(57)【要約】  半導体レーザ装置（１０）は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子（１００）と、レーザ光の光路上に配置されて、レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズ（２）と、レーザ光に対する反射率をレーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、ファースト軸補正レンズ（２）からのレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光を半導体レーザ素子（１００）へと戻し、残りを出力光として通過させる出力ミラー（３００）と、を備える。
2019155668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、
前記レーザ光の光路上に配置されて、前記レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズと、
前記レーザ光に対する反射率を前記レーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、前記ファースト軸補正レンズからの前記レーザ光の一部を反射し、反射された前記レーザ光を前記半導体レーザ素子へと戻し、残りを出力光として通過させる出力結合素子と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子の前記レーザ光が出射される前側端面と前記出力結合素子とは、前記スロー軸方向について光学的に共役な関係である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
１つ又は複数の前記半導体レーザ素子から互いに異なる光軸を有する複数の前記レーザ光が出射され、前記ファースト軸補正レンズと前記出力結合素子との間の前記光路上に配置されて、複数の前記レーザ光を１つのビームに波長結合して出射する回折格子をさらに備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は、複数の半導体レーザ媒質を有する半導体レーザアレイである
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子と前記回折格子との間の前記光路上に設置されて、入射する複数の前記レーザ光をそれぞれの前記レーザ光の光軸を回転軸として９０°回転させる回転光学素子をさらに備える
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記反射率が、前記入射面の前記スロー軸方向の中央から離れるに従って減少するかまたは一定であるかのいずれかである
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記スロー軸方向の中央を含む一部に前記スロー軸方向の幅が前記レーザ光のビーム径より小さい高反射部が設けられ、前記入射面の前記高反射部を除いた領域の前記反射率は前記高反射部の前記反射率より低い
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記スロー軸方向の中央部の前記反射率は、前記中央部の前記スロー軸方向の両側に存在する周辺部の前記反射率の少なくともいずれか一方よりも低い
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記反射率は、前記スロー軸方向の中央に対して対称な分布になっている
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記出力結合素子は、一枚のミラーにより構成されている
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
非通電状態の前記半導体レーザ素子の前記レーザ光に対する屈折率の前記スロー軸方向の分布において、発光領域である半導体レーザ媒質の前記屈折率は、前記発光領域の周囲の非発光領域の前記屈折率より低い
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子および外部共振器を備えた半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザは、発光点に直接もしくは近接して、発光点のスロー軸方向の幅より狭い高反射体を設置して高次モードの発生を抑制することにより、スロー軸方向の集光性を改善していた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の半導体レーザでは、スロー軸方向における高次モードの発生を抑制するため、発光点のスロー軸方向の中央部に、コーティング技術によって高反射領域を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２−１００３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、通常、半導体レーザ素子の厚みは１００μｍ程度であり、スロー軸方向の発光点の幅は数１０μｍから数１００μｍ程度である。このように微小なスロー軸方向の幅を有する発光点の領域中の精確な位置に、特許文献１のような高反射率のコーティングを施して残りの領域を低反射率にすることは、コーティングの均一性および密着性といった観点から技術的な難易度が高い。さらに、コーティングに関る工程も増えることから、製造コストが増加してしまうという問題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、スロー軸方向の集光性を容易に改善することができる半導体レーザ装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、レーザ光の光路上に配置されて、レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズと、を備える。本発明は、さらに、レーザ光に対する反射率をレーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、ファースト軸補正レンズからのレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光を半導体レーザ素子へと戻し、残りを出力光として通過させる出力結合素子を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、スロー軸方向の集光性を容易に改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図２】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図３】実施の形態１にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態３にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図６】本発明の実施の形態４にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図７】実施の形態４にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図８】実施の形態４にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図９】本発明の実施の形態５にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図１０】実施の形態５にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図１１】本発明の実施の形態６にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図１２】実施の形態６にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図１３】実施の形態６にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図１４】実施の形態６にかかる回転光学素子の構成の一例を示す斜視図
【図１５】本発明の実施の形態７にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図１６】本発明の実施の形態８にかかる半導体レーザ素子の内部に形成されたスロー軸方向の屈折率分布を示す図
【図１７】本発明の実施の形態９にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図１８】実施の形態９にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図１９】本発明の実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図２０】実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図２１】本発明の実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【図２２】実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す側面模式図
【図２３】実施の形態１１にかかる出力ミラーの構成を示す斜視模式図
【図２４】実施の形態１１にかかる出力ミラーの構成を示す模式図
【図２５】実施の形態１１にかかる出力ミラーの構成を示す別の模式図
【図２６】本発明の実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置の構成を示す上面模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては、同一または同一に相当する構成要素については、同一符号を付し、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向を示す座標系の向きを明示してある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０の構成を示す上面模式図である。図２は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０の構成を示す側面模式図である。実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０は、半導体レーザ素子１００と、ファースト軸補正レンズ２と、出力結合素子である出力ミラー３００とを備える。そして、半導体レーザ素子１００、ファースト軸補正レンズ２および出力ミラー３００がレーザ光に対する外部共振器を構成し、この外部共振器が半導体レーザ素子１００からレーザ光を出力させる。半導体レーザ装置１０は、中心波長９７５ｎｍで発振する端面発光型の半導体レーザ素子１００を使用している。
【００１１】
図１の上面模式図は、半導体レーザ素子１００の活性層１０３の接合面と垂直な方向であるｙ方向から観た模式図である。図２の側面模式図は、半導体レーザ素子１００の活性層１０３の接合面と平行な方向であるｘ方向から観た模式図である。活性層１０３の接合面とは、活性層１０３が他の層とｐｎ接合、ヘテロ接合といった接合によって接合している接合面のことである。ここで、半導体レーザ素子１００の活性層１０３の接合面に垂直な方向は、レーザ光のファースト軸方向と呼称されており、図１および図２のｙ方向に相当する。また、半導体レーザ素子１００の活性層１０３の接合面に平行な方向は、ファースト軸方向に垂直であって、レーザ光のスロー軸方向と呼称されており、図１および図２のｘ方向に相当する。ここで、レーザ光の光軸はｚ方向に沿っており、ファースト軸方向およびスロー軸方向は共にレーザ光の光軸に垂直な方向、すなわちｚ方向に垂直な方向である。
【００１２】
