JP5911038B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、波長分散機能を有する波長分散光学素子により波長重畳された半導体レーザ装置に関するものである。

従来の半導体レーザ装置においては、半導体レーザの輝度を向上させるために、半導体レーザバーの各発光点からのビームの発散角度を補正し、各ビームを回転させてからレンズを用いて波長分散光学素子に集光するとともに、波長分散光学素子の波長分散性により各発光点からのビームを重畳し、重畳したビームに対して部分透過ミラーを設置して外部共振器を形成する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１１／０２１６４１７号（Ｆｉｇ．３Ａ）

従来の半導体レーザ装置は、半導体レーザバーの異なる発光点から出射されたビームを集めるための集光レンズが必要であり、半導体レーザバーと集光レンズとの間の距離と、集光レンズと波長分散光学素子との間の距離とを確保する必要があるうえ、確保すべき各距離は、半導体レーザバーのサイズと波長分散光学素子の有する波長分散性との関係によって決定されるので、装置全体を小型化および単純化することができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型かつシンプルな構成で高輝度の半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザバーが有する複数の発光点から出射される複数のビームの波長重畳を行う半導体レーザ装置であって、複数の発光点が配列される方向と直交する方向であるビーム発散角度補正方向での相対的な位置が複数の発光点の配列順に順次変化して配置され、ビーム発散角度補正方向において複数のビームの各々の発散角度を補正するビーム発散角度補正光学系と、ビーム発散角度補正光学系により発散角度が補正された複数のビームの各々を光軸に対して回転させるビーム回転光学系と、複数のビームがビーム発散角補正光学系およびビーム回転光学系を介してビーム発散角度補正方向と直交する面内で集光される集光位置に配置された波長分散光学素子と、波長分散光学素子で回折されて同軸上に重畳された複数のビームの光路上に配置された部分反射鏡と、を備えたものである。

この発明によれば、半導体レーザバーの各発光点とビーム発散角度補正光学系との位置関係を変化させることにより、別途に集光レンズを設置することなく、同軸上に各ビームを重畳させることができ、より小型でシンプルな構成で高輝度の半導体レーザ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を概略的に示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による半導体レーザバー上の発光点とビーム発散角度補正光学系との位置関係を示す平面図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す平面図および側面図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す平面図および側面図である。 この発明の実施の形態１によるビーム傾き発生メカニズムを示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるビーム傾き発生メカニズムを示す平面図および側面図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による半導体レーザバー上の発光点とビーム発散角度補正光学系との位置関係を示す平面図である。 この発明の実施の形態２による半導体レーザバー上の発光点とビーム発散角度補正光学系との位置関係を示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。 この発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置を概略的に示す側面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置との対比説明に用いる半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置との対比説明に用いる半導体レーザ装置を概略的に示す側面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置を概略的に示す斜視図である。
図１において、半導体レーザ装置は、複数の発光点１を有する半導体レーザバー２と、発光点１に対向配置されたビーム発散角度補正光学系３と、ビーム発散角度補正光学系３に対向配置されたビーム回転光学系４と、ビーム発散角度補正光学系３およびビーム回転光学系４を介した複数のビーム１１の集光位置に配置された波長分散光学素子５と、波長分散光学素子５からの反射ビームの光路に配置された部分反射鏡６と、を備えている。

ビーム発散角度補正光学系３は、複数の発光点１を有する半導体レーザバー２から出射された複数のビーム１１の各々の光軸上に設置されている。
複数の発光点１から出射された各ビーム１１は、ビーム発散角度補正光学系３により発散角度が補正された後、ビーム回転光学系４に入射されて、各ビームの光軸に垂直な面内で約９０度回転する。

ビーム回転光学系４から出射された各ビーム１１は、後述するメカニズムによりほぼ一点に集まり、各ビーム１１が集まった場所には、波長分散光学素子５が設置されている。
波長分散光学素子５は、波長によって異なる回折特性および屈折角を有し、適切な波長分散値を選択することによって、互いに異なる波長および異なる入射角度を有する複数のビーム１１を、ほぼ同軸に重畳することが可能となっている。

波長分散光学素子５の機能は、分光の逆と考えると分かりやすい。すなわち、分光は、異なる波長を有する同軸のビーム１１を入射して、波長ごとに異なる方向にビーム１１を分離するが、図１の波長分散光学素子５によれば、異なる方向から入射される波長の異なる複数のビーム１１を、波長分散光学素子５によりほぼ同軸ビームに重畳させることができる。

また、ほぼ同軸に重畳されたビームの光軸上には、部分反射鏡６が設置されており、部分反射鏡６の反射面と、半導体レーザバー２の各発光点１のビーム出射側端面とは反対側の端面（反射面）とにより、外部共振器が構成されている。

このように外部共振器を構成することにより、半導体レーザバー２上の各発光点１は、受動的に、異なる波長でレーザ発振する。
異なる波長で発振した各ビーム１１を、波長分散光学素子５を介して、ほぼ同軸の１つのビームに重畳することにより、半導体レーザの輝度を向上させることができる。

次に、図１内の各構成要素について、さらに詳細に説明する。
半導体レーザバー２上の複数の発光点１の各々のＹ−Ｘ平面上の大きさは、数μｍ×数１０μｍ〜数μｍ×数１００μｍである。
通常、数μｍのＹ軸方向は、速軸方向と称され、数１０μｍ〜数１００μｍのＸ軸方向は、遅軸方向と称される。

発光点１から出射されるビーム１１は、速軸方向（Ｙ軸）に対しては急速に発散し、遅軸方向（Ｘ軸）には緩やかに発散する。
ビーム１１の品質を示すビームプロダクトパラメータは、速軸方向（Ｙ軸）では、ほぼ回折限界であるのに対し、遅軸方向（Ｘ軸）では、回折限界の１０倍程度であるのが一般的である。

