JP5920254B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
このような半導体レーザ装置においては、高出力化の要請に応じて、光ファイバ1本当たりの光出力を大きくするため、1本の光ファイバに対して複数の半導体レーザアレイを用い、これらの複数の半導体レーザアレイからのレーザ光をできるだけ密にし、集光レンズを介して光ファイバに入射させることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この半導体レーザ装置において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々には、集光レンズ19との間における当該半導体レーザアレイ11a〜11fに接近した位置に、遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17bよりなるコリメート部材が配置されている。また、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの光出射方向前方(図7における右方)には、集光レンズ19が設けられている。
図7において、80は、ヒートシンクであり、15は、光ファイバ14を保持するための光ファイバ保持部材である。
このような半導体レーザ装置においては、互いに隣接する半導体レーザアレイを大きく離間した状態とすることができることから、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々が高温となることを抑制できる。
具体的に説明すると、半導体レーザアレイ11a〜11fは、複数の発光部が直線状に並んだものであり、発光部間の間隔が一般に数十μm〜百数十μm程度と狭いことから、コリメートによって遅軸方向に十分な平行状態を得ることが難しい。このため、コリメート部材によるコリメート光は一般に遅軸方向に数mrad〜数十mradの広がりを有するものとなる。なお、シングルエミッタ半導体素子においては、コリメート光は略平行光と見なせるものとなる。そのため、半導体レーザアレイ11a〜11fと集光レンズ19との間の距離が長くなるに従って、集光レンズ19の配置位置におけるレーザ光の遅軸方向の光線幅(以下、「遅軸方向光線幅」ともいう。)が大きくなる。ここに、集光レンズ19に入射するレーザ光(コリメート光)の遅軸方向光線幅w1は、下記の数式(1)で示されるように、コリメート部材から出射したコリメート光の遅軸方向光線幅w0に、コリメート光の発散角θと、コリメート光の集光レンズ19までの伝播距離Lとの積を加えることによって求められる値である。そして、遅軸方向光線幅の大きなレーザ光は、その一部が集光レンズ19あるいは光ファイバ14に入射されず、いわゆる蹴られ現象が生じて損失となり、光ファイバ14から外部に出射されることがない。従って、半導体レーザ装置においては、ファイバ結合効率が小さくなってしまう。ここに、「ファイバ結合効率」とは、レーザ光源を構成する複数の半導体レーザアレイからのレーザ光のうちの光ファイバに入射されるレーザ光の割合(強度)を示す値である。
w1=w0+θ・L
図8において、La〜Lfは、各々、半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光の光路を示す。
また、図9において、矢印Fは、半導体レーザアレイ11a〜11fの速軸方向を示し、また矢印Sは、半導体レーザアレイ11a〜11fの遅軸方向を示す。
前記集光レンズには、当該集光レンズの光入射面に、前記複数の半導体レーザアレイからの光の各々が並列に並んで投影されて光入射列が形成され、
前記複数の半導体レーザアレイのうちの少なくとも1個の半導体レーザアレイは、当該半導体レーザアレイからの光が前記集光レンズに至るまでの光路の長さである集光レンズ入射光路長が相対的に異なり、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからの光である遅軸方向の光線幅が最も大きい光が前記集光レンズの光入射面の中央側に入射されることを特徴とする。
このような本発明の半導体レーザ装置においては、前記階段状設置面は、ヒートシンクの表面により形成されていることが好ましい。
また、このような本発明の半導体レーザ装置においては、対向配置された2つの階段状設置面における複数の素子設置面の各々に前記半導体レーザアレイが設置され、この2つの階段状設置面の間に折り返しミラーが配置されており、当該折り返しミラーによって折り返された複数の半導体レーザアレイからの光が前記集光レンズに入射されることが好ましい。
従って、本発明の半導体レーザ装置によれば、複数の半導体レーザアレイからの光を高い効率で光ファイバに入射させることができ、よって高い光の出力が得られる。
図1は、本発明の半導体レーザ装置の構成の一例の概要を示す説明図である。
この半導体レーザ装置10は、レーザ光源として、直線状に並ぶ複数の発光部を有する、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fを備えており、これらの複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光が光ファイバ14を介して外部に出射される構成を有するものである。
