JP2007173819A - 高効率２次調和波生成の垂直外部共振器型の面発光レーザシステム - Google Patents

Abstract

【課題】高効率２次調和波生成の垂直外部共振器型の面発光レーザシステムを提供する。
【解決手段】ポンピングによりレーザ光が発生する活性層と活性層から発生したレーザ光を反射させる反射器とを備えるレーザ素子２１と、レーザ素子の反射器および共振器を構成し、レーザ光の線幅を縮小させる光学部材２７と、レーザ素子と光学部材との間に位置して、レーザ光の周波数を２倍に変換する２次調和波発生素子２５と、を備える。
【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；ＶＥＣＳＥＬ）システムに係り、さらに詳細には、レーザ光の線幅を縮小させることによって、２次調和波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：ＳＨＧ）素子で波長変換効率を向上させた高効率２次調和波生成のＶＥＣＳＥＬシステムに関する。

ＶＥＣＳＥＬ素子は、垂直共振器型の面発光レーザ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；ＶＣＳＥＬ）の上部ミラーを外部のミラーに代替して利得領域を拡大させることによって、数〜数十Ｗ以上の高出力を得させるレーザ素子である。

図１は、一般的なＶＥＣＳＥＬシステム１０を概略的に示す図面である。

図１に示すように、レーザシステム１０は、ＶＥＣＳＥＬ素子（以下、レーザ素子）１８と、このレーザ素子１８から離隔されて斜めに配置された第１ミラー１５と、前記第１ミラー１５から反射されたレーザ光を再び第１ミラー１５に反射する第２ミラー１７とを備える。また、前記第２ミラー１７と第１ミラー１５との間の光路には、光の周波数を２倍に変換して波長を半分に縮小させるＳＨＧ結晶１６が配置されており、第１ミラー１５とレーザ素子１８との間の光路には、複屈折フィルタ１４が配置されている。

前記レーザ素子１８は、ＶＥＣＳＥＬシステムを具現するためのものであって、ＶＣＳＥＬ素子に対して上部反射器を有さない構造を有する。すなわち、前記レーザ素子１８は、分散ブラッグ反射器及び活性層を備えて構成される。前記レーザ素子１８及びこのレーザ素子１８の反射器及び共振器を構成するための外部ミラー、すなわち、第２ミラー１７がＶＥＣＳＥＬシステムを構成する。

前記レーザ素子１８には、活性層から発生する熱を外部に放出して、前記活性層を冷却させる役割を行う熱拡散器１３が設けられる。

前記活性層は、複数の量子ウェル層及び障壁層から構成されたＲＰＧ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｇａｉｎ）構造を有する。ポンピングレーザから放出されたポンピング光は、前記量子ウェル層で吸収され、これによって励起された電子と正孔とが前記量子ウェル層内で再結合しつつ光が放出される。

前述の構造で、ポンピングレーザ（図示せず）から放出されたポンピング光が活性層に入射すれば、前記活性層が励起されつつ特定の波長の光を放出する。ポンピングビームによりポンピングされて活性層から発生したレーザ光は、反射器により反射され、レーザ素子１８から出力されて第１ミラー１５に向う。このレーザ光は、第１ミラー１５で反射された後、ＳＨＧ結晶１６を通過して第２ミラー１７に向う。この過程で、レーザ光の波長は、ＳＨＧ結晶１６により１／２に縮小する。

前記ＳＨＧ結晶１６により波長変換されたレーザ光は、第２ミラー１７により反射された後、第１ミラー１５を通じて外部に出力される。

前記複屈折フィルタ１４は、特定の波長のレーザ光のみを共振させる役割を担う。

前記ＳＨＧ結晶１６は、非常に狭い波長領域のみで高い波長変換効率を有する特性がある。すなわち、ＳＨＧ結晶１６は、一般的に非常に狭い半値幅（Ｆｕｌｌ−Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ；ＦＷＨＭ）の波長変換効率特性を有する。例えば、ＳＨＧ結晶１６としてＰＰＳＬＴ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔａｎｔａｌａｔｅ）を使用する場合、高い波長変換効率を表す半値幅は、約０．１〜０．２ｎｍである。

これに対し、レーザ素子１８から発生した赤外線領域のレーザ光の半値幅は相対的に大きいため、ＳＨＧ結晶１６での波長変換効率が低下するという問題が発生する。

例えば、複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３がない場合、レーザ素子１８から出力されるレーザ光の半値幅は、約１．６ｎｍと大きいため、ＳＨＧ結晶１６で高い波長変換効率を得ることができない。

レーザ光の半値幅は、前記複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３を通じてある程度縮小させることができる。複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３の厚みを厚くすれば、この熱拡散器１３及び複屈折フィルタ１４を通過したレーザ光の半値幅を縮小できることが知られている。