半導体レーザバー２上には、発光点１が直線上に等ピッチｘで配置され、発光点１の配列方向は、遅軸方向（Ｘ軸）に対して平行方向である。
ビーム発散角度補正光学系３は、急速に発散する速軸方向（Ｙ軸）のビーム１１の発散角度を補正するための光学系であり、シリンドリカルレンズまたはシリンドリカルミラーにより構成される。ビーム発散角度補正光学系３を通すことにより、速軸方向（Ｙ軸）のビーム発散角度は、ほぼ補正される。

ビーム回転光学系４としては、公知文献（特開２０００−１３７１３９ 図２）に示されたシリンドリカルレンズアレイが用いられ、前記シリンドリカルレンズアレイに含まれる各シリンドリカルレンズの円筒軸線は、ビーム１１の入射面または放射面の平面内において、ビーム１１の速軸方向（Ｙ軸）および遅軸方向（Ｘ軸）に対して約４５度の角度で傾斜している。ビーム回転光学系４としては、その他にも前述の特許文献１（ＵＳ２００７／００３５８６１Ａ１）に示されたプリズムアレイ、または公知文献（ＷＯ９８／０８１２８）に示された反射鏡アレイなどが用いられる。
上記アレイ構成からなるビーム回転光学系４を通すことにより、各発光点１から出射されたビーム１１は、光軸に垂直な面内で約９０度回転される。

波長分散光学素子５としては、反射型または透過型の回折格子、またはプリズムを使用することができる。なお、プリズムよりも回折格子の方が、波長分散性（波長変化時の回折角および屈折角の変化）が大きいので、装置全体を小型化することができる。

次に、図２〜図８を参照しながら、半導体レーザバー２上の異なる発光点１から出射される複数のビーム１１を波長分散光学素子５上に集めるメカニズムについて説明する。
図２は半導体レーザバー２上の複数の発光点１とビーム発散角度補正光学系３との位置関係を示す平面図であり、図１内の矢印Ａ方向から見た両者の位置関係を示している。

図２において、ビーム発散角度補正光学系３による発散角度補正方向は、矢印Ｂで示されている。この場合、各発光点１は、Ｘ軸方向にピッチｘ（等間隔）で配列されており、ビーム発散角度補正光学系３は、各発光点１に個別に対応して、順次に相対位置が発散角度補正方向（矢印Ｂ方向）にシフトされている。

図３はこの発明の実施の形態１によるビーム集光効果を示す斜視図であり、発光点１、ビーム発散角度補正光学系３およびビーム回転光学系４と、ビーム１１との位置関係のみを示している。また、図４は図３の位置関係をＹ軸方向およびＸ軸方向から見た平面図および側面図である。

図５はこの発明の実施の形態１によるビーム集光効果（ビーム発散角度補正メカニズム）を示す斜視図であり、ビーム発散角度補正光学系３による補正（矢印Ｃ）時における発光点１およびビーム発散角度補正光学系３と、ビーム１１との位置関係を示している。また、図６は図５の位置関係をＹ軸方向およびＸ軸方向から見た平面図および側面図である。

同様に、図７はこの発明の実施の形態１によるビーム集光効果（ビーム傾き発生メカニズム）を示す斜視図であり、ビーム回転光学系４による回転後（矢印Ｄ）の発光点１、ビーム発散角度補正光学系３およびビーム回転光学系４と、ビーム１１との位置関係を示している。また、図８は図７の位置関係をＹ軸方向およびＸ軸方向から見た平面図および側面図である。
なお、図３〜図８においては、説明を簡略化するために、単一の発光点１のみに注目した場合のビーム光路（グレー領域）のみを示している。

まず、図３〜図６を参照しながら、発光点１とビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置関係を変化させたときのビーム光軸の変化について説明する。
ここでは、発光点１とビーム発散角度補正光学系３との位置関係が同軸上である場合を考える。

図３、図４に示すビーム発散角度補正前の状態においては、ビーム発散角度補正光学系３およびビーム回転光学系４を通して出射されるビーム１１は、半導体レーザバー２の出射面とほぼ垂直な方向となっている。

一方、図５、図６のように、発光点１とビーム発散角度補正光学系３とのビーム発散角度補正方向（矢印Ｃ）の相対的な位置を変化させた場合には、ビーム発散角度補正光学系３から出射されるビーム１１は、ビーム発散角度補正方向に光軸の傾きθが生じる。

このときの光軸の傾きθは、発光点１とビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量δと、ビーム発散角度補正光学系３の焦点距離Ｆとを用いて、以下の式（１）のように表される。

ただし、相対的な位置変化量δがビーム発散角度補正光学系３の焦点距離Ｆに対して十分に小さい場合は、光軸の傾きθは、式（１）を近似した以下の式（２）で表される。

すなわち、この場合、光軸の傾きθは、発光点１とビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量δに概略比例する。
続いて、図７、図８のように、ビーム発散角度補正光学系３から出射されたビーム１１をビーム回転光学系４に入射すると、ビームは約９０度回転（矢印Ｄ参照）する。
この結果、ビーム１１の光軸も９０度回転し、ビーム発散角度補正方向に対して垂直な面内で、半導体レーザバー２の出射面と垂直な方向から傾きθ（図８参照）を有する光軸となる。

したがって、図２のように、複数の発光点１ごとに光軸の傾きθを順次に調整することにより、異なる発光点１からの光軸を１つに集めることができる。

以上の図３〜図８の説明では、説明を簡略化するために、単一の発光点１のみに注目した。これに対して、複数の発光点１を用いた場合について図９Ａ、Ｂに示す。

以下、半導体レーザバー２上の異なる発光点１から出射される複数のビーム１１を波長分散光学素子５上に集めるメカニズムについて、図９Ａ、Ｂを参照しながらさらに説明する。図９Ａ、Ｂは、半導体レーザバー２上の異なる発光点１から出射される複数のビーム１１を波長分散光学素子５上に集めるメカニズムについて説明するための斜視図である。

