JP5208118B2 - 固体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、平板状の平面導波路内でレーザ光を発振させてレーザ出力する固体レーザ素子に関するものである。

プリンターやプロジェクションテレビなどのカラー画像を表示する装置では、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色の光源が必要とされる。近年、これらの光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光とし、非線形材料を用いて基本波レーザ光を第２高調波に変換（ＳＨＧ、Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）する波長変換レーザ装置（レーザ発振器）が開発されている。ＳＨＧにおいて基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現するためには、非線形材料上の基本波レーザ光のパワー密度を高くすること、および、基本波レーザ光を波面収差の少ない高輝度なレーザ光にすることが要求される。

２次元導波路型レーザは、基本波レーザ光のパワー密度を高くすることができるので、基本波レーザ光から第２高調波レーザ光への高い変換効率を実現することができる。ところが、２次元導波路型レーザには高いパワー密度による破壊限界があるので、高出力化に制限がかかる。また、２次元導波路に結合可能な２次元方向（２次元導波路と同一平面内）でビーム品質がよいＬＤ（Laser Diode）光の出力は一般に低いことから、高出力化には制限がかかる。

このため、第２高調波レーザ光を高出力化するために、導波路を１次元とした平面導波路型レーザを用いることがある。この平面導波路型レーザでは、レーザ光を空間モードによって、平板面内でレーザ光軸に垂直な方向（平板の主面と垂直な方向）にレーザ発振させ、このレーザ光軸に垂直な方向にレーザ光のビーム径を広げることやレーザ光をマルチビーム化することによって高出力化を図っている。このような、導波路を１次元とした平面導波路型レーザでは、励起源であるＬＤ光が平面導波路で１次元方向に結合すればよい。このため、導波路を１次元とした平面導波路型レーザには、高出力なブロードエリアＬＤを用いることができ、その結果、高出力なレーザ光を得ることができる。また、導波路を１次元とした平面導波路型レーザには、ＬＤ光の発光点を１次元方向に並べたマルチエミッタＬＤを用いることができるので、ブロードエリアＬＤを用いる場合よりもさらに大きなレーザ出力を得ることが可能となる（非特許文献１参照）。

IEEE J.Quantum Electronics Vol.39(2003), 495

しかしながら、上記従来の平面導波路型レーザでは、レーザ光軸に垂直な方向（平板面の厚さ方向）にレーザ光のビーム径を広げる場合やレーザ光をマルチ化する場合に、平板面の幅方向のサイズを広げなければならない。平板面の幅方向のサイズが広いと、平板面の幅方向への利得が増加するので、寄生発振が発生し、高出力なレーザ出力が得られない場合があるという問題があった。

また、寄生発振に至らない場合であっても、自然放出光の増幅に起因するエネルギーの抽出によってレーザ光軸方向への利得が減少し、高出力なレーザ出力が得られないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力なレーザを出力できる固体レーザ素子を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記平板状の主面側に反射するよう所定の角度傾けられた傾斜部を、前記レーザ媒質の両側部に備え、前記傾斜部による自然放出光の反射方向側に配設されて前記レーザ媒質の主面と所定の接合面を介して接合する基板を有し、前記基板は、前記接合面に対向する対向面が、粗し面であることを特徴とする。

本発明に係る固体レーザ素子は、自然放出光を平板状の主面側に反射するよう傾斜部を所定の角度傾けているので、主面幅方向での自然放出光の増幅を抑制でき、光軸方向以外への利得を抑制して高出力なレーザを出力できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。 図２は、実施の形態１に係る波長変換レーザ装置を側面から見た断面図である。 図３は、図１および図２のａ−ａ’断面図である。 図４は、図３のＡ部分の拡大図（１）である。 図５は、図３のＡ部分の拡大図（２）である。 図６は、図３のＡ部分の拡大図（３）である。 図７は、図３のＡ部分の拡大図（４）である。 図８は、図３のＡ部分の拡大図（５）である。 図９は、実施の形態２に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。 図１０は、図９のｂ−ｂ’断面図である。 図１１は、図１０のＢ部分の拡大図（１）である。 図１２は、図１０のＢ部分の拡大図（２）である。 図１３は、図１０のＢ部分の拡大図（３）である。 図１４は、図１０のＢ部分の拡大図（４）である。 図１５は、実施の形態３に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。 図１６は、図１５のＣ部分の拡大図である。 図１７は、図１５のｃ−ｃ’断面図（１）である。 図１８は、図１５のｃ−ｃ’断面図（２）である。 図１９は、図１５のｃ−ｃ’断面図（３）である。 図２０は、溝壁面の主面を短手方向に傾斜させた場合の翼部の断面図である。 図２１は、隣接する溝の側面が互いに非平行な場合の翼部の断面図である。 図２２は、実施の形態４に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
１ａ 活性層
２ ヒートシンク
３，３ｂ 接合剤
４，４ｂ クラッド
５ レーザ媒質
５ａ，５ｂ，７ａ，７ｂ 端面
６ 光学軸
７ 非線形材料
１１ 基板
１２ 傾斜部
１２ａ 鏡面傾斜部
１２ｂ 粗し傾斜部
１３，１４ 翼部
１３ａ，１６，２０，２０ａ〜２０ｅ 粗し面
１３ｂ，１５ 反射防止膜
１３ｃ，１３ｄ 吸収剤
５０〜５５，６０〜６４，７０〜７５，８０ 固体レーザ素子
１０１〜１０４ 波長変換レーザ装置
Ｌ 第２高調波レーザ光
Ｎ 自然放出光

以下に、本発明の実施の形態に係る固体レーザ素子を図面に従って詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図であり、図２は、本発明の実施の形態１に係る波長変換レーザ装置を側面から見た断面図である。なお、図１および図２では、レーザ発振方向を表す光軸を光学軸６で示している。

平面導波路型の波長変換レーザ装置１０１は、寄生発振と、レーザ光軸方向（光学軸６）以外への自然放出光の増幅によるエネルギー抽出と、を抑制するため、レーザ媒質５の側面（光学軸６に平行な端面）に傾斜部１２を形成したレーザ発振器である。波長変換レーザ装置１０１は、例えば光情報処理分野などにおいて、レーザディスプレイ装置や光メモリ装置の光源に使用される。波長変換レーザ装置１０１は、半導体レーザ１と、非線形材料（非線形光学材料）７と、本発明の主たる特徴である固体レーザ素子５０と、を含んで構成されている。

半導体レーザ１は、複数の活性層１ａから複数のＬＤ光を出力する。半導体レーザ１は、複数のＬＤ光を出力させるためにＬＤ光をアレー状に出射し、固体レーザ素子５０にマルチエミッタ発振を行なわせる。固体レーザ素子５０は、基本波レーザ光を発振させる平面導波路型の素子であり、ヒートシンク２、接合剤３、クラッド（低屈折率部）４、レーザ媒質５を有している。非線形材料（波長変換素子）７は、発振した基本波レーザ光を第２高調波レーザ光Ｌに変換するとともに、変換した第２高調波レーザ光Ｌの一部を出射する素子である。非線形材料７は、スラブ型の導波路構造を有している。

以下では、説明の便宜上、光学軸６をｚ軸方向とし、波長変換レーザ装置１０１の主面と垂直な方向をｙ軸方向（厚さ方向）とし、ｚ軸およびｙ軸の両方に垂直な方向をｘ軸方向（レーザ媒質５では主面幅方向という）として説明する。

半導体レーザ１、レーザ媒質５、非線形材料７は、それぞれ概略矩形状の平板状を成しており、各平板状の主面がｘｚ平面と平行になるよう同一の平面内に配設されている。レーザ媒質５は、レーザ媒質５の１つの側面（ｚ軸に垂直な端面５ａ）で半導体レーザ１に近接し、この側面と対向する側面（ｚ軸に垂直な端面５ｂ）で非線形材料７と近接するよう、半導体レーザ１と非線形材料７との間に配設されている。

