JP5389277B2

JP5389277B2 - モード制御導波路型レーザ装置

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Publication number: JP5389277B2
Application number: JP2012549510A
Authority: JP
Inventors: 紀之宮本; 修平山本; 隆行柳澤; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: JPWO2012086009A1; EP2590276A4; WO2012086009A1; EP2590276B1; EP2590276A1; US20130121355A1; US9197029B2; CN103098318B; CN103098318A

Description

この発明は、高出力レーザ装置に用いられるモード制御導波路型レーザ装置に関するものである。

従来から、高輝度発振が可能なレーザ装置を実現するために、図９、図１０、図１１に示すモード制御導波路型レーザ装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
図９は従来のモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す側面図である。また、図１０は図９内のａ−ａ’断面をレーザ出射側から見た断面図、図１１は図９内のｂ−ｂ’断面を上面から見た断面図である。

図９〜図１１において、従来のモード制御導波路型レーザ装置は、励起光を出射する励起用半導体レーザ１０１と、レーザ光を出射するレーザ媒質１０５と、レーザ媒質１０５の下面に接合されたクラッド１０４と、クラッド１０４の下面に接合剤１０３により接合されたヒートシンク１０２とを備えている。

レーザ媒質１０５は、平板状をなし、レーザ発振方向を表す光軸１０６（ｚ軸）に対して垂直な断面の厚さ方向（ｙ軸）に導波路構造を有し、光軸１０６および厚さ方向に対して垂直な方向（ｘ軸）に周期的なレンズ効果を有する。

レーザ媒質１０５の入射側の端面１０５ａには、レーザ光を反射する全反射膜が施され、出射側の端面１０５ｂには、レーザ光の一部を反射し且つ一部を透過する反射防止膜が施されている。これらの全反射膜および部分反射膜は、たとえば、誘電体薄膜を積層して構成される。

図９のように、半導体レーザ１０１から出射される励起光をレーザ媒質１０５の端面１０５ａから入射する場合には、端面１０５ａの全反射膜は、励起光を透過し且つレーザ光を反射する光学膜となる。
また、図１０、図１１のように、ヒートシンク１０２は、光軸１０６（ｚ軸）に対して平行な延長歯構造を有する。

レーザ媒質１０５の端面１０５ａから入射した励起光は、レーザ媒質１０５で吸収されて、レーザ媒質１０５内部でレーザ光に対する利得を発生する。
レーザ媒質１０５内部で発生した利得により、レーザ光は、レーザ媒質１０５の光軸１０６に垂直な端面１０５ａと端面１０５ｂとの間でレーザ発振し、発振光の一部が端面１０５ｂからレーザ共振器の外部に出力される。

図９〜図１１に示す従来のモード制御導波路型レーザ装置においては、レーザ装置に要求されるレーザ出力が決定すれば、必要な励起パワーが決定する。
また、決定した励起パワーのパワースケールにしたがって、励起光の導波路幅方向（ｘ軸方向）の励起領域が決定し、さらに、ヒートシンク１０２の延長歯構造の各歯の相互間隔は、励起領域に依存して決定する。

特許第４３９２０２４号公報

従来のモード制御導波路型レーザ装置は、レーザ装置に要求されるレーザ出力に応じた励起パワーにしたがって、励起光の導波路幅方向の励起領域が決まり、励起領域に依存してヒートシンクの各歯の間隔が決まるので、発生熱レンズの焦点距離の制御範囲が制限されるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発熱の大きな箇所では全面で排熱し、発熱の小さな箇所では熱レンズを生成することにより、発生熱レンズの焦点距離の制御範囲を広げて、信頼性を向上させたモード制御導波路型レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るモード制御導波路型レーザ装置は、平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、レーザ媒質の一面に接合されたクラッドと、レーザ媒質の一面側にクラッドを介して接合されたヒートシンクと、を備え、レーザ媒質は、屈折率分布によりレンズ効果を生成し、レーザ光は、厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、光軸および厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振するモード制御導波路型レーザ装置であって、ヒートシンクは、レーザ光の光軸方向に対して、光軸に平行な櫛構造を有する接合部と、光軸に平行な櫛構造を有していない接合部と、を備えたものである。

