JP2017204530A - 外部共振半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部レーザ共振器の長さを短縮することが可能な外部共振半導体レーザ装置を得ること。【解決手段】外部共振半導体レーザ装置４０は、半導体レーザ素子１の後ろ側端面の側に配置された第１波長分散素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅと半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの前側端面２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅとの間で構成された外部レーザ共振器を複数備える。外部共振半導体レーザ装置は、前側端面２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅより出射される複数のレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅが結合光学系１３を経由することにより第２波長分散素子１４の上で重畳される。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の前側端面から出射される複数の波長のビームを波長分散素子の波長分散によって結合させて出力する外部共振半導体レーザ装置に関する。

従来の外部共振半導体レーザ装置においては、半導体レーザの輝度を向上させるために、複数の発光点からのビームをレンズを用いて波長分散素子に重畳するとともに、波長分散光学素子の波長分散性により各発光点からのビームを結合し、結合したビームに対して部分透過ミラーを設置して外部レーザ共振器を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第６１９２０６２号明細書

しかしながら、特許文献１に示すような手法であれば、外部レーザ共振器の長さが長くなるため、共振器ロスが増大するため発振効率が低下し、またレーザ出力またはビーム品質が振動等の外乱に大きく影響されるという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、外部レーザ共振器の長さを短縮することが可能な外部共振半導体レーザ装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、半導体レーザ素子の後ろ側端面の側に配置された第１波長分散素子と半導体レーザ素子の前側端面との間で構成された外部レーザ共振器を複数備える。本発明は、前側端面より出射される複数のレーザビームが結合光学系を経由することにより第２波長分散素子の上で重畳される。

本発明によれば、外部レーザ共振器の長さを短縮することが可能な外部共振半導体レーザ装置を実現できるという効果を奏する。

また、外部レーザ共振器の発振ビームが半導体レーザ素子の前側端面より出射されるため、複数の発振ビームそれぞれに対応した光学素子の配置が可能となり、装置の小型化が可能となるという効果を奏する。

さらには、発振波長を変化させたとしても出射方向が変化せず、安定な発振器を構成することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す斜視図 実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す上面図 実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す側面図 外部レーザ共振器を構成しない通常の半導体レーザの後ろ側端面の反射率の測定結果を示す図 実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置との対比説明に用いる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す上面図 実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置との対比説明に用いる外部共振半導体レーザ装置のレーザ発振のスペクトルを示す図 本発明の実施の形態２にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す上面図 本発明の実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す斜視図 実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す上面図 実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す側面図 本発明の実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す上面図 実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置を概略的に示す側面図

以下に、本発明の実施の形態にかかる外部共振半導体レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０を概略的に示す斜視図である。図１にはＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向も示してある。図２は、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０を概略的に示す上面図である。図２は、外部共振半導体レーザ装置４０をＹ軸方向に観た図である。図３は、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０を概略的に示す側面図である。図３は、外部共振半導体レーザ装置４０をＸ軸方向に観た図である。

外部共振半導体レーザ装置４０は、半導体レーザ素子１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ）と、光学素子であるビーム平行化素子１１，１２と、第１波長分散素子１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）と、結合光学系１３と、第２波長分散素子１４と、を備える。

外部共振半導体レーザ装置４０は、複数の半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれの前側端面２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ（以下、これらを纏めて前側端面２と称する）からのレーザ光を第２波長分散素子１４の波長分散効果を用いて、一つのビームに重畳する構成である。なお、複数の半導体レーザ素子１の数は、上記のように５個でなくてもよく、複数であれば限定されない。

外部共振半導体レーザ装置４０においては、半導体レーザ素子１の前側端面２と、ビーム平行化素子１１と、第１波長分散素子１０と、からなる光学系がレーザ共振器になっている。外部共振半導体レーザ装置４０においては、前側端面２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ）には部分反射コーティングが施されて、後ろ側端面３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ）には無反射コーティングが施されている。これにより、前側端面２と第１波長分散素子１０との間でレーザ共振器が構成されている。

以下の説明では、以上のようにして前側端面２と第１波長分散素子１０との間に構成されたレーザ共振器を外部レーザ共振器と呼ぶことにする。したがって、外部共振半導体レーザ装置４０においては、半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれに対応して前側端面２と第１波長分散素子１０との間に複数の外部レーザ共振器が構成される。実際には、外部レーザ共振器内においてビームが往復しているのであるが、まず、前側端面２から第１波長分散素子１０に向かう方向のビームの伝搬について説明する。

前側端面２から第１波長分散素子１０へ伝搬するビームは、まず半導体レーザ素子１の内部を、前側端面２から後ろ側端面３へ伝搬し、後ろ側端面３より出射される。このとき、半導体レーザ素子１より出射するビームは、発散しながら出射されることとなる。そのままでは第１波長分散素子１０より帰還するビームが、後ろ側端面３よりもはるかに巨大なビームとなって帰還することとなり、ビームの大部分がロスとなって外部レーザ共振器の外へ放出されてしまうので、外部共振器を構成することができなくなる。そこで、外部レーザ共振器のモードとカップリングさせるために、ビーム平行化素子１１により半導体レーザ素子１の後ろ側端面３から発生するビームをほぼ平行化する。ここで、モードとカップリングするとは、後ろ側端面３から出射するビーム径と、後ろ側端面３へ帰還するビーム径とをほぼ等しくすることをいう。