半導体レーザ装置10において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、例えば銅およびアルミニウムなどの金属よりなるヒートシンク20の上面(図1における上面)において、半導体レーザアレイ11a〜11cと半導体レーザアレイ11d〜11fとが、それぞれ対向するように配設されている。この複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々と、ヒートシンク20との間には、例えば銅タングステン(CuW)や窒化アルミニウム(AlN)などからなるサブマウント部材(図示省略)が介在している。また、半導体レーザ装置10には、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光を同一方向に進むように屈曲する、例えば三角プリズムよりなる折り返しミラー18と、この折り返しミラー18によって屈曲されたレーザ光を集光する集光レンズ19とが設けられている。また、光ファイバ14は、円形状の一端面14aが光入射面とされ、円形状の他端面14bが光出射面とされており、集光レンズ19によって集光されたレーザ光が光入射面に入射されるように配置されている。
この図の例において、集光レンズ19は、略円板形状の外観形状を有している。
また、図1において、La〜Lfは、各々、半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光の光路を示す。
コリメート部材を構成する遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17bは、各々、半導体レーザアレイ11a〜11fにおける複数の発光部の各々に対応するレンズセルを有するものである。すなわち、遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17bは、各々、直線状に並んだ複数のレンズセルを有するものである。
コリメート部材を半導体レーザアレイ11a〜11fに接近した位置に配置することにより、半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光を高い効率でコリメート部材に入射させることができる。しかしながら、その一方でコリメート部材によってコリメートされたレーザ光(コリメート光)が遅軸方向に数十mradの広がりを有するものとなる。
図2は、半導体レーザアレイ11の発光部13からコリメート部材に向かってレーザ光が出射された状態を、複数の発光部13の並ぶ方向に垂直な方向から示す説明用投影図であり、(a)はコリメート部材が半導体レーザアレイ11に接近した接近位置に配置された場合を示す説明用模式図であり、(b)はコリメート部材が半導体レーザアレイ11から大きく離間した遠方位置に配置された場合を示す説明用模式図である。
レーザ光源としてシングルエミッタ半導体レーザ素子を用いた場合には、当該シングルエミッタ半導体レーザ素子の発光部が1つであることから、コリメート部材(コリメートレンズ)によるコリメート光は略平行光となる。
一方、半導体レーザアレイ11においては、複数の発光部13の間隔が一般に数十μm〜百数十μm程度(具体的には、複数の発光部13の間隔が0.5mm程度、あるいはそれ以下)である。そのため、コリメート部材、具体的にはコリメートレンズアレイ16においては、当該コリメートレンズアレイ16を構成する各レンズセル16aの大きさ(半導体レーザアレイ11における複数の発光部13の並ぶ方向の長さ)が制約される。それゆえ、コリメートレンズアレイ16によるコリメートによって遅軸方向に十分な平行状態を得ることが難しく、よってコリメート光は一般に遅軸方向に数mrad〜数十mradの広がりを有するものとなる。しかも、各レンズセル16aの大きさが制限され、また得られるコリメート光が広がりを有することに起因して、半導体レーザアレイ11とコリメートレンズアレイ16との離間距離が、コリメートレンズアレイ16におけるレーザ光の入射効率の観点から制約されることとなる。
具体的に説明すると、図2(a)に示されているように、コリメートレンズアレイ16を半導体レーザアレイ11の接近位置に配置した場合には、レンズセル16aの焦点距離が、発光部13の幅(複数の発光部13の並ぶ方向の長さ)と近似した値となり、よって発光部13は点光源と見なせなくなる。そのため、発光部13において、端部13bからのレーザ光L2と、中心部13aからのレーザ光L1とのなす角(発散角)θ1は数十mradの大きさとなる。
一方、図2(b)に示されているように、コリメートレンズアレイ16を半導体レーザアレイ11の遠方位置に配置した場合には、接近位置に配置した場合に比して、レンズセル16aの焦点距離が長くなる。そのため、端部13bからのレーザ光L2と、中心部13aからのレーザ光L1とのなす角(発散角)θ2は、接近位置に配置した場合に係る発散角θ1よりも小さくなる。しかしながら、発光部13からのレーザ光は、その一部L11が当該発光部13に対応するレンズセル16aの光入射面から食み出し、入射されずに損失となる。
