JP2009252765A - 半導体レーザ装置、画像表示装置、及びモニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の低下を抑制できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、面発光レーザと、面発光レーザの発光部と対向する位
置に配置され、発光部と対向する対向面が平面である外部共振器と、面発光レーザと外部
共振器との間で発光部の周囲に配置され、発光部から射出されたレーザ光の少なくとも一
部が対向面に垂直に入射するように、レーザ光を反射する反射面を有するリフレクタ部材
とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ装置、画像表示装置、及びモニタ装置に関する。

半導体レーザ装置として、例えば下記特許文献１、２に開示されているような、外部共
振器型面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ：Vertical External Cavity Surface Emitting Lase
r）が知られている。このような半導体レーザ装置は、例えば画像表示装置、モニター装
置の光源として使用できる。
特開２００６−１９０９７６号公報 特開２００６−３１３８８９号公報

外部共振器型面発光レーザにおいて、面発光レーザの発光部から射出された光は、外部
共振器に入射する。外部共振器に入射した光の一部は、外部共振器を通じてレーザ光とし
て外部に射出され、残りの一部は、外部共振器で反射して光ポンピングに使用される。例
えば外部共振器に機能を持たせるために、発光部と対向する外部共振器の対向面の形状が
制約される可能性がある。例えば対向面が平面である場合でも、光利用効率（発光効率）
の低下を抑制するために、面発光レーザの発光部から射出された光を、外部共振器の対向
面に所望の角度で入射させる必要がある。

本発明は、発光効率の低下を抑制できる半導体レーザ装置、画像表示装置、及びモニタ
ー装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に従えば、面発光レーザと、前記面発光レーザの発光部と対向する
位置に配置され、前記発光部と対向する対向面が平面である外部共振器と、前記面発光レ
ーザと前記外部共振器との間で前記発光部の周囲に配置され、前記発光部から射出された
レーザ光の少なくとも一部が前記対向面に垂直に入射するように、前記レーザ光を反射す
る反射面を有するリフレクタ部材と、を備える半導体レーザ装置が提供される。

本発明の第１の態様によれば、発光部から射出されたレーザ光の少なくとも一部が、発
光部と対向する外部共振器の平面である対向面に垂直に入射するように、レーザ光を反射
する反射面を有するリフレクタ部材を設けることで、面発光レーザの発光部から射出され
た光を、外部共振器の対向面に所望の角度で入射させることができる。したがって、発光
効率の低下を抑制できる。

本発明の第１の態様において、前記反射面は、前記面発光レーザから前記外部共振器へ
向かう方向において、前記発光部と前記対向面とを結ぶ前記対向面の垂線から除々に離れ
るように傾斜する斜面を含む構成を採用できる。これにより、発光部から放射される光を
、対向面に所望の角度で入射させることができる。

この場合、前記垂線と前記斜面とがなす角度は、前記発光部から射出されるレーザ光の
放射角度の２分の１より小さいことが望ましい。これにより、発光部から放射される光の
少なくとも一部を、対向面に垂直に入射させることができる。

本発明の第１の態様において、前記リフレクタ部材の内部に形成され、冷却用流体が流
れる内部流路を備える構成を採用できる。発光部から射出される光によって、リフレクタ
部材の温度が上昇する可能性がある。冷却用流体が流れる内部流路をリフレクタ部材に設
けることによって、リフレクタ部材の過剰な温度上昇を抑制できる。

本発明の第１の態様において、前記外部共振器は、前記発光部からのレーザ光を狭帯域
化して、前記対向面と反対側の射出面より射出する構成を採用できる。外部共振器に、前
記発光部からのレーザ光を狭帯域化して射出する機能を持たせることによって、半導体レ
ーザ装置を様々な分野に応用できる。例えば、前記外部共振器が、回折格子を含むことに
よって、発光部からのレーザ光を狭帯域化して射出することができる。

