JP4794770B2

JP4794770B2 - レーザバー積層体用整形光学系及びレーザ光源

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Publication number: JP4794770B2
Application number: JP2001244701A
Authority: JP
Inventors: 新高; 和憲篠田; 正之齊藤; 博岡本
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: DE10297108T5; DE10297108B4; WO2003014801A1; JP2003057588A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザバー積層体用整形光学系及びレーザ光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザバーからのレーザ光群を整形する光学系が提案されている。特表平１０−５０２７４６号公報、特表平１０−５０８１２２号公報などの集光光学装置があるが、いずれも１つのレーザバーに対応するものである。特表平１０−５０２７４６号公報に記載の整形光学系は出力レーザ光群の半分をプリズムで向きを変え特定位置に位置させ、残り半分を別のプリズムで上記半分のレーザ光群の下に位置させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、複雑な屈折及び反射を行わせるプリズムを採用し、これらによってレーザ光群の整形を行っているため、これをレーザバー積層体に適用とすると、プリズム自体がレーザ光群の光路を遮断する。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、半導体レーザバー積層体からのレーザ光パターンを積層方向に長くなるように整形可能なレーザバー積層体用整形光学系及びレーザ光源を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明のレーザバー積層体用整形光学系は、複数の半導体レーザ素子を一次元状に配列してなるレーザバーを、半導体レーザ素子の配列方向及びレーザ光の進行方向の双方に垂直な方向に沿って、複数積層してなるレーザバー積層体からのレーザ光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系を対象とする。
【０００５】
ここで、個々の半導体レーザ素子から出射される光はレーザ光とし、複数のレーザ光を含む一群をレーザ光群とする。
【０００６】
本レーザーバー積層体用整形光学系は、レーザバー積層体から出力されるレーザ光群のうち、積層の方向に沿った線分を境界線とする一方のレーザ光群を第１レーザ光群とし、他方のレーザ光群を第２レーザ光群とし、第１レーザ光群に対して第２レーザ光群を積層の方向に沿って相対的に一括して移動させる屈折光学系と、移動した第１及び第２レーザ光群が、積層の方向に沿って整列するように第１及び第２レーザ光群を反射する透過・反射光学系とを備えることを特徴とする。
【０００７】
屈折光学系は第１レーザ光群に対して第２レーザ光群を積層の方向に沿って相対的に一括して移動させ、更に整列用の透過・反射光学系を用いているので、透過・反射光学系から出射される第１及び第２レーザ光群からなるレーザ光パターンは、レーザバーの積層方向に長くなるように整形され、また、移動及び整列の光学系が別であることにより、個々の光学系は簡易な構成となる。
【０００８】
簡易な構成の屈折光学系としては平行平面ガラス部材を用いることができる。この場合、平行平面ガラス部材の法線は、第１及び第２レーザ光群の少なくとも一方の進行方向と上記積層の方向を含む平面内に位置し、上記進行方向と所定の角度を成している。すなわち、平行なガラス板に入射したレーザ光は、出射時には、積層方向の位置が移動する。
【０００９】
簡易な構成の透過・反射光学系としては、第１及び第２レーザ光群の一方を、配列方向及び上記進行方向を含む平面内において反射する第１反射部材と、第１反射部材によって反射されたレーザ光群が入射する第２反射部材とを備え、第２反射部材は、第１及び第２レーザ光群の一方を反射する反射領域と、他方を透過する透過領域とを上記積層の方向に沿ってストライプ状に交互に形成してなるものが挙げられる。
