JP2007194589A - 外部共振器型面発光レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】エンドポンプドタイプの外部共振器型面発光レーザを提供する。
【解決手段】外部から照射されたポンプビームを透過させ、発生した熱を外部に放出する熱拡散素子６１と、熱拡散素子６１上に形成され、ポンプビームに励起されて第１波長の光を照射するレーザチップ５０と、レーザチップ５０上に形成され、レーザチップ５０から照射された前記第１波長の光を、当該第１波長の１／２波長である第２波長の光に変換するＳＨＧ結晶６３と、ＳＨＧ結晶６３上に直接形成され、第２波長の光に対して所定の透過率を有する平板型外部共振器６７と、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザチップのレーザ光が出力される裏面からポンプビームを照射するエンドポンプド（ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ）タイプの外部共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ ＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：以下、「ＶＥＣＳＥＬ」と称する）に係り、さらに詳細には、外部共振器を構成するミラーの構造及び光学的配置が改善されたＶＥＣＳＥＬに関する。

ＶＥＣＳＥＬは、垂直共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）の上部ミラーを外部のミラーに代替して利得領域を増加させることによって、数ワット〜数十ワット以上の高出力が得られる表面発光型レーザの一つである。

図１は、従来の一例に係るフロントポンプド（ｆｒｏｎｔ ｐｕｍｐｅｄ）タイプのＶＥＣＳＥＬの光学的配置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、従来のＶＥＣＳＥＬは、ポンプビームを提供するポンピングユニットと、ポンプビームにより励起されてレーザ光を放出するレーザチップ１１、レーザチップ１１の外部に設けられて、外部共振器を構成する第１共振ミラー１７及び第２共振ミラー１９を備える。

ポンピングユニットは、第１ヒートシンク（ｈｅａｔ ｓｉｎｋ）３に実装されたポンピング光源１と、このポンピング光源１から照射されたポンプビームを集束するコリメーティングレンズ５を備えるものであって、レーザチップ１１のレーザ光が出力される部分にポンプビームを提供する。

前記レーザチップ１１の一面には、前記レーザチップ１１から発生した熱を放出する第２ヒートシンク１３が設けられている。

第１ミラー１７は、レーザチップ１１から離隔され、レーザチップ１１から照射された光の入射光軸に対して傾いて配置されている。この第１ミラー１７は、レーザチップ１１及び第２ミラー１９と対向する面が凹反射面１７ａになっており、外部共振ミラーとレーザチップ１１との間から共振するレーザビームが発散されることを防止する。第２ミラー１９は、外部共振器を形成するものであって、第１ミラー１７と対向して配置されて、第１ミラー１７側から入射される光を第１ミラー１７側に再反射させる。

また、第１ミラー１７とレーザチップ１１との間には、所定の波長のレーザ光のみを通過させる複屈折フィルタ１５が配置され、第１ミラー１７と第２ミラー１９との間には、２次高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）結晶２１が配置されている。ここで、ＳＨＧ結晶２１は、透過する光を、レーザチップ１１から照射されたレーザ光の波長の１／２波長の光に変換する。

