JP2009080468A

JP2009080468A - レーザ光合成装置

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Publication number: JP2009080468A
Application number: JP2008214138A
Authority: JP
Inventors: Yoko Inoue; 陽子井上; Tomohiro Sasagawa; 智広笹川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: US20090122416A1; JP4381460B2; US7830609B2

Abstract

【課題】簡易な構成かつ低コストでレーザ光を効率良く合成することができるレーザ光合成装置を得ること。
【解決手段】レーザ光の放射角に異方性を有した複数のレーザ光源１１と、レーザ光源１１に対して１対１で配設されて、レーザ光源１１から射出された各レーザ光を平行光化するコリメーターレンズ１２と、各コリメーターレンズ１２で平行光化されたレーザ光の光束を集光するコンデンサーレンズ１３と、コンデンサーレンズ１３によって集光されたレーザ光の光束を入射させて合成する合成光学素子１４と、を備え、レーザ光源は、レーザ光の発光領域の長手方向がコンデンサーレンズ１３の径方向に一致するよう配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源から射出されるレーザ光を集光して合成するレーザ光合成装置に関するものである。

近年、高出力なレーザ光を得るため、複数の光源から射出されるレーザ光を合成する技術（レーザ光の合成方法）の開発が進められている。この方法では、例えば複数の光源をマトリックス上に配列し、各光源からのレーザ光を、各光源に対応するコリメーターレンズで略平行光にしている。そして、コリメーターレンズで略平行光にされたレーザ光の光束を１つのコンデンサーレンズなどによって集光し合成している（特許文献１参照）。

また、上記構成に加えて、ビームの放射角の異方性を考慮した構成もある。この方法では、例えば、複数の半導体レーザを発光領域の向きに合わせて配列するとともに、半導体レーザの発光領域の大きい方の配列数を発光領域の小さい方の配列数よりも少なくしている。そして、アナモフィック素子を用いて光束の大きさを調整することによって、合成する光束の集光スポット径をバランスよく小さくすることが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００２−２０２４４２号公報（図１）特開２００５−１１４９７７号公報（図１）

半導体レーザは、その製造工程によって、発光領域の幅方向の大きさが厚み方向の大きさよりも数倍ほど大きくなる場合がある。また、半導体レーザから射出されるレーザ光のビーム放射角は、発光領域の大きさに依存して異なる。半導体レーザの厚み方向（発光領域の短手方向）へは、レーザ光がほぼ１点から大きく発散しながら射出されるのに対し、
半導体レーザの幅方向（発光領域の長手方向）へは、幅全体から厚み方向よりは小さい角度で発散しながら射出される。したがって、半導体レーザから射出されるレーザ光（ビーム）には、発光領域の厚み方向と幅方向とで放射角に異方性があり、半導体レーザから射出されたレーザ光を集光した場合のスポット形状は楕円状となる。このとき、集光された楕円状のスポットは、放射角に異方性があるビームの性質から、長軸方向が発光領域の幅方向に対応し、短軸方向が発光領域の厚み方向に対応することとなる。

このため、上記前者の従来技術では、半導体レーザなどの異方性のあるビーム特性を有した光源をマトリックス状に配列して用いると、合成された光束の集光スポットもビーム特性と同様に異方性を持つこととなり、この結果、１方向へのスポット径が大きくなって光ファイバなどへの結合効率が低下するという問題があった。

