JP2006053116A5 - - Google Patents
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Description
この発明は複数のレーザーとレーザーダイオードの複数のビームを結合して一つの多波長のビームを出力する光学系構造に関する。 The present invention relates to an optical system structure for outputting a plurality of lasers and a plurality of one by combining a beam of multi-wavelength beam of the laser diode.
従来、一つビームに複数の波長出力のレーザーを得る為、プリズム、或いは、反射ミラーなどを用いて、複数のレーザーダイオード、又は、レーザービームを結合させる技術がある。 Conventionally, in order to obtain a laser having a plurality of wavelength outputs in one beam, there is a technique of combining a plurality of laser diodes or laser beams using a prism or a reflection mirror.
レーザーダイオードなどビーム発散するタイプに対し、ビームを先ず平行光にしてから結合するのは、従来の技術である。又、レーザー二つ以上を結合する場合に、ビームを二つずつ段階的に結合にするので、システム全体のサイズは非常に大きくなる。 It is a conventional technique that a beam is first collimated and then combined with a beam diverging type such as a laser diode. In addition, when two or more lasers are combined, the beams are combined in stages, so that the overall system size becomes very large .
又、応用上の都合で、結合される複数のレーザーは、同一形状と同じ発散角のビームにするので、従来の手法では、結合前に一つずつのレーザービームを整形するコリメータレンズが必要である。複数のレーザーダイオード（ＬＤ）からのビームを結合する場合には、ＬＤ一つずつ、ビーム整形できるコリメータレンズ系が必要である（例えば、特許文献１参照）。 In addition, for the convenience of application, multiple lasers to be combined have the same shape and the same divergence angle, so the conventional method requires a collimator lens that shapes each laser beam before combining. is there. In order to combine beams from a plurality of laser diodes (LDs) , a collimator lens system capable of beam shaping one LD at a time is required (for example, see Patent Document 1) .
この様に、従来の方法では、多数の光学部品と長い光路は必要なので、サイズが大きくなるシステムに煩雑な光路調整も必要である。更に、多い光学部品とマウントを使われる為、結合されたビームの光軸ずれなど経時変化もシステムの不安定な要因になるのである。 As described above, since the conventional method requires a large number of optical components and a long optical path, complicated optical path adjustment is also necessary for a system having a large size. Furthermore, since many optical components and mounts are used, changes over time such as optical axis misalignment of the combined beam are also unstable factors of the system.
図１の光学系は、ビームを結合するプリズムかミラーでの精密な光軸調整が必要であり、光軸の微小なずれによるビーム同軸性のずれもシステムの不安定要因である。そこで、本発明はより簡素な手法で作るよりコンパクトな光学系で、複数のレーザーを結合できること、又は、ビーム性質が異なる各々のレーザーからのビームに対し、所要光学部品の数を最低限に抑え、より高いビーム整形効果で各々のビームを整形し、結合されたレーザービームに含められる各波長成分のレーザーが同一形状且つ同じビーム発散角になる複数のビームを結合する光学系構造を提供することを目的とする。 The optical system of FIG. 1 requires precise optical axis adjustment with a prism or mirror for combining beams, and deviation of the beam coaxiality due to a slight deviation of the optical axis is also an unstable factor of the system. Accordingly, a compact optical system than the present invention is made with a simpler approach, can bind a plurality of lasers, or, with respect to the beam from the laser each beam properties are different, minimizes the number of required optical components To provide an optical system structure that shapes each beam with a higher beam shaping effect and combines a plurality of beams having the same shape and the same beam divergence angle with each wavelength component laser included in the combined laser beam. With the goal.
従来可視長波長赤色から赤外線までしかないレーザーダイオード（ＬＤ）は、近年、製造技術の向上に伴って、紫外から、可視短波長ブルー色までの発光波長に伸びて来た。又、ＬＤ励起のグリーンレーザーは、チップのような小型の製品も出来ている。紫外、ブルーとグリーン又赤色の可視領域から、近赤外線までいろいろな波長を持つ多波長小型化のレーザーは、バイオと遺伝子関係、医療診断、又、分光計測機器等幅広い応用に使われている。近年、それらの応用に、紫外から可視、又近赤外に複数の波長を持つ小型のレーザー光源を求められている。 There is only a laser diode conventionally visible long wavelength red to infrared (LD) has recently with the improvement of manufacturing technologies, from ultraviolet came extends emission wavelengths to the visible short wavelength blue color. Also, LD-pumped green lasers can be made as small products as chips. Multi-wavelength miniaturized lasers with various wavelengths from the visible range of ultraviolet, blue and green or red to near infrared are used in a wide range of applications such as biotechnology and genetics, medical diagnosis, and spectroscopic instruments. In recent years, small laser light sources having a plurality of wavelengths from ultraviolet to visible and near infrared have been demanded for these applications.
