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特許6355178レーザ装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6355178

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

H01S 5/12 20060101AFI20180702BHJP

H01S 5/183 20060101ALI20180702BHJP

H01S 5/022 20060101ALI20180702BHJP

【ＦＩ】

H01S5/12

H01S5/183

H01S5/022

【請求項の数】2

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2017-128008(P2017-128008)

(22)【出願日】2017年6月29日

(62)【分割の表示】特願2013-47125(P2013-47125)の分割

【原出願日】2013年3月8日

(65)【公開番号】特開2017-188697(P2017-188697A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2017年6月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山健一

(72)【発明者】

【氏名】渡邉明佳

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬和義

(72)【発明者】

【氏名】黒坂剛孝

(72)【発明者】

【氏名】杉山貴浩

(72)【発明者】

【氏名】野田進

【審査官】皆藤彰吾

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０−２１９３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１１０１５９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００７−２３４７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／１１６５８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３−２７３４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２−３３７４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Yoshitaka Kurosaka et al.，Effects of non-lasing band in two-dimensional photonic-crystal lasers clarified using omnidirectional band structure，Optics Express，米国，Optical Society of America，２０１２年９月７日，Vol. 20, Issue 19，21773-21783

【文献】 HIROSE,K. et al.，Demonstration of Watt-class High-power Photonic-Crystal Lasers，Lasers and Electro-Optics(CLEO)，米国，Optical Society of America，２０１４年６月８日

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ５／００−５／５０

ＩＥＥＥＸｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、
活性層と、
前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、
前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、
を備え、
前記フォトニック結晶層は、
第１屈折率媒質からなる基本層と、
前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
を備え、
複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、
それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、前記概略直角二等辺三角形の直角を構成する１辺が、前記三角格子を構成する１本の格子線に沿って延びており、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とするレーザ装置。

【請求項2】

フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、
活性層と、
前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、
前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、
を備え、
前記フォトニック結晶層は、
第１屈折率媒質からなる基本層と、
前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、
を備え、
複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、
それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角台形に設定されており、
前記概略直角台形における高さを規定する１辺が、前記三角格子を構成する１本の格子線に沿って延びており、
前記フォトニック結晶面発光レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とするレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フォトニック結晶面発光レーザ素子を用いたレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、非線形光学結晶に、レーザ光が入射すると、非線形光学効果により、波長が変換されたレーザ光が出射される。非線形光学結晶による位相変換によって、基準位置で発生したレーザ光の位相と、基準位置からコヒーレント長だけ離間した位置において発生したレーザ光の位相の差がπとなった場合には、レーザ光が打ち消しあい、その強度が低下する。レーザ光強度の低下を抑制するため、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を用いた擬似位相整合（ＱＰＭ）技術が知られている。この技術では、正又は負の分極領域の光伝播方向の長さが、コヒーレント長（位相がπずれる長さ）となるように、分極反転周期が設定される。

【0003】

特許文献１には、非線形光学結晶と、自身の素子内では共振しない半導体レーザ素子とを組み合わせて、全体として共振を行い、レーザ光を発生するレーザ装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−２１９３０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の図７に記載のレーザ装置においては、発光部の量子井戸層から発生した自然放出光がフォトニック結晶の回折によって垂直方向に進み、外部ミラーに至る割合は非常に少ないと考えられる。このため外部発振に至るには非常に大きな電流注入が必要であり、効率も低くなるため、波長変換光の出力は十分ではないものと考えられる。また、安定した発振を得るためには、外部ミラーから戻ったレーザ光のフォトニック結晶への入射位相は、出射位相と揃っている必要があるが、発光部と外部ミラーとの距離はレーザ波長に比較して非常に長いため、空間発振モード、偏光モードは乱れやすく、得られる波長変換光のビーム形状も不安定となる。

【0006】

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、波長変換光の強度を、際立って向上させ、さらにガウス分布点形状ビームパターンを安定して得ることが可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本レーザ装置においては、レーザ素子自身が単独で発振するため、外部共振器型レーザと比較して、発振に至る注入電流閾値も低く、発振効率も高くすることができる。また、素子内に設けられたフォトニック結晶構造が、レーザ発振時の発振モードに直接作用するため、ビーム形状、偏光特性は安定となり、容易に制御することが可能となる。このように、高い光出力効率、安定したビーム形状、偏光特性を持つレーザ光を、波長変換素子に入射することによって、優れたビーム品質を持ち、光強度の高い波長変換光が得られると考えられる。また、本装置ではレーザ素子自身がガウス分布点形状ビームを出射している。

【0008】

実施態様の１つのレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された正方格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、この概略直角二等辺三角形の直角を構成する２辺が、前記正方格子を構成する縦の格子線及び横の格子線に沿って延びており、この概略直角二等辺三角形の斜辺に平行又は垂直な向きと、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0009】

なお、規定される異屈折率領域の平面形状は、実際の製造においては、数学的に厳密に規定される形状とはならず、角部が丸みを帯び、各辺が若干歪む場合が生じる。「概略」とは、このように、規定の形状が製造時に若干変形する状態を含むことを意味する。

【0010】

レーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が正方格子の格子点位置に配置され、更に上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から出射される波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0011】

実施態様の１つのレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された正方格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略正三角形に設定されており、この概略正三角形の１つの頂点から底辺に下した垂線が、前記正方格子を構成する縦の格子線に沿って延びており、この概略正三角形の前記底辺の向きと、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0012】

