JP6432921B2 - ビーム整形装置、及びレーザ発振器 - Google Patents

Description

この発明は、発光装置からのレーザ光をコリメートするビーム整形装置、及びレーザ発振器に関するものである。

例えば部材の切断又は部材同士の溶接等に用いられるレーザのうち、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ファイバレーザ等は、半導体レーザ（ＬＤ）を励起光源としている。例えば８００ｎｍ帯又は９００ｎｍ帯の波長を持つ半導体レーザの励起光は、光ファイバを介して又は直接、レーザ媒質に照射され、１０００ｎｍ帯の波長を持つ発振光に変換される。また、近年では、９００ｎｍ帯又は１０００ｎｍ帯の波長を持つ半導体レーザのレーザ光を部材の加工に直接用いるケースも見られるようになっている。

部材の加工には高エネルギーのレーザ光が必要になるので、励起光を発生する半導体レーザにも高出力化が求められている。そこで、半導体レーザの高出力化を図るために、半導体素子の発光層（活性層ストライプ）を一次元方向へ複数並べたＬＤバーが用いられている。例えば、幅５０μｍ〜２００μｍの発光層が等ピッチに並べられた幅１０ｍｍ程度のＬＤバーでは、各発光層の端面から１０本〜５０本のレーザ光が平行に出射される。このようなＬＤバーでは数１０Ｗの出力が得られ、近年では数１００Ｗを出力するＬＤバーも入手可能になっている。

上記のＬＤバーから出射されるレーザ光を、例えば光ファイバに入射させたり、又は加工対象に直接照射したりして用いる場合、レーザ光を一度、平行化、即ちコリメートすることが一般的である。半導体素子の発光層の幅は５０μｍ〜２００μｍであるのに対して、半導体素子の発光層の厚さは１μｍ程度であることから、レーザ光の発散角は、発光層の幅方向について７ｄｅｇ〜１１ｄｅｇであるのに対して、発光層の厚さ方向については４５ｄｅｇ〜６０ｄｅｇであり、幅方向と厚さ方向とで大きく異なっている。レーザ光の発散角が大きい厚さ方向を速軸方向と呼び、レーザ光の発散角が小さい幅方向を遅軸方向と呼んでいる。

従来、半導体レーザから出射される複数のレーザ光をコリメートするために、シリンドリカルレンズを速軸方向と遅軸方向とで別々に配置し、かつ遅軸方向については各レーザ光に対応する複数のシリンドリカルレンズを並べたシリンドリカルレンズアレイを形成しているビーム整形装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来のビーム整形装置では、複数の発光層から出射されたレーザ光を遅軸方向について個別にコリメートすることができ、かつレーザ光を速軸方向と遅軸方向とで別々にコリメートすることができる。速軸方向のコリメータレンズをＦＡＣ（Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）と呼び、遅軸方向のコリメータレンズをＳＡＣ（Ｓｌｏｗ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）と呼んでいる。

また、従来、ＬＤバーから出射されるレーザ光をコリメートするために、ＦＡＣを透過した各レーザ光を、光路変換素子によって光軸回りに９０ｄｅｇだけ回転させて速軸方向と遅軸方向とを入れ替えた後、ＳＡＣに入射させるビーム整形装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような従来のビーム整形装置では、レーザ媒質に照射するとき、又は光ファイバに入射させるときのレーザ光における速軸方向と遅軸方向との品質の差異、即ちレーザ光の幅及び発散角の差が小さく抑えられる。

米国特許第５８６１９９２号 特開平７−９８４０２号公報

半導体レーザから出射されるレーザ光の発散角は、遅軸方向よりも速軸方向のほうが大きい。従って、特許文献１及び２に示されているビーム整形装置では、ＦＡＣがＳＡＣよりもＬＤバーに近い位置に配置されている。

近年、ＬＤバーの高出力化が進み、数１００Ｗを出力するＬＤバーも得られるようになっている。このような高出力のＬＤバーでは、発光層の数が多くなるので、その分だけ各発光層間のピッチが狭くなる。例えば、発光層の幅１００μｍに対して各発光層間のピッチが２００μｍとなっており、幅１０ｍｍのＬＤバーに５０本近い発光層が並べられる。これにより、高出力のＬＤバーでは、各発光層間のピッチに対する発光層の幅の占める割合、即ちフィルファクタが大きくなる。

ＬＤバーでは各発光層が遅軸方向へ並んでいるので、各発光層間のピッチが狭くなると、互いに隣り合うそれぞれの発光層からのレーザ光が、ＬＤバーの端面から比較的短い距離で、互いに重なり始めてしまう。従って、レーザ光の重なりが生じるまでにレーザ光をコリメートするためには、ＳＡＣの焦点距離を短くし、ＳＡＣをより微細なシリンドリカルレンズアレイにする必要がある。この場合、ＬＤバーとＳＡＣとの間に配置されるＦＡＣの焦点距離はさらに短くなり、ＦＡＣのレンズ面の曲率半径は０．１ｍｍ程度にまで小さくなることもある。ＦＡＣの長さはＬＤバーの幅以上の長さにする必要があるため、ＦＡＣは非常に細長い形状のシリンドリカルレンズとなる。このようなレンズの取り扱いは難しく、細心の注意を必要とする。また、ＦＡＣのレンズ面の曲率半径が小さくなるので、ＦＡＣの成形及び研磨に手間がかかってしまいＦＡＣの製造も難しくなってしまう。今後、ＬＤバーの高出力化及び各発光層間の狭ピッチ化がさらに進むと、ＳＡＣ及びＦＡＣの取り扱い及び製造の難しさがさらに増すことになる。

ＳＡＣ及びＦＡＣの取り扱い及び製造を容易にするために、ＳＡＣ及びＦＡＣを大きくすると、ＬＤバーからＳＡＣまでの距離が拡大してしまい、ＳＡＣのシリンドリカルレンズアレイのうち、発光層に対向するシリンダ面だけでなく隣のシリンダ面にもレーザ光が入射してしまう。従って、レーザ光のうち隣のシリンダ面に入射した分は意図しない方向へ出射されるため、ＳＡＣを透過した後のレーザ光の利用効率が低下してしまう。

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、取り扱い及び製造を容易にすることができるとともに、レーザ光の利用効率の低下を防止することができるビーム整形装置、及びレーザ発振器を得ることを目的とする。

この発明によるビーム整形装置は、発光装置において第１の方向へ並んでいる複数の発光部のそれぞれの出射端面から、第１の方向に直交する光軸方向へ出射される複数のレーザ光をコリメートするビーム整形装置であって、第１の方向に発散するレーザ光をコリメートする第１のコリメータレンズ、及び光軸方向及び第１の方向のいずれにも直交する方向である第２の方向に発散するレーザ光をコリメートする第２のコリメータレンズを備え、第１のコリメータレンズは、発光装置と第２のコリメータレンズとの間に配置され、第１のコリメータレンズには、レーザ光が入射する第１の入射面と、レーザ光が出射する第１の出射面とが設けられており、第１の入射面は、第１の方向へ並んでいる複数の入射側レンズ面を有し、各入射側レンズ面の形状は、第２の方向に直交する断面において第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状であって、かつ第１の方向に直交する断面において第１のコリメータレンズの内側へ凹になる形状であり、第１の入射面及び第１の出射面のそれぞれの形状は、第１の方向に直交する断面において、発光部の出射端面上の点を中心とする同心の円弧状である。

この発明によるビーム整形装置、及びレーザ発振器によれば、第１のコリメータレンズ及び第２のコリメータレンズの取り扱い及び製造を容易にすることができる。また、各発光部間のピッチが狭くなっても、不要な収差の発生を防止することができ、レーザ光の利用効率の低下を防止することができる。

