激光元件及电子装置

技术领域

本公开涉及激光元件和电子装置。

背景技术

激光的峰值功率定义为脉冲能量÷脉冲宽度，为了获得更高的峰值功率，重要的是获得更短的脉冲宽度。输出激光脉冲的Q开关固态激光器具有其自身的谐振器的长度与获得的脉冲宽度成比例的特征，并且最小谐振器长度由所使用的固态激光器介质的长度确定。由于安装在作为增益介质的谐振器中的固态激光介质的长度由激发光的吸收量决定，所以如果固态激光介质的长度被简单地缩短，则激发光不能被充分地吸收，并且激发效率被显著地劣化。

因此，在用半导体激光器外部激发Q开关固态激光介质的常规方法中，不优选比激发光吸收长度缩短固态激光介质的长度，并且不能获得更短的脉冲。即，当固态激光介质长度缩短以获得短脉冲宽度时，激发光的吸收量减少，并且激发效率劣化。相反，存在为了增加激发光的吸收量而增加固态激光介质长度增加谐振器长度并增加脉冲宽度的折衷。

相反，从制造和光源输出稳定性的观点来看，传统的Q开关固态激光器需要通过以高精度定位多个光学元件来执行组装调整，因此这在大规模生产率方面较差并且在成本降低方面存在困难，并且由于每个光学元件的位置偏移而在光源输出的稳定性上存在问题。

通常，例如，已知一种通过使用半导体激光器外部激发Q开关固态激光器来生成短脉冲激光器的方法(参考专利文献1和2)。因为获得的脉冲宽度与Q开关固态激光器的谐振器长度成比例，所以期望缩短谐振器长度以获得更短的脉冲宽度以便获得更高的激光峰值功率。

然而，在常规方法中，可以使用的固态激光介质的厚度受到由用于激发的半导体激光器的波长以及固态激光介质在该波长处的吸收系数所确定的吸收长度的限制。例如，在Q开关固态激光器中通常最常用的Nd：YAG(10at％)的情况下，波长为808nm的激发光的吸收长度为约10mm；如果使固态激光介质的长度短于该长度，则未被吸收的剩余激发光返回至半导体激光器侧以使操作不稳定或导致发热。在盘式激光器中，还提出了多次折回激发光的方法，但是这需要复杂的激发光学系统，并且在实现紧凑尺寸和低成本方面存在问题。

此外，传统上，为了使激光光源紧凑，例如，如专利文献3中所公开的，已经提出了将用于激发的表面发射激光器(VCSEL)和固态激光介质一体堆叠的方法。然而，只描述了“一体”堆叠，没有具体说明透射面是否彼此接合、采用何种接合过程以及如何解决由此引起的问题。

此外，传统上，为了补偿由于伴随固态激光介质的温度升高的热透镜效应引起的模式尺寸的减小，例如，如专利文献4中所公开的，已经提出了采用在光学谐振器中扩散由输出耦合镜反射的光的凸表面的结构。

引用列表

专利文献

专利文件1日本专利申请公开号2013-219232

专利文献2日本专利申请公开号2019-176119

专利文献3日本专利申请公开号2007-173393

专利文献4国际公开号WO 2019/049694

发明内容

本发明要解决的问题

然而，在专利文献4的情况下，激发光被分离，并且需要使用准直透镜和聚光透镜将激发光引导到外部谐振器。因此，每次都需要包括输出耦合镜的每个光学部件的高精度定位调整。

因此，本公开提供一种能够抑制光学谐振器中的温度升高或者能够避免由于激光聚集而对光学谐振器造成损伤的激光元件。

问题的解决方案

为了解决上述问题，根据本公开，提供了一种激光元件，包括：

层压半导体层，包括相对于第一波长的第一反射层和以第一波长执行表面发射的有源层；

激光介质，布置在层压半导体层的光轴的后侧上，并且包括在面向层压半导体层的第一表面上的相对于第二波长的第二反射层以及在与第一表面相反的一侧的第二表面上的相对于第一波长的第三反射层；

相对于第二波长的第四反射层，布置在第二表面上或者相对于第二表面布置在光轴的后侧上；

第一谐振器，使具有第一波长的光在第一反射层与第三反射层之间谐振；

第二谐振器，使具有第二波长的光在第二反射层与第四反射层之间谐振；以及

光学元件，布置在第二反射层与第四反射层之间，光学元件增大具有第二波长的光的光束直径，其中，

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴和光学元件的光轴同轴布置。

层压半导体层的激光介质的一侧的端面可以接合至激光介质的层压半导体层的一侧的端面。

光学元件可反射或折射具有第二波长的光的至少一部分，使得不聚集具有第二波长的光。

光学元件可包括介电多层膜。

光学元件可包括反射入射光的至少一部分的凸面镜，或者折射入射光的至少一部分的光折射构件，使得入射光不被聚集。

在光学元件包括第四反射层的情况下，第四反射层可以是凸面镜，并且在光学元件设置在比第四反射层更接近第二反射层的一侧上的情况下，光学元件可包括光折射构件。

光学元件可包括透明构件，其使与凸面镜的反射表面相对的表面或光折射构件的折射表面的一侧变平并透射具有第二波长的光。

可包括光控制构件，其接合至布置在与光折射构件的折射表面相对的表面的一侧上的透明构件，并且控制通过光学元件透射的具有第二波长的光的折射或偏振方向。

光学元件可具有精细的周期性结构，其以入射光不被聚集的方式反射或折射入射光的至少一部分，并且

细微的周期性结构可以包括在表面方向上周期性布置的凹凸部。

细微的周期性结构可以是菲涅耳透镜、元透镜或光子晶体透镜。

光学元件可包括在表面方向上具有折射率分布的平坦表面，该平坦表面以入射光不被聚集的方式反射或折射入射光的至少一部分。

可以包括能饱和吸收器，其包括在与激光介质相对的一侧的第三表面上的第四反射层，其中，

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴、能饱和吸收器的光轴以及光学元件的光轴可以同轴布置。

层压半导体层、激光介质和能饱和吸收器可以一体地接合。

可以包括第一透明介质，布置在层压半导体层和激光介质之间，透射具有第一波长的光。

可以包括第二透明介质，布置在激光介质和能饱和吸收器之间，透射具有第二波长的光。

光学元件可以设置在激光介质和能饱和吸收器中的至少一个上。

光学元件可以设置在激光介质和能饱和吸收器的表面上或内部。

光学元件可以沿着能饱和吸收器的第三表面设置。

光学元件可布置在激光介质和能饱和吸收器之间。

第四反射层可以是第二谐振器中的输出耦合镜。

层压半导体层可包括相对于第一波长的第五反射层，第五反射层布置在比第一反射层更接近激光介质的一侧上，并且

第五反射层可以透射具有第一波长的光的一部分。

根据本公开的另一方面，提供了一种电子装置，包括：

激光元件；以及

控制单元，执行控制以从激光元件发射光，其中，

激光元件包括：

层压半导体层，包括相对于第一波长的第一反射层和以第一波长执行表面发射的有源层；

激光介质，布置在层压半导体层的光轴的后侧上，并且包括在面向层压半导体层的第一表面上的相对于第二波长的第二反射层以及在与第一表面相反的一侧的第二表面上的相对于第一波长的第三反射层；

相对于第二波长的第四反射层，布置在第二表面上或者相对于第二表面布置在光轴的后侧上；

第一谐振器，使具有第一波长的光在第一反射层与第三反射层之间谐振；

第二谐振器，使具有第二波长的光在第二反射层与第四反射层之间谐振；以及

光学元件，布置在第二反射层与第四反射层之间，光学元件增大具有第二波长的光的光束直径，以及

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴和光学元件的光轴同轴布置。

附图说明

图1是示出根据本公开的激光元件的基本配置的示图。

图2是示出光学元件的第一模式的示意性截面图。

图3是示出光学元件的第二模式的示意性截面图。

图4A是示出光学元件的第三模式的示例的截面图。

图4B是示出光学元件的第三模式的另一示例的截面图。

图4C是示出光学元件的第三模式的另一示例的截面图。

图5A是示出光学元件的第四模式的示意性截面图。

图5B是示出光学元件的第四模式的示意性截面图。

图6是示出光学元件的第五模式的示意性截面图。

图7是示出图3中的激光元件被布置成阵列的激光阵列的示意性截面图。

图8是示出图5中的激光元件被布置成阵列的激光阵列的示意性截面图。

图9是示出图6中的激光元件被布置成阵列的激光阵列的示意性截面图。

图10是示出本公开的激光元件的制造过程的示图。

图11是示出第一透明介质和第二透明介质被布置在激发光源与固体激光介质之间的示例的示图。

图12是示出不包括能饱和吸收器的激光元件的基本配置的示图。

图13是示出通过在图12中的激光元件中设置上述光学元件而获得的激光元件的示图。

图14是示出内窥镜系统的示意性配置的示例的图。

图15是示出图14中所示的相机和CCU的功能配置的示例的框图。

图16是示出显微手术系统的示意性配置的示例的示图。

具体实施方式

在下文中，参考附图描述激光元件的实施方式。虽然在下文中主要描述激光元件的主要部件，但是激光元件可能包括未图示或描述的部件和具有未图示或描述的功能。以下描述不排除未示出或描述的组件和功能。

