JP2007300015A - Optical unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical unit capable of highly efficiently making a beam shape isotropic. <P>SOLUTION: A semiconductor laser device 10, a longitudinal direction collimation lens 20, a transverse direction collimation lens 30, a feedback element 40, and an optical fiber 60 are arranged in the optical axis direction in this order. The feedback element 40 is equipped with an external resonator 41 provided at a part of each region at which a light can arrive from a light emitting spot 17 of the semiconductor laser device 10. Consequently, a divergence angle θs in the transverse direction of the light output from the light emitting spot 17 becomes small as compared with a divergence angle θo in the transverse direction, at the time of providing some external resonator 41 or other in all regions at which the light output from the light emitting spot 17 can arrive. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高出力の要求される用途に好適に用いられる光学装置に関する。   The present invention relates to an optical device that is suitably used for applications requiring high output.

現在、数十W程度の高出力の半導体レーザ素子が実用化されており、固体レーザを励起するための光源や、融点の比較的低い材料、例えば、プラスチックなどを加工・溶接するためのものとして用いられている。最近では、この高出力の半導体レーザ素子を1次元に配列したバー・レーザ(Bar Laser)や、バー・レーザを素子配列方向と直交する方向に多段化したスタック・レーザ(Stack Laser) が登場しており、このように発光スポットの数を増やすことで、数kW程度の高出力を実現している。   Currently, high-power semiconductor laser elements of about several tens of watts have been put into practical use as light sources for exciting solid-state lasers and for processing and welding materials with relatively low melting points, such as plastics. It is used. Recently, a bar laser (Bar Laser) in which this high-power semiconductor laser device is arranged in one dimension and a stack laser (Stack Laser) in which the bar laser is multi-staged in the direction perpendicular to the device arrangement direction have appeared. In this way, by increasing the number of light emitting spots, a high output of about several kW is realized.

高出力型の半導体レーザ素子は、一般にブロードエリア型のチップ構造を有している。ブロードエリア型の半導体レーザ素子としては、例えば、図7に示したように、基板110の表面に、n型半導体層、活性層、および複数のリッジを有するp型半導体層からなる半導体積層構造111とp側電極112とを備え、さらに基板110の裏面にn側電極113を備えたものがある。このような構成の半導体レーザ素子では、各リッジに対応して端面に形成される単一の発光スポット114は通常、等方的な形状とはならず、半導体の積層方向と垂直な方向(横方向)に延在する偏平な形状となっている。ここで、複数の発光スポット114は、巨視的に見ると、横方向の幅の極めて広い1つの発光スポット(疑似発光スポット115)と等価であるので、半導体レーザ素子から出力される光は、横方向に、発光幅Ws、発散角θsのビーム形状を有していると言うことができる。   A high-power semiconductor laser element generally has a broad area type chip structure. As a broad area type semiconductor laser element, for example, as shown in FIG. 7, a semiconductor multilayer structure 111 composed of an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer having a plurality of ridges on the surface of a substrate 110. And a p-side electrode 112, and an n-side electrode 113 on the back surface of the substrate 110. In the semiconductor laser device having such a configuration, the single light emission spot 114 formed on the end face corresponding to each ridge is not usually isotropic, but is perpendicular to the semiconductor stacking direction (lateral It has a flat shape extending in the direction). Here, when viewed macroscopically, the plurality of light-emitting spots 114 are equivalent to one light-emitting spot (pseudo-light-emitting spot 115) having a very wide lateral width. It can be said that it has a beam shape with a light emission width Ws and a divergence angle θs in the direction.

このような偏平な発光スポット115から出力される光を、通常の光学系を用いて像変換すると、発光スポット115の縦横比と等しい縦横比の像が形成される。つまり、通常の光学系を用いた場合には、変換後のビーム形状は発光スポット115の形状に依存し、等方的にはならない。そこで、偏平な発光スポット115から出力された光を像変換することにより得られるビーム形状を等方的にするための方策が種々提案されている。   When the light output from such a flat light emission spot 115 is image-converted using a normal optical system, an image having an aspect ratio equal to the aspect ratio of the light emission spot 115 is formed. That is, when a normal optical system is used, the beam shape after conversion depends on the shape of the light emission spot 115 and is not isotropic. Therefore, various measures for making the beam shape obtained by converting the light output from the flat light emission spot 115 isotropic have been proposed.

例えば、特許文献1では、半導体レーザ素子の光を、光軸に対して斜めの反射面を有する階段状のミラーを用いて2回反射させ、それにより像の偏平な方向を90°回転させて、ビーム形状を等方的にする技術が開示されている。   For example, in Patent Document 1, the light of the semiconductor laser element is reflected twice using a step-like mirror having a reflective surface oblique to the optical axis, thereby rotating the flat direction of the image by 90 °. A technique for making the beam shape isotropic is disclosed.

