JP6938977B2 - Surface emitting laser element, surface emitting laser array element, light source unit, laser device, ignition device - Google Patents
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Description
本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ素子、光源ユニット、レーザ装置、点火装置に関する。 The present invention relates to a surface emitting laser element, a surface emitting laser array element, a light source unit, a laser device, and an ignition device.
面発光レーザ素子(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)は、基板面に対し垂直方向に光を射出する半導体レーザである。面発光レーザ素子では、対向する一対の高反射率の反射鏡が設けられ、これら一対の反射鏡の間に活性層を含む共振器構造体が設けられている。共振器構造体は、例えば、活性層の上下にスペーサ層が設けられた構成とされている。 A Vertical Cavity Surface Emitting LASER (VCSEL) is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to a substrate surface. In the surface emitting laser element, a pair of high-reflectance reflecting mirrors facing each other are provided, and a resonator structure including an active layer is provided between the pair of reflecting mirrors. The resonator structure has, for example, a configuration in which spacer layers are provided above and below the active layer.
面発光レーザ素子は、原理的にモードホップが発生せず、波長安定性に優れている特長を有する。その一方で、面発光レーザ素子は、活性層が反射鏡に挟まれた構造であるため放熱が困難であり、高出力化に不向きである。従って、面発光レーザ素子において、高出力化を実現するためには、注入面積の拡大、放熱特性の改善等が必要となる。 The surface emitting laser element has a feature that mode hop does not occur in principle and the wavelength stability is excellent. On the other hand, the surface emitting laser element has a structure in which the active layer is sandwiched between the reflecting mirrors, so that it is difficult to dissipate heat, and it is not suitable for increasing the output. Therefore, in order to achieve high output in the surface emitting laser element, it is necessary to expand the injection area, improve the heat dissipation characteristics, and the like.
面発光レーザ素子において、注入面積を制御しつつ拡大する手法として、例えば、レーザ光をn側射出とし、p側電極の形状によって注入領域を制御する技術が提案されている(例えば、非特許文献1、2参照)。 As a method for expanding the surface emitting laser element while controlling the injection area, for example, a technique has been proposed in which the laser beam is emitted on the n-side and the injection region is controlled by the shape of the p-side electrode (for example, non-patent documents). See 1 and 2).
しかしながら、上記の技術では、放熱特性の改善が十分ではないため、十分な高出力は得られていなかった。 However, with the above technique, the heat dissipation characteristics are not sufficiently improved, so that a sufficiently high output has not been obtained.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高出力な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a surface emitting laser element having high output.
本面発光レーザ素子は、活性層を挟むように形成された第1の反射鏡及び第2の反射鏡と、前記第1の反射鏡に接続された第1の電極と、前記第2の反射鏡に接続された第2の電極と、を有し、前記第2の反射鏡側からレーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、前記第1の電極は、前記第1の反射鏡を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料で形成された第1の領域と、前記第1の材料よりも熱伝導率が高い第2の材料で形成された第2の領域と、を含み、前記第1の領域及び前記第2の領域が前記第1の反射鏡と接触し、前記第1の領域には複数の貫通孔が形成され、各々の前記貫通孔を充填する前記第2の材料により前記第2の領域が形成されていることを要件とする。 The surface emitting laser element includes a first reflecting mirror and a second reflecting mirror formed so as to sandwich the active layer, a first electrode connected to the first reflecting mirror, and the second reflection. A surface emitting laser element having a second electrode connected to a mirror and emitting laser light from the second reflecting mirror side, wherein the first electrode is a surface emitting laser element that emits the first reflecting mirror. A first region formed of a first material forming an ohmic contact with the constituent semiconductor material, a second region formed of a second material having a higher thermal conductivity than the first material, and a second region. The first region and the second region come into contact with the first reflecting mirror, and a plurality of through holes are formed in the first region, and the first through holes are filled. It is a requirement that the second region is formed by the material of 2.
開示の技術によれば、高出力な面発光レーザ素子を提供できる。 According to the disclosed technique, a high-power surface-emitting laser element can be provided.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する図であり、図1(a)は断面図、図1(b)は図1(a)のA部の部分拡大断面図である。図2は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する底面図である。図3は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram illustrating a surface emitting laser element according to the first embodiment, FIG. 1 (a) is a cross-sectional view, and FIG. 1 (b) is a partially enlarged cross-sectional view of part A of FIG. 1 (a). It is a figure. FIG. 2 is a bottom view illustrating the surface emitting laser element according to the first embodiment. FIG. 3 is a plan view illustrating the surface emitting laser element according to the first embodiment.
