JP3952894B2 - レーザ発光装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を集光する集光装置、及びレーザ光を集光して出力するレーザ発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に、従来の半導体レーザ集光装置の概略構成の例を示す。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２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２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。そして、長軸方向と短軸方向に２次元的に配列した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、レンズ群等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、図１２に示すように、レンズ群と光ファイバ３０を備え、レーザ光の発光部１２から光ファイバ３０までの間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバ３０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１２から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバ３０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して、入射したレーザ光を外部に反射させることなく、効率よく光ファイバに入射する（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。これにより、光ファイバ内におけるレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度がより小さくなり、レーザ光が光ファイバ内で全反射しながら進行し、光ファイバ外部への漏れによる損失を抑制できる。
ここで、発光部１２から出射されたレーザ光は、長軸方向及び短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、レンズ自身に非常に高い精度が要求され、そのレンズの配置位置も、非常に高い精度が要求される。
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長軸方向においては、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短軸方向においては、レンズの径が非常に小さく、配置も困難であるため、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１２に示すように、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２（ｍ、ｎ）（ｍ行ｎ列、図１２の例では、５行１６列）から出射されるレーザ光を、長軸方向コリメートレンズアレイ７０を通過させ、長軸方向集光レンズ８０を通過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ９０を通過させて光ファイバ３０（ｓ、ｔ）（ｓ行ｔ列、図１２の例では、１行８列）に入射している。
なお、全ての図面において、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１２（従来の半導体レーザ集光装置）の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）は、短軸方向に配列された２個の発光部から出射される２本のレーザ光と、長軸方向に配列された５個の発光部から出射される５本のレーザ光の合計１０本のレーザ光を、１本の光ファイバに集光している。図１３（Ａ）は、図１２をＸ軸方向から見た図（上から見た図）であり、図１３（Ｂ）は、図１２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、短軸方向においては、各発光部１２の幅（図１３（Ａ）中のＤw）は約０．２ｍｍであり、発光部と発光部の間隔（図１３（Ａ）中のＤp）は約０．２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の短軸方向の拡がり角（図１３（Ａ）中のθiny）は約３．５°である。
また、長軸方向において隣り合う発光部の間隔（図１３（Ｂ）中のＤh）は約１．７５ｍｍであり、各発光部の厚さ（図１３（Ｂ）中のＤt）は約０．００２ｍｍである。また
、各発光部から出射されるレーザ光の長軸方向の拡がり角（図１３（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３０に、短軸方向において２本のレーザ光を集光し、長軸方向において５本のレーザ光を集光する。また、短軸方向の入射角（図１３（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１３（Ａ）において、短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短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、上記の数値の場合は、発光部１２から約１．６ｍｍの位置である。
しかし、発光部１２から約１．６ｍｍまでの距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要があり、事実上、配置は非常に困難である。
【０００７】
また、この場合、短軸方向集光レンズアレイ９０の焦点距離（ｆ９０）を、発光部１２から短軸方向集光レンズアレイ９０までの距離（この場合、約１．６ｍｍ）に設定すると、短軸方向における集光の効率がほぼ最適になり、発光部１２から光ファイバ３０までの距離（図１３（Ａ）中のＬ）は、約３．２ｍｍとなる。
しかし、例えば長軸方向に１．７５ｍｍ間隔で配列された５個の発光部から出射されるレーザ光を、長軸方向の入射角を１０°未満とするためには、約１９．８５ｍｍ以上の距離が必要であり、必要な数のレーザ光を集光することが非常に困難である。
【０００８】
従って、以下の課題を解決する必要がある。
短軸方向集光レンズアレイ９０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、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ３０の位置も発光部１２から短い距離になり、長軸方向の入射角（θoutx）を小さく設定すると、長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、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる集光装置及びレーザ発光装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載の集光装置では、光導波路に入射された光は、所定の方向に、且つ所定の位置に集光され、光ファイバに入射される。その際、光導波路の出射面で屈折する前の光の角度（光ファイバの長手方向に対する角度）に対して、光ファイバの入射面で屈折した後の光の角度（光ファイバの長手方向に対する角度）を小さくするための屈折手段を、光導波路の出射面と光ファイバの入射面との間に設ける。
これにより、光ファイバへの光の入射角を小さくするために光導波路の入射面から出射面までの距離を大きくする必要がなくなり、光導波路を小型化することができる。また、光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１０】
また、本実施の形態に記載の集光装置では、所定の屈折率を有する充填材を、光導波路の出射面と光ファイバの入射面との間に充填する。
光導波路の屈折率、充填材の屈折率、光ファイバの屈折率を各々適切に設定することにより、光導波路の出射面から出射された光の屈折方向、及び光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向を適切に調節することができ、光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１１】
また、本実施の形態に記載の集光装置では、光導波路に入射された光は、所定の方向に、且つ所定の位置に集光され、光ファイバに入射される。
例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の外側（光は光導波路の出射面から出射された先の位置に集光）で、光導波路の屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率、且つ光ファイバの屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率の場合、光導波路の出射面に凹状の曲面を形成する。
この場合、光導波路の出射面に所定の方向に対して凹状の曲面を形成することで、光導波路の出射面から出射された光の屈折方向（所定の方向における屈折角度）を適切に調節することができ、光ファイバ内の光の進行方向と光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
また、例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の内側（光は光導波路の出射面から出射される前に集光され、当該集光位置から拡散しながら出射面から出射）で、光導波路の屈折率＜光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率＜光ファイバの屈折率の場合、光ファイバの入射面に凸状の曲面を形成する。
この場合、光ファイバの入射面に所定の方向に対して凹状の曲面を形成することで、光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向（所定の方向における屈折角度）を適切に調節することができ、光ファイバ内の光の進行方向と光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１２】
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発光装置である。
請求項１に記載のレーザ発光装置は、楕円状に広がりながら進行するレーザ光をそれぞれ平行な出射方向に出射する複数の発光部が、前記楕円の長軸方向と短軸方向のそれぞれの方向に平行となるように２次元状に配列された半導体レーザアレイと、前記発光部の各々から出射される前記レーザ光の各々が入射面から入射されると、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射する光導波路と、前記光導波路にて集光されたレーザ光が入射される光ファイバと、前記光ファイバから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、
を備えたレーザ発光装置におけるものである。
前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなる屈折手段が設けられている。
前記光導波路の前記短軸方向における幅は、入射面から出射面までほぼ同じ寸法であり、入射されたレーザ光を前記短軸方向に閉じ込めて導光し、前記光導波路の入射面には、前記長軸方向毎のグループの発光部から出射されるレーザ光の各々を前記長軸方向に対して設定したレーザ集光位置に向けて、前記長軸方向に対して集光するレンズを前記発光部毎に備える。
そして、前記グループ毎に対応させた前記光導波路が前記短軸方向に複数配列されるとともに、前記光導波路と、前記光導波路よりも小さな屈折率を有する間隙部材と、を交互に積層した光導波路アレイが構成されている。
これにより、光ファイバへのレーザ光の入射角を小さくするために各光導波路の入射面から出射面までの距離を大きくする必要がなくなり、光導波路アレイを小型化することができ、レーザ発光装置を小型化することができる。また、各光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１３】
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発光装置である。
請求項２に記載のレーザ発光装置は、請求項１に記載のレーザ発光装置であって、更に、前記光導波路の屈折率よりも大きく且つ前記光ファイバの屈折率よりも小さい屈折率を有する充填材が、前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙に充填されている。
光導波路の屈折率、充填材の屈折率、光ファイバの屈折率を各々適切に設定することにより、各光導波路の出射面から出射された光の屈折方向、及び対応する光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向を適切に調節することができ、各光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１４】
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発光装置である。
請求項３に記載のレーザ発光装置は、請求項１または２に記載のレーザ発光装置であって、前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、前記レーザ集光位置と、前記光導波路の屈折率と、前記間隙の屈折率と、前記光ファイバの屈折率とに応じて、前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなるように、前記光導波路の出射面または前記光ファイバの入射面の少なくとも一方側には、前記長軸方向に対して凹状または凸状の曲面が設けられている、
例えば、光導波路で集光される所定の位置（レーザ集光位置に相当）が光導波路の出射面の外側（光は光導波路の出射面から出射された先の位置に集光）で、光導波路の屈折率＜光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率＜光ファイバの屈折率の場合、光ファイバの入射面に凹状の曲面を形成する。
