(57)【要約】【課題】  目的の波長、特に、複数の波長のレーザ光を出力可能なレーザ装置および波長走査が可能なレーザ装置を提供する。【解決手段】  このレーザ装置における制御回路は、フォトニック結晶レーザ素子の駆動回路を、所定の条件で駆動する。フォトニック結晶レーザ素子から出射されるレーザ光の波長幅は、規格化駆動電流ｋとパルス幅Ｔに依存し、所定の関係を有していることが発見された。この条件を満たせば、複数の波長のレーザ光を制御して出力することが可能となる。【選択図】図２２
2015162663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閾値電流Ｉｔｈのフォトニック結晶レーザ素子と、
前記フォトニック結晶レーザ素子を駆動する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路と、
を備え、
規格化駆動電流ｋ＝Ｉ／Ｉｔｈ、
Ｉを前記駆動回路から前記フォトニック結晶レーザ素子に供給される駆動電流、
Ｔを駆動電流Ｉのパルス幅、
Ｊを前記フォトニック結晶レーザ素子内を流れる駆動電流Ｉの電流密度、
とした場合、
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、
ｋ≧２６９．１３Ｔ−０．４６５３、
Ｊ＜１０００ｋＡ／ｃｍ２、
で駆動することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、
ｋ＜７１８．９４Ｔ−０．４６４２、
で駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、
ｋ≧７１８．９４Ｔ−０．４６４２、
で駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、
ｋ＜２３９４．６Ｔ−０．５２２９、
で駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、
ｋ≧２３９４．６Ｔ−０．５２２９、
で駆動することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置された透過型回折格子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置されたプリズムを更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記フォトニック結晶レーザ素子の光出射面に固定された透過型回折格子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置された反射型回折格子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光の特定方向に進行する成分を選択的に透過させる開口部材を更に備えることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光の進行方向を偏向する偏向装置を更に備えることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置されたバンドパスフィルタを更に備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶レーザ素子を用いたレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の帯域で、狭い放射角のレーザ光を得ることが可能なレーザ装置が要望されている。例えば、非特許文献１では、ＰＣＳＥＬ（ＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：フォトニック結晶 面発光レーザ）により、簡便な構成でビーム広がり角1°以下の狭放射ビームを与えることが可能となる。特許文献１では、回折格子を外部共振器とした半導体波長可変レーザ光源を開示している。特許文献２では複数の半導体ＤＦＢレーザ素子を温度調整することにより、波長を変化させる構造を開示している。
【０００３】
近年、フォトニック結晶レーザ素子、特に、ＰＣＳＥＬでは、狭放射、高ビーム品質での高出力化が実現されてきた。ＰＣＳＥＬは、従来の半導体レーザ光源と異なり、円形かつ狭放射ビームを出力するため、後段の光学系を著しく簡略化出来るという利点があり、従来不可能であったコリメートレンズなしの波長変換も実証されている。また、高ビーム品質であるため、回折限界までの微小集光も可能となるため、高エネルギー密度を実現出来る。これらの優れた特徴により、微細加工、高解像度センシング、レンズフリーなど、様々な応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１５０４０８号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５８７０３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】D. Ohnishi, et al., “Room temperature continuous wave operationof a surface-emitting two-dimensional photonic crystal diode laser,” Opt. Express., 12, pp. 1562-1568 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＰＣＳＥＬでは、フォトニック結晶の間隔によりレーザ光の波長が規定されるため、設計波長からずれた波長に対応することは困難であった。これに対して、フォトニック結晶レーザ素子を用いて、複数の波長のレーザ光を継時的に出力可能なレーザ装置は知られていない。