WO2022249360A1

WO2022249360A1 - レーザ素子及び電子機器

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Publication number: WO2022249360A1
Application number: PCT/JP2021/020077
Authority: WO
Inventors: 元米澤; 敏哉高岸; 美咲清水
Original assignee: ソニーグループ株式会社
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2022-12-01
Also published as: US20240258767A1; JPWO2022249360A1

Abstract

［課題］熱的な干渉によるレーザ光の発振効率の低下や、光波長の変換効率の低下を防止。［解決手段］レーザ素子は、第１波長に対する第１反射層と、第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、積層半導体層の光軸の後方側に配置され、積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および第１面と反対側の第２面に第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、第２面に配置されるか、又は第２面より光軸の後方側に配置される、第２波長に対する第４反射層と、第１反射層および第３反射層の間で第１波長の光を共振させる第１共振器と、第２反射層および第４反射層の間で第２波長の光を共振させる第２共振器と、積層半導体層とレーザ媒質との間に配置され、積層半導体層及びレーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備える。

Description

レーザ素子及び電子機器

　本開示は、レーザ素子及び電子機器に関する。

　レーザのピークパワーは、パルスエネルギー÷パルス幅と定義されており、より高いピークパワーを得るには、より短いパルス幅を得ることが重要である。レーザパルスを出力するＱスイッチ固体レーザでは、自身の共振器の長さと得られるパルス幅が比例するという特徴があり、最小の共振器長は用いられる固体レーザ媒質の長さで決まる。利得媒質として共振器の中に設置される固体レーザ媒質は、励起光の吸収量でその長さが決まるため、固体レーザ媒質の長さを単に短くしてしまうと、励起光を十分に吸収できずに励起効率が著しく低下してしまう。

　このため、外部から半導体レーザでＱスイッチ固体レーザ媒質を励起する従来の手法では、励起光吸収長よりも固体レーザ媒質の長さを短くすることは好ましくなく、より短いパルスを得ることはできない。つまり、短いパルス幅を得ようとして固体レーザ媒質長を短くすると、励起光の吸収量が下がって励起効率が低下する。逆に、励起光の吸収量を上げようと固体レーザ媒質長さを長くすると共振器長が長くなってパルス幅が長くなる、というトレードオフが従来存在していた。

　一方、製造と光源出力安定性の観点においては、従来のＱスイッチ固体レーザは、複数の光学素子を高精度に位置決めして組み立て調整を行う必要があり、量産性に乏しく、低コスト化が困難であると共に、各光学素子の位置ずれによる光源出力の安定性に課題がある。

　従来、例えば半導体レーザを用いて、Ｑスイッチ固体レーザを外部から励起し、短パルスレーザを発生する方式が知られている（特許文献１、２参照）。得られるパルス幅はＱスイッチ固体レーザの共振器長に比例するため、より高いレーザピークパワーを得るには共振器長を短くし、より短いパルス幅を得ることが望ましい。

　しかしながら、従来の方式では、用いることができる固体レーザ媒質の厚みは、励起用半導体レーザの波長と固体レーザ媒質のその波長での吸収係数で決まる吸収長で制限される。例えばＱスイッチ固体レーザで一般に最もよく用いられるＮｄ：ＹＡＧ（１０ａｔ％）の場合、波長８０８ｎｍ励起光に対する吸収長は１０ｍｍ程度であり、この長さより固体レーザ媒質の長さを短くしてしまうと、吸収されなかった残りの励起光は、半導体レーザ側に戻って動作を不安定にするか、発熱要因になっていた。ディスクレーザでは、励起光を幾重にも折り返す手法も提案されているが、複雑な励起光学系が必要であり、小型化や低コストに課題がある。

　また、従来、レーザ光源小型化のために、例えば特許文献３に示すように、励起用の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）と、固体レーザ媒質を一体的に積層する方式が提案されている。しかしながら、「一体的に積層する」、という記載があるのみで、光透過面同士を接合しているのか、いかなる接合プロセスを用いているのか、またそれに伴い生じる課題をどのように解決するかの具体的記述はない。

特開2013-219232号公報特開2019-176119号公報特開2007-173393号公報

　面発光レーザと固体レーザ媒質を一体化して小型化すると、面発光レーザと固体レーザ媒質の間で熱的な干渉が生じるおそれがある。熱的な干渉が生じると、面発光レーザでのレーザ光の発振効率の低下や、固体レーザ媒質での光波長の変換効率の低下が生じてしまう。

　そこで、本開示では、熱的な干渉によるレーザ光の発振効率の低下や、光波長の変換効率の低下を防止できるレーザ素子及び電子機器を提供するものである。

　上記の課題を解決するために、本開示によれば、第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、レーザ素子が提供される。

　前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第１部材を有してもよい。

　前記レーザ媒質に対向する側の前記第１部材の表面の一部またはすべてに配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質よりも熱伝導率の高い金属層を備えてもよい。

　前記積層半導体層の側面、前記第１部材の側面、及び前記レーザ媒質の側面に接合され、前記第１部材に伝達された熱を放熱する第２部材を備えてもよい。

　前記積層半導体層を支持する基板と、
　前記基板上のパッドと前記積層半導体層の電極とに接続されるボンディングワイヤと、を備え、
　前記第２部材は、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の側面と、前記ボンディングワイヤとを覆うように配置されてもよい。

　前記第１部材は、サファイア及びダイヤモンドの少なくとも一方を含み、
　前記第２部材は、金属材料を含んでもよい。

　前記積層半導体層に対向する側の前記第１部材の表面に配置され、前記第１波長の光を透過させ、かつ前記第２波長の光を反射させる保護層を備えてもよい。

　前記第１部材は、前記第１波長の光を透過させる第１領域と、前記第１領域の周囲に配置され前記レーザ媒質より熱伝導率の高い第２領域と、を有してもよい。

　前記第２領域は、絶縁材料又は金属材料であってもよい。

　前記第２領域は、前記第１領域を取り囲むように配置され、
　前記第２領域の外周面又は前記外周面の角部は、前記第１領域の中心位置から等距離に位置してもよい。

　前記積層半導体層、前記排熱部、及びレーザ媒質の面方向に、複数の前記第１共振器と複数の前記第２共振器とを備えてもよい。

　前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置されるエアギャップを有してもよい。

　前記第２反射層から前記第４反射層の間に配置され、前記第２波長の光のビーム径を拡大させる第１光学素子を備えてもよい。

　前記第１共振器は、前記第１波長の光を光軸方向に集光させる第２光学素子を有してもよい。

　前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第４反射層を有する可飽和吸収体を備え、
　前記積層半導体層の光軸、前記レーザ媒質の光軸、及び前記可飽和吸収体の光軸は、一軸上に配置されてもよい。

　前記積層半導体層、前記レーザ媒質、および前記可飽和吸収体は一体に接合されていてもよい。

　前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、又は前記可飽和吸収体よりも光軸後方側に配置され、前記第２波長の光の偏光状態を制御する偏光制御素子を備えてもよい。

　前記第４反射層は、前記第２共振器における出力結合鏡であってもよい。

　前記積層半導体層は、前記第１反射層よりも前記レーザ媒質に近い側に配置され、前記第１波長に対する第５反射層を有し、
　前記第５反射層は、前記第１波長の光の一部を透過させてもよい。

　本開示によれば、レーザ素子と、
　前記レーザ素子から光を放出する制御を行う制御部と、を備える電子機器であって、
　前記レーザ素子は、
　第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、電子機器が提供される。

本開示によるレーザ素子の基本構成を示す図。第１形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第２形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第３形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第４形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第５形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第６形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第７形態による排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第８形態に係る排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第９形態に係る排熱部を備えたレーザ素子の模式的な断面図。第１０形態に係る排熱部の平面形状の一例を模式的に示す図。第１０形態に係る排熱部の平面形状の他の一例を模式的に示す図。第１０形態に係る排熱部の平面形状の他の一例を模式的に示す図。第１０形態に係る排熱部の平面形状の他の一例を模式的に示す図。複数のレンズ素子を一次元方向又は二次元方向に配置したレーザアレイの模式的な断面図。排熱部を備えないレーザアレイの中央部のレーザ光源の温度分布を示す図。排熱部を備えるレーザアレイの中央部のレーザ光源の温度分布を示す図。排熱部を備えないレーザアレイの角部のレーザ光源の温度分布を示す図。排熱部を備えるレーザアレイの角部のレーザ光源の温度分布を示す図。本開示のレーザ素子の製造工程を模式的に示す図。励起光源と固体レーザ媒質の間に第１透明媒質を配置したレーザ素子を示す図。可飽和吸収体を持たないレーザ素子の基本構成を示す図。 Innoslabの構成を示す斜視図。図１７ＡのＹ方向から見た平面図。図１７ＡのＺ方向から見た平面図。本開示によるレーザ増幅素子の断面図。本開示によるレーザ増幅素子の斜視図。レーザ増幅素子内でのレーザ光の光路を模式的に示す平面図。図１８Ａの第１排熱部材の排熱性能を向上させたレーザ増幅素子の断面図。図１９ＡのＡ－Ａ線方向の横断面図。内視鏡システムの概略的な構成の一例を示す図。図２０に示すカメラ及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図。顕微鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図。

　以下、図面を参照して、レーザ素子の実施形態について説明する。以下では、レーザ素子の主要な構成部分を中心に説明するが、レーザ素子には、図示又は説明されていない構成部分や機能が存在しうる。以下の説明は、図示又は説明されていない構成部分や機能を除外するものではない。

　（本開示によるレーザ素子の技術的特徴）
　まず、本開示によるレーザ素子の内部構成と動作を説明する前に、本開示によるレーザ素子の技術的特徴を説明する。

　本開示によるレーザ素子は、励起光源として面発光レーザの一部を用いた構造と、Ｑスイッチ用の固体レーザ媒質とを一体に接合した構成を備えている。なお、後述するように、本開示によるレーザ素子には、Ｑスイッチ機能を持たないレーザ素子もありうるが、まずは、Ｑスイッチ機能を備えたレーザ素子について説明する。

　本開示によるレーザ素子では、Ｑスイッチ用の固体レーザ媒質を２つの共振器が共有する。これら２つの共振器は、第１波長で共振する第１共振器と、第２波長で共振する第２共振器（Ｑスイッチ固体レーザ共振器とも呼ばれる）とを有する。

　２つの共振器が固体レーザ媒質を共有することで、固体レーザ媒質の長さを短くしても、第１共振器内で固体レーザ媒質の高強度励起が可能となり、より短いパルス幅のレーザパルスを発生できる。

　また、本開示によるレーザ素子は、半導体プロセス技術を利用して作製可能な一体化された積層構造体であるため、量産性に優れ、かつレーザ出力の安定性にも優れている。

　ここで、励起光源は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の一形態である。ＶＣＳＥＬと異なるのは、共振器を構成するミラーのうちの少なくとも１つが、励起光源の本体である積層半導体層の外部に設けられる点である。本開示によるレーザ素子は、後述するように、積層半導体層と、積層半導体層の外側に配置されるミラーとの間に、固体レーザ媒質を配置した構造を備えている。

　上述したように、本開示によるレーザ素子は、Ｑスイッチにより短パルス幅のレーザパルスを発生できるが、励起光源の光非変換による発熱が固体レーザ媒質に伝熱し、固体レーザ媒質の温度が上昇するおそれがある。固体レーザ媒質の温度が上昇すると、固体レーザ媒質での第１波長から第２波長への光波長の変換効率が低下してしまう。励起光源の光出力強度が大きいほど、固体レーザ媒質での光波長の変換効率の低下影響が大きくなる。

　また、励起光源での発熱に加えて、固体レーザ媒質での発熱が励起光源に伝熱して、励起光源の温度がさらに上昇するおそれがある。励起光源の温度が高くなると、励起光源のＩ－Ｌ特性（発光効率）が悪化する。さらに、励起光源の温度が高くなると、励起光源の活性層の温度（ジャンクション温度Ｔj）が上昇し、長期信頼性（ＭＴＴＦ：Mean Time To Failure）が悪化する。

　上述した課題を解決するために、本開示によるレーザ素子は、以下の３つの特徴を有する。
（１）第１共振器と第２共振器が、固体レーザ媒質を共有する。第１共振器は、励起光源と固体レーザ媒質とを含む。第２共振器は、固体レーザ媒質と可飽和吸収体を含んでおり、第１共振器からの励起光によってＱスイッチレーザ発振を行う。

（２）励起光源と固体レーザ媒質の間に排熱部を設ける。排熱部は、励起光源と固体レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する。

（３）励起光源、固体レーザ媒質、及び可飽和吸収体は、一体化された構造を有する。
　本開示によるレーザ素子では、励起光源に電流を注入することによって発生される励起光を、第１共振器内の固体レーザ媒質で吸収させる。固体レーザ媒質は、第１共振器に隣接して設置された可飽和吸収体とともに、第２共振器を構成する。固体レーザ媒質が十分な励起状態となり、自然放出光の出力が上がって、ある閾値を超えると可飽和吸収体での光吸収率が急激に低下し、固体レーザ媒質で発生された自然放出光は可飽和吸収体を透過できるようになり、固体レーザ媒質において誘導放出を生じさせる。これによりＱスイッチパルス発振が起こる。