図１に示すように、構成された従来のＶＥＣＳＥＬは、外部共振ミラーのうちレーザチップと対向する一ミラー１７の反射面１７ａが凹反射面構造を有するので、外部共振ミラーをレーザチップと一体化することが難しい。したがって、ＶＥＣＳＥＬを一体型モジュール化及び数〜数十ｍｍ以内のサイズに小型化することが難しいという問題点がある。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、外部共振器を構成するミラーの構造を改善して、光学要素間の一体化及び小型化された構造のＶＥＣＳＥＬを提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明に係る外部共振器型面発光レーザは、外部から照射されたポンプビームを透過させ、発生した熱を外部に放出する熱拡散素子と、前記熱拡散素子上に形成され、ポンプビームに励起されて第１波長の光を照射するレーザチップと、前記レーザチップ上に形成されて、前記レーザチップから照射された前記第１波長の光を、当該第１波長の１／２波長である第２波長の光に変換するＳＨＧ結晶と、前記ＳＨＧ結晶上に直接形成され、前記第２波長の光に対して所定の透過率を有する平板型外部共振器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る外部共振器型面発光レーザは、外部から照射されたポンプビームに励起されて第１波長の光を照射するレーザチップと、前記レーザチップ上に形成され、前記レーザチップから発生した熱を外部に放出する熱拡散素子と、前記熱拡散素子上に形成され、前記レーザチップから照射された第１波長の光を第１波長の１／２波長である第２波長の光に変換するＳＨＧ結晶と、前記ＳＨＧ結晶上に直接形成され、前記第２波長の光に対して所定透過率を有する平板型外部共振器と、を備えることを特徴とする。

ここで、前記平板型外部共振器は、前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる平板ミラーまたは誘電体コーティング層である。

以上のように構成された本発明に係るＶＥＣＳＥＬは、サーマルレンズ効果を利用することによって、平板型外部共振器を採用しつつも共振されるレーザ光が側面に放出されることを抑制できるので、従来の凹面を有するミラーを採用した場合と実質的に同じレーザ出力が得られる。

また、本発明に係るＶＥＣＳＥＬは、平板型外部共振器を採用することによって、熱拡散素子、レーザチップ、ＳＨＧ結晶及び平板型外部共振器を一体化できるので、約５ｍｍ以内の高さを有する超小型のレーザ出力装置を具現できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態に係るＶＥＣＳＥＬを詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬを示す概略的な断面図である。

図２に示すように、本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬは、エンドポンプドタイプのＶＥＣＳＥＬであって、ポンプビームが入射される側から順に一体に形成された熱拡散素子６１、レーザチップ５０、ＳＨＧ結晶６３、及び平板型外部共振器６７を備える。

熱拡散素子６１は、外部から照射された所定波長、例えば、８０８ｎｍ波長のポンプビームを透過させると共に、レーザチップ５０から発生した熱を外部に放出する。このため、熱拡散素子６１は、ダイアモンド、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サファイア、ＡｌＮ、ＧａＮ、またはＡｌ_２Ｏ_３のように熱拡散性能に優れており、ポンプビームに対して光学的に透明な材質から形成されることが望ましい。

レーザチップ５０は、分散ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、「ＤＢＲ」と称する）５１及び活性層５３を備える。

活性層５３は、ＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ）を有する多重量子ウェル構造であって、ポンプビームにより励起されて、第１波長、例えば、約３５０ｎｍ〜数μｍ波長のレーザ光を放出する。ＤＢＲ５１は、活性層５３から放出された第１波長の光を外部共振器６７側に反射して、レーザ光をＤＢＲ５１と外部共振器６７との間で共振させる高反射率のミラー層である。

ＳＨＧ結晶６３は、レーザチップ５０上に一体に形成されるものであって、レーザチップ５０から照射された第１波長の光を、その１／２波長である第２波長の光に変換する。例えば、第１波長が１０６４ｎｍである場合、第２波長は５３２ｎｍである。

平板型外部共振器６７は、ＳＨＧ結晶６３上に直接形成されるものであって、第２波長の光に対して所定の透過率を有する。したがって、ＳＨＧ結晶６３で第２波長のレーザ光を外部に出力することができる。

ここで、平板型外部共振器６７は、前記第１波長の光をレーザチップ５０方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる平板ミラーから構成することがでる。この場合、前記平板ミラーの少なくとも一面には、前記第１波長の光をレーザチップ５０方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層をさらに備えることができる。

