JP2009271206A - レーザ光整形光学系及びそれを用いたレーザ光供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザアレイを含むレーザ光源からのレーザビームの形状を好適に整形することが可能なレーザ光整形光学系、及びレーザ光供給装置を提供する。
【解決手段】 導波路部材４１〜４７がスロー方向に配列され、レーザビームをスロー方向にＮ個のビーム成分に分割する分割導波路アレイ４０と、導波路部材５１〜５７がファースト方向に配列され、分割されたビーム成分をファースト方向に整列して合成する合成導波路アレイ５０とによってレーザ光整形光学系３０を構成する。導波路アレイ４０の導波路部材は、光軸に対して傾いて設けられ、内部を伝搬するビーム成分を反射して導波路アレイ５０へと出力させる分割反射面を有する。導波路アレイ５０の導波路部材は、光軸に対して傾いて設けられ、入力されたビーム成分を反射して内部を伝搬させる合成反射面を有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、半導体レーザアレイを含むレーザ光源からのレーザビームの形状を整形するレーザ光整形光学系、及び整形光学系を用いたレーザ光供給装置に関するものである。

従来、半導体レーザ光源の１つとして、複数の半導体レーザの発光部が一次元に配列された半導体レーザアレイが用いられている。半導体レーザアレイでは、発光部の長手方向となるスロー方向に複数の発光部が配列される。また、他の半導体レーザ光源として、スロー方向に直交するファースト方向に複数の半導体レーザアレイが積層された半導体レーザアレイスタックが用いられている。これらの半導体レーザアレイを含むレーザ光源は、例えば高出力のレーザビームを供給可能な光源装置として好適に用いることができる。

また、レーザビームの導光については、レーザ光源の後段に設置されたコリメートレンズや集光レンズ等による導光光学系を介してレーザビームを外部に供給する構成が用いられている。例えば、レーザビームを効率良く利用するために光ファイバによる伝送を用いる構成では、レーザ光源からのレーザビームを所定の光学系によって光ファイバの入射端面へと集光しつつ導いて、レーザ光源と光ファイバとを光学的に結合することでレーザ光を外部へと供給する構成が用いられる。また、特許文献１には、半導体レーザ光源からのレーザビームを反射光学系を用いて導く構成が記載されている。
特表平１０−５０８１１７号公報

半導体レーザアレイでは、一般に、個々の発光部のサイズはスロー方向で１００〜２００μｍ程度、ファースト方向で１μｍ程度である。また、発光部から出射されるレーザ光の拡がり角度は、スロー方向で８°（ＦＷＨＭ）程度で比較的小さく、ファースト方向では４０°程度とビーム拡がりが大きい。これに対して、半導体レーザアレイのレーザ光出射側には、例えばスロー方向を長手方向とするシリンドリカルレンズなどのファースト方向コリメートレンズが配置され、これによってファースト方向でのレーザ光の拡がり角度は複数の発光部の全てについて小さく変換される。

一方、スロー方向でのレーザ光の拡がり角度については、半導体レーザアレイに設けられている複数の発光部に対して個々にスロー方向コリメートレンズを設ける構成も可能であるが、このような構成では、スロー方向の拡がり角度の低減効果に限界がある。特に、連続光（ＣＷ光）動作ではなくパルス光動作をする半導体レーザアレイでは、発光による発熱量が小さいため、複数の発光部が狭い間隔で高密度に配置される傾向がある。この場合、個々の発光部に対してコリメートレンズを設置する構成によって、スロー方向の拡がり角度を充分に低減することは難しい。レーザ光源からのレーザビームを導いて外部へと供給する導光光学系においては、このようなスロー方向及びファースト方向でのレーザ光の出力特性の相違を考慮して、光学系を設計する必要がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、半導体レーザアレイを含むレーザ光源から出射されるレーザビームの導光において、レーザビームの形状を好適に整形することが可能なレーザ光整形光学系、及びそれを用いたレーザ光供給装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明によるレーザ光整形光学系は、それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含むレーザ光源からのレーザビームの形状を整形する整形光学系であって、（１）Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の分割導波路部材をスロー方向に配列して構成され、レーザ光源から入力されたレーザビームをスロー方向に沿ってＮ個のビーム成分に分割し、Ｎ個の分割導波路部材をそれぞれ伝搬したＮ個のビーム成分を出力する分割導波路アレイと、（２）Ｎ個の分割導波路部材にそれぞれ光学的に接続されるＮ個の合成導波路部材をスロー方向に直交するファースト方向に配列して構成され、分割導波路アレイから入力され、Ｎ個の合成導波路部材をそれぞれ伝搬したＮ個のビーム成分をファースト方向に整列したビーム形状に合成して、整形された出力ビームとして出力する合成導波路アレイとを備え、（３）分割導波路アレイのＮ個の分割導波路部材のそれぞれは、分割導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、光軸に沿って部材内部を伝搬するビーム成分を反射して、部材の側面を介して合成導波路アレイでの対応する合成導波路部材へと出力されるようにビーム成分の光路を変更する分割反射面を有し、（４）合成導波路アレイのＮ個の合成導波路部材のそれぞれは、合成導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、部材の側面を介して分割導波路アレイでの対応する分割導波路部材から入力されたビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するようにビーム成分の光路を変更する合成反射面を有することを特徴とする。

上記したレーザ光整形光学系においては、半導体レーザアレイから出射されるスロー方向に延びるレーザビームをスロー方向でＮ個のビーム成分に分割し、それらのビーム成分をファースト方向に整列させることでレーザ光のビーム形状を整形している。ここで、上記したように、半導体レーザアレイからのレーザビームでは、ファースト方向の拡がり角度はコリメートレンズによって小さくされる一方で、スロー方向については、ある程度の拡がり角度を持った状態でレーザ光が供給される場合がある。これに対して、レーザビームをスロー方向で分割してファースト方向に整列させる上記構成によれば、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件を好適にバランスさせることができる。

また、このような構成において、レーザビームをスロー方向で分割する前段の分割光学系を、それぞれ分割反射面を有するＮ個の分割導波路部材からなる分割導波路アレイによって構成するとともに、分割されたビーム成分をファースト方向に整列させて合成する後段の合成光学系を、それぞれ合成反射面を有するＮ個の合成導波路部材からなる合成導波路アレイによって構成している。このように、２個の導波路アレイを組み合わせることにより、上記のようにビーム整形を行う整形光学系を好適に実現することができる。また、このように整形光学系の全体で導波路部材を用いる構成では、光学系内でのレーザビームの拡がりの発生が抑制される。以上により、上記構成の整形光学系によれば、レーザ光源からのレーザビームの形状を好適に整形することが可能となる。

ここで、整形光学系内でレーザビームが伝搬する光路長については、Ｎ個のビーム成分のそれぞれについて、分割導波路部材での分割光路長と合成導波路部材での合成光路長とを合わせた整形光路長が、Ｎ個のビーム成分で互いに等しいように構成されていることが好ましい。これにより、ビーム形状が整形された出力ビームとして、良好な特性のレーザビームを得ることができる。

具体的には、分割導波路アレイにおいて、スロー方向に配列されたＮ個の分割導波路部材を、それぞれの分割導波路部材での分割光路長が第１分割導波路部材から第Ｎ分割導波路部材まで順に長くなるように第１〜第Ｎ分割導波路部材としたときに、合成導波路アレイは、Ｎ個の合成導波路部材として第１〜第Ｎ分割導波路部材にそれぞれ光学的に接続される第１〜第Ｎ合成導波路部材がファースト方向に配列されて、それぞれの合成導波路部材での合成光路長が第１合成導波路部材から第Ｎ合成導波路部材まで順に短くなるように構成されていることが好ましい。これにより、例えばＮ個のビーム成分で整形光路長が互いに等しくなる構成等、整形光学系の構成を好適に実現することができる。

