CN106104948B - 半导体激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的半导体激光装置具备：半导体激光阵列，出射慢轴方向的发散角为θs(＞4°)的激光的活性层沿着慢轴方向被并列设置而成；第1光学元件，在第1反射面上反射向慢轴方向的一方侧行进的第1部分光并使之返回到活性层；第2光学元件，在第2反射面上反射向慢轴方向的另一方侧行进的第2部分光的多个模式光中的一部分的模式光并使之返回到活性层；第1光学元件以第1反射面相对于与活性层的光轴方向相垂直的面成2°以上且小于(θs/2)的角度的形式进行配置，第2光学元件以第2反射面相对于与活性层的光轴方向相垂直的面成大于(‑θs/2)且‑2°以下的角度的形式进行配置。

Description

半导体激光装置
技术领域
本发明的一方面涉及外部共振器型的半导体激光装置。
背景技术
一直以来，作为外部共振器型的半导体激光装置众所周知如例如专利文献1所表示的那样具备多个活性层在慢轴方向上被并列设置的半导体激光阵列、在与慢轴方向相垂直的面内对从各个活性层出射的激光进行准直(collimate)的准直透镜、反射从准直透镜出射的激光中的向慢轴方向的一方侧行进的部分光并返回到活性层的各个的第1光学元件、反射从准直透镜出射的激光中的向慢轴方向的另一方侧行进的部分光并返回到各个活性层的第2光学元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利申请2007-207886号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
关于上述专利文献1所记载的半导体激光装置，通过从与各个活性层的光轴相垂直的面倾斜几度来配置第1光学元件的反射面，从而就能够谋求到减小从半导体激光阵列出射的激光的慢轴方向的发散角的结果。另外，关于专利文献1所记载的半导体激光装置，作为第1以及第2光学元件通过使用反射特定波长激光的波长选择元件，从而就能够谋求到减小从半导体激光阵列出射的激光的谱宽的结果。
就这样，关于上述那样的半导体激光装置谋求例如减小慢轴方向的发散角或减小谱宽等、光束质量的提高。
本发明的一个方面目的就是在于提供一种能够提高光束质量的半导体激光装置。
解决技术问题的手段
本发明所涉及的半导体激光装置具备：半导体激光阵列，出射慢轴方向的发散角为θs(＞4°)的激光的多个活性层沿着慢轴方向并列而成；准直透镜，在与慢轴方向相垂直的面内对从活性层的各个出射的激光进行准直(collimate)；第1光学元件，在第1反射面上反射从准直透镜出射的激光的各个向慢轴方向的一方侧行进的第1部分光并经由准直透镜返回到活性层的各个；第2光学元件，在第2反射面上反射从准直透镜出射的激光的各个向慢轴方向的另一方侧行进的第2部分光的多个模式光中的一部分模式光并经由准直透镜返回到活性层的各个；第1光学元件以第1反射面相对于与活性层的光轴方向相垂直的面成2°以上且小于(θs/2)的角度的形式进行配置，第2光学元件以第2反射面相对于与活性层的光轴方向相垂直的面成大于(-θs/2)且-2°以下的角度的形式进行配置。
根据该半导体激光装置，第1部分光被第1光学元件中的第1反射面反射，并且经由准直透镜返回到各个活性层。另外，第2部分光的一部分被第2光学元件中的第2反射面反射，并且经由准直透镜返回到各个活性层。由此，激光变成一边往复于第1光学元件和第2光学元件一边在活性层上被放大。此时，因为第1反射面成2°以上且小于(θs/2)的角度并且第2反射面成大于(-θs/2)且-2°以下的角度，所以减小被放大的激光的慢轴方向的发散角成为可能。再有，因为在第2反射面上反射第2部分光的多个模式光中的一部分的模式光，所以该一部分模式光被选择性放大。由此，就能够进一步减小激光的慢轴方向的发散角。根据该半导体激光装置，能够提高光束质量。
