(57)【要約】【課題】  高品質かつ高出力のレーザ光を出力する。【解決手段】  光増幅媒体１０で増幅された光は、高屈折率物質共振器２０で３次元多モード干渉を引き起こす。このとき高屈折率物質共振器２０の光出射側（光取出し口２３側）には、周期的に光強度が分散した部分と、１箇所の光強度が集中した部分とができる。光強度が集中した部分では、レーザは高出力であり、そのビーム形状はほぼ真円になる。そして、３次元多モード干渉により光強度が大きくなる位置に光取出し口２３を設け、光取出し口２３からレーザ光を出力する。【選択図】        図１
2005142396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を増幅する光増幅媒体と、
前記光増幅媒体で増幅された光について３次元多モード干渉を起こすと共に、３次元多モード干渉によって光強度が大きくなる位置にレーザ光取出し口を設けた光共振器と、
を備えたレーザ装置。
【請求項２】
前記光増幅媒体と前記光共振器との間に低光損失接合部を更に備えた
請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記光増幅媒体に対して光励起を行う光励起手段を更に備えた
請求項１または請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記光取出し口は、発振させたい波長の光強度が大きくなる位置に設けられた
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記光共振器は、高屈折率物質内又は光反射材で覆われた空洞内で３次元多モード干渉を起こすように構成された
請求項１から請求項４のいずれか１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、レーザ装置に係り、特に３次元でレーザが多モード干渉を起こすレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工用に使用されるレーザは、ビーム品質がよく、高出力であることが望ましい。このようなレーザとしては、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザなどがある。しかし、これらのレーザは、エネルギー変換効率が悪く、大型であるという問題があった。
【０００３】
近年、小型かつ高出力で安定で扱いやすい半導体レーザが注目されている。半導体レーザの最大光出力は、光増幅部分の体積で制約されてしまう。半導体レーザを高出力化しようとすると、多モードになり、ビーム品質が悪くなるという欠点があった。
【０００４】
また、半導体レーザを複数個並べて同時に発光させることで高出力を得る半導体レーザアレイが提案されている。しかし、半導体レーザアレイを用いた場合は、レーザを集光させることが難しいという問題があった。
【０００５】
そこで、多モード干渉を応用した半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。特許文献１に記載された半導体レーザーは、放射光を除去する能力を向上させたものである。
【特許文献１】特開２０００−３２３７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載された半導体レーザーでは、ビーム形状が楕円になってしまう問題があった。また、利得に限界があり、高出力のビームを得ることができない問題もあった。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために提案されたものであり、高品質かつ高出力のレーザ光を出力する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】
上述した課題を解決するために、本発明に係るレーザ装置は、光を増幅する光増幅媒体と、前記光増幅媒体で増幅された光について３次元多モード干渉を起こすと共に、３次元多モード干渉によって光強度が大きくなる位置にレーザ光取出し口を設けた光共振器と、を備えている。
【０００９】
光増幅媒体は、光を増幅するものであれば特に限定されず、例えば、有機発光材料で構成されたものでもよいし、半導体で構成されたものであってもよい。また、励起方法も特に限定されず、例えばキャリア注入による電流励起であってもよいし、外部光源からの光を吸収する光励起であってもよい。
【００１０】
光共振器は、光増幅媒体で増幅された光を３次元多モード干渉により発振させる。このとき、３次元多モード干渉により、周期的に光の強度が集中した部分と分散した部分が生じる。光の強度が集中した部分ができる位置は波長依存性がある。そこで、光共振器において光の強度が集中した部分、すなわち光強度が大きくなる位置に光取出し口が設けられている。
