(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ・ビームを出力する半導体レーザ素子の端面を加工する半導体レーザ素子加工装置であって、
上記半導体レーザ素子が出力する上記レーザ・ビームの光学特性を測定する光学測定手段と、
上記半導体レーザ素子の上記端面に加工用レーザ・ビームを合焦させる加工用レーザ・ビーム出力手段と、
上記端面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の相対的な位置関係を調整する位置調整手段と、
上記加工用レーザ・ビーム出力手段及び位置調整手段を制御する制御演算手段とを具え、
該制御演算手段は、上記光学測定手段の測定データを用いて、上記端面から出力される上記レーザ・ビームを所望の光学特性に近づける方向に上記端面を上記加工用レーザ・ビームで加工することを特徴とする半導体レーザ素子加工装置。
【請求項２】
レーザ・ビームを出力する半導体レーザ素子の端面を加工する半導体レーザ素子加工装置であって、
上記半導体レーザ素子の上記端面の形状を光学的に測定する光学測定手段と、
上記半導体レーザー素子の上記端面に加工用レーザ・ビームを合焦させる加工用レーザ・ビーム出力手段と、
上記端面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の相対的な位置関係を調整する位置調整手段と、
上記加工用レーザ・ビーム出力手段及び位置調整手段を制御する制御演算手段とを具え、該制御演算手段は、上記光学測定手段の測定データを用いて、上記端面から出力される上記レーザ・ビームを所望の光学特性に近づける方向に上記端面を上記加工用レーザ・ビームで加工することを特徴とする半導体レーザ素子加工装置。
【請求項３】
上記制御演算手段は、上記加工用レーザ・ビームの照射によって上記端面に生じた熱の影響を受けたときの上記光学測定手段の測定データを利用しないことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザ素子加工装置。
【請求項４】
上記端面を上記加工用レーザ・ビームで加工することにより、上記半導体レーザ素子が出力する上記レーザ・ビームの単峰性を向上させることを特徴とする請求項１、２又は３記載の半導体レーザ素子加工装置。
【請求項５】
上記加工用レーザ・ビームにより、上記半導体レーザ素子内部の上記レーザ・ビームが共振する対向する共振鏡面の少なくとも一方を曲面に加工すること特徴とする請求項１、２、３又は４記載の半導体レーザ素子加工装置。
【請求項６】
上記加工用レーザ・ビーム出力手段が出力する上記加工用レーザ・ビームの波長として上記半導体レーザ素子の端面での吸収率の高いものを使用することを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の半導体レーザ素子加工装置。
【請求項７】
光を出力する光出力手段の一端部に設けたレンズを加工するレンズ加工装置であって、
該レンズを通過した上記光の光学的特性を測定する光学測定手段と、
上記レンズ表面に加工用レーザ・ビームを合焦させる加工用レーザ・ビーム出力手段と、
上記レンズ表面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の相対的な位置関係を調整する位置調整手段と、
上記加工用レーザ・ビーム出力手段及び位置調整手段を制御する制御演算手段とを具え、
該制御演算手段は、上記光学測定手段の測定データを用いて、上記レンズを通過した上記光を所望の光学特性に近づける方向に上記レンズを上記加工用レーザ・ビームで加工することを特徴とするレンズ加工装置。
【請求項８】
上記光出力手段が半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項７記載のレンズ加工装置。
【請求項９】
上記光出力手段は半導体レーザ素子であって、上記レンズが上記半導体レーザ素子のレーザ・ビームを出力する端面上に形成されたものであることを特徴とする請求項７記載のレンズ加工装置。
【請求項１０】
上記制御演算手段は、上記加工用レーザ・ビームの照射によって上記レンズ表面に生じた熱の影響を受けたときの上記光学測定手段の測定データを利用しないことを特徴とする請求項７、８又は９記載のレンズ加工装置。
【請求項１１】
上記加工用レーザ・ビーム出力手段は、紫外線レーザ装置であることを特徴とする請求項７、８、９又は１０記載のレンズ加工装置。
【請求項１２】
光を出力する光出力手段に設けた光学素子を加工する光学素子加工装置であって、
上記光学素子を通過した上記光の光学的特性を測定して測定データを生成する光学測定手段と、
上記光学素子表面に加工用レーザ・ビームを合焦させる加工用レーザ・ビーム出力手段と、
上記光学素子表面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を調整する位置調整手段と、
上記加工用レーザ・ビーム出力手段及び上記位置調整手段を制御する制御演算手段とを具え、
該制御演算手段は、上記光学測定手段の上記測定データを用いて、上記光学素子を通過した上記光を所望の光学特性に近づける方向に上記光学素子を上記加工用レーザ・ビームで加工することを特徴とする光学素子加工装置。
【請求項１３】
上記光出力手段が半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１２記載の光学素子加工装置。
【請求項１４】