本発明の第２の態様に従えば、第１の態様の半導体レーザ装置を含む光源装置と、前記
光源装置から射出されたレーザ光を、画像情報に応じて変調する光変調素子と、を備える
画像表示装置が提供される。

本発明の第２の態様によれば、発光効率の低下が抑制された光源装置を用いて画像を良
好に表示できる。

本発明の第３の態様に従えば、第１の態様の半導体レーザ装置を含む光源装置と、前記
光源装置で照明された物体を撮像する撮像装置と、を備えるモニタ装置が提供される。

本発明の第３の態様によれば、発光効率の低下が抑制された光源装置を用いて物体の像
情報を良好にモニタできる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明においては
、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係につ
いて説明する。水平面内の所定方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と直交する方
向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれに直交する方向（すなわち鉛直方向）を
Ｚ軸方向とする。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザ装置１の一例を示す概略構成図である。図１に
おいて、半導体レーザ装置１は、面発光レーザ２と、面発光レーザ２の発光部３と対向す
る位置に配置され、発光部３と対向する対向面４が平面である外部共振器５と、面発光レ
ーザ２と外部共振器５との間で発光部３の周囲に配置され、発光部３から射出されたレー
ザ光の少なくとも一部が対向面４に垂直に入射するように、レーザ光を反射する反射面６
を有するリフレクタ部材７とを備えている。

面発光レーザ２は、ガリウム砒素(ＧａＡｓ）を含む基板８と、基板８上に配置された
第１ＤＢＲ層９と、第１ＤＢＲ層９上に配置された活性層１０と、活性層１０上に配置さ
れた第２ＤＢＲ層１１とを備えている。基板８の下面には、第１電極１２が配置され、第
２ＤＢＲ層１１の上面には、第２電極１３が配置される。

第２電極１３は、開口１３Ｈを有する。本実施形態において、ＸＹ平面内における開口
１３Ｈの形状は、略円形である。発光部３は、開口１３Ｈによって規定される。すなわち
、本実施形態において、ＸＹ平面内における発光部３の形状は、略円形である。活性層１
０で発生した光の少なくとも一部は、発光部３より面発光レーザ２の外部に射出される。

面発光レーザ２の共振器は、第１ＤＢＲ層９と第２ＤＢＲ層１１との間に形成されると
ともに、第１ＤＢＲ層９と外部共振器５との間に形成される。活性層１０で発生した光は
、第１ＤＢＲ層９と第２ＤＢＲ層１１との間、及び第１ＤＢＲ層９と外部共振器５との間
で反射を繰り返しながら、活性層１０を往復する。こうした過程を経て、活性層１０内で
増幅された光の一部は、外部共振器５を通じて、半導体レーザ装置１の外部にレーザ光と
して射出され、残りの一部は、外部共振器５で反射して、面発光レーザ２に入射し、光ポ
ンピングに使用される。

本実施形態において、発光部３と対向する外部共振器５の対向面４は、ＸＹ平面とほぼ
平行な平面である。本実施形態において、外部共振器５は、発光部３からのレーザ光を狭
帯域化して、対向面４と反対側の射出面１４より射出する。外部共振器５は、発光部３か
ら射出され、対向面４に入射した光のうち、特定波長の光を射出面１４より射出し、特定
波長以外の光を、面発光レーザ２に戻す。

本実施形態において、外部共振器５は、例えば特開平５−２６４８０９号公報、米国特
許第７２４８６１７号明細書等に開示されているような回折格子を含む。

図２は、本実施形態に係る外部共振器５の原理を説明するための模式図である。本実施
形態においては、外部共振器５は、図２に示すような回折格子１７を含む基板１５を複数
組み合わせたものである。基板１５は、ＬｉＮｂＯ_３を含む。

図２において、基板１５の表面には、光導波路１６が形成されている。光導波路１６は
、プロトン交換により形成されている。すなわち、ＬｉＮｂＯ_３を構成するＬｉイオンの
一部が、Ｈイオンで置換されている。光導波路１６の表面には、回折格子１７が形成され
ている。回折格子１７は、周期的に形成された凹凸パターンを含む。

