(57)【要約】【課題】半導体レーザーやスラブ型の固体レーザーなどからの扁平な出射ビームのように伝搬軸に垂直な断面上での光強度の分布に大きな非軸対称性が存在する場合、球面レンズなどの通常の軸対称光学系によっては、これを軸対称な基本ガウスモード分布に整形することができないため、そのような出射ビームを軸対称な基本ガウスモード分布に整形するには複雑で嵩ばる光学系が必要であった。【解決手段】本発明では、飽和光非線形媒質空間に安定に存在する空間ソリトンの光学非線形な性質を利用した小形の飽和非線形ビーム整形素子を用いることにより、複雑な光学系を使用することなく、非軸対称な分布の軸対称ガウス分布への変換・整形を可能としている。【選択図】図１
2005122157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の伝搬軸に関して軸対称でない分布を持つ光ビームを飽和非線形媒質の物体中を伝搬させることにより軸対称な基本ガウスモード分布を持つ光ビームに変換して整形することを特徴とする光ビーム整形方法。
【請求項２】
軸対称でない分布を持つ光ビームの伝搬路上に置かれる飽和非線形媒質の物体であって、前記軸対称でない分布を持つ光ビームをその物体中を通過させることにより軸対称な基本ガウスモード分布を持つ光ビームに変換して整形することを特徴とするビーム整形素子。
【請求項３】
請求項２に記載のビーム整形素子を半導体レーザーの光ビーム出射面に光学的に密着して位置させたことを特徴とする整形ビーム発生装置。
【請求項４】
請求項２に記載のビーム整形素子をスラブ型固体レーザーの光ビーム出射面にエアスペースを介して配置したことを特徴とする整形ビーム発生装置。
【請求項５】
請求項２における前記ビーム整形素子の飽和非線形媒質の物体が多重量子井戸構造半導体である整形ビーム発生装置。
【請求項６】
請求項２のビーム整形素子と半導体レーザーとをモノリシックに集積化したことを特徴とする整形ビーム発生装置。
【請求項７】
バルク半導体をビーム整形素子として用いることを特徴とする請求項４に記載の整形ビーム発生装置。
【請求項８】
前記ビーム整形素子が非線形結晶であることを特徴とする請求項４に記載の整形ビーム発生装置。
【請求項９】
前記ビーム整形素子をレンズ状に形成したことを特徴とする請求項４に記載のビーム整形素子。
【請求項１０】
請求項５の前記多重量子井戸構造半導体がGaAlAs系、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系からなる混晶半導体群から選ばれた１つ以上のものの組み合わせの多重量子井戸構造半導体であることを特徴とする整形ビーム発生装置。
【請求項１１】
請求項７の前記バルク半導体がSi、Geからなる元素半導体群、GaAs、GaN、GaP、AlP、AlAs、AlSb、InP、InAs、GaSb、InSbからなる化合物半導体群、GaAlAs系、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系からなる混晶半導体群から選ばれた１つである整形ビーム発生装置。
【請求項１２】
請求項２において、ビーム整形素子が非線形結晶であり、その非線形結晶がSiO2、BaTiO3、Bi12SiO20、LiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4、KNbO3の非線形結晶の１つであるビーム整形素子。
【請求項１３】
飽和非線形媒質が半導体にカーボンナノチューブを分散させた材料であることを特徴とする請求項２に記載のビーム整形素子。
【請求項１４】
飽和非線形媒質が溶融石英にカーボンナノチューブを分散させた材料であることを特徴とする請求項２に記載のビーム整形素子。
【請求項１５】
飽和非線形媒質がガラスにカーボンナノチューブを分散させた材料であることを特徴とする請求項２に記載のビーム整形素子。
【請求項１６】
飽和非線形媒質がポリマーにカーボンナノチューブを分散させた材料であることを特徴とする請求項２に記載のビーム整形素子。
【請求項１７】
ポリマーに分散させる材料がカーボンナノチューブとルチルの微粒体であることを特徴とする請求１６に記載のビーム整形素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームを整形する方法及びそれを用いたビーム整形素子ならびに整形ビーム発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光の応用を空間コヒーレンシーの点から考えると、集光によって光の空間的な分解能自体を向上させる必要のある応用もあれば、集光によって光パワー密度を向上させる必要のある応用もある。光の空間的な分解能自体を向上させる必要のある応用にはレーザービームによる各種の計測、光ディスク関係、ファイバー光通信における結合などが考えられるし、集光によって光パワー密度を向上させる必要のある応用には光のプロセシング、光加工、光マイクロ加工などが考えられる。
これら、いずれの応用においても、分解能を上げ、パワー密度を向上させる点から考えると、ビームの伝搬方向に垂直な断面内での分布が、いわゆる軸対称な基本ガウスモード分布であることが望ましい。軸対称とは、ここでは断面内分布をビームの伝搬方向軸のまわりに回転させたとき、回転の角度位置に関してパワー密度の分布が不変である円形状分布を指す。
