JP2011508413A - Ｖｅｃｓｅｌポンピング式半導体レーザー - Google Patents

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Abstract

本発明は、垂直拡張共振器型面発光レーザー（VECSEL）によって光ポンピングされる半導体レーザーによって構成される半導体レーザー・システムに関する。前記半導体レーザーは、二つの共振器空洞鏡（１０、１２）からなるレーザー空洞内に配置された固体レーザー媒質（１１）を有し、前記空洞鏡の第一のもの（１２）は前記半導体５レーザーの出射結合鏡として設計され、前記空洞鏡の第二のもの（１０）は該第二の空洞鏡（１０）を通じて前記半導体レーザー媒質（１１）の光学的ポンピングを許容するよう形成されている。提案される半導体レーザー・システムでは、VECSELの前記拡張空洞鏡（７）は、前記半導体レーザーの前記共振器空洞鏡（１０、１２）の一つによって構成される。提案されるレーザー・システムは、改善された効率および高度に１０統合された設計を提供する。

Description

本発明は、垂直拡張共振器型面発光レーザー（VECSEL）によって光ポンピングされる半導体レーザーによって構成される半導体レーザー・システムに関する。前記VECSELは拡張された空洞鏡を含み、前記半導体レーザーは、二つの空洞鏡からなるレーザー空洞内に配置された固体レーザー媒質を有し、前記空洞鏡の第一のものは前記半導体レーザーの出射結合（outcoupling）鏡として設計され、前記空洞鏡の第二のものは該第二の空洞鏡を通じて前記半導体レーザー媒質の光学的ポンピングを許容するよう形成されている。
ダイオード・ポンピング式半導体レーザー（DPSSL: diode pumped solid-state laser）は今日広く使われている。端面発光レーザー・ダイオードの放射が別個の共振器空洞内の半導体レーザー結晶をポンピングするために使われる。そのようなダイオード・ポンピング式の半導体レーザーの効率は、一般に、端面発光ダイオードの発光特性によって制限される。これは、高速軸と低速軸の発光をコリメートし、半導体レーザーのモードに整合するために複雑な光学系を必要とする。
複雑なコリメーション光学系の欠点を克服するために、半導体レーザーのポンピングにVECSELを使うことが知られている。US2006/0153261A1は、620nmでの半導体レーザー放射を生成するそのような半導体レーザー・システムを開示している。Eu3+ドープされた半導体レーザー媒質は、半導体レーザーのレーザー空洞をなす空洞鏡の一方を通じてポンピングされる。VECSELと半導体レーザーとの間にレンズが使用され、共振器空洞鏡を通るポンプ・ビームを半導体レーザー媒質中に合焦させる。端面発光レーザー・ダイオードとは対照的にVECSELは回転対称なビーム・プロファイルを与えるので、VECSELと半導体レーザーとの間のモード整合（mode matching）が容易になり、したがって、ポンプ放射から半導体レーザーの発光へのよりよい変換効率が許容される。
本発明の一つの目的は、VECSELポンピング式半導体レーザーをもつ半導体レーザー・システムであって、変換効率がさらに改善されたものを提供することである。
上記の目的は、請求項１記載の半導体レーザー・システムを用いて達成される。提案される半導体レーザー・システムの有利な実施形態は、従属請求項において定義され、あるいは本記述の以下の部分において記述される。
提案される半導体レーザー・システムは、垂直拡張空洞面発光レーザー（VECSEL）によって光学的にポンピングされる半導体レーザーによって構成される。半導体レーザーは、二つの共振器空洞鏡からなるレーザー空洞内に配置された固体レーザー媒質を有する。前記空洞鏡の第一のものは前記半導体レーザーの出射結合（outcoupling）鏡として設計される。すなわち、この鏡は半導体レーザー媒質によって生成されるレーザー放射の透過を数パーセントの透過率で許容する。前記空洞鏡の第二のものはこの第二の空洞鏡を通じて半導体レーザー媒質の光学的ポンピングを許容するよう形成される。したがって、この第二の空洞鏡は半導体レーザーのレーザー放射に対して高度に反射性であるよう設計されるが、VECSELによって生成されるポンプ放射のレーザー波長の透過を高い度合いで許容する。本発明の半導体レーザー・システムは、VECSELの拡張鏡（extended mirror）が、半導体レーザーの共振器空洞鏡の一方によって構成されることを特徴とする。