この発明の実施の形態１によるビーム整形装置及びＬＤバーを示す斜視図である。 図１の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面におけるＬＤバー及びビーム整形装置を示す断面図である。 図１の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面におけるＬＤバー及びビーム整形装置を示す断面図である。 図１のＳＡＣに対するプレス成型に用いるＳＡＣ用金型のうち、第１の入射面を成型する金型面が形成されている部分を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２によるビーム整形装置及びＬＤバーを示す断面図である。 図５のＳＡＣを示す斜視図である。 この発明の実施の形態３によるビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。 図７のビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態４によるビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。 図９のビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。 図２の１本分の発光層と、１本分の発光層に光軸方向Ｚについて対向するＳＡＣの部分とを示す拡大断面図である。 図９の１本分の発光層と、１本分の発光層に光軸方向Ｚについて対向するＳＡＣの部分とを示す拡大断面図である。 遅軸方向Ｘについての残存発散角ξとフィルファクタＦとの関係を、実施の形態１と実施の形態４とで比較するグラフである。 この発明の実施の形態５によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。 この発明の実施の形態６によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。 図１５の光路変換素子を、速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。 図１５の光路変換素子を光軸方向Ｚに沿って見たときの状態を示す図である。 この発明の実施の形態７によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるビーム整形装置及びＬＤバーを示す斜視図である。図において、発光装置であるＬＤバー１は、レーザ光３をそれぞれ出射する複数の発光層２が発光部として設けられている半導体レーザである。ＬＤバー１は、リソグラフィに代表される半導体プロセスをＩｎＧａＡｓ基板又はＡｌＧａＡｓ基板に対して実施することにより製造される。なお、図１では、ＬＤバー１を冷却するためのヒートシンク、ＬＤバー１とヒートシンクとの間に介在するサブマウント、ＬＤバー１への通電のための電極及び金ワイヤの図示を省略している。

各発光層２は、図１のＸ方向（一次元方向）である第１の方向へ互いに間隔を置いて並んでいる。この例では、１０本〜５０本程度の発光層２が図１のＸ方向へ等ピッチＰで並んでいる。なお、図１では、簡単のため、発光層２の数を７本にしている。各発光層２のそれぞれの光軸は、図１のＸ方向にそれぞれ直交し、かつ互いに平行になっている。各発光層２の光軸に沿った方向は、図１のＺ方向と一致している。レーザ光３は、発光層２の出射端面２ａから、発光層２の光軸に沿った方向、即ち図１のＺ方向（以下、「光軸方向Ｚ」という）へ出射される。各発光層２の出射端面２ａは、図１のＸ方向に沿った直線上に並んでいる。

各発光層２の幅Ｗは、発光層２の厚さよりも大きくなっている。この例では、各発光層２の幅Ｗが５０μｍ〜２００μｍ程度になっており、各発光層２の厚さが１μｍ程度になっている。なお、発光層２の幅Ｗを発光層２のピッチＰで割った値Ｗ／Ｐは、フィルファクタＦと呼ばれている。

各発光層２は、各発光層２が並ぶ方向である図１のＸ方向に発光層２の幅方向を一致させ、図１のＸ方向及び光軸方向Ｚのいずれにも直交する第２の方向であるＹ方向に発光層２の厚さ方向を一致させた状態で配置されている。発光層２の出射端面２ａから出射されるレーザ光３のうち、発光層２の幅方向についてのレーザ光３の発散角は、発光層２の厚さ方向についてのレーザ光３の発散角よりも小さくなっている。発光層２の幅方向及び厚さ方向のうち、レーザ光３の発散角の小さい方向が遅軸方向、レーザ光３の発散角の大きい方向が速軸方向になっている。この例では、発光層２の遅軸方向についてのレーザ光３の発散角が７ｄｅｇ〜１１ｄｅｇとなり、発光層２の速軸方向についてのレーザ光３の発散角が４５ｄｅｇ〜６０ｄｅｇとなっている。従って、発光層２の遅軸方向は図１のＸ方向と一致し、発光層２の速軸方向は図１のＹ方向と一致している。

ＬＤバー１の各発光層２のそれぞれの出射端面２ａから出射される複数のレーザ光３は、ビーム整形装置５によってコリメート、即ち平行化される。ビーム整形装置５は、図１のＸ方向、即ち遅軸方向（以下、「遅軸方向Ｘ」という）に発散するレーザ光３をコリメートする第１のコリメータレンズであるＳＡＣ６と、図１のＹ方向、即ち速軸方向（以下、「速軸方向Ｙ」という）に発散するレーザ光３をコリメートする第２のコリメータレンズであるＦＡＣ７とを有している。ＳＡＣ６は、光軸方向ＺについてＬＤバー１とＦＡＣ７との間に配置されている。

図２は、図１の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面におけるＬＤバー１及びビーム整形装置５を示す断面図である。また、図３は、図１の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面におけるＬＤバー１及びビーム整形装置５を示す断面図である。ＳＡＣ６には、各レーザ光３が入射する第１の入射面６１と、ＳＡＣ６に入射した各レーザ光３が出射する第１の出射面６２とが設けられている。ＳＡＣ６は、第１の入射面６１をＬＤバー１側に向け、第１の出射面６２を、ＬＤバー１側とは反対側、即ちＦＡＣ７側に向けた状態で配置されている。

第１の入射面６１は、遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の入射側レンズ面６１ａを有するマイクロレンズアレイになっている。各入射側レンズ面６１ａは、遅軸方向Ｘについて各発光層２の位置に合わせて配置されている。

各入射側レンズ面６１ａのそれぞれの形状は、速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面での断面（以下、「ＸＺ断面」という）において、図２に示すようにＳＡＣ６の外側へ凸になる形状であって、かつ遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面での断面（以下、「ＹＺ断面」という）において、図３に示すようにＳＡＣ６の内側へ凹になる形状である。

これに対して、第１の出射面６２の形状は、ＸＺ断面において、図２に示すように直線状であって、かつＹＺ断面において、図３に示すようにＳＡＣ６の外側へ凸になる形状である。即ち、第１の出射面６２は、ＳＡＣ６の外側へ凸になる１つのレンズ面であって、かつ遅軸方向Ｘに沿った母線を持つシリンダ形状のレンズ面である。

ＸＺ断面では、図２に示すように、発光層２の出射端面２ａから第１の入射面６１までの距離が、各入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓと等しくなっている。即ち、各発光層２の出射端面２ａは、各入射側レンズ面６１ａの焦点位置に位置しており、各出射端面２ａから出射されたレーザ光３は、第１の入射面６１の各入射側レンズ面６１ａで遅軸方向Ｘについてそれぞれコリメートされる。第１の出射面６２では、第１の入射面６１でコリメートされた各レーザ光３がＸＺ断面において屈折されることなくそのまま通過する。

第１の入射面６１及び第１の出射面６２のそれぞれの形状は、ＹＺ断面において、図３に示すように、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする同心の円弧状になっている。これにより、ＹＺ断面では、出射端面２ａから出射された各レーザ光３が屈折することなくＳＡＣ６をそのまま透過される。従って、ＹＺ断面では、各レーザ光３がＳＡＣ６を透過しても、レーザ光３の収差が生じることはない。また、ＹＺ断面における第１の入射面６１の曲率半径Ｒｃは、各入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓと等しくなっている。

ＸＺ断面における各入射側レンズ面６１ａの曲率半径Ｒｖは、各入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓが長くなるほど大きくなる。従って、ＳＡＣ６の製造は、各入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓが長くなるほど容易になる。しかし、焦点距離ｆｓが長くなると、遅軸方向Ｘについて互いに隣り合う２つの発光層２からのレーザ光３同士が重なることになってしまい、レーザ光３の利用効率が低下してしまう。

従って、この例では、１つの発光層２から出射されたレーザ光３が、対向する１つの入射側レンズ面６１ａのみに入射し、隣の入射側レンズ面６１ａには入射しないように焦点距離ｆｓが決められている。即ち、各入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓは、図２から、遅軸方向Ｘについてのレーザ光３の発散角θと、各発光層２間のピッチＰと、発光層２の幅Ｗとを用いて、ｆｓ＜（Ｐ−Ｗ）／２θの関係を満たす値になっている。例えば、発散角θ＝４ｄｅｇ、各発光層２間のピッチＰ＝２００μｍ、発光層２の幅Ｗ＝８０μｍであるとすると、焦点距離ｆｓの上限は、およそ８５０μｍになる。この例では、図３に示すＹＺ断面における第１の入射面６１の曲率半径Ｒｃが８５０μｍになっている。また、ＳＡＣ６の屈折率が１．５であるとすると、図２に示すＸＺ断面における各入射側レンズ面６１ａの曲率半径Ｒｖは４２５μｍになる。

