CN105340140A - 激光装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光装置，具备N个半导体激光阵列堆栈、通过将从N个半导体激光阵列堆栈分别输出的光束的光轴偏移而缩小光束彼此的间隔的棱镜光学系统和将光束按每束光束进行聚光和偏向的成像光学系统，成像光学系统以在规定位置上使光束相互重叠的方式将光束偏向，并且在成像光学系统与规定位置之间产生光束的聚光点。

Description

激光装置
技术领域
本发明的一个方面涉及激光装置。
背景技术
在专利文献1中公开有涉及固体激光的激发中使用的聚光装置的技术。图9是表示专利文献1中公开的聚光装置100的结构的立体图。如图9所示，聚光装置100包括两个光源106、两个光学系统112和聚光透镜114。光源106具有半导体激光阵列堆栈102和柱面透镜堆栈104。半导体激光阵列堆栈102通过具有多个发光区域的半导体激光阵列116层叠多个而成。柱面透镜堆栈104通过与半导体激光阵列116相同数量的柱面透镜118在层叠方向上排列而成，设置在半导体激光阵列堆栈102的多个发光区域的附近。此外，光学系统112具有棱镜108和110。棱镜108是三角柱状的直角棱镜，在侧面被施以全反射涂层。棱镜110是三角柱状的直角棱镜，在光入射面被施以反射防止涂层，在全反射面被施以高反射涂层。聚光透镜114在作为聚光装置100的激发对象的固体激光120内具有焦点。
在该聚光装置100，从半导体激光阵列堆栈102的各半导体激光阵列116的发光区域射出激光La1。该激光La1通过柱面透镜堆栈104的各柱面透镜118而被平行化，之后在棱镜108的两个侧面被反射，被分割为光束Lb1和光束Lc1。光束Lc1在棱镜110的两个全反射面被反射，之后在棱镜108之上通过，与光束Lb1平行地相邻。之后，光束Lb1和Lc1根据需要通过反射镜122、124改变光路，之后通过聚光透镜114被聚光于固体激光120的内部。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-111147号公报
发明内容
发明所要解决的问题
作为大输出的激光光源，使用具有多个发光区域的半导体激光阵列层叠多个而成的半导体激光阵列堆栈。半导体激光阵列堆栈例如作为具有激光介质的高能固体激光装置的激发光源来使用。在这样的半导体激光阵列堆栈中，为了提高激光量，能够使发光区域的数量增加，即层叠更多的半导体激光阵列和/或在各半导体激光阵列设置更多的发光区域。但是，发光区域的数量越增加则发热量也越增加。因而，从冷却装置的大型化或组装的成品率的观点出发，与将一个半导体激光阵列堆栈大型化相比，优选将适度大小的多个半导体激光阵列堆栈组合。
在将多个半导体激光阵列堆栈组合的情况下，需要将从多个半导体激光阵列堆栈射出的激光光束集中为单一的光束。但是，如果多个半导体激光阵列堆栈彼此相邻，则不易充分冷却，此外，为了充分冷却，不得不将冷却装置大型化。因而，优选将多个半导体激光阵列堆栈彼此的间隔适度空出地配置。在该情况下，需要将从多个半导体激光阵列堆栈分别射出的多个激光光束利用光学系统集中为一个。例如在图9所示的聚光装置100中，也利用棱镜108、110或反射镜122、124等的光学系统将从两个半导体激光阵列堆栈102射出的激光光束集中为一个。
但是，在专利文献1中公开的聚光装置100，多个激光光束使光轴一致并向单一的聚光透镜114入射。因而，例如如果在半导体激光阵列堆栈102的一部分发生劣化，则在作为照射对象物的固体激光120，与该劣化部分对应处的激光量会局部降低，损害照射对象物中的激光量的均匀性。
本发明的一个方面是鉴于这样的问题而完成的，其目的在于，提供不需要使多个半导体激光阵列堆栈彼此相邻，即使在半导体激光阵列堆栈的一部分发生劣化的情况下也能够保持照射对象物中的激光量的均匀性的激光装置。
解决问题的技术手段
本发明的一个方面所涉及的激光装置，包括：N个半导体激光阵列堆栈，从在规定方向上排列的两个以上的发光区域射出激光的多个半导体激光阵列使射出方向一致地在与规定方向和射出方向交叉的层叠方向上层叠而成，将从多个半导体激光阵列射出的激光作为一个光束而分别输出，其中，N为2以上的整数；第一准直部，进行包含于光束的激光的快轴方向的平行化；棱镜光学系统，使从N个半导体激光阵列堆栈分别输出并经过第一准直部后的光束透过，并且通过将该光束的光轴向与该光轴交叉的方向偏移(shift)而缩小光束彼此的间隔；和成像光学系统，使从N个半导体激光阵列堆栈分别输出的各光束在与慢轴方向交叉的面内按每束光束聚光，并且在该面内将各光束的光轴按每束光束进行偏向，成像光学系统以N个光束在规定位置上相互重叠的方式将各光束偏向，并且在成像光学系统与规定位置之间产生各光束的聚光点。
