JP4900309B2

JP4900309B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP4900309B2
Application number: JP2008104063A
Authority: JP
Inventors: 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: JP2008211232A

Description

この発明は、情報機器、半導体製造装置、バイオメディカル機器等の種々の用途に用いられる、短波長レーザ光を発生するのに好適な、半導体レーザ装置に関する。

従来より、短波長レーザ光を発生する装置として、Ａｒレーザ装置に代表される気体レーザ装置や、ＬＤ励起固体レーザの波長変換レーザ装置、半導体レーザ光を外部共振器により波長変換するタイプのレーザ装置などが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平４−５８８０号公報

しかしながら、従来の短波長レーザ光を発生するレーザ装置はいずれも問題があった。Ａｒレーザ等の気体レーザ装置は大型で寿命が短く、消費電力が大きい。ＬＤ励起固体レーザの波長変換レーザ装置、半導体レーザ光を外部共振器により波長変換するタイプのレーザ装置などでは、装置が複雑で、調整および制御が極めて困難である。

この発明は、上記に鑑み、小型・軽量・構造簡単で、かつ高効率に短波長レーザ光を出力することができる、半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明による半導体レーザ装置においては、一端面が全反射面、他端面が無反射面とされ、該他端面から基本波を出射する半導体レーザ素子と、後記共振器内に配置され、前記基本波を第２高調波に変換する波長変換素子と、前記半導体レーザ素子の外部に配置され前記一端面との間で光学的共振器を形成するとともに、実質的に前記基本波に対し全反射であり、前記第２高調波の波長に対し無反射であるミラーと、前記半導体レーザ素子の温度を適切な波長のレーザビームを発生するように制御する第１のペルチェ素子と、前記波長変換素子の温度を最も効率のよい波長変換が行なわれるように制御する第２のペルチェ素子と、前記第１及び第２のペルチェ素子、並びに前記ミラーに対してヒートシンクを介して接続され、全体の温度が一定になるように制御する第３のペルチェ素子と、を有することが特徴となっている。

レーザ共振器を、半導体レーザ素子の一端面と、外部のミラーとにより形成し、その中に波長変換素子を配置して、波長変換された光を外部に出力させるようにしているため、波長変換素子内の基本波のパワー密度を高めることができ、構造単純で、容易に高い変換効率が得られ、短波長の高出力レーザ光が得られる。

以上説明したように、この発明の半導体レーザ装置によれば、レーザ共振器を、半導体レーザ素子の一端面と、外部のミラーとにより形成し、その中に波長変換素子である非線形光学結晶を配置して、波長変換された光を外部に出力させるようにしているため、波長変換素子内の基本波のパワー密度を高めることができ、構造単純で、容易に高い変換効率が得られ、小型、軽量で、高出力の短波長レーザ光を高効率に出力することができる。

つぎに、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１において、レーザダイオードチップ（ＬＤチップ）１０の一端面１１には発振波長の光に対して全反射膜となるＨＲコートが施され、他方の端面１２には同波長の光に対して無反射膜となるＡＲコートが施されている。この端面１２から出射したレーザビームが集光用レンズ１３によって非線形光学結晶１４に集光され、さらに凹面鏡となっている波長選択性ミラー１５によって反射させられて、同じ経路を逆にたどってレーザダイオードチップ１０に再び入射させられるようになっている。これにより、レーザ共振器が端面１１とミラー１５とによって形成される。そして、ミラー１５を透過した波長のレーザビームがコリメート用レンズ１６によってコリメートされて出射される。

レーザダイオードチップ１０はヒートシンク２５を介してペルチェ素子２４に取り付けられて温度コントロールされており、適切な波長のレーザビーム（たとえば波長８６０ｎｍ付近の赤外光、以後これを基本波という）を発生するようチューニングされている。

非線形光学結晶１４は、これを通る光の波長を変換するもので、ヒートシンク２７を介してペルチェ素子２６に取り付けられて、最も効率のよい波長変換が行なわれる温度にコントロールされている。

