(57)【要約】【課題】高出力半導体レーザーのビーム品質、発振スペクトルを改善する、ブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法を提供する。【解決手段】半導体レーザー１の活性層２から出力されるレーザーは、コリメータ３レンズにより平行光にされ反射鏡４で反射されて図の上方に出力ビームとして照射される。一方、コリメータレンズ３からのレーザービームの一部は、コリメータレンズ３から見て、おおよそ焦点距離だけ離れた遠視野位置（フーリエ面）に配置されたスリット５などの素子と回折格子の鏡６により形成される空間フィルターを介して、半導体レーザー１の活性層２にフィードバックする。発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善される。【選択図】　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高出力半導体レーザーの遠視野位置に配置した回折格子からなる空間フィルターにより、レーザービームの一部を空間的に取り出し、半導体レーザーにフィードバックすることを特徴とするブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法。
【請求項２】
高出力半導体レーザーの遠視野位置に配置したスリットと回折格子からなる空間フィルターにより、レーザービームの一部を空間的に取り出し、半導体レーザーにフィードバックすることを特徴とするブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法。
【請求項３】
前記回折格子は選択波長素子と反射鏡からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折格子フィードバック空間フィルタリング法によるブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年における半導体レーザーの高出力化の進展は目覚ましく、５Ｗクラスのシングルストライプ半導体レーザーもすでに市販されている。半導体レーザーを高出力化するには、活性層であるストライプ層の幅を広げる方法が一般的である。ブロードストライプ型半導体レーザーは、高出力であるが空間的、時間的ともに多モード発振してしまい、コヒーレンスが悪い。このことにより、ビーム品質低下や発振スペクトル線幅の増大は避けられず、結果として、高出力半導体レーザーの用途は大きく制限されている。
【０００３】
他の高出力化の手段として、フィードバック光学系では鏡を用いていたが、レーザービーム品質や発振スペクトルの安定性が非常に悪く実用的ではなかった。また、フーリエ光学系を用いない回折格子によるフィードバック光学系も提案されているが、この場合には、ビーム品質の改善効果は極めて低かった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の半導体レーザーの高出力化を図る手段はビーム品質低下や発振スペクトル線幅の増大という問題があって、半導体レーザーの用途に制約があり、より効果的なコヒーレンスの制御手段が求められていた。そこで、本発明はフイードバック光学系であって、高出力半導体レーザーのビーム品質、発振スペクトルを改善する、ブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係るブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法は、高出力半導体レーザーの遠視野位置に配置した回折格子の空間フィルターを用いて、レーザービームの一部を空間的に取り出し、半導体レーザーにフィードバックする構成とした。
【０００６】
本発明の請求項２に係るブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法は、高出力半導体レーザーの遠視野位置に配置したスリットと回折格子からなる空間フィルターを用いて、レーザービームの一部を空間的に取り出し、半導体レーザーにフィードバックする構成した。
【０００７】
こうして、回折格子によって選び出された空間モードを半導体レーザーに戻しフィードバックをかけると、半導体レーザーはフィードバックしてきた空間モードにとって増幅器として働き、この結果、発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善される。同時に、発振スペクトル幅もほぼ完全に縦シングルモード発振が実現できるので、広範な産業上の利用が可能となる。
【０００８】
本発明の請求項３に係るブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法は、高出力半導体レーザーの遠視野位置に配置したスリットと選択波長素子と反射鏡からなる空間フィルターを用いて、レーザービームの一部を空間的に取り出し、半導体レーザーにフィードバックする構成した。
【０００９】
