(57)【要約】【課題】発振からの時間の経過と共に発光強度分布が変化するブロードエリア型の半導体レーザから出射された光から、所望の発光強度分布を持った光を出力できるようにした半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１Ａは、レーザ光を出射するブロードエリア型の半導体レーザ２と、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の遮蔽と通過を切り替えるシャッタ３、半導体レーザ２が発振を開始してからの時間と出射端面における発光強度分布（ＮＦＰ）の変化に応じて予め設定された、ＮＦＰが均一な分布に近づくタイミングで、半導体レーザ２のパルス駆動に同期させてシャッタ３を開閉するパルス制御器４を備える。【選択図】        図１
2007227632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の幅を有した発光領域からレーザ光を出射する半導体レーザと、
前記半導体レーザをパルス駆動するレーザ駆動手段と、
前記半導体レーザから出射されるレーザ光の遮蔽と通過を切り替える光抽出手段と、
前記半導体レーザが発振を開始してからの時間と出射端面における発光強度分布の変化に応じて予め設定された、発光強度分布が所望の分布パターンに近づくタイミングで、前記半導体レーザのパルス駆動に同期させて前記光抽出手段を開閉する光抽出制御手段と
を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記光抽出制御手段は、前記半導体レーザの１つのパルス発振の中で予め設定されている複数のタイミングで、前記半導体レーザのパルス駆動に同期させて前記光抽出手段を開閉し、異なるタイミングで出射されたレーザ光の発光強度分布の時間平均で、所望の発光強度分布を持った出力を得る
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記光抽出制御手段は、発光強度分布が均一な分布パターンに近づくタイミングで、前記光抽出手段を開閉する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブロードエリア型の半導体レーザを備え、パルス駆動によりレーザ光を出力する半導体レーザ装置に関する。詳しくは、半導体レーザから出射したレーザ光を、出射端面における発光強度分布が所望の分布パターンに近づいたタイミングで出力できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（デジタル多目的ディスク）のような光ディスク装置における光源としての用途以外に、ディスプレイや印刷機器、あるいは材料の加工、医療機器等の様々な分野にも応用されている。
【０００３】
これらの応用分野においては、出力が高いことが望ましい場合が多く、従来よりも高出力の半導体レーザが必要とされている。出力を高くするための１つの方法として、ストライプ状の発光領域を持つ半導体レーザにおいて、そのストライプ幅を広くすることが有効である。
【０００４】
例えば、光ディスク用の半導体レーザにおける発光領域のストライプ幅の典型値が２〜３μｍであるのに対して、高出力用として発光領域のストライプの幅を５０μｍや４００μｍに拡げた半導体レーザも出現している。
【０００５】
このように、発光領域のストライプ幅を従来よりも大きくしたものは、「ブロードエリア型」半導体レーザと呼ばれている（例えば、特許文献１参照）。一方、発光領域のストライプ幅が狭いものを「ナローストライプ型」半導体レーザと称する。
【０００６】
ここで、本例では、例えば１０μｍ以上のストライプ幅の発光領域を持つものを、「ブロードエリア型」半導体レーザと定義する。
【０００７】
このようなブロードエリア型の半導体レーザにおいては、ＮＦＰ（ニア・フィールド・パターン：出射端面における発光強度分布）が均一なものが一般的には望ましい。
【０００８】
これは、材料加工等の応用分野では、空間的に均一に照射あるいは加熱することが要求されるからである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−６０２８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、ブロードエリア型の半導体レーザの場合には、発光領域のストライプ幅が広いために、その発光領域においてモード競合が発生して、ＮＦＰが不均一になってしまうという問題があった。結果として、半導体レーザを材料加工等の応用分野で使用することが難しくなっている。
