JP2965203B1 - プリズムを用いたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 従来のレンズによる集光は、集光点までの距
離が自由に決定できないとともに、二次元に配列したア
レイ半導体レーザ素子から出射されたアレイ半導体レー
ザ光を集光することはできなかった。 【解決手段】 この発明のプリズムを用いたレーザ装置
は、コリートメントレンズアレイとフォーカシングレン
ズとの間に、偏角プリズムアレイを配設したことを特徴
とし、前記偏角プリズムアレイは、マルチストライプア
レイ半導体レーザ素子と、コリートメントレンズアレイ
とともに二次元に配列し、前記偏角プリズムアレイにつ
いでシリンドリカルレンズを配列するようにしてもよ
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体レーザ光
をレーザ加工機等の半導体レーザ応用機器や光ファイバ
への導光、あるいは固体レーザの励起光源に使用するた
めの半導体レーザ光を高効率で集光し得るプリズムを用
いたレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザ光としては、半導体
レーザ素子の活性層をアレイ状に多数配列したマルチス
トライプアレイ半導体レーザ素子が使用されている。マ
ルチストライプアレイ半導体レーザ素子は、例えば、活
性層に対して平行方向の幅寸法が１００〜２００μｍ、
活性層に対して垂直方向の厚さ寸法が０．１〜１μｍの
活性層ストライプが１０〜１００本、半導体チップに刻
まれており、一定間隔で一次元に配列されている。この
ために、出射されるアレイ半導体レーザ光は、点線状に
直列した破線をなす。マルチストライプアレイ半導体レ
ーザ素子は、１０Ｗ以上の高出力のものが得られ、材料
加工、医療などの分野への応用が図られており、半導体
レーザ光を光学系を用いて十分に細いビームスポットに
集光することができれば高い効率で用いることができ
る。

【０００３】しかしながら、高出力レーザとして知られ
ているアレイ半導体レーザ光は、高効率、長寿命、小型
化を図れることから注目されているものの、破線状に出
射するレーザ光を十分に細いビームスポットに集光する
ことは困難であった。これは、各ストライプ光は、それ
ぞれ扁平な光源から出射されたものであり、ビーム発散
角は活性層に対して垂直方向の出射角が約４０〜５０度
と大きく、平行方向の出射角が約１０度と小さく、発光
源である活性層ストライプは、上記のように幅寸法が１
００〜２００μｍ、厚さ寸法が０．１〜１μｍというマ
ルチストライプアレイ半導体レーザ素子の特性によるも
のである。

【０００４】そこで、従来、アレイ半導体レーザ光を十
分に細いビームスポットに集光するための種々の方法が
提案されている。例えば、図６に示すように、アレイ半
導体レーザ素子１０が出射するアレイ半導体レーザ光を
アレイ分布屈折率レンズ１１によってそれぞれ個別にコ
リメートした後、フォーカシングレンズ１３を用いて集
光し一定の大きさのビームスポット１５を得る方法があ
る。この方法によれば、ビーム発散角は活性層に対して
垂直方向の出射光を細く絞ることができるものの、平行
方向の出射光は、隣り合った同士が重なり合わないよう
にするために、アレイ分布屈折率レンズは焦点距離の短
いものを使わなければならない。このために、フォーカ
シングレンズとの組み合わせで決まる倍率が大きなもの
となるという問題があった。

【０００５】また、上記問題を解決するために、互いに
共焦点に配置した２個の同一形状のシリンドリカルレン
ズまたは円柱レンズを一つの要素とし、該要素の複数個
をその軸線を配列面に対して４５度傾斜させた状態でア
レイ状に配列してなる光路変換器を使用する方法が提案
されている。例えば、図７に示すように、マルチストラ
イプアレイ半導体レーザ素子２０が出射するアレイ半導
体レーザ光の垂直成分を円柱レンズ２１によってコリメ
ートした後、光路変換器２３によって各ストライプ光の
断面の長軸と短軸とを反転させ、次いで、前記光路変換
器２３からの出射光をシリンドリカルレンズ２５によっ
て活性層に対する平行成分をコリメートし、さらに、フ
ォーカシングレンズ２７を用いて集光し一定の大きさの
ビームスポット２９を得る方法がある。

