JP2002239773A - 半導体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法 - Google Patents
半導体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法Info
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- JP2002239773A JP2002239773A JP2001373515A JP2001373515A JP2002239773A JP 2002239773 A JP2002239773 A JP 2002239773A JP 2001373515 A JP2001373515 A JP 2001373515A JP 2001373515 A JP2001373515 A JP 2001373515A JP 2002239773 A JP2002239773 A JP 2002239773A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 非対称なレーザービーム特性を持つ、半導体
レーザーアレイスタックからでるレーザービームを、対
称的な微小スポットに集光する半導体レーザー加工装置
を提供する。 【解決手段】 マルチビームサーキュレータ９を用い
て、コリメートされたレーザービームを複数個に分割
し、かつ、分割された各々のレーザービームを９０度回
転させた後、集光光学系１１で集光することにより、微
小スポットに絞る。
レーザーアレイスタックからでるレーザービームを、対
称的な微小スポットに集光する半導体レーザー加工装置
を提供する。 【解決手段】 マルチビームサーキュレータ９を用い
て、コリメートされたレーザービームを複数個に分割
し、かつ、分割された各々のレーザービームを９０度回
転させた後、集光光学系１１で集光することにより、微
小スポットに絞る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、１次元配列の半導
体レーザーアレイを積層して形成される２次元配列の半
導体レーザーアレイスタックにおいて、その半導体レー
ザーアレイスタックから発振されるレーザービームを、
微小スポットに集光するための集光光学系を備えた半導
体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法に関
するものである。
体レーザーアレイを積層して形成される２次元配列の半
導体レーザーアレイスタックにおいて、その半導体レー
ザーアレイスタックから発振されるレーザービームを、
微小スポットに集光するための集光光学系を備えた半導
体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】１次元配列の半導体レーザーアレイ１
は、図１に示す様な形態をしており、主として、半導体
レーザーアレイチップ２とヒートシンク３から構成され
ている。
は、図１に示す様な形態をしており、主として、半導体
レーザーアレイチップ２とヒートシンク３から構成され
ている。
【０００３】半導体レーザーアレイチップ２は、半導体
レーザーエミッタ４が一定のピッチで複数個、直線状に
並べられている。例えば、この半導体レーザーエミッタ
４は、その厚さは約１μｍと狭く、逆に、その幅は約１
００μｍと広くなっている。更に、その半導体レーザー
エミッタ４は、約２００μｍのピッチで、その幅方向
に、約５０個並んでいる。そのため、半導体レーザーア
レイチップ２の幅寸法は、約１０ｍｍとなっている。半
導体レーザーエミッタ４からのレーザー出力が１Ｗの場
合、それが５０個あれば、５０Ｗのレーザー出力とな
る。
レーザーエミッタ４が一定のピッチで複数個、直線状に
並べられている。例えば、この半導体レーザーエミッタ
４は、その厚さは約１μｍと狭く、逆に、その幅は約１
００μｍと広くなっている。更に、その半導体レーザー
エミッタ４は、約２００μｍのピッチで、その幅方向
に、約５０個並んでいる。そのため、半導体レーザーア
レイチップ２の幅寸法は、約１０ｍｍとなっている。半
導体レーザーエミッタ４からのレーザー出力が１Ｗの場
合、それが５０個あれば、５０Ｗのレーザー出力とな
る。
【０００４】ヒートシンク３は、半導体レーザーアレイ
チップ２からの発熱を放熱させるためのものであり、水
冷、又は空冷構造となっており、その厚みは約２ｍｍで
ある。
チップ２からの発熱を放熱させるためのものであり、水
冷、又は空冷構造となっており、その厚みは約２ｍｍで
ある。
【０００５】半導体レーザーエミッタ４から出るレーザ
ービーム拡がり角（全角）は、その厚さ方向に対して約
３５度、幅方向に対して約１０度となっている。また、
レーザー発振出口のレーザービーム径は、半導体レーザ
ーエミッタ４の活性層サイズに相当するため、厚さ方向
が１μｍ、幅方向が１００μｍとなる。
ービーム拡がり角（全角）は、その厚さ方向に対して約
３５度、幅方向に対して約１０度となっている。また、
レーザー発振出口のレーザービーム径は、半導体レーザ
ーエミッタ４の活性層サイズに相当するため、厚さ方向
が１μｍ、幅方向が１００μｍとなる。
【０００６】この半導体レーザーエミッタ４を複数個合
わさった半導体レーザーアレイチップ２においては、複
数個の半導体レーザーエミッタ４がその幅方向に一直線
上に並んでいるため、そのレーザービーム拡がり角は、
個々のその半導体レーザーエミッタ４の場合と同じとな
り、厚さ方向に対して約３５度、幅方向に対して約１０
度となる。但し、出口のレーザービーム径は、厚さ方向
が１μｍであるが、幅方向は１０ｍｍとなる。
わさった半導体レーザーアレイチップ２においては、複
数個の半導体レーザーエミッタ４がその幅方向に一直線
上に並んでいるため、そのレーザービーム拡がり角は、
個々のその半導体レーザーエミッタ４の場合と同じとな
り、厚さ方向に対して約３５度、幅方向に対して約１０
度となる。但し、出口のレーザービーム径は、厚さ方向
が１μｍであるが、幅方向は１０ｍｍとなる。
【０００７】更に、図２に示すように、１次元配列の半
導体レーザーアレイ１をその厚さ方向に積層したもの
が、半導体レーザーアレイスタック５である。例えば、
２０個の半導体レーザーアレイ１を積層すれば、約１ｋ
Ｗのレーザー出力が得られる（５０Ｗ×２０個）。その
ときの、半導体レーザーアレイスタック５からのレーザ
ービーム径（レーザー発光面）は、厚さ方向で４０ｍｍ
（半導体レーザーアレイ１の厚み２ｍｍ×２０個）、幅
方向で１０ｍｍとなる。また、レーザービーム拡がり角
が、半導体レーザーアレイ１の場合と同じで、厚さ方向
に対して約３５度、幅方向に対して約１０度となる。
導体レーザーアレイ１をその厚さ方向に積層したもの
が、半導体レーザーアレイスタック５である。例えば、
２０個の半導体レーザーアレイ１を積層すれば、約１ｋ
Ｗのレーザー出力が得られる（５０Ｗ×２０個）。その
ときの、半導体レーザーアレイスタック５からのレーザ
ービーム径（レーザー発光面）は、厚さ方向で４０ｍｍ
（半導体レーザーアレイ１の厚み２ｍｍ×２０個）、幅
方向で１０ｍｍとなる。また、レーザービーム拡がり角
が、半導体レーザーアレイ１の場合と同じで、厚さ方向
に対して約３５度、幅方向に対して約１０度となる。
【０００８】一般に、上述してきた、半導体レーザーエ
ミッタ４に対して、その厚さ方向の光軸をファーストア
クシス（ＦＡＳＴ ＡＸＩＳ）、逆に、その幅方向の光
軸をスローアクシス（ＳＬＯＷ ＡＸＩＳ）と呼んでい
る。
ミッタ４に対して、その厚さ方向の光軸をファーストア
クシス（ＦＡＳＴ ＡＸＩＳ）、逆に、その幅方向の光
軸をスローアクシス（ＳＬＯＷ ＡＸＩＳ）と呼んでい
る。
【０００９】このように、１ｋＷオーダの高出力が得ら
れる半導体レーザーアレイスタック５を、レーザー加工
にダイレクトに使っていくためには、その半導体レーザ
ーアレイスタック５から出るレーザービームを微小スポ
ットに絞る必要がある。そのためには、レーザービーム
の拡がり角の改善が必要である。
れる半導体レーザーアレイスタック５を、レーザー加工
にダイレクトに使っていくためには、その半導体レーザ
ーアレイスタック５から出るレーザービームを微小スポ
ットに絞る必要がある。そのためには、レーザービーム
の拡がり角の改善が必要である。
【００１０】一般に、ファーストアクシスにおいては、
レーザービーム拡がり角（θ1 ）が約３５度とかなり大
きいために、図３（ａ）（ｂ）に示す様に１直線状の半
導体レーザーアレイチップ２の前方に、コリメートレン