図1を参照するに、面発光レーザ素子100は、例えば、発振波長が1064nm帯である垂直共振器型レーザ素子である。但し、ここで示した発振波長は一例であり、発振波長は、例えば、808nm帯や780nm帯であっても構わないし、その他であっても構わない。
Referring to FIG. 1, the surface emitting
面発光レーザ素子100は、第1の反射鏡110と、共振器構造体120(下部スペーサ層121、活性層122、上部スペーサ層123)と、第2の反射鏡130と、第1の電極140と、絶縁膜150と、第2の電極160とを有している。面発光レーザ素子100は、必要に応じて、他の構成要素を有しても構わない。他の構成要素としては、例えば、バッファ層、コンタクト層等が挙げられる。
The surface
面発光レーザ素子100において、半導体からなる層は、例えば、有機金属気相成長(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や、分子線エピタキシャル成長(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法等により形成することができる。
In the surface emitting
面発光レーザ素子100は、例えば、AuSnはんだ等を介してヒートシンク200上に搭載することができる。面発光レーザ素子100がヒートシンク200上に搭載された場合、面発光レーザ素子100の活性層122で発生した熱は、第1の電極140を介してヒートシンク200より外部へ放出される。
The surface emitting
以下、面発光レーザ素子100について詳説する。なお、本実施の形態では、便宜上、面発光レーザ素子100の第2の電極160側を表面側又は上側、第1の電極140側を裏面側又は下側とする。又、各部位の第2の電極160側の面を表面又は上面、第1の電極140側の面を裏面又は下面とする。但し、面発光レーザ素子100は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、面発光レーザ素子100の各構成部を光射出方向から視た形状を平面形状と称する場合がある。又、面発光レーザ素子100の各構成部の積層方向(厚さ方向)に直交する方向を平面方向と称する場合がある。
Hereinafter, the surface emitting
面発光レーザ素子100において、活性層122を挟むようにp型半導体である第1の反射鏡110及びn型半導体である第2の反射鏡130が形成されている。第1の反射鏡110は下部DBR(Distributed Bragg Reflector)とも称され、例えば、Cドープされたp−GaAsからなる低屈折率層と、Cドープされたp−AlAsからなる高屈折率層のペアを30ペア有している。第1の反射鏡110の厚さは1波長(例えば、1064nm)の光学厚さに調整されている。
In the surface emitting
第1の反射鏡110において、低屈折率層と高屈折率層との間に、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられてもよい。組成傾斜層を設けることにより、電気抵抗を低減することができる。低屈折率層及び高屈折率層は、隣接する組成傾斜層の膜厚の1/2を含み、発振波長λに対して光学厚さがλ/4となるように設計することができる。なお、光学厚さがλ/4の場合、その層の実際の膜厚Dは、D=λ/4n(但し、nはその層の媒質の屈折率)である。
In the first reflecting
共振器構造体120は、第1の反射鏡110の上面に積層されている。共振器構造体120は、第1の反射鏡110側から下部スペーサ層121、活性層122、上部スペーサ層123が積層された構造である。下部スペーサ層121及び上部スペーサ層123は、例えば、GaAs等により形成することができる。
The
活性層122は、例えば、厚さ5nm程度の3層のGaInAs層122aと厚さ8nm程度の2層のGaAs層122bとを交互に積層した三重量子井戸構造(TQW:Triple Quantum Well)を有している。但し、活性層122は、三重量子井戸構造以外の多重量子井戸構造(MQW:Multi Quantum Well)を有してもよい。
The
面発光レーザ素子100の発振波長が1064nmである場合、GaInAs層122aの発振波長は例えば1054nmとなるように調整されており、共振器構造体120の厚さTは1波長(1064nm)の光学厚さに調整されている。
When the oscillation wavelength of the surface emitting
