JP2006047680A - Optical system for shaping beam and laser light source and preparing method of the same system - Google Patents

Optical system for shaping beam and laser light source and preparing method of the same system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an optical system for shaping a beam for a laser diode (LD), whose miniaturization is easy and in which the utilization efficiency of exciting rays of light is high, and whose mounting is easy. <P>SOLUTION: An optical system for shaping a beam 13 which has a stripe-shaped light source shape and which contracts or condenses divergent angles of at least orthogonal direction of outgoing rays of light of the LD 11 which emits laser beams having different divergent angles in a direction orthogonal to a stripe and a direction parallel with the stripe is characterized in being equipped with substrates 14, 15 having two sheets of reflecting surfaces 1, 2 which are arranged across a face including the stripe and the optical axis of the LD 11. At least on the reflecting surface on one substrate, an inclined part is formed so that a spacing of opening parts from which laser beams are emitted may become wider than that of opening parts on which laser beams are made incident. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ビーム整形用光学系、及び、そのビーム整形用光学系を用いたレーザ光源、及び、ビーム整形用光学系の作成方法に関する。   The present invention relates to a beam shaping optical system, a laser light source using the beam shaping optical system, and a method for producing the beam shaping optical system.

従来、レーザダイオードを用いたレーザ光源や装置に関する技術としては、例えば以下のようなものが提案されている。
特許文献1(特開平09−199774号公報)には、リニアアレーLD(レーザダイオード)またはスタック化された2次元リニアアレーLDを励起光源とするレーザダイオード励起固体レーザ装置において、励起光を端面励起方式で1mmφ以下に集光可能にし、TEM00モードでのレーザ発振効率改善と、Qスイッチパルス発振時のパルス幅短縮化と、レーザ装置の小型化を課題として、図10(a),(b)に示すように、2次元リニアアレーLD101から出射されたLD励起光をシリンドリカルレンズ102、103や球面レンズ104、105から成る結合光学系120を用いて一旦φ2ミリ程度まで効率良く集光させ、その後、入射部が2〜3ミリφ、出射部を0。5〜1ミリφ程度であるテーパ付きの全反射ロッド106に結合する2段階の集光光学系で構成された結合光学系から成り、テーパ付きの全反射ロッド106の出射部はレーザ媒質107の全反射コート側の瑞面と光学的結合をさせるか、あるいは隙間なく突き合わせ接触させた構成を有するレーザダイオード励起固体レーザ装置が開示されている。
Conventionally, as a technique related to a laser light source and an apparatus using a laser diode, for example, the following has been proposed.
Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 09-199774) discloses a laser diode-pumped solid-state laser device using a linear array LD (laser diode) or a stacked two-dimensional linear array LD as a pumping light source. 10 (a) and 10 (b) are focused on improving laser oscillation efficiency in the TEM 00 mode, shortening the pulse width during Q-switch pulse oscillation, and reducing the size of the laser device. as shown, thereby efficiently collecting once to about φ2 millimeters using LD excitation light emitted from the two-dimensional linear array LD101 cylindrical lenses 102, 103 and coupling optics 120 1 consisting of spherical lenses 104 and 105, then, Tapered total reflection rod 10 having an incident part of 2 to 3 mm and an exit part of about 0.5 to 1 mm. Consists of six coupling optical system composed of two stages of the condensing optical system to bind to 1, the total reflection rod 106 1 of the exit portion of the tapered is Rui surface optically coupled total reflection coating side of the laser medium 107 A laser diode-pumped solid state laser device having a configuration in which the laser diodes are brought into contact with each other with no gap is disclosed.

特許文献2(特開平11−017252号公報)には、半導体レーザ(LD)から出力される励起光を効率よくレーザ媒質に伝搬できる半導体励起固体レーザを提供することを課題として、図11に示すように、半導体レーザ素子203から発せられる励起光を固体レーザ媒質201に導く光学的ガイド板205の形状を、半導体レーザ素子203側の断面積を大きくし、固定レーザ媒質201側の断面積を小さくする構成の半導体励起固体レーザ装置が開示されている。   Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-017252) shows a semiconductor-pumped solid-state laser that can efficiently propagate pumping light output from a semiconductor laser (LD) to a laser medium as shown in FIG. As described above, the shape of the optical guide plate 205 that guides the excitation light emitted from the semiconductor laser element 203 to the solid-state laser medium 201 is increased by increasing the sectional area on the semiconductor laser element 203 side and decreasing the sectional area on the fixed laser medium 201 side. A semiconductor-excited solid-state laser device configured as described above is disclosed.

特許文献3(特開平11−214776号公報)には、励起用半導体レーザ(LD)の出力を増加させることなく、LD励起固体レーザの出力を増加させることができるLD励起固体レーザを提供することを課題として、図12に示すように、半導体レーザ302を励起光源としてレーザ媒質である固体結晶301を光励起し、レーザ発振を行うLD励起固体レーザにおいて、前記半導体レーザ302の固体結晶301への照射光を集光する集光手段305を設けたことを特徴とするLD励起固体レーザが開示されている。   Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-214776) provides an LD-pumped solid-state laser capable of increasing the output of an LD-pumped solid-state laser without increasing the output of a pumping semiconductor laser (LD). As shown in FIG. 12, in an LD-pumped solid-state laser that performs laser oscillation by optically pumping a solid-state crystal 301 that is a laser medium using a semiconductor laser 302 as a pumping light source, irradiation of the solid-state crystal 301 of the semiconductor laser 302 is performed. An LD-excited solid-state laser having a light condensing means 305 for condensing light is disclosed.

特開平09−199774号公報JP 09-199774 A 特開平11−017252号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-017252 特開平11−214776号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-214776

高いエネルギー効率で高出力が得られるレーザ光源として、レーザダイオード励起固体レーザ(Diode Pumped Solid State Laser:DPSSL)が注目されている。これはレーザダイオード(LD)を用いることにより、レーザ結晶の特定のエネルギー順位を効率的に励起できるため励起効率が高く、装置の高出力化、小型化に有利であり、レーザ加工装置、レーザプリンター、レーザスキャンディスプレー、レーザ計測装置、医療装置、分析装置等のレーザを利用した様々な装置に利用されている。   As a laser light source capable of obtaining high output with high energy efficiency, a laser diode pumped solid state laser (DPSSL) has been attracting attention. This is because a laser diode (LD) can be used to efficiently excite a specific energy level of a laser crystal, so that the excitation efficiency is high, which is advantageous for high output and miniaturization of the apparatus. It is used in various devices using a laser, such as a laser scan display, a laser measurement device, a medical device, and an analysis device.

これらの装置では、LDによる励起の効率を高めるため、様々な検討が行われている。このレーザ光源の励起に用いられるLDは通常ブロードエリア構造のものが用いられている。このLDは発光点がストライプ状であり、しかも方向によって広がり角が大きく異なっている。例えば1W程度の出力が得られるタイプでは、ストライプ形状は縦1μm、横200μm、発散角はストライプと直交方向(速軸側)で40°、ストライプと平行方向(遅軸側)で10°程度である。このため、レーザ結晶を効率的に励起するためには、LDから発散する光を効率的にレーザ結晶へ伝達するための光学系が重要である。   In these apparatuses, various studies have been made to increase the efficiency of excitation by the LD. The LD used for excitation of the laser light source usually has a broad area structure. In this LD, the light emitting points are striped, and the spread angle varies greatly depending on the direction. For example, in a type that can output about 1 W, the stripe shape is 1 μm in length and 200 μm in width, and the divergence angle is 40 ° in the direction orthogonal to the stripe (fast axis side) and about 10 ° in the direction parallel to the stripe (slow axis side). is there. For this reason, in order to efficiently excite the laser crystal, an optical system for efficiently transmitting the light emitted from the LD to the laser crystal is important.

