JP2006303416A

JP2006303416A - 外部共振型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2006303416A
Application number: JP2005301321A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Yagi; 美紀八木; Noritaka Hara; 徳隆原; Katsuhito Mure; 勝仁牟禮
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】高出力のレーザ光を出力することが可能な外部共振型半導体レーザの提供。
【解決手段】同一端面２上に中心軸３を介して第１の入出射部２ａおよび第２の入出射部２ｂを有して、各入出射部２ａ，２ｂより二方向にレーザ光４，５を出射することが可能な半導体レーザ素子１と、第１の入出射部２ａより出射したレーザ光４を反射して第１の入出射部２ａに帰還させる第１の反射手段１４ａと、第２の入出射部２ｂより出射したレーザ光５を反射して第２の入出射部２ｂに帰還させる第２の反射手段１４ｂと、半導体レーザ素子１の入出射部２ａ，２ｂを有する第１の端面２と対向する第２の端面７の側に設けられて、一方の入出射部に帰還したレーザ光を、他方の入出射部より出射するように反射する第３の反射手段８と、レーザ光の一部を出力用レーザ光とする出力手段１３とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部共振型半導体レーザに関し、特に、同一端面より２方向にレーザ光を出射することが可能な半導体レーザ素子を用いた外部共振型半導体レーザに関する。

従来、半導体レーザは小型なコヒーレント光源として、光通信技術、光計測技術、さらには光加工技術など多様な用途に利用されている。しかしながら、半導体レーザは、一般的に光出力が小さく、温度変化に依存して波長や光量がシフトしやすく、さらには光出力を上げるため半導体レーザの駆動電流を大きくするとスペクトル幅が広がる等の問題点がある。これに対して外部共振型半導体レーザは、半導体レーザ素子から出射するレーザ光の一部を半導体レーザ素子にフィードバックし、特定の波長の光を増幅するようにして、光出力の安定化を図っている（例えば特許文献１参照）。
特開昭５８−７１６８７号公報

近年では、利得導波路型半導体レーザの高出力特性を利用した外部共振型半導体レーザが提案されている。利得導波路型半導体レーザ（Ｇａｉｎ−ｇｕｉｄｅｄｄｉｏｄｅｌａｓｅｒ）においては、同一端面より出射するレーザ光がレーザ素子内の導波路の中心軸から外れた２方向に出射される。このため、利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザでは、一方のレーザ光を半導体レーザ素子にフィードバックし、他方のレーザ光を出力光として利用する。利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザの例としては、非特許文献１，２および特許文献２などの例がある。
ＶｏｌｋｅｒＲａａｂ，ｅｔａｌ．， "Ｅｘｔｅｒｎａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｄｅｓｉｇｎｆｏｒｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｔｈａｔｙｉｅｌｄ４００ｍＷｏｆＴＥＭＰＯｐｏｗｅｒ"，ｐ１６７−１６９，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．３，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ１，２００２ＶｏｌｋｅｒＲａａｂ，ｅｔａｌ．， "Ｔｕｎｉｎｇｈｉｇｈ−ｐｏｗｅｒｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｓｗｉｔｈａｓｍｕｃｈａｓ０．３８ＷｏｆｐｏｗｅｒａｎｄＭ２＝１．２ｏｖｅｒａｒａｎｇｅｏｆ３２ｎｍｗｉｔｈ３−ＧＨｚｂａｎｄｗｉｄｔｈ"，ｐ１９９５−１９９７，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．２２，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１５，２００２ＷＯ０３／０５５０１８Ａ１

利得導波路型半導体レーザを用いた外部共振型半導体レーザの概略構成例を図９に示す。図９に示す外部共振型半導体レーザ５０において、半導体レーザ素子１の第１の端面２より、半導体レーザ素子１内の導波路の中心軸３から外れた２方向に出射光４，５が出射される。これらの出射光４，５をコリメートするため、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）５１と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）５２が設けられている。一方の出射光４は反射ミラー５３で反射し、再度ＳＡＣ５２およびＦＡＣ５１を通過して半導体レーザ素子１に帰還して外部共振用レーザ光を形成する。他方の出射光５は、ＦＡＣ５１およびＳＡＣ５２を通過して出力用レーザ光として出力される。

従来の外部共振型半導体レーザ５０の場合、半導体レーザ素子１の活性層のうち、外部共振用レーザ光４が出射する側である片側半分の部分６ａのみが外部共振器の光路となっており、出力用レーザ光５が出射する側である他方の部分６ｂは外部共振器に利用することができない。このため、実質的に半分程度の出力しか取り出すことができなかった。
また、半導体レーザ素子１は、第１の端面２と対向する側の第２の端面７に反射膜（反射手段）８を有する。このため、反射ミラー５３で反射して半導体レーザ素子１に帰還した外部共振用レーザ光４は、反射膜８で反射して第１の端面２より再度出射される。このとき、外部共振用レーザ光４の一部は、半導体レーザ素子１内での屈折により外部共振用レーザ光４の光路に戻ることができるが、大部分は出力用レーザ光５の光路へと出射されてしまう。
このように、従来の外部共振型半導体レーザ５０では、外部共振用レーザ光４の光路に安定した定在波を形成することが難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高出力のレーザ光を出力することが可能な外部共振型半導体レーザを提供することを課題とする。

