(57)【要約】  本発明は、各々が、第1の端部ミラー2及び活性媒体3を形成している層構造1を有する、少なくとも2個の半導体利得素子20、21のアレイをもつ、拡張キャビティ半導体レーザデバイスに関する。デバイス内部にあるカップリング部品22は、半導体利得素子20、21の前記アレイによって発される基本波のレーザ照射光を、単一の複合レーザ光線25へと組み合わせる。第2の端部ミラー23は、第1の端部ミラー2を有する、拡張キャビティを形成するために、前記単一の複合レーザ光線23の少なくとも一部を前記カップリング部品22へと反射する。複数の拡張キャビティ半導体レーザのこのコヒーレントな結合によって、基本波の照射光をもつ単一光線が、増大した光強度、良好な光線プロフィール、及び狭いスペクトル帯域幅と共に生成される。増大した光強度をもつこの光線は、拡張キャビティ半導体レーザ部品のアレイの個々の光線よりも、アップコンバージョンを介した、又は第二高調波発生を介した周波数変換に非常によく適している。周波数変換の効率が、これ故非常に強化される。
2011503843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡張キャビティ半導体レーザデバイスであって、
−    各々が、第1の端部ミラー及び活性媒体を形成する層構造を有する、少なくとも2個の半導体利得素子のアレイと
−    前記半導体利得素子のアレイによって発される基本波のレーザ照射光を、単一の複合レーザ光線へと組み合わせるカップリング部品と、
−    前記第1の端部ミラーを有する拡張キャビティを形成するために、前記単一の複合レーザ光線の少なくとも一部を前記カップリング部品へと反射させる第2の端部ミラーと、
を有する、レーザデバイス。
【請求項２】
前記半導体利得素子が、VECSEL部品である、請求項１に記載のレーザデバイス。
【請求項３】
アップコンバートされたレーザ照射光又は第二高調波のレーザ照射光を生成する周波数変換媒体が、前記カップリング部品と前記第2の端部ミラーとの間にあり、前記第2の端部ミラーが、前記アップコンバートされたレーザ照射光に対する出射ミラーを形成するよう設計されている、請求項１又は２に記載のレーザデバイス。
【請求項４】
前記第2の端部ミラーが、前記基本波のレーザ照射光に対する出射ミラーを形成するよう設計されている、請求項１又は２に記載のレーザデバイス。
【請求項５】
アップコンバートされたレーザ照射光又は第二高調波のレーザ照射光を生成する周波数変換媒体が、出射される前記基本波のレーザ照射光のビーム経路にある、請求項４に記載のレーザデバイス。
【請求項６】
前記カップリング部品が、1つ又は複数の光線分割領域を有する、請求項１又は２に記載のレーザデバイス。
【請求項７】
前記カップリング部品が2つの対向する反射面を有し、第1の反射面は前記基本波のレーザ照射光に対して反射性が高く、第2の反射面は前記基本波のレーザ照射光に対して、40％と60％との間の反射率をもち、40％と60％との間の透過率をもつ、請求項１又は２に記載のレーザデバイス。
【請求項８】
前記カップリング部品が、前記第2の端部ミラーに取り付けられているか、さもなければ、前記第2の端部ミラーは、前記カップリング部品上にコーティングとして形成されている、請求項４に記載のレーザデバイス。
【請求項９】
前記第2の端部ミラーが平行移動ステージに取り付けられ、当該平行移動ステージは、前記第2の端部ミラーを移動させることによって前記レーザデバイスのキャビティ長を変化させることを可能にするように設計されている、請求項１又は２に記載のレーザデバイス。
【請求項１０】
光学検出器が、前記レーザデバイスから出射されたレーザ光線の強度を測定し、当該光学検出器は、前記デバイスから出射された前記レーザ照射光の強度を安定させる、及び/又は最大にするために、測定された強度に応じて前記平行移動ステージを制御する制御ユニットへ接続されている、請求項９に記載のレーザデバイス。
【請求項１１】
周波数変換媒体を前記キャビティの内部又は外部に備える、請求項１又は２に記載の少なくとも1個のレーザデバイスを有する、RGBレーザ光源。
【請求項１２】
