JP2004077779A - 合波レーザー光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】高出力が得られる低コストの合波レーザー光源を得る。
【解決手段】複数の半導体レーザーＬＤ１〜８を例えば正多角柱状のヒートブロック１０の各側面上に固定することにより、光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設し、それらの半導体レーザーＬＤ１〜８からそれぞれ出射したレーザービームを、例えばコリメーターレンズ１１〜１８および集光レンズ２０からなる集光光学系で集光した上でマルチモード光ファイバー３０に結合させて合波する。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の半導体レーザーＬＤ１〜８を例えば正多角柱状のヒートブロック１０の各側面上に固定することにより、光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設し、それらの半導体レーザーＬＤ１〜８からそれぞれ出射したレーザービームを、例えばコリメーターレンズ１１〜１８および集光レンズ２０からなる集光光学系で集光した上でマルチモード光ファイバー３０に結合させて合波する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は合波レーザー光源に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザーから発せられたレーザービームを光ファイバーを利用して合波する合波レーザー光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザー励起固体レーザーから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーや、エキシマレーザーや、Ａｒレーザーが実用に供されている。
【０００３】
さらには近時、例えば１９９８年発行のＪｐｎ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７．ｐ．Ｌ１０２０に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発するＧａＮ系半導体レーザーも提供されている。
【０００４】
このような波長のレーザービームを発する光源は、３５０〜４２０ｎｍの紫外領域を含んだ所定の波長域（以下「紫外域」という）に感度を有する感光材料を露光する露光装置において、露光用光源として適用することも考えられている。その場合の露光用光源は、当然ながら、感光材料を感光させるのに十分な出力を備えることが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記エキシマレーザーは、装置が大型で、コストやメンテナンスコストも高いという問題がある。
【０００６】
また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーは、波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは極めて困難になっている。現在のところは、３０Ｗの半導体レーザーで固体レーザー媒質を励起して１０Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、それを３Ｗの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に変換し、それら両者の和周波である１Ｗの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を得る、というのが現在の実用レベルである。その場合の半導体レーザーの電気−光効率は５０％程度であり、そして紫外光への変換効率は１．７％程度と非常に低いものとなっている。そしてこのような波長変換レーザーは、高価な光波長変換素子を用いるために、コストがかなり高いものとなっている。
【０００７】
またＡｒレーザーは電気−光効率が０．００５％と非常に低く、寿命が１０００時間程度と非常に短いという問題がある。
【０００８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザーについては、低転位のＧａＮ結晶基板が得られないことから、ＥＬＯＧという成長方法によって約５μｍ程度の低転位領域を作り出し、その上にレーザー領域を形成して高出力化と高信頼性を実現する試みがなされている。しかし、こうして作製されるＧａＮ系半導体レーザーにおいても、大面積に亘って低転位の基板を得るのが難しいので、５００ｍＷ〜１Ｗ級の高出力なものは未だ商品化されていない。
【０００９】
また、半導体レーザーの高出力化の別の試みとして、例えば１つで１００ｍＷの光を出力するキャビティを１００個形成することで１０Ｗの出力を得るようなことも考えられているが、１００個程度の多数のキャビティを高歩留まりで作成することは、ほとんど現実性が無いと言える。特に、シングルキャビティの場合でも９９％以上の高歩留まり化は困難であるＧａＮ系半導体レーザーにあっては、なおさらである。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑み、高出力が得られる低コストの合波レーザー光源を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による合波レーザー光源は、
光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設された複数の半導体レーザーと、
１本のマルチモード光ファイバーと、
前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前記マルチモード光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１２】
なお上述の構成において、２次元状に並べて配設する複数の半導体レーザーは、より具体的には、光照射を受ける側から見て共通の円周上に並ぶ状態に配置することが望ましい。そのようにするためには、例えば正六角柱や正八角柱などの正多角柱からなるブロックを、その中心軸がマルチモード光ファイバーのコア軸の延長上に有る状態に配置して、この多角柱の各側面上に１個ずつ半導体レーザーを配置するような構成を採用することができる。その場合、複数の半導体レーザーを円周の全周に亘って所定の角度間隔で配置してもよいし、あるいは、この円周の一部、例えば半周部分にだけ所定の角度間隔で配置してもよい。
【００１３】
さらには、複数の半導体レーザーを共通の円周上に配置する他、光照射を受ける側から見て縦横に直線状に並べて配置するようなことも可能である。その場合には、複数の半導体レーザーをマトリクス状、あるいは千鳥状に配置するようなことが可能である。
【００１４】
またそれらの半導体レーザーの各々としては、発光点を１つだけ有するシングルキャビティの半導体レーザーも、また複数の発光点を有するマルチキャビティの半導体レーザーも、シングルキャビティの半導体レーザーが複数並設されてなるアレイレーザーも共に適用可能である。さらに、この半導体レーザーとしては、発光幅が１．５〜５μｍ、さらに好ましくは２〜３μｍのものが用いられるのが望ましい。そしてこの半導体レーザーとしては、ＧａＮ系半導体レーザーが用いられることが望ましい。
【００１５】
一方上記集光光学系を構成する複数のコリメーターレンズは互いに一体化されて、レンズアレイとして構成されることが望ましい。つまり、例えば半導体レーザーがＮ列×Ｍ行のマトリクス状に配設されている場合は、Ｎ×Ｍ個のコリメーターレンズを２次元状に一体化してレンズアレイを構成すればよいし、あるいは各半導体レーザーとしてｍ個の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザーや、シングルキャビティの半導体レーザーがｍ個並設されてなるアレイレーザーが適用されている場合は、ｍ個のコリメーターレンズを一体化してレンズアレイを構成すればよい。
【００１６】
また上記マルチモード光ファイバーとしては、コア径が５０μｍ以下で、ＮＡ（開口数）が０．３以下のものが用いられることが望ましい。さらに、このマルチモード光ファイバーとしては、コア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものが用いられることが望ましい。
【００１７】
本発明の合波レーザー光源は、上述したマルチモード光ファイバーを１本だけ用いて構成されてもよいが、好ましくは、該マルチモード光ファイバーを複数用いて、それらのマルチモード光ファイバーの各々に複数の半導体レーザーおよび集光光学系を組み合わせ、各マルチモード光ファイバーから高出力のレーザービームを発するように構成することもできる。そのようにする場合、複数のマルチモード光ファイバーは少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいは、バンドル状に配設されるのが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の合波レーザー光源は、複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光してマルチモード光ファイバーに結合させる極めて簡単な構成のものであって、特に作製が困難な要素も必要としないので、低コストで形成可能となる。
【００１９】