ビーム平行化素子１１は、球面レンズ、非球面レンズ、円筒レンズ、曲率を有するミラーを用いることができ、またそれぞれ一つずつに限るものではなく、これらを組み合わせたものでもよい。

半導体レーザ素子１から発生するビームの発散角には一般に異方性があり、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで発散角が異なる。半導体レーザ素子１のＸ軸方向を速軸方向と呼び、半角で約３０°という大きな角度で発散する。またＹ軸方向のことは遅軸方向と呼び、前側端面２の幅が１００μｍ程度のものであれば半角で４度程度で発散するものが一般的である。このときのビーム品質は、速軸方向がほぼ回折限界であるのに対し、遅軸方向は回折限界の１０倍程度となる。従って、ビーム平行化素子１１としては、非球面レンズ、Ｘ軸方向とＹ軸方向で異なる円筒レンズを組み合わせて用いることが望ましい。

ビーム平行化素子１１によってほぼ平行化されたビームは、第１波長分散素子１０にそれぞれ図２に示す入射角α１，α２，α３，α４，α５で入射する。

第１波長分散素子１０は、その名のとおり波長分散効果を有する素子であり、回折格子、プリズム、グリズム、ＴＦＦ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｆｉｌｔｅｒ）、ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）、エタロンなどの素子が一般的に使われる。

回折格子とは、平面あるいは凹面などの基板に等間隔に多数の平行な溝が刻まれた素子であり、反射型回折格子と透過型回折格子とがある。回折とは、光が障害物の裏側に回りこむ現象であり、回折格子に光を入射すると、波長ごとに決まった角度で光が強め合い、この強め合った光を取り出すことで波長選択ができる。

ＴＦＦとは、誘電体多層膜が基板上に積層された素子である。誘電体多層膜とは、屈折率の異なる誘電体を多層に積み上げて作った薄膜である。屈折率の異なる物質の界面では反射が起こり、その大きさは屈折率差に依存する。誘電体多層膜では、多重反射と多重干渉の効果により、ある波長のみを１００％透過し、他の波長を１００％反射するように設計することができる。ＴＦＦでは、透過帯域幅を０．１ｎｍから１ｎｍ程度まで細かくすることができ、また透過波長は光の入射角度を変えることにより、２０ｎｍから４０ｎｍ程度の間で可変にすることができる。

ＶＢＧ、ＦＢＧとは、ガラス内部に周期的な屈折率変化が形成された素子である。屈折率変化は回折格子として働き、回折格子の周期が作るブラッグ反射条件を満たす波長の光のみを反射させることができる。

図１から図３に示した外部共振半導体レーザ装置４０の構成においては、第１波長分散素子１０として反射型回折格子を用いた場合を想定している。第１波長分散素子１０として、透過型回折格子、ＴＦＦ、ＶＢＧなどを用いる場合は、図１から図３とは異なる構成となるが、反射型回折格子を用いた場合と同様の効果を得ることができる。

第１波長分散素子１０に入射するビームは、半導体レーザ素子１より出射した直後は半導体レーザ素子１の持つゲイン幅に応じた波長幅を有しているが、外部レーザ共振器内に波長分散効果を持つ第１波長分散素子１０を配置していることにより、特定の波長のみしか半導体レーザ素子１に帰還することができず、ある特定の波長のみが半導体レーザ素子１により増幅されることとなる。

またこのとき、図２に示す通り、半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅから第１波長分散素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅへの入射角度が、それぞれα１，α２，α３，α４，α５と異なっているため、第１波長分散素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅから半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに帰還する波長もそれぞれ異なる。そのため、半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅそれぞれの前側端面２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅから出射されるレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ（以下、これらを纏めてレーザビーム１００と称する）はそれぞれ異なる波長で出力されることとなる。なお、図２において、レーザビーム１００ａからレーザビーム１００ｅまでの光軸の間隔をｄで示し、後ろ側端面３からビーム平行化素子１１までに必要な距離をＭで示す。

半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅから異なる波長で出射されてビーム平行化素子１２を通過したレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、結合光学系１３を経由することによって第２波長分散素子１４上に空間的に重畳される。

ビーム平行化素子１２は、球面レンズ、非球面レンズ、円筒レンズ、曲率を有するミラーを用いることができ、またそれぞれ一つずつに限るものではなく、これらを組み合わせたものでもよい。

結合光学系１３は、図１から図３では１枚のレンズで示しているが、ミラー、曲率ミラー、円筒レンズ、プリズム、またはこれらの組み合わせなど、光軸の方向を変化させるものであればなんでもよい。しかし、第２波長分散素子１４のように波長分散効果を有する素子は、ビームの入射角度により波長分散効果の特性が変化する。したがって、重畳後のビーム品質が悪化することを防ぐためには、レーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、それぞれコリメートされてから第２波長分散素子１４に入射されることが望ましい。