ミラー１５には、レーザダイオードチップ１０からの出射光である基本波の波長に対しては全反射し、非線形光学結晶１４によって変換された第２高調波の波長に対しては無反射となるようなコートが施されており、その結果、共振器外部へは非線形光学結晶１４によって変換された第２高調波のみを出射する。これにより、波長変換されて得た第２高調波（たとえば、波長４３０ｎｍ付近の青色光）を出射させることができる。

これら、レーザダイオードチップ１０、集光用レンズ１３、非線形光学結晶１４、波長選択性ミラー１５、コリメート用レンズ１６は、ヒートシンクやペルチェ素子を介してあるいはこれらを介さずに直接、ベース２１にペルチェ素子２２を介して取り付けられたヒートシンク２３上に固定されていて、全体がペルチェ素子２２によって一定温度に保たれるようになっている。

このような構成において、半導体レーザ装置の共振器を、レーザダイオードチップ１０の一端面１１と外部ミラー１５とで構成し、その共振器の中に非線形光学結晶１４を配置して波長変換し、変換された波長の光のみを外部に出射するようにしている。そのため、外部共振器等の複雑な構造を用いずとも容易に非線形光学結晶１４内の基本波のパワー密度を高めることができ、その結果として高い変換効率が得られる。すなわち、上記のように構成された半導体レーザ装置は、小型、軽量であり、かつ高効率に短波長レーザ光を発生することができる。

図２は他の実施形態を示すものであり、ここではレーザダイオードチップ１０の一端面１１と全反射ミラー１９とによってレーザ共振器が形成されている。この共振器内に非線形光学結晶１４とプリズム１８が配置されていて、非線形光学結晶１４によって波長変換し、プリズム１８の分光特性を利用して基本波と第２高調波とを波長選別する。プリズム１８によって波長選別するため、ミラー１９は波長選択性でなく全反射ミラーとする。また、矢印で示すようにこのミラー１９の角度を変化させ、共振器に戻す光の波長を変化させることにより、基本波の発振波長をチューニングすることができ、結果的に非線形光学結晶１４で変換された第２高調波の波長を可変にすることができる。

この図２では省略しているが、レーザダイオードチップ１０や非線形光学結晶１４は図１と同様にヒートシンクおよびペルチェ素子を介して固定することによりそれぞれ温度コントロールする。他の光学素子も図１に示すようにヒートシンク２３およびペルチェ素子２２を介してベース２１に固定することが望ましい。

なお、上記の説明はこの発明の一つの実施形態に関するものであり、この発明が上記に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形できることはもちろんである。たとえば図２において、プリズム１８の代わりにエタロンやグレーティングなどを用いて波長をチューニングすることもできる。

この発明の実施の形態を示す模式図。他の実施の形態を示す模式図。

符号の説明

１０レーザダイオードチップ
１１全反射面となっている端面
１２無反射面となっている端面
１３、１７集光用レンズ
１４非線形光学結晶
１５波長選択性凹面ミラー
１６コリメート用レンズ
１８プリズム
１９全反射ミラー
２１ベース
２２、２４、２６ペルチェ素子
２３、２５、２７ヒートシンク

Claims

一端面が全反射面、他端面が無反射面とされ、該他端面から基本波を出射する半導体レーザ素子と、
後記光学的共振器内に配置され、前記基本波を第２高調波に変換する波長変換素子と、
前記半導体レーザ素子の外部に配置され前記一端面との間で光学的共振器を形成するとともに、実質的に前記基本波に対し全反射であり、前記第２高調波の波長に対し無反射であるミラーと、
前記半導体レーザ素子の温度を適切な波長のレーザビームを発生するように制御する第１のペルチェ素子と、
前記波長変換素子の温度を最も効率のよい波長変換が行なわれるように制御する第２のペルチェ素子と、
前記第１及び第２のペルチェ素子、並びに前記ミラーに対してヒートシンクを介して接続され、前記光学的共振器全体の温度が一定になるように制御する第３のペルチェ素子と、
を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子と、前記波長変換素子との間に配置された集光用レンズと、
前記共振器の外側に配置されたコリメート用レンズとをさらに有し、
当該集光用及びコリメート用レンズも、前記ヒートシンクを介して第３のペルチェ素子に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の半導体レーザ装置。