WO2010122899A1

WO2010122899A1 - レーザシステム

Info

Publication number: WO2010122899A1
Application number: PCT/JP2010/056250
Authority: WO
Inventors: 秋山知之
Original assignee: 株式会社Ｑｄレーザ
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2010-04-06
Publication date: 2010-10-28
Also published as: JP2010258088A

Abstract

　レーザ光５２を出射するＤＦＢレーザ１０と、レーザ光５２をレーザ光の高調波光５４に変換する高調波生成素子３０と、ＤＦＢレーザ１０が形成された半導体層のレーザ光の出射面に設けられたレーザ光に対する反射防止膜である第１膜１８と、半導体層の出射面とは反対の面に設けられたレーザ光に対する高反射膜である第２膜１６と、高調波生成素子３０のレーザ光５２の入射面に設けられたレーザ光５２に対する反射防止膜である第３膜３６と、高調波生成素子３０の高調波光５４の出射面に設けられたレーザ光５２に対する高反射膜であり高調波光５４に対し反射防止膜である第４膜３８と、を具備するレーザシステム。

Description

レーザシステム

　本発明は、レーザシステムに関し、特にレーザ光の高調波光を出射するレーザシステムに関する。

　近年、レーザ光を出力するレーザシステムは、様々な分野で用いられている。特に、安価なレーザシステムには、半導体レーザが用いられている。しかしながら、例えばグリーン光を出射する半導体レーザは実現していない。そこで、特許文献１には、半導体レーザから出射されたレーザ光を非線形光学素子を用い第２高調波に変換することにより、グリーン光を出射するレーザシステムが記載されている。このように、非線形光学素子を用い半導体レーザのレーザ光の第２高調波光を出射するレーザシステムが知られている。

特開平６－１３２５９５号公報

　しかしながら、特許文献１のレーザシステムにおいては、非線形光学素子における高調波への変換効率を高めようとすると、許容される波長範囲が狭くなってしまう。このため、半導体レーザが出射するレーザ光が効率的に高調波光に変化されなくなる。

　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高効率なレーザシステムを提供することを目的とする。

　本発明は、レーザ光を出射するＤＦＢレーザと、前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、前記ＤＦＢレーザが形成された半導体層の前記レーザ光の出射面に設けられた前記レーザ光に対する反射防止膜である第１膜と、前記半導体層の前記出射面とは反対の面に設けられた前記レーザ光に対する高反射膜である第２膜と、前記高調波生成素子の前記レーザ光の入射面に設けられた前記レーザ光に対する反射防止膜である第３膜と、前記高調波生成素子の前記高調波光の出射面に設けられた前記レーザ光に対する高反射膜であり前記高調波光に対する反射防止膜である第４膜と、を具備することを特徴とするレーザシステムである。本発明によれば、高効率なレーザシステムを提供することができる。

　上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、前記第２膜と前記第４膜とにより反射する前記レーザ光により発振する構成とすることができる。この構成によれば、レーザシステムをより高効率化することができる。

　上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、単体では非発振である構成とすることができる。

　上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲内の複数の波長で発振する構成とすることができる。この構成によれば、レーザシステムをより高効率化することができる。

　上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲内の波長でのみ発振する構成とすることができる。この構成によれば、レーザシステムをより高効率化することができる。

　上記構成において、前記ＤＦＢレーザのストップバンドは前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲に含まれる構成とすることができる。また、上記構成において、前記第３膜は、前記高調波光に対する高反射膜である構成とすることができる。

　上記構成において、前記高調波生成素子は、前記レーザ光を前記レーザ光の第２高調波に変換する構成とすることができる。また、上記構成において、前記第１膜と前記ＤＦＢレーザとの間に設けられ、前記レーザ光の強度を変調する半導体光増幅器を具備する構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記ＤＦＢレーザは、量子ドットＤＦＢレーザである構成とすることができる。

　本発明によれば、高効率なレーザシステムを提供することができる。

図１は、実施例１に係るレーザシステムのブロック図である。図２は、比較例１に係るレーザシステムのブロック図である。図３は、比較例２に係るレーザシステムのブロック図である。図４は、比較例１のＤＦＢレーザの発振スペクトルを示す模式図である。図５は、比較例２のファブリペロレーザの発振スペクトルを示す模式図である。図６は、実施例１のＤＦＢレーザの発振スペクトルを示す模式図である。図７は、実施例２に係るレーザシステムの上面図である。図８は、ＤＦＢレーザおよびＳＯＡの断面図である。