半導体レーザ素子１００は、活性層１０３を構成する半導体レーザ媒質１０４を備えている。図１では明示されていないが、半導体レーザ素子１００に適宜電極等を設けて、活性層１０３の接合面に直交する方向であるｙ方向へ電流を注入することによって、中心波長９７５ｎｍ近傍の光に対して増幅作用が働いて、半導体レーザ素子１００はレーザ光を出射する。以下の説明では、半導体レーザ媒質１０４は、半導体レーザ素子１００の層構造のみによって決定される領域ではなく、電流が印加されレーザ増幅作用を有する領域とする。なお、半導体レーザ媒質１０４のスロー軸方向すなわちｘ方向の幅は、レーザ光が出射される前側端面１０１上における発光点幅に略等しい。本実施の形態においては、発光点幅２００μｍの半導体レーザ素子１００が使用されている。また、レーザ光が出射される前側端面１０１には、波長９７５ｎｍに対する反射防止コーティングが施され、半導体レーザ素子１００の後側端面１０２には、波長９７５ｎｍに対する全反射膜が施されている。ここで、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１に施された反射防止コーティングの反射率は、半導体レーザ素子１００単体での自励発振を抑制するため、１％以下であることが望ましい。
【００１３】
半導体レーザ装置１０においては、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１に対向するようにファースト軸補正レンズ２が配置されている。すなわち、ファースト軸補正レンズ２は、半導体レーザ素子１００と出力ミラー３００との間のレーザ光の光路上に配置されている。ファースト軸補正レンズ２は、レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正する機能を有している。具体的には、ファースト軸補正レンズ２は、レーザ光のファースト軸方向のビームの発散角を低減する。ここで、ファースト軸補正レンズ２は、円筒凸レンズによって構成される。当該円筒凸レンズの母線の方向がスロー軸方向（ｘ方向）と一致し、且つ円筒凸レンズの焦点が前側端面１０１に略一致する位置となるようにファースト軸補正レンズ２は配設されている。これにより、前側端面１０１から出射されるレーザ光のファースト軸方向（ｙ方向）に対するビーム発散角を効果的に低減することができる。
【００１４】
ファースト軸補正レンズ２を透過したレーザ光は、出力ミラー３００へ入射する。ここで出力ミラー３００は円筒平凹ミラーにより構成される。当該円筒平凹ミラーの凹面が出力ミラー３００の入射面３０１である。そして、凹面である入射面３０１が半導体レーザ素子１００へ対向する向きとなり、且つ円筒平凹ミラーの母線の方向がファースト軸方向（ｙ方向）と一致するように出力ミラー３００は配設されている。また、出力ミラー３００の主点と半導体レーザ素子１００の前側端面１０１との間の光学距離は、出力ミラー３００を構成する円筒平凹ミラーの凹面の曲率半径の略１／２に設定されている。したがって、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０における外部共振器は、スロー軸方向（ｘ方向）を含むｘｚ平面内でｓｅｍｉ−ｃｏｎｆｏｃａｌ共振器を構成する。
【００１５】
図３は、実施の形態１にかかる出力ミラー３００の構成を示す模式図である。出力ミラー３００は、上述したように円筒平凹ミラーによって構成されており、半導体レーザ素子１００からのレーザ光が入射する入射面３０１と、レーザ光を出射する出射面３０３とを有している。凹面からなる入射面３０１には、レーザ光のスロー軸方向（ｘ方向）の中央に設けられた高反射部３０２を除いて、波長９７５ｎｍのレーザ光に対する反射率が０％またはほぼ０％の反射防止コーティングが施されている。なお、高反射部３０２は、入射面３０１の中央において、ｘ方向に対して幅ｗ１を有する領域のみに設けられていて、それ以外の領域が反射防止コーティングが施された低反射部になっている。すなわち、高反射部３０２は、レーザ光のスロー軸方向（ｘ方向）の中央においてファースト軸方向（ｙ方向）に伸びた中心線３５０を含んだ幅ｗ１の領域に設けられているので、入射面３０１のレーザ光に対する反射率はレーザ光のスロー軸方向の位置に依存して、高反射部３０２と低反射部との境界で変化している。したがって、入射面３０１のレーザ光に対する反射率は、スロー軸方向の中央である中心線３５０からスロー軸方向に沿って離れるに従って、中心線３５０における反射率から減少することはあっても増加しない。また、平面からなる出射面３０３にも、全面に亘り波長９７５ｎｍのレーザ光に対する反射防止コーティングが施されている。以上の構成により、出力ミラー３００は、半導体レーザ素子１００からのレーザ光の一部を入射面３０１で反射し、残りを通過させて出射面３０３から出力する。入射面３０１で反射されたレーザ光は、半導体レーザ素子１００へと戻る。
【００１６】
実施の形態１にかかる出力ミラー３００の入射面３０１には、スロー軸方向であるｘ方向に対して幅ｗ１を有する領域のみに高反射部３０２が設けられている。したがって、図１に示すように、スロー軸方向（ｘ方向）に対しては、高反射部３０２による光帰還によって、高反射部３０２の幅ｗ１に相当する主発振光４０１が形成される。また、主発振光４０１の周囲には、半導体レーザ媒質１０４内において、主発振光４０１の回折光を種に増幅された周辺増幅光４０２が発生する。
【００１７】
ここで、出力ミラー３００として入射面３０１が一様な反射率を有する一般的な出力ミラーを使用した場合に、外部共振器の構成によって受動的に選択される固有モードにより決定される入射面３０１上におけるスロー軸方向（ｘ方向）のビーム径をｗ２とする。なお、上記固有モードは、スロー軸方向（ｘ方向）の横モードの固有モードである。実施の形態１にかかる出力ミラー３００の入射面３０１に設けられた高反射部３０２の幅ｗ１は、入射面３０１上におけるスロー軸方向（ｘ方向）のビーム径ｗ２に比べて小さな値に設定されているため、高反射部３０２は、外部共振器のスロー軸方向（ｘ方向）において横モードの次数を低次に制限する開口として作用する。この結果、高反射部３０２の幅ｗ１に対応して形成される主発振光４０１のスロー軸方向の横モードの次数は、一様な反射率を有する一般的な出力ミラーを使用した外部共振器の場合に比べて低い値となり、集光性を向上させることができる。また、周辺増幅光４０２は、主発振光４０１の回折光を種として、誘導放出現象によって増幅されるため、主発振光４０１との可干渉性が維持され、周辺増幅光４０２についても主発振光４０１と同等の集光性を得ることができる。
【００１８】
また、ファースト軸方向（ｙ方向）に関しては、半導体レーザ素子１００の高い閉じ込め作用により、回折限界に近い集光性が容易に得られるものの、前側端面１０１上の発光点から出射されるレーザ光の発散全角は原理的に３０°〜６０°程度と非常に大きくなる。本実施の形態１においては、図２に示す通り、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１に対向するようにファースト軸補正レンズ２を配設しているので、前側端面１０１から出射されるレーザ光のファースト軸方向（ｙ方向）に対する発散角を効果的に低減することができる。この結果、外部共振器を構成する出力ミラー３００を半導体レーザ素子１００へ近接して配置する必要がなくなり、目標とするビーム特性に応じた外部共振器を適宜設計することができる。したがって、出力ミラー３００を半導体レーザ素子１００から有意な距離だけ隔離して設置することが可能になる。ここで有意な距離とは、例えば１０ｍｍ以上の距離である。
【００１９】
出力ミラー３００を半導体レーザ素子１００から有意な距離だけ隔離して設置することができると、出力ミラー３００の入射面３０１上におけるスロー軸方向（ｘ方向）のビーム径を、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１上の発光点の幅に比して、十分拡大することが可能になる。例えば、出力ミラー３００と半導体レーザ素子１００の前側端面１０１との距離を１０ｍｍとすると、前側端面１０１上のスロー軸方向の発光点の幅が２００μｍで、スロー軸方向のビーム発散角が全角で５°である場合には、入射面３０１上のスロー軸方向のビーム径は約１．１ｍｍとなり、約５倍の拡大が可能となる。そして、出力ミラー３００と半導体レーザ素子１００との距離を更に離せば、ビーム径を更に拡大することができる。これにより、入射面３０１のスロー軸方向（ｘ方向）の中央部分に高反射部３０２を設ける実施の形態１においては出力ミラー３００の設計および製造を容易にすることができるという効果がある。なお、ファースト軸方向（ｙ方向）に対しては、出力ミラー３００の入射面３０１の反射率は一定であるため、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０の外部共振器は、通常の外部共振器と同様に機能する。
【００２０】
ここで、出力ミラー３００の入射面３０１に設けられる高反射部３０２の設計は、以下に説明するように行えばよい。実施の形態１にかかる図３に示すスロー軸方向の反射率を変化させた出力ミラー３００の等価反射率Ｒｅｑは、以下に示す数式（１）に従って算出することができる。数式（１）において、Ｒｈは高反射部３０２の反射率、Ｒｌは入射面３０１の高反射部３０２を除いた領域の反射率である。ここで、Ｒｈ＞Ｒｌが成り立っている。なお、スロー軸方向の中央である中心線３５０からｘ方向または−ｘ方向にみた反射率の分布は中心線３５０に対して対称な分布になっている。
【００２１】
【数１】
2019155668.tif 000003
【００２２】
反射率が入射面のスロー軸方向に沿って一定値である通常の出力ミラーを用いた場合には、半導体レーザ媒質１０４の利得に応じて半導体レーザ装置１０の出力が最大となる最適値である最適反射率が存在する。実施の形態１にかかる出力ミラー３００においては、上述したように外部共振器のスロー軸方向（ｘ方向）の固有モードからｗ２を算出するとともに、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に基づいて高反射部３０２の幅ｗ１が決定される。そして、数式（１）により算出される等価反射率Ｒｅｑの値が上記最適反射率に概ね一致するようにＲｈおよびＲｌの値を設定すれば、実施の形態１にかかる高反射部３０２を設けた出力ミラー３００を使用した場合であっても、半導体レーザ媒質１０４から効率的にレーザ光を取り出すことができる。すなわち、集光性を高めるために高反射部３０２を設けてスロー軸方向の反射率を変化させた実施の形態１にかかる出力ミラー３００を使用した場合であっても、半導体レーザ媒質１０４からレーザ光を効率的に出力させることができる。
【００２３】
なお、上記説明において、出力ミラー３００の入射面３０１に、高反射部３０２を除いて反射防止コーティングを施した構成を示したが、出力ミラー３００の構成はこれに限定されない。高反射部３０２以外の領域に一定の値の反射率を有するコーティングを施しても、適切な出力ミラーの入射面上の位置に目標とするスロー軸方向の横モードの次数に応じた適切な幅ｗ１の高反射部を設けて、数式（１）に示した等価反射率Ｒｅｑの値が最適反射率に概ね一致するようにＲｈおよびＲｌの値を設定すれば、スロー軸方向の集光性を容易に改善することができるとともに、半導体レーザ媒質１０４から効率的にレーザ光を取り出すことができる。
【００２４】
また、上記説明においては、外部共振器の出力ミラー３００に円筒平凹レンズを使用した構成を示したが、出力ミラー３００の構成はこれに限るものではなく、目標とするビームモードに応じて外部共振器を適宜設計して、出力ミラー３００の入射面および出射面の形状を定めればよい。
【００２５】
また、上記説明においては、出力ミラー３００の入射面３０１のスロー軸方向の中央部の幅ｗ１の領域に高反射部３０２を設け、入射面３０１の高反射部３０２を除いた領域に反射防止コーティングを施した構成を示した。しかし、実施の形態１にかかる出力ミラー３００の入射面３０１および出射面３０３と同一の曲率半径の入射面および出射面を備え、入射面の反射率が高反射部３０２の反射率と同一で幅ｗ１のミラーを出力ミラー３００の代りに使用しても同様な効果を得ることができることは言うまでもない。
【００２６】
以上説明したように、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１０によれば、半導体レーザ素子１００と出力ミラー３００との間のレーザ光の光路上であって半導体レーザ素子１００に対向する位置にファースト軸補正レンズ２を設置することにより、レーザ光のファースト軸方向のビーム発散角を低減している。これにより、外部共振器を構成する出力ミラー３００を半導体レーザ素子１００へ近接させずに設置することが可能になり、外部共振器の構成の調整が容易になるとともに、レーザ光を安定的に発生させることができる。そして、出力ミラー３００を半導体レーザ素子１００へ近接させて設置する必要がないので、出力ミラー３００上におけるスロー軸方向のビーム径を、半導体レーザ素子１００のスロー軸方向の発光点の幅よりも拡大することが可能になり、出力ミラー３００のスロー軸方向に設ける反射率の変化の位置精度を緩和することができる。その結果、出力ミラー３００の製造コストが低減するとともに、出力ミラー３００の調整裕度を増加させることができるという効果が得られる。そして、出力ミラー３００へ入射されるレーザ光に対する出力ミラー３００の反射率をスロー軸方向に変化させているため、スロー軸方向において目標とする横モードを選択的に増幅して、スロー軸方向の集光性を効率的且つ容易に改善することができる。