また本発明の合波レーザー光源においては、複数の半導体レーザーを光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設しているので、１次元状に並べて配設する場合と比べると、同一スペースに同数の半導体レーザーを配設するのであれば、半導体レーザーどうしの間の間隔を大きく確保できるのでそれらや集光光学系の取付け、調整作業がより容易になり、他方、半導体レーザーを同一間隔で配設するのであれば、小さなスペースにより多数の半導体レーザーを配設可能となって、光源の高出力化および小型化が実現される。
【００２０】
また、複数のコリメーターレンズが互いに一体化されてレンズアレイとして構成される場合は、複数のコリメーターレンズが１個ずつ別体に形成される場合と比較して、各レンズの周辺部に大きな非有効領域ができてしまうことを避けられるから、各レンズを互いにより近接させて配置可能となる。そうであれば、複数の半導体レーザーをよりさらに高密度に配置できるので、合波本数をより多くして高出力化する上で有利である。さらにこの場合は、コリメーターレンズの位置調整作業が、１つのレンズアレイの位置を調整するだけで済むので、この作業が簡素化される。
【００２１】
また、印刷、医用画像の分野や、ＰＣＢ（プリント・サーキット・ボード）、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等による画像を感光材料に露光する場合等においては、上記マルチモード光ファイバーとしてコア径が５０μｍ以下のものを用いると、露光スポットを微細なものにして高精細な画像を露光できるようになる。また、そのマルチモード光ファイバーのＮＡが０．３以下であると、上述のような高精細画像を露光する上で十分な焦点深度が確保され、鮮鋭度の高い画像を露光可能となる。
【００２２】
また、マルチモード光ファイバーとしてコア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものを用いる場合、それらの組合せとしては例えば５０μｍ×０．１５、４０μｍ×０．１８８、３０μｍ×０．２５、２５μｍ×０．３等が挙げられる。このような特性のマルチモード光ファイバーを用いると、そのＮＡと同程度のＮＡのコリメーターレンズで各半導体レーザーからのレーザービームを平行光化でき、ＮＡ＝０．３の集光レンズで２５μｍ以下のスポットに合波レーザービームを集光させることも可能になる。それにより、高解像度と十分な焦点深度を確保できるようになる。
【００２３】
また本発明の合波レーザー光源において、半導体レーザーが３個以上設けられれば、従来知られている偏光合波では２個の半導体レーザーからのレーザービームしか合波できないのに対し、それを上回る高出力の合波ビームを得ることが能になる。ただし、１つの半導体レーザーの実装歩留まりが通常その程度であるように９８％であるとすると、半導体レーザーを１０個設ける場合には、実装歩留まりが８２％まで低下する。それ以上の歩留まり低下は現実上避けなければならないないので、本発明の好ましい実施の形態においては、この半導体レーザーの数の上限を１０個とする。
【００２４】
さらに、半導体レーザーの数が１０個一列に並べて配置される場合、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーを用いたとき、求められる実装精度は０．１μｍ未満と非常に厳しい値になってしまうが、一列に並べる半導体レーザーの数を６または７個としておくことにより、求められる実装精度は０．３〜１μｍ未満と著しく緩和される。また、半導体レーザーの数が６または７個の場合は、３個の場合と比べて２倍以上の高出力を得ることができる。
【００２５】
また半導体レーザーとして発光幅が１．５μｍ以上のものを適用することにより、例えばそれがＧａＮ系半導体レーザーである場合は、完全単一横モード構造のものの最大出力（３０ｍＷ程度）と比較して、高い出力（５０ｍＷ以上）を得ることができる。一方、半導体レーザーとして発光幅が５μｍ以下のものを適用することにより、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーに対して半導体レーザーが３個以上の集光結合系を構成可能となる。また、半導体レーザーとして発光幅が２〜３μｍのものを適用することにより、前記の画像形成用の光学系において半導体レーザーが６または７個の集光結合系を構成可能となる。
【００２６】
他方、本発明の合波レーザー光源が、複数のマルチモード光ファイバーを少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいはバンドル状に配設してなる場合は、それらの光ファイバーから高出力のレーザービームを１次元あるいは２次元に整列した状態で出射させることができる。そうであれば、整列して出射する複数のレーザービームの各々を、変調部がライン状、あるいは２次元状に配列されてなるＧＬＶやＤＭＤ等の空間光変調素子の各変調部に入射させて、画像露光等のために効率良く変調させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は本発明の第１の実施の形態による合波レーザー光源の斜視形状を示すものであり、また図２はこの合波レーザー光源に用いられた半導体レーザーの取付状態を示している。
【００２９】
この合波レーザー光源は、銅からなる正八角柱状のヒートブロック１０の各側面上に配列固定された一例として８個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８と、各ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８に対してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７および１８と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバー３０とから構成されている。
【００３０】
なおこの図１は、本実施の形態の合波レーザー光源の基本構成を示すものであり、コリメーターレンズ１１〜１７の形状は概念的に示してあり、その正確な形状と取付状態、および集光レンズ２０の取付状態の詳細については後に説明する。
【００３１】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８から発散光状態で出射したレーザービームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７およびＢ８は、それぞれコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７および１８によって平行光化される。
【００３２】
平行光とされたレーザービームＢ１〜８は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア３０ａの入射端面上で収束する。本例ではコリメーターレンズ１１〜１８および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバー３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザービームＢ１〜８がこのマルチモード光ファイバー３０のコア３０ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。なおマルチモード光ファイバー３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００３３】
次に、この合波レーザー光源からなる紫外光高輝度合波ファイバーモジュールについて詳しく説明する。図３および４はそれぞれ、この紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの側面形状および平面形状を示すものであり、図５はこの紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを図４のＡ−Ａ線の部分から見た状態を示す部分正面図である。なお図３および４では、煩雑さを避けるために８個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーについては、まとめてＬＤ１〜８として示してある。また同様にコリメーターレンズについては１１〜１８と、レーザービームについてはＢ１〜８とまとめて示してある。
【００３４】
本例においてモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が画成する閉空間内に密閉保持される。なお、光学要素を収容するパッケージは、本例のようなバタフライ型のものに限られるものではなく、その他例えば、一側面が開放されてそこがパッケージ蓋で閉じられる構造とされたピグテール（円筒）型のパッケージ等を採用することもできる。
【００３５】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面にホルダ４３を介して前記ヒートブロック１０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック１０にコリメーターレンズ１１〜１８を保持するコリメーターレンズホルダ４４が固定されている。なおこのコリメーターレンズホルダ４４は、中心をヒートブロック１０の中心軸と揃えて該ヒートブロック１０に固定された円板状部材４４ａと、この円板状部材４４ａに等角度間隔で設けられた８個のビーム通過孔４４ｂの各近傍位置において該円板状部材４４ａに固定されたレンズ受け部４４ｃとを有するもので、コリメーターレンズ１１〜１８は各々上記ビーム通過孔４４ｂと整合する状態にしてレンズ受け部４４ｃに固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００３６】
