JP7697828B2 - 外部共振型のレーザー発振器及び加工装置 - Google Patents

外部共振型のレーザー発振器及び加工装置 Download PDF

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Description

本開示は、外部共振型のレーザー発振器及び加工装置に関する。
近年、銅、金、樹脂などの種々の材料に対するレーザー加工に期待が寄せられている。例えば、自動車産業では、電動化、小型化、高剛性化、デザイン自由度向上、及び生産性向上などが求められており、レーザー加工への期待が高い。
特に、電気自動車用のモーターやバッテリーの製造において、レーザー光を用いて銅などの金属加工を行う場合、光吸収効率が高い青紫色～青色（波長３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下）のレーザー光を出力することができるレーザー光源を使用する必要がある。また、生産性の高いレーザー加工を実現するためには、高出力かつ集光性の高いビーム品質を備えたレーザー光源が必要となる。
このため、複数のレーザー光を集光することで、高出力、かつ、高いビーム品質のレーザー光を出力するレーザー加工装置の開発が求められている。例えば、特許文献１には、一次元的に並ぶ複数のビームエミッタから出力されるレーザー光を集光する波長ビーム結合（ＷＢＣ：Wavelength Beam Combining）システムが開示されている。ＷＢＣ型のレーザー加工装置には、例えば、モノリシック型の半導体レーザーアレイが用いられている。
モノリシック型半導体レーザーアレイは、レーザー光を出力する複数のエミッター部を有している。このため、ＷＢＣ型の加工装置の光出力値は、複数のエミッター部から出力されるレーザー光の出力値の総和に相当する。
特開２０１５－１０６７０７号公報
従来のＷＢＣ型の加工装置が有する半導体レーザーアレイには、その出射端面に反射膜が設けられている。この反射膜の半導体レーザーアレイが有する利得波長での、反射率（以降は、「利得波長での反射率」を、単に「反射率」と表記することもある。）の値によっては、加工装置から十分な出力値が得られない可能性がある。
本開示は、レーザー加工装置の高出力化を図ることができる外部共振型のレーザー発振器及び加工装置を提供することを目的としている。
本開示の外部共振型のレーザー発振器は、
半導体レーザー素子と、
外部共振ミラーと、
を備え、
前記半導体レーザー素子は、
レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、
を備え、
前記外部共振ミラーは、前記第１の反射膜との間で外部共振を起こし、
前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
で示される関係式を満たす。
本開示の外部共振型のレーザー発振器は、
半導体レーザー素子と、
外部共振ミラーと、
を備え、
前記半導体レーザー素子は、
レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、
を備え、
前記外部共振ミラーは、前記第１の反射膜との間で外部共振を起こし、
前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
Ｒ１≦Ｒ≦２×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
で示される関係式を満たす、外部共振型のレーザー発振器。
本開示の外部共振型のレーザー発振器は、
外部共振ミラーと、
半導体レーザー素子であって、
レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、を備える半導体レーザー素子と、を備え、
前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
Ｒ１≦Ｒ≦３×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
で示される関係式を満たす。
本開示の外部共振型のレーザー発振器は、
前記半導体レーザー素子を複数有する半導体レーザーアレイを備える。
本開示の波長ビーム結合型の加工装置は、
上述のいずれかに記載の外部共振型のレーザー発振器を備える。
本開示の波長ビーム結合型の加工装置は、
上述の外部共振型のレーザー発振器を備える。
本開示によれば、レーザー加工装置の高出力化を図ることができる半導体レーザー素子、半導体レーザーアレイ及び加工装置を提供することができる。
図１は、実施形態に係るＷＢＣ型の加工装置に用いられる高出力レーザー発振器の概念図を示す図である。 図２は、実施形態に係る半導体レーザーアレイを示す図である。 図３は、実施形態に係る半導体レーザーアレイと回折格子との関係を示す図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、互いに異なる膜厚条件が満たされた出射端面の反射膜の反射率の波長依存性を示すプロファイルの一例である。 図５は、特定の膜厚条件が満たされた非出射端面の反射膜の反射率の波長依存性を示すプロファイルの一例である。 図６は、閾値電力と出射端面の反射膜の反射率との関係を示すグラフである。 図７は、実施形態に係る半導体レーザー素子を示す図である。 図８は、実施形態に係る半導体レーザーアレイの製造工程を示す図である。 図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれレーザーモジュールの斜視図及び分解斜視図である。 図１０は、実施形態に係る加工装置に用いられる高出力レーザー発振器を示す図である。 図１１は、実施例に係る半導体レーザーアレイの出射端面の反射膜の反射率と、加工装置に用いられる高出力レーザー発振器の光出力との関係を示す図である。 図１２は、実施例に係る半導体レーザーアレイのエミッター部をｎ側電極側から見た時の図であり、出射端面近傍を示す図である。 図１３は、実施例に係る半導体レーザーアレイにおける、閾値電力と出射端面の反射膜の反射率の関係を示す図である。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、互いに異なる条件下で、実施例に係る加工装置に用いられる高出力レーザー発振器から外部共振によって出力されたレーザー光の波長スペクトルを示す図である。 図１５は、出射端面の反射膜の反射率の上限及び下限と共振器長との関係性を示す図である。
まず、図１から３を参照しつつ、本開示に係る半導体レーザー素子、半導体レーザーアレイ及び加工装置に至った経緯を説明する。
図１は、本実施形態に係るＷＢＣ型の加工装置に用いられる高出力レーザー発振器（以下、単に「レーザー発振器」と称す。）１０の概念図を示す図である。図２は、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００を示す図である。図３は、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００と回折格子２０８との関係を示す図である。
レーザー発振器１０は、複数の半導体レーザーアレイ２０１～２０５、複数のビームツイスターユニット２０６、回折格子２０８、及び、外部共振ミラー２１０を備えている。なお、以下の説明において、レーザー発振器１０に設けられた複数の半導体レーザーアレイ２０１～２０５を区別しない場合は、半導体レーザーアレイ２００と称して説明する。
半導体レーザーアレイ２００は、共振器構造２１４を備えている。共振器構造２１４は、第１の半導体層２１６、発光層２１５、及び第２の半導体層２１７が積層された動作層である。さらに、半導体レーザーアレイ２００は、リッジストライプ構造を有し、共振器構造２１４には、レーザー光１を出射する複数のエミッター部２３４がストライプ状に形成されている。共振器構造２１４において、凸部２３３の直下の部分が、個々のエミッター部２３４を形成する。
共振器構造２１４において、エミッター部２３４の一方の端面からレーザー光１が出射される。以下、半導体レーザーアレイ２００のレーザー光１が出射される端面を「出射端面」と称し、出射端面とは反対側に位置し、レーザー光１が出射されない端面を非出射端面と称する。
半導体レーザーアレイ２００の出射端面には反射膜２２１が設けられており、非出射端面には、反射膜２２２が設けられている。
複数のビームツイスターユニット２０６は、半導体レーザーアレイ２０１～２０５の出射端面側にそれぞれ配置されている。ビームツイスターユニット２０６は、半導体レーザーアレイ２０１～２０５から出射された複数のレーザー光１をそれぞれ９０°回転させる。これにより、互いに近い波長を有する複数のレーザー光１が相互に干渉することを防いでいる。ビームツイスターユニット２０６によって回転されたレーザー光１は、回折格子２０８に入射する。
回折格子２０８は、透過型又は反射型の回折格子である。図１には、回折格子２０８が透過型の回折格子であることが示されている。このように、回折格子２０８が透過型の回折格子である場合、回折格子２０８は、入射したレーザー光１を、レーザー光１の波長に応じて出射角（回折角）βで回折し、外部共振光２として出射する。回折格子２０８から出射された外部共振光２は、外部共振ミラー２１０に入射する。
外部共振ミラー２１０は、部分透過型ミラーである。外部共振ミラー２１０によって外部共振光２の一部の光４が回折格子２０８に向けて垂直反射される。これにより、所定のロック波長を有するレーザー光が、非出射端面の反射膜２２２と外部共振ミラー２１０との間で外部共振を起こし、外部共振ミラー２１０からレーザー光３として出力される。ここで、ロック波長は、エミッター部２３４と回折格子２０８と外部共振ミラー２１０との位置関係で一意に決定される。
（ロック波長）
半導体レーザーアレイ２０１～２０５のロック波長について説明する。
半導体レーザーアレイ２０１～２０５の各エミッター部２３４から出射されるレーザー光１のうち、回折格子２０８の回折条件を満たし、かつ、外部共振ミラー２１０により垂直反射される光４のみが、出射元のエミッター部２３４に帰還し、非出射端面の反射膜２２２と外部共振ミラー２１０とにより、外部共振する。そして、外部共振に起因するレーザー発振が生じる。