在该激光装置中，从N个半导体激光阵列堆栈射出的光束的光轴通过棱镜光学系统而被偏移，光束彼此的间隔缩小。此处，将光束的光轴偏移，例如是指使从棱镜光学系统射出的光束的光轴相对于向棱镜光学系统入射的光束的光轴大致平行并且向与该光轴交叉的方向移动。通过设置这样的棱镜光学系统，不需要使多个半导体激光阵列堆栈彼此相邻，就能够充分地进行冷却，还能够避免冷却装置的大型化。
此外，在该激光装置中，成像光学系统以在成像光学系统与规定位置之间产生各光束的聚光点的方式使各光束按每束光束聚光。由此，能够提高规定位置上的激光量的均匀性，例如能够对设置在规定位置的照射对象物赋予均匀的光强度的激光光束。再有，在该激光装置中，成像光学系统以使均匀的N个激光光束在规定位置上相互重叠的方式按每束光束进行偏向。由此，在规定位置上均匀地扩散的N个激光光束相互重叠，因此即使在任意的半导体激光阵列堆栈的一部分发生劣化并且该影响在一个激光光束产生，也能够利用其它激光光束保持光量的均匀性。
此外，激光装置也可以为如下方式：成像光学系统包括使从N个半导体激光阵列堆栈分别输出的各光束按每束光束聚光的N个成像透镜和使各光束的光轴按每束光束进行偏向的N个偏向光学元件。由此，能够实现上述的成像光学系统。
此外，激光装置也可以为如下方式：N个半导体激光阵列堆栈在层叠方向上排列而配置，棱镜光学系统使光束的光轴向层叠方向偏移。由这样的结构，能够在半导体激光阵列堆栈的层叠方向上空出适度的间隔并且配置N个半导体激光阵列堆栈。
此外，激光装置也可以为如下方式：包含一个或者多个半导体激光阵列堆栈的第一组和包含一个或者多个半导体激光阵列堆栈的第二组在规定方向上排列而配置，棱镜光学系统以使得从包含于第一组的半导体激光阵列堆栈射出的光束与从包含于第二组的半导体激光阵列堆栈射出的光束的间隔缩小的方式使该光束的光轴向规定方向偏移。
发明的效果
根据本发明的一个方面所涉及的激光装置，不需要使多个半导体激光阵列堆栈彼此相邻，即使在半导体激光阵列堆栈的一部分发生劣化的情况下也能够保持照射对象物的激光量的均匀性。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的激光装置的结构的平面图。
图2是表示激光装置所具备的半导体激光阵列堆栈的结构的立体图。
图3是表示第二实施方式所涉及的激光装置的结构的平面图。
图4是从Y轴方向看图3所示的激光装置时的侧面图。
图5是表示图3所示的激光装置的结构的立体图。
图6是表示第三实施方式所涉及的激光装置的结构的平面图。
图7是从Y轴方向看图6所示的激光装置时的侧面图。
图8是表示图6所示的激光装置的结构的立体图。
图9是表示专利文献1中公开的聚光装置的结构的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的一个方面所涉及的激光装置的实施方式进行详细的说明。另外，在图面的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，省略重复的说明。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式所涉及的激光装置1A的结构的平面图。此外，图2是表示激光装置1A所具备的半导体激光阵列堆栈LS1～LSN的结构的立体图。另外，为了容易理解，在图1和图2中表示XYZ直角坐标系。
如图1所示，本实施方式的激光装置1A包括N个(N为2以上的整数。在图中例示N＝4的情况)半导体激光阵列堆栈LS1～LSN和棱镜光学系统10A。半导体激光阵列堆栈LS1～LSN在Y轴方向上相互空出间隔地排列配置。棱镜光学系统10A具有与这些半导体激光阵列堆栈LS1～LSN一对一对应地设置的N个第一棱镜PA1～PAN和第二棱镜PB1～PBK(其中，K＝N/2)。第一棱镜PA1～PAN和第二棱镜PB1～PBK也分别在Y轴方向上排列配置。
如图2所示，半导体激光阵列堆栈LS1～LSN具有多个半导体激光阵列12。这些半导体激光阵列12分别具有在规定方向(在本实施方式中为X轴方向)上排列的两个以上的发光区域14，从这些发光区域14分别向某个光射出方向(在本实施方式中为Z轴方向)射出激光La。激光La的快轴方向沿着Y轴方向，慢轴方向沿着X轴方向。多个半导体激光阵列12使光射出方向一致地在与上述规定方向(X轴方向)和光射出方向(Z轴方向)交叉的层叠方向(在本实施方式中为Y轴方向)上层叠。半导体激光阵列堆栈LS1～LSN将从多个半导体激光阵列12射出的这些激光La作为一个光束而分别输出。