なお、図９Ａ、Ｂでは、説明を簡略化するために、ビーム１１については光軸のみを示している。また、前述した遅軸方向であるＸ軸と速軸方向であるＹ軸に加えて、ＸＹ平面に垂直なＺ軸も併せて図示されている。また、図９Ａ、Ｂでは、発光点１を８個使用した場合を例示しているが、これに限定されず、発光点１の個数が２個以上あればよい。

図９Ａに示すように、複数の発光点１を備えた半導体レーザバー２に対して、各発光点１に対応して、順次に相対位置が発散角度補正方向（Ｙ方向）にシフトされているビーム発散角度補正光学系３を取り付ける。

このとき、半導体レーザバー２の端面１２と、ビーム発散角度補正光学系３の端面１３とは、ほぼ平行に位置している。また、ビーム発散角度補正光学系３は、ビーム１１の速軸方向（Ｙ方向）の発散角度が補正される位置に置かれる。

半導体レーザバー２の各発光点１より出射した各ビーム１１の光軸は、それぞれに対応するビーム発散角度補正光学系３に対して入射することとなる。しかしながら、このとき、ビーム発散角度補正光学系３の各要素は、順次に相対位置が発散角度補正方向（Ｙ方向）にシフトされている。したがって、ビーム発散角度補正光学系３に入射する各発光点１の光軸は、ビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量δ₁〜δ₈を持って入射することとなる。

また、ビーム発散角度補正光学系３に対して、相対的な位置変化量δ₁〜δ₈を持って入射した各発光点１の光軸は、ビーム発散角度補正光学系３を通過することにより、Ｙ方向に曲げられ、相対的な位置変化量δ₁〜δ₈に対応したθ₁〜θ₈の角度を持って進行することとなる。

その後、図９Ｂに示すように、ビーム発散角度補正光学系３の後方にビーム回転光学系４を取り付けると、発光点１の光軸が９０度回転される。そして、図９Ｂに示す方向に角度を持って進行することとなる。このときの進行角度θ₁〜θ₈（図９Ｂ）は、ビーム回転光学系４を取り付ける前の進行角度θ₁〜θ₈（図９Ａ）とほぼ同等の大きさとなる。

図９Ｂに示す角度θ₁〜θ₈で進行するビーム１１の光軸は、ほぼ一点で交わるため、ビーム重畳点１５１を形成する。

続いて、以下、発光点１とビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量δが、どのような関数で表せられるかについて説明する。

半導体レーザバー２上でピッチｘだけ離れた２つの発光点１から出射されるビーム１１の光軸が、光路上の距離Ｌだけ離れた場所で交わる場合を例にとると、各発光点１のピッチｘは、２つの発光点１からの光軸の傾きθ₁、θ₂を用いて、以下の式（３）のように表される。

ただし、θ＜＜１の場合（θが１よりも十分に小さい場合）は、ピッチｘは、式（３）を近似した以下の式（４）で表される。

よって、式（４）に式（２）を代入すれば、ピッチｘは、以下の式（５）のように表される。

なお、半導体レーザバー２において、通常、隣接する発光点１のピッチｘは一定値なので、式（５）から明らかなように、隣接する発光点１における相対的な位置変化量δの違い（後述する｜δ₁−δ₂｜）は一定値である。
すなわち、半導体レーザバー２上の発光点１とビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量δは、発光点１の配列方向（Ｘ軸方向）のピッチｘに関して線形関数で表される。

たとえば、各発光点１のピッチｘ、ビーム発散角度補正光学系３の焦点距離Ｆ、集光点までの距離Ｌを、それぞれ、ｘ＝５００μｍ、Ｆ＝０．８ｍｍ、Ｌ＝２００ｍｍとすると、半導体レーザバー２上で隣接する発光点１の各々と、ビーム発散角度補正光学系３との相対的な位置変化量（δ₁、δ₂）の違い｜δ₁−δ₂｜は、以下の式（６）により求められる。

なお、ピッチｘ、焦点距離Ｆ、距離Ｌが、それぞれ上記値で一定の場合には、隣接する発光点１の各々とビーム発散角度補正光学系３との位置ずれの差｜δ₁−δ₂｜は、２μｍ（＝０．５ｍｍ×０．８ｍｍ／２００ｍｍ＝０．００２ｍｍ）で一定となる。
図１０は上記値での半導体レーザバー２上の発光点１とビーム発散角度補正光学系３との位置関係を示す平面図であり、前述の図２に対応している。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図１０）に係る半導体レーザ装置は、複数のビーム１１を出射するための複数の発光点１を有する半導体レーザバー２と、複数の発光点１から出射される複数のビーム１１の各々の発散角度を補正するビーム発散角度補正光学系３と、ビーム発散角度補正光学系３により発散角度が補正された複数のビーム１１の各々を光軸に対して回転させるビーム回転光学系４と、ビーム回転光学系４を介した複数のビーム１１の集光位置に配置された波長分散機能を有する波長分散光学素子５と、波長分散光学素子５で反射されて同軸上に重畳された複数のビームの光路上に配置された部分反射鏡６と、を備えており、複数の発光点１に対するビーム発散角度補正光学系３の発散角度補正方向（図２内の矢印Ｂ方向）での相対的な位置は、複数の発光点１の配列順に順次に変化している。

また、複数の発光点１は、半導体レーザバー２上に等しいピッチｘで配列され、互いに隣接する２つの発光点１に対するビーム発散角度補正光学系３の発散角度補正方向の相対的な各位置変化量δ₁、δ₂の違い（＝｜δ₁−δ₂｜）は、それぞれ一定値に設定されている。すなわち、複数の発光点１に対するビーム発散角度補正光学系３の発散角度補正方向での相対的な位置は、各発光点１の配列順に順次に一定値｜δ₁−δ₂｜ずつ変化している（図５参照）。

