(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に形成された活性層中に複数の増幅領域が並列配置され、前記増幅領域の発光部を有する前面に対向する背面に全反射膜がコーティングされた半導体レーザ媒質と、
この半導体レーザ媒質の前記前面の側に設置された外部鏡と
で前記増幅領域が並列配置される方向である配列方向に対して不安定共振器を構成し、該不安定共振器により前記半導体レーザ媒質からレーザ光を取り出すことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
外部鏡が、拡大鏡と平行鏡又は平行レンズとを含み、
不安定共振器が、前記半導体レーザ媒質の背面で光軸を折り返すＶ字型の中心光軸を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
配列方向に集光作用を有し各増幅領域に対応した円筒レンズを並列配置した円筒レンズアレイと、
活性層の面に垂直な方向に集光作用を有する光学素子と
を半導体レーザ媒質の前面の前に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
複数の半導体レーザ媒質が活性層に垂直な方向に積層配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
不安定共振器が、半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向に対して安定共振器を構成する一次元不安定共振器であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
不安定共振器が、半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向に対して不安定共振器を構成する二次元不安定共振器であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
不安定共振器が、負枝型であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、活性層に沿って複数の増幅領域が並列配置された半導体レーザ媒質を備えた半導体レーザ装置に関し、特に、集光性に優れたレーザビームを取り出すためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば刊行物（"Solid-state Laser Engineering" Dr.Walter Koechner著、Springer発行）に示された従来の半導体レーザ装置の半導体レーザ媒質１００を模式的に示す斜視図である。図１０において、１はｎ型のＧａＡｓ層、２はｐ型のキャップ層、３はｎ型のＧａＡｓ層１とｐ型のキャップ層２で挟まれた活性層を示している。４は発光部で、活性層３に沿って複数の発光部４が１列に配置されている。５は半導体レーザ媒質１００の前面、６は半導体レーザ媒質１００の背面を示している。
【０００３】
実際の半導体レーザ装置においては、図１０に示す半導体レーザ媒質１００は冷却のため、直接もしくはサブマウントを介してヒートシンク上に固定されている。またｎ型のＧａＡｓ層１上面はメタライズされ、電流注入のためワイア、金属リボン等が固定されている。
【０００４】
次に動作を説明する。ｐ型キャップ２中には、帯状の電流狭窄部が等間隔で複数列設けられており、ｐ型キャップ２に正電圧、ｎ型ＧａＡｓ層１に負電圧を印加すると、電流狭窄部のみ活性層３中に電流が注入され、電子が伝導帯へ励起されて反転分布を形成する。従って半導体レーザ媒質１００内部の活性層に沿って、前面５から背面６へ向かうストライプ状の増幅領域が、複数個並列に形成される。前面５に位置する発光部４は、帯状に形成された各増幅領域の端部断面に相当する。
電流注入により励起された増幅領域では、多くの電子−正孔対が発生し、頻繁に再結合が起こる。電子と正孔が再結合する際、伝導帯と価電子帯のエネルギー差、即ちバンドギャップに相当する波長を有する自然放出光を発生する。
【０００５】
半導体レーザ媒質１００の前面５には、バンドギャップに相当した波長に対する部分反射コーティング、背面６には、バンドギャップに相当する波長に対する全反射コーティングが施されており、半導体レーザ媒質１００の前面５および背面６は半導体レーザ媒質１００と一体となった安定型の光共振器を構成している。
【０００６】
増幅領域内の活性層３で発生した自然放出光の一部は、半導体レーザ媒質１００の前面５と背面６より構成される光共振器内に閉じこめられ、光共振器中を往復する。光共振器を往復する自然放出光が、反転分布を通過する際、誘導放出による増幅作用を被り、光共振器内の光強度は急速に増加する。光強度の増加とともに、位相の揃ったレーザビームが成長し、レーザ発振に至る。光共振器内のレーザビームは、半導体レーザ媒質１００の前面５に形成された部分反射コーティングの透過率に相当する割合で、光共振器外部へ取り出される。
【０００７】
図１０で示した従来の半導体レーザ装置は、レーザ媒質１００内に複数の増幅領域が等間隔で並列配置されており、各増幅領域に対応する発光部４より、複数のレーザ光が光共振器外部へ取り出される。
【０００８】