特開平8−271832号公報JP-A-8-271832

しかし、このように2回の反射を利用すると、反射による光損失が必ず発生するので、高効率にビーム形状を等方的にすることができない。   However, when two reflections are used in this way, a light loss due to reflection always occurs, so that the beam shape cannot be made isotropic with high efficiency.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高効率にビーム形状を等方的にすることの可能な光学装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical apparatus capable of making a beam shape isotropic with high efficiency.

本発明の光学装置は、半導体レーザ素子と、1または複数の外部共振器とを備えたものである。半導体レーザ素子は、1または複数の発光スポットを少なくとも一の端面側に有している。外部共振器は、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に設けられている。   The optical device of the present invention includes a semiconductor laser element and one or more external resonators. The semiconductor laser element has one or a plurality of light emission spots on at least one end face side. The external resonator is provided in a part of each region where the light output from each light emitting spot can reach.

本発明の光学装置では、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に外部共振器が設けられているので、半導体レーザ素子に電流を注入して各発光スポットから光が出力されると、外部共振器の設けられている部分に入射した光の一部が各発光スポットにフィードバックされ、増幅される。これにより、各発光スポットから出力される光は、光損失を発生させることなく、外部共振器の設けられている部分にだけ出力されるようになる。   In the optical device according to the present invention, an external resonator is provided in a part of each region where the light output from each light emitting spot can reach. Therefore, a current is injected into the semiconductor laser element so that light is emitted from each light emitting spot. When output, a part of the light incident on the portion where the external resonator is provided is fed back to each light emitting spot and amplified. As a result, the light output from each light emitting spot is output only to the portion where the external resonator is provided without causing optical loss.

本発明の光学装置によれば、各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に、外部共振器を設けるようにしたので、各発光スポットから出力される光は、光損失を発生させることなく、外部共振器の設けられている部分にだけ出力されるようになる。このとき、各発光スポットから出力される光の発散角は、各発光スポットから出力される光が到達し得る全ての領域に外部共振器を設けた場合のそれと比べて小さくなっている。これにより、半導体レーザ素子の発光スポットが偏平な形状となっている場合であっても、高効率にビーム形状を等方的にすることができる。   According to the optical device of the present invention, since the external resonator is provided in a part of each region where the light output from each light emission spot can reach, the light output from each light emission spot is light loss. Without being generated, the signal is output only to the portion where the external resonator is provided. At this time, the divergence angle of the light output from each light emission spot is smaller than that when the external resonator is provided in all regions where the light output from each light emission spot can reach. Thereby, even when the light emission spot of the semiconductor laser element has a flat shape, the beam shape can be made isotropic with high efficiency.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施の形態に係る発光装置の断面構成を表すものである。この発光装置は、半導体レーザ素子10、縦方向コリメートレンズ20、横方向コリメートレンズ30、フィードバック素子40、集光レンズ50および光ファイバ60を光軸方向にこの順に配列して構成したものである。図2は、図1の半導体レーザ素子10を斜視的に表すものである。なお、図1の半導体レーザ素子10は、図2の半導体レーザ素子10のA−A矢視方向の断面構成を表すものである。また、図1および図2は、模式的に表したものであり、実際の寸法、形状とは異なっている。   FIG. 1 illustrates a cross-sectional configuration of a light emitting device according to an embodiment of the present invention. This light emitting device is configured by arranging a semiconductor laser element 10, a longitudinal collimating lens 20, a lateral collimating lens 30, a feedback element 40, a condenser lens 50, and an optical fiber 60 in this order in the optical axis direction. FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor laser device 10 of FIG. The semiconductor laser device 10 in FIG. 1 represents a cross-sectional configuration of the semiconductor laser device 10 in FIG. FIG. 1 and FIG. 2 are schematic representations, and are different from actual dimensions and shapes.

この発光装置は、端面の各発光スポット16(後述)を半導体の積層方向と垂直な方向(横方向)に一列に配列してなるアレイ型の半導体レーザ素子10から出力される光のビーム形状を縦方向コリメートレンズ20、横方向コリメートレンズ30およびフィードバック素子40により補正して、補正後の光を集光レンズ50により光ファイバ60と結合させたものである。   This light emitting device has a beam shape of light output from an array type semiconductor laser device 10 in which light emitting spots 16 (described later) on an end face are arranged in a row in a direction (lateral direction) perpendicular to a semiconductor stacking direction. The light is corrected by the vertical collimating lens 20, the horizontal collimating lens 30 and the feedback element 40, and the corrected light is coupled to the optical fiber 60 by the condenser lens 50.

この半導体レーザ素子10は、基板11の一面側に半導体積層構造12を成長させたものであり、半導体積層構造12は、基板11側から順に、第1導電型半導体層(図示せず)、活性層13、第2導電型半導体層(図示せず)を有している。第2導電型半導体層の上部には、互いに所定の間隔で複数のリッジ14が形成されている。このリッジ14の底部の幅は典型的には数10μm以上500μm以下となっており、半導体積層構造12は、ブロードエリア型のチップ構造を有している。   The semiconductor laser element 10 is obtained by growing a semiconductor multilayer structure 12 on one surface side of a substrate 11, and the semiconductor multilayer structure 12 includes, in order from the substrate 11 side, a first conductivity type semiconductor layer (not shown), an active layer. Layer 13 and a second conductivity type semiconductor layer (not shown) are included. A plurality of ridges 14 are formed at predetermined intervals from each other on the second conductive type semiconductor layer. The width of the bottom of the ridge 14 is typically several tens of μm to 500 μm, and the semiconductor multilayer structure 12 has a broad area type chip structure.

