特許 7548243 レーザ素子、レーザ素子の製造方法、レーザ装置およびレーザ増幅素子

(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】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】レーザ素子、レーザ素子の製造方法、レーザ装置およびレーザ増幅素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/08 20230101AFI20240903BHJP

   H01S 3/0941 20060101ALI20240903BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20240903BHJP

   H01S 3/11 20230101ALN20240903BHJP

【ＦＩ】

H01S3/08

H01S3/0941

H01S5/183

H01S3/11

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021561363

(86)(22)【出願日】2020-11-19

(86)【国際出願番号】 JP2020043292

(87)【国際公開番号】W WO2021106757

(87)【国際公開日】2021-06-03

【審査請求日】2023-10-02

(31)【優先権主張番号】P 2019215087

(32)【優先日】2019-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002185

【氏名又は名称】ソニーグループ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 将尚

【審査官】大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１９９２８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２０１００６１８９１（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開平０８－３１６５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１８３６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０８４１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７３３９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０８４３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１４１５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／２２１０８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００３／００３９２７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１５９１３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００８－５４２６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０７６５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１７３３９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ３／００ － ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する半導体層と、
前記半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体と、
前記第１反射層、前記活性層、及び前記第３反射層の順に配置されて、前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、を備え、
前記半導体層、前記レーザ媒質、および前記可飽和吸収体は一体に接合され、
前記半導体層は、前記レーザ媒質と対向する第４面に前記第１波長に対する第５反射層をさらに有し、
前記第５反射層は、前記第１波長の一部を透過させ、
前記第１波長に対する前記第１反射層の反射率は、前記第５反射層より高くなっている、
レーザ素子。

【請求項2】

前記第１波長は、前記半導体層が生成する前記レーザ媒質に対する励起光の波長であり、
前記半導体層の前記レーザ媒質と対向する第４面の少なくとも一部は、前記第1波長の透過面となっている、
請求項１に記載のレーザ素子。

【請求項3】

前記半導体層は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、前記ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、前記ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える、
請求項１又は２に記載のレーザ素子。

【請求項4】

前記第１波長に対する前記第５反射層の透過率は、前記第１反射層より高くなっている、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項5】

前記第３反射層は、前記第1波長を反射させる、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項6】

前記第４反射層は、前記第２波長の一部を透過させる、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項7】

前記第２波長は、前記レーザ媒質の発振波長である、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項8】

前記半導体層と前記レーザ媒質との間に前記第１波長に対する第１反射防止膜を有する、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項9】

前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に前記第２波長に対する第２反射防止膜を有する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項10】

前記半導体層と前記レーザ媒質との間、前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、前記可飽和吸収体の前記第３面の少なくともいずれかに配置されたひとつまたは複数の放熱板をさらに備える、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項11】

前記第２反射層と前記第４反射層との間に配置された波長変換材料をさらに備える、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項12】

前記波長変換材料の前記半導体層と対向する第５面に前記波長変換材料による変換後の波長に対する第６反射層をさらに備える、
請求項１１に記載のレーザ素子。

【請求項13】

前記レーザ媒質は、４準位系のレーザ媒質または３準位系のレーザ媒質である、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【請求項14】

第１波長に対する第１反射層と第２波長に対する第２反射層とを同一面に有するとともに、前記第１波長の面発光を行う活性層を有する半導体層と、
前記半導体層に接合される面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質に接合される面と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体と、
前記第１反射層、前記活性層、及び前記第３反射層の順に配置されて、前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、を備え、
前記レーザ媒質は、前記第１共振器の共振および前記第２共振器の共振に共用され、
前記半導体層は、前記レーザ媒質と対向する第４面に前記第１波長に対する第５反射層をさらに有し、
前記第５反射層は、前記第１波長の一部を透過させ、
前記第１波長に対する前記第１反射層の反射率は、前記第５反射層より高くなっている、
レーザ素子。

【請求項15】

第１波長に対する第１反射層と、前記第1波長の面発光を行う活性層と、を有する半導体層と、
前記半導体層と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体と、
前記第１反射層、前記活性層、及び前記第３反射層の順に配置されて、前記第１反射層および前記第３反射層の間で前記第１波長の光を共振させる第１共振器と、
前記第２反射層および前記第４反射層の間で前記第２波長の光を共振させる第２共振器と、を備え、
前記半導体層は、前記レーザ媒質と対向する第４面に前記第１波長に対する第５反射層をさらに有し、
前記レーザ媒質は、前記第１共振器の共振および前記第２共振器の共振に共用されるレーザ素子の製造方法であって、
前記第５反射層は、前記第１波長の一部を透過させ、
前記第１波長に対する前記第１反射層の反射率は、前記第５反射層より高くなっており、
半導体基板上に、前記半導体層、前記レーザ媒質、および前記可飽和吸収体を積層した後にダイシングすることにより、複数の前記レーザ素子を製造する、
レーザ素子の製造方法。

【請求項16】

請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のレーザ素子を複数備える、
レーザ装置。

【請求項17】

複数の前記レーザ素子は、１次元のアレイ状または２次元のアレイ状に配列されている、
請求項１６に記載のレーザ装置。

【請求項18】

少なくともいずれかの前記レーザ素子に駆動用の電気信号を供給するように構成された駆動回路をさらに備える、
請求項１７に記載のレーザ装置。

【請求項19】

前記第１共振器は、前記半導体層の内部で前記第1波長の光を発生させると共に前記レーザ媒質の内部で前記第１波長の光を吸収させ、
前記第２共振器は、前記レーザ媒質及び前記可飽和吸収体の内部でＱスイッチによる前記第２波長のパルス光を発生させる、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のレーザ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ素子、レーザ素子の製造方法、レーザ装置およびレーザ増幅素子に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ技術は、微細加工、医療機器または測距など複数の分野で応用されている。特に、短パルスレーザの技術は、高精度の加工技術または高効率の波長変換技術に向けた応用が期待されている。固体レーザを使い、ＭＷを超えるピークパワーを得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－１５１５８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、固体レーザを使うためには、部品数が多く、調整の難しい装置を取り扱う必要がある。装置の複雑性やコストが固体レーザの普及における課題となっていた。

【0005】

上述の課題に鑑みて、本開示は、小型で高性能なレーザ素子、レーザ素子の製造方法、レーザ装置およびレーザ増幅素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一態様によるレーザ素子は、第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、
前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備えていてもよい。

【0007】

前記第１波長は、前記励起光源が生成する励起光の波長であり、前記励起光源の前記レーザ媒質と対向する第４面の少なくとも一部は、前記励起光の出射面となっていてもよい。

【0008】

前記励起光源は、前記第４面に前記第１波長に対する第５反射層を有し、前記第５反射層は、前記第１波長の一部を透過させてもよい。

【0009】

前記励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、前記ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、前記ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザであってもよい。

【0010】

前記第１波長に対する前記第５反射層の透過率は、前記第１反射層より高くなっていてもよい。

【0011】

前記第１波長に対する前記第１反射層の反射率は、前記第５反射層より高くなっていてもよい。

【0012】

前記第３反射層は、前記第１波長の一部を透過させてもよい。

【0013】

前記第４反射層は、前記第２波長の一部を透過させてもよい。

【0014】

前記第２波長は、前記レーザ媒質の発振波長であってもよい。

【0015】

前記励起光源と前記レーザ媒質との間に前記第１波長に対する第１反射防止膜を有していてもよい。

【0016】

前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に前記第２波長に対する第２反射防止膜を有していてもよい。

【0017】

前記励起光源と前記レーザ媒質との間、前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、前記可飽和吸収体の前記第３面の少なくともいずれかに配置されたひとつまたは複数の放熱板をさらに備えていてもよい。

【0018】

前記第２反射層と前記第４反射層との間に配置された波長変換材料をさらに備えていてもよい。

【0019】

前記波長変換材料の前記励起光源と対向する第５面に前記波長変換材料による変換後の波長に対する第６反射層をさらに備えていてもよい。

【0020】

前記レーザ媒質は、４準位系のレーザ媒質または３準位系のレーザ媒質であってもよい。

【0021】

本開示の一態様によるレーザ素子は、第１波長に対する第１反射層と第２波長に対する第２反射層とを同一面に有する励起光源と、前記励起光源と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備えていてもよい。

【0022】

本開示の一態様によるレーザ素子の製造方法では、半導体基板上に複数の材料が積み重ねられた積層構造を形成した後にダイシングを行うことによって、第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備えるレーザ素子を複数製造してもよい。

【0023】

本開示の一態様によるレーザ装置は、上述のいずれかのレーザ素子を複数備えていてもよい。

【0024】

複数の前記レーザ素子は、１次元のアレイ状または２次元のアレイ状に配列されていてもよい。

【0025】

少なくともいずれかの前記レーザ素子に駆動用の電気信号を供給するように構成された駆動回路をさらに備えていてもよい。

【0026】

本開示の一態様によるレーザ増幅素子は、第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、
前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層を有し、かつ前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長及び第２波長に対する第３反射層を有する増幅媒質と、を備えていてもよい。

【0027】

前記励起光源は、前記増幅媒質に対向する第３面を有し、
前記第１波長は、前記励起光源が生成する励起光の波長であり、
前記第３面の少なくとも一部は、前記励起光の出射面となっていてもよい。

【0028】

前記励起光源は、前記第３面に前記第１波長に対する第４反射層を有し、前記第４反射層は、前記第１波長の一部を透過させてもよい。

【0029】

前記励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、前記ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、前記ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザであってもよい。

【0030】

前記励起光源は、前記励起光源の一方の面に配置された複数の発光点を持つ面発光半導体レーザの活性層と、第１の多層膜反射鏡と、前記増幅媒質を介して設置された第２の多層膜反射鏡とを有してもよい。

【0031】

前記活性層に外部より電流注入することにより、前記第１及び第２の多層膜反射鏡の間で前記活性層のバンドギャップで定まる波長でレーザ発振が起こり、前記レーザ発振で生じた励起光が前記増幅媒質でポンピングされて、前記励起光源から前記増幅媒質を通るレーザ光が均一に増幅されてもよい。

【0032】

前記増幅媒質に外部よりパルスレーザ光を結合し、その出力を増幅してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】励起光の光軸およびレーザ光の光軸が角度をなすレーザ装置の例を示す図。

【図2】レーザ光の光軸の方向から視たときのレーザ装置の構成の例を示す図。

【図3】本開示によるレーザ装置の例を概略的に示す断面図。

【図4】本開示によるレーザ装置の例を示した分解図。

【図5】半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図6】図５に続く、半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図7】図６に続く、半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図8】図７に続く、半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図9】図８に続く、半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図10】図９における電極の構成例を示す平面図。