この場合、各光導波路に対応する光ファイバの入射面に長軸方向に対して凹状の曲面を形成することで、当該光ファイバの入射面に入射されたレーザ光の屈折方向（長軸方向における屈折角度）を適切に調節することができ、当該光ファイバ内のレーザ光の進行方向と当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
また、例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の内側（光は光導波路の出射面から出射される前に集光され、当該集光位置から拡散しながら出射面から出射）で、光導波路の屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率、且つ光ファイバの屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率の場合、各光導波路の出射面に凸状の曲面を形成する。
この場合、各光導波路の出射面に長軸方向に対して凸状の曲面を形成することで、光導波路の出射面から出射されたレーザ光の屈折方向（長軸方向における屈折角度）を適切に調節することができ、対応する光ファイバ内のレーザ光の進行方向と当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１５】
【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、本発明の集光装置及びレーザ発光装置の一実施の形態の概略構成図を示している。
図１に示す実施の形態では、図１２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３０との距離を非常に大きくできる（従来では約３．２ｍｍのところを、本実施の形態ではレーザ光の進行方向に対する光導波路アレイ２００の長さに応じて、数ｃｍ以上（本実施の形態の例では、約２０ｃｍ）に設定することも可能）。このため、光ファイバ３０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集光することができる。
また、図１２に示す従来のレーザ集光装置に対して、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０とを省略し、その代わりに光導波路アレイ２００を設けているので、構成が簡素化され、組み付け時の調整等（各レンズ等の配置位置の微調整等）が従来のレーザ集光装置に比して、非常に容易である。
【００１６】
●［全体構成（図１）］
図１に示す本実施の形態では、発光部１２（ｍ，ｎ）（ｍ行ｎ列、図１の例では５行１６列）を、長軸方向毎の複数の第１グループに分割し、各第１グループ毎のレーザ光を各光導波路２０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）で集光して、各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）に入射する。
【００１７】
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。
光導波路アレイ２００は、発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向毎の各第１グループ毎に対応する光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向に複数配列されて構成されている。各光導波路２０（ｓ，ｔ）内に入射されたレーザ光は、入射された光導波路２０（ｓ，ｔ）内を、ほぼ全反射しながら進行する（詳細は後述する）。
光導波路アレイ２００は、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２から入射された複数のレーザ光を、長軸方向に対して各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に集まるように、長軸方向に集光（束ね、あるいは集約）する。
なお、以下、「束ねる」とは、各レーザ光の径をほぼ縮めることなく複数のレーザ光を集めることをいい、「集約する」とは、各レーザ光の径を縮めるあるいは径を縮めるとともに複数のレーザ光を集めることをいう。また、「集光する」とは、「束ねる」あるいは「集約する」方法を用いて、レーザ光の出力を高めることをいう。
【００１８】
各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面には、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面から、少なくとも長軸方向に集光されたレーザ光が入射される。そして、集光レンズ１００は、任意の形状に束ねられた光ファイバ３０の出射面から出射されたレーザ光を、各々所定の位置に集光する。これにより、半導体レーザアレイ１０の複数の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射された複数のレーザ光は、所定の位置に集光され、加工等に用いることができるように、レーザ光の出力を増大させることができる。
【００１９】
●［光導波路２０（ｓ，ｔ）の概略構造（図２）］
次に、図２を用いて光導波路２０の概略構造について説明する。光導波路２０におけるレーザ光の入射面には集光手段として、複数のレンズ（例えば、ほぼ短軸方向に中心軸を有するシリンドリカル状の凸状レンズ２２ａ〜２２ｅ（第１レンズ））が長軸方向に複数配列して構成されている。
また、図２に示す光導波路２０の例では、第１レンズ２２ａ〜２２ｅが配置された面をレーザ光の入射面として、当該入射面と反対側に位置する面をレーザ光の出射面としている。そして、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射するために、図２に示す例では、長軸方向（Ｘ軸方向）において、入射面の寸法よりも出射面の寸法の方が小さくなるように構成されている（テーパ形状に構成されている）。なお、本実施の形態では、入射面と出射面の短軸方向（Ｙ軸方向）における寸法はほぼ同じであるが、出射面の方が小さな寸法となるように構成してもよい。また、第１レンズを適切に構成すれば、特に長軸方向に対してテーパ形状にしなくとも長軸方向に集光することができる。
なお、光導波路２０は、ガラス等様々な材質を用いることができる。
【００２０】
●［各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態（図３）］
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、発光部１２、光導波路アレイ２００、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する。
図３（Ａ）は、長軸（fast軸）方向から見た図である。各発光部１２から出射されたレーザ光は、光導波路アレイ２００の各光導波路２０の入射面に入射されると、短軸方向においては各光導波路２０内を反射しながら当該光導波路２０からほとんど外部に漏れることなく進行し、（当該光導波路２０の出射面に到達し、）光ファイバ３０の入射面に入射される。
【００２１】
また、図３（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３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）の各第１レンズ２２ａ〜２２ｅの焦点距離を（ｆ）とする。
なお、図３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）を、発光部１２（ｍ，ｎ）から当該光導波路２０（ｓ，ｔ）の第１レンズの焦点距離（ｆ）の位置に配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、幅がほぼ均一化され、図３（Ｂ）中に２ａで示すように集光される（この場合は束ねられる）。
また、光導波路２０（ｓ，ｔ）を発光部１２（ｍ，ｎ）から当該光導波路２０（ｓ，ｔ）の焦点距離（ｆ）よりもやや遠い（Ｓ6）の位置に配置し、（１／Ｓ6＋１／Ｔ6＝１／ｆ）が成立するＳ6及びＴ6を設定し、発光部１２からＳ6＋Ｔ6の距離に光ファイバ３０（ｓ、ｔ）の入射面を配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、図３（Ｂ）中に２ｃ〜２ｅで示すように集光される（この場合は集約される）。
【００２２】
●［積層型光導波路の概略構造（図４）］
次に、図４を用いて、図３（Ａ）に示した光導波路アレイ２００の概略構成について説明する。なお、図４は、長軸方向から見た図であり、理解を容易にするために、図３（Ａ）とは異なる寸法で記載している。
図４では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、ほぼ発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さに設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する１個の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向において、互いに干渉することがない。
【００２３】
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する間隙部材２５で埋めて、光導波路２０と間隙部材２５とを短軸方向に交互に複数配列した光導波路アレイ２００を構成する。これにより、積層した光導波路（光導波路アレイ２００）のサイズを（短軸方向に）大きくすることができるので、第１レンズの加工等を行う場合の保持がより容易になり、加工等をより容易に行うことができる。また、レーザ発光装置として所定の位置に配置して、その配置位置を微調整する際、個々の光導波路毎に微調整する必要がなく、一括して微調整することができるので便利である。
【００２４】
●［光ファイバから出射されたレーザ光の集光（図５）］
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、図１において光ファイバ３０（ｓ，ｔ）から出射されるレーザ光が、集光レンズ１００で所定の位置（図５の［位置ＳＭ］）に集光される様子について説明する。
なお、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面は、図５（Ｃ）及び（Ｄ）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５（Ｃ））、四角形（図５（Ｄ））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。
【００２５】
図５（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１００の焦点距離を［ｆ１００］、［位置ＳＭ］から集光レンズ１００の中心までの距離（集光レンズ１００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１００の中心から光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面までの距離（集光レンズ１００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／ｆ１００
１／Ｓ3＋１／Ｔ3＝１／ｆ１００、且つＳ3＞Ｓ2
上記式に基づいた図５（Ａ）と（Ｂ）を比較すれば明らかなように、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面から集光レンズ１００の中心までの距離［距離ＳX］が大きくなるほど、集光レンズ１００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１００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１００から距離ｆ１００の位置（集光レンズ１００の焦点距離の位置）を集光点としてもよい。
【００２６】
●［光導波路２０における、各第１レンズの構造（光軸）及び配置（図６）］
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に、光導波路アレイ２００の光導波路２０（この場合、図２に示す光導波路２０）における、各第１レンズ（ここでは、第１レンズ２２ｂ、２２ｃ）の構造（光軸）及び配置の例について、詳細を説明する。
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す図では、各第１レンズの光軸をほぼ光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面の方向に向けるとともに、各第１レンズの位置をレーザ光の進行方向（Ｚ軸方向）と長軸方向（Ｘ軸方向）に移動させて配置している。
【００２７】
次に、図６（Ａ）、（Ｂ）を用いて、第１レンズの光軸を傾斜させた場合の、発光部１２（２、１）に対応する第１レンズ２２ｂの配置等について詳細を説明する。図６（Ａ）は、レーザ光を「束ねる」方法を実現する配置の例であり、図６（Ｂ）は、レーザ光を「集約する」方法を実現する配置の例である。
【００２８】
●［光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置（図６（Ａ））］
以下、図６（Ａ）を用いて説明する。
第１レンズ２２ｃは、発光部１２（３、１）と、レーザ集光位置「Ｆ０」（この場合、光ファイバ３０（１、１）の内部であり、光導波路２０（１，１）の外部である）を結んだ直線と、第１レンズ２２ｃの光軸（Kc）が一致するように配置する。また、対応する発光部１２（３、１）から第１レンズ２２ｃの中心（Cc）までの距離が、第１レンズ２２ｃの焦点距離（ｆ）となる位置に配置する。
これにより、発光部１２（３、１）から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２ｃを通過すると、幅がほぼ均一なレーザ光となる。また、焦点距離（ｆ）の選定は、光ファイバ３０（１、１）の径を考慮して選定する（焦点距離（ｆ）を大きくすると、通過後のレーザ光の幅が大きくなるため）。
【００２９】
次に、第１レンズ２２ｂの配置を説明する。
まず、光ファイバ３０において、入射可能な最大受光角の正弦で表される開口数（以下、ＮＡという）より、光ファイバ３０への入射角（θ）を、以下のように設定する。
θ＜arcsin（ＮＡ）