(根据本公开的激光元件的技术特征)

首先，在描述根据本公开的激光元件的内部配置和操作之前，描述了根据本公开的激光元件的技术特征。

根据本公开的激光元件具有使用表面发射激光器的一部分作为激发光源的配置和用于Q开关的固态激光介质一体地接合的配置。应注意，如稍后描述的，根据本公开的激光元件可包括不具有Q开关功能的激光元件，但是首先描述具有Q开关功能的激光元件。

在根据本公开的激光元件中，用于Q开关的固态激光介质由两个谐振器共享。这两个谐振器包括以第一波长谐振的第一谐振器和以第二波长谐振的第二谐振器(也称为Q开关固态激光谐振器)。

因为两个谐振器共享固态激光介质，所以即使当固态激光介质被缩短时也可在第一谐振器中执行固态激光介质的高强度激发，并且可产生具有更短的脉冲宽度的激光脉冲。

此外，因为根据本公开内容的激光元件是可以通过使用半导体工艺技术制造的一体化层压结构，所以这在大规模生产率上优异并且在激光输出稳定性上优异。

这里，激发光源是垂直腔面发射激光器(VCSEL)的模式。这不同于VCSEL之处在于，形成谐振器的反射镜的至少一个设置在层压半导体层的外部，层压半导体层是激发光源的主体。如稍后描述的，根据本公开的激光元件具有固态激光介质被布置在层压半导体层和反射镜之间的结构，反射镜被布置在层压半导体层外部。

如上所述，根据本公开的激光元件可通过Q开关产生具有短脉冲宽度的激光脉冲，但是激光通过随着固态激光介质的温度升高而产生的热透镜效应在第二谐振器内部聚集。在第二谐振器内部，因为激光的峰值强度由于脉冲缩短而变高，因此第一谐振器和第二谐振器内部的光学损伤可能由于通过热透镜效应聚集激光而更显著地发生。特别地，因为形成第一谐振器的层压半导体层包括具有小带隙的材料，当在第二谐振器中产生的具有第二波长的激光的泄露光(leaked light)进入第一谐振器时，可能发生由多光子吸收引起的光学损伤。

因此，在根据本公开的激光元件中，通过设置增加在第二谐振器中产生的具有第二波长的激光的光束直径的光学元件来降低Q开关激光脉冲的峰值聚集密度。因此，在不损害紧凑的一体化结构的优点的情况下，提供了能够避免第一谐振器和第二谐振器内部的光学损伤的激光器元件及其制造方法。

根据本发明的激光元件具有以下三个特征。

(1)第一谐振器和第二谐振器共享固态激光介质。第一谐振器包括激发光源和固态激光介质。第二谐振器包括固态激光介质和能饱和吸收器，并且通过来自第一谐振器的激发光执行Q开关激光振荡。

(2)增加由第二谐振器生成的具有第二波长的激光的光束直径的光学元件设置在第二谐振器内。该光学元件具有光束发散作用，即负折射率功能。

(3)激发光源、固态激光介质和能饱和吸收器具有一体化结构。

在根据本公开的激光元件中，第一谐振器中的固态激光介质吸收通过将电流注入激发光源而产生的激发光。固态激光介质与邻近于第一谐振器安装的能饱和吸收器一起形成第二谐振器。当固态激光介质进入充分激发状态，并且自发射光的输出增加到超过某个阈值时，能饱和吸收器中的光吸收速率迅速减小，并且在固态激光介质中生成的自发射光可以通过能饱和吸收器透射，引起固态激光介质中的受激发射。这导致Q开关脉冲振荡。

(激光元件的基本配置)

在下文中，描述了根据本公开的激光元件的具体实施方式。图1是示出根据本公开的激光元件1的基本配置的示图。图1中的激光元件1具有一种配置，其中，激发光源2、固态激光介质3以及能饱和吸收器4一体地接合。

激发光源2是上述VCSEL的部分结构并且包括具有层压结构的层压半导体层。在下文中，激发光源2有时被称为层压半导体层2。图1中的激发光源2具有通过依次堆叠基板5、n接触层33、第五反射层R5、包覆层6、有源层7、包覆层8、预氧化层31和第一反射层R1而获得的结构。应注意，图1中的激光元件1具有从基板5发射连续波(CW)激发光的底部发射型配置，但是可以具有从第一反射层R1侧发射CW激发光的顶部发射型配置。

例如，基板5是n-GaAs基板5。由于n-GaAs基板5以某一速率吸收具有第一波长λ1的光，第一波长λ1是激发光源2的激发波长，因此期望使得基板尽可能薄。相反，期望提供能够在稍后描述的接合处理时保持机械强度的厚度。

有源层7以第一波长λ1执行表面发射。包覆层6和8例如是AlGaAs包覆层。第一反射层R1反射具有第一波长λ1的光。第五反射层R5相对于具有第一波长λ1的光具有一定的透射率。例如，对于第一反射层R1和第五反射层R5，使用能够执行电传导的半导体分布式布拉格反射器(DBR)。电流经由第一反射层R1和第五反射层R5从外部注入，在有源层7中的量子阱中发生复合和发光，并且以第一波长λ1执行激光振荡。预氧化层(例如，AlAs层)31在第一反射层R1的包覆层侧上的部分被氧化以变成后氧化层(例如，Al

例如，第五反射层R5设置在该n-GaAs基板5上。例如，第五反射层R5包括含有向其添加n型掺杂剂(例如，硅)的Al

例如，有源层7包括多量子阱层，其中，Al

第一反射层R1包括含有Al

激发光源2中的半导体层R5、6、7、8和R1中的每一个可以通过使用诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法或分子束外延(MBE)方法的晶体生长方法来形成。然后，在晶体生长之后，在诸如用于元件分离的台面蚀刻、绝缘膜的形成和电极膜的气相沉积的处理之后，通过电流注入的驱动变得可能。

固态激光介质3接合至激发光源2的n-GaAs基板5与第五反射层R5相反的一侧上的端面。在下文中，固态激光介质3的激发光源2侧的端面被称为第一表面F1，并且固态激光介质3的能饱和吸收器4侧的端面被称为第二表面F2。此外，能饱和吸收器4的激光脉冲发射表面被称为第三表面F3，激发光源2的固态激光介质3侧的端面被称为第四表面F4。此外，能饱和吸收器4的固态激光介质3侧上的端面被称为第五表面F5。尽管为了方便在图1中单独示出，激发光源2的第四表面F4接合至固态激光介质3的第一表面F1，并且固态激光介质3的第二表面F2接合至能饱和吸收器4的第五表面F5。

图1中的激光元件1包括第一谐振器11和第二谐振器12。第一谐振器11使具有第一波长λ1的光在激发光源2中的第一反射层R1与固态激光介质3中的第三反射层R3之间谐振。第二谐振器12使具有第二波长λ2的光在固态激光介质3中的第二反射层R2与能饱和吸收器4中的第四反射层R4之间谐振。

第二谐振器12也被称为Q开关固态激光谐振器12。作为高反射层的第三反射层R3设置在固态激光介质3中，使得第一谐振器11可执行稳定的谐振操作。在正常激发光源2中，作为用于将具有第一波长λ1的光发射到外部的输出耦合镜(输出耦合器)的部分反射镜布置在图1中的第三反射层R3的位置处。相反，在图1的激光元件1中，高反射层用作第三反射层R3，以便使用第三反射层R3将具有第一波长λ1的激发光的功率限制在第一谐振器11中。

以这种方式，三个反射层(第一反射层R1、第五反射层R5和第三反射层R3)设置在包括激发光源2和固态激光介质3的第一谐振器11的内部。因此，第一谐振器11具有耦合谐振器(耦合腔)结构。

