JP6938977B2 - 面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ素子、光源ユニット、レーザ装置、点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、面発光レーザ素子、面発光レーザアレイ素子、光源ユニット、レーザ装置、点火装置に関する。

面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）は、基板面に対し垂直方向に光を射出する半導体レーザである。面発光レーザ素子では、対向する一対の高反射率の反射鏡が設けられ、これら一対の反射鏡の間に活性層を含む共振器構造体が設けられている。共振器構造体は、例えば、活性層の上下にスペーサ層が設けられた構成とされている。

面発光レーザ素子は、原理的にモードホップが発生せず、波長安定性に優れている特長を有する。その一方で、面発光レーザ素子は、活性層が反射鏡に挟まれた構造であるため放熱が困難であり、高出力化に不向きである。従って、面発光レーザ素子において、高出力化を実現するためには、注入面積の拡大、放熱特性の改善等が必要となる。

面発光レーザ素子において、注入面積を制御しつつ拡大する手法として、例えば、レーザ光をｎ側射出とし、ｐ側電極の形状によって注入領域を制御する技術が提案されている（例えば、非特許文献１、２参照）。

しかしながら、上記の技術では、放熱特性の改善が十分ではないため、十分な高出力は得られていなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高出力な面発光レーザ素子を提供することを目的とする。

本面発光レーザ素子は、活性層を挟むように形成された第１の反射鏡及び第２の反射鏡と、前記第１の反射鏡に接続された第１の電極と、前記第２の反射鏡に接続された第２の電極と、を有し、前記第２の反射鏡側からレーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、前記第１の電極は、前記第１の反射鏡を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料で形成された第１の領域と、前記第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料で形成された第２の領域と、を含み、前記第１の領域及び前記第２の領域が前記第１の反射鏡と接触し、前記第１の領域には複数の貫通孔が形成され、各々の前記貫通孔を充填する前記第２の材料により前記第２の領域が形成されていることを要件とする。

開示の技術によれば、高出力な面発光レーザ素子を提供できる。

第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する底面図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。 比較例１に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。 比較例２に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。 第２の実施の形態に係るレーザ装置を例示する概略構成図である。 第３の実施の形態に係る点火装置を例示する概略構成図である。 図７に示す点火装置のレーザ共振器について説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部の部分拡大断面図である。図２は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する底面図である。図３は、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を例示する平面図である。

図１を参照するに、面発光レーザ素子１００は、例えば、発振波長が１０６４ｎｍ帯である垂直共振器型レーザ素子である。但し、ここで示した発振波長は一例であり、発振波長は、例えば、８０８ｎｍ帯や７８０ｎｍ帯であっても構わないし、その他であっても構わない。

面発光レーザ素子１００は、第１の反射鏡１１０と、共振器構造体１２０（下部スペーサ層１２１、活性層１２２、上部スペーサ層１２３）と、第２の反射鏡１３０と、第１の電極１４０と、絶縁膜１５０と、第２の電極１６０とを有している。面発光レーザ素子１００は、必要に応じて、他の構成要素を有しても構わない。他の構成要素としては、例えば、バッファ層、コンタクト層等が挙げられる。

面発光レーザ素子１００において、半導体からなる層は、例えば、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等により形成することができる。

面発光レーザ素子１００は、例えば、ＡｕＳｎはんだ等を介してヒートシンク２００上に搭載することができる。面発光レーザ素子１００がヒートシンク２００上に搭載された場合、面発光レーザ素子１００の活性層１２２で発生した熱は、第１の電極１４０を介してヒートシンク２００より外部へ放出される。

以下、面発光レーザ素子１００について詳説する。なお、本実施の形態では、便宜上、面発光レーザ素子１００の第２の電極１６０側を表面側又は上側、第１の電極１４０側を裏面側又は下側とする。又、各部位の第２の電極１６０側の面を表面又は上面、第１の電極１４０側の面を裏面又は下面とする。但し、面発光レーザ素子１００は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、面発光レーザ素子１００の各構成部を光射出方向から視た形状を平面形状と称する場合がある。又、面発光レーザ素子１００の各構成部の積層方向（厚さ方向）に直交する方向を平面方向と称する場合がある。