また、上記後者の従来技術では、アナモフィック素子は非常に高価なプリズムなどである。また、アナモフィック素子を用いた場合、内部吸収や界面反射などの光学的損失が発生する。このため、安価に効率の良い光合成を行なうことができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成かつ低コストでレーザ光を効率良く合成することができるレーザ光合成装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光の放射角に異方性を有した複数のレーザ光源と、前記レーザ光源に対して１対１で配設されて、前記レーザ光源から射出された各レーザ光を平行光化するコリメーターレンズと、前記各コリメーターレンズで平行光化されたレーザ光の光束を集光するコンデンサーレンズと、前記コンデンサーレンズによって集光されたレーザ光の光束を入射させて合成する合成光学素子と、を備え、前記レーザ光源は、レーザ光の発光領域の長手方向が前記コンデンサーレンズの径方向に一致するよう配置されることを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光の発光領域の長手方向がコンデンサーレンズの径方向に一致するようレーザ光源が配置されるので、簡易な構成かつ低コストでレーザ光を効率良く合成することが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係るレーザ光合成装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１および図２は、本発明の実施の形態１に係るレーザ光合成装置の構成を示す図である。図１では、光軸方向から見た場合のレーザ光合成装置１０１の配置図（上面図）を示している。また、図２では、図１の線分Ａ−Ａ’におけるレーザ光合成装置１０１の断面図を示している。線分Ａ−Ａ’は、光軸と垂直な方向を示しており、図２の断面図は光軸に沿った方向でレーザ光合成装置１０１を切断した場合のレーザ光合成装置１０１の断面図を示している。

レーザ光合成装置１０１は、発光領域や発光パターンが非対称な複数の半導体レーザ光源１１から射出する光を集光し合成する光合成光学系である。本実施の形態のレーザ光合成装置１０１は、複数からなる半導体レーザ光源１１の発光領域１１ａの長手方向がコンデンサーレンズ１３の径方向となるよう、各半導体レーザ光源１１が配置されている。

レーザ光合成装置１０１は、６個の半導体レーザ光源１１と、各半導体レーザ光源１１に対して設けられたコリメーターレンズ１２と、６個の半導体レーザ光源１１から射出されてコリメーターレンズ１２を通過した光束のほぼ全てを受光し集光する１つのコンデンサーレンズ１３と、１本のマルチモードファイバ（合成光学素子１４）と、を有している。

各半導体レーザ光源１１は、例えば発光領域１１ａの厚み方向と幅方向とで放射角（射出方向）に異方性を有したレーザ光（レーザビーム）を合成光学素子１４側へ射出する。半導体レーザ光源１１には、例えば、以下の仕様のものを用いる。すなわち、発光領域１１ａの水平方向が１０μｍ、垂直方向が１μｍであり、放射角（ＦＷＨＭ）の水平方向が８度、垂直方向が３０度である半導体レーザ光源１１を用いる。

図１に示すように各半導体レーザ光源１１は、所定の円周（以下、配列円１６Ｘという）上に互いに約６０度の角度をなすよう配列されている。配列円１６Ｘは、その中心が光軸１５ｃ上にある同心円であり、図１では１点鎖線で示している。光軸１５ｃは、コンデンサーレンズ１３の中心位置を通っている。半導体レーザ光源１１の各発光領域１１ａは、その幅方向が配列円１６Ｘの径方向とほぼ一致する向きに配設されている。

コリメーターレンズ１２は、半導体レーザ光源１１毎に設けられており、６個の各コリメーターレンズ１２は、それぞれ１対１で半導体レーザ光源１１に対応している。コリメーターレンズ１２は、光軸１５ｃ方向から見た場合に、レンズの焦点位置が半導体レーザ光源１１の発光領域１１ａの中心位置と一致または略一致するように配設されており、半導体レーザ光源１１から発散して射出されたレーザ光の光束を略平行光化（コリメート）する。コリメーターレンズ１２には、例えば非球面レンズを用いる。半導体レーザ光源１１からのレーザ光の光束は、コリメーターレンズ１２を透過することによって、平行度の高い平行光となる。

半導体レーザ光源１１を６個配列する場合の配設エリアのサイズ（全ての半導体レーザ光源１１を配列円１６Ｘ上に配設した場合の全体の径）を小さくするため、コリメーターレンズ１２としては、例えば焦点距離が６ｍｍ程度の短焦点のもので、レンズ径が１０ｍｍ程度のものを用いる。

コンデンサーレンズ１３は、合成光学素子１４の入射面を焦点とするレンズであり、コリメーターレンズ１２を透過後の平行光を集光して合成光学素子１４に結合する。コンデンサーレンズ１３は、６個のコリメーターレンズ１２の占有領域以上の大きさ（コリメーターレンズ１２の配設面よりも広いレンズ面）を有している。例えば、コリメーターレンズ１２のレンズ径が１０ｍｍの場合、コンデンサーレンズ１３のレンズ径は３５ｍｍ、焦点距離は８５ｍｍである。