請求項１に係る外部共振型半導体レーザでは、同一端面上に中心軸を介して第１の入出射部および第２の入出射部を有して、各入出射部より二方向にレーザ光を出射することが可能な半導体レーザ素子と、前記第１の入出射部より出射したレーザ光を反射して前記第１の入出射部に帰還させる第１の反射手段と、前記第２の入出射部より出射したレーザ光を反射して前記第２の入出射部に帰還させる第２の反射手段と、前記半導体レーザ素子の前記入出射部を有する第１の端面と対向する第２の端面の側に設けられて、第１の端面に帰還したレーザ光を、前記第１の入出射部または前記第２の入出射部より出射するように反射する第３の反射手段と、レーザ光の一部を出力用レーザ光とする出力手段とを具備することを特徴とする。
請求項２に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、レーザ光の光路上に配置された出力手段を有することを特徴とする。
請求項３に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、レーザ光の第１または第２の反射手段に設けられた出力手段を有することを特徴とする。

請求項４に係る外部共振型半導体レーザでは、同一端面上に中心軸を介して第１の入出射部および第２の入出射部を有して、各入出射部より二方向にレーザ光を出射することが可能な半導体レーザ素子と、前記第２の入出射部より出射したレーザ光の光路を変更して前記第１の入出射部に帰還させる光路変更手段と、前記第２の入出射部より出射したレーザ光を通過させるとともに前記第１の入出射部より出射したレーザ光を阻止する一方向性伝達手段と、前記半導体レーザ素子の前記入出射部を有する第１の端面と対向する第２の端面の側に設けられて、第１の端面に帰還したレーザ光を、前記第１の入出射部または前記第２の入出射部より出射するように反射する反射手段と、前記レーザ光の光路上に配置されて前記レーザ光の一部を出力用レーザ光とする出力手段とを具備することを特徴とする。

請求項５に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記半導体レーザ素子は、利得導波路型半導体レーザであることを特徴とする。
請求項６に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記半導体レーザ素子の前記第２の端面の側に設けられる反射手段は、前記第２の端面上に設けられた反射膜であることを特徴とする。
請求項７に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記出力手段は、照射されたレーザ光の一部を反射し、レーザ光の他の一部を透過するハーフミラーであることを特徴とする。
請求項８に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、さらに、出射する前記レーザ光の各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子を具備することを特徴とする。
請求項９に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項８に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記ビーム整形素子は、速軸用コリメータと遅軸用コリメータを含むことを特徴とする。

請求項１０に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記第１および第２の反射手段は、前記半導体レーザ素子の中心軸の延長線上に配置された１枚の反射ミラーであり、前記反射ミラーは、前記第１の入出射部から出射されたレーザ光を反射する第１の反射部と、前記第２の入出射部から出射されたレーザ光を反射する第２の反射部を有することを特徴とする。
請求項１１に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記第１および第２の反射手段は、互いに分離した２枚の反射ミラーであることを特徴とする。

請求項１２に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記光路変更手段は、前記半導体レーザ素子の中心軸の延長線上に配置された１個のプリズムであることを特徴とする。
請求項１３に係る外部共振型半導体レーザでは、請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記光路変更手段は、互いに反射面の向きが異なる、少なくとも２枚以上の反射ミラーであることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、第１の反射手段および第２の反射手段を両端として、第１の入出射部、第３の反射手段、第２の入出射部を経由する折り返し型のパスが外部共振用の光路となり、半導体レーザ素子の活性層全体を使って外部共振器を組むことができるため、高出力化が可能となる。また、第１の反射手段と第２の反射手段を両端とする外部共振用光路内でレーザ光を多数回往復させて共振することができるので、安定した定在波を形成することができる。
請求項２に係る発明により、外部共振用光路上の適当な位置でレーザ光を出力することができる。
請求項３に係る発明により、出力手段をレーザ光の反射手段と兼用することが可能となり、部品点数の増大を避けることができる。

請求項４に係る発明により、第２の入出射部、光路変更手段、第１の入出射部、第２の端面側の反射手段を順に経由するように巡回するループ型のパスが外部共振用の光路となり、半導体レーザ素子の活性層全体を使って外部共振器を組むことができるため、高出力化が可能となる。また、ループ型の外部共振用光路内でレーザ光を多数回ループさせて共振することができるので、安定した定在波を形成することができる。

請求項５に係る発明により、高出力なレーザ光を得ることが可能となる。
請求項６に係る発明により、第２の端面と反射手段との間でのレーザ光の干渉や散乱を避けることができる。
請求項７に係る発明により、外部共振用光路におけるレーザ光の共振に悪影響を与えることなく、出力用レーザ光を取り出すことができる。
請求項８に係る発明により、２方向に出射されるレーザ光を共通の光学系でコリメートすることが可能となり、部品点数の増大を避けることができる。
請求項９に係る発明により、レーザ光を２段階で効率的にコリメートすることが可能となる。

