JP2011237665A - 導光部材、レーザ導光構造体、レーザ照射装置および光源装置 - Google Patents

導光部材、レーザ導光構造体、レーザ照射装置および光源装置 Download PDF

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Abstract

【課題】組み付け時の調整も容易で、複数のレーザ光を、全反射のみによって効率良く集約して出射可能な導光部材を提供する。
【解決手段】導光部材３は、屈折率分布のない均一な内部構造の導光路を有し、内部と外部の境界面は入射面３ａ、出射面３ｂおよび入射面３ａと出射面３ｂとの間を連結する側反射面３ｃ〜３ｆから構成されており、入射面３ａは平面または均一な曲面で形成され、出射面３ｂは入射面３ａより小さい寸法を有し、側反射面３ｃ〜３ｆは、入射面３ａより出射面３ｂに向かうほど導光路幅を狭窄するように形成された。
【選択図】図６

Description

本発明は、複数の半導体レーザ素子から出射される各レーザ光を所定位置に導光する導光部材ならびにそれを備えたレーザ導光構造体、レーザ照射装置および光源装置に関する。
レーザ発振器から出射される複数のレーザ光を簡易な手段で集光する従来の技術が特許文献１〜３に開示されている。特許文献１〜３では、レーザ発振器として、水平方向にアレイ状に発光部が並ぶ半導体レーザアレイを垂直方向に積み重ねることで、個々の発光部が二次元マトリクス状に配置されたレーザアレイアッセンブリが用いられている。そして、特許文献１〜３では、集光手段として、石英ガラス等の透明材料で形成されたプリズムを用いている。特許文献１〜３の各プリズムについて図１８〜図２０を参照して以下説明する。
図１８は、特許文献１に開示されたプリズムの斜視図（ａ）および縦断面図（ｂ）である。図１８（ａ）に示すように、特許文献１のプリズム１００は、等脚台形板型の外形を有し、台形の面が垂直になるように立てて使用されるものである。プリズム１００の後端面および先端面はそれぞれ入射面１００ａおよび出射面１００ｂとなる。このプリズム１００を、前記レーザ発振器の垂直方向に一列に並ぶ複数の発光部に入射面１００ａが対向近接するように配置し、同様の配置でこのプリズムを水平方向に並ぶ複数の発光部に対応して複数並設している。特許文献１のプリズム１００の内部には、図１８（ｂ）に示すように、各発光部に対応して複数の導波路１００ｃが空洞で形成されている。各導波路１００ｃは、プリズム１００の出射面１０ｂで合流するように形成される。レーザ発振器の各発光部から発光されるレーザ光は、入射面１００ａに開口する各導波路１００ｃの入口からプリズム１００内部に入り、各導波路１００ｃ内を進行し、最終的に全レーザ光が収束され、出射面１００ｂに導かれるようになっている。
図１９は、特許文献２に開示されたプリズムの斜視図である。特許文献２のプリズム２００は、図１９に示すように、基本的に長方形板型であるが、その一部に厚みを狭める先細のテーパを形成した牛乳パックのような外形を有し、テーパ面２００ｄが垂直になるように立てて使用されるものである。プリズム２００の後端面および先端面は、それぞれ入射面２００ａおよび出射面２００ｂとなる。このプリズム２００は、特許文献１のプリズム１００のような導波路を持たず、屈折率分布がない均一な内部構造を有する点で特許文献１のプリズムとは異なる。プリズム２００の入射面２００ａには、垂直方向に並ぶ発光部のそれぞれに対応してレンズ作用を有する曲面部２００ｃが形成されている。このプリズム２００を、前記レーザ発振器の垂直方向に一列に並ぶ複数の発光部に入射面２００ａの曲面部２００ｃが対向近接するように配置し、同様の配置でこのプリズム２００を水平方向に並ぶ複数の発光部に対応して複数並設している。レーザ発振器の各発光部から発光されるレーザ光は、入射面２００ａの曲面部２００ｃを通過することによりの２００ｃのレンズ作用で拡がりを抑えられた形でプリズム２００内部に入射され、最終的に集約され、出射面２００ｂに導かれるようになっている。
図２０は、特許文献３に開示されたプリズムの斜視図である。特許文献３のプリズム３００は、図２０に示すように、特許文献２のプリズム外形を、特許文献１のような等脚台形板型にしたものである。特許文献２と同様に、プリズム３００の入射面３００ａには、入射されたレーザ光の拡がりを抑えるためのレンズとして機能する複数の曲面部３００ｃが形成されている。
特開２００４−２８７１８１号公報（図１、図２参照） 特開２００５−１４８５３８号公報（図１、図２参照） 特開２００７−４１６２３号公報（図８、図９参照）
特許文献１では、プリズムに、屈折率の不均一な複雑な内部構造を形成する必要があり、加工コストが高くなる問題がある。また、複数の半導体レーザ素子の発光部とプリズム入射面の複数の導波路の入口との精密な位置合わせが必要であり、組み付け時の調整が困難となる問題がある。
