CN104838550A - 半导体激光器装置 - Google Patents

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Abstract

具有：光束发散角度校正光学系统(3)，其对从半导体激光条(2)的发光点(1)产生的光束(11)的发散角度进行校正；光束旋转光学系统(4)，其使发散角度受到校正后的各光束(11)旋转；波长色散光学元件(5)，其具有波长色散功能；以及部分反射镜(6)，光束发散角度校正光学系统(3)相对于发光点(1)的在发散角度校正方向上的相对位置针对每个发光点(1)而变化。

Description

半导体激光器装置
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器装置，该半导体激光器装置通过具有波长色散功能的波长色散光学元件而实现了波长叠加。
背景技术
在现有的半导体激光器装置中，已知如下技术，即，为了提高半导体激光器的亮度，对来自半导体激光条各发光点的光束的发散角度进行校正，在使各光束旋转后，利用透镜聚光至波长色散光学元件，并且，通过波长色散光学元件的波长色散性，将来自各发光点的光束进行叠加，针对叠加后的光束设置部分透射镜，形成外部共振器(例如参照专利文献1)。
专利文献1：美国专利申请公开第2011/0216417号(Fig.3A)
发明内容
现有的半导体激光器装置需要用于将从半导体激光条的不同发光点射出的光束汇聚的聚光透镜，需要确保半导体激光条和聚光透镜之间的距离、以及聚光透镜和波长色散光学元件之间的距离，并且应该确保的各距离由半导体激光条的尺寸和波长色散光学元件所具有的波长色散性之间的关系决定，因此存在不能将装置整体小型化及简单化的课题。
本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于以小型且简单的结构得到高亮度的半导体激光器装置。
本发明所涉及的半导体激光器装置具有：半导体激光条，其具有用于射出多条光束的多个发光点；光束发散角度校正光学系统，其对从多个发光点射出的多条光束各自的发散角度进行校正；光束旋转光学系统，其使由光束发散角度校正光学系统校正发散角度后的多条光束各自相对于光轴旋转；波长色散光学元件，其配置于经由光束旋转光学系统射出的多条光束的聚光位置处，具有波长色散功能；以及部分反射镜，其配置于由波长色散光学元件反射而以同轴的方式叠加的多条光束的光路上，在该半导体激光器装置中，光束发散角度校正光学系统相对于多个发光点的在发散角度校正方向上的相对位置，按照多个发光点的排列顺序依次变化。
发明的效果
根据本发明，通过使半导体激光条的各发光点和光束发散角度校正光学系统之间的位置关系变化，从而能够使各光束以同轴的方式叠加，而无需另外设置聚光透镜，能够以更小型且简单的结构得到高亮度的半导体激光器装置。
附图说明
图1是概略地表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光器装置的斜视图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光条上的发光点和光束发散角度校正光学系统之间的位置关系的俯视图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的斜视图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的俯视图及侧视图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的斜视图。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的俯视图及侧视图。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的光束倾角产生机理的斜视图。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的光束倾角产生机理的俯视图及侧视图。
图9A是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的斜视图。
图9B是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的斜视图。
图10是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光条上的发光点和光束发散角度校正光学系统之间的位置关系的俯视图。
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光条上的发光点和光束发散角度校正光学系统之间的位置关系的俯视图。
图12是概略地表示本发明的实施方式3所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
图13是概略地表示本发明的实施方式4所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
图14是概略地表示本发明的实施方式5所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
图15A是概略地表示本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
图15B是概略地表示本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的侧视图。
