JP5919191B2 - 角度選択的なフィードバックを有する縦キャビティ面発光レーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの広領域縦キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、前記レーザーから発されるレーザー放射のための角度選択的なフィードバックを供給する少なくとも１つの光学フィードバック要素とを有するレーザー装置に関する。本発明は、更に、角度選択的な光学フィードバックによって、広領域縦キャビティ面発光レーザーのレーザー放射を安定させる方法にも関する。

高出力ダイオードレーザは、医療におけるのと同様に、切断、溶接又はハンダ付けのような材料処理の数多くの用途を示している。更に、縦キャビティ面発光レーザーは、今日、装置当たりの高い出力電力と、二次元アレイの形態における容易な拡張性とに到達している。

レーザーの放出は、通常、ガウス・モードに関して記載され、ほとんどのレーザーは、基本的なガウス輝度分布を有するように設計されている。しかしながら、多くのレーザー用途に関して、特に、材料処理又は医療用途において、例えば、シルクハット状（top-hat）の円形又は長方形又はリング構造のような、異なる輝度分布が前記作用平面において必要とされる。１つあるいは複数のレンズアレイ及び少なくとも１つのフーリエ・レンズからなるビームホモジナイザが、所望の輝度分布に前記レーザービームを成形するために利用されることができるが、前記ビームに慎重に位置合わせされなければならない。更に、前記レーザービームの干渉性により、不必要なアーチファクトが、現れ得る。更に、環状プロファイルは、ビームホモジナイザによって、著しい電力損失を伴って実現されることができるのみである。特に、このような環形の輝度プロファイルは、材料処理及び医療用途において、有利なものでありえる。例えば、環状プロファイルは、円形の溶接シーム上のレーザービームの走査を回避するために、プラスチック溶接において使用されることができる。他の例は、高い熱伝導率を有する材料の加熱である。使用されるレーザービームが、シルクハット状の輝度分布を有する場合、加工中の製品の表面上の温度分布は、端の良好な冷却により、中央においてピークに達する。レーザービームの整合された環形により、この中央のピークは回避されることができ、円形の領域を均一に加熱する。

ガウス・モードを発する小領域ＶＣＳＥＬが、知られている。高い出力電力が、広い活性領域により達成されることができるが、この放出は、フーリエ・モードによって最良に記述される分布に変化する。このような広領域ＶＣＳＥＬによれば、レーザー放射の放出角は、幾つかのエタロン効果と同様に、光学ゲインのピーク及びキャビティの共振の離調に依存する。広領域ＶＣＳＥＬは、前記レーザーの温度、駆動電流及び設計に対して非常に敏感に依存して、主に、１つ以上の異なった角において発光する。しかしながら、この依存性は、結果として、前記離調が変化するので、変化する電流又は温度による遠視野のずれをもたらす。

本発明の目的は、前記遠視野の所望の安定した輝度分布を有するレーザー放射を発するように容易に設計されることができるレーザー装置と、所望の角度分布における縦キャビティ面発光レーザーのレーザー放出を安定させるための方法とを提供することにある。

当該目的は、添付の請求項１及び１４に記載のレーザー装置及び方法により達成される。当該レーザー装置及び方法の有利な実施例は、添付の従属請求項の内容であり、即ち本明細書において後述される。

提案されるレーザー装置は、光軸を有する少なくとも１つの広領域縦キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、前記レーザーから発されるレーザー放射のための角度選択的なフィードバックを供給する少なくとも１つの光学フィードバック要素とを有する。前記フィードバック要素により供給される前記角度選択的なフィードバックは、光軸上で発されるレーザー放射に対してよりも、前記光軸に対して０よりも大きい角度θにおいて発されるレーザー放射の少なくとも１つの部分に関して高い。