【０００３】
上に述べたように、レーザー光源からの出射光が、軸対称な基本ガウスモード分布になっていない場合、これを軸対称な基本ガウスモード分布に整形する必要がしばしば起こる。従来は、このような整形は複雑な光学系を工夫することによって行われていた。
【０００４】
図１４は、半導体レーザーなどからの扁平な軸対称でないパワー密度分布のビームを軸対称な基本ガウスモード分布に整形するのに通常よく用いられているプリズム対９１、９２を用いた公知のプリズム対ビーム整形素子の従来例を示している。図中にそれぞれ、入力ビームと出力ビームについて、それらの正面から見た横断面上分布の輪郭図を示した。これは、扁平な楕円形状ビームの入射９３がプリズムの斜入射面９４に斜めに入射しとき、プリズムが図に示すようにこの楕円形状ビームの一方の軸長のみを拡大する性質を持つことを利用したものである。通常、入射光９３方向と出射光９５の方向とを平行にするために２個のプリズム９１、９２を対にして用いている。
【０００５】
図１５に、他の公知の従来例である直交円筒レンズ対を透視図で示す。図１６の(a)、(b)、(c)はそれぞれビームの伝搬に沿ってのビームの正面から見た横断面輪郭の変化を入力点１０１（z＝z0）、中間点１０２（z＝z1）、出力点１０３（z＝z2）の３点について示した。入力点１０１での扁平な楕円形状入力ビーム（図１６の(a)）では、その長軸、短軸各方向の波面曲率半径が異なるので、これら２本の直交軸方向の波面を個別に、中心軸が互いに垂直な円筒レンズ９７、９８で集光している。図１５では、円筒レンズ９７、９８を既知のグレイデッドインデックスファイバーで構成している例を示した。図では、ファイバーの中心部に近い部分にハッチングを付して示してあるが、これは、ファイバー断面内で中心部の屈折率が周辺部より大きいことを概念的に示すためである。実際には屈折率が中心部から周辺部に向かって連続的に減少する分布である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
軸対称な基本ガウスモード分布になっていない場合の例としては、半導体レーザーなどからの扁平な出射ビームやスラブ型の大出力固体レーザーからの矩形断面の出射ビームなどがある。半導体レーザーの場合、ダイオードとしての電流注入接合領域の断面形状が接合方向にはミクロン以下の非常に薄い層からなり、それと直交する方向では、注入電流を大きくとるために接合面の横断長を数十から数百ミクロンオーダーにとる。したがって出射光が基本ガウスモード分布にはならない。また、スラブ型の大出力固体レーザーにおいては、固体レーザー媒体の励起光を十分に吸収し、そこからの熱放散をよくするために、スラブ状のレーザー媒体を使用することから、レーザー媒体断面の形状が縦横比の大きな矩形断面となっていて、これも基本ガウスモード分布にはならない。
【０００７】
上述のように、半導体レーザーやスラブ型の大形固体レーザーからの扁平な出射ビームのように分布に大きな非等方性が存在する場合、球面レンズなどの通常の軸対称光学系によっては、ビームを１点に集光したり、あるいは平行光に変換したりすることはできないし、あるいは、また、それらを軸対称な基本ガウスモード分布に整形することもできない。その理由は、このような扁平な出射ビームの回折広がり角度が、扁平形状の長径方向と、それに直交する短径方向とで異なるからであり、その結果、上記、直交する２方向をそれぞれに含む面内でビームの波面曲率半径が異なるからである。すなわち、このようなビーム波面は一般には、楕円面をなしているために、軸対称な球面レンズで集光したり、平行光に変換したり、あるいは、軸対称なモード分布に整形することはできない。
【０００８】
しかし、扁平な非軸対称な分布のビームは、それを、一旦、軸対称な分布に整形できれば、それ以後は、これを通常の球面レンズあるいは球面ミラーなどの軸対称光学系で集光したり、平行光に変換することができる。
【０００９】
そこで、このような非軸対称分布のビームの軸対称分布への整形がしばしば望まれていた。しかし非軸対称分布ビームの波面が上述のように一般的に楕円面であることから、通常の球面レンズによって、これを達成することができなかった。それを達成するためには、楕円面などの非球面レンズを用いるか、あるいは、扁平各直交軸方向を個別に円筒レンズで集光するなどのことが必要となる。非球面レンズは一般に製作が困難であるし、また、先に述べた各種の従来技術における円筒レンズなどは半導体レーザーなどの小形の光源に比べて桁外れに大きくかつ複雑で、組み立て調整などにも微細な調整作業を必要とし、且つレンズ系と光源との一体構造をとりにくい。このような理由で長期間の安定性にも問題があった。このように従来の技術には解決すべき問題が多かった。
本発明はこれらの問題を解決して、複雑な構成の光学系を用いず、飽和非線形媒質を用いることにより非常に小型で構造的にも安定に、軸対称でない断面光ビームパワー密度分布を軸対称な基ガウスモード分布に高効率に変換し整形する、整形ビーム発生装置をうることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、飽和光非線形媒質空間に安定に存在する空間ソリトンの光学非線形な性質を利用することに着目し、非軸対称なパワー密度分布を一般にレーザー光の空間コヒーレンシーの利用に最適なビーム断面内分布である軸対称ガウス分布に変換・整形することができる装置を開発した。
