JP2011192754A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体レーザからのレーザ光を効率よく合成集光させて高出力のレーザ光を出射可能な光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明の光源装置は、レーザ光の出射部を複数有する光源部と、光源部からの光が入射される入射部と、その光が導波される光導波部と、外部に出射させる出射部とを有する光学素子と、光学素子の出射部から出射される光を集光させる集光部材と、を有する光源装置であって、光導波部は、光導波部の光軸と垂直な断面形状が円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形のいずれかであり、光導波部の内面は、入射部側から出射部側に向けて徐々に広がる傾斜面を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の光源から出射されるレーザ光を合成して集光し、高出力のレーザ光を出射させる光源装置に関する。

レーザ光源を用いた加工用、マーク用の光源装置は、高出力なスポットが得られるレーザ光が必要なため、ＹＡＧ、ルビーなどの固体レーザや、ＣＯ_２、Ｈｅ−Ｎｅ、エキシマレーザなどの気体レーザが主として光源として用いられている。しかし、これらは光源自体の大きさが大きいため、それらを搭載した装置も大きくなり、運搬や設置などの取り扱いに大きな工数が必要となる。また、光源が高価なため、装置が高コストとなり、導入が難しいことが課題となっている。そのため、小型軽量で取り扱いが容易で安価な半導体レーザを光源として用いることが望まれている。

半導体レーザは、半導体積層構造中にクラッド層に挟まれた厚さ数ミクロン程度の活性層を有し、この活性層からレーザ光を出射させるものである。このような構造の半導体レーザは、高出力になると、レーザ光出射部である半導体層端面のエネルギー密度が極めて高くなり、端面破壊を生じる。そのため、端面破壊が生じない程度の出力で出射された半導体レーザからのレーザ光を合成する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、偏光プリズムやダイクロイックプリズムなどを使用することで偏光、或いは分光された光を合成することが開示されている。また、特許文献２には、ロッドインテグレータを使用して、複数のレーザ光源からのレーザ光を合成することが開示されている。

特表２００８−５３０５９６号公報 ＷＯ２００７／１０８５０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような光学プリズムを用いた場合、例えば、偏光プリズムを使用して偏光合成を行う場合、用いる半導体レーザの数に応じて多数の偏光プリズムが必要となる。また、ダイクロイックプリズムを使用して波長合成を行う場合は、３つの波長のレーザ光を合成することはできるが、それより多くのレーザ光を合成するには、やはり、多数のダイクロイックプリズムが必要となる。

また、特許文献２に開示されているような、側面が光軸に平行なロッドインテグレータを用いた場合、その内部に入射されたレーザ光を合成することは可能であるが、出射される合成光の広がり角度（放射角度）が大きいため、それを集光させるためのレンズ径が大きくなり、装置の小型化が困難である。更に、入射面（断面）が長方形のロッドインテグレータを用いると、その出射面において強度分布が均一化された合成光となるため、レンズを用いて集光させたとしても単峰型の強度分布の合成光を得るのが困難である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

以上の目的を達成するため、本発明の光源装置は、レーザ光の出射部を複数有する光源部と、光源部からの光が入射される入射部とその光が導波される光導波部と外部に出射させる出射部とを有する光学素子と、光学素子の出射部から出射される光を集光させる集光部材と、を有する光源装置であって、光学素子の光導波部は、光導波部の光軸と垂直な断面形状が円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形のいずれかであり、その光導波部の内面は、入射部側から出射部側に向けて徐々に広がる傾斜面を有することを特徴とする。このような構成により、光学素子からの出射光を１つ又は２つのピークを有する強度分布の合成光とし、かつ、その合成光の放射角度の広がりを抑制することができるため、集光部材の径を大きくすることなく合成光を効率よく集光させ、単峰型の強度分布を有する合成光を得ることができる。尚、本明細書において、光学素子の光導波部の光軸方向に延在し、レーザ光を反射する側面を「内面」とし、その内面のうち、光軸に対して傾斜している面を「傾斜面」、光軸に対して平行な面を「平行面」とする。

図１は、本発明に係る光源装置の構成を示す図である。 図２Ａは、図１に係る光源装置の光学素子の断面図である。 図２Ｂは、図１に係る光学素子のＡ−Ａ面における端面図である。 図２Ｃは、本発明に係る光学素子の断面図の変形例である。 図３Ａは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図３Ｂは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図３Ｃは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図３Ｄは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図４は、図２Ａに係る光学素子を出射部側からみた側面図である。 図５Ａは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図５Ｂは、本発明に係る光学素子の断面図である。 図６は、本発明に係る光学素子の断面図である。 図７は、本発明に係る光学素子の端面図である 図８は、本発明に係る光源装置の構成を示す図である。 図９は、本発明に係る光源装置によって合成されたレーザ光の強度分布を示すグラフである。

