(57)【要約】【課題】高効率にビーム形状を等方的にすることの可能な光学装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１０、縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０、フィードバック素子４０および光ファイバ６０が光軸方向にこの順に配列されている。フィードバック素子４０は、半導体レーザ素子１０の発光スポット１７から出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に設けられた外部共振器４１を有する。これにより、発光スポット１７から出力される光の横方向の発散角θｓが、発光スポット１７から出力される光が到達し得る全ての領域に何らかの外部共振器を設けた場合の横方向の発散角θｏと比べて小さくなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数の発光スポットを少なくとも一の端面側に有する半導体レーザ素子と、
各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に設けられた１または複数の外部共振器と
を備えたことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記外部共振器は、金属膜または誘電体多層膜からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記外部共振器は、周期的に屈折率の変化するグレーティング構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
前記外部共振器は、前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側の光路上に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記外部共振器は、前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側とは反対側の光路上に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記半導体レーザ素子と前記外部共振器との間の光路上に、前記各発光スポットから出力される光のうち縦方向の光を平行光化する縦方向平行化素子と、前記各発光スポットから出力される光のうち横方向の光を平行光化する横方向平行化素子と
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】
前記半導体レーザ素子は、複数の発光スポットを有し、
前記複数の発光スポットは、横方向に並列に配列されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記複数の発光スポットは、縦方向にも並列に配列されている
ことを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側の光路上の末端に、光ファイバを有する
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力の要求される用途に好適に用いられる光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、数十Ｗ程度の高出力の半導体レーザ素子が実用化されており、固体レーザを励起するための光源や、融点の比較的低い材料、例えば、プラスチックなどを加工・溶接するためのものとして用いられている。最近では、この高出力の半導体レーザ素子を１次元に配列したバー・レーザ（Bar Laser)や、バー・レーザを素子配列方向と直交する方向に多段化したスタック・レーザ(Stack Laser) が登場しており、このように発光スポットの数を増やすことで、数ｋＷ程度の高出力を実現している。
【０００３】
高出力型の半導体レーザ素子は、一般にブロードエリア型のチップ構造を有している。ブロードエリア型の半導体レーザ素子としては、例えば、図７に示したように、基板１１０の表面に、ｎ型半導体層、活性層、および複数のリッジを有するｐ型半導体層からなる半導体積層構造１１１とｐ側電極１１２とを備え、さらに基板１１０の裏面にｎ側電極１１３を備えたものがある。このような構成の半導体レーザ素子では、各リッジに対応して端面に形成される単一の発光スポット１１４は通常、等方的な形状とはならず、半導体の積層方向と垂直な方向（横方向）に延在する偏平な形状となっている。ここで、複数の発光スポット１１４は、巨視的に見ると、横方向の幅の極めて広い１つの発光スポット（疑似発光スポット１１５）と等価であるので、半導体レーザ素子から出力される光は、横方向に、発光幅Ｗｓ、発散角θｓのビーム形状を有していると言うことができる。
【０００４】