第２波長分散素子１４は、第１波長分散素子１０と同様に、波長分散効果を有する素子であれば限定されず、反射型回折格子または透過型回折格子といった回折格子、プリズム、回折格子とプリズムを組み合わせた素子であるグリズム、ＶＢＧ、ＴＦＦ、ダイクロイックミラーなどを用いることができる。ただし、ＶＢＧまたはダイクロイックミラーを用いてビームを結合する場合は、波長本数と同じ数の種類のＶＢＧまたはダイクロイックミラーが必要となるため、波長本数が多い場合には回折格子で結合することが、コストおよび組立やすさの点から望ましい。また、波長分散効果が大きい、すなわち二つの異なる波長のビームを入射した際に回折角または屈折角の違いが大きい方が、省スペースで複数の半導体レーザ素子１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅからのビームを結合することができるため、プリズムよりも回折格子を使用することが望ましい。図１から図３に示した外部共振半導体レーザ装置４０の構成においては、第２波長分散素子１４として反射型回折格子を用いた場合を想定している。

第２波長分散素子１４上に空間的に重畳された、それぞれ異なる波長のレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、第２波長分散素子１４の波長分散効果、すなわち波長に依存して回折角または屈折角が変化する特性によって、一つのビームとして結合されて、結合後レーザビーム１０１として出力される。

次に、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０のもたらす効果について詳細に述べる。

外部共振半導体レーザ装置４０とは異なり、外部レーザ共振器を構成しないで半導体レーザ素子のみでレーザ共振器を構成してレーザ出力を行う場合、後ろ側端面の反射率は８５％から９０％程度である。図４は、外部レーザ共振器を構成しない通常の半導体レーザの後ろ側端面の反射率の測定結果を示す図である。図４の半導体レーザ素子は波長９８０ｎｍ付近で発振するものであったが、図４に示されるように波長９８０ｎｍにおける後ろ側端面の反射率は９０％以下となっていることがわかる。

このことから、外部共振半導体レーザ装置４０において、外部レーザ共振器を構成しながらも、通常の半導体レーザ素子単体での発振効率と同等の発振効率を達成するためには、第１波長分散素子１０の効率が９０％以上であればいいということになる。

ここで言う発振効率とは、半導体レーザ素子１からのレーザビーム１００の出力を半導体レーザ素子１に投入した電力量で割った値を指す。また、第１波長分散素子１０の効率とは、第１波長分散素子１０が回折格子である場合には回折効率のことを指し、第１波長分散素子１０がＶＢＧなどの素子である場合は反射率（回折効率とも呼ぶ場合がある）のことを指す。

反射型回折格子において回折効率を１００％に限りなく近づけるためには、基板上に積層された誘電体多層膜に溝を切る方法などがあるが、積層数を増やすといった必要があるため高コストになる。実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０の第１波長分散素子１０においては、回折効率が９０％以上であればよいので、誘電体多層膜の積層数を減らすといった低コスト化が可能となる。また、第１波長分散素子１０として、誘電体多層膜反射型回折格子ではなく、基板上に積層された金属膜に溝を切って作られる、金属反射型回折格子のような安い回折格子を使用することもできる。

また、半導体レーザ素子１の後ろ側端面３側には前側端面２側と比較して、１／５程度の出力のビームしか伝搬されない。実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０においては、後ろ側端面３側に第１波長分散素子１０を配置するので、低出力レーザ用の安価な第１波長分散素子１０を選択することができ、低コスト化を実現することが可能となる。また、第１波長分散素子１０に高出力ビームが常に照射され続けることがないため、第１波長分散素子１０の劣化は少ない。したがって、外部共振半導体レーザ装置４０の信頼性を高めることもできる。

さらに、半導体レーザ素子１に対して外部レーザ共振器を構成する場合は、外部レーザ共振器中に配置された素子であるビーム平行化素子１１の反射ロス、収差によるカップリングロスといった原因により、半導体レーザ素子１の単体発振時よりも発振効率が悪くなる可能性が生ずる。しかし、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０においては、第１波長分散素子１０の効率を９０％よりも高めることにより、上記のようなロスを補償することができる。これにより、外部共振半導体レーザ装置４０においては、半導体レーザ素子１の単体発振時の発振効率と同等もしくはそれ以上の発振効率を実現する外部レーザ共振器を構成することができる。

また、図２においては、第１波長分散素子１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ）のそれぞれをＹ軸を中心軸として傾斜させている様子が記載している。第１波長分散素子１０として回折格子を用いた場合において、レーザビーム１００の波長幅を狭くするためには、第１波長分散素子１０上のビームの照射領域の中に含まれる溝の本数を多くする必要がある。ここで、図２において、第１波長分散素子１０の回折格子の溝はＹ軸方向に平行に刻まれている。このとき、第１波長分散素子１０の回折格子に照射されているビームのうち、回折格子の溝に対して垂直な方向、すなわちＸ軸方向のビーム品質が良いものであると、狭い発振波長幅を得るために必要なビーム径、つまりは溝の本数、を小さくすることができる。