【００１０】
第１反射部材によって片方のレーザ光群が反射されることによって、第２反射部材へは、第１及び第２レーザ光群の双方が異なる方向から入射するが、一方は反射領域によって反射され、他方は透過領域を透過するので、第２反射部材から出射された第１及び第２レーザ光群の進行方向の一致度が高くなる。
【００１１】
また、透過領域の配列方向に沿った長さは、これを透過するレーザ光群の前記配列方向に沿った長さよりも長いことが好ましい。すなわち、透過・反射光学系の端部においては、これへの入射光が、目的の反射を行わず透過率が低下する。そこで、ガラス等の固体からなる透過領域を長くすることによって、端部にレーザ光群が入射しないようにし、これによって、当該透過領域の透過率を向上させることができる。
【００１２】
また、ガラスを通過したレーザ光群の光路長は短くなる。したがって、平行平面ガラス部材は、光透過空間と共に用いられる第１平行平面ガラス板を備え、第１及び第２レーザ光群のうちの透過・反射光学系の出射位置に至る光路が短い方が、第１平行平面ガラス板を通過し、長い方が光透過空間を通過するように設定されることが好ましい。これにより、第１及び第２レーザ光群の透過・反射光学系までの光路長を揃えることができる。
【００１３】
双方のレーザ光群が、ガラス板を通過する構成も考えられる。すなわち、平行平面ガラス部材は、第１平行平面ガラス板と第１平行平面ガラス板よりも厚い第２平行平面ガラス板とを備え、第１及び第２レーザ光群のうちの透過・反射光学系の出射位置に至る光路が短い方が、第２平行平面ガラス板を通過するように設定され、長い方が第１平行平面ガラス板を通過するように設定されることが好ましい。これにより、第１及び第２レーザ光群の透過・反射光学系までの光路長を揃えることができる。
【００１４】
ここで、各ガラスの厚みは光路長だけでなく、各レーザ光群の積層方向への移動量を制御している。すなわち、移動量はガラスの厚みとガラスの傾斜角度に依存する。そこで、まず、光路長が一致するようにガラスの厚みを設定した後、この厚みのガラスにおいて所望の移動量が得られるように、上述の傾斜角度を設定すれば、移動量と光路長を独立に制御することができる。すなわち、かかる観点からは、第１及び第２平行平面ガラス板は物理的に独立な部材であることが好ましい。
【００１５】
しかしながら、光路長の違いを考慮しない場合には、第１及び第２平行平面ガラス板を一体化することで、これらのガラスによるレーザ光群間の移動誤差を低下させることができる。もちろん、光路長は別の部材を用いて補償することとしてもよい。
【００１６】
また、屈折光学系は前記積層の方向にのみ第１及び第２レーザ光群の少なくともいずれか一方を他方に対して相対的に一括して移動させるプリズムとすることもできる。この場合、プリズムは一方向にのみ移動を行うので、その構成が簡単となる。
【００１７】
本発明のレーザ光源は、レーザバー積層体から出射されるレーザ光群上に上述のレーザバー積層体用整形光学系を配置してなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係るレーザバー積層体用整形光学系について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
【００１９】
図１（ａ）は、第１実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。複数の半導体レーザ素子を一次元状に配列してなるものを半導体レーザバー（アレイ）Ｂとする。各レーザバーＢにおける半導体レーザ素子の配列方向を「ｘ方向」とする。半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の進行方向を「ｚ方向」とする。ｘ方向及びｚ方向の双方に垂直な方向をｙ方向とする。複数のレーザバーＢがｙ方向に積層されたものを半導体レーザバー積層体Ｓとする。なお、各レーザバーＢ間には必要に応じてヒートシンクが設けられる。
【００２０】
本実施形態のレーザバー積層体用整形光学系は、複数の半導体レーザ素子を一次元状に配列してなるレーザバーＢを、半導体レーザ素子の配列方向（ｘ）及びレーザ光の進行方向（ｚ）の双方に垂直な方向（ｙ）に沿って、複数積層してなるレーザバー積層体からのレーザ光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系を対象とする。