そこで前述の特許文献2では、テーパ状のライトガイド板205を用いて、LD203からの励起光をレーザ結晶201に伝播している。また、特許文献3ではLD302からの励起光をシリンドリカルレンズ等の集光手段305を用いて集光し、レーザ媒質である固体結晶301を照射している。この場合、集光手段305には棒状のシリンドリカルレンズも利用されるが、縦方向に広がる光を集光する場合、非常に大きいNAを持つシリンドリカルレンズを利用する必要があるため、アライメントが困難になる。   Therefore, in Patent Document 2 described above, excitation light from the LD 203 is propagated to the laser crystal 201 using a tapered light guide plate 205. In Patent Document 3, the excitation light from the LD 302 is condensed using a condensing means 305 such as a cylindrical lens, and the solid crystal 301 as a laser medium is irradiated. In this case, a rod-shaped cylindrical lens is also used as the condensing means 305. However, when condensing light spreading in the vertical direction, it is necessary to use a cylindrical lens having a very large NA, so that alignment is difficult. Become.

一方、LD励起固体レーザで効率的な発振を行うためには、レーザ結晶中のレーザ発振を行う領域と励起光が照射される領域をできるだけ一致させておく必要がある。励起用LDの発光点はストライプ状であるため、単にレンズで集光しただけでは集光スポット形状もストライプ状になってしまうので、ビーム形状を変換するための光学系が必要になる。例えば、TEM00モードをねらった端面励起固体レーザでは、LD励起光と共振器内で発振しているレーザビームの重なり(モードマッチング)をよくするため、励起光の形状を円形に整形し、発振するレーザ光と同程度の直径まで絞り込む必要がある。そこで前述の特許文献1では、複数のレンズ102〜105とテーパ状のライトガイド106を組み合わせてLD101からの励起光をレーザ結晶107に照射している。 On the other hand, in order to perform efficient oscillation with an LD-pumped solid-state laser, it is necessary to match the laser oscillation region in the laser crystal with the region irradiated with the excitation light as much as possible. Since the light emission point of the excitation LD is in a stripe shape, the light collecting spot shape becomes a stripe shape simply by condensing with the lens, so that an optical system for converting the beam shape is required. For example, in an edge-pumped solid-state laser aiming at the TEM 00 mode, the shape of the pump light is shaped into a circle to improve the overlap (mode matching) between the LD pump light and the laser beam oscillating in the resonator. It is necessary to narrow the diameter to the same level as the laser beam to be used. Therefore, in Patent Document 1 mentioned above, it is irradiated with excitation light from the LD101 by combining light guide 106 of the plurality of lenses 102 to 105 and tapered to the laser crystal 107 1.

しかしながら、これらの方法では励起光学系が大きくなってしまいレーザ装置の小型化が困難である。励起光学系を小さくするためには、例えばライトガイドのテーパ角を大きくすれば良いが、その場合にはビームの反射が多くなるため励起光の利用効率が低下する。また、特許文献1のように複数のレンズを利用する場合には、光学系自体が大きくなる。また、複数のレンズを組み合わせて利用する場合は、高い実装精度が必要になるため、実装が難しくなる。
前述の端面励起型の固体レーザではレーザ結晶のサイズは数mm程度、LDチップも1mm程度の大きさであり、励起光学系を〜数mm程度に小型化することが、レーザ装置の小型化に重要である。
However, these methods increase the size of the excitation optical system and make it difficult to reduce the size of the laser device. In order to reduce the excitation optical system, for example, the taper angle of the light guide may be increased, but in this case, the reflection efficiency of the excitation light is reduced because the reflection of the beam increases. Moreover, when using a some lens like patent document 1, optical system itself becomes large. Further, when a plurality of lenses are used in combination, high mounting accuracy is required, so that mounting becomes difficult.
In the above-described end face excitation type solid-state laser, the size of the laser crystal is about several mm and the LD chip is about 1 mm, and downsizing the excitation optical system to about several millimeters contributes to downsizing of the laser device. is important.

以上の従来技術の問題点に対して、本発明では、小型化が容易で励起光の利用効率が高く、実装の容易なビーム整形用光学系及びそれを用いたレーザ光源を提供することを目的とする。
より具体的には、本発明では、小型化が容易で励起光の利用効率が高く、実装の容易なレーザダイオード用のビーム整形用光学系を提供することを目的とする。
また、本発明では、上記目的に加えて、より小型化が可能なビーム整形用光学系を提供することを目的とする。
さらに本発明では、上記目的に加えて、出射される光の均一性が高いビーム整形用光学系を提供することを目的とする。
さらに本発明では、上記目的に加えて、ビーム整形用光学系を容易に作成するための基板材料を提供することを目的とする。
さらに本発明では、上記目的に加えて、小型で固体レーザ結晶を効率的に励起できるレーザ光源を提供することを目的とする。
さらに本発明では、上記目的に加えて、本発明のビーム整形用光学系を容易に作成できる作成方法を提供することを目的とする。
In order to solve the above-described problems of the prior art, the present invention has an object to provide a beam shaping optical system that can be easily downsized, has high use efficiency of excitation light, and is easy to mount, and a laser light source using the same. And
More specifically, it is an object of the present invention to provide a beam shaping optical system for a laser diode that can be easily miniaturized, has high use efficiency of excitation light, and is easy to mount.
In addition to the above object, an object of the present invention is to provide a beam shaping optical system that can be further miniaturized.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a beam shaping optical system with high uniformity of emitted light in addition to the above object.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a substrate material for easily creating a beam shaping optical system in addition to the above object.
A further object of the present invention is to provide a small laser light source that can efficiently excite a solid laser crystal.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a production method capable of easily producing the beam shaping optical system of the present invention in addition to the above object.

上述の目的を達成するため、本発明では以下のような手段を採っている。
本発明の第1の手段は、ストライプ状の光源形状を持ち、ストライプと直交方向と平行方向で発散角の異なるレーザ光を出射するレーザダイオード(LD)の出射光の少なくとも直交方向の発散角を縮小または集光するためのビーム整形用光学系において、前記レーザダイオード(LD)のストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられていることを特徴とする(請求項1)。
In order to achieve the above object, the present invention adopts the following means.
The first means of the present invention has a striped light source shape, and has a divergence angle in at least the orthogonal direction of the emitted light of a laser diode (LD) that emits laser light having a divergence angle different in a direction parallel to the stripe and perpendicular to the stripe. A beam shaping optical system for reducing or condensing, comprising: a substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including a stripe and an optical axis of the laser diode (LD); and at least one of the substrates The reflecting surface is provided with an inclined portion formed so that an interval between the opening portions from which the laser is incident is increased with respect to the opening portions into which the laser is incident.

本発明の第2の手段は、第1の手段のビーム整形用光学系において、前記基板の反射面の傾斜部分は凹面であることを特徴とする(請求項2)。
また、本発明の第3の手段は、第1または第2の手段のビーム整形用光学系において、少なくとも反射面の一部が拡散板の機能を持つことを特徴とする(請求項3)。
さらに、本発明の第4の手段は、第1〜第3のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系において、前記基板の材料として、シリコンもしくは石英ガラスを用いたことを特徴とする(請求項4)。
According to a second means of the present invention, in the beam shaping optical system of the first means, the inclined portion of the reflecting surface of the substrate is a concave surface (claim 2).
The third means of the present invention is characterized in that, in the beam shaping optical system of the first or second means, at least a part of the reflecting surface has a function of a diffusion plate.
Further, a fourth means of the present invention is characterized in that, in the beam shaping optical system of any one of the first to third means, silicon or quartz glass is used as a material of the substrate. Item 4).

本発明の第5の手段は、レーザ光源であって、レーザダイオード(LD)と、第1〜第4のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオード(LD)と前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることを特徴とする。   A fifth means of the present invention is a laser light source, comprising a laser diode (LD) and a beam shaping optical system of any one of the first to fourth means, wherein the laser diode (LD) The beam shaping optical system is mounted in the same package.

