JP2007017925A - 合波レーザ光源 - Google Patents
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Abstract
【課題】 低コストで高輝度の合波レーザ光源を得る。
【解決手段】 発光素子が個別に気密封止された複数の半導体レーザLD1〜LD4と、複数の半導体レーザLD1〜LD4から出射した複数のビームをそれぞれ平行光化するコリメートレンズC1〜C4と、複数のビームを集光合波する集光レンズ20からなる集光光学系とを備えた合波レーザ光源において、偏向部材P1〜P3により、複数のビームのうち、集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームを光軸の方向に偏向して集光光学系に入射させて、集光光学系により集光されたビームをファイバ30に入射させて合波する。
【選択図】 図1
【解決手段】 発光素子が個別に気密封止された複数の半導体レーザLD1〜LD4と、複数の半導体レーザLD1〜LD4から出射した複数のビームをそれぞれ平行光化するコリメートレンズC1〜C4と、複数のビームを集光合波する集光レンズ20からなる集光光学系とを備えた合波レーザ光源において、偏向部材P1〜P3により、複数のビームのうち、集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームを光軸の方向に偏向して集光光学系に入射させて、集光光学系により集光されたビームをファイバ30に入射させて合波する。
【選択図】 図1
Description
本発明は合波レーザ光源に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザから発せられたビームを集光光学系を利用して合波する合波レーザ光源に関するものである。
従来、露光装置等に使用可能な高出力のレーザ光源として、複数のレーザ光源から出射したビームを集光光学系を用いて集光合波する合波レーザ光源が知られている。この光源は、図25に示すように、ヒートブロック10上に1列に配列固定された7個のチップ状態の半導体レーザL1、L2、L3、L4、L5、L6およびL7から出射したビームB1、B2、B3、B4、B5、B6およびB7を、それぞれコリメートレンズ11、12、13、14、15、16および17によって平行光化し、その後、集光レンズ21により集光してファイバ30のコア30aの入射端面上で合波するように構成したものである(特許文献1参照)。
また、その他の構成としては、ヒートブロック上に複数のチップ状態の半導体レーザを共通の円周上となるように配設し、これらの半導体レーザから出射したビームを、コリメートレンズにより平行光化し、その後、集光レンズにより集光してファイバの入射端面上で合波するように構成した合波レーザ光源が知られている(特許文献2参照)。
上記のような合波レーザ光源が画像露光装置に適用される際には、露光時間の短縮のため、さらなる高輝度化が要求されるようになっている。
特開2002−202442号公報
特開2004−77779号公報
光源の高輝度化を進めるには、単位面積当りの光量を増大させればよく、そのためには、集光されたビームが入射するファイバのコア径を極力小さくする、または、合波する半導体レーザの数である合波本数を増加させるように構成すればよい。
半導体レーザが列設された上記光源において、合波本数を増やすためには、ファイバのNA(開口数)を大きくすることが考えられる。しかしながら、ファイバのNAを大きくすると、焦点深度が小さくなる。合波レーザ光源が搭載される画像露光装置では、装置側の公差を緩くするために焦点深度を大きくしたいという要望があるため、ファイバのNAを大きくすることはできない。
そこで、ファイバのNAを維持したまま合波本数を増やすには、集光レンズの焦点距離を長くすればよい。しかしながら、集光レンズの焦点距離を長くすると、光学倍率が大きくなる。半導体レーザの発光点は倍率分拡大されてファイバ端面に結像されるため、光学倍率が大きくなると、ファイバの集光位置における発光点の像の大きさが大きくなる。これは、ファイバのコア径を小さくしたいという上記高輝度化のための要求と相反することになり、好ましくない。
特に、シングルモードの半導体レーザは発光点が小さいが、発光幅の広いブロードの半導体レーザを適用する場合は、上記光学倍率は無視できない要素となってくる。
また、光学倍率が大きくなることにより、半導体レーザとコリメートレンズとの位置調整の精度がより厳密になる。位置調整が正しく行われずにファイバのコアからビームがはみ出した場合には光量損失となり、高輝度化を実現できない。さらに、この位置調整作業は合波本数分必要であり、厳しい調整精度は大きなコストアップの要因となる。
なお、上記の半導体レーザが列設された構成においては、高輝度化のために、半導体レーザ同士およびコリメートレンズ同士の間隔を極力小さくして高密度に配置することが有効である。しかし、あまりに高密度に配置すると、半導体レーザやコリメートレンズを実装するための空間を十分にとれず、構成部品や調整にとって大きな制約となり、部品コストや調整装置、調整工数にとって不利となり、コストアップにつながる。
上記調整工数低減のため、複数の半導体レーザや複数のコリメートレンズを一体化してアレイ状にした半導体レーザアレイやコリメートレンズアレイを作製し、これらの組み合わせで調整する方法が考案されている。しかし、チップ実装に伴う品質保証工数が付加されることに加え、一品一様のカスタム仕様となるために高精度実装機が高価になる上にその償却負担も大きく、コストダウンの効果はほとんど得られない。
さらに、従来のようにチップ状態の半導体レーザをヒートブロック上に多数配列する構成では、合波レーザ光源モジュール全体の封止が必要な上、多数のチップのうちの1つが不良となっても全体が不良品となるため、歩留まりが悪く、コストアップの要因となっていた。
チップ状態の半導体レーザの代わりに一般的な気密パッケージに実装された半導体レーザを用いれば、上記の封止や歩留まりの問題は解決されるが、このような半導体レーザはパッケージサイズが大きいため、各半導体レーザの発光点の間隔が広くなり、集光レンズの面内において単位面積当たりの光量が低下してしまう。また、そのような間隔が広い多数のビームを集光してファイバに入射させるには、ファイバのNAを大きくとることが必要となり、上記のファイバのNAを小さくする要望と相反してしまう。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、低コストで高輝度の合波レーザ光源を提供することを目的とする。
本発明による合波レーザ光源は、発光素子が個別に気密封止された複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射した複数のビームをそれぞれ平行光化するコリメートレンズと、前記複数のビームを集光合波する集光光学系とを備えた合波レーザ光源において、前記複数のビームのうち、前記集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームを前記光軸の方向に偏向して前記集光光学系に入射させる偏向部材を備えたことを特徴とするものである。
ここで、集光光学系に入射する前記複数のビームが互いに近接し、集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが略放射状、列状、行列状のいずれかに形成されていることが望ましい。
上記構成において、前記複数の半導体レーザのいくつかは、該半導体レーザから出射されるビームのビームスポットの長軸方向が異なるように配置され、前記偏向部材の位置および形状が、他の偏向部材により偏向されるビームを遮光しないように設定され、前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、略放射状に形成されているようにしてもよい。
または上記構成において、複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は互いに前記光軸の方向および/またはそれと直交する方向に偏位して配置されており、前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、行列状に形成されているようにしてもよい。
または上記構成において、複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は前記光軸を挟んで対向配置されており、前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが行列状に形成されているようにしてもよい。
あるいは上記構成において、複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は互いに前記光軸を挟んだ対向位置から前記光軸の方向および/またはそれと直交する方向に偏位して配置されており、前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが行列状に形成されているようにしてもよい。
なお、平行光化されたビームそれぞれの前記コリメートレンズから前記集光光学系までの光路長が等しいことが望ましい。また、偏向部材による偏向角は90度としてもよい。偏向部材としては、プリズムやミラー等を用いることができ、例えば45度の傾斜角を有する直角プリズムを採用してもよい。なお、上記の偏向角の90度および傾斜角の45度は、厳密なものではなく、実質的にその値となっていればよい。