本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための光源装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。
また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。

＜実施の形態１＞
本実施の形態の光源装置の構成を図１に示す。また、図２Ａは、図１の光学素子１１の光軸Ｘに平行な断面における断面図であり、図２Ｂは、光軸Ｘに垂直なＡ−Ａ断面における端面図である。本実施の形態において、光源装置は、光源部１０、光学素子１１と、集光部材であるレンズ１２と、を備える。光源部１０は、半導体レーザチップを金属や樹脂あるいはセラミックなどのパッケージに搭載したレーザ光源１０１を複数有しており、各レーザ光源１０１から、光学素子１１の入射部１１１に向けてそれぞれレーザ光を出射する。透光性の光学部材からなる棒状の光学素子１１は、一方の端部（端面）を入射部１１１、他方の端部（端面）を出射部１１３とし、これらは光導波部１１２を介して光学的に連続して設けられており、この光導波部１１２の中心に光軸Ｘを有数する。光源部１０から別々に出射され光学素子１１の入射部１１１からその内部に導入された複数のレーザ光は、光導波部１１２の内面で反射を繰り返しながら出射部１１３に向かって進行して合成される。光学素子１１の出射部１１３から出射された合成光は、レンズ１２によって集光される。

そして、本発明は、光学素子１１の光導波部１１２が、その光軸Ｘに垂直な断面形状が円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形のいずれかであり、その光導波部１１２の内面は入射部側から出射部側に向けて徐々に広がる傾斜面を有することを特徴とする。すなわち、光学素子の断面形状を特定の形状とすることで、その出射部における合成光の強度分布を制御し、更に、その光学素子の内面（側面）の角度を規定することで、合成光の放射角度を制御することができる。詳細には、光学素子の内部で合成された合成光を１つ又は２つのピークを有する強度分布の合成光となるよう制御し、更に、その光学素子の内面を徐々に広がるように傾斜する傾斜面とすることによって、合成光の放射角度を小さく（狭く）するよう制御することができる。そのため、効率よく集光部材で集光させることができ、その集光された合成光を、例えば図９のグラフに示すような強度分布を有するレーザ光の合成光として得ることができる。尚、図９に示すグラフの縦軸は光強度であり、横軸はスポット径であり、本発明によってこのグラフに示すような単峰型でスポット径の小さい合成光を得ることができる。また、本明細書において「ピーク」とは、ＦＦＰ（ファーフィールドパターン）の強度分布のうち、実質的に最大強度の部分を指し、その近傍領域に最大強度と近似値を示す数個の強度の部分をも含めるものとする。そして、「単峰型の合成光」とは、このようなピークを１つのみ有する強度分布を有する合成光を指す。

このように、出射光の放射角度を小さくすることができる光学素子を用いると、内面が平行面である光学素子を用いて同程度のスポット径に集光させる場合と比較すると、集光部材（レンズ等）の径を小さく、或いは、光学素子の出射部と集光部材との距離を短くすることができる。これにより、各部材のコストを低減し、小型の光源装置とすることができる。一例を挙げると、内面が平行面である棒状の光学素子を用い、図１に示すような光源部と集光部材とを具備する光源装置とする場合、その出射部からの出射光の放射角度が約２０°であるとすると、光軸方向の長さが同じであり内面が傾斜面である本発明の光学素子を用いると、傾斜面の角度にもよるが出射光の放射角度を約１０°以下と、半分程度にまで狭くすることができる。そして、平行面を有する光学素子を用いる場合、スポット径を１００μｍにするために径が約８ｍｍのレンズが必要だとすると、傾斜面を有する光学素子を用いる場合は、同じスポット径を得るために径が約６ｍｍと２５％近く小径化したレンズを用いることができる。さらに、その小型化した径６ｍｍのレンズが、前述の径８ｍｍのレンズと開口数が同じであれば、光学素子の出射部からの距離も短く、また、集光スポットまでの距離も短くすることができる。このようにして、同じ数の部材を用いても、より小型化（集積化）して配置させることができる。
以下、各構成部材について、詳説する。

（光学素子）
光学素子は、光源部から出射される複数のレーザ光を入射させる入射部と、その光が導波され合成される光導波部と、その合成光を外部に出射させる出射部とを有している棒状又は筒状の光学部材であり、ロッドインテグレータ、ライトパイプ等とも称される。尚、ここでは光ファイバのような可撓性の高いものではなく、光軸が固定された直線状となる剛性の高い部材を用いてなる光学部材を光学素子とする。