通过将具有第一波长λ1的激发光的功率限制在第一谐振器11中来激发固态激光介质3。因此，在第二谐振器12中发生Q开关激光脉冲振荡。第二谐振器12使具有第二波长λ2的光在固态激光介质3中的第二反射层R2与能饱和吸收器4中的第四反射层R4之间谐振。第二反射层R2为高反射层，而第四反射层R4为局部反射层，起到输出耦合镜(输出耦合器)的作用。在图1中，第四反射层R4设置在能饱和吸收器4的端面上，但是第四反射层R4可以布置在相对于能饱和吸收器4的激光脉冲发射表面的光轴的后侧上。光轴的后侧在光轴上的发光方向上。即，第四反射层R4不是必须设置在能饱和吸收器4的内部或表面上。然而，即使在第四反射层R4相对于能饱和吸收器4布置在光轴的前侧的情况下，也需要使具有第二波长λ2的光在第二反射层R2和第四反射层R4之间谐振。

固态激光介质3包含例如掺镱(Yb)的钇铝石榴石(YAG)晶体Yb：YAG。在该情况下，第一谐振器11的第一波长λ1为940nm，第二谐振器12的第二波长λ2为1030nm。

固态激光介质3不限于Yb：YAG，并且至少例如，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和YB：YAB中的任意材料可被用作固态激光介质3。固态激光介质3的形式不限于晶体，并且不阻止陶瓷材料的使用。

此外，固态激光介质3可以是四级系统固态激光介质3或准三级系统固态激光介质3。然而，因为适当的激发波长(第一波长λ1)根据每个晶体而变化，所以有必要根据固态激光介质3的材料选择激发光源2中的有源层7的半导体材料。

例如，能饱和吸收器4包含掺杂铬(Cr)的YAG(Cr：YAG)晶体。能饱和吸收器4是当入射光的强度超过预定阈值时透射率增加的材料。通过第一谐振器11具有第一波长λ1的激发光增加能饱和吸收器4的透射率以发射具有第二波长λ2的激光脉冲。这被称为无源Q开关。作为能饱和吸收器4的材料，还可以使用V：YAG。然而，也可以使用其他类型的能饱和吸收器4。此外，没有防止将有源Q切换元件用作Q切换。

在图1中，单独示出了激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4，但是通过使用接合工艺将它们接合以一体地形成层压结构。接合工艺的示例包括表面活化接合、原子扩散接合、等离子体活化接合等。或者，可以使用其他接合(粘附)工艺。

为了将固态激光介质3稳定地接合至激发光源2，有必要使激发光源2中的n-GaAs基板5的表面变平。因此，如上所述，优选在至少n-GaAs基板5的表面上不暴露用于向第一反射层R1和第五反射层R5注入电流的电极E1、E2。在图1的示例中，电极E1和E2布置在激发光源2的第一反射层R1侧的端面上。电极E1为p电极，与第一反射层R1电性导通。电极E2是n电极，通过经由绝缘膜34用导电材料35填充从第一反射层R1到达n接触层33的沟槽的内壁而形成。通过将电极E1和E2布置在与图1相同的激发光源2的端面上，该端面可以焊接至未示出的支承基板。此外，当多个激光元件被布置成阵列时，通过将电极E1和E2布置在同一端面上，该端面可被安装在支承基板上。注意，图1中所示的电极E1和E2的形状和布置位置仅是说明性的。

以这种方式，通过将图1中的激光元件1形成为层压结构，变得易于通过在制造层压结构之后切割层压结构以分离形成多个芯片，或者易于在一个基板上形成布置有多个激光元件1以阵列的激光阵列。

在通过接合工艺制造具有层压结构的激光元件1的情况下，每个表面层的算术平均粗糙度Ra需要为约1nm以下，并且理想地为0.5nm以下。化学机械抛光(CMP)用于实现具有这种算术平均粗糙度的表面层。另外，为了避免各层的界面处的光学损失，也可以在层间配置介电多层膜，通过该介电多层膜来接合各层。例如，作为激发光源2的基底基板的GaAs基板5相对于940nm的波长具有3.2的折射率n，该折射率n高于YAG(n：1.7)或一般的电介质多层膜材料的折射率n。因此，当固态激光介质3和能饱和吸收器4接合至激发光源2时，必须防止由于折射率不匹配而发生光学损耗。具体地，期望在激发光源2和固态激光介质3之间布置抗反射膜(AR涂覆膜或非反射涂覆膜)，该抗反射膜不反射具有第一谐振器11的第一波长λ1的光。此外，期望还在固态激光介质3与能饱和吸收器4之间布置抗反射膜(AR涂膜或非反射涂膜)。

取决于接合材料，抛光有时是困难的，并且例如，可以沉积相对于第一波长λ1和第二波长λ2透明的材料(诸如SiO

介电多层膜的示例包括短波通滤波器(SWPF)、长波通滤波器(LWPF)、带通滤波器(BPF)、抗反射(AR)保护膜等。期望根据需要布置不同类型的介电多层膜。可以使用物理气相沉积(PVD)方法作为电介质多层膜的膜沉积方法，具体地，可以使用诸如真空气相沉积、离子辅助气相沉积和溅射的膜沉积方法。应用哪种膜沉积方法无关紧要。此外，可以选择电介质多层膜的任何特性，例如，第二反射层R2可以是短波通滤波器，并且第三反射层R3可以是长波通滤波器。通过将短波通滤波器应用至第二反射层R2，可以防止具有第二波长的脉冲光入射至半导体层并且防止对半导体的损伤。

此外，通过将长波通滤波器应用于第三反射层R3，可以防止第一波长进入能饱和吸收器并且防止Q开关的故障。注意，短波通意味着具有第一波长λ1的光被透射并且具有第二波长λ2的光被反射。此外，长波通意味着具有第一波长λ1的光被反射并且具有第二波长λ2的光被透射。

此外，具有分离P偏振光和S偏振光的比率的光子晶体结构的偏振器可设置在第二谐振器12内。此外，可以在第二谐振器12内设置衍射光栅，以将所发射的激光脉冲的偏振状态从随机偏振转换为线偏振。

(激光元件1的操作原理)

接下来，描述图1中的激光元件1的操作。通过经由激发光源2的电极将电流注入到有源层7中，在第一谐振器11中发生第一波长λ1处的激光振荡，并且激发固态激光介质3。因为能饱和吸收器4接合至固态激光介质3，所以在第一波长λ1处发生激光振荡的初始阶段，来自固态激光介质3的自发射光被能饱和吸收器4吸收，使得不发生能饱和吸收器4的发射表面侧上的第四反射层R4的光学反馈，并且不发生Q开关激光振荡。

此后，当具有第一波长λ1的激发光的功率积累在固态激光介质3中并且固态激光介质3被置于充分激发态时，自发射光的输出增加，并且当其超过某个阈值时，能饱和吸收器4中的光吸收率迅速减小，并且在固态激光介质3中产生的自发射光可以透射通过能饱和吸收器4。因此，具有第一谐振器11的第一波长λ1的光从固态激光介质3发射，并且第二谐振器12使具有第二波长λ2的光在第二反射层R2与第四反射层R4之间谐振。因此，发生Q开关激光振荡，并且Q开关激光脉冲经由第四反射层R4朝向空间(图1中右侧的空间)发射。

用于波长转换的非线性光学晶体可布置在第二谐振器12内部。波长转换之后的激光脉冲的波长可根据非线性光学晶体的类型而改变。波长转换材料的示例包括非线性光学晶体(诸如LiNbO

虽然上面描述了根据本公开的用于获得Q开关激光振荡的基本配置和操作原理，但是上述配置不能解决由于如开始时所描述的缩短的峰值脉冲而导致的谐振器材料(包括介电多层膜)的光学损伤的问题。

(光学损伤的解决方案)

首先，描述光学损伤的原因。被图1中的固态激光介质3吸收的激发光的能量的一部分被转换成热量，并且固态激光介质3的温度升高。此时，产生温度分布，并产生与温度分布相关联的折射率分布。通常，在包括无机材料的许多固态激光介质3中，温度越高，折射率越高。