そして、偏向部材は、該偏向部材が偏向するビーム以外のビームを遮光する率が、該ビームのピーク強度の1/e2における径の面積の20%以下であることが望ましい。
半導体レーザは、頂部に出射窓が配設された略円筒型のキャップにより前記発光素子が被包され、気密封止されたパッケージ構造を有することが望ましく、その発振波長が360nm〜490nmであることが望ましい。
上記構成の光源において、集光光学系により集光合波されたビームが入射されるファイバをさらに備え、前記ファイバのNAが0.3以下であることが望ましい。
なお、「ビームスポット」とは半導体レーザから出射されたビームの断面を意味し、「ビームパターン」とはある面内におけるビームスポットの配列の状態を意味する。半導体レーザは活性層に平行な方向と垂直な方向では出射光の広がり角度が異なるため、一般に、ビームスポットの形状は非対称となり、多くは楕円形となる。「ビームパターンが列状」または「ビームパターンが行列状」とは、複数のビームスポットがそれぞれの長軸方向あるいは短軸方向を揃えて配列された状態を意味し、「ビームパターンが略放射状」とは、複数のビームスポットがそれぞれの長軸方向が径方向となるように略放射状に配列された状態を意味する。
本発明による合波レーザ光源によれば、偏向部材を用いて、複数の半導体レーザから出射された複数のビームを、集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームも含めて、集光光学系に入射させているため、合波本数を増大させることが可能であり、高輝度化を実現できる。
集光光学系で集光したビームをファイバに入射させる際には、ファイバのNAや集光レンズの焦点深度を変更する必要はなく、従来同様に構成できる。よって、本発明による合波レーザ光源を画像露光装置に適用したときには、従来通り鮮鋭度の高い画像を露光可能であり、光学倍率も維持可能である。
本発明による合波レーザ光源では、発光素子であるチップを個別に気密封止した半導体レーザを用いており、例えば市販の標準品の半導体レーザを採用可能である。また、偏向部材により集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームも集光されるため、半導体レーザやコリメートレンズ等の実装における自由度も高く、例えば実装に必要な間隔を十分にとることができる。したがって、本発明の合波レーザ光源によれば、部品自体のコストを安価にできるだけでなく、既存の調芯装置により従来と同様の実装精度で実装できるので、製造コストも安価にすることができる。
また、従来の複数のチップ状態の素子を用いた光源では必要とされていたモジュール全体の封止構造や加工時の性能保証工数を削減できるため、大きなコストダウンを図ることができるとともに信頼性の高いモジュールを提供できる。特に、半導体レーザの発振波長が360nm〜490nmである場合には、特に大気汚染の影響を受けやすいため、発光素子が個別に気密封止された半導体レーザを用いる本発明を適用することは有効である。
さらに、従来の複数のチップ状態の素子を用いた光源では、複数のチップのうちの1つが劣化するとモジュール全体が不良となってしまうが、本発明の合波レーザ光源によれば、チップの1つが劣化した場合はその1つの半導体レーザを交換すればよいため、歩留まりを大きく向上させることができ、大幅なコストダウンを図ることができる。
上述したように本発明による合波レーザ光源によれば、高輝度化およびコストダウンの両方を実現することができる。
集光光学系に入射する複数のビームが互いに近接し、集光光学系内の光軸に垂直な面内における複数の半導体レーザのビームパターンが略放射状、列状、行列状のいずれかに形成されている場合には、高密度なビームパターンとなる。ビームパターンの設定によっては、集光光学系の利用効率を極限まで高めることができるため、単位面積当たりの光量を増大させることが可能であり、高輝度化を実現することができる。
複数の半導体レーザが、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、複数の半導体レーザ組を互いに光軸の方向および/またはそれと直交する方向に偏位した位置、または対向した位置に配置するように構成した場合は、2つ以上の半導体レーザを一括して組単位で配置できるため、実装が容易になりコストダウンに貢献できる。
平行光化されたビームそれぞれのコリメートレンズから集光光学系までの光路長を等しくしておけば、平行光の平行度が十分高くない場合でも、集光光学系内の光軸に垂直な面内において形成されるビームパターンの誤差を小さくすることができる。
偏向部材を45度の傾斜角を有する直角プリズムとした場合には、標準品を使用できるため、安価に構成できる。
集光光学系により集光合波されたビームが入射されるファイバをさらに備え、ファイバのNAが0.3以下である場合には、高精細な画像を露光する上で十分な焦点深度が確保され、鮮鋭度の高い画像を露光可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の第1の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図1、図2(A)、図2(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図2(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。図3は図2(a)のA−A線の位置から見た状態を示す部分正面図である。
なお、図1、図2(A)、図2(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向とし、図2(A)をy方向に垂直な面内の図、図2(B)をx方向に垂直な面内の図とする。
合波レーザ光源は、気密封止された4個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4に対して設けられたコリメートレンズC1、C2、C3、C4と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3に対して設けられた偏向部材P1、P2、P3と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
集光レンズ20の光軸に垂直な面内には、4つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4それぞれから出射されたビームにより、図1に示すような近接した4つの略楕円形状のビームスポットS1、S2、S3、S4からなるビームパターンBP1が形成されている。各ビームスポットS1、S2、S3、S4は、その長軸方向および中心位置が互いに異なり、互いに重なることなく近接している。
なお、図1においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図1および図2(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4は全て、発振波長が405nm、出力50mWであり、発光素子が個別に気密封止されたφ5.6mmのcan型のパッケージ構造を有する。このパッケージ構造は、図4に示すように、頂部に出射窓1が設けられた略円筒型のキャップ2により台座3上に固定された発光素子であるチップ4が被包され、キャップ2のフランジ部5がステム6とハーメチックシールされることにより気密封止されたものである。
一般に、半導体レーザのチップ4から出射されるビームBは、活性層に平行な方向では小さな広がり角、活性層に垂直な方向では大きな広がり角をもつため、図4に示すように、ビームBの断面であるビームスポットの形状は楕円形となる。
4つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4は、図1に示すパターンを形成可能なように、出射ビームの光軸周りの角度が互いに異なるように配置されており、図5(1)、(2)、(3)、(4)にそれぞれの向きを示す。なお、図5では、チップ4と台座3のみ示し、紙面に垂直な方向を出射ビームの方向としている。このような光軸周りの角度の回転は、既知の調整部材を用いてcan型パッケージのステム6を回転させて調整することで容易に可能である。
3つの半導体レーザLD1、LD2、LD3は、集光レンズ20の光軸から所定距離離れた位置にビームの出射方向がx方向に平行になるように、z方向に10mmの間隔をもって配置され、そのy方向の高さはそれぞれビームスポットS1、S2、S3の中心の高さと同じである。
本実施形態においては、3つの半導体レーザLD1、LD2、LD3のz方向の間隔は10mmであるが、これに限定するものではなく、半導体レーザおよびコリメートレンズの実装および調整作業が十分な値となるように間隔を決めることが望ましい。
半導体レーザLD4は、集光レンズ20との間に偏向部材P1、P2、P3を挟んだ位置に、集光レンズ20と対向してビームの出射方向がz方向となるように配置されており、そのy方向の高さはビームスポットS4の中心の高さと同じである。
コリメートレンズC1、C2、C3、C4は全て、焦点距離が3mm、光軸に垂直な面内の一方向の有効径が3.6mm、NAが0.6であり、それに垂直な方向の有効径が1.2mm、NAが0.2であり、非球面レンズにより構成してもよい。上記仕様は限定的なものではないが、半導体レーザの広がり角に合わせて設計され、開口率を十分とれる設計とすることが望ましい。
