JP6157194B2 - レーザ装置および光ビームの波長結合方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の発光点からの光ビームを集約して高輝度の光ビームを発生するレーザ装置および光ビームの波長結合方法に関する。

グレーティングを使用した従来の波長結合型レーザ装置（例えば、特許文献１，２）は、共振器内部に複数の異なる波長で発振するレーザ利得素子、ビーム重畳素子、グレーティング、部分反射ミラーを備え、レーザ利得素子から発生した複数の波長を持つ光ビームが、ビーム重畳素子によってグレーティング素子上で重畳し、グレーティングの波長分散特性によって波長ごとに異なる角度で回折し、グレーティングと部分反射ミラーの間で、多波長ビームが１つの光軸を持つように構成される。

従来の他の波長結合型レーザ装置（例えば、特許文献３）では、複数のレーザ利得素子として、ＬＤが２次元に配列されたスタック型のＬＤ素子を用い、共振器内部に第１のグレーティングを配置して、ＬＤアレイ配列方向にビームを波長結合し、共振器外部に配置された第２のグレーティングを用いて、スタック（積層）方向に波長結合を行って、２次元に配置された発光点を最終的に１点にまとめる構成が開示されている。しかしながら、アレイ方向の重畳が、共振器内部で行われるため、グレーティングとミラーでビーム強度を十分に低減することができない。また、特許文献３の構成は、本質的に特許文献１，２の構成と別の波長結合を組み合わせたものに過ぎず、また非常に複雑である。

米国特許公開第２０１１／０２１６４１７号明細書（図１Ａ） 米国特許第６１９２０６２号明細書（図１Ａ） 米国特許第６７６３０５４号明細書（図１、図２） 特開２０１２−４７７６６号公報

上述のような波長結合型レーザ装置では、多数のレーザ利得素子からの光ビームをまとめることによって高出力化を図った場合、グレーティング、部分透過ミラー等の光学部品が受ける光強度がかなり高くなることがあり、その結果、１つのレーザ装置から得られる最大出力に限界が生じ、また、高い光強度による損傷が発生する可能性がある。

本発明の目的は、光学部品での光損傷を回避して、高出力のレーザ光を発生できるレーザ装置および光ビームの波長結合方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ装置は、
異なる波長を持つ複数の光ビームを発生する複数のレーザ利得素子と、
前記複数の光ビームの各々の一部を前記複数のレーザ利得素子に向けて反射し、前記複数のレーザ利得素子とともに前記複数の光ビームの各々に対する光共振器を構成する部分反射素子と、
前記光共振器の内部に設置され、波長分散を利用して前記複数の光ビームの各々を整列させるための第１分散性光学素子と、
前記光共振器の外部に設置され、波長分散を利用して前記複数の光ビームの各々を整列させるための第２分散性光学素子とを備え、
前記第１分散光学素子において異なる前記複数のレーザ利得素子からの光ビームの光軸が重畳しておらず、前記第２分散光学素子において前記複数の光ビームの光軸が重畳していることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ利得素子から第２分散性光学素子の手前に至るまでの経路において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。 図１に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。 本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。 図３に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。 ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子によるビームパターン変換の様子を示す説明図であり、図５（ａ）は光軸に対して垂直な平面図であり、図５（ｂ）は斜視図である。 本発明の実施の形態３によるレーザ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態４によるレーザ装置を示す構成図である。 図７に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。 本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示す構成図である。図２は、図１に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。これらのビームパターンは、光軸に対して略垂直な面における光ビームの強度分布を示している。

レーザ装置は、光ビームの進行方向に沿って、ＬＤ（レーザダイオード）バー１と、ＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）／ローテータ素子２と、ビーム再配置素子３と、シリンドリカルレンズ４と、グレーティング５と、部分反射ミラー６と、ローテータ素子７と、シリンドリカルレンズ８と、グレーティング９などを備える。

ＬＤバー１は、互いに異なる波長（λ１〜λｎ）を持つ複数の光ビームを放射する複数の発光点（エミッタ）を備えており、後端面に全反射コーティング、前端面に無反射コーティングもしくは低反射率コーティングが施されている。なお、通常のコーティング（後端面を全反射コーティング、前端面を部分反射コーティング）を施したＬＤバーの場合、数十個の発光点から合計出力数十Ｗ〜１００Ｗ超が得られるものが市販されている。本実施形態では、外部共振器を利用するため、市販のＬＤバーの前面コーティングのみを変更したものをレーザ利得素子として使用する。図２では、理解容易のために４つの光ビームの使用を例示しているが、実際には、数個〜数十個の光ビームが使用可能である。