【００１１】
したがって、レーザ装置によれば、３次元多モード干渉により光強度の大きくなったレーザ光を出射することができるので、高品質かつ高出力のレーザ光を得ることができる。
【００１２】
レーザ装置の他の態様として、前記光増幅媒体と前記光共振器との間に低光損失接合部を更に備えてもよい。これにより、レーザ発振時の光損失を抑制することができる。
【００１３】
レーザ装置の他の態様として、前記光増幅媒体に対して光励起を行う光励起手段を更に備えてもよい。
【００１４】
レーザ装置の他の態様として、前記光取出し口は、発振させたい波長の光強度が大きくなる位置に設けてもよい。３次元多モード干渉により光の強度が集中した部分ができる位置は波長依存性を有している。このため、光取出し口の位置を変えることにより、所望の波長のレーザ光のみを出射することができる。
【００１５】
レーザ装置の他の態様として、前記光共振器は、高屈折率物質内又は光反射材で覆われた空洞内で３次元多モード干渉を起こすように構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る半導体レーザ装置は、光増幅媒体で増幅された光について３次元多モード干渉を起こすと共に、３次元多モード干渉によって光強度が大きくなる位置にレーザ光取出し口を設けることにより、高品質かつ高出力のレーザ光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置１の構成を示す断面図、図２はレーザ装置１を光増幅媒体１０側からみた平面図、図３はレーザ装置１を高屈折率物質共振器２０側からみた平面図である。
【００１９】
レーザ装置１は、有機発光材料を用いて構成された光増幅媒体１０と、光増幅媒体１０で増幅された光を用いて多モード干渉を引き起こす高屈折率物質共振器２０と、を備えている。
【００２０】
光増幅媒体１０のｎ型半導体基板１２は、例えばＧａＡｓなどにより構成されている。ｎ型半導体基板１２の裏面（高屈折率物質共振器２０側）には、例えばＡｕＧｅなどにより構成されたＮ電極１１が形成されている。
【００２１】
ｎ型半導体基板１２の表面には、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓなどにより構成された光半導体活性層１３、例えばｐ−ＧａＡｓなどにより構成されたＰ型半導体１４、ＳｉＯ2などにより構成された絶縁膜１５、例えばＡｕＺｎ／Ａｕなどにより構成されたｐ電極１６が、順次積層して構成されている。
【００２２】
高屈折率物質共振器２０は、光増幅媒体１０で増幅された光の３次元多モード干渉を起こし、強度の大きい光を出射する。ここで、高屈折率物質共振器２０は、例えばＢＫ７などの高屈折率物質で構成された多モード干渉共振器２２と、多モード干渉共振器２２と光増幅媒体１０とを接合する低光損失接合部２１と、多モード干渉共振器２２内で発振したレーザを取り出す光取出し口２３と、を備えている。
【００２３】
多モード干渉共振器２２の外部表面には、光を確実に閉じこめるために、金属薄膜が形成されている。なお、この金属薄膜は、多モード干渉共振器２２の内部であって外部との境界近傍に形成されてもよい。
【００２４】
多モード干渉共振器２２の一端面側（光増幅媒体１０側）には、低光損失接合部２１が形成されている。低光損失接合部２１は、レーザ発振時の光損失を抑制しつつ光増幅媒体１０と多モード干渉共振器２２とを接合させるものである。低光損失接合部２１は、例えば、複数の光挿通孔が形成された金属膜と、当該金属膜を光増幅媒体１０及び多モード干渉共振器２２に接合させるはんだと、で構成されている。光挿通孔は、光増幅媒体１０で増幅された光を通過させるためのものである。なお、低光損失接合部２１は、この例に限らず、光増幅媒体１０と高屈折率物質共振器２０との間の光損失を少なくできるものであればよい。
【００２５】
多モード干渉共振器２２の他端面側には、例えばＢＫ７などにより構成された単一の光取出し口２３が形成されている。光取出し口２３は、光増幅媒体１０から入射された光が３次元多モード干渉によって強くなる位置に設けられている。また、光取出し口２３には、所定の反射率の誘電膜（単層あるいは複数層）を形成してもよい。なお、その反射率は、高い反射率が得られるように、取り出すべき光の波長に応じて設定すればよい。
【００２６】
ここで、高屈折率物質共振器２０における光取出し口２３の位置関係について説明する。
【００２７】
図４は、高屈折率物質共振器２０に設けられた光取出し口２３の位置関係を説明するための図である。ここでは、高屈折率物質共振器２０を、波長に対して幅の広い多モード導波路２０Ａとして考える。
