JP6385246B2

JP6385246B2 - 平面導波路型レーザ装置

Info

Publication number: JP6385246B2
Application number: JP2014225766A
Authority: JP
Inventors: 充輝二見; 山本　修平; 修平山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: JP2016092248A

Description

本発明は、平面導波路型レーザ装置に関するものである。

レーザ光源は、広色域・高寿命という特長を活かし、表示装置への用途展開が近年盛んに行われている。特に、二次元空間変調素子（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス）との親和性の高さから、プロジェクタの次世代光源として定着しつつある。この赤、緑、青の光源として、９００ｎｍ帯、１μｍ帯、１．３μｍ帯のレーザ光を基本波レーザ光とし、かつ、非線形材料を用いて第二高調波を発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）する波長変換レーザが開発されている。その中でも、1μｍ帯の基本波レーザ光を用いた緑色波長変換レーザ装置は、同色の半導体レーザ装置に対し性能・製造性の両面において優れているため、緑用のレーザ光源として一般的である。

これらの波長変換レーザ装置を実現する方法として、例えば、特許文献１に開示された平面導波路型レーザ装置がある。特許文献１に開示された従来の平面導波路型レーザ装置は主に、励起用半導体レーザ素子、レーザ媒質および導波路型非線形材料素子の３要素から構成される。以下、レーザ媒質の光軸方向をｚ軸方向、レーザ媒質の厚さ方向をｙ軸方向、これらと垂直方向をｘ軸方向として説明する。レーザ媒質は、詳細には、直下にクラッドを有し、接合剤を介してヒートシンクと接合される。ヒートシンクは、ｘ軸方向に沿って（ｍ＋１）個の櫛歯を備えた周期的な櫛構造を有する。ここで、ｍは励起用半導体レーザ素子の発光点数に相当する。

上記の構成からなる特許文献１に記載の平面導波路型レーザ装置の動作について述べる。レーザ媒質の一方の端面から入射した励起光はレーザ媒質で吸収され、内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。この利得により、基本波レーザ光は、レーザ媒質の一方の端面と導波路型非線形材料素子の一方の端面との間でレーザ発振し、導波路型非線形材料素子を通過する際に波長変換され、ＳＨＧ光が導波路型非線形材料素子の一方の端面から出射される。

なお、レーザ媒質における基本波レーザ光は、レーザ媒質および導波路型非線形材料素子が薄い導波路構造で構成されるｙ軸方向では、導波路構造で選択されるモードで発振する。一方、ｙ軸方向におけるレーザ発振は、レーザ媒質および非線形材料素子の幅が波長に対し十分大きいため、空間型の共振器を形成する。

このような構造では、レーザ媒質とヒートシンクが接していない領域の温度上昇が、レーザ媒質とヒートシンクが接している領域での温度上昇に対し大きくなる。このとき、例えばレーザ媒質の光学的特性がｄｎ／ｄＴ＞０（ｎはレーザ媒質の屈折率、Ｔはレーザ媒質の温度）の場合、同一波長の基本波レーザ光に対する屈折率が最も高くなるヒートシンクの櫛歯間の中心を光軸とした熱レンズが形成され、ｘ軸方向に空間モードが形成される。

したがって、ヒートシンクにおけるｘ軸方向に沿った櫛パターンは、隣接する発振モードが干渉しない間隔を空けて配置されるため、それぞれ独立したｍ個の空間モードを櫛構造と同間隔に形成可能となる。さらに、基本波レーザ光の発振モードの間隔と、励起レーザ素子の対応する発光点の間隔とを等しくすることで、基本波レーザ光と励起光の重なり領域が最大化され、高効率な励起が可能となる。

特許第４３９２０２４号公報

従来の平面導波路型レーザ装置においては、適切な動作を行うために、ヒートシンクを熱伝導性の高い排熱部材、例えば主材料がＣｕからなるブロック等に接合してレーザ媒質を冷却する必要がある。これは、励起用半導体レーザ素子による励起光とレーザ媒質で発生する基本波レーザ光の光エネルギーの差分が、熱エネルギーとしてレーザ媒質内に生じるためである。レーザ媒質のうち、効率よく排熱が行われる端側が中心側よりも冷えるため、中心側は平坦だが端側で温度が下がる山型の温度分布が形成される。

