JP6215907B2 - セルフモード同期半導体ディスクレーザ（ｓｄｌ） - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザに関するものであり、特に、超短パルスを放射するように構成された半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）に関する。

ＳＤＬｓは、垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬｓ）、又は、光励起半導体レーザ（ＯＰＳＬｓ）としてこの分野でも知られている。従って、半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の用語は、本明細書で使用する場合、これらのシステムの各々を意味する。

以下の説明に用いている用語「超短」パルスは、持続期間が約１００ピコ秒（ｐｓ）から数フェムト秒（ｆｓ）のパルスを意味する。

レーザ源によって生じる光学的放射の超短パルスは、科学的、計装及び非線形光学アプリケーションの範囲で使用される。これらの超短パルス用の特別なアプリケーションの一つには、例えば、二光子励起蛍光（ＴＰＥＦ）顕微鏡又はその他の同様の多光子顕微鏡技術といった、非線形顕微鏡の分野がある。歴史的には、これらの非線形顕微鏡技術には、固有の調節可能レンジが大きい（７００ｎｍから１０００ｎｍ）ことと、ピーク電力をこのような利得媒質に利用できるため、チタン：サファイヤのレーザ源が用いられてきた。チタン：サファイヤレーザシステムは、一般的に、緑のスペクトル領域の波長で光学的に励起し、従って、これらのシステムは通常、ネオジウムをドープしたＹＡＧ（Ｎｄ：ＹＡＧ）や、ネオジウムをドープしたオルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）といったネオジウムをドープした利得媒質を有する周波数逓倍固体レーザを用いて励起される。ここでは、基本波長が約１０６４ｎｍの放射が、周波数逓倍技術によって基本波長が約５３２ｎｍの波長を有する放射に変換される。その結果、上述した固体超高速レーザは、比較的複雑であり、嵩が大きく、維持条件が高く、最も重要なことに、製造コストが高い。

チタン：サファイアレーザ源の代替として、モード同期ダイオード励起固体レーザ用に超高速半導体可飽和吸収体ミラー（ＳＥＳＡＭ）を使用することがこの分野で知られている。長いキャビティを折り返すことによって、あるいは、レーザの繰り返し率を上げて自然にキャビティ長を短くすることによって、コンパクトな設計が実現されている。ＳＥＳＡＭｓを使用するシステムの主な欠点は、製造とメンテナンスが比較的複雑なことである。

最近では、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ、及びＣｒ：ＬｉＳＧＡＦレーザといった、クロムをドープしたコンパクトな超高速レーザシステムが開発され、非線形ＴＰＥＦ顕微鏡に使用されている。最大で５００ｍＷの平均出力が示されているが、このような材料に基づくシステムは、その平均出力を十分に拡大する能力が制限されている。

ファイバーレーザや、増幅スキームを具える半導体レーザダイオードに基づくその他の代替のレーザ源も、非線形顕微鏡アプリケーション用のコンパクトレーザとして成功裏に示されている。ファイバーレーザは、受動モード同期技術を介して非常に短いパルスを生成するのに使用できる。しかしながら、ファイバーレーザは、波長約１０３０ｎｍ及び１５５０ｎｍあたりで、およびこれらの基本波長から生じた二次高調波で動作するように制限されている。例えば、垂直外部共振器面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬｓ）；利得スイッチＩｎＧａＡｓＰ分布帰還−ブラッグ（ＤＦＢ）レーザダイオード；及び、多重量子井戸からなる外部共振器モード同期レーザダイオード（ＡｌＧａＡｓ）；などの増幅スキームを有する半導体レーザに基づく利得−スイッチ源では、すべて、発生した光学パルスを圧縮又は増幅するのにいくつかの段階を必要とするため、システムの単純さ又はコンパクト性が損なわれている。

非線形顕微鏡アプリケーション用のコンパクトなレーザシステムを最適化する一つの重要な態様は、レーザの繰り返し率と、発生した多光子信号長との間の、臨界的妥協点である。ＴＰＥＦ顕微鏡における信号長は、ピーク電力×平均電力の積だけ長くなる（画像スポットサイズ、吸収、アンプル、検出路、その他が一定であると仮定して）。超短共振器ＳＤＬの一例が、米国特許公開第２００９／０２９０６０６号に記載されている。この書類は、光学パルスを用いてＳＤＬ利得構造体を光学的に励起させることを記載しており、このパルスはレーザ共振器の共振周波数に対応するパルス繰り返し周波数で送達する。共振器は更に、強い光学カー効果を示す光学要素、出力カプラと共働する二次高調波を発生する非線形クリスタル、あるいは、半導体可飽和吸収ミラー（ＳＥＳＡＭ）を具える出力カプラ、などの受動共振構造を具えている。ここに述べられている光励起パルス源を有する利得構造の光励起と、受動共振スキームとの組み合わせは、１００ｐｓから１００ｆｓの範囲のパルスを作ることができるが、このような要素を組み入れることで全体が複雑になり、超短パルス源が高価なものになる。

