JP2004087917A

JP2004087917A - 半導体レーザ装置及びレーザ加工機及びレーザ治療機

Info

Publication number: JP2004087917A
Application number: JP2002248543A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Momiuchi; 籾内　正幸
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】レーザ光線を損失なく、単一の偏光を有するレーザ光線にする。
【解決手段】レーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材１９と分離された一方の光路に設けられたλ／２板２３を有し、単一偏光のレーザ光線とする偏光調整光学部材を具備する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の発光源を有し、単一の偏光方向を有するレーザ光線を発する半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを発光源とし、該発光源からのレーザ光線を増幅して照射するものとしてＬＤ固体励起レーザがある。
【０００３】
図５に於いて、ＬＤ固体励起レーザについて略述する。
【０００４】
図５中、１は発光部、２は光共振部である。前記発光部１は励起光としてレーザ光線を発するＬＤ発光源（半導体レーザダイオード）３、集光レンズ４を具備し、更に前記光共振部２は第１の誘電体反射膜５が形成されたレーザ結晶（Ｎｄ：ＹＶＯ４　）板６、第２の誘電体反射膜７が形成された出力ミラー８を具備し、前記光共振部２に於いてレーザ光線をポンピングし共振、増幅して出力している。
【０００５】
前記レーザ結晶板６はレーザ光線の増幅を行う為のレーザ媒質である。該レーザ媒質は、例えばＮｄイオン又はＹｂイオンをレーザ活性イオンとする固体結晶板である。このレーザ結晶板６には、例えばＮｄ３＋イオンをドープしたＹＡＧ（イットリウム　アルミニウム　ガーネット）等が採用される。
【０００６】
ＹＡＧは、９４６ｎｍ、１０６４ｎｍ、１３１９ｎｍ等の発振線を有している。又、前記レーザ結晶板６はＹＡＧに限ることなく、発振線が１０６４ｎｍの（Ｎｄ：ＹＶＯ４　）や、発振線が７００〜９００ｎｍの（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）等が使用される。
【０００７】
励起光の発光源としての半導体レーザ素子（半導体レーザダイオード（ＬＤ））は、低電力で高出力のレーザ光線を発するものとして普及している。更に、近年益々高出力のレーザ光線が要求されており、斯かる要求に応える為、複数の半導体レーザ素子を用い各半導体レーザ素子から発せられるレーザ光線を束ねることでレーザ光線の高出力化に応えている。
【０００８】
レーザ光線を束ねる方法の１つに、光ファイバを用いる方法がある。各半導体レーザダイオードから発せられるレーザ光線は個々に光ファイバに入射され、該光ファイバが束ねられ、束ねられた光ファイバから励起光としてレーザ光線が射出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子（レーザ結晶板６）は偏光方向により励起光吸収率に大きな差を持つ物が知られている。例えば前記したＮｄ：ＹＶＯ４　結晶を材料とするレーザ結晶板があり、Ｎｄ：ＹＶＯ４　は光学的一軸結晶であり、結晶軸方向により分光特性が異なる。図６はＮｄ濃度１ａｔ％（アトミックパーセント）Ｎｄ：ＹＶＯ４　の分光特性を示している。図６に示される様に、結晶のｃ軸方向に平行な偏光（Ｅ‖Ｃ：Ｅ　光の電界）に対する吸収効率（図６中曲線ａで示される）は、ｃ軸と垂直な偏光（Ｅ⊥Ｃ）に対する吸収効率（図６中曲線ｂで示される）の約２倍の大きさになる。又、吸収波長域が広くなる。従って、Ｎｄ：ＹＶＯ４　に於ける励起はｃ軸方向に平行な偏光で行うのが効率的に高い。然し、各半導体レーザダイオードから発せられるレーザ光線を光ファイバを介して束ねた場合、レーザ光線が光ファイバを透過する過程で、レーザ光線の持つ偏光特性を失ってしまう。
【００１０】
又、光ファイバの代りにレンズダクトを用いた場合も、多重反射により偏光特性を失い、更にレンズダクトの調製加工が難しく、高価な物になっている。
【００１１】
一方、偏光特性を維持したままで集光するＧＲＩＮレンズアレイを用いた場合、ＧＲＩＮレンズアレイでコリメートした後の一括集光は、コリメートビームの広がり補正が十分できない為、集光効率があまり良くならない。
【００１２】
本発明は斯かる実情に鑑み、光ファイバにより複数の発光源からのレーザ光線を束ね、該レーザ光線が射出される安価な半導体レーザ装置を提供すると共に、光ファイバから供される励起光をレーザ結晶の吸収効率に合わせた偏光特性にすることで、励起効率を改善しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材と分離された一方の光路に設けられたλ／２板を有し、単一偏光のレーザ光線とする偏光調整光学部材を具備する半導体レーザ装置に係り、又レーザ光線を発する光源とレーザ共振器を構成するレーザ結晶との間に構成され、前記光源からのレーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材と、分離された一方の光路に設けられたλ／２板と、分離されたレーザ光線を再びレーザ結晶上に集光する集光光学部材とを具備する半導体レーザ装置に係り、又前記偏光分離光学部材は複屈折結晶体から成る偏光分離プリズムである半導体レーザ装置に係り、又前記偏光分離光学部材は複屈折結晶体から成る楔プリズムである半導体レーザ装置に係り、又前記偏光分離光学部材は偏光反射面を有する偏光分離ミラーである半導体レーザ装置に係り、又前記レーザ光線は少なくとも１本の光ファイバから射出される半導体レーザ装置に係り、又前記レーザ光線は複数の半導体レーザダイオードから発せられ、複数の光ファイバにより導かれ、束ねられた光ファイバの一端から射出される半導体レーザ装置に係り、又前記単一偏光のレーザ光線はレーザ媒質を励起する為の励起光として使用される半導体レーザ装置に係り、又前記レーザ媒質は、Ｎｄイオン又はＹｂイオンをレーザ活性イオンとする固体結晶である半導体レーザ装置に係り、又前記半導体レーザ装置を具備するレーザ加工機に係り、更に又前記半導体レーザ装置を具備するレーザ治療機に係るものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１５】
図１に於いて、図５中で示したものと同等のものには同符号を付してあり、又光共振部２については図５で示した従来の半導体レーザ装置と同様の構成となっており、説明を省略する。
【００１６】
