JP2011169969A - レーザビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成とすることができ、しかも光ファイバへの導光の効率を向上させることができるレーザビーム装置を得る。
【解決手段】速軸方向コリメータ５は、長径及び短径を持つ発光部から照射されたレーザビームを速軸方向についてコリメートする。速軸方向コリメータ５の後段には分割用光学素子８が配置され、分割用光学素子８の後段にはシフト用光学素子９が配置されている。長径方向についてレーザビームの一部のみが第１の分割ビーム１１として分割用光学素子８内を進行し、残りのレーザビームが第２の分割ビーム１２として分割用光学素子８外を進行する。これにより、レーザビームが第１及び第２の分割ビームに分割される。シフト用光学素子９は、第１及び第２の分割ビームのいずれか一方の光路を変更することにより、第１及び第２の分割ビームの短径方向についての位置を互いに重なる位置とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザダイオード素子から照射されたレーザビームを集光するレーザビーム装置に関するものである。

従来、横長の発光面から照射されるレーザビームを集光して光ファイバに導光するために、レーザビームの断面形状を小径の円形に近づける補正を行うレーザビームの補正装置が提案されている。レーザビームの補正は、レーザビームを発光面の短手方向についてコリメートした後、光路分割素子によってレーザビームを発光面の長手方向について複数の分割ビームに分割し、光路変更素子によって発光面の短手方向について重なる位置に各分割ビームを変位させることにより、行われる。光路分割素子は、複数の導光板を互いに重ね合わせて構成されている。光路変更素子も、複数の導光板を互いに重ね合わせて構成されている。レーザビームは、光路分割素子の各導光板に部分的に通されることにより複数の分割ビームに分割される。各分割ビームは、光路変更素子の各導光板に個別に通されることにより、発光面の短手方向について互いに重なる位置へそれぞれ変位される（例えば特許文献１参照）。

特許第３０９８２００号公報

しかし、従来のレーザビームの補正装置では、光路分割素子や光路変更素子が複数枚の導光板によりそれぞれ構成されているので、構成が複雑になり、コストが増大してしまう。

また、レーザビームが光路分割素子の各導光板に部分的に通されることにより分割され、各分割ビームが光路変更素子の各導光板に個別に通されることによりそれぞれ変位されるので、光路分割素子によるレーザビームの分割比率の調整や、光路変更素子による各分割ビームのそれぞれの変位量の調整がしにくくなる。従って、例えばレーザビームが設計値に対してずれている場合には、集光径が大きくなり光ファイバへの導光の効率が低下してしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡単な構成とすることができ、しかも光ファイバへの導光の効率を向上させることができるレーザビーム装置を得ることを目的とする。

この発明に係るレーザビーム装置は、長径及び短径を持つ発光部を有し、発光部からレーザビームを照射するレーザダイオード素子、レーザビームを速軸方向についてコリメートする速軸方向コリメータ、速軸方向コリメータの後段に配置され、発光部の長径方向についてレーザビームの一部のみが第１の分割ビームとして内部を進行するとともに、残りのレーザビームが第２の分割ビームとして外部を進行し、第１の分割ビームの光路を変更することにより、レーザビームを第１の分割ビーム及び第２の分割ビームに分割する分割用光学素子、及び分割用光学素子の後段に配置され、第１の分割ビーム及び第２の分割ビームのいずれか一方の光路を変更することにより、第１の分割ビーム及び第２の分割ビームの発光部の短径方向についての位置を互いに重なる位置とするシフト用光学素子を備えている。

