JP2006093586A - レーザ装置、レーザ光の合波方法、画像表示装置、結合素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで結合効率に優れ、高輝度のレーザ光を得ることが可能なレーザ装置、レーザ光の合波方法、画像表示装置、結合素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光源から出射される２以上のレーザ光Ｂ１〜Ｂ５が、少なくとも１つの集光手段により集光され、レーザ光のうち１以上のレーザ光Ｂ２〜Ｂ４が、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子２によって空間的に光軸が変位され、２以上のレーザ光Ｂ１〜Ｂ５がその光軸を近接して出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に複数の半導体レーザ等のレーザ光源から出射されたレーザ光を近接させて合波することにより、高い光密度（輝度）の光源を得るレーザ装置、レーザ光の合波方法、画像表示装置、結合素子及びその製造方法に関する。

半導体レーザ等のレーザ光源からの出射光を利用し、光源の出射位置や出射方向を自由に設置できる点で実用上非常に利用し易いファイバ出力励起光源の需要が増している。半導体レーザからの出射光を、ファイバを介して出射させるいわゆるピッグテールレーザ型のファイバ出力励起光源は、光通信分野を始め、半田付け溶接などの加工や検査用、ファイバレーザ励起等の産業用、更に医療用、印刷などの民生用などさまざまな分野での用途が挙げられ、その利用範囲が広がっている。
このようなファイバレーザ出力励起光源としては、出力や輝度が大きい程、また小型であればある程使用可能用途が拡大する。
また、出射方法にファイバを用いない場合でも、光源自体が小型で高輝度であれば、この光源を設置できる範囲、ひいては応用分野が広がる。

光源の出力及び輝度を増加させるためには、半導体レーザへの入力電流を増加させると信頼性を犠牲にしてしまうので、レーザ光を複数合波するのが簡便である。小型化するためには、光源装置の内部部品点数をできるだけ減らし、精密調整を可能な限り不要とすることが望ましい。

例えば、２つの半導体レーザ出射光のビーム合波には、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）がよく用いられる（例えば特許文献１参照。）。
上記特許文献１には、レーザの出射方向を直交する方向に設置して、ＰＢＳにより偏波面を合わせて合波する装置が提案されている。
また、多数の半導体レーザダイオードが一体に配列されて成るアレイレーザ、バーレーザのように、レーザダイオード素子を近接配置した一体型のレーザ光源を用いる方法も提案されている（例えば特許文献２及び３参照。）。

米国特許第５２１２７１０号公報 特開平７−９８４０２号公報 米国特許第５６１７４９２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されているようにＰＢＳを用いて合波する場合は、その合波効率を高めるためには、互いに直交する偏光の２つのビームについて、ビーム合波部分でのビーム方向とその重なりを十分に大きくしなければならず、また一般にＰＢＳの入射角の許容角度が小さいため、精密な光学調整が必要となる。
更に、一般的な立方体型のＰＢＳを用いる場合は入射方向が直交する方向となる。従って、電極や冷却素子が個別に配設されるレーザ素子を配置すると、装置の小型化を達成するためには、合波・結合手段として１箇所の使用が望ましい。上述した入射角度の許容範囲の問題もあり、２以上のレーザ光又はレーザ光群を１つのＰＢＳのみによって合波することは難しい。

また、上記特許文献２及び３に記載されているように、バーレーザ、アレイレーザを用いる場合は、高精度なマイクロレンズが必要であり、また高い組み立て精度も要求されることから、コスト高を招来するという問題がある。

本発明は上述の課題を解決して、低コストで結合効率に優れ、高輝度のレーザ光を得ることが可能なレーザ装置、レーザ光の合波方法、画像表示装置、結合素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明によるレーザ装置は、光源から出射される２以上のレーザ光が、少なくとも１つの集光手段により集光され、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光が、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸が変位され、上記２以上のレーザ光がその光軸を近接して出射されることを特徴とする。
また、本発明は、上述のレーザ装置において、上記レーザ光が、そのビームウエストにおいて扁平なビーム形状に整形され、上記結合素子により上記ビーム形状の短軸方向に空間的に近接されて成ることを特徴とする。
更に、本発明は、上述のレーザ装置において、上記光源が半導体レーザより成り、該半導体レーザから出射されるレーザ光の集光位置において、少なくとも上記半導体レーザを配置する基台の表面に沿う方向に、上記レーザ光の短軸方向が配置されて成ることを特徴とする。

また、本発明は、上述の各レーザ装置において、上記集光手段が、集光レンズ、円筒レンズ、ボールレンズ、屈折率分布型レンズ、曲面ミラー、シリンドリカルレンズのうち少なくとも１つ或いはその組み合わせより構成されることを特徴とする。
更に、本発明は、上述の各レーザ装置において、上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成ることを特徴とする。
また、本発明は、上述の各レーザ装置において、上記結合素子が、エッジミラーより成ることを特徴とする。
更に、本発明は、上述のレーザ装置において、空間的に光軸が近接されて合波されたレーザ光が、光ファイバに結合されて成ることを特徴とする。