まず、光学素子の光導波部の光軸に垂直な断面形状について説明する。光導波部は、その断面形状によって、出射部における合成光の強度分布の状態を制御できるものであり、本実施の形態においては、光学素子の光導波部は、光軸に垂直な断面形状が円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形のいずれかが好ましい。特に、光学素子からの出射光を、中央に強度分布のピークを有する単峰型の合成光とする場合は、図２Ｂに示すように光学素子１１の光導波部１１２の断面形状は円形とするのが好ましい。

また、図２Ｃに示すように、光学素子１１の光導波部１１２の断面形状を楕円形とすることでも、上記と同様の単峰型の合成光を得ることができる。尚、楕円形の場合は、長軸及び短軸の長さを調整することによって、２つの強度分布のピークを有する合成光とすることもでき、更に、それらの比を調整することで、強度ピーク点間の距離を調整することができる。

図２Ｂ、図２Ｃに示すような、光学素子の光導波部の断面が円形や楕円形の場合は、内面１１２ａが連続する１つの面（曲面）からなっているため、光学素子の出射部における合成光を１つ又は２つのピークを有する強度分布の合成光とするのには好ましい。さらに、円や楕円に近い多角形でも、同様の効果を得ることができる。例えば、断面形状が６４角形のような場合、光導波部の内面は６４面の平面からなっており、正６４角形の場合は、その１つの内角が約１７４°となるため、断面が円形（曲面）の場合と比較的良く似た光の反射をさせることができる。多角形とする場合、内面が平面の集合体であるため、その角数が多いほど円や楕円に近付くために好ましく、具体的には６４角形以上、更に好ましくは１２８角形以上の多角形が好ましい。また、正多角形であることが好ましい。

また、光学素子の光導波部は、その内面に、レーザ光が実質的に照射（反射）されない領域、すなわちレーザ光の合成に寄与しない（影響を与えない）領域を有していてもよく、その場合は、光軸に垂直な断面形状は、円形や楕円形（それらに近い多角形含む）以外の形状であっても構わない。このような構成として、例えば、光軸に垂直な断面が上記円形や楕円形（それらに近い多角形含む）であり、かつ、内面が傾斜面である光導波部を有する場合、少なくとも出射部の径よりも大きい径を有する領域（以下、「大径領域」とも称する）を、入射部側、出射部側、更には光導波部のいずれかの領域において、１つ又は２以上の領域に設けられていてもよい。例えば、光軸に垂直な断面が円形であり、且つその内面が傾斜面である光導波部の出射部の径が２ｍｍであり、その出射部側に段差を設けて径が１０ｍｍ程度で光軸に平行な平面を内面とする大径領域を、１ｍｍ程度の長さで設けることができる。このような場合、光学素子の傾斜面によって反射されて合成された合成光は、大径領域を通過する際に、その大径領域の内面に実質的に照射されることなく外部に出射される。このように、合成光とするための反射に寄与しない内面を有する領域を有することで、例えば、その部分を利用して光学素子を治具で固定するなど、レーザ光の合成とは別の機能を有する領域として機能させることができる。そして、レーザ光の合成に寄与しない領域であるため、この大径領域の断面形状は、円形や楕円形に限らず、四角形、長方形、六角形などの多角形、更には、それらを組み合わせたような形状とすることができる。

次に、光学素子の光導波部の光軸に平行な断面形状について説明する。光導波部の内面は、光軸に対して傾斜する角度によって、その出射部から出射される合成光の放射角度を制御できるものであり、本実施の形態においては、その光導波部の内面が入射部側から出射部側に向けて徐々に広がる傾斜面を有することが好ましい。具体的には、図２Ａに示す光軸Ｘと光導波部の傾斜面１１２ａとのなす角度θ１は、２°以上１０°以下の傾斜角とするのが好ましく、更に４°以上６°以下の範囲が好ましい。この傾斜面の角度によって、合成光の放射角度が変化するため、出射部から光を集光させる集光部材（レンズ等）の集光能力、有効径、厚さ、及び光学素子と集光部材との距離等を考慮し、適切な角度を選択するのが好ましい。

図４は、図２Ａに示す光学素子１１を入射部１１１側から見た図であり、共に円形である入射部１１１及び出射部１１３の中心に、光導波部１１２の光軸Ｘが位置している。このように、光導波部の内面を、光軸に対して対称（点対称）となるように広がる傾斜面とするのが好ましく、これにより、光導波部の光軸上に強度分布のピークが位置する放射光を得ることができる。

