レーザ装置およびレーザ光照射方法
【課題】 レーザ光源部と照射対象物とが構成する外部共振器の発振によって生じる戻り光の影響を抑制することができ小型化可能かつ実現容易なレーザ装置等を提供する。
【解決手段】 レーザ装置１は、レーザ光を出力する光源部１０と、光源部１０から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部２０と、を備える。光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部２０が発生する進行弾性波の周波数ωが「Δｆ＜２ω＜ΔＦ」なる関係式を満たす。
【解決手段】 レーザ装置１は、レーザ光を出力する光源部１０と、光源部１０から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部２０と、を備える。光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部２０が発生する進行弾性波の周波数ωが「Δｆ＜２ω＜ΔＦ」なる関係式を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置およびレーザ光照射方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ装置は、例えば、光通信において用いられる信号光を発生させる光通信用途、加工対象物に対してレーザ光を照射することで該加工対象物を加工する加工用途、および、光ディスク等の光記録媒体に対してデータを記録し又は読み出す光ピックアップ用途、等に用いられる。
【０００３】
何れの用途においても、レーザ装置から出力されるレーザ光は、何らかの対象物に照射される。光通信用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は例えば光ファイバの端面に入射して、その入射光の一部は該端面で反射される。加工用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は加工対象物に照射されて、その照射光の一部は該加工対象物で反射または散乱される。また、光ピックアップ用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は光記録媒体に照射されて、その照射光の一部は該光記録媒体で反射または散乱される。その他、レーザ装置から出力されるレーザ光がレンズ等の光学系に入射した場合には、そのレーザ光の一部は該光学系で反射または散乱される。
【０００４】
照射対象物（上記の例では、光ファイバ端面、加工対象物、光記録媒体、その他の光学系）に照射されたレーザ光のうち該照射対象物で反射された光は、そのレーザ光を出力したレーザ装置に戻ることがある。このように照射対象物で反射されてレーザ装置に戻っていく光を「戻り光」と呼ぶ。このような戻り光があると、レーザ装置に含まれる共振器を構成する何れかの反射面と照射対象物とにより外部共振器が構成される。
【０００５】
このように戻り光の発生に因り外部共振器が構成されると、レーザ光の波長や光出力が不安定となる場合がある。また、該レーザ装置においてパルセーションやモードホッピング等の雑音が増大するだけでなく、該レーザ装置の劣化が早まったり頓死を引き起こしたりする場合もある。
【０００６】
このような問題を解決するために、光アイソレータを設けることも考えられる。すなわち、光アイソレータは、レーザ装置から出力されたレーザ光を通過させ、これと逆方向に伝播する戻り光を遮断する。これにより、戻り光がレーザ装置へ入射するのを抑制して、外部共振器が構成されることを防止することができる。しかし、一般に光アイソレータは高価であって大型であるという問題点を有している。
【０００７】
特許文献１には、弾性波を用いた光アイソレータの発明が開示されている。この光アイソレータは第１方向に進行する弾性波を発生させ、この第１方向にレーザ光（周波数ｆ０）を入射させると、ドップラ効果により、弾性波による回折格子から見たときのレーザ光の周波数ｆ１は周波数ｆ０より低くなる。一方、第１方向とは反対方向の第２方向に伝播する戻り光の周波数ｆ２は周波数ｆ０より高くなる。そこで、弾性波による回折格子は、その周期が適切に設定されることで、周波数ｆ１のレーザ光を通過させる一方で、周波数ｆ２の戻り光（全部または一部）を反射させることができる。このように弾性波を用いることで光アイソレータ機能を実現することができる。
【特許文献１】特許２８０９１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１に開示されたような弾性波を用いる光アイソレータでは、弾性波の周波数はレーザ光の周波数と同程度であることが必要であり、そのような高周波の弾性波を発生させることは現実には不可能である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器によって生じる戻り光の影響を抑制することができ小型化可能かつ実現容易なレーザ装置およびレーザ光照射方法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】
【００１０】
本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出力する光源部と、光源部から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部とを備え、光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(1)式の関係式を満たすことを特徴とする。
【００１１】
【数１】
本発明に係るレーザ光照射方法は、照射対象物にレーザ光を照射する方法であって、弾性波発生部により進行弾性波を所定領域の媒質に発生させ、光源部から出力されたレーザ光を所定領域に入射させて進行弾性波によりブラッグ回折させ照射対象物に照射するものである。レーザ光が進行弾性波によりブラッグ回折されるに際して生じるドップラー効果により、レーザ光の周波数は弾性波周波数ωだけドップラーシフトするが、その回折させたレーザ光を照射対象物に照射するとともに、光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(2)式の関係式を満たすことを特徴とする。また、より好適には、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(3)式の関係式を満たす。
【００１２】
【数２】
【００１３】
【数３】
光源部、弾性波発生部および所定領域が共通の基板上に設けられているのが好適である。また、光源部が半導体レーザ素子を含むのも好適である。
【００１４】
本発明によれば、光源部からレーザ光が出力され、また、弾性波発生部により所定領域の弾性波伝播媒質において進行弾性波による回折格子が生じる。そして、この回折格子によりレーザ光がブラッグ回折されて、このブラッグ回折した後のレーザ光が照射対象物に照射される。レーザ光が照射対象物に照射されると、そのレーザ光は、照射対象物において反射または散乱されて進行弾性波により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光が光源部に戻る場合がある。しかし、上記関係式が満たされていることにより、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器における発振が抑制され戻り光の影響が抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法は、光源への戻り光による影響を抑制することができ、また、小型化が可能であって、実現が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法を説明する概念図である。本実施形態に係るレーザ装置１は、照射対象物２に対してレーザ光を照射するものであって、光源部１０、弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０を備えている。これら光源部１０，弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０は、共通の基板上にモノリシックに設けられているのが好適である。
【００１８】
光源部１０はレーザ光Ｌ０を出力するものである。この光源部１０は、半導体レーザであってもよいし、ガラスレーザであってもよく、その他のレーザ光源であってもよい。また、光源部１０は分布帰還形の半導体レーザであるのも好適である。
【００１９】
