JP2002335047A

JP2002335047A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2002335047A
Application number: JP2001140518A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Miyajima; 博文宮島; Hirobumi Suga; 博文菅; Takayuki Uchiyama; 貴之内山; Satoshi Oishi; 諭大石
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】【課題】所望の光強度分布を有するレーザ光を得るこ
とが可能な半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置においては、複数の半
導体レーザ素子を一次元配列し、この配列方向に沿った
強度分布が互いに異なる第１及び第２のパターンをそれ
ぞれ有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第２半
導体レーザアレイ（ＬＤバー）Ｂ１，Ｂ２を備える半導
体レーザ装置において、第１及び第２パターンの偏光方
位は異なり、前記第１及び第２パターンは偏光ビームス
プリッタ（進行方向合成手段）ＰＢＳによって、パター
ンの長手方向が一致するように重ね合わせられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の半導体レーザ素子（レーザダイオ
ード：ＬＤ）を同一基板上に一次元配置してなる半導体
レーザアレイ（ＬＤバー）や、そのＬＤバーを個々のＬ
Ｄの配列方向及びレーザ光の出射方向の双方に垂直な方
向に複数積層してなるＬＤ積層構造体（ＬＤスタック）
が知られている。これらの半導体レーザ装置から出射さ
れる数１０Ｗ〜数ｋＷの高出力レーザ光を、熱処理等の
レーザ加工に用いることが検討されている。

【０００３】通常のＬＤバーは、複数のＬＤを均等な間
隔で一次元配置してなる。ＬＤバーを構成する個々のＬ
Ｄ自体の出力強度分布自体はガウス分布である。この場
合、複数のＬＤが所望のピッチで均等に配列されている
為、個々のＬＤの強度分布における強度の低い領域は、
隣接するＬＤの強度分布における強度の低い領域と重ね
合わせられ、ＬＤ配列方向に沿った所定区間内において
レーザ光強度は略一定となる。

【０００４】ＬＤバー又はＬＤスタックを熱処理等の加
工用光源として用いる場合、被加工物上のレーザ光照射
領域における温度分布が均一であることが要求される。
レーザ光が、上述のように、配列方向に沿って一定の強
度分布を有するのであれば、被加工物上のレーザ光照射
領域の配列方向に沿った温度分布も均一となるように思
われる。

【０００５】しかしながら、上述の光強度分布を有する
レーザ光が照射される被加工物上での温度分布は、レー
ザ光照射領域の中央部付近が高温となり、レーザ光照射
領域の周辺部（端部）が中央部よりも低温となる。これ
は、レーザ光照射領域の周辺部がレーザ光非照射領域
（温度が低い領域）に隣接しているため、熱伝導による
熱の放散が大きい為である。

【０００６】この問題を解決するためは、ＬＤバーから
出射されるレーザ光の強度分布を、周辺部（端部）が中
央部より高強度となるＭ字状の強度分布に整形して、被
加工物に照射すればよい。関連する技術は、特開平１０
−２８２４５０号公報に記載されている。

【０００７】図２５は上記公報に記載の光学系を示す図
である。同公報によれば、回折光学系のみを用いること
により、効果的なレーザ加工が行えるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな回折光学系を用いてビーム整形を行なう場合、ブラ
ッグの回折を利用するため、光の伝送損失が大きく、ま
た、回折効率を高めようとした場合その構造、及び製作
プロセスも複雑となるため、高価となる。

【０００９】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、所望の光強度分布を有するレーザ光を得
ることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る半導体レーザ装置は、複数の半導体レ
ーザ素子を一次元配列し、この配列方向に沿った強度分
布が互いに異なる第１及び第２のパターンをそれぞれ有
するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第２半導体レ
ーザアレイを備える半導体レーザ装置において、第１及
び第２パターンの偏光方位は異なり、前記第１及び第２
パターンは長手方向が一致するように重ね合わせられる
ことを特徴とする。

【００１１】この場合、互いに異なる第１及び第２パタ
ーンの強度は重ね合わされるので、様々な強度分布を有
するパターンを形成することができる。

【００１２】また、本発明に係る半導体レーザ装置は、
複数の半導体レーザ素子を一次元配列し、この配列方向
に沿った強度分布が互いに異なる第１及び第２のパター
ンをそれぞれ有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及
び第２半導体レーザアレイを備える半導体レーザ装置に
おいて、前記第１及び第２パターンの長手方向が平行と
なるように前記第１及び第２パターンは前記長手方向に
垂直な方向に沿って隣接させられることを特徴とする。

【００１３】この場合、互いに異なる第１及び第２パタ
ーンの強度は隣接させられるので、様々な強度分布を有
するパターンを形成することができる。

【００１４】上述の半導体レーザ装置において、前記第
１及び第２半導体レーザアレイにおけるそれぞれの前記
半導体レーザ素子の配列方向は互いに異なり、前記第１
及び第２パターンの進行方向を同一方向に揃える進行方
向合成手段を更に備えることが好ましい。

【００１５】第１及び第２パターンを重畳又は隣接させ
る場合、異なる方向に第１及び第２半導体レーザアレイ
を配置し、これらのパターンの進行方向を揃えることと
すれば、重畳には有利となり、また、隣接の場合にもパ
ターン間の隙間を小さくすることができる。

【００１６】上述の半導体レーザ装置において、当該レ
ーザ光を加工に利用する場合には、長手方向中央部の照
射強度がほどほどに高く、両端部の照射強度が中央部よ
りも高い方が好ましいため、この場合、第１パターンは
長手方向に沿って均一な強度分布を有し、第２パターン
は長手方向両端部の強度が中央部の強度よりも高い強度
分布を有することとする。