本発明の第6の手段は、ストライプ状の光源形状を持ち、ストライプと直交方向と平行方向で発散角の異なるレーザ光を出射するレーザダイオード(LD)の出射光の少なくとも直交方向の発散角を縮小または集光するためのビーム整形用光学系において、前記レーザダイオード(LD)のストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられており、ビーム整形を行うレーザダイオード(LD)の基板の底部から発光部までの高さをD、ビーム整形用光学系の取り付け側の基板の底部から入射側の開口部分の下部までの高さをDBL、上部までの高さをDBHとした場合に、
BL<D<DBH
を満たすことを特徴とする(請求項6)。
The sixth means of the present invention has a striped light source shape and has a divergence angle in at least the orthogonal direction of the emitted light of a laser diode (LD) that emits laser light having a different divergence angle in a direction parallel to the stripe and perpendicular to the stripe. A beam shaping optical system for reducing or condensing, comprising: a substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including a stripe and an optical axis of the laser diode (LD); and at least one of the substrates The reflecting surface is provided with an inclined portion formed so that the interval between the opening portion where the laser is incident and the opening portion where the laser is incident is increased, and light is emitted from the bottom of the substrate of the laser diode (LD) that performs beam shaping. height D L up section, height D BL from the bottom of the mounting side of the substrate of the beam shaping optical system to the bottom of the opening portion of the incident side, the height of the upper D BH If it is,
DBL <D L <D BH
(Claim 6).

本発明の第7の手段は、第6の手段のビーム整形用光学系において、前記基板の反射面の傾斜部分は凹面であることを特徴とする(請求項7)。
また、本発明の第8の手段は、第6または第7の手段のビーム整形用光学系において、少なくとも反射面の一部が拡散板の機能を持つことを特徴とする(請求項8)。
さらに、本発明の第9の手段は、第6〜第8のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系において、前記基板の材料として、シリコンもしくは石英ガラスを用いたことを特徴とする(請求項9)。
According to a seventh means of the present invention, in the beam shaping optical system according to the sixth means, the inclined portion of the reflecting surface of the substrate is a concave surface.
According to an eighth means of the present invention, in the beam shaping optical system of the sixth or seventh means, at least a part of the reflecting surface has a function of a diffuser.
Further, a ninth means of the present invention is characterized in that, in the beam shaping optical system of any one of the sixth to eighth means, silicon or quartz glass is used as a material for the substrate. Item 9).

本発明の第10の手段は、レーザ光源であって、レーザダイオード(LD)と、第6〜第9のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオード(LD)と前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることを特徴とする(請求項10)。   A tenth means of the present invention is a laser light source, comprising a laser diode (LD) and a beam shaping optical system of any one of the sixth to ninth means, wherein the laser diode (LD) The beam shaping optical system is mounted in the same package (claim 10).

本発明の第11の手段は、第1〜第4、第6〜第9のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系を作成するビーム整形用光学系の作成方法において、2枚の平坦な面を持つ基板上の少なくとも1枚に傾斜部分を持つレジストパターンを作成する工程と、異方性ドライエッチングによりレジストパターンの形状を基板に転写する工程と、反射面の間隔を規定するためのスペーサを介して2枚の基板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする(請求項11)。
また、本発明の第12の手段は、第11の手段のビーム整形用光学系の作成方法において、前記レジストパターンを作成する際に、グレイスケールマスクを用いることを特徴とする(請求項12)。
さらに、本発明の第13の手段は、第11の手段のビーム整形用光学系の作成方法において、前記レジストパターンを作成する際に、傾斜部分と同時にスペーサ用のパターンを形成し、必要なスペーサの高さをh、スペーサ用のパターンの高さをh’とした場合に、
h’≧h/s
s:エッチングの選択比=基板のエッチングレート/レジストのエッチングレート
とすることを特徴とする(請求項13)。
According to an eleventh means of the present invention, there is provided a beam shaping optical system producing method for producing a beam shaping optical system according to any one of the first to fourth and sixth to ninth means. A step of creating a resist pattern having an inclined portion on at least one surface of a substrate having a surface, a step of transferring the shape of the resist pattern to the substrate by anisotropic dry etching, and a spacer for defining the interval between the reflecting surfaces And a step of bonding two substrates through the substrate (claim 11).
The twelfth means of the present invention is characterized in that, in the eleventh means for producing a beam shaping optical system, a gray scale mask is used when creating the resist pattern. .
Further, the thirteenth means of the present invention is the method for producing a beam shaping optical system of the eleventh means, wherein when the resist pattern is produced, a pattern for spacers is formed simultaneously with the inclined portion, and a necessary spacer is formed. When the height of h is h and the height of the spacer pattern is h ′,
h ′ ≧ h / s
s: etching selectivity = substrate etching rate / resist etching rate (claim 13).

本発明の第1の手段のビーム整形用光学系においては、レーザダイオード(LD)のストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられていることにより、LDからの出射光を無駄なく取り込んだ上で速軸方向のビームの広がりを抑えてレーザ媒質に応じた励起光の分布を形成できるため、励起効率を高めることができる。また、実装時の位置ずれの余裕が大きいため、容易に実装が行える。   The beam shaping optical system according to the first means of the present invention includes a substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including a stripe of a laser diode (LD) and an optical axis, and at least one substrate The reflecting surface of the laser beam is provided with an inclined portion formed so that the interval between the opening portion where the laser is incident and the opening portion where the laser beam is incident is increased, so that the light emitted from the LD can be taken in without waste. Since the beam distribution in the fast axis direction can be suppressed and the excitation light distribution according to the laser medium can be formed, the excitation efficiency can be increased. In addition, since there is a large margin for misalignment during mounting, mounting can be performed easily.

第2の手段のビーム整形用光学系においては、第1の手段の効果に加え、反射面を凹面とすることにより、励起光学系の長さを抑えることができるのでより小型化が可能になる。
また、第3の手段のビーム整形用光学系においては、第1または第2の手段の効果に加え、反射面の一部を拡散板とすることにより、出射される光がよりランダムに重ね合わされるので、光の均一性が高い出射光が得られる。
さらに、第4の手段のビーム整形用光学系においては、第1〜第3の手段のいずれかの効果に加え、基板にシリコンまたは石英ガラスを用いることで、本発明のビーム整形用光学系を作成するためのプロセスが容易になる。
In the beam shaping optical system of the second means, in addition to the effect of the first means, the length of the excitation optical system can be suppressed by making the reflecting surface concave, so that the size can be further reduced. .
In addition, in the beam shaping optical system of the third means, in addition to the effects of the first or second means, a part of the reflection surface is used as a diffusion plate so that the emitted light is more randomly superimposed. Therefore, outgoing light with high light uniformity can be obtained.
Further, in the beam shaping optical system of the fourth means, in addition to the effects of any of the first to third means, the beam shaping optical system of the present invention can be obtained by using silicon or quartz glass for the substrate. The process for creating becomes easier.

第5の手段のレーザ光源においては、レーザダイオード(LD)と、第1〜第4のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオード(LD)と前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることにより、ビーム整形用光学系は非常に小型であるため、LDと同一パッケージまたは同一基板上に容易に実装が可能なので、より小型で固体レーザ結晶を効率的に励起できるレーザ光源を実現することができる。   The laser light source of the fifth means includes a laser diode (LD) and the beam shaping optical system of any one of the first to fourth means, and the laser diode (LD) and the beam shaping optics. Since the optical system for beam shaping is very small because the system is mounted in the same package, it can be easily mounted on the same package or the same substrate as the LD. It is possible to realize a laser light source capable of efficiently exciting the light.

