JP6308389B2 - レーザ媒体、レーザ装置、レーザ加工機、表示装置及びレーザ媒体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ媒体、レーザ装置、レーザ加工機、表示装置及びレーザ媒体の製造方法に係り、更に詳しくは、励起光が入射されるレーザ媒体、該レーザ媒体を備えるレーザ装置、該レーザ装置を備えるレーザ加工機、前記レーザ装置を備える表示装置、励起光が入射されるレーザ媒体の製造方法に関する。

従来、励起光が入射される、固体レーザ媒質を含むレーザ媒体が知られている（例えば特許文献１参照）。

このレーザ媒体は励起光により励起されて発光し、その光をレーザ媒体の表面に対向する外部反射鏡とレーザ媒体の底面側にある反射鏡との間で共振させることで共振光を生成することができる。

しかしながら、特許文献１に開示されているレーザ媒体では、共振光の断面形状を補正することはできなかった。

本発明は、励起光が入射される凹面を表面に有し、該凹面の第１の方向に関する曲率は、前記第１の方向に直交する第２の方向に関する曲率よりも大きいレーザ媒体である。

本発明によれば、共振光の断面形状を補正することができる。

一実施形態のレーザ装置の概略構成を示す図である。 比較例１のレーザ装置の概略構成を示す図である。 比較例２のレーザ装置の概略構成を示す図である。 実施例１のレーザ媒体を説明するための図（その１）である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ実施例１のレーザ媒体を説明するための図（その２及びその３）である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、それぞれ実施例１のレーザ媒体を説明するための図（その４及びその５）である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ実施例１のレーザ媒体を説明するための図（その６及びその７）である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、それぞれ実施例１のレーザ媒体を説明するための図（その８及びその９）である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ実施例２のレーザ媒体を説明するための図（その１及びその２）である。 図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ実施例２のレーザ媒体を説明するための図（その３及びその４）である。 図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、それぞれ変形例３のレーザ媒体を説明するための図（その１及びその２）である。 図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ変形例３のレーザ媒体を説明するための図（その３及びその４）である。 実施例４のレーザ媒体を説明するための図である。 図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。 レーザ切断機の概略構成を説明するための図である。 レーザ・ディスプレイ装置を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１６に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るレーザ装置１０００の概略構成が示されている。

レーザ装置１０００は、例えばレーザプリンタ、レーザディスプレイ、レーザプロジェクタ、レーザ計測器、レーザ加工装置、レーザ熱処理装置などの機器に用いられる。

近年、これらの機器の中でも、特にレーザ熱処理装置、レーザ加工装置等においては、高出力化（例えば数Ｗ〜１０Ｗ程度）に加えて、出力の安定化が望まれている。

レーザ装置１０００は、一例として、図１に示されるように、励起用レーザユニット１００、積層チップ３００、外部反射鏡７００、これらが実装されるパッケージ（不図示）などを備えている。以下では、図１等に示されるＸＹＺ３次元直交座標系を適宜用いて説明する。

励起用レーザユニット１００は、一例として、光源と、該光源から出た光の断面形状を補正する形状補正レンズ群と補正した光を集光する集光レンズを有している。

光源としては、例えば出力が３０Ｗ、発振波長が８０８ｎｍ帯の半導体レーザ（端面発光レーザ）が用いられている。この半導体レーザは、有効断面が楕円形のレーザ光（励起光）を出射する。ここで、「有効断面」とは、レーザ光の断面内で相対強度が２０％〜８０％の部分を意味する。なお、本明細書では、例えば光の断面、光の断面形状のように記述する場合においても「断面」は「有効断面」を意味するものとする。

半導体レーザから出射された断面形状が楕円形のレーザ光は、形状補正レンズ群で断面形状がほぼ円形に補正される。集光レンズを介した光が励起用レーザユニット１００から出射されたレーザ光（励起光）である。

積層チップ３００は、一例として、励起用レーザユニット１００からの励起光の光路上に配置されている。積層チップ３００は、励起光が照射されるレーザ媒体１０と、該レーザ媒体１０の−Ｚ側に位置するヒートシンク１２と、レーザ媒体１０とヒートシンク１２とを接合する接合材１４とを有している。ここでは、励起光は、レーザ媒体１０の表面（＋Ｚ側の面）に対して主光線（画角を持った光束の中心を通過する光線）が傾斜した状態で入射（斜入射）される。

レーザ媒体１０は、一例として、ＸＹ平面に平行な板状の外形を有しており、ヒートシンク１２に接合材１４を介して接合された反射鏡と、該反射鏡の＋Ｚ側に配置された活性層と、該活性層の＋Ｚ側に配置された基板とを有する。反射鏡と活性層の厚さの合計は、一例として１０μｍ以下とされている。レーザ媒体１０は、基板上に活性層、反射鏡をエピタキシャル成長して積層体を作製し、該積層体をエッチングすることで製造される。

