JP2006171348A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は，スタックアレイＬＤの出射レーザビームを光ファイバに入射させて損失を少なく導波可能とするための半導体レーザ装置を提供することにある。
【解決手段】
スタックアレイレーザダイオード１０を光源として，第１のビーム圧縮器１１２，１１３と，レーザビーム群を第１の方向に複数に分割し，分割された各ビーム群が，第１の方向では互いに重なる方向に偏向し，第２の方向では互いに分離する方向に偏向する光学素子１６０と，第１の方向および第２の方向について前記光学素子１６０によって偏向された角度と同角度逆方向に偏向する光学素子１６１と，レーザビーム群を分割して旋回させるビーム変換器５０と，第２のビーム圧縮器１１０，１１１と，第１の方向のビーム発散角と第２の方向の発散角を近づけるための集光器６０と，さらに光ファイバ１７１の端面に集光させる集光器７０を備える半導体レーザ装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は，スタックアレイレーザダイオードで放射したレーザビーム群を，ビーム変換光学系を用いて集光し，光ファイバーに結合させる半導体レーザ装置に関する。

現在，半導体レーザの活性層ストライプが一次元的に配列されたリニアアレイの半導体レーザとして，ＣＷ（連続発振）出力５０Ｗ程度のものが入手できる。このリニアアレイ半導体レーザでは，例えば図３に示すように，幅１００μｍ〜２００μｍの端部がエミッタとなっているストライプが，１００本／ｃｍ程度に一定間隔で平面的に配列されている。

このようなリニアアレイ半導体レーザをいくつか積み重ね，図２に示すように，２次元アレイとすることにより，容易に出力アップを図ることができる。かかる２次元アレイ半導体レーザはスタックアレイレーザダイオード（以下，「スタックアレイＬＤ」と記す）と呼ばれ，市中にてｋＷクラスの出力のものが入手できる。このスタックアレイＬＤから放射されたレーザビーム群を光学系で集光し，伝送可能なファイバ系に入射させて伝送することができれば，レーザ加工をはじめ幅広い応用に供することができる。

１個のスタックアレイＬＤ素子からは，スタック層の数をＮとすれば，（１００程度）×Ｎ本のレーザビーム（レーザビーム群）が出射され，２次元アレイ状にレーザビームが配列した光源が得られる。また，Ｑｕａｓｉ−ＣＷ半導体レーザのような高出力半導体レーザは，多数のエミッタが密集して配列され，出射光が隣のエミッタからの出射光と出射直後に混じり合うことにより，ほぼ連続した直線状の光源をスタック層の数だけ並列した状態で与えることができる。

各レーザビーム（ストライプ光）は各々扁平な光源から発したものであり，ビーム発散角は活性層に対し垂直成分φが大きく，約４０°〜５０°であり，平行成分θは小さく，約１０°である。以下，ビーム発散角の大きい活性層に対して垂直な方向を速軸と呼び，ビーム発散角の小さい活性層に対して平行な方向を遅軸と呼ぶ。発光源の幅は速軸側が狭く１μｍ以下であり，遅軸側は１００μｍ程度のストライプが密に並ぶ為，約１０ｍｍの線状の光源と考えてよい。

通常のレンズ等を用いて，上記のスタックアレイＬＤから出射されたレーザビーム群を集光しようとすると，速軸側の径は容易に数１００μｍに集光可能であるが，遅軸側の径は集光性が悪く数ｍｍとなってしまい，レーザ加工の特徴である高パワー密度が容易には得られない。そこで本願発明者らは，遅軸側の集光性を改善する光学系を用いて，集光スポット径を格段に改善し，数１００μｍ以下とする方法を開示した（特許文献１）。

特開２００４−９６０９２号公報

しかしながら，前記特許文献１における集光光学系を用いると，最終集光レンズに導波する直前に速軸側のビーム径と発散角を遅軸側のビーム径と発散角に近づける必要があるため，最終集光レンズにて得られる焦点位置での集光半角αの正弦値（ｓｉｎ）は０．３程度となり，通常の光ファイバが許容するＮＡ（＝０．２程度）より大きくならざるを得ない。例として図１９を用いて説明する。この図１９に示す光学系においては，遅軸成分の集光性を改善する為，ビーム変換器５０を用いてビームの分割・約９０度回転を行っている。これに伴い速軸成分は，ビーム変換器５０の後面おいて，速軸方向に１つ目のスタック間隔の圧縮器１１２，１１３と，ビーム変換器５０によって分割・約９０度回転されたビームの遅軸方向（回転によって速軸成分が含まれる）にスタック間隔を圧縮する２つ目の圧縮器１１０，１１１によって２段階に圧縮される。ここで，２段にわたりスタック間隔を圧縮された速軸成分は，ビームそのものの発散角は圧縮比に反比例して増大する。その発散の作用により最終集光レンズ手前においては，速軸方向ビーム径（遅軸成分が含まれる）に比較して，遅軸方向ビーム径（速軸成分が含まれる）が大きくならざるを得ない。このため，最終の集光レンズ７０での焦点位置においては集光角の半分の角度αの正弦値が０．３程度となってしまうのである。なお，図１９において，１０はスタックアレイＬＤ，２０は第１のシリンドリカルレンズアレイ，１５５は光学素子，６０はシリンドリカルレンズ群である。

