JP3958826B2

JP3958826B2 - 集光装置

Info

Publication number: JP3958826B2
Application number: JP8958397A
Authority: JP
Inventors: 新高; 英夫鈴木; 正臣高坂; 寧大林; 正之齊藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: JPH10284779A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光装置に関し、例えば固体レーザの励起に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザを励起光源とした固体レーザは、高効率、長寿命、小型化が図れることから、最近注目を集めている。固体レーザの励起光源として用いる半導体レーザは高出力が要求されるため、通常は活性層をいくつかの単一モードストライプに分割したアレイ構造を持つ半導体レーザアレイ、あるいはその半導体レーザアレイをスタック状に積層した半導体レーザアレイスタックが用いられる。
【０００３】
また、半導体レーザ励起の固体レーザにおいては、固体レーザの光軸方向から光励起させる端面励起方式が、固体レーザの出力パターン、効率を共に良くすることが知られている。そのために、固体レーザ励起用に用いる半導体レーザの集光装置においては、半導体レーザにより発光された光を効率よく固体レーザの端面に集光することが重要である。
【０００４】
しかし、半導体レーザはビーム発散角が大きいため、集光のための光学系を半導体レーザに近接して設置しなくてはならず、レーザ光の集光は容易ではない。この問題を解決するために、半導体レーザから出射された光を一旦平行化し、その後に集光するという発明がなされている（特公平７−１１２０８３）。この発明によると、レーザ光の発散による損失を軽減でき、固体レーザの端面に対して高効率の集光が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記にも示したように、固体レーザの励起光源として用いる半導体レーザは高出力が要求されるため、通常は半導体レーザアレイあるいは半導体レーザアレイスタックが用いられる。しかし、半導体レーザは放射熱が大きいため、半導体レーザアレイスタックとして組み上げるために積層できる半導体レーザアレイの数は制限される。従って、高出力のレーザを出力するための半導体レーザアレイスタックは、それぞれの半導体レーザアレイを長くすることが必要となり、縦長あるいは横長の長方形になってしまう。
【０００６】
半導体レーザアレイスタックから出力された光束は、従来技術の如く、光を平行化した後に簡単な凸レンズで集光される。しかしこの方法においては、光束が長方形のために集光面も長方形となり、固体レーザの端面に光が効率よく照射されない。また、集光のための凸レンズは、長方形である光束の長辺をカバーしなければならず、照射される光束の面積に比較してかなり大きくする必要がある。
【０００７】
一方、この集光面を正方形に近くするために、集光レンズの形状を特別に加工することも考えられるが、加工は極めて困難であり、多大な費用を要す。
【０００８】
上記の問題は、単一の半導体レーザアレイを光源として用いるときも同様に発生する。
【０００９】
そこで本発明は、これらの問題を解決するために、半導体レーザアレイあるいは半導体レーザアレイスタックから出力されたレーザ光を容易に、効率良く集光することができる集光装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の集光装置は、断面が長方形である平行光束を発する光源と、平行光束の光路上に配置され、平行光束の一部を第１の所定の角度に反射させる第１の反射手段と、第１の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、第１の反射手段によって反射された光束を反射させる第２の反射手段と、平行光束の光路上に配置され、第１の反射手段によって反射されなかった光束の一部を第２の所定の角度に反射させる第３の反射手段と、第３の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、第３の反射手段によって反射された光束を反射させる第４の反射手段と、第２及び第４の反射手段により反射された光束と第１及び第３の反射手段により反射されなかった光束とを一括して集光する集光手段と、を備え、第２及び第４の反射手段は、第１及び第３の反射手段で反射された光束各々を、第１及び第３の反射手段によって反射されなかった光束に平行且つ上記平行光束の長手方向と略直交する方向において隣接するように反射させることを特徴としている。
【００１１】