ズ（ファーストコリメートレンズ）６を取付けて、ファ
ーストアクシスのレーザービームの拡がり角の低減を図
っている。例えば、コリメートレンズ６として、球面シ
リンドリカルレンズ、非球面シリンドリカルレンズなど
が用いられている。例えば、このコリメートレンズ６を
使用することにより、 ファーストアクシス側のレーザー
ビーム拡がり角（θ2 ）が、約３５度から０．２４度
（４ｍｒａｄ）に改善できる。
レーザービーム拡がり角（θ1 ）が約３５度とかなり大
きいために、図３（ａ）（ｂ）に示す様に１直線状の半
導体レーザーアレイチップ２の前方に、コリメートレン
ズ（ファーストコリメートレンズ）６を取付けて、ファ
ーストアクシスのレーザービームの拡がり角の低減を図
っている。例えば、コリメートレンズ６として、球面シ
リンドリカルレンズ、非球面シリンドリカルレンズなど
が用いられている。例えば、このコリメートレンズ６を
使用することにより、 ファーストアクシス側のレーザー
ビーム拡がり角（θ2 ）が、約３５度から０．２４度
（４ｍｒａｄ）に改善できる。
【００１１】一方、 スローアクシス方向においては、 基
本的に、 レーザービームの発光源が１０ｍｍ幅のライン
状になっているため、 そのビーム拡がり角を容易に低減
することはできず、 上述したように、 約１０度（１７５
ｍｒａｄ）のビーム拡がり角が生じている。
本的に、 レーザービームの発光源が１０ｍｍ幅のライン
状になっているため、 そのビーム拡がり角を容易に低減
することはできず、 上述したように、 約１０度（１７５
ｍｒａｄ）のビーム拡がり角が生じている。
【００１２】つまり、コリメートレンズ６付の半導体レ
ーザーアレイスタック５から出るレーザービームの拡が
り角は、ファーストアクシスで４ｍｒａｄ、スローアク
シスで１７５ｍｒａｄとアンバランスになっている。
ーザーアレイスタック５から出るレーザービームの拡が
り角は、ファーストアクシスで４ｍｒａｄ、スローアク
シスで１７５ｍｒａｄとアンバランスになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、半導
体レーザーアレイスタック５から出るレーザービームの
拡がり角は、半導体レーザーエミッタ４自身の構造、ひ
いては、半導体レーザーアレイ１、半導体レーザーアレ
イスタック５の構造が原因で、レーザービームの拡がり
角が大きく、かつ、アンバランスが生じている。コリメ
ートレンズ６を用いて、多少は、改善されるが、現状で
は、レーザービーム拡がり角は、ファーストアクシスで
４ｍｒａｄ、スローアクシスで１７５ｍｒａｄのアンバ
ランスが生じている。また、基本的に、半導体レーザー
エミッタ４が２次元的に配列されているため、レーザー
ビームの発光面も、多点であり、面積的にも大きくなっ
ている。例えば、１ｋＷのレーザー出力（半導体レーザ
ーエミッタ４が５０×２０個の半導体レーザーアレイス
タック）では、１０ｍｍ×４０ｍｍの発光面となってい
る。
体レーザーアレイスタック５から出るレーザービームの
拡がり角は、半導体レーザーエミッタ４自身の構造、ひ
いては、半導体レーザーアレイ１、半導体レーザーアレ
イスタック５の構造が原因で、レーザービームの拡がり
角が大きく、かつ、アンバランスが生じている。コリメ
ートレンズ６を用いて、多少は、改善されるが、現状で
は、レーザービーム拡がり角は、ファーストアクシスで
４ｍｒａｄ、スローアクシスで１７５ｍｒａｄのアンバ
ランスが生じている。また、基本的に、半導体レーザー
エミッタ４が２次元的に配列されているため、レーザー
ビームの発光面も、多点であり、面積的にも大きくなっ
ている。例えば、１ｋＷのレーザー出力（半導体レーザ
ーエミッタ４が５０×２０個の半導体レーザーアレイス
タック）では、１０ｍｍ×４０ｍｍの発光面となってい
る。
【００１４】そのため、通常の球面レンズで集光するだ
けであるならば、その集光レンズでのスポット径も、レ
ーザービーム拡がり角の値に比例した形状となる。例え
ば、焦点距離５０ｍｍの集光レンズで集光したときのス
ポット形は、ファーストアクシスで０．２ｍｍ（５０ｍ
ｍ×４ｍｒａｄ）、スローアクシスで８．７５ｍｍ（５
０ｍｍ×１７５ｍｒａｄ）となる。
けであるならば、その集光レンズでのスポット径も、レ
ーザービーム拡がり角の値に比例した形状となる。例え
ば、焦点距離５０ｍｍの集光レンズで集光したときのス
ポット形は、ファーストアクシスで０．２ｍｍ（５０ｍ
ｍ×４ｍｒａｄ）、スローアクシスで８．７５ｍｍ（５
０ｍｍ×１７５ｍｒａｄ）となる。
【００１５】このようなライン状のスポット径は、その
方向性に制限されるため、取扱いが非常に面倒となり、
対称的なスポット径が望まれている。また、現時点で
は、微小スポット径に絞ることができないため、微細レ
ーザー加工にも不適当である。
方向性に制限されるため、取扱いが非常に面倒となり、
対称的なスポット径が望まれている。また、現時点で
は、微小スポット径に絞ることができないため、微細レ
ーザー加工にも不適当である。
【００１６】この課題を解決するために、スローアクシ
ス側に、シリンドリカルコリメータを用いて、レーザー
ビームの品質（拡がり角）を改善する方法があるが、光
学系が非常に大きくなってしまうという欠点がある。
ス側に、シリンドリカルコリメータを用いて、レーザー
ビームの品質（拡がり角）を改善する方法があるが、光
学系が非常に大きくなってしまうという欠点がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、半導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列
方向であるスローアクシス方向に対し直交するファース
トアクシス方向に積層して形成される半導体レーザーア
レイスタックと、各々の半導体レーザーアレイから発振
されるレーザービームを、そのファーストアクシス方向
成分を概略平行ビームにコリメートするファーストコリ
メート光学系と、このコリメートされた各々のレーザー
ビームからなるレーザービーム群のファーストアクシス
方向のレーザービーム径を縮小すると共にそのレーザー
ビーム拡がり角を大きくする縮小シリンドリカルコリメ
ータ光学系と、前記レーザービーム群のスローアクシス
方向のレーザービーム径を拡大すると共にそのレーザー
ビーム拡がり角を小さくする第１拡大シリンドリカルコ
リメータ光学系と、前記光学系より出射したレーザービ
ームを、スローアクシス方向に分割し、分割された各々
のレーザービームを概略９０度回転させるマルチビーム
サーキュレータと、このマルチビームサーキュレータよ
り出射したレーザービームのファーストアクシス方向の
レーザービーム径を拡大すると共にそのレーザービーム
拡がり角を小さくする第２拡大シリンドリカルコリメー
タ光学系と、前記光学系より出射したレーザービームを
集光する集光光学系とを備えたことを特徴とする。
するため、半導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列
方向であるスローアクシス方向に対し直交するファース
トアクシス方向に積層して形成される半導体レーザーア
レイスタックと、各々の半導体レーザーアレイから発振
されるレーザービームを、そのファーストアクシス方向
成分を概略平行ビームにコリメートするファーストコリ
メート光学系と、このコリメートされた各々のレーザー
ビームからなるレーザービーム群のファーストアクシス
方向のレーザービーム径を縮小すると共にそのレーザー
ビーム拡がり角を大きくする縮小シリンドリカルコリメ
ータ光学系と、前記レーザービーム群のスローアクシス
方向のレーザービーム径を拡大すると共にそのレーザー
ビーム拡がり角を小さくする第１拡大シリンドリカルコ
リメータ光学系と、前記光学系より出射したレーザービ
ームを、スローアクシス方向に分割し、分割された各々
のレーザービームを概略９０度回転させるマルチビーム
サーキュレータと、このマルチビームサーキュレータよ
り出射したレーザービームのファーストアクシス方向の
レーザービーム径を拡大すると共にそのレーザービーム
拡がり角を小さくする第２拡大シリンドリカルコリメー
タ光学系と、前記光学系より出射したレーザービームを
集光する集光光学系とを備えたことを特徴とする。
【００１８】また本発明は上記課題を解決するため、半
導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列方向であるス
ローアクシス方向に対し直交するファーストアクシス方
向に積層して形成される半導体レーザーアレイスタック