図１０で示した半導体レーザ装置のように、媒質内に複数の増幅領域を並列配置し、複数のレーザ光を取り出す構成は、半導体レーザアレイとも呼ばれており、高出力の半導体レーザ光を発生するため一般的に使用される構成である。単一の増幅領域から発生することが可能なレーザ出力には、媒質端面における耐光強度により上限がある。従って複数の増幅領域を並列配置することは、半導体レーザの高出力化を図るうえで有効な手段となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の活性層に沿って複数の増幅領域が並列配置された半導体レーザ装置においては、各増幅領域の間で誘導放出過程を含む相互作用がないため、各増幅領域はそれぞれ独立したレーザとして動作していた。このため同一の半導体レーザ媒質から出射したレーザ光であっても、異なる増幅領域から発生したレーザ光どうしの可干渉性は低く、増幅領域の配列方向に対するレーザ光の集光性が著しく低いという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、集光性に優れた高出力の半導体レーザ装置を得ることを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
同一平面上に形成された活性層中に複数の増幅領域が並列配置され、前記増幅領域の発光部を有する前面に対向する背面に全反射膜がコーティングされた半導体レーザ媒質と、
この半導体レーザ媒質の前記前面の側に設置された外部鏡とで前記増幅領域が並列配置される方向である配列方向に対して不安定共振器を構成し、該不安定共振器により前記半導体レーザ媒質からレーザ光を取り出すものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
図１において、１００は半導体レーザ媒質、５は半導体レーザ媒質１００の前面、６は半導体レーザ媒質１００の背面である。
本実施の形態においては、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）を主成分とした半導体レーザ媒質１００を用いており、８１０ｎｍ近傍を中心波長としてレーザ発振を行う。なお半導体レーザ媒質１００の構造は、図１０において示した従来の半導体レーザ媒質と同一であるが、従来の半導体レーザ媒質１００の前面５には半導体レーザの発振波長に対する部分反射膜がコーティングされていたのに対して、本実施の形態における半導体レーザ媒質１００の前面５には、半導体レーザの発振波長に対する反射防止膜がコーティングされている。なお、半導体レーザ媒質１００の背面には、図１０において示した従来の半導体レーザ媒質と同じく、発振波長に対する全反射膜がコーティングされている。
【００１３】
７は陽極、８は陰極、９は陽極７と陰極８を電気的に絶縁する絶縁板である。１０はサブマウントで、半導体レーザ媒質１００に近い熱膨張率を有するＣｕＷ（銅タングステン）で形成されている。陽極７は、半導体レーザ媒質１００を冷却するヒートシンクを兼ねており、半導体レーザ媒質１００は、サブマウント１０を介して陽極７上にハンダ付けにて固定されている。サブマウント１０は、半導体レーザ媒質１００に近い熱膨張率を有するため、半導体レーザ媒質１００冷却時に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。また半導体レーザ媒質１００の上面はメタライズされており、ワイアボンドにより陰極８と電気的に接続されている。
【００１４】
１１は円筒凸形状を有する拡大鏡、１２は円筒凹形状を有する平行鏡であり、拡大鏡１１および平行鏡１２はともに、半導体レーザ媒質１００の発振波長に対する全反射膜がコーティングされている。１３は拡大鏡１１を固定する拡大鏡用ミラーホルダ、１４は平行鏡１２を固定する平行鏡用ミラーホルダであり、拡大鏡用ミラーホルダ１３および平行鏡用ミラーホルダ１４はそれぞれ拡大鏡１１および平行鏡１２の設置角度を微調整することが可能な調整機構を有している。
【００１５】
１５は第１のアパーチャ、１６は第２のアパーチャ、１７は第１のアパーチャ１５を固定する第１のアパーチャホルダ、１８は第２のアパーチャ１６を固定する第２のアパーチャホルダである。第１のアパーチャホルダ１７および第２のアパーチャホルダ１８はそれぞれ第１のアパーチャ１５および第２のアパーチャ１６の設置位置を微調整することが可能な調整機構を有している。
【００１６】
１９は非球面円筒レンズであり、半導体レーザ媒質１００の直前に固定されている。また、非球面円筒レンズ１９の両面には、半導体レーザ媒質１００の発振波長に対する反射防止膜がコーティングされている。非球面円筒レンズ１９は、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対して集光作用を有する光学素子に相当する。
【００１７】
拡大鏡１１、平行鏡１２、非球面円筒レンズ１９および半導体レーザ媒質１００は、光共振器を構成しており、第１のアパーチャ１５および第２のアパーチャ１６により、光共振器内のビーム径ならびにビーム位置が規定されている。
２０は光共振器から外部に取り出されるレーザ光である。
【００１８】
２１は定盤であり、光共振器を構成する拡大鏡１１、平行鏡１２、非球面円筒レンズ１９および半導体レーザ媒質１００、並びに光共振器内のビームを規定する第１のアパーチャ１５および第２のアパーチャ１６は、同一の定盤２１上に堅固に固定されている。
【００１９】
次に動作について説明する。陽極７に正電圧、陰極８に負電圧を印加し、半導体レーザ媒質１００に電流を注入すると、活性層に沿って等間隔で複数列設けられた帯状の電流狭窄部分に相当する帯状の複数列の増幅領域が励起され、反転分布を形成する。励起された増幅領域では、多くの電子−正孔対が発生し、頻繁に再結合が起こる。電子と正孔が再結合する際、伝導帯と価電子帯のエネルギー差、即ちバンドギャップに相当する波長を有する自然放出光を発生する。