反射鏡は、一例として、Ｚ軸方向に交互に積層された低屈折率層及び高屈折率層を含む分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）である。詳述すると、反射鏡は、低屈折率層としてのＡｌＡｓ層と、高屈折率層としてのＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓ層のペアを２５ペア有しており、高反射率を実現できる。各屈折率層の光学的厚さは、一例として、レーザ媒体１０を含んで構成されるレーザ発振器の発振波長をλとして、λ／４とされている。

活性層は、量子井戸構造を有している。詳述すると、活性層は、圧縮歪みを有するように交互に積層された量子井戸層（例えばＧａＡｓ層）及び障壁層（例えばＩｎＧａＡｓ層）を含み、内部の正味歪みが相殺された多層構造（例えば１５層〜２０層）を有している。

量子井戸層に、ＧａＡｓ系の化合物半導体を使用する場合、組成及び膜厚の設計により、発振波長λを９００ｎｍ〜１２００ｎｍに設定することができる。

また、化合物半導体の場合には、活性層における障壁層での光子吸収によりキャリアを発生させることで量子井戸層を励起することができる。すなわち、障壁層のバンドギャップエネルギよりも高いエネルギの光子が障壁層で吸収されれば、量子井戸層が励起される。そこで、励起用レーザユニット１００からの励起光の波長が、発振波長λ以下であれば、量子井戸層を励起することができる。

ここでは、活性層は、発振波長λが１０６０ｎｍとなるように設計され、反射鏡は、１０６０ｎｍで高反射率となるように設計されている。また、活性層の最も＋Ｚ側の層は、ＧａＡｓからなるキャッピング層となっている。

なお、活性層の材料としては、例えばＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＧａＩｎＰＡｓ系、ＧａＩｎＡｓ系などを用いることもできる。

ヒートシンク１２は、一例として、ＣＶＤ（化学気相成長）ダイヤモンドからなるＸＹ平面に平行な板状部材である。このように、ヒートシンク１２は、レーザ媒体１０とは熱膨張率が異なる材料からなる。なお、ヒートシンクの材料として、高熱伝導率のセラミック（例えばＳｉＣやＡｌＮ）、金属（例えばＣｕやＣｕ合金）、セラミックと金属の積層材料または混合材料を用いても良い。また、ヒートシンク１２としては、中空構造を有する部材であって、内部に水冷又は空冷などの冷却機能を有する部材であっても良い。また、ヒートシンクの代わりにヒートスプレッダを用いても良い。
接合材１４は、レーザ媒体１０とヒートシンク１２との間に配置されている。

ここで、レーザ装置１０００の動作時には、レーザ媒体１０で発生した熱を接合材１４を介してヒートシンク１２に速やかに伝える必要がある。また、レーザ媒体１０とヒートシンク１２とを接合材１４を介して接合するプロセス（接合プロセス）は、高温（例えば２００℃程度）の温度環境下で行われる。

そこで、接合材１４の材料としては、熱伝導率が高く、かつレーザ媒体１０とヒートシンク１２との熱膨張率差を吸収可能な材料（例えば樹脂混入焼結型Ａｇ）であることが好ましい。また、接合材１４の材料として、例えば金錫はんだ等の比較的低融点の合金を用いても良い。

外部反射鏡７００は、反射鏡及び活性層と共に、レーザ発振器を構成している。外部反射鏡７００は、レーザ媒体１０からの光の光路上（ここではレーザ媒体１０の＋Ｚ側）に配置されており、−Ｚ側の面（入射面）が＋Ｚ側に凸となるように湾曲している。

以上のように構成されるレーザ装置１０００では、励起用レーザユニット１００からの励起光によってレーザ媒体１０の活性層が励起されて発光し、活性層で発生した光は、反射鏡及び外部反射鏡７００間で反復的に反射されて増幅されることでレーザ発振が起こる（共振光が生成される）。すなわち、外部反射鏡７００を透過した光（共振光）が、レーザ装置１０００から出射される光（出射光）である。

このように、レーザ装置１０００において、レーザ媒体１０及び外部反射鏡７００を含んで垂直外部共振器型面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：ＶＥＣＳＥＬ）が構成されている。

以上のように構成されるレーザ装置１０００は、励起用レーザユニット１００、積層チップ３００及び外部反射鏡７００が、図１に示される位置関係となるように、パッケージ（不図示）に実装されて、製造される。

ここで、比較例１のレーザ装置Ｃ１について、図２を参照して説明する。

レーザ装置Ｃ１は、レーザ媒体の形状が異なる点を除いて、本実施形態のレーザ装置１０００と実質的に同一の構成を有している。レーザ装置Ｃ１では、レーザ媒体は、表面（＋Ｚ側の面）が平らな外形を有している。なお、ここでは、レーザ媒体は、光学的に透明な基板を有していても良いし、基板を有していなくても良い。