これは、VECSELのコンポーネントの一つが半導体レーザーのコンポーネントの一つと共有されるということを意味する。これは半導体レーザー・システムのより高度な統合につながる。共有されるコンポーネントを用いたこのより高度な統合のため、改善されたモード整合が達成され、これは変換効率の著しい増加につながる。
提案される半導体レーザー・システムでは、拡張空洞鏡は、半導体レーザーの第一の空洞鏡からなっていても、第二の空洞鏡からなっていてもよい。拡張空洞鏡が、ポンプ放射に対して部分的に透過性である半導体レーザーの第二の空洞鏡からなる場合、VECSELの拡張空洞および半導体レーザーの共振器空洞は、一つの鏡コンポーネントを共有して背中合わせに配置される。
VECSELの拡張空洞鏡でもある半導体レーザー空洞の第二の空洞鏡が半導体レーザーの半導体レーザー媒質の端面に直接取りつけられる場合、構成のコンパクトさはさらに改善できる。このレーザー媒質は普通、ドープされたレーザー結晶またはドープされたガラス体であって研磨された端部面（end faces）をもつものによって構成される。好ましい代替として、第二の空洞鏡および拡張空洞鏡は、半導体レーザー媒質の上の端部面上の適切な誘電体コーティング、特に多層膜コーティングによって構成される。これは、この端部面に取りつけられねばならないさらなる基板の使用を不要にする。
さらに、半導体レーザー空洞の第一の空洞鏡が、半導体レーザー媒質の反対側の端部面上の適切なコーティングによって形成されてもよい。これは、二つの端部面上に半導体レーザーの二つの共振器空洞鏡を形成する適切なコーティングをもつ半導体レーザー媒質から構成される半導体レーザーにつながる。第一の空洞鏡を担持する端部面は好ましくは、凸型の第一の空洞鏡を形成するよう凸型にされる。
あるさらなる実施形態では、半導体レーザーは、VECSELの拡張空洞内部に配置される。この実施形態では、VECSELの拡張鏡は半導体レーザーの第一の空洞鏡をもなす。半導体レーザーの第二の空洞鏡は、VECSELの拡張空洞内部に配置され、VECSELのポンプ放射に対して高度に透過性であるよう設計される。
同時にVECSELの拡張空洞鏡を構成するのにも適切な半導体レーザーの第一および第二の共振器空洞鏡の設計が可能となるのは、VECSELと半導体レーザーの異なる波長のためである。異なる波長に対する適切な反射率および透過率は、当技術分野において既知の適切な多層膜コーティング設計によって達成できる。
提案される半導体レーザー・システムは、VECSELレーザー材料またはポンプおよび発光波長の特定の組み合わせに限定されない。あくまでも例示の目的で、以下の記述においていくつかの例を挙げる。ただし、そうした例は本発明の範囲を限定するものではない。半導体レーザーのよく知られた例は、808nmでポンピングされ1064nmまたは946nmで発光するNd:YAGレーザーである。他の例は、970-980nmでポンピングされ、たとえば1030nmで発光する半導体レーザー材料についてYb:YAG、Yb:LaSc3(BO3)4またはYb:RE2O3（RE＝Y,Gd,Lu,Sc）である。他の例は、970-980nmでポンピングされ、IRのさまざまな波長で、たとえば1550nm周辺のテレコム帯域においてまたは2700nmの水吸収の最大のところで発光する半導体レーザー材料について、たとえばEr:RE2O3（RE＝Y,Gd,Lu,Sc）、Er:LaSc3(BO3)4、Er:YAG、Er:YLFまたはEr/Yb:ZBLANといったErおよびEr/Ybドープされた材料である。他の材料は、三価のCe-,Pr-,Nd-,Pm-,Sm-,Eu-,Gd-,Tb-,Dy-,Ho-,Er-,Tm-,Yb-をドープされるまたは遷移金属イオンをドープされる。これは、VECSELポンピング式半導体レーザー（VPSSL: VECSEL-pumped solid-state laser）用のアクセス可能なレーザー波長をIR領域のさらなる波長（1300nm、2000nm、……）にまで拡大する。
VPSSLは、可視波長を生成するためにも有用でありうる。一例を挙げると、445nm付近で発光するVECSELは、Prドープされた材料をポンピングするために使用できる。Prドープされた材料は600cm-1未満のフォノン・エネルギーによって特徴付けられ、シアン（〜491nm）、緑（〜520nm）、オレンジ（〜610nm）または赤（〜640nm）波長でレーザー放射を生成する。好適なホスト材料のいくつかの例は、LiLuF4、LiYF4、KYF4、KY3F10、BaY2F10またはZBLANである。この型のVPSSLはディスプレイ用途用に好適なレーザー源である。