特許文献２、３では、プリズムの入射面に、レーザ光を長軸方向に集光する複数のレンズ部を形成する必要があり、プリズムの加工コストが高くなる問題がある。また、レーザ発振器の複数の発光部とプリズムの入射面の複数の曲面部との精密な位置合わせが必要であり、組み付け時の調整が困難となる問題もある。
本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、組み付け時の調整も容易で、複数のレーザ光を、全反射のみによって効率良く集約して出射可能な導光部材ならびにそれを備えたレーザ導光構造体、レーザ照射装置および光源装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の導光部材は、短軸方向に並んだ複数のレーザ光を、共通の入射面から入射され、当該複数のレーザ光を共通の反射面により当該入射面より小さい出射面まで導いて集約して出射する導光部材であって、少なくとも短軸方向に対向する反射面は入射面から出射面に向かって傾斜していることを特徴としている。
この構成によると、導光部材の入射面より入射される各レーザ光は、短軸方向に対向する反射面で大部分が全反射されながら導光路内部を進行し、入射面より小さい出射面より略均一な光強度分布で出射される。
また、本発明の導光部材は、入射面から入射されたレーザ光を反射面により当該入射面の短軸方向の寸法より短い短軸方向の寸法の出射面まで導いて出射する導光部材であって、少なくとも短軸方向に対向する反射面は入射面から出射面に向かって傾斜していることを特徴としている。
この構成によると、導光部材の入射面より入射される各レーザ光は、短軸方向に対向する反射面で大部分が全反射されながら導光路内部を進行し、入射面の短軸方向の寸法より短い短軸方向の寸法の出射面より略均一な光強度分布で出射される。
本発明の導光部材は、短軸方向に配列された複数の発光部から発光して長軸方向および短軸方向に拡散しながら進行する複数のレーザ光を、入射面から入射して、入射された複数のレーザ光を所定の方向に導光して出射面から出射する導光部材であって、前記導光部材は、屈折率分布のない均一な内部構造の導光路を有し、内部と外部の境界面は入射面、出射面および入射面と出射面との間を連結する側反射面から構成されており、前記入射面は平面または均一な曲面で形成され、前記出射面は前記入射面より小さい寸法を有し、前記側反射面は、前記入射面より前記出射面に向かうほど導光路幅を狭窄するように形成されたことを特徴としている。
この構成によると、導光部材の入射面より入射される各レーザ光は、側反射面で大部分が全反射されながら狭窄された導光路を進行する際に集約され、略均一な光強度分布で出射面から出射される。この導光部材は、入射面が平面または均一な曲面で形成されているため、製作コストを安くできる。また、入射面にレンズ作用を持たせていないため、入射面に複数のレーザ光が確実に入射される状態を確保できる限り、導光部材の入射面と各レーザ光の発光部との精密な位置合わせが不要となる。よって、組み付け時の調整が容易である。
また本発明の導光部材は、上記構成において、前記入射面および前記出射面の平面形状は、レーザ光の短軸方向および長軸方向に平行な辺を有する矩形であることを特徴としている。これによると、入射面と出射面とを連結する側反射面は、レーザ光の長軸方向に導光路を狭窄する面と短軸方向に導光路を狭窄する面の２種類の面で構成されることになる。よって、長軸方向および短軸方向に拡散して入射面に対して斜めに入射される光線を、長軸方向および短軸方向に導光路を狭窄する側反射面で大部分が全反射させながら効率良く出射面に導光することができる。
また本発明のレンズ部材は、上記構成において、前記側反射面は、導光路幅をテーパ状に狭窄するように形成されており、その長軸方向のテーパ角は、短軸方向よりも大きいことを特徴としている。この構成によると、拡がり角の大きい長軸方向に拡散して入射面に対して斜めに入射される光線についても全反射条件を満たしやすくなり、光の漏洩が抑制される。従って、レーザ光の利用効率が向上する。
また、上記構成において、前記導光路のエッジが面取りされていることを特徴としている。この構成によると、側反射面のエッジ部での異常な光の散乱が抑制されるため、光の漏洩が抑制される。従って、レーザ光の利用効率が向上する。なお、導光路のエッジを丸く面取りする場合は、出射面の平面形状を円または軸方向および短軸方向に軸を有する楕円とすることが可能である。
また、上記構成において、前記出射面に、該出射面より出射されるレーザ光を屈折させて集光するレンズ部が設けられたことを特徴としている。この構成によると、出射面から出射されるレーザ光の拡がりを抑制できる。よって、小さい面積にレーザ光のエネルギー集中させることが必要な用途、例えば、レーザ加工やレーザメスなどに適している。