これにより、半導体レーザバー２の異なる発光点１から出射されたビーム１１は、ビーム発散角度補正光学系３およびビーム回転光学系４を通過して、波長分散光学素子５上に集光される。すなわち、ビーム発散角度補正光学系３は、ビーム回転光学系４と協働して実質的に集光レンズとして機能する。

この結果、ビーム回転光学系４の後段側に集光レンズを設置する必要が無くなり、また、波長分散光学素子５はビーム１１を同軸のレーザビームとして重畳することができるので、装置全体のサイズを小型化するとともに構成を簡略化することができる。
したがって、集光レンズを設置することなく、小型かつシンプルな構成で高輝度の半導体レーザ装置を得ることができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図２、図１０）では、ビーム発散角度補正光学系３の平面形状を複数ピースで示したが、図１１のように、たとえば、一体形状のシリンドリカルレンズからなるビーム発散角度補正光学系３Ａを矢印Ｅ方向に微小回転させて、各発光点１に対する相対位置を順次に変化させてもよい。

図１１はこの発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置における発光点１とビーム発散角度補正光学系３Ａとの位置関係を示す平面図である。
この場合、ビーム発散角度補正光学系３Ａの平面形状のみが前述と異なり、図示しない他の構成は、前述（図１）と同様である。

たとえば、前述（図２、図１０）の複数ピース構成のビーム発散角度補正光学系３は、隣接する２つの発光点１の相対位置ずれ量の違い｜δ₁−δ₂｜を明確化するために示したものであり、各相対位置ずれを高精度に規定しつつ図２、図１０の光学系構成を製作することは実際には困難である。

そこで、図１１に示すように、通常のシリンドリカルレンズを用いたビーム発散角度補正光学系３Ａを微小角度だけ傾斜させることが望ましい。
図１１において、シリンドリカルレンズ形状のビーム発散角度補正光学系３Ａは、半導体レーザバー２（図１参照）の発光点１に対して、半導体レーザバー２の出射端面に平行な面内で、矢印Ｅ方向に微小回転（傾斜）して配置されている。

なお、ここでは、各発光点１に対するビーム発散角度補正光学系３Ａの相対位置のシフト方向が、前述（図２、図１０）とは逆となっているが、たとえば、後段のビーム回転光学系４による回転方向を前述（図７内の矢印Ｄ方向）とは逆に設定すれば、前述と同様にビーム１１を波長分散光学素子５上に集めることができる。

以上のように、この発明の実施の形態２（図１１）におけるビーム発散角度補正光学系３Ａは、シリンドリカルレンズにより構成されており、複数の発光点１から出射される各ビーム１１の光軸に垂直な面内で、複数の発光点１の各々に対して相対的に斜めに設置されている。

これにより、通常用いられている単一で安価なシリンドリカルレンズ形状のビーム発散角度補正光学系３Ａを用いて、前述の実施の形態１と同様にビーム１１の集光作用を実現することができるので、前述の効果に加えてコストを削減することができる。
また、半導体レーザバー２に対するビーム発散角度補正光学系３Ａの回転角度を調整することにより、ビーム１１が１点に集まる場所と半導体レーザバー２との距離Ｌを容易に調整することができる。

実施の形態３．
図１２はこの発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。なお、図１２において、後述するビーム１００、１１０、１２０として表している直線は、ビーム１００、１１０、１２０の光軸を示していることに注意が必要である。

図１２において、半導体レーザ装置は、先の実施の形態１、２において示した半導体レーザバー２と、ビーム発散角度補正光学系３と、ビーム回転光学系４とを１つの構成要素とした、３個の半導体レーザ１０（半導体レーザ１０ａ〜１０ｃ）と、波長分散光学素子５と、部分反射鏡６とを備えている。

また、半導体レーザ１０ａから出射されたビーム１００は、３本のビーム１０１〜１０３から形成される。同様に、半導体レーザ１０ｂから出射されたビーム１１０は、３本のビーム１１１〜１１３から形成され、半導体レーザ１０ｃより出射するビーム１２０は、３本のビーム１２１〜１２３から形成される。

なお、本実施の形態３では、半導体レーザ１０を３個使用した場合を例示しているが、これに限定されず、半導体レーザ１０の個数が２個以上あればよい。また、各半導体レーザ１０ａ〜１０ｃから出射されたビーム１００、１１０、１２０は、それぞれ３本のビームから形成されているが、これに限定されず、ビームの本数が２本以上あればよい。さらに、波長分散光学素子５の波長分解能が足りる範囲であれば、ビームの本数を増やせば増やすほど輝度を向上させることができる。

半導体レーザ１０ａから出射された各ビーム１０１〜１０３は、先の実施の形態１で説明したように、ほぼ１点に集まり、半導体レーザ１０ｂ、１０ｃについても同様のことがいえる。

また、半導体レーザ１０ａから出射された各ビーム１０１〜１０３が集まる点と、半導体レーザ１０ｂから出射された各ビーム１１１〜１１３が集まる点と、半導体レーザ１０ｃから出射された各ビーム１２１〜１２３が集まる点とがほぼ一致するように、各半導体レーザ１０ａ〜１０ｃの位置が調整される。このように、各半導体レーザ１０ａ〜１０ｃの位置が調整されることによって、合計９本のビームがほぼ１点に集まり、ビーム重畳点１５１が形成されることとなる。

また、ビーム重畳点１５１の位置に波長分散光学素子５が設置され、先の実施の形態１で説明したように、部分反射鏡６が適切な位置に設置される。これにより、各半導体レーザ１０ａ〜１０ｃから出射された各ビーム１０１〜１０３、１１１〜１１３、１２１〜１２３は、受動的に、全て異なる波長で発振することとなり、ほぼ同軸の１つのビーム２００となって部分反射鏡６から出射される。