【００２７】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる出力ミラー３１０の構成を示す模式図である。実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の構成は、図１および図２における出力結合素子である出力ミラー３００を出力ミラー３１０に置き換えたものと同様であり、実施の形態２におけるレーザ光に対する外部共振器の構成も実施の形態１と同様になる。
【００２８】
図４の出力ミラー３１０においては、入射面３０１のスロー軸方向（ｘ方向）の中央部に、幅ｗ３の第１の高反射部３０４が設けられている。出力ミラー３１０においては、スロー軸方向（ｘ方向）の幅ｗ４（＞ｗ３）の領域内であって第１の高反射部３０４の両側に第２の高反射部３０５がさらに設けられている。なお、第１の高反射部３０４の幅ｗ３は、入射面３０１上におけるスロー軸方向（ｘ方向）のビーム径ｗ２に比べて小さな値に設定されている。
【００２９】
なお、図４の出力ミラー３１０の出射面３０３には、実施の形態１と同様に波長９７５ｎｍのレーザ光に対する反射防止コーティングが施されている。そして、第１の高反射部３０４の反射率をＲｈ１とし、第２の高反射部３０５の反射率をＲｈ２とし、第１の高反射部３０４および第２の高反射部３０５を除いた入射面３０１の反射率をＲｌとすれば、Ｒｈ１、Ｒｈ２およびＲｌは、以下の数式（２）に示す関係を満たしている。
【００３０】
【数２】
2019155668.tif 000004
【００３１】
図４に示すように、出力ミラー３１０の入射面３０１に、第１の高反射部３０４に加えて、反射率が異なる第２の高反射部３０５をスロー軸方向（ｘ方向）に沿って配列させて設けることにより、出力ミラー３１０の入射面３０１は、１つの高反射部３０２のみを備えた実施の形態１の出力ミラー３００の入射面３０１に比べて、反射率をスロー軸方向においてより段階的に変化させることができる。出力ミラー３１０においても、入射面３０１のレーザ光に対する反射率は、スロー軸方向の中央である中心線３５０からスロー軸方向に沿って離れるに従って減少することはあっても増加しない。そして、スロー軸方向の中央である中心線３５０からｘ方向または−ｘ方向にみた反射率の分布は中心線３５０に対して対称な分布になっている。これによって、出力ミラー３１０は、スロー軸方向に対する横モードの目標とする次数に応じて、共振器損失のスロー軸方向に対する空間分布をより精細に設定することが可能になるため、スロー軸方向に対する横モードの目標とする次数を有したレーザ光の発生をさらに容易に実現することができるという効果が得られる。
【００３２】
なお、実施の形態２にかかる出力ミラー３１０の等価反射率Ｒｅｑは、以下に示す数式（３）に従って算出することができる。
【００３３】
【数３】
2019155668.tif 000005
【００３４】
まず、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に応じて、第１の高反射部３０４の幅ｗ３および反射率Ｒｈ１と、第２の高反射部３０５の幅ｗ４および反射率Ｒｈ２とを選定する。先に述べたように、反射率が入射面のスロー軸方向に沿って一定値である通常の出力ミラーを用いた場合には、当該反射率に最適反射率が存在する。したがって、数式（３）により算出される等価反射率Ｒｅｑの値が上記最適反射率に概ね一致するよう入射面３０１の反射率Ｒｌを設定すれば、実施の形態２にかかる出力ミラー３１０を使用した場合であっても、半導体レーザ媒質１０４から効率的にレーザ光を取り出すことができる。すなわち、集光性を高めるために第１の高反射部３０４および第２の高反射部３０５を設けてスロー軸方向の反射率を変化させた実施の形態２にかかる出力ミラー３１０を使用した場合であっても、スロー軸方向の横モードについて目標とする次数を有したレーザ光を効率的に発生させることができる。
【００３５】
実施の形態２にかかる出力ミラー３１０においては、反射率が異なる第１の高反射部３０４および第２の高反射部３０５をスロー軸方向（ｘ方向）に配列させて入射面３０１に設けた構成を示したが、出力ミラーの入射面に高反射部を設けた構成はこれに限るものではない。例えば、第１の高反射部３０４および第２の高反射部３０５と反射率が各々異なりさらに互いに反射率が異なる第３および第４の高反射部を出力ミラーの入射面上にスロー軸方向に配列させて設ければ、共振器損失のスロー軸方向に対する空間分布をさらに精細に設定することが可能になり、スロー軸方向の横モードに対する目標とする次数を有したレーザ光を、さらに容易に発生させることができる。
【００３６】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３にかかる出力ミラー３２０の構成を示す模式図である。実施の形態３にかかる半導体レーザ装置の構成は、図１および図２における出力結合素子である出力ミラー３００を出力ミラー３２０に置き換えたものと同様であり、実施の形態３におけるレーザ光に対する外部共振器の構成も実施の形態１と同様になる。また、出力ミラー３２０の形状も出力ミラー３００と同様である。
【００３７】
実施の形態３にかかる出力ミラー３２０の入射面３０１には、ファースト軸方向（ｙ方向）に沿って反射率が一定値であり、且つスロー軸方向（ｘ方向）に対しては中央で反射率が最大となるガウス分布型の反射率を呈するコーティングが施されている。すなわち、出力ミラー３２０においても、入射面３０１のレーザ光に対する反射率は、スロー軸方向の中央である中心線３５０からスロー軸方向に沿って離れるに従って減少することはあっても増加しない。そして、スロー軸方向の中央である中心線３５０からｘ方向または−ｘ方向にみた反射率の分布は中心線３５０に対して対称な分布になっている。図５の下には、スロー軸方向（ｘ方向）に沿った位置に対する反射率がグラフで示してある。なお、図示してはいないが、出力ミラー３２０の平面からなる出射面にも、全面に亘り波長９７５ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。
【００３８】
図５に示すようなスロー軸方向に対して反射率が連続的に変化する入射面３０１を備えた出力ミラー３２０を使用した場合は、実施の形態１にかかる出力ミラー３００および実施の形態２にかかる出力ミラー３１０と同様な効果が得られるばかりでなく、スロー軸方向に対する共振器損失分布の設計自由度がさらに向上する。これにより、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に応じた最適な反射率分布を設定することができるので、スロー軸方向に対する横モードの目標とする次数を有したレーザ光を効率的、且つさらに容易に発生させることが可能になる。
【００３９】
実施の形態３においては、スロー軸方向に対してガウス分布型の反射率分布を備えた出力ミラー３２０を使用した構成を示したが、反射率分布の形状はこれに限るものではなく、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に応じて適宜設計すればよいことは言うまでもない。
【００４０】
なお、実施の形態１から実施の形態３においては、何れも出力ミラーの入射面３０１の反射率が、スロー軸方向に対し変化するとともに、出力ミラーの出射面３０３には、レーザ光の波長に対する反射防止コーティングを施す構成を示したが、出力ミラーの構成はこれらに限るものではない。具体的には、入射面３０１にレーザ光の波長に対する反射防止コーティングを施すとともに、出射面３０３の反射率をスロー軸方向に対し変化させた構成にした場合であっても、実施の形態１から実施の形態３と同様な効果を得ることができる。
【００４１】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０の構成を示す上面模式図である。図７は、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０の構成を示す側面模式図である。図８は、実施の形態４にかかる出力ミラー３３０の構成を示す模式図である。実施の形態４にかかる半導体レーザ素子１００の構成は、実施の形態１にかかる半導体レーザ素子１００の構成と同一である。
【００４２】
実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０は、半導体レーザ素子１００と、ファースト軸補正レンズ２と、第１の水平方向円筒レンズ５と、第１の垂直方向円筒レンズ６と、第２の水平方向円筒レンズ７と、出力結合素子である出力ミラー３３０とを備える。ファースト軸補正レンズ２は、水平方向である半導体レーザ素子１００のスロー軸方向（ｘ方向）に母線が配された焦点距離ｆ１の円筒レンズである。第１の水平方向円筒レンズ５は、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された焦点距離ｆ３の円筒レンズである。第１の垂直方向円筒レンズ６は、水平方向（ｘ方向）に母線が配された焦点距離ｆ２の円筒レンズである。第２の水平方向円筒レンズ７は、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された焦点距離ｆ４の円筒レンズである。そして、半導体レーザ素子１００、ファースト軸補正レンズ２、第１の水平方向円筒レンズ５、第１の垂直方向円筒レンズ６、第２の水平方向円筒レンズ７および出力ミラー３３０がレーザ光に対する外部共振器を構成し、この外部共振器が半導体レーザ素子１００に波長９７５ｎｍのレーザ光を出力させる。
【００４３】
実施の形態４にかかる出力ミラー３３０は平面ミラーにより構成される。出力ミラー３３０の入射面３０１においては、入射面３０１へ入射するレーザ光のスロー軸方向であるｘ方向の中央部に、入射面３０１へ入射するレーザ光のビーム径ｗ２より狭い範囲の幅ｗ１に高反射部３０２が設けられている。高反射部３０２の幅ｗ１は、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に基づいて決定される。そして、入射面３０１の高反射部３０２を除いた領域には、波長９７５ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。出力ミラー３３０においても、入射面３０１のレーザ光に対する反射率は、スロー軸方向の中央である中心線３５０からスロー軸方向に沿って離れるに従って減少することはあっても増加しない。そして、スロー軸方向の中央である中心線３５０からｘ方向または−ｘ方向にみた反射率の分布は中心線３５０に対して対称な分布になっている。また、図示していないが、出力ミラー３３０の入射面３０１の反対面である出射面３０３には、全面に亘り波長９７５ｎｍに対する反射防止コーティングが施されている。
【００４４】
実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０においては、スロー軸方向（ｘ方向）に母線が配された焦点距離ｆ１のファースト軸補正レンズ２を、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１より距離ｆ１の位置に配設すると共に、スロー軸方向（ｘ方向）に母線が配された焦点距離ｆ２の第１の垂直方向円筒レンズ６を、ファースト軸補正レンズ２より距離ｆ１＋ｆ２の位置に配設し、出力ミラー３３０を、第１の垂直方向円筒レンズ６から距離ｆ２の位置に配設している。ここで、ｆ１およびｆ２で示した距離は、各光学素子の主点間の光学距離であるとする。これにより、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１との間で、ファースト軸方向（ｙ方向）に対するアフォーカルな結像光学系が構成される。従って、ファースト軸方向（ｙ方向）に対し、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１とは、光学的に共役となる。
【００４５】