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平
行ビームにコリメートするファーストコリメート光学系
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのスローアクシス方向成分のレーザービ
ーム拡がり角を低減するスローコリメート光学系と、こ
のコリメートされた各々のレーザービームからなるレー
ザービーム群のファーストアクシス方向のレーザービー
ム径を縮小すると共にそのレーザービーム拡がり角を大
きくする縮小シリンドリカルコリメータ光学系と、前記
レーザービーム群のスローアクシス方向のレーザービー
ム径を拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小
さくする第１拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、
前記光学系より出射したレーザービームを、スローアク
シス方向に分割し、分割された各々のレーザービームを
概略９０度回転させるマルチビームサーキュレータと、
このマルチビームサーキュレータより出射したレーザー
ビームのファーストアクシス方向のレーザービーム径を
拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小さくす
る第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、前記第
２拡大シリンドリカルコリメータ光学系より出射したレ
ーザービームを集光する集光光学系とを備えたことを特
徴とする。
導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列方向であるス
ローアクシス方向に対し直交するファーストアクシス方
向に積層して形成される半導体レーザーアレイスタック
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平
行ビームにコリメートするファーストコリメート光学系
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのスローアクシス方向成分のレーザービ
ーム拡がり角を低減するスローコリメート光学系と、こ
のコリメートされた各々のレーザービームからなるレー
ザービーム群のファーストアクシス方向のレーザービー
ム径を縮小すると共にそのレーザービーム拡がり角を大
きくする縮小シリンドリカルコリメータ光学系と、前記
レーザービーム群のスローアクシス方向のレーザービー
ム径を拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小
さくする第１拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、
前記光学系より出射したレーザービームを、スローアク
シス方向に分割し、分割された各々のレーザービームを
概略９０度回転させるマルチビームサーキュレータと、
このマルチビームサーキュレータより出射したレーザー
ビームのファーストアクシス方向のレーザービーム径を
拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小さくす
る第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、前記第
２拡大シリンドリカルコリメータ光学系より出射したレ
ーザービームを集光する集光光学系とを備えたことを特
徴とする。
【００１９】また本発明は上記課題を解決するため、半
導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列方向であるス
ローアクシス方向に対し直交するファーストアクシス方
向に積層して形成される半導体レーザーアレイスタック
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平
行ビームにコリメートするコリメート光学系と、このコ
リメートされた各々のレーザービームからなるレーザー
ビーム群を、そのスローアクシス方向に分割し、そのス
ローアクシス方向の直進性の低いレーザービーム成分を
９０度偏向させてファーストアクシス方向のレーザービ
ーム成分と合成するマルチカライドスコープと、このマ
ルチカライドスコープより出射したレーザービームを集
光する集光光学系とを備えたことを特徴とする。
導体レーザーアレイを、そのエミッタ配列方向であるス
ローアクシス方向に対し直交するファーストアクシス方
向に積層して形成される半導体レーザーアレイスタック
と、各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザ
ービームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平
行ビームにコリメートするコリメート光学系と、このコ
リメートされた各々のレーザービームからなるレーザー
ビーム群を、そのスローアクシス方向に分割し、そのス
ローアクシス方向の直進性の低いレーザービーム成分を
９０度偏向させてファーストアクシス方向のレーザービ
ーム成分と合成するマルチカライドスコープと、このマ
ルチカライドスコープより出射したレーザービームを集
光する集光光学系とを備えたことを特徴とする。
【００２０】上記各発明によれば、装置の大型化を招か
ないで、対照的かつ微小なスポット径（０．６ｍｍ×
０．６ｍｍ程度まで可能。）のスポットにレーザービー
ムを集光することができる。
ないで、対照的かつ微小なスポット径（０．６ｍｍ×
０．６ｍｍ程度まで可能。）のスポットにレーザービー
ムを集光することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明を、図面を参照し
ながら具体的に説明する。図４、図５は、本発明の第１
実施例を示し、図４は、ファーストアクシス方向、図５
は、スローアクシス方向に対する光学系のレイアウトを
示している。
ながら具体的に説明する。図４、図５は、本発明の第１
実施例を示し、図４は、ファーストアクシス方向、図５
は、スローアクシス方向に対する光学系のレイアウトを
示している。
【００２２】図４、図５において、５は半導体レーザー
アレイスタック、６はコリメートレンズ（ファーストコ
リメートレンズ）、７ａ・７ｂはファーストアクシス方
向の縮小シリンドリカルコリメータ、８ａ・８ｂはスロ
ーアクシス方向の第１拡大シリンドリカルコリメータ、
９はマルチビームサーキュレータ、１０ａ・１０ｂはフ
ァーストアクシス方向の第２拡大シリンドリカルコリメ
ータ、１１は集光レンズである。
アレイスタック、６はコリメートレンズ（ファーストコ
リメートレンズ）、７ａ・７ｂはファーストアクシス方
向の縮小シリンドリカルコリメータ、８ａ・８ｂはスロ
ーアクシス方向の第１拡大シリンドリカルコリメータ、
９はマルチビームサーキュレータ、１０ａ・１０ｂはフ
ァーストアクシス方向の第２拡大シリンドリカルコリメ
ータ、１１は集光レンズである。
【００２３】次に、具体的に、数値を示しながら、図
４、図５で示した集光光学系の機能について説明をす
る。
４、図５で示した集光光学系の機能について説明をす
る。
【００２４】本実施例において、半導体レーザーアレイ
スタック５は、１ｋＷのレーザー出力を有しており、従
来例で述べたように、５０個の半導体レーザーエミッタ
４からなる半導体レーザーアレイスタック５を搭載した
半導体レーザーアレイ１が、その厚み方向に２０個積層
されている。
スタック５は、１ｋＷのレーザー出力を有しており、従
来例で述べたように、５０個の半導体レーザーエミッタ
４からなる半導体レーザーアレイスタック５を搭載した
半導体レーザーアレイ１が、その厚み方向に２０個積層
されている。
【００２５】従来例で述べたように、この半導体レーザ
ーアレイスタック５から出るレーザービームの拡がり角
（全角）は、ファーストアクシス方向に３５度、スロー
アクシス方向に１０度となっている。また、レーザービ
ームの発光面、つまり、出口でのレーザービーム径は、
ファーストアクシス方向に４０ｍｍ、スローアクシス方
向に１０ｍｍとなっている。
ーアレイスタック５から出るレーザービームの拡がり角
（全角）は、ファーストアクシス方向に３５度、スロー
アクシス方向に１０度となっている。また、レーザービ
ームの発光面、つまり、出口でのレーザービーム径は、
ファーストアクシス方向に４０ｍｍ、スローアクシス方
向に１０ｍｍとなっている。
【００２６】この２０個の半導体レーザーアレイ１に搭