第１〜第４の反射手段を備えることにより、極端に縦長あるいは横長の長方形の断面をもつ光束であっても、第１及び第３の反射手段により３つに分割され、第２及び第４の反射手段によって断面が正方形により近くなるように並べ替えることができる。その結果、集光手段によって効率の良い集光が可能となる。
【００１８】
これらの発明の集光装置において、光源が、半導体レーザアレイと、半導体レーザアレイに平行に配置されたシリンドリカルレンズとから構成されていることを特徴としても良い。
【００１９】
半導体レーザアレイから出射されたレーザー光をシリンドリカルレンズで集光することにより、断面が長方形の平行光を生成することができる。
【００２０】
これらの発明の集光装置において、光源が、複数の半導体レーザアレイがスタック状に配置された半導体レーザアレイスタックと、各半導体レーザアレイに対して、１つずつ平行に配置された複数のシリンドリカルレンズとから構成されていることを特徴としても良い。
【００２１】
半導体レーザアレイスタックから出射されたレーザー光を、各半導体レーザアレイに対して１つずつ平行に配置された複数のシリンドリカルレンズで集光することによって断面が長方形の平行光を生成することができる。
【００２２】
これらの発明の集光装置において、シリンドリカルレンズがガラスファイバーレンズであることを特徴としても良い。
【００２３】
半導体レーザアレイあるいは半導体レーザアレイスタックから出射されたレーザー光をガラスファイバーレンズで集光することにより、断面が長方形の平行光を生成することができる
これらの発明の集光装置において、シリンドリカルレンズがセルフォックレンズであることを特徴としても良い。
【００２４】
半導体レーザアレイあるいは半導体レーザアレイスタックから出射されたレーザー光をセルフォックレンズで集光することにより、断面が長方形の平行光を生成することができる
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態にかかる集光装置を図面を参照して説明する。なお、同一または相当部分には同一符号を付することとする。また、光学系の配置、光の進行方向等を考慮し、図面上のｚ軸正方向を上、負方向を下、ｘ軸正方向を前、負方向を後ろ、ｙ軸正方向を左、負方向を右と定義して説明する。
【００２６】
まず、本発明の第１の実施形態にかかる集光装置の構成について説明する。図１、図２はそれぞれ本発明の第１の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図及び上面から見た構成図である。半導体レーザアレイスタック１は、発光スポットがｚ軸方向に配列された半導体レーザアレイ１１をｙ軸方向に積層した構造になっている。
【００２７】
各半導体レーザアレイ１１の発光部の正面には、半導体レーザアレイ１１と同数のシリンドリカルレンズ２が、それぞれの半導体レーザアレイ１１と平行、且つ近接して設置されている。
【００２８】
シリンドリカルレンズ２の前方には、第１の全反射ミラー３１が設置されている。この第１の全反射ミラー３１は、シリンドリカルレンズ２によって平行化された光束８１の光路上であって、光束８１の上半分を光束の進行方向（ｘ軸）に対して左下後方に折り返す位置に設置されている。
【００２９】
また、第１の全反射ミラー３１の左下後方には、第１の全反射ミラー３１によって折り返された光束の光路上であって、第１の全反射ミラー３１によって折り返された光束を再度光束８１の下半分と平行、且つ光束８１の下半分の左に隣接する位置に折り返す第２の全反射ミラー３２が設置されている。
【００３０】
さらに前方には、固体レーザ５の端面５１に焦点を持つ凸レンズ４が設置されている。
【００３１】
次に、第１の実施形態にかかる集光装置の作用について説明する。図３は本実施形態において、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。また図４は本実施形態において、分割され並べ替えられる前後の光束の断面図である。半導体レーザアレイスタック１からｘ軸正方向に出射されるレーザー光は発散角が大きいため、出射直後にシリンドリカルレンズ２にてｘ軸方向に集光され、平行化される。平行化された光束８１は、半導体レーザアレイスタック１を構成する半導体レーザアレイ１１の数が制限されることより、通常は図４の左側に示すように長方形になっている。
【００３２】
図３に示すように、平行化された長方形の光束８１は第１の全反射ミラー３１により、上下２つの光束に分割される。光束８１の上半分は、第１の全反射ミラー３１によって光束８１の進行方向に対して左下後方に折り返され、光束８１の下半分は直進する。折り返された光束８１の上半分は、第２の全反射ミラー３２により再度光束８１の下半分と平行且つ光束８１の下半分の左に隣接して並ぶように折り返される。その結果、分割され並べ替えられた光束８２は図４の右側に示すように、正方形に近い断面となる。
【００３３】