請求項１０に係る発明により、２方向に出射されるレーザ光を共通の反射ミラーで反射してレーザ素子に帰還させることが可能となるため、部品点数の増大を避けることができる。
請求項１１に係る発明により、２方向に出射されるレーザ光を別々の反射ミラーで反射してレーザ素子に帰還させることが可能となるため、外部共振用レーザ光の光路長の調整や変更が容易となる。

請求項１２に係る発明により、１個のプリズムでレーザ光の光路を変更してレーザ素子に帰還させることが可能となるため、部品点数の増大を避けることができる。
請求項１３に係る発明により、各反射ミラーの反射面の位置や向きを個別に微調整することができるため、光路の調整が容易となる。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
まず、本発明の請求項１及び２に係る外部共振型半導体レーザの一形態例について説明する。図１は本形態例の外部共振型半導体レーザ１０を示す概略構成図である。
符号１は、半導体レーザ素子である。本発明で用いられる半導体レーザ素子１は、図２に拡大して図示したように、同一の端面２（この端面を第１の端面という場合がある。）より二方向にレーザ光４，５を出射することが可能なものであって、第１の端面２上において、第１のレーザ光４が出射される第１の入出射部２ａと第２のレーザ光５が出射される第２の入出射部２ｂとの間に中心軸３が介在するものを用いる。このようなレーザ素子の具体例としては利得導波路型半導体レーザが挙げられる。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体とｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズの効果を持ち、出射するレーザ光が二方向に曲げられるという特性を持つ。
本発明に適用可能な半導体レーザ素子１としては、例えばブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）が挙げられる。本発明において好ましいブロードエリア型半導体レーザ（ＢＡＬＤ）は、利得導波路型半導体レーザであって、横（空間）モードがマルチモードであるレーザ光を発振する。

本形態例の外部共振型半導体レーザ１０には、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光４，５をコリメートするため、ビーム整形素子として、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）１１と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）１２が設けられている。ＦＡＣ１１およびＳＡＣ１２は、２つのレーザ光４，５の光路に跨って配置されているため、両方のレーザ光４，５をコリメートすることができる。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ１０は、第１の入出射部２ａより出射した第１のレーザ光４を反射して第１の入出射部２ａに帰還させる第１の反射部１４ａと、第２の入出射部２ｂより出射した第２のレーザ光５を反射して第２の入出射部２ｂに帰還させる第２の反射部１４ｂとを有する１枚の反射ミラー１４を備えている。ここで、反射ミラー１４は、２つのレーザ光４，５の光路に跨って配置されており、半導体レーザ素子１の中心軸３の延長線上に配置されている。また、反射部１４ａ，１４ｂに入射する光は、コリメータ１１，１２でコリメートされた光であるため、反射ミラー１４として平面鏡を用いることができる。反射ミラー１４により、第１の出射光４は、第１の反射部１４ａで反射し、再度ＳＡＣ１２およびＦＡＣ１１を通過して半導体レーザ素子１の第１の入出射部２ａに帰還する。同様に、第２の出射光５は、第２の反射部１４ｂで反射し、再度ＳＡＣ１２およびＦＡＣ１１を通過して半導体レーザ素子１の第２の入出射部２ｂに帰還する。
反射ミラー１４は、少なくとも反射部１４ａ，１４ｂにおいて反射率が９０％以上であることが望ましい。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ１０は、半導体レーザ素子１の第１の端面２と対向する第２の端面７の側に設けられて、第１の端面２に帰還したレーザ光４，５を、第１の端面２より出射するように反射する第３の反射手段として、第２の端面７上に設けられた反射膜８を備える。この反射膜８としては、誘電体多層膜フィルタや金属蒸着膜などを用いることができる。このため、第１の入出射部２ａに帰還したレーザ光４の大部分は反射膜８での反射により第２の入出射部２ｂより出射し、第２の入出射部２ｂに帰還したレーザ光５の大部分は反射膜８での反射により第１の入出射部２ａより出射する。一部のレーザ光は、反射膜８で反射する前後における半導体レーザ素子１内での屈折により、帰還した方の入出射部より出射することもある。反射膜８の反射率は、９０％以上が望ましい。

これにより、第１の反射部１４ａおよび第２の反射部１４ｂを両端として、第１の入出射部２ａ、反射膜８、第２の入出射部２ｂを経由する折り返し型のパスが外部共振用の光路となる。この外部共振用光路は、活性層の第１の入出射部２ａ側の部分６ａと、活性層の第２の入出射部２ｂ側の部分６ｂとの両方を含んでおり、半導体レーザ素子１の活性層全体６ａ，６ｂを使って外部共振器を組むことができるため、高出力化が可能となる。しかも、折り返し型の外部共振用光路内でレーザ光を多数回往復させて共振することができるので、安定した定在波を形成することができる。外部共振用光路の光路長を適切に調整することにより、レーザの共振波長を決定することができるので、出力用レーザ光のスペクトル幅を狭窄化することが可能になり、単色性の優れたレーザ光を安定的に出力することができる。外部共振用光路の光路長は、コリメータ１１，１２の位置や焦点距離、半導体レーザ素子１と反射ミラー１４との距離などを調節することにより調整することができる。共振波長をλとするとき、外部共振用光路の光路長は（λ／２）の整数倍ずらしてもよい。

