JP2007311780A - 垂直外部共振器型の面発光レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】SHG結晶の周波数変換効率が向上して、レーザ出力が向上する垂直外部共振器型の面発光レーザを提供する。
【解決手段】共振区間を限定するためのミラー層122と、光を生成する活性層123と、活性層を冷却させるための熱拡散器127と、熱拡散器に結合されて集光するための凸状の外表面を有するマイクロレンズ129とを備える発光素子120と、マイクロレンズによって集束された光の周波数を変換するSHG結晶130と、SHG結晶を通じて周波数が変換された光を透過させてレーザとして出力させ、変換されない基本光をミラー層に反射させて共振させる外部共振ミラーとを備える垂直外部共振器型の面発光レーザである。
【選択図】図2
【解決手段】共振区間を限定するためのミラー層122と、光を生成する活性層123と、活性層を冷却させるための熱拡散器127と、熱拡散器に結合されて集光するための凸状の外表面を有するマイクロレンズ129とを備える発光素子120と、マイクロレンズによって集束された光の周波数を変換するSHG結晶130と、SHG結晶を通じて周波数が変換された光を透過させてレーザとして出力させ、変換されない基本光をミラー層に反射させて共振させる外部共振ミラーとを備える垂直外部共振器型の面発光レーザである。
【選択図】図2
Description
本発明は、垂直外部共振器型の面発光レーザ(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser:以下「VECSEL」と称する)に係り、さらに具体的には、レーザ出力が向上し、組立て時に構成部品相互間のアラインが容易であり、コンパクト化に有利なVECSELに関する。
VECSELは、垂直共振器型面発光レーザ(Vertical Cavity Surface Emitting Laser:VCSEL)の上部ミラー層を外部共振ミラーに代替して利得領域を増大させることによって、数〜数十W以上の高出力を得るようにしたレーザ素子である。
図1は、従来技術によるVECSELの垂直断面図である。図示したVECSELは、ポンピング光を出射するポンプLD(Laser Diode)10と、ポンピング光(P)を集束するためのフォーカシングレンズ15と、ポンプLD10により励起されて所定波長の光を生成する発光媒質25と、前記発光媒質25と所定の間隔をおいて対向するように配置された外部共振ミラー50とを備える。
前記ポンプLD10は、発光媒質25の前方に斜めに配置されて、発光媒質25にポンピング光(P)を供給する。前記発光媒質25は、基板21上に順次に形成された分布ブラッグ反射層(Distributed Brag Reflector;以下、「DBRミラー層」と称する)22と活性層23とを備える。前記DBRミラー層22は、屈折率の異なる複数個の層が交互に積層されて、高い反射率を有するように形成された反射層である。前記活性層23は、周期的に複数の量子ウェル(Quantum Well:QW)が配置された多重量子ウェル(Multi−Quantum Well:MQW)構造で設けられ、ポンピング光(P)によって励起されて一定の波長の光を放出する。このような構造を有する発光媒質25は、高い熱伝導特性を有する熱拡散器27に付着され、高温の発光媒質25は、前記熱拡散器27を通じて冷却される。発光媒質25から発生した光は、DBRミラー層22と外部共振ミラー50との間を往復しつつ増幅され、結局、前記外部共振ミラー50を介してレーザ(L)として出力される。
前記発光媒質25と外部共振ミラー50との間の光路上には所定波長の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタ40と、発光媒質25から出た基本周波数の光波からその2倍の周波数を有する第2高調波を生成するための第二高調波発生(Second Harmonic Generation;以下、「SHG」と称する)結晶30が配置される。周知のように、前記SHG結晶30での周波数変換効率は、入射光のエネルギ密度と比例関係にある。したがって、SHG結晶30の変換効率を高めるためには、光のビーム径を最小限に集束することが望ましい。しかし、示された従来技術では、SHG結晶30に入射される光を集束するための別途のフォーカシング手段が設けられておらず、SHG結晶30が発光媒質25から相対的に遠距離に配置される結果、発光媒質25から発生した光がSHG結晶30に向けて進みながら次第にビーム径が増加し、したがって、周波数変換効率が低下する。
また、図1に示す従来技術によれば、DBRミラー層22と外部共振ミラー50との間で共振される光は、発光媒質25の正面に入射されるが、ポンプLD10によるポンピング光(P)は、斜めに入射される。したがって、発光媒質25においてDBRミラー層22と外部共振ミラー50との間で共振される光が入射される共振領域と光ポンピングによる発光領域とが完全に一致せずに、一部ミスマッチされる部分が生じる。このようにミスマッチされる部分では、光共振が生じ難く、したがって、光共振器の安定性及び発振効率が低下する。
本発明の目的は、SHG結晶の周波数変換効率が向上して、レーザ出力が向上するVECSELを提供することである。
