JP2007163947A

JP2007163947A - 合波光学系

Info

Publication number: JP2007163947A
Application number: JP2005361762A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sonoda; 慎一郎園田; Hiromitsu Yamakawa; 博充山川
Original assignee: Fujinon Corp; Fujifilm Corp
Current assignee: Fujinon Corp; Fujifilm Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-06-28
Also published as: US20070237455A1; US7444047B2

Abstract

【課題】複数の半導体レーザーから出射した各レーザービームを光ファイバーに入射させて１本に合波する合波光学系において、レーザービームを高い入力効率で光ファイバーに入射させる。
【解決手段】半導体レーザーＬＤ11〜14から発散光状態で出射したレーザービームＢ11〜14を平行光化するコリメーターレンズＣ11〜14と、該レンズＣ11〜14を通過したレーザービームＢ11〜14を、半導体レーザーのストライプ幅方向を含む面内およびストライプ幅方向に直角な方向を含む面内の一方のみで集光する第１集光レンズ15と、この第１集光レンズ15を通過したレーザービームＢ11〜14を集光する第２集光レンズ16と、集光されたレーザービームＢ11〜14が入射するように配された光ファイバー20とからなる合波光学系において、第２集光レンズ16として、レーザービームＢ11〜14を第１集光レンズ15と共働して前記２つの面内の双方に集光するアナモルフィックレンズを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は合波光学系に関し、特に詳細には、複数の半導体レーザーから出射した各レーザービームを光ファイバーに入射させて１本に合波するようにした合波光学系に関するものである。

従来、例えば特許文献１および２に示されるように、複数の半導体レーザーから出射したレーザービームをレンズ系で集光して１箇所に収束させ、その収束位置に入射端面が位置するように配した光ファイバーにそれらのレーザービームを入射させて、複数のレーザービームを１本に合波するようにした合波光学系が知られている。

特許文献１に示された従来技術では、より具体的に上記レンズ系として、半導体レーザーから発散光状態で出射したレーザービームをそれぞれ平行光化する複数のコリメーターレンズと、該コリメーターレンズを通過したレーザービームを集光する１つの軸対称レンズからなる集光レンズとからなるものが用いられている。

特許文献２には、より高出力の合波レーザービームを得るために、半導体レーザーとしてストライプ幅（発光幅）がより大きいブロードエリアレーザーを用いることが示されているが、そこで用いられているレンズ系は、基本的に特許文献１に示されているものと同様である。ここで、半導体レーザーのストライプ幅をＷとし、上記レンズ系の倍率をＭとすると、光ファイバーの入射端面上における、ストライプ幅に対応する方向の集光サイズはＭＷとなる。ブロードエリアレーザーのようにストライプ幅Ｗが大きい半導体レーザーを用いると、当然ＭＷのサイズも大きくなって光ファイバーのコア径を上回り、光ファイバーに対するレーザービームの入力効率が低くなってしまうこともある。

このような問題を解決する方策の一つとして、特許文献３に示されるように、複数の半導体レーザーを同心円上に配置して極力密集させることにより、レンズ系として倍率Ｍがより低いものを適用可能とし、それにより集光サイズＭＷを小さくすることが考えられている。

また特許文献４に示されるように、半導体レーザーから出射したレーザービームを集光するためのレンズ系として、半導体レーザーのストライプ幅方向（以下、これを便宜上「slow軸方向」という）を含む面内でのみパワーを持つ倍率Ｍｓのシリンドリカルレンズと、ストライプ幅方向と直角な方向（以下、これを便宜上「fast軸方向」という）を含む面内でのみパワーを持つ倍率Ｍｆのシリンドリカルレンズとを組み合わせ、そして倍率の関係をＭｓ＜Ｍｆとすることにより、レーザービームの集光サイズが一方向に大きくなってしまうことを防止するようにしたレンズ系も知られている。
特開2002−202442号公報特開2003-158332号公報特開2004-77779号公報特開2002-48491号公報