したがって、本発明の一実施例の目的は、この分野で知られている超短パルス源の放射の上述した欠点をなくすあるいは少なくとも緩和することである。

本発明の一実施例の更なる目的は、セルフモード同期半導体ディスクレーザシステムを提供することである。

本発明の第１の態様によれば、セルフモード同期レーザが提供されており、このレーザは、
第１及び第２のミラーで終端し、第３のミラーで折り返す共振器であって、当該第３のミラーが少なくとも一の量子ウエル層と光学カーレンズ効果を示す層とを有する多層半導体利得媒体を載置している共振器を具え、
当該共振器の長さが、キャビティモードの往復時間が、前記利得媒体中に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように選択されている。

上述の構成により、専用の受動又は能動モード同期素子を内部に組み入れる必要なく、モード同期するレーザが提供される。共振器の長さを利得媒体内に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に匹敵するように選択することによって、レーザの出力場の強度に、光学カーレンズ効果を示す層が出力場でモード共振を誘発するのに十分な小さな摂動が生じる。この結果、この分野で知られているこのシステムに比べて、動作とメンテナンスがより簡単で、製造コストが低減された半導体レーザができる。

第２のミラーは、利得媒体の基本波長で部分的に光を反射し、部分的に透過させて、共振器の出力カプラとして動作する。

最も好ましくは、光学カーレンズ効果を示す層が、半導体利得媒体上に取り付けた熱スプレッダを具えている。この熱スプレッダは、ダイヤモンドクリスタル層を具えていてもよい。

共振器は、更に、内部に開口を配置した開口絞りを具えていてもよい。好ましくは、この開口絞りが第２のミラー近傍に配置されている。代替的に、開口絞りを第１のミラー近傍に配置してもよい。

共振器は、更に、第４のミラーで折り返すようにしてもよく、この第４のミラーは第２のミラーと第３のミラーの間に配置されている。第４のミラーは、好ましくは、凹の曲率半径を有している。

共振器は、更に、第５のミラーで折り返すようにしてもよく、この第５のミラーは第２のミラーと第４のミラーの間に配置されている。第５のミラーは、好ましくは平面である。

共振器は、更に、第６のミラーで折り返すようにしてもよく、この第６のミラーは第２のミラーと第５のミラーの間に配置されている。第６のミラーは、好ましくは、凹の曲率半径を有している。

選択的に、このレーザは、連続波（ｃｗ）光学場源を具えており、この出力が利得媒体を励起するように構成されている。この（ｃｗ）光学場源は、ファイバーカップリングレーザダイオードシステムを具えていてもよい。

共振器は更に、非点収差コントローラを具えており、利得媒体でキャビティモードに非点収差を導入する手段を提供するようにしてもよい。

この実施例において、共振器は好ましくは、カーレンズ効果を示す層がキャビティモードに導入された非点収差を相殺するように働くように構成されている。キャビティモードに導入された非点収差を相殺することによって、利得媒体でのキャビティモードと励起スポットが重なる領域が増える。この結果、レーザのセルフモード同期特性が強化される。

非点収差コントローラは、ミラー回転手段を具えていてもよい。このミラー回転手段を用いて第４のミラーを回転させて、第４のミラー上の共振場の入射角度を変化させることができる。

最も好ましくは、レーザが超短パルスを含む出力場を提供している。この超短パルスは、パルス幅が１００ｐｓ乃至１００ｆｓの範囲である。

本発明の第２の態様によれば、レーザをセルフモード同期させる方法が提供されており、この方法は、
第１及び第２のミラーで終端しており、第３のミラーで折り返された共振器を提供するステップであって、第３のミラーが少なくとも一の量子ウエル層と光学カーレンズ効果を示す層を具える多層半導体利得媒体に載置されている、ステップと；
共振器の長さを、キャビティモードの往復時間が利得媒体中に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように選択するステップ；
を具えている。

