JP6285650B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関するものである。
特許文献１には、固体レーザの励起に好適に用いられる集光装置に関する技術が開示されている。図９は、特許文献１に開示された集光装置１００の構成を示す斜視図である。図９に示されるように、集光装置１００は、２個の光源１０６と、２個の光学系１１２と、集光レンズ１１４とを備えている。光源１０６は、半導体レーザアレイスタック１０２及びシリンドリカルレンズスタック１０４を有する。半導体レーザアレイスタック１０２は、複数の発光領域を有する半導体レーザアレイ１１６が複数積層されて成る。シリンドリカルレンズスタック１０４は、半導体レーザアレイ１１６と同数のシリンドリカルレンズ１１８が積層方向に配列されて成り、半導体レーザアレイスタック１０２の複数の発光領域の近傍に設置される。また、光学系１１２は、プリズム１０８及び１１０を有する。プリズム１０８は、三角柱状の直角プリズムであり、側面には全反射コートが施されている。プリズム１１０は、三角柱状の直角プリズムであり、光入射面には反射防止コートが施され、全反射面には高反射コートが施されている。集光レンズ１１４は、集光装置１００の励起対象である固体レーザ１２０内に焦点を有している。
この集光装置１００では、半導体レーザアレイスタック１０２の各半導体レーザアレイ１１６の発光領域からレーザ光Ｌａ１が出射される。このレーザ光Ｌａ１は、シリンドリカルレンズスタック１０４の各シリンドリカルレンズ１１８によって平行化されたのち、プリズム１０８の２つの側面において反射され、光束Ｌｂ１と、光束Ｌｃ１とに分割される。光束Ｌｃ１は、プリズム１１０の２つの全反射面において反射されたのち、プリズム１０８の上を通過し、光束Ｌｂ１に対して平行に隣接する。その後、光束Ｌｂ１及びＬｃ１は、必要に応じて反射ミラー１２２，１２４により光路が変更されたのち、集光レンズ１１４によって固体レーザ１２０の内部に集光される。
特開２００１−１１１１４７号公報
大出力のレーザ光源として、発光領域を複数有する半導体レーザアレイが複数個積層されて成る半導体レーザアレイスタックが利用されている。半導体レーザアレイスタックは、例えばレーザ媒質を有する高エネルギ固体レーザ装置の励起光源として好適に利用される。このような半導体レーザアレイスタックにおいて、レーザ光量を高めるためには発光領域の数を増加させる、すなわちより多くの半導体レーザアレイを積層する、及び／又はより多くの発光領域を各半導体レーザアレイに設けるとよい。しかし、発光領域の数が増すほど発熱量も増す。従って、冷却装置の大型化や組み立ての歩留まりの観点からすれば、一つの半導体レーザアレイスタックを大型化するよりも、適度な大きさの複数の半導体レーザアレイスタックを組み合わせる方が望ましい。
複数の半導体レーザアレイスタックを組み合わせる場合、複数の半導体レーザアレイスタックから出射されるレーザ光束を単一の光束にまとめる必要がある。しかし、複数の半導体レーザアレイスタック同士が隣接すると、冷却が不十分となり易く、また十分に冷却するために冷却装置を大型化せざるを得なくなってしまう。従って、複数の半導体レーザアレイスタック同士の間隔を適度に空けて配置することが望ましい。その場合、複数の半導体レーザアレイスタックからそれぞれ出射される複数のレーザ光束を、光学系を利用して一つに纏める必要がある。例えば図９に示された集光装置１００においても、２つの半導体レーザアレイスタック１０２から出射されたレーザ光束が、プリズム１０８，１１０や反射ミラー１２２，１２４といった光学系を利用して一つに纏められている。
しかしながら、特許文献１に開示された集光装置１００では、複数のレーザ光束が光軸を揃えつつ、単一の集光レンズ１１４に入射している。従って、例えば半導体レーザアレイスタック１０２の一部に劣化が生じると、照射対象物である固体レーザ１２０において、その劣化部分に対応する箇所のレーザ光量が局所的に低下し、照射対象物におけるレーザ光量の均一性を損なってしまう。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、複数の半導体レーザアレイスタック同士を隣接させる必要がなく、半導体レーザアレイスタックの一部に劣化が生じた場合であっても照射対象物におけるレーザ光量の均一性を保つことができるレーザ装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明によるレーザ装置は、所定方向に配列された二以上の発光領域からレーザ光を出射する複数の半導体レーザアレイが出射方向を揃えて所定方向及び出射方向と交差する積層方向に積層されて成り、複数の半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を一光束として各々出力するＮ個（Ｎは２以上の整数）の半導体レーザアレイスタックと、光束に含まれるレーザ光の速軸方向の平行化を行う第１コリメート部と、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックそれぞれから出力されて第１コリメート部を経た光束を透過するとともに、該光束の光軸を該光軸と交差する方向にシフトすることにより光束同士の間隔を縮小するプリズム光学系と、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックそれぞれから出力された各光束を、遅軸方向と交差する面内において光束毎に集光するとともに、該面内において各光束の光軸を光束毎に偏向する結像光学系とを備え、結像光学系は、所定位置においてＮ本の光束が互いに重なるように各光束を偏向するとともに、結像光学系と所定位置との間に各光束の集光点を生じさせることを特徴とする。
このレーザ装置では、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックから出射された光束の光軸がプリズム光学系によってシフトされることにより、光束同士の間隔が縮小される。ここで、光束の光軸をシフトするとは、例えば、プリズム光学系から出射する光束の光軸を、プリズム光学系に入射する光束の光軸に対して略平行としつつ、該光軸と交差する方向に移動させることをいう。このようなプリズム光学系が設けられることにより、複数の半導体レーザアレイスタック同士を隣接させる必要がなくなり、冷却を十分にでき、また冷却装置の大型化を回避することができる。
また、このレーザ装置では、結像光学系が、結像光学系と所定位置との間に各光束の集光点が生じるように各光束を光束毎に集光する。これにより、所定位置におけるレーザ光量の均一性を高めることができ、例えば所定位置に設置される照射対象物に均一な光強度のレーザ光束を与えることができる。更に、このレーザ装置では、結像光学系が、均一なＮ本のレーザ光束を所定位置において互いに重ねるように光束毎に偏向する。これにより、所定位置において均一に拡がったＮ本のレーザ光束が互いに重なり合うので、何れかの半導体レーザアレイスタックの一部に劣化が生じ、一本のレーザ光束にその影響が生じたとしても、他のレーザ光束によって光量の均一性を好適に保つことができる。
また、レーザ装置は、結像光学系が、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックそれぞれから出力された各光束を光束毎に集光するＮ個の結像レンズと、各光束の光軸を光束毎に偏向するＮ個の偏向光学素子とを含むことを特徴としてもよい。これにより、上記の結像光学系を好適に実現することができる。
また、レーザ装置は、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックが積層方向に並んで配置されており、プリズム光学系が、光束の光軸を積層方向にシフトすることを特徴としてもよい。このような構成によって、半導体レーザアレイスタックの積層方向に適度な間隔を空けつつ、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックを配置することができる。
