JP2004258651A - レーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構成でレーザーバー積層体からのレーザー光を整形可能なレーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材を提供する。
【解決手段】 このレーザーバー積層体用整形光学系の光学部材Ｍは、第１レーザー光群１１，２１，３１，４１に対して第２レーザー光群１２，２２，３２，４２が積層の方向ｙに沿って相対的に移動するよう、１枚の平行平板ガラスＧＳの一方面ＩＳにストライプ反射膜ＳＭを設けると共に他方面ＯＳに反射膜を設けており、第1及び第２レーザー光群を他方面ＯＳの残余の領域ＲＲＯから出射させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材に関する。

従来、レーザーバーからのレーザー光群を整形する光学系が提案されている。下記特許文献１及び特許文献２などの集光光学装置があるが、いずれも１つのレーザーバーに対応するものである。特許文献１に記載の整形光学系は出力レーザー光群の半分をプリズムで向きを変え特定位置に位置させ、残り半分を別のプリズムで上記半分のレーザー光群の下に位置させている。
特表平１０−５０２７４６号公報 特表平１０−５０８１２２号公報

しかしながら、このような整形光学系及び光学部材は構成が複雑であるという問題がある。本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、単純な構成でレーザーバー積層体からのレーザー光を整形可能なレーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係るレーザーバー積層体用整形光学系では、レーザーバー積層体から出力されるレーザー光群のうち、積層の方向に沿った線分を境界線とする一方のレーザー光群を第１レーザー光群とし、他方のレーザー光群を第２レーザー光群とした場合、第１レーザー光群に対して第２レーザー光群が積層の方向に沿って相対的に移動するよう、１枚の平行平板ガラスの一方面にストライプ反射膜を設けると共に他方面に反射膜を設け、第1及び第２レーザー光群を他方面の残余の領域から出射させるようにした光学部材を備えることとした。この発明では、単純な構成であるにも拘らず、ストライプ反射膜及び反射膜が所定条件を満たすことにより、レーザー光を積層方向に沿って整列させることができる。

レーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材の構成は単純であるが、レーザーバー積層体からのレーザー光を整形して整列させることができる。

以下、実施の形態に係るレーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材について説明する。

図１は、半導体レーザーバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。複数の半導体レーザー素子を一次元状に配列してなるものを半導体レーザーバー（アレイ）Ｂとする。各レーザーバーＢにおける半導体レーザー素子の配列方向を「ｘ方向」とする。半導体レーザー素子から出射されるレーザー光の進行方向を「ｚ方向」とする。ｘ方向及びｚ方向の双方に垂直な方向をｙ方向とする。複数のレーザーバーＢがｙ方向に積層されたものを半導体レーザーバー積層体Ｓとする。なお、各レーザーバーＢ間には必要に応じてヒートシンクが設けられる。

本実施形態のレーザーバー積層体用整形光学系は、複数の半導体レーザー素子を一次元状に配列してなるレーザーバーＢを、半導体レーザー素子の配列方向（ｘ）及びレーザー光の進行方向（ｚ）の双方に垂直な方向（ｙ）に沿って、複数積層してなるレーザーバー積層体からのレーザー光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系を対象とする。

また、個々の半導体レーザー素子から出射される光はレーザー光とし、複数のレーザー光を含む一群をレーザー光群とする。また、個々のレーザー光は発散光（ｙ方向の発散角〜６０°）である。レーザーバーＢから出射した個々のレーザー光はコリメータレンズ（マイクロレンズ）Ｌ１によりｙ方向にコリメート（平行化）される。コリメートされた各レーザー光は、ｙ方向周期１．５〜２．１ｍｍ、ｙ方向ビーム幅０．３〜０．７ｍｍ、ｘ方向ビーム幅１０〜１２ｍｍに形成される。

レーザーバー積層体Ｓから出射されたレーザ光群は、光学部材Ｍによって整形され、集光光学系ＣＤ１によって集光され、光ファイバＦの端面に入射され、各部材はレーザ光群がかかる経路を辿るように配置されている。光学部材Ｍの一端は支持台に固定されている。