半導体レーザーアレイ２００において、電流の注入領域に対応する各エミッター部２３４のロック波長をλＬ、回折格子２０８の周期をｄ、回折格子２０８に対するレーザー光１の入射角をα、外部共振光２の出射角をβ、次数をｍ（整数）とすると、ロック波長λＬは、関係式（０）に基づいて計算される。
ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）＝ｍλＬ （０）
なお、次数ｍは、回折格子２０８の配置位置に応じて異なる値を取り得る。例えば、ｍ＝１となるように、回折格子２０８を配置すれば、計算が簡単になる。
例えば、図１に示されているように、回折格子２０８に対するレーザー光１の入射角αがそれぞれ２１.６ｄｅｇ、２２.４ｄｅｇ、２３.２ｄｅｇ、２４.０ｄｅｇ、２４.８ｄｅｇとなるように、５個の半導体レーザーアレイ２０１～２０５が、レーザー発振器１０に配置されているとする。
この場合、各半導体レーザーアレイ２０１～２０５の中心に位置するエミッター部２３４のロック波長λＬ＿ＣＥＮＴＥＲは、表１に示されているように、それぞれ４３５．９ｎｍ、４４０．３ｎｍ、４４４．５ｎｍ、４４８．８ｎｍ、４５３．０ｎｍとなる。すなわち、半導体レーザーアレイ２０１～２０５のロック波長λＬ＿ＣＥＮＴＥＲは、約４．３ｎｍずつ変化している。
Figure 0007697828000001
次に、半導体レーザーアレイ２００のロック波長λＬについて、以下の素子条件（Ａ）～（Ｂ）、及び設置条件（Ｃ）～（Ｅ）を満たす場合を例に挙げて説明する。
＜素子条件＞
（Ａ）半導体レーザーアレイ２００は、２５個のエミッター部２３４を有する。
（Ｂ）半導体レーザーアレイ２００におけるエミッター部２３４が並ぶ方向における長さ（以下、「アレイ幅」と称す。）Ｗが１０ｍｍである。
＜設置条件＞
（Ｃ）半導体レーザーアレイ２００から出射されるレーザー光１は、波長が４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度であり、回折格子２０８に対する入射角αが２１．１°である。
（Ｄ）半導体レーザーアレイ２００から回折格子２０８までの距離Ｌが２．６ｍである。
（Ｅ）回折格子２０８は、３０００本／ｍｍの溝周期を有する、つまり、回折格子２０８の周期ｄが０．３３３μｍである。
上記素子条件（Ａ）、（Ｂ）及び設置条件（Ｃ）～（Ｅ）を満たす場合、半導体レーザーアレイ２００の各エミッター部２３４におけるロック波長λＬは、表２の通りである。
表２におけるエミッター部２３４の番号は、２５個のエミッター部２３４にそれぞれ割り振られた番号のことである。具体的には、図３において、複数のエミッター部２３４のうち、一端側（右端側）に位置するエミッター部から他端側（左端側）に位置するエミッター部にかけて、順番に、１～２５の番号が割り当てられている。
表２に示されているように、一端側（右端側）から１番目のエミッター部２３４のロック波長λＬは、４３５．７ｎｍであり、２５番目のエミッター部２３４のロック波長λＬが、４３６．５１ｎｍである。他端側（左端側）に進むにつれて、ロック波長λＬが約０．０５ｎｍずつ長くなっており、半導体レーザーアレイ２００の両端のエミッター部２３４のロック波長λＬの差ΔλＬ_ＢＡＲは約１．１ｎｍである。
半導体レーザーアレイ２０１～２０５の個々のエミッター部２３４は、それぞれ回折格子２０８に対する相対位置が異なっている。このため、エミッター部２３４において、異なる波長で外部共振が生じ、レーザー光１が発振することになる。しかし、多数のエミッター部２３４からのレーザー光１は、回折格子２０８において集光され、外部共振光２として外部共振ミラー２１０の入射面上の１点に集光される。なお、ロック波長と、半導体レーザーアレイ２０１～２０５の利得波長の一致性が高いほど、レーザー光３の出力値（レーザー発振器１０の出力値）が高くなる。ひいては、レーザー発振器１０を備える加工装置の出力値が高くなる。
レーザー発振器１０は、個々のエミッター部２３４から出射されるレーザー光１を集光するので、レーザー光３は高出力のレーザー光となる。レーザー光３の出力値は、個々のエミッター部２３４から出射されるレーザー光１の出力値の総和に相当する。
以下、半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１の反射率について説明する。
（反射膜２２１の反射率が高い場合）
半導体レーザーアレイ２０１～２０５の出射端面の反射膜２２１の反射率を０％より大きくすると、理論上、出射端面の反射膜２２１と非出射端面の反射膜２２２との間で内部共振が起こる。
レーザー光３が発振したときに、非出射端面の反射膜２２２と外部共振ミラー２１０との間での外部共振の影響に対して、上述の内部共振の影響が大きい場合、内部共振が外部共振によるレーザー発振の妨げになり、レーザー光３の出力値が低下する可能性がある。
このため、内部共振の影響を小さくすることが望ましく、出射端面の反射膜２２１の反射率を０％とすること、つまり、エミッター部２３４から出射されたレーザー光１が１００％、出射端面を透過することが望ましいと思われていた。
（反射膜２２１の反射率が低い場合）
本発明者らは、出射端面の反射膜２２１の反射率が低いほど望ましいというわけではないことに気づいた。
半導体レーザーアレイ２００がレーザー発振器１０に組み込まれる前に、半導体レーザーアレイ２００の利得波長や諸特性の測定が行われる。
レーザー発振器１０を製造する際、レーザー光３の出力値を高めるためには、半導体レーザーアレイ２００の利得波長とロック波長との一致性を極力高める必要がある。
利得波長は、半導体レーザーアレイ２００の特性によって決まり、ロック波長は、上述したように、半導体レーザーアレイ２００（特に、エミッター部２３４）と回折格子２０８と外部共振ミラー２１０との位置関係から決まる。
このため、利得波長とロック波長とを一致させるためには、予め半導体レーザーアレイ２００の利得波長を測定し、その測定結果に応じて、半導体レーザーアレイ２００（特に、エミッター部２３４）と回折格子２０８と外部共振ミラー２１０の位置関係を調整する必要がある。
また、諸特性の測定は、レーザー発振器１０に組み込むのに適した半導体レーザーアレイを選別するために実行される。
利得波長や諸特性は、半導体レーザーアレイ２００で内部共振を発生させたときに出力されるレーザー光１に基づいて測定される。
もし、出射端面の反射膜２２１の反射率が、例えば、０．００５％（一般の反射率測定用機器の測定限界値に相当）に設定されていた場合、エミッター部２３４の光導波路部内に閉じ込められるレーザー光１の量が非常に小さく、内部共振が起こりにくい。
すなわち、出射端面の反射膜２２１の反射率を小さくすればするほど、半導体レーザーアレイ２００を内部共振によりレーザー発振させるために必要な電力（以下、「閾値電力」と称す。）が大きくなる。
レーザー発振されない間、半導体レーザーアレイ２００に供給されている電力（電流）のエネルギーは、光エネルギーには変換されず、熱エネルギーに変換される。熱エネルギーが大きい場合、半導体レーザーアレイ２００の内部に欠陥（例えば、結晶欠陥）が発生し、発光層２１５やエミッター部２３４が破壊されるおそれがある。
特に、エミッター部２３４の発光層２１５に相当する箇所に結晶欠陥が発生し、破壊されていた場合、エミッター部２３４から出射されるレーザー光１の出力値が低下する。ひいては、半導体レーザーアレイ２００の出力値、さらには、外部共振に基づくレーザー発振器１０の出力値も低下する。ひいては、レーザー発振器１０を備える加工装置の出力値も低下する。
結晶欠陥や被破壊箇所などの異常箇所を、測定や解析により事前に発見することは困難である。また、半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振器１０に組みこんだ後に、半導体レーザーアレイ２００の内部で異常箇所を起点に異常領域が増殖し、レーザー発振器１０のレーザー出力値がさらに低下することもある。すなわち、レーザー発振器１０の出力値が不安定となるおそれがある。ひいては、レーザー発振器１０を備える加工装置の出力値の低下及び不安定化を招くおそれがある。
以上、まとめると、レーザー発振器１０を備える加工装置を被加工物の加工に用いる際に、半導体レーザーアレイ２００で発生する内部共振は、レーザー発振器１０のレーザー出力値の低下の一因となる。一方、レーザー発振器１０のレーザー出力値を高めるためには、半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振器１０に組み込む前に、内部共振によるレーザー発振を発生させ、利得波長や諸特性を測定しておく必要がある。以下、このような測定を「事前測定」と称することもある。
なお、上述の問題は、半導体レーザーアレイ２００だけでなく、エミッター部２３４を１つのみ有する半導体レーザー素子１００（図７参照）についても同様に成立する。
そして、本発明者は、半導体レーザーアレイ２００の内部共振について鋭意検討を行った結果、半導体レーザーアレイ２００の出射端面側の反射膜２２１の反射率を適切な値に調整することで、以下の（効果１）及び（効果２）が得られることを見出した。
（効果１）半導体レーザーアレイ２００内部に結晶欠陥が生じる可能性を低減しつつ内部共振を伴う事前測定を実行できる。ひいては、レーザー発振器１０の外部共振によるレーザー出力値の低下を抑制できる。
（効果２）外部共振によりレーザー発振器１０からレーザー出力するときの内部共振の影響を小さくし、レーザー発振器１０のレーザー出力値の低下を抑制できる。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や、接続形態、並びに、工程（ステップ）および工程の順序などは、一例であって、本開示を限定する主旨はない。よって、以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は、模式図であり、厳密に図示されたものではない。したがって、各図における縮尺などは、必ずしも一致しているとはかぎらない。各図において、実質的に同一の構成に対して、同一の符号を付しており、重複する説明は省略、または簡略化する。