本発明の他の目的は、前記目的を達成すると共に、構成部品相互間のアライン作業が容易に行われ、コンパクト化に有利なVECSELを提供することである。
本発明のVECSELは、
共振区間を限定するためのミラー層と、光を生成する活性層と、前記活性層を冷却させるための熱拡散器と、前記熱拡散器に結合されて集光するための凸状の外表面を有するマイクロレンズとを備える発光素子と、
前記マイクロレンズによって集束された光の周波数を変換するSHG結晶と、
前記SHG結晶を通じて周波数が変換された光を透過させてレーザとして出力させ、変換されない基本光を前記ミラー層に反射させて共振させる外部共振ミラーと、を備える。
共振区間を限定するためのミラー層と、光を生成する活性層と、前記活性層を冷却させるための熱拡散器と、前記熱拡散器に結合されて集光するための凸状の外表面を有するマイクロレンズとを備える発光素子と、
前記マイクロレンズによって集束された光の周波数を変換するSHG結晶と、
前記SHG結晶を通じて周波数が変換された光を透過させてレーザとして出力させ、変換されない基本光を前記ミラー層に反射させて共振させる外部共振ミラーと、を備える。
本発明において望ましくは、前記発光素子の外郭後方には、前記活性層を光ポンピングするためのポンプLDが配置される。さらに望ましくは、前記発光素子及び外部共振ミラー間の構成要素は、一つのラインに沿って一列に配列された線形構造を有する。
前記SHG結晶と外部共振ミラーとの間には、特定波長の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタが、さらに備えられうる。
前記SHG結晶と外部共振ミラーとの間には、特定波長の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタが、さらに備えられうる。
前記マイクロレンズは、球面レンズまたは非球面レンズから構成されうる。ここで、前記非球面形状のマイクロレンズは、楕円レンズまたは非対称レンズから構成されうる。このような非球面形状のマイクロレンズは、前記活性層で生成される非円形断面の光を円形光に整形して前記SHG結晶に供給する。
前記外部共振ミラーは、凹状の球面鏡または平坦な平面鏡から構成されうる。
望ましくは、前記発光素子のポンプLD側の表面には、ポンピング光の反射を防止し、透過を促進するための反射防止コーティング層が形成される。
望ましくは、前記SHG結晶で光軸が通過する両側の主面には、基本光及び変換された光の反射を防止して内部透過を促進するための反射防止コーティング層が形成される。
望ましくは、前記外部共振ミラーの共振器の内側面には、選択的に基本光は共振のために反射し、変換された光は外部に出力するために透過する反射/透過コーティング層が形成され、前記外部共振ミラーの共振器の外側に露出された表面には、変換された光に対する反射防止コーティング層が形成される。
望ましくは、前記外部共振ミラーの共振器の内側面には、選択的に基本光は共振のために反射し、変換された光は外部に出力するために透過する反射/透過コーティング層が形成され、前記外部共振ミラーの共振器の外側に露出された表面には、変換された光に対する反射防止コーティング層が形成される。
本発明において望ましくは、前記熱拡散器は、前記活性層と対向するように接合されており、前記活性層で発生した光を遮断しないように透光性の材料から構成される。
本発明のVECSELでは、SHG結晶に入射される光を集束するためのマイクロレンズが備えられるので、SHG結晶の周波数変換効率が向上する。特に、本発明では、前記の効果を達成すると共に、マイクロレンズが別途の独立的な部品として設けられておらず、発光部及び熱拡散器と共に一つの部品として構成されるので、部品数が減て共振器のコンパクトな設計が可能となり、特に、マイクロレンズのための別途のアライン作業が要求されない。
本発明のVECSELは、ポンプLDが発光素子の後方に配置され、構成部品が一直線上に配列される線形構造を有するので、構成部品相互間のアライン作業が容易に行われうる。
以下、添付された図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図2は、VECSELの垂直断面図である。図2を参照すれば、VECSELは、所定波長の光を生成するための発光素子120と、前記発光素子120の後方からポンピング光(P)を供給するポンプLD110と、前記発光素子120と所定間隔をおいて対向するように配置された外部共振ミラー150とを備える。前記外部共振ミラー150では、前記発光素子120で発生した光の一部を透過させてレーザ(L)として出力し、一部光は、共振のためにさらに発光素子120側に反射させて共振条件を作る。
前記発光素子120と外部共振ミラー150との間には、発光素子120で放射された基本周波数の光をその2倍の周波数を有する光に変換するためのSHG(Second Harmonic Generation)結晶130と、特定波長帯の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタ140とが配置される。
前記発光素子120と外部共振ミラー150との間には、発光素子120で放射された基本周波数の光をその2倍の周波数を有する光に変換するためのSHG(Second Harmonic Generation)結晶130と、特定波長帯の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタ140とが配置される。