ここで図６の（１）および（２）にそれぞれ、コリメーターレンズ１１〜１８の正面形状、側面形状を要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示す。図示の通りこれらのコリメーターレンズ１１〜１８は、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取った形とされたものであり、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。このような形状のコリメーターレンズ１１〜１８はそれぞれ、光軸がＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の発光軸の延長上にあり、そして光軸に対して垂直な長軸（図６（１）の中のＶ）がヒートブロック１０の中心軸と交わる状態にして、放射状に配設されている。
【００３７】
一方ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８としては、発光幅が２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が一例としてそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザービームＢ１〜８を発するものが用いられている。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、その活性層が正八角柱状のヒートブロック１０の各側面と平行になる向きにして該側面上に実装される。つまりこれらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、レーザービームＢ１〜８が照射される側からみると、各発光点が共通の円周上に等角度間隔で並ぶ状態に配置されている。
【００３８】
したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の各発光点から発せられたレーザービームＢ１〜８は、上述のように細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１８に対して、拡がり角最大の方向が開口径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１８は、入射するレーザービームＢ１〜８の楕円形の断面形状に対応して、非有効部分を極力少なくして使用されることになる。本例では具体的に、コリメーターレンズ１１〜１８の開口径は横方向、縦方向で各々１．１ｍｍ、２．６４ｍｍであり、それらに入射するレーザービームＢ１〜８の横方向（活性層に平行な方向）、縦方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍとされる。また、コリメーターレンズの各焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６である。
【００３９】
一方集光レンズ２０は開口径が９ｍｍの円形の非球面レンズであり、その焦点距離ｆ２＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。
【００４０】
他方、マルチモード光ファイバー３０としては、三菱電線工業株式会社製のグレーデッドインデックス型光ファイバーを基本として、コア中心部がグレーデッドインデックスで外周部がステップインデックスである、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、端面コートの透過率＝９９．５％以上のものが用いられている。本例の場合、先に述べたコア径×ＮＡの値は１０μｍである。なお本発明で用いるマルチモード光ファイバーとしては、コア径が上述のように５０μｍであるものに限らず、適宜用途に応じて、例えば１０〜１００μｍ程度の範囲にあるその他のコア径のものも適用可能である。
【００４１】
本実施の形態の構成においては、レーザービームＢ１〜８のマルチモード光ファイバー３０への結合効率が０．９となる。したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の各出力が３０ｍＷのときには、出力２１６ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×８）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４２】
以上説明した実施の形態では、複数のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８を共通の円周上に配置しているが、複数の半導体レーザーを光照射を受ける側から見て縦横に直線状に並べて配置するようなことも可能である。その場合には、複数の半導体レーザーをマトリクス状、あるいは千鳥状に配置するようなことが可能である。またそれら複数の半導体レーザーに対して１個ずつ設けられるコリメーターレンズに代えて、複数のレンズ要素が一体的化されてなるレンズアレイを用いることもできる。
【００４３】
また、複数の半導体レーザーを固定保持させるブロックは、必ずしも前記ヒートブロック１０のように多角柱形状である必要はなく、その他例えば、分割した四角ブロックステムに予め半導体レーザーを実装しておき、これを基準面に対して多角形状に並べて実装してもよい。
【００４４】
次に、図７を参照して本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源について説明する。なおこの図７において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００４５】
この第２の実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、半導体レーザーの数が異なるものである。すなわち本実施の形態では、銅からなる正六角柱状のヒートブロック１０’の各側面上に１個ずつチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５およびＬＤ６（ＬＤ４〜６は図示せず）が固定され、それらに各々対応させて６個のコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５および１６が設けられている。
【００４６】
以上の構成において、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜６から射出されたレーザービームのマルチモード光ファイバー３０への結合効率が第１の実施の形態と同じ０．９であるとすると、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜６の各出力が３０ｍＷのときには、出力１６２ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×６）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４７】
ここで図８〜１０を参照して、本発明の効果について説明する。図８、９はそれぞれ、細長いコリメーターレンズＣＬを図１の構成、図６の構成に適用した場合の概略正面形状（半導体レーザーより光照射を受ける側から見た形状）を示しており、それに対して図１０は７個の半導体レーザーを１次元に配列し、各半導体レーザーに対応させて上記と同様のコリメーターレンズＣＬを配設した場合の正面形状を示している。これら図８あるいは９の構成と図１０の構成とを比較すると明らかなように、後者と比べて前者の方が、複数のコリメーターレンズＣＬを、隣接するものどうしの間で空間的に余裕をもって配置可能となる。したがって本発明によれば、コリメーターレンズの取付けや調整を容易化することができる。なお図８〜１０では半導体レーザーは示していないが、それらは各々コリメーターレンズの光軸と発光軸を揃えて配置されるものであるから、取付けや調整が容易化されるという点は半導体レーザーについても同様である。
【００４８】
複数の半導体レーザーを等しい角度間隔で配置するためには、上記実施の形態で用いた正多角柱状のヒートブロック１０あるいは１０’に限らず、その他の手段を用いることもできる。例えば図１１に示すように、正多角形（この例では正八角形）の板状のヒートブロック５１に放射状に複数個のサブマウント５２を固定し、これらのサブマウント５２の外端面にそれぞれ半導体レーザーＬＤ１〜８を固定するようにしてもよい。さらには図１２に示すように、正多角形の板状のヒートブロック５１に放射状に複数個のサブマウント５２を固定し、これらのサブマウント５２の内端面にそれぞれ半導体レーザーＬＤ１〜８を固定するようにしてもよい。
【００４９】
次に、図１３を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に代えて、８個の半導体レーザーアレイＬＤＡ１〜８が用いられ、またコリメーターレンズ１１〜１８に代えて８個のコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａが用いられた点が基本的に異なるものである。
