特開 2023-60629 レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023060629

(43)【公開日】2023-04-28

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/22 20060101AFI20230421BHJP

   H01S 5/14 20060101ALI20230421BHJP

【ＦＩ】

H01S5/22 610

H01S5/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021170330

(22)【出願日】2021-10-18

(71)【出願人】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(74)【代理人】

【識別番号】100184985

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 悠

(74)【代理人】

【識別番号】100202197

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 成康

(74)【代理人】

【識別番号】100218981

【弁理士】

【氏名又は名称】武田 寛之

(72)【発明者】

【氏名】高野 哲至

(72)【発明者】

【氏名】小川 尚史

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA08

5F173AB46

5F173AB64

5F173AB66

5F173AD06

5F173AH22

5F173MF02

5F173MF13

5F173MF28

5F173MF39

(57)【要約】

【課題】波長結合ビームにおける収差の発生を抑制する。
【解決手段】レーザ装置は、共振器を形成する第１ミラーおよび第２ミラーと、ミラー間に配置されて異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域を含む半導体レーザ素子であって、複数のレーザ発振領域は、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸が互いに近づくようにレーザ光を伝搬させる導波路部を有する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子と第２ミラーとの間に配置されてレーザ光をコリメートビームに変換するコリメータと、コリメータと第２ミラーとの間においてコリメートビームが交差する位置に配置された回折格子であってコリメートビームを波長に応じて異なる角度で回折して波長結合ビームを形成し、第１方向に出射する回折格子とを備える。第２ミラーの少なくとも一部は、平面ミラーであり、回折格子から出射された波長結合ビームを第１方向とは反対の第２方向に反射して回折格子に戻す。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

共振器を形成する第１ミラーおよび第２ミラーと、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域を含む半導体レーザ素子であって、前記複数のレーザ発振領域は、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸が互いに近づくように前記レーザ光を伝搬させる導波路部を有している、半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子と前記第２ミラーとの間に配置され、前記複数のレーザ発振領域から出射されたレーザ光を複数のコリメートビームに変換するコリメータと、
前記コリメータと前記第２ミラーとの間において前記複数のコリメートビームが交差する位置に配置された回折格子であって、前記複数のコリメートビームを波長に応じて異なる角度で回折して波長結合ビームを形成し、前記波長結合ビームを第１方向に出射する、回折格子と、
を備え、
前記第２ミラーの少なくとも一部は、平面ミラーであり、前記回折格子から出射された前記波長結合ビームを前記第１方向とは反対の第２方向に反射して前記回折格子に戻す、レーザ装置。

【請求項2】

前記半導体レーザ素子は、前記複数のレーザ発振領域を有するレーザバーであり、
前記レーザバーは、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれの一端が並んだ光出射面と、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれの他端が並んだ光反射面と、
を有し、
前記光反射面には、前記第１ミラーを形成する反射膜が設けられており、前記光出射面には反射防止膜が設けられている、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記半導体レーザ素子は、前記導波路部を規定する複数のリッジおよび／または複数のストライプ電極を有している、請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記複数のリッジおよび／または複数のストライプ電極は、平面視において、前記光出射面に対して異なる角度を形成する部分を有している、請求項３に記載のレーザ装置。

【請求項5】

前記複数のリッジおよび／または複数のストライプ電極は、平面視において、前記光出射面に対して直交する方向に延びる部分を有している、請求項４に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記複数のレーザ発振領域のそれぞれは、前記第２ミラーによって反射された前記波長結合ビームが前記回折格子によって回折されて形成する複数の光線に含まれる所定波長の光線の入射を受け、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれは、入射した前記光線のピーク波長で発振する、請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記コリメータは、それぞれが対応する前記レーザ光の前記進行軸に平行な光軸を有する複数のコリメートレンズを有している、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザ素子から出射された波長が異なる複数のレーザビームを回折格子によって１つのビームに結合させる技術が開発されている。このような技術は、波長合波（ＷＢＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）と称されている。特許文献１は、半導体レーザ素子から出射された複数のビームを結合レンズによって回折格子上に集光し、同軸上に重畳して単一ビームを形成するレーザシステムを記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１７－５３９０８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されているレーザシステムは、複数のビームを結合レンズによって回折格子上に集光する構成を備えている。この構成は、結合レンズを用いているため、収差が発生するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示のレーザ装置は、例示的な実施形態において、共振器を形成する第１ミラーおよび第２ミラーと、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に配置され、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域を含む半導体レーザ素子であって、前記複数のレーザ発振領域は、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸が互いに近づくように前記レーザ光を伝搬させる導波路部を有している、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子と前記第２ミラーとの間に配置され、前記複数のレーザ発振領域から出射されたレーザ光を複数のコリメートビームに変換するコリメータと、前記コリメータと前記第２ミラーとの間において前記複数のコリメートビームが交差する位置に配置された回折格子であって、前記複数のコリメートビームを波長に応じて異なる角度で回折して波長結合ビームを形成し、前記波長結合ビームを第１方向に出射する、回折格子と、を備える。前記第２ミラーの少なくとも一部は、平面ミラーであり、前記回折格子から出射された前記波長結合ビームを前記第１方向とは反対の第２方向に反射して前記回折格子に戻す。

