JP2004233617A

JP2004233617A - 合波レーザ装置

Info

Publication number: JP2004233617A
Application number: JP2003021620A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamanaka; 英生山中; Kazuhiko Nagano; 和彦永野
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】高出力の合波レーザビームを得ることが可能で、また作製も容易な合波レーザ装置を得る。
【解決手段】各々が一列に並んだＮ個（２≦Ｎ）の発光点を有し、互いに発光点の並び方向に並設されたＭ個（２≦Ｍ）の半導体レーザ１１〜１４と、コアの入射端面４１ａ〜４４ａが一列に並ぶように配されたＮ本の光ファイバ４１〜４４と、Ｍ個の半導体レーザ１１〜１４の各々から発せられたＮ本のレーザビームを、それぞれＮ本の光ファイバ４１〜４４のコアの入射端面４１ａ〜４４ａ上で収束させる集光光学系（例えばコリメーターレンズ２１〜２４および集光レンズ３０から構成される）とによって合波レーザ装置を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の半導体レーザから発せられた複数本のレーザビームを合波して高強度化する合波レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複数あるいは１個の半導体レーザの複数の発光点から発せられた複数本のレーザビームを合波して、高強度のレーザビームを得るようにした合波レーザ装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、各々が１つの発光点を有する複数の半導体レーザから発せられたレーザビームを各々コリメーターレンズで平行光化した後に集光レンズで集光して、１本の光ファイバに入射させる構造の合波レーザ装置が開示されている。また非特許文献１には、複数の発光点を有する１個の半導体レーザ素子が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４２号公報
【０００５】
【非特許文献１】
２００２年（平成１４年）秋期応用物理学会学術講演会
講演予稿集第１分冊講演番号：２７ａ−ＹＨ−１１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に示された合波レーザ装置は、複数の半導体レーザから発せられたレーザビームを１本の光ファイバのＮＡ（開口数）内に集光する必要があることから、半導体レーザの数が自ずと制限されるので、合波ビームの高出力化に改善の余地が残されている。
【０００７】
一方、非特許文献１に示された合波レーザ装置は、レーザビームと光ファイバとの結合効率が５０％程度であって、光利用効率が低いという問題が認められている。
【０００８】
そこで、非特許文献１に示された複数の発光点を有する１個の半導体レーザに対して、特許文献１に示された集光光学系を適用して光利用効率を上げることも考えられる。その場合は、１個の半導体レーザの各発光点毎に１個ずつマイクロコリメーターレンズを設けることになるが、発光点の間隔が通常のように１００μｍ程度とすると、厚さが２００μｍ以下程度のマイクロコリメーターレンズが必要になる。しかし、そのように薄いマイクロコリメーターレンズを高い寸法精度を保って安定に作製することは困難であり、またそのようなレンズを半導体レーザに対して高精度に位置決め調整することも極めて困難である。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて、高出力の合波レーザビームを得ることが可能で、また作製も容易な合波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】
本発明による合波レーザ装置は、複数の発光点を有する半導体レーザを複数用いて、それらから発せられたレーザビームを複数の光ファイバに集光合波するようにしたものであり、具体的には、
各々が一列に並んだＮ個（２≦Ｎ）の発光点を有し、互いに前記発光点の並び方向に並設されたＭ個（２≦Ｍ）の半導体レーザと、
コアの入射端面が一列に並ぶように配されたＮ本の光ファイバと、