また、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０においては、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された焦点距離ｆ３の第１の水平方向円筒レンズ５を、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１より距離ｆ３の位置に配設すると共に、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された焦点距離ｆ４の第２の水平方向円筒レンズ７を、第１の水平方向円筒レンズ５より距離ｆ３＋ｆ４の位置に配設し、出力ミラー３３０を、第２の水平方向円筒レンズ７から距離ｆ４の位置に配設している。ここで、ｆ３およびｆ４で示した距離は、各光学素子の主点間の光学距離であるとする。これにより、スロー軸方向（ｘ方向）についても、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１との間でアフォーカルな結像光学系が構成される。従って、スロー軸方向（ｘ方向）についても、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１とは、光学的に共役となる。
【００４６】
以上により、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０において、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１は、出力ミラー３３０に結像される。その転写倍率をＭとすると、出力ミラー３３０上のスロー軸方向のビーム幅ｗ２は、半導体レーザ素子１００のスロー軸方向の発光点幅にＭを乗じた値に等しくなる。
【００４７】
実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０によれば、少なくともスロー軸方向（ｘ方向）に対して、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１とは光学的に共役であるため、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１上の発光点中央部に、発光点のスロー軸方向（ｘ方向）の幅に比してｗ１／ｗ２の幅の領域に高反射部が設けられた構成と光学的に等価となる。すなわち、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０は、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１に部分反射コーティングが設けられた一般的なファブリペロー型の光共振器と光学的に同等な構成となる。これにより、スロー軸方向（ｘ方向）に対する横モードの次数の選択性が実施の形態１から実施の形態３にかかる半導体レーザ装置１０よりも格段に向上するので、スロー軸方向の横モードについて目標とする次数を有したレーザ光をさらに効率的に発生させることができる。
【００４８】
上記したように、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０は、半導体レーザ素子１００の発光点のスロー軸方向の限られた領域に高反射部を設けた構成と光学的に等価となる。しかし、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１上の微小な領域に精度よく高反射部を形成することは、技術的な難易度が高いことに加えて、コーティングプロセスの工程が複雑になるため、製造コストも増加してしまうという問題があった。これに対して、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０においては、少なくともスロー軸方向について、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１が出力ミラー３３０上へ結像される外部共振器が構成されているので、出力ミラー３３０上へ半導体レーザ素子１００の発光点を拡大結像することができる。これにより、半導体レーザ装置２０においては、半導体レーザ素子１００の前側端面１０１に高反射部を直接形成する場合の高反射部の幅に比べ、出力ミラー３３０の入射面３０１上に形成する高反射部３０２の幅ｗ１を広げることが可能になる。その結果、技術的にも容易に、且つ安価なコストで、出力ミラー３３０を製造することが可能になる。
【００４９】
なお、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０は、図８に示した入射面３０１に単一の高反射部３０２を備えた出力ミラー３３０を使用して外部共振器を構成するとして説明したが、出力ミラーの構成はこれに限定されない。実施の形態２にかかる出力ミラー３１０のように反射率が異なる複数の高反射部がスロー軸方向に配列して設けられた出力ミラーを使用してもよいし、実施の形態３にかかる出力ミラー３２０のように入射面の反射率をスロー軸方向に沿って連続的に変化させた出力ミラーを使用してもよく、これらの構成の出力ミラーを採用することにより、スロー軸方向の横モードの次数の選択性をさらに向上させてもよい。
【００５０】
実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０の構成を示す上面模式図である。図１０は、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０の構成を示す側面模式図である。なお、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０は、図８にて示した出力ミラー３３０を使用している。また、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０の外部共振器は、図９に示すように回折格子８を備えており、回折効果によって外部共振器の光軸は折り曲げられる。ただし、回折格子８はレンズ作用を呈しないことから、図１０に示す側面模式図においては、半導体レーザ装置３０の技術的な特徴を明確にするため、半導体レーザ素子１１０から出力ミラー３３０に至る外部共振器の構成は、模式的に光軸が直線になっているように示されている。また、回折格子８によって光軸が曲げられた後の方向を明確にするために、図９には、ｘ’方向、ｙ’方向およびｚ’方向を示す座標系の向きを明示してある。
【００５１】
実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０は、半導体レーザ素子１１０と、ファースト軸補正レンズ２と、第１の水平方向円筒レンズ５と、第１の垂直方向円筒レンズ６と、回折格子８と、第２の水平方向円筒レンズ７と、出力ミラー３３０とを備える。
【００５２】
半導体レーザ装置３０が備える単一の半導体レーザ素子１１０は、複数の半導体レーザ媒質からなる半導体レーザアレイにより構成されている。半導体レーザ素子１１０は、第１の半導体レーザ媒質１０４１、第２の半導体レーザ媒質１０４２および第３の半導体レーザ媒質１０４３の３つの半導体レーザ媒質からなる半導体レーザアレイである。また、実施の形態５にかかる半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１には、波長９７５ｎｍを中心とする広帯域のレーザ光に対する反射防止コーティングが施され、後側端面１０２には、波長９７５ｎｍを中心とする広帯域のレーザ光に対する全反射コーティングが施されている。なお、図９では、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０は、３つの半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザアレイからなる半導体レーザ素子１１０を使用した構成で示されているが、半導体レーザ素子１１０の構成はこれに限るものではない。すなわち、半導体レーザ媒質の数が３以外の複数の数であってもかまわない。
【００５３】
ファースト軸補正レンズ２は、水平方向である半導体レーザ素子１１０のスロー軸方向（ｘ方向）に母線が配された円筒レンズである。第１の水平方向円筒レンズ５は、ファースト軸方向である垂直方向（ｙ方向）に母線が配された円筒レンズである。第１の垂直方向円筒レンズ６は、水平方向（ｘ方向）に母線が配された円筒レンズである。回折格子８には、垂直方向（ｙ方向）に沿った溝が平行に形成されている。第２の水平方向円筒レンズ７は、垂直方向（ｙ’方向）に母線が配された円筒レンズである。
【００５４】
なお、図９において、ｙ’方向はファースト軸方向（ｙ方向）と同一方向である。また、出力ミラー３３０を構成する平面ミラーの平面に垂直な方向がｚ’方向であり、ｙ’方向およびｚ’方向に垂直な方向がｘ’方向となる。したがって、回折格子８による回折後のレーザ光のスロー軸方向はｘ’方向で、ファースト軸方向はｙ’方向である。
【００５５】
そして、半導体レーザ素子１１０、ファースト軸補正レンズ２、第１の水平方向円筒レンズ５、第１の垂直方向円筒レンズ６、回折格子８、第２の水平方向円筒レンズ７および出力ミラー３３０がレーザ光に対する外部共振器を構成し、この外部共振器が半導体レーザ素子１１０にレーザ光を出力させる。
【００５６】
実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０において、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された第１の水平方向円筒レンズ５は、半導体レーザ素子１１０から第１の水平方向円筒レンズ５の焦点距離と略等しい距離に配設されている。また、回折格子８も第１の水平方向円筒レンズ５から第１の水平方向円筒レンズ５の焦点距離と略等しい距離に配設されている。従って、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３から各々出射されたレーザ光は、第１の水平方向円筒レンズ５によってスロー軸方向（ｘ方向）の発散角が平行化されて、回折格子８上における第１の水平方向円筒レンズ５の焦点位置において、主光線がほぼ一点に重なるよう集光される。また、外部共振器を構成する出力ミラー３３０は、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３に対して共通であり、平面ミラーからなる出力ミラー３３０に対しては、ｚ’方向に垂直入射するレーザ光の共振器損失が最小となる。したがって、回折格子８による回折角が、回折後のレーザ光を出力ミラー３３０へ垂直入射させる角度に一致するように、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３各々のレーザ発振波長が受動的に選択される。この結果、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３各々から出射された複数のレーザ光は、回折格子８と出力ミラー３３０との間の光路において、同軸状に重畳される。したがって、上記発振波長の選択により、回折格子８は、結果的に上記複数のレーザ光の光軸が重畳する位置に配置されていることになり、上記複数のレーザ光を１つのビームに波長結合して出力ミラー３３０へ向けて出射する。
【００５７】
なお、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０においても、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０と同様に、水平方向であるスロー軸方向（ｘ方向、ｘ’方向）については、第１の水平方向円筒レンズ５、第２の水平方向円筒レンズ７および出力ミラー３３０を適切な距離だけ離して設置することにより、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１を、出力ミラー３３０の入射面３０１上へ結像する光学系を構成している。また、垂直方向であるファースト軸方向（ｙ方向、ｙ’方向）については、ファースト軸補正レンズ２、第１の垂直方向円筒レンズ６および出力ミラー３３０を適切な距離だけ離して設置することにより、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１を、出力ミラー３３０の入射面３０１上へ結像する光学系を構成している。従って、両方向において半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１とは、光学的に共役となる。
【００５８】
