JP2005019804A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いビーム品質で高強度のレーザ光を出力することのできる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】面発光レーザ２１が２次元アレイ状に配列した面発光レーザチップ１３からの出射光を集光レンズ１５によって集光して高強度レーザ光を発生する。集光レンズ１５の面発光レーザに対向する面に反射鏡１６を備えることにより、各面発光レーザ２１の発振モード選択してシングルモード化し、高出力にする。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に複数の面発光レーザを組み合わせた半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光源として、小型で取り扱いが容易な半導体レーザが多用されている。半導体レーザの光活性層は熱あるいは電流密度により屈折率が変化する。そのため、半導体レーザの光出力を上げようとして注入電流を増加させると、電流密度の増加あるいは発生した熱により半導体レーザの光活性層の屈折率が変化し、光の固有モードが変わってビーム品質が劣化してしまう。この問題に対して、特開２００１−２２３４２９号公報には、高出力面発光レーザの発振モードを外部鏡によって選択することでシングルモード化し、高出力にする技術が記載されている。一方、高強度なレーザ光を得るための方法として、複数のレーザ素子からの出力光を一本のビームに集光させて光強度を上げる方法が知られている。例えば、特開２００２−１４８４９１号公報には、複数のレーザダイオードを一列に配列した半導体レーザバーからの出射光をレンズ系と複数本の光ファイバを用いて一点に集光する半導体レーザ加工装置が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４８４９１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２２３４２９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザバーのレーザダイオードから出射されるレーザ光はビーム断面が楕円形であり、ビーム品質の点で問題がある。一方、面発光レーザから出射するレーザ光は円形断面を有し、ビーム品質の点では問題がないが、出力が小さい。特開２００１−２２３４２９号公報に記載されたように、面発光レーザを外部鏡によってシングルモードかつ高出力にしたとしても、１個の面発光レーザでは出力に限りがある。そこで、それぞれ外部鏡を設けて高出力にした複数の面発光レーザをアレイにし、各面発光レーザからの出力光を集光して高強度なレーザ光とする方法が考えられるが、多数の外部鏡アレイと集光レンズ系を個別に用意すると装置が大型化し、コストも高くなる。
本発明は、高いビーム品質で高強度のレーザ光を出力することのできる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、２次元アレイ状に配列した面発光レーザを用い、各面発光レーザからの出射光を集光レンズによって集光して高強度レーザ光を発生する。その際、集光レンズの面発光レーザに対向する面に反射鏡を備えることにより、各面発光レーザの発振モードを選択してシングルモード化し、高出力にすることによって前記目的を達成する。
【０００６】
すなわち、本発明の半導体レーザ装置は、複数の面発光レーザを２次元状に配列した面発光レーザアレイと、面発光レーザアレイからの出射光を集光する単一の集光レンズとを含み、集光レンズは、面発光レーザアレイに対向する面に反射鏡を備えることを特徴とする。反射鏡は、集光レンズの面発光レーザアレイ対向面の全面に設けてもよいし、個々の面発光レーザに対向する箇所にアレイ状に設けてもよい。
【０００７】
集光レンズは面発光レーザアレイに対向する面を平面とした平凸レンズとすると、集光レンズに設けた反射鏡を全ての面発光レーザに対して同じ条件とすることができるので好ましい。集光レンズの光出射面は球面あるいは放物面とすることができるが、小さな領域に集光する点からは放物面とするのが好ましい。また、集光レンズは、面発光レーザアレイに対向する面に高反射コーティングを施し、光出射面には無反射コーティングを施すのが好ましい。更に、集光レンズは、面発光レーザアレイに対向する面の各面発光レーザに対向する領域を窪ませてそれぞれ凹面鏡を構成するようにすると、各面発光レーザの安定性を向上することができる。
【０００８】
このように面発光レーザアレイのモード選択のための外部反射鏡と集光レンズとを一体としたことで、組付作業性が向上し、コストダウンを図ることができる。更に、外部反射鏡と集光レンズとの相対位置精度が向上し、経年変化による影響を低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下には、発明を理解しやすいように寸法の一例を示すが、それらの値は単なる一例にすぎず、本発明を限定するものではない。
【００１０】
図１は本発明による半導体レーザ装置の一実施例を示す断面模式図、図２はそこに使用した集光レンズを底面側から見た図である。
この半導体レーザ装置は、厚さ５ｍｍ、直径７０ｍｍの無酸素銅からなるヒートシンク１１、ヒートシンク１１上に配置されたサブマウント１２、サブマウント１２上に配置された面発光レーザチップ１３を有する。ヒートシンク１１上には、内部にサブマウント１２及び面発光レーザチップ１３を収容するようにして、外径７０ｍｍ、内径６０ｍｍで高さ５．５ｍｍのインバー製の円筒状スペーサ１４が設けられ、その上に集光レンズ１５が固定されている。
【００１１】
面発光レーザチップ１３は、例えば、ｐ型ＧａＡｓのコンタクト層と屈折率の高いＡｌＧａＡｓ層と屈折率の低いＡｌＧａＡｓ層をそれぞれ発振波長の１／４の厚さで３０対以上積層したものからなるｐ型多層膜反射鏡と、ＩｎＧａＡｓの井戸とＧａＡｓＰのバリアとＡｌＧａＡｓの光閉じこめ層からなる活性層と、１．５波長のｎ型ＡｌＧａＡｓ半導体と、ｎ型ＧａＡｓバッファ層をｎ型ＧａＡｓ基板の上に成長したものであり、１０ｍｍ×１０ｍｍの寸法を有する。面発光レーザの口径は１１０μｍであり、面発光レーザは２ｍｍ間隔で５×５個のアレイ状に配列されている。サブマウント１２は、厚さ１ｍｍ、大きさ１５ｍｍ×１５ｍｍのＡｌＮからなり、ヒートシンク１１と面発光レーザチップ１３の間の熱応力を緩和する作用をする。