【０００６】上記光路変換器を用いる方法によれば、破
線状の光線をあたかも梯子状に配列したかのような状態
となるので、マルチストライプアレイ半導体レーザ光を
高効率で集光し、且つ細く絞ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記光
路変換器を用いたレーザ装置においても、コリメート光
をビームスポットに絞り込むには一般の集光方法と同様
に、フォーカシングレンズを用いている。フォーカシン
グレンズを用いると、発光点サイズの倍率がかかること
になる。即ち、絞り込んだビームスポットはフォーカシ
ングレンズの焦点距離ｆ２（フォーカシングレンズとビ
ームスポット間の距離）とマイクロレンズの焦点距離ｆ
１（半導体レーザストライプとマイクロレンズ間の距
離）との比で決まる倍率（ｆ２／ｆ１）を光源の幅に掛
けた値になるから、微小スポットに絞ることは困難であ
る。

【０００８】また、フォーカシングレンズの場合には、
ビームスポットまでの距離を自由に決定することができ
ないために、光ファイバに導光する際にも、光ファイバ
の開口数（Ｎ．Ａ．）に合わせて集光することができず
最適な入射効率を得ることはできなかった。また、従来
のレーザ装置はいずれも、半導体レーザの活性層を一次
元に配列したマルチストライプアレイ半導体レーザ素子
を前提とし、出射されたアレイ半導体レーザ光を如何に
して微小スポットに絞るかが課題であった。従って、
上記のような従来の方法では、二次 元に配列したマル
チストライプアレイ半導体レーザ素子から出射されたア
レイ半導体レーザ光を一つのビームスポットに絞り込む
ことはできなかった。

【０００９】この発明は、上記の現況に鑑みてなされた
もので、マルチストライプアレイ半導体レーザ素子を用
いた半導体レーザ装置において、コリメート光の収束距
離を短くし、且つビームスポットまでの距離を任意に決
定することができるレーザ装置を提供するものである。
さらに、この発明の他の目的は、二次元に配列したマル
チストライプアレイ半導体レーザ素子から出射されたア
レイ半導体レーザ光を一つのビームスポットに絞り込む
ことができるレーザ装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は上記目的を達
成するために次のような構成とした。即ち、この発明の
プリズムを用いたレーザ装置は、コリートメントレンズ
アレイとフォーカシングレンズとの間に偏角プリズムア
レイを配設し、前記偏角プリズムアレイは平行平面であ
る中央部プリズムから両端部に向かって各プリズムの光
軸に対する頂点角を次第に大きく形成し、前記各プリズ
ムは中央部プリズムを中心に対称に配設したことを特徴
とする。前記偏角プリズムアレイは、マルチストライプ
アレイ半導体レーザ素子と、コリートメントレンズアレ
イと、偏角プリズムアレイと、フォーカシングレンズと
を順次光路上に配設することができる。また、偏角プリ
ズムアレイとを、マルチストライプアレイ半導体レーザ
素子とコリートメントレンズアレイとともに二次元に配
列し、前記二次元に配列した偏角プリズムアレイについ
でシリンドリカルレンズを配列するようにしてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の実施形態を図
により説明する。図１はこの発明にかかるプリズムを用
いたレーザ装置の模式的平面図、図２は同じく模式的側
面図、図３は 偏角プリズムアレイの具体的説明図であ
る。レーザ装置３０は、マルチストライプアレイ半導体
レーザ素子３１と、コリートメントレンズアレイ３３
と、偏角プリズムアレイ３５と、フォーカシングレンズ
３７とによって構成されており、順次光路上に配列され
ている。

【００１２】前記マルチストライプアレイ半導体レーザ
素子３１は、市販されているものを用いることができ、
例えば、幅が１００μｍの２０本の活性層ストライプが
ピッチ５００μｍの間隔で配列したものとすることがで
きる。コリメートレンズアレイ３３は、幅５００μｍの
分布屈折率レンズまたはＧＲＩＮレンズ２０個からな
り、各ストライプ光に対応して平行光線群にコリメート
する。コリメートレンズアレイ３３は、上記の他、マル
チシリンドリカルアレイ等公知のレンズを使用すること
ができる。

【００１３】前記コリメートレンズアレイ３３を通過し
たコリメート光は、偏角プリズムアレイ３５によって光
軸の方向が変えられる。ここで、偏角プリズムアレイ３
５は、中心部から両端部に向かって偏角プリズムの光軸
に対する角度が大きく形成されており、各コリメート光
が通る部分の屈折率の差に応じて偏角プリズム内を進
み、また、中央部を通るコリメート光は偏角プリズム内
を直進して、フォーカシングレンズ３７の入射面に入射
される。