また、レーザ装置は、一又は複数の半導体レーザアレイスタックを含む第１の群と、一又は複数の半導体レーザアレイスタックを含む第２の群とが所定方向に並んで配置されており、プリズム光学系は、第１の群に含まれる半導体レーザアレイスタックから出射される光束と、第２の群に含まれる半導体レーザアレイスタックから出射される光束との間隔が縮小するように、所定方向に該光束の光軸をシフトすることを特徴としてもよい。
本発明に係るレーザ装置によれば、複数の半導体レーザアレイスタック同士を隣接させる必要がなく、半導体レーザアレイスタックの一部に劣化が生じた場合であっても照射対象物におけるレーザ光量の均一性を保つことができる。
本発明の第１実施形態に係るレーザ装置の構成を示す平面図である。 レーザ装置が備える半導体レーザアレイスタックの構成を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ装置の構成を示す平面図である。 図３に示されたレーザ装置をＹ軸方向から見た側面図である。 図３に示されたレーザ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ装置の構成を示す平面図である。 図６に示されたレーザ装置をＹ軸方向から見た側面図である。 図６に示されたレーザ装置の構成を示す斜視図である。 特許文献１に開示された集光装置の構成を示す斜視図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明によるレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ装置１Ａの構成を示す平面図である。また、図２は、レーザ装置１Ａが備える半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの構成を示す斜視図である。なお、理解の容易の為、図１及び図２にはＸＹＺ直交座標系が示されている。
図１に示されるように、本実施形態のレーザ装置１Ａは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数。図ではＮ＝４の場合を例示）の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮと、プリズム光学系１０Ａとを備えている。半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮは、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けて並んで配置されている。プリズム光学系１０Ａは、これらの半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮに一対一で対応して設けられたＮ個の第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮと、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫ（但し、Ｋ＝Ｎ／２）とを有する。第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮ及び第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫもまた、それぞれＹ軸方向に並んで配置されている。
図２に示されるように、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮは、複数の半導体レーザアレイ１２を有する。これらの半導体レーザアレイ１２は、所定方向（本実施形態ではＸ軸方向）に配列された二以上の発光領域１４を各々有しており、これらの発光領域１４それぞれから或る光出射方向（本実施形態ではＺ軸方向）に向けてレーザ光Ｌａが出射される。レーザ光Ｌａの速軸方向はＹ軸方向に沿っており、遅軸方向はＸ軸方向に沿っている。複数の半導体レーザアレイ１２は、光出射方向を揃えて上記所定方向（Ｘ軸方向）及び光出射方向（Ｚ軸方向）と交差する積層方向（本実施形態ではＹ軸方向）に積層されている。半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮは、複数の半導体レーザアレイ１２から出射されるこれらのレーザ光Ｌａを一光束として各々出力する。
図１を再び参照すると、第ｎ番目（ｎは１以上Ｎ以下の整数）の半導体レーザアレイスタックＬＳｎから出力されたレーザ光束Ｌｎは、コリメータレンズスタック１６を通過する。コリメータレンズスタック１６は、本実施形態における第１コリメート部であって、各半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮに対応して配置され、各半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの発光領域１４に対向している。コリメータレンズスタック１６は、Ｘ軸方向に延びており複数の半導体レーザアレイ１２にそれぞれ対応する複数のシリンドリカルレンズを有する。各シリンドリカルレンズは、対応する半導体レーザアレイ１２から出射されたレーザ光Ｌａの速軸方向の平行化を行う。
コリメータレンズスタック１６によって速軸方向の平行化がなされたレーザ光束Ｌｎは、対応する第ｎ番目の第１プリズムＰＡｎの光入射面２１に入射する。第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮは、例えばガラス、石英といった透明材料から成るプリズムであって、光入射面２１及び光出射面２２を有する。本実施形態の第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮは、ＹＺ平面に沿った断面が平行四辺形（例えば菱形）といった形状を呈し、該平行四辺形の一辺が光入射面２１となっており、該一辺と平行な別の一辺が光出射面２２となっている。
第ｎ番目の第１プリズムＰＡｎは、光入射面２１に入射したレーザ光束Ｌｎを透過して、光出射面２２から出射する。光入射面２１はＸＺ平面に対して傾斜しており、レーザ光束Ｌｎが光入射面２１に入射する際、レーザ光束Ｌｎは光出射方向（Ｚ軸方向）に対して所定角度だけ屈折する。また、光出射面２２は光入射面２１に対して平行であり、レーザ光束Ｌｎが光出射面２２から出射する際、レーザ光束Ｌｎは先の屈折とは逆向きに上記所定角度だけ再び屈折し、再び光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進む。このように、第１プリズムＰＡｎは、レーザ光束Ｌｎの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＹ軸方向）にシフトする。換言すれば、第１プリズムＰＡｎは、光出射面２２から出射されるレーザ光束Ｌｎの光軸を、光入射面２１に入射するレーザ光束Ｌｎの光軸に対して略平行としつつ、Ｙ軸方向に移動させる。
また、本実施形態では、（２ｋ−１）番目（但し、ｋは１以上Ｋ以下の整数）の第１プリズムＰＡ２ｋ−１と、２ｋ番目の第１プリズムＰＡ２ｋとがＹ軸方向において互いに隣接して配置されており、第１プリズムＰＡ２ｋ−１の光入射面２１及び光出射面２２と、第１プリズムＰＡ２ｋの光入射面２１及び光出射面２２とが、ＸＺ平面に沿った基準面ＡＡｋを挟んで対称の位置に配置されている。そして、第１プリズムＰＡ２ｋ−１の光入射面２１に入射したレーザ光束Ｌ２ｋ−１は、隣り合うレーザ光束Ｌ２ｋに近づく方向へ屈折し、また、第１プリズムＰＡ２ｋの光入射面２１に入射したレーザ光束Ｌ２ｋは、隣り合うレーザ光束Ｌ２ｋ−１に近づく方向へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋが光出射面２２から出射するときには、レーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋ同士の間隔が縮小され、一対の光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋからなるレーザ光束群ＬＡｋが形成される。このレーザ光束群ＬＡｋは、元の光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進行する。なお、本実施形態のレーザ光束群ＬＡｋを構成するレーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋは、互いに隣接して進むけれども、互いに重なっておらず、例えば１ｍｍ程度の間隔を有する。