この実施態様の１つのレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が正方格子の格子点位置に配置され、更に上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から出射される波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0013】

実施態様の１つのレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された正方格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角台形に設定されており、この概略直角台形における１つの直角を構成する２辺が、前記正方格子を構成する縦の格子線及び横の格子線に沿って延びており、この概略直角台形の下底の向き又は前記下底と４５°を成す向きと、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0014】

【0015】

第１のレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、前記概略直角二等辺三角形の直角を構成する１辺が、前記三角格子を構成する１本の格子線に沿って延びており、本レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0016】

第１のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、更に上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から出射される波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0017】

実施態様の１つのレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略正方形に設定されており、本レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0018】

この実施態様の１つのレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、更に上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から出射される波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0019】

実施態様の１つのレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、扁平率が０よりも大きな概略楕円形に設定されており、前記概略楕円形の長軸が、三角格子を構成する１本の格子線に沿って延びており、本レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0020】

【0021】

第２のレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶を備えたレーザ装置であって、前記フォトニック結晶面発光レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む上部及び下部クラッド層と、前記上部又は下部クラッド層と前記活性層との間に設けられたフォトニック結晶層と、を備え、前記フォトニック結晶層は、第１屈折率媒質からなる基本層と、前記第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり前記基本層内に存在する複数の異屈折率領域と、を備え、複数の前記異屈折率領域は、前記フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子における格子点位置に配置されており、それぞれの前記異屈折率領域の平面形状は、概略直角台形に設定されており、前記概略直角台形における高さを規定する１辺が、三角格子を構成する１本の格子線に沿って延びており、レーザ素子の偏光方向と、前記周期分極反転構造における分極の向きとが一致していることを特徴とする。

【0022】

第２のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、更に上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から出射される波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【発明の効果】

【0023】

このレーザ装置によれば、波長変換されたレーザ光はガウス分布点形状ビームパターンとなり光強度を、際立って向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

【図2】レーザ装置の内部構造の斜視図である。

【図3】レーザ装置における非線形光学結晶を示す図である。

【図4】レーザ装置におけるレーザ素子の縦断面構成を示す図である。

【図5】レーザ素子における構成要素の材料、導電型、厚みについて示す図表である。

【図6】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第１例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【図7】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第１例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における別の状態の分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【図8】レーザ素子におけるフォトニック結晶層の二次元平面の電磁界分布を示す図（Ａ）、フォトニック結晶層の二次元平面内の偏光方向を示す図（Ｂ）である。

【図9】レーザ素子におけるフォトニック結晶層の二次元平面の電磁界分布を示す図（Ａ）、フォトニック結晶層の二次元平面内の偏光方向を示す図（Ｂ）である。

【図10】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第２例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【図11】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第３例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【図12】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第３例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における別の状態の分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【図13】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第４例）の平面図である。

【図14】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第５例）の平面図である。

【図15】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第６例）の平面図である。

【図16】レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第７例）の平面図である。

【図17】レーザ装置におけるレーザ素子の縦断面構成を示す図である。

【図18】レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

【図19】波長と強度の関係を示すグラフである。

【図20】注入電流Ｊ（ｍＡ）と、全体光出力Ｉｔ（ｍＷ）及び波長変換出力Ｉｃ（ａ．ｕ．）の関係を示す図である。

【図21】レーザ光の偏光状態を示す写真を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、実施の形態に係るレーザ装置について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

【0026】

図１は、レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

【0027】

支持基板１の第１領域上に、マウント基板２が固定されており、マウント基板２上にはレーザ素子ＬＤの支持部材３が固定されている。レーザ素子ＬＤは、フォトニック結晶面発光レーザ素子であり、Ｚ軸方向にレーザ光ＬＢを出射する。支持部材３の側面には、レーザ素子ＬＤが導電性の接着剤４を介して固定されている。接着剤４は、半田又は金などからなり、レーザ素子ＬＤの下面を固定電位に接続している。支持部材３の表面には、レーザ素子にバイアス電圧を印加するための正負の電極（図示せず）がパターニングされており、一方の電極が接着剤４によりレーザ素子ＬＤの下面に電気的に接続され、他方の電極がレーザ素子ＬＤの上面にワイヤーボンディング等（図示せず）を用いて電気的に接続されている。

【0028】

支持基板１の第２領域上に、温度制御装置ＣＬが固定され、温度制御装置ＣＬ上に、銅などから構成されるヒートシンク５が固定されている。温度制御装置ＣＬは、ペルチェ素子から構成される。ヒートシンク５上には接着剤６を介して、非線形光学結晶ＮＬが固定されている。接着剤６は、熱伝導性の高い半田や金などの導電性の接着剤とすることもできるが、樹脂などの絶縁性接着剤を用いることとしてもよい。ヒートシンク５の表面は、Ｖ溝ＧＲが形成されており、四角柱形状の非線形光学結晶ＮＬの隣接する２側面は、Ｖ溝ＧＲの内面に接着剤６を介して固定されている。なお、非線形光学結晶ＮＬは、擬似位相整合（ＱＰＭ）構造を有する周期分極反転構造を有している。