另外，在本发明所涉及的半导体激光装置中，第1光学元件也可以是在第1反射面上选择性地反射第1部分光中特定波长的光并且经由准直透镜返回到活性层的各个的波长选择元件。由此，特定波长的激光成为一边在活性层上被放大一边至少往复于第1光学元件与活性层之间。因此，能够缩窄被输出到外部的激光的谱宽。
在本发明所涉及的半导体激光装置中，第2光学元件也可以以在第2反射面上反射第2部分光的多模式光当中的零次模式光并且经由准直透镜返回到活性层的各个的形式被配置于零次模式光的光路上。由此，就能够有效地使零次模式光放大。
发明效果
根据本发明的一个方面就能够提供一种提高光束质量的半导体激光装置。
附图说明
图1是示意性地表示一个实施方式所涉及的半导体激光装置的立体图。
图2是由图1所表示的半导体激光装置中的激光阵列的正面图。
图3(a)是由图1所表示的半导体激光装置的部分平面图。图3(b)是该部分的侧面图。
图4是由图1所表示的半导体激光装置的平面图。
图5(a)～(c)是表示在由图1所表示的半导体激光装置的各个地方上的光束特性(beam profile)的示意图。
图6是示意性地表示由图1所表示的半导体激光装置的变形例的立体图。
图7是示意性地表示半导体激光器堆叠(laser stack)的立体图。
具体实施方式
以下是参照附图并就本发明所涉及的半导体激光装置的一个实施方式进行详细说明。为了方便起见，在各个附图中将相同的符号标注于相同或者相当的部分，省略重复的说明。各个附图的尺寸比为了说明而会有夸张的部分，并不一定与实际尺寸比相一致。还有，在以下所述图面中有显示直角坐标系C。
如图1以及图2所示，半导体激光装置1具备将X轴方向设定为光轴方向；将Y轴方向设定为慢轴方向；将Z轴方向设定为快轴方向的多个活性层2沿着慢轴方向被并列设置而成的半导体激光阵列3。半导体激光阵列3在慢轴方向上成为细长的长方体形状，并且在慢轴方向上具有规定的长度L1(例如大约10mm)。活性层2沿着慢轴方向以规定的间距(例如大约200μm～500μm)进行排列。活性层2在慢轴方向上具有规定的宽度L2(例如大约100μm～200μm)，并且在快轴方向上具有规定的厚度L3(例如大约1μm)。
如图3(a)和图3(b)所示，各个活性层2的前端面2a到达半导体激光阵列3的前端面3a。在各个活性层2的前端面2a上形成减反射膜[AR(anti reflection)膜]。另外，活性层2的后端面2b到达半导体激光阵列3的后端面3b。在各个活性层2的后端面2b上形成高反射膜[HR(high reflection)膜]。
从各个活性层2的前端面2a向前方出射的激光LB1将活性层2的光轴O作为中心在慢轴方向上具有θs发散角并且在快轴方向上具有θF发散角。慢轴方向的发散角θs例如大于4°(作为一个例子是8°～10°)。快轴方向的发散角θF例如30°～40°。这样在从各个活性层2出射的激光中因为快轴方向的发散角θF相对较大，所以为了抑制快轴方向的发散角θF而将准直透镜5配置于半导体激光阵列3的前方。
准直透镜5例如是在慢轴方向上成为细长形状的柱透镜(cylindrical lens)。准直透镜5例如在活性层2的光轴方向上具有大约0.4mm的长度，在慢轴方向上具有大约12mm的长度，在快轴方向上具有大约0.6mm的长度。准直透镜5在与快轴方向相垂直的面(即XY平面)内没有折射作用，但是在与慢轴方向相垂直的面(即ZX平面)内具有折射作用。总之，准直透镜5在与慢轴方向相垂直的面内使从半导体激光阵列3的各个活性层2出射的激光LB1折射并出射在快轴方向上被平行化了的激光LB2。
如图4所示，在准直透镜5的前方侧，相对于光轴O将平面反射镜(第1光学元件)6配置于慢轴方向的一方侧(在本实施方式中是朝着激光的出射方向为左侧)。平面反射镜6在反射面(第1反射面)7上反射从准直透镜5出射的激光LB2的行进于各自慢轴方向的一方侧的第1部分光LB3，并且作为激光LB4经由准直透镜5返回到活性层2的各个。