また、本発明によるレーザ光の合波方法は、光源から出射される２以上のレーザ光を、少なくとも１つの集光手段により集光して、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光を、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸を変位させ、上記２以上のレーザ光をその光軸を近接して出射することを特徴とする。

更に、本発明による画像表示装置は、光変調素子に変調された光がスクリーン上に結像されて投影される画像表示装置であって、上記光変調素子に照射される光は、レーザ装置を有する光源装置から出射されて成り、該レーザ装置において、光源から出射される２以上のレーザ光が、少なくとも１つの集光手段により集光され、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光が、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸が変位され、上記２以上のレーザ光がその光軸を近接して出射されることを特徴とする。

また、本発明による結合素子は、レーザ光を反射する内反射面又は外反射面が複数設けられて成り、上記内反射面又は外反射面において、各レーザ光が略平行な方向に反射され、上記内反射面又は外反射面に入射されるレーザ光の間隔に比して、上記内反射面又は外反射面により反射されるレーザ光の間隔が小とされて、複数のレーザ光がその光軸を近接させて合波されることを特徴とする。

更に、本発明による結合素子の製造方法は、少なくとも１つの内反射面又は外反射面を有する複数の部材を、上記内反射面又は外反射面から反射される光の出射方向を略平行にすると共に、上記内反射面又は外反射面を、上記出射方向にずらして配置して接合することを特徴とする。

上述したように、本発明によるレーザ装置においては、光源から出射される２以上のレーザ光のうち１以上のレーザ光を、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸を変位させ、２以上のレーザ光をその光軸を近接して出射することによって、所望の数のレーザ光を目的とする面積範囲内に集光することができ、高価な光学部品を使用することなく、高輝度光を容易に得ることが可能となる。

以上説明したように、本発明のレーザ装置によれば、比較的低コストで、所望の数のレーザ光を目的とする面積範囲内に集光することができ、従来得られなかった高輝度レーザ光を得ることができるという効果がある。
また、本発明のレーザ装置において、レーザ光をそのビームウエストにおいて扁平なビーム形状に整形し、結合素子によりビーム形状の短軸方向に空間的に近接させることによって、より多くのレーザ光を集光して、より高輝度のレーザ光を得ることができる。
更に、本発明レーザ装置において、光源を半導体レーザとして、この半導体レーザから出射されるレーザ光の集光位置において、少なくとも半導体レーザを配置する基台の表面に沿う方向に、レーザ光の短軸方向を配置することによって、同様に、より多くのレーザ光を集光することができて、高輝度のレーザ光を得ることができる。

また、本発明レーザ装置において、集光手段を、集光レンズ、円筒レンズ、ボールレンズ、屈折率分布型レンズ、曲面ミラー、シリンドリカルレンズのうち少なくとも１つ或いはその組み合わせより構成することによって、光源から結合素子までの距離を調整し、光学部品の組み立て精度を緩和してコストの低減化、生産性の向上を図ることができる。
更に、本発明レーザ装置において、結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より構成することによって、結合素子の数を抑制することができ、少ない光学部品点数での組み立てを可能とし、光学調整、組み立て作業の簡易化、装置の小型化を図ることができる。
また、本発明レーザ装置において、結合素子を、エッジミラーすなわち端部まで反射率及び平面度を確保したミラーより構成することによって、コスト高を抑制し、また組み立て後の再調整を可能とし、歩留まりの低下を抑制することができる。
更に、本発明レーザ装置において、空間的に光軸が近接されて合波されたレーザ光を、光ファイバに結合して構成することによって、ファイバ出力励起光源を含む各種光学装置において高輝度光源を得ることによって、出力の向上を図ることができる。

また、本発明のレーザ光の合波方法によれば、比較的低コストで高輝度レーザ光を得ることができる。
更に、本発明の画像表示装置によれば、光源の出力を向上させることによって、高輝度の画像表示が可能な画像表示装置を提供することができる。

また、本発明による結合素子によれば、レーザ光を反射する内反射面又は外反射面を複数設け、これら反射面において各レーザ光を略平行な方向に反射して、且つこれらの反射面に入射されるレーザ光の間隔に比して、反射されるレーザ光の間隔を小とすることにより、複数のレーザ光をその光軸を近接させて合波させることができ、所望の数のレーザ光を目的とする面積範囲内に集光し、高輝度のレーザ光を得ることができる。