　（レーザ素子の基本構成）
　以下、本開示によるレーザ素子の具体的な実施形態を説明する。図１は本開示によるレーザ素子１の基本構成を示す図である。図１のレーザ素子１は、励起光源２と、固体レーザ媒質３と、可飽和吸収体４とを一体に接合した構成を備えている。

　励起光源２は、上述したＶＣＳＥＬの一部構造であり、積層構造の積層半導体層を有する。以下では、励起光源２を積層半導体層２と呼ぶこともある。図１の励起光源２は、基板５、ｎ－コンタクト層３３、第５反射層Ｒ５、クラッド層６、活性層７、クラッド層８、酸化前層３１、及び第１反射層Ｒ１を順に積層した構造を備えている。なお、図１のレーザ素子１は、基板５から連続波（ＣＷ：Continuous Wave）の励起光を放出するボトムエミッション型の構成を示しているが、第１反射層Ｒ１側からＣＷ励起光を放出するトップエミッション型の構成もありえる。

　基板５は、例えばｎ－ＧａＡｓ基板５である。ｎ－ＧａＡｓ基板５は、励起光源２の励起波長である第１波長λ１の光を一定の割合で吸収するため、極力薄くするのが望ましい。その一方で、後述する接合プロセスの際の機械的強度を維持できる程度の厚みを持たせるのが望ましい。

　活性層７は、第１波長λ１の面発光を行う。クラッド層６、８は、例えばＡｌＧａＡｓクラッド層である。第１反射層Ｒ１は、第１波長λ１の光を反射させる。第５反射層Ｒ５は、第１波長λ１の光に対して一定の透過率を有する。第１反射層Ｒ１と第５反射層Ｒ５には、例えば、電気伝導が可能な半導体分布反射層（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）が用いられる。第１反射層Ｒ１と第５反射層Ｒ５を介して外部から電流が注入され、活性層７内の量子井戸で再結合と発光が生じて、第１波長λ１のレーザ発振が行われる。第１反射層Ｒ１のクラッド層側の酸化前層（例えばＡｌＡｓ層）３１の一部は酸化されて酸化後層（例えばＡｌ₂Ｏ₃層）３２になる。

　第５反射層Ｒ５は、例えばｎ－ＧａＡｓ基板５上に配置される。例えば、第５反射層Ｒ５は、ｎ型ドーパント（例えばシリコン）を添加したＡｌ_z1Ｇａ_1-z1Ａｓ／Ａｌ_z2Ｇａ_1-z2Ａｓ（０≦ｚ１≦ｚ２≦１）からなる多層反射膜を有する。第５反射層Ｒ５は、ｎ－ＤＢＲとも呼ばれる。より詳細には、第５反射層Ｒ５とｎ－ＧａＡｓ基板５との間にはｎ－コンタクト層３３が配置されている。

　活性層７は、例えば、Ａｌ_x1Ｉｎ_y1Ｇａ_1-x1-y1Ａｓ層とＡｌ_x3Ｉｎ_y3Ｇａ_1-x3-y3Ａｓ層を積層した多重量子井戸層を有する。

　第１反射層Ｒ１は、例えば、ｐ型ドーパント（例えば炭素）を添加したＡｌz3Ｇａ1-z3Ａｓ／ＡｌZ4Ｇａ1-z4Ａｓ（０≦ｚ３≦ｚ４≦１）からなる多重反射膜を有する。第１反射層Ｒ１は、ｐ－ＤＢＲとも呼ばれる。

　励起光源２内の各半導体層Ｒ５、６、７、８、Ｒ１は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法、ＭＢＥ（分子線エピタキシ法等の結晶成長法を用いて形成することができる。そして、結晶成長後に、素子分離のためのメサエッチングや絶縁膜の形成、電極膜の蒸着等のプロセスを経て、電流注入による駆動が可能になる。

　励起光源２のｎ－ＧａＡｓ基板５の第５反射層Ｒ５とは反対側の端面には、固体レーザ媒質３が接合されている。以下では、固体レーザ媒質３の励起光源２側の端面を第１面Ｆ１と呼び、固体レーザ媒質３の可飽和吸収体４側の端面を第２面Ｆ２と呼ぶ。また、可飽和吸収体４のレーザパルス出射面を第３面Ｆ３と呼び、励起光源２の固体レーザ媒質３側の端面を第４面Ｆ４と呼ぶ。また、可飽和吸収体４の固体レーザ媒質３側の端面を第５面Ｆ５と呼ぶ。図１では便宜上分離して図示しているが、励起光源２の第４面Ｆ４は固体レーザ媒質３の第１面Ｆ１と接合され、固体レーザ媒質３の第２面Ｆ２は可飽和吸収体４の第５面Ｆ５と接合される。

　図１のレーザ素子１は、第１共振器１１と第２共振器１２を備えている。第１共振器１１は、励起光源２内の第１反射層Ｒ１と固体レーザ媒質３内の第３反射層Ｒ３との間で、第１波長λ１の光を共振させる。第２共振器１２は、固体レーザ媒質３内の第２反射層Ｒ２と可飽和吸収体４内の第４反射層Ｒ４との間で、第２波長λ２の光を共振させる。

　第２共振器１２は、Ｑスイッチ固体レーザ共振器１２とも呼ばれる。第１共振器１１が安定した共振動作を行えるように、固体レーザ媒質３内に、高反射層である第３反射層Ｒ３が設けられている。通常の励起光源２は、図１の第３反射層Ｒ３の位置に、第１波長λ１の光を外部に放出するための部分反射鏡を配置する。これに対して、図１のレーザ素子１では、第３反射層Ｒ３を、第１波長λ１の励起光のパワーを第１共振器１１内に閉じ込めるために用いるため、第３反射層Ｒ３を高反射層にしている。

　このように、励起光源２と固体レーザ媒質３からなる第１共振器１１の内部には、３つの反射層（第１反射層Ｒ１、第５反射層Ｒ５、及び第３反射層Ｒ３）が設けられる。このため、第１共振器１１は、結合共振器（Coupled Cavity）構造である。

　第１共振器１１内に第１波長λ１の励起光のパワーを閉じ込めることで、固体レーザ媒質３が励起される。これにより、第２共振器１２にて、Ｑスイッチレーザパルス発振が生じる。第２共振器１２は、固体レーザ媒質３内の第２反射層Ｒ２と可飽和吸収体４内の第４反射層Ｒ４との間で、第２波長λ２の光を共振させる。第２反射層Ｒ２は高反射層であるのに対し、第４反射層Ｒ４は部分反射層である。図１では、第４反射層Ｒ４を可飽和吸収体４の端面に設けているが、第４反射層Ｒ４は可飽和吸収体４よりも光軸後方側に配置してもよい。光軸後方とは、光軸上の光の出射方向である。すなわち、第４反射層Ｒ４は、必ずしも可飽和吸収体４の内部又は表面に設ける必要はない。第４反射層Ｒ４は、第２共振器１２における出力結合鏡である。

　固体レーザ媒質３は、例えば、Ｙｂ（イットリビウム）をドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶Ｙｂ：ＹＡＧを含む。この場合、第１共振器１１の第１波長λ１は９４０ｎｍ、第２共振器１２の第２波長λ２は、１０３０ｎｍとなる。

　固体レーザ媒質３は、Ｙｂ：ＹＡＧに限らず、例えば、固体レーザ媒質３として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＦＡＰ、Ｙｂ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＶＯ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＢＣＢＦ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、ＹＢ：ＹＡＢの少なくともいずれかの材料を使うことができる。形態は結晶に限らず、セラミック材料の利用を妨げない。

　また、固体レーザ媒質３は、４準位系の固体レーザ媒質３であってもよいし、準３準位系の固体レーザ媒質３であってもよい。ただし、それぞれの結晶によって、適切な励起波長（第１波長λ１）は異なるので、固体レーザ媒質３の材料に応じて、励起光源２内の活性層７の半導体材料を選択する必要がある。

　可飽和吸収体４は、例えばＣｒ（クロム）をドープしたＹＡＧ（Ｃｒ：ＹＡＧ）結晶を含む。可飽和吸収体４は、入射光の強度が所定の閾値を超えると透過率が増大する材料である。第１共振器１１による第１波長λ１の励起光により、可飽和吸収体４の透過率が増大し、第２波長λ２のレーザパルスを放出する。これはＱスイッチと呼ばれる。可飽和吸収体４の材料として、Ｖ：ＹＡＧを用いることもできる。ただし、その他の種類の可飽和吸収体４を使ってもよい。また、Ｑスイッチとして、能動（アクティブ）Ｑスイッチ素子を使うことを妨げるものではない。

　図１では、励起光源２、固体レーザ媒質３、及び可飽和吸収体４を、それぞれ分離して図示しているが、これらは接合プロセスを用いて接合されて一体化された積層構造である。接合プロセスの例としては、表面活性化接合、原子拡散接合、プラズマ活性化接合等を用いることができる。あるいは、その他の接合（接着）プロセスを用いることができる。

　励起光源２に固体レーザ媒質３を安定に接合させるには、励起光源２内のｎ－ＧａＡｓ基板５の表面を平坦にする必要がある。このため、上述したように、第１反射層Ｒ１や第５反射層Ｒ５に電流を注入するための電極Ｅ１、Ｅ２は、少なくともｎ－ＧａＡｓ基板５の表面に露出しないように配置するのが望ましい。図１の例では、励起光源２の第１反射層Ｒ１側の端面に、電極Ｅ１、Ｅ２を配置している。電極Ｅ１は、ｐ電極であり、第１反射層Ｒ１と導通している。電極Ｅ２はｎ電極であり、第１反射層Ｒ１からｎ－コンタクト層３３まで達するトレンチの内壁に絶縁膜３４を介して導電材料３５を充填して形成される。図１のように電極Ｅ１とＥ２を励起光源２の同一の端面に配置することで、この端面を不図示の支持基板にはんだ実装可能となる。複数のレーザ素子をアレイ状に配置したときも、同一の端面に電極Ｅ１、Ｅ２を配置することで、この端面を支持基板に実装可能な形態となる。なお、図１に示した電極Ｅ１、Ｅ２の形状及び配置場所は一例にすぎない。

　このように、図１のレーザ素子１を積層構造にすることで、積層構造体を作製した後にダイシングにより個片化して複数のチップを形成したり、あるいは一つの基板上に複数のレーザ素子１をアレイ状に配置したレーザアレイを形成したりすることが容易になる。

　接合プロセスにて積層構造のレーザ素子１を作製する場合、各表面層の算術平均粗さＲａは１ｎｍ程度以下にする必要があり、望ましくは０．５ｎｍ以下である。これらの算術平均粗さをもつ表面層を実現するために化学機械研磨（CMP:Chemical Mechanical Polishing）が用いられる。また、各層の界面の光損失を回避するために、各層の間に誘電体多層膜を配置して、誘電体多層膜を介して各層を接合してもよい。例えば、励起光源２のベース基板であるＧａＡｓ基板５の波長９４０ｎｍに対する屈折率ｎは３．２であり、ＹＡＧ（ｎ：１．７）や一般的な誘電体多層膜材料に比べ、高屈折率を有する。このため、励起光源２に固体レーザ媒質３と可飽和吸収体４を接合する際に、屈折率のミスマッチによる光損失が生じないようにする必要がある。具体的には、励起光源２と固体レーザ媒質３との間に、第１共振器１１の第１波長λ１の光を反射させない反射防止膜（ＡＲコート膜又は無反射コート膜）を配置するのが望ましい。また、固体レーザ媒質３と可飽和吸収体４との間にも、反射防止膜（ＡＲコート膜又は無反射コート膜）を配置するのが望ましい。

　接合材料によっては研磨が難しい場合があり、例えばＳｉＯ₂などの第１波長λ１及び第２波長λ２に対して透明な材料を、接合のための下地層として成膜し、このＳｉＯ₂層を算術平均粗さＲａ＝１ｎｍ程度（望ましくは０．５ｎｍ以下）に研磨して、接合のための界面として用いても良い。ここで、下地層としては、ＳｉＯ₂以外にも使用可能であり、ここでは材料に限定されない。なお、下地層の材料であるＳｉＯ₂と基材層との間に無反射膜を設けてもよい。