第6の手段のビーム整形用光学系においては、レーザダイオード(LD)のストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられており、ビーム整形を行うレーザダイオード(LD)の基板の底部から発光部までの高さをD、ビーム整形用光学系の取り付け側の基板の底部から入射側の開口部分の下部までの高さをDBL、上部までの高さをDBHとした場合に、
BL<D<DBH
を満たすことにより、LDからの出射光を無駄なく取り込んだ上で速軸方向のビームの広がりを抑えてレーザ媒質に応じた励起光の分布を形成できるため、励起効率を高めることができる。また、実装時の位置ずれの余裕が大きいため、容易に実装が行える。また、LDチップと同一基板に実装できるので、より小型化が可能になる。
The beam shaping optical system of the sixth means comprises a substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including the stripe of the laser diode (LD) and the optical axis, and the reflecting surface of at least one of the substrates Is provided with an inclined portion formed so as to increase the interval between the opening portion where the laser is incident and the opening portion where the laser is incident, from the bottom of the substrate of the laser diode (LD) that performs beam shaping to the light emitting portion. Is D L , the height from the bottom of the substrate on the mounting side of the beam shaping optical system to the lower part of the opening on the incident side is D BL , and the height to the upper part is D BH .
DBL <D L <D BH
By satisfying the above, it is possible to capture the light emitted from the LD without waste and suppress the spread of the beam in the fast axis direction to form the distribution of the excitation light according to the laser medium, so that the excitation efficiency can be increased. In addition, since there is a large margin for misalignment during mounting, mounting can be performed easily. Further, since it can be mounted on the same substrate as the LD chip, further miniaturization becomes possible.

第7の手段のビーム整形用光学系においては、第6の手段の効果に加え、反射面を凹面とすることにより、励起光学系の長さを抑えることができるのでより小型化が可能になる。
また、第8の手段のビーム整形用光学系においては、第6または第7の手段の効果に加え、反射面の一部を拡散板とすることにより、出射される光がよりランダムに重ね合わされるので、光の均一性が高い出射光が得られる。
さらに、第9の手段のビーム整形用光学系においては、第6〜第8の手段のいずれかの効果に加え、基板にシリコンまたは石英ガラスを用いることで、本発明のビーム整形用光学系を作成するためのプロセスが容易になる。
In the beam shaping optical system of the seventh means, in addition to the effect of the sixth means, by making the reflecting surface concave, the length of the excitation optical system can be suppressed, so that the size can be further reduced. .
In addition, in the beam shaping optical system of the eighth means, in addition to the effects of the sixth or seventh means, a part of the reflection surface is used as a diffusion plate, so that the emitted light is superimposed more randomly. Therefore, outgoing light with high light uniformity can be obtained.
Further, in the beam shaping optical system of the ninth means, in addition to the effects of any of the sixth to eighth means, the beam shaping optical system of the present invention can be obtained by using silicon or quartz glass for the substrate. The process for creating becomes easier.

第10の手段のレーザ光源においては、レーザダイオード(LD)と、第6〜第9のいずれか一つの手段のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオード(LD)と前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることにより、ビーム整形用光学系は非常に小型であるため、LDと同一パッケージまたは同一基板上に容易に実装が可能なので、より小型で固体レーザ結晶を効率的に励起できるレーザ光源を実現することができる。   The laser light source of the tenth means comprises a laser diode (LD) and the beam shaping optical system of any one of the sixth to ninth means, and the laser diode (LD) and the beam shaping optics. Since the optical system for beam shaping is very small because the system is mounted in the same package, it can be easily mounted on the same package or the same substrate as the LD. It is possible to realize a laser light source capable of efficiently exciting the light.

第11の手段のビーム整形用光学系の作成方法においては、2枚の平坦な面を持つ基板上の少なくとも1枚に傾斜部分を持つレジストパターンを作成する工程と、異方性ドライエッチングによりレジストパターンの形状を基板に転写する工程と、反射面の間隔を規定するためのスペーサを介して2枚の基板を貼り合わせる工程とを含むことにより、半導体プロセスを利用してビーム整形用光学系を作成できるので、微小なビーム整形用光学系光学系を容易に大量に作成することができる。
また、第12の手段のビーム整形用光学系の作成方法においては、第11の手段の効果に加え、グレイスケールマスクを利用しているので、傾斜部分とスペーサ、拡散板形成用のレジストパターンを1回のプロセスで作成することが可能になり、微小なビーム整形用光学系を容易に大量に作成することができる。
さらに、第13の手段のビーム整形用光学系の作成方法においては、第11の手段の効果に加え、スペーサ部分のレジストがエッチング中に除去されないので、エッチング量の調整で必要な高さのスペーサを傾斜パターンと同時に作成することができるようになる。
In an eleventh means for producing a beam shaping optical system, a resist pattern having an inclined portion on at least one substrate on a substrate having two flat surfaces and a resist by anisotropic dry etching A step of transferring the shape of the pattern to the substrate, and a step of bonding the two substrates through a spacer for defining the distance between the reflecting surfaces, thereby providing a beam shaping optical system using a semiconductor process; Since it can be produced, it is possible to easily produce a large amount of minute beam shaping optical systems.
Further, in the twelfth means for forming the beam shaping optical system, in addition to the effects of the eleventh means, a gray scale mask is used. Therefore, the inclined portion, the spacer, and the resist pattern for forming the diffusion plate are provided. It is possible to create a single beam, and it is possible to easily create a large amount of minute beam shaping optical systems.
Further, in the beam shaping optical system creating method of the thirteenth means, in addition to the effect of the eleventh means, the resist in the spacer portion is not removed during the etching, so that the spacer having a height necessary for adjusting the etching amount is obtained. Can be created simultaneously with the inclined pattern.

本発明におけるビーム整形用光学系は、レーザダイオード(LD)の出射光の少なくとも速軸方向の発散角を縮小または集光するためレーザダイオード(LD)の遅軸と光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられていることを特徴とする。レーザダイオード(LD)の出射光がこのビーム整形用光学系を通過する際、2枚の基板の反射面に対して傾きの大きい光ほど2枚の基板の反射面の間で数多く反射を繰り返しながら出射側の開口部へ伝播する。このとき、2つの反射面の間に入射側の開口よりも出射側の開口が広くなるような傾斜部が設けられているため、反射を繰り返す間にレーザビームの広がり角は小さくなっていく。この広がり角は、傾斜部分の長さ、角度、出射側開口の広さなどで自由に調整できるので、励起対象のレーザ媒質の形状や、そこから出力されるレーザのプロファイルに適した励起を行うことができるようになる。また、このような構造は半導体プロセスを利用することで比較的容易に作成できるので、小型化、大量生産が容易である。また、LDチップと同程度の大きさまで小型に作成しておけば、LDチップと同一基板上に実装することも可能であるため、LDチップとビーム整形用光学系を含めた励起光学系全体を小型にすることができる。さらに、実装時はレーザダイオード(LD)の出射光がビーム整形用光学系の入射側開口部に入射するようにすればよく、アライメントの余裕が大きく取れるので、微小なレンズを用いたビーム整形用光学系に比べてアライメントも容易になる。   The optical system for beam shaping in the present invention sandwiches a plane including the slow axis and the optical axis of the laser diode (LD) in order to reduce or condense at least the divergence angle of the emitted light of the laser diode (LD) in the fast axis direction. A substrate having two reflection surfaces arranged is provided, and at least one of the reflection surfaces of the substrate is provided with an inclined portion formed so that a gap between the opening portion from which the laser is incident is increased. It is characterized by being. When the light emitted from the laser diode (LD) passes through the beam shaping optical system, light having a larger inclination with respect to the reflection surfaces of the two substrates is repeatedly reflected between the reflection surfaces of the two substrates. Propagates to the opening on the exit side. At this time, since an inclined portion is provided between the two reflecting surfaces so that the opening on the emission side is wider than the opening on the incident side, the spread angle of the laser beam becomes smaller during repeated reflections. This divergence angle can be adjusted freely according to the length and angle of the inclined part, the width of the exit-side opening, etc., so that excitation suitable for the shape of the laser medium to be pumped and the profile of the laser output therefrom is performed. Will be able to. In addition, since such a structure can be relatively easily created by using a semiconductor process, it is easy to miniaturize and mass-produce. In addition, if it is made small to the same size as the LD chip, it can be mounted on the same substrate as the LD chip, so the entire excitation optical system including the LD chip and the beam shaping optical system It can be made small. Furthermore, when mounting the laser diode (LD), the light emitted from the laser diode may be incident on the incident-side opening of the beam shaping optical system, so that there is a large alignment margin. Alignment is also easier than with an optical system.