従って、本発明は、１つ又は複数の広領域ＶＣＳＥＬを使用し、角度選択的なフィードバックを利用することによって、所望の角度分布におけるこれらのＶＣＳＥＬの放出を安定させることを提案する。広領域ＶＣＳＥＬは、前記レーザー放出がフーリエ・モードにより支配されているＶＣＳＥＬである。このような広領域ＶＣＳＥＬは、典型的には、８０μｍ^２以上の、好ましくは３００μｍ^２以上の放出領域を有する。前記光軸上で発されるレーザー放射のための小さい領域ＶＣＳＥＬの単一の基本モードを安定化することが知られている一方で、本発明の発明者らは、驚くべきことに、０よりも大きい放出角における角度選択的なフィードバックが、広範囲の駆動電流及び温度に対する広領域ＶＣＳＥＬによる安定な放出パターンをもたらすことを発見した。この角度選択的なフィードバックによって、前記レーザーの前記遠視野の角度輝度分布は、対応する用途に容易に適合されることができる。従って、例えば、幾つかの用途において好ましい輝度分布又は環状の輝度プロファイルを有するレーザービームを発するようなレーザー装置を設計することが可能である。このようなレーザー装置の遠視野は、駆動電流及び異なる温度の範囲全体に対して優れた安定性を示している。

光学フィードバック要素は、要素の組合せ（例えば、レンズ及びミラーの組み合わせ）により形成されることができ、前記ミラーは、発されたレーザー放射に対して部分的に透明でなければならない。前記フィードバック要素は、レーザー放射のための角度選択的な光学フィードバックを供給する１つの単一の要素から成ることもできる。この角度選択的な光学フィードバックは、空間的に変調された反射率を備える反射面によって、又は他の効果（特に、レーザー放出の異なる角に対する異なる結像条件）により達成されることができる。このような異なる結像条件は、例えば、フィードバックが望まれている内側レーザキャビティ内へのレーザー放射の一部のみを反射して戻すように成形されている少なくとも１つの自由な形態の表面を備える光学要素を使用して達成されることができる。

好ましい実施例において、当該角度選択的な光学フィードバックは、環形の輝度分布が前記レーザー装置の遠視野において安定化されるように設計されている。このことは、残存する部分に対してよりも発されたレーザー放射の環形角度分布に対する高いフィードバックを供給するように設計されたフィードバック要素を必要とする。

前記ＶＣＳＥＬの外結合ミラー及び前記フィードバック要素は、好ましくは、前記外結合ミラーの反射率とより高いフィードバックを供給するフィードバック要素の表面部分との積が、９８％よりも大きく、好ましくは９９％よりも大きく、更に好ましくは９９．５％より大きいように、設計される。

前記フィードバックは、角度の範囲θに対して高く選択されることができ、前記角度の範囲θは、小さい角度θ_１と大きい角度θ_２との間にあり、全ての角度は、０よりも大きい。前記フィードバックは、更に、このような角度θにおいて発されるレーザー放射の一部のみに対して、即ち、光軸の周りの環形全体に対してではなく、例えば、１つ又は幾つかのスポット様の領域のみに対して、高くても良い。高い光学フィードバックの領域の分布は、遠視野の所望の輝度分布に依存する。

フィードバック要素の好ましい例は、空間的に構造化された又は変調された反射率を備える湾曲されたミラー、空間的に構造化された又は変調された反射率を備える平坦なミラー及びレンズの組み合わせ、球面収差を有する１つのレンズ及び平坦なミラーの組み合わせ、グレーティング又はプリズムである。前記フィードバック要素、又は前記フィードバック要素の構成要素は、ガラス又はプラスチックのような別個の光学材料上に、即ち外部要素によって、設けられることができ、又は前記レーザー基板に結合されガラス又はプラスチックのような光学材料上に実現されることができる。前記フィードバック要素、又は前記フィードバック要素の構成要素は、ガラス又はプラスチックのような光学材料上に実現されることができ、前記レーザー構造に直接的に結合される又は前記レーザー基板内に組み込まれることができる。前記フィードバック要素、又は前記フィードバック要素の構成要素は、前記レーザー上のエピタキシャル層上に実現されることもできる。