合成光学素子１４は、入射したレーザ光を内部で合成する素子であり、ＮＡ（開口数）は例えば０．２である。レーザ光合成装置１０１では、合成光学素子１４に光束を結合することによって、複数の半導体レーザ光源１１から出射した複数の光束を１つに合成し、合成光学素子１４から出力することが可能となる。

図３は、図１に示したコンデンサーレンズで集光される光束を説明するための図である。図３では、レーザ光合成装置１０１のコンデンサーレンズ１３に入射した光束が集光される様子を示している。コンデンサーレンズ１３へ入射する光束の形状は、その放射角（発散角）の差から、図１に示した発光領域１１ａの形状とは長短が逆転している。

半導体レーザ光源１１では、活性層中に閉じ込められる光の強度を大きくするために活性層中に光を集中させると、半導体レーザ光源１１から射出されるレーザ光は活性層に垂直な方向に広がる。このため、半導体レーザ光源１１においては、射出されるレーザ光の活性層に垂直な方向（半導体レーザ光源１１の厚み方向）への広がりが、活性層に水平な方向（半導体レーザ光源１１の幅方向）への広がりよりも大きくなる。換言すると、半導体レーザ光源１１の厚み方向（発光領域１１ａの短手方向）へは、レーザ光が大きく発散しながら射出されるのに対し、半導体レーザ光源１１の幅方向（発光領域１１ａの長手方向）へは、レーザ光が小さい角度で発散しながら射出される。例えば、水平方向のレーザ光の放射角が８度、垂直方向のレーザ光の放射角が３０度である半導体レーザ光源１１を用いることによって、コンデンサーレンズ１３へ入射する光束の形状は楕円状となる。この楕円状の長軸方向は、発光領域１１ａの短手方向に対応し、楕円状の短軸方向は発光領域１１ａの長手方向に対応している。

発光領域１１ａの厚み方向へ放射されるレーザ光は、回折限界に近い放射が行なわれるので、コリメータートレンズ１２を透過した後の光束１１ｂの平行度が高くなり、集光スポットが小径となる。一方、発光領域１１ａの幅方向へ放射されるレーザ光は、発光領域１１ａの幅方向の大きさが反映されるとともに、コリメーターレンズ１２を透過した後の光束１１ｃが所定の放射角を有するので、集光スポットが大きくなる。

コンデンサーレンズ１３は、コリメーターレンズ１２を透過した後の各レーザ光（６個の半導体レーザ光源１１から射出されたレーザ光）を集光して合成光学素子１４に送る。合成光学素子１４の入射面では、集光スポットが６個重ね合わされ、図４に示す合成スポット３０ａを形成する。この合成スポット３０ａは、図４に示すように、合成光学素子１４の入射面の略中心部で各集光スポットの中心部が重ね合わされている。

ここで、本実施の形態に係るレーザ光合成装置１０１と他のレーザ光合成装置の構成および効果の差異について説明する。図５および図６は、レーザ光合成装置の他の構成例を示す図である。なお、図５および図６の各構成要素のうち図１および図２に示すレーザ光合成装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

図５では、光軸方向から見た場合のレーザ光合成装置２０１の配置図を示している。また、図６では、図５の線分Ｂ−Ｂ’におけるレーザ光合成装置２０１の断面図を示している。線分Ｂ−Ｂ’は、線分Ａ−Ａ’と同様に光軸と垂直な方向を示している。図５および図６に示す比較例（レーザ光合成装置の他の構成例）では、発光領域１１ａの厚み方向が配列円１６Ｘの径方向にほぼ一致する向きに６個の各半導体レーザ光源１１が、配置されている。