また、平板型外部共振器６７は、ＳＨＧ結晶６３上に直接形成された誘電体コーティング層から構成されることができる。

このように、外部共振器６７を平板構造とする場合は、ＳＨＧ結晶６３上に一体に形成できるところ、ＶＥＣＳＥＬの光学的配置をコンパクト化することができる。一方、前記のように、外部共振器６７の構造を平板型に形成した場合、共振時、レーザチップ５０と平板型外部共振器６７との間で発散によってレーザ光が側方向に放出される問題は、後述するサーマルレンズ効果によって解決することができる。

また、本発明は、レーザチップ５０とＳＨＧ結晶６３との間に波長フィルタ６５をさらに備えることが望ましい。波長フィルタ６５は、前記第１波長の光は透過させ、前記第２波長の光は外部共振器６７方向に反射させる。また、レーザチップ５０とＳＨＧ結晶６３との間に形成されたポラライザー（図示せず）をさらに備えることができる。このポラライザーは、所定の偏光の光を選択的に透過させるものであって、これを採用した場合、ＳＨＧ結晶６３での波長変換効率を向上させることができる。

以下、図３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬのサーマルレンズ効果によるレーザ出力を詳細に説明する。

外部から熱拡散素子６１を透過してレーザチップ５０に照射されるポンプビームは、ガウス分布の光度を有するレーザビームである。このポンプビームの温度分布を説明すると、ビーム中心の温度が最も高く、その周辺に行くほど低くなる。したがって、前記ポンプビームにより励起されて、レーザチップ５０から放出されるレーザ光は、入射されたポンプビームの温度分布に影響を受ける。すなわち、図面符号Ｌ_１で表示されたレンズが、レーザチップ５０の活性層５３に設けられたように、放出されたレーザビームが作用する。これをサーマルレンズ効果と言い、このサーマルレンズ効果により、レーザチップ５０から放出された光Ｂ_１１は集束されつつ、波長フィルタ６５と、ＳＨＧ結晶６３を透過して外部共振器６７側に進む。光Ｂ_１１の一部は、ＳＨＧ結晶６３を１回〜複数回反復通過しつつ、第２波長の光に変換され、この変換された光は、外部共振器６７を透過して出力される。

一方、外部共振器６７で反射されて、レーザチップ５０側に向う過程で第２波長の光に変換された光Ｂ_１３は、レーザチップ５０に入射されず、波長フィルタ６５で再反射される。したがって、この光Ｂ_１３は、サーマルレンズ効果を受けないので、図示されたように発散しつつ外部共振器６７側に向かい、外部共振器６７を通して出力される。ここで、発散するレーザ光Ｂ_１３は、波長が変換された光であるので、ほとんど損失なしに外部共振器６７を透過して進む。

そして、外部共振器６７で反射されて、レーザチップ５０側に向かう過程で波長を変換されていない光Ｂ_１２は、波長フィルタ６５を透過してレーザチップ５０側に進む。この光Ｂ_１２は、ＤＢＲ５１で再び反射されるところ、サーマルレンズ効果によってレーザチップ５０内で集束された状態で外部共振器６７側に進む。

図４は、本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬを示す概略的な断面図である。

図４に示すように、本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬは、エンドポンプドタイプのＶＥＣＳＥＬであって、ポンプビームが入射される側から順に一体に形成されたレーザチップ７０、熱拡散素子８１、ＳＨＧ結晶８３、及び平板型外部共振器８７を備える。

レーザチップ７０は、ＤＢＲ７１及び活性層７３を備える。活性層７３は、ポンプビームにより励起されて、第１波長、例えば、１０６４ｎｍの波長のレーザ光を放出する。ＤＢＲ７１は、活性層７３で放出された第１波長の光を外部共振器８７側に反射する。

熱拡散素子８１は、レーザチップ７０とＳＨＧ結晶８３との間に配置されるものであって、外部から照射された所定の波長、例えば、８０８ｎｍの波長のポンプビームを透過させると共に、レーザチップ７０から発生した熱を外部に放出する。