なお、図ではコリメートレンズの形状は概念的に示してある。コリメートレンズC1、C2、C3、C4はそれぞれ半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4の出射端近傍に配置され、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4から発散光状態で出射されたビームをそれぞれ平行光化する。
偏向部材P1、P2、P3は全て45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、等辺となる一辺は5mmであり、傾斜面である45度面には誘電体HR(高反射)コートを施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されている。
偏向部材P1、P2、P3は、半導体レーザから出射されたビームのうち、集光レンズ20の光軸と異なる方向に出射されたビームを光軸の方向に偏向して互いに近接させるためのものである。偏向部材P1、P2、P3はそれぞれ、半導体レーザLD1、LD2、LD3から出射されたx方向に平行なビームを、偏向角が90度となるようにz方向に偏向すべく、ビームスポットS1、S2、S3の中心を通りz方向に平行な直線上に、その反射面がz方向と45度の角度をなすように配置され、そのz方向の間隔は10mmである。
集光レンズ20は、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4から出射されたビームを集光する集光光学系の機能を果たし、例えば焦点距離が24mm、有効径がφ10mm、NAが0.2のものを採用できる。上記仕様は限定的なものではないが、集光レンズは、集光レンズ上のビームスポットがすべてレンズの有効径内に入るように、集光したビームを入射させるファイバのNAに合わせて焦点距離の値が設計され、光学倍率が出来る限り小さくなるような設計とすることが好ましい。
ファイバ30は、NAが0.3のマルチモードファイバである。ファイバ30としては、ステップインデックス型のもの、グレーデッドインデックス型のもの、およびそれらの複合型のものが全て適用可能である
上記構成を有する合波レーザ光源において、半導体レーザLD1、LD2、LD3からx方向に平行な方向に出射したビームはそれぞれコリメートレンズC1、C2、C3により平行光化された後、偏向部材P1、P2、P3により90度光路を偏向されてz方向に進行し、集光レンズ20に入射する。半導体レーザLD4からz方向に出射されたビームはコリメートレンズC4により平行光化された後、そのまま直進し、集光レンズ20に入射する。
上記構成を有する合波レーザ光源において、半導体レーザLD1、LD2、LD3からx方向に平行な方向に出射したビームはそれぞれコリメートレンズC1、C2、C3により平行光化された後、偏向部材P1、P2、P3により90度光路を偏向されてz方向に進行し、集光レンズ20に入射する。半導体レーザLD4からz方向に出射されたビームはコリメートレンズC4により平行光化された後、そのまま直進し、集光レンズ20に入射する。
半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4から出射されたビームは、集光レンズ20の光軸に垂直な面内において図1に示すような近接したビームスポットS1、S2、S3、S4からなるビームパターンBP1を形成し、集光レンズ20により集光されて、ファイバ30の入射端面で収束し、合波されて、ファイバ30を伝搬する。
本実施形態の合波レーザ光源によれば、φ5.6mmのパッケージに実装された半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4およびコリメートレンズC1、C2、C3、C4は容易に実装、調整できる間隔を保つとともに、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4からのビームを近接して集光レンズ20に入射させており、低コストで高輝度化を実現したものとなっている。
また、各半導体レーザは個々に気密封止されているため、その1つが劣化したとしても容易に交換可能である。従来の複数のチップ状態の素子を用いた光源では、複数のチップのうちの1つが劣化するとモジュール全体が不良となってしまうが、本実施形態の光源では、劣化した1つの半導体レーザを交換すればよいため、歩留まりを大幅に向上させることができる。
なお、上記構成において、半導体レーザとコリメートレンズをユニット化して、ユニットごとに交換可能にすれば、1つの半導体レーザが劣化した場合でも、そのユニットを交換すればよく、光源全体が不良になることはないため、歩留まりを向上させることができる。
ここで、各偏向部材は、図3に示すように、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置とするように決めることが望ましい。例えば、本実施形態では図3に示すように、偏向部材P1は、半導体レーザLD1からのビームは反射するが偏向部材P2で反射されたビームは遮光しないように、ビームスポットの向きに合わせてその上端が斜めに切断された形状となっている。また、偏向部材P2の高さは、半導体レーザLD2からのビームを反射可能な高さであり、半導体レーザLD4からのビームを遮光しない高さとなっている。
本実施形態のように、偏向部材として直角プリズムを用い90度の偏向角をもって偏向する場合には、図6(a)に示すように、前方のプリズムP5が後方のプリズムP6からのビームを遮ることないため、プリズムP5、P6で反射されたビームにより隣接する2つの楕円形状のビームスポットS5、S6を形成することが容易である。
一方、図6(b)に示すように、角部がナイフエッジ化されていない長方形のプリズムを用いて、図6(a)と同様に隣接する2つのビームスポットを形成しようとすると、前方のプリズムP7によるビームスポットS7は楕円形状となるが、プリズムP8によるビームスポットS8は、前方のプリズムP7の角部が後方のプリズムP8からのビームの一部を遮光するため、楕円の一部が欠けた形状となる。
このような遮光を防止するためには、遮光に関与するプリズムの角部をナイフエッジ化して、この角部を有効反射範囲とする。例えば、上記のように偏向角が90度の場合は、その1/2である45度以下に先端を加工しておけば、ビーム同士の間隔が狭くても遮光は発生せず、本実施形態においては標準的な5mm角のもので構成可能である。
なお、やむをえず偏向部材が、それ自身で反射するビーム以外のビームを遮光してしまう場合には、その遮光率が遮光されるビームのピーク強度の1/e2における径の面積の20%以下であることが望ましい。
実際に上記光源を作製する際の調整工程では、各部材を配置した後、半導体レーザのcan型パッケージをビームの光軸の周りに回転させてビームスポットの長軸方向を決定した後、各コリメートレンズをそれぞれビームの光軸方向に調整して平行光化し、ビームが偏向部材の有効範囲に入り、且つビームが遮光されることがないことを確認し、集光レンズ20の面上で所定のビームパターンBP1が形成され、最終的には4つのビームが集光レンズで1点に集まるように、各軸の方向を合わせるべくコリメートレンズxy位置を調整して固定する。この調整は偏向部材を調整することによって行ってもよい。
なお、半導体レーザから偏向部材までの距離、偏向部材から集光レンズまでの距離、出射ビームの光軸周りの角度、偏向部材による偏向角は任意に設定することができ、これにより、任意のビームパターンを形成可能である。以下、これらについて別の実施形態を用いて例示する。なお、以下の実施形態の説明および図面においては、第1の実施形態における要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
次に、本発明の第2の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図7、図8(A)、図8(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図8(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。なお、図7、図8(A)、図8(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向とし、図8(A)をy方向に垂直な面内の図、図8(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために各半導体に対してそれぞれ設けられた偏向部材P21、P22、P23、P24、P25、P26、P27、P28と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図7に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で近接した放射状のビームパターンBP2が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向が集光レンズ20の径方向に向かい、8つのビームスポットが周方向に配列されて菊の花状のビームパターンBP2を形成している。