再次参照图1，从第n个(n为1以上N以下的整数)半导体激光阵列堆栈LSn输出的激光光束Ln通过准直透镜堆栈16。准直透镜堆栈16是本实施方式中的第一准直部，与各半导体激光阵列堆栈LS1～LSN对应地配置，与各半导体激光阵列堆栈LS1～LSN的发光区域14相对。准直透镜堆栈16具有在X轴方向上延伸并与多个半导体激光阵列12分别对应的多个柱面透镜。各柱面透镜进行从对应的半导体激光阵列12射出的激光La的快轴方向的平行化。
通过准直透镜堆栈16进行了快轴方向的平行化后的激光光束Ln向对应的第n个的第一棱镜PAn的光入射面21入射。第一棱镜PA1～PAN例如为由玻璃、石英等的透明材料构成的棱镜，具有光入射面21和光射出面22。本实施方式的第一棱镜PA1～PAN的沿YZ平面的截面呈平行四边形(例如菱形)等的形状，该平行四边形的一个边成为光入射面21，与该一个边平行的另一个边成为光射出面22。
第n个第一棱镜PAn使入射到光入射面21的激光光束Ln透过，并从光射出面22射出。光入射面21相对于XZ平面倾斜，激光光束Ln向光入射面21入射时，激光光束Ln相对于光射出方向(Z轴方向)仅折射规定角度。此外，光射出面22相对于光入射面21平行，激光光束Ln从光射出面22射出时，激光光束Ln在与之前的折射相反的方向上再次仅折射上述规定角度，再次沿光射出方向(Z轴方向)行进。这样，第一棱镜PAn使激光光束Ln的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为Y轴方向)偏移。换言之，第一棱镜PAn使从光射出面22射出的激光光束Ln的光轴相对于向光入射面21入射的激光光束Ln的光轴大致平行并且向Y轴方向移动。
此外，在本实施方式中，第(2k-1)个(其中，k为1以上K以下的整数)第一棱镜PA2k-1与第2k个第一棱镜PA2k在Y轴方向上彼此相邻地配置，第一棱镜PA2k-1的光入射面21和光射出面22与第一棱镜PA2k的光入射面21和光射出面22夹着沿XZ平面的基准面AAk配置在对称的位置。然后，入射到第一棱镜PA2k-1的光入射面21的激光光束L2k-1向接近相邻的激光光束L2k的方向折射，此外，入射到第一棱镜PA2k的光入射面21的激光光束L2k向接近相邻的激光光束L2k-1的方向折射。由此，在这些激光光束L2k-1、L2k从光射出面22射出时，激光光束L2k-1、L2k彼此的间隔缩小，形成由一对光束L2k-1、L2k构成的激光光束组LAk。该激光光束组LAk沿原来的光射出方向(Z轴方向)行进。另外，虽然构成本实施方式的激光光束组LAk的激光光束L2k-1、L2k彼此相邻地行进，但是彼此不重叠，具有例如1mm左右的间隔。
第二棱镜PB1～PBK是例如由玻璃、石英等的透明材料构成的棱镜，具有光入射面23和光射出面24。本实施方式的第二棱镜PB1～PBK与第一棱镜PA1～PAN相同，在沿YZ平面的截面上呈平行四边形(例如菱形)等的形状，该平行四边形的一个边成为光入射面23，与该一个边平行的另一个边成为光射出面24。
从第一棱镜PA2k-1、PA2k射出的激光光束L2k-1、L2k作为激光光束组LAk向第k个第二棱镜PBk的光入射面23入射。第二棱镜PBk使入射到光入射面23的激光光束组LAk透过，并从光射出面24射出。光入射面21相对于XZ平面倾斜，激光光束组LAk向光入射面23入射时，激光光束组LAk相对于光射出方向(Z轴方向)仅折射规定角度。此外，光射出面24相对于光入射面21平行，激光光束组LAk从光射出面24射出时，激光光束组LAk在与之前的折射相反的方向上再次仅折射上述规定角度，再次沿光射出方向(Z轴方向)行进。这样，第二棱镜PBk使激光光束组LAk的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为Y轴方向)偏移。换言之，第二棱镜PBk使从光射出面24射出的激光光束组LAk的光轴相对于向光入射面23入射的激光光束组LAk的光轴大致平行并且向Y轴方向移动。
此外，在本实施方式中，第(2m-1)个(其中，m为1以上M以下的整数。M＝N/4)第二棱镜PB2m-1与第(2m)个第二棱镜PB2m在Y轴方向上彼此相邻地配置，第二棱镜PB2m-1的光入射面23和光射出面24与第二棱镜PB2m的光入射面23和光射出面24夹着沿XZ平面的基准面ABm配置在对称的位置。因而，入射到第二棱镜PB2m-1的光入射面23的激光光束组LA2m-1向接近相邻的激光光束组LA2m的方向折射，此外，入射到第二棱镜PB2m的光入射面23的激光光束组LA2m向接近相邻的激光光束组LA2m-1的方向折射。由此，在这些激光光束组LA2m-1、LA2m从光射出面24射出时，激光光束组LA2m-1、LA2m彼此的间隔缩小，形成由一对光束组LA2m-1、LA2m构成的激光光束组LBm。该激光光束组LBm沿原来的光射出方向(Z轴方向)行进。另外，虽然构成本实施方式的激光光束组LBm的激光光束组LA2m-1、LA2m彼此相邻地行进，但是彼此不重叠，是具有例如1mm左右的间隔的不重叠。即，在一个激光光束组LBm包含四个激光光束Ln，且这些激光光束Ln在Y轴方向上排列，彼此不重叠，例如在相邻的激光光束之间具有1mm左右的间隔。
