JP2003115631A

JP2003115631A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2003115631A
Application number: JP2001309035A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Takiguchi; 義浩瀧口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2001-10-04
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】コンパクトかつ簡単な配置で複数の半導体レ
ーザ素子から出力されるレーザ光を集光する半導体レー
ザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザアレイ１０は、レーザ光を
各々出力するＮ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nが配
列されており、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nが
配列されている方向に沿って温度提供部２０が温度勾配
を形成する。これにより、レーザ光は、各々の波長で出
力され、第一凹面鏡３０ａにより平行なレーザ光とさ
れ、温度勾配に応じた波長分散を有した平面回折格子３
１により回折され合波されて、第二凹面鏡３０ｂによっ
て集光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の半導体レー
ザ素子それぞれから出力されるレーザ光を集光する半導
体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を励起光とした固体レーザ装置
は、長寿命及び小型化を図ることができ、最近注目を集
めている。この励起光は、一般的に、半導体レーザ素子
から出力されるレーザ光が用いられる。そして、固体レ
ーザ装置のレーザ媒質を励起するためのレーザ光は、高
エネルギ密度であることが要求される。しかし、半導体
レーザ素子は、１ｍｍにも満たない大きさの発光素子で
あり高エネルギ密度のレーザ光を出力できない。そこ
で、複数の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を
集光して高エネルギ密度のレーザ光を得るための半導体
レーザ装置が必要となる。

【０００３】高エネルギ密度のレーザ光を得るための半
導体レーザ装置は、たとえば、半導体レーザ素子を内蔵
したピグテール型光モジュールを複数個使用し、複数個
のピグテール型光モジュールそれぞれに内蔵された半導
体レーザ素子から光ファイバにレーザ光を導き、光ファ
イバの出射端から出射されたレーザ光を集光するもので
ある。この装置によると、複数個のピグテール型光モジ
ュールそれぞれに内蔵された半導体レーザ素子からのレ
ーザ光は、光ファイバへ導かれ、光ファイバ内を導光さ
れ、光ファイバ出射端から出射され、一点に集光され
る。

【０００４】また、高エネルギ密度のレーザ光を得るた
めの別の半導体レーザ装置は、たとえば、複数の半導体
レーザ素子を有する半導体レーザアレイが用いられるも
のである。この半導体レーザアレイを用いた半導体レー
ザ装置は、半導体レーザアレイを構成する複数の半導体
レーザ素子それぞれの出力側に微小レンズが取付けられ
ている。この装置によると、まず、複数の半導体レーザ
素子から出力されたレーザ光は、半導体レーザ素子の出
力側に取付けられた微小レンズによってコリメートさ
れ、その後、コリメートされた複数のコリメート光が集
光レンズ等で集光される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ピグテ
ール型光モジュールを用いた半導体レーザ装置は、コン
パクト化し難いものであり、また、複数の半導体レーザ
素子それぞれに対して微小レンズを取付けた半導体レー
ザ装置は、それぞれの半導体レーザ素子に対する微小レ
ンズの配置が困難であった。

【０００６】このような問題に鑑みて、本発明は、コン
パクトかつ簡単な配置で複数の半導体レーザ素子から出
力されるレーザ光を集光する半導体レーザ装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明に係る半導体レーザ装置は、温度に応
じた波長のレーザ光を各々出力する複数の半導体レーザ
素子が配列された半導体レーザアレイと、複数の半導体
レーザ素子のうち少なくとも二つ以上の半導体レーザ素
子が直線上に並ぶ第一方向に沿って温度勾配を形成する
温度提供手段と、温度提供手段によって形成された温度
勾配に応じた波長分散を有し、複数の半導体レーザ素子
それぞれから出力されたレーザ光を集光する回折光学系
と、を備えることを特徴とする。

【０００８】これにより、複数の半導体レーザ素子が配
列された半導体レーザアレイは、少なくとも二つ以上の
半導体レーザ素子が直線上に並ぶ第一方向に沿って、温
度勾配が温度提供手段により形成される。複数の半導体
レーザ素子から出力されたレーザ光は、温度勾配に従う
温度に応じた波長で出力され、温度勾配に応じた波長分
散を有する回折光学系によって集光される。従って、コ
ンパクトかつ簡単な配置で複数の半導体レーザ素子から
出力されるレーザ光を集光することができる。

【０００９】また、本発明に係る半導体レーザ装置で
は、半導体レーザアレイは、複数の半導体レーザ素子が
二次元配列された二次元半導体レーザアレイであって、
温度提供手段は、複数の半導体レーザ素子が二次元配列
された面上で第一方向と直交する第二方向に略同一の温
度状態を形成し、回折光学系は、複数の半導体レーザ素
子それぞれから出力されたレーザ光を線上に集光する、
ことを特徴とする。

