JP5892918B2

JP5892918B2 - 半導体レーザ装置およびレーザ光発生方法

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Publication number: JP5892918B2
Application number: JP2012273527A
Authority: JP
Inventors: 藤川　周一; 周一藤川; 今野　進; 進今野; 智毅桂; 大嗣森田; 古田　啓介; 啓介古田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: JP2014120560A

Description

この発明は、単一の半導体レーザ素子に複数の発光点を備えた半導体レーザアレイを増幅媒質として使用し、外部共振器を用いて集光性を改善する半導体レーザ装置等に関するものである。

従来の単一の半導体レーザ素子に複数の発光点を備えた半導体レーザアレイを増幅媒質として使用する半導体レーザ装置においては、半導体レーザアレイの発光点から光学距離ｆの位置に、焦点距離ｆの凸レンズ、もしくは凹面鏡を設置し、更に凸レンズ、もしくは凹面鏡から光学距離ｆの位置に回折格子を設置するとともに、回折格子による１次回折光の光軸上に部分反射ミラーを設置し、外部共振器を構成することで、半導体レーザアレイの複数の発光点を出射する複数のビームを、回折格子の分散効果によって単一のビームに同軸上に重畳し、集光性を改善していた(例えば下記特許文献１、特許文献２参照)。

米国特許第６１９２０６２号明細書米国特許第６５２９５４２号明細書

このように単一の回折格子を使用し、回折格子の分散効果を利用して、半導体レーザアレイの複数の発光点を出射する複数のビームを、単一のビームに同軸上に重畳する従来の半導体レーザ装置においては、半導体レーザアレイの複数の発光点を出射する複数のビームを、回折格子上において略同位置に重ねて入射させる必要がある。このため、焦点距離ｆの凸レンズ、もしくは凹面鏡を、半導体レーザアレイの発光点から光学距離ｆの位置に設置するとともに、更に焦点距離ｆの凸レンズ、もしくは凹面鏡から光学距離ｆの位置に回折格子を精確に配置する必要があった。このため、光学系の調整に手間を要し、組立性、ならびに保守性が低下するという問題点があった。

また、従来の半導体レーザ装置においては、焦点距離ｆの凸レンズ、もしくは凹面鏡から、各々光学距離ｆの距離をなして、増幅媒質である半導体レーザアレイ、および回折格子を配置する必要がある。更に回折格子による短波長側の回折角と長波長側の回折角の差をΔθとすれば、焦点距離ｆとΔθの積が、半導体レーザアレイに設置された複数の発光点のうち両端に設けられた発光点間の距離Ｄより大きくする必要があるとともに、半導体レーザアレイの利得幅から、回折格子による短波長側の回折角と長波長側の回折角の差Δθにも限界がある。このため、凸レンズ、もしくは凹面鏡の焦点距離ｆは、回折格子の回折格子周波数、半導体レーザアレイの利得幅、半導体レーザアレイに設けられた両端の発光点間の距離Ｄに合わせ、一定以上の長さを確保する必要があることから、半導体レーザアレイと回折格子間の光学距離２ｆを確保するため、装置が大型化するという問題点に加え、外部共振器の安定性が低下するという課題があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易かつ小型化が可能な構成のもとで、半導体レーザアレイに設けられた複数の発光点から出射する複数のビームを、単一のビームへ同軸上に重畳し、半導体レーザアレイの集光性を改善した半導体レーザ装置等を得ることを目的としている。

この発明は、単一の素子上に複数の発光点が設けられた半導体レーザアレイ、前記半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の速軸方向に対する発散角を補正する速軸コリメータ、第１および第２の回折格子並びに部分反射鏡を光路に沿って順に備え、前記半導体レーザアレイの前記レーザ光が出射される前側端面に反射防止膜、後側端面に全反射膜がそれぞれ設けられ、前記反射防止膜と前記部分反射鏡との間で外部共振器が構成され、前記外部共振器の光路中に、溝方向が前記半導体レーザアレイの速軸方向と平行になるよう前記第１の回折格子が設けられ、前記第１の回折格子と同一の回折格子周期を有する前記第２の回折格子が前記第１の回折格子と平行に設けられ、前記第１および第２の回折格子による波長分散効果により複数の発光点を出射した複数のレーザ光が重畳されて前記部分反射鏡に入射され前記外部共振器からレーザ光が出射され、前記速軸コリメータと前記第１の回折格子との間に前記速軸コリメータと軸方向が同じ速軸円筒レンズをさらに備え、前記速軸コリメータと前記速軸円筒レンズとがケプラー型望遠鏡光学系を構成し、前記部分反射鏡が少なくとも前記半導体レーザアレイの速軸方向に対し平面鏡であり、前記速軸円筒レンズから前記部分反射鏡までの光学距離を前記速軸円筒レンズの焦点距離以下にしたことを特徴とする半導体レーザ装置等にある。

