JP7086501B2 - 合波光学系 - Google Patents
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Description
合波光学系では、光源に含まれる複数の発光素子からそれぞれ出射されるレーザー光線を合波することによって、高出力の合波ビームを形成する。この際、先述したように、合波ビームが高い集光性を有することが重要である。
<合波光学系100の構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係る合波光学系100の構成を示す図である。図1は、合波光学系100の光軸Aを含む断面を示している。以下、図1を参照して、合波光学系100の全体構成を説明する。
次に、本実施の形態1で用いる2次元フォトニック結晶面発光レーザーについて説明する。2次元フォトニック結晶面発光レーザーは、活性層近傍に発振波長程度の周期的な構造を設けた面発光型の半導体レーザーである。この周期的な構造をフォトニック結晶構造という。
半導体レーザーを高出力かつ良好に動作させるためには、発熱への対処が重要である。半導体レーザーでは、供給電力の40~60%が熱になる。そして、出力が高くなると発生する熱がさらに増加する。そのため、高出力の半導体レーザーの発光素子は、サブマウントまたはヒートシンクを備える冷却構造の上に実装されることが好ましい。
次に、本実施の形態1に係る合波光学系100の動作について詳細に説明する。図2のように、合波光学系100は、間隔を空けて配列された複数の発光素子11から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する。この場合には、合波ビームの径内におけるビーム占有率を高めることによって、合波ビームの集光性が高められる。
光ファイバ5は、自身の入射面51の中心50と、複数の発光素子11から出射された各レーザー光線が1点に集光して合波ビームが形成される位置とが、一致するように配置されている。光ファイバ5の入射面51の中心50と、複数の発光素子11から出射された各レーザー光線が集光して合波ビームが形成される位置とは一致している。
次に、本実施の形態1に係る合波光学系100における具体的な数値例を示す。
表1は、合波光学系100の仕様の第1の例を示している。なお、光源1の複数の発光素子11は、六方格子状に配置されている。
表2は、合波光学系100の仕様の第2の例を示している。光源1の複数の発光素子11は、六方格子状に配置されている。
以上説明したように、本発明の実施の形態1に係る合波光学系100は、光源、光路変更部材および集光部材を備えている。光源は、複数の発光素子を含む。発光素子は2次元フォトニック結晶面発光レーザーである。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して1点に向けて集光させる。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して集光させる。集光部材は、光路変更部材から出射した各レーザー光線を複数のレンズ領域によって集光させて合波ビームを形成する。
<正方格子状の配列>
図4は、本発明の実施の形態2に係る合波光学系における、光源201に含まれる発光素子11の配列を示す図である。また、図5は、本実施の形態2に係るレンズアレイ204におけるレンズ領域240の配列を示す図である。
<円弧状の配列>
図6は、本発明の実施の形態3に係る合波光学系における、光源301に含まれる発光素子11の配列を示す図である。また、図7は、本実施の形態3に係るレンズアレイ304におけるレンズ領域340の配列を示す図である。
<多面体プリズム>
図8は、本発明の実施の形態4に係る合波光学系400における、光軸Aを含む面の断面を示す図である。
最後に、先述した実施の形態1におけるレンズアレイ4の形状の設計方法について、補足説明する。実施の形態1において、合波ビームの集光性を高めるためには、レンズアレイ4およびレンズアレイ4に含まれる各レンズ領域40のレンズ面の形状を、適切に設計する必要がある。なお、以下に説明する設計方法は、実施の形態2~4においても、同様に適用することができる。
図10は、実施の形態1におけるレンズアレイ4の好適な形状の第1の例を示す図である。
図11は、実施の形態1におけるレンズアレイ4の好適な形状の第2の例を示す図である。
Claims (18)
- 面発光レーザーの複数の発光素子を含む光源と、
前記複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更する光路変更部材と、
前記光路変更部材によって変更された複数の前記レーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、該複数のレンズ領域によって前記複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する集光部材と
を備え、
前記光路変更部材は、伝送手段の入射面に向けて、前記複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路を集中させる、
合波光学系。 - 前記複数の発光素子の光軸が互いに平行である、請求項1に記載の合波光学系。
- 前記集光部材は、前記光路変更部材によって変更された複数の前記レーザー光線の各々を、前記複数のレンズ領域によって前記入射面に集光させて合波ビームを形成する、請求項1または請求項2に記載の合波光学系。
- 前記集光部材は、前記光路変更部材から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接するようになる位置に配置される、請求項1~3のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記集光部材に含まれる前記複数のレンズ領域の大きさは、該複数のレンズ領域に入射する前記複数のレーザー光線の最外径と等しくなるように定められ、
前記集光部材から出射する前記複数のレーザー光線は、隣り合うレーザー光線同士の最外径が互いに接する状態で出射される、請求項1~4のいずれか一項に記載の合波光学系。 - 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置されたレンズである、請求項1~5のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置された多面体プリズムである、請求項1~5のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置された回折光学素子である、請求項1~5のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記集光部材は、前記複数のレンズ領域を含むレンズアレイである、請求項1~8のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の光軸は、前記合波光学系の光軸と平行である、請求項1~9のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の少なくとも一方のレンズ面は非球面である、請求項1~10のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の曲率は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離に依存して異なっている、請求項1~11のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の曲率は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離が長いほど大きい、請求項1~12のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の面頂点は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離に依存して、前記合波光学系の光軸に沿った方向の位置が異なる、請求項1~13のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の面頂点は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離が長いほど、前記合波光学系の光軸に沿って集光点側に位置する、請求項1~14のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記複数の発光素子は六方格子状に配列されている、請求項1~15のいずれか一項に記載の合波光学系。
- 前記集光部材によって形成された前記合波ビームが前記入射面から入射して内部を伝送する前記伝送手段としての光ファイバをさらに備え、
前記光ファイバはラージモードエリアファイバである、請求項1~16のいずれか一項に記載の合波光学系。 - 前記面発光レーザーは、2次元フォトニック結晶面発光レーザーである、請求項1~17のいずれか一項に記載の合波光学系。
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