また、光導波部の内面で反射を繰り返すことによって合成光が形成されるため、入射部から出射部までの長さは、ある程度長いことが必要である。具体的には、図２Ａに示すように、少なくとも光学素子１１の光導波部の長さＬ１１は、出射部の径Ｄ１１よりも長ければよく、更に、出射部の径Ｄ１１に対して、長さＬ１１を５倍以上１００倍以下とするのが好ましく、取り扱いや、装置の大きさを考慮して１０倍以上２０倍以下とするのがより好ましい。

具体的には、出射部の径が約２ｍｍ〜２０ｍｍの円形の光学素子の場合、光導波部の入射部から出射部までの長さは約１００ｍｍ〜２００ｍｍ程度のものが好ましい。尚、光導波部の長さＬ、及び、出射部の径Ｄは、上述の大径領域のように、光導波部と光学的に一体化されている領域にあって、かつ、レーザ光の合成に寄与しない領域を除いた領域、すなわち、実質的にレーザ光の合成に寄与する光導波部の内面を有する領域における長さ及び径とする。

また、上記のような内面は、光導波部の光軸方向において、少なくとも、上記の径と長さとの比率や、角度等を満たす傾斜面を有するように形成されていればよく、図２Ａに示すように光導波部１１２の全長に亘って同じ角度の傾斜面１１２ａが形成されていてもよく、また、異なる角度の２以上の傾斜面を有していてもよく、或いは、部分的に形成されていてもよい。その場合、全ての内面が上記条件をそれぞれ満たす傾斜面としてもよく、或いは、それらの一部の内面が上記条件を満たす傾斜面としてもよい。

図３Ａ〜図３Ｄは、光学素子１１の光導波部１１２の光軸Ｘに平行な断面の内面の形状の例を示した断面図である。図３Ａでは、光軸Ｘと平行な内面（平行面）１１２ｂである領域が長さＬｂで形成された光導波部と、内面が光軸Ｘに対して角度θａ（図示せず）で傾斜した傾斜面１１２ａである領域が長さＬａで形成された光導波部とが、連続して形成されている。このように内面として平行面と組み合わせて傾斜面を有する光導波部１１２を形成してもよく、その場合、傾斜面１１２ａを有する長さＬａの領域において、上記条件を満たしていればよい。また、図３Ａでは、光導波部の入射部１１１側に平行面１１２ｂを形成し、出射部１１３側に傾斜面１１２ａを形成しているが、この位置関係が逆になっていても構わない。尚、このような平行面を有する場合、上述したような大径領域、すなわち、光の合成に寄与しない径とする場合は光軸に垂直な断面形状は任意の形状とすることができるが、光が照射される径で形成される場合は、その領域の光軸に垂直な断面形状は、傾斜面を有する領域と同様に円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形とするのが好ましい。

図３Ｂは、光導波部１１２の内面が、入射部１１１側から出射部１１３側に向けて徐々に広がる傾斜面（第１の傾斜面）１１２ａを有する長さＬａの領域と、それとは逆の方向、すなわち、入射部１１１側から出射部１１３側に向けて徐々に狭くなる傾斜面（第２の傾斜面）１１２ｃを有する長さＬｃの領域とが、連続して形成されている。このような場合は、第１の傾斜面は、第２の傾斜面よりも光導波部の出射部側に設けられるのが好ましい。ただし、その第２の傾斜面の長さが短い場合、例えば、光導波部の径の１／１０程度に短い場合などは、光の合成に対する影響が低いため、そのような場合は、第２の傾斜面が出射部側に設けられていても構わない。

図３Ｃは、内面が光軸に対して傾斜する２つの傾斜面１１２ａ、１１２ａ’が、内面が光軸に平行である平行面１１２ｂを介して形成されている。このように、２つの傾斜面１１２ａ、１１２ａ’が、離間した状態で形成されていても構わない。この場合、光軸Ｘに対する傾斜角が大きい傾斜面が出射部１１３側に形成されるのが好ましい。また、離間する傾斜面のそれぞれが、上記条件を満たすようにするのが好ましいが、いずれか一方が条件を満たす傾斜面である場合や、両者とも上記条件を満たしていないものの、傾斜面１１２ａと１１２ａ’の長さの合計を傾斜面の長さとし、その合計の長さが出射部１１３側の径よりも大きい場合などでも構わない。