非線形材料７は、光学軸６に垂直な端面７ａおよび端面７ｂを有しており、端面７ａがレーザ媒質５の端面５ｂに近接して配置されている。非線形材料７の端面７ｂは、第２高調波レーザ光Ｌを出射する側の端面である。

このように、波長変換レーザ装置１０１では、半導体レーザ１のＬＤ光の出射面、レーザ媒質５の端面５ａ，５ｂ、非線形材料７の端面７ａ，７ｂがそれぞれ、平行となるよう半導体レーザ１、固体レーザ素子５０、非線形材料７が配設されている。

また、本実施の形態のレーザ媒質５（固体レーザ素子５０）は、端面５ａ，５ｂに垂直な側面（平板状のうち端面５ａ，５ｂ以外の側面）（レーザ媒質５の両側部）にそれぞれ傾斜部１２を有している。この傾斜部１２は、レーザ媒質５の主面（上面および下面）に垂直な方向に対して所定の角度を有するとともに、光学軸６方向に延びている。傾斜部１２は、ｘ軸方向の成分を含む角度でレーザ媒質５内を伝搬する自然放出光を、レーザ媒質５の上面側へ反射する。

半導体レーザ１のｘ軸方向の幅は、レーザ媒質５の下面側のｘ軸方向の幅とほぼ等しく、半導体レーザ１はｘ軸方向にほぼ一様に励起光を出力する。半導体レーザ１は、例えばＬＤ光を出力する活性層１ａを複数配置したマルチエミッタ半導体レーザなどである。半導体レーザ１がマルチエミッタ半導体レーザである場合、半導体レーザ１では、端面５ａに近接する側面のｘ軸方向に活性層１ａが並ぶよう各活性層１ａを配置しておく。この場合、半導体レーザ１は複数の活性層１ａから複数のＬＤ光を出力するので、ｘ軸方向に複数並んだ各活性層１ａからそれぞれのレーザ出力光が得られる。半導体レーザ１より出力されたＬＤ光は、端面５ａからレーザ媒質５のｘｚ平面方向（ｘｙ平面に垂直な方向）（光学軸６方向）に入射してレーザ媒質５に吸収される。半導体レーザ１には、必要に応じて冷却用のヒートシンク（図示せず）を接合してもよい。

レーザ媒質５の端面５ａは基本波レーザ光を反射する全反射膜であり、レーザ媒質５の端面５ｂは基本波レーザ光を透過する反射防止膜である。非線形材料７の端面７ａは基本波レーザ光を透過させるとともに第２高調波レーザ光Ｌを反射する光学膜（部分反射膜）であり、非線形材料７の端面７ｂは基本波レーザ光を反射するとともに第２高調波レーザ光Ｌを透過させる光学膜（部分反射膜）である。これらの全反射膜、反射防止膜、光学膜は、例えば、誘電体薄膜を積層することによって作製される。なお、半導体レーザ１から出力される励起光を、レーザ媒質５の端面５ａから入射する場合には、端面５ａの全反射膜は、励起光を透過し基本波レーザ光を反射する光学膜となる。

レーザ媒質５は、例えば、ｙ軸方向の厚さが数〜数十μｍ、ｘ軸方向の幅（上面の主面幅や下面の主面幅）が数百μｍ〜数ｍｍの大きさを有している。レーザ媒質５としては、一般的な固体レーザ材料を使用することができる。レーザ媒質５は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＫＧＷ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｅｒ：Ｇｌａｓｓ、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｔｍ，Ｈｏ：ＹＬＦ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどである。

クラッド４は、レーザ媒質５よりも小さな屈折率を有しており、レーザ媒質５のｘｚ平面に平行な１つの面（クラッド４の上面）でレーザ媒質５の下面側に接合されている。クラッド４は、例えば、光学材料を原料とした膜をレーザ媒質５に蒸着する方法、光学材料をオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによってレーザ媒質５と光学的に接合する方法によって作製されている。

ヒートシンク２は、熱伝導度の大きな材料を含んで構成されており、クラッド４の下面側で接合剤３を介してクラッド４と接合されている。接合剤３は、レーザ媒質５で発生した熱をクラッド４を介してヒートシンク２に排熱する。この接合剤３には、例えば金属半田、光学接着剤、熱伝導接着剤等を用いる。クラッド４は、接合剤３との接合の強度を上げるために、レーザ媒質５が接合されている面に対向した面（下面）をメタライズ（金属膜を付着）してもよい。また、ヒートシンク２を光学材料で構成した場合には、クラッド４とヒートシンク２を、例えばオプティカルコンタクトまたは拡散接合などによって直接接合してもよい。これにより、ヒートシンク２、接合剤３、クラッド４、レーザ媒質５は、ｙ軸方向に積層構造を成している。

非線形材料７としては、一般的な波長変換用材料を用いることができる。非線形材料７としては、例えば、ＫＴＰ、ＫＮ、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３などを用いる。また、非線形材料７として、光損傷に強いＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３を用いれば、入射する基本波レーザ光のパワー密度を上げることができるので、高効率な波長変換が可能となる。さらに、非線形材料７として、周期反転分極構造を持つＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３、ＭｇＯ添加ＬｉＴａＯ３、定比ＬｉＮｂＯ３、定比ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰを用いれば、非線形定数が大きいので、ＭｇＯ添加ＬｉＮｂＯ３などよりもさらに高効率な波長変換が可能となる。

図３は、図１および図２のａ−ａ’断面図である。図３に示すように、傾斜部１２は、導波路構造を形成するレーザ媒質５を、レーザ媒質５の主面幅方向に延設し、延設したレーザ媒質５の端部（傾斜面）に形成されている。

レーザ媒質５は、上面側の主面幅が下面側の主面幅よりも広く、レーザ媒質５のａ−ａ’断面が台形をなしている。換言すると、レーザ媒質５の上面の主面幅は、レーザ媒質５の下面の主面幅や、ヒートシンク２、接合剤３、クラッド４の各主面のｘ軸方向の幅よりも広くなるよう形成されている。そして、レーザ媒質５の下面側から上面側へは、主面幅が少しずつ広くなるよう、傾斜部１２をレーザ媒質５の主面と垂直な方向から傾斜させている。このため、傾斜部１２は、レーザ媒質５の上面および下面と９０度以外の所定の角度（例えば上面と３０度）をなしている。これにより、レーザ媒質５は、端面５ａ，５ｂが台形であって柱軸が光学軸６に平行な台形柱となっている。

なお、図３では、レーザ媒質５の上面側の主面幅が下面側の主面幅より広い場合について説明したが、レーザ媒質５の下面側の主面幅を上面側の主面幅より広くしてもよい。この場合、レーザ媒質５の上面側の主面幅をクラッド４の主面幅よりも広くしておく。また、傾斜部１２は、直線に限らず曲線であってもよい。

波長変換レーザ装置１０１の動作手順について説明する。レーザ媒質５の端面５ａから入射した半導体レーザ１からの励起光は、レーザ媒質５で吸収されて、レーザ媒質５内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。基本波レーザ光は、レーザ媒質５内で発生した利得によって、光学軸６に垂直なレーザ媒質５の端面５ａと非線形材料７の端面７ｂとの間でレーザ発振する。

非線形材料７は、非線形効果によって基本波レーザ光が第２高調波レーザ光Ｌに変換されるよう、結晶軸角度、温度、周期反転分極の周期などが最適化されている。したがって、端面５ａと端面７ｂの間で発振した基本波レーザ光が非線形材料７に入射すると、基本波レーザ光の一部が第２高調波レーザ光Ｌに変換されて端面７ｂから外部に出力される。

