JP3851408B2

JP3851408B2 - 半導体レーザ励起固体レーザ装置

Info

Publication number: JP3851408B2
Application number: JP9109797A
Authority: JP
Inventors: 博文宮島; 武司神崎; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: JPH10284805A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ励起固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体レーザ装置は、高効率、長寿命、小型化が図れることから、最近ではよく利用されている。中でも、固体レーザの励起光源として半導体レーザを用いる半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記に示した固体レーザ装置の特徴に加えて、レーザ光が高品位である、レーザ媒質の吸収特性に合わせた最適な励起波長の光を照射できる、などといった理由で特に注目されている。
【０００３】
励起光源として用いられる半導体レーザは主に、クラッド層、活性領域、基板および電極とから構成されている。活性領域は、Ｐ型半導体とＮ型半導体のそれぞれからなる２つのクラッド層の間に挟まれて基板上に設置されており、２つのクラッド層間に順方向電圧をかけることにより、活性領域に光が発生する。光出力端面とその反対側の面はへき開面になっており、活性領域で発生した光はへき開面で反射し、増幅される。増幅された光は、光出射部からレーザ光として外部に出力される。固体レーザの励起光源として用いられる半導体レーザは、高出力が要求されるため、半導体レーザアレイを用いることも多い。
【０００４】
半導体レーザ励起固体レーザ装置は、その励起方式により端面励起方式、側面励起方式の大きく２種類に分けられる。端面励起方式は励起効率は良いが、端面に配置できる半導体レーザあるいは半導体レーザアレイの数に制限がある。そのため現在では、レーザ媒質の側面、つまりレーザ媒質の長手方向に多数の半導体レーザあるいは半導体レーザアレイを配置して大出力を図る側面励起方式が主に用いられている。
【０００５】
半導体レーザ励起固体レーザ装置は主に、レーザを励起させる複数の半導体レーザアレイ、光を発するレーザ媒質、全反射鏡、出力側反射鏡とから構成されている。レーザ媒質は、半導体レーザアレイから出射された励起光により励起され、光を発する。発生した光は、全反射鏡と出力側反射鏡との間で増幅され、出力側反射鏡を通して外部に出力される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザを励起光源として用いることにより、高出力の固体レーザ装置を構成することができるようになった。さらに、レーザ媒質の側面に多数の半導体レーザあるいは半導体レーザアレイを配置することにより、固体レーザ装置の出力を飛躍的に大きくすることが可能となった。
【０００７】
しかし、励起光源である半導体レーザから出射された励起光の固体レーザ励起効率は、通常７〜８割程度である。従って、励起光源である半導体レーザは、固体レーザの励起に必要な量以上のレーザ光をレーザ媒質に投射する必要があり、非常に効率が悪い。
【０００８】
そこで、本発明は、励起光源である半導体レーザから発せられた光を、固体レーザの励起に効率良く利用し、高出力のレーザ光を出力することが可能な半導体レーザ励起固体レーザ装置、及びその励起光源である半導体レーザを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の半導体レーザは、光出力端面内の光出射部の周辺に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴としている。
【００１０】
光出力端面内の光出射部の周辺に形成された反射膜によって、固体レーザ装置のレーザ媒質の側面から外部に出てきた光は反射し、再度レーザ媒質の中に入射する。その結果、半導体レーザから出射された光は、効率良く固体レーザの励起に用いられる。
【００１１】
本発明の半導体レーザは、半導体レーザに隣接設置された放熱板をさらに備え、
放熱板の面の内、半導体レーザの光出力端面に隣接する面に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴としても良い。
【００１２】
光出力端面に隣接する面に反射膜が形成されている放熱板を、さらに備えたことにより、放熱板に形成された反射膜によっても、固体レーザ装置のレーザ媒質の側面から外部に出てきた光は反射し、再度レーザ媒質の中に入射する。その結果、半導体レーザから出射された光は、より効率良く固体レーザの励起に用いられる。
【００１３】
また、本発明の半導体レーザアレイは、光出力端面内の光出射部の周辺に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴としている。
【００１４】
光出力端面内の光出射部の周辺に形成された反射膜によって、固体レーザ装置のレーザ媒質の側面から外部に出てきた光は反射し、再度レーザ媒質の中に入射する。その結果、半導体レーザアレイから出射された光は、効率良く固体レーザの励起に用いられる。
【００１５】
本発明の半導体レーザアレイは、半導体レーザアレイに隣接設置された放熱板をさらに備え、放熱板の面の内、半導体レーザアレイの光出力端面に隣接する面に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴としても良い。
【００１６】
光出力端面に隣接する面に反射膜が形成されている放熱板を、さらに備えたことにより、放熱板に形成された反射膜によっても、固体レーザ装置のレーザ媒質の側面から外部に出てきた光は反射し、再度レーザ媒質の中に入射する。その結果、半導体レーザアレイから出射された光は、より効率良く固体レーザの励起に用いられる。
【００１７】
また、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザ媒質の周囲に、請求項１から請求項４に記載の半導体レーザあるいは半導体レーザアレイのいずれかを少なくとも１つ以上配置したことを特徴としている。
【００１８】