【0029】

支持基板１には、温度制御装置ＣＬに電力を供給するための駆動回路７が設けられている。駆動回路７は、支持基板１に内蔵されていてもよいが、支持基板１表面に取り付けてもよく、また、支持基板１から離間した位置に配置されてもよい。支持基板１に内蔵する場合には、例えば、支持基板１の下面に凹部を形成し、当該凹部内に駆動回路７を配置すればよい。ヒートシンク５には、非線形光学結晶ＮＬの温度を直接的又は間接的に計測するためのセンサＳが取り付けられている。このセンサＳは、好適にはヒートシンク５の温度を計測する温度センサであり、センサＳの出力は駆動回路７に入力され、駆動回路７はセンサＳから入力されたデータに基づいて、温度制御装置ＣＬに供給する駆動電力の大きさを帰還制御する。すなわち、センサＳからの出力が設定値よりも大きい場合には、駆動電力を小さくし、小さい場合には駆動電力を大きくする。

【0030】

センサＳは、非線形光学結晶ＮＬの温度を直接的又は間接的に計測するものであるから、センサＳは非線形光学結晶ＮＬに直接取り付けることとしてもよい。センサＳは、熱電対から構成することができるが、放射温度計とすることもできる。放射温度計の場合には、例えば非線形光学結晶ＮＬから出射される赤外線又は可視光を測定する。放射温度計は、レーザ光波長を遮断するフィルタを備えたフォトダイオードとすることも可能である。

【0031】

センサＳは、レーザ光ＬＢの強度モニタとして、測定された強度に対応する非線形光学結晶ＮＬの温度をテーブルから読み出すルックアップテーブル方式で構成してもよい。すなわち、レーザ装置から出力されるレーザ光ＬＢの強度及び／又は波長と、非線形光学結晶ＮＬの温度との相関データを予め取得し、これを記憶装置内のテーブルに格納しておけば、ルックアップテーブル方式で温度計測を行うことができる。

【0032】

支持基板１には、上述の要素を収容するカバー８が取り付けられている。カバー８の側面にはレーザ光ＬＢを出射するための出射窓９が取り付けられており、カバー８は支持基板１と共に、内部空間を密閉し、外部温度・湿度や粉塵などの外部からの影響を抑制している。レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は、Ｚ軸の正方向に沿って進行し、非線形光学結晶ＮＬを通って波長変換され、波長変換後のレーザ光ＬＢは出射窓９を介して外部に出力される。なお、冷却装置ＣＬの駆動回路７は、レーザ素子４の駆動回路を含んでいてもよい。

【0033】

また、支持基板１は銅などからなるヒートシンクとすることも可能であり、この場合には、マウント基板２、支持部材３、及びレーザ素子ＬＤも冷却される。また、配線等の導電体を介して、レーザ素子ＬＤの下面が支持基板１に電気的に接続される場合には、当該配線等を介して、支持基板１がレーザ素子ＬＤを冷却することができる。

【0034】

図２は、レーザ装置の内部構造の斜視図である。

【0035】

レーザ素子ＬＤの光出射面Ｓ_ＬＤから出射されたレーザ光ＬＢは、Ｚ軸方向に進行し、Ｚ軸に垂直な光入射面を有する非線形光学結晶ＮＬに入射する。非線形光学結晶ＮＬは、擬似位相整合（ＱＰＭ）構造の周期分極反転構造を有しており、正の分極領域ＮＬＰ、負の分極領域ＮＬＮをＺ軸方向に沿って交互に積層してなる。各分極領域の光伝播方向（Ｚ軸方向）の長さは、コヒーレント長（伝播するレーザ光ＬＢの位相がπずれる長さ）となるように、分極反転周期が設定されている。各分極領域の分極の方向Ｄ_Ｐは、図示の如く、レーザ光ＬＢの進行方向に沿って交互に反転して切り替わる。

【0036】

なお、説明の明確化のため、支持基板１の主表面（要素をマウントする面）をａｃ面とし、ａ軸及びｃ軸の双方に垂直な軸をｂ軸とし、ａｂｃ直交座標系を設定する。また、Ｚ軸は、ｃ軸と一致しており、ａｂｃ直交座標系をｃ軸の周りに回転させた座標系をＸＹＺ直行座標系とする。ｂ軸からＹ軸までのｃ軸周りの回転角度をθとする。

【0037】

非線形光学結晶ＮＬは、Ｚ軸方向を長手方向とする直方体であり、レーザ光ＬＢの光入射面をＸＹ平面とし、光入射面を囲む４つの面が、ＸＺ面及びＹＺ面のいずれかから構成される形状を有している。直方体のレーザ素子ＬＤの光出射面Ｓ_ＬＤは、ａｂ面（ＸＹ面）であり、光出射面に垂直な側面がａｃ面となる。すなわち、ＸＹＺ直交座標系は、非線形光学結晶ＮＬの向きに合わせて設定された座標系であり、ａｂｃ直交座標系はレーザ素子ＬＤに合わせて設定された座標系である。

【0038】

図３は、レーザ装置における非線形光学結晶を示す図である。

【0039】

レーザ光ＬＢの出射面Ｓ_ＬＤから非線形光学結晶ＮＬの光入射面までの距離をＬ１，非線形光学結晶ＮＬの光入射面から光出射面までの距離をＬ２，全体の距離をＬ_Ｒとする。また、一対の正の分極領域ＮＬＰと負の分極領域ＮＬＮのＺ軸に沿った長さをＬ３とする。ＱＰＭ構造では、レーザ素子から出射されるレーザ光ＬＢの基本波の波長λに対して、基本波に対する屈折率ｎ_ω、非線形光学結晶ＮＬから出射される第２高調波に対する屈折率ｎ_２ω、次数をｍ（通常１）として、分極反転周期Ｌ３＝ｍλ/（２（ｎ_２ω−ｎ_ω））に設定される。