図３に示すＹＺ断面では、第１の出射面６２の形状が、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする円弧状である。従って、第１の出射面６２を通過するレーザ光３は、ＹＺ断面において屈折しない。これにより、ＳＡＣ６の肉厚を自由に選択することができ、例えば、ＳＡＣ６の取り扱い及び製造を容易にするために、ＳＡＣ６の肉厚を数ｍｍにすることも可能になる。ＳＡＣ６の肉厚が３．１５ｍｍである場合、ＹＺ断面における第１の出射面６２の曲率半径Ｒｂは４．０ｍｍになる。

ＦＡＣ７は、遅軸方向Ｘに沿った母線を持つシリンドリカルレンズである。ＦＡＣ７には、ＳＡＣ６を透過した各レーザ光３が入射する第２の入射面７１と、ＦＡＣ７に入射した各レーザ光３が出射する第２の出射面７２とが設けられている。ＦＡＣ７は、第２の入射面７１をＳＡＣ６に向け、第２の出射面７２をＳＡＣ６とは反対側に向けた状態で配置されている。

第２の入射面７１は、光軸方向Ｚに直交する平面である。なお、第２の入射面７１の形状は、遅軸方向Ｘに沿った母線を持つ曲率半径の極めて大きいシリンダ形状になっていてもよい。

第２の入射面７１及び第２の出射面７２のそれぞれの形状は、図２に示すＸＺ断面において、光軸方向Ｚに直交する直線状になっている。従って、ＸＺ断面では、ＳＡＣ６を透過した各レーザ光３が屈折することなくＦＡＣ７を透過する。

また、図３に示すＹＺ断面では、第２の入射面７１が、光軸方向Ｚに直交する直線状、又は曲率半径が大きい略直線状の形状になっており、第２の出射面７２が、ＦＡＣ７の外側へ凸になる形状になっている。また、ＹＺ断面における第２の入射面７１及び第２の出射面７２のそれぞれの形状は、発光層２の光軸に関して対称になっている。これにより、ＳＡＣ６を透過した各レーザ光３は、ＦＡＣ７を透過するときに、第２の入射面７１及び第２の出射面７２のそれぞれで速軸方向Ｙについてコリメートされる。特に、発散角の大きい速軸方向Ｙについて各レーザ光３を精度良くコリメートするために、第２の出射面７２の形状は、ＹＺ断面において、単純な円弧状ではなく非円弧状になっている。

従って、図３に示すＹＺ断面では、出射端面２ａから出射された各レーザ光３が、ＳＡＣ６があたかも存在していないかのようにＳＡＣ６を透過し、ＦＡＣ７でコリメートされる。従って、ＦＡＣ７の設計及び配置は、ＹＺ断面において、ＳＡＣ６の有無にかかわらず行うことができる。これにより、ＳＡＣ６に干渉しない範囲で取り扱いやすく製造しやすいサイズにＦＡＣ７のサイズを選択することができる。

ＳＡＣ６及びＦＡＣ７のそれぞれは、ガラスで構成されている。また、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７は、ガラスに対する例えばプレス成型等で製造されている。なお、例えばＬＤバー１のレーザ光３の出力又はレーザ光３の波長等によっては、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７を樹脂で構成することもできる。従って、例えばポリカーボネートを射出成形した樹脂レンズをＳＡＣ６及びＦＡＣ７として用いてもよい。

ＳＡＣ６及びＦＡＣ７をプレス成型によって製造する場合には、金型をガラスに転写させることによりＳＡＣ６及びＦＡＣ７が形成される。従って、金型における金型面の形状は、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７の形状を反転させた形状になっている。

図４は、図１のＳＡＣ６に対するプレス成型に用いるＳＡＣ用金型のうち、第１の入射面６１を成型する金型面が形成されている部分を示す斜視図である。図４では、ＳＡＣ用金型における金型面を加工している状態を示している。ＳＡＣ用金型８のうち、第１の入射面６１を成型する入射側金型面８１は、第１の入射面６１の形状を反転させた形状になっている。従って、入射側金型面８１は、遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の単位成型面８１ａを有している。各単位成型面８１ａの形状は、ＹＺ断面において、ＳＡＣ用金型８の外側へ凸になる形状であって、かつＸＺ断面において、ＳＡＣ用金型８の内側へ凹になる形状である。

ＳＡＣ用金型８の各単位成型面８１ａの加工は、砥石９の研磨によって行われる。砥石９の形状は、円盤状になっている。砥石９は、砥石９の回転軸の軸線Ａを中心に回転可能になっている。各単位成型面８１ａは、図４に示すように、砥石９の軸線Ａを遅軸方向Ｘに沿って配置し、砥石９の外周部（即ち、エッジ部）９１を単位成型面８１ａに接触させながら軸線Ａを中心に砥石９を回転させることにより加工される。各単位成型面８１ａが砥石９で加工されるときには、砥石９の軸線Ａに直交するＹＺ断面での各単位成型面８１ａの形状がＳＡＣ用金型８の外側へ凸になる形状であるため、砥石９の半径Ｒｗの大きさに制約を受けることはない。一方、ＳＡＣ用金型８のうち、第１の出射面６２を成型する出射側金型面の形状は、ＹＺ断面において、ＳＡＣ用金型８の内側へ凹になる形状になるが、第１の出射面６２の曲率半径Ｒｂは第１の入射側レンズ面６１ａの曲率半径Ｒｖよりも十分大きいため、ＳＡＣ用金型８の出射側金型面も砥石９によって問題なく加工することができる。即ち、ＳＡＣ６の第１の入射面６１及び第１の出射面６２のうち、第１の入射面６１がレンズアレイになっているので、ＳＡＣ６の製造が容易になっている。

このようなビーム整形装置５では、ＬＤバー１とＦＡＣ７との間にＳＡＣ６が配置され、ＳＡＣ６の第１の入射面６１は、複数の入射側レンズ面６１ａが遅軸方向Ｘへ並ぶレンズアレイとされ、ＳＡＣ６の第１の入射面６１及び第１の出射面６２のそれぞれの形状は、遅軸方向Ｘに直交するＹＺ断面において、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする同心の円弧状になっているので、ＬＤバー１の各発光層２間のピッチＰが狭くなっても、ＬＤバー１から出射された各レーザ光３が重なり合うことを防止しながら、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７のそれぞれの面の曲率半径が短くなりすぎることを防止することができる。これにより、不要な収差の発生を防止しながら、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７の取り扱い及び製造を容易にすることができる。また、ＳＡＣ６及びＦＡＣ７を容易に製造することができるので、ＬＤバー１の各発光層２間のピッチＰが狭くなっても、レーザ光３の利用効率の低下を防止しながら、ＬＤバー１のレーザ光３の高出力化をさらに図ることができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２によるビーム整形装置及びＬＤバーを示す断面図である。ＬＤバー１は、ヒートシンク１０の上面に固定されている。ヒートシンク１０は、例えば銅製のブロックである。ヒートシンク１０の端面１０ａは、各発光層２の光軸方向Ｚに直交する平面になっている。この例では、ＬＤバー１の一部が光軸方向Ｚについてヒートシンク１０の端面１０ａから突出しており、ヒートシンク１０の端面１０ａよりも各発光層２の出射端面２ａがＳＡＣ６に近い位置に位置している。ヒートシンク１０には、冷却水が流れる図示しない配管が設けられている。

ＳＡＣ６の第１の入射面６１及び第１の出射面６２のそれぞれの形状は、ＹＺ断面において、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする同心の円弧状である。従って、出射端面２ａに対するＳＡＣ６の位置決めを光軸方向Ｚについて正確に行う必要がある。また、ＦＡＣ７の焦点位置も出射端面２ａに一致させる必要があるため、出射端面２ａに対するＦＡＣ７の位置決めも光軸方向Ｚについて正確に行う必要がある。さらに、ＳＡＣ６の第１の入射面６１及び第１の出射面６２の円弧の中心とＦＡＣ７の焦点位置とを出射端面２ａに一致させるためには、光軸方向Ｚの位置決めだけでなく速軸方向Ｙについても、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の位置決めを正確に行って、ＳＡＣ６とＦＡＣ７との間の芯ずれを速軸方向Ｙについて抑える必要もある。