【図11】図９に続く、半導体レーザの製造方法の一例を示す断面図。

【図12】複数のレーザ素子が一体的に形成された板状構造物をダイシングする例を示した図。

【図13】マルチビームのレーザ装置の例を示した図。

【図14】変形例１によるレーザ装置の例を示した図。

【図15】変形例２によるレーザ装置の例を示した図。

【図16】変形例３によるレーザ素子の例を示した分解図。

【図17】変形例４によるレーザ素子の例を示した分解図。

【図18】変形例５によるレーザ素子の例を示した断面図。

【図19】変形例６によるレーザ素子の例を示した断面図。

【図20】変形例７によるレーザ素子の例を示した断面図。

【図21A】本実施形態によるレーザ増幅素子の上面図。

【図21B】本実施形態によるレーザ増幅素子の断面図。

【図21C】励起領域の間に励起されない領域を有するレーザ増幅素子の断面図。

【発明を実施するための形態】

【0034】

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。

【0035】

本開示によるレーザ素子およびレーザ装置について説明する前に、一般的な固体レーザ技術の例について述べる。

【0036】

（第１の実施形態）
図１は、励起光の光軸とレーザ光の光軸が角度をなしているレーザ装置の例を示している。図１は、レーザ装置１０００を励起光の光軸とレーザ光の光軸とを含む面で切断した断面図を示している。レーザ装置１０００は、固体レーザ素子９０１と、半導体レーザアレイ９０２と、ヒートシンク９０６と、ヒートシンク１２０３とを備えている。レーザ装置１０００は、レーザ媒質として固体材料を使った固体レーザ装置である。

【0037】

半導体レーザアレイ９０２は、直線状に配置された複数の発光部を備える。それぞれの発光部は、例えば、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・ヒ素）の活性層を有する。ただし、半導体レーザアレイ９０２の活性層は、その他の種類の半導体であってもよい。半導体レーザアレイ９０２は、レーザ装置１０００における励起光を生成する。すなわち、半導体レーザアレイ９０２は、固体レーザ素子９０１の吸収帯と一致する中心波長９４０ｎｍでレーザ発振する。半導体レーザアレイ９０２は、サブマウントを介して、ヒートシンク１２０３に固定されている。ヒートシンク１２０３は、半導体レーザアレイ９０２を冷却する。ヒートシンク１２０３として、例えば、水冷方式のヒートシンクを使うことができる。ただし、ヒートシンク１２０３の冷却方式については、問わない。また、ヒートシンク１２０３は、半導体レーザアレイ９０２の正電極（ｐ電極）を備えているものとする。

【0038】

半導体レーザアレイ９０２の固体レーザ素子９０１とは反対側にある面１２０１には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ１が形成されている。また、半導体レーザアレイ９０２の固体レーザ素子９０１と対向する面１２０２には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ２が形成されている。波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ１の反射率は、反射層ｒ２より高くなっている。

【0039】

固体レーザ素子９０１は、例えば、３準位系のレーザ媒質である。例えば、３準位系のレーザ媒質として、Ｙｂ（イットリビウム）をドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶を使うことができる。固体レーザ素子９０１の発振波長は、１０３０ｎｍである。固体レーザ素子９０１は、ヒートシンク９０６に固定されている。例えば、ハンダを使って固体レーザ素子９０１をヒートシンク９０６に固定することができる。ヒートシンク９０６として、例えば、水冷方式のヒートシンクを使うことができる。ただし、どのような冷却方式のヒートシンクを使ってもよい。

【0040】

固体レーザ素子９０１の光軸と直交する面１１０３には、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ３が形成されている。また、固体レーザ素子９０１の光軸と直交する他方の面１１０４には、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ４が形成されている。波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ３の反射率は、反射層ｒ４より高くなっている。さらに、固体レーザ素子９０１の半導体レーザアレイ９０２とは反対側にある面１１０１には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ５が形成されている。また、固体レーザ素子９０１の半導体レーザアレイ９０２と対向する面１１０２には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ６が形成されている。波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層ｒ５の反射率は、反射層ｒ６より高くなっている。

【0041】

図１では、面１２０１と面１１０１との間に、半導体レーザアレイ９０２から放出された励起光９０３が破線で示されている。また、固体レーザ素子９０１から出射されるレーザ光９０５が点線の矢印で示されている。図１のレーザ装置１０００では、励起光９０３の光軸と、レーザ光９０５の光軸が直交している。

【0042】

図２は、レーザ装置１０００を、レーザ光９０５の光軸の方向から視たときの構成を示している。図２では、ヒートシンク（正電極）１２０３上に、半導体レーザアレイ９０２および絶縁板１２０５が配置されている。さらに、絶縁板１２０５の上には、負電極（ｎ電極）１２０４が配置されている。絶縁板１２０５の上面（ヒートシンク１２０４側）および絶縁板１２０５の下面（ヒートシンク１２０３側）には、いずれも導電性膜が形成されている。導電性膜は、例えば、金属膜である。ただし、導電性膜は、その他の材料で形成されていてもよい。半導体レーザアレイ９０２の負電極は、配線１２０６を介して、絶縁板１２０５の上面の導電性膜に接続されている。絶縁板１２０５の上面の導電性膜は、負電極１２０４と接触している。負電極１２０４と、半導体レーザアレイ９０２の負電極との間は、電気的に導通している。このため、半導体レーザアレイ９０２は、負電極１２０４より電力の供給を受けることが可能である。半導体レーザアレイ９０２の正電極と、ヒートシンク（正電極）１２０３との間も、電気的に導通している。

【0043】

なお、半導体レーザアレイ９０２と、ヒートシンク（正電極）１２０３と、負電極１２０４と、絶縁板１２０５と、配線１２０６は、いずれも一体的に実装されたパッケージの一部であってもよい。

【0044】

次に、レーザ装置１０００の動作を説明する。負電極１２０４と、正電極１２０３との間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイ９０２に電流が供給される。これにより、半導体レーザアレイ９０２の活性層に反転分布が形成される。反転分布が形成されると、活性層の半導体におけるバンドギャップに相当する中心波長９４０ｎｍの自然放出光が発生する。この自然放出光は、面１２０１の反射層ｒ１と、面１１０１の反射層ｒ２とによって形成される共振器１００１内に閉じ込められるため、共振器１００１内を往復する。自然放出光は、半導体レーザアレイ９０２の活性層を通過する際に、誘導放出によって増幅される。このため、共振器１００１内の光強度は増大し、レーザ発振が始まる。反射層ｒ１と、反射層ｒ２における波長９４０ｎｍの電磁波の反射率を高くすることにより、励起光９０３の強度を高めることができる。

【0045】

共振器１００１内には、固体レーザ素子９０１が配置されている。共振器１００１が発振している電磁波の波長９４０ｎｍは、固体レーザ素子９０１の吸収帯に含まれている。このため、励起光９０３の一部は、固体レーザ素子９０１に吸収され、固体レーザ素子９０１のレーザ媒質を励起する。固体レーザ素子９０１にも反転分布が形成され、レーザ媒質のバンドギャップに相当する中心波長１０３０ｎｍの自然放出光が発生する。

【0046】

図１に示したように、固体レーザ素子９０１の面１１０３には、反射層ｒ３が形成されており、面１１０４には、反射層ｒ４が形成されている。このため、固体レーザ素子９０１内の自然放出光は、面１１０３の反射層ｒ３と、面１１０４の反射層ｒ４とによって形成される共振器１００２に閉じ込められるため、共振器１００２内を往復する。自然放出光は、固体レーザ素子９０１のレーザ媒質を通過する際に、誘導放出によって増幅される。このため、共振器１００２内の光強度は増大し、レーザ発振が始まる。これにより、レーザ光９０５が生成される。レーザ光９０５は、面１１０４の反射層ｒ４における波長１０３０ｎｍの電磁波の透過率に応じて、固体レーザ素子９０１の外側へ放出される。

【0047】

レーザ装置１０００では、励起光における横モードを補正するために、光学素子を追加する必要がある。また、パルスレーザ光を生成するために、レーザ装置１０００に受動Ｑスイッチを追加することができる。ただし、受動Ｑスイッチは、受動Ｑスイッチの光軸が共振器１００１の光軸と平行となるか、直交するように配置される必要がある。レーザ装置１０００では、高い性能を得るために、構成要素の精密なアラインメントを行う必要がある。レーザ装置１０００は、サイズが大きく、装置の量産を実現することが容易ではない。

【0048】

一方、本開示によるレーザ素子を使うと、大型のレーザ装置を使わなくても、個々の素子でピーク強度の大きいパルスレーザ光を得ることができる。また、後述のように、本開示によるレーザ素子は、単純な積層構造によって形成される。本開示によるレーザ素子は、個々のレーザ素子およびレーザ素子を使ったレーザ装置の低コスト化や小型化を実現する。

【0049】

図３は、本開示の第１の実施形態によるレーザ素子の例を概略的に示した断面図である。図３のレーザ素子１０は、半導体レーザ１と、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３とを備えている。レーザ素子１０では、ｚ軸方向に、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、Ｑスイッチ３が積み重なるように配置されている。レーザ素子１０の形状を略柱体状にすることができる。この場合、半導体レーザ１のｚ軸負方向側の面と、Ｑスイッチ３のｚ軸正方向側の面が略柱体状構造の底面となる。ここで、略柱体状とは、例えば、略平行六面体状、略円柱状、略楕円柱状、略三角柱状、略多角形柱状などの形状を含み、底面の形状については、限定しないものとする。ただし、レーザ素子１０をその他の形状にしてもよい。

【0050】

半導体レーザ１は、レーザ素子１０の励起光源に相当する。半導体レーザ１では、ｚ軸正方向の面の少なくとも一部が励起光の出射面になっているものとする。半導体レーザ１は、例えば、ＡｌＧａＡｓを主成分とした発振波長９４０ｎｍの面発光半導体レーザである。半導体レーザ１として、表面出射型の面発光半導体レーザまたは裏面出射型の面発光半導体レーザを使うことができる。半導体レーザ１の材料として、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰまたはこれらの組み合わせを使うことができる。ただし、半導体レーザ１の材料の種類については、限定しない。また、レーザ素子１０の励起光源として、半導体レーザ以外の種類の光源を使ってもよい。