面発光レーザ素子１００において、活性層１２２を挟むようにｐ型半導体である第１の反射鏡１１０及びｎ型半導体である第２の反射鏡１３０が形成されている。第１の反射鏡１１０は下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）とも称され、例えば、Ｃドープされたｐ−ＧａＡｓからなる低屈折率層と、Ｃドープされたｐ−ＡｌＡｓからなる高屈折率層のペアを３０ペア有している。第１の反射鏡１１０の厚さは１波長（例えば、１０６４ｎｍ）の光学厚さに調整されている。

第１の反射鏡１１０において、低屈折率層と高屈折率層との間に、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられてもよい。組成傾斜層を設けることにより、電気抵抗を低減することができる。低屈折率層及び高屈折率層は、隣接する組成傾斜層の膜厚の１／２を含み、発振波長λに対して光学厚さがλ／４となるように設計することができる。なお、光学厚さがλ／４の場合、その層の実際の膜厚Ｄは、Ｄ＝λ／４ｎ（但し、ｎはその層の媒質の屈折率）である。

共振器構造体１２０は、第１の反射鏡１１０の上面に積層されている。共振器構造体１２０は、第１の反射鏡１１０側から下部スペーサ層１２１、活性層１２２、上部スペーサ層１２３が積層された構造である。下部スペーサ層１２１及び上部スペーサ層１２３は、例えば、ＧａＡｓ等により形成することができる。

活性層１２２は、例えば、厚さ５ｎｍ程度の３層のＧａＩｎＡｓ層１２２ａと厚さ８ｎｍ程度の２層のＧａＡｓ層１２２ｂとを交互に積層した三重量子井戸構造（ＴＱＷ：Triple Quantum Well）を有している。但し、活性層１２２は、三重量子井戸構造以外の多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）を有してもよい。

面発光レーザ素子１００の発振波長が１０６４ｎｍである場合、ＧａＩｎＡｓ層１２２ａの発振波長は例えば１０５４ｎｍとなるように調整されており、共振器構造体１２０の厚さＴは１波長（１０６４ｎｍ）の光学厚さに調整されている。

第２の反射鏡１３０は、上部スペーサ層１２３の上に積層されている。第２の反射鏡１３０は上部ＤＢＲとも称され、例えば、Ｓｉドープされたｎ−ＧａＡｓからなる低屈折率層と、Ｓｉドープされたｎ−ＡｌＡｓからなる高屈折率層のペアを２２ペア有している。第２の反射鏡１３０の厚さは１波長（例えば、１０６４ｎｍ）の光学厚さに調整されている。

第２の反射鏡１３０において、低屈折率層と高屈折率層との間に、一方の組成から他方の組成へ向かって組成を徐々に変化させた組成傾斜層が設けられてもよい。組成傾斜層を設けることにより、電気抵抗を低減することができる。低屈折率層及び高屈折率層は、隣接する組成傾斜層の膜厚の１／２を含み、発振波長λに対して光学厚さがλ／４となるように設計することができる。

第２の反射鏡１３０における低屈折率層の１つに、電流狭窄層を設けてもよい。電流狭窄層は、例えば、酸化された選択酸化領域と、酸化されていない電流通過領域とを含む構成とすることができる。選択酸化領域は、側面側から電流狭窄層を酸化することにより形成することができる。

第１の電極１４０は、第１の反射鏡１１０の下面（レーザ光の射出側と反対側の面）に接触して形成され、第１の反射鏡１１０と電気的に接続されている。図２（ａ）に示すように、第１の電極１４０の平面形状は例えば円形とすることができるが、これには限定されず、楕円形、矩形、多角形、その他任意の形状とすることができる。

第１の電極１４０の周囲には、第１の反射鏡１１０の下面と接する絶縁膜１５０が設けられている。絶縁膜１５０の材料としては、例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等を用いることができる。第１の電極１４０の下面と絶縁膜１５０の下面とは、例えば、面一とすることができる。

