JP6273089B2 - レーザ射出装置及びレーザ射出装置の製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ射出装置及びレーザ射出装置の製造方法に関する。

外部共振器型レーザ射出装置では、レーザ光源と外部ミラーとの間で共振構造が形成される。外部共振器としては、当該外部ミラーとしてグレーティング（回折格子）が用いられた、リットロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型外部共振器やリットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）型外部共振器が知られている。

このようなリットロー型外部共振器やリットマン型外部共振器においては、レーザ光源から射出された光が、グレーティングによって反射され、グレーティングとレーザ光源との間で往復されることにより、共振構造が構成される。ここで、グレーティングに入射した光は、グレーティングの構成に応じて、その波長ごとに互いに異なる角度に回折される。ここで、入射光の回折条件に関するグレーティングの構成とは、例えば、反射面における溝の間隔（格子間隔）、レーザ光源に対する配置角度（グレーティングへの入射光の入射角）等である。従って、このような回折条件に関するグレーティングの構成を調整し、所望の波長帯域の光の回折角度を制御することにより、レーザ光源に帰還させる光の波長帯域を選択することが可能となる。このように、グレーティングを用いた外部共振器型レーザ射出装置においては、共振させる光の波長帯域を制御することが可能となる。

一方、グレーティングを用いた外部共振器型レーザ射出装置においては、グレーティングの構成を変更して共振させる光の波長を変化させると、当該波長変化に伴い、外部共振器型レーザ射出装置からの出力光の光軸の方向も変化する。従って、グレーティングを用いた外部共振器型レーザ射出装置においては、波長選択に伴う光軸の変化を補正する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、体積型回折格子の厚さ（レーザ光源からの射出光の当該体積型回折格子への入射方向の幅）を変化させることにより、波長変化に伴う光軸のシフトを生じさせない技術が開示されている。また、例えば、特許文献２や特許文献３には、レーザ光源とグレーティングとの間、又はグレーティングの後段にプリズムを更に設けることにより、波長選択性の自由度の向上や、光軸のずれの補正を実現する技術が開示されている。

特開２００８−１９２９０２号公報 特開２００８−７１７９８号公報 特開２００５−３２２８１３号公報

ここで、レーザ光源とグレーティングとの間に形成される共振構造においては、その共振効率や共振される光の波長は、両者の相対的な位置関係に大きく依存している。ここで、共振効率とは、例えばレーザ光源からの射出光がグレーティングで反射され、レーザ光源に帰還する割合によって表現される。従って、グレーティングのレーザ光源に対する配置角度がわずかに変化しただけでも、グレーティングで反射されてレーザ光源に帰還する光の割合が低下してしまい、共振効率が低下する可能性がある。このような共振効率の低下は、最終的なレーザ射出装置からの出力光の強度（パワー）の低下を引き起こす。

一方、レーザ光源及びグレーティングの相対的な位置関係は、例えば周囲の温度変化や装置自体に生じる機械的な歪み等によって、意図せず変化してしまう可能性がある。このようなレーザ光源及びグレーティングの相対的な位置関係の変化は、出力光の波長や強度の変化を引き起こし、その結果、所望の出力を安定的に得られず、装置としての信頼性が低下してしまう可能性があった。上記特許文献１−３では、このような信頼性の低下に対しては、必ずしも効果的な技術は提示されていなかった。

上記事情に鑑みれば、波長選択性の自由度を確保しつつ、安定的な出力が得られるレーザ射出装置が求められていた。そこで、本開示では、より安定的な出力を得ることが可能な、新規かつ改良されたレーザ射出装置及びレーザ射出装置の製造方法を提案する。

本開示によれば、所定の波長の光を射出する半導体レーザと、前記半導体レーザの後段に設けられ、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するとともに、前記射出光の一部が出力光として外部に取り出されるグレーティングと、前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つ設けられるシリンドリカルレンズと、を備えるレーザ射出装置が提供される。

また、本開示によれば、所定の波長の光を射出する半導体レーザを配設することと、前記半導体レーザの後段に、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するグレーティングを配設することと、前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つシリンドリカルレンズを配設することと、を含む、レーザ射出装置の製造方法が提供される。

本開示によれば、シリンドリカルレンズが、半導体レーザの光射出面とグレーティングの反射面とが共焦点となるように、当該半導体レーザと当該グレーティングとの間に少なくとも１つ設けられる。従って、半導体レーザとグレーティングとの間で構成される共振器構造において、レーザダイオードからの射出光がグレーティングの反射面上の焦点とレーザダイオードの光射出面上の焦点との間をより確実に往復することが実現される。よって、グレーティングの配置角度の変化に対してトレランスが確保され、共振効率の低下が抑制される。

以上説明したように本開示によれば、より安定的な出力を得ることが可能となる。

一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。 一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。 リットロー型外部共振器レーザ射出装置のレーザ光源として用いられる一般的なレーザダイオードの一構造例を示す概略図である。 本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。 本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。 本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置のレーザ光源として用いられるレーザダイオードの一構造例を示す概略図である。 本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置の出力光の強度を表すグラフである。 本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置のＳＡ部の光密度を表すグラフである。 リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。 リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。 リレーレンズによるレーザ射出装置内における光軸のずれの補正効果について説明する説明図である。 レーザ射出装置においてリレーレンズの位置をｚ軸方向に変化させた様子を示す上面図である。 レーザ射出装置における出力光のスペクトルを示すグラフである。 レーザ射出装置における出力光のスペクトルを示すグラフである。 レーザ射出装置においてリレーレンズの位置をｚ軸方向に変化させた様子を示す側面図である。 レーザ射出装置におけるモードロック発振しきい値の変化を示すグラフである。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置における出力光のスペクトルを示すグラフである。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置における出力光のスペクトルを示すグラフである。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置における出力光のスペクトルを示すグラフである。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置におけるモードロック発振しきい値の変化を示すグラフである。 本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置が適用されたＭＯＰＡシステムの一構成例を示す概略図である。 本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の一変形例に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。 本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の一変形例に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．一般的な外部共振器型レーザ射出装置についての検討
２．第１の実施形態
２−１．第１の実施形態に係るレーザ射出装置の概略構成
２−２．第１の実施形態に係るレーザ射出装置の効果
３．第２の実施形態
３−１．リレーレンズについての検討
３−２．第２の実施形態に係るレーザ射出装置の概略構成
３−３．第２の実施形態に係るレーザ射出装置の効果
４．変形例
４−１．ＭＯＰＡシステムへの適用
４−２．レンズ構成（レンズ系）における変形例
５．まとめ

＜１．一般的な外部共振器型レーザ射出装置についての検討＞
本開示の好適な実施形態について説明するに先立ち、本開示の内容をより明確なものとするために、まず、一般的な外部共振器型レーザ射出装置の構成について説明する。以下では、一般的な外部共振器型レーザ射出装置について本発明者らが検討した結果について説明するとともに、本発明者らが本開示に至った背景について説明する。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２を参照して、一般的なリットロー型外部共振器を有する外部共振器型レーザ射出装置（以下、リットロー型外部共振器レーザ射出装置とも呼称する。）の概略構成について説明する。図１Ａは、一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。図１Ｂは、一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。図２は、リットロー型外部共振器レーザ射出装置のレーザ光源として用いられる一般的な半導体レーザ（レーザダイオード）の一構造例を示す概略図である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００は、半導体レーザ（レーザダイオード）９１０、コリメータレンズ（ＣＬ：Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ Ｌｅｎｓ）９２０及びグレーティング（回折格子）９３０を備える。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、レーザダイオード９１０から射出された光（射出光）は、コリメータレンズ９２０を通過して、グレーティング９３０に入射する。ここで、以下の説明では、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００において、レーザダイオード９１０からグレーティング９３０に向かって光が射出される方向をｚ軸の正方向と定義する。すなわち、ｚ軸方向はレーザダイオード９１０とグレーティング９３０との間における光軸方向である。また、光軸方向と垂直で、グレーティングの反射面に設けられる溝の延伸方向と平行な方向をｙ軸方向と定義する。更に、ｙ軸及びｚ軸と互いに垂直な方向をｘ軸方向と定義する。

レーザダイオード９１０は、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００のレーザ光源の一例である。レーザダイオード９１０は、活性層をｐ型半導体及びｎ型半導体であるクラッド層で挟んだ構造を有する。レーザダイオード９１０は、活性層内で電子と正孔が再結合することにより放射される光を、共振器構造によって所定の領域内で往復させ、同相状態で増幅し定常的に発振させることにより、位相の揃った光であるレーザ光として射出する。レーザダイオード９１０の詳細な構造は、図２を参照して後述する。

コリメータレンズ９２０は、例えば球面レンズ又は非球面レンズであり、レーザダイオード９１０とグレーティング９３０との間に設けられ、レーザダイオード９１０からの射出光を略平行光にしてグレーティング９３０に入射させる。なお、コリメータレンズ９２０の形状（曲率等）や材料（屈折率、反射率及び透過率等）は、特に限定されるものではなく、レーザダイオードの射出光の波長等に応じて適宜決定されてよい。

グレーティング（回折格子）９３０は、入射した光を所定の方向に回折させる。例えば、グレーティング９３０は板状の部材であり、その一表面には、所定の間隔を隔てて複数の溝が形成されている。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、グレーティング９３０は、溝が設けられた面（反射面）が、レーザダイオード９１０とグレーティング９３０とを結ぶ光軸（ｚ軸）に対して所定の角度だけ傾いた状態でレーザダイオード９１０の方向を向くように配設される。