本発明は、一つの共用ビームコリメータレンズを用いて、複数のレーザーとレーザーダイオードのビームを結合する光学系構造である。The present invention is an optical system structure that combines a plurality of laser beams and laser diode beams using a single common beam collimator lens.
すなわち、本発明は、図２のように、二つのレーザーダイオード２１、２２からのビームを先ずプリズム２３で結合させ、一つの共用のコリメータレンズ２５で平行ビームにコリメートする。この光学系の光軸調整のキーポイントは、レーザーダイオード２１と２２の発光点を、共用のコリメータレンズ２５のバックフォックス焦点に合わせることである。ビーム結合プリズム２３を通るビームは、普通１０度以上発散角を持つ非平行光であり、プリズム２３の位置が多少ずれても、その後でビームを共用のコリメータレンズ２５でコリメートするので、光軸はずれにくくなる。 More specifically, as in the case of FIG. 2, it is coupled with first prism 23 a beam from the two laser diodes 21 and 22 collimating bets into a parallel beam by the collimator lens 25 of the single shared. The key point for adjusting the optical axis of this optical system is to adjust the light emitting points of the laser diodes 21 and 22 to the back fox focus of the shared collimator lens 25 . Beam through the beam combining prism 23 are non-parallel light having a normally 10 degrees or more divergence angles, even if slightly deviated position of the prism 23, since then you collimator preparative collimator lens 25 shared with the beam, the optical axis It becomes difficult to come off.
この様な複数のレーザーダイオードからのビームを一個の共用のコリメータレンズ２５でコリメートする方法では、必要な光学部品点数が減る上に光路も短縮でき、光軸がずれ難く、またコンパクトな構造でのビーム結合が実現できる。 In the method for collimating preparative collimator lens 25 of the beam one of shared from such a plurality of laser diodes, the optical path can also be reduced over it reduces the number of optical components required, the optical axis rather difficulty displacement, also a compact construction The beam combination at can be realized.
但し、結合する各波長のレーザービームは、一般的に、ビーム広がり角が異なるので、一つの共用のコリメータレンズ２５でコリメートすると、結合される各ダイオードレーザーのビーム形状と発散角は、異なることもある。 However, laser Bimu of each wavelength that bind are generally the beam divergence angle is different, the collimator preparative collimator lens 25 of one common result, the divergence angle of the diode laser beam shape to be joined, different There is also.
この問題を解決するため、本発明は、ビーム形状と発散角が異なる複数のレーザーとレーザーダイオードからの複数のビームの発散角をそれぞれ個別に補正して結合するレンズ型プリズムと、このレンズ型プリズムで結合されて出射されたレーザービームを一つの平行ビームとするコリメータレンズとを備え、コリメータレンズから複数のレーザーとレーザーダイオードからの各波長成分のレーザービームを、同様なビーム径で同光軸に伝搬する一つの結合されたレーザービームとして出力することを特徴とする。 In order to solve this problem, the present invention provides a lens-type prism that individually corrects and combines divergence angles of a plurality of laser beams and laser diodes having different beam shapes and divergence angles, and the lens-type prism. A collimator lens that makes the laser beam combined and emitted as one parallel beam. Multiple laser beams from the collimator lens and laser beams of the respective wavelength components from the laser diodes have the same beam diameter and the same optical axis. It outputs as one combined laser beam that propagates.
本発明によれば、ビーム形状と発散角が異なる複数のダイオードからのビームとレーザーからのビームとをそれぞれ個別に補正して結合するレンズ型プリズムと共用コリメータレンズとの組み合わせで、複数のビームを結合できる。本発明によれば、一個のレンズ型のプリズムと一個の共用コリメータレンズのみを含める構成で光学部品の点数は最小限に抑えられ、システムを小型化にし、また、先にレンズ型プリズムで結合された複数のビームを共用のコリメータレンズでコリメートする仕組みで、光軸がずれにくい構造になり、光学システムの安定性を向上する。According to the present invention, a combination of a lens-type prism and a shared collimator lens that individually correct and combine a beam from a plurality of diodes and a beam from a laser having different beam shapes and divergence angles, Can be combined. According to the present invention, the configuration including only one lens-type prism and one common collimator lens minimizes the number of optical components, miniaturizes the system, and is coupled with the lens-type prism first. In addition, a mechanism that collimates multiple beams with a common collimator lens makes the optical axis difficult to shift and improves the stability of the optical system.
