(57)【要約】【課題】  外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすることができる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１では、半導体レーザアレイ３の各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１の一部が活性層２で増幅されながら、波長選択素子６と活性層２との間を往復することになるが、このとき、活性層２の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子６の反射面７が２．３°以上２．５°以下の角度をなしている。これにより、往復するレーザ光のうち、スロー軸方向の他方の側に進行したレーザ光Ｌ５が外部に出力されるに際し、レーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角を極めて小さくすることが可能となる。【選択図】  図１
2007207886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロー軸方向の拡がり角がθＳ（＞４．６°）であるレーザ光を出射する複数の活性層が前記スロー軸方向に沿って並設されてなる半導体レーザアレイと、
前記活性層のそれぞれから出射されたレーザ光を、前記スロー軸方向と直交する面内でコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいて前記スロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部を、第１の反射面で反射し、前記コリメートレンズを介して前記活性層のそれぞれに帰還させる第１の光学素子と、を備え、
前記第１の光学素子は、前記活性層の光軸方向と直交する面に対して前記第１の反射面が２．３°以上且つ（θＳ／２）未満の角度をなすように配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１の光学素子は、前記光軸方向と直交する面に対して前記第１の反射面が２．３°以上２．５°以下の角度をなすように配置されてい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】
前記第１の光学素子は、前記コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいて前記スロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、前記第１の反射面でブラッグ反射し、前記コリメートレンズを介して前記活性層のそれぞれに帰還させることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１の光学素子は、前記コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいて前記スロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の残部を透過させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいて前記スロー軸方向の他方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、前記第１の反射面より反射率が低い第２の反射面でブラッグ反射し、前記コリメートレンズを介して前記活性層のそれぞれに帰還させる第２の光学素子を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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、外部共振器型の半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の活性層がスロー軸方向に沿って並設されてなる半導体レーザアレイにおいては、各活性層から出射されたレーザ光のスロー軸方向の拡がり角は７°〜１０°となり、そのレーザ光のファースト軸方向の拡がり角は３０°〜４０°となるのが一般的である。その一方で、半導体レーザ装置から外部に出力されるレーザ光については、種々の技術分野への応用を考慮すると、拡がり角が小さいことが要求される。
【０００３】
このような事情から、外部に出力されるレーザ光の拡がり角を小さくし得る外部共振器型の半導体レーザ装置として、次のようなものが存在する。すなわち、複数の活性層がスロー軸方向に沿って並設されてなる半導体レーザアレイと、各活性層から出射されたレーザ光を、スロー軸方向と直交する面内でコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズから出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部を、コリメートレンズを介して各活性層に帰還させる光学素子と、を備える半導体レーザ装置である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１８６２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような半導体レーザ装置にあっては、外部に出力されるレーザ光のファースト軸方向の拡がり角は略０°となるものの、そのレーザ光のスロー軸方向の拡がり角については、より一層小さくし得る余地がある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすることができる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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ装置は、スロー軸方向の拡がり角がθＳ（＞４．６°）であるレーザ光を出射する複数の活性層がスロー軸方向に沿って並設されてなる半導体レーザアレイと、活性層のそれぞれから出射されたレーザ光を、スロー軸方向と直交する面内でコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部を、第１の反射面で反射し、コリメートレンズを介して活性層のそれぞれに帰還させる第１の光学素子と、を備え、第１の光学素子は、活性層の光軸方向と直交する面に対して第１の反射面が２．３°以上且つ（θＳ／２）未満の角度をなすように配置されていることを特徴とする。