この発明によれば、クラッドとヒートシンクとの接合面積を調整して、レーザ媒質内で発生する屈折率分布およびレンズ効果を調整可能とし、発熱の大きな箇所では全面で排熱して温度を下げ、発熱の小さな箇所では熱レンズを生成することにより、信頼性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す側面図である。（実施例１）図１内のａ−ａ’断面をレーザ出射側から見た断面図である。（実施例１）図１内のｂ−ｂ’断面を上面から見た断面図である。（実施例１）図１のモード制御導波路型レーザ装置を用いた場合の励起時でのレーザ媒質内温度分布の計算結果例を示す説明図である。（実施例１）図１のモード制御導波路型レーザ装置を用いた場合の効果を示す説明図である。（実施例１）この発明の実施の形態２に係るモード制御導波路型レーザ装置を図１内のｂ−ｂ’断面により上面から見た断面図である。（実施例２）この発明の実施の形態３に係るモード制御導波路型レーザ装置を図１内のｂ−ｂ’断面により上面から見た断面図である。（実施例３）この発明の実施の形態４に係るモード制御導波路型レーザ装置を図１内のｂ−ｂ’断面により上面から見た断面図である。（実施例４）従来のモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す側面図である。図９内のａ−ａ’断面をレーザ出射側から見た断面図である。図９内のｂ−ｂ’断面を上面から見た断面図である。

（実施例１）
以下、図面を参照しながら、この発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１〜図３はこの発明の実施の形態１に係るモード制御導波路型レーザ装置の構成を示す図であり、図１は側面図、図２は図１のａ−ａ’断面を光軸方向から見た断面図、図３は図１のｂ−ｂ’断面を上面から見た断面図である。

図１〜図３において、この発明の実施の形態１に係るモード制御導波路型レーザ装置は、励起光入射手段１と、励起光が入射されてレーザ光を出射するレーザ媒質５と、レーザ媒質５の下面に接合されたクラッド４と、クラッド４の下面に接合剤３により接合されたヒートシンク２とを備えている。
レーザ媒質５は、平板上をなし、レーザ発振方向または信号光進行方向を表す光軸６に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有する。

レーザ媒質５は、光軸６に対して垂直な端面５ａ、５ｂの形状が、たとえば長方形からなり、典型的には、ｙ軸方向の厚さが数μｍ〜数１０μｍ、ｘ軸方向の幅が数１００μｍ〜数ｍｍの大きさを有する。

ここでは、長方形の端面５ａ、５ｂの長辺方向をｘ軸、短辺方向をｙ軸とし、光軸６方向をｚ軸とした座標系を用いる。
なお、レーザ媒質５の端面５ａ、５ｂは、必ずしも長方形でなくてもよく、たとえば、端面５ａ、５ｂの短辺側は円弧形状であっていてもよい。

クラッド４は、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有し、レーザ媒質５のｘｚ平面に平行な一面に接合される。
クラッド４は、たとえば、光学材料を原料とした膜を蒸着するか、または、オプティカルコンタクトや拡散接合などで光学材料をレーザ媒質５と光学的に接合することにより構成される。また、クラッド４として、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有する光学接着剤を用いてもよい。

ヒートシンク２は、熱伝導度の大きな材料により構成され、光軸６に平行な断面（ｙｚ平面）の一部に櫛形状（図３内のハッチング部参照）を有する。ヒートシンク２の櫛形状の端面は、接合剤３を介してクラッド４と接合される。
また、ヒートシンク２は、レーザ媒質５の入射側の端面５ａおよび出射側の端面５ｂにそれぞれ対応した端面２ａ、２ｂを有する。

接合剤３は、金属半田や光学接着剤、熱伝導接着剤等により実現可能であり、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。
なお、クラッド４の下面は、接合剤３との接合の強度を上げるために、メタライズ（金属膜を付着）を施してもよい。
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とを、たとえば、オプティカルコンタクトや拡散接合などにより直接接合してもよい。