このように，２次元アレイ状に線分が配列した光源であるスタックアレイＬＤの出射レーザ光を通常の光ファイバに入射させて損失を少なく導波させることは困難であった。スタックアレイ半導体レーザを，レーザの産業応用として主要な部分を占めるレーザ加工や医療用目的に利用するためには，ファイバ導波を可能とする特別の工夫が望まれる。

本発明の目的は，スタックアレイＬＤの出射レーザビームを光ファイバに入射させて損失を少なく導波可能とするための半導体レーザ装置を提供することにある。

上記課題を解決すべく，本発明の要旨とするところは，以下の通りである。なお，本発明において前面とは集光点側を意味し，後面とは，光源側（前面と反対側）を意味する。また，以下においては，理解を容易にするために，実施の形態で用いた符号（数字）を示したが，符号はあくまでも理解を容易にするためのものであって，本発明における各構成要素を実施の形態で例示するものに限定させるものではない。

即ち，本発明によれば，レーザビームを出射する第一の方向に長いエミッタが，該第１の方向及びそれに直交する第２の方向に２次元アレイ状に複数個配設されて，複数列配列したレーザビーム群を放射する単一または複数のスタックアレイレーザダイオード１０と，
前記スタックアレイレーザダイオード１０の前面に配設され，前記レーザビーム群を各列毎に前記第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器２０と，
前記第１の集光器２０の前面に配設され，前記第２の方向にコリメートされたレーザビーム群を受光して，前記第２の方向の光軸間隔が短縮されたレーザビーム群に変換して放射する第１のビーム圧縮器１１２，１１３と，
前記第１のビーム圧縮器１１２，１１３の前面に配設され，レーザビーム群を第１の方向に複数に分割し，第１の方向については分割された各ビーム群が互いに重なる方向に偏向し，第２の方向については，該各ビーム群が互いに分離する方向に偏向する分割用光学素子１６０と，
前記分割用光学素子１６０の前面に配設され，第１の方向および第２の方向について，前記分割用光学素子１６０によって偏向された角度と同角度逆方向に偏向する平行化用光学素子１６１と，
前記平行化用光学素子１６１の前面に配設され，各列内のレーザビーム群を区分し，区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位として，そのレーザビーム単位の断面の軸をほぼ直角に曲げる光学素子５１を並列して備え，前記平行化用光学素子１６１から出射したレーザビーム群を受光して前記光学素子５１毎に該レーザビーム単位の断面の軸を旋回して，前記区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位とした前記第１の方向に延びる実質的な梯子状レーザビーム群として放射するビーム変換器５０と，
前記ビーム変換器５０の前面に配設され，前記第１の方向に圧縮されたレーザビーム群に変換して放射する第２のビーム圧縮器１１０，１１１と，
前記第２のビーム圧縮器１１０，１１１の前面に配設され，前記第１の方向のビーム発散角と前記第２の方向の発散角を近づけるためのシリンドリカルレンズ群６０と，
前記レーザビーム群を集光させる集光レンズ７０と，
前記集光レンズの焦点面に端面を有する光ファイバ１７１を備えることを特徴とする，半導体レーザ装置が提供される。

この半導体レーザ装置は，前記平行化用光学素子１６１と前記ビーム変換器５０との間に配設され，前記第２の方向に屈折させてコリメートして放射する光学素子１５５を備えていても良い。この場合，前記コリメート光学素子１５５は，例えばシリンドリカルレンズである。

前記第１又は第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１は，例えば一方向のみに曲率を持つレンズによるテレスコープである。また，前記第１又は第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１は，例えば一方向のみに曲率を持つミラーによるテレスコープである。前記第１又は第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１は，例えばアナモルフィックプリズムまたはアナモルフィックプリズム対である。