【００２８】
同図に示すように、多モード導波路２０Ａは、光伝搬方向に沿った長さＬ、その方向に直交する幅Ｗの長方形状に構成されている。多モード導波路２０Ａには、１つの光出射口２３Ａと、多モード導波路２０Ａの幅方向に対して互いに等間隔に設けられた（Ｎ−１）個の光入射口２１Ａとが設けられている。
【００２９】
ここで、光出射口２３Ａの位置は、図１及び図３の光取出し口２３の位置に対応するものとする。また、光入射口２１Ａの各々の位置は、低光損失接合部２１の各々の光挿通孔の位置に対応するものとする。
【００３０】
なお、光出射口２３Ａは、多モード導波路２０Ａの光入射側であって、幅方向の中間位置に形成されている。また、各々の光入射口２１Ａは、多モード導波路２０Ａの光出射側であって、隣り合う光入射口２１Ａに対して距離（Ｗ／Ｎ）だけ離れて形成されている。
【００３１】
そして、このような多モード導波路２０Ａの光出射口２３Ａに光が入射した場合について考える。光の進行方向をｚ方向とし右手座標系でｘ，ｙ，ｚ方向を定める。光の強度Ψ（ｙ，ｚ）は、ｖ個のモードφ（ｙ）の重ね合わせによって式（１）のように記述できる。
【００３２】
【数１】
2005142396.tif 000003
【００３３】
ここで、βvは、モード毎の伝播定数であり、次の式（２）から式（４）で表される。
【００３４】
【数２】
2005142396.tif 000004
【００３５】
ここで、Ｌπを式（５）のように定める。
【００３６】
【数３】
2005142396.tif 000005
【００３７】
β0は基本モードの伝搬定数、β1は１次モードの伝搬定数、ｎrは多モード導波路２０Ａの屈折率、λ0は伝播する光の波長、Ｗevはｖ番目のモードのグースヘンセンシフト（Goos-Hahnchen shifts）を含めた実効的な導波路幅である。
【００３８】
一方、入射光の強弱パターンが１×１で再現される距離Ｌは、式（１）においてモードの位相が再び一致する所であるため、式（６）のようになる。
【００３９】
【数４】
2005142396.tif 000006
【００４０】
ここで、ｐは任意の整数である。入射光の強弱パターンが１×２で再現される距離Ｌは、奇モードの位相が反転する場所であるので、式（７）のようになる。
【００４１】
【数５】
2005142396.tif 000007
【００４２】
式（７）では、ｐは１，３，５，…となる。すなわち１×２より小さい１×１の場所を除いた場所である。同様にして、１×３、１×４についても展開できる。このため、多モード導波路２０Ａの光入射口から光取出し口までの光導波方向の距離をＬとすると、式（８）が成り立つ。
【００４３】
【数６】
2005142396.tif 000008
【００４４】
ただし、ｐはＮより少ない数のパターンが再現されないところとなる。
【００４５】
また、Ｗevは次のようにしても求めることができる。最初に、次の式（９）の特性方程式を解く。
【００４６】
【数７】
2005142396.tif 000009
【００４７】
ｋx、γは、それぞれ式（１０）及び式（１１）の通りである。
【００４８】
【数８】
2005142396.tif 000010
【００４９】
ただし、ｋ0は式（３）の通りである。また、ｎcavは導波路屈折率、ｎextは導波路の外側の屈折率である。そして、求めたγを次の式（１２）に代入すると、Ｗevが求められる。
【００５０】
【数９】
2005142396.tif 000011
【００５１】
高屈折率物質共振器２０の光取出し口２３は、高屈折率物質共振器２０の光入射位置から光伝搬方向に沿って、式（８）を満たす位置に設けられている。すなわち、光取出し口２３は、多モード干渉により光強度が集中する部分に設けられている。
【００５２】
以上のように構成されたレーザ装置１では、光増幅媒体１０で増幅された光は、高屈折率物質共振器２０で３次元多モード干渉を引き起こす。このとき高屈折率物質共振器２０の光出射側（光取出し口２３側）には、周期的に光強度が分散した部分と、１箇所の光強度が集中した部分とができる。光強度が集中した部分では、レーザは高出力であり、そのビーム形状はほぼ真円になる。
【００５３】
したがって、レーザ装置１は、３次元多モード干渉により光強度が大きくなる位置に光取出し口２３を設けることにより、ビーム形状がほぼ真円の高品質かつ高出力のレーザを出力することができる。
【００５４】
なお、高屈折率物質共振器２０において、光強度が集中した部分には波長依存性がある。このため、発振させたい波長の光が集中する位置に光取出し口２３を設けてもよい。このとき、光の干渉パターンは、ビーム伝播法などによって数値計算可能である。さらに、光取出し口２３の大きさを小さくするに従ってモード選択性を強くしてもよい。