【0051】

固体レーザ媒質２は、例えば、Ｙｂ（イットリビウム）をドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶を含む。この場合、固体レーザ媒質２の発振波長は、１０３０ｎｍとなる。例えば、固体レーザ媒質２のレーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ:ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＦＡＰ、Ｙｂ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＶＯ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＢＣＢＦ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、ＹＢ：ＹＡＢの少なくともいずれかの材料を使うことができる。固体レーザ媒質２は、４準位系のレーザ媒質であってもよいし、３準位系のレーザ媒質であってもよい。ただし、固体レーザ媒質２で使われるレーザ媒質の種類については、問わない。

【0052】

Ｑスイッチ３は、受動Ｑスイッチ素子（可飽和吸収体）である。Ｑスイッチ３は、例えば、Ｃｒ（クロム）をドープしたＹＡＧ（Ｃｒ：ＹＡＧ）結晶を含む。Ｑスイッチ３は、Ｑスイッチ３中を通過するレーザ光の光強度に対して可飽和吸収特性を示す。また、Ｑスイッチ３の可飽和吸収体としてＶ：ＹＡＧを使うこともできる。ただし、Ｑスイッチ３として、その他の種類の可飽和吸収体を使ってもよい。また、Ｑスイッチ３として、能動Ｑスイッチ素子を使うことを妨げるものではない。

【0053】

レーザ素子１０では、レーザ装置１０００とは異なり、励起光の光軸と生成されるレーザ光の光軸がいずれもｚ軸方向になっている。すなわち、本開示によるレーザ素子では、励起光の光軸とレーザ光の光軸が同軸上にある。

【0054】

図４は、本開示によるレーザ素子１０の例を示した分解図である。図４では、説明のために、レーザ素子１０が、半導体レーザ１と、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３の部分に分けて示されている。ただし、実際のレーザ素子１０は、層間に空隙のない構造であってもよい。一方、図４のように、構成要素間に空隙を有する構成を採用することを妨げるものではない。

【0055】

半導体レーザ１には、固体レーザ媒質２に対向する（ｚ軸正方向側の）面１０３と、固体レーザ媒質２と反対側（ｚ軸負方向側）の面１０５との間に、活性層１０４が形成されている。半導体レーザ１の面１０５または面１０５と活性層１０４との間の内部層１０１には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ１が形成されている。

【0056】

また、半導体レーザ１の面１０３または面１０３と活性層１０４との間の内部層１０２には、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ５が形成されている。また、固体レーザ媒質２のＱスイッチ３に対向する（ｚ軸正方向側の）面２０２には、９４０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ３が形成されている。波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ１の反射率を反射層Ｒ５より高くしてもよい。すなわち、反射層Ｒ５は、波長９４０ｎｍの電磁波の一部を透過させる半透過層であってもよい。反射層Ｒ３は、波長９４０ｎｍの電磁波の少なくとも一部を透過させるものとする。例えば、反射層Ｒ３における波長９４０ｎｍの電磁波の透過率を、反射層Ｒ１より高く、反射層Ｒ５より低い値に設定することができる。一方、活性層１０４における発振光の電界を強くし、レーザ利得を得るために、反射層Ｒ１および反射層Ｒ３における波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射率を高くすることができる。

【0057】

レーザ素子１０では、反射層Ｒ１と、反射層Ｒ３によって、光共振器ｒｅｓ１が形成されている。光共振器ｒｅｓ１は、波長９４０ｎｍの電磁波を共振させることが可能である。

【0058】

半導体レーザ１の面１０３に、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜ｎ１が形成される。反射防止膜ｎ１を、反射層Ｒ５より固体レーザ媒質２側（ｚ軸正方向側）に形成することができる。また、固体レーザ媒質２の半導体レーザ１に対向する（ｚ軸負方向側の）面２０１に波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜ｎ２が形成される。ただし、反射防止膜ｎ１または反射防止膜ｎ２の少なくともいずれかを省略してもよい。

【0059】

固体レーザ媒質２の半導体レーザ１に対向する面２０１には、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ２が形成されている。面２０１に反射防止膜ｎ２が形成されている場合、反射層Ｒ２を反射防止膜ｎ２より固体レーザ媒質２側（ｚ軸正方向側）に形成することができる。また、Ｑスイッチ３の固体レーザ媒質２と反対側の（ｚ軸正方向側）の面３０２には、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ４が形成される。波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ２の反射率を反射層Ｒ４より高くしてもよい。すなわち、反射層Ｒ４は、波長１０３０ｎｍの電磁波の一部を透過させる半透過層であってもよい。

【0060】

レーザ素子１０では、反射層Ｒ２と、反射層Ｒ４によって、光共振器ｒｅｓ２が形成されている。光共振器ｒｅｓ２は、波長１０３０ｎｍの電磁波を共振させることが可能である。

【0061】

固体レーザ媒質２のＱスイッチ３に対向する（ｚ軸正方向側の）面２０２に、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜ｎ３が形成される。反射防止膜ｎ３は、反射層Ｒ３よりＱスイッチ３側（ｚ軸正方向側）に形成されていてもよい。また、反射防止膜ｎ３は、反射層Ｒ３より固体レーザ媒質２側（ｚ軸負方向側）に形成されていてもよい。また、Ｑスイッチ３の固体レーザ媒質２に対向する（ｚ軸負方向側の）面３０１に、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜ｎ４が形成される。ただし、反射防止膜ｎ３または反射防止膜ｎ４の少なくともいずれかを省略してもよい。

【0062】

上述の反射層Ｒ１～Ｒ５は、例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。ＤＢＲとは、屈折率の異なる２種類の媒質を１／４波長の光学膜厚で交互に形成した反射器のことをいう。上述の反射防止膜ｎ１～ｎ４は、例えば、シリコン化合物またはフッ化マグネシウムなどの多層膜である。反射防止膜を設けることにより、界面における電磁波の透過率を高めることができる。

【0063】

半導体レーザ１と、固体レーザ媒質２を接合してもよい。同様に、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３を接合してもよい。この場合、接合プロセスによって構成要素どうしを接合してもよい。また、機械的な接合を行って、構成要素どうしを固定してもよい。ここで、接合プロセスの例としては、常温接合、原子拡散接合、プラズマ接合が挙げられる。ただし、その他の種類のプロセスが使われてもよい。

【0064】

次に、レーザ素子１０の動作について説明する。

【0065】

半導体レーザ１が生成した励起光４は、光共振器ｒｅｓ１内に閉じ込められ、光共振器ｒｅｓ１内を往復する。固体レーザ媒質２の吸収帯は、半導体レーザ１の発振波長９４０ｎｍを含んでいる。このため、光共振器ｒｅｓ１内の固体レーザ媒質２は、励起され、固体レーザ媒質２に反転分布が形成される。励起光４は、誘導放出により増幅されるため、光共振器ｒｅｓ１は、波長９４０ｎｍでレーザ発振する。半導体レーザ１は、固体レーザ媒質２を含む光共振器ｒｅｓ１内で発振可能であればよい。反射層Ｒ５で波長９４０ｎｍの電磁波の一部を透過させている場合、半導体レーザ１は、単体で発振しない可能性がある。したがって、半導体レーザ１として、必ず単独で発振可能な半導体レーザを使わなくてもよい。

【0066】

反射層Ｒ３を透過した光共振器ｒｅｓ１の光の一部は、光共振器ｒｅｓ２内のＱスイッチ３に入り込む。入り込んだ光は、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３とを含む光共振器ｒｅｓ２内を往復し始める。Ｑスイッチ３は、光強度が大きくなると光を吸収し、基底準位の電子を励起させるため、光共振器ｒｅｓ２内における発振が一時的に抑制される。固体レーザ媒質２では、誘導放出が抑制され、励起準位にある電子が増加する。一定期間の経過後、Ｑスイッチ３の励起準位は、電子で埋まり、Ｑスイッチ３による光の吸収率が低下する。固体レーザ媒質２で誘導放出が発生し、光共振器ｒｅｓ２は、波長１０３０ｎｍでレーザ発振をする。このとき、固体レーザ媒質２の励起準位に蓄積されたエネルギーは、パルスレーザ光５として、面３０２を介してレーザ素子１０の外に放出される。

【0067】

パルスレーザ光５が放出されると、光共振器ｒｅｓ２内の光強度が低下する。このため、Ｑスイッチ３の励起準位に空きができ、Ｑスイッチ３による光の吸収率が再び上昇する。光共振器ｒｅｓ２には、反射層Ｒ３を透過した光共振器ｒｅｓ１のレーザ光が供給され続ける。このため、光共振器ｒｅｓ２内の光強度は、再び増大し、上述の過程が繰り返される。これにより、レーザ素子１０は、パルスレーザ光５を繰り返し放出する。

【0068】

上述のように、光共振器内の光強度に応じて、吸収による光損失を変化させ、パルスレーザ光を発生させる構成要素は、受動Ｑスイッチとよばれる。受動Ｑスイッチが使われる場合、固体レーザ媒質２の利得を高くするほど、生成されるレーザ光のパルス時間幅を小さくすることができる。一方、生成されるレーザ光のパルス時間幅は、光共振器ｒｅｓ２の共振器長に比例する。

【0069】

レーザ素子１０では、固体レーザ媒質２が光共振器ｒｅｓ１と、光共振器ｒｅｓ２で共用されている。固体レーザ媒質２における励起領域は、励起光４のモード内部に限定されるため、利得密度を高めることができる。また、レーザ素子１０では、固体レーザ媒質２およびＱスイッチ３が光共振器ｒｅｓ２における一対の反射器の機能を兼ね備えている。このため、光共振器ｒｅｓ２の共振器長を短くすることが容易であり、レーザ素子を小型化することができる。レーザ素子１０は、パルス時間幅が短く、ピーク強度の大きいパルスレーザ光を生成することができる。特に、各種の加工用にレーザ素子１０を使う場合、短いパルス時間幅は、加工精度の向上に寄与する。一方、パルスのピーク強度の大きさは、加工時間の短縮に寄与する。

【0070】

固体レーザ媒質２の利得を大きくすると、パルスレーザ光５の繰り返し周波数が高くなる。上述のように、レーザ素子１０では、固体レーザ媒質２の利得密度が高くなっているため、パルスレーザ光５の繰り返し周波数を高くすることが可能である。

【0071】

次に、レーザ素子１０の製造方法の例について説明する。

【0072】

図５の断面図は、半導体レーザの製造方法の一例を示している。以下では、図５～図１２を参照しながら、半導体レーザ１の製造方法の例について説明する。なお、製造方法の説明において「上」と記載した場合、それは紙面の上側を意味するものとする。

