JP2016020935A

JP2016020935A - レーザー装置

Info

Publication number: JP2016020935A
Application number: JP2014143578A
Authority: JP
Inventors: 伸幸新井; Nobuyuki Arai
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2014-07-11
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-04
Also published as: US20160011387A1; US9541721B2; US9784934B2; US20170075085A1

Abstract

【課題】小型、高出力で小さい光ファイバコア径を使用できるレーザー装置を得ること。
【解決手段】ＶＣＳＥＬ基板１０のＶＣＳＥＬ発光点から出射された光は、それぞれのＶＣＳＥＬ発光点に対応したレンズ面を持つマイクロレンズアレイ１２によってコリメートされる。マイクロレンズアレイ１２によってコリメートされて出射される緩い平行光束は、ガラスモールド非球面レンズである集光レンズ１３によって集光され、光ファイバ１４の小さいコア１５に集光される。集光レンズ１３は、正の屈折力を持ち、入射面および出射面が共に非球面形状をなす１枚の非球面レンズからなり、高出力な光量を、小さいコア径の光ファイバ１４に集光する機能を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー装置に関し、さらに詳しくは、複数の面発光型レーザーから出射された複数の光束をレンズアレイを介して受けて集光し、光ファイバに入射させる集光光学系を有するレーザー装置に関するものである。

近年、レーザー加工やレーザープラグなどで、高出力なレーザーを使用したデバイスが広く知られている。また、高出力なレーザー光源を得るには、単体のレーザーではなく、複数のレーザーを合成して使う技術が知られている。
例えば、特許文献１（特開２００２−２０２４４２号公報）には、
複数の半導体レーザーと、
１本のマルチモード光ファイバと、
前記複数の半導体レーザーからそれぞれ出射したレーザービームを集光した上で前記マルチモード光ファイバに結合させる集光光学系とを備えてなり、
前記複数の半導体レーザーが、各々の活性層と平行な方向に発光点が１列に並ぶように配設され、
前記集光光学系が、前記発光点の並び方向の開口径が該方向に直角な方向の開口径よりも小さく形成されて、各半導体レーザー毎に設けられた複数のコリメーターレンズおよびこれらのコリメーターレンズで平行光化された複数のレーザービームをそれぞれ集光して前記マルチモード光ファイバの端面で収束させる集光レンズから構成されている合波レーザー光源が開示されている。

また、特許文献２（特開２００３−１５８３３２号公報）には、複数の発光点を有するマルチキャビティレーザーダイオードチップが複数個並べて固定されてなり、上記複数のマルチキャビティレーザーダイオードチップが、それぞれの発光点の並び方向と同じ方向に並べて固定されてなるレーザーダイオードアレイが開示されている。
また、特許文献３（特開平１０−２８４７７９号公報）には、
断面が長方形である平行光束を発する光源と、
前記平行光束の光路上に配置され、前記平行光束の一部を第１の所定の角度に反射させる第１の反射手段と、
前記第１の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、前記第１の反射手段によって反射された光束を反射させる第２の反射手段と、
前記平行光束の光路上に配置され、前記第１の反射手段によって反射されなかった光束の一部を第２の所定の角度に反射させる第３の反射手段と、
前記第３の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、前記第３の反射手段によって反射された光束を反射させる第４の反射手段と、
前記第２及び第４の反射手段により反射された光束と前記第１及び第３の反射手段により反射されなかった光束とを一括して集光する集光手段と、
を備え、
前記第２及び第４の反射手段は、前記第１及び第３の反射手段で反射された光束各々を、前記第１及び第３の反射手段によって反射されなかった光束に平行且つ隣接するように反射させる構成とした集光装置が開示されている。

また、近年では、レーザー光源に面発光型レーザーアレイを用いた高出力レーザーデバイスとして特許文献４（特開２００２−０２６４５２号公報）に記載されたものが知られている。
ところで、面発光型半導体レーザー光源（以下、「ＶＣＳＥＬ」という）では、端面発光ＬＤと比較して、発光点の集積化が可能なため、発光点を多数配置することで大きな光量を得ることができる。
また、ＶＣＳＥＬは、それぞれの発光点から出た光は、発散光束であるためマイクロレンズアレイによってコリメートする必要がある。
しかしながら、ＶＣＳＥＬは、発光点に面積を持つ面発光となるため、マイクロレンズによってコリメートされた後の光は、必ず緩い発散光束となる。
レーザー合成のためには、集光レンズを用いて光ファイバに入射することが一般的に知られているが、発光点それぞれに対応するマイクロレンズを使用する必要がある。高い光量を得るために発光点を数十μｍ程度の間隔で集積化した場合、それぞれの発光点に対応してレンズ面を設けるためには、各レンズは、光束の分離のためにおよそ発光点間隔を曲率半径とした非常に強い屈折力をもつ形状とする必要がある。