更に、本発明の結合素子の製造方法によれば、上述の高輝度レーザ光を容易に結合することが可能な結合素子を、反射面の角度調整を精度良く容易に製造することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
図１においては、本発明によるレーザ装置１０の一例の概略構成を示す。この例においては、５つのレーザ光を結合素子によって各光軸を近接させて合波する例を示す。第1〜第５の光源部１１〜１５から、集光手段（図示せず）により集光されたレーザ光Ｂ１〜Ｂ５が出射される。そして、これらのうち１以上のビーム、図示の例においては、第２〜第５のビームＢ２〜Ｂ５が、そのビームウエスト近傍においてそれぞれ例えばエッジミラーより成る結合素子２によって、例えば略９０°進行方向を曲げられて光軸が変位され、第１〜第５のビームＢ１〜Ｂ５が光軸を近接させて出射される。そしてこの例においては、集光レンズ４により集光されて、例えば外部の光導波機構であるファイバ５等に結合されて、出射される。

図２Ａ及びＢにこのように結合素子を用いてビームの出射方向を変換して光軸を変位させる本発明によるレーザ光の合波方法の一例の概略構成図を示す。図２Ａにおいては、２つのビームＢ１及びＢ２をそのビームウエスト位置が略隣接するように出射させ、一方のビームＢ１は直進させて、他のビームＢ２のビームウエスト近傍において、エッジミラーより成る結合素子２に反射させることによって、その光軸を近接させている。この場合のビームウエスト近傍を拡大した概略構成を図２Ｂに示すように、例えばビーム径φ１が例えば１００〜４００μｍ程度のビームを、ビームウエスト近傍のビーム間隔ｄを例えば１００μｍ以下に近接させることによって、後述するように、高い結合効率が達成できる。

このようにして光軸を近接された光は、そのビームウエストにおいて扁平なビーム形状に整形して、結合素子２によってその短軸方向に空間的に近接させることによって、例えば図３に模式的にビーム形状の平面図を示すように、扁平な形状のビームＢ１〜Ｂ５を例えば略円形の領域Ｓ内において無駄なくビームスポットを配置することができる。

またビームの整形方法としては、図４に模式的な概略構成図を示すように、例えば光源として半導体レーザ５１を用いてその進行方向を９０°変換することによって、上述したような扁平形状に整形することができる。図４に示すように、例えば半導体レーザ７３を基台７１上に、排熱作用を有する冷却手段７２等を介して出射端面を上側に向けて配置する。半導体レーザから出射されるビームは横方向に広がりをもち、例えば図４において矢印ｘで示す横方向に長軸、矢印ｚで示す（紙面と直交する）方向に短軸をもつ略楕円形スポット形状となる。
そしてこのレーザ光を、矢印ｘで示す長軸方向から、基台７１の表面と垂直な方向（矢印ｙで示す）に向かって略４５°傾斜するミラー７４を用いて出射方向を変換すると、レーザ光の長軸方向が基台５３の表面に垂直な矢印ｙで示す方向となる（短軸方向は変わらない）。したがって、このビームをその短軸方向に近接して配置する場合、基台５３の表面に沿う方向にビームを近接させて集光することができ、基台５３の表面に垂直な方向に配列する場合と比較すると、多数のビームを、容易に光軸位置を調整して集光することができるという利点を有する。

図５に本発明によるレーザ装置１０の一例のより具体的な概略構成図を示す。この例においては、第１〜第５の光源部１１〜１５において、半導体レーザ等の光源１から出射されたレーザ光を、それぞれボールレンズ３１、ファイバレンズ等より成る円筒レンズ３２、集光レンズ３３より構成される集光手段３によって、ビームウエスト位置までの距離を調整した状態で出射される構成とした場合を示す。このような集光手段３としては、その他屈折率分布型レンズ（いわゆるＧＲＩＮ：Graded Indexレンズ）、曲面ミラー、シリンドリカルレンズ等を用いて同様の調整を行うことが可能である。

そして、図５に示すように、第1〜第５の光源部１１〜１５から上述の構成による集光手段３により集光され、レーザ光Ｂ１〜Ｂ５が出射されて、この場合においても、１以上のビーム、この場合第２〜第５のビームＢ２〜Ｂ５が、そのビームウエスト近傍においてそれぞれ例えばエッジミラーより成る結合素子２によって、例えば略９０°進行方向を曲げられて光軸が変位され、第１〜第５のビームＢ１〜Ｂ５が光軸を近接されて出射される。この例においても、結合された５本のビームは、集光レンズ４により集光されて、例えば外部の光導波機構のファイバ５等に結合されて出射される。
このように、エッジミラーより成る結合素子２を複数用いて各ビームの光軸を変位させて結合する場合は、各エッジミラーの配置位置を調整する必要があるが、出射されたビーム形状、出力を元に、各結合素子２の配置位置を容易に再調整することができるという利点を有する。

