JP2007081415A - 高出力レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に対し、クリーニング機能の改善、クリーニング操作の効果的、能率的向上を提供する。
【解決手段】高出力レーザ放射を発生するための装置および方法において、共振レーザキャビティの構造は、基本的な空間的または横断するキャビティモードを規定する。利得媒体が共振キャビティ内に設けられていて、エネルギー源が第１の体積内の利得媒体を付勢する。これが、基本的なキャビティモードを横断する方向で利得媒体に伝搬する自然で誘導エネルギー放射を起こさせる。横断する放射は、次いで、第１の体積の周りに利得媒体の第２の体積を光学的に供給する。放射の強さが十分高い場合、逆変換と利得とは、第２の体積で生成される。
【選択図】図２

Description

高出力レーザ装置に関する。関連出願として、この出願は、１９９７年３月２１に出願された米国仮出願第６０／０４１、１８５の利益を請求し、その内容をここで参照して取り込む。

今日通常使用されている半導体レーザは、エッジ放射ダイオードレーザと垂直キャビティ（ｃａｖｉｔｙ）面放射レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）とを有している。エッジ放射レーザにおいて、半導体利得媒体（ｇａｉｎ ｍｅｄｉｕｍ）、例えば量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ）半導体構造は、半導体基板の面上に形成される。利得媒体を含む共振キャビティを形成するように、キャビティミラーは、基板の面に垂直で基板の反対側に形成され、または別の方法で、配置される。利得媒体の電気的または光学的供給（ｐｕｍｐｉｎｇ）は、基板の平面に沿った方向へ伝搬するレーザビームを発生する。

エッジ放射レーザは、極めて普通の半導体レーザ装置である。個々の装置として、および線形バーのアレー（ａｒｒａｙ）として、商業的に利用可能であり、たとえば、それらは、固体レーザをポンピングするための光学的ポンピング源（ｐｕｍｐ ｓｏｕｒｃｅ）として使用される。代表的には数百ミリワットより大きいハイパワーのエッジ放射レーザの適用は、通常、高次の空間モード（ｓｐａｔｉａｌ ｍｏｄｅ）および複数の周波数において動作する。これは、単一空間モードおよび／または単一周波数での高出力レーザ出力が必要なアプリケーションでのこれらの使用を阻害する。エッジ放射は、また、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）の著しい度合いと、通常大きなビームの縦横比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）とを有し、ビームを小さなスポットに焦点を合わせるのを困難にし、焦点を合わされた出力ビームを必要とするアプリケーションでそれらの使用を阻害する。エッジ放射レーザにおいて劣悪なビーム品質は、また、非線型光学材料を使用したレーザ出力の周波数重畳（ｄｏｕｂｌｉｎｇ）を困難で非効率的なものにする。

従来のＶＣＳＥＬにおいて、キャビティミラーは、半導体基板に成長した半導体利得媒体の向き合った面に形成されるか、または他の方法で配置される。電気的または光学的ポンピングは、基板の面と直交する方向に放射されるレーザビームを生成する。

従来のＶＣＳＥＬｓは、光学的通信および光学的相互接続システムにアプリケーションを見出した。ＶＣＳＥＬレーザは、約８ミリワット（ｍＷ）の連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ：ｃｗ）に制限される一般的な低い基本的空間モードＴＥＭ_００出力によって特徴づけられ、数マイクロメータ（μｍ）のオーダーの小さな基本的空間モードのビーム直径によってさらに特徴づけられる。ビーム直径が、１００μｍのオーダーの直径を持った比較的大きな領域のＶＣＳＥＬエミッタは、ｃｗ出力の数百ｍＷを有する出力ビームを発生できる。しがしながら、従来のＶＣＳＥＬｓを高出力および大きい直径で作動させると、それは、通常、高次（ｈｉｇｈ−ｏｒｄｅｒ）の空間モードおよび複数周波数を有する出力ビームという不利益（ペナルティ）をもたらす。垂直外部キャビティ面放射レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）としてこの分野で参照される外部キャビティＶＣＳＥＬ構造において、外部リフレクタは、外部カプラとして役立つ。外部キャビティＶＥＣＳＥＬ装置は、ＶＣＳＥＬ装置よりも高い基本的空間モード出力を有する。

外部キャビティ垂直放射半導体レーザの従来の研究では、低出力の結果となっていた。たとえば、ＳａｎｄｕｓｋｙとＢｒｕｅｃｋの研究は、半導体を励起するために低出力を生成し、光学的ポンピングを使用した。Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒの１９９６年第８巻３１３ページ〜３１５ページのＪ．Ｖ．ＳａｎｄｕｓｋｙとＳ．Ｒ．Ｊ．Ｂｒｕｅｃｋの「ｃｗ外部キャビティ面放射レーザ」を参照してほしい（非特許文献１を参照）。Ｈａｄｌｅｙ他の研究において、外部キャビティの電気的に励起されたＶＣＳＥＬは、基本的空間モードにおいて、２．４ｍＷの連続波（ｃｗ）と１００ｍＷのパルス波とを生成した。この場合において、１２０μｍ迄の放射領域が使用された。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒの１９９３年の第６３巻１６０７ページ〜１６０９ページのＭ．Ａ．Ｈａｄｌｅｙ、Ｇ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎ、Ｋ．Ｙ．Ｌａｕ、およびＪ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈの「外部キャビティ面放射レーザダイオードからの高単一横断モード出力」を参照してほしい（非特許文献２を参照）。