各ビームスポットを上記のように配置させることにより、8つの略楕円形のビームスポットを用いてビームパターンを形成する場合において、ビームパターンBP2の中心からビームパターンBP2の周辺までの距離を最も短くすることができる。よって、一定のファイバ30のNAに対して、光学倍率をより小さく設計可能となる。
なお、図7においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図7および図8(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
半導体レーザLD5、LD6、LD7、LD8は第1の実施形態の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4と同様の構成を有するものであり、コリメートレンズC5、C6、C7、C8は第1の実施形態のコリメートレンズC1、C2、C3、C4と同様の構成を有するものである。
半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8は、その出射方向がx方向となるように集光レンズ20の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。また、各半導体レーザは、図7に示すビームパターンBP2を形成可能なように、出射ビームの光軸周りの角度を設定されて配置されており、そのいくつかは出射するビームのビームスポットの長軸方向が異なる。
偏向部材P21、P22、P23、P24、P25、P26、P27、P28は第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、傾斜面に誘電体HRコートが施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されているが、その反射面内に反射するビームのビームスポットが入る大きさとなっている。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P21、P22、P23、P24、P25、P26、P27、P28も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P21、P22、P23、P24、P25、P26、P27、P28は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ他の偏向部材により偏向されるビームを遮光しない形状、大きさ、配置となるよう設定されている。
なお、上記構成では、光軸の一側に半導体レーザを並列配置したが、これに限定するものではなく、光軸の一側および他側の両方に半導体レーザを配置するようにしてもよい。
次に、本発明の第3の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図9、図10(A)、図10(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図10(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。なお、図9、図10(A)、図10(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向とし、図10(A)をy方向に垂直な面内の図、図10(B)x方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、7個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7と、各半導体LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7からのビームを偏向するために各半導体に対してそれぞれ設けられた偏向部材P31、P32、P33、P34、P35、P36、P37と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記7つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7それぞれから出射されたビームに対応する7つのビームスポットが、図9に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で隣接して直線上に配列されて、列状のビームパターンBP3が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向は列方向と直交している。本実施形態におけるビームパターンBP3は図25に示す従来の光源における集光レンズ面上でのビームパターンと同様に列状であるが、従来のものよりもさらに高密度なものとなる。
なお、図9においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図9および図10(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
上記ビームパターンBP3を形成するために、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7は活性層がz方向に平行になるように図11に示すように出射ビームの光軸周りの角度を調整されている。なお、図11は代表的に半導体レーザLD1とコリメートレンズC1を示し、図10(A)と同じくy方向に垂直な面内の図であり、内部を示すためキャップ2を切開した状態を示す図である。
半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7は、その出射方向がx方向となるように集光レンズ20の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
偏向部材P31、P32、P33、P34、P35、P36、P37は第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、傾斜面に誘電体HRコートが施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されているが、その反射面内に反射するビームのビームスポットが入る大きさとなっている。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P31、P32、P33、P34、P35、P36、P37も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P31、P32、P33、P34、P35、P36、P37は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
次に、本発明の第4の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図12、図13(A)、図13(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図13(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。なお、図12、図13(A)、図13(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向とし、図13(A)をy方向に垂直な面内の図、図13(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために各半導体に対してそれぞれ設けられた偏向部材P41、P42、P43、P44、P45、P46、P47、P48と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図12に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で2×4の行列状のビームパターンBP4が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向は行方向であるx方向とほぼ平行であり、隣接して配列されている。
なお、図12においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図12および図13(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
上記ビームパターンを形成するために、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8は活性層がy方向に平行になるように図14に示すように出射ビームの光軸周りの角度を調整されている。なお、図14は代表的に半導体レーザLD1とコリメートレンズC1を示し、図12(A)と同じくy方向に垂直な面内の図であり、内部を示すためキャップ2を切開した状態を示す図である。
半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8は、その出射方向がx方向となるように集光レンズ20の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