上記光出力手段は半導体レーザ素子であって、上記光学素子が上記半導体レーザ素子のレーザ・ビームを出力する端面上に形成されたものであることを特徴とする請求項１２記載の光学素子加工装置。
【請求項１５】
上記制御演算手段は、上記加工用レーザ・ビームの照射によって上記光学素子表面に生じた熱の影響を受けたときの上記光学測定手段の上記測定データを利用しないことを特徴とする請求項１２記載の光学素子加工装置。
【請求項１６】
光学素子の被加工面を加工する光学素子加工装置であって、
上記光学素子の上記被加工面から出力される光の光学的特性を測定して測定データを生成する光学測定手段と、
上記光学素子の上記被加工面に加工用レーザ・ビームを合焦させる加工用レーザ・ビーム出力手段と、
上記光学素子の上記被加工面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を調整する位置調整手段と、
上記加工用レーザ・ビーム出力手段及び上記位置調整手段を制御する制御演算手段とを具え、
該制御演算手段は、上記光学測定手段の上記測定データを用いて、上記光学素子の上記被加工面から出力される上記光を所望の光学特性に近づける方向に上記被加工面を上記加工用レーザ・ビームで加工することを特徴とする光学素子加工装置であって、
上記光学素子は半導体レーザ素子であって、上記被加工面は上記半導体レーザ素子のレーザ・ビームを出力する端面であることを特徴とする光学素子加工装置。
【請求項１７】
上記加工用レーザ・ビームにより、上記半導体レーザ素子内部の上記レーザ・ビームが共振する対向する共振鏡面の少なくとも一方を曲面に加工すること特徴とする請求項１６記載の光学素子加工装置。
【請求項１８】
上記端面を上記加工用レーザ・ビームで加工することにより、上記半導体レーザ素子が出力する上記レーザ・ビームの単峰性を向上させることを特徴とする請求項１６記載の光学素子加工装置。
【請求項１９】
上記加工用レーザ・ビーム出力手段が出力する上記加工用レーザ・ビームの波長として上記半導体レーザ素子の上記端面での吸収率の高いものを使用することを特徴とする請求項１６記載の光学素子加工装置。
【請求項２０】
上記加工用レーザ・ビーム出力手段は、紫外線レーザ装置であることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれかに記載の光学素子加工装置。
【請求項２１】
光を出光可能な光学素子の被加工面を加工する光学素子加工方法であって、
上記被加工面を通過し出力された光の光学特性を測定して測定データを生成する第１ステップと、
上記光学素子表面に加工用レーザ・ビームを合焦させる第２ステップと、
上記光学素子表面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を調整する第３ステップと、
所望の光学特性を得るために上記被加工面をどのように加工すべきかの加工データを算出する第４ステップと、
上記加工データに基いて加工用レーザ・ビームにより上記被加工面を加工する第５ステップとを具える光学素子加工方法。
【請求項２２】
上記第１ステップにおいて、上記被加工面の形状を光学的に測定することにより上記測定データを生成することを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２３】
上記第５ステップにおいて、上記被加工面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を上記第４ステップにおいて算出された上記加工データに応じて変更することを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２４】
上記光学素子は半導体レーザ素子であり、上記被加工面は上記半導体レーザ素子が光を出力する端面であることを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２５】
上記光学素子はレンズであり、上記被加工面は上記レンズの表面であることを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２６】
上記レンズの材料はガラス又は結晶であることを特徴とする請求項２５記載の光学素子加工方法。
【請求項２７】
上記光学素子が非線形光学素子であることを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２８】
上記第１〜第５ステップを繰り返すときに、上記加工用レーザ・ビームの照射によって上記被加工面に熱が生じたときの上記光の上記測定データを上記第４ステップにおける上記加工データの算出に利用しないことを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項２９】
上記加工用レーザを用いた加工は、紫外線レーザを用いたアブレーション加工であることを特徴とする請求項２１記載の光学素子加工方法。
【請求項３０】
半導体レーザ素子の光を出力する端面に光学素子を設ける第１ステップと、
上記半導体レーザ素子から光を出力させる第２ステップと、
上記光学素子を通過した上記光の光学特性を測定する第３ステップと、
該第３ステップでの測定データに基いて、所望の光学特性を得るために上記光学素子の表面をどのように加工すべきかの加工データを算出する第４ステップと、
