JP4729480B2 - コヒーレント光源および光学システム - Google Patents

Description

本発明は、コヒーレント光源および光学システム、特に、光触媒効果を発現する機能性膜を備えるコヒーレント光源および光学システムに関するものである。

窒化ガリウムをはじめとするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料（ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１である））からなる半導体レーザは、光ディスクによる超高密度記録を実現するためのキーデバイスであり、現在、実用レベルに最も近い青紫色半導体レーザである。この青紫色半導体レーザの高出力化は、光ディスクの高速書き込みを可能にするのみならず、レーザディスプレイへの応用など、新たな技術分野の開拓に必須の技術である。
録画再生型の光ディスクシステムにおいては、高出力半導体レーザが望まれる。高出力化の有効な手段のひとつとして、共振器端面の反射率を非対称とする方法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。この方法は、光ディスクの書き込みに用いられる半導体レーザでは一般的な方法である。この方法は、共振器を形成する端面を誘電体膜でコーティングすることで端面の反射率を非対称にする方法で、共振器を形成する端面のうち、レーザ光が出射する共振器の前方端面を低反射率に、また、その反対側の後方端面の反射率を高反射率とする（例えば前方端面１０％、後方端面９０％）。誘電体多層膜の反射率は、用いる誘電体の屈折率、層厚、および積層する総数によって制御することができる。
半導体レーザは、図１１に示すようなキャン・パッケージに実装（組立）される。このパッケージは、半導体レーザ８０１およびその放熱体であるサブマウント８０２が実装されるベース８０３と、キャップ８０４から成る。キャップの内部は、窒素（Ｎ２）ガス等で封止される。

キャップは、光を取り出すためのガラス８０６と金属製の土台（缶８０５）からなり、気密を保つために、低融点ガラス８０７（数百度で固着）で接着されている。
この様な半導体レーザにおいて、レーザパッケージの表面にゴミやカビなどが付着して、出力特性に影響を及ぼすことが問題となっている。この問題を解決する方法として、レーザのパッケージの表面に光触媒機能を有する膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、高出力のコヒーレント光源として固体レーザ光源が開発されている。固体レーザの共振器に波長変換素子を挿入することで、高出力の可視光の発生が可能となる。この様な固体レーザにおいても、レーザ端面のゴミの付着は出力特性の劣化を招き、レーザの寿命を短くする。この問題を解決するため、光学部品の表面に光触媒効果を有する膜を設けることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また固体レーザ共振器ミラーに光触媒機能を有する膜を形成する構造が示されている。
特開２００３−５９０８７号公報 特開２００１−７０７８７号公報 伊賀健一編著、「半導体レーザ」、第１版、株式会社オーム社、平成６年１０月２５日、ｐ．２３８

従来の光源においては、コヒーレント光源からの光を用いて光触媒の触媒機能を活性化させることを目的としている。しかしながら、光触媒は波長依存性があり、光触媒機能を活性化させるには、利用できるコヒーレント光源の波長が限られるという問題がある。具体的には、光触媒を効率よく活性化させるには波長３９０ｎｍ以下の光源が必要となる。このため、光触媒を利用できるコヒーレント光源は波長３９０ｎｍ以下の短波長光源に限られるという問題がある。
本発明は、前記従来の問題を解決し、出射される波長の制限が緩和されたコヒーレント光源を提供することを課題とする。さらに、別の本発明は、出射される波長の制限が緩和された光学システムを提供することを課題とする。

第１の発明は、第１の光と、第１の光より波長の短い第２の光を同時に出射するコヒーレント光源であり、少なくとも第１の光を出射する光源本体と、第１の光を透過又は反射する部材と、部材の少なくとも一部に設けられた機能性膜と、を備えている。機能性膜は、第２の光により光触媒効果を発現する。
ここで、光触媒効果とは、例えば、部材に堆積する付着物などを除去する効果などである。
本発明では、第１の光を出射させつつ、第２の光により光触媒効果を発現する。すなわち、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和されたコヒーレント光源を提供することが可能となる。さらに、光触媒機能を得ることができるため、付随的な効果として、長期的に安定した発光を行うことができるコヒーレント光源を提供することが可能となる。
第２の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、第１の光の波長が４００ｎｍ以上である。
本発明では、第１の光の波長が４００ｎｍ以上であっても、第２の光により、光触媒効果を発現させることが可能となる。

第３の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、第１の光と第２の光とがほぼ同じ光路を通過する。
本発明では、第１の光と第２の光とがほぼ同じ光路を通過する。このため、第１の光により部材に堆積する付着物と同じ位置に第２の光を照射させるための光学系を簡易に構成することが可能となる。
第４の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、機能性膜を備えた部材の照射面において、第１の光と第２の光とがほぼ等しい領域に照射されている。
ここで、照射面とは、例えば、部材において、第１の光および第２の光が照射される面である。
本発明では、第１の光と第２の光とがほぼ等しい領域に照射されている。このため、第１の光により部材に堆積する付着物と同じ位置に第２の光を照射させることが可能となる。
第５の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザを含んでいる。
本発明では、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザにおいて、長期的に安定した発光を行うことが可能となる。