【0040】

各分極領域を構成する強誘電体結晶として、Ｍｇなどの適当な添加物を含むＬｉＮｂＯ_３、Ｍｇなどの適当な添加物を含むＬｉＴａＯ_３等を用いて周期分極反転構造を形成することができる。

【0041】

レーザ素子の出射面Ｓ_ＬＤにおけるレーザ光ＬＢの直径（Ｙ軸方向長）をＷ１、非線形光学結晶ＮＬのＹ軸方向長をＷ２、非線形光学結晶ＮＬの光出射面におけるレーザ光ＬＢの直径（Ｙ軸方向長）をＷ３とする。光出射面Ｓ_ＬＤから出射されるレーザ光ＬＢの広がり角を２×βとする。βは、非線形光学結晶ＮＬの光出射面に対する法線とレーザ光ＬＢの最も外側の光線の成す角度である。βは次の関係（２β＝２ａｒｃｔａｎ｛（Ｗ３―Ｗ１）／２ＬＲ｝）を有している。

【0042】

また、レーザ素子は回折限界の光出射時２β＝１．２２×λ／Ｗ１（ｒａｄ）を満たし、βが小さい場合には、近軸近似計算により、Ｗ３＝Ｗ１＋（２×β×（ＬＲ＋Ｌ１））である。レーザ光が非線形光学結晶ＮＬ内に収まるには、Ｗ３＜Ｗ２を満たす必要がある。例えば、Ｗ３＝２００μｍ、λ＝１μｍの場合、β＝３．０５×１０^−３ｒａｄ、Ｗ３＝０．２＋６．１×１０^−３×（ＬＲ＋Ｌ１）（ｍｍ）となる。試作では、（ＬＲ＋Ｌ１）＝４０ｍｍとしたため、Ｗ３＝０．０．４４４ｍｍとなる。非線形光学結晶ＮＬのサイズＷ２＝０．５ｍｍとしたため、本光学系ではＷ３＜Ｗ２を満たしている。

【0043】

以上のように、上述のレーザ装置は、フォトニック結晶面発光レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光ＬＢが入射する周期分極反転構造を有する非線形光学結晶ＮＬを備えたレーザ装置である。次に、フォトニック結晶面発光レーザ素子ＬＤの詳細構造について説明する。

【0044】

図４は、レーザ装置におけるレーザ素子の縦断面構成を示す図であり、図５は、レーザ素子における構成要素の材料、導電型、厚みについて示す図表である。

【0045】

レーザ素子ＬＤは、活性層４と、活性層４を挟む上部クラッド層７及び下部クラッド層２と、上部クラッド層７（又は下部クラッド層２：図１７）と活性層４との間に設けられたフォトニック結晶層６（屈折率変調層）とを備えている。クラッド層と活性層４との間には、光ガイド層が介在し、上部クラッド層７上にはコンタクト層８が形成されている。

【0046】

すなわち、このレーザ素子ＬＤは、半導体基板１と、下部クラッド層２と、下部光ガイド層３と、活性層４と、上部光ガイド層５と、フォトニック結晶層６と、上部クラッド層７と、コンタクト層８を順次積層してなり、半導体基板１の裏面には第１電極、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が接触して設けられている。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に順方向バイアス電圧を印加すると、クラッド層間に位置する活性層４内において発光が生じ、フォトニック結晶層６によって変調されて。基板面に垂直な方向（ｃ軸、Ｚ軸）にレーザ光ＬＢが出射する。

【0047】

各要素の材料は、図５に示す通りであり、半導体基板１はＧａＡｓからなり、下部クラッド層２はＡｌＧａＡｓからなり、下部光ガイド層３はＡｌＧａＡｓからなり、活性層４は多重量子井戸構造ＭＱＷ（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／井戸層：ＩｎＧａＡｓ）からなり、上部光ガイド層５は、下層ＡｌＧａＡｓ／上層ＧａＡｓからなり、フォトニック結晶層６は基本層６ＡがＧａＡｓ、基本層６Ａ内に埋め込まれた異屈折率領域（埋込層）６ＢがＡｌＧａＡｓからなり、上部クラッド層７がＡｌＧａＡｓからなり、コンタクト層がＧａＡｓからなる。なお、各層には、図５に示すように、第１導電型（Ｎ型）の不純物又は、第２導電型（Ｐ型）の不純物が添加されており（不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^２１／ｃｍ^３）、意図的にはいずれの不純物も添加されていない領域は真性（Ｉ型）となっている。Ｉ型の不純物濃度は１×１０^１５／ｃｍ^３以下である。

【0048】

また、クラッド層のエネルギーバンドギャップは、光ガイド層のエネルギーバンドギャップよりも大きく、光ガイド層のエネルギーバンドギャップは活性層４の井戸層のエネルギーバンドギャップよりも大きく設定されている。ＡｌＧａＡｓにおいては、Ａｌの組成比を変更することで、容易にエネルギーバンドギャップと屈折率を変えることができる。Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＡｓにおいて、相対的に原子半径の小さなＡｌの組成比Ｘを減少（増加）させると、これと正の相関にあるエネルギーバンドギャップは小さく（大きく）なり、ＧａＡｓに原子半径の大きなＩｎを混入させてＩｎＧａＡｓとすると、エネルギーバンドギャップは小さくなる。すなわち、クラッド層のＡｌ組成比は、光ガイド層のＡｌ組成比よりも大きく、光ガイド層のＡｌ組成比は、活性層の障壁層（ＡｌＧａＡｓ）よりもＡｌ組成以上である。クラッド層のＡｌ組成比は０．２〜０．５に設定され、本例では０．４とする。光ガイド層及び活性層における障壁層のＡｌ組成比は０．１〜０．１５に設定され、本例では０．１とする。

