トンネル接合によって形成された多有源領域のカスケード構造半導体レーザーにおいて、発光領域間には通常有効な横方向光学結合が欠如しているため、各有源領域の発振スポットは遠方界で複数の非干渉な離散空間分布を示す。高速軸コリメーション後、出力ビームは光軸対称の離散角度分布の系列となり、遠方界発散角の著しい増大を招くとともに、遠方界強度分布が多スポット構造を維持する。光学系の集光またはイメージングにより焦点スポット品質が劣化し、光ファイバー結合効率および出力ビームの輝度向上を制限する。この問題に対し、本稿では臨界角制御に基づく全反射プリズム群および対称高反射プリズム構造を用いたビーム成形法を提案し、臨界角下の選択的反射により多発光領域ビームの角度再構成を実現した。角空間で元々離散的な三峰分布を成形後に単峰集中分布に合成し、高速軸発散角を0.52°から0.11°へ圧縮し約79%の角度圧縮率を実現、多有源領域ビームの方向整合性を向上させた。高速軸暗部圧縮プリズムとガリレオ縮小システムを組み合わせ、さらに高速軸・遅軸ビームパラメーター積のマッチングを実現した。成形後、高速軸ビームパラメーター積は54.6 mm·mradから22.8 mm·mradに低減し、焦点面光強度分布は「三スポット離散分布」から「単一スポット集中分布」へ変化し、集光ビームはNA 0.22、芯径300 μmの光ファイバーへ結合した。システムのピーク出力は630 Wに達し、光対光変換効率は78.8%である。さらに、組立・加工許容差解析、熱構造連成シミュレーション、スペクトル分散および熱誘起屈折率効果解析により、全反射角度成形ミラーの安定性および実現可能性を評価し、本ビーム成形および合束方案が良好な光学的安定性と工学的応用展望を有することを示した。

トンネル接合カスケード多有源領域半導体レーザー;高速軸コリメーション;ビーム成形;角度補正;ビーム品質;光ファイバー結合