本实施方式的激光装置1A进一步包括成像光学系统18。成像光学系统18将透过第一棱镜PA1～PAN和第二棱镜PB1～PBK后的各激光光束L1～LN在与慢轴方向交叉的面内(在本实施方式中为YZ平面内)按每激光光束进行聚光。此外，成像光学系统18在该面内将各激光光束L1～LN的光轴按每激光光束进行偏向。
具体而言，成像光学系统18包括N个成像透镜F1～FN和N个偏向光学元件D1～DN而构成。成像透镜F1～FN与N个激光光束L1～LN一对一对应地设置，第n个成像透镜Fn将对应的激光光束Ln在YZ平面内聚光。另外，在本实施方式中，成像透镜F1～FN在XZ平面内不具有聚光作用，激光光束L1～LN在XZ平面内不被聚光。
此外，成像透镜F1～FN在成像光学系统18与Z轴方向的规定位置Q之间产生各激光光束L1～LN的聚光点P1～PN。更详细而言，成像透镜F1～FN的焦点距离比成像光学系统18与规定位置Q的距离短，激光光束L1～LN在规定位置Q的跟前进行一端收敛后再次扩大并通过规定位置Q。
偏向光学元件D1～DN与N个激光光束L1～LN一对一对应地设置，第n个偏向光学元件Dn将对应的激光光束Ln在YZ平面内偏向。此处，将激光光束Ln偏向是指稍微改变激光光束Ln的光轴的朝向，在本实施方式中，激光光束Ln的光轴以Z轴方向为基准而向Y轴方向稍微倾斜。
这样的激光光束Ln的偏向以在Z轴方向的规定位置Q上N个激光光束L1～LN相互重叠的方式进行。换言之，从X轴方向看时的激光光束L1～LN的各光轴通过偏向光学元件D1～DN后，在规定位置Q上相互重叠。具有这样的作用的偏向光学元件D1～DN例如通过楔形棱镜实现。在规定位置Q，例如配置有照射对象物。作为该照射对象物，例如能够列举配置在激光谐振器的谐振光路上，通过供给激发光而产生放出光的固体激光介质。
本实施方式的激光装置1A进一步包括慢轴准直透镜41、42和43。慢轴准直透镜41是本实施方式中的第二准直部，慢轴准直透镜43是本实施方式中的第三准直部。慢轴准直透镜41配置在准直透镜堆栈16与第一棱镜PA1～PAN之间的光轴上，进行包含于激光光束Ln的激光La的慢轴方向(在本实施方式中为X轴方向)的平行化。慢轴准直透镜42配置在第一棱镜PA1～PAN与第二棱镜PB1～PBK之间的光轴上，进行包含于激光光束组LAk的激光La的慢轴方向的平行化。慢轴准直透镜43配置在第二棱镜PB1～PBK与成像光学系统18之间的光轴上，进行包含于激光光束组LBm的激光La的慢轴方向的平行化。
对通过具备以上的结构的本实施方式的激光装置1A所获得的效果进行说明。在该激光装置1A中，从N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN射出的激光光束L1～LN的光轴通过棱镜光学系统10A(第一棱镜PA1～PAN、第二棱镜PB1～PBK)而被偏移，由此，激光光束L1～LN彼此的间隔被缩小。通过设置这样的棱镜光学系统10A，不需要使多个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN彼此相邻，因此能够利用半导体激光阵列堆栈LS1～LSN之间的间隙充分地进行冷却，此外，因为利用简单的冷却装置就足够了，所以能够避免冷却装置的大型化。此外，因为能够由棱镜光学系统10A那样的简易的结构将激光光束L1～LN集中，所以能够将激光装置1A进一步小型化。
此外，根据该激光装置1A，因为使用棱镜光学系统10A传送激光光束L1～LN，所以能够以小的空间、低损失(例如几％以下)地长距离(例如1m以上)传送激光光束L1～LN。此外，在任意的位置Q上具有均匀性高的空间强度分布，能够在任意的大小(例如1cm见方)的区域内以足够的光强度(例如几十kW/cm2以上)使激光光束L1～LN聚焦。
此外，在该激光装置1A中，成像光学系统18将各激光光束L1～LN按每束光束进行聚光，在成像光学系统18与规定位置Q之间产生各激光光束L1～LN的聚光点P1～PN。由此，能够提高规定位置Q上的激光量的均匀性，能够对例如设置在规定位置Q的照射对象物赋予均匀的光强度的激光光束。再有，在该激光装置1A中，成像光学系统18将均匀的N个激光光束L1～LN以在规定位置Q上相互重叠的方式按每束光束进行偏向。由此，在规定位置Q上均匀的N个激光光束L1～LN相互重叠，因此，即使在半导体激光阵列堆栈LS1～LSN中任意的一部分发生劣化且其影响在一个激光光束Ln产生，也能够利用其它激光光束保持激光光束组LBm的光量的均匀性。