その後、凸レンズ４によって、分割され並べ替えられた光束８２は固体レーザ５の端面５１に集光される。
【００３４】
最後に、第１の実施形態にかかる集光装置の効果について説明する。本実施形態のように、長方形の光束を分割して並べ替え、断面が正方形に近い光束にしてから集光することにより、簡単な凸レンズを用いて容易にしかも効率良い集光が可能となる。
【００３５】
従って、従来のように、大きい直径を持つ凸レンズや、特殊な形状の光学レンズを用いる必要がなくなる。また、集光面が長方形となることに起因する固体レーザの端面励起効率低下といった問題も解消する。
【００３６】
図５、図６は本発明の第２の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図及び上面から見た構成図である。第２の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる点は、第１の全反射ミラー３１により反射される光束が進行方向に対して左下後方に反射される代わりに、左下前方に反射されるように第１の全反射ミラー３１を配置し、同様に第２の全反射ミラー３２を、第１の全反射ミラー３１によって反射された光束が再び光束８１の下半分と平行且つ光束８１の左に隣接するように配置した点である。
【００３７】
図７は本実施形態において、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。半導体レーザアレイスタック１から出射されるレーザー光はシリンドリカルレンズ２によって平行化される。シリンドリカルレンズ２によって平行化された光束８１は第１の全反射ミラーにより上下２つの光束に分割される。光束８１の上半分は第１の全反射ミラー３１によって光束８１の進行方向に対して左下前方に折り返され、さらに第２の全反射ミラー３２により再度、光束８１の下半分と平行且つ光束８１の下半分の左に隣接して並ぶように折り返される。その結果、分割され並べ替えられた光束８２は第１の実施形態と同様に図４の右側に示すような、正方形に近い断面となる。
【００３８】
本実施形態においても、長方形の光束を分割して並べ替え、正方形に近い光束にしてから集光することにより、効率良い集光が可能となる。また、第１の実施形態と比較して光路長を短くできるため、光軸などの調整が容易である。
【００３９】
図８、図９はそれぞれ本発明の第３の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図及び上面から見た構成図である。第３の実施形態が第１の実施形態と構成上異なる点は、第１の全反射ミラー３１と第２の全反射ミラー３２との代わりに１つのプリズム６を使用したことである。プリズムの具体的な形状は図１０に示すようになっている。
【００４０】
また、図１０は光束８１が分割され並べ替えられる様子を空間的に示している。半導体レーザアレイスタック１から出射されたレーザー光はシリンドリカルレンズ２によって平行化される。この平行化された光束８１はプリズム６の第１の反射面６１によって上下２つの光束に分割される。光束８１の上半分はプリズム６の第１の反射面６１によって光束８１の進行方向に対して左下後方に折り返され、光束８１の下半分は直進する。左下後方に折り返された光束８１の上半分は第２の反射面６２により、再度光束８１の下半分と平行且つ光束８１の下半分の左に隣接して並ぶように折り返される。よって分割され並べ替えられた光束８２の断面は、第１の実施形態と同様に図４の右側の如く正方形に近くなる。
【００４１】
その結果、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、長方形の光束を分割して並べ替え、正方形に近い光束にしてから集光することにより、簡単な凸レンズ４を用いて容易にしかも効率良い集光が可能となる。さらに、本実施形態においては、シリンドリカルレンズ２によって平行化された光束２を分割して並べ替える光学系として単一のプリズム６を使用しており、全反射ミラーを２枚使用している第１の実施形態と比較して、光軸などの調整が容易である。
【００４２】
図１１に本実施形態の変形例における、プリズムの形状、及びそのプリズムによって、光束が分割され並べ替えられる様子を示す。本実施形態で使用するプリズムは図１１に示すような形状をしていても良い。
【００４３】
図１２、図１３は本発明の第４の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図及び上面から見た構成図である。第４の実施形態が構成上第１の実施形態と異なる点は、第１の全反射ミラー３１と第２の全反射ミラー３２に加えて、第３の全反射ミラー３３と第４の全反射ミラー３４とを備えている点である。第１の全反射ミラー３１は、シリンドリカルレンズ２により平行化された光束８１の上側３分の１を光束８１の進行方向に対して左下後方に折り返す位置に設置され、第３の全反射ミラー３３は、光束８１の下側３分の１を光束８１の進行方向に対して左上後方に折り返す位置に設置されている。また、第２の全反射ミラー３２は、第１の全反射ミラー３１によって折り返された光束８１の上側３分の１を、再度光束８１の中央３分の１と平行かつ光束８１の中央３分の１の左に隣接するように折り返す位置に設置され、第４の全反射ミラー３４は、第３の全反射ミラー３３によって折り返された光束８１の下側３分の１を、再度光束８１の中央３分の１と平行かつ第２の全反射ミラー３２により折り返された光束８１の上側３分の１の左に隣接するように折り返す位置に設置されている。