このように、コリメートレンズアレイ16を半導体レーザアレイ11の接近位置に配置することによれば、半導体レーザアレイ11からのレーザ光を高い効率でコリメートレンズアレイ16に入射させることができ、その一方でコリメートレンズアレイ16によるコリメート光が遅軸方向に数十mradの広がりを有するものとなる。
図2においては、発光部13の中心部13aからのレーザ光を実線で示し、端部13bからのレーザ光を破線で示す。
また、これらの複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、複数の発光部が並ぶ方向の長さが同一のものであることが好ましい。
この図の例において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、同一の規格を有するものである。
この図の例において、側面23は、2つのステップ面23a,23bを有する2段の階段形状を有しており、これらの2つのステップ面23a,23bは、矩形状であって周縁面21aおよび底面26に平行である。また、側面24は、側面23と同様の構成を有している。すなわち、側面24は、2つのステップ面24a,24bを有する2段の階段形状を有しており、これらの2つのステップ面24a,24bは、矩形状であって周縁面21bおよび底面26に平行である。また、対向配置された第1階段状設置面27および第2階段状設置面28は、集光レンズ19の光軸に関して鏡面対称である。
また、階段状設置面27,28を構成する周縁面21a,21bおよびステップ面23a,23b,24a,24bは、排熱性の観点から、半導体レーザアレイ11a〜11fの下面(図1における下面)の全域を接触させることのできるような大きさであることが好ましい。
そして、第1階段状設置面27に配置された半導体レーザアレイ11a〜11cと、第2階段設置面28に配置された半導体レーザアレイ11d〜11fとは、各々、光出射面が対向するように配置されている。
また、溝21の底面26には、折り返しミラー18が配置されている。この折り返しミラー18は、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光(コリメート光)が入射されると共に、この折り返しミラー18で反射されることによって直角に屈曲したレーザ光が集光レンズ19に入射されるように位置されている。
この図の例において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、各々、光出射面を構成する一面12が、周縁面21a,21bの外縁22a,22b上またはステップ面23a,23b,24a,24bの外縁25a〜25d上に位置するように配置されている。また、各半導体レーザアレイ11a〜11fに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザアレイ11a〜11fが配置されている周縁面またはステップ面よりも1段下のステップ面または底面26の上方に配置されている。
また、折り返しミラー18は、溝21の中央部分に位置されており、この折り返しミラー18の光出射方向(図1における上方)の近傍には、集光ミラー19が配置され、またこの集光ミラー19の焦点位置には、光ファイバ14の光入射面が位置されている。
この図の例において、対向配置された半導体レーザアレイからのレーザ光は、集光レンズ入射光路長が同一である。すなわち、半導体レーザアレイ11aに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11dに係る集光レンズ入射光路長とは同一であり、半導体レーザアレイ11bに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11eに係る集光レンズ入射光路長とは同一である。また、半導体レーザアレイ11cに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11fに係る集光レンズ入射光路長とは同一である。
ここに、光入射列31は、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光の各々が、集光レンズ19の光入射面19aに、並列に並んで投影されることによって形成されるものである。この光入射列31においては、半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光による略矩形状の光入射領域31a〜31fが並列に並んでいる。この光入射列31を構成する複数の光入射領域31a〜31fは、これらの光入射領域31a〜31fが並ぶ方向(図3における上下方向であって、以下、「光入射列並列方向」ともいう。)の寸法は同一であるが、光入射列並列方向に垂直な方向(図3における左右方向)の寸法(以下、「入射領域幅」ともいう。)は異なるものである。この光入射領域幅は、レーザ光の遅軸方向の光線幅(遅軸方向光線幅)によるものであることから、集光レンズ入射光路長が長くなるに従って大きくなる。
