(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
a）互いに間隔を置いて配置され、誘電的に絶縁された多重セグメントを有する、半導体レーザー材料の単一のウェーハと、
ｂ）前記多重セグメントを励起し、レーザービームを生成する電気的手段と、
ｃ）前記励起された半導体レーザー材料の各セグメントを通過する経路において、この経路に沿った方向に上記レーザービームを反射させて、所定の空間モードで作動する外部空洞レーザー共振器を形成する、該ウェーハの両側端の第１及び第２のミラーと、
を具備することを特徴とする半導体レーザーシステム。
【請求項２】
a）互いに隣り合う、または向き合っており、かつ各々がヒートシンク材料に貼付けされた半導体レーザー材料の一連のウェーハと、
ｂ）横方向に間隔を置いて配置された、前記一連のウェーハからなる多重セグメントを励起し、レーザービームを生成する電気的手段と、
ｃ）前記励起された半導体レーザー材料の各セグメントを通過する経路において、この経路に沿った方向に上記レーザービームを反射させて、所定の空間モードで作動する外部空洞レーザー共振器を形成する、該ウェーハの両側端の第１及び第２のミラーと、
を具備することを特徴とする半導体レーザーシステム。
【請求項３】
該半導体ウェーハが、バルク半導体、ヘテロ構造又は量子井戸構造を含むグループからなる請求項１のシステム。
【請求項４】
該半導体ウェーハが、バルク半導体、ヘテロ構造又は量子井戸構造を含むグループからなり、該セグメントは、誘電的に絶縁されている請求項２のシステム。
【請求項５】
該半導体ウェーハが、数ミクロン〜数十ミクロンの厚さの、ＧａＡ１Ａｓからなるクラッドまで成長されたＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造である請求項１または２のシステム。
【請求項６】
該ウェーハが、反射防止被覆を有する請求項１または２のシステム。
【請求項７】
励起された半導体材料のセグメントが、外部空洞レーザー共振器の空間モードに空間的に整合される請求項１または２のシステム。
【請求項８】
該ウェーハが、ヒートシンク材料に貼付けされる代わりに埋め込まれる請求項２のシステム。
【請求項９】
該ウェーハが、ヒートシンク材料に貼付される請求項１のシステム。
【請求項１０】
前記ヒートシンク材料が、サファイアである請求項２または９のシステム。
【請求項１１】
前記外部空洞レーザー共振器が不安定である請求項１または２のシステム。
【請求項１２】
前記外部空洞共振器が、さらに、前記レーザービームの波長を整調するために格子又はエタロンチューナーを含むグループからのチューナーを具備する請求項１または２のシステム。
【請求項１３】
電流源の配列からの電流ビームを単一光レーザービームに変換する方法であって、
ａ）互いに横方向に離間し、かつ各々がヒートシンク材料に貼付けされた、半導体活性レーザー材料からなるセグメントから誘導放射を生成するために、前記電流ビームにより、各セグメントを励起する段階と、
ｂ）前記単一レーザービームを生成するために直列に前記誘導放射を組み合わせる段階と、
ｃ）前記励起された半導体活性レーザー材料の各セグメントを通過する経路において、第１及び第２のミラーの間で前記経路に沿った方向に上記レーザービームを反射させて、所定の空間モードで作動する外部空洞レーザー共振器を形成する段階と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
用語「レーザー」は、誘導放射による光増幅（ｌｉｇｈｔ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の頭字語である。誘導放射は、電磁波が高エネルギー準位Ｅ２において材料の原子に出会う時発生し、原子を下位エネルギー準位Ｅ１にする。この遷移を経た原子は、プロセスにおいて電磁波を発出する。発出した波は、入射波に加わり、同一方向に移動する。材料の原子が、放射まで誘導されるために、下位エネルギー準位Ｅ１から高位準位Ｅ２に高められるプロセスは、ポンピングプロセスと呼ばれる。