【００５０】
図１４は、１つの半導体レーザーアレイＬＤＡ１および１つのコリメーターレンズアレイ１１Ａの詳細形状を示すものである。ここに示される通り半導体レーザーアレイＬＤＡ１は銅等からなるブロック６０の上に、一例として３個の半導体レーザーチップ６１、６２および６３が並列固定されてなるものである。これらの半導体レーザーチップ６１、６２および６３は、各々の活性層の延びる方向と平行に並べて配置されている。またコリメーターレンズアレイ１１Ａは、上記半導体レーザーチップ６１、６２および６３から発散光状態で出射したレーザービームＢ１１、Ｂ１２およびＢ１３を平行光化する３つのレンズ要素６５、６６および６７が、１つの円形の透明部材６４と一体的に形成されてなるものである。
【００５１】
本実施の形態では、半導体レーザーアレイＬＤＡ１において半導体レーザーチップ６１、６２および６３の各出力は３０ｍＷ、幅は０．３５ｍｍ、それらの配置ピッチは０．４５ｍｍ、ブロック６１の全幅は１．３５ｍｍである。またコリメーターレンズアレイ１１Ａにおいて、レンズ要素６５、６６および６７の焦点距離は１ｍｍ、各有効幅は０．３５ｍｍ、それらの配置ピッチは０．４５ｍｍ、アレイ全幅は１．３５ｍｍである。他の半導体レーザーアレイＬＤＡ２〜８およびコリメーターレンズアレイ１２Ａ〜１８Ａも、上記と同様の構成を有する。一方、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０は、図１の第１実施の形態におけるものと同様である。
【００５２】
以上の通り本実施の形態では、半導体レーザーアレイＬＤＡ１〜８およびコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａのサイズを、図１の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８およびコリメーターレンズ１１〜１８とそれぞれ略同サイズにしているので、この図１の合波レーザー光源と比較すると出力当たりで３倍の高密度化（小型化）が実現している。しかしながら本実施の形態では、光学倍率が１２．５倍となるので、コリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａのアライメント精度は図１の装置に比べて３倍厳しくなる。反面、合波本数は２４本となり、トータル出力は６４８ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×２４）と３倍になる。
【００５３】
次に、図１５を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に代えて、８個のマルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８が用いられ、またコリメーターレンズ１１〜１８に代えて８個のコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａが用いられた点が基本的に異なるものである。
【００５４】
マルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８は複数の発光点を有するものであり、このようなマルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８を用いることにより本実施の形態でも、第１の実施の形態と比べて、出力当たりで考えると高密度化（小型化）が実現される。例えば、マルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８が各々３個の発光点を有するもので、各発光点からのレーザービームの出力が３０ｍＷであれば、第１の実施の形態と比べて出力当たりで３倍の高密度化が実現される。
【００５５】
上述のようなマルチキャビティ半導体レーザーが安定して低コストで提供されるようになれば、半導体レーザーアレイを適用するよりは、低コストでピッチ精度の高いマルチキャビティ半導体レーザーを用いる方が望ましい。マルチキャビティ半導体レーザーの発光点数が多くなり、それらのピッチが小さくなった場合は、より高密度に実装可能となる。ただしその場合は光学倍率がより大きくなるため、ビーム径がその分大きくなるので、コリメート調整やファイバー結合の構成の組立精度がより厳しくなる方向となる。したがって、実装精度と高密度化との兼ね合いを考慮して、歩留まりの良いところで設計する必要がある。
【００５６】
以上、合波本数を８本、６本とした４つの実施の形態について説明したが、本発明の合波レーザー光源における合波本数はこれらの数に限られるものではなく、２本以上のいずれの数が選択されてもよい。ただし好ましい合波本数は、先に述べた通りである。また半導体レーザーアレイにおける半導体レーザーの設置数や、マルチキャビティ半導体レーザーの発光点数も前述の３個に限定されるものではなく、２個以上のいずれの数が選択されてもよい。
【００５７】
ここで、本発明の合波レーザー光源を製造する装置の例について、図１６を参照して説明する。ここに示したものは、一例として図１〜５に示した合波レーザー光源を製造する装置であり、前述の正八角柱ヒートブロック１０は予めコリメーターレンズホルダ４４（図３，４参照）を固定した状態で８分割インデクス回転装置１００のチャック１０１に把持される。そしてこの回転装置１００がインデクス回転する毎に、ヒートブロック１０の正八角柱の一側面が順次、所定の基準面に平行な状態に設定される。
【００５８】
そして、図示外の半導体レーザーチップトレイにある半導体レーザーＬＤ（前述の半導体レーザーＬＤ１〜８となるものの１つ）を、セラミックヒータを有するコレット１０２によりピックアップし、ヒートブロック１０のＡｕＳｎ（金錫）が蒸着されている側面に実装する。次に５軸を有するステージ１０３に固定された図示外のレンズ保持チャックによりコリメーターレンズＣＬ（前述のコリメーターレンズ１１〜１８の１つとなるもの）を把持し、概略位置まで位置決めする。また５軸を有するステージ１０５に固定された図示外のレンズホルダ保持チャックによりコリメーターレンズホルダを把持し、概略位置まで位置決めする。
【００５９】
半導体レーザーＬＤに図示外のプローブを当てて給電、発光させ、コリメーターレンズＣＬの光軸先に設置されている集光測定系にレーザビームＢＬを収束させる。なお測定系は集光レンズ２０と、それを位置調整するための集光レンズ調整ステージ１０４と、ＮＦＰ（近視野像）光学系１０７と、それを位置調整するためのＮＦＰ光学系調整用ステージ１０６と、ＣＣＤカメラおよびその出力を処理する演算処理手段等からなるビーム形状測定装置１０８とから構成されている。
【００６０】
その後コリメーターレンズホルダステージ１０５を動かしてヒートブロック１０に突き当てた後、コリメーターレンズステージ１０３を動かしてレンズホルダに突き当て、その後Ｚ方向（光軸方向）にビームが最も細くなる点に位置決めして、紫外線硬化型接着剤でホルダとコリメーターレンズとを固定する。この固定後はレンズ保持チャックを開放する。次にビーム強度重心が中心位置に来るようにコリメーターレンズホルダステージ１０５を動かし、ＸＹ方向（光軸と垂直な方向）にアクティブ調芯して位置を決め、ホルダとヒートブロック１０を紫外線硬化型接着剤で固定する。
【００６１】
以上の通りにして正八角柱ヒートブロック１０の１つの側面に１つの半導体レーザーＬＤが実装され、この実装が終了する毎にヒートブロック１０が４５°インデクス回転されて、次の側面に対する半導体レーザーＬＤの実装に移る。このようにして８回上記の実装を繰り返すことにより、８個の半導体レーザーＬＤ１〜８および８個のコリメーターレンズ１１〜１８の組立てを効率良く行うことができる。
【００６２】
なお、上述のような装置を用いて半導体レーザーを実装するに当たっては、一連の行程を連続的に行ってもよいし、あるいは複数行程に分割して行ってもよい。また上記コリメートレンズホルダは、コリメーターレンズの焦点方向位置をパッシブ的に合わせてしまえば、必ずしも必要ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図２】上記合波レーザー光源の要部を示す斜視図
【図３】上記合波レーザー光源を備えた紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを示す側面図
【図４】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの平面図
【図５】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの部分正面図
【図６】上記合波レーザー光源に用いられたコリメーターレンズの正面図（１）と側面図（２）
【図７】本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図８】本発明の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの配置例を示す概略正面図
【図９】本発明の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの別の配置例を示す概略正面図
【図１０】従来の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの配置例を示す概略正面図
【図１１】本発明の合波レーザー光源における半導体レーザーの配置例を示す平面図
【図１２】本発明の合波レーザー光源における半導体レーザーの別の配置例を示す平面図