図３Ｄは、１つの光導波部１１２に対して光の導入部１１２ｄが２つ形成された光学素子１１を示す。このように、導入部が２つ、又は３以上形成されている場合は、それらが合成された部分（図中の破線部分）を実質的な入射部１１１とみなし、この入射部１１１と出射部１１３との間の光導波部１１２が、上記条件を満たす傾斜面１１２ａを有するのが好ましい。

次に、光学素子の光導波部の出射部及び入射部について説明する。尚、ここでは棒状の光学素子、すなわち、光導波部が透光性の固体（ガラス等）で形成された光学素子について説明するものであり、筒状の光学素子の場合は、その光導波部の出射部及び入射部は、光導波部の内面の終端部によって囲まれる空間として形成され、例えば気体である空気によって形成されるため、その形状について規定されない。光学素子の光導波部の出射部は、図１に示すような平面が好ましい。ただし、これに限らず、図５Ａ、図５Ｂに示すような曲面であっても構わない。その場合、光軸を中心する放物面とするのが好ましく、例えば図５Ａに示すような、光導波部の出射部１１３の中央が突出した凸レンズ状である光学素子１１や、図５Ｂに示すような出射部１１３の中央が凹んだ凹レンズ状である光学素子１１とすることができる。

また、光学素子の光導波部の入射部についても、出射部と同様に、図１Ｂに示すような平面が好ましい。ただし、これに限らず、凸レンズ状や凹レンズ状等の曲面であってもよい。

以上のような棒状の光学素子の光導波部としては、光源部からの光を吸収しにくい材料であるのが好ましく、更に、光学素子の光導波部の周囲の気体よりも屈折率の高い材料であるのが好ましい。例えば、光学素子の周囲が空気（屈折率１．０）で囲まれている場合、光学素子の光導波部として石英ガラス（屈折率１．５）を用いることで、効率よく光を導波させることができる。光学素子の具体的な材料としては、無機化合物としては、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、石英ガラスなど各種ガラスを挙げることができ、中でも、ＢＫ７ガラス、Ｂ２７０ガラス、ＳＦ１１ガラス、ＰＢＫ４０ガラス、石英ガラスなどが好ましい。特に、光源部として波長が４５０ｎｍ以下の紫外〜青色の半導体レーザを用いる場合、光導波部を無機化合物である石英ガラスとする光学素子を用いることで、経時変化（劣化）を抑制することができ、光の合成力を低下しにくくすることができる。また、有機化合物としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の光学特性がガラスに近い樹脂を用いることもできる。

また、光学素子は、光導波部の周囲を上述のような気体（空気）ではなく、光導波部を構成する部材よりも低い屈折率を有する固体からなる被覆部材を有していてもよい。
特に、光学素子よりも機械的強度の高い被覆部材や、展性の高い部材等からなる被覆部材を用いることで、外部からの衝撃を受けやすい環境下での使用時や、工程内や輸送時の落下時等に破損するのを防止することができる。また、接着やネジなどの締結部品を用いて光学素子を光源装置に組み込む場合など、光学素子に機械的負荷を掛ける場合に作業性が向上し、かつ、容易に安定して固定することができる。

また、周囲の温度が比較的高くなり易い環境下で使用する場合、光導波部よりも熱伝導率の高い部材からなる被覆部材を設けることで、光学素子の劣化を低減し、屈折率差の変化を低減して安定した合成光を得ることができる。

このような被覆部材は、例えば図６に示すように、光導波部６１２の側面の周囲に、光導波部よりも低い屈折率を有する被覆部材６４を同心円状に囲むように設けてもよい。このような被覆部材６４を設けることで、光導波部と被覆部材との界面を光導波部６１２の内面とすることができ、入射部６１１から入射された光源部からのレーザ光が、傾斜面である内面６１２ａで反射され、合成された光として出射部６１３から出射される。光導波部と被覆部材とは、それらの屈折率差が大きい程、光導波部の内面で反射し易い（外部に漏れ出しにくい）ため好ましく、特に０．５以上の差があることが好ましい。

被覆部材の好ましい材料としては、金属、無機化合物、有機化合物等を用いることができ、例えば、金属としてはアルミニウム、ステンレス、銀、真鍮等の金属又は合金をあげることができる。また、無機化合物としては、セラミック、石英ガラス等があげられる。有機化合物としては、ＰＯＭ等の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができ、これらに光を反射し易いアクリル系樹脂等を混合させてもよい。これらは、単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。或いは、積層させるようにしてもよい。