また、合成導波路アレイの出力端での出力ビームの出力面積は、分割導波路アレイの入力端でのレーザビームの入力面積と等しく設定されていることが好ましい。これにより、整形光学系に入力された段階でのレーザビームのビーム品質を保持したままでビーム形状の整形を行って、良好な品質の出力ビームを供給することが可能となる。

分割導波路アレイ及び合成導波路アレイを含む整形光学系の具体的な構成については、分割導波路部材での分割反射面、及び合成導波路部材での合成反射面は、それぞれ導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることが好ましい。これにより、整形光学系において導波路部材内部を伝搬するビーム成分に対する反射光学系を簡単な構成で好適に構成することができる。

また、分割導波路アレイのＮ個の分割導波路部材のそれぞれは、分割導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、部材の側面を介してレーザ光源から入力されたビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するようにビーム成分の光路を変更する入力反射面を有し、合成導波路アレイのＮ個の合成導波路部材のそれぞれは、合成導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、光軸に沿って部材内部を伝搬するビーム成分を反射して、部材の側面を介して外部へと出力されるようにビーム成分の光路を変更する出力反射面を有する構成としても良い。

この場合、分割導波路部材での分割反射面、入力反射面、及び合成導波路部材での合成反射面、出力反射面は、それぞれ導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることが好ましい。これにより、整形光学系において導波路部材内部を伝搬するビーム成分に対する反射光学系を好適に構成することができるとともに、平行四辺形状となる導波路部材を好適に形成することが可能となる。

本発明によるレーザ光供給装置は、（ａ）それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含み、所定の形状のレーザビームを出射するレーザ光源と、（ｂ）半導体レーザアレイからのレーザビームをスロー方向に直交するファースト方向についてコリメートするファースト方向コリメートレンズと、（ｃ）レーザ光源からファースト方向コリメートレンズを介して入力されたレーザビームの形状を、レーザビームがスロー方向に沿って分割されたＮ個のビーム成分をファースト方向に整列したビーム形状に合成して、整形された出力ビームとして出力する上記したレーザ光整形光学系とを備えることを特徴とする。

上記したレーザ光供給装置においては、レーザ光源の半導体レーザアレイに対してファースト方向コリメートレンズを設置するとともに、分割導波路アレイ及び合成導波路アレイからなる上記構成の整形光学系を用いてレーザ光のビーム形状を整形する構成としている。これにより、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件を好適にバランスさせて、ビーム形状が好適に整形された出力ビームを供給することが可能となる。

ここで、レーザ光供給装置から外部へのレーザ光の供給については、外部装置等へのレーザ光の伝送に光ファイバを用い、その入射端面にレーザビームを入射させる構成が考えられる。このように光ファイバが用いられる場合、レーザ光供給装置は、レーザ光整形光学系から出力される出力ビームに対して設けられ、後段に設置された光ファイバの入射端面へと出力ビームを集光しつつ供給するファイバ入射光学系を備えることが好ましい。

具体的には、ファイバ入射光学系として、レーザ光整形光学系からの出力ビームをスロー方向について拡大するスロー方向拡大光学系と、スロー方向に拡大された出力ビームをスロー方向及びファースト方向の両方向について集光して光ファイバの入射端面へと供給する非球面レンズとを有する構成を用いることができる。このような構成では、光ファイバに対するレーザ光の集光角をスロー方向とファースト方向とで好適にバランスさせることが可能となる。

また、レーザ光整形光学系に対してレーザビームを供給するレーザ光源については、レーザ光源は、複数の半導体レーザアレイがファースト方向に積層された半導体レーザアレイスタックを含んで構成されている構成を用いても良い。この場合においても、単一の半導体レーザアレイをレーザ光源とした場合と同様に、上記構成のレーザ光整形光学系によってビーム形状を好適に整形することができる。

また、レーザ光供給装置は、レーザ光源からファースト方向コリメートレンズを介して出射されたレーザビームをファースト方向について圧縮するファースト方向圧縮光学系を備えることとしても良い。このような構成は、例えば上記した半導体レーザアレイスタック等がレーザ光源として用いられている場合に有効である。

本発明のレーザ光整形光学系、及びレーザ光供給装置によれば、半導体レーザアレイを含むレーザ光源からのレーザビームをスロー方向でＮ個のビーム成分に分割し、それらのビーム成分をファースト方向に整列させることでレーザ光のビーム形状を整形するとともに、それぞれ分割反射面を有するＮ個の導波路部材からなる分割導波路アレイと、それぞれ合成反射面を有するＮ個の導波路部材からなる合成導波路アレイとを組み合わせて整形光学系を構成することにより、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件をバランスさせて、レーザビームの形状を好適に整形することが可能となる。

以下、図面とともに本発明によるレーザ光整形光学系、及びそれを用いたレーザ光供給装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明によるレーザ光供給装置の第１実施形態の構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示したレーザ光供給装置におけるレーザビームの光路及びビーム形状について示す斜視図である。本レーザ光供給装置１Ａは、単一または複数の半導体レーザアレイを含むレーザ光源から出射されるレーザ光を所定のビーム形状に整形して、出力レーザビームとして外部へと供給する供給装置である。

ここで、以下の説明においては、図１に示すように、半導体レーザアレイの発光部から出射されるレーザ光の出射光軸方向をＺ軸方向とし、光軸方向に直交して発光部の配列方向となる方向をスロー方向（Ｘ軸方向）とし、光軸方向及びスロー方向に直交する方向をファースト方向（Ｙ軸方向）とする。また、スロー方向及びファースト方向については、レーザ光供給装置１Ａ内でのレーザ光の伝搬に伴い、光軸方向（レーザ光の伝搬方向）とともに変化するものとして定義する。図１においては、後述するレーザ光整形光学系３０を通過する前後について、それぞれスロー方向、ファースト方向を図示している。

図１に示すレーザ光供給装置１Ａは、レーザ光源ユニット１０と、ファースト方向圧縮光学系２０と、レーザ光整形光学系３０と、ファイバ入射光学系６０とを備えて構成されている。また、図１の構成例では、本供給装置１Ａの後段には、光ファイバ８０が設置されている。本実施形態のレーザ光供給装置１Ａは、レーザ光源からのレーザビームを、この光ファイバ８０の入射端面８１へと集光しつつ入射させるように構成されている。

レーザ光源ユニット１０は、第１レーザ光源１１と、第２レーザ光源１３と、光学部材１５とを有して構成されている。第１レーザ光源１１は、それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含むレーザ光源である。図３は、半導体レーザアレイを含むレーザ光源の構成の一例を示す斜視図である。本構成例では、レーザ光源１１は、５個の半導体レーザアレイ１１１〜１１５がファースト方向に積層された半導体レーザアレイスタックとして構成されている。

レーザ光源１１に含まれる半導体レーザアレイ１１１〜１１５のそれぞれは、図４に示すように、複数の発光部Ｅがスロー方向に等間隔で配列されて構成されている。ここで、図４において、Ｗは各発光部Ｅの発光幅、Ｐは発光部Ｅの配列ピッチ、Ｄは半導体レーザアレイの積層間隔を示している。また、このレーザアレイの積層間隔Ｄは、各レーザアレイから出射されるレーザビームのファースト方向での出射間隔になる。また、積層されたレーザアレイ１１１〜１１５の間には、必要に応じてヒートシンク等が設けられる。

また、図３に示すように、レーザ光源１１の前方には、半導体レーザアレイ１１１〜１１５にそれぞれ対応するように、５個のファースト方向コリメートレンズ１２１〜１２５からなるコリメートレンズアレイ１２が設置されている。これにより、半導体レーザアレイ１１１〜１１５から出射されるスロー方向が長手方向となるレーザビームは、それぞれ対応するコリメートレンズ１２１〜１２５によってファースト方向についてコリメートされた後、後段の光学部材１５に向けて出射される。