図２（ｂ）に示すように、第１の電極１４０には、厚さ方向に貫通する互いに離間された複数の貫通孔１４１ｘが形成された第１の領域１４１と、各々の貫通孔１４１ｘを充填する第２の領域１４２が形成されている。第１の領域１４１は第１の材料から形成され、第２の領域１４２は第１の材料とは異なる第２の材料から形成されている。

第１の領域１４１を形成する第１の材料としては、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する材料を選択することができる。第１の領域１４１は、例えば、単層膜とすることができる。この場合、単層膜は、単一材料で形成してもよいし、二種類以上の材料の合金で形成してもよい。又、第１の領域１４１は、異なる材料が積層された積層膜としてもよい。

一般的に、材料の熱抵抗は構成する元素数が少ないほど高いとされており、そのような材料を選択することによって、面発光レーザ素子１００の放熱特性を向上させることができる。

例えば、第１の反射鏡１１０において第１の電極１４０と接触する層の材料がＧａＡｓである場合、第１の材料としては、例えば、二元系合金であるＡｕＺｎを用いることができる。或いは、第１の材料として、第１の反射鏡１１０側からＡｕＺｎ膜、Ａｕ膜が順次積層されたＡｕＺｎ／Ａｕ積層膜を用いてもよい。

第２の材料としては、第１の材料よりも熱伝導率が高い材料を選択することができる。第１の材料がＡｕＺｎ膜、又はＡｕＺｎ／Ａｕ積層膜である場合、第２の材料としては、例えば、Ａｇ等を用いることができる。

第１の電極１４０を形成するためには、例えば、まず、蒸着、スパッタ、めっき等により、第１の反射鏡１１０の下面に、第１の領域１４１を最終形状よりも大きく形成する。その後、リフトオフやエッチング等により、第１の領域１４１をパターニングする。パターニングにより、例えば、全体が円形で、複数の貫通孔１４１ｘを備えた第１の領域１４１が形成される。必要に応じ、第１の領域１４１を形成する第１の材料をアニールして合金化し、第１の反射鏡１１０とのオーミックコンタクトを獲得する。

次に、各々の貫通孔１４１ｘ内に、蒸着、スパッタ、めっき等により第２の材料を充填して第２の領域１４２を形成する。第２の領域１４２は、第１の反射鏡１１０と物理的に接触していればよく、オーミックコンタクトを形成する必要はない。

第２の電極１６０は、第２の反射鏡１３０の上面（レーザ光の射出側の面）に接触して形成されており、第２の反射鏡１３０と電気的に接続されている。第２の電極１６０は、第２の反射鏡１３０とオーミックコンタクトを形成している。図３に示すように、第２の電極１６０の平面形状は環状とすることができる。但し、第２の電極１６０の平面形状は、円の一部が開口された環状には限定されず、例えば、楕円の一部が開口された環状、矩形の一部が開口された環状、多角形の一部が開口された環状、その他任意の形状の一部が開口された環状とすることができる。

第２の電極１６０は、例えば、単層膜とすることができる。この場合、単層膜は、単一材料で形成してもよいし、二種類以上の材料の合金で形成してもよい。又、第２の電極１６０は、異なる材料が積層された積層膜としてもよい。

例えば、第２の反射鏡１３０において第２の電極１６０と接触する層の材料がＧａＡｓである場合、第２の電極１６０の材料としては、例えば、二元系合金であるＡｕＧｅを用いることができる。或いは、第２の電極１６０の材料として、第２の反射鏡１３０側からＡｕＧｅ膜、Ａｕ膜が順次積層されたＡｕＧｅ／Ａｕ積層膜を用いてもよい。第２の電極１６０は、例えば、蒸着、スパッタ、めっき等により形成できる。

第２の反射鏡１３０の上面（レーザ光の射出側の面）の法線方向から視て、第１の電極１４０は第２の電極１６０の開口の内側に形成されていることが好ましい。第２の電極１６０の開口の形状により面発光レーザ素子１００の光射出領域がほぼ決定され、第１の電極１４０の形状で電流注入領域がほぼ決定される。そのため、第１の電極１４０が第２の電極１６０の開口外に形成されても問題はないが、電流注入の効率が低下する。