例えば、３００μｍの厚さの熱拡散器１３と４ｍｍの厚さの複屈折フィルタ１４とを使用する場合、レーザ光は、９２０ｎｍの中心波長で約０．２９ｎｍの半値幅を有し、１０６４ｎｍの中心波長で約０．３５ｎｍの半値幅を有する。５００μｍの厚さの熱拡散器１３と４ｍｍの厚さの複屈折フィルタ１４とを使用する場合には、レーザ光は、９２０ｎｍの中心波長で約０．２８ｎｍ、１０６４ｎｍの中心波長で約０．３ｎｍの半値幅を有する。このように、複屈折フィルタ１４の厚さが固定されるとき、熱拡散器１３の厚みが厚くなるほど、レーザ光の半値幅は縮小することがわかる。

また、熱拡散器１３の厚さが固定されるとき、複屈折フィルタ１４の厚みが厚くなるほど、レーザ光の半値幅が縮小する。例えば、５００μｍの厚さの熱拡散器１３と、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの厚さの複屈折フィルタ１４とを使用する場合、レーザ光は、９２０ｎｍの中心波長でそれぞれ約０．２９ｎｍ、０．２７５ｎｍ、０．２６ｎｍ、１０６４ｎｍの中心波長でそれぞれ約０．３ｎｍ、０．２８５ｎｍ、０．２７ｎｍの半値幅を有する。

また、熱拡散器１３がない状態で、複屈折フィルタ１４がないとき、複屈折フィルタの厚さがそれぞれ４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍであるとき、半値幅は、それぞれ約１．６ｎｍ、０．４ｎｍ、０．３６ｎｍ、０．３２ｎｍである。すなわち、熱拡散器１３がない場合にも、複屈折フィルタ１４の厚みが厚くなるほど、レーザ光の半値幅が縮小する。

しかし、前述のように、ＳＨＧ結晶１６としてＰＰＳＬＴを使用する場合、高い波長変換効率を達成するためのレーザ光の半値幅は、約０．１〜０．２ｎｍであるので、このような十分に小さな半値幅を得るためには、複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３の厚みを、前記で例示した場合よりもはるかに厚くする必要がある。

そのために、材料コストが非常に上昇し、ＶＥＣＳＥＬシステムの全体的なサイズも非常に大きくなる。また、このように、複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３を厚くする場合、光損失が増大するため、レーザの出力が減少するという問題も発生する。

したがって、複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３をさらに厚くしてレーザ光の半値幅を縮小させることには限界があり、複屈折フィルタ１４及び熱拡散器１３の厚さを厚くる方式によっては、実質的に所望のレーザ光の半値幅を得ることがほとんど不可能となる。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、レーザ光の半値幅を十分に縮小させることができ、ＳＨＧ効率を向上させ、既存の構造より整列が容易になる高効率２次調和波生成のＶＥＣＳＥＬシステムを提供するところにその目的がある。

前記目的を達成するための本発明に係るＶＥＣＳＥＬシステムは、ポンピングによりレーザ光が発生する活性層と前記活性層から発生したレーザ光を反射させる反射器とを備えるレーザ素子と、前記レーザ素子の反射器および共振器を構成してレーザ光の線幅を縮小させる光学部材と、前記レーザ素子と光学部材との間に位置して、レーザ光の周波数を２倍に変換するＳＨＧ素子と、を備えることを特徴とする。

前記光学部材は、反射タイプのボリュームブラッググレーティング（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ：ＶＢＧ）素子でありうる。

前記光学部材は、前記レーザ素子から発生して入射されるレーザ光を９９％以上反射させ、レーザ光の線幅を０．２ｎｍ以下の半値幅を有するように縮小させて、レーザ光を前記２次調和波発生素子に進行させるように設けられる。

本発明の一特徴によれば、前記ＳＨＧ素子と前記レーザ素子との間には、前記レーザ素子から入射される光を反射させて前記ＳＨＧ素子側に進行させ、前記レーザ素子から発生したレーザ光は反射させて、前記ＳＨＧ素子により波長変換されたレーザ光は透過させるように設けられたミラーを、さらに備える。

本発明の他の特徴によれば、前記光学部材は、前記ＳＨＧ素子により波長変換されたレーザ光を透過させるように設けられる。

前記ＳＨＧ素子と前記レーザ素子との間の光路上には、前記レーザ素子から発生したレーザ光は透過させ、前記ＳＨＧ素子で波長変換されたレーザ光は反射させるミラー部材をさらに備えることが望ましい。

前記ＳＨＧ素子と前記レーザ素子との間の光路上に配置され、前記ミラーの役割を代替するレンズ素子をさらに備えることができる。

前記ＳＨＧ素子とレーザ素子との間の光路上には、前記レーザ素子から進行するレーザ光に対してブリュースター角をなすように配置され、前記レーザ素子から発生した光に対して透明な偏光制御用プレートをさらに備え、前記偏光制御用プレートは、ブリュースター角プレートまたはブリュースター角エタロンである。