【００５５】
［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
図５は、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２の概略的な構成を示す図である。本実施形態では、光増幅媒体１０の代わりに、半導体光増幅媒体３０を用いている。すなわち、半導体レーザ装置２は、複数（例えば、本実施形態では７個）の半導体光増幅媒体３０と、多モード干渉を起こしてレーザを出射する高屈折率物質共振器２０と、を備えている。
【００５７】
図６は、半導体光増幅媒体３０の構成を示す断面図である。半導体光増幅媒体３０の応力緩衝基板３２は、例えばＡｌＮなどにより構成されている。そして、応力緩衝基板３２の表面上には、例えばＡｕＺｎ／Ａｕなどにより構成されたｐ型電極３３、例えばＳｉＯ2などにより構成された絶縁膜３４、例えば高濃度ドーピングしたＧａＡｓなどにより構成されたコンタクト層３５、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどにより構成された半導体多層膜反射鏡３６、例えばＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓなどにより構成された量子井戸活性層３７、ｎ型基板３８、例えばＡｕＧｅ／Ａｕなどにより構成されたＮ電極３９が、順次積層して構成されている。
【００５８】
一方、高屈折率物質共振器２０に形成された光取出し口２３の位置関係は、第１の実施形態と同様である。
【００５９】
図７は、高屈折率物質共振器２０の光強度分布を示す図である。縦軸は高屈折率物質共振器２０の長さ（距離）Ｌ方向の値、横軸は高屈折率物質共振器２０の幅Ｗ方向の値である。同図に示すように、縦軸及び横軸の値が各々ほぼゼロの位置で、最も光強度が大きくなった。この位置に光取出し口２３が設けられている。
【００６０】
したがって、第２の実施形態に係る半導体レーザ装置２は、第１の実施形態と同様に、３次元多モード干渉により光強度が大きくなる位置に光取出し口２３を設けることにより、ビーム形状がほぼ真円の高品質かつ高出力のレーザを出力することができる。
【００６１】
［第３の実施形態］
つぎに、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
図８（Ａ）は第３の実施形態に係るレーザ装置３の側面図、（Ｂ）はレーザ装置３を他の側面からみた側面図、（Ｃ）はレーザ装置３を光取出し孔４１ａからみた平面図である。レーザ装置３は、レーザを増幅する半導体光増幅媒体３０と、空洞が形成された空洞光共振器４０とを備えている。
【００６３】
空洞光共振器４０は、外形が直方体であり、端面が開放された箱形状に形成されている。そして、空洞光共振器４０の開放部を塞ぐように、平板状の半導体光増幅媒体３０が設けられている。これにより、空洞光共振器４０には、３次元多モード干渉を起こすための空洞が形成されている。
【００６４】
空洞光共振器４０は、上記端面及び１つの側面が開放された箱形状の共振器本体４１と、その１つの側面に対応する蓋部４２と、で構成されている。共振器本体４１の他の端面（底面）には、光を出射する光取出し孔４１ａが形成されている。
【００６５】
共振器本体４１は、例えばシリコンにドライエッチングで加工されたもので構成されている。共振器本体４１の内部（光反射面側）には、光反射率を高くするために、アルミ・チタン・金属膜が蒸着されている。蓋部４２も同様に、例えばシリコンにドライエッチングで加工されたもので構成されている。蓋部４２の光反射面側にも同様に、アルミ・チタン・金属膜が蒸着されている。
【００６６】
また、空洞光共振器４０において光取出し孔４１ａが形成された位置は、高屈折率物質共振器２０において光取出し口２３が設けられた位置と同様の関係を有している。すなわち、光取出し孔４１ａは、３次元多モード干渉により光強度が大きくなった位置に形成されている。
【００６７】
したがって、第３の実施形態に係るレーザ装置３は、空洞光共振器４０の３次元多モード干渉により光強度が大きくなる位置に光取出し孔４１ａを形成することにより、上述した実施形態と同様に、ビーム形状がほぼ真円の高品質かつ高出力のレーザを出力することができる。
【００６８】
［第４の実施形態］
つぎに、本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態に係るレーザ装置４は、第１乃至第３の実施形態と異なり、共振器外部に光励起を行う光源を有している。