前記ビーム変換器５０は，例えば，光軸に垂直な断面が第１の軸を有する入射光線を受光するための受光部と，前記光線断面の第１の軸をほぼ直角に旋回させる光学系と，旋回させる光学系を通過した出射光線を出射する出射部とを備える複合光学素子を，該複合光学素子がレーザビームの光軸上に，該各複合光学素子の受光部と出射部とをそれぞれ同一面上に隣接させて配列した構成である。その場合，前記光学素子は，例えば，反射面で画定された形状であって，鉛直でかつ入射光線に対してほぼ４５゜傾いた前記第１の反射面と，入射光線に対し平行で水平面に対してほぼ４５゜傾いた前記第２の反射面と，入射光線に平行な鉛直面に対し垂直でかつ前記第１の反射面と第２の反射面との交線と平行で水平面に対してはほぼ４５゜傾いた前記第３の反射面とを供する形状である。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，第１の全反射面と第２の全反射面と第３の全反射面と入射面と出射面と接合面とからなる複数のプリズムで構成され，かつ，それら複数のプリズムは，第１，第２，第３の全反射面が互いに交差角６０゜で交わり，互いに平行な入射面と出射面とが第２の全反射面と直交し，第１および第３の全反射面に対してほぼ４５゜傾き，接合面が第２の全反射面と平行なプリズムであり，前記ビーム変換器５０は，それら複数のプリズム第３の全反射面と入射面と出射面とをそれぞれ同一面上に隣接させて隣り合うプリズムの接合面と第２の全反射面とを接合した１次元アレイに構成される。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，互いに平行な第１及び第２の平面と，前記第１の平面と１３５゜の挟角をもって交わる第３の平面と，前記第１の平面に対してｔａｎ^−１（１／√２）の角度で交差する方向に，その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０゜をなす山と谷とが交互に（洗濯板状に）連続形成された周期的屈曲面からなり，かつ，各稜線並びに各谷線が前記第３の平面と平行な第４の面を有し，前記第１の平面を入射面とし，前記第２の平面を出射面とし，前記第４の面を構成する屈曲面のうち前記第１の平面と４５゜の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし，他の面を第２の反射面とし，前記第３の平面を第３の反射面とした光学ガラス体をさらに並列した１次元アレイとして構成される。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，入射光軸に垂直な平面と１３５°の挟角をもって交わる第１の平面と前記入射光軸に垂直な平面に対してｔａｎ^−１（１√２）の角度で交差する方向に，その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０°をなす山と谷とが交互に（洗濯板状に）連続形成された周期的屈曲面からなり，かつ，各稜線並びに各谷線が前記第１の平面と平行な第２の面を有し，前記第１の平面および第２の面には鏡面処理が施され，前記第２の面を構成する屈曲面のうち前記入射光軸に垂直な平面と４５°の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし，他の面を第２の反射面とし，前記第１の平面を第３の反射面としたミラー構造体をさらに並列した１次元アレイとして構成される。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，軸をほぼ４５゜傾けた凸型のシリンドリカルレンズの対を対向配置したものを複数配列した１次元アレイとして構成される。この場合，前記シリンドリカルレンズの対において，出射側レンズの曲率半径が，入射側レンズの曲率半径より小さくなっていても良い。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，側面の両端に凸型のレンズ部分を有するシリンドリカルレンズを複数，入射光線に対してほぼ４５゜傾けて接合させた１次元アレイとして構成される。この場合，前記凸型レンズにおいて，出射側レンズの曲率半径が，入射側レンズの曲率半径より小さくなっていても良い。また，前記ビーム変換器５０は，例えば，断面が長方形をなす光学ガラス製角柱の入射面と出射面とに同じ方向にほぼ４５゜傾いた円柱状表面を複数形成し，各円柱表面に入射した入射光線の断面がほぼ９０゜旋回して出射するように構成される。この場合，前記円柱状表面において，出射側表面の曲率半径が，入射側表面の曲率半径より小さくなっていても良い。また，前記光学素子は，例えば，断面が台形をなすダブプリズムであり，該光学素子を複数，ほぼ４５°傾けて配設したものである。また，前記光学素子は，例えば，回折により中心軸に垂直な方向にのみパワーが変化する２つの光学要素を複数対向させ，中心軸をほぼ４５°傾けて配設したものである。

前記スタックアレイレーザダイオード１０を少なくとも２基備え，かつ，各スタックアレイレーザダイオード１０の前面に，レーザビーム群を各列毎に前記第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器２０をそれぞれ配設し，少なくとも１の集光器２０の前面に，他の少なくとも１の集光器から出射されたレーザビーム群を結合する結合光学素子を備えていても良い。また，前記スタックアレイレーザダイオードを少なくとも２基備え，かつ，前記集光レンズの後面に，該集光レンズに入射する少なくとも２つのレーザビーム群を結合する結合光学素子を備えていても良い。また，前記第１の集光器２０を前面に備えるスタックアレイレーザダイオード１０を少なくとも３基備え，前記第１の集光器２０の前面に，少なくとも２つのレーザビーム群を結合する少なくとも１の結合光学素子を備え，かつ／または，前記集光レンズ７０の後面に，該集光レンズに入射する少なくとも２つのレーザビーム群を結合する少なくとも１の結合光学素子を備えていても良い。この場合，前記結合光学素子は例えば偏光素子である。また，前記結合光学素子は，例えばダイクロイックミラーである。また，前記結合光学素子は，例えば前記スタックアレイレーザダイオード１０のスタックピッチと同じピッチで配置したミラーからなる。

本発明によれば，スタックアレイＬＤを用いた半導体レーザ装置において，レーザビームを通常の光ファイバに導波できるようになり，高出力レーザの産業応用として主要な部分を占めるレーザ加工や医療用目的に汎用的にスタックアレイＬＤを利用できるようになる。

以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。図１は，本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の概略図である。この半導体レーザ装置の光源となるスタックアレイＬＤ１０は，速軸と遅軸とでレーザビームの形状および発散角が異なり，特に遅軸側が集光しにくい。そのため，光学素子を用いて点状集光を可能としているが，最終の集光レンズ７０にて得られる焦点位置での集光角が大きくなる為，通常の光ファイバでは伝送できないということは上に述べた。そこで，新規な光学素子対１６０，１６１を用いて集光系内でのビーム径を規制することにより，集光レンズ７０による焦点位置での集光角を適切な値とし，光ファイバ１７１で導波可能とする。

