(57)【要約】  光源には、半導体ダイオードレーザと、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する反射器と、が含まれる。反射器は、半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつダイオードレーザの出力ビームと整合されて、出力ビームにおける光の一部が、反射器によってレーザへ反射し返されるようにする。
2007519259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ダイオードレーザと、
反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する反射器であって、前記半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ前記ダイオードレーザの出力ビームと整合されて、前記出力ビームにおける光の一部が前記反射器によって前記レーザへ反射し返されるようにする反射器と、
を含む光源。
【請求項２】
前記反射器が体積回折格子である、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記反射器が干渉フィルタである、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記反射器がフォトニックバンドギャップ結晶である、請求項１に記載の光源。
【請求項５】
前記ダイオードレーザが、前記反射器なしで動作する場合に、マルチモードダイオードレーザである、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項６】
前記反射器が、前記ダイオードレーザのファセットと接触している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源。
【請求項７】
前記反射器が、前記ダイオードレーザの出力ファセットの反射率より大きなピーク反射率を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光源。
【請求項８】
前記反射器の前記反射率ならびに前記ダイオードレーザの前記出力ファセットおよびリアファセットの前記反射率が、前記光源の前記出力パワーを最適化するように選択される、請求項７に記載の光源。
【請求項９】
前記出力ファセットの前記反射率が約５０％未満である、請求項７または８に記載の光源。
【請求項１０】
前記出力ファセットの前記反射率が約１０％未満である、請求項７または８に記載の光源。
【請求項１１】
前記出力ファセットの前記反射率が約３％未満である、請求項７または８に記載の光源。
【請求項１２】
前記反射器が、前記ダイオードレーザのリアファセットと接触している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１３】
前記反射器が、前記ダイオードレーザからの前記出力ビームを、前記ダイオードレーザの速軸に沿って集光するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１４】
前記反射器が、前記ダイオードレーザからの前記光を、前記ダイオードレーザの遅軸に沿って集光するように構成されている、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１５】
前記反射器が、所望の横モードの利得を他の横モードの利得よりも向上させて、前記出力ビームの明るさを増加させるように構成されている、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１６】
前記反射器が、望ましくない光学モードに比べて、所望の光学モードにおいて前記ダイオードレーザへの光フィードバックを向上させるように構成されている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項１７】
前記反射器からの前記光フィードバックが、正方形またはガウスプロファイルを有するように前記光源の前記出力ビームを空間的に成形する、請求項１６に記載のレーザ源。
【請求項１８】
前記反射器が、０．２ｎｍ未満の反射率スペクトル幅を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項１９】
前記反射器が、０．０１ｎｍ未満の反射率スペクトル幅を有する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項２０】
前記反射器が、前記ダイオードレーザに選択的フィードバックを供給するように構成されて、単一縦モードが前記光源から放射されるようにする、請求項１〜１９のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項２１】
前記反射器が、前記ダイオードレーザに選択的フィードバックを供給するように前記ダイオードレーザに対して構成および配置されて、前記光源におけるサイドモード抑圧比が−３０ｄＢより大きくなるようにする、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項２２】
前記ダイオードレーザおよび反射器が、約１平方センチメートル未満の設置面積を有するＥＣＬ構成に構成されている、請求項２１に記載のレーザ源。
【請求項２３】
前記反射器が、前記ダイオードレーザからの前記出力ビームの波長を注入ロックするために、選択的フィードバックを供給するように前記ダイオードレーザに対して構成および配置されている、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項２４】
前記ダイオードレーザおよび前記反射器が、外部キャビティ構成に配置されている、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項２５】
前記ダイオードレーザと前記反射器との間に配置されたレンズをさらに含む、請求項１〜５または７〜２４のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２６】
前記レンズが、前記ダイオードレーザからの前記出力ビームを、前記ダイオードレーザの速軸に沿って集光するように構成されている、請求項２５に記載の光源。
【請求項２７】
前記ダイオードレーザの前記出力ビームが、前記屈折率変動パターンにほぼ垂直である、請求項２５または２６に記載の光源。
【請求項２８】
前記ダイオードレーザのそれぞれから放射される前記光の一部が、前記光を放射する前記ダイオードレーザへ反射し返されるように、前記反射器に対して整合された多数のダイオードレーザをさらに含む、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２９】
前記レーザが、シングルチップ上でアレイに配列されている、請求項２８に記載の光源。
【請求項３０】
前記レーザが多数のシングルチップアレイに配列され、前記アレイが互いの上に積み重ねられている、請求項２８または２９のいずれか一項に記載の光源。
【請求項３１】
前記出力ビームの少なくとも一部を吸収し、かつ前記出力ビームによってポンプされるレーザ活性媒質をさらに含む、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のレーザ源。
【請求項３２】
前記レーザ活性媒質がロッドレーザの活性媒質である、請求項３１に記載の光源。
【請求項３３】
前記レーザ活性媒質がディスクレーザの活性媒質である、請求項３１に記載の光源。
【請求項３４】
前記レーザ活性媒質がファイバレーザの活性媒質である、請求項３１に記載の光源。
【請求項３５】
第１の半導体ダイオードレーザと、
反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する第１の反射器であって、前記第１の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ前記第１のレーザの出力ビームと整合されて、前記第１のレーザの前記出力ビームの一部が前記第１の反射器によって前記第１のレーザへ反射し返されるようにする第１の反射器と、
第２の半導体ダイオードレーザと、
反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する第２の反射器であって、前記第２の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ前記第２のレーザの出力ビームと整合されて、前記第２のレーザの前記出力ビームの一部が前記第２の反射器によって前記第２のレーザへ反射し返されるようにする第２の反射器と、
前記第１のレーザおよび前記第２のレーザの前記出力ビームを組み合わせるように構成および配置された第１のビームコンバイナと、
を含む光源。
【請求項３６】