光源として周波数変換媒体を前記キャビティの内部又は外部に備える、請求項１又は２に記載の少なくとも1個のレーザデバイスを有する、投射デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各々が、第1の端部ミラーと、活性媒体とを形成している層構造を有する、少なくとも2個の半導体利得素子のアレイをもつ、拡張キャビティ半導体レーザデバイスに関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
緑色の波長域の集積レーザ光源の欠如は、これまで、表示アプリケーション又は照明アプリケーション用のレーザの、広範囲にわたる使用を妨げてきた。今日では、緑色の波長域用に使用されるレーザ光源は、アップコンバージョンか、又は赤外レーザ光源の第二高調波の発生（SHG）の何れかによる周波数変換に依存している。周波数変換過程の効率化のためには、励起源の光強度が最大限重要である。アップコンバージョン・プロセスの変換効率は、ほとんどの場合、励起の強度に線形に依存する一方、第二高調波の発生は、励起強度に二次曲線的に依存さえする。これゆえ、高輝度光線を供する励起源が、効率の良い周波数変換用に非常に所望されている。
【０００３】
アップコンバージョン又は第二高調波生成に依存する非常にコンパクトな構成が、光学的、特に電気的に励起された表面発光型の半導体レーザで実現されることができる。斯様な、電気的に励起され、内部共振型の、周波数が2倍にされたレーザの例は、図1に示すように、拡張キャビティ（VECSEL：垂直に拡張されたキャビティ面発光レーザ）を備えた垂直キャビティ面発光レーザVCSELに基づいている。拡張キャビティの内部で、周波数を2倍にするクリスタルが、このVECSELからの赤外線照射光を可視照射光へと変換する。既知の周波数倍増クリスタルは、例えば周期的に分極されたニオブ酸リチウム（PPLN）、周期的に分極されたKTP（PPKTP）、又はBBO、BiBO、KTP、若しくはLBOのような、第二高調波発生用に概して使用される他の材料などの非線形材料から作られている。効率の良い周波数倍増のために、赤外線の高い出力密度、及び狭帯域の赤外線の動作が必要とされる。後者は、例えば体積ブラッグ格子VBGを出力カプラとして用いることによって実現され、当該格子は、赤外線を反射し、周波数が2倍にされた照射光を透過する。このVBGは、通常0.2nmのオーダーの狭い反射率帯域幅をもっている。部分的に透過するDBR（分散ブラッグ反射器）は、VECSELの活性媒体の内部共振側に通常配置され、この低利得デバイス用に、レーザの閾値を下げることが必要とされる。更にまた、第二高調波の照射光の効率の良い生成のために、赤外線レーザは、偏光されねばならない。何故ならば、第二高調波の生成プロセスは、通常1つの特定の偏光に対してのみ機能し、他の偏光方向をもつ赤外光は、第二高調波発生用に失われてしまうからである。赤外線レーザの偏光は、キャビティ内の何らかの種類の偏光の制御、例えば偏光ビームスプリッタ、又は適切な角度で置かれたミラーで実現される。この構成の更に複雑なものは、熱管理である。赤外線レーザは、出力パワーが殆ど一定のままで、約10℃の比較的幅広い動作範囲をもつ一方、非線形材料の温度は1℃未満の温度範囲内で制御されねばならない。
【０００４】
ガラス・ホストのアップコンバージョンが比較的幅広い吸収プロフィールを呈し、したがって励起ダイオードのスペクトル幅については低い要件のみをもつ一方、クリスタルのアップコンバージョン、特に第二高調波の生成は、狭帯域の励起源にとっては最も効率が良い。これ故、第二高調波発生レーザ用の幾つかの非常に複雑なアプローチが示唆され、励起ダイオードの帯域幅が、励起レーザ共振器内のフィルタ又は体積ブラッグ格子のような追加の光学要素によって、狭くされる。
【０００５】
熱的な拘束に起因して、単一デバイスの出力パワーは、多くの場合、数百mWに制限されている。より高い出力パワーを必要とするアプリケーション用に、複数の単一デバイスが、レーザアレイへと結合されている。この場合、全体のデバイスの電力変換効率は、単一のレーザ光源の電力変換効率と同じである。
【０００６】