種々のレーザアプリケーションに対して、レーザによって発生されたビームは、周波数変換と周波数重畳（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｈｇ）が実行される。これは、非線形材料、たとえば、ＫＴＰ、ＫＴＮ、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３をレーザ経路に導入することによって達成される。非線形材料へのビーム入射の周波数は、第２の周波数に変換される。非線形材料は、「重畳結晶」と呼ばれ、そこにおいて、材料の性質は、それが結晶を横断するビームの周波数を重畳する（ｔｏ ｄｏｕｂｌｅ）のに役立つようにするものである。材料による効率的な周波数変換は、通常、高強度で単一モードの入射ビームが必要である。

半導体レーザの周波数重畳は、従来、エッジ放射ダイオードレーザキャビティの外部に設けられた重畳結晶を使用して、成功の変化する度合いを表わしてきた。エッジ放射ダイオードレーザからの出力ビームは、通常、非常に分散し、および効率的な周波数重畳のために理想的に要求される光学的フィールド強度と同位相波面（ｐｈａｓｅ ｆｒｏｎｔ）とを低下させる非点収差のある程度と同様な大きな縦横比を有している。ある比較的長い経路の長さに渡って光学的フィールド強度を維持するために、ダイオードレーザからの光が非線型材料で作られた光学導波管（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）内に発射される実験が実行されてきた。この技術は、通常、複雑で、レーザ光を外部導波管に発射するために十分なビーム品質を有している比較的低出力ダイオードレーザを使用する。

過去においていろいろな技術が、十分な変換が可能なようにビームパワーを利用することが試みられた。ＳＰＩＥのＰｒｏｃ．の１９８０年の第２３６巻第８ページ〜第１８ページのＧｕｎｔｅｒ、Ｐ．Ｇｕｎｔｅｒ他による「レーザダイオードでの光学的周波数重畳用の非線型光学結晶」は、単一経路重畳構造にカリウムニオブ酸塩ＫＮｂＯ_３を使用したダイオードレーザ放射の低効率周波数重畳を実証している（非特許文献３を参照）。他の技術において、Ｋｏｓｌｏｖｓｋｙ他の１９８７年のＯｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ１２、１０１４は、周波数変換を達成するために循環パワーを増加する外部リング共振器に単一空間モード、エッジ放射ダイオードレーザおよびＫＮｂＯ_３を使用している（非特許文献４を参照）。Ｋｏｓｌｏｖｓｋｙ構造は、非線型結晶の温度を両方の周波数に調波させるのと同様に、リングキャビティのファブリーペロー（ｆａｂｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器に単一周波数レーザの周波数ロックが必要である。これは、周波数ロックを維持するために複雑な結晶配列と波長制御回路とが必要である。
Ｊ．Ｖ．Ｓａｎｄｕｓｋｙ ａｎｄ Ｓ．Ｒ．Ｊ．Ｂｒｕｅｃｋ、「ｃｗ外部キャビティ面放射レーザ（Ａ ｃｗ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ）」、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒ、１９９６年、第８巻、３１３ページ〜３１５ページ Ｍ．Ａ．Ｈａｄｌｅｙ、Ｇ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎ、Ｋ．Ｙ．Ｌａｕ、 ａｎｄ Ｊ．Ｓ．Ｓｍｉｔｈ、「高単一横断モード出力の外部キャビティ面放射レーザダイオード（Ｈｉｇｈ ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｖｅｒｓｅ ｍｏｄｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｏｍ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ）」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔｅｒ、１９９３年、第６３巻、１６０７ページ〜１６０９ページ Ｇｕｎｔｅｒ、Ｐ．Ｇｕｎｔｅｒ他、「レーザダイオードを持った光学的周波数重畳用の非線型光学結晶（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ）」、Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ、１９８０年、第２３６巻、第８ページ〜第１８ページ Ｋｏｓｌｏｖｓｋｙ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ１２、１９８７年、１０１４

本発明は、上述の制限を克服する方法で単一基本空間モードにおける高出力レーザ放射を発生するための装置と方法を目的とする。

本発明のレーザは、外部キャビティ内に形成された場合、効果的周波数変換に対して適切な経路長にわたりビームパワー密度を提供するように、出力ビームの周波数変換に特に敏感に反応する。

本発明の第１の実施例において、装置は、第１および第２の部分的リフレクタの間に規定された共振キャビティを有している。共振キャビティの幾何配置（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）は、基本的空間または横断するキャビティモードを規定する。利得媒体は、共振キャビティ内に配置され、エネルギー源は、第１の体積（ｖｏｌｕｍｅ）内の利得媒体にエネルギーを与える。これは、基本的なキャビティモードを横断する方向で利得媒体内に伝搬する自然で（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ）誘導（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ）エネルギー放射を起こさせる。横断する放射は、次いで、第１の体積の周りの利得媒体の第２の体積を光学的にポンピングする。自然放射の強度が十分高い場合、反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）と利得とは、第２の体積内で生成される。第１および第２の体積内のエネルギーは、基本的なキャビティモードレーザビーム内に結合される。