出力用レーザ光の取り出しは、外部共振用光路上の適当な位置でレーザ光を２方向に分岐する出力手段を設けることにより実現できる。本形態例の外部共振型半導体レーザ１０では、出射光４，５のうちの一方のレーザ光５の光路上に、照射されたレーザ光の一部を反射し、レーザ光の他の一部を透過するハーフミラー１３を、ＳＡＣ１２と反射ミラー１４との間に設置して、出力用レーザ光９をハーフミラー１３の反射光として取り出すようにしている。ＳＡＣ１２と反射ミラー１４との間ではレーザ光はコリメートされているため、光路上にハーフミラー１３を設置したときにレーザ光のビーム形状に与える影響を最小限に抑制することができ、外部共振器によるレーザ光の共振に悪影響を与えることなく出力用レーザ光９を取り出すことができる。ハーフミラー１３の反射率は、４〜４０％が望ましい。

次に、本発明の請求項１及び２に係る外部共振型半導体レーザの他の形態例について説明する。図３は他の形態例の外部共振型半導体レーザ１０Ａを示す概略構成図である。
図３の形態例は、第１および第２の反射手段が互いに分離した反射ミラー１５，１６とされていることを除き、図１の形態例と同様に構成されている。このように、それぞれの反射ミラー１５，１６について、半導体レーザ素子１に対する相対位置を独立に調整できるため、外部共振用レーザ光の光路長の調整や変更が容易となる。また、例えば第２のレーザ光５の光路上に設置した出力手段１３が第１のレーザ光４の光路を邪魔してしまうおそれがある場合には、第１のレーザ光４を反射する第１の反射ミラー１５の位置を、出力手段１３よりもＳＡＣ１２や半導体レーザ素子１に近い側に変更し、第１の反射ミラー１５を半導体レーザ素子１に近づけた分、第２の反射ミラー１６の位置を半導体レーザ素子１から引き離すことにより、外部共振器の光路長を変更することなく、出力手段１３の設置スペースをより大きく確保することができる。なお、反射ミラー１５，１６は、少なくともレーザが照射される反射部において反射率が９０％以上であることが望ましい。
なお、これらの形態例の外部共振型半導体レーザ１０，１０Ａにおいては、本発明において必須の要素ではないが、レーザ光の波長を限定するため光路上に波長限定素子を設けることもできる。波長限定素子としては例えば、好ましくない波長の光をカットし、共振器による共振波長λの光を透過するカットフィルタを用いることができる。波長限定素子を設けることにより、より狭帯域で波長安定度の高い出力光を得ることができる。

次に、本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザの一形態例について説明する。図４は本形態例の外部共振型半導体レーザ２０を示す概略構成図である。
符号１は、半導体レーザ素子である。本発明で用いられる半導体レーザ素子１は、図２に拡大して図示したように、同一の端面２（この端面を第１の端面という場合がある。）より二方向にレーザ光４，５を出射することが可能なものであって、第１の端面２上において、第１のレーザ光４が出射される第１の入出射部２ａと第２のレーザ光５が出射される第２の入出射部２ｂとの間に中心軸３が介在するものを用いる。このようなレーザ素子の具体例としては利得導波路型半導体レーザが挙げられる。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体とｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズの効果を持ち、出射するレーザ光が二方向に曲げられるという特性を持つ。
本発明に適用可能な半導体レーザ素子１としては、例えばブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）が挙げられる。本発明において好ましいブロードエリア型半導体レーザ（ＢＡＬＤ）は、利得導波路型半導体レーザであって、横（空間）モードがマルチモードであるレーザ光を発振する。