第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫは、例えばガラス、石英といった透明材料から成るプリズムであって、光入射面２３及び光出射面２４を有する。本実施形態の第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫは、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮと同様に、ＹＺ平面に沿った断面において平行四辺形（例えば菱形）といった形状を呈し、該平行四辺形の一辺が光入射面２３となっており、該一辺と平行な別の一辺が光出射面２４となっている。
第１プリズムＰＡ２ｋ−１，ＰＡ２ｋから出射されたレーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋは、レーザ光束群ＬＡｋとして第ｋ番目の第２プリズムＰＢｋの光入射面２３に入射する。第２プリズムＰＢｋは、光入射面２３に入射したレーザ光束群ＬＡｋを透過して、光出射面２４から出射する。光入射面２３はＸＺ平面に対して傾斜しており、レーザ光束群ＬＡｋが光入射面２３に入射する際、レーザ光束群ＬＡｋは光出射方向（Ｚ軸方向）に対して所定角度だけ屈折する。また、光出射面２４は光入射面２３に対して平行であり、レーザ光束群ＬＡｋが光出射面２４から出射する際、レーザ光束群ＬＡｋは先の屈折とは逆向きに上記所定角度だけ再び屈折し、再び光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進む。このように、第２プリズムＰＢｋは、レーザ光束群ＬＡｋの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＹ軸方向）にシフトする。換言すれば、第２プリズムＰＢｋは、光出射面２４から出射されるレーザ光束群ＬＡｋの光軸を、光入射面２３に入射するレーザ光束群ＬＡｋの光軸に対して略平行としつつ、Ｙ軸方向に移動させる。
また、本実施形態では、（２ｍ−１）番目（但し、ｍは１以上Ｍ以下の整数。Ｍ＝Ｎ／４）の第２プリズムＰＢ２ｍ−１と、（２ｍ）番目の第２プリズムＰＢ２ｍとがＹ軸方向において互いに隣接して配置されており、第２プリズムＰＢ２ｍ−１の光入射面２３及び光出射面２４と、第２プリズムＰＢ２ｍの光入射面２３及び光出射面２４とが、ＸＺ平面に沿った基準面ＡＢｍを挟んで対称の位置に配置されている。従って、第２プリズムＰＢ２ｍ−１の光入射面２３に入射したレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１は、隣り合うレーザ光束群ＬＡ２ｍに近づく方向へ屈折し、また、第２プリズムＰＢ２ｍの光入射面２３に入射したレーザ光束群ＬＡ２ｍは、隣り合うレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１に近づく方向へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍが光出射面２４から出射するときには、レーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍ同士の間隔が縮小され、一対のレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍからなるレーザ光束群ＬＢｍが形成される。このレーザ光束群ＬＢｍは、元の光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進行する。なお、本実施形態のレーザ光束群ＬＢｍを構成するレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍは、互いに隣接して進むけれども、互いに重なっておらず、例えば１ｍｍ程度の間隔を有する重ならない。すなわち、１本のレーザ光束群ＬＢｍには４本のレーザ光束Ｌｎが含まれ、且つ、これらのレーザ光束ＬｎはＹ軸方向に並んでおり、互いに重ならず、例えば隣り合うレーザ光束の間に１ｍｍ程度の間隔を有する。
本実施形態のレーザ装置１Ａは、結像光学系１８を更に備えている。結像光学系１８は、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮ及び第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫを透過した各レーザ光束Ｌ１〜ＬＮを、遅軸方向と交差する面内（本実施形態ではＹＺ平面内）においてレーザ光束毎に集光する。また、結像光学系１８は、該面内において各レーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光軸をレーザ光束毎に偏向する。
具体的には、結像光学系１８は、Ｎ個の結像レンズＦ１〜ＦＮと、Ｎ個の偏向光学素子Ｄ１〜ＤＮとを含んで構成されている。結像レンズＦ１〜ＦＮは、Ｎ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮに一対一で対応して設けられており、第ｎ番目の結像レンズＦｎは、対応するレーザ光束ＬｎをＹＺ平面内において集光する。なお、本実施形態では、結像レンズＦ１〜ＦＮはＸＺ平面内では集光作用を有しておらず、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮはＸＺ平面内では集光されない。
また、結像レンズＦ１〜ＦＮは、結像光学系１８とＺ軸方向の所定位置Ｑとの間に各レーザ光束Ｌ１〜ＬＮの集光点Ｐ１〜ＰＮを生じさせる。より詳細には、結像レンズＦ１〜ＦＮの焦点距離は結像光学系１８と所定位置Ｑとの距離よりも短く、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮは所定位置Ｑの手前で一端収束したのち、再び拡大しながら所定位置Ｑを通過する。
偏向光学素子Ｄ１〜ＤＮは、Ｎ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮに一対一で対応して設けられており、第ｎ番目の偏向光学素子Ｄｎは、対応するレーザ光束ＬｎをＹＺ平面内において偏向する。ここで、レーザ光束Ｌｎを偏向するとは、レーザ光束Ｌｎの光軸の向きを僅かに変更することをいい、本実施形態では、レーザ光束Ｌｎの光軸がＺ軸方向を基準としてＹ軸方向に僅かに傾斜される。
このようなレーザ光束Ｌｎの偏向は、Ｚ軸方向の所定位置ＱにおいてＮ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮが互いに重なるように行われる。言い換えれば、Ｘ軸方向から見たレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの各光軸は、偏向光学素子Ｄ１〜ＤＮを通過した後、所定位置Ｑにおいて互いに重なり合う。このような作用を有する偏向光学素子Ｄ１〜ＤＮは、例えばウェッジプリズムによって好適に実現される。所定位置Ｑには、例えば照射対象物が配置される。この照射対象物としては、例えば、レーザ共振器の共振光路上に配置され、励起光が供給されることで放出光を発生させる固体レーザ媒質が挙げられる。