【００１４】次に、図３に基づいて、偏角プリズムアレ
イ３５の構成を具体的に説明する。偏角プリズムアレイ
３５は、構成する各プリズムを中心部プリズム４０から
両端部に向かってプリズム４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ，・
・・４０Ｉへと光軸に対する頂点角が次第に大きくなる
ように形成されている。そして、偏角プリズムアレイ３
５は、中心部プリズム４０の両側に各プリズム４０Ａ〜
４０Ｉを石英ガラスで対称に形成し、同じ厚みの石英ガ
ラス板４１に紫外線硬化樹脂で貼り合わせることによっ
て形成することができる。各プリズムの全ての面は研磨
面であるから、貼り合わせ面は透明である。また、上記
のように貼り合わせることなく、低融点ガラスで一体に
プレス加工することも可能であるが、この場合には屈折
率に応じ てプリズム頂点角を変更することが必要であ
る。

【００１５】前記各プリズム４０Ａ〜４０Ｉにおいて、
例えば、発光点サイズを１μｍ×１５０μｍ、発光点の
数を１９個、発光点位置ピッチＰを６５０μｍ、波長λ
を９１５ｎｍとすると、中心部プリズム４０は平行平面
であるが、プリズム４０Ａの頂点角θ１を８６．４１
度、プリズム４０Ｂの頂点角θ２を８２．８４度、プリ
ズム４０Ｃの頂点角θ３を７９．３１度、プリズム４０
Ｄの頂点角θ４を７５．８５度、プリズム４０Ｅの頂点
角θ５を７２．４３度、プリズム４０Ｆの頂点角θ６を
６９．２０度、プリズム４０Ｇの頂点角θ７を６６．０
０度、プリズム４０Ｈの頂点角θ８を６２．９４度、プ
リズム４０Ｉの頂点角θ９を６０．００とすることがで
きる。前記構成の偏角プリズムアレイ３５を用いた場合
には、偏角プリズムアレイ３５の後面から２１．６ｍｍ
の位置に各々のコリメートされた光束を収束させること
ができ、この直前にフォーカシングレンズ３７を配置す
ればよい。

【００１６】この発明では、コリメート光を集光するの
にレンズではなく両端部に向かって各プリズム頂点角を
大きく形成した偏角プリズムアレイ３５を使用する構成
としたので、ビームスポットサイズに倍率がかからな
い。即ち、フォーカシングレンズを使用する従来の装置
では、コリメートレンズの焦点距離に比して、その約１
０倍の焦点距離のフォーカシングレンズを使用する必要
があるために集光位置でのビームスポットサイズが大き
くなりすぎるという問題があったが、偏角プリズムアレ
イ３５によってフォーカシングレンズの入射面に入射さ
せることによって高効率で集光し、一点に細く絞ること
ができる。

【００１７】フォーカシングレンズ３７の入射面に入射
された各コリメート光は、きわめて小さいビームスポッ
トに絞り込んでエネルギー密度を高めることができる。
偏角プリズムアレイ３５は、コリメート光の光軸の方向
を単に変えるのみであってビームスポットに絞り込むも
のではない。各コリメート光の幅を偏光によって細いビ
ームスポットに絞り込むには、フォーカシングレンズ３
７が必要である。偏角プリズムアレイ３５によって集光
された光線束は、一括して単レンズであるフォーカシン
グレンズ３７でフォーカシングされて、一カ所に重ね合
わされたきわめて小さいビームスポットとなる。

【００１８】この発明では、集光する手段として従来の
ようにレンズではなく偏角プリズムアレイを使用するた
めに、ビームスポットまでの距離を自由に決定すること
ができる。従って、アレイ半導体レーザ光を光ファイバ
に導光する場合にも、ファイバの開口数（Ｎ．Ａ．）に
合わせて導光することができるので最適な入射効率を選
定することができる。また、アレイ半導体レーザ光を励
起光源として用いる場合にも、ＹＡＧレーザなどの固体
レーザ素子の端面励起において最適な入射角度に設定す
ることができる。このために、従来のアレイ半導体レー
ザ光では困難であった端面励起が可能となり、高効率
で、しかもビーム品質の高い個体レーザを可能とする。

【００１９】図４及び図５は、この発明に基づく第２の
実施形態を示す模式的平面図及び模式的側面図である。
この発明では偏角プリズムアレイによって集光すること
により、従来のレーザ装置では困難であった半導体レー
ザの活性層を二次元に配列したマルチストライプアレイ
半導体レーザ素子から出射されたアレイ半導体レーザ光
を集光することが可能である。図示するように、レーザ
装置３０ａは、マルチストライプアレイ半導体レーザ素
子３１ａと、コリートメントレンズアレイ３３ａと、偏
角プリズムアレイ３５ａと、シリンドリカルレンズ３９
と、フォーカシングレンズ３７とによって構成されてお
り、順次光路上に配設されている。