【発明の効果】

【0006】

本開示の実施形態によれば、収差の発生を抑制することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本開示の実施形態におけるレーザ装置の構成例を模式的に示す平面図である。

【図2】図２は、一般的な半導体レーザ素子の導波路部を模式的に示す平面図である。

【図3】図３は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の例を模式的に示す平面図である。

【図4】図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における半導体レーザ素子の断面図である。

【図5】図５は、図３のＶ－Ｖ線における半導体レーザ素子の断面図である。

【図6】図６は、回折格子による回折を模式的に示す図である。

【図7】図７は、レーザ発振領域のゲイン曲線と、単一縦モードで発振しているときのレーザ光のスペクトルを模式的に示す図である。

【図8】図８は、本開示の実施形態におけるレーザ装置の他の構成例を模式的に示す平面図である。

【図9】図９は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の他の例を模式的に示す平面図である。

【図10】図１０は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の更に他の例を模式的に示す平面図である。

【図11】図１１は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の更に他の例を模式的に示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態によるレーザ装置を詳細に説明する。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一または同等の部分を示す。構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置などの記載は、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図している。各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、理解を容易にするなどのために誇張している場合がある。

【0009】

＜第１実施形態＞
図面を参照しながら、本開示によるレーザ装置の実施形態を説明する。図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸が示されている。

【0010】

まず、図１を参照する。本実施形態におけるレーザ装置１００は、共振器を形成する第１ミラーＭ１および第２ミラーＭ２、および、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２との間に配置された半導体レーザ素子１０を備える。半導体レーザ素子１０は、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域１０Ｘを含む。図示される例において、半導体レーザ素子１０は、４個のレーザ発振領域１０Ｘを有するレーザバーである。４個のレーザ発振領域１０Ｘは、動作時において、それぞれ、λ１、λ２、λ３、λ４の波長でレーザ発振を行い、波長がλ１、λ２、λ３、λ４のレーザ光を出射する。１個のレーザバーが含むレーザ発振領域１０Ｘの個数は４に限定されず、３であってもよいし、５以上、例えば１０以上であってもよい。半導体レーザ素子１０は、複数のレーザ発振領域１０Ｘを規定する複数のリッジおよび／または複数のストライプ電極を有し得る。

【0011】

図２は、一般的な半導体レーザ素子１０Ｑが有するレーザ発振領域１０Ｘの形状を模式的に示す平面図である。レーザ発振領域１０Ｘから出射されたレーザ光Ｌの進行軸は互いに平行である。言い換えると、半導体レーザ素子１０Ｑにおいて、レーザ光を伝搬させる各導波路部はＺ軸方向に沿って直線状に延びている。

【0012】

これに対して、本実施形態のレーザ装置１００では、図１に示されるように、複数のレーザ発振領域１０Ｘが、各レーザ発振領域１０Ｘから出射された各レーザ光Ｌの進行軸が互いに近づき、交差するようにレーザ光を伝搬させる導波路部を有している。以下、この点を詳細に説明する。

【0013】

図３は、本実施形態におけるレーザ装置１００が備える半導体レーザ素子１０の導波路部１８を模式的に示す平面図である。半導体レーザ素子１０の断面構成については後述する。半導体レーザ素子１０を構成するレーザバーは、複数のレーザ発振領域１０Ｘのそれぞれの一端が並んだ光出射面１０Ｆと、複数のレーザ発振領域１０Ｘのそれぞれの他端が並んだ光反射面１０Ｒとを有する。光反射面１０Ｒには、図１に示されるように、第１ミラーＭ１を形成する反射膜が設けられる。また、光出射面１０Ｆには、反射防止膜が設けられる。このような反射膜および反射防止膜の例は、誘電体多層膜である。第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２とが形成する共振器は、「外部共振器」と呼ばれる。