前記第１のビームコンバイナが、第１のダイオードレーザおよび前記第１の反射器によって、ならびに前記第２のダイオードレーザおよび前記第２の反射器によって形成されたキャビティの外側にある、請求項３５に記載の光源。
【請求項３７】
前記第１のビームコンバイナが、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する反射器である、請求項３５または３６に記載の光源。
【請求項３８】
前記第１のビームコンバイナ、前記第１のダイオードレーザおよび前記第２のダイオードレーザが、前記ビームが前記第１のビームコンバイナによって並列に組み合わされるように、配置されている、請求項３５〜３７のいずれか一項に記載の光源。
【請求項３９】
前記第１のビームコンバイナ、前記第１のダイオードレーザおよび前記第２のダイオードレーザが、前記ビームが前記第１のビームコンバイナによって直列に組み合わされるように、配置されている、請求項３５〜３７のいずれか一項に記載の光源。
【請求項４０】
前記第１のレーザおよび前記第２のレーザの前記出力ビームが異なる偏光を有する、請求項３５〜３９のいずれか一項に記載の光源。
【請求項４１】
前記第１のレーザおよび前記第２のレーザの前記出力ビームが異なる波長を有する、請求項３５〜４０のいずれか一項に記載の光源。
【請求項４２】
前記第１のビームコンバイナ、前記第１のダイオードレーザおよび前記第２のダイオードレーザが、前記ビームが幾何学的に組み合わされるように、配置されている、請求項３５〜４１のいずれか一項に記載の光源。
【請求項４３】
第３の半導体ダイオードレーザと、
反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する第３の反射器であって、前記第３の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ前記第３のレーザの出力ビームと整合されて、前記第３のレーザの前記出力ビームの一部が前記第３の反射器によって前記第３のレーザへ反射し返されるようにする第３の反射器と、
前記第１のレーザおよび前記第３のレーザの前記出力ビームを並列に組み合わせるための第２のビームコンバイナと、
をさらに含む、請求項３５〜４２のいずれか一項に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、２００４年５月２４日に出願された米国特許出願第６０／５７３，４０６号、および２００４年１月２０日に出願された米国特許出願第６０／４８１，９２４号に対して優先権を主張し、これらの出願の両方を、参照により全体として組み込んでいる。
【０００２】
技術分野
本発明は半導体レーザに関し、特に、高出力半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
高出力ダイオードレーザは、多くの異なる用途で用いられている。特定用途のためのレーザの有用性は、レーザの出力パワー、出力光のスペクトル線幅、および出力光の空間ビーム品質によって特徴付けることができる。空間ビーム品質は、いくつかの方法で特徴付けることができる。たとえば、空間ビーム品質の波長独立特性が、ビームウェストω０とビームの半遠視野発散角θ０との積として定義されるビームパラメータ積（「ＢＰＰ」）（すなわちＢＰＰ＝ω０θ０）によって提供される。別の例として、空間ビーム品質の無次元特性が、ビーム品質係数ＭまたはＱによって提供されるが、ここで、Ｍ２＝１／Ｑ＝πω０θ０／λであり、λは出力レーザ光の波長である。
【０００４】
異なる用途には、システム性能を最適化する異なる方法で、レーザの出力パワー、スペクトル線幅および空間ビーム品質を調整することが必要である。たとえば、半導体ダイオードレーザからの高パワー出力は、活性物質の比較的広い横幅を用いて達成することができる。かかるデバイスは、「ワイドストライプエミッタ」、「ブロードストライプエミッタ」、または「マルチモードデバイス」として周知であろう。しかしながら、活性物質の横幅が、レーザ出力波長の数倍より大きい場合には、利得が、共振キャビティのより高次の空間モードに生じる場合があり、これは、出力レーザ光の空間ビーム品質を低減する可能性がある。多数のワイドストライプエミッタをシングルチップ上に並べて製作し、ダイオードレーザアレイを作製することができる。アレイにおける多数の個別ダイオードレーザの出力光をインコヒーレントに組み合わせて、チップからの全出力パワーを増加させることができる。しかしながら、組み合わされた出力ビームの品質は、一般に、アレイにおける個別エミッタの数とともに低下する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
要約
レーザデバイスの出力は、外部反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する外部反射器によって、デバイスへ部分的かつ選択的にフィードバックされる。反射器の反射率は、反射器へ向けられた光の波長および方向に敏感に依存する場合がある。フィードバックを供給するために、適切な波長反射率および角度反射率を有する反射器を用いることによって、レーザデバイスの空間ビーム品質Ｑ、スペクトル線幅Δλおよび出力パワーＰを、特定の用途のために改善し安定させることができる。同時に、レーザデバイスの出力パワーは、エミッタ幅、単一出力ビームに寄与するエミッタの数（たとえばアレイにおける）、またはアレイの数（たとえばアレイスタックにおける）を増やすことによって、向上させることができる。多数のエミッタのビームが組み合わされる場合には、光源の輝度は維持され得る。かくして、高出力、狭線幅、高ビーム品質、したがって高輝度デバイスが可能である。さらに、レーザデバイスの個体特性（たとえば出力光の非常に狭い線幅）を最適化することが、デバイスの他の特性（たとえばパワーおよび空間ビーム品質）に悪影響を及ぼさずに可能であるか、または３つの特性のうちの２つ（たとえば狭線幅および高出力）を最適化し、一方で第３の特性に悪影響を及ぼさないことが可能である。
【０００６】
第１の一般的な態様において、光源には、半導体ダイオードレーザと、外部反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する外部反射器と、が含まれる。反射器は、半導体ダイオードレーザと光学的に通じておりかつダイオードレーザの出力ビームと整合されて、出力ビームにおける光の一部が、反射器によってレーザへ反射し返されるようにする。
【０００７】
次の特徴の１つまたは複数を含むことができる。たとえば、反射器は、体積回折格子、干渉フィルタ、フォトニックバンドギャップ結晶、体積ブラッググレーティングまたはホログラフィック格子であってもよい。ダイオードレーザは、反射器なしで動作する場合に、マルチモードダイオードレーザであってもよい。反射器は、ダイオードレーザのファセットと接触してもよい。反射器は、ダイオードレーザの出力ファセットの反射率より大きなピーク反射率を有してもよい。
【０００８】
反射器の反射率、ならびにダイオードレーザの出力およびリアファセットの反射率は、光源の出力パワーを最適化するように選択することができる。出力ファセットの反射率は、約５０％未満、１０％未満または約３％未満である。反射器は、ダイオードレーザのリアファセットとコントラクトしていてもよい。反射器は、ダイオードレーザからの出力ビームを、ダイオードレーザの速軸に沿ってまたはダイオードレーザの遅軸に沿って集光するように、構成することができる。反射器は、所望の横モードの利得を他の横モードの利得よりも向上させて、出力ビームの明るさを増加させるように構成することができる。反射器は、望ましくない光学モードに比べて、所望の光学モードにおいてダイオードレーザへの光フィードバックを向上させるように構成することができる。反射器からの光フィードバックは、正方形またはガウスプロファイルを有するように光源の出力ビームを空間的に成形することができる。
【０００９】
反射器は、０．２ｎｍ未満または０．０１ｎｍ未満の反射率スペクトル幅を有することができる。選択的フィードバックをダイオードレーザに供給するように反射器を構成し、単一縦モードが光源から放射されるようにすることができる。選択的フィードバックをダイオードレーザに供給するように、ダイオードレーザに対して反射器を構成および配置し、光源におけるサイドモード抑圧比が−３０ｄＢより大きくなるようすることができる。ダイオードレーザおよび反射器は、約１平方センチメートル未満の設置面積を有するＥＣＬ構成で構成することができる。
【００１０】
反射器は、選択的フィードバックを供給してダイオードレーザからの出力ビームの波長を注入ロックするように、ダイオードレーザに対してダイオードレーザに対して構成および配置することができる。ダイオードレーザおよび反射器は、外部キャビティ構成に構成および配置することができる。
【００１１】
光源には、ダイオードレーザと反射器との間に配置されたレンズをさらに含むことができる。レンズは、ダイオードレーザからの出力ビームをダイオードレーザの速軸に沿って集光するように構成することができる。ダイオードレーザの出力ビームは、屈折率変動パターンにほぼ垂直にすることができる。