光導波路１６は、第１端面１６Ａと、第１端面１６Ａと反対側の第２端面１６Ｂとを有
する。本実施形態において、第１端面１６Ａは、外部共振器５の対向面４の少なくとも一
部を構成し、第２端面１６Ｂは、外部共振器５の射出面１４を構成する。

例えば発光部３より射出された光は、第１端面１６Ａに入射する。ここで、第１端面１
６Ａに入射する光が、波長λ_０、λ_１、λ_２の光を含むものとする。また、光導波路１６
の等価屈折率をＮ、回折格子１７のピッチをｐとする。波長λ_０が、
λ_０＝２×Ｎ×ｐ
の条件を満足する場合、第１端面１６Ａに入射した光のうち、波長（ブラッグ波長）λ_０
の光は、回折格子１７で反射して、第１端面１６Ａから射出される。すなわち、波長λ_０
の光は、面発光レーザ２に戻される。一方、他の波長λ_１、λ_２の光は、光導波路１６を
透過し、第２端面１６Ｂより射出される。すなわち、波長λ_１、λ_２の光は、外部共振器
５の射出面１４より射出され、半導体レーザ装置１の外部に射出される。

図３は、外部共振器５の一例を示す模式図である。上述したように、外部共振器５は、
図２に示すような回折格子１７を含む基板１５を複数組み合わせたものである。対向面４
には、複数の第１端面１６Ａが配置され、射出面１４には、複数の第２端面１６Ｂが配置
される。発光部３からの光は、複数の第１端面１６Ａを含む対向面４に照射される。発光
部３から射出された光のうち、波長λ_０の光は、面発光レーザ２に戻され、波長λ_１、λ
_２の光は、光導波路１６を透過し、複数の第２端面１６Ｂを含む射出面１４より射出され
る。このように、本実施形態においては、外部共振器５は、発光部３からの光を狭帯域化
して、射出面１４より射出する。

図１において、リフレクタ部材７は、筒状の部材である。反射面６は、リフレクタ部材
７の開口７Ｈの内側に配置されている。ＸＹ平面内における開口７Ｈの形状は、略円形で
ある。リフレクタ部材７の反射面６は、発光部３の周囲に配置されている。

図１に示すように、反射面６は、面発光レーザ２から外部共振器５へ向かう方向（＋Ｚ
方向）において、発光部３と対向面４とを結ぶ、対向面４の垂線（Ｚ軸と平行な線）Ｌか
ら除々に離れるように傾斜する斜面を含む。すなわち、下端（−Ｚ側の端）における開口
７Ｈの直径のほうが、上端（＋Ｚ側の端）における開口７Ｈの直径より小さい。

本実施形態において、垂線Ｌと反射面６とがなす角度、すなわちＺ軸と反射面６とがな
す角度θ１は、発光部３から射出されるレーザ光の放射角度θ２の２分の１より小さい。
一般に、発光部３から射出されるレーザ光の放射角度θ２は、１〜４０度程度である。例
えば放射角度θ２が４０度の場合、角度θ１は、２０度より小さい。

また、Ｚ軸方向に関する反射面６のサイズＨは、放射角度θ２と、発光部３の直径とに
基づいて適宜調整される。

本実施形態においては、発光部３から射出された光の少なくとも一部が対向面４に垂直
に入射するように、放射角度θ２及び発光部３の大きさに応じて、反射面６の角度θ１、
及びＺ軸方向に関するサイズＨが定められている。