複数波長のレーザ光が継時的に得られれば、これを積算することで広い波長帯域のレーザ光として利用でき、時間分解すれば、個別の波長のレーザ光を選択的に利用できるという利点がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、目的の波長、特に、複数の波長のレーザ光を出力可能な単一のレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザ装置は、閾値電流Ｉｔｈのフォトニック結晶レーザ素子と、前記フォトニック結晶レーザ素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路を制御する制御回路と、を備え、規格化駆動電流ｋ＝Ｉ／Ｉｔｈ、Ｉを前記駆動回路から前記フォトニック結晶レーザ素子に供給される駆動電流、Ｔを前記駆動電流Ｉのパルス幅（ｎｓ）、Ｊを前記フォトニック結晶レーザ素子内を流れる駆動電流Ｉの電流密度、とした場合、前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、ｋ≧２６９．１３Ｔ−０．４６５３、Ｊ＜１０００ｋＡ／ｃｍ２で駆動することを特徴とする。
【０００９】
電流密度Ｊが１０００ｋＡ／ｃｍ２以上の場合、フォトニック結晶レーザ素子が壊れる虞があるため、電流Ｊは上記の如く設定される。また、ｋが上記関係式を満たす場合には、少なくとも特定の短波長側でレーザ光を得ることができる。
【００１０】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、ｋ＜７１８．９４Ｔ−０．４６４２で駆動することを特徴とする。この条件を満たす場合には、短波長側のみでレーザ光を得ることができるという利点がある。
【００１１】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、ｋ≧７１８．９４Ｔ−０．４６４２で駆動することを特徴とする。この条件を満たす場合、短波長側に加えて、長波長側でもレーザ光を得ることができる。
【００１２】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、ｋ＜２３９４．６Ｔ−０．５２２９で駆動することを特徴とする。この条件を満たす場合、短波長側に加えて、長波長側でもレーザ光を得ることができるが、双方の帯域は重ならず、それぞれの帯域のレーザ光を個別に用いることができる。
【００１３】
前記制御回路は、前記駆動回路を以下の条件、ｋ≧２３９４．６Ｔ−０．５２２９で駆動することを特徴とする。この条件を満たす場合、短波長側に加えて、長波長側でもレーザ光が発生し、且つ、双方の帯域が連続的に重なることなる。したがって、これを積算することで連続的で広い波長帯域のレーザ光として利用でき、時間分解すれば、個別の波長のレーザ光を連続的かつ選択的に利用することができる。
【００１４】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置された透過型回折格子を更に備えることを特徴とする。この場合、フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光は、透過型回折格子を透過することで、その進行方向が波長毎に偏向される。
【００１５】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置されたプリズムを更に備えることを特徴とする。この場合、フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光は、プリズムを透過することで、その進行方向が波長毎に偏向される。
【００１６】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子の光出射面に固定された透過型回折格子を更に備えることを特徴とする。この場合、透過型回折格子は、光出射面に固定されているので、上記透過型回折格子の作用に加え、構成に必要な部品点数が少なくて済むという利点がある。
【００１７】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置された反射型回折格子を更に備えることを特徴とする。この場合、フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光は、反射型回折格子によって反射され、その進行方向が波長毎に偏向される。
【００１８】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光の特定方向に進行する成分を選択的に透過させる開口部材を更に備えることを特徴とする。開口部材を用いることで、特定の波長成分のレーザ光を選択的に取り出すことができる。
【００１９】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光の進行方向を偏向する偏向装置を更に備えることを特徴とする。ポリゴンミラーや電気光学結晶（ＫＴＮなど）などの偏向装置を用いれば、所望の方向に、特定の波長のレーザ光を出射させることが可能となる。
【００２０】
本発明のレーザ装置は、前記フォトニック結晶レーザ素子に対向配置されたバンドパスフィルタを更に備えることを特徴とする。この場合、フォトニック結晶レーザ素子から出射された複数の波長のレーザ光のうち、特定の波長成分のみが、バンドパスフィルタを選択的に透過することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のレーザ装置によれば、目的の波長、特に、複数の波長のレーザ光を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）、レーザ装置のブロック図（ｃ）である。