図１Ａに示すように、グレーティング９３０は、ｘ軸とｚ軸とで規定される平面（以下、ｘ−ｚ平面と呼称する。）において、ｚ軸と所定の角度θｘだけ傾きを有するように配設される。ここで、ｘ−ｚ平面は、ｚ軸とグレーティング９３０に設けられる溝の配列方向とで規定される平面でもある。図１Ａに示すように、レーザダイオード９１０からの射出光は、グレーティング９３０の溝が形成されている面に入射すると、グレーティング９３０の配置角度θｘに応じて、その１次回折光がコリメータレンズ９２０を通過してレーザダイオード９１０に帰還する。また、グレーティング９３０への入射光の０次回折光が入射角と等しい角度で反射され、外部に出力される。ここで、図２を参照して後述するように、レーザダイオード９１０の光射出面とは逆側の面（ｚ軸の負方向に位置する面）にはＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されており、レーザダイオード９１０に帰還した光は当該ＨＲコーティングで反射され、再びグレーティング９３０に向かって射出される。このように、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００においては、レーザダイオード９１０とグレーティング９３０との間で共振器構造が構成される。ここで、１次回折光の回折角及び波長並びにグレーティング９３０の溝間隔は、ブラッグの法則（２ｄｓｉｎθ＝ｎλ：ｄはグレーティング９３０の溝間隔、λは入射光の波長、θは回折角、ｎは整数）を満たす。従って、ブラッグの法則を考慮して、グレーティング９３０の溝間隔や配置角度θｘを決定することにより、所望の波長の光を共振させることができる。また、レーザダイオード９１０からの射出光が、グレーティング９３０の溝の配列方向に所定の広がり（幅）をもって入射することにより、１次回折光としてレーザダイオード９１０に帰還する光の波長の帯域が確保される。

一方、図１Ｂに示すように、グレーティング９３０は、ｙ軸とｚ軸とで規定される平面（以下、ｙ−ｚ平面と呼称する。）において、ｚ軸と所定の角度θｙだけ傾きを有するように配設される。図１Ｂに示す例では、θｙ＝０（Ｒａｄ）であるが、θｙは、グレーティング９３０から帰還する光が、後述するレーザダイオード９１０の光射出面の光スポット９１５（光が射出される位置）に入射し、共振器における結合性が最大になるように、すなわち、共振効率が最大となるように調整される。

次に、図２を参照して、一般的なレーザダイオード９１０の構成について説明する。レーザダイオード９１０は、活性層９１１をｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３で挟んだ積層構造を有する。そして、ｐ型クラッド層９１２の積層方向における上面には、例えばストライプ状の電極９１４が設けられる。電極９１４に電圧を印加することにより、活性層９１１に電子が注入され、活性層９１１内での電子と正孔との再結合が促進される。そして、再結合により放出された光が、活性層９１１の一端面における光スポット９１５からｚ軸の正方向に向かって射出される。なお、活性層９１１、ｐ型クラッド層９１２及びｎ型クラッド層９１３の主原料としては、例えばＩＩＩ−Ｖ族半導体が用いられる。

ここで、以下の説明では、レーザダイオード９１０について、図２に示すように、ｎ型クラッド層９１３、活性層９１１及びｐ型クラッド層９１２が積層される方向をｙ軸の正方向と定義し、ｙ軸方向のことを縦方向とも呼称する。また、当該縦方向と垂直な方向（すなわち、ｘ軸方向）において、レーザダイオード９１０から光が射出される方向を見たときの左右方向のうち左方向をｘ軸の正方向と定義する。更に、ｘ軸方向のことを横方向とも呼称する。なお、図１Ａに示す上面図は、図２における縦方向のうちｙ軸の正方向から見た図に対応しており、図１Ｂに示す側面図は、図２における横方向のうちｘ軸の負方向から見た図に対応している。このように、レーザダイオード９１０におけるｎ型クラッド層９１３、活性層９１１及びｐ型クラッド層９１２の積層方向は、ｙ軸方向、すなわち、グレーティング９３０に設けられる溝の延伸方向と略一致している。

また、レーザダイオード９１０の後面（ｚ軸の負方向の面）のうち少なくとも活性層９１１の端面に対応する領域には、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されており、前面（ｚ軸の正方向の面）、すなわち光出射面のうち少なくとも活性層９１１の端面に対応する領域には、ＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されている。上述したように、レーザダイオード９１０から射出された光のうち、グレーティング９３０による１次回折光はレーザダイオード９１０に帰還する。レーザダイオード９１０に帰還した光は、活性層９１１に入射し、後面に設けられたＨＲコーティングによって反射され、再びグレーティング９３０に向かって射出される。

このように、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００においては、グレーティング９３０の溝が設けられる面（反射面）と、レーザダイオード９１０の後面との間で共振器構造が構成される。このような共振構造を実現するためには、グレーティング９３０からの１次回折光が、図２に示すレーザダイオード９１０の光出射面のうち、活性層９１１の端面に帰還する必要がある。何らかの原因によりグレーティング９３０から帰還した光が活性層９１１の端面に入射する割合が低下すれば、共振構造における共振効率は低下するといえる。

ここで、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００において、レーザダイオード９１０、コリメータレンズ９２０及びグレーティング９３０の相対的な位置関係が変化した場合について検討する。ここでは、このような相対的な位置関係の変化を、グレーティング９３０の配置角度の所定の角度からのずれ量であるΔθｘ及びΔθｙで表現する。Δθｘは、図１Ａに示すように、ｘ−ｚ平面内における、グレーティング９３０のｚ軸に対する角度θｘのずれ量のことを意味する。また、Δθｙは、図１Ｂに示すように、ｙ−ｚ平面内における、グレーティング９３０のｚ軸に対する角度θｙのずれ量を意味する。

まず、グレーティング９３０の配置角度がθｘからΔθｘだけずれた場合を考える。この場合、レーザダイオード９１０からの射出光のグレーティング９３０の溝の配列方向に対する入射角が変化するため、レーザダイオード９１０に帰還する光の波長が変化する。また、レーザダイオード９１０に帰還する光は、そのレーザダイオード９１０への入射位置がｘ軸方向にずれる。ここで、図２に示すように、ｘ軸方向は、レーザダイオード９１０の積層方向と直交する方向、すなわち、活性層９１１が広がりを有する方向であるため、ｘ軸方向の入射位置が多少ずれても共振構造は維持され得る。従って、Δθｘは、共振効率よりも、共振される光の波長に影響を及ぼし、ひいては、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００における出力光の波長に影響を及ぼす。

一方、グレーティング９３０の配置角度がθｙからΔθｙだけずれた場合を考える。この場合、グレーティング９３０からレーザダイオード９１０に帰還する光は、そのレーザダイオード９１０への入射位置がｙ軸方向にずれる。ここで、図２に示すように、ｙ軸方向はレーザダイオード９１０の積層方向であるため、入射位置がわずかにずれただけでも、帰還した光が活性層９１１の端面に入射されず、共振効率が低下する可能性がある。従って、Δθｙは共振効率に大きな影響を及ぼし、ひいては、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００における出力光の強度に影響を及ぼす。

以上、図１Ａ、図１Ｂ及び図２を参照して、一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００の概略構成について説明した。このような構成においては、上述したように、グレーティングの傾き角度の変化Δθｘが波長選択に影響を及ぼし、傾き角度の変化Δθｙが共振効率（結合性）に影響を及ぼす。特にΔθｙは、レーザダイオード９１０の構造上、その角度がわずかに変化しただけでも共振効率が大きく低下してしまう可能性がある。

一方、一般的に、装置周囲の温度変化や装置自体に生じる機械的な歪み等によって、装置内の各構成部材の相対的な位置関係はわずかに変化してしまう可能性がある。例えば、装置自体や装置周囲の温度変化によって、各構成部材自体や、それらを支持する基台及び支持部材等が、熱膨張や熱収縮することが考えられる。また、装置の組み立てや経年等に起因する機械的な歪みによって、各構成部材間の相対的な位置関係に物理的なずれが生じることが考えられる。図１Ａ及び図１Ｂに示すリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００においても、その光源、レンズ及びグレーティングからなる光学系について、このような温度変化等に起因する歪みによって、その光学的な相対的位置関係が意図せず変化してしまう可能性があった。その結果、θｘやθｙが変化してしまうと、所望の波長の光を所望の強度で出力できず、外部共振器型レーザ射出装置としての信頼性が損なわれる恐れがあった。なお、以上の説明では、一般的な外部共振器型レーザ射出装置の一例として、リットロー型外部共振器を有するレーザ射出装置について検討した結果について説明をしたが、上記の検討結果は、グレーティングを外部ミラーとして用いる外部共振器型レーザ射出装置であれば、他の構成であっても当てはまる。例えば、リットマン型外部共振器を有する外部共振器型レーザ射出装置（以下、リットマン型外部共振器レーザ射出装置とも呼称する。）であっても、上記のような信頼性の低下が懸念される。

かかる事情を鑑みて、本発明者らは、波長選択性の自由度を確保しつつ、より信頼性の高いレーザ射出装置について検討を行った結果、以下に示す外部共振器型レーザ射出装置及び外部共振器型レーザ射出装置の製造方法に想到した。以下では、本開示に係る外部共振器型レーザ射出装置及び外部共振器型レーザ射出装置の製造方法に関して、その好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明においては、外部共振器型レーザ射出装置の一例として、リットロー型外部共振器レーザ射出装置を例に挙げて各実施形態について説明を行う。ただし、本開示はかかる例に限定されず、例えばリットマン型外部共振器レーザ射出装置のような、グレーティングを外部ミラーとして用いる外部共振器型レーザ射出装置であれば、あらゆる構成の外部共振器型レーザ射出装置に適用可能である。

＜２．第１の実施形態＞
まず、本開示の第１の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、外部共振器型レーザ射出装置のことを、単にレーザ射出装置とも呼称する。

［２−１．第１の実施形態に係るレーザ射出装置の概略構成］
まず、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を参照して、本開示の第１の実施形態に係る外部共振器型レーザ射出装置の概略構成について説明する。図３Ａは、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。図３Ｂは、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。図４は、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置のレーザ光源として用いられる半導体レーザの一構造例を示す概略図である。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０は、半導体レーザ（レーザダイオード）１１０、コリメータレンズ（ＣＬ：Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ Ｌｅｎｓ）１２０、シリンドリカルレンズ１４０及びグレーティング（回折格子）１３０を備える。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レーザダイオード１１０からの射出光は、コリメータレンズ１２０及びシリンドリカルレンズ１４０を通過して、グレーティング１３０に入射する。