該第４ステップでの上記加工データに基いて加工用レーザ・ビームにより上記光学素子を加工する第５ステップとを具える半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３１】
上記加工データに応じて上記被加工面と上記加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を変更することにより上記加工用レーザ・ビームで上記光学素子を加工することを特徴とする請求項３０記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明はレンズ、半導体レーザ素子、これらの加工装置、半導体レーザ素子の製造方法、光学素子、光学素子加工装置および光学素子加工方法に関する。詳しくは、所望の光学特性となるように光出射面が加工されたレンズなどの光学素子、この光学素子を取り付けた半導体レーザ素子および所望の光学特性となるように光出射面自体が加工された半導体レーザ素子に関する。さらには、これらの光学素子（レンズ）および半導体レーザ素子などの光学素子自身が所望の光学特性となるように精度よく加工できる光学素子の加工装置およびその加工方法に関する。
背景技術
半導体レーザ素子は、光ディスクを光学的に読み取る光学ピックアップの光源として用いられるなど、小型かつ安価なレーザ光源として利用されている。レーザ・ビームは、図８に示すように例えば厚さ０．１μｍ程度の活性層の半導体レーザ素子１０の端面２６にある幅２μｍ程度の領域２８から出力される。この光出力領域２８は、図８にも示すように一方の辺の対が長い略矩形である。光は、広い辺に比べ狭い辺の方においてより回折するので、出力レーザ・ビーム光は真円にならず、狭い方の辺の方向に長い長円形となって出力される。光学ピックアップの光源として利用するには、半導体レーザ素子が出力するレーザ・ビームの形状を真円としたり平行ビームにする必要がある場合があるので、主にレンズを用いた光学系で調整することになる。
レンズの材質としては、プラスチックやガラスなどがある。このうちプラスチック・レンズは加工が容易であるが、ビームの熱による膨張及び収縮によって特性が劣化するので、ガラス製レンズの方が好ましい。
現在、光学系の設計は、コンピュータ上で光学系（最適）設計プログラムを用いて行うことができ、比較的容易に所望の特性の光学系を求めることができるようになっている。しかし、光学系を設計できたとしても、実際に製造する段階においては、技術的、コスト的に困難である場合も少なくない。
半導体レーザ素子の出力ビーム光を真円としたり平行ビームとするための光学系をレンズで構成するには、通常、複数の球面レンズを使用するので、光学系が大きくなりがちである。また、同じ特性の光学系を少ないレンズで実現しようとすると、非球面レンズを必要とする。非球面レンズをガラスから製造するには、高度な加工技術が必要なので高価になる。特に直径が１ｍｍより短いレンズでは、高精度の自由曲面加工が極めて困難である。
また、半導体レーザ素子には各々で特性にばらつきがあるので、多数の半導体レーザ素子に対して同じ光学系を設計して所望の光学特性を得ようとすると、歩留まりの低下をまねくことになる。
そこで、半導体レーザ素子の出力レーザ・ビームの形状を真円にしたり、平行光線にするというように、光を所望の光学特性に調整する小型の光学素子（レンズ）を容易に製造することが望まれている。
同様に、小型の光学素子を介在するのではなく、光学素子としての半導体レーザ素子自体にこのような所望の光学特性が付与されたレンズを取り付けられれば装置の小型化が図れるため、このようなレンズ付きの半導体レーザ素子の出現が望まているところである。そして、このような光学特性となるように比較的簡単に調整できる加工装置や加工方法の出現も強く望まれている。
一方、半導体レーザ素子のうち高出力の半導体レーザ素子は、小型かつ高効率なレーザ光源としてレーザ加工機や他のレーザ媒体の励起源として利用されている。
より高出力のレーザ・ビームを得ようとする場合には、活性層の厚さ（ストライプ幅）が薄いと素子が破壊されてしまうので、光学損傷を抑制するため、例えば１００μｍ程度までストライプ幅を広くすることが行われる。しかし、ストライプ幅を広くすると高次モードが発生し、レーザ・ビームの単峰性が低下する。つまり、端面２６の出力領域２８から複数のレーザ・ビームが出力されているように見えてしまう。
このように高出力の半導体レーザ素子では、活性層のストライプ幅を広くするために、出力するレーザ・ビームにいくつかのピーク（非単峰性）が現れ、レーザ・ビームのコヒーレント性を利用できない。しかし、こうした高出力の半導体レーザ素子でも、その共振鏡面（光出力端面）を平面から凹面にすることができれば単一モードとすることが可能になり、レーザ・ビームの利用効率を大幅に向上させることができる。
ところが、所望の光学性能が得られるように、端面の共振鏡面となる部分を高精度で加工するのは、ミクロンオーダーで行う必要があるため難しい。
また、半導体レーザ素子には各々で特性にばらつきがあり、多数の半導体レーザ素子に対して同じ所望の光学特性を得る、つまり、歩留まりを良くする方法が必要である。
そこで、出力レーザ・ビームを単峰性にできる半導体レーザ素子がまずは必要になる。さらには、出力レーザ・ビームの形状を真円にしたり、平行光線にするといった所望の光学特性に調整できる半導体レーザ素子の出現が望まれている。もちろんそのような光学特性とするための加工を比較的容易に高精度で個々の素子に実施できる加工装置およびその加工方法の出現が望まれている。