こうしたＬＤバー１は、放熱用のヒートシンクに取り付けられ、ヒートシンクには冷却手段（不図示）が設けられている。

ＦＡＣ／ローテータ素子２は、ＬＤバー１の発光点から放射される光ビームを速軸方向（Ｙ方向）に集光しコリメートするＦＡＣと、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させるためのローテータとを一体化した素子である。

ＦＡＣ／ローテータ素子２の機能に関して、図２（ａ）は、ＦＡＣを通過した直後の位置Ｐ１でのビームパターンを示しており、個々の光ビームはＸ方向に沿った細長い形状を有し、各光ビームはＸ方向に直線状に配列されている。図２（ｂ）は、ローテータを通過した後の位置Ｐ２でのビームパターンを示しており、各光ビームはＹ方向に沿った細長い形状に変換され、ビーム配列はＸ方向に直線状に配列した状態が維持される。

こうしたローテータは、ビームパターンを個別に回転して、速軸、遅軸のビーム品質、拡がり角、ビーム径等を互いに交換することができるものであればよく、例えば、４５度傾いたシリンドリカルレンズが、発光点の数もしくはそれ以上、発光点と同じ間隔で並んでいる光学素子（例えば、ＬＩＭＯ社ＢＴＳ素子）を使用してもよく、あるいは、光軸を２回折り曲げることによって、素子の並び方を変更する光学素子（例えば、ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社のＶステップ素子）を使用してもよい。

ビーム再配置素子３は、図２（ｂ）に示すビームパターンを図２（ｃ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームがＹ方向に所定間隔でシフトしたビームパターンに変換する機能を有する光学素子であり、例えば、特許文献４に開示されているように光ビームの多重反射によって配置を変更する光学素子を使用してもよく、あるいは、ガラス素子による反射またはガラスの屈折率を利用した方向変換光学素子を使用してもよい。

本実施形態では、光ビームの強度分布を光軸周りに回転させるローテータ２および、ビーム再配置素子３は別個の素子として示しているが、ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社のＶステップ素子を少し変更した素子を使用することにより、ＦＡＣ／ローテータ素子２とビーム再配置素子３を一体化することも可能である。

シリンドリカルレンズ４は、水平なＸ方向に集光パワーを有し、垂直なＹ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図２（ｃ）に示すビームパターンを図２（ｄ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームの光軸をＸ方向に集約して、次段のグレーティング５においてＸ方向に直線状に配列したビームパターンに変換する。このとき、各光ビームはＸ方向については略同じ位置にあるが、Ｙ方向については重畳していない。

グレーティング５は、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させることができる。従って、グレーティング５によって整列した各光ビームは、図２（ｄ）に示すビームパターンがそのまま維持され、次段の部分反射ミラー６に入射する。

部分反射ミラー６は、外部共振器の出力ミラーとして機能するものであり、各光ビームの一部をＬＤバー１の対応する発光点に向けて正反射して、ＬＤバー１の後面コーティングとともに各光ビームに関する光共振器を構成する。各光ビームは、光共振器の内部を往復しながら、ＬＤバー１を通過する際に増幅される。増幅された各光ビームは、部分反射ミラー６を通じて取り出される。

ローテータ素子７は、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させる機能を有しており、素子２と同様に、ＬＩＭＯ社ＢＴＳ素子、ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社のＶステップ素子が使用できる。ローテータ素子７は、図２（ｄ）に示すビームパターンを図２（ｅ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームはＸ方向に沿った細長い形状に変換され、ビーム配列はＹ方向に直線状に配列した状態が維持される。

シリンドリカルレンズ８は、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図２（ｅ）に示すビームパターンを図２（ｆ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームの光軸をＹ方向に集約して、次段のグレーティング９において各光ビームが重畳したビームパターンに変換する。

グレーティング９は、Ｘ軸周りに回折パワーを有し、Ｙ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、グレーティング５と同様に、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させることができる。従って、グレーティング９によって整列した各光ビームは、図２（ｆ）に示すビームパターンがそのまま維持され、１本の光ビームとして外部に供給される。