【００１７】また、本発明に係る半導体レーザ装置は、
複数の半導体レーザ素子を一次元配列してなる半導体レ
ーザアレイを、前記配列方向及びレーザ光の出射方向の
双方に垂直な方向にそれぞれ複数積層してなる第１及び
第２半導体レーザアレイ積層体と、前記第１半導体アレ
イ積層体から出射される複数のパターン間に、前記第２
半導体レーザアレイ積層体から出射される複数のパター
ンの少なくとも一部をそれぞれ位置させる光学部材とを
備えることを特徴とする。

【００１８】二次元的な広がりを大きくし、全体のエネ
ルギー量を増加させるためには、上記の積層体を用いた
方が有利である。光学部材が第１半導体アレイ積層体か
ら出射される複数のパターン間に、第２半導体レーザア
レイ積層体から出射される複数のパターンの少なくとも
一部をそれぞれ位置させるので、隣接パターン間の隙間
が埋まり、エネルギー密度を向上させることができる。

【００１９】積層を行った場合においても、当該レーザ
光を加工に利用する場合には、積層方向中央部の照射強
度がほどほどに高く、積層方向両端部の照射強度が中央
部よりも高い方が好ましいため、第１及び第２半導体レ
ーザアレイ積層体の少なくとも一方は、積層方向の両端
に位置する半導体レーザアレイからのレーザ光の強度
が、積層方向の中央に位置する半導体レーザアレイから
のレーザ光強度よりも高いことを特徴とする。

【００２０】また、本発明に係る半導体レーザ装置は、
複数の半導体レーザ素子を一次元配列し、この配列方向
に沿った強度分布が第１及び第２のパターンをそれぞれ
有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第２半導体
レーザアレイを備える半導体レーザ装置において、前記
第２パターンを整形し、前記第１パターン及び整形され
た前記第２パターンの長手方向が平行となるように前記
第１及び第２パターンは前記長手方向に垂直な方向に沿
って隣接させられることを特徴とする。

【００２１】半導体レーザアレイ自体が特定のパターン
を出射しない場合においても、一方の半導体レーザアレ
イの出力、すなわち、第２パターンを整形し、これを第
１パターンに隣接させることにより、パターン全体を所
望の形状とし、エネルギー量を向上させることができ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る半導体レ
ーザ装置について説明する。同一要素には、同一符号を
用い、重複する説明は省略する。

【００２３】図１は第１実施形態に係る半導体レーザ装
置の斜視図である。

【００２４】本半導体レーザ装置においては、複数の半
導体レーザ素子を一次元配列し、この配列方向に沿った
強度分布が互いに異なる第１及び第２のパターンをそれ
ぞれ有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第２半
導体レーザアレイ（ＬＤバー）Ｂ１，Ｂ２を備える半導
体レーザ装置において、第１及び第２パターンの偏光方
位は異なり、前記第１及び第２パターンは偏光ビームス
プリッタ（進行方向合成手段）ＰＢＳによって、パター
ンの長手方向が一致するように重ね合わせられる。

【００２５】第１ＬＤバーＢ１から出力されるレーザ光
（第１パターン）は直線偏光（ｐ偏光）であり、第２Ｌ
ＤバーＢ２からの出力されるレーザ光（第２パターン）
も直線偏光（ｐ偏光）である。第２ＬＤバーＢ２の出力
光はその前方には位置された１／２波長板Λを通過して
くるため、偏光方向が９０度回転され、ｓ偏光となる。
このため、これらの第1、第2パターンの偏光方位は９０
度ずれている。偏光ビームスプリッタＰＢＳは（直線）
ｐ偏光特性を有する第１ＬＤバーからの出力（第１パタ
ーン）を透過し、（円）ｓ偏光特性を有する第２ＬＤバ
ーＢ２からの出力（第２パターン）を反射するため、こ
れらのパターンは合成される。

【００２６】このように、本装置においては、互いに異
なる第１及び第２パターンの強度が重ね合わされるの
で、様々な強度分布を有するパターンを形成することが
できる。

【００２７】なお、図示の如くｘｙｚ直交座標系を設定
する。第１、第２ＬＤバーＢ１、Ｂ２は、それぞれ、複
数の半導体レーザ素子をｘ軸、ｚ軸に沿って配列したも
のである。ＬＤバーＢ１、Ｂ２はサブマウントＳＢ上に
搭載されており、サブマウントＳＢはヒートシンクＨＳ
上に搭載されている。第１、第２ＬＤバーＢ１、Ｂ２の
レーザ光は、それぞれｚ軸及びｘ軸に沿って出射する。

【００２８】なお、第１及び第２ＬＤバーＢ１，Ｂ２に
おけるそれぞれの半導体レーザ素子の配列方向は互いに
異なっており、第１及び第２パターンの進行方向は偏光
ビームスプリッタＰＢＳによって同一方向（ｚ軸）に揃
えられる。異なる方向に第１及び第２ＬＤバーＢ１，Ｂ
２を配置し、これらのパターンの進行方向を揃えるの
で、これらを容易に重畳することができる。

【００２９】上述の半導体レーザ装置において、当該レ
ーザ光を加工に利用する場合には、長手方向中央部の照
射強度がほどほどに高く、両端部の照射強度が中央部よ
りも高い方が好ましい。したがって、第１パターンは長
手方向に沿って均一な強度分布を有し、第２パターンは
長手方向両端部の強度が中央部の強度よりも高い強度分
布を有することが好ましい。以下、このようなパターン
を出射するＬＤバーについて説明する。

【００３０】図２は第１パターンを出射するＬＤバーＢ
１の正面図である。図３は図２に示したＬＤバー両端部
の拡大図である。このＬＤバーＢ１は、複数のＬＤを均
等な間隔で一次元配置してなる。ＬＤバーを構成する個
々のＬＤ自体の出力強度分布自体はガウス分布である。

【００３１】本例の半導体レーザ素子ＬＤの数はＬＤバ
ー当たり１６個である。ＬＤバーは、ｎ型ＧａＡｓから
なる共通半導体基板１上の、均等間隔に配置された個々
のＬＤ形成領域に、夫々ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２、ＡｌＧａＡｓ活性層３、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド
層４、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層Ｃを順次積層し、半導
体レーザ素子ＬＤ間にトレンチ溝を形成することで各半
導体レーザ素子ＬＤを分離したものである。