この発明に係るレーザビーム装置では、レーザビームの一部のみが分割用光学素子内を進行することにより、レーザビームが第１の分割ビームと第２の分割ビームとに分割され、第１の分割ビーム及び第２の分割ビームのいずれか一方がシフト用光学素子内を進行することにより、第１の分割ビームと第２の分割ビームとが短径方向について互いに重なるので、分割用光学素子及びシフト用光学素子のそれぞれの構成を、複数の導光板を用いない簡単な構成とすることができる。これにより、コストの低減を図ることができる。また、分割用光学素子及びシフト用光学素子のそれぞれの位置や角度を調整することにより、レーザビームの分割比率や第１の分割ビーム及び第２の分割ビームのシフト量を調整することができる。従って、分割用光学素子及びシフト用光学素子のそれぞれの位置や角度の調整により、レーザビームの特性を向上させることができ、光ファイバへの導光の効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるレーザビーム装置を示す上面図である。 図１のレーザビーム装置を示す側面図である。 図１のＬＤチップの光軸に垂直な断面におけるレーザビームの特性を示す模式図である。 図１のシフト用光学素子を通過した直後のレーザビームの特性を示す模式図である。 図１の補正装置によって補正されたレーザビームの特性と光ファイバの集光性能の限界とを比較するグラフである。 図１の分割用光学素子及びシフト用光学素子を除いた補正装置によって補正されたレーザビームの特性と光ファイバの集光性能の限界とを比較するグラフである。 この発明の実施の形態２によるレーザビーム装置の要部を示す上面図である。 図７のレーザビーム装置の要部を示す側面図である。 この発明の実施の形態３によるレーザビーム装置の要部を示す上面図である。 図９のレーザビーム装置の要部を示す側面図である。 この発明の実施の形態４によるレーザビーム装置を示す上面図である。 図１１のレーザビーム装置を示す側面図である。 図１１のＬＤチップの光軸に垂直な断面におけるレーザビームの特性を示す模式図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザビーム装置を示す上面図である。また、図２は、図１のレーザビーム装置を示す側面図である。図において、ＬＤチップ（光源）１は、互いに垂直な速軸及び遅軸を持つレーザダイオード素子である。また、ＬＤチップ１は、レーザビームを照射する発光部を有している。ＬＤチップ１の発光部から照射されるレーザビームの光軸方向は、速軸方向及び遅軸方向のいずれにも垂直な方向とされている。ＬＤチップ１の発光部から照射されるレーザビームは、速軸方向成分の特性と遅軸方向成分の特性とが互いに異なるレーザビーム、即ち集光性に異方性を持つレーザビームとなっている。ＬＤチップ１の発光部は、図示しない給電装置からＬＤチップ１への給電によりレーザビームを照射する。

ＬＤチップ１の発光部は、ＬＤチップ１の遅軸方向へ並べられた複数（この例では、１９個）の発光点により構成されている。即ち、ＬＤチップ１は、ＬＤチップ１の遅軸方向に沿った直線上に各発光点が並んだアレイ型（バー型）の光源とされている。従って、ＬＤチップ１の発光部の形状は、各発光点が並べられた方向（遅軸方向）について長径を持ち、遅軸方向及び光軸方向のいずれに対しても垂直な方向について短径（長径よりも短い径）を持つ横長の形状とされている。即ち、ＬＤチップ１の発光部の長径方向はＬＤチップ１の遅軸方向と一致し、ＬＤチップ１の発光部の短径方向はＬＤチップ１の速軸方向と一致している。

この例では、ＬＤチップ１の発光部の長径方向が水平方向（ｘ軸方向）と一致しＬＤチップ１の発光部の短径方向が鉛直方向（ｙ軸方向）と一致するようにＬＤチップ１が配置されている。また、ＬＤチップ１の発光部は、各発光点からの複数の出射ビームをレーザビームとして照射する。

ＬＤチップ１は、ヒートシンク２に取り付けられている。ヒートシンク２は、図示しない冷却装置に取り付けられている。冷却装置としては、例えば水冷式や空冷式の冷却装置等が用いられている。レーザビームの照射に伴ってＬＤチップ１に発生する熱は、ヒートシンク２を介して冷却装置へ伝達される。これにより、ＬＤチップ１の温度上昇が抑制される。

ＬＤチップ１の発光部から照射されたレーザビームは、補正装置３によって補正されて集光された後、光ファイバ４へ導光される。なお、レーザビーム装置は、ＬＤチップ１及び補正装置３を有している。

補正装置３は、速軸方向コリメータ（ＦＡＣ：Fast Axis Collimator）５、ビーム変換素子６、遅軸方向コリメータ（ＳＡＣ：Slow Axis Collimator）７、分割用光学素子８、シフト用光学素子９及び集光装置１０を有している。ＬＤチップ１の発光部からのレーザビームは、光軸方向について、速軸方向コリメータ５、ビーム変換素子６、遅軸方向コリメータ７、分割用光学素子８、シフト用光学素子９及び集光装置１０の順に進行し、光ファイバ４に至る。

図３は、図１のＬＤチップ１の光軸に垂直な断面におけるレーザビームの特性を示す模式図であり、図３（ａ）は速軸方向コリメータ５を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図３（ｂ）はビーム変換素子６を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図３（ｃ）は分割用光学素子８を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図３（ｄ）はシフト用光学素子９を通過した直後のレーザビームの特性を示す図である。

各発光点からの出射ビームは、図３（ａ）に示すように、ＬＤチップ１の発光部の長径方向（以下、単に「長径方向」という）に沿って並んでいる。また、各発光点からの出射ビームのそれぞれの断面形状は、図３（ａ）に示すように、ＬＤチップ１の遅軸方向（長径方向）に沿った横長の形状となっている。

速軸方向コリメータ５は、ＬＤチップ１の発光部からのレーザビームの速軸方向成分をコリメート（平行化）する。従って、各発光点からの出射ビームは、速軸方向コリメータ５内を通過することにより、ＬＤチップ１の発光部の短径方向（以下、単に「短径方向」という）についてそれぞれコリメートされる。