【００１０】この場合、複数の半導体レーザ素子が二次
元状に配列された二次元半導体レーザアレイは、二次元
配列された面上で第一方向と直交する第二方向に略同一
の温度状態が温度提供手段により形成される。複数の半
導体レーザ素子から出力されたレーザ光は、回折光学系
によって線上に集光される。従って、高エネルギ密度か
つ線上に集光したレーザ光を出力することができる。

【００１１】また、本発明に係る半導体レーザ装置で
は、温度提供手段は、半導体レーザ素子が取付けられる
熱導伝性基板と加熱源と冷却源とを含み、加熱源は、熱
導伝性基板の第一方向の一端側に取付けられており、冷
却源は、熱導伝性基板の第一方向の他端側に取付けられ
ている、ことを特徴とする。

【００１２】この場合、温度提供手段は、半導体レーザ
素子が取付けられる熱導伝性基板と加熱源と冷却源とを
含んでおり、熱導電性基板の第一方向の一端側は、加熱
源が取付けられ、熱導電性基板の第一方向の他端側は、
冷却源が取付けられる。従って、熱導電性基板の第一方
向の温度勾配を最適化することが容易になる。

【００１３】また、本発明に係る半導体レーザ装置で
は、温度提供手段は、半導体レーザ素子が取付けられる
熱導伝性基板と、加熱源及び冷却源のいずれか一方とを
含み、加熱源及び冷却源のいずれか一方は、熱導伝性基
板の第一方向の一端側に取付けられており、熱導伝性基
板は、第一方向の一端から他端へ向かうに従って熱導伝
性基板の厚さが増加または減少している、ことを特徴と
する。

【００１４】この場合、温度提供手段は、半導体レーザ
素子が取付けられる熱導伝性基板と、加熱源及び冷却源
のいずれか一方とを含んでおり、熱導伝性基板には、そ
の第一方向の一端側に加熱源及び冷却源のいずれか一方
が取付けられており、熱導伝性基板の厚さは、第一方向
の一端から他端へ向かうに従って増加または減少してい
る。従って、熱導電性基板の第一方向の温度勾配を最適
化することが容易になる。

【００１５】また、本発明に係る半導体レーザ装置で
は、回折光学系は、凹面鏡と平面回折格子との組み合わ
せを含むことを特徴とする。

【００１６】また、本発明に係る半導体レーザ装置で
は、回折光学系は、凹面回折格子を含むことを特徴とす
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、説
明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成
要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複
する説明は省略する。また、図面に描かれている矢印の
出発点から先端に向かう方向を矢印方向と言い、矢印の
先端から出発点に向かう方向を矢印反対方向と言う。

【００１８】まず、本実施形態の半導体レーザ装置の具
体的な構成を説明するのに先だって、本実施形態の半導
体レーザ装置の基本原理を説明する。現在、半導体レー
ザ素子として、ガリウムとヒ素の化合物及びインジウム
と燐との化合物を用いた量子井戸構造のものが、主に使
われている。これらの化合物のうちガリウムとヒ素の化
合物を用いた量子井戸構造の半導体レーザ素子は、例え
ば、ガリウムとヒ素との化合物をガリウムとアルミニウ
ムとヒ素との化合物で挟むダブルヘテロ構造を有する。
量子井戸の厚さは、例えば、１０ナノメートル程度であ
る。この厚さを量子井戸幅と呼ぶ。以下、本実施形態の
原理を、上記半導体レーザ素子を用いて説明する。

【００１９】このガリウムとヒ素との化合物を用いた量
子井戸構造の半導体レーザ素子が出力する光の波長は、
量子井戸を構成するガリウムとヒ素との化合物のバンド
ギャップと、量子井戸幅によって決定される量子化エネ
ルギーとによって一義的に決まる。量子化エネルギー
は、比較的、温度依存性が小さく、微小な温度変化の範
囲においては、ほぼ定数と考えてよい。したがって、レ
ーザ光の波長は温度に依存する。温度をＴとし、α及び
βそれぞれを量子井戸が構成される半導体材料によって
決まる定数とすると、バンドギャップエネルギーＥｇ
（Ｔ）は、温度Ｔの関数として、

【００２０】

【数１】で表される。なお、Ｔの単位はケルビン（Ｋ）ある。

【００２１】ここで、ガリウムとヒ素との化合物を用い
た量子井戸構造の半導体レーザ素子は、材料の大半をガ
リウム及びヒ素で占めているため、この半導体レーザ素
子のバンドギャップエネルギーＥｇ（Ｔ）は、