また、第２高調波レーザ光Ｌに変換されずに非線形材料７内に残留した基本波レーザ光は、端面７ｂで全反射されて、再度、非線形材料７内を通過し、第２高調波レーザ光Ｌに変換される。この残留した基本波レーザ光の一部が変換されて発生した第２高調波レーザ光Ｌは、端面７ａで全反射して端面７ｂより外部に出力される。

レーザ媒質５は、ｙ軸方向の厚さがレーザ光の波長の数倍〜数十倍程度であり、レーザ媒質５よりも屈折率の小さなクラッド４と空気とによって挟まれているので、レーザ媒質５は屈折率の高いレーザ媒質５に基本波レーザ光が閉じ込められた導波路として動作する。これにより、レーザ媒質５は、ｙ軸方向に導波路構造を形成し、レーザ媒質５内の基本波レーザ光は、導波路の所定のモード（レーザ発振モード）で選択的に発振する。導波路のモードは、クラッド４の屈折率やレーザ媒質５のｙ軸方向の厚さを調整することによって任意に設定できる。このため、導波路のモードでは、低次のモードまたは単一モードのみを導波させて、高輝度発振を実現できる。

レーザ媒質５は、排熱によって発生する熱分布により、ｙ軸方向にも屈折率分布が発生するが、クラッド４とレーザ媒質５との屈折率差および空気とレーザ媒質５との屈折率差が、熱分布による屈折率変化に比べて十分大きければ、導波路のモードが優勢となり、ｙ軸方向の熱による影響は無視することができる。本実施の形態では、クラッド４とレーザ媒質５との屈折率差および空気とレーザ媒質５との屈折率差が、熱分布による屈折率変化よりも十分大きな値となるクラッド４とレーザ媒質５を波長変換レーザ装置１０１に用いる。

非線形材料７は、ｙ軸に垂直な上面と下面を、空気やクラッド（図示せず）で挟まれている。この空気やクラッドは、非線形材料７に比べて小さな屈折率を有している。さらに、非線形材料７は、ｙ軸方向の厚さがレーザ光の波長の数倍〜数十倍程度であるので、レーザ媒質５と同様にｙ軸方向は導波路として動作する。これにより、レーザ媒質５と非線形材料７とで、レーザ光が発振モードとなる。

なお、非線形材料７がレーザ光を吸収して発熱する場合には、非線形材料７の下面や非線形材料７に接合するクラッド（図示せず）にヒートシンクを接合することによって、非線形材料７内で吸熱した熱を非線形材料７外へ排熱してもよい。

例えば、非線形材料７に直接ヒートシンクを接合する場合には、ヒートシンク材料に非線形材料７よりも小さな屈折率を有する光学材料を使用するか、または、非線形材料７よりも小さな屈折率を有する接合剤（例えば、光学接着剤など）を用いることによって、非線形材料７のｙ軸方向を導波路として使用できるようにしておく。換言すると、非線形材料７と固体レーザ素子５０では、鉛直方向（ｙ軸方向）に導波路構造を形成させる。

レーザ共振器内（レーザ媒質５の端面５ａから非線形材料７の端面７ｂまで）のｚ軸方向にのレーザ発振のｙ軸方向のモードは、レーザ媒質５の導波路のモードや非線形材料７の導波路のモードによって選択的に行なう。レーザ媒質５の導波路のモードと非線形材料７の導波路のモードは、それぞれ、レーザ媒質５のｙ軸方向の厚さやクラッド４との屈折率差によって任意に設定できる。このため、レーザ媒質５の導波路のモードや非線形材料７の導波路のモードでは、低次のモードまたは単一モードのみを導波させて、高輝度発振を実現できる。

レーザ媒質５の導波路モードと非線形材料７の導波路モードとは、同じ導波路モードとしてもよいし、異なる導波路モードとしてもよい。例えば、一方の導波路のモードをマルチモードとし、他方の導波路のモードを単一モードとすれば、レーザ発振のモードは最も低次のモードで制限されるので、単一モードで選択的に発振することが可能となる。

レーザ共振器内のｚ軸方向のレーザ発振のｘ軸方向のモードは、レーザ媒質５の主面幅や非線形材料７のｘ軸方向の幅が、基本波レーザ光や第２高調波レーザ光Ｌの波長に比べて十分大きいので、導波路によるモードの選択は行われず空間モードとなる。

ここで、レーザ媒質５の自然放出光について説明する。ＬＤ光によって励起されたレーザ媒質５は、自然放出光を全方位に放出するとともに、光学軸６方向に共振してレーザ発振を行なう。このため、光学軸６以外の方向への意図しない寄生発振や、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出があれば、光学軸６方向への利得が減少し、レーザ出力パワーが低下する。

例えば、ｘ軸方向の成分を含む角度でレーザ媒質５内を伝搬する自然放出光のうち、レーザ媒質５内の全ての側面やレーザ媒質５の全ての境界面（上面や下面）において全反射角を満たす成分は、ｘ軸方向の成分を含む角度で導波路内を伝搬して増幅することがある。この全反射角を満たす成分が多くなると、レーザ媒質５内で、ｘ軸方向の成分を含んだ方向に伝搬する自然放出光の受ける利得が大きくなるので、レーザ媒質５の内部で全反射する寄生発振が生じ易い。特に、ｘ軸方向に幅の広い半導体レーザや活性層１ａを複数配置した半導体レーザを励起源に使用した場合には、レーザ媒質５の内部で全反射する寄生発振が生じ易い。

また、寄生発振しきい値に至らない場合であっても、レーザ媒質５内でｘ軸方向を含む方向に伝搬する自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出によって、光学軸６方向への利得が減少し、高出力なレーザ出力が得られない。

このように、レーザ媒質５で発生する自然放出光は、レーザ媒質５の側面などで全反射を繰り返すことによって増幅される。レーザ媒質５の側面では、レーザ媒質５の側面がレーザ媒質５の主面と垂直である場合に、自然放出光がレーザ媒質の側面で全反射角を満たしやすい。このため、レーザ媒質５の側面を、レーザ媒質５の主面と垂直な方向から所定の角度だけ傾斜させることによって、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出を抑えることができる。

本実施の形態では、レーザ媒質５の側面に傾斜部１２を形成している。このため、傾斜部１２で反射する自然放出光の反射角が大きくなる。これにより、自然放出光は、導波路の全反射条件から外れ、導波路外に漏れるので、ｘ軸方向への自然放出光の増幅が小さくなる。したがって、ｘ軸方向に幅の広い半導体レーザ１や、活性層１ａを複数配置した半導体レーザ１を励起源に使用した場合であっても、寄生発振と、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出とが小さくなり、光学軸６方向の利得の減少が少なくなる。これにより、波長変換レーザ装置１０１は、光学軸６方向に高出力なレーザ光を発生させることが可能となる。

図４は図３のＡ部分の拡大図（１）であり、図５は、図３のＡ部分の拡大図（２）である。図４では図３のＡ部分を固体レーザ素子５１として示しており、図５では図３のＡ部分を固体レーザ素子５２として示している。

図４の固体レーザ素子５１は、傾斜部１２の部分を、自然放出光Ｎを鏡面反射する鏡面傾斜部１２ａにしている。この場合、ｘ軸方向の成分を含む角度でレーザ媒質５内を伝搬する自然放出光Ｎ（以下、ｘ軸方向への自然放出光Ｎという）は、鏡面傾斜部１２ａで反射して、レーザ媒質５の上面側へ進む。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