【００６９】
図９は、第４の実施形態に係るレーザ装置４の概略的な構成を示す図である。レーザ装置４は、光励起を行う複数の励起光源５０と、励起された光を増幅すると共に発振する光増幅性多モード共振器６０と、を備えている。
【００７０】
励起光源５０は、例えば、半導体レーザ装置やハロゲンランプなどにより構成されるが、光励起を行うことができれば特に限定されるものではない。
【００７１】
光増幅性多モード共振器６０は、全体的に光増幅媒体で構成されている。例えば耐熱性ガラスにＮｄを混ぜた材料などで構成された共振器本体６１に、共振器本体６１内の光を反射する光反射口６２と、発振した光を出射する光取出し口６３とが形成されている。
【００７２】
光反射口６２及び光取出し口６３は、例えば直方体形状に構成された共振器本体６１の２つの端面に各々相対するように設けられている。また、光反射口６２及び光取出し口６３は、例えば耐熱性ガラスに高反射コーティングしたものなどで構成されている。ただし、光反射口６２の反射率は、光取出し口６３の反射率よりも大きいものとする。
【００７３】
光増幅性多モード共振器６０において光取出し口６３が設けられた位置は、第１の実施形態で説明したように、高屈折率物質共振器２０において光取出し口２３が設けられた位置と同様の関係を有している。すなわち、光取出し口６３は、３次元多モード干渉により光強度が大きくなった位置に形成されている。ただし、この場合、金属中にはほとんど光が入り込まないと考えられるため、上述した式（１２）においてγ＝０となる。すなわち、式（１３）が成り立つ。
【００７４】
【数１０】
2005142396.tif 000012
【００７５】
したがって、第４の実施形態に係るレーザ装置４は、外部の励起光源５０によって光励起を行う場合であっても、光増幅性多モード共振器６０の３次元多モード干渉により光強度が大きくなる位置に光取出し口６３を設けることにより、上述した実施形態と同様に、ビーム形状がほぼ真円の高品質かつ高出力のレーザを出力することができる。
【００７６】
なお、本発明は、第１乃至第４の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計変更されたものについても適用可能である。
【００７７】
例えば、光増幅媒体１０及び半導体光増幅媒体３０の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、励起光を増幅させることができればよい。また、高屈折率物質共振器２０、空洞光共振器４０、光増幅性多モード共振器６０の材質、形状等についても特に限定されるものではないのは勿論である。さらに、上述したレーザ装置を１次元または２次元状に配列することによって、レーザアレイを構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す断面図である。
【図２】前記レーザ装置を光増幅媒体側からみた平面図である。
【図３】前記レーザ装置を高屈折率物質共振器側からみた平面図である。
【図４】波長に対して幅の広い多モード導波路を用いて高屈折率物質共振器に設けられた光取出し口の位置関係を説明するための図である。
【図５】第２の実施形態に係る半導体レーザ装置の概略的な構成を示す図である。
【図６】前記半導体レーザ装置に設けられた半導体光増幅媒体の構成を示す断面図である。
【図７】高屈折率物質共振器の光強度分布を示す図である。
【図８】（Ａ）は第３の実施形態に係るレーザ装置の側面図、（Ｂ）は前記レーザ装置を他の側面からみた側面図、（Ｃ）は前記レーザ装置を光取出し孔からみた平面図である。
【図９】第４の実施形態に係るレーザ装置の概略的な構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１，２，３，４  レーザ装置
１０  光増幅媒体
２０  高屈折率物質共振器
２１  低光損失接合部
２２  多モード干渉共振器
２３，６３  光取出し口
３０  半導体光増幅媒体
４０  空洞光共振器
４１，６１  共振器本体
４１ａ  光取出し孔
５０  励起光源
６０  光増幅性多モード共振器
６２  光反射口
【図１】
2005142396.tif 000013
【図２】
2005142396.tif 000014
【図３】
2005142396.tif 000015
【図４】
2005142396.tif 000016
【図５】
2005142396.tif 000017
【図６】
2005142396.tif 000018
【図８】
2005142396.tif 000019
【図９】
2005142396.tif 000020
【図７】
2005142396.tif 000021