第２レーザ光源１３は、それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含むレーザ光源であり、第１レーザ光源１１と同様に、５個の半導体レーザアレイ１３１〜１３５がファースト方向に積層された半導体レーザアレイスタックとして構成されている。また、レーザ光源１３の前方には、半導体レーザアレイ１３１〜１３５にそれぞれ対応するように、５個のファースト方向コリメートレンズからなるコリメートレンズアレイ１４が設置されている。

これらの第１、第２レーザ光源１１、１３は、図１に示すように、レーザ光の出射光軸方向が互いに直交するように配置されている。また、これらのレーザ光源１１、１３に対し、その後段にレーザビーム合成用の光学部材１５が設置されている。この光学部材１５は、レーザ光を透過させる材料で形成された板状部材から構成された光学板である。

光学部材１５は、その一方の面（第１レーザ光源１１の光軸方向からみて上流側の面）が第１レーザ光源１１に対面し、他方の面（下流側の面）が第２レーザ光源１３に対面した状態で、レーザ光源１１、１３のそれぞれの光軸に対して４５°傾くように設置されている。また、光学部材１５には、レーザ光源１１からのレーザ光を透過する透過領域１６と、レーザ光源１３からのレーザ光を反射してその光路を９０°変更する反射領域１７とがファースト方向に交互に設けられている。反射領域１７については、例えば、光学部材１５の下流側の面に所定パターンで反射膜を形成する構成を用いることができる。

図５は、２個のレーザ光源１１、１３からのレーザビームの合成について示す模式図である。図５において、パターン（ａ）は第１レーザ光源１１からレンズアレイ１２を介して出射されるレーザ光のビームパターンＳ１１（図２参照）を示し、パターン（ｂ）は第２レーザ光源１３からレンズアレイ１４を介して出射されるレーザ光のビームパターンＳ１３を示している。また、パターン（ｃ）はレーザ光源１１、１３からのレーザビームが光学部材１５によって合成された後のビームパターンＳ２１を示している。

第１レーザ光源１１からのレーザビームのパターンＳ１１は、半導体レーザアレイ１１１〜１１５のそれぞれから出射されるレーザビームＢ１１〜Ｂ１５を含むビームパターンとなっている。レーザビームＢ１１〜Ｂ１５は、それぞれスロー方向を長手方向とするストライプ状のパターンを有し、レーザ光源１１でのレーザアレイの積層間隔に対応する間隔Ｄでファースト方向に並んでいる。第２レーザ光源１３からのレーザビームのパターンＳ１３は、半導体レーザアレイ１３１〜１３５のそれぞれから出射されるレーザビームＢ３１〜Ｂ３５を含むビームパターンとなっている。レーザビームＢ３１〜Ｂ３５は、それぞれスロー方向を長手方向とするストライプ状のパターンを有し、レーザ光源１３でのレーザアレイの積層間隔に対応する間隔Ｄでファースト方向に並んでいる。

また、レーザ光源１１、１３は、半導体レーザアレイ１１１〜１１５、１３１〜１３５のファースト方向の位置が積層間隔の半分のＤ／２だけ互いにずれるように配置されている。これにより、ビームパターンＳ１１、Ｓ１３では、第２レーザ光源１３からのパターンＳ１３での各レーザビームの位置が、第１レーザ光源１１からのパターンＳ１１での各レーザビームの位置からみてＤ／２だけずれるパターンとなっている。

このようなビームパターンＳ１１、Ｓ１３に対し、光学部材１５は、第１レーザ光源１１のレーザアレイ１１１〜１１５に対応する位置が透過領域１６となって、レーザビームＢ１１〜Ｂ１５が光学部材１５を透過し、かつ、第２レーザ光源１３のレーザアレイ１３１〜１３５に対応する位置が反射領域１７となって、レーザビームＢ３１〜Ｂ３５が光学部材１５で反射されるように構成されている。

これにより、光学部材１５による合成後のレーザビームのビームパターンＳ２１では、レーザビームＢ１１〜Ｂ１５及びレーザビームＳ３１〜Ｓ３５の伝搬方向が同一の方向となる。また、上記したレーザ光源１１、１３の配置構成及び光学部材１５の構成により、合成後のビームパターンＳ２１では、第１レーザ光源１１からのレーザビームＢ１１〜Ｂ１５及び第２レーザ光源１３からのレーザビームＢ３１〜Ｂ３５がファースト方向に交互に位置して、全体として長方形状のビーム形状を有するレーザビームが得られる。図１のレーザ光供給装置１Ａでは、このレーザビームがビーム形状の整形等の対象となる。

レーザ光源１１、１３、及び光学部材１５を含むレーザ光源ユニット１０の後段には、ファースト方向圧縮光学系２０が配置されている。本構成例においては、この圧縮光学系２０は、ファースト方向縮小レンズ２１と、ファースト方向コリメートレンズ２２とによって構成されている。縮小レンズ２１は、例えば平凸シリンドリカルレンズからなり、光学部材１５から入射されたレーザビームのパターンＳ２１（図２参照）をファースト方向について縮小する。また、コリメートレンズ２２は、例えば平凹シリンドリカルレンズからなり、パターンＳ２２までファースト方向に縮小されたレーザビームを平行光ビームに戻す。このファースト方向に圧縮されたレーザビームは、整形光学系３０に対して、パターンＳ４０を有するレーザビーム（入力ビーム）として入力される。

図６は、本発明によるレーザ光整形光学系３０の第１実施形態の構成を示す斜視図である。また、図７は、整形光学系３０を構成する分割導波路アレイ及び合成導波路アレイの構成を示す斜視図である。また、図８は、整形光学系３０の構成、及び整形光学系３０内での各ビーム成分の光路を示す図である。図７（ａ）は分割導波路アレイを、図７（ｂ）は合成導波路アレイをそれぞれ示している。また、図８（ａ）は整形光学系の上面図を、図８（ｂ）は正面図を、図８（ｃ）は側面図をそれぞれ示している。また、図８では、７個のビーム成分のうち、第１のビーム成分及び第７のビーム成分の光路を示している。

レーザ光整形光学系３０は、レーザ光源ユニット１０からのレーザビームを入力ビームとし、そのビーム形状を整形して得られたレーザビームを出力ビームとして出力する整形光学系である。本実施形態においては、レーザ光整形光学系３０は、その前段部分の分割導波路アレイ４０と、後段部分の合成導波路アレイ５０とによって構成されている。

分割導波路アレイ４０は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数、本構成例ではＮ＝７）の分割導波路部材４１〜４７によって、入力ビームを７個のビーム成分に分割する分割光学系として構成されている。具体的には、分割導波路アレイ４０は、入力ビームにおけるスロー方向及びファースト方向に対して、第１〜第７分割導波路部材４１〜４７がスロー方向に配列され、また、各導波路部材の内部でのレーザ光の伝搬方向となる光軸方向が入力ビームでのファースト方向となるように構成されている。

本実施形態においては、図７（ａ）に示すように、第１導波路部材４１は、その光軸方向（図中の上下方向）について入力側にある端面（図中の上面）４１ａが、光軸に対して角度θ＝４５°で傾いて設けられた入力反射面となっており、また、入力ビームの光軸方向に沿って反射面４１ａを投影した上流側の側面上の領域（図中の斜線の領域）が入力ビームの入力面４１ｃとなっている。また、第１導波路部材４１は、その光軸方向について出力側にある端面（図中の下面）４１ｂが、光軸に対して角度θ＝４５°で傾いて設けられた分割反射面となっており、また、反射面４１ｂを投影した下流側の側面上の領域が分割されたビーム成分を出力する出力面４１ｄとなっている。

入力反射面４１ａは、上流側側面の入力面４１ｃを介してレーザ光源ユニット１０から入力されたビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するようにビーム成分の光路を変更する。また、分割反射面４１ｂは、光軸に沿って部材内部を伝搬するビーム成分を反射して、下流側側面の出力面４１ｄを介して合成導波路アレイ５０での対応する合成導波路部材５１へと出力されるようにビーム成分の光路を変更する。