特許文献３に示される構成は、所期の目的を達成できるものであるが、その一方で、実装の形態が非常に複雑になるという問題がある。

また、特許文献４に示されるようなレンズ系を、特許文献１および２に示される合波光学系に適用することも考えられるが、その場合はレーザービームの集光形状が、光軸外側に向かって尾引きしたものとなって集光性が劣化し、ひいてはレーザービームの光ファイバーに対する入力効率が低下するという問題が認められる。

なお図９には、半導体レーザーが２×４＝８個並設された場合の例について、上記尾引きの現象を概略的に示してある。この場合、半導体レーザー（ＬＤ）の発光位置ではレーザービームＢ11，Ｂ12，Ｂ13，Ｂ14並びにＢ21，Ｂ22，Ｂ23，Ｂ24が同図（１）に示すように配列しているのに対し、２つのシリンドリカルレンズで集光された後のそれらのレーザービームの集光面（光ファイバー入射端面）での集光状態は、同図（２）に示すようなものとなってしまう。つまり、光学系の光軸からより外側に位置する半導体レーザーから出射したレーザービームほど、尾引きの程度が高くなる。そこで、コア径が５０μｍ程度の光ファイバーに、それらのレーザービームを効率良く結合させることが難しくなるのである。

本発明は上記の事情に鑑みて、複数の半導体レーザーから出射した各レーザービームを極めて効率良く光ファイバーに入射させて合波することができる合波光学系を提供することを目的とする。

本発明による合波光学系は、平行光化された複数のレーザービームを集光する光学系を第１集光レンズと第２集光レンズとで構成し、第１集光レンズにはシリンドリカルレンズを適用する一方、第２集光レンズにはアナモルフィックレンズを適用することによって、レーザービームの光ファイバーに対する入力効率の向上を図ったものである。

すなわち、より具体的に本発明による合波光学系は、
複数の半導体レーザーから発散光状態で出射したレーザービームをそれぞれ平行光化する複数のコリメーターレンズと、
該コリメーターレンズを通過したレーザービームを、前記半導体レーザーのslow軸方向を含む面内およびfast軸方向を含む面内の一方のみで集光するシリンドリカルレンズからなる第１集光レンズと、
この第１集光レンズを通過した前記レーザービームを、第１集光レンズと共働して前記２つの面内の双方で集光する、これら両面内での形状が互いに異なるアナモルフィックレンズからなる第２集光レンズと、
この第２集光レンズを通過した複数のレーザービームの収束位置に入射端面が位置するように配された光ファイバーとから構成されたことを特徴とするものである。

ここで、上記の「これら両面内での形状が互いに異なる」ということは、どちらか一方の面内におけるレンズ形状が全くパワーを持たない形状となっていることは、含まないものとする。すなわちこの第２集光レンズはあくまでもアナモルフィックレンズであって、通常のシリンドリカルレンズが適用されることはないものである。また、上述の通り第２集光レンズの形状は、前記２つの面内のいずれにおいても必ずパワーを持つ形状とされるが、それは一般的な円弧の一部をなす形状に限られるものではなく、例えば近軸位置では曲率を持たず、そこから周辺側に離れた位置のみにおいて曲率を有するような形状とされてもよい。

なお上記の構成において、複数の半導体レーザーが、ストライプ幅方向と平行な方向および直角な方向にそれぞれ複数並べてマトリクス状に配置される場合は、ストライプ幅方向と平行な方向への半導体レーザー並設数より、ストライプ幅方向と直角な方向への半導体レーザー並設数が多いことが望ましい。

また、上記の構成においては、半導体レーザーのストライプ幅方向を含む面内のＮＡ（開口数）が、ストライプ幅方向と直角な方向を含む面内のＮＡ（開口数）よりも小さいことが望ましい。

