JP3952867B2 - Laser concentrator - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体レーザ光を集光するレーザ集光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図2に示すように、半導体レーザ(レーザダイオード等)の活性層14の発光部12から出射される半導体レーザ光(以下、「レーザ光」と記載する)は、レーザ光100の進行方向に対して垂直な面においてほぼ楕円状であり、当該楕円状のレーザ光100は、長軸方向のfast軸方向と、短軸方向のslow軸方向とを有する。また、当該楕円は、発光部12からの距離が長くなるほど大きくなる。そして、半導体レーザをfast軸方向とslow軸方向に2次元的に配列して複数の発光部を持つ半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光ファイバに集光してレーザ光の出力を増大させる半導体レーザ集光装置が知られている。
例えば、半導体レーザをレーザ加工装置の光源として用いる場合、加工に用いるレーザ光の高出力化が必要であるが、単一の発光部から出射されるレーザ光では、出力強度に限界がある。そこで、レンズ群を用いて複数の発光部から出射されるレーザ光を集光して、レーザ光の出力を増大させている。
従来の半導体レーザ集光装置の技術として、例えば、特開2000−98191号公報では、レンズ群と光ファイバを備え、レーザ光の発光部から光ファイバまでの間に、長軸方向コリメートレンズ、長軸方向集光レンズ、短軸方向集光レンズ、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバに集光し、レーザ光の出力を増大させることを提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの発光部から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバに集光してレーザ光の出力を増大させるには、より細い光ファイバに、より多くの発光部からのレーザ光を入射して密度を高めることと、より小さな入射角で入射端面に入射する(入射端面に対して、より直角に近い角度で入射する)ことが必要である。
発光部12から出射されたレーザ光は、fast軸方向及びslow軸方向に拡がりながら進行する。拡がりながら進行するレーザ光を集光する場合、いきなりレンズで集光すると、集光位置(光ファイバへの入射位置)を正確に設定することが困難であり、効率的に集光できない可能性がある。そこで、一旦、レーザ光の拡がりを抑制して平行光(ほぼ均一の幅)に変換し、その後に集光すると、集光位置の設定が容易であり、効率良く光ファイバに入射することができる。
従来の半導体レーザ集光装置(例えば、特開2000−98191号公報)は、発光部の間隔が比較的広いfast軸方向においては、一旦、平行光に変換してから集光しているが、発光部の間隔が比較的狭いslow軸方向においては、レンズの配置が困難であるため、平行光にしてから集光することをせず、集光のみを行っている。
【0004】
従来の半導体レーザ集光装置(例えば、特開2000−98191号公報)では、図8に示すように、半導体レーザアレイ10の各発光部12(m、n)から出射されるレーザ光を、fast軸(長軸方向)コリメートレンズ20を通過させ、fast軸(長軸方向)集光レンズ30を通過させ、更に、slow軸(短軸方向)集光レンズ70を通過させて光ファイバ80(s、t)に入射している。なお、図1〜図10において、座標軸は、レーザ光の進行方向をZ軸、fast軸方向(長軸方向)をX軸、slow軸方向(短軸方向)をY軸としている。
なお、全ての図面は、説明を容易にするため、あるいは比較等を容易にするために、実際の寸法とは異なる寸法で記載している部分を含んでいる。
【0005】
また、図8の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図9に示す。図9は、slow軸方向に並んだ2個の発光部から出射される2本のレーザ光と、fast軸方向に並んだ4個の発光部から出射される4本のレーザ光の合計8本のレーザ光を、1本の光ファイバに集光している。図9(A)は、図8をX軸方向から見た図(上から見た図)であり、図9(B)は、図8をY軸方向から見た図(横から見た図)である。
一般的によく用いられる半導体レーザアレイでは、slow軸方向においては、各発光部12の幅(図9(A)中のDw)は約0.2mmであり、発光部と発光部の間隔(図9(A)中のDp)は約0.2mmである。よって、slow軸方向において隣り合う2個の発光部をグループとした場合の幅(図9(A)中のDin)は約0.6mmである。また、各発光部から出射されるレーザ光のslow軸方向の拡がり角(図9(A)中のθiny)は約3.5°である。
また、fast軸方向において隣り合う発光部の間隔(図9(B)中のDh)は約1.75mmであり、各発光部から出射されるレーザ光のfast軸方向の拡がり角(図9(B)中のθinx)は約40°である。
【0006】
例えば、このレーザ光を、光ファイバ80に、slow軸方向において2本のレーザ光を集光し、fast軸方向において4本のレーザ光を集光する。また、slow軸方向の入射角(図9(A)中のθouty)が約10°以下になるように(より小さな入射角で)集光する。
この場合、最も効率良く集光するためには、図9(A)において、slow軸方向に隣り合う発光部12から出射されるレーザ光が重なる前にslow軸集光レンズ70を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、発光部12から約1.6mmの位置である。また、fast軸方向は、拡がり角が大きいので、発光部12により近い位置で平行光にすることが好ましい(距離を大きくして幅がより大きくなったレーザ光を集光すると、光ファイバへの入射角(θoutx)が大きくなるため)。よって、発光部12にほぼ隣接してfast軸コリメートレンズ20を配置する。
【0007】
以上より、発光部12から約1.6mmまでの距離の間に、fast軸コリメートレンズ20とslow軸集光レンズ70を配置する必要があり、事実上、実現は非常に困難である。なお、fast軸集光レンズ30は、図9(A)、(B)においては、fast軸コリメートレンズ20とslow軸集光レンズ70の間に配置したが、slow軸集光レンズ70と光ファイバ80の間に配置してもよい。ただし、この場合は、fast軸集光レンズ30と光ファイバ80までの距離がより短くなるので、光ファイバ80へのfast軸方向の入射角(図9(B)中のθoutx)が大きくなり、集光の効率が低下する可能性がある。
【0008】
また、この場合、slow軸集光レンズ70の焦点距離(f70)を、発光部12からslow軸集光レンズ70までの距離(この場合、約1.6mm)に設定すると、slow軸方向における集光の効率が最適になるが、光ファイバ80の位置がslow軸集光レンズ70から焦点距離(f70)の位置に自動的に決まる。つまり、発光部12から光ファイバ80までの距離(図9(A)中のL)は、約3.2mmとなる。
上記の説明より、以下の課題を解決する必要がある。
slow軸集光レンズ70と発光部12との間の距離が短い。このため、所定距離の間に、fast軸コリメートレンズ20とslow軸集光70を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ80の位置も発光部12から短い距離になり、fast軸方向の入射角(θoutx)を小さくすると、fast軸方向に集光できるレーザ光の本数が少なくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く光ファイバに集光でき、且つ容易に実現できる集光装置及び発光装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本実施の形態に記載の集光装置では、例えば、fast軸方向及びslow軸方向に拡がりながら進行するそれぞれのレーザ光を所定方向(例えば、slow軸方向)に対してほぼ均一の幅に変換してからそれぞれのレーザ光を集光する。このため、レーザ光の重なりの有無に影響されず、各レーザ光を個々に変換して集光できる。例えば、第1のレンズと第2のレンズをslow軸方向において使用すれば、slow軸方向に関するレンズを、レーザ光がslow軸方向において重なる前に配置する必要がなくなり、slow軸方向に関するレンズと発光部12との間の距離を充分に確保することができる。
また、第1のレンズは、複数の発光部から出射された(全部の)光が入射される単体(単一)のレンズであるため、大きな径に設定でき、実現が容易である。また、第2のレンズも同様に単体のレンズで構成できるので、実現が容易である。
また、それぞれのレーザ光を各発光部に対応する所定方向のグループ毎(例えば、slow軸方向のグループ毎)の領域に集光するので、適切に集光することができる。
このため、例えば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つ容易に実現できる。
【0010】
また、本実施の形態に記載の集光装置では、第1のレンズの焦点距離と、第2のレンズの焦点距離との比に応じて、所定方向(例えば、slow軸方向)において光(レーザ光等)を所定方向のグループ毎に集光できる。
このため、例えば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、目標とするレーザ光の出力を容易に得ることができる。
【0011】
また、本実施の形態に記載の発光装置では、例えば、fast軸方向及びslow軸方向に拡がりながら進行するレーザ光を適切に集光するために、短軸方向(slow軸方向)において、第1発明または第2発明の第1のレンズと第2のレンズを用いる。これにより、レーザ光がslow軸方向において重なる前に配置する必要がなくなり、slow軸方向に関するレンズと発光部12との間の距離を充分に確保することができるとともに、レーザ光を各発光部に対応する所定方向のグループ毎に適切に集光できる。
このため、例えば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つ容易に実現できる。
【0012】
また、本実施の形態に記載の発光装置では、長軸方向(fast軸方向)において、従来と同様に、一旦、第3のレンズで平行光(幅はほぼ均一)に変換してから、第4のレンズで集光する。また、このとき、slow軸方向に集光する第2のレンズと、fast軸方向に集光する第4のレンズを兼用した単一レンズ(slow軸及びfast軸の双方向に集光するレンズ)を用いる。
これにより、レンズの数を削減できるので、レンズを配置可能な範囲が物理的に拡大する。また、発光装置をより簡素化することができる。
【0013】
また、本実施の形態に記載の発光装置では、第3のレンズの焦点距離と、第2のレンズと第4のレンズを兼用した単一レンズの焦点距離との比に応じて、長軸方向(fast軸方向)において光(レーザ光等)を長軸方向のグループ毎に集光できる。また、第1のレンズの焦点距離と、第2のレンズと第4のレンズを兼用した単一レンズの焦点距離との比に応じて、短軸方向(slow軸方向)において光(レーザ光等)を短軸方向のグループ毎に集光できる。
このため、例えば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、fast軸方向及びslow軸方向の双方向から適切に、より効率良く集光することができ、目標とするレーザ光の出力を、更に容易に得ることができる。
【0014】
また、本実施の形態に記載の発光装置では、複数の発光部から出射される半導体レーザ光を、各グループ毎の領域に配置した光ファイバの入射端面に集光する。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く光ファイバに集光でき、目標とするレーザ光の出力を、容易に得ることができる集光装置及び発光装置を容易に実現できる。
【0015】
また、本発明の第1発明は、請求項1に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項1に記載のレーザ集光装置では、楕円状に広がりながら進行するとともに進行方向がそれぞれ平行な複数のレーザ光を出射し、且つ前記楕円の長軸方向及び短軸方向に2次元状に配列された、複数のレーザ発光部を備えた半導体レーザアレイと、前記半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を前記長軸方向に集光する長軸集光レンズ群と、前記半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を前記短軸方向に集光する短軸集光レンズ群と、前記長軸集光レンズ群と前記短軸集光レンズ群にて集光されたレーザ光が入射される複数の光ファイバとを備え、前記長軸集光レンズ群が、前記レーザ発光部から出射されたそれぞれのレーザ光を、長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、前記長軸方向に対して平行光に変換されたレーザ光のそれぞれを前記長軸方向のグループ毎に、且つ前記光ファイバの入射面に向けて前記長軸方向に集光する長軸方向集光レンズと、で構成されたレーザ集光装置におけるものである。
そして、前記短軸集光レンズ群は、シリンドリカル形状の単一レンズである短軸方向幅均一化レンズと、シリンドリカル形状の単一レンズである短軸方向集光レンズにて構成されている。
前記短軸方向幅均一化レンズは、前記複数のレーザ発光部が配置された発光面から前記短軸方向幅均一化レンズの焦点距離を示す第1焦点距離の位置に配置されるとともに光軸が前記発光面に垂直となるように配置されており、前記長軸方向から見た場合に前記レーザ発光部から出射されたそれぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅の中心が、前記光軸上における前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置となる焦点位置付近を通過するように、前記それぞれのレーザ光の進行方向を前記短軸方向に対してそれぞれ異なる方向に屈折させるとともに、前記それぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅を均一化する。
また、前記短軸方向集光レンズは、前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置に前記短軸方向集光レンズの焦点距離を示す第2焦点距離を加えた位置に配置されるとともに前記光軸上に配置されており、前記長軸方向から見た場合に前記焦点位置付近を通過するように前記短軸方向に対してそれぞれ異なる方向に屈折されたレーザ光のそれぞれの進行方向を前記光軸に平行な方向に屈折させるとともに、それぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅が小さくなるように集光する。
そして、前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置に前記第2焦点距離の2倍を加えた位置であるとともに前記光軸に直交する集光面上に、複数の前記光ファイバのそれぞれの入射面が配置されている。
また、本発明の第2発明は、請求項2に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項2に記載のレーザ集光装置では、半導体レーザアレイに配置された複数のレーザ発光部から出射されるレーザ光を、光学集光系(レンズ群等)を用いて集光することで、より細く、より少ない数の光ファイバに集光して入射することができる。そして、当該光ファイバから出射されるレーザ光を、更に集光レンズで集光するため、レーザ光をより小径化して集光することができ、より効率良く集光でき、レーザ光の出力を増大させることができる。
【0016】
また、本発明の第3発明は、請求項3に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項3に記載のレーザ集光装置では、複数の光ファイバの各出射面を、任意の形状に束ねる。
任意の形状に束ねることで、集光レンズを通過させたレーザ光を、より小さい集光スポット(より小さい集光面積)に、所望の形状(任意の形状)で集光することができる。
【0017】
また、本発明の第4〜第5発明は、請求項4〜5に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項4〜5に記載のレーザ集光装置では、長軸方向及び短軸方向に配列された複数のレーザ発光部から出射される、複数のレーザ光のうち、2個以上のレーザ発光部(長軸方向に並んだ2個以上のレーザ発光部)、あるいは4個以上のレーザ発光部(長軸方向に並んだ2個以上のレーザ発光部と、更に短軸方向に並んだ2個以上のレーザ発光部)から出射されたレーザ光を、各光ファイバに集光して入射する。そして、当該光ファイバから出射されるレーザ光を、更に集光レンズで集光するため、より多くのレーザ光を、より小径化して集光することができ、レーザ光の出力を増大させることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明の発光装置の一実施の形態の概略構成図を示している。