【図２】フォトニック結晶層の平面図である。
【図３】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。
【図４】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。
【図５】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。
【図６】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。
【図７】波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。
【図８】波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。
【図９】波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。
【図１０】フォトニック結晶レーザ素子の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。
【図１１】レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【図１２】レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【図１３】レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【図１４】レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【図１５】レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【図１６】駆動電流Ｉ（Ａ）、電流密度Ｊ（ｋＡ／ｃｍ２）及び規格化駆動電流ｋと、レーザ光の波長幅Ｗ（ｎｍ）との関係を示すグラフである（繰り返し周波数＝１ｋＨｚ）。
【図１７】図１６に示したグラフのデータを示す図表である。
【図１８】駆動電流Ｉ（Ａ）、電流密度Ｊ（ｋＡ／ｃｍ２）及び規格化駆動電流ｋと、レーザ光の波長幅Ｗ（ｎｍ）との関係を示すグラフである（繰り返し周波数＝１０ｋＨｚ）。
【図１９】図１８に示したグラフのデータを示す図表である。
【図２０】駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光の波長幅ＷＢ、ＷＡ，ＷＡＢ（ｎｍ）との関係を示すグラフである。
【図２１】駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光の波長幅ＷＢ、ＷＡとの関係を、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ毎に示すグラフである。
【図２２】駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ（ｎｓ）と、規格化駆動電流ｋとの関係を示すグラフである。
【図２３】駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光のビーム広がり角の半値幅（ＦＷＨＭ）との関係を、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ毎に示すグラフである。
【図２４】駆動電流Ｉ（Ａ）と、ピークパワーＰｐｅａｋ（Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図２５】レーザ光のビーム二次元パターンの写真の図（ａ）と、レーザ光の三次元形状を示す画像の図（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子１００の縦断面図（ｂ）、レーザ装置のブロック図（ｃ）である。半導体レーザ素子１は、フォトニック結晶レーザ素子であり、特に、再成長型のＰＣＳＥＬ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：フォトニック結晶面発光レーザ）である。なお、図１（ａ）には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸からなる３次元直交座標系が示されており、各層の積層方向をｚ軸方向とする。半導体基板２下面には、Ｎ型のクラッド層３、活性層４、電子ブロック層５、フォトニック結晶層（回折格子層）６、Ｐ型のクラッド層７、Ｐ型のコンタクト層８が順次形成されており、コンタクト層８にはＰ型の電極１０が接触しており、半導体基板２の上面にはＮ型の電極９が接触している。Ｎ型の電極９の形状はリング状であり、中央に開口が形成され、この開口内に反射防止膜９ａが、半導体基板２に接触して形成されている。Ｐ型の電極１０の周囲のコンタクト層８は、絶縁膜１１によって被覆されている。
【００２５】
半導体基板２、クラッド層３、活性層４、電子ブロック層５、フォトニック結晶層６、コンタクト層８の材料は、例えば、ＧａＡｓを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体である。電極９と電極１０とに電圧を印加し、これらの間に電流を流すと、ｚ軸方向に沿って、レーザ光Ｌ１が出射される。
【００２６】
半導体基板２の材料は、Ｎ型のＧａＡｓであり、厚みは５０〜５００μｍ程度（好適には１００〜２００μｍ）である。半導体基板２におけるＮ型の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３に設定することができる。
【００２７】