この図の例において、対向配置された半導体レーザアレイからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおける入射位置が、当該光入射面19aの中心に関して対称となっている。そして、光入射列31は、その中心が集光レンズ19の光入射面19aの中心部上に位置しており、当該光入射列31の中心に関して、光入射列並列方向および光入射列並列方向に垂直な方向に対称な形状である。
光ファイバ14としては、例えば石英ファイバなどが用いられる。
図の例においては、光ファイバ14の光入射面とされる一端面側の端部には、光ファイバ14の外径に適合した内径を有する円筒状の光ファイバ保持部材15が装着されている。
また、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光は、集光レンズ19の円形状の光入射面19aにおいて、集光レンズ入射光路長が長いものほど光入射面19aの中心部に接近した位置に入射して光入射列31を形成する。すなわち、より遅軸方向光線幅の大きいレーザ光が、集光レンズ19の光入射面19aの中心部に接近し、より遅軸方向光線幅の小さいレーザ光が集光レンズ19の光入射面19aの周縁部に接近するように並列に並んで投影されて光入射列31を形成している。そして、光入射列31は、その全体形状が、光入射面19aより小径の円形状に近似したものとなる。そのため、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光をコリメート部材を介して集光レンズ19の円形状の光入射面19aに高い効率で入射させることができる。また、この集光レンズ19から出射されたレーザ光を高い効率で光ファイバ14における円形状の有効取り込み領域に高い効率で入射させることができる。その結果、集光レンズ19および光ファイバ14の各々において蹴られ現象の発生が抑制され、よってファイバ結合効率が大きくなる。
従って、半導体レーザ装置10によれば、高い光の出力が得られる。
図4は、本発明の半導体レーザ装置の構成の他の例の概要を示す説明図であり、図5は、図4の半導体レーザ装置を、当該図4における上方から示す説明用投影図である。
この半導体レーザ装置40は、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光が光ファイバ14を介して外部に出射される構成を有するものである。
この半導体レーザ装置40において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、ヒートシンク50の表面に、光出射面を構成する一面12が同一方向(図4および図5における右方)を向くように配置されている。これらの複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々と、ヒートシンク50との間には、サブマウント部材(図示省略)が介在している。
また、半導体レーザ装置40には、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々に対応してコリメート部材(具体的には、遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17b)が設けられている。また、これらのコリメート部材によってコリメートされたレーザ光を集光するための集光レンズ19が、半導体レーザアレイ11d〜11fの光出射面に対向するように設けられている。また、半導体レーザアレイ11a〜11cのコリメート部材の光出射前方(図4および図5における右方)には、これらの半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光(コリメート光)を屈曲させるための光屈曲機構が設けられている。この光屈曲機構は、第1の折り返しミラー42と第2の折り返しミラー43とよりなり、これらの第1の折り返しミラー42および第2の折り返しミラー43は、例えば三角プリズムよりなる。
また、この半導体レーザ装置40において、半導体レーザアレイ11a〜11f、コリメート部材(遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17b)、光ファイバ14および集光レンズ19は、図1の半導体レーザ装置10と同様である。
また、ヒートシンク50は、1つの階段状設置面56を有しており、この階段状設置面56における素子設置面の各々が2個の半導体レーザアレイを配置することのできる大きさとされていること以外は、図1の半導体レーザ装置10のヒートシンク20と同様の構成を有するものである。
図4および図5において、La〜Lfは、各々、半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光の光路を示す。また、図5においては、半導体レーザアレイ11cからのレーザ光の光路のみを示す。
この図の例において、側面52は、3つのステップ面52a〜52cを有する3段の階段形状を有しており、これらの3つのステップ面52a〜52cは、各々、矩形状であって上面51aおよび下面51bに平行である。
また、各素子設置面において、半導体レーザアレイ11a〜11fは、光出射面を構成する一面12が、上面51aにおける側面52との境界に係る外縁53、またはステップ面における一段下のステップ面との境界に係る外縁54a,54bに沿って伸びるように位置されている。
