特許 6688218 モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）

(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】6688218

(24)【登録日】2020年4月7日

(45)【発行日】2020年4月28日

(54)【発明の名称】モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/065 20060101AFI20200421BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20200421BHJP

   H01S 5/022 20060101ALI20200421BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20200421BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/065

   H01S5/14

   H01S5/022

   H01S5/183

【請求項の数】26

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-524141(P2016-524141)

(86)(22)【出願日】2014年10月29日

(65)【公表番号】特表2016-535934(P2016-535934A)

(43)【公表日】2016年11月17日

(86)【国際出願番号】GB2014053214

(87)【国際公開番号】WO2015063478

(87)【国際公開日】20150507

【審査請求日】2017年10月16日

(31)【優先権主張番号】1319100.2

(32)【優先日】2013年10月29日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】514245096

【氏名又は名称】ソーラス テクノロジーズ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＳＯＬＵＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】特許業務法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ハミルトン，クレイグ ジェームス

(72)【発明者】

【氏名】マルコム，グレーム ペーター アレクサンダー

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００３−５２３０９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５２５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−３４０１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１４４６１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２５３８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５０２８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９８０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５２０７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００４３７９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／００１２２４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００１９４０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 KUZNETSOV M. et al.，"Design and Characteristics of High-power (>0.5-W CW) Diode-Pumped Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Semiconductor Lasers with Circular TEM/sub 00/ Beams"，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，IEEE，１９９９年 ６月，Volume: 5, Issue: 3, May/Jun 1999，pp561-pp573，ＵＲＬ，http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=788419&isnumber=17082

【文献】 ZHAO et al.，Subpicosecond pulse generation from a 1.56μm mode-locked VECSEL，OPTICS LETTERS，米国，Optical Society of America，２０１１年１１月，Vol.36, No.22，pp.4377-4379

【文献】 TSUDA et al.，Mode-Locking Ultrafast Solid-State Lasers with Saturable Bragg Reflectors，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，米国，IEEE，１９９６年 ９月，VOL.2, NO.3，pp.454-464

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１および第２ミラーを終端とし、第３ミラーにより折り返された共振器を有するレーザにおいて、
前記第２ミラーは、所定の波長λ_０で共振器フィールドをモード同期することに適した強度可飽和ミラーを具え、
前記第３ミラーは、少なくとも１つの量子井戸を有する、多層半導体利得媒体が搭載された反射器を具え、前記利得媒体は、当該利得媒体が第１共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性であるときに、所定の波長λ_０において共振器フィールドを発生するよう構成され、
前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルは、所定の波長λ_０よりも短い波長にオフセットされ、所定の波長λ_０より長い波長において、前記利得媒体が第２共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性であるときに利得を抑制するよう構成されることを特徴とするレーザ。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザにおいて、前記反射器が、第１分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を具えることを特徴とするレーザ。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のレーザにおいて、前記強度可飽和ミラーが、第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、前記第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）中に配置された１以上の量子井戸の層とを有する、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を具えることを特徴とするレーザ。

【請求項4】

請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルが、共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の自由スペクトル領域の半分から一つ分の範囲の波長にオフセットされることを特徴とするレーザ。

【請求項5】

請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記第１ミラーが、共振器の出力カプラとして機能させるために、所定の波長において、やや反射性で、やや透過性であることを特徴とするレーザ。

【請求項6】

請求項５に記載のレーザにおいて、前記第１ミラーが、凹面の曲率半径を有していることを特徴とするレーザ。

【請求項7】

請求項６に記載のレーザにおいて、前記第１ミラーの前記凹面の曲率半径が２００ｍｍであることを特徴とするレーザ。

【請求項8】

請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記共振器が、追加的に第４ミラーにより折り返され、前記第４ミラーは、前記第２ミラーおよび第３ミラーの間に配置されることを特徴とするレーザ。

【請求項9】

請求項８に記載のレーザにおいて、前記第４ミラーが、凹面の曲率半径を有していることを特徴とするレーザ。

【請求項10】

請求項９に記載のレーザにおいて、前記第４ミラーの凹面の曲率半径が２００ｍｍであることを特徴とするレーザ。

【請求項11】

請求項８乃至請求項１０のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記共振器が、追加的に第５ミラーにより折り返され、前記第５ミラーは、前記第２および第４ミラーの間に配置されることを特徴とするレーザ。

