JP2019184729A

JP2019184729A - 光源モジュール

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Publication number: JP2019184729A
Application number: JP2018073080A
Authority: JP
Inventors: 直樹若林; Naoki Wakabayashi
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-04-05
Also published as: JP6973251B2

Abstract

【課題】縮小光学系や集光レンズの中心付近を通るビームと、中心から離れた位置とにあるビームの両方の収差を容易に補正できる光源モジュール。【解決手段】レーザ光を出力する複数の半導体レーザ１ａ〜１ｆと、複数の半導体レーザに対向して配置され、複数の半導体レーザからのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｆと、複数のコリメートレンズでコリメートされた複数のレーザ光を縮小させる凸レンズ３と凹レンズ５とを有する縮小光学系と、縮小光学系の凸レンズと凹レンズとの間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる球面収差補正プレート４と、縮小光学系で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバ７に結合する集光レンズ６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の光源からの光の球面収差を抑制して光を合成する光学系を備えた光源モジュールに関する。

複数の半導体レーザの複数のレーザ光を一つのファイバに合波する方法として、単レンズ、テレスコープ等の縮小光学系を通した後に集光レンズでファイバに集光する方法がある（特許文献１，２）。

このような方法では、複数の半導体レーザの内の中心に配置された半導体レーザ以外のビームは、単レンズ、テレスコープの中心軸から離れた場所に入射する。これらのビームが集光レンズでファイバに集光された場合に、球面収差が発生する。このため、集光径が大きくなり、ファイバ結合効率が低下してしまう。

このため、球面収差を補正するための補正プレートを、コリメートに対してされたビームに通すことで、光の結合効率の低下を防いでいる。

特開２００５−１１４９７７号公報特開２００７−１６３９４７号公報

しかしながら、縮小光学系や集光レンズの中心付近を通るビームと、中心から離れた位置とにあるビームの両方の収差を補正することが難しい。

本発明の課題は、縮小光学系や集光レンズの中心付近を通るビームと、中心から離れた位置とにあるビームの両方の収差を容易に補正することができる光源モジュールを提供する。

本発明に係る光源モジュールの請求項１は、レーザ光を出力する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源に対向して配置され、前記複数のレーザ光源からのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、前記複数のコリメートレンズでコリメートされた複数のレーザ光を縮小させる凸レンズと凹レンズとを有する縮小光学系と、前記縮小光学系の凸レンズと凹レンズとの間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる球面収差補正プレートと、前記縮小光学系で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズとを備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、レーザ光を出力する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源に対向して配置され、前記複数のレーザ光源からのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、前記複数のレーザ光源と前記複数のコリメートレンズとの間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる球面収差補正プレートと、前記複数のコリメートレンズでコリメートされた複数のレーザ光を縮小させる凸レンズと凹レンズとを有する縮小光学系と、前記縮小光学系で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズとを備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、前記球面収差補正プレートは、前記凸レンズの中心から離れたレンズ端部に入射されたレーザ光が前記凸レンズの本来の焦点よりも手前に出射される場合には、２つの面の一方の面に凹面が形成されてなることを特徴とする。

請求項４の発明は、前記球面収差補正プレートは、前記凸レンズの中心から離れたレンズ端部に入射されたレーザ光が前記凸レンズの本来の焦点よりも後方に出射される場合には、２つの面の一方の面に凸面が形成されてなることを特徴とする。

本発明によれば、非球面からなる球面収差補正プレートを縮小光学系の凸レンズと凹レンズとの間に配置したので、球面収差を抑制することができ、これによって、縮小光学系や集光レンズの中心付近を通るビームと、中心から離れた位置とにあるビームの両方の収差を容易に補正することができる。