実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０においては、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３といった複数の半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザアレイである半導体レーザ素子１１０が用いられて、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３のそれぞれに対応した外部共振器が、単一の出力ミラー３３０を共有する。さらに、半導体レーザ装置３０においては、回折格子８の波長分散効果を利用した波長結合により、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３からなる複数の半導体レーザ媒質から出射された複数のレーザ光を同軸状に重畳している。これにより、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０は、単一の半導体レーザ媒質１０４を備えた半導体レーザ素子１００を使用した場合に比べて、集光性を低下させることなく、高出力化することが容易に可能となる。
【００５９】
さらに、実施の形態５にかかる出力ミラー３３０の入射面３０１には、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に対応して設定された範囲のみに、高反射部３０２が設けられているので、複数の半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザ素子１１０を使用した場合であっても、複数の半導体レーザ媒質それぞれに対応するスロー軸方向の集光性を、全て同時に改善することが可能になる。また、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０においても、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１と出力ミラー３３０の入射面３０１とは光学的に共役であるため、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０と同じく、スロー軸方向（ｘ方向）に対する横モードの次数の選択性を実施の形態１から実施の形態３にかかる半導体レーザ装置１０よりも格段に向上させることができる。
【００６０】
実施の形態６．
図１１は、本発明の実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０の構成を示す上面模式図である。図１２は、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０の構成を示す側面模式図である。図１３は、実施の形態６にかかる出力ミラー３４０の構成を示す模式図である。実施の形態６にかかる半導体レーザ素子１１０の構成は、実施の形態５にかかる半導体レーザ素子１１０の構成と同一であるが、実施の形態５と同様にこの構成に限定されるわけではない。さらに、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０の外部共振器も、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０と同じく回折格子８により光軸が折り曲げられているが、図１２に示す側面模式図においては、半導体レーザ装置４０の技術的な特徴を明確にするため、模式的に光軸が直線になっているように示されている。また、回折格子８によって光軸が曲げられた後の方向を明確にするために、図１１には、ｘ’方向、ｙ’方向およびｚ’方向を示す座標系の向きを明示してある。そして、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０は、半導体レーザ装置３０の構成に加えて、ファースト軸補正レンズ２と第１の垂直方向円筒レンズ６との間に回転光学素子１１が設置され、回折格子８と第２の水平方向円筒レンズ７との間には第２の垂直方向円筒レンズ９が設置されている。そして、半導体レーザ装置４０においては、半導体レーザ素子１１０、ファースト軸補正レンズ２、回転光学素子１１、第１の垂直方向円筒レンズ６、第１の水平方向円筒レンズ５、回折格子８、第２の垂直方向円筒レンズ９、第２の水平方向円筒レンズ７および出力結合素子である出力ミラー３４０がレーザ光に対する外部共振器を構成し、この外部共振器が半導体レーザ素子１１０にレーザ光を出力させる。なお、実施の形態６では、１つの半導体レーザ素子１１０から互いに異なる光軸を有する複数のレーザ光が出射され、回折格子８は複数のレーザ光を１つのビームに波長結合して出射している。
【００６１】
図１４は、実施の形態６にかかる回転光学素子１１の構成の一例を示す斜視図である。回転光学素子１１は、９０°像回転光学系アレイであり、対向した一対の円筒凸レンズが、基準軸の方向であるｙ方向に対し４５°傾けられて、半導体レーザ素子１１０の複数の発光点の間隔と同一のピッチで配列されたものである。そして、回転光学素子１１においては、円筒凸レンズの焦点距離をｆとすれば、対向する円筒凸レンズ間の間隔Ｌは２ｆに設定されている。回転光学素子１１に対し、偏平光の長軸または短軸を基準軸の方向であるｙ方向に平行な角度で入射させた場合、出射光においては長軸と短軸とが入れ替わる。すなわち、回転光学素子１１は、入射されたそれぞれのレーザ光をそれぞれの光軸を回転軸にして９０°回転させた光をそれぞれ出射する。したがって、回転光学素子１１からの出射光による像は、回転光学素子１１への入射光の像を９０°回転したものとなる。回転光学素子１１は、例えば、ドイツのＬＩＭＯ  Ｌｉｓｓｏｔｓｃｈｅｎｋｏ  Ｍｉｋｒｏｏｐｔｉｋ  ＧｍｂＨ社が製品化しており、Ｂｅａｍ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍという製品名で容易に入手することが可能である。
【００６２】
実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０において、半導体レーザ素子１１０の第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３から各々出射されたレーザ光は、ファースト軸補正レンズ２によってファースト軸方向（ｙ方向）の発散角が略平行化される。次に、回転光学素子１１を透過することによって、各レーザ光は光軸周りに９０°回転する。従って、半導体レーザ素子１１０から出射された時の各レーザ光のスロー軸方向（ｘ方向）の成分はそれぞれ垂直方向（ｙ方向）の成分に変換され、半導体レーザ素子１１０から出射された時の各レーザ光のファースト軸方向（ｙ方向）の成分はそれぞれ水平方向（ｘ方向）の成分に変換される。回転光学素子１１を透過したレーザ光は、水平方向（ｘ方向）に母線が配された第１の垂直方向円筒レンズ６によって、スロー軸方向（ｙ方向）の発散角が略平行化され、垂直方向（ｙ方向）に母線が配された第１の水平方向円筒レンズ５へ入射する。第１の水平方向円筒レンズ５によって、各レーザ光は回折格子８上において、主光線がほぼ一点に重なるようファースト軸方向（ｘ方向）に対して集光される。回折格子８には、垂直方向（ｙ方向）に沿った溝が平行に形成されている。
【００６３】
上述したように、回転光学素子１１を透過することによって、各レーザ光のファースト軸方向とスロー軸方向とは入れ替わるので、図１１において、回折格子８による回折後のレーザ光のスロー軸方向はｙ’方向で、ファースト軸方向はｘ’方向である。なお、ｙ’方向はｙ方向と同一方向であり、ｘ’方向およびｙ’方向に垂直なｚ’方向が、出力ミラー３４０を構成する平面ミラーの平面に垂直な方向になっている。
【００６４】
実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０においても、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０と同じく、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３が、単一の出力ミラー３４０を共有しており、回折格子８による回折角が、回折後のレーザ光を出力ミラー３４０へ垂直入射させる角度に一致するように、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３各々のレーザ発振波長が受動的に選択される。この結果、実施の形態５と同様に、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３各々から出射されたレーザ光は、回折格子８と出力ミラー３４０との間の光路において、同軸状に重畳される。
【００６５】
回折格子８によって同軸状に重畳されたレーザ光は、水平方向（ｘ’方向）に母線が配された第２の垂直方向円筒レンズ９によって、スロー軸方向（ｙ’方向）に対し集光され、垂直方向（ｙ’方向）に母線が配された第２の水平方向円筒レンズ７へ入射する。第２の水平方向円筒レンズ７へ入射したレーザ光は、ファースト軸方向（ｘ’方向）の発散角が略平行化されて、出力ミラー３４０へ入射する。
【００６６】
なお、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０においても、水平方向（ｘ方向、ｘ’方向）については、第１の水平方向円筒レンズ５、第２の水平方向円筒レンズ７および出力ミラー３４０を適切な距離だけ離して設置することにより、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１を、出力ミラー３４０の入射面３０１上へ結像する光学系を構成している。また、垂直方向（ｙ方向、ｙ’方向）については、ファースト軸補正レンズ２、第１の垂直方向円筒レンズ６、第２の垂直方向円筒レンズ９および出力ミラー３４０を適切な距離だけ離して設置することにより、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１を、出力ミラー３４０の入射面３０１上へ結像する光学系を構成している。従って、両方向において半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１と出力ミラー３４０の入射面３０１とは、光学的に共役となる。
【００６７】
実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０においても、複数の半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザアレイである半導体レーザ素子１１０が用いられて、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３のそれぞれに対応した外部共振器が、単一の出力ミラー３４０を共有する。さらに、半導体レーザ装置４０においては、回折格子８の波長分散効果を利用した波長結合により、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３からなる複数の半導体レーザ媒質が出射したレーザ光を同軸状に重畳している。したがって、実施の形態５と同様に、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０は、単一の半導体レーザ媒質１０４を備えた半導体レーザ素子１００を使用した場合に比べて、集光性を低下させることなく、高出力化することが容易に可能となる。
【００６８】
複数の半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザ素子１１０においては、製造プロセスに起因したスマイルと呼ばれる変形が発生して、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３それぞれのｙ方向の設置高さに差異が生じる場合がある。これに対して、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０は、回転光学素子１１をさらに使用することにより、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３のそれぞれから出射されたレーザ光を光軸周りに９０°回転させている。これにより、設置高さの差異によってビーム重畳時に発生する光軸ずれの方向をｙ方向からｘ方向に変換することができる。すなわち、ビーム重畳時に発生する光軸ずれの方向をファースト軸方向に比べて相対的に集光性が低く、光軸ずれ量に対する集光性の低下割合が相対的に小さなスロー軸方向とすることができるので、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０に比べて集光性の低下割合を抑制しながら安定的に高出力化することができるという効果が得られる。
【００６９】