【００１２】
光源は、反射器に対して整列された多数のダイオードレーザを含み、ダイオードレーザのそれぞれから放射された光の一部が、光を放射するダイオードレーザへ反射し返されるようにすることができる。レーザは、シングルチップ上のアレイに配列することができる。レーザは、多数のシングルチップアレイに配列することができ、その場合に、アレイは、互いの上に積み重ねられる。
【００１３】
光源は、出力ビームの少なくとも一部を吸収し、かつ出力ビームによってポンプされるレーザ活性媒質をさらに含むことができる。レーザ活性媒質は、ロッドレーザの活性媒質、ディスクレーザの活性媒質またはファイバレーザの活性媒質であってもよい。
【００１４】
別の一般的な態様において、光源には、第１の半導体ダイオードレーザと、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する第１の反射器と、が含まれる。第１の反射器は、第１の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ第１のレーザの出力ビームと整合され、第１のレーザの出力ビームの一部が、第１の反射器によって第１のレーザへ反射し返されるようにする。光源には、第２の半導体ダイオードレーザおよび第２の反射器がさらに含まれる。第２の反射器は、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有し、また第２の反射器は、第２の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ第２のレーザの出力ビームと整合され、第２のレーザの出力ビームの一部が、第２の反射器によって第２のレーザへ反射し返されるようにする。光源には、第１のレーザおよび第２のレーザの出力ビームを組み合わせるように構成かつ配置された第１のビームコンバイナが含まれる。
【００１５】
インプリメンテーションには、次の特徴の１つまたは複数を含むことができる。たとえば、第１のビームコンバイナは、第１のダイオードレーザおよび第１の反射器によって、ならびに第２のダイオードレーザおよび第２の反射器によって形成されるキャビティの外側にあってもよい。第１のビームコンバイナは、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する反射器であってもよい。第１のビームコンバイナ、第１のダイオードレーザおよび第２のダイオードレーザは、ビームが第１のビームコンバイナによって並列に組み合わされるように、配置することができる。第１のビームコンバイナ、第１のダイオードレーザおよび第２のダイオードレーザは、ビームが第１のビームコンバイナによって直列に組み合わされるように、配置することができる。第１のレーザおよび第２のレーザの出力ビームは、異なる偏光を有することができる。第１のレーザおよび第２のレーザの出力ビームは、異なる波長または異なる偏光を有することができる。第１のビームコンバイナ、第１のダイオードレーザおよび第２のダイオードレーザは、ビームが幾何学的に組み合わされるように、配置することができる。
【００１６】
光源には、第３の半導体ダイオードレーザと、反射器内に三次元屈折率変動パターンを有する第３の反射器であって、第３の半導体ダイオードレーザと光学的に通じており、かつ第３のレーザの出力ビームと整合されて、第３のレーザの出力ビームの一部が、第３の反射器によって第３のレーザへ反射し返されるようにする第３の反射器と、第１のレーザおよび第３のレーザの出力ビームを並列に組み合わせるための第２のビームコンバイナとをさらに含むことができる。
【００１７】
定義されていない限り、本明細書で用いられる全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書で説明するものと類似または等価な方法および材料を、本発明の実施またはテストにおいて用いることができるが、適切な方法および材料は、以下に説明する。本明細書で言及した全ての公開公報、特許出願、特許および他の参考文献は、参照によりその全体において組み込まれている。矛盾がある場合には、定義を含めて、本明細書が支配的になる。さらに、材料、方法および例は、単に例示であって、限定的であるようには意図されていない。
【００１８】
本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【００１９】
様々な図面における同様の参照符号は、同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
詳細な説明
高出力半導体ダイオードレーザまたはダイオードレーザアレイを狭スペクトルおよび空間帯域幅反射器に光学的に結合して、レーザにおいて発生されるレーザ光のモードを制御し、所望のモードだけが支持されるようにすることができる。反射器によって光源へ反射し返される放射線は、望ましくない空間およびスペクトルモードを識別する助けとなり、これによって、レーザ光は、狭い空間およびスペクトル帯域幅の辺りで安定される。この装置および方法は、個別素子およびレーザアレイ両方のための全ての半導体ダイオードレーザ源と同様に、多くの異なる材料システムのために用いることができる。
【００２１】
図１は、底面１４、上面１６、端面１８および側面２０を有する半導体材料（単数）または材料（複数）の本体１２を含む半導体ダイオードレーザ１０を示す。本体１２内の材料層は、たとえば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、液相エピタキシー（ＬＰＥ）または分子線エピタキシー（ＭＢＥ）を通して、エピタクシャルに成長させることができる。半導体本体１２には、レーザ本体１２の長さにわたって延びる導波領域２２が含まれる。導波領域２２内には活性領域２４があり、この活性領域２４において、適切な電気バイアスがダイオード１０にわたってかけられた場合に、光子が発生される。活性領域２４は、光子を発生することができる、ダイオードレーザ技術分野において周知の任意の構造で構成してもよい。たとえば、活性領域２４には、１つまたは複数のＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ量子井戸を含むことができ、ここで、０≦ｘ≦１および０≦ｙ≦１である。導波領域２２の各々の側には、別個のクラッド領域２８および３０がある。導波領域２２にはまた、活性領域２４の各々の側に導波層２６が含まれ、これらは、クラッド層２８および３０の屈折率より大きな屈折率を有する半導体材料から構成されている。
【００２２】
また、クラッド領域２８および３０は、それらが反対の導電型を有するように、少なくとも部分的にドープされる。たとえば、本体１２の導波領域２２と上面１６との間のクラッド領域２８は、ｐ型導電性であってもよく、本体１２の導波領域２２と底面１４との間のクラッド領域３０は、ｎ型導電性であってもよい。
【００２３】
本体１２の様々な領域は、限定するわけではないが、ガリウムヒ素、インジウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、インジウムガリウムヒ素、インジウムガリウムリン、およびインジウムガリウムヒ素リンなど、ダイオードレーザを作製するために用いられる周知の半導体材料のいずれかで作製してもよい。活性領域２４、導波層２２、ならびにクラッド領域２８および３０の個別組成および厚さは、参照により全体として本明細書に組み込んだ米国特許第５，８１８，８６０号明細書に説明されているように、導波領域２２にわたる垂直レーザキャビティモードのオーバーラップが大きくなる（たとえば約９０％を超える）ように選択することができる。たとえば、活性領域の垂直厚さは数ｎｍのオーダとすることができ、一方で、導波領域２２の垂直厚さは、レーザ１０から放射される放射線の波長のオーダである。
【００２４】
本体１２は、上側クラッド領域２８が、金属などの導電材料の接触層３４とオーミック接触している隆起部３２を含むように、製作することができる。接触層３４は、本体１２の端面１８間に延びるストライプの形状であり、また本体１２の幅、すなわち本体１２の側面２０間の距離、より狭い。接触ストライプは、レーザの放射ファセットに直角か、または放射ファセットの反射率を低減するために、放射ファセットに対してある角度で配置してもよい。ストライプはまた、１つの放射ファセットに対しては垂直入射であり、かつもう一方に対してはある角度をなして、接触が、ダイオードレーザに対して湾曲した接触部を形成するようにしてもよい。たとえば、接触ストライプの幅は、ストライプの幅と等しくすることができる。代替として、本体は隆起部３２なしで製作することができ、また接触ストライプ３４は、本体１２の平坦な上面１６に配置することができる。金属などの導電材料の接触層３６は、ｎ型導電クラッド領域３０とオーミック接触している。接触層３６は、本体１２の底面１４の全面積にわたって広がっている。
【００２５】
