利用荧光光纤的多波长激光光源的制作方法

专利名称：利用荧光光纤的多波长激光光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用荧光光纤的多波长激光光源，且更具体而言，涉及这样一种使用荧光光纤的多波长激光光源，其适合于用作各种类型的光源，如用于液晶电视的背光光源。
背景技术：
近年来，同白炽灯的情形相比较，因在小型化、极佳的功率效率和长寿命上的优势，使用半导体发光元件-如发光二极管(LED)元件或受激辐射发射光放大(激光)元件-的发光装置已经广泛地用作各种类型的光源。
当将这样的光源例如用作彩色激光显示装置的背光光源以便获得照明光(多波长激光)时，使用三种半导体发光元件，即红、绿和蓝半导体发光元件。
迄今，如下光源已经公知为这类光源，其包括作为半导体发光元件的三种激光光源，即红、绿和蓝激光光源；以及光纤，在所述光纤中将从这三种激光光源中的至少一种激光光源发射的激发光所激发的三价镨离子(Pr3+)添加到芯中。此光源例如在日本专利特开No.2001-264662中得到公开。
此外，具有如下功能的氩离子激光装置也已经公知为另一种光源，即通过从氩离子激光器发射的激发光(其波长为476.5nm)来激发在构成光纤芯的氟化锆系玻璃中所包含的三价镨离子的功能。这个氩离子激光装置例如在Optics Communications 89(1991)，第333至340页中得到公开。
然而，在公开于日本专利特开No.2001-264662中的光源的情形中，所述三个激光光源分别发射三种激光束(红、绿和蓝激光束)。结果，遇到如此问题，即，不仅元件或部件的数目增加使成本增长，而且总体光源成比例增大。
另一方面，在公开于Optics Communications 89(1991)，第333页至340页中的氩离子激光装置的情形中，光纤的芯由氟化锆系玻璃制成。结果是，存在如下不便，即不仅光纤的机械强度低且容易损坏，而且光纤的化学持久性差且当在大气中使用时，光纤吸湿而使得它容易劣化。此外，使用了从氩离子激光器中发射的具有476.5nm波长的激发光。结果，还存在这样的不便，即激发光显示出蓝-绿色，且因此不能获得所希望的(纯)蓝光来作为通过光纤的光发射面而发射的光。

发明内容
鉴于上述内容，本发明的一个目的是提供一种使用荧光光纤的多波长激光光源，由此可以实现总体多波长激光光源的低成本提升及小型化，可防止光纤损坏和劣化，并且可以获得所希望的蓝光来作为从光纤发射的光。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种使用荧光光纤的多波长激光光源，其包括用于发射激发光的蓝半导体激光元件；以及具有第一侧纤端面和第二侧纤端面的光纤，使得从蓝半导体激光元件所发射的激发光入射到第一侧纤端面，由此入射到第一侧纤端面的激发光通过第二侧纤端面来发射，其中所述光纤分别在其第一和第二纤侧端面中具有构成激光谐振器的二向色镜部分，并且光纤的芯由波长转换组件制成，其包括低声子玻璃，在其中包含作为三价稀土离子的至少镨离子，用于通过由激发光激发来发射波长转换光。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种使用荧光光纤的多波长激光光源，其包括用于发射激发光的蓝半导体激光元件；及具有第一侧纤端面和第二侧纤端面的光纤，使得从蓝半导体激光元件所发射的激发光入射到第一侧纤端面，由此入射到第一侧纤端面的激发光通过第二侧纤端面来发射，其中所述光纤分别在其第一和第二纤侧端面中具有构成激光谐振器的二向色镜部分，并且光纤的芯由包括低声子玻璃的波长转换组件制成，所述低声子玻璃中包含荧光体，用于通过由作为激发光的具有440至460nm波长的激发光激发来发射波长转换光。
根据本发明，可以实现总体多波长激光光源的低成本提升及小型化，可防止光纤损坏和劣化，并且可以获得所希望的蓝光来作为从光纤发射的光。