【0014】

図３の例において、導波路部１８は、Ｚ軸方向に沿って直線状に延びる第１部分１８ａと、ゼロよりも大きな曲率でカーブする第２部分１８ｂとを含んでいる。図３の例では、Ｏ－Ｏ線（一点鎖線）の左側に第１部分１８ａが位置し、Ｏ－Ｏ線の右側に第２部分１８ｂが位置している。この例において、Ｏ－Ｏ線はＸ軸に平行な直線である。しかし、第１部分１８ａと第２部分１８ｂとの境界のＺ軸方向における位置が同じである必要はない。言い換えると、第１部分１８ａのＺ軸方向における長さは、導波路部１８ごとに異なっていてもよい。なお、第２部分１８ｂの全体が曲率を有している必要はなく、第２部分１８ｂが直線部分を含んでいてもよい。重要な点は、第２部分１８ｂの端から出射されるレーザ光の進行方向がＺ軸に対して所定の角度を形成するように、第２部分１８ｂが光出射面１０Ｆに対して傾斜している（直交していない）ことである。この「所定の角度」の大きさについては、後述する。

【0015】

次に、図４および図５を参照して、半導体レーザ素子１０の構成例を説明する。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における半導体レーザ素子１０の断面図であり、図５は、図３のＶ－Ｖ線における半導体レーザ素子１０の断面図である。

【0016】

図示される半導体レーザ素子１０は、第１導電型半導体基板１１ａと、第１導電型半導体層１１ｂと、活性層１１ｃと、第２導電型半導体層１１ｄとを備えている。ここで、「第１導電型」は、ｐ型およびｎ型の一方であり、「第２導電型」は、ｐ型およびｎ型の他方である。第１導電型半導体層１１ｂおよび第２導電型半導体層１１ｄのそれぞれは、クラッド層およびガイド層などの複数の層を含む多層構造を備えてもよい。また、活性層１１ｃは、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を備えていてもよい。

【0017】

第２導電型半導体層１１ｄの上部には、リッジ１３が設けられている。個々のリッジ１３の上面には第２導電側電極（ストライプ電極）１５が形成されている。第１導電型半導体基板１１ａの下面には第１導電側電極１４が設けられている。隣り合う第２導電側電極１５は、第２導電型半導体層１１ｄ上に形成された絶縁層１７によって互いに電気的に分離されている。第２導電側電極１５の上にはパッド電極１６が設けられている。

【0018】

なお、第２導電型半導体層１１ｄは、リッジ１３内において、第２導電側電極１５に接する部分にコンタクト層を備えていてもよい。リッジ１３は、図３における導波路部１８の形状およびサイズを規定する。このため、図３の導波路部１８の第１部分１８ａおよび第２部分１８ｂの平面レイアウトは、リッジ１３の平面レイアウトによって規定される。リッジ１３の平面レイアウトは、第２導電型半導体層１１ｄの上部（例えばクラッド層の上部）をエッチングする工程におけるエッチングマスクの形状によって所望の形状に規定することができる。

【0019】

第１導電側電極１４および第２導電側電極１５は、それぞれ、駆動回路に接続される。駆動回路によって第１導電側電極１４と第２導電側電極１５との間に所定の電圧が印加されると、各リッジ１３内をＹ軸方向に電流が流れる。活性層１１ｃのレーザ発振領域１０Ｘを流れる電流が閾値を超えると、レーザ発振領域１０Ｘでは電荷の反転分布が形成され、所定の波長範囲にある光を増幅してレーザ発振を生じさせることが可能になる。各レーザ発振領域１０Ｘの幅は、リッジ１３またはストライプ電極１５の幅によって規定される。各レーザ発振領域１０Ｘは、半導体レーザ素子１０内における光が出射するまでの光路にあたる部分であり、導波路部を含む。