第1部分激光LB3是在激光LB2全体当中是一种在从半导体激光阵列3中的被配置于慢轴方向的最靠一方端部侧的活性层2向慢轴方向的一方侧行进的激光LB31与从半导体激光阵列3中的被配置于慢轴方向的最靠另一方端部侧的活性层2向慢轴方向的一方侧行进的激光LB32之间的区域中行进的激光。
更加具体地来说，例如如果将激光LB2的慢轴方向的发散角θs控制在8°～10°的话则激光LB31,LB32分别相对于活性层2的光轴向慢轴方向的一方侧倾斜4°～5°进行行进。第1部分光LB3为在以对应于这样的激光LB31,LB32的一对平行线被规定的范围内行进的激光。因此，第1部分光LB3持有规定的宽度W1而行进。第1部分光LB3的宽度W1相当于半导体激光阵列3中被配置于慢轴方向的最靠一方端部侧的活性层2与被配置于最靠另一方端部侧的活性层2之间的间距。
平面反射镜6的反射面7具有以90％以上的反射率反射第1部分光LB3的性质。另外，平面反射镜6上的反射面7的宽度大于第1部分光LB3的宽度W1，例如成为大约12mm。
平面反射镜6是以从反射面7的慢轴方向的中心到半导体激光阵列3的前端面3a(活性层2的前端面2a)的距离S1满足下述式(1)的形式进行配置的。由此，在平面反射镜6的反射面7与各个活性层2的前端面2a之间构成塔尔博特谐振器(Talbot resonator)。
S1＝(1/4)Zt、(1/2)Zt、Zt、……(1)
在此，Zt为塔尔博特距离，用下述式(2)进行表示。
Zt＝2d2/λ (2)
在此，λ为从半导体激光阵列3出射的激光LB1的中心波长，d为所述的半导体激光阵列3中的活性层2的间距d。在本实施方式中，例如当将中心波长λ设定为大约927nm并且将间距d设定为500μm的时候，反射面7被配置于S1＝(1/4)Zt≈135mm的位置。
另外，在准直透镜5的前方侧，平面反射镜(第2光学元件)8相对于光轴O被配置于慢轴方向的另一方侧(在实施方式中是朝着激光的出射方向为右侧)。平面反射镜8在反射面(第2反射面)9上反射从准直透镜5出射的激光LB2的各个向慢轴方向的另一方侧行进的第2部分光LB5的一部分，经由准直透镜5使其返回到活性层2的各个。
第2部分光LB5是在激光LB2全体中在从半导体激光阵列3中的被配置于慢轴方向的一方端部的活性层2向慢轴方向的另一方侧行进的激光LB51与从半导体激光阵列3中被配置于的慢轴方向的另一方端部的活性层2向慢轴方向的另一方侧行进的激光LB52之间的区域中行进的激光。
更加具体地来说，例如如果将激光LB2的慢轴方向的发散角θs控制在8°～10°的话则激光LB51,LB52分别相对于活性层2的光轴向慢轴方向的另一方侧倾斜4°～5°而行进。第2部分光LB5为在以对应于这样的激光LB51,LB52的一对平行线被规定的范围内而行进的激光。因此，第2部分光LB5持有规定的宽度W2来进行行进。第2部分光LB5的宽度W2相当于半导体激光阵列3中的被配置于慢轴方向的最靠一方端部侧的活性层2与被配置于最靠另一方端部侧的活性层2之间的间距。
平面反射镜8的反射面9是成为窄于第2部分光LB5的宽度W2的宽度的形式形成的。因此，反射面9只反射第2部分光LB5当中的一部分。在本实施方式中，平面反射镜8的反射面9例如具有大约500μm宽，并且被配置于第2部分光LB5的宽度方向的大致中央。由此，平面反射镜8的反射面9能够只反射第2部分光LB5的宽度方向的中央部分的光。平面反射镜8的反射面9具有以10％～30％程度的反射率反射被照射的光并且使剩下的透过到外部的性质。
平面反射镜8是以从反射面9的慢轴方向的中心到半导体激光阵列3的前端面3a(活性层2的前端面2a)的距离S2满足下述式(3)的形式进行配置的。由此，在平面反射镜8的反射面9与各个活性层2的前端面2a之间构成塔尔博特谐振器(Talbot resonator)。