具体的には、ビーム品質がほぼ回折限界のビームを照射するのと、回折限界の１０倍程度のビームを照射することを比較すると、同じ発振波長幅を得るために必要な回折格子上のビーム径は、ほぼ回折限界のビームを用いた場合の方が回折限界の１０倍程度のビームを用いた場合に比べて１／１０程度小さくすることができる。これを数式で示すと、以下の数式（１）のようになる。ここでλは発振波長幅Δλの中心波長、ｍは回折次数、Ｎは１ｍｍあたりの溝の本数、Ｗは回折格子上におけるビーム径、Ｍ²はビーム品質を表わす。

上述の通り、半導体レーザ素子１は一般的に速軸方向であるＸ軸方向に発散するビームのほうが、遅軸方向であるＹ軸方向に発散するビームよりもビーム品質が良い。そのため、図２に示すように第１波長分散素子１０をＹ軸中心に傾斜させ、回折格子の溝に対して垂直方向であるＸ軸方向、すなわち速軸方向にビームが照射されるように構成すると、必要な波長幅を得るためのビーム径を小さくすることができる。これにより第１波長分散素子１０のサイズも小型化することができ、外部共振半導体レーザ装置４０の低コスト化につながる。

また、半導体レーザ素子１の後ろ側端面３の側に第１波長分散素子１０を配置することにより、第１波長分散素子１０の傾斜角度が変化したとしても、レーザビーム１００の出射角度は変化せず、発振波長が変化するだけであるため、前側端面２よりレーザビーム１００の出射方向に配置される素子にレーザビーム１００が入射する位置が変化せず、振動などの外乱に強い信頼性の高い外部共振半導体レーザ装置４０を構成することができる。

また、実施の形態１にかかる外部レーザ共振器のレーザビーム１００は、Ｘ軸方向に１μｍの幅、Ｙ軸方向に１００μｍの幅という非常に小さな面積の前側端面２より出射され、さらに上述の通り、レーザビーム１００の出射位置が前側端面２に固定されており、出射方向も常に一定である。したがって、例えば、Ｘ軸方向に１５０μｍの幅、Ｙ軸方向に２００μｍの幅しかないような小さな面積のビーム平行化素子１２であっても、レーザビーム１００に対する位置合わせを容易に実施することができ、組立コストの削減、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０と異なり、半導体レーザ素子１の前側端面２の側に第１波長分散素子１０を配置して、第１波長分散素子１０からレーザビーム１００が出射されるような外部レーザ共振器の構成とするならば、レーザビーム１００は前側端面２の面積よりも大きなビーム径で出射され、レーザビーム１００を出射後に再度前側端面２の面積程度の大きさまでビーム径を絞ろうと試みても、収差などの影響により実現は非常に困難である。また、第１波長分散素子１０の角度または外部レーザ共振器中の光学素子の位置などにより、レーザビーム１００の出射位置または出射角度が大きく変化してしまうため、Ｘ軸方向に１５０μｍの幅、Ｙ軸方向に２００μｍの幅しかないようなビーム平行化素子１２をレーザビーム１００に対して配置することは非常に困難である。

さらに、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０の利点を説明する。図５は、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０との対比説明に用いる外部共振半導体レーザ装置４０’を概略的に示す上面図である。図５に示す比較例である外部共振半導体レーザ装置４０’では、半導体レーザ素子１’（１’ａ，１’ｂ，１’ｃ，１’ｄ，１’ｅ）の前側端面２’（２’ａ，２’ｂ，２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ）からそれぞれ出射されるレーザビーム１００’（１００’ａ，１００’ｂ，１００’ｃ，１００’ｄ，１００’ｅ）は、ビーム平行化素子１２’、結合光学系１３、波長分散素子１５を経て部分反射ミラー１６に到達する。そして、半導体レーザ装置４０’においては、半導体レーザ素子１’（１’ａ，１’ｂ，１’ｃ，１’ｄ，１’ｅ）の後ろ側端面３’（３’ａ，３’ｂ，３’ｃ，３’ｄ，３’ｅ）から、波長分散素子１５を含んで、部分反射ミラー１６までが外部レーザ共振器になっている。

外部共振半導体レーザ装置４０’においては、半導体レーザ素子１’（１’ａ，１’ｂ，１’ｃ，１’ｄ，１’ｅ）から出射したビームが、結合光学系１３によってそれぞれ異なる入射角で波長分散素子１５に入射する。波長分散素子１５から回折するビームは、部分反射ミラー１６に垂直に入射する波長のみが選択的に増幅されるため、半導体レーザ素子１’それぞれから出射するビームはそれぞれ異なる波長で発振することとなる。このとき、結合光学系１３によって、各ビームは波長分散素子１５上に空間的にオーバーラップするように結合されているため、結果として複数本のビームが結合され、一本のビームとして出射することとなる。

上述したように、図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’の構成では、外部レーザ共振器が後ろ側端面３’と部分反射ミラー１６との間で構成されており、外部レーザ共振器の長さは数１００ｍｍとなる。

それに対し、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０においては、外部レーザ共振器が前側端面２と第１波長分散素子１０との間で構成されており、外部レーザ共振器の長さを数ｍｍ以下にすることができる。