図３は本発明になる光学系構造の基本的な構成図を示す。図３に示す実施形態は、ビーム形状と発散角が異なる二つのレーザーダイオードからのビームに対しそれぞれ個別に波面を補正して結合するレンズ型プリズム３３と共用のコリメータレンズ３７とを導入した光学系である。 FIG. 3 shows a basic configuration diagram of an optical system structure according to the present invention. The embodiment shown in FIG. 3 is an optical system in which a lens-type prism 33 and a common collimator lens 37 for individually correcting and combining wavefronts of beams from two laser diodes having different beam shapes and divergence angles are introduced. It is.
図３にあるレンズ型プリズム３３は、波長λ１のダイオードＬＤ１のビームを曲面３５に、波長λ２のダイオードＬＤ２のビームを曲面３６にそれぞれ通させ、更にプリズム内部に波長λ１のビームを透過且つ波長λ２のビームを９０°全反射のコーティング面３４で二つビームを結合させる構造である。プリズム３３の曲面３５と３６は、各々の入射ビームの波面（ビーム分布と発散角度）を予備補正する効用があり、セルフォックレンズ、球面か非球面レンズ、或いは、円筒形か非柱面円筒形レンズ、等等の曲面とされて、入射するレーザービームの特性に個別に合わせて設計できる。3 passes the beam of the diode LD1 having the wavelength λ1 through the curved surface 35 and the beam of the diode LD2 having the wavelength λ2 through the curved surface 36, and further transmits the beam of the wavelength λ1 inside the prism and the wavelength λ2 The two beams are combined at a coating surface 34 of 90 ° total reflection. The curved surfaces 35 and 36 of the prism 33 have the effect of preliminarily correcting the wavefront (beam distribution and divergence angle) of each incident beam, and are a Selfoc lens, a spherical or aspherical lens, or a cylindrical or non-cylindrical cylindrical shape. A curved surface such as a lens can be designed to suit the characteristics of the incident laser beam.
プリズム３３のコート面３４で結合される二つの波長成分を含むビームは、λ１の方が３５を、λ２の方が３６を各々通されたことにより、異なる波長の成分の波面を各々の特性に合わせて個別的に予備整形されているので、図３に示す様に、レンズ３７を更に通させて、元にビーム質が異なるλ１とλ２の二つ波長の成分のビームを、同じ形状の一つの平行ビームになる。The beam including two wavelength components combined at the coating surface 34 of the prism 33 is passed through 35 for λ1 and 36 for λ2, so that the wavefronts of components having different wavelengths are made to have respective characteristics. Since they are preliminarily shaped together, as shown in FIG. 3, the lens 37 is further passed, so that the beams of the two wavelength components of λ1 and λ2 having different beam qualities have the same shape. It becomes two parallel beams.
図４は、図３の３１番レーザーダイオードＬＤ１に対する光学系の有効光路図である。レンズ面３５を有するプリズム３３は、実際ＬＤ１のビーム形状を予備補正出来る一つのレンズと見られる。レンズ面３５を有するプリズム３３とレンズ３７の組み合わせレンズでＬＤ１ビームを整形しコリメートする。 FIG. 4 is an effective optical path diagram of the optical system for the 31st laser diode LD1 of FIG. Prism 33 having lenses surface 35 is seen as one lens the actual LD1 beam shape can precorrection. To collimator DOO shaping the LD1 beam in combination lens of the prism 33 and the lens 37 having a lens surface 35.
図４と同じ原理で、図５は、３２番レーザーダイオードＬＤ２に対する光学系の有効光路図である。レンズ面３６を有するプリズム３３とレンズ３５の組み合わせレンズで、ＬＤ２ビームを整形しコリメートする。 FIG. 5 is an effective optical path diagram of the optical system for the 32nd laser diode LD2 based on the same principle as FIG. A combination lens of the prism 33 and the lens 35 having the lenses surfaces 36 and collimating preparative shaping the LD2 beam.