このように、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０の構成は、図１Ａ及び図１Ｂを参照して説明した一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００に対して、コリメータレンズ９２０の後段にシリンドリカルレンズ１４０が更に設けられた構成に対応している。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおける座標軸を示すｘ軸、ｙ軸及びｚ軸や、グレーティング１３０の配置角度を示すθｘ、θｙ、Δθｘ及びΔθｙの定義は、図１Ａ及び図１Ｂにおけるｘ軸、ｙ軸及びｚ軸並びにθｘ、θｙ、Δθｘ及びΔθｙの定義と同様であるため、詳細な説明は省略する。

レーザダイオード１１０は、レーザ射出装置１０におけるレーザ光源（半導体レーザ）の一例である。レーザダイオード１１０は、活性層をｐ型半導体及びｎ型半導体であるクラッド層で挟んだ構造を有する。レーザダイオード１１０は、活性層内で電子と正孔が再結合することにより放射される光を、共振器構造によって所定の領域内で往復させ、同相状態で増幅し定常的に発振させることにより、位相の揃った光であるレーザ光として射出する。レーザダイオード１１０の詳細な構造は図４を参照して後述する。

コリメータレンズ１２０は、例えば球面レンズ又は非球面レンズであり、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間に設けられ、レーザダイオード１１０からの射出光を略平行光にする。なお、コリメータレンズ１２０の形状（曲率等）や材料（屈折率、反射率及び透過率等）は、特に限定されるものではなく、レーザダイオード１１０の射出光の波長等に応じて適宜決定されてよい。

シリンドリカルレンズ１４０は、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間で、かつコリメータレンズ１２０の後段に設けられる。従って、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、シリンドリカルレンズ１４０には、コリメータレンズ１２０によって略平行光となった光が入射する。

ここで、シリンドリカルレンズ１４０は、レンズの少なくとも一面がシリンドリカル面（円筒面）を有するレンズのことである。ここで、シリンドリカル面とは、一方向には曲率を持つが、当該方向と直交する他方向には曲率を持たない面のことである。第１の実施形態においては、シリンドリカルレンズ１４０は、円柱を軸（円柱において互いに対向する二面の円の中心を通る直線）と平行な面で切断した形状を有する。このような形状を有することにより、シリンドリカルレンズ１４０は、曲率を持つ方向については球面レンズと同様の機能を有し、曲率を持たない方向については平面レンズと同様の機能を有する。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、第１の実施形態においては、シリンドリカルレンズ１４０は、シリンドリカル面がｚ軸の負方向を向くように配設される。また、シリンドリカルレンズ１４０は、ｘ−ｚ平面では平面レンズとして機能し、ｙ−ｚ平面では球面レンズとして機能するように配設される。シリンドリカルレンズ１４０の機能については、後で詳しく述べる。

グレーティング（回折格子）１３０は、入射した光を所定の方向に回折する。例えば、グレーティング１３０は板状の部材であり、その一表面には、所定の間隔を隔てて複数の溝が形成されている。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、グレーティング１３０は、溝が設けられた面（反射面）が、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０とを結ぶ光軸（ｚ軸）に対して所定の角度だけ傾いた状態でレーザダイオード１１０の方向を向くように配設される。

図３Ａに示すように、グレーティング１３０は、ｘ−ｚ平面において、ｚ軸と所定の角度θｘだけ傾きを有するように配設される。ここで、ｘ−ｚ平面は、ｚ軸とグレーティング１３０に設けられる溝の配列方向とで規定される平面でもある。図３Ａに示すように、レーザダイオード１１０からの射出光は、グレーティング１３０の溝が形成されている面に入射すると、グレーティング１３０の配置角度θｘに応じて、その１次回折光がコリメータレンズ１２０及びシリンドリカルレンズ１４０を通過してレーザダイオード１１０に帰還する。また、グレーティング１３０への入射光の０次回折光が入射角と等しい角度で反射され、外部に出力される。ここで、図４を参照して後述するように、レーザダイオード１１０の後ろ側（ｚ軸の負方向）の端面にはＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されており、レーザダイオード１１０に帰還した光は当該ＨＲコーティングで反射され、再びグレーティング１３０に向かって射出される。このように、レーザ射出装置１０においては、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間で共振器構造が構成される。ここで、１次回折光の回折角及び波長並びにグレーティング１３０の溝間隔は、ブラッグの法則（２ｄｓｉｎ（θ）＝ｎλ：ｄはグレーティング１３０の溝間隔、λは入射光の波長、θは回折角）を満たす。従って、ブラッグの法則を考慮して、グレーティング１３０の溝間隔や配置角度θｘを決定することにより、所望の波長の光を共振させることができる。

一方、図３Ｂに示すように、グレーティング１３０は、ｙ−ｚ平面において、ｚ軸と所定の角度θｙだけ傾きを有するように配設される。図３Ｂに示す例では、θｙ＝０（Ｒａｄ）であるが、θｙは、グレーティング１３０から帰還する光が、後述するレーザダイオード１１０の光射出面の光スポット１１６（光が射出される位置）に入射し、共振器における結合性が最大になるように、すなわち、共振効率が最大となるように調整される。

ここで、第１の実施形態におけるシリンドリカルレンズ１４０の機能について詳しく説明する。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、シリンドリカルレンズ１４０は、レーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるように、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間に少なくとも１つ設けられる。具体的には、シリンドリカルレンズ１４０は、図３Ａに示すように、ｘ−ｚ平面においては、平面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持たない方向がｘ軸方向と略平行になるように設けられる。従って、ｘ−ｚ平面においては、レーザダイオード１１０からの射出光は、グレーティング１３０に対して略平行光として、グレーティング１３０の溝の配列方向に所定の広がり（幅）Ｄ１をもって入射される。このように、レーザダイオード１１０からの射出光が、グレーティング１３０の溝の配列方向に所定の幅Ｄ１をもって入射することにより、１次回折光としてレーザダイオード１１０に帰還する光の波長の帯域が確保される。また、θｘを変化させる（Δθｘを生じさせる）ことにより、共振させる光の波長を選択することが可能となる。

また、シリンドリカルレンズ１４０は、図３Ｂに示すように、ｙ−ｚ平面においては、球面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持つ方向がｙ軸方向となるように配設される。更に、シリンドリカルレンズ１４０は、グレーティング１３０の反射面が共焦点の一方の焦点ｆ１となり、レーザダイオード１１０の光スポット（光射出位置）が共焦点の他方の焦点ｆ２となるように設けられる。従って、ｙ−ｚ平面においては、レーザダイオード１１０の射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるため、レーザダイオード１１０からの射出光は、グレーティング１３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード１１０の光射出面上の焦点ｆ２との間を往復することとなり、θｙの変化（Δθｙ）に伴う共振効率の低下を抑えることが可能となる。

次に、図４を参照して、第１の実施形態に係るレーザダイオード１１０の構成について説明する。なお、図４に示すｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、図３Ａ及び図３Ｂにおける座標軸と対応している。

図４を参照すると、レーザダイオード１１０は、活性層１１１をｐ型クラッド層１１２及びｎ型クラッド層１１３で挟んだ積層構造を有する。そして、ｎ型クラッド層１１３の積層方向における下面（ｙ軸の負方向の面）には、グラウンド電位に固定された電極１１５が設けられる。また、ｐ型クラッド層１１２の積層方向における上面（ｙ軸の正方向の面）には電極１１４が設けられる。このように、レーザダイオード１１０におけるｎ型クラッド層１１３、活性層１１１及びｐ型クラッド層１１２の積層方向は、ｙ軸方向、すなわち、グレーティング１３０に設けられる溝の延伸方向と略一致している。

ここで、レーザダイオード１１０は、過飽和吸収（ＳＡ：Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）部及びＧａｉｎ部を有する、いわゆる分割式レーザダイオード（ＢＳ−ＬＤ：Ｂｉｓｅｃｔｉｏｎａｌ−Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。レーザダイオード１１０では、当該構成に伴い電極１１４も２分割されており、電極１１４は、ＳＡ部用電極１１４ａ及びＧａｉｎ部用電極１１４ｂの２つの領域を有する。

ＳＡ部用電極１１４ａに逆バイアスの電圧Ｖ_ＳＡが印加されることにより、レーザダイオード１１０を、外部ミラーと併せてパルス光を射出するモードロックレーザ光源として機能させることができる。また、電圧Ｖ_ＳＡの値により、ＳＡ部における光密度が調整される。ＳＡ部における光密度に応じてＳＡ部の透過率は変化するため、電圧Ｖ_ＳＡを調整することにより、レーザダイオード１１０を短パルスのモードロックレーザ光源として機能させることが可能となる。一方、電圧Ｖ_ＳＡを印加しない（Ｖ_ＳＡ＝０（Ｖ））ことにより、レーザダイオード１１０をＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ）光源として機能させることも可能である。また、ＳＡ部は、光ディテクタとしても機能する。すなわち、ＳＡ部用電極１１４ａにおける電流値は光密度に対応しており、当該電流値をモニタすることによりレーザダイオード１１０における光密度、つまりレーザ発振における共振の強さを評価することができる。

Ｇａｉｎ部用電極１１４ｂには、レーザ用ゲイン電流Ｉ_ｇａｉｎが印加される。電流Ｉ_ｇａｉｎが印加されることにより、活性層１１１に電子が注入され、活性層１１１内での電子と正孔との再結合が促進される。そして、再結合により放出された光が、活性層１１１の一端面における光スポット１１６からｚ軸の正方向に向かって射出される。なお、本実施形態においては、レーザダイオード１１０の射出光の波長は特に限定されず、あらゆる波長の光が適用されてよい。従って、活性層１１１、ｐ型クラッド層１１２及びｎ型クラッド層１１３の主原料は、レーザダイオード１１０の射出光の波長に応じて、適宜選択され得る。例えば、活性層１１１、ｐ型クラッド層１１２及びｎ型クラッド層１１３の主原料としては、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮ及び／又はＡｌＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族半導体が主に用いられる。

また、レーザダイオード１１０の後面（ｚ軸の負方向の面）のうち少なくとも活性層１１１の端面に対応する領域には、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されており、前面（ｚ軸の正方向の面）、すなわち光出射面のうち少なくとも活性層１１１の端面に対応する領域には、ＡＲ（ＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コーティングが施されている。上述したように、レーザダイオード１１０から射出された光のうち、グレーティング１３０による１次回折光はレーザダイオード１１０に帰還する。レーザダイオード１１０に帰還した光は、活性層１１１に入射し、後面に設けられたＨＲコーティングによって反射され、再びグレーティング１３０に向かって射出される。