載されている半導体レーザーエミッタ４の前方には、そ
れぞれ、コリメートレンズ６が取付けられている。図６
には、１個の半導体レーザーアレイ１と、それに搭載さ
れているコリメートレンズ６の側面図を示している。図
６において、２は半導体レーザーアレイチップ、３はヒ
ートシンク、１２は半導体レーザーアレイチップ２から
出たレーザービームである。
載されている半導体レーザーエミッタ４の前方には、そ
れぞれ、コリメートレンズ６が取付けられている。図６
には、１個の半導体レーザーアレイ１と、それに搭載さ
れているコリメートレンズ６の側面図を示している。図
６において、２は半導体レーザーアレイチップ、３はヒ
ートシンク、１２は半導体レーザーアレイチップ２から
出たレーザービームである。
【００２７】このコリメートレンズ６により、ファース
トアクシス方向に拡がっていくレーザービームを、概略
平行ビームにすることができる。その結果、ファースト
アクシス方向のビーム拡がり角（全角）は、３５度から
０. ２４度（４ｍｒａｄ）に改善される。一方、スロー
アクシス方向のビーム拡がり角（全角）は、１０度、つ
まり１７５ｍｒａｄとなっている。
トアクシス方向に拡がっていくレーザービームを、概略
平行ビームにすることができる。その結果、ファースト
アクシス方向のビーム拡がり角（全角）は、３５度から
０. ２４度（４ｍｒａｄ）に改善される。一方、スロー
アクシス方向のビーム拡がり角（全角）は、１０度、つ
まり１７５ｍｒａｄとなっている。
【００２８】次に、ファーストアクシス方向レーザービ
ームを、縮小シリンドリカルコリメータ７ａ・７ｂによ
り、１／３に縮小すると、その拡がり角（全角）は３
倍、つまり、１２ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は１／３、つまり１３．３３ｍｍとなる。
ームを、縮小シリンドリカルコリメータ７ａ・７ｂによ
り、１／３に縮小すると、その拡がり角（全角）は３
倍、つまり、１２ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は１／３、つまり１３．３３ｍｍとなる。
【００２９】スローアクシス方向レーザービームについ
ては、第１拡大シリンドリカルコリメータ８ａ・８ｂに
より、５倍に拡大すると、その拡がり角（全角）は１／
５倍、つまり３５ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は５倍、つまり５０ｍｍとなる。
ては、第１拡大シリンドリカルコリメータ８ａ・８ｂに
より、５倍に拡大すると、その拡がり角（全角）は１／
５倍、つまり３５ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は５倍、つまり５０ｍｍとなる。
【００３０】次に、これらの光学系を通ってきたレーザ
ービームに対して、スローアクシス方向に、そのレーザ
ービームを複数個（例えば、１０個）に分割する。更に
分割された各々のレーザービームを９０度回転させる。
本発明においては、レーザービームを分割し、かつ、分
割された各々のレーザービームを９０度回転させる機能
を有する部材を、マルチビームサーキュレータ９と呼ん
でいる。マクロ的にみると、このマルチビームサーキュ
レータ９により、ファーストアクシスとスローアクシス
のレーザービームの拡がり角が入れ替わる。
ービームに対して、スローアクシス方向に、そのレーザ
ービームを複数個（例えば、１０個）に分割する。更に
分割された各々のレーザービームを９０度回転させる。
本発明においては、レーザービームを分割し、かつ、分
割された各々のレーザービームを９０度回転させる機能
を有する部材を、マルチビームサーキュレータ９と呼ん
でいる。マクロ的にみると、このマルチビームサーキュ
レータ９により、ファーストアクシスとスローアクシス
のレーザービームの拡がり角が入れ替わる。
【００３１】そのため、マルチビームサーキュレータ９
を通ってきたレーザービームのファーストアクシス方向
のビーム径は１３．３３ｍｍ、拡がり角は３５ｍｒａｄ
となり、スローアクシス方向のビーム径は５０ｍｍ、拡
がり角は１２ｍｒａｄとなる。
を通ってきたレーザービームのファーストアクシス方向
のビーム径は１３．３３ｍｍ、拡がり角は３５ｍｒａｄ
となり、スローアクシス方向のビーム径は５０ｍｍ、拡
がり角は１２ｍｒａｄとなる。
【００３２】次に、ファーストアクシス方向の第２拡大
シリンドリカルコリメータ１０ａ・１０ｂにより、レー
ザービームはファーストアクシス方向にだけ、３倍に拡
大される。そのため、ファーストアクシス方向のビーム
径は４０ｍｍ、拡がり角は１２ｍｒａｄとなる。
シリンドリカルコリメータ１０ａ・１０ｂにより、レー
ザービームはファーストアクシス方向にだけ、３倍に拡
大される。そのため、ファーストアクシス方向のビーム
径は４０ｍｍ、拡がり角は１２ｍｒａｄとなる。
【００３３】そして、最後に、集光レンズ１１により、
レーザービームが集光される。例えば、集光レンズ１１
の焦点距離が５０ｍｍのとき、集光スポット径は、０．
６ｍｍ×０．６ｍｍとなる。
レーザービームが集光される。例えば、集光レンズ１１
の焦点距離が５０ｍｍのとき、集光スポット径は、０．
６ｍｍ×０．６ｍｍとなる。
【００３４】このように、本発明によると、集光スポッ
ト径は、０．６ｍｍ×０．６ｍｍといった対称的なスポ
ット径を得ることができる。更には、径０．６ｍｍとい
う大きさまで、 集光することができる。
ト径は、０．６ｍｍ×０．６ｍｍといった対称的なスポ
ット径を得ることができる。更には、径０．６ｍｍとい
う大きさまで、 集光することができる。
【００３５】次に、 マルチビームサーキュレータ９の１
例について、 プリズム１４を用いた方式を例に挙げて、
図７以降の図面を参照しながら述べる。
例について、 プリズム１４を用いた方式を例に挙げて、
図７以降の図面を参照しながら述べる。
【００３６】図７はプリズム１４の側面図、 図８はプリ
ズム１４の上面図である。本実施例において、 プリズム
は６面体をなしており、 それぞれの面をＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆとする。面Ｂと面Ｄ、面Ｅと面Ｆとは、それ
ぞれ、平行な面である。また、面Ａと面Ｂとのなす角α
と、面Ｂと面Ｃとのなす角βとは、等しい。
ズム１４の上面図である。本実施例において、 プリズム
は６面体をなしており、 それぞれの面をＡ、Ｂ、Ｃ、
Ｄ、Ｅ、Ｆとする。面Ｂと面Ｄ、面Ｅと面Ｆとは、それ
ぞれ、平行な面である。また、面Ａと面Ｂとのなす角α
と、面Ｂと面Ｃとのなす角βとは、等しい。
【００３７】次に、このプリズム１４の機能を、図９を
用いて説明する。レーザービーム１５は、プリズム１４
の入射面Ａから入射するとき、その入射面Ａで屈折す
る。その屈折角度は、プリズム１４の屈折率に依存して
いる。更に、入射してきたレーザービーム１５は、プリ
ズム１４の全反射面Ｂで全反射する。その後、レーザー
ビーム１６は、プリズム１４の透過面Ｃを透過して、プ
リズム１４の外部（大気中）に、屈折されたレーザービ
ーム１７が出ていく。
用いて説明する。レーザービーム１５は、プリズム１４
の入射面Ａから入射するとき、その入射面Ａで屈折す
る。その屈折角度は、プリズム１４の屈折率に依存して
いる。更に、入射してきたレーザービーム１５は、プリ
ズム１４の全反射面Ｂで全反射する。その後、レーザー
ビーム１６は、プリズム１４の透過面Ｃを透過して、プ
リズム１４の外部（大気中）に、屈折されたレーザービ
ーム１７が出ていく。
【００３８】本実施例では、面Ａと面Ｂとのなす角α
と、面Ｂと面Ｃとのなす角βとが等しいため、プリズム
１４への入射レーザービーム１５と出射レーザービーム
１７とは平行ビームとなる。また、面Ａと面Ｂとのなす
角α（又は、面Ｂと面Ｃとのなす角β）と、全反射面Ｂ
の長さとを最適に設定することにより、プリズム１４へ
の入射レーザービーム１５と出射レーザービーム１７と
を、同一光軸上にすることができる。
と、面Ｂと面Ｃとのなす角βとが等しいため、プリズム
１４への入射レーザービーム１５と出射レーザービーム
１７とは平行ビームとなる。また、面Ａと面Ｂとのなす
角α（又は、面Ｂと面Ｃとのなす角β）と、全反射面Ｂ
の長さとを最適に設定することにより、プリズム１４へ
の入射レーザービーム１５と出射レーザービーム１７と
を、同一光軸上にすることができる。
【００３９】次に、図１０で示した、入射レーザービー
ム１５の像は、プリズム１４内部で全反射されるため、
図面上で、上下反転した出射レーザービーム１７として