１つのレーザバーＢから出射されたレーザ光は、光学部材Ｍによって、ｙ方向に沿った境界線によって分割された後、ｙ方向に整列する。このときの分割数を「β」とする。例えば、β＝２の場合、１つのレーザバーＢから出射されたレーザ光は２分割され、β＝３の場合、１つのレーザバーＢから出射されたレーザ光は３分割され、β＝ｋの場合、１つのレーザバーＢから出射されたレーザ光はｋ分割される。

図２は、レーザーバー積層体Ｓから出射されるレーザ光群のレーザ光パターンを示す図、図３は上記分割後のレーザー光パターンを示す図である（β＝２）。ここで、ｙ方向に平行な１本の境界線ＢＬが半導体レーザーバー積層体Ｓの光出射面上に設定され、光出射面が２等分される。

光学部材Ｍは、積層された複数のレーザーバーＢから出射されるそれぞれのレーザー光を積層方向ｙに沿って分割し、１枚の平行平板ガラスＧＳの一方面（光入射面）ＩＳ上にストライプ反射膜ＳＭを設けると共に、他方面（光出射面）ＯＳ上に反射膜ＰＭを設けている。

光入射面上ＩＳのストライプ反射膜ＳＭ形成領域以外の領域は、すなわち、個々の反射膜ＳＭ間の領域ＲＲＩは開口を構成しており、開口内にはＡＲコーティング（反射防止膜：ＲＲＩ）が形成されている。また、光出射面ＯＳ上の反射膜ＰＭの形成領域以外の領域（残余の領域）ＲＲＯは開口を構成しており、開口内にはＡＲコーティング（反射防止膜：ＲＲＯ）が形成されている。反射膜ＰＭと残余の領域ＲＲＯとの間の境界線をＢＬＯとし、ストライプ反射膜の１つの反射膜ＳＮの長手方向と、光出射面ＯＳ上の部分反射膜ＰＭと残余の領域ＲＲＯとの境界線の成す角度をγとする（γ＜１８０°）。

境界線ＢＬの右側に位置するレーザ光群１１，２１，３１，４１は、光学部材Ｍの光入射面ＩＳの開口ＲＲＩ及び光出射面ＯＳの開口ＲＲＯを透過して、光学部材Ｍから出射する。

境界線ＢＬの左側に位置するレーザ光群１２，２２，３２，４２は、光学部材Ｍの光入射面ＩＳの開口ＲＲＩに入射した後、反射膜ＰＭによって反射され、それぞれの入射位置よりも下側に位置する反射膜ＳＭに入射し、この反射膜ＳＭで反射された後、光出射面ＯＳの開口ＲＲＯを透過して、光学部材Ｍから出射する。

このように、それぞれのレーザバーＢから出射されたレーザ光（１１，１２）、（２１，２２）、（３１，３２）、（４１，４２）は、光学部材Ｍによって、ｙ方向に沿った境界線ＢＬによって分割された後、ｙ方向に沿って整列する。すなわち、図３に示すように、分割されたレーザ光１１’，１２’，２１’，２２’，３１’，３２’，４１’，４２’がｙ方向に沿って隙間無く整列する。

以下、詳説する。

図４は光学部材Ｍ近傍のレーザ光群の通過経路の説明図である（β＝２）。

レーザ光パターン要素１１は、ｚ方向（０，０，１）に進行して、経路Ｉ１を通り、光学部材Ｍの光入射面ＩＳ上の開口ＲＲＩ内の入射位置Ｒ１に入射し（入射角α）、この位置で屈折し（屈折時の出射角θ）、光学部材Ｍの内部を通り、光出射面ＯＳ上の開口ＲＲＯ内の出射位置Ｒ２から出射する。なお、レーザ光パターン要素１１は出射位置Ｒ２からの出射時に屈折し、ｚ方向と垂直になる。また、各レーザ光パターン要素の位置は、重心位置によって表すものとする。