弾性波発生部２０は、弾性波伝播媒質３０において進行弾性波を発生させるものであり、弾性波伝播媒質３０に設けられている。例えば、弾性波発生部２０は、図示のように１対の櫛形電極が組み合わされた構成となっていて、電極間に交流電圧が印加されることで、弾性波伝播媒質３０中のレーザ光Ｌ０が入射する領域に弾性波を発生させる。弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において生じた弾性波は、進行波であって、光源部１０から出力されるレーザ光Ｌ０をブラッグ回折させる回折格子４０として作用する。なお、弾性波が進行する方向は、レーザ光Ｌ０をブラッグ回折させる回折格子４０が形成される限りにおいて任意である。
【００２０】
ブラッグ回折条件は下記(4)式で表される。ここで、Λは、進行弾性波による回折格子４０の格子周期である。θは、レーザ光と進行弾性波の進行方向とがなす角度である（図１参照）。ｌは、回折次数である。λは、レーザ波長である。また、ｎaは、弾性波伝播媒質３０の屈折率である。
【００２１】
【数４】
また、弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において生じた進行弾性波による回折格子４０については、下記(5)式の関係式がある。ここで、ｖｕは弾性波伝播媒質３０における進行弾性波の伝播速度である。また、ωは進行弾性波の周波数である。
【００２２】
【数５】
また、光源部１０から出力されたレーザ光については、下記(6)式の関係式がある。ここで、ｃは光速であり、Ωはレーザ光の周波数である。
【００２３】
【数６】
上記(5)式および(6)式を用いると、上記(4)式は下記(7)式に変形される。
【００２４】
【数７】
このレーザ装置１では、光源部１０からレーザ光Ｌ０が出力され、また、弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において進行弾性波による回折格子４０が生じる。そして、この回折格子４０によりレーザ光Ｌ０がブラッグ回折されて、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ１が照射対象物２に照射される。レーザ光Ｌ１が照射対象物２に照射されると、そのレーザ光Ｌ１は、照射対象物２において反射または散乱されて回折格子４０により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ２が光源部１０に戻る場合がある。
【００２５】
また、このレーザ光Ｌ２が光源部１０で反射されると、この反射されたレーザ光Ｌ２が回折格子４０によりブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ３が照射対象物２において反射または散乱されて回折格子４０により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ４が光源部１０に戻る場合がある。このように、光源部１０と照射対象物２とは外部共振器を構成する可能性がある。
【００２６】
なお、本説明および図１において、レーザ光Ｌ０は、最初に光源部１０から出力されて初めて回折格子４０に入射するまでのものを示す。レーザ光Ｌ２ｍ−１は、回折格子４０による(２ｍ−１)回目の回折の後に照射対象物２により反射されて再び回折格子４０に入射するまでのものを示す。レーザ光Ｌ２ｍは、回折格子４０による２ｍ回目の回折の後に光源部１０により反射されて再び回折格子４０に入射するまでのものを示す。ｍは１以上の任意の整数である。
【００２７】
本実施形態では、光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとし、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとする。このとき、弾性波発生部２０が弾性波伝播媒質３０において発生する進行弾性波の周波数ωは、下記(8)式を満たしており、より好適には下記(9)式を満たしている。
【００２８】
【数８】
【００２９】
【数９】
本実施形態に係るレーザ光源１およびレーザ光照射方法では、上記(8)式（好適には上記(9)式）の関係式が満たされていることにより、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器における発振が抑制される。このことについて以下に詳細に説明する。
【００３０】
図２は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法におけるレーザ光の周波数スペクトル等を示す図である。光源部１０は、その共振器長等に応じた離散的な周波数Ω１〜Ω３の縦モードで発振し得る。光源部１０から出力された周波数Ωのレーザ光Ｌ０は、回折格子４０によりブラッグ回折された後にはドップラー効果により周波数（Ω＋ω）のレーザ光Ｌ１となる。また、このレーザ光Ｌ１が照射対象物２で反射されて再び回折格子４０によりブラッグ回折された後には周波数（Ω＋２ω）のレーザ光Ｌ２となる。一般に、光源部１０と照射対象物２との間をｍ回往復した後にドップラー効果により光源部１０に戻ってくるレーザ光Ｌ２ｍは、回折格子４０により２ｍ回のブラッグ回折によるドップラーシフトを受けて、周波数が（Ω＋２ｍω）となる。
【００３１】
図２（ａ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数シフト量が、レーザ光の周波数スペクトルの半値全幅より小さいと、光源部１０に戻ってきたレーザ光は、光源部１０から新たに出射されるレーザ光と周波数成分が重なるため、外部共振器が形成されて発振の生じる可能性がある。また、図２（ｂ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数が、光源部１０の他の縦モードの周波数と等しいと、光源部１０から新たに出射されるレーザ光の周波数モードが重なり外部共振器が形成されて発振の生じる可能性がある。これらの場合には、外部共振器が光源部１０と対象物との間に形成されるために戻り光がレーザ光源に影響を与える可能性が高い。
【００３２】
一方、図２（ｃ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数シフト量(２ω)が上記(8)式の関係式を満たす場合には、光源部１０に戻ってきたレーザ光が光源部１０から新たに出射されるレーザ光との周波数成分が異なるため、外部共振器において発振が生じることはない。また、光源部１０と照射対象物２との間をＮ回往復した後に光源部１０に戻ってくるレーザ光について考えると、周波数シフト量は２Ｎωであるので、上記(9)式が満たされていれば、光源部１０に戻ってきたレーザ光が光源部１０から新たに出射されるレーザ光と周波数成分が重なることは無く、外部共振器において発振が生じることはない。
【００３３】
なお、レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅Δｆは、下記(10)式のシャロー・タウンズの式で表される。ここで、ｈはプランク定数である。ω０は中心周波数である。γは「（誘導放出の割合＋誘導吸収の割合）/（誘導放出の割合−誘導吸収の割合）」である。ｖは媒質速度である。ｇ０は利得係数である。Ｒは共振面反射率である。Ｐ０は光出力パワーである。Ｌは共振器長である。また、αはキャリア密度ゆらぎによる屈折率変化の影響である。
【００３４】
【数１０】
また、光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔ΔＦは、下記(11)式で表される。ここで、ｎｒは波長分散を考慮した屈折率である。
【００３５】
【数１１】
次に、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎについて説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法における光子の往復可能回数Ｎについて説明するための図である。同図に示されるように、光源部１０のファブリ・ペロー型の共振器を構成する２つの反射面のうち、高い反射率で光を反射させる反射面１１の反射率をｒ０とし、一部を反射させ残部を外部へ出射する出射面１２の反射率をｒ１とする。照射対象物２の反射率をｒ２とする。また、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率をｒａとする。なお、ここでは、光路中での損失については無視する。
【００３６】
同図に示されるような光学系においては、外部共振器として２種類の共振が考えられる。第１の共振は、光源部１０の出射面１２（反射率ｒ１）と照射対象物２（反射率ｒ２）との間の共振であり、第２の共振は、光源部１０（実効的反射率ｒｅ）と照射対象物２（反射率ｒ２）との間の共振である。この第２の共振の場合において、光源部１０の実効的反射率ｒｅは、光源部１０内での利得および損失を考慮した光源部１０全体としての反射率である。
【００３７】