この図の例において、半導体レーザアレイ11a〜11fは、各々、光出射面を構成する一面12が、上面51aの外縁53またはステップ面52a,52bの外縁54a,54b上に位置するように配置されている。また、各半導体レーザアレイ11a〜11fに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザアレイ11a〜11fが配置されている上面51aまたはステップ面よりも1段下のステップ面の上方に配置されている。
この光屈曲機構において、第1の折り返しミラー42と第2の折り返しミラー43とは、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光が、第1の折り返しミラー42および第2の折り返しミラー43をこの順に経ることによって集光レンズ19に入射されるように配置されている。すなわち、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光は、先ず、第1の折り返しミラー42に入射して屈曲されて出射された後、第2の折り返しミラー43に入射し、この第2の折り返しミラー43によって屈曲されて出射されて集光レンズ19に入射することとなる。
そして、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aに形成される光入射列おいて、半導体レーザアレイ11aからのレーザ光、半導体レーザアレイ11bからのレーザ光および半導体レーザアレイ11cからのレーザ光の順により中心側に入射している。すなわち、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイ11aからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aの中心部に最も接近した中心近傍位置に入射し、一方、最も短い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイ11cからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aの中心部から最も離間した周縁側位置に入射している。また、半導体レーザアレイ11d〜11fからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aに形成される光入射列において、半導体レーザアレイ11dからのレーザ光、半導体レーザアレイ11eからのレーザ光および半導体レーザアレイ11fからのレーザ光の順により中心側に入射している。すなわち、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイ11dからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aの中心部に最も接近した中心近傍位置に入射し、一方、最も短い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイ11fからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aの中心部から最も離間した周縁側位置に入射している。而して、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光のうちの、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイ11aからのレーザ光は、半導体レーザアレイ11b,11c,11e,11fからのレーザ光に比して、集光レンズ19における光入射列の中心側に入射している。
この図の例において、同一の素子設置面に配置されたレーザアレイからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおける入射位置が、当該光入射面の中心に関して対称となっている。そして、光入射面19aに形成される光入射列は、その中心が集光レンズ19の光入射面19aの中心部上に位置しており、当該光入射列の中心に関して、光入射列並列方向に垂直な方向に対称な形状である。
また、集光レンズ19の円形状の光入射面19aにおいては、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光が集光レンズ入射光路長が長いものほど光入射面19aの中心部に接近した位置に入射している。また、半導体レーザアレイ11d〜11fからのレーザ光が集光レンズ入射光路長が長いものほど光入射面19aの中心部に接近した位置に入射することによって光入射列を形成している。すなわち、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光、および半導体レーザアレイ11d〜11fにおいて、各々、より遅軸方向光線幅の大きいレーザ光が、集光レンズ19の光入射面19aの中心部に接近し、より遅軸方向光線幅の小さいレーザ光が集光レンズ19の光入射面19aの周縁部に接近するように並列に並んで投影されて光入射列を形成している。そして、光入射列は、その全体形状が、光入射面19aより小径の円形状に近似したものとなる。そのため、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光をコリメート部材を介して集光レンズ19の円形状の光入射面19aに高い効率で入射させることができる。また、この集光レンズから出射されたレーザ光を高い効率で光ファイバ14における円形状の有効取り込み領域に高い効率で入射させることができる。その結果、集光レンズ19および光ファイバ14の各々において蹴られ現象の発生が抑制され、よってファイバ結合効率が大きくなる。