半導体レーザアレイ10は、複数の発光部12を有し、単一の発光部を有する半導体レーザを2次元的に配列して、あるいは一列に複数の発光部を有するアレイ型半導体レーザを積層または配列して、あるいは2次元配列されたスタック型半導体レーザで、構成されている。本実施の形態では、スタック型レーザダイオードを用いている。この半導体レーザアレイ10の各発光部12(m、n)から出射されたレーザ光を、効率良く光ファイバ80(s、t)に集光及び入射する。
図2に示すように、半導体レーザアレイ10の活性層14中の発光部12から出射されるレーザ光は、レーザ光100の進行方向に対して垂直な面においてほぼ楕円状であり、当該楕円は、長軸方向(fast軸方向)と短軸方向(slow軸方向)とを有する。また、当該楕円は、発光部12からの距離が長くなるほど大きくなる。
なお、図1〜図10において、座標軸は、発光部12から出射されるレーザ光の進行方向をZ軸、fast軸方向をX軸、slow軸方向をY軸としている。また、全ての図面は、説明を容易にするため、あるいは比較等を容易にするために、実際の寸法とは異なる寸法で記載している部分を含んでいる。
【0019】
◆[第1の実施の形態]
図1を用いて、第1の実施の形態について説明する。
半導体レーザアレイ10の各発光部12から出射された各レーザ光を、fast軸コリメートレンズ20と、fast軸集光レンズ30と、slow軸幅均一化レンズ40と、slow軸集光レンズ50とを通過させ、発光部12(m、n)から出射されるレーザ光を光ファイバ80(s、t)に集光する。
このとき、複数の発光部を複数のグループに分け、各グループ毎に光ファイバに集光する。例えば、4行2列ずつのグループに分けた場合、図1中の「SG」に示すグループ(第1番目グループ)のレーザ光は、光ファイバ80(1、8)に集光される。また、図1中の「FSG」は第2番目のグループにおけるfast軸方向のグループであり、図1中の「SSG」は、第3番目のグループにおけるslow軸方向のグループである。なお、2番目のグループのレーザ光は、光ファイバ80(1、7)に集光される。
【0020】
fast軸コリメートレンズ20(第3のレンズ)は、積層された各半導体レーザアレイ毎(Y軸方向に並んだ、発光部の各「行」毎)に、中心軸方向がslow軸方向である複数(この場合、「4行」の発光部に対して「4つ」)のシリンドリカルレンズを、fast軸方向に配列した構造を有している。そして、fast軸コリメートレンズ20は、各発光部12から出射された各レーザ光を、fast軸方向において幅をほぼ均一にする。この場合、各発光部12から出射され、fast軸方向において幅をほぼ均一にされた各レーザ光は、全て、出射された時点のレーザ光の進行方向(Z軸方向)に対して、slow軸方向から見て平行である。なお、詳細については後述する。
【0021】
fast軸集光レンズ30(第4のレンズ)は、中心軸方向がslow軸方向であるシリンドリカルレンズであり、fast軸方向において幅をほぼ均一にされた各レーザ光をfast軸方向に集光する。集光する先は、各光ファイバ80の入射端面である。この例では、光ファイバ80(s、t)がslow軸方向には1「行」であるので、fast軸集光レンズも1個としている。複数の光ファイバ80がslow軸方向に2「行」の場合は、fast軸集光レンズ30を、シリンドリカルレンズを2個fast軸方向に配列させた構造とすればよい。
【0022】
slow軸幅均一化レンズ40(第1のレンズ)は、中心軸方向がfast軸方向であるシリンドリカルレンズであり、入射側と出射側にそれぞれ継ぎ目のない単一の曲面を有し(複数のレンズで構成されることなく、単体(単一)のレンズであり)、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、slow軸方向において幅をほぼ均一にする。この場合、各発光部12から出射され、slow軸方向において幅をほぼ均一にされた各レーザ光は、出射された時点のレーザ光の進行方向(Z軸方向)に対して、fast軸方向から見て各々異なる角度を有している。なお、詳細については後述する。
【0023】
slow軸集光レンズ50(第2のレンズ)は、中心軸方向がfast軸方向であるシリンドリカルレンズであり、slow軸方向において幅をほぼ均一にされた各レーザ光をslow軸方向に集光する。集光する先は、光ファイバ80(s、t)の入射端面である。また、slow軸集光レンズ50も、slow軸幅均一化レンズ40と同様に、入射側と出射側にそれぞれ継ぎ目のない単一の曲面を有している(複数のレンズで構成されることなく、単体(単一)のレンズである)。
なお、図1において、fast軸コリメートレンズ20(第3のレンズであり、長軸方向コリメートレンズに相当)とfast軸集光レンズ30(第4のレンズであり、長軸方向集光レンズに相当)は長軸方向集光装置(長軸集光レンズ群に相当)を構成しており、slow軸幅均一化レンズ40(第1のレンズであり、短軸方向幅均一化レンズに相当)とslow軸集光レンズ50(第2のレンズであり、短軸方向集光レンズに相当)は短軸方向集光装置(短軸集光レンズ群に相当)を構成している。
【0024】
次に、図3を用いて、各レンズを通過させたレーザ光を、光ファイバ80(s、t)に集光する様子を説明する。図3(A)は、fast軸方向から見た図であり、レーザ光をslow軸方向に屈折及び集光させる様子を示している。また、図3(B)は、slow軸方向から見た図であり、レーザ光をfast軸方向に屈折及び集光させる様子を示している。
また、図3(A)中において発光部12(m、n)を、上端の発光部から、発光部12(1、1)〜発光部12(1、16)とする。また、図3(A)中において光ファイバ80(s、t)を、下端の光ファイバから、光ファイバ80(1、1)〜光ファイバ80(1、8)とする。
ここで、半導体レーザアレイ10の各発光部12(m、n)は、slow軸方向の幅(図3(A)中のDw)が約0.2mmであり、slow軸方向の間隔(図3(A)中のDp)が約0.2mmである。このため、slow軸方向において隣り合う2つの発光部から出射されるレーザ光を1本の光ファイバに集光させるためには、出射の時点でDin(約0.6mm)の幅を有するレーザ光を、Dout(例えば、0.2mm)の径の光ファイバ80(s、t)に集光する必要がある。
【0025】
次に、図3(A)を用いて、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、slow軸方向において光ファイバ80(s、t)の入射端面に集光することを説明する。図3(A)において、slow軸幅均一化レンズ40の焦点距離をf40(第1焦点距離に相当し、例えば、15mm)、slow軸集光レンズ50の焦点距離をf50(第2焦点距離に相当し、例えば、5mm)とする。
そして、slow軸幅均一化レンズ40を「発光部12(m、n)からf40の距離の位置」に配置し、slow軸集光レンズ50を「発光部12(m、n)からf40+f40+f50の距離の位置」に配置し、光ファイバ80(s、t)を「発光部12(m、n)からf40+f40+f50+f50の距離の位置」に配置する。このとき、各位置は誤差により微妙に位置が修正される。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、slow軸方向の拡がり角度をθiny(例えば、3.5°)とする。また、光ファイバ80(s、t)に入射されるレーザ光において、slow軸方向の入射角をθouty(例えば、10°)とする。
【0026】
slow軸幅均一化レンズ40及びslow軸集光レンズ50を選定するには、発光部12(m、n)における、Din、Dp、Dw、θinyから、目標とする光ファイバ80(s、t)のslow軸方向の本数(t)及び径(Dout)とθoutyを満足するf40、f50の焦点距離を有する、slow軸幅均一化レンズ40及びslow軸集光レンズ50を選定すればよい。
なお、この場合、fast軸コリメートレンズ20とfast軸集光レンズ30は、slow軸方向において何ら影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0027】
各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光は、Z軸方向に対してθinyの角度(例えば、3.5°の角度)を持ち、徐々に拡がり、やがて重なる。slow軸方向に重なったレーザ光は、slow軸幅均一化レンズ40を通過すると、slow軸幅均一化レンズ40が焦点距離(f40)の位置に配置されているため、slow軸方向において幅がほぼ均一になる。この時、slow軸幅均一化レンズ40を通過した各レーザ光は、各々Z軸方向に対して異なる角度を有するが、各レーザ光の幅はほぼ均一であり、また、幅がほぼ均一化された各レーザ光の幅の中心は、slow軸幅均一化レンズ40の焦点の位置(図3(A)中のF40)を通る。
そして、slow軸幅均一化レンズ40を通過した各レーザ光は、slow軸集光レンズ50を通過すると、各レーザ光がほぼ均一の幅であるため、slow軸集光レンズ50からf50の距離(slow軸集光レンズ50の焦点距離)に集光される。
そして、各レーザ光がslow軸集光レンズ50で集光される位置(slow軸集光レンズ50からf50の距離の位置)に、光ファイバ80(s、t)を配置して集光されたレーザ光を入射する。このとき、slow軸方向のグループ毎のレーザ光が、各グループ毎に集光される。例えば、光ファイバ(1、1)には、発光部12(1、1)と発光部12(1、2)のレーザ光が集光される。
【0028】
また、slow軸集光レンズ50の焦点距離をf50よりも短いf50sのレンズとし、このレンズ50を発光部12(m、n)からf40+f40+f50sの位置に配置した場合、このslow軸集光レンズ50を通過後、slow軸集光レンズ50の後方のf50sの距離の位置に集光されるレーザ光は、slow軸方向において密になる。(図4(A)に示す。)
逆に、slow軸集光レンズ50の焦点距離をf50よりも長いf50eのレンズとし、このレンズ50を発光部12(m、n)からf40+f40+f50eの位置に配置した場合、このslow軸集光レンズ50を通過後、slow軸集光レンズ50の後方のf50eの距離の位置に集光されるレーザ光は、slow軸方向において疎になる。(図4(B)に示す。)
【0029】
次に、図3(B)を用いて、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、fast軸方向において光ファイバ80(s、t)の入射端面に集光することを説明する。図3(B)において、fast軸コリメートレンズ20の焦点距離をf20、fast軸集光レンズ30の焦点距離をf30とする。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、fast軸方向の拡がり角度をθinx(例えば、40°)とする。また、光ファイバ80(s、t)に入射されるレーザ光において、fast軸方向の入射角をθoutx(例えば、10°)とする。また、発光部12(m、n)のfast軸方向における間隔をDh(例えば、1.75mm)とする。
fast軸コリメートレンズ20及びfast軸集光レンズ30を選定するには、発光部12(m、n)における、Dh、θinxから、目標とする光ファイバ80(s、t)のfast軸方向の本数(s)及び径(Dout)とθoutxを満足するf20、f30の焦点距離を有する、fast軸コリメートレンズ20及びfast軸集光レンズ30を選定すればよい。
なお、この場合、slow軸幅均一化レンズ40とslow軸集光レンズ50は、fast軸方向において何ら影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0030】
各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光は、Z軸方向に対してθinxの角度を持ち、徐々に拡がり、fast軸コリメートレンズ20を通過すると、fast軸コリメートレンズ20が焦点距離(f20)の位置にあるため、fast軸方向において幅がほぼ均一になる。この時、fast軸コリメートレンズ20を通過した各レーザ光は、全てZ軸方向に対してほぼ平行になり、各レーザ光の幅はほぼ均一である。
そして、fast軸コリメートレンズ20を通過した各レーザ光は、fast軸集光レンズ30を通過すると、fast軸集光レンズ30からf30の距離(fast軸集光レンズ30の焦点距離)に集光される。
そして、各レーザ光がfast軸集光レンズ30で集光される位置(fast軸集光レンズ30からf30の距離の位置であり、この位置は、slow軸集光レンズ50からf50の距離の位置でもある)に、光ファイバ80(s、t)を配置して集光されたレーザ光を入射する。このとき、fast軸方向のグループ毎のレーザ光が、各グループ毎に集光される。例えば、光ファイバ80(1、1)には、発光部12(1、1)、発光部12(2、1)、発光部12(3、1)、発光部12(4、1)のレーザ光が集光される。
【0031】
fast軸方向の拡がり角(θinx:例えば40°)は、slow軸方向の拡がり角(θiny:例えば3.5°)と比較して充分大きいので、fast軸コリメートレンズ20は、発光部12(m、n)により近い位置に配置することが好ましい。図3(A)及び(B)の例では、発光部12(m、n)にほぼ接触する位置に配置している。
また、光ファイバ80(s、t)のfast軸方向の本数(この場合は「s」本であり、これにより、fast軸方向に集光するレーザ光の数も決まる)、及び光ファイバ80(s、t)の径(この場合は「Dout」)、及びθoutxにより、fast軸集光レンズ30の焦点距離f30、及びfast軸集光レンズ30の配置位置が決まる。
図3(A)及び(B)の例では、1本の光ファイバ80に、slow軸方向に2本のレーザ光を、fast軸方向に4本のレーザ光を集光し、合計8本のレーザ光を集光している。
なお、実現した半導体レーザ集光装置では、目標とするレーザ光の出力を得るために、slow軸方向に2本のレーザ光を、fast軸方向に10本のレーザ光を集光し、合計20本のレーザ光を集光して実用可能な出力を有するレーザ光を得た。
【0032】
次に、図5を用いて、slow軸方向における集光について、従来(A)と本発明(B)の違いを説明する。図5(A)及び(B)は、レーザ光をslow軸方向において、幅の均一化及び集光する様子を示しており、fast軸コリメートレンズ20とfast軸集光レンズ30の記載を省略している。
従来の半導体レーザ集光装置は、slow軸方向において隣り合う発光部12から出射され、距離が大きくなるに従いslow軸方向に拡がるレーザ光が重なる前に、slow軸方向に集光させているので、発光部12から光ファイバ80までの距離(図9(A)中のL)に制約がある。
【0033】
図5(A)に示す従来の方式では、slow軸方向の幅の均一化及び集光を1つのslow軸集光レンズ70で行っている。このため、発光部12(1、1)〜(1、2)から出射され、θinyの拡がり角度を持ちDin(約0.6mm)の距離を持つレーザ光を効率良く集光するためには、レーザ光が重なる前の位置にslow軸集光レンズ70を配置する必要がある。θinyが約3.5°で、2つの発光部12からのレーザ光を集光するためには、slow軸集光レンズ70の焦点距離(f70)を約1.6mmに設定する必要があり、小型化が要求され、実現が困難である。
【0034】
図5(A)では、slow軸集光レンズ70を通過した各レーザ光は、幅がほぼ均一になるが、入射光に対して出射光の径を小さくする集光は、なされていない。このように、従来はslow軸方向において、レーザ光の幅を小さくすることなく、複数のレーザ光を集めている(束ねている)。レーザ光の幅を小さくするには、slow軸集光レンズ70に入射されるレーザ光の幅が均一でないので困難である。
そこで、slow軸集光レンズ70の焦点距離f70を少し短くして、slow軸集光レンズ70を通過したレーザ光を集光する(レーザ光の幅を小さくする)ことも可能であるが、光ファイバの配置が困難になる可能性がある。
また、図5(A)においては、以下の式が成立する。
Dout=2*f70*tan(θiny)
θouty=arctan[Din/(2*f70)]
Dout/Din=tan(θiny)/tan(θouty)
通常、Din及びθinyは予め半導体レーザアレイ10において決まっているので、焦点距離f70が決まると、Dout及びθoutyも自動的に決まり、Dout及びθoutyを任意に設定することができない。
【0035】
図5(B)に示す本発明の方式では、slow軸方向の幅の均一化及び集光を、slow軸幅均一化レンズ40とslow軸集光レンズ50とで、別々に行う。このため、発光部12(1、1)〜(1、2)から出射され、θinyの拡がり角度を持ちDin(約0.6mm)の距離を持つレーザ光を効率良く集光できる。