上述した構成によれば、ＬＤバー１の各発光点から放射された光ビームは、グレーティング５および部分反射ミラー６を通過する際、互いに重畳せず空間的に分離した状態に維持される。そのため、光ビームが往復して増幅される光共振器内部において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示す構成図である。図４は、図３に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。これらのビームパターンは、光軸に対して略垂直な面における光ビームの強度分布を示している。

レーザ装置は、光ビームの進行方向に沿って、複数のＬＤ（レーザダイオード）バー１ａ，１ｂ，１ｃと、複数のＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）／ローテータ／ビーム再配置素子１０と、複数のコリメーションレンズ１１と、集光レンズ１２と、シリンドリカルレンズ１３と、コリメーションレンズ１４と、シリンドリカルレンズ４ａと、グレーティング５ａと、シリンドリカルレンズ１５と、部分反射ミラー６ａと、ローテータ素子７ａと、シリンドリカルレンズ８ａと、グレーティング９ａなどを備える。

ＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃは、実施の形態１と同様に、互いに異なる波長（λ１〜λｎ）を持つ複数の光ビームを放射する複数の発光点（エミッタ）を備えており、Ｙ方向に段差のついたヒートシンク上に載置され、ＬＤバーごとに所定のＸ方向間隔およびＹ方向間隔で配置される。本実施形態においても、外部共振器を利用するため、後端面に全反射コーティング、前端面に無反射コーティングもしくは低反射率コーティングが施されたＬＤバーをレーザ利得素子として使用する。図４では、理解容易のために、１つのＬＤバーが３つの光ビームを発生する場合を例示しているが、実際には、１つのＬＤバーは数個〜数十個の光ビームを発生できる。

ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０は、実施の形態１に係るＦＡＣ／ローテータ素子２およびビーム再配置素子３を一体化したような機能を有する。

図５は、ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０によるビームパターン変換の様子を示す説明図であり、図５（ａ）は光軸に対して垂直な平面図であり、図５（ｂ）は斜視図である。１つのＬＤバーは４つの光ビームＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを発生し、ＦＡＣによって速軸方向（Ｙ方向）に集光、コリメートされると、個々の光ビームはＸ方向に沿った細長い形状を有し、各光ビームはＸ方向に直線状に配列される。続いて、各光ビームは、光軸方向にシフト配置された４つの反射ミラーによってＹ方向に反射され、続いて光軸方向にシフト配置された４つの反射ミラーによって光軸方向に反射される。その結果、個々の光ビームはＹ方向に沿った細長い形状を有し、各光ビームがＹ方向に所定間隔でシフトしたビームパターンに変換される。

こうしたＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０は、ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社のＶステップ素子に似た形状であるが、Ｖステップ素子の場合、光ビームＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、Ｙ方向の高さが同じで、Ｘ方向に並んで出力されるのに対し、図５に示した素子１０では、Ｙ方向の高さに段差をつけて出力される。こうした配列を有する光ビームは、次段のコリメーションレンズ１１によってそれぞれ平行化される。

図４（ａ）は、ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０の入射直前の位置Ｐ１でのビームパターンを示しており、ＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃからの各光ビームは、ＬＤバーごとに所定のＸ方向間隔およびＹ方向間隔で配列される。図４（ｂ）は、ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０およびコリメーションレンズ１１を通過した後の位置Ｐ２でのビームパターンを示しており、各光ビームはＹ方向に沿った細長い形状に変換され、ビーム配列はＹ方向に所定間隔でシフトしたビームパターンに変換される。

集光レンズ１２は、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、コリメーションレンズ１４の前方で交差するように配置される。

シリンドリカルレンズ１３は、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子である。

コリメーションレンズ１４は、集光レンズ１２との組合せによってビームパターンのサイズを縮小する機能を有する。図４（ｃ）は、コリメーションレンズ１４を通過した後の位置Ｐ３でのビームパターンを示している。

シリンドリカルレンズ４ａは、Ｘ方向に集光パワーを有し、Ｙ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図４（ｃ）に示すビームパターンを図４（ｄ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームの光軸をＸ方向に集約して、次段のグレーティング５ａにおいてＸ方向に直線状に配列したビームパターンに変換する。このとき、各光ビームはＸ方向については略同じ位置にあるが、Ｙ方向については重畳していない。

グレーティング５ａは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させることができる。従って、グレーティング５ａによって整列した各光ビームは、図４（ｄ）に示すビームパターンがそのまま維持される。