このレーザをセルフモード同期させる方法は更に、共振器内に配置した開口を有する開口絞りを配置するステップを具える。

好ましくは、この開口絞りは第２のミラー近傍に配置されている。代替的に、開口が第１のミラー近傍に配置されている。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第３のミラーの間に第４のミラーを設けてキャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第４のミラーの間に第５のミラーを設けてキャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第５のミラーの間に第６のミラーを設けてキャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、利得媒体を励起するように構成された連続波（ｃｗ）光学場源を提供するステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、利得媒体におけるキャビティモードに非点収差を導入するステップを具えていてもよい。

この非点収差は、第４のミラーを回転させて、第４のミラー上の共振場の入射角度を大きくすることによって、キャビティモードに導入することができる。

レーザをセルフモード同期させる方法は、さらに、共振器をカーレンズ効果を示す層がキャビティモードに導入された非点収差を相殺するように動作するように構成するステップを具えていてもよい。この方法では、キャビティモードと利得媒体の同期スポットが重なる面積が大きくなる。

本発明の第２の態様の実施例は、本発明の第１の態様の好ましい又は選択的特徴を実行する特徴を具えていてもよく、その逆でもよい。

本発明の第３の態様によれば、セルフモード同期レーザが提供されており、このレーザは、
第１及び第２のミラーで終端しており、第３のミラーで折り返した共振器であって、当該第３のミラーが少なくとも一の量子ウエル層と光学的カーレンズ効果を示す層を含む多層半導体利得媒体に装着されている共振器と；
その出力が前記利得媒体を励起するように構成された連続波（ｃｗ）光学場源と；を具え、
前記共振器の長さが、キャビティモードの往復時間が、前記利得媒体内に配置された一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように、選択されていることを特徴とする。

本発明の第３の態様の実施例は、本発明の第１又は第２の態様の好ましいあるいは選択的な特徴を実装する特徴を具えていてもよく、逆も同じである。

本発明の第４の態様によれば、セルフモード同期レーザを作成する方法が提供されており、この方法は：
第１及び第２のミラーで終端しており、第３のミラーで折り返す共振器であって、当該第３のミラーが少なくとも一の量子ウエル層と光学的カーレンズ効果を示す層を具える多層半導体利得媒体に装着されている共振器を提供するステップと；
前記利得媒体を励起するように構成された連続波（ｃｗ）光学場を提供するステップと；
前記共振器の長さが、キャビティモードの往復時間が、前記利得媒体内に配置された一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように、選択するステップと；
を具える。

本発明の第４の態様の実施例は、本発明の第１乃至第３の態様の好ましいあるいは選択的な特徴を実装する特徴を具えていてもよく、逆も同じである。

本発明の第５の態様によれば、セルフモード同期レーザが提供されており、このレーザは、
第１及び第２のミラーで終端しており、第３のミラーで折り返す共振器であって、当該第３のミラーが少なくとも一の量子ウエル層と光学的カーレンズ効果を示す層を含む多層半導体利得媒体に装着されている共振器と；
前記利得媒体でキャビティモード非点収差を導入する手段を提供する非点収差コントローラと；
を具え、共振器が、カーレンズ効果を示す層がキャビティモードに導入された非点収差を相殺するように作用するように構成されている。

この共振器をカーレンズ効果を示す層がキャビティモードに導入された非点収差を相殺するように作用するよう構成することによって、利得媒体におけるキャビティモードと励起スポット間の重なり合う面積が大きくなる。この結果、上記構成により、専用の受動又は能動的モード同期要素を組み込む必要がなく、モード同期がなされるレーザが提供される。これにより、操作とメンテナンスがより簡単であり、この分野で知られているシステムに比べて製造コストが低い半導体レーザを提供できる。

第２のミラーは、利得媒体の基本波長において部分的に光を反射し、部分的に光を透過して、共振器の出力カプラとして作用する。

最も好ましくは、光学的カーレンズ効果を示す層が、半導体利得媒体上に熱スプレッダを装着している。熱スプレッダは、ダイヤモンドクリスタル層を具えていてもよい。

共振器は、更に、内部に配置された開口を有する開口絞りを具えていてもよい。好ましくは、開口絞りは第２のミラー近傍に配置されている。代替的に、開口絞りを第１のミラー近傍に配置してもよい。

共振器は、更に第４のミラーで折り返すようにしてもよく、この第４のミラーは第２及び第３のミラーの間に配置されている。第４のミラーは、好ましくは凹の曲率半径を有する。