【００２２】

【数２】で表される。なお、バンドギャップエネルギーＥｇ
（Ｔ）の単位はｅＶ（エレクトロンボルト）である。

【００２３】ここで、量子化エネルギーの一例として
０．１１１（ｅＶ）を式（２）に加えると、量子井戸内
の電子と正孔との最低準位間のバンドギャップエネルギ
ーＥｇ（Ｔ）は、

【００２４】

【数３】で表される。

【００２５】今、ガリウムとヒ素との化合物を用いた量
子井戸構造の半導体レーザ素子に様々な温度を与えたと
すると、その最低準位間のバンドギャップは、式（３）
によって決定される。これによって、半導体レーザ素子
から出力される光の波長は決定される。

【００２６】図１は半導体レーザ素子から出力されるレ
ーザ光の波長と温度との関係を示すグラフである。縦軸
に示されるＷはレーザ光の波長（ｎｍ）であり、横軸に
示されるＴは温度（℃）である。

【００２７】この波長Ｗは、式（３）に温度Ｔを代入
し、温度に依存したバンドギャップＥｇ（Ｔ）を求め、
その後、それぞれのバンドギャップＥｇ（Ｔ）から求め
られる。今、半導体レーザ素子の温度Ｔを２３℃と設定
したとすれば、半導体レーザ素子から出力されるレーザ
光の波長Ｗは８０７．８６４ｎｍである。半導体レーザ
素子の温度Ｔを３３℃と設定したとすれば、半導体レー
ザ素子から出力されるレーザ光の波長Ｗは８１１．２１
４ｎｍである。半導体レーザ素子の温度Ｔを４３℃と設
定したとすれば、半導体レーザ素子から出力されるレー
ザ光の波長Ｗは８１４．５６４ｎｍである。

【００２８】ここで、得たレーザ光の波長Ｗから近似式
を求めると、波長Ｗは温度Ｔの関数として、

【００２９】

【数４】で表される。なお、式（３）は、温度Ｔの二次関数であ
るが、温度Ｔが２３℃以上６３℃以下の範囲では式
（４）に表されるように一次関数で近似可能である。

【００３０】このように、半導体レーザ素子から出力さ
れるレーザ光の波長Ｗは、温度Ｔに依存する。従って、
複数の半導体レーザ素子を配列し、それらが配列されて
いる方向に温度勾配を形成すれば、半導体レーザ素子そ
れぞれから出力されるレーザ光の波長は、異なるものと
することができる。これが、本実施形態の半導体レーザ
装置の基本原理である。

【００３１】図２は第一の実施形態に係る半導体レーザ
装置の構成を示す図である。第一の実施形態の半導体レ
ーザ装置１は、半導体レーザアレイ１０と、第一凹面鏡
３０ａと、第二凹面鏡３０ｂと、平面回折格子３１と、
温度提供部２０（温度提供手段）とで構成される。

【００３２】半導体レーザアレイ１０は、レーザ光を出
力可能なＮ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁，ＬＤ₂，……，
ＬＤ_Nの並びによって形成されている。また、このＮ個
の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nは一次元状に配列され
ている。また、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ
_Nは、図面矢印方向（第一方向）に等間隔で配置されて
おり、例えば１ｍｍ間隔で配置されている。

【００３３】温度提供部２０は、冷却装置２１と熱導伝
性基板２２とで構成されている。Ｎ個の半導体レーザ素
子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nは、熱導伝性基板２２の第一凹面鏡３０
ａ側の面に取付けられている。また、この熱導伝性基板
２２の矢印反対方向側の側壁に冷却装置２１が取付けら
れている。この冷却装置２１は、冷却温度が外気温度以
下の冷却源である。

【００３４】この温度提供部２０は、図面矢印方向に温
度勾配を形成し、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_N
それぞれに温度条件を提供する。まず、冷却装置２１に
設定されている冷却温度が熱導伝性基板２２の矢印反対
方向側の側壁に伝わる。その後、その伝わった冷却温度
は矢印方向に向かうに従って徐々に外気温度に近づいて
いく。これにより温度提供部２０は温度勾配を形成す
る。さらに、熱導伝性基板２２に伝わった温度は、熱導
伝性基板２２に取り付けられているＮ個の半導体レーザ
素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれに伝わる。これにより、温度
提供部２０は温度条件を提供する。

【００３５】このようにして、温度提供部２０は、Ｎ個
の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれに温度勾配に
従う異なる温度を提供している。この温度勾配に従う異
なる温度によって、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜Ｌ
Ｄ_Nそれぞれは、異なる波長のレーザ光を出力する。