【００１１】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、発振からの時間の経過と共に発光強度分布が変化するブロードエリア型の半導体レーザから出射された光から、所望の発光強度分布を持った光を出力できるようにした半導体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】
【００１２】
上述した課題を解決するため、本発明の半導体レーザ装置は、所定の幅を有した発光領域からレーザ光を出射する半導体レーザと、半導体レーザをパルス駆動するレーザ駆動手段と、半導体レーザから出射されるレーザ光の遮蔽と通過を切り替える光抽出手段と、半導体レーザが発振を開始してからの時間と出射端面における発光強度分布の変化に応じて予め設定された、発光強度分布が所望の分布パターンに近づくタイミングで、半導体レーザのパルス駆動に同期させて光抽出手段を開閉する光抽出制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザをパルス駆動してレーザ光を出射する。半導体レーザから出射されるレーザ光は、発振を開始してからの時間の経過に伴って出射端面における発光強度分布が変化する。
【００１４】
このため、半導体レーザが発振を開始してからの時間と出射端面における発光強度分布の変化に応じて予め設定された、発光強度分布が所望の分布パターンに近づくタイミングで光抽出手段を開閉することで、発光強度分布が所望の分布パターンに近づいたレーザ光が抽出される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザから出射されたレーザ光を、出射端面における発光強度分布が所望の分布パターンに近づいたタイミングで出力することができるので、発振を開始してからの時間に応じた出射端面における発光強度分布のばらつきが大きいブロードエリア型の半導体レーザから、発光強度分布が所望の分布パターンを有したレーザ出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の半導体レーザ装置の実施の形態について説明する。
【００１７】
＜本実施の形態の半導体レーザ装置の構成例＞
図１は本実施の形態の半導体レーザ装置の一例を示すブロック図である。本実施の形態の半導体レーザ装置１Ａは、レーザ光を出射する半導体レーザ２と、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の遮蔽と通過を切り替えるシャッタ３と、半導体レーザ２を所定の周期でパルス発振させると共に、半導体レーザ２の発振周期と同期させて、所定のタイミングでシャッタ３を開閉する制御を行うパルス制御器４を備える。
【００１８】
また、半導体レーザ装置１Ａは、パルス制御器４に制御されて半導体レーザ２を駆動するレーザドライバ５と、パルス制御器４に制御されてシャッタ３を駆動するシャッタコントローラ６を備える。
【００１９】
半導体レーザ２は、発光領域のストライプ幅が広いブロードエリア型の半導体レーザである。ここで、本例では、発光領域のストライプ幅が１０μｍ以上の半導体レーザをブロードエリア型と称し、一例として、発光領域のストライプ幅が約１００μｍの半導体レーザを用いている。
【００２０】
シャッタ３は光抽出手段の一例で、半導体レーザ２の出射端面の近傍等、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の光路中に、例えば図示しない駆動機構で駆動される遮蔽部材を開閉可能に設けて構成される。シャッタ３としては、半導体レーザ２のパルス駆動の周期に追従して開閉が行える高速応答性を有したものが望ましい。
【００２１】
パルス制御器４及びレーザドライバ５はレーザ駆動手段の一例で、半導体レーザ２を所定の周期でパルス駆動して、レーザ光を出射させる。
【００２２】
パルス制御器４及びシャッタコントローラ６は光抽出制御手段の一例で、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の出射端面における発光強度分布（ＮＦＰ）が所定の分布パターン、例えば均一な分布パターンに近づくタイミングに合わせてシャッタ３を開閉駆動する。
