JP4050328B2 - 高出力レーザ装置 - Google Patents

Description

関連出願
この出願は、１９９７年３月２１に出願された米国仮出願第６０／０４１、１８５の利益を請求し、その内容をここで参照して取り込む。
発明の背景
今日通常使用されている半導体レーザは、エッジ放射ダイオードレーザと垂直キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）面放射レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）とを有している。エッジ放射レーザにおいて、半導体利得媒体（ｇａｉｎ ｍｅｄｉｕｍ）、例えば量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ）半導体基板は半導体基板の面上に形成されている。キャビティミラーは、利得媒体を有する共振キャビティを形成するために、基板面に垂直に基板の反対側に形成されるかまたは他の方法で配置される。利得媒体の電気的または光学的供給は、基板の平面に沿った方向へ伝搬するレーザビームを発生する。
エッジ放射レーザは、極めて普通の半導体レーザ装置である。個々の装置として商業的に利用可能で線形バーのアレー（ａｒｒａｙ）は、たとえば、固体レーザを供給するための光学的供給源として使用される。エッジ放射レーザの、代表的には数百ミリワットより大きい適用構造は、通常高順位の空間モード（ｓｐａｔｉａｌ ｍｏｄｅ）および複数の周波数において操作する。これは、単一空間モードおよび／または単一周波数において高出力レーザ出力が必要な、それらの応用の使用を阻止する。エッジ放射は、また、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）と、ビームを小さなスポットに焦点を合わせるのを困難にする通常大きなビームの縦横比をかなりの程度有していて、焦点を合わされた出力ビームを必要とする応用に使用できなくする。ビーム品質が悪いエッジ放射レーザは、また、わかりにくく非効率的な非線型光学材料を使用したレーザ出力の周波数重畳（ｄｏｕｂｌｉｎｇ）をする。
従来のＶＣＳＥＬにおいて、キャビティミラーは、半導体基板に成長した半導体利得媒体の向き合った面に形成されるか、または他の方法で配置される。電気的または光学的供給は、基板の面と直交する方向に放射されたレーザビームを発生する。
従来のＶＣＳＥＬｓは、光学的通信および光学的連結システムの応用を見出した。ＶＣＳＥＬレーザは、約８ミリワット（ｍＷ）の連続した波長（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）（ｃｗ）に制限される通常低い基本的空間モードのＴＥＭ_oo出力によって特徴づけられ、また、数マイクロメータ（μｍ）のオーダーの小さな基本的モードのビーム直径によってさらに特徴づけられる。ビーム直径が、１００μｍのオーダーの直径を持った比較的大きな領域のＶＣＳＥＬ放射は、ｃｗ出力の数百ｍＷを有する出力ビームを製造できる。しかしながら、従来のＶＣＳＥＬｓを高出力の大きい直径で操作すると、通常、高いオーダーの空間モードと複数周波数を有する出力ビームのペナルティをもたらす。垂直外部キャビティ面放射レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）としてこの分野で参照される外部キャビティＶＣＳＥＬ構造において、外部リフレクタは外部カプラとして役立つ。外部キャビティＶＥＣＳＥＬ装置は、ＶＣＳＥＬ装置よりも高い基本的空間モード出力を有する。
垂直に発生する半導体レーザの外部キャビティの従来の作業は、低出力の結果となる。たとえば、ＳａｎｄｕｓｋｙとＢｒｕｅｃｋの作業は、半導体を励起するために低出力を生成し、光学的供給を使用した。Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒの１９９６年第８巻３１３ページ〜３１５ページのｊ．Ｖ．ＳａｎｄｕｓｋｙとＳ．Ｒ．Ｊ．Ｂｒｕｅｃｋの「ｃｗ外部キャビティ面放射レーザ」を参照してほしい。Ｈａｄｌｅｙ他の研究において、外部キャビティの電気的に励起されたＶＣＳＥＬは、基本的空間モードにおいて、２．４ｍＷｃｗと１００ｍＷ 脈動（ｐｕｌｓｅ）とを生成した。この場合において、１２０μｍ迄の放射領域が使用された。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔｅｒの１９９３年の第６３巻１６０７ページ〜１６０９ページのＭ．Ａ．Ｈａｄｌｅｙ、Ｇ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎ、Ｋ．Ｙ．Ｌａｕ、およびＪ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈの「高単一横断モード出力の外部キャビティ面放射レーザダイオード」を参照してほしい。