ビーム変換素子６は、図１及び図２に示すように、速軸方向コリメータ５の後段（即ち、光軸方向について、速軸方向コリメータ５よりもＬＤチップ１から離れた位置）に配置されている。また、ビーム変換素子６は、各発光点から速軸方向コリメータ５を通過した出射ビームの径（ビーム径）及び拡がり角（ビーム拡がり角）のそれぞれについて、光軸に垂直でかつ互いに垂直な２つの方向の成分を入れ替える。従って、レーザビームがビーム変換素子６内を通過することにより、各発光点からの出射ビームのビーム径の長径方向（ｘ軸方向）の値と短径方向（ｙ軸方向）の値とが入れ替わるとともに、各発光点からの出射ビームのビーム拡がり角の長径方向（ｘ軸方向）の値と短径方向（ｙ軸方向）の値とが入れ替わる。

即ち、各発光点からの出射ビームがビーム変換素子６に入射する前において、ｘ軸方向のビーム径の値をｗｘ、ｙ軸方向のビーム径の値をｗｙとし、ｘ軸方向のビーム拡がり角の値をθｘ、ｙ軸方向のビーム拡がり角の値をθｙとすると、各出射ビームがビーム変換素子６から出射された後には、ｘ軸方向のビーム径の値がｗｙ、ｙ軸方向のビーム径の値がｗｘとなり、ｘ軸方向のビーム拡がり角の値がθｙ、ｙ軸方向のビーム拡がり角の値がθｘとなる。

各発光点からの出射ビームの状態は、レーザビームがビーム変換素子６内を通過することによって各出射ビームの長径方向成分（遅軸方向成分）と短径方向成分（速軸方向成分）とが入れ替わり、図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態に変換される。従って、レーザビームがビーム変換素子６内を通過することにより、各発光点からの出射ビームのそれぞれの断面形状が、図３（ｂ）に示すように、ＬＤチップ１の速軸方向（短径方向）に沿った縦長の形状となる。ビーム変換素子６としては、例えば、独国ＬＩＭＯ社製の光学素子「ＢＴＳ」や独国ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社製の光学素子「Ｖステップ素子」等が用いられる。

遅軸方向コリメータ７は、ビーム変換素子６の後段（即ち、光軸方向について、ビーム変換素子６よりもＬＤチップ１から離れた位置）に配置されている。また、遅軸方向コリメータ７は、ビーム変換素子６内を通過したレーザビームの遅軸方向成分をコリメートする。即ち、遅軸方向コリメータ７は、ビーム変換素子６内を通過した各発光点からの出射ビームのそれぞれの遅軸方向成分をコリメートする。

ここで、ビーム変換素子６内を通過したレーザビームは、速軸方向成分と遅軸方向成分とが入れ替わった状態になっている。従って、遅軸方向コリメータ７に達する各出射ビームの遅軸方向は、短径方向と一致している。このことから、レーザビームは、遅軸方向コリメータ７内を通過することにより短径方向についてコリメートされる。

分割用光学素子８は、遅軸方向コリメータ７の後段（即ち、光軸方向について、遅軸方向コリメータ７よりもＬＤチップ１から離れた位置）に配置されている。また、分割用光学素子８には、図２に示すように、互いに平行な一対の平面である分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂと、各分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂのいずれにも垂直な一対の分割素子側面８ｃ，８ｄとが設けられている。即ち、分割用光学素子８は、長方形断面を持つ平行平面基板とされている。

一方の分割素子ビーム通過面８ａはレーザビームが分割用光学素子８内に入射する入射面とされ、他方の分割素子ビーム通過面８ｂはレーザビームが分割用光学素子８外へ出射する出射面とされている。また、各分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂは、短径方向に垂直な平面（この例では、水平面）に対して傾斜し、かつ長径方向に垂直な平面（この例では、光軸に沿った鉛直面）に対して垂直になっている。

レーザビームの進行方向は、分割用光学素子８内にレーザビームが入射すると、分割用光学素子８の内外屈折率の違いとレーザビームの進行方向に対する一方の分割素子ビーム通過面（入射面）８ａの傾きとにより、短径方向（上下方向）について所定の角度だけ変更される。また、レーザビームの進行方向は、分割用光学素子８内から外部へレーザビームが出射すると、分割用光学素子８の内外屈折率の違いとレーザビームの進行方向に対する他方の分割素子ビーム通過面（出射面）８ｂの傾きとにより、短径方向（上下方向）についてビーム入射時の変更角度を打ち消す角度だけ変更される。この例では、分割用光学素子８内へのレーザビームの入射によりレーザビームの進行方向が下方へ変わり、分割用光学素子８内から外部へのレーザビームの出射によりレーザビームの進行方向がもとの方向へ戻る。