ところが、発光点の直後に非常に強い屈折力をもつマイクロレンズを置くと、光学系全系として見た時に全系の倍率が大きくなってしまうため、集光径が広がってしまうという課題がある。
レーザー装置としての機能として、高出力のレーザーを小さいコア径の光ファイバに集光するというのは重要な役割である。
ＶＣＳＥＬの発光点間隔を縮めて集積化すると、全系としては大きな光量を得られるものの、集光径が大きくなってしまうという課題に対して、どの文献も解決手段は提示されていない。
一般的に焦点距離の短い集光レンズを用いると、ファイバ入射端面で集光できるビームスポット径が小さくなるが、焦点距離の短いレンズを用いると、集光径に向かう入射角（光ファイバに入射できる角度）が大きくなるが、光ファイバに取り込める光の角度（ファイバＮＡ）も決まっているため、短ければ短いほど良いというわけではない。ファイバＮＡに入射できる角度での集光で、かつなるべく小さなスポット径に集光するためのＶＣＳＥＬを用いた集光光学系の構成については公知文献には存在しない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小型、高出力で小さいファイバコアを使用し得るレーザー装置を実現することにある。

本発明に係るレーザー装置は、上述した目的を達成するために、
複数の発光点が配列された面発光型レーザーアレイと、
前記面発光型レーザーに対応する位置にレンズが形成されたレンズアレイと、
前記レンズアレイから出射された複数の光束を集光し、光ファイバの入射端に入射させる集光光学系と、
を備えるレーザー装置において、
前記集光光学系は、正の屈折力を持つ１枚の非球面レンズからなり、
前記非球面レンズは、入射面および出射面の両面が非球面形状であることを特徴としている。

本発明によれば、
複数の発光点が配列された面発光型レーザーアレイと、
前記面発光型レーザーに対応する位置にレンズが形成されたレンズアレイと、
前記レンズアレイから出射された複数の光束を集光し、光ファイバの入射端に入射させる集光光学系と、
を備えるレーザー装置において、
前記集光光学系は、正の屈折力を持つ１枚の非球面レンズからなり、
前記非球面レンズは、入射面および出射面の両面が非球面形状であることにより、面発光レーザーから出射された多くの光束に対し、各レンズ高さでの曲率半径を適切にすることができるため、集光径の小型化が可能となり、最小の構成で高い効率で集光し得るレーザー装置を提供することができる。

本発明に係るレーザー装置に用いる光源部の構成を模式的に示す正面図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置を構成する光源部からマイクロレンズアレイまでの部分を拡大して示す平面図である。本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置の概略の構成を示す平面図である。本発明に係るレーザー装置に用いる光ファイバの構成を模式的に示す斜視図である。本発明の第１の実施の形態であって、実施例１に係るレーザー装置に用いられる集光レンズの面形状を、入射面のレンズ中心を原点とし、横軸にレンズ高さ、縦軸にデプスをプロットして表したグラフである。実施例１に係るレーザー装置に用いられる集光レンズにおいて、各レンズ高さにおける曲率をプロットして表した線図である。本発明との効果を比較するための比較例１に係るマイクロレンズアレイ、集光レンズおよび光ファイバを備えたレーザー装置の構成を示す平面図である。比較例２に係るレーザーアレイの構成を示す平面図である。比較例２に係るレーザー装置に用いた集光レンズの面形状を、入射面のレンズ中心を原点とし、横軸にレンズ高さを、縦軸にデプスをプロットして示した線図である。比較例２に係るレーザー装置に用いた集光レンズの、各レンズ高さにおける曲率をプロットして表した線図である。本発明の第２の実施の形態であって、実施例２に係るレーザー装置の構成を示す平面図である。本発明の第２の実施の形態であって、実施例２に係るレーザー装置に用いられる集光レンズの面形状を、入射面のレンズ中心を原点とし、横軸にレンズ高さ、縦軸にデプスをプロットして表した線図である。実施例２に係るレーザー装置に用いられる集光レンズにおいて、各レンズ高さにおける曲率をプロットして表した線図である。