なお、半導体レーザより成る光源１を用いた場合において、ビームウエスト位置からの距離に対する１／ｅ² 強度のビーム径の変化を測定した結果を図６に示す。図６から、ビーム径がビームウエスト位置の略√２倍程度となるレイリー長（Rayleigh range）は略±１０ｍｍとなることがわかる。この範囲では略平面波として近似することができるので、空間的な位相分布を無視することができ、例えば反射ミラーによって光の進行方向を曲げても問題がない。

例えば図５に示す例においては、エッジミラーによる結合素子２の位置をそれぞれ±１０ｍｍの余裕度をもってビームウエスト位置からずらした位置に配置することが可能となる。
なお、図示の例においては、各結合素子２の間隔を、反射後のビームの光軸方向に沿って略１５ｍｍの間隔に配置することができる。また、第１の光源部１１における集光手段３の集光レンズ３３と、各ビームＢ１〜Ｂ５を集光する集光レンズ４との間隔を、略８０ｍｍとすることができる。

図７においては、本発明による半導体レーザ装置１０の他の例の概略構成図を示す。この例においては、第１〜第５の光源部１１〜１５から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ５をそれぞれエッジミラー等より成る結合素子２により反射させてその進行方向を略９０°曲げることによって、光軸を変位させて結合した例を示す。図７において、図５と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
このように、各光源部を、結合後の光軸方向に対して同じ側に配置構成することも可能である。
図７の例においては、各結合素子２の反射後の光軸に沿う方向の間隔をそれぞれ略１５ｍｍ、また集光レンズ３とこれに最も近接する結合素子２との間隔を略１５ｍｍ、更に、結合素子から第１、第３及び第５の光源部１１、１３及び１５の集光レンズ３３までの距離を略３０ｍｍ、第２及び第４の光源部１２及び１４の集光レンズ３までの距離を略８０ｍｍとして構成することができる。

また結合素子２として、図５に示すように、各ビームに対応してエッジミラーを複数設ける構成の他、図８に示すように、例えば略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る結合素子を用いることもできる。ここで内反射面とは、硝材等より成る結合素子中の内部において光が反射される面とし、外反射面とは、結合素子の外部の表面で光が反射される面とする。
図８の例においては、例えば入射するレーザ光Ｂ１〜Ｂ３の入射方向に対し、それぞれ略４５°を成す３つの内反射面２Ｒｉが、略階段状に設けられた例を示す。各内反射面２Ｒｉは、例えば反射光の光軸に沿う方向にそれぞれ高さｈずらして設けられ、これにより入射光の間隔ｄ１に対し、反射されて光軸が変位された出射光の間隔ｄ２を小とすることができる。
なお、この場合内反射面を設ける例を示すが、結合素子２を逆に用いて外反射面を用いる構成とし得ることはいうまでもない。外反射面を用いる場合は、表面に使用するレーザ光の波長帯域において高反射率を示す反射膜を被着することが望ましい。

一方、例えば結合素子２を屈折率ｎの材料より構成する場合、この屈折率ｎの領域（すなわち結合素子内部）から外部の例えば空気へ出射される光は、スネルの法則より、ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）となる角度を超えると全反射される。代表的な硝材では、屈折率ｎは石英ガラスで１．４５、光学ガラスＢＫ７では１．５２、光学ガラスＳＦ１１では１．７３であり、それぞれ４３．６°、４１．１°、３５．３°を超える角度で内反射面に入射する光は全反射される。したがって、多くの硝材において４５°の入射角度で全反射する。例えば、コーナーキューブや内角全反射プリズムでは同様の作用が利用されている。
すなわち、結合素子として内反射面を利用することによって、多層の誘電体膜を積層した高反射膜などを設ける必要なく、高反射率で光の進行方向を変換する結合素子を容易に得ることができるという利点を有する。

また、このような階段状の結合素子は、例えば複数の硝材等より成る部材を組み合わせることによって、容易に製造することができる。
図９に本発明による結合素子の製造方法の一例の一工程の概略構成を示す。この場合、それぞれ入射面２Ａまたはこれと平行面に対し略４５°を成す内反射面２Ｒｉ（外反射面２Ｒｏでもよい。）を有する第１〜第３の部材２１〜２３を用意する。
そして、各反射面２Ｒｉが略平行となり、また反射後の光の進行方向に沿って略等間隔にずれるように配置して接合、ないしは融着することによって、光の入射面２Ａに対し、複数の内反射面２Ｒｉが、略４５°をなし、かつその出射面Ｂに向かう出射方向に関して、平行に各内反射面２Ｒｉがずれて設けられて成る結合素子２を、容易に製造することができる。接合後に、出射面２Ｂに研磨等を施すことにより、その平面度を向上させることも可能である。
このように複数の部材を接合して結合素子を製造することによって、コスト高を抑制することができ、また１つの結合素子により複数のレーザ光の結合を容易に行うことができて、組み立て作業の簡易化を図り、また装置の小型化を図ることができる。