また、分割用光学素子８は、レーザビームの照射範囲の一部にのみ重なるように長径方向へずらして配置されている。これにより、遅軸方向コリメータ７内を通過したレーザビームの長径方向についての一部のみ（即ち、各発光点からの出射ビームのうち、一部の出射ビームのみ）が分割用光学素子８内を第１の分割ビーム１１として進行し、分割用光学素子８の範囲から外れた残りのレーザビーム（即ち、各発光点からの出射ビームのうち、残りの出射ビーム）が分割用光学素子８外を第２の分割ビーム１２として進行する。

第１の分割ビーム１１は、分割用光学素子８内への入射により進行方向が変更された状態で分割用光学素子８内を進行しながら短径方向（上下方向）について（この例では、下方へ）シフト（変位）される。一方、第２の分割ビーム１２は、進行方向が変更されずにそのまま維持されながら、分割用光学素子８外を進行する。第１の分割ビーム１１の進行方向は、第１の分割ビーム１１が下方へシフトされた後に分割用光学素子８内から出射されることにより、第２の分割ビーム１２の進行方向と同一となる。これにより、レーザビームは、第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２とに上下に分割される。

即ち、分割用光学素子８は、レーザビームの一部である第１の分割ビーム１１の光路を変更し、分割用光学素子８外を進行する残りのレーザビームである第２の分割ビーム１２の光路から第１の分割ビーム１１の光路を分離することにより、第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２とにレーザビームを分割する。

分割用光学素子８の後段を進行するレーザビームの状態は、図３（ｃ）に示すように、各発光点からの出射ビームのうち、第１の分割ビーム１１に含まれる出射ビームのみが下方（図３（ｃ）の矢印Ｐの方向）へシフトされた状態となっている。レーザビームの状態は、レーザビームが分割用光学素子８の位置を通過することにより、図３（ｂ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態となる。

分割用光学素子８は、長径方向に沿った方向（左右位置調整方向）Ａ（図１）へ変位可能になっている。また、分割用光学素子８は、短径方向に垂直な平面（水平面）に対する分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂの傾斜角度が変化する方向（上下シフト量調整方向）Ｂ（図２）へ回動可能になっている。従って、左右位置調整方向Ａに沿った分割用光学素子８の変位により、第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２との比率が調整され、上下シフト量調整方向Ｂに沿った分割用光学素子８の回動により、第１の分割ビーム１１の下方へのシフト量が調整される。

シフト用光学素子９は、分割用光学素子８の後段（即ち、光軸方向について、分割用光学素子８よりもＬＤチップ１から離れた位置）に配置されている。また、シフト用光学素子９には、図１に示すように、互いに平行な一対の平面であるシフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂと、各シフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂのいずれにも垂直な一対のシフト素子側面９ｃ，９ｄとが設けられている。即ち、シフト用光学素子９は、長方形断面を持つ平行平面基板とされている。

一方のシフト素子ビーム通過面９ａはレーザビームがシフト用光学素子９内に入射する入射面とされ、他方のシフト素子ビーム通過面９ｂはレーザビームがシフト用光学素子９外へ出射する出射面とされている。また、各シフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂは、光軸方向に垂直な平面（この例では、鉛直面）に対して傾斜し、かつ短径方向に垂直な平面（この例では、水平面）に対して垂直になっている。

レーザビームの進行方向は、シフト用光学素子９内にレーザビームが入射すると、分割用光学素子８の原理と同様に、長径方向（左右方向）について所定の角度だけ変更される。また、レーザビームの進行方向は、シフト用光学素子９内から外部へレーザビームが出射すると、分割用光学素子８の原理と同様に、長径方向（左右方向）についてビーム入射時の変更角度を打ち消す角度だけ変更される。

また、シフト用光学素子９は、第１の分割ビーム１１及び第２の分割ビーム１２のうち、第２の分割ビーム１１のみがシフト用光学素子９に入射するように短径方向（上下方向）へずらして配置されている。これにより、分割用光学素子８によって生じた第１の分割ビーム１１及び第２の分割ビーム１２のうち、第２の分割ビーム１１のみがシフト用光学素子９内を進行し、第２の分割ビーム１２がシフト用光学素子９外を進行する。

第２の分割ビーム１２は、シフト用光学素子９内への入射により進行方向が変更された状態でシフト用光学素子９内を進行しながら長径方向（左右方向）についてシフト（変位）される。一方、第１の分割ビーム１１は、進行方向が変更されずにそのまま維持されながら、シフト用光学素子９外を進行する。第２の分割ビーム１２の進行方向は、第２の分割ビーム１２が長径方向へシフトされた後にシフト用光学素子９内から出射されることにより、第１の分割ビーム１１の進行方向と同一となる。第２の分割ビーム１２は、シフト用光学素子９内を通過することにより、短径方向（上下方向）について第１の分割ビーム１１と重なる位置へシフトされる。