［実施形態］
（半導体レーザーアレイの構成）
図２、図４Ａ、図４Ｂ、図５、及び、図６を参照しつつ、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００について詳細に説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、出射端面の反射膜２２１の反射率の波長依存性を示すプロファイルの一例であり、互いに異なる膜厚条件を満たす場合について示している。図５は、特定の膜厚条件が満たされた非出射端面の反射膜２２２の反射率の波長依存性を示すプロファイルの一例である。図６は、閾値電力と出射端面の反射膜２２１の反射率との関係を示すグラフである。
本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００は、４０５ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯のレーザー光１を出射するＧａＮ系半導体レーザーアレイであるとして説明する。
半導体レーザーアレイ２００は、基板２１２及び共振器構造２１４を備える。半導体レーザーアレイ２００は、単一の基板２１２に、複数のエミッター部２３４が形成されたモノリシック型の半導体レーザーアレイである。また、上述したように、半導体レーザーアレイ２００の出射端面及び非出射端面には、反射膜２２１、及び、反射膜２２２が設けられている。さらに、基板２１２の裏面にｎ側電極２１９が形成され、共振器構造２１４の表面にｐ側電極２８３が形成されている。
本実施形態では、基板２１２は、単結晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）で形成されている単結晶基板であり、例えば、ｎ型六方晶ＧａＮ基板である。
共振器構造２１４の第１の半導体層２１６は、例えば、ＡｌＧａＮ等のｎ型半導体で形成されている第１のクラッド層である。
発光層２１５は、レーザー光１を発光する層であり、多重量子井戸層をガイド層で挟んだ構造を有する。多重量子井戸層は、例えば、アンドープＩｎＧａＮで形成されている。ガイド層は、例えば、アンドープＧａＮで形成されている。
共振器構造２１４の発光層２１５の組成比率は、利得波長に応じて調整される。本実施形態に係る加工装置が備えるレーザー発振器１０が、上述したように５個の半導体レーザーアレイ２０１～２０５を有する場合、例えば、上述の表１に示されているように、ロック波長が４３５．９ｎｍ以上４５３．０ｎｍ以下のように幅を有する。よって、利得波長をロック波長に合わせる必要がある。
利得波長は、発光層２１５の組成比率を調整することで調整できる。具体的には、発光層２１５におけるＩｎＧａＮからなる多重量子井戸層のＩｎ組成比率を調整することによって、利得波長を調整することができる。例えば、Ｉｎ組成比率を１７％に設定すると、半導体レーザーアレイ２００の利得波長は平均４５０ｎｍとなる。なお、発光層２１５を形成するときの温度分布を調整して、エミッター部２３４毎にＩｎ組成を調整し、異なる利得波長を有する半導体レーザーアレイを形成してもよい。
共振器構造２１４の第２の半導体層２１７は、発光層２１５側から順に、電子オーバーフロー抑制層、第２のクラッド層、及び、コンタクト層が積層されて構成されている。電子オーバーフロー抑制層及びクラッド層は、例えば、ＡｌＧａＮ等のｐ型半導体で形成され、コンタクト層は、例えば、ＧａＮ等のｐ型半導体で形成されている。コンタクト層に、ｐ側電極２８３が配置される。
次に、エミッター部２３４について説明する。
第２の半導体層２１７には、凸部２３３がストライプ状に複数形成されている。凸部２３３の下に、発光層２１５と第１の半導体層２１６の屈折率差、及び、発光層２１５と第２の半導体層２１７の屈折率差により、光を閉じ込める光導波路部が形成されている。
凸部２３３の長さｘが、半導体レーザーアレイ２００の共振器長と呼ばれている。本実施形態の半導体レーザーアレイ２００は、共振器長ｘは２０００μｍ、アレイ幅Ｗは９０００μｍであり、２２５μｍ幅のエミッター部２３４が４０個形成されているとして説明する。凸部２３３の幅は、例えば、１０μｍ以上４０μｍ以下であり、具体的には、１５μｍである。
ｐ側電極２８３は、凸部２３３の上面、より詳しくは、コンタクト層の上面に形成されており、コンタクト層を介して光導波路部の上面と接続している。ｐ側電極２８３は、各光導波路部の上方において、コンタクト層とオーミック接触する電極である。ｐ側電極２８３は、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、又はＮｉ等の金属材料で形成される。本実施形態のｐ側電極２８３は、Ｐｄの層及びＰｔの層からなる２層構造を有する。
ｐ側電極２８３の上面を除く共振器構造２１４の表面は、絶縁膜で被覆されている。具体的には、絶縁膜は、コンタクト層の上面のうちのｐ側電極２８３が形成されていない領域を覆っている。絶縁膜は、例えば、ＳｉＯ２を材料とする。
また、半導体レーザーアレイ２００は、共振器構造２１４の表面全体を覆うパッド電極（不図示）を有しており、このパッド電極により複数のｐ側電極２８３が互いに接続されている。
ｎ側電極２１９は、基板２１２の全面を覆うように形成されている。
半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１は、その反射率が所定の範囲に設定されている。所定の範囲については、後述する。また、後述するように、反射膜２２１の反射率は０ではないので、反射膜２２１は、レーザー光１をわずかながら反射する。
反射膜２２１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層、及び、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層の組み合わせにより形成された誘電体の多層膜である。各層の厚さ、及び、各層の屈折率を調整することで、反射膜２２１の反射率を変更できる。なお、レーザー光１に対する反射膜２２１の反射率は、レーザー光１の波長に依存する。
例えば、半導体レーザーアレイ２００の利得波長が４５０ｎｍであり、４５０ｎｍの波長に対して０．０１％の反射率の反射膜２２１を得たい場合、第１の膜厚条件を満たすように、反射膜２２１の各層の厚さを調整すればよい。図４Ａには、第１の膜厚条件が満たされた反射膜２２１の反射率の波長依存性を示すプロファイルが示されている。
もし、半導体レーザーアレイ２００の利得波長が４４０ｎｍであり、４４０ｎｍの波長に対して０．０１％の反射率の反射膜２２１を得たい場合、別の膜厚条件を満たすように、反射膜２２１の各層の厚さを調整すればよい。
また、例えば、半導体レーザーアレイ２００の利得波長が４５０ｎｍであり、波長が４５０ｎｍのときに０．５％の反射率の反射膜２２１を得たい場合、第２の膜厚条件を満たすように、反射膜２２１の各層の厚さを調整すればよい。図４Ｂには、第２の膜厚条件が満たされた反射膜２２１の反射率の波長依存性を示すプロファイルが示されている。
半導体レーザーアレイ２００の非出射端面の反射膜２２２は、ＳｉＯ２層、及び、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）層の組み合わせにより形成された誘電体の多層膜である。反射膜２２２は、反射膜２２１と同様、各層の厚さ、及び、各層の屈折率を調整することで、その反射率を変更できる。なお、レーザー光１に対する反射膜２２２の反射率も、反射膜２２１の反射率と同様、レーザー光１の波長に依存する。
例えば、半導体レーザーアレイ２００の利得波長が４５０ｎｍであり、波長が４５０ｎｍのときに９８．７％の反射率の反射膜２２２を得たい場合、第３の膜厚条件を満たすように、反射膜２２２の各層の厚さを調整すればよい。図５には、第３の膜厚条件が満たされた反射膜２２２の反射率の波長依存性を示すプロファイルが示されている。
＜半導体レーザーアレイの出力＞
本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００に６０Ａの電流を注入すると、エミッター部２３４からのレーザー光１の総和が７０Ｗ以上８８Ｗ以下となるレーザー出力を得ることができる。
半導体レーザーアレイ２００は４０個のエミッター部２３４を有するので、１つのエミッター部２３４に１．５Ａ（つまり、６０Ａ÷４０個）の電流を注入すると、１つのエミッター部２３４から最大で２.２Ｗ（８８Ｗ÷４０個）の高いレーザー出力値が得られる。
＜出射端面の反射膜の反射率＞
出射端面の反射膜２２１の反射率について説明する。本実施形態では、半導体レーザーアレイ２００の利得波長における出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒは、関係式（１）を満たす。
Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ （１）
関係式（１）において、Ｒ１は、電力Ｐ１４で発光層２１５がレーザー発振するときの出射端面の反射膜２２１の反射率である。電力Ｐ１４は、図６に示すように、発光層２１５がレーザー発振する閾値電力の最小値である最小閾値電力Ｐｔｍの１．４倍の電力である。Ｒ（Ｏｃ）は、外部共振ミラー２１０の反射率である。Ｃは、外部共振ミラー２１０で反射され、半導体レーザーアレイ２００に帰還する光４のうち半導体レーザーアレイ２００の光導波路部内に入射する光の割合（以下、「カップリング効率」と称す。）である。
（半導体レーザー素子）
図７を参照しつつ、本実施形態に係る半導体レーザー素子１００について説明する。図７は、本実施形態に係る半導体レーザー素子１００を示す図である。
半導体レーザー素子１００は、半導体レーザーアレイ２００と同様、ｎ側電極２１９、基板２１２、共振器構造２１４、ｐ側電極２８３、反射膜２２１、及び、反射膜２２２を備えている。半導体レーザー素子１００の共振器構造２１４には、凸部２３３、つまり、エミッター部２３４が１つのみ形成されている。半導体レーザー素子１００のその他の構成の特徴は、半導体レーザーアレイ２００と同じである。