このように、レーザ射出装置１０では、グレーティング１３０の溝が設けられる面（反射面）と、レーザダイオード１１０の後面との間で共振器構造が構成される。このような構成においては、図１Ａ及び図１Ｂに示した一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００と同様、グレーティングの傾き角度の変化Δθｘが波長選択に影響を及ぼし、傾き角度の変化Δθｙが共振効率（結合性）に影響を及ぼす。

ここで、レーザ射出装置１０においては、上述したように、シリンドリカルレンズ１４０が、レーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるように、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間に少なくとも１つ設けられる。従って、レーザダイオード１１０からの射出光は、グレーティング１３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード１１０の光射出面上の焦点ｆ２との間を往復することとなり、傾き角度の変化Δθｙによる影響を抑えることができ、共振効率の低下を抑えることが可能となる。

具体的には、シリンドリカルレンズ１４０は、ｘ−ｚ平面においては、レーザダイオード１１０からの射出光が、グレーティング１３０に対して略平行光として、グレーティング１３０の溝の配列方向にある幅（広がり）Ｄ１をもって入射されるように設けられる。また、シリンドリカルレンズ１４０は、ｙ−ｚ平面においては、グレーティング１３０の反射面が共焦点の一方の焦点ｆ１となり、レーザダイオード１１０の光スポット（光射出位置）が共焦点の他方の焦点ｆ２となるように設けられる。このように、レーザ射出装置１０においては、レーザダイオード１１０からの射出光が、グレーティング１３０の溝の配列方向にある幅Ｄ１をもって入射されるため、１次回折光としてレーザダイオード１１０に帰還する光の波長の帯域が確保される。また、θｘを変化させる（Δθｘを生じさせる）ことにより、共振させる光の波長を選択することが可能となる。このように、レーザ射出装置１０では、波長選択性を確保しつつ、Δθｙに対する共振効率の低下を抑制することが可能となる。

以上、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を参照して、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０の構成について説明した。なお、上記の説明では、図４を参照してレーザダイオード１１０が分割式ＢＳ−ＬＤである場合について説明したが、第１の実施形態はかかる例に限定されない。第１の実施形態に係るレーザダイオード１１０には、外部共振器構造を構成できる限りにおいて、公知のあらゆるレーザ光源が適用されてよく、その種類や構成は限定されない。また、第１の実施形態においては、レーザ光源（レーザダイオード）が発するレーザはパルスレーザであってもよくＣＷレーザであってもよい。

［２−２．第１の実施形態に係るレーザ射出装置の効果］
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０の効果について説明する。図５Ａは、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００の出力光の強度を表すグラフである。図５Ｂは、本開示の第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００のＳＡ部の光密度を表すグラフである。なお、図５Ａ及び図５Ｂに示すデータ取得時には、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００のレーザ光源として、レーザダイオード１１０と同様の構成のレーザダイオードを用いることにより、出力光の強度及びＳＡ部の光密度を評価している。

図５Ａでは、横軸に、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂにおけるｙ−ｚ平面でのｚ軸に対するグレーティング１３０、９３０の傾き角度Δθｙ（ｍＲａｄ）を取っている。また、縦軸に、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００の射出光の強度Ｐｏ（ｍＷ）を取っている。図５Ａにおいては、縦軸の値が大きいほど出力光の強度が大きいことを示している。

また、図５Ｂでは、横軸に、図５Ａと同様にグレーティング１３０、９３０の傾き角度Δθｙ（ｍＲａｄ）を取り、縦軸に、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０及び一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００のレーザダイオード１１０、９１０のＳＡ部の電流値であるＳＡ電流（ｍＡ）を取っている。上述したように、レーザダイオード１１０、９１０のＳＡ部の電流値によって、ＳＡ部の光密度の大きさ、ひいてはレーザ発振における共振の強さを評価することができる。図５Ｂにおいては、縦軸の値が小さいほど（電流値が小さいほど）、光密度が大きく、共振器における共振の度合い（結合の度合い）が大きいことを示している。

なお、図５Ａ及び図５Ｂに示すデータの取得条件としては、格子密度が３６００（ｌｉｎｅ／ｍｍ）であるグレーティング１３０、９３０を用い、レーザ射出装置１０及びリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００からの出力光の波長が４０５ｎｍとなるようにした。このとき、グレーティング１３０、９３０からレーザダイオード１１０に帰還する１次回折光の波長を制御するために、ブラッグの法則から、グレーティング１３０、９３０の配置角度θｘをθｘ≒０．８２（Ｒａｄ）≒４７（ｄｅｇ）とした。また、レーザ射出装置１０及びリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００におけるコリメータレンズ１２０、９２０は焦点距離ｆがｆ＝４．０２ｍｍのものを用い、レーザ射出装置１０におけるシリンドリカルレンズ１４０は焦点距離ｆがｆ＝７０ｍｍのものを用いた。また、レーザダイオード１１０、９１０の駆動条件は、Ｖ_ＳＡ＝０（Ｖ）（すなわち、ＣＷレーザ）、Ｉ_ｇａｉｎ＝６０（ｍＡ）とした。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、一般的なリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００においては、θｙがわずかに変化しただけでも強度Ｐｏが低下し、ＳＡ電流が増加してしまっていることが分かる。これは、θｙが変化したことにより、グレーティング９３０からレーザダイオード９１０に帰還する光のうち、光スポット９１５に帰還する光の割合が低下してしまい、その結果、共振効率が低下してしまったことが原因であると考えられる。

一方、図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０においては、θｙが変化しても、強度Ｐｏ及びＳＡ電流がほぼ一定の値を保っている。このように、レーザ射出装置１０においては、リットロー型外部共振器レーザ射出装置９００と比較して、θｙの変化に対する許容値（トレランス）が拡大される。これは、上述したように、レーザ射出装置１０では、シリンドリカルレンズ１４０が設けられることにより、レーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるため、θｙが変化しても、レーザダイオード１１０からの射出光が、グレーティング１３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード１１０の光射出面上の焦点ｆ２との間を往復することとなり、共振効率の低下が抑制されるためであると考えられる。

以上、図３Ａ、図３Ｂ、図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、本開示の第１の実施形態について説明した。以上説明したように、第１の実施形態によれば、シリンドリカルレンズ１４０が設けられることにより、レーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となる。従って、レーザダイオード１１０からの射出光がグレーティング１３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード１１０の光射出面上の焦点ｆ２との間をより確実に往復するため、グレーティング１３０の配置角度θｙの変化に対してトレランスが確保され、共振効率の低下を抑制することができる。更に、第１の実施形態においては、共焦点を設けるために球面レンズではなくシリンドリカルレンズ１４０が用いられるため、グレーティング１３０の溝の配設方向に対しては所定の広がり（幅）を有するように光が入射し、波長選択性が確保される。従って、波長選択性を確保しつつ、Δθｙに対する共振率の低下を抑制することが可能となる。

なお、図５Ａ及び図５Ｂは、レーザダイオード１１０、９１０においてＶ_ＳＡ＝０（Ｖ）とした、ＣＷレーザについての結果を示しているが、パルスレーザに対しても同様の結果が得られる。

また、上記の説明では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間のレンズ系は、コリメータレンズ１２０及びシリンドリカルレンズ１４０によって構成されていたが、第１の実施形態におけるレンズ系の構成はかかる例に限定されない。第１の実施形態においては、ｘ−ｚ平面において溝の配列方向に所定の幅Ｄ１を有して入射し、ｙ−ｚ平面においてレーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるような光路を形成することができれば、レーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間に配設されるレンズの種類や数は限定されず、どのようなレンズ構成であってもよい。

＜３．第２の実施形態＞
次に、本開示の第２の実施形態について説明する。本開示の第２の実施形態においては、上記説明した第１の実施形態に対して、リレーレンズが更に設けられる。以下の第２の実施形態についての説明では、第２の実施形態における効果をより明確なものとするために、まず、リレーレンズとして球面レンズを用いる場合を例に挙げて、レーザ射出装置におけるリレーレンズの導入について検討する。次いで、本開示の第２の実施形態として、リレーレンズとしてシリンドリカルレンズが設けられるレーザ射出装置について説明する。

［３−１．リレーレンズについての検討］
まず、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置の概略構成について説明する。図６Ａは、リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。図６Ｂは、リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。

図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置４０は、レーザダイオード４１０、コリメータレンズ４２０、グレーティング４３０及びリレーレンズ４４０を備える。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、レーザ射出装置４０の構成は、図１Ａ及び図１Ｂに示したリットロー型外部共振器レーザ射出装置９００の構成に対して、リレーレンズ４４０を更に備えた構成に対応している。ここで、レーザダイオード４１０、コリメータレンズ４２０及びグレーティング４３０の機能及び構成は、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明したレーザダイオード１１０、９１０、コリメータレンズ１２０、９２０及びグレーティング１３０、９３０の機能及び構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。

リレーレンズ４４０は球面レンズ４４１、４４２を有する。レーザ射出装置４０では、レーザダイオード４１０からの射出光は、コリメータレンズ４２０及び球面レンズ４４１、４４２を通過して、グレーティング４３０に入射する。リレーレンズ４４０として、１対の球面レンズ４４１、４４２を設けることにより、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、グレーティング４３０に略平行光を入射させることが可能となる。

このようなリレーレンズを有するレーザ射出装置４０においては、当該リレーレンズ４４０のｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向の位置を変化させる（各方向の変化量を、図６Ａ、図６Ｂ及び図８に示すように、Δｘ、Δｙ、Δｚと呼称する。）ことにより、以下の効果を得ることができる。

例えば、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２のｘ軸方向の位置を調整することにより、光軸のｘ軸方向の傾きを制御することができる。つまり、球面レンズ４４２のｘ軸方向の位置をΔｘだけ移動させることにより、グレーティング４３０の溝の配列方向に対する入射光の入射角や、レーザダイオード４１０に帰還する光のｘ軸方向の入射位置を調整することができる。