尚、図６に示す光学素子６１では、光導波部の入射部（入射面）と出射部（出射面）には、被覆部材は設けられていないが、光源部からの光の入射を阻害しない位置であれば、入射面の一部を被覆してもよい。また、光導波部内で合成された光の出射を阻害しない位置であれば、出射面の一部を被覆してもよい。また、膜厚や屈折率を調整することで、レーザ光の反射を低減させた誘電体保護膜（無反射コート／ＡＲコート）を、光学素子の光導波部の入射部（入射面）や出射部（出射面）に設けてもよい。このようなＡＲコートとしては、例えば、主波長が約４０５ｎｍの半導体レーザを用いた光源部の場合、ＡｌＮ、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等を約数ｎｍ〜数μｍの厚さで設けることで、ＡＲコートとすることができる。

また、光学素子の光導波部の内部を空洞とし、筒状の光学素子を用いてもよい。この場合、筒の内面に光源部からの光を効率よく反射可能な反射部材（ミラー）を設けるのが好ましい。光学素子の光導波部が固体ではなく気体若しくは液体などの流体で充填された空洞とすることで、光の吸収を低減させて光利用効率を向上することができる。そのため、光導波部がガラスなどの固体からなる光学素子と同じ光学素子とした場合、その内面での反射回数を多くすることができるため、より効率よく合成光を得ることができる。換言すれば、光導波部がガラスなどの固体からなる光学素子よりも短い長さの光学素子で同様の合成を行うことができるため、光源装置をより小型化することができる。また、光導波部の内外を任意に移動可能である流体を光導波部として用いることで、光の合成に伴う発熱により温度が上昇した光導波部内の流体そのものをその外部に移動させることができ、温度変化による屈折率の変化の影響を受けにくくし、安定して合成光を得ることができる。

例えば、図７に示すように、光学素子７１として、光軸に対して垂直な断面形状が円形であり、入射部７１１から出射部７１３に向かって徐々に広がる傾斜面を有する内面を有する筒体７１５を用いることで、この筒体７１５の内部の空洞を光導波部７１２とすることができる。ここでは、光導波部には、ガラスなどの固体ではなく気体が存在することになり、筒体７１５の一方の開口部（入射口）が入射部７１１であり、他方の開口部（出射口）が出射部７１３となる。そして、このような光導波部７１２の空洞中（気体中）を光源部からのレーザ光が伝搬する。筒体の内面の形状は、上記ガラスなどの光導波部の傾斜面の形状と同様のものが好ましい。

光導波部の内部の空洞に充填される気体としては、化学的に安定で、光源部からの光を吸収しにくいものが好ましく、更に、温度変化によって屈折率の変化の少ないものが好ましい。具体的には空気（Ｎ_２、Ｏ_２）が好ましい。また、光学素子の周囲の使用環境は、温度は１０℃〜６０℃が好ましく、更に２０℃〜３０℃が好ましい。また、湿度は結露しない環境が好ましく、具体的には１０％〜８０％が好ましく、更に４０％〜６０％が好ましい。

また、光導波部の内部の気体の圧力は、常圧（大気圧）〜真空の気体を用いることが好ましく、光源部の波長や気体の組成、更にはコストや取り扱い易さ等を考慮して、目的や用途に応じて調整することができる。例えば、紫外線など比較的短波長の半導体レーザを光源部として用いる場合などは、密度の小さい気体を用いることで（例えば、真空）、光導波部内での光の吸収を低減することができ、効率よく合成光を得ることができる。また、可視光など常圧の気体中での光の吸収が極めて少ない波長の半導体レーザを光源として用いる場合などは、常圧としても光の合成には大きな影響を与えることはなく、また、減圧のための装置等も不要とし、取り扱いが容易となる。
また、上記気体の他にも、上記条件を満たす液体を用いてもよい。

筒体は、単一又は複数の部材が光軸を中心とする同心円方向に積層されたもの、更には、光軸方向に異なる部材が接合されたもの等を用いることができ、例えば、金属製の筒体や、樹脂などからなる筒体の内面にレーザ光を反射可能な反射部材を設けたものなどを用いることができる。具体的には、アルミニウム、ステンレス、銀、真鍮等をあげることができ、これらを単独又は合金で、或いは、積層させて用いることができる。例えば、アルミニウム製の筒体の内面に銀や誘電体多層膜など、レーザ光の反射率が高いものをコーティングしたものなどを用いることができる。また、アクリル系樹脂製の筒体の内面に、銀や誘電体多層膜などをコーティングしたものなどを用いることができる。