【請求項12】

請求項１１に記載のレーザにおいて、前記第５ミラーが平面状であることを特徴とするレーザ。

【請求項13】

請求項１１または請求項１２に記載のレーザにおいて、前記共振器が、追加的に第６ミラーにより折り返され、前記第６ミラーは、前記第２および第５ミラーの間に配置されることを特徴とするレーザ。

【請求項14】

請求項１３に記載のレーザにおいて、前記第６ミラーが凹面の曲率半径を有することを特徴とするレーザ。

【請求項15】

請求項１４に記載のレーザにおいて、前記第６ミラーの凹面の曲率半径が２００ｍｍであることを特徴とするレーザ。

【請求項16】

請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記共振器の１組以上の隣接したミラーが、１５０ｍｍのミラー間隔を有することを特徴とするレーザ。

【請求項17】

請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記レーザがさらに、連続波（ｃｗ）光フィールド源を具え、ここからの出力が前記利得媒体をポンプするよう構成されることを特徴とするレーザ。

【請求項18】

請求項１７に記載のレーザにおいて、前記（ｃｗ）光フィールド源が、ファイバカップリングレーザダイオードシステムを具えることを特徴とするレーザ。

【請求項19】

請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載のレーザにおいて、前記レーザが超短パルスを有する出力フィールドを提供することを特徴とするレーザ。

【請求項20】

請求項１９に記載のレーザにおいて、前記超短パルスが１００ｐｓから１００ｆｓの間のパルス幅を有することを特徴とするレーザ。

【請求項21】

レーザをモード同期する方法において、前記方法が、
−強度可飽和ミラーを有する、第１ミラーと第２ミラーを終端とする共振器を提供するステップと、
−共振器を第３ミラーで折り返すステップであって、前記第３ミラーが、少なくとも１つの量子井戸を有する、多層半導体利得媒体が積載された反射器を具えるステップと、
−前記利得媒体を、当該利得媒体が第１共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性であるときに、所定の波長λ_０において共振器フィールドを発生するよう構成するステップと、
−前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルを、所定の波長λ_０よりも短い波長となるようオフセットさせるステップと、
−前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルを、所定の波長λ_０より長い波長において、前記利得媒体が第２共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性であるときに利得が抑制されるよう構成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。

【請求項22】

請求項２１に記載のレーザをモード同期する方法において、前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルが、前記共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の自由スペクトル領域の半分から一つ分の範囲の波長にオフセットされることを特徴とするレーザ。

【請求項23】

請求項２１または請求項２２に記載のレーザをモード同期する方法において、前記方法がさらに、前記第２ミラーおよび第３ミラーの間に第４ミラーを提供することで、空洞を折り返すステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項24】

請求項２３に記載のレーザをモード同期する方法において、前記方法がさらに、前記第２ミラーおよび第４ミラーの間に第５ミラーを提供することで、空洞を折り返すステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項25】

請求項２４に記載のレーザをモード同期する方法において、前記方法がさらに、前記第２および第５ミラーの間に第６ミラーを提供することで、空洞を折り返すステップを含むことを特徴とする方法。

【請求項26】

請求項２１乃至請求項２５のいずれか一項に記載のレーザをモード同期する方法において、前記方法がさらに、利得媒体をポンプするよう構成された、連続波（ｃｗ）光フィールドを提供するステップを含むことを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は半導体レーザの分野に関し、特に、超短パルス光を出力するよう構成された、半導体ディスクレーザに関する。

【背景技術】

【0002】

この分野においてＳＤＬは、外部共振器型垂直面発光レーザ（ＶＥＣＳＥＬ）または光ポンピング半導体レーザ（ＯＰＳＬ）とも呼ばれることが知られている。したがって本明細書中で半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）という用語は、これらのそれぞれのシステムについて指すよう用いられている。

【0003】

以下の説明中で用いられている「超短」パルスという用語は、約１００ピコ秒（ｐｓ）から数フェムト秒（ｆｓ）の間の短さのパルスを指す。

【0004】

短または超短パルス発生を生成するために、よく知られた技術はモード同期である。モード同期がレーザ共振器内で行われるとき、レーザ共振器の複数のモードは位相同期するように揃えられ、結果として発生した電磁場が、共振器内を周回する短パルスを有することとなる。これは、それぞれの空間周回時間ごとのパルスの内部共振ロスを低減する、時間的損失変調(temporal loss modulation)装置によってもたらされる。これにより、特定のタイムウィンドウの間に変調装置を通過したときのみ、パルスが利得を得うる、open net gain windowが形成される。