【0049】

また、各層の厚みは、図５に示す通りであり、同図内の数値範囲は好適値を示し、括弧内の数値は試作を行った最適値を示している。

【0050】

なお、図２１は、レーザ素子から得られる典型的なパターンビームの偏光状態を示す遠視野像写真である。

【0051】

（Ａ）はレーザ素子から直接得られている遠視野象であり、ガウス分布点形状の遠視野像が得られていることが分かる。（Ｂ）、（Ｃ）には偏光フィルタを透過させて撮影した遠視野像写真を示している。レーザ素子の偏光角度と偏光フィルタの偏光方位との相対角度が０°の場合（Ｂ）には、偏光フィルタがない場合（Ａ）と同様なガウス分布点形状ビームパターンが観察された。一方、偏光方位との相対角度が９０°の場合（Ｃ）には、ビームパターンは筋状となり、さらに透過光強度は、相対角度０°の場合（Ｂ）と比較して数分の１に減少した。非線形光学結晶は周期反転分極方向に偏光した基本波のみを波長変換するため、上記偏光フィルタと同様な役割を果たす。したがって、レーザ光の偏光方向を非線形光学結晶は周期反転分極方向に合わせると、非線形光学結晶から得られる波長変換光はレーザ素子の偏光方向と偏光フィルタの位相角度が０°に対応した、ガウス分布点形状ビームパターンとなる。

【0052】

ここで、フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備えている。また、本レーザ素子においてはフォトニック結晶の格子間隔は、正方格子の場合には格子間隔が、レーザ発振波長を素子内部の実効屈折率で割った実効的なレーザ波長に一致する様に設けられる。三角格子の場合には格子間隔が、レーザ発振波長を素子内部の実効屈折率で割り（２/√３）倍した値となる様に設けられる。以下、詳説する。

【0053】

図６は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第１例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【0054】

図６においては、フォトニック結晶内の電磁界分布がＭｏｄｅＡ（図８）となった場合について説明する。複数の異屈折率領域６Ｂは、フォトニック結晶層６の主表面上に設定された正方格子（点線で示す）における格子点位置に配置されており、それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、この概略直角二等辺三角形の直角を構成する２辺が、正方格子を構成する縦の格子線ＬＶ及び横の格子線ＬＨに沿って延びている。

【0055】

ここで、この概略直角二等辺三角形の斜辺に平行な向き（Ｙ軸：ｂ軸をθだけ回転した軸：θ＝４５°）と、非線形光学結晶ＮＬの周期分極反転構造における分極の向きＤ_Ｐ（Ｙ軸）とが一致している。

【0056】

なお、規定される異屈折率領域６Ｂの平面形状は、実際の製造においては、数学的に厳密に規定される形状とはならず、角部が丸みを帯び、各辺が若干歪む場合が生じる。「概略」とは、このように、規定の形状が製造時に若干変形する状態を含むことを意味する。

【0057】

第１例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶ＮＬに入射すると、非線形光学結晶ＮＬにおいて波長変換が行われ、非線形光学結晶ＮＬから出射される。フォトニック結晶層６における異屈折率領域６Ｂが正方格子の格子点位置に配置され、更に形状及び向きが上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から得られる波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。これは異屈折率領域６Ｂにおいて発生する偏光方位が、ＭｏｄｅＡにおいて、分極の向きＤ_Ｐに一致しているためである。

【0058】

図７は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第１例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における別の状態の分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【0059】

図６においては、フォトニック結晶内の電磁界分布がＭｏｄｅＡ（図８）となった場合について説明したが、図７においてはＭｏｄｅＢ（図９）となった場合について説明する。

【0060】

図６と同様に、複数の異屈折率領域６Ｂは、フォトニック結晶層６の主表面上に設定された正方格子（点線で示す）における格子点位置に配置されており、それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、この概略直角二等辺三角形の直角を構成する２辺が、正方格子を構成する縦の格子線ＬＶ及び横の格子線ＬＨに沿って延びている。

【0061】

ここで、この概略直角二等辺三角形の斜辺に垂直な向き（Ｙ軸：ｂ軸を−θだけ回転した軸：θ＝４５°）と、非線形光学結晶ＮＬの周期分極反転構造における分極の向きＤ_Ｐ（Ｙ軸）とが一致している。

【0062】

この場合も、第１例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶ＮＬに入射すると、非線形光学結晶ＮＬにおいて波長変換が行われ、非線形光学結晶ＮＬから出射される。フォトニック結晶層６における異屈折率領域６Ｂが正方格子の格子点位置に配置され、更に形状及び向きが上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から得られる波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。これは異屈折率領域６Ｂにおいて発生する偏光方位が、ＭｏｄｅＢにおいて、分極の向きＤ_Ｐに一致しているためである。