【００２０】
拡大鏡１１、平行鏡１２、非球面円筒レンズ１９および半導体レーザ媒質１００は、半導体レーザ媒質１００の背面６で光軸を折り返すＶ字型の中心光軸を有する光共振器を構成している。半導体レーザ媒質１００中で発生した自然放出光の一部は、光共振器内に閉じこめられ、光共振器中を往復する。光共振器を往復する自然放出光が、反転分布を通過する際、誘導放出による増幅作用を被り、光共振器内の光強度は急速に増加する。光強度の増加とともに、位相の揃ったレーザビームが成長し、レーザ発振に至る。
【００２１】
光共振器を構成する拡大鏡１１は凸型、平行鏡１２は凹型の円筒鏡で構成されており、両者ともに半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な面内に曲率を有するよう配置されている。また非球面円筒レンズ１９は、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対し、集光作用を有するよう配置されている。
【００２２】
拡大鏡１１と平行鏡１２は、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な面内において、共焦点となるよう配置されており、拡大鏡１１、平行鏡１２および半導体レーザ媒質１００は、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対して不安定共振器を構成している。なお非球面円筒レンズ１９は、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な方向に対し集光作用を有さず、活性層に平行な方向に構成する不安定共振器中では、光学的に非球面円筒レンズ１９の屈折率を有する自由空間と見なすことができる。
【００２３】
一方、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対しては、拡大鏡１１および平行鏡１２は、光学的に平面鏡と等価となる。また、活性層に垂直な方向に対して集光作用を有する非球面円筒レンズ１９を設置することにより、拡大鏡１１と平行鏡１２との間にレーザ光を安定に閉じ込め、半導体レーザ媒質１００とともに安定共振器を構成することが可能になる。
【００２４】
本実施の形態において、半導体レーザ媒質１００に適用した光共振器は、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対してのみ不安定共振器を構成し、活性層に垂直な方向に対しては安定共振器を構成している。このように光軸に垂直な一方向にのみ、不安定共振器を構成する光共振器は、一次元不安定共振器と呼ばれている。
【００２５】
また、本実施の形態においては、拡大鏡１１は凸面を有しており、共焦点配置された拡大鏡１１と平行鏡１２の焦点は不安定共振器の外部に位置する。このため不安定共振器内部に集光点を生ずることなく、光吸収による媒質破壊等に対し、高い安全性を得ることができる。上記不安定共振器構成は一般に正枝型と呼ばれている。
【００２６】
拡大鏡１１および平行鏡１２には、発振波長に対する全反射膜がコーティングされているため、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に構成する安定共振器内部には、回折による僅かな漏れを除きレーザ光は完全に閉じ込められる。
一方、活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対しては、不安定共振器を構成しているため、大きな回折損失により一定の割合でレーザ光２０は光共振器外部に取り出される。
【００２７】
半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向については、活性層の厚みが１ミクロン程度と非常に薄く、高次横モードに対する損失が大きいため、本実施の形態に示す通常の安定共振器により集光性の高いビームモードを形成することが可能になる。
【００２８】
一方、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な、増幅領域の配列方向については、各増幅領域の幅が１００ミクロン程度と広く、また複数の増幅領域が一定間隔をもって配置されているため、通常の安定共振器によって、各増幅領域間の可干渉性を高め、集光性が高く安定なビームモードを形成することは困難である。
【００２９】
本実施の形態においては、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な、増幅領域の配列方向に対し、共焦点型の正枝不安定共振器を適用している。本構成において、拡大鏡１１の曲率半径をＲ１、平行鏡１２の曲率半径をＲ２とすれば、不安定共振器の性能を決定する主要パラメータである拡大率Ｍは次式で表される。
Ｍ＝Ｒ２／Ｒ１
但し、Ｒ１、Ｒ２の値はそれぞれ曲率半径の絶対値をとるものとする。
また、拡大率Ｍの一次元不安定共振器の外部結合割合Ｔは次式で与えられる。
Ｔ＝（Ｍ−１）／Ｍ
外部結合割合Ｔの値は、通常の安定共振器における部分反射鏡の透過率に相当する。従って不安定共振器の拡大率Ｍには、半導体レーザ媒質１００の利得ならびに光損失によって決まる最適値が存在する。本実施の形態においては、外部結合割合Ｔが８０％となるよう、拡大率Ｍ＝５の一次元不安定共振器を適用している。
【００３０】