従って、半導体レーザ装置40によれば、高い光の出力が得られる。
図6は、本発明の半導体レーザ装置の構成の更に他の例の概要を示す説明図である。
この半導体レーザ装置60は、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光が光ファイバ14を介して外部に出射される構成を有するものである。
この半導体レーザ装置60において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、光出射面を構成する一面12が同一方向(図6における右方)を向くように配置されている。また、これらの複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、2つのヒートシンク50,50の表面上において、当該ヒートシンク50,50との間にサブマウント部材を介在した状態で配置されており、この2つのヒートシンク50,50は、階段状設置面56,56を構成する素子設置面が対向するように配置されている。
また、半導体レーザ装置60には、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの各々に対応してコリメート部材(具体的には、遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17b)が設けられている。また、これらのコリメート部材によってコリメートされたレーザ光を集光するための集光レンズ19が、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fの光出射面に対向するように設けられている。
また、この半導体レーザ装置60において、半導体レーザアレイ11a〜11f、コリメート部材(遅軸用コリメートレンズアレイ17aおよび速軸用コリメートレンズアレイ17b)、光ファイバ14および集光レンズ19は、図1の半導体レーザ装置10と、図4および図5の半導体レーザ装置40と同様である。
この2つのヒートシンク50,50は、同一構造を有しており、階段状設置面56,56が互いに対向すると共に、この階段状設置面56,56を構成する各素子設置面が対向するよう、集光レンズ19の光軸に関して鏡面対称に配置されている。
また、各素子設置面において、半導体レーザアレイ11a〜11fは、光出射面を構成する一面12が、上面51aにおける側面52との境界に係る外縁53、またはステップ面における一段下のステップ面との境界に係る外縁54a,54bに沿って伸びるように位置されている。
この図の例において、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fは、各々、光出射面を構成する一面12が、上面51aの外縁53上、またはステップ面52a,52bの外縁54a,54b上に位置するように配置されている。また、各半導体レーザアレイ11a〜11fに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザアレイ11a〜11fが配置されている上面51aまたはステップ面よりも1段下のステップ面の上方に配置されている。
具体的には、半導体レーザアレイ11a〜11cが一方のヒートシンク50の階段状設置面56における素子設置面の各々に配置されることにより、半導体レーザアレイ11aからのレーザ光、半導体レーザアレイ11bからのレーザ光および半導体レーザアレイ11cからのレーザ光の順に集光レンズ入射光路長が長くなっている。また、半導体レーザアレイ11d〜11fが他方のヒートシンク50の階段状設置面56における素子設置面の各々に配置されることにより、半導体レーザアレイ11dからのレーザ光、半導体レーザアレイ11eからのレーザ光および半導体レーザアレイ11fからのレーザ光の順に集光レンズ入射光路長が長くなっている。而して、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光、および半導体レーザアレイ11d〜11fからのレーザ光は、各々、集光レンズ入射光路長が相対的に異なる状態とされている。