【0005】

損失変調は能動的にまたは受動的に生成され得る。能動モード同期は、例えば共振周期と同期した、音響光学変調装置を共振器内素子として用いることで達成される。しかし、受動的シャッターでないと超短波パルスを形成し安定化するための速さが足りないため、超短波パルス発生は受動モード同期技術に依存している。受動モード同期は一般的に、ロスを低減し光強度を増加させる、可飽和吸収メカニズムによる。可飽和吸収パラメータがレーザシステムに正しく調整された時、安定した自己始動型モード同期が達成され得る。

【0006】

この分野において、固体レーザを受動モード同期するために、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を採用することは知られており、例えばＴｓｕｄａらの「Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｉｎｇ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ」，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．３，Ｓｅｐｅｔｅｍｂｅｒ １９９６ ｐｐ４５４−４６３および米国特許第５，６２７，５８４号を参照されたい。ＳＢＲとは、一般的な分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）中に、１以上の半導体量子井戸を有する、非線形ミラーであり、つまり、１／４波長の厚さの半導体材料の層の交互の積み重ねである。結果として高い光強度において、ＳＢＲによって示される反射能はより大きくなる。Ｔｉ：サファイアまたはＣｒ：ＬｉＣＡＦの固体状態の利得媒体を有する共振器の、自己始動型フェムト秒モード同期が表示されている。

【0007】

米国特許公開公報２００４／０１９０５６７は、発振器内に可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を具えることで、ＳＤＬをモード同期するように、上述のコンセプトを拡張したものを開示している。前記ＳＤＬは独自の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を具えており、これの上に、例えばＩｎＧａＡＩＰ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＳｂおよびＩｎＰなどの材料の、半導体利得媒体が積載される。

【0008】

米国特許公開公報２００４／０１９０５６７において説明されたシステムをデザインするために、この分野において採用される方法を、図１を参照しながら以下に簡単に説明する。ＳＤＬをデザインするとき、重要なデザインファクターは、レーザが動作する所望の中心波長λ_０であり、例えばλ_０＝９８０ｎｍである。

【0009】

ＳＤＬの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、次に前記中心波長λ_０で反射するように構成される。典型例では、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）は、所望の波長では９９．９％よりも大きな値の反射率を示すよう設計し得る。これは、例えばＧａＡｓ基板上にＡｌＡｓとＧａＡｓの層を交互に配置をするなど、交互に１／４波長の層を基板の上に提供することで達成される。交互の１／４波長の層の光学的厚さが、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の中心反射率の値を決める一方で、層の数が全体のプロファイル１を決め、ひいては分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の反射バンド幅ΔＲを決める。

【0010】

次のステージは利得媒体のデザインを含む。これは、例えばＧａＡｓ構造などの、１／２波長の層を前述の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）上に提供し、中心波長λ_０で共振する、利得エタロンを形成することで達成される。これは図１の参照符号２に示された、共鳴周期利得エタロン特性（ＲＰＧ特性）により示される。当業者に理解されるように、中心波長λ_０におけるＲＰＧ特性と同様に、利得エタロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）により展開される他のＲＰＧ特性も存在しうる。典型的に、利得エタロンのＦＳＲレンジは３０ｎｍであり、したがってＲＰＧ特性は、ｍを整数値とすると波長λ＝λ_０±ｍ３０に出現する。結果として、図１の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の反射バンド幅ΔＲの範囲には、９５０ｎｍ、９８０ｎｍ、１０１０ｎｍの、３つのＲＰＧ特性が存在する。

【0011】

最後のステージは、図１の参照番号３に示されているように、中心波長λ_０において出力をするように構成された、１以上の量子井戸構造を導入することである。前記量子井戸は、中心波長λ_０において出力を発生させるために、ＳＤＬを光学的にポンプし得するように、１／２波長ＧａＡｓ構造の間に均等に配置された、ＩｎＧａＡｓ量子井戸を有していてもよい。

【0012】

ＳＤＬをモード同期するために可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を採用するとき、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の反射能プロファイルは、ＳＤＬ１の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の反射能プロファイルと一致するように構成されるべきことが、この分野において一般的に認識されており、つまり、中心波長λ_０において反射能を有し、類似する反射バンド幅ΔＲを示すよう構成されるべきだということである。これは中心波長λ_０において、共振器中のロスを最小限にするために通常行われている。同様の理由で、例えば追加的なミラー等、共振器の他の部品も、中心波長λ_０およびこの付近において高い反射性を有するように構成されている。