第2の反射鏡130は、上部スペーサ層123の上に積層されている。第2の反射鏡130は上部DBRとも称され、例えば、Siドープされたn−GaAsからなる低屈折率層と、Siドープされたn−AlAsからなる高屈折率層のペアを22ペア有している。第2の反射鏡130の厚さは1波長(例えば、1064nm)の光学厚さに調整されている。
The second reflecting
第2の反射鏡130において、低屈折率層と高屈折率層との間に、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられてもよい。組成傾斜層を設けることにより、電気抵抗を低減することができる。低屈折率層及び高屈折率層は、隣接する組成傾斜層の膜厚の1/2を含み、発振波長λに対して光学厚さがλ/4となるように設計することができる。
In the second reflecting
第2の反射鏡130における低屈折率層の1つに、電流狭窄層を設けてもよい。電流狭窄層は、例えば、酸化された選択酸化領域と、酸化されていない電流通過領域とを含む構成とすることができる。選択酸化領域は、側面側から電流狭窄層を酸化することにより形成することができる。
A current constriction layer may be provided as one of the low refractive index layers in the
第1の電極140は、第1の反射鏡110の下面(レーザ光の射出側と反対側の面)に接触して形成され、第1の反射鏡110と電気的に接続されている。図2(a)に示すように、第1の電極140の平面形状は例えば円形とすることができるが、これには限定されず、楕円形、矩形、多角形、その他任意の形状とすることができる。
The
第1の電極140の周囲には、第1の反射鏡110の下面と接する絶縁膜150が設けられている。絶縁膜150の材料としては、例えば、シリコン窒化膜(SiN膜)、シリコン酸化膜(SiO2膜)、シリコン酸窒化膜(SiON膜)等を用いることができる。第1の電極140の下面と絶縁膜150の下面とは、例えば、面一とすることができる。
An insulating
図2(b)に示すように、第1の電極140には、厚さ方向に貫通する互いに離間された複数の貫通孔141xが形成された第1の領域141と、各々の貫通孔141xを充填する第2の領域142が形成されている。第1の領域141は第1の材料から形成され、第2の領域142は第1の材料とは異なる第2の材料から形成されている。
As shown in FIG. 2B, the
第1の領域141を形成する第1の材料としては、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する材料を選択することができる。第1の領域141は、例えば、単層膜とすることができる。この場合、単層膜は、単一材料で形成してもよいし、二種類以上の材料の合金で形成してもよい。又、第1の領域141は、異なる材料が積層された積層膜としてもよい。
As the first material forming the
一般的に、材料の熱抵抗は構成する元素数が少ないほど高いとされており、そのような材料を選択することによって、面発光レーザ素子100の放熱特性を向上させることができる。
Generally, it is said that the smaller the number of constituent elements, the higher the thermal resistance of the material, and by selecting such a material, the heat dissipation characteristics of the surface emitting
例えば、第1の反射鏡110において第1の電極140と接触する層の材料がGaAsである場合、第1の材料としては、例えば、二元系合金であるAuZnを用いることができる。或いは、第1の材料として、第1の反射鏡110側からAuZn膜、Au膜が順次積層されたAuZn/Au積層膜を用いてもよい。
For example, when the material of the layer in contact with the
第2の材料としては、第1の材料よりも熱伝導率が高い材料を選択することができる。第1の材料がAuZn膜、又はAuZn/Au積層膜である場合、第2の材料としては、例えば、Ag等を用いることができる。 As the second material, a material having a higher thermal conductivity than the first material can be selected. When the first material is an AuZn film or an AuZn / Au laminated film, for example, Ag or the like can be used as the second material.