光源部１０の実効的反射率ｒｅは下記(12)式で表される。ここで、ｇは光源部１０内での利得であり、αは光源部１０内での損失である。また、光源部１０におけるレーザ発振条件は下記(13)式で表される。この(13)式を用いると、(12)式の実効的反射率ｒｅは下記(14)式に変形される。
【００３８】
【数１２】
【００３９】
【数１３】
【００４０】
【数１４】
このことから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きい場合には、光源部１０の出射面１２での反射（反射率ｒ１）による外部共振器を考える。一方、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さい場合には、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器を考える。
【００４１】
光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きい場合、光源部１０の出射面１２による外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは、下記(15)式で表される。ここで、τｐは光子の寿命時間であり、tは光子が外部共振器を１往復する時間である。これを変形すると、下記(16)式が得られる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】
【数１６】
一方、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さい場合、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは、下記(17)式で表される。これを変形すると、下記(18)式が得られる。
【００４４】
【数１７】
【００４５】
【数１８】
次に、光源部１０が半導体レーザ素子である場合の具体的数値例について説明する。ここでは、半導体レーザ素子として一般的であるＡｌＧａＡｓ系の出力波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ素子を例に挙げる。「（誘導放出の割合＋誘導吸収の割合）/（誘導放出の割合−誘導吸収の割合）」を表すγは４であり、利得係数ｇ０は１００ｃｍ−１であり、媒質速度ｖは１０８ｍ／ｓｅｃであり、共振面反射率Ｒは０.３であり、光出力パワーＰ０は１０ｍＷであり、共振器長Ｌは０.５ｍｍであり、キャリア密度ゆらぎによる屈折率変化の影響αは５.４であり、屈折率ｎｒが３.６であるとする。
【００４６】
このとき、上記(10)式を用いて計算すると、半導体レーザ素子のスペクトル線幅Δｆは１４ＭＨｚとなる。上記のΔｆ値は、種々の論文等による報告値と同程度であり、妥当なものである。また、上記(11)式を用いて計算すると、半導体レーザ素子のモード間隔ΔＦは８３ＧＨｚとなる。
【００４７】
また、半導体レーザ素子の反射面１１の反射率ｒ０を９０％とし、出射面１２の反射率ｒ１を１０％とする。照射対象物２の反射率ｒ２を１０％とし、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率ｒａを９０％とする。このとき、上記(14)式を用いて計算すると、光源部１０の実効的反射率ｒｅは８.１であるから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さいので、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器を考える必要がある。そして、上記(18)式を用いて計算すると、外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは２.３となる。
【００４８】
これらのパラメータ値を上記(9)式に代入すると、進行弾性波の周波数ωの許容数値範囲は７ＭＨｚ〜３６ＧＨｚとなる。このように非常に広い周波数範囲の進行弾性波が許容されるが、進行弾性波の伝搬損失は弾性波周波数の２乗に比例するため、実際には進行弾性波が得やすく且つ伝搬損失が小さい１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度の周波数の進行弾性波を用いればよい。
【００４９】
次に、光源部１０がガラスレーザ光源である場合の具体的数値例について説明する。ここでは、Ｎｄドープのガラスレーザを考える。ガラスレーザ光源のスペクトル線幅Δｆは、半導体レーザ素子とを比較して考えると、利得係数ｇ０が小さく、共振器長Ｌおよび光出力パワーＰ０それぞれは非常に大きい値を採る。このことから、上記(10)式から、ガラスレーザ光源のΔｆは、半導体レーザ素子と比較して非常に小さくなるが、実際にはガラスレーザ光源のスペクトル線幅Δｆは、量子雑音などによる影響のために理論値よりも大きくなるため、ここでは簡易的に半導体レーザ素子と同等の値を採ると考える。また、発振波長λ０を１０６０ｎｍとし、屈折率ｎｒを１.５とし、共振器長Ｌを１０ｃｍとすると、上記(11)式を用いて計算すると、ガラスレーザ光源のモード間隔ΔＦは１ＧＨｚとなる。
【００５０】
また、ガラスレーザ光源の反射面１１の反射率ｒ０を１００％とし、出射面１２の反射率ｒ１を９５％とする。照射対象物２の反射率ｒ２を９０％とし、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率ｒａを９０％とする。このとき、上記(14)式を用いて計算すると、光源部１０の実効的反射率ｒｅは０.００２であるから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きいので、光源部１０の出射面１２による外部共振器を考える必要がある。そして、上記(16)式を用いて計算すると、外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは２.７となる。
【００５１】
これらのパラメータ値を上記(9)式に代入すると、進行弾性波の周波数ωの許容数値範囲は７ＭＨｚ〜１８３ＭＨｚとなる。このような周波数範囲の進行弾性波は、伝搬損失が小さく、容易に得ることができる。
【００５２】
次に、本実施形態に係るレーザ装置１の具体的な構成例について図４を用いて説明する。同図に示されるレーザ装置１は、前述の弾性波周波数条件の導出に用いたＡｌＧａＡｓ系の出力波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ光源を光源部１０として有するものであって、光源部１０，弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０が共通の基板５１上にモノリシックに設けられている。また、ＺｎＯ層５８および弾性波発生部２０と、光源部１０とは、溝部６１により互いに隔てられて設けられている。
【００５３】
ｎ型ＧａＡｓ基板５１の一方の主面上に順に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５が設けられている。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２は、例えば、Ａｌ組成３０％であり、厚さ１.５μｍである。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４は、例えば、Ａｌ組成３０％であり、厚さ１.５μｍである。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５は、例えば厚さ０.１μｍである。また、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面には、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極５９が設けられている。
【００５４】
光源部１０においては、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５の上に、ＳｉＮ絶縁層５６およびＣｒ／Ａｕ電極５７が設けられている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５上の一部領域においては、ＳｉＮ絶縁層５６が設けられておらず、Ｃｒ／Ａｕ電極５７がｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５に電気的に接続されている。
【００５５】
光源部１０に対して溝部６１を隔てた反対側においては、ＺｎＯ層５８および弾性波発生部２０が設けられている。弾性波発生部２０は互いに噛合わされた１対の櫛形電極を有しており、この弾性波発生部２０の下方および当該周辺の限られた領域にＺｎＯ層５８が設けられている。溝部６１はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達している。光源部１０側の溝部６１の側壁面が出射面１２となっている。