　以下、図面を参照し本発明の実施例について説明する。

　図１は、実施例１に係るレーザシステムのブロック図である。図１のように、実施例１に係るレーザシステムは、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザ１０と高調波生成素子３０とを有している。ＤＦＢレーザ１０は、コルゲーションを有し、例えば１０６４ｎｍのレーザ光５２を出射する。高調波生成素子３０は、非線形光学素子であり、レーザ光５０を高調波光５４に変換する。高調波生成素子３０は、例えばＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium Niobate）であり、レーザ光５２の第２高調波である５３２ｎｍの高調波光５４を出射する。光学系４０は、ＤＦＢレーザ１０と高調波生成素子３０とを光結合させ、ＤＦＢレーザ１０から出射したレーザ光５２を高調波生成素子３０に入射させる。

　ＤＦＢレーザ１０が形成された半導体層のレーザ光の出射面には第１膜１８が設けられている。ＤＦＢレーザ１０が形成された半導体層の出射面とは反対の面には第２膜１６が設けられている。高調波生成素子３０のレーザ光の入射面には第３膜３６が設けられている。高調波生成素子３０の高調波光５４の出射面には第４膜３８が設けられている。第１膜１８、第２膜１６、第３膜３６および第４膜３８は、例えばＡｌ_２Ｏ_３とＳｉとの光学多層膜やＳｉとＳｉＯ_２との光学多層膜であり、膜厚や層数を変えることにより、所定の波長に対し所望の反射率を有するように設定することができる。

　第１膜１８は、レーザ光５２の波長λ１の光に対する反射防止膜ＡＲ（λ１）である。第２膜１６は、レーザ光５２の波長λ１の光に対する高反射膜ＨＲ（λ１）である。第３膜３６は、レーザ光５２の波長λ１の光に対する反射防止膜ＡＲ（λ１）であり、かつ高調波光５４の波長λ２に対する高反射膜ＨＲ（λ２）である。第４膜３８は、レーザ光５２の波長λ１の光に対する高反射膜ＨＲ（λ１）、かつ高調波光５４の波長λ２の光に対する反射防止膜ＡＲ（λ２）である。高反射膜ＨＲは、対象とする光をほとんど反射する膜であり、例えば、対象とする光の反射率が９５％以上であることが好ましく、９９％以上であることがより好ましい。反射防止膜ＡＲは、対象とする光をほとんど透過させる膜であり、例えば、対象とする光の反射率が１０％以下であることが好ましく、１％以下であることがより好ましい。

　実施例１においては、第１膜１８のレーザ光５２の反射率がほぼ０％（透過率がほぼ１００％）である。このため、ＤＦＢレーザ１０は単体では発振しない。一方、第２膜１６のレーザ光５２の反射率はほぼ１００％である。第４膜３８のレーザ光５２の反射率はほぼ１００％である。これにより、ＤＦＢレーザ１０は、第２膜１６と第４膜３８とで反射するレーザ光５２により発振する。

　以下、比較例との比較により、実施例１の効果について説明する。図２は、比較例１に係るレーザシステムのブロック図である。実施例１の図１と比較し、第１膜１９はレーザ光５２の光をほとんど反射する反射膜ＨＲ（λ１）である。第１膜１９の反射率は、例えば９９％～９０％である。このため、ＤＦＢレーザ１０は、第１膜１９と第２膜１６とで反射する光により発振する。その他の構成は実施例１の図１と同じであり説明を省略する。

　図３は、比較例２に係るレーザシステムのブロック図である。実施例１の図１と比較し、コルゲーションを有さないファブリペロレーザ１０ａを用いている。その他の構成は実施例１の図１と同じであり説明を省略する。

　高調波生成素子３０は変換効率を高めようとすると、変換可能な波長範囲が狭くなってしまう。例えば、波長が約１０５０ｎｍのレーザ光を第２高調波に変換するＰＰＬＮの場合、変換可能な波長範囲は０．１ｎｍ程度である。