【００３６】第一凹面鏡３０ａは、Ｎ個の半導体レーザ
素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力された異なる波長の
レーザ光を反射する。この第一凹面鏡３０ａは、半導体
レーザアレイ１０の位置が第一凹面鏡３０ａの焦点面の
位置となるように配置される。このように第一凹面鏡３
０ａを配置することで、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ ₁
〜ＬＤ_Nそれぞれから出力された異なる波長のレーザ光
は、第一凹面鏡３０ａで反射して平行なレーザ光とな
る。

【００３７】平面回折格子３１は、第一凹面鏡３０ａか
ら反射してきた平行なレーザ光を回折し合波する。具体
的に、平面回折格子３１は、特定波長の光が特定方向に
回折し合波するブレーズ回折格子である。この平面回折
格子３１は、第一凹面鏡３０ａで反射された各波長の平
行なレーザ光が重なり合う位置に配置される。

【００３８】また、平面回折格子３１は、温度提供部２
０によって形成された温度勾配に応じた波長分散を有し
ている。従って、平面回折格子３１への入射時に重なり
合ったレーザ光は、回折されて合波され第二の凹面鏡３
０ｂに入射する。

【００３９】第二凹面鏡３０ｂは、平面回折格子３１で
回折され合波されたレーザ光を集光する。集光されたレ
ーザ光は、例えば、固体レーザ装置のレーザ媒質に照射
される。

【００４０】次に、温度提供部２０によって形成された
温度勾配と平面回折格子３１の波長分散との関係につい
て説明する。第一凹面鏡３０ａは、焦点距離が２５ｃｍ
であるとする。また、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜
ＬＤ_Nそれぞれは直線上に１ｍｍ間隔で配置されてい
る。

【００４１】このとき、平面回折格子３１が単位長さ
（１ｍｍ）当りの格子数が２０００本／ｍｍである場
合、波長変化率（例えば、半導体レーザ素子ＬＤ_Nの波
長の値から半導体レーザ素子ＬＤ_N-1の波長の値を引い
た値等を半導体レーザ素子ＬＤ_Nと半導体レーザ素子Ｌ
Ｄ_N-1との間の距離で割った数）を１．５ｎｍ／ｍｍ程
度にすれば良い。つまり、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ
₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力されるレーザ光の波長は、お
よそ１．５ｎｍづつ図面矢印方向に向かうにしたがって
増加していくようにすれば良い。

【００４２】今、格子間の間隔をｄ、波長をλ、平行と
なったレーザ光が平面回折格子３１へ入射する際の入射
角をθ₁、平行となったレーザ光が平面回折格子３１に
よって回折された際の回折角をθ₂、特定の次数をａと
する。平面回折格子３１は、単位長さ当たりの格子数が
２０００本／ｍｍなので、波長変化率１．５ｎｍ／ｍｍ
程度という数値は、

【００４３】

【数５】から導き出される。前述によると、ｄは５００（ｎｍ）
である。また、特定の次数ａ＝１とすると、式（５）は
ｓｉｎθ₁とｓｉｎθ₂とλとの式にすることができる。
この式は、

【００４４】

【数６】で表される。また、λの単位はナノメートル（ｎｍ）で
ある。

【００４５】ここで、半導体レーザ素子ＬＤ_Nから出力
され平行となったレーザ光と半導体レーザ素子ＬＤ_N-1
から出力され平行となったレーザ光とが回折し合波する
場合、両者のレーザ光の平面回折格子３１への入射角は
異なるが、両者のレーザ光の平面回折格子３１での回折
角は同じでなければならない。したがって、式（６）に
θ_1(N)（半導体レーザ素子ＬＤ_Nによって出力され平行
となったレーザ光が平面回折格子３１に入射する際の入
射角）を代入し得られた式から、θ_1(N-1)（半導体レー
ザ素子ＬＤ_N-1によって出力され平行となったレーザ光
が平面回折格子３１に入射する際の入射角）を代入し得
られた式を減算すると、波長変化率λ_N−λ_N-1は、

【００４６】

【数７】で表される。なお、λ_Nは半導体レーザ素子ＬＤ_Nから出
力されるレーザ光の波長であり、λ_N-1は半導体レーザ
素子ＬＤ_N-1から出力されるレーザ光の波長である。

【００４７】このようにして、単位長さ当たりの格子数
が２０００本／ｍｍの平面回折格子３１を用いたときの
波長変化率を求めることができる。

【００４８】なお、温度提供部２０は、Ｎ個の半導体レ
ーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nから出力されるレーザ光が合波さ
れるように波長変化率１．５ｎｍ／ｍｍ程度を満たす温
度勾配を形成しなければならない。Ｎ個の半導体レーザ
素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nは１ｍｍ間隔で設置されているので、
温度提供部２０は、図面矢印方向に沿って、