基本的なキャビティモードが第１と第２の体積の両方に結合されるように、キャビティの幾何配置を最適化することによって、第２の体積内へ横断的に向けられた第１の体積のエネルギーは、一方では逃げられるが、レーザの全体のパワー効率を改良するために、代わって基本的ビームによって取り込まれる。これを効果的にするために、好ましい実施例において、キャビティミラーは、基本的キャビティモードを第２の体積の断面直径に整合するように選択される。この方法において、基本的空間モードにおけるレーザエネルギーは、利得媒体の第１および第２の両方の体積から効率的に引出される。同様の結果は、出力エネルギが高次空間モードにおいて適用する。

好ましい実施例において、第１の体積は、実質的に円筒状で断面の直径がＤ_１であり、第２の体積は、実質的に環帯で断面の外側の直径がＤ_２であって断面の内側の直径がＤ_１であり、第１および第２の体積は、断面的に実質的に同心である。

利得媒体は、好ましくは、垂直キャビティ構造に半導体材料で形成されている。あるいは、利得媒体は、利得遷移のスペクトル領域に吸収を有する活性化イオンを有した固体材料で形成されてもよい。そのような固体材料の例としてエルビウム（Ｅｒ）：ガラス、イッテルビウム（Ｙｂ）：ガラス、およびイッテルビウム（Ｙｂ）：ＹＡＧがある。固体材料の場合、ポンピングエネルギーは、好ましくは、光学的手段、たとえばダイオードレーザによって発生される。

非線型結晶は、レーザ出力周波数を変更するために、光学的キャビティ内、またはレーザの外へ設けられる。非線型変更用の適切な材料は、ＫＴＰ、ＫＴＮ、ＫＮｂＯ_３、およびＬｉＮｂＯ_３、ならびに、周期的に極化された（ｐｏｌｅｄ）ＬｉＮｂＯ_３のような周期的に極化された材料を有している。

以下に詳細に述べられる本発明の好ましい実施例は、１ｍｍの直径のビーム用として基本的空間モードにおいて１００ｋＷを越える内部キャビティ循環パワーレベルを発生することができる。これらのレベルは、非線形材料の基本的放射の高調波変換（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を生成するために十分である。たとえば、ＧａＩｎＡｓ利得媒体を使用した半導体構造の周波数重畳は、９００ｎｍから１１００ｎｍの基本的な波長と、青から緑の波長の周波数重畳出力を提供する。

図１は、ＶＥＣＳＥＬ構造における本発明の好ましい実施例の斜視図である。図１のレーザは、半導体基板２０を有していて、その第１の面上には、半導体量子井戸利得領域２２が形成されている。第１のリフレクタ２６、例えばｐ−Ｂｒａｇｇリフレクタは、量子井戸領域２２上に形成されている。外方の第２のリフレクタ３０は、第１のリフレクタ２６に向き合って位置している。第１のリフレクタ２６と第２のリフレクタ３０との間の距離およびそれらの各曲率は、共振キャビティ６０の基本的なキャビティモードを規定している。第２のリフレクタ３０は、ＶＥＣＳＥＬ構造に係る図１において、外部キャビティミラーとして示されている。しかしながら、第２のリフレクタ３０は、それに代わって、ＶＣＳＥＬ構造を構成するように基板の第２の面に直接隣接する層としても良い。本発明のためにここで使用される用語「リフレクタ」は、部分的におよび／または完全に反射性の材料および／または面を含むことに注目してほしい。第２のリフレクタ３０が対向する基板２０の表面４２は、好ましくは、反射防止コーティング４２の処理がされ、境界面を横切る共振キャビティ６０のどのようなビームエネルギーも、最小の反射で通過するであろう。好ましい態様は、従来技術において良く知られている。

図２の断面図に示したように、共振キャビティは、電気的な環状のコンタクト２８によって電気的にポンピングされ、環状のコンタクト２８と、基板２０の反対側の面の円形のコンタクト４０との間に流れる電流３８を生じる。結果として生じる電流の流れ３８は、一般に形状が円錐状で、コーンの基剖３９Ａは環状のコンタクト２８にあり、コーンの頂部３９Ｂはコンタクト４０の近傍にある。頂部３９Ｂ内の流れは、一般に断面において円形であって、利得領域２２の実質的に円筒状の第１の体積４４にエネルギーを与え、第１の体積４４は、断面の直径がＤ_１である。直径Ｄ_１は、好ましくは、利得領域２２の厚さよりも実質的に大きい。

直径Ｄ_１の励起された利得領域２２は、キャビティレーザビームの伝搬を横切った方向へ移動する、誘導されたおよび自然放射を矢印４８で示されたように生ずる。標準的な従来のＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬレーザにおいて、そのようなエネルギーは、装置の外側へ逃げるか、または出力ビーム３２に貢献しないエネルギーとして浪費された。本発明の構成においては、この横断エネルギー４８は、第１のポンピングされた体積を取り巻く環状の第２の体積４６に吸収される。この吸収されたエネルギーは、基本的なレーザモード６０内への利得およびそれによってパワーを与える第２の体積４６をポンピングするのに役立つ。