例如在激光光源装置用于固体激光介质的激发的情况下，激发光的空间图案的强度变动对固体激光介质的输出特性(能量稳定性、图案的均匀性)产生大的影响，此外，成为光学元件等的光损伤的原因之一。根据本实施方式的激光装置1A，能够如上述那样保持激光光束组LBm的光量的均匀性，因此能够使固体激光介质的输出特性稳定，可以降低光学元件等的光损伤。
此外，在该激光装置1A中，即使在想使半导体激光阵列堆栈LS1～LSN的个数N增减的情况下也不需要大规模的结构变更，只需对包含于棱镜光学系统10A的第一棱镜PA1～PAN和第二棱镜PB1～PBK、以及包含于成像光学系统18的成像透镜F1～FN和偏向光学元件D1～DN的个数进行增减即可。因而，根据激光装置1A，容易进行照射光量的增减，能够提供扩张性高的激光装置1A。
此外，如本实施方式那样，N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN也可以在层叠方向上排列而配置，棱镜光学系统10A将激光光束L1～LN的光轴向层叠方向偏移。根据这样的结构，能够在半导体激光阵列堆栈LS1～LSN的层叠方向上空出适度的间隔并配置N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN。
另外，还考虑代替棱镜光学系统10A而使用反射镜将激光光束L1～LN偏移。但是，在反射镜，如果激光光束的入射角向某个方向变动则射出角向相反的方向变动，因此N个激光光束L1～LN的光路的偏离变大，存在难以将它们高精度地排列等的问题。与此相对，在棱镜，激光光束的入射角与射出角向相同方向变动，因此N个激光光束L1～LN的光路的偏离被抑制，能够使设置N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN时的容许误差大。
(第二实施方式)
图3是表示第二实施方式所涉及的激光装置1B的结构的平面图。图4是从Y轴方向看图3所示的激光装置1B时的侧面图。图5是表示图3所示的激光装置1B的结构的立体图。如图3～图5所示，本实施方式的激光装置1B包括N个(N为2以上的整数。在图中例示N＝8的情况)半导体激光阵列堆栈LS1～LSN、棱镜光学系统10B、准直透镜堆栈16和成像光学系统18。另外，半导体激光阵列堆栈LS1～LSN自身的结构、准直透镜堆栈16的配置和结构、以及成像光学系统18的结构与上述第一实施方式相同，因此省略详细的说明。
N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN中，半导体激光阵列堆栈LS1、LS3、……、LS2K-1(其中，K＝N/2)构成第一组6a，其它的半导体激光阵列堆栈LS2、LS4、……、LS2K构成第二组6b。第一组6a和第二组6b相互在规定方向(X轴方向)上排列配置。此外，包含于第一组6a的半导体激光阵列堆栈LS1、LS3、……、LS2K-1在Y轴方向上相互空出间隔地排列配置。同样，包含于第二组6b的半导体激光阵列堆栈LS2、LS4、……、LS2K在Y轴方向相互空出间隔地排列配置。再有，从X轴方向看，以半导体激光阵列堆栈LS1、LS3、……、LS2K-1与半导体激光阵列堆栈LS2、LS4、……、LS2K成为交替的方式，半导体激光阵列堆栈LS1～LSN的Y轴方向的各位置被确定。
棱镜光学系统10B具有与这些半导体激光阵列堆栈LS1～LSN一对一对应地设置的N个棱镜PC1～PCN。N个棱镜PC1～PCN中，棱镜PC1、PC3、……、PC2K-1沿对应的半导体激光阵列堆栈LS1、LS3、……、LS2K-1在Y轴方向上排列配置，棱镜PC2、PC4、……、PC2K沿对应的半导体激光阵列堆栈LS2、LS4、……、LS2K在Y轴方向上排列配置。此外，棱镜PC1、PC3、……、PC2K-1与棱镜PC2、PC4、……、PC2K在Y轴方向上交替排列。
从第n个半导体激光阵列堆栈LSN射出的激光光束Ln通过准直透镜堆栈16进行快轴方向的平行化后，向对应的第n个棱镜PCn的光入射面25(参照图4)入射。棱镜PC1～PCN是例如由玻璃、石英等的透明材料构成的棱镜，具有光入射面25和光射出面26(参照图4)。本实施方式的棱镜PC1～PCN的沿XZ平面的截面呈平行四边形(例如菱形)等的形状，该平行四边形的一个边成为光入射面25，与该一个边平行的另一个边成为光射出面26。