本発明の合波光学系は、共にシリンドリカルレンズからなる第１および第２の集光レンズを備えてなる特許文献４の光学系においては、集光したレーザービームに前述のような尾引きが生じることに鑑み、第２の集光レンズとして、第１集光レンズを通過したレーザービームを、半導体レーザーのslow軸方向を含む面内およびfast軸方向を含む面内の双方に集光する、これら両面内での形状が互いに異なるアナモルフィックレンズを適用したことにより、このアナモルフィックレンズの上記２つの面内の形状を適切に設定して前記尾引きを低減できるものとなっている。そこで本発明の合波光学系によれば、複数の半導体レーザーから出射した各レーザービームを、高い入力効率で光ファイバーに入射させて合波することが可能になる。

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。

図１および図２はそれぞれ、本発明の第１の実施形態による合波光学系を備えたレーザーモジュールの一部破断平面図および一部破断側面図である。図示の通り本実施形態のレーザーモジュールは、図１の上下方向に並設された一例として４個のチップ状態の半導体レーザー素子ＬＤ11，ＬＤ12，ＬＤ13，ＬＤ14および同様に並設された４個のチップ状態の半導体レーザー素子ＬＤ21，ＬＤ22，ＬＤ23，ＬＤ24の計８個の半導体レーザー素子と、半導体レーザー素子ＬＤ11〜14を内側面にロウ材により固定したＣｕ製のＬＤブロック10と、同様に半導体レーザー素子ＬＤ21〜24を内側面にロウ材により固定したＣｕ製のＬＤブロック11とを有している。

なお、上述の通りマトリクス状に配置された８個の半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24は、すべてストライプ幅方向が図２中で上下方向となるように、互いのストライプ幅方向を平行に揃えて配置されている。

またこのレーザーモジュールは、上記半導体レーザー素子ＬＤ11，ＬＤ12，ＬＤ13，ＬＤ14から発散光状態で射出されたレーザービームＢ11，Ｂ12，Ｂ13，Ｂ14を各々平行光化する４個のコリメーターレンズＣ11，Ｃ12，Ｃ13，Ｃ14と、これらのコリメーターレンズＣ11，Ｃ12，Ｃ13，Ｃ14を各々個別に保持するレンズホルダＬＨ11，ＬＨ12，ＬＨ13，ＬＨ14と、これらのレンズホルダＬＨ11〜14を固定して前記前記ＬＤブロック10に固定されたＣｕ製のヒートブロック（放熱ブロック）12とを備えるとともに、半導体レーザー素子ＬＤ21，ＬＤ22，ＬＤ23，ＬＤ24から発散光状態で射出されたレーザービームＢ21，Ｂ22，Ｂ23，Ｂ24を各々平行光化する４個のコリメーターレンズＣ21，Ｃ22，Ｃ23，Ｃ24と、これらのコリメーターレンズＣ21，Ｃ22，Ｃ23，Ｃ24を各々個別に保持するレンズホルダＬＨ21，ＬＨ22，ＬＨ23，ＬＨ24と、これらのレンズホルダＬＨ21〜24を固定して前記ＬＤブロック11に固定されたＣｕ製のヒートブロック（放熱ブロック）13とを備えている。上記ＬＤブロック10および11は、第１のパッケージ50を構成するパッケージベース板51上に固定されている。

上記コリメーターレンズＣ11〜14の各々は、例えば有効高さ２．０ｍｍ、有効幅３．６ｍｍ、焦点距離３ｍｍのトランケート型レンズであり、互いの隙間を０．１５ｍｍとして並設固定されている。他のコリメーターレンズＣ21〜24も同様である。

また、ヒートブロック12のレンズホルダＬＨ11〜14を固定する面は、平坦度が０．３μｍ以下の高精度・高平坦加工がなされている。このヒートブロック12にレンズホルダＬＨ21〜24を介してコリメーターレンズＣ11〜14を固定する構造において、固定時にレンズホルダＬＨ21〜24の位置を調整することにより、コリメーターレンズＣ11〜14のｙ、ｚ方向（図２参照）位置を調整することができる。またヒートブロック12をＬＤブロック10に固定する構造において、固定時にヒートブロック12の位置を調整することにより、コリメーターレンズＣ11〜14のｘ、ｙ方向（図２参照）位置を調整することができる。本実施形態では、レンズ固定精度はｘ、ｙ方向に関して±０．５μｍ、ｚ方向に関して１μｍである。以上の点は、別のヒートブロック13側においても同様である。