为了实现上述目的，根据本发明的又一方面，提供了一种使用荧光光纤的多波长激光光源，其包括用于发射激光的蓝半导体激光元件；光纤，其具有用于波长转换组件的芯，包含低声子玻璃和作为三价稀土离子的至少镨离子，第一纤端面，激光供给到该端面，以及第二纤端面，其是多波长激光的光源；以及第一和第二二向色镜部分，其分别被提供在所述光纤的第一和第二纤端面上，以便提供用于从光纤的第二纤端面发射多波长激光的激光谐振器。


图1是用于说明根据本发明第一实施例使用荧光光纤的作为多波长激光光源的发光装置的平面视图；图2A和2B分别是用于说明根据本发明第一实施例的发光装置的蓝半导体激光元件的透视图和横截面视图；图3是用于说明根据本发明第一实施例的发光装置的荧光光纤的横截面视图；图4是从根据本发明第一实施例的发光装置中所发射的输出光的光谱图；以及图5是用于说明根据本发明第二实施例的发光装置的荧光光纤的横截面视图。
具体实施例方式图1是用于说明根据本发明第一实施例使用荧光光纤的作为多波长激光光源的发光装置的平面视图。图2A和2B分别是用于说明根据本发明第一实施例的发光装置的蓝半导体激光元件的透视图和横截面视图。而且，图3是用于说明根据本发明第一实施例的发光装置的荧光光纤的横截面视图。
参考图1，发光装置1大致包括作为激发光源的蓝半导体激光元件2；激光谐振器3，用于根据诱导发射来放大从蓝半导体激光元件2所发射的激发光(蓝光)“a”以及通过由激发光“a”的波长转换而获得的波长转换光；以及插在激光谐振器3和蓝半导体激光元件2之间的光学透镜4。
如图2A和2B所示，蓝半导体激光元件2具有蓝宝石衬底5、谐振脊部分A、以及空穴注入脊部分B，并且用来发射作为激发光a的具有442nm波长的蓝光。具有约50nm的厚度且由氮化铝(AlN)制成的缓冲层6形成在蓝宝石衬底5上。而且，GaN、GaInN或AlGaN也可用作用于缓冲层6的材料。
在缓冲层6上以如下次序形成有n型层7，其具有约4.0μm的厚度且由具有1×1018cm-3电子浓度的掺硅(Si)的GaN制成；n型包覆层8，其具有约500nm的厚度且由具有1×1018cm-3电子浓度的掺Si的Al0.1Ga0.9N制成；n型导引层(guide layer)9，其具有100nm的厚度且由具有1×1018cm-3电子浓度的掺硅(Si)的GaN制成；以及有源层10，其具有多量子阱(MQW)结构，其中交替地沉积有厚度约35且由GaN制成的垒层62及厚度约35且由Ga0.95In0.05N制成的阱层61。
在有源层10上以如下次序形成有p型导引层11，其具有约100nm的厚度且由具有5×1017cm-3空穴浓度的掺镁(Mg)的GaN制成；p型层12，其具有约50nm的厚度且由具有5×1017cm-3空穴浓度的掺Mg的Al0.25Ga0.75N制成；p型包覆层13，其具有约500nm的厚度且由具有5×1017cm-3空穴浓度的掺Mg的Al0.1Ga0.9N制成；以及p型接触层14，其具有约200nm的厚度且由具有5×1017cm-3空穴浓度的掺Mg的GaN制成。而且，AlGaN或GaInN也可用作p型接触层14的材料。
在p型接触层14上形成有宽度为5μm且由镍(Ni)制成的电极15。此外，在n型层7上形成有由铝(Al)制成的电极16。
谐振脊部分A包括n型包覆层8、n型导引层9、有源层10、p型导引层11及p型层12。此外，空穴注入脊部分B包括p型包覆层13、p型接触层14、及电极15。
激光谐振器3包括作为激光介质的荧光光纤17，并且通过光学透镜4光连接到蓝半导体激光元件2。如上所述，激光谐振器3用于根据诱导发射来放大从蓝半导体激光元件2发射的激发光(蓝光)“a”以及通过由激发光的波长转换而获得的波长转换光。
如图3所示，荧光光纤17具有芯17A及包覆组件17B。荧光光纤17具有一侧端面(入射面)，来自蓝半导体激光元件2的光被入射到该端面；以及另一侧端面(发射面)，从该端面原样发射一部分蓝光并且分别发射在芯17A内通过一部分蓝光的波长转换而获得的例如绿、橙和红波长转换光。荧光光纤17由荧光玻璃制成，在其中不包含ZrF4、HfF4、ThF4等的任何一种，但是其中包含作为主要成分的AlF3。因此，获得了稳定的玻璃，其对于从可见范围到红外范围的光范围是透明的，且具有极佳的化学持久性和大的机械强度。这类玻璃具有如此的对荧光玻璃必要的优点，即声子能量是低的。