シリンドリカルレンズ１５は、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、シリンドリカルレンズ１３との組合せによってＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃの前端面での像を部分反射ミラー６ａ上に転写する機能を有する。

部分反射ミラー６ａは、外部共振器の出力ミラーとして機能するものであり、各光ビームの一部をＬＤバー１の対応する発光点に向けて正反射して、ＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃの後面コーティングとともに各光ビームに関する光共振器を構成する。各光ビームは、光共振器の内部を往復しながら、ＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃを通過する際に増幅される。増幅された各光ビームは、部分反射ミラー６を通じて取り出される。

ローテータ素子７ａは、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させる機能を有しており、ＬＩＭＯ社ＢＴＳ素子、ＩＮＧＥＮＥＲＩＣ社のＶステップ素子が使用できる。ローテータ素子７は、図４（ｄ）に示すビームパターンを図４（ｅ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームはＸ方向に沿った細長い形状に変換され、ビーム配列はＹ方向に直線状に配列した状態が維持される。

シリンドリカルレンズ８ａは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図４（ｅ）に示すビームパターンを図４（ｆ）に示すビームパターンに変換し、即ち、各光ビームの光軸をＹ方向に集約して、次段のグレーティング９ａにおいて各光ビームが重畳したビームパターンに変換する。

グレーティング９ａは、Ｘ軸周りに回折パワーを有し、Ｙ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、グレーティング５ａと同様に、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させることができる。従って、グレーティング９ａによって整列した各光ビームは、図４（ｆ）に示すビームパターンがそのまま維持され、１本の光ビームとして外部に供給される。

上述した構成によれば、複数のＬＤバー１ａ，１ｂ，１ｃの各発光点から放射された光ビームを１本の光ビームに重畳できるとともに、光ビームがグレーティング５ａおよび部分反射ミラー６ａを通過する際、互いに重畳せず空間的に分離した状態に維持される。そのため、光ビームが往復して増幅される光共振器内部において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置の各位置でのビームパターンは、図４と同様であるため、図示を省略している。本実施形態は、レーザ装置の全体的構成に関して実施の形態２と同様であるが、折り返しミラーを用いて複数のＬＤバーからの光ビームを整列させている点が相違する。

レーザ装置は、光ビームの進行方向に沿って、複数のＬＤ（レーザダイオード）バー１ｄ，１ｅ，１ｆと、複数のＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）／ローテータ／ビーム再配置素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、複数のコリメーションレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、複数の折り返しミラー１６と、シリンドリカルレンズ１３ａと、集光レンズ１２ａと、コリメーションレンズ１４ａと、シリンドリカルレンズ４ｂと、グレーティング５ｂと、シリンドリカルレンズ１５ａと、部分反射ミラー６ｂと、ローテータ素子７ｂと、シリンドリカルレンズ８ｂと、グレーティング９ｂなどを備える。

ＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆは、実施の形態１，２と同様に、互いに異なる波長（λ１〜λｎ）を持つ複数の光ビームを放射する複数の発光点（エミッタ）を備える。ＬＤバー１ｅは、実施の形態２のＬＤバー１ｂと同じ配置であるが、ＬＤバー１ｄ，１ｆは、ＬＤバー１ｅからの光ビームと略９０度で交差する光ビームを発生するように配置される。本実施形態においても、外部共振器を利用するため、後端面に全反射コーティング、前端面に無反射コーティングもしくは低反射率コーティングが施されたＬＤバーをレーザ利得素子として使用する。

ＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆは、Ｙ方向に段差のついたヒートシンク上に載置されており、ＬＤバー１ｄ，１ｆからの光ビームは各折り返しミラー１６によって反射される。この段階で、ＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆからの光ビームの配列は、実際は水平に並んではいないが、図４（ａ）に示すビームパターンと等価になる。

ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、実施の形態２のＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子１０と同様な構成および機能を有する。これらの素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃを通過した光ビームの配列は、実際は水平に並んではいないが、図４（ｂ）に示すビームパターンと等価になる。こうした配列を有する光ビームは、次段のコリメーションレンズ１１ａ，１１ｂ，１１ｃによってそれぞれ平行化される。

折り返しミラー１６から後段は、実施の形態２と同様な構成および機能を有する。

シリンドリカルレンズ１３ａは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子である。

集光レンズ１２ａは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、コリメーションレンズ１４ａの前方で交差するように配置される。

