JP2009168846A - Light condensing device and light condensing method - Google Patents
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Description
本発明は、集光装置および集光方法に関し、より特定的には、複数の半導体レーザからの光を集光するための集光装置および集光方法に関する。 The present invention relates to a light collecting device and a light collecting method, and more particularly to a light collecting device and a light collecting method for collecting light from a plurality of semiconductor lasers.
たとえば歯科用レーザ装置などの医療用レーザや、レーザ溶接用レーザ装置などでは、高いレーザ出力が求められる。このため、これらのレーザ装置においては、複数の半導体レーザの各々から射出された光を集光して光ファイバ内に入射し、光ファイバから集光した光を取り出すことにより、高出力のレーザを得ている。従来においては、半導体レーザから射出された光を集光して光ファイバ内に入射するために、以下の装置が用いられていた。 For example, a high laser output is required for a medical laser such as a dental laser device or a laser device for laser welding. For this reason, in these laser devices, the light emitted from each of the plurality of semiconductor lasers is condensed and incident on the optical fiber, and the light collected from the optical fiber is taken out, thereby producing a high-power laser. It has gained. Conventionally, in order to collect light emitted from a semiconductor laser and enter it into an optical fiber, the following apparatus has been used.
図12は、従来の集光装置を模式的に示す図である。図12を参照して、従来の集光装置200(レーザ光合波装置)は、光ファイバ151に集光した光束を入射するためのものであり、半導体レーザ群111と、レーザブロック121と、光束再配列光学系131と、収束光学系141とを備えている。半導体レーザ群111から光ファイバ151へ向かって、レーザブロック121、光束再配列光学系131、および収束光学系141がこの順序で配置されている。
FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a conventional light collecting device. Referring to FIG. 12, a conventional condensing device 200 (laser optical multiplexing device) is for entering a condensed light beam on an
半導体レーザ群111は、x軸方向に並んだ複数の半導体レーザ111a〜111eを有している。複数の半導体レーザ111a〜111eの各々から射出された光束101a〜101eの各々は、y軸方向に伝搬され、レーザブロック121を構成するコリメートレンズ121a〜121eの各々を通過する。この際に光束101a〜101eの各々は、x軸方向およびz軸方向に互いに平行な光軸を持つ平行光束とされる。次に、光束101a〜101eの各々は、光束再配列光学系131を構成するプリズム131a〜131eの各々を通過する。この際に光束101a〜101eの各々は、ファスト軸の向きがxy平面上に並ぶようにされる。次に、光束101a〜101eの各々は、収束光学系141を通過する。この際に光束101a〜101eの各々は、x軸方向およびy軸方向の各々に収束される。そして収束された光束101a〜101eの各々は光ファイバ151に入射する。なお、図12に示す集光装置は、たとえば特開2004−252428号公報(特許文献1)に開示されている。
しかし、従来の集光装置には、集光が容易ではないという問題があった。すなわち、複数の半導体レーザの各々から射出される光を互いに平行な光にするためには、入射する光の入射角および幅を考慮してコリメータレンズの表面を加工する必要がある。このとき、コリメータレンズの表面を非球面状に加工する必要があり、この加工には高い精度が要求される。このため、コリメータレンズの加工が容易ではなかった。加えて、半導体レーザの各々から射出された光がコリメータレンズの所定の位置を透過するように、半導体レーザの各々を精度良く配置する必要があった。この配置は容易ではなかった。 However, the conventional light collecting device has a problem that light collection is not easy. That is, in order to make the light emitted from each of the plurality of semiconductor lasers parallel to each other, it is necessary to process the surface of the collimator lens in consideration of the incident angle and width of the incident light. At this time, it is necessary to process the surface of the collimator lens into an aspherical shape, and high accuracy is required for this processing. For this reason, the process of the collimator lens was not easy. In addition, it is necessary to arrange each semiconductor laser with high accuracy so that light emitted from each semiconductor laser passes through a predetermined position of the collimator lens. This arrangement was not easy.
したがって、本発明の目的は、集光が容易である集光装置および集光方法を提供することである。 Therefore, the objective of this invention is providing the condensing apparatus and condensing method which are easy to condense.
本発明の集光装置は、焦点を持つ反射面を有する反射部と、焦点に配置され、かつ反射面に向かって光を射出する複数の発光素子と、反射面で反射された反射光を、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させるための集光部とを備えている。 The light collecting device of the present invention includes a reflecting portion having a reflecting surface having a focal point, a plurality of light emitting elements arranged at the focal point and emitting light toward the reflecting surface, and reflected light reflected by the reflecting surface, And a condensing unit for focusing in one axial direction perpendicular to the optical axis of the reflected light.