本実施形態のレーザ装置１Ａは、遅軸コリメータレンズ４１、４２、及び４３を更に備えている。遅軸コリメータレンズ４１は本実施形態における第２コリメート部であり、遅軸コリメータレンズ４３は本実施形態における第３コリメート部である。遅軸コリメータレンズ４１は、コリメータレンズスタック１６と第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮとの間の光軸上に配置され、レーザ光束Ｌｎに含まれるレーザ光Ｌａの遅軸方向（本実施形態では、Ｘ軸方向）の平行化を行う。遅軸コリメータレンズ４２は、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮと第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫとの間の光軸上に配置され、レーザ光束群ＬＡｋに含まれるレーザ光Ｌａの遅軸方向の平行化を行う。遅軸コリメータレンズ４３は、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫと結像光学系１８との間の光軸上に配置され、レーザ光束群ＬＢｍに含まれるレーザ光Ｌａの遅軸方向の平行化を行う。
以上の構成を備える本実施形態のレーザ装置１Ａによって得られる効果について説明する。このレーザ装置１Ａでは、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮから出射されたレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光軸がプリズム光学系１０Ａ（第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮ、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫ）によってシフトされることにより、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮ同士の間隔が縮小される。このようなプリズム光学系１０Ａが設けられることにより、複数の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮ同士を隣接させる必要がなくなるので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの間の隙間を利用して冷却を十分にでき、また簡素な冷却装置で足りるため冷却装置の大型化を回避することができる。また、プリズム光学系１０Ａのような簡易な構成でもってレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを集めることができるので、レーザ装置１Ａを更に小型化することができる。
また、このレーザ装置１Ａによれば、プリズム光学系１０Ａを用いてレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを伝送するので、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮを、小さなスペースで、低損失（例えば数％以下）でもって長距離（例えば１ｍ以上）伝送することができる。また、任意の位置Ｑにおいて均一性の高い空間強度分布を有し、任意の大きさ（例えば１ｃｍ角）の領域内に十分な光強度（例えば数十ｋＷ／ｃｍ２以上）でレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを集束させることができる。
また、このレーザ装置１Ａでは、結像光学系１８が、各レーザ光束Ｌ１〜ＬＮを光束毎に集光し、結像光学系１８と所定位置Ｑとの間に各レーザ光束Ｌ１〜ＬＮの集光点Ｐ１〜ＰＮを生じさせている。これにより、所定位置Ｑにおけるレーザ光量の均一性を高めることができ、例えば所定位置Ｑに設置される照射対象物に均一な光強度のレーザ光束を与えることができる。更に、このレーザ装置１Ａでは、結像光学系１８が、均一なＮ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを所定位置Ｑにおいて互いに重ねるように光束毎に偏向する。これにより、所定位置Ｑにおいて均一なＮ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮが互いに重なり合うので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのうち何れかの一部に劣化が生じ、一つのレーザ光束Ｌｎにその影響が生じたとしても、他のレーザ光束によってレーザ光束群ＬＢｍの光量の均一性を好適に保つことができる。
例えば、レーザ光源装置が固体レーザ媒質の励起に用いられる場合、励起光の空間パターンの強度変動は、固体レーザ媒質の出力特性（エネルギ安定性、パターンの均一性）に大きく影響し、また、光学素子等の光損傷の一因となる。本実施形態のレーザ装置１Ａによれば、上述したようにレーザ光束群ＬＢｍの光量の均一性を保つことができるので、固体レーザ媒質の出力特性を安定させ、光学素子等の光損傷を低減することが可能となる。
また、このレーザ装置１Ａでは、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの個数Ｎを増減させたい場合であっても大掛かりな構造変更を必要とせず、プリズム光学系１０Ａに含まれる第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮ及び第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫ、並びに結像光学系１８に含まれる結像レンズＦ１〜ＦＮ及び偏向光学素子Ｄ１〜ＤＮの個数を増減するだけで済む。従って、レーザ装置１Ａによれば、照射光量の増減が容易であり拡張性の高いレーザ装置１Ａを提供することができる。
また、本実施形態のように、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮが積層方向に並んで配置されており、プリズム光学系１０Ａが、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光軸を積層方向にシフトしてもよい。このような構成によって、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの積層方向に適度な間隔を空けつつ、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮを配置することができる。
なお、プリズム光学系１０Ａに代えて、反射ミラーを用いてレーザ光束Ｌ１〜ＬＮをシフトすることも考えられる。しかしながら、反射ミラーでは、レーザ光束の入射角が或る向きに変動すると出射角が逆の向きに変動するので、Ｎ個のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光路のずれが大きくなり、これらを精度良く並べることが難しいという問題がある。これに対し、プリズムでは、レーザ光束の入射角と出射角とは同じ向きに変動するので、Ｎ個のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光路のずれが抑制され、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮを設置する際の許容誤差を大きくすることができる。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ装置１Ｂの構成を示す平面図である。図４は、図３に示されたレーザ装置１ＢをＹ軸方向から見た側面図である。図５は、図３に示されたレーザ装置１Ｂの構成を示す斜視図である。図３〜図５に示されるように、本実施形態のレーザ装置１Ｂは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数。