【００３２】最上面に位置するｐ型ＧａＡｓコンタクト
層Ｃの表面を含む露出表面は、全面がＳｉＯ₂やＳｉＮ
又はこれらを複合した絶縁膜５で被覆される。各半導体
層２，３，４，Ｃ及び絶縁膜５の積層後、各半導体レー
ザ素子ＬＤのｐ側電極形成領域が開口されたマスクパタ
ーンを用いたフォトリソグラフィ工程により、絶縁膜５
のｐ側電極形成予定領域を開口した後、メッキ法や電子
ビーム蒸着法などにより、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ等からなる
ｐ側電極（共通電極）６を当該開口内に形成すること
で、電極６をｐ型ＧａＡｓコンタクト層Ｃ及びｐ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層４に電気的に接続する。

【００３３】共通半導体基板１のＬＤ搭載面と逆側の面
全面には、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Au等からなる裏面ｎ型電極
７が形成される。

【００３４】図４はＬＤバーＢ１から出射される帯状の
レーザ光の配列方向の強度分布を示すグラフである。複
数のＬＤが所望のピッチで均等に配列されている為、個
々のＬＤの強度分布における強度の低い領域は、隣接す
るＬＤの強度分布における強度の低い領域と重ね合わせ
られ、同グラフに示されるように、ＬＤ配列方向に沿っ
た所定区間内においてレーザ光強度は略一定となる。

【００３５】図５は第２ＬＤバーＢ２の正面図である。
本例の半導体レーザ素子ＬＤの数もＬＤバー当たり１６
個であり、これらは等間隔に配置されている。ＬＤバー
の両端部に位置する半導体レーザ素子ＬＤの構造は第１
ＬＤバーのものと同一である。

【００３６】このＬＤバーは、複数の半導体レーザ素子
ＬＤを一次元状に配列してなる半導体レーザアレイにお
いて、半導体レーザ素子ＬＤのうちの発光可能なものの
密度が、中央部よりも両端部の方が高い。半導体レーザ
素子ＬＤの配列方向に沿った半導体レーザアレイから出
射されるレーザ光パターンの強度分布は、中央部よりも
両端部の方が高くなる。すなわち、パターン両端部の強
度を中央部よりも相対的に高くする。

【００３７】本例では、複数の半導体レーザ素子ＬＤの
中央部のものを非発光としてある。複数の半導体レーザ
素子ＬＤを同時に形成した後、中央部の半導体レーザ素
子ＬＤのみに駆動電流が与えられない構造とされてい
る。

【００３８】すなわち、中央部に位置するｐ型ＧａＡｓ
コンタクト層Ｃ上には電極形成用の開口が形成されてい
ないため、電極６に駆動電流供給用の電圧が印加されて
も、駆動電流は供給されず、中央部の半導体レーザ素子
ＬＤは非発光となる。通常、フォトリソグラフィーの際
に、通常は各半導体レーザ素子ＬＤに対応する領域に開
口を有するマスクパターンにより絶縁膜を開口するが、
本例では、両端部の５つの半導体レーザ素子ＬＤ以外の
半導体レーザ素子ＬＤ、すなわち中央部の６つの半導体
レーザ素子ＬＤに対応する絶縁膜上には、開口が形成さ
れないマスクパターンを適用し、中央部に位置する６つ
の半導体レーザ素子ＬＤの上部全面に絶縁膜５を残す。
これにより上述のように各半導体レーザ素子ＬＤ上にｐ
側電極６が形成されても、中央部の６つの半導体レーザ
素子ＬＤ上の電極６は、コンタクト層Ｃに電気的に接続
されないため、駆動電流が供給されないこととなる。

【００３９】なお、この構造は、マスクパターンのみを
変更することで、従来と同じ製造方法で作製できるとい
う利点がある。

【００４０】図６は、ＬＤバーＢ２から出射されるレー
ザ光パターンの光強度を半導体レーザ素子ＬＤの配列方
向に沿って示すグラフである。同グラフによれば、レー
ザ出力の強度が両端部のみ強くなった凹状の出力強度分
布が得られた。

【００４１】なお、第２パターンを形成するＬＤバーと
しては様々なものが考えられる。

【００４２】図７は第２パターンを出射する別のＬＤバ
ーＢ２の正面図である。上記ＬＤバーＢ２においては、
ｎ型ＧａＡｓ基板１上に均等間隔で配置された個々の半
導体レーザ素子ＬＤ中、所定の半導体レーザ素子ＬＤへ
の駆動電流供給をしない構造としたが、第２実施形態の
ＬＤバーにおいては、所望の光出力強度パターンに応じ
て、ＬＤの配置を変えた。すなわち、本ＬＤバーＢ２に
おいては、複数の半導体レーザ素子ＬＤを、中央部を除
く両端部のみに形成した点が、上記第1実施形態のもの
と異なる。この場合、中央部の非発光を確実に達成でき
る。

【００４３】より具体的には、第１実施形態の両端部に
位置する５つずつの半導体レーザ素子ＬＤのみ、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１上に形成した。これにより、図６の光出力
強度分布を実現することができる。

【００４４】図８は第２パターンを出射する更に別のＬ
ＤバーＢ２の正面図である。上記では、中央部の６つの
半導体レーザ素子ＬＤに対して、これらのコンタクト層
Ｃの全面を絶縁膜５で被覆することで、ライン状の光ビ
ームの中で、両端部の出力のみを強めた凹状の出力強度
パターンを得た。本例においては、非発光の半導体レー
ザ素子ＬＤを適当に選択することで、所望の出力強度分
布を有するＬＤバーを形成する。