【0013】

運用上、発明者らは米国特許公報２００４／０１９０５６７において開示されたモード同期技術は、信頼できる程度にモード同期するレーザシステムを提供しないことを発見した。開示されたデザインによって構成されたレーザ共振器は、ノイズ不安定性を示すことがわかっている。研究によると、これらのノイズ不安定性は、中心波長λ_０に対応するＲＰＧ特性の利得と、例えば１０１０ｎｍなどのより長い波長におけるＲＰＧ特性の利得との間の利得競合の結果起こるものである可能性がある。実に、発明者らは意外にも、次に長い波長に対応する、より低いエネルギーＲＰＧ特性の１０１０ｎｍにおいて、モード同期出力を観察できた。これらの可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）ベースのモード同期ＳＤＬの動作波長の不安定性と不確実性は、商業用レーザシステムの開発と製造において、明らかに非常に問題となる。

【0014】

したがって本発明の一実施例の目的の１つは、この分野において知られている可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）ベースのモード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の、前述の問題点を除去または、少なくとも軽減することである。

【発明の概要】

【0015】

本発明の第１の形態によれば、第１および第２ミラーを終端とし、第３ミラーにより折り返された共振器を有するレーザにおいて、
前記第２ミラーは、所定の波長λ_０で共振器フィールドをモード同期することに適した強度可飽和ミラーを具え、
前記第３ミラーは、少なくとも１つの量子井戸を有する、多層半導体利得媒体が搭載された反射器を具え、前記利得媒体は、第１共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の間の所定の波長λ_０において共振器フィールドを発生するよう構成され、
前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルは、所定の波長λ_０よりも短い波長にオフセットされ、所定の波長λ_０より長い波長において、第２共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の間に利得を抑制することを特徴とするレーザが提供される。

【0016】

第１ミラーおよび／または第２ミラーの反射能プロファイルを、所定の波長λ_０よりも低い波長へオフセットしながら、所定の波長λ_０より長い波長において、第２共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の間に利得を抑制することで、この分野で知られているシステムと比較して、異音が低減され、より信頼できるモード同期レーザ源を製造する手段を提供する。

【0017】

前記反射器は第１分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を具えてもよい。

【0018】

好ましくは、強度可飽和ミラーは、第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）と、前記第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）中に配置された１以上の量子井戸の層とを有する、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を具える。

【0019】

最も好ましくは、前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルは、共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の自由スペクトル領域の半分から一つ分の範囲の波長にオフセットされる。

【0020】

前記第１ミラーは、所定の波長λ_０において、やや反射性で、やや透過性であってもよい。これにより前記第１ミラーが、共振器の出力カプラとして機能できるようになる。

【0021】

前記第１ミラーは好ましくは凹面の曲率半径を有する。選択的に前記第１ミラーの凹面の曲率半径は２００ｍｍである。

【0022】

共振器は追加的に第４ミラーにより折り返されてもよく、前記第４ミラーは前記第２ミラーおよび第３ミラーの間に配置される。前記第４ミラーは、好ましくは凹面の曲率半径を有する。選択的に前記第４ミラーの凹面の曲率半径は２００ｍｍである。

【0023】

前記共振器は追加的に第５ミラーにより折り返されてもよく、前記第５ミラーは前記第２および第４ミラーの間に配置される。第５ミラーは好ましくは平面状である。

【0024】

前記共振器は追加的に第６ミラーにより折り返されてもよく、前記第６ミラーは前記第２および第５ミラーの間に配置される。第６ミラーは好ましくは凹面の曲率半径を有する。選択的に前記第６ミラーの凹面の曲率半径は２００ｍｍである。

【0025】

最も好ましくは、共振器の１組以上の隣接するミラーは、１５０ｍｍのミラー間隔を有する。

【0026】

選択的に、前記レーザは連続波（ｃｗ）光フィールド源を具え、ここからの出力が利得媒体をポンプするように構成されている。前記（ｃｗ）光フィールド源はファイバカップリングレーザダイオードシステムを具えてもよい。