種々のレーザ応用のために、レーザによって発生されたビームは、周波数変換と周波数重畳（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｈｇ）が実行される。これは、非線形材料、たとえば、ＫＴＰ、ＫＴＮ、ＫＮｂＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃をレーザ経路に導入することによって達成される。非線形材料へのビーム投射の周波数は、第２の周波数に変換される。非線形材料は、「重畳結晶」として参照され、材料の性質は、それが結晶を横断するビームの周波数を重畳するのに役立つようなものである。材料による効率的な周波数変換は、通常、高強度で単一モードの投射ビームが必要である。
半導体レーザの周波数重畳は、成功の程度を変えるために、エッジ放射ダイオードレーザキャビティの外部に設けられた重畳結晶を使用して過去において実証されてきた。エッジ放射ダイオードレーザからの出力ビームは、通常、高度に分岐し、効率的な周波数重畳のために理想的に要求されたそれからの光学的フィールド強度と位相前部とを劣化するような、非点収差のある程度と同様な大きな縦横比を有している。光学的フィールド強度を比較的長い経路の長さをある程度越えて維持するために、ダイオードレーザからの光が非線型材料に組み立てられた光学伝搬路に投射される実験が実行されてきた。この技術は、通常複雑で、レーザ光を外部伝搬路に投射するために十分なビーム品質を有している比較的低出力ダイオードレーザを使用する。
過去においていろいろな技術が、十分な変換が可能なようにビームパワーを装備するために試みられた。ＳＰＩＥのＰｒｏｃ．の１９８０年の第２３６巻第８ページ〜第１８ページのＧｕｎｔｅｒ、Ｐ．Ｇｕｎｔｅｒ他による「レーザダイオードを持った光学的周波数重畳用の非線型光学結晶」は、単一経路重畳構造にカリウムニオブ酸塩ＫＮｂＯ₃を使用したダイオードレーザ放射の低効率周波数重畳を実証している。他の技術において、Ｋｏｓｌｏｖｓｋｙ他の１９８７年のＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ１２、１０１４は、周波数変換を達成するために循環パワーを増加する外部リング共振器に単一空間モードのエッジ放射ダイオードレーザとＫＮｂＯ₃を使用している。Ｋｏｓｌｏｖｓｋｙ構造は、非線型結晶の温度を両方の周波数に調波させるのと同様に、リングキャビティのファブリーペロー（ｆａｂｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器に単一周波数レーザの周波数ロックが必要である。これは、周波数ロックを維持するために複雑な結晶配列と波長制御回路とが必要である。
発明の概要
本発明は、上述の制限を克服する単一空間モードにおける高出力レーザ放射を発生するための装置と方法に関する。本発明のレーザは、外部キャビティに形成された場合、効果的周波数変換のために適切な経路長を越えたビームパワー密度を提供するように、出力ビームの周波数変換のために特に受入可能である。
本発明の第１の実施例において、装置は、第１と第２の部分的リフレクタの間に規定された共振キャビティを有している。共振キャビティの構造は、基本的空間または横断するキャビティモードを規定する。利得媒体は、共振キャビティ内に配置され、エネルギー源は、第１の体積（ｖｏｌｕｍｅ）内の利得媒体を付勢する。これが、基本的なキャビティモードを横断する方向で利得媒体に伝搬する自然で誘導エネルギー放射を起こさせる。横断する放射は、次いで、第１の体積の周りに利得媒体の第２の体積を光学的に供給する。自然放射の強さが十分高い場合、逆変換と利得とは、第２の体積で生成される。第１と第２の体積内のエネルギーは、基本的なキャビティモードレーザビーム内に結合される。
基本的なキャビティモードが第１と第２の体積の両方に結合されるように、キャビティの構造を最適化することによって、第２の体積内へ横断的に向けられた第１の体積のエネルギーは、他の方法でも浪費されるが、レーザの全体のパワー効率を改良するために、代わって基本的ビームによって補足される。これを効果的にするために、好ましい実施例において、キャビティミラーは、基本的キャビティモードを第２の体積に断面積に調波させるために選択される。この方法において、基本的空間モードにおけるレーザエネルギーは、利得媒体の第１と第２の両方の体積から効率的に引出される。
好ましい実施例において、第１の体積は実質的に円筒状で断面積の直径がＤ₁であり、第２の体積は実質的に環帯で断面積の外側の直径がＤ₂であって断面積の内側の直径がＤ₁であり、第１と第２の体積は断面積的に実質的に同心である。
利得媒体は、好ましくは、垂直キャビティ構造に半導体材料で形成されている。あるいは、利得媒体は、利得遷移のスペクトル領域に吸収を有する活性化イオンを有した固体材料で形成されてもよい。そのような固体材料の例としてエルビウム（Ｅｒ）：ガラス、イッテルビウム（Ｙｂ）：ガラス、およびイッテルビウム（Ｙｂ）：ＹＡＧがある。固体材料の場合、供給エネルギーは、好ましくは、たとえばダイオードレーザのような光学的手段によって発生される。
非線型結晶は、レーザ出力周波数を変更するために、光学的キャビティまたはレーザの外へ設けられる。非線型変更用の適切な材料は、ＫＴＰ、ＫＴＮ、ＫＮｂＯ₃、およびＬｉＮｂＯ₃、ならびに、周期的に極化された（ｐｏｌｅｄ）ＬｉＮｂＯ₃のような周期的に極化された材料を有している。