前記Ｍ個の半導体レーザの各々から発せられたＮ本のレーザビームを、それぞれ前記Ｎ本の光ファイバのコアの入射端面上で収束させる集光光学系とからなることを特徴とするものである。
【００１１】
なお上記の集光光学系は、例えば、前記Ｍ個の半導体レーザの各々に対して１個ずつ設けられて、該半導体レーザから発散光状態で発せられたＮ本のレーザビームを平行光化するＭ個のコリメーターレンズと、これらのコリメーターレンズを経たレーザビームを集光する１個の集光レンズとから構成することができる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明による合波レーザ装置は、上述の通り、Ｍ個の半導体レーザの各々から発せられたＮ本のレーザビームを集光して、それぞれＮ本の光ファイバのコアの入射端面上で収束させるように構成されているので、１本の光ファイバにはＭ本のレーザビームが入射して合波されるようになる。したがって、Ｎ本の光ファイバ全体ではＭ×Ｎ本のレーザビームが合波されることになり、１個の発光点を有するＭ個の半導体レーザから発せられたレーザビームを合波するようにした特許文献１に記載の従来装置と比較すると、各発光点からのレーザビームの出力が共通ならば、Ｎ倍の高出力化が達成される。
【００１３】
また、レーザビームを上述のように集光する集光光学系は、前述した通り、例えばＭ個の半導体レーザの各々に対して１個ずつ設けられたＭ個のコリメーターレンズと、これらのコリメーターレンズを経たレーザビームを集光する１個の集光レンズとから構成することができるので、本発明の合波レーザ装置は、１個の半導体レーザの複数の発光点毎に１個ずつマイクロコリメーターレンズを設ける構造と比較すると、集光光学系の作製や調整も容易で、安価に形成できるものとなる。
【００１４】
また、上記構成を有する本発明の合波レーザ装置は、各発光点からのレーザビームの出力が共通であるとすると、１個の発光点を有するＭ個の半導体レーザからのレーザビームを１本の光ファイバに集光、合波する系をＮ個設けてなる合波レーザ装置と全体の出力は同じとなるが、比較例では半導体レーザがＭ×Ｎ個必要となるのに対し、本発明の合波レーザ装置では半導体レーザがＭ個で済むので、装置全体をコンパクト化できるという利点がある。
【００１５】
【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詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態による合波レーザ装置の要部の平面形状を示すものである。図示される通りこの合波レーザ装置は、共通のヒートシンクの上に固定された一例としてＭ＝４個のマルチキャビティ半導体レーザ１１、１２、１３および１４と、これらのマルチキャビティ半導体レーザ１１、１２、１３および１４の各々に１個ずつ設けられた４個のコリメーターレンズ２１、２２、２３および２４と、これらのコリメーターレンズ２１、２２、２３および２４を通過した光ビームの光路に配置された１個の集光レンズ３０と、この集光レンズ３０によって集光された光ビームの収束位置に各々コアの入射端面４１ａ、４２ａ、４３ａおよび４４ａが位置するように配されたＮ＝４本の光ファイバ４１、４２、４３および４４とから構成されている。
【００１７】
マルチキャビティ半導体レーザ１１は、一例として幅４μｍでピッチが１００μｍに形成された４個のストライブ１１ａ、１１ｂ、１１ｃおよび１１ｄを有するものである。なお図２に、その概略斜視形状を示す。つまりこのマルチキャビティ半導体レーザ１１は、Ｎ＝４個の発光点Ｅａ、Ｅｂ、ＥｃおよびＥｄを有している。その他のマルチキャビティ半導体レーザ１２も同様の４個のストライブ１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄを有し、マルチキャビティ半導体レーザ１３も同様の４個のストライブ１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄを有し、マルチキャビティ半導体レーザ１４も同様の４個のストライブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄを有している。
【００１８】