【0027】

最も好ましくは、前記レーザは超短パルスを有する出力フィールドを提供する。前記超短パルスは、１００ｐｓから１００ｆｓの間のパルス幅を有してもよい。

【0028】

本発明の第２の形態によれば、レーザをモード同期する方法が提供され、前記方法は、
−強度可飽和ミラーを有する、第１ミラーと第２ミラーを終端とする共振器を提供するステップと、
−共振器を第３ミラーで折り返すステップであって、前記第３ミラーが、少なくとも１つの量子井戸を有する、多層半導体媒体が積載された反射器を具えるステップと、
−前記利得媒体を、第１共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の間、所定の波長λ_０において共振器フィールドを発生するよう構成するステップと、
−前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルを、所定の波長λ_０よりも短い波長となるようオフセットさせるステップと、
−前記第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルを、所定の波長λ_０より長い波長において、利得が第２共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の間に抑制されるよう構成するステップと、
を含む。

【0029】

最も好ましくは、第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルは、共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性の自由スペクトル領域の半分から一つ分の範囲の波長にオフセットされる。

【0030】

レーザをモード同期する方法はさらに、第４ミラーを前記第２ミラーおよび第３ミラーの間に提供することで、空間を折り返すステップを含んでもよい。

【0031】

レーザをモード同期する方法はさらに、第５ミラーを前記第２ミラーおよび第４ミラーの間に提供することで、空間を折り返すステップを含んでもよい。

【0032】

レーザをモード同期する方法はさらに、第６ミラーを前記第２ミラーおよび第５ミラーの間に提供することで、空間を折り返すステップを含んでもよい。

【0033】

レーザをモード同期する方法はさらに、利得媒体をポンプするよう構成された、連続波（ｃｗ）光フィールドを提供するステップを含んでもよい。

【0034】

本発明の第２の形態による実施例は、本発明の第１の形態の好適なまたは選択的な特徴を取り入れるために、他の特徴を含んでもよく、またはその逆でもよい。

【図面の簡単な説明】

【0035】

本発明の形態と有利な点は、後述の詳細な説明を読み、以下の図面を参照することで明らかになる。

【0036】

【図1】図１は、この分野において知られている、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の部品の反射能および利得プロファイルを概略的に示す図である。

【図2】図２は、本発明の実施例に係る、モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を概略的に示す図である。

【図3】図３は、図２に示されたレーザに用いられる半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を概略的に示す図である。

【図4】図４は、図３のＳＤＬと組み合わせて用いられる、冷却装置を概略的に示す図である。

【図5】図５は、図２のレーザに用いられる可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を概略的に示す図である。

【図6】図６は、図２のモード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）の反射能および利得プロファイルを概略的に示す図である。

【図7】図７は、本発明の他の実施例に係る、モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を示す図である。

【0037】

以下の説明において、同じ部品は明細書および図面中、同じ参照番号が付されている。図面は必ずしも縮尺図ではなく、いくつかの部分の比率は本発明の詳細と特徴をわかりやすく表すために拡大されている。

【発明を実施するための形態】

【0038】

まず図２を参照すると、本発明の実施例に係る、モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）４を概略的に示している。理解しやすくするために、該図面には軸が記載されている。以下に記載されている空間の面は、ｘ軸とｚ軸により定義される面である。

【0039】

モード同期レーザ４は、第１ミラー６および第２ミラー７の間に形成されたレーザ共振器５を具え、光学的にポンプされた多層半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）８を含み、これらのさらなる詳細は図３および図４を参照しながら以下に記載されている。見てわかる通り、ＳＤＬ８は、共振器５のための第１折り返しミラーとして機能するよう構成されている。３つのさらなる折り返しミラー９，１０，１１は、共振器５中に含まれており、そのため共振器５は４回折り返された共振器と解することができる。

【0040】

前記３つの折り返しミラー９，１０，１１は、ＳＤＬ８の中心波長λ_０（こちらも簡単のため９８０ｎｍに選択された）において非常に高い反射能を持つよう構成される一方で、第１ミラー６はこの中心波長において、やや反射性で、やや透過性であってもよく、したがってこれにより前記第１ミラーが、共振器５の出力カプラとして機能できる。

【0041】

前記ミラー７，９，１０，１１は、これらの部品の配列を微調整する手段を提供するために、圧電制御されるミラー台に設置されてもよい。さらに、ミラー６，９，１１は２００ｍｍの曲率半径を有する凹状ミラーである一方、ミラー７，１０およびＳＤＬ８は実質的に平面状な反射素子であるため、共振器５は光学的に安定である。図２の実施例において、共振器５中の隣接したミラー６，８，９，１０，１１，７の間にはそれぞれ１５０ｍｍの間隔が空けられている。