【０００２】
【従来の技術及びその課題】
レーザー材料は、一般に、光学的又は電気的にポンピングされる。本発明は、半導体レーザー、すなわち、レーザーの活性領域が半導体（ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、等）材料から成るレーザー、の光学的又は電気的ポンピングに関する。
【０００３】
半導体レーザーは、一般に、上方及び下方クラッド材料の間に挟んだ長尺状の活性レーザー材料を具備する。
【０００４】
一般に、固体状態レーザーの光ポンピングは、レーザー材料の縦縁にレーザーダイオードからの光ビームを照射することにより達成される。電気ポンピングは、電子と正孔を注入し、反転分布を獲得するために、発光材料のｐ／ｎ接合に電圧を印加することにより行われる。
【０００５】
レーザーは、内部空洞又は外部空洞を形成される。内部空洞レーザーは、レーザー材料の縦端部を劈開し、各端部において光学鏡面を形成することにより形成され、そのため、光は、活性材料を通して反射往復され、究極的にレーザーの一端部又は小面から放射される。
【０００６】
外部空洞レーザー構造において、第１小面は、多重層の高反射膜を被覆され、そして反対側の第２小面は、反射防止（ＡＲ）膜を被覆される。レンズは、ＡＲ被覆小面から発出された光を視準するように位置付けられる。視準光は、好ましくはレンズの焦点に位置する鏡に進む。鏡からレーザーへの光フィードバックは、第１小面から発出されたレーザー光の周波数とモードを制御するために使用される。
【０００７】
本発明は、外部空洞半導体レーザーシステムに関する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
２次元半導体レーザー配列から高パワーを抽出するために多くの努力が為されてきた。これらの技術の多くは、多数の発光要素を並列にコヒーレントに組み合わせることを試行するものである。多数の要素のコヒーレントな組み合わせは、非常に多数の発光要素にわたってコヒーレント性を維持することの困難さを含む重要な問題を有した。ここで、一連に発光する多数の要素からのパワーをシリアルかつコヒーレントに組み合わせることができるシステムが記載される。これらの要素は、光学、電気又は電子ビームポンピングによって励起される。多重要素の一連動作は、単一コヒーレントモードのみが全要素において伝搬することを保証する。パワーを一連の多数の要素に分散させることにより、要素当たりの熱負荷は、最小レベルに維持され、そして全パワーは、高レベル（＞平均１００Ｗ、かつ、＞５ｋＷピーク）に上げられる。
【０００９】
単純ダイオード変形の半導体レーザーは、それら自体で高平均／ピークパワーにスケーリングできない。そのような装置は、一般に薄く広幅の発光領域を有する。典型的なエミッター次元は、１マイクロメーター対数百マイクロメーターであり、薄い発光領域のために大きなビーム発散を有する。半導体レーザーからのピークパワーは、破局的劣化（一般に数ＭＷ／ｃｍ２）によって制限される。そのようなエッジ発光ダイオードレーザーは、このため、約１０ワットのピークパワーに制限される。さらに、単一ダイオードレーザーは、これらのパワーレベルにおいて動作された時、一般に、多重モード放射線を生ずる。本発明は、これらの問題を除去し、ずっと高いパワーレベルへスケーリングを可能にする。
【００１０】
平均出力パワーを最大にするために、薄い発光又はレーザー要素が、レーザービームが要素の表面に垂直に伝搬する如く使用される。ポンプレーザー放射線はまた、要素の表面に入射する。ピーク循環パワーと、このため、出力パワーは、要素円板の領域によって制限されるが、平均パワーは、要素のすべてに分配される。