【0073】

はじめに、半導体基板４０１の上に、コンタクト層４０２が形成される。半導体基板４０１は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板である。ただし、半導体基板４０１は、その他の種類の化合物半導体またはシリコン半導体であってもよい。コンタクト層４０２として、例えば、ｎ型半導体を使うことができる。例えば、シリコンにＰ（リン）またはＡｓ（ヒ素）をドープし、ｎ型半導体を形成することができる。さらに、コンタクト層４０２の上に、反射層４０３が形成される。反射層４０３は、例えば、１／４波長の光学膜厚で交互に異なる半導体材料を積層した分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。反射層４０３は、ｎ型半導体によって形成されるＤＢＲであってもよい。この場合、反射層４０３は、ｎ－ＤＢＲに相当する。

【0074】

反射層４０３の上には、クラッド層４０４が形成される。また、クラッド層４０４の上には、活性層４０５が形成される。さらに、活性層４０５の上には、クラッド層４０６が形成される。活性層４０５は、例えば、クラッド層４０４およびクラッド層４０６よりバンドギャップが小さく、屈折率が大きい材料で形成される。量子井戸または多重量子井戸を含む活性層４０５を形成してもよい。

【0075】

クラッド層４０６の上には、反射層４０８が形成されている。反射層４０８は、例えば、１／４波長の光学膜厚で交互に異なるｐ型化合物半導体を積層したＤＢＲ（ｐ－ＤＢＲ）である。例えば、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓによって反射層４０８を形成することができる。ただし、反射層４０８の材料については、問わない。

【0076】

反射層４０８の上には、コンタクト層４０９が形成される。コンタクト層４０９として、例えば、ｐ型半導体を使うことができる。例えば、シリコンにＢ（ホウ素）またはＡｌ（アルミニウム）をドープし、ｐ型半導体を形成することができる。ｐ型半導体のコンタクト層４０９は、電極とのオーミック接触を実現する。

【0077】

なお、反射層４０８の一部の層を酸化し、酸化層４０７を形成してもよい。例えば、反射層４０８内のＡｌＡｓを選択的に酸化し、Ａｌ_２Ｏ_３層を形成することができる。なお、全面にわたって酸化層４０７を形成せず、面の一部に未酸化の開口部を残してもよい。これにより、図６の狭窄構造５０１を形成することができる。狭窄構造５０１は、活性層４０５の近傍で電流を狭窄し、活性層４０５への効率的な電流の注入を実現する。狭窄構造５０１を設けることにより、半導体レーザ１を低いしきい値電流で動作させることが可能となる。また、酸化層４０７は、周囲と比べて屈折率が小さくなるため、光の閉じ込め効果が得られる。

【0078】

例えば、エッチングによって被酸化層を含むエピタキシャル多層膜にメサポスト構造を形成した後に、狭窄構造５０１を形成することができる。狭窄構造５０１は、例えば、加圧水蒸気雰囲気下でトレンチの側面より被酸化層を選択的に酸化させることによって形成される。図６の断面図は、図５においてメタポスト構造と狭窄構造５０１を形成した後の状態を示している。図６のメサポスト構造では、コンタクト層４０９からクラッド層４０４までがエッチングされ、トレンチ５０６が形成されている。そして、トレンチ５０６の底面では、反射層４０３の一部が露出している。なお、上述とは異なる方法によってメタポスト構造と狭窄構造５０１を形成してもよい。

【0079】

上述の各層を形成するために、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を使うことができる。ただし、その他の技術によって層を形成してもよい。

【0080】

次に、半導体レーザ１の電極を形成する工程について説明する。

【0081】

メサポスト構造と狭窄構造５０１が形成されたら、メサポスト構造の外周に沿って正電極（ｐ電極）５０３を形成する。図７の断面図は、図６において正電極５０３を形成した後の状態を示している。図７では、メサポスト構造を囲むトレンチ５０６内、メサポスト構造の上部およびトレンチ開口部の近傍の範囲に正電極５０３が形成されている。正電極５０３は、反射層４０８（ｐ－ＤＢＲ）に接しており、金属などの導電性材料で形成されているものとする。なお、図７のように、正電極５０３内に、正電極５０３の上面より活性層４０５の下方まで貫通している絶縁部５１１を形成してもよい。絶縁部５１１として、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ポリイミドを使うことができる。ただし、絶縁部５１１は、その他の材料であってもよい。なお、絶縁部５１１を形成せず、図７の絶縁部５１１に相当する空間を空隙にしてもよい。

【0082】

そして、図８の断面図に示したように、エッチングによって、正電極５０３の外側にトレンチ５０７を形成する。図８のトレンチ５０７では、コンタクト層４０９から反射層４０３までがエッチングされている。また、トレンチ５０７の底面では、コンタクト層４０２の一部が露出している。例えば、反応性イオンエッチングによってトレンチ５０７を形成することができる。ただし、その他の種類の方法によってトレンチを形成してもよい。

【0083】

図９の断面図に示したように、トレンチ５０７の底部、トレンチ５０７の外周側の側面およびコンタクト層４０９のトレンチ５０７の外周側にある部分には、負電極（ｎ電極）５０２が形成される。負電極５０２は、反射層４０３（ｎ－ＤＢＲ）に接しており、金属などの導電性材料で形成されているものとする。また、トレンチ５０７の内周側の側面を含む、トレンチ５０７の負電極５０２が形成されていない部分には、絶縁部５０８が形成される。絶縁部５０８は、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ポリイミドである。ただし、絶縁部５０８は、その他の材料であってもよい。なお、絶縁部５０８を形成せず、図９の絶縁部５０８に相当する空間を空隙にしてもよい。

【0084】

図１０は、図９を上方向から平面視した場合の構造を示している。図１０の破線５１０は、図９の断面図の切断位置を示している。図１０に示されているように、絶縁部５０８は、正電極５０３と負電極５０２が直接接触するのを防ぐ。図１０に示した正電極５０３および負電極５０２の位置および形状は、一例にしかすぎない。したがって、正電極５０３および負電極５０２の位置および形状は、これとは異なっていてもよい。

【0085】

図１０の正電極５０３内には、円環状の開口部５０９が設けられている。開口部５０９内には、絶縁部５１１が円環状に形成されている。絶縁部５１１を円環状に形成することにより、円形状にレーザ光のビームを放出することが可能となる。なお、正電極５０３内にこれとは異なる平面視形状の開口部を形成してもよい。レーザ光が放出される方向に応じて、図１０とは異なる方向に開口部を形成してもよい。なお、必ず開口部５０９内を材料で充填しなくてもよい。また、開口部を省略してもよい。

【0086】

最後に、正電極５０３および負電極５０２の上側に、サブマウント５０４を装着する。図１１の断面図は、サブマウント５０４を装着した後における半導体レーザ１の例を示している。図１１に示したように、正電極５０３および負電極５０２は、サブマウント５０４の電極５０５に接触している。半導体レーザ１は、サブマウント５０４の電極５０５より供給された電気信号によって動作する。

【0087】

半導体レーザ１が裏面出射型の面発光半導体レーザである場合、レーザ光は、クラッド層４０４、反射層４０３および半導体基板４０１を透過して図１１の紙面下方向に出射される。一方、半導体レーザ１が表面出射型の面発光半導体レーザである場合、レーザ光は、図１１の紙面上方向に出射される。

【0088】

半導体レーザ１が表面出射型の面発光半導体レーザである場合、レーザ光が放出できるよう、正電極５０３、電極５０５およびサブマウント５０４に開口部を設けてもよい。例えば、平面視略円形状または平面視略円環状の開口部を形成することができる。ただし、開口部の形状は、限定しない。レーザ光放出用の開口部を形成するために、エッチングを行ってもよい。また、レーザ光が放出される部分をレーザ光の波長に対して透明な材料で形成してもよい。例えば、近赤外線のレーザ光が放出される場合、レーザ光が放出される部分をＧａＡｓによって形成することができる。

【0089】

以下では、半導体レーザ１が裏面出射型の面発光半導体レーザである場合を例に、レーザ素子１０の製造方法を説明する。ただし、半導体レーザ１は、表面出射型の面発光半導体レーザまたはその他の種類の半導体レーザであってもよい。上述のように、励起光源として、半導体レーザ以外の光源を使ってもよい。

【0090】

固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１に対して図１１の紙面下側に配置される。すなわち、固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１の半導体基板４０１に対向して配置される。固体レーザ媒質２を半導体基板４０１に直接接合してもよい。また、固体レーザ媒質２と半導体基板４０１をその他の構造物を介して間接的に連結してもよい。なお、半導体基板４０１を必ず固体レーザ媒質２に密着させなくてもよい。このため、固体レーザ媒質２と半導体基板４０１との間に空間が存在していてもよい。固体レーザ媒質２として、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶などの固体レーザ媒質を使うことができる。なお、表面出射型の面発光半導体レーザが使われる場合、固体レーザ媒質２は、半導体レーザ１に対して図１１の紙面上側に配置される。

【0091】

固体レーザ媒質２の半導体レーザ１と対向する面（図４の面２０１）に、固体レーザ媒質２の発振波長に対する反射層Ｒ２を形成する。なお、半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と対向する面（図４の面１０３）に、固体レーザ媒質２の発振波長に対する反射層を形成してもよい。

【0092】

また、半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と対向する面（図４の面１０３）または固体レーザ媒質２の半導体レーザ１と対向する面（図４の面２０１）の少なくともいずれかに、半導体レーザ１の発振波長に対する反射防止膜を形成してもよい。

【0093】

Ｑスイッチ３は、固体レーザ媒質２の半導体レーザ１の反対側の面に対向して配置される。Ｑスイッチ３を固体レーザ媒質２に直接接合してもよい。また、Ｑスイッチ３と固体レーザ媒質２をその他の構造物を介して間接的に連結してもよい。なお、Ｑスイッチ３必ず固体レーザ媒質２に密着させなくてもよい。このため、Ｑスイッチ３と固体レーザ媒質２との間に空間が存在していてもよい。Ｑスイッチ３として、Ｃｒ：ＹＡＧ結晶などの可飽和吸収体を使うことができる。

【0094】

固体レーザ媒質２のＱスイッチ３と対向する面（図４の面２０２）には、半導体レーザ１の発振波長に対する反射層Ｒ３を形成する。なお、Ｑスイッチ３の固体レーザ媒質２と対向する面（図４の面３０１）に、半導体レーザ１の発振波長に対する反射層を形成してもよい。