このように、ＬＤ１とＬＤ２の二つのレーザービームは、同光軸伝搬になるビーム結合コート面３４を有するプリズム３３で結合されるが、プリズムに対し各々の通過光路上に異なる曲率があるレンズ形曲面３５と３６と、後に共同通過のコリメータレンズ３３により、３５と３３、又は３６と３３の様な異なる組合せレンズで、各々のビームに異なる整形効果を持ってコリメートされる。つまり、結合される二者は、異なるレーザービーム特性に合わせて予め設計された異なる整形レンズでコリメートされ、同一ビーム形状の一つの平行ビームになる。 In this way, the two laser beams LD1 and LD2 are coupled by the prism 33 having the beam coupling coat surface 34 that propagates on the same optical axis, but the lens shape has different curvatures on the respective light paths to the prism. Each of the beams is collimated with different shaping effects by different combined lenses, such as 35 and 33, or 36 and 33, by the curved surfaces 35 and 36 and the collimating lens 33 which will later pass through jointly. In other words, the two to be combined are collimated with different shaping lenses designed in advance for different laser beam characteristics to form one parallel beam having the same beam shape.
３個以上の複数のレーザービームでも、上記同じ原理の光学系、レンズ型のプリズム３３と、共用コリメータレンズ３７との組み合わせでビームを結合できる。 Even with a plurality of three or more laser beams, the beams can be combined by a combination of the optical system of the same principle, the lens-type prism 33, and the common collimator lens 37.
図６は本発明になる光学系構造の一実施例の構成図を示す。図６に示すように、本実施例は、波長が異なる二つのレーザーダイオードビームと、一つのダイオードレーザー励起グリーンレーザービームを結合する実施例である。図６の４１は、グリーン５３２ｎｍ波長のチップ型レーザーである。４２は、励起用８０８ｎｍ波長のレーザーダイオードで、４３は、１０６４ｎｍ発振波長のＹＶＯ４レーザー結晶で、４４は、二倍波ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）非線形光学結晶である。４７と５０は、レーザーダイオードである。グリーンレーザーの方はレンズ型プリズム４５のマイナス（凹面）レンズ面４６でビームを適当な発散角度に付けて予備整形にし、また、元の発散角が異なるレーザーダイオード４７と５０の二つダイオードレーザービームもレンズ型プリズム４５のそれぞれ曲率が異なるプラス（凸面）レンズ面４８と５１でそれぞれのビームを別々に予備整形する。 FIG. 6 shows a block diagram of an embodiment of an optical system structure according to the present invention. As shown in FIG. 6, the present embodiment is an embodiment in which two laser diode beams having different wavelengths and one diode laser excitation green laser beam are combined. Reference numeral 41 in FIG. 6 denotes a chip type laser having a green wavelength of 532 nm. Reference numeral 42 denotes a laser diode having a wavelength of 808 nm for excitation, 43 denotes a YVO4 laser crystal having an oscillation wavelength of 1064 nm, and 44 denotes a second harmonic SHG (Second Harmonics Generation) nonlinear optical crystal. 47 and 50 are laser diodes. For the green laser, a negative (concave) lens surface 46 of the lens-type prism 45 is preliminarily shaped by attaching a beam to an appropriate divergence angle, and two diode laser beams of laser diodes 47 and 50 having different original divergence angles. Also, each beam is preliminarily shaped separately by the positive (convex) lens surfaces 48 and 51 having different curvatures of the lens-type prism 45.
この様にレンズ面４６、４８と５１の曲率を各々後に通過するコリメータレンズ５３の特性と合わせておけば、レーザー４１からのビームと、レーザーダイオード４７と５０からのビームを同じビーム径を持つ平行ビームに整形することが出来る。この様に、波長が異なる複数のレーザーとレーザーダイオードからのビームをレンズ型プリズム４５と共用レンズ５３のみと構成するコンパクトな光学系で同光軸且つ同ビーム形状の一つの平行ビームに整形する。前述のように、三個の平行ビームをプリズムで結合する場合と違って、レンズ型プリズム４５で結合した後に三個の発散ビームを一個のレンズ５３でコリメートする本実施例の光学系であるので、ビームの光軸は、ずれ難くなる。In this way, if the curvatures of the lens surfaces 46, 48 and 51 are matched with the characteristics of the collimator lens 53 which passes later, the beam from the laser 41 and the beams from the laser diodes 47 and 50 have the same beam diameter. It can be shaped into a beam. In this manner, beams from a plurality of lasers and laser diodes having different wavelengths are shaped into one parallel beam having the same optical axis and the same beam shape by a compact optical system composed of only the lens-type prism 45 and the shared lens 53. As described above, unlike the case where the three parallel beams are combined by the prism, the optical system of the present embodiment collimates the three diverging beams by the single lens 53 after being combined by the lens-type prism 45. The optical axis of the beam is difficult to shift.
