して垂直な断面の2方向(x軸方向、y軸方向)に対して、単一横モードのレーザ光を出力する光源としては、例えば、シングルモードファイバ出力のレーザ光源や、リッジ型導波路レーザ等が挙げられる。
また、光軸に対して垂直な断面の2方向(x軸方向、y軸方向)に対して、断面の一方向(y軸方向)だけに高次横モードのレーザ光を出力して、断面の他方向(x軸方向)には単一横モードのレーザ光を出力する光源として、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザや平面導波路レーザが挙げられる。

0051

平面導波路型レーザ増幅器と光源の具体的な構成例として、平面導波路型レーザ増幅器におけるリッジ型導波路のy軸方向に対して、例えば、高出力なマルチモード半導体レーザの遅軸方向を直接結合又は光学系を介して結合するものが考えられ、この場合、小型に構成することができる。
図16はマルチモード半導体レーザの遅軸方向をリッジ型導波路のy軸方向に結合する場合の平面導波路型レーザ増幅器を示す斜視図である。
図16において、高反射膜11はコア1及びクラッド2a,2bの図中右側の側面に成膜されており、励起光Eを通すが、信号光Sを反射させる信号光の反射膜である。
高反射膜12はコア1及びクラッド2a,2bの図中左側の側面に成膜されており、信号光Sを通すが、励起光Eを反射させる励起光の反射膜である。

0052

コア1の図中右側の側面から入射された励起光Eは、コア1を構成しているレーザ媒質に吸収されながら、z軸方向と反対方向に伝搬される。
レーザ媒質に吸収されずに残っている励起光Eは、高反射膜12に反射され、その後、z軸方向に伝搬されながら、コア1を構成しているレーザ媒質に吸収される。
コア1の図中左側の側面から入射された信号光Sは、コア1を構成しているレーザ媒質で増幅されながら、z軸方向に伝搬される。その後、高反射膜11に反射された信号光Sは、コア1を構成しているレーザ媒質で増幅されながら、z軸方向と反対方向に伝搬され、高反射膜12から増幅後の信号光Sampとして出力される。

0053

図17及び図18は半導体レーザを平面導波路型レーザ増幅器の励起光源として使用する場合の結合光学系の一例を示す構成図である。図17は結合光学系のy−z平面を示し、図18は結合光学系のz−x平面を示している。
図17及び図18において、半導体レーザ13は0次モードのレーザ光と高次モードのレーザ光とを出力する励起光源であり、半導体レーザ13は0次モードのレーザ光である励起光Eがx軸方向に出力され、高次モードのレーザ光である励起光Eがy軸方向に出力されるように配置されている。
コリメートレンズ14は半導体レーザ13から出力されたレーザ光を平行光にする光学部品である。
集光レンズ15はコリメートレンズ14から出力された平行光をコア1の側面に集光する光学部品である。

0054

半導体レーザ13から出力されたレーザ光である励起光Eは、コリメートレンズ14によって平行光にされたのち、集光レンズ15によってコア1の側面に集光される。
これにより、半導体レーザ13から出力されたレーザ光は励起光Eとして平面導波路型レーザ増幅器のコア1に入射される。
この平面導波路型レーザ増幅器の動作は、図16の平面導波路型レーザ増幅器の動作と同じである。

0055

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

0056

1平板状のコア、1aリッジ部、2a,2bクラッド、3 平板状のコア、4a,4b クラッド、5 平板状のコア、6a,6b クラッド、11,12高反射膜、13半導体レーザ、14コリメートレンズ、15集光レンズ。

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