【００４９】

【数８】となるように温度勾配を形成する。

【００５０】以上のように、波長変化率を適切に設定す
る温度勾配を形成することで、Ｎ個の半導体レーザ素子
ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力されたレーザ光は、第一
凹面鏡３０ａ、第二凹面鏡３０ｂ及び平面回折格子３１
を介して集光される。

【００５１】図３は第二の実施形態に係る半導体レーザ
装置の構成を示す図である。なお、図２と同一の構成要
素に対しては、同一の参照番号を附し説明は省略する。
半導体レーザ装置２は、第一の実施形態の半導体レーザ
装置１が有する第一凹面鏡３０ａと第二凹面鏡３０ｂと
平面回折格子３１とに替えて、凹面回折格子３２を有す
る。つまり、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれ
ぞれは、レーザ光を凹面回折格子３２に向かって出力す
ることとなる。

【００５２】この場合、凹面回折格子３２は、Ｎ個の半
導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力されたレ
ーザ光を回折して合波し、集光する。その合波された光
は、他の光学素子を介することなく、集光点を形成す
る。

【００５３】また、高エネルギ密度のレーザ光を得るた
めに温度提供部２０が形成する温度勾配と凹面回折格子
３２とは、整合がとられる必要がある。凹面回折格子３
２は、例えば単位長さ（１ｍｍ）当りの格子数が２００
０本／ｍｍのフラットフィールド型回折格子である。こ
の凹面回折格子３２を使ってレーザ光を集光する場合、
波長変化率は１．３ｎｍ／ｍｍ程度が適切である。この
１．３ｎｍ／ｍｍ程度という数値は、第一の実施形態と
同様に、すべてのレーザ光が回折され集光されるように
求められたｓｉｎθ₁及びｓｉｎθ₂の値に基づいて算出
された値である。なお、この場合のθ₂は、レーザ光が
回折されて集光点へ向かうときの角度である。この集光
点へ向かうときの角度は、焦点距離を基に求めることが
可能である。

【００５４】したがって、温度提供部２０は、波長変化
率が１．３ｎｍ／ｍｍ程度になるように温度勾配を形成
する。Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれは
１ｍｍ間隔で設置されているので、温度提供部２０は、
図面矢印方向に沿って、

【００５５】

【数９】となるように温度勾配を形成する。

【００５６】また、図１で示した近似式の温度Ｔが４℃
分上昇したときの波長の変化は、およそ１．３ｎｍであ
る。したがって、温度提供部２０は、冷却装置２１から
の距離が１ｍｍづつ増加するにつれて温度が約４℃づつ
上昇するような温度勾配を形成すれば良い。

【００５７】以上のように、波長変化率を適切に設定す
る温度勾配を形成することで、Ｎ個の半導体レーザ素子
ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力されるレーザ光は、凹面
回折格子３２によって集光される。

【００５８】また、３つの光学素子（第一凹面鏡３０
ａ、第二凹面鏡３０ｂ及び平面回折格子３１）を用いる
第一の実施形態の半導体レーザ装置１に比べ、第二の実
施形態の半導体レーザ装置２は、光学素子を凹面回折格
子３２の一つにできる。また、半導体レーザ装置２は、
レーザ光の光路中に用いる光学素子を少なくできるの
で、レーザ光の損失を少なくできる。

【００５９】図４は第三の実施形態に係る半導体レーザ
装置の構成を示す図である。なお、図３と同一の構成要
素に対しては、同一の参照番号を附し説明は省略する。
半導体レーザ装置３は、半導体レーザアレイ１０に替え
て二次元半導体レーザアレイ１１を有し、温度提供部２
０に替えて二次元用温度提供部２４（温度提供手段）を
有している。この二次元半導体レーザアレイ１１は、各
々レーザ光を出力可能なＭ×Ｎ個の半導体レーザ素子Ｌ
Ｄ₁₁〜ＬＤ_MNがＭ行Ｎ列に配置されている。つまり、半
導体レーザ素子ＬＤ_mnは第ｍ行第ｎ列に配置されてい
る。また、図面矢印方向（第一方向）に、第ｍ行の半導
体レーザ素子ＬＤ_m1〜ＬＤ_mN（ｍは１以上Ｍ以下の任意
の整数）が並んでおり、図面矢印方向と垂直な方向（第
二方向）に、第ｎ列の半導体レーザ素子ＬＤ_1n〜ＬＤ_Mn
（ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）が並んでいる。な
お、Ｍ，Ｎそれぞれは２以上の任意の整数である。