コリメーションレンズ１４ａは、集光レンズ１２ａとの組合せによってビームパターンのサイズを縮小する機能を有し、図４（ｃ）に示すビームパターンが得られる。

シリンドリカルレンズ４ｂは、Ｘ方向に集光パワーを有し、Ｙ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図４（ｃ）に示すビームパターンを図４（ｄ）に示すビームパターンに変換する。

グレーティング５ｂは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させる。

シリンドリカルレンズ１５ａは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、シリンドリカルレンズ１３ａとの組合せによってＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆの前端面での像を部分反射ミラー６ｂ上に転写する機能を有する。

部分反射ミラー６ｂは、外部共振器の出力ミラーとして機能するものであり、ＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆの後面コーティングとともに各光ビームに関する光共振器を構成する。各光ビームは、光共振器の内部を往復しながら、ＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆを通過する際に増幅される。増幅された各光ビームは、部分反射ミラー６ｂを通じて取り出される。

ローテータ素子７ｂは、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させる機能を有し、図４（ｄ）に示すビームパターンを図４（ｅ）に示すビームパターンに変換する。

シリンドリカルレンズ８ｂは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、図４（ｅ）に示すビームパターンを図４（ｆ）に示すビームパターンに変換する。

グレーティング９ｂは、Ｘ軸周りに回折パワーを有し、Ｙ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、グレーティング５ｂと同様に、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させ、図４（ｆ）に示すように１本の光ビームとして外部に供給される。

上述した構成によれば、複数のＬＤバー１ｄ，１ｅ，１ｆの各発光点から放射された光ビームを１本の光ビームに重畳できるとともに、光ビームがグレーティング５ｂおよび部分反射ミラー６ｂを通過する際、互いに重畳せず空間的に分離した状態に維持される。そのため、光ビームが往復して増幅される光共振器内部において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

また、シリンドリカルレンズ４ｂ，８ｂの焦点距離、グレーティング５ｂ、９ｂの回折角度、回折溝の数などパラメータを変えることにより、共振器長さを変えることができ、コンパクトな共振器を構成することが可能である。

なお、図４に示したビームパターンは、ビームパターンの変化をわかりやすく示すためのものであり、Ｙ方向の集光パワーを持つレンズ等の存在により、サイズが変わるので厳密に正しいパターンを示すものではないことに留意する。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４によるレーザ装置を示す構成図である。図８は、図７に示すレーザ装置の各位置でのビームパターンを示す概略図である。これらのビームパターンは、光軸に対して略垂直な面における光ビームの強度分布を示している。

レーザ装置は、光ビームの進行方向に沿って、複数のＬＤ（レーザダイオード）バー１ｇ，１ｈ，１ｉと、複数のＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）／ローテータ素子１７，１７ａ，１７ｂと、複数のコリメーションレンズ１１ａと、複数の折り返しミラー１６と、シリンドリカルレンズ１３ｂと、集光レンズ１２ａと、コリメーションレンズ１４ｂと、シリンドリカルレンズ１５ｂと、集光レンズ１４ｃと、折り返しミラー１８と、グレーティング５ｃと、部分反射ミラー６ｃと、集光レンズ１４ｄと、グレーティング５ｄなどを備える。

ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉは、実施の形態１〜３と同様に、互いに異なる波長（λ１〜λｎ）を持つ複数の光ビームを放射する複数の発光点（エミッタ）を備える。ＬＤバー１ｈは、実施の形態３のＬＤバー１ｅと同じ配置であるが、ＬＤバー１ｇ，１ｈは、ＬＤバー１ｈからの光ビームと略９０度で交差する光ビームを発生するように配置される。本実施形態においても、外部共振器を利用するため、後端面に全反射コーティング、前端面に無反射コーティングもしくは低反射率コーティングが施されたＬＤバーをレーザ利得素子として使用する。

ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉは、Ｙ方向高さがほぼ同じであるヒートシンク上に載置されており、ＬＤバー１ｇ，１ｉからの光ビームは各折り返しミラー１６によって反射される。この段階で、ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉからの光ビームの配列は、実際は水平に並んではいないが、図８（ａ）に示すビームパターンと等価になる。なお、図８中の点線は、光ビームをＬＤバーごとにグループ分けしている。