【００２１】
また、個々の半導体レーザ素子から出射される光はレーザ光とし、複数のレーザ光を含む一群をレーザ光群とする。また、個々のレーザ光は発散光（ｙ方向の発散角〜６０°）である。レーザバーＢから出射した個々のレーザ光はコリメータレンズ（マイクロレンズ）Ｌ１によりｙ方向にコリメート（平行化）される。コリメートされた各レーザ光は、ｙ方向周期２．１ｍｍ、ｙ方向ビーム幅０．７ｍｍ、ｘ方向ビーム幅１０ｍｍに形成される。
【００２２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の「ｂ」の位置、すなわち、コリメート後におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。
【００２３】
ここで、ｙ方向に平行な２本の境界線ＢＬ１，ＢＬ２を半導体レーザバー積層体Ｓの光出射面上に設定し、光出射面を３等分する（図１（ｃ）参照）。
【００２４】
光出射面の左側に位置する境界線ＢＬ１より左側のレーザ光群は、光出射面の左側１／３の延長領域上に配置された平行平面ガラス板２に入射する。この左側領域に位置するレーザ光群は、平行平面ガラス板２によって、ｙ方向にレーザバーＢの積層周期（２．１ｍｍ）の２／３、すなわち、１．４ｍｍ移動する。
【００２５】
光出射面の２本の境界線ＢＬ１，ＢＬ２間のレーザ光群は、光出射面の中央１／３の延長領域上に配置された平行平面ガラス板１に入射する。この中央領域に位置するレーザ光群は、平行平面ガラス板１によって、ｙ方向にレーザバーＢの積層周期（２．１ｍｍ）の１／３、すなわち、０．７ｍｍ移動する。
【００２６】
光出射面の右側に位置する境界線ＢＬ２より右側のレーザ光群は、光出射面の右側１／３の延長領域上に位置する光透過空間を通過し、この右側領域に位置するレーザ光群は、偏向を受けず、そのまま、後段の光学系に至る。
【００２７】
図１（ｃ）は、図１（ａ）の「ｃ」の位置、すなわち、平行平面ガラス板２，１及び光透過空間通過後におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。このレーザ光パターンによれば、左側レーザ光群、中央レーザ光群、右側レーザ光群は、各レーザバーＢから出射されたストライプ状のパターンのｙ方向間隔の１／３ずつずれている。なお、同図は、光の進行方向から見たパターンを示すものであり、パターンの左右は半導体レーザバー積層体Ｓに対して逆転している。
【００２８】
図２はｘｚ平面内におけるビームの進行経路を示す図である。ここで、レーザ光群の進行経路について説明するが、対応する符号に応じて適宜図１（ａ）を参照するものとする。
【００２９】
左側領域のレーザ光群は、ストライプミラー１Ｓ，２Ｓの透過領域１Ｓｔ，２Ｓｔを順次透過し、進行方向を変えることなくストライプミラー２Ｓから出射される。
【００３０】
中央領域のレーザ光群は、反射部材（ミラー）１Ｒによって、ｘｚ平面内においてｘ方向に反射され、ストライプミラー１Ｓの反射領域１Ｓｒに入射する。反射部材１Ｒ及びストライプミラー１Ｓの個々の法線はｘｚ平面内においてｘ＝−ｚの関係を満たすので、これらのミラーへのレーザ光群の入射角度及び出射角度は４５度であり、ストライプミラー１Ｓの反射領域１Ｓｒによって反射され、ｚ方向に進行する。しかる後、このレーザ光群はストライプミラー２Ｓの透過領域２Ｓｔを透過し、進行方向を変えることなく、左側領域のレーザ光群と共にストライプミラー２Ｓから出射される。
【００３１】
右側領域のレーザ光群は、反射部材（ミラー）２Ｒによって、ｘｚ平面内においてｘ方向に反射され、ストライプミラー２Ｓの反射領域２Ｓｒに入射する。反射部材２Ｒ及びストライプミラー２Ｓの個々の法線はｘｚ平面内においてｘ＝−ｚの関係を満たすので、これらのミラーへのレーザ光群の入射角度及び出射角度は４５度であり、右側領域のレーザ光群は、ストライプミラー２Ｓの反射領域２Ｓｒによって反射され、左側及び中央領域のレーザ光群と共にｚ方向に進行する。
【００３２】