由于激发光的强度较高的光轴中心部分中的温度较高，所以光轴中心附近的折射率较高，并且周边部分中的折射率随着远离光轴而逐渐变低。以这种方式，在固态激光介质3中生成被称为热透镜的虚拟聚光透镜。在本公开中，由于通过制作紧凑的一体化激光元件1可缩短第二谐振器12的谐振器长度，所以从激光元件1发射的激光脉冲的脉冲宽度变得更短。激光脉冲的脉冲宽度越短，峰值功率越高，使得光学损伤比在常规情况下更可能发生。特别是，形成界面的电介质多层膜容易发生光学损伤。

光学损伤不仅发生在产生Q开关激光脉冲的第二谐振器12内部，而且发生在激发光源2(激发光源2)内部，因为在激发光源2侧产生返回光。具体地，由于通过使用具有小带隙的材料形成具有形成激发光源2的层压结构的半导体层2，所以可能发生由短脉冲激光的多光子吸收引起的光学损伤。应注意，同样在仅通过半导体激光器产生激光脉冲的情况下，发生由短脉冲激光的多光子吸收引起的光学损伤，使得难以增加激光脉冲的峰值功率。

为了解决该问题，增大第二谐振器12内部的第二波长λ2的光的光束直径即可。为此目的，设置光学元件是足够的，光学元件放大在第二谐振器12内部的具有第二波长λ2的光的光束直径。光学元件反射或折射具有第二波长λ2的光的至少一部分，使得具有第二波长λ2的光不被聚集。即，光学元件具有光发散作用或负折射作用。例如，光学元件包括反射入射光的至少一部分的凸面镜或折射入射光的至少一部分的光折射构件，使得入射光不被聚集。因为入射在凸面镜上的光被反射以致不被聚集，或者入射在光折射构件上的光被折射以致不被聚集，所以具有第二波长λ2的光的光束直径可以被放大。光学元件布置在第二谐振器12中的第二反射层R2和第四反射层R4之间。例如，光学元件布置在布置在第二反射层R2与第四反射层R4之间的固态激光介质3或能饱和吸收器4中的至少一个的内部或表面上。在光学元件包括第四反射层的情况下，第四反射层为凸面镜，并且在光学元件设置在比第四反射层更接近第二反射层的一侧上的情况下，光学元件包括光折射构件。在下文中，描述了上述光学元件的各种模式。

(光学元件的第一模式)

图2是示出光学元件9的第一模式的示意性截面图。图2示出了激光元件1的截面结构，该激光元件1包括激发光源2、通过使用掺镱(Yb)的钇铝石榴石(YAG)晶体作为材料而形成的固态激光介质3、以及通过使用基于铬(Cr)的YAG晶体作为材料而形成的能饱和吸收器4。

图2中的光学元件9沿着能饱和吸收器4的激光脉冲发射表面(第三表面F3)布置。图2中的光学元件9是通过将能饱和吸收器4的第三表面F3处理为凹形形状获得的。更具体地，图2中的光学元件9包括凸面镜10，该凸面镜10通过将第三表面F3处理为凹形形状并且沿着处理的凹形形状表面形成介电多层膜等而获得。凸面镜10还用作反射具有第二波长λ2的光在激光介质3与能饱和吸收器4之间谐振的第四反射层R4。要注意的是，虽然在图2和稍后描述的图3到9中省略了在图1中所示的电极E1和E2，但是激发光源2包括与在图1中的电极E1和E2相似的电极E1和E2。

如图2中的虚线所示，图2中的光学元件9中的凸面镜10以不聚集的方式反射在第二谐振器12中生成的具有第二波长λ2的光。因此，可以增加第二谐振器12中的具有第二波长λ2的光的光束直径，并且可以减小激光的峰值功率，使得在固态激光介质3和激发光源2中不太可能发生光学损伤。

图2中的光学元件9可以通过蚀刻、抛光等处理能饱和吸收器4的第三表面F3相对容易地形成。此外，凸面镜10的曲率可以通过调节蚀刻材料、蚀刻时间、抛光时间等调节至任何曲率。具有第二波长λ2的光束的光束直径可以通过调节凸面镜10的曲率来控制。凸面镜10的曲率取决于在第一谐振器11中具有第一波长λ1的激发光的功率、第二谐振器12的谐振器长度、光学元件9的基底基板的折射率等。

尽管图2示出了光学元件9沿着能饱和吸收器4的第三表面F3布置的示例，光学元件9可以设置在图1中的第二反射表面R2和第四反射表面R4之间的任何位置。例如，具有凹形形状的光学元件9可以在固态激光介质3中沿着第一表面F1设置。

以这种方式，通过沿着能饱和吸收器4或固态激光介质3的端面或者在能饱和吸收器4或固态激光介质3内部设置光学元件9，可以增加第二谐振器12中具有第二波长λ2的光的光束直径。图2中的光学元件9通过蚀刻、抛光等处理能饱和吸收器4的端面和固态激光介质3以形成介电多层膜等的凸面镜10获得，并且容易制造。此外，通过调整凹面处理时的曲率，可以相对容易地控制具有第二波长λ2的光的光束直径。

(光学元件9的第二模式)

图3是示出了光学元件9的第二模式的示意性截面图。图3中的光学元件9与固态激光介质3和能饱和吸收器4分开设置，并且接合至能饱和吸收器4的第三表面F3。图3中的光学元件9通过使用透射具有第二波长λ2的光的材料形成，并且通过使用相对于具有第二波长λ2的光透明的透明介质13作为材料来形成。期望通过使用具有高热导率的材料形成图3中的光学元件9。例如，作为图3中的光学元件9的基材的透明介质13的候选的示例包括蓝宝石、碳化硅(SiC)和化学气相沉积(CVD)金刚石等。

如图2所示，包括凸面镜10的第四反射层R4设置在图3中的光学元件9的激光脉冲发射表面上。以这种方式，在图3中的激光元件1中，第四反射层R4不设置在作为能饱和吸收器4的端面的第三表面F3上，而是设置在相对于能饱和吸收器4布置在光轴后侧的光学元件9的端面上。

图3中的光学元件9的端面被处理为凹形形状，并且在处理表面上形成诸如介电多层膜的反射膜以形成凸面镜10。作为图3中的光学元件9的材料，期望不仅具有高热导率而且是加工性优异的材料。从该观点出发，在上述候选材料之中优选蓝宝石。注意，图3中的光学元件9的材料可以是任何特定的材料，只要该材料具有高热导率和优异的可加工性。

此外，尽管图3示出了光学元件9接合至能饱和吸收器4的第三表面F3的示例，但是图3中的光学元件9可以布置在能饱和吸收器4与固态激光介质3之间或者固态激光介质3与激发光源2之间。

以这种方式，因为光学元件9与固态激光介质3以及能饱和吸收器4分开地设置以接合至能饱和吸收器4和固态激光介质3，所以可以制造具有包括光学元件9的一体化结构的激光元件1。在图3中的激光元件1中，因为不需要处理固态激光介质3和能饱和吸收器4的形状，所以不存在不利地影响激光脉冲的发射的可能性。

(光学元件9的第三模式)

在图1的激光元件1中，激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4接合以形成一体化结构。当光学元件9的端面被处理为如图2和3中的凹形形状时，存在以下可能性：在设置有光学元件9的固态激光介质3或能饱和吸收器4与另一构件之间的接合部中生成间隙。因此，在光学元件9的第三模式中，光学元件9的表面被加工成凹形形状并且形成诸如介电多层膜的反射膜，并且此后，包括凹形形状表面的光学元件9的表面变平。

作为用于平坦化光学元件9的表面的材料，使用相对于具有第二波长λ2的光透明并具有小于光学元件9的折射率的折射率的材料。图4A、图4B和图4C是示出光学元件9的第三模式的三个代表性示例的示意性截面图。如在图3中，在图4A中，设置接合至能饱和吸收器4的第三表面F3的光学元件9。光学元件9的激光脉冲发射表面被处理为凹形形状，并且平坦化构件14沿着凹形形状表面布置。如上所述，例如，使用对具有第二波长λ2的光透明的材料、具有比蓝宝石的折射率小的折射率的绝缘材料(诸如SiO

在图4B中，设置布置在固态激光介质3和能饱和吸收器4之间的光学元件9，并将光学元件9的能饱和吸收器4的接合面处理为凹形形状以形成光折射构件14。与光折射构件14的凹面14a相对的一侧上的表面是平坦表面，并且该表面在包括平坦表面的光学元件9的整个端面上接合至能饱和吸收器4。因此，改善了光学元件9与能饱和吸收器4之间的接合特性。图4B中的光折射构件14折射入射光并且使其入射在能饱和吸收器4上，使得入射光不被聚集。入射在能饱和吸收器4上的光被第四反射层R4反射，第四反射层R4是能饱和吸收器4的端面。