【００４５】すなわち、複数の半導体レーザ素子ＬＤの
中央部のものを非発光とし、且つ、両端部の各々におけ
る両端の半導体レーザ素子ＬＤを発光可能とし、両端部
の半導体レーザ素子の中央部寄りのものの一部は非発光
とすることである。この場合、中央部は発光しないが、
両端部においても一部分が非発光となるので、中央部と
半導体レーザアレイ両端の境界領域において、レーザ光
パターンの強度を段階的に低下させることができ、レー
ザ光照射領域における温度分布を更に均一にすることが
できる。

【００４６】図９は、このＬＤバーから出射されるレー
ザ光パターンの光強度を半導体レーザ素子ＬＤの配列方
向に沿って示すグラフである。レーザ出力の強度が中央
部から両端部に向けて徐々に増加する出力強度分布が得
られた。

【００４７】なお、ここまでの説明は、ＡｌＧａＡｓ系
材料でＬＤバーを形成する例を説明したが、材料はこれ
に限ったものではなく、例えばＩｎＧａＡｓＰ系やＡｌ
ＧａＩｎＰ系、（Ｉｎ）ＧａＮ系化合物半導体で構成し
ても構わない。

【００４８】上述のように、出力強度分布特性が異なる
２つのＬＤバーからの光を合成することにより、所望の
出力強度パターンを有する出力ビームを整形することが
できる。

【００４９】図１０は第２実施形態に係る半導体レーザ
装置の斜視図である。本半導体レーザ装置は、複数の半
導体レーザ素子ＬＤを一次元配列し、この配列方向に沿
った強度分布が互いに異なる第１及び第２のパターンを
それぞれ有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第
２ＬＤバーＢ１，Ｂ２を備える半導体レーザ装置におい
て、第１及び第２パターンの長手方向が平行となるよう
に第１及び第２パターンは、透明板上にストライプ状の
反射ミラーを有する透過・反射板ＭＲによって、パター
ンの長手方向に垂直な方向に沿って隣接させられる。

【００５０】互いに異なる第１及び第２パターンの強度
は隣接させられるので、様々な強度分布を有するパター
ンを形成することができる。

【００５１】第１及び第２ＬＤバーＢ１，Ｂ２における
それぞれの半導体レーザ素子ＬＤの配列方向は互いに異
なり、第１及び第２パターンの進行方向は透過・反射板
ＭＲ（進行方向合成手段）によってを同一方向に揃えら
れる。

【００５２】異なる方向に第１及び第２ＬＤバーＢ１，
Ｂ２を配置したので、これらのパターンの進行方向を揃
えることとすれば、隣接するパターン間の隙間を小さく
することができる。

【００５３】この装置においても、当該レーザ光を加工
に利用する場合には、長手方向中央部の照射強度がほど
ほどに高く、両端部の照射強度が中央部よりも高い方が
好ましいため、この場合、第１パターンは長手方向に沿
って均一な強度分布を有し、第２パターンは長手方向両
端部の強度が中央部の強度よりも高い強度分布を有する
こととする。これらのパターンを実現するＬＤバーは上
述の通りであるが、レーザ光の偏光状態は問わない。

【００５４】第１、第２半導体レーザアレイ積層体（Ｌ
Ｄスタック）Ｓ１，Ｓ２は、ヒートシンクＨＳ上にサブ
マンウトＳＢを介して搭載されたＬＤバー及び、ＬＤの
上部電極への電流供給手段を兼ねるアッパープレートＵ
Ｐを１ユニットとして積層されるため、上段の発光領域
（ＬＤバー）と、その下の発光領域（ＬＤバー）との間
にはサブマウント、ヒートシンク、アッパープレート分
の空間（隙間）がある。

【００５５】そこで、本半導体レーザ装置は、複数の半
導体レーザ素子を一次元配列してなるＬＤバーＢ１，Ｂ
２を、それぞれの配列方向及びレーザ光の出射方向の双
方に垂直な方向にそれぞれ複数積層してなる第１及び第
２ＬＤスタックＳ１，Ｓ２と、第１ＬＤスタックＳ１か
ら出射される複数のパターン間に、第２ＬＤスタックＳ
２から出射される複数のパターン（の少なくとも一部）
をそれぞれ位置させる透過・反射板（光学部材）ＭＲと
を備えている。

【００５６】透過・反射板ＭＲは、誘電体多層膜又はＡ
ｌ等の金属からなるストライプ状の反射ミラーがガラス
板上に形成されてなる。ストライプ状の反射ミラーは、
第２ＬＤバーの上下方向（積層方向）の発光部位置に対
応して形成されており、第１ＬＤスタックＳ１からの出
力光はすべて透過させ、第２ＬＤスタックＳ２からの出
力はすべて反射するように構成されている。これは、第
１、第２ＬＤスタックＳ１，Ｓ２が同じ寸法で形成され
ている場合、いずれか一方のＬＤスタックＳ１，Ｓ２に
ゲタはかせたように配置することで実現できる。

【００５７】二次元的な広がりを大きくし、全体のエネ
ルギー量を増加させるためには、積層体を用いた方が有
利である。透過・反射板（光学部材）ＭＲが第１ＬＤス
タックＳ１から出射される複数のパターン間に、第２Ｌ
ＤスタックＳ２から出射される複数のパターンをそれぞ
れ位置させるので、隣接パターン間の隙間が埋まり、エ
ネルギー密度を向上させることができる。

【００５８】積層を行った場合においても、当該レーザ
光を加工に利用する場合には、積層方向中央部の照射強
度がほどほどに高く、積層方向両端部の照射強度が中央
部よりも高い方が好ましいため、第１及び第２ＬＤスタ
ックＳ１，Ｓ２の少なくとも一方は、積層方向の両端に
位置するＬＤバーからのレーザ光の強度が、積層方向の
中央に位置するＬＤバーからのレーザ光強度よりも高い
こととする。