図５の固体レーザ素子５２は、傾斜部１２を、自然放出光Ｎの一部を拡散しながら透過するとともに自然放出光Ｎの一部を拡散しながら反射する粗し傾斜部１２ｂにしている。この場合、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの一部は、粗し傾斜部１２ｂで拡散されながら反射して、レーザ媒質５の上面側へ進む。さらに、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの一部は、粗し傾斜部１２ｂで拡散されながら透過して、レーザ媒質５の外側へ進む。粗し傾斜部１２ｂで拡散した自然放出光Ｎの一部は、導波路の全反射条件から外れるので、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

なお、図４，５では、固体レーザ素子５１，５２がレーザ媒質５の上面側に基板などを備えていない場合について説明したが、固体レーザ素子５１，５２が基板などを備える構成としてもよい。

図６〜図８は、図３のＡ部分の拡大図（３）〜（５）である。図６では図３のＡ部分を固体レーザ素子５３として示しており、図７では図３のＡ部分を固体レーザ素子５４として示しており、図８では図３のＡ部分を固体レーザ素子５５として示している。図６〜図８に示す固体レーザ素子５３〜５５は、レーザ媒質５の上面側（傾斜部１２による自然放出光の反射方向側）にクラッド４ｂを配設するとともに、接合剤３ｂを介してクラッド４ｂと基板１１を接合した場合を示している。これにより、図６〜図８の固体レーザ素子５３〜５５では、基板１１が所定の接合面を介してレーザ媒質５に接合している。

図６の固体レーザ素子５３は、図４に示したレーザ媒質５（鏡面傾斜部１２ａを有したレーザ媒質５）の上面側に基板１１などを配設した構成となっており、基板１１の上面（レーザ媒質５との接合面に対向する対向面）に反射防止膜１５を配設している。

固体レーザ素子５３では、ｘ軸方向への自然放出光Ｎが、鏡面傾斜部１２ａで反射して、反射防止膜１５へ進む。反射防止膜１５へ進んだ自然放出光Ｎは、反射防止膜１５を透過して、固体レーザ素子５３の外部へ出て行く。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

図７の固体レーザ素子５４は、図５に示したレーザ媒質５（粗し傾斜部１２ｂを有したレーザ媒質５）の上面側に基板１１などを配設した構成となっており、基板１１の上面に反射防止膜１５を配設している。

固体レーザ素子５４では、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの一部が、粗し傾斜部１２ｂで拡散されながら反射して、反射防止膜１５へ進む。反射防止膜１５へ進んだ自然放出光Ｎは、反射防止膜１５を透過して、固体レーザ素子５４の外部へ出て行く。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

図８の固体レーザ素子５５は、図５に示したレーザ媒質５の上面側に基板１１などを配設した構成となっており、基板１１の上面を粗し面１６にしている。固体レーザ素子５５では、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの一部が、粗し傾斜部１２ｂで拡散されながら反射して、粗し面１６へ進む。粗し面１６は、自然放出光Ｎの一部を、拡散しながら透過するとともに、自然放出光Ｎの一部を拡散しながら反射する。粗し面１６を透過した自然放出光Ｎは、固体レーザ素子５５の外部へ出て行く。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

なお、図４に示した固体レーザ素子５１に、粗し面１６を適用してもよい。また、図６〜図８では、基板１１の下面側の一部（三角柱）を削ぎ落として、削ぎ落としの結果剥き出しとなった基板１１の切断面と傾斜部１２の斜面が同一平面上に並んでいる場合を示したが、基板１１の下面側の一部を削ぎ落とさない構成としてもよい。また、クラッド４ｂや接合剤３ｂのｘ軸方向の端部は、傾斜部１２の斜面と平行になるよう削ぎ落とした構成としてもよいし、削ぎ落とさない構成としてもよい。

また、図６〜図８では、反射防止膜１５や粗し面１６を基板１１の上面に配設する場合について説明したが、反射防止膜１５や粗し面１６を基板１１の側面、底面、切断面に配設してもよい。

レーザ媒質５の主面に対する傾斜部１２の傾斜角度（側面角度範囲）について説明する。レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎ（導波路の平板面に対して平行にコア内を伝搬する成分）が、傾斜部１２で全反射せずに傾斜部１２を透過する条件は、式（１）によって示される。

θ₃は、レーザ媒質５の主面と垂直な方向に対する傾斜部１２の傾斜角度であり、ｎ₂はレーザ媒質５の屈折率である。例えば、ｎ₂＝２．２である場合、傾斜角度θ₃がθ₃＜２７°を満たす範囲内であれば、レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎが、傾斜部１２を透過する。

ただし、前述の透過条件を満たした場合であっても、レーザ媒質５とクラッド４との屈折率差によって、自然放出光Ｎがフレネル反射する場合がある。フレネル反射の反射量Ｒは、Ｒ＝（（ｎ₂−１）／（ｎ₂＋１））²によって表される。

レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎが傾斜部１２で反射した後、クラッド４で全反射せずにクラッド４を透過する条件は、式（２）によって示される。

θ_mはレーザ媒質５とクラッド４の臨界角である。また、ｎ₁はクラッド４の屈折率であり、ｎ₂はレーザ媒質５の屈折率である。θ_mは、θ_m＝Ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂）である。例えば、ｎ₁＝１．９６であり、ｎ₂＝２．２である場合、レーザ媒質５とクラッド４の臨界角はθ_m＝６３°である。

このため、傾斜角度のθ₃を、１３．５°＜θ₃＜７６．５°の範囲内に設定すれば、レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎが傾斜部１２で反射した後、クラッド４で全反射せずにクラッド４を透過する。

式（１）および式（２）により、レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎは、式（３）の条件を満たす。

例えば、ｎ₁＝１．９６であり、ｎ₂＝２．２の場合、傾斜角度θ₃を、１３．５°＜θ₃＜２７°の範囲内に設定すれば、レーザ媒質５の主面に平行な自然放出光Ｎは、一部が傾斜部１２を通過し、一部がフレネル反射により傾斜部１２で反射する。反射した成分はクラッド４で全反射せずにクラッド４を透過する。

レーザ媒質５の主面に対して放射角度θａをなす自然放出光Ｎ（導波路の平板面に対して放射角度θ_aでコア内を伝搬する成分）が、傾斜部１２で全反射せずに傾斜部１２を透過する条件は、式（４）によって示される。

コア内を伝搬できる最大の放射角度をθ_a-maxとすると、θ_a-max＝９０−Ｓｉｎ^-1（ｎ₁／ｎ₂）である。例えば、ｎ₁＝１．９６であり、ｎ₂＝２．２である場合、θ_a-maxの放射角度に対しては、θ₃＜０．０２°である。したがって、傾斜部１２は、レーザ媒質５の主面に対してほぼ垂直な角度が必要になる。

レーザ媒質５の主面に対して放射角θａをなす自然放出光Ｎが、傾斜部１２で反射した後、クラッド４で全反射せずにクラッド４を透過する条件は、式（５）によって示される。

θ_aは、θ_a＝９０−θ_mの条件を満たす。例えば、ｎ₁＝１．９６であり、ｎ₂＝２．２である場合、θ_m＝６３°である。このとき、傾斜角度の範囲としては、１３．５°＜θ₃±２７°＜７６．５°の条件が得られるが、この条件を満たすθ₃は０°〜９０°の範囲を超える。したがって、±θ_a-maxで伝搬する成分（放射角度成分）の全てをレーザ媒質５から傾斜部１２やクラッド４を介して透過させる条件（傾斜部１２の角度条件）は無い。このため、傾斜角θ₃は、傾斜角度の角度範囲の中心である４５°に設定することが望ましい。