また、例えば、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２のｙ軸方向の位置を調整することにより、光軸のｙ軸方向の傾きを制御することができる。つまり、球面レンズ４４２のｙ軸方向の位置をΔｙだけ変化させることにより、グレーティング４３０の溝の延伸方向に対する入射光の入射角や、レーザダイオード４１０に帰還する光のｙ軸方向の入射位置を調整することができる。

なお、上記では、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２のｘ軸方向及びｙ軸方向の位置を変化させる場合について説明したが、光軸を調整する場合には、前段に位置する球面レンズ４４１のｘ軸方向及びｙ軸方向の位置も併せて変化させてもよい。つまり、リレーレンズ４４０に含まれる球面レンズ４４１、４４２の少なくともいずれかのｘ軸方向及びｙ軸方向の位置を調整することにより、光軸の傾きが調整されてよい。

このように、リレーレンズ４４０を導入することにより、レーザ射出装置４０内における光軸のずれをより簡便に補正することが可能になる。図７を参照して、このようなリレーレンズ４４０によるレーザ射出装置４０内における光軸のずれの補正効果について説明する。図７は、リレーレンズ４４０によるレーザ射出装置４０内における光軸のずれの補正効果について説明する説明図である。図７は、レーザ射出装置４０が基台上に設置された様子を概略的に示す側面図である。図７を参照すると、基台４５０の上に、レーザダイオード支持台４１１、コリメータレンズ支持台４２１及びリレーレンズ支持台４４３、４４４が設けられている。そして、これら、レーザダイオード支持台４１１、コリメータレンズ支持台４２１及びリレーレンズ支持台４４３、４４４によって、レーザダイオード４１０、コリメータレンズ４２０及び球面レンズ４４１、４４２が、それぞれ支持されている。

ここで、上記＜１．一般的な外部共振器型レーザ射出装置についての検討＞で説明したように、レーザ射出装置４０においては、周囲の温度変化や、組立時及び経年等による歪みによって、レーザ射出装置４０内における光軸（構成部材の光学的な相対的位置関係）がわずかにずれてしまう可能性がある。例えば、図７に示すように実際に何らかの基台の上にレーザ射出装置４０を設置する場合を想定すると、例えば周囲の温度変化や経年劣化等に起因する機械的な歪み等によって、基台自体が歪んでいる可能性がある。

ここで、図７に矢印で示すように、基台４５０の両端が何らかの原因によって上方向（ｙ軸の正方向）に反り返ってしまった場合を想定すると、レーザダイオード４１０及びグレーティング４３０の相対的な位置関係が変化し、光軸が所定の位置からずれてしまう。レーザダイオード４１０及びグレーティング４３０の相対的な位置関係にこのような意図せぬ変化が生じてしまうと、出力光の波長や強度が変化してしまい、所望の出力光を安定的に得られず、レーザ射出装置４０としての信頼性が低下する可能性がある。図７では、基台４５０の歪みだけに着目しているが、レーザダイオード支持台４１１、コリメータレンズ支持台４２１及びリレーレンズ支持台４４３、４４４にも同様に、歪みが生じる可能性がある。

ここで、上述したように、レーザ射出装置４０は、リレーレンズ４４０によって光軸の傾き（歪み）を調整する機能を有する。従って、リレーレンズ４４０のｘ軸方向及びｙ軸方向の位置を調整することによって、このような基台４５０、レーザダイオード支持台４１１、コリメータレンズ支持台４２１及びリレーレンズ支持台４４３、４４４の歪みに起因する光軸のずれを調整することが可能となる。よって、例えばレーザ射出装置４０を使用する際に、リレーレンズ４４０によって光軸の調整を行うことにより、より安定的な出力を得ることができ、より精度の高い測定や観察を行うことが可能となる。

レーザ射出装置４０を新たに設置する場合であっても、まずレーザダイオード４１０、コリメータレンズ４２０及びグレーティング４３０の位置を決定し、次いでリレーレンズ４４０を設置することにより、光軸の調整をより容易に行うことができる。レーザダイオード４１０やグレーティング４３０の位置を変化させることに比べて、リレーレンズ４４０の位置を変化させることの方がより容易に行うことができるため、ユーザにとって高い利便性も実現できる。

以上説明したように、リレーレンズ４４０を有することにより、簡便に光軸の調整を行うことが可能となる。

更に、レーザ射出装置４０がパルスレーザを出力する場合には、図８に示すように、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２のｚ軸方向の位置変化Δｚを調整することにより、当該パルスレーザに対して波長分散制御を行うことができる。図８は、図６Ａ及び図６Ｂに示すレーザ射出装置４０においてリレーレンズ４４０の位置をｚ軸方向に変化させた様子を示す上面図である。

図８は、レーザ射出装置４０において、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２をレーザダイオード４１０の方向（ｚ軸の負方向）にΔｚだけ移動させた場合の光路の変化を示している。図８に示すように、球面レンズ４４２をΔｚだけ移動させることにより、球面レンズ４４２とグレーティング４３０との間の光路が、波長に応じて実線で示す光路から破線で示す光路に変化する。図８に示す例では、球面レンズ４４２からグレーティング４３０に向かう光のうち、相対的に長波長の光（長波長光）がより長い光路を進み、相対的に短波長の光（短波長光）がより短い光路を進む。従って、共振される光の波長がずれるため、結果的にレーザ射出装置４０からの出力光に対して波長分散を与える。

なお、上記では、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２のｚ軸方向の位置を変化させる場合について説明したが、波長分散制御を行う場合には、前段に位置する球面レンズ４４１のｚ軸方向の位置も併せて変化させてもよい。つまり、リレーレンズ４４０に含まれる球面レンズ４４１、４４２の少なくともいずれかのｚ軸方向の位置を調整することにより、波長分散制御が行われてよい。

このように、レーザ射出装置４０における、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２の位置をｚ軸方向（光軸方向）に変化させることによる効果について、図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、図６Ａ及び図６Ｂに示すレーザ射出装置４０における出力光のスペクトルを示すグラフである。図９Ａは、Δｚ＝０ｍｍ、すなわち、球面レンズ４４２が所定の位置にあるときの出力光のスペクトルを示すグラフである。図９Ｂは、球面レンズ４４２の位置をΔｚ＝−２ｍｍだけ移動させたときの出力光のスペクトルを示すグラフである。なお、図９Ａにおけるレーザダイオード４１０の駆動条件は、Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Ｉ_ｇａｉｎ＝５５（ｍＡ）であり、図９Ｂにおけるレーザダイオード４１０の駆動条件は、Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Ｉ_ｇａｉｎ＝６２（ｍＡ）である。また、図９Ａ及び図９Ｂに示すデータ取得時には、レーザ射出装置４０におけるコリメータレンズ４２０、球面レンズ４４１、４４２は、焦点距離ｆがｆ＝４．０２ｍｍ、ｆ＝８０ｍｍ、ｆ＝４０ｍｍのものをそれぞれ用いた。

図９Ａ及び図９Ｂでは、横軸に出力光の周波数を、縦軸に当該出力光の強度を取り、レーザ射出装置４０の出力光のスペクトルをプロットしている。図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、球面レンズ４４２の位置をΔｚ＝０ｍｍからΔｚ＝−２ｍｍに変化させることにより、所定のスペクトル以外の成分が低減していることが分かる。例えば、図９Ａ及び図９Ｂに示すスペクトルＡは、周波数が約８５０（ＭＨｚ）に対応する出力光であるが、球面レンズ４４２の位置変化に応じて、当該スペクトルＡの周囲の他のスペクトルが低減されている。これは、レーザ射出装置４０からの出力光として、よりノイズが少ない状態で所定の周波数成分のパルス光が得られることを意味している。このように、リレーレンズ４４０の光軸方向の配置位置を調整することにより、レーザ射出装置４０の出力光であるパルス光のノイズ成分を低減することができる。このような効果が生じる理由は、図８を参照して説明したように、リレーレンズ４４０の光軸方向の配置位置を変化させることにより、グレーティング４３０への入射光の光路が波長に応じて変化し、波長分散（周波数分散）効果が得られるためであると考えられる。

以上、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、リレーレンズとして球面レンズを導入したレーザ射出装置４０の概略構成について説明した。また、図７、図８、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、レーザ射出装置４０にリレーレンズを導入する効果について説明した。

一方、図８に示すようにリレーレンズ４４０をｚ軸方向に移動させる場合には、出力光のスペクトルが改善される反面、以下に説明するような懸念が生じる。すなわち、リレーレンズ４４０のｚ軸方向への位置変化に応じて、例えば図１０に示すように、グレーティング４３０への入射角が変化することにより、レーザダイオード４１０に帰還する光の割合が低下してしまい、共振効率の低下につながる恐れがある。図１０は、図６Ａ及び図６Ｂに示すレーザ射出装置４０においてリレーレンズ４４０の位置をｚ軸方向に変化させた様子を示す側面図である。ここで、図１０は、図８に示したレーザ射出装置４０の上面図に対応する側面図である。

図１０に示すように、リレーレンズ４４０のうち後段に位置する球面レンズ４４２の位置をｚ軸の負方向にΔｚだけ変化させることにより、グレーティング４３０上の光が照射される領域（光照射領域）が変化する。レーザ射出装置４０の光学系は、Δｚ＝０（ｍｍ）、すなわち、球面レンズ４４２を移動させない状態で、グレーティング４３０に入射した光がレーザダイオード４１０に帰還し、共振器を構成するように設計されているため、光照射領域が変化した部分（例えば、図１０における光照射領域の面積拡大分）については、レーザダイオード４１０に帰還せず、共振器から発散してしまう損失（ロス）成分となる可能性がある。このようなロスが生じれば、共振器における共振効率が低下してしまう恐れがある。

このことを確認するために、レーザ射出装置４０におけるモードロック発振しきい値について検討した。図１１は、レーザ射出装置４０におけるモードロック発振しきい値の変化を示すグラフである。