【0042】

ファイバカップリングレーザダイオードシステム１３を具えることで、ＳＤＬ８をポンプするために適した、連続波（ｃｗ）光ポンピングフィールド１２が提供されている。該実施例において、ファイバカップリングレーザダイオードシステム１３は、８０８ｎｍのｃｗ光ポンピングフィールド１２を発生するよう構成されている。Ａ ＤＩＬＡＳ（登録商標）Ｍ１Ｆ４Ｓ２２−８０８ ３０Ｃ−ＳＳ２．１は、これに適したファイバカップリングレーザダイオードシステム１３の一例である。

【0043】

該実施例において、ファイバカップリングレーザダイオードシステム１３は、ＳＤＬに対して直交しない角度でＳＤＬ８をポンプするように構成されている。当業者によれば、本発明はそのように限定されず、ファイバカップリングレーザダイオードシステム１３は、ＳＤＬ８に対して直交するポンプフィールド１２を提供してもよいことが理解される。ファイバカップリングレーザダイオードシステム１３は、共振器５の他のミラーのうちの１つのミラーを通じてポンピングすることで、利得媒体１９をポンプするようにも構成されてもよい。

【0044】

図２において、内部共振フィールドは、参照番号１４により一般的に示されており、共振器５からの超短パルス出力フィールドは参照番号１５により一般的に示されている。

【0045】

ＳＤＬ８の概略図が図３に示されている。見てわかる通りＳＤＬ８は、ＧａＡｓ基板１７上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）技術により成長させた、ウエハ構造１６を有する。ウエハ構造の成長には、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法など、この分野において知られている他の技術を用いてもよい。ウエハ構造１６は第１分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１８、利得媒体１９、キャリア閉じ込めポテンシャル障壁２０、および酸化防止層２１を具える。

【0046】

当業者に理解されるように、ＳＤＬに含まれるウエハ構造１６には多くのバリエーションがあり、本発明は特定のＤＢＲ１８または利得媒体１９の構造を用いることに限定されることはない。上述のように、利得媒体１９は一般的に、所望のポンプ波長においてＳＤＬ８が光学的にポンプされ得るよう、半波長構造に等間隔で複数の量子井戸を具える。ここでＤＢＲ１８は一般的に、所望の波長において出力フィールド１５に対して高い反射性を示す、複数の一組の１／４波長の層を具える。

【0047】

例としてのみ、記載された実施例は、９８０ｎｍにおいて出力を発生させながら、ＳＤＬ８が８０８ｎｍにおいて光学的にポンプされ得るように、１／２波長ＧａＡｓ構造の間に等間隔でＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する利得媒体１９を含む。上述の構成により、利得媒体１９は共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性２を形成し、３０ｎｍのオーダーで自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を示す。

【0048】

第１ＤＢＲ部位１８は、中心波長９８０ｎｍにおいて９９．９％よりも高い反射性を示す、３０組のＡｌＡｓ−ＧａＡｓ１／４波長層を有する。キャリア閉じ込めポテンシャル障壁２０は１波長厚のＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ層を有する。酸化防止層２１は薄いＧａＡｓキャップを具えてもよい。

【0049】

当業者に知られている他の利得媒体であって、代わりに利用できるものの中には、波長６７０ｎｍから１３００ｎｍの出力を発生できるガリウムヒ素（ＧａＡｓ）構造；波長１３５０ｎｍから１６００ｎｍの出力を発生できるリン化インジウム（ＩｎＰ）構造；波長１８００ｎｍから２７００ｎｍの出力を発生できるアンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）構造などがある。当業者に知られているように、これらの利得媒体は量子井戸や量子ドットに基づいてもよい。

【0050】

図４は、ＳＤＬ８の動作特性を向上させるために用いられる、冷却装置２２の詳細を示している。特に、冷却装置２２は熱スプレッダ２３と典型的な熱電冷却器または水冷器２４を具える。熱スプレッダ２３は、外部にくさび面を有する、単一ダイアモンド結晶を具える。くさび面２５の表面には、高性能な反射防止コーティングが施されてもよい。

【0051】

前記単一ダイアモンド結晶熱スプレッダ２３は、利得媒体１９が熱スプレッダ２３と第１ＤＢＲ１８の間に配置されるように、光学的接触により、ウエハ構造１６と結合される。ウエハ構造１６と熱スプレッダ２３は次にインジウム箔２６上に、ついで熱電冷却器または水冷器２４上に固定される。