　誘電体多層膜には、短波長透過フィルタ膜（ＳＷＰＦ：Short Wave Pass Filter）、長波長透過フィルタ膜（ＬＷＰＦ：Long Wave Pass Filter）、バンドパスフィルタ膜（ＢＰＦ：Band Pass Filter）、無反射保護膜（ＡＲ：Anti-Reflection）などがあり、高屈折材料層と低屈折材料層を交互に積層させたコーティング層である。必要に応じて、異なる種類の誘電体多層膜を配置するのが望ましい。誘電体多層膜の成膜方法としては、ＰＶＤ（Physical vapor deposition）法を用いることができ、具体的には、真空蒸着、イオンアシスト蒸着、スパッタなどの成膜方法を用いることができる。どの成膜方法を適用するかは問わない。また、誘電体多層膜の特性も任意に選択可能であり、例えば、第２反射層Ｒ２を短波長透過フィルタ膜とし、第３反射層Ｒ３を長波長透過フィルタ膜としてもよい。また、第３反射層Ｒ３に長波長透過フィルタ膜を適用させることで可飽和吸収体に第1波長の侵入を防ぎQスイッチの誤動作を防ぐことができる。なお、短波長透過とは、第１波長λ１の光は透過し、第２波長λ２の光を反射することを意味する。また、長波長透過とは、第１波長λ１の光を反射し、第２波長λ２の光を透過することを意味する。

　また、第２共振器１２の内部に、Ｐ偏光とＳ偏光の比率を分離するフォトニック結晶構造の偏光子を設けてもよい。また、第２共振器１２の内部に回折格子を設けて、放出されるレーザパルスの偏光状態をランダム偏光から直線偏光に変換させてもよい。フォトニック結晶構造や回折格子の微細溝部分には例えばＳｉＯ₂などの材料で成膜し研磨することで接合のための界面として用いることができる。

　（レーザ素子１の動作原理）
　次に、図１のレーザ素子１の動作を説明する。励起光源２の電極を介して電流を活性層７に注入することで、第１共振器１１内で第１波長λ１のレーザ発振が起こり、固体レーザ媒質３が励起される。固体レーザ媒質３には可飽和吸収体４が接合されていることから、第１波長λ１のレーザ発振が起こった最初の段階では、固体レーザ媒質３からの自然放出光は可飽和吸収体４に吸収されてしまい、可飽和吸収体４の出射面側の第４反射層Ｒ４による光フィードバックが起こらず、Ｑスイッチレーザ発振には至らない。

　その後、固体レーザ媒質３に第１波長λ１の励起光のパワーが蓄積されて、固体レーザ媒質３が十分な励起状態になると、自然放出光の出力が上がり、ある閾値を超えると可飽和吸収体４での光吸収率が急激に低下し、固体レーザ媒質３で発生した自然放出光は可飽和吸収体４を透過できるようになる。これにより、第１共振器１１による第１波長λ１の光が固体レーザ媒質３から放出されるとともに、第２共振器１２は第２反射層Ｒ２と第４反射層Ｒ４との間で第２波長λ２の光を共振させる。これによりＱスイッチレーザ発振が起こり、第４反射層Ｒ４を介して、空間（図１中右側の空間）に向けて、Ｑスイッチレーザパルスが放出される。

　第２共振器１２の内部に、波長変換のための非線形光学結晶を配置することができる。非線形光学結晶の種類により、波長変換後のレーザパルスの波長を変えることができる。波長変換材料の例としては、ＬｉＮｂＯ₃、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＳＬＴなどの非線形光学結晶が挙げられる。また、波長変換材料として、これらに類似する位相整合材料を使ってもよい。ただし、波長変換材料の種類については問わない。波長変換材料によって、第２波長λ２を別の波長に変換することができる。

　以上、本開示によるＱスイッチレーザ発振を得るための基本的な構成と動作原理を説明したが、上記の基本的な構成では、励起光源と固体レーザ媒質の熱的な干渉によるレーザ光の発振効率の低下や、光波長の変換効率の低下を防止できない。

　（熱的干渉の原因と対策）
　積層半導体層からなる励起光源２と固体レーザ媒質３とを隣接して、又は直接接合したときに、励起光源２の活性層７に流す電流を増やすほど励起光源の温度が上昇し、励起光源２から固体レーザ媒質３に伝熱されて固体レーザ媒質３の温度が高くなる。これにより、固体レーザ媒質３での第１波長から第２波長への光波長の変換効率が低下する。一方、励起光吸収によって固体レーザ媒質３の温度が上昇すると、固体レーザ媒質３から励起光源２に伝熱されて、励起光源２の温度がさらに上昇する。これにより、励起光源２と固体レーザ媒質３との熱的干渉が生じ、励起光源２のＩ－Ｌ特性（発光効率）が悪化するとともに、活性層７のジャンクション温度Ｔjが上昇し、長期信頼性（ＭＴＴＦ：Mean Time To Failure）が悪化する。

　励起光源２と固体レーザ媒質３との熱的干渉を抑制するには、励起光源２と固体レーザ媒質３の間に排熱部を設けるのが望ましい。排熱部は、例えば、第１波長の光を透過させることができ、かつ固体レーザ媒質３よりも熱伝導率の高い透明材料である。一般に、固体レーザ媒質３の材料には、熱伝導率が１７W/(m・K)のＹＡＧが用いられることが多い。特に、固体レーザ媒質３の光軸に対して垂直方向の基材サイズがビーム径（１００μｍ）よりも十分に大きい場合（例えば、数ｍｍ程度）、固体レーザ媒質３の面内での温度勾配が大きくなる。よって、固体レーザ媒質３の側面方向に伝熱させるには熱伝導率の高い材料を設けるのが効果的である。例えば、サファイアは、熱伝導率が４０W/(m・K)であるため、熱伝導率はＹＡＧよりも高く、かつＹＡＧと同等の屈折率と熱膨張係数を持っている。その他、熱伝導率１０００W/(m・K)のＣＶＤダイヤモンドや、熱伝導率が２００W/(m・K)のＳｉＣを用いてもよい。このように、排熱部に用いられる材料には、複数の候補があり、特定の材料には限定されない。

　また、レーザ素子の光軸に対して垂直の面内方向に熱伝導させ、励起光源２と固体レーザ媒質３の周囲に配置される支持部材（例えば、熱伝導率が４００W/(m・K)のＣｕ）への熱の伝搬経路を設けて、支持部材からレーザ素子のパッケージの筐体に排熱させるのが望ましい。
　本開示によるレーザ素子では、積層半導体層からなる励起光源２と固体レーザ媒質３との間に排熱部を配置するため、小型一体化構造の利点を失うことなく、熱的干渉によるレーザ光の発振効率の低下や光波長の変換効率の低下を防止できる。

　また、第１共振器１１の第１波長のビーム強度分布である横モードと第２共振器１２の第2波長のビーム強度分布である横モードとを、略同一にすることによってモード結合し、第２共振器１２による発振光の出力を最大化することが必要できる。したがって、第１共振器１１の共振器長の一部を形成する励起光源２と固体レーザ媒質３の間の排熱部１３の厚みは、この冷却効率と横モード結合効率を考慮するのが望ましい。

　また、第１共振器１１の第１波長のビーム強度分布である横モードと第２共振器１２の第2波長のビーム強度分布である横モードを効率よく結合させるために、排熱部１３の厚みのみの調整だけでは厚みが大きくなってしまうことがある。これにより第１共振器１１が長くなり、第1波長の回折損失が生じる。またレーザ素子１の全長も大きくなってしまう。

　第１共振器１１の一部に高屈折材料を埋め、第1波長を集光させることによって、冷却性能を損なわず、かつ第１共振器１１の長さを長くせずに、第１波長のビーム強度分布である横モードと第２共振器１２の第2波長のビーム強度分布である横モードとを、効率よく結合させることができ、発振光の出力を最大化することができる。

　また、本開示によるレーザ素子では、第２波長の短パルスＱスイッチレーザ光による高ピーク強度の発振光が接合一体となった励起光源に戻り光として入り込むおそれがある。励起光源２は、バンドギャップが小さい材料で構成されているため、短パルスレーザ光による多光子吸収に起因する光損傷が発生しやすい。このため、励起光源２と固体レーザ媒質３の間の複数の界面には、共振器長を短くしつつも、短波長透過フィルタ膜（ＳＷＰＦ）を複数配置して、戻り光が励起光源２に入り込まないようにするのが望ましい。

　以下では、排熱部の種々の形態について説明する。

　（排熱部の第１形態）
　図２は第１形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図２のレーザ素子１はサブマウント基板９１の上に載置され、サブマウント基板９１は支持基板９２の上に載置されている。レーザ素子１は、積層半導体層からなる励起光源２と、排熱部１３と、固体レーザ媒質３と、冷却部材（第２部材）１４とを備えている。

　図２の励起光源２は、例えば図１の励起光源２と同じ層構成を備えているが、図２では詳細な層構成の図示を省略している。図１に示す電極Ｅ１とＥ２をサブマウント基板９１に接触させ、サブマウント基板９１と支持基板９２とをボンディングワイヤ１６で接続することで、励起光源２の活性層７に流す電流を、支持基板９２からボンディングワイヤ１６を介して供給することができる。

　図２のレーザ素子１は、図１の可飽和吸収体４を備えていない。第２共振器１２は、図１とは異なり、固体レーザ媒質３内の第２反射層Ｒ２と第４反射層Ｒ４との間で、第２波長λ２の光を共振させる。第４反射層Ｒ４は、固体レーザ媒質３の第２面Ｆ２に配置されるか、または第２面Ｆ２より光軸の後方側に配置される。

　図２の排熱部１３は、励起光源２の端面と固体レーザ媒質３の端面とに接合されており、励起光源２と固体レーザ媒質３で発生された熱が排熱部１３に伝熱されるようにしている。排熱部１３は、例えば、固体レーザ媒質３よりも熱伝導率の高い材料の排熱部材（第１部材）１７を有する。排熱部材１７の材料は、例えば、サファイアやダイヤモンド等であるが、特定の材料に限定されるものではない。

　励起光源２、排熱部１３、及び固体レーザ媒質３は同一の光軸上に配置されている。励起光源２、排熱部１３、及び固体レーザ媒質３の各側面には、冷却部材１４が接合されている。冷却部材１４は、例えばＣｕ等の熱伝導率の高い金属材料で形成されている。冷却部材１４は、励起光源２と固体レーザ媒質３から排熱部１３に伝達された熱を放熱する。冷却部材１４は、不図示のパッケージに接合されて、パッケージを利用して放熱させてもよい。

　図２のレーザ素子１では、励起光源２と固体レーザ媒質３で発生された熱は、排熱部１３に伝熱される。排熱部１３は、励起光源２と固体レーザ媒質３からの熱を冷却部材１４に排熱する。これにより、励起光源２と固体レーザ媒質３の温度上昇を抑制することができる。よって、図２のレーザ素子１によれば、励起光源２と固体レーザ媒質３の熱的な干渉を抑制でき、励起光源２でのレーザ光の発振効率の低下を防止できるとともに、固体レーザ媒質３での光波長の変換効率の低下を防止できる。

　なお、排熱部１３は、排熱部材１７を設ける代わりに、励起光源２と固体レーザ媒質３との間に設けられるエアギャップでもよい。励起光源２と固体レーザ媒質３を、面接触しないように距離を隔てて配置することで、熱の伝達を抑制でき、熱的な干渉を防止できる。冷却部材１４は、励起光源２と固体レーザ媒質３を冷却する機能だけでなく、励起光源２と固体レーザ媒質３とを、エアギャップを維持した状態で支持する機能を有する。エアギャップ部分には、空気が存在するが、空気の熱伝導率は励起光源２や固体レーザ媒質３の熱伝導率よりも低いため、励起光源２と固体レーザ媒質３の間での熱の伝達を抑制でき、励起光源２と固体レーザ媒質３の間での熱干渉を防止できる。

　（排熱部１３の第２形態）
　図３は第２形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図３のレーザ素子１は、図２のレーザ素子１に可飽和吸収体４を追加したものである。図３に示すように、可飽和吸収体４は、固体レーザ媒質３の端面に接合される。図３のレーザ素子１における第２共振器１２は、図１と同様に、固体レーザ媒質３内の第２反射層Ｒ２と可飽和吸収体４内の第４反射層Ｒ４との間で、第２波長λ２の光を共振させる。

　図３のレーザ素子１は、図２と同様の排熱部１３を備えているため、励起光源２と固体レーザ媒質３の熱的な干渉を抑制できる。

　（排熱部１３の第３形態）
　図４は第３形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図４のレーザ素子１は、排熱部１３が二層構造になっており、サファイア等の排熱部材１７の表面に、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属層１８を配置している。金属層１８は、排熱部材１７の上に、例えば蒸着やスパッタなどにより形成される。冷却部材１４、排熱部１３、及び固体レーザ媒質３の側面には冷却部材１４が接合されているため、排熱部材１７の表面に金属層１８を配置することで、固体レーザ媒質３からの熱を、金属層１８を介して排熱部材１７と冷却部材１４により効率よく伝熱でき、排熱部１３の排熱性能がより向上する。ただし、第１波長の光が金属層に吸収すると発熱するため、第1波長の光路は避ける必要がある。