まとめると、提案される半導体レーザー・システムの場合におけるようなポンピング式半導体レーザーは、今日VECSEL技術を用いて達成可能な波長の範囲を新たな波長範囲に拡張する。たとえば、1.3または1.5μmといった光ファイバー通信に使用される典型的な波長範囲で発光するレーザーが可能である。また、2.7μmにおける水吸収の最大において発光するレーザーが、提案される半導体レーザー・システムに基づいて可能である。したがって、そのようなシステムは、VECSELの可能な用途分野を著しく拡大する。
本発明のこれらおよびその他の側面は、以下に記述される実施形態を参照することから明白となり、明快にされるであろう。
提案される半導体レーザー・システムについて、以下で、例として、請求項によって定義される保護の範囲を限定することなく、述べる。
VECSELの典型的なセットアップを示す図である。 提案される半導体レーザー・システムの第一の例を示す図である。 提案される半導体レーザー・システムの第二の例を示す図である。
端面発光レーザー・ダイオードとは対照的に、面発光レーザーは対称的かつ均一なビーム・プロファイルを示す。そのような面発光レーザーの特別な例はVECSELである。VECSELは、レーザーのモードを定義および制御する拡張された空洞（extended cavity）をもつ面発光レーザーからなる。VECSELの典型例の概略図を図１に示す。VECSELは、分布ブラッグ反射器（DBR: distributed Bragg reflector）１、活性層２および部分DBR３を基板４上に形成する層スタックを有する。層スタックはヒートシンク５上にマウントされる。活性層２の電気ポンピングは、層スタックの両側に加えられる適切な電気接点６によって達成される。拡張された空洞は、この場合VECSELの出射結合鏡（outcoupling mirror）として設計されている別個の拡張された鏡（extended mirror）７と、層スタックのDBR１との間に形成される。基板４内では、動作中の熱生成により、熱レンズ８が形成される。この熱レンズ８を用いて、ポンプ・レーザー・ビーム９のビーム・ウエストが形成され、そこに拡張鏡７が置かれる。この拡張鏡７は、レーザー作用のためのフィードバックを与える。熱レンズ８の代わりまたはこれに加えて、基板４内または基板４上にコリメーション・レンズが形成されることができる。このVECSEL内のモード制御は、熱レンズまたはコリメート・レンズの焦点距離の適切な選択によって、および出力結合器（output coupler）の、すなわち拡張空洞鏡７の設計によって可能となる。そのようなVECSELの一般的な構成は当技術分野において既知である。
提案される半導体レーザー・システムでは、そのようなVECSELは半導体レーザーのためのポンプ・レーザーとして使用されうる。本発明によれば、VECSELの拡張空洞鏡７は、半導体レーザーの共振器端部鏡の一つによって形成される。そのような構成の第一の例が図２に示されている。この特別な実施形態では、半導体レーザーの第二の空洞鏡１０が、半導体レーザー媒質１１に、その端部面の一方において直接取りつけられている。半導体レーザーのレーザー発光（レーザー・ビーム１３）に対して高度に反射性であるこの第二の空洞鏡１０は、VECSELの拡張空洞鏡７をも形成する。この鏡はまた、半導体レーザー媒質１１の端部面上に直接、いかなる基板もなしで、形成されることもできる。
たとえば図２に示されるような提案される半導体レーザー・デバイスでは、ポンプ・レーザーと半導体レーザーとの間にコリメート・レンズが使用されていない。これは、追加的な損失を防止し、高度に統合された構成につながる。図２に示されるような有利な実施形態では、半導体レーザー媒質１１の反対側の端部面は、半導体レーザーにとって出力結合器となる半導体レーザー空洞の第一の端部鏡１２をなすようコーティングされる。半導体レーザー媒質１１のこの例では、この反対側の端部面は凸型にされており、半導体レーザーのための半球状の共振器をなす。上記の構成は、整列される必要のある個別光学素子の数がVECSEL自身のために必要とされるより多くない、高度の統合（integration）につながる。
図３に描かれるように半導体レーザーがVECSELの拡張空洞内に置かれると、一層高度な統合が達成できる。このセットアップは、ずっと高い空洞内パワーが半導体レーザーをポンピングするために使用でき、結果として、半導体レーザーは閾値よりずっと高くポンピングされることができるという追加的な利点をもつ。この実施形態では、出力結合器、すなわち半導体レーザーの第一の空洞鏡１２は、ポンプ・パワーに対して高度に反射性となるよう設計され、このため、ポンプ・レーザーに対する唯一の損失は半導体レーザー媒質１１内での吸収によって与えられるものである。同時に、半導体レーザーのこの第一の空洞鏡１２は、VECSELの拡張空洞鏡７をなしている。この場合、第一の空洞鏡１２は、半導体レーザー媒質１１の適正にコーティングされた表面であってもよく、あるいは別個の光学コンポーネントではなくレーザー媒質１１に直接取りつけられたコンポーネントであってもよい。これは、そのようなレーザーに必要とされるコンポーネント数および整列ステップ数をさらに削減する。