图16A是概略地表示在与本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的对比说明中使用的半导体激光器装置的俯视图。
图16B是概略地表示在与本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的对比说明中使用的半导体激光器装置的侧视图。
具体实施方式
实施方式1
图1是概略地表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光器装置的斜视图。
在图1中，半导体激光器装置具有：半导体激光条2，其具有多个发光点1；光束发散角度校正光学系统3，其与发光点1相对配置；光束旋转光学系统4，其与光束发散角度校正光学系统3相对配置；波长色散光学元件5，其配置于经由光束发散角度校正光学系统3及光束旋转光学系统4射出的多条光束11的聚光位置处；以及部分反射镜6，其配置于来自波长色散光学元件5的反射光束的光路上。
光束发散角度校正光学系统3设置于从具有多个发光点1的半导体激光条2射出的多条光束11各自的光轴上。
从多个发光点1射出的各光束11在由光束发散角度校正光学系统3校正发散角度后，射入至光束旋转光学系统4，在与各光束的光轴垂直的面内旋转大约90度。
根据后述的机理，从光束旋转光学系统4射出的各光束11大致汇聚于一点，在各光束11汇聚的部位设置有波长色散光学元件5。
波长色散光学元件5随着波长而具有不同的衍射特性及折射角，通过选择适当的波长色散值，从而能够将具有彼此不同的波长及不同的入射角度的多条光束11大致以同轴的方式叠加。
如果认为是分光的逆过程，则容易理解波长色散光学元件5的功能。即，分光是射入具有不同波长的同轴的光束11，将光束11按照各个波长向不同方向分离，但根据图1的波长色散光学元件5，能够使从不同方向射入的波长不同的多条光束11通过波长色散光学元件5大致叠加为同轴光束。
另外，在大致以同轴的方式叠加的光束的光轴上设置有部分反射镜6，由部分反射镜6的反射面、以及半导体激光条2的各发光点1的与光束出射侧端面相反侧的端面(反射面)构成外部共振器。
通过如上所述地构成外部共振器，半导体激光条2上的各发光点1被动地以不同波长进行激光振荡。
通过将以不同波长振荡出的各光束11经由波长色散光学元件5叠加为大致同轴的1条光束，从而能够提高半导体激光器的亮度。
下面，对图1内的各结构要素进一步进行详细说明。
半导体激光条2上的多个发光点1各自的Y－X平面上的大小是几μm×几十μm～几μm×几百μm。
通常，几μm的Y轴方向称为快轴方向，几十μm～几百μm的X轴方向称为慢轴方向。
从发光点1射出的光束11在快轴方向(Y轴)上快速地发散，在慢轴方向(X轴)上缓慢地发散。
通常，表示光束11的品质的光束参数积在快轴方向(Y轴)上大致是衍射极限，与之相对，在慢轴方向(X轴)上是衍射极限的10倍左右。
在半导体激光条2上，发光点1在直线上以等间距x配置，发光点1的排列方向相对于慢轴方向(X轴)平行。
光束发散角度校正光学系统3是用于对快速地发散的快轴方向(Y轴)的光束11的发散角度进行校正的光学系统，由柱面透镜或柱面反射镜构成。通过使光束穿过光束发散角度校正光学系统3，从而大致对快轴方向(Y轴)的光束发散角度进行校正。
作为光束旋转光学系统4，利用公知文献(日本特开2000－137139图2)所示的柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列中包含的各柱面透镜的圆筒轴线在光束11的入射面或辐射面的平面内，相对于光束11的快轴方向(Y轴)及慢轴方向(X轴)以大约45度的角度倾斜。除此之外，作为光束旋转光学系统4，还能够利用前述的专利文献1(US2007/0035861A1)所示的棱镜阵列、或者公知文献(WO98/08128)所示的反射镜阵列等。
通过穿过由上述阵列结构构成的光束旋转光学系统4，从而使从各发光点1射出的光束11在与光轴垂直的面内旋转大约90度。
作为波长色散光学元件5，能够使用反射型或透射型的衍射光栅或者棱镜。此外，由于与棱镜相比，衍射光栅的波长色散性(波长变化时的衍射角及折射角的变化)较大，因此能够将装置整体小型化。
下面，一边参照图2～图8，一边对将从半导体激光条2上的不同发光点1射出的多条光束11汇聚于波长色散光学元件5上的机理进行说明。
图2是表示半导体激光条2上的多个发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的位置关系的俯视图，示出从图1内的箭头A方向观察到的二者之间的位置关系。
在图2中，光束发散角度校正光学系统3的发散角度校正方向以箭头B表示。在该情况下，各发光点1在X轴方向上以间距x(等间隔)排列，光束发散角度校正光学系统3分别对应于各发光点1，使相对位置依次向发散角度校正方向(箭头B方向)偏移。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果的斜视图，仅示出发光点1、光束发散角度校正光学系统3及光束旋转光学系统4，与光束11之间的位置关系。另外，图4是从Y轴方向及X轴方向对图3的位置关系进行观察的俯视图及侧视图。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果(光束发散角度校正机理)的斜视图，示出了通过光束发散角度校正光学系统3进行校正(箭头C)时的发光点1及光束发散角度校正光学系统3，与光束11之间的位置关系。另外，图6是从Y轴方向及X轴方向对图5的位置关系进行观察的俯视图及侧视图。