　図４のレーザ素子１は、可飽和吸収体４を備えていないが、図３と同様に、固体レーザ媒質３の端面に可飽和吸収体４を接合してもよい。

　（排熱部１３の第４形態）
　図５は第４形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図５のレーザ素子１は、排熱部１３の構造が第１～第３形態とは異なる。図５の排熱部１３は、第１領域１３ａと第２領域１３ｂとを有する。第１領域１３ａは、光軸を含む領域であり、排熱部１３の略中央に配置されている。第１領域１３ａは、第１波長の光を透過させる領域である。第１領域１３ａは、第１波長の光を透過させる透明材料層でもよいし、単なるエアギャップでもよい。第２領域１３ｂは、第１領域１３ａの周囲に配置され、固体レーザ媒質３よりも熱伝導率の高い領域である。第２領域１３ｂは、複数のビアとして配置されてもよい。第１領域１３ａがエアギャップの場合、第２領域１３ｂは、第１領域１３ａのエアギャップを支持するためのスペーサ部材として機能する。第２領域１３ｂは、絶縁材料又は金属材料であり、例えば、サファイアやダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料で形成される。

　励起光源２と固体レーザ媒質３で発生された熱は、排熱部１３内の第２領域１３ｂにて排熱される。第２領域１３ｂは、励起光源２と固体レーザ媒質３に接合されるとともに、冷却部材１４にも接合されているため、励起光源２と固体レーザ媒質３から伝達された熱を冷却部材１４に排熱することができる。

　第２領域１３ｂは、第１領域１３ａを取り囲むように円環状に形成されていてもよいし、あるいは、複数のビアで形成されてもよい。

　（排熱部１３の第５形態）
　図６は第５形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図２～図５のレーザ素子１では、ボンディングワイヤ１６にてレーザ素子１の活性層７への電流注入を行っている。ボンディングワイヤ１６は、切断を防止するために、保護層で覆うのが一般的である。図６のレーザ素子１では、ボンディングワイヤ１６の保護層と冷却部材１４を一体化するものである。以下では、この一体化した部材を冷却部材１４と呼ぶことにする。図６の冷却部材１４は、励起光源２、排熱部材１７及び固体レーザ媒質３の側面に接するだけでなく、ボンディングワイヤ１６を覆うように配置されている。図６のボンディングワイヤ１６の保護層は絶縁材料で被覆されていることが望ましい。絶縁被覆材料には、樹脂材やガラス材料などが知られており、絶縁材料であれば、特定の材料には限定されない。冷却部材１４の熱伝導率は固体レーザ媒質３よりも高い材料であればよく、特定の材料には限定されない。

　なお、図５の冷却部材の側面とボンディングワイヤ１６とを覆うように保護層を設けてもよい。この場合、保護層は冷却部材とは別個に設けられる。

　（排熱部１３の第６形態）
　図７は第６形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図７のレーザ素子１は、排熱部１３の層構成が図２や図４の排熱部１３とは異なっている。図７の排熱部１３は、積層半導体層２に対向する側の表面に積層される保護層１９を有する。保護層１９は、第１波長λ１を透過させ第２波長λ２の光を反射させる層として機能する。

　排熱部１３に保護層１９を設けることで、第２共振器１２からの漏れ光を抑制でき、励起光源２での発光効率と、固体レーザ媒質３での光波長の変換効率を向上できる。
　（排熱部１３の第７形態）
　図８は第７形態による排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。本開示によるレーザ素子１内の固体レーザ媒質３で吸収された励起光のエネルギーの一部は熱に変換され、固体レーザ媒質３の温度が上昇する。その際、固体レーザ媒質３内に温度分布が生じ、その温度分布に伴う屈折率分布が生じる。無機材料からなる多くの固体レーザ媒質３は一般に、温度が高いほど屈折率が高くなり、周辺部分は屈折率が徐々に低くなる。これにより、固体レーザ媒質３中には、熱レンズと呼ばれる仮想的な集光レンズが形成される。この熱レンズ効果により、第２共振器１２の内部でレーザ光が集光される。第２共振器１２の内部では、短パルス化によってレーザ光のピーク強度が高くなっている状態のため、熱レンズ効果によるレーザ光の集光により、第１共振器と第２共振器１２内部での光損傷がより顕著に起きやすくなる。特に第１共振器を構成する積層半導体層は、バンドギャップが小さい材料で構成されているため、第２共振器１２で発生される第２波長λ２のレーザ光の漏れ光が、第１共振器に入り込むと、多光子吸収に起因する光損傷が発生しやすくなる。

　そこで、図８のレーザ素子１は、排熱部１３に加えて、第２共振器１２で発生される第２波長λ２のレーザ光のビーム径を広げる光学素子４１を備えている。光学素子４１は、固体レーザ媒質３の第２反射層Ｒ２と、第４反射層Ｒ４との間に配置されている。第４反射層Ｒ４は、レーザ素子１が可飽和吸収体４を備えていない場合には、固体レーザ媒質３の光出射面側の端面、又はこの端面よりも光軸後方側に配置される。また、レーザ素子１が可飽和吸収体４を備えている場合には、可飽和吸収体４の光出射面側の端面、又はこの端面よりも光軸後方側に配置される。

　光学素子４１は、第２波長λ２の光が集光されないように、第２波長λ２の光の少なくとも一部を反射又は屈折させる。より具体的には、光学素子４１は、入射された光が集光されないように、入射された光の少なくとも一部を反射させる凸面ミラー、又は入射された光の少なくとも一部を屈折させる光屈折部材である。

　図８の例では、可飽和吸収体４の光出射面側の端面に光学素子４１を設ける例を示している。光学素子４１は、第１波長及び第２波長λ２の光を透過させる材料の基材の固体レーザ媒質３側の端面を凹面形状に加工し、凹面に沿って例えば多層膜を形成して凸面ミラー４２を配置している。この凸面ミラー４２は、第２共振器１２の第４反射層Ｒ４として機能する。この凸面ミラー４２に入射された第２波長λ２の光は、集光されないように反射される。これにより、第２共振器１２内の第２波長λ２の光のビーム径を広げることができ、レーザ光のピークパワーを下げることができ、固体レーザ媒質３と励起光源２にて光損傷が起きにくくなる。図８では、凸面ミラー４２の下面に排熱部材１７を設けており、排熱部材１７の凸面ミラー４２に接合される側は凹面形状に加工されている。

　（排熱部１３の第８形態）
　図９は第８形態に係る排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図９のレーザ素子１における排熱部１３は、積極的な冷却機能を有する排熱部材１７を有する。例えば、排熱部材１７は、冷媒１７ａを収納及び循環させる機能を備えており、具体的な実装例として、励起光光軸部分は透明部材とし、その周囲に冷媒を収納したヒートパイプ１７ｂを設ける形態が考えられる。また、排熱部材１７にヒートパイプ１７ｂではなくレーザ素子外に通じる微細流路を設け冷媒１７ａを循環させる形態も考えられる。冷媒１７ａにより強制的に冷却することで効率よくレーザ媒質３の排熱を行うことができる。冷媒１７ａは液体でもよいし、気体でもよい。

　（排熱部１３の第９形態）
　図１０は第９形態に係る排熱部１３を備えたレーザ素子１の模式的な断面図である。図１０のレーザ素子１は、排熱部１３に加えて、光制御部材（偏光制御素子）４３を備えている。光制御部材４３は、例えば固体レーザ媒質３と可飽和吸収体４の間、又は可飽和吸収体４よりも光軸後方側に配置される。光制御部材４３は、第２波長λ２の光の屈折、回折又は偏光方向を制御する。より具体的には、光制御部材４３は、例えばフォトニック結晶層である。フォトニック結晶層は、屈折率が周期的に変化する層である。また、フォトニック結晶層にて、Ｐ偏光とＳ偏光のいずれか一方を選択することができる。また、光制御部材４３は、回折格子でもよい。

　光制御部材４３は、微細周期構造を備えていてもよい。微細周期構造は、より具体的には、例えば、フレネルレンズ、メタサーフェス構造、又はフォトニック結晶レンズである。微細周期構造を構成する凹凸の周期やサイズを調整することにより、第２波長λ２の光の屈折、回折又は偏光方向を制御できる。

　（排熱部１３の第１０形態）
　図１１Ａ、図１１Ｂ、図１１Ｃ、及び図１１Ｄは第１０形態に係る排熱部１３の平面形状を模式的に示す図である。図１１Ａ～図１１Ｃに示す排熱部１３は、上述した第１形態～第８形態のいずれかによる排熱部１３を基本構造として備えており、その基本構造に追加の技術的特徴を付加したものである。図１１Ａ～図１１Ｃに示す排熱部１３は、平面形状が多角形の冷却部材１４の中心位置にレーザ光の光軸を配置している。レーザ光の光軸の周囲には、サファイア等の排熱部材１７が配置されていてもよいし、エアギャップでもよい。レーザ光の光軸の部分が最も温度が高くなるため、その周囲に配置される排熱部材１７に均等に伝熱される構造が望ましい。そこで、図１１Ａ～図１１Ｃでは、冷却部材１４の平面形状を正ｎ角形（ｎは３以上の整数）とし、正ｎ角形の中心位置をレーザ素子１の光軸としている。また、図１１Ｄに示す排熱部１３は、平面形状が円形の冷却部材１４の中心位置にレーザ光の光軸をお配置している。これにより、正ｎ角形又は円形の各頂点から光軸までの距離が等しくなり、排熱部１３の全域に均等に熱が伝わって、冷却部材１４で放熱することができる。

　（排熱部１３の第１１形態）
　図１２は複数のレンズ素子を一次元方向又は二次元方向に配置したレーザアレイ４４の模式的な断面図である。図１２では、各レンズ素子が図２と同様の構造の排熱部１３を有する例を示しているが、第２～第１０形態のいずれかによる排熱部１３を有していてもよい。複数のレンズ素子が有する排熱部１３は、一体に接合されている。一体構造の排熱部１３は、排熱部材１７を有する。複数のレンズ素子を有するレンズアレイの側面には冷却部材１４が接合されている。冷却部材１４は、排熱部材１７に接合されている。これにより、各レンズ素子内の励起光源２と固体レンズ媒体で生じた熱は排熱部材１７に伝熱され、排熱部材１７から冷却部材１４に放熱される。

　（排熱部１３の温度分布）
　図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃ、及び図１３Ｄは、排熱部１３を設けた場合と設けない場合の、レーザアレイ４４の中央部と角部のレーザ光源の温度分布を示す図である。図１３Ａと図１３Ｂは、レーザアレイ４４の中央部のレーザ光源の温度分布を示しており、図１３Ａは排熱部１３を備えていない場合、図１３Ｂは排熱部１３を備えている場合を示している。また、図１３Ｃと図１３Ｄは、レーザアレイ４４の角部のレーザ光源の温度分布を示しており、図１３Ｃは排熱部１３を備えていない場合、図１３Ｄは排熱部１３を備えている場合を示している。

　図１３Ａ～図１３Ｄの横軸は、レーザ素子１の光軸上の位置を示しており、固体レーザ媒質３の第４反射層Ｒ４側が横軸の左側であり、支持基板９２側が横軸の右側である。図１３Ａ～図１３Ｄの縦軸は、各位置での温度である。図１３Ａと図１３Ｃには、排熱部１３を持たないレーザ素子１の温度分布ｗ１が図示されている。図１３Ｂと図１３Ｄには、それぞれ異なる排熱部１３を有する４種類のレーザ素子１の温度分布ｗ２～ｗ５が図示されている。温度分布ｗ２はサファイアからなる排熱部材１７を有する排熱部１３、温度分布ｗ３はサファイアからなる排熱部材１７と冷却部材１４を有する排熱部１３、温度分布ｗ４はダイヤモンドからなる排熱部材１７と冷却部材１４を有する排熱部１３、温度分布ｗ５はエアギャップと冷却部材１４を有する排熱部１３をそれぞれ有するレーザ素子１の温度分布を示している。冷却部材１４は、励起光源２、排熱部１３及び固体レーザ媒質３の側面に接合される銅壁である。

　図示のように、レーザアレイ４４の角部よりも中央部のレーザ素子１の方が、排熱部１３がある場合もない場合も、全体的に温度が高くなっている。また、４種類の排熱部１３の中では、ダイヤモンドからなる排熱部材１７を有する排熱部１３と冷却部材１４を備えたレーザ素子１（温度分布ｗ５）が最も温度の低減効果が大きい。その次に温度の低減効果が大きいのは、サファイアからなる排熱部材１７を有する排熱部１３と冷却部材１４を備えたレーザ素子１（温度分布ｗ４）であり、その次に温度の低減効果が大きいのは、サファイアからなる排熱部材１７を有する排熱部１３で冷却部材１４なしのレーザ素子１（温度分布ｗ３）である。最も温度の低減効果が小さいのは、エアギャップからなる排熱部１３と冷却部材１４を備えたレーザ素子１（温度分布ｗ２）であるが、エアギャップだけでも、エアギャップなしのレーザ素子１（温度分布ｗ１）よりも、温度を低下させることができる。よって、排熱部１３は、エアギャップだけも、レーザ素子１内の温度上昇を抑制するある程度の効果が得られる。