本発明はこのように所望の光学特性が付与できるように加工されたレンズや、このようなレンズ付きの半導体レーザ素子およびそれ自体の光出射端面に所望の光学特性となるように加工された半導体レーザ素子さらにはこのような所望とする光学特性を付与できるように精度よく加工するための加工装置や加工方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の装置によれば、半導体レーザ素子等の光出力手段の出力する光を所望の光学特性に調整するレンズなどの光学素子の加工、より具体的には当該レンズの表面つまり被加工面の加工を高精度に行える。レンズの材料としてはガラス若しくは結晶を用いることが好ましい。
レンズに所望の光学特性を付与するには加工すべきレンズが、光を出力する光出力手段の一端部に設けられる。光出力手段が出力した光はレンズを通過し、光学測手段がその光学特性を測定する。加工用レーザ・ビーム出力手段は、ビーム・スプリッタ等を介してレンズ表面に加工用レーザ・ビームを合焦させる。加工用レーザ・ビーム出力手段には、例えば、エキシマ・レーザなどによる紫外線レーザ装置を用いれば良い。
位置調整手段により、レンズ表面と加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係は調整することができる。加工用レーザ・ビーム出力手段及び位置調整手段は、制御演算手段が制御する。この制御演算手段は、光学測定手段の測定データを用いて、レンズを通過した光を所望の光学特性に近づける方向にレンズを加工用レーザ・ビームで加工する。
光出力手段が半導体レーザ素子の場合には、レーザ・ビームを出力する端面上にレンズを形成し、これを上述したように加工することができる。
更に制御演算手段は、加工用レーザ・ビームの照射によって端面に生じた熱の影響を受けたときの上記光学測定手段の測定データを利用しないようにすれば、レンズの一時的な熱膨張による悪影響を受けることなく、加工精度を向上させることができる。
さらに本発明は、レーザ・ビームを出力する半導体レーザ素子自体の端面を加工して、所望の光学特性を付与する。この場合では、半導体レーザ素子自身が加工されるべき光学素子であり、その端面が被加工面である。このときに使用される半導体レーザ素子加工装置は上述したレンズ加工装置に類似する。
加工装置を構成する光学測定手段は、半導体レーザ素子が出力するレーザ・ビームの光学特性に関する測定データを生成する。光学測定手段を干渉計として用いて、上述したように半導体レーザ素子の端面の形状を光学的に測定することもできる。加工用レーザ・ビーム出力手段は、加工用レーザ・ビームを出力し、周知の光学系を用いて半導体レーザ素子の端面に加工用レーザ・ビームを合焦させる。
位置調整手段は、半導体レーザ素子の端面と加工用レーザ・ビームの合焦位置の光学的な相対位置関係を調整する。加工用レーザ・ビーム出力手段及び位置調整手段は、制御演算手段によって制御される。このとき、制御演算手段は、光学測定手段の測定データを用いて、端面から出力されるレーザ・ビームを所望の光学特性に近づける方向に端面を加工用レーザ・ビームで加工する。
半導体レーザ素子自身の端面を加工用レーザ・ビームで加工して所望の光学特性を付与することにより、半導体レーザ素子が出力するレーザ・ビームの単峰性が向上する。これは、より具体的には、半導体レーザ素子内部のレーザ・ビームが共振する、相対向する共振鏡面の少なくとも一方を曲面となるように加工することによって実現される。
加工用レーザ・ビームが出力されたときは、加工用レーザ・ビームの照射によって端面が熱により膨張する。この一時的な熱膨張は通常の使用中に生じないものであるから、この状態において出力された半導体レーザ素子が出力したレーザ・ビームの光学特性の測定データは利用できない。よってこの場合には、この熱の影響がなくなるまで制御演算手段が光学測定手段の測定データを利用しないように制御することで、より精度良く加工できる。
加工用レーザ・ビームとしては、紫外線領域の光の他、場合によっては緑領域の光を使用可能な場合もあり、更には異なる周波数域の光を組み合わせて使用した方が効果的な場合もある。いずれにしても、半導体レーザ素子１０の端面２６における吸収率の良い波長の光を用いる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の好適な実施形態（レンズ加工装置）の１例を示すブロック図であり、図２は本発明の好適な実施形態（レンズ加工装置）の他の例を示すブロック図であり、図３Ａ、図３Ｂは本発明に係るレンズ付き半導体レーザ素子を示す図であり、図４は本発明に係る半導体レーザ素子の加工装置における好適な実施形態の１例を示すブロック図であり、図５は本発明に係る半導体レーザ素子の加工装置における好適な実施形態の他の例を示すブロック図であり、図６は半導体レーザ素子の対向する共振鏡面の概念を示す上面図であり、図７は本発明に係る半導体レーザ素子の加工装置における好適な実施形態の更に他の例を示すブロック図であり、図８は半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ・ビームの形状を示す概念図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説明するために添付の図面にしたがって説明する。
図１は、本発明の１好適実施形態（レンズ加工装置）の例を示すブロック図である。本発明はレンズ単体あるいはこのレンズを形成した半導体レーザ素子に適用される。