第1の電極140を形成するためには、例えば、まず、蒸着、スパッタ、めっき等により、第1の反射鏡110の下面に、第1の領域141を最終形状よりも大きく形成する。その後、リフトオフやエッチング等により、第1の領域141をパターニングする。パターニングにより、例えば、全体が円形で、複数の貫通孔141xを備えた第1の領域141が形成される。必要に応じ、第1の領域141を形成する第1の材料をアニールして合金化し、第1の反射鏡110とのオーミックコンタクトを獲得する。
In order to form the
次に、各々の貫通孔141x内に、蒸着、スパッタ、めっき等により第2の材料を充填して第2の領域142を形成する。第2の領域142は、第1の反射鏡110と物理的に接触していればよく、オーミックコンタクトを形成する必要はない。
Next, each through
第2の電極160は、第2の反射鏡130の上面(レーザ光の射出側の面)に接触して形成されており、第2の反射鏡130と電気的に接続されている。第2の電極160は、第2の反射鏡130とオーミックコンタクトを形成している。図3に示すように、第2の電極160の平面形状は環状とすることができる。但し、第2の電極160の平面形状は、円の一部が開口された環状には限定されず、例えば、楕円の一部が開口された環状、矩形の一部が開口された環状、多角形の一部が開口された環状、その他任意の形状の一部が開口された環状とすることができる。
The
第2の電極160は、例えば、単層膜とすることができる。この場合、単層膜は、単一材料で形成してもよいし、二種類以上の材料の合金で形成してもよい。又、第2の電極160は、異なる材料が積層された積層膜としてもよい。
The
例えば、第2の反射鏡130において第2の電極160と接触する層の材料がGaAsである場合、第2の電極160の材料としては、例えば、二元系合金であるAuGeを用いることができる。或いは、第2の電極160の材料として、第2の反射鏡130側からAuGe膜、Au膜が順次積層されたAuGe/Au積層膜を用いてもよい。第2の電極160は、例えば、蒸着、スパッタ、めっき等により形成できる。
For example, when the material of the layer in contact with the
第2の反射鏡130の上面(レーザ光の射出側の面)の法線方向から視て、第1の電極140は第2の電極160の開口の内側に形成されていることが好ましい。第2の電極160の開口の形状により面発光レーザ素子100の光射出領域がほぼ決定され、第1の電極140の形状で電流注入領域がほぼ決定される。そのため、第1の電極140が第2の電極160の開口外に形成されても問題はないが、電流注入の効率が低下する。
It is preferable that the
面発光レーザ素子100の第1の電極140及び第2の電極160を電圧印加手段に接続すると、第1の電極140から注入されたp型キャリア(正孔)と第2の電極160から注入されたn型キャリア(電子)は、それぞれ拡散して均一に活性層122へ注入される。その結果、活性層122の内部でキャリアが反転分布に到達し、環状の第2の電極160の開口部より、図1の矢印L方向にレーザ光が放出される。
When the
このように、面発光レーザ素子100は、活性層122へのキャリア注入によって発光デバイスとしての機能を発現する。注入するキャリアは正孔及び電子であり、これらのキャリアは温度や伝導材料に依存した一定の移動度を有している。しかし、両者の移動度においては約1000倍の差があり、正孔は電子と比較して遥かに低い移動度である。
As described above, the surface emitting
そこで、面発光レーザ素子100では、第1の反射鏡110をp型半導体で形成し、第2の反射鏡130をn型半導体で形成している。第1の電極140及び第2の電極160からは、それぞれp型キャリア、n型キャリアが注入され、活性層122において発光再結合しレーザ発振を実現している。
Therefore, in the surface emitting
このとき、第1の電極140より注入されたp型キャリアである正孔は、その移動度の低さのため、第1の反射鏡110や第2の反射鏡130に平行な方向に対しては、さほど拡散せず活性層122に到達する。
At this time, the holes, which are p-type carriers injected from the
第1の反射鏡110や第2の反射鏡130に平行な方向へのp型キャリアである正孔の拡散は、第1の反射鏡110の厚さや抵抗に依存するが、例えば、第1の反射鏡110の厚さが約4μmである場合、約4μmを伝導する間に約5μm拡散する。
The diffusion of holes, which are p-type carriers in the direction parallel to the first reflecting
一方、第2の電極160より注入された電子は高い移動度のため、第1の反射鏡110や第2の反射鏡130に平行な方向に対しても拡散して活性層122に到達する。第1の反射鏡110をp型半導体とし、第1の電極140より正孔を注入することにより、高い電流密度で活性層122へキャリア注入することができる。
On the other hand, since the electrons injected from the
なお、第1の電極140において、第2の材料は放熱特性を優先しており、第1の反射鏡110の半導体材料とのオーミックコンタクトは確保されていないため、ショットキー障壁以下の電圧ではキャリア注入されない。従って、活性層122へ均一に電流注入するためには、第2の領域142の大きさを制限することが必要となる。例えば、第2の領域142が円形である場合、直径を10μm以下とすることが好ましい。活性層122へ均一に電流注入することにより、均一なビーム強度を持ち、ビーム形状の制御された面発光レーザ素子100を実現できる。
In the
このように、面発光レーザ素子100では、第2の電極160を環状とし、第1の電極140により電流注入領域を制御することにより、大面積への均一なキャリア注入を実現し、高出力化を可能としている。
As described above, in the surface emitting
又、面発光レーザ素子100では、従来の面発光レーザ素子と比べて放熱特性を向上し、更なる高出力化を可能としている。これについて、図4及び図5を参照して説明する。
Further, the surface emitting
図4は、比較例1に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。比較例1に係る面発光レーザ素子100xは、電流注入領域が拡大されていない面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子100xでは、第1の電極140xは、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料のみにより形成されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser element according to Comparative Example 1. The surface emitting