以下、本発明の具体的な実施例を図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

[実施例1]
まず、本発明の第1〜3の手段に係る実施例を説明する。
図1に本発明に係るビーム整形用光学系の一実施例を示す。図1の(a)はレーザダイオード(LD)の速軸を含むLD及びビーム整形用光学系の断面図、(b)はLDの遅軸を含むLD及びビーム整形用光学系の断面図である。図1において、チップ状のLD(LDチップ)11はレーザチップマウント12上に実装されており、LD11の出射側端面に近接してビーム整形用光学系13が配置されている。このビーム整形用光学系13は入射側の高さに比べて出射側の高さが大きい台形のスペーサ16を介して貼り合せされた反射面1,2を持つ2枚の基板14,15からなり、速軸方向に対する入射側開口部の間隔をd、出射側開口部の間隔をd’としたとき、d<d’であり、それぞれの反射面1,2は平行に配置した場合に対して角度θの傾きを持たせてある。
[Example 1]
First, an embodiment according to the first to third means of the present invention will be described.
FIG. 1 shows an embodiment of a beam shaping optical system according to the present invention. 1A is a cross-sectional view of an LD and a beam shaping optical system including a fast axis of a laser diode (LD), and FIG. 1B is a cross-sectional view of the LD and a beam shaping optical system including a slow axis of the LD. . In FIG. 1, a chip-like LD (LD chip) 11 is mounted on a laser chip mount 12, and a beam shaping optical system 13 is disposed in the vicinity of the emission side end face of the LD 11. The beam shaping optical system 13 is composed of two substrates 14 and 15 having reflecting surfaces 1 and 2 bonded via a trapezoidal spacer 16 having a height on the exit side larger than the height on the entrance side. , Where d is the distance between the incident-side openings with respect to the fast axis direction and d ′ is the distance between the exit-side openings, d <d ′, and the respective reflecting surfaces 1 and 2 are arranged in parallel. An inclination of angle θ is given.

ここで、LD11から出射されビーム整形用光学系13を通ったレーザ光の分布を光線追跡法により求めた結果を図2〜5に示す。この計算において、ビーム整形用光学系13のパラメータは、d=20μm、θ=5°、L=600μm、d’=125μm、LD11の速軸側の出射光分布はガウス分布、半値幅(1/e幅)を40°(半角、以下、出射角は全て半角を示す)、遅軸側出射角の1/e幅は10°、ストライプの幅は100μmとした。図2(a)はビーム整形用光学系を通ったレーザ光の光源(LD)からの距離Iにおける光強度分布の変化を示す図である。光強度分布は階段状になっているが、これはビーム整形用光学系内で多重反射する回数の異なる光線が重ね合わされているためである。光学系の長さLを長くして反射回数を増やせば段差は少なくなるが、光学系が大きくなり反射によるロスも増加する。光学反射面の一部をランダムな角度で光を反射する拡散板にすれば、光強度分布の段差を減らし、さらに遅軸方向で特に問題になる光強度のムラも減らすことができる。この光線追跡の結果から、I=1000μmの位置では速軸方向の1/e幅は230μm、遅軸側の1/e幅は274μmとなり、ほぼ円形のビームプロファイルになることがわかる。また、1/e幅の変化よりビーム整形用光学系13からの出射光の広がり角は15.8°に変換されている。図2(b)は、d=30μmとして他を図2(a)と同条件で計算した結果である。この場合、出射光の広がり角は18.2°となっている。ビームの強度分布と広がり角は反射面の角度θ、長さL、間隔dを調整することにより調整できる。したがって、レーザ結晶の励起を行う際に、このビーム整形用光学系13を用いることで、容易に必要な部分のみを効率的に励起することができるようになる。 Here, the results of obtaining the distribution of the laser beam emitted from the LD 11 and passing through the beam shaping optical system 13 by the ray tracing method are shown in FIGS. In this calculation, the parameters of the beam shaping optical system 13 are as follows: d = 20 μm, θ = 5 °, L = 600 μm, d ′ = 125 μm, the emitted light distribution on the fast axis side of the LD 11 is a Gaussian distribution, half-width (1 / e 2 width) is 40 ° (half angle, hereinafter, all emission angles are half angle), 1 / e 2 width of slow axis side emission angle is 10 °, and stripe width is 100 μm. FIG. 2A is a diagram showing a change in light intensity distribution at a distance I from a light source (LD) of laser light that has passed through a beam shaping optical system. The light intensity distribution has a staircase shape because light beams having different numbers of multiple reflections are superimposed in the beam shaping optical system. If the length L of the optical system is increased to increase the number of reflections, the level difference is reduced, but the optical system is increased and the loss due to reflection is also increased. If a part of the optical reflecting surface is a diffuser plate that reflects light at a random angle, the step of the light intensity distribution can be reduced, and the unevenness of the light intensity that is particularly problematic in the slow axis direction can be reduced. From the result of this ray tracing, it can be seen that at the position of I = 1000 μm, the 1 / e 2 width in the fast axis direction is 230 μm and the 1 / e 2 width on the slow axis side is 274 μm, resulting in a substantially circular beam profile. Further, the spread angle of the emitted light from the beam shaping optical system 13 is converted to 15.8 ° by the change in the 1 / e 2 width. FIG. 2B shows the result of calculation under the same conditions as in FIG. 2A with d = 30 μm. In this case, the spread angle of the emitted light is 18.2 °. The intensity distribution and divergence angle of the beam can be adjusted by adjusting the angle θ, the length L, and the distance d of the reflecting surface. Therefore, when the laser crystal is excited, by using this beam shaping optical system 13, only necessary portions can be easily excited efficiently.

図3、図4はレーザダイオード−ビーム整形用光学系間の位置がずれた場合に伝播される光強度分布の変化と全光量の変化を調べたものである。より詳しく述べると、図3(a),(b)は、図1におけるレーザダイオード(LD)11とビーム整形用光学系13の距離szが変化した際の光強度分布の変化と光量の変化を示す図である。この場合、szが8μmでも殆ど光強度分布に変化は無く、光量もsz=0μmとした場合の99%が確保できている。図4(a),(b)は、図1におけるレーザダイオード(LD)11とビーム整形用光学系13の光軸がsyだけずれた場合の光強度分布の変化と光量の変化を示す図である。光強度分布はsyが変化した場合でも左右ほぼ対称であり、レンズを用いた場合と比べてビーム伝播方向の変化を少なく抑えられる。光量変化はsz=4μm,6μm,8μmの場合について求めているが、sz=8μmの場合でもsy=4μmで96%の光量を確保することができる。このように本発明のビーム整形用光学系13は位置ずれに対しても伝播できる光量や伝播方向の変化が少ないため、実装が容易であり、温度変化による基板の収縮などの位置変化に対しても大きい許容度を持たせることができる。   3 and 4 show the change in the light intensity distribution and the change in the total amount of light that are propagated when the position between the laser diode and the beam shaping optical system is shifted. More specifically, FIGS. 3A and 3B show changes in the light intensity distribution and changes in the amount of light when the distance sz between the laser diode (LD) 11 and the beam shaping optical system 13 in FIG. 1 changes. FIG. In this case, even when sz is 8 μm, there is almost no change in the light intensity distribution, and 99% of the amount of light when sz = 0 μm is secured. 4A and 4B are diagrams showing changes in the light intensity distribution and changes in the amount of light when the optical axes of the laser diode (LD) 11 and the beam shaping optical system 13 in FIG. 1 are shifted by sy. is there. Even when sy changes, the light intensity distribution is almost symmetrical, and the change in the beam propagation direction can be suppressed as compared with the case where a lens is used. The change in the amount of light is obtained for sz = 4 μm, 6 μm, and 8 μm. However, even when sz = 8 μm, sy = 4 μm can secure 96% of light. Thus, the beam shaping optical system 13 of the present invention is easy to mount because there is little change in the amount of light that can be propagated even with a positional shift and the propagation direction. Can also have a large tolerance.