【００４４】
半導体レーザアレイスタック１から出射された光はシリンドリカルレンズ２によって平行化される。この平行化された光束８１は第１の全反射ミラー３１及び第３の全反射ミラー３３によって上中下の３つの光束に分割される。光束８１の上側３分の１は第１の全反射ミラー３１によって光束８１の進行方向に対して左下後方に折り返される。同様に、光束８１の下側３分の１は第３の全反射ミラー３３によって光束８１の進行方向に対して左上後方に折り返され、光束８１の中央３分の１は直進する。折り返された光束８１の上側３分の１はさらに第２の全反射ミラー３２により再度、光束８１の中央３分の１と平行かつ光束８１の中央３分の１の左に隣接して並ぶように折り返される。また、折り返された光束８１の下側３分の１は、第４の全反射ミラー３４により再度、光束８１の中央３分の１と平行かつ第２の全反射ミラー３２により折り返された光束８１の上側３分の１の左に隣接して並ぶように折り返される。その結果、分割され並べ替えられた光束８２は図１４の右側に示すように、正方形に近い断面となる。
【００４５】
本実施形態によれば、平行化された光束８１が極端に縦長の長方形であっても、光束８１を３つ以上の複数部分に分割し、断面が正方形に近い形に並べ替えることが可能であり、第１の実施形態と同様に半導体レーザアレイスタック１からの光を効率良く集光できる。
【００４６】
図１５は本発明の第４の実施形態にかかる集光装置における変形例を上面から見た構成図である。本変形例が第４の実施形態と構成上異なる点は、第３の全反射ミラー３３を光束８１の進行方向に対して光束を右上後方に折り返すように配置し、第４の全反射ミラー３４が右上後方に折り返された光束を再度、光束８１の中央３分の１と平行且つ光束８１の中央３分の１の右に隣接して折り返す位置に配置したことである。
【００４７】
本変形例によるとシリンドリカルレンズ２によって平行化された光束８１と分割され並べ替えられた光束８２とはそれぞれ図１６の左側、右側の如くになる。よって第４の実施形態と同様に、極端に縦長の長方形の断面を持つ光束でも正方形に近い断面を持つ光束に分割して並べ替えることが可能となり、効率良く集光できる。また、第４の実施形態と比較して光路長が短く、光軸などの調整が容易である。
【００４８】
図１７、図１８は本発明の第５の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図及び上面から見た構成図である。第５の実施形態が第２の実施形態と構成上異なる点は、第１の全反射ミラー３１の代わりに第１のプリズム７１を、また第２の全反射ミラー３２の代わりに第２のプリズム７２を使用したことである。プリズムの具体的形状は図１９に示す。
【００４９】
半導体レーザアレイスタック１から出射される光はシリンドリカルレンズ２にて平行化される。シリンドリカルレンズ２によって平行化された光束８１は第１のプリズム７１によって上下２つの光束に分割される。光束８１の上半分は第１のプリズム７１によって光束８１の進行方向に対して左下前方に屈折する。屈折した光束は、さらに第２のプリズム７２により再度光束８１の下半分と平行且つ光束８１の下半分の左に隣接して並ぶように屈折する。その結果、分割され並べ替えられた光束８２は第２の実施形態と同様に図４の右側に示すように、正方形に近い断面となる。
【００５０】
本実施形態においても、長方形の光束を分割して並べ替え、正方形に近い光束にしてから集光することにより、効率良い集光が可能となる。
【００５１】
上記第１乃至第５の実施形態において、半導体レーザアレイスタック１から発光された光を平行化するためにシリンドリカルレンズ２を用いたが、これはガラスファイバーレンズ、セルフォックレンズなどでも良い。
【００５２】
また、上記第１乃至第５の実施形態において、レーザ光源として半導体レーザアレイスタック１を用いたが、これは単一の半導体レーザアレイ１１でも良い。
【００５３】
【発明の効果】