面発光レーザ素子１００の第１の電極１４０及び第２の電極１６０を電圧印加手段に接続すると、第１の電極１４０から注入されたｐ型キャリア（正孔）と第２の電極１６０から注入されたｎ型キャリア（電子）は、それぞれ拡散して均一に活性層１２２へ注入される。その結果、活性層１２２の内部でキャリアが反転分布に到達し、環状の第２の電極１６０の開口部より、図１の矢印Ｌ方向にレーザ光が放出される。

このように、面発光レーザ素子１００は、活性層１２２へのキャリア注入によって発光デバイスとしての機能を発現する。注入するキャリアは正孔及び電子であり、これらのキャリアは温度や伝導材料に依存した一定の移動度を有している。しかし、両者の移動度においては約１０００倍の差があり、正孔は電子と比較して遥かに低い移動度である。

そこで、面発光レーザ素子１００では、第１の反射鏡１１０をｐ型半導体で形成し、第２の反射鏡１３０をｎ型半導体で形成している。第１の電極１４０及び第２の電極１６０からは、それぞれｐ型キャリア、ｎ型キャリアが注入され、活性層１２２において発光再結合しレーザ発振を実現している。

このとき、第１の電極１４０より注入されたｐ型キャリアである正孔は、その移動度の低さのため、第１の反射鏡１１０や第２の反射鏡１３０に平行な方向に対しては、さほど拡散せず活性層１２２に到達する。

第１の反射鏡１１０や第２の反射鏡１３０に平行な方向へのｐ型キャリアである正孔の拡散は、第１の反射鏡１１０の厚さや抵抗に依存するが、例えば、第１の反射鏡１１０の厚さが約４μｍである場合、約４μｍを伝導する間に約５μｍ拡散する。

一方、第２の電極１６０より注入された電子は高い移動度のため、第１の反射鏡１１０や第２の反射鏡１３０に平行な方向に対しても拡散して活性層１２２に到達する。第１の反射鏡１１０をｐ型半導体とし、第１の電極１４０より正孔を注入することにより、高い電流密度で活性層１２２へキャリア注入することができる。

なお、第１の電極１４０において、第２の材料は放熱特性を優先しており、第１の反射鏡１１０の半導体材料とのオーミックコンタクトは確保されていないため、ショットキー障壁以下の電圧ではキャリア注入されない。従って、活性層１２２へ均一に電流注入するためには、第２の領域１４２の大きさを制限することが必要となる。例えば、第２の領域１４２が円形である場合、直径を１０μｍ以下とすることが好ましい。活性層１２２へ均一に電流注入することにより、均一なビーム強度を持ち、ビーム形状の制御された面発光レーザ素子１００を実現できる。

このように、面発光レーザ素子１００では、第２の電極１６０を環状とし、第１の電極１４０により電流注入領域を制御することにより、大面積への均一なキャリア注入を実現し、高出力化を可能としている。

又、面発光レーザ素子１００では、従来の面発光レーザ素子と比べて放熱特性を向上し、更なる高出力化を可能としている。これについて、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、比較例１に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。比較例１に係る面発光レーザ素子１００ｘは、電流注入領域が拡大されていない面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子１００ｘでは、第１の電極１４０ｘは、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料のみにより形成されている。

面発光レーザ素子１００ｘにおいて、活性層１２２へのキャリア注入により発生した熱はヒートシンク２００より外部へ放出される。面発光レーザ素子１００ｘの場合、ヒートシンク２００の反対側は射出面となるので、効果的に放熱することは困難である。従って、図４に示すように、発熱源である活性層１２２を迂回する経路（矢印で示す経路）を通じて、熱がヒートシンク２００へ放出される。

図５は、比較例２に係る面発光レーザ素子を例示する断面図である。比較例２に係る面発光レーザ素子１００ｙは、電流注入領域が拡大されている面発光レーザ素子である。面発光レーザ素子１００ｙでは、第１の電極１４０ｙは、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料のみにより形成されている。