この発明では、簡易かつ小型化が可能な構成のもとで、半導体レーザアレイに設けられた複数の発光点から出射する複数のビームを、単一のビームへ同軸上に重畳し、半導体レーザアレイの集光性を改善した半導体レーザ装置等を提供できる。

この発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。図１の半導体レーザ装置において部分反射鏡をミスアライメントした状態を模式的に示した図である。この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。変形が発生した半導体レーザアレイを光軸方向(ｚ方向)から見た状態を模式的に示した図である。変形が発生した半導体レーザアレイを使用した場合の各発光点を出射するレーザ光の主光線を模式的に示した図である。この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の速軸平面(ｙｚ平面)内の光学系を模式的に示した図である。この発明の実施の形態３による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態３による半導体レーザ装置において部分反射鏡をミスアライメントした状態を模式的に示した図である。この発明の実施の形態４による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。この発明の実施の形態４による半導体レーザ装置において使用している９０°像回転光学系アレイの一例を示す斜視図である。この発明の実施の形態５による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。

この発明では、増幅媒質として単一の素子上に複数の発光点が設けられた半導体レーザアレイを使用し、速軸コリメータによって半導体レーザアレイの各発光点を出射するレーザ光の速軸方向に対する発散角を補正するとともに、半導体レーザアレイの後側端面と部分反射鏡との間で外部共振器を構成し、外部共振器の光路中に、溝方向が半導体レーザアレイの速軸方向と平行になるよう第１の回折格子を配設し、第１の回折格子と同一の格子周期を有する第２の回折格子を、第１の回折格子と平行に配設して、第１および第２の回折格子による波長分散効果によって、複数の発光点を出射する複数のレーザ光を重畳させて部分反射鏡に入射せしめ、外部共振器からレーザ光を取り出す。これにより、簡易、かつコンパクトな構成のもとで、半導体レーザアレイの輝度を格段に向上できる。

また、速軸コリメータと第１の回折格子との間に、速軸コリメータと軸方向を同じくして円筒レンズを配設し、速軸コリメータと円筒レンズはケブラー型望遠鏡光学系を構成するとともに、部分反射鏡は少なくとも半導体レーザアレイの速軸方向に対し平面鏡であり、円筒レンズから部分反射鏡までの光学距離を、円筒レンズの焦点距離以下にした。これにより、半導体レーザアレイに変形が発生した場合であっても、外部共振器によって安定なビームモードを形成し、半導体レーザアレイの輝度を格段に向上させることができる。

また、速軸コリメータと第１の回折格子との間に、ピッチが半導体レーザアレイの発光点ピッチに等しい９０°像回転光学系アレイを設置した。これにより、半導体レーザアレイに変形が発生した場合であっても、更にコンパクト、かつ簡易な外部共振器構成のもとで、安定なビームモードを形成し、半導体レーザアレイの輝度を格段に向上させる。

以下、この発明による半導体レーザ装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態１、ならびに以下すべての実施の形態において、この発明の主旨を明確にするため、第１の発光点１０１、第２の発光点１０２、ならびに第３の発光点１０３からなる３個の発光点を備えた簡易な構成を有する半導体レーザアレイ１００を増幅媒質として使用した半導体レーザ装置の構成例に従って説明する。しかしながら、半導体レーザアレイ１００の構成はこれに限るものではない。

前述の通り、図１は本実施の形態による、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３からなる３個の発光点を備えた半導体レーザアレイ１００を増幅媒質として使用した半導体レーザ装置の構成例を示している。半導体レーザアレイ１００の発光点幅は１００μｍ、発光点間隔は１ｍｍである。また、半導体レーザアレイ１００の利得帯域は、波長９１５ｎｍを中心に半値全幅で約３０ｎｍである。半導体レーザアレイ１００のレーザ光６０１、６０２、６０３を出射する前側端面１０４には波長９１５ｎｍを中心とした広帯域の反射防止膜(１０４)、後側端面１０５には波長９１５ｎｍを中心とした広帯域の全反射膜(１０５)が施されている。ここで、半導体レーザアレイ１００の前側端面１０４に施された反射防止膜の反射率は、半導体レーザアレイ１００単体での自励発振を抑制するため、１％以下であることが望ましい。