半導体レーザーの第二の空洞鏡１０も拡張空洞内に置かれ、VECSELの一部をなす層スタックに取りつけられてもよい。この第二の空洞鏡は、VECSELのポンプ放射に対して高度に透過性であり、変換された放射、すなわち半導体レーザーによって放出される放射に対して高度に反射性であるよう設計される。図３では、ポンプ・レーザー空洞の長さ１４および半導体レーザー空洞の長さ１５も示されている。
本発明は、図面において詳細に図示され、記述されてきたが、以上の記述は例であって、開示された実施形態に限定されるものではない。上記のおよび請求項における異なる実施形態が組み合わされてもよい。図面、本開示および付属の請求項を吟味することから、本発明を実施する当業者は、開示される実施形態の他の変形を理解し、実施することができる。たとえば、VECSELの構成は図面に示されるものに限定されない。また、そのようなVECSELの他の構成、たとえば、層スタックの反対側に基板をもつVECSELが使用されてもよい。さらに、本発明は、DBRおよび活性層をなすVECSELのスタックの諸層のいかなる材料や配列にも限定されない。本発明は、共振器空洞鏡が半導体媒質の端部面に直接取りつけられるまたは端部面上のコーティングとして形成される実施形態に限定されない。これらの空洞鏡は別個に、半導体媒質から離れて配置されてもよい。
請求項において、動詞「有する」およびその活用形は、他の要素やステップを排除するものではない。不定冠詞は複数を排除するものではない。複数の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているというだけの事実がこれらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項に参照符号があったとしてもそれらの請求項の範囲を限定するものと解釈してはならない。
１ DBR
２ 活性層
３ 部分DBR（partial DBR）
４ 基板
５ ヒートシンク
６ 電気接点
７ 拡張空洞鏡（extended cavity mirror）
８ 熱レンズまたはコリメーション・レンズ
９ ポンプ・レーザー・ビーム
１０ 第二の端部鏡
１１ 半導体レーザー媒質
１２ 第一の端部鏡
１３ 半導体レーザー・ビーム
１４ ポンプ・レーザー空洞の長さ
１５ 半導体レーザー空洞の長さ

Claims (8)

  1. 垂直拡張共振器型面発光レーザーによって光学的にポンピングされる半導体レーザーによって構成される半導体レーザー・システムであって、前記垂直拡張共振器型面発光レーザーは拡張空洞鏡を含み、前記半導体レーザーは、二つの共振器空洞鏡からなるレーザー空洞内に配置された固体レーザー媒質を有し、前記空洞鏡のうち第一の空洞鏡は前記半導体レーザーの出射結合鏡として設計され、前記空洞鏡のうち第二の空洞鏡は該第二の空洞鏡を通じて前記半導体レーザー媒質の光学的ポンピングを許容するよう形成され、前記拡張空洞鏡は、前記半導体レーザーの前記共振器空洞鏡の一つによって構成される、半導体レーザー・システム。
  2. 前記拡張空洞鏡が、前記半導体レーザーの前記第二の空洞鏡によって構成される、請求項１記載のデバイス。
  3. 前記拡張空洞鏡および前記第二の空洞鏡が、前記半導体レーザー媒質の第一の端部面上のコーティングによって構成される、請求項２記載のデバイス。
  4. 前記拡張空洞鏡および前記第二の空洞鏡が、前記半導体レーザー媒質の第一の端部面に取りつけられた基板上に形成される、請求項２記載のデバイス。
  5. 前記第一の空洞鏡が、前記第一の端部面と反対側の前記半導体レーザー媒質の第二の端部面上のコーティングによって構成される、請求項３または４記載のデバイス。
  6. 前記第二の端部面が凸型である、請求項５記載のデバイス。
  7. 前記半導体レーザーが前記垂直拡張共振器型面発光レーザーの拡張空洞の内部に配置され、前記拡張空洞鏡が前記半導体レーザーの前記第一の空洞鏡によって構成される、請求項１記載のデバイス。
  8. 前記拡張空洞鏡のところでポンプ放射のビーム・ウエストを形成するよう前記VECSELが熱レンズまたは統合されたレンズを有する、請求項１記載のデバイス。
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