【００１１】
本発明の光ビーム整形方法は、軸対称でない分布を持つ光ビームを飽和非線形性をもつ等方媒質の物体中を伝搬させることにより軸対称な基本ガウスモード分布を持つ光ビームに変換して整形することを特徴とする。ここで軸対称な基本ガウスモード分布とは光の伝搬軸座標を軸として分布を回転したとき分布に変化が表れない円形分布であり、また伝搬軸座標に垂直な座標についての分布がいわゆるガウスビーム分布の基本モードであるガウス分布となっている分布のことである。
このような特徴をもつ構成により、小形な素子中を伝搬させるだけでビームの整形ができる。
【００１２】
本発明のビーム整形素子は、軸対称でない分布を持つ光ビームの伝搬路上に置かれる飽和非線形媒質の物体であって、前記軸対称でない分布を持つ光ビームをその物体中を通過させることにより軸対称な基本ガウスモード分布を持つ光ビームに変換して整形することを特徴とする。
このような特徴をもつ構成により、小形な素子中を伝搬させるだけでビームの整形ができる。
【００１３】
本発明の整形ビーム発生装置は、前記発明に記載のビーム整形素子を半導体レーザーの光ビーム出射面に光学的に密着して位置させた構造にできる。光学的に密着させたとは、その密着面間で空気層が存在しないで、実質的に半導体レーザーの出射面とビーム整形素子の入射面の両面が原子レベルで互いにほぼ密着する状態である。
このような構成によりビーム整形素子を半導体レーザに密着させて小形の整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１４】
本発明の整形ビーム発生装置は、前記のビーム整形素子をスラブ型固体レーザーの光ビーム出射面にエアスペースを介して配置した構成にできる。
エアスペースを介して配置する構成をとることによって両者の空間的配置に一定自由度（例えば両面の間に所定の角度を設け、あるいはあるフィルターを挿入するなど）を保たせつつ、スラブ型固体レーザーのビーム出力端近くにビーム整形素子を配置して整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１５】
本発明の整形ビーム発生装置は、前記ビーム整形素子の前記飽和光非線形媒質の物体が多重量子井戸構造半導体である構成にできる。
この構成をとると、多重量子井戸構造半導体の大きな光非線形性によって低出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１６】
本発明の整形ビーム発生装置は、前記のビーム整形素子と半導体レーザーとをモノリシックに集積化した構造にすることができる。
この構成をとることにより、前記の特徴に加えて多重量子井戸構造半導体を用いることにより、半導体レーザーとモノリシックに集積化可能な整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１７】
本発明のスラブ型固体レーザーを用いた整形ビーム発生装置はさらにバルク半導体をビーム整形素子として用いた構成とすることもできる。
この構成によればバルク半導体によってスラブ型固体レーザーなどを用いた高出力整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１８】
本発明のスラブ型固体レーザを用いた整形ビーム発生装置はさらに非線形結晶をビーム整形素子として用いた構成とすることもできる。
このような構成にすることにより、非線形結晶によってスラブ型固体レーザーなどを用いた高出力整形ビーム発生装置が実現できる。
【００１９】
本発明のビーム整形素子においては、前記ビーム整形素子をレンズ状に形成した構成とすることもできる。
このようにビーム整形素子をレンズ状に形成することによって、ビームの整形と同時にビームを平行化したり収束したりすることができる。
【００２０】
本発明の多重量子井戸構造を用いた整形ビーム発生装置では、前記量子井戸構造半導体をGaAs、GaN、GaP、AlP、AlAs、AlSb、InP、InAs、GaSb、InSbからなる化合物半導体群、および、GaAlAs系、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系からなる混晶半導体群から選ばれた１つ以上のものの組み合わせの多重量子井戸構造半導体とすることができる。なお本発明においては、値の異なる混晶比の同種の混晶半導体を「…系」と呼ぶこととする。
このような構成をとると、多重量子井戸構造半導体には多くの混晶半導体材料が使えるので、各種の波長領域で整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２１】
本発明のビーム整形素子では、前記バルク半導体を、Si、Geからなる元素半導体群、GaAs、GaN、GaP、AlP、AlAs、AlSb、InP、InAs、GaSb、InSbからなる化合物半導体群、および、GaAlAs系、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系からなる混晶半導体群から選ばれた１つで構成することができる。
このような構成をとれば、バルク半導体には多くの種類があるので、各種の波長領域で整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２２】