以下に詳細に述べられる本発明の好ましい実施例は、１ｍｍの直径のビーム用として基本的空間モードにおいて１００ｋＷを越える内部キャビティ循環パワーレベルを発生することができる。レベルは、非線形材料の基本的放射の調波した変換を生成するために十分である。たとえば、ＧａＩｎＡｓ利得媒体を使用した半導体構造の周波数重畳は、９００ｎｍから１１００ｎｍの基本的な波長と、青から緑の波長の周波数重畳出力を提供する。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述のおよび他の目的、態様、および利点は、異なった図を通して同様の部品に類似の参照符号を付してある添付した図面に示された、本発明の好ましい実施例の特別な記述から明らかになるであろう。図面は、寸法的には必要ではなく、発明の原理を示すのに代えて強調されている。
図１は、本発明によるＶＥＣＳＥＬレーザ構造の斜視図。
図２は、本発明による第１の供給された体積から第２の環状の体積への自然で誘導放射の横断する伝搬を示すための図１の構造の切除した側面図。
図３は、本発明による第１の供給された体積と第２の環状の体積との関係を示すＶＣＳＥＬレーザ構造の斜視図。
図４は、本発明による光学的増幅装置の構造を示す斜視図。
図５は、出力エネルギーを工学ファイバ内へ結合するための結合構造を示す側面図。
好ましい実施例の詳細な説明
図１は、ＶＥＣＳＥＬ構造における本発明の好ましい実施例の斜視図である。図１のレーザは、半導体基板２０を有していて、その第１の面上には、半導体量子井戸利得領域２２が形成されている。第１のリフレクタ２６、例えばｐ−Ｂｒａｇｇリフレクタが、量子井戸領域２２上に形成されている。外方の第２のリフレクタ３０は、第１のリフレクタ２６に向き合って位置している。第１のリフレクタと第２のリフレクタ２６、３０の間の距離とそれらの各曲率は、共振キャビティ６０の基本的なキャビティモードを規定している。第２のリフレクタ３０は、図１において、ＶＥＣＳＥＬ構造に従って外部キャビティミラーとして示されている。しかしながら、第２のリフレクタ３０は、それに代わって、ＶＣＳＥＬ構造を構成するように基板の第２の面に直接隣接する層としても良い。本発明のためにここで使用される用語「リフレクタ」は、部分的におよび／または完全に反射性の材料および／または面を含むことに注目してほしい。第２のリフレクタ３０が面した基板２０の表面４２は、好ましくは、反反射性のコーティング４２の処理がされ、境界面を横切る共振キャビティ６０のどのようなビームエネルギーも、最小の反射で通過するであろう。好ましい態様は、従来技術において良く知られている。
図２の断面図に示したように、共振キャビティは、電気的な環状のコンタクト２８によって電気的に供給され、基板２０の向き合った面の環状のコンタクト２８と円形のコンタクト４０との間で電流３８を流すようにする。結果としての合成的な電流の流れ３８は、一般に形状が円錐状で、コーンの基部３９Ａは環状のコンタクト２８にあり、コーンの頂部３９Ｂはコンタクト４０の近傍にある。頂部３９Ｂ内の流れは、一般に断面積が環状であって、利得領域２２の実質的に円筒状の第１の体積４４を付勢するが、第１の体積４４は断面積の直径がＤ₁である。直径Ｄ₁は、好ましくは、利得領域２２の厚さよりも実質的に大きい。
直径Ｄ₁の励起された利得領域２２は、キャビティレーザビームの伝搬を横切った方向へ移動する、誘導されたおよび自然放射を矢印４８で示されたように生ずる。標準的な従来のＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬレーザにおいて、そのようなエネルギーは、装置の外側へ逃げるか、または出力ビーム３２に貢献しないエネルギーとして浪費された。本発明の構成においては、この横断エネルギーは、第１の供給された体積を取り巻く環状の第２の体積４６に吸収される。この吸収されたエネルギーは、基本的なレーザモード６０内への利得、したがってパワーを与える第２の体積４６を供給するのに役立つ。
第１の領域Ｄ₁の電気的または光学的供給が利得を生成すると、この利得は横断方向と長手方向の両方のために生ずる。横断利得長さが長手利得長さよりも大きいので、誘導放射（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）をよりその方向に生ずることができる。寸法Ｄ₁が大きければ大きいほど横断方向への誘導放射用の正味の利得は大きくなる。熱放散と制限が、長手方向における半導体の表面の光学パワー密度による悲劇的な劣化によって設定されるので、より大きい出力はより大きい領域の装置を要する。そのような大きい領域の装置のために、全体のパワー転換効率を減少するような横断する誘導放射の発生によって大きなパワーが失われる。自然放射（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）もまた起きるが、しかし、比較的大きい領域の装置用にはさほど重要ではなくなる。もし隣接する領域が、誘導放射を吸収するために（また、同様に、自然放射が比較的少ないために）構成されていると、別な方法で失われたエネルギーは、第２の領域Ｄ₂をそれが利得を生ずる程度に光学的に供給するために使用することができる。第２の領域Ｄ₂内に供給されたエネルギーは、Ｄ₂に等しいモードくびれ（ｗａｉｓｔ）を利得媒体に生ずるために、外側のミラー３０を調整することによって抽出することができる。外側のキャビティミラー３０は、Ｄ₁とＤ₂とによって規定された全体の領域の利得を固定すなわち「クランプ」する。供給された領域の中心から離れた強度の減少と共に、横断する供給の程度が減少するので、第２の領域Ｄ₂の範囲には限界がある。この限界は、寸法Ｄ₁と、Ｄ₁によって規定された領域の供給強度（電気的または光学的）に関連する。