励起光入射手段１は、たとえば半導体レーザからなり、レーザ媒質５の端面５ａに近接配置されるか、または、必要に応じて、励起光出射端面とレーザ媒質５の端面５ａとの間に結合光学系（図示せず）を挿入して配置される。
また、励起光入射手段１には、必要に応じて、冷却用のヒートシンク（図示せず）が接合される。

励起光入射手段１から出射された励起光は、レーザ媒質５の端面５ａからｘｚ平面方向に入射して、レーザ媒質５に吸収される。
なお、ここでは一例として、励起光入射手段１を半導体レーザとしたが、レーザ媒質５に利得を持たせることが可能な構成であれば、必ずしも半導体レーザを用いなくてもよい。

レーザ媒質５の端面５ａには、レーザ光を反射する全反射膜が施され、端面５ｂには、レーザ光の一部を透過する部分反射膜が施されている。これらの全反射膜および部分反射膜は、たとえば誘電体薄膜を積層して構成される。
なお、励起光入射手段１から出射される励起光を、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、励起光を透過しレーザ光を反射する光学膜となる。

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、たとえば、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、Ｈｏ：ＹＡＧ、Ｈｏ：ＹＬＦ，Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦなどが用いられる。

なお、図１においては、レーザ媒質５の上面が空気に接している構成としたが、レーザ媒質５の上面に対し、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有する第２のクラッド（図示せず）を接合してもよい。

このように、レーザ媒質５の上面に第２のクラッドを接合した場合、レーザ媒質５と第２のクラッドの屈折率差を調整することにより、レーザ媒質５のｙ軸方向の伝搬モードを任意に調整することができる。
また、第２のクラッドのｙ軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質５の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質５の剛性を高くすることが可能である。

また、レーザ媒質５の上面に対し、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有する第２の接合剤を介して基板（図示せず）を接合してもよい。
第２の接合剤としては、たとえば光学接着剤が用いられ、基板としては、たとえば光学材料または金属などが用いられる。

このように、レーザ媒質５の上面に第２の接合剤および基板を接合した場合、レーザ媒質５と第２の接合剤との屈折率差を調整することにより、レーザ媒質５のｙ軸方向の伝搬モードを任意に調整することができる。
また、基板のｙ軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質５の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質５の剛性を高くすることが可能である。

また、レーザ媒質５の温度上昇により熱膨張が発生した場合、第２の接合剤（光学接着剤）は結晶やガラス材料に比べて剛性が低く、レーザ媒質５の膨張に合わせて変形するので、レーザ媒質５に与える応力を緩和することが可能である。

さらに、レーザ媒質５の上面に対し、レーザ媒質５に比べて小さな屈折率を有する光学膜（図示せず）を施し、光学膜の表面に、オプティカルコンタクトや拡散接合により、レーザ媒質５とほぼ同じ熱膨張率を有する基板（図示せず）を接合してもよい。

このように、レーザ媒質５の上面に光学膜および基板を接合した場合、レーザ媒質５と光学膜との屈折率差を調整することにより、レーザ媒質５のｙ軸方向の伝搬モードを任意に調整することができる。
また、基板のｙ軸方向の厚さを大きく設定すれば、レーザ媒質５の導波モードに影響を与えずに、レーザ媒質５の剛性を高くすることが可能である。

また、レーザ媒質５および基板がほぼ同じ熱膨張率を有するので、レーザ媒質５の温度上昇により熱膨張が発生した場合、基板もほぼ同じ割合で膨張する。
その際、レーザ媒質５と基板との間の光学膜は、結晶やガラス材料に比べて密度が低く、剛性が低いので、基板の膨張に合わせて変形され、レーザ媒質５に与える応力を緩和することが可能である。
また、光学膜と基板とを接合する際に、光学接合が容易な光学膜材料および基板を選択することにより、接合の強度を高めることが可能である。

次に、図２および図３を参照しながら、図１のモード制御導波路型レーザ装置において、レーザ媒質５内に所望の温度分布を発生させて、レーザ媒質５内の屈折率分布を生成し、この屈折率分布によりレンズ効果を生成する方法について説明する。