本発明のVECSELは、発光素子120の後方にポンプLD110が配置される後方光ポンピング方式のレーザ装置である。前記ポンプLD110は、前方の発光素子120に、例えば、808nmのポンピング光(P)を供給することによって、発光素子120の活性層123を励起させる。前記ポンプLD110と対向する発光素子側には、ポンピング光(P)に対する反射を最小化し、透過を促進するための反射防止コーティング層131が形成されうる。
前記発光素子120は、基板121上に順次に積層されたミラー層122及び活性層123を備える発光部125と、前記発光部125と接して配置された熱拡散器127及びマイクロレンズ129を備える。前記ミラー層122は、外部共振ミラー150と共に共振区間を限定し、活性層123で生成された光は、前記ミラー層122と外部共振ミラー150との間で共振して増幅される。前記ミラー層122は、DBRミラー(Distributed Brag Reflector)層からなることが一般的であるが、前記DBRミラー層は、複数の高屈折率層と低屈折率層とが交互に積層された多層構造を有し、各屈折率層は、前記活性層123で発生する光波長の1/4に該当する厚さを有する。
前記活性層123は、周期的にQWが配置され、QWの間にバリア層が介在する多重量子ウェル(MQW)構造で形成されうる。例えば、前記活性層123は、808nm波長のポンピング光(P)より長い波長の光を生成するが、活性層123を構成する具体的な半導体化合物によって、920nmまたは1064nm波長の赤外線光を生成する。
前記熱拡散器127は、前記活性層123を冷却させることによって劣化を防止する放熱板の役割を担う。このために、前記活性層123は、熱伝導度の高い素材からなることが望ましく、特に、活性層123で生成された光が遮断されないように、熱伝導度と共に光透過率も高い素材からなることが望ましい。例えば、前記熱拡散器127は、炭化ケイ素(SiC)、ダイアモンド、窒化アルミニウム(AlN)などからなりうる。前記熱拡散器127は、発光部125に対向するように接合されるが、例えば、ポンピング光(P)の波長に対して透明な材料(例えばGaAs)からなる基板121上に、順次にミラー層122と活性層123とを積層することで、発光部125を構成し、これと別途にマイクロレンズ129がボンディングされた熱拡散器127を準備した後に、前記発光部125と熱拡散器127とを互いに対向するように接合させることによって、図2に示すような発光素子120が形成されうる。
前記マイクロレンズ129は、前記活性層123で生成された光を集束するように凸面レンズから構成される。マイクロレンズ129を通過しながら集束された光は、前方のSHG結晶130に供給されるが、SHG結晶130の周波数変換効率は、入射光のエネルギ密度に比例関係にある。これに、本発明では、マイクロレンズ129を通じてSHG結晶130に入射される光のビーム径を最小化させることによって、周波数変換効率を高め、変換結果により生成された光、例えば、可視光線領域の青色光または緑色光の出力を高めている。
一方、前記マイクロレンズ129は、球面レンズまたは非球面レンズから構成されうる。一般的に、球面レンズが加工上の便宜と製造コストの節減を図ることができて望ましいとされるが、後述するように、非球面マイクロレンズは、SHG結晶130に入射される光を円形光に整形することによって、SHG結晶130の周波数変換効率を高めるのに寄与する。さらに具体的には、前記ポンプLD110から出射されるポンピング光(P)は、所定の発散角度で活性層123に入射されるが、前記活性層123に入射される光スポットの形状は、正確に円形でない場合が多い。すなわち、前記ポンピング光(P)は、ビーム断面内で2次元的に発散されるが、例えば、ビーム断面の垂直軸と水平軸に対する発散速度が互いに異なる場合に、前記ポンピング光(P)は、円形光ではない楕円となり、非円形ポンピング光によって励起された活性層123では、非円形の光が出力される可能性が高い。この時、前記マイクロレンズ129を断面方向によって異なる屈折力を提供する非球面レンズから構成することによって、非円形光から円形光、またはそれに近い円形光にしてSHG結晶130に供給でき、SHG結晶130の変換効率に寄与する。前記非球面レンズは、ポンピング光(P)の具体的な形態に対応して楕円形または非対称型などの多様な非球面形態で製造することができる。一方、前記マイクロレンズ129は、平凸レンズで設けられてその扁平な面を通じて熱拡散器127に接合されてもよく、または前記熱拡散器127上に直接モールディングされて形成されてもよい。このように、マイクロレンズ129が熱拡散器127に結合された形態で設けられることによって、例えば、マイクロレンズ129が、熱拡散器127または熱拡散器127が付着された発光部125と独立的な別個の部品から形成された場合と比較する時、共振器の部品数を減らすことができるので、高精度が要求される共振器の光学的なアラインにおいて組立て作業の便宜性が向上し、共振器のコンパクトな設計が可能となる。