次に、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な、増幅領域の配列方向に適用した不安定共振器の動作について説明する。半導体レーザ媒質１００の増幅領域にて発生したランダムな位相分布を有する自然放出光の一部は、拡大鏡１１に入射し、凸面反射による発散作用を被り、ビーム径を拡大しながら半導体レーザ媒質１００方向へ進行する。
半導体レーザ媒質１００に再度入射した自然放出光は増幅作用を被り、半導体レーザ媒質１００の背面６において進行方向を折り返され、ビーム径を拡大しながら平行鏡１２方向へ出射する。
【００３１】
平行鏡１２へビーム径を拡大しながら入射した自然放出光は、平行鏡１２の凹面反射による集光作用を被りビーム拡大角を狭め、再度半導体レーザ媒質１００方向へ進行する。
平行鏡１２により反射され、再度半導体レーザ媒質１００へ入射した自然放出光は、再度増幅作用を被り、半導体レーザ媒質１００の背面６において進行方向を折り返し、拡大鏡１１方向へ出射する。
【００３２】
半導体レーザ媒質１００より拡大鏡１１方向へ出射した自然放出光のうち、再度拡大鏡１１に入射する成分は、再び凸面反射による発散作用を被り、ビーム径を拡大しながら半導体レーザ媒質１００方向へと進行する。一方、拡大鏡１１に再入射することなく、拡大鏡１１のエッジ部と第２のアパーチャ１６で挟まれた領域に到達した自然放出光成分は、出力光２０として不安定共振器外部に出射する。
【００３３】
拡大率Ｍの不安定共振器においては、拡大鏡１１によって再度共振器内部へフィードバックされるビーム径、即ち、第１のアパーチャ１５と拡大鏡１１のエッジ部間の距離と、不安定共振器内部のビーム径、即ち、第１のアパーチャ１５と第２のアパーチャ１６間の距離は、１：Ｍの比となるよう設定する。
【００３４】
従って、拡大鏡１１によって反射作用を被る自然放出光は、平行鏡１２へ至るまでにビーム径がＭ倍に拡大し、平行鏡１２により平行化され、再度拡大鏡１１へと戻ってくる。また不安定共振器を１往復する間に、自然放出光は２度にわたり半導体レーザ媒質１００中を通過し、誘導放出による増幅作用を被る。拡大鏡１１方向へ戻ってきた自然放出光のうち、１／Ｍは再度拡大鏡１１に入射して反射作用を被り、ビーム径を拡大しながら不安定共振器内部へフィードバックされる。残りの（Ｍ−１）／Ｍは不安定共振器外部へ出力光として出射する。
【００３５】
発生当初ランダムな位相分布を呈していた自然放出光は、不安定共振器内での往復により拡大、増幅を繰り返しながら、強度が高く位相の揃ったレーザ光へと成長する。
【００３６】
不安定共振器は、安定共振器のように共振器内部で一定のビームモードを安定に維持するのではなく、位相の揃ったビームモードを拡大鏡によって一部切り出し、再度拡大、増幅することにより新たなビームモードを形成するので、安定共振器によっては、集光性の高いレーザ光を発生することが困難な、本実施の形態で示したような、複数の増幅領域が一定間隔をもって離散的に配置された幅広い開口を有する半導体レーザ媒質１００であっても、各増幅領域間の可干渉性を高め、簡易な構成のもとで、効果的にレーザ光を増幅し、集光性に優れたレーザ光を安定に発生することが可能になる。
【００３７】
また、半導体レーザ媒質は一般的なガスレーザや固体レーザに比べて利得が大きく、不安定共振器の拡大率の最適値は高い値となる。不安定共振器は拡大率が高くなるほど位相収束効果が強く、集光性の向上に有利になる。
【００３８】
また、本実施の形態で示したような、活性層に沿って複数の増幅領域が並列配置された半導体レーザ媒質１００は、活性層に垂直な方向に比べ、活性層に平行な、増幅領域の配列方向は開口が非常に広く、ビーム集光性にも異方性が強い。そこで、本実施の形態においては、１次元の不安定共振器を使用し、開口が広い方向にのみ不安定共振器を適用しているので、簡易な構成のもとで、異方性の大きな半導体レーザ媒質より集光性の高いレーザ光を効率よく取り出すことができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、拡大鏡１１の一側方よりレーザ光を不安定共振器外部へ取り出している。このような不安定共振器は、片出し不安定共振器と呼ばれているが、片出し不安定共振器は、拡大鏡の両側よりレーザ光を取り出す通常の不安定共振器に比べ、出射光の近視野中に中空部分がないため、出射光の集光性を効果的に高めることができる。
【００４０】
実施の形態２．
図２および図３は、この発明を実施するための実施の形態２による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、図２は半導体レーザ装置の構成を示す斜視図、図３は不安定共振器部分を半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向より臨んだ構成図である。
図２および図３において、２２は複数の円筒レンズを１列に並列配置し、一体形成した円筒レンズアレイであり、非球面円筒レンズ１９の前面に固定されている。複数の円筒レンズは、各増幅領域に対応して配置されており、増幅領域の配列方向に対して集光作用を有する光学素子に相当する。円筒レンズアレイ２２の両面には、半導体レーザの発振波長に対する反射防止膜がコーティングされている。円筒レンズアレイ２２を除き、その他の構成は、図１において示した実施の形態１と同様である。
また、図３において、２３で示すストライプ状の領域は、半導体レーザ媒質１００内に等間隔で並列配置された増幅領域を模式的に示したものである。
【００４１】