【００６０】なお、図４に示す二次元用半導体レーザア
レイ１１は、図面の見易さを考慮し図４のように図示し
ているだけで、本来、図４に示されるように設置される
のではなく、図２及び図３に示す半導体レーザアレイ１
０と同じ方向を向いて設置される。

【００６１】また、図面矢印方向に並ぶこの第ｍ行のＮ
個の半導体レーザ素子ＬＤ_m1〜ＬＤ _mN（ｍは１以上Ｍ以
下の任意の整数）は、図面矢印方向に等間隔に配置され
ており、例えば１ｍｍ間隔で配置されている。

【００６２】二次元用温度提供部２４は、二次元用冷却
装置２１ａと二次元用熱導伝性基板２２ａとで構成され
ている。この二次元用熱導伝性基板２２ａは、Ｍ×Ｎ個
の半導体レーザ素子ＬＤ₁₁〜ＬＤ_MNを配置できるよう
に、熱導伝性基板２２と比べ半導体レーザ素子ＬＤ₁₁〜
ＬＤ_MNを配置する面の面積が大きくなっている。また、
二次元用冷却装置２１ａは、二次元用熱導伝性基板２２
ａの図面矢印反対方向側の側壁を覆う事ができるよう
に、側壁相当の大きさをもっている。

【００６３】次に、二次元用温度提供部２４がＭ×Ｎ個
の半導体レーザ素子ＬＤ₁₁〜ＬＤ_MNそれぞれに伝える温
度について説明する。この二次元用温度提供部２４は、
図面矢印方向に沿って温度勾配を形成する。つまり、二
次元用温度提供部２４は、図面矢印方向に並ぶ第ｍ行の
Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ_m1〜ＬＤ_mN（ｍは１以上Ｍ
以下の任意の整数）それぞれに異なる温度条件を提供す
る。

【００６４】また、第ｎ列のＭ個の半導体レーザ素子Ｌ
Ｄ_1n〜ＬＤ_Mn（ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）それぞ
れは、温度条件を等しくしている。したがって、図面矢
印方向と垂直方向に並ぶ第ｎ列のＭ個の半導体レーザ素
子ＬＤ_1n〜ＬＤ_Mn（ｎは１以上Ｎ以下の任意の整数）
は、同じ波長のレーザ光を出力する。

【００６５】このような、二次元半導体レーザアレイ１
１を備えた半導体レーザ装置３は、Ｍ×Ｎ個の半導体レ
ーザ素子ＬＤ₁₁〜ＬＤ_MNそれぞれから出力されたレーザ
光を前述と同様に集光する。但し、集光点が複数存在
し、レーザ光は線上に集光される。なお、図面矢印方向
に並ぶＮ個の半導体レーザ素子ＬＤ_m1〜ＬＤ_mN（ｍは１
以上Ｍ以下の整数）それぞれから出力するレーザ光の波
長の変化率と凹面回折格子３２の波長分散との整合をと
るのは、前述と同様である。

【００６６】このように、半導体レーザ装置３によって
集光された集光点は、線上に集光される。従って、高エ
ネルギ密度かつ線上に集光したレーザ光を出力すること
ができる。

【００６７】次に、半導体レーザアレイ１０のＮ個の半
導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nに温度条件を与える温度提
供部２０の第一変形例の構成について説明する。図５は
本実施形態に係る半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nに温度
を提供する温度提供部２０の第一変形例の構成を示す図
である。なお、図２と同一の構成要素に対しては、同一
の参照番号を附し説明を省略する。

【００６８】図５に示す第二の温度提供部２６（温度提
供手段）は、図２に示す温度提供部２０の構成に加え加
熱装置２５が設けられている。この加熱装置２５は、熱
導伝性基板２２を挟んで冷却装置２１と対向する位置に
設けられている。

【００６９】また、加熱装置２５は、冷却装置２１の冷
却温度以上の温度を提供する。半導体レーザ装置１でＮ
個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力さ
れるレーザ光を集光させるためには、平面回折格子３１
の波長分散と波長変化率との整合をとらなければならな
い。つまり、一定間隔でＮ個の半導体レーザ素子ＬＤ ₁
〜ＬＤ_Nそれぞれが配列されている場合は、冷却装置２
１側から数えてＸ番目に配列されている半導体レーザ素
子ＬＤ_XとＸ−１番目に配置されている半導体レーザ素
子ＬＤ_X-1との温度差は、任意の整数Ｘ（Ｘは２以上Ｎ
以下）を代入しても常に一定でなければならない。しか
し、温度勾配は、外気温度の影響を受けることで、その
温度差は一定とならない場合もある。