第n个棱镜PCn使入射到光入射面25的激光光束Ln透过，并从光射出面26射出。光入射面25相对于YZ平面倾斜，激光光束Ln向光入射面25入射时，激光光束Ln相对于光射出方向(Z轴方向)仅折射规定角度。此外，光射出面26相对于光入射面25平行，激光光束Ln从光射出面26射出时，激光光束Ln在与之前的折射相反的方向上再次仅折射上述规定角度，再次沿光射出方向(Z轴方向)行进。这样，棱镜PCn使激光光束Ln的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为X轴方向)偏移。换言之，棱镜PCn使从光射出面26射出的激光光束Ln的光轴相对于向光入射面21入射的激光光束Ln的光轴大致平行并且向Y轴方向移动。
此外，在本实施方式中，入射到棱镜PC1、PC3、……、PC2K-1的光入射面25的激光光束L1、L3、……、L2K-1从Y轴方向看，向接近相邻的激光光束L2、L4、……、L2K的方向(例如X轴负方向)折射，此外，入射到棱镜PC2、PC4、……、PC2K的光入射面25的激光光束L2、L4、……、L2K从Y轴方向看，向接近相邻的激光光束L1、L3、……、L2K-1的方向(例如X轴正方向)折射。由此，在这些激光光束L1、L2、……、L2K-1、L2K从光射出面26射出时，激光光束L1、L3、……、L2K-1与激光光束L2、L4、……、L2K的间隔被缩小，形成由激光光束L1、L2、……、L2K-1、L2K构成的单一的激光光束组LC。该激光光束组LC沿原来的光射出方向(Z轴方向)行进。另外，虽然构成本实施方式的激光光束组LC的激光光束L1、L2、……、L2K-1、L2K彼此相邻地行进，但是彼此不重叠，具有例如1mm左右的间隔。
本实施方式的激光装置1B进一步包括慢轴准直透镜44、45和46。慢轴准直透镜44是本实施方式的第二准直部，慢轴准直透镜45是本实施方式的第三准直部。慢轴准直透镜44配置在准直透镜堆栈16与棱镜PC1～PCN之间的光轴上，进行包含于激光光束Ln的激光La(参照图2)的慢轴方向(在本实施方式中为X轴方向)的平行化。慢轴准直透镜45配置在棱镜PC1～PCN与成像光学系统18之间的光轴上，进行包含于激光光束组LC的激光La的慢轴方向的平行化。慢轴准直透镜46配置在成像光学系统18与聚光点P1～PN之间的光轴上，进行包含于激光光束组LC的激光La的慢轴方向的平行化。
在具备以上的结构的本实施方式的激光装置1B中，从N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN射出的激光光束L1～LN的光轴通过棱镜光学系统10B(棱镜PC1～PCN)而被偏移，由此，激光光束L1～LN彼此的间隔被缩小。通过设置这样的棱镜光学系统10B，不需要使多个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN彼此相邻，因此能够利用半导体激光阵列堆栈LS1～LSN之间的间隙充分地进行冷却，此外，因为利用简单的冷却装置就足够了，所以能够避免冷却装置的大型化。此外，因为能够由棱镜光学系统10A等的简易的结构将激光光束L1～LN集中，所以能够将激光装置1B进一步小型化。
此外，该激光装置1B包括具有与上述第一实施方式相同的结构的成像光学系统18。由此，能够提高规定位置Q上的激光量的均匀性，能够对例如设置在规定位置Q的照射对象物赋予均匀的光强度的激光光束。此外，在规定位置Q上均匀的N个激光光束L1～LN相互重叠，因此，即使在半导体激光阵列堆栈LS1～LSN中任意的一部分发生劣化并且其影响在一个激光光束Ln产生，也能够利用其它激光光束保持激光光束组LC的光量的均匀性。
(第三实施方式)
图6是表示第三实施方式所涉及的激光装置1C的结构的平面图。图7是从Y轴方向看图6所示的激光装置1C时的侧面图。图8是表示激光装置1C的结构的立体图。另外，为了容易理解，在图8中省略激光光束的图示。
如图6～图8所示，本实施方式的激光装置1C包括N个(N为2以上的整数。在图中例示N＝8的情况)半导体激光阵列堆栈LS1～LSN、棱镜光学系统10C、准直透镜堆栈16和成像光学系统18。另外，半导体激光阵列堆栈LS1～LSN自身的结构、准直透镜堆栈16的配置和结构、以及成像光学系统18的结构与上述第一实施方式相同，因此省略详细的说明。
N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN中，半导体激光阵列堆栈LS1～LSJ(其中，J为2以上且小于(N-1)的整数。在图中例示J＝4的情况)构成第一组6c。此外，其它的半导体激光阵列堆栈LSJ+1～LSN构成第二组6d。第一组6c与第二组6d相互在规定方向(X轴方向)上排列配置。此外，包含于第一组6c的半导体激光阵列堆栈LS1～LSJ在Y轴方向上空出间隔地排列配置。同样，包含于第二组6d的半导体激光阵列堆栈LSJ+1～LSN在Y轴方向上空出间隔地排列配置。