この装置は、半導体レーザ素子（光出力手段）１０のレーザ・ビームから真円及び平行といった所望の光学特性が得られるようにレンズ（光学素子）を加工する。被加工レンズ１２は、半導体レーザ素子１０の出力するレーザ・ビームを真円及び平行にするように、予め大ざっぱに加工されている。レンズ１２に使用する材料には、ガラスを用いるのが望ましい。
レンズ１２の材料としては、例えばガラスなどの光学材料、好適には光学ガラスを用いる。即ち、光学ガラスの如き屈折率の歪みがきわめて小さい均質なものが良い。ガラスとは、無定形状態の１つで、溶融液体を適当に冷却して結晶させずに固化した過冷却状態をいう。ガラスは、可視光領域では透明であっても、紫外又は赤外光領域では不透明となる波長領域もある。このように利用する光の特性によっては、レンズの材料として結晶（クリスタル）を利用した方が適当な場合がある。こうした結晶としては、サファイヤ、シリコン、ゲルマニウムなどがあり、例えば、サファイヤであれば波長３ミクロン程度の赤外光領域、ジンクセレン結晶であれば波長１０ミクロン程度の赤外光領域に利用できる。また、ガラスでは光で焼けてしまうこともあるが、結晶のなかにはこうした光学ダメージを受けにくいもの（シリコンなど）もあり、目的に応じて適宜利用するのが良い。
被加工レンズ１２を通過したレーザ・ビームは、ビーム・スプリッタ１４を介して波面測定器（光学測定手段）１６に入力され、その光学特性が測定され、測定データが生成される。波面測定器１６については、後述する。
紫外線レーザ装置（加工用レーザ出力手段）１８は光学系２０を有し、この光学系２０を通して紫外線レーザ・ビームを出力し、ミラー１５及びビーム・スプリッタ１４を介して被加工レンズ１２表面上の所望の位置に加工用レーザ・ビームを合焦させることができる。紫外線レーザ装置１８のレーザ光源には、例えば、エキシマ・レーザやＹＡＧの４倍波などを利用する。エキシマ・レーザには、例えば、希ガスとハロゲンガスを組み合わせた一般的な希ガス・ハライド・エキシマ・レーザを用いれば良い。波長の短いレーザほどエッチング面が平滑になるので、例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザを用いるのが良い。
被加工レンズ１２の表面（被加工面）上で合焦した紫外線レーザ・ビームは、光アブレーション現象により、被加工レンズ１２表面上の分子結合を瞬間的に切断するので、ガラス製のレンズ１２表面の微細加工に適している。レーザ・ビームはパルス状に出力され、１０ｎ（ナノ）秒程度の間に数Ｊ（ジュール）のエネルギーを加工対象の材料に入力するが、これは熱拡散時間に比べて大幅に短時間であるため、材料に熱的ダメージを与えることなく、シャープな加工を可能にする。つまり、被加工部分周辺に熱によって溶融し再び固体化した部分などが生じにくい。また、紫外域波長のエネルギーは、材料に対し１マイクロ・メータ以下の深さ（サブミクロン・オーダー）でしか進入しない。よって、レンズ表面の極めて薄い表層を微細加工可能である。
なお、ビーム・スプリッタ１４やミラー１５も紫外線レーザ・ビームを受けることによって時間と共に損傷し劣化していくが、ビーム・スプリッタ１４等の位置ではビームの焦点が来ないようになっているため、ある一定期間においては十分に使用可能である。
位置調整装置２２は、制御演算装置２４の制御に応じてミラー１５を動かし、紫外線レーザ装置１８からの紫外線レーザ・ビームの光軸を移動させる。これによって紫外線レーザ・ビームの焦点位置と被加工レンズ１２の表面との光学的な相対的位置関係を変化させる。制御演算装置２４は、位置調整装置２２及び紫外線レーザ装置の光学系２０を用いて紫外線レーザ・ビームの焦点を被加工レンズ１２表面上の加工必要な位置に合わせ、レンズ１２表面を加工する。
光ビーム波面測定器１６としては、例えば、米国メレスグリオ（MELLESGRIOT）社製１３ＷＡＳ００１型ウェーブアナライザーを用いれば良い。これは、干渉計、ＣＣＤカメラ及び電子駆動機構を有し、干渉計の原理を用いてレーザ・ビームの電界分布（ビーム強度分布）を測定し、ビームの形状及び直径の大きさと共に、波面の収差及び位相を測定できるものである。
制御演算装置２４には、例えば、米国インテル社製マイクロプロセッサを搭載したパソコンを使用することができる。波面測定器１６からの測定データ（ビーム強度分布、波面形状等）は、制御演算装置２４が有する表示器に２次元又は３次元でグラフィック表示される。制御演算装置２４の有するハードディスク等の記憶装置には、レンズ加工に必要な種々のプログラムが記憶される。これには、上述した光学系設計プログラムを含んでも良い。これらによって後述するように、紫外線レーザ装置１８及びこれに含まれる光学系２０、並びに位置調整装置２２を制御する。
上述のように、半導体レーザ素子１０から直接出力されるレーザ・ビームは、その形状が長円形であり、また、平行光線ではない。このため、レーザ１２を通過したレーザ・ビームから、真円及び平行といった所望の光学特性を得るためには、レンズ１２を非球面レンズに加工する必要がある。以下では、図１に示した装置によって、真円及び平行の光学特性を得るレンズ加工方法を説明する。
まず、半導体レーザ素子１０からレーザ・ビームを出力させ、加工すべきレンズ１２を通過したレーザ・ビームの光学特性を波面測定器１６で測定する（第１ステップ）。