また、半導体レーザ素子10を駆動することにより、活性層13のうち各リッジ14の底部に対応する部分には発光領域15が形成され、半導体レーザ素子10の一方の端面のうち各発光領域14に対応する部分には発光スポット16が形成されるようになっている。つまり、各発光スポット16は、端面において、互いに所定の間隔で横方向に一列に配列されることとなる。また、各発光スポット16は、上記したように半導体積層構造12がブロードエリア型のチップ構造を有していることから、等方的な形状とはならず、横方向に延在する偏平な形状となる。さらに、このような偏平な形状を有する複数の発光スポット16は、巨視的に見ると、横方向の幅の極めて広い1つの発光スポット(疑似発光スポット17)と等価であるので、半導体レーザ素子10から出力される光は、横方向に、発光幅Ws、発散角θsのビーム形状を有していると言うことができる。   Further, by driving the semiconductor laser element 10, a light emitting region 15 is formed in a portion corresponding to the bottom of each ridge 14 in the active layer 13, and in each light emitting region 14 on one end face of the semiconductor laser element 10. A light emission spot 16 is formed in the corresponding part. That is, the light emitting spots 16 are arranged in a row in the lateral direction at a predetermined interval on the end face. Further, each light emitting spot 16 does not have an isotropic shape because the semiconductor laminated structure 12 has a broad area type chip structure as described above, and has a flat shape extending in the lateral direction. It becomes. Further, when viewed macroscopically, the plurality of light emission spots 16 having such a flat shape are equivalent to one light emission spot (pseudo light emission spot 17) having an extremely wide lateral width, and therefore, the semiconductor laser element 10 It can be said that the light output from has a beam shape with a light emission width Ws and a divergence angle θs in the lateral direction.

この半導体レーザ素子10はまた、各リッジ14の表面からその周辺部分の表面に渡ってp側電極18を有しており、基板11の裏面側のうちp側電極15と対向する部分にn側電極19を有している。   The semiconductor laser device 10 also has a p-side electrode 18 from the surface of each ridge 14 to the surface of the peripheral portion thereof, and the n-side is formed on the portion of the back surface of the substrate 11 facing the p-side electrode 15. An electrode 19 is provided.

縦方向コリメートレンズ20は、例えば、半導体の積層方向と平行な方向(縦方向)に凸形状を有するレンズであり、縦方向のビームの発散を抑えて、ビームの縦方向成分を平行光化するようになっている。他方、横方向コリメートレンズ30は、例えば、横方向に凸形状を有するレンズであり、横方向のビームの発散を抑えて、ビームの横方向成分を平行光化するようになっている。従って、縦方向コリメートレンズ20および横方向コリメートレンズ30を組み合わせることにより、半導体レーザ素子10の光を平行光化するようになっている。   The longitudinal collimating lens 20 is, for example, a lens having a convex shape in a direction (longitudinal direction) parallel to the stacking direction of the semiconductor, and suppresses the divergence of the longitudinal beam to convert the longitudinal component of the beam into parallel light. It is like that. On the other hand, the lateral collimating lens 30 is, for example, a lens having a convex shape in the lateral direction, and suppresses the divergence of the beam in the lateral direction and converts the lateral component of the beam into parallel light. Therefore, by combining the vertical collimating lens 20 and the horizontal collimating lens 30, the light of the semiconductor laser element 10 is converted into parallel light.

フィードバック素子40は、各発光スポット16に対応して外部共振器41を有している。各外部共振器41は、各発光スポット16から出力される光が到達し得る全ての領域に何らかの外部共振器を設けた場合に、各発光スポット16から出力される光が縦方向コリメートレンズ20および横方向コリメートレンズ30を介して到達し得る個々の領域の一部分に設けられている。なお、「一部分」の意義については、発光装置の作用において説明する。   The feedback element 40 has an external resonator 41 corresponding to each light emitting spot 16. When each external resonator 41 is provided with any external resonator in all regions where the light output from each light-emitting spot 16 can reach, the light output from each light-emitting spot 16 is converted into the longitudinal collimating lens 20 and It is provided in a part of the individual area that can be reached via the lateral collimating lens 30. Note that the meaning of the “part” will be described in the operation of the light emitting device.