【０００７】
この半導体レーザ装置では、スロー軸方向の拡がり角がθＳ（＞４．６°）であるレーザ光が半導体レーザアレイの各活性層から出射されると、各レーザ光は、コリメートレンズによって、スロー軸方向と直交する面内でコリメートされる。これにより、スロー軸方向の拡がり角がθＳで、且つファースト軸方向の拡がり角が略０°であるレーザ光がコリメートレンズから出射されることになる。そして、コリメートレンズから出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部は、第１の光学素子の第１の反射面で反射され、コリメートレンズを介して各活性層に帰還させられる。これにより、各活性層に帰還させられたレーザ光の一部が活性層で増幅されて、活性層から再び出射されることになる。従って、レーザ光の一部が活性層で増幅されながら、少なくとも第１の光学素子と活性層との間を往復することになるが、活性層の光軸方向と直交する面に対して第１の反射面が２．３°以上且つ（θＳ／２）未満の角度をなしていると、増幅されたレーザ光の一部がスロー軸方向の他方の側に進行して外部に出力されるに際し、スロー軸方向の拡がり角を極めて小さくすることが可能となる。
【０００８】
本発明に係る半導体レーザ装置においては、第１の光学素子は、光軸方向と直交する面に対して第１の反射面が２．３°以上２．５°以下の角度をなすように配置されていることが好ましい。これにより、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角をより一層小さくすることが可能となる。
【０００９】
本発明に係る半導体レーザ装置においては、第１の光学素子は、コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、第１の反射面でブラッグ反射し、コリメートレンズを介して活性層のそれぞれに帰還させることが好ましい。これにより、特定波長のレーザ光が活性層で増幅されながら、少なくとも第１の光学素子と活性層との間を往復することになる。従って、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすると共に、そのレーザ光の波長スペクトルを狭帯域化することが可能となる。
【００１０】
本発明に係る半導体レーザ装置においては、第１の光学素子は、コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の残部を透過させることが好ましい。これにより、コリメートレンズから出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の残部が半導体レーザアレイに到達することが防止されるため、半導体レーザアレイの発熱を抑えることが可能となる。
【００１１】
本発明に係る半導体レーザ装置は、コリメートレンズから出射されたレーザ光のそれぞれにおいてスロー軸方向の他方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、第１の反射面より反射率が低い第２の反射面でブラッグ反射し、コリメートレンズを介して活性層のそれぞれに帰還させる第２の光学素子を更に備えることが好ましい。これにより、特定波長のレーザ光が活性層で増幅されながら、第１の光学素子と第２の光学素子との間を往復することになり、増幅されたレーザ光の一部は、第２の光学素子を透過して外部に出力される。従って、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすると共に、そのレーザ光の波長スペクトルをより一層狭帯域化することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る半導体レーザ装置の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１に示されるように、半導体レーザ装置１は、Ｘ軸方向を光軸方向とし、Ｙ軸方向をスロー軸方向とし、且つＺ軸方向をファースト軸方向とする複数の活性層２がスロー軸方向に沿って並設されてなる半導体レーザアレイ３を備えている。半導体レーザアレイ３は、スロー軸方向に細長い直方体形状をなし、スロー軸方向に約１０ｍｍの長さを有している。活性層２は、スロー軸方向に沿って約５００μｍ置きに配列され、スロー軸方向に約１００μｍの幅、ファースト軸方向に約１μｍの厚さを有している。
【００１５】
図２及び図３に示されるように、各活性層２の前端面２ａは、半導体レーザアレイ３の前端面に達しており、各活性層２の前端面２ａには、反射低減膜（ＡＲ（Anti Reflection）膜）が形成されている。一方、各活性層２の後端面２ｂは、半導体レーザアレイ３の後端面に達しており、各活性層２の後端面２ｂには、高反射膜（ＨＲ（HighReflection）膜）が形成されている。
【００１６】
各活性層２の前端面２ａから前方に出射されたレーザ光は、活性層２の光軸を中心として、スロー軸方向に７°〜１０°、ファースト軸方向に３０°〜４０°の拡がり角を有している。このように、各活性層２から出射されたレーザ光においては、ファースト軸方向の拡がり角が大きいことから、ファースト軸方向の拡がり角を抑えるために、半導体レーザアレイ３の前方には、コリメートレンズ５が配置されている。
【００１７】
コリメートレンズ５は、スロー軸方向に細長い形状をなし、活性層２の光軸方向に約０．４ｍｍの長さ、スロー軸方向に約１２ｍｍの長さ、ファースト軸方向に約０．６ｍｍの長さを有している。コリメートレンズ５は、ファースト軸方向と直交する面（すなわち、ＸＹ平面）内では屈折作用を有していないが、スロー軸方向と直交する面（すなわち、ＺＸ平面）内では屈折作用を有している。つまり、コリメートレンズ５は、半導体レーザアレイ３の各活性層２から出射されたレーザ光を、スロー軸方向と直交する面内で屈折させて平行化する。