图4C是图4A的变型，其中光子晶体层15接合至包括光学元件9的凹面的光折射构件14的平坦表面。图4C中的光折射构件14折射入射光并且使其入射在光子晶体层15上，使得入射光不被聚集。光子晶体层15是折射率周期性变化的层。应注意，光子晶体层15是示例，反射或折射来自光学元件9的入射光的各种光控制构件可接合至光学元件9。

以这种方式，如图4A、图4B和图4C所示，在光学元件9的第三模式中，因为光学元件9中的凸面镜10或光折射构件14的端面被制成平坦的，所以改善了与另一构件的接合特性，并且可以获得具有一体化结构的激光元件1。

(光学元件9的第四模式)

在上述第一至第三模式中，描述了光学元件9的端面被处理为凹形形状以形成凸面镜10或光折射构件14的示例；然而，同样在光学元件9的端面具有细微的周期性结构的情况下，第二波长λ2的光束直径可以增加。

图5A和图5B是示出光学元件9的第四模式的示意性截面图。图5A示出了包括细微的周期性结构16的光学元件9沿着能饱和吸收器4的固态激光介质3的接合表面设置的示例。例如，通过处理固态激光介质3的第五表面F5以提供周期性凹凸部，形成图5A中的细微的周期性结构16。

图5B示出了具有细微的周期性结构16的光学元件9设置在能饱和吸收器4与固态激光介质3之间的示例。图5B中的细微的周期性结构16是与能饱和吸收器4和固态激光介质3分离的构件，并且接合至能饱和吸收器4和固态激光介质3。

要注意的是，具有细微的周期性结构16的光学元件9可沿着第三表面F3设置，该第三表面是能饱和吸收器4的端面，或者可设置在固态激光介质3中。

更具体地，图5A和图5B中的细微的周期性结构16例如是菲涅耳透镜、元透镜或光子晶体透镜。可以通过调整形成细微的周期性结构16的凹凸部周期和尺寸来调整具有第二波长λ2的光的光束直径。

例如，通过使用诸如光刻或压印的半导体工艺技术可以相对容易地形成图5中的微细微的周期性结构16。

以这种方式，在光学元件9的第四模式中，由于具有第二波长λ2的光的光束直径通过细微的周期性结构16增加，因此可以避免如在第一模式至第三模式的情况下由于在第二谐振器12内部聚集的光束而导致的光学损伤。

(光学元件9的第五模式)

在光学元件9的第五模式中，折射率分布设置在光学元件9内部。具有折射率分布的光学元件9也被称为梯度折射率(GRIN)透镜17。

图6是示出光学元件9的第五模式的示意性截面图。图6示出了包括GRIN透镜17的光学元件9布置在固态激光介质3与能饱和吸收器4之间的示例。应注意，包括GRIN透镜17的光学元件9可以沿着第三表面F3设置，该第三表面是能饱和吸收器4的端面，或者可以设置在固态激光介质3中。

在光学元件9的第五模式中，因为表面是平坦的，所以改善了与另一构件的接合特性。此外，由于使用半导体工艺技术，包括光子晶体的光学元件9可以具有任何折射率分布，可以将具有第二波长λ2的光的光束直径调整到任何直径。

(光学元件9的第六模式)

在光学元件9的第一模式至第五模式中，描述了单个激光元件1，但是其也适用于多个激光元件1在一维方向或二维方向上布置成阵列的激光阵列18。

图7、图8和图9是图3、图5和图6中的激光元件1被布置成阵列的激光阵列18的示意性截面图。当激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4接合时，通过在激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4中的每个的特定位置处设置对准标记，并且以这些对准标记重叠来接合的方式对准，可以使激发光源2的光轴、固态激光介质3的光轴和能饱和吸收器4的光轴同轴对准。此外，即使在单独设置光学元件9的情况下，也可以在光学元件9的特定部位设置对准标记，以使光学元件9的光轴与固态激光介质3或能饱和吸收器4的光轴同轴对准。

以这种方式，通过使用对准标记对准来接合激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4，可以一次对准形成激光阵列18的激光元件1的光轴，并且可以实现由于制造过程的简化而导致的成本降低和紧凑尺寸。

(散热功能)

当激发光源2和固态激光介质3接合并且第一谐振器11产生具有第一波长λ1的激发光时，除了从激发光源2产生的热量之外，积累在固态激光介质3中的激发光的功率的热量被传输至激发光源2，并且激发光源2的I-L特性(注入电流-光输出特性)劣化。当I-L特性劣化时，激发光源2的发光效率劣化。相反，当固态激光介质3的温度由于激发光吸收而升高时，热量从固态激光介质3传输至激发光源2，并且激发光源2的温度进一步升高。结果，激发光源2与固态激光介质3之间发生热干扰，激发光源2的I-L特性(发光效率)劣化，有源层7的结温(junction temperature)Tj升高，并且长期可靠性(平均故障时间：MTTF)劣化。

因此，期望在激光元件1中布置至少一个构件，其相对于具有第一波长λ1的光和具有第二波长λ2的光透明并具有散热功能。以下，将这样的部件称为散热构件。例如，散热构件是具有与YAG同等的折射率和线膨胀系数且热传导率比YAG优异的蓝宝石基板5。

如上所述，特别地，因为在激发光源2和固态激光介质3之间发生热干扰，所以期望散热构件被布置在激发光源2和固态激光介质3之间，并且激发光源2、散热构件、和固态激光介质3具有层压结构。这使得可以在不损害紧凑一体化结构的优点的情况下抑制由于热干扰引起的激光振荡效率的劣化。

(针对返回光的对策)

此外，当第二谐振器12通过Q开关发射具有第二波长λ2的激光脉冲时，存在具有第二波长λ2的振荡光作为返回光入射到激发光源2的可能性，第二波长λ2具有峰值强度。由于激发光源2通过使用具有小带隙的半导体材料形成，这可能被返回光破坏。因此，期望在缩短谐振器长度的同时在激发光源2和固态激光介质3之间布置多个短波通滤波器(SWPF)，从而防止返回光进入激发光源2。

(制造本公开的激光元件1的方法)

图10是示意性地示出本公开的激光元件1的制造工艺的示图。图10示出了形成具有图2中的结构的激光元件1的制造工艺。首先，如图10中的步骤S1所示，将抗蚀剂膜21施加到能饱和吸收器4的第三表面上，将光掩模22布置在抗蚀剂膜21上，并且执行UV曝光。

接下来，如步骤S2所示，通过干法蚀刻等去除曝光部位和抗蚀剂膜21，以在能饱和吸收器4的第三表面上形成多个凹部23。在多个凹部23中，电介质多层膜24通过气相沉积、溅射等形成以形成凸面镜10。

接下来，如在步骤S3中示出的，用于激发光源2的半导体层2、固态激光介质3、以及在步骤S2中处理的能饱和吸收器4被布置在垂直方向上以对准。此时，如在步骤S4中示出的，通过相机26对设置在半导体层2、固态激光介质3和能饱和吸收器4中的每个的特定位置处的对准标记25成像，并且以对准标记25彼此垂直重叠来接合的方式对准半导体层2、固态激光介质3和能饱和吸收器4。接着，如步骤S5所示，通过切割将这三者分离成单独的激光元件。

(本公开的激光元件1的效果)

如上所述，在该实施方式中，针对由于从能饱和吸收器4发射的激光脉冲的缩短而发生光学损伤的可能性，光学元件9被设置为增加第二谐振器12中具有第二波长λ2的光的光束直径。因此，在第二谐振器12中具有第二波长λ2的光不在光轴方向上聚集，并且可以抑制固态激光介质3和激发光源2中的光学损伤。因为通过使用诸如将能饱和吸收器4的第三表面F3处理为凹形形状的半导体加工技术可以相对容易地形成光学元件9，所以可以防止激光元件1的光学损伤而不损害大规模生产率、紧凑尺寸和成本降低。

在根据本公开的激光元件1中，固态激光介质3被第一谐振器11和第二谐振器12共享。此外，激光元件1中的包括激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4的所有光学部件的光传输表面通过接合工艺接合并固定。此外，通过在固态激光介质3和能饱和吸收器4内设置增加Q开关激光的光束直径的光学元件9，这可以抑制由于热透镜效应引起的光学损伤。因此，提高了激光元件1的可靠性和大规模生产率，并且能够以低成本获得具有高性能的激光元件1。