外部共振器41は、例えば、光軸方向に周期的に屈折率の変化するグレーティング構造を有する光学素子により構成されている。そのような光学素子としては例えばVBG(Volume Brrag Grating)がある。VBGは、屈折率の互いに異なる材料からなる厚さλ/4(λ:発振波長)の層を交互に配列して構成されたものであり、例えば、光照射により屈折率の変化する材料に対して紫外光などをλ/4間隔で照射することにより形成されている。ここで、光照射により屈折率の変化する材料としては、例えば、AgやCeなどを含有する、SiO2 、Al2 3 またはNa2 Oなどが挙げられる。また、紫外光などを等間隔で材料に照射する方法としては、例えば、2つのレーザ光を照射し、それらレーザ光の干渉により周期的に光の強弱を作り出したり、回折格子を有するマスクにレーザ光を照射し、回折効果により周期的に光の強弱を作り出したり、単純にレーザ光をスポット照射することが挙げられる。 The external resonator 41 is composed of, for example, an optical element having a grating structure whose refractive index changes periodically in the optical axis direction. An example of such an optical element is VBG (Volume Brrag Grating). The VBG is configured by alternately arranging layers having thicknesses of λ / 4 (λ: oscillation wavelength) made of materials having different refractive indexes. It is formed by irradiating ultraviolet light or the like at intervals of λ / 4. Here, examples of the material whose refractive index changes by light irradiation include SiO 2 , Al 2 O 3, and Na 2 O containing Ag, Ce, and the like. In addition, as a method of irradiating the material with ultraviolet light or the like at equal intervals, for example, two laser beams are irradiated and the intensity of the light is periodically generated by interference of the laser beams, or a mask having a diffraction grating is irradiated with a laser. Examples of the method include irradiating light and periodically creating intensity of light by a diffraction effect, or simply irradiating laser light with a spot.

集光レンズ50は、例えば、1枚の球面レンズまたは複数のシリンドリカルレンズで構成されており、この集光レンズ50の焦点距離は、光ファイバ60のコア部61(後述)に結像させるように選ばれている。   The condensing lens 50 is composed of, for example, one spherical lens or a plurality of cylindrical lenses, and the focal length of the condensing lens 50 is imaged on a core portion 61 (described later) of the optical fiber 60. Has been chosen.

光ファイバ60は、その中央部分にコア部61を、コア部61の外周部分にクラッド部62をそれぞれ有している。コア部61は、縦方向コリメートレンズ20、横方向コリメートレンズ30、フィードバック素子40および集光レンズ50によって像変換されたレーザ光を伝播させる芯線としての役割を有するものである。クラッド部62は、コア部61内を伝播するレーザ光をコア部61に閉じ込めるための外皮としての役割を有する。   The optical fiber 60 has a core portion 61 at the center portion and a clad portion 62 at the outer peripheral portion of the core portion 61. The core portion 61 has a role as a core wire for propagating the laser light image-converted by the longitudinal collimating lens 20, the lateral collimating lens 30, the feedback element 40 and the condenser lens 50. The clad 62 has a role as an outer skin for confining the laser light propagating in the core 61 in the core 61.

次に、このような構成を備えた発光装置の作用・効果について説明する。なお、図1は、各発光スポット16から出力された光のうち、各発光スポット16の中央部分から出力された光だけを抽出して、その光が縦方向コリメートレンズ20、横方向コリメートレンズ30、フィードバック素子40および集光レンズ50に向かう様子を模式的に表したものである。図1の破線は、半導体レーザ素子10に電流を注入した初期の段階における光束を表したものであり、図1の一点鎖線は、半導体レーザ素子1に電流を注入したのち定常状態に落ち着いた段階における光束を表したものである。   Next, functions and effects of the light emitting device having such a configuration will be described. In FIG. 1, only the light output from the central portion of each light emitting spot 16 is extracted from the light output from each light emitting spot 16, and the light is extracted from the vertical collimating lens 20 and the horizontal collimating lens 30. FIG. 6 schematically shows a state in which the feedback element 40 and the condenser lens 50 are directed. The broken line in FIG. 1 represents the light beam at the initial stage of injecting current into the semiconductor laser element 10, and the alternate long and short dash line in FIG. It represents the luminous flux at.

半導体レーザ素子10に電流を注入すると、各リッジ14により電流狭窄されたのち、活性層13の発光領域15に電流が注入され、これにより電子と正孔の再結合による発光が生じる。この光のうち各発光スポット16から外部共振器41側に出力された光は、各外部共振器41の設けられている部分よりも広い領域に入射し(図1破線参照)、その入射した光のうち各外部共振器41の設けられている部分に入射した光だけが各発光スポット16にフィードバックされる。また、発光領域15で発生した光のうち外部共振器41とは反対側に向かった光は、半導体レーザ素子10の後側の端面で反射される。このようにして、半導体レーザ素子10の後側の端面および外部共振器41からなる一対の反射鏡により反射を繰り返すことによりレーザ発振が生じるが、このとき、各発光スポット16から外部共振器41側に出力された光は、次第に各外部共振器41の設けられている部分に収斂し、その収斂した光は集光レンズ50を透過し、光ファイバ60へ結合される(図1一点鎖線参照)。   When a current is injected into the semiconductor laser element 10, the current is confined by each ridge 14, and then a current is injected into the light emitting region 15 of the active layer 13, thereby causing light emission due to recombination of electrons and holes. Of this light, the light output from each light emitting spot 16 to the external resonator 41 side enters a wider area than the portion where each external resonator 41 is provided (see the broken line in FIG. 1). Of these, only the light incident on the portion where each external resonator 41 is provided is fed back to each light emitting spot 16. In addition, of the light generated in the light emitting region 15, the light directed to the side opposite to the external resonator 41 is reflected by the rear end face of the semiconductor laser element 10. In this way, laser oscillation is generated by repeating reflection by the pair of reflecting mirrors including the rear end face of the semiconductor laser element 10 and the external resonator 41. At this time, each light emitting spot 16 is connected to the external resonator 41 side. The light output to is gradually converged on the portion where each external resonator 41 is provided, and the converged light passes through the condenser lens 50 and is coupled to the optical fiber 60 (see the one-dot chain line in FIG. 1). .