本実施の形態の半導体レーザ装置においては、全反射膜が施された半導体レーザアレイ１００の後側端面１０５と、部分反射鏡５との間で外部共振器が構成されている。部分反射鏡５には曲率半径２００ｍｍの円筒凹面鏡を使用しており、反射率は約１５％で円筒凹面鏡の軸方向が半導体レーザアレイ１００の速軸方向に一致する向きで設置している。ここで速軸方向とは、半導体レーザの活性層に垂直な方向に対する慣例的な呼称であり、図１中、ｙ方向に相当する。一方、半導体レーザの活性層に平行、かつレーザ光の進行方向に垂直な方向は遅軸方向と呼ばれ、半導体レーザアレイ１００に設けられた複数の発光点の配列方向と一致し、図１中、ｘ方向に相当する。また、半導体レーザアレイ１００の前面には、速軸コリメータ２が設置されており、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光６０１、６０２、６０３の速軸方向に対する発散角を平行化している。

外部共振器の光路中に設置された第１の回折格子３、ならびに第２の回折格子４は、同一の格子周波数を有しており、本実施の形態では格子周波数１５０３．８本／ｍｍの耐光強度に優れた石英製の透過型回折格子を使用している。第１の回折格子３は、溝方向が速軸方向(ｙ方向)と一致する向きで、かつ半導体レーザアレイ１００の光軸に対し、入射角が４１°となるよう設置されている。また、第２の回折格子４は、第１の回折格子３に対し、距離３０ｍｍをなして平行に配置されている。

図１中、６０１、６０２、６０３は、半導体レーザアレイ１００の第１の発光点１０１、第２の発光点１０２、第３の発光点１０３から発生するレーザ光の主光線を各々表している。ここで、第１の回折格子３と第２の回折格子４は、平行に配置されているため、半導体レーザアレイ１００と第１の回折格子３間の主光線と、第２の回折格子４と部分反射鏡５間の主光線は平行になる。半導体レーザアレイ１００と第１の回折格子３間において、第１の発光点１０１、第２の発光点１０２、第３の発光点１０３から発生するレーザ光の主光線６０１、６０２、６０３は分離している。一方、第１の発光点１０１、第２の発光点１０２、第３の発光点１０３が、単一の部分反射鏡５に対し、同時に外部共振器の共振条件を満たすためには、第２の回折格子４と部分反射鏡５間の光路において、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３から発生したレーザ光の主光線６０１、６０２、６０３は同軸上に重畳している必要がある。

このため、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３の発振波長は、波長によって回折角が異なる回折格子の波長分散効果を利用し、外部共振器の共振条件を満たすように受動的に選択される。本実施の形態の半導体レーザ装置おいては、第１の発光点１０１の発振中心波長は９２５ｎｍ、第２の発光点１０２の発振中心波長は９１５ｎｍ、第３の発光点１０３の発振中心波長は９０５ｎｍとなる。この結果、中心波長が異なる３本のレーザ光(６０１〜６０３)が同軸上に重畳されて、部分反射鏡５を介し、外部共振器からレーザ光６として出射する。

図２は、図１に示す本実施の形態の半導体レーザ装置において、部分反射鏡５をミスアライメントした状態を模式的に示した図である。図２においては、円筒凹面鏡からなる部分反射鏡５’の設置角度が、円筒凹面鏡の軸周りにずれた場合を想定しており、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光の主光線６０１’、６０２’、６０３’は、点線で示すようにシフトする。外部共振器の共振条件を満たすためには、レーザ光入射点における部分反射鏡５’の法線とレーザ光６の光軸が一致する必要がある。図２に示すように、部分反射鏡５’に円筒凹面鏡を使用した場合、円筒凹面鏡の軸周りにずれが発生した場合であっても、外部共振器の共振条件を満たすように、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３の発振波長が受動的に選択されるため、レーザ発振を安定に維持することができる。

本実施の形態に示すように、半導体レーザアレイ１００と単一の部分反射鏡５間で構成される外部共振器中へ、平行配置した２枚の回折格子を、溝方向が半導体レーザアレイ１００の速軸方向に一致する向きで設置すれば、回折格子の波長分散効果によって、異なる発光点から出射したレーザ光を簡易に同軸上へ重畳することができる。この結果、理論的には、発光点１個当りの集光性を維持しながら、発光点の数を乗じただけの高出力化が可能になり、半導体レーザアレイの輝度を格段に向上させることが可能になるという極めて顕著な効果を奏するものである。

また、本実施の形態においては、各発光点を出射したレーザ光の重畳に、平行配置した２枚の回折格子を利用している。回折格子には屈折効果が無いため、光軸方向が変化することを除けば、外部共振器の基本モードに対する影響はない。この結果、外部共振器内において、２枚の回折格子の設置位置に制限はなく、２枚の回折格子間の距離と平行さえ確保できていれば、共振器長を短くすることで、外部共振器の小型化も可能であり、また所望するビームモードに応じて、適宜外部共振器の構成を決めてやればよいので、外部共振器の設計自由度を大幅に拡張できるという格別な効果がある。