別のアプローチが、米国特許公報US 5,131,002 Aで記述されている。この文書は、拡張キャビティ半導体レーザ・システムを開示しており、お互いに隔てられた複数の半導体材料のセグメントが、励起源のアレイによって励起される。この励起システムは、高出力のレーザ光線を供する一方、熱負荷を拡散する。拡張されたレーザキャビティ内部にある複数の活性媒体のセグメントの一連の動作が、結果として、出射されたレーザ光線の改善された光線品質にもなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、著しく狭いスペクトル帯域幅を有する、高出力の基本波のレーザ光線を生成する半導体レーザデバイス、特にVECSELデバイスを供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の拡張キャビティ半導体レーザデバイス、特にVECSELデバイスで達成される。デバイスの好都合な実施例が従属請求項の主題事項であり、さもなければ、後続する説明の部分で記述されている。
【０００９】
拡張キャビティ半導体レーザデバイスは、各々が第1の端部ミラーと、活性媒体とを形成している層構造を有する、少なくとも2個の半導体利得素子のアレイを有する。半導体利得素子の前記アレイによって発された基本波のレーザ光線を、単一の複合レーザ光線へと組み合わせるカップリング部品が、半導体利得素子のアレイと、前記第1の端部ミラーを備えた拡張キャビティを形成するために、単一の複合レーザ光の少なくとも一部を、前記カップリング部品へと戻すよう反射させる第2の端部ミラーとの間に配置される。最も好ましい態様では、拡張キャビティ半導体レーザデバイスは、半導体利得素子を代表するVCSEL部品のアレイに基づくVECSELデバイスである。これ故、提案されたレーザデバイス、及び当該デバイスの好都合な実施例が、VECSELの例を用いて以下に説明されている。にもかかわらず、本発明及び好ましい実施例は、例えば端発光レーザのような、他の拡張キャビティのレーザデバイスにも適用する。
【００１０】
アレイ状のVECSEL部品は、これらのVCSELの端部ミラーを形成しているDBRの中の1つが、追加された外部の端部ミラー無しにはレーザ発振が実現されない程度に部分的に透過させるという違い以外は、好ましくは、一般のVCSELと同じ構造をもっている。一次元のアレイ、又は二次元のアレイでもよい斯様なVECSEL部品のアレイは、VECSEL部品の全てに共通な単一基板で形成されることができる。更にまた、各々が単一のVECSEL部品、又は同部品のアレイは、動作中の熱放散用の適切な放熱器上に配置されてもよい。
【００１１】
本発明は、複数のVECSELレーザ光線の、強め合う干渉を介したコヒーレントな結合に基づいている。複数の異なるVECSEL部品の光線が、干渉性の光線結合器のように働くカップリング部品を介して重ね合わされる。当該光線結合器は、複数の異なるレーザ光線を1本の単一レーザ光線へと適切に組み合わせるために、1つ以上の光線分割領域を好ましくは供する。斯様な光線分割領域で、例えば2本のレーザ光線を組み合わせる場合、複数のレーザ光線の1本の一部が反射されるか、又は拡張キャビティの外部へと透過される。レーザは常に損失を最小にするモードで動作する傾向があるので、両方のレーザ光線間の干渉は、損失チャネルの光線は弱め合うよう干渉し、一方で、拡張キャビティ内の光線は強め合うよう干渉する態様で調整されることであろう。これ故、原理的には、実質的な損失が斯様なタイプのキャビティで予想される場合であっても、損失は弱め合う干渉によって回避され、2本のレーザ光線は強め合うように加えられ、両方の光線のコヒーレントな発光を結果として生じる。2つ以上のVECSEL部品のアレイを使用する場合、同じことが2本以上のレーザ光線の結合に対しても適用する。このコヒーレントな結合に起因して、有意なスペクトルの狭小化が実現される。何故ならば、すべての結合されたレーザは、異なる長さのレーザ共振器内で動作する間、共通の縦のキャビティ・モードを共有しなければならないからである。同じ論議が、横モードに対しても当てはまる。これ故、異なるVECSEL部品のコヒーレントな結合も、光線品質の実質的な改善となる。提案されたVECSELデバイスの出力は、当該デバイスに含まれるVECSEL部品の数と共に、対応して増大する。有意なスペクトルの狭小化、改善された光線品質、及びより高い基本波の照射光、好ましくは赤外光の光強度に起因して、提案されたレーザデバイスは、特に周波数変換クリスタルを例えば第二高調波の発生用のクリスタルとして使用する場合、内部共振型の、又は追加キャビティ型の周波数変換用に非常に好都合に使われることができる。
【００１２】