図１０においては、本発明によるレーザ装置１０の他の例の概略構成を示す。この例においては、第１〜第５の光源部１１〜１５から出射されるレーザ光Ｂ１〜Ｂ５を、２つの多面体ミラーより成る結合素子２４及び２５を用いて光軸を変位させて結合した例を示す。図１０において、図５及び図７と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この場合は、第３の光源部１３から出射されたレーザ光Ｂ３は結合素子２４を透過させ、第２及び第４の光源部１２及び１４から出射されたビームＢ２及びＢ４を、レーザ光Ｂ１の左右からそれぞれ結合素子２４の外反射面で反射させ、また、第１及び第５の光源部１１及び１５から出射されたビームＢ１及びＢ５を他の結合素子２５の外反射面で反射して、それぞれ第３のビームＢ３に光軸を近接させて出射させた例を示している。このように、各光源部を、結合後の光軸方向に対して左右対称な位置に配置構成することもできる。
この場合、第１及び第５の光源部１１及び１５の集光レンズ３３と結合素子２５の外反射面との間隔をそれぞれ略５０ｍｍ、第２及び第４の光源部１２及び１４の集光レンズ３３と結合素子２４の外反射面との間隔を略３５ｍｍ、第３の光源部１３の集光レンズ３３と結合素子２４との間隔を略３５ｍｍ、各結合素子２４及び２５の間隔を略１５ｍｍ、結合素子２５と集光レンズ３との間隔を略３０ｍｍとして構成することができる。

次に、上述したように複数のレーザ光ビームを多重に結合する場合の間隔許容範囲について検討した結果について説明する。
図１０は、半導体レーザより成る光源４１からの光を矢印Ｘで示す光軸と直交する方向に変位（シフト）した場合の光出力を測定する光学装置の概略構成図を示す。図１１に示すように、光源４１から出射されたレーザ光は、ファイバレンズ４２、コリメータレンズ２３によりビーム形状を調整されて、フォーカシングレンズ４４により集光されてファイバ５に結合される。ファイバ５から出射されたレーザ光を集光レンズ４５により集光し、ＮＡ制限アパーチャ４６によって、開口数ＮＡを調整し、更にクラッドモード制限アパーチャ４６を介してパワーメータ４８に入力する。
このような装置を用いて、コリメータレンズ４３とフォーカシングレンズ４４との間隔Ｌを１５０ｍｍとした場合のビームのシフト量に対する光出力の変化を測定した結果を図１２に示す。図１２から明らかなように、開口数ＮＡが０．２２〜０．３の条件下において、ビームシフト量が±１ｍｍの範囲において、出力の変化量が略８５％以上となり、８５％程度以上の光を結合することができることがわかる。

例えば前述の図１、図５、図７及び図１０の例に示すように、５本のレーザ光を結合する場合のスポットサイズについて検討した結果、中心位置のビームに対し、例えば左右に±１ｍｍの範囲において、ビームスポットを配置することができる。この場合の短軸方向のビーム径の一例の模式的な概略配置構成を図１３Ａ〜Ｄに示す。
図１３Ａは、例えば図５において、第２の光源部１２からのレーザ光Ｂ２が結合素子２において反射された直後の第１及び第２のレーザ光Ｂ１及びＢ２のスポット形状を模式的に示し、例えばこれらレーザ光Ｂ１及びＢ２の短軸方向のビーム径をそれぞれ０．２５ｍｍ、０．１０ｍｍとして、スポット間隔ｄ、この場合光軸間距離ｄを０．５ｍｍとし得る。
また、図１３Ｂは、図５において、第３の光源部１３からのレーザ光Ｂ３が結合素子２において反射された直後の第１〜第３のレーザ光Ｂ１〜Ｂ３の各スポット形状を示し、これらレーザ光Ｂ１〜Ｂ３の短軸方向のビーム径をそれぞれ０．１３ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍとして、各スポット間隔ｄを０．５ｍｍとし得る。
更に、図１３Ｃは、図５において、第４の光源部１４からのレーザ光Ｂ４が結合素子２において反射された直後の第１〜第４のレーザ光Ｂ１〜Ｂ４の各スポット形状を示し、これらレーザ光Ｂ１〜Ｂ４の短軸方向のビーム径をそれぞれ０．１３ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍとして、各スポット間隔ｄを０．５ｍｍとし得る。
図１３Ｄは、図５において、第５の光源部１５からのレーザ光Ｂ５が結合素子２において反射された直後の第１〜第５のレーザ光Ｂ１〜Ｂ５の各スポット形状を示し、これらレーザ光Ｂ１〜Ｂ５の短軸方向のビーム径をそれぞれ０．２５ｍｍ、０．４０ｍｍ、０．３０ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．１０ｍｍとして、各スポット間隔ｄを０．５ｍｍとし得る。