本発明の実施例１の光源モジュールの構成図である。球面収差が発生した様子を示す図である。実施例１の光源モジュールの球面収差補正プレートを縮小光学系の間に挿入した場合の光学系を示す図である。従来の光源モジュールの球面収差補正プレートを集光レンズ前に挿入した場合の光学系を示す図である。実施例１の光源モジュールの球面収差補正プレートの位置を変えた場合の球面収差量の変化を示す図である。図３及び図４の球面収差補正プレートの高さｘが０〜１６ｍｍの間での非球面Ｓ１の形状の違いを示す図である。図３及び図４の球面収差補正プレートの非球面Ｓ１の各々の非球面係数αの値を示す図である。実施例１の光源モジュールの縮小光学系の球面収差がアンダーの場合にアンダーな球面収差を球面収差補正プレートで補正した図である。実施例１の光源モジュールの縮小光学系の球面収差がオーバーの場合にオーバーな球面収差を球面収差補正プレートで補正した図である。実施例１の光源モジュールの縮小光学系がアンダーな球面収差の場合に、アンダーな球面収差を補正する球面収差補正プレートの形状を示す図である。実施例１の光源モジュールの縮小光学系がオーバーな球面収差の場合に、オーバーな球面収差を補正する球面収差補正プレートの形状を示す図である。本発明の実施例２の光源モジュールの構成図である。

（実施例１）
図１（ａ）は、本発明の実施例１の光源モジュールの側面構成図である。図１（ｂ）は、本発明の実施例１の光源モジュールの上面構成図である。光源モジュールは、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｆと、コリメートレンズ２ａ〜２ｆと、平凸シリンドリカルレンズ３、球面収差補正プレート４、平凹シリンドリカルレンズ５、集光レンズ６、ファイバ７とを備えている。

複数の半導体レーザ１ａ〜１ｆは、本発明の複数のレーザ光源に対応し、複数のレーザ光を出射する。図１（ａ）の側面図では、３個の半導体レーザ１ａ〜１ｃが見え、図１（ｂ）の上面図では、３個の半導体レーザ１ｄ〜１ｆが見えるが、実際には、複数の半導体レーザは、互いに所定間隔毎にマトリックス状に９個配列されている。

複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｆは、複数の半導体レーザに対向して配置され、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｆからの複数のレーザ光をコリメートする。図１（ａ）の側面図では、３個のコリメートレンズ２ａ〜２ｃが見え、図１（ｂ）の上面図では、３個のコリメートレンズ２ｄ〜２ｆが見えるが、実際には、複数のコリメートレンズは、互いに所定間隔毎にマトリックス状に９個配列されている。

なお、実施例１では、複数の半導体レーザ及び複数のコリメートレンズの各々が９個であるが、例えば、複数の半導体レーザ及び複数のコリメートレンズの各々は、９個以外であっても良い。

平凸シリンドリカルレンズ３は、複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｆに対向して配置され、複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｆからの複数のレーザ光を縮小させて、球面収差補正プレート４に導く。

球面収差補正プレート４は、平凸シリンドリカルレンズ３と平凹シリンドリカルレンズ５との間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる。非球面レンズは、放物面、楕円面、双曲面等の二次曲面やより高次の多項式で表される四次曲面等を用いたレンズである。

球面収差補正プレート４からの球面収差が抑制されたレーザ光は、平凹シリンドリカルレンズ５を通過し、縮小され、集光レンズ６へ入射する。

平凸シリンドリカルレンズ３、平凹シリンドリカルレンズ５及び球面収差補正プレート４は、縮小光学系を構成する。

集光レンズ６は、平凹シリンドリカルレンズ５で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバ７に結合する。

次にこのように構成された実施例の光源モジュールの動作を説明する。複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃからのビーム光は、複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｃでコリメートされ、図１（ａ）に示すＸＺ平面では、縮小光学系でビーム間隔、ビーム径を縮小した後、集光レンズ６でファイバ７端面の一点に合波される。

図１（ｂ）に示すＹＺ平面では、複数の半導体レーザ１ｄ〜１ｆからのビーム光は、複数のコリメートレンズ２ｄ〜２ｆでコリメートされ、縮小光学系及び球面収差補正プレート４を通過して、集光レンズ６でファイバ７端面に合波される。

図２に平凸シリンドリカルレンズ３の球面収差が発生した様子を示す。４つの光線がそれぞれ平凸シリンドリカルレンズ３に平行光として入射し、光軸上に集光される。このとき、各光線の像高Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が大きいほど、集光位置ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４がレンズ側に近づき、像高が小さいほど、逆に集光位置がレンズから遠ざかる。