本実施の形態では、速軸方向ＹについてのＳＡＣ６の両端部から一対の台座６３が取付用台座としてＬＤバー１側へ突出している。各台座６３の突出端部には、発光層２の光軸に直交する平面である端面６３ａが設けられている。一対の台座６３のうち、一方の台座６３の端面６３ａは、ヒートシンク１０の端面１０ａに例えば接着剤等によって固定されている。即ち、一方の台座６３の端面６３ａがヒートシンク１０の端面１０ａに固定されることにより、各発光層２の出射端面２ａに対するＳＡＣ６の位置決めが行われている。従って、ヒートシンク１０の端面１０ａは、出射端面２ａに対するＳＡＣ６の光軸方向Ｚについての位置決めの基準面になっている。台座６３をヒートシンク１０の端面１０ａに固定する接着剤としては、例えばアクリル系の紫外線硬化樹脂の接着剤等が用いられている。

一対の台座６３は、ＳＡＣ用金型を用いたプレス成型によって、各台座６３とＳＡＣ６との間に境界が生じていない状態でＳＡＣ６と同一材料で一体になっている。ＳＡＣ６からの台座６３の突出量は、プレス成型で用いられるＳＡＣ用金型に依存する。金型の寸法精度は一般的に高精度であるため、ＳＡＣ６からの台座６３の突出量の誤差を極めて小さくすることができ、出射端面２ａに対するＳＡＣ６の位置決めを光軸方向Ｚについて高精度に行うことができる。

ＹＺ断面における一対の台座６３の位置及び形状は、発光層２の光軸に関して対称になっている。一対の台座６３は、速軸方向Ｙについて第１の入射面６１の両側に位置している。また、一対の台座６３には、速軸方向Ｙについて互いに対向する一対の台座テーパ面６３ｂが設けられている。第１の入射面６１は、一対の台座テーパ面６３ｂで挟まれている空間に露出している。速軸方向Ｙについての一対の台座テーパ面６３ｂの間の距離は、ＬＤバー１に向かって連続的に広がっている。この例では、ＹＺ断面において、発光層２の光軸に対する各台座テーパ面６３ｂの勾配が２°〜８°となっている。これにより、プレス成型時にＳＡＣ６をＳＡＣ用金型から外す際に、ＳＡＣ６の第１の入射面６１がＳＡＣ用金型から離型しやすくなる。

ＦＡＣ７の速軸方向Ｙについての両端部からは、一対の台座７３がＳＡＣ６側へ突出している。ＹＺ断面における一対の台座７３の位置及び形状は、発光層２の光軸に関して対称になっている。一対の台座７３は、速軸方向Ｙについて第２の入射面７１の両側に位置している。ＳＡＣ６の速軸方向Ｙついての両端部には、一対の台座７３が個別に嵌っている一対の凹部６４が設けられている。

各台座７３の突出端部には、発光層２の光軸に直交する平面である端面７３ａが設けられている。各凹部６４には、台座７３の端面７３ａを光軸方向Ｚについて受ける凹部受け面６４ａが設けられている。凹部受け面６４ａは、発光層２の光軸に直交する平面である。

各台座７３の端面７３ａは、各凹部６４の凹部受け面６４ａに例えば接着剤等によって固定されている。即ち、各台座７３の端面７３ａがＳＡＣ６の凹部受け面６４ａに固定されることにより、ＳＡＣ６の凹部受け面６４ａに対するＦＡＣ７の位置決めが光軸方向Ｚについて行われている。従って、ＳＡＣ６の凹部受け面６４ａは、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の光軸方向Ｚについての位置決めの基準面になっている。台座７３を凹部６４の凹部受け面６４ａに固定する接着剤としては、例えばアクリル系の紫外線硬化樹脂の接着剤等が用いられている。

一対の台座７３は、ＦＡＣ用金型を用いたプレス成型によって、各台座７３とＦＡＣ７との間に境界が生じていない状態でＦＡＣ７と同一材料で一体になっている。ＦＡＣ７からの台座７３の突出量は、プレス成型で用いられるＦＡＣ用金型に依存する。金型の寸法精度は一般的に高精度であるため、ＦＡＣ７からの台座７３の突出量の誤差を極めて小さくすることができ、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の位置決めを光軸方向Ｚについて高精度に行うことができる。

また、一対の台座７３には、速軸方向Ｙについて互いに対向する一対の台座テーパ面７３ｂが設けられている。第２の入射面７１は、一対の台座テーパ面７３ｂで挟まれている空間に露出している。速軸方向Ｙについての一対の台座テーパ面７３ｂの間の距離は、ＳＡＣ６に向かって連続的に広がっている。この例では、ＹＺ断面において、発光層２の光軸に対する各台座テーパ面７３ｂの勾配が２°〜８°となっている。これにより、プレス成型時にＦＡＣ７をＦＡＣ用金型から外す際に、ＦＡＣ７の第２の入射面７１がＦＡＣ用金型から離型しやすくなる。

各凹部６４には、台座７３の台座テーパ面７３ｂに沿った凹部テーパ面６４ｂが設けられている。各凹部テーパ面６４ｂは、各台座テーパ面７３ｂに隙間なく接触している。これにより、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の位置決めが速軸方向Ｙについて行われている。ＳＡＣ６とＦＡＣ７との速軸方向Ｙについての芯ずれは、各台座テーパ面７３ｂを各凹部テーパ面６４ｂで受けることにより防止される。

図６は、図５のＳＡＣ６を示す斜視図である。ＳＡＣ６には、一対の入射側テーパ面６５が設けられている。一対の入射側テーパ面６５は、遅軸方向Ｘについて第１の入射面６１の両側に位置し、かつ第１の入射面６１から延びている。ＸＺ断面における一対の入射側テーパ面６５の位置及び形状は、第１の入射面６１の中央を通る光軸方向Ｚに平行な軸に関して対称になっている。ＸＺ断面では、各入射側テーパ面６５が発光層２の光軸に対して傾斜しており、かつ、一対の入射側テーパ面６５の間の距離が第１の入射面６１からＬＤバー１側へ離れるにつれて連続的に広がっている。一対の入射側テーパ面６５は、速軸方向Ｙについて一対の台座６３の間に位置している。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなビーム整形装置５では、一対の台座６３がＳＡＣ６から突出しており、ＬＤバー１が固定されているヒートシンク１０の端面１０ａに一方の台座６３の端面６３ａが固定されているので、ＬＤバー１の出射端面２ａに対するＳＡＣ６の光軸方向Ｚについての位置決めを容易にかつより正確に行うことができる。これにより、レーザ光３の利用効率の低下をさらに確実に防止しながら、ＬＤバー１のレーザ光３の高出力化をさらに図ることができる。

また、一対の台座７３がＦＡＣ７から突出しており、一対の台座７３が個別に嵌っている一対の凹部６４がＳＡＣ６に設けられているので、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の速軸方向Ｙ及び光軸方向Ｚのそれぞれについての位置決めを容易にかつより正確に行うことができる。これにより、レーザ光３の利用効率の低下をさらに確実に防止しながら、ＬＤバー１のレーザ光３の高出力化をさらに図ることができる。

また、ＦＡＣ７から突出する一対の台座７３には、速軸方向Ｙについて互いに対向する一対の台座テーパ面７３ｂが設けられ、ＳＡＣ６に設けられている一対の凹部６４には、各台座７３の台座テーパ面７３ｂに沿った凹部テーパ面６４ｂが設けられているので、ＦＡＣ７から突出する一対の台座７３をＳＡＣ６の一対の凹部６４に嵌めやすくすることができ、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の位置決めをさらに容易にすることができる。

また、ＹＺ断面における一対の台座６３の位置及び形状が発光層２の光軸に関して対称になっているので、第１の入射面６１及び第１の出射面６２のそれぞれの形状の精度の向上を図ることができる。さらに、ＹＺ断面における一対の台座７３の位置及び形状が発光層２の光軸に関して対称になっているので、第２の入射面７１及び第２の出射面７２のそれぞれの形状の精度の向上を図ることができる。

また、ＳＡＣ６には一対の入射側テーパ面６５が設けられており、一対の入射側テーパ面６５は遅軸方向Ｘについて第１の入射面６１の両側に位置しているので、金型を用いたプレス成型によってＳＡＣ６を製造する場合に、ＳＡＣ６の原料であるガラス及び金型に対する冷却過程において、金型の線膨張率とガラス原料の線膨張率との差を利用して、一対の入射側テーパ面６５に沿ってガラスを滑らせ、複数の入射側レンズ面６１ａが並ぶレンズアレイとなっている第１の入射面６１の割れが生じる前に金型からガラスを自然に外れさせることで、第１の入射面６１の割れを防止することができる。