また、図１３に示すように、実施の形態６にかかる出力ミラー３４０の入射面３０１には、スロー軸方向の横モードの目標とする次数に基づいて決定されたｙ’方向の幅ｗ１の領域のみに高反射部３０２が設けられている。出力ミラー３４０においても、入射面３０１のレーザ光に対する反射率は、回折後のレーザ光のスロー軸方向（ｙ’方向）の中央である中心線３５０からスロー軸方向に沿って離れるに従って減少することはあっても増加しない。そして、スロー軸方向の中央である中心線３５０からｙ’方向または−ｙ’方向にみた反射率の分布は中心線３５０に対して対称な分布になっている。したがって、出力ミラー３４０を用いることにより第１〜第３の半導体レーザ媒質１０４１，１０４２，１０４３を備えた半導体レーザ素子１１０を使用した場合であっても、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０と同じく、複数の半導体レーザ媒質それぞれに対応するスロー軸方向の集光性を、全て同時に改善することが可能になる。さらに、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０においても、半導体レーザ素子１１０の前側端面１０１と出力ミラー３４０の入射面３０１とは光学的に共役であるため、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置２０および実施の形態５にかかる半導体レーザ装置３０と同じく、スロー軸方向（ｘ方向）に対する横モードの次数の選択性を実施の形態１から実施の形態３にかかる半導体レーザ装置１０よりも格段に向上させることができる。
【００７０】
実施の形態７．
図１５は、本発明の実施の形態７にかかる半導体レーザ装置５０の構成を示す上面模式図である。半導体レーザ装置５０においては、２つの半導体レーザ素子である第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２を使用し、共通の出力ミラー３４０のもとで、回折格子８を用いてレーザ光を重畳することにより、集光性を維持しながら高出力化する構成になっている。なお、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２は、いずれも実施の形態５および６にかかる半導体レーザ素子１１０と同一な構成であり、それぞれ複数の半導体レーザ媒質を備える。すなわち、第１の半導体レーザ素子１２１は、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０５１，１０５２，１０５３を備え、第２の半導体レーザ素子１２２は、第１〜第３の半導体レーザ媒質１０６１，１０６２，１０６３を備える。また、実施の形態７にかかる出力ミラー３４０の構成は、実施の形態６にかかる出力ミラー３４０と同一である。したがって、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２それぞれに対する外部共振器の構成は実施の形態６と同様になっている。
【００７１】
図１５の半導体レーザ装置５０に示すように、複数の半導体レーザ素子である第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２を使用し、回折格子８によってレーザ光を重畳するとともに、共通の出力ミラー３４０を用いて外部共振器を構成すれば、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置４０と同様な効果が得られるばかりでなく、集光性を維持しながら容易に高出力化することがさらに可能になる。
【００７２】
なお、図１５に示した実施の形態７にかかる半導体レーザ装置５０においては、２つの半導体レーザ素子を使用して回折格子８を用いて波長結合する構成を示したが、波長結合する半導体レーザ素子の数は複数であればこれに限るものではない。また、複数の半導体レーザ素子がそれぞれ全て複数の半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザアレイで構成されていなくてもよい。すなわち、複数の半導体レーザ素子の一部が半導体レーザ素子１００のように単一の半導体レーザ媒質しか有さない半導体レーザ素子であってもかまわない。
【００７３】
なお、実施の形態５から実施の形態７においては、回折格子８の波長分散効果を利用し、半導体レーザ素子の外部共振器内において、複数の半導体レーザ媒質から出射されるレーザ光を同軸状に重畳する構成を示したが、レーザ光を重畳する手段はこれに限るものではない。例えば、異なる発振波長帯に利得を有する複数の半導体レーザ媒質を使用して、単一の出力ミラーを共有する外部共振器内で、ダイクロイックミラー等におけるコーティング反射率の波長依存性を利用して、複数の半導体レーザ媒質から出射されたレーザ光を同軸状に重畳しても、実施の形態５から実施の形態７と同様な効果を得ることができる。
【００７４】
また、実施の形態５から実施の形態７においては、入射面３０１に単一の高反射部３０２を備えた出力ミラー３３０，３４０を使用して外部共振器を構成するとして説明したが、出力ミラーの構成はこれに限定されない。実施の形態２にかかる出力ミラー３１０のように反射率が異なる複数の高反射部がスロー軸方向に配列して設けられた出力ミラーを使用してもよいし、実施の形態３にかかる出力ミラー３２０のように入射面の反射率をスロー軸方向に沿って連続的に変化させた出力ミラーを使用してもよく、これらの構成の出力ミラーを採用することにより、スロー軸方向の横モードの次数の選択性をさらに向上させてもよい。
【００７５】
また、実施の形態５から実施の形態７においては、半導体レーザ素子の前側端面１０１を出力ミラー３３０，３４０の入射面３０１上へ結像する外部共振器を示したが、外部共振器の構成はこれに限るものではなく、目標とするビーム特性に応じて適宜設計すればよい。
【００７６】
実施の形態８．
実施の形態１から実施の形態７にかかる半導体レーザ装置における端面発光型の半導体レーザ素子のスロー軸方向の光閉じ込めは、光増幅作用のある領域に光が集中するゲインガイド作用のほかに、温度分布やキャリア濃度分布に基づく屈折率分布によるレンズ作用が働いていると考えられる。これらの光閉じ込めの効果は、レーザ出力が高いと強くなる。その結果、実施の形態１から実施の形態７のように外部共振器をスロー軸方向のビーム集光性を向上させる構成としても、レーザ出力が高い領域では、集光性が向上しない可能性がある。
【００７７】
本発明の実施の形態８においては、実施の形態１から実施の形態７にかかる半導体レーザ装置が備える、半導体レーザ素子１００，１１０，１２１，１２２の発光点及び発光点近傍、すなわち各半導体レーザ媒質に、スロー軸方向の光閉じ込め作用を減ずる屈折率分布が形成されている。すなわち、半導体レーザ素子１００，１１０，１２１，１２２の半導体レーザ媒質のスロー軸方向の屈折率分布がレーザ光のスロー軸方向への閉じ込め効果を抑制するような分布になっていることにより、スロー軸方向の光閉じ込めの効果を抑制することができる。これにより、高出力の領域でも高い集光性を得ることが可能となる。
【００７８】
図１６は、本発明の実施の形態８にかかる半導体レーザ素子の内部に形成されたスロー軸方向の屈折率分布を示す図である。図１６は、レーザ光のスロー軸方向への閉じ込め効果を抑制するような半導体レーザ媒質のスロー軸方向の屈折率分布の一例である。図１６に示すように、非通電状態の半導体レーザ素子のレーザ光に対する屈折率のスロー軸方向の分布において、発光領域である半導体レーザ媒質の屈折率は、発光領域の周囲の非発光領域の屈折率よりも低くなっている。このような屈折率分布を形成しておくことで、レーザ光の閉じ込め効果は低くなる。実施の形態８にかかる半導体レーザ素子を用いれば、半導体レーザ素子内部および外部共振器の双方において、高次モードの閉じ込めを抑制する作用が働くので、特にレーザ出力を高くした場合にビーム集光性をさらに向上することが出来るという効果が得られる。
【００７９】
実施の形態９．
図１７は、本発明の実施の形態９にかかる半導体レーザ装置６０の構成を示す上面模式図である。図１８は、実施の形態９にかかる半導体レーザ装置６０の構成を示す側面模式図である。実施の形態９における半導体レーザ素子１００の発光点への出力ミラー３５２によるレーザ光の反射の割合のスロー軸方向に沿った分布は、実施の形態１から８とは異なる分布となる。
【００８０】
実施の形態１から８の出力結合素子においては、スロー軸方向の中心領域のレーザ光を周辺領域より多く半導体レーザ素子の発光点に向けて反射していた。実施の形態９の出力結合素子である出力ミラー３５２は、スロー軸方向の中心領域のレーザ光と比較して、周辺領域のレーザ光を積極的に反射する。
【００８１】
実施の形態９の出力ミラー３５２は、図１７において、主発振光４０１および周辺増幅光４０２のうちのスロー軸方向（ｘ方向）の周辺領域を通過するレーザ光である片方の周辺増幅光４０２の部分のみ反射するように挿入されている。出力ミラー３５２の入射面３５１は、レーザ光に対して高い反射率のコーティングが施されている。出力ミラー３５２の出射面３５３は、反射率の低いコーティングであるＡＲ（Anti  Reflection）コーティングが施されていてもよいし、コーティングされずに砂摺り面などの荒面化加工が施されていてもよい。出射面３５３をこのように加工することで、出射面３５３での残存反射率による不要発振を抑制することが可能であり、半導体レーザ装置６０の動作を効果的に安定させることができる。
【００８２】
実施の形態９にかかる半導体レーザ装置６０においては、出力ミラー３５２が周辺増幅光４０２を反射するので、半導体レーザ素子１００の後側端面１０２と、出力ミラー３５２とで半導体レーザ共振器を構成し、主発振光４０１を全て出力とする。これにより、半導体レーザ装置６０から出力されるレーザ光のうち集光性の高い主発振光４０１が占める割合を出力ミラー３５２を設けない場合に比べて増加させることができる。すなわち、半導体レーザ装置６０から出力されるレーザ光のスロー軸方向の集光性を向上させることが可能である。
【００８３】
ここで、出力ミラー３５２が挿入されるレーザ光中の領域は、スロー軸に沿ったレーザ光のエネルギーの空間分布であるプロファイルにおいて、レーザ光のエネルギーが２％〜４０％含まれる片側の領域とする。レーザ光のスロー軸方向のプロファイルは、レーザ光軸に対してほぼ対称である。実施の形態９では、出力ミラー３５２は、対称形状のビームプロファイルの片側にのみ挿入される。対称形状のビームプロファイルのいずれか一方の片側に出力ミラーを配置することにより、スロー軸方向の中央部の反射率は、中央部のスロー軸方向の両側に存在する周辺部の反射率の少なくともいずれか一方よりも低い値となる。そして、出力ミラー３５２のスロー軸方向の位置を調整することにより、出力ミラー３５２によるレーザ光の反射の割合を調整することが可能である。出力ミラー３５２をレーザ光軸の中心に向けて移動することで、より多くレーザ光エネルギーが反射されるようにすることができる。出力ミラー３５２が反射するレーザ光のエネルギーを増やすと、集光性を向上させることが出来るが、半導体レーザ装置６０から出力されるレーザ光のパワーは低下する。本発明の発明者の実験によると、出力ミラー３５２によって反射されるレーザ光のエネルギーの割合が全体の５％〜１０％の時にパワーの低下を抑えて、スロー軸方向の集光性を改善することができた。
【００８４】
実施の形態１０．
図１９は、本発明の実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置７０の構成を示す上面模式図である。図２０は、実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置７０の構成を示す側面模式図である。実施の形態１０においては、実施の形態９においてレーザ光のスロー軸に沿ったプロファイルの片側に挿入した出力ミラーを両側に挿入する。
【００８５】
図１９に示すように、実施の形態１０の出力結合素子を構成する出力ミラー３６０および出力ミラー３７０は、スロー軸方向（ｘ方向）においてレーザ光軸に対して対称に設置されている。これにより、スロー軸方向の中央部の反射率は、中央部のスロー軸方向の両側に存在する周辺部の反射率よりも低い値になる。さらに、スロー軸方向の中央に対して、反射率は対称な分布になっている。反射率の分布が対称であることにより、半導体レーザ装置７０より出力されるビームの空間的な対称性を向上させることができ、レーザ加工の異方性を抑制することが出来る。
【００８６】
出力ミラー３６０の入射面３６１および出力ミラー３７０の入射面３７１は、実施の形態９の出力ミラー３５２の入射面３５１と同様にレーザ光に対して高い反射率のコーティングが施されている。出力ミラー３６０の出射面３６３および出力ミラー３７０の出射面３７３は、実施の形態９の出力ミラー３５２の出射面３５３と同様の構成である。
【００８７】