このような偏平な発光スポット１１５から出力される光を、通常の光学系を用いて像変換すると、発光スポット１１５の縦横比と等しい縦横比の像が形成される。つまり、通常の光学系を用いた場合には、変換後のビーム形状は発光スポット１１５の形状に依存し、等方的にはならない。そこで、偏平な発光スポット１１５から出力された光を像変換することにより得られるビーム形状を等方的にするための方策が種々提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、半導体レーザ素子の光を、光軸に対して斜めの反射面を有する階段状のミラーを用いて２回反射させ、それにより像の偏平な方向を９０°回転させて、ビーム形状を等方的にする技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２７１８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、このように２回の反射を利用すると、反射による光損失が必ず発生するので、高効率にビーム形状を等方的にすることができない。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率にビーム形状を等方的にすることの可能な光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学装置は、半導体レーザ素子と、１または複数の外部共振器とを備えたものである。半導体レーザ素子は、１または複数の発光スポットを少なくとも一の端面側に有している。外部共振器は、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に設けられている。
【００１０】
本発明の光学装置では、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に外部共振器が設けられているので、半導体レーザ素子に電流を注入して各発光スポットから光が出力されると、外部共振器の設けられている部分に入射した光の一部が各発光スポットにフィードバックされ、増幅される。これにより、各発光スポットから出力される光は、光損失を発生させることなく、外部共振器の設けられている部分にだけ出力されるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光学装置によれば、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に、外部共振器を設けるようにしたので、各発光スポットから出力される光は、光損失を発生させることなく、外部共振器の設けられている部分にだけ出力されるようになる。このとき、各発光スポットから出力される光の発散角は、各発光スポットから出力される光が到達し得る全ての領域に外部共振器を設けた場合のそれと比べて小さくなっている。これにより、半導体レーザ素子の発光スポットが偏平な形状となっている場合であっても、高効率にビーム形状を等方的にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る発光装置の断面構成を表すものである。この発光装置は、半導体レーザ素子１０、縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０、フィードバック素子４０、集光レンズ５０および光ファイバ６０を光軸方向にこの順に配列して構成したものである。図２は、図１の半導体レーザ素子１０を斜視的に表すものである。なお、図１の半導体レーザ素子１０は、図２の半導体レーザ素子１０のＡ−Ａ矢視方向の断面構成を表すものである。また、図１および図２は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。
【００１４】
この発光装置は、端面の各発光スポット１６（後述）を半導体の積層方向と垂直な方向（横方向）に一列に配列してなるアレイ型の半導体レーザ素子１０から出力される光のビーム形状を縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０およびフィードバック素子４０により補正して、補正後の光を集光レンズ５０により光ファイバ６０と結合させたものである。
【００１５】
この半導体レーザ素子１０は、基板１１の一面側に半導体積層構造１２を成長させたものであり、半導体積層構造１２は、基板１１側から順に、第１導電型半導体層（図示せず）、活性層１３、第２導電型半導体層（図示せず）を有している。第２導電型半導体層の上部には、互いに所定の間隔で複数のリッジ１４が形成されている。このリッジ１４の底部の幅は典型的には数１０μｍ以上５００μｍ以下となっており、半導体積層構造１２は、ブロードエリア型のチップ構造を有している。
【００１６】