このように、傾斜部１２とクラッド４の両方でレーザ媒質５内への戻り光（コア内で反射される自然放出光Ｎ）を低減させるには、レーザ媒質５内を伝搬できる放射角の範囲の中心値（レーザ媒質５の主面に平行な平行光）を透過させる条件が最も良い。したがって、傾斜角度が式（３）の条件を満たすことによって、最も高い割合で不要な自然放出光Ｎをレーザ媒質５の外に放出することができる。また、クラッド４でのみでレーザ媒質５内への戻り光を低減させるには、傾斜角度を式（５）の角度範囲の中心であるθ₃＝４５°に設定することが望ましい。

ここで、レーザ媒質５として、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４を用いたブルーレーザを用いた場合について説明する。図１に示した導波路型の波長変換レーザ装置１０１では、導波路モードの利得／損失比によって、レーザ発振による直線偏光を得られる場合が多い。このため、波長変換において基本波レーザ光に直線偏光が要求される場合であっても、波長変換に適した高輝度な基本波レーザ光を出力することができる。さらに、レーザ媒質５として結晶軸方向によって利得の異なるレーザ媒質（Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４）を用いれば、利得の高い方向の直線偏光発振を容易に得ることができるので、波長変換において基本波レーザ光に直線偏光が要求される場合でも、波長変換に適した高輝度な基本波レーザ光を出力することができる。

ブルーレーザは、基本波として９００ｎｍ帯の波長を有したレーザ光を出力するレーザ媒質を用いるとともに、基本波を第２高調波に波長変換することによって得ることができる。Ｎｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４は、９１４ｎｍ近傍に利得帯域を持つので、レーザ媒質５にＮｄ：ＹＶＯ４やＮｄ：ＧｄＶＯ４を用いることによって４５７ｎｍ近傍のブルーレーザを得ることができる。

Ｎｄ：ＹＶＯ４およびＮｄ：ＧｄＶＯ４において、最も利得の高い波長は１０６４ｎｍ帯であり、１．３μｍ帯の波長にも利得がある。このため、効率良く９１４ｎｍ帯の基本波を発振させるためには、最も利得の高い１０６４ｎｍ帯でのレーザ発振、寄生発振、意図しない方向への自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出、１．３μｍ帯の発振をそれぞれ抑える必要がある。

光学軸６方向への１０６４ｎｍ帯や１．３μｍ帯のレーザ発振を抑制するため、レーザ媒質５の基本波レーザ光を反射する全反射膜（端面５ａ）は、例えばブルーレーザの基本波となる９１４ｎｍ帯の波長を全反射し、１０６４ｎｍ帯や１．３μｍ帯の波長を透過する膜とする。また、基本波レーザ光を透過する反射防止膜（端面５ｂ）は、例えば９１４ｎｍ帯、１０６４ｎｍ帯、１．３μｍ帯の全ての波長を透過する膜とする。さらに、非線形材料７の基本波レーザ光を透過し、第２高調波レーザ光Ｌを反射する光学膜（端面７ａ）は、例えば９１４ｎｍ帯、１０６４ｎｍ帯、１．３μｍ帯の全ての波長を透過する膜とする。基本波レーザ光を反射し、第２高調波レーザ光Ｌを透過する光学膜（端面７ｂ）は、例えば９１４ｎｍ帯の波長を全反射し、１０６４ｎｍや１．３μｍ帯の波長を透過する膜とする。

このようなレーザ媒質５の膜構成によって、波長変換レーザ装置１０１は、光学軸６方向への１０６４ｎｍ帯および１．３μｍ帯のレーザ発振を抑制しつつ、基本波レーザ光を反射する全反射膜（端面５ａ）と基本波レーザ光を反射し第２高調波レーザ光Ｌを透過する光学膜（端面７ｂ）との間で９１４ｎｍ帯のレーザ発振を行うことが可能となる。これにより、非線形材料７によって第２高調波に変換された４５７ｎｍ帯のブルーレーザが出力される。

例えば、基本波の波長を１０６４ｎｍ帯を用いて第２高調波を発生させる場合には、非線形材料７から５３２ｎｍ帯の第２高調波レーザ光Ｌが出力されるので、グリーンレーザを得ることができる。この場合、１０６４ｎｍ帯の波長は利得が高いのでレーザ発振しきい値が低くなり、光学軸６方向へのレーザ発振を容易に行なうことができる。また、レーザ発振しきい値が低いので、レーザ媒質５内に残留する利得は小さくなり、光学軸６方向以外の意図しない方向への寄生発振や、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出や、光学軸６方向への９１４ｎｍ帯や１．３μｍ帯などの他の波長のレーザ発振は起こりにくい。このため、平面導波路型レーザでｙ方向にビーム径を広げたりマルチ化したりしてレーザ光の高出力化を図った場合であっても、ｘ軸方向を含んだ角度で伝搬するレーザ光の寄生発振や、自然放出光の増幅に起因するエネルギーの抽出も起こりにくい。したがって、高出力なグリーンレーザを容易に得ることができる。

基本波を利得の低い９１４ｎｍ帯とする場合は、利得が低いのでレーザ発振しきい値が高くなる。このため、レーザ媒質５の膜構成によって光学軸６方向への１０６４ｎｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ発振を抑制した場合であっても、レーザ発振しきい値が高いので、ｘ軸方向を含む意図しない角度方向への利得も高くなり、意図しない寄生発振や自然放出光の増幅が発生することがある。さらに、平面導波路型レーザでｘ方向にビーム径を広げたり、マルチ化したりして高出力化を図った場合、ｘ軸方向を含む角度方向への利得は増加し、寄生発振が起こりやすくなる。また、寄生発振に至らない場合であっても、レーザ光の伝搬長が長いために自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出が大きくなり、光学軸６方向への利得を低下させる。このため、光学軸６方向への９１４ｎｍ帯の基本波レーザの出力は低下し、第２高調波のブルーレーザの出力も低下することがある。

本実施の形態では、レーザ媒質５の側面に傾斜部１２を形成しているので、ｘ軸方向への自然放出光を抑制でき、この結果、自然放出光がｘ軸方向を含む角度（意図しない角度）で発振する寄生発振を抑制できる。また、寄生発振に至らない場合であっても、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出を抑止できる。

このため、波長変換レーザ装置１０１は、レーザ発振しきい値の高い９１４ｎｍを基本波としたレーザ発振を行なう場合であっても、エネルギーの抽出による利得の低下が小さいので、高出力な基本波レーザ光を得ることができる。そして、基本波のレーザ出力が高いので、非線形材料７での波長変換効率が高くなり、高出力な第２高調波レーザ光ＬであるブルーレーザＬを得ることが可能となる。

なお、図１などでは、波長変換レーザ装置１０１が、基本波の発振器内に非線形材料７を配置して、レーザ媒質５の全反射膜（端面５ａ）と非線形材料７の光学膜（端面７ｂ）との間で基本波を発振させる内部波長変換方式である場合について説明したが、波長変換レーザ装置１０１は外部波長変換方式によって波長変換を行なってもよい。外部波長変換方式では、共振器外部に波長変換素子を設置しておく。例えば、レーザ媒質５の１つの端面（端面５ａに対向する側面で、非線形材料７に近接する側の端面）に、基本波レーザ光の一部を反射する部分反射膜を形成しておき、波長変換レーザ装置１０１はレーザ媒質５の両端面(端面５ａと部分反射膜)で基本波レーザ光のレーザ発振を行なう。この場合、レーザ媒質５から出力された基本波が非線形材料７に入射して非線形材料７で波長変換が行われ、第２高調波レーザ光Ｌが得られる。

このような外部波長変換方式においても、内部波長変換方式と同様に、意図しない方向への寄生発振を抑制するとともに、意図しない方向への自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出を抑制できる。したがって、波長変換レーザ装置１０１が外部波長変換方式であっても、光学軸６方向への高出力な基本波を得ることができ、この結果、高出力な第２高調波レーザＬを得ることが可能となる。