本発明では、slow軸方向において隣り合う発光部12から出射され、距離が大きくなるに従いslow軸方向に拡がるレーザ光がslow軸方向に重なった後であっても、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、各レーザ光毎にslow軸方向に集光させることができる点が大きな特徴である。
また、図5(B)においては、以下の式が成立する。
Dout=(f50/f40)*Din
θouty=arctan[(f40/f50)tan(θiny)]
Dout/Din=tan(θiny)/tan(θouty)=f50/f40
このため、slow軸幅均一化レンズ40の焦点距離f40と、slow軸集光レンズ50の焦点距離f50との比を適切に選択することで、Dout及びθoutyを任意に設定できる。
【0036】
また、slow軸幅均一化レンズ40の焦点距離f40と、slow軸集光レンズ50の焦点距離f50を適切に設定でき、slow軸幅均一化レンズ40を「発光部12からf40の距離の位置」に配置し、slow軸集光レンズ50を「発光部12からf40+f40+f50の距離の位置」に配置するので、発光部12(m、n)から光ファイバ80(s、t)までの距離を充分に確保でき、レンズ径等に制約されることなくレンズ群を配置できる。
また、slow軸幅均一化レンズ40及びslow軸集光レンズ50は、各々単一のシリンドリカルレンズで構成できるので、(従来の)slow軸集光レンズ70程の小型化は要求されず、より実現が容易である。
また、slow軸幅均一化レンズ40を通過した各レーザ光は、幅がほぼ均一であるので、slow軸集光レンズ50を用いて、slow軸方向のグループ毎に集光でき、適切に集光する(レーザ光の幅を小さくする)ことが可能である。
【0037】
◆[第2の実施の形態]
次に、第2の実施の形態について説明する。図6は、本発明の発光装置の第2の実施の形態の概略構成図を示している。以下、第1の実施の形態との相違点について説明する。
図6は、図1に示す第1の実施の形態の構成に対して、fast軸集光レンズ30とslow軸集光レンズ50に替えて、fast軸及びslow軸の双方向に集光する双軸集光レンズ60(例えば、球面レンズ)を配置している。その他の構成は、図1と同様である。
【0038】
次に、図7を用いて、各レンズを通過させたレーザ光を、光ファイバ80(s、t)に集光する様子を説明する。図7(A)は、fast軸方向から見た図であり、レーザ光をslow軸方向に屈折及び集光させる様子を示している。また、図7(B)は、slow軸方向から見た図であり、レーザ光をfast軸方向に屈折及び集光させる様子を示している。
図7(A)を用いて、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、slow軸方向において光ファイバ80(s、t)の入射端面に集光することを説明する。図7(A)において、slow軸幅均一化レンズ40の焦点距離をf40(例えば、45mm)、双軸集光レンズ60の焦点距離をf60(例えば、15mm)とする。
【0039】
そして、slow軸幅均一化レンズ40を「発光部12(m、n)からf40の距離の位置」に配置し、双軸集光レンズ60を「発光部12(m、n)からf40+f40+f60の距離の位置」に配置し、光ファイバ80(s、t)を「発光部12(m、n)からf40+f40+f60+f60の距離の位置」に配置する。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、slow軸方向の拡がり角度をθiny(例えば、3.5°)とする。また、slow軸方向において光ファイバ80(s、t)への入射角をθouty(例えば、10°)とする。
slow軸幅均一化レンズ40及び双軸集光レンズ60を選定するには、発光部12(m、n)における、Din、Dp、Dw、θinyから、目標とする光ファイバ80(s、t)のslow軸方向の本数(t)及び径(Dout)とθoutyを満足するf40、f60の焦点距離を有する、slow軸幅均一化レンズ40及び双軸集光レンズ60を選定すればよい。
なお、この場合、fast軸コリメートレンズ20は、slow軸方向において何ら影響を及ぼさないので説明を省略する。
また、図7(A)における、レーザ光の集光の様子は、図3(A)と同様であるので、説明を省略する。
【0040】
また、図7において、双軸集光レンズ60の焦点距離をf60よりも短いf60sのレンズとし、このレンズ60を発光部12(m、n)からf40+f40+f60sの位置に配置した場合、この双軸集光レンズ60を通過後、双軸集光レンズ60の後方のf60sの距離の位置に集光されるレーザ光は、slow軸方向において密になる。(図4(A)と同様)
逆に、双軸集光レンズ60の焦点距離をf60よりも長いf60eのレンズとし、このレンズ60を発光部12(m、n)からf40+f40+f60eの位置に配置した場合、この双軸集光レンズ60を通過後、双軸集光レンズ60の後方のf60eの距離の位置に集光されるレーザ光は、slow軸方向において疎になる。(図4(B)と同様)
【0041】
次に、図7(B)を用いて、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、fast軸方向において光ファイバ80(s、t)の入射端面に集光することを説明する。図7(B)において、fast軸コリメートレンズ20の焦点距離をf20、双軸集光レンズ60の焦点距離をf60とする。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、fast軸方向の拡がり角度をθinxとする。また、光ファイバ80(s、t)に入射されるレーザ光における入射角をθoutx(例えば、10°)とする。また、発光部12(m、n)のfast軸方向における間隔をDh(例えば、1.75mm)とする。
fast軸コリメートレンズ20及び双軸集光レンズ60を選定するには、発光部12(m、n)における、Dh、θinxから、目標とする光ファイバ80(s、t)のfast軸方向の本数(s)及び径(Dout)とθoutxを満足するf20、f60の焦点距離を有する、fast軸コリメートレンズ20及び双軸集光レンズ60を選定すればよい。
なお、この場合、slow軸幅均一化レンズ40は、fast軸方向において何ら影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0042】
fast軸コリメートレンズ20を通過した各レーザ光は、双軸集光レンズ60を通過すると、双軸集光レンズ60からf60の距離(双軸集光レンズ60の焦点距離)に集光される。
そして、各レーザ光が双軸集光レンズ60で集光される位置(双軸集光レンズ60からf60の距離の位置)に、光ファイバ80(s、t)を配置して集光されたレーザ光を入射する。このとき、fast軸方向のグループ毎のレーザ光が、各グループ毎に集光される。例えば、光ファイバ80(1、1)には、発光部12(1、1)、発光部12(2、1)、発光部12(3、1)、発光部12(4、1)のレーザ光が集光される。
また、光ファイバ80(s、t)のfast軸方向の本数(この場合は「s」本であり、これにより、fast軸方向に集光するレーザ光の数も決まる)、及び光ファイバ80(s、t)の径(この場合は「Dout」)、及びθoutxにより、双軸集光レンズ60の焦点距離f60、双軸集光レンズ60の配置位置が決まる。
【0043】
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に対して、レンズの個数が削減できるが、光ファイバ80(s、t)への入射されるレーザ光において、fast軸方向の拡がり角度θoutxが比較的大きくなる。このθoutxをより小さくするには、図10(A)に示すように、双軸集光レンズ60をfast軸方向に複数配列した構成とすることで可能となる。
また、第1の実施の形態においても、θoutxをより小さくするには、図10(B)に示すように、fast軸集光レンズ30をfast軸方向に複数配列した構成とすることで可能となる。
このように、集光する光ファイバ80(s、t)の配列、光ファイバ80(s、t)への入射角(θoutx、θouty)等に応じて、各レンズの構成を種々変更して対応する。また、光ファイバ(s、t)は、複数でも単数でもよく、任意の数及び配列を設定できるので、目標とするレーザ光の出力を容易に得ることができる。
【0044】
◆[第3の実施の形態]
第3の実施の形態は、図11に示すように、第1の実施の形態に対してslow軸幅均一化レンズ40を省略している。また、slow軸集光レンズ50のサイズが大きい。
図11に示す第3の実施の形態では、図8に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ10と光ファイバ80との距離を非常に大きくできる(第1の実施の形態と同様)。このため、各レンズの配置が容易であるとともに、光ファイバ80への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を光ファイバ80に集光して入射することができる。
また、図1に示す第1の実施の形態に対して、slow軸幅均一化レンズ40を省略しているため、第1の実施の形態に比して構成が簡素化され、各レンズ等の位置決め、調整等をより容易にすることができる。
【0045】
[全体構成]
図11は、第3の実施の形態の概略構成図を示している。
図11では、図1に示す第1の実施の形態と比して、slow軸幅均一化レンズ40が省略されていることと、slow軸集光レンズ50のサイズが大きい点で構成上の相違がある(上記)。また、slow軸集光レンズ50の配置位置も第1の実施の形態とは異なる。この構成上の相違、及び配置位置の相違により、レーザ光の集光状態が、第1の実施の形態と異なる様子を以下に説明する。
なお、光ファイバ80の本数は、slow軸集光レンズ50の焦点距離(f50)等によって、種々変更することができる。
また、光ファイバ80の出射面側を束ね、光ファイバ80から出射されたレーザ光を集光レンズ120で集光することも追加しているが、この部分の説明は後述する。
他は第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【0046】
[各構成要素の配置と、レーザ光の集光状態]
次に、図12を用いて、発光部12、fast軸コリメートレンズ20、fast軸集光レンズ30、slow軸集光レンズ50、光ファイバ80の配置位置と、レーザ光の集光状態(光ファイバ80までの集光状態)について説明する。図12(A)は、長軸(fast軸(図12中のX軸))方向から見た図であり、レーザ光を短軸(slow軸(図12中のY軸))方向に屈折及び集光する様子を示している。また、図12(B)は、短軸(slow軸)方向から見た図であり、レーザ光を長軸(fast軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。
図12(B)では、図3(B)に対してslow軸幅均一化レンズ40が省略されている。slow軸幅均一化レンズ40は、長軸方向においてほとんど影響を及ぼさないため、図12(B)に示すレーザ光の集光状態と、図3(B)に示すレーザ光の集光状態は同じ(fast軸コリメートレンズ20と、fast軸集光レンズ30の配置位置も同じ)である。このため、図12(B)については説明を省略する。
【0047】
次に、図12(A)を用いて、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、slow軸方向において光ファイバ80(s、t)の入射面に集光することを説明する。図12(A)において、slow軸集光レンズ50の焦点距離をf50(この場合、例えば、30mm)とする。
そして、slow軸集光レンズ50を「発光部12(m、n)から距離(S1)の位置」に配置し、光ファイバ80(m,n)を「slow軸集光レンズ50から距離(T1)の位置」に配置する。なお、このとき以下のように、S1及びT1を設定する。(図12(A)の例では、(S1、T1)=(60mm、60mm))
1/S1+1/T1=1/f50
このとき、各位置は誤差により微妙に位置が修正される。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、slow軸方向の拡がり角度をθiny(例えば、3.5°)とする。また、光ファイバ80(s、t)に入射されるレーザ光において、slow軸方向の入射角をθouty(例えば、10°)とする。なお、入射角(θouty)を所定角度未満とするために、図12(A)の光ファイバ80(1,1)に示す点線のように、各光ファイバ80(s,t)をYZ平面上で、入射面を中心として各々適切な角度で回転させてもよい。
【0048】
slow軸集光レンズ50を選定するには、発光部12(m、n)における、Din、Dp、Dw、θinyから、目標とする光ファイバ80(s、t)のslow軸方向の本数(t)及び径(Dout)とθoutyを満足する焦点距離(f50)を有する、slow軸集光レンズ50を選定すればよい。
各光ファイバ80(s,t)の入射面は、複数の発光部12(m,n)を含む発光面から所定の距離(この場合、S1+T1の距離)の面上の直線上にあり、且つ短軸方向にほぼ平行な直線上にある。以下、この光ファイバ80(s,t)の入射面を並べた位置を「レーザ集光位置」という。
なお、この場合、fast軸コリメートレンズ20及びfast軸集光レンズ30は、slow軸方向において、ほとんど影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0049】
各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光は、Z軸方向に対してθinyの角度(例えば、3.5°の角度)を持ち、徐々に拡がり、やがて重なる。各レーザ光の進行方向が、slow軸集光レンズ50の光軸とほぼ平行であるため、slow軸方向に重なったレーザ光は、slow軸集光レンズ50を通過すると、1/S1+1/T1=1/f50が成立していれば、発光部12(m,n)からS1+T1の距離に各々集光される。
そして、各レーザ光がslow軸集光レンズ50で集光される位置(発光部12(m,n)から距離S1+T1の位置)に、光ファイバ80(s、t)の入射面を配置して、集光されたレーザ光を各光ファイバ80(s,t)に入射する。
この「各レーザ光がslow軸集光レンズ50で集光される位置(レーザ集光位置)」に、fast軸方向においても集光する。
【0050】
●[光ファイバから出射されたレーザ光の集光]
次に、図13を用いて、(第3の実施の形態(図11)に示すように、)光ファイバ80(m、n)から出射されるレーザ光が、集光レンズ120で所定の位置(図13の[位置SM])に集光される様子について説明する。なお、図示していないが、第1の実施の形態(図1)、第2の実施の形態(図6)も同様に、光ファイバ80(m、n)から出射されるレーザ光を集光レンズ120で所定の位置に集光することができる。
なお、光ファイバ80(m、n)の出射面は、図14(A)および(B)に示すように、任意の形状に束ねられている。任意の形状とすることで、例えば、レーザ加工の場合、所望の形状で加工することができる。また、束ねる形状は、円形(図14(A))、四角形(図14(B))等に限定されず、様々な形状とすることが可能である。また、束ねる場合において光ファイバの本数も、必要に応じて様々な本数を束ねることが可能である。
【0051】
図13(A)及び(B)において、レーザ光を集光する所定の位置を[位置SM]、集光レンズ120の焦点距離を[f120]、[位置SM]から集光レンズ120の中心までの距離(集光レンズ120の光軸方向における距離)を[距離T2]及び[距離T3]、集光レンズ120の中心から光ファイバ80(m、n)の出射面までの距離(集光レンズ120の光軸方向における距離)を[距離S2]及び[距離S3]とする。
また、以下のように、(S2、T2)、(S3、T3)を設定する。
1/S2+1/T2=1/f120
1/S3+1/T3=1/f120、且つS3>S2
上記式に基づいた図13(A)と(B)を比較すれば明らかなように、光ファイバ80(m、n)の出射面から集光レンズ120の中心までの距離[距離SX]が大きくなるほど、集光レンズ120の中心から[位置SM]までの距離[距離TX]が小さくなる。また、[距離TX]が小さくなるほど、[位置SM]上の[集光スポット距離Sout]が小さくなる。[集光スポット距離Sout]が小さいほど、単位面積当たりのレーザ出力が増大され、レーザ加工等に有効となる。
なお、本実施例では、集光レンズ120から距離TXの位置[位置SM]を集光点としているが、集光レンズ120から距離f120の位置(集光レンズ120の焦点距離の位置)を集光点としてもよい。
【0052】