出てくる。具体的には、入射レーザービーム１５の上方
向の矢印像が、出射レーザービーム１７では下向きの像
となる。つまり、像は、１８０度回転する。
ム１５の像は、プリズム１４内部で全反射されるため、
図面上で、上下反転した出射レーザービーム１７として
出てくる。具体的には、入射レーザービーム１５の上方
向の矢印像が、出射レーザービーム１７では下向きの像
となる。つまり、像は、１８０度回転する。
【００４０】また、図１１に示したように、プリズム１
４への入射レーザービーム１５の像が４５度傾いている
とき、その出射レーザービーム１７の像は、入射レーザ
ービーム１５の像に対して、９０度回転する。逆に、入
射レーザービーム１５に対して、プリズム１４を４５度
傾けることにより、プリズム１４から出る出射レーザー
ビーム１７を９０度回転させることができる。
４への入射レーザービーム１５の像が４５度傾いている
とき、その出射レーザービーム１７の像は、入射レーザ
ービーム１５の像に対して、９０度回転する。逆に、入
射レーザービーム１５に対して、プリズム１４を４５度
傾けることにより、プリズム１４から出る出射レーザー
ビーム１７を９０度回転させることができる。
【００４１】図１２は、このプリズム１４を多数並べた
例である。本実施例では、５個のプリズム１４を、ずら
せながら、設置している。この集合したマルチプリズム
１８に対して、図１２（ａ）に示すように、入射レーザ
ービーム１５を４５度傾けることにより、出射レーザー
ビーム１７を入射レーザービーム１５に対して９０度回
転させることができる。
例である。本実施例では、５個のプリズム１４を、ずら
せながら、設置している。この集合したマルチプリズム
１８に対して、図１２（ａ）に示すように、入射レーザ
ービーム１５を４５度傾けることにより、出射レーザー
ビーム１７を入射レーザービーム１５に対して９０度回
転させることができる。
【００４２】従って、マルチビームサーキュレータ９と
して、マルチプリズム１８を、図１２（ａ）に示すよう
に配置することにより、直交している、ファーストアク
シスとスローアクシスとのレーザービーム成分を、図１
２（ｂ）に示すように、入れ替えることができる。な
お、マルチプリズム１８は、各プリズム１４の全反射面
Ｂがファーストアクシスとスローアクシスとがなす面に
直交すると共に、ファーストアクシスおよびスローアク
シスの両者にそれぞれ４５゜で交差するように配置され
ている。
して、マルチプリズム１８を、図１２（ａ）に示すよう
に配置することにより、直交している、ファーストアク
シスとスローアクシスとのレーザービーム成分を、図１
２（ｂ）に示すように、入れ替えることができる。な
お、マルチプリズム１８は、各プリズム１４の全反射面
Ｂがファーストアクシスとスローアクシスとがなす面に
直交すると共に、ファーストアクシスおよびスローアク
シスの両者にそれぞれ４５゜で交差するように配置され
ている。
【００４３】次に本発明の第２実施例を、図１３、図１
４を参照しながら説明する。
４を参照しながら説明する。
【００４４】半導体レーザーアレイスタック５から出た
レーザービームは、コリメートレンズ６で、概略平行な
レーザービームとなり、マルチカライドスコープ１９を
用いて、ファーストアクシス方向のレーザービームはそ
のまま直進させ、一方、スローアクシス方向において
は、その方向にレーザービームを複数個に分割し、更
に、そのスローアクシス方向のレーザービーム成分の直
進性が高いレーザービーム成分を直進させ、直進性の低
いレーザービーム成分を９０度偏向させ、ファーストア
クシス方向のレーザービーム成分と合成させる。
レーザービームは、コリメートレンズ６で、概略平行な
レーザービームとなり、マルチカライドスコープ１９を
用いて、ファーストアクシス方向のレーザービームはそ
のまま直進させ、一方、スローアクシス方向において
は、その方向にレーザービームを複数個に分割し、更
に、そのスローアクシス方向のレーザービーム成分の直
進性が高いレーザービーム成分を直進させ、直進性の低
いレーザービーム成分を９０度偏向させ、ファーストア
クシス方向のレーザービーム成分と合成させる。
【００４５】マルチカライドスコープ１９から出たレー
ザービームは、スローアクシス方向の品質が上がり、逆
に、ファーストアクシス方向の品質が低下し、トータル
的にみると、両軸（ファーストアクシス、スローアクシ
ス）の品質が近づくため、集光レンズ１１でそのレーザ
ービームを集光させると、対称的で微小な集光スポット
径が得られる。
ザービームは、スローアクシス方向の品質が上がり、逆
に、ファーストアクシス方向の品質が低下し、トータル
的にみると、両軸（ファーストアクシス、スローアクシ
ス）の品質が近づくため、集光レンズ１１でそのレーザ
ービームを集光させると、対称的で微小な集光スポット
径が得られる。
【００４６】次に、上記で示したマルチカライドスコー
プ１９の機能について、図１５を参照しながら説明をす
る。図１５は、マルチカライドスコープ１９の光軸方向
の断面図であり、長方形の断面形状をした角柱のガラス
基板２０が、複数個並列に並んでいる。さらに、これら
ガラス基板２０は、その入射面がそれぞれ、ファースト
アクシスとスローアクシスとのなす面と平行で、スロー
アクシスに対して４５度傾いて配置されている。つま
り、本図において、図面上で、縦軸方向がファーストア
クシス方向、横軸方向がスローアクシス方向となってい
る。
プ１９の機能について、図１５を参照しながら説明をす
る。図１５は、マルチカライドスコープ１９の光軸方向
の断面図であり、長方形の断面形状をした角柱のガラス
基板２０が、複数個並列に並んでいる。さらに、これら
ガラス基板２０は、その入射面がそれぞれ、ファースト
アクシスとスローアクシスとのなす面と平行で、スロー
アクシスに対して４５度傾いて配置されている。つま
り、本図において、図面上で、縦軸方向がファーストア
クシス方向、横軸方向がスローアクシス方向となってい
る。
【００４７】図１６に示すように、ファーストアクシス
方向のレーザービーム成分は、レーザービーム拡がり角
が小さくビームの直進性が高いため、このマルチカライ
ドスコープ１９をそのまま直進し、通過していく。
方向のレーザービーム成分は、レーザービーム拡がり角
が小さくビームの直進性が高いため、このマルチカライ
ドスコープ１９をそのまま直進し、通過していく。
【００４８】一方、図１７に示すように、スローアクシ
ス方向のレーザービーム成分は、ある程度のビーム拡が
り角を持っている。そのため、そのレーザービーム成分
の直進性の高いレーザービームは、このマルチカライド
スコープ１９をそのまま直進し、通過していくが、直進
性の悪いレーザービームは、各々のガラス基板２０の側
面で反射され、レーザービームが９０度方向を曲げられ
る。その方向は、ファーストアクシス方向となる。
ス方向のレーザービーム成分は、ある程度のビーム拡が
り角を持っている。そのため、そのレーザービーム成分
の直進性の高いレーザービームは、このマルチカライド
スコープ１９をそのまま直進し、通過していくが、直進
性の悪いレーザービームは、各々のガラス基板２０の側
面で反射され、レーザービームが９０度方向を曲げられ
る。その方向は、ファーストアクシス方向となる。
【００４９】つまり、このマルチカライドスコープ１９
からでるレーザービームのファーストアクシス成分は、
マルチカライドスコープ１９に入るレーザービームのフ
ァーストアクシス成分と、マルチカライドスコープ１９
に入るレーザービームのスローアクシス成分の直進性が
悪い成分との合成ビームとなる。一方、このマルチカラ
イドスコープ１９からでるレーザービームのスローアク
シス成分は、マルチカライドスコープ１９に入るレーザ
ービームのスローアクシス成分の直進性が良い成分だけ
となる。
からでるレーザービームのファーストアクシス成分は、
マルチカライドスコープ１９に入るレーザービームのフ
ァーストアクシス成分と、マルチカライドスコープ１９
に入るレーザービームのスローアクシス成分の直進性が
悪い成分との合成ビームとなる。一方、このマルチカラ
イドスコープ１９からでるレーザービームのスローアク
シス成分は、マルチカライドスコープ１９に入るレーザ
ービームのスローアクシス成分の直進性が良い成分だけ
となる。
【００５０】次に本発明の第３実施例を、図１８、図１
９、図２０および第１実施例の説明に用いた各図を参照
しながら説明する。
９、図２０および第１実施例の説明に用いた各図を参照
しながら説明する。
【００５１】図１８、図１９において、５は半導体レー