レーザ装置Ｃ１では、励起用レーザユニットからの有効断面の形状（ここではファーフィールドパターン）が円形の励起光１がレーザ媒体に入射（斜入射）し、レーザ媒体表面（レーザ媒体が基板を有している場合は基板、レーザ媒体が基板を有していない場合は活性層の表面）の照射エリアＩＡ１（断面形状が円形である励起光が斜入射によって楕円形状になっている）の一部を通過し、レーザ媒体底面（反射鏡の底面）の照射エリアＩＡ２（照射エリアＩＡ１と同じ理由で楕円形状になっている）に到達し、反射される。

照射エリアＩＡ２で反射された励起光１の一部は、照射エリアＩＡ１の一部を通過し、励起光２として外部に出て行く。このとき、励起光１のうち励起光２以外の光は、すべてレーザ媒体に吸収され、そのエネルギは、発熱とレーザ発振に使用される。

レーザ発振は、照射エリアＩＡ２と外部反射鏡の反射エリア（楕円形状）との間で共振を繰り返すこと（共振光を増幅すること）により行なわれ、出射エリア（楕円形状）から出射光を取り出すことができる。この場合、照射エリアＩＡ１、ＩＡ２は楕円形であり、出射光の有効断面も楕円形である。

ここで、安定した発振や波面をきれいにするためには、照射エリア、すなわちレーザ媒体表面及びレーザ媒体底面での励起光の有効断面は、円形であることが望ましい。

以下に、比較例２のレーザ装置Ｃ２について、図３を参照して説明する。

レーザ装置Ｃ２は、レーザ媒体の形状が異なる点およびシリンドリカルレンズの有無を除いて、本実施形態のレーザ装置１０００と実質的に同一の構成を有している。レーザ装置Ｃ２では、レーザ媒体は、表面（＋Ｚ側の面）が平らな外形を有している。なお、ここでは、レーザ媒体は、光学的に透明な基板を有していても良いし、基板を有していなくても良い。

レーザ装置Ｃ２では、励起用レーザユニットからの有効断面の形状（ここではファーフィールドパターン）が楕円形の励起光１’は、シリンドリカルレンズで有効断面の長軸方向の長さが短くなるように、すなわち有効断面が照射エリアＩＡ１’、ＩＡ２’でほぼ円形になるような楕円形状に補正される。補正された励起光１’は、レーザ媒体表面の照射エリアＩＡ１’（ほぼ円形状）の一部を通過し、レーザ媒体底面の照射エリアＩＡ２’（ほぼ円形状）に到達し、反射される。

照射エリアＩＡ２’で反射された励起光１’の一部は、照射エリアＩＡ１’の一部を通過し、励起光２’として外部に出て行く。このとき、励起光１’のうち励起光２’以外の光は、すべてレーザ媒体に吸収され、そのエネルギは、発熱とレーザ発振に使用される。

レーザ発振は、照射エリアＩＡ２’と外部反射鏡の反射エリア（ほぼ円形状）との間で共振を繰り返すこと（共振光を増幅すること）により行なわれ、出射エリア（ほぼ円形状）から出射光を取り出すことができる。この場合、照射エリアＩＡ１’、ＩＡ２’をほぼ円形にでき、出射光の有効断面もほぼ円形にできる。

ここで、共振を繰り返すときに共振光の断面形状を補正することができれば、励起光の断面形状を補正しなくても、出射光の断面形状をより円形に近づけることができる。

そこで、本実施形態では、以下に詳細に説明するように、レーザ媒体１０の表面（＋Ｚ側の面）の一部を凹面にしている。

以下に、本実施形態の幾つかの実施例を説明する。なお、実施例を説明するための図は、理解を容易にするため、誇張したり、一部省略している場合がある。

《実施例１》
実施例１では、基板としてＧａＡｓ基板が用いられ、接合材１４の材料には、ヒートシンク１２とレーザ媒体１０との熱膨張率差を吸収できる材料が用いられている。

ＧａＡｓ基板は、レーザ発振に用いられるエリア（励起光が入射されるエリア）及びその近傍のみエッチングされている（図１参照）。

すなわち、レーザ媒体１０の表面（＋Ｚ側の面）には、凹面が形成されている。この凹面の平面形状（＋Ｚ側から見た形状）は、一例としてＸ軸方向を長軸方向とし、Ｙ軸方向を短軸方向とする楕円形となっている。つまり、凹面は、Ｙ軸方向の曲率ＲｙがＸ軸方向の曲率Ｒｘよりも大きくなっている。なお、「Ｘ軸方向の曲率Ｒｘ」は、凹面における中心を通りＸＺ平面に平行な曲線の曲率（曲率半径の逆数）を意味する。「Ｙ軸方向の曲率Ｒｙ」は、凹面における中心を通りＹＺ平面に平行な曲線の曲率（曲率半径の逆数）を意味する。以下では、「凹面の平面形状の長軸方向」を「凹面の長軸方向」と略称し、「凹面の平面形状の短軸方向」を「凹面の短軸方向」と略称する。