第１の領域Ｄ_１の電気的または光学的ポンピングが利得を生成すると、この利得は横断方向と縦（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）方向の両方に対して生ずる。横断利得長さが縦利得長さよりも長いので、誘導放射（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）は、よりその方向に生ずることができる。Ｄ_１の寸法が大きければ大きいほど横断方向への誘導放射に対する正味の利得はより大きくなる。縦方向における半導体の表面の光学パワー密度による破滅的な劣化によって設定される熱放散とその制限のために、より大きい出力は、より大きい領域の装置を要する。そのような大きい領域の装置に対して、全体のパワー転換効率を減少するような横断する誘導放射の発生によって大きなパワーが失われる。自然放射（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）もまた起きるが、しかし、比較的大きい領域の装置用にはさほど重要ではなくなる。もし隣接する領域が、誘導放射を（更に、より小さい範囲で自然放出を）吸収するために構成されていると、一方で失われたエネルギーは、第２の領域Ｄ_２をそれが利得を生ずる程度に光学的にポンピングするために使用されることができる。第２の領域Ｄ_２内にポンピングされたエネルギーは、Ｄ_２に等しいモードくびれ（ｗａｉｓｔ）を利得媒体上に生成するために、外側のミラー３０を調整することによって直交方向に引き出されることができる。外側のキャビティミラー３０は、Ｄ_１とＤ_２とによって規定された全体の領域に利得を固定すなわち「クランプ」する。ポンピングされる領域の中心から離れて強度が減少すると共に、横断するポンピングの程度が減少するので、第２の領域Ｄ_２の範囲までに限定される。この限定は、寸法Ｄ_１と、Ｄ_１によって規定された領域のポンピング強度（電気的または光学的）とに関連する。

モードくびれ直径Ｄ_２が与えられると、第２のリフレクタ３０用の適切な曲率半径Ｒと適切な光学キャビティ長さＬとを有するキャビティをデザインするための技術は、この分野で良く知られている。例えば、Ｈｅｒｗｉｇ ＫｏｇｅｌｎｉｋおよびＴｉｎｇｙｅ Ｌｅｅの、「ビーム、モードおよび共振装置」（１９７１年ＣＲＣ発行のＣＲＣレーザハンドブック４２１〜４４１頁）を参照してほしい。第２の直径Ｄ_２は、励起レベルと直径Ｄ_１との関数である。デザインは、半導体の破滅的な劣化と第２の直径Ｄ_２からの熱的パワー放散とによって限定された、循環パワー密度によって限定された最大出力パワーのために最適化されるであろう。キャビティに対するモードくびれ直径は、例えば、キャビティ長さＬを第２のリフレクタ３０用の固定された曲率半径Ｒ用に調整することによって釣り合わすことができる。

図３は、第１のポンピング体積４４と第２の出力体積４６との関係を示す本発明に係るＶＣＳＥＬ構造のレーザの斜視図である。ポンピングされた第１の体積４４は、利得媒体２２の領域における直径Ｄ_１である。矢印４８で示された自然および誘導放射の横への伝搬は、第１の体積４４を取り巻いている第２の体積４６を特徴付ける環状の体積４６を光学的にポンピングするかまたは他の方法で励起する。環状の体積４６は、内径Ｄ_１と外径Ｄ_２とを有していて、ガウスビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｂｅａｍ）分布と仮定する第１の体積４４と断面的に実質的に同心である。基本的なキャビティモードは、第２の体積４６の外径Ｄ_２とほぼ等しい直径を有するように最適化され、それによって、第１の体積と第２の体積との両方のエネルギーは、捕捉され、そしてその結果、出力ビーム３２に貢献する。第１の体積４４の励起は、電気的または光学的手段によって起こされることができる。

レーザキャビティパラメータは、好ましくは、最大の作動するパワーレベルで、モードくびれを直径Ｄ_２に実質的に等しく設定するために調節される。単一の平面ミラー２６と、図２に示された曲率半径Ｒを有する単一の凹状の球面ミラー３０とを有するレーザキャビティにおいて、レーザチップｗ_１上、および出力ミラーｗ_２でのモードビーム直径は、次によって特徴付けられる：
ｗ_１ ^２＝４λＬ／π［（Ｒ−Ｌ）／Ｌ］^１／２ （１）
ｗ_２ ^２＝４λＬ／π［Ｌ／（Ｒ−Ｌ）］^１／２ （２）
ここで、上記で引用したＫｏｇｅｌｎｉｋ他に述べられているように、Ｌはキャビティ長さで、λは出力レーザビーム３２の波長である。これらの方程式から、例えば、キャビティ長さＬを特定の曲率半径Ｒ用に調整することによって、基本的なレーザモードの直径は、第２の体積４６の外径Ｄ_２に等しくさせることができることが明らかである。あるいは、曲率半径Ｒは、キャビティ長さＬの特定の範囲用に選択されるようにしても良い。湾曲ミラーに代えて平坦な出力カプラ３０が、同様の結果となるような適切な構造のキャビティ内レンズと共に使用される。物理レンズまたは熱レンズは、この目的のために使用され得る。