つまり、上記した「外部共振器41が〜一部分に設けられている」とは、半導体レーザ素子10に電流を注入した初期の段階において、各発光スポット16から外部共振器41側に出力された光がフィードバック素子40に入射する領域の一部分に、各外部共振器41の入射窓41Aが設けられている、ということと同義である。   That is, “the external resonator 41 is provided in a part” means that the light output from each light emitting spot 16 to the external resonator 41 side in the initial stage of injecting a current into the semiconductor laser element 10. Is synonymous with the fact that the entrance window 41A of each external resonator 41 is provided in a part of the region where the light enters the feedback element 40.

従って、本実施の形態では、各発光スポット16から出力された光を、フィードバック素子40において光損失を発生させることなく、図1の一点鎖線に示したように、各外部共振器41から出力させることができる。   Accordingly, in the present embodiment, the light output from each light emitting spot 16 is output from each external resonator 41 as shown by the one-dot chain line in FIG. 1 without causing optical loss in the feedback element 40. be able to.

次に、各発光スポット16を巨視的に1つの疑似発光スポット17と捉えた場合の疑似発光スポット17から出力される光のビーム品質と、疑似発光スポット17から出力される光を縦方向コリメートレンズ20、横方向コリメートレンズ30、外部共振器41および集光レンズ50によって像変換した後のビーム品質について説明する。   Next, when each light emitting spot 16 is macroscopically regarded as one pseudo light emitting spot 17, the beam quality of light output from the pseudo light emitting spot 17 and the light output from the pseudo light emitting spot 17 are converted into a longitudinal collimating lens. 20, the beam quality after image conversion by the lateral collimating lens 30, the external resonator 41 and the condenser lens 50 will be described.

半導体レーザ素子から出力される光のビーム形状は、一般的に、単一の発光スポットの発光幅と発散角との積で表されるビーム品質という指標を用いて評価される。ブロードエリア型の半導体レーザ素子では、発光スポットが横方向に偏平な形状となっていることから、以下の式に示したように、発光スポットの発光幅と発散角を、横方向および縦方向に分けて考えるのが一般的である。
Ws×θs=(λ/π)×Ms2 …(1)
Wf×θf=(λ/π)×Mf2 …(2)
λ:発振波長
Ws:横方向の発光幅、θs:横方向の発散角
Wf:縦方向の発光幅、θf:縦方向の発散角
The beam shape of light output from a semiconductor laser element is generally evaluated using an index of beam quality represented by the product of the light emission width and divergence angle of a single light emission spot. In the broad area type semiconductor laser device, since the light emission spot is flat in the horizontal direction, as shown in the following formula, the light emission width and the divergence angle of the light emission spot are set in the horizontal and vertical directions. It is common to think separately.
Ws × θs = (λ / π) × Ms 2 (1)
Wf × θf = (λ / π) × Mf 2 (2)
λ: oscillation wavelength Ws: horizontal emission width, θs: horizontal divergence angle Wf: vertical emission width, θf: vertical divergence angle

このビーム品質という指標には、式(1),(2)の右辺にあるMs2 ,Mf2 (エム・スクエア)が用いられる。なお、半導体レーザ素子の全体のビーム品質を評価する際には、以下の式に示したように、Ms2 とMf2 との積(M2 )を用いる。
2 =Ms2 ×Mf2 …(3)
Ms 2 and Mf 2 (M square) on the right side of the equations (1) and (2) are used as an index of the beam quality. When evaluating the overall beam quality of the semiconductor laser element, the product (M 2 ) of Ms 2 and Mf 2 is used as shown in the following equation.
M 2 = Ms 2 × Mf 2 (3)

ここで、M2 が小さいほど、微小なスポットに容易に集光することができるのでビーム品質が良いと言え、その値が1のとき、最良のビーム品質であるといえる。他方、M2 が大きいほど、微小なスポットに集光することが困難であるのでビーム品質が悪いと言える。また、Ms2 およびMf2 のいずれか一方だけが小さく、他方が極めて大きい場合にも、等方的に微小なスポットに集光することが困難であるのでビーム品質が悪いと言える。エム・スクエアは通常の光学レンズ等による像変換においては保存量であり、レンズの収差等により大きくなることはあるが、小さくすることはできない。 Here, it can be said that the smaller the M 2 , the easier it is to focus on a minute spot, so that the beam quality is good. When the value is 1, it can be said that the beam quality is the best. On the other hand, it can be said that the higher the M 2 , the worse the beam quality because it is difficult to focus on a minute spot. Also, when only one of Ms 2 and Mf 2 is small and the other is extremely large, it can be said that the beam quality is poor because it is difficult to focus on an isotropically small spot. M square is a storage amount in image conversion by a normal optical lens or the like, and may increase due to lens aberration or the like, but cannot be reduced.