発光部１２（２，１）と発光部１２（３，１）の長軸方向の距離を（ｄ）として、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）が、対応する発光部１２（２、１）から、長軸方向の距離（Lx1）、レーザ光の進行方向の距離（Lz1）を、以下のように設定する。
Lx1＝ｆ＊sinθ
Lz1＝ｆ＊cosθ
【００３０】
そして、第１レンズ２２ｂを通過して幅がほぼ均一化されたレーザ光の幅の半分を（ｂ）として、レーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Mz1＋Nz1）を以下のように設定する。
Mz1＝ｄ／tanθ
Nz1＝ｂ／sinθ
なお、発光部１２（３、１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）は、図３（Ａ）に示すように、ほぼ光導波路２０の長さ（レーザ光の進行方向の長さ）である。よって、以下の式が成立するように、光導波路２０の長さを選定する。
ｄ／tanθ＋ｂ／sinθ＝（ほぼ光導波路２０のＺ軸方向の長さ）
その他の発光部１２（ｍ，ｎ）に対しても同様に設定することができる。
ここで、光ファイバ３０（１，１）へのレーザ光の入射角（この場合「θ」）を小さく設定する（光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度を小さくする）と、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さが大きくなる。しかし、後述する第１の実施の形態〜第５の実施の形態とすることで、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さを短くできるとともに、光ファイバ３０（１，１）内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０（１，１）の長手方向とのなす角度を小さくすることができる。このため、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる。
【００３１】
●［光軸を傾斜させるとともにレーザ光を集約する配置（図６（Ｂ））］
以下、図６（Ｂ）を用いて説明する。
第１レンズ２２ｃは、発光部１２（３，１）と、レーザ集光位置「Ｆ０」（この場合、光ファイバ３０（１、１）の内部であり、光導波路２０（１，１）の外部である）を結んだ直線と、第１レンズ２２ｃの光軸（Kc）が一致するように配置する。また、対応する発光部１２（３、１）から第１レンズ２２ｃの中心（Cc）までの距離が、第１レンズ２２ｃの焦点距離（ｆ）よりも長い距離（Ｓ）となる位置に配置する。また、第１レンズ２２ｃの中心（Cc）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｔ）として、以下の式が成立するようにｆ、Ｓ、Ｔを設定する。
１／ｆ＝１／Ｓ＋１／Ｔ
また、Ｓ＋Ｔ＝Ｌであるため、Ｓ、Ｔは以下となる。
Ｓ＝［Ｌ−√（Ｌ2−４＊Ｌ＊ｆ）］／２
Ｔ＝［Ｌ＋√（Ｌ2−４＊Ｌ＊ｆ）］／２（なお、Ｓ＜Ｔとする）
これにより、発光部１２（３、１）から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２ｃを通過すると、幅が集約されていく。
【００３２】
次に、第１レンズ２２ｂの配置を説明する。
まず、光ファイバ３０への入射角（θ）を、以下のように設定する。
θ＜arcsin（ＮＡ）
発光部１２（２，１）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｌ1）、発光部１２（２，１）から第１レンズ２２ｂの中心（Cb）までの距離を（Ｓ1）、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｔ1）とすると、以下の式が成立する。
Ｌ1＝ｄ／sinθ
Ｓ1＝［Ｌ1−√（Ｌ1 2−４＊Ｌ1＊ｆ）］／２
Ｔ1＝［Ｌ1＋√（Ｌ1 2−４＊Ｌ1＊ｆ）］／２
【００３３】
また、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）が、対応する発光部１２（２、１）から、長軸方向の距離（Lx2）、レーザ光進行方向の距離（Lz2）を、以下のように設定する。
Lx2＝Ｓ1＊sinθ
Lz2＝Ｓ1＊cosθ
そして、発光部１２（３，１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）を以下のように設定する。
Ｌ＝ｄ／tanθ
なお、発光部１２（３、１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）は、図３（Ａ）に示すように、ほぼ光導波路２０の長さ（レーザ光の進行方向の長さ）である。よって、以下の式が成立するように、光導波路２０の長さを選定する。
ｄ／tanθ＝（ほぼ光導波路２０のＺ軸方向の長さ）
その他の発光部１２（ｍ，ｎ）に対しても同様に設定することができる。
ここで、光ファイバ３０（１，１）へのレーザ光の入射角（この場合「θ」）を小さく設定する（光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度を小さくする）と、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さが大きくなる。しかし、後述する第１の実施の形態〜第５の実施の形態とすることで、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さを短くできるとともに、光ファイバ３０（１，１）内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０（１，１）の長手方向とのなす角度を小さくすることができる。このため、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる。
【００３４】
以上では、各第１レンズの焦点距離（ｆ）を一定として、距離（Ｓ1）を各第１レンズ毎に設定したが、距離（Ｓ1）を一定として、各第１レンズ毎に焦点距離（ｆ）を設定することも可能である。
この場合、距離（Ｓ1）を一定として、焦点距離（ｆ）及び距離（Ｔ1）を以下のように設定する。
ｆ＝Ｓ1−（Ｓ1）2／Ｌ1
Ｔ1＝Ｌ1−Ｓ1
この場合、各第１レンズ毎に焦点距離（ｆ）が異なるため、各第１レンズ毎に曲率が異なる。発光部が中心から離れる程（光ファイバへの入射角が大きくなる程）、距離（Ｌ1）が大きくなり、対応する第１レンズの焦点距離（ｆ）が大きくなるため、曲率が小さくなる（曲率半径が大きくなる）。
【００３５】
なお、第１レンズの断面が真円である場合、第１レンズのレンズ面が、当該真円の中心（図６（Ａ）及び（Ｂ）のＰｂ、Ｐｃ）まわりに回転しても、その特性は変わらない。そこで、図６（Ａ）に示した光軸を傾斜させた第１レンズにおいて、入射されるレーザ光の進行方向に対して、当該光軸がほぼ平行になるように回転させれば、光軸を傾斜させることなく、図６（Ａ）と同じ効果を実現できる。また、図６（Ｂ）においても同様である。
【００３６】
以下に、光導波路２０から出射されたレーザ光を光ファイバ３０に入射する際、光導波路２０のＺ軸方向の長さを短くするとともに、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度を小さくすることができ、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる、第１の実施の形態〜第５の実施の形態について順に説明する。
【００３７】
◆［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の概略図を、図７（Ａ）に示す。
第１の実施の形態は、光導波路２０の出射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して凹状の曲面を含ませている。また、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、当該光導波路２０の出射面の外部の「Ｆ０」である。
これにより、図７（Ｂ）に示すような、光導波路２０の出射面（平面）と光ファイバ３０の入射面（平面）において、「位置ＳＦ」で平面と平面が向き合うように構成した場合の集光位置「Ｆ０」よりも、より遠い位置「Ｆα（図７（Ａ）に示す）」に集光位置を移動させることができる。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）において、レーザ光２ａは、第１レンズ２２ａ（図２）を通過してきたレーザ光を示し、レーザ光２ｅは、第１レンズ２２ｅ（図２）を通過してきたレーザ光を示している。
また、光導波路２０の出射面に形成した凹状の曲面の概略形状は、図７（Ａ）の右下の斜視図に示すように、この例では非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００３８】
次に、図８（Ａ）、（Ｂ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば大気）の屈折率を「ｎ０」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図８（Ａ）及び（Ｂ）は、ｎ０＜ｎ１、且つｎ０＜ｎ２の場合の図である。
【００３９】
図８（Ａ）は、図７（Ａ）における「ａ」部分の拡大図である。レーザ光２ａは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θ１」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ１であるため、レーザ光２ａは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θ０」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθ１＝ｎ０＊sinθ０
が成立する。また、ｎ０＜ｎ１より、
θ１＜θ０
が成立する。このため、角度「θ０」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ａ’とする。
【００４０】
そして、レーザ光２ａ’は、屈折率「ｎ０」の間隙内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ０＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ０＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００４１】
次に、図８（Ｂ）を用いて、光導波路２０の出射面における凹状の曲面の形状の求め方を説明する。
光導波路２０に入射される複数のレーザ光は、当該光導波路２０の入射面に形成された第１レンズ２２ａ〜２２ｅ（図２）により屈折され、これらの全てのレーザ光は仮想焦点「Ｆ０」に向かって進行する（集光される）。このレーザ光の集光位置を、仮想焦点「Ｆ０」から焦点「Ｆα」に変換するには、光導波路２０の出射面における凹状の曲面の形状が重要である。
まず、仮想焦点「Ｆ０」を中心として半径Ｒの円（図８（Ｂ）中の２点鎖線で示す仮想円）を描く。全てのレーザ光は、この円を通過した後、仮想焦点「Ｆ０」に到達する。このとき円（仮想円）から仮想焦点「Ｆ０」までの距離はＲである。光導波路２０の屈折率を「ｎ１」として、仮想焦点「Ｆ０」と円（仮想円）の間に境界がなく、仮想焦点「Ｆ０」と円（仮想円）は光導波路の内部であると仮定すると、光路長は、
ｎ１＊Ｒ
となり、全てのレーザ光について一定である。
【００４２】
次に、円（仮想円）と仮想焦点「Ｆ０」の間に、凹状の曲面を有する出射面が存在するときを考える。中心光軸上（図８（Ｂ）中のＺ軸方向の１点鎖線）のレーザ光において、円（仮想円）から凹状の出射面までの距離をＬａ、凹状の出射面から焦点「Ｆα」までの距離をＬｂとする。また、任意のレーザ光において（この例では、図８（Ｂ）中のレーザ光２ａ）、円（仮想円）から凹状の出射面までの距離をＬａ’、凹状の出射面から焦点「Ｆα」までの距離をＬｂ’とする。全てのレーザ光が焦点「Ｆα」に集光するためには、上記の凹状の出射面が無い場合と同様に、光路長が一定でなければならない。光導波路２０出射面の先の間隙の屈折率を「ｎ０」とすると、
ｎ１＊Ｌａ＋ｎ０＊Ｌｂ＝ｎ１＊Ｌａ’＋ｎ０＊Ｌｂ’ （式１）
を満足する必要がある。
凹状の出射面の形状（非球面形状）は、光導波路２０内を進行する各レーザ光毎に上記（式１）を満足するような出射点（凹状の出射面上の通過点）を求め、これらの点群を結ぶことにより得られる。
【００４３】
次に、図８（Ｃ）を用いて、ビーム品質（Beam Parameter Product：BPP）について説明する。レーザ光等、光の回折限界により生ずるビームウエストｂｗは、光の波長をλ、全角をθ（図８（Ｃ）に示す拡がり角）とすると、次式で与えられる。
ｂｗ＝４＊λ／（π＊θ） （式２）
これより、全角θが大きい程、ビームウエストｂｗが小さくなり、より小さなスポットサイズに集光することができる。
また、ビーム品質（ＢＰＰ）は、次式で与えられる。
ＢＰＰ＝（ｂｗ／２）＊（θ／２） （式３）
上記の（式３）に、（式２）を代入すると、
ＢＰＰ＝λ／π （式４）
が得られる。
【００４４】
上記の（式４）によると、ビーム品質は全角θに影響されないので、全角θを大きくしても、ビーム品質を低下させることなく、集光することができる。このため、光導波路２０のＺ軸方向の長さを短くして、全角θを大きくした場合、光ファイバ３０への入射角が大きくなるが、光導波路２０の出射面に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すような凹状の曲面を含ませることで、光ファイバ３０への入射角を充分小さくすることができる。
これにより、光導波路アレイ２００のサイズを小さくする（Ｚ軸方向の長さを短くする）とともに、光ファイバ３０への入射角を小さくすることができ、集光効率を向上させるとともに、レーザ発光装置のサイズをより小型化することが可能である。
【００４５】
◆［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の概略図を、図９（Ａ）に示す。
第２の実施の形態は、光導波路２０の出射面でなく、光ファイバ３０の入射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して凹状の曲面を含ませている。また、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、第１の実施の形態と同様に、当該光導波路２０の出射面の外部の「Ｆ０」である。