棱镜光学系统10C具有与半导体激光阵列堆栈LS1～LSN一对一对应地设置的N个第一棱镜PA1～PAN、第二棱镜PB1～PBK(其中，K＝N/2)和第三棱镜PD1～PDM(其中，M＝N/4)。N个第一棱镜PA1～PAN中，第一棱镜PA1～PAJ沿对应的半导体激光阵列堆栈LS1～LSJ在Y轴方向上排列配置，第一棱镜PAJ+1～PAN沿对应的半导体激光阵列堆栈LSJ+1～LSN在Y轴方向上排列配置。此外，由第一棱镜PA1～PAJ构成的棱镜列与由第一棱镜PAJ+1～PAN构成的棱镜列相互在X轴方向上排列配置。
第一棱镜PA1～PAN具有与第一实施方式的第一棱镜PA1～PAN相同的结构。即，第一棱镜PA1～PAN呈具有光入射面21和光射出面22的平行四边形，第n个第一棱镜PAn将激光光束Ln的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为Y轴方向)偏移。此外，第(2k-1)个第一棱镜PA2k-1与第2k个第一棱镜PA2k在Y轴方向上彼此相邻地配置，入射到第一棱镜PA2k-1的光入射面21的激光光束L2k-1向接近相邻的激光光束L2k的方向折射，此外，入射到第一棱镜PA2k的光入射面21的激光光束L2k向接近相邻的激光光束L2k-1的方向折射。由此，在这些激光光束L2k-1、L2k从光射出面22射出时，激光光束L2k-1、L2k彼此的间隔缩小，形成由一对光束L2k-1、L2k构成的激光光束组LAk。该激光光束组LAk沿原来的光射出方向(Z轴方向)行进。
第二棱镜PB1～PBK也具有与第一实施方式的第二棱镜PB1～PBK相同的结构。即，第二棱镜PB1～PBK呈具有光入射面23和光射出面24的平行四边形，第k个第二棱镜PBk将激光光束组LAk的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为Y轴方向)偏移。此外，第(2m-1)个第二棱镜PB2m-1与第2m个第一棱镜PB2m在Y轴方向上彼此相邻地配置，入射到第二棱镜PB2m-1的光入射面23的激光光束组LA2m-1向接近相邻的激光光束组LA2m的方向折射，此外，入射到第二棱镜PB2m的光入射面23的激光光束组LA2m向接近相邻的激光光束组LA2m-1的方向折射。由此，在这些激光光束组LA2m-1、LA2m从光射出面24射出时，激光光束组LA2m-1、LA2m彼此的间隔缩小，形成由一对光束组LA2m-1、LA2m构成的激光光束组LBm。该激光光束组LBm沿原来的光射出方向(Z轴方向)行进。
第三棱镜PD1～PDM是例如由玻璃、石英等的透明材料构成的棱镜，具有光入射面27和光射出面28。本实施方式的第三棱镜PD1～PDM在沿XZ平面的截面上呈平行四边形(例如菱形)等的形状，该平行四边形的一个边成为光入射面27，与该一个边平行的另一个边成为光射出面28。
从第二棱镜PB2m-1、PB2m射出的激光光束组LBm向第m个的第三棱镜PDm的光入射面27入射。第三棱镜PDm使入射到光入射面27的激光光束组LBm透过，并从光射出面28射出。光入射面27相对于YZ平面倾斜，激光光束组LBm向光入射面27入射时，激光光束组LBm相对于光射出方向(Z轴方向)仅折射上述角度。此外，光射出面28相对于光入射面27平行，激光光束组LBm从光射出面28射出时，激光光束组LBm向与之前的折射相反的方向再次仅折射上述角度，再次沿光射出方向(Z轴方向)行进。这样，第三棱镜PDm将激光光束组LBm的光轴向与该光轴交叉的方向(在本实施方式中为X轴方向)偏移。换言之，第三棱镜PDm使从光射出面28射出的激光光束组LBm的光轴相对于向光入射面27入射的激光光束组LBm的光轴大致平行并且向X轴方向移动。
此外，在本实施方式中，入射到第(2i-1)个(其中，i为1以上I以下的整数。I＝N/8)的第三棱镜PD2i-1的激光光束组LB2i-1向接近相邻的激光光束组LB2i的方向(例如X轴负方向)折射，入射到第(2i)个第三棱镜PD2i的激光光束组LB2i向接近相邻的激光光束组LB2i-1的方向(例如X轴正方向)折射。由此，在这些激光光束组LBm从光射出面28射出时，激光光束组LB2i-1与激光光束组LB2i的间隔缩小，形成由激光光束组LB1～LBM构成的单一的激光光束组LD。
另外，在本实施方式中，第三棱镜PD1～PDM配置在成像光学系统18与聚光位置P1～PN之间，但是，第三棱镜PD1～PDM也可以配置在第二棱镜PB1～PBK与成像光学系统18之间。
