令和２年度

卒業論文

マルチモード青緑色半導体レーザーの不安定共振器によるモード制御
西岡研究室
1 序論

吉田知仁

光学系を用いてビームの集光性を向上させる。青緑色

高出力な半導体レーザーは図 1(a)のような水平面帯の半導体レーザー媒質である窒化ガリウムは屈折の幅が広い導波路をもっている。このような半導体レ率が小さいため、戻り光の入力には適性がある。[2]ーザーをブロードエリア型半導体レーザーという。ブロードリア型半導体レーザーは狭い導波路の半導体

2 光共振器と横モードレーザーに比べて導波路内の光密度を小さくするこ

2.1 安定共振器と横モードとができるため高出力で発振させやすい。一方でこの一般的に二枚の鏡を用いた光共振器は図 2 のような広い導波路は図 1(b)のように斜め方向の光の往復が光を完全に閉じ込めて増幅させる構造をもっている。

発生しやすく、これがマルチモード発振の要因となる。

光共振の構造によって光の往復パターンは異なり、こ[1]

れが出力されたときビーム断面に固有の模様を示す。
これを横モードという。一般的な光学機器は基本横モードというビーム断面がガウス関数になっているビームに対応しているため、他のモード光が混ざってい(a)るとその分だけその分だけ制御ができなくなる。ビー
ムを集光する際には最小スポット径よりも集光径が大きくなり集光性が悪化する。

(b)

MediumMirrorMirror

図 1 (a)ブロードエリア型半導体レーザーの構造図(a)

青色部分が導波路で導波路の高さは 2µm、幅 50~数百 µm (b)導波路中の光往復経路の模式図 赤矢印
が基本 TEM00 横モード、黄色矢印が TEM10 横モードのもとになる往復マルチモード発振すると集光性が悪化するが、不安定共振器を用いるとこれを改善できる。不安定共振器
は往復回数が少なくなるので低利得レーザーでは発振が難しいが、半導体レーザーは十分に高利得であるため発振するはずである。そこで本研究では戻り光を利用し、半導体レーザーを不安定共振器に組み込んだ

(b)

(c)

図 2 安定共振器の模式図 緑矢印は光の往復パターンを示している。 (a)の往復パターンはミラーに垂直な基本横モードのみ (b)、(c)は基本横モード以外にも往復パターンがある。

CCM254-100-P01(Thorlabs)

2.2 不安定共振器
図のように共振器は光を閉じ込めないようにすると、光の往復は共振器外に向かう。このような共振器⚫

シリンドリカルミラー２ 焦点距離 200 mm
CCM254-200-P01(Thorlabs)

を不安定共振器といい、前述した完全に光を閉じ込める共振器を安定共振器という。不安定共振器は中心で3.2 半導体レーザーの横モード制御するための不往復する光の往復回数が多く、端で往復する光の往復安定共振器の原理回数が少ない。これにより共振器の端に比べて中心で往復する基本横モードの光が増幅されやすくビームの集光性が向上する。

MirrorMediumMirror

(a)

(a)

(b)
(b)

図 3 本研究で設計した不安定共振器 (a)はコンセプ
トデザイン (b)は(a)の改良系

図 3 不安定共振器の模式図 緑矢印の光がレーザー媒質を往復しながら共振器の外に回折していることを示した。

本研究で設計した不安定共振器を図 3 に示した。
図 4(a)のように不安定共振器を組むと凸面シリンドリカルミラーの入手性が悪いため特注になる。また

3不安定共振器による横モード制御実験

3.1 半導体レーザーの横モード制御をするための不不安定共振器の回折光をコリメートするために穴の開いた凹面シリンドリカルミラーを用意する必要がある。そこで図 4(b)のように凹面シリンドリカルミ安定共振器の構成
半導体レーザーはその導波路の形状から横モードは高速軸ではシングルモード、低速軸でマルチモード発振する。横モード制御する際は低速軸のみの制御でよい凹面鏡ではなく凹面シリンドリカルミラーを用ラーを不安定共振するように配置して、またシリンドリカルミラーの端で反射させることで回折光を特殊な形状のミラーを使わないでコリメートすることができる。

いた。以下に不安定共振器に用いた光学器具を示す。

3.3 ビーム径測定方法⚫

青色半導体レーザー 450nm
L450P1600MM(Thorlabs)⚫

コリメートレンズ

焦点距離 4 mm 352610-A(Thorlabs)⚫

シリンドリカルミラー１ 焦点距離 100 mm

ビーム径は高出力光に対応するためにナイフエッジスキャンを行う。ナイフエッジ法はビームをナイフのような鋭いもので一部を遮ってゆきその出力を測定する。この遮ったナイフの移動距離と出力を利用してビーム径を求めることができる。