S2≥(1/4)Zt (3)
在本实施方式中，配置反射面9的距离S2从半导体激光阵列3的前端面3a(活性层2的前端面2a)大约为135mm，并且成为与平面反射镜6相同距离。
平面反射镜6是以反射面7相对于与活性层2的光轴方向相垂直的面(即YZ平面)成(将快轴方向作为旋转轴)角度θ1的形式进行配置。另外，平面反射镜8是以反射面7相对于与活性层2的光轴方向相垂直的面成(将快轴方向作为旋转轴)角度θ2的形式进行配置。在此，角度θ1成为2°以上且小于(θs/2)，角度θ2成为大于(-θs/2)且-2°以下。更加具体地来说，例如如果将发散角θs设定为10°的话则角度θ1成为2°以上且小于5°，角度θ2成为大于-5°且-2°以下。作为一个例子，角度θ1为2°以上3°以下，角度θ2为-3°以上-2°以下。还有，角度θ1的绝对值和角度θ2的绝对值能够做到互相相等。
就以以上所述形式进行构成的半导体激光装置1的动作作如下说明。
首先，激光LB1从半导体激光阵列3的各个活性层2向前方出射。该激光LB1例如将活性层2的光轴作为中心而在慢轴方向上具有8°～10°程度的发散角θs，在快轴向上具有30°～40°程度的发散角θF。从各个活性层2出射的激光LB1入射到准直透镜5并且在与慢轴方向相垂直的面内被平行化。由此，慢轴方向的发散角θs为8°～10°并且快轴方向的发散角θF大致为0°的激光LB2变成从准直透镜5向前方出射。
图5(a)～(c)是表示半导体激光装置1的各个地方上的激光光束特性(beamprofile)的示意图，横轴是表示自激光的慢轴方向上的中心起的距离，纵轴是表示激光强度。如图5(a)所示，激光LB2的光束特性成为不显示显著波峰的平缓的形状。此时的激光LB2的慢轴方向发散角如以上所述例如为8°～10°。还有，激光LB2的谱宽成为数nm程度。
如图4所示，从准直透镜5出射的各个激光LB2当中的向慢轴方向的一方侧行进并大致垂直地入射到平面反射镜6的反射面7的第1部分光LB3在反射面7上向大致正相反的方向反射。然后，在反射面7上被反射的激光LB4在从活性层2到反射面7的光路上作逆向行进并返回到各个活性层2。由此，返回到各个活性层2的激光LB4在活性层2上被放大并且成为从活性层2再一次向前方出射。就这样从各个活性层2出射的激光LB1的一部分一边在活性层2上被放大一边往复于平面反射镜6与活性层2之间。此时，因为反射面7和半导体激光阵列3的活性层2成为上述那样的关系，所以激光LB4其慢轴方向的发散角变小。
如图5(b)所示，往复于平面反射镜6与活性层2之间的激光LB4的光束特性(beamprofile)具有强度从中心部分朝着外侧变低的那样的多个波峰。激光LB4的慢轴方向的中心部分的波峰P0为起因于零次模式光M0的波峰，其波峰P0两侧的波峰P1为起因于一次模式光的波峰。另外，在波峰P1的外侧呈现出起因于二次模式光的一对波峰P2。于是，显著的波峰在波峰P2的外侧没有显示，并且迅速衰减。具有像这样的光束特性(beam profile)的激光LB4的慢轴方向的发散角与激光LB1的慢轴方向的发散角相比相对变小，例如大约为1°的程度。
如图4所示，往复于平面反射镜6与活性层2之间并被放大的激光LB4当中的一部分作为第2部分光LB5向慢轴方向的另一方侧行进。配置平面反射镜8的位置为第2部分光LB5的光路的宽度方向的大致中央，并且成为0次模式光M0的光路上。因此，第2部分光LB5的多个模式中主要是0次模式光M0大致垂直地入射到反射面9并向大致正相反的方向反射，并且返回于各个活性层2。由此，返回于各个活性层2的第2部分LB5将0次模式光M0作为中心并在各个活性层2上被放大，并且成为从活性层2再一次向前方出射。