ここで、励起光の有効断面の形状（ここではファーフィールドパターン）は、略円形となっている。この場合、励起光の凹面への入射方向（主光線の進行方向）のＸＹ平面への正射影（ＸＹ平面に平行な成分）は、凹面の長軸方向（Ｘ軸方向）に略平行となっている。

結果として、励起光が凹面に入射するときのレーザ媒体表面における入射断面は、Ｘ軸方向を長軸方向（長手方向）とし、Ｙ軸方向を短軸方向（短手方向）とする楕円形となる。なお、励起光は、凹面の中央部に入射されるようになっている。

ところで、基板上に活性層、反射鏡が積層された積層体をＧａＡｓ基板が残らないように（エッチングマスクを用いないで）エッチング（例えばウエットエッチング）すると、レーザ媒体はほぼ平板状になってしまい、レーザ媒体の表面の一部を凹面にすることができない。

そこで、図４に示されるように、エッチングマスクを用いて部分エッチングして例えば基板に開口部を形成することで、レーザ媒体１０の表面の一部を凹面にすることができる。

一般的にエッチングはほぼ等方的に行なわれるが、実際にはエッチングマスクのエッジ付近のエッチングレート（エッチング速度）はエッジから遠いところのエッチングレートよりも遅くなる。このことを利用すると凹面の曲率を制御できる。

そこで、Ｙ軸方向を短軸方向とし、かつＸ軸方向を長軸方向とする楕円形開口が形成されたエッチングマスクを用いて上記積層体をエッチング（例えばウエットエッチング）すると、該積層体には、Ｙ軸方向の曲率ＲｙがＸ軸方向の曲率Ｒｘよりも大きい凹面が形成される。

レーザ媒体１０には、励起用レーザユニット１００からの励起光ＥＢ１がレーザ媒体表面（活性層表面）の照射エリアを通過し、レーザ媒体底面（反射鏡底面）の照射エリアに到達して反射される。反射された励起光ＥＢ１の一部は、レーザ媒体表面の照射エリアを通過し、励起光ＥＢ２として外部に出て行く。このとき、励起光ＥＢ１のうち励起光ＥＢ２以外の光はすべてレーザ媒体に吸収され、そのエネルギの一部がレーザ発振に使用され、残部が発熱する。

レーザ発振は、レーザ媒体底面の照射エリアと外部反射鏡７００の反射エリアＲＡとの間で共振を繰り返すこと（共振光を増幅すること）により行なわれ、出射エリアＯＡから出射光を取り出すことができる。

このとき、レーザ媒体の凹面は、Ｙ軸方向の曲率ＲｙがＸ軸方向の曲率Ｒｘに比べて大きくなっているため、外部反射鏡７００とレーザ媒体１０の反射鏡との間で共振する有効断面がＸ軸方向を長軸方向とし、かつＹ軸方向を短軸方向とする楕円形の光は、凹面を透過するときに屈折により断面形状がＸ軸方向よりもＹ軸方向に関して大きく補正され、結果として、出射光の断面形状は、ほぼ円形となる。

次に、レーザ媒体１０を生成する際のエッチングについて説明する。以下では、反射鏡及び活性層を併せて「レーザ薄膜」とも称する。

図４に示されるように、レーザ媒体１０は、レーザ薄膜が積層（成長）されたＧａＡｓ基板上に、楕円形開口を有するエッチングマスクを配置した状態でエッチング（例えばウエットエッチング）することで生成される。楕円形開口の短軸方向はＹ軸方向に平行とされ、楕円形開口の長軸方向はＸ軸方向に平行とされる。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）には、それぞれ理想的な等方エッチングの例が示されている。
図５（Ａ）には、エッチング前の状態が示されている。

ＧａＡｓ基板上には、楕円形開口を有するエッチングマスクが密着されている。図５（Ａ）中の２本の破線は、等方エッチングの理想的なラインであり、＋Ｚ側の破線はエッチングの途中のライン（エッチング途中ライン）であり、−Ｚ側の破線はエッチングがレーザ薄膜に到達したときのライン（エッチング薄膜到達ライン）である。

図５（Ｂ）には、ＧａＡｓ基板をエッチングした後、同じエッチング液（ＧａＡｓ用のエッチング液）でレーザ薄膜（具体的には活性層中央部の＋Ｚ側の部分）をエッチングしたときの状態が示されている。この場合、レーザ媒体１０の凹面は、基板凹面部及び薄膜凹面部から成る。ＧａＡｓ用のエッチング液は、レーザ薄膜に対して使用されると、エッチングレートはＧａＡｓ基板の場合より遅くなり、ほぼフラットにエッチングされる。

しかしながら、実際には、エッチング液は、材料をエッチングするとエッチング能力が下がるため、エッチングレートが遅くなる。常に新しいエッチング液が供給され、エッチング液の置換がスムーズに行なえれば、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）のようになるが、エッチングマスクの開口の影響でエッチング液の置換がスムーズに行なえず、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）のようになるのが現実である。
図６（Ａ）には、エッチング前の状態が示されている。