このように実施の形態１によれば、傾斜部１２が、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを、レーザ媒質５の上面側へ反射するので、光学軸６以外の方向への寄生発振や、自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなり、光学軸６方向への利得の減少が少なくなる。したがって、固体レーザ素子５０は、高出力なレーザを出力することが可能となる。

実施の形態２．
つぎに、図９〜図１４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、自然放出光Ｎをレーザ媒質５の外部に逃がす（透過や吸収）手段や拡散させる手段として、後述の翼部１３をクラッド４のｘ軸方向の外側に配設している。

図９は、本発明の実施の形態２に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。実施の形態２に係る波長変換レーザ装置１０２を側面から見た断面構成は、図２に示した実施の形態１に係る波長変換レーザ装置１０１と同じである。図９の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の波長変換レーザ装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

平面導波路型の波長変換レーザ装置１０２は、半導体レーザ１と、非線形材料７と、本発明の主たる特徴である固体レーザ素子６０と、を含んで構成されている。波長変換レーザ装置１０２は、波長変換レーザ装置１０１と同様の処理によって、レーザ発振を行なうとともに、基本波レーザ光の波長変換を行なう。本実施の形態では、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅を、クラッド４のｘ軸方向の幅よりも広くし、クラッド４のｘ軸方向の両外側に１対の翼部１３を形成している。

本実施の形態のレーザ媒質５（固体レーザ素子６０）は、端面５ａ，５ｂに垂直な側面の近傍にそれぞれ翼部１３を有している。この翼部１３は、ｘｚ平面に平行な平板状をなしており、上面からみた主面が概略矩形状をなしている。翼部１３の光学軸６方向の長さは、レーザ媒質５の主面が有する光学軸６方向の長さと略同じ長さである。また、クラッド４のｘ軸方向の幅は、半導体レーザ１や非線形材料７のｘ軸方向の幅と略同じ幅である。翼部１３は、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを、拡散や外部透過させる。

図１０は、図９のｂ−ｂ’断面図である。図１０に示すように、クラッド４は、ｘ軸方向の幅が、レーザ媒質５などのｘ軸方向の幅よりも狭い。また、翼部１３は、レーザ媒質５と接合剤３の間に形成されており、クラッド４の側面のうちｚ軸方向に延びる側面に近接するよう配置されている。これにより、翼部１３は、クラッド４の主面と同じ平面内に主面を有した平板状をなしている。また、レーザ媒質５は、上面側の主面幅が、クラッド４と接合する接合面の主面幅よりも広い。固体レーザ素子６０では、ｘｚ平面内でレーザ媒質５がコアとして動作し、導波路を形成する。

翼部１３は、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを、レーザ媒質５の外側へ逃がしたり、拡散させたりするので、自然放出光Ｎは、導波路の全反射条件から外れ、導波路外に漏れる。これにより、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの増幅が小さくなる。したがって、ｘ軸方向に幅の広い半導体レーザ１や、活性層１ａを複数配置した半導体レーザ１を励起源に使用した場合であっても、寄生発振と、自然放出光の増幅によるエネルギーの抽出とが小さくなる。

図１１は図１０のＢ部分の拡大図（１）であり、図１２は、図１０のＢ部分の拡大図（２）である。図１１では図１０のＢ部分を固体レーザ素子６１として示しており、図１２では図１０のＢ部分を固体レーザ素子６２として示している。

図１１に示す固体レーザ素子６１の翼部１３は、自然放出光Ｎの一部を拡散しながら透過するとともに自然放出光Ｎの一部を拡散しながら反射する、レーザ媒質５の粗し面１３ａである。換言すると、レーザ媒質５の下面のうち、クラッド４と接合していない部分（翼部１３）を粗し面とすることによって、翼部１３に粗し面１３ａを形成している。

この場合、粗し面１３ａ側に進入してきた自然放出光Ｎ（ｘ軸方向への自然放出光Ｎなど）の一部は、粗し面１３ａで拡散されながら反射する。さらに、粗し面１３ａ側に進入してきた自然放出光Ｎの一部は、粗し面１３ａで拡散されながら透過して、レーザ媒質５の外側へ進む。粗し面１３ａで拡散した自然放出光Ｎの一部は、導波路の全反射条件から外れるので、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

図１２に示す固体レーザ素子６２の翼部１３は、自然放出光Ｎを透過させる反射防止膜１３ｂである。換言すると、レーザ媒質５の下面のうちクラッド４と接合していない部分に反射防止膜１３ｂを配設している。

この場合、反射防止膜１３ｂ側に進入してきた自然放出光Ｎは、反射防止膜１３ｂを透過してレーザ媒質５の外側へ進む。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

なお、本実施の形態では、ヒートシンク２、接合剤３のｘ軸方向の幅が、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅と同じである場合について説明したが、ヒートシンク２、接合剤３のｘ軸方向の幅は、クラッド４のｘ軸方向の幅と同じであってもよい。

また、翼部１３へは、反射防止膜１３ｂの代わりに自然放出光Ｎの吸収剤（Ｃｒ⁴⁺：ＹＡＧやカーボンなど）を接合してもよい。この場合、翼部１３の上面側は、レーザ媒質５に限らず、自然放出光Ｎの吸収剤であってもよい。

図１３は図１０のＢ部分の拡大図（３）であり、図１４は、図１０のＢ部分の拡大図（４）である。図１３では図１０のＢ部分を固体レーザ素子６３として示しており、図１４では図１０のＢ部分を固体レーザ素子６４として示している。

図１３に示す固体レーザ素子６３の翼部１３や図１４に示す固体レーザ素子６４の翼部１３は、自然放出光Ｎを吸収する吸収剤１３ｃ，１３ｄである。図１３では、レーザ媒質５の下面のうちクラッド４と接合していない部分に吸収剤１３ｃを配設している。また、図１４では、レーザ媒質５の側面とクラッド４の側面に吸収剤１３ｄを配設している。

固体レーザ素子６３，６４では、吸収剤１３ｃ，１３ｄ側に進入してきた自然放出光Ｎが、吸収剤１３ｃ，１３ｄで吸収される。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

なお、翼部１３は、レーザ媒質５の上面側に配設してもよいし、レーザ媒質５の上面側および下面側の両方に配設してもよい。また、粗し面１３ａの主面は、クラッド４の上面と同じ面内にある場合（ｙ軸方向の位置が同じ場合）に限らず、クラッド４の上面より下側であってもよいし上側であってもよい。

このように実施の形態２によれば、翼部１３が、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを拡散させたりレーザ媒質５の外側へ透過させたりするので、光学軸６以外の方向への寄生発振や、自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなり、光学軸６方向の利得の減少が少なくなる。したがって、固体レーザ素子６０は、高出力なレーザを出力することが可能となる。

実施の形態３．
つぎに、図２、図１５〜図２０を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、自然放出光Ｎをレーザ媒質５の外部に逃がす（透過や吸収）手段や拡散させる手段として、レーザ媒質５内に溝を形成した後述の翼部１４をクラッド４のｘ軸方向の外側に配設している。

図１５は、本発明の実施の形態３に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。図１５の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の波長変換レーザ装置１０１や図９に示す実施の形態２の波長変換レーザ装置１０２と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

平面導波路型の波長変換レーザ装置１０３は、半導体レーザ１と、非線形材料７と、本発明の主たる特徴である固体レーザ素子７０と、を含んで構成されている。固体レーザ素子７０では、ｘｚ平面内でレーザ媒質５がコアとして動作し、導波路を形成する。

