(57)【要約】【課題】励起光を効率良く変換することにより効率の良い光励起多波長半導体レーザーを提供する。【解決手段】太陽光Ｌ−１を吸収する複数のクラッド層１１、１２、１３、１４と、これらに挟まれた複数のレーザー層１３、１７とを有するとともに、太陽光Ｌ−１の入射側に近いクラッド層１１から順に、各クラッド層１１乃至１４のバンドギャップエネルギー間隔が小さくなるように形成することにより、レーザー層１３、１７から異なる波長のレーザー光Ｌ２−１、Ｌ２−２を得るように構成したものである。【選択図】　図１
2004071921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を吸収する三層以上のクラッド層を有するとともに、前記光を励起光とするレーザー光を発生するよう隣り合う二つのクラッド層の間にそれぞれ形成した二層以上のレーザー層を有し、
さらに前記光が入射する最上層のクラッド層から順次、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差である各クラッド層のバンドギャップエネルギー間隔が同一又は小さくなるように構成したことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項２】
〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
複数のクラッド層とレーザー層とを基板の片側の面に形成したことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項３】
〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
複数のクラッド層とレーザー層とを基板の両側に形成するとともに、基板のバンドギャップエネルギー間隔は光入射側とこの光に対して裏側のバンドギャップエネルギー間隔との中間のバンドギャップエネルギー間隔になるようしたことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項４】
〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
レーザー層を挟む二つのクラッド層内のバンドギャップエネルギー間隔をクラッド層の厚さ方向で変化させてレーザー層に近い側のバンドギャップエネルギー間隔が小さくなるように構成したことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項５】
〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
各クラッド層内のバンドギャップ間隔が、各クラッド層内の膜厚方向で傾斜する傾斜バンド構造となるように構成したことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項６】
〔請求項５〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
各クラッド層内の不純物のドーピング量をその厚さ方向に変化させることで、バンドギャップ幅を厚さ方向に傾斜する構造としたことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項７】
〔請求項１〕乃至〔請求項６〕の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
光入射側最上部と反対側最下部の面に電極を設け、光入射側を透明電極として電源機能を持たせたことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項８】
〔請求項１〕乃至〔請求項７〕の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
異なるレーザー層から異なる２種類の波長のレーザー光をそれぞれ発光させ、両レーザー光を利用して一つの用途に供するようにしたことを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項９】
〔請求項８〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
一方のレーザー光は、赤色波長のレーザー光とし、他方のレーザー光は赤外波長のレーザー光を波長変換した緑乃至青色のレーザー光として、これら二種類の波長のレーザー光を用いて植物育成に適用することを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【請求項１０】
〔請求項１〕乃至〔請求項９〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