Ｎ型のクラッド層３の材料は、ＡｌＧａＡｓである。厚みは、２０００ｎｍ程度（好適には５００〜４０００ｎｍ）である。クラッド層３におけるＮ型の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３に設定することができる。
【００２８】
活性層４は、例えば、複数の量子井戸層を備える。活性層４の量子井戸層の材料は、Ｉ型のＩｎＧａＡｓであり、バリア層の材料は、Ｉ型のＡｌＧａＡｓである。活性層４は、Ｎ型クラッド層３に接するガイド層を備えることができる。この活性層４のガイド層の材料は、例えば、Ｉ型のＡｌＧａＡｓである。活性層４の厚みは、例えば、１４０ｎｍ程度（好適には５０〜２００ｎｍ）である。活性層４の屈折率は、例えば、駆動電流Ｉ＝６０Ａの際の中心波長＝９４０ｎｍを想定すると、３．５の程度である。例えば、波長帯域が９００〜１１００ｎｍの場合、活性層４の実効屈折率は３．４〜３．６の程度に設定することができる。
【００２９】
電子ブロック層５の材料は、Ｉ型またはＰ型のＡｌＧａＡｓである。電子ブロック層５は、フォトニック結晶層６に接するガイド層を備えることができる。この電子ブロック層５のガイド層の材料は、例えば、Ｉ型のＡｌＧａＡｓである。電子ブロック層５の厚みは、例えば、３０ｎｍ程度（好適には２０〜１００ｎｍ）である。
【００３０】
フォトニック結晶層６は、図２に示すように、基本層６ａと、基本層６ａ内に複数存在し、基本層６ａとは屈折率の異なる異屈折率部６ｂとからなる。異屈折率部６ｂは、空気の気体を内在する孔であってもよいし、絶縁材料や半導体材料であってもよい。複数の異屈折率部６ｂは、ｘｙ平面内において周期的に分布して配置されており、異屈折率部６ｂの平面形状（ｚ軸方向から見た形状）は、図２（ａ）に示すように円形であってもよいが、その他、図２（ｂ）に示すように三角形（直角二等辺三角形）や、図２（ｃ）に示すように台形であってもよい。異屈折率部６ｂは、ｘ軸及びｙ軸を格子線の方向とする仮想的な正方格子の格子点に配置されており、並進対称に配置されるが、仮想的な三角格子の格子点に配置される構成としてもよい。
【００３１】
なお、異屈折率部６ｂの平面形状が、ｚ軸に対して回転非対称の形状の場合、特定方向の偏光成分が大きくなる。
【００３２】
フォトニック結晶層６の厚み（基本層６ａの厚み）は、３００ｎｍ程度（好適には１５０〜３５０ｎｍ）である。フォトニック結晶層６はＩ型またはＰ型のＧａＡｓからなるが、その他、Ｉ型またはＰ型のＡｌＧａＡｓ（空洞を含んでも良い）などから構成することもできる。異屈折率部６ｂの深さは、例えば、２００ｎｍ（好適には１００〜３００ｎｍ）である。
【００３３】
クラッド層７の材料は、例えば、ＡｌＧａＡｓであり、厚みは、例えば、２０００ｎｍ程度（好適には５００〜４０００ｎｍ）である。クラッド層７におけるＰ型の不純物濃度は、１×１０１６〜１×１０１９ｃｍ−３に設定することができる。
【００３４】
コンタクト層８の材料は、例えば、Ｐ型のＧａＡｓからなり、厚みは、２００ｎｍ程度（好適には５０〜５００ｎｍ）である。コンタクト層８の不純物濃度は、１×１０１９／ｃｍ−３以上である。
【００３５】
電極９の材料は、Ａｕなどの金属とＧｅなどの半導体との混合物であり、ＡｕＧｅ、ＡｕＧｅ／Ａｕ等を用いることができる。電極１０の材料は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｃｒなどの金属であり、半導体基板側から順番に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、又は、Ｃｒ／Ａｕ等を用いることができる。電極１０の形状は、正方形形状で、面積は２００×２００μｍ２である。
【００３６】
上述の半導体レーザ素子１を製造する場合、例えば、以下のように形成する。Ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、Ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ＡｌＧａＡｓガイド層、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸構造の活性層４、ＡｌＧａＡｓキャリアブロック層（電子ブロック層５）、ＧａＡｓからなる基本層６ａを順次エピタキシャル成長する。
【００３７】
基本層６ａのエピタキシャル成長後、周期構造のパターニングを行う。すなわち、ＰＣＶＤ法によりＳｉＮ層を基本層６ａ上に成膜し、レジストを塗布し、電子線描画装置で２次元微細パターンを描画する。その後、現像、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチングで、ＳｉＮ層上に２次元微細パターンを転写し、レジストの残渣を除去する。ＳｉＮ層上の２次元微細パターン上にドライエッチングを行い、ＧａＡｓからなる基本層６ａ上に微細パターンを転写する。その後、ＳｉＮ層を除去し、表面処理を行ってから、有機金属気層堆積法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＣＶＤと称する）によって、ＡｌＧａＡｓ（空洞を含んでも良い）からなる異屈折率部６ｂ（埋め込み層）、Ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層７、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層８を順次再成長する。その後、露光、蒸着技術により、ｐ側には２００μｍ角の正方形の電極１０を、ｎ側には開口を有する電極９を形成する。ここまでの工程で、ＰＣＳＥＬ単素子が形成される。
【００３８】
その後、必要に応じて、半導体レーザ素子の光出射面に対向するように透過型回折格子等の各種光学部材を配置する。
【００３９】