共振器は、更に、第５のミラーで折り返すようにしてもよく、第５のミラーは第２及び第４のミラーの間に配置されている。第５のミラーは平面であることが好ましい。

共振器は、更に、第６のミラーで折り返すようにしてもよく、第６のミラーは第２のミラーと第５のミラーの間に配置されている。第６のミラーは、好ましくは凹の曲率半径を有する。

選択的に、レーザは、その出力が利得媒体を励起するように構成されている連続波（ｃｗ）光学場源を具える。この（ｃｗ）光学場源は、ファイバーカップリングレーザダイオードシステムを具えていてもよい。

非点収差コントローラは、ミラー回転手段を具えていてもよい。

ミラー回転手段は、第４のミラーを回転させて第４のミラー上の共振場の入射角を変えるように使用することができる。

共振器の長さは、キャビティモードの往復時間が、利得媒体内に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように選択することができる。

最も好ましくは、レーザが超短パルスを含む出力場を提供する。この超短パルスは、１００ｐｓ乃至１００ｆｓの範囲のパルス幅を有する。

本発明の第５の態様の実施例は、本発明の第１乃至第４の態様の好ましい又は選択的な特徴を実装する特徴を具えており、逆も同じである。

本発明の第６の態様によれば、レーザをセルフモード同期させる方法が提供されており、この方法は：
第１及び第２のミラーで終端し、第３のミラーで折り返した共振器であって、第３のミラーが少なくとも１の量子ウエル層と光学的カーレンズ効果を示す層を含む多層半導体利得媒体に装着されている、共振器を提供するステップと；
利得媒体においてキャビティモードに非点収差を導入するステップと；
カーレンズ効果を示す層がキャビティモードに導入された非点収差を相殺するように作用するように共振器を構成するステップと；
を具える。

レーザをセルフモード同期させる方法は更に、共振器内に配置した開口を有する開口絞りを配置するステップを具える。

好ましくは、開口絞りが第２のミラー近傍に配置されている。代替的に、開口を第１のミラー近傍に配置してもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第３のミラーの間に第４のミラーを提供することで、キャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

この非点収差は、第４のミラーを回転させることによってキャビティモードに導入して、第４のミラー上の共鳴場の入射角を大きくするようにしてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第４のミラー間に第５のミラーを提供することによって、キャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、第２及び第５のミラー間に第６のミラーを提供することによって、キャビティを折り返すステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、利得媒体を励起させるように構成した連続波（ｃｗ）光学場を提供するステップを具えていてもよい。

レーザをセルフモード同期させる方法は、更に、共振器の長さをキャビティモードの往復時間が、利得媒体内に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に対応するように選択するステップを具えていてもよい。

本発明の第６の態様の実施例は、本発明の第１乃至第５の態様の好ましい又は選択的な特徴を実装する特徴を具えていてもよく、逆も同じである。

本発明の対応と利点は、以下の詳細な説明を図面を参照することによって明らかになる。
図１は、本発明の一実施例によるセルフモード共振型外部キャビティ表面発光半導体レーザを示す図である。 図２は、図１に示すレーザに使用する半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を示す図である。 図３は、図２に示すＳＤＬと共働する冷却装置を示す図である。 図４は、図１に示すＳＤＬの表面の、キャビティモード、励起スポット、及びカーレンズ効果を示すモードを示す図である。 図５は、本発明の代替の実施例による半導体レーザを示す図である。 図６は、本発明の更なる代替実施例による半導体レーザを示す図である。

以下の詳細な説明において、同様の部分には明細書及び図面を通じて同じ符号が付されている。図面は、同じスケールである必要はなく、所定の部分の比率が、本発明の実施例の詳細及び特徴をよりよく示すように拡大されている。

初めに、図１を参照すると、本発明の一実施例によるセルフモード同期、キャビティ表面発光半導体レーザ１が示されている。理解を明確にするために、この図には軸が示されている。以下に参照するキャビティの平面は、ｘ軸とｚ軸で規定された平面である。

セルフモード同期レーザ１は、第１のミラー３と第２のミラー４との間に形成されたレーザ共振器２を具えており、これは、多層で、光学的に励起される半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）５を具えている。レーザの更なる詳細を図２及び３を参照して以下に示す。図に示すように、ＳＤＬ５は、共振器２の第１の折り返しミラーとして機能する。更に３つの折り返しミラー６、７及び８が共振器２に設けられており、共振器２は、４回折り返した共振器であると考えることができる。