図ではＮ＝８の場合を例示）の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮと、プリズム光学系１０Ｂと、コリメータレンズスタック１６と、結像光学系１８とを備えている。なお、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮ自体の構成、コリメータレンズスタック１６の配置および構成、並びに結像光学系１８の構成は、前述した第１実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのうち、半導体レーザアレイスタックＬＳ１、ＬＳ３、・・・、ＬＳ２Ｋ−１（但し、Ｋ＝Ｎ／２）は第１の群６ａを構成しており、他の半導体レーザアレイスタックＬＳ２、ＬＳ４、・・・、ＬＳ２Ｋは第２の群６ｂを構成している。第１の群６ａと第２の群６ｂとは、互いに所定方向（Ｘ軸方向）に並んで配置されている。また、第１の群６ａに含まれる半導体レーザアレイスタックＬＳ１、ＬＳ３、・・・、ＬＳ２Ｋ−１は、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けて並んで配置されている。同様に、第２の群６ｂに含まれる半導体レーザアレイスタックＬＳ２、ＬＳ４、・・・、ＬＳ２Ｋは、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けて並んで配置されている。更に、Ｘ軸方向から見て、半導体レーザアレイスタックＬＳ１、ＬＳ３、・・・、ＬＳ２Ｋ−１と半導体レーザアレイスタックＬＳ２、ＬＳ４、・・・、ＬＳ２Ｋとが交互となるように、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのＹ軸方向の各位置が定められている。
プリズム光学系１０Ｂは、これらの半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮに一対一で対応して設けられたＮ個のプリズムＰＣ１〜ＰＣＮを有する。Ｎ個のプリズムＰＣ１〜ＰＣＮのうち、プリズムＰＣ１、ＰＣ３、・・・、ＰＣ２Ｋ−１は、対応する半導体レーザアレイスタックＬＳ１、ＬＳ３、・・・、ＬＳ２Ｋ−１に沿ってＹ軸方向に並んで配置されており、プリズムＰＣ２、ＰＣ４、・・・、ＰＣ２Ｋは、対応する半導体レーザアレイスタックＬＳ２、ＬＳ４、・・・、ＬＳ２Ｋに沿ってＹ軸方向に並んで配置されている。また、プリズムＰＣ１、ＰＣ３、・・・、ＰＣ２Ｋ−１とプリズムＰＣ２、ＰＣ４、・・・、ＰＣ２Ｋとは、Ｙ軸方向に交互に並んでいる。
第ｎ番目の半導体レーザアレイスタックＬＳｎから出射されたレーザ光束Ｌｎは、コリメータレンズスタック１６によって速軸方向の平行化がなされたのち、対応する第ｎ番目のプリズムＰＣｎの光入射面２５（図４を参照）に入射する。プリズムＰＣ１〜ＰＣＮは、例えばガラス、石英といった透明材料から成るプリズムであって、光入射面２５及び光出射面２６（図４を参照）を有する。本実施形態のプリズムＰＣ１〜ＰＣＮは、ＸＺ平面に沿った断面が平行四辺形（例えば菱形）といった形状を呈し、該平行四辺形の一辺が光入射面２５となっており、該一辺と平行な別の一辺が光出射面２６となっている。
第ｎ番目のプリズムＰＣｎは、光入射面２５に入射したレーザ光束Ｌｎを透過して、光出射面２６から出射する。光入射面２５はＹＺ平面に対して傾斜しており、レーザ光束Ｌｎが光入射面２５に入射する際、レーザ光束Ｌｎは光出射方向（Ｚ軸方向）に対して所定角度だけ屈折する。また、光出射面２６は光入射面２５に対して平行であり、レーザ光束Ｌｎが光出射面２６から出射する際、レーザ光束Ｌｎは先の屈折とは逆向きに上記所定角度だけ再び屈折し、再び光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進む。このように、プリズムＰＣｎは、レーザ光束Ｌｎの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＸ軸方向）にシフトする。換言すれば、プリズムＰＣｎは、光出射面２６から出射されるレーザ光束Ｌｎの光軸を、光入射面２５に入射するレーザ光束Ｌｎの光軸に対して略平行としつつ、Ｘ軸方向に移動させる。
また、本実施形態では、プリズムＰＣ１、ＰＣ３、・・・、ＰＣ２Ｋ−１の光入射面２５に入射したレーザ光束Ｌ１、Ｌ３、・・・、Ｌ２Ｋ−１は、Ｙ軸方向から見て、隣り合うレーザ光束Ｌ２、Ｌ４、・・・、Ｌ２Ｋに近づく方向（例えばＸ軸負方向）へ屈折し、また、プリズムＰＣ２、ＰＣ４、・・・、ＰＣ２Ｋの光入射面２５に入射したレーザ光束Ｌ２、Ｌ４、・・・、Ｌ２Ｋは、Ｙ軸方向から見て、隣り合うレーザ光束Ｌ１、Ｌ３、・・・、Ｌ２Ｋ−１に近づく方向（例えばＸ軸正方向）へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌ２Ｋ−１、Ｌ２Ｋが光出射面２６から出射するときには、レーザ光束Ｌ１、Ｌ３、・・・、Ｌ２Ｋ−１とレーザ光束Ｌ２、Ｌ４、・・・、Ｌ２Ｋとの間隔が縮小され、レーザ光束Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌ２Ｋ−１、Ｌ２Ｋからなる単一のレーザ光束群ＬＣが形成される。このレーザ光束群ＬＣは、元の光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進行する。なお、本実施形態のレーザ光束群ＬＣを構成するレーザ光束Ｌ１、Ｌ２、・・・、Ｌ２Ｋ−１、Ｌ２Ｋは、互いに隣接して進むけれども、互いに重なっておらず、例えば１ｍｍ程度の間隔を有する。
本実施形態のレーザ装置１Ｂは、遅軸コリメータレンズ４４、４５、及び４６を更に備えている。遅軸コリメータレンズ４４は本実施形態における第２コリメート部であり、遅軸コリメータレンズ４５は本実施形態における第３コリメート部である。遅軸コリメータレンズ４４は、コリメータレンズスタック１６とプリズムＰＣ１〜ＰＣＮとの間の光軸上に配置され、レーザ光束Ｌｎに含まれるレーザ光Ｌａ（図２を参照）の遅軸方向（本実施形態では、Ｘ軸方向）の平行化を行う。遅軸コリメータレンズ４５は、プリズムＰＣ１〜ＰＣＮと結像光学系１８との間の光軸上に配置され、レーザ光束群ＬＣに含まれるレーザ光Ｌａの遅軸方向の平行化を行う。遅軸コリメータレンズ４６は、結像光学系１８と集光点Ｐ１〜ＰＮとの間の光軸上に配置され、レーザ光束群ＬＣに含まれるレーザ光Ｌａの遅軸方向の平行化を行う。
以上の構成を備える本実施形態のレーザ装置１Ｂでは、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮから出射されたレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光軸がプリズム光学系１０Ｂ（プリズムＰＣ１〜ＰＣＮ）によってシフトされることにより、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮ同士の間隔が縮小される。このようなプリズム光学系１０Ｂが設けられることにより、複数の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮ同士を隣接させる必要がなくなるので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの間の隙間を利用して冷却を十分にでき、また簡素な冷却装置で足りるため冷却装置の大型化を回避することができる。また、プリズム光学系１０Ｂのような簡易な構成でもってレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを集めることができるので、レーザ装置１Ｂを更に小型化することができる。