第２〜第７導波路部材４２〜４７についても、第１導波路部材４１と同様の構成を有しており、その入力側端面４２ａ〜４７ａが入力反射面、入力反射面を投影した上流側側面上の領域が入力面４２ｃ〜４７ｃ、出力側端面４２ｂ〜４７ｂが分割反射面、分割反射面を投影した下流側側面上の領域が出力面４２ｄ〜４７ｄとなっている。また、導波路部材４１〜４７は、矩形状で互いに同一、かつ光軸方向で一定の断面形状を有している。

また、導波路部材４１〜４７は、そのそれぞれの内部でのレーザ成分の光路長（分割光路長）が、第１分割導波路部材４１から第７分割導波路部材４７まで一定の光路長増加量で順に長くなるように設定されている。また、導波路部材４１〜４７の入力側端部は位置が揃うように配置されており、出力側端部は上記した光路長の相違により順に位置がずれるように配置されている。

以上の構成により、分割導波路アレイ４０では、レーザ光源ユニット１０からのレーザビームがスロー方向に延びるビームパターンＳ４０で入力面４１ｃ〜４７ｃから分割導波路部材４１〜４７へと入力され、入力反射面４１ａ〜４７ａで反射されることで入力ビームがスロー方向に沿って７個のビーム成分に分割される。そして、７個の分割導波路部材４１〜４７の内部をそれぞれ光軸方向に伝搬した７個のビーム成分は、分割反射面４１ｂ〜４７ｂで反射された後、出力面４１ｄ〜４７ｄからそれぞれ出力される。

合成導波路アレイ５０は、７個の合成導波路部材５１〜５７によって、分割導波路アレイ４０で分割された７個のビーム成分を合成して出力ビームを形成する合成光学系として構成されている。具体的には、合成導波路アレイ５０は、出力ビームにおけるスロー方向及びファースト方向に対して、第１〜第７合成導波路部材５１〜５７がファースト方向に配列され、また、各導波路部材の内部でのレーザ光の伝搬方向となる光軸方向が出力ビームでの光軸方向となるように構成されている。ここで、前段の分割導波路アレイ４０での光軸方向と、後段の合成導波路アレイ５０での光軸方向とは互いに直交している。

本実施形態においては、図７（ｂ）に示すように、第１導波路部材５１は、その光軸方向（図中の左右方向）について入力側にある端面（図中の左面）５１ａが、光軸に対して角度θ＝４５°で傾いて設けられた合成反射面となっており、また、反射面５１ａを投影した上流側の側面上の領域がレーザビームの入力面５１ｃとなっている。ここで、この入力面５１ｃは、対応する分割導波路部材４１の出力面４１ｄに光学的に接続されている。また、第１導波路部材５１は、その光軸方向について出力側にある端面（図中の右面）５１ｂが、光軸に対して直交するように設けられた出力面となっている。

合成反射面５１ａは、上流側側面の入力面５１ｃを介して分割導波路部材４１から入力されたビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するようにビーム成分の光路を変更する。また、出力面５１ｂは、光軸に沿って部材内部を伝搬するビーム成分を外部へと出力する。

第２〜第７導波路部材５２〜５７についても、第１導波路部材５１と同様の構成を有しており、その入力側端面５２ａ〜５７ａが合成反射面、合成反射面を投影した上流側側面上の領域が入力面５２ｃ〜５７ｃ、出力側端面５２ｂ〜５７ｂが出力面となっている。また、合成導波路部材の入力面５２ｃ〜５７ｃは、それぞれ対応する分割導波路部材の出力面４２ｄ〜４７ｄに光学的に接続されている。また、導波路部材５１〜５７は、矩形状で互いに同一、かつ光軸方向で一定の断面形状を有している。

また、導波路部材５１〜５７は、そのそれぞれの内部でのレーザ成分の光路長（合成光路長）が、第１合成導波路部材５１から第７合成導波路部材５７まで一定の光路長減少量で順に短くなるように設定されている。また、導波路部材５１〜５７の出力側端部は位置が揃うように配置されており、入力側端部は上記した光路長の相違により、分割導波路アレイ４０での出力側端部に対応して順に位置がずれるように配置されている。また、導波路アレイ４０、５０からなるレーザ光整形光学系３０の全体としては、導波路部材内部を伝搬される７個のビーム成分のそれぞれについて、分割導波路部材４１〜４７での分割光路長と合成導波路部材５１〜５７での合成光路長とを合わせた整形光路長が、７個のビーム成分で互いに等しくなるように構成されている。

以上の構成により、合成導波路アレイ５０では、分割導波路アレイ４０の導波路部材４１〜４７から分割された状態で出力されるビーム成分が入力面５１ｃ〜５７ｃから対応する合成導波路部材５１〜５７へと入力され、合成反射面５１ａ〜５７ａで反射される。そして、７個の合成導波路部材５１〜５７の内部をそれぞれ光軸方向に伝搬した７個のビーム成分は、ファースト方向に配列された出力面５１ｂ〜５７ｂからそれぞれ出力される。これにより、分割導波路アレイ４０でスロー方向に分割された７個のビーム成分が、合成導波路アレイ５０においてファースト方向に整列するように合成され、ファースト方向に延びるビームパターンＳ５０に整形された出力ビームが出力される。

分割導波路アレイ４０及び合成導波路アレイ５０を含むレーザ光整形光学系３０の後段には、ファイバ入射光学系６０が配置されている。このファイバ入射光学系６０は、整形光学系３０から出力される整形後の出力ビームに対して設けられ、レーザ光供給装置１Ａの後段に設置された光ファイバ８０の入射端面８１へと出力ビームを集光しつつ供給するための光学系である。本構成例においては、入射光学系６０は、スロー方向拡大光学系６１と、非球面レンズ６４とによって構成されている。拡大光学系６１は、整形光学系３０からの出力ビームをスロー方向について拡大する。また、非球面レンズ６４は、拡大光学系６１によってスロー方向に拡大された出力ビームを、スロー方向及びファースト方向の両方向について集光して、光ファイバ８０の入射端面８１へと供給する。

スロー方向拡大光学系６１は、スロー方向拡大レンズ６２と、スロー方向コリメートレンズ６３とによって構成されている。拡大レンズ６２は、例えば平凹シリンドリカルレンズからなり、整形光学系３０から入射された出力ビームのパターンＳ６２（図２参照）をスロー方向に拡大する。また、コリメートレンズ６３は、例えば平凸シリンドリカルレンズからなり、パターンＳ６３までスロー方向に拡大されたレーザビームを平行光ビームに戻す。この出力ビームは、パターンＳ６４で非球面レンズ６４へと入射し、非球面レンズ６４によって、光ファイバ８０の入射端面８１へとパターンＳ８０で集光される。

上記実施形態によるレーザ光整形光学系３０、及びレーザ光供給装置１Ａの効果について説明する。

図６〜図８に示したレーザ光整形光学系３０においては、半導体レーザアレイを含むレーザ光源１１、１３から出射されるスロー方向に延びるレーザビームをスロー方向でＮ個（上記構成例では７個）のビーム成分に分割し、それらのビーム成分をファースト方向に整列させることでレーザ光のビーム形状を整形している。このように、レーザビームをスロー方向で分割してファースト方向に整列させる構成によれば、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件を好適にバランスさせることができる。

また、このような構成において、レーザビームをスロー方向で分割する前段の分割光学系を、それぞれ分割反射面４１ｂ〜４７ｂを有する導波路部材４１〜４７からなる分割導波路アレイ４０によって構成するとともに、分割されたビーム成分をファースト方向に整列させて合成する後段の合成光学系を、それぞれ合成反射面５１ａ〜５７ａを有する導波路部材５１〜５７からなる合成導波路アレイ５０によって構成している。このように、２個の導波路アレイ４０、５０を組み合わせることにより、上記のようにレーザ光のビーム形状を整形する光学系３０を好適に実現することができる。また、このように整形光学系３０の全体で導波路部材を用いる構成では、光学系３０内でのレーザビームの拡がりの発生が抑制される。以上により、上記構成の整形光学系３０によれば、レーザ光源からのレーザビームの形状を好適に整形することが可能となる。