第１のパッケージ50は、上記パッケージベース板51と、その上に固定されて周囲４面を囲う側壁52と、この側壁52に突き当て固定された蓋板53とから構成されて気密封止され、半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24と、コリメーターレンズＣ11〜14およびＣ21〜24と、その他の上述したホルダ類等を内部に収容している。なお蓋板53には、レーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24をパッケージ外に出射させる、例えば光学ガラス等からなる透明板54が嵌め込まれている。

さらにこのレーザーモジュールは、平行光となって上記透明板54から出射したレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24を、図１に表れている面（半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24のストライプ幅方向と直角な方向、つまり前述のfast軸方向を含む面）内のみで集光するシリンドリカルレンズ15と、このシリンドリカルレンズ15を通過したレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24を、図２に表れている面（半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24のストライプ幅方向、つまり前述したslow軸方向を含む面）内で集光するとともに、上記シリンドリカルレンズ15と共働して上記fast軸方向を含む面内で集光するアナモルフィックレンズ16と、これらのシリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16によるレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24の収束位置に一端（入射端面）20ａが位置するように配設された光ファイバー20とを有している。

上記シリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16は、気密封止された第２のパッケージ40内に固定されたレンズホルダ41および42にそれぞれ固定されて、該第２のパッケージ40内に収納されている。このパッケージ40の前板43には、円筒状のフェルール保持孔22ａを有するフェルール保持部品22が例えばフラックスフリー半田23によって固定されている。前述した光ファイバー20は、その入射端面20ａ近傍の樹脂被覆を除去し、それにより剥き出しになったファイバー素線20ｂを円筒状のフェルール24の中心の細孔に通し、そして該フェルール24をフェルール保持部品22にフラックスフリー半田25で固定することにより、第２のパッケージ40に接続されている。

半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24としては、発振波長が３５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度の範囲にあるＧａＮ系半導体レーザー素子が用いられ、それらは各々サブマウント17を介してＬＤブロック10、11に実装されている。そのような半導体レーザー素子の具体例としては、例えば特開2004-134555号公報に開示されているＩｎＧａＮ系半導体レーザー素子等が挙げられる。一方サブマウント17としては、例えば熱伝導係数が６００Ｗ／ｍＫであるスチール・ダイヤモンド複合材料からなる、１×１×０．２５ｍｍのサイズのものが使用されている。このようなサブマウント17を用いることにより、発熱密度が高い半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24の活性層からの熱拡散を容易にし、それにより、該素子駆動時の温度上昇を抑え、素子の信頼性向上を実現している。このようなサブマウント17の実装方法としては、例えば直接半田でＬＤブロック10、11に固定する方法等が採用可能である。また、該サブマウント17を複数の部品に実装するようにしてもよい。

上述のようにマトリクス状に配置された半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24は、電極パッドを介したボンディングによって、図示外の引出し配線に接続されている。その引出し配線は、第１のパッケージ50の内部と外部とを気密に保つ状態にして、該第１のパッケージ50から外部に引き出されている。

本実施形態では、シリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16がそれぞれ、平行光となったレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24を光ファイバー20の入射端面20ａ上で収束させる第１集光レンズ、第２集光レンズを構成しており、それにより、収束したレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24のビーム断面形状の真円化が図られている。

このレーザーモジュールにおいて、半導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24から発散光状態で射出されたレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24は、それぞれコリメーターレンズＣ11〜14およびＣ21〜24によって平行光とされ、透明板54を透過して第１のパッケージ50外に出射する。平行光となったレーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24は次にシリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16により集光されて、光ファイバー20の入射端面20ａ上で（より詳しくはそのコア端面上で）で収束する。それにより該レーザービームＢ11〜14およびＢ21〜24が光ファイバー20に入射してそこを伝搬し、合波された高強度のレーザービームＢが光ファイバー20から出射する。