ところで、半導体レーザ素子10は、一般的な半導体レーザ素子と同様、縦方向のMf2 が1となるように設計されているので、縦方向のビーム品質は極めて良い。しかし、横方向のMs2 は、疑似発光スポット17が横方向に偏平な形状となっていることから、一般的な半導体レーザ素子と同様、縦方向のMf2 よりも著しく悪い。そのため、上記したように、半導体レーザ素子10の光を通常の光学系を用いて像変換しても、微小なスポットに集光することは困難である。 By the way, since the semiconductor laser element 10 is designed so that the vertical Mf 2 is 1 like a general semiconductor laser element, the beam quality in the vertical direction is very good. However, Ms 2 in the horizontal direction is significantly worse than Mf 2 in the vertical direction, as in the case of a general semiconductor laser element, since the pseudo light-emitting spot 17 has a flat shape in the horizontal direction. Therefore, as described above, it is difficult to condense the light from the semiconductor laser element 10 into a minute spot even if the image is converted using a normal optical system.

そこで、従来では、特許文献1で開示されていたように、半導体レーザ素子の光を、光軸に対して斜めの反射面を有する階段状のミラーを用いて2回反射させ、それにより像の偏平な方向を90°回転させて、横方向のMs2 と、縦方向のMf2 とを等方化することが考えられる。しかし、このようにして等方化すると、もともとビーム品質の良かった縦方向のMf2 、特に縦方向の発散角θfを悪くしてしまうので、例えば、図3に示したように、バー状の半導体レーザ素子10を縦方向にスタックした場合には、巨視的な疑似発光スポット27の縦方向のMf2 が極めて悪くなってしまい、光ファイバのコア径を大きくしない限り、縦方向にスタックする数が大幅に制限されてしまう。また、階段状のミラーを用いた後のM2 は、それを用いなかったときのM2 よりも確実に悪くなってしまうので、微小なスポットに集光することが困難になる。そのため、縦方向にスタックする数を増やしても思ったほど輝度が上がらず、極めて高い出力の要求される用途にはあまり向かない。 Therefore, conventionally, as disclosed in Patent Document 1, the light of the semiconductor laser element is reflected twice by using a step-like mirror having a reflecting surface oblique to the optical axis, whereby the image It is conceivable to rotate the flat direction by 90 ° to make the Ms 2 in the horizontal direction and the Mf 2 in the vertical direction isotropic. However, if isotropic in this way, the vertical Mf 2 , which was originally good in beam quality, in particular, the vertical divergence angle θf is deteriorated. For example, as shown in FIG. When the semiconductor laser elements 10 are stacked in the vertical direction, the Mf 2 in the vertical direction of the macroscopic pseudo-light-emitting spot 27 is extremely deteriorated, and the number stacked in the vertical direction is not increased unless the core diameter of the optical fiber is increased. Will be greatly limited. Further, M 2 after using the step-like mirror is surely worse than M 2 when it is not used, so that it is difficult to focus on a minute spot. For this reason, even if the number of stacks in the vertical direction is increased, the brightness does not increase as expected, and it is not suitable for applications requiring extremely high output.

一方、本実施の形態では、各発光スポット16から出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に各外部共振器41を設けて、各発光スポット16から出力される光を各外部共振器41の設けられている部分にだけ出力されるようにしたので、疑似発光スポット17から出力される光の横方向の発散角θsは、疑似発光スポット17から出力される光が到達し得る全ての領域に何らかの外部共振器を設けた場合の横方向の発散角θoと比べて小さくなっている(図1参照)。つまり、疑似発光スポット17から出力される光の横方向の発光幅Ws、縦方向の発光幅Wfおよび縦方向の発散角θfの値を変えることなく、つまりこれらの値とは独立に発散角θsを小さくすることができ、M2 を1にすることも可能である。 On the other hand, in the present embodiment, each external resonator 41 is provided in a part of each region where the light output from each light emitting spot 16 can reach, and the light output from each light emitting spot 16 is transmitted to each external resonator. Since the light is output only to the portion provided with 41, the divergence angle θs in the lateral direction of the light output from the pseudo light emission spot 17 is all the light that the light output from the pseudo light emission spot 17 can reach. This is smaller than the divergence angle θo in the lateral direction when some external resonator is provided in the region (see FIG. 1). That is, without changing the values of the light emission width Ws, the light emission width Wf in the vertical direction, and the divergence angle θf in the vertical direction, the divergence angle θs independently of these values. And M 2 can be set to 1.