また、このレーザ装置１Ｂは、前述した第１実施形態と同様の構成を有する結像光学系１８を備えている。これにより、所定位置Ｑにおけるレーザ光量の均一性を高めることができ、例えば所定位置Ｑに設置される照射対象物に均一な光強度のレーザ光束を与えることができる。また、所定位置Ｑにおいて均一なＮ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮが互いに重なり合うので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのうち何れかの一部に劣化が生じ、一つのレーザ光束Ｌｎにその影響が生じたとしても、他のレーザ光束によってレーザ光束群ＬＣの光量の均一性を好適に保つことができる。
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係るレーザ装置１Ｃの構成を示す平面図である。図７は、図６に示されたレーザ装置１ＣをＹ軸方向から見た側面図である。図８は、レーザ装置１Ｃの構成を示す斜視図である。なお、理解の容易の為、図８ではレーザ光束の図示を省略している。
図６〜図８に示されるように、本実施形態のレーザ装置１Ｃは、Ｎ個（Ｎは２以上の整数。図ではＮ＝８の場合を例示）の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮと、プリズム光学系１０Ｃと、コリメータレンズスタック１６と、結像光学系１８とを備えている。なお、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮ自体の構成、コリメータレンズスタック１６の配置および構成、並びに結像光学系１８の構成は、前述した第１実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのうち、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＪ（但し、Ｊは２以上（Ｎ−１）未満の整数。図ではＪ＝４の場合を例示）は、第１の群６ｃを構成している。また、他の半導体レーザアレイスタックＬＳＪ＋１〜ＬＳＮは、第２の群６ｄを構成している。第１の群６ｃと第２の群６ｄとは、互いに所定方向（Ｘ軸方向）に並んで配置されている。また、第１の群６ｃに含まれる半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＪは、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けて並んで配置されている。同様に、第２の群６ｄに含まれる半導体レーザアレイスタックＬＳＪ＋１〜ＬＳＮは、Ｙ軸方向に互いに間隔を空けて並んで配置されている。
プリズム光学系１０Ｃは、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮに一対一で対応して設けられたＮ個の第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮと、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫ（但し、Ｋ＝Ｎ／２）と、第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭ（但し、Ｍ＝Ｎ／４）とを有する。Ｎ個の第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮのうち、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＪは対応する半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＪに沿ってＹ軸方向に並んで配置されており、第１プリズムＰＡＪ＋１〜ＰＡＮは、対応する半導体レーザアレイスタックＬＳＪ＋１〜ＬＳＮに沿ってＹ軸方向に並んで配置されている。また、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＪからなるプリズム列と、第１プリズムＰＡＪ＋１〜ＰＡＮからなるプリズム列とは、互いにＸ軸方向に並んで配置されている。
第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮは、第１実施形態の第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮと同様の構成を有する。すなわち、第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮは、光入射面２１及び光出射面２２を有する平行四辺形状を呈しており、第ｎ番目の第１プリズムＰＡｎは、レーザ光束Ｌｎの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＹ軸方向）にシフトする。また、（２ｋ−１）番目の第１プリズムＰＡ２ｋ−１と、２ｋ番目の第１プリズムＰＡ２ｋとがＹ軸方向において互いに隣接して配置されており、第１プリズムＰＡ２ｋ−１の光入射面２１に入射したレーザ光束Ｌ２ｋ−１は、隣り合うレーザ光束Ｌ２ｋに近づく方向へ屈折し、また、第１プリズムＰＡ２ｋの光入射面２１に入射したレーザ光束Ｌ２ｋは、隣り合うレーザ光束Ｌ２ｋ−１に近づく方向へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋが光出射面２２から出射するときには、レーザ光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋ同士の間隔が縮小され、一対の光束Ｌ２ｋ−１，Ｌ２ｋからなるレーザ光束群ＬＡｋが形成される。このレーザ光束群ＬＡｋは、元の光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進行する。
第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫもまた、第１実施形態の第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫと同様の構成を有する。すなわち、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫは、光入射面２３及び光出射面２４を有する平行四辺形状を呈しており、第ｋ番目の第２プリズムＰＢｋは、レーザ光束群ＬＡｋの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＹ軸方向）にシフトする。また、（２ｍ−１）番目の第２プリズムＰＢ２ｍ−１と、２ｍ番目の第２プリズムＰＢ２ｍとがＹ軸方向において互いに隣接して配置されており、第２プリズムＰＢ２ｍ−１の光入射面２３に入射したレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１は、隣り合うレーザ光束群ＬＡ２ｍに近づく方向へ屈折し、また、第２プリズムＰＢ２ｍの光入射面２３に入射したレーザ光束群ＬＡ２ｍは、隣り合うレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１に近づく方向へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍが光出射面２４から出射するときには、レーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍ同士の間隔が縮小され、一対のレーザ光束群ＬＡ２ｍ−１，ＬＡ２ｍからなるレーザ光束群ＬＢｍが形成される。このレーザ光束群ＬＢｍは、元の光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進行する。
第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭは、例えばガラス、石英といった透明材料から成るプリズムであって、光入射面２７及び光出射面２８を有する。本実施形態の第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭは、ＸＺ平面に沿った断面において平行四辺形（例えば菱形）といった形状を呈し、該平行四辺形の一辺が光入射面２７となっており、該一辺と平行な別の一辺が光出射面２８となっている。