荧光光纤17的纤长度设置成大约200mm的尺寸，使得荧光光纤17不是吸收来自蓝半导体激光元件2中的所有激发光“a”，而是根据激光振荡从中发射绿光、橙光及红光。介质镜18和19分别设置在荧光光纤17的纤端面中，在所述介质镜18和19的每个中，二氧化硅(SiO2)层和二氧化钛(TiO2)层被层压，且所述介质镜18和19用作构成激光谐振器3的相应二向色镜部分。一个介质镜18用作输入镜，且另一个介质镜19用作输出镜。
芯17A由包括低声子玻璃、如红外辐射透射荧光玻璃的波长转换组件形成，所述玻璃中包含约500ppm的作为三价稀土离子的至少镨离子(Pr3+)。而且，通过由来自蓝半导体激光元件2的一部分激发光(蓝光)“a”激发，芯17A起到发射绿、橙和红波长转换光的作用。芯17A的芯直径设置成约6μm的尺寸。而且，除了红外辐射透射荧光玻璃以外，重金属氧化物玻璃也用作低声子玻璃。
包覆组件17B形成在芯17A的外围，并且总体包覆组件17B由玻璃或透明树脂制成。包覆组件17B的折射率n1设置为比芯17A的折射率n2(n21.5)小的值(n11.45)。包覆组件17B的包覆直径(荧光光纤17的外直径)设置成约200μm的尺寸。包覆组件17B的外围表面覆盖有由透光树脂或不透光树脂制成的覆盖组件18。
光学透镜4由双凸透镜构成，并且以上述的方式设置在蓝半导体激光元件2和激光谐振器3之间。而且，光学透镜4用来将从蓝半导体激光元件2所发射的激发光聚集到位于介质镜18入射侧端面、即荧光光纤17(芯17A)输入侧端面的部分。
首先，当将适合的电压从电源施加到蓝半导体激光元件2时，蓝半导体激光元件2的发光层发射蓝光“a”，并且蓝光“a”被辐射到光学透镜4侧。然后使从蓝半导体激光元件2发射的蓝光“a”通过光学透镜4入射到激光谐振器3的介质镜18。在激光谐振器3中，蓝光a然后透过介质镜18以使得入射到荧光光纤17的芯17A，且在使其在芯17A内全反射的同时被导引到介质镜19。然后，当到达介质镜19时，蓝光“a”由介质镜19反射，使得在使其在芯17A内全反射的同时被导引到介质镜18。在这种情形中，蓝光“a”在芯17A内被反射于介质镜18和19之间，并且激发镨离子，由此分别发射绿、橙和红波长转换光。此后，蓝光“a”、以及绿、橙和红波长转换光透过介质镜19，从而以多波长输出光“b”的形式发射到激光谐振器3外。
接下来，根据本发明的这个实施例，将给出关于对从发光装置1发射的多波长输出光“b”进行观察的实验结果的描述。
这个实验如此进行，使得将透射蓝光“a”、但反射99％的橙及红光的介质镜18制备为输入镜，且将反射90％橙光和红光的介质镜19制备为输出镜，并且使来自蓝半导体激光元件2(在20mW和35mW的激发条件下)的蓝光(其波长为442nm)入射到激光谐振器3。作为实验结果，在20mW激发条件下，作为波长转换光的具有635nm波长的红光与作为激发光“a”的具有442nm波长的蓝光一起得到确认，以及在35mW激发条件下，作为波长转换光的具有635nm波长的红光以及作为波长转换光的具有606nm波长的橙光与作为激发光“a”的具有442nm波长的蓝光一起得到确认。当在红和橙光发射期间测量到所发射的光时，观察到这样的发射光谱，其具有作为激发光的蓝光，以及作为波长转换光的红及橙光的锐发射波长峰。将观察结果以光谱图形式示出在图4中。在图4中，纵坐标轴表示光的强度，横坐标轴表示波长。
根据到目前为止已经描述的第一实施例，将获得下述效果。
(1)由于单激光光源(蓝半导体激光元件2)输出多波长激光，所以可以减少元件或部件的数目，且因此可以实现总体发光装置的低成本提升和小型化。
(2)由于荧光光纤17由包括氟化物玻璃的低声子玻璃制成，所述玻璃中不包含ZrF4、HfF4、ThF4等的任何一种，但其中包含作为主要成分的AlF3，所以荧光光纤17的机械强度和化学持久性得到增强，且因此可以防止荧光光纤17损坏和劣化。