4つの半導体レーザLD1、LD3、LD5、LD7は第1の半導体レーザ組を構成し、4つの半導体レーザLD2、LD4、LD6、LD8は第2の半導体レーザ組を構成する。第2の半導体レーザ組は、第1の半導体レーザ組からy方向およびz方向に偏位した位置に配置された第1の半導体レーザ組と同数の半導体レーザからなるものと考えられる。このように構成して、第1の半導体レーザ組と同じものをユニットとして複数作製しておき、このユニットを所定位置およびそれから偏位させた位置に配置すれば、実装が容易になる。
偏向部材P41、P42、P43、P44、P45、P46、P47、P48は第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、傾斜面に誘電体HRコートが施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されているが、その反射面内に反射するビームのビームスポットが入る大きさとなっている。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P41、P42、P43、P44、P45、P46、P47、P48も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P41、P42、P43、P44、P45、P46、P47、P48は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
次に、本発明の第5の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図15、図16(A)、図16(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図16(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。なお、図15、図16(A)、図16(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向とし、図16(A)をy方向に垂直な面内の図、図16(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体LD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために各半導体に対してそれぞれ設けられた偏向部材P51、P52、P53、P54、P55、P56、P57、P58と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図15に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で4×2の行列状のビームパターンBP5が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向は列方向であるy方向とほぼ平行であり、隣接して配列されている。
なお、図15においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図15および図16(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
本実施形態における8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8の出射ビームの光軸周りの角度は、図11に示すものと同じである。
4つの半導体レーザLD1、LD3、LD5、LD7は第1の半導体レーザ組を構成し、その出射方向がx方向と平行となるように集光レンズ20の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
4つの半導体レーザLD2、D4、LD6、LD8は第2の半導体レーザ組を構成し、集光レンズ20の光軸を挟んで第1の半導体レーザ組と対向配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。すなわち、第1の半導体レーザ組と第2の半導体レーザ組は光軸を含むyz平面に関して対称な位置に配置されている。なお、図16(A)では、重なる位置にある半導体レーザをわずかにずらして描いている。上記配置により、本実施形態ではコンパクトな光源を実現している。
各コリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8から集光レンズ20までの8本の平行光の光路長は等しく設計されている。これにより、平行光の平行度が十分高くない場合でも、形成されるビームパターンの誤差が発生しにくいものとなる。
偏向部材P51、P52、P53、P54、P55、P56、P57、P58は第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、傾斜面に誘電体HRコートが施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されているが、その反射面内に反射するビームのビームスポットが入る大きさとなっている。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P51、P52、P53、P54、P55、P56、P57、P58も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P51、P52、P53、P54、P55、P56、P57、P58は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
次に、本発明の第6の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図17、図18(A)、図18(B)はそれぞれ、本実施形態による合波レーザ光源の斜視図、平面図、側面図である。ただし、図18(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。なお、図17、図18(A)、図18(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向としており、図18(A)をy方向に垂直な面内の図、図18(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために各半導体に対してそれぞれ設けられた偏向部材P61、P62、P63、P64、P65、P66、P67、P68と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図17に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で4×2の行列状のビームパターンBP6が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向は列方向であるy方向とほぼ平行であり、隣接して配列されている。本実施形態におけるビームパターンBP6は第5の実施形態における図15に示すビームパターンBP5と同じであるが、半導体レーザの配置が本実施形態と第5の実施形態では異なる。
なお、図17においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図17および図18(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
4つの半導体レーザLD1、LD3、LD5、LD7は集光レンズ20の光軸の一側に、4つの半導体レーザLD2、LD4、LD6、LD8は集光レンズ20の光軸の他側に調整可能な間隔をもって配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
2つの半導体レーザLD1、LD3を第1の半導体レーザ組としたとき、この第1の半導体レーザ組をy方向およびz方向に偏位した位置に配置された半導体レーザからなる半導体レーザ組が半導体レーザLD5、LD7である。また、この第1の半導体レーザ組の光軸を挟んだ対向位置からy方向およびz方向に偏位した位置に配置された半導体レーザからなる半導体レーザ組が半導体レーザLD2、LD4およびLD6、LD8である。
本実施形態においても第5の実施形態と同様に、各コリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8から集光レンズ20までの8本の平行光の光路長は等しく設計されている。これにより、平行光の平行度が十分高くない場合でも、形成されるビームパターンの誤差が発生しにくいものとなる。
偏向部材P61、P62、P63、P64、P65、P66、P67、P68は第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に45度の傾斜角を有する直角プリズムからなり、傾斜面に誘電体HRコートが施されて反射面が形成され、45度先端はナイフエッジ加工されているが、その反射面内に反射するビームのビームスポットが入る大きさとなっている。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P61、P62、P63、P64、P65、P66、P67、P68も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P61、P62、P63、P64、P65、P66、P67、P68は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