　図４は、比較例１のＤＦＢレーザ１０の発振スペクトルを示す模式図である。範囲Ａ１は、高調波生成素子３０が変換可能な波長範囲である。範囲Ａ１の中心波長はλ０である。ＤＦＢレーザ１０は単一モードで発振するため、発振する波長は１つである。比較例１では、高調波生成素子３０は、第２膜１６と第１膜１８との間に形成される共振器の外部にある。このため、高調波生成素子３０に入射するレーザ光５２のパワーが小さい。

　図５は、比較例２のファブリペロレーザ１０ａの発振スペクトルを示す模式図である。ファブリペロレーザ１０ａは複数の波長で発振するため、レーザ光のパワーを大きくできる。しかし、発振する波長範囲が広いため、高調波生成素子３０の変換可能な波長範囲Ａ１の外にもレーザ光５２が分布してしまう。このため、高調波生成素子３０で変換されるレーザ光５２はファブリペロレーザ１０ａが出射するレーザ光５２の一部となり、高調波生成素子３０の変換効率が低下してしまう。

　図６は、実施例１のＤＦＢレーザ１０の発振スペクトルを示す模式図である。範囲Ａ２はＤＦＢレーザ１０のストップバンドを示している。範囲Ａ２内の波長の光はコルゲーションにより帰還され発振可能となる。実施例１では、コルゲーションが形成されているＤＦＢレーザ１０内の光路に対し、比較的距離の長い第２膜１６と第４膜３８との間で光が共振するため、ストップバンド範囲Ａ２内の複数の波長で発振が生じる。このとき、高調波生成素子３０は、第２膜１６と第４膜３８との間の共振器内に位置している。このため、高調波生成素子３０に入射するレーザ光５２は、共振器内の多重反射により強いパワーとなる。一方、ＤＦＢレーザ１０の発振はストップバンド範囲Ａ２内の光で生じるため、発振モードを範囲Ａ１内にとどめることができる。よって、高調波生成素子３０の変換効率を向上させることができる。

　以上のように、実施例１によれば、ＤＦＢレーザ１０が第２膜１６と第４膜３８とにより反射するレーザ光により発振する。これにより、高調波生成素子３０に入射するレーザ光５２の強度を大きくすることができる。また、ＤＦＢレーザ１０が複数の波長で発振するため、ＤＦＢレーザ１０は低い消費電力で高いパワーのレーザ光５２を出射することができる。さらに、ＤＦＢレーザ１０を用いているため、レーザ光５２の波長を、高調波生成素子３０が変換可能な波長範囲Ａ１近傍に集中させることができ、高調波生成素子３０の変換効率を高めることができる。よって、レーザシステムを低消費電力化しかつ高効率化することができる。

　また、ＤＦＢレーザ１０は、高調波生成素子３０が変換可能な波長範囲Ａ１内の複数の波長で発振することが好ましい。これにより、高調波生成素子３０の変換効率をより高めることができる。

　さらに、ＤＦＢレーザ１０は、単体では非発振であることが好ましい。つまり、第１膜１８は、ＤＦＢレーザ１０単体では非発振となるようなレーザ光５２の反射率を有することが好ましい。ＤＦＢレーザ１０が単体で発振する場合、つまり、高調波生成素子３０がなくても発振する場合、高周波生成素子３０は、第２膜１６と第１膜１８との共振器の外部となってしまう。よって、実施例１のようなＤＦＢレーザ１０の低消費電力化が難しくなる。

　また、図６のように、ＤＦＢレーザ１０は、高調波生成素子３０が変換可能な波長範囲Ａ１内の波長でのみ発振することが好ましい。これにより、高調波生成素子３０の変換効率をより向上させることができる。

　さらに、図６のように、ＤＦＢレーザ１０のストップバンド範囲Ａ２は高調波生成素子３０が変換可能な波長範囲Ａ１に含まれることが好ましい。これにより、高調波生成素子３０の変換効率を向上させることができる。

　高調波光５４を反射する膜は、ＤＦＢレーザ１０と高調波生成素子３０との間に設けられていればよいが、第３膜３６が、高調波光５４に対する高反射膜ＨＲ（λ２）であることが好ましい。

　実施例１では、高調波生成素子３０が、レーザ光５２をレーザ光５２の第２高調波に変換する例を説明したが、高調波生成素子３０はレーザ光５２のより高次な高調波光に変換してもよい。また、レーザ光５２が１０６４ｎｍであり、高調波光５４が５３２ｎｍのグリーン光の場合を例に説明したが、高調波光５４は他の可視光等の光でもよい。またレーザ光５２はその他の波長を有してもよい。