【００５９】図１１は、積層方向の強度分布を可変する
タイプのＬＤスタックの斜視図である。

【００６０】このＬＤスタックは、図２に示した均等な
出力強度分布を有するＬＤバーＢ１を、サブマウントＳ
Ｂを介してヒートシンクＨＳに搭載し、ＬＤバーの上部
に電極供給用アッパープレートＵＰを固定したものを１
ユニットとする点では、上記のものと同様であるが、個
々のユニットを絶縁層ＩＳを介して積層する点が上記の
ものとは異なる。絶縁層ＩＳを介して積層した上で、個
々のユニットは独立駆動可能なように電源が接続されて
いる為、ＬＤバーＢ１の配列方向でＬＤバーのＯＮ−Ｏ
ＦＦが可能となっている。

【００６１】例えば、４段積層したＬＤスタックでは、
最上段のＬＤバーＢ１、及び最下段のＬＤバーＢ１のみ
ＯＮし、２，３段目のＬＤバーＢ１をＯＦＦとすること
により、ＬＤスタックの配列方向の出力ビーム強度分布
を凹状とすることができる。更にＬＤバーの積層数を増
やすことで、任意の出力強度分布を有するＬＤスタック
を構成できる。

【００６２】なお、アッパープレートＵＰ上には、ｐ型
電極が１Ｐが設けられており、これはアッパープレート
ＵＰを介して上部共通電極６（図２参照）に接続され
る。ヒートシンクＨＳはアースに接続され、サブマウン
トＳＢを介して下部共通電極７（図２参照）に接続され
る。ヒートシンクＨＳの下にはｎ型電極１Ｎが設けら
れ、この下部に天地反転して位置するＬＤバーＢ１の共
通電極７に接続される。

【００６３】なお、本例では、第１パターンを出射する
ものを積層したが、これは第２パターンを出射するもの
を積層してもよい。

【００６４】図１２は上述のＬＤスタックＳ１，Ｓ２又
はＬＤバーＢ１，Ｂ２を用いた半導体レーザ装置を複数
備えた半導体レーザシステムの構成図である。各半導体
レーザ装置は、出力波長が異なるＬＤバーから構成する
ことにより実現可能である。本例では、各半導体レーザ
装置が、４つの波長λ１，λ２，λ３，λ４をそれぞれ
出力する。例えばＩｎＧａＡｓ系によりＬＤバーを構成
し、ＩｎとＧａの組成比を変えることで、λ１＝９８０
ｎｍのレーザ光を出射するものと、λ２＝９２０ｎｍの
レーザ光を出射するものを構成する。ＡｌＧａＡｓの組
成比を変えることで、λ３＝８６０ｎｍのレーザ光を出
射するものと、λ４＝８００ｎｍのレーザ光を出射する
ものを構成する。出力波長の異なる４つの光源からの出
力は、誘電体多層膜で構成した波長選択ミラーＰＢＳ’
により合成され、集光レンズを介して被加工物上へ照射
される。

【００６５】なお、第２パターンを形成する手法とし
て、整形光学系を用いる方法も考えられる。

【００６６】また、本発明に係る半導体レーザ装置は、
複数の半導体レーザ素子を一次元配列し、この配列方向
に沿った強度分布が第１及び第２のパターンをそれぞれ
有するレーザ光をそれぞれ出射する第１及び第２半導体
レーザアレイを備える半導体レーザ装置において、前記
第２パターンを整形し、前記第１パターン及び整形され
た前記第２パターンの長手方向が平行となるように前記
第１及び第２パターンは前記長手方向に垂直な方向に沿
って隣接させられることを特徴とする。

【００６７】半導体レーザアレイ自体が特定のパターン
を出射しない場合においても、一方の半導体レーザアレ
イの出力、すなわち、第２パターンを整形し、これを第
１パターンに隣接させることにより、パターン全体を所
望の形状とし、エネルギー量を向上させることができ
る。

【００６８】図１３は第２パターンを形成する半導体レ
ーザ装置の斜視図である。図示の如くｘｙｚ直交座標系
を設定する。LDバーＢはサブマウントＳＢ上に搭載され
ており、サブマウントＳＢをヒートシンクＨＳ上に搭載
したものを１ユニットとし、複数のユニットがy軸方向
に沿って積層されている。ＬＤバーＢをｙ軸に沿って積
層したものをＬＤスタックＳとする。ｘ軸及びｙ軸の双
方に垂直な方向はｚ軸であり、ｚ軸に沿ってレーザ光は
出射する。なお、ＬＤバーＢのｘ軸方向長は約１ｃｍで
ある。

【００６９】なお、ＬＤバーＢは、図２に示したものを
用いる。ＬＤバーＢの光強度分布は図４に示される。

【００７０】ＬＤスタックＳが出射したレーザ光は、４
つの光学部材１０Ｒ，１０Ｌ，１１Ｒ，１１Ｌからなる
整形光学系によって整形される。

【００７１】図１４は、図１３に示した装置の平面図で
ある。ＬＤバーＢの両端部をそれぞれ第１及び第４の領
域とし、ＬＤバーＢの中心部において隣接する２つの領
域を第２及び第３の領域とする。第1、第４の光学部材
１０Ｌ、１０Ｒは、ＬＤバーＢの第2、第３の領域から
の出力光の光路を遮らないように、これらの光路上には
配置されていない。同様に第2、第３の光学部材１１
Ｌ、１１Ｒは、ＬＤバーＢの第1、第４の領域からの出
力光の光路に影響を与えないように、これらの領域から
の出力光の光路上には配置されていない。

【００７２】第１及び第４の領域から出射されるレーザ
光は、それぞれ第１及び第４の光学部材１０Ｌ，１０Ｒ
に入射する。第１、第４の光学部材１０Ｌ，１０Ｒは、
ＬＤバーＢからの出射光に対して透明な材料（例えばガ
ラス等）からなる。光学部材１０Ｌ，１０Ｒそれぞれ
は、ｘｙ平面からなる光入射面１０Ｌｉ，１０Ｒｉと、
ｘｙ平面をｙ軸を中心にそれぞれ±４５度回転させる共
に、この面内におけるｙ軸に垂直な特定方向α，βに延
びる帯状の面を所定の間隔で複数設定し、当該方向α，
βを中心に当該帯状の面を所定角度（本例では３０度）
回転させ、これらの間に回転させない帯状の面を有する
光出射面１０Ｌｏ，１０Ｒｏを有する。なお、回転させ
られた帯状の面（１０Ｌｏｒ）間には、回転しない帯状
の面（１０Ｌｏｎ）が存在する（図１６参照）。