また、上記構成において、前記出射面に、前記出射面が、粗面あるいはモスアイ状であることを特徴としている。この構成によると、出射面の内側での反射が抑制され、光を効率的に外部に取り出すことができるようになる。
また、本発明のレーザ導光構造体は、上記構成の導光部材と、レーザ光の短軸方向に配列された半導体レーザアレイとを備え、複数の発光部が導光部材の入射面に対向配置されたことを特徴としている。この構成によると、簡便な構成で複数のレーザ光を集約して出射面から出射することができる。
なお、半導体レーザアレイは、短軸方向に配列した複数の半導体レーザ素子を有するものを好適に使用できる。この場合、複数の半導体レーザ素子の光軸を導光部材の出射面の略中心に向けて配置しても良い。このような配置によると、半導体レーザ素子から短軸方向に拡散して入射面に対して斜めに入射される光線について、側反射面に対する入射角が浅くなるために全反射条件をより満たしやすくなり、出射面まで光の漏洩を極力抑制して効率良く導光できるようになる。よって、レーザ光の利用効率が格段に向上する。
また、本発明のレーザ照射装置は、上記構成のレーザ導光構造体を備え、該レーザ導光構造体をペン型のハウジングに収容してなることを特徴としている。さらに、前記ハウジングの先端に、レーザ導光構造体から出射されるレーザ光を集光するレンズを追加しても良い。
また、本発明の光源装置は、上記構成のレーザ導光構造体を備え、レーザ光により励起され可視光を放出する蛍光体を、導光部材の出射面に当接または近接配置したことを特徴としている。さらに、前記蛍光体から放出される可視光を所定の方向に反射するリフレクタを追加しても良い。
本発明の導光部材によると、組み付け時の調整も容易で、複数のレーザ光の大部分を全反射のみによって効率良く集約して出射することができる。また、このような導光部材を半導体レーザアレイと組み合わせることで、簡便な構成のレーザ導光構造体が実現される。さら、このようなレーザ導光構造体を用いることで、小型かつ安価なレーザ照射装置や光源装置を提供できる。
本発明の導光部材を用いたレーザ導光構造体の一実施の形態を示す斜視図 上記レーザ導光構造体に用いられるレーザアレイユニットを示す斜視図 上記レーザアレイユニットに配設される半導体レーザアレイを示す斜視図 上記半導体レーザアレイに実装される半導体レーザ素子の一例の斜視図 上記半導体レーザ素子から発光されるレーザ光とその面内光強度分布を説明する図 本発明の導光部材の一例を示す斜視図 上記導光部材の平断面図（ａ）、側断面図（ｂ）およびｘｙ投影図（ｃ） 上記導光部材の具体例を表す図 上記導光部材の形状のバリエーションを説明する図であり、導光路のエッジが面取りされていないもの（ａ）、導光路のエッジが直線で面取りされているもの（ｂ）、導光路のエッジが丸く面取りされているもの（ｃ） 上記導光部材の出射面のバリエーションを説明する図であり、出射面に、レーザ光に短軸方向に集光するレンズ部を有するもの（ａ）、出射面に、レーザ光に長軸方向に集光するレンズ部を有するもの（ｂ）、出射面に、レーザ光に長軸方向および短軸方向に集光するレンズ部を有するもの（ｃ） 上記導光部材の入射面に入射された複数のレーザ光が導光路を進行し出射面に導光されるメカニズムを説明する平断面図（ａ）および側断面図（ｂ） 上記導光部材の出射面の面内光強度分布を説明する図 上記導光部材の入射面に対向配置される半導体レーザ素子の配置のバリエーションを説明する図であり、各レーザ光の光軸が平行となるように配置したもの（ａ）、各レーザ光の光軸が出射面の中心を向くように配置したもの（ｂ） 上記導光部材の長軸方向に導光路を狭窄する側反射面の入射面側のエッジラインが円弧となるように、例を示す平面図 上記レーザ導光構造体を用いたレーザ照射装置の一例を示す斜視図 上記レーザ照射装置の側断面図 上記レーザ導光構造体を用いた光源装置の一例を示す概略断面図 特許文献１に開示されたプリズムの斜視図（ａ）および縦断面図（ｂ） 特許文献２に開示されたプリズムの斜視図 特許文献３に開示されたプリズムの斜視図
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明において、図中に示された三次元座標軸（ｘ、ｙ、ｚ軸）を用いるが、ｘ軸はレーザ光の短軸方向、ｙ軸はレーザ光の長軸方向、ｚ軸はレーザ光の光軸方向を示している。
＜レーザ導光構造体全体構成＞