ダイオードレーザ１０の端面１８ａおよび１８ｂを全面的または部分的に反射性にして、活性領域２４で発生された電磁放射線が端面１８ａまたは１８ｂに達したときに、それが、活性領域に反射し返されるようにすることができ、それによって、反射放射線と同じかまたはほぼ同じ波長および位相を有する追加的な放射線の誘導放出をもたらすことができる。たとえば、一端面（たとえば裏面）１８ａは、約９５％の反射率を有することができ、もう一方の端面（たとえば前面）１８ｂは、約０．１％〜２０％の反射率を有することができる。
【００２６】
一定の温度でダイオードレーザ１０において自然に発生される光の仮説強度（Ｉ）対波長（λ）のスペクトル２０２が、図２に示されている。自然に発生される光のスペクトルは、量子井戸２４の材料、幅およびひずみに依存する。しかしながら、図２に示すスペクトルは、温度依存性であり、より高温２０４およびより低温２０６で動作する同じダイオードレーザ１０のスペクトルもまた、図２に示されている。ダイオードレーザ１０の温度における変化は、周囲温度の変化、ヒートシンクにおける熱抵抗の変化、電流の増加または効率の低下のためにダイオードレーザ内で発生される熱の変化ゆえに、および他の手段で生じることがある。
【００２７】
レーザデバイスからの放射線は、本体１２のジオメトリによって定義されるキャビティのモード次数Ｎの光学モードへ放射される。光学モードにおける放射線の誘導放出の割合が、材料における放射線損失割合を超える場合には、閾値、すなわちその上では利得が生じる閾値、が超えられ、レーザ動作が、本体１２の光学モードにおいて始まる。
【００２８】
図３に示すように、デバイス１０が閾値を超えて動作する場合に、出力放射線スペクトル３０２は、デバイスの自然放射スペクトル２０２に似ており、縦モード３０４は、誘導放出が最も強く損失を超える波長λ０の辺りにある。ピーク波長λ０は、スペクトル２０２が最大に達する波長とほぼ等しく、また縦モード３０４の半値全幅（ＦＷＨＭ）スペクトル幅Δλは、約１ミクロンのピーク波長に対して数ｎｍである。個別縦モードの間隔は、ダイオードレーザキャビティ長に反比例し、λ０２／２ｎｅｆｆＬによって与えられるが、ここで、ｎｅｆｆはモードの実効屈折率であり、Ｌはキャビティ長である。したがって、キャビティ長の増加は、モード間隔を低減する。
【００２９】
本体１２における非発光性再結合は、ダイオードレーザにおける温度上昇を引き起こすが、この温度上昇は、ダイオードレーザ１０の自然放射スペクトルをシフトする可能性があり、それによって、出力スペクトルの中心周波数のシフトが結果としてもたらされる。また、ダイオードレーザ１０の熱劣化によって、一定の周囲温度におけるピーク波長λ０が、デバイスの寿命にわたってシフトされる可能性がある。取り付けによってダイオードレーザに誘発された応力、またはヒートシンク、半田およびダイオードレーザ材料の異なる膨張係数を通して熱的に誘発された応力によってまた、レーザ発光波長と同様に自然放射スペクトルが変化される可能性がある。
【００３０】
より広い接触ストライプ３４によって、一般に、より高い電流が可能となり、結果として、時間当たり、より多くの数の光子、およびレーザ１０からのより高い出力パワーの発生がもたらされる。しかしながら、より広い接触ストライプ３４はまた、レーザ動作が生じる可能性のある横モード数Ｎを増加させ、それが、超閾モード全てからの寄与を含む、ダイオードレーザ１０のビームプロファイルに帰着する。ダイオードレーザ１０の高次モード出力ビームは、低次モードビーム（たとえば、Ｎ＝１を有するガウスビーム）よりも低いビーム品質を有する。なぜなら、最低次（すなわちＮ＝１）モードが、最も高いビーム品質（すなわちＱ＝１）を有するからである。さらに、より高次のモードは、一般に並存し、ビームプロファイルにおいて競合し、放射レーザ光およびレーザキャビティ内で発振する光の両方の空間強度スペクトルにおけるピークおよびトラフに帰着する可能性がある。
【００３１】
レーザの出力パワー、出力光のスペクトル線幅、および出力光の空間ビーム品質の点からレーザの性能をパラメータ化する場合に、これらの性能特性を、レーザの単一パラメータ、すなわち輝度Ｂ＊に組み合わせることは、役に立つ可能性がある。光源の輝度は、光源面積δＡおよび波長間隔∂λ／λで割られた、時間ｔ当たりの、立体角∂Θに放射された光子数として定義される。したがって、
【数１】
2007519259.tif 000003
である。
【００３２】
中心波長λ、ビームウェスト半径ω０、θ０の遠視野半発散角を備えたレーザビームに対しては、
【数２】
2007519259.tif 000004
であり、ここで、ｈはプランク定数であり、ｃは光の速度である。ビーム品質Ｑの無次元の定義、すなわち、
【数３】
2007519259.tif 000005
を用いると、輝度は、
【数４】
2007519259.tif 000006
と書くことができ、ここで、Ｐは、光源の出力パワーである。
【００３３】
光源（たとえばレーザ）の輝度は、ビームの保存量と考えられ、共振器外の受動光学素子によって増加させることはできない。したがって、光源の輝度を改善するために、空間ビーム品質Ｑを改善し、かつ出力光のスペクトル幅Δλを低減することが重要である。
【００３４】
最大ビーム品質（Ｑ＝１）がガウスビームプロファイルによって達成されるので、ガウスビームは、所定のパワーおよびスペクトル幅のレーザビームに対して最大可能輝度を提供する。単一空間モードレーザは、ガウスビームプロファイルだけで動作するので、一に近い最大ビーム品質を示す。しかしながら、かかるデバイスから抽出できる最大パワーは極めて低く、通常、わずか約０．５Ｗ〜１Ｗである。一般に、マルチモードダイオードレーザは、レーザの速軸としてもまた知られている垂直方向に、ほぼガウスプロフィルを有するビームを放射する。出力光の波長のオーダの狭いストライプ幅を有するマルチモードダイオードレーザがまた、レーザの遅軸としてもまた知られている横方向に、ほぼガウスプロフィルを有するビームを放射する。
【００３５】
しかしながら、半導体ダイオードレーザから高パワー出力を達成するために、活性領域の比較的広い有効横幅を用いて、レーザ光を発生する。これは、たとえば、比較的広い接触ストライプを通して、活性領域に電流を注入することによって達成することができる。レーザからの出力パワーは、コントラクトストライプの幅にほぼ線形的に依存する。最終的に、熱限界によって、通常、最大パワーを増加させるためにストライプ幅を広げる能力が制限される。活性領域の動作温度は、レーザの信頼性および効率に影響する可能性があり、また動作温度は、レーザの熱抵抗に依存する。レーザの熱抵抗は、活性領域の有効幅を掛けた長さに反比例する。したがって、広い有効面積のレーザは、理にかなった信頼性（すなわち接合部温度）で、狭いデバイスよりも高い出力パワーを可能にすることができる。
【００３６】
かかるレーザは、「ワイドストライプエミッタ」、「ブロードストライプエミッタ」、または「マルチモードデバイス」として知られているであろう。しかしながら、活性材料の有効横幅が、レーザ出力波長λ０の数倍よりも大きい場合には、利得が共振キャビティのより高次の空間モードに生じる場合があり、出力レーザ光の空間ビーム品質Ｑが低減される可能性がある。
【００３７】
ワイドストライプエミッタによって放射されるビームは、非点収差があり、横（遅軸）および垂直（速軸）方向に対して異なるビーム品質を示す。全体的なビーム品質は、２つの軸のための品質の平方根の積として定義できる。すなわち、
【数５】
2007519259.tif 000007
であり、ここで、ＱＦａｓｔおよびＱＳｌｏｗは、速軸および遅軸におけるビーム品質をそれぞれ指し、一方で、ＮＦａｓｔおよびＮＳｌｏｗは、速軸および遅軸における空間モード数をそれぞれ指す。レーザのための速軸におけるモード数は、典型的には一に等しい。したがって、この方向の出力ビームはほぼガウス性であり、この方向のビーム品質はほぼ１である。
【００３８】
遅軸において、モード数は、コントラクトストライプの幅ｄの増加とともに増加する。多くの横モードが存在する場合の広い接触ストライプに関して、モード数は、幅ｄと共にほぼ線形的に増加する可能性がある。したがって、遅軸ビーム品質は、
【数６】
2007519259.tif 000008
と書くことができる。
【００３９】
遅軸ビーム品質が、コントラクトストライプの幅の平方根に反比例して依存し、かつレーザの出力パワーが、接触ストライプの幅にほぼ線形的に依存するので、ストライプ幅ｄを増加させることによってパワーを増加させることは、式（４）から明らかなように、必ずしも輝度Ｂ＊を増加させない。レーザの輝度を増加させるために、レーザの遅軸ビーム品質は、レーザのパワーが増加されるにつれて、維持または改善されなければならない。
【００４０】