前記偏光制御用プレートは、１０ないし５００μｍの厚さを有する。

前記偏光制御用プレートは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及びＡｌ_２Ｏ_３を含む群から選択された何れか一つの物質からなる。

前記活性層にポンピング光を提供する少なくとも一つのポンピング光源をさらに備えることができる。

前記レーザ素子から発生する熱を外部に放出するために、前記レーザ素子の一側に設けられた熱拡散器をさらに備えることができる。

前記熱拡散器は、前記レーザ素子からレーザ光が出射される方向に位置し、エタロンとしての役割を担うように設けられる。

前記熱拡散器は、ダイアモンド、ＳｉＣ及びＡｌ_２Ｏ_３を含む群から選択された何れか一つの物質からなる。

本発明に係るＶＥＣＳＥＬシステムによれば、レーザ光の半値幅を縮小させるために、複屈折フィルタを適用する従来のレーザシステムとは異なり、レーザ素子の反射器と共振器を構成する外部ミラーに反射タイプのＶＢＧを適用して、レーザ光の半値幅を十分に縮小させることができる。したがって、ＳＨＧ素子で高い波長変換効率を得ることができるので、高出力のレーザ光、例えば、高出力の可視レーザ光を出力するＶＥＣＳＥＬシステムを実現できる。

また、ブリュースター角で配置されたプレートを使用して偏光制御を行うので、この偏光制御用プレートの配置が厳格ではなく、配置角度の厳格な複屈折フィルタを備える既存の構造に比べて整列がはるかに容易である。

以下、添付された図面を参照して、本発明に係るＶＥＣＳＥＬシステムの望ましい実施形態を詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬシステムを示す図面である。図３は、図２のレーザ素子の一実施形態を示す図面である。

図２及び図３に示すように、本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬシステム２０は、反射器２１ａ及び活性層２１ｂを備えるＶＥＣＳＥＬ素子２１（以下、レーザ素子という）、前記レーザ素子２１から放出されるレーザ光の周波数を２倍に変換して、レーザ光の波長を半分に縮小させるためのＳＨＧ素子２５、前記レーザ素子２１から離隔されて斜めに配置されたミラー２４、前記ミラー２４から反射されたレーザ光を再びミラー２４に反射して、前記レーザ素子２１の反射器２１ａと共に共振器を形成し、反射される光ビームの半値幅を縮小させる光学部材２７を備える。本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０は、前記レーザ素子２１とミラー２４との間の光路上に偏光制御用プレート２３をさらに備えることができる。

前記レーザ素子２１は、赤外線波長領域でレーザ光を放出するように設けられる。例えば、前記レーザ素子２１は、ＳＨＧにより約４６０ｎｍ波長の青色光（Ｂ）、約５３２ｎｍ波長の緑色光Ｇまたは約６２５ｎｍ波長の赤色光Ｒを得るように、約９２０ｎｍ、１０６４ｎｍまたは１２５０ｎｍ波長領域の光を放出するように設けられる。

図３に示すように、前記レーザ素子２１は、光を発生させる活性層２１ａと、この活性層２１ａから発生した光を反射させる反射器２１ｂとを備える。このレーザ素子２１は、ＶＣＳＥＬ素子で上部反射器を除去した構造と類似している。

前記レーザ素子２１の一側には、そのレーザ素子２１から発生する熱を外部に放出できる熱拡散器２２をさらに備えていることが望ましい。図３では、熱拡散器２２がレーザ素子２１の上側（レーザ素子２１からレーザ光が出射される方向）に結合、例えば、ボンディングされた場合を示すが、レーザ素子２１が熱拡散器２２の上側に結合されてもよい。

前記レーザ素子２１の活性層２１ａは、ＲＰＧ構造を有する多重量子ウェル構造であって、ポンピング、例えば、ポンピング光源４１、４３から提供される光ポンピングによって励起されて、所定の波長、望ましくは、赤外線領域の波長を有する光を放出する。ここで、前記ポンピング光の波長は、活性層２１ａから発生させようとする光の波長よりは短くなければならない。

図４を参照してさらに具体的に説明すれば、前記活性層２１ａは、複数の量子ウェル層３１ａ及び障壁層３１ｂから構成されたＲＰＧ構造を有しうる。ポンピング光源４１、４３（図２参照）から放出されたポンピング光ビームは、前記量子ウェル層３１ａ及び障壁層３１ｂで吸収され、これによって励起された電子及び正孔が、前記量子ウェル層３１ａ内で再結合しつつ光が放出される。