円筒レンズアレイ２２は、各円筒レンズの集光方向が、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な、増幅領域２３の配列方向と一致する向きに固定されている。円筒レンズアレイ２２中に形成された円筒レンズの数は、半導体レーザ媒質１００中で並列配置された増幅領域２３と同数であり、また、円筒レンズの配置間隔（ピッチ）が、半導体レーザ媒質１００中で並列配置された増幅領域２３の間隔（ピッチ）に等しくなるよう形成されている。円筒レンズアレイ２２は、円筒レンズの焦点が非球面円筒レンズ１９を介して半導体レーザ媒質１００の前面５近傍となる位置で、しかも、各円筒レンズの中心が、対向する増幅領域の中心と一致するよう固定されている。
【００４２】
半導体レーザ媒質１００の非増幅領域は光吸収が強く、不安定共振器内において、非増幅領域に入射したレーザ光は大きな光損失となる。従って、増幅領域２３の占有率が小さな半導体レーザ媒質を使用する場合、通常の不安定共振器では、効率よく媒質からレーザ光を取り出すことが困難になる。
【００４３】
そこで、本実施の形態に示すように、半導体レーザ媒質１００の前面に、活性層に平行な、増幅領域２３の配列方向に対し、集光作用を有する円筒レンズアレイ２２を配置すれば、不安定共振器内のレーザ光が、半導体レーザ媒質１００に入射する際、増幅領域２３内へ選択的に入射させることが可能となるので、複数の増幅領域２３が離散的に配置された半導体レーザ媒質１００であっても、不安定共振器を適用することにより、集光性に優れたレーザ光を、効率よく発生させることができる。
【００４４】
実施の形態３．
図４は、この発明を実施するための実施の形態３による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、不安定共振器部分を半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向より臨んだ構成図である。
本実施の形態においては、不安定共振器を構成する拡大鏡１１に凹面を有する円筒鏡を使用しているところが上記実施の形態２と異なり、他の構成は実施の形態２と同様である。
【００４５】
本実施の形態においては、拡大鏡１１に凹面を有する円筒鏡を使用しており、拡大鏡１１と平行鏡１２は共焦点となるよう配置している。このため拡大鏡１１と平行鏡１２の焦点は、不安定共振器の内部に位置する。拡大鏡１１に凹面鏡を使用し、共振器内部に集光点が生じるよう構成した不安定共振器は一般に負枝型と呼ばれている。
【００４６】
負枝型の不安定共振器の場合、拡大鏡１１で反射されたレーザ光は、一旦集光した後にビーム径を拡大する。ここで拡大鏡１１の曲率半径をＲ１、平行鏡１２の曲率半径をＲ２とすれば、不安定共振器の拡大率Ｍは、正枝型の場合と同様に、次式で与えられる。
Ｍ＝Ｒ２／Ｒ１
また、外部結合割合Ｔも、正枝型の場合と同じく次式で与えられる。
Ｔ＝（Ｍ−１）／Ｍ
【００４７】
本実施の形態においても、外部結合割合Ｔが８０％となるよう、拡大率Ｍ＝５の一次元不安定共振器を構成している。従って、拡大鏡１１により一旦集光作用を被ったレーザ光は、ビーム径を５倍にまで拡大し平行鏡１２へ至る。平行鏡１２の凹面反射により、ビームは平行化され再度拡大鏡１１の方へと戻る。拡大鏡１１方向へ戻ったレーザ光のうち、１／５は再度拡大鏡１１に入射して不安定共振器内部へフィードバックされる。残りの４／５は不安定共振器外部へ出力光２０として出射する。
【００４８】
本実施の形態に示すように、負枝型の不安定共振器を、活性層に沿って複数の増幅領域２３が並列配置された半導体レーザ媒質の活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対して適用しても、正枝型不安定共振器の場合と同じく、集光性に優れたレーザ光を効率よく発生させることができるばかりでなく、不安定共振器を構成する拡大鏡１１および平行鏡１２に対するミスアライメント許容値が大幅に増加するため、拡大鏡１１および平行鏡１２の調整が格段に容易になるとともに、レーザ出力の安定性も向上する。
【００４９】
実施の形態４．
図５は、この発明を実施するための実施の形態４による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
図５において、２４は半導体レーザ媒質１００を冷却するための金属性のヒートシンクである。
本実施の形態における半導体レーザ装置は、ヒートシンク２４、サブマウント１０、半導体レーザ媒質１００、絶縁板９、非球面円筒レンズ１９、円筒レンズアレイ２２で基本単位を構成し、このような基本単位を活性層に垂直な方向に５層積層した構造を有している。また絶縁板９の上面はメタライズされており、半導体レーザ媒質１００の上面と電気的に導通している。従って、５層に積層された半導体レーザ媒質１００は、電気的に直列に接続されており、陽極７に正電圧、陰極８に負電圧を印加することにより、５個全ての半導体レーザ媒質１００を励起することができる。
【００５０】
本実施の形態においては、活性層に垂直な方向に積層された５個の半導体レーザ媒質１００に対し、単一の拡大鏡１１、ならびに単一の平行鏡１２を使用し、負枝型の一次元不安定共振器を構成することにより、５個の半導体レーザ媒質１００よりレーザ光２０を取り出す構成としている。
【００５１】
本実施の形態に示すように、複数の半導体レーザ媒質１００が積層された構成に対し、一次元不安定共振器を適用すれば、簡易な構成のもとで、活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対して高い集光性を維持しながら、容易にレーザ光の高出力化を図ることができる。