【0063】

ＭｏｄｅＡとＭｏｄｅＢは、レーザ素子のフォトニック結晶形状、半導体量子井戸層のゲイン波長等を変更することにより、切り替えることができる。

【0064】

図８は、非特許文献Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．Ｖｏｌ．１９（２４）ｐ２４６７２に示されているＭｏｄｅＡにおける、レーザ素子におけるフォトニック結晶層の二次元平面の電磁界分布を示す図（Ａ）、フォトニック結晶層の二次元平面内の偏光方向を示す図（Ｂ）である。

【0065】

ここで、図８（Ａ）の円の周方向に沿って並ぶ矢印は、電界の向きと強さを示している。フォトニック結晶層における屈折率の小さい異屈折率領域６Ｂに生じる電界が素子の偏光方向に寄与するため、三角形の斜辺に平行な方向の偏光が、大きくなる。

【0066】

図８（Ｂ）は、上記偏光の方向（大矢印で示す）を示すものである。座標系のＲｘ、Ｒｙ，Ｓｘ，Ｓｙは、フォトニック結晶面内に生じている４方向の基本定在波の進行軸方向を示し、また、各ベクトルは、それぞれの定在波に生じる偏光方向とその強さを示している。上記定在波が垂直面方向発振に寄与する際には、図の如くの偏光方向が生じることになる。

【0067】

図９は、非特許文献Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．Ｖｏｌ．１９（２４）ｐ２４６７２に示されているＭｏｄｅＢにおける、レーザ素子におけるフォトニック結晶層の二次元平面の電磁界分布を示す図（Ａ）、フォトニック結晶層の二次元平面内の偏光方向を示す図（Ｂ）である。

【0068】

ここで、図９（Ａ）の円の周方向に沿って並ぶ矢印は、電界の向きと強さを示している。フォトニック結晶層における屈折率の小さい異屈折率領域６Ｂに生じる電界が素子の偏光方向に寄与するため、三角形の斜辺に垂直な方向の偏光が、大きくなる。

【0069】

図９（Ｂ）は、上記偏光の方向（大矢印で示す）を示すものである。座標系のＲｘ、Ｒｙ，Ｓｘ，Ｓｙは、フォトニック結晶面内に生じている４方向の基本定在波の進行軸方向を示し、また、各ベクトルは、それぞれの定在波に生じる偏光方向とその強さを示している。上記定在波が垂直面方向発振に寄与する際には、図の如くの偏光方向が生じることになる。

【0070】

図１０は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第２例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【0071】

フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備え、複数の異屈折率領域６Ｂは、フォトニック結晶層の主表面上に設定された正方格子（点線で示す）における格子点位置に配置されている。それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略正三角形に設定されており、この概略正三角形の１つの頂点から底辺に下した垂線が、前記正方格子を構成する縦の格子線ＬＶに沿って延びており、この概略正三角形の底辺の向き（Ｙ軸＝ｃ軸：θ＝０°）と、周期分極反転構造における分極の向きＤ_Ｐ（Ｙ軸）とが一致している。

【0072】

第２例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域６Ｂが正方格子の格子点位置に配置され、更に形状及び向きが上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から得られる波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。これは異屈折率領域６Ｂにおいて発生する偏光方位が、分極の向きＤ_Ｐに一致しているためである。

【0073】

図１１は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第３例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【0074】

フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備え、複数の異屈折率領域６Ｂは、フォトニック結晶層の主表面上に設定された正方格子（点線で示す）における格子点位置に配置されている。

【0075】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角台形に設定されており、この概略直角台形における１つの直角を構成する２辺が、正方格子を構成する縦の格子線ＬＶ及び横の格子線ＬＨに沿って延びており、この概略直角台形の下底（長い辺を下底：短い辺を上底とする）の向き（Ｙ軸＝ｃ軸：θ＝０°）と、周期分極反転構造における分極の向きＤ_Ｐ（Ｙ軸）とが一致している。

【0076】

第３例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域６Ｂが正方格子の格子点位置に配置され、更に形状及び向きが上記の条件を満たした場合には、非線形光学結晶から得られる波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。これは異屈折率領域６Ｂにおいて発生する偏光方位が、分極の向きＤ_Ｐに一致しているためである。

【0077】

図１２は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第３例）の平面図（Ａ）、非線形光学結晶における別の状態の分極の向きを示す図（Ｂ）である。

【0078】

【0079】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角台形に設定されており、この概略直角台形における１つの直角を構成する２辺が、正方格子を構成する縦の格子線ＬＶ及び横の格子線ＬＨに沿って延びており、この概略直角台形の下底と４５°を成す向き（Ｙ軸＝ｃ軸：θ＝４５°）と、周期分極反転構造における分極の向きＤ_Ｐ（Ｙ軸）とが一致しており、上記と同様の理由から、非線形光学結晶から得られる波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0080】

なお、図１１及び図１２のモードは、レーザ素子のフォトニック結晶形状、半導体量子井戸層のゲイン波長等を変更すると切り替えることができる。

【0081】

図１３は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第４例）の平面図(ＸＹ平面)である。

【0082】

フォトニック結晶層６は、第１屈折率媒質からなる基本層６Ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり基本層６Ａ内に存在する複数の異屈折率領域６Ｂとを備え、複数の異屈折率領域６Ｂは、フォトニック結晶層の主表面上に設定された三角格子（点線で示す）における格子点位置に配置されている。