図１は、本発明の導光部材を用いたレーザ導光構造体の一実施の形態を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態のレーザ導光構造体１は、複数の発光部を有するレーザアレイユニット２と、レーザアレイユニット２から発光された複数のレーザ光を入射面から入射して、入射された複数のレーザ光を所定の方向に導光して出射面から出射する導光部材３とを備える。
＜レーザアレイユニット＞
図２は、上記レーザ導光構造体に用いられるレーザアレイユニットを示す斜視図である。図２に示すように、レーザアレイユニット２は、ｘｙ面の一面（図２では紙面手前の面）に開口された金属製のパッケージ２２に、半導体レーザアレイ２０を内装したものである。パッケージ２２の一側面（図２では紙面左側の側面）に、第１、第２電極ピン２４、２５が貫装されている。第１、第２電極ピン２４、２５は、外部の電源に接続して、直流あるいはパルス電流を半導体レーザ素子２３に供給するための端子となるものである。
図３は、上記レーザアレイユニットに配設される半導体レーザアレイを示す斜視図である。図３に示すように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の平板型（例えば、幅15 mm、高さ1 mm、奥行き2 mm）ヒートスプレッダ２１のｘｚ面の一面（図３では上面）の略全体に、ｘ軸方向に長いベタ塗り矩形の２つの金（Ａｕ）電極パターン（第１、第２電極パターン２１ａ、２１ｂ）をｚ軸方向に離して形成している。第１電極パターン２１ａは、第２電極パターン２１ｂに比して相対的に面積が大きくなっている。第１電極パターン２１ａ上には、複数（本実施の形態では１０個）の半導体レーザ素子２３がｘ軸方向に配列されて半田付でマウントされている。この素子配列の方向は、後述するように、レーザ光の短軸方向に平行な方向となる。そして、各素子２３の上部電極（図示せず）と第２電極パターン２２との間を、金（Ａｕ）ワイヤで接続すると、半導体レーザアレイ２０が完成する。
図４は、半導体レーザ素子の一例を示す斜視図である。この半導体レーザ素子２３は、ｘｙ劈開面の一面（図４の手前の面）から発光するブロードエリア型レーザである。この半導体レーザ素子２３は、図４に示すように、ｘｚ面に置かれるｎ型ＧａＮから成る厚さ100μmの基板１１０上に、層厚0.5 μmのｎ型ＧａＮから成るバッファ層１１１、層厚2μｍのｎ型Ａｌ0.05Ｇａ0.95Ｎから成る下クラッド層１１２、ＩｎＧａＮの多重量子井戸から成る活性層１１３、ｚ軸方向に延びるリッジを有し層厚0.5μｍ（最厚部）の上クラッド層１１４、ＳｉＯ2から成る絶縁膜１１８、層厚0.1μｍのｐ型ＧａＮから成るコンタクト層１１５をｙ軸方向に積層し、基板１１０の下面に、Ｈｆ／Ａｌから成るｎ電極１１７を形成し、コンタクト層１１５上にＮｉ／Ａｕから成るｐ電極１１６を形成した構成である。なお、絶縁膜１１８は上クラッド層１１４上のリッジを避けた箇所に形成され、コンタクト層１１５は、リッジ上に形成されている。１１９は、絶縁膜１１８およびｐ電極１１６上に形成されたＡｕから成るパッド電極であり、絶縁膜１１８上に形成されたパッド電極１１９上の１箇所にＡｕワイヤ２８の一端がボンディングされる。
このように構成される半導体レーザ素子２３の全体サイズは、例えば、幅（図４のｘ１）が200μｍ、厚み（図４のｙ１）が約100μｍ、奥行き（図４のｚ１）が1000μｍに設定される。発光部（図５参照）の幅を規定するのは上クラッド層１１４のリッジ幅（図４のｗ）であり、この幅は例えば、10μｍに設定される。なお、レーザ発光に必要な共振器構造は既知のものを利用できるため、ここではその説明を省略する。
図５は、上記半導体レーザ素子から発光されるレーザ光とその面内光強度分布を説明する図である。上記のように構成された半導体レーザ素子２３のｐ電極１１６−ｎ電極１１７間に直流電流を印加すると、図５に示すように、前記のリッジ幅を有する発光部からｘ軸方向およびｙ軸方向に拡散しながら進行するレーザ光が発光される。このレーザ光の進行方向に対して垂直なｘｙ面に投影される楕円光の面内光強度分布は、ｘ軸方向、ｙ軸方向で解析すると、同図に示すように、共にガウス分布となる。よって、楕円内部の光強度分布は、楕円の輪郭から楕円の中心の頂点に向かって立ち上がる山型の分布となる。ｘ軸方向の光強度分布の半値全幅（θIxmax/2）は約１０°で、ｙ軸方向（θIymax/2）は約２０°であり、レーザ光の拡がり角は、ｙ軸方向がｘ軸方向より約２倍大きくなっている。このことより、このレーザ光は、ｘ軸方向を短軸方向、ｙ軸方向を長軸方向として拡散しながら進行する拡散光となる。
図３に示すように、第１電極パターン２１ａ上で複数の半導体レーザ素子２３はｘ軸方向に配列されているが、この素子配列は、上記で説明したようにレーザ光の短軸方向に平行な方向となるように配列したものである。素子配列が占有するｘ軸方向の幅、すなわち、両端に位置する素子の外側側面間の距離（図３のｘ０）は、例えば10 mmに設定される。この幅は、後述するように、本発明の導光部材３の入射面のｘ軸方向の幅（図７のｘ２in）の範囲内に収めるのが望ましい。