第１のミラー３と３つの折り返しミラー６、７、及び８は、ＳＤＬ５の基本波長で光を良く反射するように構成されている一方で、第２のミラー４は基本波長で部分的に光を反射し部分的に光を透過して、共振器２の出力カプラとして作用する。開口１０を具える、スリット開口などの開口絞り９が、第２のミラー４近傍に配置されている。この開口は、キャビティの平面、このキャビティの平面に直交する平面に向けられているか、あるいは、絞りを具え両平面に部品を有するものでもよい。

ミラー３、６、７、及び８は、圧電制御ミラーマウント内に装着して、これらの部品のアラインメントを微調整する手段を提供してもよい。更に、ミラー３、６及び８は、凹面ミラーであり、ミラー４及び７、及びＳＤＬ５を実質的に平面反射エレメントとして、以下に詳細に説明するように、共振器２が光学的に安定し、ＳＤＬ５におけるキャビティモードの形状を制御できるようにしてもよい。

ファイバーカップルレーザダイオードシステム１２を用いることによって、ＳＤＬ５を励起させる連続波（ｃｗ）光学励起場１１を提供する。この実施例では、ファイバーカップルレーザダイオードシステム１２は、８０８ｎｍでｃｗ光学励起場１１を発生するように構成されている。ＤＩＬＡＳ（登録商標）Ｍ１Ｆ４Ｓ２２−８０８ ３０Ｃ−ＳＳ２．１は、好適なファイバーカップルレーザダイオードシステム１２の一例である。

ここに述べた実施例では、ファイバーカップルレーザダイオードシステム１２は利得媒体１８の表面で、楕円励起スポットを提供するのに適した角度で、利得媒体１８を励起させるように構成されている。本発明が限定的なものではなく、ファイバーカップルレーザダイオードシステム１２が、利得媒体１８に直交する励起場１１を提供して、利得媒体１８表面で円形励起スポットを提供するようにしてもよいことは、当業者には自明である。ファイバーカップルレーザダイオードシステム１２は、第１のミラー３を介して励起させて、利得媒体１８を励起するようにしてもよい。

図１では、キャビティ内共鳴場が符号１３で大まかに示されており、レーザ共鳴器２からの超短パルス出力場が、符号１４で示されている。

ＳＤＬ５が図２に示されている。ＳＤＬ５は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）技術でＧａＡｓ基体１６上に成長させたウエハ構造１５を具えていてもよい。ウエハ構造の蒸着は、この分野で知られている代替技術、例えば、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）によって行うこともできる。ウエハ構造１５は、単一の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）領域１７、利得媒体１８、キャリア閉じ込めポテンシャル障壁１９、及び酸化防止層２０を具える。

ウエハ構造１５には、この分野の当業者に知られているＳＤＬｓ内に組み込まれた多くの変形例があり、本発明は特別なＤＢＲ領域１７あるいは利得媒体１８構造の使用に限定されるものではない。一般的に、利得媒体１８は、ＳＤＬ５を従来の励起波長で光学的に励起させる半波構造間に同じスペースを空けて配置された複数の量子ウエルを具え、一方、ＤＢＲ領域１７は一般に、高い反射率を示す複数対のクオーター波層を具える。

ここに述べた実施例は、利得媒体１８を具える。これは、半波ＧａＡｓ構造体の間に等間隔で配置されたＩｎＧａＡｓ量子ウエルを具え、ＳＤＬ５が８０８ｎｍで光学的に励起され、９８０ｎｍで出力を生成できる。ＤＢＲ領域１７は、３０対のＡｌＡｓ−ＧａＡｓクオーター波層を具えており、９８０ｎｍを中心に９９．９％以上の反射率となる一方、キャリア閉じ込めポテンシャルバリヤ１９は、単一の波長−厚Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層を具える。酸化防止層２０は、薄いＧａＡｓキャップを具えていてもよい。

代替的に使用できる当業者に知られている利得媒体は、６７０ｎｍと１３００ｎｍの間の出力波長を生成できる代替のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）構造体であり；１３５０ｎｍ乃至１６００ｎｍの間の出力波長を生成できるリン化インジウム（ＩｎＰ）構造であるか；１８００ｎｍ乃至２７００ｎｍの間の出力波長を生成できるアンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）構造を作ることができる。これらの利得媒体は、当業者には知られている。