第６の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、第２の光の波長が３９０ｎｍ以下である。
本発明では、第２の光の波長が３９０ｎｍであるため、効率よく機能性膜を活性化させることが可能となる。
第７の発明は、第１の発明のコヒーレント光源であって、第１の光の一部を第２の光に変換する第１の波長変換素子をさらに備える。
本発明では、波長変換素子により、第１の光を第２の光に変換するため、簡易な光学系であっても、第１の光と第２の光とをほぼ同軸に発生させることが可能となる。
第８の発明は、第７の発明のコヒーレント光源であって、第１の波長変換素子が非線形光学材料またはアップコンバージョン材料からなる。
本発明では、例えば、安定した短波長光発生が可能となる。
第９の発明は、第７の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、Ｎｄ又はＹｂを含む固体レーザ媒体から構成されている。第１の波長変換素子は、固体レーザから出射された第１の光を第３高調波である第２の光に変換する。
本発明では、固体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能となる。

第１０の発明は、第７の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、Ｎｄ又はＹｂを含む固体レーザ媒体と、固体レーザからの光を第２高調波である第１の光に変換する第２の波長変換素子とから構成される。第１の波長変換素子は、固体レーザからの光と第１の光とを和周波光である第２の光に変換する。
本発明では、固体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能となる。
第１１の発明は、第７の発明のコヒーレント光源であって、光源本体は、半導体レーザから構成される。第１の波長変換素子は、半導体レーザから出射された第１の光を高調波である第２の光に変換する。
本発明では、半導体レーザを用いつつ、長期的に安定した発光を行うことが可能となる。
第１２の発明は、コヒーレント光源と、集光または投射光学部材と、機能性膜とを備える光学システムである。コヒーレント光源は、第１の光と、第１の光より波長の短い第２の光を同時に出射する。機能性膜は、コヒーレント光源からの光照射を受ける光学部材の少なくとも一部に設けられている。機能性膜は、第２の光により光触媒効果を発現する。
ここで、光触媒効果とは、例えば、部材に堆積する付着物などを除去する効果などである。

本発明では、第１の光を出射させつつ、第２の光により光触媒効果を発現する。すなわち、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和された光学システムを提供することが可能となる。さらに、光触媒機能を得ることができるため、付随的な効果として、長期的に安定した発光を行うことができる光学システムを提供することが可能となる。
第１３の発明は、第１２の発明の光学システムであって、光学部材において、第１の光のパワー密度が１００Ｗ／ｃｍ２以上になる照射面においては、機能性膜が設けられている。照射面において第１の光と第２の光とがほぼ同じ領域に照射される。
第１の光のパワー密度が上記値である照射面では、一般に、付着物の堆積が顕著となる。
本発明では、この様な照射面に機能性膜を設け、さらに、第１の光の照射により付着物が堆積する部分に第２の光を照射させることができるため、効率的に付着物の除去を行うことが可能となる。

本発明のコヒーレント光源の構造によれば、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和されたコヒーレント光源を提供することが可能となる。さらに、別の本発明は、光触媒機能を得つつ、出射される波長の制限が緩和された光学システムを提供することが可能となる。
また、付随的な効果として、長期的に安定して動作する発光素子を実現することができる。さらに、付随的な効果として、短波長光源を用いた光ディスク等のシステム、可視光を用いたレーザディスプレイ等の光学システムの安定稼動を実現することができる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態に係るコヒーレント光源の構成図である。図１に示した第１の光源１から出た第１の光３は、第２の光源２から出た第２の光４とミラー５によって合波されている。ミラー５の表面には、機能性膜６が形成されている。第１の光源として、例えば波長４１０ｎｍのＧａＮ半導体レーザ、第２の光源として例えば波長３８０ｎｍのＧａＮ半導体レーザを用いる。
また、この光源を用いた光学システムの一例として光ディスク装置に応用した例を図２に示す。図２においては、光源７０１は、図１に示したコヒーレント光源をパッケージ化したものである。光源７０１から出た光７０６は、集光光学系７０７、ビームスプリッタ７０４、集光光学系７０５を通過した後、光ディスク７０３に照射され、反射光がビームスプリッタ７０４によって反射され、ディテクタ７０２によって検出される。
この様な光学システム、特に短波長、高出力のレーザを取り扱う場合に、長期信頼性における問題が顕著になってきている。この問題とは、（短波長の半導体レーザを高出力（例えば３０ｍＷ）で長期に渡って駆動させた時に、レーザの近傍に存在するハイドロカーボン（ＣとＨの化合物、例えばアルデヒドなど）がレーザ光により分解し、光学部品の端面に楕円状に異物が析出するという問題である。元素分析（ＥＤＸ等の質量分析）により、この異物は、主成分がカーボン（Ｃ）からなることが分かった。析出する異物は、光出力の増加に伴い顕著であり、録画再生型の光ディスク装置の高速化（この様な装置では、レーザは、高出力のものが必要となる）の際に、より問題となってくる。さらに、この様な現象は、光ディスクに限らず、短波長、高出力なコヒーレント光源を利用する光学システム総てにおいて生じる問題であり、長期信頼性を劣化させる要因である。