図７は、図５に示したコンデンサーレンズで集光される光束を説明するための図である。図７では、レーザ光合成装置２０１のコンデンサーレンズ１３に入射した光束が集光される様子を示している。コンデンサーレンズ１３へ入射する光束の形状は、その放射角の差から、図５に示した発光領域１１ａの形状とは長短が逆転している。

発光領域１１ａの厚み方向へ放射されるレーザ光は、回折限界に近い放射が行なわれるので、小径のスポットに集光される。しかしながら、レーザ光合成装置２０１とレーザ光合成装置１０１とを比較すると、レーザ光合成装置２０１のコンデンサーレンズ１３へ入射する光束２１ｂは、レーザ光合成装置１０１のコンデンサーレンズ１３へ入射する光束１１ｂに対し、光軸高さ（径方向の寸法）は約４倍ある。したがって、レーザ光合成装置２０１の方が、レーザ光合成装置１０１よりも、コンデンサーレンズ１３へ入射する光束の最大光軸高さ（コンデンサーレンズ１３の中心から入射束までの最大距離）が大きい。集光スポットの大きさは光束の最大光軸高さに比例するため、レーザ光合成装置２０１の方がレーザ光合成装置１０１よりも、集光スポットの大きさが大きくなる。さらに、レーザ光合成装置２０１の方が、レーザ光合成装置１０１よりも、光軸高さ（径方向の寸法）が大きいために、球面収差の影響を大きく受け集光スポットの大きさが大きくなる。また、発光領域１１ａの幅方向へ放射されるレーザ光は、発光領域１１ａの幅方向の大きさが反映されるので、レーザ光合成装置１０１の幅方向へ放射されるレーザ光の集光スポットとほぼ同じ大きさの集光スポットとなる。レーザ光合成装置２０１の合成光学素子１４の入射面上の合成スポットは、図８に示す合成スポット３０ｂの形状となる。この合成スポット３０ｂは、図４に示した合成スポット３０ａと比べてスポット径が広くなっている。別言すれば、本実施の形態に係るレーザ光合成装置１０１によれば、合成スポット３０ａは、他の構成例であるレーザ光合成装置２０１が形成する合成スポット３０ｂよりも光学特性上小さなスポットに集光することができる。

レーザ光合成装置１０１が形成する合成スポット３０ａとレーザ光合成装置２０１が形成する合成スポット３０ｂのエンサークルドエナジーについて説明する。図９は、図４に示す合成スポットのエンサークルドエナジーを示す図であり、図１０は、図８に示す合成スポットのエンサークルドエナジーを示す図である。図９に示すエンサークルドエナジーのグラフは、本実施の形態に係るレーザ光合成装置１０１が形成するエンサークルドエナジーと、合成スポットの中心位置からの距離との関係を示している。また、図１０に示すエンサークルドエナジーのグラフは、他の構成例であるレーザ光合成装置２０１が形成するエンサークルドエナジーと、合成スポットの中心位置からの距離との関係を示している。

本実施の形態のレーザ光合成装置１０１が形成するエンサークルドエナジーは、合成スポットの中心付近に光強度が集中し、合成スポットの径も小さい。一方、比較例のレーザ光合成装置２０１が形成するエンサークルドエナジーは、光強度の高い部分は中心部に広く存在し、合成スポットの全体の径も大きい。

このように、レーザ光合成装置（光合成光学系）１０１は、小さな合成スポットを形成することによって電気−光変換効率を高めて効率良くレーザ光を合成することが可能となる。したがって、信頼性の高い安価な光源装置を得ることができる。

なお、本実施の形態では、合成光学素子１４が１本のマルチモードファイバ（光ファイバ）である場合について説明したが、合成光学素子１４は、複数のマルチモードファイバをバンドルしたバンドルファイバであってもよいし、中実もしくは中空のインテグレーターロッドであってもよい。また、本実施の形態では、レーザ光の光源が半導体レーザ光源１１である場合について説明したが、レーザ光の光源は固体レーザや面発光レーザであってもよい。