放出された光は、前記反射器２１ｂと、この反射器２１ｂと共に共振器を構成する光学部材２７との間で定常波を形成する。図４に示すように、前記量子ウェル層３１ａは、ポンピングされた光の利得を最大化するために、前記反射器２１ｂと光学部材２７との間で共振するレーザ光のうち、中心波長を有するレーザ光の定常波のアンチノード（すなわち、変位の大きさが最大になる点）に位置する。

ここで、前記活性層２１ａから発生する光の波長は、量子ウェル層３１ａをなす各元素の組成比や量子ウェル層３１ａの厚さによって変わる。したがって、量子ウェル層３１ａをなす各元素の組成比や量子ウェル層３１ａの厚さを適切に調節することによって、活性層２１ａで所望の波長の光を生成できる。一般的に、各元素の組成比が同じである場合、量子ウェル層が厚いほど、長波長光が生成される。

前記反射器２１ｂは、分散ブラッグ反射器（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）であって、前記活性層２１ａから発生したレーザ光を反射して、レーザ光を外部のミラーとしての役割を行う前記光学部材２７との間で共振させる高反射率のミラー層である。

前記熱拡散器２２は、レーザ素子２１から発生する熱を外部に放出するためのものであって、特に、活性層２１ａから発生する熱を外部に放出して活性層２１ａを冷却させる役割を担う。この熱拡散器２２は、前記レーザ素子２１で発振された赤外線光及びポンピング光に対して透明な物質からなることが望ましい。前記熱拡散器２２は、例えば、ダイアモンドやＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３またはこれらのうち少なくとも２種類を含む物質のように、熱拡散能力の大きな物質からなることが望ましい。このような材質は、前記レーザ素子２１から発生した赤外線領域の光及びポンピング光の両方に対して透明である。

図３に示すように、前記熱拡散器２２が、レーザ素子２１でレージングされたレーザ光が出射される方向に位置する場合、レーザ素子２１は、反射器２１ｂ、活性層２１ａ、熱拡散器２２の順序の層構造をなす。このように、熱拡散器２２が、レーザ素子２１でレージングされたレーザ光が出射される方向に位置する場合、熱拡散器２２は、複数の波長のうち特定のモードの波長のみを分離するエタロンとしての役割を果たすように設けられる。すなわち、前記熱拡散器２２は、熱拡散機能を担うと共に、エタロンの役割を果たすように設けられうる。

一般的に、レーザ素子の反射器及び外部のミラー（本実施形態では、前記光学部材２７）により形成される共振器で共振するレーザ光は、たった一つの波長のみを有するのではなく、中心波長でピークを有するスペクトルからなる。また、このようなスペクトルは、連続的な波長からならず、共振条件を満たす複数の不連続的な波長からなる。しかし、共振器の長さが長くなる場合、このような不連続的な波長間の間隔が相対的に狭くなるので、スペクトルがほぼ連続的な波長からなって、レーザ光は、所定の線幅を有する。この場合、レーザ光の半値幅は、中心波長の強度の１／２である強度を有する二つの波長の間の幅になる。

活性層２１ａから発生して熱拡散器２２の内部に入射したレーザ光は、熱拡散器２２の外部媒質である空気と隣接した界面で部分的に反射された後、さらに、熱拡散器２２と活性層２１ａとの界面で部分的に反射される。その結果、熱拡散器２２の上面と下面との間でレーザ光が反復的に反射されるので、熱拡散器２２の内部で干渉が複合的に行われる。これにより、熱拡散器２２の透過率が波長の変化によって周期的に変わる。すなわち、波長の整数倍の熱拡散器２２の上面と下面との間の光学的な距離に該当するレーザ光のみが、熱拡散器２２の上面を通じて出射される。例えば、５００μｍの厚さのダイアモンドを熱拡散器２２として使用する場合、自由な空間的な範囲（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）は、約０．８ｎｍであり、半値幅は、約０．３ｎｍである。したがって、活性層２１ａから発生したレーザ光のうち、特定のモードの波長のみが熱拡散器２２を通過し、この過程で、レーザ素子２１から発生したレーザ光の半値幅が一次的に縮小する。このように、レーザ素子２１からのレーザ光の出射側に、エタロンとしての役割を果たすように設けられた熱拡散器２２を置く場合、熱拡散器２２は、エタロンとしての役割を果たして、レーザ光の半値幅は、熱拡散器２２により一定部分縮小する。