上述のようなマルチキャビティ半導体レーザ１１、１２、１３および１４は、例えば特開２００１−１１１１７５号公報に記載されている基板製造方法および半導体素子製造方法を適用して形成することができる。なお本実施の形態において、各マルチキャビティ半導体レーザ１１、１２、１３および１４の素子幅は一例として５００μｍ、素子長（共振器長）は４００μｍである。
【００１９】
マルチキャビティ半導体レーザ１１から発散光状態で発せられた４本のレーザビーム５１ａ、５１ｂ、５１ｃおよび５１ｄは、それぞれコリメーターレンズ２１によって平行光化される。平行光となったレーザビーム５１ａ、５１ｂ、５１ｃおよび５１ｄは集光レンズ３０に入射して集光され、各々光ファイバ４１、４２、４３および４４の一列に並んだコアの入射端面４１ａ、４２ａ、４３ａおよび４４ａ上で収束して、該光ファイバ４１、４２、４３および４４内に入射する。
【００２０】
なお図１では、上記レーザビーム５１ａ、５１ｂ、５１ｃおよび５１ｄの光路を、そのビーム中心で示してある。その他のレーザビームについても同様である。
【００２１】
また、マルチキャビティ半導体レーザ１２から発散光状態で発せられた４本のレーザビーム５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよび５２ｄは、それぞれコリメーターレンズ２２によって平行光化される。平行光となったレーザビーム５２ａ、５２ｂ、５２ｃおよび５２ｄは集光レンズ３０に入射して集光され、各々光ファイバ４１、４２、４３および４４の一列に並んだコアの入射端面４１ａ、４２ａ、４３ａおよび４４ａ上で収束して、該光ファイバ４１、４２、４３および４４内に入射する。
【００２２】
また、マルチキャビティ半導体レーザ１３から発散光状態で発せられた４本のレーザビーム５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄは、それぞれコリメーターレンズ２３によって平行光化される。平行光となったレーザビーム５３ａ、５３ｂ、５３ｃおよび５３ｄは集光レンズ３０に入射して集光され、各々光ファイバ４１、４２、４３および４４の一列に並んだコアの入射端面４１ａ、４２ａ、４３ａおよび４４ａ上で収束して、該光ファイバ４１、４２、４３および４４内に入射する。
【００２３】
また、マルチキャビティ半導体レーザ１４から発散光状態で発せられた４本のレーザビーム５４ａ、５４ｂ、５４ｃおよび５４ｄは、それぞれコリメーターレンズ２４によって平行光化される。平行光となったレーザビーム５４ａ、５４ｂ、５４ｃおよび５４ｄは集光レンズ３０に入射して集光され、各々光ファイバ４１、４２、４３および４４の一列に並んだコアの入射端面４１ａ、４２ａ、４３ａおよび４４ａ上で収束して、該光ファイバ４１、４２、４３および４４内に入射する。
【００２４】
以上から明らかなように、光ファイバ４１には４本のレーザビーム５１ａ、５２ａ、５３ａおよび５４ａが入射して合波され、光ファイバ４２には４本のレーザビーム５１ｂ、５２ｂ、５３ｂおよび５４ｂが入射して合波され、光ファイバ４３には４本のレーザビーム５１ｃ、５２ｃ、５３ｃおよび５４ｃが入射して合波され、光ファイバ４４には４本のレーザビーム５１ｄ、５２ｄ、５３ｄおよび５４ｄが入射して合波される。つまり、４本の光ファイバ４１、４２、４３および４４全体ではＮ×Ｍ＝１６本のレーザビームが合波される。
【００２５】
なお４本の光ファイバ４１〜４４の配置ピッチは、コリメーターレンズ２１〜２４の焦点距離をｆ１、集光レンズ３０の焦点距離をｆ２とすると、各マルチキャビティ半導体レーザ１１〜１４の発光点間隔のｆ２／ｆ１倍に設定すればよい。つまり本実施形態の場合は発光点間隔が１００μｍであるから、例えばｆ２／ｆ１＝８であれば、光ファイバ４１〜４４を８００μｍのピッチで配置すればよい。
【００２６】
図１に示した構成は、一般には図３に示すような密閉容器６０内に配設され、光ファイバ４１〜４４の出射端側が密閉容器６０から引き出された状態で実用に供される。光ファイバ４１〜４４から出射する合計４本の合波レーザビームは、４本のまま使用したり、あるいは集光光学系に通してさらに１本に合波して使用することができる。
【００２７】
前者のようにして使用する形態としては、例えば前記特許文献１に示されるように、各半導体レーザを画像信号に基づいて直接変調し、一列あるいは複数列に配置したファイババンドルから出射させた複数本のレーザビームで感光材料を走査して、該感光材料に画像を書き込む装置等が挙げられる。また後者のようにして使用する形態としては、例えば１本に合波した光ビームを空間光変調器に入射させて空間変調し、その変調された光ビームで感光材料を走査して、該感光材料に画像を書き込む装置等が挙げられる。