【００５２】
なお、本実施の形態においては、半導体レーザ媒質１００を活性層に垂直な方向に５層積層する構成を示したが、積層数はこれに限るものではなく、更に積層数を増すことにより、容易に更なる高出力化を図ることができる。要は所望する出力に合わせ、積層数を選定すればよい。
【００５３】
また、本実施の形態においては、積層された複数の半導体レーザ媒質１００に対し、共通の拡大鏡１１および平行鏡１２を使用する構成を示したが、半導体レーザ媒質１００毎に、予め設置位置、設置角度を調整した拡大鏡および平行鏡をそれぞれ別々に固定しておき、拡大鏡および平行鏡が予め固定された複数の半導体レーザ媒質を積層する構成としてもよく、この場合、本実施の形態と同じく、容易に高出力化を図ることができるばかりでなく、複数の半導体レーザ媒質を積層する際、設置精度が緩和されるため、組み立て、調整を容易にすることができる。
【００５４】
実施の形態５．
図６は、この発明を実施するための実施の形態５による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、半導体レーザ装置の構成を示す斜視図である。
本実施の形態においても、上記実施の形態４と同じく、５層に積層した５個の半導体レーザ媒質１００を用いている。上記実施の形態４では、各半導体レーザ媒質１００毎に個別に円筒レンズアレイ２２が設けられていたが、本実施の形態においては、各半導体レーザ媒質１００に共通な単一の円筒レンズアレイ２２を使用している。
【００５５】
本実施の形態に示すように、複数の半導体レーザ媒質１００を積層した構成において、各半導体レーザ媒質１００に共通な単一の円筒レンズアレイ２２を使用すれば、構成が簡単になり、調整が容易になるばかりでなく、低コストで半導体レーザ装置を製造することができる。
【００５６】
実施の形態６．
図７および図８は、この発明を実施するための実施の形態６による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、図７は半導体レーザ装置の構成を示す斜視図、図８は不安定共振器部分を半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向より臨んだ構成図である。
図７および図８において、２５は光共振器外部へレーザ光を取り出すための切り出し鏡であり、中央部に貫通孔２５ａを有している。２６は切り出し鏡２５を固定する切り出し鏡ホルダであり、切り出し鏡の設置位置、角度を微調整することのできる調整機構を有している。なお、図８では、分かりやすいように、切り出し鏡２５は断面図で示している。
本実施の形態においても、上記実施の形態５と同じく、５層に積層した半導体レーザ媒質１００を用いている。
【００５７】
上記各実施の形態では、拡大鏡１１および平行鏡１２は、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な面内において、共焦点となるよう配置されており、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対しては、光学的に平面鏡と等価となるように、円筒状のものを用いたが、本実施の形態においては、拡大鏡１１および平行鏡１２ともに半導体レーザの発振波長に対する全反射膜がコーティングされた凹面からなる球面鏡を使用しており、拡大鏡１１と平行鏡１２を半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な面内および垂直な面内の両方において、共焦点配置とすることにより、半導体レーザ媒質１００を介してＶ字型の光軸を有する負枝型の２次元不安定共振器を構成している。
【００５８】
切り出し鏡２５は、半導体レーザの発振波長に対する全反射膜がコーティングされた平面鏡により構成され、中央部に貫通孔２５ａが設けられている。貫通孔２５ａの中心軸は、切り出し鏡の垂線に対し４５°の角度をなしており、貫通孔２５ａの中心軸と、不安定共振器の中心光軸を一致させ、不安定共振器中の集光点近傍に切り出し鏡２５を設置している。従って、不安定共振器中において、貫通孔２５ａを通過し得ない中空状のレーザ光２０が、不安定共振器の光軸に対して９０°折り返され、不安定共振器外部に取り出される。
【００５９】
ここで拡大鏡１１の曲率半径をＲ１、平行鏡１２の曲率半径をＲ２とすれば、２次元不安定共振器の拡大率Ｍは、１次元不安定共振器の場合と同様次式で与えられる。
Ｍ＝Ｒ２／Ｒ１
但し、外部結合割合Ｔは、２次元不安定共振器の場合、次式で与えられる。
Ｔ＝（Ｍ２−１）／Ｍ２
本実施の形態においては、外部結合割合Ｔの値が約８０％となるよう、拡大率Ｍ＝２．２の２次元不安定共振器を構成している。
【００６０】
不安定共振器中のビーム径は、切り出し鏡２５に設けられた貫通孔２５ａの径により規定され、平行鏡１２により平行化され拡大鏡１１方向へ戻るレーザ光のうち、切り出し鏡２５の貫通孔２５ａを通過できたレーザ光のみが、再度拡大鏡１１へ到達し、不安定共振器中にフィードバックされる。拡大鏡１１により一旦集光作用を被ったレーザ光は、ビーム径を２．２倍にまで拡大しながら平行鏡１２へ至る。平行鏡１２の凹面反射により、ビームは平行化され再度拡大鏡１１の方へと戻っていく。
【００６１】