一般的に、レーザ共振器の長さは長くなればなるほど回折ロスなどの影響により発振効率は落ちる。また、レーザ共振器の長さが長くなると、レーザ共振器内に配置される素子のずれにも敏感になり、少しのずれでレーザ出力が大きく低下するおそれが生じる。実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０によれば、図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’と比べて、外部レーザ共振器の長さが数１００分の１しかないため、高効率な発振が可能であり、また振動などの外乱による素子のずれの影響も小さくなるので、信頼性の高いレーザ装置が実現可能となる。

以下では具体的な構成を示し、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０と図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’との比較を行う。

まず、図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’の構成における外部レーザ共振器の長さを求める。レーザビーム１００’ａからレーザビーム１００’ｅまでの光軸の間隔ｄの長さを１０ｍｍ、レーザビーム１００’ａから１００’ｅの発振波長差Δλを４ｎｍ、レーザビーム１００’ｃの発振波長λ_０を９８０ｎｍ、結合後レーザビーム１０１’の波長分散素子１５からの回折角Ｂを６５°、波長分散素子１５を回折格子としたときの溝本数密度Ｎを１８５０本／ｍｍとする。なお、回折次数ｍ＝１とする。

上記条件としたときの、レーザビーム１００’ｃの波長分散素子１５への入射角Ａは、以下の数式（２）により求めることができ、波長分散素子１５への入射角Ａ＝６５°となる。

入射角Ａと回折角Ｂが等しくなる配置のことをリトロー配置と呼び、一般的に最も回折効率を高くすることのできる配置として知られている。図１から図３および図５においては、第２波長分散素子１４および波長分散素子１５を反射型回折格子とした場合の図を示している。そのため、入射角Ａ＝回折角Ｂとなる条件では、レーザビーム１００ｃと結合後レーザビーム１０１の分離およびレーザビーム１００’ｃと結合後レーザビーム１０１’の分離ができなくなるが、その場合は、第２波長分散素子１４および波長分散素子１５をＸ軸中心まわり以外の方向へ傾ければ分離可能である。また、反射型回折格子を透過型回折格子に変更すれば分離することができる。

ここで、上記条件を満たすための結合光学系１３から第２波長分散素子１４および波長分散素子１５までの距離Ｌは、以下の数式（３）により求めることができ、Ｌ＝５７１ｍｍとなる。

ここで、数式（３）の導出手順について説明する。はじめに、以下の数式（４）で示されるグレーティング方程式の両辺を波長λで微分すると、数式（５）が求められる。数式（５）を変形すると数式（６）になる。なお、ここでは、回折次数ｍ＝１としており、さらに回折角Ｂを一定とした。

続いて、数式（６）の両辺に結合光学系１３から第２波長分散素子１４および波長分散素子１５までの距離Ｌを掛けると、以下の数式（７）のように表わされる。

また、入射角差ｄＡが微小角である場合において、距離Ｌと、距離ｄとの間において、以下の数式（８）のような関係式が成立する。

さらに、数式（７）に数式（８）を代入するとともに、数式（７）中のｄλをΔλと表記することによって、数式（３）のような関係式が導出される。

よって、図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’の構成であれば、上記条件を満たすための外部レーザ共振器の長さが、少なくとも５７１ｍｍ以上となることがわかる。

図６は、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０との対比説明に用いる外部共振半導体レーザ装置４０’のレーザ発振のスペクトルを示す図である。このとき、結合後レーザビーム１０１’の発振波長は図６に示すように、各半導体レーザ素子１’ａ，１’ｂ，１’ｃ，１’ｄ，１’ｅから出射されるレーザビーム１００’ａ，１００’ｂ，１００’ｃ，１００’ｄ，１００’ｅに対応して５種類の波長で発振しており、各発振波長はそれぞれ発振波長幅δλを有する。

この発振波長幅δλの大きさは、外部レーザ共振器の構造から規定されるものであり、以下の数式（９）より求まる。このとき、発振波長幅δλは狭ければ狭くするほど、原理的にはビーム結合本数を増やすことができ、ビーム品質を保ったままレーザ出力を増大させることができる。

ここで、Ｗは波長分散素子１５上のビーム径である。ビーム平行化素子１２’は半導体レーザ素子１’のＸ軸方向への発散角を補正する素子であるとし、焦点距離を０．３ｍｍとする。また、半導体レーザ素子１’からのＸ軸方向へのビーム出射半角を３０°、半導体レーザ素子１’の出射ビームのＸ軸方向のビーム品質を回折限界であるとすると、波長分散素子１５上におけるビーム径ω_Ｇは以下のように求まる。