これにより、図９（Ｂ）に示すような、光導波路２０の出射面（平面）と光ファイバ３０の入射面（平面）において、「位置ＳＦ」で平面と平面が向き合うように構成した場合の集光位置「Ｆ０」よりも、より遠い位置「Ｆβ（図９（Ａ）に示す）」に集光位置を移動させることができる。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
また、光ファイバ３０の入射面に形成した凹状の曲面の概略形状は、図９（Ａ）の右下の斜視図に示すように、この例では非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００４６】
次に、図９（Ｃ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば所定の屈折率を有する充填材等）の屈折率を「ｎ３」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図９（Ａ）及び（Ｃ）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。
【００４７】
図９（Ｃ）は、図９（Ａ）における「ｂ」部分の拡大図である。レーザ光２ａは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θin」で到達する。そして、屈折率がｎ１＜ｎ３であるため、レーザ光２ａは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θout」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθin＝ｎ３＊sinθout
が成立する。また、ｎ１＜ｎ３より、
θout＜θin
が成立する。このため、角度「θout」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ａ’とする。
【００４８】
そして、レーザ光２ａ’は、屈折率「ｎ３」の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面（光ファイバ３０の入射面は、凹状の曲面を有している）に、角度「θ３」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θ２」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθ３＝ｎ２＊sinθ２
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θ２＜θ３
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、光ファイバ３０の凹状の曲面の形状は、第１の実施の形態と同様の考え方で求めることができるため、説明を省略する。
【００４９】
◆［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の概略図を、図１０（Ａ）に示す。
第３の実施の形態は、光導波路２０の出射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して、凹状の曲面でなく、凸状の曲面を含ませている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、当該光導波路２０の出射面の内部の「Ｆ０」である。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
また、凸状の曲面の概略形状は、この例では第１の実施の形態と同様に、非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００５０】
次に、図１１（Ａ）を用いて、レーザ光２ｅの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば大気）の屈折率を「ｎ０」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図１０（Ａ）及び図１１（Ａ）は、ｎ０＜ｎ１、且つｎ０＜ｎ２の場合の図である。
【００５１】
図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）における「ｃ」部分の拡大図である。レーザ光２ｅは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θ１」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ１であるため、レーザ光２ｅは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θ０」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθ１＝ｎ０＊sinθ０
が成立する。また、ｎ０＜ｎ１より、
θ１＜θ０
が成立する。このため、角度「θ０」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ｅ’とする。
【００５２】
そして、レーザ光２ｅ’は、屈折率「ｎ０」の間隙内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ０＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ０＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、光ファイバ３０の凸状の曲面の形状は、第１の実施の形態と同様の考え方で求めることができるため、説明を省略する。
【００５３】
◆［第４の実施の形態］
第４の実施の形態の概略図を、図１０（B）に示す。
第４の実施の形態は、光導波路２０の出射面、及び光ファイバ３０の入射面は、ともに平面であるが、互いの平面の間に、所定の屈折率を有する充填材を設けている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置「Ｆ０」は、当該光導波路２０の出射面の内部であっても外部であってもよい。この例では、集光位置「Ｆ０」は光導波路２０の内部である。
この場合、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５４】
次に、図１１（Ｂ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば所定の屈折率を有する充填材等）の屈折率を「ｎ３」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図１０（Ｂ）及び図１１（Ｂ）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。
【００５５】
図１１（Ｂ）は、図１０（Ｂ）における「ｄ」部分の拡大図である。レーザ光２ｅは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θin」で到達する。そして、屈折率がｎ１＜ｎ３であるため、レーザ光２ｅは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θout」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθin＝ｎ３＊sinθout
が成立する。また、ｎ１＜ｎ３より、
θout＜θin
が成立する。このため、角度「θout」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ｅ’とする。
【００５６】
そして、レーザ光２ｅ’は、屈折率ｎ３の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ｅ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５７】
◆［第５の実施の形態］
第５の実施の形態の概略図を、図１０（C）に示す。
第５の実施の形態は、第４の実施の形態に加えて、光ファイバ３０の入射面に、長軸方向（X軸方向）に対して凸状の曲面を含ませている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置「Ｆ０」は、当該光導波路２０の出射面の内部である。
この場合、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５８】
次に、図１１（C）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。第４の実施の形態と同様に、図１０（C）及び図１１（C）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。以下、第４の実施の形態との相違点について説明する。
【００５９】
レーザ光２ｅ’までは、第４の実施の形態と同じである。レーザ光２ｅ’は、屈折率ｎ３の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θ３」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ｅ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θ２」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθ３＝ｎ２＊sinθ２
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θ２＜θ３
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００６０】
本発明の集光装置及びレーザ発光装置は、本実施の形態で説明した形状、構成等に限定されず、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レーザ発光装置は、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、光導波路２０及び光ファイバ３０の形状、サイズ、材質等は、実施の形態の説明及び図に限定されるものではない。
また、各実施の形態における光導波路２０は、図１の集光システム（レーザ発光装置）に組み込まれる場合、図２に示す第１レンズ２２ａ〜２２ｅが精密加工されるが、全体形状は、図２に示す三角形に限定されない。
また、本実施の形態では、光導波路に入射されたレーザ光を所定の方向に、且つ所定の位置に集光する集光手段として、各光導波路の入射面に第１レンズを設けたが、第１レンズを設ける代わりに、各光導波路の入射面にレンズを設けることなく平面として、光導波路アレイと半導体レーザアレイとの間に、第１レンズに相当するレンズアレイを設けるようにしてもよい。集光手段は、種々の方法で実現することができる。
さらに、光導波路２０の出射面と光ファイバ３０の入射面との間に充填材を介在させる場合、光導波路２０の出射面に凹面または凸面を形成してもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本実施の形態に記載の集光装置、あるいは請求項１〜３に記載のレーザ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、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる集光装置及びレーザ発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の集光装置及びレーザ発光装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】 光導波路２０の概略構造について説明する図である。
【図３】 発光部１２、光導波路アレイ２００、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する図である。
【図４】 光導波路アレイ２００の概略構成について説明する図である。
【図５】 光ファイバ３０（ｓ，ｔ）から出射されるレーザ光が、集光レンズ１００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６】 光導波路アレイ２００の光導波路２０における、各第１レンズの構造（光軸）及び配置の例について説明する図である。
【図７】 第１の実施の形態における、光導波路２０の出射面の概略形状を説明する図である。
【図８】 第１の実施の形態における、レーザ光の屈折の状態を説明する図である。
【図９】 第２の実施の形態における、光ファイバ３０の入射面の概略形状、及びレーザ光の屈折の状態をを説明する図である。
【図１０】 第３の実施の形態〜第５の実施の形態における、光導波路２０の出射面あるいは光ファイバ３０の入射面の概略形状を説明する図である。
【図１１】 第３の実施の形態〜第５の実施の形態における、レーザ光の屈折の状態を説明する図である。
【図１２】 従来の半導体レーザ集光装置の概略構成を説明する図である。
【図１３】 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。
【符号の説明】
２、２ａ、２ａ’、２ｃ、２ｅ、２ｅ’ レーザ光
１０ 半導体レーザアレイ
１２ 発光部
２０ 光導波路
２２ａ〜２２ｅ 第１レンズ（集光手段）
２５ 間隙部材
３０ 光ファイバ
１００ 集光レンズ