【0020】

図３の例では、平面視において、光反射面１０Ｒに対して導波路部１８の直線状に延びる第１部分１８ａは直交している。このため、直線状に延びる第１部分１８ａから光反射面１０Ｒに入射したレーザ光は、直線状に延びる第１部分１８ａ内に正反射される。このことは、第１部分１８ａが光反射面１０Ｒに対して傾斜している場合に比べて、反射による損失を低下させる効果をもたらす。図３の構成例によれば、並走する導波路部１８の第２部分１８ｂが所定の方向にカーブし、かつ、第１部分１８ａが光反射面１０Ｒに直交しているため、複数のレーザ発振領域１０Ｘから出射されるレーザ光Ｌの進行軸を互いに近づけ、交差させるとともに、光反射面１０Ｒによる反射損失の増加を抑制することができる。またレーザ光Ｌの進行軸を互いに近づけ、交差させるため、集光レンズを設けなくてもよい。複数のレーザ光を１つの集光レンズに入射させると、集光レンズの中央部に入射するレーザ光と周縁部に入射するレーザ光とによる収差が発生するおそれがある。集光レンズを設けないことで、部品点数を削減しつつ、収差の発生を抑制することができる。

【0021】

なお、光出射面１０Ｆでは、半導体レーザ素子１０からレーザ光Ｌが出射されるだけではなく、後述する第２ミラーＭ２によって反射されたレーザ光が半導体レーザ素子１０に戻ってくる。図３に示されるように、平面視において、導波路部１８の第２部分１８ｂは光出射面１０Ｆに対して傾斜している。レーザ光Ｌが光出射面１０Ｆを通過するとき、屈折が生じる。この屈折の効果を考慮して、導波路部１８の第２部分１８ｂと光出射面１０Ｆとの間の角度が決定され得る。

【0022】

上述したように、導波路部１８の平面レイアウトは、リッジ１３および第２導電側電極（ストライプ電極）１５の平面レイアウトによって規定される。このため、本実施形態では、複数のリッジ１３および／または複数のストライプ電極１５は、平面視において、それぞれ光出射面１０Ｆに対して異なる角度を形成する部分を有し、かつ、光反射面１０Ｒに対して直交する方向に延びる部分を有している。

【0023】

半導体レーザ素子１０としては、例えば、青色の光を放射する半導体レーザ素子、緑色の光を放射する半導体レーザ素子、または、赤色の光を放射する半導体レーザ素子などを採用することができる。紫外や赤外等の、青色、緑色、赤色以外の光を放射する半導体レーザ素子を採用してもよい。本明細書において、青色の光は、発光ピーク波長が４２０ｎｍ～４９４ｎｍの範囲にある光である。緑色の光は、発光ピーク波長が４９５ｎｍ～５７０ｎｍの範囲にある光である。赤色の光は、発光ピーク波長が６０５ｎｍ～７５０ｎｍの範囲にある光である。青色の光または緑色の光を発する半導体レーザ素子の例は、窒化物半導体を含む。窒化物半導体としては、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、およびＡｌＧａＮを用いることができる。赤色の光を発する半導体レーザ素子の例は、ＩｎＡｌＧａＰ系やＧａＩｎＰ系、ＧａＡｓ系やＡｌＧａＡｓ系の半導体を含む。レーザ装置１００を例えば金属材料の加工に用いる場合、加工対象となる金属材料の吸収率が高い波長で発振する半導体レーザ素子１０を用いることが望ましい。

【0024】

再び図１を参照する。

【0025】

本実施形態において、レーザ装置１００は、半導体レーザ素子１０と第２ミラーＭ２との間に配置されたコリメータ２０を備える。コリメータ２０は、複数のレーザ発振領域１０Ｘから出射されたレーザ光Ｌを複数のコリメートビーム１２に変換するように構成されている。複数のコリメートビーム１２の進行軸が互いに近づき、交差する。コリメータ２０は、コリメータレンズの集まりである。コリメータ２０は、レーザ発振領域１０Ｘの個数に等しい個数のレンズが１個のプラスチック材料から形成されたレンズアレイであってもよいし、複数のレンズが並べられた光学部品アセンブリであってもよい。ある態様において、コリメータ２０は、それぞれが対応するレーザ光Ｌの進行軸に平行な光軸を有する複数のコリメートレンズを有し得る。コリメータ２０は、コリメータレンズの集まりであるため、半導体レーザ素子１０から出射された複数のレーザ光Ｌがそれぞれ異なるコリメータレンズに入射する。このことにより、１つのレンズに複数のレーザ光Ｌが入射する場合と比較して、半導体レーザ素子１０とコリメータ２０との距離を短くすることができる。また、複数のレーザ光Ｌをそれぞれ異なるコリメータレンズの中央部に入射させることができるため、レーザの波形に乱れが生じることを抑制できる。