即ち、シフト用光学素子９は、第２の分割ビーム１２の光路のみを変更することにより、第１の分割ビーム１１及び第２の分割ビーム１２の短径方向（上下方向）についての位置を互いに重なる位置とする。

シフト用光学素子９の後段を進行するレーザビームの状態は、図３（ｄ）に示すように、各発光点からの出射ビームのうち、第２の分割ビーム１２に含まれる出射ビームのみが長径方向（図３（ｄ）の矢印Ｑの方向）へシフトされることにより、短径方向（上下方向）について第２の分割ビーム１２が第１の分割ビーム１１と重なった状態となっている。レーザビームの状態は、レーザビームがシフト用光学素子９の位置を通過することにより、図３（ｃ）に示す状態から図３（ｄ）に示す状態となる。

シフト用光学素子９は、短径方向（上下方向）に沿った方向（上下位置調整方向）Ｃ（図２）へ変位可能になっている。また、シフト用光学素子９は、長径方向に垂直な平面（光軸に沿った鉛直面）に対するシフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂの傾斜角度が変化する方向（左右シフト量調整方向）Ｄ（図１）へ回動可能になっている。従って、上下位置調整方向Ｃに沿ったシフト用光学素子９の変位により、シフトさせる第２の分割ビームの量が調整され、左右シフト量調整方向Ｄに沿ったシフト用光学素子９の回動により、第２の分割ビームの長径方向へのシフト量が調整される。

集光装置１０は、シフト用光学素子９の後段（即ち、光軸方向について、シフト用光学素子９よりもＬＤチップ１から離れた位置）に配置されている。また、集光装置１０は、シフト用光学素子９からのレーザビームを長径方向（左右方向）について集光する第１の集光レンズ（第１の集光光学素子）１３と、シフト用光学素子９からのレーザビームを短径方向（上下方向）について集光する第２の集光レンズ（第２の集光光学素子）１４とを有している。第２の集光レンズ１４は、第１の集光レンズ１３の後段に配置されている。この例では、第１の集光レンズ１３及び第２の集光レンズ１４のそれぞれがシリンドリカルレンズとされている。

シフト用光学素子９からのレーザビームは、集光装置１０を通過することにより集光され、光ファイバ４へ導光される。

図４は、図１のシフト用光学素子９を通過した直後のレーザビームの特性を示す模式図である。レーザビームの長径方向（ｘ軸方向）及び短径方向（ｙ軸方向）のそれぞれの拡がり角が十分小さい場合には、ｙ軸方向についての第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２との間隔Δｙと、ｘ軸方向についての第１及び第２の分割ビーム１１，１２の横幅Δｘとがそれぞれ小さいほど、レーザビームの特性が向上し、光ファイバ４への導光の効率が向上する。従って、横幅Δｘ及び間隔Δｙのそれぞれが小さくなるように、左右位置調整方向Ａ及び上下シフト量調整方向Ｂのそれぞれへの分割用光学素子８の位置及び角度の調整と、上下位置調整方向Ｃ及び左右シフト量調整方向Ｄのそれぞれへのシフト用光学素子９の位置及び角度の調整とを行うことにより、レーザビームの特性が向上する。

図５は、図１の補正装置３によって補正されたレーザビームの特性と光ファイバ４の集光性能の限界とを比較するグラフである。また、図６は、図１の分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を除いた補正装置によって補正されたレーザビームの特性と光ファイバ４の集光性能の限界とを比較するグラフである。なお、図５及び図６では、レーザビームの特性を破線で示し、光ファイバ４の集光性能の限界を実線で示している。

レーザビームの特性（ビーム品質）は、集光径ｗと拡がり角θとの積（ｗ×θ）に基づいて求められる。また、光ファイバ４の集光性能の限界は、光ファイバ４の許容開口数ＮＡ（Numerical Aperture）と光ファイバ４のコア径ｄとの積（ＮＡ×ｄ）に基づいて求められる。

補正装置３によって補正されたレーザビームの特性は、図５に示すように、ｘ軸方向（長径方向）及びｙ軸方向（短径方向）のいずれの方向についても光ファイバ４の集光性能の限界の範囲内に収まっている。これに対して、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を除いた補正装置によって補正されたレーザビームの特性は、図６に示すように、ｙ軸方向（短径方向）については光ファイバ４の集光性能の限界の範囲内に収まっているが、ｘ軸方向（長径方向）については一部が光ファイバ４の集光性能の限界の範囲から外れている。