従来の平面導波路型レーザ装置では、このヒートシンクから排熱部材への排熱で生じる温度分布が、上記のヒートシンクの周期的な熱レンズによって形成されるｘ軸方向の発振モードに悪影響を及ぼす。ヒートシンクから排熱部材への排熱で生じる温度分布と、ヒートシンクの櫛歯構造によって形成される温度分布を足し合わせた、レーザ媒質における温度分布について、レーザ媒質中心側に位置する櫛歯間の温度分布が、櫛歯中心に関して左右対称であるのに対し、端側に位置する櫛歯間の温度分布は、ヒートシンクから排熱部材で生じる温度分布の傾斜の影響で左右非対称となる。

この温度分布の左右非対称性によって、レーザ媒質の端側で形成される熱レンズの光軸が、それぞれの櫛歯間の中心からレーザ媒質の中心側に向かってシフトし、基本波レーザ光の発振モードの光軸と励起用半導体レーザ素子の光軸とでずれを生じる。これは励起光とレーザ媒質内の発振モード分布との重なり領域の減少、すなわち基本レーザ光の利得低下につながる。この基本波レーザ光の利得低下は、基本波レーザ光の出力低下、さらには導波路型非線形材料素子におけるＳＨＧ光出力の低下を招く。

そこで、本発明は、レーザ媒質の冷却に用いられる排熱部材によって生じる温度分布の非対称性を解消し、基本波レーザ出力、さらにＳＨＧ出力の高効率化を実現することが可能な平面導波路型レーザ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る平面導波路型レーザ装置は、光軸に対して垂直方向に配置される複数の発光点を有する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子が発するレーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、前記光軸に対して垂直の前記レーザ媒質の厚さ方向に設けられる導波路構造と、前記レーザ媒質の厚さ方向の一面側に接合されるヒートシンクとを有する導波路型固体レーザ素子とを備え、前記ヒートシンクは、前記レーザ媒質との接合面に、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に沿って設けられ、かつ、前記複数の発光点に対応する周期的な櫛構造を備え、前記櫛構造は、櫛歯の先端を前記レーザ媒質に接合して発生する温度分布と、当該温度分布によって生成される周期的な屈折率分布を、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に形成し、前記導波路型固体レーザ素子のレーザ光は、前記レーザ媒質の厚さ方向に導波路モードを形成するとともに、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対する垂直方向に前記屈折率分布による空間モードを形成し、前記櫛構造において、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向における最端または当該最端から所定数以内の前記櫛歯の櫛幅が前記最端以外または前記最端から前記所定数以外の前記櫛歯の櫛幅よりも狭いものである。

本発明によれば、ヒートシンクは、レーザ媒質との接合面に、光軸およびレーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に沿って設けられ、かつ、複数の発光点に対応する周期的な櫛構造を備え、櫛構造は、櫛歯の先端をレーザ媒質に接合して発生する温度分布と、当該温度分布によって生成される周期的な屈折率分布を、光軸およびレーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に形成し、導波路型固体レーザ素子のレーザ光は、レーザ媒質の厚さ方向に導波路モードを形成するとともに、光軸およびレーザ媒質の厚さ方向に対する垂直方向に屈折率分布による空間モードを形成し、櫛構造において、光軸およびレーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向における最端または当該最端から所定数以内の櫛歯の櫛幅が最端以外または最端から所定数以外の櫛歯の櫛幅よりも狭い。

したがって、光軸およびレーザ媒質の厚さ方向に対する垂直方向の空間モードを形成する熱レンズにおいて発生する温度分布の非対称性を解消し、基本波レーザ出力およびＳＨＧ出力の高効率化を実現することができる。

実施の形態に係る平面導波路型レーザ装置の側面図である。図１のA-A断面図である。ヒートシンクの櫛歯の櫛幅による温度分布への影響を説明するための図である。レーザ媒質に生じる温度分布を説明するための図である。レーザ媒質に生じる温度分布を説明するための図である。最適な櫛幅の設計例を説明するための図である。前提技術に係る平面導波路型レーザ装置の側面図である。図７のB-B断面図である。ヒートシンクの動作を説明するための図である。ヒートシンクの動作を説明するための図である。レーザ媒質に生じる温度分布を説明するための図である。レーザ媒質に生じる温度分布を説明するための図である。レーザ媒質に生じる温度分布を説明するための図である。