スタックアレイＬＤ１０は，幅約１０ｍｍの間にレーザビームを出射する１０個から１００個の活性層ストライプ（エミッタ）１を一列に配列したリニアアレイレーザダイオード２を，図２のように平行に積み重ね，高さ２０ｍｍ〜４０ｍｍとしたものである。

各活性層ストライプ１の断面は，例えば図３に示す通り，幅３が１００〜２００μｍ，厚み４が１μｍ以下である。スタックアレイＬＤ１０は，レーザビームを出射する第一の方向（図示の例では水平方向）に長い活性層ストライプ１が，該第１の方向及びそれに直交する第２の方向（図示の例では垂直方向）に２次元アレイ状に複数個配設され，複数列に配列したレーザビーム群を出射するように構成されている。各活性層ストライプ１の端面から出射されるレーザビームは，速軸方向（第２の方向）の放射角φが４０°〜５０°，遅軸方向（第１の方向）の放射角θが約１０°である。

図１に示すように，スタックアレイＬＤの前面には，スタックアレイＬＤ１０から出射されたレーザビーム群を各列毎に前記第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器である第１のシリンドリカルレンズアレイ２０が配設される。第１のシリンドリカルレンズアレイ２０は，第１の方向には等しい光学的厚みを有して，光はほぼ直進するため，レーザビームの遅軸成分の放射角は，各活性層ストライプ１の放射角約１０°と変わらない。

第１のシリンドリカルレンズアレイ２０の前面には，レーザビーム群を受光して，第２の方向の光軸間隔が短縮されたレーザビーム群に変換して放射する第１のビーム圧縮器１１２，１１３が配設される。この第１のビーム圧縮器１１２，１１３により，第２の方向の光軸間隔を圧縮し，擬似的に１つのスタックとして扱えるレーザビームとする。

第１のビーム圧縮器１１２，１１３の前面には，レーザビーム群を第１の方向に複数に分割し，第１の方向については分割された各レーザビーム群を互いに重なる方向に偏向させ，第２の方向については，該各レーザビーム群が互いに分離する方向に偏向させ分割用光学素子１６０が配設される。

分割用光学素子１６０の前面には，第１の方向および第２の方向について，分割用光学素子１６０によって偏向された角度と同角度逆方向に偏向する平行化用光学素子１６１が配設される。また，平行化用光学素子１６１と次に説明するビーム変換器５０との間には，第２の方向に屈折させてコリメートして放射する光学素子１５５を備えている。分割用光学素子１６０によって偏向された各レーザビーム群は，遅軸方向（第１の方向）および速軸方向（第２の方向）それぞれについて，分割用光学素子１６０によって偏向された角度と同角度だけ，平行化用光学素子１６１で逆方向に偏向されて互いに平行なレーザビーム群に補正される。その際，レーザビーム群全体の遅軸方向の径を，分割用の光学素子１６０へ入射するときよりも縮小するように各光学素子１６０，１６１を配設する。図１の例では，分割用光学素子１６０および平行化用光学素子１６１として，３面を持つ傾斜プリズムをそれぞれ用いており，遅軸方向径を３ＡからＡ（約１／３）にし，速軸方向径をＢから３Ｂ（約３倍）にしている。

この際のレーザビームの挙動を上面図（図４），側面図（図５）に分けて説明する。分割用光学素子１６０は，図４に示すように出射側に３つの面を持つプリズムであり，入射したビームの遅軸方向をほぼ等しく３つに（Ａずつに）分割し，各々が重なる方向に偏向させる。平行化用光学素子１６１は，分割用光学素子１６０により偏向された角度を再度平行化させる為，各々の偏向されたレーザビームに対し逆向きの頂角を持つプリズムとなっている。また同時に，分割用光学素子１６０は図５のように速軸方向には分割されたレーザビームを互いに（３Ｂに）分離させるようにプリズム面が設計されており，平行化用光学素子１６１ではやはり平行化の為，逆向きの頂角を持つプリズムとなっている。

その結果，平行化用光学素子１６１出射後は，分割光学系１６０入射前に対し遅軸方向のビーム径が約１／３（約Ａ），速軸方向の径が約３倍（約３Ｂ）のレーザビームとなる。この際の速軸方向のビーム径増加の補償として速軸方向に屈折させコリメートする光学素子１５５を透過させるのが望ましい。図１では，光学素子１５５の例としてシリンドリカルレンズを挙げているが，その他の非円柱面等の光学素子でも実現可能である。