励起光は太陽光であることを特徴とする光励起多波長半導体レーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光励起多波長半導体レーザーに関し、特に太陽光をレーザー光や電力に変換して、レーザー光及び電力を得る場合に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術に係る太陽光励起半導体レーザーの提案は、文献［Ｓ．Ｕｎｎｉｋｒｉｓｈｎａｎ　ａｎｄ　Ｎ．Ｇ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ　：　Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ７４　（１９９３）　４２２１］　で示されている。これを図７に基づき説明する。なお、同図（ａ）は当該太陽光励起半導体レーザーの構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。同図（ａ）において、１は第１のクラッド層、２は第２のクラッド層、３はレーザー層、４は基板である。
【０００３】
この種の太陽光励起半導体レーザーは、バンドギャップエネルギー：Ｅｇ＝Ｅｃ−Ｅｖ（Ｅｃ：伝導帯エネルギー、Ｅｖ：価電子帯エネルギー）が大きい半導体の二層である第１及び第２のクラッド層１、２の間にバンドギャップの小さいレーザー層３（二つの導波路層３ａ、３ｂで量子井戸層３ｃを挟んだ層）を重ねた構成となっている。また、図７（ｂ）に点線で示したようにバンドギャップエネルギーが変化するバンドギャップエネルギー変化型クラッド層［Ｇ．Ａ．Ｌａｎｄｉｓ　：　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　９２　（１９９２）　２６１］、及びクラッド層を片側のみに配置した構成［Ｉ．Ｍ．Ｔｓｉｄｕｌｋｏ　：　Ｓｏｖ．ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　２２　（１９９２）　４６３］のものも提案されている。
【０００４】
かかる太陽光励起半導体レーザーにおいて、太陽光Ｌ１は第１及び第２のクラッド層１、２で吸収され、この結果バンドギャップエネルギーＥｇ以上のエネルギーＥｓの光子一個で伝導帯に電子一個と価電子帯に正孔一個が生成される。この対でエネルギーＥｇを持っている電子と正孔とをレーザー層３に集めて再結合させることによりレーザー光Ｌ２（光子エネルギーＥｌ）を得る。
【０００５】
太陽光Ｌ１は中心波長が可視光である緑色であるが、紫外光から赤外光にわたる広い範囲の光の集合である。一方、光の吸収はＥｓ＞Ｅｇで起こり、ＥｓがＥｇに近いと吸収係数が大きい。したがって、大部分の太陽光Ｌ１を吸収させる為には、大きいＥｓの光を吸収するには大きいＥｇの半導体のクラッド層１、２、小さいＥｓを吸収する為には小さいＥｇの半導体のクラッド層１、２が必要である。一方、レーザー層３のバンドギャップＥｌは全てのＥｇ（＜Ｅｓ）より小さく、エネルギー差Ｅｓ−Ｅｌを太陽光Ｌ１の光子全体で積分した値が熱エネルギーとなってクラッド層１、２の温度を上昇させる。ここで、導波層３ａ、３ｂはレーザー光Ｌ２を膜に平行方向に導くための屈折率の小さい層（バンドギャップの大きい半導体は屈折率が小さい）である。
【０００６】
さらに、この種の太陽光励起半導体レーザーでは、図７に示すように、発生した電子と正孔は同じ方向に運動する。このため、両者が引き合う確率が大きくレーザー層３に到達する前に再結合して消滅する成分があり、レーザー光Ｌ２以外の余分の迷光を発生する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如き従来技術に係る太陽光励起半導体レーザーには、次の様な解決すべき課題がある。
【０００８】
［課題１］
従来技術に係る太陽光励起半導体レーザーでは、利用する太陽光Ｌ１の幅を持った光子エネルギーの最小値より当該半導体レーザーの光子エネルギーが小さく、その差が熱エネルギーになるため、太陽光Ｌ１のレーザー光Ｌ２への変換効率は小さく、冷却すべき熱容量が大きくなる。
【０００９】
［課題２］
従来技術に係る太陽光励起半導体レーザーでは、ＥｃとＥｖとが互いに逆方向に傾斜してバンドギャップエネルギーＥｇが変化するバンド構造となっているので、電子と正孔が同一方向に移動して再結合する確率が多くなり、レーザー層３へ到達する電子や正孔が少なくなる。
【００１０】
［課題３］
この種の太陽光励起半導体レーザーの利用現場は、他のエネルギー源の無い無人島、砂漠、宇宙等である。このような利用現場でレーザー光Ｌ２を得るとともに、装置システムを運転制御するためには、必ず電源が必要となる。このため、，太陽電池と併用することになるが、一般に太陽電池単体の効率は、半導体レーザーの効率より低い。
【００１１】
［課題４］
植物育成にこの種の太陽光励起半導体レーザーを適用する場合、必要な赤色レーザーと緑乃至青色レーザーを別々の素子で単一波長レーザー光として発生させると、赤色レーザーでは太陽光の紫外部は非効率で赤外部分は捨てることになる反面、緑乃至青色レーザーでは大部分の太陽光の赤色から赤外光成分を捨てることになり、非常に効率が低い。
【００１２】