同样地，图7是表示本发明的实施方式1所涉及的光束聚光效果(光束倾角产生机理)的斜视图，示出了通过光束旋转光学系统4进行旋转后(箭头D)的发光点1、光束发散角度校正光学系统3及光束旋转光学系统4，与光束11之间的位置关系。另外，图8是从Y轴方向及X轴方向对图7的位置关系进行观察的俯视图及侧视图。
此外，在图3～图8中，为了简化说明，仅示出仅关注单一的发光点1的情况下的光束光路(灰色区域)。
首先，一边参照图3～图6，一边对使发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的相对位置关系变化时的光束光轴的变化进行说明。
在这里，考虑发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的位置关系为同轴的情况。
在图3、图4所示的光束发散角度校正前的状态下，穿过光束发散角度校正光学系统3和光束旋转光学系统4而射出的光束11成为与半导体激光条2的出射面大致垂直的方向。
另一方面，如图5、图6所示，在使发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的光束发散角度校正方向(箭头C)的相对位置变化的情况下，从光束发散角度校正光学系统3射出的光束11在光束发散角度校正方向上产生光轴的倾角θ。
对于此时光轴的倾角θ，利用发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的相对位置变化量δ、以及光束发散角度校正光学系统3的焦距F，表示为以下的式(1)。
【算式1】
θ＝arctan(δ/F)…(1)
但是，在相对位置变化量δ相对于光束发散角度校正光学系统3的焦距F充分小的情况下，光轴的倾角θ由对式(1)进行近似而得到的以下的式(2)表示。
【算式2】
θ≈δ/F…(2)
即，在该情况下，光轴的倾角θ、与发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的相对位置变化量δ大致成正比。
然后，如图7、图8所示，如果将从光束发散角度校正光学系统3射出的光束11射入至光束旋转光学系统4，则光束旋转大约90度(参照箭头D)。
其结果，光束11的光轴也旋转90度，成为在与光束发散角度校正方向垂直的面内，相对于与半导体激光条2的出射面垂直的方向具有倾角θ(参照图8)的光轴。
因此，如图2所示，通过针对多个发光点1依次调整光轴的倾角θ，从而能够将来自不同发光点1的光轴汇聚为一个。
在以上的图3～图8的说明中，为了简化说明，仅关注单一的发光点1。与之相对，在图9A、B中示出使用多个发光点1的情况。
下面，一边参照图9A、B，一边对将从半导体激光条2上的不同发光点1射出的多条光束11汇聚于波长色散光学元件5上的机理进一步进行说明。图9A、B是用于对将从半导体激光条2上的不同发光点1射出的多条光束11汇聚于波长色散光学元件5上的机理进行说明的斜视图。
此外，在图9A、B中，为了简化说明，针对光束11仅示出了光轴。另外，在前述的慢轴方向即X轴和快轴方向即Y轴的基础上，还一并图示出了与XY平面垂直的Z轴。另外，在图9A、B中，例示了使用8个发光点1的情况，但是不限定于此，发光点1的个数只要大于或等于2个即可。
如图9A所示，向具有多个发光点1的半导体激光条2安装光束发散角度校正光学系统3，该光束发散角度校正光学系统3对应于各发光点1，依次将相对位置向发散角度校正方向(Y方向)进行了偏移。
此时，半导体激光条2的端面12和光束发散角度校正光学系统3的端面13大致处于平行。另外，光束发散角度校正光学系统3设置于对光束11的快轴方向(Y方向)的发散角度进行校正的位置处。
从半导体激光条2的各发光点1射出的各光束11的光轴向各自所对应的光束发散角度校正光学系统3射入。但是，此时，关于光束发散角度校正光学系统3的各要素，相对位置依次向发散角度校正方向(Y方向)进行了偏移。因此，射入至光束发散角度校正光学系统3的各发光点1的光轴与光束发散角度校正光学系统3之间具有相对位置变化量δ1～δ8而射入。
另外，具有相对位置变化量δ1～δ8而向光束发散角度校正光学系统3射入的各发光点1的光轴，通过穿过光束发散角度校正光学系统3，从而向Y方向弯折，具有与相对位置变化量δ1～δ8相对应的角度θ1～θ8而行进。
此后，如图9B所示，如果在光束发散角度校正光学系统3的后方安装光束旋转光学系统4，则使发光点1的光轴旋转90度。并且，在图9B所示的方向上以一定角度而行进。此时的行进角度θ1～θ8(图9B)成为与安装光束旋转光学系统4前的行进角度θ1～θ8(图9A)大致相等的大小。
由于以图9B所示的角度θ1～θ8行进的光束11的光轴大致在一点处相交，因此形成光束叠加点151。
然后，下面对发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的相对位置变化量δ能够用怎样的函数表示进行说明。
如果以从在半导体激光条2上相距间距x的2个发光点1射出的光束11的光轴，在光路上的相距距离L的部位相交的情况为例，则利用来自2个发光点1的光轴的倾角θ1、θ2，各发光点1的间距x表示为以下的式(3)。
【算式3】
x＝L|tanθ1－tanθ2|…(3)
但是，在θ＜＜1的情况(θ与1相比充分小的情况)下，间距x由对式(3)进行近似而得到的以下的式(4)表示。
【算式4】
x≈L|θ1－θ2|…(4)
由此，如果将式(2)代入式(4)，则间距x表示为以下的式(5)。
【算式5】
x＝(L/F)|δ1－δ2|…(5)
此外，由于在半导体激光条2中，通常，相邻的发光点1的间距x是固定值，因此从式(5)可知，相邻的发光点1的相对位置变化量δ的差值(后述的|δ1－δ2|)是固定值。