以上のように、この発明の実施の形態３（図１２）に係るレーザ装置は、複数個の半導体レーザ１０を備えるので、半導体レーザ１０を１つのみ備える場合と比較して、レーザの輝度を保ちつつ、レーザの高出力化が可能となる。また、従来では、複数個の半導体レーザ１０について全てにビームを重畳させるための集光レンズが必要であったので、装置全体のサイズが大型であり、高コストであった。これに対して、この発明の実施の形態３に係るレーザ装置においては、集光レンズが必要でないので、装置全体のサイズの小型化と低コスト化が可能となる。

実施の形態４．
図１３は、この発明の実施の形態４に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。

図１３において、半導体レーザ装置は、先の実施の形態３に示した、３個の半導体レーザ１０（半導体レーザ１０ａ〜１０ｃ）と、波長分散光学素子５と、部分反射鏡６とに加え、さらに２個の反射光学素子７を備えている。なお、本実施の形態４では、先の実施の形態３と同様に、半導体レーザ１０を３個使用しているが、これに限定されず、半導体レーザ１０の個数が２個以上あればよい。

また、本実施の形態４では、半導体レーザ１０ａ、１０ｃから出射されたビーム１００、１２０を波長分散光学素子５の方向へ反射する反射光学素子７を２個使用した場合を例示しているが、これに限定されない。すなわち、本実施の形態４では、反射光学素子７を使用することによって、複数個の半導体レーザ１０から出射されたビームのそれぞれを１点に集め、ビーム重畳点１５１を形成することが技術的特徴であり、反射光学素子７の個数、位置については適宜調整することができる。

ここで、通常、半導体レーザ１０内の半導体レーザバー２を高出力動作させる場合には、熱負荷対策として、ヒートシンク上に半導体レーザバー２を設置する。また、このようなヒートシンクは、半導体レーザバー２よりも２倍以上大きいものを使用することが一般的である。そのため、各半導体レーザ１０を近づけて配置しようとしても、ヒートシンクの大きさに制限されてしまい、各半導体レーザ１０から出射されたビーム１００、１１０、１２０のそれぞれを限界まで近づけることはできない。

したがって、そのまま各半導体レーザ１０から出射されたビーム１００、１１０、１２０のそれぞれを１点に集めようとすると、波長分散光学素子５に入射するビーム角度が大きくなる。また、波長分散光学素子５に入射するビーム角度が大きくなると、発振波長幅を広くするか、または各半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離を長くしなければ、ビーム１００、１１０、１２０の全てを外部共振器により発振させることはできない。なお、ここでいう発振波長幅とは、異なる波長で発振するビーム１００、１１０、１２０のそれぞれの発振波長のうち、最長波長と、最短波長との差によって定義される。

しかしながら、各半導体レーザ１０が発振させることのできる発振波長幅が限られているので、実際上、ビーム１００、１１０、１２０をそれぞれ異なる波長で発振させるためには、各半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離を長くするしか方法がない。

これに対して、本実施の形態４では、各半導体レーザ１０から出射されたビームを波長分散光学素子５の方向へ反射する反射光学素子７を使用することによって、ビーム１００、１１０、１２０のそれぞれを１点に集め、ビーム重畳点１５１を形成する。これにより、反射光学素子７を使用しない場合と比較して、各半導体レーザ１０から出射されたビーム１００、１１０、１２０のそれぞれをより限界まで近づけることができる。

以上のように、この発明の実施の形態４（図１３）に係るレーザ装置は、先の実施の形態３（図１２）に係るレーザ装置と比較して、さらに、反射光学素子７を備えるので、複数個の半導体レーザ１０から出射されたそれぞれのビームを、ヒートシンク等の大きさに制限されることなく限界まで近づけることができ、さらには１点に集め、ビーム重畳点１５１を形成することができる。これにより、波長分散光学素子５に入射するビームの角度を小さくすることができるとともに、各半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離を短くすることができるので、装置全体のサイズの小型化が可能となる。

実施の形態５．
図１４はこの発明の実施の形態５に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図である。

図１４において、半導体レーザ装置は、先の実施の形態３に示した、３個の半導体レーザ１０（半導体レーザ１０ａ〜１０ｃ）と、波長分散光学素子５と、部分反射鏡６とに加え、さらに第１レンズ８（焦点距離ｆ₁）および第２レンズ９（焦点距離ｆ₂）を備えている。なお、本実施の形態５では、先の実施の形態３と同様に、半導体レーザ１０を３個使用した場合を例示しているが、これに限定されず、半導体レーザ１０の個数が２個以上あればよい。また、先の実施の形態４と同様に、反射光学素子７を使用してもよい。

各半導体レーザ１０から出射されたビーム１００、１１０、１２０のそれぞれが重畳する（１点に集められ形成された）第１ビーム重畳点１５２から焦点距離ｆ₁だけ離れた位置に第１レンズ８が配置される。また、第１レンズ８から任意の距離だけ離れた位置に第２レンズ９が配置される。さらに、第２レンズ９から焦点距離ｆ₂だけ離れた位置に第２ビーム重畳点１５３が形成され、この位置に波長分散光学素子５が配置される。なお、以降では、各半導体レーザ１０と、第１レンズ８と、第２レンズ９と、波長分散光学素子５との位置関係を説明する場合、半導体レーザ１０ｂを基準位置として説明する。

なお、第１レンズ８の位置について、必ずしも第１ビーム重畳点１５２から第１レンズ８の焦点距離ｆ₁だけ離れた位置にする必要がなく、適宜調整することができる。同様に、波長分散光学素子５の位置について、必ずしも第２レンズ９から第２レンズ９の焦点距離ｆ₂だけ離れた位置にする必要がなく、適宜調整することができる。

各半導体レーザ１０から出射されたビーム１００、１１０、１２０のそれぞれの光軸は、半導体レーザ１０ｂから距離Ｌ₁だけ離れた位置に位置する第１ビーム重畳点１５２から焦点距離ｆ₁だけ離れた位置に配置された第１レンズ８によって、平行になるように変換される。

