JPH08162717A

JPH08162717A - 面発光半導体レーザ

Info

Publication number: JPH08162717A
Application number: JP30338494A
Authority: JP
Inventors: Junichi Mizui; 順一水井; Hideo Yamakoshi; 英男山越; Masaru Ishibashi; 勝石橋; Ryuichi Matsuda; 竜一松田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1994-12-07
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1996-06-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】レーザの大出力化、レーザ光断面強度分布の
均一大型化と縦横長さの同一化、レーザ波面の単一平面
化、発散角の低減を満足する半導体レーザを提供する。【構成】面発光半導体レーザ素子Ｉ，IIを発光面が相
対向するように対向配置し、面発光半導体レーザ素子
Ｉ，IIの発光部となる面発光半導体レーザ素子要素に斜
めに光を入射することにより各活性層を通過し、その後
ミラー層で折り返して再度活性層を通過して入射角と同
一角度で出射し、次の面発光半導体レーザ素子要素に入
射し、同様の動作を繰り返すように構成することによ
り、各面発光半導体素子要素の各活性層を光学的に直列
結合したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は面発光半導体レーザに関
し、特にレーザプロセス装置及びレーザ加工装置のレー
ザ光源部並びに計測用及び長距離空間通信用の半導体レ
ーザ装置のレーザ光源部に適用して有用なものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザプロセス装置では処理能
力向上のため大出力化が要求され、また光を空間の任意
の位置に伝送する為、波面の単一平面化と発散角の低減
が必要であり、さらに使用する光学部品は通常円形又は
正方形であるためレーザ光断面強度分布の均一化と縦横
長さの同一化も必要である。

【０００３】このような目的に適合するものとしてＣＯ
₂レーザやＹＡＧレーザがある。しかしこれらのレーザ
は、電気入力から光への変換効率が低い、発振波長が赤
外線で長い、計算機による制御性が悪い、装置が大型で
あるなどの欠点がある。

【０００４】一方、このような欠点を克服するレーザと
して半導体レーザがあるが、すでに述べたＣＯ₂レーザ
やＹＡＧレーザのような長所を持つに至っていない。

【０００５】レーザプロセス装置に必要であるが、半導
体レーザの欠点と言われている性能について整理した最
近の各種の半導体レーザの比較を表１に示す。

【表１】

【０００６】同表を参照すれば次の事が分かる。すなわ
ち、通常の半導体レーザ単体では出力も低く発散角も大
きい。これを二次元に多数配列して平面状の各点の半導
体レーザ素子からの出力を集めて使用するものが半導体
レーザアレイである。この形式のものは平均出力数ｋＷ
以上の出力が得られるが、レーザ波面が単一でなく発散
角も大きい。従って直接レーザとして利用されないで、
ＹＡＧ等の固体レーザを従来のランプに代って励起する
ために使用されている。

【０００７】図８に示すテーパ型半導体レーザ増幅器は
活性層４の幅を広げて、単体で出力増加と波面の単一化
をめざしてある程度の性能向上を達成しているが、活性
層４の厚さが薄いため大型大出力化には限界がある。

【０００８】なお、図８中、１はマスタ発振器、２は上
部電極、３はクラッド層、５は絶縁層、６は基板、７は
下部電極及び８はレーザ出力光である。

【０００９】図９に示す波面位相整合型の半導体レーザ
アレイは、複数個の半導体レーザ９ａ，９ｂ，９ｃ，９
ｄを平面上にその間隔が波長程度となるように平行に並
べ、各半導体レーザ９ａ〜９ｄの間へ光の波が滲み出す
効果で全てのレーザの波面を一致させるものであるが、
強度分布を夫々に極大値があり均一ではない。なお、図
９中、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは活性層、１１
ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄはレーザ出力光である。

【００１０】レーザ出力光８，１１ａ〜１１ｄの光軸を
活性層４，１０ａ〜１０ｄの膜の面に平行としたものが
以上述べた半導体レーザであるが、垂直にしたものが図
１０に示す面発光半導体レーザである。この形式のレー
ザ単体ではレーザ波面が単一平面で発散角も小さいが、
２つのミラー型クラッド層１２ａ，１２ｂの間で活性層
１３の光路長が短い（厚さが薄い）ため出力が小さい。
また、面発光半導体レーザをアレイ状に多数で構成する
とある程度の出力は得られるが、単一波面とならない。