半導体レーザ装置の好ましい実施例は、多重要素量子井戸構造（ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｅｌｅｍｅｎｔ ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）か、または、この多重要素量子井戸構造と等しい全体の利得厚さを有する単一利得領域を備えている。十分な単一の通過利得を達成するために、ガリュームインジューム砒素（ＧａＩｎＡｓ）のような半導体材料に形成された９００ナノメータ（ｎｍ）から１１００ｎｍの波長のレーザ構造は、少なくとも５つの量子井戸または等しい厚さを有している。より効率的な作動に対して、導電性の基板層２０内のレーザ波長での自由キャリア吸収による光損失を効率的に克服するために、少なくとも１０の量子井戸が使用される。単一の量子井戸の代表的な厚さは、ほぼ８ｎｍである。光学的バンドギャップは量子井戸の厚さに依存し、それ故、利得材料の単一層に対する等価厚さは、狭い量子井戸に対する同様の組成構造から幾分シフトされた波長を有していることに注意してほしい。全体の厚さまたは量子井戸の数は、効率的作動に対して全ての内部キャビティの損失を克服するように利得を増加するために、増加されることができる。これは、そのような構造を均一に成長する能力と、そのような構造に対する実際のしきい値電流密度とによってのみ限定される。従来のＶＣＳＥＬｓは、代表的には、非常に高い反射率ミラーの間の１つのまたは幾つかの量子井戸で作動する。そのような装置は、低い光学利得を示し、それ故、本発明の装置のように効率的には作動しない。

レーザ装置内に注入された電流または光学的ポンピングエネルギーは、良く知られた方法のいずれかで提供でき、例えば、米国物理学会発行の「半導体レーザ」のＧ．Ｐ．Ａｇａｒｗａｌの１４６〜１５７頁がある。本発明の好ましい実施例において、ほとんどの注入電流３８は、上述の方程式（１）および（２）によって規定されるような基本的な空間モードの直径Ｄ_１に等しいかまたはそれよりも小さい直径の円形領域内に向けられる。

上述のように、エッジ放射ダイオードレーザを使用したダイオードレーザ放射の低効率周波数重畳は、過去においてＧｕｎｔｅｒおよびＫｏｓｌｏｖｓｋｙ他によって実証された。対照的に、本発明の好ましい実施例は、全体の単一通過利得がエッジ放射ダイオードレーザよりもきわめて低いＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬ垂直キャビティレーザ構造を採用している。さらに、本発明の垂直キャビティ装置からの出力は、エッジ放射装置よりもより大きい円形ビーム領域、例えば数百倍も大きい領域に亘って分配される。基本的な循環空間モードにおける達成可能な内部キャビティ循環パワー密度は、半導体表面での破滅的な劣化のみによって制限されるだけで、数ＭＷ／ｃｍ^２を越えることができる。類似のパワー密度がエッジ放射レーザで達成可能である反面、ビームは、周波数重畳を困難にするダイオードキャビティの導波管に制限される。周波数変換の効率が光学的強度と相互作用領域の長さとの両方に依存するので、ダイオードレーザの周波数重畳は、複雑になり、十分な相互作用距離のフィールド強度を維持するように導波管構造内で実行されている。ビームが光学的レーザキャビティ内において実質的に拡散しないことにより、高い光学フィールド強度が十分に長い相互作用長さを越えて維持され得るので、高変換効率が、本発明において達成されることができる。高品質のビームは、最近研究された周期的に極化された非線形材料のような、キャビティの外側のあらゆる変換形態（ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に対して、より好適な周波数変換状態を提供する。さらに、本発明は、光学的パワーを増加しそれ故非線形変換効率を増加するために、パルス化され、利得切り換えされ（ｇａｉｎ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ）、および、モードロックされた（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ）形態で作動することができる。本発明は、調波周波数（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）変換のみでなく和および差周波数変換にも適用できる。好ましい実施例において、非線形材料は、レーザが単一周波数で作動するファブリーペロー共振（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ）を有している。例示的形態が図２に示されていて、基板２０と外部ミラー３０との間に内部キャビティ非線形結晶５８を有している。

上述の各技術の構造、例えば、Ｓａｎｄｕｓｋｙ他およびＨａｄｌｅｙ他のような構造は、キャビティ幾何配置をポンピングされた体積の範囲のみに釣り合わせることにより限定されるが、本発明はそうではなく、エネルギーを、第１のポンピングされた体積に加えて、この第１の体積内で発生した横断する方向のエネルギー放射によってエネルギーを与えられた第２の体積からも引き出す。

本発明の出力は、上述したように、モード体積の直径を増加することにより、増大されることができる。ピークの出力レベル、例えば１０ｋＷを超えるレベルは、直径１ミリメータの利得領域から発生されることができる。連続的なｃｗの出力レベルは、単一素子の装置から１０ワットを越えることができ、熱的要件によってのみ限定される。

逆方向へ伝搬する第２の調波放射は、さらに半導体レーザ構造に吸収され得るが、それは、活性化利得領域へ移動する電子と正孔とを生成し、それによって基本的レーザ放射のパワーを増加するようにしてなされる。これはまた、調波放射の単一終端出力を生成するのと同様に、第２の調波出力の効率増加の効果を有する。他の実施例において、調波放射が利得媒体内に反射戻りがないが、中間のミラーを介して出る位置に非線形材料が設けられている３つのミラーのキャビティが使用されることができる。リング共振器構造もまた採用されることができる。