　（戻り光対策）
　また、第２共振器１２がＱスイッチにより第２波長λ２のレーザパルスを放出する際に、高ピーク強度の第２波長λ２の発振光が戻り光として励起光源２に入り込むおそれがある。励起光源２はバンドキャップの小さい半導体材料で形成されているため、戻り光により破壊されるおそれがある。このため、励起光源２と固体レーザ媒質３との間には、共振器長を短くしつつも、排熱部１３と保護層１９である短波長透過フィルタ膜（ＳＷＰＦ）を複数配置して、戻り光が励起光源２に入り込まないようにするのが望ましい。

　（本開示のレーザ素子１の製造方法）
　図１４は本開示のレーザ素子１の製造工程を模式的に示す図である。図１４は、図８で示した光損傷回避のための光学素子４１と可飽和吸収体４とを備えたレーザ素子１の製造工程を示している。また、図１４では、可飽和吸収体の上面側に光学素子４１用の凸面ミラー４２を形成する例を示している。

　まず、図１０の工程Ｓ１に示すように、可飽和吸収体４の上に載置される光学素子４１用の透明基材４５上にレジスト膜２１を塗布し、レジスト膜２１の上にフォトマスク２２を配置して、ＵＶ露光を行う。

　次に、工程Ｓ２に示すように、ドライエッチング等により、露光した箇所とレジスト膜２１を除去して、透明基材４５の上面に複数の凹部２３を形成する。複数の凹部２３には、蒸着やスパッタ等により、誘電体多層膜２４を形成して、凸面ミラー４２を形成する。

　次に、工程Ｓ３に示すように、励起光源２用の積層半導体層２と、排熱部材１７と、固体レーザ媒質３と、工程Ｓ２で加工した可飽和吸収体４とを上下方向に配置して位置合わせする。なお、排熱部材１７は、工程Ｓ３の前に、サファイア又はダイヤモンド等を蒸着又はスパッタにて積層半導体層２の上面に成膜することで形成される。

　その際、工程Ｓ４に示すように、半導体層２、固体レーザ媒質３、及び可飽和吸収体４のそれぞれの特定箇所に設けられるアライメントマーク２５をカメラ２６で撮影するなどして、アライメントマーク２５が上下に重なるように、半導体層２、固体レーザ媒質３及び可飽和吸収体４を位置合わせして接合する。次に、工程Ｓ５に示すように、ダイシングにより、個々のレーザ素子に個片化する。

　（本開示のレーザ素子１の効果）
　上述したように、本開示のレーザ素子１では、励起光源２と固体レーザ媒質３の間に排熱部１３を設けるため、励起光源２と固体レーザ媒質３の少なくとも一方で発生された熱を排熱することができる。特に、排熱部１３として、サファイアやダイヤモンド等の固体レーザ媒質３よりも熱伝導率の高い材料の排熱部材１７を用いることで、励起光源２と固体レーザ媒質３で発生された熱を効率よく排熱することができる。また、励起光源２、排熱部１３、及び固体レーザ媒質３の側面に、Ｃｕ等の冷却部材１４を接合することで、励起光源２と固体レーザ媒質３で発生された熱を、排熱部材１７を介して冷却部材１４に放熱させることができ、レーザ素子１内の温度上昇を抑制できる。

　本開示によるレーザ素子１では、第１共振器１１と第２共振器１２が、固体レーザ媒質３を共有する。また、レーザ素子１内の励起光源２、固体レーザ媒質３、及び可飽和吸収体４を含めた全光学部品の光透過面が接合プロセスによって接合固定される。さらに、励起光源２と固体レーザ媒質３との間に、上述した排熱部１３を設けることで、レーザ素子１内の温度上昇を抑制できる。これにより、レーザ素子１の信頼性と量産性が向上するとともに、低コストで高性能なレーザ素子１を得ることができる。

　本開示によれば、励起光源２に固体レーザ媒質３を接合するため、励起光源２内の定在波により、固体レーザ媒質３が励起される。励起光を第１共振器１１の内部に閉じ込める共振器設計を行うことで、第１共振器１１内をレーザ光が一回通過するだけでは、励起光を吸収しきれない厚みしか固体レーザ媒質３が持たない場合でも、レーザ光が多数回往復することで、最終的には励起光を十分に固体レーザ媒質３に吸収させることができる。これにより、励起効率を低下させることなく、より短いパルスのＱスイッチレーザ発振を行わせることができる。

　従来のＱスイッチ固体レーザでは、進行波によって固体レーザ媒質３を励起しており、励起のさせ方が本開示によるレーザ素子１とは大きく異なる。本開示によるレーザ素子１では、固体レーザ媒質３を短くすると、励起光の吸収量が下がるという上述したトレードオフを解決できる。

　また、本開示のレーザ素子１によれば、各光学部品の光透過面を直接接合することにより、機械的位置ずれによるレーザ出力の短期及び長期の変動を抑制することができる。また、全ての光学部品を接合してからダイシングして個々のレーザ光源に個片化できるため、量産性を向上させることができる。

　従来、励起光源２と第２共振器１２は、コリメータレンズと集光レンズを含めた複数のレンズを用いて光軸・偏心、フォーカスに対する５軸光学調整（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ，φ）を行う。また、第２共振器１２に、ビームの発散機能（負の屈折力）を持つ光学素子９を追加しようとすると、光学素子９の位置調整を精度よく行うのがさらに困難になる。

　しかしながら、本開示によるレーザ素子１では、コリメータレンズと集光レンズの複数のレンズを用いずに、励起光源２の発光点と光学素子９の凸面ミラー４２の中心位置とを位置合わせするために、アライメントマーク２５を用いるなどして接合を行うことで、厚み（Ｚ軸）方向のフォーカス位置精度や、θ，φ方向の傾きを調整する必要がなくなる。このため、本開示のレーザ素子１によれば、レーザ出力の短期及び長期変動を抑制することが可能となり、励起光源２から発振光を得るために光学調整が容易になり、かつ量産性が向上した光源を実現できる。

　また、本開示によるレーザ素子１では、第１共振器１１の光軸と第２共振器１２の光軸とが同軸になるように、一体化された積層構造を採用している。本開示によるレーザ素子１では、複雑な位置および角度のアラインメントを行う必要がなく、構造が簡略化されている。このため、レーザ素子１を小型化することが容易になる。

　また、同一の半導体基板５上に、複数の材料を積層または接合することによって、本開示によるレーザ素子１を同時に複数個形成することができる。複数のレーザ素子１を同時に形成した後の後工程でダイシングをし、各レーザ素子１を個片化することで、低いコストで高性能なレーザ素子１を量産することができる。また、本開示のレーザ素子１によれば、一つの基板に複数のレーザ素子１が二次元状に配置されたレーザアレイ４４も容易に作製できる。

　また、本開示によるレーザ素子１では、固体レーザ媒質３の種類によって、レーザパルスの繰り返し周波数を調整することができる。特に、本開示によるレーザ素子１は、利得密度が高いため、レーザパルスの繰り返し周波数を高くすることができる。また、本開示によるレーザ素子１では、固体レーザ媒質３、Ｑスイッチ（可飽和吸収体４）、波長変換材料（非線形光学結晶）の厚さを調整するだけで、共振器長を変更することができる。すなわち、材料の厚さによってレーザパルスのパルス時間幅を変えることができるため、レーザパルスの特性を容易に調整することができる。特に、レーザパルスのパルス時間幅を短くすることにより、微細加工分野における加工精度を高くすることができる。

　さらに、本開示によるレーザ素子１を１次元のアレイ状または２次元のアレイ状に配列することにより、高い加工精度と、高い出力エネルギーとを両立したレーザ装置を得ることができる。また、本開示によるレーザ素子１は、高効率の波長変換技術、医療機器および測距などその他の分野に適用することが可能である。

　図１のレーザ素子１は、励起光源２、固体レーザ媒質３、及び可飽和吸収体４が一体に接合している例を示したが、図１５に示すように、励起光源２と固体レーザ媒質３の間には、第１波長λ１の光を透過させる第１透明媒質２７が配置されていてもよい。

　また、同じく図１５に示すように、固体レーザ媒質３と可飽和吸収体４の間には、第２波長λ２の光を透過させる第２透明媒質２８が配置されていてもよい。なお、第１透明媒質２７と第２透明媒質２８のいずれか一方だけが配置されていてもよい。

　このように、励起光源２、固体レーザ媒質３、及び可飽和吸収体４は、必ずしも一体に接合されていなくてもよい。

　また、光学素子９は、図１５に示すように、可飽和吸収体４よりも、光軸後方側に配置されていてもよい。図１５の光学素子９は、第２波長λ２の光を透過させる透明部材２９を凹面形状に加工して、凸面ミラー４２を形成している。図１５の場合、励起光源２の光軸と、固体レーザ媒質３の光軸と、可飽和吸収体４の光軸と、光学素子９の光軸とは、一軸上に配置されている必要がある。

　（可飽和吸収体４を持たないレーザ素子１）
　図１では、レーザ素子１が可飽和吸収体４を備えており、短パルスのパルスレーザ光を放出する例を示したが、可飽和吸収体４を持たずにＣＷレーザ光を放出するレーザ素子１においても、励起光源２と固体レーザ媒体との間で熱的な干渉が生じるおそれがある。

　図１６は可飽和吸収体４を持たないレーザ素子１の基本構成を示す図である。図１６のレーザ素子１は、図１から可飽和吸収体４を省略した構成を備えている。第１共振器１１は、図１と同様に、励起光源２内の第１反射層Ｒ１と固体レーザ媒質３内の第３反射層Ｒ３との間で、第１波長λ１の光を共振させる。一方、第２共振器１２は、図１とは異なり、固体レーザ媒質３内の第２反射層Ｒ２と第４反射層Ｒ４との間で、第２波長λ２の光を共振させる。第４反射層Ｒ４は、固体レーザ媒質３の第２面Ｆ２に配置されるか、又は第２面Ｆ２より光軸の後方側に配置される。

　図１６では、固体レーザ媒質３の第２面Ｆ２に沿って、第３反射層Ｒ３と第４反射層Ｒ４を別個に設ける例を示している。図１６のように、第４反射層Ｒ４が第３反射層Ｒ３よりも光軸の後方側に配置されている場合、第３反射層Ｒ３は、第２波長λ２の光を透過させる特性を持っている必要がある。

　第３反射層Ｒ３は高反射層であるのに対し、第４反射層Ｒ４は部分反射層である。よって、第１波長の励起光のパワーは固体レーザ媒質３内に閉じ込められ、固体レーザ媒質３が十分な励起状態となって、自然放出光の出力が上がると、第２波長λ２の光が第４反射層Ｒ４を透過して、レーザ素子１から放出される。

　なお、第３反射層Ｒ３と第４反射層Ｒ４を一つの反射層に統合してもよい。この場合、統合された反射層は、第１波長の光を反射させるとともに、第２波長λ２の光を反射させる。

　図１６のレーザ素子１内の励起光源２と固体レーザ媒質３の間に排熱部１３を設けた構成は、例えば、図２、図４、図５、図６、又は図９に示したものになる。

　（レーザ増幅素子）
　上述した本開示によるレーザ素子１の構造をレーザ増幅素子に適用することができる。従来、短パルスレーザ光の増幅は、光損傷を回避するために、増幅光のピーク強度を下げて増幅する手法が考案されて実施されている。例えば、レーザ光のパルス幅を一旦広げてその状態で増幅を行った後に、パルス幅を圧縮するチャープパルス増幅法や、レーザ光のビームを空間的に拡げてピーク強度を下げるthin disk型方式やslab型方式などがある。しかし、これらの方式はいずれも、巨大且つ複雑な光学系を必要とするため、小型化が困難で、高コストである。

　特に近年、レーザ光の高出力化技術として、slab型構造の増幅器であるInnoslab技術（独Fraunhofer Instituteで開発、独EdgeWave社及び独AMPHOS社が製品化）が話題になった。図１７ＡはInnoslabの構成を示す斜視図、図１７Ｂは図１７ＡのＹ方向から見た平面図、図１７ＣはＺ方向から見た平面図である。

　これらの図に示すように、Innoslabは、Ｘ方向の両側に設けられる２つの励起光源８１，８２と、ミラーＭ１～Ｍ６と、増幅媒質８３と、偏光子８４と、λ／４板８５とを備えている。各励起光源８１，８２は、レーザアレイ８６と、光学系Ｌ１～Ｌ３と、導波管８７とを有する。

　入力部ＩＮからは、増幅対称の微弱な光（被増幅光）が入射される。この被増幅光は、ミラーＭ２とＭ５の間で少しずつパスをずらしながら何回も往復される。被増幅光は、ミラーＭ２とＭ５の間に配置された増幅媒質８３を通過するたびに、増幅媒質８３における誘導放出により増幅され、最終的に出力部ＯＵＴから、増幅されたレーザ光が出射される。

　励起光源８１，８２内のレーザアレイ８６は、Ｚ方向に複数個がスタックされており、Ｘ方向に面状にレーザ光を出射する。レーザアレイ８６から面状に出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズＬ１にて集光されて、導波管８７に入射される。導波管８７から出射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズＬ２と光学系Ｌ３でビーム整形されて、ハーフミラーＭ４に入射される。ハーフミラーＭ４に入射されたレーザ光の一部は、ハーフミラーＭ４を透過して増幅媒質８３に入射される。