以上説明したように、本実施の形態に示した発光装置を用いれば、半導体レーザアレイ10の各発光部12から出射されるレーザ光を、レンズ群(光学集光系)を用いて集光することで、より細い、より少ない数の光ファイバに入射することができる。特に、ビーム品質の良いfast軸方向のレーザ光を、各光ファイバにより多く入射することができるので、レーザ加工等に有効である。
また、より細い、より少ない数の光ファイバに各レーザ光を入射し、当該光ファイバから出射されたレーザ光を、更に集光レンズ120で集光するため、レーザ出力をより増大させることができ、レーザ加工等に非常に有効である。
【0053】
本発明の集光装置及び発光装置は、本実施の形態で説明した構成に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本発明の集光装置及び発光装置は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。また、各レンズの形状、サイズ等は、実施の形態の説明及び図に限定されるものではない。本発明で使用される各レンズは、一方面が曲面であれば、他方面は平面でも曲面でもよい。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1〜5のいずれかに記載のレーザ集光装置、あるいは本実施の形態に記載の集光装置あるいは発光装置を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く光ファイバに集光でき、且つ容易に実現できるレーザ集光装置(集光装置)及び発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の発光装置の第1の実施の形態の概略構成図である。
【図2】 半導体レーザの発光部から出射されるレーザ光を説明する図である。
【図3】 第1の実施の形態において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図4】 slow軸集光レンズ50を変更した場合において、slow軸集光レンズ50を通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図5】 slow軸方向における集光について、従来(A)と本発明(B)の違いを説明する図である。
【図6】 本発明の発光装置の第2の実施の形態の概略構成図である。
【図7】 第2の実施の形態において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図8】 従来の半導体レーザ集光装置の概略構成図である。
【図9】 従来の半導体レーザ集光装置において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図10】 本発明の発光装置の他の実施形態を説明する図である。
【図11】 本発明の発光装置の第3の実施の形態の概略構成図である。
【図12】 第3の実施の形態において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図13】 光ファイバ80(m、n)から出射されるレーザ光が、集光レンズ120で所定の位置に集光される様子について説明する図である。
【図14】 光ファイバ80(m、n)の出射面を任意の形状に束ねた状態を説明する図である。
【符号の説明】
10 半導体レーザアレイ
12(m、n) 発光部
20 fast軸コリメートレンズ
30 fast軸集光レンズ
40 slow軸幅均一化レンズ
50、70 slow軸集光レンズ
60 双軸集光レンズ
80(s、t) 光ファイバ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention, for example, condenses semiconductor laser lightThe present invention relates to a laser condensing device.
[0002]
[Prior art]
  As shown in FIG. 2, the semiconductor laser light (hereinafter referred to as “laser light”) emitted from the light emitting portion 12 of the active layer 14 of the semiconductor laser (laser diode or the like) is in the traveling direction of the laser light 100. The elliptical laser beam 100 has a major axis fast axis direction and a minor axis slow axis direction. The ellipse becomes larger as the distance from the light emitting unit 12 becomes longer. The semiconductor laser is two-dimensionally arranged in the fast axis direction and slow axis direction, and the laser beam emitted from the semiconductor laser array having a plurality of light emitting portions is condensed on the optical fiber to increase the output of the laser beam. A semiconductor laser condensing device is known.
  For example, when a semiconductor laser is used as a light source of a laser processing apparatus, it is necessary to increase the output of laser light used for processing. However, the output intensity of laser light emitted from a single light emitting unit is limited. Therefore, the laser light emitted from the plurality of light emitting units is condensed using the lens group to increase the output of the laser light.
  As a technology of a conventional semiconductor laser condensing device, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-98191, a lens group and an optical fiber are provided. It has been proposed that lenses are arranged in the order of an axial condensing lens and a short axial condensing lens to condense laser light onto an optical fiber and increase the output of the laser light.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
  In order to efficiently focus the laser beam emitted from the light emitting part of the semiconductor laser onto the optical fiber and increase the output of the laser light, the laser light from more light emitting parts is incident on the thinner optical fiber. It is necessary to increase the density and to enter the incident end face with a smaller incident angle (incident at an angle closer to the right angle with respect to the incident end face).
  The laser light emitted from the light emitting unit 12 travels while spreading in the fast axis direction and the slow axis direction. When condensing laser light that travels while spreading, suddenly condensing with a lens makes it difficult to set the condensing position (incident position on the optical fiber) accurately, and may not be able to condense efficiently. is there. Therefore, once the spread of the laser beam is suppressed and converted into parallel light (substantially uniform width), and then condensed, the condensing position can be easily set and can be efficiently incident on the optical fiber. .
  In a conventional semiconductor laser condensing device (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-98191), in the fast axis direction where the interval between the light emitting portions is relatively wide, the light is once converted into parallel light and then condensed. In the slow axis direction in which the interval between the light emitting portions is relatively narrow, it is difficult to arrange the lenses.
[0004]
  In a conventional semiconductor laser condensing device (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-98191), as shown in FIG. 8, the laser light emitted from each light emitting portion 12 (m, n) of the semiconductor laser array 10 is fasted. The optical fiber 80 (s) is passed through the collimating lens 20 in the axis (major axis direction), through the condensing lens 30 in the fast axis (major axis direction), and further through the condensing lens 70 in the slow axis (minor axis direction). , T). In FIG. 1 to FIG. 10, the coordinate axes are the Z axis as the traveling direction of the laser beam, the X axis as the fast axis direction (long axis direction), and the Y axis as the slow axis direction (short axis direction).
  Note that all the drawings include portions described with dimensions different from the actual dimensions in order to facilitate explanation or to facilitate comparison and the like.
[0005]
  FIG. 9 shows the state of each lens and laser beam in the configuration of FIG. FIG. 9 shows a total of eight laser beams emitted from two light emitting units arranged in the slow axis direction and four laser beams emitted from four light emitting units arranged in the fast axis direction. The laser beam is condensed on one optical fiber. 9A is a view of FIG. 8 viewed from the X-axis direction (viewed from above), and FIG. 9B is a view of FIG. 8 viewed from the Y-axis direction (view from the side). ).
  In a commonly used semiconductor laser array, the width of each light emitting section 12 (Dw in FIG. 9A) is about 0.2 mm in the slow axis direction, and the distance between the light emitting section and the light emitting section (see FIG. Dp) in 9 (A) is about 0.2 mm. Therefore, the width (Din in FIG. 9A) when two light emitting portions adjacent in the slow axis direction are grouped is about 0.6 mm. Further, the divergence angle in the slow axis direction (θiny in FIG. 9A) of the laser light emitted from each light emitting portion is about 3.5 °.
  Further, the interval between the light emitting parts adjacent in the fast axis direction (Dh in FIG. 9B) is about 1.75 mm, and the spread angle in the fast axis direction of the laser light emitted from each light emitting part (FIG. 9 ( The angle θinx) in B) is about 40 °.
[0006]
  For example, two laser beams are condensed in the slow axis direction and four laser beams are condensed in the fast axis direction on the optical fiber 80. Further, the light is condensed so that the incident angle in the slow axis direction (θouty in FIG. 9A) is about 10 ° or less (with a smaller incident angle).
