JP2007194589A - 外部共振器型面発光レーザ - Google Patents
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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
【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Al2O3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L1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B11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B11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B13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B13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B13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B12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B12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L2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B21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B21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B23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B23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B22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B22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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
Applications Claiming Priority (1)
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