本発明のビーム整形素子では、前記非線形結晶がSiO2、BaTiO3、Bi12SiO20、LiNbO3、LiTaO3、KTiOPO4、KNbO3の非線形結晶の１つである構成とすることができる。
このような非線形結晶には多くの種類があるので、各種の波長領域で整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２３】
本発明のビーム整形素子では、前記の飽和非線形媒質の物体が半導体にカーボンナノチューブを分散させた材料である構成にできる。
この構成をとると、カーボンナノチューブの大きな非線形性によって後述の中程度の出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２４】
本発明のビーム整形素子では、前記の飽和非線形媒質の物体が溶融石英にカーボンナノチューブを分散させた材料である構成にできる。
この構成をとると、カーボンナノチューブの大きな非線形性によって中程度の出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２５】
本発明のビーム整形素子では、前記の飽和非線形媒質の物体がガラスにカーボンナノチューブを分散させた材料である構成にできる。
この構成をとると、カーボンナノチューブの大きな非線形性によって中程度の出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２６】
本発明のビーム整形素子では、前記の飽和非線形媒質の物体がポリマーにカーボンナノチューブを分散させた材料である構成にできる。
この構成をとると、廉価で生産性に優れた中程度の出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【００２７】
本発明のビーム整形素子では、前記の飽和非線形媒質の物体がポリマーにカーボンナノチューブとルチルを共に分散させた材料である構成にできる。
この構成をとると、廉価で生産性に優れた中程度の出力のレーザーに使える整形ビーム発生装置が実現できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、ごく薄い（すなわち伝搬距離がごく短い）飽和非線形媒質の板状またはチップ状の飽和非線形ビーム整形素子を光ビーム出射部に置くことにより、半導体レーザーやスラブ型の大形固体レーザーなどからの扁平な断面をもつ軸対称でない出射ビームの光パワー分布を軸対称な基本ガウスモード分布に変換・整形することができる。本発明は小型のビーム整形素子を用いた装置で高効率に、軸対称な基本ガウスモード分布への変換・整形をする効果を持つ。
【００２９】
本発明の飽和非線形媒質による光ビームの整形法、整形素子および整形装置をその好ましい実施の形態について説明する。まず明細書及び特許請求範囲に出てくる重要な用語について、説明する。
光の非線形性とは、媒質の屈折率が光強度に依存する性質のことである。また、飽和非線形性とは、この屈折率の光強度依存性が、光強度の増大とともに飽和することを指している。一般的には光非線形性は光強度の増大とともに飽和するものであるから、この飽和非線形性はすべての光非線形性媒質に存在する性質である。本発明において非線形性という場合、光の非線形性を指すものとする。
飽和非線形性をもつ等方媒質空間中を伝搬する光ビームは、その２次元断面内の分布に関して、媒質の非線形性による光強度分布の集中と、また、その集中による光の回折効果による発散との間に生ずるバランスによって、ビームのパワー密度分布が一定の形状（モード）を維持する。これを先述の空間ソリトンと呼んでいる。
【００３０】
以下に、軸対称でないパワー密度分布から軸対称な基本ガウスモード分布への変換・整形の様子を、空間ソリトンなどを扱う非線形光伝搬方程式をその伝搬軸方向に沿って数値積分して解くことによって示す。
飽和非線形性をもつ等方媒質空間中を伝搬する光ビームの振る舞いを表す非線形光伝搬方程式は下に示す式［１］で表される。従来この式における屈折率の取り扱いは、解析を簡単にするために光ビーム強度についての依存性を示す部分を級数展開したとき、その第１項目による依存性だけを取り入れることが一般的であった。しかし発明者は、光ビーム整形素子として飽和非線形媒質をもつ等方媒質空間中を伝搬する光の振る舞いを表す式［１］において、屈折率として光ビーム強度に飽和的に依存する下記の式［２］に示す屈折率nの光強度依存性を採用した。そのような前提のもとに、非線形光伝搬方程式［１］を積分して非常に有用性のある光ビームの振る舞いを求めることができた。
【００３１】
【数１】
2005122157.tif 000003
【００３２】
上記の式でnは飽和非線形媒質の屈折率で次の式［２］で表される飽和を伴う光ビーム強度依存性を持つ。式［２］のように置くのは、一般に、非線形性は飽和傾向を持つことを計算に取り入れるためである。また、非線形の飽和性は、空間ソリトンモードをある程度広い入力パワー範囲にわたって一定のモードに安定化させる効果があることにも対応している。
【００３３】
【数２】
2005122157.tif 000004
【００３４】
ここに、
i   :  虚数単位
E   :  光電界  E = E(x,y,z)