【0052】

ミラー７は強度可飽和ミラーであり、米国特許５，６２７，８５４に詳細に示されていて、図５において概略的に示されているタイプの可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）を具えてもよい。該実施例においてこの部品は、第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２８中で成長する単一量子井戸２７を具える。第２ＤＢＲ２８は見てわかるように、中心を９５０ｎｍとして約１００ｎｍの反射幅ΔＲにおいて９９．９％よりも高い反射性を提供するために、ＧａＡｓ基板３１上に８組のＡｌＡｓ ２９ ＡｌＧａＡｓ ３０の１／４波長層を具える。上述の構成によれば、第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２８の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は３００ｎｍのオーダーをとる。

【0053】

当業者に理解されるように、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）７の温度制御も必要である。これはＳＤＬ８との関連で前述した、典型的な熱電冷却器または水冷器を同様に用いることで達成される。

【0054】

この構成において、利得媒体１９がポンピングフィールド１２によりポンプされると、半導体レーザ４はレーザの放出を開始し、したがって出力フィールド１５が生じる。最も重要なことは、レーザが自己モード同期することで、９８０ｎｍにおいて単一モードの超短出力フィールドが生じることである。つまりパルス幅１００ピコ秒から数フェムト秒の短さで発生できるということである。この結果は高い反復性があり、モード同期はレーザ４のオペレータからのさらなるインプットを必要とせず行うことができる。

【0055】

出力フィールド１５における特性の向上の理由には、図６に示されているように、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）中の第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２８の反射能プロファイル３２と、ＳＤＬ８の第１ＤＢＲ１８の反射能プロファイルとの間に、波長不一致が導入された事実が挙げられる。

【0056】

当業者に理解されるように、第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２８の反射能プロファイル３２は、共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性２の自由スペクトル領域１つ分の値に対応する、３０ｎｍ分、より短い波長へとシフトされている。この不一致による効果が、共振器５に対し制御されたロスを導入する。この制御されたロスが、低エネルギーＲＰＧ特性（つまり１０１０ｎｍＲＰＧ特性）に関連した、問題のより長い波長における利得を抑えるのに有効であることがわかっているが、中心波長λ_０と一致するＲＰＧ特性において、自己起動モード同期を防ぐレベルでは有効ではない。

【0057】

さらに、９５０ｎｍを中心とした第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）２８の反射能を持ってしても、より短い波長、高いエネルギーおよびＲＰＧ特性（つまり９５０ｎｍのＲＰＧ特性）において、不十分な利得が残り、９８０ｎｍの出力フィールド１５のモード同期を阻害してしまう。これは、ＳＤＬ中でキャリアが低エネルギーにおいて集まる傾向があり、したがって対応するより長い波長の光を放出する事実に由来する。

【0058】

第２ＤＢＲ部位２８と、第１ＤＢＲ部位１８との反射能プロファイルの間に不一致を導入することで、中心波長λ_０において共振器内の反射能を低減することの総合的な結果は、レーザ４の出力フィールド１５が、所望の中心波長λ_０である９８０ｎｍにおいて、顕著に向上したノイズ特性で、信頼できる程度にモード同期することである。

【0059】

低エネルギーのＲＰＧ特性（つまり１０１０ｎｍＲＰＧ特性）に対応した、問題の長波長での利得の十分なロスは、第２ＤＢＲ部位２８の反射能プロファイル３２が、共鳴周期利得エタロン（ＲＰＧ）特性２の自由スペクトル領域の半分の値に対応する、たった１５ｎｍ分、より低い波長へとシフトしても存在する。

【0060】

図７は、図２において示されたレーザ４と類似する、本発明の他の実施例に係る、自己モード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）３３を概略的に示す図である。本実施例において、共振器５の折り返しミラー９，１０，１１はすべて取り外され、共振器５ｂはＶ型共振器と解することができる。レーザ３３は、図２乃至図６を参照して、上述のレーザと同様な方法で動作する。

【0061】

上述の実施例において、低エネルギーＲＰＧ特性（つまり１０１０ｎｍＲＰＧ特性）に対応する、問題の長波長での利得の制御されたロスは、可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）７の反射能プロファイル３２の制御されたデザインにより導入されたのである。しかし、同様の結果が共振器５のミラー６，９，１０，１１のうちの１以上の他のミラーの反射能プロファイルを改変することによっても得られることを理解されたい。