【００５６】
このレーザ装置１では、光源部１０の電極５７と電極５９との間に駆動電流が供給されると、光源部１０の量子井戸活性層５３においてレーザ光が発生する。そのレーザ光は、出射面１２から溝部６１へ出射され、ＺｎＯ層５８の下方にある量子井戸活性層５３に入射する。この入射したレーザ光Ｌ０は、量子井戸活性層５３内を導波していき、弾性波発生部２０により生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折される。そして、そのブラッグ回折された後のレーザ光Ｌ１は、端面６２から外部へ出射される。
【００５７】
次に、図４に示した本実施形態に係るレーザ装置の製造方法について図５を用いて説明する。初めに半導体エピタキシャル成長基板が準備される。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板５１が用意され、その上に順に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５が、エピタキシャル成長により成膜される（図５（ａ）参照）。このとき、各層の組成および厚さは前述のとおりとされる。
【００５８】
続いて、この半導体エピタキシャル成長基板の上面全体にＳｉＮ絶縁層５６が堆積され、その後、電極５７および弾性波伝搬媒質部３０においてフォトワークおよびエッチングによりＳｉＮ絶縁層５６が選択的に除去されて、光源部１０においてｐ側のＣｒ／Ａｕ電極５７が蒸着により形成される。そして、フォトワークおよびＲＩＥ法による垂直エッチングにより、溝６１が形成される（図５（ｂ）参照）。
【００５９】
さらに続いて、光源部１０に対して溝部６１を隔てた反対側において、圧電材料であるＺｎＯ層５８が成膜され、このＺｎＯ層５８の上にＡｌ電極が蒸着されることにより弾性波発生部２０が形成される。このとき、進行弾性波の進行方向が前述したブラッグ回折条件に一致する角度になるように弾性波発生部２０が配置される必要がある。例えば、回折次数を１とし、弾性波周波数ωを前述した半導体レーザ光源での弾性波周波数条件に当てはまる５００ＭＨｚとし、媒質速度ｖｕを３×１０３ｍ／ｓとし、媒質屈折率ｎａを３.４とし、レーザ光周波数Ωを３.７８×１０１４Ｈｚとすると、レーザ光と進行弾性波の進行方向との交差角度θは、前述したブラッグ回折条件により１.１１°とされる。その後、基板５１の裏面が研磨されて、その裏面にｎ側電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ電極５９が蒸着され、さらにアニールされることで電極５９と基板５１との界面近傍が合金化される（図５（ｃ）参照）。
【００６０】
最後に、素子の側壁が壁開されてミラー面が形成され、このミラー面に所望の反射コーティング膜が形成されて、図４に示したような半導体レーザ光源１が製造される。
【００６１】
以上、詳細に説明したとおり、本実施形態に係るレーザ光源およびレーザ光照射方法では、上記(8)式（好適には上記(9)式）の関係式が満たされていることにより、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器における発振に起因した戻り光の影響が抑制され、しかも、小型化可能かつ実現容易である。このことから、レーザ光の波長が安定なものとなり、上記光源部として用いられる半導体レーザ素子においてパルセーションやモードホッピング等の雑音の発生および素子劣化が抑制され、該半導体レーザ素子の劣化が抑制される。
【００６２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図６または図７に示されるような構成としてもよい。これらのような構成とすれば、素子端面から垂直に光Ｌ１が出射されるので好都合である。
【００６３】
図６は、本実施形態に係るレーザ装置の第１変形例を示す平面図である。この図に示される第１変形例のレーザ装置１Ａは、既に図４および図５を用いて説明したレーザ装置１の構成と比較すると、溝部６２が設けられている点で相違する。この溝部６２は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達するものであり、溝部６１の形成と同時に同様の方法で作成され得る。そして、この溝部６２は、弾性波発生部２０により生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折された光Ｌ１を側壁面で反射させ、その反射させた光を素子端面から垂直に出射させる。
【００６４】
図７は、本実施形態に係るレーザ装置の第２変形例を示す平面図である。この図に示される第２変形例のレーザ装置１Ｂは、図６を用いて説明したレーザ装置１Ａの構成と比較すると、弾性波発生部２０Ｂが素子側壁に設けられている点、溝部６３と溝部６４との間に光源部１０が形成されている点、および、光源部１０の共振器の光軸が素子側壁に対して傾斜している点、で相違する。溝部６３および溝部６４それぞれはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達していており、各々の側壁面が光源部１０の共振器を構成している。また、素子側壁に設けられた弾性波発生部２０Ｂは、その側壁に対して絶縁膜７０を介して、金属膜２１、圧電膜２２および金属膜２３が順に積層されたものである。例えば、絶縁膜７０はＳｉＯ２やＳｉＮからなり、圧電膜２２はＺｎＯからなり、金属膜２１，２２はＡｕからなる。これらは蒸着またはスパッタリングにより形成され得る。
【００６５】
このレーザ装置１Ｂでは、金属膜２１と金属膜２２との間に高周波電圧が印加されることで、素子側壁に対して垂直に進む進行弾性波が発生する。光源部１０から出力された光Ｌ０は、素子側壁に対して傾斜して進み、弾性波発生部２０Ｂにより生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折される。このブラッグ回折後の光Ｌ１は、溝部６２の側壁面で反射されて、素子端面から垂直に出射される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法を説明する概念図である。
【図２】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法におけるレーザ光の周波数スペクトル等を示す図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法における光子の往復可能回数Ｎについて説明するための図である。
【図４】本実施形態に係るレーザ装置の具体的な構成を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に係るレーザ装置の製造方法を説明する工程図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ装置の第１変形例を示す平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ装置の第２変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ，１Ｂ…レーザ装置、２…照射対象物、１０…光源部、２０，２０Ｂ…弾性波発生部、３０…弾性波伝播媒質、４０…回折格子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置およびレーザ光照射方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ装置は、例えば、光通信において用いられる信号光を発生させる光通信用途、加工対象物に対してレーザ光を照射することで該加工対象物を加工する加工用途、および、光ディスク等の光記録媒体に対してデータを記録し又は読み出す光ピックアップ用途、等に用いられる。
【０００３】
何れの用途においても、レーザ装置から出力されるレーザ光は、何らかの対象物に照射される。光通信用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は例えば光ファイバの端面に入射して、その入射光の一部は該端面で反射される。加工用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は加工対象物に照射されて、その照射光の一部は該加工対象物で反射または散乱される。また、光ピックアップ用途では、レーザ装置から出力されるレーザ光は光記録媒体に照射されて、その照射光の一部は該光記録媒体で反射または散乱される。その他、レーザ装置から出力されるレーザ光がレンズ等の光学系に入射した場合には、そのレーザ光の一部は該光学系で反射または散乱される。
【０００４】