本発明の集光方法は、複数の発光素子の各々を反射部の反射面の焦点に配置する工程と、複数の発光素子の各々から反射面へ光を射出する工程と、反射面で反射された反射光を、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させる工程とを備えている。 The condensing method of the present invention includes a step of disposing each of the plurality of light emitting elements at the focal point of the reflecting surface of the reflecting portion, a step of emitting light from each of the plurality of light emitting elements to the reflecting surface, and a reflection by the reflecting surface. Focusing the reflected light in one axial direction perpendicular to the optical axis of the reflected light.
焦点から反射面に向かって光を射出すると、その反射光は、反射面における反射位置に関らず、一の方向に伝搬する。本発明の集光装置および集光方法は、この性質を利用して互いに平行な光を得るため、コリメータレンズが不要になる。加えて、発光素子の各々を焦点に配置さえすれば、発光素子の各々から反射面に向かって射出された光は互いに平行な光となるので、発光素子の各々の配置が容易になる。以上により、集光を容易に行なうことができる。 When light is emitted from the focal point toward the reflecting surface, the reflected light propagates in one direction regardless of the reflection position on the reflecting surface. Since the condensing device and the condensing method of the present invention obtain light parallel to each other using this property, a collimator lens is unnecessary. In addition, as long as each of the light emitting elements is arranged at the focal point, the light emitted from each of the light emitting elements toward the reflecting surface becomes light parallel to each other, so that the arrangement of each of the light emitting elements becomes easy. As described above, the light can be easily collected.
本発明の集光装置において好ましくは、反射面に対して垂直な平面で切った場合に、反射面は放物線の形状を有している。これにより、反射面が簡易な形状となり、反射部の製造が容易になる。 In the light collecting device of the present invention, preferably, the reflective surface has a parabolic shape when cut by a plane perpendicular to the reflective surface. Thereby, a reflective surface becomes a simple shape and manufacture of a reflection part becomes easy.
本発明の集光装置および集光方法において好ましくは、焦点は直線状である。これにより、発光素子の各々を容易に焦点に配置することができる。また、発光素子の各々から投光された光を、1つの反射部を用いて反射することができる。その結果、部品点数の減少を図ることができる。 In the condensing device and the condensing method of the present invention, preferably, the focal point is linear. Thereby, each of the light emitting elements can be easily arranged at the focal point. Moreover, the light projected from each of the light emitting elements can be reflected by using one reflecting portion. As a result, the number of parts can be reduced.
本発明の集光装置において好ましくは、反射光の光軸および一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも反射光を集束させる。 In the condensing device of the present invention, the reflected light is preferably focused also in another axial direction perpendicular to both the optical axis of the reflected light and the one axial direction.
本発明の集光方法において好ましくは、反射光を集束させる工程において、反射光の光軸および前記一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも反射光を集束させる。 Preferably, in the condensing method of the present invention, in the step of focusing the reflected light, the reflected light is also focused in the other axial direction perpendicular to both the optical axis of the reflected light and the one axial direction.
これにより、反射光における他の軸の方向の幅を収縮させることができる。その結果、集光した光を入射部分に入射させる際に、入射部分における他の軸方向の幅が、反射光における他の軸方向の幅よりも小さい場合であっても、集光した光を全て入射部分に入射させることができる。 Thereby, the width | variety of the direction of the other axis | shaft in reflected light can be shrunk | reduced. As a result, when the condensed light is incident on the incident portion, the condensed light is not affected even if the width in the other axial direction in the incident portion is smaller than the width in the other axial direction in the reflected light. All can be incident on the incident part.
本発明の集光方法において好ましくは、光を射出する工程において、反射光に焦点が含まれないような反射面の位置に光を射出する。これにより、反射光が発光素子によって妨げられることを防止することができ、反射光の光量を増加することができる。 Preferably, in the light collecting method of the present invention, in the step of emitting light, the light is emitted to the position of the reflecting surface so that the reflected light does not include the focal point. Thereby, it can prevent that reflected light is interrupted by the light emitting element, and can increase the light quantity of reflected light.
本発明の集光装置および集光方法によれば、集光を容易に行なうことができる。 According to the condensing device and the condensing method of the present invention, it is possible to easily collect light.