ＦＡＣ／ローテータ素子１７，１７ａ，１７ｂは、実施の形態１のＦＡＣ／ローテータ素子２と同様に、ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉの発光点から放射される光ビームを速軸方向（Ｙ方向）に集光しコリメートするＦＡＣと、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させるためのローテータとを一体化した素子である。これにより図８（ａ）に示すビームパターンは、図８（ｂ）に示すビームパターンに変換される。こうした配列を有する光ビームは、次段のコリメーションレンズ１１ａによってそれぞれ平行化される。

シリンドリカルレンズ１３ｂは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子である。

集光レンズ１２ａは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、コリメーションレンズ１４ａの前方で交差するように配置される。

コリメーションレンズ１４ｂは、集光レンズ１２ａとの組合せによってビームパターンのサイズを縮小する機能を有し、図８（ｃ）に示すビームパターンが得られる。

シリンドリカルレンズ１５ｂは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、シリンドリカルレンズ１３ｂとの組合せによってＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉの前端面での像を部分反射ミラー６ｃ上に転写する機能を有する。

集光レンズ１４ｃは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、グレーティング５ｃの前方で交差するように配置される。

折り返しミラー１８は、集光レンズ１４ｃを通過した光ビームを反射する。

グレーティング５ｃは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させる。

部分反射ミラー６ｃは、外部共振器の出力ミラーとして機能するものであり、ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉの後面コーティングとともに各光ビームに関する光共振器を構成する。各光ビームは、光共振器の内部を往復しながら、ＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉを通過する際に増幅される。増幅された各光ビームは、部分反射ミラー６ｃを通じて取り出される。

集光レンズ１４ｄは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、グレーティング５ｄにおいて交差するように配置される。

グレーティング５ｄは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させ、図８（ｅ）に示すように１本の光ビームとして外部に供給される。

上述した構成によれば、複数のＬＤバー１ｇ，１ｈ，１ｉの各発光点から放射された光ビームを１本の光ビームに重畳できるとともに、光ビームがグレーティング５ｃおよび部分反射ミラー６ｃを通過する際、互いに重畳せず空間的に分離した状態に維持される。そのため、光ビームが往復して増幅される光共振器内部において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

本実施形態では、折り返しミラー１８とグレーティング５ｃを図７のように配置することによって、各発光点から放射されるビーム間の光路差が低減される。ここでは、ビーム間の光路差を解消する手段として、折り返しミラーを光路に配置した場合を例示したが、他の手段として、ガラス素子を透過させ、屈折率と通過距離の違いによって光路差を解消することも可能である。

また、レンズ１４ｃ，１４ｄおよびグレーティング５ｃ，５ｄは、それぞれ同じものを使用してもよく、その場合は、グレーティング５ｃ，５ｄの使い方が逆向きになるのでグレーティングの施された面を逆向きに配置してもよい。

なお、図８に示したビームパターンは、ビームパターンの変化をわかりやすく示すためのものであり、Ｙ方向の集光パワーを持つレンズ等の存在により、サイズが変わるので厳密に正しいパターンを示すものではないことに留意する。

さらに、グレーティング５ｃ，５ｄを全く同じ素子とし、集光時の拡がり角が同じとなるように構成した場合、共通の素子を使用しているため、レーザ利得素子およびミラーの位置関係とグレーティング５ｃによって、各発光点から放射される光ビームの波長が決定される。そのため、各発光点からの光ビームの位置、角度ずれ情報が発振波長に含まれた状態で共振器外に出力されるため、より位置ずれ、角度ずれに強い分散を利用した波長結合共振器を実現できる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５によるレーザ装置を示す構成図である。レーザ装置の各位置でのビームパターンは、図８と同様であるため、図示を省略している。本実施形態は、レーザ装置の全体的構成に関して実施の形態４と同様であるが、折り返しミラー１８、グレーティング５ｃという順序を逆にして、グレーティング５ｅ、折り返しミラー１８ａという順序に変更している点が相違する。

レーザ装置は、光ビームの進行方向に沿って、複数のＬＤ（レーザダイオード）バー１ｊ，１ｋ，１ｌと、複数のＦＡＣ（ファーストアクシスコリメータ）／ローテータ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅと、複数のコリメーションレンズ１１ｂと、複数の折り返しミラー１６ａと、シリンドリカルレンズ１３ｃと、集光レンズ１２ａと、コリメーションレンズ１４ｅと、シリンドリカルレンズ１５ｃと、グレーティング５ｅと、折り返しミラー１８ａと、コリメーションレンズ１４ｆと、部分反射ミラー６ｄと、集光レンズ１４ｇと、グレーティング５ｆなどを備える。

ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌは、実施の形態１〜４と同様に、互いに異なる波長（λ１〜λｎ）を持つ複数の光ビームを放射する複数の発光点（エミッタ）を備える。ＬＤバー１ｋは、実施の形態４のＬＤバー１ｈと同じ配置であるが、ＬＤバー１ｊ，１ｌは、ＬＤバー１ｋからの光ビームと略９０度で交差する光ビームを発生するように配置される。本実施形態においても、外部共振器を利用するため、後端面に全反射コーティング、前端面に無反射コーティングもしくは低反射率コーティングが施されたＬＤバーをレーザ利得素子として使用する。

ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌは、Ｙ方向高さがほぼ同じであるヒートシンク上に載置されており、ＬＤバー１ｊ，１ｌからの光ビームは各折り返しミラー１６ａによって反射される。この段階で、ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌからの光ビームの配列は、実際は水平に並んではいないが、図８（ａ）に示すビームパターンと等価になる。

ＦＡＣ／ローテータ素子１７ｃ，１７ｄ，１７ｅは、実施の形態１のＦＡＣ／ローテータ素子２と同様に、ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌの発光点から放射される光ビームを速軸方向（Ｙ方向）に集光しコリメートするＦＡＣと、各光ビームの強度分布を光軸周りに所定の角度（例えば、９０度）だけ回転させるためのローテータとを一体化した素子である。これにより図８（ａ）に示すビームパターンは、図８（ｂ）に示すビームパターンに変換される。こうした配列を有する光ビームは、次段のコリメーションレンズ１１ｂによってそれぞれ平行化される。

シリンドリカルレンズ１３ｃは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子である。

集光レンズ１２ａは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、コリメーションレンズ１４ｅの前方で交差するように配置される。

コリメーションレンズ１４ｅは、集光レンズ１２ａとの組合せによってビームパターンのサイズを縮小する機能を有し、図８（ｃ）に示すビームパターンが得られる。

シリンドリカルレンズ１５ｃは、Ｙ方向に集光パワーを有し、Ｘ方向の集光パワーがゼロである光学素子であり、シリンドリカルレンズ１３ｃとの組合せによってＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌの前端面での像を部分反射ミラー６ｄ上に転写する機能を有する。

グレーティング５ｅは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸が折り返しミラー１８ａの前方で交差するように配置される。

折り返しミラー１８ａは、グレーティング５ｅを通過した光ビームを反射する。

コリメーションレンズ１４ｆは、各光ビームの光軸を平行に整列させる。

部分反射ミラー６ｄは、外部共振器の出力ミラーとして機能するものであり、ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌの後面コーティングとともに各光ビームに関する光共振器を構成する。各光ビームは、光共振器の内部を往復しながら、ＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌを通過する際に増幅される。増幅された各光ビームは、部分反射ミラー６ｄを通じて取り出される。

集光レンズ１４ｇは、Ｘ方向およびＹ方向に等しい集光パワーを有しており、各光ビームの光軸はＸ方向およびＹ方向に集約され、グレーティング５ｆにおいて交差するように配置される。

グレーティング５ｆは、Ｙ軸周りに回折パワーを有し、Ｘ軸周りの回折パワーがゼロである光学素子であり、ブラッグの法則に従って光ビームの波長に応じて光ビームの回折角が異なる波長分散を利用して、各光ビームの光軸を平行に整列させ、図８（ｅ）に示すように１本の光ビームとして外部に供給される。

上述した構成によれば、複数のＬＤバー１ｊ，１ｋ，１ｌの各発光点から放射された光ビームを１本の光ビームに重畳できるとともに、光ビームがグレーティング５ｅおよび部分反射ミラー６ｄを通過する際、互いに重畳せず空間的に分離した状態に維持される。そのため、光ビームが往復して増幅される光共振器内部において、複数の光ビームが特定の光学部品に集中することを回避できる。その結果、光学部品での光損傷を回避でき、レーザの出力限界および装置の信頼性を改善できる。