従って、レーザビームの光ファイバ４への導光の効率は、補正装置３によって補正されたレーザビームのほうが、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を除いた補正装置によって補正されたレーザビームよりも良いことが分かる。

このようなレーザビーム装置では、レーザビームの一部のみが分割用光学素子８内を進行することにより、レーザビームが第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２とに分割され、第２の分割ビームのみがシフト用光学素子９内を進行することにより、第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２とが短径方向について互いに重なるので、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの構成を、複数の導光板を用いない簡単な構成とすることができる。これにより、コストの低減を図ることができる。また、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度を調整することにより、レーザビームの分割比率や第１の分割ビーム１１及び第２の分割ビーム１２のシフト量を調整することができる。従って、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度の調整により、レーザビームの特性を向上させることができ、光ファイバ４への導光の効率を向上させることができる。

また、レーザビームの遅軸方向成分をコリメートする遅軸方向コリメータ７が分割用光学素子８の前段に配置されているので、レーザビームが分割用光学素子８に入射する前にレーザビームの拡がり角を小さくすることができ、第１の分割ビーム１１と第２の分割ビーム１２との光路差によるビームの拡がりの差を小さくすることができる。これにより、レーザビームの特性をさらに向上させることができ、光ファイバ４への導光の効率をさらに向上させることができる。

また、レーザビームの径及び拡がり角のそれぞれについて、長径方向成分と短径方向成分とを入れ替えるビーム変換素子６が分割用光学素子の前段に配置されているので、互いに異なる発光点からの出射ビームの重畳を容易に避けることができ、レーザビームの特性をさらに向上させることができる。

なお、上記の例では、分割用光学素子８内を通過した第１の分割ビーム１１がシフト用光学素子９外を進行し、分割用光学素子８外を通過した第２の分割ビーム１２がシフト用光学素子９内を進行するようになっているが、分割用光学素子８内を通過した第１の分割ビーム１１がシフト用光学素子９内を進行し、分割用光学素子８外を通過した第２の分割ビーム１２がシフト用光学素子９外を進行するように、シフト用光学素子９を配置してもよい。この場合、第１の分割ビーム１１の光路がシフト用光学素子９で変更される。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２によるレーザビーム装置の要部を示す上面図である。また、図８は、図７のレーザビーム装置の要部を示す側面図である。分割用光学素子８に設けられた一対の分割素子側面８ｃ，８ｄは、図８に示すように、各分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂのそれぞれに対して傾斜している。従って、分割用光学素子８は、平行四辺形の断面を持つ平行平面基板とされている。分割用光学素子８は、各分割素子側面８ｃ，８ｄがレーザビームの光軸と平行になるように配置されている。

シフト用光学素子９に設けられた一対のシフト素子側面９ｃ，９ｄは、図７に示すように、各シフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂのそれぞれに対して傾斜している。従って、シフト用光学素子９は、平行四辺形の断面を持つ平行平面基板とされている。シフト用光学素子９は、各シフト素子側面９ｃ，９ｄがレーザビームの光軸と平行になるように配置されている。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなレーザビーム装置では、一対の分割素子側面８ｃ，８ｄが各分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂのそれぞれに対して傾斜し、一対のシフト素子側面９ｃ，９ｄが各シフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂのそれぞれに対して傾斜しているので、レーザビームの光軸に各分割素子側面８ｃ，８ｄを合わせながら分割用光学素子８を配置することができ、レーザビームの光軸に各シフト素子側面９ｃ，９ｄを合わせながらシフト用光学素子９を配置することができる。従って、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度を容易に調整することができる。また、レーザビームの光軸に垂直な方向についての分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの寸法を小さくすることができ、レーザビーム装置全体の小形化を図ることができる。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３によるレーザビーム装置の要部を示す上面図である。また、図１０は、図９のレーザビーム装置の要部を示す側面図である。図において、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９は、共通のガラス板（支持台）２１に固定されている。即ち、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９は、ガラス板２１を介して互いに固定されている。

本実施の形態では、左右位置調整方向Ａ及び上下位置調整方向Ｃのそれぞれの方向（図１）についてガラス板２１の位置が調整されることにより、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置が調整される。ただし、本実施の形態では、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９が一体として移動されるため、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの角度の大幅な調整は独立して行うことはできない。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなレーザビーム装置では、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９がガラス板２１を介して互いに固定されているので、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を一体として扱うことができ、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置の調整を容易にすることができる。