このようなスポット径に設定してビームウエスト径、ビームウエスト位置から各光源、結合素子までの距離を調整することによって、得られる出力光のうち最も外側のビームスポットのビームシフト量を±１ｍｍの範囲とすることができて、出力の低下を８５％程度に抑制し、内側のビームを合わせた平均出力として９０％程度のエネルギー効率をもってレーザ光を結合することができる。これにより、高い出力すなわち高輝度のレーザ光を提供することができる。

なお、上述の各例においては、レーザ光を５本結合する例について説明したが、その他２以上であればいくつでもよい。
また、例えば図１４Ａ及びＢにそれぞれ上面及び側面から見た概略構成を示すように、基台３５の上に、上下に結合素子を積層して配置して、レーザ光を結合することも可能である。
この例においては、基台３５の上に、第１及び第２の光源部１１及び１２を並列して配置し、結合素子２４及び２５により例えばレーザ光Ｂ１及びＢ２の進行方向を９０°曲げて光軸を変位させて出射させる。更に、基台３５の上に載置台３６を介して、第１及び第２の光源部１１とは結合素子２４を介して反対側に第３及び第４の光源部１３及び１４を並列して配置する。
そして、載置台３６と同程度の高さに調整された載置台３７の上に結合素子２６及び２７を配置して、それぞれ第３及び第４の光源部１３及び１４から出射されたレーザ光Ｂ３及びＢ４を、第１及び第２のレーザ光Ｂ１及びＢ２の出射方向に沿う方向に光軸を変位させて出射させる構成とする。

この場合は、例えばビームスポット形状が扁平である場合、短軸方向に２本、長軸方向に２本のレーザ光を配列して結合することができる。上下に３本ずつ以上のレーザ光を積層することも可能であることはいうまでもない。

更に、本発明によるレーザ装置において、偏光ビームスプリッタを利用した結合方法を併用してレーザ光を結合することも可能である。図１５及び図１６に、この場合の各例の概略構成図をそれぞれ示す。
図１５においては、５本ずつのレーザ光がそれぞれ結合素子２により光軸を近接して結合され、更に、偏光ビームスプリッタ５３により５本のレーザ光の各光軸を略合致させて結合し、いわば５多重２系列の結合を行った例を示す。
この場合、例えば一方の第１〜第５の光源部１１Ａ〜１５Ａから出射されたレーザ光Ｂ１ａ〜Ｂ５ａを、ミラー５４及び５５を介して偏光ビームスプリッタ５３により反射して集光レンズ３に集光して、光ファイバ５に出射する。他方の光源部１１Ｂ〜１５Ｂから出射されたレーザ光Ｂ１ｂ〜Ｂ５ｂは、例えばミラー５１により反射して１／２波長板５２を介して偏光ビームスプリッタ５３に入射して透過させ、５本ずつのレーザ光を、各光軸を合致させて結合し、合計１０本のレーザ光を結合する構成とすることができる。この場合は、複数のレーザ光を結合するとともに、更に２系列のレーザ光を結合することから、より高輝度のレーザ光を得ることができる。

また、５本に限定されることなく、６本以上でもこのような２系列構成が可能であり、図１６に示すように、例えば８本のレーザ光を２系列結合することも可能である。図１６に図において、図１５と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場合は、第１〜第８の２系列の光源部１１Ａ〜１８Ａ、１１Ｂ〜１８Ｂからの各レーザ光Ｂ１ａ〜Ｂ８ａ、Ｂ１ｂ〜Ｂ８ｂを同様に結合素子、ミラー５１,５４及び５５、１／２波長板５２及び偏光ビームスプリッタ５３を用いて結合することができる。図１６において、図１５と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

このように、結合するレーザ光の本数は奇数でも偶数でも可能である。
レーザ光が奇数の場合は、例えば中心に位置するレーザ光のみを、結合素子を介することなく配置して、他の例えば左右のビームを、この中心位置のレーザ光を基準としてそれぞれ配置することができ、組み立て調整が容易となる利点を有する。
一方、偶数のレーザ光を結合する場合においても、特定のレーザ光を基準として組み立て調整することが可能である。また、結合素子は全てのレーザ光に用いてもよく、上述したように、複数のレーザ光のうち１のレーザ光を、結合素子を介することなく配置することもできる。

以上説明したように、本発明のレーザ装置によれば、簡単な構成で所望の数のレーザ光を容易に結合して、従来にない高輝度のレーザ光を得ることができ、これをファイバ出力励起装置等に利用することによって、より高い出力の光源を提供することができる。
一例として、このようにして高輝度高出力化した光源を、画像表示装置の光源として用いる場合について説明する。