実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置７０によれば、出力ミラー３６０および出力ミラー３７０を、スロー軸方向に沿ってレーザ光軸を中心軸として対称な位置に挿入することにより、半導体レーザ素子１００から出力されるレーザ光のスロー軸方向に沿ったビームプロファイルを、レーザ光軸を中心として対称な形状とすることが可能である。
【００８８】
実施の形態１０においても、実施の形態９と同様に、出力ミラー３６０および出力ミラー３７０のレーザ光のスロー軸方向の位置を調整することにより、半導体レーザ素子１００への出力ミラー３６０および出力ミラー３７０によるレーザ光の反射の割合を調整することが出来る。
【００８９】
実施の形態１０においては、出力ミラー３６０および出力ミラー３７０による反射の割合の合計が、レーザ光のエネルギーの２％〜４０％とする。実施の形態１０においても、出力ミラー３６０および出力ミラー３７０が反射するレーザ光のエネルギーを増やすと、集光性を向上させることが出来るが、半導体レーザ装置７０から出力されるレーザ光のパワーは低下する。本発明の発明者の実験によると、出力ミラー３６０および出力ミラー３７０によって反射されるレーザ光のエネルギーの割合の合計が全体の５％〜１０％の時にパワーの低下を抑えて、スロー軸方向の集光性を改善することができた。
【００９０】
実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置７０から出力されたレーザ光は、光ファイバーへ導光されて使用されることも、直接集光してレーザ加工に使用されることもある。半導体レーザ装置７０からのレーザビームのプロファイルの対称性が高いことにより、前者においては光ファイバーへの導光効率の向上の効果が得られ、後者においてはレーザ加工の異方性の抑制の効果が得られる。
【００９１】
半導体レーザ素子１００から出力されるレーザ光のスロー軸方向のビームプロファイルは、レーザ光軸に対してほぼ対称な形状を有する。しかし、完全な対称形状とはならず、半導体レーザ素子１００の実装における微細な組み立て誤差により、歪んだレーザビームプロファイルとなる。実施の形態１０にかかる半導体レーザ装置７０のように、向きの調整または配置の位置制御を空間的に大きく実行することが容易な出力ミラー３６０，３７０によってレーザ光のプロファイルの対称性を向上させる構成とすることで、上記組み立て誤差によらず、レーザ光のプロファイルの対称性を改善することが可能となる。
【００９２】
実施の形態１１．
図２１は、本発明の実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置８０の構成を示す上面模式図である。図２２は、実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置８０の構成を示す側面模式図である。図２３は、実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０の構成を示す斜視模式図である。
【００９３】
実施の形態９および実施の形態１０においては、高反射率の出力ミラーをレーザ光のスロー軸方向の周辺部からレーザ光の進路に挿入することによって、レーザ光のスロー軸方向のプロファイルにおいて、周辺部のレーザ光を中心部のレーザ光よりも多く反射させる構成であった。そして、実施の形態９および実施の形態１０においては、出力ミラーの入射面内でのレーザ光の反射率は空間的に変化していなかった。しかし、実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置８０では、出力結合素子である出力ミラー３８０の入射面における反射率の分布によって、スロー軸方向のプロファイルの周辺部において中心部より多く半導体レーザ素子１００に向けてレーザ光を反射する構成とする。
【００９４】
実施の形態１１における出力ミラー３８０の入射面３８１には、高反射部３８２および低反射部３８６が形成されている。出射面３８３は、反射率を抑制するためのＡＲコーティングが施されている。
【００９５】
図２４は、実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０の構成を示す模式図である。高反射部３８２は、図２３および図２４に示すように、レーザ光のスロー軸方向（ｘ方向）において、低反射部３８６の両側に配置されている。図２１に示すように、レーザ光の周辺増幅光４０２が、出力ミラー３８０の高反射部３８２により半導体レーザ素子１００の発光点に向けて反射される。
【００９６】
実施の形態９および１０と同様に、実施の形態１１にかかる半導体レーザ装置８０によれば、レーザ光の周辺増幅光４０２を反射させて半導体レーザ共振器を構成することにより、出力されるレーザ光において主発振光４０１の割合を高めることができる。これにより、半導体レーザ装置８０から出力されるレーザ光のスロー軸方向の集光性を改善する効果が得られる。
【００９７】
実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０によれば、スロー軸方向の反射率分布をコーティングにより変化させた一枚の出力ミラーによって周辺増幅光４０２を多く反射させる。出力ミラー３８０の低反射部３８６と高反射部３８２との境界で発生するレーザ光の散乱および吸収は、実施の形態９および１０にかかる出力ミラー３５２，３６０，３７０の上記境界に対応する領域である機械的なエッジ部で発生するレーザ光の散乱および吸収に比べて著しく小さくすることができる。したがって、レーザ光が高出力である場合には、実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０によれば、レーザ光の散乱および吸収に起因する出力ミラーの破損または異常発振といった悪影響を抑制することが可能である。
【００９８】
また、出力結合素子は、実施の形態１０においては出力ミラー３６０，３７０の２枚の出力ミラーにより構成されていたが、実施の形態１１においては一枚のミラーである出力ミラー３８０により構成される。実施の形態１１によれば、出力結合素子の調整がさらに容易になるだけではなく、出力ミラー３８０の入射面３８１の反射率の分布を設計することで、以下で説明するように、半導体レーザ素子１００の広い動作領域で半導体レーザ装置８０が安定したレーザ光の出力特性を得ることが可能になる。
【００９９】
図２４の下に、出力ミラー３８０の入射面３８１のスロー軸方向の反射率分布が示してある。図２４の例においては、高反射部３８２の反射率は１００％に近く、低反射部３８６における反射率はほぼ０％である。出力ミラー３８０がこのような反射率分布を有する場合、出力ミラー３８０による作用効果は、実施の形態１０における高反射率の出力ミラー３６０および出力ミラー３７０によって構成された出力結合素子による作用効果に近いものとなる。
【０１００】
図２５は、実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０の構成を示す別の模式図である。図２５に示した出力ミラー３８０の入射面３８１のスロー軸方向の反射率分布は、図２４の例とは異なる。図２５の例においては、高反射部３８２の反射率は約８０％で、低反射部３８６の反射率は約５％になっている。半導体レーザ素子１００から出射されるレーザ光のスロー軸方向のビーム発散角は、半導体レーザ素子１００への印加電流が少ないときには小さく、印加電流を増加させると増大する。このため、印加電流の増加にともない、半導体レーザ素子１００から出射されるレーザ光における周辺増幅光４０２の割合が増加する。したがって、出力ミラー３８０の反射率分布を印加電流の値が高電流域であるときに最適な反射率分布になるように設計すると、印加電流が少なくて周辺増幅光４０２の割合が少ないときには、半導体レーザ素子１００への反射光の割合が低くなりすぎる場合がある。その結果、半導体レーザ素子１００の後側端面１０２と出力ミラー３８０とで構成される外部共振器が動作しないことがある。このように印加電流が少ない場合、図２５の例のように、低反射部３８６の反射率をゼロに近い値にしないで数パーセントの値とすることで、低電流印加時においても安定な発振が可能となる。図２５の例においては、出力ミラー３８０の入射面３８１の全体により反射されるレーザ光のエネルギーの割合を保つために、高反射部３８２の反射率を低減するようにしたが、低反射部３８６と高反射部３８２との面積比によって調整することも可能である。
【０１０１】
実施の形態１２．
図２６は、本発明の実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０の構成を示す上面模式図である。半導体レーザ装置９０は、実施の形態７の半導体レーザ装置５０における出力ミラー３４０を実施の形態１１にかかる出力ミラー３８０に置き換えた構成である。実施の形態１２においては、回転光学素子１１、回折格子８および出力ミラー３８０、を用いて、複数の半導体レーザ素子である第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２からのレーザビームを波長分散結合する。
【０１０２】
実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０においては、図２４および図２５の中心線３５０の向きが図２６におけるｘ’方向となるように出力ミラー３８０が配置される。すなわち、半導体レーザ装置９０は、出力結合素子として、スロー軸方向（図２６におけるｙ’方向）の周辺増幅光を半導体レーザ素子の発光点により多く反射する出力ミラー３８０を用いる。
【０１０３】
第１の半導体レーザ素子１２１におけるスロー軸方向はｘ方向であり、ファースト軸方向はｙ方向である。第２の半導体レーザ素子１２２におけるスロー軸方向はｘ方向とは異なる方向であり、ファースト軸方向はｙ方向である。しかし、回転光学素子１１より下流の光路においては、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２からのレーザビームのスロー軸方向は、共にｙ方向またはｙ’方向である。すなわち、出力ミラー３８０の位置においては、スロー軸方向はｙ’方向になっている。
【０１０４】
実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０においても、第１の水平方向円筒レンズ５、第２の水平方向円筒レンズ７、ファースト軸補正レンズ２、第１の垂直方向円筒レンズ６、第２の垂直方向円筒レンズ９および出力ミラー３８０を適切な距離だけ離して設置することにより、水平方向（ｘ方向、ｘ方向とは異なる上記方向、ｘ’方向）および垂直方向（ｙ方向、ｙ’方向）において、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１を、出力ミラー３８０の入射面３８１上へ結像する光学系を構成することができる。すなわち、両方向において第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１と出力ミラー３８０の入射面３８１とは、スロー軸方向において光学的に共役な関係になっている。
【０１０５】
実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０によれば、実施の形態７にかかる半導体レーザ装置５０と同様に、一つの出力ミラーで複数の半導体レーザ素子の発光点からのレーザ光の集光性を向上させて出力を高めることが可能になるのみならず、以下のような効果を奏する。
【０１０６】
出力ミラー３８０の高反射部３８２により反射されるレーザ光は、出力ミラー３８０の向きがスロー軸方向に角度がずれても、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の発光点まで到達する。したがって、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の外部共振器の動作に支障は発生しない。なぜならば、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１に位置する発光点と出力ミラー３８０とは、スロー軸方向において光学的に共役な関係になっているからである。光学的に共役な位置関係とした場合、一方の特定の点から発生した光は、その出射角度に依らず他方における特定の点に到達する。
【０１０７】
出力ミラー３８０のファースト軸方向（図２６におけるｘ’方向）の角度ずれは、回折格子８による波長分散が存在する方向の角度ずれである。出力ミラー３８０のファースト軸方向の角度がずれた場合でも、外部共振器の発振波長が変化することで、自動的に補償される。
【０１０８】
以上説明したように、実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０によれば、出力ミラー３８０の角度ずれに対してロバストな動作が可能になる。