図1に示す実施例では、ビーム整形用光学系13の2枚の基板14,15の反射面1,2が平面の場合について説明したが、反射面1,2の形状としては、例えば図5に示すような凹面や、図6に示すような一部のみを傾斜面にしたような形状も利用できる。図5に示すように反射面1,2に凹面を利用した場合は、平面に比べて少ない反射回数でも放射角を小さくすることができるので、励起光学系の長さLを短くすることができる。また、図6に示すような反射面1,2の一部のみを傾斜面にしたような形状の場合は、光学系の配置に応じて反射面1,2の平行部の長さを調節することで、放射角とビームの幅を保ったまま任意の位置にレーザ光を照射できる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the case where the reflecting surfaces 1 and 2 of the two substrates 14 and 15 of the beam shaping optical system 13 are flat has been described. A concave surface as shown in FIG. 6 or a shape in which only a part as shown in FIG. As shown in FIG. 5, when concave surfaces are used for the reflecting surfaces 1 and 2, the radiation angle can be reduced even with a smaller number of reflections than a flat surface, so that the length L of the excitation optical system can be shortened. . In the case of a shape in which only a part of the reflecting surfaces 1 and 2 is inclined as shown in FIG. 6, the length of the parallel portion of the reflecting surfaces 1 and 2 is adjusted according to the arrangement of the optical system. As a result, it is possible to irradiate the laser beam at an arbitrary position while maintaining the radiation angle and the beam width.

[実施例2]
次に本発明の第5,6,7,8,10に係る手段の実施例を説明する。
図7に本発明のビーム整形用光学系とレーザダイオードチップ(LDチップ)を組み合わせたレーザ光源20の一実施例を示す。図7では基板を兼ねたヒートシンク17の上にLDチップ11及びビーム整形用光学系13が取り付けられている。また、図1と同様に、LDチップ11はレーザチップマウント12上に実装されており、LD11の出射側端面に近接してビーム整形用光学系13が配置されている。
[Example 2]
Next, embodiments of the means according to the fifth, sixth, seventh, eighth and tenth aspects of the present invention will be described.
FIG. 7 shows an embodiment of a laser light source 20 in which the beam shaping optical system of the present invention and a laser diode chip (LD chip) are combined. In FIG. 7, the LD chip 11 and the beam shaping optical system 13 are mounted on a heat sink 17 which also serves as a substrate. As in FIG. 1, the LD chip 11 is mounted on the laser chip mount 12, and a beam shaping optical system 13 is disposed in the vicinity of the emission side end face of the LD 11.

本実施例のビーム整形用光学系13は、LDチップ11と同程度の大きさであり、温度変化などによる位置ずれに対しても強いので、図7のような構成で1つのパッケージに収めることが可能である。すなわち、図7に示す構成のレーザ光源20では、パッケージのベース19上に基板を兼ねたヒートシンク17が固定され、このヒートシンク17の上にレーザチップマウント12を介してLDチップ11が固定され、このLD11の出射側端面に近接してビーム整形用光学系13が配置され、ヒートシンク17に固定されている。そして、これらの部材は、光出射窓を有するパッケージ18に収納されている。
このように本発明のビーム整形用光学系13はLD11と同一パッケージに容易に実装が可能なので、より小型で固体レーザ結晶を効率的に励起できるレーザ光源20を実現することができる。
なお、このレーザ光源20を用いて固体レーザ装置を構成する場合、図示されていないが、レーザ光源20の光出射窓の外側にレーザ媒質が配置され、レーザ光源20から出射されるレーザ光をレーザ媒質が受けることになる。
The beam shaping optical system 13 of this embodiment is about the same size as the LD chip 11 and is resistant to misalignment due to temperature changes and the like, so it can be contained in one package with the configuration shown in FIG. Is possible. That is, in the laser light source 20 having the configuration shown in FIG. 7, the heat sink 17 serving as a substrate is fixed on the base 19 of the package, and the LD chip 11 is fixed on the heat sink 17 via the laser chip mount 12. A beam shaping optical system 13 is arranged in the vicinity of the end face on the emission side of the LD 11 and is fixed to the heat sink 17. These members are housed in a package 18 having a light exit window.
Thus, since the beam shaping optical system 13 of the present invention can be easily mounted in the same package as the LD 11, it is possible to realize a laser light source 20 that is smaller and can efficiently excite a solid laser crystal.
When a solid-state laser device is configured using the laser light source 20, although not shown, a laser medium is disposed outside the light emission window of the laser light source 20, and the laser light emitted from the laser light source 20 is converted into a laser. The medium will receive.

次に図8は、さらに実装を容易にしたビーム整形用光学系の実施例を示している。図8ではLDチップ11とビーム整形用光学系13を1つの基板21上に実装している。この例ではLDチップ11の基板の底部から発光部までの高さをD、ビーム整形用光学系13の取り付け側の基板の底部から入射側の開口部分の下部までの高さをDBL、上部までの高さをDBHとして、
BL<D<DBH
を満たすようにビーム整形用光学系13の基板厚さを設定した。このようにしておけば、一つの基板21上にレーザチップ11とビーム整形用光学系13を直接載せた状態でレーザチップ11の光軸が常にビーム整形用光学系13の開口部の内側になるので、実装時に高さ方向の調整が不要になり、実装が容易に行える。このような構成の場合でも、ビーム整形用光学系13の反射面は、実施例1の場合と同様に凹面や一部分だけが傾斜した形状を利用することができる。
また、図8の実施例では、LDチップ11とビーム整形用光学系13を1つの基板21上に実装しているので、温度変化などによる位置ずれに対しても強く、図7と同様に1つのパッケージに収めてレーザ光源を構成することができる。
Next, FIG. 8 shows an embodiment of a beam shaping optical system that is further easily mounted. In FIG. 8, the LD chip 11 and the beam shaping optical system 13 are mounted on one substrate 21. In this example, the height from the bottom of the substrate of the LD chip 11 to the light emitting portion is D L , the height from the bottom of the substrate on the mounting side of the beam shaping optical system 13 to the lower portion of the opening on the incident side is D BL , Let D BH be the height to the top,
DBL <D L <D BH
The substrate thickness of the beam shaping optical system 13 was set so as to satisfy the above. By doing so, the optical axis of the laser chip 11 is always inside the opening of the beam shaping optical system 13 in a state where the laser chip 11 and the beam shaping optical system 13 are directly mounted on one substrate 21. As a result, there is no need to adjust the height during mounting, and mounting is easy. Even in such a configuration, the reflecting surface of the beam shaping optical system 13 can use a concave surface or a shape in which only a part thereof is inclined as in the case of the first embodiment.
In the embodiment of FIG. 8, since the LD chip 11 and the beam shaping optical system 13 are mounted on one substrate 21, it is resistant to misalignment due to a temperature change and the like, as in FIG. The laser light source can be configured in one package.