照射対象物（上記の例では、光ファイバ端面、加工対象物、光記録媒体、その他の光学系）に照射されたレーザ光のうち該照射対象物で反射された光は、そのレーザ光を出力したレーザ装置に戻ることがある。このように照射対象物で反射されてレーザ装置に戻っていく光を「戻り光」と呼ぶ。このような戻り光があると、レーザ装置に含まれる共振器を構成する何れかの反射面と照射対象物とにより外部共振器が構成される。
【０００５】
このように戻り光の発生に因り外部共振器が構成されると、レーザ光の波長や光出力が不安定となる場合がある。また、該レーザ装置においてパルセーションやモードホッピング等の雑音が増大するだけでなく、該レーザ装置の劣化が早まったり頓死を引き起こしたりする場合もある。
【０００６】
このような問題を解決するために、光アイソレータを設けることも考えられる。すなわち、光アイソレータは、レーザ装置から出力されたレーザ光を通過させ、これと逆方向に伝播する戻り光を遮断する。これにより、戻り光がレーザ装置へ入射するのを抑制して、外部共振器が構成されることを防止することができる。しかし、一般に光アイソレータは高価であって大型であるという問題点を有している。
【０００７】
特許文献１には、弾性波を用いた光アイソレータの発明が開示されている。この光アイソレータは第１方向に進行する弾性波を発生させ、この第１方向にレーザ光（周波数ｆ０）を入射させると、ドップラ効果により、弾性波による回折格子から見たときのレーザ光の周波数ｆ１は周波数ｆ０より低くなる。一方、第１方向とは反対方向の第２方向に伝播する戻り光の周波数ｆ２は周波数ｆ０より高くなる。そこで、弾性波による回折格子は、その周期が適切に設定されることで、周波数ｆ１のレーザ光を通過させる一方で、周波数ｆ２の戻り光（全部または一部）を反射させることができる。このように弾性波を用いることで光アイソレータ機能を実現することができる。
【特許文献１】特許２８０９１９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１に開示されたような弾性波を用いる光アイソレータでは、弾性波の周波数はレーザ光の周波数と同程度であることが必要であり、そのような高周波の弾性波を発生させることは現実には不可能である。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器によって生じる戻り光の影響を抑制することができ小型化可能かつ実現容易なレーザ装置およびレーザ光照射方法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】
【００１０】
本発明に係るレーザ装置は、レーザ光を出力する光源部と、光源部から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部とを備え、光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(1)式の関係式を満たすことを特徴とする。
【００１１】
【数１】
本発明に係るレーザ光照射方法は、照射対象物にレーザ光を照射する方法であって、弾性波発生部により進行弾性波を所定領域の媒質に発生させ、光源部から出力されたレーザ光を所定領域に入射させて進行弾性波によりブラッグ回折させ照射対象物に照射するものである。レーザ光が進行弾性波によりブラッグ回折されるに際して生じるドップラー効果により、レーザ光の周波数は弾性波周波数ωだけドップラーシフトするが、その回折させたレーザ光を照射対象物に照射するとともに、光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(2)式の関係式を満たすことを特徴とする。また、より好適には、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとしたときに、弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが下記(3)式の関係式を満たす。
【００１２】
【数２】
【００１３】
【数３】
光源部、弾性波発生部および所定領域が共通の基板上に設けられているのが好適である。また、光源部が半導体レーザ素子を含むのも好適である。
【００１４】
本発明によれば、光源部からレーザ光が出力され、また、弾性波発生部により所定領域の弾性波伝播媒質において進行弾性波による回折格子が生じる。そして、この回折格子によりレーザ光がブラッグ回折されて、このブラッグ回折した後のレーザ光が照射対象物に照射される。レーザ光が照射対象物に照射されると、そのレーザ光は、照射対象物において反射または散乱されて進行弾性波により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光が光源部に戻る場合がある。しかし、上記関係式が満たされていることにより、光源部と照射対象物とが構成する外部共振器における発振が抑制され戻り光の影響が抑制される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法は、光源への戻り光による影響を抑制することができ、また、小型化が可能であって、実現が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法を説明する概念図である。本実施形態に係るレーザ装置１は、照射対象物２に対してレーザ光を照射するものであって、光源部１０、弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０を備えている。これら光源部１０，弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０は、共通の基板上にモノリシックに設けられているのが好適である。
【００１８】
光源部１０はレーザ光Ｌ０を出力するものである。この光源部１０は、半導体レーザであってもよいし、ガラスレーザであってもよく、その他のレーザ光源であってもよい。また、光源部１０は分布帰還形の半導体レーザであるのも好適である。
【００１９】
弾性波発生部２０は、弾性波伝播媒質３０において進行弾性波を発生させるものであり、弾性波伝播媒質３０に設けられている。例えば、弾性波発生部２０は、図示のように１対の櫛形電極が組み合わされた構成となっていて、電極間に交流電圧が印加されることで、弾性波伝播媒質３０中のレーザ光Ｌ０が入射する領域に弾性波を発生させる。弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において生じた弾性波は、進行波であって、光源部１０から出力されるレーザ光Ｌ０をブラッグ回折させる回折格子４０として作用する。なお、弾性波が進行する方向は、レーザ光Ｌ０をブラッグ回折させる回折格子４０が形成される限りにおいて任意である。
【００２０】
ブラッグ回折条件は下記(4)式で表される。ここで、Λは、進行弾性波による回折格子４０の格子周期である。θは、レーザ光と進行弾性波の進行方向とがなす角度である（図１参照）。ｌは、回折次数である。λは、レーザ波長である。また、ｎaは、弾性波伝播媒質３０の屈折率である。
【００２１】
【数４】
また、弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において生じた進行弾性波による回折格子４０については、下記(5)式の関係式がある。ここで、ｖｕは弾性波伝播媒質３０における進行弾性波の伝播速度である。また、ωは進行弾性波の周波数である。
【００２２】
【数５】
また、光源部１０から出力されたレーザ光については、下記(6)式の関係式がある。ここで、ｃは光速であり、Ωはレーザ光の周波数である。
【００２３】
【数６】
上記(5)式および(6)式を用いると、上記(4)式は下記(7)式に変形される。
【００２４】
【数７】
このレーザ装置１では、光源部１０からレーザ光Ｌ０が出力され、また、弾性波発生部２０により弾性波伝播媒質３０において進行弾性波による回折格子４０が生じる。そして、この回折格子４０によりレーザ光Ｌ０がブラッグ回折されて、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ１が照射対象物２に照射される。レーザ光Ｌ１が照射対象物２に照射されると、そのレーザ光Ｌ１は、照射対象物２において反射または散乱されて回折格子４０により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ２が光源部１０に戻る場合がある。
【００２５】
また、このレーザ光Ｌ２が光源部１０で反射されると、この反射されたレーザ光Ｌ２が回折格子４０によりブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ３が照射対象物２において反射または散乱されて回折格子４０により再びブラッグ回折され、このブラッグ回折した後のレーザ光Ｌ４が光源部１０に戻る場合がある。このように、光源部１０と照射対象物２とは外部共振器を構成する可能性がある。