コヒーレントに結合されたレーザ光線のスペクトルの狭小化に起因して、キャビティの内部には、いかなる追加のスペクトル選択子の必要もない。これ故、体積ブラッグ格子よりも非常に単純な出射ミラーが使用されることができる。例えば、安価な広帯域誘電体ミラーが、光を出射するために用いられることができ、さもなければ、誘電体のコーティングが、光学的なカップリング部品の出射面に直接付与されることができ、複数のレーザ光線が結合される。提案されたレーザデバイスは、所望のレーザ光線を発生するための、非常にコンパクトな構造を可能にする。
【００１３】
例えば緑色の波長域において、周波数が2倍にされた照射光を生成するために、アップコンバートされたレーザ光線を発生する周波数変換媒体が、出射された基本波のレーザ光線のビーム経路内にある、結合されたレーザ部品の外部キャビティの外側に配置されることがある。この場合、デバイスの第2の端部ミラーは、前記基本波のレーザ照射光用の出射ミラーを形成するよう設計されている。即ち、当該ミラーは、一方では前記基本波のレーザ照射光を部分的に透過させるが、それにもかかわらず、レーザデバイスがレーザ閾値よりも上で動作することを可能にする。言うまでもなく、出射された基本波のレーザ光線は、1つ以上のレンズのような適切な光学要素によって、周波数変換媒体へと焦束されることができる。
【００１４】
周波数が2倍にされた照射光を生成する別の可能性は、周波数変換媒体を、デバイスのカップリング部品と第2の端部ミラーとの間に配置することである。この場合、第2の端部ミラーは、変換されたレーザ照射光に対して出射ミラーを形成するよう設計され、基本波のレーザ光線に対しては、高反射性であるよう設計される。
【００１５】
いずれの場合でも、すでにこの説明の冒頭の部分で記述されたように、周波数変換媒体は、周波数のアップコンバージョン用、又は第二高調波の発生クリスタル用にドーピングしたホスト材料でもよい。
【００１６】
カップリング部品は、2つの対向する反射面を、光線結合のために好ましくは有する。これらの表面の中の1つは、基本波のレーザ照射光に対しては反射性が高い（反射率≧95％）が、他の表面は、基本波のレーザ照射光に対して、40％と60％との間、好ましくは50％の反射率をもち、40％と60％との間、好ましくは50％の透過率をもつ。斯様なカップリング部品があると、多数のレーザ光線が、2つの対向する面間の複数回の内面反射を用いて、組み合わせられることができる。周波数のアップコンバージョンが、拡張キャビティの外側で行われる好都合な実施例では、カップリング部品は第2の端部ミラー、即ち、基本波の照射光用の出射ミラーに直接取り付けられるか、さもなければ、このミラーは、カップリング部品の出射面上への適切なコーティングによって形成される。これは結果として、非常に小さなデバイス全体構造になる。
【００１７】
更に好都合な実施例では、第2の端部ミラーは、拡張キャビティの長さを変化させるために第2の端部ミラーが移動することができるよう、平行移動ステージに取り付けられている。斯様な平行移動ステージは、適切なアクチュエータ、例えば圧電アクチュエータで形成されてもよい。出射されたレーザ照射光の強度を測定する光学検出器を使用する場合、レーザキャビティの長さは、測定された強度に基づいて、適切な制御ユニットによって変化させられることができる。斯様な構成があると、レーザデバイスの動作は、所望の特性、例えば最大出力強度、及び/又は安定動作をもつよう最適化されることができる。これは、キャビティ長の何らかの離調をも補正することを可能にする。当該離調は例えば、動作時にレーザデバイスの温度が変化し、半導体材料内で生じた屈折率の変化に起因して、外部キャビティの光学経路の長さが変化した場合に現れる。
【００１８】
周波数変換媒体を有する、提案されたレーザデバイスを使用した場合、緑色のレーザ光線が高出力で生成されることができる。これ故、斯様なデバイスが、RGBレーザ光源の部品の1つとして、又はレーザ投射デバイスの光源の1つとして、都合よく用いられることができる。
【００１９】
本発明のこれらの態様及び他の態様が、これ以降本願明細書で説明される複数の実施例を参照して明らかになり、解明されることであろう。
【００２０】
提案された半導体レーザデバイスが、請求項に記載された保護の範囲を限定すること無く、添付の図に関連した例の態様にて以下に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】内部で周波数を2倍にする、周知のVECSELデバイスの例を示す。