＜前提技術＞
最初に、前提技術に係る平面導波路型レーザ装置１００について説明する。図７は、前提技術に係る平面導波路型レーザ装置１００の側面図である。図７に示すように、平面導波路型レーザ装置１００は主に、励起用半導体レーザ素子１０１、レーザ媒質１０５および導波路型非線形材料素子１０７の３要素から構成される。図７において、レーザ媒質１０５の光軸方向１０６をｚ軸方向、レーザ媒質１０５の厚さ方向をｙ軸方向とし、ｚ軸方向およびｙ軸方向と垂直な方向をｘ軸方向として説明する。

レーザ媒質１０５におけるｙ軸方向の一面にクラッド１０４が配置され、レーザ媒質１０５は、クラッド１０４に接合剤１０３を介してヒートシンク１０２と接合される。図８は、図７のB-B断面図である。図８に示すように、ヒートシンク１０２はｘ軸方向に沿って設けられた周期的な櫛構造を備え、櫛構造は（ｍ＋１）個の櫛歯を備える。ここで、ｍは励起用半導体レーザ素子１０１の発光点数に相当する。なお、それぞれの櫛歯の櫛幅は等しく、ここではｗとする。また、レーザ媒質１０５の端面１０５ａおよび導波路型非線形材料素子１０７の端面１０７ｂには、レーザ媒質１０５によって生じる基本波レーザ光を反射する全反射膜が配置され、さらにレーザ媒質１０５の端面１０５ｂおよび導波路型非線形材料素子１０７の端面１０７ａには、基本波レーザ光の反射を抑制する反射防止膜が配置される。

次に、平面導波路型レーザ装置１００の動作について説明する。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、レーザ媒質１０５の内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。この利得によって、基本波レーザ光は、レーザ媒質１０５の端面１０５ａと導波路型非線形材料素子１０７の端面１０７ｂとの間でレーザ発振する。そして、基本波レーザ光が導波路型非線形材料素子１０７を通過する際に波長変換され、ＳＨＧ光が端面１０７ｂから出射される。

なお、レーザ媒質１０５における基本波レーザ光は、レーザ媒質１０５および導波路型非線形材料素子１０７が薄い導波路構造で構成されるｙ軸方向では、導波路構造で選択されるモードで発振する。一方、ｘ軸方向におけるレーザ発振は、レーザ媒質１０５および導波路型非線形材料素子１０７の幅が波長に対し十分大きいため、空間型の共振器を形成する。

図９は、ヒートシンク１０２の動作を説明するための図であり、図８におけるヒートシンク１０２とレーザ媒質１０５の接合部を拡大した図である。図９においては、平面導波路型レーザ装置１００を駆動した際の熱の流れを矢印２０１および矢印２０２で示している。また、同図に記載のグラフは、横軸がレーザ媒質１０５のｘ軸方向に対応し、縦軸がレーザ媒質１０５の温度上昇を表している。このような構造では、レーザ媒質１０５とヒートシンク１０２が接していない領域の温度上昇が、レーザ媒質１０５とヒートシンク１０２が接している領域での温度上昇に対し大きくなる。

この効果によってレーザ媒質１０５に生じる温度分布２０３を、図８の断面図に対応させた模式図が図１０であり、図１０は、ヒートシンク１０２の動作を説明するための図である。このとき、例えばレーザ媒質１０５の光学的特性がｄｎ／ｄＴ＞０（ｎはレーザ媒質１０５の屈折率、Ｔはレーザ媒質１０５の温度）の場合、同一波長の基本波レーザ光に対する屈折率が最も高くなるヒートシンク１０２の隣接する櫛歯間の中心（図１０中の点線）を光軸とした熱レンズが形成され、ｘ軸方向に空間モードが形成される。したがって、ヒートシンク１０２のｘ軸方向に沿った櫛パターンは、隣接する発振モードが干渉しない間隔を空けて配置されるため、それぞれ独立したｍ個の空間モードが櫛構造と同間隔に形成可能となる。さらに、基本波レーザ光の発振モードの間隔と、励起用半導体レーザ素子１０１の対応する発光点の間隔とを等しくすることで、基本波レーザ光と励起光の重なり領域が最大化され、高効率な励起が可能となる。

平面導波路型レーザ装置１００においては、適切な動作を行うために、ヒートシンク１０２を熱伝導性の高い排熱部材、例えば主材料がＣｕからなるブロック等に接合してレーザ媒質１０５を冷却する必要がある。これは、励起用半導体レーザ素子１０１による励起光とレーザ媒質１０５で発生する基本波レーザ光の光エネルギーの差分が、熱エネルギーとしてレーザ媒質１０５内に生じるためである。