２００ 光導波路アレイ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を集光する集光装置、及びレーザ光を集光して出力するレーザ発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２に、従来の半導体レーザ集光装置の概略構成の例を示す。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２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２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。そして、長軸方向と短軸方向に２次元的に配列した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、レンズ群等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、図１２に示すように、レンズ群と光ファイバ３０を備え、レーザ光の発光部１２から光ファイバ３０までの間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバ３０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１２から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバ３０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して、入射したレーザ光を外部に反射させることなく、効率よく光ファイバに入射する（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。これにより、光ファイバ内におけるレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度がより小さくなり、レーザ光が光ファイバ内で全反射しながら進行し、光ファイバ外部への漏れによる損失を抑制できる。
ここで、発光部１２から出射されたレーザ光は、長軸方向及び短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、レンズ自身に非常に高い精度が要求され、そのレンズの配置位置も、非常に高い精度が要求される。
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長軸方向においては、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短軸方向においては、レンズの径が非常に小さく、配置も困難であるため、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１２に示すように、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２（ｍ、ｎ）（ｍ行ｎ列、図１２の例では、５行１６列）から出射されるレーザ光を、長軸方向コリメートレンズアレイ７０を通過させ、長軸方向集光レンズ８０を通過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ９０を通過させて光ファイバ３０（ｓ、ｔ）（ｓ行ｔ列、図１２の例では、１行８列）に入射している。
なお、全ての図面において、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１２（従来の半導体レーザ集光装置）の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図１３（Ａ）は、短軸方向に配列された２個の発光部から出射される２本のレーザ光と、長軸方向に配列された５個の発光部から出射される５本のレーザ光の合計１０本のレーザ光を、１本の光ファイバに集光している。図１３（Ａ）は、図１２をＸ軸方向から見た図（上から見た図）であり、図１３（Ｂ）は、図１２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、短軸方向においては、各発光部１２の幅（図１３（Ａ）中のＤw）は約０．２ｍｍであり、発光部と発光部の間隔（図１３（Ａ）中のＤp）は約０．２ｍｍである。また、各発光部から出射されるレーザ光の短軸方向の拡がり角（図１３（Ａ）中のθiny）は約３．５°である。
また、長軸方向において隣り合う発光部の間隔（図１３（Ｂ）中のＤh）は約１．７５ｍｍであり、各発光部の厚さ（図１３（Ｂ）中のＤt）は約０．００２ｍｍである。また
、各発光部から出射されるレーザ光の長軸方向の拡がり角（図１３（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３０に、短軸方向において２本のレーザ光を集光し、長軸方向において５本のレーザ光を集光する。また、短軸方向の入射角（図１３（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１３（Ａ）において、短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短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、上記の数値の場合は、発光部１２から約１．６ｍｍの位置である。
しかし、発光部１２から約１．６ｍｍまでの距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を配置する必要があり、事実上、配置は非常に困難である。
【０００７】
また、この場合、短軸方向集光レンズアレイ９０の焦点距離（ｆ９０）を、発光部１２から短軸方向集光レンズアレイ９０までの距離（この場合、約１．６ｍｍ）に設定すると、短軸方向における集光の効率がほぼ最適になり、発光部１２から光ファイバ３０までの距離（図１３（Ａ）中のＬ）は、約３．２ｍｍとなる。
しかし、例えば長軸方向に１．７５ｍｍ間隔で配列された５個の発光部から出射されるレーザ光を、長軸方向の入射角を１０°未満とするためには、約１９．８５ｍｍ以上の距離が必要であり、必要な数のレーザ光を集光することが非常に困難である。
【０００８】
従って、以下の課題を解決する必要がある。
短軸方向集光レンズアレイ９０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、長軸方向コリメートレンズアレイ７０と短軸方向集光レンズアレイ９０を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ３０の位置も発光部１２から短い距離になり、長軸方向の入射角（θoutx）を小さく設定すると、長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、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる集光装置及びレーザ発光装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載の集光装置では、光導波路に入射された光は、所定の方向に、且つ所定の位置に集光され、光ファイバに入射される。その際、光導波路の出射面で屈折する前の光の角度（光ファイバの長手方向に対する角度）に対して、光ファイバの入射面で屈折した後の光の角度（光ファイバの長手方向に対する角度）を小さくするための屈折手段を、光導波路の出射面と光ファイバの入射面との間に設ける。
これにより、光ファイバへの光の入射角を小さくするために光導波路の入射面から出射面までの距離を大きくする必要がなくなり、光導波路を小型化することができる。また、光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１０】
また、本実施の形態に記載の集光装置では、所定の屈折率を有する充填材を、光導波路の出射面と光ファイバの入射面との間に充填する。
光導波路の屈折率、充填材の屈折率、光ファイバの屈折率を各々適切に設定することにより、光導波路の出射面から出射された光の屈折方向、及び光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向を適切に調節することができ、光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１１】
また、本実施の形態に記載の集光装置では、光導波路に入射された光は、所定の方向に、且つ所定の位置に集光され、光ファイバに入射される。
例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の外側（光は光導波路の出射面から出射された先の位置に集光）で、光導波路の屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率、且つ光ファイバの屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率の場合、光導波路の出射面に凹状の曲面を形成する。
この場合、光導波路の出射面に所定の方向に対して凹状の曲面を形成することで、光導波路の出射面から出射された光の屈折方向（所定の方向における屈折角度）を適切に調節することができ、光ファイバ内の光の進行方向と光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
また、例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の内側（光は光導波路の出射面から出射される前に集光され、当該集光位置から拡散しながら出射面から出射）で、光導波路の屈折率＜光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率＜光ファイバの屈折率の場合、光ファイバの入射面に凸状の曲面を形成する。
この場合、光ファイバの入射面に所定の方向に対して凹状の曲面を形成することで、光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向（所定の方向における屈折角度）を適切に調節することができ、光ファイバ内の光の進行方向と光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良く光を集光することができる。
【００１２】
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発光装置である。
請求項１に記載のレーザ発光装置は、楕円状に広がりながら進行するレーザ光をそれぞれ平行な出射方向に出射する複数の発光部が、前記楕円の長軸方向と短軸方向のそれぞれの方向に平行となるように２次元状に配列された半導体レーザアレイと、前記発光部の各々から出射される前記レーザ光の各々が入射面から入射されると、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射する光導波路と、前記光導波路にて集光されたレーザ光が入射される光ファイバと、前記光ファイバから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、
を備えたレーザ発光装置におけるものである。
前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなる屈折手段が設けられている。
前記光導波路の前記短軸方向における幅は、入射面から出射面までほぼ同じ寸法であり、入射されたレーザ光を前記短軸方向に閉じ込めて導光し、前記光導波路の入射面には、前記長軸方向毎のグループの発光部から出射されるレーザ光の各々を前記長軸方向に対して設定したレーザ集光位置に向けて、前記長軸方向に対して集光するレンズを前記発光部毎に備える。
そして、前記グループ毎に対応させた前記光導波路が前記短軸方向に複数配列されるとともに、前記光導波路と、前記光導波路よりも小さな屈折率を有する間隙部材と、を交互に積層した光導波路アレイが構成されている。
これにより、光ファイバへのレーザ光の入射角を小さくするために各光導波路の入射面から出射面までの距離を大きくする必要がなくなり、光導波路アレイを小型化することができ、レーザ発光装置を小型化することができる。また、各光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１３】
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発光装置である。
請求項２に記載のレーザ発光装置は、請求項１に記載のレーザ発光装置であって、更に、前記光導波路の屈折率よりも大きく且つ前記光ファイバの屈折率よりも小さい屈折率を有する充填材が、前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙に充填されている。
光導波路の屈折率、充填材の屈折率、光ファイバの屈折率を各々適切に設定することにより、各光導波路の出射面から出射された光の屈折方向、及び対応する光ファイバの入射面に入射された光の屈折方向を適切に調節することができ、各光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１４】
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発光装置である。
請求項３に記載のレーザ発光装置は、請求項１または２に記載のレーザ発光装置であって、前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、前記レーザ集光位置と、前記光導波路の屈折率と、前記間隙の屈折率と、前記光ファイバの屈折率とに応じて、前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなるように、前記光導波路の出射面または前記光ファイバの入射面の少なくとも一方側には、前記長軸方向に対して凹状または凸状の曲面が設けられている、
例えば、光導波路で集光される所定の位置（レーザ集光位置に相当）が光導波路の出射面の外側（光は光導波路の出射面から出射された先の位置に集光）で、光導波路の屈折率＜光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率＜光ファイバの屈折率の場合、光ファイバの入射面に凹状の曲面を形成する。
この場合、各光導波路に対応する光ファイバの入射面に長軸方向に対して凹状の曲面を形成することで、当該光ファイバの入射面に入射されたレーザ光の屈折方向（長軸方向における屈折角度）を適切に調節することができ、当該光ファイバ内のレーザ光の進行方向と当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
また、例えば、光導波路で集光される所定の位置が光導波路の出射面の内側（光は光導波路の出射面から出射される前に集光され、当該集光位置から拡散しながら出射面から出射）で、光導波路の屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率、且つ光ファイバの屈折率＞光導波路と光ファイバの間（充填材、間隙等）の屈折率の場合、各光導波路の出射面に凸状の曲面を形成する。
この場合、各光導波路の出射面に長軸方向に対して凸状の曲面を形成することで、光導波路の出射面から出射されたレーザ光の屈折方向（長軸方向における屈折角度）を適切に調節することができ、対応する光ファイバ内のレーザ光の進行方向と当該光ファイバの長手方向とのなす角度をより小さくすることができるので、効率良くレーザ光を集光することができる。