根据本公开，因为固态激光介质3接合至激发光源2，所以固态激光介质3被激发光源2中的驻波激发。通过设计将激发光限制在第一谐振器11中的谐振器，即使在固态激光介质3仅具有在激光穿过第一谐振器11一次时不能吸收激发光的厚度的情况下，在激光多次往复运动时激发光最终可被固态激光介质3充分吸收。这使得可以在没有激发效率劣化的情况下以更短的脉冲执行Q开关激光振荡。

在传统的Q开关固态激光器中，固态激光介质3被行波激发，并且激发方式与根据本公开的激光元件1的激发方式明显示同。在根据本公开的激光元件1中，可以解决当固态激光介质3缩短时激发光的吸收量减少的上述折衷。

此外，根据本公开的激光元件1，可以通过直接接合光学部件的光透射表面抑制由于机械位置偏差引起的激光输出的短期和长期波动。此外，可以接合所有的光学部件，然后将光学部件切割成单独的激光源，大规模生产率可以提高。

通常，激发光源2和第二谐振器12使用包括准直透镜和聚光透镜的多个透镜对光轴、偏心率和聚焦执行五轴光学调整(X，Y，Z，θ，

然而，在根据本公开的激光元件1中，为了在不使用多个透镜(其是准直透镜和聚光透镜)的情况下对准激发光源2的光发射点和光学元件9的凸面镜10的中心位置，通过使用对准标记25等进行接合，使得不必在厚度(Z轴)方向上或在θ和

此外，在根据本公开的激光元件中，因为具有发散作用的光学元件9包括在第二谐振器12内部或其端面上，所以可以避免由于在第二谐振器12内部聚集的光束而导致的光学损伤。

此外，根据本公开的激光元件1采用一体化第一谐振器11的光轴和第二谐振器12的光轴为同轴的层压结构。在根据本公开的激光元件1中，不需要执行复杂的位置和角度对准，并且简化了结构。因此，可以容易地使激光元件1紧凑。

此外，可以通过在同一半导体基板5上堆叠或接合多种材料而同时形成根据本公开的多个激光元件1。通过同时形成多个激光元件1来分离每个激光元件1之后的后处理中的切割，可以以低成本来大规模生产高性能激光元件1。此外，通过根据本公开的激光元件1，还可容易地制造多个激光元件1二维地布置在一个基板上的激光阵列18。

此外，在根据本公开的激光元件1中，激光脉冲的重复频率可根据固态激光介质3的类型调整。具体地，因为根据本公开的激光元件1具有高增益密度，所以可增加激光脉冲的重复频率。此外，在根据本公开的激光元件1中，谐振器长度可仅通过调整固态激光介质3、Q开关(能饱和吸收器4)、以及波长转换材料(非线性光学晶体)的厚度而改变。即，因为可以根据材料的厚度改变激光脉冲的脉冲时间宽度，所以可以容易地调整激光脉冲的特性。特别地，通过缩短激光脉冲的脉冲时间宽度，可以提高精细加工领域中的加工精度。

此外，通过以一维阵列或二维阵列布置根据本公开的激光元件1，可以获得实现高加工精度和高输出能量两者的激光装置。此外，根据本公开的激光元件1可应用于诸如高效波长转换技术、医疗设施和测距的其他领域。

在图1中的激光元件1中，示出了激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4一体地接合的示例；然而，如图11所示，透射具有第一波长λ1的光的第一透明介质27可以布置在激发光源2与固态激光介质3之间。

此外，如图11所示，发射具有第二波长λ2的光的第二透明介质28可布置在固态激光介质3与能饱和吸收器4之间。另外，也可以仅配置第一透明介质27和第二透明介质28中的任一个。

以这种方式，激发光源2、固态激光介质3和能饱和吸收器4不一定是一体地接合的。

此外，如图11所示，光学元件9可以相对于能饱和吸收器4布置在光轴的后侧上。在图11中的光学元件9中，透射具有第二波长的光的透明构件29被处理为凹形形状以形成凸面镜10。在图11中的情况下，激发光源2的光轴、固态激光介质3的光轴、能饱和吸收器4的光轴、和光学元件9的光轴需要同轴布置。

(不具有能饱和吸收器的激光元件)

图1示出了激光元件1包括能饱和吸收器4并且发射短脉冲激光的示例，但是存在在不包括发射CW激光的能饱和吸收器4的激光元件1中也发生光学损伤的可能性。

图12是示出不包括能饱和吸收器4的激光元件1的基本配置的示图。图12中的激光元件1具有从图1中省略能饱和吸收器4的配置。如图1所示，第一谐振器11使具有第一波长λ1的光在激发光源2中的第一反射层R1与固态激光介质3中的第三反射层R3之间谐振。相反，不同于图1，第二谐振器12使具有第二波长λ2的光在固态激光介质3中的第二反射层R2与第四反射层R4之间谐振。第四反射层R4布置在固态激光元件1的第二表面上或者布置在相对于第二表面的光轴的后侧上。

图12示出了沿着固态激光介质3的第二表面F2单独地设置第三反射层R3和第四反射层R4的示例。在如图12中相对于第三反射层R3将第四反射层R4布置在光轴的后侧的情况下，第三反射层R3需要透射具有第二波长的光的特性。

第三反射层R3相对于第一波长是高反射层，而相对于第二波长的第四反射层R4是局部反射层。因此，具有第一波长的激发光的功率被限制在固态激光介质3中，并且当固态激光介质3被置于充分激发态并且自发射光的输出增加时，具有第二波长的光透射通过第四反射层R4以从激光元件1发射。

应注意，第三反射层R3和第四反射层R4可一体化为一个反射层。在这种情况下，一体化反射层反射具有第一波长的光并反射具有第二波长的光。

图13是示出了通过在图12中的激光元件1中提供上述光学元件9而获得的激光元件1的示图。图13中的激光元件1是光学元件9相对于固态激光元件1布置在光轴的后侧上的示例。在图13中的激光元件1中，光学元件9的凸面镜10是第四反射层R4。因此，第二谐振器12使具有第二波长的光在固态激光元件1中的第二反射层R2与作为光学元件9的凸面镜10的第四反射层R4之间谐振。光学元件9将透射具有第二波长的光的透明介质的端面处理为凹形形状，以形成诸如介电多层膜的反射膜，从而形成凸面镜10。

应注意，虽然在图13中光学元件9被布置在相对于固态激光元件1的光轴的后侧上，但是激光元件1的第二表面可被处理为凹形形状以形成包括凸面镜10的第四反射层R4。

以这种方式，即使在不包括能饱和吸收器4的激光元件1中，通过设置光学元件9，可以增加具有第二波长的光的光束直径，并且可以减弱固态激光介质3中的光束强度，使得可以抑制光学损伤。

《应用示例》

根据本公开的技术可以广泛地应用于医疗成像系统(在下文中，也称为电子装置)、诸如光检测和测距(LiDAR)装置的测距系统、用于激光处理装置的光源等。医疗成像系统是使用成像技术的医疗系统，并且例如是内窥镜系统或显微镜系统。

[内窥镜系统]

参照图14和图15说明内窥镜系统的示例。图14是示出应用根据本公开的技术的内窥镜系统5000的示意性配置的示例的示图。图15是示出内窥镜5001和相机控制单元(CCU)5039的配置的示例的示图。图14示出作为手术参与者的操作者(例如外科医生)5067使用内窥镜系统5000对病床5069上的患者5071进行手术的状态。如图14所示，内窥镜系统5000包括作为医疗成像装置的内窥镜5001、CCU 5039、光源装置5043、记录装置5053、输出装置5055以及支承内窥镜5001的支承装置5027。

在内窥镜手术中，称为套管针5025的插入辅助工具被刺入患者5071。然后，通过套管针5025将与内窥镜5001连接的观测器5003和手术工具5021插入患者5071的体内。手术工具5021包括：诸如电手术刀的能量装置；以及镊子等。

在显示装置5041上显示手术图像，该手术图像是由内窥镜5001拍摄患者5071的体内而得到的医疗图像。操作者5067在观看显示装置5041上显示的手术图像的同时使用手术工具5021对手术目标进行手术。医学图像不限于手术图像，并且可以是在诊断期间捕获的诊断图像。

[内窥镜]