図１（ｄ）は、図１（ａ）の「ｄ」の位置、すなわち、ストライプミラー２Ｓ出射後のレーザ光群のレーザ光パターンを示す。図１（ｂ）に示したレーザ光パターン１Ｂにくらべ、ここでのレーザ光パターン３Ｂはｘ方向の幅が１／３になる。上述のミラーによって合成されたレーザ光群は集光光学系ＣＤ１により集光され、その集光位置に配置された光ファイバＦの端面に入射する。本装置を使わない場合、集光後のパターンの大きさは、Ｎ．Ａ．＝０．３５において、１．７ｍｍ×０．３ｍｍとなる。試作機を使用した場合のパターンの大きさは０．５７ｍｍ×０．３ｍｍになった。
【００３３】
本レーザーバー積層体用整形光学系は、レーザバー積層体Ｓから出力されるレーザ光群のうち、積層の方向（ｙ）に沿った線分を境界線ＢＬ１（ＢＬ２）とする一方のレーザ光群を第１レーザ光群とし、他方のレーザ光群を第２レーザ光群とし、第１レーザ光群に対して第２レーザ光群を積層の方向に沿って相対的に一括して移動させる屈折光学系１，２と、移動した第１及び第２レーザ光群が、積層の方向に沿って整列するように第１及び第２レーザ光群を反射する透過・反射光学系１Ｒ，２Ｒ，１Ｓ，２Ｓとを備えている。
【００３４】
屈折光学系１，２は第１レーザ光群に対して第２レーザ光群を積層の方向に沿って相対的に一括して移動させ、更に整列用の透過・反射光学系１Ｒ，２Ｒ，１Ｓ，２Ｓを用いているので、透過・反射光学系１Ｒ，２Ｒ，１Ｓ，２Ｓとから出射される第１及び第２レーザ光群からなるレーザ光パターンは、レーザバーの積層方向に長くなるように整形され、また、移動及び整列の光学系が別であることにより、個々の光学系は簡易な構成となる。
【００３５】
本実施形態においては、簡易な構成の屈折光学系として、平行平面ガラス部材１，２を開示している。この場合、平行平面ガラス部材１，２の法線は、第１及び第２レーザ光群の少なくとも一方の進行方向（ｚ）と上記積層の方向（ｙ）を含む平面内に位置し、進行方向（ｚ）と所定の角度θａを成している。すなわち、平行なガラス板に入射したレーザ光は、出射時には、積層方向の位置が移動する。
【００３６】
本実施形態においては、簡易な構成の透過・反射光学系として、第１及び第２レーザ光群の一方を、配列方向（ｘ）及び進行方向（ｚ）を含む平面内において反射する第１反射部材１Ｒ（又は２Ｒ）と、第１反射部材１Ｒによって反射されたレーザ光群が入射するストライプミラー（第２反射部材１Ｓ（又は２Ｓ））とを備え、第２反射部材１Ｓ（又は２Ｓ）は、第１及び第２レーザ光群の一方を反射する反射領域１Ｓｒ（又は２Ｓｒ）と、他方を透過する透過領域１Ｓｔ（又は２Ｓｔ）とを積層の方向（ｚ）に沿ってストライプ状に交互に形成してなるものを採用している。
【００３７】
第１反射部材１Ｒ（２Ｒ）によって片方のレーザ光群が反射されることによって、第２反射部材１Ｓ（２Ｓ）へは、第１及び第２レーザ光群の双方が異なる方向から入射するが（図２参照）、一方は反射領域１Ｓｒ（２Ｓｒ）によって反射され、他方は透過領域１Ｓｔ（２Ｓｔ）を透過するので、第２反射部材１Ｓ（２Ｓ）から出射された第１及び第２レーザ光群の進行方向の一致度が高くなる。
【００３８】
図３（ａ）はストライプミラー１Ｓ、ストライプミラー２Ｓをｙ方向から見た図である。図３（ｂ）は反射部材１Ｒをｙ方向から見た図である。各ミラーのｘｚ平面内における端面は表面に対して４５度に研磨してある。これは半導体レーザ素子からのレーザ光のミラー端面による散乱を抑制するためである。
【００３９】
図４は平行平面ガラス板１，２へビームが入射した際のｙ軸方向移動量を説明するための図である。同図はいずれかの平行平面ガラス板１，２を示す。厚みｄ、屈折率ｎの平行平面ガラス板に入射角θａでビームが入射する。入射光は第１の面でθｂで屈折し、第２の面からθａで出射する。したがって、出射光は入射光と平行であるが、以下の距離ｌだけずれて出射する。
【数１】

また、ガラスを通過したレーザ光群の光路長は短くなる。上述の３つの光路の光路差を補正して同じにするため、平行平面ガラス板１と平行平面ガラス板２は厚みを変えてある。図２に示すように、左側領域の光路は右側領域の光路に比べてｘ方向の幅が１０ｍｍほど短い。また、中央領域の光路は左側領域の光路に比べて５ｍｍ短い。そこで、図４に示した平行平面ガラス板の光路差を以下の式により算出する。
【数２】