【0026】

図１では、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光Ｌおよびコリメートビーム１２を、単純な直線で示している。実際のレーザ光Ｌおよびコリメートビーム１２は、進行方向に直交する平面内において強度分布を有する光ビームである。この強度分布は、光ビームの進行方向に直交する平面内において、例えばガウス分布などの分布関数によって近似することができる。本開示において、ビームの直径を「ビーム径」と称する。そして、ビーム径は、ビーム中心の光強度に対して１／ｅ^２以上の光強度を持つ領域のサイズによって定義する。ここで、「ｅ」は、ネイピア数である。光ビームの強度分布は、必ずしも軸対称である必要はない。半導体レーザ素子１０から出射される光は、Ｚ軸方向に進行するとき、Ｙ軸方向およびＸ軸方向に発散する。この例において、Ｙ軸方向に発散する角度は、Ｘ軸方向に発散する角度よりも大きい。このため、半導体レーザ素子１０について、Ｙ軸方向を「速軸」、Ｘ軸方向を「遅軸」と呼ぶことができる。半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光Ｌは、出射直後はＸ軸（遅軸）方向に長軸を有する楕円状の強度分布（ニアフィールドパターン）を有しているが、Ｚ軸方向に進行していくと、Ｙ軸（速軸）方向に長軸を有する楕円状の強度分布（ファーフィールドパターン）を有する。コリメータ２０は、このようなレーザ光Ｌの速軸方向の発散角度および遅軸方向の発散角度を小さくするように作用する。この場合、コリメータ２０は、例えば、レンズ面の母線方向（曲率がゼロの方向）がＸＺ面内においてレーザ光Ｌの進行方向に直交する方向に平行な４個のシリンドリカルレンズ（速軸コリメートレンズ）と、それぞれのレンズ面の母線方向がＹ軸方向に平行な４個のシリンドリカルレンズ（遅軸コリメートレンズ）の組合せであり得る。

【0027】

コリメータ２０を透過して発散角が小さくなったコリメートビームは、厳密には平行光ではなく、発散角とビーム径の積が有限の値を有するガウシアンビームに近似される。図面では、このような光ビームの進行方向を模式的に示すため、光ビームの中心軸を直線によって表現している。これらの直線は、各光ビームの中心を通る光線を示していると考えてもよい。

【0028】

各コリメートビーム１２のビーム径は、複数のレーザ発振領域１０Ｘの中心間距離以下である。各レーザ発振領域１０Ｘの幅は、例えば、１μｍ以上２００μｍ以下であり得る。この幅は、隣接するレーザ発振領域１０Ｘの中心間距離の２０～８０％の長さであり得る。

【0029】

図１に示されるレーザ装置１００は、コリメータ２０と第２ミラーＭ２との間において、複数のレーザ発振領域１０Ｘから出射されるレーザ光Ｌの進行軸が交差する位置に所定の角度に配置された回折格子Ｇを備える。コリメータ２０から出射された複数のコリメートビーム１２は、それぞれ、異なる角度で回折格子Ｇの同一の領域６４に入射する。回折格子Ｇは、複数のコリメートビーム１２を領域６４で回折する。回折格子Ｇで回折した複数のコリメートビーム１２は合波され、波長結合ビーム４０を形成し、第１方向５０に出射される。

【0030】

本実施形態において、回折格子Ｇの回折溝の延びる方向はＹ軸方向に平行である。

【0031】

以下、図６を参照しながら、回折格子Ｇの構成および機能を説明する。

【0032】

図６は、複数のコリメートビーム１２が回折格子Ｇの同一領域に入射し、そこで回折される様子を模式的に示す図である。この例において、領域６４に入射したコリメートビーム１２は、回折格子Ｇで回折されて同軸に重畳されて波長結合ビーム４０を形成する。

【0033】

回折格子Ｇに入射する４本のコリメートビーム１２の入射角αを、それぞれ、α１、α２、α３、α４とする。入射角αは、回折格子Ｇの法線方向６６に対してコリメートビーム１２の中心軸が形成する角度である。

【0034】

コリメートビーム１２が回折格子Ｇに入射して形成される透過回折光の回折角をβとすると、以下の式１の関係が成立する。
ｓｉｎα ＋ ｓｉｎβ ＝ Ｎ・ｍ・λ ・・・（式１）
ここで、Ｎは回折格子Ｇの単位長さあたりの溝数、ｍは回折次数、λは光の波長である。