【００２６】
なお、本説明および図１において、レーザ光Ｌ０は、最初に光源部１０から出力されて初めて回折格子４０に入射するまでのものを示す。レーザ光Ｌ２ｍ−１は、回折格子４０による(２ｍ−１)回目の回折の後に照射対象物２により反射されて再び回折格子４０に入射するまでのものを示す。レーザ光Ｌ２ｍは、回折格子４０による２ｍ回目の回折の後に光源部１０により反射されて再び回折格子４０に入射するまでのものを示す。ｍは１以上の任意の整数である。
【００２７】
本実施形態では、光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとし、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとする。このとき、弾性波発生部２０が弾性波伝播媒質３０において発生する進行弾性波の周波数ωは、下記(8)式を満たしており、より好適には下記(9)式を満たしている。
【００２８】
【数８】
【００２９】
【数９】
本実施形態に係るレーザ光源１およびレーザ光照射方法では、上記(8)式（好適には上記(9)式）の関係式が満たされていることにより、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器における発振が抑制される。このことについて以下に詳細に説明する。
【００３０】
図２は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法におけるレーザ光の周波数スペクトル等を示す図である。光源部１０は、その共振器長等に応じた離散的な周波数Ω１〜Ω３の縦モードで発振し得る。光源部１０から出力された周波数Ωのレーザ光Ｌ０は、回折格子４０によりブラッグ回折された後にはドップラー効果により周波数（Ω＋ω）のレーザ光Ｌ１となる。また、このレーザ光Ｌ１が照射対象物２で反射されて再び回折格子４０によりブラッグ回折された後には周波数（Ω＋２ω）のレーザ光Ｌ２となる。一般に、光源部１０と照射対象物２との間をｍ回往復した後にドップラー効果により光源部１０に戻ってくるレーザ光Ｌ２ｍは、回折格子４０により２ｍ回のブラッグ回折によるドップラーシフトを受けて、周波数が（Ω＋２ｍω）となる。
【００３１】
図２（ａ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数シフト量が、レーザ光の周波数スペクトルの半値全幅より小さいと、光源部１０に戻ってきたレーザ光は、光源部１０から新たに出射されるレーザ光と周波数成分が重なるため、外部共振器が形成されて発振の生じる可能性がある。また、図２（ｂ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数が、光源部１０の他の縦モードの周波数と等しいと、光源部１０から新たに出射されるレーザ光の周波数モードが重なり外部共振器が形成されて発振の生じる可能性がある。これらの場合には、外部共振器が光源部１０と対象物との間に形成されるために戻り光がレーザ光源に影響を与える可能性が高い。
【００３２】
一方、図２（ｃ）に示されるように、光源部１０に戻ってくるレーザ光の周波数シフト量(２ω)が上記(8)式の関係式を満たす場合には、光源部１０に戻ってきたレーザ光が光源部１０から新たに出射されるレーザ光との周波数成分が異なるため、外部共振器において発振が生じることはない。また、光源部１０と照射対象物２との間をＮ回往復した後に光源部１０に戻ってくるレーザ光について考えると、周波数シフト量は２Ｎωであるので、上記(9)式が満たされていれば、光源部１０に戻ってきたレーザ光が光源部１０から新たに出射されるレーザ光と周波数成分が重なることは無く、外部共振器において発振が生じることはない。
【００３３】
なお、レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅Δｆは、下記(10)式のシャロー・タウンズの式で表される。ここで、ｈはプランク定数である。ω０は中心周波数である。γは「（誘導放出の割合＋誘導吸収の割合）/（誘導放出の割合−誘導吸収の割合）」である。ｖは媒質速度である。ｇ０は利得係数である。Ｒは共振面反射率である。Ｐ０は光出力パワーである。Ｌは共振器長である。また、αはキャリア密度ゆらぎによる屈折率変化の影響である。
【００３４】
【数１０】
また、光源部１０が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔ΔＦは、下記(11)式で表される。ここで、ｎｒは波長分散を考慮した屈折率である。
【００３５】
【数１１】
次に、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎについて説明する。図３は、本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法における光子の往復可能回数Ｎについて説明するための図である。同図に示されるように、光源部１０のファブリ・ペロー型の共振器を構成する２つの反射面のうち、高い反射率で光を反射させる反射面１１の反射率をｒ０とし、一部を反射させ残部を外部へ出射する出射面１２の反射率をｒ１とする。照射対象物２の反射率をｒ２とする。また、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率をｒａとする。なお、ここでは、光路中での損失については無視する。
【００３６】
同図に示されるような光学系においては、外部共振器として２種類の共振が考えられる。第１の共振は、光源部１０の出射面１２（反射率ｒ１）と照射対象物２（反射率ｒ２）との間の共振であり、第２の共振は、光源部１０（実効的反射率ｒｅ）と照射対象物２（反射率ｒ２）との間の共振である。この第２の共振の場合において、光源部１０の実効的反射率ｒｅは、光源部１０内での利得および損失を考慮した光源部１０全体としての反射率である。
【００３７】
光源部１０の実効的反射率ｒｅは下記(12)式で表される。ここで、ｇは光源部１０内での利得であり、αは光源部１０内での損失である。また、光源部１０におけるレーザ発振条件は下記(13)式で表される。この(13)式を用いると、(12)式の実効的反射率ｒｅは下記(14)式に変形される。
【００３８】
【数１２】
【００３９】
【数１３】
【００４０】
【数１４】
このことから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きい場合には、光源部１０の出射面１２での反射（反射率ｒ１）による外部共振器を考える。一方、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さい場合には、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器を考える。
【００４１】
光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きい場合、光源部１０の出射面１２による外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは、下記(15)式で表される。ここで、τｐは光子の寿命時間であり、tは光子が外部共振器を１往復する時間である。これを変形すると、下記(16)式が得られる。
【００４２】
【数１５】
【００４３】
【数１６】
一方、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さい場合、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは、下記(17)式で表される。これを変形すると、下記(18)式が得られる。
【００４４】
【数１７】
【００４５】
【数１８】
次に、光源部１０が半導体レーザ素子である場合の具体的数値例について説明する。ここでは、半導体レーザ素子として一般的であるＡｌＧａＡｓ系の出力波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ素子を例に挙げる。「（誘導放出の割合＋誘導吸収の割合）/（誘導放出の割合−誘導吸収の割合）」を表すγは４であり、利得係数ｇ０は１００ｃｍ−１であり、媒質速度ｖは１０８ｍ／ｓｅｃであり、共振面反射率Ｒは０.３であり、光出力パワーＰ０は１０ｍＷであり、共振器長Ｌは０.５ｍｍであり、キャリア密度ゆらぎによる屈折率変化の影響αは５.４であり、屈折率ｎｒが３.６であるとする。
【００４６】
このとき、上記(10)式を用いて計算すると、半導体レーザ素子のスペクトル線幅Δｆは１４ＭＨｚとなる。上記のΔｆ値は、種々の論文等による報告値と同程度であり、妥当なものである。また、上記(11)式を用いて計算すると、半導体レーザ素子のモード間隔ΔＦは８３ＧＨｚとなる。
【００４７】