なお、このような場合、ビーム幅３０１（図中、破線部に相当するビームの幅）については平行とはなっていないことに注意が必要である。また、図１４において、半導体レーザ１０ｃから出射されたビーム１２３に対応したビーム幅３０１についてのみ例示しているが、その他のビームに対応したビーム幅についても同様の状態となっている。

ここで、半導体レーザ１０ａと、半導体レーザ１０ｃとの間におけるＸ方向の距離を距離ｄ₁とすると、光軸が平行に変換された後のビーム１０１と、ビーム１２３との間におけるＸ方向の距離ｄ₂は、以下の式（７）のように表される。なお、以下の式（７）において、Ｌ₁＞ｆ₁の場合、ｄ₂＜ｄ₁となる。

また、前述したように、第１レンズ８から任意の距離Ｌ₂だけ離れた位置に第２レンズ９が配置されることによって、ビーム１００、１１０、１２０のそれぞれは、波長分散光学素子５上に重畳されることとなる。

なお、図１４において、便宜上Ｌ₂＝ｆ₁＋ｆ₂とした場合を例示しているが、距離Ｌ₂の長さに関してはこれに限定されず、任意の長さであってよい。ただし、Ｌ₂≠ｆ₁＋ｆ₂とした場合には、例えば、波長分散光学素子５と、部分反射鏡６との間に第３レンズを配置する、または部分反射鏡６を凹面ミラー（鏡面が凹面形状）とするといった措置が別途必要となる。

次に、本実施の形態５に係る半導体レーザ装置の構成を適用せずに、各半導体レーザ１０を１つの波長分散光学素子５で重畳させ、各半導体レーザ１０から出射される全ビームを異なる波長で発振させる場合に必要な半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌについて考える。

このような場合、半導体レーザ１０ｂから出射されるビーム１１２と、波長分散光学素子５の回折格子法線とのなす角に相当する入射角αと、波長分散光学素子５から出射されたビーム２００と、この回折格子法線とのなす角に相当する回折角βと、波長分散光学素子５の溝本数Ｎと、回折次数ｍと、ビーム１１２の波長λとの間において、以下の式（８）のような関係式（グレーティング方程式）が成立する。なお、以降における式（８）を用いた計算については、回折次数ｍ＝１として計算している。

また、半導体レーザ１０ａと、半導体レーザ１０ｃとの間におけるＸ方向の距離ｄ₁と、発振波長幅Δλと、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌと、波長分散光学素子５の溝本数Ｎと、回折角βとの間において、以下の式（９）のような関係式が成立する。

ここで、式（９）の導出手順について具体的に説明する。はじめに、式（８）の両辺を波長λで微分すると、以下の式（１０）のように表される。なお、ここでは、前述したように回折次数ｍ＝１としており、さらに、入射角αを一定として微分をしている。

続いて、式（１０）の両辺に半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌを掛けると、以下の式（１１）のように表される。

また、回折角βが微小角（ｄβ）である場合において、距離Ｌと、距離ｄ₁との間において、以下の式（１２）のような関係式が成立する。

さらに、式（１１）に式（１２）を代入するとともに、式（１１）中のｄλをΔλと表記することによって、式（９）のような関係式が導出される。

具体例として、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌを求める場合、例えば、距離ｄ₁＝１００ｍｍ、発振波長幅Δλ＝４０ｎｍ、波長分散光学素子５の溝本数Ｎ＝１５００本／ｍｍ、入射角α＝４３°、ビーム１１２の波長λ＝９１５ｎｍと仮定する。

以上のこれらの数値を式（８）、（９）に代入すると、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌが１２００ｍｍｍｍ程度となる。すなわち、本実施の形態５に係る半導体レーザ装置の構成を適用しない場合、半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離Ｌは、１２００ｍｍ程度が必要とされることとなる。なお、ここで入射角α＝４３°と仮定したのは、入射角と回折角の大きさがほぼ等しい場合において、一般的に波長分散光学素子５の回折効率が高くなるためである。

これに対し、本実施の形態５に係る半導体レーザ装置の構成を適用して、各半導体レーザ１０を１つの波長分散光学素子５で重畳させ、各半導体レーザ１０から出射される全ビームを異なる波長で発振させる場合に必要な半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌについて考える。

なお、この場合における距離Ｌは、半導体レーザ１０ｂから第１ビーム重畳点１５２までの距離Ｌ₁と、第１ビーム重畳点１５２から第１レンズ８までの焦点距離ｆ₁と、第１レンズ８から第２レンズ９までの距離Ｌ₂と、第２レンズ９から波長分散光学素子５までの焦点距離ｆ₂との総和に相当し、以下の式（１３）のように表される。

先と同様に、具体例として、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌを求める場合、例えば、距離ｄ₁＝１００ｍｍ、発振波長幅Δλ＝４０ｎｍ、波長分散光学素子５の溝本数Ｎ＝１５００本／ｍｍ、入射角α＝４３°、ビーム１１２の波長λ＝９１５ｎｍと仮定する。さらに、本実施の形態５では、半導体レーザ１０ｂから第１ビーム重畳点１５２までの距離Ｌ₁＝１００ｍｍ、第１レンズ８の焦点距離ｆ₁＝２０ｍｍと仮定する。

ここで、距離ｄ₁＝１００ｍｍ、第１レンズ８の焦点距離ｆ₁＝２０ｍｍ、半導体レーザ１０ｂから第１ビーム重畳点１５２までの距離Ｌ₁＝１００ｍｍを式（７）に代入すると、光軸が平行に変換された後のビーム１０１と、ビーム１２３との間におけるＸ方向の距離ｄ₂が２０ｍｍとなる。

以上のこれらの数値を式（８）、（９）に代入すると、第２レンズ９から波長分散光学素子５までの焦点距離ｆ₂が２４０ｍｍ程度となる。なお、ここでは、距離ｄ₂を式（９）に代入する場合、式中の距離ｄ₁を距離ｄ₂に置き換えて計算している。