（光源部）
光源部は、レーザ光の出射部を複数有するものであり、各レーザ光を、光学素子の入射部に向けて出射する。この場合、レーザ光の出射部が１つである半導体レーザチップを、金属や樹脂あるいはセラミックなどのパッケージに搭載したレーザ光源を複数有する光源部や、２以上の出射部を有する半導体レーザチップを１又は２以上用いるレーザ光源を用いることができる。

各レーザ光源は、その光軸が光学素子の光軸と交差するように角度を調整して配置させるのが好ましい。レーザ光源の光軸を、光学素子の光導波部の光軸に対して傾斜させる場合、その光導波部の入射部の径、レーザ光源と光学素子との距離、更には、レーザ光源からのレーザ光の放射角度によって任意に調整することができる。少なくとも、そのレーザ光の全光束の８０％以上が光導波部の入射部に入射されるようにするのが好ましく、更に好ましくは、ＦＦＰの全体が入射されるようにするのが好ましい。また、各レーザ光源の出射部と、光学素子の入射部との距離は、任意に選択することができ、例えば、それらの距離がそれぞれ等しくなるように配置してもよく、或いは、異なる距離になるように配置してもよい。

また、光源部からのレーザ光が、直接、光学素子の入射部に入射されるようにしてもよく、或いは、各種レンズ等を介して、間接的に入射させても構わない。ここで用いるレンズは、レーザ光１つに対して１又は２以上のレンズを用いることができる。

半導体レーザは、任意の波長のものを選択することができ、可視光、紫外光、や赤外光などを用いることができる。例えば、青色、緑色の半導体レーザとしては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（ＺｎＳｅなど）や窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰを用いたものを適用させることができる。また、赤色の半導体レーザとしては、ＧａＡｌＡｓ、ＡｌＩｎＧａＰなどを用いることができる。さらに、これ以外の材料からなる半導体レーザを用いることもでき、目的や用途に応じて、波長や個数等を適宜選択することができる。レーザスクライブとして用いる場合、主波長が４００ｎｍ〜５００ｎｍの縦モードがシングル又はマルチの紫外〜青色の半導体レーザを用いるのが好ましく、例えば、８００ｍＷの出力が可能な窒化物半導体レーザチップを金属のパッケージに搭載した半導体レーザを１２個用いることで、約１０Ｗの合成されたレーザ光を出射可能な光源装置とすることができる。

（集光部材）
集光部材は、光学素子の出射部から出射される合成光を集光させるものであり、各種レンズや、ミラーを用いることができる。光学素子から出射される合成光は、光軸に垂直な断面形状が円形又は円に近い多角形の光学素子を用いる場合、強度分布が単峰型の発散光からなる合成光であり、この合成光を集光部材によって集光することで、スポット径の小さい単峰型強度分布を有するレーザ合成光を得ることができる。また、光学素子として光軸に垂直な断面形状が楕円形又は楕円に近い多角形の光学素子を用いる場合、強度分布が１つ又は２つのピークを有する合成光とすることができる。

集光部材は、光学素子から出射される合成光の放射角度に合わせて、その径を選択することができ、少なくとも合成光の全光束の８０％以上、好ましくは、合成光の全光束が入射されるような有効径を有するものが好ましい。更に、その合成光の光束径と同程度以上から１０％程度大きくなるような有効径を有するものが好ましい。
例えば、光学素子の光導波部の長さが１００ｍｍ、傾斜角が３°、その出射部の径が３ｍｍであり、出射される合成光の放射角が１５°の場合、有効径が５ｍｍ〜２０ｍｍ程度の集光部材を、光学素子の出射部から１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の位置に配することで、合成光の全光束の約８０％以上を集光部材に入射することができ、小型で効率よく集光させることができる光源装置とすることができる。

レンズとしては、光軸に垂直な断面形状が円形のレンズが好ましく、例えば、凸レンズ、凹レンズ、フレネルレンズ等、集光レンズとして知られているものを用いることができる。そしてそれらは、集光能力や開口数、曲率半径、有効半径、光軸方向の厚み等について、光学素子からの合成光の特性や、目的等に応じて種々選択することができる。レンズの具体的な材料としては、無機化合物としては、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、石英ガラス等を挙げることができ、中でも、ＢＫ７ガラス、Ｂ２７０ガラス、ＳＦ１１ガラス、ＰＢＫ４０ガラス、石英ガラスなど各種ガラスが好ましく、更に、これらに反射防止膜などの表面処理を施しても構わない。
また、有機化合物も用いることができ、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の光学特性がガラスに近い樹脂を用いることができる。