由此，成为获得非常高的相干性(coherence)的第2部分光LB5。然后，第2部分光LB5当中的在平面反射镜8上没有被反射的激光LB6被输出至外部。如图5(c)所示，关于被输出至外部的激光LB6的光束特性(beam profile)，起因于0次模式光M0的中心部分的波峰P0被选择性地放大的结果为其波峰P0的强度与起因于一次模式光的波峰P1的强度之差变大。另外，起因于二次模式光的波峰[图5(b)的波峰P2]没有显示并且在波峰P1的外侧迅速衰减。具有像这样的光束特性(beam profile)的激光LB6的发散角变成进一步小于往复于平面反射镜6与活性层2之间的激光LB4(即在往复于平面反射镜6与活性层2之间之后最初到达反射面9的第2部分光LB5)的慢轴方向的发散角，例如大约为0.3°以下。
如以上所说明的那样，在半导体激光装置1中，第1部分光LB3在平面反射镜6的反射面7上被反射，经由准直透镜5返回到各个活性层2。另外，第2部分光LB5的一部分在平面反射镜8的反射面9上被反射，经由准直透镜5返回到各个活性层2。由此，激光变成一边往复于平面反射镜6和平面反射镜8一边在活性层2上被放大。
此时，因为反射面7成为2°且小于(θs/2)的角度并且平面反射镜8成为大于(-θs/2)且-2°以下的角度，所以能够减小被放大的激光LB4以及第2部分光LB5的慢轴方向的发散角。再有，在反射面9上因为主要反射第2部分光LB5的多个模式光中的0次模式光M0，所以0次模式光M0被选择性地放大。由此，就能够进一步减小激光LB6的慢轴方向的发散角[即能够获得非常高的相干性(coherence)的光束]。这样，根据该半导体激光装置1，能够提高光束质量。
另外，在半导体激光装置1中，平面反射镜8因为是以在反射面9上主要反射0次模式光M0的形式被配置于0次模式光M0的光路上(第2部分光LB5的光路的宽度方向的大致中心)，所以能够有效地使0次模式光M0放大。
以上已就本发明的一个实施方式作了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式。
例如，在上述实施方式中展示了在平面反射镜6的反射面7上反射从准直透镜5出射的激光LB2的向慢轴方向的一方侧行进的第1部分光LB3的例子，但是并不限定于此。如图6所示，替代平面反射镜6而可以使用在反射面(第1反射面)17上选择性地反射第1部分光LB3中特定波长的激光LB14并且经由准直透镜5使其返回到各个活性层2的波长选择元件(第1光学元件)16。
例如，波长选择元件16具有所谓以高反射率(例如90％以上的反射率)对特定波长[例如激光LB14的中心波长(例如927nm的程度)]的激光进行布拉格反射(Braggreflection)并且基本不反射除此之外的波长的激光的特性。作为像这样的波长选择元件众所周知有PD-LD Inc.制造的LuxxMasterTM(Volume Bragg Grating)。
在此情况下，特定波长的激光LB14一边在活性层2上被放大一边成为往复于波长选择元件16与活性层2之间。由此，向慢轴方向的另一方侧行进的激光LB15的谱宽也变得狭窄。因此，随着提高被输出至外部的激光L16的相干性(coherence)而缩窄激光L16的谱宽成为可能。
另外，作为波长选择元件16也可以使用反射型衍射光栅。反射型衍射光栅是通过在反射膜被形成于表面的玻璃基板上形成多个截面锯齿状的平行沟槽来构成的。反射型衍射光栅通过微调整相对于被入射的激光LB14的角度从而就能够选择性地反射激光LB14的中心波长。因此，通过随着提高被输出至外部的激光L16的相干性(coherence)而选择性地对中心波长的波长成分进行放大，从而就能够缩窄激光L16的谱宽。
另外，在上述实施方式中示例了具备单一的半导体激光阵列3的例子，但是并不限定于此。例如，如图7所示，也可以替代半导体激光阵列3而使用半导体激光器堆叠(laserstack)13。半导体激光器堆叠13具备在快轴方向上被层叠的多个半导体激光阵列3，并且在所邻接的半导体激光阵列3,3之间具备用于冷却半导体激光阵列3的散热片。