赤外線波長を可視に変換するのに適した代表的な周波数重畳材料は、周期的に極化されたＬｉＮｂＯ_３、ＫＴＰ、およびＫＮｂＯ_３を含む。９００ｎｍレンジで作動するＧａＩｎＡｓレーザを使用して、例えば、ＫＴＰは、１μｍの放射を緑の波長に変換するために位相を釣り合わすことができ、ＫＮｂＯ_３は赤外光線を青の波長に変換することができる。

この分野で良く知られた内部キャビティ周波数重畳用の多くの構造は、本発明において使用することができる。例えば、パワー密度を増大するために、焦点式レンズは、ミラー２４と３０とによって規定されたレーザ共振器内に配置されることができる。この技術は、非線形材料または比較的低い非線形性能計数の非線形材料の非常に短い長さの使用を可能にする。

ＫＴＰおよびＫＮｂＯ_３のような重畳材料に対して、本発明の構造において可能な循環パワーレベル用の活性結晶長さは、１ｃｍよりもかなり短い。比較的短い非線形材料の長さは、条件に釣り合う比較的広範囲な温度と波長位相を提供することができる。例えば、ＫＮｂＯ_３に対して、１ｍｍ以下の結晶長さは、セ氏数度以上の温度位相釣り合い（ｍａｔｃｈｉｎｇ）バンド幅、および数ナノメータの波長バンド幅を提供できる。そのような広い受容レンジは、そのような装置の製造と作動をかなり実用的にする。波長は、利得媒体材料の合金組成の選択によって制御されるであろうが、正確な波長制御は、内部キャビティエタロン（ｅｔａｌｏｎ）またはこの分野で良く知られた他の波長制御技術によって達成可能である。ＫＴＰを含む他の非線形材料にも同様の結果が適用する。

半導体の利得領域２２は、好ましくは、多重要素量子井戸構造を有している。あるいは、全体の利得厚さが多重量子井戸構造のそれと等しい単一の利得領域を採用されても良い。十分な単一の通過利得を達成するために、ＧａＩｎＡｓで作られた代表的には９００ｎｍから１１００ｎｍ波長レーザ構造用の量子井戸の数は、５以上で、代表的には１０井戸と２５井戸との間の範囲である。電気的または光学的励起の何れかを使用するパルス化された条件下で作動する高ピークパワー装置に対して、井戸の数は、５０以上となろう。限界は、多くの応力フリーの量子井戸層を成長させる実用的な能力によって定められる。この場合において、ヘテロ構造は、より効果的な選択であろう。高ピークパワー装置は、例えば、ポンピング源としての高出力Ｑ切り換え（Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ）固体レーザを使用することによって作ることができる。

従来の垂直キャビティ半導体レーザは、代表的には、唯一または幾つかの量子井戸と非常に高い反射率のキャビティミラーとで作動する。そのような装置は、本来の低光学利得により、本発明のように効率的には作動しないであろう。実質利得は、基板材料２２の自由キャリア損失と、非線形材料および内部キャビティ光学素子上の関連した反射防止コーティングにおける光学損失とを含む外側キャビティにおける損失を克服するのに十分である。

図２は、半導体基板２０に形成された代表的な量子井戸装置２２を示している。高い反射性のミラー２６が、レーザ共振器のミラーの１つを提供するように装置の背面に形成される。上部クラッド層は、非反射被覆４２がなされ、レーザ波長の光学吸収が低い導電性の接点として役立つ。他の実施例において、第２の調波放射よりも広い光学的バンドギャップを持った電気的に導電性の材料は、キャリアの拡散長さよりも薄い厚さで、基本的レーザ放射に透過し、そして活性（ａｃｔｉｖｅ）材料と厚く幅のあるバンドギャップ（ｔｈｉｃｋ ｗｉｄｅ−ｂａｎｄｇａｐ）材料との間で大きくなる第２の調波放射を吸収する第２の層を持った導電層として役立ち、光学的に励起されたキャリアに利得領域内に拡散することを許容する。厚い導電性の材料は、例えば、堆積されたスズ酸化物であり得る。単一周波数の作動は、例えば、エタロンをキャビティ内に導入することによって達成され得る。あるいは、非線形結晶５８は、同様に周波数選択素子として役立つことができる。

高出力で可視波長を発生する能力は、本発明を、プロジェクションディスプレー、光学的ディスクの読み出しおよび書き込み、光学的ホログラフィック記憶装置、およびバイオ蛍光センサを含むアプリケーションの範囲にとって魅力的なものとする。プロジェクションディスプレーのケースに対して、三原色が生成され得る。例えば、青の波長と緑の波長とは、ＧａＩｎＡｓ半導体レーザの出力を波長重畳することによって生成でき、この出力は、９００ｎｍ〜１１００ｎｍ以上の波長範囲から選択される。適切な波長重畳材料は、緑の波長用のＫＴＰと、青の波長のＫＮｂＯ_３とを含んでいる。パワーは、そのような装置のアレー（ａｒｒａｙ）を使用して測定される。数十ワットの出力パワーレベルは、生成されることができる。そのようなアレーからの出力は、アレーの素子間のコヒーレンスがないので、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）の効果は、ディスプレーシステムにおいて投影された像の品質に影響を与えないように大きく減少される。アレー装置の場合において、出力カプラは、リソグラフィ的に製造された２光学系ミラーまたはマイクロミラーのアレーを有していて、その位置は、ダイオードレーザ発生領域の中心に正確に位置合わせされる。