【００１１】なお、図中１４は上部電極、１５は絶縁
層、１６は基板、１７は下部電極、１８はレーザ出力光
である。

【００１２】上述の如き従来技術に係る半導体レーザの
欠点は、光を放出する活性層が厚さの薄い平板状である
ことが原因で現れる。また大出力化のためには、レーザ
光による半導体材料の光損傷により単位面積当たりの通
過最大レーザ強度が制限される為、レーザ光通過断面積
を大きくする必要があり、面発光半導体レーザが有利で
あるが、一枚の活性層だけでは光増幅できる光路長が短
いので出力が小さい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術に鑑み、レーザの大出力化、レーザ光断面強度分布の
均一大型化と縦横長さの同一化、レーザ波面の単一平面
化、発散角の低減を同時に満足する半導体レーザの構成
を見いだし、ＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザと同等のレー
ザ性能を半導体レーザに持たせることができる面発光半
導体レーザを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】ＹＡＧレーザやＣＯ₂レ
ーザは、半導体レーザの活性層にあたるレーザ媒質が円
柱状や直方体であり、この長手方向にレーザ光軸を設定
して外部に共振器を構成して発振させるため上述のよう
な問題は無い。従って半導体レーザの活性層を円柱状や
直方体と同等と見なせる構成を見いだすことが具体的な
目的である。

【００１５】上記目的を達成する第１の発明の構成は、
レーザ光軸が、複数の面発光半導体レーザ素子要素の各
活性層を順次通過するよう、各活性層を光学的に直列結
合したことを特徴とする。

【００１６】第２の発明の構成は、活性層の発光面側と
反対側にミラー層を配置した複数の面発光半導体レーザ
素子要素を各発光面を相対向させて配置し、各面発光半
導体レーザ素子要素面へ斜めに入射したレーザ光線が各
活性層を透過するとともにその奥のミラー層で反射して
再度活性層を透過し、その面発光半導体レーザ素子要素
から入射角と同じ角度で反対の方向へ出て、次の面発光
半導体レーザ素子要素へ同様に斜めに入射することによ
り全ての面発光半導体レーザ素子要素をレーザ光線が通
過するように構成したことを特徴とする。

【００１７】第３の発明の構成は、各発光面の表面に無
反射コート膜を形成したことを特徴とする。

【００１８】第４の発明の構成は、面発光半導体レーザ
素子要素のクラッド層の発光面側に透明電極膜を形成し
たことを特徴とする。

【００１９】第５の発明の構成は、電気導体を編み目状
に発光面側に形成した電極を有することを特徴とする。

【００２０】第６の発明の構成は、発光面の形状を長方
形や楕円形等のように縦横比を１より大きくしたことを
特徴とする。

【００２１】第７の発明の構成は、面発光半導体レーザ
素子要素の単体又は複数をまとめて駆動するための電源
を設けて、それぞれを独立に運転制御することを特徴と
する。

【００２２】第８の発明の構成は、複数の面発光半導体
レーザ素子要素を有する面発光半導体レーザ素子を個別
に又は複数個まとめて冷却可能に構成したことを特徴と
する。

【００２３】

【作用】上記構成の本発明によれば、多数の面発光半導
体レーザ素子要素を用いてレーザ光軸が各活性層の大き
な平面に次々と入射する。

【００２４】特に、第２の発明によればレーザ光軸は発
光面に斜めに入射し、活性層の奥にあるミラーで折り返
して面発光半導体レーザ素子要素から出て、次々と全て
の面発光半導体レーザ素子要素の活性層を通過する。

【００２５】第３の発明は発光面にレーザ光が入射する
時の反射損失を低減し、波面の単一化を実現する。

【００２６】第４の発明は発光面の面積が大きい時、駆
動電流を全体に供給して、大きなレーザ光断面を実現す
る。

【００２７】第５の発明は、第４の発明で必要な光吸収
の少ない透明電極膜の代わりに発光面中央付近に不透明
な細い電気導体で駆動電流を供給する。

【００２８】第６の発明は、光線の斜め入射において半
導体発光面の無効部を少なくする。

【００２９】第７の発明は、各面発光半導体レーザ素子
要素内の駆動電流を制御してレーザ光増幅率等を調整し
て有効な運転条件を実現する。

【００３０】第８の発明は、発振効率が有限であるため
半導体が加熱されることを防ぐ為の冷却手段として機能
する。

【００３１】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説
明する。

【００３２】図１（ａ）に示すように、面発光半導体レ
ーザ素子Ｉは、複数個（図では３個）の面発光半導体レ
ーザ素子要素（以下レーザ素子要素と称す）２１，２
２，２３を長手方向に並べて配置する。