ＧａＡｓ基板上には、楕円形開口を有するエッチングマスクが密着されている。図６（Ａ）中の２本の破線は、エッチングの実質的なラインであり、＋Ｚ側の破線はエッチング途中ラインであり、−Ｚ側の破線はエッチング薄膜到達ラインである。

図６（Ｂ）には、ＧａＡｓ基板をエッチングした後、同じエッチング液でレーザ薄膜（具体的には活性層中央部の＋Ｚ側の部分）をエッチングしたときの状態が示されている。ＧａＡｓ用のエッチング液は、レーザ薄膜に対して使用されると、エッチングレートはＧａＡｓ基板の場合よりも遅くなり、かつ中央に近いほどエッチング液の置換効率が良くなるため図５（Ｂ）の場合よりも中央部が少し凹むようにエッチングされる。

次に、エッチングマスクの開口が広いときと狭いときのエッチングの状態を説明する。

図７（Ａ）には、エッチングマスクの開口が広い場合が示されている。この場合、図７（Ｂ）（レーザ薄膜以外は図示省略）に示されるように、中央部が僅かに凹むようにエッチングされるが、開口が広いのでエッチング液の置換効率が良くなり、全体的にエッチングが進みよりフラットに近い状態になる。

これに対して、図８（Ａ）には、エッチングマスクの開口が狭い場合が示されている。この場合、図８（Ｂ）（レーザ薄膜以外は図示省略）に示されるように、中央部が少し凹むようにエッチングされるが、開口が狭いのでエッチング液の置換効率が下がり壁面付近のエッチングレートがより下がるため、中央部とのエッチングレートの差が大きくなり、より曲率が大きい状態になる。

そこで、エッチングマスクの開口の形状を、前述のように短軸方向がＹ軸方向に平行であり、かつ長軸方向がＸ軸方向に平行な楕円形にすると、Ｙ軸方向に関してエッチングマスクの開口が狭いため凹面の曲率が相対的に大きくなり、かつＸ軸方向に関してエッチングマスクの開口が広いため凹面の曲率が相対的に小さくなる。

以上の説明から分かるように、エッチングマスクの楕円形開口の長軸方向の長さと短軸方向の長さの比を調整することにより、ある程度、凹面の曲率Ｒｘと曲率Ｒｙの比を制御することが可能となる。

そこで、基板上に活性層、反射鏡が積層された積層体をエッチングするのに先立って、目標とする、凹面のＸ軸方向の曲率ＲｘとＹ軸方向の曲率Ｒｙの比（以下では目標比とも称する）に基づいて、エッチングマスクの楕円形開口の長軸方向（Ｘ軸方向）の長さと短軸方向（Ｙ軸方向）の長さの比（以下では楕円形開口のアスペクト比とも称する）を設定することが好ましい。
なお、「目標比」は、励起光のレーザ媒体への入射角（励起光の入射方向とレーザ媒体表面の法線とが成す角）に基づいて予め設定されることが好ましい。この場合、出射光の有効断面の形状をより円形に近づけることができる。

《実施例２》
実施例２では、図４に示される楕円形開口を有するエッチングマスクを使用するとともに、レーザ薄膜がエピタキシャル成長されているＧａＡｓ基板の厚さを変えて凹面の曲率を制御する。

図９（Ａ）には、ＧａＡｓ基板が薄い場合が示されている。ここでは、中央部が少し凹むようにエッチングされる。この場合、ＧａＡｓ基板が薄いのでエッチング液の置換効率が上がり、よりフラットに近い状態（図９（Ｂ）参照、図９（Ｂ）ではレーザ薄膜以外は図示省略）になる。

これに対して、図１０（Ａ）には、ＧａＡｓ基板が厚い場合が示されている。ここでも、中央部が少し凹むようにエッチングされるが、ＧａＡｓ基板が厚いのでエッチング液の置換効率が下がり、壁面付近のエッチングレートがより下がるため、中央部とのエッチングレートの差が大きくなり、より曲率が大きい近い状態（図１０（Ｂ）参照、図１０（Ｂ）ではレーザ薄膜以外は図示省略）になる。

このようにＧａＡｓ基板の厚さを調整することにより、ある程度、凹面の曲率の制御が可能となる。

そこで、上記積層体を作製する前に楕円形開口のアスペクト比を設定し、その後、該積層体を作製する前に上記目標比及び楕円形開口のアスペクト比に基づいてＧａＡｓ基板の厚さを設定することが好ましい。この場合、出射光の有効断面の形状をより円形に近づけることができる。

《実施例３》
実施例３では、図４に示される楕円形開口を有するエッチングマスクを使用するとともに、エッチングマスクの厚さを変えて凹面の曲率を制御する。

図１１（Ａ）には、エッチングマスクが薄い場合が示されている。この場合、中央部が少し凹むようにエッチングされるが、エッチングマスクが薄いのでエッチング液の置換効率が上がり、よりフラットに近い状態（図１１（Ｂ）参照、図１１（Ｂ）ではレーザ薄膜以外は図示省略）になる。