【００１１】
光学又は電気的にポンピングされた半導体レーザーは、一般に、単一半導体利得要素を使用する。これは、そのようなシステムの全利得とパワー散逸能力を制限する。熱負荷の相応した増大を収容することができるパワーを増大させた半導体レーザーの必要性がある。本発明は、高品質空間ビームにおいて高ピークと平均パワーを設けながら、これらの必要性を満たす外部空洞半導体レーザーをポンピングさせるためのシステムを具備する。
【００１２】
発明により、一つ以上の半導体レーザー活性利得領域が、基板上に形成される。領域は、光が相互の領域間を伝搬しない如く、相互に誘電的に絶縁される。領域は、ＡｌＧａＡｓ等の光透過性クラッド層の間に挟んだＧａＡｓ等の長尺状の活性半導体材料において形成され、イオン衝撃又はエッチングが、活性領域を包囲する損失性隔離モートを形成するために活性領域の回りに適用される。基板は、好ましくは、熱伝導性鏡面をその上に形成したヒートシンク構造を具備する。底部レーザークラッド層は、鏡面に隣接して配設される。
【００１３】
ポンプ源は、活性半導体材料の長さに沿った活性セグメント又は領域を反転分布に励起させ、レーザー放射線の誘導放射を生じさせるために設けられる。
【００１４】
各領域からのレーザー放射線は、材料の長さの最端領域に隣接して配設した反射端面鏡にシリアルに結合される。頂部反射鏡は、底部反射鏡の反対側の領域に隣接して水平に配設される。端面鏡からの光は、こうして形成された光ビームが第１端面鏡と反対側の活性材料の端部に隣接して配設した部分反射鏡に衝突するまで、ビーム経路における頂部及び底部反射鏡の間を往復移動する。この部分反射鏡は、外部空洞の出力鏡を形成し、第１端面鏡は、外部空洞の反射側面を形成する。
【００１５】
一つ以上のセグメント又は領域が、ポンピングされる。多重セグメントを使用する利点は、全熱負荷が単一ポンピング領域よりも大面積に広げられ、かつ、全純利得が、単一ポンピング領域に対するよりも増大されることである。パワー能力は、本発明の方法により、単一要素よりも１００倍以上も増大される。
【００１６】
なお、発明は、複数の並列エッジ発光ビーム、すなわち、レーザーダイオードの如く光ポンプ源の配列からのビームを、円形又は球形エミッターを作成するために直列に組み合わせた多重励起領域の単一ビームに変換するための新規な機構を提供する。
【００１７】
別の見地において、発明の方法は、経路の各端部においてレーザー鏡を単に除去することにより、光増幅器を形成するために使用される。
【００１８】
【実施例】
本発明の半導体レーザーシステム１００の一実施態様が、第１図に示される。図示された如く、鏡１０は、ヘテロ構造を形成するＡｌＧａＡｓの層１２２、１２４の間に挟んだ、ＧａＡｓ等の活性半導体レーザー材料の平坦ウェーハ１２の一方の側面において配設される。
【００１９】
活性領域２４は、各セグメントの回りの半導体材料を損傷又は除去することにより、ウェーハの残部から横に隔離される。エッチング又はイオン衝撃プロセスが、この目的のために使用される。鏡１０は、蒸着、析出、スパッタリング、又は等価技術により、ウェーハ１２において直接に形成される。鏡は、量子井戸又は多重量子井戸（ＭＱＷ）構造に形成される。ウェーハ１２の頂部は、レーザーシステム１００の動作波長のための反射防止膜１４を被覆される。底部鏡１０は、好ましくは、サファイア、シリコーン又は他の良熱伝導材料から形成したマイクロチャネルクーラー又は他のヒートシンク１６に貼付される。冷媒流は、矢印３６の方向である。電源２１によって電力を供給された光ポンプ源２０の２次元配列からの放射線１８は、活性又は利得媒体半導体材料１２０の多重セグメント２４を励起するために、レンズ配列２２によって集束される。
【００２０】