【００２３】
シャッタ３を開閉するシャッタ開閉タイミングＴ１は、半導体レーザ２を駆動して発振を開始してから、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の発光強度分布が均一な分布パターンに近づくまでの時間に応じて予め設定され、図示しないメモリ等に格納される。
【００２４】
パルス制御器４は、半導体レーザ２のパルス駆動の周期と同期させ、予め設定されているシャッタ開閉タイミングに合わせて、所定の間だけシャッタ３を開く。これにより、半導体レーザ２から出射され、発光強度分布が均一な分布パターンに近づいたレーザ光がシャッタ３を通過して出力される。
【００２５】
＜本実施の形態の半導体レーザ装置の動作例＞
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１Ａの具体的な動作例について説明する。ここで、半導体レーザ２には、活性層の一部のストライプ領域のみを電流注入で励起するようにして、光が導波する所定のストライプ幅の発光領域を構成したゲインガイド型と称されるタイプと、屈折率の高低差を横方向にも作って、光が導波する所定のストライプ幅の発光領域を構成したインデックスガイド型と称されるタイプがあるが、本例では、ゲインガイド型の半導体レーザを例に説明する。なお、本例では、発光領域のストライプ幅は、約１００μｍとした。
【００２６】
図２はパルス駆動している半導体レーザ２の出力と時間との関係の一例を示すタイミングチャート、図３はレーザ光を出射している任意の１つのパルス中における発光強度分布（ＮＦＰ）の変化の一例を示すグラフである。
【００２７】
電流を一定値として、図２に示す時間ｔ０で半導体レーザ２が駆動されると、図２に示す時間ｔ１において、図３（ａ）に示すように、まず、発光領域のストライプ幅の中央付近から発振が始まる。半導体レーザ２を駆動して発振を開始してからの時間の経過と共に、高次モードも出現するために、図２に示す時間ｔ２においては、図３（ｂ）に示すように、発光領域のストライプ幅の中央付近の周囲から端部の発光強度が一様に高くなる。更に時間が経過した図２に示す時間ｔ３においては、図３（ｃ）に示すように、発光領域のストライプ幅の両端の発光強度が大きくなる。
【００２８】
半導体レーザ２を駆動して発振を開始してから、所定の時間が経過した時間ｔ３において、発光領域のストライプ幅の両端の発光強度が大きくなる理由は、電流注入により発光領域に熱が発生し、その影響で発光領域の屈折率が上昇するため、幅方向の両端部には屈折率のステップが生じて、光がその領域に閉じ込められやすくなるからであると考えられる。
【００２９】
レーザ光を出射している１つのパルス全体における発光強度分布は、図３に示すような各時間における発光強度分布の時間平均となり、必ずしも空間的な均一性が良好であるとは言えない。
【００３０】
これに対して、図３（ｂ）に示すように、時間ｔ２における発光強度分布は均一性が良好であると言える。このため、レーザ光を出射している各パルスにおける時間ｔ２の瞬間（実際には、有限の幅を持った時間）の光だけを連続的に抽出すれば、空間的に均一な発光強度分布を持ったパルス光の列を得ることができる。
【００３１】
具体的には、図１に示すパルス制御器４では、半導体レーザ２の駆動周波数と同じ周波数で、（ｔ２±Δｔ）の間だけシャッタ３を開くように、シャッタ開閉タイミングＴ１を設定する。
【００３２】
図４はレーザ駆動とシャッタ駆動のタイミングの関係の一例を示すタイミングチャートで、図４（ａ）はレーザ駆動のタイミングチャート、図４（ｂ）はシャッタ駆動のタイミングチャート及びシャッタを開けている間の発光強度分布の一例を示す。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、半導体レーザ２は、所定のパルス幅Ｔ２でパルス駆動される。また、半導体レーザ２のパルス駆動の周期はＴ３である。
【００３４】
これに対して、図２及び図３で説明したように、半導体レーザ２を駆動して発振を開始してから、本例では時間ｔ２において、発光強度分布が均一な分布パターンに近づく。このため、図４（ｂ）に示すように、シャッタ開閉タイミングＴ１は（ｔ２±Δｔ）に設定され、パルス制御器４は、（ｔ２−Δｔ）から（ｔ２＋Δｔ）の間だけシャッタ３を開ける制御を、半導体レーザ２のパルス駆動と同じ周期Ｔ３で行う。ここで、シャッタ開閉タイミングＴ１は、半導体レーザ２から出射されるレーザ光のパルス幅Ｔ２よりも短い。
