| 【発明の名称】 |
半導体レーザ励起固体レーザ装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】笠松 直史
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| 【目的】 |
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| 【構成】 |
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【特許請求の範囲】
【請求項１】 ロッド状レンズと、シリンドリカルレンズアレイと、ミラー対とを有する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、ロッド状レンズは、半導体レーザ光のアレイの並びに垂直な方向をコメリートするものであり、シリンドリカルレンズアレイは、半導体レーザ光のアレイに平行な方向をコリメートするものであり、ミラー対は、前記コリメートされたビームを２次元アレイ状のビームに変換するものであることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項２】 前記ミラー対は、アレイ状のビームの半数を残りのビーム上に折り返して積層し２次元的な配列に変換するものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項３】 一列に並んだ直線形状を、縦横の比が１に近いビーム形状に整形するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項４】 前記ミラー対は、１個又は複数個有するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項５】 励起光源は、アレイ半導体レーザ又はスタック型半導体レーザであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを励起光源に用いた固体レーザ装置に関し、特にアレイ半導体レーザおよびスタック型半導体レーザを励起光源に用いた固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは高効率，長寿命，小サイズ，狭スペクトル幅という特長を備えており、半導体レーザを励起光源とした固体レーザ装置が近年注目を浴びている。固体レーザ結晶の端面から半導体レーザ光を入射する端面励起方式は、効率の良いレーザ発振動作によく用いられる（例えば特開昭５８−５２８８９号参照）。
【０００３】図７に従来技術の例を示す。固体レーザの発振の空間モード５（レーザ発振モード）に、半導体レーザ１００による励起光プロファイルを空間的にマッチングさせること（モードマッチング）が、高効率なシングル横モード発振動作に不可欠である。
【０００４】レーザ発振モード５は通常、直径数１００ミクロン程度の微小な円柱状である。例えばバーガー等による報告［アプライド・フィジクス・レターズ，第５１巻，第１６号，１２１２〜１２１４頁（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．５１，ｎｏ．１６，１９８７，ｐｐ．１２１２−１２１４）］に於いては、半導体レーザ光１０９を直径２００ミクロン程度にまで集光し、レーザ発振モード５とマッチングさせている。図中、１０１はコリメートレンズ，１０２は集光レンズ，１０３は固体レーザ結晶，１０４は出力鏡，１０５は固体レーザ発振光である。
【０００５】一方、半導体レーザ励起固体レーザの高出力化には、励起用の半導体レーザの高出力化が必要である。現在、高出力半導体レーザの研究開発が各方面で強力に推進されている。半導体レーザの高出力化は、（１）活性層の幅（横方向のサイズ）を伸長する方法、（２）半導体レーザ単素子（典型的には２００ミクロン幅程度）を間隙を設けて横方向に１次元的に並べるアレイ化、並びに（３）アレイ半導体レーザを縦方向に積み重ねるスタック化、に大きく分けられる。ＣＷ動作半導体レーザにおいては、（１）では４Ｗ程度、（２）で２０Ｗ程度、（３）で１００Ｗクラスが実現できている。擬似ＣＷ動作ではＣＷの数倍程度のピークパワーが得られている。
【０００６】しかし、どの方法でも半導体レーザの発光スポットサイズを拡大することに変わりなく、（２）の場合、典型的には１ｃｍ（横方向幅）×１μｍ（縦方向）の発光スポットサイズであり、（３）の場合、典型的には１ｃｍ（幅）×１ｃｍ（縦方向厚み）である。