　実施例２は、実施例１の具体例である。図７は実施例２に係るレーザシステム１００の上面図である。レーザシステム１００は、ＤＦＢレーザ１０、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２０、コリメートレンズ４２、４４およびＰＰＬＮ３２を有している。ＤＦＢレーザ１０の上面には、素子電流を印加するための電極１２、ＤＦＢレーザ１０の温度を制御するための電流を流すヒータ１４が形成されている。ＤＦＢレーザ１０が形成された半導体層のうちレーザ光５２が出射しない一端面には第２膜１６が形成されている。第２膜１６はレーザ光５２に対する高反射膜ＨＲ（λ１）である。ＳＯＡ２０の上面には、レーザ光を変調するための電流を印加する電極２２が形成されている。ＳＯＡ２０が形成された半導体層のレーザ光５２が出射する一端面には第１膜１８が形成されている。第１膜１８はレーザ光５２に対する反射防止膜ＡＲ（λ１）である。ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０とは同一チップ上に形成されており、ＤＦＢレーザ１０とＳＯＡ２０との光軸は一致している。

　ＳＯＡ２０から出射した変調されたレーザ光５２はコリメートレンズ４２および４４によりＰＰＬＮ３２の一端面に入射する。コリメートレンズ４２および４４の表面は、レーザ光５２の波長に対する反射防止膜（不図示）がコーティングされている。ＰＰＬＮ３２のレーザ光５２が入射する端面には第３膜３６が形成されている。第３膜３６は、レーザ光５２に対する反射防止膜ＡＲ（λ１）であり、高調波光５４に対する高反射膜ＨＲ（λ２）である。ＰＰＬＮ３２の高調波光５４が出射する端面には第４膜３８が形成されている。第４膜３８は、レーザ光５２に対する高反射膜ＨＲ（λ１）であり、高調波光５４に対する反射防止膜ＡＲ（λ２）である。

　図８は、ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０の断面図である。図８のように、半導体層７５は、ｎ型ＧａＡｓ基板６０、ｎ型クラッド層６２、量子ドット活性層６５、ｐ型層６８、ｐ型クラッド層７２およびコンタクト層７４を含んでいる。ｎ型ＧａＡｓ基板６０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ組成比が０．３５）からなるｎ型クラッド層６２が形成されている。基板６０下には電極７８が形成されている。ｎ型クラッド層６２上に、ＧａＡｓからなるベース層６４内にＩｎＡｓからなる量子ドット６６を有する量子ドット活性層６５が形成されている。量子ドット活性層６５上にｐ型ＧａＡｓからなるｐ型層６８が形成されている。ｐ型層６８上にｐ型ＩｎＧａＰからなるｐ型クラッド層７２が形成されている。ＤＦＢレーザ１０のｐ型層６８とｐ型クラッド層７２との間には出射するレーザ光の波長を決めるコルゲーション７０が形成されている。基板６０からｐ型クラッド層７２までは、ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０で共通である。ＤＦＢレーザ１０およびＳＯＡ２０のｐ型クラッド層７２上に、それぞれｐ^＋ＧａＡｓからなるコンタクト層７４が形成されている。半導体層７５のレーザ光が出射する端面には第１膜１８が形成され、レーザ光が出射しない端面には第２膜１６が形成されている。

　ＤＦＢレーザ１０において、コンタクト層７４上には電極１２が形成されている。電極１２上に酸化シリコンからなる絶縁膜７６が形成されている。絶縁膜７６上にＰｔからなるヒータ１４が形成されている。ヒータ１４は、ＤＦＢレーザ１０の温度を一定に制御する温度制御部として機能する。ＳＯＡ２０において、コンタクト層７４上に電極２２が形成されている。制御部９０は、ワイヤ８０を介し、電極１２、２２およびヒータ１４に電圧を印加する。電極７８は、一定電位に接続されている。例えば接地されている。

　制御部９０は、ＤＦＢレーザ１０の電極１２に電圧を印加することにより、電極１２と電極７８との間に電流を流す。これにより、量子ドット活性層６５において光放出が生じる。放出された光は、活性層６５付近を伝搬し、第２膜１６と第４膜３８との間で反射する。コルゲーション７０により帰還される光（すなわち、ストップバンド内の波長の光）が誘導放出される。