ＳＨＧ結晶８３は、熱拡散素子８１上に一体に形成されるものであって、レーザチップ７０から照射された第１波長の光を、その１／２波長である第２波長の光に変換する。例えば、前記第１波長が１０６４ｎｍである場合、第２波長は、５３２ｎｍである。

平板型外部共振器８７は、ＳＨＧ結晶８３上に直接形成されるものであって、前記第２波長の光に対して所定の透過率を有する。したがって、ＳＨＧ結晶８３で、第２波長のレーザ光を外部に出力することができる。

ここで、平板型外部共振器８７は、前記第１波長の光をレーザチップ７０方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる平板ミラーから構成することができる。この場合、前記平板ミラーの少なくとも一面には、前記第１波長の光をレーザチップ７０方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層をさらに備えることができる。

また、平板型外部共振器８７は、前記平板ミラーの代わりに、ＳＨＧ結晶８３上に直接コーティングして形成された誘電体コーティング層から構成される。

また、本発明は、熱拡散素子８１とＳＨＧ結晶８３との間に波長フィルタ８９をさらに備えることが望ましい。波長フィルタ８９は、前記第１波長の光を透過させ、前記第２波長の光を外部共振器８７方向に反射させる。また、レーザチップ７０とＳＨＧ結晶８３との間に形成されたポラライザー（図示せず）をさらに備えることができる。このポラライザーは、所定の偏光の光を選択的に透過させるものであって、これを採用した場合、ＳＨＧ結晶８３での波長の変換効率を向上させることができる。

また、ポンプビームが入射されるレーザチップ７０の一面、すなわち、ＤＢＲ７１の底面に形成された非反射コーティング層８５をさらに備えることが望ましい。この非反射コーティング層８５は、前記ポンプビームがＤＢＲ７１に入射されるときに反射されることを防止する層である。

以下、図５を参照しつつ、前記した本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬのサーマルレンズ効果によるレーザ出力を説明する。

外部からレーザチップ７０に照射されるポンプビームは、前述したように、ガウス分布の光度を有するレーザビームである。したがって、前記ポンプビームにより励起されて、レーザチップ７０から放出されるレーザ光は、入射されたポンプビームの温度分布に影響を受ける。すなわち、図面符号Ｌ_２で表示されたレンズがレーザチップ７０の活性層７３に設けられたように放出されたレーザビームが作用する。これをサーマルレンズ効果と言い、このサーマルレンズ効果によってレーザチップ７０から放出された光Ｂ_２１は集束されつつ、熱拡散素子８１、波長フィルタ８９、及びＳＨＧ結晶８３を透過して外部共振器８７側に進む。光Ｂ_２１の一部は、ＳＨＧ結晶８３を１回〜は複数回反復通過しつつ第２波長の光に変換され、この変換された光は、外部共振器８７を透過して出力される。

一方、外部共振器８７で反射されてレーザチップ７０方向に向かう過程で、第２波長の光に変換された光Ｂ_２３はレーザチップ７０に入射されず、波長フィルタ８９で再反射される。したがって、この光Ｂ_２３は、サーマルレンズ効果を受けないので、図示されたように発散しつつ外部共振器８７側に向かい、外部共振器８７を通して出力される。

そして、外部共振器８７で反射されてレーザチップ７０側に向かう過程で、波長変換されていない光Ｂ_２２は、波長フィルタ８９を透過してレーザチップ７０方向に進む。この光Ｂ_２２は、ＤＢＲ７１で再反射されるところ、サーマルレンズ効果によってレーザチップ７０内で集束された状態で外部共振器８７方向に進む。なお、図６は、現在公開されているＶＥＣＳＥＬｓ１００を撮影した写真を示す図である。このＶＥＣＳＥＬｓは、熱拡散器、レーザーチップ、ＳＨＧ結晶、及び平面的な外部空洞鏡を統合させたものであり、およそ５ｍｍの長さを有するミクロサイズのレーザー出力装置であることを示している。

以上、本発明は図面に示された実施形態を参考に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の技術範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。