前記マイクロレンズ129を通じて集束された光は、SHG結晶130に入射される。前記SHG結晶130は、基本周波数を有する光からその2倍の周波数を有する光を作り、これにより、赤外線波長帯の光を可視光線波長帯の光に変換することが可能である。例えば、920nm及び1064nmの波長を有する赤外線光は、前記SHG結晶130を通過しながらそれぞれ460nmの青色波長帯及び532nmの緑色波長帯の可視光に変換される。前記SHG結晶130において光軸Oが通過する前面及び後面には、周波数が変換された光及び変換されない光の内部透過を促進し、かつ反射を防止するために、反射防止コーティング層131、135が形成されることが望ましい。一方、前記SHG結晶130に次いで光軸Oに対して斜めに配置された複屈折フィルタ140は、特定波長帯の光は選択的に通過させ、他の波長帯の光は排除することによって、特定波長帯中心の鮮明なスペクトル分布を有する光を生成する。
前記外部共振ミラー150は、前記発光素子120のミラー層122と共に所定の共振区間を提供する。前記外部共振ミラー150は、SHG結晶130により周波数が変換された光は、透過させて共振器外部に出力し、周波数が変換されない光は、前記発光素子120側に反射して共振させる。このために、外部共振ミラー150の発光素子120側の表面には、光波長によって選択的に光を反射または透過させるように反射/透過コーティング層151が形成される。前記外部共振ミラー150の外部表面にも、周波数が変換された光の反射を防止するための反射防止コーティング層155が形成されることが望ましい。
本実施形態の外部共振ミラー150は、所定曲律を有する凹状の球面から構成されうる。凹状の外部共振ミラー150によって反射された光は、光軸Oに近接し、かつ収束する形態で発光素子120側に進み、光ポンピングがなされる活性層123の発光領域とほぼ合致する範囲内に収束される。これと違って、外部共振ミラー150で反射された光が入射される発光素子120の共振領域が、光ポンピングによる発光領域より広い場合、発光領域を外れた位置では、光生成による光増幅が生じ難くなるので、共振器の安定性が低下し、共振される光が無駄に損失され、光ポンピングのための消費電力が浪費され、レーザの出力光量が低下する問題が発生しうる。本発明では、外部共振ミラー150として凹面鏡を使用することによって、共振器の安定性を確かにしている。
一方、本発明のVECSELでは、その構成部品が一つのラインに沿って一列に配列されることによって、直線状の光軸が形成される線形構造を有する。このような線形構造のレーザ装置は、構成部品が所定の角を有する異なるラインに沿って配列されることによって、光軸に沿って少なくとも一つ以上の位置で光軸が屈折される構造を有する他のレーザ装置に比べて、設置空間が節約されて共振器のコンパクト化に有利であり、単純な配列構造を有するため高精度で光学部品をアラインするのに便利な長所がある。
図3には、本発明の他の実施形態によるVECSELの垂直断面構造が示されている。なお、図2に示す構成要素と同じ機能を行う事実上同じ構成要素については、同じ参照符号を付与した。図面を参照すれば、本実施形態のVECSELは、光ポンピングのためのポンプLD110と、前記ポンプLD110によって励起された光を生成する発光素子120と、前記発光素子120と所定間隔をおいて対向するように配置されて、その間で共振を起こす外部共振ミラー150とを備え、前記発光素子120と外部共振ミラー150との間には、周波数変換のためのSHG結晶130及び特定周波数を選択的に通過させる複屈折フィルタ140が配置される。図3に示すVECSELも、発光素子120の後方からポンピング光が供給される後方光ポンピング方式のレーザ装置であり、ポンプLD110を含んで、発光素子120と外部共振ミラー150との間の光学素子が一直線上に配列される線形構造のレーザ装置である。
前記発光素子は、基板121、前記基板121上に順次に積層されたDBRミラー層122、MQW構造の活性層123を備え、前記活性層123で発生した熱を外部に放出するための熱拡散器127及び前記活性層123で発生した所定波長帯の光を集束するためのマイクロレンズ129を備える。
本実施形態のマイクロレンズ129も、SHG結晶130に高密度で集束された光を供給するために凸面レンズから構成され、SHG結晶130に入射される光を円形光に整形するために、必要に応じて非球面レンズから構成されることもある。しかし、本実施形態のマイクロレンズ129は、第1実施形態より低い屈折力を有するようにレンズ曲率が調整される。相対的に減少した屈折力のマイクロレンズ129を通過したビームは、緩やかな収束角度でSHG結晶130に入射され、特定波長の光を選択するための複屈折フィルタ140を経て外部共振ミラー150に入射される。前記外部共振ミラー150は、発光素子120のDBRミラー層122と共に共振区間を提供し、発光素子120から発生した光は、共振区間を往復しながら増幅される。このとき、低屈折力のマイクロレンズ129を通じて共振される光は、ほぼ平行光の形態で共振区間を往復する。これにより、本実施形態の外部共振ミラー150は、第1実施形態とは違って、平面鏡から構成されることが可能であり、この場合にも、前記外部共振ミラー150によって反射された光束は、比較的光軸Oに近接した経路に沿って発光素子120側に入射されるので、安定した光増幅が可能である。