内窥镜5001是用于捕捉患者5071的身体内部的成像部，并且如图15所示，例如是相机5005，相机5005包括用于聚集入射光的聚光光学系统50051、能够通过改变成像部的焦距进行光学变焦的变焦光学系统50052、能够通过改变成像部的焦距进行调焦的聚焦光学系统50053、以及光接收传感器50054。内窥镜5001将经由所连接的观测器5003的光聚集到光接收传感器50054上以生成像素信号，并且经由传输系统将该像素信号输出到CCU 5039。观测器5003是在前端具有物镜的插入部件，将来自所连接的光源装置5043的光引导到患者5071的体内。例如，观测器5003是用于硬性内窥镜的硬性镜和用于软性内窥镜的软性镜。观测器5003可以是直视观测器或斜视观测器。像素信号仅需要是基于从像素输出的信号的信号，并且例如是原始信号或图像信号。将内窥镜5001连接至CCU 5039的传输系统可以包括存储器，并且该存储器可以存储与内窥镜5001和CCU 5039相关的参数。存储器可以设置在传输系统的连接部处或电缆上。例如，传输系统的存储器可以存储在内窥镜5001出厂之前的参数或者施加电流时改变的参数，并且可以基于从存储器读取的参数改变内窥镜的操作。一组相机和传输系统可以称为内窥镜。光接收传感器50054是用于将所接收的光转换成像素信号的传感器，并且例如是互补金属氧化物半导体(CMOS)成像传感器。光接收传感器50054优选地是具有能够彩色成像的拜耳阵列的成像传感器。例如，光接收传感器50054还优选地是具有与4K(3840水平像素×2160垂直像素)、8K(7680水平像素×4320垂直像素)、或者正方形4K(3840或者更多个水平像素×3840或者更多个垂直像素)的分辨率相对应的多个像素的成像传感器。光接收传感器50054可以是一个传感器芯片或多个传感器芯片。例如，可以设置棱镜以将入射光分成预定的波长带，并且可以通过不同的光接收传感器来对波长带成像。可以提供多个光接收传感器用于立体观看。光接收传感器50054可以是具有包括用于图像处理的算术处理电路的芯片结构的传感器，或者可以是用于飞行时间(ToF)的传感器。例如，传输系统为光缆系统或无线传输系统。无线传输仅需要能够传输由内窥镜5001生成的像素信号，并且例如，内窥镜5001可以无线地连接至CCU 5039，或者内窥镜5001可以经由手术室中的基站连接至CCU 5039。此时，内窥镜5001不仅可以传输像素信号，而且可以同时传输与像素信号有关的信息(例如，像素信号的处理优先级和/或同步信号)。另外，也可以是，上述内窥镜与上述相机一体化，上述光接收传感器设于上述内窥镜的顶端。

[相机控制单元(CCU)]

CCU 5039是综合控制所连接的内窥镜5001和光源装置5043的控制装置，并且是例如包括如图15所示的FPGA 50391、CPU 50392、RAM 50393、ROM 50394、GPU 50395和I/F50396的信息处理装置。CCU 5039可以控制以一体化方式连接至CCU 5039的显示装置5041、记录装置5053、以及输出装置5055。CCU 5039控制光源装置5043的照射定时、照射强度、照射光源的类型等。CCU 5039还对从内窥镜5001输出的像素信号进行诸如显影处理(例如，去马赛克处理)和校正处理的图像处理，并且处理的图像信号(例如，图像)输出至诸如显示装置5041的外部装置。CCU 5039还向内窥镜5001传输控制信号，以控制内窥镜5001的驱动。控制信号是关于诸如成像部的倍率或焦距的成像条件的信息。CCU 5039可以具有下转换图像的功能，并且可以被配置为能够同时将较高分辨率(例如，4K)图像输出至显示装置5041并且将较低分辨率(例如，高清晰度(HD))图像输出至记录装置5053。

CCU 5039可以经由用于将信号转换成预定通信协议(诸如，互联网协议(IP))的IP转换器连接至外部装置(诸如，记录装置、显示装置、输出装置、以及支承装置)。IP转换器与外部装置之间的连接可使用有线网络来建立，或者网络的一部分或全部可使用无线网络来建立。例如，CCU 5039侧上的IP转换器可以具有无线通信功能，并且可以经由诸如第五代移动通信系统(5G)或第六代移动通信系统(6G)的无线通信网络将所接收的图像传输至IP切换器或输出侧IP转换器。

[光源装置]

光源装置5043是能够发射具有预定波长带的光的装置，并且包括例如多个光源和用于引导光源的光的光源光学系统。光源例如是氙灯、发光二极管(LED)光源或激光二极管(LD)光源。光源装置5043包括例如对应于红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)的三基色的LED光源，并且控制每个光源的输出强度和输出定时以发射白光。光源装置5043除了具有用于常规光观察的常规光的光源之外，还可以具有能够发出用于特殊光观察的特殊光的光源。特殊光是与作为常规光观察用的光的常规光不同的规定波段的光，例如是近红外光(波长760nm以上的光)、红外光、蓝光或紫外光。正常光例如是白光或绿光。在作为特殊光观察的类型的窄频带光观察中，由于交替发射出蓝色光和绿色光，因此能够利用生物体组织的光吸收的波长依赖性对粘膜表面的血管等规定的组织以高对比度进行成像。在作为特殊光观察的一种的荧光观察中，由于发射出用于对注入到生物体组织的药剂进行激发的激发光，并且接收从生物体组织或作为标签的药剂发出的荧光来获得荧光图像，所以，荧光观察能够使手术操作者容易地利用普通光观察例如难以被手术操作者看到的生物体组织。例如，在使用红外光的荧光观察中，具有激发波长带的红外光被发射到诸如吲哚菁绿(ICG)的试剂，被注射到身体的组织中，并且来自试剂的荧光被接收，由此荧光观察可以有助于观察身体的组织的结构和患部。在荧光观察中，可以使用一种试剂(如5-氨基乙酰丙酸(5-ALA))，该试剂通过被蓝色波长带中的特殊光激发而发射红色波长带中的荧光。通过CCU 5039的控制来设定光源装置5043的照射光的类型。CCU 5039也可以具有对光源装置5043和内窥镜5001进行控制以交替地进行常规光观察和特殊光观察的模式。此时，优选的是，将基于通过特殊光观察而得到的像素信号的信息与通过常规光观察而得到的像素信号重叠。特殊光观察可以是用于观察器官表面内部的部位的红外光观察和利用高光谱的多光谱观察。可以结合光动力疗法。

[记录装置]

记录装置5053是用于记录从CCU 5039获取的像素信号(例如，图像)的装置，并且例如是记录器。记录装置5053将从CCU 5039获取的图像记录在硬盘驱动器(HDD)、超密度盘(SDD)和/或光盘中。记录装置5053可连接到医院中的网络以可从手术室外的装置访问。记录装置5053可具有下变频功能或上变频功能。

[显示装置]

显示装置5041是能够显示图像的装置，并且例如是显示监视器。显示装置5041基于从CCU 5039获取的像素信号显示显示图像。显示装置5041可以包括相机和麦克风以用作输入装置，该输入装置允许通过凝视识别、语音识别和手势来输入指令。

[输出装置]

输出装置5055是用于输出从CCU 5039获取的信息的装置，并且例如是打印机。例如，输出装置5055基于从CCU 5039获取的像素信号将打印图像打印在纸张上。

[支承装置]

支承装置5027是铰接臂，其包括基座5029、从基座5029延伸的臂5031和安装在臂5031的远端处的保持部件5032，基座5029包括臂控制装置5045。臂控制装置5045包括诸如CPU的处理器，并且根据预定计算机程序操作以控制臂5031的驱动。支承装置5027使用臂控制装置5045来控制构成臂5031的连杆5035的长度、关节5033的旋转角度、转矩等参数，例如控制由保持部件5032保持的内窥镜5001的位置、姿势。由此，能够将内窥镜5001的位置或姿势变更为期望的位置或姿势，能够将内窥镜5003插入患者5071，并且能够改变体内的观察部位。支承装置5027用作用于在操作期间支承内窥镜5001的内窥镜支承臂。因此，支承装置5027能够起到作为保持内窥镜5001的助手的观察者的作用。支承装置5027可以是用于保持稍后将描述的显微镜装置5301的装置，并且可以被称为医疗支承臂。支承装置5027可以由臂控制装置5045使用自主控制方法来控制，或者可以使用臂控制装置5045基于用户的输入执行控制的控制方法来控制。控制方法可以是例如主-从方法，其中基于作为用户手上的操作员控制台的主装置(主要装置)的移动来控制用作作为患者推车的从装置(复本装置)的支承装置5027。支承装置5027可从手术室外部远程控制。