提案される方法によれば、前記光軸上に発されるレーザー放射の基本モードが対応する光学フィードバックによって安定化される場合、光軸に対して０よりも大きい角度において発されるレーザー放射に関して、前記光軸上に発されるレーザー放射の基本モードに対するよりも、高い安定化を達成することが可能である。軸上の放出は、更に容易にフィラメンテーション（filamentation）によって影響を受け得る一方で、大きい角度が、ゲイン媒体又は内側キャビティの小さい非均一性に対して更に堅牢である。より高い安定化は、特に、駆動電流及び温度に対するレーザーの大きい動作範囲を意味する。

従って、有利な実施例において、安定化された輝度分布は、より高い安定性を有する遠視野におけるこのような輝度分布を達成するために、更なる光学部品によって、ガウス様の分布に変換される。このため、例えば、環形の安定化された光学輝度分布をガウス様の輝度分布に変換するために、少なくとも２つの自由な形態の表面を備える光学部品が必要とされる。このような手段によれば、ガウス様の輝度分布の非常に高い安定性は、広領域ＶＣＳＥＬに関して達成されることができる。このことは、光学フィードバックによって軸上放射を安定化することを試みる場合には可能ではない。

提案されるレーザー装置及び対応する方法は、添付の請求項により規定されているような保護の範囲を制限することなく、添付の図面に関連して一例として以下に記載される。

本発明によるレーザー装置の第１の例である。 本発明によるレーザー装置の第２の例である。 本発明によるレーザー装置の第３の例である。 本発明によるレーザー装置の第４の例である。 本発明によるレーザー装置の第５の例である。 本発明によるレーザー装置の第６の例である。 本発明によるレーザー装置の第７の例である。 本発明によるレーザー装置の第８の例である。 本発明によるレーザー装置の第９の例である。 本発明によるレーザー装置の第１０の例である。 本発明によるレーザー装置の第１１の例である。 本発明によるレーザー装置の第１２の例である。 当該レーザー装置の異なるビームプロファイルの例である。

図１は、提案されるレーザー装置の第１の例を示している。前記レーザー装置は、光学的に透明な基板１０２上の広領域ＶＣＳＥＬ１０１を有している。前記フィードバック要素は、両凸球面レンズ２０１及び平坦なミラー３０１の組み合わせによって形成され、レーザー放射に関して部分的に透明である。この例において、両凸レンズは、ｆ＝２５ｍｍの焦点距離及び２２．４ｍｍの直径を有している。平坦なミラー３０１は、Ｒ＝５０％の反射率を有する。レンズ２０１及び平坦なミラー３０１は、ほとんど反射される自己結像コンフィギュレーションにおいて外部キャビティを形成するように配され、即ち、前記レーザーの活性層と前記レンズとの間の光学距離４０１並びに前記レンズと前記ミラーとの間の光学距離４０２は前記レンズの焦点距離ｆにほぼ等しい。

レンズ２０１の球面収差により、光軸６０１に対して正しい角度で発される光だけが、完全にコリメートされる。外部ミラー３０１から反射の後、前記光は、前記レーザーの活性領域にフィードバックされ、前記レーザーの閾値を低下させる。従って、前記ＶＣＳＥＬは、環状モードにおいてレーザー光線を出し始め、外部共振器によって完全に制御され、全ての動作電流及び大きい温度範囲にわたって安定である。このことは、図１に示されているように、遠視野における環形の輝度分布５０１（環形ビームプロファイル）をもたらす。ＶＣＳＥＬ１０１とレンズ２０１との間の距離４０１を変更することによって、前記環の大きさ又は半径が変化されることができ、前記レンズ又は前記ミラーの前記開口により制限されるのみである。広領域ＶＣＳＥＬキャビティの大きいフレネル数により、幾何学的な光学部品は、上述した前記共振器に十分である。従って、光線追跡プログラムが、前記遠視野の所望の輝度分布を達成するために前記外部フィードバックを容易に設計するために使用されることができる。