在具备以上的结构的本实施方式的激光装置1C中，从N个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN射出的激光光束L1～LN的光轴通过棱镜光学系统10C(第一棱镜PA1～PAN、第二棱镜PB1～PBK、第三棱镜PD1～PDM)而被偏移，激光光束L1～LN彼此的间隔缩小。通过设置这样的棱镜光学系统10C，不需要使多个半导体激光阵列堆栈LS1～LSN彼此相邻，因此能够利用半导体激光阵列堆栈LS1～LSN之间的间隙充分地进行冷却，此外，因为利用简单的冷却装置就足够了，所以能够避免冷却装置的大型化。此外，因为能够由棱镜光学系统10C等的简易的结构将激光光束L1～LN集中，所以能够将激光装置1C进一步小型化。
此外，该激光装置1C包括具有与上述第一实施方式相同的结构的成像光学系统18。由此，能够提高规定位置Q上的激光量的均匀性，能够对例如设置在规定位置Q的照射对象物赋予均匀的光强度的激光光束。此外，在规定位置Q上均匀的N个激光光束L1～LN相互重叠，因此，即使在半导体激光阵列堆栈LS1～LSN中任意的一部分发生劣化并且其影响施在一个激光光束Ln产生，也能够利用其它激光光束保持激光光束组LC的光量的均匀性。
本发明的一个方面所涉及的激光装置并不限于上述的实施方式，能够有其它各种变形。例如，在第一实施方式中例示半导体激光阵列堆栈的个数N为4的情况，在第二实施方式和第三实施方式中例示个数N为8的情况，但是本发明的一个方面所涉及的激光装置中半导体激光阵列堆栈的个数没有限制，能够组合任意个数的半导体激光阵列堆栈。
产业上的可利用性
根据本发明的一个方面所涉及的激光装置，不需要使多个半导体激光阵列堆栈彼此相邻，即使在半导体激光阵列堆栈的一部分发生劣化的情况下也能够保持照射对象物的激光量的均匀性。
附图标记的说明
1A、1B、1C…激光装置、10A、10B、10C…棱镜光学系统、12…半导体激光阵列、14…发光区域、16…准直透镜堆栈、18…成像光学系统、21、23、25、27…光入射面、22、24、26、28…光射出面、41～46…慢轴准直透镜、D1～DN…偏向光学元件、F1～FN…成像透镜、L1～LN…激光光束、La…激光、LA1～LAK…激光光束组、LB1～LBM…激光光束组、LC…激光光束组、LD…激光光束组、LS1～LSN…半导体激光阵列堆栈、P1～PN…聚光点、PA1～PAN…第一棱镜、PB1～PBK…第二棱镜、PC1～PCN…棱镜、PD1～PDM…第三棱镜、Q…规定位置。

Claims (4)

1.一种激光装置，其特征在于，
具备：
N个半导体激光阵列堆栈，通过从在规定方向上排列的两个以上的发光区域射出激光的多个半导体激光阵列使射出方向一致地在与所述规定方向和所述射出方向交叉的层叠方向上层叠而成，将从所述多个半导体激光阵列射出的所述激光作为一个光束而分别输出，其中，N为2以上的整数；
第一准直部，进行包含于所述光束的所述激光的快轴方向的平行化；
棱镜光学系统，使从所述N个半导体激光阵列堆栈分别输出并经过所述第一准直部后的所述光束透过，并且通过将该光束的光轴向与该光轴交叉的方向偏移而缩小所述光束彼此的间隔；和
成像光学系统，使从所述N个半导体激光阵列堆栈分别输出的各光束在与慢轴方向交叉的面内按每束光束进行聚光，并且在该面内将各光束的光轴按每束光束进行偏向，
所述成像光学系统以N个所述光束在规定位置上相互重叠的方式将各光束偏向，并且在所述成像光学系统与所述规定位置之间产生各光束的聚光点。
2.如权利要求1所述的激光装置，其特征在于：
所述成像光学系统包括使从所述N个半导体激光阵列堆栈分别输出的各光束按每束光束进行聚光的N个成像透镜和使各光束的光轴按每束光束进行偏向的N个偏向光学元件。
3.如权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：
所述N个半导体激光阵列堆栈在所述层叠方向上排列而配置，
所述棱镜光学系统使所述光束的光轴向所述层叠方向偏移。
4.如权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：
包含一个或者多个所述半导体激光阵列堆栈的第一组和包含一个或者多个所述半导体激光阵列堆栈的第二组在所述规定方向上排列而配置，
所述棱镜光学系统以使从包含于所述第一组的所述半导体激光阵列堆栈射出的所述光束与从包含于所述第二组的所述半导体激光阵列堆栈射出的所述光束的间隔缩小的方式使该光束的光轴向所述规定方向偏移。
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