波面測定器１６の測定データは、制御演算装置２４で処理され、光学系設計プログラムを応用することで、レンズ１２の現状の光学特性（レンズの形状等を含む）データが得られる。また、波面測定器１６に所望の光学特性のレーザ・ビームを受けた場合に得られる基準データと比較される。この基準データは、数学的理論から求めても良いし、また、実際に真円及び平行光線といった所望の光学特性を有するレーザ・ビームを波面測定器１６に入力して実測データから基準データを作成しても良い。この測定においては、例えば、干渉縞（の形状）をパラメータとして利用しても良い。
制御演算装置２４は、レンズ１２を通過したレーザ・ビームから所望の光学特性が得られるようにすべく、即ち、波面測定器１６から得られる測定データを基準データに近づけられるような加工データが算出され（第２ステップ）、この加工データに基づいて紫外線レーザ装置１８（その光学系２０を含む）及び位置調整装置２２を制御して、被加工レンズ１２の形状を加工する（第３ステップ）。
このような第１から第３までの加工ステップを経て所望とする光学特性が付与されたレンズ１２が得られる。
紫外線レーザ・ビームで被加工レンズ１２を加工しているときも、半導体レーザ素子１０は発振させたままでよい。半導体レーザ素子１０の出力するレーザ・ビームと紫外線レーザ・ビームでは、波長が大きく異なるので干渉する恐れがないからである。
紫外線レーザ・ビームによるレンズ加工では、加工部分周辺に熱によって溶融し再び固体化した部分などは生じにくいが、紫外線レーザ・ビームは加工（分子結合の切断）に必要なエネルギーよりやや大きいエネルギーをレンズに注入するように設定される。このため、被加工部分にはビームを照射した時点において瞬間的に熱が残る。この熱によって被加工レンズ１２の表面は膨張するので、この紫外線レーザ・ビームの照射による熱膨張が原因で生じた被加工レンズ１２の一時的な光学特性の変化をレンズ加工処理にフィードバックしないようにする必要がある。
そこで、制御演算装置２４は、紫外線レーザ・ビームを出力したらこの出力時点から所定時間は波面測定器１６の測定データを考慮せず、紫外線レーザ・ビームの照射による熱の影響がなくなってから再び波面測定器１６の測定データを用いて紫外線レーザ・ビームの制御を行い、この処理を繰り返して理想の形状のレンズに近づけていく。別な見方によれば、加工用レーザ・ビームによって熱膨張した状態のレンズ１２を通過したレーザ・ビームを測定した結果得られる測定データを制御演算装置２４は利用しないようにする。
更に、半導体レーザ素子の個々に対応して最適な光学系を製造できれば、歩留まりを大幅に向上させることが可能になる。
図２は、本発明の好適な実施形態（レンズ加工装置）の他の例を示すブロック図である。図１では、位置調整装置２２でミラー１５を調整することにより紫外線レーザ・ビームの光軸を移動させていた。しかし、図２に示すように、位置調整装置２２’によって半導体レーザ素子１０及びレンズ１２を他の装置に対して相対的に移動させるようにしても良い。半導体レーザ素子１０及びレンズ１２が移動すれば、ビーム・スプリッタ１４及び波面測定器１６に入力する半導体レーザ素子１０からのレーザ・ビームの光軸が移動する（ずれる）ことになるが、レンズ１２の径は充分小さく、それに反して測定面は逆に充分な広さを持つので、波面測定器１６にレーザ・ビームが入射しなくなる程度まで光軸がずれるようなことはない。
上述したような光学特性を有するレンズは半導体レーザ素子自体に取り付けることもできる。図３Ａ、図３Ｂはこのようなレンズ付きの半導体レーザ素子の一実施形態を示す。
図３Ａはその斜視図であり、図３Ｂはその側面図である。図３Ａ、図３Ｂに示すように光学特性補正用のレンズ１２は半導体レーザ素子１０のレーザ・ビームを出力する端面２６上に直接設けられる。
これによれば、レンズ（光学系）１２と半導体レーザ素子１０とが一体に構成されるため、所望の光学特性を有するレーザ・ビームを全体としてより小型にすることができる。レンズ１２の表面は、予め大ざっぱに加工されており、これを上述した実施形態と同様に加工することで高精度で所望の非球面に加工することができる。もちろん、半導体レーザ素子１０の個々の特性に合わせてレンズ１２が加工されるため、このレンズ（光学系）付き半導体レーザ素子１０を歩留まり良く製造できる。
このようなレンズ付きの半導体レーザ素子１０を製造するには、以下のようなステップを経ることになる。簡単に説明すると、半導体レーザ素子１０の光を出力する端面２６にレンズを設ける（第１ステップ）。次に、半導体レーザ素子１０から光を出力させ（第２ステップ）、レンズ１２を通過した半導体レーザ素子１０からの光の光学特性を次に測定する（第３ステップ）。
この第３ステップでの測定データに基づいて、所望の光学特性を得るために被加工レンズ１２をどのように加工すべきかの加工データを算出する（第４ステップ）。
この第４ステップでの計算に基づいて加工用レーザ・ビーム（紫外線レーザ・ビーム）によりレンズ１２を加工する（第５ステップ）ことによって、レンズ付き半導体レーザ素子１０を形成する。
この発明では、それ自体に所望とする光学特性が付与された半導体レーザ素子とすることもできる。なお、この場合では半導体レーザ素子自身が加工されるべき光学素子であり、その端面が被加工面である。図４および図５はこのように半導体レーザ素子の光発光端面自体に所望とする光学特性を付与するための加工装置の一実施形態の例を示すブロック図である。
この加工装置は基本的には図１に示す加工装置と同じであるので、図４では一部重複した説明となる。図４に示すように半導体レーザ素子１０の端面（被加工面）２６の光出力領域２８から出力されたレーザ・ビームは、ビーム・スプリッタ１４を介して波面測定器（光学測定手段）１６に入力される。