一例として、発光部３の直径が１００μｍで、発光部３の外縁の２０μｍの幅の領域か
ら射出される光を反射して対向面４に垂直に入射させる場合において、放射角度θ２が１
度の場合、反射面６の角度θ１を０．５度とし、Ｚ軸方向に関する反射面６のサイズＨを
約２．３ｍｍとすることによって、反射面６は、発光部３からの光を反射して、その反射
した少なくとも一部の光を対向面４に垂直に入射させることができる。また、放射角度θ
２が３０度の場合、反射面６の角度θ１を１５度とし、Ｚ軸方向に関する反射面６のサイ
ズＨを約７５μｍとすることによって、反射面６は、発光部３からの光を反射して、その
反射した少なくとも一部の光を対向面４に垂直に入射させることができる。

本実施形態において、リフレクタ部材７は、金属で形成されている。リフレクタ部材７
は、例えば銅、あるいはアルミニウムで形成可能である。これにより、リフレクタ部材７
にレーザ光が照射されても、金属の放熱効果により、リフレクタ部材７が過剰に温度上昇
することが抑制される。

また、本実施形態においては、リフレクタ部材７の内部に、冷却用流体が流れる内部流
路１８が形成されている。冷却用流体として、例えばフッ素系液体、水（純水）等を含む
、液体からなる冷媒を用いることができる。これにより、リフレクタ部材７の過剰な温度
上昇をより一層、抑制できる。内部流路１８には、不図示の冷媒供給装置より、所定の温
度に調整された冷媒が供給される。内部流路１８を流れた冷媒は、不図示の冷媒回収装置
により回収される。

次に、リフレクタ部材７の製造方法の一例について、図４の模式図を参照して説明する
。まず、図４（Ａ）に示すように、金属のプレート７’に開口７Ｈを形成する。開口７Ｈ
は、例えばドリル加工等により形成可能である。

次に、エッチング処理よって、開口７Ｈの内面を鏡面仕上げする。これにより、図４（
Ｂ）に示すように、反射面６を有するリフレクタ部材７が形成される。

なお、図５（Ａ）に示すように、金属のプレート７’に、例えばドリル加工、ブラスト
加工、エッチング加工等により開口７Ｈ’を形成した後、図５（Ｂ）に示すように、その
開口７Ｈ’の内面を鏡面研磨し、その後、エッチング処理する。これにより、図５（Ｃ）
に示すように、反射面６を有するリフレクタ部材７が形成される。

なお、リフレクタ部材７を、ガラス、あるいはプラスチックで形成することも可能であ
る。

また、図６（Ａ）に示すように、溝１８Ｒが形成された２つのプレート７１、７２を用
意し、それらプレート７１、７２を接合することによって、図６（Ｂ）に示すように、内
部流路１８を有するリフレクタ部材７を形成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、発光部３から射出されたレーザ光の少なく
とも一部が、発光部３と対向する外部共振器５の対向面４に垂直に入射するように、レー
ザ光を反射する反射面６を有するリフレクタ部材７を設けたので、面発光レーザ２の発光
部３から射出された光の少なくとも一部を、外部共振器５の対向面４に垂直に入射させる
ことができる。したがって、対向面４に入射した光のうち、例えば波長λ_０の光は、面発
光レーザ２（発光部３）側に良好に戻ることができる。したがって、発光効率の低下を抑
制できる。

また、本実施形態においては、リフレクタ部材７の内部に、冷却用流体が流れる内部流
路１８を設けたので、レーザ光が照射されるリフレクタ部材７の過剰な温度上昇を抑制で
きる。

図７は、本実施形態に係る半導体レーザ装置１を光源装置として備えるプロジェクタ（
画像表示装置）１００の一例を示す図である。なお、図７においては、簡略化のためプロ
ジェクタ（画像表示装置）１００を構成する筐体は省略している。

プロジェクタ１００は、赤色光を射出する赤色レーザ光源装置１Ｒ、緑色光を射出する
緑色レーザ光源装置１Ｇ、及び青色光を射出する青色レーザ光源装置１Ｂを備えている。
本実施形態においては、赤色レーザ光源装置１Ｒ，緑色レーザ光源装置１Ｇ、及び青色レ
ーザ光源装置１Ｂのそれぞれが、上述の半導体レーザ装置１と同等の構成を備える。以下
の説明において、赤色レーザ光源装置１Ｒ，緑色レーザ光源装置１Ｇ、及び青色レーザ光
源装置１Ｂを合わせて適宜、レーザ光源装置１、と総称する。