モードくびれ直径Ｄ₂が与えられと、第２のリフレクタ３０用の適切な曲率半径Ｒと適切な光学キャビティ長さとを有するキャビティを構成するための技術は、この分野で良く知られている。例えば、Ｈｅｒｗｉｇ ＫｏｇｅｌｎｉｋおよびＴｉｎｇｙｅ Ｌｅｅの、「ビーム、モードおよび共振装置」（１９７１のＣＲＣ発行のＣＲＣレーザハンドブック４２１〜４４１頁）を参照してほしい。第２の直径Ｄ₂は、励起レベルと直径Ｄ₁との関数である。デザインは、半導体の悲劇的な劣化と第２の直径Ｄ₂からの熱的パワー放散とによって限定された、循環パワー密度によって限定された最大出力パワーのために最適化されるであろう。キャビティ用のモードくびれ直径は、例えば、キャビティ長さＬを第２のリフレクタ３０用の固定された曲率半径Ｒ用に調整することによって釣り合わすこことができる。
図３は、本発明によるＶＣＳＥＬ構造のレーザの第１の供給体積４４と第２の出力体積４６との関係を示す斜視図である。供給された第１の体積４４は、利得媒体２２の領域において直径Ｄ₁である。矢印４８で示された自然および誘導放射の横への伝搬は、第１の体積４４を取り巻いている第２の体積４６を特徴付ける環状の体積４６を光学的に供給するかまたは他の方法で励起する。環状の体積４６は、内径Ｄ₁と外径Ｄ₂とを有していて、ガウスビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍ）分配をする第１の体積４４と断面積的に実質的に同心である。基本的なキャビティモードは、第２の体積４６の外径にほぼ等しい直径を有することによって最適化され、それによって、第１の体積と第２の体積の両方のエネルギーは捕捉されそしてそれ故出力ビーム３２に貢献する。第１の体積４４の励起は、電気的または光学的手段によって起こされるであろう。
レーザキャビティパラメータは、好ましくは、最大の操作パワーレベルにおいて、モードくびれを直径Ｄ₂に実質的に等しく設定するために調節される。単一の平面ミラー２６と、図２に示された曲率半径Ｒを有する単一の凹状の球面ミラー３０を有するレーザキャビティにおいて、レーザチップｗ₁と出力ミラーｗ₂とのモードビーム直径は、次によって特徴付けられる：

ここで、上記で引用したＫｏｇｅｌｎｉｋ他に述べられているように、Ｌはキャビティ長さで、λは出力レーザビーム３２の波長である。これらの方程式から、例えば、キャビティ長さＬを特定の曲率半径Ｒ用に調整することによって、基本的なレーザモードの直径は、第２の体積４６の外径に等しく作ることができることが明らかである。あるいは、曲率半径Ｒはキャビティ長さＬの特定の範囲用に選択されるようにしても良い。湾曲ミラーに代えて平坦な出力カプラが、同一の結果を達成する適切な構造のレンズと共にキャビティに使用される。物理レンズまたは熱レンズは、この目的のために使用し得る。
半導体レーザ装置の好ましい実施例は、多数要素量子井戸構造かまたは、この多数要素量子井戸構造に等しい全体の利得厚さを有する単一利得領域を備えている。十分な単一の通過利得を達成するために、ガリュームインジューム砒素（ＧａＩｎＡｓ）のような半導体材料の９００ナノメータ（ｎｍ）から１１００ｎｍの波長のレーザ構造は、少なくとも５量子井戸または等しい厚さを有している。より効率的な操作用として、導電性の基板層２０のレーザ波長での自由搬送吸収による光学的損出を効率的に克服するために、少なくとも１０量子井戸が使用される。単一の量子井戸の代表的な厚さは、ほぼ８ｎｍである。光学的バンドギャップは量子井戸の厚さに依存していて、それ故、利得材料の単一層用の等価厚さは狭い量子井戸用の類似の組成構造から幾分シフトされた波長を有していることに注意してほしい。全体の厚さまたは量子井戸の数は、効率的操作のために全ての内部キャビティの損出を克服するための利得を増加するために増加することができる。これは、そのような構造を均一に成長する能力と、そのような構造用の実際のしきい値電流密度によってのみ限定される。従来のＶＣＳＥＬｓは、代表的には、非常に高い反射能力ミラーの間の唯一のまたは幾つかの量子井戸と共に操作する。そのような装置は、低い光学利得を示し、それ故、本発明の装置のように効率的には操作しない。
レーザ装置内に注入された電気の流れまたは光学的供給エネルギーは、良く知られた方法のいずれからでも提供でき、例えば、米国物理学会発行の「半導体レーザ」のＧ．Ｐ．Ａｇａｒｗａｌの１４６から１５７頁がある。本発明の好ましい実施例において、ほとんどの射出電流３８は、上述の方程式（１）および（２）によって規定されるような基本的な空間モードの直径Ｄ₁に等しいかまたはそれよりも小さい直径の環状の領域内に向けられる。