実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４によるレーザビーム装置を示す上面図である。また、図１２は、図１１のレーザビーム装置を示す側面図である。さらに、図１３は、図１１のＬＤチップ１の光軸に垂直な断面におけるレーザビームの特性を示す模式図であり、図１３（ａ）は速軸方向コリメータ５を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図１３（ｂ）はビーム変換素子６を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図１３（ｃ）は分割用光学素子８を通過した直後のレーザビームの特性を示す図、図１３（ｄ）はシフト用光学素子９を通過した直後のレーザビームの特性を示す図である。

分割用光学素子８は、長径方向（ｘ軸方向）についてレーザビームの照射範囲の中間部分にのみ配置されている。従って、各発光点のうち、発光部の中間部分に配置された発光点からの出射ビームのみが分割用光学素子８内を第１分割ビーム１１として進行し、発光部の両端部分に配置された残りの発光点からの出射ビームが分割用光学素子８外を第２の分割ビーム１２として分割用光学素子８の左右両側（長径方向両側）に分かれて進行する。

分割用光学素子８に達するまでのレーザビームの状態は、実施の形態１と同様である（図１３（ａ）及び図１３（ｂ））。レーザビームは、第１の分割ビーム１１の光路のみが分割用光学素子８によって下方（図１３（ｃ）の矢印Ｐの方向）へ変更されることにより、第１の分割ビーム１１と一対の第２の分割ビーム１２とに上下に分割される。即ち、レーザビームの状態は、レーザビームが分割用光学素子８の位置を通過することにより、図１３（ｂ）に示す状態から図３（ｃ）に示す状態となる。

シフト用光学素子９は、左右両側に分かれた一対の第２の分割ビーム１２のうち、一方の第２の分割ビーム１２の光路を変更する第１シフト部３１と、他方の第２の分割ビーム１２の光路を変更する第２シフト部３２とを有している。第１シフト部３１及び第２シフト部３２は、互いに結合されている。

第１シフト部３１には、互いに平行な平面であるシフト素子ビーム通過面３１ａ，３１ｂが設けられている。一方のシフト素子ビーム通過面３１ａは一方の第２の分割ビーム１２が第１シフト部３１内に入射する入射面とされ、他方のシフト素子ビーム通過面３１ｂは一方の第２の分割ビーム１２が第１シフト部３１外へ出射する出射面とされている。

第２シフト部３２には、互いに平行な平面であるシフト素子ビーム通過面３２ａ，３２ｂが設けられている。一方のシフト素子ビーム通過面３２ａは他方の第２の分割ビーム１２が第２シフト部３２内に入射する入射面とされ、他方のシフト素子ビーム通過面３２ｂは他方の第２の分割ビーム１２が第２シフト部３２外へ出射する出射面とされている。

各シフト素子ビーム通過面３１ａ，３１ｂと、各シフト素子ビーム通過面３２ａ，３２ｂとは、光軸方向に垂直な平面（この例では、鉛直面）に対して互いに逆方向へ傾斜している。また、各シフト素子ビーム通過面３１ａ，３１ｂ及び各シフト素子ビーム通過面３２ａ，３２ｂのそれぞれは、短径方向（ｙ軸方向）に垂直な平面（この例では、水平面）に対して垂直になっている。

第１の分割ビーム１１は、シフト用光学素子９外を進行する。一方の第２の分割ビーム１２及び他方の第２の分割ビーム１２は、第１シフト部３１内及び第２シフト部３２内を個別に通過することにより、短径方向（上下方向）について第１の分割ビーム１１と重なる位置へそれぞれシフトされる。即ち、一方の第２の分割ビーム１２は第１シフト部３１内を通過することにより図１３（ｄ）の矢印Ｑ１の方向へシフトされ、他方の第２の分割ビーム１２は第２シフト部３２内を通過することにより図１３（ｄ）の矢印Ｑ２の方向へシフトされる。レーザビームの状態は、レーザビームが分割用光学素子８の位置を通過することにより、図１３（ｃ）に示す状態から図３（ｄ）に示す状態となる。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなレーザビーム装置では、第１の分割ビーム１１と、長径方向の両側に分かれて生じる一対の第２の分割ビーム１２とにレーザビームが分割用光学素子８によって分割され、短径方向について第１の分割ビーム１１と重なる位置へシフト用光学素子９によって各第２の分割ビーム１２がそれぞれシフトされるので、第２の分割ビーム１２をシフトさせる量を実施の形態１に比べて小さくすることができる。従って、シフト用光学素子９の位置や角度の調整をさらに容易にすることができる。また、ＬＤチップ１の歪に伴う、各発光点からの出射ビームの光軸と速軸方向コリメータ５の位置や角度とのずれは、長径方向（ｘ軸方向）について左右対称に生じやすい。従って、レーザビームの長径方向両側の部分を一対の第２の分割ビーム１２とすることにより、レーザビームの光軸ずれや歪の大きさが比較的近い部分同士を第２の分割ビーム１２としてシフトすることができる。これにより、レーザビームの特性をさらに向上させることができ、光ファイバ４への導光の効率をさらに向上させることができる。