レーザ光パターン要素１２は、ｚ方向（０，０，１）に進行して、経路Ｉ２を通り、光学部材Ｍの光入射面ＩＳ上の開口ＲＲＩ内の入射位置Ｋ１に入射し（入射角α）、この位置で屈折し（屈折時の出射角θ）、光学部材Ｍの内部を通り、部分反射膜ＰＭ上の位置Ｋ２で入射して反射され（入射角θ）、光学部材Ｍの内部を逆方向に進行し、ストライプ反射膜ＳＭ上の位置Ｋ３において反射され、光学部材Ｍの内部を進行し、光出射面ＯＳ上の開口ＲＲＯ内の出射位置Ｋ４から出射する。なお、レーザ光パターン要素１２は出射位置Ｋ４からの出射時に屈折し、ｚ方向に進行する。

したがって、光学部材Ｍから出射したレーザ光パターン要素１１，１２はｙ方向に沿って整列し、整列後のレーザ光パターン要素１２’は，レーザ光パターン要素１１’の下側（−ｙ方向）に位置する。

なお、レーザ光パターン要素２１，２２の進行経路Ｉ３，Ｉ４は、それぞれ、レーザ光パターン要素１１，１２の進行経路Ｉ１，Ｉ２と平行であり、光学部材Ｍから出射したレーザ光パターン要素１１，１２，２１，２２はｙ方向に沿って順番に整列する。

図５は、レーザ光パターン要素１１，１２の進行経路Ｉ１，Ｉ２を示す図であり、光出射面ＯＳからの出射後の進行経路Ｉ１，Ｉ２は、ｙ方向から見ると重なることになる。

以下、光学部材Ｍについて詳説する。

説明に先立って、以下のパラメータについて規定する。なお、三次元座標系（直交座標系）はｘ、ｙ、ｚによって構成される。
ｘ：レーザ光パターン要素の整列方向
ｙ：レーザーバーＢの積層方向
ｚ：レーザーバーＢから出射されるレーザ光群の進行方向
Ｙ０：レーザバー積層周期
Ｙ１：ストライプ反射膜の１つの反射膜ＳＭの長手方向及び厚み方向に垂直な方向の距離（幅）
Ｙ２：ストライプ反射膜の反射膜ＳＭ間の距離
γ：ストライプ反射膜の１つの反射膜ＳＭの長手方向と、光出射面ＯＳの反射膜ＰＭと残余の領域ＲＲＯとの境界線ＢＬＯの成す角度（γ＜１８０°）
Ｄ：平行平板ガラスＧＳの厚み
ｎ^*：平行平板ガラスＧＳの屈折率
β：１つのレーザーバーＢから出射されるレーザー光の分割数、
（ｌ，ｍ，ｎ）：光入射面ＩＳ（光出射面ＯＳ）の法線ベクトル
Ｎ：光入射面ＩＳ（光出射面ＯＳ）の法線の単位ベクトル
ｗ：１つのレーザーバーＢから出射されるレーザー光のｘ方向長
α：光学部材Ｍへのレーザ光の入射角
θ：光学部材Ｍへ入射したレーザ光の初期屈折時の出射角
Ｏ：入射位置Ｋ１から反射位置Ｋ２に至る方向の単位ベクトル
Ｉ：光学部材Ｍへ入射するレーザ光の進行方向の単位ベクトル

図６はレーザー光の光学部材Ｍへの入射時の入射角αと出射角θとの関係を示す図である。全てのレーザ光はｚ軸方向（０，０，１）に進行しており、入射角αで入射した後、スネルの法則（ｓｉｎα＝ｎ^*ｓｉｎθ）に従い、出射角θで出射する。

また、上述のパラメータＯ、Ｅ、光入射面ＩＳの方程式（１）、光出射面ＯＳの方程式（２）、レーザ光幅ｗ、レーザ光をβ等分した場合における、反射されないレーザ光パターン要素に対するレーザ光パターン要素のｙ方向最大相対移動量Ｙ、及び一般的関係式（３）は以下の関係を満たす。