【００１８】
図１に示されるように、コリメートレンズ５の斜め前方には、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、反射面（第１の反射面）７でブラッグ反射し、コリメートレンズ５を介して各活性層２に帰還させる波長選択素子（第１の光学素子）６が配置されている。波長選択素子６は、特定波長（例えば、８０８．５ｎｍ程度の波長）のレーザ光を高い反射率（例えば、９０％以上の反射率）で反射し、それ以外の波長のレーザ光を殆ど反射しないという特性を有している。このような波長選択素子として、ＰＤ−ＬＤ  Ｉｎｃ．製のＬｕｘｘＭａｓｔｅｒＴＭ（Volume Bragg Grating）が知られている。
【００１９】
なお、波長選択素子６は、図４に示されるように、活性層２の光軸方向と直交する面（すなわち、ＹＺ平面）に対して反射面７が２．３°以上２．５°以下の角度をなすように配置されている。
【００２０】
以上のように構成された半導体レーザ装置１の動作について説明する。
【００２１】
まず、半導体レーザアレイ３の各活性層２から前方にレーザ光Ｌ１が出射される。このレーザ光Ｌ１は、活性層２の光軸を中心として、スロー軸方向に７°〜１０°、ファースト軸方向に３０°〜４０°の拡がり角を有している。各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１は、コリメートレンズ５に入射して、スロー軸方向と直交する面内で平行化される。これにより、スロー軸方向の拡がり角が７°〜１０°で、且つファースト軸方向の拡がり角が略０°であるレーザ光Ｌ２がコリメートレンズ５から前方に出射されることになる。
【００２２】
コリメートレンズ５から出射された各レーザ光Ｌ２において、スロー軸方向の一方の側に進行して波長選択素子６の反射面７に略垂直に入射したレーザ光Ｌ３のうち、特定波長のレーザ光Ｌ４は、反射面７で略正反対向きに反射され、活性層２から反射面７に至った光路を逆向きに進行して、各活性層２に帰還させられる。これにより、各活性層２に帰還させられたレーザ光Ｌ４は、活性層２で増幅されて、活性層２から前方に再び出射されることになる。
【００２３】
このように、各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１の一部が活性層２で増幅されながら、波長選択素子６と活性層２との間を往復し、往復するレーザ光のうち、スロー軸方向の他方の側に進行したレーザ光Ｌ５が外部に出力される。
【００２４】
以上説明したように、半導体レーザ装置１では、半導体レーザアレイ３の各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１の一部が活性層２で増幅されながら、波長選択素子６と活性層２との間を往復することになるが、このとき、活性層２の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子６の反射面７が２．３°以上２．５°以下の角度をなしている。これにより、往復するレーザ光のうち、スロー軸方向の他方の側に進行したレーザ光Ｌ５が外部に出力されるに際し、レーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角を極めて小さくすることが可能となる。
【００２５】
図５は、活性層２の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子６の反射面７がなす角度αと、半導体レーザ装置１から外部に出力されるレーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角θとの関係を示すグラフである。なお、各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１のスロー軸方向の拡がり角は、θＳ＝７．４°であった。
【００２６】
同図に示されるように、活性層２の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子６の反射面７がなす角度αが２．３°以上且つ（θＳ／２）未満であると、半導体レーザ装置１から外部に出力されるレーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角θを２．０°以下にまで小さくすることができる。更に、活性層２の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子６の反射面７がなす角度αが２．３°以上２．５°以下であると、半導体レーザ装置１から外部に出力されるレーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角θを１．５°程度にまで小さくすることができる。
【００２７】
また、半導体レーザ装置１においては、波長選択素子６は、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光Ｌ２において、スロー軸方向の一方の側に進行して波長選択素子６の反射面７に略垂直に入射したレーザ光Ｌ３のうち、特定波長のレーザ光Ｌ４をブラッグ反射し、コリメートレンズ５を介して各活性層２に帰還させる。これにより、特定波長のレーザ光Ｌ４が活性層で増幅されながら、波長選択素子６と活性層２との間を往復することになる。従って、外部に出力されるレーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角を小さくすると共に、図６に示されるように、レーザ光Ｌ５の波長スペクトルを狭帯域化することが可能となる。
【００２８】
ここで、半導体レーザアレイ３と波長選択素子６との距離について説明する。
【００２９】