そして、半導体レーザアレイ11a〜11cからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおいて、半導体レーザアレイ11a、半導体レーザアレイ11bおよび半導体レーザアレイ11cの順により中心側に入射している。すなわち、集光レンズ入射光路長の最も長い半導体レーザアレイ11aからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおける最も中心部の近傍位置に入射し、一方、集光レンズ入射光路長の最も短い半導体レーザアレイ11cからのレーザ光は、最も中心部から離間した周縁側位置に入射している。また、半導体レーザアレイ11d〜11fからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおいて、半導体レーザアレイ11d、半導体レーザアレイ11eおよび半導体レーザアレイ11fの順により中心側に入射している。すなわち、集光レンズ入射光路長の最も長い半導体レーザアレイ11dからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおける最も中心部の近傍位置に入射し、一方、集光レンズ入射光路長の最も短い半導体レーザアレイ11fからのレーザ光は、最も中心部から離間した周縁側位置に入射している。
この図の例において、対向配置された半導体レーザアレイからのレーザ光は、集光レンズ入射光路長が同一である。すなわち、半導体レーザアレイ11aに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11dに係る集光レンズ入射光路長とは同一であり、半導体レーザアレイ11bに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11eに係る集光レンズ入射光路長とは同一である。また、半導体レーザアレイ11cに係る集光レンズ入射光路長と半導体レーザアレイ11fに係る集光レンズ入射光路長とは同一である。
また、対向配置された半導体レーザアレイからのレーザ光は、集光レンズ19の光入射面19aにおける入射位置が、当該光入射面19aの中心に関して対称となっている。そして、光入射面19aに形成される光入射列は、その中心が集光レンズ19の光入射面19aの中心部上に位置しており、当該光入射列の中心に関して、光入射列並列方向および光入射列並列方向に垂直な方向に対称な形状である。
また、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光は、集光レンズ19の円形状の光入射面19aにおいて、集光レンズ入射光路長が長いものほど光入射面19aの中心部に接近した位置に入射して光入射列を形成する。すなわち、より遅軸方向光線幅の大きいレーザ光が、集光レンズ19の光入射面19aの中心部に接近し、より遅軸方向光線幅の小さいレーザ光が集光レンズ19の光入射面19aの周縁部に接近するように並列に並んで投影されて光入射列を形成している。そして、光入射列は、その全体形状が、光入射面19aより小径の円形状に近似したものとなる。そのため、複数の半導体レーザアレイ11a〜11fからのレーザ光をコリメート部材を介して集光レンズ19の円形状の光入射面19aに高い効率で入射させることができる。また、この集光レンズ19から出射されたレーザ光を高い効率で光ファイバ14における円形状の有効取り込み領域に高い効率で入射させることができる。その結果、集光レンズ19および光ファイバ14の各々において蹴られ現象の発生が抑制され、よってファイバ結合効率が大きくなる。
従って、半導体レーザ装置60によれば、高い光の出力が得られる。
例えば、第1の実施形態および第3の実施形態においては、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからのレーザ光が、集光レンズにおける光入射列の最外側以外の位置に入射されていればよい。よって、その他の半導体レーザアレイからのレーザ光が当該光入射列のいずれの位置に入射されていてもよい。
また、第2の実施形態においては、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからのレーザ光が、他の半導体レーザアレイのうちの少なくとも1個の半導体レーザアレイからのレーザ光に比して、集光レンズにおける光入射列の中央側の位置に入射されていればよい。よって、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからのレーザ光に比して、集光レンズにおける光入射列の中央側の位置に入射されるレーザ光があってもよい。
更に、半導体レーザ装置は、第1の実施形態、第2の実施形態および第3の実施形態に限定されず、集光レンズの光入射面に形成される光入射列、あるいは複数の半導体レーザアレイからのレーザ光の集光レンズ入射光路長が、従来公知の種々光学部材によって制御されてなる構成を有するものであってもよい。
先ず、図1の構成に基づいて、ヒートシンクの表面に対向するように形成された2つの階段状設置面における素子設置面の各々に、同一の規格を有する8個の半導体レーザアレイが配置されてなる構成の半導体レーザ装置(以下、「半導体レーザ装置(1)」ともいう。)を作製した。
半導体レーザ装置(1)において、2つの階段状設置面の各々には4個の半導体レーザアレイを等間隔で配置した。これらの4個の半導体レーザアレイの配置間隔は、半導体レーザアレイの光軸方向の間隔が15mmであって、当該光軸に垂直な方向の間隔が1mmである。また、最も短い集光レンズ入射光路長は150mmである。
