JP6579488B2 - 面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置及び内燃機関 - Google Patents

面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置及び内燃機関 Download PDF

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Description

本発明は、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、レーザ装置、点火装置及び内燃機関に係り、更に詳しくは、垂直共振器型の面発光レーザ、該面発光レーザを複数有する面発光レーザアレイ、該面発光レーザアレイを有するレーザ装置、及び該レーザ装置を備える点火装置及び内燃機関に関する。
垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ ＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）は、基板に垂直な方向に光を射出するレーザである。この面発光レーザは、基板に平行な方向に光を射出する端面発光型の半導体レーザよりも低価格、低消費電力、小型、２次元デバイスに好適、かつ、高性能であることから、近年、注目されている。
例えば、特許文献１には、基板と、第１の半導体多層膜反射鏡と、発振波長よりも光学的膜厚が大きい半絶縁性のｉ型のＡｌＧａＡｓ層と、不純物による深い準位を持たない、または深い準位はΓ準位よりも高い、前記基板に格子整合可能なｎ型の半導体層と、活性領域と、第２の半導体多層膜反射鏡と、前記半導体層と電気的に接続されるｎ側の第１の電極と、前記第２の半導体多層膜反射鏡と電気的に接続されるｐ側の第２の電極と、を有する面発光型半導体レーザが開示されている。
また、非特許文献１には、面発光レーザを有するエンジン点火用レーザが開示されている。
また、非特許文献２には、発振波長が８０８ｎｍの面発光レーザにおける活性層の量子井戸層が、ＧａＡｓの場合、ＧａＡｓＰの場合、及びＩｎＧａＡｌＡｓの場合について比較した結果が開示されている。
しかしながら、従来の面発光レーザでは、活性層の高い利得と高い発光効率とを両立させるのが困難であった。
本発明は、スペーサ層で挟まれた活性層を含む複数の半導体層が積層されている面発光レーザにおいて、前記活性層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる第１の層と、（ＡｌｍＧａ１−ｍ）ｎＩｎ１−ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０≦ｎ＜１、但し、ｍ≠ｘ及びｎ≠ｙの少なくとも一方を満たす。）からなる第２の層を有し、前記スペーサ層は、（ＡｌａＧａ１−ａ）ｂＩｎ１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）からなる面発光レーザである。
本発明の面発光レーザによれば、活性層の高い利得と高い発光効率とを両立させることができる。
本発明の一実施形態に係るエンジン３００の概略を説明するための図である。 点火装置３０１を説明するための図である。 レーザ共振器２０６を説明するための図である。 図４（Ａ）は面発光レーザアレイ２０１の発光部の平面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、それぞれ面発光レーザアレイ２０１の基板を説明するための図である。 活性層１０５を説明するための図である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その１）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その２）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その３）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その４）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その５）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その６）である。 面発光レーザアレイ２０１の製造方法を説明するための図（その７）である。 図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、それぞれレーザアニール装置の概略構成を説明するための図である。 レーザ加工機の概略構成を説明するための図である。
「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１には、一実施形態に係る内燃機関としてのエンジン３００の主要部が模式図的に示されている。
このエンジン３００は、点火装置３０１、燃料噴出機構３０２、排気機構３０３、燃焼室３０４、及びピストン３０５などを備えている。
エンジン３００の動作について簡単に説明する。
（１）燃料噴出機構３０２が、燃料と空気の可燃性混合気を燃焼室３０４内に噴出させる（吸気）。
（２）ピストン３０５が上昇し、可燃性混合気を圧縮する（圧縮）。
（３）点火装置３０１が、燃焼室３０４内にレーザ光を射出する。これにより、燃料に点火される（着火）。
（４）燃焼ガスが発生し、ピストン３０５が降下する（燃焼）。
（５）排気機構３０３が、燃焼ガスを燃焼室３０４外へ排気する（排気）。
このように、吸気、圧縮、着火、燃焼、排気からなる一連の過程が繰り返される。そして、燃焼室３０４内の気体の体積変化に対応してピストン３０５が運動し、運動エネルギーを生じさせる。燃料には例えば天然ガスやガソリン等が用いられる。
なお、エンジン３００は、該エンジン３００の外部に設けられ、該エンジン３００と電気的に接続されているエンジン制御装置の指示に基づいて、上記動作を行う。
点火装置３０１は、一例として図２に示されるように、レーザ装置２００、射出光学系２１０、及び保護部材２１２などを有している。