[実施例3]
次に本発明の第4,9,11,12,13に係る手段の実施例を説明する。
図9にビーム整形用光学系の作成方法の一実施例を示す。この作成方法では主に半導体やMEMSの作成で用いられているフォトリソグラフィとドライエッチングプロセスを利用している。基板14としてはこれらのプロセスで加工しやすく、入手も容易なシリコン(Si)基板を利用した。他に、石英ガラス基板なども加工が容易であり、このビーム形成光学系の作成には適している。なお、図9では1つのビーム整形用光学系のみを示しているが、実際には、ウエハ状の基板上に複数の光学系を一括して作成した後、ダイシング等により個々の光学系に切断して、複数の光学系を同時に作成している。
[Example 3]
Next, embodiments of the means according to the fourth, ninth, eleventh, twelfth and thirteenth aspects of the present invention will be described.
FIG. 9 shows an embodiment of a method for creating a beam shaping optical system. This production method mainly uses photolithography and dry etching processes used in the production of semiconductors and MEMS. As the substrate 14, a silicon (Si) substrate that can be easily processed by these processes and is easily available is used. In addition, a quartz glass substrate or the like can be easily processed, and is suitable for creating this beam forming optical system. Although only one beam shaping optical system is shown in FIG. 9, in practice, a plurality of optical systems are collectively formed on a wafer-like substrate and then cut into individual optical systems by dicing or the like. Thus, a plurality of optical systems are created simultaneously.

図9において、まず、入射側の開口部分が所定の高さになるように基板の厚さを研磨により調整する(図示せず)。次に、(1)シリコン基板14上にフォトレジスト22を塗布し、乾燥させた後、(2)フォトリソグラフィの手法を用いて、ビーム整形用光学系のパターンを露光し、現像、リンスを経て、フォトレジスト22のパターン(レジストパターン22’)を作成する。このレジストパターン22’を露光する際、反射面となる傾斜部分とスペーサ部分を同時に形成するために、フォトマスクは透過率を変調できるグレイスケールマスクを利用した。また、グレイスケールマスクを利用することにより、反射面の一部に微小な凹凸を形成して拡散板の機能を持たせることも可能である。スペーサ部分のパターンは、スペーサの高さをエッチングで調整できるようにするため、スペーサ部分のレジストが全て除去される前に基板14に転写されたスペーサが必要な高さになっている必要がある。したがって、必要なスペーサの高さをh、スペーサ用のパターンの高さをh’とした場合、
h’≧h/s
s:エッチングの選択比=基板のエッチングレート/レジストのエッチングレート
となるようにしておく必要がある。
In FIG. 9, first, the thickness of the substrate is adjusted by polishing so that the opening on the incident side has a predetermined height (not shown). Next, (1) a photoresist 22 is applied on the silicon substrate 14 and dried, and then (2) a beam shaping optical system pattern is exposed using a photolithography technique, followed by development and rinsing. Then, a pattern of the photoresist 22 (resist pattern 22 ′) is created. When exposing the resist pattern 22 ', a gray scale mask capable of modulating the transmittance was used as a photomask in order to simultaneously form an inclined portion and a spacer portion serving as a reflection surface. In addition, by using a gray scale mask, it is possible to form a minute unevenness on a part of the reflecting surface to have the function of a diffusion plate. The spacer pattern needs to have the required height of the spacer transferred to the substrate 14 before all the resist in the spacer part is removed so that the height of the spacer can be adjusted by etching. . Therefore, when the required spacer height is h and the height of the spacer pattern is h ′,
h ′ ≧ h / s
It is necessary that s: etching selectivity = substrate etching rate / resist etching rate.

続いて、(3)レジストパターン22’をエッチングマスクとして、異方性ドライエッチングを行い、レジストパターンをシリコン基板14に転写する。ここでは数10μmの比較的深いエッチングが必要になるが、ICPエッチャーなどの高密度プラズマを利用した高速エッチャーを利用すれば容易にエッチングを行なうことができる。次に、(4)必要に応じて基板表面に反射膜23をコーティングする。微小な光学部品への反射膜や反射防止膜のコーティングは、固定方法などの問題でかなり難しいが、本実施例の場合は、大きな基板上に複数の光学部品をまとめて作成しているので、容易にコーティングを行なうことができる。   Subsequently, (3) anisotropic dry etching is performed using the resist pattern 22 ′ as an etching mask to transfer the resist pattern to the silicon substrate 14. Here, a relatively deep etching of several tens of μm is required. However, if a high-speed etcher using high-density plasma such as an ICP etcher is used, the etching can be easily performed. Next, (4) the reflective film 23 is coated on the substrate surface as necessary. Coating a reflective film or antireflection film on a minute optical component is quite difficult due to problems such as the fixing method, but in this example, since a plurality of optical components are created on a large substrate, Coating can be performed easily.

次に、(5)上記の(1)〜(4)の工程でスペーサ部と反射膜23を形成した基板14上に、同様の工程でスペーサ部と反射膜24を形成した別の基板15を貼り合わせる。(6)この後、複数の光学系が一括して形成された貼り合わせ基板14,15をダイシング等により切断して、1つ1つの光学系に分割することにより、多数のビーム整形用光学系13を同時に完成することができる。このような作成方法を用いることにより、本発明のビーム整形用光学系を容易に作成することが可能になり、また、量産化も可能になる。   Next, (5) another substrate 15 in which the spacer portion and the reflective film 24 are formed in the same step is formed on the substrate 14 in which the spacer portion and the reflective film 23 are formed in the steps (1) to (4). to paste together. (6) Thereafter, a plurality of beam shaping optical systems are obtained by cutting the bonded substrates 14 and 15 on which a plurality of optical systems are collectively formed by dicing or the like and dividing them into individual optical systems. 13 can be completed simultaneously. By using such a production method, the beam shaping optical system of the present invention can be easily produced, and mass production can be achieved.

以上説明したように、本発明では、小型化が容易で励起光の利用効率が高く、出射される光の均一性が高く、実装の容易なレーザダイオード用のビーム整形用光学系を実現することができる。従って、このビーム整形用光学系を利用することにより、小型で固体レーザ結晶を効率的に励起できるレーザ光源を実現することができる。そして、このレーザ光源はレーザダイオード励起固体レーザ装置に応用でき、レーザ加工装置、レーザプリンター、レーザスキャンディスプレー、レーザ計測装置、医療装置、分析装置等のレーザを利用した様々な装置に利用することができる。   As described above, the present invention realizes a beam shaping optical system for a laser diode that can be easily downsized, has high use efficiency of excitation light, has high uniformity of emitted light, and is easy to mount. Can do. Therefore, by using this beam shaping optical system, it is possible to realize a small-sized laser light source that can efficiently excite a solid laser crystal. This laser light source can be applied to a laser diode-excited solid-state laser device, and can be used in various devices using a laser such as a laser processing device, a laser printer, a laser scan display, a laser measurement device, a medical device, and an analysis device. it can.

本発明に係るビーム整形用光学系の一実施例を示す図であって、(a)はLDの速軸を含むLD及びビーム整形用光学系の断面図、(b)はLDの遅軸を含むLD及びビーム整形用光学系の断面図である。1A and 1B are diagrams showing an embodiment of a beam shaping optical system according to the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view of an LD including a fast axis of an LD and a beam shaping optical system, and FIG. It is sectional drawing of LD and the optical system for beam shaping containing. 図1に示すビーム整形用光学系を通ったレーザ光の光源(LD)からの距離における光強度分布の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light intensity distribution in the distance from the light source (LD) of the laser beam which passed through the beam shaping optical system shown in FIG. 図1におけるレーザダイオード(LD)とビーム整形用光学系の距離szが変化した際の光強度分布の変化と光量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of light intensity distribution and the change of light quantity when the distance sz of the laser diode (LD) in FIG. 1 and the beam shaping optical system changes. 図1におけるレーザダイオード(LD)とビーム整形用光学系の光軸がsyだけずれた場合の光強度分布の変化と光量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the light intensity distribution when the optical axis of the laser diode (LD) in FIG. 1 and the beam shaping optical system has shifted | deviated by sy, and the change of light quantity. 本発明に係るビーム整形用光学系の別の実施例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another Example of the optical system for beam shaping which concerns on this invention. 本発明に係るビーム整形用光学系のさらに別の実施例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another Example of the optical system for beam shaping which concerns on this invention. 本発明のビーム整形用光学系とLDチップを組み合わせたレーザ光源の一実施例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows one Example of the laser light source which combined the optical system for beam shaping of this invention, and LD chip | tip. 本発明に係るビーム整形用光学系のさらに別の実施例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows another Example of the optical system for beam shaping which concerns on this invention. 本発明に係るビーム整形用光学系の作成方法の一実施例を示す工程説明図である。It is process explanatory drawing which shows one Example of the production method of the optical system for beam shaping which concerns on this invention. 従来技術の一例を示す固体レーザ装置の構成説明図である。It is structure explanatory drawing of the solid-state laser apparatus which shows an example of a prior art. 従来技術の別の例を示す固体レーザ装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the solid-state laser apparatus which shows another example of a prior art. 従来技術のさらに別の例を示す固体レーザ装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the solid-state laser apparatus which shows another example of a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1,2:反射面
11:レーザダイオード(LD)
12:レーザチップマウント
13:ビーム整形用光学系
14,15:基板
16:スペーサ
17:ヒートシンク
18:パッケージ
19:ベース
20:レーザ光源
21:基板
22:フォトレジスト
22’:レジストパターン
23,24:反射膜
1, 2: Reflecting surface 11: Laser diode (LD)
12: Laser chip mount 13: Beam shaping optical system 14, 15: Substrate 16: Spacer 17: Heat sink 18: Package 19: Base 20: Laser light source 21: Substrate 22: Photo resist 22 ′: Resist pattern 23, 24: Reflection film