面発光レーザ素子100xにおいて、活性層122へのキャリア注入により発生した熱はヒートシンク200より外部へ放出される。面発光レーザ素子100xの場合、ヒートシンク200の反対側は射出面となるので、効果的に放熱することは困難である。従って、図4に示すように、発熱源である活性層122を迂回する経路(矢印で示す経路)を通じて、熱がヒートシンク200へ放出される。
In the surface emitting
図5は、比較例2に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。比較例2に係る面発光レーザ素子100yは、電流注入領域が拡大されている面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子100yでは、第1の電極140yは、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料のみにより形成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating the surface emitting laser element according to Comparative Example 2. The surface emitting
面発光レーザ素子100yにおいて、活性層122の周辺部分で発生した熱は図4の場合と同様にヒートシンク200より放出される。これに対して、活性層122の中心付近で発生した熱(B部)は、周辺部分の発熱が障壁となって外部への放出が困難となることが、熱シミュレーションによって明らかとなっている。
In the surface emitting
すなわち、面発光レーザ素子の高出力化を考えるにあたり、単に電流注入面積を拡大しただけでは十分ではなく、放熱特性の改善が必要となる。具体的には、放熱経路は活性層122の下部のみであるため、活性層122の下部の熱抵抗を低減しなければならない。
That is, when considering increasing the output of the surface emitting laser element, it is not enough to simply increase the current injection area, and it is necessary to improve the heat dissipation characteristics. Specifically, since the heat dissipation path is only the lower part of the
そこで、面発光レーザ素子100では、第1の電極140を、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料と、第1の材料よりも熱伝導率が高い第2の材料により形成している。
Therefore, in the surface emitting
これにより、第1の反射鏡110を構成する半導体材料と低抵抗で接続可能であると共に、第1の電極140を第1の材料のみで形成する場合と比べて、活性層122の下部の熱抵抗を低減し、放熱特性を向上することができる。放熱特性を向上させた結果、面発光レーザ素子100では、第1の電極140を第1の材料のみで形成する場合と比べて、更なる高出力化が可能となる。
As a result, it is possible to connect to the semiconductor material constituting the first reflecting
すなわち、半導体材料とオーミックコンタクトを形成する電極材料は限定的で、あらゆる材料が条件を満たすものではない。一方、電極を放熱部材として用いる場合、熱伝導率は高いほど好ましいが、そのような材料が半導体材料とオーミックコンタクトを形成するとは限らない。 That is, the electrode materials that form ohmic contact with the semiconductor material are limited, and not all materials satisfy the conditions. On the other hand, when the electrode is used as a heat radiating member, the higher the thermal conductivity is, the more preferable it is, but such a material does not always form ohmic contact with the semiconductor material.
そこで、本実施の形態では、第1の電極140を、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料と、第1の材料よりも熱伝導率が高い第2の材料とを組み合わせて形成することで、第1の反射鏡110を構成する半導体材料と低抵抗で接続可能であると共に、第1の電極140を第1の材料のみで形成する場合と比べて放熱特性を向上させた面発光レーザ素子100を実現している。放熱特性を向上させた結果、面発光レーザ素子100では、第1の電極140を第1の材料のみで形成する場合(図5等の場合)と比べて、更なる高出力化が可能となる。
Therefore, in the present embodiment, the
なお、以上の説明では、第1の電極140を、第1の反射鏡110を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料と、第1の材料よりも熱伝導率が高い第2の材料とを組み合わせて形成する例として、第1の領域141に形成された複数の略円形の貫通孔141xを第2の材料で充填して第2の領域142を形成する例を示した(図2(b)参照)。
In the above description, the
但し、第1の電極140を構成する第1の領域141及び第2の領域142の形状や配置は、図2(b)の例には限定されない。例えば、第1の領域141の貫通孔141xをストライプ状やスリット状に形成し、各々の貫通孔141xを第2の材料で充填して第2の領域142を形成してもよい。或いは、貫通孔141xの形状は、これら以外であってもよい。なお、貫通孔141xを何れの形状とした場合にも、上記のように、活性層122へ均一に電流注入するためには、第2の領域142の大きさを制限することが必要である。
However, the shapes and arrangements of the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に係る面発光レーザ素子を有する光源ユニット及びレーザ装置の例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Second Embodiment>
The second embodiment shows an example of a light source unit and a laser device having a surface emitting laser element according to the first embodiment. In the second embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.