【００３５】
これにより、半導体レーザ２から出射されたレーザ光で、図３（ａ）や図３（ｃ）に示すような発光強度分布が均一でないレーザ光はシャッタ３で遮蔽され、図３（ｂ）に示すような発光強度分布が均一な分布パターンに近づいたレーザ光がシャッタ３を通過して、図４（ｂ）に示すように所定の周期Ｔ３でパルス出力される。
【００３６】
従って、発光強度分布の空間的な均一性が良好なパルス光が得られる。
【００３７】
＜本実施の形態の半導体レーザの他の動作例＞
次に、本実施の形態の半導体レーザ装置１Ａの他の動作例について説明する。
【００３８】
図５はパルス駆動している半導体レーザ２の出力と時間との関係の他の例を示すタイミングチャート、図６はレーザ光を出射している任意の１つのパルス中における発光強度分布の変化の他の例を示すグラフである。
【００３９】
図１で説明した半導体レーザ装置１Ａにおいては、同じゲインガイド型でかつブロードエリア型の半導体レーザ２でも、積層構造、ストライプ幅、共振器長等の構造因子の違いによってＮＦＰ特性は異なる。このため、図５に示すような半導体レーザ２のパルス駆動に対して、図６に示すような発光強度分布の変化を示す場合もある。
【００４０】
図５に示す時間ｔ０で半導体レーザ２が駆動された場合の時間ｔ１における発光強度分布を図６（ａ）に示し、時間ｔ２における発光強度分布を図６（ｂ）に示し、時間ｔ３における発光強度分布を図６（ｃ）に示す。
【００４１】
本例では、図６に示すように、時間ｔ１，ｔ２，ｔ３において、あるいは図示しない他の瞬間も含めて、均一な発光強度分布が得られない。しかし、時間ｔ１における発光強度分布と時間ｔ３における発光強度分布とが相補的に近い分布になっている。
【００４２】
図７は相補的に近い発光強度分布同士を重ね合わせた分布パターンの一例を示すグラフである。例えば、図７（ａ）に示すように、図５及び図６に示した時間ｔ１における発光強度分布の分布曲線と、時間ｔ３における発光強度分布の分布曲線を単純に加算して平均すると、図７（ｂ）に示すように、比較的均一性の良好な分布パターンが得られる。
【００４３】
そこで、レーザ光を出射している各パルスにおける時間ｔ１、具体的には（ｔ１±Δｔ‘）における光と、時間ｔ３、具体的には（ｔ３±Δｔ“）における光の両方を連続的に抽出できるように、図１に示すパルス制御器４では、半導体レーザ２の駆動周波数と同じ周波数で、（ｔ１±Δｔ‘）と（ｔ３±Δｔ“）の間だけシャッタ３を開くように、複数のシャッタ開閉タイミングＴ１ａ，Ｔ１ｂを設定する。
【００４４】
図８はレーザ駆動とシャッタ駆動のタイミングの関係の他の例を示すタイミングチャートで、図８（ａ）はレーザ駆動のタイミングチャート、図８（ｂ）はシャッタ駆動のタイミングチャート及びシャッタを開けている間の発光強度分布の一例を示す。
【００４５】
図８（ａ）に示すように、半導体レーザ２は、所定のパルス幅Ｔ２でパルス駆動される。また、半導体レーザ２のパルス駆動の周期はＴ３である。
【００４６】
これに対して、図５〜図７で説明したように、半導体レーザ２を駆動して発振を開始してから、本例では時間ｔ１における発光強度分布と時間ｔ３における発光強度分布を加算すると、発光強度分布が均一な分布パターンに近づく。
【００４７】
このため、図８（ｂ）に示すように、シャッタ開閉タイミングＴ１ａは（ｔ１±Δｔ‘）に設定されると共に、シャッタ開閉タイミングＴ１ｂは（ｔ３±Δｔ“）に設定され、パルス制御器４は、（ｔ１−Δｔ‘）から（ｔ１＋Δｔ‘）と、（ｔ３−Δｔ“）から（ｔ３＋Δｔ“）の間だけシャッタ３を開ける制御を、半導体レーザ２のパルス駆動と同じ周期Ｔ３で行う。ここで、シャッタ開閉タイミングＴ１ａ，Ｔ１ｂは、半導体レーザ２から出射されるレーザ光のパルス幅Ｔ２よりも短い。
【００４８】
これにより、半導体レーザ２から出射されたレーザ光で、時間ｔ１におけるレーザ光と時間ｔ３におけるレーザ光がシャッタ３を透過することで、図６（ａ）に示す時間ｔ１における発光強度分布の光パルスと、図６（ｃ）に示す時間ｔ３における発光強度分布の光パルスが交互に現れるような出力パターンとなる。
【００４９】
時間ｔ１における発光強度分布の分布曲線と時間ｔ３における発光強度分布の分布曲線を時間積分すると、図７（ｂ）に示すようなプロファイルとなり、発光強度分布が均一な分布パターンに近づくことになる。