上述のように、エッジ放射ダイオードレーザを使用した低効率周波数重畳は、過去においてＧｕｎｔｅｒおよびＫｏｓｌｏｖｓｋｙ他によって実証された。対照的に、本発明の好ましい実施例においては、全体の単一通過利得がエッジ放射ダイオードレーザよりもきわめて低いＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬ垂直キャビティレーザ構造を採用している。さらに、本発明の垂直キャビティ装置からの出力は、エッジ放射装置よりもより大きい環状ビーム領域、例えば数百倍も大きい領域に亘って分配する。基本的な循環空間モードにおける達成可能な内部キャビティ循環パワー密度は、半導体表面の悲劇的な劣化のみによって限定されて、数ＭＷ／ｃｍ²を越えることができる。類似のパワー密度がエッジ放射レーザで達成可能であるのに対して、ビームは、周波数重畳を困難にするダイオードキャビティの導波路に制限される。周波数変換の効率が光学的強度と相互作用領域の長さとの両方に依存するので、ダイオードレーザの周波数重畳は複雑になり、十分な相互作用距離のフィールド強度を維持するための導波路構造をもたらすことができる。ビームが光学的レーザキャビティ内において実質的に拡散しないことにより、高光学フィールド強度が十分に長い相互作用長さを越えて維持できるので、高変換効率が、本発明において達成することができる。高品質のビームは、最近研究された周期的に極化された非線形材料のような、キャビティの外側のあらゆる変換形状のために、より好適な周波数変換状態を提供する。さらに、本発明は、光学的パワーを増加しそれ故非線形変換効率を増加するために、脈打った、利得切り換えされた、および、モードロックされた形状で操作することができる。本発明は、調波周波数変換のみでなく和および差周波数変換にも適用できる。好ましい実施例において、非線形材料は、レーザが単一周波数を操作するファブリーペロー共振を有している。例示的構造が図２に示されていて、基板２０と外部ミラー３０との間に内部キャビティ非線形結晶５８を有している。
上述の各技術の構造、例えば、Ｓａｎｄｕｓｋｙ他およびＨａｄｌｅｙ他のような構造は、キャビティ構造を供給された体積のみに釣り合わせることによって限定されるが、本発明はそうではなく、エネルギーを、第１の体積において発生した横断するエネルギー放射によって付勢された第２の体積に加えて、第１の供給された体積から引き出す。
本発明の出力は、上述したように、モード体積の直径を増加することにより、増大することができる。例えば１０ｋＷのピークの出力レベルは、直径１ミリメータの利得領域から発生することができる。連続的なｃｗの出力レベルは、単一要素の装置から１０ワットを越え、熱的要件によってのみ限定される。
後ろの方向へ伝搬する第２の調波放射はさらに半導体レーザ構造に吸収されるが、それは、活性化利得領域へ移動する電子と正孔とを生成し、それによって基本的レーザ放射のパワーを増加するするようにしてなされる。これはまた、調波放射の単一終了出力を生成するのと同様に、第２の調波出力の効率増加の効果を有する。他の実施例において、調波放射が利得媒体内に反射して戻らないが中間のミラーによって存在する位置に非線形材料が設けられている３ミラーキャビティが使用できる。リング共振器構造もまた採用できる。
赤外線波長を可視に変換するのに適した代表的な周波数重畳材料は、周期的に極化されたＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＰ、およびＫＮｂＯ₃を有する。９００ｎｍレンジで操作するＧａＩｎＡｓレーザを使用して、例えば、ＫＴＰは１μｍの光線を緑の波長に変換するために位相を釣り合わすことができ、ＫＮｂＯ₃は赤外光線を青の波長に変換することができる。
この分野で良く知られた内部キャビティ周波数重畳用の多くの構造は、本発明において使用することができる。例えば、パワー密度を増大するために、焦点式レンズをミラー２４と３０とによって規定されたレーザ共振器内に配置することができる。この技術は、非線形材料または比較的低い非線形性能計数の非線形材料を非常に短い長さで使用することを可能にする。
ＫＴＰおよびＫＮｂＯ₃のような重畳材料のために、本発明の構造において可能な循環パワーレベル用の活性結晶長さは１ｃｍよりもかなり短い。比較的短い非線形材料の長さは、条件に釣り合う比較的広範囲な温度と波長位相を提供することができる。例えば、ＫＮｂＯ₃用として、１ｍｍまたはそれ以下の結晶長さは、セ氏数度以上の温度位相釣り合いバンド幅、および数ナノメータの波長バンド幅が提供できる。そのような広い受容レンジは、そのような装置の製造と操作をかなり実用的にする。波長は、利得媒体材料の合金組成の選択によって制御されるであろうが、正確な波長制御は、内部キャビティエタロン（ｅｔａｌｏｎ）またはこの分野で良く知られた他の波長制御技術によって達成可能である。ＫＴＰを含む他の非線形材料にも同様の結果が適用する。
半導体の利得領域２２は好ましくは、マルチ要素量子井戸構造を有している。あるいは、全体の利得厚さがマルチ量子井戸構造のそれと等しい単一の利得領域を採用しても良い。十分な単一の通過利得を達成するために、ＧａＩｎＡｓで作られた代表的には９００ｎｍから１１００ｎｍ波長レーザ構造用の多くの量子井戸は、５以上で、代表的には１０と２５井戸の間の範囲である。電気的または光学的励起の何れかを使用する脈動条件下で操作する高ピークパワー装置用として、井戸の数は、５０以上となろう。限界は、多くの応力のない量子井戸層を成長させるための実用的な能力によって管理される。この場合において、ヘテロ構造は、より効果的な選択であろう。高ピークパワー装置は、例えば、供給源としての高出力Ｑ切り換え固体レーザを使用することによって作ることができる。