こうして、選択波長素子と反射鏡によって選び出された空間モードを半導体レーザーに戻しフィードバックをかけると、半導体レーザーはフィードバックしてきた空間モードにとって増幅器として働き、この結果、発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善される。同時に、発振スペクトル幅もほぼ完全に縦シングルモード発振が実現できるので、広範な産業上の利用が可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は半導体レーザーの遠視野位置（フーリエ面）に配置した回折格子とスリットなどの空間フィルターを用いて、レーザービームの一部をレーザーに戻すフイードバック光学系で高出力半導体レーザーのビーム品質、発振スペクトルを改善するものである。
【００１１】
本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１は本発明のフイードバック光学系の原理図である。図１（Ａ）において、１は半導体レーザー（レーザーダイオード）、２は活性層、３はコリメータレンズ、４反射鏡（ミラー）、５はスリット、６は回折格子として作用する鏡（ミラー）である。図１（Ｂ）は活性層へのレーザービームのフィードバックと制御されたレーザービームの出力状態の模式図を示す。
【００１２】
半導体レーザー１の活性層２から出力されるレーザーは、コリメータレンズ３により平行光にされ反射鏡４で反射されて図の上方に出力ビームとして照射される。一方、コリメータレンズ３からのレーザービームの一部は、コリメータレンズ３から見て、おおよそ焦点距離だけ離れた遠視野位置（フーリエ面）に配置されたスリット５などの素子と回折格子の鏡６により形成される空間フィルターを介して、半導体レーザー１の活性層２にフィードバックする。
【００１３】
このスリット５などの素子は空間フィルターとして働きレーザーの特定の空間モードのみを選択的に選び出す。選び出された空間モードを半導体レーザーの活性層２にフィードバックをかけることにより、半導体レーザーはフィードバックしてきた空間モードにとって増幅器として働き、特定の空間モードのみで発振し始める。この結果、レーザーのビーム品質が大幅に改善する。
【００１４】
このように、本発明の特徴は、回折格子を周波数選択素子として用いると同時に空間フィルターとして併用するフィードバック光学系を利用し、ブロードストライプ型半導体レーザーの時間モードと空間モードを同時に高コヒーレント化することである。このことで、レーザーのビーム品質を安定化させることができると同時にレーザーを縦シングルモード発振させることができる。
【００１５】
次に、発明者等が試作した具体例により本発明を説明する。実施に当たり使用したブロードストライプ型半導体レーザー（Ｓｏｎｙ：ＳＬＤ３０４ＸＴ）は出力１Ｗ　、発振中心波長８０９ｎｍである。図２は第１の実施態様であり、１は半導体レーザー、２は活性層、６は回折格子として作用する鏡、７はロッドレンズ、８はシリンドリカルレンズである。
【００１６】
半導体レーザー１の活性層２から出力されるレーザーは、ロッドレンズ７、シリンドリカルレンズ８により平行光にされ、レンズ８から見て、おおよそ焦点距離だけ離れた遠視野位置（フーリエ面）に配置された回折格子の鏡６により形成される空間フィルターを介して、レーザーの遠視野像の一部を半導体レーザー１の活性層２にフィードバックする。
【００１７】
半導体レーザー１はフィードバックされた空間モードにとって増幅器として働き、特定の空間モードのみで発振し始める。この結果を、図３の遠視野像と呼ばれる発光パターンにより、フィードバックをかけないフリーランニングの場合と比較する。
【００１８】
図３（Ａ）にフィードバックをかけないフリーランニングの発光パターンを示し、出力は５８０ｍＷで、拡がり角度は１０．９°である。これに対し、本発明の実施態様での発光パターンは図３（Ｂ）に示すように、出力は４７０ｍＷとなるが、拡がり角度は１．２°となる。
【００１９】
また、図４（Ａ）は発振スペクトルを示し、点線はフリーランニングの場合であるが、実線は本発明の実施態様での発振スペクトルである。図４（Ｂ）は時間経過に対する波長と線幅を示す。このことより、発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善されていることが判明した。
【００２０】
図５は本発明の第２の実施態様であり、１は半導体レーザー、２は活性層、５はスリット、６は回折格子として作用する鏡、７はロッドレンズ、８はシリンドリカルレンズである。
【００２１】
半導体レーザー１の活性層２から出力されるレーザーは、ロッドレンズ７、シリンドリカルレンズ８により平行光にされ、レンズ８から見て、おおよそ焦点距離だけ離れた遠視野位置（フーリエ面）に配置されたスリット５及び回折格子の鏡６により形成される空間フィルターを介して、レーザーの遠視野像の一部を半導体レーザー１の活性層２にフィードバックする。
【００２２】
半導体レーザー１はフィードバックされた空間モードにとって増幅器として働き、特定の空間モードのみで発振する。この結果を、図６の遠視野像と呼ばれる発光パターンにより、フィードバックをかけないフリーランニングの場合と比較する。
【００２３】
図６（Ａ）にフィードバックをかけないフリーランニングの発光パターンを示し、出力は６７５ｍＷで、拡がり角度は約１０°である。これに対し、本発明の実施態様での発光パターンは図６（Ｂ）に示すように、出力は４４５ｍＷとなるが、拡がり角度は１．５°となる。
【００２４】
また、図７（Ａ）は発振スペクトルを示し、点線はフリーランニングの場合であるが、実線は本発明の実施態様での発振スペクトルである。図７（Ｂ）は時間経過に対する波長と線幅を示す。このことより、発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善されていることが判明した。