第２プリズムＰＢ２ｍ−１，ＰＢ２ｍから出射されたレーザ光束群ＬＢｍは、第ｍ番目の第３プリズムＰＤｍの光入射面２７に入射する。第３プリズムＰＤｍは、光入射面２７に入射したレーザ光束群ＬＢｍを透過して、光出射面２８から出射する。光入射面２７はＹＺ平面に対して傾斜しており、レーザ光束群ＬＢｍが光入射面２７に入射する際、レーザ光束群ＬＢｍは光出射方向（Ｚ軸方向）に対して上記角度だけ屈折する。また、光出射面２８は光入射面２７に対して平行であり、レーザ光束群ＬＢｍが光出射面２８から出射する際、レーザ光束群ＬＢｍは先の屈折とは逆向きに上記角度だけ再び屈折し、再び光出射方向（Ｚ軸方向）に沿って進む。このように、第３プリズムＰＤｍは、レーザ光束群ＬＢｍの光軸を、該光軸と交差する方向（本実施形態ではＸ軸方向）にシフトする。換言すれば、第３プリズムＰＤｍは、光出射面２８から出射されるレーザ光束群ＬＢｍの光軸を、光入射面２７に入射するレーザ光束群ＬＢｍの光軸に対して略平行としつつ、Ｘ軸方向に移動させる。
また、本実施形態では、（２ｉ−１）番目（但し、ｉは１以上Ｉ以下の整数。Ｉ＝Ｎ／８）の第３プリズムＰＤ２ｉ−１に入射したレーザ光束群ＬＢ２ｉ−１は、隣り合うレーザ光束群ＬＢ２ｉに近づく方向（例えばＸ軸負方向）へ屈折し、（２ｉ）番目の第３プリズムＰＤ２ｉに入射したレーザ光束群ＬＢ２ｉは、隣り合うレーザ光束群ＬＢ２ｉ−１に近づく方向（例えばＸ軸正方向）へ屈折する。これにより、これらのレーザ光束群ＬＢｍが光出射面２８から出射するときには、レーザ光束群ＬＢ２ｉ−１とレーザ光束群ＬＢ２ｉとの間隔が縮小され、レーザ光束群ＬＢ１〜ＬＢＭからなる単一のレーザ光束群ＬＤが形成される。
なお、本実施形態では、第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭが結像光学系１８と集光位置Ｐ１〜ＰＮとの間に配置されているが、第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭは第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫと結像光学系１８との間に配置されてもよい。
以上の構成を備える本実施形態のレーザ装置１Ｃでは、Ｎ個の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮから出射されたレーザ光束Ｌ１〜ＬＮの光軸がプリズム光学系１０Ｃ（第１プリズムＰＡ１〜ＰＡＮ、第２プリズムＰＢ１〜ＰＢＫ、第３プリズムＰＤ１〜ＰＤＭ）によってシフトされることにより、レーザ光束Ｌ１〜ＬＮ同士の間隔が縮小される。このようなプリズム光学系１０Ｃが設けられることにより、複数の半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮ同士を隣接させる必要がなくなるので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮの間の隙間を利用して冷却を十分にでき、また簡素な冷却装置で足りるため冷却装置の大型化を回避することができる。また、プリズム光学系１０Ｃのような簡易な構成でもってレーザ光束Ｌ１〜ＬＮを集めることができるので、レーザ装置１Ｃを更に小型化することができる。
また、このレーザ装置１Ｃは、前述した第１実施形態と同様の構成を有する結像光学系１８を備えている。これにより、所定位置Ｑにおけるレーザ光量の均一性を高めることができ、例えば所定位置Ｑに設置される照射対象物に均一な光強度のレーザ光束を与えることができる。また、所定位置Ｑにおいて均一なＮ本のレーザ光束Ｌ１〜ＬＮが互いに重なり合うので、半導体レーザアレイスタックＬＳ１〜ＬＳＮのうち何れかの一部に劣化が生じ、一つのレーザ光束Ｌｎにその影響が生じたとしても、他のレーザ光束によってレーザ光束群ＬＤの光量の均一性を好適に保つことができる。
本発明によるレーザ装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、第１実施形態では半導体レーザアレイスタックの個数Ｎが４である場合を示し、第２実施形態および第３実施形態では個数Ｎが８である場合を示したが、本発明のレーザ装置では、半導体レーザアレイスタックの個数に制限はなく、任意の個数の半導体レーザアレイスタックを組み合わせることができる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…レーザ装置、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…プリズム光学系、１２…半導体レーザアレイ、１４…発光領域、１６…コリメータレンズスタック、１８…結像光学系、２１，２３，２５，２７…光入射面、２２，２４，２６，２８…光出射面、４１〜４６…遅軸コリメータレンズ、Ｄ１〜ＤＮ…偏向光学素子、Ｆ１〜ＦＮ…結像レンズ、Ｌ１〜ＬＮ…レーザ光束、Ｌａ…レーザ光、ＬＡ１〜ＬＡＫ…レーザ光束群、ＬＢ１〜ＬＢＭ…レーザ光束群、ＬＣ…レーザ光束群、ＬＤ…レーザ光束群、ＬＳ１〜ＬＳＮ…半導体レーザアレイスタック、Ｐ１〜ＰＮ…集光点、ＰＡ１〜ＰＡＮ…第１プリズム、ＰＢ１〜ＰＢＫ…第２プリズム、ＰＣ１〜ＰＣＮ…プリズム、ＰＤ１〜ＰＤＭ…第３プリズム、Ｑ…所定位置。

Claims (3)

  1. 所定方向に配列された二以上の発光領域からレーザ光を出射する複数の半導体レーザアレイが出射方向を揃えて前記所定方向及び前記出射方向と交差する積層方向に積層されて成り、前記複数の半導体レーザアレイから出射される前記レーザ光を一光束として各々出力するＮ個（Ｎは２以上の整数）の半導体レーザアレイスタックと、
    前記光束に含まれる前記レーザ光の速軸方向の平行化を行う第１コリメート部と、
    前記Ｎ個の半導体レーザアレイスタックそれぞれから出力されて前記第１コリメート部を経た前記光束を透過するとともに、該光束の光軸を該光軸と交差する方向にシフトすることにより前記光束同士の間隔を縮小するプリズム光学系と、
    前記Ｎ個の半導体レーザアレイスタックそれぞれから出力されて前記プリズム光学系を経た各光束を、遅軸方向と交差する面内において光束毎に集光するＮ個の結像レンズ、及び、前記プリズム光学系を経た各光束の光軸を該面内において光束毎に偏向するＮ個の偏向光学素子を含む結像光学系と
    を備え、
    前記Ｎ個の偏向光学素子は、所定位置においてＮ本の前記光束が互いに重なるように各光束を偏向し、
    前記Ｎ個の結像レンズは、前記結像光学系と前記所定位置との間に各光束の集光点を生じさせ、
    光出射方向において、少なくとも２つの前記光束における前記集光点の位置が互いに異なることを特徴とする、レーザ装置。
  2. 前記Ｎ個の半導体レーザアレイスタックが前記積層方向に並んで配置されており、
    前記プリズム光学系が、前記光束の光軸を前記積層方向にシフトすることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 一又は複数の前記半導体レーザアレイスタックを含む第１の群と、一又は複数の前記半導体レーザアレイスタックを含む第２の群とが前記所定方向に並んで配置されており、
    前記プリズム光学系は、前記第１の群に含まれる前記半導体レーザアレイスタックから出射される前記光束と、前記第２の群に含まれる前記半導体レーザアレイスタックから出射される前記光束との間隔が縮小するように、前記所定方向に該光束の光軸をシフトすることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ装置。
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6761600B2 (ja) * 2017-01-05 2020-09-30 大日本印刷株式会社 照明装置