即，半导体激光条2上的各发光点1和光束发散角度校正光学系统3的相对位置变化量δ能够关于发光点1的排列方向(X轴方向)的间距x而由线性函数表示。
例如，如果将各发光点1的间距x、光束发散角度校正光学系统3的焦距F、至聚光点为止的距离L分别设置为x＝500μm、F＝0.8mm、L＝200mm，则半导体激光条2上的相邻的发光点1各自与光束发散角度校正光学系统3的相对位置变化量(δ1、δ2)的差值|δ1－δ2|能够通过以下的式(6)求出。
【算式6】
|δ1－δ2|＝xF/L…(6)
此外，在间距x、焦距F、距离L分别为上述值而固定的情况下，相邻的发光点1各自与光束发散角度校正光学系统3之间的位置偏离的差|δ1－δ2|变为2μm(＝0.5mm×0.8mm/200mm＝0.002mm)，是固定的。
图10是表示上述值时的半导体激光条2上的发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的位置关系的俯视图，与前述的图2相对应。
如上所述，本发明的实施方式1(图1～图10)所涉及的半导体激光器装置具有：半导体激光条2，其具有用于射出多条光束11的多个发光点1；光束发散角度校正光学系统3，其对从多个发光点1射出的多条光束11各自的发散角度进行校正；光束旋转光学系统4，其使由光束发散角度校正光学系统3校正发散角度后的多条光束11各自相对于光轴旋转；波长色散光学元件5，其配置于经由光束旋转光学系统4射出的多条光束11的聚光位置处，具有波长色散功能；以及部分反射镜6，其配置于由波长色散光学元件5反射而以同轴的方式叠加的多条光束的光路上，光束发散角度校正光学系统3相对于多个发光点1的在发散角度校正方向(图2中的箭头B方向)上的相对位置按照多个发光点1的排列顺序依次变化。
另外，多个发光点1在半导体激光条2上以等间距x排列，光束发散角度校正光学系统3相对于彼此相邻的2个发光点1的在发散角度校正方向上的相对的各位置变化量δ1、δ2的差值(＝|δ1－δ2|)分别设定为固定值。即，光束发散角度校正光学系统3相对于多个发光点1的在发散角度校正方向上的相对位置按照各发光点1的排列顺序依次分别以固定值|δ1－δ2|进行变化(参照图5)。
由此，从半导体激光条2的不同发光点1射出的光束11穿过光束发散角度校正光学系统3及光束旋转光学系统4，聚光至波长色散光学元件5上。即，光束发散角度校正光学系统3与光束旋转光学系统4协同动作，实际上作为聚光透镜起作用。
其结果，由于无需在光束旋转光学系统4的后级侧设置聚光透镜，另外，波长色散光学元件5能够将光束11叠加为同轴的激光光束，因此能够将装置整体的尺寸小型化，并且将结构简化。
因此，能够以小型并且简单的结构得到高亮度的半导体激光器装置，而无需设置聚光透镜。
实施方式2
此外，在上述实施方式1(图2、图10)中，以多块示出了光束发散角度校正光学系统3的平面形状，但如图11所示，例如，也可以使由一体形状的柱面透镜构成的光束发散角度校正光学系统3A在箭头E方向上微小地旋转，使相对于各发光点1的相对位置依次变化。
图11是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光器装置中的发光点1和光束发散角度校正光学系统3A之间的位置关系的俯视图。
在该情况下，仅光束发散角度校正光学系统3A的平面形状与前述不同，未图示的其他结构与前述(图1)相同。
例如，前述(图2、图10)的多块结构的光束发散角度校正光学系统3是为了将相邻的2个发光点1的相对位置偏离量的差值|δ1－δ2|明确化而示出的结构，实际上难以在对各相对位置偏离高精度地进行规定的同时制作图2、图10的光学系统结构。
因此，如图11所示，优选使利用通常的柱面透镜形成的光束发散角度校正光学系统3A以微小角度倾斜。
在图11中，柱面透镜形状的光束发散角度校正光学系统3A相对于半导体激光条2(参照图1)的发光点1，在与半导体激光条2的出射端面平行的面内，在箭头E方向上微小地旋转(倾斜)而配置。
此外，在这里，光束发散角度校正光学系统3A相对于各发光点1的相对位置的偏移方向与前述(图2、图10)相反，但例如如果将后级的光束旋转光学系统4所形成的旋转方向设定为与前述(图7内的箭头D方向)相反，则能够与前述相同地将光束11汇聚至波长色散光学元件5上。
如以上所述，本发明的实施方式2(图11)中的光束发散角度校正光学系统3A由柱面透镜构成，在与从多个发光点1射出的各光束11的光轴垂直的面内，相对于多个发光点1中的每一个相对倾斜地设置。
由此，由于能够利用通常所使用的单一而廉价的柱面透镜形状的光束发散角度校正光学系统3A，与前述的实施方式1同样地实现光束11的聚光作用，因此在前述的效果的基础上能够削减成本。
另外，通过调整光束发散角度校正光学系统3A相对于半导体激光条2的旋转角度，从而能够容易地调整光束11汇聚于1点的部位和半导体激光条2之间的距离L。
实施方式3
图12是概略地表示本发明的实施方式3所涉及的半导体激光器装置的俯视图。此外，在图12中，需要注意作为后述的光束100、110、120而表示的直线示出的是光束100、110、120的光轴。
在图12中，半导体激光器装置具有：3个半导体激光器10(半导体激光器10a～10c)，其将在先前的实施方式1、2中示出的半导体激光条2、光束发散角度校正光学系统3、以及光束旋转光学系统4作为1个结构要素而构成；波长色散光学元件5；以及部分反射镜6。
另外，从半导体激光器10a射出的光束100由3条光束101～103形成。同样地，从半导体激光器10b射出的光束110由3条光束111～113形成，从半导体激光器10c射出的光束120由3条光束121～123形成。