ＬＤ発光源は複数、例えば２個から数十個のレーザダイオード１２が直線上に所定ピッチで配設されたＬＤレーザアレイ１３となっている。該ＬＤレーザアレイ１３と平行にファイバレンズ１４が配設され、該ファイバレンズ１４により前記レーザダイオード１２から発せられるレーザ光線について広がり角の大きい方向について平行光束としている。
【００１７】
前記ＬＤレーザアレイ１３に対応してファイバアレイ１５が設けられ、該ファイバアレイ１５は前記レーザダイオード１２と同数の光ファイバ１６により構成され、該各光ファイバ１６の入射端面は前記レーザダイオード１２と対向している。前記光ファイバ１６は１本のファイバ束１７に束ねられ、該ファイバ束１７の射出端面に対向して集光レンズ１８が配設され、該集光レンズ１８の光軸に沿って偏光分離プリズム１９、集光レンズ４、レーザ結晶板６、出力ミラー８が配設されている。
【００１８】
前記偏光分離プリズム１９はレーザ光線のＰ偏光成分２１と該Ｐ偏光成分２１とは直交する偏光方向を持つＳ偏光成分２２とに分離するものであり、前記偏光分離プリズム１９の射出面の前記Ｐ偏光成分２１、Ｓ偏光成分２２の一方の光路上、図１ではＳ偏光成分２２の光路上に偏光板（λ／２板）２３を配設する。該偏光板２３を透過することで、前記Ｓ偏光成分２２はＰ偏光成分２２′に変換される。
【００１９】
而して、前記偏光分離プリズム１９と偏光板２３は偏光方向を揃える偏光調整光学部材を構成し、該偏光調整光学部材により、前記ファイバ束１７から射出されるレーザ光線を損失なく、同一偏光のレーザ光線に変換できる。従って、前記集光レンズ４には全てＰ偏光に揃ったレーザ光線が入射し、該集光レンズ４は同偏光方向のＰ偏光成分２１、Ｐ偏光成分２２′を前記レーザ結晶板６の誘電体反射膜５に集光する。
【００２０】
上記した様に、例えばＮｄ：ＹＶＯ４　結晶を材料とするレーザ結晶板６では、ｃ軸に平行と垂直な偏光に於ける吸収効率が約２倍異なり、前記レーザ結晶板６に入射するレーザ光線の偏光方向を吸収効率の大きな結晶方位と合わせることで高効率の励起が可能となる。
【００２１】
前記偏光分離プリズム１９の材質の例としては、複屈折結晶体である方解石、ＹＶＯ４　結晶体等が挙げられ、該方解石、ＹＶＯ４　結晶体は常光と該常光と９０°偏光方向が異なる異常光に分離する。
【００２２】
尚、前記偏光分離プリズム１９に代え、入射するレーザ光線を偏光方向の異なる２つの光線に分割する他の偏光分離光学部材を用いることが可能である。他の偏光分離光学部材としては、図２に示す偏光分離ミラー２４がある。
【００２３】
該偏光分離ミラー２４は、偏光膜が設けられた偏光反射面２５と該偏光反射面２５に対向する全反射面２６を有している。前記偏光反射面２５は例えば前記Ｐ偏光成分２１を透過し、前記Ｓ偏光成分２２を反射する様になっている。前記偏光分離ミラー２４の前記偏光反射面２５を透過したＰ偏光成分２１が射出する面には前記偏光板２３が設けられている。
【００２４】
Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分を含むレーザ光線が前記偏光分離ミラー２４に入射すると、前記Ｐ偏光成分２１は前記偏光反射面２５を透過し、更に前記偏光板２３を透過して射出される。該偏光板２３を透過することで、前記Ｐ偏光成分２１はＳ偏光成分２１′に偏光方向が偏光される。前記Ｓ偏光成分２２は前記偏光反射面２５により反射され、更に前記全反射面２６により前記Ｓ偏光成分２１′と平行に反射される。前記Ｓ偏光成分２２、Ｓ偏光成分２１′を用いることで、前記レーザ結晶板６にはレーザ光線の偏光方向を吸収効率の大きな結晶方位と合わせて入射させることができる。
【００２５】
図３に示すものは偏光分離光学部材として、複屈折結晶体のウェッジプリズム２７，２８を用いた場合を示している。該ウェッジプリズム２７，２８によっても、Ｐ偏光成分２１とＳ偏光成分２２を分離でき、分離した一方の偏光成分を前記偏光板２３を透過させることで、上記偏光分離ミラー２４と同様にレーザ光線の全てを同一の偏光成分に揃えることができる。
【００２６】
図４は偏光分離光学部材として、回折光学素子２９を用いた場合を示している。Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分を含むレーザ光線を前記回折光学素子２９に入射した場合、該回折光学素子２９を透過して射出される光線は、０次回折光としてＰ偏光成分２１、一次回折光としてＳ偏光成分２２、…に分離される。０次回折光の光路に偏光板２３を配設し、０次回折光の偏光方向をＳ偏光成分２１′に変えることで、レーザ光線の全てを同一の偏光成分に揃えることができる。
【００２７】
又他の偏光分離光学部材として、グラン・トムソンプリズム、グラン・フーコープリズム、ウオラストンプリズム、ローションプリズム等の偏光プリズムを使用することもできる。
【００２８】
尚、上記実施の形態では、複数のレーザダイオード１２、複数の光ファイバ１６を用いた場合を示したが、複数のレーザダイオード１２から発せられるレーザ光線を光学手段で集光し、１本の光ファイバ１６に入射させた場合にも実施可能であり、又１つのレーザダイオード１２から発せられるレーザ光線を１つの光ファイバ１６に入射させた場合にも実施可能である。
【００２９】
更に、本発明は高出力のレーザ光線を必要とする装置だけでなく、単一の偏光を有するレーザ光線が必要な装置にも実施可能であり、例えばレーザ加工機、レーザ治療機、測量機等種々のレーザ機器に実施可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、レーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材と分離された一方の光路に設けられたλ／２板を有し、単一偏光のレーザ光線とする偏光調整光学部材を具備するので、単一偏光でないレーザ光線を損失なく単一レーザ光線に変換できる。又、光ファイバを透過して偏光が崩れたレーザ光線を損失なく簡単に単一の偏光を有するレーザ光線に偏光できるので、高出力で単一偏光を必要とする半導体レーザ装置の光源部として有効であり、又光ファイバから供される励起光をレーザ結晶の吸収特性に合わせた偏光にすることができ、励起効率を改善できる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明に使用される第２の例を示す偏光分離光学部材の説明図である。
【図３】本発明に使用される第３の例を示す偏光分離光学部材の説明図である。
【図４】本発明に使用される第４の例を示す偏光分離光学部材の説明図である。
【図５】従来例を示す概略図である。
【図６】レーザ媒質によるレーザ光線の吸収効率を示す線図である。
【符号の説明】
１　　　　　発光部
２　　　　　光共振部
１３　　　　ＬＤレーザアレイ
１５　　　　ファイバアレイ
１６　　　　光ファイバ
１９　　　　偏光分離プリズム
２３　　　　偏光板
２４　　　　偏光分離ミラー
２５　　　　偏光反射面
２７，２８　ウェッジプリズム
２９　　　　回折光学素子