また、光学システムを構成する光学系、光源において、上記異物の堆積は、光のパワー密度に依存する。従って、光学系においても、異物の堆積は、光のパワー密度が高い部分に顕著に現れる。例えば、光源の出射端面、光源パッケージの窓、ディテクタの受光表面、その他、集光光学系、ミラー、フィルター部で特に光を集光して利用する部分において光のパワー密度が１００Ｗ／ｃｍ２以上に高くなると、異物の堆積が高くなることが分かった。また異物は、使用環境にも大きく依存し、外気の埃、塵、煙等の多い場所では、その堆積の速度が高くなることが分かった。これらは、光学部品の透過特性、反射特性等を劣化させるため、光学システムの寿命を制限する。
この現象は、他の半導体レーザ（赤色レーザや赤外レーザ）では観察されていないことから、波長６００ｎｍ以下の短波長光、または非常にパワー密度の高いレーザ光源において特に顕著になる。また、この現象は、短波長の半導体レーザ（例えば、発振波長が４００ｎｍ帯）においては、さらに顕著となる。
本発明は、前述の従来の課題を解決し、長期的に安定して動作する光学システムおよびコヒーレント光源を提供することを目的としており、短波長のレーザを用いた光ディスク等のシステムの安定稼動を実現する。

この様な、光学システムにおける異物の堆積を防止する方法として、光触媒作用によるセルフクリーニング機能を利用した方法が着目されている。この方法では、光学面の最外部にコーティングしたＴｉＯ２等の機能性膜の強い光触媒作用により、ハイドロカーボンをＣＯ２やＨ２Ｏ等に変化させる。これにより、光学システムへの異物の堆積を防止する。
しかしながら、光触媒の作用には光触媒を活性化するための紫外光の照射が必要不可欠である。光触媒としてルチル型の酸化チタンを用いた場合、４１３ｎｍ以下の波長の光で活性化する必要があり、アナターゼ型の酸化チタンを用いた場合、３８８ｎｍ以下の波長の光で活性化する必要がある。Ｃｒをドーピングした酸化チタンを用いた場合、５００ｎｍ近傍まで活性化の波長を長波長化できる。しかしながら、効率良く酸化チタンを活性化するには波長３９０ｎｍ以下の光による照射が必要である。
この問題を解決するために、本発明では、光源として、利用したい第１の光とともに、波長３９０ｎｍ以下の第２の光をほぼ等しい光軸で出射する光源を提案する。
図１に本発明の光源の構成図を示す。図１において、ダイクロイックミラー５は、異なる波長を合波している。このミラーの表面に機能性膜６を堆積することで、異物の堆積を防止している。

さらにこの様な光源を用いた図２の光学システムにおいては、光源７０１から出射された光７０６は、使用する第１の光とほぼ同軸の光軸を持つ波長３９０ｎｍの第２の光を含む。第１の光が照射される部分で特に光のパワー密度が高く、異物の堆積が起こる部分には、機能性膜が堆積されている。例えば、光学システムを構成し、第１の光を透過又は反射する光学素子（例えば、光源７０１のパッケージの窓、集光光学系７０５、集光光学系７０７、あるいはビームスプリッタ７０４）などの少なくとも一部（少なくとも一面）に機能性膜が堆積されている。
なお、光源７０１は、図１に示したコヒーレント光源であると記載したが、光学素子の一部に機能性膜が堆積される場合には、光源７０１は、図１に示したコヒーレント光源でなくてもよい。すなわち、光学素子の一部に機能性膜が堆積される場合には、光源７０１は、機能性膜を備えていないが波長の異なる２つの光を出射できるものであればよい。
図１および図２に示した構成では、第１の光と第２の光がほぼ同軸で伝搬しているため、異物の堆積が起こる部分に効率よく第２の光を照射できる。このため、低消費電力化が可能となる。また機能性膜を活性化するための光源や光学系を別に用意する必要がないので、光学系が単純になり小型化が図れる。さらに、システムにおける異物の堆積が自動的にセルフクリーニングされるため、光学系の信頼性向上、寿命の増大が著しく向上する。

また、図２に示すように、本発明の光源を用いた光学系を構成する場合、セルフクリーニング作用を及ぼす第２の光を効率良く光学系を透過させるためには、光源および光学系に工夫が必要である。例えば、光源に対する工夫として、第２の光として、３４０ｎｍ〜３９０ｎｍの波長の光を用いることが望ましい。これは、短波長化に対する光触媒効果の低下はそれほど大きくないが、紫外光を透過する光学系の選択が厳しくなるからである。例えば、波長が３４０ｎｍ以下になるとレンズやフィルターの光学部品の材料として石英等に限られるため光学系の価格が高くなるという問題が生じる。一方、３９０ｎｍより長波長になると光触媒効果の効率が大幅に低下する。
（実施の形態２）
本発明の他のコヒーレント光源について図３を用いて説明する。ここでは、光源本体として固体レーザが用いられている。
半導体レーザ励起の固体レーザは、Ｎｄ，Ｃｒ等のイオンをドーピングした固体レーザ材料を中心に広く使用されている。図３では、光源本体として、その代表的なものであるＮｄドープのＹＡＧレーザが用いられている。固体レーザ励起用の半導体レーザ４０２からの波長８０８ｎｍの光が固体レーザ媒質４０３（ＹＡＧレーザ媒質）に照射される。固体レーザ媒質は、共振器ミラー４０５で共振され、レーザ発振を行う。レーザ発振としては、波長１．０６４μｍの赤外光が中心であるが、出力は、数Ｗから数１０Ｗ以上と高出力特性を有する。