【００２８】
以上説明した通り本実施形態の合波レーザ装置は、４本の光ファイバ４１〜４４全体では４×４＝１６本のレーザビームが合波されることになり、１個の発光点を有する４個の半導体レーザから発せられたレーザビームを合波する場合と比較すると、各発光点からのレーザビームの出力が共通ならば、４倍の高出力化が達成される。
【００２９】
また本実施形態の合波レーザ装置は、集光光学系が、４個のコリメーターレンズ２１〜２４と１個の集光レンズ３０とからなる簡単な構成のものとされているので、前述したように１個の半導体レーザの複数の発光点毎に１個ずつマイクロコリメーターレンズを設けるような構造と比較すると、集光光学系の作製や調整も容易で、安価に形成できるものとなる。
【００３０】
また、１個の発光点を有する４個の半導体レーザを用いて１本の光ファイバに集光、合波する構成により、本実施形態と同等の合計出力を得ようとすると、そのような系が４系、つまり半導体レーザは合計で１６個必要となる。それに対して本実施形態では半導体レーザが４個で済むので、装置全体をコンパクトに形成することができる。
【００３１】
なお、本発明におけるＮとＭの数は、上記実施形態におけるものに限らず、その他の数が適用されてもよいことは勿論である。例えば、各々４個の発光点を有する７個の半導体レーザを用いて４本の光ファイバに集光、合波する場合、１つの発光点の出力が１００ｍＷ、レーザビームと光ファイバの結合効率が０．９であるとすると、１本の光ファイバ当たりの出力は１００×７×０．９＝６３０ｍＷで、４本の光ファイバ全体での出力は２５２０ｍＷとなる。
【００３２】
それに対して、１個の発光点を有する７個の半導体レーザを用いて１本の光ファイバに集光、合波する場合は、条件が同じであるならば、出力は全体で１００×７×０．９＝６３０ｍＷに留まり、本発明による高出力化が明らかである。なおこれら２つの場合、光ファイバのコア径が２５μｍであるとすると、光密度は共に１２８ｋＷ／ｃｍ^２となる。また、前記非特許文献１に開示されている構成は、１個の半導体レーザが７個の発光点を有し、１つの発光点の出力が１００ｍＷのものであり、これら７個の発光点が４００μｍの素子幅内に形成される場合、汎用のボールレンズ等を用いてレーザビームをコア径が４００μｍの光ファイバに容易に結合可能である。その場合の光出力は、上記結合効率が０．５程度と低いため１００×７×０．５＝３５０ｍＷに留まり、また光密度は０．２７８ｋＷ／ｃｍ^２となる。
【００３３】
なお、前述したようにマルチキャビティ半導体レーザ１１〜１４の素子幅が５００μｍの場合、発光点の間隔は最小で２５μｍ程度まで小さくすることができる。この発光点間隔の下限は、発光点間の相互の熱干渉による特性劣化を避けられる最小の値となる。この点から考慮すると、１つのマルチキャビティ半導体レーザに２０個程度の発光点を設けることができ、したがって、２０本の光ファイバから合波レーザビームを出射させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による合波レーザ装置の要部を示す平面図
【図２】図１の装置に用いられた半導体レーザを示す概略斜視図
【図３】図１の装置の全体形状を示す斜視図
【符号の説明】
１１〜１４マルチキャビティ半導体レーザ
２１〜２４コリメーターレンズ
３０集光レンズ
４１〜４４光ファイバ
４１ａ〜４４ａ光ファイバのコアの入射端面

Claims

各々が一列に並んだＮ個（２≦Ｎ）の発光点を有し、互いに前記発光点の並び方向に並設されたＭ個（２≦Ｍ）の半導体レーザと、
コアの入射端面が一列に並ぶように配されたＮ本の光ファイバと、
前記Ｍ個の半導体レーザの各々から発せられたＮ本のレーザビームを、それぞれ前記Ｎ本の光ファイバのコアの入射端面上で収束させる集光光学系とからなる合波レーザ装置。
前記集光光学系が、前記Ｍ個の半導体レーザの各々に対して１個ずつ設けられて該半導体レーザから発散光状態で発せられたＮ本のレーザビームを平行光化するＭ個のコリメーターレンズと、これらのコリメーターレンズを経たレーザビームを集光する１個の集光レンズとからなることを特徴とする請求項１記載の合波レーザ装置。