ビーム径を求めるにあたって本測定ではガウシアンビーム（𝑓(𝑥) = 𝑒 −2)の強度分布における最大出力の√𝜋89%

𝑒 −2 となる二点の距離を径とした。これは本測定がビーム質を改善することにあり、品質の基準となるガウ𝑒 −2径

シアンビームの径が一般的にこの値を用いて測定さ11%れるためである。図はガウス関数𝑓(𝑥) = exp (−𝑥 2 )であるが、最大出力の𝑒 −2となるのは𝑥 = ±√2となるときであるためこのときビーム径は2√2である。

図 5 ガウス積分系 𝒈(𝒙) = ∫∞−∞𝟐𝒆𝒙 𝒅𝒙

ナイフエッジスキャン結果と同形

3.4 回折限界スポット径-√2√2

図 4 ガウス関数 𝒇(𝒙) = 𝐞𝐱𝐩(−𝒙𝟐 )ビーム強度分布と同形
ナイフエッジスキャンではガウス関数の積分系が取れるため、測定結果は図 5 のようなデータになる。

図 6 回折限界

このデータから𝑒 −2 径を求めるとき、ガウス積分の値を計算する。積分範囲[−𝑎, 𝑎]のときのガウス積分の値

回折限界スポット径とはガウシアンビームを集光したときの最小径のことである。ガウシアンビームは次式のようになる。

ではないビームを集光するとこの値より最小径が大𝑎𝑎𝑔(𝑎) = ∫ 𝑓(𝑥)d𝑥 = 2 ∫ 𝑒 𝑥−𝑎−2d𝑥0= √2 arctan 𝑎これは出力の比率であるため、係数を求める。𝑔(𝑎)がとりうる最大の大きさ𝑎 = ∞のときと𝑎 = √2のときの比はビーム径の出力とできる。

きくなるため、集光したときの最小径が小さいほどガウシアンビームに近い理想的なビームといえる。
この回折限界スポット径を2𝜔0 、レンズの開口径を𝐷、レンズの焦点距離を𝑓、ビーム拡がり角を2𝜃とする。このとき𝜃はガウシアンビームであることから次式がわかっている。

𝑔(√2)= 0.7798𝑔(∞)
より、ナイフエッジ法で求めるべき距離は全光出力の𝜃=また𝜃が十分に小さいことにより

1-(1-0.779)/2=89 %、(1-0.7789)/2=11%となる二点となり、これが強度分布のピーク値の𝑒 −2 倍になるビーム径である。

𝜆𝜋𝜔0𝜃 ≃ tan 𝜃 =𝐷2𝑓が導出できるので回折限界スポット径2𝜔0 を求める。

4𝑓𝜆
𝐷𝜋

4 半導体レーザーの不安定共振器による低速軸の横モード制御実験結果
4.1 低速軸の横モード制御
駆動電流 200mA、焦点距離𝑓 = 480mmのときの不Output Power(mW)

2𝜔0 =不安定共振器なし

不安定共振器あり

安定共振器あり、なしでナイフエッジスキャンした。

Drive Current(mA)
図 9 出力特性
2600 µm

115 µm89％

不安定共振ありとなしでは出力がどう変化するのかを調べ図 9 に示した。不安定共振器を利用した方は

11 %

89 %

出力効率がかなり悪くなっている。この原因として考えられるのは戻り光である。窒化ガリウムは青緑帯で(b) 近視野(a) 遠視野

図 7 不安定共振ありのビーム径2650 µm
135 µm屈折率の小ささを利用して光を戻しているが、屈折率が小さいため戻り光が反対側の端子面から漏れている可能性がある。よっては戻り光の量を減らすようにミラーの曲率半径を変えれば出力改善の見込みはある。

5 結論(a) 遠視野(b) 近視野

図 8 不安定共振器なしのビーム径
表 1 ビームの集光性比較(遠視野ビーム径)/不安定共振器により横モード制御を行うことでブロードエリア型半導体レーザーの集光性を向上させることができた一方で、出力効率は大幅に低下した。
この出力効率低下は戻り光が消滅することで発生し(回折限界スポット径)ていると考えられるので、集光性向上の最低限の量の不安定共振器あり

1.1

戻り光を見つけてシリンドリカルミラーの最適な曲不安定共振器なし

1.3率半径を調べる必要がある。

図 7、8 から遠視野ビーム径2𝜔0 と近視野ビーム径𝐷を求めて回折限界スポット径を計算した。集光性の基準として遠視野ビーム径から回折限界スポット径を割ったものを使用することにした。不安定共振器を用いると集光性が向上したことを確認できた。

参考文献[1] A. E. Siegman, “LASERS,” University ScienceBooks, (1986).
[2] J. Lingrong, L. Jiaping, T. Aiqin, C. Yang, LiZengcheng, Z. Liqun, Z. Shuming, L. Deyao, M. Ikeda
and Y. Hui, “GaN-based green laser diode,” Journal of

4.2 出力特性

Semiconductors, 37, p.111001, (2016).