本形態例の外部共振型半導体レーザ２０には、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光４，５をコリメートするため、ビーム整形素子として、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）２１と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）２２が設けられている。ＦＡＣ２１およびＳＡＣ２２は、２つのレーザ光４，５の光路に跨って配置されているため、両方のレーザ光４，５をコリメートすることができる。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ２０は、第２の入出射部２ｂより出射したレーザ光５の光路を変更して第１の入出射部２ａに帰還させる光路変更手段を備え、また、第２の入出射部２ｂより出射して第１の入出射部２ａに帰還するレーザ光を通過させる（伝達する）とともに第１の入出射部２ａより出射したレーザ光を阻止する一方向性伝達手段を備える。
ここで、一方向性伝達手段とは、特定の方向（順方向）では光の伝達を意図し、前記特定の方向とは反対の方向（逆方向）では光の阻止を意図する手段である。本形態例の場合、一方向性伝達手段は、第１のレーザ光４の光路上に設けられた光アイソレータ２４である。この光アイソレータ２４は、入射端面が光路変更手段（プリズム２５）の側（図の右側）に向き、出射端面が半導体レーザ素子１の側（図の左側）に向くように設置されている。また、本形態例における光路変更手段は、半導体レーザ素子１の中心軸３の延長線上に配置された１個のプリズム２５である。したがって、第２の入出射部２ｂより出射したレーザ光５は、プリズム２５により光路変更され、アイソレータ２４を通過したのち、再度ＳＡＣ２２およびＦＡＣ２１を通過して半導体レーザ素子１の第１の入出射部２ａに帰還（入射）する。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ２０は、半導体レーザ素子１の第１の端面２と対向する第２の端面７の側に設けられて、第１の端面２に帰還したレーザ光を、第１の端面２より出射するように反射する反射手段として、第２の端面７上に設けられた反射膜８を備える。この反射膜８としては、誘電体多層膜フィルタや金属蒸着膜などを用いることができる。このため、第１の入出射部２ａに帰還したレーザ光４の大部分は反射膜８での反射により第２の入出射部２ｂより出射する。一部のレーザ光は、反射膜８で反射する前後における半導体レーザ素子１内での屈折により、帰還した方である第１の入出射部２ａより出射することもあるが、第１の入出射部２ａより出射する出射光４はアイソレータ２４で阻止されるので、外部共振器の特性に悪影響を及ぼすことはない。

これにより、第２の入出射部２ｂ、プリズム２５、第１の入出射部２ａ、第２の端面７側の反射膜８を順に経由するように巡回するループ型のパスが外部共振用の光路となる。この外部共振用光路は、活性層の第１の入出射部２ａ側の部分６ａと、活性層の第２の入出射部２ｂ側の部分６ｂとの両方を含んでおり、半導体レーザ素子１の活性層全体６ａ，６ｂを使って外部共振器を組むことができるため、高出力化が可能となる。しかも、ループ型の外部共振用光路内でレーザ光を多数回ループさせて共振することができるので、安定した定在波を形成することができる。外部共振用光路の光路長を適切に調整することにより、レーザの共振波長を決定することができるので、出力用レーザ光のスペクトル幅を狭窄化することが可能になり、単色性の優れたレーザ光を安定的に出力することができる。外部共振用光路の光路長は、コリメータ２１，２２の位置や焦点距離、半導体レーザ素子１とプリズム２５との距離などを調節することにより調整することができる。反射膜８の反射率は、９０％以上が望ましい。

出力用レーザ光の取り出しは、外部共振用光路上の適当な位置でレーザ光を２方向に分岐する出力手段を設けることにより実現できる。本形態例の外部共振型半導体レーザ２０では、第２の入出射部２ｂより出射するレーザ光５の光路上に、照射されたレーザ光の一部を反射し、レーザ光の他の一部を透過するハーフミラー２３を、ＳＡＣ２２とプリズム２５との間に設置して、出力用レーザ光９をハーフミラー２３の反射光として取り出すようにしている。ＳＡＣ２２とプリズム２５との間ではレーザ光はコリメートされているため、光路上にハーフミラー２３を設置したときにレーザ光のビーム形状に与える影響を最小限に抑制することができ、外部共振器によるレーザ光の共振に悪影響を与えることなく出力用レーザ光９を取り出すことができる。ハーフミラー２３の反射率は、４〜４０％が望ましい。

次に、本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザの他の形態例について説明する。図５は他の形態例の外部共振型半導体レーザ２０Ａを示す概略構成図である。
図５の形態例は、第２の入出射部２ｂより出射したレーザ光５の光路を変更して第１の入出射部２ａに帰還させる光路変更手段として、互いに反射面の向きが異なる２枚の反射ミラー２６，２７を備えることを除き、図４の形態例と同様に構成されている。このように、各反射ミラー２６，２７について、半導体レーザ素子１に対する相対位置や反射面の向きが独立に調整できるため、外部共振用レーザ光の光路長の調整や変更が容易となる。なお、光路変更手段を構成する反射ミラーの枚数は、特に２枚に限定されるものではなく、３枚以上であってもよい。なお、反射ミラー２６，２７は、少なくともレーザが照射される反射部において反射率が９０％以上であることが望ましい。

次に、本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザのさらに他の形態例について説明する。図６はこの形態例の外部共振型半導体レーザ２０Ｂを示す概略構成図である。
図６の形態例は、光路変更手段を構成する２枚の反射ミラー２６，２３のうち一枚がハーフミラー２３であり、出力用レーザ光を取り出す出力手段を兼ねていることを除き、図５の形態例と同様に構成されている。
なお、これらの形態例の外部共振型半導体レーザ２０，２０Ａ，２０Ｂにおいては、本発明において必須の要素ではないが、レーザ光の波長を限定するため光路上に波長限定素子を設けることもできる。波長限定素子としては例えば、好ましくない波長の光をカットし、共振器による共振波長λの光を透過するカットフィルタを用いることができる。波長限定素子を設けることにより、より狭帯域で波長安定度の高い出力光を得ることができる。