最適なビームの安定化及び最も高い電力出力を達成するために、前記ＶＣＳＥＬの外結合ミラーと前記外部ミラー（即ちこの例におけるミラー３０１）との間の正しい反射率の比が、選択されなければならない。前記外結合ミラーの反射率は、０．１％と９９．９５％との間であり、好ましくは１０％と９９．９５％との間であり、更に好ましくは７０％と９９．９５％との間である。前記フィードバックミラーの反射率は、５％と９９．５％との間、好ましくは１０％と９５％との間、更に好ましくは３０％と９０％との間でなければならず、この結果、両方の反射率の積は、９８％より大きく、好ましくは９９％より大きく、更に好ましくは９９．５％より大きい。最も簡単な場合において、前記外結合ミラーの反射率は、前記装置が外部フィードバックの外側に全くレーザー光線を出さないように選択され、前記外部ミラーの反射率は、変換マトリックスの取り組みを使用して出力電力を最大化するように整合され、ＶＣＳＥＬミラー及び前記基板の吸収を考慮する。

図２は、提案されるレーザー装置の更なる例を示している。この例においては、平坦なミラー３０１の代わりに、球面ミラー３０２が、球面レンズ２０１の後ろに距離４０３において配されている。更にこの例において、外部自己結像キャビティは、球面レンズ２０１及び球面ミラー３０２により形成される。自己結像は、複数の装置に対する単一の外部キャビティを可能にする。このモードは、球面ミラー３０２の反射率の空間変調により制御されることができ、即ち反射コーティング３０３によって、及び／又はフィードバックに使用されない残存している領域における非反射コーティングによって制御されることができる。レンズ２０１と外部ミラー３０２との間の距離４０３は、好ましくは、レンズ２０１の焦点距離ｆとミラーの曲率半径との和に等しい。

図３は、本発明によるレーザー装置の更なる例を示している。外部ミラー結像キャビティは、空間的に構造化された反射率を備える平坦なミラー３０１と非球面レンズ２０２とにより形成されている。非球面レンズ２０２により、全ての放出角は、キャビティにより支持され、前記レーザーモードは、平坦なミラー反射率の空間変調により制御されることができ、即ち適切な反射コーティング３０３によって、及び／又はフィードバックに使用されない残存している領域の非反射コーティングにより制御されることができる。

前述の及び後述の例において、遠視野における描かれている環形の輝度分布５０１、５０２は、他のレーザーモードと比較して、この環成形されたレーザーモードに対する高いフィードバックにより生成される。

図４は、基板１０２上に接着されている基板１０２とのレンズ２０３の混成集積を有する、当該提案されるレーザー装置の例を示している。前記フィードバック要素は、この集積されているレンズ２０３と外部ミラー３０１とにより形成される。図１の配置のように働くこの配置は、やはり、レンズ２０３と外部ミラー３０１との間の距離４０２を変化させることによって、放出又はビームプロファイルの調整を可能にする。

図５は、提案されるレーザー装置の更なる例を示している。この例において、反射コーティング３０３により実現される自身の表面における構造化された反射率を持つ球面ミラー２０３は、前記レーザー装置の基板１０２に結合されている。前記ミラーの湾曲は、ＶＣＳＥＬ１０１の活性層とこの外部ミラー２０３のミラー表面との間の距離４０１に整合される。反射コーティング３０３の形状及び位置は、発散性のビームの放出角度を、従って、ビームプロファイル５０２を規定する。前記装置のこの構造は、例えば、図１０で示されているように、遠視野におけるビームの組み合わせを有するＶＣＳＥＬアレイに利用されることができる。

図６は、提案されるレーザー装置の更なる例であって、球面レンズ２０４及び平坦なミラー３０１が、混成集積されており、特に基板１０２に結合されている例を示している。平坦なミラー３０１の反射率は、所望のフィードバックを達成するために、反射コーティング３０３により変調される。この装置は、以下のように、環形のビームプロファイル５０１を有するコリメートされたビームを発する。ビームプロファイル５０１の大きさは、ＶＣＳＥＬ１０１とレンズ２０４との間の距離４０１を変化させる圧電要素（図示略）によって調整可能にされることができる。