まず、ビーム平行化素子１２’上のビーム直径ω_０は、以下の数式（１０）で求められる。

さらに、波長分散素子１５の位置におけるビーム直径ω_Ｌは、以下の数式（１１）および数式（１２）で求められる。

そして、波長分散素子１５上へ投影されたビーム直径ω_Ｇは、以下の数式（１３）で求められる。

以上より、波長分散素子１５上におけるビーム径ω_Ｇが５ｍｍとなるので、数式（９）において、Ｗ＝ω_Ｇとすることにより、発振波長幅δλ＝０．１ｎｍとなる。

次に、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０における外部レーザ共振器の長さを求める。図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’と同様の特性を出すためには、発振波長幅δλ＝０．１ｎｍとなるような外部レーザ共振器とすればよい。第１波長分散素子１０の溝本数密度を１８５０本／ｍｍ、α３＝６５°とすると、上記した外部共振半導体レーザ装置４０’と同様に、発振波長幅δλ＝０．１ｎｍを達成するために必要となる第１波長分散素子１０上のビーム直径は５．０ｍｍとなる。今、半導体レーザ素子１からＸ軸方向へ出射するビームの発散半角が３０°であるので、第１波長分散素子１０上のビーム直径が５．０ｍｍとなるために、後ろ側端面３からビーム平行化素子１１までに必要な距離Ｍは、以下の数式（１４）で示される。

以上より、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０の外部レーザ共振器の長さは、距離Ｍの倍程度と考えれば３．６ｍｍ程度とすることができ、図５に示した外部共振半導体レーザ装置４０’と比較すると１５８分の１以下の短い共振器長とすることができる。これにより、外部共振半導体レーザ装置４０は、高効率な発振が可能で、外乱に強い高い信頼性を得ることができる。

また、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０によれば、外部レーザ共振器長を３．６ｍｍの倍の７．２ｍｍにするだけで、発振波長幅δλを０．１ｎｍの半分の０．０５ｎｍにすることが実現可能であり、このときレーザビーム１００ａから１００ｅの発振波長差Δλは４ｎｍのままである。また、レーザビーム１００’ａ，１００’ｂ，１００’ｃ，１００’ｄ，１００’ｅそれぞれの発振波長幅δλを独立に変化させることも可能である。

以上説明したように、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０によれば、前側端面２と第１波長分散素子１０との間で外部レーザ共振器を構成し、また第１波長分散素子１０を半導体レーザ素子１の後ろ側端面３の側に配置することにより、外部レーザ共振器の長さを短くすることができるため、高効率な発振および信頼性の向上が可能となる。

また、外部レーザ共振器の発振ビームが半導体レーザ素子１の前側端面２より出射されるため、複数の発振ビームそれぞれに対応した光学素子の配置が可能となり、集光性が向上し、さらには発振波長を変化させたとしても出射方向が変化しないという顕著な効果が得られる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２にかかる外部共振半導体レーザ装置４１を概略的に示す上面図である。実施の形態２にかかる外部共振半導体レーザ装置４１は、実施の形態１の外部共振半導体レーザ装置４０の構成に加えて、前側端面２から出射されたレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅそれぞれの入射先に、導波路１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ（以下、これらを纏めて導波路１７と称する）が配置されている。すなわち、前側端面２から出射されたレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅはそれぞれ別々の導波路１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ）に入射され、導波路１７を経由してから結合光学系１３を経由する。

さらに、外部共振半導体レーザ装置４０のビーム平行化素子１２が外部共振半導体レーザ装置４１ではビーム結合素子１９に置き換えられている。レーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅは、ビーム結合素子１９により導波路１７に結合される。

外部共振半導体レーザ装置４１の上に述べた以外の構成は、実施の形態１の外部共振半導体レーザ装置４０と同じである。

ビーム結合素子１９としては、球面レンズ、非球面レンズ、円筒レンズ、曲率を有するミラーを用いることができ、またそれぞれ一つずつに限るものではなく、これらを組み合わせたものでもよい。

導波路１７へのレーザビーム１００の結合のためには、必ずしもビーム結合素子１９を用いる必要は無く、前側端面２に直接導波路１７を結合する方法、導波路１７の入射面に集光作用を持たせるといった方法もある。

導波路１７としては、光ファイバまたは平面光波回路などを使用することができる。

平面光波回路はＰＬＣ（Ｐｌａｎｅｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とも呼ばれる。光ファイバ製造技術の応用技術の火炎直接堆積法により、石英基板に下部クラッド層およびコア層を堆積、加熱してガラス膜を溶融透明化し、半導体集積回路製造技術であるフォトリソグラフィと反応性イオンエッチングで導波路パターンを形成し、再び火炎直接堆積法により上部クラッドを形成することにより作られる。

導波路１７に結合されたレーザビーム１００は、導波路１７により配置が変更され、結合前の半導体レーザ素子１の光軸間隔ｄよりも狭い光軸間隔ｅになって、導波路１７から再び出射する。

実施の形態２にかかる外部共振半導体レーザ装置４１によれば、導波路１７により光軸間隔を狭くすることができる。このため、外部共振半導体レーザ装置４１においては、半導体レーザ素子１の光軸間隔ｄを同じにして比較すると、実施の形態１にかかる外部共振半導体レーザ装置４０に比べて、結合光学系１３から第２波長分散素子１４までの距離をさらに短くすることができる。それに加えて、導波路１７の光路は任意に設定することができるため、半導体レーザ素子１から結合光学系１３までの光路を折り曲げたりすることを非常に簡単に行うことができるので、外部共振半導体レーザ装置４１のサイズをより小型化することができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２を概略的に示す斜視図である。図８にはＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の方向も示してある。図９は、実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２を概略的に示す上面図である。図９は、外部共振半導体レーザ装置４２をＸ軸方向に観た図である。図１０は、実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２を概略的に示す側面図である。図１０は、外部共振半導体レーザ装置４２をＹ軸方向に観た図である。