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明に係るレーザー装置を詳細に説明する。
具体的な実施例について説明する前に、本発明の概念的あるいは原理的な実施の形態を説明する。
本発明に係るレーザー装置は、
複数の発光点が配列された面発光型レーザーアレイと、
前記面発光型レーザーに対応する位置にレンズが形成されたレンズアレイと、
前記レンズアレイから出射された複数の光束を集光し、光ファイバの入射端に入射させる集光光学系と、
を備えるレーザー装置において、
前記集光光学系は、正の屈折力を持つ１枚の非球面レンズからなり、
前記非球面レンズは、入射面および出射面の両面が非球面形状であることを特徴とするものである（請求項１に対応する）。
構成要件の１つとしての面発光型レーザーは、集積化が容易なため、高出力レーザーが期待できる。
そして、面発光型レーザーから出力された各光束は、発光点ごとにレンズ面が設けられたマイクロレンズアレイによってコリメートされ、集光光学系によって光ファイバの入射端上に集光される。

上記集光光学系の両面を非球面レンズとすることで、面発光レーザーから出射された多くの光束に対し、各レンズ高さでの曲率半径を適切にすることができるため、集光径の小径化に有利となる。
また、１枚の両面非球面レンズとすることで、最小の構成で高い効率で集光することができる。両側非球面レンズを用いることで、倍率で決まる集光径よりもさらに小さい集光径を得ることが可能となる。
また、前記非球面レンズの入射面または出射面について、前記非球面レンズは回転対称形状であり、レンズ中心からのレンズ面の距離ｈでの曲率１／ｒをｆ（ｈ）としたとき、関数ｆ(ｈ)は、ｈ＝０以外の点で極値をもつ形状であることが望ましい（請求項２に対応する）。
軸上は、正の屈折力で、軸外にかけては、徐々に正の屈折力が弱くなり、場合によっては負の屈折力を持つ点がある（請求項３に対応する）。
最周辺のレンズ位置については、再度正の屈折力が強くなる形状とすることで、球面収差をとった集光レンズよりもさらに最小集光径を小さくすることができる。

また、前記１枚の非球面レンズの入射面または出射面において、
光軸以外のレンズ高さ（ｈ≠０）において、面の形状に変曲点を持つことが望ましい（請求項３に対応する）。
面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）から出射されたビームは面光源であるため、マイクロレンズ出射後のビームは必ず発散光束になる。この発散光束を光ファイバ上に集光するためには、正の屈折力が必要となる。
本発明に係る集光光学系の目的は、結像させることではなく集光径をなるべく小さくすることにある。
そのためには、面発光レーザー各ＣＨからの光線を同じ点に集光させることが必要となる。
最も外側のＣＨ周辺の光線の集光点とレンズの中間（中心ではない）の集光点とを合わせることが重要となる。
最周辺に関しては、ファイバのＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）で入射角度が決まる。
その入射角度に合わせて、凸パワーが決まる。ファイバの開口数ＮＡにもよるが、周辺が最もパワーが強くなることが望ましい。

集光光学系は、軸上の凸に対し、光ファイバの上にビームを集光するために軸外に掛けて徐々に凸形状から凹形状にし、最周辺で負の歪曲を持たせるような凸形状とすることで、一般的な球面収差を補正した非球面レンズよりも集光径を小さくすることができる。
前記集光光学系の入射面または出射面の一方において、
前記レンズアレイの焦点距離をｆ１とし、
前記面発光型レーザー１ｃｈあたりの発光領域径をＡ１とし、
前記レンズアレイから前記集光光学系までの距離をｄ３とし、
前記集光光学系の面の変曲点のレンズ高さをｈ１
とすると、
次式（１）：
ｈ１＞Ａ１／２ｘｄ３／ｆ１（１）
を満足する集光レンズを備えることが望ましい（請求項４に対応する）。
このように集光光学系の面の曲率に変曲点をもつ位置としては、光軸に配置されたＣＨの光線入射位置よりも外側になることが望ましい。