【図２】提案されたレーザデバイスの第1の例を概観的に示す。
【図３】提案されたレーザデバイスの第2の例を概観的に示す。
【図４】提案されたレーザデバイスの第3の例を概観的に示す。
【図５】提案されたレーザデバイスの第4の例を概観的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図1は、周知の内部共振型の周波数倍増機能を備えた、拡張キャビティ型の垂直面発光レーザVECSELの概観図を示す。当該レーザは、第1の端部ミラー2、活性層3、及び部分的に透過性があるDBR 4を有する層構造1で形成されている。例えばGaAsを主成分とした量子化井戸構造である活性層3が、第1の端部ミラー2及び部分的に透過性があるDBR 4を形成しているDBRの間に挟まれている。部分的に透過性があるDBR 4は、第1の端部ミラー2と、部分的に透過性があるDBR 4との間でのレーザ発振を回避するために、この低利得デバイス用に、レーザ閾値を下げることが必要とされる。電気接点5が、レーザ発振のために必要な電荷担体を注入するために、この層構造の両側に置かれている。拡張されたレーザキャビティが、延在しているミラー6と、第1の端部ミラー2との間に形成されている。延在しているミラー6は、拡張キャビティ内に配置されたSHGのクリスタル7に取り付けられている。この第2の端部ミラーは、活性層3によって発される基本波の赤外線に対しては高い反射性をもつよう設計されており、他方、周波数が2倍にされた可視照射光に対しては、出射ミラーを形成している。これ故、このレーザデバイスは、可視波長域のレーザ光線8を発する。当該レーザデバイスは、必要な熱放散のために、放熱器9に取り付けられている。更にまた、熱レンズ10が層構造内に示されている。この熱レンズ10は、熱的に誘起された屈折率変調に起因して、レーザデバイスの動作の間に生成され、結果として、第二高調波発生用のクリスタル7の内部で、内部共振型の基本波の光線のビームウエストを生じる。これも又、図1に示されている。偏光制御部11が、所望の偏光を周波数倍増用のクリスタル7が生成するために、拡張キャビティの内部で用いられている。この偏光制御部は、例えば偏光ビームスプリッタであることができる。
【００２３】
斯様なVECSELデバイスのレーザ出力は、このデバイスの熱発生に起因して制限されてしまう。更にまた、効率の良い第二高調波の生成を可能にするために、基本波のレーザ照射光をスペクトル的に狭くするために、複数の手段がとられなければならない。
【００２４】
図2は、基本波のレーザ照射光の著しく高い光強度を実現し、同時に、複雑な追加手段を必要することなく、基本波の照射光の狭いスペクトル帯域幅を確保する、本発明によるレーザデバイスの例を示す。斯様なレーザデバイスは、これ故、第二高調波の生成のようなアップコンバージョンに都合よく役立つ。提案されたデバイスは、共通の放熱器24、例えば銅板上に、並んで配置された2つの半導体利得素子20、同21を使用する。2つの半導体利得素子20、同21は、第1の端部ミラーと、活性媒体とを形成している層構造を有する。これらの半導体利得素子は、例えば、図1のVECSELの層構造1のように設計されてもよい。
【００２５】
これらの半導体利得素子20、同21によって発されたレーザ照射光は、単一のレーザ光線25を形成するために、カップリング部品22によって組み合わせられる。当該カップリング部品22は、一方の側は高い反射率のコーティングによって覆われ、反対側は、およそ50％の反射率を有するコーティングによって覆われている光学要素である（各々、基本波の赤外線に対して）。当該光学要素は、基本波の照射光に対して透明な材料、例えばガラス又は適切なプラスチック材料で作られている。励起ダイオードとも呼ばれる半導体利得素子20、同21からの照射光は、図2に描かれているように光学要素に入る。第1の半導体利得素子20の照射光は、キャビティの外側の、この部品の側面で部分的に反射される。光線ストッパ26が、出射された部分からのどのような損傷も回避するために、このビーム経路に配置されている。にもかかわらず、レーザデバイスの適当な動作で、照射光は当該光線ストッパ26には達しない。何故ならば、このビーム経路は、この方向に重ね合わされた2個の半導体利得素子のレーザ照射光の弱め合う干渉を被るからである。半導体利得素子20のレーザ照射光の他の部分は、単一ビーム25を形成するために、第2の半導体利得素子21の照射光と光学要素内で重ね合わされる。