第２鏡２６は、励起された半導体材料の多重セグメント２４の各々を通過する経路において、こうして形成されたレーザービーム２８を鏡１０と鏡２６の間で反射往復させるために、ウェーハ１２上に位置付けられる。鏡３２と３４のさらに他のセットが、外部空洞レーザー共振器の端部を形成するために経路３０の各端に位置付けられる。鏡３２は、その経路に沿ってビーム２８を反射させる全反射端面鏡である。鏡３４は、部分反射性の外部空洞出力鏡である。
【００２１】
半導体材料のチップは、バルク半導体、ヘテロ構造、あるいはIII−V又はII−VI族材料等の公知の半導体材料から形成した量子井戸又はＭＱＷ構造である。好ましくは、層１２４、１２０、１２２は、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの量子井戸又は多重量子井戸構造を具備する。好ましい実施態様において、構造は、数マイクロメートル〜数十マイクロメートルの厚さまで、かつポンプ及びレーザー波長に透過性の組成のＧａＡｌＡｓ層のクラッドまで成長される。そのようなクラッドは、表面の非放射性再結合を縮小し、これにより、レーザーのためのしきい値は、不当に増大されない。この発明と一貫性のある多数の他の構造と材料がまた、使用される。
【００２２】
好ましい実施態様において、励起された半導体材料の多重セグメントは、ＴＥＭＯＯモードにおいて最大パワー抽出効率を達するために、外部空洞レーザー共振器の空間モードに空間的に整合される。
【００２３】
半導体利得材料１２０は、ポンプ源２０によりその容積を通して一様に励起されるべきである。これは、例えば、ポンプ源による光漂白と利得材料の組成を変更することにより吸収係数の制御の組み合わせによって達成される。
【００２４】
半導体材料は、光学的、電気的又は電子ビームによりポンピングされる。好ましい実施態様において、ポンプ源は、例えば、ＧａＡｌＡｓから作られた半導体ダイオードレーザー又はレーザー配列である。代替的に、半導体ダイオードレーザー又はレーザー配列は、表面発光素子の配列を具備する。
【００２５】
不安定共振器を含む、技術における当業者に公知な任意の形式の外部共振器構成が使用できる。格子又はエタロンチューナーが、素子の出力波長を制御又は整調するために使用される。
【００２６】
ヒートシンク１６と利得領域１２０の間の領域は、熱抽出を最大にするためにできるだけ薄くされるべきである。一般に、共振空洞の軸方向モードが空間的一様利得を達し、かつ、セグメント間の相対経路差異が重要でなくなる如く、約１光波長よりも各利得セグメントが厚いことが必要である。
【００２７】
ポンプ源の直線又は一次元配列が、半導体表面の小面積がポンピングされている時使用される。
【００２８】
上記の実施態様の変形が、第２図に示される。この実施態様において、一連の円板状半導体レーザー利得要素３８が、２つの鏡、外部空洞反射鏡４２と外部空洞出力鏡４４の間に配設したヒートシンク本体４０に埋め込まれ、又は貼付され、あるいは他の方法で配設される。集束鏡４８の配列に付随したポンプ源４６の配列が、多重利得要素３８を励起するために適合される。好ましい実施態様において、ヒートシンク装置はサファイアである。円板要素は、技術において公知な如く、偏光ビームに対してブルースター角に配置することにより非反射にされ、あるいはそれらは、非反射被覆を有する。合成ビーム５０の実幾何経路は、ヒートシンク材料の屈折率を考慮に入れなければならない。
【００２９】
なお、第２図において、第１図と同様に、エッジ発光の平行ビーム５２は、直列に結合された複数の活性レーザーセグメント３８からの光から成る円光の単一ビーム５０に組み合わされた。
【００３０】
発明の範囲はまた、光増幅器に及ぶ。発明の実施態様において、第１図と第２図の鏡３２と３４は省略される。それから、光ビームが、一パスにおいて経路３０に沿って増幅される。
【００３１】
好ましい態様は下記のとおりである。
【００３２】
１．ａ）活性半導体レーザー材料の本体と、
ｂ）該本体の一方の側面における第１鏡と、