前記ＳＨＧ素子２５は、ＳＨＧのためのものであって、前記レーザ素子２１から放出された光の進行経路上に配置される。前記ＳＨＧ素子２５は、前記レーザ素子２１から発生し、それを通過するレーザ光の周波数を２倍にして、その波長を半分に縮小させる。例えば、前記レーザ素子２１から発生した光が、その中心波長が約９２０ｎｍである赤外線光であれば、その赤外線光は、ＳＨＧ素子２５を通過しつつ、中心波長が約４６０ｎｍである青色光になる。前記レーザ素子２１から発生した光が、その中心波長が約１０６４ｎｍである赤外線光ならば、その赤外線光は、ＳＨＧ素子２５を通過しつつ、中心波長が約５３２ｎｍである緑色光になる。前記レーザ素子２１から発生した光が、その中心波長が約１２５０ｎｍの赤外線光であれば、その赤外線光は、ＳＨＧ素子２５を通過しつつ、中心波長が約６２５ｎｍである赤色光になる。

一方、前述のように、前記ＳＨＧ素子２５は、非常に狭い波長線幅のみで高い波長変換効率を有するという特性がある。すなわち、前記ＳＨＧ素子２５として使用されるＳＨＧ結晶は、一般的に非常に狭い半値幅の波長−変換効率特性を有する。

前記ＳＨＧ素子２５のためのＳＨＧ結晶として、ＰＰＳＬＴを使用する場合、高い波長−変換効率を得るために要求されるレーザ光の半値幅は、約０．１〜０．２ｎｍである。

一方、前述のところから分かるように、ＶＥＣＳＥＬ素子２１から出力される赤外線領域のレーザ光の半値幅は、それよりはるかに大きい。

前記ＳＨＧ素子２５は、レーザ光の半値幅を縮小させる光学部材２７とミラー２４との間の光路上に配置されることが望ましい。

本発明の一実施形態に係るレーザシステムは、光学部材２７を備え、この光学部材２７とミラー２４との間にＳＨＧ素子２５を配置することによって、次のように、レーザ素子２１で発振されたレーザ光が、その半値幅がさらに狭まった状態でＳＨＧ素子２５を通過し、それにより、ＳＨＧ素子２５での波長変換効率が向上し、波長変換された高出力のレーザ光を得ることができる。

レーザ素子２１から出射されたレーザ光は、ミラー２４により反射されてＳＨＧ素子２５を通過する。ＳＨＧ素子２５での波長変換の効率は、入射光の強度が高いほど向上する。したがって、レーザ光が前記ＳＨＧ素子２５にフォーカシングされるように、前記ミラー２４の反射面は凹面であることが望ましい。

前記ミラー２４は、波長によって異なる反射度及び透過度を有するようにコーティングされる。例えば、前記ミラー２４は、ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光に対しては透過性を有する一方、波長変換されていないレーザ光（以下、区分のために、必要に応じてレージング光という）に対しては高反射度を有するようにコーティングされうる。

本実施形態において、前記光学部材２７は、前記レーザ素子２１の反射器２１ｂと共に共振器を構成するともに、レージング光の半値幅を縮小させる役割を果たす。前記光学部材２７は、入射されるレーザ光（波長変換されたレーザ光、または波長変換されていないレーザ光の両方）に対して高反射度を有することが望ましい。

前記光学部材２７としては、高反射度を有し、レージング光の半値幅を所望の小さな幅に縮小させるように、反射タイプのＶＢＧを使用できる。

本実施形態において、前記光学部材２７として使用される反射タイプのＶＢＧは、ＳＨＧ素子２５で高い波長変換効率を得るように、レージング光の半値幅を０．２ｎｍまたはそれ以下、例えば、０．０５ｎｍ〜０．２ｎｍに縮小させ、高反射度も、望ましくは、９９％以上の高反射度を有するように設けられることが望ましい。前記光学部材２７として使用される反射タイプのＶＢＧは、例えば、所定の反射度で特定の線幅が０．２ｎｍ以下であり、その反射度が９９％以上になるように調節する。このような光学部材２７は、光学的な照射によって屈折率が変化する光屈折物質を利用して形成されうる。反射タイプのＶＢＧの厚さは、所望の反射を得るために調節されうる。

前記光学部材２７として反射タイプのＶＢＧを使用すれば、前記のような所望の狭い半値幅及び高反射度の特性を得ることができる。したがって、光学部材２７により反射された光は、ＳＨＧ素子２５により高い波長変換が行われうる半値幅を有するので、このレーザ光がＳＨＧ素子２５を通過する間に、相当量のレーザ光に対して２次調和波が発生して、波長変換が行われる。したがって、高い波長変換効率が得られ、これにより高出力の可視レーザ光を得ることができる。

一方、前記偏光制御用プレート２３は、特定の偏光成分の優勢なレーザ光を、前記ＳＨＧ素子２５側に進行させるためのものであって、レーザ素子２１でレージングされた光に対して透明な物質からなりうる。ここで、前記偏光制御用プレート２３は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣまたはダイアモンドなどからなり、その厚さは、１０〜１０００μｍであり、さらに望ましくは、１０〜５００μｍである。また、前記偏光制御用プレート２３は、共振器内でレーザ素子２１に近い位置に置かれうる。