  In this case, in order to condense most efficiently, it is necessary to arrange the slow axis condensing lens 70 before the laser beams emitted from the light emitting units 12 adjacent in the slow axis direction overlap in FIG. 9A. is there. The position where the laser beams overlap is a position about 1.6 mm from the light emitting unit 12. In addition, since the divergence angle is large in the fast axis direction, it is preferable to make parallel light at a position closer to the light emitting unit 12 (when condensing laser light having a larger width by increasing the distance, (Because the incident angle (θoutx) becomes large). Therefore, the fast axis collimating lens 20 is disposed substantially adjacent to the light emitting unit 12.
[0007]
  As described above, it is necessary to dispose the fast axis collimating lens 20 and the slow axis condensing lens 70 between the light emitting portion 12 and about 1.6 mm, which is practically very difficult to realize. 9A and 9B, the fast axis condenser lens 30 is disposed between the fast axis collimator lens 20 and the slow axis condenser lens 70, but the slow axis condenser lens 70 and the optical fiber are disposed. You may arrange | position between 80. However, in this case, since the distance between the fast axis condensing lens 30 and the optical fiber 80 becomes shorter, the incident angle in the fast axis direction (θoutx in FIG. 9B) to the optical fiber 80 increases. Condensation efficiency may be reduced.
[0008]
  In this case, if the focal length (f70) of the slow axis condenser lens 70 is set to the distance from the light emitting unit 12 to the slow axis condenser lens 70 (in this case, about 1.6 mm), the condenser in the slow axis direction is set. Although the light efficiency is optimized, the position of the optical fiber 80 is automatically determined from the slow axis condenser lens 70 to the position of the focal length (f70). That is, the distance from the light emitting unit 12 to the optical fiber 80 (L in FIG. 9A) is about 3.2 mm.
  From the above description, it is necessary to solve the following problems.
  The distance between the slow axis condenser lens 70 and the light emitting unit 12 is short. For this reason, it is difficult to appropriately arrange the fast axis collimating lens 20 and the slow axis condensing 70 within a predetermined distance. Further, the position of the optical fiber 80 is also a short distance from the light emitting unit 12, and if the incident angle (θoutx) in the fast axis direction is reduced, the number of laser beams that can be condensed in the fast axis direction is reduced.
  The present invention has been devised in view of such points, and each laser beam emitted from a plurality of light emitting portions of a semiconductor laser array can be more efficiently focused on an optical fiber and can be easily realized. An object of the present invention is to provide a light collecting device and a light emitting device.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  To solve the above problems, Described in this embodimentIn the condensing device, for example, each laser beam traveling while spreading in the fast axis direction and the slow axis direction is converted into a substantially uniform width in a predetermined direction (for example, the slow axis direction), and then each laser beam is converted. Condensate. For this reason, each laser beam can be individually converted and condensed without being affected by the presence or absence of overlapping laser beams. For example, if the first lens and the second lens are used in the slow axis direction, it is not necessary to dispose the lens related to the slow axis direction before the laser light overlaps in the slow axis direction, and the lens and light emission related to the slow axis direction are emitted. A sufficient distance from the portion 12 can be ensured.
  Moreover, since the first lens is a single lens (single lens) into which (all) light emitted from a plurality of light emitting units is incident, the first lens can be set to a large diameter and can be easily realized. In addition, the second lens can also be constituted by a single lens, so that it is easy to realize.
  Moreover, since each laser beam is condensed on the area | region for every group (for example, every group of slow axis direction) corresponding to each light emission part, it can condense appropriately.
  For this reason, for example, each laser beam emitted from a plurality of light emitting units of the semiconductor laser array can be condensed more efficiently and easily realized.
[0010]
In addition, as described in this embodimentIn the condensing device, light (laser light or the like) is emitted in a predetermined direction (for example, a slow axis direction) for each group in a predetermined direction according to a ratio between the focal length of the first lens and the focal length of the second lens. Can be condensed.
  For this reason, for example, each laser beam emitted from a plurality of light emitting units of the semiconductor laser array can be collected more efficiently, and a target laser beam output can be easily obtained.
[0011]
In addition, as described in this embodimentIn the light emitting device, for example, the first invention of the first invention or the second invention in the minor axis direction (slow axis direction) in order to appropriately collect the laser beam that travels while spreading in the fast axis direction and the slow axis direction. A lens and a second lens are used. Accordingly, it is not necessary to arrange the laser beams before overlapping in the slow axis direction, and a sufficient distance between the lens and the light emitting unit 12 in the slow axis direction can be secured, and the laser beam is supplied to each light emitting unit. Light can be collected appropriately for each corresponding group in a predetermined direction.
  For this reason, for example, each laser beam emitted from a plurality of light emitting units of the semiconductor laser array can be condensed more efficiently and easily realized.
[0012]
In addition, as described in this embodimentIn the light emitting device, in the long axis direction (fast axis direction), as in the conventional case, the light is once converted into parallel light (with a substantially uniform width) by the third lens and then condensed by the fourth lens. At this time, a single lens (lens condensing in both the slow axis and the fast axis) that combines the second lens that condenses in the slow axis direction and the fourth lens that condenses in the fast axis direction Is used.
  Thereby, since the number of lenses can be reduced, the range in which lenses can be arranged is physically expanded. In addition, the light emitting device can be further simplified.
[0013]
In addition, as described in this embodimentIn the light emitting device, light (laser) in the major axis direction (fast axis direction) according to the ratio between the focal length of the third lens and the focal length of a single lens that serves both as the second lens and the fourth lens. Light etc.) can be collected for each group in the long axis direction. Further, light (laser light or the like) in the minor axis direction (slow axis direction) according to the ratio between the focal length of the first lens and the focal length of a single lens that combines the second lens and the fourth lens. ) Can be collected for each group in the minor axis direction.
  For this reason, for example, each laser beam emitted from a plurality of light emitting units of the semiconductor laser array can be condensed appropriately and efficiently from both directions in the fast axis direction and the slow axis direction, and the target laser The light output can be obtained more easily.
[0014]
In addition, as described in this embodimentIn the light emitting device, the semiconductor laser light emitted from the plurality of light emitting units is condensed on the incident end face of the optical fiber arranged in the region for each group.
  For this reason, each laser beam emitted from the plurality of light emitting units of the semiconductor laser array can be more efficiently focused on the optical fiber, and the target laser beam output can be easily obtained, and the light emission The device can be easily realized.
[0015]
The first invention of the present invention is a laser condensing device as set forth in claim 1.
In the laser condensing device according to claim 1, a plurality of laser beams that travel while spreading in an elliptical shape and whose traveling directions are parallel to each other are emitted, and two-dimensionally in the major axis direction and the minor axis direction of the ellipse. A semiconductor laser array having a plurality of laser light emitting units arranged, a long-axis condensing lens group that condenses laser light emitted from the semiconductor laser array in the long-axis direction, and emitted from the semiconductor laser array A short-axis condensing lens group that condenses the laser beam that has been collected in the short-axis direction, and a plurality of laser beams that are collected by the long-axis condensing lens group and the short-axis condensing lens group. A long-axis collimating lens that converts each laser beam emitted from the laser light emitting unit into parallel light with respect to the long-axis direction, and the long-axis collimating lens. Parallel light to direction A laser condensing unit configured by a long-axis condensing lens that condenses each of the converted laser beams for each group in the long-axis direction and in the long-axis direction toward the incident surface of the optical fiber. In the device.
The short-axis condensing lens group includes a short-axis-direction width uniformizing lens that is a cylindrical single lens and a short-axis condensing lens that is a cylindrical single lens.
The short-axis direction width uniformizing lens is disposed at a first focal length position indicating a focal length of the short-axis direction width uniformizing lens from a light emitting surface on which the plurality of laser light emitting units are disposed, and an optical axis is disposed. The center of the width in the minor axis direction of each laser beam emitted from the laser emitting unit when viewed from the major axis direction is arranged on the optical axis. Refracting the traveling direction of the respective laser beams in different directions with respect to the minor axis direction so as to pass through the vicinity of the focal position which is twice the first focal length from the light emitting surface in The width of each laser beam in the minor axis direction is made uniform.
Further, the short-axis direction condensing lens is disposed at a position obtained by adding a second focal length indicating the focal length of the short-axis direction condensing lens to a position twice the first focal length from the light emitting surface. And traveling directions of laser beams refracted in different directions with respect to the minor axis direction so as to pass through the vicinity of the focal position when viewed from the major axis direction. Is refracted in a direction parallel to the optical axis, and is condensed so that the width of each laser beam in the short axis direction becomes small.
A plurality of the optical fibers are disposed on the light collecting surface, which is a position obtained by adding twice the second focal length to a position twice the first focal length from the light emitting surface, and is orthogonal to the optical axis. Each incident surface is arranged.
  In addition, the present inventionThe second invention is claimed in claim 2.As statedLaser concentratorIt is.
In the laser condensing device according to claim 2,Condensing laser light emitted from a plurality of laser light emitting units arranged in a semiconductor laser array using an optical condensing system (such as a lens group) to a smaller number of optical fibers. Can be incident. Since the laser light emitted from the optical fiber is further condensed by the condenser lens, the laser light can be condensed with a smaller diameter, and can be condensed more efficiently, increasing the output of the laser light. Can be made.
[0016]
  In addition, the present inventionThe third invention is claimed in claim 3.As statedLaser concentratorIt is.
In the laser condensing device according to claim 3,The exit surfaces of the plurality of optical fibers are bundled into an arbitrary shape.
  By bundling into an arbitrary shape, the laser light that has passed through the condensing lens can be condensed into a smaller condensing spot (small condensing area) in a desired shape (arbitrary shape).
[0017]
  In addition, the present invention4th-5th invention is set to Claims 4-5.As statedLaser concentratorIt is.
In the laser condensing device according to claim 4,Among a plurality of laser beams emitted from a plurality of laser light emitting units arranged in the major axis direction and the minor axis direction, two or more laser light emitting units (two or more laser light emitting units arranged in the major axis direction) Alternatively, laser light emitted from four or more laser light emitting units (two or more laser light emitting units arranged in the major axis direction and two or more laser light emitting units arranged in the minor axis direction) is used for each light. The light is collected and incident on the fiber. Further, since the laser light emitted from the optical fiber is further condensed by the condenser lens, more laser light can be condensed with a smaller diameter, and the output of the laser light can be increased. it can.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of a light emitting device of the present invention.
The semiconductor laser array 10 includes a plurality of light emitting units 12 and two-dimensionally arranges semiconductor lasers having a single light emitting unit, or stacks or arranges array type semiconductor lasers having a plurality of light emitting units in a row. Alternatively, it is composed of a stack type semiconductor laser arranged two-dimensionally. In this embodiment, a stack type laser diode is used. The laser light emitted from each light emitting portion 12 (m, n) of the semiconductor laser array 10 is efficiently condensed and incident on the optical fiber 80 (s, t).
  As shown in FIG. 2, the laser light emitted from the light emitting portion 12 in the active layer 14 of the semiconductor laser array 10 is substantially elliptical in a plane perpendicular to the traveling direction of the laser light 100, and the ellipse is And a major axis direction (fast axis direction) and a minor axis direction (slow axis direction). The ellipse becomes larger as the distance from the light emitting unit 12 becomes longer.
In FIG. 1 to FIG. 10, the coordinate axes are the Z axis, the fast axis direction as the X axis, and the slow axis direction as the Y axis. In addition, all drawings include a portion described in a dimension different from an actual dimension in order to facilitate explanation or to facilitate comparison and the like.
[0019]
[First embodiment]
  The first embodiment will be described with reference to FIG.
  Each laser beam emitted from each light emitting unit 12 of the semiconductor laser array 10 is supplied to a fast axis collimating lens 20, a fast axis condenser lens 30, a slow axis width uniformizing lens 40, and a slow axis condenser lens 50. The laser beam emitted and emitted from the light emitting unit 12 (m, n) is condensed on the optical fiber 80 (s, t).
  At this time, the plurality of light emitting units are divided into a plurality of groups, and each group is condensed on an optical fiber. For example, when divided into groups each having 4 rows and 2 columns, the laser light of the group (first group) indicated by “SG” in FIG. 1 is focused on the optical fiber 80 (1, 8). Further, “FSG” in FIG. 1 is a group in the fast axis direction in the second group, and “SSG” in FIG. 1 is a group in the slow axis direction in the third group. Note that the second group of laser beams is collected on the optical fiber 80 (1, 7).
[0020]
The fast axis collimating lens 20 (third lens) includes a plurality of semiconductor laser arrays that are stacked (for each “row” of the light emitting units arranged in the Y axis direction) and whose central axis direction is the slow axis direction. (In this case, “four” with respect to the “four rows” light-emitting portions) has a structure in which cylindrical lenses are arranged in the fast axis direction. The fast axis collimating lens 20 makes the widths of the laser beams emitted from the light emitting units 12 substantially uniform in the fast axis direction. In this case, all the laser beams emitted from the light emitting units 12 and having a substantially uniform width in the fast axis direction are all in a slow axis with respect to the traveling direction (Z axis direction) of the laser beam at the time of emission. Parallel when viewed from the direction. Details will be described later.