射出光学系２１０は、レーザ装置２００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。
保護部材２１２は、燃焼室３０４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２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。
レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１、第１集光光学系２０３、光ファイバ２０４、第２集光光学系２０５、及びレーザ共振器２０６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２０１からの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。
面発光レーザアレイ２０１は、励起用光源であり、複数の発光部を有している。各発光部は、垂直共振器型の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である。
面発光レーザアレイは、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。
第１集光光学系２０３は、面発光レーザアレイ２０１から射出される光を集光する。
光ファイバ２０４は、第１集光光学系２０３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。
光ファイバ２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６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。また、レーザ装置２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ２０１を遠ざけることができるため、エンジン３００を冷却する方法の幅を広げることが可能である。
光ファイバ２０４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。
第２集光光学系２０５は、光ファイバ２０４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２０５で集光された光は、レーザ共振器２０６に入射する。
レーザ共振器２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図３に示されるように、レーザ媒質２０６ａ、及び可飽和吸収体２０６ｂを有している。
レーザ媒質２０６ａは、共振器長が８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶である。可飽和吸収体２０６ｂは、長さが２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶である。
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。また、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、いずれもセラミックスである。
第２集光光学系２０５からの光は、レーザ媒質２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系２０５からの光によってレーザ媒質２０６ａが励起される。なお、面発光レーザアレイ２０１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８０８ｎｍであることが望ましい。そして、可飽和吸収体２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。
レーザ媒質２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体２０６ｂ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２０６ａの入射側の面を「第１の面」ともいい、可飽和吸収体２０６ｂの射出側の面を「第２の面」ともいう（図３参照）。
そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザアレイ２０１から射出される光の波長、及びレーザ共振器２０６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。
具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して十分に高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して十分に高い反射率を示すコーティングがなされている。また、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して所望のしきい値が得られるように選択された反射率を示すコーティングがなされている。
これにより、レーザ共振器２０６内で光が共振し増幅される。ここでは、レーザ共振器２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。
図２に戻り、駆動装置２２０は、エンジン制御装置２２２の指示に基づいて、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。すなわち、駆動装置２２０は、エンジン３００の動作における着火のタイミングで点火装置３０１から光が射出されるように、面発光レーザアレイ２０１を駆動する。なお、面発光レーザアレイ２０１における複数の発光部は、同時に点灯及び消灯される。
上記実施形態において、面発光レーザアレイ２０１をレーザ共振器２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ２０４が設けられなくても良い。