集光部材として用いるレンズやミラーは１枚でもよく、又は、複数枚用いてもよい。その場合は、複数枚で集光機能を有するように構成されていればよい。更に、レンズとミラーとの両方を用いて集光部材としても構わない。

＜実施の形態２＞
本実施の形態の光源装置の構成を図８に示す。図８は、実施の形態１において説明した図１に示す光源装置を複数セット用いて光源部８０とする光源装置である。実施の形態２では、合成されたレーザ光を光源とし、それを更に合成することで半導体レーザを多く用いる場合であっても、光学素子との結合効率（光利用効率）を低下しにくくすることができる。用いる半導体レーザの数が多くなると、１つの光学素子の入射部に入射させる場合に傾斜させる角度が大きくなり易く、効率よく入射できる載置場所が制限されるので、実施の形態２のように、２段階、或いは３段階以上で合成をさせることで、高い結合効率で合成光を得ることができる。

光源部８０で用いられている光学素子８１１と、合成光が入射される光学素子８１とは、大きさ、断面形状、傾斜面の角度等については、両者とも同じものを用いてもよく、或いは、異なるものを用いてもよい。レンズ８２は、合成されたレーザ光を集光させるために実施の形態１で説明した集光レンズを用いるのが好ましい。また、光源部８０で用いられるレンズ８２１は、光学素子８１の入射部の形状や大きさに応じて、光源部８０からの全光束の約８０％以上、好ましくは、その全てが入射されるような径や開口数のものを選択すればよく、レンズ８２と同様の集光レンズや、平行光にするコリメータレンズ等を選択することができる。この光源部８０からの合成光は、その光軸が、光学素子８１の光導波部の光軸と交差するように、入射するのが好ましい。この場合、光源部８０からの合成光の焦点を、光学素子８１の光導波部の入射部に一致させてもよく、光導波部好ましくは、図８に示すように入射部よりも内側の光軸上が焦点となるように入射させるのが好ましい。また、各入射光の焦点は、光学素子８１の光軸上の同一点としてもよく、或いは、光軸上の異なる点としてもよい。

本発明に係る光源装置は、複数のレーザ光を合成することで得られる合成光を、１つ又は２つのピークを有する強度分布となるように制御し、かつ、レーザ光を合成させる光学素子の内面の角度を制御することでその合成光の放射角を制御することで、レンズ径を大きくすることなく、単峰型の強度分布を有するレーザ光の合成光を出射可能な光源装置とするものであり、レーザスクライブなどの加工用として、又は、マーク用として利用することができる。

１０、８０・・・光源部
１０１・・・レーザ光源
１１、６１、７１、８１、８１１・・・光学素子
１１１、６１１、７１１・・・入射部
１１２、６１２、７１２・・・光導波部
１１２ａ、６１２ａ、７１２ａ・・・内面（傾斜面）（第１の傾斜面）
１１２ｂ・・・内面（平行面）
１１２ｃ・・・内面（傾斜面）（第２の傾斜面）
１１２ｄ・・・導入部
１１３、６１３、７１３・・・出射部
１２、８２、８２１・・・集光部材（レンズ）
６４・・・被覆部材
７１５・・・筒体

Claims (8)

1. レーザ光の出射部を複数有する光源部と、
   前記光源部からの光が入射される入射部と、その光が導波される光導波部と、外部に出射させる出射部とを有する光学素子と、
   該光学素子の出射部から出射される光を集光させる集光部材と、
   を有する光源装置であって、
   前記光導波部は、光導波部の光軸と垂直な断面形状が円形、楕円形、円又は楕円に近い多角形のいずれかであり、
   該光導波部の内面は、前記入射部側から前記出射部側に向けて徐々に広がる傾斜面を有することを特徴とする光源装置。
2. 前記傾斜面は、前記光導波部の光軸に対して２°以上１０°以下の角度で傾斜している請求項１記載の光源装置。
3. 前記傾斜面は、角度の異なる２つ以上の傾斜面を有する請求項１又は請求項２記載の光源装置。
4. 前記光導波部の内面は、その光軸と平行な平行面を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記傾斜面は、前記入射部側から前記出射部側に向けて徐々に広がる第１の傾斜面と、前記入射部側から前記出射部側に向けて徐々に狭くなる第２の傾斜面を有し、前記第１の傾斜面は、第２の傾斜面よりも光導波部の出射部側に設けられる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記光学素子は、前記光導波部がガラスからなる請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記光学素子は、前記光導波部の周囲に前記ガラスよりも低い屈折率を有する被覆部材を有する請求項６記載の光源装置。
8. 前記光学素子は、前記光導波部の内部が空洞である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光源装置。

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