JP2002050823A - 半導体レーザ素子および半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザアレイから出射されたレーザ光
を微小領域に好適に集光すること。 【解決手段】 半導体レーザアレイ１１の各レーザ発光
部から出射されたレーザ光Ｌ３をコリメートするための
フレネルレンズパターン１８を、エッチングを用いて各
レーザ発光部に対応して形成させることにより、従来よ
りも集光性能を高めることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザアレ
イから出射されたレーザ光を微小領域に集光可能な半導
体レーザ素子および半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、電気−光変換効率が高
くかつＹＡＧレーザと同等の輝度を有するという理想的
な固体レーザとしての特性を備えている。特に、複数の
レーザ発光部が狭ピッチで形成されている半導体レーザ
アレイは、高出力のレーザ光を得ることが可能となるた
め多様な用途が期待されている。しかしながら、半導体
レーザは、活性層に平行な方向と垂直な方向とで異なる
ビーム広がりであること、レーザ発光部の形状が縦横比
の大きい面光源であること、などの理由により微小領域
に集光することが困難であった。さらに半導体レーザア
レイの場合、レーザ発光部ごとに対応した光学系を製作
することが容易でないため、微小領域に集光することが
とりわけ困難であった。このため半導体レーザアレイ全
体を一つの光源とみなした光学系が用いられているが、
微小な領域に集光することができないため、アニールや
はんだ付けなどの限られた分野でしか利用されていない
のが現状である。これらの問題を解決する方法として特
開平１１-１７２６８号公報には、両面非球面シリンド
リカルレンズを個々の光源に対して設けたマイクロレン
ズアレイとこのマイクロレンズアレイによりコリメート
されたレーザ光を集光レンズにより集光するという光学
系が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリン
ドリカルレンズを用いてコリメートをしただけであるた
め、集光レンズにより集光されたレーザ光のビーム形状
はストライプ状になってしまう。また、非点隔差が補正
されていないため集光位置が各軸によって異なってしま
う。本発明はこのような課題を解決するためになされた
ものであり、半導体レーザアレイから出射されたレーザ
光を光ファイバのコアのような微小領域に好適に集光す
ることが可能となる半導体レーザ光源および半導体レー
ザ装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明によれば、複数のレーザ発光部が活性層に沿って
配列される半導体レーザアレイと、前記レーザ発光部に
対向して配設されており前記レーザ発光部から出射され
たレーザ光をコリメートする光学素子とを備える半導体
レーザ素子において、前記光学素子には、前記各レーザ
発光部から出射されたレーザ光を、前記レーザ発光部の
配列方向およびその垂直方向に屈折させるフレネルレン
ズパターンが、前記配列方向と平行に複数形成されてい
ることを特徴とする半導体レーザ素子である。また、前
記フレネルレンズパターンは、前記レーザ光を前記配列
方向よりも前記垂直方向に大きく屈折させるように形成
されていることを特徴とする前記半導体レーザ素子であ
る。また、複数のレーザ発光部が活性層に沿って配列さ
れる半導体レーザアレイと、前記レーザ発光部に対向し
て配設されており前記レーザ発光部から出射されたレー
ザ光をコリメートする光学素子とを備える半導体レーザ
素子において、前記光学素子には、少なくとも一つの前
記レーザ発光部から出射されたレーザ光を、前記レーザ
発光部の配列方向およびその垂直方向に屈折させるフレ
ネルレンズパターンが、前記配列方向と平行に複数形成
されていることを特徴とする半導体レーザ素子である。

【０００５】また、前記半導体レーザ素子と、前記光学
素子によりコリメートされた前記レーザ光のビーム広が
り、ビーム形状、非点隔差のうちの少なくとも１つを補
正する補正手段と、前記補正手段により補正された前記
レーザ光を集光する集光手段と、を備えることを特徴と
する半導体レーザ装置。また、前記半導体レーザ素子
と、前記光学素子によりコリメートされた前記レーザ光
のビーム広がり、ビーム形状、非点隔差のうちの少なく
とも１つを補正する補正手段と、を有するレーザユニッ
トを複数備えるとともに、前記各レーザユニットから出
射されるレーザ光を合成する合成手段を備えていること
を特徴とする半導体レーザ装置である。