図１１は、レーザ媒質１０５に生じる温度分布を説明するための図であり、ヒートシンク１０２から排熱部材１０８への排熱によって、レーザ媒質１０５のｘ軸方向に形成される温度分布２０４を示す。図１１に示すように、レーザ媒質１０５のうち、効率よく排熱が行われる端側が中心側よりも冷えるため、中心側は平坦だが端側で温度が下がる山型の温度分布２０４が形成される。

平面導波路型レーザ装置１００では、ヒートシンク１０２から排熱部材１０８への排熱で生じる温度分布２０４が、上記のヒートシンク１０２の周期的な熱レンズによって形成されるｘ軸方向の発振モードに悪影響を及ぼす。図１２は、レーザ媒質１０５に生じる温度分布２０５を説明するための図である。より具体的には、図１２は、ヒートシンク１０２から排熱部材１０８への排熱で生じる温度分布２０４と、ヒートシンク１０２の櫛歯構造によって形成される温度分布２０３を足し合わせた、レーザ媒質１０５における温度分布２０５を表す。

また、図１３は、レーザ媒質１０５に生じる温度分布２０５を説明するための図である。より具体的には、図１３は、温度分布２０５が温度分布２０３と温度分布２０４の足し合わせで形成されることを示す概念図である。温度分布２０５について、レーザ媒質１０５の中心側に位置する櫛歯間の温度分布が、櫛歯中心に関して左右対称であるのに対し、端側に位置する櫛歯間の温度分布は、ヒートシンク１０２から排熱部材１０８で生じる温度分布２０４の傾斜の影響で左右非対称となる。この温度分布の左右非対称性によって、レーザ媒質１０５の端側で形成される熱レンズの光軸が、それぞれの櫛歯間の中心からレーザ媒質１０５の中心側に向かってシフトする。これにより、基本波レーザ光の発振モードの光軸と励起用半導体レーザ素子１０１の光軸とでずれを生じる。これは励起光とレーザ媒質１０５内の発振モード分布との重なり領域の減少、すなわち基本レーザ光の利得低下につながる。この基本波レーザ光の利得低下は、基本波レーザ光の出力低下、さらには導波路型非線形材料素子１０７におけるＳＨＧ光出力の低下を招く。

本発明の平面導波路型レーザ装置においては、櫛構造を有するヒートシンクの櫛幅等を適切に設定することで、排熱部材によって生じる温度分布の非対称性を解消し、基本波レーザ出力、さらにはＳＨＧ出力の高効率化を実現している。

＜実施の形態＞
（構成）
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。図１は、本実施の形態に係る平面導波路型レーザ装置１の側面図である。図１に示すように、平面導波路型レーザ装置１は、励起用半導体レーザ素子２、導波路型固体レーザ素子３および導波路型非線形材料素子４を備える。なお、図１において、光軸方向９をｚ軸方向、レーザ媒質５の厚さ方向をｙ軸方向とし、ｚ軸方向およびｙ軸方向と垂直な方向をｘ軸方向として説明する。

励起用半導体レーザ素子２は、ｘ軸方向に沿って配置される複数の発光点を備え、例えば半導体レーザアレイである。導波路型固体レーザ素子３は、レーザ媒質５、クラッド６、接合剤７およびヒートシンク８を備える。クラッド６は、レーザ媒質５におけるｙ軸方向の一面に配置され、レーザ媒質５は、レーザ媒質５におけるｙ軸方向の一面側にヒートシンク８と接合される。より具体的には、レーザ媒質５は、クラッド６に接合剤７を介してヒートシンク８と接合される。導波路型固体レーザ素子３は、さらに導波路構造を備える。導波路構造は、導波路型固体レーザ素子３におけるｙ軸方向に設けられ、より具体的には、レーザ媒質５がｙ軸方向の一面側をクラッド６、それとは別の一面側を空気で挟まれることで形成されるスラブ型の導波路構造である。

レーザ媒質５の端面５ａおよび導波路型非線形材料素子４の端面４ｂには、レーザ媒質５によって生じる基本波レーザ光を反射する全反射膜が配置され、さらにレーザ媒質５の端面５ｂおよび導波路型非線形材料素子４の端面４ａには、基本波レーザ光の反射を抑制する反射防止膜が配置される。