平行化用光学素子１６１および光学素子１５５の前面には，ビーム変換器５０が配設される。ビーム変換器５０は，各列内のレーザビーム群を区分し，区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位として，そのレーザビーム単位の断面の軸をほぼ直角に曲げる光学素子５１を並列して備えている。ビーム変換器５０では，平行化用光学素子１６１から出射したレーザビーム群を受光して各光学素子５１毎にレーザビーム単位の断面の軸を旋回し，区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位とした第１の方向に延びる実質的な梯子状レーザビーム群として放射させる。光学素子１５５を出射したレーザビーム群は，ビーム変換器５０によって，遅軸方向に小径な複数のビーム群に分割される。その後，各々のレーザビームがビーム進行方向を軸として略９０度回転される。このビーム変換器５０より出射したレーザビームの遅軸方向ビーム径は，平行化用光学素子１６１を出射した時とほぼ同程度（スタックアレイＬＤ１０の遅軸幅の約１／３）であり，スタックアレイＬＤ１０の速軸成分を含んでいる。

ビーム変換器５０の前面には，第１の方向に圧縮されたレーザビーム群に変換して放射する第２のビーム圧縮器１１０，１１１が配設される。また，第２のビーム圧縮器１１０，１１１の前面には，第１の方向のビーム発散角と第２の方向の発散角を近づけるためのシリンドリカルレンズ群６０が配設される。更に，シリンドリカルレンズ群６０の前面には，レーザビーム群を集光させる集光レンズ７０が配設される。また，この集光レンズ７０の焦点面に端面を有する光ファイバ１７１を備えている。

前述のようにビーム変換器５０で略９０度回転させたレーザビームの遅軸方向ビーム径（速軸成分を含む）を，第２のビーム圧縮器１１０，１１１で圧縮して各ビーム間隔を縮めた後，遅軸方向ビーム径，速軸方向ビーム径の発散角調整を行う為のシリンドリカルレンズ群６０を経て最終集光レンズ７０にてレーザビーム群を集光する。そして，集光レンズ７０の焦点位置に端面を設置した光ファイバ１７１にレーザビームが入射され，光ファイバ１７１を通ってレーザービームが伝送される。この半導体レーザ装置によれば，最終集光レンズ７０での遅軸方向ビーム径（速軸成分を含む）は従来の約１／３となり，焦点位置における集光角の半分の角度αの正弦値は，通常のレーザビーム伝送用の光ファイバが許容するＮＡ（＝０．２程度）以下となり，レーザビーム群を光ファイバのＮＡで決まる角度よりも低入射角で光ファイバに入射させることができるようになる。このため，レーザビームを通常の光ファイバで導波できるようになり，高出力レーザの産業応用として主要な部分を占めるレーザ加工や医療用目的に汎用的にスタックアレイＬＤを利用することが可能となる。

以上，本発明の好ましい実施の形態を例示したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。図１では，第１，第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１として，シリンドリカルレンズで構成したテレスコープを図示したが，図６に示すように，第１，第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１として，放物面鏡で構成したテレスコープを用いても良い。もちろんテレスコープはケプラー型でもガリレオ型でも良い。また，図７に示すように，第１，第２のビーム圧縮器１１２，１１３，１１０，１１１として，アナモルフィックプリズムまたはアナモルフィックプリズム対を用いても良い。

また，ビーム変換器５０においてレーザビームを分割・回転させる光学素子５１は，例えば米国特許第５５１３２０１号公報に示されているとおり，種々な原理に基づいて形成することができる。まず，３回の反射による捻転に基づくものである。これは，３個の直角プリズム５１ａ，５１ｂ，５１ｃを想定すると考えやすい。つまり，図８に示すように，３個の直角プリズム５１ａ，５１ｂ，５１ｃを組み合せる。第１の直角プリズム５１ａに横向きの扁平なレーザビームを入射すると，第１，第２，第３のプリズム５１ａ，５１ｂ，５１ｃ内での３回の全反射により９０°捻れた縦向きの扁平なレーザビームとなって，第３の直角プリズム５１ｃから出射する。

３個の直角プリズムで果たせる機能を，図９のような１個のプリズム素子で構成した斜角柱の形状をした光学素子５１で行うこともできる。このような光学素子５１を，図１０に示すように１次元アレイに配列したビーム変換器５０によれば，破線状に直列した配列のレーザビームを入射して，梯子状に並列した配列のレーザビームに変換して出射することができる。このようなビーム変換器５０（プリズムアレイ）は，１枚のガラス基板から，図１１に示すビーム変換器５０のようにモノリシックに形成することもできる。

図１４は，シリンドリカルレンズ対を用い，その軸を速軸方向に対して４５°傾けて並列配置させる機能をもたせるように構成した，一体の光学ガラス製角柱から形成されるビーム変換器５０を示している。このビーム変換器５０では，入射面に水平に入射した扁平な光線は，４５°傾いたシリンドリカルレンズで，入射位置により異なる屈折力を受けて扁平軸が旋回し，さらに，出射面から４５°傾いたシリンドリカルレンズで扁平軸が，合計ほぼ９０°旋回して出射面から出射する。その結果，このビーム変換器５０の前後では，レーザビームは図１３のようになる。

本発明はシリンドリカルレンズアレイからなるビーム変換器５０を用い得るが，シリンドリカルレンズアレイからなるビーム変換器５０に，発散角を有するレーザビームが入射した場合，図１４に示すように，ビーム出射側の隣接要素にはみ出す成分（図中の逸脱成分）が発生し，ゴーストを生じることがある。その結果，レーザビームの伝送効率が低下する。