本発明は、上記従来技術に鑑み、上述の如き各課題を解決して、効率の良い光励起多波長半導体レーザーを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は、次の点を特徴とする。
【００１４】
１）　光を吸収する三層以上のクラッド層を有するとともに、前記光を励起光とするレーザー光を発生するよう隣り合う二つのクラッド層の間にそれぞれ形成した二層以上のレーザー層を有し、
さらに前記光が入射する最上層のクラッド層から順次、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差である各クラッド層のバンドギャップエネルギー間隔が同一又は小さくなるように構成したこと。
本発明によれば、広いエネルギー幅を持つ励起光の光子エネルギーを複数個の領域に分けて、各々の領域での最低エネルギーのレーザー光子として、多波長レーザーに変換することができ、それぞれのＥｓ−Ｅｌを小さくできて効率改善が得られる。ちなみに、広いエネルギー幅を持つ励起光の光子群Ｅｓを単一エネルギーのレーザー光子Ｅｌに変換すると、吸収した最もエネルギーの低い励起光の光子より更に低いレーザー光子に変換しなければならず、Ｅｓ−Ｅｌが大きくなり効率が低い。
【００１５】
２）　上記１）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
複数のクラッド層とレーザー層とを基板の片側の面に形成したこと。
【００１６】
３）　上記１）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
複数のクラッド層とレーザー層とを基板の両側に形成するとともに、基板のバンドギャップエネルギー間隔は光入射側とこの光に対して裏側のバンドギャップエネルギー間隔との中間のバンドギャップエネルギー間隔になるようしたこと。
本発明によれば、基板厚さの間隔を置いて複数のレーザー光の出射位置を離すことができ、多波長レーザー光の相互干渉を避けることができる。
【００１７】
４）　上記１）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
レーザー層を挟む二つのクラッド層内のバンドギャップエネルギー間隔をクラッド層の厚さ方向で変化させてレーザー層に近い側のバンドギャップエネルギー間隔が小さくなるように構成したこと。
【００１８】
５）　上記１）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
各クラッド層内のバンドギャップ間隔が、各クラッド層内の膜厚方向で傾斜する傾斜バンド構造となるように構成したこと。
本発明によれば、電子と正孔は逆向きに移動し、励起光の同一光子で発生した電子と正孔が相互に引き合う確率は小さく、再結合して迷光を発生することは少なくなり、更に効率良くレーザー発光が得られる。
【００１９】
６）　上記５）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
各クラッド層内の不純物のドーピング量をその厚さ方向に変化させることで、バンドギャップ幅を厚さ方向に傾斜する構造としたこと。
【００２０】
７）　上記１）乃至６）の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
光入射側最上部と反対側最下部の面に電極を設け、光入射側を透明電極として電源機能を持たせたこと。
本発明によれば、二つの電極から電力を取り出すことができ、その分高効率の多波長レーザー光を発生すると同時に、全体システムとして制御等に必要な電力も取り出せる素子となり、総合効率が向上する。
【００２１】
８）　上記１）乃至７）の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
異なるレーザー層から異なる２種類の波長のレーザー光をそれぞれ発光させ、両レーザー光を利用して一つの用途に供するようにしたこと。
【００２２】
９）　上記８）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
一方のレーザー光は、赤色波長のレーザー光とし、他方のレーザー光は赤外波長のレーザー光を波長変換した緑乃至青色のレーザー光として、これら二種類の波長のレーザー光を用いて植物育成に適用すること。
本発明によれば、植物育成に必要な二つの光、赤色と緑から青色の光を、夫々単一波長で発生させる当該光励起半導体レーザーより格段に効率良く得ることができる。
【００２３】
１０）　上記１）乃至９）に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、
励起光は太陽光であること。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、各実施の形態は太陽光を励起光とする太陽光励起多波長半導体レーザーとして説明するが、励起光は太陽光に限るものではない。ただ、太陽光のように、広範囲の波長分布を有する光を励起光とする場合に適用して最も顕著な効果を発揮し得る。
【００２５】