次に、本発明の請求項１及び３に係る外部共振型半導体レーザの一形態例について説明する。図７は本形態例の外部共振型半導体レーザ３０を示す概略構成図である。
符号１は、半導体レーザ素子である。本発明で用いられる半導体レーザ素子１は、図２に拡大して図示したように、同一の端面２（この端面を第１の端面という場合がある。）より二方向にレーザ光４，５を出射することが可能なものであって、第１の端面２上において、第１のレーザ光４が出射される第１の入出射部２ａと第２のレーザ光５が出射される第２の入出射部２ｂとの間に中心軸３が介在するものを用いる。このようなレーザ素子の具体例としては利得導波路型半導体レーザが挙げられる。利得導波路型半導体レーザとは、レーザの活性層がｐ型半導体とｎ型半導体との接合面に沿って５０μｍ〜４００μｍ程度の広い幅を持つものである。利得導波路型半導体レーザは、駆動電流の増加に伴い活性層の両端部の屈折率が高くなるため、活性層自身が凹レンズの効果を持ち、出射するレーザ光が二方向に曲げられるという特性を持つ。
本発明に適用可能な半導体レーザ素子１としては、例えばブロードエリア型半導体レーザ素子（ＢＡＬＤ）が挙げられる。本発明において好ましいブロードエリア型半導体レーザ（ＢＡＬＤ）は、利得導波路型半導体レーザであって、横（空間）モードがマルチモードであるレーザ光を発振する。

本形態例の外部共振型半導体レーザ３０には、半導体レーザ素子１から出射するレーザ光４，５をコリメートするため、ビーム整形素子として、速軸用コリメータ（ＦＡＣ）３１と遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）３２が設けられている。ＦＡＣ３１およびＳＡＣ３２は、２つのレーザ光４，５の光路に跨って配置されているため、両方のレーザ光４，５をコリメートすることができる。ＦＡＣ３１およびＳＡＣとしては、例えばシリンドリカルレンズを用いることができる。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ３０は、第１の入出射部２ａより出射した第１のレーザ光４を反射して第１の入出射部２ａに帰還させる第１の反射手段としてのハーフミラー３５と、第２の入出射部２ｂより出射した第２のレーザ光５を反射して第２の入出射部２ｂに帰還させる第２の反射手段としての反射ミラー３４を備えている。ここで、反射ミラー３４およびハーフミラー３５に入射する光は、コリメータ３１，３２でコリメートされた光であるため、これらのミラー３４、３５として平面鏡を用いることができる。第１の出射光４はハーフミラー３５により反射し、再度ＳＡＣ３２およびＦＡＣ３１を通過して半導体レーザ素子１の第１の入出射部２ａに帰還する。同様に、第２の出射光５は反射ミラー３４で反射し、再度ＳＡＣ３２およびＦＡＣ３１を通過して半導体レーザ素子１の第２の入出射部２ｂに帰還する。
反射ミラー３４の反射率は、９０％以上であることが望ましい。また、ハーフミラー３５の反射率は、４〜４０％が望ましい。

ハーフミラー３５を透過した光は、外部共振型半導体レーザ３０の出力用レーザ光９とされる。すなわち本形態例では、レーザ光の一部を出力用レーザ光９とする出力手段が、レーザ光の第１の反射手段を兼ねたハーフミラー３５に設けられている。これにより、外部共振器によるレーザ光の共振に悪影響を与えることなく出力用レーザ光９を取り出すことができる。

また、本形態例の外部共振型半導体レーザ３０は、半導体レーザ素子１の第１の端面２と対向する第２の端面７の側に設けられて、第１の端面２に帰還したレーザ光４，５を、第１の端面２より出射するように反射する第３の反射手段として、第２の端面７上に設けられた反射膜８を備える。この反射膜８としては、誘電体多層膜フィルタや金属蒸着膜などを用いることができる。このため、第１の入出射部２ａに帰還したレーザ光４の大部分は反射膜８での反射により第２の入出射部２ｂより出射し、第２の入出射部２ｂに帰還したレーザ光５の大部分は反射膜８での反射により第１の入出射部２ａより出射する。一部のレーザ光は、反射膜８で反射する前後における半導体レーザ素子１内での屈折により、帰還した方の入出射部より出射することもある。反射膜８の反射率は、９０％以上が望ましい。

これにより、ハーフミラー３５および反射ミラー３４を両端として、第１の入出射部２ａ、反射膜８、第２の入出射部２ｂを経由する折り返し型のパスが外部共振用の光路となる。この外部共振用光路は、活性層の第１の入出射部２ａ側の部分６ａと、活性層の第２の入出射部２ｂ側の部分６ｂとの両方を含んでおり、半導体レーザ素子１の活性層全体６ａ，６ｂを使って外部共振器を組むことができるため、高出力化が可能となる。しかも、折り返し型の外部共振用光路内でレーザ光を多数回往復させて共振することができるので、安定した定在波を形成することができる。外部共振用光路の光路長を適切に調整することにより、レーザの共振波長を決定することができるので、出力用レーザ光のスペクトル幅を狭窄化することが可能になり、単色性の優れたレーザ光を安定的に出力することができる。外部共振用光路の光路長は、コリメータ３１，３２の位置や焦点距離、半導体レーザ素子１と第１及び第２の反射手段３４、３５との距離などを調節することにより調整することができる。