図４および図５に示すように、ヒートシンク４２０に取り付けられたダイオードレーザ１０の出力ビーム４０２を、三次元外部狭帯域幅反射器４０４に結合することによって、光フィードバック４０６をダイオードレーザ１０に供給することができる。図４および５にそれぞれ示すように、出力ビーム４０２の水平発散θＨおよび垂直発散θｖの比較によって、発散が、レーザの遅軸に関して（すなわち水平方向に）よりも、レーザの速軸に関して（すなわち垂直方向に）より大きいことが示されている。これは、活性層２４の垂直厚さが、一部は接触ストライプ３４の幅によって決定される、層の有効横幅よりはるかに小さいからである。しかしながら、レーザ１０における活性領域の垂直厚さが出力波長のオーダであるので、最低次の垂直キャビティモードだけが、レーザ１０において利得を経験し、また出力ビーム９６は、垂直方向において回折限界である。
【００４１】
レーザ放射スペクトルの狭スペクトル帯域幅部分は、反射器４０４によってレーザ１０の共振キャビティへと部分的に反射され、そこでレーザをセルフシード（ｓｅｌｆ−ｓｅｅｄ）し、かくして、向上したフィードバックが反射器４０４の狭帯域幅に供給され、かつこの帯域幅にわたるレーザの安定化がもたらされる。反射器の分光反射率帯域幅は、ダイオードレーザ１０のピーク波長λｐの辺りに集中する約１％〜約９５％のピーク反射率、および約０．０１ｎｍ〜約１．０ｎｍのＦＷＨＭ反射率によって特徴付けることができる。たとえば、図６ａに示すように、反射器４０４の分光反射率スペクトル１２０は、９４０ｎｍで約８５％のピークを有し、かつより高い波長およびより低い波長に、たとえば９３９．５ｎｍおよび９４０．５ｎｍでピーク値の５０％に急速に低下するプロファイルを有することができる。
【００４２】
反射器４０４の反射率は、反射器における軸（たとえば、反射器４０４の前面４０８に直角な軸）に対して、レーザ光の特定の入力角φ０の辺りで、同様に狭い幅でピークに達している。反射器の反射率は、φ０で約５％〜約９５％のピーク反射率を有することができるが、これは、より大きな角度およびより小さな角度で、たとえば、φ０の回りに集中した＋／−０．０１°で、ピーク値の５０％に急速に低下する。たとえば、図６ｂに示すように、反射器４０４の角反射率スペクトル１２２は、反射器４０４の前面４０８の垂線に対してゼロ度の角度の辺りでピークに達することができ、かつ約０．０２度のＦＷＨＭ幅を有することができる。反射器４０４からのフィードバックでダイオードレーザスペクトルを安定させることの利点には、次のものが含まれる。すなわち、温度、および出力波長の電流依存性の低減と、出力波長のエピタキシャル成長依存性の低減と、反射器４０４に光学的に結合された多数のダイオードレーザアレイにわたるスペクトルの均一性の改善と、様々なビーム組み合わせ、分光学、および固体ポンプ用途のために用いることができる狭められたスペクトル幅の出力ビームと、である。
【００４３】
所定のビームウェスト（すなわち、ストライプ３４の横幅によって与えられる）においてより大きな遠視野発散を備えた、横方向における高次モードは、経験するフィードバックが低次モードより少ない。したがって、より高次のモードは識別され、レーザ動作は、より高次のモードではなくより低次のモードにおいてのみ生じる。これらの効果として、出力パワーＰを低減せずに、ビーム品質Ｑを向上させ、かつスペクトル幅Δλを減少させることによって、出力ビームの輝度を増加させることができる。さらに、横モードの安定化の利点には、次のものが含まれる。すなわち、カタストロフィック光学ミラー損傷（「ＣＯＭＤ」）閾値の増加と、活性層における空間ホールバーニング効果の低減と、駆動電流および温度と共に横および／または垂直モードの安定化と、遠視野および近視野のピーク対バレー変動の低減と、ガウスまたは正方形プロファイルに出力光を結合する際の改善と、である。
【００４４】
反射器４０４は、その体積内に三次元屈折率変動パターンを含む三次元光学素子である。光は、反射器４０４に入ると、屈折率変動パターンと相互作用し、かつこのパターンによって回折される。反射器４０４の体積内におけるこの相互作用の結果として、光は、反射器によって反射され得る。
【００４５】
屈折率変動パターンは、たとえば、フォトニックバンドギャップ結晶、体積回折格子、体積ブラッググレーティング（ＶＢＧ）、ホログラフィック格子または干渉フィルタを生成することができる。
【００４６】
図６ｃを参照すると、体積回折格子または体積ブラッググレーティング６００は、光熱屈折（ＰＴＲ）材料６０２を周期的な光強度パターンに曝して、材料６０２に屈折率パターンを書き込むことによって、生成することができる。周期的な光強度パターンは、たとえば、材料６０２において２つの単色性でコヒーレントな光ビーム６０４を干渉させることによって、材料に書き込むことができる。
【００４７】
格子用に用いられる体積回折格子およびフォトセンシティブ材料の生成が、イーゴリＶ．シャプリン（Ｉｇｏｒ  Ｖ．Ｃｉａｐｕｒｉｎ）、レオニードＢ．グレボフ（Ｌｅｏｎｉｄ  Ｂ．Ｇｌｅｂｏｖ）およびマーチン・スティックレイ（Ｍａｒｔｉｎ  Ｓｔｉｃｋｌｅｙ）による「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｂｅａｍ  Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｇｌａｓｓｅｓ」、Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  ａｎｄ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗの会報、アルバカーキ（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ）、ニューメキシコ州（ＮＭ）（２００２）、ＨＩＰＦＩＢ４、ならびにＬ．Ｂ．グレボフ（Ｌ．Ｂ．Ｇｌｅｂｏｖ）による「Ｖｏｌｕｍｅ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｇｌａｓｓ  ｆｏｒ  ｂｅａｍ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ」、ＳＳＤＬＴＲ’２００１  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｄｉｇｅｓｔ、Ｐａｐｅｒ  Ｃｏｄｅ  ＦＡ−５、アルバカーキ（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ）、ニューメキシコ州（ＮＭ）、２００１年５月２１〜２４日、に説明されており、これらは両方とも、参照によって全体として本明細書に組み込まれている。
【００４８】
ＰＴＲ材料６０２は、たとえば、セリウム、銀およびフッ素でドープされたナトリウム−亜鉛−アルミニウムケイ酸塩であってもよい。格子は、最初に２以上の紫外線レーザ（たとえば、３２５ｎｍの波長を有する３５ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザ）の干渉パターンに材料を曝すことにより、材料６０２に書き込むことができるが、これによって、紫外線（ＵＶ）の強度で干渉パターンが材料内に生成される。ＵＶ放射線へ曝された後で、材料６０２は熱で処理され、曝されたＵＶパターンの結晶相の析出を材料に誘発する。材料６０２の高屈折率部分６１０と低屈折率部分６１２との間の約０．００１までの屈折率コントラストが、このようにして達成できる。
【００４９】
２つのビーム６０４間の角度Ψが、材料６０２の高屈折率部分６１０と低屈折率部分６１２との間の間隔を決定する。５ｍｍまでの厚さ６１４、およびレーザ１０からの出力ビームの断面よりはるかに大きな断面を有する体積回折格子を生成できる。たとえば、体積回折格子の断面は、１０ｍｍ×１０ｍｍであってもよい。高屈折率部分６１０と低屈折率部分６１２との間の間隔によって、反射器４０４のためのピーク反射率の波長が決定され、また材料６１４の厚さ、および材料の厚さにわたる、低屈折率に対する高屈折率の反復性によって、反射率スペクトル１２０のＦＷＨＭが決定される。反射器のピーク反射率値は、体積回折格子６００における屈折率コントラストおよび格子の厚さ６１４によって決定される。
【００５０】
ホログラフィック格子反射器４０４は、フォトセンシティブ材料内で多数のビームを干渉させ、材料内に屈折率変動パターンをもたらすことによって同様に生成することができる。しかしながら、ホログラフィック格子では、パターンは、異なる屈折率を有する材料の平面からなる必要はなく、パターンは、反射器４０４の体積内の異なる軸に沿って生じる屈折率変動を含むことができる。
【００５１】
フォトニックバンドギャップ結晶反射器４０４もまた、材料の体積内の異なる軸に沿って生じる屈折率変動を含むことができる。かかる結晶は、たとえば、反射器４０４の選択エッチングにより、反射器４０４のファセットの表面にホールのパターンを生成することによってか、または屈折率変動パターンを自身の体積内に有する結晶もしくは結晶構造の自己集合によって生成することができる。
【００５２】
干渉フィルタ反射器４０４は、異なる屈折率を有する材料の多数の層を連続して配置してフィルムを生成することによって、生成することができるが、このフィルムは、フィルムの体積内における多数の層との光の相互作用に基づいて、光の反射器として機能する。
【００５３】