面発光レーザ素子１００ｙにおいて、活性層１２２の周辺部分で発生した熱は図４の場合と同様にヒートシンク２００より放出される。これに対して、活性層１２２の中心付近で発生した熱（Ｂ部）は、周辺部分の発熱が障壁となって外部への放出が困難となることが、熱シミュレーションによって明らかとなっている。

すなわち、面発光レーザ素子の高出力化を考えるにあたり、単に電流注入面積を拡大しただけでは十分ではなく、放熱特性の改善が必要となる。具体的には、放熱経路は活性層１２２の下部のみであるため、活性層１２２の下部の熱抵抗を低減しなければならない。

そこで、面発光レーザ素子１００では、第１の電極１４０を、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料と、第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料により形成している。

これにより、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料と低抵抗で接続可能であると共に、第１の電極１４０を第１の材料のみで形成する場合と比べて、活性層１２２の下部の熱抵抗を低減し、放熱特性を向上することができる。放熱特性を向上させた結果、面発光レーザ素子１００では、第１の電極１４０を第１の材料のみで形成する場合と比べて、更なる高出力化が可能となる。

すなわち、半導体材料とオーミックコンタクトを形成する電極材料は限定的で、あらゆる材料が条件を満たすものではない。一方、電極を放熱部材として用いる場合、熱伝導率は高いほど好ましいが、そのような材料が半導体材料とオーミックコンタクトを形成するとは限らない。

そこで、本実施の形態では、第１の電極１４０を、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料と、第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料とを組み合わせて形成することで、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料と低抵抗で接続可能であると共に、第１の電極１４０を第１の材料のみで形成する場合と比べて放熱特性を向上させた面発光レーザ素子１００を実現している。放熱特性を向上させた結果、面発光レーザ素子１００では、第１の電極１４０を第１の材料のみで形成する場合（図５等の場合）と比べて、更なる高出力化が可能となる。

なお、以上の説明では、第１の電極１４０を、第１の反射鏡１１０を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料と、第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料とを組み合わせて形成する例として、第１の領域１４１に形成された複数の略円形の貫通孔１４１ｘを第２の材料で充填して第２の領域１４２を形成する例を示した（図２（ｂ）参照）。

但し、第１の電極１４０を構成する第１の領域１４１及び第２の領域１４２の形状や配置は、図２（ｂ）の例には限定されない。例えば、第１の領域１４１の貫通孔１４１ｘをストライプ状やスリット状に形成し、各々の貫通孔１４１ｘを第２の材料で充填して第２の領域１４２を形成してもよい。或いは、貫通孔１４１ｘの形状は、これら以外であってもよい。なお、貫通孔１４１ｘを何れの形状とした場合にも、上記のように、活性層１２２へ均一に電流注入するためには、第２の領域１４２の大きさを制限することが必要である。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子を有する光源ユニット及びレーザ装置の例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図６は、第２の実施の形態に係るレーザ装置を例示する概略構成図である。図６に示すように、本実施の形態に係るレーザ装置１は、光源ユニット４１０と、集光光学系４２０と、光ファイバ４３０とを有する。レーザ装置１では、光源ユニット４１０から射出された光が集光光学系４２０により集光された後、伝送部材である光ファイバ４３０の一端に入射し、光ファイバ４３０の他端からレーザ光が射出される。

光源ユニット４１０は、面発光レーザアレイ素子１００Ａと、ヒートシンク２００と、マイクロレンズアレイ４１３とを有する。面発光レーザアレイ素子１００Ａは、複数の面発光レーザ素子１００を１次元又は２次元に配列したアレイ構造の素子である。マイクロレンズアレイ４１３は、複数のマイクロレンズを１次元又は２次元に配列したアレイ構造の素子である。面発光レーザアレイ素子１００Ａを構成する各面発光レーザ素子１００から射出される光の光路上に、マイクロレンズアレイ４１３を構成する各々のマイクロレンズが配置されている。