【０００６】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）第１の実施
の形態に係る半導体レーザ装置１０の構成図を図１に示
す。図１（ａ）はこの半導体レーザ装置１０の平面図を
示しており、図１（ｂ）はこの半導体レーザ装置１０の
正面図を示している。この半導体レーザ装置１０は、レ
ーザ光Ｌ１を出射するための複数の半導体レーザアレイ
１１と、出射されたレーザ光Ｌ１をコリメートするため
の複数の光学素子１２と、光学素子１２によりコリメー
トされたレーザ光Ｌ１の非点隔差を補正するシリンドリ
カル平凸レンズ１３と、非点隔差が補正されたレーザ光
Ｌ１のビーム広がりを補正するためのシリンドリカルレ
ンズ１４ａ，１４ｂと、ビーム広がりを補正されたレー
ザ光Ｌ１のビーム形状を整形するための３分割プリズム
１５と、整形されたレーザ光Ｌ１を集光するための集光
レンズ１６と、から構成される。以下各構成要素につい
て説明する。なお、本発明において非点隔差とは、水平
方向の光の広がりを表す仮想点光源と、垂直方向の光の
広がりを表す仮想点光源の距離の差を言い、非点隔差の
補正とは、この非点隔差を小さくすることを言う。半導
体レーザアレイ１１はレーザ光Ｌ１を出射する機能を有
する。図２（ａ）に示されるように、半導体レーザアレ
イ１１は、１μｍ×１５０μｍの大きさのレーザ発光部
１７を０．５ｍｍピッチで、活性層１９に沿って１９個
備えている。各レーザ発光部１７から出射されるレーザ
光Ｌ１のビーム広がりは、各レーザ発光部１７が備わる
方向（以下ｘ方向という）にＮＡで約０．１、ｘ方向に
垂直な方向（以下ｙ方向という）にＮＡで約０．４５で
ある。またこのレーザ光Ｌ１の主波長は８０８ｎｍであ
る。この半導体レーザアレイ１１は４０Ｗの出力であ
る。そしてこの半導体レーザアレイ１１が図２（ｂ）に
示されるように２ｍｍピッチで１５個重ねあわされて合
計６００Ｗの出力を有する光源となる。

【０００７】光学素子１２は、各レーザ発光部１７から
出射されたレーザ光Ｌ１をコリメートする機能を有す
る。この光学素子１２は、ＧａＰで作られ、寸法がおよ
そ幅２ｍｍ×長さ１２ｍｍ×厚さ５ｍｍの大きさを有
し、レーザ発光部１７に対向して配設されている。回折
損失を出来るだけ小さくするため、レーザ発光部１７に
対向している面には、非球面に加工されたシリンドリカ
ル曲面が形成されている。この面の対面には、アナモル
フィック・フレネルレンズパターン１８が図３（ａ）に
示されるように長さ方向に０．５ｍｍピッチで１９個形
成されている。回折損失が小さくなるように形成されて
いるフレネルレンズパターン１８の断面図を図３（ｂ）
に示す。このフレネルレンズパターン１８は、ＲＩＥ
（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用い
て形成されており、実効焦点距離はｘ方向、ｙ方向とも
に２．５ｍｍである。レーザ発光部から出射されたレー
ザ光Ｌ１は、ｘ方向よりもｙ方向に大きな広がり角を有
するため、このフレネルレンズパターン１８は、ｙ方向
の開口の方がｘ方向の開口よりも大きいように構成され
ている。一つのフレネルレンズパターン１８が一つのレ
ーザ発光部１７に対応して形成されているため、各レー
ザ発光部１７から出射されたレーザ光Ｌ１ごとにコリメ
ートされることになる。この光学素子１２は、合計１５
個の半導体レーザアレイ１１に対応して合計１５個積み
重ねて配設されている。この複数の光学素子１２により
レーザ光Ｌ１のビーム形状は、ｘ方向に略１３ｍｍ、ｙ
方向に略３０ｍｍの略長方形形状となる。