このように構成される半導体レーザアレイ２０は、図２に示すように、パッケージ２２内の底面に半田付で固定される。そして、第１電極パターン２１ａと第１電極ピン２４との間、および、第２電極パターン２１ａと第２電極ピン２５との間を、金（Ａｕ）ワイヤ２６、２７のワイヤボンディングで接続すると、レーザアレイユニット２が完成する。このように半導体レーザアレイ２０をユニット化することにより、取り扱いが便利になり、後述する導光部材３との組合せ、つまりレーザ導光構造体１の組立が簡素化される。
＜導光部材＞
図６は、本発明の導光部材の一例を示す斜視図であり、図７は、その導光部材の平断面図（ａ）、側断面図（ｂ）およびｘｙ投影図（ｃ）である。図７に示すように、導光部材３は、屈折率分布のない均一な内部構造を有し、その内部全体が導光路として機能する。このような導光部材３の材料としては、例えば、ホウケイ酸クラウン光学ガラス（ＢＫ７）や合成石英を用いることができる。
図６に示すように、導光部材３は、内部と外部の境界面（導光路の境界面）が、入射面３ａ、出射面３ｂおよび入射面３ａと出射面３ｂとの間を連結する４つの側反射面３ｃ、３ｄ、３ｅおよび３ｆから構成されている。入射面３ａおよび出射面３ｂはｘｙ平面として規定され、互いに対向している。
入射面３ａの平面形状は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に平行な辺を有する長方形である。入射面３ａの各辺の長さは、図７に示すように、ｘ２in、ｙ２inで表すことにする。このように、本発明の導光部材３は、入射面３ａが平面で均一な形状を有しているため、特許文献２、３のように入射面に凹凸を形成した不均一な形状に比べて製作コストを安くできる。
出射面３ｂの平面形状も、入射面３ａと同様に、ｘ軸方向およびｙ軸方向に平行な辺を有する長方形である。出射面３ｂの各辺の長さは、図７に示すように、ｘ２out、ｙ２outで表すことにする。出射面３ｂは、入射面３ａよりも小さい寸法に設定される（ｘ２out＜ｘ２in、ｙ２out＜ｙ２in）。
入射面３ａと出射面３ｂのｘｙ座標の位置関係は、図７（ｃ）の投影図に示すように、出射面３ｂが入射面３ｂの面内中央で重なる関係となっている。つまり、入射面３ａと出射面３ｂはｚ軸方向について同軸に設定される。この同軸の関係は理想的ではあるが、製作誤差や設計変更の範囲でｘ軸方向およびｙ軸方向への若干のズレは許容されるものである。入射面３ａと出射面３ｂとの距離は、図７（ａ）に示すように、ｚ２で表すことにする。
４つの側反射面３ｃ〜３ｆは、入射面３ａより出射面３ｂに向かうほど導光路幅を狭窄するように形成されている。このうち、側反射面３ｃおよび３ｄは、ｘ軸方向に導光路幅を狭窄する面であり、側反射面３ｅおよび３ｆは、ｙ軸方向に導光路幅を狭窄する面である。４つの面はすべて平面で形成され、入射面３ａからの距離に比例する率で導光路幅をテーパ状に狭窄している。ｙ軸方向のテーパ角（図７（ｂ）のθ２）は、ｘ軸方向のテーパ角（図７（ａ）のθ１）よりも大きく設定されている（θ２＞θ１）。
図８は導光部材の材質やサイズの具体例を示している。用いる材質によって屈折率が異なるので、2〜3 mm角程度の出射面に効率良く導光するためのサイズは異なる。しかし、いずれの材質を用いても、入射面に対する出射面のｙ軸方向の長さの比率は、ｘ軸方向より小さくするように設定している（ｙ２out／ｙ２in＞ｘ２out／ｘ２in）。このため、上述したように、ｙ軸方向のテーパ角を、ｘ軸方向のテーパ角よりも大きくすることができる（θ２＞θ１）。
図９は、導光部材の形状のバリエーションを説明する図である。図９（ａ）に示すように、導光路のエッジが角張っていると、エッジ部で光が異常に散乱され、導光部材３の外部に漏洩しやすいことが分かっている。よって、導光路のエッジを面取りすることが望ましい。面取り形状としては、図９（ｂ）の部分拡大図に示すように、導光路のエッジを、例えば0.5 mmずつ直線で取り除くものや、図９（ｃ）の部分拡大図に示すように、導光路のエッジを丸く削り取るものなどを採用できる。
図１０は、導光部材の出射面のバリエーションを説明する図である。これまでの説明では出射面３ｂは平面であり、出射面より出射されるレーザ光を屈折させて集光するレンズの機能はないことを前提としていたが、出射面３ｂにそのようなレンズ部を一体に形成してもよい。レンズ部としては、図１０（ａ）に示すように、ｘ軸方向に集光する機能をもつ曲面形状や、図１０（ｂ）に示すように、ｙ軸方向に集光する機能を有する曲面形状を採用できる。その他にも、図１０（ｃ）に示すように、ドーム状のレンズ部３ｃを形成してｘ軸方向およびｙ軸方向に集光する機能を持たせることが可能である。なお、図９（ｃ）のように導光路のエッジを丸く面取りする場合は、出射面３ｂの平面形状を円またはｘ軸方向およびｙ軸方向に平行な軸を有する楕円とすることが可能である。従って、出射面３ｂにドーム状のレンズ部３ｃを形成することが容易となる。