このように、外部共振ミラー150を凹面鏡でない平面鏡から構成すれば、凹面鏡を加工するために必要な高価の加工装置や熟練された技術が要求されず、加工上の便宜が図られ、ミラー面上にコーティング層を形成する工程においてもその作業性が向上する。これにより、コーティング層を高精度で加工でき、例えば、コーティング層の膜厚さや成分などを位置に関係なく均一に維持できる。
本発明は、図面に示した実施形態を参照して説明されたが、それは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
本発明は、垂直外部共振器型の面発光レーザ関連の技術分野に好適に用いられる。
110 ポンプLD、
120 発光素子、
121 基板、
122 ミラー層、
123 活性層、
125 発光部、
127 熱拡散器、
129 マイクロレンズ、
130 SHG結晶、
131、135、155 反射防止コーティング層、
140 複屈折フィルタ、
150 外部共振ミラー、
151 反射/透過コーティング層。
120 発光素子、
121 基板、
122 ミラー層、
123 活性層、
125 発光部、
127 熱拡散器、
129 マイクロレンズ、
130 SHG結晶、
131、135、155 反射防止コーティング層、
140 複屈折フィルタ、
150 外部共振ミラー、
151 反射/透過コーティング層。
Claims (17)
- 共振区間を限定するためのミラー層と、光を生成する活性層と、前記活性層を冷却させるための熱拡散器と、前記熱拡散器に結合され、集光するための凸状の外表面を有するマイクロレンズとを備える発光素子と、
前記マイクロレンズによって集束された光の周波数を変換するSHG結晶と、
前記SHG結晶を通じて周波数が変換された光を透過させてレーザとして出力させ、変換されない基本光を前記ミラー層に反射させて共振させる外部共振ミラーと、を備える垂直外部共振器型の面発光レーザ。 - 前記発光素子の後方には、前記活性層を光ポンピングするためのポンプLDが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記発光素子及び外部共振ミラーの間の構成要素は、一つのラインに沿って一列に配列された線形構造を有することを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記SHG結晶と外部共振ミラーとの間に、特定波長の光を選択的に通過させるための複屈折フィルタが、さらに備えられていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記マイクロレンズは、球面レンズから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記マイクロレンズは、非球面レンズから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記マイクロレンズは、楕円レンズまたは非対称レンズから構成されていることを特徴とする請求項6に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記非球面形状のマイクロレンズは、前記活性層で生成される非円形断面の光を円形光に整形して、前記SHG結晶に供給することを特徴とする請求項6に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記外部共振ミラーは、凹状の球面鏡から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記外部共振ミラーは、平坦な平面鏡から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記発光素子のポンプLD側の表面には、ポンピング光の反射を防止し、透過を促進するための反射防止コーティング層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記SHG結晶において光軸が通過する両側の主面には、基本光及び変換された光の反射を防止して内部透過を促進するための反射防止コーティング層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記外部共振ミラーの共振器の内側面には、選択的に基本光は共振のために反射し、変換された光は外部に出力するために透過する反射/透過コーティング層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記外部共振ミラーの共振器の外側に露出された表面には、変換された光に対する反射防止コーティング層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記ミラー層は、分布ブラッグ反射層から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記熱拡散器は、前記活性層と対向するように接合されていることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
- 前記熱拡散器は、前記活性層で発生した光を遮断しないように透光性の材料から構成されることを特徴とする請求項1に記載の垂直外部共振器型の面発光レーザ。
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