以下にさらに詳細に説明する理由によって、共振器２の長さをキャビティモードの往復時間が利得媒体１８内に配置した半導体キャリアのアッパー状態寿命に一致するように選択することができる。本実施例では、半導体キャリアの寿命は約５ｎｓであり、共振器の長さを約７５０ｍｍ及び反復率を約２００ＭＨｚとしている。

この構成は、共振器の長さをできるだけ小さくしてシステム全体を小さくするために一般的に望ましいとされる考えに、直感的に逆の構成である。共振器の長さを最小にする場合の主な制限は、システムに組み込む必要があるすべての光学部品について十分な物理的スペースを提供し、選択されたキャビティモード特性にするという要件である。公知のシステムでは、選択した共振器の長さによって、関連する利得媒体のアッパー状態寿命よりキャビティモードの往復寿命が、通常桁違いに低くなる。

図３は、ＳＤＬ５の操作特性の改良に使用する冷却装置２１の更なる詳細を示す図である。特に、冷却装置２１は、熱スプレッダ２２と標準熱電クーラ又はウォータークーラ２３を具える。熱スプレッダ２２は、外側にヒンジ面２４を具える単一ダイヤモンドクリスタルを具える。

高性能反射防止コーティングをヒンジ面２４の表面に配置指定もよい。

単ダイヤモンドクリスタル熱スプレッダ２２は、利得媒体１８が熱スプレッダ２２とＤＢＲ領域１７との間に位置するように光学的接触によってウエハ構造１５に連結されている。ウエハ構造１５と熱スプレッダ２２は、従って、熱電クーラ又はウォータクーラー２３の上でインジウムフォイル層２５の頂部に固定されている。

単ダイヤモンドクリスタルは、サファイヤ及びシリコンカーバイドに比較できる熱伝導レベルを示すので、熱スプレッダ２２として好適に使用することができる。従って、上述の構成により熱スプレッダ２２は利得媒体１８内に励起場１１によって発生した熱を、熱が利得媒体１８内に制限距離のみ伝達した後、冷却装置２１に即座に拡散させる。この結果、ＳＤＬ５の全体の効率が有意に改善される。

単ダイヤモンドクリスタルを熱スプレッダ２２として使用することには更なる固有の利点がある。これは、単ダイヤモンドクリスタルが、固有の光学カーレンズ効果を示す材料であることである。この効果は、図４を参照して更なる詳細に述べるように、セルフモード同期システムとして半導体レーザ１を作用するように構成するために用いられる。

特に、図４は、図１のＳＤＬ５の表面におけるキャビティモード２６と、励起スポット２７と、カーレンズモード２８を示す図である。このレーザは、ＳＤＬ５の表面においてキャビティモード２６と、励起スポット２７と、カーレンズモード２８が重なる領域があるように構成されている。

ＳＤＬ５のカーレンズモード２８領域は、単ダイヤモンドクリスタル熱スプレッダ２２によって規定され、本実施例では、長軸がｘ軸に沿った方向にある楕円プロファイルを示している。同様に、ＳＤＬ５のポンプスポット２７は、長軸がｘ軸に沿った方向にある楕円形プロファイルを有している。本実施例のカーレンズモード２８は、ポンプスポット２７の長軸より小さい。

凹型折り返しミラー６が、キャビティモード２６に非点収差を導入するように配置されている。これは、凹型折り返しミラー６をｙ軸の周りで回転させて、このミラー６上で共鳴場１３の入射角度を上げるように構成されている。図４に明らかなとおり、この回転によってＳＤＬ５におけるキャビティモード２６は、ｙ軸に沿った主軸を伴う楕円形プロファイルを有する。

この構成では、利得媒体１８が励起場１１によって励起されると半導体レーザ１がレーザ光を発し始め、出力場１４ができる。最も重要なことは、レーザがセルフモード同期レーザであり、９８０ｎｍの超短出力場が生じる、すなわち、１００ｐｓから数フェムト秒のパルス幅を作ることができることである。この結果は、反復可能であり、このモード同期は、レーザ１のオペレータから更なる入力を得る必要なく行われる。

発明者らは、レーザ１のセルフモード同期に寄与する二つの独立した機構があると考えている。ここに述べたレーザ１では、これらの機構が組み合わせて作用しているが、交互に独立して用いることができる。

レーザ１のセルフモード同期の第１の機構は、共振器２の長さが、キャビティモード２６の往復時間が利得媒体１８内に位置する半導体キャリアのアッパー状態寿命に近くなるように選択されていることによる。これは、出力場１４の強度にわずかな摂動をもたらすが、単ダイヤモンドクリスタル熱スプレッダ２２のわずかな固有の光学カーレンズ効果が出力場１４にモード同期を導入するには十分である。