図７は、ストライプ反射膜ＳＭと隙間ＲＲＩの関係の説明図である。

上述の光学部材Ｍでは、１つのレーザバーから出射されるレーザ光パターンをβ等分（例えば、β＝３）した場合、β−１個のレーザ光パターン要素１２，１３が、１つの反射膜ＳＭ１上で反射され、且つ、これらはｙ方向に隣接する別のレーザーバーＢから出射されたレーザ光パターン要素２１（２１’）との間（距離≒Ｙ２）に整列することとなる。すなわち、反射膜ＳＭの幅Ｙ１は、隙間Ｙ２の（β−１）倍に設定されることが好ましい。換言すれば、βは以下の関係を満たす。なお、３分割の場合は、境界線ＢＬ１、ＢＬ２の数は２本となる。

上述の関係を満たす場合、上記ｙ方向最大相対移動量Ｙは、約Ｙ１であるが、平行平板ガラスＧＳの法線はｚ軸方向に対して傾いているので、Ｙ１は、以下のように、移動量Ｙ以上であって、移動量Ｙよりも大きく設定される。

これにより、隙間ＲＲＩを透過したレーザ光パターン要素１２，１３が、距離Ｙ１の反射膜ＳＭ１で反射されることとなる。なお、平行平板ガラスＧＳは上述のレーザ光パターン要素の整列を行うため、傾斜しているが、この傾斜に併せて、反射膜ＰＭと開口領域ＲＲＯとの境界線ＢＬＯは、ストライプ反射膜ＳＭの整列方向に対して角度を有する。境界線ＢＬＯをｚ軸方向から見るとｙ軸に沿っているが、光出射面ＯＳとｙｚ平面に平行な平面との交線、光出射面ＯＳとｘｚ平面に平行な平面との交線の成す角度γ（γ＜１８０°）は、以下の式で与えられる。

なお、一例として、上述のパラメータは以下のように設定することができる。Ｙ０＝１．６、Ｙ１＝１．０８、Ｙ２＝０．５４、γ＝９５°、Ｄ＝４．６ｍｍ、ｎ^＊＝１．５、β＝３、ｌ＝０．４、ｍ＝０．１８、ｎ＝０．９、ｗ＝１０ｍｍ、α＝２６°。

以上、説明したように、上述のレーザーバー積層体用整形光学系は、複数の半導体レーザー素子を一次元状に配列してなるレーザーバーＢを、半導体レーザー素子の配列方向（ｘ）及びレーザー光の進行方向（ｚ）の双方に垂直な方向（ｙ）に沿って、複数積層してなるレーザーバー積層体Ｓからのレーザー光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系において、レーザーバー積層体Ｓから出力されるレーザー光群のうち、積層の方向（ｙ）に沿った線分ＢＬを境界線とする一方のレーザー光群を第１レーザー光群（レーザ光パターン要素１１，２１，３１，４１）とし、他方のレーザー光群を第２レーザー光群（レーザ光パターン要素１２，２２，３２，４２）とした場合、第１及び第２レーザー光群が入射する一方面ＩＳ及び第１及び第２レーザー光群が出射する他方面ＯＳを有する光学部材Ｍを備え、光学部材Ｍは、第１レーザー光群（１１，２１，３１，４１）に対して第２レーザー光群（１２，２２，３２，４２）が積層の方向（ｙ）に沿って相対的に移動するよう、１枚の平行平板ガラスＧＳの一方面ＩＳにストライプ反射膜ＳＭを設けると共に他方面ＯＳに反射膜ＰＭを設け、第1及び第２レーザー光群を他方面ＯＳの残余の領域ＲＲＯから出射させるようにした。

上述のレーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材Ｍでは、単純な構成であるにも拘らず、ストライプ反射膜ＳＭ及び反射膜ＰＭが所定条件を満たすことにより、レーザー光を積層方向ｙに沿って整列させ、レーザーバースタックから出力された光強度分布を圧縮し、光密度を増加させることができる。