【００７３】第２及び第３の領域から出射されるレーザ
光は、それぞれ第２及び第３の光学部材１１Ｌ，１１Ｒ
に入射する。第２、第３の光学部材１１Ｌ，１１Ｒは、
ＬＤバーＢからの出射光を反射する反射面１１Ｌｉ，１
１Ｒｉを有する。反射面１１Ｌｉ，１１Ｒｉそれぞれ
は、光出射面１０Ｌｏ，１０Ｒｏにそれぞれ対向するよ
うに、ｘｙ平面をｙ軸を中心にそれぞれ±４５度回転さ
せる共に、この面内におけるｙ軸に垂直な特定方向α，
βに延びる帯状の面を所定の間隔で複数設定し、当該方
向α，βを中心に当該帯状の平面を所定角度（本例では
３０度）回転させ、これらの間にα，βを中心には回転
しない帯状の平面を残してなる。なお、回転させられた
帯状の面（１１Ｌｉｒ）間には、回転しない帯状の面
（１１Ｌｉｎ）が存在する（図１６参照）。

【００７４】反射面１１Ｌｉ，１１Ｒｉにおける、方向
α，βを中心に回転した複数の帯状の面は、光出射面１
０Ｌｏ，１０Ｒｏにおける、方向α，βを中心に回転し
た複数の帯状の面にそれぞれ対向し、且つ平行である。

【００７５】図１５は第１及び第２の光学部材１０Ｌ，
１１Ｌにおける反射の関係を示すための図である。反射
面１１Ｌｉにおける方向αを中心に回転した複数の帯状
の面１１Ｌｉｒは、光出射面１０Ｌｏにおける方向αを
中心に回転した複数の帯状の面１０Ｌｏｒに対向し、且
つ平行であることが分かる。

【００７６】図１６は第１及び第２の光学部材１０Ｌ，
１１Ｌの斜視図である。第１の光学部材１０Ｌの回転さ
せられた帯状の面１０Ｌｏｒは反射面（反射領域）を構
成し、回転しない帯状の面１０Ｌｏｎは透過面（透過領
域）を構成する。第２の光学部材１０Ｌの回転させられ
た帯状の面１１Ｌｉｒは反射面（反射領域）を構成し、
回転しない帯状の面１１Ｌｉｎの光学特性は特に限定さ
れないが、ここでは透過領域を構成しているものとす
る。

【００７７】なお、第３及び第４の光学部材１０Ｒ，１
１Ｒの構造及び関係は、第１及び第２の光学部材１０
Ｌ，１１Ｌの構造及び関係とｙｚ平面に対して鏡対称で
ある以外は、同一であり、方向αをβに読み替えたもの
である。

【００７８】図１７は図１４におけるＡ地点から見たビ
ームパターンを示す図であり、図１８は図１４における
Ｂ地点から見たビームパターンを示す図である。本例で
は、ＬＤスタックＳから、４本の帯状のパターンを有す
るレーザ光２０，２１，２２，２３が出射されているも
のとする。

【００７９】特定のＬＤバーＢから出射された帯状のパ
ターンを有するレーザ光２０は、パターン中央部に対応
して位置する第２及び第３の光学部材１１Ｌ，１１Ｒの
反射面１１Ｌｉ，１１Ｒｉに入射することにより、その
中央部が長手方向に沿って２分割される。また、レーザ
光２０は、パターン両端部に対応して位置する第１及び
第４の光学部材１０Ｌ，１０Ｒの入射面１０Ｌｉ，１０
Ｒｉに入射し、その両端部が入射面１０Ｌｉ，１０Ｒｉ
及び光出射面１０Ｌｏ，１０Ｒｏの帯状の透過領域を透
過し、ｚ軸方向に進行する。

【００８０】反射面１１Ｌｉ，１１Ｒｉによって分割さ
れたレーザ光２０₁，２０₂は、それぞれ、当該レーザ光
２０の両端部と、これに隣接するレーザ光２１の両端部
との間に形成される２つの領域の方向に反射され、第１
及び第４の光学部材１０Ｌ，１０Ｒの光出射面１０Ｌ
ｏ，１０Ｒｏにおける帯状の反射領域によって反射さ
れ、ｚ軸方向に進行する。

【００８１】本装置は、複数のＬＤバーＢをサブマウン
トＳＢ、ヒートシンクＨＳを介して積層してなるスタッ
ク構造を有するため、1段目のＬＤバーＢからの出力光
と、２段目のＬＤバーＢからの出力光との間は、通常光
強度が０であるが、本例の光学系を用いることにより、
ＬＤバーＢの中央部（第2，３の領域）からの出力光の
光路を、1段目と2段目の間に変換することができ、周辺
部における光密度を高めることが可能となる。

【００８２】図１９は地点Ｂにおけるｘ軸（ビームの長
手方向での位置）上の光強度を示すグラフである。同グ
ラフによれば、ｘ軸に沿ってＭ字型の光強度分布が得ら
れていることが分かる。

【００８３】上記光学系では、４つの光学部材を組み合
わせて２つの光路変換手段を構成したが、これらは２つ
の光学部品で構成することができる。

【００８４】図２０は、このような半導体レーザ装置の
斜視図である。本例の装置は、図１３のものと整形光学
系のみが異なる。ＬＤスタックＳが出射したレーザ光
は、２つの光学部材Ｒ，Ｌからなる整形光学系によって
上記と同様に整形される。