【０００７】一般的には、高出力アレイ半導体レーザ光源を、円柱状のレーザ発振モード体積内に集光することは、かなり困難である。その理由は、アレイ半導体レーザ光は縦横の大きさが極度に異なる発光領域を持つためである。すなわち、アレイの並んでいる方向（ｘ軸とする）のサイズは１ｃｍ程度であるため、これを例えば５００ミクロンのサイズまで絞ることになるが、これを実現するのは通常の光学系では一般には困難で、１〜２ｍｍ程度の直径にしか絞れない（例えば、オプティクス・レターズ，第１７巻，第１４号，１０００〜１００２頁（ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．４，（１９９２）ｐｐ．１０００−１００２）］。またｘ軸方向の発散角が増加して円柱状のレーザモードから外れてしまうという問題点がある。
【０００８】特開平４−４８６６４号においては、高出力のアレイ半導体レーザ１０６を端面励起に用いる固体レーザ装置が記載されている（図８参照）。アレイ単素子１１１からのレーザ光１１０を分布屈折率型レンズアレイ１０８を用いて平行化（コリメート）した後、球面レンズ１０２で固体レーザ結晶１０３に集光する構成を取っている。この場合は、アレイ半導体レーザ１０６を１ｃｍの発光領域を持つ光源としてコリメート、集光するのではなく、アレイ単素子（２００ミクロン長×１ミクロン厚）を別々にコリメートするため、一個の単素子で決まる集光スポットサイズまで原理的には絞れる。
【０００９】高出力アレイ半導体レーザ励起固体レーザにおいては、側面励起方式を採る場合が多かった。例えばコマスキー等による報告［アイ・イー・イー・イー，ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス，第２８巻，第４号，９９２〜９９６頁（ＩＥＥＥ，Ｊ−ＱＥ，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．４（１９９２）ｐｐ．９９２−９９６）］ではアレイ半導体レーザをスラブ型レーザ結晶の側方励起に用いる技術が記載されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題点は、レーザ発振モード５の体積内にうまく半導体レーザ光１０９を集光して入射できないため、効率の良い端面励起が実現できないということにある。
【００１１】その理由は、レンズアレイを用いた既存の方式（特開平４−４８６６４号）では、集光スポットサイズはレーザ発振モード径と同程度にできるが、アレイの並ぶ方向（ｘ軸方向）の結晶への入射角が大きく、半導体レーザ光１０９が固体レーザ結晶１０３の中を伝搬するに従い、レーザ発振モード５の体積から外れていくためである。従って、マッチング効率が低下し、端面励起の効率も低下する。
【００１２】本発明の目的は、効率の良い端面励起を実現した半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、ロッド状レンズと、シリンドリカルレンズアレイと、ミラー対とを有する半導体レーザ励起固体レーザ装置であって、ロッド状レンズは、半導体レーザ光のアレイの並びに垂直な方向をコメリートするものであり、シリンドリカルレンズアレイは、半導体レーザ光のアレイに平行な方向をコリメートするものであり、ミラー対は、前記コリメートされたビームを２次元アレイ状のビームに変換するものである。
【００１４】また前記ミラー対は、アレイ状のビームの半数を残りのビーム上に折り返して積層し２次元的な配列に変換するものである。
【００１５】また一列に並んだ直線形状を、縦横の比が１に近いビーム形状に整形するものである。
【００１６】また前記ミラー対は、１個又は複数個有するものである。
【００１７】また励起光源は、アレイ半導体レーザ又はスタック型半導体レーザである。
【００１８】
【作用】ロッド状レンズとレンズアレイを用いて、アレイ半導体レーザまたはスタック型半導体レーザの各素子毎にコリメートされた半導体レーザ各素子からの楕円状のビームを、ミラー対を用いて、ｘ方向に１次元的に並ぶビーム配列から、２次元的に再配列する。このとき、アレイ半導体レーザまたはスタック型半導体レーザのｘ方向，ｙ方向の極度の非対称性が、ｘ方向の長さ（すなわちビーム数）を縮小し、ｙ方向（のビーム数）を伸長することにより緩和される。固体レーザ結晶における集光スポットサイズをレーザ発振モードに近付け、同時に結晶への入射角を低く抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図により説明する。
【００２０】図１は、アレイ半導体レーザからのレーザ光をコリメートしビームの配列を２次元化したのち、固体レーザ素子に集光して端面励起する固体レーザ装置を示す模式図である。