ザーアレイスタック、６はファーストコリメートレン
ズ、３３はスローコリメートレンズ、７ａ・７ｂはファ
ーストアクシス方向の縮小シリンドリカルコリメータ、
８ａ・８ｂはスローアクシス方向の第１拡大シリンドリ
カルコリメータ、９はマルチビームサーキュレータ、１
０ａ・１０ｂはファーストアクシス方向の第２拡大シリ
ンドリカルコリメータ、１１は集光レンズである。
ザーアレイスタック、６はファーストコリメートレン
ズ、３３はスローコリメートレンズ、７ａ・７ｂはファ
ーストアクシス方向の縮小シリンドリカルコリメータ、
８ａ・８ｂはスローアクシス方向の第１拡大シリンドリ
カルコリメータ、９はマルチビームサーキュレータ、１
０ａ・１０ｂはファーストアクシス方向の第２拡大シリ
ンドリカルコリメータ、１１は集光レンズである。
【００５２】次に、具体的に、数値を示しながら、図１
８、図１９で示した集光光学系の機能について説明をす
る。
８、図１９で示した集光光学系の機能について説明をす
る。
【００５３】本実施例において、半導体レーザーアレイ
スタック５（図３参照）は、１ｋＷのレーザー出力を有
しており、従来例で述べたように、５０個の半導体レー
ザーエミッタ４からなる半導体レーザーアレイスタック
５を搭載した半導体レーザーアレイ１が、その厚み方向
に２０個積層されている。
スタック５（図３参照）は、１ｋＷのレーザー出力を有
しており、従来例で述べたように、５０個の半導体レー
ザーエミッタ４からなる半導体レーザーアレイスタック
５を搭載した半導体レーザーアレイ１が、その厚み方向
に２０個積層されている。
【００５４】従来例で述べたように、この半導体レーザ
ーアレイスタック５から出るレーザービームの拡がり角
（全角）は、ファーストアクシス方向に３５度、スロー
アクシス方向に１０度となっている。また、レーザービ
ームの発光面、つまり、出口でのレーザービーム径は、
ファーストアクシス方向に４０ｍｍ、スローアクシス方
向に１０ｍｍとなっている。
ーアレイスタック５から出るレーザービームの拡がり角
（全角）は、ファーストアクシス方向に３５度、スロー
アクシス方向に１０度となっている。また、レーザービ
ームの発光面、つまり、出口でのレーザービーム径は、
ファーストアクシス方向に４０ｍｍ、スローアクシス方
向に１０ｍｍとなっている。
【００５５】この２０個の半導体レーザーアレイ１に搭
載されている半導体レーザーエミッタ４の前方には、そ
れぞれ、ファーストコリメートレンズ６が取付けられて
いる。図６には、１個の半導体レーザーアレイ１と、そ
れに搭載されているファーストコリメートレンズ６の側
面図を示している。図６において、２は半導体レーザー
アレイチップ、３はヒートシンク、１２は半導体レーザ
ーアレイチップ２から出たレーザービームである。
載されている半導体レーザーエミッタ４の前方には、そ
れぞれ、ファーストコリメートレンズ６が取付けられて
いる。図６には、１個の半導体レーザーアレイ１と、そ
れに搭載されているファーストコリメートレンズ６の側
面図を示している。図６において、２は半導体レーザー
アレイチップ、３はヒートシンク、１２は半導体レーザ
ーアレイチップ２から出たレーザービームである。
【００５６】このファーストコリメートレンズ６によ
り、ファーストアクシス方向に拡がっていくレーザービ
ームを、概略平行ビームにすることができる。その結
果、ファーストアクシス方向のビーム拡がり角（全角）
は、３５度から０. ２４度（４ｍｒａｄ）に改善され
る。一方、スローアクシス方向のビーム拡がり角（全
角）は、１０度、つまり１７５ｍｒａｄとなっている。
り、ファーストアクシス方向に拡がっていくレーザービ
ームを、概略平行ビームにすることができる。その結
果、ファーストアクシス方向のビーム拡がり角（全角）
は、３５度から０. ２４度（４ｍｒａｄ）に改善され
る。一方、スローアクシス方向のビーム拡がり角（全
角）は、１０度、つまり１７５ｍｒａｄとなっている。
【００５７】さらに、このファーストコリメートレンズ
６の前方にはスローコリメートレンズ３３が配設されて
いる。このスローコリメートレンズ３３の１例を図２０
を参照して説明する。なお、本図においては、スローア
クシス方向のレーザービームの伝播を理解しやすくする
ために、ファーストコリメートレンズ６を省いている。
６の前方にはスローコリメートレンズ３３が配設されて
いる。このスローコリメートレンズ３３の１例を図２０
を参照して説明する。なお、本図においては、スローア
クシス方向のレーザービームの伝播を理解しやすくする
ために、ファーストコリメートレンズ６を省いている。
【００５８】図２０において、２は半導体レーザーアレ
イチップ、４は半導体レーザーエミッタ、３３はスロー
コリメートレンズ（レーザービームのスローアクシス方
向成分のレーザービーム拡がり角を低減するレンズをこ
のように称す。）である。半導体レーザーエミッタ４は
２００μｍピッチで並べられており、その幅は１００μ
ｍ、そのビーム拡がり角（全角）θ3は１７５ｍｒａｄ
である。スローコリメートレンズ３３は、半導体レーザ
ーエミッタ４と同数のシリンドリカルレンズ３３ａで構
成されている。各シリンドリカルレンズ３３ａの幅は２
００μｍであり、そのピッチも２００μｍである。また
各シリンドリカルレンズ３３ａは、対応する半導体レー
ザーエミッタ４の前方に設置されている。
イチップ、４は半導体レーザーエミッタ、３３はスロー
コリメートレンズ（レーザービームのスローアクシス方
向成分のレーザービーム拡がり角を低減するレンズをこ
のように称す。）である。半導体レーザーエミッタ４は
２００μｍピッチで並べられており、その幅は１００μ
ｍ、そのビーム拡がり角（全角）θ3は１７５ｍｒａｄ
である。スローコリメートレンズ３３は、半導体レーザ
ーエミッタ４と同数のシリンドリカルレンズ３３ａで構
成されている。各シリンドリカルレンズ３３ａの幅は２
００μｍであり、そのピッチも２００μｍである。また
各シリンドリカルレンズ３３ａは、対応する半導体レー
ザーエミッタ４の前方に設置されている。
【００５９】半導体レーザーエミッタ４から出たレーザ
ービームは、それに対応するシリンドリカルレンズ３３
ａに入射し、ここを通過したときにレーザービーム拡が
り角θ4が、半導体レーザーエミッタ４から出た際のレ
ーザービーム拡がり角θ3の１／２、すなわち８７．５
ｍｒａｄとなる。
ービームは、それに対応するシリンドリカルレンズ３３
ａに入射し、ここを通過したときにレーザービーム拡が
り角θ4が、半導体レーザーエミッタ４から出た際のレ
ーザービーム拡がり角θ3の１／２、すなわち８７．５
ｍｒａｄとなる。
【００６０】なお本実施例では、各半導体レーザーアレ
イチップ２に対して、それぞれスローコリメートレンズ
３３が必要であるが、半導体レーザーアレイチップ２を
積層して半導体レーザースタック５を形成するとき、各
半導体レーザーアレイチップ２の半導体レーザーエミッ
タ４の位置をすべてファーストアクシス方向に１直線上
に揃えるようにすれば、この半導体レーザーアレイスタ
ック５に対し、１個のスローコリメートレンズ３３です
ませることができる。
イチップ２に対して、それぞれスローコリメートレンズ
３３が必要であるが、半導体レーザーアレイチップ２を
積層して半導体レーザースタック５を形成するとき、各
半導体レーザーアレイチップ２の半導体レーザーエミッ
タ４の位置をすべてファーストアクシス方向に１直線上
に揃えるようにすれば、この半導体レーザーアレイスタ
ック５に対し、１個のスローコリメートレンズ３３です
ませることができる。
【００６１】次に、ファーストアクシス方向レーザービ
ームを、縮小シリンドリカルコリメータ７ａ・７ｂによ
り、１／３に縮小すると、その拡がり角（全角）は３
倍、つまり、１２ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は１／３、つまり１３．３３ｍｍとなる。
ームを、縮小シリンドリカルコリメータ７ａ・７ｂによ
り、１／３に縮小すると、その拡がり角（全角）は３
倍、つまり、１２ｍｒａｄとなる。一方、レーザービー
ム径は１／３、つまり１３．３３ｍｍとなる。
【００６２】スローアクシス方向レーザービームについ
ては、第１拡大シリンドリカルコリメータ８ａ・８ｂに
より、２．５倍に拡大すると、その拡がり角（全角）は
１／２．５倍、つまり３５ｍｒａｄとなる。一方、レー
ザービーム径は２．５倍、つまり２５ｍｍとなる。
ては、第１拡大シリンドリカルコリメータ８ａ・８ｂに
より、２．５倍に拡大すると、その拡がり角（全角）は
１／２．５倍、つまり３５ｍｒａｄとなる。一方、レー
ザービーム径は２．５倍、つまり２５ｍｍとなる。