また、金型を用いたプレス成型によって一対の台座６３とＳＡＣ６とを同時に製造することで、一対の台座６３とＳＡＣ６との間に境界が生じていない状態で一対の台座６３がＳＡＣ６を一体にすることができる。これにより、一対の台座６３によるＳＡＣ６の位置決めによってレーザ光３の利用効率の低下の抑制を図りながら、ビーム整形装置５の部品点数及び工数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。

また、一対の台座７３とＦＡＣ７との間に境界が生じていない状態で一対の台座７３がＦＡＣ７と一体になっているので、金型を用いたプレス成型によって一対の台座７３とＦＡＣ７とを同時に製造することができる。これにより、一対の台座７３によるＦＡＣ７の位置決めによってレーザ光３の利用効率の低下の抑制を図りながら、ビーム整形装置５の部品点数及び工数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３によるビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。また、図８は、図７のビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。ビーム整形装置５は、遅軸方向Ｘについてのレーザ光３をコリメートする機能と、速軸方向Ｙについてのレーザ光３をコリメートする機能とを統合した一体型のレンズであるＳＡＣ／ＦＡＣ１１を第１のコリメータレンズとして有している。従って、本実施の形態によるビーム整形装置５では、第１のコリメータレンズが存在するだけであり、第２のコリメータレンズは存在しない。

ＳＡＣ／ＦＡＣ１１には、各レーザ光３が入射する第１の入射面１１１と、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１に入射した各レーザ光３が出射する第１の出射面１１２とが設けられている。ＳＡＣ／ＦＡＣ１１は、第１の入射面１１１をＬＤバー１側に向け、第１の出射面１１２をＬＤバー１側とは反対側に向けた状態で配置されている。ＳＡＣ／ＦＡＣ１１は、金型を用いたプレス成型によって形成されている。

第１の入射面１１１は、実施の形態１におけるＳＡＣ６の機能と同様の機能を持つ面である。また、第１の入射面１１１の構成は、実施の形態１におけるＳＡＣ６の第１の入射面６１と同様になっている。即ち、第１の入射面１１１は、遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の入射側レンズ面１１１ａを有するマイクロレンズアレイになっている。各入射側レンズ面１１１ａは、遅軸方向Ｘについて各発光層２の位置に合わせて配置されている。

各入射側レンズ面１１１ａのそれぞれの形状は、ＸＺ断面において、図７に示すようにＳＡＣ／ＦＡＣ１１の外側へ凸になる形状であって、かつＹＺ断面において、図８に示すようにＳＡＣ／ＦＡＣ１１の内側へ凹になる形状である。これにより、第１の入射面１１１は、各レーザ光３を遅軸方向Ｘについてコリメートする機能を持つ面になっている。

ＸＺ断面では、図７に示すように、発光層２の出射端面２ａから第１の入射面１１１までの距離が、各入射側レンズ面１１１ａの焦点距離ｆｓと等しくなっている。即ち、各発光層２の出射端面２ａは、各入射側レンズ面１１１ａの焦点位置に位置しており、各出射端面２ａから出射されたレーザ光３は、第１の入射面１１１の各入射側レンズ面１１１ａで遅軸方向Ｘについてそれぞれコリメートされる。

第１の入射面１１１の形状は、ＹＺ断面において、図８に示すように、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする円弧状になっている。これにより、ＹＺ断面では、出射端面２ａから出射された各レーザ光３が屈折することなく第１の入射面１１１をそのまま透過される。即ち、ＹＺ断面では、各レーザ光３が第１の入射面１１１を透過しても、レーザ光３の収差が生じることはない。また、ＹＺ断面における第１の入射面１１１の曲率半径Ｒｃは、各入射側レンズ面１１１ａの焦点距離ｆｓと等しくなっている。

一方、第１の出射面１１２は、実施の形態１におけるＦＡＣ７の機能と同様の機能を持つ面である。第１の出射面１１２の形状は、ＸＺ断面において、図７に示すように直線状であって、かつＹＺ断面において、図８に示すようにＳＡＣ／ＦＡＣ１１の外側へ凸になる形状である。即ち、第１の出射面１１２は、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の外側へ凸になる１つのレンズ面であって、かつ遅軸方向Ｘに沿った母線を持つシリンダ形状のレンズ面である。

従って、第１の入射面１１１からＳＡＣ／ＦＡＣ１１に入射した各レーザ光３は、ＸＺ断面において第１の出射面１１２で屈折することなくＳＡＣ／ＦＡＣ１１から出射され、ＹＺ断面において第１の出射面１１２でコリメートされてＳＡＣ／ＦＡＣ１１から出射される。即ち、第１の入射面１１１からＳＡＣ／ＦＡＣ１１に入射した各レーザ光３は、第１の出射面１１２を通過するときに、第１の出射面１１２で速軸方向Ｙについてコリメートされる。特に、発散角の大きい速軸方向Ｙについて各レーザ光３を第１の出射面１１２で精度良くコリメートするために、第１の出射面１１２の形状は、ＹＺ断面において、単純な円弧状ではなく非円弧状になっている。ＹＺ断面における第１の出射面１１２の形状としては、光軸方向Ｚに一致する長軸を持つ楕円形状であることが望ましい。ＹＺ断面における第１の出射面１１２の形状を、光軸方向Ｚに一致する長軸を持つ楕円形状とすれば、第１の出射面１１２でレーザ光３をより精度良くコリメートすることができる。

ビーム整形装置５では、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の屈折率が高くなるほど、第１の出射面１１２の曲率が緩くなり、第１の出射面１１２からのレーザ光３の出射角（即ち、第１の出射面１１２でコリメートされたレーザ光３と、第１の出射面１１２の面法線とがなす角度）が小さくなる。第１の出射面１１２からのレーザ光３の出射角が小さくなると、第１の出射面１１２におけるレーザ光３の損失が少なくなることから、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の屈折率は高いほうが好ましい。この例では、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の屈折率が１．７以上になっている。他の構成は実施の形態１と同様である。

このようなビーム整形装置５では、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の第１の入射面１１１の形状が、ＹＺ断面において、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする円弧状であるとともに、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の第１の出射面１１２の形状が、ＹＺ断面において、非円弧状であり、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の第１の入射面１１１は、複数の入射側レンズ面１１１ａが遅軸方向Ｘへ並ぶレンズアレイとされているので、各発光層２の出射端面２ａからそれぞれ出射されるレーザ光３のうち、遅軸方向Ｘについてのレーザ光３を第１の入射面１１１でコリメートし、速軸方向Ｙについてのレーザ光３を第１の出射面１１２でコリメートすることができる。これにより、遅軸方向Ｘ及び速軸方向Ｙのいずれの方向についても１つのＳＡＣ／ＦＡＣ１１でレーザ光３をコリメートすることができ、部品点数を削減することができる。また、レーザ光３が１つのＳＡＣ／ＦＡＣ１１でコリメートされるので、実施の形態１及び２のようなＳＡＣ６とＦＡＣ７との間の位置決め作業及び固定作業も不要になり、工数を減らすことができ、コストの低減を図ることができる。また、実施の形態１及び２のようなＳＡＣ６及びＦＡＣ７を有するビーム整形装置５では、第１の入射面６１、第１の出射面６２、第２の入射面７１及び第２の出射面７２の４つの面をレーザ光３が透過することになるが、本実施の形態では、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の第１の入射面１１１及び第１の出射面１１２の２つの面のみをレーザ光３が透過するので、レーザ光３が透過する面の数を少なくすることができ、レーザ光３の利用効率を実施の形態１及び２よりもさらに高くすることができる。

また、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の屈折率は１．７以上であるので、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の第１の出射面１１２の曲率を緩やかにすることができ、第１の出射面１１２でのレーザ光３の損失を少なくすることができる。

また、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１は、金型を用いたプレス成型によって形成されているので、第１の入射面１１１に対する第１の出射面１１２の位置の誤差を極めて小さくすることができ、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１によるビーム整形の精度を高くすることができる。