【0062】

また、上述の実施例について複数の代用品が導入され得ることも理解されたい。例えばＳＤＬ８の構造および／または強度可飽和ミラー７は、半導体レーザが導入される特定のアプリケーションで必要とされる、異なる出力波長λ_０を提供するように改変されてもよい。

【0063】

熱スプレッダは、要求される熱スプレッド特性および光学的Ｋｅｒｒレンズ特性を示す材料であれば、単一ダイアモンド結晶の代わりに他の材料を用いてもよい。サファイア（Ａｌ_２Ｏ_２）およびシリコンカーバイド（ＳｉＣ）は熱スプレッダを製造するのに用いることができる他の材料の例である。

【0064】

上述の半導体レーザは、この分野において知られているシステムよりも顕著に安定である。つまり、この分野において知られているシステムと比較して、信頼できる程度に長時間モード同期をし、顕著にノイズを低減している。結果として、発明者らは商業的に実行可能な強度可飽和ミラーに基づいたモード同期ＳＤＬを製造することができた。

【0065】

上述の半導体レーザシステムは、波長６７０ｎｍから２７００ｎｍにおいて、パワー出力が１００ｍＷから５Ｗの範囲で、１００ピコ秒から１００フェムト秒の範囲のパルス幅を有するパルスを発生させることに用いることができる。

【0066】

本発明はモード同期半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）について記載している。前記レーザは、第１および第２ミラーを終端とし、第３ミラーにより折り返された共振器を備える。前記第３ミラーは、所定の中心波長λ_０を有する共振フィールドを発生させるのに適した半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）を具える一方で、前記第２ミラーは、共振フィールドを所定の波長でモード同期することに適した強度可飽和ミラーを具える。中心波長λ_０における共振器の反射能は、第１および／または第２ミラーの反射能プロファイルを、中心波長λ_０よりも長い波長において利得を抑制し、所定の波長よりも短い波長へとシフトすることで低減される。第１ミラーと第２ミラーの反射能プロファイルを、所望の出力波長と一致させないことによって、顕著にノイズが低減された、安定したモード同期レーザを提供することができる。

【0067】

明細書中、特に記載がなければ、「具える」、「含む」、または「具え」、「具えている」、「含み」、「含んでいる」などの変形は、記載された要素または要素群を包含することを示し、他の要素または要素群を除外することを意味するものではないことを理解されたい。

【0068】

さらに、明細書中の先行技術の記載は、先行技術が一般的な常識の部分を構成することを示す記載であると解してはならない。

【0069】

本発明に係る先行する記載は図解および説明のために提示されたものであり、網羅的であることや、開示されている形態に発明を限定することを意図していない。記載された実施例は、本発明の原理を最もよく説明し、したがってその実用的応用が、他の当業者により特定の意図される用途に適するよう、様々な実施例において、および様々な改変において本発明を利用できるように、選択し、記載されている。したがって、添付の請求項によって規定される本発明の範囲を逸脱することなく、さらなる改変や改良を行うことができる。

【符号の説明】

【0070】

１ ＤＢＲまたはＳＤＬの反射能プロファイル
２ 共鳴周期利得エタロン特性（ＲＰＧ特性）
３ 量子井戸吸収
４ 半導体レーザ（４つ折り）
５ 共振器
６ 第１ミラー
７ 第２ミラー−可飽和ブラッグ反射器（ＳＢＲ）
８ 半導体ディスクレーザ（ＳＤＬ）
９ 折り返しミラー
１０ 折り返しミラー
１１ 折り返しミラー
１２ 光学ポンプフィールド
１３ ＣＷ ファイバカップリングレーザダイオードシステム
１４ 共振器フィールド
１５ 超短パルス出力フィールド
１６ ウエハ構造
１７ ＧａＡｓ基板
１８ 第１分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
１９ 利得媒体
２０ キャリア閉じ込めポテンシャル障壁
２１ 酸化防止層
２２ 冷却装置
２３ 熱スプレッダ
２４ 熱電冷却器
２５ くさび面
２６ インジウム箔
２７ 単一量子井戸
２８ 第２分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
２９ ＡｌＡｓ層（斜線部）
３０ ＡｌＧａＡｓ層（非斜線部）
３１ ＧａＡｓ基板
３２ ＳＢＲのＤＢＲの反射能プロファイル
３３ 半導体レーザ（Ｖ型）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】