実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２においては、実施の形態１の外部共振半導体レーザ装置４０における半導体レーザ素子１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ）に替えて、複数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザアレイ５が配置されている。半導体レーザアレイ５の半導体レーザ素子の後ろ側端面３の側には、ビーム平行化素子２１が設けられている。外部共振半導体レーザ装置４２においては、半導体レーザアレイ５が備える複数の半導体レーザ素子の後ろ側端面３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ）の側に配置された第１波長分散素子１０と複数の半導体レーザ素子の前側端面２（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ）との間に外部レーザ共振器が形成されている。

ビーム平行化素子２１は、半導体レーザアレイ５の半導体レーザ素子の後ろ側端面３から出射されたＸ軸方向に拡がるレーザビームを平行化し、外部レーザ共振器のカップリング効率を高めることにも用いられており、ビーム平行化素子２１は後ろ側端面３からビーム平行化素子２１の焦点距離だけ離れた位置に配置される。

ビーム平行化素子２１は、図８においては円筒レンズとして描かれているが、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラーを用いることができ、またそれぞれ一つずつで構成されると限るものではなく、これらを組み合わせたものでもよい。ビーム平行化素子２１の後述する物側テレセントリック光学素子２２の側には、曲面の頂点に沿ってＹ軸方向に沿った母線２１０が存在する。

半導体レーザアレイ５の複数の半導体レーザ素子の並列方向は、傾斜前の状態ではＹ軸方向に並んでいて、半導体レーザアレイ５の複数の半導体レーザ素子の並列方向とビーム平行化素子２１の母線２１０の方向は一致している。実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２においては、半導体レーザアレイ５をＺ軸を中心軸として傾斜させることにより、半導体レーザアレイ５の複数の半導体レーザ素子の並列方向とビーム平行化素子２１の母線２１０の方向がずれている。これにより、半導体レーザアレイ５の後ろ側端面３より出射するビームのビーム平行化素子２１に入射する高さをそれぞれ異なるものとする。

それぞれ異なる高さでビーム平行化素子２１に入射したビームは、それぞれ異なる角度で第１波長分散素子１０に入射することとなるので、それぞれ異なる波長で発振することとなる。

上記では、半導体レーザアレイ５を傾斜させるとしたが、半導体レーザアレイ５を傾斜させずに、ビーム平行化素子２１を傾斜させても同様の効果が得られる。

物側テレセントリック光学素子２２と像側テレセントリック光学素子２３は、外部レーザ共振器のＹ軸方向のカップリング効率を高めるために構成されており、半導体レーザアレイ５の後ろ側端面３を第１波長分散素子１０上に結像するように構成されている。

物側テレセントリック光学素子２２と像側テレセントリック光学素子２３は、図８および図９においては円筒レンズとして描かれているが、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラーを用いることができ、またそれぞれ一つずつで構成されると限るものではなく、これらを組み合わせたものでもよい。

半導体レーザアレイ５の前側端面２より出射したレーザビーム１００はビーム平行化光学系２４により平行化される。

ビーム平行化光学系２４は、円筒レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラーやその組み合わせを用いることができる。

このとき、ビーム平行化光学系２４にはビーム回転光学系が含まれていてもよい。ビーム回転光学系としては、公知文献（特開２０００−１３７１３９号公報、図２参照）に示されたシリンドリカルレンズアレイ、公知文献（ＷＯ９８／０８１２８号公報、Ｆｉｇ２参照）に示された反射鏡等が用いられる。

上記ビーム回転光学系を通すことにより、各前側端面２から出射された異方性を持ったレーザビーム１００は、光軸に垂直な面内で約９０度回転される。

上記した以外の外部共振半導体レーザ装置４２の構成は、実施の形態１の半導体レーザ４０と同じである。

実施の形態３にかかる外部共振半導体レーザ装置４２によれば、半導体レーザアレイ５を用いることにより、レーザビーム１００のビームの本数を増やして高出力化することが、低コストかつ簡便に行うことができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置４３を概略的に示す上面図である。図１２は、実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置４３を概略的に示す側面図である。

実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置４３においては、それぞれが半導体レーザ素子を複数備える半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃが配置されている。半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれは、実施の形態３の半導体レーザアレイ５と同じであり、半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれは複数の前側端面２および複数の後ろ側端面３を備える。そして、複数の前側端面２それぞれが発光点となる。半導体レーザアレイ５の後ろ側端面３の側に配置された第１波長分散素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃにより、半導体レーザアレイ５の発振波長が選択される。

したがって、外部共振半導体レーザ装置４３においては、半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃのそれぞれに対応して前側端面２と第１波長分散素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃとの間に複数の外部レーザ共振器が構成される。

半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃの前側端面２の側に設けられたビーム平行化光学系２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、実施の形態３のビーム平行化光学系２４と同じである。半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃの後ろ側端面３の側に設けられたビーム平行化素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、実施の形態３のビーム平行化素子２１と同じである。