[0021]
  The fast axis condensing lens 30 (fourth lens) is a cylindrical lens whose central axis direction is the slow axis direction, and condenses each laser beam having a substantially uniform width in the fast axis direction in the fast axis direction. . The light collecting destination is the incident end face of each optical fiber 80. In this example, since the optical fiber 80 (s, t) is one “row” in the slow axis direction, the number of fast axis condenser lenses is also one. When the plurality of optical fibers 80 are two “rows” in the slow axis direction, the fast axis condensing lens 30 may have a structure in which two cylindrical lenses are arranged in the fast axis direction.
[0022]
  The slow axis width uniforming lens 40 (first lens) is a cylindrical lens whose central axis direction is the fast axis direction, and has a single curved surface that is seamless on the incident side and the outgoing side (a plurality of lenses). The laser light emitted from the light emitting unit 12 (m, n) is made substantially uniform in width in the slow axis direction. In this case, each laser beam emitted from each light emitting unit 12 and having a substantially uniform width in the slow axis direction is from the fast axis direction with respect to the traveling direction (Z axis direction) of the laser beam at the time of emission. Each has a different angle. Details will be described later.
[0023]
  The slow axis condensing lens 50 (second lens) is a cylindrical lens whose central axis direction is the fast axis direction, and condenses each laser beam having a substantially uniform width in the slow axis direction in the slow axis direction. . The condensing destination is the incident end face of the optical fiber 80 (s, t). Similarly to the slow axis width uniforming lens 40, the slow axis condensing lens 50 also has a single seamless curved surface on the incident side and the outgoing side (without being composed of a plurality of lenses). , Single lens).
  In FIG. 1, the fast axis collimating lens 20 (third lensEquivalent to the collimating lens in the long axis direction)And fast axis condenser lens 30 (fourth lens)And corresponds to the long-axis condensing lens)Is the long axis concentrator(Equivalent to the long axis condenser lens group)The slow axis width uniformizing lens 40 (first lensEquivalent to a lens with uniform width in the short axis direction)And a slow axis condenser lens 50 (second lens)Equivalent to a short axis condensing lens)Is the short axis concentrator(Equivalent to short axis condenser lens group)Is configured.
[0024]
  Next, the manner in which the laser light that has passed through each lens is condensed on the optical fiber 80 (s, t) will be described with reference to FIG. FIG. 3A is a view as seen from the fast axis direction, and shows how laser light is refracted and condensed in the slow axis direction. FIG. 3B is a view as seen from the slow axis direction, and shows how laser light is refracted and condensed in the fast axis direction.
  In FIG. 3A, the light emitting units 12 (m, n) are referred to as the light emitting units 12 (1, 1) to 12 (1, 16) from the light emitting unit at the upper end. In FIG. 3A, the optical fibers 80 (s, t) are designated as optical fibers 80 (1, 1) to 80 (1, 8) from the lower end optical fiber.
  Here, each light emitting portion 12 (m, n) of the semiconductor laser array 10 has a width in the slow axis direction (Dw in FIG. 3A) of about 0.2 mm, and an interval in the slow axis direction (FIG. 3). (Dp) in (A) is about 0.2 mm. Therefore, in order to condense laser light emitted from two light emitting units adjacent in the slow axis direction onto one optical fiber, laser light having a width of Din (about 0.6 mm) at the time of emission. Needs to be collected on an optical fiber 80 (s, t) having a diameter of Dout (for example, 0.2 mm).
[0025]
  Next, using FIG. 3A, each laser beam emitted from each light emitting section 12 (m, n) is condensed on the incident end face of the optical fiber 80 (s, t) in the slow axis direction. Will be explained. In FIG. 3A, the focal length of the slow axis width uniforming lens 40 is defined as f40 (Corresponds to the first focal length,For example, the focal length of the slow axis condenser lens 50 is f50 (15 mm).Corresponds to the second focal length,For example, 5 mm).
  Then, the slow axis width uniform lens 40 is disposed at “a position at a distance of f40 from the light emitting unit 12 (m, n)”, and the slow axis condenser lens 50 is disposed at a distance of “f40 + f40 + f50 from the light emitting unit 12 (m, n)”. The optical fiber 80 (s, t) is arranged at a “position at a distance of f40 + f40 + f50 + f50 from the light emitting portion 12 (m, n)”. At this time, the position of each position is slightly corrected due to an error. In each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n), the spread angle in the slow axis direction is θiny (for example, 3.5 °). In addition, in the laser light incident on the optical fiber 80 (s, t), the incident angle in the slow axis direction is θouty (for example, 10 °).
[0026]
  In order to select the slow axis width uniforming lens 40 and the slow axis condenser lens 50, the target optical fiber 80 (s, t) is determined from Din, Dp, Dw, and θiny in the light emitting unit 12 (m, n). The slow axis width uniforming lens 40 and the slow axis condensing lens 50 having the focal lengths f40 and f50 satisfying the number (t) and the diameter (Dout) in the slow axis direction and θouty may be selected.
  In this case, the fast axis collimating lens 20 and the fast axis condensing lens 30 have no influence in the slow axis direction, and thus the description thereof is omitted.
[0027]
  Each laser beam emitted from each light emitting unit 12 (m, n) has an angle of θ iny (for example, an angle of 3.5 °) with respect to the Z-axis direction, gradually spreads, and eventually overlaps. When the laser beam overlapped in the slow axis direction passes through the slow axis width uniformizing lens 40, the slow axis width uniformizing lens 40 is disposed at the focal length (f40), so that the width in the slow axis direction is almost equal. It becomes uniform. At this time, each laser beam that has passed through the slow axis width uniformizing lens 40 has a different angle with respect to the Z-axis direction, but the width of each laser beam is substantially uniform, and the width is substantially uniform. The center of the width of each laser beam passes through the position of the focal point of the slow axis width uniformizing lens 40 (F40 in FIG. 3A).
  Each laser beam that has passed through the slow axis condensing lens 40 has a substantially uniform width when passing through the slow axis condensing lens 50. Therefore, a distance of f50 from the slow axis condensing lens 50 ( The light is condensed on the focal length of the slow axis condensing lens 50.
  Then, the optical fibers 80 (s, t) are arranged and condensed at positions where the respective laser beams are condensed by the slow axis condenser lens 50 (positions at a distance of f50 from the slow axis condenser lens 50). A laser beam is incident. At this time, the laser beam for each group in the slow axis direction is condensed for each group. For example, the laser beams of the light emitting unit 12 (1, 1) and the light emitting unit 12 (1, 2) are collected on the optical fiber (1, 1).
[0028]
  In addition, when the focal length of the slow axis condenser lens 50 is an f50s lens shorter than f50, and this lens 50 is arranged at the position of f40 + f40 + f50s from the light emitting portion 12 (m, n), the slow axis condenser lens 50 is arranged. After passing, the laser beam condensed at the position of the distance f50s behind the slow axis condenser lens 50 becomes dense in the slow axis direction. (Shown in FIG. 4A)
  Conversely, when the slow axis condensing lens 50 has a focal length f50e longer than f50, and this lens 50 is arranged at the position of f40 + f40 + f50e from the light emitting portion 12 (m, n), the slow axis condensing lens 50 After passing through the laser beam, the laser beam condensed at the position of the distance f50e behind the slow axis condenser lens 50 becomes sparse in the slow axis direction. (Shown in FIG. 4B)
[0029]
  Next, by using FIG. 3B, each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n) is condensed on the incident end face of the optical fiber 80 (s, t) in the fast axis direction. explain. In FIG. 3B, the focal length of the fast axis collimating lens 20 is f20, and the focal length of the fast axis condenser lens 30 is f30. In each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n), the spread angle in the fast axis direction is θinx (for example, 40 °). In addition, in the laser light incident on the optical fiber 80 (s, t), the incident angle in the fast axis direction is θoutx (for example, 10 °). Further, the interval in the fast axis direction of the light emitting unit 12 (m, n) is Dh (for example, 1.75 mm).
  In order to select the fast axis collimating lens 20 and the fast axis condenser lens 30, the number of target optical fibers 80 (s, t) in the fast axis direction from Dh and θinx in the light emitting section 12 (m, n). The fast axis collimating lens 20 and the fast axis condenser lens 30 having focal lengths f20 and f30 that satisfy (s), the diameter (Dout), and θoutx may be selected.
  In this case, the slow axis width uniformizing lens 40 and the slow axis condensing lens 50 have no influence in the fast axis direction, and thus description thereof is omitted.
[0030]
  Each laser beam emitted from each light emitting unit 12 (m, n) has an angle of θinx with respect to the Z-axis direction, gradually spreads, and passes through the fast-axis collimating lens 20 so that the fast-axis collimating lens 20 is in focus. Since the distance is at the position (f20), the width is almost uniform in the fast axis direction. At this time, the laser beams that have passed through the fast axis collimating lens 20 are all substantially parallel to the Z-axis direction, and the widths of the laser beams are substantially uniform.
  Each laser beam that has passed through the fast axis collimating lens 20 is condensed at a distance of f30 from the fast axis condenser lens 30 (focal length of the fast axis condenser lens 30) when passing through the fast axis condenser lens 30. The
  A position where each laser beam is condensed by the fast axis condenser lens 30 (a position at a distance from the fast axis condenser lens 30 to f30, which is a position at a distance from the slow axis condenser lens 50 to f50). However, the optical fiber 80 (s, t) is disposed and the condensed laser light is incident thereon. At this time, laser light for each group in the fast axis direction is condensed for each group. For example, the optical fiber 80 (1, 1) includes a light emitting unit 12 (1, 1), a light emitting unit 12 (2, 1), a light emitting unit 12 (3, 1), and a light emitting unit 12 (4, 1) laser. Light is collected.
[0031]
  Since the divergence angle in the fast axis direction (θinx: 40 °, for example) is sufficiently larger than the divergence angle in the slow axis direction (θiny, eg, 3.5 °), the fast axis collimating lens 20 has the light emitting portion 12 (m , N) are preferably arranged closer to each other. In the example shown in FIGS. 3A and 3B, the light emitting unit 12 (m, n) is disposed at a position substantially in contact with the light emitting unit 12 (m, n).
  Further, the number of optical fibers 80 (s, t) in the fast axis direction (in this case, “s”, which also determines the number of laser beams condensed in the fast axis direction), and the optical fiber 80 ( The focal length f30 of the fast axis condenser lens 30 and the arrangement position of the fast axis condenser lens 30 are determined by the diameters of s, t) (in this case, “Dout”) and θoutx.
  In the example of FIGS. 3A and 3B, two laser beams are condensed in the slow axis direction and four laser beams are condensed in the fast axis direction on one optical fiber 80, and a total of eight laser beams are collected. The laser beam is condensed.
  In the realized semiconductor laser condensing device, in order to obtain the target output of the laser beam, two laser beams are condensed in the slow axis direction and ten laser beams are condensed in the fast axis direction, for a total of 20 A laser beam having a practical output was obtained by condensing the laser beam of the book.
[0032]
  Next, the difference between the conventional (A) and the present invention (B) will be described with reference to FIG. FIGS. 5A and 5B show how the laser light is uniformized and condensed in the slow axis direction, and the description of the fast axis collimating lens 20 and the fast axis condensing lens 30 is omitted. ing.
  Since the conventional semiconductor laser condensing device condenses in the slow axis direction before the laser beams emitted from the adjacent light emitting units 12 in the slow axis direction and spread in the slow axis direction as the distance increases, There is a restriction on the distance from the light emitting unit 12 to the optical fiber 80 (L in FIG. 9A).
[0033]
  In the conventional system shown in FIG. 5A, the width in the slow axis direction is made uniform and condensed by a single slow axis condenser lens 70. For this reason, in order to efficiently condense the laser light emitted from the light emitting units 12 (1, 1) to (1, 2) and having a divergence angle of θiny and a distance of Din (about 0.6 mm), It is necessary to arrange the slow axis condensing lens 70 at a position before the laser beams overlap. In order to condense the laser light from the two light emitting units 12 with θ iny of about 3.5 °, it is necessary to set the focal length (f70) of the slow axis condensing lens 70 to about 1.6 mm. Miniaturization is required and difficult to realize.
[0034]
  In FIG. 5A, the laser beams that have passed through the slow axis condensing lens 70 have a substantially uniform width, but are not condensed to reduce the diameter of the emitted light with respect to the incident light. Thus, conventionally, a plurality of laser beams are collected (bundled) without reducing the width of the laser beams in the slow axis direction. It is difficult to reduce the width of the laser light because the width of the laser light incident on the slow axis condenser lens 70 is not uniform.
  Therefore, it is possible to slightly reduce the focal length f70 of the slow axis condenser lens 70 and condense the laser light that has passed through the slow axis condenser lens 70 (to reduce the width of the laser light). Fiber placement can be difficult.
  In FIG. 5A, the following expression is established.