従来の垂直キャビティ半導体レーザは、代表的には、唯一または幾つかの量子井戸と非常な高反射性キャビティミラーと共に操作する。そのような装置は、本来の低光学利得により、本発明における効率のように操作しないであろう。実質利得は、基板材料２２の自由搬送損出と、非線形材料と内部キャビティ光学要素の関連された反反射コーティングにおける光学損出とを含む外側キャビティにおける損出を克服するのに十分である。
図２は、半導体基板２０に形成された代表的な量子井戸装置２２を示している。高度に反射性のミラー２６が、レーザ共振器の１つのミラーを提供するために装置の背面に増加される。頂部クラッド層は、非反射被覆４２ができレーザ波長の光学吸収が低い導電性の接点として役立つ。他の実施例において、第２の調波放射よりも大きい光学的バンドギャップを持った電気的に導電性の材料は、キャリアの拡散長さよりも小さい厚さで、基本的レーザ放射に透過し、そして活動的な材料と熱くて幅のあるバンドギャップ材料との間で成長した第２の調波放射の吸収する第２の層を持った導電層として役立ち、利得領域内に拡散するために光学的に付勢されたキャリアを可能にする。厚い導電性の材料は、例えば、蒸着されたスズ酸化物を有する。単一周波数操作は、例えば、エタロンをキャビティに導くことによって達成される。あるいは、非線形結晶５８が同様に周波数選択要素として役立っても良い。
高出力で可視波長を発生する能力は、プロジェクションディスプレー、読み出しおよび書き込みの光学的ディスク、光学的ホログラフィック記憶装置、およびバイオ蛍光センサを含む出願の範囲で本発明を魅力的にする。プロジェクションディスプレーの場合用に、色の３原則が発生できる。例えば、青の波長と緑の波長は、ＧａＩｎＡｓ半導体レーザの出力を波長重畳することによって生成でき、この出力は、９００ｎｍ〜１１００ｎｍ以上の範囲の波長から選択される。適切な波長重畳材料は、緑の波長用のＫＴＰと、青の波長のＫＮｂＯ₃を含んでいる。パワーはそのような装置を使用しているアレー（ａｒｒａｙ）で測定される。数十ワットの出力パワーレベルが発生する。そのようなアレーからの出力はアレーの要素間のコヒーレンスがないので、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）の効果は、ディスプレーシステムにおいて投影された像の品質に影響を与えないように大きく減少する。アレー装置の場合において、出力カプラは、リソグラフィ的に製造された２光学系ミラーまたはマイクロミラーのアレーを有していて、その位置は、ダイオードレーザ発生領域の中心に正確に整列される。
本発明に採用した投影ディスプレーシステムは、液晶空間光変調装置のような種々の電球装置、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社から販売されているようなマイクロミラー、および、カリフォルニア州サニーヴェールのＳｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅ社で開発されたようなグレーチィング（ｇｒａｔｉｎｇ）偏向電球を使用して操作できる。レーザ源のアレーのために、電球の全ての要素は、各レーザビームが拡がり離れた区域で重なることができるように、あらゆるレーザ源によって照射することができる。このようにして、ある要素がなくともシステムの操作を大きく落とすことはない。２光学系レンズが、全ての利用可能なレーザ放射を効果的に使用するために、電球の各画素にシルクハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）供給レーザ光を収束するのに使用できる。
本発明は、その好ましい実施例に関して特に示され述べられてきたが、当業者にとって、形式や詳細の種々の変更は、添付した請求項によって規定された発明の精神と範疇から離れることなくすることができる。
他の実施例として、図４は、光学的増幅器７０として構成された本発明の斜視図である。レーザ構成において、光学的増幅器７０の構成は、半導体基板２０、半導体利得媒体２２、および第１のリフレクタ２６を有している。光学的増幅器７０が共振キャビティを有していないので、第２のリフレクタは必要がないことに注目してほしい。利得媒体２２の第１の体積４４は、電気的または光学的エネルギー５６と共に供給される。第１の体積４４は、通常、直径Ｄ₁を有する断面的に円形である。上述したように、これは、第１の体積４４の周りで第２の体積４６内への横断したエネルギーの誘導的で同時的な伝搬を起こす。好ましい実施例において、第２の体積４６は、断面積が実質的に円形で、その直径はＤ₂である。直径Ｄ₂の入射ビーム５０と第１の振幅は、供給された領域で、第１の体積４４と第２の体積４６との両方によって重ね合わされ付勢されるようになされる。入射ビーム５０は、ミラー２６で反射し、そして、同様の直径Ｄ₂の出力ビーム５２として解放される。出力ビーム５２は、付勢された利得領域４６で増幅され、そしてそれ故、入射ビーム５０よりも高い強度である。そのような複数の利得要素が、システムの全体の利得を増加するために使用される。