【図１３】本発明の第３の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図１４】図１３の合波レーザー光源の一部を拡大して示す斜視図
【図１５】本発明の第４の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図１６】本発明の合波レーザー光源を製造する装置の一例を示す側面図
【符号の説明】
１０、１０’、５１ ヒートブロック
１１〜１８ コリメーターレンズ
１１Ａ〜１８Ａ コリメーターレンズアレイ
２０ 集光レンズ
３０ マルチモード光ファイバー
３０ａ マルチモード光ファイバーのコア
５２ サブマウント
６１、６２、６３ 半導体レーザーチップ
ＣＬ コリメーターレンズ
ＬＤ１〜８ ＧａＮ系半導体レーザー
ＬＤＡ１〜８ 半導体レーザーアレイ
ＭＣＤ１〜８ マルチキャビティ半導体レーザー
Ｂ１〜８ レーザービーム
Ｂ 合波されたレーザービーム
【発明の属する技術分野】
本発明は合波レーザー光源に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザーから発せられたレーザービームを光ファイバーを利用して合波する合波レーザー光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、紫外域のレーザービームを発生させる装置として、半導体レーザー励起固体レーザーから発せられた赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーや、エキシマレーザーや、Ａｒレーザーが実用に供されている。
【０００３】
さらには近時、例えば１９９８年発行のＪｐｎ．Ａｐｐｌ．ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３７．ｐ．Ｌ１０２０に示されるように、４００ｎｍ近傍の波長のレーザービームを発するＧａＮ系半導体レーザーも提供されている。
【０００４】
このような波長のレーザービームを発する光源は、３５０〜４２０ｎｍの紫外領域を含んだ所定の波長域（以下「紫外域」という）に感度を有する感光材料を露光する露光装置において、露光用光源として適用することも考えられている。その場合の露光用光源は、当然ながら、感光材料を感光させるのに十分な出力を備えることが求められる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記エキシマレーザーは、装置が大型で、コストやメンテナンスコストも高いという問題がある。
【０００６】
また、赤外光を紫外域の第３高調波に変換する波長変換レーザーは、波長変換効率が非常に低いことから、高出力を得るのは極めて困難になっている。現在のところは、３０Ｗの半導体レーザーで固体レーザー媒質を励起して１０Ｗの基本波（波長１０６４ｎｍ）を発振させ、それを３Ｗの第２高調波（波長５３２ｎｍ）に変換し、それら両者の和周波である１Ｗの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を得る、というのが現在の実用レベルである。その場合の半導体レーザーの電気−光効率は５０％程度であり、そして紫外光への変換効率は１．７％程度と非常に低いものとなっている。そしてこのような波長変換レーザーは、高価な光波長変換素子を用いるために、コストがかなり高いものとなっている。
【０００７】
またＡｒレーザーは電気−光効率が０．００５％と非常に低く、寿命が１０００時間程度と非常に短いという問題がある。
【０００８】
一方、ＧａＮ系半導体レーザーについては、低転位のＧａＮ結晶基板が得られないことから、ＥＬＯＧという成長方法によって約５μｍ程度の低転位領域を作り出し、その上にレーザー領域を形成して高出力化と高信頼性を実現する試みがなされている。しかし、こうして作製されるＧａＮ系半導体レーザーにおいても、大面積に亘って低転位の基板を得るのが難しいので、５００ｍＷ〜１Ｗ級の高出力なものは未だ商品化されていない。
【０００９】
また、半導体レーザーの高出力化の別の試みとして、例えば１つで１００ｍＷの光を出力するキャビティを１００個形成することで１０Ｗの出力を得るようなことも考えられているが、１００個程度の多数のキャビティを高歩留まりで作成することは、ほとんど現実性が無いと言える。特に、シングルキャビティの場合でも９９％以上の高歩留まり化は困難であるＧａＮ系半導体レーザーにあっては、なおさらである。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑み、高出力が得られる低コストの合波レーザー光源を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による合波レーザー光源は、
光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設された複数の半導体レーザーと、
１本のマルチモード光ファイバーと、
前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前記マルチモード光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１２】
なお上述の構成において、２次元状に並べて配設する複数の半導体レーザーは、より具体的には、光照射を受ける側から見て共通の円周上に並ぶ状態に配置することが望ましい。そのようにするためには、例えば正六角柱や正八角柱などの正多角柱からなるブロックを、その中心軸がマルチモード光ファイバーのコア軸の延長上に有る状態に配置して、この多角柱の各側面上に１個ずつ半導体レーザーを配置するような構成を採用することができる。その場合、複数の半導体レーザーを円周の全周に亘って所定の角度間隔で配置してもよいし、あるいは、この円周の一部、例えば半周部分にだけ所定の角度間隔で配置してもよい。
【００１３】
さらには、複数の半導体レーザーを共通の円周上に配置する他、光照射を受ける側から見て縦横に直線状に並べて配置するようなことも可能である。その場合には、複数の半導体レーザーをマトリクス状、あるいは千鳥状に配置するようなことが可能である。
【００１４】
またそれらの半導体レーザーの各々としては、発光点を１つだけ有するシングルキャビティの半導体レーザーも、また複数の発光点を有するマルチキャビティの半導体レーザーも、シングルキャビティの半導体レーザーが複数並設されてなるアレイレーザーも共に適用可能である。さらに、この半導体レーザーとしては、発光幅が１．５〜５μｍ、さらに好ましくは２〜３μｍのものが用いられるのが望ましい。そしてこの半導体レーザーとしては、ＧａＮ系半導体レーザーが用いられることが望ましい。
【００１５】
一方上記集光光学系を構成する複数のコリメーターレンズは互いに一体化されて、レンズアレイとして構成されることが望ましい。つまり、例えば半導体レーザーがＮ列×Ｍ行のマトリクス状に配設されている場合は、Ｎ×Ｍ個のコリメーターレンズを２次元状に一体化してレンズアレイを構成すればよいし、あるいは各半導体レーザーとしてｍ個の発光点を有するマルチキャビティ半導体レーザーや、シングルキャビティの半導体レーザーがｍ個並設されてなるアレイレーザーが適用されている場合は、ｍ個のコリメーターレンズを一体化してレンズアレイを構成すればよい。
【００１６】
また上記マルチモード光ファイバーとしては、コア径が５０μｍ以下で、ＮＡ（開口数）が０．３以下のものが用いられることが望ましい。さらに、このマルチモード光ファイバーとしては、コア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものが用いられることが望ましい。
【００１７】
本発明の合波レーザー光源は、上述したマルチモード光ファイバーを１本だけ用いて構成されてもよいが、好ましくは、該マルチモード光ファイバーを複数用いて、それらのマルチモード光ファイバーの各々に複数の半導体レーザーおよび集光光学系を組み合わせ、各マルチモード光ファイバーから高出力のレーザービームを発するように構成することもできる。そのようにする場合、複数のマルチモード光ファイバーは少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいは、バンドル状に配設されるのが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の合波レーザー光源は、複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光してマルチモード光ファイバーに結合させる極めて簡単な構成のものであって、特に作製が困難な要素も必要としないので、低コストで形成可能となる。
【００１９】
また本発明の合波レーザー光源においては、複数の半導体レーザーを光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設しているので、１次元状に並べて配設する場合と比べると、同一スペースに同数の半導体レーザーを配設するのであれば、半導体レーザーどうしの間の間隔を大きく確保できるのでそれらや集光光学系の取付け、調整作業がより容易になり、他方、半導体レーザーを同一間隔で配設するのであれば、小さなスペースにより多数の半導体レーザーを配設可能となって、光源の高出力化および小型化が実現される。
【００２０】