従来例（図９参照）では、反射ミラー５３と半導体レーザ素子１の出射モードとの関係によって増幅する共振器出力モードを限定していたのに対し、本形態例の外部共振型半導体レーザ３０によれば、反射ミラー３４とハーフミラー３５の関係によって増幅する共振器出力モードを限定する。このため、温度変化や外部応力などの外乱に対して安定な共振器出力モードを得ることができる。反射ミラー３４およびハーフミラー３５のいずれにおいても光路長の調整作業が可能であるため、両者の関係を最適な状態に調整することが可能である。よって、外部共振型半導体レーザ３０の出力用レーザ光９の集光位置をサブミクロン以下に安定にすることが容易になる。

本形態例の外部共振型半導体レーザ３０には、本発明において必須の要素ではないが、レーザ光４，５の波長を限定するため波長限定素子３３を設けることもできる。図７には、第１及び第２の反射手段３４、３５とＳＡＣ３２との間に波長限定素子３３を２つのレーザ光４，５の光路に跨って配置した例を示すが、特にこの形態、配置に限定するものではない。波長限定素子３３としては例えば、好ましくない波長の光をカットし、共振器による共振波長λの光を透過するカットフィルタを用いることができる。
本形態例によれば、符号３４−３３−３２−３１−１−３１−３２−３３−３５で表される共振光路が、第１のレーザ光４の光路上と第２のレーザ光５の光路上との両方で波長限定素子３３を通過しており、共振光路における波長限定素子３３の通過回数が多いため、より狭帯域で波長安定度の高い出力光を得ることができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
反射手段としては、平面鏡や曲面鏡などの反射ミラーに限定されるものではなく、グレーティングやエタロンなどの波長選択性を有する反射素子を用いることもできる。これにより、反射手段に波長選択性を持たせて出力用レーザ光のスペクトル幅の狭窄化を図ることも可能である。

反射手段または回路変更手段として用いられる反射ミラーとしては、外部共振用レーザ光が照射される領域にのみ鏡面状の反射面が形成されている部分反射ミラーを利用することができる。この場合、反射面を鏡面状態とする作業を簡略化することが可能となる。さらには、反射面の形成領域を調整することにより、ビーム形状を調整することも可能となる。この際には反射面の周囲の部分に光吸収膜や反射防止膜などを形成することで、より効果的にビーム形状の調整が可能となる。
さらに、反射ミラーの反射面に特定波長のみを反射するフィルタ膜を形成し、波長選択性を持たせて出力用レーザ光のスペクトル幅の狭窄化を図ることも可能である。
また、本発明の外部共振型半導体レーザには、いずれの形態においても、必要に応じて、レーザ光の波長を限定するため光路上に波長限定素子を設けることもできる。波長限定素子としては例えば、好ましくない波長の光をカットし、共振器による共振波長λの光を透過するカットフィルタを用いることができる。波長限定素子を設けることにより、より狭帯域で波長安定度の高い出力光を得ることができる。

（外部共振型半導体レーザの試験例）
図７に示す両共振タイプの構成の請求項１及び３に係る外部共振型半導体レーザ３０（実施例）と図９に示す片共振タイプの構成の外部共振型半導体レーザ５０（比較例）を構成した。ここで、利得導波路型半導体レーザとしてはＥＹＰ−ＢＡＥ−１１２０（商品名、独国ＥａｇｌｅｙａｒｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ社製）を用い、コリメータとしては、焦点距離０．９ｍｍのＦＡＣと焦点距離３０ｍｍのＳＡＣを利用した。各光学部品の位置調整を行い、実施例と比較例とで同じ条件により半導体レーザを駆動してレーザの共振および出力を行った。

半導体レーザ素子１の反射膜８の反射率をＲ_１、反射ミラー３４の反射率をＲ_２、ハーフミラー３５の反射率をＲ_３とするとき、これらの反射率は、Ｒ_３＜Ｒ_１＜Ｒ_２の関係を満たすように設定した。出力用レーザ光をパワーメータＬＭ３（商品名、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社製）で観察したところ、駆動電流（単位Ａ）と出力（単位Ｗ）との関係として図８に示す結果が得られた。
さらに、両共振タイプの外部共振型半導体レーザ３０において反射率がＲ_３，Ｒ_３′，Ｒ_３″と異なる３種類のハーフミラー３５を使用し、レーザ出力に対するハーフミラー３５の反射率の効果を検証した。

図８のグラフに示すように、実施例の外部共振型半導体レーザは、比較例の外部共振型半導体レーザよりも高い出力を示した。この理由としては、比較例の外部共振型半導体レーザは半導体レーザ素子の活性層のうち片側半分のみを使っているのに対し、実施例の外部共振型半導体レーザでは、半導体レーザ素子の活性層全体を使って外部共振器を組むことができるため、同じ駆動電流Ｉに対してより高い出力が得られ、ハーフミラー３５の反射率Ｒ_３″によっては、約２倍の出力Ｐが得られたものと考えられる。