また、ここでは、内燃機関として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）の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、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良い。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成するものであれば良い。
また、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３０１を用いても良い。
また、ここでは、点火装置３０１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。
また、ここでは、レーザ装置２００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、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置などに用いることができる。
「詳細」
次に、面発光レーザアレイ２０１の各発光部（面発光レーザ）の詳細について図４（Ａ）及び図４（Ｂ）を用いて説明する。なお、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。
各発光部は、基板１０１、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、コンタクト層１０９、保護膜１１１、上部電極１１３、下部電極１１４などを有している。
基板１０１は、図５（Ａ）に示されるように、基板表面の法線方向が、結晶方位［１ ０ ０］方向に対して、結晶方位［１ １ １］Ａ方向に向かって１５度（θ＝１５度）傾斜したｎ−ＧａＡｓ単結晶基板である。すなわち、基板１０１は、いわゆる傾斜基板である。ここでは、図５（Ｂ）に示されるように、結晶方位［０ −１ １］方向が＋Ｘ方向、結晶方位［０ １ −１］方向が−Ｘ方向となるように配置されている。そこで、傾斜基板の傾斜軸は、Ｘ軸方向に平行である。なお、−Ｙ方向を「傾斜方向」ともいう。
図４（Ｂ）に戻り、バッファ層１０２は、基板１０１の＋Ｚ側の面上に積層され、ｎ−ＧａＡｓからなる層である。
下部半導体ＤＢＲ１０３は、バッファ層１０２の＋Ｚ側に積層され、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層と、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを４０．５ペア有している。
各屈折率層の間には、電気抵抗を低減するため、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厚さ２０ｎｍの組成傾斜層が設けられている。
そして、バッファ層１０２から約３７ペア目までは、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、発振波長をλとするとλ／４の光学的厚さとなるように設定され、その後は、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、高屈折率層の光学的厚さがλ／４、低屈折率層の光学的厚さが３λ／４となるように設定されている。
なお、光学的厚さがλ／４のとき、その層の実際の厚さＤは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。
下部スペーサ層１０４は、下部半導体ＤＢＲ１０３の＋Ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ０．４Ｇａ０．８）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる層である。
活性層１０５は、下部スペーサ層１０４の＋Ｚ側に積層され、（Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３）０．８９Ｉｎ０．１１Ａｓからなる量子井戸層と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる障壁層とが交互に積層された３重量子井戸（ＴＱＷ：Ｔｒｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造の活性層である（図６参照）。
上部スペーサ層１０６は、活性層１０５の＋Ｚ側に積層され、ノンドープの（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる層である。
下部スペーサ層１０４と活性層１０５と上部スペーサ層１０６とからなる部分は、共振器構造体とも呼ばれており、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、その厚さが１波長の光学的厚さとなるように設定されている。なお、活性層１０５は、高い誘導放出確率が得られるように、電界の定在波分布における腹に対応する位置である共振器構造体の中央に設けられている。
上部半導体ＤＢＲ１０７は、上部スペーサ層１０６の＋Ｚ側に積層され、ｐ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓからなる低屈折率層とｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる高屈折率層のペアを２４ペア有している。
各屈折率層の間には組成傾斜層が設けられている。そして、各屈折率層はいずれも、隣接する組成傾斜層の１／２を含んで、λ／４の光学的厚さとなるように設定されている。
上部半導体ＤＢＲ１０７における低屈折率層の１つには、ｐ−ＡｌＡｓからなる被選択酸化層１０８が厚さ３０ｎｍで挿入されている。この被選択酸化層１０８の挿入位置は、上部スペーサ層１０６から光学的にλ／４の距離だけ離れた位置である。
コンタクト層１０９は、上部半導体ＤＢＲ１０７の＋Ｚ側に積層され、ｐ−ＧａＡｓからなる層である。
保護膜１１１は、ＳｉＯ２又はＳｉＮからなる膜である。