上面已经描述了根据本公开的技术可应用的内窥镜系统5000的示例。例如，根据本公开的技术可以应用于显微镜系统。

[显微镜系统]

图16是示出了可应用根据本公开的技术的微观手术系统的示意性配置的示例的示图。在以下的说明中，对与内窥镜系统5000相同的部件标注相同的附图标记，省略重复说明。

图16示意性示出了操作者5067使用显微手术系统5300对病床5069上的患者5071进行手术的状态。应注意，为了简单起见，图16未示出显微镜手术系统5300的部件之中的推车5037，并且以简化的方式示出显微镜装置5301而不是内窥镜5001。显微镜装置5301可以指设置在连杆5035的远端处的显微镜5303，或者可以指包括显微镜5303和支承装置5027的整体配置。

如图16所示，在操作期间，显微镜手术系统5300用于在安装在手术室中的显示装置5041上以放大的方式显示通过显微镜装置5301捕获的手术部位的图像。显示装置5041被安装在面向操作者5067的位置中，并且操作者5067在使用显示装置5041上显示的图像观察手术部位的状态的同时对手术部位执行各种过程，诸如切除患部。显微镜外科手术系统用于例如眼科手术和神经外科手术。

上面已经描述了根据本公开的技术可应用的内窥镜系统5000和微观手术系统5300的相应示例。根据本公开的技术可应用的系统不限于这种示例。例如，代替内窥镜5001或显微镜5303，支承装置5027可以在其远端支承另一观察装置或另一手术工具。其他的观察装置的示例可包括镊子、钳子、用于气腹的气腹管、通过烧灼切开组织、封闭血管的能量处理器具等。通过使用支承装置来支承上述观察装置或手术工具，与医务人员手动支承观察装置或手术工具的情况相比，可以更稳定地固定其位置并且可以降低医务人员的负荷。根据本公开的技术可应用于支承除显微镜之外的这种部件的支承装置。

根据本公开的技术适用于上述部件中的手术工具5021。具体地，通过利用来自根据本实施方式的激光元件1的短脉冲激光脉冲照射患者的患部，可以更安全且可靠地治疗患部而不损伤患部的周围。

应注意，本技术还可具有以下配置。

(1)一种激光元件，包括：

层压半导体层，包括相对于第一波长的第一反射层和以第一波长执行表面发射的有源层；

激光介质，布置在层压半导体层的光轴的后侧上，并且包括在面向层压半导体层的第一表面上的相对于第二波长的第二反射层以及在与第一表面相反的一侧的第二表面上的相对于第一波长的第三反射层；

相对于第二波长的第四反射层，布置在第二表面上或者相对于第二表面布置在光轴的后侧上；

第一谐振器，使具有第一波长的光在第一反射层与第三反射层之间谐振；

第二谐振器，使具有第二波长的光在第二反射层与第四反射层之间谐振；以及

光学元件，布置在第二反射层与第四反射层之间，光学元件增大具有第二波长的光的光束直径，其中，

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴和光学元件的光轴同轴布置。

(2)根据(1)的激光元件，其中，

层压半导体层的激光介质的一侧的端面接合至激光介质的层压半导体层的一侧的端面。

(3)根据(1)或(2)的激光元件，其中，

光学元件反射或折射具有第二波长的光的至少一部分，使得不聚集具有第二波长的光。

(4)根据(1)至(3)中任一项的激光元件，其中，

光学元件包括介电多层膜。

(5)根据(1)至(4)中任一项的激光元件，其中，

光学元件包括反射入射光的至少一部分的凸面镜，或折射入射光的至少一部分的光折射构件，使得入射光不被聚集。

(6)根据(5)的激光元件，其中，

在光学元件包括第四反射层的情况下，第四反射层为凸面镜，并且在光学元件设置在比第四反射层更接近第二反射层的一侧的情况下，光学元件包括光折射构件。

(7)根据(5)的激光元件，其中，

光学元件包括透明构件，透明构件使与凸面镜的反射表面或光折射构件的折射表面相对的表面的一侧变平并透射具有第二波长的光。

(8)根据(7)的激光元件，还包括：

光控制构件，接合至布置在与光折射构件的折射表面相对的表面的一侧上的透明构件，并且控制通过光学元件透射的具有第二波长的光的折射或偏振方向。

(9)根据(1)至(4)中任一项的激光元件，其中，

光学元件具有细微的周期性结构，细微的周期性结构以入射光不被聚集的方式反射或折射入射光的至少一部分，并且

细微的周期性结构包括在表面方向上周期性地布置的凹凸部。

(10)根据(9)的激光元件，其中

细微的周期性结构为菲涅尔透镜、元透镜或光子晶体透镜。

(11)根据(1)至(4)中任一项的激光元件，其中，

光学元件包括在表面方向上具有折射率分布的平坦表面，该平坦表面以入射光不被聚集的方式反射或折射入射光的至少一部分。

(12)根据(1)至(11)中任一项的激光元件，还包括：

能饱和吸收器，包括在与激光介质相对的一侧的第三表面上的第四反射层，其中，

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴、能饱和吸收器的光轴以及光学元件的光轴同轴布置。

(13)根据(12)的激光元件，其中，

层压半导体层、激光介质和能饱和吸收器一体地接合。

(14)根据(12)的激光元件，还包括：

第一透明介质，布置在层压半导体层与激光介质之间，第一透明介质透射具有第一波长的光。

(15)根据(12)的激光元件，还包括：

第二透明介质，布置在激光介质与能饱和吸收器之间，第二透明介质透射具有第二波长的光。

(16)根据(12)至(15)中任一项的激光元件，其中，

光学元件设置在激光介质和能饱和吸收器中的至少一个上。

(17)根据(16)的激光元件，其中，

光学元件设置在激光介质和能饱和吸收器的表面上或内部。

(18)根据(17)的激光元件，其中，

光学元件沿着能饱和吸收器的第三表面设置。

(19)根据(12)至(15)中任一项的激光元件，其中，

光学元件布置在激光介质和能饱和吸收器之间。

(20)根据(1)至(19)中任一项的激光元件，其中，

第四反射层为第二谐振器中的输出耦合镜。

(21)根据(1)至(20)中任一项的激光元件，其中，

层压半导体层包括相对于第一波长的第五反射层，第五反射层布置在比第一反射层更接近激光介质的一侧上，并且

第五反射层透射第一波长的光的一部分。

(22)一种电子装置，包括：

激光元件；以及

控制单元，执行控制以从激光元件发射光，其中，

激光元件包括：

层压半导体层，包括相对于第一波长的第一反射层和以第一波长执行表面发射的有源层；

激光介质，布置在层压半导体层的光轴的后侧上，并且包括在面向层压半导体层的第一表面上的相对于第二波长的第二反射层以及在与第一表面相反的一侧的第二表面上的相对于第一波长的第三反射层；

相对于第二波长的第四反射层，布置在第二表面上或者相对于第二表面布置在光轴的后侧上；

第一谐振器，使具有第一波长的光在第一反射层与第三反射层之间谐振；

第二谐振器，使具有第二波长的光在第二反射层与第四反射层之间谐振；以及

光学元件，布置在第二反射层与第四反射层之间，光学元件增大具有第二波长的光的光束直径，以及

层压半导体层的光轴、激光介质的光轴和光学元件的光轴同轴布置。

本公开的各方面不限于上述各个实施方式，而是包括可由本领域技术人员想到的各种修改，并且本公开的效果不限于上述内容。即，在不背离从在权利要求及其等同物中限定的内容获得的本公开的概念构思和精神的情况下，可进行各种添加、修改、以及部分删除。

参考符号列表

1 激光元件

2 激发光源

3 固态激光介质

4 能饱和吸收器

5n-GaAs基板

6 包覆层

7 有源层

8 包覆层

9 光学元件

10 凸面镜

11 第一谐振器

12Q开关固态激光谐振器(第二谐振器)

13 透明介质

14 平坦化构件

15 光子晶体层

16 细微的周期性结构

17GRIN透镜

18 激光阵列

21 抗蚀剂膜

22 光掩模

23 凹部

24 介电多层膜

25 对准标记

26 相机

27 第一透明介质

28 第二透明介质

29 透明构件。