なお、図１に示す請求項１及び２に係る外部共振型半導体レーザ１０と、図４に示す請求項４に係る外部共振型半導体レーザ２０についても上記の試験と同様の条件で出力試験を行ったところ、図７に示す構成の外部共振型半導体レーザ３０（実施例）と同程度の高い出力が得られたことを確認した。

本発明によれば、高出力かつスペクトル幅が極めて狭いレーザ光を出力することが可能であり、しかも少ない部品点数で単純な構成とすることも可能であるので、高品質かつ低価格の外部共振型半導体レーザを提供することができる。

本発明の請求項１及び２に係る外部共振型半導体レーザの一形態例を示す概略構成図である。半導体レーザ素子を示す拡大図である。本発明の請求項１及び２に係る外部共振型半導体レーザの他の形態例を示す概略構成図である。本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザの一形態例を示す概略構成図である。本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザの他の形態例を示す概略構成図である。本発明の請求項４に係る外部共振型半導体レーザのさらに他の形態例を示す概略構成図である。本発明の請求項１及び３に係る外部共振型半導体レーザの一形態例を示す概略構成図である。本発明の外部共振型半導体レーザと従来の外部共振型半導体レーザの出力特性の一例を示すグラフである。従来の外部共振型半導体レーザの一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、２…第１の端面、２ａ…第１の入出射部、２ｂ…第２の入出射部、３…中心軸、４…第１のレーザ光、５…第２のレーザ光、７…第２の端面、８…反射手段（反射膜）、９…出力用レーザ光、１０，１０Ａ，２０，２０Ａ，２０Ｂ，３０…外部共振型半導体レーザ、１１，２１，３１…速軸用コリメータ（ＦＡＣ）、１２，２２，３２…遅軸用コリメータ（ＳＡＣ）、１３，２３…出力手段（ハーフミラー）、１４，１５，１６，３４…反射ミラー、１４ａ，１４ｂ…反射部、２４…アイソレータ、２５…プリズム、２６，２７…反射ミラー、３５…反射手段兼出力手段（ハーフミラー）。

Claims

同一端面上に中心軸を介して第１の入出射部および第２の入出射部を有して、各入出射部より二方向にレーザ光を出射することが可能な半導体レーザ素子と、
前記第１の入出射部より出射したレーザ光を反射して前記第１の入出射部に帰還させる第１の反射手段と、
前記第２の入出射部より出射したレーザ光を反射して前記第２の入出射部に帰還させる第２の反射手段と、
前記半導体レーザ素子の前記入出射部を有する第１の端面と対向する第２の端面の側に設けられて、第１の端面に帰還したレーザ光を、前記第１の入出射部または前記第２の入出射部より出射するように反射する第３の反射手段と、
レーザ光の一部を出力用レーザ光とする出力手段とを具備することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１に記載の外部共振型半導体レーザであって、レーザ光の光路上に配置された出力手段を有することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１に記載の外部共振型半導体レーザであって、レーザ光の第１または第２の反射手段に設けられた出力手段を有することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
同一端面上に中心軸を介して第１の入出射部および第２の入出射部を有して、各入出射部より二方向にレーザ光を出射することが可能な半導体レーザ素子と、
前記第２の入出射部より出射したレーザ光の光路を変更して前記第１の入出射部に帰還させる光路変更手段と、
前記第２の入出射部より出射したレーザ光を通過させるとともに前記第１の入出射部より出射したレーザ光を阻止する一方向性伝達手段と、
前記半導体レーザ素子の前記入出射部を有する第１の端面と対向する第２の端面の側に設けられて、第１の端面に帰還したレーザ光を、前記第１の入出射部または前記第２の入出射部より出射するように反射する反射手段と、
前記レーザ光の光路上に配置されて前記レーザ光の一部を出力用レーザ光とする出力手段とを具備することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記半導体レーザ素子は、利得導波路型半導体レーザであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記半導体レーザ素子の前記第２の端面の側に設けられる反射手段は、前記第２の端面上に設けられた反射膜であることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記出力手段は、照射されたレーザ光の一部を反射し、レーザ光の他の一部を透過するハーフミラーであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、さらに、出射する前記レーザ光の各光路に跨って配置される少なくとも一つ以上のビーム整形素子を具備することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項８に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記ビーム整形素子は、速軸用コリメータと遅軸用コリメータを含むことを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記第１および第２の反射手段は、前記半導体レーザ素子の中心軸の延長線上に配置された１枚の反射ミラーであり、前記反射ミラーは、前記第１の入出射部から出射されたレーザ光を反射する第１の反射部と、前記第２の入出射部から出射されたレーザ光を反射する第２の反射部を有することを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項２に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記第１および第２の反射手段は、互いに分離した２枚の反射ミラーであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記光路変更手段は、前記半導体レーザ素子の中心軸の延長線上に配置された１個のプリズムであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。
請求項４に記載の外部共振型半導体レーザにおいて、前記光路変更手段は、互いに反射面の向きが異なる、少なくとも２枚以上の反射ミラーであることを特徴とする外部共振型半導体レーザ。