図７において、プロジェクタ１００は、レーザ光源装置１、光変調素子としての液晶パ
ネル１０３、偏光板１０１及び１０２、クロスダイクロイックプリズム（色合成手段）１
１０、投射レンズ１１５などを備えている。なお、液晶パネル１０３と、その光入射側に
設けられた偏光板１０１及び光射出側に設けられた偏光板１０２によって液晶ライトバル
ブ１０５が構成される。

赤色レーザ光源装置１Ｒ、緑色レーザ光源装置１Ｇ、及び青色レーザ光源装置１Ｂのそ
れぞれは、クロスダイクロイックプリズム１１０の側面三方にそれぞれ対向するように配
置されている。本実施形態においては、クロスダイクロイックプリズム１１０を挟んで、
赤色レーザ光源装置１Ｒと青色レーザ光源装置１Ｂとが対向し、投射レンズ１１５と緑色
レーザ光源装置１Ｇとが対向している。

液晶パネル１０３は、例えば、ポリシリコンＴＦＴ（Thin Film Transistor）をスイッ
チング素子として用いたものである。各レーザ光源装置１から射出された色光は、入射側
偏光板１０１を介して液晶パネル１０３に入射する。液晶パネル１０３は、画像情報に応
じて、光を変調する。液晶パネル１０３に入射した光は、画像情報に応じて変調されて、
液晶パネル１０３から射出される。液晶パネル１０３によって変調された光のうち、特定
の直線偏光だけが、射出側偏光板１０２を透過して、クロスダイクロイックプリズム１１
０に向かう。

なお、レーザ光源装置１から射出される光は、偏光方向が良く揃った光であるため、原
理上は、入射側偏光板１０１を省略することも可能である。しかしながら、実際は、レー
ザ光源装置１から射出された光をそのまま照明光として利用する場合は少なく、レーザ光
源装置１から射出された光を照明光に適した光に加工するための光学要素（例えば、回折
格子、レンズ、ロッドインテグレータ等）が、レーザ光源装置１と液晶パネル１０３との
間に設けられることが多い。そして、このような光学要素を通過することにより、偏光に
多少の乱れが生じる可能性もある。偏光が乱れた光を液晶パネル１０３にそのまま入射さ
せると、投射画像のコントラストが低下したり、投射画像に色むらが生じたりする可能性
もある。そこで、液晶パネル１０３の入射側に偏光板１０１を設けて、液晶パネル１０３
に入射する偏光の方向を揃えるようにすれば、投射画像のコントラストの低下や、色むら
の発生を低減することができ、より質の高い画像を得ることが可能となる。

クロスダイクロイックプリズム１１０は、各液晶パネル１０３によって変調された各色
光を合成して、カラー画像を形成する光学素子である。このクロスダイクロイックプリズ
ム１１０は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなしている。そして
、これら４つの直角プリズムの界面には、２種類の誘電体多層膜がＸ字状に設けられてい
る。これら誘電体多層膜は、互いに対向する各液晶パネル１０３から射出された各色光を
反射し、投射レンズ１１５に対向する液晶パネル１０３から射出された色光を透過する。
このようにして、各液晶パネル１０３にて変調された各色光が合成されて、カラー画像が
形成される。

投射レンズ１１５は、複数のレンズが組み合わされた組レンズとして構成される。この
投射レンズ１１５は、カラー画像Ｌを拡大投射する。

本実施形態のプロジェクタ１００によれば、発光効率の低下が抑制されたレーザ光源装
置１を用いて画像を良好に表示できる。また、各レーザ光源装置１から射出される色光は
、回折格子１７を含む外部共振器５によって、十分に狭帯域化されているので、投射画像
のコントラストを向上でき、投射画像の質を高めることができる。