なお、半導体レーザーアレイ２００は、１つのエミッター部２３４を有する半導体レーザー素子１００を複数個有しているということもできる。
（半導体レーザーアレイの製造方法）
次に、図８を参照しつつ、半導体レーザーアレイ２００の製造方法について説明する。図８は、実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００の製造工程を示す図である。
＜工程Ｓ１＞
まず、主面が（０００１）面であるｎ型六方晶ＧａＮ基板（基板２１２）を形成する。ここで、基板２１２の厚さは、例えば、４００μｍである。
＜工程Ｓ２＞
次に、基板２１２上に共振器構造２１４を形成する。工程Ｓ２は、工程Ｓ２１、及び、工程Ｓ２２を含む。
＜＜工程Ｓ２１＞＞
まず、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metalorganic Chemical Vapor Deposition）法で結晶成長させることで、基板２１２上に多重層４００を形成する。具体的には、第１のクラッド層である第１の半導体層２１６と、発光層２１５と、第２の半導体層２１７とを形成する。
なお、発光層２１５をＩｎＧａＮで形成する場合、工程Ｓ２１において、Ｉｎ組成を１０％以上１７％以下程度とすることで、４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲において、エミッター部２３４ごとに異なる利得波長を有する半導体レーザーアレイ２００を得ることができる。
＜＜工程Ｓ２２＞＞
次に、通常のフォトリソグラフィーを用いて、多重層４００の表面に１５μｍの幅を有するエッチングマスクをストライプ状に形成する。そして、多重層４００のうちの第２の半導体層２１７に対して、塩素系ガスを用いたドライエッチングを行う。このエッチングにおいて、エッチング対象は、コンタクト層（第２の半導体層２１７の最上部層）、及び、クラッド層（コンタクト層の直下の層）であり、エッチングの深さは、コンタクト層の最上面からコンタクト層の最下面にわたる膜厚に相当する。これにより、多重層４００に多数の凸部２３３が形成される。
よって、基板２１２の表面に共振器構造２１４が形成される。この共振器構造２１４は、凸部２３３の幅が１５μｍ、共振器長が２０００ｍｍであるエミッター部２３４を２０個有する。
＜工程Ｓ３＞
共振器構造２１４の表面に、ＣＶＤ法などを用いて、絶縁膜を形成する。この絶縁膜は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）層である。次いで、通常のフォトリソグラフィーを実行し、凸部２３３の所定領域の絶縁膜を除去する。
凸部２３３の絶縁膜が除去された領域に、Ｐｄ及びＰｔを材料として用いてｐ側電極２８３を形成する。さらに、複数のｐ側電極２８３を接続するように、パッド電極を形成する。
次に、基板２１２を厚さが１００μｍ程度となるように（０００－１）面（基板２１２の裏面）から研磨、又はエッチングする。基板２１２を薄くすることで、最終的に完成する半導体レーザーアレイ２００の放熱性を向上させることができる。
次に、基板２１２の裏面に、チタン及び金を蒸着し、アロイ処理を行うことにより、ｎ側電極２１９を形成する。
＜工程Ｓ４＞
次に、基板２１２のｍ面の劈開性を利用して、基板２１２を劈開し、基板２１２、共振器構造２１４、ｐ側電極２８３、及び、ｎ側電極２１９からなるアレイ本体部１９９を複数個切り出す。本実施形態では、共振器長ｘが２０００μｍ、アレイ幅Ｗが９０００μｍであり、４０個の凸部２３３を有するアレイ本体部１９９が切り出される。
＜工程Ｓ５＞
次いで、アレイ本体部１９９の出射端面にＳｉＯ２層、及び、Ａｌ２Ｏ３層を積層することで、所定の範囲の反射率を有する反射膜２２１を形成する。
また、アレイ本体部１９９の非出射端面に、ＳｉＯ２層、及び、ＡｌＯＮ層を積層することで、反射膜２２２を形成する。
以上、工程Ｓ１～Ｓ５により、半導体レーザーアレイ２００が形成される。
なお、半導体レーザー素子１００は、アレイ本体部１９９を分割することで、エミッター部２３４を１つのみ有する素子本体部を形成し、素子本体部の出射端面に反射膜２２１を形成し、非出射端面に反射膜２２２を形成することで得られる。
（レーザーモジュールの構成）
以下、図９Ａ及び図９Ｂを参照しつつ、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００が実装されたレーザーモジュール９００について説明する。図９Ａは、レーザーモジュール９００の斜視図であり、図９Ｂは、レーザーモジュール９００の分解斜視図である。
レーザーモジュール９００は、レーザー発振器１０（図１０参照）に搭載される。
本実施形態では、半導体レーザーアレイ２００は、上側金属ブロック９３０、下側金属ブロック９４０、熱伝導シート９６０、及び、水冷架台９７０を備え、水冷による冷却を行う高放熱方式のモジュールとして構成されている。以下、詳細を説明する。
上側金属ブロック９３０、及び、下側金属ブロック９４０は、放熱性が高い金属ブロックであり、例えば、銅で形成されている。上側金属ブロック９３０、及び、下側金属ブロック９４０は、それぞれ、半導体レーザーアレイ２００の上側及び下側に配置されている。熱伝導シート９６０は絶縁性を有する。
レーザーモジュール９００は、水冷架台９７０から熱伝導シート９６０、及び、下側金属ブロック９４０を介して、半導体レーザーアレイ２００が冷却可能な構造となっている。
レーザーモジュール９００は、さらに、サブマウント９２０及び絶縁シート９５０を備えている。サブマウント９２０及び絶縁シート９５０は、半導体レーザーアレイ２００とともに、上側金属ブロック９３０、及び、下側金属ブロック９４０との間に配置されている。
半導体レーザーアレイ２００は、エミッター部２３４を複数有しているので、レーザー発振するために必要な電力が数十Ｗ以上になることもある。よって、サブマウント９２０を導電性の材料で形成して、当該サブマウント９２０を電流経路として機能させてもよい。例えば、サブマウント９２０は、高放熱材料、例えば、シリコンカーバイドで形成されている。
サブマウント９２０は、絶縁性の材料で形成されていてもよい。この場合、半導体レーザーアレイ２００と接続するサブマウント９２０の表面に金メッキ及び銅メッキなど、金属メッキを施し、導電性を確保してもよい。
なお、上側金属ブロック９３０、及び、下側金属ブロック９４０は、それぞれｐ側電極２８３およびｎ側電極２１９を電源装置（不図示）の正電極及び負電極に接続する。
ビームツイスターユニット２０６は、半導体レーザーアレイ２００の出射端面側に配置されている。ビームツイスターユニット２０６は、半導体レーザーアレイ２００から出射された複数のレーザー光１をそれぞれ９０°回転させ、近い波長を有する個々のレーザー光１の相互干渉を防いでいる。
本実施形態に係るレーザーモジュール９００に、６０Ａのパルス電流を注入すると、６０Ｗ以上８０Ｗ以下のレーザー光１を得ることができる。１つのエミッター部２３４に１．５Ａの電流が注入されていることになる。その結果、１つのエミッター部２３４から、最大で２.０Ｗ（８０Ｗ÷４０個（エミッター部２３４の数））の光出力が得られる。
（レーザー発振器の構成）
本実施形態に係る加工装置は、レーザー発振器１０を備えている。以下、図１０を参照しつつ、本実施形態に係るレーザー発振器１０について説明する。図１０は、本実施形態に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０を示す図である。なお、冷却水の経路及び電源装置については、図１０から省略している。
レーザー発振器１０は、５つのレーザーモジュール９０１～９０５を備えている。それぞれのレーザーモジュール９０１～９０５に、上述したレーザーモジュール９００が適用される。また、図１０には、それぞれのレーザーモジュール９０１～９０５に、半導体レーザーアレイ２０１～２０５が搭載されていることが示されている。
レーザー発振器１０は、さらに、筐体１１、複数のミラー１７、回折格子２０８、及び、外部共振ミラー２１０を備えている。
筐体１１は、例えば、ステンレス製であり、筐体１１の内部には、レーザーモジュール９０１～９０５が配置されている。実際には、レーザーモジュール９０１～９０５は扇状に並んでいる。図１０には、レーザーモジュール９０１、レーザーモジュール９０２、レーザーモジュール９０３、レーザーモジュール９０４及びレーザーモジュール９０５の順に並んでいることが示されている。レーザーモジュール９０１～９０５は、電源装置から直列に電流が注入され、レーザー光１を出射する。
筐体１１の内部には、複数のミラー１７、回折格子２０８、及び、外部共振ミラー２１０が配置されている。
レーザーモジュール９０１～９０５から出射されたレーザー光１は、複数のミラー１７によって、回折格子２０８に集光される。本実施形態では、回折格子２０８は、透過型の回折格子であり、半導体レーザーアレイ２０１～２０５の出射端面から回折格子２０８までの距離（光路長）が２．６ｍとなるように配置されている。
回折格子２０８に対するレーザー光１の入射角αは、レーザー光１の出射元のレーザーモジュールの位置によって異なる。レーザーモジュール９０１、９０２、９０３、９０４、９０５からのレーザー光１の入射角αは、それぞれ２１．６°、２２．４°、２３．２°、２４．０°、２４．８°であり、０．８°刻みで変化している。回折格子２０８から出射される外部共振光２の出射角βは７０°である。
本実施形態に係るレーザー発振器１０における半導体レーザーアレイ２０１～２０５のロック波長、並びに、回折格子の溝周期、及び、格子定数等の条件は、以下の表３に示されている。
Figure 0007697828000003
レーザー発振器１０は、外部共振ミラー２１０と半導体レーザーアレイ２０１～２０５の非出射端面の反射膜２２２との間で共振を起こし、一部をレーザー光３として出射させる。なお、外部共振ミラー２１０の反射率は、１５％に設定されている。