ｃ）光ビームを生成するために該本体の多重セグメントをポンピングするためのポンプ源の配列と、
ｄ）活性半導体材料の該多重セグメントの各々を通過する経路において、該第１鏡との間で該ビームを反射往復させるための第２鏡とを具備する半導体レーザーシステム。
【００３３】
２．該経路が、２つの端部を有し、そして他の鏡セットが、該経路を通して該レーザービームを反射させるために該経路の各端部において配設され、これにより、該他の鏡セットが、外部空洞レーザー共振器の端部を形成する上記１に記載のシステム。
【００３４】
３．ａ）活性半導体レーザー材料の平面本体と、
ｂ）該ウェーハの一方の側面に配設した第１鏡と、
ｃ）光放射を生ずるために該レーザー本体の多重セグメントをポンピングするためのポンプ源の配列と、
ｄ）該多重セグメントの各々を通過する経路において、該第１鏡との間で光放射ビームを反射往復させるための第２鏡とを具備する光増幅器。
【００３５】
４．該本体が、バルク半導体、ヘテロ構造、又は量子井戸構造を具備し、該セグメントは、光がセグメント相互間を活性材料を通って横に伝搬されない如く、相互に隔離される上記１に記載のシステム。
【００３６】
５．該半導体本体が、ヘテロ構造、バルク半導体、又は量子井戸構造である上記３に記載の増幅器。
【００３７】
６．該本体が、ポンプ源の波長と放射波長に透過性である量子井戸構造として形成したプレーナー半導体ウェーハである上記１に記載のシステム。
【００３８】
７．該本体が、該第２鏡に面する側面において反射防止被覆を有するプレーナー半導体ウェーハである上記１に記載のシステム。
【００３９】
８．励起された半導体材料の該多重セグメントが、該外部空洞レーザー共振器の空間モードに空間的に整合される上記１に記載のシステム。
【００４０】
９．該第１鏡が、該ウェーハに被覆される上記１に記載のシステム。
【００４１】
１０．該第１鏡が、ヒートシンクに貼付される上記１に記載のシステム。
【００４２】
１１．該第１鏡が、マイクロチャネル冷却ヒートシンクに貼付される上記１に記載のシステム。
【００４３】
１２．該ポンプ源が、電気的、光学的又は電子ビームにより該材料をポンピングする上記１に記載のシステム。
【００４４】
１３．該ポンプ源が、半導体ダイオードレーザー又はレーザー配列である上記１に記載のシステム。
【００４５】
１４．該ポンプ源が表面発光素子である上記１３に記載のシステム。
【００４６】
１５．該ポンプ源が、ＧａＡｌＡｓダイオードレーザー又はレーザー配列である上記１に記載のシステム。
【００４７】
１６．該外部空洞レーザー共振器が不安定である上記２に記載のシステム。
【００４８】
１７．該外部空洞レーザー共振器が、さらに、システムの出力波長を制御又は整調するために格子又はエタロンチューナーを具備する上記２に記載のシステム。
【００４９】
１８．ａ）半導体レーザー材料のウェーハを設ける段階と、
ｂ）該ウェーハの一方の側面に第１鏡を配設する段階と、
ｃ）経路に沿ってレーザービームを励起するために、該半導体材料の多重セグメントをポンピングする段階と、
ｄ）励起された半導体材料のセグメントの各々を通って該第１鏡との間でレーザービームを反射往復させるために経路において第２鏡を配設する段階とを具備する半導体レーザーシステムを形成する方法。
【００５０】
１９．外部空洞レーザー共振器を形成するために、該経路を通って該レーザービームを反射させるために、該経路の各端に他の鏡セットを配設することを含む上記１８に記載の方法。
【００５１】
２０．ａ）半導体レーザー材料のウェーハを設ける段階と、
ｂ）該ウェーハの一方の側面に第１鏡を配設する段階と、
ｃ）光ビーム経路に沿ってレーザー放射線を生成するために該半導体材料の多重セグメントを励起する段階と、
ｄ）励起された半導体材料のセグメントの各々を通過する経路において該第１鏡との間で光ビームを反射往復させるために経路において第２鏡を配設する段階とを具備する光増幅器を形成する方法。