【００８５】図２１は、図２０に示した装置の平面図で
ある。両端部に位置する第１及び第４の領域から出射さ
れるレーザ光は、それぞれ光学部材Ｌ，Ｒの透過用光入
射面Ｌｉ，Ｒｉに入射する。光学部材Ｌ，Ｒは、ＬＤバ
ーＢからの出射光に対して透明な材料（例えばガラス
等）からなる。光学部材Ｌ，Ｒの両端部側に位置する透
過用光入射面Ｌｉ，Ｒｉそれぞれは、ｘｙ平面をｙ軸を
中心にそれぞれ±４５度回転させる共に、この面内にお
けるｙ軸に垂直な特定方向α，βに延びる帯状の平面を
所定の間隔で複数設定し、当該方向α，βを中心に当該
帯状の平面を所定角度（本例では３０度）回転させ、こ
れらの帯状間に方向α，βを中心には回転しない平面を
残したものである。回転させられた帯状の面（Ｌｉｒ）
間には、回転しない帯状の面（Ｌｉｎ）が存在する（図
２３参照）第２及び第３の領域から出射されるレーザ光は、それぞ
れ光学部材Ｌ，Ｒ内部に進行し、その内側に形成された
反射面Ｌｉ’Ｒｉ’に入射する。反射面Ｌｉ’，Ｒｉ’
それぞれは、透過用光入射面Ｌｉ，Ｒｉにそれぞれ対向
するように、ｘｙ平面をｙ軸を中心にそれぞれ±４５度
回転させる共に、この面内におけるｙ軸に垂直な特定方
向α，βに延びる帯状の平面を所定の間隔で複数設定
し、当該方向α，βを中心に当該帯状の平面を所定角度
（本例では３０度）回転させ、これらの帯状の平面間に
方向α，βを中心には回転しない帯状の平面を残してな
る。なお、回転させられた帯状の面（Ｌｉｒ’）間に
は、回転しない帯状の面（Ｌｉｎ’）が存在する（図２
３参照）。

【００８６】反射面Ｌｉ，Ｒｉにおける方向α，βを中
心に回転した複数の帯状の面は、透過用光入射面Ｌｉ，
Ｒｉにおける方向α，βを中心に回転した複数の帯状の
面に対向し、且つ平行である。

【００８７】図２２は光学部材Ｌにおける反射の関係を
示すための図である。反射面Ｌｉにおける方向αを中心
に回転した複数の帯状の面Ｌｉｒ’は、光入射面Ｌｉに
おける方向αを中心に回転した複数の帯状の面Ｌｉｒに
対向し、且つ平行であることが分かる。

【００８８】図２３は光学部材Ｌの斜視図である。光学
部材Ｌの光透過用入射面Ｌｉにおける回転させられた帯
状の面Ｌｉｒは反射面（反射領域）を構成し、回転しな
い帯状の面１０Ｌｉｎは透過面（透過領域）を構成す
る。光学部材Ｌの反射面Ｌｉ’における回転させられた
帯状の面Ｌｉｒ’は反射面（反射領域）を構成し、回転
しない帯状の面Ｌｉｎ’の光学特性は特に限定されない
が、ここでは透過領域を構成することとする。

【００８９】なお、、光学部材Ｒの構造は、ｙｚ平面に
対して鏡対称である点を除いて、光学部材Ｌと同一であ
り、方向αをβに読み替えたものである。

【００９０】この半導体レーザ装置においても図１７，
図１８に示した２パターンが得られる。図１７、図１８
を再度参照すると、特定のＬＤバーＢから出射された帯
状のパターンを有するレーザ光２０は、反射面Ｌｉ’，
Ｒｉ’に入射することにより、その中央部が長手方向に
沿って２分割される。また、レーザ光２０は、入射面Ｌ
ｉ，Ｒｉに入射し、その両端部が入射面Ｌｉ，Ｒｉの帯
状の透過領域を透過し、ｚ軸方向に進行する。

【００９１】反射面Ｌｉ’，Ｒｉ’によって分割された
レーザ光２０₁，２０₂は、それぞれ、当該レーザ光２０
の両端部と、これに隣接するレーザ光２１の両端部との
間に形成される２つの領域の方向に反射され、光入射面
Ｌｉ，Ｒｉにおける帯状の反射領域によって反射され、
ｚ軸方向に進行する。

【００９２】なお、上記光学部材１０Ｒ，１０Ｌ，１１
Ｒ，１１Ｌ，Ｒ，Ｌの各側面は、すなわち、反射領域と
透過領域を交互に有する側面は、以下のようにして製造
することができる。例えば、ガラス板のｘ軸に沿って複
数のＶ溝を形成する際に、このＶ溝の一側面を表面に対
して約３０°の角度で切断し、他方の側面を表面に対し
て垂直に切断し、３０度の一側面上にＡｌ等の金属膜又
は誘電体多層膜からなる反射膜を蒸着する。

【００９３】或いは、ガラス板の一側面が表面に対して
３０度に切断され、他の側面が表面に対して垂直に切断
されたガラス板を用意し、３０度の一側面上に上記反射
膜を蒸着し、このようなガラス板を複数用意し、当該ガ
ラス板と同じ材料からなり全ての側面が表面に対して略
垂直に切断されたガラス板を複数用意し、これらのガラ
ス板と反射膜が蒸着されたガラス板とを接着剤を介し
て、交互に接着すればよい。

【００９４】また、図１３〜図２３において示された半
導体レーザ装置を、第２パターンを形成するＬＤスタッ
クＳ２（図２）又はＬＤバーＢ２（図１０）の代わりに
配置してなる半導体レーザ装置は、上記と同様に機能す
る。

【００９５】図２４は、このような置換を行った半導体
レーザ装置を備えた半導体レーザシステムの構成図であ
る。本システムは、第２パターンを形成する半導体レー
ザ装置が、図１３〜図２３の装置に置換されたものであ
る点を除いて、図１２に示したシステムと同一であり、
上記と同様に機能する。