図７は、本発明によるレーザー装置の更なる例である。この実施例において、球面ミラー３０４は、前記レーザーの基板１０２を成形することによって、モノリシック的に組み込まれる。球面ミラー３０４の反射面は、反射コーティングによって、反射率が空間的に変調されている。放出角は、ミラー３０４の反射率の空間的変調により制御される。

図８は、モノリシック的に組み込まれるフィードバック要素を備える当該提案されるレーザー装置の更なる例の断面図を示している。この例では、当該レーザーの基板１０２は、グレーティング３０５に成形される。前記グレーティングの周期は、当該フィードバックのために認められる角度を決定し、この場合において、環形のビームプロファイル５０２をもたらす。前記グレーティングは、一次元又は二次元のグレーティングであり得る。

図９は、提案されるレーザー装置の他の例の断面図を示している。この例は、レーザーの基板１０２を適切に成形することによるマイクロプリズム・アレイ３０６のモノリシックな組み込みに基づく。前記プリズムは、ただフィードバックのための反射が１つ又は幾つかの或る所望の角度に対して達成されるように、設計される。

当業者にとって、図８及び９のフィードバック要素３０５、３０６の一体化の代わりに、これらのフィードバック要素３０５、３０６が、別個に配されることができることも明らかであろう。

図１１及び１２は、提案されるレーザー装置の２つの更なる例を示している。これらの例において、前記フィードバック要素は、適切に設計された自由な形状の表面を有する光学要素３０７、３０８により形成されている。前記自由な形状の表面は、前記所望の角度で発されるレーザー放射のみがＶＣＳＥＬ１０１の内側レーザキャビティ内に反射されて戻されると共に、前記フィードバックを供給するように、成形される。異なる角で発されるレーザー放射は、単に、他の方向へと反射される。

提案される方法及びレーザー装置は、複数のＶＣＳＥＬに容易に拡大されることができる。図１０は、このような拡大の例を示している。この例においては、共通基板１０２上のＶＣＳＥＬ１０１のアレイが、使用されている。球面ミラー２０３のアレイが基板１０２に結合されており、球面ミラー２０３は、適切な反射コーティング３０３によって、空間的に変調された反射率を提供する。これらの配置の各々により発される環形の輝度分布は、フーリエ・レンズ２０４からの距離４０５における焦点面における単一の環形の輝度分布５０３に対してインコヒーレントなフーリエ・レンズ２０４によって、組み合わされる。

本発明は、添付の図面及び上述の記載において、詳細に説明され記載されたが、このような説明及び記載は、限定的なものではなく、説明のためのもの又は例示的なものであるとみなされるべきである。本発明は、開示されている実施例に限定されるものではない。上述の様々な実施例及び請求項における様々な実施例は、組み合わせられることもできる。開示された実施例に対する他の変更は、添付の図面、本明細書及び添付の請求項の熟慮により、添付の請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、行われることができる。例えば、他の輝度プロファイルも、実施例の殆どと組み合わされることができ、即ち前記対応するミラーの反射率の空間的な構造又は変調に依存して、環形のプロファイル以外の他のプロファイルと組み合わされることができる。例えば、１つあるいは複数のライン、幾つかのスポット、正方形又は環状のシルクハット分布が、設計されることができる。

図１３は、当該装置によって生成されることができる作用表面内のビームプロファイル５０４又は異なる輝度分布の例を示している。これらの例の一部において、前記フィードバックは、光軸６０１の周りに単一の角度Φのみにおいて、かつ、同じ又は異なる角度θにおいて発されるレーザー放射の一部に対して高く選択されている。前記輝度分布の全ては、光軸６０１に関して点対称である。

添付の請求項において、「有する」なる語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形の記載は、複数であることを排除するものではない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において、引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されることができないと示すものではない。添付請求項における符号は、これらの請求項の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