また、これらの数値を式（１３）に代入すると、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌが６２０ｍｍ程度となる。すなわち、本実施の形態５に係る半導体レーザ装置の構成を適用した場合、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌは、６２０ｍｍ程度が必要とされることとなる。なお、ここでは、Ｌ₂＝ｆ₁＋ｆ₂として、半導体レーザ１０ｂから波長分散光学素子５までの距離Ｌを計算している。

以上のように、この発明の実施の形態５（図１４）に係るレーザ装置は、この半導体レーザ装置の構成を適用しない場合と比較して、半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離が短くなるので、装置全体のサイズの大幅な小型化が可能となる。

また、ビーム幅３０１が第１レンズ８および第２レンズ９によって拡大されるので、波長分散光学素子５上にて重畳するビームのビーム径が大きくなる。したがって、波長分散光学素子５に照射されるビーム照射密度を大幅に下げることができ、装置の高出力化の際において非常に大きな問題となる波長分散光学素子５の耐久性についても大幅に向上させることができる。

さらには、波長分散光学素子５上に重畳されたビームのビーム径が大きくなるということは、波長分散光学素子５の利用溝本数が増えることとなるので、波長分散光学素子５の波長分解能も向上させることができ、さらなる高輝度化が図られるという効果も有する。

このとき、Ｌ₂≠ｆ₁＋ｆ₂とした場合には、この半導体レーザ装置の構成を適用しない場合と比較して、装置全体のサイズの大幅な小型化が可能となるとともに、波長分散光学素子５上におけるビーム径をさらに拡大することもでき、耐久性向上および波長分解能向上に関するさらなる効果を発揮することができる。特に、Ｌ₂＜ｆ₁＋ｆ₂とした場合には、半導体レーザ１０から波長分散光学素子５までの距離がより短くなるので、装置全体のサイズをさらに小型化することができる。

実施の形態６．
図１５Ａはこの発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置を概略的に示す平面図であり、図１５Ｂは図１５Ａの半導体レーザ１０をＸ軸方向から見た側面図である。

図１５Ａにおいて、半導体レーザ装置は、先の実施の形態１〜４に示した、１個の半導体レーザ１０と、波長分散光学素子５と、部分反射鏡６とを備えている。なお、本実施の形態６では、先の実施の形態１と同様に、半導体レーザ１０を１個使用した場合を例示しているが、これに限定されず、先の実施の形態３〜５と同様に、半導体レーザ１０の個数が２個以上あってもよい。

図１６Ａはこの発明の実施の形態６に係る半導体レーザ装置との対比説明に用いる半導体レーザ装置を概略的に示す平面図であり、図１６Ｂは図１６Ａの半導体レーザ１０をＸ軸方向から見た側面図である。なお、図１６Ａ、Ｂは本実施の形態６に係る半導体レーザ装置と、本実施の形態１に係る半導体レーザ装置との違いを補足して説明するために示されている。

本実施の形態６に係る半導体レーザ装置において、図１５Ａに示すように、半導体レーザ１０は、出射する複数のビームが、遅軸方向であるＸ軸と速軸方向であるＹ軸で規定されるＸＹ平面に垂直なＺ軸に対して傾斜して配置されている。換言すると、図１５Ａに示すように、半導体レーザ１０がＺ軸に対して傾斜角Ｃだけ傾斜された状態で配置されている。

また、図１５Ａにおいて、半導体レーザ１０のほぼ中心に位置する発光点１から出射されたビーム１０２がビーム回転光学系４を通過した後にＺ軸に対してほぼ平行に進行するように、ビーム発散角度補正光学系３のＹ軸方向の位置が調整される。

ここで、図１５Ａにおいて、ビーム回転光学系４を通過した後のビーム１０２をＺ軸に対してほぼ平行に進行させるために、具体的には、以下のようにビーム発散角度補正光学系３のＹ軸方向の位置を調整すればよい。

すなわち、図１５Ｂに示すように、ビーム発散角度補正光学系３は、Ｚ軸に対して傾斜して配置されている半導体レーザ１０のほぼ中心に位置する発光点１から出射されたビーム１０２がビーム回転光学系４を通過した後にＺ軸に対してほぼ平行に進行するように、Ｙ軸方向の位置が調整される。換言すると、ビーム１０２がビーム発散角度補正光学系３のほぼ中心からずれた位置に入射するように、発光点１とビーム発散角度補正光学系３とのＹ軸方向に対する相対的な位置関係を変化させる。そして、このように変化させることで、ビーム発散角度補正光学系３を通過した後のビーム１０２が傾斜角Ｃの大きさを持ってビーム回転光学系４に入射するようにすればよい。

このとき、図１５Ａにおいて、半導体１０から出射されるビーム１０１とビーム１０３とのなす角度Ｄ₁は、半導体レーザ１０からビーム重畳点１５１までの距離を距離Ｂ₁とし、ビーム１０１およびビーム１０３を出射するそれぞれの発光点１の間隔を発光点間隔Ａとすると、以下の式（１４）のように表される。

これに対して、先の実施の形態１に係る半導体レーザ装置においては、図１６Ａに示すように、半導体レーザ１０がＺ軸に対して平行に配置されている。また、図１６Ｂに示すように、半導体レーザ１０のほぼ中心に位置する発光点１から出射されたビーム１０２はビーム回転光学系４を通過した後にＺ軸に対してほぼ平行に進行する。

このとき、図１６Ａにおいて、半導体レーザ１０から出射されるビーム１０１とビーム１０３とのなす角度Ｄ₂は、半導体レーザ１０からビーム重畳点１５１までの距離を距離Ｂ₂とし、発光点間隔Ａを用いると、以下の式（１５）のように表される。

ここで、図１５Ａにおける半導体レーザ１０および図１６Ａにおける半導体レーザ１０のそれぞれの発振波長幅が等しいとすると、角度Ｄ₁と角度Ｄ₂とが等しくなる（Ｄ₁＝Ｄ₂）。なお、ここでいう発振波長幅とは、異なる波長で発振するビーム１０１、１０２、１０３のそれぞれの発振波長のうち、最長波長と、最短波長との差によって定義される。