【００３３】各レーザ素子要素２１，２２，２３はそれ
ぞれ発光面を有する発光部であり、特に図１（ｂ）に示
すように、上部電極２４から供給された電流は透明電極
膜２５を通ってクラッド層２６、活性層２７、ミラー層
であるミラー型クラッド層２８及び基板２９を経て下部
電極３０へ流れるように構成してある。絶縁層３１は、
この電流が活性層２７からはみ出して流れないようにす
るためのものである。

【００３４】この電流の作用でクラッド層２６及びミラ
ー型クラッド層２８からは夫々電子と正孔が活性層２７
へ流れ込み、活性層２７は光を放出できる状態となる。
このとき、外部からレーザ光３２が入射してくると透明
電極膜２５の表面に被覆してある無反射コート膜３３で
反射することなく内部に進入し、透明電極膜２５、クラ
ッド層２６を通過して活性層２７に至る。活性層２７で
は光強度が増幅されてミラー型クラッド層２８に進む。
ここでレーザ光３２は折り返されて再び活性層２７へ戻
り、さらに光強度が増幅されて入射角と同一角度で無反
射コート膜３３から出て行く。

【００３５】すなわち、レーザ素子要素２１，２２，２
３は、活性層２７の受光面側と反対側にミラー層である
ミラー型クラッド層２８を有し、発光面へ斜めに入射し
たレーザ光３２が活性層２７を透過するとともにミラー
型クラッド層２８で反射し、再度活性層２７を透過して
入射角と同じ角度で発光面から反対方向に出て行くよう
に構成してある。このとき、活性層２７の形状は縦横比
が１より大きいが、レーザ光３２の斜め入射条件を適切
にしてレーザ光断面を縦横比が１となるように構成して
おく。

【００３６】基板３４は半導体膜を製作するときのベー
スとなり、ミラー層の平面性を確保するためにも必要な
ものである。駆動電源３５，３６，３７は、それぞれ活
性層２７へ電流を独立に供給する。この駆動電源３５，
３６，３７は、駆動電流を制御してレーザ光増幅率等を
調整し、有効な運転条件を実現するためのものであり、
場合によっては複数のレーザ素子要素をまとめて１個の
駆動電源で駆動するように構成しても良い。

【００３７】また、各レーザ素子要素２１，２２，２３
の上部電極２４、透明電極膜２５、クラッド層２６、活
性層２７及びミラー型クラッド層２８は隣接するもの同
志の間で電気的に絶縁されている。

【００３８】本発明の実施例は上述の如き構成の面発光
半導体レーザ素子Ｉを組合せて構成する。

【００３９】図２は、面発光半導体レーザ素子Ｉと４個
のレーザ素子要素３８，３９，４０，４１を有する面発
光半導体レーザ素子IIとを組合せた第１の実施例であ
る。すなわち、面発光半導体レーザ素子Ｉ，IIは、レー
ザ素子要素２１〜２３とレーザ素子要素３８〜４１との
各発光面を相対向させて配置し、各レーザ素子要素２１
〜２３、３８〜４１の面にレーザ光３２が斜めに入射す
るとともにこの入射角と同角度で出射するように構成し
てあり、各レーザ素子要素２１〜２３、３８〜４１の発
光面中心を入射するレーザ光３２に垂直となるように外
部に全反射ミラー４２及び半透明ミラー４３を配設して
構成してある。

【００４０】本実施例によれば、全反射ミラー４２及び
半透明ミラーと光を放出する多数の活性層２７で単一波
面のレーザ発振が起こり、レーザ出力光４４が半透明ミ
ラー４３から放出される。すなわち、本実施例は発振器
として機能する。波面の単一平面性や発散角の低減は外
部共振器を構成する全反射ミラー４２及び半透明ミラー
４３で得られる。