図３においては、ヒートシンク２に注目し、接合剤３を介してクラッド４と接合する接合領域と、クラッド４と接合しない領域との違いを明らかにするために、接合剤３を介してクラッド４と接合するヒートシンク２の接合領域（櫛歯形状）をハッチングで示している。
また、図３に示すように、レーザ媒質５の光軸６（ｚ軸）の方向の全長をＬｏとし、光軸方向の一部に設置された櫛構造部分の幅をＡとする。
この場合、櫛構造の接合部（幅Ａを形成する調整側）は、端面２ｂすなわち光軸６の出射側に設置されている。

レーザ媒質５の端面５ａから入射した励起光がレーザ媒質５に吸収されると、吸収した励起光のパワーの一部が熱に変換されて熱を発生し、発生した熱は、クラッド４および接合剤３を介してヒートシンク２に排熱される。

このとき、ヒートシンク２が光軸６の方向に櫛形をしており、接合剤３により接合される範囲が櫛歯の先端部のみの場合、２つの櫛歯間の中心部には、２つの櫛歯のほぼ中心部からｘ軸方向の両側に熱の流れが発生する。したがって、２つの櫛歯のほぼ中心部の温度が最大となり、櫛歯の部分に近づくにつれて温度が低下する。

一方、レーザ媒質５などの光学材料は、温度差にほぼ比例して屈折率が変化し、レーザ媒質５の光学材料として、単位温度あたりの屈折率変化ｄｎ／ｄＴが正の材料を用いた場合には、温度の高い２つの櫛歯の中心部の屈折率が大きくなり、櫛歯の部分に近づくにつれて屈折率が小さくなる。
この結果、ｘ軸方向には、２つの櫛歯の中心部を光軸とした熱レンズ効果が発生する。

同様に、レーザ媒質５の光学材料として、単位温度あたりの屈折率変化ｄｎ／ｄＴが負の材料を用いた場合には、温度分布と反対の屈折率分布となり、櫛歯に接合された部分の屈折率が大きく、２つの櫛歯の中心部の屈折率が小さくなる。
この結果、ｘ軸方向には、櫛歯に接合された部分を光軸とした熱レンズ効果が発生する。なお、ｄｎ／ｄＴの正負によらず、同様の効果が得られるので、以後、特に明記しない限り、ｄｎ／ｄＴが正の場合を用いて説明する。

ここで、光軸６（ｚ軸）の方向の櫛構造部分の幅Ａを、Ａ／Ｌｏ＝０の場合（ヒートシンク２の光軸方向に櫛構造が存在しない場合）から、Ａ／Ｌｏ＝１の場合（ヒートシンク２の光軸方向全体に櫛構造を有する場合）まで変化させることにより、レーザ媒質５内に発生する温度分布を変化させることができる。
したがって、レーザ媒質５内に発生する熱レンズ効果を調整することができる。

次に、図４および図５を参照しながら、図１〜図３に示したこの発明の実施の形態１において、光軸方向の櫛構造部分の幅Ａを、Ａ／Ｌｏ＝０の場合（ヒートシンク２の光軸方向に櫛構造が存在しない場合）から、Ａ／Ｌｏ＝１の場合（ヒートシンク２の光軸方向全体に櫛構造を有する場合）まで変化させた場合について説明する。

図４、図５はレーザ媒質５としてＮｄ：ＹＶＯ４を用いた場合の計算例および効果を示す説明図であり、計算条件として、室温２５℃において、レーザ媒質５の幅（ｘ軸方向）＝２００μｍ、レーザ厚み（ｙ軸方向）＝４０μｍ、励起幅（光軸６に平行な方向の櫛歯間隔に同じ）＝２００μｍ、励起光パワー＝１０Ｗ（発光波長：８０８ｎｍ）、レーザ光波長＝１．０６４μｍの場合を示している。