この様な固体レーザを用いた場合においても、レーザ光の光路に位置するレーザミラーおよびこの固体レーザを用いた光学系における異物堆積が懸念される。この問題を解決する方法として、図３（ａ）に示すように波長変換素子４０４を挿入する構成を提案する。
例えば、波長１．０６μｍの固体レーザ発振において、その光を３倍高調波に変換する波長変換素子４０４を挿入する。これによりレーザ光の一部が波長３５５ｎｍ近傍の３倍波に波長変換される。このため、第１の光である波長１．０６μｍの基本波である第１の光４０８と、３倍高調波である第２の光４０９とがほぼ等しい光軸で出射されることになる。
半導体レーザ４０２、固体レーザ媒質４０３、波長変換素子４０４、ミラー４０５は、パッケージ４１０で覆われており、窓４０６を通って光が出射する。窓４０６部分は光のパワー密度が高いため、機能性膜４０７を堆積する。窓４０６に堆積された機能性膜４０７には、波長３５５ｎｍの第２の光が照射されている。このため、機能性膜４０７が活性化され、窓４０６への異物の堆積を防止できる。
また、機能性膜は、例えば、レーザ光の光路に位置するミラー４０５の一部にもうけられていてもよい。

また、このコヒーレント光源を用いた光学系においても機能性膜を堆積した光学素子を用いてもよい。この場合、第１の光と同軸で照射される第２の光によりセルフクリーニング機能が発現され、光学素子の劣化を大幅に低減できる。
この様な固体レーザを用いるコヒーレント光源の形態としては幾つかの形態がある。
図３（ｂ）は、その他の構成として、固体レーザに４１１の波長変換素子を含んでおり、１．０６μｍの波長の基本波を波長変換素子４１１により第２高調波に変換し、波長５３０ｎｍ近傍のグリーン光を発生するものである。
このグリーン光に波長３８０ｎｍ以下の紫外光を混ぜるために、波長変換素子４０４によって、固体レーザからの１．０６μｍの光と、波長変換素子４１１からの波長５３０ｎｍの光との和周波を発生させる。これにより波長３５５ｎｍの紫外光発生が可能となる。
光源波長が短波長化するとカーボン（Ｃ）を主成分とする付着物の発生が大幅に増大する。出力が数Ｗの光源においては、赤外光に比べて、５３２ｎｍでのレーザミラー等の付着物は一桁以上増大する。このため、ミラーまたはガラス窓において光触媒によるセルフクリーニング効果は絶大であり、レーザの耐久性が大幅に増大する。
また、その他の形態として図４に示すような構成も可能である。

図４（ａ）は、共振器の外部ミラー４１２を波長変換素子で構成した例である。基板としてＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３、を用い、内部に周期状の分極反転構造を形成することで、波長変換機能を持たせている。非線形光学結晶としては、その他ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯといった紫外用の波長変換材料も利用できる。これらの波長変換材料は、紫外光までの透過特性を有する結晶で、透過特性が高いため共振器ミラーの材質としては、有望である。
以上のように、外部ミラー４１２を波長変換素子で形成することにより光学系を簡素化できる。
また図４（ｂ）の構成では、レーザ共振器の外部に波長変換素子５０３を設けている。
共振器の外部に波長変換素子５０３をおくことで、共振器の構成を簡単にし、共振器ノイズ等による共振器の不安定性を低減している。
これらのように、レーザ光の一部を波長変換素子により変換することで、紫外光発生を行えば、同軸に発生する第１の光に光触媒作用を及ぼす紫外光である第２の光を重畳することが可能となる。
この構成の主な効果としては、例えば、コヒーレント光源の窓４０６に機能性膜４０７を堆積することで、カーボンを主成分とする異物堆積を大幅に減らせる。従来の高出力の固体レーザにおいては、構成ミラー等への付着物により特性が劣化するため、定期的なメンテナンスが必要であり、連続稼働時間が限定される。一方、本発明のように、コヒーレント光源内に、光の一部のみを紫外光へ変換する波長変換機能を加えることで、光触媒作用を起こす紫外光の発生が可能となる。この結果、光学系への付着物堆積を低減でき、レーザの連続稼働時間を大幅に向上させることができる。

さらに、本発明の構成では、必要とする光（第１の光）に対して変換光（第２の光）がほぼ同じ光軸で発生するため、付着物の堆積する部分のみを、効率よく変換光で照射できる。このため、光学系が非常に簡単になる。さらに、光触媒効果へ利用する光を最小限に抑えることができるため、光源の効率化が図れる。
さらに、このコヒーレント光源を用いた光学システムにおいても、光のパワー密度の高い光学素子、例えば、ミラーやレンズといった光学部品の表面を機能性膜で覆うことでセルフクリーニング機能を付加し、異物堆積を大幅に低減できる。
また、本発明では、波長変換を用いることで、同軸に発生する第２の光を容易に発生することが可能となる。波長変換は変換に伴う光の損失がない。光触媒作用に必要な光の強度は数ｍＷ程度なので、第１の光の変換ロスは非常に小さく有効である。
なお、本発明のコヒーレント光源を有効に利用する光学システムにおいては、光学素子に波長３９０ｎｍ以下の紫外光を透過する特性が要求される。少なくとも異物堆積が生じる光学素子までは紫外光である第２の光を照射する必要がある。このため、異物堆積が生じる光学素子までの光路に位置する光学素子においては、紫外光の吸収の少ない材料が好ましい。