また、本実施の形態においては、各発光点を出射したレーザ光の重畳に、平行配置した２枚の回折格子を利用するので、２枚の回折格子の平行さえ確保できていれば、半導体レーザアレイの光軸に対し、回折格子の設置角度がずれた場合であっても、設置角度のずれに応じて、外部共振器の共振条件を満たす波長が受動的に選択され、レーザ発振が維持されるので、外部共振器の組立・調整が容易になるばかりでなく、機械的な衝撃等外乱に対する安定性も向上するという効果がある。

更に、本実施の形態においては、円筒凹面鏡を外部共振器の部分反射鏡として使用しており、円筒凹面鏡の軸方向が半導体レーザアレイの速軸方向と一致する向きに設置しているので、円筒凹面鏡の軸周りに部分反射鏡の角度ずれが発生した場合であっても、安定なレーザ発振を維持し、更に外部共振器の組立・調整が容易になるばかりでなく、機械的な衝撃等外乱に対する安定性も更に向上するという格別な効果がある。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。なお、本実施の形態にて使用している半導体レーザアレイ１００、第１の回折格子３、第２の回折格子４の仕様については、前記実施の形態１と同一である。本実施の形態においては、速軸コリメータ２の前面に、遅軸コリメータアレイ７を設置し、半導体レーザアレイ１００の各発光点１０１，１０２，１０３を出射するレーザ光の遅軸方向に対する発散角を補正している。なお、遅軸コリメータアレイ７は、半導体レーザアレイ１００の発光点間隔に合致した円筒レンズアレイから構成されている。また、遅軸コリメータアレイ７と第１の回折格子３との間に、軸方向が半導体レーザアレイ１００の遅軸方向(ｘ方向)に一致する向きで速軸円筒レンズ８を設置している。部分反射鏡５には前記実施の形態１と同じく、円筒凹面鏡を使用しており、軸方向が半導体レーザアレイの速軸方向と一致する向きで設置されている。

本実施の形態においても、前記実施の形態１と同じく、第１の回折格子３と第２の回折格子４は、溝方向が半導体レーザアレイ１００の速軸に一致する方向で、距離３０ｍｍをなして平行に配置されている。また、平行配置された２枚の回折格子の波長分散効果を利用し、半導体レーザアレイ１００の各発光点を出射するレーザ光を、遅軸方向に対し重畳させるメカニズムについても、前記実施の形態１と同一であり、前記実施の形態１と同様な効果を得ることができる。

図４は、半導体レーザアレイ１００を光軸方向(ｚ方向)から見た状態を模式的に示した図である。図示してはいないが、半導体レーザアレイ１００は、通常冷却、ならびに通電用の電極を兼ねる金属製のヒートシング上へ半田を使用して接合される。半導体レーザアレイ１００の各発光点１０１、１０２、１０３の高さは、一定になるのが理想であるが、実際には接合の均一性や、加熱・冷却にともなう熱変形の影響によって、各発光点１０１、１０２、１０３の高さに数ミクロンレベルのばらつきが発生する。半導体レーザアレイ１００両端部の発光点の高さが、中央部の発光点に比べ低くなる「スマイル」と呼ばれる変形が代表例である。図４に示す本実施の形態の半導体レーザアレイ１００についても、中央部に位置する第２の発光点１０２の高さが最も高く、次いで第１の発光点１０１、第３の発光点と続いている。

図５は、図４にて示した変形が発生した半導体レーザアレイ１００を使用した場合の、各発光点を出射するレーザ光の主光線を模式的に示した図である。速軸コリメータ２は、第１の発光点１０１の高さと速軸コリメータ２の中心が一致するよう高さ方向が固定されている。また、本実施の形態の速軸コリメータ２には、焦点距離０．５ｍｍの円筒レンズを使用しており、速軸コリメータ２の前方焦点面２０３が、半導体レーザアレイ１００の各発光点１０１、１０２、１０３に一致する位置に光軸方向が固定されている。速軸コリメータ２が収差のない理想的なレンズである場合、各発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光の主光線６０１、６０２、６０３は、速軸コリメータ２の集光作用によって、速軸コリメータ２の後方焦点面２０２上で一旦同一高さとなった後、速軸コリメータ２に対する各発光点の相対高さに応じて、速軸方向(ｙ方向)に偏向される。即ち、速軸コリメータ２の中心と高さが一致する第１の発光点を出射したレーザ光６０１は直進し、速軸コリメータ２の中心より上方に位置する第２の発光点を出射したレーザ光６０２は下方に偏向され、速軸コリメータ２の中心より下方に位置する第３の発光点を出射したレーザ光６０３は上方に偏向される。なお、遅軸コリメータアレイ７は、速軸平面(ｙｚ平面)内では遅軸コリメータアレイ７自体の屈折率を有する自由空間としてのみ作用する。