【００２１】図１において、本発明に係る半導体レーザ励起固体レーザ装置は、アレイ半導体レーザ１０６（またはスタック型半導体レーザ）のアレイ単素子１１１からのレーザ光を集光し固体レーザ結晶１０３を光励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置を対象とするものであって、半導体レーザ光のアレイの並びに垂直な方向（ｙ軸）をコリメートするロッド状レンズ１と、半導体レーザの素子数と同数の各素子に対応して並んだ半導体レーザ光のアレイに平行な方向（ｘ軸）をコリメートするシリンドリカルリンズアレイ２と、コリメートされた各単素子からの楕円状のビーム８を一列に配列したアレイ状のレーザ光から、半数の光をｙ軸方向に積層する２次元的な配列に変換するミラー対３と、変換された２次元アレイ状のビームを固体レーザ結晶１０３に集光し端面励起するための集光レンズ１０２とを有している。１０４は出力鏡，１０５は固体レーザ発振光である。
【００２２】典型的なアレイ半導体レーザとして、２００μｍ（ストライプ幅：ｌx）×１μｍ（層厚：ｌy）のアレイ単素子１１１（出力１Ｗ程度）が８００μｍ間隔（ｇとする）で１２素子横方向に並んだ１ｃｍ長のバー型（１２Ｗ）を考える。それぞれのビーム発散角は、１０°（アレイと平行：ｘ軸）×４５°（アレイの並びに垂直：ｙ軸）程度である。
【００２３】ここで、アレイ単素子１１１からのビームをまず、ロッドレンズ１（焦点距離ｆ1＝１．４ｍｍ）によりｙ軸方向をコリメートした後、シリンドリカルレンズアレイ２（ｆ2＝４ｍｍ，１ｍｍピッチ）によりｘ軸方向をコリメートする。
【００２４】こうして平行化された半導体レーザビームは図２に示すように、典型的に長軸１．１６ｍｍ×短軸０．９ｍｍの平行楕円ビーム８の１次元方向に１２個並んだアレイビームとなる。このアレイビームを第１段折り返し用ミラー対３により半分だけ折り返し、残りのビームの上段に積層する。１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）のビームが６（ｘ軸）×２（ｙ軸）に変換される。これを第２段折り返し用ミラー対４によりもう一度繰り返し、３（ｘ軸）×４（ｙ軸）のビームアレイに変換する。
【００２５】ここで、１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）のビームアレイを集光レンズ１０２により集光した場合と、ミラー対により配列し直した３（ｘ軸）×４（ｙ軸）のビームを集光した場合の比較を行う。集光用には、球レンズ（焦点距離ｆ3＝１５ｍｍ）を用いる。
【００２６】各単素子の集光スポットサイズｄx（ｘ方向）×ｄy（ｙ方向）は、コリメートレンズの焦点距離と集光レンズの焦点距離の比で決まる。すなわち、ｄx＝（ｆ3／ｆ2）・ｌxｄy＝（ｆ3／ｆ1）・ｌyで与えられる。各単素子のビームは集光点で（収差を無視するか、または補償すれば）全て重ね合わされ、同じ集光スポットサイズをもつ。これは１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）ビームでも、３（ｘ軸）×４（ｙ軸）ビームでも原理的には変わらない。
【００２７】一方、固体レーザ結晶１０３への入射角は両者で大きく異なる。すなわち、図３に示すように、ｘ軸方向について見ると、ｉ＝ｋ（−６≦ｋ≦５）番目の素子からのコリメートビームは中心軸ｉ＝０から、ｘ方向にｋ（ｇ＋ｌx）だけ離れている。従って、固体レーザ結晶１０３に集光されるとき、θ1k＝ａｒｃｔａｎ（（ｋ（ｇ＋ｉx））／ｆ3）
だけの角度を持って入射する。１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）ビームの場合、ｉ＝６とすると、θ1k＝２２度である。３（ｘ軸）×４（ｙ軸）ビームの場合、ｉ＝３として、θ1k＝１１度と約半分になる。
【００２８】固体レーザ結晶１０３においては、励起ビームの入射角に制限がある。固体レーザ結晶１０３中のレーザ発振モードを詳しく描いたのが図４である。ここでレーザ発振モード５の領域は、モード直径Ｗmと実効吸収長Ｌ＝１／α＝（１／（吸収係数））で規定できる。この中に励起光を集光して入射する必要がある。励起光が伝搬途中に、広がりすぎてしまう場合は、発振モードとのマッチングが低下し、レーザ発振の効率が低下する。マッチングを低下させずに効率良くモード領域に入射可能な、励起光の最大許容入射角は図４よりνmax＝ａｒｃｔａｎ（（Ｗm／Ｌ））