  Dout = 2 * f70 * tan (θiny)
  θouty = arctan [Din / (2 * f70)]
  Dout / Din = tan (θiny) / tan (θouty)
  Usually, since Din and θiny are determined in advance in the semiconductor laser array 10, when the focal length f70 is determined, Dout and θouty are also automatically determined, and Dout and θouty cannot be arbitrarily set.
[0035]
  In the system of the present invention shown in FIG. 5B, the uniforming and condensing of the width in the slow axis direction are performed separately by the slow axis width uniforming lens 40 and the slow axis condensing lens 50. For this reason, the laser beam emitted from the light emitting units 12 (1, 1) to (1, 2) and having a θiny spread angle and a distance of Din (about 0.6 mm) can be efficiently condensed.
  In the present invention, each light emitting section 12 (m, n) is emitted even after laser light emitted from adjacent light emitting sections 12 in the slow axis direction and spreading in the slow axis direction as the distance increases overlaps in the slow axis direction. It is a major feature that each laser beam emitted from () can be condensed in the slow axis direction for each laser beam.
  In FIG. 5B, the following expression is established.
  Dout = (f50 / f40) * Din
  θouty = arctan [(f40 / f50) tan (θiny)]
  Dout / Din = tan (θiny) / tan (θouty) = f50 / f40
  Therefore, Dout and θouty can be arbitrarily set by appropriately selecting the ratio between the focal length f40 of the slow axis width uniformizing lens 40 and the focal length f50 of the slow axis condenser lens 50.
[0036]
  Further, the focal length f40 of the slow axis width uniformizing lens 40 and the focal length f50 of the slow axis condensing lens 50 can be set appropriately, and the slow axis width uniformizing lens 40 is set to “position at a distance from the light emitting unit 12 to f40”. And the slow axis condensing lens 50 is disposed at the “position of the distance from the light emitting section 12 to f40 + f40 + f50”, so that the distance from the light emitting section 12 (m, n) to the optical fiber 80 (s, t) is sufficient. The lens group can be arranged without being restricted by the lens diameter or the like.
  Further, since the slow axis width uniforming lens 40 and the slow axis condensing lens 50 can each be constituted by a single cylindrical lens, it is not required to be as small as the (conventional) slow axis condensing lens 70, and is realized more. Is easy.
  Further, since each laser beam that has passed through the slow axis width uniforming lens 40 has a substantially uniform width, it can be condensed for each group in the slow axis direction using the slow axis condensing lens 50, and is appropriately condensed. (The width of the laser beam can be reduced).
[0037]
[Second Embodiment]
  Next, a second embodiment will be described. FIG. 6 shows a schematic configuration diagram of the second embodiment of the light-emitting device of the present invention. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
  FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the first embodiment shown in FIG. 1 except that the fast-axis condensing lens 30 and the slow-axis condensing lens 50 are replaced by a bi-axial condensing in the fast axis and the slow axis. An axial condenser lens 60 (for example, a spherical lens) is disposed. Other configurations are the same as those in FIG.
[0038]
  Next, the manner in which the laser light that has passed through each lens is condensed on the optical fiber 80 (s, t) will be described with reference to FIG. FIG. 7A is a view as seen from the fast axis direction, and shows how laser light is refracted and condensed in the slow axis direction. FIG. 7B is a view as seen from the slow axis direction, and shows how laser light is refracted and condensed in the fast axis direction.
  With reference to FIG. 7A, it will be described that each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n) is condensed on the incident end face of the optical fiber 80 (s, t) in the slow axis direction. In FIG. 7A, the focal length of the slow axis width uniforming lens 40 is f40 (for example, 45 mm), and the focal length of the biaxial condenser lens 60 is f60 (for example, 15 mm).
[0039]
  Then, the slow axis width uniformizing lens 40 is arranged at “a position at a distance of f40 from the light emitting part 12 (m, n)”, and the biaxial condenser lens 60 is “a distance of f40 + f40 + f60 from the light emitting part 12 (m, n)”. The optical fiber 80 (s, t) is arranged at a “position at a distance of f40 + f40 + f60 + f60 from the light emitting unit 12 (m, n)”. In each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n), the spread angle in the slow axis direction is θiny (for example, 3.5 °). In addition, the incident angle to the optical fiber 80 (s, t) in the slow axis direction is θouty (for example, 10 °).
  In order to select the slow axis width uniformizing lens 40 and the biaxial condenser lens 60, the target optical fiber 80 (s, t) is determined from Din, Dp, Dw, and θiny in the light emitting unit 12 (m, n). The slow axis width uniforming lens 40 and the biaxial condensing lens 60 having the focal lengths f40 and f60 satisfying the number (t) and the diameter (Dout) in the slow axis direction and θouty may be selected.
  In this case, the fast axis collimating lens 20 has no effect in the slow axis direction, and thus the description thereof is omitted.
  7A is similar to that in FIG. 3A, the description is omitted.
[0040]
  In FIG. 7, when the focal length of the biaxial condenser lens 60 is a lens of f60s shorter than f60, and this lens 60 is arranged at a position of f40 + f40 + f60s from the light emitting portion 12 (m, n), this biaxial collection is performed. After passing through the optical lens 60, the laser beam condensed at a distance of f60s behind the biaxial condenser lens 60 becomes dense in the slow axis direction. (Same as FIG. 4A)
  Conversely, when the focal length of the biaxial condenser lens 60 is a lens of f60e longer than f60, and this lens 60 is arranged at the position of f40 + f40 + f60e from the light emitting part 12 (m, n), this biaxial condenser lens 60 After passing through the laser beam, the laser beam condensed at a distance of f60e behind the biaxial condenser lens 60 becomes sparse in the slow axis direction. (Same as FIG. 4B)
[0041]
  Next, by using FIG. 7B, each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n) is condensed on the incident end face of the optical fiber 80 (s, t) in the fast axis direction. explain. In FIG. 7B, the focal length of the fast axis collimating lens 20 is f20, and the focal length of the biaxial condenser lens 60 is f60. In each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n), the spread angle in the fast axis direction is θinx. Further, the incident angle of the laser light incident on the optical fiber 80 (s, t) is θoutx (for example, 10 °). Further, the interval in the fast axis direction of the light emitting unit 12 (m, n) is Dh (for example, 1.75 mm).
  In order to select the fast axis collimating lens 20 and the biaxial condenser lens 60, the number of target optical fibers 80 (s, t) in the fast axis direction from Dh and θinx in the light emitting section 12 (m, n). The fast axis collimating lens 20 and the biaxial condenser lens 60 having focal lengths f20 and f60 that satisfy (s), the diameter (Dout), and θoutx may be selected.
  In this case, the slow axis width uniformizing lens 40 has no effect in the fast axis direction, and thus the description thereof is omitted.
[0042]
  When each laser beam that has passed through the fast axis collimating lens 20 passes through the biaxial condenser lens 60, it is condensed at a distance of f60 from the biaxial condenser lens 60 (focal length of the biaxial condenser lens 60).
  Then, the optical fibers 80 (s, t) are arranged and condensed at positions where the respective laser beams are condensed by the biaxial condenser lens 60 (positions at a distance of f60 from the biaxial condenser lens 60). A laser beam is incident. At this time, laser light for each group in the fast axis direction is condensed for each group. For example, the optical fiber 80 (1, 1) includes a light emitting unit 12 (1, 1), a light emitting unit 12 (2, 1), a light emitting unit 12 (3, 1), and a light emitting unit 12 (4, 1) laser. Light is collected.
  Further, the number of optical fibers 80 (s, t) in the fast axis direction (in this case, “s”, which also determines the number of laser beams condensed in the fast axis direction), and the optical fiber 80 ( The focal length f60 of the biaxial condenser lens 60 and the arrangement position of the biaxial condenser lens 60 are determined by the diameter of s, t) (in this case, “Dout”) and θoutx.
[0043]
  In the second embodiment, the number of lenses can be reduced as compared with the first embodiment, but in the laser light incident on the optical fiber 80 (s, t), the spread angle θoutx in the fast axis direction. Is relatively large. In order to make θoutx smaller, as shown in FIG. 10A, a plurality of biaxial condenser lenses 60 are arranged in the fast axis direction.
  Also in the first embodiment, θoutx can be made smaller by using a configuration in which a plurality of fast axis condenser lenses 30 are arranged in the fast axis direction as shown in FIG. 10B. Become.
  As described above, the configuration of each lens can be variously changed according to the arrangement of the optical fibers 80 (s, t) to be condensed and the incident angles (θoutx, θouty) to the optical fibers 80 (s, t). To do. Further, the optical fiber (s, t) may be plural or singular, and any number and arrangement can be set, so that it is possible to easily obtain the target laser light output.
[0044]
◆ [Third embodiment]
  In the third embodiment, as shown in FIG. 11, the slow axis width uniformizing lens 40 is omitted from the first embodiment. Further, the size of the slow axis condenser lens 50 is large.
  In the third embodiment shown in FIG. 11, the distance between the semiconductor laser array 10 and the optical fiber 80 can be made very large compared to the conventional laser condensing device shown in FIG. 8 (as in the first embodiment). The same). For this reason, the arrangement of the lenses is easy and the incident angle to the optical fiber 80 can be reduced, so that the laser light can be condensed and incident on the optical fiber 80 more efficiently.
  Further, since the slow axis width uniformizing lens 40 is omitted from the first embodiment shown in FIG. 1, the configuration is simplified as compared with the first embodiment, and each lens or the like is Positioning, adjustment, etc. can be made easier.
[0045]
[overall structure]
  FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of the third embodiment.
  In FIG. 11, compared with the first embodiment shown in FIG. 1, the difference in configuration is that the slow axis width uniformizing lens 40 is omitted and the size of the slow axis condenser lens 50 is large. There is (above). Further, the arrangement position of the slow axis condenser lens 50 is also different from that of the first embodiment. The manner in which the condensing state of the laser light is different from that of the first embodiment due to the difference in configuration and the arrangement position will be described below.
  The number of optical fibers 80 can be variously changed according to the focal length (f50) of the slow axis condenser lens 50 and the like.
  Further, bundling the emission surface side of the optical fiber 80 and condensing the laser beam emitted from the optical fiber 80 with the condenser lens 120 is also described, but this part will be described later.
  Since others are the same as those of the first embodiment, description thereof will be omitted.
[0046]
[Arrangement of each component and condensing state of laser beam]
  Next, referring to FIG. 12, the arrangement position of the light emitting unit 12, the fast axis collimating lens 20, the fast axis condensing lens 30, the slow axis condensing lens 50, the optical fiber 80, and the condensing state of the laser light (optical fiber). (Condensing state up to 80) will be described. FIG. 12A is a view as seen from the long axis (fast axis (X axis in FIG. 12)) direction. The laser beam is refracted in the short axis (slow axis (Y axis in FIG. 12)) direction. It shows how it collects light. FIG. 12B is a view seen from the short axis (slow axis) direction, and shows how laser light is refracted and condensed in the long axis (fast axis) direction.
  In FIG. 12B, the slow axis width uniformizing lens 40 is omitted from FIG. Since the slow axis width uniformizing lens 40 has little influence in the major axis direction, the condensing state of the laser light shown in FIG. 12B is the same as the condensing state of the laser light shown in FIG. (The arrangement positions of the fast axis collimating lens 20 and the fast axis condenser lens 30 are also the same). Therefore, description of FIG. 12B is omitted.
[0047]
  Next, using FIG. 12A, each laser beam emitted from each light emitting section 12 (m, n) is condensed on the incident surface of the optical fiber 80 (s, t) in the slow axis direction. Will be explained. In FIG. 12A, the focal length of the slow axis condenser lens 50 is set to f50 (in this case, for example, 30 mm).
  Then, the slow axis condenser lens 50 is moved away from the light emitting unit 12 (m, n) (S1) ”And the optical fiber 80 (m, n) is“ distance from the slow axis condenser lens 50 (T1) ”. At this time, S1And T1Set. (In the example of FIG.1, T1) = (60mm, 60mm))
  1 / S1+ 1 / T1= 1 / f50
  At this time, the position of each position is slightly corrected due to an error. Further, in each laser beam emitted from the light emitting unit 12 (m, n), the spread angle in the slow axis direction is θiny (for example, 3.5 °). In addition, in the laser light incident on the optical fiber 80 (s, t), the incident angle in the slow axis direction is θouty (for example, 10 °). In order to make the incident angle (θouty) less than a predetermined angle, each optical fiber 80 (s, t) is placed on the YZ plane as shown by a dotted line in the optical fiber 80 (1, 1) in FIG. Thus, each may be rotated at an appropriate angle around the incident surface.
[0048]
  In order to select the slow axis condenser lens 50, the number of target optical fibers 80 (s, t) in the slow axis direction (t) from Din, Dp, Dw, θiny in the light emitting section 12 (m, n) (t ), A focal length (f50) satisfying the diameter (Dout) and θouty, and a slow axis condenser lens 50 may be selected.