＜第１の実施の形態＞
図１（ａ）は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。同図（ａ）において、１１は第１のクラッド層、１２は第２のクラッド層、１３は第１のレーザー層、１４は基板、１５は第３のクラッド層、１６は第４のクラッド層、１７は第２のレーザー層である。さらに詳言すると、基板１４の太陽光Ｌ１側にバンドギャップエネルギーＥｇ１の大きい第１のクラッド層１１とＥｇ２（≒Ｅｇ１）の第２のクラッド層１２を配置し、両クラッド層１１、１２間に第１のレーザー層１３を形成している。ここで、バンドギャップエネルギーＥｇ１、Ｅｇ２は、その間の第１のレーザー層１３に向かって漸減するよう対向した勾配変化を持たせるある。
【００２６】
ここで、基板１４は第１及び第２のクラッド層１１、１２のバンドギャップエネルギーより大きいか、又は同一の透明部材で形成してあり、第１又は第２のクラッド層１１、１２で吸収されなかった光を通過させている。そして、基板１４の反対側には、バンドギャップエネルギーＥｇ３、Ｅｇ４（≒Ｅｇ３＜Ｅｇ１≒Ｅｇ２）が小さい第３のクラッド層１５、第４のクラッド層１６を配設するとともに、これら第３及び第４のクラッド層１５、１６間に第２のレーザー層１７を形成している。すなわち、基板１４の両面に２個の半導体レーザーを有するものとして形成してある。
【００２７】
かかる本形態においては、太陽光Ｌ１の短波長（高エネルギー光子）成分は第１及び第２のクラッド層１１、１２で吸収し、長波長（低エネルギー光子）成分は基板１４を透過して第３及び第４クラッド層１３、１４で吸収される。そして、第１のレーザー層１４ではバンドギャップエネルギーＥｇ１、Ｅｇ２に近い光子の短波長のレーザー光Ｌ２−１を、また第２のレーザー層１７ではバンドギャップエネルギーＥｇ３、Ｅｇ４に近い光子の長波長のレーザー光Ｌ２−２を発生する。ここで、レーザー光Ｌ２−１の光子エネルギーはバンドギャップエネルギーＥｇ１、Ｅｇ２に近く、レーザー光Ｌ２−２の光子エネルギーはバンドギャップエネルギーＥｇ３、Ｅｇ４に近いため、図７に示す従来技術に係る太陽光励起半導体レーザー比べて太陽光Ｌ１からレーザー光Ｌ２への光変換効率が改善される。
【００２８】
＜第２の実施の形態＞
図２（ａ）は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。同図（ａ）に示すように、本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーは、図１に示す第１の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーにおける第１のクラッド層１１、第２のクラッド層１２、第１のレーザー層１３、第３のクラッド層１５、第４のクラッド層１６及び第２のレーザー層１７を基板２４の片側に集中させて形成した点が異なるだけで、他の構成は全く同様である。
【００２９】
したがって、レーザー光Ｌ１−１、Ｌ１−２の発光原理等、基本的な機能は図１に示す太陽光励起多波長半導体レーザーと同様である。また、第１の実施の形態では中間のバンドギャップエネルギー等を持つ光吸収の少ない基板１４が必要であるが、本形態では任意のバンドギャップエネルギーを持つ基板２４を使用できる。また、レーザー光への変換効率としては、基板２４における光吸収がない分有利であるが、第１及び第２のレーザー層１３、１７の膜厚方向Ｘの位置が近接しているため、各レーザー層１３、１７で発生するレーザー光Ｌ２−１、Ｌ２−２を分離して利用するには、特別な工夫が必要になる場合がある。この点、第１の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーは、第１及び第２のレーザー層１３、１７が十分離れているのでその心配がない分、有利である。ちなみに、製作コストは、第１の実施の形態に係るものよりも、第２の実施の形態に係るものの方が安価である。
【００３０】
＜第３の実施の形態＞
図３（ａ）は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。同図（ａ）に示すように、本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーにおいては、基板３４の片側に三層のクラッド層３１、３２、３３をそれぞれ配置し、隣り合う二つのクラッド層（３１、３２）、（３２、３３）の間に、それぞれレーザー層３５、３６を配置した構造となっている。ここで、各クラッド層３１、３２、３３は不純物のドーピング濃度を変えて、図３（ｂ）に示すように、膜厚方向のバンドギャップエネルギーが平行に傾斜するように構成してある。また、各クラッド層３１、３２、３３のバンドギャップエネルギーＥｇ１、Ｅｇ２、Ｅｇ３は、Ｅｇ１＞Ｅｇ２＞Ｅｇ３となるように構成してある。クラッド層３１はｎ型ドーピングの濃度が大きく且つ太陽光Ｌ１側で大きくした変化（フェルミ準位に伝導帯エネルギーＥｃ１が近い）を持たせ、クラッド層３２はｎ型ドーピングの濃度が小さく同じ方向の濃度勾配（フェルミ準位がＥｇ２の中央より少し伝導帯Ｅｃ２側に寄っている）を持たせ、クラッド層３３はｐ型ドーピングの濃度が大きく太陽光Ｌ１と反対側で濃度が大きい勾配（フェルミ準位がＥｖ３に近い）を持たせてある。また、クラッド層３１の表面及び基板３４の裏面には電極３９、４０が設けてあり、両電極３９、４０間に発生する電圧を取り出すことにより電源としても機能し得るように構成している。なお、電極３９は太陽光が透過する透明体としておく。