片方の平行平面ガラス板１と、これに隣接する光透過空間に着目すると、平行平面ガラス部材は、光透過空間と共に用いられる第１平行平面ガラス板１を備え、第１及び第２レーザ光群（右側及び中央レーザ光群）のうちの透過・反射光学系２Ｓの出射位置に至る光路が短い方（中央レーザ光群）が、第１平行平面ガラス板１を通過し、長い方が光透過空間を通過するように設定される。これにより、第１及び第２レーザ光群の透過・反射光学系までの光路長を揃えることができる。
【００４０】
双方の平行平面ガラス板１，２に着目すると、これらを透過する双方のレーザ光群に関して、平行平面ガラス部材は、第１平行平面ガラス板１と第１平行平面ガラス板１よりも厚い第２平行平面ガラス板２とを備え、第１及び第２レーザ光群（中央レーザ光群及び左側レーザ光群）のうちの透過・反射光学系の出射位置に至る光路が短い方（左側レーザ光群）が、第２平行平面ガラス板２を通過するように設定され、長い方が第１平行平面ガラス板１を通過するように設定されている。これにより、第１及び第２レーザ光群の透過・反射光学系の出射位置までの光路長を揃えることができる。
【００４１】
ここで、各ガラスの厚みは光路長だけでなく、各レーザ光群の積層方向への移動量を制御している。すなわち、移動量はガラスの厚みとガラス傾斜角度に依存する。そこで、まず、光路長が一致するようにガラスの厚みを設定した後、この厚みのガラスにおいて所望の移動量が得られるように、上述の傾斜角度を設定すれば、移動量と光路長を独立に制御することができる。すなわち、かかる観点からは、第１及び第２平行平面ガラス板１，２は物理的に独立な部材であることが好ましい。
【００４２】
本実施形態においては、（１）式と（２）式により、左側領域のガラス板２、中央領域のガラス板１の角度θａ及び厚みは、それぞれ、３１度、５．４ｍｍ３１度、２．７ｍｍに設定する（屈折率ｎ＝１．８）。この例では、ガラス板１、ガラス板２の角度θａは同じであるが、もちろんガラスの屈折率、角度、厚さを適宜設定して、光路長、移動量を決定する。
（第２実施形態）
【００４３】
図５（ａ）は、第２実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。第１実施形態においては、レーザ光群を合成するための透過・反射光学系として、４枚のミラーを用いたが、本実施形態では３枚のミラーを用いる点においてのみ異なり、その機能は第１実施形態のものと同一である。
【００４４】
半導体レーザバー積層体Ｓの構造は第１実施形態のものと同一である。平行平面ガラス板１，２は、積層体Ｓの中心を通るｙｚ平面に対して面対象の位置に配置されている。
【００４５】
左側領域のレーザ光群は、平行平面ガラス板１，２を通過することなく、反射部材２Ｒによってｘ方向に反射され、しかる後、ストライプミラー１Ｓ，２Ｓの透過領域１Ｓｔ，２Ｓｔを順次透過し、この透過・反射光学系から出射される。
【００４６】
中央領域のレーザ光群は、平行平面ガラス板１を通過した後、ストライプミラー１Ｓの反射領域１Ｓｒによってｘ方向に反射され、しかる後、ストライプミラー２Ｓの透過領域２Ｓｔを透過して、左側領域のレーザ光群と共に、この透過・反射光学系から出射される。
【００４７】
右側領域のレーザ光群は、平行平面ガラス板２を通過した後、ストライプミラー２Ｓの反射領域２Ｓｒによって反射され、左側及び中央領域のレーザ光群と共に、この透過・反射光学系から出射される。
【００４８】
上述のミラーによって合成されたレーザ光群は集光光学系ＣＤ１により集光され、その集光位置に配置された光ファイバＦの端面に入射する。
【００４９】
なお、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）は、それぞれ図５（ａ）の「ｂ」、「ｃ」、「ｄ」の位置におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。これらのレーザ光パターンは第１実施形態のものと同一であり、レーザ光パターンはｙ方向に長くなるように整形されていることが判る。
（第３実施形態）
【００５０】
図６（ａ）は、第３実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。第２実施形態においては、レーザ光群を合成するための透過・反射光学系として、３枚のミラーを用いたが、本実施形態では３枚のミラーをガラス体１Ｇ，２Ｇ，３Ｇ内に埋め込んだ点においてのみ異なり、その機能は第２実施形態のものと同一である。ガラス体１Ｇの背面側には反射部材２Ｒが、ガラス体１Ｇとガラス体２Ｇとの間にはストライプミラー１Ｓが、ガラス体２Ｇとガラス体３Ｇとの間にはストライプミラー２Ｓが金属膜として設けられている。換言すれば、反射部材及びストライプミラーは、それぞれ、反射部材薄膜、ストライプミラー薄膜を構成する。これらのガラス体１Ｇ、２Ｇ，３Ｇ間には接着層ＡＤが介在している。なお、ガラス体３Ｇは３角柱のプリズム形状を構成している。