以上に説明した実施形態では偏向部材による偏向角の方向と大きさはzx面内における90度であったが、本発明はこれに限定するものではなく、任意に設定することが可能であり、以下に第7の実施形態を用いて例示する。
次に、本発明の第7の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図19は本実施形態による合波レーザ光源の斜視図である。本実施形態における合波レーザ光源を第1の実施形態の合波レーザ光源と比べると、集光レンズ20面内に形成されるビームパターンは第1の実施形態のものと同じであるが、半導体レーザLD1、LD3の配置とその出射ビームの方向、および偏向部材P1、P3の配置が基本的に異なる点であり、以下この点に注目して説明する。
本実施形態の形態においては、3つの半導体レーザLD1、LD2、LD3の出射方向は互いに異なり同一平面上にない。そして偏向部材P1、P3は第1の実施形態の配置と比べるとy方向の周りに回転した配置となっており、その反射面がz方向となす角度は45度ではない。そして、半導体レーザLD1から出射されたビームが偏向部材P1により偏向される偏向角αは鋭角となり、半導体レーザLD3から出射されたビームが偏向部材P3により偏向される偏向角βは鈍角となるように構成されている。
次に、本発明の第8の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図20、図21(A)、図21(B)はそれぞれ、本実施形態の合波レーザ光源の構成を示す斜視図、平面図、側面図である。なお、図21では保持部材も示し、図21(B)では半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。図20、図21(A)、図21(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向としており、図21(A)をy方向に垂直な面内の図、図21(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために設けられた偏向部材P81、P82、P83、P84と、1つの集光レンズ20と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図20に示すように、集光レンズ20の光軸に垂直な面内で、ビームスポットの短軸方向に4つ、長軸方向に2つのビームスポットが配された4×2の行列状のビームパターンBP8が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向はx方向とほぼ平行であり、隣接して配列されている。
なお、図20においては、集光レンズ20の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ20までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図20および図21(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
4つの半導体レーザLD1、LD3、LD5、LD7は第1の半導体レーザ組を構成し、その出射方向がx方向と平行となるように集光レンズ20の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
4つの半導体レーザLD2、D4、LD6、LD8は第2の半導体レーザ組を構成し、集光レンズ20の光軸の他側に、集光レンズ20の光軸を挟んで第1の半導体レーザ組と対向するように配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ20の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
すなわち、図21(A)に示すように、第1の半導体レーザ組と第2の半導体レーザ組は集光レンズ20の光軸を含むyz平面に関して対称な位置に配置されている。このように本実施形態では、集光レンズ20の光軸の左右両側の対称な位置からビームを入射するようにし、さらに各側における半導体レーザの並びが直線上になるように構成している。これにより、光学系を簡略、小型化でき、また組立が容易になる。
偏向部材P81、P82、P83、P84はそれぞれ、半導体レーザLD1とLD2、半導体レーザLD3とLD4、半導体レーザLD5とLD6、半導体レーザLD7とLD8からのビームを偏向するために設けられており、第1の実施形態の偏向部材P2、P3と同様の機能を果たすものである。偏向部材P81、P82、P83、P84は標準品として入手可能な45度の傾斜角を有する直角プリズムからなるが、この傾斜面を挟む2面を反射面として、この反射面に誘電体HRコートが施されている点が上述の実施形態と異なる。本実施形態では、上記のように反射面を設定することにより、1つの偏向部材で2つの半導体レーザからの光を偏向できる。本実施形態を上述の合波本数が8本の実施形態と比較すると、合波本数は同じであるが、必要とする偏向部材の数は半分の4つとなっており、部材数が減った分、コストダウンの効果が得られる。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P81、P82、P83、P84も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ20の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ20に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P81、P82、P83、P84は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
ここで、図21および図22を参照しながら保持構造について説明する。図22は、半導体レーザ、コリメートレンズ、偏向部材の保持部材を示す斜視図である。なお、図21(A)では図の煩雑化を避けるため一部の符号の図示を省略しており、図22では手前側の組にのみ半導体レーザとコリメートレンズを実装した状態を示す。
図21に示すように、この光源を構成する光学要素は、上方が開口した箱状のパッケージ40内に収容され、このパッケージ40の上記開口が不図示のパッケージ蓋によって閉じられることにより、該パッケージ40およびパッケージ蓋が画成する閉空間内に密閉保持される。
パッケージ40の一端には、ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダ31が固定されている。パッケージ40の底面の上面には集光レンズ20を保持する集光レンズホルダ42が固定されている。パッケージ40の底面には図21(B)に示すように側面形状が階段状のベース板44が固定されている。
ベース板42の上面の中央には集光レンズ20の光軸方向に沿って4つの偏向部材P81、P82、P83、P84が配列され、その両側には側面形状がL字型のLDホルダLDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5、LDH6、LDH7、LDH8が、L字の水平部分が内側を向くように対向配置されている。各LDホルダのL字の垂直部分に透孔部が形成されており、この透孔部にビームスポットの長軸方向が所定の向きになるように半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8が圧入される。
各LDホルダのL字の水平部分の上面にはそれぞれ、コリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8を保持するコリメートレンズホルダCH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8が配置されている。各コリメートレンズホルダにも、上記の各LDホルダの透孔部と対向する位置に透孔部が形成されており、半導体レーザを出射してコリメートレンズで平行光化された光はこの透孔部を通過して偏向部材へ向かう。
各LDホルダはそれぞれ、L字型の水平部分を貫通するねじ46により、ベース部材44に脱着可能に固定されている。これにより、光軸調整するのが容易になるだけでなく、半導体レーザを個別に交換することが容易になり、従来に比べ合波レーザ光源の歩留まりを向上させることができる。なお、ねじ止めする位置は、図21(A)に示す半導体レーザとコリメートレンズの間の位置に限定されず、他の位置でもよく、また複数の位置でもよく、例えば、L字型の水平部分の四隅で固定してもよい。
組立の際には、先に偏向部材および半導体レーザを実装し、その後、コリメートレンズおよびレンズホルダを実装する。そして、半導体レーザを発光させて、コリメートレンズをx、y、zの3方向について調整して、平行光が得られるように調整する。本実施形態では、コリメートレンズの調整だけで、他の部品の実装誤差分も調整可能である。平行光が得られたら、レンズホルダとコリメートレンズの接触面、およびレンズホルダとLDホルダのL字の水平部分との接触面を、例えば、半田、ろう、UV光硬化接着剤等を用いて固定する。
次に、本発明の第9の実施形態による合波レーザ光源について説明する。図23、図24(A)、図24(B)はそれぞれ、本実施形態の合波レーザ光源の構成を示す斜視図、平面図、側面図である。なお、図24では保持部材も示し、図24(B)においては、半導体レーザとコリメートレンズの図示を省略している。図23、図24(A)、図24(B)および以下の説明では、集光レンズ20の光軸方向をz方向として、z方向に垂直な2つの方向をx方向およびy方向としており、図24(A)をy方向に垂直な面内の図、図24(B)をx方向に垂直な面内の図としている。