図１７は、本発明構成のレーザ装置を光源装置として用いた画像表示装置の一例の概略構成図を示す。図１７において、６０Ｒ、６０Ｇ及び６０Ｂはそれぞれ赤、緑及び青色レーザ等の光源であり、ここから出射されたレーザビームは、それぞれ集光レンズ６２Ｒ、６２Ｇ及び６２Ｂを介して例えば回折格子型の光変調素子６３Ｒ、６３Ｇ及び６３Ｂに入射される。
ここで、各光変調素子６３Ｒ、６３Ｇ及び６３Ｂは、集光レンズ６２Ｒ、６２Ｇ及び６２Ｂにより集光されるビームウエスト位置からずれた位置に配置してもよい。

そして、各光変調素子６３Ｒ、６３Ｇ及び６３Ｂからの回折光は、例えばハーフミラー６４、６５を介して１本の光束に集束され、空間フィルター６６を介して投影レンズ６７により結像されて、スキャナー６８により矢印ｇで示すように、スクリーン６９の横方向に走査される。

ここで光変調素子としては、例えば米国シリコン・ライト・マシン（ＳＬＭ）社が開発したＧＬＶ（Grating Light Valve）等の光変調素子を用いることができる。すなわち、第１面及び第２面の相対的移動によって回折格子を構成し、具体的には、例えば３本ずつの可動リボンと固定リボンが交互に配置されたＧＬＶ素子を１次元アレイ上に配置した構成とすることができる。このＧＬＶ素子では、交互に配置されたリボンのうち可動リボンに対して電圧印加等によってリボンを移動させることにより、隣接するリボンの反射面を相対的に移動させて回折格子を構成し、光変調を行う。

上述のＧＬＶ素子の代表的な構成例では、３本ずつの固定リボンと可動リボンとが交互に配置されるものであるが、光変調素子として、リボンの幅方向にＧＬＶ素子を画素数分、例えば１０８８個配置して構成することができる。
この１次元状の光変調素子に対し、円筒レンズを用いてその表面にリボン長方向には所定のスポットサイズに集光され、リボン幅方向には所定の幅にコリメートされたコリメート光を照射し、各ＧＬＶ素子へ画像信号に対応した電圧を印加することにより、光変調素子から回折される回折光は、１次元状の所定の画素サイズ(長さ及び幅)を有し、画像信号に対応して変調されたビームとなる。これに対し、空間フィルター６６を例えばフーリエ面に配置することによって、像はこの１次元の延長方向と直交する方向に延在する１次元状となり、スクリーン６９上においては、矢印ｇと直交する方向に延在する像として表示され、スキャナー６９の矢印ｇで示す方向の走査によって、２次元画像として表示される。

このような画像表示装置において、本発明構成のレーザ装置をその光源に用いることによって、従来得られなかった高輝度の３原色の光源による画像表示を提供することが可能となる。
なお、このような画像表示装置に限定されることなく、その他の種々の高出力レーザ光源の適用が可能なレーザプリンタ装置、光通信装置等に適用することができる。

また、本発明は、以上説明したレーザ装置の各例、レーザ光の合波方法の各例に限定されることなく、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもなく、レーザ光の本数、結合素子の配置態様、光源の種類等において、種々の変更が可能である。

本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 Ａは本発明によるレーザ光の合波方法の一例の概略構成図である。Ｂは本発明によるレーザ光の合波方法の一例の要部の概略構成図である。 結合したレーザ光のビーム形状を示す概略平面図である。 ビームの整形方法の一例の概略構成図である。 本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 ビームウエストからの距離に対する１／ｅ² ビーム径の変化を示すである。 本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 本発明による結合素子の一例の概略構成図である。 本発明による結合素子の一例の一製造工程を示す概略構成図である。 本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 ビームシフト量に対する光出力変化を測定する光学装置の概略構成図である。 ビームシフト量に対する光出力変化を示す図である。 Ａはビームスポット形状の一例を示す概略平面図である。Ｂはビームスポット形状の一例を示す概略平面図である。Ｃはビームスポット形状の一例を示す概略平面図である。Ｄはビームスポット形状の一例を示す概略平面図である。 Ａは本発明によるレーザ装置の一例の概略平面図である。Ｂは本発明によるレーザ装置の一例の概略側面図である。 本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 本発明によるレーザ装置の一例の概略構成図である。 本発明による画像表示装置の一例の概略構成図である。