【００１５】
【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、本発明の集光装置及びレーザ発光装置の一実施の形態の概略構成図を示している。
図１に示す実施の形態では、図１２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３０との距離を非常に大きくできる（従来では約３．２ｍｍのところを、本実施の形態ではレーザ光の進行方向に対する光導波路アレイ２００の長さに応じて、数ｃｍ以上（本実施の形態の例では、約２０ｃｍ）に設定することも可能）。このため、光ファイバ３０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集光することができる。
また、図１２に示す従来のレーザ集光装置に対して、長軸方向コリメートレンズアレイ７０、長軸方向集光レンズ８０、短軸方向集光レンズアレイ９０とを省略し、その代わりに光導波路アレイ２００を設けているので、構成が簡素化され、組み付け時の調整等（各レンズ等の配置位置の微調整等）が従来のレーザ集光装置に比して、非常に容易である。
【００１６】
●［全体構成（図１）］
図１に示す本実施の形態では、発光部１２（ｍ，ｎ）（ｍ行ｎ列、図１の例では５行１６列）を、長軸方向毎の複数の第１グループに分割し、各第１グループ毎のレーザ光を各光導波路２０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）で集光して、各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）（ｓ行ｔ列、図１の例では１行１６列）に入射する。
【００１７】
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。
光導波路アレイ２００は、発光部１２（ｍ，ｎ）の長軸方向毎の各第１グループ毎に対応する光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向に複数配列されて構成されている。各光導波路２０（ｓ，ｔ）内に入射されたレーザ光は、入射された光導波路２０（ｓ，ｔ）内を、ほぼ全反射しながら進行する（詳細は後述する）。
光導波路アレイ２００は、半導体レーザアレイ１０の各発光部１２から入射された複数のレーザ光を、長軸方向に対して各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面に集まるように、長軸方向に集光（束ね、あるいは集約）する。
なお、以下、「束ねる」とは、各レーザ光の径をほぼ縮めることなく複数のレーザ光を集めることをいい、「集約する」とは、各レーザ光の径を縮めるあるいは径を縮めるとともに複数のレーザ光を集めることをいう。また、「集光する」とは、「束ねる」あるいは「集約する」方法を用いて、レーザ光の出力を高めることをいう。
【００１８】
各光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面には、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の出射面から、少なくとも長軸方向に集光されたレーザ光が入射される。そして、集光レンズ１００は、任意の形状に束ねられた光ファイバ３０の出射面から出射されたレーザ光を、各々所定の位置に集光する。これにより、半導体レーザアレイ１０の複数の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射された複数のレーザ光は、所定の位置に集光され、加工等に用いることができるように、レーザ光の出力を増大させることができる。
【００１９】
●［光導波路２０（ｓ，ｔ）の概略構造（図２）］
次に、図２を用いて光導波路２０の概略構造について説明する。光導波路２０におけるレーザ光の入射面には集光手段として、複数のレンズ（例えば、ほぼ短軸方向に中心軸を有するシリンドリカル状の凸状レンズ２２ａ〜２２ｅ（第１レンズ））が長軸方向に複数配列して構成されている。
また、図２に示す光導波路２０の例では、第１レンズ２２ａ〜２２ｅが配置された面をレーザ光の入射面として、当該入射面と反対側に位置する面をレーザ光の出射面としている。そして、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射するために、図２に示す例では、長軸方向（Ｘ軸方向）において、入射面の寸法よりも出射面の寸法の方が小さくなるように構成されている（テーパ形状に構成されている）。なお、本実施の形態では、入射面と出射面の短軸方向（Ｙ軸方向）における寸法はほぼ同じであるが、出射面の方が小さな寸法となるように構成してもよい。また、第１レンズを適切に構成すれば、特に長軸方向に対してテーパ形状にしなくとも長軸方向に集光することができる。
なお、光導波路２０は、ガラス等様々な材質を用いることができる。
【００２０】
●［各構成要素の配置と、光ファイバまでのレーザ光の集光状態（図３）］
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、発光部１２、光導波路アレイ２００、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する。
図３（Ａ）は、長軸（fast軸）方向から見た図である。各発光部１２から出射されたレーザ光は、光導波路アレイ２００の各光導波路２０の入射面に入射されると、短軸方向においては各光導波路２０内を反射しながら当該光導波路２０からほとんど外部に漏れることなく進行し、（当該光導波路２０の出射面に到達し、）光ファイバ３０の入射面に入射される。
【００２１】
また、図３（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３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）の各第１レンズ２２ａ〜２２ｅの焦点距離を（ｆ）とする。
なお、図３（Ｂ）において、光導波路２０（ｓ，ｔ）を、発光部１２（ｍ，ｎ）から当該光導波路２０（ｓ，ｔ）の第１レンズの焦点距離（ｆ）の位置に配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、幅がほぼ均一化され、図３（Ｂ）中に２ａで示すように集光される（この場合は束ねられる）。
また、光導波路２０（ｓ，ｔ）を発光部１２（ｍ，ｎ）から当該光導波路２０（ｓ，ｔ）の焦点距離（ｆ）よりもやや遠い（Ｓ6）の位置に配置し、（１／Ｓ6＋１／Ｔ6＝１／ｆ）が成立するＳ6及びＴ6を設定し、発光部１２からＳ6＋Ｔ6の距離に光ファイバ３０（ｓ、ｔ）の入射面を配置すると、光導波路２０（ｓ，ｔ）を通過したレーザ光は、図３（Ｂ）中に２ｃ〜２ｅで示すように集光される（この場合は集約される）。
【００２２】
●［積層型光導波路の概略構造（図４）］
次に、図４を用いて、図３（Ａ）に示した光導波路アレイ２００の概略構成について説明する。なお、図４は、長軸方向から見た図であり、理解を容易にするために、図３（Ａ）とは異なる寸法で記載している。
図４では、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の短軸方向の寸法を、ほぼ発光部１２（ｍ，ｎ）の短軸方向の長さに設定している。これにより、短軸方向においては、１個の発光部１２（ｍ，ｎ）から出射されたレーザ光を、当該発光部１２（ｍ，ｎ）に対応する１個の光導波路２０（ｓ，ｔ）に適切に入射することができる。また、各光導波路２０（ｓ，ｔ）が、短軸方向において、互いに干渉することがない。
【００２３】
更に、各光導波路２０（ｓ，ｔ）の間の間隙を、当該光導波路２０（ｓ，ｔ）よりも小さな屈折率を有する間隙部材２５で埋めて、光導波路２０と間隙部材２５とを短軸方向に交互に複数配列した光導波路アレイ２００を構成する。これにより、積層した光導波路（光導波路アレイ２００）のサイズを（短軸方向に）大きくすることができるので、第１レンズの加工等を行う場合の保持がより容易になり、加工等をより容易に行うことができる。また、レーザ発光装置として所定の位置に配置して、その配置位置を微調整する際、個々の光導波路毎に微調整する必要がなく、一括して微調整することができるので便利である。
【００２４】
●［光ファイバから出射されたレーザ光の集光（図５）］
次に、図５（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、図１において光ファイバ３０（ｓ，ｔ）から出射されるレーザ光が、集光レンズ１００で所定の位置（図５の［位置ＳＭ］）に集光される様子について説明する。
なお、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面は、図５（Ｃ）及び（Ｄ）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５（Ｃ））、四角形（図５（Ｄ））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。
【００２５】
図５（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１００の焦点距離を［ｆ１００］、［位置ＳＭ］から集光レンズ１００の中心までの距離（集光レンズ１００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１００の中心から光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面までの距離（集光レンズ１００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／ｆ１００
１／Ｓ3＋１／Ｔ3＝１／ｆ１００、且つＳ3＞Ｓ2
上記式に基づいた図５（Ａ）と（Ｂ）を比較すれば明らかなように、光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の出射面から集光レンズ１００の中心までの距離［距離ＳX］が大きくなるほど、集光レンズ１００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１００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１００から距離ｆ１００の位置（集光レンズ１００の焦点距離の位置）を集光点としてもよい。
【００２６】
●［光導波路２０における、各第１レンズの構造（光軸）及び配置（図６）］
次に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に、光導波路アレイ２００の光導波路２０（この場合、図２に示す光導波路２０）における、各第１レンズ（ここでは、第１レンズ２２ｂ、２２ｃ）の構造（光軸）及び配置の例について、詳細を説明する。
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示す図では、各第１レンズの光軸をほぼ光ファイバ３０（ｓ，ｔ）の入射面の方向に向けるとともに、各第１レンズの位置をレーザ光の進行方向（Ｚ軸方向）と長軸方向（Ｘ軸方向）に移動させて配置している。
【００２７】
次に、図６（Ａ）、（Ｂ）を用いて、第１レンズの光軸を傾斜させた場合の、発光部１２（２、１）に対応する第１レンズ２２ｂの配置等について詳細を説明する。図６（Ａ）は、レーザ光を「束ねる」方法を実現する配置の例であり、図６（Ｂ）は、レーザ光を「集約する」方法を実現する配置の例である。
【００２８】
●［光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置（図６（Ａ））］
以下、図６（Ａ）を用いて説明する。
第１レンズ２２ｃは、発光部１２（３、１）と、レーザ集光位置「Ｆ０」（この場合、光ファイバ３０（１、１）の内部であり、光導波路２０（１，１）の外部である）を結んだ直線と、第１レンズ２２ｃの光軸（Kc）が一致するように配置する。また、対応する発光部１２（３、１）から第１レンズ２２ｃの中心（Cc）までの距離が、第１レンズ２２ｃの焦点距離（ｆ）となる位置に配置する。
これにより、発光部１２（３、１）から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２ｃを通過すると、幅がほぼ均一なレーザ光となる。また、焦点距離（ｆ）の選定は、光ファイバ３０（１、１）の径を考慮して選定する（焦点距離（ｆ）を大きくすると、通過後のレーザ光の幅が大きくなるため）。
【００２９】
次に、第１レンズ２２ｂの配置を説明する。
まず、光ファイバ３０において、入射可能な最大受光角の正弦で表される開口数（以下、ＮＡという）より、光ファイバ３０への入射角（θ）を、以下のように設定する。
θ＜arcsin（ＮＡ）
発光部１２（２，１）と発光部１２（３，１）の長軸方向の距離を（ｄ）として、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）が、対応する発光部１２（２、１）から、長軸方向の距離（Lx1）、レーザ光の進行方向の距離（Lz1）を、以下のように設定する。
Lx1＝ｆ＊sinθ
Lz1＝ｆ＊cosθ
【００３０】
そして、第１レンズ２２ｂを通過して幅がほぼ均一化されたレーザ光の幅の半分を（ｂ）として、レーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Mz1＋Nz1）を以下のように設定する。
Mz1＝ｄ／tanθ
Nz1＝ｂ／sinθ
なお、発光部１２（３、１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）は、図３（Ａ）に示すように、ほぼ光導波路２０の長さ（レーザ光の進行方向の長さ）である。よって、以下の式が成立するように、光導波路２０の長さを選定する。
ｄ／tanθ＋ｂ／sinθ＝（ほぼ光導波路２０のＺ軸方向の長さ）
その他の発光部１２（ｍ，ｎ）に対しても同様に設定することができる。
ここで、光ファイバ３０（１，１）へのレーザ光の入射角（この場合「θ」）を小さく設定する（光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度を小さくする）と、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さが大きくなる。しかし、後述する第１の実施の形態〜第５の実施の形態とすることで、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さを短くできるとともに、光ファイバ３０（１，１）内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０（１，１）の長手方向とのなす角度を小さくすることができる。このため、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる。