JP6536724B1 (ja) * 2018-07-04 2019-07-03 ウシオ電機株式会社 光源装置、プロジェクタ
US10795172B1 (en) * 2018-09-20 2020-10-06 Casey LEWIS Apparatus and method of combining multiple laser beams using a negative focal length radial gradient index rod lens
CN109581326B (zh) * 2018-11-16 2021-05-07 上海禾赛科技股份有限公司 一种用于激光雷达的光学器件固定结构
CN109375337B (zh) * 2018-11-16 2021-10-08 上海禾赛科技有限公司 一种棱镜固定结构
WO2020116084A1 (ja) * 2018-12-06 2020-06-11 パナソニックセミコンダクターソリューションズ株式会社 光源ユニット、照明装置、加工装置及び偏向素子
US11506850B2 (en) * 2018-12-13 2022-11-22 Sony Group Corporation Optical connector, optical cable, and electronic device
CN111722459B (zh) * 2019-03-19 2022-08-26 青岛海信激光显示股份有限公司 一种激光器组件、激光光源和激光投影设备
CN114296089B (zh) * 2022-03-03 2022-06-14 深圳市海创光学有限公司 光学系统及激光雷达
CN115128894B (zh) * 2022-07-29 2023-09-26 青岛海信激光显示股份有限公司 投影光源和投影设备

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60108802A (ja) * 1983-11-18 1985-06-14 Fuji Photo Film Co Ltd 光ビ−ム合成方法及び装置
DE4220705C2 (de) * 1992-06-24 2003-03-13 Lambda Physik Ag Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles in homogene Teilstrahlen
DE19915000C2 (de) * 1999-04-01 2002-05-08 Microlas Lasersystem Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Steuern der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls
JP4347467B2 (ja) * 1999-10-06 2009-10-21 浜松ホトニクス株式会社 集光装置
JP2002148562A (ja) * 2000-11-14 2002-05-22 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体レーザ加工装置
JP4059623B2 (ja) * 2000-12-15 2008-03-12 株式会社リコー 照明装置、及び均一照明装置
EP1376197B1 (en) * 2001-03-30 2012-02-29 Nippon Steel Corporation Beam arrangement converter, semiconductor laser device and solid laser device using the same
JP2003103389A (ja) * 2001-09-27 2003-04-08 Toyoda Mach Works Ltd 半導体レーザ集光装置
FI116010B (fi) * 2002-05-22 2005-08-31 Cavitar Oy Menetelmä ja laserlaite suuren optisen tehotiheyden tuottamiseksi
JP4427280B2 (ja) * 2002-07-10 2010-03-03 新日本製鐵株式会社 半導体レーザ装置およびそれを用いた固体レーザ装置
US6993059B2 (en) * 2003-06-11 2006-01-31 Coherent, Inc. Apparatus for reducing spacing of beams delivered by stacked diode-laser bars
US7230968B2 (en) 2003-07-10 2007-06-12 Nippon Steel Corporation Semiconductor laser device and solid-state laser device using same
JP2005051135A (ja) 2003-07-31 2005-02-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置の製造方法
US7680170B2 (en) * 2006-06-15 2010-03-16 Oclaro Photonics, Inc. Coupling devices and methods for stacked laser emitter arrays
JP2008021900A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Jtekt Corp レーザ集光装置
JP5082316B2 (ja) * 2006-07-19 2012-11-28 株式会社ジェイテクト 集光ブロック
US7639722B1 (en) * 2007-10-29 2009-12-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Multifaceted prism to cause the overlap of beams from a stack of diode laser bars
US8804246B2 (en) * 2008-05-08 2014-08-12 Ii-Vi Laser Enterprise Gmbh High brightness diode output methods and devices
US9048633B2 (en) * 2009-08-20 2015-06-02 Koninklijke Philips N.V. Laser device with configurable intensity distribution
WO2011109763A2 (en) * 2010-03-05 2011-09-09 TeraDiode, Inc. Selective repositioning and rotation wavelength beam combining system and method
CN103081261B (zh) * 2010-03-05 2016-03-09 泰拉二极管公司 波长光束组合系统与方法
US8602592B2 (en) * 2011-04-07 2013-12-10 Coherent, Inc. Diode-laser illuminator with interchangeable modules for changing irradiance and beam dimensions
CN102722027B (zh) 2012-01-16 2014-10-01 深圳市光峰光电技术有限公司 光整形装置和激光光源
CN202720390U (zh) * 2012-02-29 2013-02-06 南通傲迈光电科技有限公司 一种阵列半导体激光器的光束整形结构

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