【００４１】図３は、面発光半導体レーザ素子IIを２個
組合せた第２の実施例である。本実施例は、面発光半導
体レーザ素子IIを２枚相対向して配置し、各レーザ素子
要素３８〜４１の発光面中心を入反射する光軸に合わせ
てマスタ発振器４５からのレーザ光４６を入射するよう
に構成してある。また、各レーザ素子要素３８〜４１は
独立の駆動電源４７，４８，４９，５０でそれぞれ制御
するように構成してある。

【００４２】本実施例によれば、レーザ光４６が各活性
層２７で増幅されてレーザ出力光５１として放射され
る。すなわち、本実施例は増幅器として機能する。

【００４３】また、本実施例によれば、各活性層２７を
通過する毎にレーザ強度が増加するため、後方程飽和現
象でレーザ光増幅率は低下する。そこで、必要なレーザ
出力光５１を効率的に得る為には各活性層２７の増幅率
を調整することが必要で、各駆動電源４７〜５０から供
給する電流を適切に分布するように制御する。

【００４４】上述の如き２つの実施例において複数回反
射して折れ曲がるレーザ光３２を仮想的に直線状に伸ば
せば図４に示すようになり、これが本願発明の基本原理
である。

【００４５】したがって、上記実施例によれば、活性層
２７の形状は縦横比が１より大きいが、斜め入射条件を
適切にしてレーザ光断面を縦横比が１となるようにして
あるので、光学的には円柱又は直方体のレーザ媒質中を
長手方向に光線が通過するＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザ
と同じ動作が期待でき、光質が良好となる。

【００４６】大出力化のためには面発光半導体レーザ素
子Ｉ，IIの面積を大きくし斜め入射でレーザ光３２の単
位面積当たりの強度を低下することで光損傷を回避し、
面発光半導体レーザ素子Ｉ，IIの数を多くすることで有
効な光路長を長くして出力増加を達成できる。

【００４７】面積を大きくすると従来の面発光半導体レ
ーザでは発光面の中央へ活性化電流を供給できなかった
が、透明電極膜２５でこの電流を供給する。レーザ光断
面強度分布の均一大型化と縦横長さの同一化はこのよう
な素子の配置で達成できる。

【００４８】次に、レーザ波面の単一平面化と発散角の
低減は、この配置では面発光半導体レーザ素子Ｉ，IIを
光学的に直列に係合しているので外部共振器を用いて達
成できる。なお、このとき各発光面からの反射光が存在
すれば、共振器内に多数の波面が存在することになるの
で、無反射コート膜３３が必要である。またこの無反射
コート膜３３は出力損失の低減にも役立つ。

【００４９】一般に、半導体レーザは駆動電流の値で出
力、発光波長等が変化するので、波長のミスマッチや出
力の飽和を調整するため面発光半導体レーザ素子Ｉ，II
の駆動電源３５〜３７、４７〜５０の駆動電流を独立に
運転制御できることは有効である。ちなみに、このよう
なレーザ媒質の内部で電流分布を変えて、レーザ利得等
を調整できる機能はＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザには無
い。

【００５０】大口径の発光面の中央付近へ電流を供給す
るためには、透明電極膜２５の代わりに電気導体を細い
編み目状に発光面内に付置して電極とし、電流を供給す
る方法を用いてもよい。

【００５１】この電極を有する本発明の第３の実施例を
図５に示す。本実施例は電極を除き他の構成は図１と同
様であるので、同一部分には同一番号を付し重複する説
明は省略する。

【００５２】図５に示すように、上部電極５２は、その
一部が発光表面に編み目状に形成してある。また、本実
施例では２つの発光部が電気的に絶縁されていない場合
である。

【００５３】図６及び図７は第２の実施例に冷却機能を
追加した第４及び第５の実施例を示す構成図である。

【００５４】図６に示すように、第４の実施例では相対
向させて面発光半導体レーザ素子II，IIの全体を容器５
３内に収納し、この容器５３内に冷却用ガス又は液体を
充満するようにしたものである。これら冷媒は必要に応
じ流すようにしても良い。また、レーザ光３２の出入口
となる部分には窓５４，５５が設けてある。