図６は、本実施の形態の半導体レーザ装置の速軸平面(ｙｚ平面)内の光学系を模式的に示した図である。実際には、第１、および第２の回折格子３、４による回折効果によって、外部共振器内の光路は折れ曲がっているが、発明の主旨を明確にするため、図６では光路は全て直線で示している。また、発振波長による回折角の違いによって、各発光点を出射するレーザ光６０１、６０２、６０３の速軸円筒レンズ８から部分反射鏡５までの光路長は各々異なっているが、図６では全て同一の光路長として図示している。

本実施の形態においては、焦点距離１００ｍｍの速軸円筒レンズ８を使用しており、速軸コリメータ２の後方焦点面２０２から速軸円筒レンズ８の焦点距離に等しい１００ｍｍの位置に設置している。従って、速軸コリメータ２と速軸円筒レンズ８は、速軸平面(ｙｚ面)内において、倍率２００のケプラー型望遠鏡光学系を形成している。この結果、半導体レーザアレイ１００の変形に起因し、速軸コリメータ２によって偏向されたレーザ光の進行方向を、速軸平面(ｙｚ面)内において、外部共振器の光軸方向(ｚ方向)へ補正することが可能になる。

本実施の形態においては、部分反射鏡５に円筒凹面鏡を使用しており、軸方向が速軸方向(ｙ方向)に一致する向きに設置しているため、図６に示す速軸平面(ｙｚ平面)内では、部分反射鏡５は平面鏡として作用する。本実施の形態に示すように、速軸コリメータ２と第１の回折格子３の間に速軸円筒レンズ８を配設し、速軸コリメータ２と速軸円筒レンズ８により速軸平面(ｙｚ平面)内においてケプラー型望遠鏡光学系を構成すれば、半導体レーザアレイ１００にスマイル等の変形が発生し、半導体レーザアレイ１００の各発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光６０１、６０２、６０３の進行方向が、速軸コリメータ２によって偏向した場合であっても、各レーザ光６０１、６０２、６０３の進行方向は外部共振器の光軸方向(ｚ方向)へ補正されるため、速軸平面(ｙｚ平面)内において平面鏡として作用する部分反射鏡５へ、各レーザ光６０１、６０２、６０３は垂直に入射し、外部共振器の共振条件を満たすことができる。

また、本実施の形態においては、ケプラー型望遠鏡光学系を構成する速軸円筒レンズ８から、速軸円筒レンズ８の焦点距離以下の光学距離に、速軸平面(ｙｚ平面)内において平面鏡として作用する部分反射鏡５を設置しているので、半導体レーザアレイ１００にスマイル等の変形が発生した場合であっても、半導体レーザアレイ１００の輝度を格段に向上させながら安定な固有モードを形成し、レーザ光を効率よく安定に取り出すことができる。なお、前述のように、実際には発振波長による回折角の違いによって、各発光点を出射するレーザ光６０１、６０２、６０３の速軸円筒レンズ８から部分反射鏡５までの光路長は各々異なっている。発振波長が長くなるほど速軸円筒レンズ８から部分反射鏡５までの光路長も原理的に長くなるため、発振波長が最も長い第１の発光点１０１を出射するレーザ光６０１を基準に、速軸円筒レンズ８から部分反射鏡５までの光学距離が、速軸円筒レンズ８の焦点距離以下になるよう部分反射鏡５を設置すればよい。

また、本実施の形態においては、前述の如く、速軸コリメータ２の前面に、遅軸コリメータアレイ７を設置し、半導体レーザアレイ１００の各発光点を出射するレーザ光の遅軸方向に対する発散角を補正しているので、半導体レーザアレイ１００の各発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光６０１、６０２、６０３の遅軸方向に対する発散角を効果的に低減し、第１、および第２の回折格子３，４の小型化が可能になるばかりでなく、遅軸方向に対しても安定な固有モードを形成することができる。