次に、光ファイバー20とともに本実施形態の合波光学系を構成するコリメーターレンズＣ11〜14並びにＣ21〜24、シリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16についてさらに詳しく説明する。

先に説明した従来技術におけるように、互いに直交する方向にパワーを持つ２つのシリンドリカルレンズを用いて集光されたレーザービームに尾引きが生じるのは、第２集光レンズである２番目のシリンドリカルレンズに入射するレーザービームが平行光ではなく、そこに斜めに入射するためである。そこで本発明においては第２集光レンズを、前述の通りのようなアナモルフィックレンズ16とすることにより、斜め入射によるレーザービームの収差を補正して、上記尾引きを低減する。

基本的には、本発明による上記構成を採用して、アナモルフィックレンズ16の前記両面内の形状を適切に設定することによりレーザービームの尾引きを低減可能であるが、光学系の光軸から遠い位置にあるレーザービームに依然として尾引きが残ることもある。そのようなレーザービームの収束位置における強度分布を、計算によって求めた結果を図３に示す。同図（１）は光学系の光軸に近い方のレーザービーム（上述の例ならばレーザービームＢ12、13、22および23）のうちの１つについての計算結果、（２）は光学系の光軸から遠い方のレーザービーム（上述の例ならばレーザービームＢ11、14、21および24）のうちの１つについての計算結果を示している。同図（１）に示される通り、光軸に近い方のレーザービームにおける尾引きはほとんど解消されているが、それに対して、同図（２）に示される光軸から遠い方のレーザービームには、尾引きが残っている。したがって、コア径が５０μｍ程度の光ファイバーにレーザービームを結合させる場合は、かなりの損失が生じることが分かる。

本実施形態の合波光学系は、以上の点も考慮して、さらに入力効率を高めるようにしたものである。上述のように光軸から遠い方のレーザービームに尾引きが残る原因は、fast軸を含む面内のシリンドリカルレンズの焦点距離と、slow軸を含む面内のアナモルフィックレンズの焦点距離が近いためであって、それぞれの焦点距離の差を大きくすれば良いことが分かった。そこで本実施形態においては、図４の（１）、（２）にそれぞれ図１、図２中の要部の数値を入れて示すように、上記２つの焦点距離の差を大きくした構成を採用している。

すなわち本実施形態では、図１に表されている面（fast軸方向を含む面）内において、コリメーターレンズＣ11〜24のＮＡ＝０．６、焦点距離＝３ｍｍ、シリンドリカルレンズ15のＮＡ＝０．１３４、焦点距離＝５５．３ｍｍ、アナモルフィックレンズ16の焦点距離＝∞である。この面内においてアナモルフィックレンズ16はほとんどパワーを持たないが、あくまでもシリンドリカルレンズではないので、全くパワーを持たないということではない。そのようなアナモルフィックレンズ16の形状については、以下で詳しく説明する。

一方、図２に表されている面（slow軸方向を含む面）内において、コリメーターレンズＣ11〜24のＮＡ＝０．３３３、焦点距離＝３ｍｍ、アナモルフィックレンズ16のＮＡ＝０．１３４、焦点距離＝１５．５ｍｍである。一方、光ファイバー20のＮＡ＝０．１９である。

ここで、アナモルフィックレンズ16の形状について詳しく説明する。このアナモルフィックレンズ16を光軸方向から見た状態を図１０に示してあるが、この面内におけるレンズ面上の位置を、光軸Ｏを原点として図示の通りのＸ座標およびＹ座標で規定する。すなわち、Ｘ方向は前述のslow軸と平行な方向であり、Ｙ方向は前述のfast軸と平行な方向である。そしてレンズ面上の位置（Ｘ，Ｙ）における光軸方向位置Ｚは、該レンズ面上の光軸Ｏの位置を原点として、下の数１式で規定されている。ここで、数１式における各係数の値は表１の通りである。なお、Ｘ，ＹおよびＺ方向位置の単位はｍｍであり、またＺ方向位置については、図１および図２における右方向が＋（プラス）、左方向が−（マイナス）である。