【００２５】
即ち、フィードバックのかかった半導体レーザー１の出力ビームのコヒーレンスは、フリーランニング時の発振スペクトル幅に対して約１／５、ビームの広がり角に対して約１／１０まで大幅に改善された。また、この時の出力パワーはフリーランニング時の約８０％を維持させることができた。
【００２６】
本発明の回折格子は波長選択素子と鏡を兼ねているので、回折格子をバラして構成しても同等の効果が得られるので、エタロン、複屈折フィルター等の波長選択素子と鏡を用いて本発明のブロードストライプ型半導体レーザーのコヒーレンス制御方法を構成することができる。
【００２７】
図８は本発明の第３の実施態様であり、１は半導体レーザー、２は活性層、３はコリメータレンズ、４反射鏡、５はスリット、６は反射鏡（ミラー）である。９はエタロン、複屈折フィルター等の波長選択素子である。
【００２８】
半導体レーザー１の活性層２から出力されるレーザーは、コリメータレンズ３により平行光にされ反射鏡４で反射されて図の上方に出力ビームとして照射される。一方、コリメータレンズ３からのレーザービームの一部は、コリメータレンズ３から見て、おおよそ焦点距離だけ離れた遠視野位置に配置されたスリット５とエタロン、複屈折フィルター等の波長選択素子９と反射鏡６により形成される空間フィルターを介して、半導体レーザー１の活性層２にフィードバックする。
【００２９】
このスリット５とエタロン、複屈折フィルター等の波長選択素子９と反射鏡６により形成される構成は空間フィルターとして働きレーザーの特定の空間モードのみを選択的に選び出す。選び出された空間モードを半導体レーザーの活性層２にフィードバックをかけることにより、半導体レーザーはフィードバックしてきた空間モードにとって増幅器として働き、特定の空間モードのみで発振し始める
。
【００３０】
このように、本発明の半導体レーザーのコヒーレンス制御は、レーザ光を平行光にするレンズから見てほぼ焦点距離だけ離れた遠視野位置　（フーリエ面）に、回折格子又はスリットや回折格子又はスリットや回折格子と同等の働きをする波長選択素子と反射鏡を配置することにより、これらが空間フィルターとして働き、レーザーの特定空間モードのみを選択し、スリット後方に配置された回折格子によって、選び出された空間モードを半導体レーザーに戻すフィードバックをかけると、半導体レーザーはフィードバックしてきた空間モードにとって増幅器として働き、この結果、レーザーのビーム品質が大幅に改善すると共に、縦シングルモードを発振させることができるものである。
【００３１】
こうして得られる半導体レーザーは、半導体レーザー励起固体レーザーの高効率化、シングルモード光、ファイバーへの高効率光結合、半導体レーザーによるレーザー加工、レーザー治療、光通信システムのファイバー増幅器の高効率励起等の広範な産業上の利用が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように本発明は、発振スペクトルの狭窄化とレーザービームの安定性が向上し、レーザーのビーム品質が大幅に改善される。この結果、ＩＳＯ標準尺度であるＭ２　値で３０〜５０（回折限界の３０〜５０倍）であるビーム品質が、新規開発した光学系を用いることで、Ｍ２　＝１（回折限界）近くまで大幅に改善できる。同時に、発振スペクトル幅もほぼ完全に縦シングルモード発振が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフイードバック光学系の原理図。
【図２】本発明の第１の実施態様図。
【図３】発光パターンと時間経過と波長・線幅関係図。
【図４】発振スペクトル図。
【図５】本発明の第２の実施態様図。
【図６】発光パターン図。
【図７】発光パターンと時間と波長・線幅関係図。
【図８】本発明の第３の実施態様図。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　　　　　　　　半導体レーザー
２　　　　　　　　　　　　　　　　活性層
３　　　　　　　　　　　　　　　　コリメータレンズ
４　　　　　　　　　　　　　　　　反射鏡
５　　　　　　　　　　　　　　　　スリット
６　　　　　　　　　　　　　　　　回折格子（鏡）
７　　　　　　　　　　　　　　　　ロッドレンズ
８　　　　　　　　　　　　　　　　シリンドリカルレンズ
９　　　　　　　　　　　　　　　　波長選択素子
【図１】
2004071775.tif 000003
【図２】
2004071775.tif 000004
【図３】
2004071775.tif 000005
【図４】
2004071775.tif 000006
【図５】
2004071775.tif 000007
【図６】
2004071775.tif 000008
【図７】
2004071775.tif 000009
【図８】
2004071775.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月24日(2003.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2004071775.tif 000011
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2004071775.tif 000012