レーザー発振器１０において、カップリング効率は、ミラー１７及び光学部品（不図示）の光軸の調整を行うことで、１５％程度に設定されている。
（レーザー発振器の製造方法）
上述のレーザー発振器１０は以下のようにして組み立てられる。まず、複数のレーザーモジュール９００、回折格子２０８、複数のミラー１７、及び、外部共振ミラー２１０を収容することができ、かつ、それらの配置位置を微調整することができる程度の容量を有する筐体１１を準備する。
次に、複数のミラー１７、回折格子２０８、及び、外部共振ミラー２１０を配置する。このとき、複数のミラー１７、回折格子２０８、及び、外部共振ミラー２１０の位置を調整するとともに、外部共振時に光軸ずれが発生しないようにするために光軸調整を行う。
次いで、複数のレーザーモジュール９００を準備する。そして、準備したレーザーモジュール９００に含まれる半導体レーザーアレイ２００に対して事前測定を行う。事前測定では、半導体レーザーアレイ２００で内部共振を発生させ、レーザー発振させる。
事前測定において、レーザー発振器１０で使用する電流値における、半導体レーザーアレイ２００の右端部（一端部）、左端部（他端部）、及び、中央部の各利得波長を測定しておくことが望ましい。電流が流れることで、エミッター部２３４が発熱し、半導体レーザーアレイ２００の発光層２１５のバンドギャップ、つまり、利得波長が変化し、その結果、半導体レーザーアレイ２００の位置によって利得波長がばらつくためである。
また、半導体レーザーアレイ２００の出来栄えによって、出力値や諸特性が変化するため、一定電流値での光出力や、レーザー発振に必要な閾値電流、閾値電圧、すなわち、閾値電力を測定しておくことが望ましい。
測定した利得波長の値から、レーザー発振器１０のロック波長と合致する半導体レーザーアレイ２００を有するレーザーモジュール９００を選別する。このとき、内部共振で、光出力が効率的に得られる半導体レーザーアレイ２００を有するレーザーモジュール９００を選ぶことが望ましい。選別されたレーザーモジュール９００が、レーザーモジュール９０１～９０５として使用される。
次いで、筐体１１内部の適切な位置にレーザーモジュール９０１～９０５を配置する。その後、散乱光が筐体１１の外部に漏れないように、筐体１１の蓋（不図示）を閉じる。
以上により、レーザー発振器１０が完成する。その後、レーザー発振器１０の冷却機構を機能させた後、電源装置の電源を投入し、外部共振ミラー２１０から出射されるレーザー光３の出力値や品質を測定することで、レーザー発振器１０の出来栄えを評価する。
なお、レーザーモジュール９００が半導体レーザーアレイ２００（つまり、複数の半導体レーザー素子１００）を有しているとして説明したが、レーザーモジュール９００が単一の半導体レーザー素子１００を有していてもよい。すなわち、レーザー発振器１０は、単一の半導体レーザー素子１００を１つのみ有するレーザーモジュール９００を複数個有していてもよい。
［実施例］
次に、図１１～図１３、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照しつつ、実施例に基づいて関係式（１）の根拠を説明する。
図１１は、実施例に係る半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１の反射率と、加工装置に用いられるレーザー発振器１０の光出力との関係を示す図である。図１２は、実施例に係る半導体レーザーアレイ２００のエミッター部２３４をｎ側電極２１９側から見た時の図であり、出射端面近傍を示している。図１３は、実施例に係る半導体レーザーアレイ２００における、閾値電力と出射端面の反射膜２２１の反射率の関係を示す図である。図１３の縦軸は、閾値電力の最小値（つまり、Ｐｔｍ）を１００％としたときの閾値電力の比率（以下、「閾値電力比」と称す。）を示しており、図１３の横軸は、出射端面の反射膜２２１の反射率を示している。図１４Ａ及び図１４Ｂは、実施例に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０から外部共振によって出力されたレーザー光の波長スペクトルを示す図である。図１４Ａは、出射端面の反射膜２２１の反射率が０．１６％、及び、利得波長が４４０ｎｍという条件下において得られたスペクトルであり、図１４Ｂは、出射端面の反射膜２２１の反射率が３．３％、及び、利得波長が４３８ｎｍという条件下において得られたスペクトルである。
本実施例では、上述の実施形態に沿って、半導体レーザーアレイ２００をレーザーモジュール９００に実装し、そのレーザーモジュール９００を複数搭載したレーザー発振器１０を製造した。
まず、出射端面の反射膜２２１の反射率が０．０７％、０．１６％、０．２５％、０．３５％、０．４６％、０．５５％、０．６６％、０．７５％、０．８５％、０．９５％、１．０％、２．２％、３．３％、４．０％、及び、５．５％にそれぞれ設定された半導体レーザーアレイ２００を１０個ずつ（計１５０個）準備した。なお、反射膜２２１を構成する誘電体層の膜厚の構成を変更することで、反射膜２２１の反射率を変更し、１５水準の反射率となるように設定した。なお、同一の反射率を有する半導体レーザーアレイ２００は、互いに略同一の特性を有し、かつ、上述の表３のロック波長に合致する。
次に、半導体レーザーアレイ２００を１つずつレーザーモジュール９００に実装し、１５０個のレーザーモジュール９００を形成した。そして、各半導体レーザーアレイ２００を内部共振によりレーザー発振させた。さらに、各水準において、１０個のレーザーモジュール９００の中から、ロック波長と利得波長が整合する半導体レーザーアレイ２００を有するレーザーモジュール９００を５個選別した。
そして、選別したレーザーモジュール９００を用いて、１５水準毎にレーザー発振器１０を製造した。なお、選別したレーザーモジュール９００を配置する際、光軸調整を実行した。
その後、各レーザー発振器１０において、冷却機構を機能させ、電源を入れ、外部共振ミラー２１０から出射されるレーザー光３の出力値を測定した。
図１１に示されているように、出射端面の反射膜２２１の反射率が０．３５％以上、かつ、反射率２．２％以下の範囲にあるときのレーザー発振器１０の出力値に対して、反射率が０．３５％未満、及び、反射率２．２％よりも大きい範囲にあるときの出力値が小さくなっていることを確認した。この結果は、反射率が０．３５％未満、及び、反射率２．２％よりも大きい範囲において、レーザー発振器１０の基本性能である光出力が減少していると言える。
発明者は、図１１の結果について、反射率０．３５％を境に、反射率が小さくなるほど光出力値が減少する原因（以下、「原因１」と称す。）、および、反射率２．２％を境に反射率が大きくなるほど光出力が減少する原因（以下、「原因２」と称す。）を解析した。
＜原因１＞
各レーザー発振器１０からレーザーモジュール９００を取り出し、内部共振にて、半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振させた。反射率が０．０７％、０．１６％、及び、０．２５％の反射膜２２１を有する半導体レーザーアレイ２００において、４０個のエミッター部２３４のうち、複数のエミッター部２３４が発光していないことが判明した。
さらに、当該レーザーモジュール９００から、半導体レーザーアレイ２００を取り出し、ｎ側電極２１９側から半導体レーザーアレイ２００のエミッター部２３４を観察した。
その結果、図１２に示されているように、エミッター部２３４に対応する領域が観察された。図１２には、エミッター部２３４が５個示されており、その中に非発光のエミッター部２３４は３個あった。また、その３個のエミッター部２３４の出射端面近傍には、結晶欠陥６００が発生していることが確認された。
なお、ｎ側電極２１９は、基板２１２の裏面におけるエミッター部２３４の直下の領域には配置されていないため、エミッター部２３４の発光強度や結晶欠陥６００の有無を可視化できる。
発明者は、図１２の結果から以下の結論に達した。半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射率が非常に小さい場合に、内部共振により半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振させるためには、エミッター部２３４に比較的大きな電力を注入する必要ある。その電力を注入することで、エミッター部２３４に比較的大きな熱負荷がかかり、結晶欠陥６００が発生した。
以下、上述の結論について詳細を説明する。
レーザー発振器１０を製造する際、準備したレーザーモジュール９００に対して、事前測定により、利得波長、及び、諸特性（例えば、レーザー光１の出力値及び半導体特性等）を調べる必要がある。利得波長の測定は、レーザーモジュール９００を選別する作業を行うために必要な測定である。
事前測定の際に、少なくとも１回は、内部共振により、半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振させる必要がある。
半導体レーザーアレイ２００において内部共振させる場合において、注入電力が閾値電力に達するまでに供給されている電力のエネルギーは、すべて熱エネルギーに変換される。エミッター部２３４内部での熱負荷が大きくなると、共振器構造２１４やエミッター部２３４における応力がかかる部位に結晶欠陥６００が発生しやすくなる。
結晶欠陥６００を含むエミッター部２３４を有する半導体レーザーアレイ２００が搭載されたレーザー発振器１０において、外部共振を発生させた場合、結晶欠陥６００は、発光層２１５まで広がり、最終的には、発光層２１５を構成する結晶が破壊されてしまう。
＜＜結晶欠陥が生じ始める電力について＞＞
上述の結論から考えると、閾値電力が最も小さくなるように出射端面の反射膜２２１の反射率を設定すればよいと思われる。
共振器長ｘやエミッター部２３４の形状によって、最小の閾値電力（最小閾値電力Ｐｔｍ）を示す出射端面の反射膜２２１の反射率は異なる。共振器長が２０００μｍである半導体レーザーアレイ２００に、内部共振によりレーザー発振させる場合、閾値電力が最小となる反射膜２２１の反射率は５．５％である。