導波路型非線形材料素子４は、例えばＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＴａＯ_３などの一般的な波長変換素子である。導波路型非線形材料素子４は、ｙ軸方向に設けられる導波路構造を備え、導波路型固体レーザ素子３の出射光である基本波レーザ光の光軸上に配置される。

また、レーザ媒質５は、例えばＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＶＯ_４などの一般的な固体レーザ材料、クラッド６は、レーザ媒質５よりも屈折率の低い材料、接合剤７は、光学接着剤または金属はんだ、ヒートシンク８は、例えばＳｉなどの熱伝導率の高い材料を用いることが望ましい。ここで、基本波レーザ光のレーザ媒質５である固体レーザ材料において、ｚ軸方向に垂直な端面５ａおよび端面５ｂの形状は例えば長方形であり、端面５ａおよび端面５ｂは典型的には、ｙ軸方向の厚さが数μｍから数十μｍ、ｘ軸方向の幅が数百μｍから数ｍｍの大きさを有する。なお、接合剤７は、クラッド６とヒートシンク８を直接接合する際には不必要となる。

図２は、図１のA-A断面図である。図２に示すように、ヒートシンク８は、ｘ軸方向に沿って周期的な櫛構造を有する。櫛構造は、ヒートシンク８におけるレーザ媒質５との接合面に設けられ、複数の発光点に対応する。すなわち、接合剤７を介してクラッド６に接合される櫛歯部分と接合されずに空間をなす部分が周期的に繰り返される。ここで、櫛歯の数は前提技術と同様に（ｍ＋１）本であることが望ましい。なお、ｍは励起用半導体レーザ素子２の発光点数に相当する。

ヒートシンク８の櫛構造は、ｘ軸方向における最端または当該最端から所定数以内の櫛歯の櫛幅ｗ’が最端以外または最端から所定数以外の櫛歯の櫛幅ｗよりも狭い。実施の形態では、例えば、ｘ軸方向の両端から数えてそれぞれ１番目からｎ番目の櫛歯の櫛幅ｗ’が、それ以外の櫛歯の櫛幅ｗよりも狭い。さらに、隣接する櫛歯中心間の距離、すなわち、櫛歯のピッチΛがいずれの櫛歯間でも等しい。なお、ヒートシンク８の櫛歯の総本数をＸとすると、ｎは１≦ｎ＜Ｘ／２を満たす整数であり、例えば、図２はＸ＝１１、ｎ＝２の場合に相当する。また、櫛幅ｗ、ｗ’および櫛歯のピッチΛは、典型的には、数十μｍから数百μｍの大きさを有する。

（動作）
次に、平面導波路型レーザ装置１の動作について説明する。図１と図２に示すように、平面導波路型レーザ装置１では、ｍ個の発光点を有する励起用半導体レーザ素子２からのレーザ光（励起光）によってレーザ媒質５が励起され、レーザ媒質５の内部で基本波レーザ光に対する利得を発生する。この利得によって基本波レーザ光が発振に至る。なお、基本波レーザ光の共振器を構成する反射鏡は、レーザ媒質５の端面５ａと端面５ｂ間、端面５ａと導波路型非線形材料素子４の端面４ｂ間、または端面５ａと端面４ｂの近傍に配置された波長選択素子などからなる。そして、基本波レーザ光が導波路型非線形材料素子４を通過する際に波長変換され、ＳＨＧ光が端面４ｂから出射される。ここで、レーザ媒質５は吸収した励起光の一部が熱に変換されることで発熱するが、その熱を排熱するヒートシンク８がｘ軸方向に周期的な櫛構造を有するため、レーザ媒質５においてもｘ軸方向に周期的な温度分布が発生する。

図３は、ヒートシンク８の櫛歯の櫛幅による温度分布への影響を説明するための図である。より具体的には、図３は、レーザ媒質５とヒートシンク８の接合部分の拡大図であり、図３（ａ）は櫛幅が広い場合を示す図、図３（ｂ）は櫛幅が狭い場合を示す図である。なお、図中の矢印は熱の流れを示す。図３（ａ），（ｂ）に示すように、レーザ媒質５とヒートシンク８が接していない領域の温度上昇が、ヒートシンク８と接している領域での温度上昇に対し大きくなり、隣接する２本の櫛歯間の中心で最大となる。このヒートシンク８の櫛構造に起因するレーザ媒質５の温度分布は、図３（ａ）に示すように、櫛歯が幅広なほど温度上昇が小さく、図３（ｂ）に示すように、櫛幅が狭いほど温度上昇が大きくなる。これはレーザ媒質５と接する櫛歯が幅広なほどヒートシンク８への排熱が促進されるためである。