(3)由于将具有442nm波长的蓝光用作激发光“a”，所以可以获得所希望的(纯)蓝光来作为通过荧光光纤17的光发射面而发射的光。
图5是用于说明根据本发明第二实施例的发光装置的荧光光纤的横截面视图。在图5中，以相同的参考号来表示与图3中所示组件相同的组件，并且在此省略其详细说明。
如图5中所示，第二实施例中的发光装置1(如图1中所示)的特征是发光装置1包括具有包覆组件51的荧光光纤50，所述包覆组件51包括相邻于芯17A外围表面而形成的第一包覆组件51A、以及相邻于第一包覆组件51A的外围表面而形成的第二包覆组件51B。
为此，将第一包覆组件51A的折射率n1设置成小于芯17A的折射率n2(n21.50)、但是大于第二包覆组件51B的折射率n3(n31.45)的折射率(n11.48)。
根据到目前为止已经说明的第二实施例，除了第一实施例的效果(1)至(3)以外，还获得以下效果。
第一包覆组件51A可起到光波导的作用。而且，通过将导引到第一包覆组件51A的激发光“a”导出到芯17A中，可以获得绿、橙和红波长转换光。
虽然已经根据以上提到的第一和第二实施例描述了本发明的发光装置，但是应该注意到并不旨在于将本发明局限于上述提到的第一和第二实施例，并且本发明可以以各个方面的形式加以实施而不偏离其要点。例如，可以进行下述改动。
(1)虽然在第一和第二实施例中针对如下情况已经做出说明，即通过将介质镜18和19分别设置在荧光光纤17的纤端面中而形成构成激光谐振器3的二向色镜部分，但是本发明并不局限于此。即，还可通过将反射膜分别蒸发到光纤的纤端面上来形成二向色镜部分。另外，通过借助于准直透镜分别将反射镜设置在面向荧光光纤纤端面的位置上，也可以形成二向色镜部分。
(2)虽然在第一和第二实施例中针对下述情况已经做出说明，即具有442nm波长的蓝光用作从蓝半导体激光元件2发射的激发光“a”，但是本发明并不局限于此。即，具有高激发效率、且具有处于440至460nm范围内的波长的蓝光可用作激发光“a”，在所述波长范围内蓝光可以原样用作输出光。
(3)虽然在第一和第二实施例中针对将三价镨离子(Pr3+)的含量m设置为500ppm的情况已经做出说明，但是本发明并不局限于此。即，可将三价镨离子的含量m设置为处于100ppm≤m≤10,000ppm的范围内。在这种情形中，当含量m小于100ppm时，在芯17A内获得不到任何波长转换光。另一方面，当含量大于10,000ppm时，芯17A内的光传输特性变差。
权利要求
1.一种使用荧光光纤的多波长激光光源，包括用于发射激发光的蓝半导体激光元件；以及具有第一侧纤端面和第二侧纤端面的光纤，使得从所述蓝半导体激光元件所发射的激发光入射到所述第一侧纤端面，由此入射到所述第一侧纤端面的激发光通过所述第二侧纤端面来发射，其中所述光纤分别在其第一和第二纤侧端面中具有构成激光谐振器的二向色镜部分，并且光纤的芯由包括低声子玻璃的波长转换组件制成，所述低声子玻璃中包含作为三价稀土离子的至少镨离子，用于通过由激发光激发来发射波长转换光。
2.根据权利要求1所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述三价镨离子的含量m设置为100ppm≤m≤10,000ppm的范围。
3.根据权利要求1所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述光纤的包覆组件包括相邻于所述芯的外围表面而形成的第一包覆组件、以及相邻于所述第一包覆组件的外围表面而形成的第二包覆组件，且所述第一包覆组件的折射率设置成小于所述芯的折射率、但大于所述第二包覆组件的折射率的折射率。
4.根据权利要求1所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述二向色镜部分通过将反射镜分别设置在所述光纤的第一和第二侧纤端面处而形成。
5.根据权利要求1所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述二向色镜部分通过将反射膜分别蒸发到所述光纤的第一和第二侧纤端面上而形成。