図１（ａ）に示す半導体レーザ１ａ，１ｃからのビームは、縮小光学系の中心から離れた位置に入射するため、球面収差が発生し、ファイバ７に集光することが困難になる。

そこで、球面収差補正プレート４を挿入することで、平凸シリンドリカルレンズ３の中心軸から離れたビームでも、球面収差を抑制しながらファイバ７に集光することができる。

図１の光学系では、ＸＺ平面での球面収差が大きいとして、球面収差補正プレートは、例えば、面Ｓ１（又は面Ｓ２）を非球面とし、面Ｓ２（又は面Ｓ１）を平面に形成することができる。また、ＹＺ平面では、縮小光学系の球面収差が小さいことから、面Ｓ３，Ｓ４は、平面として良い。

次に、従来のものと、実施例１の球面収差補正を行った場合での収差量を比較した。図３に、実施例１の光源モジュールの球面収差補正プレート４を縮小光学系の間に挿入した場合の光学系を示す。図４に、従来の光源モジュールの球面収差補正プレート４Ａを集光レンズ６前に挿入した場合の光学系を示す。図５に、実施例１の光源モジュールの球面収差補正プレート４の位置を変えた場合の球面収差量の変化を示す。図５では、縦軸に横収差量、横軸に像高を表す。

球面収差補正プレート４を縮小光学系の間に挿入した場合の方が、球面収差補正プレート４Ａを集光レンズ６前に挿入した場合よりも、収差量が減少していることがわかる。

収差量に差が発生する原因として、球面収差補正プレート４Ａに入射するビーム特性が考えられる。図４に示す従来技術では、平行ビームが球面収差補正プレート４Ａに入射する。平行ビームの場合、収差を打ち消すためには、球面収差補正プレート４Ａの面Ｓ１面に大きく複雑な曲率を加え、非球面を形成する必要がある。

これに対して、図３に示す実施例１の技術では、収束ビームが球面収差補正プレート４に入射し、ビームの角度が変数として加わる。この角度に合わせて、球面収差補正プレート４の面Ｓ１を形成することができるため、収差を制御し易く、収差量が従来技術よりも低減できると考えられる。

次に、図３、図４の面Ｓ１に用いる非球面の形状について述べる。非球面の形状ｚは，レンズの高さｒを用いて、一般的に以下の式で表すことができる。

面Ｓ１は、上式を使い、図３、図４の場合に比較したグラフを図６に示す。ただし，図３、図４では、レンズの高さｘは５．０ｍｍまでしか表示していないが、図６では，二つの面の違いがわかるように、ｘ＝１６ｍｍまで示した。

また、面Ｓ１の各係数を図７に示す。図３、図４の場合に非球面係数を比較すると、例えばα₁は、図３の場合に−１．５０×１０^-5に対し、図４の場合は１．３２０×１０^-4とおよそ１０倍値が大きい。

これは、図４の場合はコリメートされたビームに対し、大きな曲率（α）をつけないとビームの収差を抑制できないことを示す。しかし、非球面の各係数αは値が大きいほど、面Ｓ１の制御が難しい。そのため，図４のようにコリメートビームに球面収差補正プレート４Ａを挿入して、最適な面Ｓ１を作ることは、図３の場合に比べ難しくなる。

次に、図３の縮小光学系の間に挿入する球面収差補正プレート４の各パターンを説明する。まず、図８（ａ）に、球面収差がアンダーな場合を示し、図８（ｂ）に示すように、アンダーな収差を凹レンズ（ｆ＜０）からなる球面収差補正プレート４ａにより補正する。図９（ａ）に、球面収差がオーバーな場合を示し、図９（ｂ）に示すように、オーバーな収差を凸レンズ（ｆ＞０）からなる球面収差補正プレート４ｂにより補正する。

アンダーな球面収差は、レンズの外側を通る光が本来の焦点よりも手前に焦点を結ぶことを表す。これを補正するためには、図８（ｂ）に示すように焦点距離が負の凹レンズを用いることが考えられる。オーバーな球面収差は、球面収差は、レンズの外側を通る光が本来の焦点より奥に焦点を結ぶことを表す。これを補正するために図９（ｂ）のように焦点距離が正のレンズを用いることが考えられる。