再び図４を参照すると、反射器４０４は、レーザ１０から放射された光を、レーザ１０の活性領域２４へ反射器４０４によって反射し返すことができるように、レーザ１０の前端面１８ｂの前に置くことができる。体積回折格子が反射器４０４として用いられる場合には、レーザ１０から放射された光は、平均して、格子パターンの高屈折率部分６１０および低屈折率部分６１２の面に直角な角度で格子に入る。代替として、レーザ１０から放射された光は、格子パターンと平行な方向で格子に入ることができる。格子の表面との相互作用によって反射されるのではなく、光は、三次元反射器の体積内における屈折率パターンゆえに反射器によって反射される。反射器４０４のアライメント公差は、前端面１８ｂの反射率に、および反射器４０４の垂直入射における反射率に、部分的に依存する。特に、反射器４０４の有効反射率（半導体活性エリア２４へ結合し返される入射パワーの一部分）は、空間およびスペクトルモードを識別するために、前端面１８ｂの反射率より大きくすべきである。
【００５４】
レーザ１０へのフィードバック４０６が角度および分光放射スペクトルにおいて非常に選択的であるので、反射器４０４は、より高次の空間モードおよびより高次のスペクトルモードを、ダイオードレーザ１０および反射器４０４システムから最終的に放射されるレーザビーム９４から効果的に識別する。たとえば、かなりの軸上強度を備えたモードは、反射器４０４によって最も強く反射され、レーザ−反射器システムにおけるフィードバックおよび利得を経験するのに対して、比較的低い軸上強度を有するより高次のモードは、反射器４０４のピーク反射率によって比較的により少ししか反射されず、したがって、システムにおいて、経験するフィードバックがより少なく、利得よりも多くの損失を経験する。
【００５５】
したがって、出力ビームの遅軸強度プロファイル９４における空間モード数Ｎは、反射器４０４が存在する場合には、実質的に低減できる。これにより、狭帯域反射器１０なしで動作するレーザ１０の出力ビームの発散と比較して、出力ビームの発散角９３が低減される。なぜなら、ビームウェストが一定のままだからである。これによって、出力ビーム９４のビーム品質および明るさが効果的に高められる。
【００５６】
上で説明したように、最低次垂直キャビティモードだけがレーザキャビティで共振し、かつ出力ビームが、速軸において回折限界に近いので、空間モードは、速軸方向では識別されず、また速軸発散は、狭帯域反射器４０４の存在によって比較的影響されない。しかしながら、図７に示すように、出力ビーム９８を、レーザ１０と狭帯域幅反射器４０４との間に配置された円柱レンズ４３０によって速軸方向に集光することが可能で、その結果、ビームは、速軸において視準される９７。これによって、反射器４０４からのフィードバック量が増加され、反射波の周波数分散が低減される。なぜなら、モード識別を改善する光は、軸上にのみ存在するからである。
【００５７】
図８に示すように、遅軸レンズ１０１をレーザ１０と反射器４０４との間に配置して、遅軸における異なる空間モードの発散角を変化させることができ、これによって、これらのより高次のモードのために、反射器４０４からのフィードバックにおけるさらなる低減を達成できる。遅軸レンズ１０１は、ビームを視準する収束レンズか、または反射器４０４によるモード識別を向上させる発散レンズであってもよい。遅軸レンズ１０１は、単独でまたは速軸レンズ４３０と組み合わせて用いることができる。２つのレンズ１０１および４３０の光学的効果はまた、速軸および遅軸の両方に沿って出力ビームを集光（または脱焦）させる単一の光学素子へ組み合わせることができる。
【００５８】
出力ビームプロファイルにおける空間モードの低減および発散の低減に似て、反射器４０４の狭スペクトル帯域幅は、反射器４０４の分光反射率スペクトルに対応する波長に対して、レーザ１０へのフィードバックを向上させ、かくして反射器４０４の反射率スペクトルの外に位置するスペクトルモードを識別する。ダイオードレーザ１０および反射器４０４システムから放射される放射線スペクトル９５のこの線幅は、反射器４０４がない状態でダイオードレーザ１０から放射される放射線のスペクトル１５よりも狭い。たとえば、スペクトル９５のＦＷＨＭ線幅は、数ナノメートル幅のスペクトル１５と比較して、０．１ナノメートルよりもずっと小さくすることができる。たとえば、ＦＷＨＭ線幅は、約１０−６ｎｍ（すなわち１００ｋＨｚ）にすることができる。
【００５９】
ＶＢＧ反射器４０４の反射率スペクトルは比較的狭く、かつＶＢＧの固有吸収は比較的小さいので、比較的少量の放射線およびしたがって熱は、反射器に吸収される。さらに、反射器４０４のＰＴＲガラスは、電流によって駆動された場合に、ダイオードレーザ１０のようにはジュール加熱を経験しないので、反射器４０４の光学特性は、レーザ１０の光学特性と比較して、比較的に熱的に安定している。このために、反射器４０４の反射率スペクトルは、レーザ１０の自然放射スペクトルと比較して、比較的に熱的に安定している。したがって、レーザ−反射器システムのピーク出力波長λ０は、レーザ１０の自然放射スペクトル３０２の熱感受性ピークによってだけでなく、また反射器４０４からの熱的に安定した、波長依存のフィードバックによって決定される。その結果、ダイオードレーザ１０および反射器４０４システムのピーク波長は、システムの温度に比較的に非感受性である。たとえば、反射器４０４がない状態で、ダイオードレーザ１０の出力波長は、ダイオードレーザの環境温度が約２０℃から約５５℃へ上昇するとともに、約８００ｎｍから約８１２ｎｍまでシフトする可能性がある。反射器４０４がレーザ１０へフィードバックを供給する場合には、ダイオードレーザ１０の出力波長は、この温度範囲にわたって約０．２ｎｍ未満だけシフトする。ダイオードレーザ１０の出力波長は、老朽化によって誘発される出力波長のドリフトに対し、反射器４０４によって同様に安定される。別の例として、反射器４０４の存在は、駆動電流に対するピーク波長の依存を、約２．５分の１に低減することができる。
【００６０】
図９に示すように、反射器４０４は、ダイオードレーザ１０と直接に接触させることができる。レーザ１０の端面１８ｂと反射器４０４の前面４０８との間の直接接触によって、出力レーザ放射線の空間およびスペクトルビーム品質が改善される。さらに、レーザ１０および反射器４０４が、直接に（「光学的に」）接触している場合に、レーザファセットからの熱除去が、ダイオードレーザ１０からの固体伝導熱輸送の追加的な方向を提供することによって、改善される。レーザ１０の端面（「ファセット」）１８ａおよびｌ８ｂへの熱応力の低減によって、ダイオードレーザ１０のカタストロフィック光学ミラー損傷（ＣＯＭＤ）レベルが改善され得る。レーザ１０の端面１８とＶＢＧ反射器４０４との間で、良好な熱接触を達成できる。なぜなら、両方とも光学的に平坦な表面を有し、それらが、互いと良好な光学的接触をなすからである。
【００６１】
図１０に示すように、反射器４０４の前面４０８は、反射器がレーザ１０のリアミラーの役割をするように、レーザ１０の端面１８ａに装着するかまたはその近くに配置することができる。この場合に、レーザ１０の端面１８ａのファセット反射性は、完全に透過性でなくても、少なくとも半透過性であるように選択することができるのに対して、所望の角度および波長において、約９５％以上の反射率ピークを有する反射器４０４は、ビームの最大反射およびフィードバック４０６を保証する。角度およびスペクトルの選択によって、再び、高次空間モードの識別がうまく保証され、スペクトル線幅がその元の形状１５から狭い形状９５に低減される。
【００６２】
前面４０８および反射器４０４の有効反射率の調整によって、異なる動作構成を達成できる。注入ロッキングまたはセルフシーディング構成は、前面４０８および反射器４０４の両方がデバイスへかなりのフィードバックを供給する場合に、達成される。この場合に、高効率（および高出力）が達成されるが、スペクトルまたは空間安定性は低減される。対照的に、反射器４０４だけがデバイスへかなりのフィードバックを供給する場合には、外部キャビティレーザ構成が達成される。この場合に、最も高いスペクトルおよび空間安定性が達成されるが、効率（およびパワー）はより低い。
【００６３】
従来の外部キャビティレーザ（「ＥＣＬ」）設計は、レーザと出力結合ミラーとの間に大きな物理的な間隔を有する。これは、非常に狭い縦モード間隔につながる。上記の反射器４０４がダイオードレーザ１０に隣接した状態で、図１１に示すように、単一縦モード動作が達成されるように、縦モード間隔を増加させ、かつ出力ビームのスペクトル線幅を減少させることが可能である。これにより、ファブリーペローレーザに比較して、−３０ｄＢを超えるサイドモード抑圧および０．０１ｎｍ／Ｃの温度安定性を備えた、小さな設置面積の堅固なＥＣＬが可能になる。たとえば、ＥＣＬの設置面積は、約１平方センチメートル未満にすることができ、−３０ｄＢを超えるサイドモード抑圧比（「ＳＭＳＲ」）を有することができ、また０．０１ｎｍ／Ｃ未満の温度安定性を有することができる。
【００６４】