本発明を使用する投影ディスプレーシステムは、液晶空間光変調装置（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ）のような種々のライトバルブ素子、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社から販売されているようなマイクロミラー、および、カリフォルニア州サニーヴェールのＳｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅ社で開発されたようなグレーチィング（ｇｒａｔｉｎｇ）偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）ライトバルブを使用して作動できる。レーザ源のアレーに対して、ライトバルブの全ての素子は、各レーザビームが離れた区域で（ｉｎ ｔｈｅ ｆａｒ ｆｉｅｌｄ）重なることができるように拡がることを可能にすることによって、あらゆるレーザ源によって照射されることができる。このようにして、ある素子がなくともシステムの作動を大きく落とすことはない。２光学系レンズが、全ての利用可能なレーザ放射の効果的に使用させるように、ライトバルブの各画素上の最上層の（ｔｏｐ−ｈａｔ）分布におけるレーザ光を集中するのに使用されることができる。

本発明は、その好ましい実施例に関して特に示され述べられてきたが、当業者にとって、形式や詳細の種々の変更は、添付した請求項によって規定された発明の精神と範疇から離れることなくすることができる。

他の実施例として、図４は、光学的増幅器７０として構成された本発明の斜視図である。レーザ構成において、光学的増幅器７０の構成は、半導体基板２０、半導体利得媒体２２、および第１のリフレクタ２６を有している。光学的増幅器７０が共振キャビティを有していないので、第２のリフレクタは、必要がないことに注目してほしい。利得媒体２２の第１の体積４４は、電気的または光学的エネルギー５６でポンピングされる。第１の体積４４は、通常、直径Ｄ_１を有する断面的に円形である。上述したように、これは、第１の体積４４の周りで第２の体積４６内へのエネルギー４８の横断の誘導的で自然な伝搬を起こす。好ましい実施例において、第２の体積４６は、断面が実質的に環状で、その直径はＤ_２である。直径Ｄ_２でかつ第１の振幅の入射ビーム５０は、第１の体積４４と第２の体積４６との両方に重なり、両方によってエネルギーを与えられるようにポンピングされた領域４６に向けられる。入射ビーム５０は、ミラー２６で反射し、そして、同様の直径Ｄ_２の出力ビーム５２として解放される。出力ビーム５２は、エネルギーを与えられた利得領域４６で増幅され、そしてそれ故、入射ビーム５０よりも高い強度である。そのような複数の利得素子が、システムの全体の利得を増加するために使用される。

第２の他の実施例が図５に示されていて、光学的結合構成の側面が示されている。単一のミラー／レンズ素子７０は、ＶＥＣＳＥＬレーザ７８用の共振装置ミラーとして作動する第１の凹面７２と、光学ファイバ７６内にレーザ放射３２を向けるための集中素子として作動する第２の凸面７４とを有している。光学ファイバ７６は、単一モードまたはマルチモードのファイバで構成されていても良く、レーザエネルギーがファイバの開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）内に実質的に向けられるように、レーザ放射３２の焦点に位置している。第１の面７２の反射率は、レーザ装置７８からの出力が最大になるように最適化されるが、第２の面７４と光学ファイバ７６の入射面７５とは、レーザ波長での反射率を最小化するように反射防止被覆がされている。

組み立て中において、ミラー／レンズ素子７０は、レーザ出力結合を最大化するために位置合わせされ、配置され、そして、はんだ付け、エポキシ樹脂での接着および／またはレーザ溶接のような、良く知られた技術で固定される。ファイバは、次いで集中された放射３２を受けるために位置付けられ、上述した技術の何れかによって設定される。この実施例は、単一素子内にキャビティミラーおよび出力レンズの機能を取り入れることによりファイバ内にエネルギーを集中するのに必要な光学素子の数を減少させる利点を提供する。

本発明の上述のおよび他の目的、態様、および利点は、異なる図を通して同じ部品には同様の参照符号を付した添付図面にて図示したように、本発明の好ましい実施例の特定の記述から明らかになる。図面が必ずしも一定の比率であるというわけではない。そして、その代わりに、本発明の原則を示すように強調して、配置される。

本発明に係るＶＥＣＳＥＬレーザ構造の斜視図。 本発明に係る第１のポンピングされた体積から第２の環状の体積への自然で誘導放射の横断する伝搬を示すための図１の構造の切除した側面図。 本発明による第１のポンピングされた体積と第２の環状の体積との関係を示すＶＣＳＥＬレーザ構造の斜視図。 本発明に係る光学的増幅装置の構造を示す斜視図。 出力エネルギーを工学ファイバ内へ結合するための結合構造を示す側面図。

符号の説明

２０…基板、２２…利得媒体、２６…リフレクタ、２８…コンタクト、３０…外部ミラー、３８…電流、４０…コンタクト、４４…第１の体積、４６…第２の体積、４８…矢印、５０…入射ビーム、５２…出力ビーム、５６…光学的エネルギー、７２…第１の凹面、７４…第２の凸面、７５…入射面、７６…光学ファイバ。