【0095】

また、固体レーザ媒質２のＱスイッチ３と対向する面（図４の面２０２）またはＱスイッチ３の固体レーザ媒質２と対向する面（図４の面３０１）の少なくともいずれかに、固体レーザ媒質２の発振波長に対する反射防止膜を形成してもよい。Ｑスイッチ３の固体レーザ媒質２と反対側の面（図４の面３０２）には、固体レーザ媒質２の発振波長に対する反射層Ｒ４を形成する。

【0096】

半導体レーザ１の製造工程と同様、接合プロセス（例えば、常温接合、原子拡散接合、プラズマ接合）または、機械的接合によって、構成要素間の接合を行うことができる。

【0097】

レーザ素子１０は、複数の材料を積層することによって形成されるため、並列的に複数のレーザ素子１０を製造することが可能である。例えば、半導体レーザ１を複数形成することが可能な面積の半導体基板４０１Ａを用意し、半導体基板４０１Ａの複数箇所について、上述の製造工程を行うことができる。例えば、半導体基板４０１Ａ上に、複数の半導体レーザ１をアレイ状に形成することができる。ただし、これとは異なる配列で複数の半導体レーザ１を半導体基板４０１Ａ上に形成してもよい。半導体基板４０１Ａ上に、複数の半導体レーザ１が形成されたら、上述の反射層の形成、固体レーザ媒質２およびＱスイッチ３との接合などの工程を行う。これにより、複数のレーザ素子１０を同時に形成することができる。

【0098】

そして、図１２に示したように、複数のレーザ素子１０が一体的に形成された板状の構造物１００をダイシングし、個々のレーザ素子１０に分離することができる。例えば、ダイヤモンドブレードまたはレーザカッターにより、構造物１００を切断することができる。

【0099】

上述のように、裏面出射型の面発光半導体レーザを使うと、電極への電気的な配線を行うことが容易となる。ただし、上述の製造方法およびレーザ素子１０の構成は、一例にしかすぎない。したがって、レーザ素子の製造方法の少なくとも一部は、上述と異なっていてもよい。また、実際に製造される構造物の形状は、上述の各図と異なっていてもよい。

【0100】

本開示によるレーザ素子の製造方法は、半導体基板上に複数の材料が積み重ねられた積層構造を形成した後にダイシングを行うことによって、レーザ素子を複数製造するものであってもよい。ここで、レーザ素子は、第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および第１面と反対側の第２面に第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、レーザ媒質と反対側の第３面に第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備えていてもよい。

【0101】

ここでは、本開示によるレーザ素子の構成についてまとめる。

【0102】

本開示によるレーザ素子は、励起光源と、レーザ媒質と、可飽和吸収体とを備えていてもよい。励起光源は、第１波長に対する第１反射層を有する。レーザ媒質は、励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および第１面と反対側の第２面に第１波長に対する第３反射層を有する。可飽和吸収体は、レーザ媒質と反対側の第３面に第２波長に対する第４反射層を有する。第３反射層は、第１波長の一部を透過させてもよい。第４反射層は、第２波長の一部を透過させてもよい。第１波長は、励起光源が生成する励起光の波長であってもよい。第２波長は、レーザ媒質の発振波長であってもよい。励起光源のレーザ媒質と対向する第４面の少なくとも一部は、励起光の出射面となっていてもよい。

【0103】

上述の半導体レーザ１は、励起光源の一例である。固体レーザ媒質２は、レーザ媒質の一例である。Ｑスイッチ３は、可飽和吸収体の一例である。反射層Ｒ１は、第１反射層の一例である。図４の面２０１は、第１面の一例である。反射層Ｒ２は、第２反射層の一例である。面２０２は、第２面の一例である。反射層Ｒ３は、第３反射層の一例である。面３０２は、第３面の一例である。反射層Ｒ４は、第４反射層の一例である。面１０３は、第４面の一例である。

【0104】

また、励起光源は、レーザ媒質と対向する第４面に第１波長に対する第５反射層を有していてもよい。第５反射層は、第１波長の一部を透過させてもよい。励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザであってもよい。第１波長に対する第５反射層の透過率は、第１反射層より高くなっていてもよい。また、第１波長に対する第１反射層の反射率は、第５反射層より高くなっていてもよい。

【0105】

図４の面１０３は、第５面の一例である。反射層Ｒ５は、第５反射層の一例である。反射層４０８（ｐ－ＤＢＲ）は、ｐ型半導体多層反射層の一例である。反射層４０３（ｎ－ＤＢＲ）は、ｎ型半導体多層反射層の一例である。活性層４０５は、量子井戸を含む活性層の一例である。

【0106】

本開示によるレーザ素子は、励起光源とレーザ媒質との間に第１波長に対する第１反射防止膜を有していてもよい。また、本開示によるレーザ素子は、レーザ媒質と可飽和吸収体との間に第２波長に対する第２反射防止膜を有していてもよい。

【0107】

上述の反射防止膜ｎ１および反射防止膜ｎ２は、いずれも第１反射防止膜の例である。反射防止膜ｎ３および反射防止膜ｎ４は、いずれも第２反射防止膜の例である。

【0108】

次に、レーザ素子１０を使ったレーザ装置の例について説明する。

【0109】

図１３は、マルチビームのレーザ装置の例を示している。図１３のレーザ装置２０は、１次元のアレイ状に配列された複数のレーザ素子１０と、複数のレーザ素子１０を支持する支持部１１と、駆動回路１２とを備えている。例えば、それぞれのレーザ素子１０の周りを金属シート（金属ホイル）などの熱伝導性の高い材料で包み、支持部１１に収納することができる。支持部１１は、例えば、熱硬化性樹脂、セラミックス、金属などの耐熱性に優れた材料で形成されている。ただし、支持部１１は、その他の材料で形成されていてもよい。

【0110】

複数のレーザ素子１０は、駆動回路１２と電気的に接続されている。駆動回路１２は、複数のレーザ素子１０に駆動用の電気信号を供給するように構成されている。このため、複数のレーザ素子１０は、同時に発光することができる。なお、図１３のレーザ装置２０では、ｚ軸正方向にレーザ光が放出される。

【0111】

図１４は、変形例１によるレーザ装置の例を示している。図１４のレーザ装置２１は、１次元のアレイ状に配列された複数のレーザ素子１０と、複数のレーザ素子１０を支持する支持部１１と、複数の駆動回路１３と、制御回路１４とを備えている。複数のレーザ素子１０および支持部１１の構成は、レーザ装置２０（図１３）と同様である。レーザ装置２１では、それぞれのレーザ素子１０に対応する個別の駆動回路１３が設けられている。そして、それぞれのレーザ素子１０は、対応する駆動回路１３に電気的に接続されている。図１４のように、複数の駆動回路１３と電気的に接続された制御回路１４が設けられていてもよい。

【0112】

駆動回路１３は、いずれかのレーザ素子１０に電気信号を供給するように構成されている。一方、制御回路１４は、複数の駆動回路１３または少なくともいずれかの駆動回路１３に制御信号を送信するように構成されている。例えば、制御回路１４は、少なくともいずれかの駆動回路１３を制御し、少なくともいずれかのレーザ素子１０が発光させることができる。また、制御回路１４は、複数のレーザ素子１０のうち、一部のレーザ素子１０が選択的に発光するよう、駆動回路１３を制御してもよい。図１４においても、図１３と同様、レーザ光は、ｚ軸正方向に放出される。

【0113】

図１５は、変形例２によるレーザ装置の例を示している。図１５のレーザ装置２２は、２次元のアレイ状に配列された複数のレーザ素子１０と、複数のレーザ素子１０を支持する支持部１５とを備えている。レーザ装置２２の複数のレーザ素子１０は、レーザ装置２０（図１３）のように、共通の駆動回路（図示せず）に接続されていてもよい。また、レーザ装置２２の複数のレーザ素子１０は、レーザ装置２１（図１４）のように、それぞれ個別の駆動回路（図示せず）に接続されていてもよい。図１５においても、レーザ光は、ｚ軸正方向に放出される。

【0114】

このように、本開示によるレーザ装置は、少なくともいずれかのレーザ素子に駆動用の電気信号を供給するように構成された駆動回路をさらに備えていてもよい。

【0115】

図１３～図１５に例示したレーザ装置は、微細加工、リソグラフィ、医療など複数の分野に適用することが可能である。特に、微細加工の分野においては、複数のレーザ素子を配列したレーザ装置を使うことにより、高い加工精度と、高いエネルギー出力を両立させることが可能である。なお、図１３～図１５に示した複数のレーザ素子１０の配列は、例にしかすぎない。したがって、レーザ装置は、上述とは異なるレーザ素子１０の配列を採用していてもよい。複数のレーザ素子１０は、同一列または同一平面状に周期的に配置されていてもよい。また、複数のレーザ素子１０は、同一平面上に、場所によって異なる密度で配置されていてもよい。

【0116】

次に、本開示によるレーザ素子の変形例について説明する。

【0117】

図１６の分解図は、変形例３によるレーザ素子の例を示している。図１６のレーザ素子１０Ａは、図４のレーザ素子１０に放熱板（ヒートシンク）を追加したものである。レーザ素子１０Ａでは、半導体レーザ１と、固体レーザ媒質２との間に、放熱板６が配置されている。また、レーザ素子１０Ａでは、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３との間に、放熱板７が配置されている。さらに、Ｑスイッチの固体レーザ媒質２と反対側（ｚ軸正方向側）の面には、放熱板８が配置されている。

【0118】

なお、図１６に示した放熱板の枚数と配置は、一例にしかすぎない。例えば、図１６とは異なる位置に放熱板が配置されていてもよい。また、放熱板６～８の少なくともいずれかが省略されていてもよい。放熱板６～８として、例えば、未ドープのＹＡＧ結晶、石英、サファイアを使うことができる。ただし、放熱板６～８の材料については、問わない。

【0119】

必要に応じて、放熱板６～８の表面に各種のコーティングを行ってもよい。例えば、放熱板６の半導体レーザ１と対向する面または放熱板６の固体レーザ媒質２と対向する面の少なくともいずれかに、波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜を形成してもよい。また、放熱板７の固体レーザ媒質２と対向する面または放熱板７のＱスイッチ３と対向する面の少なくともいずれかに、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射防止膜を形成してもよい。