Claims

レーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材と分離された一方の光路に設けられたλ／２板を有し、単一偏光のレーザ光線とする偏光調整光学部材を具備することを特徴とする半導体レーザ装置。
レーザ光線を発する光源とレーザ共振器を構成するレーザ結晶との間に構成され、前記光源からのレーザ光線を２つの偏光成分に分離する偏光分離光学部材と、分離された一方の光路に設けられたλ／２板と、分離されたレーザ光線を再びレーザ結晶上に集光する集光光学部材とを具備することを特徴とする半導体レーザ装置。
前記偏光分離光学部材は複屈折結晶体から成る偏光分離プリズムである請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記偏光分離光学部材は複屈折結晶体から成る楔プリズムである請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記偏光分離光学部材は偏光反射面を有する偏光分離ミラーである請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記レーザ光線は少なくとも１本の光ファイバから射出される請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記レーザ光線は複数の半導体レーザダイオードから発せられ、複数の光ファイバにより導かれ、束ねられた光ファイバの一端から射出される請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記単一偏光のレーザ光線はレーザ媒質を励起する為の励起光として使用される請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置。
前記レーザ媒質は、Ｎｄイオン又はＹｂイオンをレーザ活性イオンとする固体結晶である請求項８の半導体レーザ装置。
請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置を具備するレーザ加工機。
請求項１又は請求項２の半導体レーザ装置を具備するレーザ治療機。