【００５１】
この部材の製造においては、まず、ガラス体１Ｇの両面に反射部材薄膜およびストライプミラー薄膜を蒸着する。次に、ガラス体２Ｇは片面だけストライプミラー薄膜を蒸着する。ガラス体１Ｇ、ガラス体２Ｇおよびプリズム３Ｇを透明な接着材ＡＤで接着する。
【００５２】
図６（ｅ）、図６（ｆ）、図６（ｇ）は、それぞれ金属膜の設けられたガラス体１Ｇ、２Ｇ，３Ｇをｙ方向から見た図である。各ガラス体のｘｚ平面内における端面は金膜の表面に対して４５度に研磨してある。これは半導体レーザ素子からのレーザ光のミラー端面による散乱を抑制するためである。
（第４実施形態）
【００５３】
図７（ａ）は、第４実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。第２実施形態においては、レーザ光群を合成するための透過・反射光学系として、３枚のミラーを用いたが、本実施形態では、これら３枚のミラーのうちの透過機能を有するものの長さをｘｚ平面内において長くした点においてのみ異なり、その機能は第２実施形態のものと同一である。
【００５４】
ストライプミラー１Ｓ、２Ｓにおける透過領域１Ｓｔ，２Ｓｔのｘ方向に沿った長さは、これを透過するレーザ光群のｘ方向に沿った長さよりも長くなる。
【００５５】
図８はストライプミラー１Ｓ（２Ｓ）における透過領域１Ｓｔ（２Ｓｔ）の端面近傍を示す図である。通常は、光線Ｂ１のように第１の面に入射し、入射光線と平行に第２の面から出射する。しかしながら、もう少し端面に近い側に入射した光線Ａ１は端面に入射し、向きを変えるため、光の損失になる。そこで、図７（ａ）に示したように、透過領域１Ｓｔ、２Ｓｔを長くすることによって、当該端部にレーザ光群が入射しないようにした。これによって、透過領域１Ｓｔ，２Ｓｔの透過率を向上させることができる。なお、反射部材２Ｒはストライプミラー１Ｓと別に書いてあるが、もちろん、ガラス板の入射面にストライプミラー１Ｓ、裏面に反射部材１Ｒを形成してもよい。
【００５６】
なお、図７（ｂ）、図７（ｃ）、図７（ｄ）は、それぞれ図７（ａ）の「ｂ」、「ｃ」、「ｄ」の位置におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。これらのレーザ光パターンは第１実施形態のものと同一であり、レーザ光パターンはｚ方向に長くなるように整形されていることが判る。
（第５実施形態）
【００５７】
図９（ａ）は、第５実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。第４実施形態においては、レーザ光群を合成するための透過・反射光学系として、３枚のミラーを用いたが、本実施形態では、（１）コリメータレンズＬ１の前方にコリメータレンズＬ２を配置した点、（２）屈折光学系として一体化された平行平面ガラス部材を用いた点、（３）３枚のミラーを図６（ａ）に示したものと同様にガラス体に埋め込んで接着材ＡＤを介在させた点が、第４実施形態のものと異なるが、その機能は第４実施形態のものと同一である。
【００５８】
なお、図９（ｂ）、図９（ｃ）、図９（ｄ）は、それぞれ図９（ａ）の「ｂ」、「ｃ」、「ｄ」の位置におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。レーザ光パターンは４分割された後、最終的にはｙ方向に長くなるように整形されている。本装置を使用した場合、集光後のレーザ光パターンの大きさは０．４３ｍｍ×０．３ｍｍになった。
【００５９】
半導体レーザバー積層体Ｓから出射したレーザ光のｙ方向をコリメータレンズＬ１で、ｘ方向をコリメータレンズＬ２でコリメートする。コリメートされたレーザ光群の断面形状はストライプ形状となる。このレーザ光群のストライプ間のｙ方向周期は２．１ｍｍ、ｙ方向ビーム幅０．５２ｍｍ、ｘ方向ビーム幅１０ｍｍである。コリメータレンズＬ１は、このｙ方向ビーム幅にあうように設計されている。