図８は、本実施形態に係る半導体レーザ装置１を光源装置として備えるモニター装置２
００の一例を示す図である。図８において、モニター装置２００は、装置本体２１０と、
光伝送部２２０とを備える。装置本体２１０は、半導体レーザ装置１を備える。

光伝送部２２０は、光を送る側と受ける側の２本のライトガイド２２１，２２２を備え
る。各ライトガイド２２１，２２２は、多数本の光ファイバを束ねたもので、レーザ光を
遠方に送ることができる。光を送る側のライトガイド２２１の入射側にはレーザ光源装置
１が配設され、その出射側には拡散板２２３が配設されている。半導体レーザ装置１から
出射したレーザ光は、ライトガイド２２１を伝って光伝送部２２０の先端に設けられた拡
散板２２３に送られ、拡散板２２３により拡散されて被写体を照射する。

光伝送部２２０の先端には、結像レンズ２２４も設けられており、被写体からの反射光
を結像レンズ２２４で受けることができる。その受けた反射光は、受け側のライトガイド
２２２を伝って、装置本体２１０内に設けられた撮像装置としてのカメラ２１１に送られ
る。カメラ２１１は、半導体レーザ装置１より射出された光で照明された被写体の像を撮
像することができる。

以上のように構成されたモニター装置２００によれば、発光効率が高く、高出力の半導
体レーザ装置１により被写体を照射することができることから、カメラ２１１により得ら
れる撮像画像の明るさを高めることができる。

本実施形態に係る半導体レーザ装置の一例を示す概略構成図である。 本実施形態に係る外部共振器の原理を説明するための図である。 本実施形態に係る外部共振器の一例を示す図である。 本実施形態に係るリフレクタ部材の製造方法の一例を説明するための模式図である。 本実施形態に係るリフレクタ部材の製造方法の一例を説明するための模式図である。 本実施形態に係るリフレクタ部材の製造方法の一例を説明するための模式図である。 本実施形態に係る画像表示装置の一例を示す図である。 本実施形態に係るモニター装置の一例を示す図である。

符号の説明

１…半導体レーザ装置、２…面発光レーザ、３…発光部、４…対向面、５…外部共振器
、６…反射面、７…リフレクタ部材、１７…回折格子、１８…内部流路、１００…画像表
示装置、１０３…液晶パネル、２００…モニタ装置

Claims (8)

1. 面発光レーザと、
   前記面発光レーザの発光部と対向する位置に配置され、前記発光部と対向する対向面が
   平面である外部共振器と、
   前記面発光レーザと前記外部共振器との間で前記発光部の周囲に配置され、前記発光部
   から射出されたレーザ光の少なくとも一部が前記対向面に垂直に入射するように、前記レ
   ーザ光を反射する反射面を有するリフレクタ部材と、を備える半導体レーザ装置。
2. 前記反射面は、前記面発光レーザから前記外部共振器へ向かう方向において、前記発光
   部と前記対向面とを結ぶ前記対向面の垂線から除々に離れるように傾斜する斜面を含む請
   求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記垂線と前記斜面とがなす角度は、前記発光部から射出されるレーザ光の放射角度の
   ２分の１より小さい請求項２記載の半導体レーザ装置。
4. 前記リフレクタ部材の内部に形成され、冷却用流体が流れる内部流路を備える請求項１
   〜３のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
5. 前記外部共振器は、前記発光部からのレーザ光を狭帯域化して、前記対向面と反対側の
   射出面より射出する請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体レーザ装置。
6. 前記外部共振器は、回折格子を含む請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体レーザ装
   置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体レーザ装置を含む光源装置と、
   前記光源装置から射出されたレーザ光を、画像情報に応じて変調する光変調素子と、を
   備える画像表示装置。
8. 請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体レーザ装置を含む光源装置と、
   前記光源装置で照明された物体を撮像する撮像装置と、を備えるモニタ装置。

Images