以上のような周期的な温度分布が生成されるレーザ媒質５では、例えばレーザ媒質５の光学的特性がｄｎ／ｄＴ＞０（ｎはレーザ媒質５の屈折率、Ｔはレーザ媒質５の温度）の場合、基本波レーザ光に対する屈折率は、隣接する２本の櫛歯間の中心で最も高くなり、櫛歯の部分に近づくに従い低くなる。すなわち、温度分布と同じ屈折率分布となる。そのため、それぞれの櫛歯間の中心を光軸とした熱レンズが形成され、ｘ軸方向に基本波レーザ光の空間モードが形成される。すなわち、ｍ個の熱レンズがそれぞれの櫛歯間に形成される。このとき、櫛歯のピッチは、励起用半導体レーザ素子２におけるｍ本のレーザ光の光軸が、ヒートシンク８の櫛構造に起因して形成されるｍ個の熱レンズの光軸と一致するように定めることが望ましい。以上のように、ｘ軸方向では基本波レーザ光は発振モードであるが、ｙ軸方向では導波路型固体レーザ素子３はスラブ型の導波路構造を有するため、基本波レーザ光は導波路モードによって発振する。

なお、本実施の形態に係る平面導波路型レーザ装置１は、前提技術に係る平面導波路型レーザ装置１００と同様、適切な動作を行うために、ヒートシンク８を熱伝導性の高い排熱部材１０、例えば主材料がＣｕからなるブロック等に接合してレーザ媒質５を冷却する必要がある。なお、排熱部材１０は、排熱性能およびヒートシンク８との接合容易性を考慮して、ヒートシンク８に対して十分大きいことが望ましい。

本実施の形態では、櫛構造において、ｘ軸方向における最端または最端から所定数以内の櫛歯の櫛幅ｗ’を、最端以外または最端から所定数以外の櫛歯の櫛幅ｗよりも狭くすることで、排熱部材１０への接合時に発生する温度分布の非対称性を解消し、基本波レーザ光のｘ軸方向の空間モードを形成する熱レンズを左右対称にすることが可能となる。

図４は、レーザ媒質５に生じる温度分布１３を説明するための図である。図５は、レーザ媒質５に生じる温度分布１３を説明するための図であり、ヒートシンク８の周期的な櫛構造による温度分布１１と、排熱部材１０によって発生する温度分布１２とを足し合わせることで、温度分布１３が形成されることを示す概念図である。ヒートシンク８の周期的な櫛構造によって形成される温度分布１１において、櫛幅の狭いｘ軸方向の端側は中心側よりも温度が高くなる。これはレーザ媒質５のｘ軸方向の端側は、櫛幅の狭い櫛歯と接合されることで、櫛幅の広い櫛歯と接合される中心側よりも櫛歯間の温度極大点が高くなるためである（図３（ａ），（ｂ）参照）。温度分布１１が、ヒートシンク８から排熱部材１０への排熱によってレーザ媒質５に形成される山型の温度分布１２と合わさることで、櫛歯間の中心（図４中の点線）に関して左右対称の温度分布１３がレーザ媒質５に生成される。

図６は、最適な櫛幅の設計例を説明するための図であり、励起用半導体レーザ素子２の発光点数を１５個、すなわちヒートシンク８の櫛歯数を１６個として仮定した場合の、ヒートシンク８の櫛幅ｗおよびｗ’とレーザ媒質５の温度の関係を示す図である。図５の縦軸は、ヒートシンク８のそれぞれの櫛歯間中心付近を極大点とする温度分布のうち、レーザ媒質５端側の櫛歯間中心温度（端から数えて１本目と２本目の櫛歯間中心温度）と、レーザ媒質５中央の櫛歯間中心温度（端から数えて７本目と８本目の櫛歯間中心温度）の差分を表している。前提技術のヒートシンク１０２を模擬した構造、すなわち、ｗ’／ｗ＝１の構造では、ヒートシンク１０２に接合された排熱部材１０への排熱の影響でレーザ媒質１０５のｘ軸方向の端側と中心側に温度差が生じている。しかし、本実施の形態のヒートシンク８の端側の櫛幅ｗ’を、例えば、ｗ’／ｗ＝０．７を満たすような櫛幅にすることで、排熱部材によって生じる温度差が解消される。