【００７０】例えば、図６のような場合である。図６は
本実施形態に係る温度提供部２０によって形成された温
度勾配を示すグラフである。縦軸は温度（℃）であり、
横軸は冷却装置からの距離（ｍｍ）を示している。ま
た、Ｔ₁は外気温度であり、Ｔ₂は冷却装置２１の冷却温
度である。

【００７１】図６のように、冷却装置２１の冷却温度Ｔ
₂が５℃であって、冷却装置２１から１０ｍｍ離れた半
導体レーザ素子ＬＤに２５℃の温度を提供しなければな
らないとする。ここで外気温度Ｔ₁が約１７．５℃の場
合、冷却装置２１は外気温度よりも低い温度なので外気
温度以上の温度を提供し得ない。よって、実際に形成さ
れる温度勾配は本来提供したい温度勾配と比べてズレを
生じてしまう。

【００７２】そこで、図５のように、加熱装置２５を使
用する。冷却装置２１と対向する側から距離１０ｍｍの
位置にある半導体レーザ素子ＬＤに加熱装置２５が２５
℃の温度を提供すれば、外気温度などの外的要因に影響
されず、容易に所望の温度勾配が形成できるようにな
る。

【００７３】このように、図面矢印方向に熱導伝性基板
２２を挟んで冷却装置２１と対向する位置に加熱装置２
５を設けることで、温度勾配は、外気温度の影響を受け
にくくなる。従って、所望の温度勾配の形成が容易とな
る。

【００７４】また、図５に示される加熱装置２５は、外
気温度以上の温度条件を提供するためだけの目的で使わ
れるのではなく、外気温度の影響を受け温度勾配にズレ
が生じる時に使われても良い。

【００７５】また、図５に示される第二の温度提供部２
６は、温度提供部２０の変形例であるが、第三の実施形
態（図４）で示した二次元用温度提供部２４の変形例で
あっても良い。

【００７６】図７は本実施形態に係る半導体レーザ素子
ＬＤ₁〜ＬＤ_Nに温度を提供する構成の第二変形例の構成
を示す図である。なお、図２と同一の構成要素に対して
は、同一の参照番号を附し説明は省略する。

【００７７】図７に示す曲線状熱導伝性基板２７は、図
２に示す熱導伝性基板２２と比べ、その厚さが均一でな
く、冷却装置２１から遠ざかるにしたがって厚さが減少
するように形成されている。つまり、曲線状熱導伝性基
板２７は、冷却装置２１の温度を矢印方向側に伝えにく
い形状となっている。なお、温度提供手段２０に、この
曲線状熱導伝性基板２７を用いた構成を第三の温度提供
部２８（温度提供手段）とする。

【００７８】曲線状熱導伝性基板２７は、所望の温度勾
配が急勾配である場合に有効な形状をしている。図２に
示す熱導伝性基板２２の場合、その厚さが均一のため、
冷却装置２１の冷却温度を図面矢印方向に伝え易く、形
成される温度勾配は、なだらかである。しかし、図７に
示す曲線状熱導伝性基板２７は、その厚さが図面矢印方
向に向かうにしたがって減少しているので、意図的に図
面矢印方向側に冷却装置２１の冷却温度を伝えにくくし
ている。従って、曲線状熱導伝性基板２７の形状は、図
２に示す熱導伝性基板２２の形状よりも温度勾配を急勾
配にしやすくなっている。

【００７９】このように、曲線状熱導伝性基板２７を用
いることで、温度勾配を急勾配にするなどの所望の温度
勾配が容易に形成できるようになる。

【００８０】また、図７に示される第三の温度提供部２
８には、冷却装置２１を用いているが、加熱装置２５を
用いても良い。

【００８１】また、曲線状熱導伝性基板２８の厚みを、
冷却装置２１から離れるにしたがって増加させるように
しても良い。この場合、温度勾配はなだらかとすること
が可能である。

【００８２】また、図７に示される第三の温度提供部２
８は、温度提供部２０の変形例であるが、第三の実施形
態（図４）で示した二次元用温度提供部２４の変形例で
あっても良い。

【００８３】図８は第四の実施形態に係る半導体レーザ
装置の構成を示す図である。図８に示される半導体レー
ザ装置４は、半導体レーザアレイ１０と、温度提供部２
０と、凹面回折格子３２と、凹面回折格子３２の駆動部
（図示せず）と、光強度モニタ４０と、制御装置４１と
で構成される。なお、半導体レーザアレイ１０、温度提
供部２０及び凹面回折格子３２については、既に説明し
たので、その説明を省略する。

【００８４】光強度モニタ４０は、Ｎ個の半導体レーザ
素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれから出力され凹面回折格子３
２で集光された集光点の光強度を測定する。この光強度
モニタ４０は、制御装置４１に接続されており、測定し
た集光点の光強度のデータを制御装置４１に送出する。