　増幅媒質８３は、多くの場合、Ｎｄ：ＹＡＧやＹｂ：ＹＡＧが用いられる。増幅媒質８３は、薄板状であり（例えば０．２ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ）、矩形の細長い端面に被増幅光が入射される。被増幅光は、いわゆる種光であり、フェムト秒レーザやピコ秒レーザ発振器から出射されるレーザパルスである。

　図１７Ａ～図１７Ｃに示すInnoslabには、２つの長所がある。１つめの長所は、増幅媒質８３中の熱流束が一次元であるため、レーザ光の増幅倍率を制限する原因となっている熱レンズや熱複屈折が起こらないことである。熱レンズや熱複屈折は、ロッド型の増幅媒質８３で顕著に起こり、レーザ光の増幅率を制限する原因となっていた。

　２つめの長所は、上述した細長い矩形状の端面から種光を入射するため、種光のビーム形状を長手方向に長くすることができ、増幅媒質８３中のピーク強度を空間的に低下させることで、増幅光による光損傷を回避できることである。

　一方、Innoslabには短所もある。図１７Ａ～図１７Ｃに示すように、Innoslabでは増幅媒質８３の両側から励起を行う構成を取るのが一般的であり、長手方向の長さは１ｍ近くにもなる。これは端面発光ＬＤモジュールの光束を増幅媒質８３の矩形端面に合うようにビーム形成するための複雑なビーム整形光学系が必要なためである。

　また、より原理的な問題として、Innoslabにおけるレーザ光の増幅倍率は、増幅媒質８３の厚みを一定とした場合にその面積で決まるが、その面積は励起光の増幅媒質８３での光吸収長によって決まる。これは、Innoslab方式の原理がいわゆるエンドポンプ型の増幅器構成であることに起因しており、レーザ光の増幅倍率には励起光の光吸収長で決まる限界が存在する。

　例えば、増幅媒質８３としてＹｂ：ＹＡＧを用いて、励起光の波長が９４０ｎｍとすると、Ｙｂ：ＹＡＧの入射面から約５ｍｍ程度で励起光が吸収されるようにする。両側からＹｂ：ＹＡＧを励起するため、Ｙｂ：ＹＡＧの長さは１０ｍｍ程度にする。Ｙｂ：ＹＡＧの長さを１０ｍｍより長くすると、Ｙｂ：ＹＡＧの内部に励起されていない領域が生じる。このため、増幅媒質８３では、励起光の吸収長で決まる長さ程度の増幅率しか得られない。よって、励起光の吸収長で決まる増幅媒質８３のサイズによって増幅率の上限が決まってしまう。

　図１８Ａは本開示によるレーザ増幅素子５０の断面図、図１８Ｂは本開示によるレーザ増幅素子５０の斜視図である。また、図１８Ｃはレーザ増幅素子５０内でのレーザ光の光路を模式的に示す平面図である。

　図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０は、支持基板５１上にサブマウント基板５２を介して配置される励起光源５３と、励起光源５３の上に配置される固体レーザ媒質５４とを備えており、可飽和吸収体４は設けられていない。固体レーザ媒質５４は、例えばＹｂ：ＹＡＧである。後述するように、励起光源５３と固体レーザ媒質５４とで第１共振器５５が構成され、第１波長の光が図１８Ａの上下方向（積層方向）に共振される。より具体的には、第１共振器５５は、励起光源５３内の第１反射層Ｒ１（ｐ－ＤＢＲ７２）と、固体レーザ媒質５４内の第２反射層Ｒ２との間で第１波長の光を共振させる。図１のレーザ素子１内の固体レーザ媒質３は、励起光源２に対向する端面に第２反射層Ｒ２を有し、可飽和吸収体４に対向する端面に第３反射層Ｒ３を有していたが、図１８Ａの固体レーザ媒質５４は、励起光源５３に対向する端面には反射層は不要であり、その反対側の端面に第２反射層Ｒ２を有する。

　また、図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０は、固体レーザ媒質５４の対向する第１側面５４Ｓ１及び第２側面５４Ｓ２に沿って配置される第１反射部材５６及び第２反射部材５７と、第１反射部材５６及び第２反射部材５７の間で第２波長λ２の光を複数回往復させる増幅媒質８３として機能する固体レーザ媒質５４とを備えている。

　第１反射部材５６及び第２反射部材５７は、平坦な反射ミラーを有していてもよいし、増幅の過程で光密度が高まり、材料の光損傷を回避するために、凸面形状の反射ミラーを有していてもよい。

　図１８Ａでは、固体レーザ媒質５４の第１側面５４Ｓ１及び第２側面５４Ｓ２から距離を隔てて第１反射部材５６及び第２反射部材５７を配置しているが、第１側面５４Ｓ１及び第２側面５４Ｓ２に、半導体材料、金属材料、及び誘電体材料の少なくとも一つを積層させた多層膜を形成して、これら多層膜を反射ミラーとしてもよい。

　さらに、図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０は、第１側面５４Ｓ１に沿って設けられる光入力部ＩＮと、第２側面５４Ｓ２に沿って設けられる光出力部ＯＵＴとを備えている。光入力部ＩＮは、第２波長λ２の微弱な光（種光）を第１側面５４Ｓ１に入射する。第２波長λ２の光は、増幅媒質８３中を複数回往復し、光出力部ＯＵＴから出射される。

　また、図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０は、第１排熱部材６０と第２排熱部材６１を備えていてもよい。第１排熱部材６０は、励起光源５３と固体レーザ媒質５４の間に配置され、励起光源５３と固体レーザ媒質５４の少なくとも一方で発生された熱を排熱する。第２排熱部材６１は、固体レーザ媒質５４の励起光源５３に対向する端面とは反対側の端面に接合され、固体レーザ媒質５４で発生された熱を排熱する。

　なお、励起光源５３と固体レーザ媒質５４の間の熱的な干渉が大きくない場合には、第１排熱部材６０と第２排熱部材６１の少なくとも一方を省略してもよい。

　第１排熱部材６０と第２排熱部材６１は、固体レーザ媒質５４よりも熱伝導率が高い材料であり、例えばサファイアやＹＡＧなどである。第１排熱部材６０と第２排熱部材６１は、第１波長の光を透過する透明材料である。

　また、図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０は、冷却部材６２を備えていてもよい。冷却部材６２は、励起光源５３、第１排熱部材６０、及び固体レーザ媒質５４の側面に接合され、励起光源５３及び固体レーザ媒質５４の少なくとも一方から第１排熱部材６０に伝達された熱を放熱する。冷却部材６２は、例えば、Ｃｕなどの熱伝導率の高い金属材料である。冷却部材６２は、不図示のパッケージに接合されていてもよく、冷却部材６２からパッケージに放熱してもよい。

　図１８Ａ～図１８Ｃによるレーザ増幅素子５０における支持基板５１は、例えばＣｕ基板であり、その上にはサブマウント基板５２が配置されている。サブマウント基板５２は、例えばＳｉＣ層６４とＡｕＳｎ層６５の積層構造であり、ＡｕＳｎ層６５の上に、励起光源５３のｐ電極７３とｎ電極７４が互いに電気的に絶縁されて接合されている。

　励起光源５３は、ｎ－ＧａＡｓ基板６６の上に、ｎ－コンタクト層６７、ｎ－ＤＢＲ６８、クラッド層６９、活性層７０、クラッド層７１、及びｐ－ＤＢＲ７２を順に積層した積層半導体層である。ｐ－ＤＢＲ７２の上には、ｐ電極７３とｎ電極７４が交互に配置されている。ｐ電極７３はｐ－ＤＢＲ７２に導通され、ｎ電極７４はビア７５を介してｎ－ＤＢＲ６８に導通されている。

　本開示によるレーザ増幅素子５０は、図１と同様に、第１共振器５５を有する。第１共振器５５は、励起光源５３内の第１反射層Ｒ１と固体レーザ媒質５４内の第２反射層Ｒ２との間で、第１波長の光を共振させる。第１反射層Ｒ１はｐ－ＤＢＲ７２であり、第２反射層Ｒ２は例えば第２排熱部材６１の上面に配置される。第１共振器５５による第１波長の光の共振動作により、固体レーザ媒質５４が励起される。図１８Ａでは、第１共振器５５による共振動作を模式的に細線で示している。励起状態となった固体レーザ媒質５４に対して、図１８Ａの右端から左方向に、第２波長λ２の被増幅光（種光）を入射させる。これにより、被増幅光の誘導放出が生じ、被増幅光はレーザ増幅される。

　また、Ｙｂ：ＹＡＧを増幅媒質８３として用いる場合に、波長１０３０ｎｍのレーザ光を種光として用いると、増幅媒質８３内の励起されていない領域で吸収されてしまい、十分な増幅が行えないという問題が起こる。このため、Ｙｂ：ＹＡＧを増幅媒質８３として用いる場合には、非励起状態でも光吸収を起こさない１０５０ｎｍの波長の種光を用いることができる。この場合、非励起状態でも光吸収を起こさなければ良いので、種光の波長は１０５０ｎｍに限るものではない。

　このように、固体レーザ媒質５４を第１共振器５５の内部に設けることで、図１７Ａ～図１７Ｃに示すように固体レーザ媒質５４の両端面から固体レーザ媒質５４を励起させる場合に必要であった２つの励起光源５３が不要となり、光学構成を大幅に簡略化でき、小型化が可能になる。

　また、本開示によるレーザ増幅素子５０内の固体レーザ媒質５４のサイズは、励起光の吸収長による制限がないため、励起光の吸収長に関係なく、固体レーザ媒質５４の面積を大きくできる。固体レーザ媒質５４の面積を大きくすることで、レーザ増幅素子５０の増幅率をより向上できる。

　さらに、本開示によるレーザ増幅素子５０は、積層半導体層からなる励起光源５３と、固体レーザ媒質５４とを一体的に接合することができ、汎用的な半導体プロセスで製造できることから、小型化が容易で、製造コストも削減できる。

　また、本開示によるレーザ増幅素子５０は、固体レーザ媒質５４の両面に第１排熱部材６０と第２排熱部材６１を接合するため、固体レーザ媒質５４の温度上昇を抑制でき、励起光源５３と固体レーザ媒質５４の熱的な干渉を防止できる。

　励起光源５３と固体レーザ媒質５４の熱を第１排熱部材６０に効率よく排熱させるために、第１排熱部材６０に複数のビア部材７６を設けてもよい。図１９Ａは図１８Ａの第１排熱部材６０の排熱性能を向上させたレーザ増幅素子５０の断面図である。図１９Ａの第１排熱部材６０は、第１排熱部材６０を貫通して励起光源５３と固体レーザ媒質５４に接合される複数のビア部材７６を有する。これらのビア部材７６は、第１排熱部材６０の基材よりも熱伝導性の高い材料で充填されている。

　図１９Ｂは、図１９ＡのＡ－Ａ線方向の横断面図である。図１９Ｂは、二次元方向に一定間隔で複数のビア部材７６が配置されている例を示すが、ビア部材７６の配置場所や径サイズ、個数は任意である。複数のビア部材７６の熱伝導率は固体レーザ媒質５４の熱伝導率よりも高いため、励起光源５３と固体レーザ媒質５４からビア部材７６に伝熱された熱は、第１排熱部材６０を介して冷却部材６２に排熱される。

　このように、図１８Ａ～図１８Ｃ、又は図１９Ａ～図１９Ｂに示すレーザ増幅素子５０では、励起光源５３内の第１反射層Ｒ１と、固体レーザ媒質５４内の第２反射層Ｒ２にて構成される第１共振器５５にて、積層方向に第１波長の光を共振させて、固体レーザ媒質５４を励起状態にし、その状態で、固体レーザ媒質５４の端面から第２波長λ２の光を水平方向に入射させて、固体レーザ媒質５４の対向する２つの端面に沿って設けられる２つの反射ミラー間で何度も反射させることで、第２波長λ２の光を十分に増幅させて出射することができる。

　図１８Ａ～図１８Ｃ、又は図１９Ａ～図１９Ｂに示すレーザ増幅素子５０によれば、励起光源５３と固体レーザ媒質５４が一体化した構造であり、半導体プロセス技術を利用して形成できるため、小サイズでありながら、固体レーザ媒質５４を励起状態にすることができる。また、光増幅するべき第２波長λ２の光は、固体レーザ媒質５４の端面から水平方向に入射され、固体レーザ媒質５４の対向する２つの側面５４Ｓ１、５４Ｓ２に沿って配置される第１反射部材５６及び第２反射部材５７にて反射を繰り返すことで、第２波長λ２の光の増幅を行うため、小サイズでありながら、十分な増幅率で光増幅させることができる。

　＜＜応用例＞＞
　本開示に係る技術は、医療イメージングシステム（以下では、電子機器とも呼ぶ）、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）装置などの測距システム、レーザ加工装置用の光源などに幅広く適用することができる。医療イメージングシステムは、イメージング技術を用いた医療システムであり、例えば、内視鏡システムや顕微鏡システムである。