また、複数のコリメーターレンズが互いに一体化されてレンズアレイとして構成される場合は、複数のコリメーターレンズが１個ずつ別体に形成される場合と比較して、各レンズの周辺部に大きな非有効領域ができてしまうことを避けられるから、各レンズを互いにより近接させて配置可能となる。そうであれば、複数の半導体レーザーをよりさらに高密度に配置できるので、合波本数をより多くして高出力化する上で有利である。さらにこの場合は、コリメーターレンズの位置調整作業が、１つのレンズアレイの位置を調整するだけで済むので、この作業が簡素化される。
【００２１】
また、印刷、医用画像の分野や、ＰＣＢ（プリント・サーキット・ボード）、ＰＤＰ（プラズマディスプレイ）、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等による画像を感光材料に露光する場合等においては、上記マルチモード光ファイバーとしてコア径が５０μｍ以下のものを用いると、露光スポットを微細なものにして高精細な画像を露光できるようになる。また、そのマルチモード光ファイバーのＮＡが０．３以下であると、上述のような高精細画像を露光する上で十分な焦点深度が確保され、鮮鋭度の高い画像を露光可能となる。
【００２２】
また、マルチモード光ファイバーとしてコア径×ＮＡの値が１０μｍ以下のものを用いる場合、それらの組合せとしては例えば５０μｍ×０．１５、４０μｍ×０．１８８、３０μｍ×０．２５、２５μｍ×０．３等が挙げられる。このような特性のマルチモード光ファイバーを用いると、そのＮＡと同程度のＮＡのコリメーターレンズで各半導体レーザーからのレーザービームを平行光化でき、ＮＡ＝０．３の集光レンズで２５μｍ以下のスポットに合波レーザービームを集光させることも可能になる。それにより、高解像度と十分な焦点深度を確保できるようになる。
【００２３】
また本発明の合波レーザー光源において、半導体レーザーが３個以上設けられれば、従来知られている偏光合波では２個の半導体レーザーからのレーザービームしか合波できないのに対し、それを上回る高出力の合波ビームを得ることが能になる。ただし、１つの半導体レーザーの実装歩留まりが通常その程度であるように９８％であるとすると、半導体レーザーを１０個設ける場合には、実装歩留まりが８２％まで低下する。それ以上の歩留まり低下は現実上避けなければならないないので、本発明の好ましい実施の形態においては、この半導体レーザーの数の上限を１０個とする。
【００２４】
さらに、半導体レーザーの数が１０個一列に並べて配置される場合、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーを用いたとき、求められる実装精度は０．１μｍ未満と非常に厳しい値になってしまうが、一列に並べる半導体レーザーの数を６または７個としておくことにより、求められる実装精度は０．３〜１μｍ未満と著しく緩和される。また、半導体レーザーの数が６または７個の場合は、３個の場合と比べて２倍以上の高出力を得ることができる。
【００２５】
また半導体レーザーとして発光幅が１．５μｍ以上のものを適用することにより、例えばそれがＧａＮ系半導体レーザーである場合は、完全単一横モード構造のものの最大出力（３０ｍＷ程度）と比較して、高い出力（５０ｍＷ以上）を得ることができる。一方、半導体レーザーとして発光幅が５μｍ以下のものを適用することにより、画像形成用のコア径５０μｍ以下でＮＡ０．３以下、もしくはコア径×ＮＡ＝１０μｍ以下のマルチモード光ファイバーに対して半導体レーザーが３個以上の集光結合系を構成可能となる。また、半導体レーザーとして発光幅が２〜３μｍのものを適用することにより、前記の画像形成用の光学系において半導体レーザーが６または７個の集光結合系を構成可能となる。
【００２６】
他方、本発明の合波レーザー光源が、複数のマルチモード光ファイバーを少なくとも出射端部において１次元アレイ状、あるいはバンドル状に配設してなる場合は、それらの光ファイバーから高出力のレーザービームを１次元あるいは２次元に整列した状態で出射させることができる。そうであれば、整列して出射する複数のレーザービームの各々を、変調部がライン状、あるいは２次元状に配列されてなるＧＬＶやＤＭＤ等の空間光変調素子の各変調部に入射させて、画像露光等のために効率良く変調させることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は本発明の第１の実施の形態による合波レーザー光源の斜視形状を示すものであり、また図２はこの合波レーザー光源に用いられた半導体レーザーの取付状態を示している。
【００２９】
この合波レーザー光源は、銅からなる正八角柱状のヒートブロック１０の各側面上に配列固定された一例として８個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８と、各ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８に対してそれぞれ設けられたコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７および１８と、１つの集光レンズ２０と、１本のマルチモード光ファイバー３０とから構成されている。
【００３０】
なおこの図１は、本実施の形態の合波レーザー光源の基本構成を示すものであり、コリメーターレンズ１１〜１７の形状は概念的に示してあり、その正確な形状と取付状態、および集光レンズ２０の取付状態の詳細については後に説明する。
【００３１】
ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、発振波長が例えば全て共通の４０５ｎｍであり、最大出力も全て共通の１００ｍＷである。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５，ＬＤ６，ＬＤ７およびＬＤ８から発散光状態で出射したレーザービームＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７およびＢ８は、それぞれコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７および１８によって平行光化される。
【００３２】
平行光とされたレーザービームＢ１〜８は、集光レンズ２０によって集光され、マルチモード光ファイバー３０のコア３０ａの入射端面上で収束する。本例ではコリメーターレンズ１１〜１８および集光レンズ２０によって集光光学系が構成され、それとマルチモード光ファイバー３０とによって合波光学系が構成されている。すなわち、集光レンズ２０によって上述のように集光されたレーザービームＢ１〜８がこのマルチモード光ファイバー３０のコア３０ａに入射してそこを伝搬し、１本のレーザービームＢに合波されてマルチモード光ファイバー３０から出射する。なおマルチモード光ファイバー３０としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である。
【００３３】
次に、この合波レーザー光源からなる紫外光高輝度合波ファイバーモジュールについて詳しく説明する。図３および４はそれぞれ、この紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの側面形状および平面形状を示すものであり、図５はこの紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを図４のＡ−Ａ線の部分から見た状態を示す部分正面図である。なお図３および４では、煩雑さを避けるために８個のチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーについては、まとめてＬＤ１〜８として示してある。また同様にコリメーターレンズについては１１〜１８と、レーザービームについてはＢ１〜８とまとめて示してある。
【００３４】
本例においてモジュールを構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ４０内に収容され、このパッケージ４０の上記開口がパッケージ蓋４１によって閉じられることにより、該パッケージ４０およびパッケージ蓋４１が画成する閉空間内に密閉保持される。なお、光学要素を収容するパッケージは、本例のようなバタフライ型のものに限られるものではなく、その他例えば、一側面が開放されてそこがパッケージ蓋で閉じられる構造とされたピグテール（円筒）型のパッケージ等を採用することもできる。
【００３５】
パッケージ４０の底面にはベース板４２が固定され、このベース板４２の上面にホルダ４３を介して前記ヒートブロック１０が取り付けられ、そしてこのヒートブロック１０にコリメーターレンズ１１〜１８を保持するコリメーターレンズホルダ４４が固定されている。なおこのコリメーターレンズホルダ４４は、中心をヒートブロック１０の中心軸と揃えて該ヒートブロック１０に固定された円板状部材４４ａと、この円板状部材４４ａに等角度間隔で設けられた８個のビーム通過孔４４ｂの各近傍位置において該円板状部材４４ａに固定されたレンズ受け部４４ｃとを有するもので、コリメーターレンズ１１〜１８は各々上記ビーム通過孔４４ｂと整合する状態にしてレンズ受け部４４ｃに固定されている。さらにベース板４２の上面には、集光レンズ２０を保持する集光レンズホルダ４５と、マルチモード光ファイバー３０の入射端部を保持するファイバーホルダ４６が固定されている。またＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に駆動電流を供給する配線類４７は、パッケージ４０の横壁面に形成された開口を通してパッケージ外に引き出されている。
【００３６】