前記偏光制御用プレート２３は、レージング軸、すなわち、レーザ素子２１から入射される光の中心軸に対して、ブリュースター角をなすように配置された透明プレート、すなわち、ブリュースター角プレートである。前記ブリュースター角プレートは、入射光に対してブリュースター角をなすように配置された透明プレートを意味する。ここで、ブリュースター角は、入射光のｐ偏光成分に対する反射率が０になる入射角であって、反射光は、ｓ偏光になり、透過光は、ｐ偏光成分が優勢になる。

他の例として、前記偏光制御用プレート２３は、レーザ素子２１から入射される光の中心軸に対してブリュースター角をなすように配置されたエタロンでありうる。すなわち、前記偏光制御用プレート２３は、ブリュースター角エタロンである。

前記のように、本発明の一実施形態に係るレーザシステムは、偏光制御用プレート２３を備えることによって、ｐ偏光成分の優勢なレーザ光が出力される。

図１を参照して前述したように、一般的な外部垂直共振器型の面発光レーザシステム１０（以下、一般的なレーザシステム）では、ＳＨＧ素子に入射されるレージング光の半値幅を縮小させるために、狭い特定の波長帯域のレーザ光のみを通過させて、この特定の波長帯域のレーザ光のみを共振に参与させる複屈折フィルタ１４を使用する。この複屈折フィルタ１４は、進行するレージング光に対して斜めに配置される。

前記複屈折フィルタ１４は、レーザ光に対して波長を選択すると共に、偏光選択性がある。また、ＳＨＧ結晶は、偏光依存性を有する。

本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０では、光学部材２７、すなわち、反射タイプのＶＢＧが一般的なレーザシステム１０での複屈折フィルタ１４が行った波長選択により半値幅を縮小させる役割を担うと共に、共振器を構成する外部ミラーの役割を担い、前記偏光制御用プレート２３は、複屈折フィルタ１４の偏光制御の機能を司る。

一般的なレーザシステム１０では、本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０の光学部材２７に対応する位置に共振器を構成するための外部ミラー（図１の１７）を配置し、波長選択及び偏光制御のために複屈折フィルタ１４を使用するが、その一般的なレーザシステム１０と比較して、半値幅を縮小させる機能を司る光学部材２７、すなわち、反射型ＶＢＧ、及び偏光制御用プレート２３、すなわち、ブリュースター角プレートまたはブリュースター角エタロンを備える本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０は、次のような利点がある。

まず、複屈折フィルタ１４を備える一般的なレーザシステム１０では、レージング光の半値幅を０．２ｎｍ以下にすることが実質的に不可能であるが、ＶＢＧによっては、レージング光の半値幅を０．２ｎｍ以下に十分に縮小させることができるので、光学部材２７としてＶＢＧを使用する本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０によれば、複屈折フィルタ１４を使用する一般的なレーザシステム１０の場合に比べて高い波長変換効率を得ることができる。

したがって、レーザ素子２１が赤外線領域のレーザ光を発生させる場合、高出力の可視レーザ光を得ることができるので、カラー画像ディスプレイに必要な緑色（望ましい中心波長は、５３２ｎｍである）、青色（望ましい中心波長は、４６０ｎｍである）または赤色（望ましい中心波長は、６２５ｎｍである）レーザ光を出射する高出力の可視ＶＥＣＳＥＬシステムを実現できる。

また、複屈折フィルタ１４に比べて、光学部材２７として使用される反射タイプのＶＢＧや偏光制御用プレート２３（ブリュースター角プレートまたはブリュースター角エタロン）のコストが、半値幅が０．２ｎｍ以下であるシステムを構築するためにははるかに安いため、レーザシステムの製造コストを大幅に低めることができる。

また、複屈折フィルタ１４は、その配置角度が厳格な一方、前記偏光制御用プレート２３、すなわち、ブリュースター角プレートまたはブリュースター角エタロンは、前記複屈折フィルタ１４とは異なり、幅広くブリュースター角度のみを合わせればよいので、整列が相対的に容易である。したがって、本発明に係るレーザシステムの光学的整列を容易にする。

一方、本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０は、前記レーザ素子２１の活性層２１ａで、光ポンピングによってレーザ光が発生するように、ポンピング光を提供するポンピング光源４１、４３をさらに備える。図２では、本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０が、レーザ素子２１の上面に斜めにポンピング光を入射させるポンピング光源４１、及びレーザ素子２１の下面にポンピング光を入射させるポンピング光源４３を備える例を示している。本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０は、二つのポンピング光源４１、４３のうち何れか一つのみを備えてもよい。