此外，在本实施方式3中，对使用3个半导体激光器10的情况进行了例示，但不限定于此，半导体激光器10的个数大于或等于2个即可。另外，从各半导体激光器10a～10c射出的光束100、110、120分别由3条光束形成，但不限定于此，光束的条数大于或等于2条即可。并且，只要是在波长色散光学元件5的波长分辨率足够的范围内，光束的条数越增加，则越能够使亮度提高。
从半导体激光器10a射出的各光束101～103如先前的实施方式1中所说明的那样，大致汇聚于1点，对半导体激光器10b、10c也可以说是同样的。
另外，以使从半导体激光器10a射出的各光束101～103汇聚的点、从半导体激光器10b射出的各光束111～113汇聚的点、以及从半导体激光器10c射出的各光束121～123汇聚的点大致一致的方式，对各半导体激光器10a～10c的位置进行调整。如上所述，通过对各半导体激光器10a～10c的位置进行调整，从而合计9条光束大致汇聚于1点，形成光束叠加点151。
另外，在光束叠加点151的位置处设置波长色散光学元件5，如先前的实施方式1所说明的那样，在适当的位置处设置部分反射镜6。由此，从各半导体激光器10a～10c射出的各光束101～103、111～113、121～123被动地全部以不同的波长振荡，成为大致同轴的1条光束200，从部分反射镜6射出。
如以上所述，由于本发明的实施方式3(图12)所涉及的激光器装置具有多个半导体激光器10，因此与仅具有1个半导体激光器10的情况相比，能够保持激光器的亮度，并且实现激光器的高输出化。另外，由于以往对于多个半导体激光器10都需要用于叠加光束的聚光透镜，因此装置整体的尺寸大、成本高。与此相对，由于在本发明的实施方式3所涉及的激光器装置中不需要聚光透镜，因此能够实现装置整体的尺寸的小型化和低成本化。
实施方式4
图13是概略地表示本发明的实施方式4所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
在图13中，半导体激光器装置在先前的实施方式3所示的3个半导体激光器10(半导体激光器10a～10c)、波长色散光学元件5、以及部分反射镜6的基础上，还具有2个反射光学元件7。此外，在本实施方式4中，与先前的实施方式3同样地使用3个半导体激光器10，但不限定于此，半导体激光器10的个数大于或等于2个即可。
另外，在本实施方式4中，对使用2个将从半导体激光器10a、10c射出的光束100、120向波长色散光学元件5的方向反射的反射光学元件7的情况进行了例示，但不限定于此。即，在本实施方式4中，其技术特征在于，通过使用反射光学元件7，由此将从多个半导体激光器10射出的光束彼此汇聚于1点，形成光束叠加点151，在本实施方式4中，能够对反射光学元件7的个数、位置进行适当调整。
在这里，通常，在使半导体激光器10内的半导体激光条2进行高输出动作的情况下，作为热负载对策，在散热器上设置半导体激光条2。另外，作为上述的散热器，一般使用与半导体激光条2相比大于或等于2倍的较大的散热器。因此，即使想要将各半导体激光器10接近地配置，也会受限于散热器的大小，不能使从各半导体激光器10射出的光束100、110、120彼此接近至达到极限。
因此，如果想要直接将从各半导体激光器10射出的光束100、110、120彼此汇聚于1点，则射入至波长色散光学元件5的光束角度变大。另外，在射入至波长色散光学元件5的光束角度变大后，如果不增大振荡波长幅度，或者不增长从各半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离，则不能由外部共振器振荡出全部的光束100、110、120。此外，在这里所谓振荡波长幅度，由以不同波长振荡的光束100、110、120各自的振荡波长中的最长波长和最短波长之间的差定义。
但是，由于各半导体激光器10进行振荡时能够获得的振荡波长幅度有限，因此实际上，为了分别以不同的波长振荡出光束100、110、120，只能采用增长从各半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离的方法。
与此相对，在本实施方式4中，通过使用将从各半导体激光器10射出的光束向波长色散光学元件5的方向反射的反射光学元件7，从而使光束100、110、120彼此汇聚于1点，形成光束叠加点151。由此，与不使用反射光学元件7的情况相比，能够使从各半导体激光器10射出的光束100、110、120彼此接近至更加逼近极限。
如以上所述，由于本发明的实施方式4(图13)所涉及的激光器装置与先前的实施方式3(图12)所涉及的激光器装置相比还具有反射光学元件7，因此能够使从多个半导体激光器10射出的各条光束接近至达到极限，而不受限于散热器等的大小，并且能够汇聚于1点，形成光束叠加点151。由此，能够减小射入至波长色散光学元件5的光束的角度，并且能够缩短从各半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离，因此能够实现装置整体的尺寸的小型化。
实施方式5
图14是概略地表示本发明的实施方式5所涉及的半导体激光器装置的俯视图。
在图14中，半导体激光器装置在先前的实施方式3所示的3个半导体激光器10(半导体激光器10a～10c)、波长色散光学元件5、以及部分反射镜6的基础上，还具有第1透镜8(焦距f1)及第2透镜9(焦距f2)。此外，在本实施方式5中，与先前的实施方式3同样地，对使用3个半导体激光器10的情况进行了例示，但不限定于此，半导体激光器10的个数大于或等于2个即可。另外，也可以与先前的实施方式4同样地使用反射光学元件7。