8個の半導体レーザアレイは、半導体レーザアレイ長さ(複数の発光部が並ぶ方向の長さ)が4mmのものである。集光レンズは、焦点距離が20mmのものである。光ファイバは、コア径が0.8mmであって開口数(NA)が0.22のものである。
また、この半導体レーザ装置(1)において、コリメート部材から出射されるレーザ光は、波長640nmであり、またその光線サイズは、速軸方向の長さ(速軸方向の光線幅)が0.8mmであって遅軸方向の長さ(遅軸方向の光線幅)が4mmであり、速軸方向の発散角半値幅が2mradであって遅軸方向の発散角半値幅が50mradである。
比較用半導体レーザ装置(1)は、ヒートシンクが1つの階段状設置面を有するものであり、この1つの階段状設置面における素子設置面の各々に8個の半導体レーザアレイが積層配置されていること以外は、半導体レーザ装置(1)と同様の構成を有するものである。
この比較用半導体レーザ装置(1)について、ファイバ結合効率を確認したところ、92%であった。
11,11a〜11f 半導体レーザアレイ
12 一面
13 発光部
13a 中心部
13b 端部
14 光ファイバ
14a 一端面
14b 他端面
15 光ファイバ保持部材
16 コリメートレンズアレイ
16a レンズセル
17a 遅軸用コリメートレンズアレイ
17b 速軸用コリメートレンズアレイ
18 折り返しミラー
19 集光レンズ
19a 光入射面
20 ヒートシンク
21 溝
21a,21b 周縁面
22a,22b 外縁
23 側面
23a,23b ステップ面
24 側面
24a,24b ステップ面
25a〜25c 外縁
26 底面
27 第1階段状設置面
28 第2階段状設置面
31 光入射列
31a〜31f 光入射領域
40 半導体レーザ装置
42 第1の折り返しミラー
43 第2の折り返しミラー
50 ヒートシンク
51a 上面
51b 下面
52 側面
52a〜52c ステップ面
53,54a,54b 外縁
56 階段状設置面
57 側面
60 半導体レーザ装置
80 ヒートシンク
Claims (6)
- 直線状に並ぶ複数の発光部を有する半導体レーザアレイを複数備え、当該複数の半導体レーザアレイからの光が各々コリメート部材を介して入射される集光レンズと、当該集光レンズからの光が略円形状の端面よりなる光入射面から入射される光ファイバとが設けられてなり、前記コリメート部材の各々からのコリメート光が遅軸方向に広がりを有する半導体レーザ装置において、
前記集光レンズには、当該集光レンズの光入射面に、前記複数の半導体レーザアレイからの光の各々が並列に並んで投影されて光入射列が形成され、
前記複数の半導体レーザアレイのうちの少なくとも1個の半導体レーザアレイは、当該半導体レーザアレイからの光が前記集光レンズに至るまでの光路の長さである集光レンズ入射光路長が相対的に異なり、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからの光である遅軸方向の光線幅が最も大きい光が前記集光レンズの光入射面の中央側に入射されることを特徴とする半導体レーザ装置。
- 前記集光レンズ入射光路長が互いに異なる半導体レーザアレイのうちの、長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからの光が、短い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからの光に比して、前記集光レンズの光入射面における光入射列の中央側に入射されることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
- 前記半導体レーザアレイを3個以上備えており、これらの3個以上の半導体レーザアレイからの光の集光レンズ入射光路長が異なり、最も長い集光レンズ入射光路長に係る半導体レーザアレイからの光が、他の半導体レーザアレイのうちの少なくとも1個の半導体レーザアレイからの光に比して、前記集光レンズの光入射面における光入射列の中央側に入射されることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。
- 前記複数の半導体レーザアレイが、複数の素子設置面を階段状に有する階段状設置面における当該複数の素子設置面の各々に設置されることにより、前記集光レンズ入射光路長が互いに異なる状態とされていることを特徴とする請求項1〜請求項3に記載の半導体レーザ装置。
- 前記階段状設置面は、ヒートシンクの表面により形成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体レーザ装置。
- 対向配置された2つの階段状設置面における複数の素子設置面の各々に前記半導体レーザアレイが設置され、この2つの階段状設置面の間に折り返しミラーが配置されており、当該折り返しミラーによって折り返された複数の半導体レーザアレイからの光が前記集光レンズに入射されることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の半導体レーザ装置。
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