【００６３】次に、これらの光学系を通ってきたレーザ
ービームに対して、スローアクシス方向に、そのレーザ
ービームを複数個（例えば、１０個）に分割する。更に
分割された各々のレーザービームを９０度回転させる。
このようにレーザービームを分割し、かつ、分割された
各々のレーザービームを９０度回転させる機能を有する
部材として、第１実施例において詳述したマルチビーム
サーキュレータ９を用いている。そしてマクロ的にみる
と、このマルチビームサーキュレータ９により、ファー
ストアクシスとスローアクシスのレーザービームの拡が
り角が入れ替わる。
ービームに対して、スローアクシス方向に、そのレーザ
ービームを複数個（例えば、１０個）に分割する。更に
分割された各々のレーザービームを９０度回転させる。
このようにレーザービームを分割し、かつ、分割された
各々のレーザービームを９０度回転させる機能を有する
部材として、第１実施例において詳述したマルチビーム
サーキュレータ９を用いている。そしてマクロ的にみる
と、このマルチビームサーキュレータ９により、ファー
ストアクシスとスローアクシスのレーザービームの拡が
り角が入れ替わる。
【００６４】そのため、マルチビームサーキュレータ９
を通ってきたレーザービームのファーストアクシス方向
のビーム径は１３．３３ｍｍ、拡がり角は３５ｍｒａｄ
となり、スローアクシス方向のビーム径は２５ｍｍ、拡
がり角は１２ｍｒａｄとなる。
を通ってきたレーザービームのファーストアクシス方向
のビーム径は１３．３３ｍｍ、拡がり角は３５ｍｒａｄ
となり、スローアクシス方向のビーム径は２５ｍｍ、拡
がり角は１２ｍｒａｄとなる。
【００６５】次に、ファーストアクシス方向の第２拡大
シリンドリカルコリメータ１０ａ・１０ｂにより、レー
ザービームはファーストアクシス方向にだけ、３倍に拡
大される。そのため、ファーストアクシス方向のビーム
径は４０ｍｍ、拡がり角は１２ｍｒａｄとなる。
シリンドリカルコリメータ１０ａ・１０ｂにより、レー
ザービームはファーストアクシス方向にだけ、３倍に拡
大される。そのため、ファーストアクシス方向のビーム
径は４０ｍｍ、拡がり角は１２ｍｒａｄとなる。
【００６６】そして、最後に、集光レンズ１１により、
レーザービームが集光される。例えば、集光レンズ１１
の焦点距離が５０ｍｍのとき、集光スポット径は、０．
６ｍｍ×０．６ｍｍとなる。
レーザービームが集光される。例えば、集光レンズ１１
の焦点距離が５０ｍｍのとき、集光スポット径は、０．
６ｍｍ×０．６ｍｍとなる。
【００６７】このように、本発明によると、集光スポッ
ト径は、０．６ｍｍ×０．６ｍｍといった対称的なスポ
ット径を得ることができる。更には、径０．６ｍｍとい
う大きさまで、 集光することができる。
ト径は、０．６ｍｍ×０．６ｍｍといった対称的なスポ
ット径を得ることができる。更には、径０．６ｍｍとい
う大きさまで、 集光することができる。
【００６８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザー加工装置および半導体レーザー加工方法によれ
ば、コンパクトな光学系を用いながら、幾何学的に対称
的でかつ微小なスポット径のスポットにレーザービーム
を集光することができる。
ーザー加工装置および半導体レーザー加工方法によれ
ば、コンパクトな光学系を用いながら、幾何学的に対称
的でかつ微小なスポット径のスポットにレーザービーム
を集光することができる。
【図１】半導体レーザーアレイの斜視図。
【図２】半導体レーザーアレイスタックの斜視図。
【図３】コリメートレンズを付けた半導体レーザーアレ
イスタックを示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は原理
図。
イスタックを示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は原理
図。
【図４】本発明の第１実施例における集光光学系のファ
ーストアクシス方向の断面図。
ーストアクシス方向の断面図。
【図５】本発明の第１実施例における集光光学系のスロ
ーアクシス方向の断面図。
ーアクシス方向の断面図。
【図６】ファーストコリメートレンズを付けた半導体レ
ーザーアレイの断面図。
ーザーアレイの断面図。
【図７】プリズムの側面図。
【図８】プリズムの上面図。
【図９】プリズムの側面図。
【図１０】１８０度回転するレーザービームの説明図。
【図１１】９０度回転するレーザービームの説明図。
【図１２】マルチプリズムの原理を示し、（ａ）は側面
図、（ｂ）は変換前後のレーザービーム像を原理的に示
す図。
図、（ｂ）は変換前後のレーザービーム像を原理的に示
す図。
【図１３】本発明の第２実施例におけるマルチカライド
スコープによる集光光学系のファーストアクシス方向の
断面図。
スコープによる集光光学系のファーストアクシス方向の
断面図。
【図１４】本発明の第２実施例におけるマルチカライド
スコープによる集光光学系のスローアクシス方向の断面
図。
スコープによる集光光学系のスローアクシス方向の断面
図。
【図１５】マルチカライドスコープの断面図。
【図１６】ファーストアクシスレーザービームとマルチ
カライドスコープの断面図。
カライドスコープの断面図。
【図１７】スローアクシスレーザービームとマルチカラ
イドスコープの断面図。
イドスコープの断面図。
【図１８】本発明の第３実施例における集光光学系のフ
ァーストアクシス方向の概略図。
ァーストアクシス方向の概略図。
【図１９】その集光光学系のスローアクシス方向の概略
図。
図。
【図２０】スローコリメートレンズと半導体レーザーア
レイとの関係を示す図。
レイとの関係を示す図。
１ 半導体レーザーアレイ ２ 半導体レーザーアレイチップ ３ ヒートシンク ４ 半導体レーザーエミッタ ５ 半導体レーザーアレイスタック ６ コリメートレンズ（ファーストコリメートレン
ズ） ７ａ・７ｂ 縮小シリンドリカルコリメータ ８ａ・８ｂ 第１拡大シリンドリカルコリメータ ９ マルチビームサーキュレータ １０ａ・１０ｂ 第２拡大シリンドリカルコリメータ １１ 集光レンズ １４ プリズム １８ マルチプリズム １９ マルチカライドスコープ ２０ ガラス基板 ３３ スローコリメートレンズ
ズ） ７ａ・７ｂ 縮小シリンドリカルコリメータ ８ａ・８ｂ 第１拡大シリンドリカルコリメータ ９ マルチビームサーキュレータ １０ａ・１０ｂ 第２拡大シリンドリカルコリメータ １１ 集光レンズ １４ プリズム １８ マルチプリズム １９ マルチカライドスコープ ２０ ガラス基板 ３３ スローコリメートレンズ
Claims (10)
- 【請求項１】 半導体レーザーアレイを、そのエミッタ
配列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファ
ーストアクシス方向に積層して形成される半導体レーザ
ーアレイスタックと、 各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザービ
ームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平行ビ
ームにコリメートするファーストコリメート光学系と、 このコリメートされた各々のレーザービームからなるレ
ーザービーム群のファーストアクシス方向のレーザービ
ーム径を縮小すると共にそのレーザービーム拡がり角を
大きくする縮小シリンドリカルコリメータ光学系と、 前記レーザービーム群のスローアクシス方向のレーザー
ビーム径を拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角
を小さくする第１拡大シリンドリカルコリメータ光学系
と、 前記光学系より出射したレーザービームを、スローアク
シス方向に分割し、分割された各々のレーザービームを
概略９０度回転させるマルチビームサーキュレータと、 このマルチビームサーキュレータより出射したレーザー
ビームのファーストアクシス方向のレーザービーム径を
拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小さくす
る第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、 前記第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系より出射
したレーザービームを集光する集光光学系とを備えたこ
とを特徴とする半導体レーザー加工装置。 - 【請求項２】 半導体レーザーアレイを、そのエミッタ