　［内視鏡システム］
　内視鏡システムの例を図２０、図２１を用いて説明する。図２０は、本開示に係る技術が適用可能な内視鏡システム５０００の概略的な構成の一例を示す図である。図２１は、内視鏡５００１およびＣＣＵ（Camera Control Unit）５０３９の構成の一例を示す図である。図２０では、手術参加者である術者（例えば、医師）５０６７が、内視鏡システム５０００を用いて、患者ベッド５０６９上の患者５０７１に手術を行っている様子が図示されている。図２０に示すように、内視鏡システム５０００は、医療イメージング装置である内視鏡５００１と、ＣＣＵ５０３９と、光源装置５０４３と、記録装置５０５３と、出力装置５０５５と、内視鏡５００１を支持する支持装置５０２７と、から構成される。

　内視鏡手術では、トロッカ５０２５と呼ばれる挿入補助具が患者５０７１に穿刺される。そして、トロッカ５０２５を介して、内視鏡５００１に接続されたスコープ５００３や術具５０２１が患者５０７１の体内に挿入される。術具５０２１は例えば、電気メス等のエネルギーデバイスや、鉗子などである。

　内視鏡５００１によって撮影された患者５０７１の体内を映した医療画像である手術画像が、表示装置５０４１に表示される。術者５０６７は、表示装置５０４１に表示された手術画像を見ながら術具５０２１を用いて手術対象に処置を行う。なお、医療画像は手術画像に限らず、診断中に撮像された診断画像であってもよい。

　［内視鏡］
　内視鏡５００１は、患者５０７１の体内を撮像する撮像部であり、例えば、図２１に示すように、入射した光を集光する集光光学系５００５１と、撮像部の焦点距離を変更して光学ズームを可能とするズーム光学系５００５２と、撮像部の焦点距離を変更してフォーカス調整を可能とするフォーカス光学系５００５３と、受光素子５００５４と、を含むカメラ５００５である。内視鏡５００１は、接続されたスコープ５００３を介して光を受光素子５００５４に集光することで画素信号を生成し、ＣＣＵ５０３９に伝送系を通じて画素信号を出力する。なお、スコープ５００３は、対物レンズを先端に有し、接続された光源装置５０４３からの光を患者５０７１の体内に導光する挿入部である。スコープ５００３は、例えば硬性鏡では硬性スコープ、軟性鏡では軟性スコープである。スコープ５００３は直視鏡や斜視鏡であってもよい。また、画素信号は画素から出力された信号に基づいた信号であればよく、例えば、ＲＡＷ信号や画像信号である。また、内視鏡５００１とＣＣＵ５０３９とを接続する伝送系にメモリを搭載し、メモリに内視鏡５００１やＣＣＵ５０３９に関するパラメータを記憶する構成にしてもよい。メモリは、例えば、伝送系の接続部分やケーブル上に配置されてもよい。例えば、内視鏡５００１の出荷時のパラメータや通電時に変化したパラメータを伝送系のメモリに記憶し、メモリから読みだしたパラメータに基づいて内視鏡の動作を変更してもよい。また、内視鏡と伝送系をセットにして内視鏡と称してもよい。受光素子５００５４は、受光した光を画素信号に変換するセンサであり、例えばＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）タイプの撮像素子である。受光素子５００５４は、Ｂａｙｅｒ配列を有するカラー撮影可能な撮像素子であることが好ましい。また、受光素子５００５４は、例えば４Ｋ（水平画素数３８４０×垂直画素数２１６０）、８Ｋ（水平画素数７６８０×垂直画素数４３２０）または正方形４Ｋ（水平画素数３８４０以上×垂直画素数３８４０以上）の解像度に対応した画素数を有する撮像素子であることが好ましい。受光素子５００５４は、１枚のセンサチップであってもよいし、複数のセンサチップでもよい。例えば、入射光を所定の波長帯域ごとに分離するプリズムを設けて、各波長帯域を異なる受光素子で撮像する構成であってもよい。また、立体視のために受光素子を複数設けてもよい。また、受光素子５００５４は、チップ構造の中に画像処理用の演算処理回路を含んでいるセンサであってもよいし、ＴｏＦ（Time　of　Flight）用センサであってもよい。なお、伝送系は例えば光ファイバケーブルや無線伝送である。無線伝送は、内視鏡５００１で生成された画素信号が伝送可能であればよく、例えば、内視鏡５００１とＣＣＵ５０３９が無線接続されてもよいし、手術室内の基地局を経由して内視鏡５００１とＣＣＵ５０３９が接続されてもよい。このとき、内視鏡５００１は画素信号だけでなく、画素信号に関連する情報（例えば、画素信号の処理優先度や同期信号等）を同時に送信してもよい。なお、内視鏡はスコープとカメラを一体化してもよく、スコープの先端部に受光素子を設ける構成としてもよい。

　［ＣＣＵ（Camera　Control　Unit）］
　ＣＣＵ５０３９は、接続された内視鏡５００１や光源装置５０４３を統括的に制御する制御装置であり、例えば、図２１に示すように、ＦＰＧＡ５０３９１、ＣＰＵ５０３９２、ＲＡＭ５０３９３、ＲＯＭ５０３９４、ＧＰＵ５０３９５、Ｉ／Ｆ５０３９６を有する情報処理装置である。また、ＣＣＵ５０３９は、接続された表示装置５０４１や記録装置５０５３、出力装置５０５５を統括的に制御してもよい。例えば、ＣＣＵ５０３９は、光源装置５０４３の照射タイミングや照射強度、照射光源の種類を制御する。また、ＣＣＵ５０３９は、内視鏡５００１から出力された画素信号に対して現像処理（例えばデモザイク処理）や補正処理といった画像処理を行い、表示装置５０４１等の外部装置に処理後の画素信号（例えば画像）を出力する。また、ＣＣＵ５０３９は、内視鏡５００１に対して制御信号を送信し、内視鏡５００１の駆動を制御する。制御信号は、例えば、撮像部の倍率や焦点距離などの撮像条件に関する情報である。なお、ＣＣＵ５０３９は画像のダウンコンバート機能を有し、表示装置５０４１に高解像度（例えば４Ｋ）の画像を、記録装置５０５３に低解像度（例えばＨＤ）の画像を同時に出力可能な構成としてもよい。

　また、ＣＣＵ５０３９は、信号を所定の通信プロトコル（例えば、ＩＰ（Internet　Protocol））に変換するＩＰコンバータを経由して外部機器（例えば、記録装置や表示装置、出力装置、支持装置）と接続されてもよい。ＩＰコンバータと外部機器との接続は、有線ネットワークで構成されてもよいし、一部または全てのネットワークが無線ネットワークで構築されてもよい。例えば、ＣＣＵ５０３９側のＩＰコンバータは無線通信機能を有し、受信した映像を第５世代移動通信システム（５Ｇ）、第６世代移動通信システム（６Ｇ）等の無線通信ネットワークを介してＩＰスイッチャーや出力側ＩＰコンバータに送信してもよい。

　［光源装置］
　光源装置５０４３は、所定の波長帯域の光を照射可能な装置であり、例えば、複数の光源と、複数の光源の光を導光する光源光学系と、を備える。光源は、例えばキセノンランプ、ＬＥＤ光源やＬＤ光源である。光源装置５０４３は、例えば三原色Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれに対応するＬＥＤ光源を有し、各光源の出力強度や出力タイミングを制御することで白色光を出射する。また、光源装置５０４３は、通常光観察に用いられる通常光を照射する光源とは別に、特殊光観察に用いられる特殊光を照射可能な光源を有していてもよい。特殊光は、通常光観察用の光である通常光とは異なる所定の波長帯域の光であり、例えば、近赤外光（波長が７６０ｎｍ以上の光）や赤外光、青色光、紫外光である。通常光は、例えば白色光や緑色光である。特殊光観察の一種である狭帯域光観察では、青色光と緑色光を交互に照射することにより、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影することができる。また、特殊光観察の一種である蛍光観察では、体組織に注入された薬剤を励起する励起光を照射し、体組織または標識である薬剤が発する蛍光を受光して蛍光画像を得ることで、通常光では術者が視認しづらい体組織等を、術者が視認しやすくすることができる。例えば、赤外光を用いる蛍光観察では、体組織に注入されたインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の薬剤に励起波長帯域を有する赤外光を照射し、薬剤の蛍光を受光することで、体組織の構造や患部を視認しやすくすることができる。また、蛍光観察では、青色波長帯域の特殊光で励起され、赤色波長帯域の蛍光を発する薬剤（例えば５－ＡＬＡ）を用いてもよい。なお、光源装置５０４３は、ＣＣＵ５０３９の制御により照射光の種類を設定される。ＣＣＵ５０３９は、光源装置５０４３と内視鏡５００１を制御することにより、通常光観察と特殊光観察が交互に行われるモードを有してもよい。このとき、通常光観察で得られた画素信号に特殊光観察で得られた画素信号に基づく情報を重畳されることが好ましい。また、特殊光観察は、赤外光を照射して臓器表面より奥を見る赤外光観察や、ハイパースペクトル分光を活用したマルチスペクトル観察であってもよい。さらに、光線力学療法を組み合わせてもよい。

　［記録装置］
　記録装置５０５３は、ＣＣＵ５０３９から取得した画素信号（例えば画像）を記録する装置であり、例えばレコーダーである。記録装置５０５３は、ＣＣＵ５０３９から取得した画像をＨＤＤやＳＤＤ、光ディスクに記録する。記録装置５０５３は、病院内のネットワークに接続され、手術室外の機器からアクセス可能にしてもよい。また、記録装置５０５３は画像のダウンコンバート機能またはアップコンバート機能を有していてもよい。

　［表示装置］
　表示装置５０４１は、画像を表示可能な装置であり、例えば表示モニタである。表示装置５０４１は、ＣＣＵ５０３９から取得した画素信号に基づく表示画像を表示する。なお、表示装置５０４１はカメラやマイクを備えることで、視線認識や音声認識、ジェスチャによる指示入力を可能にする入力デバイスとしても機能してよい。

　［出力装置］
　出力装置５０５５は、ＣＣＵ５０３９から取得した情報を出力する装置であり、例えばプリンタである。出力装置５０５５は、例えば、ＣＣＵ５０３９から取得した画素信号に基づく印刷画像を紙に印刷する。

　［支持装置］
　支持装置５０２７は、アーム制御装置５０４５を有するベース部５０２９と、ベース部５０２９から延伸するアーム部５０３１と、アーム部５０３１の先端に取り付けられた保持部５０３２とを備える多関節アームである。アーム制御装置５０４５は、ＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、所定のプログラムに従って動作することにより、アーム部５０３１の駆動を制御する。支持装置５０２７は、アーム制御装置５０４５によってアーム部５０３１を構成する各リンク５０３５の長さや各関節５０３３の回転角やトルク等のパラメータを制御することで、例えば保持部５０３２が保持する内視鏡５００１の位置や姿勢を制御する。これにより、内視鏡５００１を所望の位置または姿勢に変更し、スコープ５００３を患者５０７１に挿入でき、また、体内での観察領域を変更できる。支持装置５０２７は、術中に内視鏡５００１を支持する内視鏡支持アームとして機能する。これにより、支持装置５０２７は、内視鏡５００１を持つ助手であるスコピストの代わりを担うことができる。また、支持装置５０２７は、後述する顕微鏡装置５３０１を支持する装置であってもよく、医療用支持アームと呼ぶこともできる。なお、支持装置５０２７の制御は、アーム制御装置５０４５による自律制御方式であってもよいし、ユーザの入力に基づいてアーム制御装置５０４５が制御する制御方式であってもよい。例えば、制御方式は、ユーザの手元の術者コンソールであるマスター装置（プライマリ装置）の動きに基づいて、患者カートであるスレイブ装置（レプリカ装置）としての支持装置５０２７が制御されるマスタ・スレイブ方式でもよい。また、支持装置５０２７の制御は、手術室の外から遠隔制御が可能であってもよい。

　以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡システム５０００の一例について説明した。例えば、本開示に係る技術は、顕微鏡システムに適用されてもよい。

　［顕微鏡システム］
　図２２は、本開示に係る技術が適用され得る顕微鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。なお、以下の説明において、内視鏡システム５０００と同様の構成については、同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。

　図２２では、術者５０６７が、顕微鏡手術システム５３００を用いて、患者ベッド５０６９上の患者５０７１に対して手術を行っている様子を概略的に示している。なお、図２２では、簡単のため、顕微鏡手術システム５３００の構成のうちカート５０３７の図示を省略するとともに、内視鏡５００１に代わる顕微鏡装置５３０１を簡略化して図示している。ただし、本説明における顕微鏡装置５３０１は、リンク５０３５の先端に設けられた顕微鏡部５３０３を指していてもよいし、顕微鏡部５３０３及び支持装置５０２７を含む構成全体を指していてもよい。