以上の収差補正の方法から、球面収差がアンダーな場合、オーバーな場合に球面収差補正プレートを図示すると、図１０及び図１１のようになる。アンダーな収差の場合に、球面収差補正プレートは凹レンズの効果となるようにする。オーバーな収差の場合に、球面収差補正プレートは凸レンズの効果となるようにする。

図１０（ａ）の場合、球面収差補正プレート４ａ１のＳ１を非球面とし、Ｓ２を平面とした。Ｓ２に関して、収差の補正具合に応じて、非球面としてもよい。

図１０（ｂ）の場合、球面収差補正プレート４ａ２のＳ１を平面とし、Ｓ２を非球面とした。Ｓ１に関して、収差の補正具合に応じて、非球面としてもよい。

図１１（ａ）の場合、球面収差補正プレート４ｂ１のＳ１を非球面とし、Ｓ２を平面とした。Ｓ２に関して、収差の補正具合に応じて、非球面としてもよい。

図１１（ｂ）の場合、球面収差補正プレート４ｂ２のＳ１を平面とし、Ｓ２を非球面とした。Ｓ１に関して、収差の補正具合に応じて、非球面としてもよい。

このように実施例１の光源モジュールによれば、非球面からなる球面収差補正プレート４を縮小光学系の平凸シリンドリカルレンズ３と平凹シリンドリカルレンズ５との間に配置したので、球面収差を抑制することができ、これによって、縮小光学系や集光レンズの中心付近を通るビームと、中心から離れた位置とにあるビームの両方の収差を容易に補正することができる。

（実施例２）
図１２は、本発明の実施例２の光源モジュールの構成図である。実施例１の光源モジュールでは、球面収差補正プレート４を、平凸シリンドリカルレンズ３と平凹シリンドリカルレンズ５との間に配置した。

これに対して、実施例２の光源モジュールでは、球面収差補正プレート４を、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｆと複数のコリメートレンズ２ａ〜２ｆとの間に配置したことを特徴とする。

このような実施例２の光源モジュールによっても、実施例１の光源モジュールの効果と同様な効果が得られる。

また、球面収差補正プレート４の形状や挿入する位置は、発生する球面収差に合わせて変更してもよい。

本発明は、光結合装置に適用可能である。

１ａ〜１ｆ半導体レーザ
２ａ〜２ｆコリメートレンズ
３平凸シリンドリカルレンズ
４，４Ａ，４ａ，４ｂ，４ａ１，４ａ２，４ｂ１，４ｂ２球面収差補正プレート
５平凹シリンドリカルレンズ
６集光レンズ
７ファイバ

Claims

レーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源に対向して配置され、前記複数のレーザ光源からのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記複数のコリメートレンズでコリメートされた複数のレーザ光を縮小させる凸レンズと凹レンズとを有する縮小光学系と、
前記縮小光学系の凸レンズと凹レンズとの間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる球面収差補正プレートと、
前記縮小光学系で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、
を備えることを特徴とする光源モジュール。
レーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源に対向して配置され、前記複数のレーザ光源からのレーザ光をコリメートする複数のコリメートレンズと、
前記複数のレーザ光源と前記複数のコリメートレンズとの間に配置され、球面収差を抑制する非球面からなる球面収差補正プレートと、
前記複数のコリメートレンズでコリメートされた複数のレーザ光を縮小させる凸レンズと凹レンズとを有する縮小光学系と、
前記縮小光学系で縮小された複数のレーザ光を集光してファイバに結合する集光レンズと、
を備えることを特徴とする光源モジュール。
前記球面収差補正プレートは、前記凸レンズの中心から離れたレンズ端部に入射されたレーザ光が前記凸レンズの本来の焦点よりも手前に出射される場合には、２つの面の一方の面に凹面が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の光源モジュール。
前記球面収差補正プレートは、前記凸レンズの中心から離れたレンズ端部に入射されたレーザ光が前記凸レンズの本来の焦点よりも後方に出射される場合には、２つの面の一方の面に凸面が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の光源モジュール。