なお、上記の例では、実施の形態２に示す一対の台座６３がＳＡＣ／ＦＡＣ１１に設けられていないが、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の速軸方向Ｙの両端部からＬＤバー１側へ一対の台座６３を突出させてもよい。この場合、一対の台座６３とＳＡＣ／ＦＡＣ１１との間に境界が生じていない状態で一対の台座６３がＳＡＣ／ＦＡＣ１１と一体にされる。このようにすれば、実施の形態２と同様に、ＳＡＣ／ＦＡＣ１１の製造及び取り扱いを容易にすることができ、ＬＤバー１が固定されたヒートシンク１０の端面１０ａに一方の台座６３の端面６３ａを固定することにより、ＬＤバー１に対するＳＡＣ／ＦＡＣ１１の位置決めを容易にかつより正確にすることができる。

また、上記の例では、実施の形態２と同様に、光軸方向Ｚに対して傾斜する一対の入射側テーパ面６５をＳＡＣ／ＦＡＣ１１に設けてもよい。この場合、一対の入射側テーパ面６５は、遅軸方向Ｘについて第１の入射面１１１の両側に形成される。また、この場合、ＸＺ断面において、第１の入射面１１１からＬＤバー１側へ離れるにつれて一対の入射側テーパ面６５の間の距離が連続的に広がるように、一対の入射側テーパ面６５がＳＡＣ／ＦＡＣ１１に形成される。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４によるビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。また、図１０は、図９のビーム整形装置及びＬＤバーを、発光層の遅軸方向Ｘに直交するＹＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。第１の出射面６２は、発光層２の遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の出射側レンズ面６２ａを有するマイクロレンズアレイになっている。各出射側レンズ面６２ａは、遅軸方向Ｘについて第１の入射面６１の各入射側レンズ面６１ａの位置に合わせて配置されている。

各出射側レンズ面６２ａの形状は、図９に示すように、ＸＺ断面においてＳＡＣ６の外側へ凸になる形状であって、かつ図１０に示すように、ＹＺ断面においてＳＡＣ６の外側へ凸になる形状である。また、ＸＺ断面における各出射側レンズ面６２ａの曲率半径は、ＸＺ断面における各入射側レンズ面６１ａの曲率半径と異なっている。さらに、第１の入射面６１及び第１の出射面６２のそれぞれの形状は、ＹＺ断面において、実施の形態１及び２と同様に、発光層２の出射端面２ａ上の点を中心とする同心の円弧状になっている。

本実施の形態では、ＳＡＣ６の第１の入射面６１が実施の形態１の第１の入射面６１と同様の面であり、入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓも実施の形態１と同様である。また、本実施の形態では、ＸＺ断面において、出射側レンズ面６２ａの焦点距離がｆｓ×Ｐ／Ｗ、出射側レンズ面６２ａの曲率半径ＲｕがＲｕ＝Ｒｖ×Ｐ／Ｗ、入射側レンズ面６１ａと出射側レンズ面６２ａとの間の距離がｎ×ｆｓ×（１＋Ｐ／Ｗ）とされている。ここでｎはＳＡＣ６の屈折率である。他の構成は実施の形態１と同様である。

ここで、実施の形態１に示すビーム整形装置５では、ＬＤバー１の発光層２のピッチＰに対する発光層２の幅Ｗの割合、即ちフィルファクタＦ（Ｆ＝Ｗ／Ｐ）が大きくなるに従って、ＳＡＣ６を透過したレーザ光３の残存発散角が遅軸方向Ｘについて大きくなる。特に、フィルファクタＦが５０％を超えると、ＳＡＣ６を透過したレーザ光３の残存発散角は、発光層２の出射端面２ａから出射されたときのレーザ光３の発散角よりも大きくなる。これに対して、本実施の形態に示すビーム整形装置５では、第１の出射面６２が、発光層２の遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の出射側レンズ面６２ａを有するレンズアレイになっていることにより、ＳＡＣ６を透過したレーザ光３の残存発散角が小さくなる。

図１１は、図２の１本分の発光層２と、１本分の発光層２に光軸方向Ｚについて対向するＳＡＣ６の部分とを示す拡大断面図である。また、図１２は、図９の１本分の発光層２と、１本分の発光層２に光軸方向Ｚについて対向するＳＡＣ６の部分とを示す拡大断面図である。なお、図１１には、実施の形態１に示すビーム整形装置５のＳＡＣ６を透過したレーザ光３の遅軸方向Ｘについての残存発散角ξが示され、図１２には、本実施の形態に示すビーム整形装置５のＳＡＣ６を透過したレーザ光３の遅軸方向Ｘについての残存発散角ξが示されている。

図１１に示す実施の形態１では、発光層２の出射端面２ａの中央の点から発散角θで出射されたレーザ光３ａ（破線）がＳＡＣ６の入射側レンズ面６１ａによってコリメートされる。従って、実施の形態１では、発光層２の幅Ｗの両端の点から平行に出射されたレーザ光３ｂ（実線）がＸＺ断面において残存発散角ξを生じさせる。実施の形態１において、発光層２の幅Ｗの両端の点から平行に出射されたレーザ光３ｂは、ＳＡＣ６の屈折率をｎとすると、図１１に示すように、入射側レンズ面６１ａの焦点距離ｆｓとＳＡＣ６の屈折率ｎとの積（ｎ×ｆｓ）で特定される位置で一度交差し、そのまま発散することになる。この場合、焦点距離ｆｓをｆｓ＝（Ｐ−Ｗ）／２θとすると、残存発散角ξはξ＝Ｆ／（１−Ｆ）×θになる。

一方、図１２に示す本実施の形態では、発光層２の出射端面２ａの幅Ｗの両端の点から平行に出射されたレーザ光３ｂ（実線）が、出射側レンズ面６２ａの位置で各発光層２間のピッチＰの一杯にまで広がり、出射側レンズ面６２ａでコリメートされる。従って、本実施の形態では、発光層２の出射端面２ａ上の中央の点から発散角θで出射されたレーザ光３ａ（破線）がＸＺ断面において残存発散角ξを生じさせる。本実施の形態において、発光層２の出射端面２ａ上の中央の点から発散角θで出射されたレーザ光３ａによって生じる残存発散角ξは、ξ＝Ｆ×θになる。

図１３は、遅軸方向Ｘについての残存発散角ξとフィルファクタＦとの関係を、実施の形態１と本実施の形態とで比較するグラフである。なお、図１３では、発光層２の出射端面２ａにおける発散角θの倍数で縦軸の残存発散角ξを示している。また、図１３では、本実施の形態の残存発散角ξとフィルファクタＦとの関係を実線で示し、実施の形態１の残存発散角ξとフィルファクタＦとの関係を破線で示している。

図１３をみると、本実施の形態の残存発散角ξが実施の形態１の残存発散角ξよりも小さくなっていることが分かる。また、フィルファクタＦの値が増加しても、残存発散角ξの増加は、実施の形態１よりも本実施の形態のほうが抑えられることが分かる。

このようなビーム整形装置５では、ＳＡＣ６の第１の出射面６２が、発光層２の遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の出射側レンズ面６２ａを有しており、各出射側レンズ面６２ａの形状は、ＸＺ断面においてＳＡＣ６の外側へ凸になる形状であって、かつＹＺ断面においてＳＡＣ６の外側へ凸になる形状であるので、レーザ光３の残存発散角ξを実施の形態１よりも小さくすることができる。これにより、ＳＡＣ６を透過した後のレーザ光３の損失を少なくすることができ、レーザ光３の利用効率をさらに高くすることができる。

なお、上記の例では、各出射側レンズ面６２ａの焦点距離がｆｓ×Ｐ／Ｗになっているが、各出射側レンズ面６２ａの焦点距離はこれに限定されず、各出射側レンズ面６２ａがＸＺ断面においてＳＡＣ６の外側へ凸になる形状であれば、残存発散角ξを実施の形態１よりも小さくすることができる。

また、上記の例では、実施の形態２に示す一対の台座６３がＳＡＣ６に設けられていないが、ＳＡＣ６の速軸方向Ｙの両端部からＬＤバー１側へ一対の台座６３を突出させてもよい。この場合、一対の台座６３とＳＡＣ６との間に境界が生じていない状態で一対の台座６３がＳＡＣ６と一体にされる。このようにすれば、ＳＡＣ６の製造及び取り扱いを容易にすることができるとともに、ＬＤバー１に対するＳＡＣ６の位置決めを容易にかつより正確にすることができる。