6.一种使用荧光光纤的多波长激光光源，其中用于发射激发光的蓝半导体激光元件；以及具有第一侧纤端面和第二侧纤端面的光纤，使得从所述蓝半导体激光元件所发射的激发光入射到所述第一侧纤端面，由此入射到所述第一侧纤端面的激发光通过所述第二侧纤端面来发射，其中所述光纤分别在其第一和第二纤侧端面中具有构成激光谐振器的二向色镜，并且光纤的芯由包括低声子玻璃的波长转换组件制成，所述低声子玻璃中包含荧光体，用于通过由作为激发光的具有440至460nm波长的激发光激发来发射波长转换光。
7.根据权利要求6所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述光纤的包覆组件包括相邻于所述芯的外围表面而形成的第一包覆组件、以及相邻于所述第一包覆组件的外围表面而形成的第二包覆组件，且所述第一包覆组件的折射率设置成小于所述芯的折射率、但大于所述第二包覆组件的折射率的折射率。
8.根据权利要求6所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述二向色镜部分通过将反射镜分别设置在所述光纤的第一和第二侧纤端面处而形成。
9.根据权利要求6所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述二向色镜部分通过将反射膜分别蒸发到所述光纤的第一和第二侧纤端面上而形成。
10.一种使用荧光光纤的多波长激光光源，包括用于发射激光的蓝半导体激光元件；光纤，其具有用于波长转换组件的芯，包含低声子玻璃以及作为三价稀土离子的至少镨离子；第一纤端面，所述激光供给到该端面；以及第二纤端面，其是多波长激光的光源；以及第一和第二二向色镜部分，分别提供在所述光纤的第一和第二纤端面上以便提供激光谐振器，用于从光纤的第二纤端面发射所述多波长激光。
11.根据权利要求10所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述镨离子的含量范围是从100ppm至10,000ppm。
12.根据权利要求10所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述蓝半导体激光元件发射波长范围从440nm至460nm的激光。
13.根据权利要求10所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述光纤包括在所述芯的外围上所提供的第一包覆组件、以及在所述第一包覆组件的外围上所提供的第二包覆组件，所述第一包覆组件具有小于所述芯的折射率但大于所述第二包覆组件的折射率的折射率。
14.根据权利要求10所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述第一和第二二向色镜部分通过将第一和第二反射镜分别设置在所述光纤的第一和第二侧纤端面中来提供。
15.根据权利要求10所述的使用荧光光纤的多波长激光光源，其中所述第一和第二二向色镜部分通过将第一和第二反射膜分别蒸发到所述光纤的第一和第二侧纤端面上来提供。
全文摘要
一种使用荧光光纤的多波长激光光源，包括用于发射激发光(a)的蓝半导体激光元件(2)；以及具有第一侧纤端面和第二侧纤端面的光纤(17)，使得从所述蓝半导体激光元件发射的激发光(a)入射到所述第一侧纤端面，由此入射到所述第一侧纤端面的激发光(a)通过所述第二侧纤端面来发射，其中所述光纤(17)分别在其第一和第二纤侧端面中具有构成激光谐振器(3)的二向色镜部分，并且光纤(17)的芯由包括低声子玻璃的波长转换组件制成，所述低声子玻璃中包含作为三价稀土离子的至少镨离子，用于通过由激发光(a)激发来发射波长转换光。
文档编号G02B6/42GK1975487SQ20061009910
公开日2007年6月6日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年11月30日
发明者山嵜正明, 石井修, 沢登成人, 永滨忍 申请人:株式会社住田光学玻璃