【0035】

回折次数ｍを１とすると、例えば、Ｎ＝２２２０、波長λが４１０．０ｎｍ、入射角αが４５．０度の場合、回折角βは１１．７７度に等しくなる。６の例において、４本のコリメートビーム１２のうち、波長λ＝λ４＝４１０．０ｎｍのコリメートビーム１２が入射角α＝α４＝４５．００度で回折格子Ｇの領域６４に入射し、回折されて第１方向５０に出射されるとする。この例において、入射角α１、α２、α３で回折格子Ｇに入射するコリメートビーム１２が、いずれも、第１方向５０に沿って同軸上の１次回折光を形成するのは、それぞれの回折角βが１１．７７度に等しくなるときである。入射角α１、α２、α３の大きさは、半導体レーザ素子１０における導波路部１８の構成と回折格子Ｇの向きに応じて決定される。そして、入射角αによって波長λが決まる。例えば、α１＝４６．２６度、α２＝４５．８４度、α３＝４５．４２度の場合、λ１＝４１６．９２ｎｍ、λ２＝４１４．６３ｎｍ、λ３＝４１２．３２ｎｍのときに式１の関係が満たされる。このようにして、入射角α１、α２、α３、α４と回折角βが決まると、式１から、波長λ１、λ２、λ３、λ４が決まる。表１は、式１の関係を満足する波長λ、入射角α、回折角βの幾つかの例を示している。

【0036】

【表1】

【0037】

半導体レーザ素子１０の複数のレーザ発振領域１０Ｘは、例えば表１に示される波長λを含む所定の波長範囲でレーザ発振が可能である。本実施形態のレーザ装置１００によれば、式１の関係を満足する波長λを有するコリメートビーム１２が選択的に同軸に重畳されて波長結合ビーム４０を形成する。この波長結合ビーム４０は、後述する構成により、第２ミラーＭ２によって部分的に反射されてレーザ発振領域１０Ｘに帰還する。その結果、各レーザ発振領域１０Ｘでは、レーザ発振可能な波長範囲のうち、式１を満足する特定の波長λ１、λ２、λ３、λ４で選択的に鋭く発振することができる。

【0038】

図７は、レーザ発振領域１０Ｘのゲイン曲線と、式１を満足する波長λの単一縦モードで発振しているレーザ光のスペクトルとを模式的に示す図である。１個の半導体レーザ素子１０が有する複数のレーザ発振領域１０Ｘは、同一のゲイン曲線を有し得る。しかし、表１に示されるように、式１を満足する波長λ１、λ２、λ３、λ４の大きさは、入射角α１、α２、α３、α４に依存して異なる。このため、それぞれのレーザ発振領域１０Ｘでは、互いに異なる波長λ１、λ２、λ３、λ４の光が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。表１の例において、波長λ１、λ２、λ３、λ４は、４１０．００ｎｍから４１３．９２ｎｍの範囲にある。このため、半導体レーザ素子１０の各レーザ発振領域１０Ｘは、この範囲よりも広い範囲で発振することができるゲイン特性を有することが求められる。

【0039】

上記の説明において、回折格子Ｇの領域６４に入射するコリメートビーム１２の入射角α１、α２、α３、α４は、半導体レーザ素子１０における導波路部１８の構成と回折格子Ｇの向きに応じて決定されると述べた。しかし、レーザ発振が生じる前の段階では、図７のゲイン曲線で示されるようにブロードな波長幅を有する光が半導体レーザ素子１０から出射され得る。その結果、回折格子Ｇにおける特定の領域６４に入射した光線の回折角βは有限の幅を有し得る。しかし、第２ミラーＭ２が同軸上に回折するコリメートビームを正反射するため、その結果、所定の方向に回折される光の波長を有する光が各レーザ発振領域１０Ｘに帰還して、その波長で発振することが可能になる。

【0040】

第２ミラーＭ２の少なくとも一部は、平面ミラー７０である。平面ミラー７０は、回折格子Ｇから出射された波長結合ビーム４０を第１方向５０とは反対の第２方向５２に反射して回折格子Ｇに戻すように構成されている。また、第２ミラーＭ２は、波長結合ビーム４０の一部を透過する部分反射型のミラーである。第２ミラーＭ２を透過した波長結合ビーム４０がレーザ装置１００から取り出されて利用される。