図6は、第2の実施の形態に係るレーザ装置を例示する概略構成図である。図6に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置1は、光源ユニット410と、集光光学系420と、光ファイバ430とを有する。レーザ装置1では、光源ユニット410から射出された光が集光光学系420により集光された後、伝送部材である光ファイバ430の一端に入射し、光ファイバ430の他端からレーザ光が射出される。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating the laser apparatus according to the second embodiment. As shown in FIG. 6, the
光源ユニット410は、面発光レーザアレイ素子100Aと、ヒートシンク200と、マイクロレンズアレイ413とを有する。面発光レーザアレイ素子100Aは、複数の面発光レーザ素子100を1次元又は2次元に配列したアレイ構造の素子である。マイクロレンズアレイ413は、複数のマイクロレンズを1次元又は2次元に配列したアレイ構造の素子である。面発光レーザアレイ素子100Aを構成する各面発光レーザ素子100から射出される光の光路上に、マイクロレンズアレイ413を構成する各々のマイクロレンズが配置されている。
The
面発光レーザアレイ素子100Aを構成する各面発光レーザ素子100から射出された光は、面発光レーザ素子100ごとに放射角を持ったレーザ光であり、マイクロレンズアレイ413を通ることによって平行光となる。平行光となった光は、集光光学系420に入射する。
The light emitted from each surface emitting
集光光学系420は、光源ユニット410から射出された光を小さなスポットに効率よく集光し、光ファイバ430に入射させる光学系である。集光光学系420は、単一のレンズからなっていてもよいし、複数のレンズからなっていてもよい。
The condensing
光ファイバ430は、集光光学系420により集光された光を伝送する。光ファイバ430は、中央部のコア431と、その周囲を覆うクラッド432とを含む二層構造になっている。光ファイバ430のコア431には、集光光学系420で集光された光が入射する。
The
第2の実施の形態に係る光源ユニット410では、面発光レーザアレイ素子100Aより射出されたレーザ光をマイクロレンズアレイ413で平行光にする。これにより、面内における光出力が均一な平行光のレーザ光を出力することができる。
In the
なお、図6では、面発光レーザアレイ素子100Aと、ヒートシンク200と、マイクロレンズアレイ413とを有する光源ユニット410を例として説明したが、光源やレンズを1つずつ有する構成としてもよい。すなわち、1つの面発光レーザ素子100より射出される光を平行光とする1つのマイクロレンズを有する光源ユニットとしてもよい。
Although the
〈第3の実施の形態〉
第3の実施の形態では、第2の実施の形態に係る光源ユニットを有するレーザ装置及び点火装置の例を示す。なお、第3の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Third embodiment>
The third embodiment shows an example of a laser device and an ignition device having a light source unit according to the second embodiment. In the third embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.
図7は、第3の実施の形態に係る点火装置を例示する概略構成図である。図8は、図7に示す点火装置のレーザ共振器について説明する図である。 FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating an ignition device according to a third embodiment. FIG. 8 is a diagram illustrating a laser cavity of the ignition device shown in FIG. 7.