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における集光装置の適用例を模式的に示す図である。図1を参照して、本実施の形態における集光装置10は、たとえば高出力のレーザ装置である歯科用レーザ70に適用される。歯科用レーザ70は、生体組織の治療や、歯科用金属の溶接に用いられ、集光装置10と、光ファイバ30と、プローブ50とを備えている。集光装置10とプローブ50とが光ファイバ30によって光学的に接続されている。集光装置10において発生され、かつ集光された光は、光ファイバ30を伝搬し、プローブ50から対象物へ照射される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram schematically showing an application example of the light collecting device according to
図2〜図4は、本発明の実施の形態1における集光装置の構成を模式的に示す図である。図2は斜視図、図3は側面図、図4は平面図である。なお、図3における上方向をz軸、右方向をy軸とし、図4における上方向をx軸としている。x軸、y軸、およびz軸の各々は、互いに垂直に交わっている。
2-4 is a figure which shows typically the structure of the condensing apparatus in
図2〜図4を参照して、本実施の形態における集光装置10は、反射部としての放物面鏡1と、発光素子としての複数の半導体レーザ2a〜2dと、集光部としての集光レンズ3と、ベースプレート4とを備えている。放物面鏡1、複数の半導体レーザ2a〜2d、および集光レンズ3の各々は、y軸方向に沿ってベースプレート4上に配置されている。光ファイバ30から遠い側のベースプレート4の端部には、放物面鏡1が配置されており、光ファイバ30に近い側のベースプレート4の端部には、x軸に平行に集光レンズ3が配置されている。そして、放物面鏡1と集光レンズ3との間には複数の半導体レーザ2a〜2dが配置されている。
With reference to FIGS. 2-4, the
放物面鏡1は、x軸に平行な反射面11を有している。特に図3に示すように、反射面11に対して垂直な平面(yz平面)で切った場合に、反射面11は放物線の形状を有している。その結果、反射面11はx軸に平行な直線状の焦点Aを有している。
The
半導体レーザ2a〜2dの各々は、同軸パッケージであり、たとえばInP、AlGa,InP,またはGaNなどよりなる端面発光の半導体チップを搭載している。半導体レーザ2a〜2dの各々は、ベースプレート4の傾斜面12上の焦点Aに配置されている。傾斜面12は、後述する反射光21a〜21dの各々の光軸(図2〜図4における点線)に対して一定の角度θをなしている。なお、半導体レーザの数は任意に設定することができる。
Each of the
集光レンズ3は、xy平面で見た場合に凸型の形状を有している。集光レンズ3は、特に図4に示すように、分散している反射光21a〜21dの各々をx軸方向に集束させる。
The
ベースプレート4は、たとえばセラミック系の材料や、金属系の材料や、金属化合物系の材料よりなっている。具体的には、アルミニウム、銅、銅モリブデン、銅タングステン、窒化アルミニウム、炭化シリコン、炭化アルミニウムシリコン、立方晶窒化ホウ素、または銅ダイヤモンドなどよりなっている。ベースプレート4は200W/m・K以上の高い熱伝導率を有することが好ましく、これにより、半導体レーザ2a〜2dにおいて発生した熱を集光装置10の外部へ効率良く放熱することができる。特に、放物面鏡1は半導体レーザ2a〜2dに隣接しているので、半導体レーザ2a〜2dの熱によって放物面鏡1が変形するのを抑止することができる。また、熱による変形を抑止するために、放物面鏡1および集光レンズ3は熱膨張率の低い材料よりなることが好ましい。
The
光ファイバ30としては、たとえば60μmまたは105μmの直径を有するマルチモードファイバが用いられる。また、結合効率の観点から、光ファイバ30のNA(numerical aperture)は、集光レンズ3のNAと同じであることが好ましい。
As the
続いて、本実施の形態における集光方法について説明する。
始めに、焦点Aに配置された半導体レーザ2a〜2dの各々から、反射面11へ光20a〜20dの各々を射出する。光20a〜20dの各々は、反射面11で反射され、互いに平行な反射光21a〜21dとなってy軸の正の方向に伝搬する。反射光21a〜21dの各々のz軸方向の幅W(図3)は、半導体レーザ2a〜2dの各々から反射面11との距離で調節される。
Next, the light collection method in the present embodiment will be described.