I   :  光パワー密度（光強度）I(x,y,z) ∝ |E(x,y,z)|2
x,y :  光伝搬軸ｚに垂直な(x,y)断面内での直交座標
z   :  光伝搬方向座標
k   :  自由空間の伝搬定数
β  :  ｚ軸方向の伝搬定数
n   :  屈折率
n0   :  線形屈折率
n2   :  非線形屈折率
Is  :  飽和パラメータ
【００３５】
飽和非線形性をもつ等方媒質の特性は、線形屈折率n0、非線形屈折率n2、飽和パラメータIs  等のパラメータを指定することにより与えられる。この飽和非線形性をもつ等方媒質の入射端に非軸対称な電界分布を入射し、式［１］に従って、z方向に数値積分を進めてゆき、分布E(x,y)の変化を計算し、I(x,y,z) ∝ |E(x,y,z)|2として光強度分布を観察する。
【００３６】
計算結果の一例を図１に示す。この計算では、非軸対称入力電界分布として、断面内直交座標 x,yに関して、下の式［３］で示される楕円ガウス分布を用い、ビーム短半径AをA = ０．４ｍｍ、 ビーム長半形BをB = ２．５ｍｍ（扁平率B/A=6.25）とした。
【００３７】
E(x,y) ∝ exp(-x2/A2)exp(-y2/B2)             …［３］
【００３８】
また、飽和非線形媒質として、GaAs系の多重量子井戸構造半導体を想定し、その線形屈折率をn0=3.53、非線形屈折率をn2=10-10 [ｍ2／Ｗ]、飽和パラメータをIs=5.0×108 [Ｗ／ｍ2]とし、入力ビームパワーを２ｍＷとした。また、計算波長は０．８μｍとした。多重量子井戸構造半導体については、後述の第３実施例において説明する。
【００３９】
図１はビーム伝搬にともなうビーム形状の変化を等光強度線によるプロファイルで示したものである。プロファイルとして示した等光強度線は、式［３］で示した光入力電界分布による光強度最大値1を基準として、光強度を0.1にとってある。図１の(a)はx軸方向から見た等光強度プロファイルの側面図であり、図１の(b)はy軸方向から見下ろした平面図である。図２は、図１の(a)及び(b)のプロファイル側面図及び上面図で示される等光強度線を輪郭とする等光強度面を透視図法的に示したもので、等光強度面の光強度は0.1である。図３は、ビーム光の伝搬軸ｚに沿った２５μｍ間隔のz点でのxy断面上での等光強度線図である。図３の１１個の各等光強度線図の各々の枠の１辺は約５μｍである。図３では、伝搬にともなって現れた光強度最大値を等光強度線の最大値とし、最小等光強度値を0.1とし、等光強度値の間隔を0.2とした。図３の各図で最も外側の輪郭は光強度0.1の部分の形を示し、その内側にある１つないし３つの図形は光強度が0.2ずつ上がった部分の形を示す。
【００４０】
図１の(a)、(b)のプロファイルと図２の透視図、及び図３の断面とから分かるように、入力端での非軸対称な扁平率6.25の楕円ガウス分布パワー密度分布が、入力端からしばらくの間の部分ではxとyとの軸方向の扁平率を交換しながら減衰振動し、入力端から２００μｍ 以上伝搬した部分ではほぼ基本の（円形の）ガウス分布へと安定してゆく。そして入力端から２５０μｍ伝搬した出力端では扁平率がほぼ１の軸対称な基本ガウスモード分布に変換・整形されているのが見られる。出力端でのトータルの出力は入力端でのそれの８５％以上であった。損失分の約１５％は出力ビーム外への放射により失われるものである。
【００４１】
半導体レーザーやスラブ型の大形固体レーザーなどからの扁平な出射ビームのように非軸対称なビーム、あるいは、扁平分布のビームを、多くの応用に有用な基本ガウスモード分布に変換・整形することはしばしば必要となる。上述の計算結果が明らかにしたように本発明上記の課題は、従来のように複雑な構造で嵩ばる光学素子を用いなくても、ごく薄い（１ｍｍ以下の短距離の）飽和非線形の板またはチップを光ビーム出射面に置くという簡単な手段によって解決されることが示された。本発明では、このような飽和非線形性のチップ状または板状の素子を、ビーム整形素子と呼ぶ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の好適な実施例について半導体レーザーまたはスラブ型固体レーザ（１、４、１１）に適用した場合を図４から図６を参照して説明する。各図において、各要素はそれらの構成の理解を容易にするために、あるものは比例相似関係よりも大きく図示され、各要素の寸法の比例関係は実際の寸法とは必ずしも対応していない。
＜＜第１実施例＞＞
【００４３】
図４に本発明の第１の実施例の構成図を示す。この例は半導体レーザー１の光ビーム出力端２に後述の飽和非線形媒質からなる飽和非線形ビーム整形素子３が光学的に密着して取り付けられた構造となっている。半導体レーザー１からの出力ビームは整形素子３を通過することによって、そのパワー密度分布が整形され、整形されたたビーム３０が出力される。
＜＜第２実施例＞＞
【００４４】
図５に本発明の第２の実施例の構成図を示す。この第２実施例はスラブ型固体レーザー４の光ビーム出力端５にエアスペース６を介して飽和非線形媒質からなるビーム整形素子７が配置された構造になっている。ビーム整形素子７の両端面には既知の無反射コーティング膜８が施されて反射による損失を防いでいる。
＜＜第３実施例＞＞
【００４５】