１０１ ＶＣＳＥＬ
１０２ 基板
２０１ レンズ
２０２ 非球面レンズ
２０３ 球面ミラー
２０４ 球面レンズ
３０１ 平坦なミラー
３０２ 球面ミラー
３０３ 反射コーティング
３０４ 球面ミラー
３０５ グレーティング
３０６ マイクロプリズム・アレイ
３０７―３０８ 自由な形状の表面を備える光学要素
４０１―４０５ 距離
５０１―５０３ 環形の輝度分布／ビームプロファイル
５０４ 輝度分布／ビームプロファイル
６０１ 光軸

Claims (12)

1. レーザー装置であって、
   光軸を有する少なくとも１つの広領域縦キャビティ面発光レーザーと、
   前記広領域縦キャビティ面発光レーザーから発されるレーザー放射の角度選択的なフィードバックを供給する少なくとも１つの光学フィードバック要素であり、前記広領域縦キャビティ面発光レーザーから離れて配される前記光学フィードバック要素と、
   を有するレーザー装置であって、
   前記角度選択的なフィードバックは、前記光軸上で発されるレーザー放射よりも、前記光軸に対して０よりも大きい角度θにおいて発されるレーザー放射の少なくとも１つの部分の方が高く、及び
   前記角度選択的なフィードバックは、作用平面におけるレーザー放射の輝度分布が前記光軸に関して点対称となるように、前記光軸上に発されるレーザー放射よりも、前記光軸に関して点対称であるレーザー放射の部分の方が高い
   レーザー装置。
2. 前記光学フィードバック要素は、空間的に変調された反射率を有する湾曲ミラーを有する、請求項１に記載のレーザー装置。
3. 前記光学フィードバック要素は、少なくとも１つのレンズ及び平坦なミラーの組み合わせを有する、請求項１に記載のレーザー装置。
4. 前記平坦なミラーが、空間的に変調された反射率を有する、請求項３に記載のレーザー装置。
5. 前記光学フィードバック要素がグレーティングを有する、請求項１に記載のレーザー装置。
6. 前記光学フィードバック要素がプリズムのアレイを有する、請求項１に記載のレーザー装置。
7. 前記光学フィードバック要素が、前記角度選択的なフィードバックを供給するように成形される少なくとも１つの自由な形状の表面を有する光学要素を有する、請求項１に記載のレーザー装置。
8. 前記光学フィードバック要素、又は前記光学フィードバック要素の構成要素が、前記広領域縦キャビティ面発光レーザーに結合されている又は前記レーザー装置の基板にモノリシック的に組み込まれている、請求項１に記載のレーザー装置。
9. 前記広領域縦キャビティ面発光レーザーの外結合ミラーの反射率と高いフィードバックを供給する前記光学フィードバック要素の表面部分の反射率との積が、９８％よりも大きいように、前記光学フィードバック要素が設計されている、請求項１に記載のレーザー装置。
10. 同一の光学フィードバック要素を備える前記レーザーの幾つかは、アレイの形態で配され、前記光学フィードバック要素を通過した後の前記広領域縦キャビティ面発光レーザーのレーザー放射は、作用平面において重ね合わされるように共通のレンズにより収集される、請求項１に記載のレーザー装置。
11. 作用平面において光軸に関して点対称である輝度分布の広領域縦キャビティ面発光レーザーのレーザー放射を安定化する方法であって、
    この安定化は、前記広領域縦キャビティ面発光レーザーから発されるレーザー放射の角度選択的なフィードバックにより実施され、
    光学フィードバック要素は、前記広領域縦キャビティ面発光レーザーから離れて配され、
    前記角度選択的なフィードバックは、前記広領域縦キャビティ面発光レーザーの光軸に対して０よりも大きい角度θにおいて発されるレーザー放射の少なくとも１つの部分に関して、前記光学軸上に発されるレーザー放射よりも高く、及び
    前記角度選択的なフィードバックは、前記光軸上に発されるレーザー放射よりも、前記光軸に関して点対称であるレーザー放射の部分の方が高い
    方法。
12. 前記角度選択的なフィードバックは、レーザー放射の少なくとも１つの環形の部分に関して、前記光軸上に発されるレーザー放射に関してよりも高く選択され、結果として遠視野の環形の輝度分布をもたらす、請求項１１に記載の方法。

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