入射ビームの発散角に起因するゴーストを低減するためには，変換器に，発散角を調整する機能を持たせる必要がある。そこで，，図１５に示すように，ビーム出射側のシリンドリカルレンズの曲率半径を，ビーム入射側のシリンドリカルレンズの曲率半径より小さくすると良い。このことにより，ビーム出射側のビームサイズを小さくし，レーザビームが出射側の隣接要素にはみ出す成分（逸脱成分）をなくし，ゴーストの発生を抑制することができる。

ただし，Ｒ２／Ｒ１＜１であると，レーザビームは９０°回りきれないが，これは，シリンドリカルレンズを傾けて配置することにより解決することができる。同様の作用は，シリンドリカルレンズを用いる以外にバイナリオプティックス素子や連続的な屈折率変化を与えた光学素子等でも構成可能である。

本発明の半導体レーザ装置は，単一スタックアレイＬＤ１０を備えても良いし，複数のスタックアレイＬＤ１０を備えていても良い。現在，市販のスタックアレイＬＤの出力は，１スタック当たり５０Ｗ程度である。そして，スタック段数は，組み付け精度により，２０段程度に制約されてしまうので，１台当たりの出力は，最大で１ｋＷ程度である。しかし，金属加工への応用を考えれば，より大きな出力が必要である。

そこで，少なくとも２台以上のスタックアレイＬＤ１０から出射されたレーザビーム群を結合することにより，出力を増大することができる。この方法としては偏光を用いた結合，波長を用いた結合，空間重ね合わせ結合が考えられる。また，結合の位置としては第１のシリンドリカルレンズアレイ２０の前面，又はシリンドリカルレンズ群６０の前面（即ち，集光レンズ７０の後面）が考えられる。

図１６は，複数のスタックアレイＬＤ１０から放射されたレーザビーム群を結合する素子として偏光素子を用いる例の説明図である。一方のスタックアレイＬＤ１０ｂから出射するレーザビームをλ／２板９２に通し，それを，偏光素子（偏光ビームスプリッタ）９１を介して，他方のスタックアレイＬＤ１０ａから出射するレーザビームと結合するものである。

図１７は，複数のスタックアレイＬＤ１０から放射されたレーザビーム群を結合する素子として波長選択素子を用いる例の説明図である。この場合，スタックアレイＬＤ１０ａの波長をλ１，他方のスタックアレイＬＤ１０ｂの波長はλ１と異なる波長λ２であるとする。波長選択素子９３はλ２に対しては反射し，他方λ１に対しては透過となる一般にダイクロイックミラー呼ばれる光学素子である。このためスタックアレイＬＤ１０ｂから出射されたレーザビームは光学素子９３で反射され，波長選択素子９３を透過するスタックアレイＬＤ１０ａから出射されたレーザビームと結合する。

図１８は，複数のスタックアレイＬＤ１０から放射されたレーザビーム群を空間重ね合わせ結合させる例の説明図（側面図（ａ）と平面図（ｂ））である。スタックアレイＬＤ１０ｂのレーザビームは光学素子９４によって反射され，スタックアレイＬＤ１０ａのレーザビームはスタックピッチと同じピッチで透過窓を形成したミラー（光学素子９４）を透過してスタックアレイＬＤ１０ｂのレーザビームと結合するものである。この際，光学素子９４としては透過窓を持つ一体のミラー以外に分割されたミラー又はプリズムを積層することによっても構成可能である。

本発明の半導体レーザ装置は，例えばレーザ加工や医療用目的などに利用される。

シリンドリカルレンズテレスコープを圧縮器に用いた本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の概略図である。 レーザビームの指向性を説明するスタックアレイＬＤの斜視図である。 スタックアレイＬＤを構成するリニアアレイレーザダイオードの斜視図である。 レーザビームの挙動を説明するための分割用光学素子と平行化用光学素子の上面図である。 レーザビームの挙動を説明するための分割用光学素子と平行化用光学素子の側面図である。 第１，第２のビーム圧縮器として，パラボリックミラーテレスコープを用いた本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の概略図である。 第１，第２のビーム圧縮器として，２個のアナモルフィックプリズムからなるアナモルフィックプリズム対を用いた本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置の概略図である。 ３回の反射によるビーム変換の原理を，３個の直角プリズムを用いて説明した図面である。 ３個の直角プリズムで果たせる機能を，１個のプリズム素子で構成した斜角柱の形状をした光学素子の斜視図であり，ビーム変換を示している。 図９の光学素子を並列配置して得られるビーム変換器と，それによるビーム変換を示す斜視図である。 図１０のビーム変換器と等価の一体的なビーム変換器と，それによるビーム変換を示す斜視図である。 光学ガラスのブロックから作製したビーム変換器と，それによるビーム変換を示す斜視図である。 本発明の実施例における，ビーム変換器前後のビーム形状の説明図である。 ビーム出射側の隣接要素にはみ出す成分（逸脱成分）が発生することを示す説明図である。 ビーム出射側のシリンドリカルレンズの曲率半径を，ビーム入射側のシリンドリカルレンズの曲率半径より小さくしたビーム変換器を示す説明図である。 偏光素子を用いて，２つのレーザビームを結合する態様を示す説明図である。 波長選択素子を用いて，２つのレーザビームを結合する態様を示す説明図である。 スタックアレイレーザダイオードのスタックピッチと同じピッチで透過窓を配したミラーを用いて，２つのレーザビームを結合する態様を示す説明図（側面図（ａ）と平面図（ｂ））である。 従来技術にかかる半導体レーザ装置の概略図である。