第２の他の実施例が図５に示されていて、光学結合の側面が示されている。単一のミラー／レンズ要素７０は、ＶＥＣＳＥＬレーザ７８用の共振装置ミラーとして操作する第１の凹面７２と、光学ファイバ７６内にレーザ放射３２を向けるための収束要素として操作する第２の凸面７４とを有している。光学ファイバ７６は、単一モードまたはマルチモードのファイバで構成されていても良く、レーザエネルギーがファイバの沢山の開口内に実質的に向けられるように、レーザ放射３２の焦点に位置している。第１の面７２の反射性は、レーザ装置７８からの出力が最大になるように最適化されるが、第２の面７４と光学ファイバ７６の入射面７５とは、反射性を最小化するのにレーザ波長で反反射性の被覆がされている。
組み立て中において、ミラー／レンズ要素７０は、レーザ出力結合を最大化するために整列され配置されていて、はんだ付け、エポキシおよび／またはレーザ溶接のような、良く知られた技術で固定される。ファイバは、次いで収束された放射３２を受けるために位置付けられ、上述した技術の何れかによって設定される。この実施例は、キャビティミラーの機能と協同することによりファイバにエネルギーを収束するのに必要な光学要素の数の減少と、出力レンズを単一要素内へ入れることを提供する。

Claims (25)

1. 垂直キャビティ面放射レーザ装置であって：
   予め定められたキャビティ構造を有する共振キャビティ（６０）を規定する第１と第２のリフレクタ（２６）、（３０）と；
   予め定められた厚さを有し前記共振キャビティ内に配置された利得媒体（２２）と；および
   電流（３８）が前記利得媒体（２２）の第１の体積（４４）内に制限されて前記利得媒体（２２）を通って流れるようにするためのエネルギー源と有していて；
   前記予め定められたキャビティ構造は、
   前記第１の体積（４４）に対応する横断する寸法（Ｄ１）よりも大きい予め定められたモードくびれ寸法（Ｄ２）に関連するレーザビーム（３２）の基本的なキャビティモードを規定し、前記横断する寸法は、利得媒体（２２）の前記厚さより大きく、および
   ｗ ₁ ² ＝４λＬ／π［（Ｒ−Ｌ）／Ｌ］ ^1/2 （１）
   Ｗ ₂ ² ＝４λＬ／π［Ｌ／（Ｒ−Ｌ）］ ^1/2 （２）
   の第（１）式と第（２）式で規定されるキャビティ構造であって、ｗ ₁ は第１のリフレクタ（２６）上のモードのレーザビーム直径、ｗ ₂ は第２のリフレクタ（３０）上のモードのレーザビーム直径、Ｌは前記第１のリフレクタ（２６）と前記第２のリフレクタ（３０）との間の距離であるキャビティ長さ、λはレーザビームの波長、Ｒは前記第２のリフレクタ（３０）の曲率半径であり；
   前記利得媒体（２２）の第１の体積（４４）内に制限されて流された前記電流（３８）は、前記第１の体積（４４）から前記基本的なキャビティモードを横断する方向へ前記利得媒体（２２）内で伝搬するための自然放射光による光学的エネルギー放射（４８）を生じさせ；
   横断する光学的エネルギー放射（４８）は、前記第１の体積（４４）の周りに前記利得媒体（２２）の第２の体積（４６）を光学的に励起し；
   前記予め定められたモードくびれ寸法（Ｄ２）は、前記横断する光学的エネルギー放射（４８）の予め定められた最大レベルで前記第２の体積（４６）の対応する横断する寸法に一致し；
   前記第１と第２の体積（４４）、（４６）内のエネルギーは、前記予め定められたキャビティ構造によって前記基本的なキャビティモード内に結合されているレーザ装置。
2. 前記第１の体積（４４）は円筒状で断面積の直径がＤ₁であり、前記第２の体積（４６）は環帯で断面積の外側の直径がＤ₂であって断面積の内側の直径がＤ₁であり、前記第１と第２の体積（４４）、（４６）は断面的に同心である請求項１記載のレーザ装置。
3. 半導体基板（２０）をさらに有し、前記利得媒体（２２）は前記基板上に形成されていて、前記基板（２０）と前記利得媒体（２２）の両方が前記共振キャビティ内にある請求項１または２記載のレーザ装置。
4. 前記利得媒体（２２）は、半導体材料からなる請求項１ないし３いずれか１項記載のレーザ装置。
5. 前記利得媒体（２２）は、少なくとも１つの量子井戸半導体材料構造を有している請求項４記載のレーザ装置。
6. 前記第２のリフレクタ（３０）は、前記半導体基板（２０）に直接隣接している請求項４記載のレーザ装置。
7. 前記第２のリフレクタ（３０）は、前記半導体基板（２０）の外側にある請求項４記載のレーザ装置。
8. 前記第１と第２のリフレクタ（２６）、（３０）は、前記基本的なキャビティモードに従って形成されている請求項１ないし７いずれか１項記載のレーザ装置。
9. 前記電流は、前記第１の体積（４４）内に反転分布と誘導光学放射とを生成する請求項１ないし８いずれか１項記載のレーザ装置。
10. 第１のコンタクト（４０）が、前記第１のリフレクタ（２６）に隣接していて、レーザ装置は、第１の端部で前記利得媒体（２２）に隣接した半導体基板（２０）と、第１の端部に対向する第２の端部で前記半導体基板（２０）に設けられた第２のコンタクト（２８）とをさらに有し、前記第１と第２のコンタクト（４０）、（２８）は、作動領域の第１の体積（４４）を電気的に供給するために電気的エネルギーを搬送するのに適していて、また前記第１と第２のコンタクト（４０）、（２８）は、前記半導体基板（２０）と、前記利得媒体（２２）と、前記第１のリフレクタ（２６）とを通る電気的エネルギー経路を規定する請求項９記載のレーザ装置。