【０１０９】
また、半導体レーザから出射されるレーザビームのスロー軸方向のビーム発散角は、半導体レーザ素子への印加電流および半導体レーザ素子の動作温度によって変化する。すなわち、印加電流の増加および動作温度の上昇に伴い、スロー軸方向のビーム発散角は大きくなる。さらに、実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０のように複数の半導体レーザ素子および発光点が存在する場合には、半導体レーザ素子の発光点ごとにビーム発散角にはばらつきが発生する。
【０１１０】
出力ミラー３８０によりスロー軸方向の周辺増幅光を多く反射させて、出力されるレーザ光のビーム集光性を向上させる構成は、ビーム集光性向上効果は高いものの、半導体レーザ素子の発光点におけるスロー軸方向のビーム発散角のばらつきおよび変動に伴い、半導体レーザの外部共振器のフィードバック量が変動するおそれがある。その結果、目標とする外部共振器動作が行えず、半導体レーザ装置９０の動作が不安定になるという問題が生じる。しかし、実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０においては、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１と出力ミラー３８０の入射面３８１とを光学的に共役な関係とすることにより上記問題を回避することができる。
【０１１１】
すなわち、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１と出力ミラー３８０の入射面３８１とを光学的に共役な関係とすることにより、出力ミラー３８０の入射面３８１の位置でのレーザ光のスロー軸方向のプロファイルの幅は、印加電流変化または素子のばらつきによって発生するビーム発散角の変動に依らず、一定の大きさとなる。ここで、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２の前側端面１０１から出力ミラー３８０までの転写倍率をＭとする。また、第１の半導体レーザ素子１２１および第２の半導体レーザ素子１２２のスロー軸方向の発光点の幅をＷとする。すると、出力ミラー３８０におけるレーザ光のスロー軸方向のプロファイルの幅はＷＭになり、上述のようにビーム発散角に依らずに一定となる。レーザ光のプロファイルの幅が一定であるから、出力ミラー３８０の高反射部３８２に照射されるレーザ光のエネルギーのレーザ光全体に対する割合は、半導体レーザ素子のスロー軸方向のビーム発散角に依らずに一定となる。
【０１１２】
その結果、実施の形態１２にかかる半導体レーザ装置９０によると、印加電流変化または半導体レーザ素子のばらつきに起因するスロー軸方向のビーム発散角の変動の影響を受けないロバストな動作を実現した上で、スロー軸方向のレーザ光のプロファイルの周辺領域を選択的に反射してスロー軸方向の集光性を改善することが容易に可能となる。
【０１１３】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１１４】
２  ファースト軸補正レンズ、５  第１の水平方向円筒レンズ、６  第１の垂直方向円筒レンズ、７  第２の水平方向円筒レンズ、８  回折格子、９  第２の垂直方向円筒レンズ、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０  半導体レーザ装置、１１  回転光学素子、１００，１１０  半導体レーザ素子、１０１  前側端面、１０２  後側端面、１０３  活性層、１０４  半導体レーザ媒質、１２１  第１の半導体レーザ素子、１２２  第２の半導体レーザ素子、１０４１，１０５１，１０６１  第１の半導体レーザ媒質、１０４２，１０５２，１０６２  第２の半導体レーザ媒質、１０４３，１０５３，１０６３  第３の半導体レーザ媒質、３００，３１０，３２０，３３０，３４０，３５２，３６０，３７０，３８０  出力ミラー、３０１，３５１，３６１，３７１，３８１  入射面、３０２，３８２  高反射部、３０３，３５３，３６３，３７３  出射面、３０４  第１の高反射部、３０５  第２の高反射部、３５０  中心線、３８６  低反射部、４０１  主発振光、４０２  周辺増幅光。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年1月30日(2019.1.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する端面発光型の半導体レーザ素子と、
前記レーザ光の光路上に配置されて、前記レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズと、
前記レーザ光に対する反射率を前記レーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、前記ファースト軸補正レンズからの前記レーザ光の一部を反射し、反射された前記レーザ光を前記半導体レーザ素子へと戻し、残りを出力光として通過させ、前記半導体レーザ素子の前記レーザ光が出射される前側端面とは前記スロー軸方向について光学的に共役な関係である出力結合素子と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
１つ又は複数の前記半導体レーザ素子から互いに異なる光軸を有する複数の前記レーザ光が出射され、前記ファースト軸補正レンズと前記出力結合素子との間の前記光路上に配置されて、複数の前記レーザ光を１つのビームに波長結合して出射する回折格子をさらに備え、
前記出力結合素子は、前記回折格子から出射された１つのビームに波長結合されたビームの一部を反射し、反射された前記レーザ光を複数の前記半導体レーザ素子へと戻し、残りの前記レーザ光を出力光として通過させることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子は、複数の半導体レーザ媒質を有する半導体レーザアレイである
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子と前記回折格子との間の前記光路上に設置されて、入射する複数の前記レーザ光をそれぞれの前記レーザ光の光軸を回転軸として９０°回転させる回転光学素子をさらに備える
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記反射率が、前記入射面の前記スロー軸方向の中央から離れるに従って減少するかまたは一定であるかのいずれかである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記スロー軸方向の中央を含む一部に前記スロー軸方向の幅が前記レーザ光のビーム径より小さい高反射部が設けられ、前記入射面の前記高反射部を除いた領域の前記反射率は前記高反射部の前記反射率より低い
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記スロー軸方向の中央部の前記反射率は、前記中央部の前記スロー軸方向の両側に存在する周辺部の前記反射率の少なくともいずれか一方よりも低い
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記反射率は、前記スロー軸方向の中央に対して対称な分布になっている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記出力結合素子は、一枚のミラーにより構成されている
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
非通電状態の前記半導体レーザ素子の前記レーザ光に対する屈折率の前記スロー軸方向の分布において、発光領域である半導体レーザ媒質の前記屈折率は、前記発光領域の周囲の非発光領域の前記屈折率より低い
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月30日(2019.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電流の変化に応じてスロー軸方向のビーム発散角が変化するレーザ光であって、前記印加電流を変化させて使用するレーザ光を出射する端面発光型の半導体レーザ素子と、
前記レーザ光の光路上に配置されて、前記レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズと、
前記レーザ光に対する反射率を前記レーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、前記ファースト軸補正レンズからの前記レーザ光の一部を反射し、反射された前記レーザ光を前記半導体レーザ素子へと戻し、残りを出力光として通過させ、前記半導体レーザ素子の前記レーザ光が出射される前側端面とは前記スロー軸方向について光学的に共役な関係である出力結合素子と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
１つ又は複数の前記半導体レーザ素子から互いに異なる光軸を有する複数の前記レーザ光が出射され、前記ファースト軸補正レンズと前記出力結合素子との間の前記光路上に配置されて、複数の前記レーザ光を１つのビームに波長結合して出射する回折格子をさらに備え、
前記出力結合素子は、前記回折格子から出射された１つのビームに波長結合されたビームの一部を反射し、反射された前記レーザ光を複数の前記半導体レーザ素子へと戻し、残りの前記レーザ光を出力光として通過させることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ素子は、複数の半導体レーザ媒質を有する半導体レーザアレイである
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子と前記回折格子との間の前記光路上に設置されて、入射する複数の前記レーザ光をそれぞれの前記レーザ光の光軸を回転軸として９０°回転させる回転光学素子をさらに備える
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記反射率が、前記入射面の前記スロー軸方向の中央から離れるに従って減少するかまたは一定であるかのいずれかである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記出力結合素子は前記レーザ光が入射する入射面を有する出力ミラーであり、前記入射面の前記スロー軸方向の中央を含む一部に前記スロー軸方向の幅が前記レーザ光のビーム径より小さい高反射部が設けられ、前記入射面の前記高反射部を除いた領域の前記反射率は前記高反射部の前記反射率より低い
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記スロー軸方向の中央部の前記反射率は、前記中央部の前記スロー軸方向の両側に存在する周辺部の前記反射率の少なくともいずれか一方よりも低い
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記反射率は、前記スロー軸方向の中央に対して対称な分布になっている
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記出力結合素子は、一枚のミラーにより構成されている
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
非通電状態の前記半導体レーザ素子の前記レーザ光に対する屈折率の前記スロー軸方向の分布において、発光領域である半導体レーザ媒質の前記屈折率は、前記発光領域の周囲の非発光領域の前記屈折率より低い
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、印加電流の変化に応じてスロー軸方向のビーム発散角が変化するレーザ光であって、印加電流を変化させて使用するレーザ光を出射する端面発光型の半導体レーザ素子と、レーザ光の光路上に配置されて、レーザ光のファースト軸方向の発散角を補正するファースト軸補正レンズと、を備える。本発明は、さらに、レーザ光に対する反射率をレーザ光のスロー軸方向の位置に依存して変化させることにより、ファースト軸補正レンズからのレーザ光の一部を反射し、反射されたレーザ光を半導体レーザ素子へと戻し、残りを出力光として通過させ、半導体レーザ素子のレーザ光が出射される端面とはスロー軸方向について光学的に共役な関係である出力結合素子を備える。
【国際調査報告】
2019155668.tif 000032
2019155668.tif 000033
2019155668.tif 000034
2019155668.tif 000035