なお、波長変換素子としては、ＫＮｂＯ３、ＫＴｉＯＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＭｇをドーピングしたＬｉＮｂＯ３、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、石英等がある。またこれらの結晶を周期的に分極反転した構造が望まれる。周期的に分極反転することで波長変換する基本波の波長にあわせて変換特性を調整できる。石英の場合も結晶構造を周期的に反転させる構造を用いれば非線形材料と同様に波長変換が可能となる。２倍波、３倍波等の高調波を発生する場合、周期構造を最適化することで位相整合条件を調整できる。さらに、変換する位相整合波長の波長許容度を増大させるために、分極反転の周期構造を設計することで広い波長範囲に渡って変換が可能な構造も実現できる。基本波の波長変動が大きな半導体レーザ等に利用する場合は、変換する波長が変動した場合でも位相整合が可能なように、広い波長範囲に渡って変換可能なように分極反転構造を設計することが望ましい。
なお、本実施の形態では固体レーザについて説明したが、その他、ガスレーザ、色素レーザ等についても同様である。Ａｒレーザ、Ｋｒレーザ等の波長４００ｎｍから５００ｎｍの発振性を有するレーザにおいても同様に高出力特性を有するため、レーザ自体および光学系におけるレーザ照射による異物の付着が生じ、コヒーレント光源および光学系の劣化が発生する。この問題を解決するために、レーザ光の一部を高調波に波長変換する波長変換素子を備え、レーザ光とその変換光である波長３９０ｎｍ以下の光を同時に出射する構成をとれば、光源または光学システムに必要な場所（異物堆積が生じやすい場所）の最外面に機能性膜（ＴｉＯ２）をコーティングすることで、特性劣化を大幅に低減可能となり、レーザを用いた光学システムの安定稼動を実現する。

また波長変換素子の代わりにＧａＮ半導体レーザを用いた構成も利用できる。ＧａＮ半導体レーザを用いた本発明のコヒーレント光源について図５を用いて説明する。
固体レーザ光源にダイクロイックミラー５０２を介して、半導体レーザ５０１の光を合波している。半導体レーザ５０１は、波長３８０ｎｍのＧａＮレーザである。固体レーザの光と同軸でコリメートしたＧａＮレーザをあわせることで、紫外光を同時に出射することができる。この構成で、上述した構成と同様の光源が実現できる。
なお、機能性膜としてはＴｉＯ２を用いたが、その他Ｃｒ，Ｎｄ等をドーピングしたＴｉＯ２を用いることで、光触媒機能の発生効率を高めることができる。
なお、光学素子等への付着物対策として、機能性膜を備える位置を以下のように決定すると効果的である。例えば、光によるトラッピング作用によりカーボン等の付着物が堆積しやすい面は、光のパワー密度に依存するため、光のパワー密度が高い面に機能性膜を備えるのが望ましい。それ以外にも、光の入射面側より出射面側、特に光を集光する側ではなく発散する側の出射面において不純物の付着が特に多いため、その面に機能性膜を備えるのが望ましい。従って、機能性膜を備える面は、第１に光のパワー密度が高い面（パワーが１００Ｗ／ｃｍ２以上の部分）、第２に光の出射する面側、第３に光が発散する面である。この条件を満たす面の最表面部（例えば光源パッケージの出射窓等はそれに当たる）に機能性膜を付加するのが効果的である。

なお、本発明の実施の形態では、非線形光学材料を用いた波長変換素子を用いたが、その他アップコンバージョン材料を用いた波長変換素子も利用できる。アップコンバージョンは、通常の蛍光とは異なり、励起光より波長の短い光を発生するものであり、Ｙｂ３＋−Ｅｒ３＋系の材料からなるものが知られている。フッ素系のガラス材料にこれらの材料を添加することで、波長の長い励起光より緑から青色の光を発生することが可能である。アップコンバージョンは、励起光の波長依存性が小さく、広い波長範囲に渡り吸収が可能であるため、安定な短波長光発生が可能である。
（実施の形態３）
ＧａＮ半導体レーザを用いた本発明のコヒーレント光源について図６を用いて説明する。
ＧａＮ半導体レーザでは、３６０ｎｍ〜４８０ｎｍまでの発振波長が実現されており、さらに５００ｎｍ以上の波長範囲でも光の発生が可能である。さらに、高出力化が進んでおり、数１０ｍＷの光出力が可能である。
波長が４００ｎｍ以上のＧａＮ半導体レーザにおいて、レーザ光の集中するレーザパッケージの窓部分、またレーザを用いた光学系において光のパワー密度の高い部分において、異物の堆積が問題となっている。この問題を解決するために、図６に示す構成を提案する。

図６（ａ）は、半導体レーザパッケージの構成を示すもので、ベース３０３に設けられたサブマウント３０２には、半導体レーザ３００が半田付けされている。この半導体レーザ３００から出力された第１の光３０９は、波長変換素子４０１により一部波長変換されて、第２の光３１０として出力される。ガラス窓３０６の表面には、機能性膜３０８としてＴｉＯ２が堆積されており、第２の光３１０により光触媒効果を起こす。半導体レーザ３００は、キャップ３０４で封止されている。この様な構成は、波長の長いＧａＮレーザに有効である。
レーザ表示装置等の視感度の高い光を必要とする装置においては、青色光として波長４４０〜４６０ｎｍ程度の光が効率的である。この様な波長の光源を１００ｍＷ以上の高出力の光源として利用する場合に、本発明の構成は有効となる。すなわち、レーザ光を波長変換素子により高調波に変換することで機能性膜３０８に光触媒効果を起こし、異物付着による特性の劣化を防止できる。
なお、図６（ｂ）に示すように、波長変換素子４０１を外部におくことも可能である。波長変換素子としては、波長２２０〜２３０ｎｍの短波長光発生が必要なため、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ等が有効である。