図１（ｂ）に示すように、上述の半導体レーザ素子１をパッケージ内に収容して、レーザ素子１００が完成する。レーザ素子１００のパッケージは、ベース板Ｂ１に一方の開口端面が固定された筒体Ｂ２と、筒体Ｂ２の他方の開口端面に設けられた光出射窓ＦＰからなる。ベース板Ｂ１はステム板であり、電流を供給するためのピンである電極端子Ｔ９，Ｔ１０が、これを貫通している。電極端子Ｔ９，Ｔ１０には、それぞれ電極ワイヤＷ９，Ｗ１０を介して、電極９，１０が電気的に接続されている。レーザダイオードである半導体レーザ素子には順方向に電流が供給され、反射防止膜９ａを介して、光出射面に概ね垂直な方向に光が出射される。光出射窓ＦＰは、出射光に対して透明なガラスや石英材料からなるが、吸収の生じない波長帯の赤外光を出射する場合、Ｓｉなどの半導体を用いることもできる。
【００４０】
図１（ｃ）は、レーザ装置を示しており、このレーザ装置は、実施形態に記載の半導体レーザ素子１に駆動電流Ｉを供給する駆動回路Ｄと、駆動回路Ｄを制御する制御回路Ｃとを備えている。ここで、駆動電流Ｉは所定の条件を満たすように制御される。制御回路Ｃは、駆動回路Ｄを、少なくとも、ｋ≧２６９．１３Ｔ−０．４６５３、Ｊ＜１０００ｋＡ／ｃｍ２で駆動する。なお、規格化駆動電流ｋ＝Ｉ／Ｉｔｈ、Ｉを駆動回路Ｄから半導体レーザ素子１に供給される駆動電流、Ｔを駆動電流Ｉのパルス幅、Ｊを半導体レーザ素子１内を流れる駆動電流Ｉの電流密度とする。
【００４１】
図２２は、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ（ｎｓ）と、規格化駆動電流ｋとの関係を示すグラフである。３つの近似曲線が示されており、一番下の曲線の式は、ｋ＝２６９．１３Ｔ−０．４６５３である。また、ｋが上記関係式を満たす場合には、少なくとも特定の短波長側（バンド端Ｂとする）で、波長幅１ｎｍ以上のレーザ光を得ることができる。すなわち、ｋ＝２６９．１３Ｔ−０．４６５３の場合は、図１１（ｂ）の関係を満たし、ｋが２６９．１３Ｔ−０．４６５３以上の場合は、図１１（ｂ）〜（ｈ）、図１２（ａ）〜（ｅ）のスペクトルが得られる。
【００４２】
なお、電流密度Ｊが１０００ｋＡ／ｃｍ２以上の場合、半導体レーザ素子１が壊れる虞があるため、電流密度Ｊは上記の如く設定される。
【００４３】
制御回路Ｃは、駆動回路Ｄを、ｋ＜７１８．９４Ｔ−０．４６４２で駆動することもできる。この条件を満たす場合には、短波長側（バンド端Ｂ）のみでレーザ光を得ることができるという利点がある。すなわち、図２２の真中の近似曲線は、ｋ＝７１８．９４Ｔ−０．４６４２であり、この関係を満たす場合には、２つの波長帯域（バンド端Ｂ、バンド端Ａ）でレーザ光が発生してしまうため（図１１（ｅ）、ｋ＜７１８．９４Ｔ−０．４６４２であれば、短波長側（バンド端Ｂ）のみで波長幅１ｎｍ以上のレーザ光を得ることができる。すなわち、図１１（ｂ）〜（ｄ）のスペクトルが得られる。
【００４４】
また、制御回路Ｃは、駆動回路Ｄを、ｋ≧７１８．９４Ｔ−０．４６４２で駆動することができる。この条件を満たす場合、短波長側（バンド端Ｂ）に加えて、長波長側（バンド端Ａ）でもレーザ光を得ることができる。すなわち図１１（ｅ）〜（ｈ）、図１２（ａ）〜（ｅ）のスペクトルが得られる。
【００４５】
また、制御回路Ｃは、駆動回路Ｄを、ｋ＜２３９４．６Ｔ−０．５２２９で駆動することができる。この条件を満たす場合、短波長側（バンド端Ｂ）に加えて、長波長側（バンド端Ａでもレーザ光を得ることができるが、双方の帯域は重ならず、それぞれの帯域のレーザ光を個別に用いることができる。すなわち、図２２の一番上の近似曲線は、ｋ＝２３９４．６Ｔ−０．５２２９であり、この関係を満たす場合には、２つの波長帯域（バンド端Ｂ、バンド端Ａ）で発生したレーザ光が重なる（図１２（ｃ）。すなわち、ｋ＜２３９４．６Ｔ−０．５２２９の場合、図１１（ｅ）〜（ｈ）、図１２（ａ）〜（ｂ）のスペクトルが得られる。
【００４６】
また、制御回路Ｃは、駆動回路Ｄを、ｋ≧２３９４．６Ｔ−０．５２２９で駆動することができる。この条件を満たす場合、短波長側（バンド端Ｂ）に加えて、長波長側（バンド端Ａ）でもレーザ光が発生し、且つ、双方の帯域が連続的に重なることなる（図１２（ｃ））。すなわち、ｋ≧２３９４．６Ｔ−０．５２２９の場合、図１２（ｃ）〜（ｅ）のスペクトルが得られる。したがって、これを積算することで連続的で広い波長帯域のレーザ光として利用でき、時間分解すれば、個別の波長のレーザ光を連続的かつ選択的に利用することができる。
【００４７】
上述の半導体レーザ素子１は、種々のタイプの構造と組み合わせることができる。
【００４８】
図３は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子１００の縦断面図（ｂ）である。図３に示した素子と図１に示したものとの相違点は、レーザ素子が、透過型回折格子ＴＧを備え、これを支持する支持部材１２を備えている点のみである。すなわち、このレーザ装置は、半導体レーザ素子１に対向配置された透過型回折格子ＴＧを更に備えている。この場合、半導体レーザ素子１から出射されたレーザ光Ｌ１は、透過型回折格子ＴＧを透過することで、その進行方向が波長毎に偏向される。なお、支持部材１２は、ベース板Ｂ１に固定されている。
【００４９】
図４は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子１００の縦断面図（ｂ）である。図４に示した素子と図１に示したものとの相違点は、レーザ素子が、プリズムＰＳを備え、これを支持する支持部材１２を備えている点のみである。すなわち、このレーザ装置は、フォトニック結晶レーザ素子に対向配置されたプリズムを更に備えている。この場合、フォトニック結晶レーザ素子から出射されたレーザ光は、プリズムを透過することで、その進行方向が波長毎に偏向される。なお、支持部材１２は、ベース板Ｂ１に固定されている。プリズムＰＳのｘｚ平面内の断面形状は直角三角形であり、その対向面は半導体レーザ素子１の光出射面に平行である。