【０００８】シリンドリカル平凸レンズは、レーザ光Ｌ
１の非点隔差を補正する機能を有する。このシリンドリ
カル平凸レンズは、レーザ発光部１７から約５０ｍｍほ
どの距離に配設されており、光学素子１２によりコリメ
ートされたレーザ光Ｌ１を、ｙ方向に屈折させることに
よりレーザ光Ｌ１の非点隔差を補正する。ビーム広がり
補正手段であるシリンドリカルレンズ１４ａ，１４ｂ
は、ビーム広がりを補正する機能を有する。すなわち、
ｘ方向に２５ｍｒａｄ、ｙ方向に０．５ｍｒａｄとビー
ム広がりが異なるため、ビーム幅をｙ方向に１/１８縮
小することによりビーム広がりを補正する。この広がり
補正により、ビーム形状はｘ方向に１３ｍｍ、ｙ方向に
１．７ｍｍ程度の略長方形形状となる。ビーム整形手段
である３分割プリズム１５は、図４に示されるようにレ
ーザ光Ｌ１をｘ方向に３分割し、分割されたレーザ光Ｌ
１をｙ方向に足し合わせることでビームの断面形状を略
正方形にする機能を有する。このビーム整形により、ビ
ーム形状はｘ方向に４．４ｍｍ、ｙ方向に５．１ｍｍ程
度の略正方形形状となる。集光レンズ１６は、３分割プ
リズム１５により整形されたレーザ光Ｌ１を集光する機
能を有する。レーザ光Ｌ１は、例えば光ファイバＦのコ
ア部のような微小領域に集光させる。以上により半導体
レーザアレイ１１から出射されたレーザ光Ｌ１が集光さ
れた。

【０００９】フレネルレンズパターン１８が複数形成さ
れている光学素子を用いて各レーザ発光部１７から出射
されたレーザ光Ｌ１をｘ方向およびｙ方向にコリメート
したため、単一のシリンドリカルレンズを用いてコリメ
ートする場合と比較してレーザ光Ｌ１の集光性能が向上
する。また、コリメートされたレーザ光Ｌ１の非点隔
差、ビーム広がり、ビーム形状を補正したこともレーザ
光Ｌ１の集光性能の向上に寄与する。このように集光性
能が向上するため、例えば光ファイバのコア部のような
微小領域に好適に集光し、レーザ光Ｌ１を伝播させるこ
とにより金属加工に用いることが可能なる。この場合、
電気―光変換効率が４０％以上となるため、ランプ励起
ＹＡＧレーザの３％や半導体レーザ励起ＹＡＧレーザの
約１５％に比べて飛躍的に効率が向上するとともに装置
の小型化が実現できる。また、光ファイバに合成された
レーザ光Ｌ１をＹＡＧロッドに照射することによりＹＡ
Ｇレーザの励起として用いることも可能である。光ファ
イバを用いてレーザ光Ｌ１を伝播することにより、ＹＡ
Ｇレーザのヘッド部を小型化することができるため、半
導体レーザの破損や劣化に伴う交換の際、ファイバコネ
クタを取り外すだけ容易に交換できるため保守性が向上
する。その他、高出力での集光が可能となるため多様な
用途に応用することが期待される。

【００１０】なお、ビーム広がり補正手段は、シリンド
リカルレンズを用いずにアナモルフィックプリズムペア
を用いても良い。このときアナモルフィックプリズムペ
アは最大でも１/６程度にしかビーム幅を縮小できない
ので場合によっては２組以上のアナモルフィックプリズ
ムペアを用いる必要がある。また、フレネルレンズパタ
ーンを形成させた光学素子は合成石英など他の物質でも
良い。その際、損失を小さくするためには屈折率の高い
もの、好ましくは屈折率２．３を越えるようなＺｎＳや
ＺｎＳｅ等の結晶材が良い。また、活性層に対するレー
ザ発光部の占有率が本実施の形態に示されるように２０
％から５０％程度の場合はｘ方向およびｙ方向にコリメ
ートすることが好ましいが、レーザ発光部の占有率が５
０％を越えるような場合は、ｘ方向のみコリメートする
ようにしても良い。また、半導体レーザアレイ１１は１
次元のものに限られず２次元の半導体レーザアレイでも
良い。同様に光学素子も２次元にフレネルレンズを形成
させても良い。また、フレネルレンズは必ずしも全ての
半導体レーザアレイのレーザ発光部に対応して形成させ
る必要はない。また、複数のレーザ発光部に対して１つ
のフレネルレンズを形成しても良い。フレネルレンズが
形成されている面の対面は平面でも良い。