【００１２】
集光レンズ１５は、材質にＢＫ７を用いた直径６０ｍｍ、曲率５２ｍｍ、焦点距離１００ｍｍの平凸レンズであり、平面側を面発光レーザチップ１３側に向け、円筒状スペーサ１４の上に接着剤で固定されている。集光レンズ１５と面発光レーザチップの活性層との距離は５ｍｍである。本例の集光レンズ１５は、面発光レーザチップ１３に対向する平面に、面発光レーザチップ１３に形成された５×５個の面発光レーザの直上位置に対応して、５×５個のマイクロ凹面鏡１６が設けられている。すなわち、マイクロ凹面鏡１６は２ｍｍ間隔で５×５個のアレイ状に配置されている。マイクロ凹面鏡１６は直径が１２５μｍ、曲率２５ｍｍであり、反射率９９％以上となるように高反射コーティングが施されている。出射側の曲面には無反射コーティングが施されている。
【００１３】
図３は、本発明による半導体レーザ装置の動作を示す模式図である。面発光レーザチップ１３に形成された各面発光レーザ２１からの出射レーザ光２２は、集光レンズ１５の下面に設けられた対応するマイクロ凹面鏡１６が外部反射鏡となってそれぞれの各面発光レーザ２１に戻る。その結果、モード選択が起こり、各面発光レーザ２１はシングルモード発振をする。マイクロ凹面鏡１６から集光レンズ１５内に透過したレーザ光は、集光レンズ１５の作用によって焦点Ｆに集光される。こうして、集光レンズ１５の焦点Ｆに、面発光レーザチップ１３に設けられた複数の各面発光レーザ２１からの出射光を集光したビーム品質の高い高強度のレーザ光が得られる。
【００１４】
また、本発明の半導体レーザ装置は、外部鏡アレイ（マイクロ凹面鏡１６のアレイ）と集光レンズ１５が一体型になっているため、装置の組み立てが簡単であり、外部鏡アレイと集光レンズの相対的位置が正確に決まるため組み付けを行う場合より精度を上げることができる。更に、外部鏡アレイと集光レンズの相対的位置の経年変化がなくなるため、長期間にわたって安定した性能を得ることができる。
【００１５】
図４は、本発明による半導体レーザ装置の他の実施例を示す模式図である。本実施例は、集光レンズとして、面発光レーザチップ１３に対面する入射面が平面で、出射面が放物面となった集光レンズ２５を用いた例である。集光レンズ２５の面発光レーザチップ１３に対面する入射面には、面発光レーザチップ１３に形成された複数の面発光レーザの直上位置に、面発光レーザの数と同数のマイクロ凹面鏡１６が設けられている。球面レンズには収差があり、光が必ずしも一点に集まらないが、本実施例で用いた放物面レンズは光を収差なく一点に集めることができるため集光効率が高い。
【００１６】
図５は本発明による半導体レーザ装置に用いられる集光レンズの他の例を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。基本的な装置構成は図１と同様であるため、ここには半導体レーザ装置に用いられる集光レンズのみを示した。
【００１７】
本実施例では、面発光レーザをシングルモードにするための外部鏡として凹面鏡に代えて平面鏡を用いた。すなわち、本実施例の集光レンズ３１は、面発光レーザからの出射光が入射する各位置に、外部鏡アレイとして平面状の高反射コーティング３２をアレイ状に設けた。高反射コーティング３２は、面発光レーザチップに形成されている面発光レーザの数と同じ数だけ、同じ配置で設けられている。図の例は、面発光レーザチップに形成された１３個の面発光レーザアレイに対応させて、１３個の高反射コーティング３２を設けたものである。レーザ光入射面と反対側の出射面には無反射コーティングが施されている。出射面の形状は球面あるいは放物面とする。また、本実施例では、高反射コーティング３２を面発光レーザからのレーザ光入射領域に局在させて複数設けたが、集光レンズの入射側の平面全面に高反射コーティングを施しても構わない。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によると、ビーム品質の高い面発光レーザアレイを用いて高強度のレーザ光を集光することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザ装置の一実施例を示す断面模式図。
【図２】集光レンズを底面側から見た図。
【図３】本発明による半導体レーザ装置の動作を示す模式図。
【図４】本発明による半導体レーザ装置の他の実施例を示す模式図。
【図５】本発明による半導体レーザ装置に用いられる集光レンズの他の例を示す模式図。
【符号の説明】
１１…ヒートシンク、１２…サブマウント、１３…面発光レーザチップ、１４…円筒状スペーサ、１５…集光レンズ、１６…マイクロ凹面鏡、２１…面発光レーザ、２２…レーザ光、２５…集光レンズ、３１…集光レンズ、３２…高反射コーティング

Claims (5)

1. 複数の面発光レーザを２次元的に配列した面発光レーザアレイと、前記面発光レーザアレイからの出射光を集光する単一の集光レンズとを含み、
   前記集光レンズは、前記面発光レーザアレイに対向する面に反射鏡を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 請求項１記載の半導体レーザ装置において、前記集光レンズは前記面発光レーザアレイに対向する面が平面である平凸レンズであることを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 請求項２記載の半導体レーザ装置において、前記集光レンズは光出射面が放物面であることを特徴とする半導体レーザ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の半導体レーザ装置において、前記集光レンズは、前記面発光レーザアレイに対向する面に高反射コーティングが施され、光出射面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の半導体レーザ装置において、前記集光レンズは、前記面発光レーザアレイに対向する面の各面発光レーザに対向する領域にそれぞれ凹面鏡を形成したことを特徴とする半導体レーザ装置。

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