【００５０】
従って、時間ｔ１における発光強度分布の光パルスと、時間ｔ３における発光強度分布の光パルスを連続して交互に出力することで、等価的に図７（ｂ）に示すような空間的均一性の良好なプロファイルのパルス光を出射する場合と同様な効果を得ることができる。
【００５１】
なお、レーザ光を抽出するタイミングは、発光強度分布の変化に応じて３点以上に設定しても良く、半導体レーザ２の１つのパルス発振から、複数のタイミングでレーザ光を抽出して、各レーザ光の発光強度分布の時間平均から、均一な分布パターンを持ったパルス列を得ることも可能である。
【００５２】
＜本実施の形態の半導体レーザ装置の変形例＞
図１に示す半導体レーザ装置１Ａでは、レーザ駆動の周波数とシャッタ開閉の周波数が同一であるので、単一のパルス制御器４から半導体レーザ２とシャッタ３を制御する構成としたが、各々独立した制御器で制御しても良い。
【００５３】
また、所望の時間帯の光だけを抽出するための素子として、本例では機械的なシャッタ３を例に説明したが、チョッパと称される回転シャッタを用いることも可能である。更に、可動部のない素子として、液晶シャッタ等の液晶光学素子や、音響光学素子（Acousto-Optic Modulator,ＡＯＭ）、電気光学素子（Electro-Optic Modulator,ＥＯＭ）等の各種変調器等を用いることも可能である。
【００５４】
また、半導体レーザ２として、ゲインガイド型の半導体レーザを例に説明したが、半導体レーザ２は、インデックス型のブロードエリア型半導体レーザを用いることも可能である。インデックス型の半導体レーザでは、発光強度分布の形状はゲインガイド型とは異なるが、半導体レーザのパルス駆動と所望の開閉タイミングに応じたシャッタによる変調抽出を行うことにより、より望ましい発光強度分布を持った出力を得ることが可能である。
【００５５】
更に、本例では、均一な発光強度分布が得られるように、シャッタ３を開閉するタイミングを設定したが、得られる発光強度分布は均一な分布に限るものではなく、例えば、発光領域の幅方向の両端の強度が大きい分布等、所望の発光強度分布の出力を得ることも、シャッタ３を開閉するタイミングの設定に応じて可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、被加工物に熱処理を行うレーザアニール装置等に適用される。例えば、半導体レーザをアレイ化し、所定の大きさを有する被加工物の全面をスキャンできるような構成とした場合、各半導体レーザから発光強度分布が均一なレーザ光を出力できれば、被加工物の全面を均一に照射することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本実施の形態の半導体レーザ装置の一例を示すブロック図である。
【図２】パルス駆動している半導体レーザの出力と時間の関係の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】１つのパルス中における発光強度分布の変化の一例を示すグラフである。
【図４】レーザ駆動とシャッタ駆動のタイミングの関係の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】パルス駆動している半導体レーザの出力と時間の関係の他の例を示すタイミングチャートである。
【図６】１つのパルス中における発光強度分布の変化の他の例を示すグラフである。
【図７】相補的に近い発光強度分布同士を重ね合わせた分布パターンの一例を示すグラフである。
【図８】レーザ駆動とシャッタ駆動のタイミングの関係の他の例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５８】
１Ａ・・・半導体レーザ装置、２・・・半導体レーザ、３・・・シャッタ、４・・・パルス制御器、５・・・レーザドライバ、６・・・シャッタコントローラ
【図１】
2007227632.tif 000003
【図２】
2007227632.tif 000004
【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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【図８】
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