図１１では、横軸にレーザダイオード４１０のＧａｉｎ部に印加される電流Ｉ_ｇａｉｎ（ｍＡ）を取り、縦軸にレーザ射出装置４０の射出光の強度Ｐｏ（ｍＷ）を取っている。そして、レーザダイオード４１０のＳＡ部に印加される電圧Ｖ_ＳＡと球面レンズ４４２のｚ軸方向の位置を変化させたときの強度Ｐｏと電流Ｉ_ｇａｉｎとの関係についてプロットしている。

まず、（Ｖ_ＳＡ＝０（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））のときは、強度Ｐｏと電流Ｉ_ｇａｉｎとがほぼ直線の関係になっている。次いで、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））に条件を変化させると、図１１に示すように、グラフが右方向にシフトする。これは、電圧Ｖ_ＳＡの値を０（Ｖ）から−９（Ｖ）に変化させた場合、すなわち、レーザダイオード４１０の射出光をＣＷレーザからパルスレーザに変更する場合に同じ出力光の強度Ｐｏを得るためには、より大きな電流Ｉ_ｇａｉｎが必要となることを示している。

ここで、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝−１．５（ｍｍ））に更に条件を変化させると、図１１に示すように、グラフは更に右方向にシフトする。このように、球面レンズ４４２のｚ軸方向の位置をΔｚ＝０（ｍｍ）からΔｚ＝−１．５（ｍｍ）に変化させることにより、同じ出力光の強度Ｐｏを得るために必要な電流Ｉ_ｇａｉｎの値は更に増加する。すなわち、モードロック発振しきい値が増加する。

以上、図１１に示したように、球面レンズ４４２のｚ軸方向への位置変化Δｚにより、レーザ射出装置４０において所望の出力を得るためには、電流Ｉ_ｇａｉｎとしてより大きな電流値が必要となることが分かる。これは、図１０を参照して説明したように、球面レンズ４４２の位置変化Δｚにより、レーザダイオード４１０とグレーティング４３０との間で構成される共振器において、ロスが生じるからであると考えられる。

以上説明したように、レーザ射出装置にリレーレンズを導入することにより、以下の効果を得ることができる。すなわち、ｘ軸方向及びｙ軸方向に対しては、リレーレンズのｘ軸方向及びｙ軸方向の配置位置を調整することにより、簡便に光軸の調整を行うことが可能となる。また、ｚ軸方向（光軸方向）に対しては、リレーレンズのｚ軸方向の配置位置を調整することにより、波長分散効果を生じさせることができ、出力光のノイズを低減させることができる。

一方、図１１に示したように、出力光のノイズを低減させるためにリレーレンズのｚ軸方向の位置を変化させると、モードロック発振しきい値が上昇してしまうことが分かった。このようなモードロック発振しきい値の上昇を抑えるためには、リレーレンズのｚ軸方向の位置を変化させることに伴う共振器におけるロスの増加を抑制する必要がある。

本発明者らは、共振器におけるロスの増加を抑制しつつ、出力光のノイズを低減させる方法について検討した結果、以下に示す本開示の第２の実施形態に想到した。以下に、第２の実施形態について詳細に説明する。

［３−２．第２の実施形態に係るレーザ射出装置の概略構成］
図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置の概略構成について説明する。図１２Ａは、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。図１２Ｂは、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。

図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０は、レーザダイオード２１０、コリメータレンズ２２０、グレーティング２３０、シリンドリカルレンズ２４０及びリレーレンズ２５０を備える。ここで、レーザダイオード２１０、コリメータレンズ２２０、グレーティング２３０、シリンドリカルレンズ２４０の機能及び構成は、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０のレーザダイオード１１０、コリメータレンズ１２０、グレーティング１３０、シリンドリカルレンズ１４０の機能及び構成と同様である。すなわち、第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０の構成は、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０に対して、リレーレンズ２５０が更に備えられた構成に対応する。従って、以下の第２の実施形態についての説明では、第１の実施形態と重複する構成についてはその詳細な説明は省略し、第１の実施形態との相違点であるリレーレンズ２５０について主に説明する。

リレーレンズ２５０は、１対のシリンドリカルレンズ２５１、２５２を有する。レーザ射出装置２０では、レーザダイオード２１０からの射出光は、コリメータレンズ２２０、シリンドリカルレンズ２４０及びシリンドリカルレンズ２５１、２５２を通過して、グレーティング２３０に入射する。ここで、上記［３−１．リレーレンズについての検討］において説明したレーザ射出装置４０のリレーレンズ４４０は球面レンズ４４１、４４２を有していた。このように、第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０は、レーザ射出装置４０において球面レンズ４４１、４４２によって構成されていたリレーレンズ４４０を、シリンドリカルレンズ２５１、２５２によって構成されるリレーレンズ２５０に置き換えたものに対応する。

図１２Ａを参照すると、第２の実施形態においては、コリメータレンズ２２０、シリンドリカルレンズ２４０及びリレーレンズ２５０は、ｘ−ｚ平面においては、レーザダイオード２１０からの射出光が、グレーティング２３０に対して略平行光として、グレーティング２３０の溝の配列方向に所定の広がり（幅）Ｄ２をもって入射されるように設けられる。具体的には、シリンドリカルレンズ２５１、２５２は、ｘ−ｚ平面において、球面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持つ方向がｘ軸方向となるように配設される。より具体的には、ｘ−ｚ平面において、より前段に位置するシリンドリカルレンズ２５１はシリンドリカル面をｚ軸の負方向に向けて、より後段に位置するシリンドリカルレンズ２５２はシリンドリカル面をｚ軸の正方向に向けて配設される。リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）をこのように配置することにより、図１２Ａに示すように、ｘ−ｚ平面においては、レーザダイオード２１０からの射出光が、グレーティング２３０の溝の配列方向に対して所定の広がり（幅）Ｄ２をもって入射する。

一方、図１２Ｂを参照すると、第２の実施形態においては、コリメータレンズ２２０、シリンドリカルレンズ２４０及びリレーレンズ２５０は、ｙ−ｚ平面においては、レーザダイオード２１０の光射出面とグレーティング２３０の反射面とが共焦点となるように設けられる。具体的には、シリンドリカルレンズ２５１、２５２は、ｙ−ｚ平面においては、平面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持たない方向がｙ軸方向と略平行になるように配設される。第２の実施形態では、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）をこのように配置することにより、ｘ−ｚ平面においては、グレーティング２３０の反射面が共焦点の一方の焦点ｆ１となり、レーザダイオード２１０の光スポット（光射出位置）が共焦点の他方の焦点ｆ２となるように光学系が構成される。

以上、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して説明したように、リレーレンズ２５０を上記のように配設することにより、第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。つまり、第２の実施形態によれば、レーザダイオード２１０の光射出面とグレーティング２３０の反射面とが共焦点となるため、グレーティング２３０の配置角度θｙの変化に対してトレランスが確保され、共振効率の低下を抑制することができる。更に、第２の実施形態においては、グレーティング２３０の溝の配設方向に対して所定の広がり（幅）Ｄ２を有するように光が入射されるため、波長選択性が確保される。従って、波長選択性を確保しつつ、Δθｙに対する共振率の低下を抑制することが可能となる。

また、第２の実施形態においては、リレーレンズ２５０を備えることにより、上記［３−１．リレーレンズについての検討］で説明したような、リレーレンズを設けることにより生じる効果を得ることが可能となる。すなわち、第２の実施形態によれば、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｘ軸方向及びｙ軸方向の配置位置を調整することにより、ｘ軸方向及びｙ軸方向における光軸の傾きを調整することができる。また、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｚ軸方向の配置位置を調整することにより、出力光に対する波長分散制御を行うことができる。

更に、第２の実施形態においては、リレーレンズ２５０がシリンドリカルレンズ２５１、２５２によって構成されることにより、上記の波長分散制御において、共振器におけるロスの増加を抑制しつつ、出力光のノイズを低減させることが可能となる。以下、第２の実施形態における当該効果について説明する。

［３−３．第２の実施形態に係るレーザ射出装置の効果］
図１３Ａ−図１３Ｃ及び図１４を参照して、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０が奏する効果について説明する。図１３Ａ−図１３Ｃは、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０における出力光のスペクトルを示すグラフである。図１３Ａは、Δｚ＝０ｍｍ、すなわち、リレーレンズ２５０のうち後段に位置するシリンドリカルレンズ２５２が所定の位置にあるときの出力光のスペクトルを示すグラフである。図１３Ｂは、シリンドリカルレンズ２５２の位置をΔｚ＝−１．５ｍｍだけ移動させたときの出力光のスペクトルを示すグラフである。図１３Ｃは、シリンドリカルレンズ２５２の位置をΔｚ＝−３ｍｍだけ移動させたときの出力光のスペクトルを示すグラフである。なお、図１３Ａ−図１３Ｃに示すスペクトルの測定条件としては、レーザダイオード２１０のＳＡ部への印加電圧Ｖ_ＳＡはＶ_ＳＡ＝−９（Ｖ）である。また、レーザダイオード２１０のＧａｉｎ部への印加電流Ｉ_ｇａｉｎは、図１３ＡがＩ_ｇａｉｎ＝５４（ｍＡ）、図１３ＢがＩ_ｇａｉｎ＝５７（ｍＡ）、図１３ＣがＩ_ｇａｉｎ＝５９（ｍＡ）として測定を行っている。なお、図１３Ａ−図１３Ｃに示すグラフにおける横軸及び縦軸の物理量の意味は、図９Ａ及び図９Ｂに示すグラフと同様である。

図１３Ａ−図１３Ｃを参照すると、シリンドリカルレンズ２５２の位置をΔｚ＝０ｍｍからΔｚ＝−１．５ｍｍ、Δｚ＝−３．０ｍｍと変化させることにより、所定のスペクトル以外の成分が低減していることが分かる。例えば、図１３Ａ−図１３Ｃに示すスペクトルＢ及びスペクトルＣに注目すると、シリンドリカルレンズ２５２の位置変化に応じて、当該スペクトルＢ及びスペクトルＣの周囲の他のスペクトルが低減されている。これは、レーザ射出装置２０からの出力光として、よりノイズが少ない状態で所定の周波数成分のパルスレーザが得られることを意味している。このように、レーザ射出装置２０においては、図６Ａ及び図６Ｂに示したレーザ射出装置４０と同様、リレーレンズ２５０の光軸方向の配置位置を調整することにより、レーザダイオード２１０の射出光に対して波長分散（周波数分散）効果を得ることができ、レーザ射出装置２０の出力光であるパルス光のノイズ成分を低減することができる。