本実施形態における合波レーザ光源は、8個の半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8に対してそれぞれの出射端近傍に配設されたコリメートレンズC1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8と、各半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8からのビームを偏向するために設けられた偏向部材P91、P92、P93、P94と、2つの集光レンズ22、23と、集光されたビームが入射するファイバ30とから構成される。
本実施形態では、2つの集光レンズ22,23を用いて合波している点が上述の実施形態と大きく異なる。集光レンズ22は、x方向とy方向で異なるパワーを有するアナモルフィックレンズであり、集光レンズ23はy方向のみパワーを有するシリンドリカルレンズである。
本実施形態では、上記8つの半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8それぞれから出射されたビームに対応する8つのビームスポットにより、図23に示すように、集光レンズ22,23の光軸に垂直な面内で、ビームスポットの短軸方向に2つ、長軸方向に4つのビームスポットが配された4×2の行列状のビームパターンBP9が形成されている。各ビームスポットは略楕円形状を有し、その長軸方向はy方向とほぼ平行であり、隣接して配列されている。
なお、図23においては、集光レンズ22,23の形状は概念的に示してあり、各コリメートレンズから集光レンズ23までの光路の光軸を一点鎖線で示し、上記ビームスポットからファイバ30までのビームの一部を実線および破線で示している。また、図23および図24(B)では、各偏向部材の面上におけるビームスポットの形状を模式的に示している。
4つの半導体レーザLD1、LD3、LD5、LD7は第1の半導体レーザ組を構成し、その出射方向がx方向と平行となるように集光レンズ22,23の光軸の一側に調整可能な間隔をもって並列配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ22,23の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
4つの半導体レーザLD2、D4、LD6、LD8は第2の半導体レーザ組を構成し、集光レンズ20の光軸の他側に、集光レンズ22,23の光軸を挟んで第1の半導体レーザ組と対向するように配置され、その発光点のy方向の高さは集光レンズ22,23の光軸に垂直な面内に投影される各ビームスポットの中心位置に合わせた高さとなるように配置されている。
すなわち、図24(A)に示すように、第1の半導体レーザ組と第2の半導体レーザ組は集光レンズ22,23の光軸を含むyz平面に関して対称な位置に配置されている。前述の第8の実施形態と同様に、本実施形態も集光レンズ20の光軸の左右両側の対称な位置からビームを入射するようにし、さらに各側における半導体レーザの並びが直線上になるように構成している。これにより、光学系を簡略、小型化でき、また組立が容易になる。
偏向部材P91、P92、P93、P94はそれぞれ、半導体レーザLD1とLD2、半導体レーザLD3とLD4、半導体レーザLD5とLD6、半導体レーザLD7とLD8からのビームを偏向するために設けられている。偏向部材P91、P92、P93、P94は、第8の実施形態の偏向部材P81、P82、P83、P84と同様の機能を果たすものであり、これらと同様に、45度の傾斜角を有する直角プリズムの傾斜面を挟む2面を反射面として、この反射面に誘電体HRコートが施された構成を有する。このように反射面を設定することにより、第8の実施形態と同様に本実施形態においても、1つの偏向部材で2つの半導体レーザからの光を偏向でき、部材数の削減によるコストダウンの効果が得られる。
第1の実施形態の偏向部材P1、P2、P3と同様に、本実施形態の偏向部材P91、P92、P93、P94も光路をx方向からz方向に90度折り曲げて所定のビームパターンを形成すべく、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームと集光レンズ22,23の有効径を通りz方向に平行な直線との交点に配置され、半導体レーザLD1、LD2、LD3、LD4、LD5、LD6、LD7、LD8から出射されたビームを集光レンズ22,23に入射させるようにその反射面はz方向と45度の角度をなす。また、偏向部材P91、P92、P93、P94は、反射するビームが有効範囲に入り、且つ後方から進行するビームを遮らないような形状、大きさ、配置となっている。
上記光源を構成する光学要素は、図24に示すように、上方が開口した箱状のパッケージ50内に収容され、このパッケージ50の上記開口が不図示のパッケージ蓋によって閉じられることにより、該パッケージ50およびパッケージ蓋が画成する閉空間内に密閉保持される。
パッケージ50の一端には、ファイバ30の入射端部を保持するファイバホルダ31が固定されている。パッケージ50の底面の上面にはそれぞれ集光レンズ22,23を保持する集光レンズホルダ52,53が固定されている。パッケージ50の底面には側面形状が階段状のベース板54が固定されている。なお、ベース板54上の半導体レーザ、コリメートレンズ、偏向部材は、図22を用いて説明した第8の実施形態のものと同様に保持されている。
以下に、上記第2,第8,第9の実施形態の合波レーザ光源について、位置調整の精度を比較する。上記合波レーザ光源では、各半導体レーザから出射したビームは、所定のビームパターンを形成した後、集光されてファイバのコアに入射する。そのときに、半導体レーザとコリメートレンズとの位置調整が正しくなされないと、ファイバのコアからビームがはみ出して光量損失となる。しかし、この位置調整の精度が厳密すぎると、工程でのコストアップの原因となり、実用上好ましくない。そこで、ファイバのコアからビームがはみ出さない範囲でコリメートレンズを移動可能な許容値を求め、これにより位置調整の精度を比較する。この許容値が小さいほど、精度は厳密になる。
まず、第2の実施形態について考える。コリメートレンズは前述の実施形態の仕様のものを用い、ファイバの入射NAは0.2とする。ファイバのコアからビームがはみ出さないためには、集光レンズ20の光軸に垂直な面内におけるビームパターンを形成するビーム全てをファイバに入射させる必要がある。第2の実施形態で形成されるビームパターンBP2の中心から周辺までの距離は、コリメートレンズの有効径が3.6mm×1.2mmであるから、3.6+(1.2/2)=4.2mmとなる。このビームパターンBP2を形成しているビーム全てをNA0.2のファイバに入射させるためには、上記距離を有効半径と考えて、有効半径/NAより、集光レンズの焦点距離は21mmにすればよい。このとき、光学系の倍率は、集光レンズの焦点距離/コリメートレンズの焦点距離より、7倍となる。
一方、レーザ出射端でのビーム径は7μm×1.5μmであり、ファイバのコア入射端でのビーム径は上記倍率をかけて、49μm×10.5μmとなる。以降は、精度が厳しくなる49μmの方について考察する。ファイバのコア径は60μmであるから、ビーム径との差60−49=11μmがファイバのコア入射端での許容値となる。コリメートレンズ側での許容値は、上記倍率がかかっていることを考慮すると11/7=1.57μmとなり、これは全幅の許容値であるから、半値では、±0.78μmが許容値となり、これより大きな値になると、ビームがファイバからはみだして光量損失が生じる。
同様に、第8の実施形態について考える。コリメートレンズは前述の実施形態の仕様のものを用い、ファイバの入射NAは0.2とする。ビームパターンBP8のビームパターンの中心から最周辺までの距離、すなわち有効半径は、(3.72+2.62)1/2=4.52となる。なお、ここで、各0.1余裕をとっている。このビームパターンBP8を形成しているビーム全てをNA0.2のファイバに入射させるためには、有効半径/NAより、集光レンズの焦点距離は23.1mmにすればよい。このとき、この光学系の倍率は、集光レンズの焦点距離/コリメートレンズの焦点距離より、7.7倍となる。
一方、レーザ出射端でのビーム径は7μm×1.5μmであり、ファイバのコア入射端でのビーム径は上記倍率をかけて、54μm×11.6μmとなる。以降は、精度が厳しくなる54μmの方について考察する。ファイバのコア径は60μmであるから、ビーム径との差60−54=6μmがファイバのコア入射端での許容値となる。コリメートレンズ側での許容値は、上記倍率がかかっていることを考慮すると6/7.7=0.78μmとなり、これは全幅の許容値であるから、半値では、±0.39μmが許容値となり、これより大きな値になると、ビームがファイバからはみだして光量損失が生じる。
同様に、第9の実施形態について考える。コリメートレンズは前述の実施形態の仕様のものを用いる。第9の実施形態では、x方向とy方向で倍率が異なるアナモルフィックレンズおよびシリンドリカルレンズを集光レンズに用いているため、各方向に分けて考える必要がある。ビームパターンBP9の中心からx方向、y方向の最周辺までの距離、すなわち有効半径はそれぞれ、1.3mm、7.4mmとなる。なお、ここで、各0.1余裕をとっている。