図４は励起時のレーザ媒質５のｙ軸方向中心のｘ軸方向（０〜２００μｍ）の温度分布を示し、破線はＡ／Ｌｏ＝０の場合の温度分布、実線はＡ／Ｌｏ＝１の場合の温度分布である。
また、図５はＤｉｏｐｔｅｒ［１／ｍ］（熱レンズ焦点距離の逆数）の変化を示ており、Ａ／Ｌｏ＝０からＡ／Ｌｏ＝１まで櫛構造部分の幅Ａを変化させた場合のＤｉｏｐｔｅｒの変化を示している。

図４、図５において、レーザ媒質５の全体を一様励起した場合に、Ａ／Ｌｏ＝０のときには、レーザ媒質５内で発生する熱レンズ焦点距離は２．９ｍ（Ｄｉｏｐｔｅｒ＝０．４［１／ｍ］）となる。
また、Ａ／Ｌｏ＝１のときには、レーザ媒質５内で発生する熱レンズ焦点距離は７４．３ｍｍ（Ｄｉｏｐｔｅｒ＝１３．４６［１／ｍ］）となる。
すなわち、幅Ａを「０」から「１」まで変化させることにより、熱レンズ焦点距離を「２．９ｍ〜７４．３ｍｍ」の範囲で任意に調整することが可能となる。

同様に、レーザ媒質５内の一部を局所的に励起した場合においても、光軸６（ｚ軸）の方向に櫛構造を有していない場合と、光軸方向全体に櫛構造を有する場合とで、排熱の効率は異なるので、櫛構造部分の幅Ａを変化させることによって熱レンズ焦点距離を調整可能であることは明らかである。

また、たとえば、レーザ媒質５の光軸方向の端面５ａ側から励起を行う端面励起の場合には、櫛構造を入射側の端面５ａ側に設置することができる。
このように、レーザ媒質５の端面５ａ側から励起を行う端面励起の場合、レーザ媒質５内の温度上昇は、端面５ａ側が最も高くなり、端面５ａ側の温度分布が最も顕著となるので、入射側の端面５ａ側に櫛構造を有する接合部を設置することにより、最も容易に熱レンズ焦点距離の調整が可能となる。

また、入射側の端面５ａ側から励起を行う端面励起の場合に、櫛構造を出射側の端面５ｂ側に設置してもよく、端面５ｂ側に櫛構造を有する接合部を配置した場合も、入射側の端面５ａ側はヒートシンク２との接合面積が大きくなるので、排熱の効率が向上する。
この結果、レーザ媒質５内で発生する熱レンズ効果を調整することができ、且つ、熱レンズ効果を抑制することができる。

なお、端面５ａ側から励起を行う端面励起の場合を例にとって説明したが、光軸６（ｚ軸）の方向の光学系がレーザ媒質５の両端面５ａ、５ｂで非対称であり、レーザ媒質５内の温度分布が光軸方向に分布する場合には、上記櫛構造部分を設置することにより、同様の効果が得られることは明らかである。
また、レーザ媒質５内の光軸方向の櫛構造は、レーザ媒質の端面５ａ、５ｂ両面に設置してもよい。
このように構成することによって、側面励起など、レーザ媒質５内のレーザ光軸方向に対称な温度分布が発生する場合でも、熱レンズ焦点距離の調整が可能となる。

なお、ヒートシンク２の櫛歯間の空隙は、通常空気であるが、ヒートシンク２よりも小さな熱伝導度を有する熱絶縁材料で埋めてもよい。この場合、レーザ媒質５内の屈折率分布は、櫛歯の先端と熱絶縁材料との熱伝導度の差で発生する温度分布によって生成される。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド４の排熱側の前面が接合剤３に接合されて、レーザ媒質５で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質５の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド４を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク２の剛性を高めることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図５）に係るモード制御導波路型レーザ装置は、平板状をなし、光軸６に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質５と、レーザ媒質５の一面に接合されたクラッド４と、レーザ媒質５の一面側にクラッド４を介して接合されたヒートシンク２と、を備え、レーザ媒質５は、屈折率分布によりレンズ効果を生成し、レーザ光は、厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、光軸６および厚さ方向に垂直な方向において、レンズ効果による空間モードで発振する。