【００３１】
●［光軸を傾斜させるとともにレーザ光を集約する配置（図６（Ｂ））］
以下、図６（Ｂ）を用いて説明する。
第１レンズ２２ｃは、発光部１２（３，１）と、レーザ集光位置「Ｆ０」（この場合、光ファイバ３０（１、１）の内部であり、光導波路２０（１，１）の外部である）を結んだ直線と、第１レンズ２２ｃの光軸（Kc）が一致するように配置する。また、対応する発光部１２（３、１）から第１レンズ２２ｃの中心（Cc）までの距離が、第１レンズ２２ｃの焦点距離（ｆ）よりも長い距離（Ｓ）となる位置に配置する。また、第１レンズ２２ｃの中心（Cc）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｔ）として、以下の式が成立するようにｆ、Ｓ、Ｔを設定する。
１／ｆ＝１／Ｓ＋１／Ｔ
また、Ｓ＋Ｔ＝Ｌであるため、Ｓ、Ｔは以下となる。
Ｓ＝［Ｌ−√（Ｌ2−４＊Ｌ＊ｆ）］／２
Ｔ＝［Ｌ＋√（Ｌ2−４＊Ｌ＊ｆ）］／２（なお、Ｓ＜Ｔとする）
これにより、発光部１２（３、１）から出射されたレーザ光は、第１レンズ２２ｃを通過すると、幅が集約されていく。
【００３２】
次に、第１レンズ２２ｂの配置を説明する。
まず、光ファイバ３０への入射角（θ）を、以下のように設定する。
θ＜arcsin（ＮＡ）
発光部１２（２，１）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｌ1）、発光部１２（２，１）から第１レンズ２２ｂの中心（Cb）までの距離を（Ｓ1）、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）から光ファイバ３０（１，１）の入射面までの距離を（Ｔ1）とすると、以下の式が成立する。
Ｌ1＝ｄ／sinθ
Ｓ1＝［Ｌ1−√（Ｌ1 2−４＊Ｌ1＊ｆ）］／２
Ｔ1＝［Ｌ1＋√（Ｌ1 2−４＊Ｌ1＊ｆ）］／２
【００３３】
また、第１レンズ２２ｂの中心（Cb）が、対応する発光部１２（２、１）から、長軸方向の距離（Lx2）、レーザ光進行方向の距離（Lz2）を、以下のように設定する。
Lx2＝Ｓ1＊sinθ
Lz2＝Ｓ1＊cosθ
そして、発光部１２（３，１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）を以下のように設定する。
Ｌ＝ｄ／tanθ
なお、発光部１２（３、１）からレーザ集光位置「Ｆ０」までの距離（Ｌ）は、図３（Ａ）に示すように、ほぼ光導波路２０の長さ（レーザ光の進行方向の長さ）である。よって、以下の式が成立するように、光導波路２０の長さを選定する。
ｄ／tanθ＝（ほぼ光導波路２０のＺ軸方向の長さ）
その他の発光部１２（ｍ，ｎ）に対しても同様に設定することができる。
ここで、光ファイバ３０（１，１）へのレーザ光の入射角（この場合「θ」）を小さく設定する（光ファイバ内のレーザ光の進行方向と、光ファイバの長手方向とのなす角度を小さくする）と、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さが大きくなる。しかし、後述する第１の実施の形態〜第５の実施の形態とすることで、光導波路２０（１，１）のＺ軸方向の長さを短くできるとともに、光ファイバ３０（１，１）内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０（１，１）の長手方向とのなす角度を小さくすることができる。このため、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる。
【００３４】
以上では、各第１レンズの焦点距離（ｆ）を一定として、距離（Ｓ1）を各第１レンズ毎に設定したが、距離（Ｓ1）を一定として、各第１レンズ毎に焦点距離（ｆ）を設定することも可能である。
この場合、距離（Ｓ1）を一定として、焦点距離（ｆ）及び距離（Ｔ1）を以下のように設定する。
ｆ＝Ｓ1−（Ｓ1）2／Ｌ1
Ｔ1＝Ｌ1−Ｓ1
この場合、各第１レンズ毎に焦点距離（ｆ）が異なるため、各第１レンズ毎に曲率が異なる。発光部が中心から離れる程（光ファイバへの入射角が大きくなる程）、距離（Ｌ1）が大きくなり、対応する第１レンズの焦点距離（ｆ）が大きくなるため、曲率が小さくなる（曲率半径が大きくなる）。
【００３５】
なお、第１レンズの断面が真円である場合、第１レンズのレンズ面が、当該真円の中心（図６（Ａ）及び（Ｂ）のＰｂ、Ｐｃ）まわりに回転しても、その特性は変わらない。そこで、図６（Ａ）に示した光軸を傾斜させた第１レンズにおいて、入射されるレーザ光の進行方向に対して、当該光軸がほぼ平行になるように回転させれば、光軸を傾斜させることなく、図６（Ａ）と同じ効果を実現できる。また、図６（Ｂ）においても同様である。
【００３６】
以下に、光導波路２０から出射されたレーザ光を光ファイバ３０に入射する際、光導波路２０のＺ軸方向の長さを短くするとともに、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度を小さくすることができ、レーザ光の集光効率の向上と、レーザ集光装置の小型化を両立させることができる、第１の実施の形態〜第５の実施の形態について順に説明する。
【００３７】
◆［第１の実施の形態］
第１の実施の形態の概略図を、図７（Ａ）に示す。
第１の実施の形態は、光導波路２０の出射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して凹状の曲面を含ませている。また、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、当該光導波路２０の出射面の外部の「Ｆ０」である。
これにより、図７（Ｂ）に示すような、光導波路２０の出射面（平面）と光ファイバ３０の入射面（平面）において、「位置ＳＦ」で平面と平面が向き合うように構成した場合の集光位置「Ｆ０」よりも、より遠い位置「Ｆα（図７（Ａ）に示す）」に集光位置を移動させることができる。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）において、レーザ光２ａは、第１レンズ２２ａ（図２）を通過してきたレーザ光を示し、レーザ光２ｅは、第１レンズ２２ｅ（図２）を通過してきたレーザ光を示している。
また、光導波路２０の出射面に形成した凹状の曲面の概略形状は、図７（Ａ）の右下の斜視図に示すように、この例では非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００３８】
次に、図８（Ａ）、（Ｂ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば大気）の屈折率を「ｎ０」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図８（Ａ）及び（Ｂ）は、ｎ０＜ｎ１、且つｎ０＜ｎ２の場合の図である。
【００３９】
図８（Ａ）は、図７（Ａ）における「ａ」部分の拡大図である。レーザ光２ａは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θ１」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ１であるため、レーザ光２ａは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θ０」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθ１＝ｎ０＊sinθ０
が成立する。また、ｎ０＜ｎ１より、
θ１＜θ０
が成立する。このため、角度「θ０」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ａ’とする。
【００４０】
そして、レーザ光２ａ’は、屈折率「ｎ０」の間隙内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ０＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ０＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００４１】
次に、図８（Ｂ）を用いて、光導波路２０の出射面における凹状の曲面の形状の求め方を説明する。
光導波路２０に入射される複数のレーザ光は、当該光導波路２０の入射面に形成された第１レンズ２２ａ〜２２ｅ（図２）により屈折され、これらの全てのレーザ光は仮想焦点「Ｆ０」に向かって進行する（集光される）。このレーザ光の集光位置を、仮想焦点「Ｆ０」から焦点「Ｆα」に変換するには、光導波路２０の出射面における凹状の曲面の形状が重要である。
まず、仮想焦点「Ｆ０」を中心として半径Ｒの円（図８（Ｂ）中の２点鎖線で示す仮想円）を描く。全てのレーザ光は、この円を通過した後、仮想焦点「Ｆ０」に到達する。このとき円（仮想円）から仮想焦点「Ｆ０」までの距離はＲである。光導波路２０の屈折率を「ｎ１」として、仮想焦点「Ｆ０」と円（仮想円）の間に境界がなく、仮想焦点「Ｆ０」と円（仮想円）は光導波路の内部であると仮定すると、光路長は、
ｎ１＊Ｒ
となり、全てのレーザ光について一定である。
【００４２】
次に、円（仮想円）と仮想焦点「Ｆ０」の間に、凹状の曲面を有する出射面が存在するときを考える。中心光軸上（図８（Ｂ）中のＺ軸方向の１点鎖線）のレーザ光において、円（仮想円）から凹状の出射面までの距離をＬａ、凹状の出射面から焦点「Ｆα」までの距離をＬｂとする。また、任意のレーザ光において（この例では、図８（Ｂ）中のレーザ光２ａ）、円（仮想円）から凹状の出射面までの距離をＬａ’、凹状の出射面から焦点「Ｆα」までの距離をＬｂ’とする。全てのレーザ光が焦点「Ｆα」に集光するためには、上記の凹状の出射面が無い場合と同様に、光路長が一定でなければならない。光導波路２０出射面の先の間隙の屈折率を「ｎ０」とすると、
ｎ１＊Ｌａ＋ｎ０＊Ｌｂ＝ｎ１＊Ｌａ’＋ｎ０＊Ｌｂ’ （式１）
を満足する必要がある。
凹状の出射面の形状（非球面形状）は、光導波路２０内を進行する各レーザ光毎に上記（式１）を満足するような出射点（凹状の出射面上の通過点）を求め、これらの点群を結ぶことにより得られる。
【００４３】
次に、図８（Ｃ）を用いて、ビーム品質（Beam Parameter Product：BPP）について説明する。レーザ光等、光の回折限界により生ずるビームウエストｂｗは、光の波長をλ、全角をθ（図８（Ｃ）に示す拡がり角）とすると、次式で与えられる。
ｂｗ＝４＊λ／（π＊θ） （式２）
これより、全角θが大きい程、ビームウエストｂｗが小さくなり、より小さなスポットサイズに集光することができる。
また、ビーム品質（ＢＰＰ）は、次式で与えられる。
ＢＰＰ＝（ｂｗ／２）＊（θ／２） （式３）
上記の（式３）に、（式２）を代入すると、
ＢＰＰ＝λ／π （式４）
が得られる。
【００４４】
上記の（式４）によると、ビーム品質は全角θに影響されないので、全角θを大きくしても、ビーム品質を低下させることなく、集光することができる。このため、光導波路２０のＺ軸方向の長さを短くして、全角θを大きくした場合、光ファイバ３０への入射角が大きくなるが、光導波路２０の出射面に、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示すような凹状の曲面を含ませることで、光ファイバ３０への入射角を充分小さくすることができる。
これにより、光導波路アレイ２００のサイズを小さくする（Ｚ軸方向の長さを短くする）とともに、光ファイバ３０への入射角を小さくすることができ、集光効率を向上させるとともに、レーザ発光装置のサイズをより小型化することが可能である。
【００４５】
◆［第２の実施の形態］
第２の実施の形態の概略図を、図９（Ａ）に示す。
第２の実施の形態は、光導波路２０の出射面でなく、光ファイバ３０の入射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して凹状の曲面を含ませている。また、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、第１の実施の形態と同様に、当該光導波路２０の出射面の外部の「Ｆ０」である。
これにより、図９（Ｂ）に示すような、光導波路２０の出射面（平面）と光ファイバ３０の入射面（平面）において、「位置ＳＦ」で平面と平面が向き合うように構成した場合の集光位置「Ｆ０」よりも、より遠い位置「Ｆβ（図９（Ａ）に示す）」に集光位置を移動させることができる。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
また、光ファイバ３０の入射面に形成した凹状の曲面の概略形状は、図９（Ａ）の右下の斜視図に示すように、この例では非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００４６】
次に、図９（Ｃ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば所定の屈折率を有する充填材等）の屈折率を「ｎ３」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図９（Ａ）及び（Ｃ）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。
【００４７】
図９（Ｃ）は、図９（Ａ）における「ｂ」部分の拡大図である。レーザ光２ａは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θin」で到達する。そして、屈折率がｎ１＜ｎ３であるため、レーザ光２ａは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θout」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθin＝ｎ３＊sinθout
が成立する。また、ｎ１＜ｎ３より、
θout＜θin
が成立する。このため、角度「θout」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ａ’とする。
【００４８】