また、中心の発光点は、ある点に結像させて、周辺の発光点から出射された光線のみ当たるレンズ位置は、結像させるということよりも、ファイバ上での集光径が最も小さくなるように、かつファイバにＮＡに入射させるような形状になることが望ましい。
ファイバ上での集光径を小さくするためには、周辺の発光点から出射された光線の一部に対し、負の屈折力を持たせることで集光径を小さくすることができることが設計により明らかになった。変曲点の位置を中心の発光点から出射された光線よりも外側になるような形状とすることで、ビーム集光径を小さくすることができる。
また、上述のレーザー装置において、前記集光光学系は、両面が非球面形状からなるガラス非球面レンズであることが望ましい。
本発明に係るレーザー装置は、光源から発せられた極めて大きい光量をファイバ上に集光するシステムであり、光源から発せられる熱量およびレンズが吸収して熱に変換する量も大きなものとなり、装置全体が高温になる。そこで、集光レンズをガラス製とすることで、プラスチック製レンズと比べて膨張が少なく、経時や環境変化による効率変化が少ない。

〔第１の実施の形態〕
次に、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置の構成を図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明に係るレーザー装置に用いる光源部の構成を拡大して示す正面図である。
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置を構成する光源部からマイクロレンズアレイまでの部分を拡大して示す平面図である。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置の全体構成を示す平面図である。
図４は、本発明に係るレーザー装置に用いる光ファイバの構成を模式的に且つ拡大して示す斜視図である。
図１において、本発明の第１の実施の形態に係るレーザーは、面発光型レーザーであり、ＶＣＳＥＬ基板１０上に設けられた垂直共振器面発光レーザー（以下、「ＶＣＳＥＬ」という）であり、ＶＣＳＥＬ発光領域１００は、直径８．９ｍｍ：Ａ３）を持つ円形状で、その中にＶＣＳＥＬ発光点１１が４８μｍ：Ａ２の間隔で等間隔に多数配置されている。

ここで、ＶＣＳＥＬについて、補足的に説明すると、一般的に端面発光型レーザーは、基板面と平行方向に光を共振させ、その方向に光を出射させるのに対し、ＶＣＳＥＬは、基板面に対して垂直方向に光を共振させ基板面と垂直方向にビームを出射させることができる半導体レーザー装置である。端面発光型半導体レーザーでは、アレイ素子としては一次元（直線配列）の配列になるため、サイズが大きくなってしまうなど、高密度には限界があった。
これに対し、ＶＣＳＥＬは、二次元的に配列することが可能であるため、従来と比較して格段にレーザービームの高密度化を図ることが可能である。
第１の実施の形態に係るレーザー装置に用いるＶＣＳＥＬは、一例として、図１において、発光領域１００は、直径Ａ３が８．９ｍｍの円形状を呈し、その発光領域１００の中に、ＶＣＳＥＬ発光点１１が４８μｍの間隔Ａ２（図２参照）で等間隔に多数配置されている。上述したように、端面発光レーザーと比較して、ＶＣＳＥＬは、集積化が容易なため、発光点を多数もつことで高出力な光量を得ることができる。
図２に、本発明の第１の実施の形態に係るレーザー装置における光源としてのＶＣＳＥＬ発光点１１からマイクロレンズアレイ１２までの構成を拡大して示す。

ＶＣＳＥＬ発光点１１から出射された光は、それぞれのＶＣＳＥＬ発光点１１に対応したレンズ面を持つマイクロレンズアレイ１２によってコリメートされる。
マイクロレンズアレイ１２は、焦点距離ｆが０．１１ｍｍの合成石英製焦点距離であり、ＶＣＳＥＬ発光点１１は、それぞれの直径Ａ１が１０μｍの大きさの面積をもつため、コリメート後の光線は完全には平行光束とはならず、緩い発散光束となる。
図２において、Ａ１は、ＶＣＳＥＬ発光点１１の直径であり、Ａ２は、ＶＣＳＥＬ発光点１１の間隔であり、ｄ１は、ＶＣＳＥＬ発光点１１とマイクロレンズアレイ１２との間隔であり、ｄ２は、マイクロレンズアレイ１２の入射面から出射面までの長さである。
図３に本発明の第１の実施の形態であり且つ実施例１に係るレーザー装置の構成を示す。
直径Ａ３の円形状の領域から多数の光線が出射されるが、図３では簡単のためＶＣＳＥＬ発光領域１００（図１参照）の中心に配置された発光点と、最周辺に配置された発光点との２点から出射された光線を記載してある。
マイクロレンズアレイ１２によってコリメートされて出射される緩い平行光束は、ガラスモールド非球面レンズである集光光学系としての集光レンズ１３によって集光され、光ファイバ１４の直径Ａ４（φ１．４４ｍｍ）のコア１５に集光される。