また、本実施の形態においても、前記実施の形態１と同じく、円筒凹面鏡を外部共振器の部分反射鏡として使用しており、円筒凹面鏡の軸方向が半導体レーザアレイの速軸方向と一致する向きに設置しているので、前記実施の形態１と同じく、円筒凹面鏡の軸周りに部分反射鏡の角度ずれが発生した場合であっても、安定なレーザ発振を維持し、外部共振器の組立・調整が容易になるばかりでなく、機械的な衝撃等外乱に対する安定性も向上することは言うまでもない。
また、遅軸コリメータアレイ７は必須構成要素ではない。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態においては、部分反射鏡５ａに平面鏡を使用し、第２の回折格子４と部分反射鏡５の間に、軸方向が半導体レーザアレイ１００の速軸方向(ｙ方向)に一致する向きで遅軸円筒レンズ９を設置している。上記以外の構成については、前記実施の形態２と同一である。平面鏡である部分反射鏡５ａと軸方向を半導体レーザアレイ１００の速軸方向(ｙ方向)に一致する向きに設置した遅軸円筒レンズ９との組合せは、光学的に軸方向を速軸方向(ｙ方向)に一致する向きに設置した円筒凹面鏡と等価になるため、前記実施の形態２と同様な効果が得られるばかりでなく、平面鏡からなる部分反射鏡５と遅軸円筒レンズ９間の距離を調整することによって、光学的に等価な円筒凹面鏡の曲率を連続的に変化させることができるので、部分反射鏡５、遅軸円筒レンズ９の仕様を変更することなく、遅軸方向に対する基本モードを適正化し、安定かつ効率よくレーザ光を外部共振器から取り出すことができるという格別な効果がある。

図８は、図７に示す本実施の形態の半導体レーザ装置において、部分反射鏡５ａをミスアライメントした状態を模式的に示した図である。図８においては、平面鏡からなる部分反射鏡５ａの設置角度が、速軸(ｚ軸)周りにずれた場合を想定しており、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３を出射するレーザ光の主光線６０１’、６０２’、６０３’は、点線で示すようにシフトする。前述のように外部共振器の共振条件を満たすためには、レーザ光入射点における部分反射鏡５ａ’の法線とレーザ光の光軸が一致する必要がある。本実施の形態においては、平面鏡からなる部分反射鏡５ａ’と部分反射鏡５ａ’と第２の回折格子４の間に遅軸円筒レンズ９を設置しているので、平面鏡からなる部分反射鏡５ａ’が図８に示す如く速軸(ｙ軸)周りに角度ずれを生じた場合であっても、遅軸円筒レンズ９による屈折効果を利用し、外部共振器の共振条件を満たすように、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３の発振波長が受動的に選択されるため、部分反射鏡５ａに円筒凹面鏡を使用した場合と同じく、レーザ発振を安定に維持することができる。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態にて使用している半導体レーザアレイ１００、第１の回折格子３、第２の回折格子４の仕様については、前記各実施の形態と同一である。本実施の形態においては、速軸コリメータ２の前部に９０°像回転光学系アレイ１０を設置している。また、９０°像回転光学系アレイ１０と第１の回折格子３との間に速軸円筒レンズ８を設置するとともに、部分反射鏡５には、軸方向を速軸(ｙ軸)方向に一致させた円筒凹面鏡を使用している。

図１０は本実施の形態で使用している９０°像回転光学系アレイ１０の一例を示す斜視図である。９０°像回転光学系アレイ１０は、対向した一対の円筒凸レンズを、基準軸(ｙ軸)に対し４５°傾けて、半導体レーザアレイ１００の発光点間隔と同一のピッチで配列したもので、円筒凸レンズの焦点距離をｆとすれば、対向する円筒凸レンズ間の間隔Ｌは２ｆに設定されている。９０°像回転光学系に対し、偏平光の長軸、もしくは短軸を基準軸(ｙ軸)に平行な角度で入射させた場合、出射光の長軸と短軸が反転し、入射光が９０°回転したものと同様な像となる。例えば、９０°像回転光学系アレイ１０は、ドイツのＬＩＭＯＬｉｓｓｏｔｓｃｈｅｎｋｏＭｉｋｒｏｏｐｔｉｋＧｍｂＨ社が製品化しており、ＢｅａｍＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍという製品名で容易に入手することが可能である。

本実施の形態においては、速軸コリメータ２の前面に９０°像回転光学系アレイ１０を設置しているので、９０°像回転光学系アレイ１０を透過したレーザ光６０１、６０２、６０３は、集光性に優れた速軸(ｙ軸)成分が遅軸(ｘ軸)成分へ、集光性が低い遅軸(ｘ軸)成分が速軸(ｙ軸)成分へ変換される。また、半導体レーザアレイ１００にスマイル等の変形が発生した場合、前述の通り速軸コリメータ２によって、位置ずれを生じた発光点を出射するレーザ光は、速軸平面(ｙｚ平面)内において偏向作用を被るが、本実施の形態においては、９０°像回転光学系アレイ１０を透過することによって、偏向成分も遅軸平面(ｚｘ平面)内へ変換される。従って、半導体レーザアレイ１００にスマイル等の変形が発生した場合、図９に示すように９０°像回転光学系アレイ１０を透過したレーザ光の主光線６０１、６０２、６０３は、遅軸平面(ｚｘ平面)内で互いに非平行となる。