波長変換レーザ装置１０３は、波長変換レーザ装置１０１と同様の処理によって、レーザ発振を行なうとともに、基本波レーザ光の波長変換を行なう。本実施の形態では、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅を、クラッド４のｘ軸方向の幅よりも広くし、クラッド４よりもｘ軸方向の外側（端面５ａ，５ｂに垂直な側面の近傍）にそれぞれ翼部１４を形成している。翼部１４は、クラッド４の上部側に形成されており、レーザ媒質５の側面のうちｚ軸方向に延びる側面に近接するよう配置されている。この翼部１４は、ｘｚ平面に平行な平板状をなしており、上面からみた主面が概略矩形状をなしている。

翼部１４の光学軸６方向の長さは、レーザ媒質５の主面が有する光学軸６方向の長さと略同じ長さである。翼部１４は、光学軸６方向に向かって、レーザ媒質５の領域と粗し面２０の領域とを交互に配置しており、これによりレーザ媒質５内に粗し面２０を複数並べた櫛歯状に形成している。粗し面２０は、レーザ媒質５に入り込むよう形成された溝壁面（主面幅方向に延びるよう形成された溝壁面）に形成されている。換言すると、翼部１４に形成された櫛歯状の溝のうち、レーザ媒質５に形成された溝壁面（溝とレーザ媒質５の境界面）が粗し面２０である。翼部１４は、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを、粗し面２０によって翼部１４内で拡散させる。

翼部１４は、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを、粗し面２０によって拡散させている。このため、自然放出光Ｎは、導波路の全反射条件から外れ、導波路外に漏れるので、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの増幅が小さくなる。したがって、ｘ軸方向に幅の広い半導体レーザ１や、活性層１ａを複数配置した半導体レーザ１を励起源に使用した場合であっても、寄生発振や、自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなる。

図１６は図１５のＣ部分の拡大図である。固体レーザ素子７０の翼部１４は、自然放出光Ｎの一部を拡散しながら透過するとともに自然放出光Ｎの一部を拡散しながら反射する粗し面２０である。換言すると、レーザ媒質５の下面のうち、クラッド４と接合していない部分であって、溝壁面を形成された部分を粗し面とすることによって、翼部１４に粗し面２０を形成している。

この場合、翼部１４側に進入してきた自然放出光Ｎの一部は、粗し面２０で拡散されながら反射する。粗し面２０で拡散されながら反射した自然放出光Ｎは、翼部１４内で別の粗し面２０に衝突すると、この別の粗し面２０で拡散されながら反射する。また、粗し面１３ａ側に進入してきた自然放出光Ｎの一部は、粗し面２０で拡散されながら透過して、レーザ媒質５の外側へ進む。自然放出光Ｎは、翼部１４内を伝搬する間、粗し面２０での反射や透過を繰り返す。粗し面２０で拡散して反射した自然放出光Ｎの一部は、導波路の全反射条件から外れる。これにより、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。

図１７は、図１５のｃ−ｃ’断面図（１）であり、図１８は、図１５のｃ−ｃ’断面図（２）であり、図１９は、図１５のｃ−ｃ’断面図（３）である。図１７〜図１９では、図１５の固体レーザ素子７０をそれぞれ固体レーザ素子７１〜７３で示し、図１５の粗し面２０をそれぞれ粗し面２０ａ〜２０ｃで示している。

図１７の固体レーザ素子７１では、粗し面２０ａの主面（ｘｚ平面内に形成される上面）のｙ軸方向の高さが、レーザ媒質５の上面と下面の間となるよう粗し面２０ａが配設されている。粗し面２０ａの側面（ｙｚ平面内に形成される側面）は、クラッド４の側面と同じ面内に位置するよう配設されている。固体レーザ素子７１は、翼部１４の下面側に穴あけ処理を行なって粗し面２０ａを形成している。これにより、粗し面２０ａは、ｘｚ平面に平行な部分、ｙｚ平面に平行な部分、ｘｙ平面に平行な部分を有している。なお、翼部１４に形成される溝は、クラッド４の下面側にまで達しているので、溝の下面に対応する粗し面は存在していない。

図１８の固体レーザ素子７２では、粗し面２０ｂの側面が、クラッド４の側面と同じ面内（ｙｚ平面内）に位置するよう配設されている。これにより、粗し面２０ｂは、ｙｚ平面に平行な部分、ｘｙ平面に平行な部分を有している。なお、翼部１４に形成される溝は、クラッド４の下面側にまで達しているので、溝の下面に対応する粗し面は存在していない。また、翼部１４に形成される溝は、レーザ媒質５の上面側にまで達しているので、溝の上面に対応する粗し面は存在していない。

図１９の固体レーザ素子７３では、粗し面２０ｃの側面が、クラッド４の側面と同じ面内に位置するよう配設されている。これにより、粗し面２０ｃは、ｙｚ平面に平行な部分、ｘｙ平面に平行な部分を有している。なお、翼部１４に形成される溝は、クラッド４の上面側にまで達しているので、溝の下面に対応する粗し面は存在していない。また、翼部１４に形成される溝は、レーザ媒質５の上面側にまで達しているので、溝の上面に対応する粗し面は存在していない。

なお、翼部１４に粗し面２０ａを形成する際には、翼部１４の上面側に穴あけ処理を行なって粗し面２０ａを形成してもよいし、上面側および下面側の両方に穴あけ処理を行なって粗し面２０ａを形成してもよい。

また、溝の形状は、上面から見た場合に矩形状を有している場合に限らず、他の形状であってもよい。例えば、レーザ媒質５の内部側に形成する溝の幅を、レーザ媒質５の外部側に形成する溝の幅よりも細くすることによって溝の先端部を細らせてもよい。また、溝壁面が直面である場合に限らず、溝壁面を曲面としてもよい。また、溝壁面の主面をレーザ媒質５の主面と平行にならないよう傾斜させてもよいし、溝壁面の側面をレーザ媒質５の端面５ａ，５ｂと平行にならないよう傾斜させてもよい。

例えば、溝壁面の主面を傾斜させる場合、溝壁面の主面を長手方向（ｘ軸方向）に傾斜させてもよいし、溝壁面の主面を短手方向（ｚ軸方向）に傾斜させてもよい。溝壁面の主面を長手方向に傾斜させた場合、溝壁面は実施の形態１の図３で説明した傾斜部１２のように傾斜する。

図２０は、溝壁面の主面を短手方向に傾斜させた場合の翼部の断面図である。図２０では、固体レーザ素子７０の側面を主面幅方向から見た場合の断面構成を示している。なお、図２０では、図１５の固体レーザ素子７０を固体レーザ素子７４で示し、図１５の粗し面２０を粗し面２０ｄで示している。

固体レーザ素子７４では、粗し面２０ｄの側面がｙ軸方向と平行にならないよう、ｙ軸方向から所定の角度だけ傾斜させている。これにより、粗し面２０ｄは、ｘｚ平面に平行な部分（溝壁面の主面）と傾斜した側面（傾斜面）を有している。

粗し面２０ｄは、レーザ媒質５の主面方向に傾斜しているので、粗し面２０ｄに自然放出光Ｎが入射してくると、この自然放出光Ｎをレーザ媒質５の主面側へ反射する。このため、溝壁面を傾斜させた場合は、この溝壁面に粗し面を形成しない構成としてもよい。

また、溝壁面のうち隣接する溝の側面が互いに非平行となるようレーザ媒質５内に溝を形成してもよい。図２１は、隣接する溝の側面が互いに非平行な場合の翼部の断面図である。図２１では、固体レーザ素子７０の上面図を示している。なお、図２１では、図１５の固体レーザ素子７０を固体レーザ素子７５で示し、図１５の粗し面２０を粗し面２０ｅで示している。溝の側面が互いに非平行となるよう溝を配設することによって、ｘ軸方向への自然放出光Ｎは、導波路の全反射条件から外れやすくなるので、寄生発振や、増幅してしまう自然放出光Ｎが少なくなる。このように、溝の形状は、例えば、四角柱状、三角柱状、円柱状などの柱状であってもよいし、四角錐状、三角錐状、円錐状などであってもよい。