また、上記の例では、実施の形態２と同様に、ＦＡＣ７の速軸方向Ｙの両端部からＳＡＣ６側へ一対の台座７３を突出させ、一対の台座７３が嵌る一対の凹部６４をＳＡＣ６に設けてもよい。この場合、一対の台座７３とＦＡＣ７との間に境界が生じていない状態で一対の台座７３がＦＡＣ７と一体にされる。このようにすれば、ＦＡＣ７の製造及び取り扱いを容易にすることができるとともに、ＳＡＣ６に対するＦＡＣ７の位置決めを容易にかつより正確にすることができる。

また、上記の例では、実施の形態２と同様に、光軸方向Ｚに対して傾斜する一対の入射側テーパ面６５をＳＡＣ６に設けてもよい。この場合、一対の入射側テーパ面６５は、遅軸方向Ｘについて第１の入射面６１の両側に形成される。また、この場合、ＸＺ断面において、第１の入射面６１からＬＤバー１側へ離れるにつれて一対の入射側テーパ面６５の間の距離が連続的に広がるように、一対の入射側テーパ面６５がＳＡＣ６に形成される。

実施の形態５．
図１４は、この発明の実施の形態５によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。レーザ発振器２００は、コリメートされた複数のレーザ光３を供給するビーム供給装置２０１に対して外部共振器構造を設けた波長結合型のレーザ発振器になっている。即ち、レーザ発振器２００は、ビーム供給装置２０１と、集光素子２０２と、波長結合素子２０３と、部分反射鏡２０４とを有している。集光素子２０２は、各レーザ光３の進行方向についてビーム供給装置２０１と部分反射鏡２０４との間に配置されている。波長結合素子２０３は、各レーザ光３の進行方向について集光素子２０２と部分反射鏡２０４との間に配置されている。

ビーム供給装置２０１は、ＬＤバー１及びビーム整形装置５を有している。ＬＤバー１及びビーム整形装置５のそれぞれの構成及び配置は、実施の形態１と同様である。発光層２の出射端面２ａと反対側の端面は、レーザ光３を反射する反射端面２ｂになっている。ＬＤバー１の出射端面２ａから出射された各レーザ光３は、ビーム整形装置５によってコリメートされた後、集光素子２０２へ進行する。

集光素子２０２は、ビーム供給装置２０１から回折により広がる各レーザ光３を再度コリメート、即ち平行化するとともに、各レーザ光３の主光線を波長結合素子２０３上の一点に集める。集光素子２０２としては、例えば少なくとも遅軸方向Ｘに凸のパワーを持つレンズが用いられる。

波長結合素子２０３は、例えば回折格子である。波長結合素子２０３は、集光素子２０２によって主光線が一点に集められた各レーザ光３を例えば１次の回折方向へ回折する。

部分反射鏡２０４は、波長結合素子２０３によって回折された各レーザ光３の一部をレーザ光３の進行方向と逆方向へ反射し、各レーザ光３の残りを透過する。

部分反射鏡２０４で反射されたレーザ光３は、進行してきた光路を逆方向に遡ることによって、波長結合素子２０３、集光素子２０２、ビーム整形装置５の順に通過し、各レーザ光３を出射したそれぞれの発光層２に戻る。各発光層２に戻ったレーザ光３は、発光層２内を通って反射端面２ｂで反射し、再び、発光層２の出射端面２ａから、ビーム整形装置５、集光素子２０２、波長結合素子２０３の順に通過し、部分反射鏡２０４に達する。即ち、レーザ発振器２００は、発光層２を利得媒質である発振源とし、発光層２の反射端面２ｂと、部分反射鏡２０４との間でレーザ光３を共振させる共振器になっている。

各発光層２から出射されたレーザ光３の波長結合素子２０３に対する入射角は、ＬＤバー１、集光素子２０２、波長結合素子２０３のそれぞれの位置等に基づいて決定される。一方、波長結合素子２０３で回折されるレーザ光３、即ち波長結合素子２０３から出射されるレーザ光３の出射角は、レーザ光３が部分反射鏡２０４に対して垂直入射及び垂直反射するように決定される。これら入射角と出射角とから波長がある値に決定されることにより、レーザ発振器２００では発振可能な波長が自動的に選択され、選択された波長のレーザ光３がレーザ発振器２００から発振する。

各発光層２から出射される各レーザ光３は、波長が少しずつ異なり、各レーザ光３の波長は、遅軸方向Ｘに沿って段階的に変化している。また、波長結合素子２０３と部分反射鏡２０４との間を通るレーザ光３の状態は、複数の波長のレーザ光が１本のレーザ光として重畳された状態になっている。これにより、部分反射鏡２０４を透過してレーザ発振器２００から出射されるレーザ光は、１本の多波長のレーザ光になる。

このようなレーザ発振器２００では、実施の形態１によるビーム整形装置５が用いられているので、レーザ発振器２００の取り扱い及び製造を容易にすることができるとともに、レーザ発振器２００のコストの低減化を図ることができ、レーザ発振器２００におけるレーザ光３の利用効率を高くすることができる。また、ＦＡＣ７が任意の長さの焦点距離を選択することができるので、ＦＡＣ７の焦点距離を長くすることで、レーザ発振器２００の調整感度を緩くすることができる。これにより、温度変化等の外乱に対して強い安定なレーザ発振器２００を得ることができる。

実施の形態６．
図１５は、この発明の実施の形態６によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。ビーム供給装置２０１は、ＬＤバー１と、ビーム整形装置５と、光路変換素子２０５とを有している。ＬＤバー１及びビーム整形装置５のそれぞれの構成及び配置は、実施の形態１と同様である。光路変換素子２０５は、各レーザ光３の進行方向についてビーム整形装置５と集光素子２０２との間に配置されている。

図１６は、図１５の光路変換素子２０５を、速軸方向Ｙに直交するＸＺ平面で切断したときの状態を示す断面図である。また、図１７は、図１５の光路変換素子２０５を光軸方向Ｚに沿って見たときの状態を示す図である。光路変換素子２０５には、各レーザ光３が入射する素子入射面２１５と、光路変換素子２０５に入射した各レーザ光３が出射する素子出射面２２５とが設けられている。光路変換素子２０５は、素子入射面２１５をビーム整形装置５側に向け、素子出射面２２５を、ビーム整形装置５側とは反対側、即ち波長結合素子２０３側に向けた状態で配置されている。

素子入射面２１５は、発光層２の遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の入射側レンズ面２１５ａを有するマイクロレンズアレイになっている。素子出射面２２５は、発光層２の遅軸方向Ｘへ並ぶ複数の出射側レンズ面２２５ａを有するマイクロレンズアレイになっている。各入射側レンズ面２１５ａ及び各出射側レンズ面２２５ａは、遅軸方向Ｘについて互いに位置を合わせて配置されている。また、各入射側レンズ面２１５ａ及び各出射側レンズ面２２５ａのそれぞれの形状は、互いに同じになっている。さらに、各入射側レンズ面２１５ａ及び各出射側レンズ面２２５ａのそれぞれの形状は、ＸＹ平面内で４５ｄｅｇの方向に沿った母線を持つシリンダ形状になっている。これにより、母線に垂直な断面における各入射側レンズ面２１５ａ及び各出射側レンズ面２２５ａのそれぞれの形状は、光路変換素子２０５の外側へ凸になる円弧状又は非円弧状になっている。

光路変換素子２０５は、素子入射面２１５から入射する光線束の遅軸方向と速軸方向とを入れ替えて素子出射面２２５から光線束を出射させる。即ち、光路変換素子２０５は、レーザ光３を光軸方向Ｚの回りに９０ｄｅｇだけ回転させて、レーザ光３の遅軸方向と速軸方向とを入れ替える。これにより、レーザ光３の遅軸方向は、光路変換素子２０５に入射する前にＸ方向と一致しているが、光路変換素子２０５から出射した後はＹ方向と一致する。また、レーザ光３の速軸方向は、光路変換素子２０５に入射する前にＹ方向と一致しているが、光路変換素子２０５から出射した後はＸ方向と一致する。ビーム整形装置５からの各レーザ光３は、光路変換素子２０５によって遅軸方向と速軸方向とを入れ替えた後、集光素子２０２に達する。他の構成は実施の形態５と同様である。