上記のように配置することにより、固体レーザのレーザ媒質の側面から外部に出てきた光は半導体レーザあるいは半導体レーザアレイの反射膜によって反射し、再度レーザ媒質の中に入射する。その結果、半導体レーザあるいは半導体レーザアレイから出射された光は、効率良く固体レーザの励起に用いられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態にかかる半導体レーザ及び半導体レーザ励起固体レーザについて、図面を参照して説明する。
【００２０】
まず、本発明の実施形態にかかる半導体レーザの構成について説明する。図３は、本実施形態にかかる半導体レーザの構成図である。半導体レーザ１は主に、クラッド層１１、活性領域１２、基板１３、電極１４及び反射膜１８とから構成されている。活性領域１２は、Ｐ型半導体とＮ型半導体のそれぞれからなる２つのクラッド層１１の間に挟まれて基板１３上設置されている。上側のクラッド層１１の上部および基板１３の下部には電極１４が設置されており、クラッド層間に電界をかけられるようになっている。光出力端面の活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３および電極１４は反射膜１８で覆われており、半導体レーザ１の光出射方向と反対方向から入射した光を、反射できるようになっている。この反射膜１８は、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂など屈折率の小さい材質からなり、厚さがλ／４ｎ（λは出力波長、ｎは屈折率）である層と、α−Ｓｉなどの屈折率の大きい材質からなり、厚さがλ／４ｎである層とを交互に複数積層し、全体として光反射率が大きくなるように形成されている。また、活性領域１２の部分は、従来通りにへき開面１５を形成する、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などの屈折率の小さい材質からなり、厚さがλ／４ｎである膜が形成されており、光出射部１６から効果的にレーザ光を外部に出力できるようになっている。
【００２１】
また、本実施形態の半導体レーザ１は、放熱板１７上に設置されていても良い。その場合は、放熱板１７の面の内、光出力端面に隣接する面も、反射膜１８で覆われていることが望ましい。
【００２２】
また、本発明の実施形態にかかる半導体レーザアレイは、図４に示すような構成となっている。半導体レーザアレイ１０は、クラッド層１１、活性領域１２、基板１３、電極１４及び反射膜１８とから主に構成されており、放熱板１７上に設置されている。光出力端面の活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３、電極１４、及び放熱板１７の面の内、光出力端面に隣接する面（以降放熱板１７の反射面とする）は反射膜１８で覆われている。また、活性領域１２の部分は、従来通りにへき開面１５を形成する光反射率の小さい膜が形成されており、光出射部１６から効果的にレーザ光を外部に出力できるようになっている。
【００２３】
続いて、本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置について説明する。本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザ光を発生させる装置である。
【００２４】
まず、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成について説明する。図１は本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成図である。半導体レーザ励起固体レーザ装置は主に、レーザ励起用光源である半導体レーザアレイ１０、光を発するレーザ媒質２、全反射鏡３、出力側反射鏡４とから構成されている。
【００２５】
レーザ媒質２は、側面に半導体レーザアレイ１０を複数個並べて配置できるように、細長い円柱の形状をしている。
【００２６】
レーザ媒質２の周囲には複数個の半導体レーザアレイ１０がレーザ媒質２に近接して設置されており、レーザ媒質２に対して周囲から励起光を投射することができるようになっている。また、各半導体レーザアレイ１０の光出力端面内の、活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３、電極１４、及び放熱板１７の反射面は反射膜１８で覆われている。
【００２７】
レーザ媒質２のレーザ光出射面の前方（レーザ光出力方向）には出力側反射鏡４が、レーザ媒質２の後方には全反射ミラー３が設置されている。
【００２８】
次に、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の作用について説明する。半導体レーザアレイ１０から投射された励起光は、レーザ媒質２に入射する。レーザ媒質２に励起光が入射すると、その励起光によりレーザ媒質２が発光する。レーザ媒質２内で発生した光は、全反射鏡３と出力側反射鏡４との間で反射を繰り返し、増幅される。増幅された光は、レーザ光として、出力側反射鏡４を通して外部に出力される。
【００２９】
ところが、励起光源である半導体レーザアレイ１０から投射され、レーザ媒質２に入射した光のすべてが固体レーザの励起に用いられるわけではない。つまり、励起光源である半導体レーザアレイ１０から投射され、レーザ媒質２に入射した光の約２〜３割程度はレーザ媒質２の側面から外部に出ていってしまう。しかし、側面から外部に出ていった光のうち、各半導体レーザアレイ１０の活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３、電極１４、及び放熱板１７の反射面に入射した光、換言すると、反射膜１８で覆われている部分に入射した光は、反射膜１８によって反射し、再度レーザ媒質２内に入射する。よって、レーザ媒質２の外部に出てしまった光が、再度固体レーザの励起に用いられることになる。
【００３０】
さらに、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の効果について説明する。レーザ媒質２に対向した半導体レーザアレイ１０の活性領域１２部分とそれ以外の部分との面積比は１：４０〜１：２００にもなる。よって半導体レーザアレイ１０によってレーザ媒質２の周囲を覆うことによって、レーザ媒質２の周囲のほぼ１００％が反射膜１８で覆われることになる。その結果、レーザ媒質２の側面から外部に出てきた光のほぼ全てを、再度レーザ媒質２内に入射させることができ、効率の良い固体レーザ励起が可能となる。