複数の半導体レーザ媒質１００を活性層に垂直な方向に積層した構成を有する半導体レーザ装置において、半導体レーザ媒質１００の活性層に平行な方向すなわち増幅領域の配列方向に対してのみ不安定共振器を構成する１次元不安定共振器を使用した場合、増幅領域の配列方向に対しては、高い集光性を維持ながら、簡易かつ効果的に高出力化を図ることができる。しかしながら、活性層に垂直な方向、即ち半導体レーザ媒質１００の積層方向に対しては、半導体レーザ媒質１００が離散的に積層されており、各半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対して適用された安定共振器は、それぞれ独立に動作するため、半導体レーザ媒質１００の積層数に比例し、レーザ光の集光性が劣化するという問題があった。
【００６２】
そこで、本実施の形態に示すように、複数の半導体レーザ媒質１００を活性層に垂直な方向に積層した構成を有する半導体レーザ装置において、２次元の不安定共振器を適用すれば、活性層に垂直な方向、即ち半導体レーザ媒質の積層方向に対しても、不安定共振器内において、レーザ光は拡大、増幅、平行化を繰り返すため、離散的に積層された各半導体レーザ媒質１００間の可干渉性は著しく増大し、効果的に集光性の向上を図ることができる。
なお、増幅領域の配列方向についても、１次元不安定共振器を適用した場合と同様、高い集光性が得られることは言うまでもない。
【００６３】
また、本実施の形態においては、半導体レーザ媒質１００の活性層に垂直な方向に対して集光性を有する非球面円筒レンズ１９を各半導体レーザ媒質１００の前面に設置しているので、不安定共振器内のレーザ光の大部分を半導体レーザ媒質１００の活性層へ入射させ、効率良く増幅することができる。
【００６４】
なお、本実施の形態においては、負枝型の２次元不安定共振器を適用した構成を示したが、正枝型の２次元不安定共振器を適用した構成であってもよく、この場合、同様な効果が得られるばかりでなく、共振器長を短くすることができるので、半導体レーザ装置をコンパクトに構成することができる。
【００６５】
実施の形態７．
図９は、この発明を実施するための実施の形態７による半導体レーザ装置を説明するための図であり、より具体的には、不安定共振器部分を半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向より臨んだ構成図である。
図９において、２７は不安定共振器から出射したレーザービームを平行化する円筒平行レンズである。
【００６６】
本実施の形態においても、半導体レーザ媒質１００の増幅領域の配列方向に対してのみ不安定共振器を構成する一次元不安定共振器を適用している。但し、本実施の形態においては、凸面の円筒鏡からなる拡大鏡１１と、半導体レーザ媒質１００の背面６との間で、不安定共振器を構成しており、平行鏡は使用していない。
なお、半導体レーザ媒質１００の背面６には、半導体レーザの発振波長に対する全反射膜がコーティングされており、前面５には、半導体レーザの発振波長に対する反射防止膜がコーティングされているのは、上記各実施の形態の場合と同様である。
【００６７】
次に動作を説明する。半導体レーザ媒質１００に電流を注入することにより、半導体レーザ媒質１００中に並列配置された複数の増幅領域２３が励起され、自然放出光を発生する。半導体レーザ媒質１００より発生した自然放出光の一部は、拡大鏡１１に入射し、凸面反射による発散作用を被り、ビーム径を拡大しながら半導体レーザ媒質１００方向へ進行する。半導体レーザ媒質１００方向へ進行した自然放出光は、円筒レンズアレイ２２により集光作用を被り、選択的に増幅領域２３内部へ再入射する。
【００６８】
増幅領域２３に再入射した自然放出光は、増幅作用を被り、半導体レーザ媒質１００の背面６に至る。半導体レーザ媒質１００の背面６は、平面で構成されているため、背面６において反射された自然放出光は発散傾向を維持し、ビーム径を拡大しながら、再度半導体レーザ媒質１００の外部へ出射する。半導体レーザ媒質１００外部へ出射した自然放出光のうち、一部は再度拡大鏡１１に入射し、不安定共振器内にフィードバックされ、残りは不安定共振器外部へ出射する。
【００６９】
発生当初、ランダムな位相分布を呈していた自然放出光は、不安定共振器内での往復により拡大、増幅を繰り返しながら、強度が高く位相の揃ったレーザ光へと成長する。なお、本実施の形態においては、不安定共振器中で平行鏡を使用していないため、レーザ光は、ビーム径を拡大しながら不安定共振器を出射する。このため円筒平行レンズ２７を使用し、不安定共振器を出射するレーザ光２０を平行化している。
【００７０】
本実施の形態に示すように、不安定共振器を半導体レーザ媒質１００外部に配置した拡大鏡１１と、半導体レーザ媒質１００の背面６との間で構成すれば、平行鏡を使用する必要がないため、不安定共振器を簡易かつ安価に構成することができる。また不安定共振器の調整は、拡大鏡１１の位置、角度のみとなるため、不安定共振器のアライメントを容易にすることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においては、拡大鏡１１に凸面の円筒鏡を使用し、正枝型の不安定共振器を構成しているが、拡大鏡１１に凹面の円筒鏡を使用し、負枝型の不安定共振器を構成すれば、本実施の形態と同様な効果が得られるばかりでなく、拡大鏡１１のミスアライメントに対する許容値が大幅に増加するため、不安定共振器のアライメントが更に容易になるばかりでなく、レーザ出力の安定性も向上する。
【００７２】
また、半導体レーザ媒質１００は１層であってもよいし、複数層が活性層に垂直な方向に積層されていてもよい。なお、複数の半導体レーザ媒質１００が積層されている場合には、拡大鏡１１に球面鏡を使用して２次元不安定共振器を構成してもよい。この場合には、球面からなる拡大鏡１１を、積層された半導体レーザ媒質１００の中央正面に配置すればよく、増幅領域の配列方向、半導体レーザ媒質１００の積層方向ともに集光性の優れた中空状のレーザビームを、拡大鏡１１の周囲から取り出すことができる。