【0120】

レーザ素子には、励起光と発振光のフォトンエネルギーの差による量子欠損、誘導放出および自然放出に寄与しない熱緩和現象などの要因により、温度勾配が発生する可能性がある。レーザ素子に温度勾配がある場合、材料の屈折率が温度に応じて変化し、発振光に対して熱レンズ効果が発生する可能性がある。熱レンズ効果が発生すると、レーザ素子内で発振光が局所的に集光され、材料が損傷するおそれがある。そこで、図１６のように、レーザ素子に放熱板を設け、レーザ素子内の温度上昇を抑制し、熱レンズ効果の発生を防ぐことができる。

【0121】

放熱板との接合または放熱板の形成に係る工程が追加される点を除けば、レーザ素子１０Ａの製造工程は、上述のレーザ素子１０と同様である。また、上述のレーザ装置２０～２２において、レーザ素子１０の代わりに、図１６のレーザ素子１０Ａを使ってもよい。

【0122】

本開示によるレーザ素子は、さらにひとつまたは複数の放熱板を備えていてもよい。放熱板は、励起光源とレーザ媒質との間、レーザ媒質と可飽和吸収体との間、可飽和吸収体の第３面の少なくともいずれかの位置に配置することが可能である。

【0123】

ここで、半導体レーザ１は、励起光源の一例である。固体レーザ媒質２は、レーザ媒質の一例である。Ｑスイッチ３は、可飽和吸収体の一例である。面３０２は、第３面の一例である。

【0124】

レーザ素子およびレーザ装置の用途によっては、固体レーザ媒質の発振光とは、異なる波長のレーザ光が求められる場合もありうる。そこで、波長変換材料を使って所望の波長のレーザ光を生成することができる。

【0125】

図１７の分解図は、変形例４によるレーザ素子の例を示している。図１７のレーザ素子１０Ｂは、図１６のレーザ素子１０Ａに、波長変換材料９を追加したものである。図１７の波長変換材料９は、光共振器ｒｅｓ２の放熱板７と、Ｑスイッチ３との間に配置されている。ただし、波長変換材料の配置は、これとは異なっていてもよい。例えば、波長変換材料をＱスイッチ３よりｚ軸正方向側に配置してもよい。すなわち、波長変換材料を、反射層Ｒ２と反射層Ｒ４との間（光共振器ｒｅｓ２内）の任意の位置に配置することができる。

【0126】

生成するレーザ光の波長に応じて、使用する波長変換材料に種類を選択することができる。波長変換材料の例としては、ＬｉＮｂＯ_３、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＳＬＴなどの非線形光学結晶が挙げられる。また、波長変換材料として、これらに類似する位相整合材料を使ってもよい。ただし、波長変換材料の種類については、問わない。波長変換材料９によって、光共振器ｒｅｓ２の発振光５Ａは、波長λ_ｃのレーザ光５Ｂに変換される。レーザ光５Ｂは、レーザ素子１０Ｂよりｚ軸正方向に放出される。

【0127】

波長変換材料９の半導体レーザ１と対向する面に、波長λ_ｃのレーザ光５Ｂに対する反射層Ｒ６を形成してもよい。また、波長変換材料９のＱスイッチ３と対向する面、Ｑスイッチ３の波長変換材料９と対向する面、Ｑスイッチ３の波長変換材料９とは反対側にある面、放熱板８のＱスイッチ３と対向する面、放熱板８のＱスイッチ３とは反対側にある面の少なくともいずれかに波長λ_ｃのレーザ光５Ｂに対する反射防止膜を形成してもよい。

【0128】

波長変換材料９との接合または波長変換材料９の形成に係る工程が追加される点を除けば、レーザ素子１０Ｂの製造工程は、上述のレーザ素子１０Ａと同様である。また、上述のレーザ装置２０～２２において、レーザ素子１０の代わりに、図１７のレーザ素子１０Ｂを使ってもよい。なお、図１７には、複数の放熱板を備えるレーザ素子の例を示したが、少なくともいずれかの放熱板を省略してもよい。また、図１７と異なる位置に放熱板が配置されていてもよい。

【0129】

本開示によるレーザ素子は、第２反射層と第４反射層との間に配置された波長変換材料をさらに備えていてもよい。また、波長変換材料の励起光源と対向する第５面に波長変換材料による変換後の波長に対する第６反射層をさらに備えていてもよい。

【0130】

ここで、反射層Ｒ２は、第２反射層の一例である。反射層Ｒ４は、第４反射層の一例である。半導体レーザ１は、励起光源の一例である。図１７の波長変換材料９のｚ軸負方向側の面は、第５面の一例である。反射層Ｒ６は、第６反射層の一例である。

【0131】

上述のレーザ素子における反射層Ｒ２は、光共振器ｒｅｓ１内に配置されている。このため、光共振器ｒｅｓ１内における第１波長（例えば、９４０ｎｍ）の電磁波の共振の妨げとならないよう、反射層Ｒ２の第１波長の電磁波に対する透過率を高くすることが望ましい。一方、反射層Ｒ２は、光共振器ｒｅｓ２における一対の反射器の一方に相当している。光共振器ｒｅｓ２における利得を確保するためには、反射層Ｒ２の第２波長（例えば、１０３０ｎｍ）の電磁波に対する反射率を高くすることが望ましい。すなわち、（１）第１波長に対する透過率と、（２）第２波長に対する反射率のふたつの要件を考慮し反射層Ｒ２の設計を行う必要がある。

【0132】

以下では、反射層の設計が容易となるレーザ素子の例について説明する。ここでは、第１波長が９４０ｎｍであり、第２波長が１０３０ｎｍである場合を例に説明する。第１波長は、例えば、半導体レーザ１の発振波長である。第２波長は、例えば、固体レーザ媒質２の発振波長である。ただし、第１波長および第２波長の大きさを限定するものではない。

【0133】

図１８の断面図は、変形例５によるレーザ素子の例を示している。図１８のレーザ素子１０Ｃでは、上述の各図に示したレーザ素子と同様、ｚ軸方向に、半導体レーザ１、固体レーザ媒質２、Ｑスイッチ３が積み重なるように配置されている。

【0134】

半導体レーザ１は、ｚ軸正方向に励起光を出射するように構成された励起光源である。半導体レーザ１は、例えば、ＡｌＧａＡｓを主成分とした発振波長９４０ｎｍの半導体レーザである。例えば、半導体レーザ１として、量子井戸構造を有する面発光半導体レーザを使ってもよい。例えば、レーザ素子１０Ｃの半導体レーザ１として、上述の図５～図１１で説明した半導体レーザを使うことができる。ただし、レーザ素子１０Ｃでは、半導体レーザ以外の種類の励起光源が使われてもよい。

【0135】

固体レーザ媒質２として、例えば、Ｙｂ：ＹＡＧを使うことができる。ただし、上述のようにその他の種類のレーザ媒質を使ってもよい。Ｑスイッチ３として、例えば、Ｃｒ：ＹＡＧを使うことができる。ただし、上述のようにＱスイッチ３として、Ｖ：ＹＡＧなど、その他の種類の可飽和吸収体を使ってもよい。

【0136】

半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と反対側（ｚ軸負方向側）の面には、反射層Ｒ２´および反射層Ｒ１が形成されている。反射層Ｒ２´は、１０３０ｎｍ（固体レーザ媒質２の発振波長）の電磁波に対する反射層である。一方、反射層Ｒ１は、９４０ｎｍ（半導体レーザ１の発振波長）の電磁波に対する反射層である。反射層Ｒ２´および反射層Ｒ１は、例えば、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。

【0137】

反射層Ｒ２´および反射層Ｒ１として、別々のＤＢＲが形成されていてもよい。この場合、図１８のように、反射層Ｒ２´が反射層Ｒ１よりｚ軸負方向側に形成されていてもよい。また、反射層Ｒ１が反射層Ｒ１よりｚ軸負方向側に形成されていてもよい。なお、半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と反対側（ｚ軸負方向側）の面に、反射層Ｒ２´と反射層Ｒ１の機能を兼ね備えた、共通のＤＢＲを形成してもよい。すなわち、半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と反対側の面に、９４０ｎｍの電磁波および１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層（ＤＢＲ）が形成されていてもよい。

【0138】

上述のいずれの場合においても、反射層Ｒ２´および反射層Ｒ１は、半導体レーザ１の同一面上に形成されているといえる。

【0139】

また、半導体レーザ１の固体レーザ媒質２と対向する側（ｚ軸正方向側）の面には、反射層Ｒ５が形成されている。反射層Ｒ５は、波長９４０ｎｍ（半導体レーザ１の発振波長）の電磁波に対する反射層である。反射層Ｒ５における波長９４０ｎｍの電磁波に対する反射率を反射層Ｒ１より低く設定してもよい。また、反射層Ｒ５は、波長９４０ｎｍの電磁波の一部を透過させる半透過層であってもよい。レーザ素子１０Ｃの半導体レーザ１は、光共振器ｒｅｓ１内で発振できればよい。このため、半導体レーザ１として、必ず単独で発振可能な半導体レーザを使わなくてもよい。反射層Ｒ５は、例えば、１／４波長の光学膜厚で交互に異なるｐ型化合物半導体を積層したＤＢＲ（ｐ－ＤＢＲ）である。例えば、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓによって反射層Ｒ５を形成することができる。ただし、反射層Ｒ５の材料については、問わない。

【0140】

固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３との間の面には、反射層Ｒ３が形成されている。反射層Ｒ３は、波長９４０ｎｍ（半導体レーザ１の発振波長）の電磁波に対する反射層である。反射層Ｒ３として、例えば、ＤＢＲを使うことができる。反射層Ｒ１と、反射層Ｒ３によって、光共振器ｒｅｓ１が形成されている。反射層Ｒ３は、波長９４０ｎｍの電磁波の少なくとも一部を透過させるものとする。例えば、反射層Ｒ３における波長９４０ｎｍの電磁波の透過率を、反射層Ｒ１より高く、反射層Ｒ５より低い値に設定することができる。反射層Ｒ３は、半導体レーザ１の発振波長）の電磁波の少なくとも一部を透過させる。このため、光共振器ｒｅｓ１内の発振光の一部は、Ｑスイッチ３側に進むことができる。