実際に、実施例では、共振器長が２０００μｍである半導体レーザーアレイ２００が製造されており、当該半導体レーザーアレイ２００において、図１３に示されているように、閾値電力は、出射端面の反射膜２２１の反射率が５．５％のときに最小値を示した。
しかしながら、図１１に示されているように、反射膜２２１の反射率を５．５％とすると、レーザー発振器１０の光出力値が小さくなってしまう。このため、本実施形態の半導体レーザーアレイ２００の反射膜２２１は、５．５％よりも小さくする必要があると言える。
図１３に示されているように、反射率が０．３５％以下かつ０．１６％以上の範囲において、反射率が小さくなるほど、閾値電力比が大きくなる傾向があった。よって、レーザー発振器１０の光出力が低下しはじめる反射率である０．３５％を反射率の下限とするのがよい。その時の閾値電力は、エミッター部２３４に結晶欠陥６００が生じない電力範囲のうちの最大値に相当すると言える。図１３により、反射率が０．３５％のときの閾値電力は、反射率が５．５％のときの閾値電力（最小閾値電力Ｐｔｍ）の１．４倍であった。
以上説明したように、図１１～１３から、以下の結論を得た。半導体レーザーアレイ２００に、最小閾値電力Ｐｔｍの１．４倍を超える電力が供給されると、エミッター部２３４に結晶欠陥６００を発生させてしまう。その結晶欠陥６００が発光層２１５を破壊したため、レーザー発振器１０の光出力が低下した。
また、共振器長が２０００μｍのとき、反射率Ｒの下限を０．３５％と決めるのがよい。より一般化すると、反射率Ｒの下限を、最小閾値電力Ｐｔｍの１．４倍の電力で半導体レーザーアレイ２００がレーザー発振するときの反射膜２２１の反射率と決めるのがよい。
＜原因２＞
まず、反射率が３．３％の反射膜２２１を有する半導体レーザーアレイ２００を搭載さているレーザーモジュール９００が配置されたレーザー発振器１０について、レーザー光３の波長スペクトルを調べた。ここで、レーザー発振器１０の５個のレーザーモジュール９００の１つを外部共振によりレーザー発振させ、分光器によって、レーザー発振器１０から得られるレーザー光３の波長スペクトルを解析した（図１４Ｂ参照）。
また、比較のため、反射率が０．１６％の反射膜２２１を有する半導体レーザーアレイ２００を搭載さているレーザーモジュール９００が配置されたレーザー発振器１０について、同様にしてレーザー光３の波長スペクトルを調べた（図１４Ａ参照）。
図１４Ａ及び図１４Ｂの波長スペクトルは、レーザーモジュール９００が有する利得波長から±３．０ｎｍの範囲においてロック波長を変更して、各ロック波長においてレーザー光３を出力させ、当該レーザー光３の波長スペクトルを取得し、取得した波長スペクトルを並べることで生成されている。なお、ロック波長は、回折格子２０８に対するレーザーモジュール９００の相対的な向きを変更することで調整した。
図１４Ａに示されているように、反射率０．１６％の波長スペクトルには、内部共振で得られる光のスペクトルピーク７０１（後述）が存在せず、外部共振で得られる光のスペクトルピーク７００のみが存在しており、さらに、スペクトルピーク７００がロック波長の変化とともに、高い波長側又は低波長側に推移していることが分かった。以下、このような特徴を「理想スペクトル特徴」と称す。また、図１４Ａの波長スペクトルによれば、ロック波長が±３．０ｎｍ変化したとしても、外部共振が発生していることが分かった。
ＷＢＣ型の加工装置に用いられるレーザー発振器１０から得られる波長スペクトルは、上述の理想スペクトル特徴を有することが望ましい。
しかしながら、反射率が３．３％の波長スペクトルには、図１４Ｂに示されているように、ロック波長を４３８ｎｍから±１．５ｎｍずらしたところで、内部共振で得られる光のスペクトルピーク７０１が存在しているが分かった。
このように、内部共振に起因するスペクトルピーク７０１と外部共振に起因するスペクトルピーク７００が混在する理由は、以下のように考えるのが妥当である。図４Ａに示されているように、４３８ｎｍから所定の値（１．５ｎｍよりも大きい値）低波長側にずらした波長のときに、反射膜２２１の反射率が２．２％より大きくなる。そして、当該ずらした波長において、半導体レーザーアレイ２００で内部共振が発生してしまう。
内部共振の影響が比較的大きい場合、その内部共振は、外部共振によるレーザー出力値の低下の要因となる。
したがって、反射膜２２１の反射率を特定の値よりも大きい値に設定された半導体レーザーアレイ２００を用いてレーザー発振器１０を製造する場合、以下の要因１～３が満たされると、当該半導体レーザーアレイ２００の一部のエミッター部２３４が内部共振によりレーザー発振すると考えることができる。また、当該レーザー発振より発振されたレーザー光１は、外部共振に起因して発振されたものではないため、レーザー発振器１０の光出力に寄与しない。むしろ、レーザー発振器１０の光出力を低下させると考えることができる。
（要因１）半導体レーザーアレイ２００のエミッター部２３４毎の利得波長のばらつきが一定値よりも大きい。
（要因２）反射膜２２１の反射率のばらつきが一定値よりも大きい。
（要因３）利得波長とロック波長のずれが一定値よりも大きい。
上述の特定の値とは、およそ２．２％より大きい値、つまり、外部共振ミラー２１０の反射率１５％とカップリング効率１５％の積である２．２２５％よりも大きい値である。
例えば、本実施例において、反射膜２２１の反射率が５．５％に設定された半導体レーザーアレイ２００を有するレーザー発振器１０では、外部共振によりレーザー光３を出力させているとき、光出力の低下量から見積もると（図１１参照）、約６％ものエミッター部２３４が内部共振によりレーザー発振していると推定することができる。
上述した事項を踏まえて、発明者は、本実施例において、レーザー発振器１０内の一部のエミッター部２３４において、内部共振の帰還率が外部共振の帰還率より大きくなり、光出力が減少していると結論付けた。また、発明者は、外部共振ミラー２１０の反射率とカップリング効率Ｃとの積と一致する反射率が、レーザー発振器１０の光出力値が低下しはじめる臨界点であり、その臨界点を上限に決定するとよいと結論づけた。これより、出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒが関係式（１）を満たすことにより、半導体レーザーアレイ２００に結晶欠陥６００を発生させることなく事前測定を実行できるとともに、外部共振によりレーザー光３を発振させる際に、内部共振の影響を最小限に抑制できるので、レーザー出力値の低下を抑制できるという結論が導かれる。
本実施例では、半導体レーザーアレイ２００の実施形態に基づいて実施したが、半導体レーザー素子１００が用いられる場合であっても、同様の結論が導かれる。
以上説明した通り、実施形態に係る半導体レーザー素子１００は、外部共振ミラー２１０を有するＷＢＣの加工装置が備えるレーザー発振器１０に配置される半導体レーザー素子１００であって、レーザー光１を発光する発光層２１５を有する共振器構造２１４と、共振器構造２１４の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、レーザー光１を反射させる反射膜２２２及び反射膜２２１と、を備えている。また、共振器構造２１４がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値（最小閾値電力Ｐｔｍ）の１．４倍の電力Ｐ１４で共振器構造２１４がレーザー発振するときの反射膜２２１の反射率をＲ１、外部共振ミラー２１０の反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、共振器構造２１４内に外部共振ミラー２１０からの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、半導体レーザー素子１００の利得波長における反射膜２２１の反射率Ｒは、上述の関係式（１）を満たす。
実施形態に係る加工装置が備えるレーザー発振器１０は、単一の半導体レーザー素子１００を含むレーザーモジュール９００を備えている。
実施例で説明したように、実施形態によれば、半導体レーザー素子１００を用いてレーザー発振器１０を製造する際、事前測定において、内部共振によりレーザー発振させたとしても、半導体レーザー素子１００に結晶欠陥が生じない。よって、レーザー発振器１０のレーザー出力値が低下しない。また、レーザー発振器１０において外部共振によりレーザー光３を発振させる際、外部共振の光出力に対して内部共振が与える影響が小さいので、内部共振に起因するレーザー発振器１０のレーザー出力値の低下が抑制される。よって、加工装置に用いられるレーザー発振器１０に適したレーザー光３が得られる。
したがって、レーザー発振器１０の高出力化、ひいては、加工装置の高出力化を図ることができる。
また、結晶欠陥を有する半導体レーザー素子１００をレーザー発振器１０に組み込まずに済むので、レーザー発振器１０、つまり、加工装置の出力値を安定させることができる。
本実施形態に係る半導体レーザー素子１００は、事前測定が実行されたとしても、各エミッター部２３４に結晶欠陥が発生しないので、結晶欠陥の存在を調べる特殊な測定及び解析が不要である。よって、レーザー出力値が安定したレーザー発振器１０を簡便に製造できる。
実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００は、上述の半導体レーザー素子１００を複数有する。また、実施形態に係る加工装置が備えるレーザー発振器１０は、半導体レーザーアレイ２００を含むレーザーモジュール９００を備える。よって、半導体レーザー素子１００を用いてレーザー発振器１０を製造する場合と同様の効果が得られる。
また、事前測定の終了時から半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振器１０に組み込むまでの間に、半導体レーザーアレイ２００の各エミッター部２３４に存在する結晶欠陥を測定や解析により発見することは困難である。当然ながら、レーザー発振器１０に組み込む前に、半導体レーザーアレイ２００から結晶欠陥が発生したエミッター部２３４だけを選んで除去することも困難と言える。