本実施の形態では、図２に示すように、ヒートシンク８のｘ軸方向の両端から２本ずつの櫛歯の櫛幅ｗ’のみ、それ以外の櫛歯の櫛幅ｗよりも狭くした例を示したが、本発明はこれに限らない。すなわち、両端から１本ずつ（最端）のみ、または両端から３本ずつのみ櫛歯の櫛幅を狭くするといった応用も可能である。何本の櫛歯の櫛幅を狭くするかという設計は、ヒートシンク８に接合した排熱部材によって生じる温度分布２０４（図１１参照）の程度によって決めることが望ましい。なお、いずれの場合でも櫛歯のピッチが一定であるため、導波路型固体レーザ素子３の全長が変わることはない。

本実施の形態は、ヒートシンク８の櫛歯の櫛幅としてｗとｗ’（ｗ＞ｗ’）の２種類のみであったが、これ以外の場合でも本発明と同等の効果を得られる。例えば、隣接する櫛歯中心間の距離Λが一定であり、かつ、３種類の異なる櫛幅ｗ１、ｗ２およびｗ３（ｗ１＞ｗ２＞ｗ３）を有する櫛歯からなるヒートシンク８を用いた場合であってもよい。この場合に、ヒートシンク８のｘ軸方向の端側から中心側に向かって櫛幅がｗ３、ｗ２、ｗ１と変化していくように櫛歯を配置してもよい。これにより、ヒートシンク８に接合した排熱部材によって生じる温度分布の改善を、一層高精度に行うことが可能となる。さらに４種類以上の異なる櫛幅を用いた場合も同様である。なお、いずれの場合でも櫛歯のピッチが一定であるため、導波路型固体レーザ素子３の全長が変わることはない。

（効果）
以上のように、実施の形態に係る平面導波路型レーザ装置１では、ヒートシンク８は、レーザ媒質５との接合面に、ｘ軸方向に沿って設けられ、かつ、複数の発光点に対応する周期的な櫛構造を備え、櫛構造は、櫛歯の先端をレーザ媒質５に接合して発生する温度分布と、当該温度分布によって生成される周期的な屈折率分布を、ｘ軸方向に形成し、導波路型固体レーザ素子３のレーザ光は、ｙ軸方向に導波路モードを形成するとともに、ｘ軸方向に屈折率分布による空間モードを形成し、櫛構造において、ｘ軸方向における最端または当該最端から所定数以内の櫛歯の櫛幅が最端以外または最端から所定数以外の櫛歯の櫛幅よりも狭い。

したがって、ｘ軸方向の空間モードを形成する熱レンズにおいて発生する温度分布の非対称性を解消し、基本波レーザ出力およびＳＨＧ出力の高効率化を実現することができる。

導波路型固体レーザ素子３の出射光の光軸上に、ｙ軸方向に設けられる導波路構造を有する導波路型非線形材料素子４が配置されるため、導波路型固体レーザ素子３から出力される基本波レーザ光を導波路型非線形材料素子４に効率よく入力することができ、ＳＨＧ出力の高効率化を実現することができる。

また、ｘ軸方向の空間モードを形成する熱レンズにおいて発生する非対称性を解消することで、従来の平面導波路型レーザ装置において課題であった基本波レーザ光の光軸と励起用半導体レーザ素子の光軸とのずれが解消され、基本波レーザ光の発振モードと励起光の重なり領域が最大化される。その結果、基本波レーザ光に対する利得が改善することで、基本波レーザ光の高効率な発振動作が可能となる。また、導波路型非線形材料素子４からのＳＨＧ光についても高効率動作が可能となる。平面導波路型レーザ装置１の高効率動作化は、従来の平面導波路型レーザ装置を用いた場合よりも少ない装置数で所望の出力を賄えるため、レーザ光源を使用する装置（例えばレーザプロジェクタ）を製造する上でのコスト面のボトルネックであるレーザ光源の数の削減が可能となる。

また、高効率動作化によって従来の平面導波路型レーザ装置で得られていた所望の出力を、一層低パワーの励起光で得ることが可能となる。このことは、平面導波路型レーザ装置１の省電力化が可能となるだけでなく、励起用半導体レーザ素子２を低電流で駆動可能となるため、製造コスト面のボトルネックであるレーザ光源の長寿命化につながる。これにより、平面導波路型レーザ装置１におけるエネルギー消費量の削減および長期使用が可能となる。