【００５０】
図５は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子１００の縦断面図（ｂ）である。図５に示した素子と図１に示したものとの相違点は、半導体レーザ素子１の光出射面に固定された透過型回折格子を更に備えている点のみである。この場合、透過型回折格子は、光出射面に固定されているので、図３の場合の透過型回折格子の作用に加え、構成に必要な部品点数が少なくて済むという利点がある。
【００５１】
図６は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子１００の縦断面図（ｂ）である。図６に示した素子と図１に示したものとの相違点は、レーザ素子が、反射型回折格子ＲＧを備え、これを支持する支持部材１２を備えている点のみである。すなわち、このレーザ装置は、半導体レーザ素子１に対向配置された反射型回折格子ＲＧを更に備えている。この場合、半導体レーザ素子１から出射されたレーザ光Ｌ１は、反射型回折格子ＲＧで反射されることで、その進行方向が波長毎に偏向される。なお、支持部材１２は、ベース板Ｂ１に固定されている。
【００５２】
上述のようなレーザ素子１００には、開口部材などを組み合わせることができる。
【００５３】
図７は、波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。このレーザ装置は、半導体レーザ素子１或いはレーザ素子１００から出射されたレーザ光の特定方向に進行する成分を選択的に透過させる開口部材１０１を更に備えている。開口部材１０１を用いることで、特定の波長成分のレーザ光を選択的に取り出すことができる。レーザ光が概ねｚ軸方向に進行する場合において、開口部材１０１（スリット板、アパーチャ部材など）に設けられた貫通孔を通過した波長のレーザ光は、これを通過し、貫通孔以外の部分に当たるレーザ光は開口部材１０１によってブロックされる。開口部材１０１は、制御回路１０２によって、図示しない駆動装置を駆動し、ｘ軸方向に沿って動かすことができる。これによって波長走査することができる。
【００５４】
図８は、波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。このレーザ装置は、半導体レーザ素子１或いはレーザ素子１００から出射されたレーザ光を所望の方向に反射するポリゴンミラー１０３（偏向装置）を備えており、偏向されたレーザ光の特定方向に進行する波長成分は、開口部材１０１を、選択的に透過することができる。ポリゴンミラー１０３の回転位置に応じて、開口部材１０１を透過する波長が異なる。ポリゴンミラー１０３は、制御回路１０２によって、図示しない駆動装置を駆動し、ｙ軸の回りに回転させることができる。これによって波長走査することができる。
【００５５】
図９は、波長毎に偏向されたレーザ光を出射するレーザ素子を有するレーザ装置の説明図である。このレーザ装置は、半導体レーザ素子１或いはレーザ素子１００から出射されたレーザ光を所望の方向に偏向する電気光学結晶１０４ｃ（偏向装置）を備えており、偏向されたレーザ光の特定方向に進行する波長成分は、開口部材１０１を、選択的に透過することができる。電気光学結晶１０４ｃのｘ軸方向の両端には、電極１０４a、１０４ｂが設けられており、これらの間には交流電源１０５から交流が印加され、印加電圧の向きと大きさによって、偏向方向を変えることができる。これによって波長走査することができる。電気光学結晶１０４ｃの材料としては、例えば、（タンタル酸ニオブ酸カリウム、KTa1-xNbxO3）などを用いることができる。
【００５６】
このように、上記レーザ装置は、半導体レーザ素子１から出射されたレーザ光の進行方向を偏向する偏向装置を更に備えており、所望の方向に、特定の波長のレーザ光を出射させることができる。
【００５７】
図１０は、半導体レーザ素子１の縦断面図（ａ）、レーザ素子の縦断面図（ｂ）である。図３に示した素子と図１に示したものとの相違点は、レーザ素子が、バンドパスフィルタＢＰＦを備え、これを支持する支持部材１２を備えている点のみである。すなわち、このレーザ装置は、半導体レーザ素子１に対向配置されたバンドパスフィルタＢＰＦを更に備えている。この場合、半導体レーザ素子１から出射された複数の波長のレーザ光のうち、特定の波長成分のみが、バンドパスフィルタＢＰＦを選択的に透過することができる。なお、支持部材１２は、ベース板Ｂ１に固定されている。なお、バンドパスフィルタＢＰＦの配置は図５に示すように素子と一体化しても良い。
【００５８】
次に、上述の駆動電流Ｉの制御について、詳細に説明しておく。
【００５９】
図１１及び図１２は、レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。駆動電流Ｉ＝１Ａの場合、バンド端Ｂ（波長９４２．５ｎｍ近傍）において、スペクトルが観察されるが（ａ）、波長幅は１ｎｍ未満である。駆動電流Ｉ＝５Ａの場合、バンド端Ｂ（波長９４２．５ｎｍ近傍）において、波長幅が１ｎｍ以上のスペクトルが観察される（ａ）。駆動電流Ｉの増加と共に、波長幅が増加し、駆動電流Ｉ＝２０Ａの時には、バンド端Ａ（波長９４８ｎｍ近傍）において、スペクトルが現れる。駆動電流Ｉを更に増加させていくと、波長幅は徐々に増加し、いずれ双方の波長帯域が重なり（図１２（ｅ））、駆動電流Ｉ＝５０Ａ及び６０Ａでは、２つの帯域のスペクトルが完全に連続して重なることになる。
【００６０】