【００２０】前記マルチストライプアレイ半導体レーザ
素子３１ａと、コリートメントレンズアレイ３３ａと、
偏角プリズムアレイ３５ａは、上述した第１実施形態に
おけるマルチストライプアレイ半導体レーザ素子３１
と、コリートメントレンズアレイ３３と、偏角プリズム
アレイ３５をそれぞれ段積みしてなり、図示する実施形
態では七段に積層してなる。前記各段のコリメートレン
ズアレイ３３を通過したコリメート光は、偏角プリズム
アレイ３５によって光軸の方向が変えられるとともに、
シリンドリカルレンズ３９によって集光され、最後に、
フォーカシングレンズ３７によって絞り込まれる。この
ようにして、焦点の位置に複数のビーム光が重畳したビ
ームスポットが得られる。

【００２１】上記の通り、従来困難であった半導体レー
ザの活性層を二次元に配列したマルチストライプアレイ
半導体レーザ素子から出射されたアレイ半導体レーザ光
をきわめて小さいビームスポットに集光することが可能
である。尚、発光源である活性層ストライプは、通常、
幅寸法が１００〜２００μｍ、厚さ寸法が０．１〜１μ
ｍであるために、厚さ方向の垂直成分については多少倍
率がかかっても無視できる程度のビームスポット径とす
ることができる。

【００２２】

【発明の効果】この発明は上述のように、コリメート光
の集光手段として偏角プリズムアレイを使用し、各プリ
ズムで光軸の方向を変えた後、フォーカシングレンズで
絞り込む構成としたから、マルチストライプアレイ半導
体レーザ光をきわめて細く絞り込むことができるばかり
でなく、ビームスポットまでの距離を自由に決定するこ
とができる。このために、光ファイバへの開口数に合わ
せた導光が可能となり、また、アレイ半導体レーザでは
困難であったＹＡＧレーザなどの固体レーザの端面励起
光源として有効である。また、シリンドリカルレンズを
挿入することにより、半導体レーザの活性層を二次元に
配列することが可能となり、一層高パワーのビームスポ
ットが得られ、ＹＡＧレーザなどの固体レーザに用いた
場合により高パワーのレーザ出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかるプリズムを用いたレーザ装置
の模式的平面図である。

【図２】同じく模式的側面図である。

【図３】偏角プリズムアレイの具体的説明図である。

【図４】 この発明の他の実施形態を示すレーザ装置の模
式的平面図である。

【図５】 同じく模式的側面図である。

【図６】 従来のアレイ半導体レーザの集光状態を説明す
る説明図である。

【図７】同じく従来のアレイ半導体レーザを光路変換器
を用いて集光する状態を説明する説明図である。

【符号の説明】

３０、３０ａ レーザ装置 ３１、３１ａ マルチストライプアレイ半導体レーザ素
子 ３３、３３ａ コリメートレンズアレイ ３５、３５ａ 偏角プリズムアレイ ３７ フォーカシングレンズ ３９ シリンドリカルレンズ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コリートメントレンズアレイとフォーカ
   シングレンズとの間に偏角プリズムアレイを配設し、前
   記偏角プリズムアレイは平行平面である中央部プリズム
   から両端部に向かって各プリズムの光軸に対する頂点角
   を次第に大きく形成し、前記各プリズムは中央部プリズ
   ムを中心に対称に配設したことを特徴とするプリズムを
   用いたレーザ装置。
2. 【請求項２】 マルチストライプアレイ半導体レーザ素
   子と、コリートメントレンズアレイと、偏角プリズムア
   レイと、フォーカシングレンズとを順次光路上に配設
   し、前記偏角プリズムアレイは平行平面である中央部プ
   リズムから両端部に向かって各プリズムの光軸に対する
   頂点角を次第に大きく形成し、前記各プリズムは中央部
   プリズムを中心に対称に配設したことを特徴とするプリ
   ズムを用いたレーザ装置。
3. 【請求項３】 偏角プリズムアレイを、マルチストライ
   プアレイ半導体レーザ素子とコリートメントレンズアレ
   イとともに二次元に配列し、前記二次元に配列した偏角
   プリズムアレイについでシリンドリカルレンズを配列し
   たことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプリズ
   ムを用いたレーザ装置。