本実施の形態においても、第１の回折格子３と第２の回折格子４を溝方向を速軸(ｙ軸)方向に一致させて平行に配置しているので、第１の回折格子３へ入射するレーザ光と第２の回折格子４から出射するレーザ光の光軸は平行になる。従って、各レーザ光６０１、６０２、６０３は、部分反射鏡５へ異なる角度で入射することになるが、本実施の形態においては、部分反射鏡５に軸方向を速軸(ｙ軸)方向に一致させた円筒凹面鏡を使用しているので、部分反射鏡５へ入射するレーザ光の光軸と、入射位置における部分反射鏡５の法線が一致し、外部共振器の共振条件を満たすように、平行配置した第１、および第２の回折格子３、４による波長分散効果によって、発振波長が受動的に選択され、安定なレーザ発振を得ることができる。

本実施の形態においては、前記実施の形態２、３と同様に、半導体レーザアレイ１００にスマイル等の変形が発生した場合であっても、安定なレーザ発振を維持しながら、半導体レーザアレイの輝度を格段に向上させることができる。更に、半導体レーザアレイ１００の変形に起因するレーザ光の偏向の補償に、望遠鏡光学系等を使用する必要がないため、外部共振器の構成を簡易化し、組立・調整作業が容易になるばかりでなく、機械的な衝撃等外乱に対するロバスト性も向上する。加えて、外部共振器の設計の自由度も大幅に改善するため、適宜外部共振器を設計することによって、所望するビームモードを得ることができる。

また、本実施の形態においては、９０°像回転光学系アレイ１０によって、半導体レーザアレイ１００出射時には集光性が低い遅軸(ｘ軸)成分を速軸(ｙ軸)成分へ変換するので、半導体レーザアレイ１００出射時の遅軸(ｘ軸)成分の発散角を補正する遅軸コリメータアレイ７が不要になり、速軸(ｙ軸)成分へ変換された低集光ビームの発散角を、簡易な速軸円筒レンズ８によって補正し、安定な固有モードを形成することができる。

なお、本実施の形態においても、円筒凹面鏡を外部共振器の部分反射鏡として使用しており、円筒凹面鏡の軸方向が半導体レーザアレイの速軸方向と一致する向きに設置しているので、前記実施の形態１、２と同じく、円筒凹面鏡の軸周りに部分反射鏡の角度ずれが発生した場合であっても、安定なレーザ発振を維持し、更に外部共振器の組立・調整が容易になるばかりでなく、機械的な衝撃等外乱に対する安定性も向上することは言うまでもない。
また、速軸円筒レンズ８は必須構成要素ではない。

実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５による半導体レーザ装置の構成の一例を示す図である。本実施の形態においては、部分反射鏡５ａに平面鏡を使用し、第２の回折格子４と部分反射鏡５の間に、軸方向が半導体レーザアレイ１００の速軸方向(ｙ方向)に一致する向きで遅軸円筒レンズ９を設置している。上記以外の構成については、前記実施の形態４と同一である。実施の形態３において記述した通り、平面鏡である部分反射鏡５ａと軸方向を半導体レーザアレイ１００の速軸方向(ｙ方向)に一致する向きに設置した遅軸円筒レンズ９との組合せは、光学的に軸方向を速軸方向(ｙ方向)に一致する向きに設置した円筒凹面鏡と等価になる。従って、９０°像回転光学系アレイ１０によって、レーザ光６０１、６０２、６０３の速軸(ｙ軸)成分を遅軸(ｘ軸)成分へ、遅軸(ｘ軸)成分を速軸(ｙ軸)成分へ変換する構成においても、前記実施の形態４と同様な効果が得られるばかりでなく、平面鏡からなる部分反射鏡５ａと遅軸円筒レンズ９間の距離を調整することによって、光学的に等価な円筒凹面鏡の曲率を連続的に変化させることができるので、部分反射鏡５ａ、遅軸円筒レンズ９の仕様を変更することなく、遅軸方向に対する基本モードを適正化し、安定かつ効率よくレーザ光を外部共振器から取り出すことができるという格別な効果を得ることができる。

また、実施の形態３と同じく、平面鏡からなる部分反射鏡５ａ’が速軸(ｙ軸)周りに角度ずれを生じた場合であっても、遅軸円筒レンズ９による屈折効果を利用し、外部共振器の共振条件を満たすように、第１、第２、第３の発光点１０１、１０２、１０３の発振波長が受動的に選択されるため、部分反射鏡５に円筒凹面鏡を使用した場合と同じく、レーザ発振を安定に維持することができる。