また石英の結晶構造を周期的に変調した構造は、短波長までの透過特性を有し、周期により変換波長を選択できる。またこの様な構造は、結晶としても安定なため、好ましい。
（実施の形態４）
半導体レーザとしては、図７（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る窒化物半導体レーザ素子の鳥瞰図である。
光源本体としてのこの半導体レーザ３０１は、ＤＨ（ダブルへテロ）構造の基本的な構成であり、ｎ型ＧａＮ基板１０１上のｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層１０２、ＩｎＧａＮを含む多重量子井戸構造からなる活性層１０３、ｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１０４、ｐ型ＧａＮからなるコンタクト層１０５から成る。
本実施の形態では、素子の共振器長、チップ幅、および厚みは、それぞれ６００μｍ、４００μｍ、および８０μｍとした。第１半導体レーザ２０１のリッジストライプの幅は、約１．７μｍである。第２半導体レーザ２０２の幅は、１０μｍとした。
半導体レーザ３０１は、第１半導体レーザ２０１および第２半導体レーザ２０２から構成されており、量子井戸活性層１０３におけるＩｎの量を第２半導体レーザ２０２と第１半導体レーザ２０１とで変えることで、第１半導体レーザ２０１と第２半導体レーザ２０２とは、異なる波長で発振する。例えば、第１半導体レーザ２０１は、波長４１０ｎｍで発振し、第２半導体レーザ２０２は、波長３８０ｎｍで発振している。

この半導体レーザ３０１をパッケージしたコヒーレント光源を図７（ａ）に示す。このコヒーレント光源では、半導体レーザ３０１は、波長４１０ｎｍの第１の光３０９と波長３８０ｎｍの第２の光３１０とを同時に出射する。
第２の光３１０は、ガラス窓３０６上に堆積した機能性膜３０８に光触媒効果を起こす。この結果、セルフクリーニング効果により窓ガラスの異物付着を低減できる。このため、光源特性の劣化を防止でき、寿命を大幅に増大できる。また同一基板に異なる波長のレーザを形成することで、第１半導体レーザ２０１と第２半導体レーザ２０２とは発光点を近接して形成できる。このため、ほぼ同じ光軸で光を出射できる。よって、このコヒーレント光源を用いて光学系を形成する場合にも、光学系を構成する光学素子に機能性膜を堆積するだけで、光学素子の表面をセルフクリーニングできる。
なお、半導体レーザは同一基板に異なる波長のレーザを形成することが望ましいが、異なる基板に形成した半導体レーザをサブマウント３０２上に、発光点を接近させて固定しても同様の効果が得られる。ただし、この場合は２つの光がほぼ同じ光軸をとって進むように、発光点の間隔を１００μｍ以下に近接させて配置することが好ましい。
この半導体レーザを図２に示した光ディスク装置の光源７０１として用いたところ、光学系および装置の寿命が大幅に増大した。なお、光ディスク等へ利用する場合は、第１半導体レーザ２０１には、高出力、シングルモードの特性が要求されるが、第２の光を発生する第２半導体レーザ２０２は、出力が数ｍＷ程度、横モードがマルチモードでも問題ないので、比較的容易に構成できるという特徴を持つ。

また、２つの半導体レーザの駆動方法としては、第１半導体レーザ２０１は、光ディスク装置において情報の書き込みおよび呼び出しに利用されるが、第２半導体レーザ２０２は、第１半導体レーザ２０１と同時に点灯する必要はない。第２半導体レーザ２０２は、光学系での異物堆積の状況が検出されクリーニングが必要とされる場合に点灯することで、コヒーレント光源の消費電力を低減できる。
また、強度としては、第２半導体レーザ２０２は、第１半導体レーザ２０１の１／１０以下の強度で利用するのが望ましい。第２半導体レーザ２０２のパワーが第１半導体レーザ２０１のパワーに近づくと、光ディスク上に情報の読み出し、書き込みを行う場合に、媒体の情報を劣化させるといった問題が発生する。このため、第２半導体レーザ２０２のレーザパワーは限定して使うのが好ましい。
なお、本実施形態において、半導体レーザは、ＧａＮ基板１０１上に形成したが、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料がその上にエピタキシャル成長できる基板、例えば、サファイヤ基板やＳｉＣ基板等であってもよい。
また、ここでは、ひとつのレーザ素子にひとつのストライプ構造を形成する半導体レーザについて述べてきたが、ひとつのレーザ素子に複数のストライプが形成されるマルチビーム型の半導体レーザであっても、同様の効果が得られる。さらに、必ずしも基本横モードのみでのレーザ発振を必要としない大出力半導体レーザにおいても、本発明の方法を用いることができ、これによりカーボンの析出が抑制され、大出力の半導体レーザを安定稼動させることができる。