これに対して、図１２（Ａ）には、エッチングマスクが厚い場合が示されている。この場合、中心部が少し凹むようにエッチングされるが、エッチングマスクが厚いのでエッチング液の置換効率が下がり、壁面付近のエッチングレートがより下がるため、中央部とのエッチングレートの差が大きくなり、より曲率が大きい状態（図１２（Ｂ）参照、図１２（Ｂ）ではレーザ薄膜以外は図示省略）になる。

このようにエッチングマスクの厚さを調整することにより、ある程度、凹面の曲率の制御が可能となる。

そこで、上記積層体をエッチングするのに先立って、上記目標比及び楕円形開口のアスペクト比に基づいて、エッチングマスクの厚さを設定することが好ましい。この場合、出射光の有効断面の形状をより円形に近づけることができる。

《実施例４》
実施例４では、楕円形開口を有し、厚みに分布を持たせたエッチングマスクを使用して、凹面のＸ軸方向の曲率Ｒｘ及びＹ軸方向の曲率Ｒｙを制御する。エッチングマスクは、プレス技術で所望の厚み分布を持たせたものを使用している。

実施例４のエッチングマスクは、図１３に示されるように、楕円形開口のＸ軸方向の端部から中央部にかけて徐々に厚くなっている。この場合、エッチングマスクの薄い部分はエッチング液の置換効率が上がり、よりフラットに近い状態になり、エッチングマスクの厚い部分はエッチング液の置換効率が下がり壁面付近のエッチングレートがより下がるため、中央部とのエッチングレートの差が大きくなるので、より凹面の曲率が大きい状態になる。

このようにエッチングマスクの厚さに分布を持たせることにより、凹面のＸ軸方向の曲率Ｒｘ及びＹ軸方向の曲率Ｒｙを制御できる。

以上説明したように、本実施形態のレーザ媒体１０は、励起光が入射される凹面を表面に有し、該凹面のＹ軸方向に関する曲率Ｒｙは、Ｘ軸方向に関する曲率Ｒｘよりも大きい。
この場合、共振光の断面形状を補正できる。

詳述すると、例えば励起光のレーザ媒体表面における入射断面のＸ軸方向の長さがＹ軸方向の長さよりも長くても、レーザ媒体底面と外部反射鏡との間で共振した光（共振光）の断面形状をＸ軸方向よりもＹ軸方向に関してより大きく補正でき（より円形に近づくように補正でき）、安定した発振や波面をきれいにすることができる。

また、本実施形態のレーザ装置１０００は、励起光を出射する励起用レーザユニット１００と、該励起用レーザユニット１００からの励起光が凹面に入射されるレーザ媒体１０と、を備えている。

この場合、励起用レーザユニット１００とレーザ媒体１０の位置関係を所定の位置関係（例えば図１に示される位置関係）に設定することで、励起光の断面形状を効果的に補正することができる。

この結果、励起光のレーザ媒体表面における断面形状が異方性を有していても（真円でなくても）、断面形状がより円形に近い高品質のレーザ光（出射光）を得ることができる。

また、レーザ媒体１０は、基板と、該基板上に積層された活性層と、該活性層上に積層された反射鏡とを有し、基板に凹面の一部が形成されているため、エッチングにより凹面の曲率を比較的容易に制御でき、かつ凹面の形状安定性を高めることができる。

また、本実施形態のレーザ媒体１０の製造方法は、基板上に活性層、反射鏡を積層して積層体を作製する工程と、開口が形成されたエッチングマスクを用いて積層体を基板側からエッチングして、Ｙ軸方向に関する曲率ＲｙがＸ軸方向に関する曲率Ｒｘよりも大きい凹面を形成する工程と、含む。

この場合、例えばエッチングマスクの開口の形状等によって、曲率Ｒｘ、Ｒｙを制御することができ、レーザ媒体１０を容易に製造することができる。

また、凹面を形成する工程に先立って、目標とする、凹面のＸ軸方向の曲率ＲｘとＹ軸方向の曲率Ｒｙの比である目標比に基づいて、エッチングマスクの開口のＸ軸方向の長さとＹ軸方向の長さの比であるアスペクト比を設定する工程を更に含む場合、曲率Ｒｘ、Ｒｙが目標比に近似する凹面を形成することができる。

また、楕円形開口のアスペクト比を設定する工程は、積層体を作製する工程の前に行われ、楕円形開口のアスペクト比を設定する工程の後、かつ積層体を作製する工程の前に、目標比及びアスペクト比に基づいて基板の厚さを設定する工程を更に含む場合、曲率Ｒｘ、Ｒｙが目標比により近似する凹面を形成することができる。