【００５５】図７に示すように、第５の実施例では、相
対向させた面発光半導体レーザ素子II，IIの各下部電極
３０をアース電位にして伝熱板５６，５７に接触させ、
この伝熱板５６，５７の内部に冷媒を流して除熱する。

【００５６】上記第４及び第５の実施例によれば発振効
率が有限であるため半導体が加熱されることを防ぐため
の手段として機能する。

【００５７】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに本発明によれば、多数の半導体レーザの大型平面状
活性層の平面を横切る方向にレーザ光軸を設定でき、各
活性層を直列結合できるため、大出力化、レーザ光断面
強度分布の均一大型化と縦横長さの同一化、レーザ波面
の単一平面化、発散角の低減化のレーザ性能を同時に満
足することができ、ＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザに劣ら
ない高出力、高品位のレーザ性能を有する。

【００５８】一方、半導体レーザはＹＡＧ及びＣＯ₂レ
ーザに比べ、装置がコンパクト、出力変更が容易、波長
可変、可視光発振が可能、計算機制御性が良好などの長
所があり、本発明の効果との相乗効果でプロセス応用は
もとより、さらに新しい用途も開けるものと期待され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いる面発光半導体レーザ素
子を示す構造図。

【図２】本発明の第１の実施例を示す構造図。

【図３】本発明の第２の実施例を示す構造図。

【図４】本発明の動作原理を説明するための説明図。

【図５】本発明の第３の実施例を示す構造図。

【図６】本発明の第４の実施例を示す構造図。

【図７】本発明の第５の実施例を示す構造図。

【図８】従来技術に係るテーパ型半導体レーザ増幅器を
示す構造図。

【図９】従来技術に係る波面位相整合型半導体レーザア
レイを示す構造図。

【図１０】従来技術に係る面発光半導体アレイを示す構
造図。

【符号の説明】

Ｉ，II 面発光半導体レーザ素子２１，２２，２３，３８，３９，４０，４１面発光半
導体レーザ素子要素２５透明電極２７活性層２８ミラー型クラッド層３２レーザ光３３無反射コート膜３５，３６，３７，４７，４８，４９，５０駆動電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田竜一兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光軸が、複数の面発光半導体レー
ザ素子要素の各活性層を順次通過するよう、各活性層を
光学的に直列結合したことを特徴とする面発光半導体レ
ーザ。
【請求項２】活性層の発光面側と反対側にミラー層を
配置した複数の面発光半導体レーザ素子要素を各発光面
を相対向させて配置し、各面発光半導体レーザ素子要素
面へ斜めに入射したレーザ光線が各活性層を透過すると
ともにその奥のミラー層で反射して再度活性層を透過
し、その面発光半導体レーザ素子要素から入射角と同じ
角度で反対の方向へ出て、次の面発光半導体レーザ素子
要素へ同様に斜めに入射することにより全ての面発光半
導体レーザ素子要素をレーザ光線が通過するように構成
したことを特徴とする［請求項１］に記載する面発光半
導体レーザ。
【請求項３】各発光面の表面に無反射コート膜を形成
したことを特徴とする［請求項２］に記載する面発光半
導体レーザ。
【請求項４】面発光半導体レーザ素子要素のクラッド
層の発光面側に透明電極膜を形成したことを特徴とする
［請求項２］若しくは［請求項３］に記載する面発光半
導体レーザ。
【請求項５】電気導体を編み目状に発光面側に形成し
た電極を有することを特徴とする［請求項２］若しくは
［請求項３］に記載する面発光半導体レーザ。
【請求項６】発光面の形状を長方形や楕円形等のよう
に縦横比を１より大きくしたことを特徴とする［請求項
２］〜［請求項５］に記載する面発光半導体レーザ。
【請求項７】面発光半導体レーザ素子要素の単体又は
複数をまとめて駆動するための電源を設けて、それぞれ
を独立に運転制御することを特徴とする［請求項２］〜
［請求項６］に記載する面発光半導体レーザ。
【請求項８】複数の面発光半導体レーザ素子要素を有
する面発光半導体レーザ素子を個別に又は複数個まとめ
て冷却可能に構成したことを特徴とする［請求項２］〜
［請求項７］に記載する面発光半導体レーザ。