そして、レーザ光２ａ’は、屈折率「ｎ３」の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面（光ファイバ３０の入射面は、凹状の曲面を有している）に、角度「θ３」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θ２」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθ３＝ｎ２＊sinθ２
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θ２＜θ３
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、光ファイバ３０の凹状の曲面の形状は、第１の実施の形態と同様の考え方で求めることができるため、説明を省略する。
【００４９】
◆［第３の実施の形態］
第３の実施の形態の概略図を、図１０（Ａ）に示す。
第３の実施の形態は、光導波路２０の出射面において、長軸方向（Ｘ軸方向）に対して、凹状の曲面でなく、凸状の曲面を含ませている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置は、当該光導波路２０の出射面の内部の「Ｆ０」である。
このため、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
また、凸状の曲面の概略形状は、この例では第１の実施の形態と同様に、非球面形状であり、短軸方向（Ｙ軸方向）においては曲面を形成していない。
【００５０】
次に、図１１（Ａ）を用いて、レーザ光２ｅの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば大気）の屈折率を「ｎ０」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図１０（Ａ）及び図１１（Ａ）は、ｎ０＜ｎ１、且つｎ０＜ｎ２の場合の図である。
【００５１】
図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）における「ｃ」部分の拡大図である。レーザ光２ｅは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θ１」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ１であるため、レーザ光２ｅは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θ０」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθ１＝ｎ０＊sinθ０
が成立する。また、ｎ０＜ｎ１より、
θ１＜θ０
が成立する。このため、角度「θ０」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ｅ’とする。
【００５２】
そして、レーザ光２ｅ’は、屈折率「ｎ０」の間隙内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ０＜ｎ２であるため、レーザ光２ａ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ０＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ０＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
なお、光ファイバ３０の凸状の曲面の形状は、第１の実施の形態と同様の考え方で求めることができるため、説明を省略する。
【００５３】
◆［第４の実施の形態］
第４の実施の形態の概略図を、図１０（B）に示す。
第４の実施の形態は、光導波路２０の出射面、及び光ファイバ３０の入射面は、ともに平面であるが、互いの平面の間に、所定の屈折率を有する充填材を設けている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置「Ｆ０」は、当該光導波路２０の出射面の内部であっても外部であってもよい。この例では、集光位置「Ｆ０」は光導波路２０の内部である。
この場合、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５４】
次に、図１１（Ｂ）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。この例では、光導波路２０の屈折率を「ｎ１」、間隙部分（例えば所定の屈折率を有する充填材等）の屈折率を「ｎ３」、光ファイバ３０の屈折率を「ｎ２」としている。また、図１０（Ｂ）及び図１１（Ｂ）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。
【００５５】
図１１（Ｂ）は、図１０（Ｂ）における「ｄ」部分の拡大図である。レーザ光２ｅは、光導波路２０の内部を進行し、当該光導波路２０の出射面に、角度「θin」で到達する。そして、屈折率がｎ１＜ｎ３であるため、レーザ光２ｅは、光導波路２０の出射面から出射される際、角度「θout」で出射される。このとき、
ｎ１＊sinθin＝ｎ３＊sinθout
が成立する。また、ｎ１＜ｎ３より、
θout＜θin
が成立する。このため、角度「θout」の屈折により、光ファイバ３０の入射面への入射角「θout」がより小さくなる。このレーザ光を２ｅ’とする。
【００５６】
そして、レーザ光２ｅ’は、屈折率ｎ３の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θout」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ｅ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θｚ」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθout＝ｎ２＊sinθｚ
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θｚ＜θout
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５７】
◆［第５の実施の形態］
第５の実施の形態の概略図を、図１０（C）に示す。
第５の実施の形態は、第４の実施の形態に加えて、光ファイバ３０の入射面に、長軸方向（X軸方向）に対して凸状の曲面を含ませている。なお、光導波路２０に入射されたレーザ光（この場合、レーザ光２ａ、２ｅ）の集光位置「Ｆ０」は、当該光導波路２０の出射面の内部である。
この場合、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向とのなす角度がより小さくなり、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失が抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００５８】
次に、図１１（C）を用いて、レーザ光２ａの屈折の状態を説明する。第４の実施の形態と同様に、図１０（C）及び図１１（C）は、ｎ１＜ｎ３＜ｎ２の場合の図である。以下、第４の実施の形態との相違点について説明する。
【００５９】
レーザ光２ｅ’までは、第４の実施の形態と同じである。レーザ光２ｅ’は、屈折率ｎ３の充填材内を進行し、光ファイバ３０の入射面に、角度「θ３」で到達する。そして、屈折率がｎ３＜ｎ２であるため、レーザ光２ｅ’は、光ファイバ３０の入射面に入射されると、角度「θ２」で進行する。このとき、
ｎ３＊sinθ３＝ｎ２＊sinθ２
が成立する。また、ｎ３＜ｎ２より、
θ２＜θ３
が成立する。
以上により、光導波路２０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Ｚ軸方向）とのなす角度「θin」よりも、光ファイバ３０内のレーザ光の進行方向と光ファイバ３０の長手方向（Z軸方向）とのなす角度「θｚ」の方が、より小さい角度となる。
これにより、光ファイバ３０に入射されたレーザ光の外部への漏れによる損失を抑制でき、集光効率を向上させることができる。
【００６０】
本発明の集光装置及びレーザ発光装置は、本実施の形態で説明した形状、構成等に限定されず、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レーザ発光装置は、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、光導波路２０及び光ファイバ３０の形状、サイズ、材質等は、実施の形態の説明及び図に限定されるものではない。
また、各実施の形態における光導波路２０は、図１の集光システム（レーザ発光装置）に組み込まれる場合、図２に示す第１レンズ２２ａ〜２２ｅが精密加工されるが、全体形状は、図２に示す三角形に限定されない。
また、本実施の形態では、光導波路に入射されたレーザ光を所定の方向に、且つ所定の位置に集光する集光手段として、各光導波路の入射面に第１レンズを設けたが、第１レンズを設ける代わりに、各光導波路の入射面にレンズを設けることなく平面として、光導波路アレイと半導体レーザアレイとの間に、第１レンズに相当するレンズアレイを設けるようにしてもよい。集光手段は、種々の方法で実現することができる。
さらに、光導波路２０の出射面と光ファイバ３０の入射面との間に充填材を介在させる場合、光導波路２０の出射面に凹面または凸面を形成してもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本実施の形態に記載の集光装置、あるいは請求項１〜３に記載のレーザ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、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる集光装置及びレーザ発光装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の集光装置及びレーザ発光装置の一実施の形態の概略構成図である。
【図２】 光導波路２０の概略構造について説明する図である。
【図３】 発光部１２、光導波路アレイ２００、光ファイバ３０の配置位置と、光ファイバ３０までのレーザ光の集光状態について説明する図である。
【図４】 光導波路アレイ２００の概略構成について説明する図である。
【図５】 光ファイバ３０（ｓ，ｔ）から出射されるレーザ光が、集光レンズ１００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６】 光導波路アレイ２００の光導波路２０における、各第１レンズの構造（光軸）及び配置の例について説明する図である。
【図７】 第１の実施の形態における、光導波路２０の出射面の概略形状を説明する図である。
【図８】 第１の実施の形態における、レーザ光の屈折の状態を説明する図である。
【図９】 第２の実施の形態における、光ファイバ３０の入射面の概略形状、及びレーザ光の屈折の状態をを説明する図である。
【図１０】 第３の実施の形態〜第５の実施の形態における、光導波路２０の出射面あるいは光ファイバ３０の入射面の概略形状を説明する図である。
【図１１】 第３の実施の形態〜第５の実施の形態における、レーザ光の屈折の状態を説明する図である。
【図１２】 従来の半導体レーザ集光装置の概略構成を説明する図である。
【図１３】 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。
【符号の説明】
２、２ａ、２ａ’、２ｃ、２ｅ、２ｅ’ レーザ光
１０ 半導体レーザアレイ
１２ 発光部
２０ 光導波路
２２ａ〜２２ｅ 第１レンズ（集光手段）
２５ 間隙部材
３０ 光ファイバ
１００ 集光レンズ
２００ 光導波路アレイ
Claims (3)
- 楕円状に広がりながら進行するレーザ光をそれぞれ平行な出射方向に出射する複数の発光部が、前記楕円の長軸方向と短軸方向のそれぞれの方向に平行となるように２次元状に配列された半導体レーザアレイと、
前記発光部の各々から出射される前記レーザ光の各々が入射面から入射されると、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射する光導波路と、
前記光導波路にて集光されたレーザ光が入射される光ファイバと、
前記光ファイバから出射されるレーザ光を集光する集光レンズと、
を備えたレーザ発光装置において、
前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、
前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなる屈折手段が設けられており、
前記光導波路の前記短軸方向における幅は、入射面から出射面までほぼ同じ寸法であり、入射されたレーザ光を前記短軸方向に閉じ込めて導光し、
前記光導波路の入射面には、前記長軸方向毎のグループの発光部から出射されるレーザ光の各々を前記長軸方向に対して設定したレーザ集光位置に向けて、前記長軸方向に対して集光するレンズを前記発光部毎に備え、
前記グループ毎に対応させた前記光導波路が前記短軸方向に複数配列されるとともに、前記光導波路と、前記光導波路よりも小さな屈折率を有する間隙部材と、を交互に積層した光導波路アレイが構成されている、
レーザ発光装置。 - 請求項１に記載のレーザ発光装置であって、
前記屈折手段として、前記光導波路の屈折率よりも大きく且つ前記光ファイバの屈折率よりも小さい屈折率を有する充填材が、前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙に充填されている、
レーザ発光装置。 - 請求項１または２に記載のレーザ発光装置であって、
前記光導波路の出射面と前記光ファイバの入射面との間隙において、
前記レーザ集光位置と、前記光導波路の屈折率と、前記間隙部の屈折率と、前記光ファイバの屈折率とに応じて、
前記長軸方向において前記光導波路の前記出射面で屈折する直前の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度よりも、前記長軸方向において前記光ファイバに入射されて屈折した直後の前記レーザ光の進行方向と前記出射方向とがなす角度のほうが小さくなるように、前記光導波路の出射面または前記光ファイバの入射面の少なくとも一方側には、前記長軸方向に対して凹状または凸状の曲面が設けられている、
レーザ発光装置。
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