また、図１に示したレーザ光供給装置１Ａにおいては、レーザ光源１１、１３に含まれる半導体レーザアレイに対して、レーザビームのファースト方向の拡がり角度を小さくするファースト方向コリメートレンズアレイ１２、１４を設置するとともに、上記構成の整形光学系３０を用いてレーザ光のビーム形状を整形する構成としている。これにより、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件を好適にバランスさせて、ビーム形状が好適に整形されたレーザビームを出力ビームとして供給することが可能となる。

本実施形態のレーザ光整形光学系３０による上記効果について具体的に説明する。図１に示したレーザ光供給装置１Ａでは、半導体レーザ光源として、半導体レーザアレイを含むレーザ光源１１、１３を用いている。半導体レーザアレイでは、上述したように、一般に、個々の発光部Ｅのスロー方向の発光幅Ｗ（図４参照）は１００〜２００μｍ程度、ファースト方向の発光幅は１μｍ程度である。また、発光部Ｅから出射されるレーザ光の発散角は、スロー方向で８°程度、ファースト方向で４０°程度である。

また、レーザビームの品質は、ビームサイズとビーム発散角の積で表されるが、上記構成では、発光部Ｅのスロー方向の発光幅をＷ＝２００μｍとした場合に、スロー方向でのビーム品質はファースト方向に比べて４０倍悪い。また、ファースト方向については、ファースト方向コリメートレンズを適用することによって発散角を０．２°程度に抑えることができ、光ファイバにレーザ光を入射させる場合でも充分な品質が得られる。

レーザビームのビーム品質の良し悪しは直接、ビームの集光径の大きさに影響する。したがって、上記条件では、光ファイバへのレーザ光の入射等においてファースト方向よりもスロー方向のビーム品質が問題となる。また、スロー方向について発散角を抑えるためのコリメートレンズもあるが、このようなコリメートレンズの効果は、半導体レーザアレイでのフィリングファクターによって限界がある。ここで、半導体レーザアレイでの発光面積割合を示すフィリングファクターは、発光幅Ｗと、発光部Ｅの配列ピッチＰとの比率Ｗ／Ｐによって定義される。例えば、発光幅がＷ＝１５０μｍ、配列ピッチがＰ＝３００μｍであれば、フィリングファクターは５０％である。

発光部Ｅの発光幅をＷ＝１５０μｍ、配列ピッチをＰ＝５００μｍとし、フィリングファクターを３０％とした場合、スロー方向コリメートレンズでは、スロー方向の発散角を８°から４°程度に抑えるのが限界である。さらに、フィリングファクターが５０％以上と高くなるとコリメートレンズの効果は低くなり、例えばフィリングファクターが８０％程度になると、コリメートレンズの効果はほとんどなくなる。特に、パルス光動作をする半導体レーザアレイでは、発光部Ｅが高密度に配置されてフィリングファクターが大きくなる傾向があり、スロー方向の発散角の問題が生じやすい。光ファイバへのレーザ光の集光を効率良く行うためには、スロー方向の発散角を１°程度とすることが好ましい。しかしながら、発散角１°をスロー方向コリメートレンズのみで実現しようとすると、フィリングファクターは１０％程度とする必要があり、出力が著しく低下してしまう。

光ファイバ８０等に対してレーザビームを供給する場合、上記のようにビーム品質が異なるスロー方向及びファースト方向について、レーザ光の出力条件をバランスさせることが好ましい。これに対して、上記した整形光学系３０では、レーザ光源１１、１３から出射されるレーザビームを、発散角が問題となるスロー方向で分割し、分割されたビーム成分をファースト方向に整列させるビーム整形を行っている（図８参照）。このとき、整形後のパターンＳ５０では、スロー方向の幅はレーザビームの分割によって小さくなり、ファースト方向の幅はビーム成分の整列によって大きくなる。これにより、スロー方向とファースト方向とでレーザ光の出力条件を好適にバランスさせることができる。

また、レーザビームのビーム形状の整形等を行う場合、その間に、コリメートの有無に関わらずレーザビームがスロー方向に拡がり続けることとなる。例えば、半導体レーザアレイの全体での発光幅を１０ｍｍ、スロー方向の発散角を８°とすると、レーザビームが１０ｍｍ進むとビーム幅は１１．４ｍｍまで拡がる。また、例えば図１に示したように２個のレーザ光源からのレーザビームの合成、ファースト方向でのレーザビームの圧縮等を行う場合、そのための光学系では進行方向に５０ｍｍ程度は必要となるが、このとき、レーザビームのスロー方向のビーム幅は１７ｍｍ程度まで拡がることとなる。

レーザビームのビーム幅が大きくなることは、後段の光ファイバとの結合損失の点でも問題となる。すなわち、集光レンズによってレーザ光を集光する場合、光ファイバのＮＡと集光レンズの焦点距離とによってレーザビームに対する許容開口径が決まる。例えば、光ファイバのＮＡを０．２、集光レンズの焦点距離を１５ｍｍとすると、許容開口径はφ６．１２ｍｍとなり、この開口径以内で集光レンズに到達したレーザ光は光ファイバに入射するが、それ以外のレーザ光は光ファイバに入射できず結合損失が発生する。

これに対して、上記したレーザ光整形光学系３０によれば、スロー方向のレーザビームのパターン幅を小さくするビーム整形を行うことにより、ビーム幅が大きくなることによる上記問題を解消することが可能となる。また、図６に示したレーザ光整形光学系３０では、前段の分割光学系及び後段の合成光学系の両者において、複数の導波路部材による導波路アレイ４０、５０を用いている。このような構成では、レーザ光の光路が部材内部に制限されることにより、整形光学系３０内でのレーザビームの拡がりの発生が抑制され、スロー方向のビーム幅の増大をさらに抑制することができる。

また、例えば上記したレーザビームの分割、合成によるビーム整形を、レーザ光が空間を伝搬する光学系によって行った場合、各ビーム成分の光路長の違いなどによってそれぞれのビーム幅やビーム形状が不揃いになる可能性がある。このように、複数のビーム成分を合成して出力ビームとする際に各成分のビーム形状が不揃いになると、得られた出力ビームの集光性能が低下するなどの問題がある。

これに対して、本実施形態のレーザ光整形光学系３０では、その光学系の全体を導波路部材４１〜４７、５１〜５７から構成することにより、出力面５１ｂ〜５７ｂから出力される整形後のレーザビームにおいて、各ビーム成分でビーム形状が不揃いとなることはない。また、整形光学系３０を、分割導波路アレイ４０と合成導波路アレイ５０との２段階に分けた構成により、３次元的で複雑な光学系の構成が不要となり、光学系の設計が容易になるとともに、その製造コストを低減することが可能となる。

ここで、整形光学系３０内でレーザビームが伝搬する光路長については、上記したように、分割されたビーム成分のそれぞれについて、分割導波路部材４１〜４７での分割光路長と合成導波路部材５１〜５７での合成光路長とを合わせた整形光路長が、各ビーム成分で互いに等しいように構成されていることが好ましい。これにより、ビーム形状が整形された出力ビームとして、良好な特性のレーザビームを得ることができる。

具体的な構成としては、上記実施形態の整形光学系３０では、分割導波路アレイ４０において、スロー方向に配列された導波路部材を、それぞれの導波路部材での分割光路長が第１導波路部材から第７導波路部材まで順に長くなるように第１〜第７分割導波路部材４１〜４７としたときに、合成導波路アレイ５０において、分割導波路部材４１〜４７にそれぞれ光学的に接続される第１〜第７合成導波路部材５１〜５７がファースト方向に配列されて、それぞれの導波路部材での合成光路長が第１導波路部材から第７導波路部材まで順に短くなる構成としている。このような構成によれば、例えば上記したように複数のビーム成分で整形光路長が互いに等しくなる構成等、整形光学系３０の構成を好適に実現することが可能となる。また、これらの構成条件は、Ｎ＝７の場合に限らず、一般に２以上の整数Ｎの場合に有効である。