在与从各半导体激光器10射出的光束100、110、120彼此叠加(汇聚于1点上而形成)的第1光束叠加点152相距焦距f1的位置处配置第1透镜8。另外，在与第1透镜8相距任意的距离的位置处配置第2透镜9。并且，在与第2透镜9相距焦距f2的位置处形成第2光束叠加点153，在该位置处配置波长色散光学元件5。此外，下面，在对各半导体激光器10、第1透镜8、第2透镜9、以及波长色散光学元件5之间的位置关系进行说明的情况下，以半导体激光器10b为基准位置进行说明。
此外，对于第1透镜8的位置，能够进行适当的调整，而无需一定设置于与第1光束叠加点152相距第1透镜8的焦距f1的位置处。同样地，对于波长色散光学元件5的位置，能够进行适当的调整，而无需一定设置于与第2透镜9相距第2透镜9的焦距f2的位置处。
从各半导体激光器10射出的光束100、110、120各自的光轴利用在与第1光束叠加点152相距焦距f1的位置处所配置的第1透镜8，变换为平行，该第1光束叠加点152位于与半导体激光器10b相距距离L1的位置处。
此外，在上述情况下，对于光束宽度301(图中与虚线部相当的光束的宽度)，需要注意其并未变得平行。另外，在图14中仅例示出与从半导体激光器10c射出的光束123相对应的光束宽度301，但与其他光束相对应的光束宽度也处于同样的状态。
在这里，如果将半导体激光器10a和半导体激光器10c之间的X方向上的距离设为距离d1，则光轴变换为平行后的光束101和光束123之间的X方向上的距离d2表示为以下的式(7)。此外，在以下的式(7)中，在L1＞f1的情况下，成为d2＜d1。
【算式7】
d2＝d1×(f1/L1)…(7)
另外，如前所述，通过在与第1透镜8相距任意的距离L2的位置处配置第2透镜9，从而光束100、110、120彼此在波长色散光学元件5上叠加。
此外，在图14中，为了方便起见，例示出设为L2＝f1+f2的情况，但关于距离L2的长度，不限定于此，可以是任意的长度。但是，在设为L2≠f1+f2的情况下，还需要另外采取例如在波长色散光学元件5和部分反射镜6之间配置第3透镜，或者将部分反射镜6设为凹面反射镜(镜面是凹面形状)的措施。
下面，考虑在不应用本实施方式5所涉及的半导体激光器装置的结构，利用1个波长色散光学元件5使各半导体激光器10叠加，使从各半导体激光器10射出的全部光束以不同的波长振荡的情况下所需的从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L。
在上述情况下，在与从半导体激光器10b射出的光束112和波长色散光学元件5的衍射光栅法线所成的角相当的入射角α、与从波长色散光学元件5射出的光束200和该衍射光栅法线所成的角相当的衍射角β、波长色散光学元件5的槽数N、衍射级数m、以及光束112的波长λ之间，以下的式(8)所述的关系式(光栅方程式)成立。此外，在下面的利用式(8)的计算中，设为衍射级数m＝1而进行计算。
【算式8】
sinα+sinβ＝Nmλ…(8)
另外，在半导体激光器10a和半导体激光器10c之间的X方向上的距离d1、振荡波长幅度△λ、从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L、波长色散光学元件5的槽数N、以及衍射角β之间，以下的式(9)所述的关系式成立。
【算式9】
d1/△λ＝LN/cosβ…(9)
在这里，对式(9)的推导步骤进行具体的说明。首先，如果在式(8)的两边对波长λ进行微分，则表示为如下的式(10)。此外，在这里，如前述所述，设为衍射级数m＝1，并且设为入射角α固定而进行微分。
【算式10】
(dβ/dλ)×cosβ＝N
dβ/dλ＝N/cosβ…(10)
然后，如果在式(10)的两边乘以从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L，则表示为以下的式(11)。
【算式11】
L×(dβ/dλ)＝L×(N/cosβ)…(11)
另外，在衍射角β是微小角(dβ)的情况下，在距离L和距离d1之间，以下的式(12)所述的关系式成立。
【算式12】
L×dβ＝d1…(12)
并且，通过将式(12)代入式(11)，并且将式(11)中的dλ记为△λ，从而推导出如式(9)所述的关系式。
作为具体例，在计算从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L的情况下，例如假定距离d1＝100mm、振荡波长幅度△λ＝40nm、波长色散光学元件5的槽数N＝1500条/mm、入射角α＝43°、光束112的波长λ＝915nm。
如果将以上的这些数值代入式(8)、(9)，则从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L在1200mmmm左右。即，在不应用本实施方式5所涉及的半导体激光器装置的结构的情况下，需要使从半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离L为1200mm左右。此外，在这里假定入射角α＝43°的原因在于，在入射角和衍射角的大小大致相等的情况下，一般来说波长色散光学元件5的衍射效率变高。
与此相对，考虑在应用本实施方式5所涉及的半导体激光器装置的结构，利用1个波长色散光学元件5使各半导体激光器10叠加，使从各半导体激光器10射出的全部光束以不同的波长振荡的情况下所需的从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L。
此外，该情况下的距离L与从半导体激光器10b至第1光束叠加点152为止的距离L1、从第1光束叠加点152至第1透镜8为止的焦距f1、从第1透镜8至第2透镜9为止的距离L2、以及从第2透镜9至波长色散光学元件5为止的焦距f2的总和相当，表示为以下的式(13)。