点火装置1301は、一例として図7に示されるように、レーザ装置1200、射出光学系1210、及び保護部材1212等を有している。
The
射出光学系1210は、レーザ装置1200から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。
The emission
保護部材1212は、燃焼室に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材1212の材料としてサファイアガラスが用いられている。
The
レーザ装置1200は、面発光レーザアレイ素子100Aを含む光源ユニット410、第1集光光学系1203、光ファイバ1204、第2集光光学系1205、及びレーザ共振器1206を備えている。なお、本明細書では、XYZ3次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ素子100Aからの光の射出方向を+Z方向として説明する。
The
面発光レーザアレイ素子100Aは、励起用光源である。ここでは、面発光レーザアレイ素子100Aを構成する各面発光レーザ素子100から射出された光の波長は808nmであるとする。
The surface emitting
面発光レーザアレイ素子100Aは、射出される光の温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するQスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイ素子100Aを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。
Since the surface emitting
第1集光光学系1203は、光源ユニット410から射出された光を集光する。伝送部材である光ファイバ1204は、第1集光光学系1203によって光が集光される位置にコアの−Z側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ1204として、コア径が1.5mm、NAが0.39の光ファイバ(Thorlabs社製、型番:FT1500UMT)が用いられている。
The first condensing
光ファイバ1204を設けることによって、面発光レーザアレイ素子100Aをレーザ共振器1206から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。又、レーザ装置1200を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ素子100Aを遠ざけることができるため、エンジンを冷却する方法の幅を広げることが可能である。
By providing the
光ファイバ1204に入射した光はコア内を伝播し、コアの+Z側端面から射出される。
The light incident on the
第2集光光学系1205は、光ファイバ1204から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第2集光光学系1205で集光された光は、レーザ共振器1206に入射する。
The second condensing
レーザ共振器1206は、Qスイッチレーザであり、一例として図8に示されるように、レーザ媒質1206a、及び可飽和吸収体1206bを有している。
The
レーザ媒質1206aは、3mm×3mm×8mmの直方体形状のNd:YAG結晶であり、Ndが1.1%ドーピングされている。可飽和吸収体1206bは、3mm×3mm×2mmの直方体形状のCr:YAG結晶であり、初期透過率が30%のものである。
The
なお、ここでは、Nd:YAG結晶とCr:YAG結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。又、Nd:YAG結晶及びCr:YAG結晶は、何れもセラミックスである。 Here, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are joined to form a so-called composite crystal. Further, the Nd: YAG crystal and the Cr: YAG crystal are both ceramics.
第2集光光学系1205からの光は、レーザ媒質1206aに入射される。すなわち、第2集光光学系1205からの光によってレーザ媒質1206aが励起される。なお、面発光レーザアレイ素子100Aから射出される光の波長は、YAG結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体1206bは、Qスイッチの動作を行う。
The light from the second focusing
レーザ媒質1206aの入射側(−Z側)の面、及び可飽和吸収体1206bの射出側(+Z側)の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質1206aの入射側の面を「第1の面」とも称し、可飽和吸収体1206bの射出側の面を「第2の面」とも称する(図8参照)。
The surface of the
そして、第1の面及び第2の面には、面発光レーザアレイ素子100Aから射出される光の波長、及びレーザ共振器1206から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。
Then, the first surface and the second surface are coated with a dielectric film corresponding to the wavelength of the light emitted from the surface emitting
具体的には、第1の面には、波長が808nmの光に対して99.5%の高い透過率を示し、波長が1064nmの光に対して99.5%の高い反射率を示すコーティングがなされている。又、第2の面には、波長が1064nmの光に対して50%の反射率を示すコーティングがなされている。 Specifically, the first surface is coated with a high transmittance of 99.5% for light having a wavelength of 808 nm and a high reflectance of 99.5% for light having a wavelength of 1064 nm. Has been made. The second surface is coated with a reflectance of 50% with respect to light having a wavelength of 1064 nm.
これにより、レーザ共振器1206内で光が共振して増幅され、第2の面から波長が1064nmのレーザ光が射出される。ここでは、レーザ共振器1206の共振器長は10(=8+2)mmである。
As a result, the light resonates and is amplified in the
図7に戻り、駆動装置1220は、エンジン制御装置1222の指示に基づいて、面発光レーザアレイ素子100Aを駆動する。すなわち、駆動装置1220は、エンジンの動作における着火のタイミングで点火装置から光が射出されるように、面発光レーザアレイ素子100Aを駆動する。なお、面発光レーザアレイ素子100Aにおける複数の発光部(面発光レーザ素子100)は、同時に点灯及び消灯される。
Returning to FIG. 7, the
上記の実施の形態において、面発光レーザアレイ素子100Aをレーザ共振器1206から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ1204が設けられなくてもよい。
In the above embodiment, if it is not necessary to place the surface emitting
又、第1集光光学系1203、第2集光光学系1205、及び射出光学系1210は、何れも単一のレンズからなっていてもよいし、複数のレンズからなっていてもよい。
Further, the first condensing
又、光源ユニット410に代えて、1つの面発光レーザ素子100より射出される光を平行光とする1つのマイクロレンズを有する光源ユニットを用いてもよい。
Further, instead of the
又、エンジンとしては、燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン(ピストンエンジン)であってもよく、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであってもよい。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関であればよい。 Further, the engine may be an engine (piston engine) in which a piston is moved by combustion gas, a rotary engine, a gas turbine engine, or a jet engine. In short, it may be an internal combustion engine that burns fuel to generate combustion gas.