また、楕円形開口のアスペクト比を設定する工程の後、かつ凹面を形成する工程の前に目標比及びアスペクト比に基づいてエッチングマスクの厚さを設定する工程を更に含む場合、曲率Ｒｘ、Ｒｙが目標比により近似する凹面を形成することができる。

また、楕円形開口のアスペクト比を設定する工程の後、かつ凹面を形成する工程の前に目標比及びアスペクト比に基づいて、エッチングマスクを、Ｙ軸方向に関して中央部に近いほど厚くなるように形成する工程を更に含む場合、曲率Ｒｘ、Ｒｙが目標比により一層近似する凹面を形成することができる。

なお、上記実施形態では、凹面では、Ｒｙ＞Ｒｘ＞０とされているが、要は、Ｒｙ＞Ｒｘ≧０を満たしていれば良い。

また、上記実施形態では、凹面の平面形状は、楕円形とされているが、これに限らず、例えば長方形等の長手方向を有する多角形であっても良い。この場合も、所望の凹面の平面形状に応じた形状の開口が形成されたエッチングマスクを用いてレーザ媒体をエッチングすることが好ましい。

また、上記実施形態では、接合材１４の材料として、例えば樹脂混入焼結型Ａｇが使用されているが、通常の焼結型Ａｇ、Ｉｎ、半田、高熱伝導接着剤等を用いても良い。

また、レーザ媒体１０の層構成は、上記実施形態で説明したものに限らず、適宜変更可能である。例えば、活性層と反射鏡との間に中間層を設けても良い。

また、上記実施形態では、レーザ媒体として、基板上に活性層及び反射鏡が積層されたものが用いられているが、これに限らず、例えば、ＹＡＧレーザ、ルビーレーザ、ガラスレーザ、チタン・サファイアレーザ、非線形光学結晶（例えばＬＢＯ）波長変換レーザなどの固体レーザであっても良い。これらの場合も、レーザ媒体に励起光が入射される凹面を形成することが好ましい。また、これらの場合、励起用の光源としてランプ、フラッシュランプ、半導体レーザ、アルゴンレーザ等を適宜選択して用いることができる。

また、上記実施形態では、レーザ媒体１０が気体雰囲気に露出しているが、例えば化学蒸着法（ＣＶＤ法）により、レーザ媒体１０の少なくとも一部にＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ等からなる光学的に透明な膜を成膜しても良い。この場合、レーザ媒体１０を気体雰囲気から遮蔽でき、パッシベーション性能を向上させることができる。

また、レーザ媒体１０と外部反射鏡７００との間に、以下に説明するような波長変換素子や複屈折フィルタを配置しても良い。

波長変換素子は、一例として、ＸＹ断面が一辺３ｍｍの正方形であり、かつＺ軸方向の長さが１０ｍｍの直方体形状のＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶から成り、積層チップ３００からの光の光路上（ここでは積層チップ３００の＋Ｚ側）に配置される。波長変換素子の光を透過させる面には、１０６０ｎｍ及び５３０ｎｍの波長の光を全透過させる、誘電体によるコーティングが施されている。

複屈折フィルタは、波長変換素子を介した光の光路上（ここでは波長変換素子の＋Ｚ側）に、ＸＹ平面に対して傾斜して配置される。複屈折フィルタは、特定の波長（例えば１０６０ｎｍ及び５３０ｎｍの波長）の光のみを透過させ、かつ透過させる光の偏向方向を調整する機能を有している。このため、波長変換素子と複屈折フィルタを組み合わせることで、波長変換効率を向上させることができる。

そして、波長変換素子及び複屈折フィルタによって、波長変換された波長５３０ｎｍの第二高調波が外部反射鏡７００を透過する。なお、ここでは、外部反射鏡７００は、１０６０ｎｍの波長の光に対しては、高反射であり、５３０ｎｍの波長に光に対しては、約５％の透過率を有している。

なお、上記実施形態のレーザ装置１０００の各構成部材の具体的な材料、形状、寸法等は、例示であって、適宜変更可能である。

《レーザアニール装置》
一例として図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）にレーザ加工機としてのレーザアニール装置１５００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１５００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。

光源１０１０は、上記レーザ装置１０００を複数有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された複数のレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。

例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。

この場合、レーザアニール装置１５００は、光源１０１０が上記レーザ装置１０００を有しているため、アニール処理を効率的に行うことができる。

《レーザ切断機》
一例として図１４にレーザ加工機としてのレーザ切断機２０００の概略構成が示されている。このレーザ切断機２０００は、光源２０１０、光学系２１００、対象物Ｐが載置されるテーブル２１５０、テーブル駆動装置２１６０、操作パネル２１８０及び制御装置２２００などを備えている。

光源２０１０は、上記レーザ装置１０００を有し、制御装置２２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系２１００は、光源２０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置２１６０は、制御装置２２００の指示に基づいて、テーブル２１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。

操作パネル２１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置２２００は、操作パネル２１８０からの各種設定情報に基づいて、光源２０１０及びテーブル駆動装置２１６０を制御する。