　図２２に示すように、手術時には、顕微鏡手術システム５３００を用いて、顕微鏡装置５３０１によって撮影された術部の画像が、手術室に設置される表示装置５０４１に拡大表示される。表示装置５０４１は、術者５０６７と対向する位置に設置されており、術者５０６７は、表示装置５０４１に映し出された映像によって術部の様子を観察しながら、例えば患部の切除等、当該術部に対して各種の処置を行う。顕微鏡手術システムは、例えば眼科手術や脳外科手術に使用される。

　以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡システム５０００及び顕微鏡手術システム５３００の例についてそれぞれ説明した。なお、本開示に係る技術が適用され得るシステムはかかる例に限定されない。例えば、支持装置５０２７は、その先端に内視鏡５００１又は顕微鏡部５３０３に代えて他の観察装置や他の術具を支持し得る。当該他の観察装置としては、例えば、鉗子、攝子、気腹のための気腹チューブ、又は焼灼によって組織の切開や血管の封止を行うエネルギー処置具等が適用され得る。これらの観察装置や術具を支持装置によって支持することにより、医療スタッフが人手で支持する場合に比べて、より安定的に位置を固定することが可能となるとともに、医療スタッフの負担を軽減することが可能となる。本開示に係る技術は、このような顕微鏡部以外の構成を支持する支持装置に適用されてもよい。

　本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、術具５０２１に好適に適用され得る。具体的には、本実施形態によるレーザ素子１から短パルスのレーザパルスを患者の患部に照射することで、患部の周囲にダメージを与えることなく、患部の治療をより安全かつ確実に行うことができる。

　なお、本技術は以下のような構成を取ることができる。
　（１）第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、レーザ素子。
　（２）前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第１部材を有する、（１）に記載のレーザ素子。
　（３）前記レーザ媒質に対向する側の前記第１部材の表面の一部またはすべてに配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質よりも熱伝導率の高い金属層を備える、（２）に記載のレーザ素子。
　（４）前記積層半導体層の側面、前記第１部材の側面、及び前記レーザ媒質の側面に接合され、前記第１部材に伝達された熱を放熱する第２部材を備える、（２）又は（３）に記載のレーザ素子。
　（５）前記積層半導体層を支持する基板と、
　前記基板上のパッドと前記積層半導体層の電極とに接続されるボンディングワイヤと、を備え、
　前記第２部材は、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の側面と、前記ボンディングワイヤとを覆うように配置される、（４）に記載のレーザ素子。
　（６）前記第１部材は、サファイア及びダイヤモンドの少なくとも一方を含み、
　前記第２部材は、金属材料を含む、（４）又は（５）に記載のレーザ素子。
　（７）前記積層半導体層に対向する側の前記第１部材の表面に配置され、前記第１波長の光を透過させ、かつ前記第２波長の光を反射させる保護層を備える、（２）乃至（６）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（８）前記第１部材は、前記第１波長の光を透過させる第１領域と、前記第１領域の周囲に配置され前記レーザ媒質より熱伝導率の高い第２領域と、を有する、（１）乃至（７）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（９）前記第２領域は、絶縁材料又は金属材料である、（８）に記載のレーザ素子。
　（１０）前記第２領域は、前記第１領域を取り囲むように配置され、
　前記第２領域の外周面又は前記外周面の角部は、前記第１領域の中心位置から等距離に位置する、（８）又は（９）に記載のレーザ素子。
　（１１）前記積層半導体層、前記排熱部、及びレーザ媒質の面方向に、複数の前記第１共振器と複数の前記第２共振器とを備える、
（１）乃至（１０）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（１２）前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置されるエアギャップを有する、（１）に記載のレーザ素子。
　（１３）前記第２反射層から前記第４反射層の間に配置され、前記第２波長の光のビーム径を拡大させる第１光学素子を備える、（１）乃至（１２）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（１４）前記第１共振器は、前記第１波長の光を光軸方向に集光させる第２光学素子を有する、（１）乃至（１３）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（１５）前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第４反射層を有する可飽和吸収体を備え、
　前記積層半導体層の光軸、前記レーザ媒質の光軸、及び前記可飽和吸収体の光軸は、一軸上に配置される、（１）乃至（１４）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
　（１６）前記積層半導体層、前記レーザ媒質、および前記可飽和吸収体は一体に接合されている、（１５）に記載のレーザ素子。
　（１７）前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、又は前記可飽和吸収体よりも光軸後方側に配置され、前記第２波長の光の偏光状態を制御する偏光制御素子を備える、（１５）又は（１６）に記載のレーザ素子。
　（１８）前記第４反射層は、前記第２共振器における出力結合鏡である、請求項１に記載のレーザ素子。
　（１９）前記積層半導体層は、前記第１反射層よりも前記レーザ媒質に近い側に配置され、前記第１波長に対する第５反射層を有し、
　前記第５反射層は、前記第１波長の光の一部を透過させる、請求項１に記載のレーザ素子。
　（２０）レーザ素子と、
　前記レーザ素子から光を放出する制御を行う制御部と、を備える電子機器であって、
　前記レーザ素子は、
　第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、電子機器。
　（２１）第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第２反射層を有するレーザ媒質と、
　前記レーザ媒質の対向する第１側面及び第２側面に沿って配置される第１反射部材及び第２反射部材と、
　前記第１側面に沿って設けられ、第２波長の光を入力する光入力部と、
　前記第２側面に沿って設けられ、前記第２波長の光を増幅して出力する光出力部と、
　前記第１反射層および前記第２反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、を備え、
　前記レーザ媒質は、前記第１反射部材及び前記第２反射部材の間で前記第２波長の光を複数回往復させる増幅媒質であり、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、レーザ増幅素子。
　（２２）前記第１共振器による前記第１波長の光の共振動作により前記レーザ媒質を励起させた状態で、前記光入力部から前記第２波長の光を入射して、前記増幅媒質で前記第２波長の光を複数回往復させた後に、前記光出力部から、前記第２波長の光を増幅して出力する、（２１）に記載のレーザ増幅素子。
　（２３）前記積層半導体層と前記レーザ媒質の間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する第１排熱部材を備え、
　前記積層半導体層の光軸、前記第１排熱部材の光軸、及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、（２１）又は（２２）に記載のレーザ増幅素子。
　（２４）前記第１排熱部材の熱伝導率は、前記レーザ媒質の熱伝導率よりも高い、（２３）に記載のレーザ増幅素子。
　（２５）前記レーザ媒質の前記積層半導体層に対向する端面とは反対側の端面に接合され、前記レーザ媒質で発生された熱を排熱する第２排熱部材を備える、（２３）又は（２４）に記載のレーザ増幅素子。
　（２６）前記第２排熱部材の熱導電率は、前記レーザ媒質の熱伝導率よりも高い、（２５）に記載のレーザ増幅素子。
　（２７）前記積層半導体層、前記第１排熱部材、及び前記レーザ媒質の側面に接合され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方から前記第１排熱部材に伝達された熱を放熱する冷却部材を備える、（２３）乃至（２６）のいずれか一項に記載のレーザ増幅素子。
　（２８）前記第１排熱部材は、前記第１排熱部材を貫通して前記積層半導体及び前記レーザ媒質に接合される複数のビア部材を有し、
　前記複数のビア部材の熱伝導率は、前記第１排熱部材の熱伝導率よりも高い、（２３）乃至（２７）のいずれか一項に記載のレーザ増幅素子。
　（２９）前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、入射された光が集光されないように反射させる凸面ミラー部材である、（２１）乃至（２８）のいずれか一項に記載のレーザ増幅素子。
　（３０）前記第１反射部材及び前記第２反射部材は、前記第１側面及び前記第２側面に配置される、半導体材料、金属材料、及び誘電体材料の少なくとも一つを積層させた多層膜である、（２１）乃至（２９）のいずれか一項に記載のレーザ増幅素子。

　本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

　１　レーザ素子、２　積層半導体層（励起光源）、３　固体レーザ媒質、４　可飽和吸収体、５　ｎ－ＧａＡｓ基板、６　クラッド層、７　活性層、８　クラッド層、９　光学素子、１１　第１共振器、１２　第２共振器、１３　排熱部、１３ａ　第１領域、１３ｂ　第２領域、１４　冷却部材（第２部材）、１６　ボンディングワイヤ、１７　排熱部材（第１部材）、１７　排熱部材、１８　金属層、１９　第１保護層、２０　第２保護層、２１　レジスト膜、２２　フォトマスク、２３　凹部、２４　誘電体多層膜、２５　アライメントマーク、２６　カメラ、２７　第１透明媒質、２８　第２透明媒質、２９　透明部材、３１　コンタクト層、３２　酸化層（例えばＡｌ２Ｏ３層）、３３　コンタクト層、３４　絶縁膜、３５　導電材料、４１　光学素子、４２　凸面ミラー、４３　光制御部材、４４　レーザアレイ、４５　透明基材、５０　レーザ増幅素子、５１　支持基板、５２　サブマウント基板、５３　励起光源、５４　固体レーザ媒質、５４Ｓ１　第１側面、５４Ｓ１　側面、５４Ｓ２　第２側面、５５　第１共振器、５６　第１反射部材、５７　第２反射部材、５８　第２共振器、６０　第１排熱部材、６１　第２排熱部材、６２　冷却部材、６４　ＳｉＣ層、６５　ＡｕＳｎ層、６６　ｎ－ＧａＡｓ基板、６７　コンタクト層、６９　クラッド層、７０　活性層、７１　クラッド層、７３　ｐ電極、７４　ｎ電極、７５　ビア、７６　ビア部材、８１　励起光源、８２　励起光源、８３　増幅媒質、８４　偏光子、８５　λ／４板、８６　レーザアレイ、８７　導波管、９１　サブマウント基板、９２　支持基板

Claims

　第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、レーザ素子。
　前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記レーザ媒質よりも熱伝導率が高い第１部材を有する、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記レーザ媒質に対向する側の前記第１部材の表面の一部またはすべてに配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質よりも熱伝導率の高い金属層を備える、請求項２に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層の側面、前記第１部材の側面、及び前記レーザ媒質の側面に接合され、前記第１部材に伝達された熱を放熱する第２部材を備える、請求項２に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層を支持する基板と、
　前記基板上のパッドと前記積層半導体層の電極とに接続されるボンディングワイヤと、を備え、
　前記第２部材は、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の側面と、前記ボンディングワイヤとを覆うように配置される、請求項４に記載のレーザ素子。
　前記第１部材は、サファイア及びダイヤモンドの少なくとも一方を含み、
　前記第２部材は、金属材料を含む、請求項４に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層に対向する側の前記第１部材の表面に配置され、前記第１波長の光を透過させ、かつ前記第２波長の光を反射させる保護層を備える、請求項２に記載のレーザ素子。
　前記第１部材は、前記第１波長の光を透過させる第１領域と、前記第１領域の周囲に配置され前記レーザ媒質より熱伝導率の高い第２領域と、を有する、請求項２に記載のレーザ素子。
　前記第２領域は、絶縁材料又は金属材料である、請求項８に記載のレーザ素子。
　前記第２領域は、前記第１領域を取り囲むように配置され、
　前記第２領域の外周面又は前記外周面の角部は、前記第１領域の中心位置から等距離に位置する、請求項８に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層、前記排熱部、及びレーザ媒質の面方向に、複数の前記第１共振器と複数の前記第２共振器とを備える、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記排熱部は、前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置されるエアギャップを有する、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記第２反射層から前記第４反射層の間に配置され、前記第２波長の光のビーム径を拡大させる第１光学素子を備える、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記第１共振器は、前記第１波長の光を光軸方向に集光させる第２光学素子を有する、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第４反射層を有する可飽和吸収体を備え、
　前記積層半導体層の光軸、前記レーザ媒質の光軸、及び前記可飽和吸収体の光軸は、一軸上に配置される、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層、前記レーザ媒質、および前記可飽和吸収体は一体に接合されている、請求項１５に記載のレーザ素子。
　前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、又は前記可飽和吸収体よりも光軸後方側に配置され、前記第２波長の光の偏光状態を制御する偏光制御素子を備える、請求項１５に記載のレーザ素子。
　前記第４反射層は、前記第２共振器における出力結合鏡である、請求項１に記載のレーザ素子。
　前記積層半導体層は、前記第１反射層よりも前記レーザ媒質に近い側に配置され、前記第１波長に対する第５反射層を有し、
　前記第５反射層は、前記第１波長の光の一部を透過させる、請求項１に記載のレーザ素子。
　レーザ素子と、
　前記レーザ素子から光を放出する制御を行う制御部と、を備える電子機器であって、
　前記レーザ素子は、
　第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する積層半導体層と、
　前記積層半導体層の光軸の後方側に配置され、前記積層半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
　前記第２面に配置されるか、又は前記第２面より光軸の後方側に配置される、前記第２波長に対する第４反射層と、
　前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
　前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、
　前記積層半導体層と前記レーザ媒質との間に配置され、前記積層半導体層及び前記レーザ媒質の少なくとも一方で発生された熱を排熱する排熱部と、を備え、
　前記積層半導体層の光軸及び前記レーザ媒質の光軸は、一軸上に配置される、電子機器。