また、本実施の形態では、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザ素子について説明したが、半導体レーザ素子は、これに限るものではなく、発光ダイオード素子などの発光素子（特に波長は４５０ｎｍ以下）であってもよい。。さらに、上記効果はＢＡｌＧａＩｎＮや砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）を含有した混晶化合物半導体全般に成り立つ。
（実施の形態５）
図８は、本発明の光学システムの一例であるレーザディスプレイ装置である。構成としては、光源６０１から出た第１の光６０２と第２の光６０３とが投射光学系６０５によって、スクリーン６０６に投射されている。途中の光学系の少なくとも片面の最表面にＴｉＯ２膜６０４が堆積されている。図８に示した光学システムにおいては、上記実施の形態において説明したコヒーレント光源が用いられてもよいが、第１の光６０２と、第１の光６０２より波長の短い第２の光６０３とを同時に出射する光源であれば、その他のコヒーレント光源であってもよい。
この光学システムでは、光源６０１から出た第２の光６０３により光学系に形成された機能性膜６０４が光触媒効果を起こし、光学系に堆積したＣ（カーボン）の析出を防止する。

また、第１の光６０２と第２の光６０３とがほぼ同軸で照射されているため、光学素子における照射面をほぼ等しい面積で照射している。これによって第１の光６０２で堆積するカーボン等の付着物を第２の光６０３と機能性膜とにより効果的にクリーニングすることができる。本発明のコヒーレント光源６０１および機能性膜６０４により、従来に見られた課題を解決することができる。この課題とは、短波長の半導体レーザを高出力で長期に渡って駆動させた時に、光学システム内に存在するハイドロカーボン（ＣとＨの揮発物など）がレーザ光により分解し、レーザの出射端面やガラス、光学系に少なくともカーボン（Ｃ）を含有する異物が析出するという問題を言う。
本発明により、前述の従来の課題を解決し、長期的に安定して動作する光学システムを提供することが実現でき、短波長のレーザを用いた光ディスク等のシステムの安定稼動を実現できる。
（その他）
なお、上記では、コヒーレント光源として、半導体レーザおよび固体レーザを用いたコヒーレント光源について説明した。しかし、コヒーレント光源は、その他、固体レーザの一種であるファイバーレーザを用いたものであってもよい。

図９を用いて、本発明の他のコヒーレント光源としてファイバーレーザを用いた構成について説明する。
図９において、９０１は、ポンプ光源（波長９１５ｎｍの半導体レーザ）、９０２は、Ｙｂドープファイバーレーザ、９０３は、アップコンバージョンファイバー、９０４は、機能性膜である。
ポンプ光源９０１によりドープファイバーレーザ９０２が励起され１０８０ｎｍ近傍のレーザ発振を行う。１０８０ｎｍの光の一部は、アップコンバージョンファイバー９０３により短波長光に変換され、ファイバー端から１０８０ｎｍの光と短波長光とが同時に出射される。
ファイバー端面には、機能性膜９０４が形成されている。この機能性膜９０４は、短波長光による光触媒効果により、アップコンバージョンファイバー９０３の端面へ異物の付着を防止している。
ファイバーレーザ９０２は、高出力化が可能で、かつ単一横モード発振が可能なため、光のパワー密度が高い。このため、従来では、ファイバーレーザ９０２の端面での異物堆積が顕著に発生する。一方、本発明では、機能性膜９０４と短波長光源としてのアップコンバージョンファイバー９０３を備えるため、端面のクリーニングが有効に行われる。また、ビーム品質が高く、集光特性も良好であるため、光のパワー密度が向上しやすい。このため、本発明では、レーザからの出力を扱う光学系においても機能性膜を備えることでクリーニングを有効に行うことが可能となる。

なお、本発明においてはアップコンバージョンファイバーを用いたが、その他、波長変換素子を用いた高調波発生も可能である。ファイバーへのドープ材料としては、Ｙｂ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ等の材料をドープすることも可能である。
また、ファイバーレーザの高出力化において、ファイバー端面の劣化が問題となっている。この劣化は、ファイバー内での光のパワー密度が高く、ファイバー端面の表面におけるわずかな劣化層において端面破壊が生じるため発生する。この劣化と同時に、ファイバー端面では、パワー密度が高いため、レーザトラッピングによるダスト等の堆積も顕著になる。この端面の汚れが光を吸収し端面破壊を生じるという問題も存在する。
従来では、ファイバー端面でのパワー密度を低減する方法として、ファイバーレーザのファイバー端面にエンドキャップを施すことが行われている。エンドキャップは、バルク材料で、エンドキャップ内で光のビーム径を拡大して、出射端面でのパワー密度を低減する目的に使用されている。
本発明では、図１０に示すように、エンドキャップ９０６に波長変換機能を設けてもよい。さらに、本発明では、エンドキャップ９０６の出射端面に機能性膜９０７を設けてもよい。ファイバーレーザからの光の一部を短波長光に波長変換し、波長変換された光により、エンドキャップ９０６の出射端面に設けた機能性膜９０７に光触媒効果を発揮させる。これにより、ファイバーレーザの出射部にクリーニング効果を付加することが可能となる。

本発明のコヒーレント光源は、主に高出力、短波長光発生のコヒーレント光源に有効である。またコヒーレント光源を利用した、光ディスクなどの光情報処理分野、レーザプリンタなどの複写機や印刷機、照明機器、光通信、レーザディスプレイ、レーザ加工、医用等の光学システムにおいても有効である。