  The incident surface of each optical fiber 80 (s, t) has a predetermined distance from the light emitting surface including the plurality of light emitting units 12 (m, n) (in this case, S1+ T1) On a straight line on the plane of the distance) and on a straight line substantially parallel to the minor axis direction. Hereinafter, the position where the incident surfaces of the optical fiber 80 (s, t) are arranged is referred to as a “laser focusing position”.
  In this case, the fast axis collimating lens 20 and the fast axis condensing lens 30 have almost no influence in the slow axis direction, and thus description thereof is omitted.
[0049]
  Each laser beam emitted from each light emitting unit 12 (m, n) has an angle of θiny (for example, an angle of 3.5 °) with respect to the Z-axis direction, gradually spreads, and eventually overlaps. Since the traveling direction of each laser beam is substantially parallel to the optical axis of the slow axis condensing lens 50, the laser light overlapping in the slow axis direction passes through the slow axis condensing lens 50 and is 1 / S.1+ 1 / T1= 1 / f50 holds, the light emitting unit 12 (m, n) to S1+ T1Are condensed at a distance of.
  Then, each laser beam is condensed at the slow axis condenser lens 50 (distance S from the light emitting unit 12 (m, n)).1+ T1), The incident surface of the optical fiber 80 (s, t) is disposed, and the condensed laser light is incident on each optical fiber 80 (s, t).
  The laser beam is also focused in the “fast axis direction” at this “position where each laser beam is focused by the slow axis focusing lens 50 (laser focusing position)”.
[0050]
● [Condensation of laser light emitted from optical fiber]
  Next, referring to FIG. 13, the laser beam emitted from the optical fiber 80 (m, n) is moved to a predetermined position by the condenser lens 120 (as shown in the third embodiment (FIG. 11)). A state in which light is condensed at (position SM in FIG. 13) will be described. Although not shown, the first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 6) similarly collect the laser light emitted from the optical fiber 80 (m, n). The lens 120 can collect light at a predetermined position.
  In addition, the emission surface of the optical fiber 80 (m, n) is bundled in an arbitrary shape as shown in FIGS. 14 (A) and (B). By adopting an arbitrary shape, for example, in the case of laser processing, processing can be performed in a desired shape. Further, the shape to be bundled is not limited to a circle (FIG. 14A), a rectangle (FIG. 14B), or the like, and various shapes can be used. In addition, in the case of bundling, the number of optical fibers can be bundled in various numbers as necessary.
[0051]
  13A and 13B, the predetermined position for condensing the laser light is [position SM], the focal length of the condensing lens 120 is [f120], and from [position SM] to the center of the condensing lens 120. (Distance T in the optical axis direction of the condensing lens 120) [distance T2] And [Distance TThree] The distance from the center of the condensing lens 120 to the exit surface of the optical fiber 80 (m, n) (distance in the optical axis direction of the condensing lens 120) [distance S2] And [Distance SThree].
  In addition, (S2, T2), (SThree, TThree) Is set.
  1 / S2+ 1 / T2= 1 / f120
  1 / SThree+ 1 / TThree= 1 / f120 and SThree> S2
  13A and 13B based on the above formula, it is clear that the distance from the exit surface of the optical fiber 80 (m, n) to the center of the condenser lens 120 [distance SX] Increases, the distance from the center of the condenser lens 120 to [position SM] [distance TX] Becomes smaller. [Distance TX] Becomes smaller, the [focused spot distance Sout] on [position SM] becomes smaller. As [Condensing spot distance Sout] is smaller, the laser output per unit area is increased, which is effective for laser processing and the like.
  In this embodiment, a distance T from the condenser lens 120 is used.XThe position [position SM] is a condensing point, but the position at a distance f120 from the condensing lens 120 (the position of the focal length of the condensing lens 120) may be the condensing point.
[0052]
  As described above, when the light emitting device shown in the present embodiment is used, the laser light emitted from each light emitting unit 12 of the semiconductor laser array 10 is condensed using the lens group (optical condensing system). Therefore, the light can be incident on a smaller number of optical fibers. In particular, laser beams in the fast axis direction with good beam quality can be made incident on each optical fiber more effectively, which is effective for laser processing and the like.
  In addition, each laser beam is incident on a smaller number of thinner optical fibers, and the laser beam emitted from the optical fibers is further condensed by the condenser lens 120, so that the laser output can be further increased. It is very effective for laser processing.
[0053]
  The condensing device and the light emitting device of the present invention are not limited to the configuration described in this embodiment, and various modifications, additions, and deletions can be made without changing the gist of the present invention.
  The condensing device and the light emitting device of the present invention can be applied to various devices using laser light such as a laser processing device.
  The numerical values used in the description of the present embodiment are examples, and are not limited to these numerical values. Further, the shape, size, and the like of each lens are not limited to those described in the embodiments and drawings. Each lens used in the present invention may be a flat surface or a curved surface as long as one surface is a curved surface.
[0054]
【The invention's effect】
  As explained above,If the laser condensing device according to any one of claims 1 to 5, or the condensing device or light emitting device according to the present embodiment is used,Each laser beam emitted from a plurality of light emitting portions of a semiconductor laser array can be more efficiently focused on an optical fiber and can be easily realized.Laser concentrator (Condenser)And a light emitting device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating laser light emitted from a light emitting unit of a semiconductor laser.
FIG. 3 is a diagram for explaining the arrangement position of each lens and the manner in which laser light that has passed through each lens is condensed in the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining how laser light that has passed through a slow axis condenser lens 50 is condensed when the slow axis condenser lens 50 is changed.
FIG. 5 is a diagram for explaining the difference between the conventional (A) and the present invention (B) regarding light collection in the slow axis direction;
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a second embodiment of a light-emitting device according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining the arrangement position of each lens and how the laser light that has passed through each lens is condensed in the second embodiment.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a conventional semiconductor laser condensing device.
FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement position of each lens and the manner in which laser light passing through each lens is condensed in a conventional semiconductor laser condensing device.
FIG. 10 is a diagram illustrating another embodiment of the light emitting device of the present invention.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a third embodiment of a light-emitting device according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining the arrangement position of each lens and the manner in which laser light that has passed through each lens is condensed in the third embodiment.
13 is a diagram for explaining how laser light emitted from an optical fiber 80 (m, n) is collected at a predetermined position by a condenser lens 120. FIG.
FIG. 14 is a diagram for explaining a state in which emission surfaces of optical fibers 80 (m, n) are bundled in an arbitrary shape.
[Explanation of symbols]
  10 Semiconductor laser array
  12 (m, n) Light emitting part
  20 fast axis collimating lens
  30 fast axis condenser lens
  40 slow axis width uniform lens
  50, 70 slow axis condenser lens
  60 Biaxial condenser lens
  80 (s, t) optical fiber

Claims (5)

楕円状に広がりながら進行するとともに進行方向がそれぞれ平行な複数のレーザ光を出射し、且つ前記楕円の長軸方向及び短軸方向に2次元状に配列された、複数のレーザ発光部を備えた半導体レーザアレイと、  Provided with a plurality of laser light emitting sections that emit a plurality of laser beams that travel while extending in an elliptical shape and whose traveling directions are parallel to each other, and are arranged two-dimensionally in the major axis direction and the minor axis direction of the ellipse A semiconductor laser array;
前記半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を前記長軸方向に集光する長軸集光レンズ群と、  A long-axis condensing lens group that condenses the laser light emitted from the semiconductor laser array in the long-axis direction;
前記半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を前記短軸方向に集光する短軸集光レンズ群と、  A short-axis condensing lens group that condenses laser light emitted from the semiconductor laser array in the short-axis direction;
前記長軸集光レンズ群と前記短軸集光レンズ群にて集光されたレーザ光が入射される複数の光ファイバとを備え、  A plurality of optical fibers on which the laser beams collected by the long axis condenser lens group and the short axis condenser lens group are incident;
前記長軸集光レンズ群が、前記レーザ発光部から出射されたそれぞれのレーザ光を、長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、前記長軸方向に対して平行光に変換されたレーザ光のそれぞれを前記長軸方向のグループ毎に、且つ前記光ファイバの入射面に向けて前記長軸方向に集光する長軸方向集光レンズと、で構成されたレーザ集光装置において、  The long axis condensing lens group converts each laser beam emitted from the laser light emitting unit into parallel light with respect to the long axis direction, and parallel light with respect to the long axis direction. And a long-axis direction condensing lens that condenses each of the laser beams converted into the long-axis group for each group in the long-axis direction and toward the incident surface of the optical fiber. In the optical device,
前記短軸集光レンズ群は、  The short axis condenser lens group is:
シリンドリカル形状の単一レンズである短軸方向幅均一化レンズと、  A short axis width uniform lens that is a single lens with a cylindrical shape,
シリンドリカル形状の単一レンズである短軸方向集光レンズにて構成され、  Consists of a short-axis condensing lens that is a cylindrical single lens,
前記短軸方向幅均一化レンズは、  The short axis direction width uniformizing lens is:
前記複数のレーザ発光部が配置された発光面から前記短軸方向幅均一化レンズの焦点距離を示す第1焦点距離の位置に配置されるとともに光軸が前記発光面に垂直となるように配置されており、  It arrange | positions so that an optical axis may become perpendicular | vertical to the said light emission surface while it arrange | positions in the position of the 1st focal distance which shows the focal distance of the said short axis direction width uniformization lens from the light emission surface in which these laser emission parts are arrange | positioned. Has been
前記長軸方向から見た場合に前記レーザ発光部から出射されたそれぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅の中心が、前記光軸上における前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置となる焦点位置付近を通過するように、前記それぞれのレーザ光の進行方向を前記短軸方向に対してそれぞれ異なる方向に屈折させるとともに、前記それぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅を均一化し、  When viewed from the long axis direction, the center of the width in the short axis direction of each laser beam emitted from the laser light emitting unit is twice the first focal length from the light emitting surface on the optical axis. The direction of travel of each laser beam is refracted in a different direction with respect to the minor axis direction so that it passes through the vicinity of the focal position as a position, and the width of the minor axis direction of each laser beam is uniform. And
前記短軸方向集光レンズは、  The short axis condensing lens is
前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置に前記短軸方向集光レンズの焦点距離を示す第2焦点距離を加えた位置に配置されるとともに前記光軸上に配置されており、  Arranged at a position obtained by adding a second focal length indicating a focal length of the short-axis direction condenser lens to a position twice the first focal length from the light emitting surface, and arranged on the optical axis;
前記長軸方向から見た場合に前記焦点位置付近を通過するように前記短軸方向に対してそれぞれ異なる方向に屈折されたレーザ光のそれぞれの進行方向を前記光軸に平行な方向に屈折させるとともに、それぞれのレーザ光の前記短軸方向の幅が小さくなるように集光し、  When viewed from the major axis direction, the traveling directions of the laser beams refracted in different directions with respect to the minor axis direction so as to pass near the focal position are refracted in a direction parallel to the optical axis. And condensing each laser beam so that the width in the minor axis direction is small,
前記発光面から前記第1焦点距離の2倍の位置に前記第2焦点距離の2倍を加えた位置であるとともに前記光軸に直交する集光面上に、複数の前記光ファイバのそれぞれの入射面が配置されている、  A position obtained by adding twice the second focal length to a position twice the first focal length from the light emitting surface, and each of a plurality of the optical fibers on a condensing surface orthogonal to the optical axis. The incident surface is arranged,
レーザ集光装置。Laser concentrator.
請求項1に記載のレーザ集光装置であって、
更に、集光レンズを備え、
前記集光レンズは、複数の前記光ファイバの出射面から出射されたレーザ光を所定の位置に集光するように配置されている、
レーザ集光装置。
The laser condensing device according to claim 1,
Furthermore, it has a condenser lens,
The condensing lens is arranged to condense laser light emitted from the emission surfaces of the plurality of optical fibers at a predetermined position .
Laser concentrator.
請求項2に記載のレーザ集光装置であって、
複数の前記光ファイバの出射面は、任意の形状に束ねられている、
レーザ集光装置。
The laser condensing device according to claim 2,
Emitting surface of the plurality of optical fibers are bundled into an arbitrary shape,
Laser concentrator.
請求項2または3に記載のレーザ集光装置であって、
各光ファイバの入射面には、前記長軸方向の前記グループ内の2つ以上のレーザ発光部から出射されるレーザ光が集光されて入射される、
レーザ集光装置。
The laser condensing device according to claim 2 or 3,
Laser light emitted from two or more laser light emitting units in the group in the major axis direction is collected and incident on the incident surface of each optical fiber .
Laser concentrator.
請求項4に記載のレーザ集光装置であって、
各光ファイバの入射面には、更に、前記長軸方向の前記グループに対して、2つ以上のグループのレーザ発光部から出射されるレーザ光が集光されて入射される、
レーザ集光装置。
The laser condensing device according to claim 4,
Laser light emitted from two or more groups of laser light emitting units is further collected and incident on the incident surface of each optical fiber with respect to the group in the major axis direction .
Laser concentrator.
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