【0141】

Ｑスイッチ３の固体レーザ媒質２と反対側の面（ｚ軸正方向側の面）には、反射層Ｒ４が形成されている。反射層Ｒ４は、波長１０３０ｎｍ（固体レーザ媒質２の発振波長）の電磁波に対する反射層である。反射層Ｒ２´と、反射層Ｒ４によって、光共振器ｒｅｓ２が形成される。反射層Ｒ４からは、光共振器ｒｅｓ２内の発振光の一部がｚ軸正方向に出射される。このため、反射層Ｒ４は、波長１０３０ｎｍの電磁波の一部を透過させる半透過層であってもよい。また、波長１０３０ｎｍの電磁波に対する反射層Ｒ４の反射率を反射層Ｒ２´より低く設定してもよい。

【0142】

図１８のレーザ素子１０Ｃでは、光反射器ｒｅｓ１内に光反射器ｒｅｓ２が配置されている。上述の反射層Ｒ２は、半導体レーザ１の活性層に対して、ｚ軸正方向側に配置されていた。一方、レーザ素子１０Ｃの反射層Ｒ２´（第２反射層）は、半導体レーザ１の活性層に対して、ｚ軸負方向側に配置されている。

【0143】

図１８のレーザ素子１０Ｃの構成においても、固体レーザ媒質２が光共振器ｒｅｓ１と、光共振器ｒｅｓ２で共用されている。このため、固体レーザ媒質２における利得密度を高めることができる。また、レーザ素子１０Ｃにおいても、固体レーザ媒質２およびＱスイッチ３が光共振器ｒｅｓ２における一対の反射器の機能を兼ね備えている。よって、光共振器ｒｅｓ２の共振器長を短くすることが容易であり、レーザ素子を小型化することができる。さらに、レーザ素子１０Ｃでは、固体レーザ媒質２の利得密度を高くなっているため、パルスレーザ光５の繰り返し周波数を高くすることができる。

【0144】

加えて、レーザ素子１０Ｃでは、反射層Ｒ２に代わり、性能に係る要件が緩和された反射層Ｒ２´を使うことができる。上述のように、反射層Ｒ２´を反射層Ｒ１と共通のＤＢＲによって実現することができるため、反射層の設計が容易となる。このように、図１８のレーザ素子１０Ｃを採用することにより、レーザ素子の設計および製造にかかるコストを抑制することが可能である。

【0145】

本開示によるレーザ素子は、励起光源と、レーザ媒質と、可飽和吸収体とを備えていてもよい。励起光源は、第１波長に対する第１反射層と第２波長に対する第２反射層とを同一面に有する。レーザ媒質は、励起光源と反対側の第２面に第１波長に対する第３反射層を有する。可飽和吸収体は、レーザ媒質と反対側の第３面に第２波長に対する第４反射層を有する。第３反射層は、第１波長の一部を透過させてもよい。第４反射層は、第２波長の一部を透過させてもよい。第１波長は、励起光源が生成する励起光の波長であってもよい。第２波長は、レーザ媒質の発振波長であってもよい。励起光源のレーザ媒質と対向する第４面の少なくとも一部は、励起光の出射面となっていてもよい。

【0146】

上述の半導体レーザ１は、励起光源の一例である。固体レーザ媒質２は、レーザ媒質の一例である。Ｑスイッチ３は、可飽和可飽和吸収体の一例である。反射層Ｒ１は、第１反射層の一例である。反射層Ｒ２は、第２反射層の一例である。面２０２は、第２面の一例である。反射層Ｒ３は、第３反射層の一例である。反射層Ｒ４は、第４反射層の一例である。

【0147】

また、励起光源は、レーザ媒質と対向する第４面に第１波長に対する第５反射層を有していてもよい。第５反射層は、第１波長の一部を透過させてもよい。励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザであってもよい。第１波長に対する第５反射層の透過率は、第１反射層より高くなっていてもよい。また、第１波長に対する第１反射層の反射率は、第５反射層より高くなっていてもよい。

【0148】

反射層Ｒ５は、第５反射層の一例である。反射層Ｒ５（ｐ－ＤＢＲ）は、ｐ型半導体多層反射層の一例である。

【0149】

図１９の断面図は、変形例６によるレーザ素子の例を示している。図１９のレーザ素子１０Ｄは、図１８のレーザ素子１０Ｃに、波長変換材料９および反射層Ｒ６を追加したものである。波長変換材料９は、固体レーザ媒質２と、Ｑスイッチ３との間に配置されている。ただし、波長変換材料の配置は、これとは異なっていてもよい。例えば、波長変換材料をＱスイッチ３よりｚ軸正方向側に配置してもよい。波長変換材料９は、例えば、ＬｉＮｂＯ_３、ＢＢＯ、ＬＢＯ、ＣＬＢＯ、ＢｉＢＯ、ＫＴＰ、ＳＬＴなどの非線形光学結晶である。また、波長変換材料９として、これらに類似する位相整合材料を使ってもよい。ただし、波長変換材料の種類については、問わない。波長変換材料９によって、光共振器ｒｅｓ２の発振光は、波長λ_ｃのレーザ光に変換される。

【0150】

また、固体レーザ媒質２と波長変換材料９との間の面には、反射層Ｒ６が形成されている。反射層Ｒ６は、波長λ_ｃのレーザ光に対する反射層である。反射層Ｒ６によって反射されたレーザ光は、レーザ素子１０Ｄよりｚ軸正方向に放出される。なお、その他の構成要素は、図１８のレーザ素子１０Ｃと同様である。

【0151】

本開示によるレーザ素子は、第２反射層と第４反射層との間に配置された波長変換材料をさらに備えていてもよい。また、波長変換材料の励起光源と対向する第５面に波長変換材料による変換後の波長に対する第６反射層をさらに備えていてもよい。

【0152】

ここで、反射層Ｒ２は、第２反射層の一例である。反射層Ｒ４は、第４反射層の一例である。半導体レーザ１は、励起光源の一例である。図１９の波長変換材料９のｚ軸負方向側の面は、第５面の一例である。反射層Ｒ６は、第６反射層の一例である。

【0153】

図２０の断面図は、変形例７によるレーザ素子の例を示している。図２０のレーザ素子１０Ｅは、図１９のレーザ素子１０Ｄに、放熱板７を追加したものである。放熱板７は、反射層Ｒ３と、反射層Ｒ６との間に配置されている。放熱板７として、例えば、未ドープのＹＡＧ結晶、石英、サファイアを使うことができる。ただし、放熱板７の材料については、問わない。なお、図２０に示した放熱板の配置は、一例にしかすぎない。このため、これとは異なる面に放熱板を配置してもよい。また、放熱板の枚数は、図２０の例と異なっていてもよい。このように、本開示によるレーザ素子は、さらにひとつまたは複数の放熱板を備えていてもよい。

【0154】

本開示によるレーザ素子およびレーザ装置では、励起光の光軸と、レーザ光の光軸が同軸上となる積層構造を採用している。本開示によるレーザ素子およびレーザ装置では、複雑な位置および角度のアラインメントを行う必要がなく、構造が簡略化されている。このため、レーザ素子およびレーザ装置を小型化することが容易となっている。また、同一の半導体基板上に、複数の材料を積層または接合することによって、本開示によるレーザ素子を同時に複数個形成することが可能である。後工程でダイシングをし、それぞれのレーザ素子を分離すればよいため、低いコストで高性能なレーザ素子を量産することができる。

【0155】

さらに、本開示によるレーザ素子では、固体レーザ媒質の種類によって、繰り返し周波数を調整することができる。特に、開示によるレーザ素子では、利得密度が高くなっているため、パルスレーザ光の繰り返し周波数を高くすることが可能である。また、本開示によるレーザ素子では、固体レーザ媒質、Ｑスイッチ（可飽和吸収体）、波長変換材料（非線形光学結晶）の厚さを調整するだけで、共振器長を変更することが可能である。すなわち、材料の厚さによってレーザ光のパルス時間幅を変えることができるため、レーザの特性を容易に調整することができる。特に、レーザ光のパルス時間幅を短くすることにより、微細加工分野における加工精度を高くすることができる。さらに、本開示によるレーザ素子を１次元のアレイ状または２次元のアレイ状に配列することにより、高い加工精度と、高い出力エネルギーとを両立したレーザ装置を得ることができる。また、本開示によるレーザ素子およびレーザ装置は、高効率の波長変換技術、医療機器および測距などその他の分野に適用することが可能である。

【0156】

（第２の実施形態）
第２の実施形態によるレーザ装置は、レーザ増幅素子３０を備えている。図２１Ａ及び図２１Ｂは本実施形態によるレーザ増幅素子３０の上面図及び断面図である。本実施形態によるレーザ増幅素子３０は、レーザ媒質である増幅媒質３５を通してレーザ光３１を増幅する。レーザ増幅素子３０は、高反射コート層３３と、ヒートシンク３４と、レーザ媒質（増幅媒質）３５と、ヒートシンク３６と、面発光レーザ素子３７とを積層したものである。

【0157】

面発光レーザ素子３７は、面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の一部であり、ハーフＶＣＳＥＬとも呼ばれる。面発光レーザ素子３７は、ＶＣＳＥＬ内の分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）の一方と活性層を有する。高反射コート層３３はポンプモジュールを構成している。

【0158】

レーザ媒質である増幅媒質３５は、部分的にドープされ得る単結晶構造として形成された固体媒質である。増幅媒質３５は矩形横断面を有し、単結晶スラブと呼ぶことができる。増幅媒質３５は、、必ずしも単結晶で構成されていなくてもよく、ガラス又はセラミックであってもよい。加えて、スラブは、ドープ媒質が２つの非ドープ媒質の間にあるサンドイッチ構造に形成されていてもよい。

【0159】

被増幅光であるレーザ光３１は、一般的に、主発振器と考えられるレーザ光源から発生される。低出力レーザ主発振器は、パルス状のレーザ光を発生させ、このパルスレーザ光はレーザ増幅素子３０に入射される。レーザ主発振器からのパルスレーザ光は、増幅媒質３５内での放射を刺激して、より高い出力エネルギーパルスを生じさせる。

【0160】

増幅媒質３５は、レーザ増幅器として作用するために、二次光源からポンピングされる必要がある。このための原理を以下に説明する。面発光レーザ素子３７は、ＶＣＳＥＬの構造のうち、ｐ側の高反射膜と活性層を有する構造である。ｎ側に部分反射膜があってもよい。このレーザ素子３７に外部から電流を注入することで、まず活性層で自然放出を起こし、その一部は増幅媒質３５で吸収されながらも、高反射コート３３で反射され、レーザ素子３７に戻ってくることにより誘導放出を誘起する。このように、原理的にはＶＣＳＥＬの共振器内部に、その発振光で励起される増幅媒質３５を設置することで、ＶＣＳＥＬの発振と同時に増幅媒質３５のポンピングがなされる。レーザ素子３７をアレイ状に二次元配置することによって、図２１Ｃのように増幅媒質３５の励起領域３８を平面方向に拡張することが可能である。それぞれの励起領域３８の間には発振光により励起されない領域が生じるが、レーザ素子３７の間隔及び発光部の開口を適切に調整することで、回折効果により発振光が広がるようにすることで励起することが可能である。