冒頭でも述べたように、前記各実施の形態においては、この発明の主旨を明確にするため、３個の発光点を備えた簡易な構成を有する半導体レーザアレイを増幅媒質として使用した半導体レーザ装置の構成例を示した。しかしながら、半導体レーザアレイの構成はこれに限るものではなく、例えば、幅１００μｍの発光点を５００μｍ間隔で１９個備えた一般的な半導体レーザアレイであっても、各実施の形態とそれぞれ同様な効果を得ることができる。すなわちこの発明は、複数の発光点を略直線上に配設した半導体レーザアレイであれば、発光点の幅、数、位置、波長域に依らず適用可能である。

また、外部共振器についても、前記各実施の形態において示した構成に限るものではなく、半導体レーザアレイの構成や所望するビームモードに応じて、適宜構成するとともに、適切な位置へ適切な仕様の光学素子を配設すればよい。

なお、前記各実施の形態においては、全て透過型の回折格子を使用する構成を示したが、同一の格子周波数を備えた回折格子を平行配置する構成とすれば、反射型の回折格子、または反射型と透過型の回折格子の組合せであっても、同様な効果を得ることができる。回折格子の仕様については、半導体レーザアレイの構成、波長、所望する外部共振器構成に合わせ適宜選定すればよい。

この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

２速軸コリメータ、３第１の回折格子、４第２の回折格子、５，５ａ部分反射鏡、６レーザ光、７遅軸コリメータアレイ(円筒レンズアレイ)、８速軸円筒レンズ、９遅軸円筒レンズ、１０９０°像回転光学系アレイ、１００半導体レーザアレイ、１０１，１０２，１０３発光点、１０４前側端面(反射防止膜)、１０５後側端面(全反射膜)、２０２後方焦点面、２０３前方焦点面、６０１，６０２，６０３レーザ光(主光線)。

Claims

単一の素子上に複数の発光点が設けられた半導体レーザアレイ、前記半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の速軸方向に対する発散角を補正する速軸コリメータ、第１および第２の回折格子並びに部分反射鏡を光路に沿って順に備え、
前記半導体レーザアレイの前記レーザ光が出射される前側端面に反射防止膜、後側端面に全反射膜がそれぞれ設けられ、前記反射防止膜と前記部分反射鏡との間で外部共振器が構成され、前記外部共振器の光路中に、溝方向が前記半導体レーザアレイの速軸方向と平行になるよう前記第１の回折格子が設けられ、前記第１の回折格子と同一の回折格子周期を有する前記第２の回折格子が前記第１の回折格子と平行に設けられ、前記第１および第２の回折格子による波長分散効果により複数の発光点を出射した複数のレーザ光が重畳されて前記部分反射鏡に入射され前記外部共振器からレーザ光が出射され、
前記速軸コリメータと前記第１の回折格子との間に前記速軸コリメータと軸方向が同じ速軸円筒レンズをさらに備え、前記速軸コリメータと前記速軸円筒レンズとがケプラー型望遠鏡光学系を構成し、前記部分反射鏡が少なくとも前記半導体レーザアレイの速軸方向に対し平面鏡であり、前記速軸円筒レンズから前記部分反射鏡までの光学距離を前記速軸円筒レンズの焦点距離以下にしたことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記速軸コリメータと前記第１の回折格子との間に、ピッチが前記半導体レーザアレイの発光点間隔に等しい９０°像回転光学系アレイを設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記部分反射鏡は少なくとも前記半導体レーザアレイの遅軸方向に対し、凹面鏡であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
前記部分反射鏡は平面鏡であり、前記第２の回折格子と前記部分反射鏡との間に、少なくとも前記半導体レーザアレイの遅軸方向に対し凸レンズとなる遅軸円筒レンズを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
増幅媒質として単一の素子上に複数の発光点が設けられた半導体レーザアレイを使用し、速軸コリメータによって前記複数の発光点から出射されるレーザ光の速軸方向に対する発散角を補正するとともに、前記半導体レーザアレイの後側端面と、少なくとも前記半導体レーザアレイの速軸方向に対して平面鏡である部分反射鏡との間で外部共振器を構成し、前記外部共振器の光路中に、溝方向が前記半導体レーザアレイの速軸方向と平行になるよう第１の回折格子を配設し、前記第１の回折格子と同一の格子周期を有する第２の回折格子を前記第１の回折格子と平行に配設して、前記第１および第２の回折格子による波長分散効果によって、複数の発光点を出射する複数のレーザ光を重畳させて前記部分反射鏡に入射させ、
前記速軸コリメータと前記第１の回折格子との間に前記速軸コリメータと軸方向が同じ速軸円筒レンズを、前記速軸コリメータと前記速軸円筒レンズがケプラー型望遠鏡光学系を構成するように配設し、前記速軸円筒レンズからの光学距離を前記速軸円筒レンズの焦点距離以下になるように前記部分反射鏡を配設して、前記外部共振器からレーザ光を取り出すことを特徴とするレーザ光発生方法。