光学要素の他の側面上でのいかなる損失も回避するために、これらの表面は、高い反射率のコーティングで覆われているか、又は、図2に示すように、基本波の赤外線用の反射防止コーティングで覆われている。第2の端部ミラー23は、半導体利得素子20及び同21の第1の端部ミラーと共に、2つの拡張キャビティを形成する。この第2の端部ミラー23は、基本波の赤外線に対する出射ミラーとして設計されている。これ故、発生した基本波の照射光の一部は、このミラーで出射され、第二高調波の生成のために、第二高調波クリスタル27へと導かれる。本実施例では、この第二高調波クリスタル27はPPLNである。
【００２６】
図2から見てとることができ、上ですでに説明されたように、カップリング部品22に入る光は、高反射する側では全反射され、他の側では部分的に反射される。1つの発光器の部分的に反射された光線は、隣接する発光器の部分的に透過された光線と重ね合わされ、組み合わされた光線は、共振器内で同じ経路をたどる。2つ以上の半導体利得素子を並べた構成を用いる場合、カップリング部品22は、2つの対向する面の間での複数回の反射を可能にするために、適切に延伸されることができる。更にまた、複数の斯様なカップリング部品が連続的に配置されてもよい。
【００２７】
結合された結果として生じる、このレーザキャビティからの光線は、単一のVECSELのほぼ2倍のパワーをもっている。これは、第二高調波の照射光においては、ほぼ4倍のパワーの増加になる。更にまた、コヒーレントに結合されたレーザ光線の追加のスペクトル狭小化の必要がないので、出力結合ミラーは安価な広帯域の誘電体ミラーで形成されることができる。
【００２８】
提案されたレーザデバイスの更なる例が、図3に描かれている。この一体化された構成においては、すべての必要とされる光学的な機能が、適切に加工され、コーティングされた1個の光学デバイス上に集積されている。カップリング部品22は、2つの対向する面の間に伝送路（チャネル）を形成し、当該チャネルの1つは高い反射性をもち、他方は、図3に示すように基本波のレーザ光線に対しては、部分的に透過性をもつ。左の光線が最初に当たる表面は、高い反射コーティングで覆われており、一方、右の光線によって垂直に当たる最初の表面は、反射防止膜をもっている。両方の光線が45度で当たる第2の表面は、50％の反射率を有するコーティングをもち、両光線を組み合わせる。適切なガラス又はプラスチック材料で形成される出射ミラー23は、デバイスの最適動作に対して設計された出射程度に適する高さの反射率がある反射コーティングをもつ。半導体利得素子20、同21のアレイは、図2と同じものでもよい。
【００２９】
すでに説明されたように、提案されたレーザデバイスは、もちろん、外部共振型の周波数変換に限定されることはなく、レーザキャビティの内部で周波数変換する媒体で使われることもできる。斯様な内部共振型の周波数変換に対する構成が、図4でスケッチされている。このデバイスでは、周波数変換クリスタル27、例えばPPLNは、カップリング部品22と第2の端部ミラー23との間に配置されている。第2の端部ミラー23は、この例では、基本波の赤外線に対しては反射率が高く、可視波長範囲に生成された第二高調波の照射光に対しては透過率が高いよう設計されている。更にまた、カップリング部品22の表面が、図に示すように、この可視照射光に対しては反射率が高いよう被覆されている。半導体利得素子20、同21のアレイは、以前の図2及び図3と同じものでもよい。
【００３０】
ここで、上で説明したようなコヒーレントに結合された構成の2つのVECSELレーザを、詳細に考察しよう。すでに述べたように、拡張キャビティは、両方のレーザデバイスに対して異なる長さ（光路長）をもつ。L1を、より短い拡張キャビティを有するVECSELに対するレーザキャビティの光学長さであるとする。第2のレーザの拡張キャビティは、すると、長さL2＝L1＋Dをもつであろう。追加された長さDは、アレイ上にある両方の半導体利得素子の間の幾何学的な距離によって、大部分が与えられるが、しかし、カップリングデバイス内の2本の光線間の光学的な路程差も考慮している。2本のレーザの最適な結合のために、2本のレーザの縦方向のキャビティ・モードの周波数の重なり合いが順守されねばならない。時には自由スペクトル領域FSRとも呼ばれている、レーザキャビティの縦モードの周波数間隔が、次式によって与えられる：