【００８５】制御装置４１は、光強度モニタ４０に接続
されており、また、Ｎ個の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜Ｌ
Ｄ_N、冷却装置２１、加熱装置２５及び凹面回折格子３
２の駆動部それぞれに接続されている。制御装置４１
は、冷却装置２１、熱導伝性基板２２、加熱装置２５及
び凹面回折格子３２の駆動部それぞれに指示を送出し、
集光点の光強度を最適化するように制御する。

【００８６】これにより、半導体レーザ装置４は、Ｎ個
の半導体レーザ素子ＬＤ₁〜ＬＤ_Nそれぞれからのレーザ
光を集光し、かつ、最適な光強度の集光点を得ることが
可能となる。

【００８７】また、第四の実施形態では、温度提供部２
０と半導体レーザアレイ１０を用いたが、特にこれに限
られるものではなく、温度提供部２０は、第二の温度提
供部２６や第三の温度提供部２８であっても良く、ま
た、温度提供部２０と半導体レーザアレイ１０とを二次
元用温度提供部２４と二次元用半導体レーザアレイ１１
とにしても良い。

【００８８】

【発明の効果】本発明の半導体レーザ装置は、コンパク
トかつ簡単な配置で複数の半導体レーザ素子からのレー
ザ光を集光できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の基本原理となる半導体レーザ素子
から出力されるレーザ光の波長と温度との関係を示すグ
ラフである。

【図２】第一の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成
を示す図である。

【図３】第二の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成
を示す図である。

【図４】第三の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成
を示す図である。

【図５】本実施形態に係る半導体レーザ素子ＬＤ₁〜Ｌ
Ｄ_Nに温度を提供する温度提供部２０の第一変形例の構
成を示す図である。

【図６】本実施形態に係る温度提供部２０によって形成
された温度勾配を示すグラフである。

【図７】本実施形態に係る半導体レーザ素子ＬＤ₁〜Ｌ
Ｄ_Nに温度を提供する温度提供部２０の第二変形例の構
成を示す図である。

【図８】第四の実施形態に係る半導体レーザ装置の構成
を示す図である。

【符号の説明】

１，２，３，４…半導体レーザ装置、１０…半導体レー
ザアレイ、１１…二次元用半導体レーザアレイ、２０…
温度提供部、２１…冷却装置、２１ａ…二次元用冷却装
置、２２…熱導伝性基板、２２ａ…二次元用熱導伝性基
板、２４…二次元用温度提供部、２５…加熱装置、２６
…第二の温度提供部、２７…曲線状熱導伝性基板、２８
…第三の温度提供部、３０ａ…第一凹面鏡、３０ｂ…第
二凹面鏡、３１…平面回折格子、３２…凹面回折格子、
ＬＤ…半導体レーザ素子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度に応じた波長のレーザ光を各々出力
する複数の半導体レーザ素子が配列された半導体レーザ
アレイと、前記複数の半導体レーザ素子のうち少なくとも二つ以上
の半導体レーザ素子が直線上に並ぶ第一方向に沿って温
度勾配を形成する温度提供手段と、前記温度提供手段によって形成された前記温度勾配に応
じた波長分散を有し、前記複数の半導体レーザ素子それ
ぞれから出力されたレーザ光を集光する回折光学系と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】前記半導体レーザアレイは、前記複数の
半導体レーザ素子が二次元配列された二次元半導体レー
ザアレイであって、前記温度提供手段は、前記複数の半導体レーザ素子が二
次元配列された面上で前記第一方向と直交する第二方向
に略同一の温度状態を形成し、前記回折光学系は、前記複数の半導体レーザ素子それぞ
れから出力されたレーザ光を線上に集光する、ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】前記温度提供手段は、半導体レーザ素子
が取付けられる熱導伝性基板と加熱源と冷却源とを含
み、前記加熱源は、前記熱導伝性基板の前記第一方向の一端
側に取付けられており、前記冷却源は、前記熱導伝性基板の前記第一方向の他端
側に取付けられている、ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】前記温度提供手段は、半導体レーザ素子
が取付けられる熱導伝性基板と、加熱源及び冷却源のい
ずれか一方とを含み、前記加熱源及び冷却源のいずれか一方は、前記熱導伝性
基板の前記第一方向の一端側に取付けられており、前記熱導伝性基板は、前記第一方向の一端から他端へ向
かうに従って前記熱導伝性基板の厚さが増加または減少
している、ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】前記回折光学系は、凹面鏡と平面回折格
子との組み合わせを含むことを特徴とする請求項１記載
の半導体レーザ装置。
【請求項６】前記回折光学系は、凹面回折格子を含む
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。