符号の説明

１．光源、２．結合素子、３．集光手段、４．集光レンズ、５．光ファイバ、１０．レーザ装置、１１．第１の光源部、１２．第２の光源部、１３．第３の光源部、１４．第４の光源部、１５．第５の光源部、１６．第６の光源部、２１．第１の部材、２２．第２の部材、２３．第３の部材、２Ａ．入射面、２Ｂ．出射面、２Ｒｉ．内反射面、２Ｒｏ．外反射面、３１．ボールレンズ、３２．円筒レンズ、３３．集光レンズ、３５．基台、３６．載置台、３７．載置台、４１．レーザダイオード、４２．ファイバレンズ、４３．コリメータレンズ、４４．フォーカシングレンズ、４５．集光レンズ、４６．ＮＡ制限アパーチャ、４７．クラッドモード制限アパーチャ、４８．パワーメータ、５１．ミラー、５２．１／２波長板、５３．偏光ビームスプリッタ、５４．ミラー、５５．ミラー、６０Ｒ．光源、６０Ｇ．光源、６０Ｂ．光源、６１Ｒ．ミラー、６１Ｇ．ミラー、６１Ｂ．ミラー、６２Ｒ．集光レンズ、６２Ｇ．集光レンズ、６２Ｂ．集光レンズ、６３Ｒ．光変調素子、６３Ｇ．光変調素子、６３Ｂ．光変調素子、６４．ミラー、６５．ミラー、６６．空間フィルター、６７．投影レンズ、６８．スキャナー、６９．スクリーン、７１．基台、７２．冷却手段、７３．半導体レーザ、７４．ミラー

Claims (23)

1. 光源から出射される２以上のレーザ光が、少なくとも１つの集光手段により集光され、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光が、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸が変位され、上記２以上のレーザ光がその光軸を近接して出射される
   ことを特徴とするレーザ装置。
2. 上記レーザ光が、そのビームウエストにおいて扁平なビーム形状に整形され、上記結合素子により上記ビーム形状の短軸方向に空間的に近接されて成る
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 上記光源が半導体レーザより成り、該半導体レーザから出射されるレーザ光の集光位置において、少なくとも上記半導体レーザを配置する基台の表面に沿う方向に、上記レーザ光の短軸方向が配置されて成る
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
4. 上記集光手段が、集光レンズ、円筒レンズ、ボールレンズ、屈折率分布型レンズ、曲面ミラー、シリンドリカルレンズのうち少なくとも１つ或いはその組み合わせより構成される
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
5. 上記集光手段が、集光レンズ、円筒レンズ、ボールレンズ、屈折率分布型レンズ、曲面ミラー、シリンドリカルレンズのうち少なくとも１つ或いはその組み合わせより構成される
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
6. 上記集光手段が、集光レンズ、円筒レンズ、ボールレンズ、屈折率分布型レンズ、曲面ミラー、シリンドリカルレンズのうち少なくとも１つ或いはその組み合わせより構成される
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
7. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
8. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
   ことを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
9. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
   ことを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
10. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
    ことを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
11. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
    ことを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
12. 上記結合素子が、略階段状の内反射面又は外反射面を有する部材より成る
    ことを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
13. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
14. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項２記載のレーザ装置。
15. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項３記載のレーザ装置。
16. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項４記載のレーザ装置。
17. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
18. 上記結合素子が、エッジミラーより成る
    ことを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
19. 上記空間的に光軸が近接されたレーザ光が、光ファイバに結合されて成る
    ことを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
20. 光源から出射される２以上のレーザ光を、少なくとも１つの集光手段により集光して、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光を、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸を変位させ、上記２以上のレーザ光をその光軸を近接して出射する
    ことを特徴とするレーザ光の合波方法。
21. 光変調素子に変調された光がスクリーン上に結像されて投影される画像表示装置であって、
    上記光変調素子に照射される光は、レーザ装置を有する光源装置から出射されて成り、
    該レーザ装置において、光源から出射される２以上のレーザ光が、少なくとも１つの集光手段により集光され、上記レーザ光のうち１以上のレーザ光が、そのビームウエスト近傍において、少なくとも１つの結合素子によって空間的に光軸が変位され、上記２以上のレーザ光がその光軸を近接して出射される
    ことを特徴とする画像表示装置。
22. レーザ光を反射する内反射面又は外反射面が複数設けられて成り、
    上記内反射面又は外反射面において、各レーザ光が略平行な方向に反射され、
    上記内反射面又は外反射面に入射されるレーザ光の間隔に比して、上記内反射面又は外反射面により反射されるレーザ光の間隔が小とされて、複数のレーザ光がその光軸を近接させて合波される
    ことを特徴とする結合素子。
23. 少なくとも１つの内反射面又は外反射面を有する複数の部材を、上記内反射面又は外反射面から反射される光の出射方向を略平行にすると共に、上記内反射面又は外反射面を、上記出射方向にずらして配置して接合する
    ことを特徴とする結合素子の製造方法。

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