前記ポンピング光源４１、４３として必ずしもレーザ光源を使用する必要はなく、レーザ光源または他の種類の光源を使用できる。このポンピング光源４１、４３から照射されるポンピング光の波長は、前述のように、レーザ素子２１から発振される波長より短くなければならない。例えば、前記レーザ素子２１が、ＳＨＧにより画像ディスプレイに必要な赤色、緑色または青色の可視レーザ光を得させる赤外線光を発生させるように設けられた場合、前記ポンピング光源４１、４３は、約８０８ｎｍ波長のポンピング光を出力するように設けられる。

以上では、ポンピング光源４１、４３から提供されるポンピング光により、レーザ素子２１の活性層２１ａでポンピングが行われる場合を説明及び図示したが、本発明がこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０で、前記レーザ素子２１は、電極を通じた電流の供給による電気的なポンピングによって、レージング光が発振されるように設けられてもよい。この場合、ポンピング光源は不要である。

前記のような本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０では、次のような過程を経て、ＳＨＧによりレージング波長に比べて波長が半分に縮小したレーザ光が出力される。

レーザ素子２１から出射され、ミラー２４に反射されたレーザ光は、その線幅（半値幅）が比較的に広いため、その一部のみがＳＨＧ素子２５を通過しつつ、波長が半分に縮小し、相当量のレーザ光は、ＳＨＧ素子２５を波長変換なしに通過する。このＳＨＧ素子２５を１次的に波長変化なしに通過したレーザ光は、光学部材２７に入射される。光学部材２７は、入射されたレーザ光のうち特定の狭い線幅のレーザ光を反射させて、本来の光路に進行させる。したがって、レーザ光は、半値幅が十分に縮小した状態でＳＨＧ素子２５を再度通過するが、縮小した半値幅に起因して、レーザ光の相当量に対して波長変換が行われる。したがって、レーザ光のほとんどは、波長が半分に縮小し、波長が半分に縮小したレーザ光は、ミラー２４を通じて外部に出力される。

図５は、本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬシステム５０を概略的に示す図面であって、図２に示すミラー２４をレンズ素子５４に代替し、波長が半分に縮小したレーザ光が、光学部材５７を通過して外部に出力される構成を有する。ここで、図２と実質的に同一または類似した機能を行う部材は、同じ参照符号で表記し、その反復説明を省略する。

図５に示すように、本発明の他の実施形態に係るレーザシステム５０で、レンズ素子５４は、レーザ素子２１から進行するレーザ光をＳＨＧ素子２５にフォーカシングする。

本実施形態において、光学部材５７は、レーザ素子２１の反射器２１ｂと共に共振器を構成するものであって、レーザ素子２１から出射され、ＳＨＧ素子２５を波長変換されずに通過したレーザ光、例えば、赤外線波長領域のレーザ光を半値幅に縮小して反射させ、ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光は、透過させて出力させるように設けられる。前記光学部材５７としては、波長変換されていないレーザ光を、その線幅が０．２ｎｍ以下の半値幅になるように縮小させ、９９％以上の高反射度で反射させ、ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光、例えば、可視レーザ光は、透過させるように設けられた反射タイプのＶＢＧを備えうる。前記光学部材５７は、ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光を透過させるように設けられた点を除いては、実質的に、本発明の一実施形態に係るレーザシステム２０での光学部材５７と同じ構成を有する。

本発明の他の実施形態に係るレーザシステム５０で、レーザ光は、光学部材５７とレーザ素子２１の反射器２１ｂとの間で反復的に反射されて共振する。前記光学部材５７は、ＳＨＧ素子２５により周波数が２倍に増加して、波長が半分に縮小したレーザ光に対して所定の透過率を有するので、波長が半分に縮小したレーザ光は、前記光学部材５７を通じて外部に垂直に出力されうる。

一方、本発明の他の実施形態において、前記レーザ素子２１とＳＨＧ素子２５との間の光路上には、ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光を反射させて、光学部材５７側に進行させ、波長変換されていないレーザ光は通過させるミラー部材５５がさらに備えられることが望ましい。図５では、ＳＨＧ素子２５のレーザ素子２１に向う面にミラー部材５５が設けられた例を示している。前記ミラー部材５５は、ＳＨＧ素子２５のレーザ素子２１に向う面に形成された、レージング光に対しては無反射、波長変換されたレーザ光に対しては全反射の特性を有するコーティング層、例えば、多重薄膜層でありうる。前記ミラー部材５５は、ＳＨＧ素子２５と分離された独立部材であって、レーザ素子２１とＳＨＧ素子２５との間に配置されてもよい。