これにより、半導体レーザ素子10の疑似発光スポット17が偏平な形状となっている場合であっても、M2 (ビーム品質)を小さくしつつ、横方向のMs2 と、縦方向のMf2 とを等方化することができる。従って、本実施の形態では、高効率にビーム形状を等方的にすることができ、さらに、微小なスポットに集光することが可能となる。その結果、光ファイバ60のコア部61の径を従来の径よりも小さくすることができる。 Thereby, even if the pseudo light emission spot 17 of the semiconductor laser element 10 has a flat shape, Ms 2 in the horizontal direction and Mf 2 in the vertical direction can be reduced while reducing M 2 (beam quality). Can be made isotropic. Therefore, in this embodiment, the beam shape can be made isotropic with high efficiency, and further, it can be focused on a minute spot. As a result, the diameter of the core portion 61 of the optical fiber 60 can be made smaller than the conventional diameter.

また、図3に示したように、バー状の半導体レーザ素子10を縦方向にスタックした場合には、巨視的な疑似発光スポット27の縦方向の発散角θfはバー状の半導体レーザ素子10が1つの場合のそれと全く同一であるから、発光スポット27の縦方向のMf2 は縦方向にスタックする数に応じてわずかに大きくなるだけであり、微小なスポットに集光することができる。これにより、コア部61の径を従来の径と同等とした場合に、縦方向にスタックすることの可能なバー状の半導体レーザ素子10の数を従来よりも大幅に増やすことができる。また、微小なスポットに集光することが可能であることから、縦方向にスタックする数に応じて輝度を上げることができ、極めて高い出力の要求される用途に適している。 As shown in FIG. 3, when the bar-shaped semiconductor laser elements 10 are stacked in the vertical direction, the vertical divergence angle θf of the macroscopic pseudo-light-emitting spot 27 is determined by the bar-shaped semiconductor laser element 10. Since it is exactly the same as that in one case, Mf 2 in the vertical direction of the light emission spot 27 is only slightly increased according to the number of stacks in the vertical direction, and can be condensed into a minute spot. Thereby, when the diameter of the core part 61 is made equal to the conventional diameter, the number of bar-shaped semiconductor laser elements 10 that can be stacked in the vertical direction can be greatly increased as compared with the conventional one. Further, since the light can be focused on a minute spot, the luminance can be increased in accordance with the number of stacks in the vertical direction, which is suitable for applications requiring extremely high output.

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。   While the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.

例えば、上記実施の形態では、フィードバック素子40を、半導体レーザ素子10と光ファイバ60との間の光路上に配置するようにしていたが、図4に示したように、半導体レーザ素子10の背面側の光路上に配置するようにしてもよい。ただし、この場合には、上記実施の形態の場合とは逆に、半導体レーザ素子10の背面側の端面の反射率を低くする。また、半導体レーザ素子1の背面側と、フィードバック素子40との間の光路上に、縦方向コリメートレンズ20および横方向コリメートレンズ30を配置することが好ましい。   For example, in the above embodiment, the feedback element 40 is arranged on the optical path between the semiconductor laser element 10 and the optical fiber 60. However, as shown in FIG. You may make it arrange | position on the optical path of the side. However, in this case, contrary to the above embodiment, the reflectance of the end face on the back side of the semiconductor laser element 10 is lowered. Further, it is preferable to arrange the vertical collimating lens 20 and the horizontal collimating lens 30 on the optical path between the back surface side of the semiconductor laser element 1 and the feedback element 40.

また、上記実施の形態では、フィードバック素子40の内部に複数の外部共振器41を所定の間隔で配列するようにしていたが、例えば、図5に示したように、支持部71の表面に外部共振器72を所定の間隔で配列してフィードバック素子70を形成するようにしてもよい。この場合には、外部共振器72を、例えば、AuまたはAlなどからなる金属膜や、Ta2 5 、TiO2 またはSiO2 などからなる誘電体多層膜により構成することも可能となるので、フィードバック素子40よりも構造を簡易にすることができる。 In the above embodiment, a plurality of external resonators 41 are arranged at a predetermined interval inside the feedback element 40. For example, as shown in FIG. The feedback elements 70 may be formed by arranging the resonators 72 at a predetermined interval. In this case, the external resonator 72 can be constituted by a metal film made of, for example, Au or Al, or a dielectric multilayer film made of Ta 2 O 5 , TiO 2, or SiO 2 . The structure can be simplified as compared with the feedback element 40.