上部電極１１３は、配線部材によって電極パッドと電気的に接続されている。
次に、面発光レーザアレイ２０１の作成方法について説明する。
（１）有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）あるいは分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）による結晶成長によって、基板１０１上に、バッファ層１０２、下部半導体ＤＢＲ１０３、下部スペーサ層１０４、活性層１０５、上部スペーサ層１０６、上部半導体ＤＢＲ１０７、被選択酸化層１０８、コンタクト層１０９を形成する（図７参照）。なお、このように基板１０１上に複数の半導体層が積層されたものを、以下では、便宜上「積層体」ともいう。
ＩＩＩ族の原料には、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族の原料には、フォスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を用いている。また、ｐ型ドーパントの原料には四臭化炭素（ＣＢｒ４）、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用い、ｎ型ドーパントの原料にはセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いている。
（２）積層体の表面にメサ形状に対応するレジストパターンを形成する。具体的には、コンタクト層１０９上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、メサ形状に対応したレジストパターンを形成する。ここでは、メサの断面が一辺２０μｍ〜２５μｍの正方形となるようにした。なお、コンタクト層１０９上に塗布されるレジストはポジレジストを用い、コンタクト露光により露光を行う。
（３）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングによって、四角柱状のメサを形成する。ここでは、エッチングの底部は下部スペーサ層１０４中に位置するようにした。なお、ドライエッチングの条件を調整することにより、メサの側面の傾斜角を調整することができる。ここでは、基板１０１の表面に対し、メサの側面の傾斜角が７０°〜８０°となるように、ドライエッチングの条件を調整している。この場合は、配線部材の断線を抑制することができる。
（４）レジストパターンを除去する（図８参照）。
（５）積層体を水蒸気中で熱処理する。ここでは、メサの外周部から被選択酸化層１０８中のＡｌが選択的に酸化される。そして、メサの中央部に、Ａｌの酸化層１０８ａによって囲まれた酸化されていない領域１０８ｂを残留させる（図９参照）。これにより、発光部の駆動電流の経路をメサの中央部だけに制限する、酸化狭窄構造体が作成される。上記酸化されていない領域１０８ｂが電流通過領域（電流注入領域）である。ここでは、電流通過領域１０８ｂは、一辺の長さが約５μｍの略正方形状である。
（６）プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＮからなる保護膜１１１を形成する（図１０参照）。保護膜１１１の膜厚は１５０ｎｍ〜２００ｎｍであれば良く、１５０ｎｍであるのが好ましい。
（７）メサ上面にコンタクトホールを形成するためのレジストパターンを作成する。
（８）ＢＨＦ（バッファード・フッ酸）を用いたウエットエッチングにより、レジストパターンの開口部における保護膜１１１を除去する。
（９）レジストパターンを除去する（図１１参照）。
（１０）上部電極１１３、電極パッド、配線部材が形成される領域以外の領域をマスクするためのレジストパターンを作成する。
（１１）上部電極１１３、電極パッド、配線部材の材料を蒸着する。ここでは、Ｃｒ（９ｎｍ）／ＡｕＺｎ（１８ｎｍ）／Ａｕ（７００ｎｍ）からなる金属膜をＥＢ（電子ビーム）蒸着により順次積層する。
（１２）リフトオフにより、レジストパターンの形成されている領域上の金属膜を除去する。これにより、上部電極１１３、電極パッド、配線部材が形成される（図１２参照）。
（１３）基板１０１の厚さが１００μｍ〜３００μｍとなるまで、基板１０１の裏側を研磨した後、Ｃｒ（９ｎｍ）／ＡｕＧｅ（１８ｎｍ）／Ａｕ（２５０ｎｍ）からなる金属膜をＥＢ（電子ビーム）蒸着により順次積層し、下部電極１１４を形成する（図１３参照）。なお、基板１０１の厚さは１００μｍが好ましい。
（１４）４００℃で５分間アニールし、上部電極１１３と下部電極１１４のオーミック導通をとる。これにより、メサは発光部となる。
（１５）チップ毎に分割する。
面発光レーザアレイは励起用光源としての応用が可能であり、このときには、活性層の利得が大きく、低閾値であって、さらに、高出力であることが求められる。
発振波長が８００ｎｍ帯の場合は、活性層としてＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓの３つの材料系を用いることができるが、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓは他の２つに比べ材料の利得が約２倍であることが報告されている（非特許文献２参照）。
活性層にＡｓ系の材料を用いた場合、一般的にスペーサ層はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなるが（例えば、特許文献１参照）、Ａｌ組成ｘが通常０．５程度と大きいため、結晶成長を行う中で不純物（特に酸素）を取り込みやすい。この不純物はレーザ発振の際にキャリアの非発光再結合の原因となり、レーザの発光効率やデバイスの信頼性低下を招くおそれがあった。