前記のような本発明の他の実施形態に係るレーザシステム５０では、次のような過程を経て波長変換されたレーザ光が出力される。

レーザ素子２１から出射され、レンズ素子５４によりＳＨＧ素子２５にフォーカシングされたレーザ光は、その半値幅が比較的に広いため、その一部のみがＳＨＧ素子２５を通過しつつ、波長が半分に縮小し、相当量のレーザ光は、ＳＨＧ素子２５で波長変換が発生しない。ＳＨＧ素子２５を１次的に経た波長変換されていないレーザ光は、光学部材５７に入射される。光学部材５７は、入射されたレーザ光のうち、特定の狭い線幅のレーザ光を反射させて、本来の光路に進行させる。したがって、レーザ光は、半値幅が十分に縮小した状態でＳＨＧ素子２５を再度通過するが、縮小した半値幅に起因して、レーザ光の相当量に対して波長変換が行われる。したがって、レーザ光のほとんどは、波長が半分に縮小し、波長が半分に縮小したレーザ光は、前記ミラー部材５５により再び反射されて、ＳＨＧ素子２５を通過して光学部材５７に向う。前記ＳＨＧ素子２５により波長変換されたレーザ光は、光学部材５７を通じて外部に垂直に出力される。

本発明は、レーザシステムに関連した技術分野に好適に適用されうる。

一般的なＶＥＣＳＥＬシステムを概略的に示す図面である。 本発明の一実施形態に係るＶＥＣＳＥＬシステムを概略的に示す図面である。 図２のレーザ素子の一実施形態を示す図面である。 図３のレーザ素子の反射器及び活性層の構造を例示的に示す図面である。 本発明の他の実施形態に係るＶＥＣＳＥＬシステムを概略的に示す図面である。

符号の説明

２０ ＶＥＣＳＥＬシステム、
２１ レーザ素子、
２１ａ 反射器、
２１ｂ 活性層、
２２ 熱拡散器、
２３ 偏光制御用プレート、
２４ ミラー、
２５ ＳＨＧ素子、
２７ 光学部材、
４１、４３ ポンピング光源。

Claims (14)

1. ポンピングによりレーザ光が発生する活性層と前記活性層から発生したレーザ光を反射させる反射器とを備えるレーザ素子と、
   前記レーザ素子の反射器および共振器を構成してレーザ光の線幅を縮小させる光学部材と、
   前記レーザ素子と光学部材との間に位置して、レーザ光の周波数を２倍に変換する２次調和波発生素子と、
   を備えることを特徴とする垂直外部共振器型の面発光レーザシステム。
2. 前記光学部材は、反射タイプのボリュームブラッググレーティング素子であることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記光学部材は、前記レーザ素子から発生して入射されるレーザ光を９９％以上反射させ、レーザ光の線幅を０．２ｎｍ以下の半値幅を有するように縮小させて、レーザ光を前記２次調和波発生素子に進行させるように設けられたことを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
4. 前記２次調和波発生素子と前記レーザ素子との間の光路上には、前記レーザ素子から入射される光を反射させて前記２次調和波発生素子側に進行させ、前記レーザ素子から発生したレーザ光は反射させ、前記２次調和波発生素子により波長変換されたレーザ光は透過させるように設けられたミラーを、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
5. 前記光学部材は、前記２次調和波発生素子により波長変換されたレーザ光を透過させるように設けられることを特徴とする請求項３に記載のレーザシステム。
6. 前記２次調和波発生素子と前記レーザ素子との間の光路上には、前記レーザ素子から発生したレーザ光は透過させ、前記２次調和波発生素子で波長変換されたレーザ光は反射させるミラー部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
7. 前記２次調和波発生素子と前記レーザ素子との間の光路上に配置されて、レーザ光を前記２次調和波発生素子にフォーカシングするレンズ素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
8. 前記２次調和波発生素子とレーザ素子との間の光路上には、前記レーザ素子から進行するレーザ光に対してブリュースター角をなすように配置され、前記レーザ素子から発生した光に対して透明な偏光制御用プレートをさらに備え、
   前記偏光制御用プレートは、ブリュースター角プレートまたはブリュースター角エタロンであることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
9. 前記偏光制御用プレートは、１０ないし５００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項８に記載のレーザシステム。
10. 前記偏光制御用プレートは、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＳｉＣ及びＡｌ_２Ｏ_３を含む群から選択された何れか一つの物質からなることを特徴とする請求項８に記載のレーザシステム。
11. 前記活性層にポンピング光を提供する少なくとも一つのポンピング光源をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
12. 前記レーザ素子から発生する熱を外部に放出するために、前記レーザ素子の一側に設けられた熱拡散器をさらに備えることを特徴とする請求項1、３、４、６，７、８のいずれかに記載のレーザシステム。
13. 前記熱拡散器は、前記レーザ素子からレーザ光が出射される方向に位置し、エタロンとしての役割を担うように設けられたことを特徴とする請求項１２に記載のレーザシステム。
14. 前記熱拡散器は、ダイアモンド、ＳｉＣ及びＡｌ_２Ｏ_３を含む群から選択された何れか一つの物質からなることを特徴とする請求項１２に記載のレーザシステム。

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