【算式13】
L＝L1+f1+L2+f2…(13)
与先前同样地，作为具体例，在计算从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L的情况下，例如假定距离d1＝100mm、振荡波长幅度△λ＝40nm、波长色散光学元件5的槽数N＝1500条/mm、入射角α＝43°、光束112的波长λ＝915nm。并且，在本实施方式5中，假定从半导体激光器10b至第1光束叠加点152为止的距离L1＝100mm、第1透镜8的焦距f1＝20mm。
在这里，如果将距离d1＝100mm、第1透镜8的焦距f1＝20mm、从半导体激光器10b至第1光束叠加点152为止的距离L1＝100mm代入式(7)，则光轴变换为平行后的光束101和光束123之间的X方向上的距离d2为20mm。
如果将以上这些数值代入式(8)、(9)，则从第2透镜9至波长色散光学元件5为止的焦距f2为240mm左右。此外，在这里，在将距离d2代入式(9)的情况下，将算式中的距离d1置换为距离d2而进行计算。
另外，如果将这些数值代入式(13)，则从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L为620mm左右。即，在应用本实施方式5所涉及的半导体激光器装置的结构的情况下，从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L需要620mm左右。此外，在这里设为L2＝f1+f2而对从半导体激光器10b至波长色散光学元件5为止的距离L进行计算。
如以上所述，由于本发明的实施方式5(图14)所涉及的激光器装置与不应用该半导体激光器装置的结构的情况相比，从半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离变短，因此能够实现装置整体尺寸的大幅度的小型化。
另外，由于光束宽度301因第1透镜8及第2透镜9而扩大，因此在波长色散光学元件5上叠加的光束的光束直径变大。因此，能够大幅度减小照射至波长色散光学元件5的光束照射密度，对于在装置的高输出化时变成非常大的问题的波长色散光学元件5的耐久性，也能够大幅度地得到提高。
并且，所谓在波长色散光学元件5上叠加的光束的光束直径变大，意味着波长色散光学元件5的利用槽数增多，因此还能够提高波长色散光学元件5的波长分辨率，具有进一步实现了高亮度化的效果。
此时，在设为L2≠f1+f2的情况下，与不应用该半导体激光器装置的结构的情况相比，能够实现装置整体尺寸的大幅度的小型化，并且还能够进一步扩大波长色散光学元件5上的光束直径，能够实现与耐久性提高及波长分辨率提高相关的更多的效果。特别地，在设为L2＜f1+f2的情况下，由于从半导体激光器10至波长色散光学元件5为止的距离变得更短，因此能够将装置整体的尺寸进一步小型化。
实施方式6
图15A是概略地表示本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的俯视图，图15B是从X轴方向观察的图15A的半导体激光器10的侧视图。
在图15A中，半导体激光器装置具有在先前的实施方式1～4中示出的1个半导体激光器10、波长色散光学元件5、以及部分反射镜6。此外，在本实施方式6中，与先前的实施方式1同样地，对使用1个半导体激光器10的情况进行了例示，但不限定于此，也可以与先前的实施方式3～5同样地，半导体激光器10的个数大于或等于2个。
图16A是概略地表示在与本发明的实施方式6所涉及的半导体激光器装置的对比说明中所使用的半导体激光器装置的俯视图，图16B是从X轴方向观察的图16A的半导体激光器10的侧视图。此外，为了对本实施方式6所涉及的半导体激光器装置和本实施方式1所涉及的半导体激光器装置之间的差异进行补充说明而示出图16A、B。
在本实施方式6所涉及的半导体激光器装置中，如图15A所示，半导体激光器10配置为，射出的多条光束相对于与由慢轴方向即X轴和快轴方向即Y轴所规定的XY平面垂直的Z轴倾斜。换言之，如图15A所示，半导体激光器10在相对于Z轴以倾斜角C倾斜的状态下配置。
另外，在图15A中，以从位于半导体激光器10的大致中心的发光点1射出的光束102通过光束旋转光学系统4后相对于Z轴大致平行地行进的方式，对光束发散角度校正光学系统3的Y轴方向的位置进行调整。
在这里，在图15A中，为了使通过光束旋转光学系统4后的光束102相对于Z轴大致平行地行进，具体来说，以如下方式对光束发散角度校正光学系统3的Y轴方向的位置进行调整即可。
即，如图15B所示，光束发散角度校正光学系统3以从位于相对于Z轴倾斜地配置的半导体激光器10的大致中心的发光点1射出的光束102在通过光束旋转光学系统4后相对于Z轴大致平行地行进的方式，对Y轴方向的位置进行调整。换言之，以光束102射入至从光束发散角度校正光学系统3的大致中心偏离后的位置的方式，使发光点1和光束发散角度校正光学系统3之间的相对于Y轴方向的相对位置关系变化。并且，通过按照上述方式变化，从而使得穿过光束发散角度校正光学系统3后的光束102具有倾斜角C的大小而射入至光束旋转光学系统4即可。
此时，在图15A中，对于从半导体10射出的光束101和光束103所成的角度D1，如果将从半导体激光器10至光束叠加点151为止的距离设为距离B1、将射出光束101及光束103各自的发光点1之间的间隔设为发光点间隔A，则表示为以下的式(14)。
【算式14】
D1＝arctan(AcosC/B1)…(14)