また、実施の形態２の図１１〜図１４で説明した粗し面１３ａ、反射防止膜１３ｂ、吸収剤１３ｃ，１３ｄの構成を、図１５の固体レーザ素子７０に適用してもよい。この場合、溝の下面に対応する位置に粗し面１３ａや反射防止膜１３ｂを形成する。

また、実施の形態１の図３で説明した傾斜部１２の構成を、図１５の固体レーザ素子７０に適用してもよい。この場合、翼部１４のうち、溝を形成する箇所以外の部分を傾斜させて傾斜部１２を形成する。

このように実施の形態３によれば、翼部１４が、粗し面２０によって自然放出光Ｎの一部を拡散しながら透過させるとともに自然放出光Ｎの一部を拡散しながら反射させるので、光学軸６以外の方向への寄生発振や、自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなり、光学軸６方向の利得の減少が少なくなる。また、レーザ媒質５内に粗し面２０などの溝を櫛歯状に複数並べているので、ｘ軸方向への自然放出光Ｎを効率良く拡散することが可能となる。したがって、固体レーザ素子７０は、高出力なレーザを出力することが可能となる。

実施の形態４．
つぎに、図２２を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、レーザ媒質５の側面が非平行となるよう、レーザ媒質５を主面幅方向に延ばすことによってレーザ媒質５の両側部に１対の翼部を設ける。

図２２は、本発明の実施の形態４に係る波長変換レーザ装置の構成を示す上面図である。図２２の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１の波長変換レーザ装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

平面導波路型の波長変換レーザ装置１０４は、半導体レーザ１と、非線形材料７と、本発明の主たる特徴である固体レーザ素子８０と、を含んで構成されている。固体レーザ素子８０では、ｘｚ平面内でレーザ媒質５がコアとして動作し、導波路を形成する。

波長変換レーザ装置１０４は、波長変換レーザ装置１０１と同様の処理によって、レーザ発振を行なうとともに、基本波レーザ光の波長変換を行なう。レーザ媒質５では、ｘ軸方向の幅が一定である場合（側面が平行である場合）に、自然放出光Ｎが増幅されやすい。

このため、本実施の形態では、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅が一定ではないレーザ媒質５を配設している。具体的には、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅が、半導体レーザ１のＬＤ光出射面や非線形材料７の端面７ｂのｘ軸方向の幅よりも狭くならないよう、レーザ媒質５のｘ軸方向の幅を一部広げる。これにより、レーザ媒質５の主面の形状を台形などにしておき、レーザ媒質５の側面（端面５ａ，５ｂ以外の側面）が平行とならないようにしておく。

レーザ媒質５の側面は、互いに平行ではないので、ｘ軸方向への自然放出光Ｎは、導波路の全反射条件から外れる。これにより、ｘ軸方向への自然放出光Ｎの増幅が小さくなる。したがって、ｘ軸方向に幅の広い半導体レーザ１や、活性層１ａを複数配置した半導体レーザ１を励起源に使用した場合であっても、寄生発振や自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなる。

なお、本実施の形態では、レーザ媒質５の側面が直面である場合について説明したが、レーザ媒質５の側面を曲面としてもよい。また、レーザ媒質５の側面には、実施の形態１で説明した傾斜部１２、実施の形態２で説明した翼部１３、実施の形態３で説明した翼部１４などを配設してもよい。

このように実施の形態４によれば、レーザ媒質５の側面を非平行に配設しているので、光学軸６以外の方向への寄生発振や、自然放出光Ｎの増幅によるエネルギーの抽出が小さくなり、光学軸６方向の利得の減少が少なくなる。したがって、固体レーザ素子８０は、高出力なレーザを出力することが可能となる。

なお、実施の形態１の図６〜図８で説明した基板１１（反射防止膜１５や粗し面１６を有した基板１１）を、実施の形態２〜４に係る固体レーザ素子６０〜８０に配設してもよい。

以上のように、本発明に係る固体レーザ素子は、平面導波路を用いたレーザ出力に適している。

Claims (11)

1. 平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、
   前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記平板状の主面側に反射するよう所定の角度傾けられた傾斜部を、前記レーザ媒質の両側部に備え、
   前記傾斜部による自然放出光の反射方向側に配設されて前記レーザ媒質の主面と所定の接合面を介して接合する基板を有し、
   前記基板は、前記接合面に対向する対向面が、粗し面であることを特徴とする固体レーザ素子。
2. 前記傾斜部は、前記自然放出光を反射する鏡面であることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ素子。
3. 前記傾斜部は、前記自然放出光の一部を拡散して透過させるとともに、前記自然放出光の一部を拡散して反射させる粗し面であることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザ素子。
4. 平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、
   前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記レーザ媒質の外側に逃がす前記平板状の主面に平行な翼部を、前記レーザ媒質の両側部に備え、
   前記翼部は、
   前記レーザ媒質の底面および上面を前記レーザ媒質の両側部で前記平板状の主面と平行な方向に延設させた前記レーザ媒質の底面側または上面側に配設されて前記自然放出光を透過させる透過面を有することを特徴とする固体レーザ素子。
5. 平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、
   前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記レーザ媒質の外側に逃がす前記平板状の主面に平行な翼部を、前記レーザ媒質の両側部に備え、
   前記翼部は、
   前記レーザ媒質の底面および上面を前記レーザ媒質の両側部で前記平板状の主面と平行な方向に延設させた前記レーザ媒質の底面側または上面側に配設されて前記自然放出光の一部を拡散して透過させるとともに前記自然放出光の一部を拡散して反射させる粗し面を有することを特徴とする固体レーザ素子。
6. 平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、
   前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記レーザ媒質の外側に逃がす前記平板状の主面に平行な翼部を、前記レーザ媒質の両側部に備え、
   前記翼部は、
   前記レーザ媒質の底面および上面を前記レーザ媒質の両側部で前記平板状の主面と平行な方向に延設させた前記レーザ媒質の底面側または上面側に配設されて前記自然放出光を吸収する吸収剤を有することを特徴とする固体レーザ素子。
7. 平板状のレーザ媒質内で基本波レーザ光を光軸方向に発振させて、前記レーザ媒質内の前記平板状の主面に垂直な方向である厚さ方向に導波路構造を形成する平面導波路型の固体レーザ素子において、
   前記光軸方向および前記厚さ方向に垂直な方向である主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記レーザ媒質内で前記主面幅方向に延びるよう形成された溝の溝壁面から前記レーザ媒質の外側に逃がす翼部を、前記レーザ媒質の両側部に備えることを特徴とする固体レーザ素子。
8. 前記溝は、前記平板状の主面と平行な方向に複数並んで櫛歯状をなすことを特徴とする請求項７に記載の固体レーザ素子。
9. 前記溝壁面は、前記主面幅方向に進む前記レーザ媒質内の自然放出光を前記平板状の主面側に反射するよう、前記平板状の主面と平行な方向から所定の角度傾けられた傾斜面であることを特徴とする請求項７または８に記載の固体レーザ素子。
10. 前記溝壁面は、隣接する溝の側面が互いに非平行となるよう形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の固体レーザ素子。
11. 前記溝壁面は、前記自然放出光の一部を拡散して透過させるとともに、前記自然放出光の一部を拡散して反射させる粗し面であることを特徴とする請求項７または８に記載の固体レーザ素子。

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