本発明は、レーザーバー積層体用整形光学系及び光学部材に利用できる。

半導体レーザーバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。 レーザーバー積層体Ｓから出射されるレーザ光群のレーザ光パターンを示す図である。 レーザ光分割後のレーザー光パターンを示す図である（β＝２）。 光学部材Ｍ近傍のレーザ光群の通過経路の説明図である（β＝２）。 レーザ光パターン要素１１，１２の進行経路Ｉ１，Ｉ２を示す図である。 レーザーの光学部材Ｍへの入射時の入射角αと出射角θとの関係を示す図である。 ストライプ反射膜ＳＭと隙間ＲＲＩの関係の説明図である。

符号の説明

光学部材Ｍ、１１，２１，３１，４１・・・第１レーザー光群、１２，２２，３２，４２・・・第２レーザー光群、ＧＳ・・・平行平板ガラス、ＩＳ・・・一方面、ＳＭ…ストライプ反射膜、ＯＳ・・・他方面ＯＳ、ＰＭ・・・反射膜、ＰＲ…残余の領域。

Claims (3)

1. 複数の半導体レーザー素子を一次元状に配列してなるレーザーバーを、前記半導体レーザー素子の配列方向及びレーザー光の進行方向の双方に垂直な方向に沿って、複数積層してなるレーザーバー積層体からのレーザー光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系において、
   前記レーザーバー積層体から出力されるレーザー光群のうち、前記積層の方向に沿った線分を境界線とする一方のレーザー光群を第１レーザー光群とし、他方のレーザー光群を第２レーザー光群とした場合、
   前記第１及び第２レーザー光群が入射する一方面及び前記第１及び第２レーザー光群が出射する他方面を有する光学部材を備え、
   前記光学部材は、前記第１レーザー光群に対して前記第２レーザー光群が前記積層の方向に沿って相対的に移動するよう、１枚の平行平板ガラスの前記一方面にストライプ反射膜を設けると共に前記他方面に反射膜を設け、前記第1及び第２レーザー光群を前記他方面の残余の領域から出射させるようにしたことを特徴とするレーザーバー積層体用整形光学系。
2. 積層された複数のレーザーバーから出射されるそれぞれのレーザー光を積層方向に沿って分割し、分割後に積層方向に整列させるレーザーバー積層体用整形光学系であって、１枚の平行平板ガラスの前記一方面にストライプ反射膜を設けると共に前記他方面に反射膜を設け、
   前記ストライプ反射膜の１つの反射膜の長手方向及び厚み方向に垂直な方向の距離をＹ１、
   前記ストライプ反射膜の１つの反射膜の長手方向と、前記他方面の前記反射膜と残余の領域との境界線の成す角度をγ、
   前記平行平板ガラスの厚みをＤ、
   前記平行平板ガラスの屈折率をｎ^*、
   １つのレーザーバーから出射されるレーザー光の分割数をβ、
   ｘを前記レーザーバーの長手方向、ｙを前記レーザーバーの積層方向、ｚを前記レーザーバーからのレーザー光の出射方向とするｘ、ｙ、ｚ直交座標系を設定した場合の前記一方面の方程式をｌｘ＋ｍｙ＋ｎｚ＝０、他方面の方程式をｌｘ＋ｍｙ＋ｎｚ＝Ｄとした場合、以下の関係式：
   

   

   を満たすことを特徴とするレーザーバー積層体用整形光学系。
3. １枚の平行平板ガラスの前記一方面にストライプ反射膜を設けると共に前記他方面に反射膜を設けた光学部材において、
   前記ストライプ反射膜の１つの反射膜の長手方向及び厚み方向に垂直な方向の距離をＹ１、
   前記ストライプ反射膜の反射膜間の距離をＹ２、
   前記ストライプ反射膜の１つの反射膜の長手方向と、前記他方面の前記反射膜と残余の領域との境界線の成す角度をγ、
   前記平行平板ガラスの厚みをＤ、
   前記平行平板ガラスの屈折率をｎ^*、
   ｘ、ｙ、ｚ直交座標系を設定した場合の前記一方面の方程式をｌｘ＋ｍｙ＋ｎｚ＝０、他方面の方程式をｌｘ＋ｍｙ＋ｎｚ＝Ｄとした場合、以下の関係式：
   

   

   を満たすことを特徴とする光学部材。

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