図６に本発明の第３の実施例の構成図を示す。この例は半導体レーザー１の出力端２に多重量子井戸構造を持つ半導体を飽和非線形媒質とする飽和非線形ビーム整形素子２０が光学的に密着して取り付けられた構造となっている。多重量子井戸構造とは、たとえばGaxAl1-xAsのような混晶半導体において、その混晶比xが異なる２種類の混晶半導体でそれぞれの原子が十ないし数十層の厚さをもつものを交互に多重に積層した構造のものである。このような構造においては、混晶比xによって混晶半導体のバンドギャップが変化する。したがって混晶比xの互いに異なる混晶半導体を積層することによってバンドギャップが層に垂直な方向に対して井戸状に変化する半導体が構成できる。量子井戸中には電子正孔対であるエキシトンが室温においても安定に存在する。このエキシトンの共鳴効果によって非線形性がエンハンスされる。
【００４６】
その結果、多重量子井戸構造半導体の非線形屈折率n2の値は、通常のバルク半導体のそれの数十倍から数百倍にも達する値を持つ。屈折率nの光強度依存性を表す式［２］の式から分かるように、n2が正で大きければ、入力強度Iが小さい場合にも、ソリトン条件が成立する。多重量子井戸構造半導体を用いたビーム整形素子２０は、ｍＷオーダーの低出力半導体レーザーのビーム整形素子に適している。先に示した図１〜３の計算結果はｍＷオーダーの低出力半導体レーザーを想定したものである。
【００４７】
多重量子井戸構造を構成する半導体材料としては、上記の例のGaxAl1-xAsの属する混晶半導体であるGaAlAs系の他に、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系に属する混晶半導体材料があり、所望の光波長に応じて、これらの１つ以上の組み合わせの混晶半導体材料を用いればよい。
＜＜第４実施例＞＞
【００４８】
図７に本発明の第４の実施例の構成図を示す。半導体レーザー１の出力端２に多重量子井戸構造半導体を集積化したモノリシックビーム整形部９を含む半導体レーザーである。動作条件は第３実施例の場合とほぼ同じで、低出力半導体レーザーに適した構成である。
＜＜第５実施例＞＞
【００４９】
図８に本発明の第５の実施例の構成図を示す。スラブ型固体レーザー４の出力端５にエアスペース６を介してGaAsなどのバルク半導体ビーム整形素子１０が配置された構造となっている。バルク半導体の非線形屈折率n2の値は多重量子井戸構造半導体のそれより１ないし３桁小さく、また、飽和パラメータの値は１ないし５桁大きい。その結果、入力強度Iが大きい場合にはじめて、基本モードのソリトン条件が成立する。したがって、バルク半導体を用いたビーム整形素子１０は、ワットオーダーから数百ワットオーダーの高出力スラブ型固体レーザーのビーム整形素子に適している。ビーム整形素子１０の両端面には無反射コーティング膜１６が施されて不用の反射損失を防いでいる。
【００５０】
バルク半導体材料としては、上記のGaAsの他に、Si、Geからなる元素半導体群、GaN、GaP、AlP、AlAs、AlSb、InP、InAs、GaSb、InSbからなる化合物半導体群、および、GaAlIn系、InGaN系、AlGaN系、InGaAs系、InGaNAs系、GaAsSb系、GaNAs系、AlGaInAs系、InGaAsP系、InAsSbP系からなる混晶半導体群がある。
＜＜第６実施例＞＞
【００５１】
図９に本発明の第６の実施例の構成図を示す。この例は半導体レーザーまたはスラブ型固体レーザー１１の出力端１２にエアスペース１３を介してBaTiO3 などの非線形結晶を飽和非線形媒質として用いたビーム整形素子１４が配置された構造となっている。非線形結晶の非線形屈折率n2の値はバルク半導体のそれより２ないし３桁小さく、また、飽和パラメータの値は２ないし３桁大きい。この結果、入力強度Iがある程度大きい場合、基本モードのソリトン条件が成立する。したがって、バルク半導体を用いたビーム整形素子１４は、数十ワットオーダーからｋＷオーダーの高出力スラブ型固体レーザーのビーム整形に適している。ビーム整形素子１４の両端面には無反射コーティング膜１７が施されている。
【００５２】
非線形結晶としては、上記のBaTiO3 の他に、Bi12SiO20、LiNbO3 、LiTaO3 、KTiOPO4、KNbO3 などが用いうる。
＜＜第７実施例＞＞
【００５３】
図１０に本発明の第７の実施例の構成図を示す。この例はビーム整形素子１５をレンズ状に形成して、ビームの断面内パワー密度分布を整形すると同時にビーム伝搬方向に沿っての回折広がりによるビームプロファイルの発散をレンズの収束効果によって平行ビームまたは収束ビームに変換する作用をも持たせた構成である。勿論図５の第５実施例、図６の第６実施例と同様に無反射コーティングを施すことが好ましい。
【００５４】
飽和非線形媒質としてカーボンナノチューブを用いることができる。
＜＜第８実施例＞＞
図１１に本発明の第８の実施例の構成図を示す。１００ｍＷ台からＷ（ワット）台の、中程度の出力の半導体レーザー４の出力端５にエアスペース６を介してカーボンナノチューブを分散させたポリマーからなるビーム整形素子１０が配置された構造となっている。カーボンナノチューブを分散させたポリマーの非線形屈折率n2の値は先に述べた多重量子井戸構造半導体のそれより１ないし２桁小さく、また、飽和パラメータの値は１ないし３桁大きい。その結果、入力強度Iが大きい場合にはじめて、基本モードのソリトン条件が成立する。したがって、カーボンナノチューブを用いたビーム整形素子１０は、１００ｍＷ台からＷ（ワット）台の、中程度の出力の半導体レーザーのビーム整形素子に適している。このような１００ｍＷからＷ台の出力のレーザーを、本発明では中程度のレーザーと呼びことにする。ビーム整形素子１０の両端面には無反射コーティング膜１６が施されて不用の反射損失を防いでいる。