面発光レーザアレイ素子１００Ａを構成する各面発光レーザ素子１００から射出された光は、面発光レーザ素子１００ごとに放射角を持ったレーザ光であり、マイクロレンズアレイ４１３を通ることによって平行光となる。平行光となった光は、集光光学系４２０に入射する。

集光光学系４２０は、光源ユニット４１０から射出された光を小さなスポットに効率よく集光し、光ファイバ４３０に入射させる光学系である。集光光学系４２０は、単一のレンズからなっていてもよいし、複数のレンズからなっていてもよい。

光ファイバ４３０は、集光光学系４２０により集光された光を伝送する。光ファイバ４３０は、中央部のコア４３１と、その周囲を覆うクラッド４３２とを含む二層構造になっている。光ファイバ４３０のコア４３１には、集光光学系４２０で集光された光が入射する。

第２の実施の形態に係る光源ユニット４１０では、面発光レーザアレイ素子１００Ａより射出されたレーザ光をマイクロレンズアレイ４１３で平行光にする。これにより、面内における光出力が均一な平行光のレーザ光を出力することができる。

なお、図６では、面発光レーザアレイ素子１００Ａと、ヒートシンク２００と、マイクロレンズアレイ４１３とを有する光源ユニット４１０を例として説明したが、光源やレンズを１つずつ有する構成としてもよい。すなわち、１つの面発光レーザ素子１００より射出される光を平行光とする１つのマイクロレンズを有する光源ユニットとしてもよい。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第２の実施の形態に係る光源ユニットを有するレーザ装置及び点火装置の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図７は、第３の実施の形態に係る点火装置を例示する概略構成図である。図８は、図７に示す点火装置のレーザ共振器について説明する図である。

点火装置１３０１は、一例として図７に示されるように、レーザ装置１２００、射出光学系１２１０、及び保護部材１２１２等を有している。

射出光学系１２１０は、レーザ装置１２００から射出される光を集光する。これにより、集光点で高いエネルギー密度を得ることができる。

保護部材１２１２は、燃焼室に臨んで設けられた透明の窓である。ここでは、一例として、保護部材１２１２の材料としてサファイアガラスが用いられている。

レーザ装置１２００は、面発光レーザアレイ素子１００Ａを含む光源ユニット４１０、第１集光光学系１２０３、光ファイバ１２０４、第２集光光学系１２０５、及びレーザ共振器１２０６を備えている。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、面発光レーザアレイ素子１００Ａからの光の射出方向を＋Ｚ方向として説明する。

面発光レーザアレイ素子１００Ａは、励起用光源である。ここでは、面発光レーザアレイ素子１００Ａを構成する各面発光レーザ素子１００から射出された光の波長は８０８ｎｍであるとする。

面発光レーザアレイ素子１００Ａは、射出される光の温度による波長ずれが非常に少ないため、励起波長のずれによって特性が大きく変化するＱスイッチレーザを励起するのに有利な光源である。そこで、面発光レーザアレイ素子１００Ａを励起用光源に用いると、環境の温度制御を簡易なものにできるという利点がある。

第１集光光学系１２０３は、光源ユニット４１０から射出された光を集光する。伝送部材である光ファイバ１２０４は、第１集光光学系１２０３によって光が集光される位置にコアの−Ｚ側端面の中心が位置するように配置されている。ここでは、光ファイバ１２０４として、コア径が１．５ｍｍ、ＮＡが０．３９の光ファイバ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製、型番：ＦＴ１５００ＵＭＴ）が用いられている。

光ファイバ１２０４を設けることによって、面発光レーザアレイ素子１００Ａをレーザ共振器１２０６から離れた位置に置くことができる。これにより配置設計の自由度を増大させることができる。又、レーザ装置１２００を点火装置に用いる際に、熱源から面発光レーザアレイ素子１００Ａを遠ざけることができるため、エンジンを冷却する方法の幅を広げることが可能である。

光ファイバ１２０４に入射した光はコア内を伝播し、コアの＋Ｚ側端面から射出される。

第２集光光学系１２０５は、光ファイバ１２０４から射出された光の光路上に配置され、該光を集光する。第２集光光学系１２０５で集光された光は、レーザ共振器１２０６に入射する。