また、出射面３ｂを、スリガラス状の粗面あるいは所謂モスアイ状とすることで、導光部材内部から出射面３ｂを通して外部にレーザ光を取り出す際の取り出し効率を大きく向上させることができた。出射面３ｂが平面である場合には、導光部材内部においてレーザ光が出射面３ｂの内側に到達した際に、出射面３ｂの内側で反射され、外部に取り出すことができないレーザ光成分が生じてしまう。それに対し、出射面３ｂをスリガラス状の粗面あるいは所謂モスアイ状とすることで出射面３ｂの内側での反射が抑制され、光を効率的に外部に取り出すことができるようになったものである。
また、前述の導光部材の例では、入射面３ａと出射面３ｂとが平行の場合について詳細を説明したが、入射面３ａと出射面３ｂとは必ずしも平行である必要はない。
＜レーザアレイユニットと導光部材の組み付け＞
本実施の形態のレーザ導光構造体１は、上記のように構成されたレーザアレイユニット２と導光部材３が一体に組み付けられたものである。組み付け時、図１に示すように、複数の半導体レーザ素子２３の発光部が導光部材３の入射面３ａに対向配置される。本発明の導光部材３は、入射面３ａにレンズ作用を持たせていないため、入射面３ａに複数のレーザ光が確実に入射される状態を確保できる限り、導光部材３の入射面３ａと各半導体レーザ素子２３の発光部との精密な位置合わせが不要となる。よって、本発明の導光部材３は、組み付け時の調整が容易である。本実施の形態によると、簡便な構成で複数のレーザ光を集約して出射するレーザ導光構造体１を提供できる。
＜導光メカニズム＞
以下、上記のように構成された本実施の形態のレーザ導光構造体の動作を、特に本発明の導光部材の作用にスポットを当てて説明する。図１１は、導光部材の入射面に入射された複数のレーザ光が導光路を進行し出射面に導光されるメカニズムを説明する平断面図（ａ）および側断面図（ｂ）である。なお、図面の簡略化のために、半導体レーザ素子２３を実際よりも大きく示し、素子の配列個数は４個にして示しているが、配列個数はレーザ導光構造体の用途などによって決まるものであり、４個に限定されないことは言うまでもない。
各半導体レーザ素子２３から発光されるレーザ光は、長軸方向および短軸方向に拡散しながら進行する拡散光である。この拡散光を光線で表現すると、図１１（ａ）に細実線で示すように、発光部からｚ軸方向に真っ直ぐに放出される光もあれば、太実線で示すように、斜めに放出される光もある。つまり、レーザ光は、短軸方向の拡がり角の範囲で様々な角度で出て行く光線の束であると言える。同様のことは、短軸方向だけでなく、図１１（ｂ）のように長軸方向についても言える。
短軸方向については、拡がり角が比較的小さいため、入射面３ａに対して直角に入射する光線も、斜めに入射する光線も、側反射面３ｃ、３ｄへ入射するときに比較的浅く入射できるで、全反射条件を比較的満たしやすい。よって、テーパ角（θ１）を小さめに設定してもレーザ光を出射面３ｂに効率良く導光することができる。
他方、長軸方向については、拡がり角が大きいために、導光路のテーパ角（θ２）を短軸方向にように小さくすると、入射面３ａに対して斜めに入射する光線は、側反射面３ｅ、３ｆに対する入射角が大きくなり、全反射条件を満たしにくい。このため、特許文献２、３では、長軸方向には全反射を利用しないで入射面に設けたレンズ部の集光作用を用いてレーザ光を収束させるようにしている。
本発明では、長軸方向のテーパ角を短軸方向より大きくし（θ１＜θ２〜９０°）、この方向のテーパを緩く設定しているため、拡がり角の大きい長軸方向に拡散して入射面３ａに対して斜めに入射される光線についても全反射条件を満たしやすくなり、側反射面３ｅ、３ｆで全反射させながら効率良く出射面３ｂに導光することができる。
上記のような導光メカニズムにより、導光部材３の入射面３ａより入射される各レーザ光は、側反射面で全反射されながら狭窄された導光路を進行する際に集約され、図１２に示すように、ｘｙ面内で略均一な光強度分布を有する出射面３ｂから出射される。この出射光は導光部材３から出た後は拡散光となる。
＜レーザ導光構造体のその他の実施形態＞
これまでの説明では、半導体レーザ素子２３の配向は、図１３（ａ）のように各レーザ光の光軸がすべてｚ軸方向に平行となるように配置したもので説明してきた。しかし、図１３（ａ）に点線矢印で示すように、この配置では、短軸方向に拡がりながら導光路に入射するレーザ光について、導光部材３の先端側で全反射条件を満たさない光線が一部出てくるので、それが出射面３ｂに到達する前に外部に漏洩し導光ロスになる。