Claims (13)

ストライプ状の光源形状を持ち、ストライプと直交方向と平行方向で発散角の異なるレーザ光を出射するレーザダイオードの出射光の少なくとも直交方向の発散角を縮小または集光するためのビーム整形用光学系において、
前記レーザダイオードのストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられていることを特徴とするビーム整形用光学系。
Beam shaping optical system for reducing or condensing the divergence angle in at least the orthogonal direction of the emitted light of a laser diode having a stripe-shaped light source shape and emitting laser light having a divergence angle different from that in a direction orthogonal to the stripe. In
A substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including the stripe and the optical axis of the laser diode, and an opening portion that emits at least one of the reflecting surfaces of the substrate to the opening portion where the laser is incident An optical system for beam shaping, characterized in that an inclined portion formed so as to increase the interval is provided.
請求項1記載のビーム整形用光学系において、
前記基板の反射面の傾斜部分は凹面であることを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to claim 1,
An optical system for beam shaping, wherein the inclined portion of the reflecting surface of the substrate is a concave surface.
請求項1または2記載のビーム整形用光学系において、
少なくとも反射面の一部が拡散板の機能を持つことを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to claim 1 or 2,
A beam shaping optical system, wherein at least a part of the reflecting surface has a function of a diffusion plate.
請求項1〜3のいずれか一つに記載のビーム整形用光学系において、
前記基板の材料として、シリコンもしくは石英ガラスを用いたことを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to any one of claims 1 to 3,
A beam shaping optical system using silicon or quartz glass as a material of the substrate.
レーザダイオードと、請求項1〜4のいずれか一つに記載のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオードと前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることを特徴とするレーザ光源。   A laser diode and the beam shaping optical system according to claim 1, wherein the laser diode and the beam shaping optical system are mounted in the same package. A laser light source. ストライプ状の光源形状を持ち、ストライプと直交方向と平行方向で発散角の異なるレーザ光を出射するレーザダイオードの出射光の少なくとも直交方向の発散角を縮小または集光するためのビーム整形用光学系において、
前記レーザダイオードのストライプと光軸を含む面を挟んで配置された2枚の反射面を持つ基板を備え、少なくとも一方の基板の反射面にはレーザが入射する開口部分に対して出射する開口部分の間隔が大きくなるように形成された傾斜部分が設けられており、ビーム整形を行うレーザダイオードの基板の底部から発光部までの高さをD、ビーム整形用光学系の取り付け側の基板の底部から入射側の開口部分の下部までの高さをDBL、上部までの高さをDBHとした場合に、
BL<D<DBH
を満たすことを特徴とするビーム整形用光学系。
Beam shaping optical system for reducing or condensing the divergence angle in at least the orthogonal direction of the emitted light of a laser diode having a stripe-shaped light source shape and emitting laser light having a divergence angle different from that in a direction orthogonal to the stripe. In
A substrate having two reflecting surfaces arranged across a surface including the stripe and the optical axis of the laser diode, and an opening portion that emits at least one of the reflecting surfaces of the substrate to the opening portion where the laser is incident Is formed so that the distance between the bottom of the substrate of the laser diode for beam shaping and the light emitting portion is D L , and the height of the substrate on the mounting side of the beam shaping optical system is the height from the bottom portion to the bottom of the opening portion of the incident side D BL, until upper height when the D BH,
DBL <D L <D BH
An optical system for beam shaping characterized by satisfying
請求項6記載のビーム整形用光学系において、
前記基板の反射面の傾斜部分は凹面であることを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to claim 6,
An optical system for beam shaping, wherein the inclined portion of the reflecting surface of the substrate is a concave surface.
請求項6または7記載のビーム整形用光学系において、
少なくとも反射面の一部が拡散板の機能を持つことを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to claim 6 or 7,
A beam shaping optical system, wherein at least a part of the reflecting surface has a function of a diffusion plate.
請求項6〜8のいずれか一つに記載のビーム整形用光学系において、
前記基板の材料として、シリコンもしくは石英ガラスを用いたことを特徴とするビーム整形用光学系。
The beam shaping optical system according to any one of claims 6 to 8,
A beam shaping optical system using silicon or quartz glass as a material of the substrate.
レーザダイオードと、請求項6〜9のいずれか一つに記載のビーム整形用光学系とを備え、前記レーザダイオードと前記ビーム整形用光学系とが同一のパッケージ内に実装されていることを特徴とするレーザ光源。   A laser diode and the beam shaping optical system according to claim 6, wherein the laser diode and the beam shaping optical system are mounted in the same package. A laser light source. 請求項1〜4、6〜9のいずれか一つに記載のビーム整形用光学系を作成するビーム整形用光学系の作成方法において、
2枚の平坦な面を持つ基板上の少なくとも1枚に傾斜部分を持つレジストパターンを作成する工程と、異方性ドライエッチングによりレジストパターンの形状を基板に転写する工程と、反射面の間隔を規定するためのスペーサを介して2枚の基板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とするビーム整形用光学系の作成方法。
In the creation method of the beam shaping optical system which creates the beam shaping optical system according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 9,
The step of creating a resist pattern having an inclined portion on at least one substrate on a substrate having two flat surfaces, the step of transferring the shape of the resist pattern to the substrate by anisotropic dry etching, and the interval between the reflecting surfaces And a step of bonding two substrates through a spacer for defining. A method for producing a beam shaping optical system.
請求項11記載のビーム整形用光学系の作成方法において、
前記レジストパターンを作成する際に、グレイスケールマスクを用いることを特徴とするビーム整形用光学系の作成方法。
The method for producing an optical system for beam shaping according to claim 11,
A method for producing a beam shaping optical system, wherein a gray scale mask is used when producing the resist pattern.
請求項11記載のビーム整形用光学系の作成方法において、
前記レジストパターンを作成する際に、傾斜部分と同時にスペーサ用のパターンを形成し、必要なスペーサの高さをh、スペーサ用のパターンの高さをh’とした場合に、
h’≧h/s
s:エッチングの選択比=基板のエッチングレート/レジストのエッチングレート
とすることを特徴とするビーム整形用光学系の作成方法。
The method for producing an optical system for beam shaping according to claim 11,
When creating the resist pattern, a spacer pattern is formed at the same time as the inclined portion, and when the required spacer height is h and the spacer pattern height is h ′,
h ′ ≧ h / s
s: etching selectivity = substrate etching rate / resist etching rate. A method for producing a beam shaping optical system.
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