本発明のコヒーレント光源の構成図 本発明の光学システムの構成図 本発明の実施の形態２におけるコヒーレント光源の構成図 本発明の実施の形態２における他のコヒーレント光源の構成図 本発明の実施の形態２における他のコヒーレント光源の構成図 本発明の実施の形態３におけるコヒーレント光源の構成図 本発明の実施の形態４における他のコヒーレント光源の構成図 本発明の光学システムの構成図 本発明のコヒーレント光源の構成図 本発明のファイバーレーザの構成図 従来の半導体レーザの一例を示す模式図

符号の説明

１ 第１の光源
２ 第２の光源
３ 第１の光
４ 第２の光
５ ミラー
６ 機能性膜
１０１ 基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０３ 活性層
１０４ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
１０５ ｐ−ＧａＮコンタクト層
１０６ リッジストライプ
１０７ 電流狭窄層
１０８ ｐ電極
１０９ ｎ電極
２０１ 第１半導体レーザ
２０２ 第２半導体レーザ
３００，３０１ 半導体レーザ
３０２ サブマウント
３０３ ベース
３０４ キャップ
３０５ 缶
３０６ ガラス窓
３０７ 低融点ガラス
３０８ 機能性膜
３０９ 第１の光
３１０ 第２の光
４０１ 波長変換素子
４０２ 半導体レーザ
４０３ 固体レーザ
４０４ 波長変換素子
４０５ ミラー
４０６ 窓
４０７ 機能性膜
４０８ 第１の光
４０９ 第２の光
４１０ パッケージ
４１１ 波長変換素子
５０１ 半導体レーザ
５０２ ミラー
５０３ 波長変換素子
６０１ 光源
６０２ 第１の光
６０３ 第２の光
６０４ 機能性膜
６０５ 投射光学系
６０６ スクリーン
７０１ 光源
７０２ ディテクタ
７０３ 光ディスク
７０４ ビームスプリッタ
７０５ 集光光学系
７０６ 光
７０７ 集光光学系
８０１ 半導体レーザ
８０２ サブマウント
８０３ ベース
８０４ キャップ
８０５ 缶
８０６ ガラス
８０７ 低融点ガラス
８０８ 機能性膜

Claims (12)

1. 第１の光と、前記第１の光より波長の短い第２の光とを同時に出射するコヒーレント光源であり、
   少なくとも第１の光を出射する光源本体と、
   前記第１の光を透過又は反射する部材と、
   前記部材の少なくとも一部に設けられた機能性膜と、
   を備え、
   前記光源本体は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザを含んでおり、
   前記機能性膜は、前記第２の光により光触媒効果を発現することを特徴とする、
   コヒーレント光源。
2. 前記第１の光の波長が４００ｎｍ以上である、
   請求項１記載のコヒーレント光源。
3. 前記第１の光と前記第２の光とがほぼ同じ光路を通過することを特徴とする、
   請求項１記載のコヒーレント光源。
4. 前記機能性膜を備えた前記部材の照射面において、前記第１の光と前記第２の光とがほぼ等しい領域に照射されていることを特徴とする、
   請求項１記載のコヒーレント光源。
5. 前記第２の光の波長が３９０ｎｍ以下である、
   請求項１記載のコヒーレント光源。
6. 前記第１の光の一部を前記第２の光に変換する第１の波長変換素子をさらに備えたことを特徴とする、
   請求項１記載のコヒーレント光源。
7. 前記第１の波長変換素子が非線形光学材料またはアップコンバージョン材料からなる、
   請求項６記載のコヒーレント光源。
8. 前記光源本体は、Ｎｄ又はＹｂを含む固体レーザ媒体から構成され、
   前記第１の波長変換素子は、前記固体レーザから出射された前記第１の光を第３高調波である前記第２の光に変換することを特徴とする、
   請求項６記載のコヒーレント光源。
9. 前記光源本体は、Ｎｄ又はＹｂを含む固体レーザ媒体と、前記固体レーザからの光を第２高調波である前記第１の光に変換する第２の波長変換素子とから構成され、
   前記第１の波長変換素子は、前記固体レーザからの光と前記第１の光とを和周波光である前記第２の光に変換することを特徴とする、
   請求項６記載のコヒーレント光源。
10. 前記光源本体は、半導体レーザから構成され、
    前記第１の波長変換素子は、前記半導体レーザから出射された前記第１の光を高調波である前記第２の光に変換することを特徴とする、
    請求項６記載のコヒーレント光源。
11. 第１の光と、前記第１の光より波長の短い第２の光とを同時に出射するコヒーレント光源と、
    集光または投射光学部材と、
    前記コヒーレント光源からの光照射を受ける前記光学部材の少なくとも一部に設けられた機能性膜と、
    を備え、
    前記コヒーレント光源は、少なくともＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体材料からなる半導体レーザを含んでおり、
    前記機能性膜は、前記第２の光により光触媒効果を発現することを特徴とする、
    光学システム。
12. 前記光学部材において、前記第１の光のパワー密度が１００Ｗ／ｃｍ２以上になる照射面においては、前記機能性膜が設けられており、
    前記照射面において前記第１の光と前記第２の光とがほぼ同じ領域に照射されることを特徴とする、
    請求項１１記載の光学システム。

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