次に、図１４を参照して、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０におけるモードロック発振しきい値について説明する。図１４は、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０におけるモードロック発振しきい値の変化を示すグラフである。なお、図１４に示すグラフにおける横軸及び縦軸の物理量の意味は、図１１に示すグラフと同様である。

図１４では、レーザダイオード２１０のＳＡ部に印加される電圧Ｖ_ＳＡとシリンドリカルレンズ２５２のｚ軸方向の位置を変化させたときの出力光の強度Ｐｏとレーザダイオード２１０のｇａｉｎ部に印加される電流Ｉ_ｇａｉｎとの関係についてプロットしている。具体的には、電圧Ｖ_ＳＡとシリンドリカルレンズ２５２のｚ軸方向の位置変化Δｚについて、（Ｖ_ＳＡ＝０（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝−１．５（ｍｍ））、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝−３（ｍｍ））の４つの条件について強度Ｐｏと電流Ｉ_ｇａｉｎとの関係を測定した。

図１４を参照すると、（Ｖ_ＳＡ＝０（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））から、（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝０（ｍｍ））に条件を変化させたときのグラフの変化は、図１１と同様である。しかし、図１４においては、Δｚを変化させたとき、すなわち、条件を（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝−１．５（ｍｍ））や（Ｖ_ＳＡ＝−９（Ｖ）、Δｚ＝−３（ｍｍ））に変化させた場合におけるグラフの右方向へのシフト量が、図１１と比べて小さく抑えられている。このように、第２の実施形態においては、図６Ａ及び図６Ｂに示したレーザ射出装置４０の構成と比べて、シリンドリカルレンズ２５２（リレーレンズ）の位置を変化させたことによるモードロック発振しきい値の増加を抑えることができる。これは、第２の実施形態においては、シリンドリカルレンズ２４０、２５１、２５２が設けられることにより、レーザダイオード２１０の光射出面とグレーティング２３０の反射面とが共焦点となるため、シリンドリカルレンズ２５２のｚ軸方向の位置が変化したとしても、射出光が共焦点を通過してレーザダイオード２１０とグレーティング２３０との間を往復するため、共振器におけるロスを抑えることができるためであると考えられる。このように、第２の実施形態によれば、共振器におけるロスの増加を抑制しつつ、出力光のノイズを低減させることが可能となる。

以上、図６Ａ、図６Ｂ、図７、図８、図９Ａ、図９Ｂ、図１０、図１１、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ−図１３Ｃ及び図１４を参照して、本開示の第２の実施形態について説明した。以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

第２の実施形態においては、第１の実施形態に対して、シリンドリカルレンズ２５１、２５２から構成されるリレーレンズ２５０が更に設けられる。従って、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｘ軸方向及びｙ軸方向の配置位置を調整することにより、ｘ軸方向及びｙ軸方向における光軸の傾きを調整することができる。また、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｚ軸方向の配置位置を調整することにより、出力光に対して波長分散制御を行うことができる。

更に、第２の実施形態においては、リレーレンズ２５０がシリンドリカルレンズ２５１、２５２によって構成されることにより、レーザダイオード２１０の光射出面とグレーティング２３０の反射面とが共焦点となるため、上記の波長分散制御において、共振器におけるロスの増加を抑制しつつ、出力光のノイズを低減させることが可能となる。

なお、上記の説明では、図６Ａ及び図６Ｂに示したリレーレンズ４４０は１対の球面レンズ４４１、４４２によって構成されており、図１２Ａ及び図１２Ｂに示したリレーレンズ２５０は１対のシリンドリカルレンズ２５１、２５２によって構成されていたが、第２の実施形態において用いられるリレーレンズはかかる例に限定されない。第２の実施形態においては、ｘ−ｚ平面において溝の配列方向に所定の幅Ｄ２を有して入射し、ｙ−ｚ平面においてレーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となるような光路を形成することができれば、リレーレンズを構成するレンズの種類や数、更にはレーザダイオード１１０とグレーティング１３０との間に配設されるレンズの種類や数は限定されず、どのようなレンズ構成であってもよい。

＜４．変形例＞
次に、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の変形例について説明する。

［４−１．ＭＯＰＡシステムへの適用］
まず、図１５を参照して、第１の実施形態及び第２の実施形態に係るレーザ射出装置１０、２０を、いわゆるＭＯＰＡ（主発振器出力増幅器：Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）システムに適用する場合の、概略構成について説明する。図１５は、本開示の第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０が適用されたＭＯＰＡシステムの一構成例を示す概略図である。なお、図１５では、ＭＯＰＡシステムへの適用例として、第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０を例に挙げているが、第１の実施形態に係るレーザ射出装置１０も同様に適用可能である。

ここで、ＭＯＰＡシステムとは、半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ：Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）をマスターレーザとして、当該モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅するシステムのことである。図１５では、ＭＯＰＡシステムにおけるマスターレーザとして第２の実施形態に係るレーザ射出装置２０を適用する場合の構成例を示している。

図１５を参照すると、ＭＯＰＡシステム５０においては、レーザ射出装置２０の後段に、アイソレータ５７０及びミラー５６０が設けられる。更に、ミラー５６０の後段には、シリンドリカルレンズ５５１、５５２から構成されるリレーレンズ５５０、シリンドリカルレンズ５４０及びコリメータレンズ５２０が設けられており、これらを順に通過した光が、最終的にＳＯＡ５１０に入射し、外部に出力される。ここで、リレーレンズ５５０、シリンドリカルレンズ５４０及びコリメータレンズ５２０は、レーザ射出装置２０におけるリレーレンズ２５０、シリンドリカルレンズ２４０及びコリメータレンズ２２０と同様の機能及び構成を有する。このように、ＭＯＰＡシステム５０においては、リレーレンズ５５０、シリンドリカルレンズ５４０及びコリメータレンズ５２０は、ＭＯＰＡシステム５０内で、グレーティング２３０、アイソレータ５７０及びミラー５６０を挟んで、レーザ射出装置２０におけるリレーレンズ２５０、シリンドリカルレンズ２４０及びコリメータレンズ２２０と対称に配置される。

レーザ射出装置２０においては、レーザダイオード２１０から射出されたレーザ光が、複数のレンズ（コリメータレンズ２２０、シリンドリカルレンズ２４０及びリレーレンズ２５０）を通過するため、その出力光の位相や照射領域の広がり等の状態は、レーザダイオード２１０からの射出光の状態から変化している場合がある。そこで、図１５に示すように、ＭＯＰＡシステム５０内において、レーザ射出装置２０におけるレンズ系と対称的なレンズ系を更に配置することにより、ＳＯＡ５１０に入射する光の状態を、レーザダイオード２１０から射出された状態に戻すことが可能となり、最終的にＭＯＰＡシステム５０から出力される光として、より安定的な光を得ることができる。従って、例えば、レーザ射出装置２０を、ＭＯＰＡシステム５０の更に後段に設けられる他の光学機器等の光源として用いる場合に、より安定的な出力を有する光源を実現することが可能となる。

［４−２．レンズ構成（レンズ系）における変形例］
次に、図１６Ａ及び図１６Ｂを参照して、第１の実施形態及び第２の実施形態に係るレーザ射出装置において、異なるレンズ系を有する変形例について説明する。図１６Ａは、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の一変形例に係るレーザ射出装置の一構成例を示す上面図である。図１６Ｂは、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の一変形例に係るレーザ射出装置の一構成例を示す側面図である。

図１６Ａ及び図１６Ｂを参照すると、本変形例に係るレーザ射出装置３０は、レーザダイオード３１０、コリメータレンズ３２０、球面レンズ３４０、シリンドリカルレンズ３５０及びグレーティング３３０を備える。レーザ射出装置３０においては、レーザダイオード３１０からの射出光は、コリメータレンズ３２０、球面レンズ３４０、シリンドリカルレンズ３５０を順に通過して、グレーティング３３０に入射し、レーザダイオード３１０とグレーティング３３０との間で共振器構造が構成される。ここで、レーザダイオード３１０、コリメータレンズ３２０及びグレーティング３３０の機能及び構成は、第１の実施形態及び第２の実施形態におけるレーザダイオード１１０、２１０、コリメータレンズ１２０、２２０及びグレーティング１３０、２３０の機能及び構成と同様であるため、詳細な説明は省略する。

図１６Ａを参照すると、レーザ射出装置３０の球面レンズ３４０及びシリンドリカルレンズ３５０は、ｘ−ｚ平面において、グレーティング３３０の反射面よりもレーザダイオード３１０側の所定の位置が焦点ｆ３となるように設けられる。具体的には、例えば、シリンドリカルレンズ３５０は、図１６Ａに示すように、ｘ−ｚ平面において、球面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持つ方向がｘ軸方向となるように配設される。従って、レーザ射出装置３０においては、図１６Ａに示すように、グレーティング３３０の溝の配設方向に対して所定の広がり（幅）Ｄ３を有するように、グレーティング３３０に光が入射する。つまり、シリンドリカルレンズ３５０は、波長分散用のレンズである。このように、レーザ射出装置３０においては、レーザダイオード３１０からの射出光が、グレーティング３３０の溝の配列方向にある幅Ｄ３をもって入射されるため、１次回折光としてレーザダイオード３１０に帰還する光の波長の帯域が確保される。また、θｘを変化させる（Δθｘを生じさせる）ことにより、共振させる光の波長を選択することが可能となる。

また、図１６Ｂを参照すると、レーザ射出装置３０の球面レンズ３４０及びシリンドリカルレンズ３５０は、ｙ−ｚ平面において、レーザダイオード３１０の光射出面とグレーティング３３０の反射面とが共焦点となるように設けられる。具体的には、例えば、シリンドリカルレンズ３５０は、図１６Ｂに示すように、ｙ−ｚ平面において、平面レンズとして機能するように、すなわち、曲率を持たない方向がｙ軸方向と略平行になるように配設される。従って、レーザ射出装置３０においては、レーザダイオード３１０からの射出光は、グレーティング３３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード３１０の光射出面上の焦点ｆ２との間を往復することとなり、グレーティング３３０の配置角度の変化Δθｙによる影響を抑えることができ、共振効率の低下を抑えることが可能となる。従って、本変形例によれば、Δθｙに対する共振率の低下の抑制と、Δθｘによる波長選択性とを両立させることが可能となる。