かかる半導体ダイオードレーザ１０および反射器４０４配置からの狭線幅出力ビームによってまた、効率的な波長分割多重（「ＷＤＭ」）が可能になる。１０−６ｎｍ（すなわち１００ｋＨｚ）未満の単一モード線幅が達成された。
【００６５】
上述のように、横モードプロファイルは、ダイオードレーザジオメトリ、材料系、温度および電流分布によって影響される。また、外部反射器４０４を用い、特定の用途のために、デバイスの垂直および横空間モードの両方を選択的に調整し安定させることが可能である。たとえば、印刷用途には、シルクハット形状の遠視野放射パターン望ましい場合がある。これは、垂直および横レーザモードのどちらかまたは両方に対して、基本および二次空間モードだけを選択的にフィードバックするように反射器４０４を設計することによって達成できる。さらに、空間モード構造の安定化は、出力ビームにおけるフィラメンテーションの低減（すなわち、より多くの均一な照射）と、利得媒質内における空間ホールバーニングの低減と、ＣＯＭＤが生じる閾値の増加と、近視野および遠視野ビームプロファイルにおけるピーク−バレー変動の低減と、につながる。
【００６６】
図１２は、ワイドストライプエミッタ１０のアレイ５００を示すが、このアレイは、全アレイの横幅に沿って延びる狭帯域幅反射器５０６と光学的に通じる遅軸遠視野強度プロファイル５０２および速軸遠視野強度プロファイル５０４を有する。上記の単一ダイオードレーザ１０および反射器４０４システムと同様に、アレイ５００および狭帯域幅反射器５０６によって、アレイ５００の個別エミッタ１０への選択的なフィードバックがもたらされるが、これによって、アレイ５００のピーク波長における熱的安定性の改善と、アレイからの光の垂直発散角の狭化と、アレイからの光におけるビーム品質の改善と、が結果としてもたらされる。
【００６７】
ブロードストライプエミッタ１０のいくつかのアレイ５００を互いの上に積み重ねて、高出力ダイオードレーザスタックを生成してもよい。典型的には、１２のアレイ５００が互いの上に積み重ねられ、スタックの鉛直高さは約２ｍｍになる。かかるスタックは、６００ワットの連続的な出力のレーザパワーを放射できる。スタックの個別アレイ５００は、ちょうど個別アレイのように、速軸を視準させることができる。
【００６８】
上記の単一ダイオードレーザ１０および反射器４０４システムと同様に、アレイ５００のスタックは、スタックの全高さにわたって延びる反射器５０６と組み合わせることができる。これは、アレイ５００のスタック全体に選択的なフィードバックをもたらし、アレイ５００のスタックにおけるピーク波長の熱的安定性の改善と、アレイスタックからの光の垂直発散角の狭化と、アレイ５００のスタックからの光のビーム品質の改善と、に帰着する。
【００６９】
ダイオードレーザ１０、ならびに狭スペクトルおよび空間帯域幅反射器４０４システムは、レーザ１０の出力パワーをほぼ一定に維持しながら、出力ビームの空間ビーム品質の改善と、放射された放射線のスペクトル幅の低減と、を同時に達成し、したがって、ダイオードレーザ１０の輝度を増加させる。
【００７０】
ダイオードレーザ１０および狭帯域幅反射器４０４の組み合わせを用いて、固体レーザにポンプ光を供給することができる。たとえば、図１３は、Ｙｂ：グラスファイバレーザの吸収スペクトル４１ａおよびの放射スペクトル４１ｂを示し、また図１４は、Ｎｄ：ＹＡＧロッドレーザの吸収スペクトル４２およびＹｂ：ＹＡＧディスクレーザの吸収スペクトル４３を示す。これらの３つの固体レーザ媒質は、高出力（たとえばマルチｋＷ）のレーザ用途に用いられることが多い。レーザ媒質は、高出力ダイオードレーザでポンプすることができるが、しかし、レーザ媒質に吸収される、ダイオードレーザからの入力ポンプパワーは、固体レーザ媒質からの出力パワーを超えなければならない。したがって、固体レーザ媒質からマルチｋＷレーザ出力を達成するために、ポンプダイオードレーザの出力はまた、マルチｋＷ範囲になければならない。
【００７１】
図１５ａを参照すると、ポンプダイオードレーザパワーの吸収は、ポンプダイオードレーザの固体レーザ媒質吸収線４０および輝線５０のオーバーラップに依存する。ポンプダイオードレーザパワーの吸収はまた、固体レーザ媒質におけるポンプ放射線の吸収長に依存する。レーザ媒質吸収線４０およびポンプレーザ輝線５０のオーバーラップ関数６０の積分が一般に増加されるのは、ダイオードレーザのピーク放射波長が、吸収スペクトル５０の中心波長とほぼ等しい場合である。オーバーラップの積分はまた、放射スペクトル４０のＦＷＨＭ線幅が、吸収スペクトル５０のそれより小さいか、またはせいぜい等しい場合には、一般に増加される。
【００７２】
図１５ｂに示すように、ポンプレーザ放射スペクトル５０’のピーク波長が、吸収スペクトル４０の中心波長から数ｎｍ異なる場合には、２つのスペクトル間のオーバーラップ関数６０’の積分は、たとえ放射スペクトル４０の線幅が吸収スペクトル５０のそれより小さくても、いくぶん貧弱である。多くの異なる影響が、ダイオードレーザの吸収スペクトル４０の中心波長と、ポンプダイオードレーザの放射スペクトル５０の中心波長との間の不整合につながり、したがって、ダイオード励起固体レーザの光−光効率を低減する可能性がある。
【００７３】
たとえば、図１６に示すように、多くのダイオードレーザが単一の半導体ウエハから生成される場合には、ダイオードレーザの中心波長は、ダイオードレーザが生成される半導体ウエハの位置に依存する場合がある。なぜなら、エピタキシャル成長は、ウエハにわたって完全に均質には行なわれないからである。一般に、ウエハの中心近くから作製されるダイオードレーザの波長が最も大きく、ウエハの中心からの半径距離がより大きな位置に向かって低減する。３インチウエハから作製されるダイオードレーザのピーク波長のウエハ位置依存は、約２０ｎｍになる可能性があり、これは、数ｎｍの放射スペクトル線幅を有するダイオードレーザに関し、ウエハからの多くのレーザを、数ｎｍ幅のレーザ媒質吸収線をポンプするためには無用にするであろう。
【００７４】
別の例として、図１７に示すように、ポンプダイオードレーザ放射スペクトルの中心波長および線幅は、駆動電流に、したがってポンプレーザからの出力パワーに依存する。０．８Ａ、１．５Ａ、２．０Ａ、２．５Ａ、３．０Ａおよび３．５Ａでそれぞれ動作するダイオードレーザの特徴的な放射スペクトル５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅおよび５２ｆは、駆動電流が０．８Ａから３．５Ａに増加するとともに、ダイオードレーザのピーク波長が６ｎｍを超えてシフトする場合があることを示す。
【００７５】
さらなる例として、図１８に示すように、アレイの個別エミッタの中心波長は、（たとえば、ヒートシンクへのアレイの取り付けに関連した応力誘起波長シフトゆえに）アレイにおけるエミッタの位置に依存する可能性がある。アレイの異なる位置にある個別エミッタの特徴的な放射スペクトル５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅおよび５３ｆは、アレイの中心にあるエミッタの波長スペクトル５３ａが、アレイのエッジに位置するエミッタのスペクトル５３ｆにおけるピーク波長より短いピーク波長を有することを示している。最も左のエミッタ５３ｅおよび最も右のエミッタ５３ｆにおける放射スペクトル間で、中心波長に追加的な差がある。したがって、全ての個別エミッタからの放射スペクトルの組み合わせは、アレイ全体の放射スペクトル（５３）の線の広がりを実効的にもたらす。
【００７６】
これら全ての結果は、ダイオード励起固体レーザにおける入力ポンプ光と出力レーザ光との間の結合効率に影響する。しかしながら、狭帯域幅反射器４０４によるポンプダイオードレーザ波長の安定化が、これらの影響の有害な面を低減するが、この低減は、ブロードエリアの高出力ブロードエリアストライプアレイ、または単一モードストライプおよびアレイスタックの放射波長を、反射器４０４の反射帯域により定義された特定の中心波長にロックすることによって、またさらに、ポンプ放射線放射スペクトルのスペクトル線幅を狭めることによって、なされる。
【００７７】
スペクトの動作における改善に加えて、ダイオードレーザ−狭帯域幅反射器システムからの光のビーム品質の改善は、固体レーザポンピングに好都合である。なぜなら、それによって、ビームのより狭い集光、したがってより小さな固体レーザ媒質（すなわち、固体レーザのより高いビーム品質）またはポンプビームとレーザ媒質との間のアライメント要求のかなりの低減が可能になる。
【００７８】
図１９に示すように、いくつかの狭帯域幅反射器７３および７４を用いて、異なる波長λ１、λ２およびλ３をそれぞれ有する多数のレーザビーム５４ａ、５４ｂ、および５４ｃを、単一ビーム５４に組み合わせることができる。狭帯域幅反射器７３の反射率スペクトルは、波長λ２を有するビーム５４ｂは反射するが、波長λ１を有するビーム５４ａに対しては透過性であるように選択される。同様に、狭帯域幅反射器７４の反射率スペクトルは、波長λ３を有するビームを５４ｃは反射するが、波長λ１およびλ２をそれぞれ有するビーム５４ａおよび５４ｂに対しては透過性であるように選択される。ビームは透過性であるが、散乱損失が生じて、各反射器に対するわずかな光損失（約１％）につながる場合がある。反射器７３および７４の反射率スペクトルは比較的狭いので、個別ビーム５４ａ、５４ｂおよび５４ｃは、組み合わされた出力ビーム５４のパワーまたはビーム品質を犠牲にすることなしに、組み合わせることができる。