また、半導体レーザ素子１０を駆動することにより、活性層１３のうち各リッジ１４の底部に対応する部分には発光領域１５が形成され、半導体レーザ素子１０の一方の端面のうち各発光領域１４に対応する部分には発光スポット１６が形成されるようになっている。つまり、各発光スポット１６は、端面において、互いに所定の間隔で横方向に一列に配列されることとなる。また、各発光スポット１６は、上記したように半導体積層構造１２がブロードエリア型のチップ構造を有していることから、等方的な形状とはならず、横方向に延在する偏平な形状となる。さらに、このような偏平な形状を有する複数の発光スポット１６は、巨視的に見ると、横方向の幅の極めて広い１つの発光スポット（疑似発光スポット１７）と等価であるので、半導体レーザ素子１０から出力される光は、横方向に、発光幅Ｗｓ、発散角θｓのビーム形状を有していると言うことができる。
【００１７】
この半導体レーザ素子１０はまた、各リッジ１４の表面からその周辺部分の表面に渡ってｐ側電極１８を有しており、基板１１の裏面側のうちｐ側電極１５と対向する部分にｎ側電極１９を有している。
【００１８】
縦方向コリメートレンズ２０は、例えば、半導体の積層方向と平行な方向（縦方向）に凸形状を有するレンズであり、縦方向のビームの発散を抑えて、ビームの縦方向成分を平行光化するようになっている。他方、横方向コリメートレンズ３０は、例えば、横方向に凸形状を有するレンズであり、横方向のビームの発散を抑えて、ビームの横方向成分を平行光化するようになっている。従って、縦方向コリメートレンズ２０および横方向コリメートレンズ３０を組み合わせることにより、半導体レーザ素子１０の光を平行光化するようになっている。
【００１９】
フィードバック素子４０は、各発光スポット１６に対応して外部共振器４１を有している。各外部共振器４１は、各発光スポット１６から出力される光が到達し得る全ての領域に何らかの外部共振器を設けた場合に、各発光スポット１６から出力される光が縦方向コリメートレンズ２０および横方向コリメートレンズ３０を介して到達し得る個々の領域の一部分に設けられている。なお、「一部分」の意義については、発光装置の作用において説明する。
【００２０】
外部共振器４１は、例えば、光軸方向に周期的に屈折率の変化するグレーティング構造を有する光学素子により構成されている。そのような光学素子としては例えばＶＢＧ(Volume Brrag Grating)がある。ＶＢＧは、屈折率の互いに異なる材料からなる厚さλ／４（λ：発振波長）の層を交互に配列して構成されたものであり、例えば、光照射により屈折率の変化する材料に対して紫外光などをλ／４間隔で照射することにより形成されている。ここで、光照射により屈折率の変化する材料としては、例えば、ＡｇやＣｅなどを含有する、ＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 またはＮａ2 Ｏなどが挙げられる。また、紫外光などを等間隔で材料に照射する方法としては、例えば、２つのレーザ光を照射し、それらレーザ光の干渉により周期的に光の強弱を作り出したり、回折格子を有するマスクにレーザ光を照射し、回折効果により周期的に光の強弱を作り出したり、単純にレーザ光をスポット照射することが挙げられる。
【００２１】
集光レンズ５０は、例えば、１枚の球面レンズまたは複数のシリンドリカルレンズで構成されており、この集光レンズ５０の焦点距離は、光ファイバ６０のコア部６１（後述）に結像させるように選ばれている。
【００２２】
光ファイバ６０は、その中央部分にコア部６１を、コア部６１の外周部分にクラッド部６２をそれぞれ有している。コア部６１は、縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０、フィードバック素子４０および集光レンズ５０によって像変換されたレーザ光を伝播させる芯線としての役割を有するものである。クラッド部６２は、コア部６１内を伝播するレーザ光をコア部６１に閉じ込めるための外皮としての役割を有する。
【００２３】
次に、このような構成を備えた発光装置の作用・効果について説明する。なお、図１は、各発光スポット１６から出力された光のうち、各発光スポット１６の中央部分から出力された光だけを抽出して、その光が縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０、フィードバック素子４０および集光レンズ５０に向かう様子を模式的に表したものである。図１の破線は、半導体レーザ素子１０に電流を注入した初期の段階における光束を表したものであり、図１の一点鎖線は、半導体レーザ素子１に電流を注入したのち定常状態に落ち着いた段階における光束を表したものである。
【００２４】
半導体レーザ素子１０に電流を注入すると、各リッジ１４により電流狭窄されたのち、活性層１３の発光領域１５に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光のうち各発光スポット１６から外部共振器４１側に出力された光は、各外部共振器４１の設けられている部分よりも広い領域に入射し（図１破線参照）、その入射した光のうち各外部共振器４１の設けられている部分に入射した光だけが各発光スポット１６にフィードバックされる。また、発光領域１５で発生した光のうち外部共振器４１とは反対側に向かった光は、半導体レーザ素子１０の後側の端面で反射される。このようにして、半導体レーザ素子１０の後側の端面および外部共振器４１からなる一対の反射鏡により反射を繰り返すことによりレーザ発振が生じるが、このとき、各発光スポット１６から外部共振器４１側に出力された光は、次第に各外部共振器４１の設けられている部分に収斂し、その収斂した光は集光レンズ５０を透過し、光ファイバ６０へ結合される（図１一点鎖線参照）。