レーザー装置に求められる機能としては、なるべく高出力な光量をできるだけ小さいコア径のファイバに集光することが求められている。そのため、光学系としては、光源からの光束をできるだけ小さく集光することが求められる。
図３において、符号Ａ３は、ＶＣＳＥＬ発光領域１００の直径、Ａ４は、光ファイバ１４のコア１５の直径、ｄ３は、マイクロレンズアレイ１２から集光レンズ１３の入射面までの光軸上の距離、ｄ４は、集光レンズ１３の光軸中心の厚さ、ｄ５は、集光レンズ１３の出射面から光ファイバ１４の入射面までの光軸上の距離である。
図４に上述した光ファイバ１４の外観構成を示す。
光ファイバ１４は、コア１５とクラッド１６間の屈折率の差による全反射によって光を伝送するため、全反射がおこるような入射角で光を入射させる必要がある。取り込める入射角（ファイバＮＡ）が決まっているため、光ファイバに入る光線入射角の中で最も大きな角度をファイバＮＡで決められる角度よりも小さい角度で入射させる必要がある。

次に、第１の実施の形態であって、且つ具体的な数値実施例（以下、単に「実施例」という）１を以下に示説明する。
実施例１に用いられる符号の意味は、次の通りである。
Ａ１（μｍ）：ＶＣＳＥＬ発光点１１の１ｃｈ当たりの発光領域直径、
Ａ２（μｍ）：ＶＣＳＥＬ発光点１１の間隔、
Ａ３（μｍ）：ＶＣＳＥＬ発光領域１００の直径、
Ａ４（μｍ）：光ファイバ１４のコア１５の直径、
ｄ１（ｍｍ）：ＶＣＳＥＬ発光点１１からマイクロレンズアレイ１２の入射面までの距離、
ｄ２（ｍｍ）：マイクロレンズアレイ１２の長さ、
ｄ３（ｍｍ）：マイクロレンズアレイ１２から集光レンズ１３の入射面までの光軸上の距離、
ｄ４（ｍｍ）：集光レンズ１３の光軸中心の厚さ、
ｄ５（ｍｍ）：集光レンズ１３の出射面から光ファイバ１４の入射面までの光軸上の距離、
ｆ１（ｍｍ）:マイクロレンズアレイ１２の焦点距離、
Ｒ（ｍｍ）：集光レンズ１３の近軸曲率半径、
Ｋ（ｍｍ）：円錐定数、
Ｂｉ：各次数の非球面係数（ｉ：１から１４）、
ｈ（ｍｍ）：光軸からの高さ、
下表１に実施例１の光学系諸元を示す。

下表２に、実施例１の集光レンズ１３の非球面形状を特定する光学系の諸元を示す。

上記表２に示す非球面形状は、近軸曲率半径Ｒ、光軸からの高さをｈ、そして円錐定数をＫとし、各次数の非球面係数をＢｉ、を用い、右辺の和（Σ）は、「ｉについて１から１４」まで取る。
Ｚ（ｈ）を光軸方向における非球面量として、次の式（２）で定義され、近軸曲率半径および円錐定数、並びに非球面係数を与えて形状を特定する。