なお、これらのグラフ作成時の駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ＝１００ｎｓ、駆動電流Ｉの繰り返し周波数＝１ｋＨｚ、温度＝２０℃、半導体レーザ素子の閾値電流Ｉｔｈ＝２３２ｍＡ（連続発光時に測定）、電流密度Ｊの閾値Ｊｔｈ＝０．５８ｋＡ／ｃｍ２〜０．６ｋＡ／ｃｍ２であった。スペクトル測定においては、半導体レーザ素子にマルチモードファイバーを直接取り付け、横河電気製のスペクトルアナライザー（ＡＱ６３７３）を用いた。なお、図２４に、この際の駆動電流Ｉ（Ａ）と、ピークパワー（Ｗ）との関係を示す。駆動電流Ｉの増加と共に、ピークパワーＰｐｅａｋは増加し、Ｉ＝６０Ａの場合には、ピークパワーＰｐｅａｋは３６．９Ｗが得られた。なお、フォトニック結晶層としては、図２（ｂ）に示したものを採用し、異屈折率部６ｂのｘ軸方向及びｙ軸方向の間隔は２８７ｎｍ、深さは２３０ｎｍ、最大径は１７０ｎｍに設定した。
【００６１】
なお、レーザ光の波長幅Ｗは、そのピークパワーに対して、−４０ｄＢ以上のパワーを与える範囲として規定する。
【００６２】
図１３は、レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【００６３】
駆動電流Ｉ＝１０Ａ、電流密度Ｊ＝２５ｋＡ／ｃｍ２、規格化駆動電流ｋ＝４２．７である。この場合、バンド端Ｂにおける波長幅ＷＢは、図示の如く、ピークの強度（ｄＢ）から−４０ｄＢ低下した位置の波長幅で表される。
【００６４】
図１４は、レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【００６５】
駆動電流Ｉ＝３０Ａ、電流密度Ｊ＝７５ｋＡ／ｃｍ２、規格化駆動電流ｋ＝１０６．８である。この場合、バンド端Ｂ、Ａにおける波長幅ＷＢ、ＷＡは、（ａ）、（ｂ）に示す如く、ピークの強度（ｄＢ）から−４０ｄＢ低下した位置の波長幅で表される。
【００６６】
図１５は、レーザ光の波長（ｎｍ）と強度（ｄＢ）の関係を示すグラフである。
【００６７】
駆動電流Ｉ＝６０Ａ、電流密度Ｊ＝１５０ｋＡ／ｃｍ２、規格化駆動電流ｋ＝２５６．４である。この場合、バンド端Ｂとバンド端Ａが合体した波長幅ＷＡＢは、図示の如く、ピークの強度（ｄＢ）から−４０ｄＢ低下した位置の波長幅で表される。
【００６８】
図１６は、駆動電流Ｉ（Ａ）、電流密度Ｊ（ｋＡ／ｃｍ２）及び規格化駆動電流ｋと、レーザ光の波長幅Ｗ（ｎｍ）との関係を示すグラフである（繰り返し周波数＝１ｋＨｚ）。また、図１７は、図１６に示したグラフのデータを示す図表である。
【００６９】
なお、駆動電流Ｉ（Ａ）、電流密度Ｊ（ｋＡ／ｃｍ２）及び規格化駆動電流ｋは比例している。規格化駆動電流ｋが２１．６以上の場合、バンド端Ｂにおける波長幅ＷＢは１ｎｍ以上となり、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＢは増加する。規格化駆動電流ｋが９１．１（直線で補間計算：Ｉ＝２１．１Ａ、Ｊ＝５２．８ｋＡ／ｃｍ２）以上になると、バンド端Ａにおける波長幅１ｎｍ以上のスペクトルも発生し、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＡは増加する。規格化駆動電流ｋが２１５．５以上になると、バンド端Ａ、Ｂのスペクトルが合体し、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＡＢは増加する。
【００７０】
以上のように、状態の変化する電流密度Ｊの境界値をＪ１＝１２．５ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝２１．６）、Ｊ２＝５２．８ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝９１．１）、Ｊ３＝１２５ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝２１５．５）とすると、バンド端Ｂのみが発振する電流密度Ｊの条件はＪ１≦Ｊであり、バンド端Ａ，Ｂの双方が発振する電流密度Ｊの条件はＪ２≦Ｊであり、バンド端Ａ，Ｂが合体する電流密度Ｊの条件はＪ３≦Ｊである。
【００７１】
次に、繰り返し周波数の影響を調べた。
【００７２】
図１８は、駆動電流Ｉ（Ａ）、電流密度Ｊ（ｋＡ／ｃｍ２）及び規格化駆動電流ｋと、レーザ光の波長幅Ｗ（ｎｍ）との関係を示すグラフである（繰り返し周波数＝１０ｋＨｚ）。また、図１９は、図１８に示したグラフのデータを示す図表である。
【００７３】
規格化駆動電流ｋが２１．６以上の場合、バンド端Ｂにおける波長幅ＷＢは１ｎｍ以上となり、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＢは増加する。規格化駆動電流ｋが８１．４（直線で補間計算：Ｉ＝１８．９Ａ、Ｊ＝４７．２ｋＡ／ｃｍ２）以上になると、バンド端Ａにおける波長幅１ｎｍ以上のスペクトルも発生し、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＡは増加する。規格化駆動電流ｋが２１５．５以上になると、バンド端Ａ、Ｂのスペクトルが合体し、駆動電流Ｉの増加に伴って、波長幅ＷＡＢは増加する。
【００７４】
以上のように、状態の変化する電流密度Ｊの境界値をＪ１＝１２．５ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝２１．６）、Ｊ２＝４７．２ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝８１．４）、Ｊ３＝１２５ｋＡ／ｃｍ２（ｋ＝２１５．５）とすると、バンド端Ｂのみが発振する電流密度Ｊの条件はＪ１≦Ｊであり、バンド端Ａ，Ｂの双方が発振する電流密度Ｊの条件はＪ２≦Ｊであり、バンド端Ａ，Ｂが合体する電流密度Ｊの条件はＪ３≦Ｊである。
【００７５】