【００２５】
つまり、上記した「外部共振器４１が〜一部分に設けられている」とは、半導体レーザ素子１０に電流を注入した初期の段階において、各発光スポット１６から外部共振器４１側に出力された光がフィードバック素子４０に入射する領域の一部分に、各外部共振器４１の入射窓４１Ａが設けられている、ということと同義である。
【００２６】
従って、本実施の形態では、各発光スポット１６から出力された光を、フィードバック素子４０において光損失を発生させることなく、図１の一点鎖線に示したように、各外部共振器４１から出力させることができる。
【００２７】
次に、各発光スポット１６を巨視的に１つの疑似発光スポット１７と捉えた場合の疑似発光スポット１７から出力される光のビーム品質と、疑似発光スポット１７から出力される光を縦方向コリメートレンズ２０、横方向コリメートレンズ３０、外部共振器４１および集光レンズ５０によって像変換した後のビーム品質について説明する。
【００２８】
半導体レーザ素子から出力される光のビーム形状は、一般的に、単一の発光スポットの発光幅と発散角との積で表されるビーム品質という指標を用いて評価される。ブロードエリア型の半導体レーザ素子では、発光スポットが横方向に偏平な形状となっていることから、以下の式に示したように、発光スポットの発光幅と発散角を、横方向および縦方向に分けて考えるのが一般的である。
Ｗｓ×θｓ＝（λ／π）×Ｍｓ2 …（１）
Ｗｆ×θｆ＝（λ／π）×Ｍｆ2 …（２）
λ：発振波長
Ｗｓ：横方向の発光幅、θｓ：横方向の発散角
Ｗｆ：縦方向の発光幅、θｆ：縦方向の発散角
【００２９】
このビーム品質という指標には、式（１），（２）の右辺にあるＭｓ2 ，Ｍｆ2 （エム・スクエア）が用いられる。なお、半導体レーザ素子の全体のビーム品質を評価する際には、以下の式に示したように、Ｍｓ2 とＭｆ2 との積（Ｍ2 ）を用いる。
Ｍ2 ＝Ｍｓ2 ×Ｍｆ2 …（３）
【００３０】
ここで、Ｍ2 が小さいほど、微小なスポットに容易に集光することができるのでビーム品質が良いと言え、その値が１のとき、最良のビーム品質であるといえる。他方、Ｍ2 が大きいほど、微小なスポットに集光することが困難であるのでビーム品質が悪いと言える。また、Ｍｓ2 およびＭｆ2 のいずれか一方だけが小さく、他方が極めて大きい場合にも、等方的に微小なスポットに集光することが困難であるのでビーム品質が悪いと言える。エム・スクエアは通常の光学レンズ等による像変換においては保存量であり、レンズの収差等により大きくなることはあるが、小さくすることはできない。
【００３１】
ところで、半導体レーザ素子１０は、一般的な半導体レーザ素子と同様、縦方向のＭｆ2 が１となるように設計されているので、縦方向のビーム品質は極めて良い。しかし、横方向のＭｓ2 は、疑似発光スポット１７が横方向に偏平な形状となっていることから、一般的な半導体レーザ素子と同様、縦方向のＭｆ2 よりも著しく悪い。そのため、上記したように、半導体レーザ素子１０の光を通常の光学系を用いて像変換しても、微小なスポットに集光することは困難である。
【００３２】
そこで、従来では、特許文献１で開示されていたように、半導体レーザ素子の光を、光軸に対して斜めの反射面を有する階段状のミラーを用いて２回反射させ、それにより像の偏平な方向を９０°回転させて、横方向のＭｓ2 と、縦方向のＭｆ2 とを等方化することが考えられる。しかし、このようにして等方化すると、もともとビーム品質の良かった縦方向のＭｆ2 、特に縦方向の発散角θｆを悪くしてしまうので、例えば、図３に示したように、バー状の半導体レーザ素子１０を縦方向にスタックした場合には、巨視的な疑似発光スポット２７の縦方向のＭｆ2 が極めて悪くなってしまい、光ファイバのコア径を大きくしない限り、縦方向にスタックする数が大幅に制限されてしまう。また、階段状のミラーを用いた後のＭ2 は、それを用いなかったときのＭ2 よりも確実に悪くなってしまうので、微小なスポットに集光することが困難になる。そのため、縦方向にスタックする数を増やしても思ったほど輝度が上がらず、極めて高い出力の要求される用途にはあまり向かない。
【００３３】