このプロセスは、更に、第２の機構により支援される。これは、ＳＤＬ５の表面でキャビティモード２６に非点収差を導入することができる。熱スプレッダ２２のカーレンズ効果が始まると、キャビティモード２６の主軸が効率よく減少して、キャビティモード２６と励起スポット２７の領域間の重なりがより大きくなる。従って、発生した非点収差を克服するために熱スプレッダ２２のカーレンズ効果を用いることによって、出力場１４のセルフモード同期の第２の手段が提供される。

当業者には自明であるように、これらの機構は両方とも開口絞り９の存在によって支援される。開口絞り９は開口１０が、開口１０における共振器のレーザ発光モードがクリップされ、熱スプレッダ２２によって導入されたカー効果がない場合には、レーザの発光が不可能になるように構成されている。更に、開口絞り９を代替的に第１のミラー３近傍に配置してもよいことは自明である。

図５は、本発明の代替の実施例による、セルフモード同期外部キャビティ表面発光半導体レーザ２９を示す図である。これは、図１に示すレーザ１と同様である。この実施例において、折り返しミラー８が出力カプラ４の近傍に置き換えられており、共振器２ｂは３回折り返した共振器と考えられる。

図６は、本発明の更なる代替の実施例によるセルフモード同期、外部キャビティ表面発光、半導体レーザ３０を示す図であり、これは図１に示すレーザ１と同様である。この実施例では、折り返しミラー８がなく、折り返しミラー７が出力カプラ４の近傍に配置されており、共振器２ｃが２回折り返した共振器と考えられる。

上述の実施例に様々な代替例を組み入れることができることは自明である。例えば、ＳＤＬ５の構造は、半導体レーザが使用される特定のアプリケーションによって必要な代替の出力波長を提供するように変更できる。

更に、キャビティモード２６、励起スポット２７、及びカーレンズモード２８の方向は、関連する主軸が特定の実施例から変化するように変えることができる。重要なことは、共振器が、利得媒体１８が励起場１１によって励起されてキャビティモード２６と励起スポット２７が重なる面積が増えると、共振器２の構造によってキャビティモード２６に導入された非点収差が、熱スプレッダ２２によって導入された光学カーレンズ効果によって低減されるように、構成されていることである。

熱スプレッダは、使用した材料が必要な熱スプレッドと光学カーレンズ特性を示す限りは、単ダイヤモンドクリスタル熱スプレッダ２２以外の材料を代替的に具えていてもよい。サファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_２）及びシリコンカーバイド（ＳｉＣ）は、熱スプレッダを作るのに使用できる代替材料の例である。

ここに述べた半導体レーザは、この分野で知られている半導体レーザに比べて多くの利点を提供する。上述した固体超高速レーザに比べると、ここに述べたシステムは、複雑でなく、よりコンパクトであり、メンテナンス条件が少なく、製造コストが有意に低い。

上述の半導体レーザがセルフモード同期型であるという事実により、専用の静的あるいは動的モード同期エレメントを組み入れる必要がなくなる。これによって、上述の半導体レーザは複雑でなく、維持条件が低く、関連する製造コストが低減できることになる。

上述した半導体レーザシステムは、波長６７０ｎｍと２７００ｎｍで、１００ｍＷから５Ｗの範囲の電力出力をもつ、パルス波長１００ｐｓ乃至１００ｆｓのパルスを生成するのに使用できる。

これらのファクタは、上述の半導体レーザを、例えば、二光子蛍光（ＴＰＥＦ）顕微鏡や、その他の同様の多光子顕微鏡技術といった、非線形顕微鏡技術に使用するのに理想的なものにする。例えば、単パルス幅によって、使用する特定のＧＦＰに応じて３９５ｎｍと４７５ｎｍ、あるいは４９６ｎｍで励起ピークを示す、緑色蛍光タンパク質（ＧＦＰｓ）で実行する有意な深さのプロファイリングが可能となる。

本発明はセルフモード同期レーザ及びセルフモード同期レーザの製造方法について述べている。このレーザは、第１及び第２のミラーで終端し、第３のミラーで折り返した共振器を具える。第３のミラーは、単一の分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を具え、ここに多層半導体利得媒体が装置されており、これは、少なくとも一の量子ウエルと光学カーレンズ効果を示す層を具える。セルフモード同期は、共振器の長さをキャビティモードの往復時間が、利得媒体内に位置する一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に合致するように選択することで達成できる。レーザのセルフモードは、レーザ共振器を、カーレンズ効果を示す層のレンズ効果がキャビティモードへ意図的に導入された非点収差を低減するように構成することによって、更に強化される。