レーザ共振器１２０６は、Ｑスイッチレーザであり、一例として図８に示されるように、レーザ媒質１２０６ａ、及び可飽和吸収体１２０６ｂを有している。

レーザ媒質１２０６ａは、３ｍｍ×３ｍｍ×８ｍｍの直方体形状のＮｄ：ＹＡＧ結晶であり、Ｎｄが１．１％ドーピングされている。可飽和吸収体１２０６ｂは、３ｍｍ×３ｍｍ×２ｍｍの直方体形状のＣｒ：ＹＡＧ結晶であり、初期透過率が３０％のものである。

なお、ここでは、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶とＣｒ：ＹＡＧ結晶は接合されており、いわゆるコンポジット結晶となっている。又、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶及びＣｒ：ＹＡＧ結晶は、何れもセラミックスである。

第２集光光学系１２０５からの光は、レーザ媒質１２０６ａに入射される。すなわち、第２集光光学系１２０５からの光によってレーザ媒質１２０６ａが励起される。なお、面発光レーザアレイ素子１００Ａから射出される光の波長は、ＹＡＧ結晶において最も吸収効率の高い波長である。そして、可飽和吸収体１２０６ｂは、Ｑスイッチの動作を行う。

レーザ媒質１２０６ａの入射側（−Ｚ側）の面、及び可飽和吸収体１２０６ｂの射出側（＋Ｚ側）の面は光学研磨処理がなされ、ミラーの役割を果たしている。なお、以下では、便宜上、レーザ媒質１２０６ａの入射側の面を「第１の面」とも称し、可飽和吸収体１２０６ｂの射出側の面を「第２の面」とも称する（図８参照）。

そして、第１の面及び第２の面には、面発光レーザアレイ素子１００Ａから射出される光の波長、及びレーザ共振器１２０６から射出される光の波長に応じた誘電体膜がコーティングされている。

具体的には、第１の面には、波長が８０８ｎｍの光に対して９９．５％の高い透過率を示し、波長が１０６４ｎｍの光に対して９９．５％の高い反射率を示すコーティングがなされている。又、第２の面には、波長が１０６４ｎｍの光に対して５０％の反射率を示すコーティングがなされている。

これにより、レーザ共振器１２０６内で光が共振して増幅され、第２の面から波長が１０６４ｎｍのレーザ光が射出される。ここでは、レーザ共振器１２０６の共振器長は１０（＝８＋２）ｍｍである。

図７に戻り、駆動装置１２２０は、エンジン制御装置１２２２の指示に基づいて、面発光レーザアレイ素子１００Ａを駆動する。すなわち、駆動装置１２２０は、エンジンの動作における着火のタイミングで点火装置から光が射出されるように、面発光レーザアレイ素子１００Ａを駆動する。なお、面発光レーザアレイ素子１００Ａにおける複数の発光部（面発光レーザ素子１００）は、同時に点灯及び消灯される。

上記の実施の形態において、面発光レーザアレイ素子１００Ａをレーザ共振器１２０６から離れた位置に置く必要がない場合は、光ファイバ１２０４が設けられなくてもよい。

又、第１集光光学系１２０３、第２集光光学系１２０５、及び射出光学系１２１０は、何れも単一のレンズからなっていてもよいし、複数のレンズからなっていてもよい。

又、光源ユニット４１０に代えて、１つの面発光レーザ素子１００より射出される光を平行光とする１つのマイクロレンズを有する光源ユニットを用いてもよい。

又、エンジンとしては、燃焼ガスによってピストンを運動させるエンジン（ピストンエンジン）であってもよく、ロータリーエンジンや、ガスタービンエンジンや、ジェットエンジンであってもよい。要するに、燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する内燃機関であればよい。