一方、本実施の形態では、各発光スポット１６から出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に各外部共振器４１を設けて、各発光スポット１６から出力される光を各外部共振器４１の設けられている部分にだけ出力されるようにしたので、疑似発光スポット１７から出力される光の横方向の発散角θｓは、疑似発光スポット１７から出力される光が到達し得る全ての領域に何らかの外部共振器を設けた場合の横方向の発散角θｏと比べて小さくなっている（図１参照）。つまり、疑似発光スポット１７から出力される光の横方向の発光幅Ｗｓ、縦方向の発光幅Ｗｆおよび縦方向の発散角θｆの値を変えることなく、つまりこれらの値とは独立に発散角θｓを小さくすることができ、Ｍ2 を１にすることも可能である。
【００３４】
これにより、半導体レーザ素子１０の疑似発光スポット１７が偏平な形状となっている場合であっても、Ｍ2 （ビーム品質）を小さくしつつ、横方向のＭｓ2 と、縦方向のＭｆ2 とを等方化することができる。従って、本実施の形態では、高効率にビーム形状を等方的にすることができ、さらに、微小なスポットに集光することが可能となる。その結果、光ファイバ６０のコア部６１の径を従来の径よりも小さくすることができる。
【００３５】
また、図３に示したように、バー状の半導体レーザ素子１０を縦方向にスタックした場合には、巨視的な疑似発光スポット２７の縦方向の発散角θｆはバー状の半導体レーザ素子１０が１つの場合のそれと全く同一であるから、発光スポット２７の縦方向のＭｆ2 は縦方向にスタックする数に応じてわずかに大きくなるだけであり、微小なスポットに集光することができる。これにより、コア部６１の径を従来の径と同等とした場合に、縦方向にスタックすることの可能なバー状の半導体レーザ素子１０の数を従来よりも大幅に増やすことができる。また、微小なスポットに集光することが可能であることから、縦方向にスタックする数に応じて輝度を上げることができ、極めて高い出力の要求される用途に適している。
【００３６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００３７】
例えば、上記実施の形態では、フィードバック素子４０を、半導体レーザ素子１０と光ファイバ６０との間の光路上に配置するようにしていたが、図４に示したように、半導体レーザ素子１０の背面側の光路上に配置するようにしてもよい。ただし、この場合には、上記実施の形態の場合とは逆に、半導体レーザ素子１０の背面側の端面の反射率を低くする。また、半導体レーザ素子１の背面側と、フィードバック素子４０との間の光路上に、縦方向コリメートレンズ２０および横方向コリメートレンズ３０を配置することが好ましい。
【００３８】
また、上記実施の形態では、フィードバック素子４０の内部に複数の外部共振器４１を所定の間隔で配列するようにしていたが、例えば、図５に示したように、支持部７１の表面に外部共振器７２を所定の間隔で配列してフィードバック素子７０を形成するようにしてもよい。この場合には、外部共振器７２を、例えば、ＡｕまたはＡｌなどからなる金属膜や、Ｔａ2 Ｏ5 、ＴｉＯ2 またはＳｉＯ2 などからなる誘電体多層膜により構成することも可能となるので、フィードバック素子４０よりも構造を簡易にすることができる。
【００３９】
このフィードバック素子７０は、例えば、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示したようにして、製造することができる。まず、支持部７１上にフォトレジストＲ１を塗布したのち、リソグラフィー処理を行うことにより、外部共振器７２を形成することとなる領域上に開口部を有するマスクＲ２を形成する。続いて、表面全体に渡って、外部共振器７２に用いられる材料７２Ａを成膜したのち、リフトオフを行うことにより、支持部７１上に外部共振器７２を形成する。このようにしてフィードバック素子７０を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光学装置の断面構成図である。
【図２】図１の半導体レーザ素子の斜視図である。
【図３】図１の半導体レーザ素子を縦方向にスタックしたときの端面方向から見た平面図である。
【図４】一変形例に係る光学装置の断面構成図である。
【図５】他の変形例に係る光学装置の断面構成図である。
【図６】図５のフィードバック素子の製造工程を説明するための断面構成図である。
【図７】従来の光学装置における半導体レーザ素子の斜視図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…半導体レーザ素子、１１…基板、１２…半導体積層構造、１３…活性層、１４…リッジ、１５…発光領域、１６…発光スポット、１７，２７…疑似発光スポット、１８…ｐ側電極、１９…ｎ側電極、２０…縦方向コリメートレンズ、３０…横方向コリメートレンズ、４０，７０…フィードバック素子、４１，７２…外部共振器、４１Ａ…入射窓、５０…集光レンズ、６０……光ファイバ、６１…コア部、６２…クラッド部、７１…支持部、θｏ，θｓ…発散角、Ｗｓ…発光幅。
【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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