【００６０】
屈折光学系としての平行平面部材は、厚みの異なる平行平面ガラス板１，２，３を一体化して形成される。第１実施形態においては、ガラス板の傾斜角度も変えて光路長を調整できるが、平行平面ガラス板１，２，３を一体化する場合、ガラス板の厚みで光路長を調整する。もちろん場合によっては光路長を調整しない場合もありえる。また、平面ガラス板で光路長の違いを考慮しない場合は別の部材を用いて補償することとしてもよい。この平行平面ガラス板１，２，３により、ｘ方向ビーム幅１０ｍｍを、図９（ｃ）に示すように、２．５ｍｍづつ４分割され、分割されたレーザ光群はｙ方向に沿って相対的に移動させられる。
【００６１】
３枚のミラー１Ｒ，１Ｓ，２Ｓは、図６（ａ）に示したものと同様にガラス体１Ｇ，２Ｇ，３Ｇ内に埋め込んである。各ミラーは該当するガラス体の表面又は裏面に金属膜を蒸着して形成する。ここでは、レーザ光の通過経路上を避けるように接着剤ＡＤを配置した。この透過・反射光学系によって、ｙ方向に沿ってずらされｘ方向に沿って離隔した４つのレーザ光群が、ｙ方向に整列する。本例の試作機を使用した場合のパターンの大きさは０．２１ｍｍ×０．３ｍｍになった。
【００６２】
以上、説明したように、上述の装置は、ｘ方向のビームの幅を狭く整形するために、平行平面ガラス板を使用しているが、板を増やせば、簡単にビームの幅を狭くすることができる。上記では、３分割又は４分割の例を示したが、ｎ分割も可能であり、この場合、ｘ方向のビーム幅は１／ｎになる。従来の１アレイ−１集光系とは異なり、積層体Ｓ毎に使う集光系なので、平行平面ガラス板は、かなり大きいものを使用することができる。そのため、平行平面ガラス板を増やすのは容易である。
（第６実施形態）
【００６３】
図１０（ａ）は、第６実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置の斜視図である。本実施形態の装置は、第５実施形態におけるコリメータレンズＬ２及び平行平面ガラス部材１，２，３からなる屈折光学系に代えてプリズムを用いた点が異なる。機能は第５実施形態のものと同様である。屈折光学系のプリズムＰは、ｙ方向にのみ４分割されたレーザ光群のうちの隣接するもの同士の方を他方に対して相対的に一括して移動させる。この場合、プリズムＰは一方向にのみ移動を行うので、その構成が簡単となる。なお、本例では４つのプリズムＰを分割されるレーザ光群毎に配置している。プリズムＰは４つ使用するが、平行平面ガラス板とは異なり、プリズムを出射後のレーザ光進行方向を変更することができ、装置を小型化できる。
【００６４】
なお、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）は、それぞれ図１０（ａ）の「ｂ」、「ｃ」、「ｄ」の位置におけるレーザ光群のレーザ光パターンを示す。レーザ光パターンは４分割された後、最終的にはｚ方向に長くなるように整形されている。
【００６５】
なお、上述のプリズム、反射部材、ストライプミラー、平行平面ガラス板は、上述の実施形態に従って適宜一体化することが可能である。また、上述の装置では、小さなビームへの整形が可能なため、レーザビームの輝度が高まり、また、口径の小さいファイバーを使用可能なので、ロボットアームにファイバーを使用した場合、格段と操作性が向上する。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザバー積層体用整形光学系及びレーザ光源によれば、レーザバー積層体からのレーザ光パターンを積層方向に長くなるように整形することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【図２】ｘｙ平面内におけるビームの進行経路を示す図である。
【図３】ミラーをｙ方向から見た図である。
【図４】平行平面ガラス板１，２へビームが入射した際のｙ軸方向移動量を説明するための図である。
【図５】第２実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【図６】第３実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【図７】第４実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【図８】ストライプミラー１Ｓ（２Ｓ）における透過領域１Ｓｔ（２Ｓｔ）の端面近傍を示す図である。