上記構成において、クラッド４とヒートシンク２との接合面積により、レーザ媒質５に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質５内の屈折率分布を生成する。
具体的には、ヒートシンク２は、レーザ光の光軸６の一部に、光軸６に平行な櫛構造を有する接合部（図３内のハッチング部）を備え、櫛構造の範囲を調整することにより、レーザ媒質に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質内の屈折率分布を生成する。

このように、クラッド４とヒートシンク２との接合面積を調整して、レーザ媒質５内で発生する屈折率分布およびレンズ効果を調整可能とし、発熱の大きな箇所では全面で排熱して温度を下げ、発熱の小さな箇所では熱レンズを生成することにより、信頼性を向上させたモード制御導波路型レーザ装置を実現することができる。

また、図３において、櫛構造を有する接合部（調整側となる開放部）は、レーザ媒質５の光軸６のレーザ光が入射する入射面を除く接合面に設置されている。
すなわち、櫛構造を有する接合部は、端面２ｂ側すなわち、レーザ媒質５の光軸６のレーザ光が出射する出射面（端面５ｂ）の接合面に設置されており、櫛歯を構成しない接合部は、端面２ａ側すなわち、レーザ媒質５の入射面（端面５ａ）の接合面に設置されている。

これにより、温度上昇しやすい入射側において発熱を抑制することができる。

（実施例２）
なお、上記実施の形態１（図１〜図５）では、レーザ媒質５内で発生する熱レンズを調整するために、ヒートシンク２の光軸６（ｚ軸）の方向の一部に櫛構造を設け、櫛構造部分の幅Ａを調整することにより導波路内の温度分布を調整したが、図６のように、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造部分を、断続的に複数本設けてもよい。

以下、図１および図６を参照しながら、この発明の実施の形態２について説明する。
図６はこの発明の実施の形態２に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク２の形状を示す断面図であり、前述（図１）の断面ｂ−ｂ’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク２の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図１に示した通りであり、特に明記しない限り、前述（図１）の励起光入射手段１〜レーザ媒質５と同等の機能を有するものとする。

前述の実施の形態１（図１〜図３）のように単一の櫛構造を設けた場合、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造部分の幅Ａ（図３参照）が狭くなるにつれて、クラッド４とヒートシンク２との接合面積が増大し、排熱により発生する熱分布により、ｙ軸方向にも屈折率分布が発生し、結果として、ｙ軸方向にも熱レンズが生じてしまう。
これに対し、この発明の実施の形態２（図６）によれば、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けることにより、上記不具合（ｙ軸方向の熱レンズの発生）を解消することができる。

図６において、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造は、断続的に複数本配置され、レーザ媒質５内で発生する熱レンズの焦点距離は、各櫛構造部分の幅を調整することにより調整可能である。
また、ある幅の櫛構造の本数を調整することによっても、熱レンズの焦点距離を調整することができる。
なお、図６においては、各櫛構造部分の幅が一定であるが、各幅は必ずしも均一である必要はない。

以上のように、この発明の実施の形態２（図１、図６）に係るモード制御導波路型レーザ装置によれば、櫛構造を有する接合部は、レーザ媒質５の光軸６のレーザ光が入射する入射面から断続的に複数個設置されており、光軸６（ｚ軸）の方向に、ヒートシンク２とクラッド４とが接合剤３を介して接合する部分と、ヒートシンク２とクラッド４とが接合されない部分とが交互に分布する。
これにより、光軸方向の熱伝導が増大し、この結果、ｙ軸方向に発生する熱分布を光軸６に平行な方向に平均化することができ、ｙ軸方向の熱レンズの発生を低減することができる。

なお、前述と同様に、ヒートシンク２の櫛歯間の空隙は、通常空気であるが、ヒートシンク２よりも小さな熱伝導度を有する熱絶縁材料で埋めてもよい。この場合、レーザ媒質５内の屈折率分布は、櫛歯の先端と熱絶縁材料との熱伝導度の差で発生する温度分布により生成される。
このように熱絶縁材料を埋めることにより、クラッド４の排熱側の前面が接合剤３に接合されて、レーザ媒質５で発生した熱を排熱するので、レーザ媒質５の温度上昇を抑制することができる。また、クラッド４を櫛形の先端のみで固定した場合に比べて、ヒートシンク２の剛性を高めることができる。