【００７９】
高度な明るさのダイオードレーザ源はまた、ジオメトリ、偏光、および本明細書で説明する多数の光源のスペクトルビームの組み合わせを利用して製作してもよい。図２０は、直列配置を用いて狭帯域幅光源６００をスペクトル的に組み合わせた例を示す。反射器６０２または多数の反射器６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃおよび６０２ｄは、光源６００からの出力ビーム６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃおよび６０２ｄの空間またはスペクトル線幅を狭めることができるフィードバックを光源に供給する。多数の光源の出力は、体積ブラッググレーティング６０４を用いて反射を通して組み合わされるが、この場合に、格子の各セクション６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃおよび６０４ｄは、それが、対応する光源６００ａ、６００ｂ、６００ｃおよび６００ｄと一致する波長は反射するが、他の光源によって放射された波長は反射しないように製作される。
【００８０】
図２１は、異なる光学特性（たとえば、波長または偏光）を有する狭帯域幅光源７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、７０２ｄ、および７０２ｅを、並列配置を用いてスペクトル的に組み合わせる例を示す。狭帯域幅光源７０２からの出力ビーム７０４ａ、７０４ｂ、７０４ｃ、７０４ｄおよび７０４ｅは、ビーム７０４の光学特性に依存して異なる量でビームを屈折させる体積回折素子７０８に、レンズ７０６で集光される。したがって、異なるビームを、素子７０８によって単一ビームに組み合わせることができる。
【００８１】
さらに、直列および並列ビーム組み合わせ構成の両方を、二次元配置に組み合わせることが可能である。
【００８２】
他の実施形態
本発明を、本発明の詳細な説明に関連して説明してきたが、前述の説明は、例証を意図し、本発明の範囲を限定するように意図されていないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
図面の説明
【図１】ダイオードレーザの概略斜視図である。
【図２】ダイオードレーザのための自然放射スペクトルのグラフである。
【図３】ダイオードレーザのための自然放射スペクトルおよびレーザスペクトルのグラフであり、キャビティ長の関数である、可能な縦モードのファミリを示す。
【図４】レーザシステム、横ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略上面図である。
【図５】レーザシステム、縦ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略側面図である。
【図６ａ】反射器の分光反射率スペクトルである。
【図６ｂ】反射器の空間反射率スペクトルである。
【図６ｃ】光熱屈折材料の概略図である。
【図７】レーザシステム、垂直ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略側面図である。
【図８】レーザシステム、横ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略上面図である。
【図９】レーザシステム、横ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略上面図である。
【図１０】レーザシステム、横ビームプロファイル、およびシステムからの出力放射スペクトルの概略上面図である。
【図１１】体積ブラッググレーティングを用いてコンパクトなＥＣＬ構成で形成されたダイオードレーザの単一縦モードスペクトルのグラフである。
【図１２】レーザアレイシステムの概略斜視図である。
【図１３】ファイバレーザ媒質の吸収スペクトルのグラフである。
【図１４】レーザ媒質の吸収スペクトルのグラフである。
【図１５ａ】レーザ媒質の吸収スペクトルおよびダイオードレーザの放射スペクトルのグラフである。
【図１５ｂ】レーザ媒質の吸収スペクトルおよびダイオードレーザの放射スペクトルのグラフである。
【図１６】半導体ウエハ上のダイオードレーザ位置の関数としての、ダイオードレーザの中心波長のグラフである。
【図１７】異なる駆動電流に対する多数のダイオードレーザ放射スペクトルのグラフである。
【図１８】ダイオードレーザアレイにおける異なるエミッタのための、位置の関数としての多数のダイオードレーザ放射スペクトルのグラフである。
【図１９】異なるレーザビームを組み合わせるためのシステムの概略図である。
【図２０】直列配置を用いて、狭帯域幅光源を組み合わせる概略図である。
【図２１】並列配置を用いて、狭帯域幅光源を組み合わせる概略図である。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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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１５ａ】
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【図１５ｂ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成18年11月13日(2006.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2007519259.tif 000033
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2007519259.tif 000034
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６ａ】
2007519259.tif 000035
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６ｂ】
2007519259.tif 000036
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６ｃ】
2007519259.tif 000037
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2007519259.tif 000038
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2007519259.tif 000039
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2007519259.tif 000040
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2007519259.tif 000041
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１２】
2007519259.tif 000042
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１３】
2007519259.tif 000043
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５ａ】
2007519259.tif 000044
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１５ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１５ｂ】
2007519259.tif 000045
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１６】
2007519259.tif 000046
【手続補正１５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９】
2007519259.tif 000047
【手続補正１６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２０】
2007519259.tif 000048
【手続補正１７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２１】
2007519259.tif 000049
【国際調査報告】
2007519259.tif 000050