このように、Ｄ₁＝Ｄ₂である場合、式（１４）、（１５）からＡｃｏｓＣ＜Ａとなるので、距離Ｂ₁よりも距離Ｂ₂が長くなる（Ｂ₁＜Ｂ₂）。

具体例として、発光点間隔Ａ＝１０ｍｍ、波長分散光学素子５の溝本数Ｎ＝１５００本／ｍｍ、入射角α＝４３°、ビーム１０２の波長λ＝９１５ｎｍ、発振波長幅Δλ＝４０ｎｍ、傾斜角Ｃ＝１０°と仮定する。

以上のこれらの数値を式（８）、（９）に代入すると、回折角β≒４３．７°、距離Ｂ₁≒１１８ｍｍ、距離Ｂ₂≒１２１ｍｍとなる。なお、ここでは、発光点間隔ＡおよびＡｃｏｓＣを、式（９）に代入する場合において、式中の距離ｄ₁を発光点間隔ＡおよびＡｃｏｓＣに置き換えて計算している。

以上のように、この発明の実施の形態６（図１５Ａ、Ｂ）に係るレーザ装置は、この半導体レーザ装置の構成を適用しない場合と比較して、半導体レーザ１０の発振波長幅を変化させることなく、半導体レーザ１０からビーム重畳点１５１までの距離を短くすることができるので、非常に簡便な方法で装置全体のサイズの小型化が可能となる。また、この発明の実施の形態６に係るレーザ装置に具備される半導体レーザ１０の個数分だけ、この装置全体のサイズの小型化の効果が掛け合わされることとなるので、この個数が増えるほど、より絶大な効果が発揮される。

Claims (10)

1. 半導体レーザバーが有する複数の発光点から出射される複数のビームの波長重畳を行う半導体レーザ装置であって、
   前記複数の発光点が配列される方向と直交する方向であるビーム発散角度補正方向での相対的な位置が前記複数の発光点の配列順に順次変化して配置され、前記ビーム発散角度補正方向において前記複数のビームの各々の発散角度を補正するビーム発散角度補正光学系と、
   前記ビーム発散角度補正光学系により発散角度が補正された前記複数のビームの各々を光軸に対して回転させるビーム回転光学系と、
   前記複数のビームが前記ビーム発散角補正光学系および前記ビーム回転光学系を介して前記ビーム発散角度補正方向と直交する面内で集光される集光位置に配置された波長分散光学素子と、
   前記波長分散光学素子で回折されて同軸上に重畳された前記複数のビームの光路上に配置された部分反射鏡と、
   を備えた半導体レーザ装置。
2. 前記複数の発光点は、前記半導体レーザバー上に等しいピッチで配列され、
   互いに隣接する２つの発光点に対する前記ビーム発散角度補正光学系の発散角度補正方向の相対的な位置変化量の違いは、それぞれ一定値に設定されている
   請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記ビーム発散角度補正光学系から前記集光位置までの距離をＬ、前記ビーム発散角度補正光学系の焦点距離をＦ、前記複数の発光点が配列される間隔をｘ、前記複数の発光点のうち隣接する２つの発光点に対する前記ビーム発散角度補正光学系における前記ビーム発散角度補正方向での相対的な位置の変化量をそれぞれδ１、δ２とするとき、
   Ｌ＝Ｆ・ｘ／｜δ１−δ２｜である
   請求項１に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記ビーム発散角度補正光学系は、シリンドリカルレンズにより構成され、前記複数の発光点から出射される各ビームの光軸に垂直な面内で、前記複数の発光点の各々に対して相対的に斜めに設置されている
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記半導体レーザバーは、出射する前記複数のビームが、遅軸方向であるＸ軸と速軸方向であるＹ軸で規定されるＸＹ平面に垂直なＺ軸に対して傾斜して配置され、
   前記ビーム発散角度補正光学系は、前記半導体レーザバーの中心に位置する発光点から出射されたビームが前記ビーム回転光学系を通過した後に前記Ｚ軸に対して平行に進行するように、前記Ｙ軸方向の位置が調整されている
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記半導体レーザバーと、前記ビーム発散角度補正光学系と、前記ビーム回転光学系とからなる光学系を複数備える
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記複数の光学系のそれぞれから出射されるビームが１点に集合し、ビーム重畳点を形成するように、前記複数の光学系のそれぞれが配置される
   請求項６に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記光学系から出射されるビームを、前記波長分散光学素子の位置方向へ反射する反射光学素子をさらに備え、
   前記複数の光学系のそれぞれから出射されるビームが１点に集合し、ビーム重畳点を形成するように、前記複数の光学系のそれぞれと、前記反射光学素子とが配置される
   請求項６または請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 焦点距離が第１焦点距離である第１レンズと、焦点距離が第２焦点距離である第２レンズとをさらに備え、
   前記第１レンズは、前記ビーム重畳点から前記第１焦点距離だけ離れた位置に配置され、
   前記第２レンズは、前記第１レンズの位置から前記第１焦点距離および前記第２焦点距離の和に相当する距離だけ離れた位置に配置される
   請求項７または請求項８に記載の半導体レーザ装置。
10. 焦点距離が第１焦点距離である第１レンズと、焦点距離が第２焦点距離である第２レンズとをさらに備え、
    前記第１レンズは、前記ビーム重畳点から前記第１焦点距離だけ離れた位置に配置され、
    前記第２レンズは、前記第１レンズの位置から前記第１焦点距離および前記第２焦点距離の和に相当する距離よりも短い距離または長い距離だけ離れた位置に配置され、
    前記波長分散光学素子と、前記部分反射鏡との間に配置される第３レンズをさらに備えるか、または前記部分反射鏡の鏡面を凹面形状とする
    請求項７または請求項８に記載の半導体レーザ装置。

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