【００１１】また、非点隔差補正手段、ビーム広がり補
正手段、ビーム整形手段の全てを備える必要は無く、ま
たレーザ光に対して配置する順番も本実施の形態に示さ
れた方法に限られない。また、ビーム整形手段は、３分
割プリズム１５に限られず他の多面体プリズムやあるい
はミラーを用いても良い。その他出願に係る発明は本実
施の形態に限定されるものではなく、同様の趣旨におい
て種々変形可能である。 （第２の実施の形態）第２の実施の形態に係る半導体レ
ーザ装置２０を図５に示す。この半導体レーザ装置２０
は、２つのレーザユニット２２ａ，２２ｂと各レーザユ
ニットから出射されるレーザ光Ｌａ，Ｌｂを合成するた
めのビーム合成手段とから構成される。各レーザユニッ
トは、第１の実施の形態で示されたのと同様に、１５個
の半導体レーザアレイ１１と、各レーザ発光部１７から
出射されたレーザ光Ｌ２をコリメートするための１５個
の光学素子１２と、コリメートされたレーザ光Ｌ２の非
点隔差を補正するシリンドリカル平凸レンズ１３と、レ
ーザ光Ｌ２のビーム広がりを補正するためのシリンドリ
カルレンズ１４ａ，１４ｂと、広がり補正されたレーザ
光Ｌ２のビーム形状を整形するための３分割プリズム１
５とから構成されている。これらレーザユニットの各構
成要素は、第１の実施の形態に示されたのと同じ機能を
有するため同じ番号を付し説明を省略する。

【００１２】ビーム合成手段は、１/２波長板２３と偏
光ビーム合成素子２４とから構成されている。１/２波
長板２３は一方のレーザ光Ｌａの偏光方向を９０度変え
る機能を有する。偏光ビーム合成素子２４は、所定方向
の偏光の光を透過し、これと直交する偏光の光を反射す
る機能を有する。各レーザ光は、１/２波長板２３によ
り互いに直交するためこの偏光ビーム合成素子２４を用
いて合成することが可能となる。このように各６００Ｗ
の出力のレーザ光を合成することにより、合計１２００
Ｗの出力のレーザ光が得られる。なお、合成方法は本実
施の形態に示された方法に限られず、たとえば特定波長
のみの光を透過または反射する誘電多層膜フィルタを用
いて、複数の波長の光を合成することが可能となる。例
として、９１５ｎｍの波長の光を透過し、８０８ｎｍの
波長の光を反射するような誘電多層膜フィルタを用いる
ことによりレーザ光Ｌ２を合成することができる。さら
に３波長以上の合成も同様に可能である。なお、誘電多
層膜フィルタの反射率あるいは透過率を上げるには、光
の入射角は小さくする必要があり、１５度以下であるこ
とが好ましい。また、合成方法はこれら以外にも回折格
子や三角プリズムなどによっても可能であるし、これら
を組み合わせて高出力のレーザ光を得ることも可能であ
る。その他本実施の形態は同様の趣旨において種々変形
可能である。