本発明についての上述の記載は、説明の目的で記載されており、開示した詳細な形状に本発明を限定しようとするものではない。上述の実施例は、本発明の原理と実施のアプリケーションを最もよく説明するために選択され記載されており、これによって当業者は、様々な実施例で、及び意図した特定の使用に適した様々な変形例をもちいて、本発明を最もよく利用できる。従って、更なる変形あるいは改良が、特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲を逸脱することなく、ここに含まれる。

Claims (18)

1. セルフモード同期レーザにおいて、
   第１及び第２のミラーで終端し、第３のミラーで折り返され、当該第３のミラーが、少なくとも一の量子ウエル層と、光学的カーレンズ効果を示す層を具える多層半導体利得媒体に装填されている共振器を具え、
   前記共振器の長さが、キャビティモードの往復時間が、前記利得媒体内に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に一致するように選択され、それによりレーザの出力場の強度に摂動を引き起こして、光学的カーレンズ効果を示す層に出力場でモード同期を生じさせることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
2. 請求項１に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記光学的カーレンズ効果を示す層が、前記半導体利得媒体上に装着した熱スプレッダを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
3. 請求項２に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記熱スプレッダがダイヤモンドクリスタル層を具えることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器が更に当該共振器に配置した開口を有する開口絞りを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
5. 請求項４に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記開口が前記第２のミラー近傍に配置されていることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器が更に、第４のミラーで折り返されており、当該第４のミラーが前記第２のミラーと第３のミラーとの間に配置されていることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
7. 請求項６に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器が更に、第５のミラーで折り返されており、当該第５のミラーが前記第２及び第４のミラーの間に配置されていることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
8. 請求項７に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器がさらに、第６のミラーで折り返されており、当該第６のミラーが前記第２及び第５のミラーの間に配置されていることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器が更に、前記利得媒体において前記キャビティモードに非点収差を導入する手段を具える非点収差コントローラを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
10. 請求項９に記載のセルフモード同期レーザにおいて、前記共振器が、前記カーレンズ効果を示す層が、前記キャビティモードに導入した非点収差を相殺するよう作用するように構成されていることを特徴とするセルフモード同期レーザ。
11. セルフモード同期レーザを作成する方法において、
    第１及び第２のミラーによって終端し、第３のミラーによって折り返す共振器であって、前記第３のミラーが、少なくとも一の量子ウエル層と光学的カーレンズ効果を示す層を具える多層半導体利得媒体に装填されている共振器を提供するステップと；
    前記共振器の長さを、キャビティモードの往復時間が前記利得媒体内に配置した一またはそれ以上の半導体キャリアのアッパー状態寿命に一致するように選択し、それによりレーザの出力場の強度に摂動を引き起こして、光学的カーレンズ効果を示す層に出力場でモード同期を生じさせるステップと；
    を具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの作成方法。
12. 請求項１１に記載のセルフモード同期レーザの製造方法において、当該方法が更に、その中に配置した開口を有する開口絞りを前記共振器に配置するステップを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
13. 請求項１２に記載のセルフモード同期レーザの作成方法において、前記開口が前記第１のミラー近傍に配置されていることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
14. 請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のセルフモード同期レーザの作成方法において、当該方法が更に、前記第２のミラーと第３のミラーの間に第４のミラーを提供することによって、前記キャビティを折り返すステップを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
15. 請求項１４に記載のセルフモード同期レーザの製造方法において、当該方法が更に、前記第２のミラーと第４のミラーの間に第５のミラーを提供することによって、前記キャビティを折り返すステップを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
16. 請求項１５に記載のセルフモード同期レーザの製造方法において、前記方法が更に、前記第２のミラーと第５のミラーの間に第６のミラーを提供することによって、前記キャビティを折り返すステップを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
17. 請求項１１乃至１６に記載のセルフモード同期レーザの製造方法において、当該方法が前記利得媒体で前記キャビティモードに非点収差を導入するステップを具えることを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。
18. 請求項１７に記載のセルフモード同期レーザの製造方法において、当該方法が更に、前記共振器を前記カーレンズ効果を示す層が、前記キャビティモードに導入した非点収差を相殺するように作用するように構成したことを特徴とするセルフモード同期レーザの製造方法。

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