Claims (23)

1. 第１と第２のリフレクタの間に設けられ基本的なキャビティモードを規定する共振キャビティと；
   前記共振キャビティ内に配置された利得媒体と；および
   第１の体積内で前記利得媒体を付勢するためのエネルギー源とを有し；
   前記エネルギー源は前記基本的なキャビティモードと実質的に横断する方向へ前記利得媒体内で伝搬するための光学的エネルギー発生を生じさせ、前記横断するエネルギー発生は前記第１の体積の周りに前記利得媒体の第２の体積を光学的に供給し、前記第１と第２の体積内の前記エネルギーは前記基本的なキャビティモード内で結合されていることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記第１の体積は実質的に円筒状で断面積の直径がＤ_１であり、前記第２の体積は実質的に環帯で断面積の外側の直径がＤ_２であって断面積の内側の直径がＤ_１であり、前記第１と第２の体積は断面積的に実質的に同心であることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 利得媒体は、半導体、複数の量子井戸半導体および固体からなるグループから選択された材料を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
4. エネルギー源は、電気的に供給された電流と共に利得媒体を付勢することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
5. エネルギー源は、光学的誘導によって利得媒体を付勢することを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
6. 利得媒体の向き合った側に設けられ、付勢されたときレーザの第１の円筒状の体積を供給する環状の電極と円形の電極とをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
7. レーザビームの経路に設けられビームの周波数を調整するための非線形材料をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
8. 非線形材料は、レーザのキャビティ内に設けられていることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
9. 非線形材料は、レーザのキャビティ外に設けられていることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
10. 非線形材料は、ＫＴＰ、ＬｉＮｂＯ_３、周期的に極化されたＬｉＮｂＯ_３、ＫＴＮ、およびＫＮｂＯ_３のグループの中から選択されることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
11. 非線形材料は、レーザが単一の周波数で操作するファブリーペロー共振を有していることを特徴とする請求項７記載のレーザ装置。
12. エタロン、複屈折要素、プリズム、およびグレーチィングからなるグループから選択された内部キャビティ同調要素をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
13. 基本的波長に透過する導電性の材料と、第２の調波光が前記導電性の材料に吸収され、前の方へ放射された第２の調波放射の効率を増加するために電子とホールとが利得領域内に拡散するように、利得領域に隣接して成長した第２の調波放射の吸収剤をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
14. 脈動またはモードロックした配置で操作されることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
15. アドレス可能な要素のアレーとして形成されたことを特徴とする請求項１記載のマルチレーザ装置。
16. 第１の反射面と第２の伝搬面とを有する光学要素をさらに備え、前記第１の面は第１のキャビティリフレクタとして操作され、前記第２の伝搬面は前記要素からのエネルギー出力を収束するためのものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
17. 第１の反射面は凹状で、第２の反射面は凸状であることを特徴とする請求項１６記載のレーザ装置。
18. 前記収束されたエネルギー出力を受けるために整列された入力面を有する光学ファイバをさらに備えたことを特徴とする請求項１６記載のレーザ装置。
19. 半導体基板と；
    前記基板の第１の面の半導体利得媒体と；および
    第１の体積内で前記利得媒体を付勢するためのエネルギー源と；
    を有し、前記エネルギー源は光学的エネルギー発生を前記利得媒体に前記第１の体積を実質的に横断する方向へ伝搬するようにし、前記横断するエネルギー発生は前記第１の周りに前記利得媒体の第２の体積を光学的に供給し、この供給は、前記第２の体積の断面積幅にほぼ等しく前記第２の体積に向けられた入力ビームの幅が、前記第１と前記第２の体積のエネルギーによって増幅されるようにしたことを特徴とする光学装置。
20. 半導体基板と；
    前記基板の半導体利得媒体と；
    前記基板と前記利得媒体とを有していて、基本的なキャビティモードを規定する共振キャビティを規定する第１と第２のリフレクタ；および
    第１の体積内で前記利得媒体を付勢するためのエネルギー源と；
    を有し、前記エネルギー源は光学的エネルギー発生を前記利得媒体に前記第１の体積を実質的に横断する方向へ伝搬するようにし、前記横断するエネルギー発生は前記第１の周りに前記利得媒体の第２の体積を光学的に供給し、この供給は、前記第２の体積の断面積幅にほぼ等しく前記第２の体積に向けられた入力ビームの幅が、前記第１と前記第２の体積のエネルギーによって増幅されるようにしたことを特徴とするレーザ装置。
21. 前記第１の体積は、実質的に円筒状で断面積の直径がＤ_１であり、前記第２の体積は、実質的に環帯で断面積の外側の直径がＤ_２であって断面積の内側の直径がＤ_１であり、前記第１と第２の体積は断面積的に実質的に同心であることを特徴とする請求項２０記載のレーザ装置。
22. 利得媒体の向き合った側に設けられ、付勢されたときレーザの第１の円筒状の体積を供給する環状の電極と円形の電極とをさらに備えたことを特徴とする請求項２０記載のレーザ装置。
23. レーザビームの経路に設けられビームの周波数を調整するための非線形材料をさらに備えたことを特徴とする請求項２０記載のレーザ装置。

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