また、半導体レーザ素子の反射面１１の反射率ｒ０を９０％とし、出射面１２の反射率ｒ１を１０％とする。照射対象物２の反射率ｒ２を１０％とし、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率ｒａを９０％とする。このとき、上記(14)式を用いて計算すると、光源部１０の実効的反射率ｒｅは８.１であるから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより小さいので、光源部１０での実効的な反射（反射率ｒｅ）による外部共振器を考える必要がある。そして、上記(18)式を用いて計算すると、外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは２.３となる。
【００４８】
これらのパラメータ値を上記(9)式に代入すると、進行弾性波の周波数ωの許容数値範囲は７ＭＨｚ〜３６ＧＨｚとなる。このように非常に広い周波数範囲の進行弾性波が許容されるが、進行弾性波の伝搬損失は弾性波周波数の２乗に比例するため、実際には進行弾性波が得やすく且つ伝搬損失が小さい１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ程度の周波数の進行弾性波を用いればよい。
【００４９】
次に、光源部１０がガラスレーザ光源である場合の具体的数値例について説明する。ここでは、Ｎｄドープのガラスレーザを考える。ガラスレーザ光源のスペクトル線幅Δｆは、半導体レーザ素子とを比較して考えると、利得係数ｇ０が小さく、共振器長Ｌおよび光出力パワーＰ０それぞれは非常に大きい値を採る。このことから、上記(10)式から、ガラスレーザ光源のΔｆは、半導体レーザ素子と比較して非常に小さくなるが、実際にはガラスレーザ光源のスペクトル線幅Δｆは、量子雑音などによる影響のために理論値よりも大きくなるため、ここでは簡易的に半導体レーザ素子と同等の値を採ると考える。また、発振波長λ０を１０６０ｎｍとし、屈折率ｎｒを１.５とし、共振器長Ｌを１０ｃｍとすると、上記(11)式を用いて計算すると、ガラスレーザ光源のモード間隔ΔＦは１ＧＨｚとなる。
【００５０】
また、ガラスレーザ光源の反射面１１の反射率ｒ０を１００％とし、出射面１２の反射率ｒ１を９５％とする。照射対象物２の反射率ｒ２を９０％とし、回折格子４０におけるブラッグ回折時の反射率ｒａを９０％とする。このとき、上記(14)式を用いて計算すると、光源部１０の実効的反射率ｒｅは０.００２であるから、光源部１０の出射面１２の反射率ｒ１が光源部１０の実効的反射率ｒｅより大きいので、光源部１０の出射面１２による外部共振器を考える必要がある。そして、上記(16)式を用いて計算すると、外部共振器におけるレーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数Ｎは２.７となる。
【００５１】
これらのパラメータ値を上記(9)式に代入すると、進行弾性波の周波数ωの許容数値範囲は７ＭＨｚ〜１８３ＭＨｚとなる。このような周波数範囲の進行弾性波は、伝搬損失が小さく、容易に得ることができる。
【００５２】
次に、本実施形態に係るレーザ装置１の具体的な構成例について図４を用いて説明する。同図に示されるレーザ装置１は、前述の弾性波周波数条件の導出に用いたＡｌＧａＡｓ系の出力波長８００ｎｍ帯の半導体レーザ光源を光源部１０として有するものであって、光源部１０，弾性波発生部２０および弾性波伝播媒質３０が共通の基板５１上にモノリシックに設けられている。また、ＺｎＯ層５８および弾性波発生部２０と、光源部１０とは、溝部６１により互いに隔てられて設けられている。
【００５３】
ｎ型ＧａＡｓ基板５１の一方の主面上に順に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５が設けられている。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２は、例えば、Ａｌ組成３０％であり、厚さ１.５μｍである。ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４は、例えば、Ａｌ組成３０％であり、厚さ１.５μｍである。また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５は、例えば厚さ０.１μｍである。また、ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面には、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極５９が設けられている。
【００５４】
光源部１０においては、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５の上に、ＳｉＮ絶縁層５６およびＣｒ／Ａｕ電極５７が設けられている。ｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５上の一部領域においては、ＳｉＮ絶縁層５６が設けられておらず、Ｃｒ／Ａｕ電極５７がｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５に電気的に接続されている。
【００５５】
光源部１０に対して溝部６１を隔てた反対側においては、ＺｎＯ層５８および弾性波発生部２０が設けられている。弾性波発生部２０は互いに噛合わされた１対の櫛形電極を有しており、この弾性波発生部２０の下方および当該周辺の限られた領域にＺｎＯ層５８が設けられている。溝部６１はｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達している。光源部１０側の溝部６１の側壁面が出射面１２となっている。
【００５６】
このレーザ装置１では、光源部１０の電極５７と電極５９との間に駆動電流が供給されると、光源部１０の量子井戸活性層５３においてレーザ光が発生する。そのレーザ光は、出射面１２から溝部６１へ出射され、ＺｎＯ層５８の下方にある量子井戸活性層５３に入射する。この入射したレーザ光Ｌ０は、量子井戸活性層５３内を導波していき、弾性波発生部２０により生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折される。そして、そのブラッグ回折された後のレーザ光Ｌ１は、端面６２から外部へ出射される。
【００５７】
次に、図４に示した本実施形態に係るレーザ装置の製造方法について図５を用いて説明する。初めに半導体エピタキシャル成長基板が準備される。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板５１が用意され、その上に順に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２、ＡｌＧａＡｓ量子井戸活性層５３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５４およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５５が、エピタキシャル成長により成膜される（図５（ａ）参照）。このとき、各層の組成および厚さは前述のとおりとされる。
【００５８】
続いて、この半導体エピタキシャル成長基板の上面全体にＳｉＮ絶縁層５６が堆積され、その後、電極５７および弾性波伝搬媒質部３０においてフォトワークおよびエッチングによりＳｉＮ絶縁層５６が選択的に除去されて、光源部１０においてｐ側のＣｒ／Ａｕ電極５７が蒸着により形成される。そして、フォトワークおよびＲＩＥ法による垂直エッチングにより、溝６１が形成される（図５（ｂ）参照）。
【００５９】
さらに続いて、光源部１０に対して溝部６１を隔てた反対側において、圧電材料であるＺｎＯ層５８が成膜され、このＺｎＯ層５８の上にＡｌ電極が蒸着されることにより弾性波発生部２０が形成される。このとき、進行弾性波の進行方向が前述したブラッグ回折条件に一致する角度になるように弾性波発生部２０が配置される必要がある。例えば、回折次数を１とし、弾性波周波数ωを前述した半導体レーザ光源での弾性波周波数条件に当てはまる５００ＭＨｚとし、媒質速度ｖｕを３×１０３ｍ／ｓとし、媒質屈折率ｎａを３.４とし、レーザ光周波数Ωを３.７８×１０１４Ｈｚとすると、レーザ光と進行弾性波の進行方向との交差角度θは、前述したブラッグ回折条件により１.１１°とされる。その後、基板５１の裏面が研磨されて、その裏面にｎ側電極としてＡｕＧｅ／Ａｕ電極５９が蒸着され、さらにアニールされることで電極５９と基板５１との界面近傍が合金化される（図５（ｃ）参照）。
【００６０】
最後に、素子の側壁が壁開されてミラー面が形成され、このミラー面に所望の反射コーティング膜が形成されて、図４に示したような半導体レーザ光源１が製造される。
【００６１】