2011503843.tif 000003
ここで、c：光速、L：キャビティ長さ
【００３１】
縦モードの（半値）幅は、以下の式を介して共振器のフィネッセFに依存する：
2011503843.tif 000004
ここで、当該フィネッセFは、次式のように、拡張キャビティをそれぞれ規定している2つのミラーの反射率R1及び同R2によって決定される：
2011503843.tif 000005
【００３２】
概して、2つのキャビティが異なる長さをもち、縦モードの線幅
2011503843.tif 000006
は、通常、非常に小さいので、結合された2つのキャビティからの2つの縦モードが、レーザ利得プロフィールのスペクトル幅内で完全に重なり合うことは予期されることができない。
【００３３】
例として、両キャビティに対してR1＝99.8％、R2＝99.5％、及びキャビティ長がそれぞれL1＝8mm、L2＝13mmを有する一般的な設計例を考慮しよう。すると、両方のキャビティのフィネッセは、
2011503843.tif 000007
となり、自由スペクトル域は、より短いキャビティに対して
2011503843.tif 000008
、より長いキャビティに対して
2011503843.tif 000009
となる。線幅は、より短いキャビティに対して
2011503843.tif 000010
、及びより長いキャビティに対して
2011503843.tif 000011
と、かなり小さく、結合された2つのキャビティの少なくとも2つの縦モードが相互にマッチすることを確実にするために、追加の手段が好ましくはとられる。
【００３４】
上記の例では、非常に高度なフィネッセがデバイスに用いられ、半導体レーザで生成された赤外線は直接使われるのではなく、例えばSHG又はアップコンバージョンを用いて、拡張キャビティ内で、他の、好ましくは可視の波長へと変換される。ここで、出射ミラーの反射率は、拡張キャビティ内で考えられる最も高い赤外線強度と、考えられる最も低いレーザ閾値とを実現するために、可能な限り高く選択される。生成された赤外線のレーザ光が直接使われるアプリケーションでは、赤外線に対しては出射する程度がより高い、より低い値の出射ミラーの反射率R2が選択され、より低いフィネッセを結果として生じることであろう。しかし、フィネッセ
2011503843.tif 000012
を結果として生じる、例えばR2＝80％の反射率があったとしても、追加の手段が、縦モードの周波数の重なりを最適化するために好都合であろう。
【００３５】
図5は、上記の手段がとられる更なる例を示す。この例は、図4とほぼ同一である。これ故、図4と同じ部品は、同じ引用符号にラベル付けされており、これらの部品について、再度説明はされない。図4のデバイスに対する違いは平行移動ステージ28であり、当該ステージに第2の端部ミラー23が取り付けられている。この平行移動ステージ28は圧電アクチュエータでもよく、両方の拡張キャビティの長さを変化させることを可能にする。必要とされるキャビティの長さは、例えばフォトダイオードの助けを借りて、出射された赤外光の出力パワーの測定、又は生成された可視照射光の出力パワーの測定の何れかによって制御される。この検出器は、平行移動ステージ28を介して出射ミラー23の縦方向の位置を制御する制御ユニットに、適切なフィードバック信号を提供する。
【００３６】
以下の考察から、関与する2つの縦モードの最適な重なりが実現され得ることを確実にするのに必要な、平行移動ステージ28の最小限の縦方向の同調範囲を得る。2個の結合されたレーザデバイスの2つの縦モードが理想的にマッチする場合を考慮しよう。縦方向のキャビティ・モードの波長が、共振器長が、両方のキャビティに対して、半波長の整数倍であるとの境界条件によって、次式にて与えられる：
2011503843.tif 000013
及び
2011503843.tif 000014
【００３７】
整数 m1及びm2は、いわゆる縦モードの次数を表し、マッチングモードの次数は、次式の関係を満足する：
2011503843.tif 000015
上式は、より短いキャビティが、より長いキャビティよりも低いモード次数をもつことも示している（m1＜m2）。
【００３８】
ここで、2つの結合されたキャビティの長さの変化ΔLを結果として生じる、出射ミラーの動きを考察しよう。各縦モードに対して、結果として生じる波長シフトは、次式にて表わされる：