【００９６】なお、第２パターンは、図２５に示した６
はバイナリオプティクス（フレネルレンズ）を用いるこ
とによっても形成することができる。これはＬＤバーか
ら出力されるライン状の光における中央部の光を周辺部
へ振り分け、ライン状の光において、中央部より周辺部
（両端部）の光強度を高め、第２パターンを形成する。

【００９７】

【発明の効果】【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係る半導体レーザ装置の斜視図
である。

【図２】第１パターンを出射するＬＤバーＢ１の正面図
である。

【図３】図２に示したＬＤバー両端部の拡大図である。

【図４】ＬＤバーＢ１から出射される帯状のレーザ光の
配列方向の強度分布を示すグラフである。

【図５】第２ＬＤバーＢ２の正面図である。

【図６】ＬＤバーＢ２から出射されるレーザ光パターン
の光強度を半導体レーザ素子ＬＤの配列方向に沿って示
すグラフである。

【図７】第２パターンを出射する別のＬＤバーＢ２の正
面図である。

【図８】第２パターンを出射する更に別のＬＤバーＢ２
の正面図である。

【図９】このＬＤバーから出射されるレーザ光パターン
の光強度を半導体レーザ素子ＬＤの配列方向に沿って示
すグラフである。

【図１０】第２実施形態に係る半導体レーザ装置の斜視
図である。

【図１１】積層方向の強度分布を可変するタイプのＬＤ
スタックの斜視図である。

【図１２】上述のＬＤスタックＳ１，Ｓ２又はＬＤバー
Ｂ１，Ｂ２を用いた半導体レーザ装置を複数備えた半導
体レーザシステムの構成図である。

【図１３】第２パターンを形成する半導体レーザ装置の
斜視図である。

【図１４】図１３に示した装置の平面図である。

【図１５】第１及び第２の光学部材１０Ｌ，１１Ｌにお
ける反射の関係を示すための図である。

【図１６】第１及び第２の光学部材１０Ｌ，１１Ｌの斜
視図である。

【図１７】図１４におけるＡ地点から見たビームパター
ンを示す図である。

【図１８】図１４におけるＢ地点から見たビームパター
ンを示す図である。

【図１９】地点Ｂにおけるｘ軸（ビームの長手方向での
位置）上の光強度を示すグラフである。

【図２０】半導体レーザ装置の斜視図である。

【図２１】図２０に示した装置の平面図である。

【図２２】光学部材Ｌにおける反射の関係を示すための
図である。

【図２３】光学部材Ｌの斜視図である。

【図２４】半導体レーザ装置を備えた半導体レーザシス
テムの構成図である。

【図２５】公報に記載の光学系を示す図である。

【符号の説明】

１…共通半導体基板、２…クラッド層、５…絶縁膜、６
…上部共通電極、７…下部共通電極、Ｂ１，Ｂ２…ＬＤ
バー、ＬＤ…半導体レーザ素子、Ｓ１，Ｓ２…スタッ
ク。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年５月１６日（２００１．５．１
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００９７】

【発明の効果】本半導体レーザ装置によれば、所望の光
強度分布を有するレーザ光を得ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内山貴之静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者大石諭静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AB04 BA09 CA05 CB02 EA18 EA24 FA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の半導体レーザ素子を一次元配列
し、この配列方向に沿った強度分布が互いに異なる第１
及び第２のパターンをそれぞれ有するレーザ光をそれぞ
れ出射する第１及び第２半導体レーザアレイを備える半
導体レーザ装置において、第１及び第２パターンの偏光
方位は異なり、前記第１及び第２パターンは長手方向が
一致するように重ね合わせられることを特徴とする請求
項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２】複数の半導体レーザ素子を一次元配列
し、この配列方向に沿った強度分布が互いに異なる第１
及び第２のパターンをそれぞれ有するレーザ光をそれぞ
れ出射する第１及び第２半導体レーザアレイを備える半
導体レーザ装置において、前記第１及び第２パターンの
長手方向が平行となるように前記第１及び第２パターン
は前記長手方向に垂直な方向に沿って隣接させられるこ
とを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】前記第１及び第２半導体レーザアレイに
おけるそれぞれの前記半導体レーザ素子の配列方向は互
いに異なり、前記第１及び第２パターンの進行方向を同
一方向に揃える進行方向合成手段を更に備えることを特
徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】前記第１パターンは長手方向に沿って均
一な強度分布を有し、前記第２パターンは長手方向両端
部の強度が中央部の強度よりも高い強度分布を有するこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装
置。
【請求項５】複数の半導体レーザ素子を一次元配列し
てなる半導体レーザアレイを、前記配列方向及びレーザ
光の出射方向の双方に垂直な方向にそれぞれ複数積層し
てなる第１及び第２半導体レーザアレイ積層体と、前記
第１半導体アレイ積層体から出射される複数のパターン
間に、前記第２半導体レーザアレイ積層体から出射され
る複数のパターンの少なくとも一部をそれぞれ位置させ
る光学部材とを備えることを特徴とする半導体レーザ装
置。
【請求項６】前記第１及び第２半導体レーザアレイ積
層体の少なくとも一方は、積層方向の両端に位置する半
導体レーザアレイからのレーザ光の強度が、積層方向の
中央に位置する半導体レーザアレイからのレーザ光強度
よりも高いことを特徴とする請求項５に記載の半導体レ
ーザ装置。
【請求項７】複数の半導体レーザ素子を一次元配列
し、この配列方向に沿った強度分布が第１及び第２のパ
ターンをそれぞれ有するレーザ光を出射する第１及び第
２半導体レーザアレイを備える半導体レーザ装置におい
て、前記第２パターンを整形し、前記第１パターン及び
整形された前記第２パターンの長手方向が平行となるよ
うに前記第１及び第２パターンは前記長手方向に垂直な
方向に沿って隣接させられることを特徴とする半導体レ
ーザ装置。