【００１３】（第３の実施の形態）第３の実施の形態に
係る半導体レーザ装置３０の構成図を図に示す。この半
導体レーザ装置３０は、半導体レーザアレイ１１から出
射されたレーザ光Ｌ３をライン状に集光するためのもの
である。この半導体レーザ装置３０は、３つの半導体レ
ーザアレイ１１と、各半導体レーザアレイ１１に対応し
て配設されている３つの光学素子１２と、光学素子１２
によりコリメートされたレーザ光Ｌ３の非点隔差を補正
するシリンドリカル平凸レンズ１３と、レーザ光Ｌ３を
集光するための集光レンズ１６とから構成される。第１
の実施の形態で示されたのと同じ機能を有する構成要素
については同じ番号を付し、説明を省略する。半導体レ
ーザアレイ１１は２ｍｍピッチで３段に構成されてい
る。一つの半導体レーザアレイ１１の出力が４０Ｗなた
め、合計１２０Ｗの出力を有するレーザ光Ｌ３が各レー
ザ発光部１７から出射される。このレーザ光Ｌ３は、第
１の実施の形態で説明したのと同様に光学素子１２に形
成されているフレネルレンズパターン１８によりｘ軸、
ｙ軸方向にコリメートされる。コリメートされたレーザ
光Ｌ３は、断面形状がｘ方向に１０ｍｍ、ｙ方向に６ｍ
ｍで、半角ビーム広がりがｘ方向に最大０．５ｍｒａ
ｄ、ｙ方向に最大２５ｍｒａｄである。その後シリンド
リカル平凸レンズ１３で非点隔差が補正された後、実効
焦点距離が３０ｍｍの集光レンズ１６により、ｘ方向に
１．５ｍｍ、ｙ方向に０．０３ｍｍのライン状に集光さ
れる。この集光された光のエネルギ密度は２．７ｋＷ/
ｍｍ２程度となるので薄板の切断や溶接に利用すること
が可能になる。他の実施の形態で示されたのと同様の趣
旨において種々変形可能である。

【００１４】

【発明の効果】フレネルレンズを複数形成させた光学素
子を用いることにより、半導体レーザアレイから出射さ
れたレーザ光をコリメートすることが可能になるため、
半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を微小領域
に好適に集光することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構
成図。

【図２】第１の実施の形態における半導体レーザアレイ
の模式図。

【図３】第１の実施の形態に係る光学素子の模式図。

【図４】第１の実施の形態において３分割プリズムを用
いてビーム形状が整形されていることを示した模式図。

【図５】第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構
成図。

【図６】第３の実施の形態に係る半導体レーザ装置の構
成図。

【符号の説明】

半導体レーザアレイ１１、光学素子１２、シリンドリカ
ル平凸レンズ１３、シリンドリカルレンズ１４ａ，１４
ｂ、３分割プリズム１５、集光レンズ１６、フレネルレ
ンズパターン１８。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のレーザ発光部が活性層に沿って配
   列される半導体レーザアレイと、 前記レーザ発光部に対向して配設されており前記レーザ
   発光部から出射されたレーザ光をコリメートする光学素
   子とを備える半導体レーザ素子において、 前記光学素子には、前記各レーザ発光部から出射された
   レーザ光を、前記レーザ発光部の配列方向およびその垂
   直方向に屈折させるフレネルレンズパターンが、前記配
   列方向と平行に複数形成されていることを特徴とする半
   導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 前記フレネルレンズパターンは、前記レ
   ーザ光を前記配列方向よりも前記垂直方向に大きく屈折
   させるように形成されていることを特徴とする請求項１
   記載の半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 複数のレーザ発光部が活性層に沿って配
   列される半導体レーザアレイと、 前記レーザ発光部に対向して配設されており前記レーザ
   発光部から出射されたレーザ光をコリメートする光学素
   子とを備える半導体レーザ素子において、 前記光学素子には、少なくとも一つの前記レーザ発光部
   から出射されたレーザ光を、前記レーザ発光部の配列方
   向およびその垂直方向に屈折させるフレネルレンズパタ
   ーンが、前記配列方向と平行に複数形成されていること
   を特徴とする半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 請求項１記載の半導体レーザ素子と、 前記光学素子によりコリメートされた前記レーザ光のビ
   ーム広がり、ビーム形状、非点隔差のうちの少なくとも
   １つを補正する補正手段と、 前記補正手段により補正された前記レーザ光を集光する
   集光手段と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の半導体レーザ素子と、 前記光学素子によりコリメートされた前記レーザ光のビ
   ーム広がり、ビーム形状、非点隔差のうちの少なくとも
   １つを補正する補正手段と、 を有するレーザユニットを複数備えるとともに、前記各
   レーザユニットから出射されるレーザ光を合成する合成
   手段を備えていることを特徴とする半導体レーザ装置。