【0083】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角二等辺三角形に設定されており、この概略直角二等辺三角形の直角を構成する１辺が、三角格子を構成する１本の格子線ＬＨに沿って延びており、右上から左下に延びる格子線をＬＶ１，左上から右下に延びる格子線をＬＶ２として示しており、各格子は正三角形を構成している。

【0084】

第４例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、レーザ素子の偏光方向が非線形光学結晶の周期分極反転方向と一致した場合には、波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0085】

図１４は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第５例）の平面図(ＸＹ平面)である。

【0086】

【0087】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略正方形に設定されており、この概略正方形の１つの辺が、三角格子を構成する横の格子線ＬＨに沿って延びており、右上から左下に延びる格子線をＬＶ１，左上から右下に延びる格子線をＬＶ２として示しており、各格子は正三角形を構成している。

【0088】

第５例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、レーザ素子の偏光方向が非線形光学結晶の周期分極反転方向と一致した場合には、波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0089】

図１５は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第６例）の平面図(ＸＹ平面)である。

【0090】

【0091】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、扁平率が０よりも大きな概略楕円形（真円ではない）に設定されており、この概略楕円形の長軸が、三角格子を構成する横の格子線ＬＨに沿って延びており、右上から左下に延びる格子線をＬＶ１，左上から右下に延びる格子線をＬＶ２として示しており、各格子は正三角形を構成している。

【0092】

第６例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層６における異屈折率領域６Ｂが三角格子の格子点位置に配置され、レーザ素子の偏光方向が非線形光学結晶の周期分極反転方向と一致した場合には、波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0093】

図１６は、レーザ素子におけるフォトニック結晶層（第７例）の平面図(ＸＹ平面)である。

【0094】

【0095】

それぞれの異屈折率領域６Ｂの平面形状は、概略直角台形に設定されており、この概略直角台形における高さを規定する１辺が、三角格子を構成する横の格子線ＬＨに沿って延びており、右上から左下に延びる格子線をＬＶ１，左上から右下に延びる格子線をＬＶ２として示しており、各格子は正三角形を構成している。

【0096】

第７例のレーザ装置において、フォトニック結晶面発光レーザ素子から出射されたレーザ光が、周期分極反転構造を有する非線形光学結晶に入射すると、非線形光学結晶において波長変換が行われ、非線形光学結晶から出射される。ここで、フォトニック結晶層における異屈折率領域が三角格子の格子点位置に配置され、レーザ素子の偏光方向が非線形光学結晶の周期分極反転方向と一致した場合には、波長変換光はガウス分布点形状ビームパターンを持ち、光強度が、際立って向上する。

【0097】

図１７は、レーザ装置におけるレーザ素子の縦断面構成を示す図である。

【0098】

このレーザ素子ＬＤは、半導体基板１と、下部クラッド層２と、下部光ガイド層３と、フォトニック結晶層６と、活性層４と、上部光ガイド層５と、上部クラッド層７と、コンタクト層８を順次積層してなり、半導体基板１の裏面には第１電極、コンタクト層８の上面には第２電極Ｅ２が接触して設けられている。図４に示したものと、フォトニック結晶層６の位置のみが異なり、材料、構造及び機能は、図４のものと同一である。このレーザ素子においても、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に順方向バイアス電圧を印加すると、クラッド層間に位置する活性層４内において発光が生じ、フォトニック結晶層６によって変調されて。基板面に垂直な方向（ｃ軸、Ｚ軸）にレーザ光ＬＢが出射する。

【0099】

図１８は、レーザ装置の縦断面構成を示す図である。

【0100】

このレーザ装置は、図１に示したものと比較して、ヒートシンク５がＶ溝を備えておらず、支持部材３が、Ｚ軸方向の回転軸１０を回転可能に支持しており、回転軸１０と支持部材３との間にはボールベアリングＢが介在し、回転軸１０の先端に副支持部材１１が固定され、副支持部材１１上にレーザ素子ＬＤが接着剤４を介して固定されている点が異なる。なお、支持部材３には回転止めのピン機構１２が設けられており、ピン機構１２を挿入すると副支持部材１１の裏面に当接し、レーザ素子ＬＤの回転位置が固定される。その他の構成は、図１に示したものと同一である。

【0101】

このような構成によっても、レーザ素子ＬＤと非線形光学結晶ＮＬとの相対回転角θを調整することができる。

【0102】

図１９は、本レーザ装置における波長と強度の関係を示すグラフである。

【0103】

レーザ素子ＬＤから出射されたレーザ光は中心波長として１０６８ｎｍを有している（図１９（Ａ））。この場合において、非線形光学結晶ＮＬから出射されるレーザ光の中心波長は５３４ｎｍの波長を有する（図１９（Ｂ））。周波数が２倍（波長は１／２）となる高調波が得られている。

【0104】

図２０は、レーザ素子への注入電流Ｊ（ｍＡ）と、非線形光学結晶ＮＬ通過後の全体光出力Ｉｔ（ｍＷ）及び波長変換光出力Ｉｃ（ａ．ｕ．）の関係を示す図である。

【0105】

注入電流Ｊを増加させると、全体光出力Ｉｔはレーザ素子の光出力を反映して高い線形性を維持して増加する。一方、非線形光学結晶から出力される波長変換光出力Ｉｃは、注入電流Ｊに対して非線形な上昇が確認された。これは非線形光学結晶ＮＬの波長変換効率が入射基本波レーザ光の光密度の二乗に比例することに対応している。