上記数１式で規定されるアナモルフィックレンズ16のレンズ面形状を概略的に説明すると、図１０の紙面に垂直でslow軸と平行な断面内の形状は、光軸Ｏからの距離が異なるfast軸方向のどこにおいても異なる形状であり、他方図１０の紙面に垂直でfast軸と平行な断面内の形状は、近軸曲率が０（ゼロ）で、そこからレンズ周辺側に離れた位置では収差補正のためのパワーを有し、また光軸Ｏからの距離が異なるslow軸方向のどこにおいても異なる形状である。

なお図１１には、上記アナモルフィックレンズ16の具体的なレンズ面形状を、曲率を誇張して概略的に示してある。同図（１）は図１０の紙面に垂直でそれぞれＡＡ′線、ＢＢ′線、ＣＣ′線を通る断面内の形状を示し、また同図（２）は図１０の紙面に垂直でそれぞれＤＤ′線、ＥＥ′線、ＦＦ′線を通る断面内の形状を示している。なおこのレンズ面形状は、図１０において上下対象かつ左右対称であり、したがって光軸Ｏからの距離がＢＢ′線の光軸Ｏからの距離と等しいｂｂ′線を通る断面内の形状は、ＢＢ′線を通る断面内の形状と等しくなっており、以下、ＣＣ′線とｃｃ′線とを通る各断面に関しても、またＥＥ′線とｅｅ′線とを通る各断面に関しても、そしてＦＦ′線とｆｆ′線とを通る各断面に関しても同様である。

この構成に関して、レーザービームの収束位置における強度分布を計算によって求めた結果を図５に示す。同図（１）は光学系の光軸に近い方のレーザービームの一つであるレーザービームＢ12についての計算結果、（２）は光学系の光軸から遠い方のレーザービームの一つであるレーザービームＢ11についての計算結果を示している。ここに示される通り本実施形態では、光軸に近い方のレーザービームＢ12では勿論のこと、光軸から遠い方のレーザービームＢ11でも尾引きが解消されていることが分かる。

以上説明した第１の実施形態では、光ファイバー20の入射端面で必要なＮＡが縦と横とで同じになるようにシリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16の焦点距離を選んでいる。集光特性は上述の通り良好であるが、その一方で、fast軸方向の倍率は１８倍程度となった。この倍率が大きいと、レーザービームＢ11〜24の集光点と光ファイバー20とが位置ずれしやすくなる。光学系および半導体レーザーの調芯時や接着固定時に、環境温度の変化等により半導体レーザー素子ＬＤ11〜24とコリメーターレンズＣ11〜24とが相対的に例えば１μｍずれると、光ファイバー20の入射端面上では、レーザービームＢ11〜24の集光点と光ファイバー20とが約18μｍも位置ずれしてしまう。

このような位置ずれを少なく抑えるために、光学系の倍率を小さくする方法について説明する。そのようにしたい場合は、slow軸方向とfast軸方向のＮＡが互いに異なる状態で集光するようにシリンドリカルレンズ15およびアナモルフィックレンズ16の焦点距離を調整し、それによってシリンドリカルレンズ15の焦点距離を小さくする。以上の観点から、slow軸方向とfast軸方向のＮＡを種々に変えた場合の、光学系の仕様例を表２に示す。

なおこの表２において、「θ」は図６に示すように光ファイバー20の入射端面上でほぼ矩形になる集光点Ｐの対角線がfast軸となす角度（°）、「ＮＡ：slow」と「ＮＡ：fast」はそれぞれslow軸方向のＮＡとfast軸方向のＮＡ、「slowの幅」と「fastの幅」はそれぞれシリンドリカルレンズ15に入射する前のレーザービームＢ11〜24全体のslow軸方向、fast軸方向のビーム幅（ｍｍ）、「slow ｆ」と「fast ｆ」はそれぞれslow軸を含む面内、fast軸を含む面内の焦点距離（ｍｍ）、「slow倍率」と「fast倍率」はそれぞれslow軸方向、fast軸方向の光学系倍率、「slowビーム径」はslow軸方向のビーム径（μｍ）を示している。