図２０は、駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光の波長幅ＷＢ、ＷＡ，ＷＡＢ（ｎｍ）との関係を示すグラフである。繰り返し周波数を変化させても、バンド端Ｂにおける波長幅ＷＢ、バンド端が合体した波長幅ＷＡＢには殆ど変化がなく（図２０（ａ）、（ｃ））、バンド端Ａにおける波長幅ＷＡにおいて、誤差程度の僅かな変化が認められるのみである。したがって、繰り返し周波数の依存性は殆どなく、図２２を用いて説明したように、規格化駆動電流ｋとパルス幅Ｔによって、スペクトルの特性が決定されると見做すことができる。
【００７６】
図２１は、駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光の波長幅ＷＢ、ＷＡとの関係を、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ毎に示すグラフである。駆動電流Ｉは１５Ａ、電流密度Ｊは３７．５ｋＡ／ｃｍ２、規格化駆動電流は６４．７である。この場合、パルス幅Ｔを１００ｎｓ〜１μｓに変化させると、パルス幅Ｔが大きいほど、波長幅ＷＢ，ＷＡが増大する傾向が確認された。すなわち、パルス幅Ｔを大きくすれば、駆動電流を小さくしても、波長幅を広げることができる。なお、駆動電流が小さいと、発熱量が少なく、装置設計が簡略化されるという効果がある。
【００７７】
なお、パルス幅Tを１００ｎｓ、駆動電流Iを５０Ａ以上とすることで、波長範囲１５ｎｍ以上の広帯域のレーザ光を生成することができる。
【００７８】
図２２は、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ（ｎｍ）と、規格化駆動電流ｋとの関係を示すグラフである。上述のように、パルス幅Ｔを、１００ｎｓ〜１０００ｎｓに変化させた場合、規格化駆動電流ｋは、パルス幅Ｔが大きくなるほど、減少することが分かる。
【００７９】
図２３は、駆動電流Ｉ（Ａ）と、レーザ光の遠視野像のｘ軸方向のビーム広がり角の半値幅（ＦＷＨＭ（ｘ）（°））、ｙ軸方向のビーム広がり角の半値幅（ＦＷＨＭ（ｙ）（°））との関係を、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ毎に示すグラフである。
【００８０】
なお、ここでいうレーザ光の広がり角（ｘ軸方向）は、ｘｙ平面内における遠視野像のビーム強度が、ｘ軸に沿った分布において、光軸上のピーク強度の半分になる２つの位置のそれぞれと、円錐の頂点（光が出射する位置）の位置とを結ぶ２線分の成す角度（全角）で示した値（ＦＷＨＭ）とする。
【００８１】
同様に、レーザ光の広がり角（ｙ軸方向）は、ｘｙ平面内における遠視野像のビーム強度が、ｙ軸に沿った分布において、光軸上のピーク強度の半分になる２つの位置のそれぞれと、円錐の頂点（光が出射する位置）の位置とを結ぶ２線分の成す角度（全角）で示した値（ＦＷＨＭ）とする。
【００８２】
レーザ光の遠視野像を観察すると、パルス幅Ｔが１μｓ以上の場合、ビーム広がり角が大きくなるため、狭い広がり角のレーザ光を得るためには、パルス幅Ｔは５００ｎｓ以下が好ましい。以上により、従来では困難であった広帯域の波長掃引が可能となり、狭放射ビームを維持したままで、波長帯域１５ｎｍ以上の波長掃引が可能となる。また、ＰＣＳＥＬにより１°以下の狭放射ビームが得られるため、半導体レーザの光学系を簡略化出来、光軸調整が容易となる。また、透過型回折格子を用いた場合、レーザ素子に対して分光ユニットの入射面が垂直となるため、光学系のずれが生じにくいという利点がある。また、単一のレーザ素子を用いて、広帯域の波長走査を簡単に実現することができる。
【００８３】
なお、上述のレーザ光のビームパターンを観察した。
【００８４】
図２５は、レーザ光のビーム二次元パターンの写真の図２５（ａ）と、レーザ光の三次元形状を示す画像の図２５（ｂ）である。レーザ光は、図２５（ｂ）に示すように、概ね円錐状に放射される。図２５（ｂ）においては、概ね円錐状の頂点位置が、レーザビームの出射位置である。なお、駆動電流Ｉのパルス幅Ｔ＝１００ｎｓ、駆動電流Ｉの繰り返し周波数＝１ｋＨｚ、温度＝２０℃、駆動電流Ｉ＝６０Ａであり、光出力は３６．９Ｗである。
【００８５】
この場合、ｘ軸方向及びｙ軸方向のレーザ光の広がり角（上記ＦＷＨＭの場合）は、共に１°以下が得られた。なお、図２５（ｂ）に示すように、ｘ軸又はｙ軸に沿った遠視野像のビーム強度が、光軸上のピーク強度の１％以下のなる２点をと、上記円錐の頂点を結ぶ２線分の成す角度（全角）は、５°以下である。
【００８６】
なお、上述の広帯域のレーザ光は、極めて微小な時間毎では、狭波長域のレーザ光が出射されているが、波長が掃引されることで、広帯域のレーザ光が出射されている。したがって、したがって、これを積算することで連続的で広い波長帯域のレーザ光として利用でき、時間分解すれば、個別の波長のレーザ光を連続的かつ選択的に利用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
２…半導体基板、３…クラッド層、４…活性層、５…電子ブロック層、６…フォトニック結晶層（回折格子層）、７…クラッド層、８…コンタクト層、９，１０…電極、９ａ…反射防止膜、１１…絶縁膜、Ｄ…駆動回路、Ｃ…制御回路。
【図１】
2015162663.tif 000003
【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】
2015162663.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2015162663.tif 000019
【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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