本発明は、外部共振器型面発光レーザ関連の技術分野に適用可能である。

従来の一例に係るＶＥＣＳＥＬの光学的配置を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬを示す概略図である。 図２に示すＶＥＣＳＥＬのサーマルレンズ効果及び平板型外部共振器によるレーザ出力を示す図面である。 本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬを示す概略図である。 図４に示すＶＥＣＳＥＬのサーマルレンズ効果によるレーザ出力を示す図面である。 超小型レーザ出力装置を示す図面である。

符号の説明

５０ レーザチップ、
５１ 分散ブラッグ反射器、
５３ 活性層、
６１ 熱拡散素子、
６３ ＳＨＧ結晶、
６７ 平板型外部共振器。

Claims (13)

1. 外部から照射されたポンプビームを透過させ、発生した熱を外部に放出する熱拡散素子と、
   前記熱拡散素子上に形成され、ポンプビームに励起されて第１波長の光を照射するレーザチップと、
   前記レーザチップ上に形成され、前記レーザチップから照射された前記第１波長の光を、当該第１波長の１／２波長である第２波長の光に変換するＳＨＧ結晶と、
   前記ＳＨＧ結晶上に直接形成され、前記第２波長の光に対して所定の透過率を有する平板型外部共振器と、
   を備えることを特徴とする外部共振器型面発光レーザ。
2. 前記平板型外部共振器は、
   前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる平板ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型面発光レーザ。
3. 前記平板ミラーの少なくとも一面には、前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層を備えることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型面発光レーザ。
4. 前記平板型外部共振器は、
   前記ＳＨＧ結晶上に直接コーティングして形成され、前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層であることを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型面発光レーザ。
5. 前記レーザチップと前記ＳＨＧ結晶との間に形成され、前記第１波長の光を透過させ、前記第２波長の光を前記外部共振器方向に反射させる波長フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
6. 前記レーザチップと前記ＳＨＧ結晶との間に形成され、所定の偏光の光を選択的に透過させるポラライザーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
7. 外部から照射されたポンプビームに励起されて第１波長の光を照射するレーザチップと、
   前記レーザチップ上に形成され、前記レーザチップから発生した熱を外部に放出する熱拡散素子と、
   前記熱拡散素子上に形成され、前記レーザチップから照射された第１波長の光を、当該第１の波長の１／２波長である第２波長の光に変換するＳＨＧ結晶と、
   前記ＳＨＧ結晶上に直接形成され、前記第２波長の光に対して所定の透過率を有する平板型外部共振器と、
   を備えることを特徴とする外部共振器型面発光レーザ。
8. 前記平板型外部共振器は、
   前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる平板ミラーであることを特徴とする請求項７に記載の外部共振器型面発光レーザ。
9. 前記平板ミラーの少なくとも一面には、前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層を備えることを特徴とする請求項８に記載の外部共振器型面発光レーザ。
10. 前記平板型外部共振器は、
    前記ＳＨＧ結晶上に直接コーティングして形成され、前記第１波長の光を前記レーザチップ方向に反射させ、前記第２波長の光の少なくとも一部を透過させる誘電体コーティング層であることを特徴とする請求項７に記載の外部共振器型面発光レーザ。
11. 前記熱拡散素子と前記ＳＨＧ結晶との間に形成されて、前記第１波長の光を透過させ、前記第２波長の光を前記外部共振器方向に反射させる波長フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項７〜請求項１０のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
12. 前記熱拡散素子と前記ＳＨＧ結晶との間に形成されて、所定の偏光の光を選択的に透過させるポラライザーをさらに備えることを特徴とする請求項７〜請求項１０のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。
13. ポンプビームが入射される前記レーザチップの一面に形成されて、前記ポンプビームの反射を防止する非反射コーティング層をさらに備えることを特徴とする請求項７〜請求項１０のうちいずれか１項に記載の外部共振器型面発光レーザ。