この本実施例１の集光レンズ１３の形状について、面形状のプロットを図５に示し、入射面および出射面の曲率(曲率半径の逆数)をレンズ高さに対応させた線図を図６に示す。
図５について、入射面のレンズ中心（レンズ高さｈ＝０）を原点として、横軸にレンズ高さ、縦軸にデプスをプロットした。出射面については、レンズの肉厚を考慮してある。
図６については、各レンズ高さでの曲率（曲率半径の逆数）をプロットした。入射面および出射面の両面とも非球面であるため、レンズ高さごとに曲率を変えることができる。曲率については、入射面出射面ともに、＋が正の屈折力をもつように符号を変えてある。
集光レンズ１３の特徴として、回転対称形状であり、レンズ中心については、出射面側に入射面側より大きな曲率の凸面を向けた両凸形状をなす正レンズである、入射面は全てのレンズ高さにおいて、正の屈折力をもつような曲率になっている。曲率のレンズ高さに対する変化ｆ（ｈ）は、ｈ＝７．６で変曲点を持つ形状となっている。
一方出射面は、レンズ中心は正の屈折力を持つ曲率だが、周辺部になるにつれ正のパワーが弱くなり、ｈ＝３．６９となるところで、正の屈折力をもつ曲率から負の屈折力を持つ曲率に反転する形状となっている。そしてｈ＝５．６５となる位置で負の曲率の最小値（極値）を示し、最周辺に向けて正の曲率となる（請求項２に対応する）。
面形状としては、ｈ＝５．１に変曲点を持つような形状となっている（請求項３、４に対応する）。

このような形状の非球面レンズとすることで、集光レンズ１３で集光できる最小集光径（Ａ４）を１．４４ｍｍと小さくすることができる。
ところで、集光レンズ１３の入射面または出射面において、マイクロレンズアレイ１２の焦点距離をｆ１とし、面発光型レーザーとしてのＶＣＳＥＬ発光領域１００の１ｃｈ当たりの発光領域径をＡ１とし、
前記マイクロレンズアレイ１２から集光レンズ１３までの距離をｄ３とし、集光レンズ１３の面の変曲点のレンズ高さをｈ１としたとき、前記集光レンズ１３は、次式（１）：
ｈ１＞Ａ１／２×ｄ３／ｆ１（１）
を満足することが望ましい（請求項４に対応する）。
表１に記載のパラメータ、即ち、Ａ１＝１０μｍ、ｄ３＝５８ｍｍ、ｆ１＝０．１ｍｍから式（１）右項を計算すると、２．９ｍｍとなり、発光領域中心から出射された光線レンズに入射する光線よりも外側（ｈ＝５．１）に形状の変曲点がある。
このような実施例１に係るレーザー装置によりもたらされる効果を、以下比較例１および比較例２と比較することによって、その効果を具体的に示すこととする。

その効果を示すために、比較例１および比較例２について説明する。
比較例１として、表３，４および図７を示す。比較例１の集光レンズ３３は両側球面レンズを使用した集光光学系である。実施例１の効果を分かり易くするために、上記諸元のうち、Ａ１，Ａ２，Ａ３，ｄ２については同一条件とした。また、光ファイバの開口数ＮＡを合わせるために、最大入射角も同一とした。集光レンズ３３に球面レンズを使用すると設計パラメータとしては、ＶＣＳＥＬ基板３０からの発散光束（レンズ入射角）が決まってしまうので、レンズ焦点距離で調整するしかなくなり、結果として実施例１と比較して比較例１の方が焦点距離が長くなってしまう。また、レンズ周辺の光線は、球面収差の影響を強くうけるため、光ファイバ３４上での集光径は大きくなってしまう。結果として集光径Ａ４＝２．９７ｍｍとなり、実施例１の約２倍となる。

比較例１のように、集光レンズ３３に球面レンズを用いると、主に球面収差の影響によって、集光径Ａ４が大きくなってしまうので、一般的な光学設計としては、球面収差を補正した非球面レンズを用いることが多い。
次に、比較例２として、球面収差を補正した片側非球面レンズを用いたレーザー装置について表５，表６および図８，図９，図１０に示す。ここでも実施例１の効果をわかりやすくするために、Ａ１，Ａ２，Ａ３，ｄ２については同一条件とした。また、光ファイバ４４の開口数ＮＡを合わせるために、最大入射角も同一とした。