ここで、x方向、y方向のファイバの入射NAをそれぞれ、0.095,0.165とすると、このビームパターンBP9の最周辺(対角方向の端)までのNAが0.19となり、このビームパターンBP9を形成しているビーム全てをNA0.2のファイバに余裕をもって入射できるため、以下の計算では上記NAを用いることにする。各方向における焦点距離は、有効半径/NAより、x方向では、14.7となり、y方向では45.4となる。よって、x方向、y方向の倍率はそれぞれ、4.9倍、15倍となる。
一方、レーザ出射端でのビーム径は、7μm×1.5μmであるから、ファイバのコア入射端でのビーム径は上記倍率をかけて、それぞれ34.3μm×22.5μmとなる。ファイバのコア径は60μmであるから、x方向については、ビーム径との差60−34.3=25.7μmがファイバのコア入射端での許容値となる。コリメートレンズ側の許容値は、上記倍率がかかっていることを考慮すると25.7/4.9=5.24μmとなり、これは全幅の許容値であるから、半値では、±2.62μmが許容値となる。同様にy方向では、±1.25μmが許容値となり、これより大きな値になると、ビームがファイバからはみだして光量損失が生じる。
上記の位置調整の精度はコストに大きく関係する。また、この精度以外でコストに関する懸念点としては、例えば以下の点が挙げられる。第2の実施形態では、ビームパターンBP2を形成し、偏向部材が後方から進行するビームを遮らない形状にするために、標準品のプリズムを切断加工する必要があり、この分コストアップする。第9の実施形態では、集光レンズにシリンドリカルレンズやアナモルフィックレンズを用いているため、これらの部品代および複雑化する調整のためコストアップする。一方、第8の実施形態では、偏向部材は標準品をそのまま使用可能であり、偏向部材や集光レンズの特別な調整は必要ない。
なお、以上説明した実施形態における半導体レーザの発振波長、出力、気密パッケージの形状等の仕様は上記のものに限定されない。また、1つの合波レーザ光源で用いられる半導体レーザの特性、コリメートレンズ、偏向部材は必ずしも同一でなくてもよく、例えば波長の異なる半導体レーザを用いて合波してもよい。半導体レーザ組を構成する半導体レーザの数は上記例に限定されず、2以上の任意の数を選択可能である。
コリメートレンズの焦点距離、有効径、NA、形状等の仕様は上記のものに限定されない。1つの合波レーザ光源で用いられるコリメートレンズは必ずしも同一でなくてもよい。
集光レンズの焦点距離、有効径、NA、形状等の仕様は上記のものに限定されない。また、集光光学系を構成するレンズ等の要素の種類や数は、上記のものに限定されない。
また、偏向部材は上記プリズムに限定されず、反射部材であればどのようなものを使ってもよく、例えば、プリズムでなくミラー、より詳しくは、アルミ蒸着ミラー、誘電体ミラー等で構成してもよい。また、全反射や、偏光ビームスプリッタを用いた反射であってもよい。
集光光学系内の光軸に垂直な面内に形成されるビームパターンは、上記実施形態のものに限定されず、本発明は任意のビームパターンについて適用可能である。
半導体レーザ組の数は、上記実施形態のものに限定されず、任意に設定可能である。また、半導体レーザ組の互いの位置関係、例えば、偏位方向も任意に設定可能である。
1 出射窓
2 キャップ
3 台座
4 チップ
5 フランジ部
6 ステム
20 集光レンズ
30 ファイバ
40 パッケージ
42 集光レンズホルダ
44 ベース板
46 ねじ
BP1 ビームパターン
C1、C2、C3、C4 コリメートレンズ
CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8 コリメートレンズホルダ
LD1、LD2、LD3、LD4 半導体レーザ
LDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5、LDH6、LDH7、LDH8 LDホルダ
P1、P2、P3 偏向部材
S1、S2、S3、S4 ビームスポット
2 キャップ
3 台座
4 チップ
5 フランジ部
6 ステム
20 集光レンズ
30 ファイバ
40 パッケージ
42 集光レンズホルダ
44 ベース板
46 ねじ
BP1 ビームパターン
C1、C2、C3、C4 コリメートレンズ
CH1、CH2、CH3、CH4、CH5、CH6、CH7、CH8 コリメートレンズホルダ
LD1、LD2、LD3、LD4 半導体レーザ
LDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5、LDH6、LDH7、LDH8 LDホルダ
P1、P2、P3 偏向部材
S1、S2、S3、S4 ビームスポット
Claims (13)
- 発光素子が個別に気密封止された複数の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザから出射した複数のビームをそれぞれ平行光化するコリメートレンズと、前記複数のビームを集光合波する集光光学系とを備えた合波レーザ光源において、
前記複数のビームのうち、前記集光光学系の光軸と異なる方向に出射されたビームを前記光軸の方向に偏向して前記集光光学系に入射させる偏向部材を備えたことを特徴とする合波レーザ光源。 - 前記集光光学系に入射する前記複数のビームが互いに近接し、
前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、略放射状、列状、行列状のいずれかに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の合波レーザ光源。 - 前記複数の半導体レーザのいくつかは、該半導体レーザから出射されるビームのビームスポットの長軸方向が異なるように配置され、
前記偏向部材の位置および形状が、他の偏向部材により偏向されるビームを遮光しないように設定され、
前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、略放射状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の合波レーザ光源。 - 前記複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は互いに前記光軸の方向および/またはそれと直交する方向に偏位して配置されており、
前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、行列状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の合波レーザ光源。 - 前記複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は前記光軸を挟んで対向配置されており、
前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、行列状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の合波レーザ光源。 - 前記複数の半導体レーザは、各々2つ以上の半導体レーザからなる複数の半導体レーザ組からなり、該複数の半導体レーザ組は互いに前記光軸を挟んだ対向位置から前記光軸の方向および/またはそれと直交する方向に偏位して配置されており、
前記集光光学系内の前記光軸に垂直な面内における前記複数の半導体レーザのビームパターンが、行列状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の合波レーザ光源。 - 前記平行光化されたビームそれぞれの前記コリメートレンズから前記集光光学系までの光路長が等しいことを特徴とする請求項5または6に記載の合波レーザ光源。
- 前記偏向部材による偏向角が90度であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
- 前記偏向部材が45度の傾斜角を有する直角プリズムであることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
- 前記偏向部材は、該偏向部材が偏向するビーム以外のビームを遮光する率が、該ビームのピーク強度の1/e2における径の面積の20%以下であることを特徴とする請求項1、2または4から9のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
- 前記半導体レーザは、頂部に出射窓が配設された略円筒型のキャップにより前記発光素子が被包され、気密封止されたパッケージ構造を有することを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
- 前記半導体レーザの発振波長が360nm〜490nmであることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
- 前記集光光学系により集光合波されたビームが入射されるファイバをさらに備え、前記ファイバのNAが0.3以下であることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の合波レーザ光源。
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