【0106】

なお、上述の実験における寸法は以下の通りである。
非線形光学結晶：MgOドープLiNbO₃（PPLN）
Ｌ２＝３５ｍｍ
Ｌ３＝７μｍ
Ｗ２＝０．５ｍｍ
異屈折率領域を構成する直角二等辺三角形の寸法：２４０ｎｍ（二等辺の長さ）
正方格子の格子線の間隔：３２０ｎｍ

【0107】

なお、本発明では、レーザ素子と非線形光学結晶との間に集光又はコリメータレンズを備えてもよい。また、レーザ素子のフォトニック結晶部６Ｂは、半導体材料により完全に埋め込まれていても良いし、空隙となっていても良い。また、非線形光学結晶は分極反転構造を持つ物のみを示したが、分極反転構造を持たないＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、β―Ｂａ_２Ｂ_２Ｏ_３（ＢＢＯ）、またはＬｉＢ_２Ｏ_５（ＬＢＯ）等の非線形光学結晶を用いても良い。この時は非線形光学結晶の最も波長変換効率の高い結晶面に対して、レーザ素子の偏光方向を合わせれば良い。なお、上述のレーザ素子は、非線形光学結晶なくして単独で発振してレーザ光を出射するものである。

【0108】

なお、上述の構造において、活性層４およびフォトニック結晶層６を含む構成であれば、材料系、膜厚、層の構成には自由度を持つ。レーザ素子の製造においては、各化合物半導体層は、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いる。半導体基板１の（００１）面上に結晶成長を行うが、これに限られるものではない。また、上述のＡｌＧａＡｓを用いたレーザ素子の製造においては、ＡｌＧａＡｓの成長温度は５００℃〜８５０℃であって、実験では５５０〜７００℃を採用し、成長時におけるＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニム）、ガリウム原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）およびＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｓ原料としてはＡｓＨ₃（アルシン）、Ｎ型不純物用の原料としてＳｉ₂Ｈ₆（ジシラン）、Ｐ型不純物用の原料としてＤＥＺｎ（ジエチル亜鉛）を用いる。ＧａＡｓの成長においては、ＴＭＧとアルシンを用いるが、ＴＭＡを用いない。ＩｎＧａＡｓは、ＴＭＧとＴＭＩ（トリメチルインジウム）とアルシンを用いて製造する。必要に応じて基板表面を被覆する絶縁膜の形成は、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法を用いて形成すればよい。

【0109】

すなわち、上述のレーザ素子は、まず、Ｎ型の半導体基板（ＧａＡｓ）１上に、Ｎ型のクラッド層（ＡｌＧａＡｓ）２、ガイド層（ＡｌＧａＡｓ）３、多重量子井戸構造（ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）４、光ガイド層（ＧａＡｓ／ＡａＧａＡｓ）５、フォトニック結晶層となる基本層（ＧａＡｓ）６Ａを、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用いて順次、エピタキシャル成長させる。次に、ＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法により、ＳｉＮ層を基本層６Ａ上に形成し、レジストを、ＳｉＮ層上に形成する。

【0110】

次に、レジスト上に電子ビーム描画装置で２次元微細パターンを描画し、現像することでレジスト上に２次元微細パターンを形成する。その後、レジストをマスクとして、ドライエッチングにより１００〜３００ｎｍ程度の深さを持つ２次元微細パターンを基本層６Ａ上に転写し、孔（穴）を形成し、レジストとＳｉＮ層を除去する。次に、上部クラッド層（ＡｌＧａＡｓ）７、コンタクト層（ＧａＡｓ）８を順次ＭＯＣＶＤで形成し、適当な電極材料を蒸着法で基板の上下面に形成して第１及び第２電極を形成する。また、必要に応じて、基板の上下面に絶縁膜をＰＣＶＤ（プラズマＣＶＤ）法等で形成することができる。

【0111】

フォトニック結晶層を活性層の下部に備える場合には、活性層及び下部光ガイド層の形成前に、下部クラッド層上にフォトニック結晶層を形成すればよい。

【0112】

なお、格子間隔ａの正方格子の場合、直交座標の単位ベクトルをｘ、ｙとすると、基本並進ベクトルａ_１＝ａｘ、ａ_２＝ａｙであり、並進ベクトルａ_１、ａ_２に対する逆格子基本ベクトルｂ_１＝（２π／ａ）ｙ、ｂ_２＝（２π／ａ）ｘである。フォトニック結晶のエネルギーバンドギャップにおける波数ベクトルｋ＝ｎｂ_１＋ｍｂ_２（ｎ、ｍは任意の整数）の場合に、波数ｋがΓ点となり、格子間隔ａが波長λに等しい共振モード（ＸＹ平面内における定在波）が得られる。なお、モードＡ（Mode A）は、共振モードの中で最も周波数が低いものであり、モードＢ(Mode B)は、その次に周波数の低いものである。

【0113】

なお、上述のフォトニック結晶層（位相変調層）内の定在波の面内電磁界分布（点光源の面内位相分布）をフーリエ変換して得られる形状は、ガウス分布点形状（スポット）である。なお、基本層６Ａの屈折率は３．０〜３．５、異屈折率領域６Ｂの屈折率は１．０〜３．４であることが好ましい。なお、レーザ光の偏光方向は、平面視における孔形状の長手方向の水平あるいは垂直方向に沿う傾向がある。

【符号の説明】

【0114】

６Ａ…基本層、６Ｂ…異屈折率領域、ＮＬ…非線形光学結晶。

【図1】