【００７３】
なお、上記各実施の形態においては、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）を主成分とした半導体レーザ媒質１００を使用する構成を示したが、半導体レーザ媒質１００の種類はこれに限るものではない。所望する波長、出力に合わせ、半導体レーザ媒質の種類、積層数、不安定共振器の拡大率等を選定すればよい。
【００７４】
また、上記実施の形態２〜７において、非球面円筒レンズ１９と円筒レンズアレイ２２の配置は逆であってもよい。
【００７５】
また、複数の半導体レーザ媒質が活性層に垂直な方向に積層配置されているので、集光性に優れたレーザ光を、容易に高出力化できる効果がある。
【００７６】
また、不安定共振器が、半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向に対して安定共振器を構成する一次元不安定共振器であるので、異方性の大きな半導体レーザ媒質より、簡易な構成のもとで、集光性の高いレーザ光を効率よく取り出すことができる効果がある。
【００７７】
また、不安定共振器が、半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向に対して不安定共振器を構成する二次元不安定共振器であるので、増幅領域の配列方向および半導体レーザ媒質の積層方向の両方に対して集光性の高いレーザ光を効率よく取り出すことができる効果がある。
【００７８】
また、不安定共振器が、負枝型であるので、不安定共振器を構成する外部鏡の設置精度が緩和され、調整が容易になるとともに、集光性に優れたレーザ光出力の安定性が向上する効果がある。
【００７９】
また、不安定共振器中に、半導体レーザ媒質の活性層に垂直な方向に対して集光作用を有する光学素子を備えたので、活性層に垂直な方向に安定共振器を構成する１次元不安定共振器を適用した際には、安定なモードを形成することができる効果があり、２次元不安定共振器を適用した場合には、不安定共振器内のレーザ光の大部分を、半導体レーザ媒質の活性層に入射させ、効率よく増幅することができる効果がある。
【００８０】
また、不安定共振器中に、各増幅領域に対応して配置され、増幅領域の配列方向に対して集光作用を有する光学素子を備えたので、複数の増幅領域が離散的に配置された半導体レーザ媒質であっても、不安定共振器内のレーザ光を増幅領域内へ選択的に入射させることが可能となり、集光性に優れたレーザ光を、効率よく発生させることができる効果がある。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、同一平面上に形成された活性層中に複数の増幅領域が並列配置され、前記増幅領域の発光部を有する前面に対向する背面に全反射膜がコーティングされた半導体レーザ媒質と、この半導体レーザ媒質の前記前面の側に設置された外部鏡とで前記増幅領域が並列配置される方向である配列方向に対して不安定共振器を構成し、該不安定共振器により前記半導体レーザ媒質からレーザ光を取り出すので、集光性に優れた高出力の半導体レーザ装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図２】  実施の形態２による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図３】  実施の形態２による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図４】  実施の形態３による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図５】  実施の形態４による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図６】  実施の形態５による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図７】  実施の形態６による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図８】  実施の形態６による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図９】  実施の形態７による半導体レーザ装置を説明するための図である。
【図１０】  従来および実施の形態１〜７による半導体レーザ媒質を説明するための図である。
【符号の説明】
３  活性層、１１  拡大鏡、  １２  平行鏡、  １９  非球面円筒レンズ、  ２０  レーザ光、  ２２  円筒レンズアレイ、  ２３  増幅領域、  ２５  切り出し鏡、２７  円筒平行レンズ、１００  半導体レーザ媒質。
【図１】
0003867543.tif 000002
【図２】
0003867543.tif 000003
【図３】
0003867543.tif 000004
【図４】
0003867543.tif 000005
【図５】
0003867543.tif 000006
【図６】
0003867543.tif 000007
【図７】
0003867543.tif 000008
【図８】
0003867543.tif 000009
【図９】
0003867543.tif 000010
【図１０】
0003867543.tif 000011