また、合成導波路アレイ５０の出力端での出力ビームの出力面積は、分割導波路アレイ４０の入力端でのレーザビームの入力面積と等しく設定されていることが好ましい。これにより、整形光学系３０に入力された段階でのレーザビームのビーム品質を保持したままでビーム形状の整形を行って、良好な品質の出力ビームを供給することが可能となる。具体的には、図７に示した構成では、分割導波路部材４１〜４７での入力面４１ｃ〜４７ｃの面積と、合成導波路部材５１〜５７での出力面５１ｂ〜５７ｂの面積とを等しく設定することにより、上記条件を満たすことができる。

分割導波路アレイ４０及び合成導波路アレイ５０を含むレーザ光整形光学系３０の具体的な構成については、分割導波路部材４１〜４７での分割反射面４１ｂ〜４７ｂ、及び合成導波路部材５１〜５７での合成反射面５１ａ〜５７ａは、それぞれ導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることが好ましい。これにより、整形光学系３０において導波路部材内部を伝搬するビーム成分に対する反射光学系を好適に構成することができる。例えば、上記実施形態の整形光学系３０では、このような反射光学系により、分割導波路アレイ４０と合成導波路アレイ５０とで、光軸が互いに直交する構成となっている。このような構成は、整形光学系３０の全体の構造を簡単化する上で有効である。

また、上記実施形態の整形光学系３０では、分割導波路アレイ４０において、分割導波路部材４１〜４７のそれぞれが、導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、部材の側面を介して入力されたビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するようにビーム成分の光路を変更する入力反射面４１ａ〜４７ａを有する構成としている。このような構成によっても、上記した整形光学系３０を好適に構成することができる。

また、反射面の傾き角度については、上記した分割反射面４１ｂ〜４７ｂ及び合成反射面５１ａ〜５７ａと同様に、この分割導波路部材４１〜４７での入力反射面４１ａ〜４７ａについても、それぞれの導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることが好ましい。これにより、整形光学系３０において導波路部材内部を伝搬するビーム成分に対する反射光学系を好適に構成することができる。

また、このように、導波路部材４１〜４７において、入力側端面である入力反射面４１ａ〜４７ａ、及び出力側端面である分割反射面４１ｂ〜４７ｂの両者が等しい角度（例えば４５°）で光軸に対して傾いた構成は、導波路部材を作製する上でも有効である。すなわち、このような構成では、導波路部材の側面形状が平行四辺形状となるため、図９に導波路部材４１の形成方法を例として模式的に示すように、平行平面基板から、上面、下面が反射面４１ａ、４１ｂとなるように導波路部材４１を切り出して形成することが可能となる。この場合、導波路部材から構成される整形光学系３０の製造を容易化して、その製造コストを低減することができる。

整形光学系３０を含むレーザ光供給装置１Ａから外部へのレーザ光の供給については、図１に示したように光ファイバ８０が用いられる場合、レーザ光供給装置１Ａは、レーザ光整形光学系３０から出力される出力ビームに対して設けられ、後段に設置された光ファイバ８０の入射端面８１へと出力ビームを集光しつつ供給するファイバ入射光学系６０を備えることが好ましい。

具体的には、ファイバ入射光学系６０として、整形光学系３０からの出力ビームをスロー方向について拡大するスロー方向拡大光学系６１と、スロー方向に拡大された出力ビームをスロー方向及びファースト方向の両方向について集光して光ファイバ８０の入射端面８１へと供給する非球面レンズ６４とを有する構成を用いることができる。

ここで、整形光学系３０から出力される整形後の出力ビームでは、そのビームパターンＳ５０はファースト方向に延びる形状になっている。このため、出力ビームをこのまま光ファイバ８０へと集光すると、ファースト方向についてのレーザ光の集光角がスロー方向に比べて大きくなる。これに対して、上記したようにスロー方向拡大光学系６１を用いる構成では、ビームパターンＳ６３に示すように出力ビームをスロー方向に拡大して、光ファイバ８０に対するレーザ光の集光角をスロー方向とファースト方向とで好適にバランスさせることが可能となる。

また、整形光学系３０に対してレーザビームを供給するレーザ光源については、図１に示したレーザ光源１１、１３のように、複数の半導体レーザアレイがファースト方向に積層された半導体レーザアレイスタックを含む構成としても良い。このような構成のレーザ光源を用いた場合においても、上記構成のレーザ光整形光学系３０によってビーム形状を好適に整形することができる。

また、レーザ光供給装置１Ａは、レーザ光源１１、１３からファースト方向コリメートレンズを介して出射されたレーザビームをファースト方向に圧縮するファースト方向圧縮光学系２０を備えることとしても良い。このような構成は、例えば上記した半導体レーザアレイスタックがレーザ光源として用いられている場合等に有効である。ただし、このような圧縮光学系２０については、不要であれば設けない構成としても良い。また、レーザ光源としては、上記した半導体レーザアレイスタックに限らず、単一の半導体レーザアレイからなるレーザ光源を用いても良い。

レーザ光供給装置１Ａ及び整形光学系３０の具体的な構成の一例について説明する。まず、レーザ光源１１、１３について、半導体レーザアレイのチップサイズをファースト方向に１００μｍ、スロー方向に１０ｍｍとする。また、ヒートシンクを含む半導体レーザアレイのサイズをファースト方向に１〜２ｍｍ、スロー方向に１０ｍｍとする。このときのファースト方向のサイズ１〜２ｍｍは、アレイスタックを構成する際の積層間隔（スタックピッチ）となる。

また、整形光学系３０については、図８に示したように分割導波路アレイ４０、合成導波路アレイ５０ともに７個の導波路部材によって構成するとともに、それぞれの導波路部材の断面形状を、ファースト方向に１ｍｍ、スロー方向に１．９ｍｍの矩形状とする。このとき、分割導波路部材４１〜４７の入力面４１ｃ〜４７ｃによって構成されるレーザビームの入力開口は、ファースト方向に１ｍｍ、スロー方向に１３．３ｍｍでスロー方向に延びる矩形状となる。また、合成導波路部材５１〜５７の出力面５１ｂ〜５７ｂによって構成される整形後のレーザビームの出力開口は、ファースト方向に７ｍｍ、スロー方向に１．９ｍｍでファースト方向に延びる矩形状となる。

整形光学系３０のプリズムアレイを構成するプリズム状の導波路部材については、部材内部においてレーザ光を伝搬可能な材料を用いれば良く、例えばガラス、プラスチックなどの材料を用いることができる。また、導波路部材の材料の屈折率については、例えば波長８０８ｎｍで屈折率１．６の材料を用いることができる。また、導波路部材の反射面でのレーザ光の反射、及びレーザ光が部材内部を伝搬する際の側面でのレーザ光の反射については、部材内外での屈折率差による反射を利用することができる。あるいは、導波路部材の必要な面上に反射膜等を形成する構成としても良い。

また、上記構成において、レーザ光供給装置１Ａ内の各段階でのビームパターン（図２参照）については、ファースト方向コリメート及びレーザビーム合成後のパターンＳ２１において、ファースト方向に６ｍｍ、スロー方向に１０ｍｍのビームが得られる。また、ファースト方向圧縮後のパターンＳ４０において、ファースト方向に１ｍｍ、スロー方向に１３ｍｍのビームが得られる。また、ビーム整形後のパターンＳ５０において、ファースト方向に７ｍｍ、スロー方向に１．９ｍｍのビームが得られる。また、スロー方向拡大後のパターンＳ６３において、ファースト方向に７ｍｍ、スロー方向に７ｍｍのビームが得られる。また、集光後のパターンＳ８０において、ファースト方向に０．５ｍｍ、スロー方向に０．５ｍｍのビームが得られる。また、このレーザビームが入射される光ファイバ８０としては、例えばファイバ径がφ０．６ｍｍの光ファイバが用いられる。