【0161】

以上をまとめると、第２の実施形態によるレーザ増幅素子３０は、励起光源として作用する面発光レーザ素子３７を有する。面発光レーザ素子３７は、第１波長に対する第１反射層を有する。また、第２の実施形態によるレーザ増幅素子３０は、増幅媒質３５を有する。増幅媒質３５は、励起光源である面発光レーザ素子３７と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および第１面と反対側の第２面に第１波長及び第２波長に対する第３反射層を有する。励起光源である面発光レーザ素子３７は、増幅媒質３５に対向する第３面を有する。第１波長は、励起光源が生成する励起光の波長であり、第３面の少なくとも一部は、励起光の出射面となっている。励起光源は、前記第３面に前記第１波長に対する第４反射層を有し、第４反射層は、第１波長の一部を透過させてもよい。励起光源である面発光レーザ素子３７は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備えていてもよい。励起光源は、励起光源の一方の面に配置された複数の発光点を持つ面発光半導体レーザ３７の活性層と、第１の多層膜反射鏡と、増幅媒質を介して設置された第２の多層膜反射鏡とを有していてもよい。面発光半導体レーザ３７の活性層に外部より電流注入することにより、第１及び第２の多層膜反射鏡の間で活性層のバンドギャップで定まる波長でレーザ発振が起こり、レーザ発振で生じた励起光が増幅媒質でポンピングされて、励起光の光軸に直交する方向に増幅媒質を通るレーザ光が均一に増幅される。増幅媒質３５に外部よりパルスレーザ光を結合し、その出力を増幅する。

【0162】

第２の実施形態によるレーザ増幅素子３０の利点は、単一の光学アセンブリにより、ＭＯＰＡの結晶などの増幅媒質３５のポンピングを実現することができることである。

【0163】

第２の実施形態によるレーザ増幅素子３０のさらなる利点は、増幅媒質３５のフットプリントがポンピング２次光源の波長で決まる吸収長によって制限されないため、出力スケーリングが可能なレーザ光を増幅する装置を提供できることである。第２の実施形態によるレーザ増幅素子３０のさらなる利点は、従来技術よりも簡単でよりコンパクトな配置でポンピングされ、光学的に励起された単結晶スラブ活性領域を備えるレーザ増幅素子３０を提供できることである。

【0164】

増幅媒質３５は、例えば、Ｙｂ（イットリビウム）をドープしたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）結晶を含む。この場合、固体レーザ媒質２の発振波長は、１０３０ｎｍとなる。例えば、増幅媒質３５のレーザ媒質として、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＹＡＧ、Ｙｂ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＦＡＰ、Ｙｂ：ＳＦＡＰ、Ｙｂ：ＹＶＯ、Ｙｂ：ｇｌａｓｓ、Ｙｂ：ＫＹＷ、Ｙｂ：ＢＣＢＦ、Ｙｂ：ＹＣＯＢ、Ｙｂ：ＧｄＣＯＢ、ＹＢ：ＹＡＢの少なくともいずれかの材料を使うことができる。増幅媒質３５は、４準位系のレーザ媒質であってもよいし、３準位系のレーザ媒質であってもよい。ただし、増幅媒質３５で使われるレーザ媒質の種類については、問わない。

【0165】

図２１Ａ～図２１Ｃで用いられている材料は、層間に空隙のない構造であってもよい。一方、構成要素間に空隙を有する構成を採用することを妨げるものではない。固体レーザ媒質３５の間にヒートシンク材料があってもよい。ヒートシンク材料としては、サファイア、ノンドープＹＡＧ、ＣＶＤダイヤモンド、石英などを用いることができる。

【0166】

固体レーザ媒質３５、ヒートシンク材料３を接合してもよい。ここで、接合プロセスの例としては、常温接合、原子拡散接合、プラズマ接合が挙げられる。ただし、その他の種類のプロセスが使われてもよい。また、機械的に構成要素同士を固定してもよい。

【0167】

なお、本技術は、以下のような構成をとることができる。
（１）
第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、
前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備える、
レーザ素子。
（２）
前記第１波長は、前記励起光源が生成する励起光の波長であり、
前記励起光源の前記レーザ媒質と対向する第４面の少なくとも一部は、前記励起光の出射面となっている、
（１）に記載のレーザ素子。
（３）
前記励起光源は、前記第４面に前記第１波長に対する第５反射層を有し、前記第５反射層は、前記第１波長の一部を透過させる、
（２）に記載のレーザ素子。
（４）
前記励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、前記ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、前記ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザである、
（３）に記載のレーザ素子。
（５）
前記第１波長に対する前記第５反射層の透過率は、前記第１反射層より高くなっている、
（３）または（４）に記載のレーザ素子。
（６）
前記第１波長に対する前記第１反射層の反射率は、前記第５反射層より高くなっている、
（３）ないし（５）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（７）
前記第３反射層は、前記第１波長の一部を透過させる、
（１）ないし（６）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（８）
前記第４反射層は、前記第２波長の一部を透過させる、
（１）ないし（７）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（９）
前記第２波長は、前記レーザ媒質の発振波長である、
（１）ないし（８）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１０）
前記励起光源と前記レーザ媒質との間に前記第１波長に対する第１反射防止膜を有する、
（１）ないし（９）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１１）
前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間に前記第２波長に対する第２反射防止膜を有する、
（１）ないし（１０）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１２）
前記励起光源と前記レーザ媒質との間、前記レーザ媒質と前記可飽和吸収体との間、前記可飽和吸収体の前記第３面の少なくともいずれかに配置されたひとつまたは複数の放熱板をさらに備える、
（１）ないし（１１）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１３）
前記第２反射層と前記第４反射層との間に配置された波長変換材料をさらに備える、
（１）ないし（１２）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１４）
前記波長変換材料の前記励起光源と対向する第５面に前記波長変換材料による変換後の波長に対する第６反射層をさらに備える、
（１３）に記載のレーザ素子。
（１５）
前記レーザ媒質は、４準位系のレーザ媒質または３準位系のレーザ媒質である、
（１）ないし（１４）のいずれか一項に記載のレーザ素子。
（１６）
第１波長に対する第１反射層と第２波長に対する第２反射層とを同一面に有する励起光源と、
前記励起光源と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備える、
レーザ素子。
（１７）
半導体基板上に複数の材料が積み重ねられた積層構造を形成した後にダイシングを行うことによって、
第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、
前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層および前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長に対する第３反射層を有するレーザ媒質と、
前記レーザ媒質と反対側の第３面に前記第２波長に対する第４反射層を有する可飽和吸収体とを備えるレーザ素子を複数製造する、
レーザ素子の製造方法。
（１８）
（１）ないし（１６）のいずれか一項に記載のレーザ素子を複数備える、
レーザ装置。
（１９）
複数の前記レーザ素子は、１次元のアレイ状または２次元のアレイ状に配列されている、
（１８）に記載のレーザ装置。
（２０）
少なくともいずれかの前記レーザ素子に駆動用の電気信号を供給するように構成された駆動回路をさらに備える、
（１９）に記載のレーザ装置。
（２１）
第１波長に対する第１反射層を有する励起光源と、
前記励起光源と対向する第１面に第２波長に対する第２反射層を有し、かつ前記第１面と反対側の第２面に前記第１波長及び第２波長に対する第３反射層を有する増幅媒質と、を備える、レーザ増幅素子。
（２２）
前記励起光源は、前記増幅媒質に対向する第３面を有し、
前記第１波長は、前記励起光源が生成する励起光の波長であり、
前記第３面の少なくとも一部は、前記励起光の出射面となっている、（２１）に記載のレーザ増幅素子。
（２３）
前記励起光源は、前記第３面に前記第１波長に対する第４反射層を有し、前記第４反射層は、前記第１波長の一部を透過させる、（２２）に記載のレーザ増幅素子。
（２４）
前記励起光源は、ｐ型半導体多層反射層と、ｎ型半導体多層反射層と、量子井戸を含む活性層と、前記ｐ型半導体多層反射層に接する正電極と、前記ｎ型半導体多層反射層に接する負電極とを備える面発光半導体レーザである、（２１）に記載のレーザ増幅素子。
（２５）
前記励起光源は、前記励起光源の一方の面に配置された複数の発光点を持つ面発光半導体レーザの活性層と、第１の多層膜反射鏡と、前記増幅媒質を介して設置された第２の多層膜反射鏡とを有する、（２１）に記載のレーザ増幅素子。
（２６）
前記活性層に外部より電流注入することにより、前記第１及び第２の多層膜反射鏡の間で前記活性層のバンドギャップで定まる波長でレーザ発振が起こり、前記レーザ発振で生じた励起光が前記増幅媒質でポンピングされて、前記励起光源から前記増幅媒質を通るレーザ光が均一に増幅される、（２５）に記載のレーザ増幅素子。
（２７）
前記増幅媒質に外部よりパルスレーザ光を結合し、その出力を増幅することを特徴とする、（２１）に記載のレーザ増幅素子。

【0168】

本開示の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本開示の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本開示の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

【符号の説明】

【0169】

ｒｅｓ１、ｒｅｓ２ 光共振器
１ 半導体レーザ（面発光半導体レーザ）
２ 固体レーザ媒質
３ Ｑスイッチ（可飽和吸収体）
４ 励起光
５ パルスレーザ光
５Ａ 発振光
５Ｂ レーザ光
１０ レーザ素子
１１、１５ 支持部
１２、１３ 駆動回路
１４ 制御回路
２０、２１、２２ レーザ装置
４０１ 半導体基板（ｎ型のＧａＡｓ基板）
４０２ コンタクト層（ｎ型半導体）
４０３ 反射層（ｎ－ＤＢＲ）
４０４、４０６ クラッド層
４０５ 活性層
４０７ 酸化層
４０８ 反射層（ｐ－ＤＢＲ）
４０９ コンタクト層（ｐ型半導体）
５０１ 狭窄構造
５０２ 負電極（ｎ電極）
５０３ 正電極（ｐ電極）
５０４ サブマウント
５０５ 電極
５０８、５１１ 絶縁部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図21C】