【００３１】
レーザ媒質２の側面から外部に出てきた光を、再度レーザ媒質２の内部に入射させる手段として、レーザ媒質２の周囲を反射膜で覆う、レーザ媒質２の周囲に近接設置された各半導体レーザアレイ１０の間隙に反射鏡を配置する、などの方法も考えられる。しかし、前者は、レーザ媒質２の周囲が反射膜で覆われていることにより、励起光のレーザ媒質２への入射効率が悪くなり、後者は、レーザ媒質２の周囲に存在する反射面の面積が小さくなることにより、レーザ媒質２から外部に出てきた光の反射効率が悪くなる。従って、レーザ媒質２の側面から外部に出てきた光を、再度レーザ媒質２に入射させ、固体レーザの励起効率を上げるためには、本実施形態の様な構成が最適であると考えられる。
【００３２】
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置について説明する。本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置は、レーザ光を増幅する装置である。
【００３３】
まず、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成について説明する。図２は、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成図である。本実施形態の半導体レーザ励起固体レーザ装置は主に、レーザを励起させる複数の半導体レーザアレイ１０、光を発するレーザ媒質２、入射側反射鏡５、出射側反射鏡６とから構成されている。
【００３４】
レーザ媒質２は、側面に半導体レーザアレイ１０を複数個並べて配置できるように、細長い直方体の形状をしている。
【００３５】
レーザ媒質２の周囲には複数個（通常は５０〜１００個）の半導体レーザアレイ１０がレーザ媒質２に近接して設置されており、レーザ媒質２に対して両側から励起光を投射することができるようになっている。また、各半導体レーザアレイ１０の光出力端面の活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３、電極１４、及び放熱板１７の反射面は、反射膜１８で覆われている。
【００３６】
次に、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の作用について説明する。入射側反射鏡５を通してレーザ媒質２に入射したレーザ光は、半導体レーザアレイ１０から投射された励起光によりレーザ媒質２内で増幅される。増幅された光は、出射側反射鏡６を通して、外部に出力される。
【００３７】
レーザ媒質２の側面から外部に出ていった一部の励起光は、反射膜１８によって反射してレーザ媒質２内に入射し、再度固体レーザ装置の励起に用いられる。
【００３８】
さらに、本実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の効果について説明する。本実施形態の半導体レーザ励起固体レーザにおいても第１の実施形態と同様に、レーザ媒質２の側面から外部に出てしまった光は、ほぼ１００％が再度レーザ媒質２内に入射し、固体レーザの励起に用いられる。その結果、効率の良い固体レーザの増幅が可能となる。
【００３９】
上記第１の実施形態及び第２の実施形態の半導体レーザアレイ１０においては、活性領域１２以外の部分、つまりクラッド層１１、基板１３、電極１４、及び放熱板１７の反射面を反射膜１８で覆ったが、光出射部１６以外の活性領域１１をさらに反射膜１８で覆っても良い。光出射部１６以外の活性領域１１をさらに反射膜１８で覆うことにより、反射膜１８で覆われている部分の面積が大きくなり、より効果的である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置を用いることにより、半導体レーザあるいは半導体レーザアレイから出射された光を効率良く固体レーザの励起に用いることが可能となり、固体レーザから高出力のレーザ光を出力することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる半導体レーザ励起固体レーザ装置の構成図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる半導体レーザの構成図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる半導体レーザアレイの構成図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ、１０…半導体レーザアレイ、１１…クラッド層、１２…活性領域、１３…基板、１４…電極、１５…へき開面、１６…光出射部、１７…放熱板、１８…反射膜、２…レーザ媒質、３…全反射鏡、４…出力側反射鏡、５…入射側反射鏡、６…出射側反射鏡

Claims

光を発するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の側面に複数並べて配置され、かつ、光出力端面内の光出射部から前記レーザ媒質に対して光を発する半導体レーザと、を備え、
前記半導体レーザの前記光出力端面内の光出射部の周辺に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
前記半導体レーザに隣接設置された放熱板をさらに備え、
前記放熱板の面の内、前記半導体レーザの前記光出力端面に隣接する面に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。
光を発するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質の側面に複数並べて配置され、かつ、光出力端面内の光出射部から前記レーザ媒質に対して光を発する半導体レーザアレイと、を備え、
前記半導体レーザアレイの前記光出力端面内の光出射部の周辺に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
前記半導体レーザアレイに隣接設置された放熱板をさらに備え、
前記放熱板の面の内、前記半導体レーザの前記光出力端面に隣接する面に、光の出射方向と反対方向から入射する光を反射する反射膜を形成したことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ励起固体レーザ装置。