このフィードバック素子70は、例えば、図6(A)〜(D)に示したようにして、製造することができる。まず、支持部71上にフォトレジストR1を塗布したのち、リソグラフィー処理を行うことにより、外部共振器72を形成することとなる領域上に開口部を有するマスクR2を形成する。続いて、表面全体に渡って、外部共振器72に用いられる材料72Aを成膜したのち、リフトオフを行うことにより、支持部71上に外部共振器72を形成する。このようにしてフィードバック素子70を製造することができる。   This feedback element 70 can be manufactured, for example, as shown in FIGS. First, after applying a photoresist R1 on the support portion 71, a lithography process is performed to form a mask R2 having an opening on a region where the external resonator 72 is to be formed. Subsequently, after the material 72A used for the external resonator 72 is formed over the entire surface, the external resonator 72 is formed on the support portion 71 by performing lift-off. In this way, the feedback element 70 can be manufactured.

本発明の一実施の形態に係る光学装置の断面構成図である。It is a section lineblock diagram of an optical device concerning one embodiment of the present invention. 図1の半導体レーザ素子の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the semiconductor laser device of FIG. 1. 図1の半導体レーザ素子を縦方向にスタックしたときの端面方向から見た平面図である。It is the top view seen from the end surface direction when the semiconductor laser element of FIG. 1 is stacked in the vertical direction. 一変形例に係る光学装置の断面構成図である。It is a section lineblock diagram of an optical device concerning one modification. 他の変形例に係る光学装置の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of the optical apparatus which concerns on another modification. 図5のフィードバック素子の製造工程を説明するための断面構成図である。FIG. 6 is a cross-sectional configuration diagram for explaining a manufacturing process of the feedback element of FIG. 5. 従来の光学装置における半導体レーザ素子の斜視図である。It is a perspective view of the semiconductor laser element in the conventional optical apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

10…半導体レーザ素子、11…基板、12…半導体積層構造、13…活性層、14…リッジ、15…発光領域、16…発光スポット、17,27…疑似発光スポット、18…p側電極、19…n側電極、20…縦方向コリメートレンズ、30…横方向コリメートレンズ、40,70…フィードバック素子、41,72…外部共振器、41A…入射窓、50…集光レンズ、60……光ファイバ、61…コア部、62…クラッド部、71…支持部、θo,θs…発散角、Ws…発光幅。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor laser element, 11 ... Substrate, 12 ... Semiconductor laminated structure, 13 ... Active layer, 14 ... Ridge, 15 ... Light emitting region, 16 ... Light emitting spot, 17, 27 ... Pseudo light emitting spot, 18 ... P side electrode, 19 ... n-side electrode, 20 ... longitudinal collimating lens, 30 ... lateral collimating lens, 40, 70 ... feedback element, 41, 72 ... external resonator, 41A ... entrance window, 50 ... condensing lens, 60 ... optical fiber , 61 ... core part, 62 ... clad part, 71 ... support part, θo, θs ... divergence angle, Ws ... emission width.

Claims (9)

1または複数の発光スポットを少なくとも一の端面側に有する半導体レーザ素子と、
各発光スポットから出力される光が到達し得る個々の領域の一部分に設けられた1または複数の外部共振器と
を備えたことを特徴とする光学装置。
A semiconductor laser device having at least one light emitting spot on at least one end face side;
An optical device comprising: one or a plurality of external resonators provided in a part of an individual region where light output from each light emitting spot can reach.
前記外部共振器は、金属膜または誘電体多層膜からなる
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The optical device according to claim 1, wherein the external resonator is made of a metal film or a dielectric multilayer film.
前記外部共振器は、周期的に屈折率の変化するグレーティング構造を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The optical device according to claim 1, wherein the external resonator has a grating structure whose refractive index changes periodically.
前記外部共振器は、前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側の光路上に設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The optical apparatus according to claim 1, wherein the external resonator is provided on an optical path on a side of emitting the light of the semiconductor laser element to the outside.
前記外部共振器は、前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側とは反対側の光路上に設けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The optical apparatus according to claim 1, wherein the external resonator is provided on an optical path opposite to a side that emits light of the semiconductor laser element to the outside.
前記半導体レーザ素子と前記外部共振器との間の光路上に、前記各発光スポットから出力される光のうち縦方向の光を平行光化する縦方向平行化素子と、前記各発光スポットから出力される光のうち横方向の光を平行光化する横方向平行化素子と
を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
On the optical path between the semiconductor laser element and the external resonator, a vertical collimating element that collimates vertical light out of the light output from each light emitting spot, and output from each light emitting spot The optical device according to claim 1, further comprising: a horizontal collimating element that collimates the light in the horizontal direction among the light to be emitted.
前記半導体レーザ素子は、複数の発光スポットを有し、
前記複数の発光スポットは、横方向に並列に配列されている
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The semiconductor laser element has a plurality of light emission spots,
The optical device according to claim 1, wherein the plurality of light emission spots are arranged in parallel in a horizontal direction.
前記複数の発光スポットは、縦方向にも並列に配列されている
ことを特徴とする請求項7に記載の光学装置。
The optical device according to claim 7, wherein the plurality of light emission spots are arranged in parallel in the vertical direction.
前記半導体レーザ素子の光を外部に射出する側の光路上の末端に、光ファイバを有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。
The optical apparatus according to claim 1, further comprising an optical fiber at an end on an optical path on a side of emitting light of the semiconductor laser element to the outside.
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