配列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファ
ーストアクシス方向に積層して形成される半導体レーザ
ーアレイスタックと、 各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザービ
ームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平行ビ
ームにコリメートするファーストコリメート光学系と、 各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザービ
ームを、そのスローアクシス方向成分のレーザービーム
拡がり角を低減するスローコリメート光学系と、 このコリメートされた各々のレーザービームからなるレ
ーザービーム群のファーストアクシス方向のレーザービ
ーム径を縮小すると共にそのレーザービーム拡がり角を
大きくする縮小シリンドリカルコリメータ光学系と、 前記レーザービーム群のスローアクシス方向のレーザー
ビーム径を拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角
を小さくする第１拡大シリンドリカルコリメータ光学系
と、 前記光学系より出射したレーザービームを、スローアク
シス方向に分割し、分割された各々のレーザービームを
概略９０度回転させるマルチビームサーキュレータと、 このマルチビームサーキュレータより出射したレーザー
ビームのファーストアクシス方向のレーザービーム径を
拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を小さくす
る第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系と、 前記第２拡大シリンドリカルコリメータ光学系より出射
したレーザービームを集光する集光光学系とを備えたこ
とを特徴とする半導体レーザー加工装置。 - 【請求項３】 マルチビームサーキュレータは、プリズ
ムを複数個並列に配置したマルチプリズムからなるもの
である請求項１または２記載の半導体レーザー加工装
置。 - 【請求項４】 プリズムは、入射レーザービームを屈折
させる面と、プリズムに入射して屈折されたレーザービ
ームをプリズム内部で全反射する面と、その全反射した
レーザービームを屈折させてプリズムの外部へ透過させ
る面とを備えたものである請求項３記載の半導体レーザ
ー加工装置。 - 【請求項５】 入射レーザービームを屈折させる面とプ
リズム内部で全反射する面とのなす角と、プリズム内部
で全反射する面とプリズムの外部へ透過させる面とのな
す角とが、概略同じである請求項４記載の半導体レーザ
ー加工装置。 - 【請求項６】 半導体レーザーアレイをそのエミッタ配
列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファー
ストアクシス方向に積層して、そこから発振されるレー
ザービームをそのファーストアクシス方向成分について
概略平行ビームにコリメートする工程と、このコリメー
トされた各々のレーザービームを、そのファーストアク
シス方向のレーザービーム径を縮小すると共にそのレー
ザービーム拡がり角を大きくする一方、そのスローアク
シス方向のレーザービーム径を拡大すると共にそのレー
ザービーム拡がり角を小さくする工程と、次いでレーザ
ービームをスローアクシス方向に分割し、更に、分割さ
れた各々のレーザービームを概略９０度回転させる工程
と、ファーストアクシス方向のレーザービーム径を拡大
すると共にそのレーザービーム拡がり角を小さくする工
程と、次いでレーザービームを集光する工程とを有する
ことを特徴とする半導体レーザー加工方法。 - 【請求項７】 半導体レーザーアレイをそのエミッタ配
列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファー
ストアクシス方向に積層して、そこから発振されるレー
ザービームをそのファーストアクシス方向成分について
概略平行ビームにコリメートする工程と、前記レーザー
ビームをそのスローアクシス方向成分についてビーム拡
がり角を低減する工程と、このコリメートされ、ビーム
拡がり角を低減された各々のレーザービームを、そのフ
ァーストアクシス方向のレーザービーム径を縮小すると
共にそのレーザービーム拡がり角を大きくする一方、そ
のスローアクシス方向のレーザービーム径を拡大すると
共にそのレーザービーム拡がり角を小さくする工程と、
次いでレーザービームをスローアクシス方向に分割し、
更に、分割された各々のレーザービームを概略９０度回
転させる工程と、ファーストアクシス方向のレーザービ
ーム径を拡大すると共にそのレーザービーム拡がり角を
小さくする工程と、次いでレーザービームを集光する工
程とを有することを特徴とする半導体レーザー加工方
法。 - 【請求項８】 半導体レーザーアレイを、そのエミッタ
配列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファ
ーストアクシス方向に積層して形成される半導体レーザ
ーアレイスタックと、 各々の半導体レーザーアレイから発振されるレーザービ
ームを、そのファーストアクシス方向成分を概略平行ビ
ームにコリメートするコリメート光学系と、 このコリメートされた各々のレーザービームからなるレ
ーザービーム群を、そのスローアクシス方向に分割し、
そのスローアクシス方向の直進性の低いレーザービーム
成分を９０度偏向させてファーストアクシス方向のレー
ザービーム成分と合成するマルチカライドスコープと、 このマルチカライドスコープより出射したレーザービー
ムを集光する集光光学系とを備えたことを特徴とする半
導体レーザー加工装置。 - 【請求項９】 マルチカライドスコープは、長方形断面
を持った角柱形状のガラス基板を複数個並べ、これらガ
ラス基板を、その入射面がファーストアクシスとスロー
アクシスとのなす面に平行で、スローアクシスに対し４
５度傾斜して配置されたものである請求項８記載の半導
体レーザー加工装置。 - 【請求項１０】 半導体レーザーアレイをそのエミッタ
配列方向であるスローアクシス方向に対し直交するファ
ーストアクシス方向に積層して、そこから発振されるレ
ーザービームをそのファーストアクシス方向成分につい
て概略平行ビームにコリメートする工程と、このコリメ
ートされた各々のレーザービームを、そのスローアクシ
ス方向に分割し、更に、そのスローアクシス方向の直進
性の低いレーザービーム成分を９０度偏向させてファー
ストアクシス方向のレーザービーム成分と合成する工程
と、次いでレーザービームを集光する工程とを有するこ
とを特徴とする半導体レーザー加工方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001373515A JP2002239773A (ja) | 2000-12-11 | 2001-12-07 | 半導体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000375699 | 2000-12-11 | ||
| JP2000-375699 | 2000-12-11 | ||
| JP2001373515A JP2002239773A (ja) | 2000-12-11 | 2001-12-07 | 半導体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002239773A true JP2002239773A (ja) | 2002-08-28 |
Family
ID=26605590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001373515A Pending JP2002239773A (ja) | 2000-12-11 | 2001-12-07 | 半導体レーザー加工装置および半導体レーザー加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002239773A (ja) |
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-
2001
- 2001-12-07 JP JP2001373515A patent/JP2002239773A/ja active Pending
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