又、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置を用いてもよい。 Further, an ignition device may be used for cogeneration, which is a system that uses exhaust heat to extract power, hot heat, and cold heat to improve overall energy efficiency.
又、ここでは、点火装置が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。 Further, although the case where the ignition device is used for an internal combustion engine has been described here, the present invention is not limited to this.
又、ここでは、レーザ装置1200が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ装置1200は、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に用いることができる。
Further, although the case where the
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiment without departing from the scope of the claims. Can be added.
1 レーザ装置
100 面発光レーザ素子
100A 面発光レーザアレイ素子
110 第1の反射鏡
120 共振器構造体
121 下部スペーサ層
122 活性層
122a GaInAs層
122b GaAs層
123 上部スペーサ層
130 第2の反射鏡
140 第1の電極
141 第1の領域
141x 貫通孔
142 第2の領域
150 絶縁膜
160 第2の電極
200 ヒートシンク
410 光源ユニット
413 マイクロレンズアレイ
420 集光光学系
430 光ファイバ
431 コア
432 クラッド
1200 レーザ装置
1203 第1集光光学系
1204 光ファイバ
1205 第2集光光学系
1206 レーザ共振器
1206a レーザ媒質
1206b 可飽和吸収体
1210 射出光学系
1212 保護部材
1220 駆動装置
1222 エンジン制御装置
1301 点火装置
1
Claims (11)
前記第1の反射鏡に接続された第1の電極と、
前記第2の反射鏡に接続された第2の電極と、を有し、
前記第2の反射鏡側からレーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、
前記第1の電極は、前記第1の反射鏡を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第1の材料で形成された第1の領域と、前記第1の材料よりも熱伝導率が高い第2の材料で形成された第2の領域と、を含み、
前記第1の領域及び前記第2の領域が前記第1の反射鏡と接触し、
前記第1の領域には複数の貫通孔が形成され、
各々の前記貫通孔を充填する前記第2の材料により前記第2の領域が形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。 A first reflector and a second reflector formed so as to sandwich the active layer,
With the first electrode connected to the first reflector,
With a second electrode connected to the second reflector,
A surface-emitting laser element that emits laser light from the second reflector side.
The first electrode has a first region formed of a first material forming ohmic contact with a semiconductor material constituting the first reflector, and has a higher thermal conductivity than the first material. Includes a second region formed of a second material,
The first region and the second region come into contact with the first reflector ,
A plurality of through holes are formed in the first region.
A surface-emitting laser device characterized in that the second region is formed by the second material that fills each of the through holes.
前記第2の電極は、前記第2の反射鏡の前記レーザ光の射出側の面に環状に形成され、
前記レーザ光の射出側の面の法線方向から視て、前記第1の電極は前記第2の電極の開口の内側に形成されている請求項1乃至3の何れ一項に記載の面発光レーザ素子。 The first electrode is formed on the surface of the first reflecting mirror opposite to the emission side of the laser beam.
The second electrode is formed in an annular shape on the surface of the second reflecting mirror on the emission side of the laser beam.
The surface emission according to any one of claims 1 to 3 , wherein the first electrode is formed inside the opening of the second electrode when viewed from the normal direction of the surface on the emission side of the laser beam. Laser element.
前記面発光レーザ素子より射出される光を平行光とするマイクロレンズと、を有することを特徴とする光源ユニット。 The surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 4,
A light source unit comprising: a microlens in which light emitted from the surface emitting laser element is parallel light.
前記面発光レーザアレイ素子より射出される光を平行光とするマイクロレンズアレイと、を有することを特徴とする光源ユニット。 The surface emitting laser array element according to claim 5 and
A light source unit comprising: a microlens array in which light emitted from the surface emitting laser array element is parallel light.
前記光源ユニットより射出される光を集光する集光光学系と、を有することを特徴とするレーザ装置。 The light source unit according to claim 6 or 7.
A laser device comprising a condensing optical system that condenses light emitted from the light source unit.
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