【００５５】
先に述べてきたバルク半導体、多重量子井戸構造半導体、非線形結晶などについては、それらの実施例を公知の非線形屈折率についての測定値を用いて述べてきた。しかし、カーボンナノチューブの非線形屈折率に関しては、非線形屈折率が大きいと考えられるナノメートルオーダーの直径を有する単層カーボンナノチューブについて、未だ測定がなされていない。なお多層カーボンナノチューブについては、測定結果があり、1.2×10-17[ｍ2／Ｗ] という小さな値が報告されている（ Z.Jin et al., Chemical Physics Letters 318, 505-510 (3 March, 2000) ）。そこで、発明者は以下に述べるように、単層カーボンナノチューブについての非線形屈折率の測定を行った。
【００５６】
測定に用いたカーボンナノチューブはナノメートルオーダーの直径を有する単層カーボンナノチューブである。これをポリマーに分散させて測定を行った。
【００５７】
材料：  平均直径１．３５ｎｍ（ナノメーター）の単層カーボンナノチューブを分散させたジメチルスルオキシド（DMSO）溶液を石英基板上にスピンコートしたサンプルを用いた。塗布厚は約１ミクロンである。
測定法：  非線形屈折率n2を比較的簡単に精度よく測定できるM. Sheik-Bahae氏らによって考案され広く使われているZスキャン法を用いた。このZスキャン法の詳細はM. Sheik-Bahae, A. A. Said, Tai-Huei Wei, D. J. Hagan, E. W. Van Strylandらによる米国雑誌 IEEE Jour. Of Quantum Electronics, vol. 26, No, 4 (1990年4月), 760ページから769ページに掲載された論文 "Sensitive Measurement of Optical Nonlinearities Using a Single Beam"  に述べられている。
【００５８】
測定装置の構成を図１２に示す。光源２０１にはチタンサファイアモード同期レーザーを用いた。測定に用いた光は、波長λ=８１０ｎｍ、パルス幅2ps、パルス繰り返し周期12nsの繰り返しパルス光である。光減衰器２０７によって平均パワーを１ｍＷに保って測定を行った。
【００５９】
Zスキャン法の概要は、上述の光を焦点距離６ｍｍの対物レンズ２０２で集光し、集光スポット２０３より十分の距離（約２ｃｍ）をとって直径０．１ｍｍのアパーチャ２０４を通して光検出器２０５を配置し、測定サンプル２０６を集光スポットの前後数ｍｍの区間光軸に沿って移動させて、その間のアパーチャ２０４を通しての光量変化を光検出器２０５で測定するものである。集光スポット２０３のスポット直径は１０μｍであった。
【００６０】
測定サンプルは、測定サンプルへの入射光強度（面積あたり光パワー）に依存して、その非線形屈折率に起因するレンズ効果を呈する。測定サンプルを上述のように対物レンズ２０２による集光スポット２０３の前後にスキャンさせると、光パワー密度（光強度）は集光スポット２０３で最大となり、その前後では低下する。また、対物レンズ２０２によって、光ビームは集光スポット２０３の前で集光状態、集光スポット２０３の後で発散状態となっている。
【００６１】
測定サンプルのスキャンに伴って測定サンプル上の光パワー密度が変化するので、サンプルの呈するレンズ効果は集光スポット２０３に関して対照的に変化するが、光ビームそのものの集光・発散状態は集光スポット２０３の前後で逆転するので、アパーチャ２０４を通して光検出器２０５に検出される光量が変化は、図１３に示す測定結果の１例に見られるように集光スポット２０３の前後で反対称な変化を呈する。
【００６２】
図１３の実線カーブは、中実点で示される実験値に最もよくフィットする上掲の論文中の理論式によるものである。横軸はスキャン距離、縦軸は検出光量の変化割合ΔTを示している。図１３のように測定結果がスキャン距離に対して減少の後増大するときは、非線形屈折率n2の符号は正である。スキャン距離に対して増大の後減少するときは、非線形屈折率n2の符号は負である。変化割合の谷からピークまでの変化割合の変化幅ΔTvpは非線形屈折率n2の値に比例する。
【００６３】
上掲の論文中に示された非線形屈折率n2の光パワー密度Iに対する依存性は、前述の実験配置構成で示したように、アパーチャ２０４のアパーチャ直径に比して集光スポット２０３からのアパーチャ２０４の距離が十分に大きい場合には、次の簡単な式にまとめられる。ただし、非線形屈折率n2の単位には[ｍ2／Ｗ]を、表した光パワー密度Iの単位には[Ｗ／ｍ2]を用いた。
【００６４】
n2   =  0.4 ΔTvp λ/(L I )    [ｍ2／Ｗ]              [４]
【００６５】
ただし、
ΔTvp  変化割合の変化幅               単位無し
λ  波長                  [ｍ]         単位