【００３１】
本形態においては、上述の如きバンドギャップエネルギーの勾配で、太陽光Ｌ１の入射により発生する電子と正孔とは互いに反対方向に移動するので、移動中に再結合する確率は、これらが同方向に移動する、例えば図７に示す従来技術に係る太陽光励起半導体レーザーに比べて小さい。
【００３２】
また、本形態においては、クラッド層３１の正孔とクラッド層３２の電子がレーザー層３５に流れ込み、レーザー層３５で再結合して一方のレーザー光となる。同様にクラッド層３２の正孔とクラッド層３３の電子がレーザー層３６に流れ込み、レーザー層３６で再結合して他方のレーザー光となる。このとき、膜平行方向Ｙでレーザー層３５、３６の両側にブロッキング層３７、３８を設置してそれぞれの流れ込みをＹ軸上の狭い領域のレーザー層３５、３６に集めるとともに、二つのレーザー層３５、３６をＹ軸上で位置を変えて、二つのレーザー光の空間的分離を図っている。このことにより、レーザー光Ｌ２−１、Ｌ２−２の出射位置の膜厚方向Ｘに関する位置は近接していても、膜平行方向Ｙに関する位置を離すことができるので、二つのレーザー光Ｌ２−１、Ｌ２−２を容易に分離して利用し得る。
【００３３】
すなわち、半導体材料の選択でレーザー層３５、３６の膜平行方向Ｙにブロック層３７、３８を作り、基板３４の片側に複数のレーザー層３５、３６を形成する場合でも、膜平行方向Ｙの異なる位置で複数のレーザー光の発光位置を離して相互に干渉しない構造にしている。
【００３４】
レーザー層３５、３６のバンドギャップエネルギーは隣り合う二つのクラッド層（３１、３２）、（３２、３２）より小さい方が、電子と正孔がレーザー層３５、３６に閉じ込められて効率良く再結合する。
【００３５】
本形態では正孔の流失に対して壁となるステップ状電位差があり閉じ込めは良いが、電子は流れ込んでも更に出て行く可能性がある。しかし余りにバンドギャップエネルギーを小さくするとクラッド層３１、３２、３３のバンドギャップエネルギーＥｇに比べて２つのレーザー光のＥｌが小さくなり、Ｅｇ−Ｅｌが熱となるため効率が低下する。したがって、バンドギャップエネルギーＥｇに対するＥｌの差は、これら二つの効果で最適な値がある。本形態は正孔のレーザー層３５、３６内閉じ込めが良い例であるが、電子の閉じ込めを良くした構成も同様に有効である。
【００３６】
このとき、クラッド層３１の電子とクラッド層３３の正孔はレーザー層３５、３６へは流れ込まず、電極３９、４０へ流れ込むので、当該太陽光励起多波長半導体レーザーを電源としても利用できる。ちなみに、システムとして制御用電源は必ず必要となるので、レーザー発生と電力発生を同時に行い総合な効率をさらに向上させることができる。
【００３７】
＜第４の実施の形態＞
図４は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造自体は図３に示す太陽光励起多波長半導体レーザーと同様であるが、バンドエネルギー構造が異なる。すなわち、本形態は半導体材料を選定して、電子と正孔を同時にレーザー層３５、３６（図３参照。）に閉じ込めて漏れを除去し得るよう工夫したものである。クラッド層３１乃至３３内のドーピング濃度勾配を小さくすることにより、このようなバンドギャップエネルギー構造のものを形成することができる。ただ、勾配が小さくなると電子と正孔の移動速度が小さくなるので、レーザー層３５、３６に充分に供給できるという効果と閉じ込め効果の両者を考慮して最適な値を選定する。このことで高効率化を図り得る。
【００３８】
＜第５の実施の形態＞
図５は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図である。同図に示すように、本形態は、例えば図３に示す太陽光励起多波長半導体レーザーで第１段から第３段までの太陽光励起多波長半導体レーザーユニットＩ、ＩＩ、　ＩＩＩを形成し、これらの各光軸を一致させてタンデムに接続したものである。ここで、レーザー層３５からは、例えば赤色（６６０ｎｍ）のレーザー光Ｌ２−１を太陽光Ｌ１を励起光として直接得るとともに、レーザー層３６において太陽光Ｌ１を励起光として直接得る赤外領域（８９８ｎｍ）のレーザー光Ｌ２−２を非線形結晶である波長変換素子４１を通すことによ２倍高調波である波長が４５０ｎｍのレーザー光Ｌ２−３を得ている。なお、図中、４２は全反射ミラー、４３は出力側ミラー、４４は無反射膜である。
【００３９】
本形態によれば、植物育成に必要な赤色６６０ｎｍの光を太陽光Ｌ１から直接励起したレーザー光Ｌ２−１として得る一方、他の青色領域のレーザー光Ｌ２−３は、太陽光Ｌ１から直接励起した赤外領域（波長８９８ｎｍ）のレーザー光Ｌ２−２を二倍高調波に波長変換した４５０ｎｍのレーザー光として得ることができる。