又、排熱を利用して、動力や温熱や冷熱を取り出し、総合的にエネルギー効率を高めるシステムであるコジェネレーションに、点火装置を用いてもよい。

又、ここでは、点火装置が内燃機関に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。

又、ここでは、レーザ装置１２００が点火装置に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ装置１２００は、レーザ加工機、レーザピーニング装置、テラヘルツ発生装置等に用いることができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１ レーザ装置
１００ 面発光レーザ素子
１００Ａ 面発光レーザアレイ素子
１１０ 第１の反射鏡
１２０ 共振器構造体
１２１ 下部スペーサ層
１２２ 活性層
１２２ａ ＧａＩｎＡｓ層
１２２ｂ ＧａＡｓ層
１２３ 上部スペーサ層
１３０ 第２の反射鏡
１４０ 第１の電極
１４１ 第１の領域
１４１ｘ 貫通孔
１４２ 第２の領域
１５０ 絶縁膜
１６０ 第２の電極
２００ ヒートシンク
４１０ 光源ユニット
４１３ マイクロレンズアレイ
４２０ 集光光学系
４３０ 光ファイバ
４３１ コア
４３２ クラッド
１２００ レーザ装置
１２０３ 第１集光光学系
１２０４ 光ファイバ
１２０５ 第２集光光学系
１２０６ レーザ共振器
１２０６ａ レーザ媒質
１２０６ｂ 可飽和吸収体
１２１０ 射出光学系
１２１２ 保護部材
１２２０ 駆動装置
１２２２ エンジン制御装置
１３０１ 点火装置

PHOTONICS TECHNLOGY LETTERS, VOL.10, NO.8, (1998)1061 Applied Physics Express, 4, (2011)052102

Claims (11)

1. 活性層を挟むように形成された第１の反射鏡及び第２の反射鏡と、
   前記第１の反射鏡に接続された第１の電極と、
   前記第２の反射鏡に接続された第２の電極と、を有し、
   前記第２の反射鏡側からレーザ光を射出する面発光レーザ素子であって、
   前記第１の電極は、前記第１の反射鏡を構成する半導体材料とオーミックコンタクトを形成する第１の材料で形成された第１の領域と、前記第１の材料よりも熱伝導率が高い第２の材料で形成された第２の領域と、を含み、
   前記第１の領域及び前記第２の領域が前記第１の反射鏡と接触し、
   前記第１の領域には複数の貫通孔が形成され、
   各々の前記貫通孔を充填する前記第２の材料により前記第２の領域が形成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
2. 前記第１の反射鏡はｐ型半導体であることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
3. 前記第１の領域及び前記第２の領域のうち少なくとも一方の領域は、単一の金属材料又は単一の金属材料を積層した構造、により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
4. 前記第１の電極は、前記第１の反射鏡の前記レーザ光の射出側と反対側の面に形成され、
   前記第２の電極は、前記第２の反射鏡の前記レーザ光の射出側の面に環状に形成され、
   前記レーザ光の射出側の面の法線方向から視て、前記第１の電極は前記第２の電極の開口の内側に形成されている請求項１乃至３の何れ一項に記載の面発光レーザ素子。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の面発光レーザ素子を複数配列した面発光レーザアレイ素子。
6. 請求項１乃至４の何れか一項に記載の面発光レーザ素子と、
   前記面発光レーザ素子より射出される光を平行光とするマイクロレンズと、を有することを特徴とする光源ユニット。
7. 請求項５に記載の面発光レーザアレイ素子と、
   前記面発光レーザアレイ素子より射出される光を平行光とするマイクロレンズアレイと、を有することを特徴とする光源ユニット。
8. 請求項６又は７に記載の光源ユニットと、
   前記光源ユニットより射出される光を集光する集光光学系と、を有することを特徴とするレーザ装置。
9. 前記集光光学系を介した光が入射されるレーザ共振器を有することを特徴とする請求項８に記載のレーザ装置。
10. 前記集光光学系を介した光を前記レーザ共振器に伝送する伝送部材を有することを特徴とする請求項９に記載のレーザ装置。
11. 請求項８乃至１０の何れか一項に記載のレーザ装置と、前記レーザ装置から射出される光を集光する光学系と、を有することを特徴とする点火装置。

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