上述したように、本実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００は、事前測定が実行されたとしても、各エミッター部２３４に結晶欠陥が発生しないので、結晶欠陥の存在を調べる特殊な測定及び解析が不要である。よって、レーザー出力値が安定したレーザー発振器１０を簡便に製造できる。
実施形態に係る半導体レーザーアレイ２００は、複数の半導体レーザー素子１００を一組として構成された部品である。つまり、半導体レーザーアレイ２００は、レーザー光源を複数有する部品である。よって、半導体レーザー素子１００毎にレーザーモジュール９００を製造して、当該レーザーモジュール９００をレーザー発振器１０に組み込む場合と比べて、レーザー発振器１０に組み込むべきレーザーモジュール９００の数を少なくすることができる。
［変形例１］
以下、変形例１について、主に実施形態と異なる点を説明する。
変形例１に係る半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００が有する反射膜２２１は、実施形態の反射膜２２１と比べて、反射率のばらつきが小さい。つまり、変形例１に係る反射膜２２１は、位置にかかわらず、一定の反射率を有する。また、変形例１に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０における利得波長とロック波長のずれが、実施形態に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０における利得波長とロック波長のずれよりも小さい。
変形例１では、反射膜２２１の反射率のばらつきを小さくするために、反射膜２２１を構成する各層（誘電体層）の厚さを精密に制御している。また、利得波長とロック波長のずれを小さくするために、レーザー発振器１０に組み込むレーザーモジュール９００を選別する際に、より利得波長とロック波長のずれが小さい半導体レーザー素子１００又は半導体レーザーアレイ２００を有するレーザーモジュール９００を選別する。
変形例１に係る半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００の利得波長における出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒは、関係式（２）を満たす。すなわち、変形例１の反射率Ｒの上限は、実施形態の反射率Ｒの上限の２倍である。
Ｒ１≦Ｒ≦２×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ （２）
以下、関係式（２）の根拠を説明する。
＜実施例における別の上限（１）＞
発明者は、出射端面の反射膜２２１の反射率の上限について、実施例の結果を踏まえてさらに鋭意検討を行った。以下、その詳細を説明する。
半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１の反射率のばらつき、及び、利得波長とロック波長のずれが小さくなるようにしてレーザー発振器１０を製造した。具体的には、反射膜２２１を構成する各層（誘電体層）の厚さを精密に制御することで、出射端面の反射膜２２１の反射率のばらつきを小さくした。また、ロック波長により近い利得波長を有する半導体レーザーアレイ２００を選別することで、利得波長とロック波長のずれを小さくした。
その結果、出射端面の反射膜２２１の反射率が、レーザー発振器１０の外部共振ミラー２１０の反射率とカップリング効率の積が、２．２２５％（１．５％×１．５％）の２倍と一致する値の反射率となるように設定した場合でも、レーザー発振器１０の光出力値が低下しないことを確認した。
すなわち、半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１の反射率のばらつき、及び、利得波長とロック波長のずれを小さくできれば、反射膜２２１の反射率を比較的大きくしても、レーザー発振器１０の光出力値が低下しないことを確認した。
上述した別の上限（１）に関する鋭意検討結果は、半導体レーザー素子１００が用いられる場合であっても、同じである。
以上説明したように、変形例１によれば、出射端面の反射膜２２１の反射率を比較的大きい値に設定したとしても、出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒが関係式（２）を満たしているので、内部共振の影響を小さく抑えることができ、レーザー発振器１０の出力値、すなわち、加工装置の出力値が低下しない。
［変形例２］
以下、変形例２について、主に変形例１と異なる点を説明する。
変形例２に係る半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００が有する出射端面の反射膜２２１は、変形例１の反射膜２２１と比べて、反射率のばらつきが小さい。また、変形例２に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０における利得波長とロック波長のずれが、変形例１に係る加工装置に用いられるレーザー発振器１０での利得波長とロック波長のずれよりも小さい。
変形例２では、出射端面の反射膜２２１を構成する各層（誘電体層）の厚さをより厳密に制御している。また、レーザー発振器１０に組み込むレーザーモジュール９００を選別する際に、ロック波長が一致する又はより一層近い利得波長を有する半導体レーザー素子１００又は半導体レーザーアレイ２００を有するレーザーモジュール９００を選別する。
さらに、共振器構造２１４の生成時、発光層２１５の成長温度の分布を抑制している。これにより、最終的に形成される複数のエミッター部２３４の利得波長のばらつきが小さくなる。また、複数のエミッター部２３４の利得波長がレーザー発振器１０のロック波長と同じ又は比較的近い値になる。
変形例２に係る半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００の利得波長における出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒは、関係式（３）を満たす。すなわち、変形例２の出射端面の反射率Ｒの上限は、実施形態の反射率Ｒの上限の３倍である。
Ｒ１≦Ｒ≦３×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ （３）
以下、関係式（３）の根拠を説明する。
＜実施例における別の上限（２）＞
発明者は、出射端面の反射膜２２１の反射率の上限について、実施例の結果、及び、上述の別の上限（１）の結果を踏まえ、さらに鋭意検討を行った。以下、その詳細を説明する。
半導体レーザーアレイ２００の反射膜２２１の反射率のばらつき、及び、利得波長とロック波長のずれをより一層小さくなるようにしてレーザー発振器１０を製造した。
具体的には、出射端面の反射膜２２１を構成する各層（誘電体層）の厚さをより厳密に制御することで、出射端面の反射膜２２１の反射率のばらつきを小さくした。また、利得波長がレーザー発振器１０のロック波長と一致する又はより一層近い利得波長を有する半導体レーザーアレイ２００を選別することで、利得波長とロック波長のずれをより一層小さくした。
さらに、半導体レーザーアレイ２００の製造時、発光層２１５の成長温度の分布を抑制して、最終的に形成される複数のエミッター部２３４の利得波長のばらつきを小さくした。これにより、複数のエミッター部２３４の利得波長がレーザー発振器１０のロック波長と同じ又は比較的近い値になった。
その結果、出射端面の反射膜２２１の反射率が、レーザー発振器１０の外部共振ミラー２１０の反射率とカップリング効率の積が、２．２２５％（１．５％×１．５％）の３倍と一致する値の反射率となるように設定した場合でもレーザー発振器１０の光出力値が低下しないことを確認した。
すなわち、半導体レーザーアレイ２００の出射端面の反射膜２２１の反射率のばらつき、及び、利得波長とロック波長のずれをより一層小さくできれば、反射膜２２１の反射率を比較的大きくしても、レーザー発振器１０の光出力値が低下しないことを確認した。
上述した別の上限（２）に関する鋭意検討結果は、半導体レーザー素子１００が用いられる場合であっても、同じである。
以上説明したように、変形例２によれば、出射端面の反射膜２２１の反射率をさらに大きい値に設定したとしても、出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒが関係式（３）を満たしているので、内部共振の影響を小さく抑えることができ、レーザー発振器１０の出力値、すなわち、加工装置の出力値が低下しない。
［変形例３］
以下、変形例３について、主に実施形態と異なる点を説明する。
変形例３に係る半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００の発光層２１５の利得波長は、３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲にあり、共振器長は１２００μｍ以上３０００μｍ以下の範囲にある。
また、共振器長をｘとしたとき、半導体レーザー素子１００又は半導体レーザーアレイ２００の利得波長における出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒは、関係式（４）を満たす。
Ｒ≦０．３５６８ｅ－０．００１ｘ （４）
また、反射率Ｒは、さらに、関係式（５）を満たす。
０．８６１３ｅ－０．００３ｘ≦Ｒ （５）
関係式（４）及び（５）を満たす反射率Ｒの範囲は、反射膜２２１の製造上、実現可能な数値範囲である。よって、変形例３によれば、製造する半導体レーザー素子１００、又は、半導体レーザーアレイ２００、及びレーザー発振器１０の構成（特に、共振器長）を予め決めれば、共振器長に応じて、関係式（４）及び（５）を満たすように反射膜２２１の反射率Ｒを設定することで、実施形態と同様の効果が得られる。なお、共振器長が１２００μｍ以上３０００μｍ以下に設定されている限り、関係式（４）に基づいて算出される上限値が、関係式（５）に基づいて算出される下限値よりも小さくなることはない。