【００４０】
さらに、本形態においては、太陽光励起多波長半導体レーザーの複数段をタンデムに接続（これは並列接続でも良い。）し、全体として一つの共振器を形成したものであるので、充分な強度のレーザ光ーＬ２−１、Ｌ２−３を得ることができる。ここで、一つのユニットをレーザー発振器とし、他の複数のユニットを増幅器とする構成としても所望の高出力のレーザー発振装置を構成することが可能である。
【００４１】
植物育成に寄与するのは、その大部分が赤色レーザー光で、青色（４５０ｎｍ）のレーザー光の強度は、赤色レーザー光の１／１０程度との実験データが報告されている。したがって、波長変換素子４１の効率を考慮して、適切な強度比を選定する。
【００４２】
なお、上記実施の形態においては、図３に示す太陽光励起多波長半導体レーザーで単位ユニットを形成したが、これに限るものでは、勿論ない。図１及び図２に示す太陽光励起多波長半導体レーザーであっても良い。いずれも、２種類のレーザー光Ｌ２−１、Ｌ２−２を照射することができるからである。
【００４３】
＜第６の実施の形態＞
図６は本形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図である。同図に示すように、本形態は、図３に示す太陽光励起多波長半導体レーザーを電源として利用するもので、所望の電圧を得るため、各太陽光励起多波長半導体レーザーを複数段（図では３段）、直列接続したものである。すなわち、隣接する太陽光励起多波長半導体レーザーユニットＩ、ＩＩ、　ＩＩＩの電極３９、４０を順次接続することにより最終段（図では第３段目）のユニットの電極３９と第１段目のユニットの電極４０との間に複数段の発電電圧を重畳した所望の電圧を得る。このように、複数段のユニットを直列接続することにより、単一ユニットで発生する電圧が小さくても所望の電圧を得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、光を吸収する三層以上のクラッド層を有するとともに、前記光を励起光とするレーザー光を発生するよう隣り合う二つのクラッド層の間にそれぞれ形成した二層以上のレーザー層を有し、さらに前記光が入射する最上層のクラッド層から順次、伝導帯と価電子帯とのエネルギー差である各クラッド層のバンドギャップエネルギー間隔が同一又は小さくなるように構成したので、
広いエネルギー幅を持つ励起光の光子エネルギーを複数個の領域に分けて、各々の領域での最低エネルギーのレーザー光子として、多波長レーザーに変換することができ、それぞれのＥｓ−Ｅｌを小さくできて効率改善が得られる。ちなみに、広いエネルギー幅を持つ励起光の光子群Ｅｓを単一エネルギーのレーザー光子Ｅｌに変換すると、吸収した最もエネルギーの低い励起光の光子より更に低いレーザー光子に変換しなければならず、Ｅｓ−Ｅｌが大きくなり効率が低い。
この結果、本発明によれば、励起光を光子エネルギーの異なる複数の領域に分けて、夫々の光子群に対して小さいが近い光子エネルギーのレーザー光を発生させることによりそれぞれの領域でのＥｓ−Ｅｌを小さくして変換効率は向上させることができ、その分素子内での損失熱を低減できる。
【００４５】
〔請求項２〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、複数のクラッド層とレーザー層とを基板の片側の面に形成したので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得る。また、クラッド層とレーザー層とを基板の片側の面に集中的に形成しているので、基板の材料に制限されない等、作製が容易になる。
【００４６】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、複数のクラッド層とレーザー層とを基板の両側に形成するとともに、基板のバンドギャップエネルギー間隔は光入射側とこの光に対して裏側のバンドギャップエネルギー間隔との中間のバンドギャップエネルギー間隔になるようにしたので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得る。また、複数のクラッド層とレーザー層とを基板の両側に分散して形成しているので、発生するレーザー光の分離が容易になるという効果を奏する。
【００４７】
〔請求項４〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、レーザー層を挟む二つのクラッド層内のバンドギャップエネルギー間隔をクラッド層の厚さ方向で変化させてレーザー層に近い側のバンドギャップエネルギー間隔が小さくなるように構成したので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得る。
【００４８】
〔請求項５〕に記載する発明は、〔請求項１〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、各クラッド層内のバンドギャップ間隔が、各クラッド層内の膜厚方向で傾斜する傾斜バンド構造となるように構成したので、