　また、制御部９０は、ヒータ１４に電流を流すことにより、ＤＦＢレーザ１０の温度を一定に保つことができる。これにより、レーザ光の波長を一定に保つことができる。さらに、制御部９０は、電極２２と電極７８との間に電圧を印加することにより、活性層６５内のレーザ光を増幅させる。電極２２と電極７８との間に電圧を変化させることにより、ＳＯＡ２０の増幅率を変化させ、ＳＯＡ２０から出射するレーザ光を変調することができる。なお、コルゲーション７０は、ＤＦＢレーザ１０に加えＳＯＡ２０中の半導体層７５に形成されていてもよい。

　ＤＦＢレーザ１０が出射するレーザ光の波長はレーザ光の強度に依存する。よって、レーザ光５２を変調する場合、ＤＦＢレーザ１０から出射されるレーザ光の強度を電極１２と７８との間に流す電流により変調しようとすると、レーザ光５２の波長が変動してしまう。よって、レーザ光の波長が図６の範囲Ａ１から外れ、ＰＰＬＮ３２の変換効率が低下してしまう。そこで、実施例１のように、第１膜１８とＤＦＢレーザ１０との間に、レーザ光５２の強度を変調するＳＯＡ２０を有することが好ましい。これにより、ＤＦＢレーザ１０は、波長が変動しないように光を出射し、ＳＯＡ２０が波長が変動しないように光を強度変調することができる。よって、波長が変動しない強度変調されたレーザ光５２を得ることができる。よって、ＰＰＬＮ３２の変換効率の低下を抑制することができる。

　実施例２において、ＤＦＢレーザはＱＷ（量子井戸）型でもよい。しかしながら、ＱＷ型ＤＦＢレーザは温度により出射光の波長が変動してしまう。よって、ＰＰＬＮ３２の変換効率が低下しやすい。実施例２のように、ＤＦＢレーザ１０は、量子ドットＤＦＢレーザであることが好ましい。量子ドットＤＦＢレーザはレーザ光の波長の温度依存性が小さい。よって、ＰＰＬＮ３２の変換効率の低下を抑制することができる。

　以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

　　１０　　　　　ＤＦＢレーザ
　　１６　　　　　第２膜
　　１８　　　　　第１膜
　　２０　　　　　ＳＯＡ
　　３０　　　　　高調波生成素子
　　３２　　　　　ＰＰＬＮ
　　３６　　　　　第３膜
　　３８　　　　　第４膜

Claims

　レーザ光を出射するＤＦＢレーザと、
　前記レーザ光を前記レーザ光の高調波光に変換する高調波生成素子と、
　前記ＤＦＢレーザが形成された半導体層の前記レーザ光の出射面に設けられた前記レーザ光に対する反射防止膜である第１膜と、
　前記半導体層の前記出射面とは反対の面に設けられた前記レーザ光に対する高反射膜である第２膜と、
　前記高調波生成素子の前記レーザ光の入射面に設けられた前記レーザ光に対する反射防止膜である第３膜と、
　前記高調波生成素子の前記高調波光の出射面に設けられた前記レーザ光に対する高反射膜であり前記高調波光に対する反射防止膜である第４膜と、
を具備することを特徴とするレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザは、前記第２膜と前記第４膜とにより反射する前記レーザ光により発振することを特徴とする請求項１記載のレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザは、単体では非発振であることを特徴とする請求項２記載のレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザは、前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲内の複数の波長で発振することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザは、前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲内の波長でのみ発振することを特徴とする請求項４記載のレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザのストップバンドは前記高調波生成素子が変換可能な波長範囲に含まれることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載のレーザシステム。
　前記第３膜は、前記高調波光に対する高反射膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のレーザシステム。
　前記高調波生成素子は、前記レーザ光を前記レーザ光の第２高調波に変換することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載のレーザシステム。
　前記第１膜と前記ＤＦＢレーザとの間に設けられ、前記レーザ光の強度を変調する半導体光増幅器を具備することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項記載のレーザシステム。
　前記ＤＦＢレーザは、量子ドットＤＦＢレーザであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載のレーザシステム。