そこで、図１３（ｂ）のように、各レーザ光の光軸が出射面３ｂの中心を向くように半導体レーザ素子２３を傾けて配置することが望ましい。このように配置すると、半導体レーザ素２３子から短軸方向に拡散して入射面３ａに対して入射される光線について、側反射面に対する入射角が浅くなるために全反射条件をより満たしやすくなり、出射面３ｂまでレーザ光の漏洩を極力抑制して効率良く導光できるようになる。よって、レーザ光の利用効率が格段に向上する。
この配置を採用する場合、導光部材３の入射面３ａの形状のバリエーションとして、図１４に示すように、長軸方向に導光路を狭窄する側反射面３ｃ、３ｄの入射面３ａ側のエッジラインが円弧となるように、入射面３ａを均一な曲面に形成しても良い。こうすると、側反射面３ｅ、３ｆへの入射角をさらに小さくできて全反射条件を満たしやすくなるのでより好ましい。
＜レーザ導光構造体の応用例その１＞
図１５は、レーザ導光構造体を用いたレーザ照射装置の一例を示す斜視図であり、図１６は、そのレーザ照射装置の側断面図である。このレーザ照射装置１１は、図１５、図１６に示すように、上記のように構成されるレーザ導光構造体１を、先端に照射孔４ａおよび照射孔４ａに埋め込まれたレンズ５を有するペン型のハウジング４に収容し、レンズ５に導光部材３の出射面３ｂを付き合わせた構成である。６は電源供給用のケーブルであり、ハウジング４の後端から引き出されて外部電源（不図示）と接続するためのものである。
ハウジング４の径は、導光部材３のｘｙ方向で最大寸法になる入射面３ａのｘ軸方向の長さ（ｘ２in）に依存するが、図８に示されたＢＫ７の例であると、この長さは10 mmなので、ハウジング４の径も20 mm以内に収めることが可能である。ハウジング４の長さは、ｚ軸方向の長さであるｚ２に依存し、図８のＢＫ７の例であると、この長さは50 mmなので、ハウジング４の長さも100 mm以内には十分収まる。従って、このレーザ照射装置１１は、手に持って操作することに支障のないサイズを実現できる。
このように構成されたレーザ照射装置１１によると、ハウジング４の胴体をペンの握り方で持ち、照射対象物に対して、照射位置や照射方向を任意に操りながらエネルギー密度を高めたレーザ光を照射することができる。このレーザ照射装置１１は、レーザ加工機などの工業用やレーザメスなどの医療用としての用途が期待できる。
＜レーザ導光構造体の応用例その２＞
図１７は、上記レーザ導光構造体を用いた光源装置の一例を示す概略構成断面図である。この光源装置１２は、図１７に示すように、上記のように構成されるレーザ導光構造体１を備え、レーザ光により励起され可視光を放出する蛍光体７を、導光部材３の出射面３ｂに当接または近接配置した構成である。８は、蛍光体７から放出される可視光を平行光線束として前方（図１７では右方）に反射するリフレクタである。本例では、リフレクタ８としては、反射面が放物線で形成された凹面鏡を好適に使用しているが、リフレクタ８は、光源装置の用途に応じて凹面鏡以外のものも使用可能である。９は、蛍光体７から前方に放出され、リフレクタ８の反射面に向かわない可視光を、反射させる副反射鏡である。なお、副反射鏡９は蛍光体放出光の利用効率を向上させるためのものであって光源装置１２として必須の要素ではない。
本構成によると、半導体レーザ素子２３から発光されるレーザ光を蛍光体５に導光する経路には、本発明の導光部材３が介在するだけなので、導光経路にコリメータレンズ、アパーチャ等の光学要素をアラインメントする場合のように光軸の調整作業がいらず組立が簡便である。また、光ファイバ等の高価な導光手段がいらないため、コストダウンが図られる。なお、レーザ導光構造体１をハウジング（不図示）に収めてユニット化すれば取り扱いが便利になり、組立をさらに簡素化できる。この光源装置１２は、車両用前照灯やプロジェクタ用光源などに利用することができる。
以上、本発明を具体的な実施形態を例に挙げて説明してきたが、本発明の範囲は上記実施形態に制約されるものではなく、発明の趣旨の範囲で種々の変更や修正が行うことが可能である。
例えば、本発明の導光部材は、側反射面は、入射面から出射面に向かうほど導光路幅を狭窄するものであれば、上記の実施形態で説明したようなテーパ状に導光路幅を狭窄するものでなくても良い。例えば、緩やかな凹曲線で導光路幅を狭窄するようなエッジラインを持つ側反射面としても良い。
また、半導体レーザアレイは、レーザ光の短軸方向に配列される複数の発光部を有するものであれば、上記の実施形態のような複数の半導体レーザ素子をヒートスプレッダなどにマウントするタイプでなくても良く、いわゆる半導体アレイレーザと呼ばれる、単一の素子に複数の発光部をアレイ状に区画して形成するものを用いても良い。