加工用レーザ装置１８は光学系２０を有し、この光学系２０を通して加工用レーザ・ビームを出力し、ミラー１５及びビーム・スプリッタ１４を介して端面２６上の所望の位置に加工用レーザ・ビームを合焦させる。加工用レーザ装置１８のレーザ光源には、上述したと同じようにエキシマ・レーザやＹＡＧの４倍波などを利用することができる。波長の短いレーザほどエッチング面が平滑になるので、例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザを用いるのが良い。
加工用レーザとしては、紫外領域の光の他、場合によっては緑領域の光を使用可能な場合もあり、更には異なる周波数域の光を組み合わせて使用した方が効果的な場合もある。いずれにしても、半導体レーザ素子１０の端面２６における吸収率の良い波長の光を用いる。
加工用レーザ・ビームが紫外線レーザ・ビーム場合では、端面２６の光出力領域２８付近の加工が必要な箇所に合焦した紫外線レーザ・ビームは、光アブレーション現象により、図１の場合と同じく端面上の分子結合を瞬間的に切断する。このため、微細加工に適している。
紫外線レーザ・ビームはパルス状に出力され、１０ｎ（ナノ）秒程度の間に数Ｊ（ジュール）のエネルギーを加工対象の材料に入力するが、これは熱拡散時間に比べて大幅に短時間であるため、材料に熱的ダメージを与えることなく、シャープな加工を可能にする。つまり、被加工部分周辺に熱によって溶融し再び固体化した部分などが生じにくい。また、紫外域波長のエネルギーは、材料に対し１マイクロ・メータ以下の深さ（サブミクロン・オーダー）でしか進入しない。よって、レンズ１２表面の極めて薄い表層を微細に加工できる。
この場合においても、ビーム・スプリッタ１４は加工用レーザ・ビームを受けることによって時間と共に損傷し劣化していくが、ビーム・スプリッタ１４の位置ではビームの焦点が来ないようになっているため、ある一定期間においては十分に使用可能である。
位置調整装置２２は、制御演算装置２４の制御に応じてミラー１５を動かし、加工用レーザ装置１８からの加工用レーザ・ビームの光軸を移動させる。これによって加工用レーザ・ビームの焦点位置と半導体レーザ素子１０の端面２６との光学的な相対的位置関係を変化させる。制御演算装置２４は、位置調整装置２２及び加工用レーザ装置１８の光学系２０を用いて加工用レーザ・ビームの焦点を端面２６上の加工必要な位置に合わせて加工する。
光ビーム波面測定器１６は図１で用いたものと同じウェーブアナライザーを用いることができる。制御演算装置２４も同様であって、その説明は割愛する。
さて、半導体レーザ素子から直接出力されるレーザ・ビームを、単峰性、真円及び平行といった所望の光学特性にする加工は次のように行う。
まず、半導体レーザ素子１０の端面２６からレーザ・ビームを出力させ、このレーザ・ビームの光学特性を波面測定器１６で測定する（第１ステップ）。
波面測定器１６の測定データは、制御演算装置２４で処理され、光学系設計プログラムを応用することで、半導体レーザ素子１０の現状の端面２６による光学特性データが得られる。また、波面測定器１６に所望の光学特性のレーザ・ビームを受けた場合に得られる基準データと比較される。この基準データは、数学的理論から求めても良いし、また、実際に単峰性、真円及び平行光線といった所望の光学特性を有するレーザ・ビームを波面測定器１６に入力して得た実測データから基準データを作成しても良い。
制御演算装置２４では、レーザ・ビームを所望の光学特性とすべく、即ち、波面測定器１６から得られる測定データを基準データに近づけるような加工データが算出され（第２ステップ）、この加工データに基づいて加工用レーザ装置１８（その光学系２０を含む）及び位置調整装置２２を制御して、半導体レーザ素子１０の端面２６の必要な部分を加工する（第３ステップ）。
加工用レーザ・ビームで端面２６を加工しているときも、半導体レーザ素子１０は発振させたままでよい。半導体レーザ素子１０の出力するレーザ・ビームと紫外線レーザ・ビームでは、図１で説明したと同じように、波長が大きく異なるので干渉する恐れがないからである。
図４の場合の加工も、図１の場合の加工処理と同じように、紫外線（加工用）レーザ・ビームによる端面の加工では、加工部分周辺に熱によって溶融し再び固体化した部分などは生じにくいが、紫外線レーザ・ビームは加工（分子結合の切断）に必要なエネルギーよりやや大きいエネルギーを端面に注入するように設定される。
このため、被加工部分にはビームを照射した時点において瞬間的に熱が残る。この熱によって端面２６に膨張する部分が生じるので、この紫外線レーザ・ビームの照射による熱が原因で生じた光学特性の一時的な変化を加工処理にフィードバックしないようにする必要がある。
そこで、図４の場合においても制御演算装置２４では、紫外線レーザ・ビームを出力したらこの出力時点から所定時間は波面測定器１６の測定データを考慮せず、紫外線レーザ・ビームの照射による熱の影響がなくなってから再び波面測定器１６の測定データを用いて紫外線レーザ・ビームの制御を行い、この処理を繰り返して端面を理想の形状に近づけていく。換言すれば、加工用レーザ・ビームによって熱膨張した状態の端面２６から出力されたレーザ・ビームを測定した結果得られる測定データを、制御演算装置２４は利用しないようにする。
半導体レーザ素子の端面２６に紫外線レーザ・ビームを照射するについては、必ずしもビーム・スプリッタ等を介さなくてもよく、例えば、半導体レーザ素子端面２６の正面に対して斜め方向から照射しても良い。