本発明によるレーザ光整形光学系について、さらに説明する。

図１０は、レーザ光整形光学系３０の第２実施形態の構成を示す斜視図である。また、図１１は、整形光学系３０の構成及び各ビーム成分の光路を示す図である。本実施形態による整形光学系３０は、導波路部材４１〜４７を有する分割導波路アレイ４０と、導波路部材５１〜５７を有する合成導波路アレイ５０とによって構成されている。また、これらの導波路アレイ４０、５０の構成は、合成導波路アレイ５０における導波路部材５１〜５７の出力端の構成を除き、図６に示した第１実施形態と同様である。

本実施形態においては、合成導波路アレイ５０の第１導波路部材５１は、その光軸方向について出力側にある端面５１ｂが、光軸に対して角度４５°で傾いて設けられた出力反射面となっている。この出力反射面５１ｂに対し、反射面５１ｂを投影した下流側の側面上の領域が、出力ビームとなるビーム成分を出力する出力面となっている。出力反射面５１ｂは、光軸に沿って部材内部を伝搬するビーム成分を反射して、導波路部材５１の下流側側面の出力面を介して外部へと出力されるようにビーム成分の光路を変更する。第２〜第７導波路部材５２〜５７についても、基本的には第１導波路部材５１と同様の構成を有しており、その出力側端面５２ｂ〜５７ｂが出力反射面、出力反射面を投影した下流側側面上の領域が出力面となっている。

このような導波路部材の構成によっても、上記したようにレーザビームのビーム整形を行うレーザ光整形光学系３０を好適に構成することができる。特に、本実施形態では、分割導波路アレイ４０の導波路部材４１〜４７のそれぞれにおいて、その入力側端面を光軸に対して所定角度で傾く入力反射面４１ａ〜４７ａとするとともに、合成導波路アレイ５０の導波路部材５１〜５７のそれぞれにおいて、その出力側端面を光軸に対して所定角度で傾く出力反射面５１ｂ〜５７ｂとしている。

また、本実施形態では、前段の導波路部材４１〜４７に加えて、後段の導波路部材５１〜５７についても、入力側端面である合成反射面５１ａ〜５７ａ、及び出力側端面である出力反射面５１ｂ〜５７ｂの両者が等しい角度（例えば４５°）で光軸に対して傾いた構成としている。このような構成では、図９に示したように、整形光学系３０を構成する導波路部材４１〜４７、５１〜５７のすべてについて、平行平面基板から、上面、下面が反射面となるように平行四辺形状の導波路部材を切り出して形成することが可能となる。この場合、導波路部材から構成される整形光学系３０の製造を容易化して、その製造コストをさらに低減することができる。

図１２は、レーザ光整形光学系３０の第３実施形態の構成を示す斜視図である。また、図１３は、整形光学系３０の構成及び各ビーム成分の光路を示す図である。本実施形態による整形光学系３０は、導波路部材４１〜４７を有する分割導波路アレイ４０と、導波路部材５１〜５７を有する合成導波路アレイ５０とによって構成されている。また、これらの導波路アレイ４０、５０の構成は、分割導波路アレイ４０における導波路部材４１〜４７の入力端の構成を除き、図１０に示した第２実施形態と同様である。

本実施形態においては、分割導波路アレイ４０の第１導波路部材４１は、その光軸方向について入力側にある端面４１ａが、光軸に対して直交するように設けられた入力面となっている。入力面４１ａは、レーザ光源ユニット１０からのビーム成分を、光軸に沿って部材内部を伝搬するように入力する。第２〜第７導波路部材４２〜４７についても、基本的には第１導波路部材４１と同様の構成を有しており、その入力側端面４２ａ〜４７ａが入力面となっている。

このような導波路部材の構成によっても、上記したようにレーザビームのビーム整形を行うレーザ光整形光学系３０を好適に構成することができる。一般に、分割導波路アレイ４０及び合成導波路アレイ５０における導波路部材の構成については、第１〜第３実施形態に示すように、分割導波路アレイ４０を構成する導波路部材４１〜４７の入力側端面、及び合成導波路アレイ５０を構成する導波路部材５１〜５７の出力側端面の少なくとも一方を、光軸に対して所定角度で傾いた反射面とすることが好ましい。

また、特に、整形光学系３０の製造の容易さ及び製造コストなどの点では、第２実施形態に示すように、分割導波路アレイ４０を構成する導波路部材４１〜４７の入力側端面、及び合成導波路アレイ５０を構成する導波路部材５１〜５７の出力側端面の両者を光軸に対して傾いた反射面とすることが好ましい。なお、分割導波路アレイ４０の導波路部材の入力側端面、及び合成導波路アレイ５０の導波路部材の出力側端面の両者を光軸に直交する入力面、出力面として整形光学系３０を構成することも可能である。

本発明によるレーザ光整形光学系、及びレーザ光供給装置は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば整形光学系３０の導波路アレイ４０、５０における導波路部材の個数、及び整形光学系３０におけるビーム成分の分割数については、上記実施形態では７個とした場合を例示したが、一般には、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の導波路部材から導波路アレイ４０、５０をそれぞれ構成し、レーザビームをＮ個のビーム成分に分割してビーム整形を行う構成であれば良い。また、導波路部材の形状についても、具体的には様々な構成を用いて良い。

また、整形光学系３０を含むレーザ光供給装置１Ａの構成についても、図１に示した構成以外にも様々な構成を用いて良い。図１４は、半導体レーザアレイを含むレーザ光源の構成の他の例を示す斜視図である。本構成例では、レーザ光源１１の前方には、半導体レーザアレイ１１１〜１１５に対応するファースト方向コリメートレンズからなるコリメートレンズアレイ１２が設置されるとともに、さらにその前方に、半導体レーザアレイ１１１〜１１５の個々の発光部Ｅに対応するスロー方向コリメートレンズ１９が２次元に配列されたスロー方向コリメートレンズアレイ１８が設置されている。

このように、ファースト方向コリメートレンズに加えてスロー方向コリメートレンズを設置した場合でも、フィリングファクターなどにより、スロー方向についてはレーザ光の発散角がある程度の大きさを持つ。したがって、このような構成においても、上記構成を有するレーザ光整形光学系３０を適用することが有効である。なお、レーザ光源については、図１では２個のレーザ光源１１、１３を有するレーザ光源ユニット１０を用いる構成を例示したが、レーザビームの合成を行わずに単一のレーザ光源を用いる構成としても良い。また、レーザ光源の構成についても、一般には、単一または複数の半導体レーザアレイを含むレーザ光源として構成されていれば良い。

また、整形光学系３０以外の光学系の構成についても、様々な構成を用いることが可能である。例えば、図１では、後段の光ファイバ８０に対してスロー方向拡大光学系６１、及び非球面レンズ６４によってファイバ入射光学系６０を構成する例を示したが、光ファイバ８０の入射端面８１に対して充分な結合効率でレーザ光を入射可能なものであれば、様々な構成を用いて良い。

図１５は、ファイバ入射光学系の構成の他の例を示す斜視図である。本構成例では、整形光学系３０からの出力ビームをファースト方向について集光するファースト方向縮小レンズ６６と、スロー方向について集光するスロー方向縮小レンズ６７とによってファイバ入射光学系６０を構成している。このような構成によっても、光ファイバ８０の入射端面８１に対して充分な結合効率でレーザ光を入射することが可能である。

本発明は、半導体レーザアレイを含むレーザ光源から出射されるレーザビームの形状を好適に整形することが可能なレーザ光整形光学系、及びそれを用いたレーザ光供給装置として利用可能である。