（実施例３）
なお、上記実施の形態１、２（図１〜図６）では、特に言及しなかったが、レーザ共振器内のｘ軸方向におけるレーザ発振においては、レーザ媒質５の幅（ｘ軸）が、レーザ光の波長に比べて十分大きいので、ｙ軸での導波路によるモード選択は行われず、空間モードのレーザ共振器となる。
そこで、図７のように、ヒートシンク２の光軸６に平行な方向に、接合剤３を介してクラッド４に接合される櫛歯を複数本設け、レーザ媒質５内のｘ軸方向に２つの櫛歯の中心を光軸とする熱レンズ効果を周期的に発生させることにより、ｘ軸方向に周期的な複数の発振モードを生成可能に構成してもよい。

以下、図１および図７を参照しながら、この発明の実施の形態３について説明する。
図７はこの発明の実施の形態３に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク２の形状を示す断面図であり、前述（図１）の断面ｂ−ｂ’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク２の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図１に示した通りであり、特に明記しない限り、前述（図１）の励起光入射手段１〜レーザ媒質５と同等の機能を有するものとする。

この発明の実施の形態３においては、レーザ媒質５に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質５内に屈折率分布を生成し、この屈折率分布により、ｘ軸方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、ｙ軸方向においては導波路モードで発振し、ｘ軸方向にはレンズ効果による空間モードで複数発振するモード制御導波路型レーザ装置を実現する。

図７において、ヒートシンク２の光軸６（ｚ軸）の方向の櫛構造の幅Ａ（図３参照）を、光軸方向に櫛構造が存在しない場合（各櫛構造の部分同士が接する場合）から、光軸方向全体が櫛構造である場合まで変化させることにより、または、光軸方向に複数本存在する櫛構造部分の本数を調整することにより、レーザ媒質５の熱レンズ焦点距離を調整することができる。

以上のように、この発明の実施の形態３（図１、図７）に係るモード制御導波路型レーザ装置によれば、ーザ媒質２は、屈折率分布により、光軸６および厚さ方向に垂直な方向（ｘ軸）に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、レーザ光は、厚さ方向（ｙ軸）において導波路モードで発振するとともに、光軸６および厚さ方向に垂直な方向（ｘ軸）において、レンズ効果による空間モードで複数発振する。

図７の構成によれば、高出力化が容易な、幅が広い発光領域を持つブロードエリアＬＤや、エミッタを一列に配置したＬＤアレーを用いて、励起光の高出力化を図り、高出力のレーザ光を出力可能なモード制御導波路型レーザ装置においても、レーザ媒質５内で発生する熱レンズを制御することができる。

（実施例４）
なお、上記実施の形態３（図７）では、レーザ媒質５内で発生する熱レンズ焦点距離を調整するために、ｘ軸方向に複数のレンズ効果を生成し、ｙ軸方向では導波路モードで発振し、ｘ軸方向ではレンズ効果による空間モードで複数発振する装置において、ヒートシンク２の光軸方向に櫛構造を設け、櫛構造部分の幅Ａまたは複数本存在する櫛構造部分の本数を調整することにより、導波路内の温度分布を調整したが、図８にように、ヒートシンク２の光軸（ｚ軸）の方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けてもよい。

以下、図１および図８を参照しながら、この発明の実施の形態４について説明する。
図８はこの発明の実施の形態４に係るモード制御導波路型レーザ装置のヒートシンク２の形状を示す断面図であり、前述（図１）の断面ｂ−ｂ’を示している。
この場合、全体構成は、ヒートシンク２の櫛形状が前述と異なる点を除けば、図１に示した通りであり、特に明記しない限り、前述（図１）の励起光入射手段１〜レーザ媒質５と同等の機能を有するものとする。