このような加工装置を用いることによって、所望とする光学特性を得るように加工された端面を有する半導体レーザ素子を得ることができる。また、このような加工装置を用いた加工方法は図１に示した加工装置を使用するときの加工方法（第１ステップ〜第３ステップ）をそのまま利用できるので、その詳細説明については割愛する。
図５は、所望とする光学特性を有する半導体レーザ素子に加工するための本発明の好適な実施形態の他の例を示すブロック図である。
図４では、位置調整装置２２でミラー１５を調整することにより紫外線レーザ・ビームの光軸を移動させていた。しかし、図５に示すように、位置調整装置２２’によって半導体レーザ素子１０を他の装置に対して相対的に移動させるようにしても良い。半導体レーザ素子１０が移動すれば、ビーム・スプリッタ１４及び波面測定器１６に入力する半導体レーザ素子１０からのレーザ・ビームの光軸が移動する（ずれる）ことになるが、レーザ・ビームの直径は実際には図１及び図２に示したものより充分に小さく、よって波面測定器１６にレーザ・ビームが入射しなくなる程度まで光軸がずれないようにできる。
図６は、半導体レーザ素子１０の活性層のある部分における上方断面図である。紫外線レーザ・ビームは、端面２６の特に光出力領域２８付近を加工し、共振鏡面３０が曲面（例えば凹面や凸面）に形成される。ここでは、共振鏡面の一方だけを曲面とする例を示すが両面を曲面に加工しても良い。互いに対向する共振鏡面の少なくとも一方を曲面（例えば凹面）とすることで、ストライプ幅が広い場合でも、高次モードの発生を減少させることが可能になる。
なお、共振鏡面３０を曲面に加工するについては、図６では水平方向に関して曲面が形成されることを示しているが、垂直方向に関しても同様であり、夫々に関して適切なＲ（曲率半径）が形成される。
図７は、本発明による更に他の実施形態を示すブロック図である。図４及び図５の例では、半導体レーザ素子１０を発振させ、その出力レーザ・ビームの光学特性を波面測定器（光学測定手段）１６で測定していた。しかし、半導体レーザ素子１０の端面２６、特に共振鏡面３０部分の形状のデータを得るには、周知のような干渉計による測定でも良い。
波面測定器１６は、単純な干渉計としても機能するので、レーザ光源などの基準（reference）光源１２から端面２６に例えばビーム・スプリッタ１３を介してコヒーレントな光を供給し、その反射光を測定すれば端面２６の形状のデータを光学的に得ることができる。もちろん、このとき半導体レーザ素子１０が発振している必要はない。これは、レンズを加工する場合にも応用でき、同様にしてレンズの形状データを光学的に得ることができる。
この測定データを用いて制御演算装置２４が加工用レーザ装置１８等を制御して端面２６を加工し、必要に応じて再度測定して再度加工する工程を繰り返すことについては、上述と同様である。また、加工用レーザ・ビームによって熱膨張した状態の端面２６の表面形状を測定した結果得られる測定データを制御演算装置２４が利用しないようにすることについても同様である。
以上説明したように、本発明の装置によれば、半導体レーザ素子等の光出力手段が出力する光を所望の光学特性に調整する光学素子（レンズ）を得ることができる。そしてそのようなレンズを小型かつ容易に加工し製造することができる。このとき、レンズは光出力手段の個々の特性に合わせてその光学特性が調整されるので、歩留まりが大幅に改善される。
半導体レーザ素子の端面に所望の光学特性を有するレンズなどの光学素子を設けた小型の光学素子付き半導体レーザ素子を得ることができる。その製造も精度よく行うことができる。
なお、本発明における光学素子は、非線形光学素子でも良い。非線形光学素子は、電圧や圧力等によって屈折率を変化させることができ、振幅位相変調器、共役鏡、ＳＨＧ（Second harmonic generator、光第２高調波発生）等に利用されている。よって、この非線形光学素子を光出力手段に設けた場合、非線形光学素子に加える電圧や圧力を制御することで光出力手段が出力する光を所望の光学特性に変化させることも可能になる。非線形光学素子は、周知のようにニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸リチウム(LiTiO3)、有機系のフッ素化ポリイミド、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）等から製造される。半導体レーザ素子の光を出力する端面にこの非線形光学素子を設けた場合、非線形光学素子の周辺に微細な電極が必要になるが、こうした微細加工は周知の技術を利用できる。また、非線形光学素子に圧力を加えるには、例えば圧電素子を利用すれば良く、これにより非線形光学素子の電圧による制御が可能になる。
さらにこの発明によれば、半導体レーザ素子の端面状態を高精度で加工し、出力するレーザ・ビームを所望の光学特性に近づけられる半導体レーザ素子を得ることができる。その加工も精度よく行うことができる。端面自体に光学特性を付与するのは特に、高出力の半導体レーザ素子に対して有効である。
産業上の利用可能性
この発明は小型でかつ高精度の加工によって所望とする光学特性を付与できるから、この発明はレーザ媒体の励起源として適用したり、光ピックアップ装置やレーザ加工機などのビーム補正光学系に適用して好適である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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