以上、詳細に説明したとおり、本実施形態に係るレーザ光源およびレーザ光照射方法では、上記(8)式（好適には上記(9)式）の関係式が満たされていることにより、光源部１０と照射対象物２とが構成する外部共振器における発振に起因した戻り光の影響が抑制され、しかも、小型化可能かつ実現容易である。このことから、レーザ光の波長が安定なものとなり、上記光源部として用いられる半導体レーザ素子においてパルセーションやモードホッピング等の雑音の発生および素子劣化が抑制され、該半導体レーザ素子の劣化が抑制される。
【００６２】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図６または図７に示されるような構成としてもよい。これらのような構成とすれば、素子端面から垂直に光Ｌ１が出射されるので好都合である。
【００６３】
図６は、本実施形態に係るレーザ装置の第１変形例を示す平面図である。この図に示される第１変形例のレーザ装置１Ａは、既に図４および図５を用いて説明したレーザ装置１の構成と比較すると、溝部６２が設けられている点で相違する。この溝部６２は、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達するものであり、溝部６１の形成と同時に同様の方法で作成され得る。そして、この溝部６２は、弾性波発生部２０により生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折された光Ｌ１を側壁面で反射させ、その反射させた光を素子端面から垂直に出射させる。
【００６４】
図７は、本実施形態に係るレーザ装置の第２変形例を示す平面図である。この図に示される第２変形例のレーザ装置１Ｂは、図６を用いて説明したレーザ装置１Ａの構成と比較すると、弾性波発生部２０Ｂが素子側壁に設けられている点、溝部６３と溝部６４との間に光源部１０が形成されている点、および、光源部１０の共振器の光軸が素子側壁に対して傾斜している点、で相違する。溝部６３および溝部６４それぞれはｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５２まで達していており、各々の側壁面が光源部１０の共振器を構成している。また、素子側壁に設けられた弾性波発生部２０Ｂは、その側壁に対して絶縁膜７０を介して、金属膜２１、圧電膜２２および金属膜２３が順に積層されたものである。例えば、絶縁膜７０はＳｉＯ２やＳｉＮからなり、圧電膜２２はＺｎＯからなり、金属膜２１，２２はＡｕからなる。これらは蒸着またはスパッタリングにより形成され得る。
【００６５】
このレーザ装置１Ｂでは、金属膜２１と金属膜２２との間に高周波電圧が印加されることで、素子側壁に対して垂直に進む進行弾性波が発生する。光源部１０から出力された光Ｌ０は、素子側壁に対して傾斜して進み、弾性波発生部２０Ｂにより生じた進行弾性波による回折格子４０によりブラッグ回折される。このブラッグ回折後の光Ｌ１は、溝部６２の側壁面で反射されて、素子端面から垂直に出射される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法を説明する概念図である。
【図２】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法におけるレーザ光の周波数スペクトル等を示す図である。
【図３】本実施形態に係るレーザ装置およびレーザ光照射方法における光子の往復可能回数Ｎについて説明するための図である。
【図４】本実施形態に係るレーザ装置の具体的な構成を示す斜視図である。
【図５】本実施形態に係るレーザ装置の製造方法を説明する工程図である。
【図６】本実施形態に係るレーザ装置の第１変形例を示す平面図である。
【図７】本実施形態に係るレーザ装置の第２変形例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ，１Ｂ…レーザ装置、２…照射対象物、１０…光源部、２０，２０Ｂ…弾性波発生部、３０…弾性波伝播媒質、４０…回折格子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源部と、前記光源部から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部と、を備え、
前記光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数１】
なる関係式を満たす、
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記光源部、前記弾性波発生部および前記所定領域が共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記光源部が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項４】
照射対象物にレーザ光を照射する方法であって、
弾性波発生部により進行弾性波を所定領域の媒質に発生させ、光源部から出力されたレーザ光を前記所定領域に入射させて前記進行弾性波によりブラッグ回折させ、その回折させたレーザ光を前記照射対象物に照射するとともに、
前記光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数２】
なる関係式を満たす、
ことを特徴とするレーザ光照射方法。
【請求項５】
前記光源部と前記照射対象物とが構成する外部共振器における前記レーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数３】
なる関係式を満たすことを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【請求項６】
前記光源部、前記弾性波発生部および前記所定領域が共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【請求項７】
前記光源部が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【請求項１】
レーザ光を出力する光源部と、前記光源部から出力されるレーザ光が入射する所定領域の媒質において該レーザ光をブラッグ回折させる進行弾性波を発生させる弾性波発生部と、を備え、
前記光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数１】
なる関係式を満たす、
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記光源部、前記弾性波発生部および前記所定領域が共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記光源部が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
【請求項４】
照射対象物にレーザ光を照射する方法であって、
弾性波発生部により進行弾性波を所定領域の媒質に発生させ、光源部から出力されたレーザ光を前記所定領域に入射させて前記進行弾性波によりブラッグ回折させ、その回折させたレーザ光を前記照射対象物に照射するとともに、
前記光源部が出力するレーザ光の縦モードの周波数間隔をΔＦとし、該レーザ光の縦モードの周波数スペクトルの半値全幅をΔｆとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数２】
なる関係式を満たす、
ことを特徴とするレーザ光照射方法。
【請求項５】
前記光源部と前記照射対象物とが構成する外部共振器における前記レーザ光の光子寿命時間内での当該光子の往復可能回数をＮとしたときに、前記弾性波発生部が発生する進行弾性波の周波数ωが、
【数３】
なる関係式を満たすことを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【請求項６】
前記光源部、前記弾性波発生部および前記所定領域が共通の基板上に設けられていることを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【請求項７】
前記光源部が半導体レーザ素子を含むことを特徴とする請求項４記載のレーザ光照射方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１７９７１４（Ｐ２００６−１７９７１４Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７１９２４（Ｐ２００４−３７１９２４）
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２２日（２００４．１２．２２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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