レーザ光供給装置の第１実施形態の構成を示す斜視図である。 図１に示したレーザ光供給装置におけるレーザビームの光路及びビーム形状について示す斜視図である。 半導体レーザアレイを含むレーザ光源の構成の一例を示す斜視図である。 半導体レーザアレイの構成を示す拡大斜視図である。 ２個のレーザ光源からのレーザビームの合成について示す模式図である。 レーザ光整形光学系の第１実施形態の構成を示す斜視図である。 分割導波路アレイ及び合成導波路アレイの構成を示す斜視図である。 レーザ光整形光学系の構成及びビーム成分の光路を示す図である。 導波路部材の形成方法について示す図である。 レーザ光整形光学系の第２実施形態の構成を示す斜視図である。 レーザ光整形光学系の構成及びビーム成分の光路を示す図である。 レーザ光整形光学系の第３実施形態の構成を示す斜視図である。 レーザ光整形光学系の構成及びビーム成分の光路を示す図である。 レーザ光源の構成の他の例を示す斜視図である。 ファイバ入射光学系の構成の他の例を示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ…レーザ光供給装置、１０…レーザ光源ユニット、１１、１３…レーザ光源、１１１〜１１５、１３１〜１３５…半導体レーザアレイ、１２、１４…ファースト方向コリメートレンズアレイ、１５…レーザビーム合成用の光学部材、１６…透過領域、１７…反射領域、１８…スロー方向コリメートレンズアレイ、
２０…ファースト方向圧縮光学系、２１…ファースト方向縮小レンズ、２２…ファースト方向コリメートレンズ、６０…ファイバ入射光学系、６１…スロー方向拡大光学系、６２…スロー方向拡大レンズ、６３…スロー方向コリメートレンズ、６４…非球面レンズ、６６…ファースト方向縮小レンズ、６７…スロー方向縮小レンズ、８０…光ファイバ、８１…入射端面、
３０…レーザ光整形光学系、４０…分割導波路アレイ、４１〜４７…分割導波路部材、４１ａ〜４７ａ…入力側端面（入力面、入力反射面）、４１ｂ〜４７ｂ…出力側端面（分割反射面）、５０…合成導波路アレイ、５１〜５７…合成導波路部材、５１ａ〜５７ａ…入力側端面（合成反射面）、５１ｂ〜５７ｂ…出力側端面（出力面、出力反射面）。

Claims (12)

1. それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含むレーザ光源からのレーザビームの形状を整形する整形光学系であって、
   Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の分割導波路部材を前記スロー方向に配列して構成され、前記レーザ光源から入力された前記レーザビームを前記スロー方向に沿ってＮ個のビーム成分に分割し、前記Ｎ個の分割導波路部材をそれぞれ伝搬した前記Ｎ個のビーム成分を出力する分割導波路アレイと、
   前記Ｎ個の分割導波路部材にそれぞれ光学的に接続されるＮ個の合成導波路部材を前記スロー方向に直交するファースト方向に配列して構成され、前記分割導波路アレイから入力され、前記Ｎ個の合成導波路部材をそれぞれ伝搬した前記Ｎ個のビーム成分を前記ファースト方向に整列したビーム形状に合成して、整形された出力ビームとして出力する合成導波路アレイとを備え、
   前記分割導波路アレイの前記Ｎ個の分割導波路部材のそれぞれは、前記分割導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、光軸に沿って部材内部を伝搬する前記ビーム成分を反射して、部材の側面を介して前記合成導波路アレイでの対応する合成導波路部材へと出力されるように前記ビーム成分の光路を変更する分割反射面を有し、
   前記合成導波路アレイの前記Ｎ個の合成導波路部材のそれぞれは、前記合成導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、部材の側面を介して前記分割導波路アレイでの対応する分割導波路部材から入力された前記ビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するように前記ビーム成分の光路を変更する合成反射面を有する
   ことを特徴とするレーザ光整形光学系。
2. 前記Ｎ個のビーム成分のそれぞれについて、前記分割導波路部材での分割光路長と前記合成導波路部材での合成光路長とを合わせた整形光路長が、前記Ｎ個のビーム成分で互いに等しいように構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ光整形光学系。
3. 前記分割導波路アレイにおいて、前記スロー方向に配列された前記Ｎ個の分割導波路部材を、それぞれの分割導波路部材での分割光路長が第１分割導波路部材から第Ｎ分割導波路部材まで順に長くなるように第１〜第Ｎ分割導波路部材としたときに、
   前記合成導波路アレイは、前記Ｎ個の合成導波路部材として前記第１〜第Ｎ分割導波路部材にそれぞれ光学的に接続される第１〜第Ｎ合成導波路部材が前記ファースト方向に配列されて、それぞれの合成導波路部材での合成光路長が第１合成導波路部材から第Ｎ合成導波路部材まで順に短くなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光整形光学系。
4. 前記合成導波路アレイの出力端での前記出力ビームの出力面積は、前記分割導波路アレイの入力端での前記レーザビームの入力面積と等しく設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ光整形光学系。
5. 前記分割導波路部材での前記分割反射面、及び前記合成導波路部材での前記合成反射面は、それぞれ導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ光整形光学系。
6. 前記分割導波路アレイの前記Ｎ個の分割導波路部材のそれぞれは、前記分割導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、部材の側面を介して前記レーザ光源から入力された前記ビーム成分を反射して、光軸に沿って部材内部を伝搬するように前記ビーム成分の光路を変更する入力反射面を有し、
   前記合成導波路アレイの前記Ｎ個の合成導波路部材のそれぞれは、前記合成導波路部材の光軸に対して所定角度で傾いて設けられ、光軸に沿って部材内部を伝搬する前記ビーム成分を反射して、部材の側面を介して外部へと出力されるように前記ビーム成分の光路を変更する出力反射面を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ光整形光学系。
7. 前記分割導波路部材での前記分割反射面、前記入力反射面、及び前記合成導波路部材での前記合成反射面、前記出力反射面は、それぞれ導波路部材の光軸に対して角度４５°で傾いて設けられていることを特徴とする請求項６記載のレーザ光整形光学系。
8. それぞれレーザ光を出射する複数の発光部がスロー方向に配列された半導体レーザアレイを含み、所定の形状のレーザビームを出射するレーザ光源と、
   前記半導体レーザアレイからの前記レーザビームを前記スロー方向に直交するファースト方向についてコリメートするファースト方向コリメートレンズと、
   前記レーザ光源から前記ファースト方向コリメートレンズを介して入力された前記レーザビームの形状を、前記レーザビームが前記スロー方向に沿って分割されたＮ個のビーム成分を前記ファースト方向に整列したビーム形状に合成して、整形された出力ビームとして出力する請求項１〜７のいずれか一項記載のレーザ光整形光学系と
   を備えることを特徴とするレーザ光供給装置。
9. 前記レーザ光整形光学系から出力される前記出力ビームに対して設けられ、後段に設置された光ファイバの入射端面へと前記出力ビームを集光しつつ供給するファイバ入射光学系を備えることを特徴とする請求項８記載のレーザ光供給装置。
10. 前記ファイバ入射光学系は、
    前記レーザ光整形光学系からの前記出力ビームを前記スロー方向について拡大するスロー方向拡大光学系と、
    前記スロー方向に拡大された前記出力ビームを前記スロー方向及び前記ファースト方向の両方向について集光して前記光ファイバの入射端面へと供給する非球面レンズと
    を有することを特徴とする請求項９記載のレーザ光供給装置。
11. 前記レーザ光源は、複数の前記半導体レーザアレイが前記ファースト方向に積層された半導体レーザアレイスタックを含んで構成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項記載のレーザ光供給装置。
12. 前記レーザ光源から前記ファースト方向コリメートレンズを介して出射された前記レーザビームを前記ファースト方向について圧縮するファースト方向圧縮光学系を備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項記載のレーザ光供給装置。

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