図４に示されるように、半導体レーザアレイ３と、スロー軸方向における波長選択素子６の他端部６ａとの、活性層２の光軸方向に沿った距離Ｄは、半導体レーザアレイ３のスロー軸方向の長さをＳ、各活性層２から出射されたレーザ光Ｌ１のスロー軸方向の拡がり角をθＳとすると、（Ｓ／２）／tan（θＳ／２）＜Ｄ＜５００ｍｍを満たすことが好ましい。例えば、Ｓ＝１０ｍｍ，θＳ＝８°の場合には、７１．５ｍｍ＜Ｄ＜５００ｍｍとなる。
【００３０】
その理由は、次の通りである。すなわち、Ｄ≦（Ｓ／２）／tan（θＳ／２）である場合には、スロー軸方向の他方の側に進行したレーザ光Ｌ５の一部の外部への出力が波長選択素子６によって遮られてしまう。一方、Ｄ≧５００ｍｍである場合には、波長選択素子６の反射面７で略正反対向きに反射された特定波長のレーザ光Ｌ４が殆ど各活性層２に戻らず、外部共振器が構成されない。
【００３１】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００３２】
例えば、図７に示されるように、半導体レーザ装置１には、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部を、反射面（第１の反射面）９で全反射し、コリメートレンズ５を介して各活性層２に帰還させる反射ミラー８が、波長選択素子６の代わりに適用されてもよい。この場合にも、スロー軸方向の他方の側に進行したレーザ光Ｌ５が外部に出力されるに際し、レーザ光Ｌ５のスロー軸方向の拡がり角を極めて小さくすることが可能となる。
【００３３】
また、図８に示されるように、波長選択素子６又は反射ミラー８には、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の残部（スロー軸方向の一方の側に進行したレーザ光のうち、反射面７又は反射面９に略垂直に入射したレーザ光を除くレーザ光）を透過させる透過部１１がストライプ状に形成されていてもよい。これにより、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の残部が半導体レーザアレイ３に到達することが防止されるため、半導体レーザアレイ３の発熱を抑えることが可能となる。
【００３４】
また、図９に示されるように、半導体レーザ装置１は、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の他方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を、反射面７より反射率が低い反射面（第２の反射面）１３でブラッグ反射し、コリメートレンズ５を介して各活性層２に帰還させる波長選択素子（第２の光学素子）１２を更に備えていてもよい。例えば、波長選択素子６が、λ１程度の波長のレーザ光を９０％以上の反射率で反射し、波長選択素子１２が、λ２程度の波長のレーザ光を３０％〜５０％の反射率で反射する場合、図１０に示されるように、λ１とλ２との間の特定波長のレーザ光が活性層２で増幅されながら、波長選択素子６と波長選択素子１２との間を往復することになり、増幅されたレーザ光の一部は、波長選択素子１２を透過して外部に出力される。従って、外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角を小さくすると共に、そのレーザ光の波長スペクトルをより一層狭帯域化することが可能となる。
【００３５】
また、図１１に示されるように、半導体レーザ装置１は、半導体レーザアレイ３及びコリメートレンズ５がファースト軸方向に複数積層されると共に、反射ミラー８がファースト軸方向に延在させられることで、スタック状に構成されてもよい。この場合、ファースト軸方向において隣接する半導体レーザアレイ３，３の間に、半導体レーザアレイ３を冷却するための水冷式のヒートシンクを挟んでもよい。このように、半導体レーザアレイ３がスタック状に構成されることで、スロー軸方向の拡がり角が小さいレーザ光Ｌ５が各積層部分から出力されるため、全体として拡がり角が小さく、光強度が強いレーザ光Ｌ５を得ることができる。
【００３６】
また、半導体レーザ装置１には、コリメートレンズ５から出射された各レーザ光においてスロー軸方向の一方の側に進行するレーザ光の一部のうち特定波長のレーザ光を反射し、コリメートレンズ５を介して各活性層２に帰還させる回折格子が、波長選択素子６の代わりに適用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１に示された半導体レーザ装置の部分平面図である。
【図３】図１に示された半導体レーザ装置の部分側面図である。
【図４】図１に示された半導体レーザ装置の平面図である。
【図５】活性層の光軸方向と直交する面に対して波長選択素子の反射面がなす角度αと、半導体レーザ装置から外部に出力されるレーザ光のスロー軸方向の拡がり角θとの関係を示すグラフである。
【図６】図１に示された半導体レーザ装置から外部に出力されるレーザ光の波長に対する光強度分布を示すグラフである。
【図７】本発明に係る半導体レーザ装置の他の実施形態の斜視図である。
【図８】本発明に係る半導体レーザ装置の他の実施形態の斜視図である。
【図９】本発明に係る半導体レーザ装置の他の実施形態の斜視図である。
【図１０】図９に示された半導体レーザ装置から外部に出力されるレーザ光の波長に対する光強度分布を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る半導体レーザ装置の他の実施形態の斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…半導体レーザ装置、２…活性層、３…半導体レーザアレイ、５…コリメートレンズ、７，９…反射面（第１の反射面）、６…波長選択素子（第１の光学素子）、８…反射ミラー（第１の光学素子）、１３…反射面（第２の反射面）、１２…波長選択素子（第２の光学素子）。
【図１】
2007207886.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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