上記第１の実施形態は、θ＝４５°で、ＮＡ：slow＝ＮＡ：fast＝０．１３４としたものである。それに対してθが４５°よりも小さくて、slow軸方向のＮＡがfast軸方向のＮＡよりも小さくなると、fast軸を含む面内の焦点距離がより短くなるので、fast軸方向の倍率を小さくすることができる。なおそのようにすると、slow軸方向の倍率が大きくなる。例えばθ＝３０°のとき、slow軸方向の倍率は４．８９となり、この方向の半導体レーザーのストライプ幅（発光幅）が７μｍであるとすると、光ファイバー20の入射端面上でのビーム径は３４．２６μｍとなる。

したがって、５０〜６０μｍ程度のコア径の光ファイバー20にレーザービームＢ11〜24を結合させる場合は、θ＝３０°程度が最適であると言える。このときfast軸方向の倍率は１５倍となり、θ＝４５°の場合の１８倍より小さい倍率にすることがでる。このθ＝３０°とした本発明の第２実施形態による合波光学系の要部の仕様を図７に示す。ここで同図の（１）、（２）はそれぞれ、前記fast軸を含む面内の形状、slow軸を含む面内の形状を示している。なおこの場合もコリメーターレンズＣ11〜14の各々は、互いの隙間を０．１５ｍｍとして並設固定されている。他のコリメーターレンズＣ21〜24も同様である。

なお、この第２実施形態で採用されているアナモルフィックレンズ16′の形状も前述の数１式で規定されるものであり、その各係数の値は表３の通りである。

この第２の実施形態に関して、レーザービームＢ11〜24の収束位置における強度分布を計算によって求めた結果を図８に示す。同図（１）は光学系の光軸に近い方のレーザービームの一つであるレーザービームＢ12についての計算結果、（２）は光学系の光軸から遠い方のレーザービームの一つであるレーザービームＢ11についての計算結果を示している。ここに示される通り本例では、シリンドリカルレンズ15とアナモルフィックレンズ16との焦点距離差がθ＝４５°の場合より小さくなることから、集光特性は図５に示したθ＝４５°の場合のそれよりもやや劣化するが、レーザービームＢ12、Ｂ11に大きな尾引きは発生しない。

以上説明した第２の実施形態の合波光学系を用いて、図１および図２に示したものと同様の基本構成を有するレーザーモジュールを作製した。その場合、導体レーザー素子ＬＤ11〜14およびＬＤ21〜24としては、ストライプ幅が１０μｍで、発振波長が４０５ｎｍのものを８個用いた。他方、光ファイバー20のコア径は６０μｍ、ＮＡは０．２２である。

そのようなレーザーモジュールを５台作製し、各々No.１〜No.５と名付けたそれらのレーザーモジュールにおいて、レーザービームの光ファイバー20への入力効率（％）を調べた結果を表４に示す。

なおこの表４において「１」、「２」、「３」・・・「８」の各欄の数字は、各々１〜８の番号を付けた８個の半導体レーザー素子のうち、その番号の半導体レーザー素子のみを点灯駆動したときの入力効率を示し、また「Σ」欄の数字は８個の半導体レーザー素子に関する各入力効率の平均値を、そして「全点灯」欄の数字は８個の半導体レーザー素子を全部点灯させた場合の入力効率を示している。ここに示される通り、８個の半導体レーザー素子を全部点灯させた場合の入力効率は大略６４〜６８％と極めて高い値を示している。