与此相对，在先前的实施方式1所涉及的半导体激光器装置中，如图16A所示，半导体激光器10配置为相对于Z轴平行。另外，如图16B所示，从位于半导体激光器10的大致中心的发光点1射出的光束102在通过光束旋转光学系统4后相对于Z轴大致平行地行进。
此时，在图16A中，对于从半导体激光器10射出的光束101和光束103所成的角度D2，如果将从半导体激光器10至光束叠加点151为止的距离设为距离B2,、利用发光点间隔A，则表达为以下的式(15)。
【算式15】
D2＝arctan(A/B2)…(15)
在这里，如果将图15A中的半导体激光器10及图16A中的半导体激光器10各自的振荡波长幅度设为相等，则角度D1和角度D2变得相等(D1＝D2)。此外，在这里，所谓振荡波长幅度由以不同波长振荡的光束101、102、103各自的振荡波长中的最长波长、以及最短波长之间的差定义。
如上所述，在D1＝D2的情况下，由于根据式(14)、(15)成为AcosC＜A，因此与距离B1相比距离B2较长(B1＜B2)。
作为具体例，假定发光点间隔A＝10mm、波长色散光学元件5的槽数N＝1500条/mm、入射角α＝43°、光束102的波长λ＝915nm、振荡波长幅度△λ＝40nm、倾斜角C＝10°。
如果将以上的这些数值代入式(8)、(9)，则衍射角β≈43.7°、距离B1≈118mm、距离B2≈121mm。此外，在这里，在将发光点间隔A及AcosC代入式(9)的情况下，将算式中的距离d1置换为发光点间隔A及AcosC而进行计算。
如以上所述，本发明的实施方式6(图15A、B)所涉及的激光器装置与不应用该半导体激光器装置的结构的情况相比，由于能够缩短从半导体激光器10至光束叠加点151为止的距离，而不使半导体激光器10的振荡波长幅度变化，因此变得能够以非常简便的方法实现装置整体尺寸的小型化。另外，由于该装置整体尺寸的小型化的效果与本发明的实施方式6所涉及的激光器装置所具有的半导体激光器10的个数相应地倍增，因此该个数越增多，越能够实现更加巨大的效果。

Claims (9)

1.一种半导体激光器装置，其具有：
半导体激光器，该半导体激光器具有半导体激光条、光束发散角度校正光学系统、以及光束旋转光学系统，其中，该半导体激光条具有用于射出多条光束的多个发光点，该光束发散角度校正光学系统对从所述多个发光点射出的所述多条光束各自的发散角度进行校正，该光束旋转光学系统使由所述光束发散角度校正光学系统校正发散角度后的所述多条光束各自相对于光轴旋转；
波长色散光学元件，其配置于经由所述光束旋转光学系统射出的所述多条光束的聚光位置处，具有波长色散功能；以及
部分反射镜，其配置于由所述波长色散光学元件反射而以同轴的方式叠加的所述多条光束的光路上，
在该半导体激光器装置中，
所述光束发散角度校正光学系统相对于所述多个发光点的在发散角度校正方向上的相对位置，按照所述多个发光点的排列顺序依次变化。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其中，
所述多个发光点在所述半导体激光条上以等间距排列，
所述光束发散角度校正光学系统相对于彼此相邻的2个发光点的在发散角度校正方向上的相对位置变化量的差异分别设定为固定值。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中，
所述光束发散角度校正光学系统由柱面透镜构成，在与从所述多个发光点射出的各光束的光轴垂直的面内，相对于所述多个发光点中的每一个相对倾斜地设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光器装置，其中，
所述半导体激光器配置为，射出的所述多条光束相对于与由慢轴方向即X轴和快轴方向即Y轴所规定的XY平面垂直的Z轴倾斜，
关于所述光束发散角度校正光学系统，以使从位于所述半导体激光器的中心的发光点射出的光束通过所述光束旋转光学系统后相对于所述Z轴平行地行进的方式，对所述Y轴方向的位置进行调整。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体激光器装置，其中，
具有多个所述半导体激光器。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器装置，其中，
以从所述多个半导体激光器分别射出的光束汇聚于1点，形成光束叠加点的方式，分别配置所述多个半导体激光器。
7.根据权利要求5或6所述的半导体激光器装置，其中，
还具有反射光学元件，该反射光学元件将从所述半导体激光器射出的光束向所述波长色散光学元件的位置方向反射，
以从所述多个半导体激光器分别射出的光束汇聚于1点，形成光束叠加点的方式，配置所述多个半导体激光器的每一个、以及所述反射光学元件。
8.根据权利要求6或7所述的半导体激光器装置，其中，
还具有：第1透镜，其焦距是第1焦距；以及第2透镜，其焦距是第2焦距，
所述第1透镜配置于与所述光束叠加点相距所述第1焦距的位置处，
所述第2透镜配置于与所述第1透镜的位置相距相当于所述第1焦距及所述第2焦距之和的距离的位置处。
9.根据权利要求6或7所述的半导体激光器装置，其中，
还具有：第1透镜，其焦距是第1焦距；以及第2透镜，其焦距是第2焦距，
所述第1透镜配置于与所述光束叠加点相距所述第1焦距的位置处，
所述第2透镜配置于与所述第1透镜的位置相距与相当于所述第1焦距及所述第2焦距之和的距离相比更短、或更长的位置处，
该半导体激光器装置还具有在所述波长色散光学元件和所述部分反射镜之间配置的所述第3透镜，或者将所述部分反射镜的镜面设置为凹面形状。
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