半導体レーザアレイ５ａより出射する複数本のビームは第１波長分散素子１０ａに対して、全て同じ入射角α１で入射する。そのため、半導体レーザアレイ５ａより出射する複数本のレーザビーム１００ａは全て同じ発振波長λ１となる。

半導体レーザアレイ５ｂより出射する複数本のビームは第１波長分散素子１０ｂに対して、全て同じ入射角α２で入射する。そのため、半導体レーザアレイ５ｂより出射する複数本のレーザビーム１００ｂは全て同じ発振波長λ２となる。

半導体レーザアレイ５ｃより出射する複数本のビームは第１波長分散素子１０ｃに対して、全て同じ入射角α３で入射する。そのため、半導体レーザアレイ５ｃより出射する複数本のレーザビーム１００ｃは全て同じ発振波長λ３となる。

半導体レーザアレイ５ａ，５ｂ，５ｃそれぞれから出射されたレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃは、導波路結合光学系１８ａ，１８ｂ，１８ｃによりそれぞれ別々の導波路１７ａ，１７ｂ，１７ｃに入射され、導波路１７ａ，１７ｂ，１７ｃより出射した各レーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃは結合光学系１３により第２波長分散素子１４上に重畳され、１本の結合後レーザビーム１０１として出力される。

実施の形態４にかかる外部共振半導体レーザ装置４３によれば、半導体レーザアレイ５を用いることにより、レーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃそれぞれのビームの本数を増やして高出力化することが、低コストかつ簡便に行うことができる。また、導波路１７を用いてレーザビーム１００ａ，１００ｂ，１００ｃの配置間隔を狭くすることができるため装置の小型化が可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１’，１’ａ，１’ｂ，１’ｃ，１’ｄ，１’ｅ 半導体レーザ素子、２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２’，２’ａ，２’ｂ，２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ 前側端面、３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３’，３’ａ，３’ｂ，３’ｃ，３’ｄ，３’ｅ 後ろ側端面、５，５ａ，５ｂ，５ｃ 半導体レーザアレイ、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ 第１波長分散素子、１１，１２ ビーム平行化素子、１３ 結合光学系、１４ 第２波長分散素子、１５ 波長分散素子、１６ 部分反射ミラー、１７ 導波路、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 導波路結合光学系、１９ ビーム結合素子、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ビーム平行化素子、２２ 物側テレセントリック光学素子、２３ 像側テレセントリック光学素子、２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ ビーム平行化光学系、４０，４０’，４１，４２，４３ 外部共振半導体レーザ装置、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ，１００’，１００’ａ，１００’ｂ，１００’ｃ，１００’ｄ，１００’ｅ レーザビーム、１０１ 結合後レーザビーム、２１０ 母線。

Claims (9)

1. 半導体レーザ素子の後ろ側端面の側に配置された第１波長分散素子と前記半導体レーザ素子の前側端面との間で構成された外部レーザ共振器を複数備え、
   前記前側端面より出射される複数のレーザビームが結合光学系を経由することにより第２波長分散素子の上で重畳される
   ことを特徴とする外部共振半導体レーザ装置。
2. 半導体レーザアレイが備える複数の半導体レーザ素子の後ろ側端面の側に配置された第１波長分散素子と前記半導体レーザ素子の前側端面との間で構成された外部レーザ共振器を備え、
   前記前側端面より出射される複数のレーザビームが結合光学系を経由することにより第２波長分散素子の上で重畳される
   ことを特徴とする外部共振半導体レーザ装置。
3. 半導体レーザアレイが備える複数の半導体レーザ素子の後ろ側端面の側に配置された第１波長分散素子と前記半導体レーザ素子の前側端面との間で構成された外部レーザ共振器を複数備え、
   前記前側端面より出射される複数のレーザビームが結合光学系を経由することにより第２波長分散素子の上で重畳される
   ことを特徴とする外部共振半導体レーザ装置。
4. 前記第１および第２波長分散素子は回折格子である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の外部共振半導体レーザ装置。
5. 前記第１波長分散素子は誘電体多層膜を含む
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の外部共振半導体レーザ装置。
6. 前記前側端面から出射された複数の前記レーザビームそれぞれが別々の導波路に入射されてから前記結合光学系を経由する
   ことを特徴とする請求項１に記載の外部共振半導体レーザ装置。
7. 複数の前記半導体レーザアレイそれぞれに対応して別々の導波路が設けられ、前記半導体レーザアレイから出射された複数の前記レーザビームは前記半導体レーザアレイに対応する前記導波路に入射されてから前記結合光学系を経由する
   ことを特徴とする請求項３に記載の外部共振半導体レーザ装置。
8. 前記導波路は光ファイバである
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の外部共振半導体レーザ装置。
9. 前記後ろ側端面から出射するレーザビームを平行化するビーム平行化素子を備え、
   前記ビーム平行化素子の母線の方向と前記半導体レーザアレイが備える複数の前記半導体レーザ素子の並列方向とがずれている
   ことを特徴とする請求項２に記載の外部共振半導体レーザ装置。

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