なお、各上記実施の形態では、ビーム変換素子６が用いられているが、ビーム変換素子６はなくてもよい。ただし、通常のＬＤチップ１では、各発光点の間隔が数百μｍであり、出射ビームの遅軸方向の拡がり角が半角で５度から１０度の範囲であることから、各発光点からの出射ビームが数ｍｍの伝搬で重なってしまう。従って、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９で各発光点からの出射ビームを分離するための位置調整が難しくなる。また、ビーム変換素子６がないと、各出射ビームをシフトさせる量も極めて小さくなるので、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれ角度変化に対しても敏感となり、レーザビームを効率良く集光させるための調整も難しくなる。このことから、分割用光学素子８の前段にビーム変換素子６を配置するのが望ましい。

また、各上記実施の形態では、複数の発光点が一直線上に並べられたアレイ型のＬＤチップがＬＤチップ１として用いられているが、集光性に異方性を持つレーザビームを照射する光源であればよく、例えば、数個の発光点が並んだミニバーと呼ばれるＬＤチップや、１個の発光点を有するシングルチップＬＤ、ＬＤスタック等をＬＤチップ１として用いてもよい。

また、各上記実施の形態では、第１の集光レンズ１３及び第２の集光レンズ１４（２つのシリンドリカルレンズ）によってレーザビームが集光されているが、光軸に対して回転対称な形状とされ長径方向及び短径方向のいずれの方向についても集光可能な１つの集光レンズによってレーザビームを集光するようにしてもよい。

また、各上記実施の形態では、分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂ及びシフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂに対する特別な処理は行われていないが、分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂ及びシフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂにＡＲコート（Anti Reflection Coating）の処理を行ってもよい。このようにすれば、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を通過するときのレーザビームの損失を小さくすることができる。また、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９の全表面にＡＲコートや研磨の処理を行うのではなく、分割素子ビーム通過面８ａ，８ｂ及びシフト素子ビーム通過面９ａ，９ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂのみにＡＲコートや研磨の処理を行うようにすれば、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９の製造コストを低減することができる。

また、応力緩衝材を介してＬＤチップ１をヒートシンク２に取り付けてもよい。このようにすれば、ＬＤチップ１及びヒートシンク２のそれぞれの熱膨張率の違いによって生じる応力（熱応力）を緩和することができ、ＬＤチップ１の破損の防止を図ることができる。

また、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度の調整は、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を例えばステージやゴニオメータ等に個別に固定して行ってもよい。さらに、ビームパターンや光ファイバ４に対する結合出力等をモニタしながら、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９を個別に動かして、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度を調整してもよい。分割用光学素子８及びシフト用光学素子９のそれぞれの位置や角度の調整後の固定は、分割用光学素子８及びシフト用光学素子９と支持台との間に紫外線硬化型の接着剤を塗布し、塗布した接着剤に紫外線をあてて硬化させることにより、行ってもよい。

１ ＬＤチップ（レーザダイオード素子）、３ 補正装置、５ 速軸方向コリメータ、６ ビーム変換素子、７ 遅軸方向コリメータ、８ 分割用光学素子、９ シフト用光学素子。

Claims (4)

1. 長径及び短径を持つ発光部を有し、上記発光部からレーザビームを照射するレーザダイオード素子、
   上記レーザビームを速軸方向についてコリメートする速軸方向コリメータ、
   上記速軸方向コリメータの後段に配置され、上記発光部の長径方向について上記レーザビームの一部のみが第１の分割ビームとして内部を進行するとともに、残りの上記レーザビームが第２の分割ビームとして外部を進行し、上記第１の分割ビームの光路を変更することにより、上記レーザビームを上記第１の分割ビーム及び上記第２の分割ビームに分割する分割用光学素子、及び
   上記分割用光学素子の後段に配置され、上記第１の分割ビーム及び上記第２の分割ビームのいずれか一方の光路を変更することにより、上記第１の分割ビーム及び上記第２の分割ビームの上記発光部の短径方向についての位置を互いに重なる位置とするシフト用光学素子
   を備えていることを特徴とするレーザビーム装置。
2. 上記分割用光学素子の前段に配置され、上記レーザビームを遅軸方向についてコリメートする遅軸方向コリメータ
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム装置。
3. 上記分割用光学素子の前段に配置され、上記レーザビームの径及び拡がり角のそれぞれについて、上記発光部の長径方向についての成分と上記発光部の短径方向についての成分とを入れ替えるビーム変換素子
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザビーム装置。
4. 上記分割用光学素子及び上記シフト用光学素子は、互いに固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のレーザビーム装置。

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