前述の実施の形態３（図７）の場合、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造部分が狭くなるにつれて、排熱により発生する熱分布によって、ｙ軸方向にも屈折率分布が発生し、結果として、ｙ軸方向にも熱レンズが生じてしまう。
これに対し、この発明の実施の形態４（図８）によれば、ヒートシンク２の光軸方向の櫛構造部分を断続的に複数本設けることにより、レーザ媒質５に所望の温度分布を発生させてレーザ媒質５内に屈折率分布を生成し、この屈折率分布により、ｘ軸方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、ｙ軸方向においては導波路モードで発振し、ｘ軸方向においてはレンズ効果による空間モードで複数発振する装置においても、上記不具合を解消することができる。

図８において、ヒートシンク２の光軸（ｚ軸）の方向の櫛構造部分は、断続的に複数本配置され、櫛構造部分の幅Ａ（図３参照）を調整することにより、レーザ媒質５内で発生する熱レンズの焦点距離を調整可能であり、また、或る幅の櫛構造の本数を調整することによっても、レーザ媒質５内で発生する熱レンズ焦点距離を調整することができる。
なお、各櫛構造部分の幅Ａは必ずしも一定である必要はない。

以上のように、この発明の実施の形態４（図１、図８）に係るモード制御導波路型レーザ装置によれば、光軸方向に、ヒートシンク２とクラッド４が接合剤３を介して接合する部分と接合されない部分が交互に分布することにより、光軸６に平行な方向の熱の伝導が増し、その結果、ｘ軸方向に周期的な複数の発振モードを持つレーザ装置においても、ｙ軸方向に発生する熱分布を光軸６に平行な方向に平均化することができ、ｙ軸方向の熱レンズを低減することができる。

また、高出力化が容易な、幅が広い発光領域を持つブロードエリアＬＤや、エミッタを一列に配置したＬＤアレーを用いて、励起光の高出力化を図り、高出力のレーザ光を出力可能なモード制御導波路型レーザ装置においても、レーザ媒質５内で発生する熱レンズを制御することができる。

また、上記実施の形態１〜４においては、発熱の大きな入射側では全面で排熱し、発熱の小さな出射側では熱レンズを調整して生成するために、図３、図７のように、櫛構造を有する接合部を、レーザ媒質５の光軸６のレーザ光が出射する出射面（端面５ｂ）の接合面に設置したが、要求に応じて、発熱の抑制効果よりも熱レンズの調整効果を優先する場合には、温度分布の強い入射側の端面５ａの接合面に櫛構造を有する接合部を設置してもよい。

１励起光入射手段、２ヒートシンク、３接合剤、４クラッド、５レーザ媒質、５ａ、５ｂ端面、６光軸。

Claims

平板状をなし、光軸に対して垂直な断面の厚さ方向に導波路構造を有し、レーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の一面に接合されたクラッドと、
前記レーザ媒質の一面側に前記クラッドを介して接合されたヒートシンクと、を備え、
前記レーザ媒質は、屈折率分布によりレンズ効果を生成し、
前記レーザ光は、前記厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで発振するモード制御導波路型レーザ装置であって、
前記ヒートシンクは、前記レーザ光の光軸方向に対して、前記光軸に平行な櫛構造を有する接合部と、前記光軸に平行な櫛構造を有していない接合部と、を備えたことを特徴とするモード制御導波路型レーザ装置。
前記レーザ媒質は、前記屈折率分布により、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向に複数のレンズを並べた効果であるレンズ効果を生成し、
前記レーザ光は、前記厚さ方向において導波路モードで発振するとともに、前記光軸および前記厚さ方向に垂直な方向において、前記レンズ効果による空間モードで複数発振することを特徴とする請求項１に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造の範囲を調整することにより、前記レーザ媒質に所望の温度分布を発生させて前記レーザ媒質内の屈折率分布を生成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面の接合面に設置されたことを特徴とする請求項３に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が出射する出射面の接合面に設置されたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面を除く接合面に設置されたことを特徴とする請求項３に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が出射する出射面を除く接合面に設置されたことを特徴とする請求項３または請求項６に記載のモード制御導波路型レーザ装置。
前記櫛構造を有する接合部は、前記レーザ媒質の光軸のレーザ光が入射する入射面から断続的に複数個設置されたことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載のモード制御導波路型レーザ装置。