一方、レーザ媒質の温度分布改善の手段としては、本実施の形態に示すヒートシンク８の櫛幅を端側で狭くするといった方法に限らない。例えば特許文献１に記載されているような、櫛幅はヒートシンクの中心側・端側に依らず一定のままとし、隣接する櫛歯の中心間の距離（櫛歯のピッチ）を変える方法がある。すなわち、ヒートシンクの端側の櫛歯ピッチを、中心側でのピッチΛよりも広いΛ’（Λ’＞Λ）としてレーザ媒質との非接合領域を大きくすることで、レーザ媒質の端側の温度を中心側よりも高くし、ヒートシンクに接合された排熱部材によって形成される温度分布を解消することが可能である。

しかし、ピッチの狭い中心側とピッチの広い端側で、ヒートシンクの櫛歯中心に形成される熱レンズの光軸の間隔に差異が生じる。このような構造において基本波レーザ光と励起レーザ光の重なりを最大にするためには、励起用半導体レーザ素子の発光点ピッチを、ヒートシンクの櫛歯のピッチΛに合わせて同一バー内で複数のピッチを設けることが必要となるが、このような励起用半導体レーザ素子の設計は一般的に敬遠される。発光点間隔が変わることで、励起用半導体レーザ素子内の各発光点に対応する活性層温度のばらつきが大きくなり、特性のばらつき、例えば発振波長のばらつき等が生じるためである。また、ヒートシンクのｘ軸方向の全長が伸びることで材料コストの増大を招く。特に、ヒートシンク上のレーザ媒質は一般的に非常に高価であるため、このことのインパクトは大きい。

これに対し、本実施の形態に係る平面導波路型レーザ装置１では、ヒートシンク８の櫛歯のピッチΛがｘ軸方向に渡って一定になるように櫛幅を変更しているため、レーザ媒質５に発生する温度分布の周期もｘ軸方向に沿って一定となる。このような構造を採用することで、複数の発光点を有する励起用半導体レーザ素子２を簡易な構造にすることが可能であり、例えば、発光点がｘ軸方向に沿って一定のピッチを持つ半導体レーザアレイによって構成可能となる。以上により、励起用半導体レーザ素子２の製造コストを抑えることが可能となる。また、励起用半導体レーザ素子２を簡易な構造にすることで励起用半導体レーザ素子２の歩留まり向上、ひいては平面導波路型レーザ装置１の歩留まり向上を図ることが可能となる。

また、励起用半導体レーザ素子２の発光点のピッチを一定とすることができるため、発光点数の変更に際し、バーのカット位置の変更のみで対応可能となる。さらには、レーザ媒質５の温度分布の改善を行う上でヒートシンク８およびレーザ媒質５の全長は変化しないため、材料コストを抑えることが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１平面導波路型レーザ装置、２励起用半導体レーザ素子、３導波路型固体レーザ素子、４導波路型非線形材料素子、５レーザ媒質、８ヒートシンク。

Claims

光軸に対して垂直方向に配置される複数の発光点を有する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子が発するレーザ光に対する利得を発生するレーザ媒質と、前記光軸に対して垂直の前記レーザ媒質の厚さ方向に設けられる導波路構造と、前記レーザ媒質の厚さ方向の一面側に接合されるヒートシンクとを有する導波路型固体レーザ素子と、
を備え、
前記ヒートシンクは、前記レーザ媒質との接合面に、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に沿って設けられ、かつ、前記複数の発光点に対応する周期的な櫛構造を備え、
前記櫛構造は、櫛歯の先端を前記レーザ媒質に接合して発生する温度分布と、当該温度分布によって生成される周期的な屈折率分布を、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向に形成し、
前記導波路型固体レーザ素子のレーザ光は、前記レーザ媒質の厚さ方向に導波路モードを形成するとともに、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対する垂直方向に前記屈折率分布による空間モードを形成し、
前記櫛構造において、前記光軸および前記レーザ媒質の厚さ方向に対して垂直方向における最端または当該最端から所定数以内の前記櫛歯の櫛幅が前記最端以外または前記最端から前記所定数以外の前記櫛歯の櫛幅よりも狭い、平面導波路型レーザ装置。
前記導波路型固体レーザ素子の出射光の光軸上に、前記レーザ媒質の厚さ方向に設けられる導波路構造を有する非線形材料素子が配置される、請求項１記載の平面導波路型レーザ装置。