2011503843.tif 000016
【００３９】
波長シフトは、モードの次数に対して逆比例するので、より短いキャビティの縦モードは、より長いキャビティの縦モードよりも波長が、より急速にシフトすることであろう。キャビティ長をΔLだけ増加させた後、下式の条件を満たす、第1のキャビティからのモード次数m1が第2のキャビティのモード次数（m2-1）と一致する場合、隣接する縦モードの次のマッチングが、実現されることであろう。
2011503843.tif 000017
【００４０】
式（1）の式（3）への代入は、いくつかの計算の後、平行移動ステージに対して必要な最大の縦方向の同調範囲を得る：
2011503843.tif 000018
ここで、
2011503843.tif 000019
【００４１】
上記の所与の例の一般的な数（L1＝8mm、L2＝13mm、D＝5mm）を使用し、一般的な赤外線の波長をλ=1μmと看做すことによって、m1＝16000、m2＝26000、
2011503843.tif 000020
、及び最後に
2011503843.tif 000021
、を得る。2つのコヒーレントなキャビティの縦モードが重なり合う共鳴波長は、式（2）によって
2011503843.tif 000022
だけシフトする。このシフトは、通常の態様では、半導体レーザ材料の利得幅以下である。
【００４２】
本発明が、図及びこれまでの記述で、詳細に例示され、及び説明され、斯様な図例及び説明は例示的又は典型的であると看做され、拘束性はないと看做される一方、本発明は開示された実施例に限定されることはない。請求項中で、及び上で説明された種々異なる実施例は、組み合わせられることもできる。開示された実施例に対する他のバリエーションが、図、開示物、及び添付の請求項の範囲の学習から、請求された本発明を実施する際の当業者によって理解され、実行されることができる。例えば、提案された構成は、半導体利得素子の線形なアレイ、又は2個の半導体利得素子のみに限定されることはなく、二次元のアレイ、又はより多数の半導体利得素子を有するアレイと共に使われることもできる。更にまた、VCSELベースの構造のみでなく、端発光のレーザ構造のような他の構造も、同様の長所を実現するために用いられることができる。正確な層構造の構築は、開示された長所を実現するためには重要ではなく、これ故、第1の端部ミラー及び能動的な利得媒体を形成する種々異なる層構造体が、周知のように使われることができる。
【００４３】
請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを除外することはなく、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を除外することはない。複数の手段が相互に種々異なる従属請求項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示してはいない。請求項中の引用符号は、これらの請求項の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。
【符号の説明】
【００４４】
1      層構造
2      第1の端部ミラー（DBR）
3      活性層
4      部分的に透過性があるDBR
5      電気的接点
6      第2の端部ミラー
7      SHGクリスタル
8      出射されたレーザ光線
9      放熱器
10      熱レンズ
11      偏光制御
20      第1の半導体利得素子
21      第2の半導体利得素子
22      カップリング部品
23      第2の端部ミラー（出射ミラー）
24      放熱器
25      組み合わされた単一のレーザ光線
26      光線ストッパ
27      SHGクリスタル
28      平行移動ステージ
【図１】
2011503843.tif 000023
【図２】
2011503843.tif 000024
【図３】
2011503843.tif 000025
【図４】
2011503843.tif 000026
【図５】
2011503843.tif 000027
【国際調査報告】
2011503843.tif 000028
2011503843.tif 000029
2011503843.tif 000030