なお、本発明の合波光学系に組み合わされる半導体レーザー素子は、上記実施形態に示したディスクリートなシングルキャビティチップをアレイ状に配置したものに限らず、１つのマルチキャビティ半導体レーザー素子（ＬＤバー）、複数のマルチキャビティ半導体レーザー素子をアレイ状に配置したもの、あるいはシングルキャビティ半導体レーザー素子とマルチキャビティ半導体レーザー素子の組み合わせ等であってもよい。

また、合波するレーザービームの本数も先に説明した各実施形態における８本に限られるものではなく、それ以外の本数のレーザービームを光ファイバーによって合波するようにしてもよい。

また、本発明において第２集光レンズとして用いられるアナモルフィックレンズの形状も先に説明した形状に限られるものではなく、複数の半導体レーザーの配置状態等に応じて適宜その他の形状を採用可能である。例えば、先に説明した第１実施形態は、半導体レーザー素子がfast軸方向に４個、slow軸方向に２個の合計８個配設された構成に適用されたものであるが、これとは反対に半導体レーザー素子がfast軸方向に２個、slow軸方向に４個の合計８個配設された構成に対しては、下記の表５の係数で既定される面形状を有するアナモルフィックレンズを好適に用いることができる。なお、この場合の面形状の既定の仕方は第１実施形態におけるのと同様であり、前提となる面形状の式は数１式である。

本発明の第１の実施形態による合波光学系を備えたレーザーモジュールの一部破断平面図上記レーザーモジュールの一部破断側面図本発明の合波光学系において、光軸に近いレーザービーム（１）と光軸から遠いレーザービーム（２）の収束位置での強度分布を計算により求めた結果を示すグラフ図１の光学系の要部の寸法を示す平面図（１）と側面図（２）図１の合波光学系において、光軸に近いレーザービーム（１）と光軸から遠いレーザービーム（２）の収束位置での強度分布を計算により求めた結果を示すグラフ図１の合波光学系におけるレーザービームの集光形状の概略を示す図本発明の第２実施形態の合波光学系の要部の寸法を示す平面図（１）と側面図（２）上記第２の実施形態の合波光学系において、光軸に近いレーザービーム（１）と光軸から遠いレーザービーム（２）の収束位置での強度分布を計算により求めた結果を示すグラフ従来の合波光学系におけるレーザービームの集光状態を示す概略図図１の光学系の一部を示す正面図図１の光学系における第２集光レンズの概略形状を説明する図

符号の説明

15 シリンドリカルレンズ
16、16′ アナモルフィックレンズ
20 光ファイバー
20ａ光ファイバーの入射端面
Ｂ11〜14、Ｂ21〜24 レーザービーム
Ｃ11〜14、Ｃ21〜24 コリメーターレンズ
ＬＤ11〜14、ＬＤ21〜24 半導体レーザー素子

Claims

ストライプ幅方向を互いに平行に揃えて配置された複数の半導体レーザーから、発散光状態で出射したレーザービームをそれぞれ平行光化する複数のコリメーターレンズと、
該コリメーターレンズを通過したレーザービームを、前記半導体レーザーのストライプ幅方向を含む面内およびストライプ幅方向に直角な方向を含む面内の一方のみで集光するシリンドリカルレンズからなる第１集光レンズと、
この第１集光レンズを通過した前記レーザービームを、第１集光レンズと共働して前記２つの面内の双方で集光する、これら両面内での形状が互いに異なるアナモルフィックレンズからなる第２集光レンズと、
この第２集光レンズを通過した複数のレーザービームの収束位置に入射端面が位置するように配された光ファイバーとからなる合波光学系。
前記複数の半導体レーザーが、ストライプ幅方向と平行な方向および直角な方向にそれぞれ複数並べてマトリクス状に配置され、
ストライプ幅方向と平行な方向への半導体レーザー並設数より、ストライプ幅方向と直角な方向への半導体レーザー並設数が多いことを特徴とする請求項１記載の合波光学系。
前記ストライプ幅方向を含む面内のＮＡ（開口数）が、ストライプ幅方向と直角な方向を含む面内のＮＡ（開口数）よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の合波光学系。