この場合、レーザ切断機２０００は、光源２０１０が上記レーザ装置１０００を有しているため、切断処理を効率的に行うことができる。
なお、レーザ切断機２０００は、複数の光源２０１０を有しても良い。

また、レーザ装置１０００は、レーザアニール装置及びレーザ切断機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、表示装置の光源に用いても良い。

《レーザ・ディスプレイ装置》
図１５には、表示装置としてのレーザ・ディスプレイ装置３０００の概略構成が示されている。

このレーザ・ディスプレイ装置３０００は、レーザ装置１０００を含む光源ユニット３００１と、光源ユニット３００１からのレーザ光を表示情報に応じて変調し、該変調されたレーザ光をスクリーン３０１０に向けて出力するための光学系３００３と、光源ユニット３００１及び光学系３００３を制御する制御装置３００５とを備えている。

このレーザ・ディスプレイ装置３０００は、レーザ装置１０００を有しているため、表示される画像品質を向上させることができる。

なお、空間を貫くレーザ光によって映像表現を行うレーザ・ディスプレイ装置であっても、前記光源ユニット３００１を備えるレーザ・ディスプレイ装置であれば、表示される画像品質を向上させることができる。

１０…レーザ媒体、１００…励起用レーザユニット（光源部）、７００…外部反射鏡、１０００…レーザ装置、１５００…レーザアニール装置（レーザ加工機）、２０００…レーザ切断機（レーザ加工機）、３０００…レーザ・ディスプレイ装置（表示装置）。

特開２００５−３９０９３号公報

Claims (14)

1. 励起光が入射される凹面を表面に有し、該凹面の第１の方向に関する曲率は、前記第１の方向に直交する第２の方向に関する曲率よりも大きいレーザ媒体。
2. 励起光を出射する光源部と、
   前記光源部からの励起光が前記凹面に入射される請求項１に記載のレーザ媒体と、を備えるレーザ装置。
3. 前記励起光が前記凹面に入射するときの前記励起光の前記レーザ媒体の表面における入射断面は、前記第２の方向に略平行な長手方向を有し、かつ前記第１の方向に略平行な短手方向を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記凹面は、平面形状が長手方向及び該長手方向に直交する短手方向を有し、
   前記平面形状の短手方向は、前記第１の方向と一致し、
   前記平面形状の長手方向は、前記第２の方向と一致することを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザ媒体は、基板と、該基板上に積層された活性層と、該活性層上に積層された反射鏡とを有し、
   前記基板に前記凹面の少なくとも一部が形成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ媒体と共にレーザ発振器を構成する外部反射鏡を更に備え、
   前記外部反射鏡から出射された光の断面形状は、前記凹面に入射した励起光の前記レーザ媒体の底面での断面形状よりも異方性が小さいことを特徴とする請求項５に記載のレーザ装置。
7. 請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
   前記レーザ装置から出射されたレーザ光を対象物に導光する光学系と、を備えるレーザ加工機。
8. レーザ光を用いて情報を表示する表示装置において、
   前記レーザ光を出射する請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置を備えることを特徴とする表示装置。
9. 励起光が入射されるレーザ媒体の製造方法であって、
   基板上に複数の半導体層を積層して積層体を作製する工程と、
   開口が形成されたエッチングマスクを用いて前記積層体を前記基板側からエッチングして、第１の方向に関する曲率が前記第１の方向に直交する第２の方向に関する曲率よりも大きい凹面を形成する工程と、含むレーザ媒体の製造方法。
10. 前記凹面を形成する工程に先立って、目標とする、前記凹面の前記第１の方向に関する曲率と前記第２の方向に関する曲率の比である第１の比に基づいて、前記開口の前記第１の方向に対応する方向の長さと前記第２の方向に対応する方向の長さの比である第２の比を設定する工程を更に含むことを特徴とする請求項９に記載のレーザ媒体の製造方法。
11. 前記第２の比を設定する工程は、前記積層体を作製する工程の前に行われ、
    前記第２の比を設定する工程の後、かつ前記積層体を作製する工程の前に前記第１及び第２の比に基づいて前記基板の厚さを設定する工程を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ媒体の製造方法。
12. 前記第２の比を設定する工程の後、かつ前記凹面を形成する工程の前に前記第１及び第２の比に基づいて前記エッチングマスクの厚さを設定する工程を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ媒体の製造方法。
13. 前記第２の比を設定する工程の後、かつ前記凹面を形成する工程の前に前記第１及び第２の比に基づいて、前記エッチングマスクを、前記第２の方向に対応する方向に関して中央部に近いほど厚くなるように形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ媒体の製造方法。
14. 前記励起光が前記凹面に入射するときの前記レーザ媒体の表面における入射断面は、前記第１の方向に平行な長手方向を有し、かつ前記第２の方向に平行な短手方向を有し、
    前記第１の比は、前記励起光の前記レーザ媒体への入射角に基づいて設定されていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載のレーザ媒体の製造方法。