ここで図６の（１）および（２）にそれぞれ、コリメーターレンズ１１〜１８の正面形状、側面形状を要部の寸法（単位はｍｍ）も入れて示す。図示の通りこれらのコリメーターレンズ１１〜１８は、非球面円形レンズの光軸を含む領域を細長く切り取った形とされたものであり、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。このような形状のコリメーターレンズ１１〜１８はそれぞれ、光軸がＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の発光軸の延長上にあり、そして光軸に対して垂直な長軸（図６（１）の中のＶ）がヒートブロック１０の中心軸と交わる状態にして、放射状に配設されている。
【００３７】
一方ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８としては、発光幅が２μｍで、活性層と平行な方向、直角な方向の拡がり角が一例としてそれぞれ１０°、３０°の状態で各々レーザービームＢ１〜８を発するものが用いられている。これらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、その活性層が正八角柱状のヒートブロック１０の各側面と平行になる向きにして該側面上に実装される。つまりこれらのＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８は、レーザービームＢ１〜８が照射される側からみると、各発光点が共通の円周上に等角度間隔で並ぶ状態に配置されている。
【００３８】
したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の各発光点から発せられたレーザービームＢ１〜８は、上述のように細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１８に対して、拡がり角最大の方向が開口径大の方向と一致し、拡がり角最小の方向が開口径小の方向と一致する状態で入射することになる。つまり、細長い形状とされた各コリメーターレンズ１１〜１８は、入射するレーザービームＢ１〜８の楕円形の断面形状に対応して、非有効部分を極力少なくして使用されることになる。本例では具体的に、コリメーターレンズ１１〜１８の開口径は横方向、縦方向で各々１．１ｍｍ、２．６４ｍｍであり、それらに入射するレーザービームＢ１〜８の横方向（活性層に平行な方向）、縦方向のビーム径は各々０．９ｍｍ、２．６ｍｍとされる。また、コリメーターレンズの各焦点距離ｆ１＝３ｍｍ、ＮＡ＝０．６である。
【００３９】
一方集光レンズ２０は開口径が９ｍｍの円形の非球面レンズであり、その焦点距離ｆ２＝１２．５ｍｍ、ＮＡ＝０．２である。この集光レンズ２０も、例えば樹脂あるいは光学ガラスをモールド成形することによって形成される。
【００４０】
他方、マルチモード光ファイバー３０としては、三菱電線工業株式会社製のグレーデッドインデックス型光ファイバーを基本として、コア中心部がグレーデッドインデックスで外周部がステップインデックスである、コア径＝５０μｍ、ＮＡ＝０．２、端面コートの透過率＝９９．５％以上のものが用いられている。本例の場合、先に述べたコア径×ＮＡの値は１０μｍである。なお本発明で用いるマルチモード光ファイバーとしては、コア径が上述のように５０μｍであるものに限らず、適宜用途に応じて、例えば１０〜１００μｍ程度の範囲にあるその他のコア径のものも適用可能である。
【００４１】
本実施の形態の構成においては、レーザービームＢ１〜８のマルチモード光ファイバー３０への結合効率が０．９となる。したがって、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８の各出力が３０ｍＷのときには、出力２１６ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×８）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４２】
以上説明した実施の形態では、複数のＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８を共通の円周上に配置しているが、複数の半導体レーザーを光照射を受ける側から見て縦横に直線状に並べて配置するようなことも可能である。その場合には、複数の半導体レーザーをマトリクス状、あるいは千鳥状に配置するようなことが可能である。またそれら複数の半導体レーザーに対して１個ずつ設けられるコリメーターレンズに代えて、複数のレンズ要素が一体的化されてなるレンズアレイを用いることもできる。
【００４３】
また、複数の半導体レーザーを固定保持させるブロックは、必ずしも前記ヒートブロック１０のように多角柱形状である必要はなく、その他例えば、分割した四角ブロックステムに予め半導体レーザーを実装しておき、これを基準面に対して多角形状に並べて実装してもよい。
【００４４】
次に、図７を参照して本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源について説明する。なおこの図７において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００４５】
この第２の実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、半導体レーザーの数が異なるものである。すなわち本実施の形態では、銅からなる正六角柱状のヒートブロック１０’の各側面上に１個ずつチップ状態の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，ＬＤ４，ＬＤ５およびＬＤ６（ＬＤ４〜６は図示せず）が固定され、それらに各々対応させて６個のコリメーターレンズ１１，１２，１３，１４，１５および１６が設けられている。
【００４６】
以上の構成において、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜６から射出されたレーザービームのマルチモード光ファイバー３０への結合効率が第１の実施の形態と同じ０．９であるとすると、ＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜６の各出力が３０ｍＷのときには、出力１６２ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×６）の合波レーザービームＢが得られることになる。
【００４７】
ここで図８〜１０を参照して、本発明の効果について説明する。図８、９はそれぞれ、細長いコリメーターレンズＣＬを図１の構成、図６の構成に適用した場合の概略正面形状（半導体レーザーより光照射を受ける側から見た形状）を示しており、それに対して図１０は７個の半導体レーザーを１次元に配列し、各半導体レーザーに対応させて上記と同様のコリメーターレンズＣＬを配設した場合の正面形状を示している。これら図８あるいは９の構成と図１０の構成とを比較すると明らかなように、後者と比べて前者の方が、複数のコリメーターレンズＣＬを、隣接するものどうしの間で空間的に余裕をもって配置可能となる。したがって本発明によれば、コリメーターレンズの取付けや調整を容易化することができる。なお図８〜１０では半導体レーザーは示していないが、それらは各々コリメーターレンズの光軸と発光軸を揃えて配置されるものであるから、取付けや調整が容易化されるという点は半導体レーザーについても同様である。
【００４８】
複数の半導体レーザーを等しい角度間隔で配置するためには、上記実施の形態で用いた正多角柱状のヒートブロック１０あるいは１０’に限らず、その他の手段を用いることもできる。例えば図１１に示すように、正多角形（この例では正八角形）の板状のヒートブロック５１に放射状に複数個のサブマウント５２を固定し、これらのサブマウント５２の外端面にそれぞれ半導体レーザーＬＤ１〜８を固定するようにしてもよい。さらには図１２に示すように、正多角形の板状のヒートブロック５１に放射状に複数個のサブマウント５２を固定し、これらのサブマウント５２の内端面にそれぞれ半導体レーザーＬＤ１〜８を固定するようにしてもよい。
【００４９】
次に、図１３を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に代えて、８個の半導体レーザーアレイＬＤＡ１〜８が用いられ、またコリメーターレンズ１１〜１８に代えて８個のコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａが用いられた点が基本的に異なるものである。
【００５０】
図１４は、１つの半導体レーザーアレイＬＤＡ１および１つのコリメーターレンズアレイ１１Ａの詳細形状を示すものである。ここに示される通り半導体レーザーアレイＬＤＡ１は銅等からなるブロック６０の上に、一例として３個の半導体レーザーチップ６１、６２および６３が並列固定されてなるものである。これらの半導体レーザーチップ６１、６２および６３は、各々の活性層の延びる方向と平行に並べて配置されている。またコリメーターレンズアレイ１１Ａは、上記半導体レーザーチップ６１、６２および６３から発散光状態で出射したレーザービームＢ１１、Ｂ１２およびＢ１３を平行光化する３つのレンズ要素６５、６６および６７が、１つの円形の透明部材６４と一体的に形成されてなるものである。
【００５１】