球面収差を補正した非球面レンズは、球面収差を片面の非球面で補正可能なため、片側平面の平凸レンズとするのが一般的である。球面収差を補正するためには、レンズ中心から周辺に向かって徐々に正の曲率（屈折力）を小さくする形状にすればよい（上述した請求項２，請求項３，請求項４示すような特徴は球面収差補正には向かない）。
球面収差を除去することにより、光線のばらつきを抑えて集光径を小さくすることができる。球面収差を補正したレンズの場合、そのためのレンズ面形状がほぼ一義的に決定されるので、最も外側の光線の入射角が光ファイバ４４の開口数ＮＡによって規制されると、とれる焦点距離も一義的に決まってしまう。比較例１，２を比較すると、比較例２のように片側非球面レンズとすることで比較例１のような球面レンズ３３よりも焦点距離を短くすることができるが、比較例２によっては、本発明による実施例１に示すような曲率や面形状に変曲点をもつような集光レンズとした場合のように、さらに焦点距離を短くしたり、集光径を小さくすることができない。

次に、実施例２として、ＶＣＳＥＬ発光領域Ａ３＝６．６ｍｍのときのレーザー装置の諸元および集光レンズの形状を、表７，表８および図１１，図１２，図１３にそれぞれ示す。マイクロレンズアレイ２２は、焦点距離０．１ｍｍで実施例１と同一の物である。実施例１では集光レンズ１３の出射面に変曲点をもつ形状だったが、本実施例２のように入射面に変曲点を持つような集光レンズ２３の形状であっても、集光径を小さくすることができる。
次表７に、実施例２の光学系諸元を示し、次表８に実施例２の集光レンズ面形状を定める非球面のパラメータを示す。

実施例２の集光レンズ２３の入射面は、レンズ中心は正の屈折力を持つ曲率だが、周辺部になるにつれ正のパワーが弱くなり、ｈ＝０．８９となるところで、正の屈折力をもつ曲率から負の屈折力を持つ曲率に反転する。そしてｈ＝２．８８となる位置で負の曲率の最小値（極値）とし、最周辺に向けて正の曲率となる。また、入射面のｈ＝４．９９の位置に面形状の変曲点がある。
このような形状の非球面集光レンズ２３とすることで、集光レンズ２３で集光できる最小集光径Ａ４を１．０５ｍｍと小さくすることができる。
集光レンズ２３は、下記条件式（１）を満足することが望ましい。

ｈ１＞Ａ１／２ｘｄ３／ｆ１（１）
表７に記載のパラメータ、即ち、Ａ１＝１０μｍ、ｄ３＝３９．７ｍｍ、ｆ１＝０．１ｍｍから式（１）右項を計算すると、１．９８５ｍｍとなる。本実施例２における集光レンズ２３は、入射面にのみにおいて、発光領域中心から出射された光線が集光レンズ２３に入射する光線よりも外側ｈ＝４．９９の位置に面形状に変曲点を持つ。

１０、２０ＶＣＳＥＬ基板
１１ＶＣＳＥＬ発光点
１２、２２マイクロレンズアレイ
１３、２３集光レンズ
１４光ファイバ
１５コア
１６クラッド
１００ＶＣＳＥＬ領域

特開２００２−２０２４４２号公報特開２００３−１５８３３２号公報特開平１０−２８４７７９号公報

Claims

複数の発光点が配列された面発光型レーザーアレイと、
前記面発光型レーザーに対応する位置にレンズが形成されたレンズアレイと、
前記レンズアレイから出射された複数の光束を集光し、光ファイバの入射端に入射させる集光光学系と、
を備えるレーザー装置において、
前記集光光学系は、正の屈折力を持つ１枚の非球面レンズからなり、
前記非球面レンズは、入射面および出射面の両面が非球面形状であることを特徴とするレーザー装置。
前記非球面レンズの入射面または出射面について、前記非球面レンズは、回転対称形状であり、レンズ中心からのレンズ面の距離ｈでの曲率１／ｒをｆ(ｈ)としたとき、関数ｆ(ｈ)は、ｈ＝０以外の点で極値をもつ形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー装置。
前記１枚の非球面レンズの入射面または出射面において、
光軸以外のレンズ高さ（ｈ≠０）において、面の形状に変曲点を持つことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー装置。
前記集光光学系の入射面または出射面の一方において、
前記レンズアレイの焦点距離をｆ１とし、
前記面発光型レーザー１ｃｈあたりの発光領域径をＡ１とし、
前記レンズアレイから前記集光光学系までの距離をｄ３とし、
前記集光光学系の面の変曲点のレンズ高さをｈ１
とすると、
次式（１）：
ｈ１＞Ａ１／２ｘｄ３／ｆ１（１）
を満足する集光レンズを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザー装置。