このようなレーザ発振器２００では、ビーム供給装置２０１が、ビーム整形装置５と集光素子２０２との間に配置された光路変換素子２０５を有しているので、ビーム整形装置５からの各レーザ光３の遅軸方向と速軸方向とを入れ替えて各レーザ光３を集光素子２０２に入射させることができ、レーザ発振器２００の小型化を図ることができる。また、遅軸方向及び速軸方向のそれぞれについてビーム整形装置５によってコリメートされたレーザ光３が光路変換素子２０５に入射されるので、各レーザ光３の遅軸方向及び速軸方向を正確に入れ替えることができ、品質の良好なレーザ光３をレーザ発振器２００から出射させることができる。さらに、遅軸方向及び速軸方向のそれぞれについてビーム整形装置５によってコリメートされたレーザ光３が光路変換素子２０５に入射されるので、光路変換素子２０５をレーザ光３が通過するときのレーザ光３のケラレ（vignetting）の発生を抑制することもできる。このようなことから、レーザ光３の利用効率が高いレーザ発振器２００を得ることができる。

実施の形態７．
図１８は、この発明の実施の形態７によるレーザ発振器を発光層の速軸方向Ｙに沿って見たときの状態を示す図である。実施の形態６では、集光素子２０２と波長結合素子２０３との間に光学系要素が配置されていないが、集光素子２０２と波長結合素子２０３との間にλ／２板（ＨＷＰ：Half-Wave Plate）２０６を配置してもよい。λ／２板２０６は、各レーザ光３の偏光方向を光軸方向Ｚの回りに９０ｄｅｇだけ回転させる。即ち、集光素子２０２から出射された各レーザ光３は、λ／２板２０６で偏光方向を光軸方向Ｚの回りに９０ｄｅｇだけ回転した後、波長結合素子２０３に入射する。他の構成は実施の形態６と同様である。これにより、波長結合素子２０３における各レーザ光３の回折効率を高めやすくすることができ、レーザ発振器２００でのレーザ光３の利用効率をさらに高めることができる。

なお、上記実施の形態５〜７では、実施の形態１と同様の構成を持つビーム整形装置５がビーム供給装置２０１に含まれているが、実施の形態２〜４のいずれかと同様の構成を持つビーム整形装置５をビーム供給装置２０１に含めてもよい。

また、上記実施の形態５〜７では、ビーム供給装置２０１の数が１個のみであるが、ビーム供給装置２０１の数を複数にしてもよい。この場合、複数のビーム供給装置２０１のそれぞれは、各レーザ光３の主光線が波長結合素子２０３上の一点に集まる位置に配置される。このようにすれば、複数のＬＤバー１からのレーザ光３を１本のレーザ光に重畳させることができるので、さらに高出力のレーザ発振器２００を得ることができる。

１ ＬＤバー、２ 発光層（発光部）、２ａ 出射端面、３ レーザ光、５ ビーム整形装置、６ ＳＡＣ（第１のコリメータレンズ）、７ ＦＡＣ（第２のコリメータレンズ）、１１ ＳＡＣ／ＦＡＣ（第１のコリメータレンズ）、６１ 第１の入射面、６１ａ 入射側レンズ面、６２ 第１の出射面、６２ａ 出射側レンズ面、６３ 台座（取付用台座）、６４ 凹部、６４ｂ 凹部テーパ面、６５ 入射側テーパ面、７３ 台座、７３ｂ 台座テーパ面、１１１ 第１の入射面、１１１ａ 入射側レンズ面、１１２ 第１の出射面、２００ レーザ発振器、２０１ ビーム供給装置、２０２ 集光素子、２０３ 波長結合素子、２０４ 部分反射鏡、２０５ 光路変換素子、２０６ λ／２板。

Claims (11)

1. 発光装置において第１の方向へ並んでいる複数の発光部のそれぞれの出射端面から、前記第１の方向に直交する光軸方向へ出射される複数のレーザ光をコリメートするビーム整形装置であって、
   前記第１の方向である遅軸方向に発散する前記レーザ光をコリメートする第１のコリメータレンズ、及び
   前記光軸方向及び前記第１の方向のいずれにも直交する第２の方向である速軸方向に発散する前記レーザ光をコリメートする第２のコリメータレンズ
   を備え、
   前記第１のコリメータレンズは、前記発光装置と前記第２のコリメータレンズとの間に配置され、
   前記第１のコリメータレンズには、前記レーザ光が入射する第１の入射面と、前記レーザ光が出射する第１の出射面とが設けられており、
   前記第１の入射面は、前記第１の方向へ並んでいる複数の入射側レンズ面を有し、
   各前記入射側レンズ面の形状は、前記第２の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状であって、かつ前記第１の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの内側へ凹になる形状であり、
   前記第１の入射面及び前記第１の出射面のそれぞれの形状は、前記第１の方向に直交する断面において、前記発光部の出射端面上の点を中心とする同心の円弧状であるビーム整形装置。
2. 前記第２の方向についての前記第２のコリメータレンズの両端部からは、一対の台座が前記第１のコリメータレンズ側へ突出しており、
   前記第１のコリメータレンズには、前記一対の台座が嵌っている一対の凹部が設けられており、
   前記一対の台座には、前記第２の方向について互いに対向する一対の台座テーパ面が設けられており、
   前記一対の台座テーパ面の間の距離は、前記第１のコリメータレンズに向かって広がっており、
   前記一対の凹部には、前記台座テーパ面に沿った凹部テーパ面が設けられている請求項１に記載のビーム整形装置。
3. 前記第１の出射面は、前記第１の方向へ並んでいる複数の出射側レンズ面を有し、
   各前記出射側レンズ面の形状は、前記第２の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状であって、かつ前記第１の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状である請求項１又は請求項２に記載のビーム整形装置。
4. 発光装置において第１の方向へ並んでいる複数の発光部のそれぞれの出射端面から、前記第１の方向に直交する光軸方向へ出射される複数のレーザ光をコリメートするビーム整形装置であって、
   前記第１の方向である遅軸方向に発散するレーザ光と、前記光軸方向及び前記第１の方向のいずれにも直交する第２の方向である速軸方向に発散する前記レーザ光とをコリメートする第１のコリメータレンズ
   を備え、
   前記第１のコリメータレンズには、前記レーザ光が入射する第１の入射面と、前記レーザ光が出射する第１の出射面とが設けられており、
   前記第１の入射面は、前記第１の方向へ並んでいる複数の入射側レンズ面を有し、
   各前記入射側レンズ面の形状は、前記第２の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状であって、かつ前記第１の方向に直交する断面において前記第１のコリメータレンズの内側へ凹になる形状であり、
   前記第１の出射面の形状は、前記第１の方向に直交する断面において、前記第１のコリメータレンズの外側へ凸になる形状で非円弧状であるビーム整形装置。
5. 前記第１のコリメータレンズの屈折率は、１．７以上である請求項４に記載のビーム整形装置。
6. 前記第１のコリメータレンズには、一対の入射側テーパ面が設けられており、
   前記一対の入射側テーパ面は、前記第１の方向について前記第１の入射面の両側に位置しており、
   前記第１のコリメータレンズの前記第２の方向に直交する断面では、前記一対の入射側テーパ面が前記光軸方向に対して傾斜しており、かつ前記一対の入射側テーパ面の間の距離が、前記第１の入射面から前記発光装置側へ離れるにつれて連続的に広がっている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
7. 前記第１のコリメータレンズからは、取付用台座が前記発光装置側へ突出している請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のビーム整形装置。
8. 前記発光装置と、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のビーム整形装置とを有するビーム供給装置、
   前記ビーム供給装置から出射される前記複数のレーザ光を集める集光素子、
   前記集光素子で集光された前記複数のレーザ光を回折する波長結合素子、及び
   前記波長結合素子で回折された前記複数のレーザ光の一部を前記レーザ光の進行方向と逆方向へ反射する部分反射鏡
   を備えているレーザ発振器。
9. 前記ビーム供給装置は、前記ビーム整形装置と前記集光素子との間に配置され前記レーザ光の前記第１の方向と前記第２の方向とを入れ替える光路変換素子を有している請求項８に記載のレーザ発振器。
10. 前記集光素子と前記波長結合素子との間に配置されているλ／２板
    を備えている請求項８又は請求項９に記載のレーザ発振器。
11. 複数の前記ビーム供給装置
    を備えている請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載のレーザ発振器。

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