11. 前記第１のコンタクト（４０）が円い形状であって、前記第２のコンタクト（２８）が環状の形状である請求項１０記載のレーザ装置。
12. 前記利得媒体（２２）は、固体材料で形成されている請求項１ないし１１いずれか１項記載のレーザ装置。
13. 前記固体材料は、Ｅｒ：ガラス、Ｙｂ：ガラス、またはＹｂ：ＹＡＧを有する材料のグループから選択された請求項１２記載のレーザ装置。
14. 非線形ビーム（３２）の周波数を調整するためにレーザビーム（３２）の経路に設けられた非線形材料をさらに備えた請求項１ないし１３いずれか１項記載のレーザ装置。
15. 非線形材料は、共振キャビティ（６０）内に設けられている請求項１４記載のレーザ装置。
16. 非線形結晶（５８）は、共振キャビティ（６０）外に設けられている請求項１４記載のレーザ装置。
17. 非線形結晶（５８）は、ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ₃、周期的に極化されたＬｉＮｂＯ₃、ＫＴＮ、およびＫＮｂＯ₃のグループから選択される請求項１４記載のレーザ装置。
18. 非線形結晶（５８）は、レーザ装置が単一の周波数で作動するファブリーペロー共振を有している請求項１４記載のレーザ装置。
19. エタロン、複屈折要素、プリズム、およびグレーチィングからなるグループから選択された内部キャビティ同調要素をさらに備えている請求項１ないし１８いずれか１項記載のレーザ装置。
20. 前記第２の体積（４６）に吸収された前記第１の体積（４０）からの全部の励起エネルギーは、誘導放射によって基本的なキャビティモード内に放射されるようにした請求項１ないし１９いずれか１項記載のレーザ装置。
21. 前記第１の体積（４４）からの誘導横断光学放射は、前記第１の体積（４４）を取り巻く環状の第２の体積（４６）内の利得媒体（２２）を光学的に励起し、それによって前記第２の体積（４６）内で利得媒体（２２）に反転分布を生成するようにした請求項１ないし２０いずれか１項記載のレーザ装置。
22. アドレス可能な要素の配置として形成されている請求項１ないし２１いずれか１項記載の複数レーザ装置。
23. レーザ装置の効率を改良するための方法であって：
    第１と第２のリフレクタ（２６）、（３０）を配置し、それによってレーザ装置の基本的な放射モード（６０）を規定するステップを有し；
    前記規定するステップは、
    ｗ ₁ ² ＝４λＬ／π［（Ｒ−Ｌ）／Ｌ］ ^1/2 （１）
    Ｗ ₂ ² ＝４λＬ／π［Ｌ／（Ｒ−Ｌ）］ ^1/2 （２）
    の第（１）式と第（２）式で規定されるキャビティ構造を形成するものであって、ｗ ₁ は第１のリフレクタ（２６）上のモードのレーザビーム直径、ｗ ₂ は第２のリフレクタ（３０）上のモードのレーザビーム直径、Ｌは前記第１のリフレクタ（２６）と前記第２のリフレクタ（３０）との間の距離であるキャビティ長さ、λはレーザビームの波長、Ｒは前記第２のリフレクタ（３０）の曲率半径であり；
    第１のコンタクト（４０）を前記第１のリフレクタ（２６）に配置し、それによってレーザ装置の作動領域（２２）に第１の体積（４４）を規定するステップを有し、前記第１の体積（４４）は、作動領域（２２）の厚さよりも大きい横断する寸法（Ｄ１）を備えていて；
    第１の体積に制限され、それによって第１の体積（４４）内に光学的エネルギー放射を生成するように第１のコンタクト（４０）を介して電流を印加するステップを有し；
    横断する自然放射光による光学的放射（４８）を作動領域に沿って第１の体積（４４）からこの第１の体積（４４）に直接隣接する第２の体積（４６）に伝搬し、それによって前記第２の体積（４６）を光学的に誘導するステップと；および、
    第１と第２の体積（４４）、（４６）の両方の光学的エネルギー放射を結合するために、第１と第２のリフレクタ（２６）、（３０）を基本的な放射モード内に適合するステップを有し、予め定められたモードくびれ寸法（Ｄ２）は、前記第１の体積（４４）の前記横断する寸法（Ｄ１）よりも大きく、前記横断する光学的エネルギー放射（４８）の予め定められた最大レベルで前記第２の体積（４６）の対応した横断する寸法に一致している方法。
24. 第１のリフレクタ（２６）から離れた側で半導体材料層（２０）を作動領域（２２）に直接隣接して配置するステップと；および、
    第２のコンタクト（２８）を半導体材料層（２０）に配置し、それによってレーザ装置内において第１のコンタクト（４０）と第２のコンタクト（２８）との間に半導体材料層（２０）を通る電気的エネルギー経路を規定するステップをさらに備えた請求項２３記載の方法。
25. 第１と第２のリフレクタ（２６）、（３０）の間に非線形材料を配置することによって基本的な放射モードの周波数を変換するステップをさらに備えた請求項２３または２４記載の方法。

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