本実施の形態では、半導体レーザーアレイＬＤＡ１において半導体レーザーチップ６１、６２および６３の各出力は３０ｍＷ、幅は０．３５ｍｍ、それらの配置ピッチは０．４５ｍｍ、ブロック６１の全幅は１．３５ｍｍである。またコリメーターレンズアレイ１１Ａにおいて、レンズ要素６５、６６および６７の焦点距離は１ｍｍ、各有効幅は０．３５ｍｍ、それらの配置ピッチは０．４５ｍｍ、アレイ全幅は１．３５ｍｍである。他の半導体レーザーアレイＬＤＡ２〜８およびコリメーターレンズアレイ１２Ａ〜１８Ａも、上記と同様の構成を有する。一方、集光レンズ２０およびマルチモード光ファイバー３０は、図１の第１実施の形態におけるものと同様である。
【００５２】
以上の通り本実施の形態では、半導体レーザーアレイＬＤＡ１〜８およびコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａのサイズを、図１の横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８およびコリメーターレンズ１１〜１８とそれぞれ略同サイズにしているので、この図１の合波レーザー光源と比較すると出力当たりで３倍の高密度化（小型化）が実現している。しかしながら本実施の形態では、光学倍率が１２．５倍となるので、コリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａのアライメント精度は図１の装置に比べて３倍厳しくなる。反面、合波本数は２４本となり、トータル出力は６４８ｍＷ（＝３０ｍＷ×０．９×２４）と３倍になる。
【００５３】
次に、図１５を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態の合波レーザー光源は、図１に示した合波レーザー光源と比べると、横マルチモードＧａＮ系半導体レーザーＬＤ１〜８に代えて、８個のマルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８が用いられ、またコリメーターレンズ１１〜１８に代えて８個のコリメーターレンズアレイ１１Ａ〜１８Ａが用いられた点が基本的に異なるものである。
【００５４】
マルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８は複数の発光点を有するものであり、このようなマルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８を用いることにより本実施の形態でも、第１の実施の形態と比べて、出力当たりで考えると高密度化（小型化）が実現される。例えば、マルチキャビティ半導体レーザーＭＣＤ１〜８が各々３個の発光点を有するもので、各発光点からのレーザービームの出力が３０ｍＷであれば、第１の実施の形態と比べて出力当たりで３倍の高密度化が実現される。
【００５５】
上述のようなマルチキャビティ半導体レーザーが安定して低コストで提供されるようになれば、半導体レーザーアレイを適用するよりは、低コストでピッチ精度の高いマルチキャビティ半導体レーザーを用いる方が望ましい。マルチキャビティ半導体レーザーの発光点数が多くなり、それらのピッチが小さくなった場合は、より高密度に実装可能となる。ただしその場合は光学倍率がより大きくなるため、ビーム径がその分大きくなるので、コリメート調整やファイバー結合の構成の組立精度がより厳しくなる方向となる。したがって、実装精度と高密度化との兼ね合いを考慮して、歩留まりの良いところで設計する必要がある。
【００５６】
以上、合波本数を８本、６本とした４つの実施の形態について説明したが、本発明の合波レーザー光源における合波本数はこれらの数に限られるものではなく、２本以上のいずれの数が選択されてもよい。ただし好ましい合波本数は、先に述べた通りである。また半導体レーザーアレイにおける半導体レーザーの設置数や、マルチキャビティ半導体レーザーの発光点数も前述の３個に限定されるものではなく、２個以上のいずれの数が選択されてもよい。
【００５７】
ここで、本発明の合波レーザー光源を製造する装置の例について、図１６を参照して説明する。ここに示したものは、一例として図１〜５に示した合波レーザー光源を製造する装置であり、前述の正八角柱ヒートブロック１０は予めコリメーターレンズホルダ４４（図３，４参照）を固定した状態で８分割インデクス回転装置１００のチャック１０１に把持される。そしてこの回転装置１００がインデクス回転する毎に、ヒートブロック１０の正八角柱の一側面が順次、所定の基準面に平行な状態に設定される。
【００５８】
そして、図示外の半導体レーザーチップトレイにある半導体レーザーＬＤ（前述の半導体レーザーＬＤ１〜８となるものの１つ）を、セラミックヒータを有するコレット１０２によりピックアップし、ヒートブロック１０のＡｕＳｎ（金錫）が蒸着されている側面に実装する。次に５軸を有するステージ１０３に固定された図示外のレンズ保持チャックによりコリメーターレンズＣＬ（前述のコリメーターレンズ１１〜１８の１つとなるもの）を把持し、概略位置まで位置決めする。また５軸を有するステージ１０５に固定された図示外のレンズホルダ保持チャックによりコリメーターレンズホルダを把持し、概略位置まで位置決めする。
【００５９】
半導体レーザーＬＤに図示外のプローブを当てて給電、発光させ、コリメーターレンズＣＬの光軸先に設置されている集光測定系にレーザビームＢＬを収束させる。なお測定系は集光レンズ２０と、それを位置調整するための集光レンズ調整ステージ１０４と、ＮＦＰ（近視野像）光学系１０７と、それを位置調整するためのＮＦＰ光学系調整用ステージ１０６と、ＣＣＤカメラおよびその出力を処理する演算処理手段等からなるビーム形状測定装置１０８とから構成されている。
【００６０】
その後コリメーターレンズホルダステージ１０５を動かしてヒートブロック１０に突き当てた後、コリメーターレンズステージ１０３を動かしてレンズホルダに突き当て、その後Ｚ方向（光軸方向）にビームが最も細くなる点に位置決めして、紫外線硬化型接着剤でホルダとコリメーターレンズとを固定する。この固定後はレンズ保持チャックを開放する。次にビーム強度重心が中心位置に来るようにコリメーターレンズホルダステージ１０５を動かし、ＸＹ方向（光軸と垂直な方向）にアクティブ調芯して位置を決め、ホルダとヒートブロック１０を紫外線硬化型接着剤で固定する。
【００６１】
以上の通りにして正八角柱ヒートブロック１０の１つの側面に１つの半導体レーザーＬＤが実装され、この実装が終了する毎にヒートブロック１０が４５°インデクス回転されて、次の側面に対する半導体レーザーＬＤの実装に移る。このようにして８回上記の実装を繰り返すことにより、８個の半導体レーザーＬＤ１〜８および８個のコリメーターレンズ１１〜１８の組立てを効率良く行うことができる。
【００６２】
なお、上述のような装置を用いて半導体レーザーを実装するに当たっては、一連の行程を連続的に行ってもよいし、あるいは複数行程に分割して行ってもよい。また上記コリメートレンズホルダは、コリメーターレンズの焦点方向位置をパッシブ的に合わせてしまえば、必ずしも必要ではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図２】上記合波レーザー光源の要部を示す斜視図
【図３】上記合波レーザー光源を備えた紫外光高輝度合波ファイバーモジュールを示す側面図
【図４】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの平面図
【図５】上記紫外光高輝度合波ファイバーモジュールの部分正面図
【図６】上記合波レーザー光源に用いられたコリメーターレンズの正面図（１）と側面図（２）
【図７】本発明の第２の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図８】本発明の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの配置例を示す概略正面図
【図９】本発明の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの別の配置例を示す概略正面図
【図１０】従来の合波レーザー光源におけるコリメーターレンズの配置例を示す概略正面図
【図１１】本発明の合波レーザー光源における半導体レーザーの配置例を示す平面図
【図１２】本発明の合波レーザー光源における半導体レーザーの別の配置例を示す平面図
【図１３】本発明の第３の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図１４】図１３の合波レーザー光源の一部を拡大して示す斜視図
【図１５】本発明の第４の実施の形態による合波レーザー光源を示す斜視図
【図１６】本発明の合波レーザー光源を製造する装置の一例を示す側面図
【符号の説明】
１０、１０’、５１ ヒートブロック
１１〜１８ コリメーターレンズ
１１Ａ〜１８Ａ コリメーターレンズアレイ
２０ 集光レンズ
３０ マルチモード光ファイバー
３０ａ マルチモード光ファイバーのコア
５２ サブマウント
６１、６２、６３ 半導体レーザーチップ
ＣＬ コリメーターレンズ
ＬＤ１〜８ ＧａＮ系半導体レーザー
ＬＤＡ１〜８ 半導体レーザーアレイ
ＭＣＤ１〜８ マルチキャビティ半導体レーザー
Ｂ１〜８ レーザービーム
Ｂ 合波されたレーザービーム
Claims (1)
- 光照射を受ける側から見て２次元状に並べて配設された複数の半導体レーザーと、
１本のマルチモード光ファイバーと、
前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前記マルチモード光ファイバーに結合させる集光光学系とを備えてなる合波レーザー光源。
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