このように、実施の形態１によれば、合成スポットの全体径を小さくすることができるので、合成光学素子１４の径が小さく安価な光源装置を得ることができる。また、合成光学素子１４に対して裕度を持って集光することができ、公差に強い光源装置を得ることができる。したがって、簡易な構成で効率良くレーザ光を合成するレーザ光合成装置１０１を低コストで得ることが可能となる。また、各半導体レーザ光源１１を配列円１６Ｘ上に配列させているので、レーザ光合成装置１０１を小さな構成とすることが可能となる。

実施の形態２．
つぎに、図１１を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、半導体レーザ光源１１を実施の形態１とは異なる配置で配設する。具体的には、実施の形態１で用いた６個の半導体レーザ光源１１で囲まれたエリア内に１個の半導体レーザ光源１１を配設する。

図１１は、実施の形態２に係るレーザ光合成装置の半導体レーザ光源の配置を示す図である。図１１の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１のレーザ光合成装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
図１１では、光軸方向から見た場合のレーザ光合成装置１０１の半導体レーザ光源１１の配置図（上面図）を示している。

図１１に示すように、本実施の形態では７個の半導体レーザ光源１１を用いる。そして、６個の半導体レーザ光源１１は、実施の形態１の半導体レーザ光源１１と同様に、配列円１６Ｘ上に互いに約６０度の角度をなすよう配列されている。６個の半導体レーザ光源１１の各発光領域１１ａは、その幅方向が配列円１６Ｘの径方向とほぼ一致する向きに配設されている。さらに、この６個の半導体レーザ光源１１で囲まれたエリアに１個の半導体レーザ光源１１を配設している。この１個の半導体レーザ光源１１は、その中心が光軸１５ｃ上となるよう配設される。なお、６個の半導体レーザ光源１１で囲まれたエリアに配設される半導体レーザ光源１１は、発光領域１１ａの幅方向と厚さ方向が何れの方向を向くよう半導体レーザ光源１１を配設してもよい。

このように、実施の形態２によれば、１個の半導体レーザ光源１１が光軸１５ｃ上となるよう半導体レーザ光源１１に配設しているので、この１個の半導体レーザ光源１１を小さなスポット径で集光することができる。また、６個の半導体レーザ光源１１の各発光領域１１ａは、その幅方向が配列円１６Ｘの径方向とほぼ一致する向きに配設しているので、合成スポットの全体径を小さくすることができる。したがって、実施の形態１のレーザ光合成装置１０１よりも効率良くレーザ光を合成するレーザ光合成装置を低コストで得ることが可能となる。

実施の形態３．
つぎに、図１２を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、半導体レーザ光源１１を実施の形態１，２とは異なる配置で配設する。具体的には、３個の光源が互いに約１２０度の角度をなすよう配列するとともに、この３個の光源の外側で、さらに３個の光源が互いに約１２０度の角度をなすよう配列する。

図１２は、実施の形態３に係るレーザ光合成装置の半導体レーザ光源の配置を示す図である。図１２の各構成要素のうち図１に示す実施の形態１のレーザ光合成装置１０１と同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。
図１２では、光軸方向から見た場合のレーザ光合成装置１０１の半導体レーザ光源１１の配置図（上面図）を示している。

図１２に示すように、本実施の形態では６個の半導体レーザ光源１１を用いる。３個の半導体レーザ光源１１は、配列円（第１の同心円）１６Ｙ上に互いに約１２０度の角度をなすよう配列されて光軸１５ｃを囲っている。配列円１６Ｙは、その中心が光軸１５ｃ上にある円である。以下の説明では、１２０度の角度をなすよう配列されている半導体レーザ光源１１を内側光源という。

内側光源以外の他の３個の半導体レーザ光源１１（以下、外側光源という）は、それぞれ、２つの内側光源の外側で内側光源に近接するよう配置されている。これにより、３個の外側光源は、配列円（第２の同心円）１６Ｚ上に互いに約１２０度の角度をなすよう配列されている。配列円１６Ｚは、その中心が光軸１５ｃ上であって、配列円１６Ｙの外側に位置する円である。これにより、３個の内側光源を結んで形成される三角形（配列円１６Ｙに対応する三角形）の重心と、３個の外側光源を結んで形成される三角形（配列円１６Ｚに対応する三角形）の重心は、それぞれ光軸１５ｃに重なる。また、配列円１６Ｙに対応する三角形と配列円１６Ｚに対応する三角形は、それぞれの頂点が約６０度ずれている。そして、６個の半導体レーザ光源１１（内側光源と外側光源）の各発光領域１１ａは、その幅方向が配列円１６Ｙ，１６Ｚの径方向とほぼ一致する向きに配設されている。