符号の説明

１ 活性層ストライプ（エミッタ）
２ リニアアレイレーザダイオード
３ 活性層ストライプの幅
４ 活性層ストライプの厚み
１０，１０ａ，１０ｂ スタックアレイＬＤ
２０ 第１のシリンドリカルレンズアレイ（第１の集光器）
５０ ビーム変換器
５１ 光学素子
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ 直角プリズム
６０ シリンドリカルレンズ群
７０ 集光レンズ
９１ 偏光素子（偏光ビームスプリッタ）
９２ λ／２板
９３ 波長選択素子（ダイクロイックミラー）
９４ 光学素子（結合ミラー）
１１０，１１１ 第２のビーム圧縮器
１１２，１１３ 第１のビーム圧縮器
１５５ 光学素子（コリメート光学素子）
１６０ 分割用光学素子
１６１ 平行化用光学素子
１７１ 光ファイバ

Claims (25)

1. レーザビームを出射する第一の方向に長いエミッタが，該第１の方向及びそれに直交する第２の方向に２次元アレイ状に複数個配設されて，複数列配列したレーザビーム群を放射する単一または複数のスタックアレイレーザダイオードと，
   前記スタックアレイレーザダイオードの前面に配設され，前記レーザビーム群を各列毎に前記第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器と，
   前記第１の集光器の前面に配設され，前記第２の方向にコリメートされたレーザビーム群を受光して，前記第２の方向の光軸間隔が短縮されたレーザビーム群に変換して放射する第１のビーム圧縮器と，
   前記第１のビーム圧縮器の前面に配設され，レーザビーム群を第１の方向に複数に分割し，第１の方向については分割された各ビーム群が互いに重なる方向に偏向し，第２の方向については，該各ビーム群が互いに分離する方向に偏向する分割用光学素子と，
   前記分割用光学素子の前面に配設され，第１の方向および第２の方向について，前記分割用光学素子によって偏向された角度と同角度逆方向に偏向する平行化用光学素子と，
   前記平行化用光学素子の前面に配設され，各列内のレーザビーム群を区分し，区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位として，そのレーザビーム単位の断面の軸をほぼ直角に曲げる光学素子を並列して備え，前記平行化用光学素子から出射したレーザビーム群を受光して前記光学素子毎に該レーザビーム単位の断面の軸を旋回して，前記区分された複数のレーザビームのそれぞれを単位とした前記第１の方向に延びる実質的な梯子状レーザビーム群として放射するビーム変換器と，
   前記ビーム変換器の前面に配設され，前記第１の方向に圧縮されたレーザビーム群に変換して放射する第２のビーム圧縮器と，
   前記第２のビーム圧縮器の前面に配設され，前記第１の方向のビーム発散角と前記第２の方向の発散角を近づけるためのシリンドリカルレンズ群と，
   前記レーザビーム群を集光させる集光レンズと，
   前記集光レンズの焦点面に端面を有する光ファイバを備えることを特徴とする，半導体レーザ装置。
2. 前記平行化用光学素子と前記ビーム変換器との間に配設され，前記第２の方向に屈折させてコリメートして放射する光学素子を備えることを特徴とする，請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記コリメート光学素子が，シリンドリカルレンズであることを特徴とする，請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記第１又は第２のビーム圧縮器が，一方向のみに曲率を持つレンズによるテレスコープであることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第１又は第２のビーム圧縮器が，一方向のみに曲率を持つミラーによるテレスコープであることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
6. 前記第１又は第２のビーム圧縮器が，アナモルフィックプリズムまたはアナモルフィックプリズム対であることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
7. 前記ビーム変換器が，光軸に垂直な断面が第１の軸を有する入射光線を受光するための受光部と，前記光線断面の第１の軸をほぼ直角に旋回させる光学系と，旋回させる光学系を通過した出射光線を出射する出射部とを備える複合光学素子を，該複合光学素子がレーザビームの光軸上に，該各複合光学素子の受光部と出射部とをそれぞれ同一面上に隣接させて配列した構成であることを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
8. 前記複合光学素子は，反射面で画定された形状であって，鉛直でかつ入射光線に対してほぼ４５゜傾いた前記第１の反射面と，入射光線に対し平行で水平面に対してほぼ４５゜傾いた前記第２の反射面と，入射光線に平行な鉛直面に対し垂直でかつ前記第１の反射面と第２の反射面との交線と平行で水平面に対してはほぼ４５゜傾いた前記第３の反射面とを供する形状であることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記ビーム変換器は，例えば，第１の全反射面と第２の全反射面と第３の全反射面と入射面と出射面と接合面とからなる複数のプリズムで構成され，かつ，それら複数のプリズムは，第１，第２，第３の全反射面が互いに交差角６０゜で交わり，互いに平行な入射面と出射面とが第２の全反射面と直交し，第１および第３の全反射面に対してほぼ４５゜傾き，接合面が第２の全反射面と平行なプリズムであり，前記ビーム変換器は，それら複数のプリズム第３の全反射面と入射面と出射面とをそれぞれ同一面上に隣接させて隣り合うプリズムの接合面と第２の全反射面とを接合した１次元アレイに構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記ビーム変換器が，互いに平行な第１及び第２の平面と，前記第１の平面と１３５゜の挟角をもって交わる第３の平面と，前記第１の平面に対してｔａｎ^−１（１／√２）の角度で交差する方向に，その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０゜をなす山と谷とが交互に連続形成された周期的屈曲面からなり，かつ，各稜線並びに各谷線が前記第３の平面と平行な第４の面を有し，前記第１の平面を入射面とし，前記第２の平面を出射面とし，前記第４の面を構成する屈曲面のうち前記第１の平面と４５゜の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし，他の面を第２の反射面とし，前記第３の平面を第３の反射面とした光学ガラス体をさらに並列した１次元アレイとして構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