First, each of the
ここで、半導体レーザ2a〜2dの各々は、一定の角度θを有する傾斜面12上に配置されている。これにより、光20a〜20dの各々が反射面11において反射される位置は、x軸に平行な直線上にある。また、反射光21a〜21dのz軸方向の位置は互いに等しい。また、焦点Aが反射光21a〜21dに含まれないような反射面11の位置に光20a〜20dを射出する(つまり、光軸外しをする)ことが好ましい。これは、半導体レーザ2a〜2dと反射面11との距離に応じて傾斜面12の角度θを適切に調節することにより実現することができる。角度θはたとえば45°や60°である。
Here, each of the
次に、反射光21a〜21dの各々は、集光レンズ3によってx軸方向に集束される。その結果、光ファイバ30の端部には、反射光21a〜21dが合成された高出力のレーザが入射する。
Next, each of the reflected
本実施の形態における集光装置10および集光方法によれば、集光を容易に行なうことができる。すなわち、焦点Aから反射面11に向かって光20a〜20dを射出すると、その反射光21a〜21dは、反射面11における反射位置に関らず、y軸の正の方向に伝搬する。本実施の形態においては、この性質を利用して互いに平行な反射光21a〜21dを得るため、コリメータレンズが不要になる。加えて、半導体レーザ2a〜2dの各々を焦点Aに配置さえすれば、半導体レーザ2a〜2dの各々から反射面11に向かって射出された光20a〜20dは互いに平行な反射光21a〜21dとなるので、半導体レーザ2a〜2dの各々の配置が容易になる。
According to the
また、反射面11に対して垂直なyz平面で切った場合に、反射面11は放物線の形状を有しているので、反射面11が簡易な形状となり、放物面鏡1の製造が容易になる。
Moreover, when cut along a yz plane perpendicular to the reflecting
また、焦点Aが直線状であるので、半導体レーザ2a〜2dの各々を容易に焦点Aに配置することができる。また、半導体レーザ2a〜2dの各々から投光された光20a〜20dを、1つの反射部を用いて反射することができる。その結果、部品点数の減少を図ることができる。
Further, since the focal point A is linear, each of the
さらに、反射光21a〜21dに焦点Aが含まれないような反射面11の位置に光20a〜20dを射出することにより、反射光21a〜21dが半導体レーザ2a〜2dによって妨げられることを防止することができ、反射光21a〜21dの光量を増加することができる。
Further, the light beams 20a to 20d are emitted to the positions of the reflecting
なお、本発明の反射面の断面形状は、放物線以外であってもよく、少なくとも焦点を持つ形状であればよい。 In addition, the cross-sectional shape of the reflective surface of this invention may be other than a parabola, and should just be a shape which has a focus at least.
また、本実施の形態においては、光20a〜20dの各々が反射面11におけるz軸方向の同一位置に射出される場合について示したが、発光素子からの光は反射面の任意の位置に射出されればよい。
Further, in the present embodiment, the case where each of the
また、本実施の形態においては、焦点Aが反射光21a〜21dに含まれないような場合について示したが、焦点Aが反射光21a〜21dに含まれてもよい。
In the present embodiment, the case where the focal point A is not included in the reflected
また、本実施の形態においては、反射光21a〜21dの各々をx軸方向に集束される場合について示したが、反射光は、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において少なくとも集束されればよい。
In the present embodiment, the case where each of the reflected
さらに、反射光21a〜21dの各々をz軸方向にも集束させてもよい。図5は、本発明の実施の形態1における集光装置の他の構成を模式的に示す側面図である。図5を参照して、集光レンズ3は、yz平面で見た場合に凸型の形状を有している。これにより、反射光21a〜21dにおけるz軸方向の幅Wを収縮させることができる。その結果、集光した反射光21a〜21dを光ファイバ30の端部に入射させる際に、光ファイバ30の端部のz軸方向の幅が、反射光21a〜21dの幅Wよりも小さい場合であっても、集光した反射光21a〜21dを全て光ファイバ30の端部に入射させることができる。
Further, each of the reflected
(実施の形態2)
図6〜図9は、本発明の実施の形態2における集光装置の様々な構成を模式的に示す部分斜視図である。なお、図6〜図9においては、複数の半導体レーザのうち一つから射出された光の進行方向のみを点線で示している。図6においては、半導体レーザ2a〜2dは端面発光の半導体チップよりなっている。また、図7においては、発光素子として半導体チップの1次元アレイバーを用いている。この1次元アレイバーは、キャリア15と、キャリア15上に配置された半導体チップよりなる半導体レーザ2a〜2gとを有している。キャリア15はx軸に沿って配置されており、これにより半導体レーザ2a〜2gの各々は焦点Aに配置されている。また、図8においては、半導体レーザ2a〜2dは面発光の半導体チップよりなっている。半導体レーザ2a〜2dの各々はキャリア15上に配置されている。キャリア15は、yz平面で切った場合にL字形状を有している。これにより、半導体レーザ2a〜2dの状態が、図2に示す端面発光の半導体レーザの状態からx軸を中心として90度回転され、発光面を反射面11側に向けることができる。また、キャリア15はx軸に沿って配置されており、これにより半導体レーザ2a〜2gの各々は焦点Aに配置されている。さらに、図9においては、発光素子として半導体チップの1次元アレイバーを用いている。この1次元アレイバーは、図8の構成よりも半導体レーザの数を増加し、半導体レーザ2a〜2gをキャリア15上に配置したものである。
(Embodiment 2)
6 to 9 are partial perspective views schematically showing various configurations of the condensing device according to Embodiment 2 of the present invention. 6 to 9, only the traveling direction of light emitted from one of the plurality of semiconductor lasers is indicated by a dotted line. In FIG. 6, the
なお、図6〜図9における上記以外の構成は、図2〜図4に示す実施の形態1の集光装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
In addition, since the structure of those other than the above in FIGS. 6-9 is the same as that of the condensing apparatus of
本実施の形態における集光装置によれば、実施の形態1の集光装置と同様の効果を得ることができる。 According to the condensing device in the present embodiment, the same effect as that of the condensing device in the first embodiment can be obtained.