このように、実施の形態３によれば、３個の内側光源を配列円１６Ｙ上で互いに約１２０度の角度をなすよう配列するとともに、３個の外側光源を配列円１６Ｚ上で互いに約１２０度の角度をなすよう配列した場合であっても、半導体レーザ光源１１の各発光領域１１ａは、その幅方向が配列円１６Ｙ，１６Ｚの径方向とほぼ一致する向きに配設されているので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

すなわち、半導体レーザ光源１１を、光軸１５ｃを中心とした１つの円周上に配列する場合以外であっても、半導体レーザ光源１１の発光領域１１ａの幅方向を配列円の径方向とほぼ一致する向きにすることによって、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、各半導体レーザ光源１１を配列円１６Ｙ，１６Ｚ上に配列させているので、レーザ光合成装置１０１を小さな構成とすることが可能となる。

なお、半導体レーザ光源１１の配列や個数は実施の形態１〜３に限られない。発光領域１１ａの幅方向が配列円の径方向とほぼ一致する向きに、半導体レーザ光源１１を配置すれば、半導体レーザ光源１１は何れの配置や個数であってもよい。

以上のように、本発明に係るレーザ光合成装置は、複数の光源から射出されるレーザ光の合成に適している。

実施の形態１に係るレーザ光合成装置の構成を示す上面図である。実施の形態１に係るレーザ光合成装置の構成を示す断面図である。図１に示したコンデンサーレンズで集光される光束を説明するための図である。図１に示した合成光学素子に形成される合成スポットを示す図である。レーザ光合成装置の他の構成例を示す上面図である。レーザ光合成装置の他の構成例を示す断面図である。図５に示したコンデンサーレンズで集光される光束を説明するための図である。図５に示した合成光学素子に形成される合成スポットを示す図である。図４に示す合成スポットのエンサークルドエナジーを示す図である。図８に示す合成スポットのエンサークルドエナジーを示す図である。実施の形態２に係るレーザ光合成装置の半導体レーザ光源の配置を示す図である。実施の形態３に係るレーザ光合成装置の半導体レーザ光源の配置を示す図である。

符号の説明

１１半導体レーザ光源
１１ａ，２１ａ発光領域
１１ｂ，１１ｃ，２１ｂ，２１ｃ光束
１２コリメーターレンズ
１３コンデンサーレンズ
１４合成光学素子
１５ｃ光軸
１６Ｘ，１６Ｙ，１６Ｚ配列円
３０ａ，３０ｂ合成スポット
１０１，２０１レーザ光合成装置

Claims

レーザ光の放射角に異方性を有した複数のレーザ光源と、
前記レーザ光源に対して１対１で配設されて、前記レーザ光源から射出された各レーザ光を平行光化するコリメーターレンズと、
前記各コリメーターレンズで平行光化されたレーザ光の光束を集光するコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズによって集光されたレーザ光の光束を入射させて合成する合成光学素子と、
を備え、
前記レーザ光源は、レーザ光の発光領域の長手方向が前記コンデンサーレンズの径方向に一致するよう配置されることを特徴とするレーザ光合成装置。
前記各レーザ光源は、前記コンデンサーレンズの中心軸上の点を中心とした１つの同心円状に配設されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光合成装置。
前記各レーザ光源は、前記同心円状および前記同心円で囲まれた範囲の内側に配設されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光合成装置。
前記レーザ光源は、前記コンデンサーレンズの中心軸上の点を中心とした第１の同心円状および前記コンデンサーレンズの中心軸上の点を中心とした前記第１の同心円状とは異なる第２の同心円状に配設されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光合成装置。