以上、図１６Ａ及び図１６Ｂを参照して、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態の一変形例に係るレーザ射出装置３０の構成について説明した。

ここで、本開示に係るレーザ射出装置の構成は、上述した図３Ａ、図３Ｂ、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１６Ａ及び図１６Ｂに示す構成に限定されない。本開示によれば、レーザダイオードから射出された光がグレーティングに入射するに際して、ｘ−ｚ平面においては当該射出光がグレーティングの反射面に設けられる溝の配列方向に対して所定の幅を持って入射し、ｙ−ｚ平面においてはレーザダイオードの光射出面とグレーティングの反射面とが共焦点となるように、レーザダイオードとグレーティングとの間の光学系が構成されればよく、その構成は限定されない。例えば、図１６Ａ及び図１６Ｂに示す変形例であれば、球面レンズ３４０とシリンドリカルレンズ３５０の配置位置は逆であってもよい。球面レンズ３４０とシリンドリカルレンズ３５０の配置位置を逆にした場合であっても、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すレーザ射出装置３０と同様の効果を得ることができる。このように、本開示に係るレーザ射出装置の構成は、上述した条件を満たす限りにおいて、その光学系は適宜設計されてよい。

＜５．まとめ＞
以上説明したように、本開示の第１の実施形態及び第２の実施形態によれば、以下の効果が得られる。

第１の実施形態によれば、シリンドリカルレンズ１４０が設けられることにより、レーザダイオード１１０の光射出面とグレーティング１３０の反射面とが共焦点となる。従って、レーザダイオード１１０からの射出光がグレーティング１３０の反射面上の焦点ｆ１とレーザダイオード１１０の光射出面上の焦点ｆ２との間をより確実に往復するため、グレーティング１３０の配置角度θｙの変化に対してトレランスが確保され、共振効率の低下を抑制することができる。更に、第１の実施形態においては、共焦点を設けるために球面レンズではなくシリンドリカルレンズ１４０が用いられるため、グレーティング１３０の溝の配設方向に対しては所定の広がり（幅）Ｄ１を有するように光が入射し、波長選択性が確保される。従って、波長選択性を確保しつつ、Δθｙに対する共振率の低下を抑制することが可能となる。

また、第２の実施形態においては、上記第１の実施形態で得られる効果に加えて、以下の効果を得ることができる。

第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、シリンドリカルレンズ２５１、２５２から構成されるリレーレンズ２５０が更に設けられる。従って、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｘ軸方向及びｙ軸方向の配置位置を調整することにより、ｘ軸方向及びｙ軸方向における光軸の傾きを調整することができる。また、リレーレンズ２５０（シリンドリカルレンズ２５１、２５２）のｚ軸方向の配置位置を調整することにより、出力光に対して波長分散制御を行うことができる。更に、第２の実施形態においては、リレーレンズ２５０がシリンドリカルレンズ２５１、２５２によって構成されることにより、レーザダイオード２１０の光射出面とグレーティング２３０の反射面とが共焦点となるため、上記の波長分散制御において、共振器におけるロスの増加を抑制しつつ、出力光のノイズを低減させることが可能となる。

このように、第１の実施形態及び第２の実施形態では、一般的な外部共振器型レーザ射出装置の構成に対して、１つ又は複数のシリンドリカルレンズを更に設けることによって共振効率の低下の抑制が実現される。従って、第１の実施形態及び第２の実施形態においては、複雑な構成は必要なく、より簡便な構成でより安定的な出力を得ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）所定の波長の光を射出する半導体レーザと、前記半導体レーザの後段に設けられ、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するとともに、前記射出光の一部が出力光として外部に取り出されるグレーティングと、前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つ設けられるシリンドリカルレンズと、を備えるレーザ射出装置。
（２）前記シリンドリカルレンズは、光軸方向と前記グレーティングに設けられる溝の延伸方向である第１の方向とで規定される平面において、前記グレーティングの前記反射面が前記共焦点の一方の焦点となるように設けられる、前記（１）に記載のレーザ射出装置。
（３）前記シリンドリカルレンズは、光軸方向と前記グレーティングに設けられる溝の配列方向である第２の方向とで規定される平面において、前記半導体レーザからの射出光が、前記グレーティングの前記反射面に所定の広がりを持って照射されるように設けられる、前記（１）又は（２）に記載のレーザ射出装置。
（４）前記第１の方向は、前記半導体レーザにおける活性層及びクラッド層の積層方向である、前記（２）に記載のレーザ射出装置。
（５）前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に、リレーレンズとして、１対のシリンドリカルレンズを更に備える、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ射出装置。
（６）前記リレーレンズを構成する前記シリンドリカルレンズのうち後段に配設される前記シリンドリカルレンズの光軸方向における配設位置によって、前記射出光の前記グレーティングへの入射角が制御される、前記（５）に記載のレーザ射出装置。
（７）前記シリンドリカルレンズは、光軸方向と前記グレーティングに設けられる溝の配列方向である第２の方向とで規定される平面において、前記グレーティングの前記反射面よりも前記半導体レーザ側の所定の位置が焦点となるように設けられる、前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載のレーザ射出装置。
（８）前記シリンドリカルレンズの光軸方向に沿った配設位置によって、前記射出光の前記グレーティングへの入射角が制御される、前記（７）に記載のレーザ射出装置。
（９）前記レーザ射出装置は、前記半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）を利用して、前記モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ）で増幅する主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）システム、におけるモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）であり、前記ＭＯＰＡシステムにおける前記ＳＯＡの前段には、前記レーザ射出装置において前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に設けられる第１のレンズ群と同一の構成を有する第２のレンズ群が、前記ＭＯＰＡシステムにおける光軸に対して前記第１のレンズ群と対称に設けられる、前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載のレーザ射出装置。
（１０）所定の波長の光を射出する半導体レーザを配設することと、前記半導体レーザの後段に、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するグレーティングを配設することと、前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つシリンドリカルレンズを配設することと、を含む、レーザ射出装置の製造方法。

１０、２０、３０、４０ レーザ射出装置
５０ ＭＯＰＡシステム
１１０、２１０、３１０、４１０ レーザダイオード
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ コリメータレンズ
１３０、２３０、３３０、４３０ グレーティング
１４０、２４０、３５０、５４０ シリンドリカルレンズ
２５０、５５０ リレーレンズ
２５１、２５２、５５１、５５２ シリンドリカルレンズ
３４０ 球面レンズ
４４０ リレーレンズ
４４１、４４２ 球面レンズ
５１０ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）

Claims (4)

1. 所定の波長の光を射出する半導体レーザと、
   前記半導体レーザの後段に設けられ、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するとともに、前記射出光の一部が出力光として外部に取り出されるグレーティングと、
   前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つ設けられるシリンドリカルレンズと、
   を備え、
   前記シリンドリカルレンズは、光軸方向と前記グレーティングに設けられる溝の延伸方向である第１の方向とで規定される平面において、前記グレーティングの前記反射面が前記共焦点の一方の焦点となるように、かつ、前記射出光が前記グレーティングの前記反射面において、前記溝の配列方向である第２の方向に所定の広がりを持って照射されるように設けられ、
   前記光軸方向と前記溝の配列方向とで規定される平面において、前記シリンドリカルレンズから出射される前記射出光のビーム幅は、前記シリンドリカルレンズに入射される前記射出光のビーム幅以下であり、
   前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に、リレーレンズとして、１対のシリンドリカルレンズを更に備え、
   前記リレーレンズを構成する前記シリンドリカルレンズのうち後段に配設される前記シリンドリカルレンズの光軸方向における配設位置によって、前記射出光の前記グレーティングへの入射角が制御される、レーザ射出装置。
2. 前記第１の方向は、前記半導体レーザにおける活性層及びクラッド層の積層方向である、
   請求項１に記載のレーザ射出装置。
3. 前記レーザ射出装置は、前記半導体レーザを外部共振器の形態で動作させたモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）を利用して、前記モードロックレーザの出力を半導体光増幅器（ＳＯＡ）で増幅する主発振器出力増幅器（ＭＯＰＡ）システム、におけるモードロックレーザ（ＭＬＬＤ）であり、
   前記ＭＯＰＡシステムにおける前記ＳＯＡの前段には、前記レーザ射出装置において前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に設けられる第１のレンズ群と同一の構成を有する第２のレンズ群が、前記ＭＯＰＡシステムにおける光軸に対して前記第１のレンズ群と対称に設けられる、
   請求項１または２に記載のレーザ射出装置。
4. 所定の波長の光を射出する半導体レーザを配設することと、
   前記半導体レーザの後段に、前記半導体レーザからの射出光を反射することにより前記半導体レーザとの間で共振構造を構成するグレーティングを配設することと、
   前記半導体レーザの光射出面と前記グレーティングの反射面とが共焦点となるように、前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に少なくとも１つシリンドリカルレンズを配設することと、
   を含み、
   前記シリンドリカルレンズは、光軸方向と前記グレーティングに設けられる溝の延伸方向である第１の方向とで規定される平面において、前記グレーティングの前記反射面が前記共焦点の一方の焦点となるように、かつ、前記射出光が前記グレーティングの前記反射面において、前記溝の配列方向である第２の方向に所定の広がりを持って照射されるように配設され、
   前記光軸方向と前記溝の配列方向とで規定される平面において、前記シリンドリカルレンズから出射される前記射出光のビーム幅は、前記シリンドリカルレンズに入射される前記射出光のビーム幅以下であり、
   前記半導体レーザと前記グレーティングとの間に、リレーレンズとして、１対のシリンドリカルレンズが更に配設され、
   前記リレーレンズを構成する前記シリンドリカルレンズのうち後段に配設される前記シリンドリカルレンズの光軸方向における配設位置によって、前記射出光の前記グレーティングへの入射角が制御される、レーザ射出装置の製造方法。

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