(実施の形態3)
図10および図11は、本発明の実施の形態3における集光装置の構成を模式的に示す図である。図10は側面図、図11は平面図である。図10および図11を参照して、本実施の形態における集光装置10は、反射部として複数の凹面鏡1a〜1dを用いている点において、実施の形態1の集光装置と異なっている。複数の凹面鏡1a〜1dの各々は、光ファイバ30から遠い側のベースプレート4の端部において、x軸に平行に配置されている。凹面鏡1a〜1dの各々は、x軸に平行な反射面11a〜11dの各々を有している。特に図12に示すように、反射面11a〜11dに対して垂直な平面(yz平面)およびxy平面で切った場合に、反射面11a〜11dの各々はたとえば部分的な楕円の形状を有している。その結果、反射面11a〜11dの各々は焦点Aa〜Adの各々を有している。半導体レーザ2a〜2dの各々は、焦点Aa〜Adの各々に配置されている。
(Embodiment 3)
10 and 11 are diagrams schematically showing the configuration of the light collecting device according to
複数の半導体レーザ2a〜2dの各々は、反射面11a〜11dの各々に光20a〜20dを射出し、光20a〜20dの各々は反射面11a〜11dの各々で反射され、互いに平行な反射光21a〜21dとなってy軸の正の方向に伝搬する。
Each of the plurality of
なお、図10および図11における上記以外の構成は、図2〜図4に示す実施の形態1の集光装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。 10 and 11 are the same as those of the light collecting apparatus according to the first embodiment shown in FIGS. 2 to 4, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Do not repeat.
本実施の形態における集光装置によれば、実施の形態1の集光装置とほぼ同様の効果を得ることができる。 According to the light collecting device in the present embodiment, it is possible to obtain substantially the same effect as the light collecting device in the first embodiment.
なお、実施の形態1〜3に記載の集光装置の各部材は、適宜組み合わせることができる。 In addition, each member of the condensing apparatus as described in Embodiments 1-3 can be combined suitably.
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。 The embodiment disclosed above should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the scope and meaning equivalent to the scope of claims.
本発明は、高出力のレーザ装置の集光装置および集光方法に適している。 The present invention is suitable for a condensing device and a condensing method of a high-power laser device.
1 放物面鏡、1a〜1d 凹面鏡、2a〜2g 半導体レーザ、3 集光レンズ、4 ベースプレート、10 集光装置、11,11a〜11d 反射面、12 傾斜面、15 キャリア、20a〜20d 光、21a〜21d 反射光、30 光ファイバ、50 プローブ、70 歯科用レーザ、101a〜101e 光束、111 半導体レーザ群、111a〜111e 半導体レーザ、121 レーザブロック、121a〜121e コリメートレンズ、131 光束再配列光学系、131a〜131e プリズム、141 収束光学系、151 光ファイバ、200 集光装置、A,Aa〜Ad 焦点、W 光の幅、θ 角度。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記焦点に配置され、かつ前記反射面に向かって光を射出する複数の発光素子と、
前記反射面で反射された反射光を、前記反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させるための集光部とを備えた、集光装置。 A reflective part having a reflective surface with a focal point;
A plurality of light emitting elements arranged at the focal point and emitting light toward the reflecting surface;
A condensing device comprising: a condensing unit for converging the reflected light reflected by the reflecting surface in one axial direction perpendicular to the optical axis of the reflected light.
前記複数の発光素子の各々から前記反射面へ光を射出する工程と、
前記反射面で反射された反射光を、前記反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させる工程とを備えた、集光方法。 Arranging each of the plurality of light emitting elements at the focal point of the reflecting surface of the reflecting portion;
Emitting light from each of the plurality of light emitting elements to the reflecting surface;
Focusing the reflected light reflected by the reflecting surface in one axial direction perpendicular to the optical axis of the reflected light.
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