11. 前記ビーム変換器が，入射光軸に垂直な平面と１３５°の挟角をもって交わる第１の平面と前記入射光軸に垂直な平面に対してｔａｎ^−１（１√２）の角度で交差する方向に，その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０°をなす山と谷とが交互に連続形成された周期的屈曲面からなり，かつ，各稜線並びに各谷線が前記第１の平面と平行な第２の面を有し，前記第１の平面および第２の面には鏡面処理が施され，前記第２の面を構成する屈曲面のうち前記入射光軸に垂直な平面と４５°の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし，他の面を第２の反射面とし，前記第１の平面を第３の反射面としたミラー構造体をさらに並列した１次元アレイとして構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
12. 前記ビーム変換器が，軸をほぼ４５゜傾けた凸型のシリンドリカルレンズの対を対向配置したものを複数配列したものの１次元アレイとして構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
13. 前記シリンドリカルレンズの対において，出射側レンズの曲率半径が，入射側レンズの曲率半径より小さいことを特徴とする，請求項１２に記載の半導体レーザ装置。
14. 前記ビーム変換器が，側面の両端に凸型のレンズ部分を有するシリンドリカルレンズを複数，入射光線に対してほぼ４５゜傾けて接合させたものの１次元アレイとして構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
15. 前記凸型レンズにおいて，出射側レンズの曲率半径が，入射側レンズの曲率半径より小さいことを特徴とする，請求項１４に記載の半導体レーザ装置。
16. 前記ビーム変換器が，断面が長方形をなす光学ガラス製角柱の入射面と出射面とに同じ方向にほぼ４５゜傾いた円柱状表面を複数形成し，各円柱表面に入射した入射光線の断面がほぼ９０゜旋回して出射するように構成されることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
17. 前記円柱状表面において，出射側表面の曲率半径が，入射側表面の曲率半径より小さいことを特徴とする，請求項１６に記載の半導体レーザ装置。
18. 前記光学素子が，断面が台形をなすダブプリズムであり，該光学素子を複数，ほぼ４５°傾けて配設したものであることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
19. 前記光学素子が，回折により中心軸に垂直な方向にのみパワーが変化する２つの光学要素を複数対向させ，中心軸をほぼ４５°傾けて配設したものであることを特徴とする，請求項７に記載の半導体レーザ装置。
20. 前記スタックアレイレーザダイオードを少なくとも２基備え，かつ，各スタックアレイレーザダイオードの前面に，レーザビーム群を各列毎に前記第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器をそれぞれ配設し，少なくとも１の集光器の前面に，他の少なくとも１の集光器から出射されたレーザビーム群を結合する結合光学素子を備えることを特徴とする，請求項１〜１９のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
21. スタックアレイレーザダイオードを少なくとも２基備え，かつ，前記集光レンズの後面に，該集光レンズに入射する少なくとも２つのレーザビーム群を結合する結合光学素子を備えることを特徴とする，請求項１〜１９のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
22. 前記第１の集光器を前面に備えるスタックアレイレーザダイオードを少なくとも３基備え，前記第１の集光器の前面に，少なくとも２つのレーザビーム群を結合する少なくとも１の結合光学素子を備え，かつ／または，前記集光レンズの後面に，該集光レンズに入射する少なくとも２つのレーザビーム群を結合する少なくとも１の結合光学素子を備えることを特徴とする，請求項１〜１９のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
23. 前記結合光学素子が偏光素子であることを特徴とする，請求項２０〜２２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
24. 前記結合光学素子が，ダイクロイックミラーであることを特徴とする，請求項２０〜２２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
25. 前記結合光学素子が，前記スタックアレイレーザダイオードのスタックピッチと同じピッチで配置したミラーからなることを特徴とする，請求項２０〜２２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。

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