在此情况下，能够以将准直透镜5配置于各个半导体激光阵列3的前方并且遍布于被层叠的所有半导体激光阵列3进行延伸的形式构成平面反射镜6(反射面7)以及平面反射镜8(反射面9)。就这样因为通过半导体激光阵列3被构成为堆叠(stack)状从而慢轴方向的发散角小的激光LB6从各个层叠部分被输出，所以作为整体能够获得发散角小并且光强度大的激光。
另外，例示了在平面反射镜8的反射面9上使从准直透镜5出射的激光LB2的向慢轴方向的另一方侧行进的第2部分光LB5反射的例子，但是并不限定于此。例如，也可以替代平面反射镜8而使用具有如以上所述那样的功能的波长选择元件。这样，通过替代平面反射镜8而使用波长选择元件，从而就能够缩窄被输出的激光的谱宽。
另外，上述各个实施方式只要没有特别的矛盾或问题就能够通用彼此的结构。例如，也可以替代平面反射镜6而利用波长选择元件16，并且也可以替代平面反射镜8而利用波长选择元件。另外，也可以替代半导体激光阵列3而利用半导体激光器堆叠(laserstack)13，并且也可以替代平面反射镜而利用波长选择元件。
另外，例示了平面反射镜8主要反射第2部分光LB5的多个模式光中的0次模式光的例子，但是并不限定于此。平面反射镜8如果是在反射面9上反射第2部分光LB5的多个模式光中的一部分模式光的结构的话即可，例如，既可以主要反射1次模式光又可以反射0次模式光和1次模式光的双方。
产业上的利用可能性
根据本发明就能够提供一种提高光束质量为可能的半导体激光装置。
符号说明
1……半导体激光装置
2……活性层
3……半导体激光阵列
5……准直透镜
6……平面反射镜(第1光学元件)
7……反射面(第1反射面)
8……平面反射镜(第2光学元件)
9……反射面(第2反射面)
16……波长选择元件(第1光学元件)
17……反射面(第1反射面)
LB3……第1部分光
LB5……第2部分光
M0……0次模式光(一部分的模式光)

Claims (2)

1.一种半导体激光装置，其特征在于：
具备：
半导体激光阵列，出射慢轴方向的发散角为θs的激光的多个活性层沿着所述慢轴方向并列设置而成，其中，θs＞4°；
准直透镜，在与所述慢轴方向相垂直的面内对从所述活性层的各个出射的激光进行准直；
第1光学元件，在第1反射面上反射从所述准直透镜出射的激光的各个向所述慢轴方向的一方侧行进的第1部分光，并经由所述准直透镜返回到所述活性层的各个；以及
第2光学元件，在第2反射面上反射从所述准直透镜出射的激光的各个向所述慢轴方向的另一方侧行进的第2部分光的多个模式光中的一部分的模式光，并经由所述准直透镜返回到所述活性层的各个，
所述第1光学元件以所述第1反射面相对于与所述活性层的光轴方向相垂直的面成2°以上且小于θs/2的角度的形式进行配置，
所述第2光学元件以所述第2反射面相对于与所述活性层的光轴方向相垂直的面成大于-θs/2且-2°以下的角度的形式进行配置，
所述第2光学元件以在所述第2反射面上反射所述第2部分光的多个模式光中的零次模式光并且经由所述准直透镜返回到所述活性层的各个的形式被配置于所述零次模式光的光路上，
所述第2光学元件的所述第2反射面以成为窄于所述第2部分光的宽度的宽度的方式形成，
所述第2光学元件的所述第2反射面配置于所述第2部分光的宽度方向的大致中央。
2.如权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于：
所述第1光学元件是在所述第1反射面上选择性地反射所述第1部分光中特定波长的光并且经由所述准直透镜返回到所述活性层的各个的波长选择元件。
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