また、短軸方向に配列される複数の半導体レーザ素子の素子配列は、短軸方向と厳密に平行な直線状に配置しなくても良く、特に、図１３（ｂ）のように光軸が平行にならない配向で配置する場合は、直線からズレても構わない。例えば、図１４に示すように、円弧状に配置しても良い。
本発明は、工業用レーザ加工装置や医療用レーザメスなどのレーザ照射装置、車両用前照灯やプロジェクタ用光源などの光源装置に利用することが可能である。
１ レーザ導光構造体
２ レーザアレイユニット
３ 導光部材
３ａ 入射面
３ｂ 出射面
３ｃ〜３ｆ 側反射面
１１ レーザ照射装置
１２ 光源装置
２１ 半導体レーザアレイ
２３ 半導体レーザ素子

Claims (16)

  1. 短軸方向に並んだ複数のレーザ光を、共通の入射面から入射され、当該複数のレーザ光を共通の反射面により当該入射面より小さい出射面まで導いて集約して出射する導光部材であって、少なくとも短軸方向に対向する反射面は入射面から出射面に向かって傾斜していることを特徴とする導光部材。
  2. 入射面から入射されたレーザ光を反射面により当該入射面の短軸方向の寸法より短い短軸方向の寸法の出射面まで導いて出射する導光部材であって、少なくとも短軸方向に対向する反射面は入射面から出射面に向かって傾斜していることを特徴とする導光部材。
  3. 短軸方向に配列された複数の発光部から発光して長軸方向および短軸方向に拡散しながら進行する複数のレーザ光を、入射面から入射して、入射された複数のレーザ光を所定の方向に導光して出射面から出射する導光部材であって、
    前記導光部材は、屈折率分布のない均一な内部構造の導光路を有し、内部と外部の境界面は入射面、出射面および入射面と出射面との間を連結する側反射面から構成されており、
    前記入射面は平面または均一な曲面で形成され、
    前記出射面は前記入射面より小さい寸法を有し、
    前記側反射面は、前記入射面より前記出射面に向かうほど導光路幅を狭窄するように形成されたことを特徴とする導光部材。
  4. 前記入射面および前記出射面の平面形状は、レーザ光の短軸方向および長軸方向に平行な辺を有する矩形であることを特徴とする請求項３に記載の導光部材。
  5. 前記側反射面は、導光路幅をレーザ光の長軸方向および短軸方向にテーパ状に狭窄する平面で形成されており、その長軸方向のテーパ角は、短軸方向よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項４に記載の導光部材。
  6. 前記導光路のエッジが面取りされていることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の導光部材。
  7. 前記出射面の平面形状は円、またはレーザ光の短軸方向および長軸方向に平行な軸を有する楕円であることを特徴とする請求項６に記載の導光部材。
  8. 前記出射面に、該出射面より出射されるレーザ光を屈折させて集光するレンズ部が設けられたことを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の導光部材。
  9. 前記出射面が、粗面あるいはモスアイ状であることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の導光部材。
  10. 請求項１〜９のいずれかに記載の導光部材と、レーザ光の短軸方向に発光部が配列された半導体レーザアレイとを備え、複数の発光部が導光部材の前記入射面に対向配置されたことを特徴とするレーザ導光構造体。
  11. 前記半導体レーザアレイは、短軸方向に配列した複数の半導体レーザ素子を有することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ導光構造体。
  12. 複数の半導体レーザ素子の光軸を導光部材の出射面の略中心に向けて配置したことを特徴とする請求項１１に記載のレーザ導光構造体。
  13. 請求項１０〜１３のいずれかに記載のレーザ導光構造体を備えたレーザ照射装置であって、該レーザ導光構造体をペン型のハウジングに収容してなるレーザ照射装置。
  14. 前記ハウジングの先端に、レーザ導光構造体から出射されるレーザ光を集光するレンズを備えた請求項１３に記載のレーザ照射装置。
  15. 請求項１０〜１３のいずれかに記載のレーザ導光構造体を備えた光源装置であって、レーザ光により励起され可視光を放出する蛍光体を、導光部材の出射面に当接または近接配置したことを特徴とする光源装置。
  16. 前記蛍光体から放出される可視光を所定の方向に反射するリフレクタを備えた請求項１５に記載の光源装置。
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