L  サンプル長             [ｍ]         単位
I   入射光強度（ピーク値）[Ｗ／ｍ2]     単位
【００６６】
測定結果より、
ΔTvp =  0.12
λ  =  0.81×10 -6  [ｍ] 
L  =  1×10 -6      [ｍ] 
I  =   1. 0×10   [Ｗ／ｍ2]
を式[ 4 ] に代入して、
n2   =  1.0×10 -12  ｍ2／Ｗ
が求められた。
【００６７】
単層カーボンナノチューブについて測定によって得られた上の非線形屈折率n2の値は、先に本文中の計算例について、GaAs系の多重量子井戸構造半導体について用いたn2   = 10 -10  ｍ2／Ｗ  に比して２桁小さい（段落[００３８]参照）。しかし、その際計算で使用したした光入力パワーは２ｍＷであった。カーボンナノチューブによるビーム整形においては、先にも述べたように（段落[００５４]参照）、GaAs系多重量子井戸構造半導体の場合の２桁大きいパワーレベルである２００ｍＷ程度からＷ（ワット）台の入力パワーレベルに適用できることがわかった。また、このサンプルはビーム径が小さい場合には、より低入力パワーレベルに対しても使える。
【００６８】
多重量子井戸構造に対してカーボンナノチューブは低価格での量産が可能であり、また、ポリマー、ガラスなどへの分散が容易であるなどの利点がある。
【００６９】
ポリマー、ガラスなどへの分散については、ビーム径を小さく保つために、非線形屈折率媒体自体の線形屈折n0を大きくとることが有利である。そのために、ポリマー、ガラスなどへのカーボンナノチューブの分散と同時に高屈折率材料であるルチルの微粒体を同時に分散させることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は半導体レーザーからの軸非対称な出射光の整形に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】(a)は光ビームの伝搬にともなうビーム形状の変化を示す等強度プロファイル側面図        (b)は同じく光ビームの伝搬にともなうビーム形状の変化を示す等強度プロファイル上面図
【図２】光ビームの伝搬にともなう図１の(a)、(b)に対応するビーム形状の変化を示す透視図。
【図３】光ビームの伝搬にともなうビーム断面内強度分布の変化を示す等強度線図
【図４】半導体レーザーに取り付けられた飽和非線形ビーム整形素子の構成側面図
【図５】スラブ型固体レーザーに布設された飽和非線形ビーム整形素子の構成側面図
【図６】半導体レーザーに取り付けられた多重量子井戸半導体ビーム整形素子の構成側面図
【図７】多重量子井戸半導体ビーム整形素子をモノリシックに集積化した半導体レーザーの構成側面図
【図８】バルク半導体素子を付加したスラブ型固体レーザーの構成側面図
【図９】非線形結晶をビーム整形素子として付加したスラブ型固体レーザーの構成側面図
【図１０】レンズ状に形成したビーム整形素子を付加したレーザーの構成側面図
【図１１】カーボンナノチューブを含むポリマーをビーム整形素子として付加した実施例８の半導体レーザの構成側面図
【図１２】実施例８のサンプルのｚスキャン非線形屈折率測定法による測定装置の構成を示す図
【図１３】実施例８のサンプルについてのスキャン距離ｚと検出光量の変化割合ΔＴの関係を示す測定値（黒丸）と数式［４］で示したM.Sheik-Bahae他の論文中の理論式によるカーブ（実線）の図表
【図１４】プリズム対ビーム整形素子による従来例の側面図
【図１５】直交円筒レンズ対によるビーム整形素子の他の従来例の透視図
【図１６】(a)、(b)、(c)は従来の直交円筒レンズ対によるビーム整形素子への入力点ビームを正面から見た断面輪郭図
【符号の説明】
【００７２】
１  半導体レーザー
２、 ５、 １２  出力端
３、 ７  ビーム整形素子
４、 １１  スラブ型固体レーザー
６、 １３  エアスペース
８、 １６、 １７  無反射コーティング膜
９  多重量子井戸構造半導体モノリシックビーム整形部
１０  半導体ビーム整形素子
１１  半導体レーザーまたはスラブ型固体レーザー
１４  非線形結晶ビーム整形素子
１５  レンズビーム整形素子
２０  多重量子井戸半導体ビーム整形素子
３０  整形されたビーム
２０１  光源
２０２  対物レンズ
２０３  集光スポット
２０４  アパーチャ
２０５  光検出器
２０６  測定サンプル
２０７  光減衰器
【図１】
2005122157.tif 000005
【図２】
2005122157.tif 000006
【図３】
2005122157.tif 000007
【図４】
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【図５】
2005122157.tif 000009
【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】
2005122157.tif 000014
【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１５】
2005122157.tif 000019
【図１６】
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