【0041】

各レーザ発振領域１０Ｘは、第２ミラーＭ２で反射された波長結合ビーム４０が回折格子Ｇによって回折されて形成され複数の光線（回折ビーム）に含まれる所定波長の光線の入射を受ける。複数のレーザ発振領域１０Ｘのそれぞれは、入射した光線のピーク波長で発振する。

【0042】

なお、上記の実施形態において、回折格子Ｇは、透過型の回折格子であるが、回折格子Ｇは反射型の回折格子であってもよい。図８は、図１に示すレーザ装置１００において、回折格子Ｇを反射型の回折格子に置き換えた改変例を模式的に示す図である。

【0043】

図示される例において、回折は、回折格子Ｇの光入射側表面で生じているように記載されている。しかし、回折は、回折格子Ｇにおける光入射側表面の反対側に位置する裏面で生じてもよいし、回折格子内部で生じてもよい。

【0044】

次に、図９から図１１を参照して、本実施形態における半導体レーザ素子１０が備える導波路部１８の他の構成例を説明する。

【0045】

上述の図３の例では、平面視において、すべての導波路部１８の第２部分１８ｂはカーブしているが、導波路部１８の構成は、この例に限定されない。ある導波路部１８は、直線状に延びる第２部分１８ｂを有していてもよい。例えば、図９に示される例では、奇数本の導波路部１８のうち、中央に位置する導波路部１８では、第１部分１８ａおよび第２部分１８ｂの両方が直線状に延びている。このような構成によっても、各レーザ発振領域１０Ｘから出射されたレーザ光Ｌの進行軸が互いに近づき、交差するようにできる。

【0046】

直線状に延びる導波路部１８の位置は、半導体レーザ素子１０の中央に限定されない。図１０の例において、図１０中の下端に位置する導波路部１８が直線状に延びている。なお、図３および図９の例では、平面視において、半導体レーザ素子１０の中央を通ってＺ軸方向に平行に延びる直線に関して、複数の導波路部１８が対称に配置されている。しかし、図１０に示されるように、複数の導波路部１８が対称に配置されている必要はない。また、図１１に示されるように、すべての導波路部１８における第２部分１８ｂが、Ｚ軸方向に対してＸ軸の負側に傾斜していてもよい。これとは逆に、すべての導波路部１８における第２部分１８ｂが、Ｚ軸方向に対してＸ軸の正側に傾斜していてもよい。なお、すべての導波路部１８における第２部分１８ｂがＺ軸方向に対してＸ軸の負側に傾斜している第１の半導体レーザ素子１０と、すべての導波路部１８における第２部分１８ｂがＺ軸方向に対してＸ軸の負側に傾斜している第２の半導体レーザ素子１０とを組み合わせて使用してもよい。

【0047】

上記の各実施形態におけるレーザ装置によれば、複数のレーザ発振領域を有する半導体レーザ素子の導波路が、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸を互いに近づき、交差するようにレーザ光を伝搬させる。レーザ光の進行軸が交差する位置に回折格子を配置するため、１個の回折格子によって波長結合ビームを形成することができ、集光レンズなどを用いなくてもよく、部品点数を減らしつつ、収差の発生を抑制することができる。部品点数の減少は、光学ロスによるパワー低下を抑制することを可能にする。また、リッジの中心間距離をレーザ光の出射点間隔よりも広くできるため、発熱するレーザ発振領域を疎に配列して放熱性能の改善を可能にする。更に、互いに波長が異なるレーザビームが同軸上に重畳した波長結合ビームが得られるため、単一波長のレーザビームでは達成できないような高い光強度を実現することが可能になる。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本開示のレーザ装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、３Ｄプリンティングなどに利用され得る。

【0049】

本開示のレーザ装置は、ファイバレーザ装置の励起光源、あるいは、材料を直接に照射して加工するダイレクトダイオードレーザ装置のレーザ光源として利用され得る。

【符号の説明】

【0050】

１０・・・半導体レーザ素子、１０Ｆ・・・半導体レーザ素子の光出射面、１０Ｒ・・・半導体レーザ素子の光反射面、１０Ｘ・・・レーザ発振領域、１２・・・コリメートビーム、２０・・・コリメータ、４０・・・波長結合ビーム、５０・・・第１方向、５２・・・第２方向、７０・・・平面ミラー、１００・・・レーザ装置、Ｇ・・・回折格子、Ｍ１・・・第１ミラー、Ｍ２・・・第２ミラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】