本実施形態の面発光レーザアレイ２０１では、各発光部が、（Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３）０．８９Ｉｎ０．１１Ａｓからなる量子井戸層を有し、スペーサ層としてＰ系材料である（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐが用いられており、スペーサ層と量子井戸層のエネルギーギャップの差ΔＥｇは５４４．４ｍｅＶである。なお、スペーサ層として同じＡｌ組成のＡｓ系材料であるＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを用いた場合、スペーサ層と量子井戸層のエネルギーギャップの差ΔＥｇは６７．４ｍｅＶである。
すなわち、本実施形態の面発光レーザアレイ２０１は、少ないＡｌ組成で良好なキャリア閉じ込めが可能になり、発光効率を向上させることができる。
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る点火装置３０１では、射出光学系２１０によって、本発明の点火装置における「レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成されている。そして、本実施形態に係るレーザ装置２００では、第１集光光学系２０３によって、本発明のレーザ装置における「面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を集光する光学系」が構成され、光ファイバ２０４によって、本発明のレーザ装置における「伝送部材」が構成されている。
以上説明したように、本実施形態に係る面発光レーザアレイ２０１は、複数の発光部を有している。各発光部は面発光レーザであり、活性層１０５は、（Ａｌ０．１７Ｇａ０．８３）０．８９Ｉｎ０．１１Ａｓからなる量子井戸層と、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる障壁層とを有し、下部スペーサ層１０４及び上部スペーサ層１０６は、（Ａｌ０．４Ｇａ０．６）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなっている。この場合は、従来に比べてスペーサ層のＡｌ組成を低減することができ、非発光再結合電流の低減により、発光効率を向上させることができる。従って、活性層の高い利得と高い発光効率とを両立させることができる。
なお、活性層１０５は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる量子井戸層と、（ＡｌｍＧａ１−ｍ）ｎＩｎ１−ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０≦ｎ＜１、但しｍ≠ｘ、ｎ≠ｙ）からなる障壁層を有していれば良い。
また、各スペーサ層は、（ＡｌａＧａ１−ａ）ｂＩｎ１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）からなっていれば良い。
また、各発光部は、基板１０１に傾斜基板が用いられており、ＡｌＧａＩｎＰ層の成長の際に問題となる、３次元成長及びそれに起因する結晶欠陥の低減を図ることができる。
そして、レーザ装置２００は、面発光レーザアレイ２０１を有しているため、効率良く高出力のレーザ光を射出することができる。
さらに、点火装置３０１は、レーザ装置２００を備えているため、安定した点火を効率良く行うことができる。
また、エンジン３００は、点火装置３０１を備えているため、結果として、効率化を図ることができる。
また、上記実施形態において、第１集光光学系２０３、第２集光光学系２０５及び射出光学系２１０は、いずれも単一のレンズからなっていても良いし、複数のレンズからなっていても良い。
また、上記実施形態では、面発光レーザアレイ２０１が励起用光源としてレーザ装置２００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。面発光レーザアレイ２０１が励起用ではない光源としてレーザ装置に用いられても良い。
《レーザアニール装置》
一例として図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）にレーザ装置としてのレーザアニール装置１０００の概略構成が示されている。このレーザアニール装置１０００は、光源１０１０、光学系１０２０、テーブル装置１０３０、及び不図示の制御装置などを備えている。
光源１０１０は、面発光レーザアレイ２０１を有し、複数のレーザ光を射出することができる。光学系１０２０は、光源１０１０から射出された複数のレーザ光を対象物Ｐの表面に導光する。テーブル装置１０３０は、対象物Ｐが載置されるテーブルを有している。該テーブルは、少なくともＹ軸方向に沿って移動することができる。
例えば、対象物Ｐがアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）の場合、レーザ光が照射されると、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）は、温度が上昇し、その後、徐々に冷却されることによって結晶化し、ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）になる。
そして、レーザアニール装置１０００は、光源１０１０が面発光レーザアレイ２０１を有しているため、処理効率を向上させることができる。
《レーザ加工機》
一例として図１５にレーザ装置としてのレーザ加工機３０００の概略構成が示されている。このレーザ加工機３０００は、光源３０１０、光学系３１００、対象物Ｐが載置されるテーブル３１５０、テーブル駆動装置３１６０、操作パネル３１８０及び制御装置３２００などを備えている。
光源３０１０は、面発光レーザアレイ２０１を有し、制御装置３２００の指示に基づいてレーザ光を射出する。光学系３１００は、光源３０１０から射出されたレーザ光を対象物Ｐの表面近傍で集光させる。テーブル駆動装置３１６０は、制御装置３２００の指示に基づいて、テーブル３１５０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に移動させる。
操作パネル３１８０は、作業者が各種設定を行うための複数のキー、及び各種情報を表示するための表示器を有している。制御装置３２００は、操作パネル３１８０からの各種設定情報に基づいて、光源３０１０及びテーブル駆動装置３１６０を制御する。