また、上述した実施の形態１〜５において、レーザ利得媒質として、複数の発光点を持つＬＤバーを使用した場合を例示したが、これに限られず、シングルエミッタＬＤ、ファイバレーザ、固体レーザ、ガスレーザをアレイ状に配列して構成でも本発明は同様に適用できる。特に、数百Ｗ〜数ｋＷクラスのレーザ装置を構成する場合、光損傷を回避できる本発明の手法は極めて有効である。
また実施の形態１〜５において、波長分散を利用した分散性光学素子として、透過型のグレーティングを使用した場合を例示したが、これに限られず、反射型のグレーティングを使用してもよく、あるいはＶＢＧ(Volume Bragg Grating)、光学プリズムなどを使用してもよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｊ，１ｋ，１ｌ ＬＤバー、 ２ ＦＡＣ／ローテータ素子、 ３ ビーム再配置素子、
４，４ａ，４ｂ シリンドリカルレンズ、
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ グレーティング、
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 部分反射ミラー、
７，７ａ，７ｂ ローテータ素子、 ８，８ａ，８ｂ シリンドリカルレンズ、
９，９ａ，９ｂ グレーティング、
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ＦＡＣ／ローテータ／ビーム再配置素子、
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ コリメーションレンズ、
１２，１２ａ 集光レンズ、
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ シリンドリカルレンズ、
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｅ，１４ｆ コリメーションレンズ、
１４ｃ，１４ｄ，１４ｇ 集光レンズ、
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ シリンドリカルレンズ、 １６ 折り返しミラー、
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ ＦＡＣ／ローテータ素子、
１８，１８ａ 折り返しミラー。

Claims (3)

1. 第１方向に並べて配置され、波長の異なる複数の光ビームが出射する複数のレーザ利得素子と、
   前記複数のレーザ利得素子から出射した各光ビームを、前記第１方向に垂直で且つ各光ビームの光軸に垂直な第２方向にそれぞれ異なる距離シフトさせるビーム再配置素子と、
   前記ビーム再配置素子を通過した各光ビームの方向を変え、各光ビームの前記第１方向における位置を一致させる第１シリンドリカルレンズと、
   前記第１シリンドリカルレンズにより各光ビームの前記第１方向における位置が一致する位置に配置され、各光ビームの前記第１方向における伝播方向を一致させた状態で各光ビームを出射させる第１分散性光学素子と、
   前記第１分散性光学素子を通過した前記複数の光ビームの一部を前記複数のレーザ利得素子へ向けて反射する部分反射素子と、
   前記部分反射素子を出射した各光ビームを、各光ビームの前記第２方向における位置が一致するように集光する第２シリンドリカルレンズと、
   前記第２シリンドリカルレンズにより各光ビームの前記第２方向の位置が一致する位置に配置され、各光ビームの前記第２方向における伝播方向を一致させた状態で前記複数の光ビームを１本のビームに成形して出射させる第２分散性光学素子とを備えた、
   レーザ装置。
2. 前記複数のレーザ利得素子から出射した各光ビームのビームパターンを、各光ビームの光軸の周りに９０度回転させるローテータを備える請求項１に記載のレーザ装置。
3. 第１方向に並べて配置された複数のレーザ利得素子から、波長の異なる複数の光ビームを出射させるステップと、
   ビーム再配置素子により、前記複数のレーザ利得素子から出射した各光ビームを、前記第１方向に垂直で且つ各光ビームの光軸に垂直な第２方向にそれぞれ異なる距離シフトさせるステップと、
   第１シリンドリカルレンズにより、前記ビーム再配置素子を通過した各光ビームの方向を変え、各光ビームの前記第１方向における位置を一致させるステップと、
   前記第１シリンドリカルレンズにより各光ビームの前記第１方向における位置が一致する位置に配置された第１分散性光学素子により、各光ビームの前記第１方向における伝播方向を一致させた状態で各光ビームを出射させるステップと、
   部分反射素子により、前記第１分散性光学素子を通過した前記複数の光ビームの一部を前記複数のレーザ利得素子へ向けて反射するステップと、
   第２シリンドリカルレンズにより、前記部分反射素子を出射した各光ビームを、各光ビームの前記第２方向における位置が一致するように集光するステップと、
   前記第２シリンドリカルレンズにより各光ビームの前記第２方向の位置が一致する位置に配置された第２分散性光学素子により、各光ビームの前記第２方向における伝播方向を一致させた状態で前記複数の光ビームを１本のビームに成形して出射させるステップと、を含む波長結合方法。