〔請求項１〕に記載する発明と同様の作用・効果を得る。さらに、励起光を吸収するクラッド層のバンドギャップＥｇ＝Ｅｃ−Ｅｖにおいて、Ｅｇを変えずに伝導帯エネルギーＥｃと価電子帯エネルギーＥｖを傾斜すると、電子と正孔を逆向きに移動でき、両者が引き合って再結合する確率を低下でき、レーザー層への流入量を増加できるので、電子と正孔とが同じ向きに移動するバンド構成よりさらに効率が良い半導体レーザーとなる。
【００４９】
〔請求項６〕に記載する発明は、〔請求項５〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、各クラッド層内の不純物のドーピング量をその厚さ方向に変化させることで、バンドギャップ幅を厚さ方向に傾斜する構造としたので、
〔請求項５〕に記載する発明を具体的に構成し得る。
【００５０】
〔請求項７〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項６〕の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、光入射側最上部と反対側最下部の面に電極を設け、光入射側を透明電極として電源機能を持たせたので、
励起光全体から複数のレーザー光と電力への変換の和が大きくなり、その分総合効率が改善される。
【００５１】
〔請求項８〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項７〕の何れか一つに記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、異なるレーザー層から異なる２種類の波長のレーザー光をそれぞれ発光させ、両レーザー光を利用して一つの用途に供するようにしたので、
一種類の励起光で用途に応じた複数のレーザー光を得ることができる。
【００５２】
〔請求項９〕に記載する発明は、〔請求項８〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、一方のレーザー光は、赤色波長のレーザー光とし、他方のレーザー光は赤外波長のレーザー光を波長変換した緑乃至青色のレーザー光として、これら二種類の波長のレーザー光を用いて植物育成に適用するので、
電源の無い場所での植物育成においては、赤色と緑から青色の二つの光源が必要であるが、一つの素子で赤色レーザーと赤外光レーザーを発光させ、さらに〔請求項７でシステム制御等に必要な電源を供給し、効率の良い植物育成システムを構築することができる。
【００５３】
〔請求項１０〕に記載する発明は、〔請求項１〕乃至〔請求項９〕に記載する光励起多波長半導体レーザーにおいて、励起光は太陽光であるので、
その光子エネルギーは紫外から赤外にわたる広い分布を持っており、広い範囲を吸収させると、単一波長発振のレーザー光では、この範囲の最低エネルギーの光子Ｅｓよりも小さいエネルギーのレーザー光子Ｅｌへ変換されるので、この差が、特に紫外太陽光で大きく、エネルギー差Ｅｓ−Ｅｌを各太陽光の光子にわたって積分すると大きな損失熱となる。太陽光を光子エネルギーの異なる複数の領域に分けて、夫々の光子群に対して小さいが近い光子エネルギーのレーザー光を発生させると、夫々の領域でのＥｓ−Ｅｌは小さくなり、変換効率は大きくなり、素子内での損失熱を低減できる。したがって、〔請求項１〕乃至〔請求項９〕に記載する発明の作用・効果を最も顕著なものとして得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーを示す図で、（ａ）はその構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーを示す図で、（ａ）はその構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーを示す図で、（ａ）はその構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る太陽光励起多波長半導体レーザーの構造を示す模式図である。
【図７】従来技術に係る太陽光励起多波長半導体レーザーを示す図で、（ａ）はその構造を示す模式図、（ｂ）はその膜厚方向のバンドエネルギーを示す特性図である。
【符号の説明】
１１　　　　第１のクラッド層
１２　　　　第２のクラッド層
１３　　　　第１のレーザー層
１４　　　　基板
１５　　　　第３のクラッド層
１６　　　　第４のクラッド層
１７　　　　第２のレーザー層
２４　　　　基板
３１、３２、３３　　　　クラッド層
３４　　　　基板
３５、３６　　　　レーザー層
３７、３８　　　　ブロック層
３９、４０　　　　電極
Ｌ−１　　　　太陽光
Ｌ−２　　　　レーザー光
【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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