本発明により、半導体レーザアレイあるいは半導体レーザアレイスタックから出射された断面が長方形の光束を、凸レンズ、全反射ミラー、プリズムなどの簡単な光学素子を用いて断面が正方形に近い光束に変換し、容易にしかも効率良く集光することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる集光装置を上面から見た構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる集光装置において、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる集光装置において、分割され並べ替えられる前後の光束の断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる集光装置を上面から見た構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる集光装置において、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図である。
【図９】本発明の第３の実施形態にかかる集光装置を上面から見た構成図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態にかかる集光装置に使用するプリズムの形状、及びそのプリズムによって、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態にかかる集光装置の変形例に使用するプリズムの形状、及びそのプリズムによって、光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態にかかる集光装置を上面から見た構成図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態にかかる集光装置において、分割され並べ替えられる前後の光束の断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態にかかる集光装置の変形例を上面から見た構成図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態にかかる集光装置の変形例において、分割され並べ替えられる前後の光束の断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施形態にかかる集光装置を側面から見た構成図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態にかかる集光装置を上面から見た構成図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態にかかる集光装置で使用するプリズムの形状、及びそのプリズムによって光束が分割され並べ替えられる様子を空間的に表した立面図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザアレイスタック、１１…半導体レーザアレイ、２…シリンドリカルレンズ、３１…第１の全反射ミラー、３２…第２の全反射ミラー、３３…第３の全反射ミラー、３４…第４の全反射ミラー、４…凸レンズ、５…固体レーザ、５１…端面、６…プリズム、６１…第１の反射面、６２…第２の反射面、７１…第１のプリズム、７２…第２のプリズム、８１…光束、８２…分割され並べ替えられた光束

Claims

断面が長方形である平行光束を発する光源と、
前記平行光束の光路上に配置され、前記平行光束の一部を第１の所定の角度に反射させる第１の反射手段と、
前記第１の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、前記第１の反射手段によって反射された光束を反射させる第２の反射手段と、
前記平行光束の光路上に配置され、前記第１の反射手段によって反射されなかった光束の一部を第２の所定の角度に反射させる第３の反射手段と、
前記第３の反射手段によって反射された光束の光路上に配置され、前記第３の反射手段によって反射された光束を反射させる第４の反射手段と、
前記第２及び第４の反射手段により反射された光束と前記第１及び第３の反射手段により反射されなかった光束とを一括して集光する集光手段と、
を備え、
前記第２及び第４の反射手段は、前記第１及び第３の反射手段で反射された光束各々を、前記第１及び第３の反射手段によって反射されなかった光束に平行且つ前記平行光束の長手方向と略直交する方向において隣接するように反射させることを特徴とする集光装置。
前記光源は、
半導体レーザアレイと、
前記半導体レーザアレイに平行に配置されたシリンドリカルレンズと、
から構成されている請求項１に記載の集光装置。
前記光源は、
複数の半導体レーザアレイがスタック状に配置された半導体レーザアレイスタックと、
前記各半導体レーザアレイに対して、１つずつ平行に配置された複数のシリンドリカルレンズと、
から構成されている請求項１に記載の集光装置。
前記シリンドリカルレンズがガラスファイバーレンズである請求項２または請求項３に記載の集光装置。
前記シリンドリカルレンズがセルフォックレンズである請求項２または請求項３に記載の集光装置。