【図９】第５実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【図１０】第６実施形態に係る半導体レーザバー積層体のビームを整形して集光する装置を説明する図である。
【符号の説明】
１Ｇ…ガラス体、２Ｇ…ガラス体、３Ｇ…ガラス体、１Ｓ…ストライプミラー、２Ｓ…ストライプミラー、１Ｓｔ…透過領域、１Ｒ…反射部材、１Ｓｒ…反射領域、１…平行平面ガラス板、２…平行平面ガラス板、２Ｓｔ…透過領域、２Ｓｒ…反射領域、ＡＤ…接着剤、Ｂ…レーザバー、ＢＬ１，ＢＬ２…境界線、ＣＤ１…集光光学系、Ｆ…光ファイバ、Ｌ１…コリメータレンズ、Ｌ２…コリメータレンズ、Ｐ…プリズム、Ｓ…レーザバー積層体。

Claims

複数の半導体レーザ素子を一次元状に配列してなるレーザバーを、前記半導体レーザ素子の配列方向及びレーザ光の進行方向の双方に垂直な方向に沿って、複数積層してなるレーザバー積層体からのレーザ光を整形するレーザーバー積層体用整形光学系において、
前記レーザバー積層体から出力されるレーザ光群のうち、前記積層の方向に沿った線分を境界線とする一方のレーザ光群を第１レーザ光群とし、他方のレーザ光群を第２レーザ光群とし、前記第１レーザ光群に対して第２レーザ光群を前記積層の方向に沿って相対的に一括して移動させる屈折光学系と、
移動した前記第１及び第２レーザ光群が、前記積層の方向に沿って整列するように前記第１及び第２レーザ光群を透過及び反射する透過・反射光学系と、
を備えることを特徴とするレーザバー積層体用整形光学系。
前記屈折光学系は平行平面ガラス部材からなり、その法線は、前記第１及び第２レーザ光群の少なくとも一方の進行方向と前記積層の方向を含む平面内に位置し、前記進行方向と所定の角度を成していることを特徴とする請求項１に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記透過・反射光学系は、前記第１及び第２レーザ光群の一方を、前記配列方向及び前記進行方向を含む平面内において反射する第１反射部材と、前記第１反射部材によって反射されたレーザ光群が入射する第２反射部材とを備え、前記第２反射部材は、前記第１及び第２レーザ光群の一方を反射する反射領域と、他方を透過する透過領域とを前記積層の方向に沿ってストライプ状に交互に形成してなることを特徴とする請求項１に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記透過領域の前記配列方向に沿った長さは、これを透過するレーザ光群の前記配列方向に沿った長さよりも長いことを特徴とする請求項３に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記平行平面ガラス部材は、光透過空間と共に用いられる第１平行平面ガラス板を備え、前記第１及び第２レーザ光群のうちの前記透過・反射光学系の出射位置に至る光路が短い方が、前記第１平行平面ガラス板を通過し、長い方が光透過空間を通過するように設定されることを特徴とする請求項２に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記平行平面ガラス部材は、第１平行平面ガラス板と前記第１平行平面ガラス板よりも厚い第２平行平面ガラス板とを備え、前記第１及び第２レーザ光群のうちの前記透過・反射光学系の出射位置に至る光路が短い方が、前記第２平行平面ガラス板を通過するように設定され、長い方が第１平行平面ガラス板を通過するように設定されることを特徴とする請求項２に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記第１及び第２平行平面ガラス板は一体化されていることを特徴とする請求項６に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記屈折光学系は前記積層の方向にのみ前記第１及び第２レーザ光群の少なくともいずれか一方を他方に対して相対的に一括して移動させるプリズムであることを特徴とする請求項１に記載のレーザバー積層体用整形光学系。
前記レーザバー積層体から出射されるレーザ光群上に請求項１に記載のレーザバー積層体用整形光学系を配置してなるレーザ光源。