変形例３のように、半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００が、窒化物半導体で形成され、かつ、利得波長が３５０ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の発光層２１５を備える場合、共振器長が１２００μｍ以上３０００μｍ以下の範囲で高い光出力値が得られる。さらに、窒化物半導体で形成された発光層２１５には、ＧａＡｓやＩｎＰ等の他の材料で形成された発光層に比べて、事前測定の際に結晶欠陥が発生しやすい。
すなわち、変形例３によれば、半導体レーザー素子１００及び半導体レーザーアレイ２００が、比較的結晶欠陥が発生しやすい材料で形成されていたとしても、関係式（４）及び（５）を満たすように反射膜２２１の反射率を設定することで、実施形態と同様の効果を確実に得ることができる。
以下、変形例３により、上述の効果が得られる理由を説明する。
発明者は、実施例の結果を踏まえて、共振器長が異なっており、かつ、他の構成は実施例の半導体レーザーアレイ２００と同じ半導体レーザーアレイ２００について、理想的な出射端面の反射膜２２１の反射率の上限及び下限について鋭意検討を行った。
まず、発明者は、共振器長が１２００μｍ、１５００μｍ、及び、３０００μｍのときの出射端面の反射膜２２１の反射率の上限及び下限を推定した。
ここで、発明者は、下限として、内部共振によりレーザー発振させたとしても半導体レーザーアレイ２００に結晶欠陥６００が生じず、レーザー発振器１０の光出力値が低下しない最小の反射率を、以下の（ａ）～（ｃ）に基づいて推定した。
（ａ）出射端面の反射膜２２１の反射率が比較的小さい範囲において、反射膜２２１の反射率を小さくするほど閾値電力が大きくなる傾向（図１３参照）
（ｂ）共振器長が２０００μｍのときの下限（実施例の結果）
（ｃ）共振器長と閾値電力の関係性
また、発明者は、上限として、レーザー発振器１０から外部共振によりレーザー光３を出力する際に、半導体レーザーアレイ２００のエミッター部２３４において、内部共振が発生せず、レーザー発振器１０の光出力値が低下しない反射率の最大値を以下の（ｄ）～（ｅ）に基づいて推定した。
（ｄ）共振器長が長いほど外部共振ミラー２１０の最適な反射率は小さくなる傾向
（ｅ）共振器長が２０００μのときの外部共振ミラー２１０の最適な反射率（５．６％）
図１５は、出射端面の反射膜２２１の反射率の上限及び下限と共振器長との関係性を示す図である。図１５には、実施例で求められた上限及び下限（いずれも、実験によって得られた値）に加えて、共振器長が１２００μｍ、１５００μｍ、及び３０００μｍのときの上限及び下限（いずれも推定値）がプロットされている。
図１５の複数の上限のデータ及び複数の下限のデータをそれぞれフィッティングしたところ、上限関数は、共振器長をｘとしたとき、０．３５６８ｅ－０．００１ｘで表され、下限関数は、０．８６１３ｅ－０．００３ｘで表されることが分かった。
すなわち、半導体レーザーアレイ２００が少なくとも以下の条件１及び２を満たす場合、反射膜２２１の反射率をＲとしたときに、上述の関係式（４）及び（５）を満たすように反射膜２２１の反射率の値を設定することで、レーザー発振器１０からより高出力のレーザー光３を出力させることができることが分かった。
（条件１）半導体レーザーアレイ２００が、利得波長が３５０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲となる発光層２１５を有する。
（条件２）半導体レーザーアレイ２００が、共振器長が１２００μｍ以上かつ３０００μｍ以下の範囲のエミッター部２３４を有する。
出射端面の反射膜２２１の反射率Ｒが、上述の関係式（４）及び（５）を満たすことで、事前測定において内部共振によりレーザー発振させたとしても、半導体レーザーアレイ２００に結晶欠陥６００が生じにくく、結晶欠陥６００に起因するレーザー発振器１０のレーザー出力値の低下を防止できると言える。また、レーザー発振器１０を外部共振によりレーザー発振させた際に、内部共振に起因するレーザー光３の出力値の低下を防止できると言える。
さらに、半導体レーザーアレイ２００に結晶欠陥６００が生じにくいので、結晶欠陥６００を含む半導体レーザーアレイ２００をレーザー発振器１０の製造に用いずに済むので、レーザー発振器１０からのレーザー出力値が安定すると言える。
なお、上述した出射端面の反射膜２２１の反射率の上限及び下限に関する鋭意検討結果は、半導体レーザー素子１００が用いられる場合であっても、同じである。
［その他変形例］
本実施形態、変形例１及び２に係る半導体レーザーアレイ２００は、ＧａＮ系化合物が材料として使用され、４０５ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の波長帯のレーザー光１を出射するＧａＮ系半導体レーザーアレイであるとして説明したが、材料や波長帯はこれに限られない。本実施形態、変形例１及び２に係る半導体レーザーアレイ２００がＧａＮ系半導体レーザーアレイを採用する場合であっても、例えば、３５０ｎｍ以上４０５ｎｍ以下（青紫色から紫外）の波長帯のレーザー光１を出射する半導体レーザーアレイであってもよい。
また、本実施形態、及び変形例１～３に係る半導体レーザーアレイ２００がＧａＡｓ又はＩｎＰ等の他のＩＩＩ－Ｖ族半導体材料を材料とする半導体レーザーアレイであってもよい。
以上のその他変形例で説明した内容は、半導体レーザーアレイ２００に対してだけでなく、本実施形態、及び変形例１～３に係る半導体レーザー素子１００についても同様である。
本開示に係る外部共振型のレーザー発振器及び加工装置は、波長ビーム結合型の加工装置に好適である。
１ レーザー光
２ 外部共振光
３ レーザー光
４ 光
１０ レーザー発振器
１１ 筐体
１７ ミラー
１００ 半導体レーザー素子
１９９ アレイ本体部
２００～２０５ 半導体レーザーアレイ
２０６ ビームツイスターユニット
２０８ 回折格子
２１０ 外部共振ミラー
２１２ 基板
２１４ 共振器構造
２１５ 発光層
２１６ 第１の半導体層
２１７ 第２の半導体層
２１９ ｎ側電極
２２１ 反射膜
２２２ 反射膜
２３３ 凸部
２３４ エミッター部
２８３ ｐ側電極
４００ 多重層
６００ 結晶欠陥
７００ スペクトルピーク
７０１ スペクトルピーク
９００～９０５ レーザーモジュール
９２０ サブマウント
９３０ 上側金属ブロック
９４０ 下側金属ブロック
９５０ 絶縁シート
９６０ 熱伝導シート
９７０ 水冷架台
ｘ 共振器長
Ｌ 距離
α 入射角
β 出射角

Claims (6)

  1. 外部共振型のレーザー発振器であって、
    半導体レーザー素子と、
    外部共振ミラーと、
    を備え、
    前記半導体レーザー素子は、
    レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
    前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、
    を備え、
    前記外部共振ミラーは、前記第１の反射膜との間で外部共振を起こし、
    前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
    Ｒ１≦Ｒ≦Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
    で示される関係式を満たす、外部共振型のレーザー発振器。
  2. 外部共振型のレーザー発振器であって、
    半導体レーザー素子と、
    外部共振ミラーと、
    を備え、
    前記半導体レーザー素子は、
    レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
    前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、
    を備え、
    前記外部共振ミラーは、前記第１の反射膜との間で外部共振を起こし、
    前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
    Ｒ１≦Ｒ≦２×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
    で示される関係式を満たす、外部共振型のレーザー発振器。
  3. 外部共振型のレーザー発振器であって、
    半導体レーザー素子と、
    外部共振ミラーと、
    を備え、
    前記半導体レーザー素子は、
    レーザー光を発光する発光層を有する共振器構造と、
    前記共振器構造の非出射端面及び出射端面にそれぞれ設けられ、前記レーザー光を反射させる第１の反射膜及び第２の反射膜と、
    を備え、
    前記外部共振ミラーは、前記第１の反射膜との間で外部共振を起こし、
    前記共振器構造がレーザー発振する最低電力である閾値電力の最小値の１．４倍の電力で前記共振器構造がレーザー発振するときの前記第２の反射膜の反射率をＲ１、前記外部共振ミラーの反射率をＲ（Ｏｃ）、及び、前記共振器構造内に前記外部共振ミラーからの反射光が入射する割合であるカップリング効率をＣとしたとき、前記半導体レーザー素子の利得波長における前記第２の反射膜の反射率Ｒは、
    Ｒ１≦Ｒ≦３×Ｒ（Ｏｃ）×Ｃ
    で示される関係式を満たす、外部共振型のレーザー発振器。
  4. 前記半導体レーザー素子を複数有する半導体レーザーアレイを備える、
    請求項１から３のいずれかに記載の外部共振型のレーザー発振器。
  5. 請求項１から３のいずれかに記載の外部共振型のレーザー発振器を備える、
    波長ビーム結合型の加工装置。
  6. 請求項４に記載の外部共振型のレーザー発振器を備える、
    波長ビーム結合型の加工装置。
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