１１、２１、３１ 波長λ１のレーザーダイオード（ＬＤ１）
１２、２２、３２ 波長λ２のレーザーダイオード（ＬＤ２）
１３ レーザービーム整形且つコリメータレンズ
１４ 二つのビームを結合するプリズム
１５、２４、３４ 波長λ１ビーム透過、波長λ２ビーム全反射コーディング面
１６ 結合後のビーム形状
２３ 二つのビームを結合するプリズム
２５ ＬＤ１とＬＤ２両ビーム整形且つコリメータの共用レンズ
２６ 結合後ＬＤ１波長成分のレーザービーム形状
２７ 結合後ＬＤ２波長成分のレーザービーム形状
３３ 二つのビームを結合するレンズ型プリズム
３５ ＬＤ１レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
３６ ＬＤ２レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
３７ ＬＤ１とＬＤ２両ビーム整形且つコリメータの共用コリメータレンズ
３８ 結合後ＬＤ１波長成分のレーザービーム形状
３９ 結合後ＬＤ２波長成分のレーザービーム形状
４１ ダイオード励起５３２ｎｍ波長チップ型レーザー
４２ 励起光源のレーザーダイオード（ＬＤ１）
４３ ＹＶＯ４レーザー結晶
４４ ＫＴＰ二倍波非線形光学結晶
４５ 三つのビームを結合するレンズ型プリズム
４６ ５３２ｎｍレーザービーム形状補正球面レンズ面
４７ 波長λ２のレーザーダイオード（ＬＤ２）
４８ ＬＤ２レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
４９ ５３２ｎｍ波長透過、波長λ２ビーム全反射コーディング面
５０ 波長λ３のレーザーダイオード（ＬＤ３）
５１ ＬＤ３レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
５２ ５３２ｎｍとλ２波長透過、λ３波長４５°全反射コーディング面
５３ 結合した三つのレーザービームの整形且つコリメータの共通レンズ
５４ 結合後のレーザービーム形状 1 1 , 21, 31 wavelength λ1 laser diode (LD1 )
1 2 , 22 and 32 wavelength λ2 laser diode (LD2 )
13 the laser beam shaping and collimating lens
14 prisms to combine the two beams
15,24,34 wavelength λ1 beam transmission, the wavelength λ2 beam totally reflected coded surface
16 after combining beams shape
23 prisms to combine the two beams
25 LD1 and LD2 both beam shaping and collimating a shared lens
26 laser beam shape of the combined LD1 wavelength components
27 after the combination LD2 wavelength components of the laser beam shape
33 Lens type prisms to combine the two beams
35 LD1 laser beam shape correcting spherical or aspherical, or cylindrical-type song surface
36 LD2 laser beam shape correcting spherical or aspherical, or cylindrical-type song surface
37 LD1 and LD2 both beam shaping and collimating shared collimator lens
38 laser beam shape of the combined LD1 wavelength components
39 binding after LD2 wavelength component laser beam shape
41 diode pumped 532nm wavelength chip type laser over
42 Excitation light source laser diode (LD1 )
43 YVO4 laser crystal
44 KTP double wave nonlinear optical crystal
45 three of Relais lens type-flops rhythm to combine the beam
46 532nm laser beam shape correction spherical lens surface
47 wavelength λ2 laser diode (LD2 )
48 LD2 laser beam shape correcting spherical or aspherical, or cylindrical-type song surface
49 532 nm wavelength transmission, the wavelength λ2 beam totally reflected coded surface
Laser diode with 50 wavelengths λ3 (LD3 )
51 LD3 laser beam shape correcting spherical or aspherical, or cylindrical-type song surface
52 532nm and λ2 wavelength transmission, λ3 wavelength 45 ° total reflection coding surface
53 bound three laser beam shaping and collimating the common lens
54 coupled after the laser beam shape
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2004
- 2004-08-13 JP JP2004261638A patent/JP2006053116A/en active Pending
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