そして、レーザ加工機３０００は、光源３０１０が面発光レーザアレイ２０１を有しているため、加工（例えば、切断や溶接）の処理効率を向上させることができる。
なお、レーザ加工機３０００は、複数の光源３０１０を有しても良い。
また、面発光レーザアレイ２０１は、レーザアニール装置及びレーザ加工機以外のレーザ光を利用する装置にも好適である。例えば、面発光レーザアレイ２０１を表示装置の光源に用いても良い。
１０１…基板、１０２…バッファ層、１０３…下部半導体ＤＢＲ、１０４…下部スペーサ層、１０５…活性層、１０６…上部スペーサ層、１０７…上部半導体ＤＢＲ、１０８…被選択酸化層、１０９…コンタクト層、１１１…保護膜、１１３…上部電極、１１４…下部電極、２００…レーザ装置、２０１…面発光レーザアレイ、２０３…第１集光光学系（面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を集光する光学系）、２０４…光ファイバ（伝送部材）、２０５…第２集光光学系、２０６…レーザ共振器、２０６ａ…レーザ媒質、２０６ｂ…可飽和吸収体、２１０…射出光学系（レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系）、２１２…保護部材、２２０…駆動装置、２２２…エンジン制御装置、３００…エンジン（内燃機関）、３０１…点火装置、３０２…燃料噴出機構、３０３…排気機構、３０４…燃焼室、３０５…ピストン、１０００…レーザアニール装置（レーザ装置）、１０１０…光源、１０２０…光学系、１０３０…テーブル装置、３０００…レーザ加工機（レーザ装置）、３０１０…光源、３１００…光学系、３１５０…テーブル、３１６０…テーブル駆動装置、３１８０…操作パネル、３２００…制御装置、Ｐ…対象物。
特開２０１３−１９１７８４号公報
常包正樹， 平等拓範， 「動作温度領域の拡大を目指したエンジン点火用ＶＣＳＥＬ励起マイクロレーザー」， レーザー学会学術講演会第３２回年次大会， Ｂ３３０ｐ Ｉ １６， ｐｐ．３３， ２０１２ Ｙａｎ Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ： 「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ＧａＡｓ， ＧａＡｓＰ ａｎｄ ＩｎＧａＡｌＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ａｃｔｉｖｅ ｒｅｇｉｏｎｓ ｆｏｒ ８０８−ｎｍ ＶＣＳＥＬｓ」 Ｏｐｔ．Ｅｘｐ． Ｖｏｌ．１９， Ｎｏ．１３， １２５６９−１２５８１ （２０１１）

Claims (13)

  1. スペーサ層で挟まれた活性層を含む複数の半導体層が積層されている面発光レーザにおいて、
    前記活性層は、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）からなる第１の層と、（ＡｌｍＧａ１−ｍ）ｎＩｎ１−ｎＡｓ（０≦ｍ＜１、０≦ｎ＜１、但し、ｍ≠ｘ及びｎ≠ｙの少なくとも一方を満たす。）からなる第２の層を有し、
    前記スペーサ層は、（ＡｌａＧａ１−ａ）ｂＩｎ１−ｂＰ（０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１）からなる面発光レーザ。
  2. 前記第１の層は量子井戸層であり、前記第２の層は障壁層であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ。
  3. 発振波長が８０８ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ。
  4. 前記複数の半導体層は基板上に積層され、
    前記基板は、ＧａＡｓからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  5. 前記複数の半導体層は基板上に積層され、
    前記基板は、表面の法線方向が、結晶方位＜１ ０ ０＞の一の方向に対して、結晶方位＜１ １ １＞の一の方向に向かって傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の面発光レーザ。
  6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の面発光レーザを複数含む面発光レーザアレイ。
  7. 対象物にレーザ光を照射するレーザ装置であって、
    請求項６に記載の面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を前記対象物に導光する光学系と、を備えるレーザ装置。
  8. 請求項６に記載の面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザアレイから射出されるレーザ光を集光する光学系と、
    前記光学系を介したレーザ光を伝送する伝送部材と、を備えるレーザ装置。
  9. 請求項６に記載の面発光レーザアレイと、
    前記面発光レーザアレイからのレーザ光が入射されるレーザ共振器と、を備えるレーザ装置。
  10. 前記レーザ共振器は、Ｑスイッチレーザであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
  11. 前記レーザ共振器は、レーザ媒質及び可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項１０に記載のレーザ装置。
  12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    前記レーザ装置から射出されるレーザ光を集光する光学系と、を備える点火装置。
  13. 燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関において、
    前記燃料に点火するための請求項１２に記載の点火装置を備えていることを特徴とする内燃機関。
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