である。典型的な値として、Ｗmode＝５００ミクロン，Ｌ＝２〜４ｍｍとすると、νmax＝７度〜１４度程度となる。
【００２９】従って、１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）ビームを集光した場合、励起ビームの内、半分数程度は、入射角（θxk）が上記の最大許容入射角（θmax）を越え、マッチング効率を低下させる。３（ｘ軸）×４（ｙ軸）ビームの場合は、最大許容角以内であるため、マッチング効率が高い。
【００３０】ｙ方向についても同様の議論ができる。ｙ方向は図３に示すように、入射角はａｒｃｔａｎ［ビーム幅（１ｍｍ）／ｆ3］＝２度程度であるため、許容角以内に十分収まる。
【００３１】以上の議論をさらに詳しく説明するのが図５である。図５（ａ），（ｂ）が１２（ｘ軸）×１（ｙ軸）ビームを集光した場合の、集光点におけるｘ方向とｙ方向のスポットサイズと入射角を表している。図５（ａ）では、１２個のアレイからのスポットはｘ軸座標−２５０ミクロンから２５０ミクロンに分布し、スポット毎に入射角が異なる様子を示している。
【００３２】また図３において各活性層１０７からの各ビームのスポット形状６は、幅６度程度の角度広がり（ビーム集光角）を持っていることが理解されるため、幅を持たせて描いてある。図５（ｂ）は、ｙ方向のスポット形状７は、集光サイズも入射角もｘ方向に比べはるかに小さく抑えられていることを示している。グラフ上の太い実線で囲んだ領域が発振モード領域で、ｘ，ｙ方向に幅５００ミクロン程度広がり、入射角度１４度以下で囲まれる領域である。アレイの中心近傍より離れた各素子からのビームがレーザ発振モード領域に入らず、マッチング効率が低下している様子が分かる。
【００３３】図５（ｃ），（ｄ）は３（ｘ軸）×４（ｙ軸）ビームを集光した場合である。ｘ方向の配列数を減少させｙ方向に積層したため、ｘ方向の入射角は１／４に低下でき、許容角以内にできる。ｙ方向は、４倍になるが、２度×４倍＝８度程度で、許容角以内に抑えられる。このため、２次元的に配列することによるマッチング効率の向上が、レーザ発振効率向上の効果を来す。
【００３４】本発明の別の実施形態を示す。本発明は、原理的にどのような数のアレイ半導体レーザでも適用可能であるため、例えば奇数個の素子数であっても適当なところで分割し、再配列を施せば同じ効果が得られる。
【００３５】また、より多数の素子数のアレイ半導体レーザであっても、分割／再配列を繰り返すことにより、同じ効果が得られる。例えば、ｎ素子が並ぶアレイ半導体レーザでは、ｌｏｇ2ｎ回の配列作業を行えば良い。ｎ＝１００でも７組のミラー対で２次元配列できる。
【００３６】スタック半導体レーザでも同様のことができる。図６に示すように、例えば、１０素子×３層のスタック半導体レーザにおいては、コリメートされたアレイ単素子のスポット形状は、図５に示すように２個の５（ｘ軸）×３（ｙ軸）のビーム配列に分け、それをｙ軸方向に積層することにより、５（ｘ軸）×６（ｙ軸）の比較的対称に近いビーム配列に直せる。原理的には如何なる形状のスタック型半導体レーザであっても、ビーム再配列は容易に行え、より、端面励起したビームに変換することができる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、アレイ半導体レーザやスタック型半導体レーザを固体レーザ結晶励起用光源として用いる場合、その励起光学系として上記のような構成を持つアレイ半導体レーザ（またはスタック型半導体レーザ）励起固体レーザ装置は、従来のアレイ半導体レーザ励起固体レーザ装置では困難であった集光スポットサイズと発散角の両方がレーザ発振モードと合致するマッチングの高い端面励起を可能にし、レーザ発振効率が高く、高い出力と良いビーム品質を得ることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２３７
【氏名又は名称】日本電気株式会社
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| 【出願日】 |
平成８年（１９９６）５月２０日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】菅野 中
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| 【公開番号】 |
特開平９−３０７１６１ |
| 【公開日】 |
平成９年（１９９７）１１月２８日 |
| 【出願番号】 |
特願平８−１２５０１０ |
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