【００５２】
２１．ａ）半導体レーザー材料の一連のウェーハと、
ｂ）ウェーハのセグメントを励起させ、光ビームを生成するためのポンプ源の配列と、
ｃ）励起された半導体材料のセグメントの各々を通過する経路において該光ビームを反射往復させるための鏡とを具備し、これにより、該鏡は、外部空洞レーザー共振器を形成する半導体レーザーシステム。
【００５３】
２２．該半導体ウェーハが、バルク半導体、ヘテロ構造、又は量子井戸構造であり、そしてセグメントが、相互に電気的に隔離される上記２１に記載のシステム。
【００５４】
２３．該半導体ウェーハが、数ミクロン〜数十ミクロンの厚さに、ポンプ及びレーザー波長に透過性の組成のＧａＡｌＡｓを備えるクラッドまで成長されたＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓの多重量子井戸構造である上記２１に記載のシステム。
【００５５】
２４．該ウェーハが、反射防止被覆を有する上記２１に記載のシステム。
【００５６】
２５．該ウェーハが、該光ビームの偏光に関してブルースター角に置かれる上記２１に記載のシステム。
【００５７】
２６．励起された半導体材料の該セグメントが、該外部空洞レーザー共振器の空間モードに空間的に整合される上記２１に記載のシステム。
【００５８】
２７．該ウェーハが、ヒートシンク装置に埋め込まれる上記２１に記載のシステム。
【００５９】
２８．該ウェーハが、ヒートシンク装置に貼付される上記２１に記載のシステム。
【００６０】
２９．該ヒートシンク装置が、サファイアである上記２８に記載のシステム。
【００６１】
３０．該ポンプ源が、該半導体材料を光学的にポンピングするために適合される上記２８に記載のシステム。
【００６２】
３１．該ポンプ源が、該半導体材料を電気的にポンピングするために適合される上記２１に記載のシステム。
【００６３】
３２．該ポンプ源が、該半導体材料を電子ビームでポンピングするために適合される上記２１に記載のシステム。
【００６４】
３３．該ポンプ源が、半導体ダイオードレーザー又はレーザー配列である上記２１に記載のシステム。
【００６５】
３４．該ポンプ源が、表面発光ダイオードとして作製された半導体ダイオードレーザー又はレーザー配列である上記２１に記載のシステム。
【００６６】
３５．該ポンプ源が、ＧａＡｌＡｓダイオードレーザー又はレーザー配列である上記２１に記載のシステム。
【００６７】
３６．該外部空洞レーザー共振器が不安定である上記２１に記載のシステム。
【００６８】
３７．該外部空洞レーザー共振器が、さらに、レーザーシステムの出力波長を制御又は整調するために格子又はエタロンチューナーを具備する上記２１に記載のシステム。
【００６９】
３８．光エミッター配列からの複数の平行な光ビームを単一光ビームに変換する方法において、
ａ）該セグメントから誘導放射を生成するために、該平行ビームにより活性レーザー材料の多重セグメントを励起する段階と、
ｂ）該単一ビームを生成するために直列に該放射を組み合わせる段階とを含む方法。
【００７０】
３９．ａ）平行な光ビームを放射するための光エミッターの配列と、
ｂ）該光エミッターからの誘導に応答して光を放射するために該光ビームの経路において配設した一連の活性レーザー材料と、
ｃ）単一光ビームを形成するために、該材料によって順次に放射された光を結合するための結合手段とを具備するレーザーシステム。
【図面の簡単な説明】
【図１】ポンピングシステムの２次元実現を示す、本発明のレーザーシステムの一実施態様の略図である。
【図２】光共振器の内側の一連の利得要素を含む、発明の代替態様の略図である。
【符号の説明】
１０  鏡
１２  ウエハー
１６  ヒートシンク
２０  ポンプ源
２８  レーザービーム
３２  鏡
３４  鏡
【図１】
0003702186.tif 000002
【図２】
0003702186.tif 000003