JP7256352B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長ビーム結合（ＷＢＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）により高出力なレーザ光を出射する光源装置に関する。

レーザ溶接などレーザ加工をはじめとする様々な分野において、高出力レーザを出射する光源装置の需要が高まっている。高出力レーザを出射する光源装置としては、波長ビーム結合による光源装置（以下、「ＷＢＣ装置」ともいう）がある。特許文献１に開示されるＷＢＣシステムはその例である。特許文献１にも示されたように、ＷＢＣ装置は、主に、所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源（レーザダイオード等）が配列された光源部（レーザダイオードバー等）、レーザ光源から出射したレーザビームをコリメートするコリメート部（コリメーションレンズ等）、コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部（集光レンズ等）、集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子、回折格子の回折ビームの光路に配置された出力カプラ（部分反射ミラー等）などを含む。

特開２０１５－１０６７０７号公報

ＷＢＣ装置において、レーザ光源と出力カプラによって外部共振器が構成され、回折ビームの一部が出力カプラによって反射され、レーザ光源と出力カプラとの間で往復し増幅される。出力カプラの反射面は、通常平面になっており、平面に垂直に入射した回折ビームだけが元の光路に反射され外部共振して、ビーム結合に寄与する。

しかし、様々な原因によって、光源部における一部のレーザ光源が、設計位置からずれる場合がある。例えば、特許文献１における図２の横列３に示された「スマイル」と呼ばれる変形はその代表的な例である。このような変形により、光源部のレーザ光源の高さにばらつきが発生する。高さがコリメート部の光軸からずれたレーザ光源から出射した光ビームは、コリメート部を通過すると、コリメート部の光軸からずれて傾斜して伝播することになる。そのような光は、回折格子によって回折された後も傾斜して出力カプラに入射するので、元の光路に反射されず、外部共振できずビーム結合に寄与できない。それによって、ＷＢＣ装置のレーザビームの出力が低下する。また、外部共振できないレーザビームは、内部共振のまま出力されるため、レーザビームの品質も低下する。

本発明は、たとえレーザ光源が設計位置からずれても、光源から出射した光が外部共振可能な光源装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明の一実施形態にかかる光源装置は、所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射した個々の光を略平行光とするコリメート部と、前記コリメート部から出射した個々の光を平行光とするとともに前記平行光全体を集光する集光部と、前記集光部によって集光された光が入射する回折格子と、前記回折格子の回折光の光路に配置され、前記レーザ光源と共に外部共振器を構成する出力カプラと、を含む。前記出力カプラの反射面は凹面である。なお、前記光源装置は、前記出力カプラから出射した光を略平行光とする、又は、前記出力カプラから出射した光を集光する、調整レンズを備える。

上記の態様によれば、たとえレーザ光源の固定が設計位置からずれても、光源から出射した光が外部共振可能な光源装置を提供することができる。

また、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

本発明の一実施形態にかかる光源装置の模式図である。 図１に示した光源装置の一部をｘ軸に沿って観察した場合の模式図である。 図１に示した光源装置の一部をＡ方向から観察した場合の模式図である。 出力カプラの反射面が柱面である実施形態の模式図である。 反射面が複数のサブ平面から構成された出力カプラの模式図である。 他の実施形態にかかる光源装置の一部の模式図である。 調整レンズが出力カプラと一体に形成された実施形態の模式図である。 変形したレーザダイオードバーを光軸方向から見た場合の模式図である。 平面カプラを有する光源装置におけるレーザ光源の高さずれと外部共振との関係を調べた結果である。 コンピュータシミュレーションに用いた光源装置モデルの模式図である。 図１０に示した光源装置モデルの光学系を示す模式図である。 コンピュータシミュレーションの結果を示す。 曲面カプラを有する光源装置のコンピュータシミュレーション結果を示す。

以下、図面に基づき発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる光源装置の模式図である。光源装置１００は、レーザダイオードバー１０４、コリメート部１０６、集光部１０８、回折格子１１０、出力カプラ１１２及び調整レンズ１１４を含む。図１において、破線で概略的に光の光路を表すものとし、光出射部１０２から出射するビーム１０５を破線で示す。実際のビームは広がり角や幅を持った光であるが、図では説明を容易にするため、ビームの光軸のみを示している。

レーザダイオードバー１０４は、同じ基板上に形成された複数（図１の例では７つ）のレーザダイオードが横一列に配列されて構成される。レーザダイオードはレーザ光源の一種である。図１においては、各レーザダイオードがそれに対応する導波路１０１によって示されている。レーザダイオードバー１０４は、それぞれの導波路１０１の端部に所定の波長幅の光を出射する光出射部１０２を有する。よって、光出射部１０２をレーザ光源ということもできる。レーザダイオードバー１０４は、複数の光出射部１０２（すなわち、複数のレーザ光源）が横一列に配列されて構成されるとも言える。レーザダイオードバー１０４は、光源部の一例である。

光出射部１０２が出射する所定の波長幅の光として、例えば、中心波長が４０５ｎｍで、ゲイン（波長幅）Δλが１０ｎｍである光ビームが挙げられる。この場合、光出射部１０２から出射する光の波長範囲は４００～４１０ｎｍである。

コリメート部１０６は、光出射部１０２から出射した個々の光を略平行光とする。コリメート部１０６は、例えば、各々の光出射部１０２側に配置されるコリメーションレンズであってよい。各光出射部１０２に対応するコリメート部１０６は、単一のレンズであってもよく、複数のレンズを組み合わせた組レンズであってもよい。コリメート部１０６は、各々の光出射部１０２に対応するコリメーションレンズが横一列に配列されて構成されるレンズアレイであってもよい。

集光部１０８は、コリメート部１０６から出射した個々の光を平行光とするとともにそれらの平行光全体を集光する。集光部１０８は、単一の集光レンズから構成されてもよく、複数のレンズを組み合わせた組レンズから構成されてもよく、ミラーから構成されてもよい。本実施形態のように、光源部がレーザダイオードバーである場合、集光部１０８は球面レンズを含んでよく、又はシリンドリカルレンズを含んでもよい。

回折格子１１０は、集光部１０８によって集光され異なる入射角から入射する光を同じ回折角の方向に回折して結合させる。

出力カプラ１１２は、その光軸が回折格子１１０の回折光の光軸と一致するように、回折光の光路に配置されている。出力カプラ１１２は、光の一部を反射する部分反射ミラーであってよい。レーザダイオードバー１０４のレーザダイオードと出力カプラ１１２によって外部共振器が構成され、その間で光が往復して増幅される。出力カプラ１１２の反射面１１２ａは凹面である。

調整レンズ１１４は、出力カプラ１１２から出射した光を略平行光とする、又は、出力カプラ１１２から出射した光を集光する。

図１に示したように、説明の便宜のため、集光部１０８の光軸の方向をｚ軸とし、光出射部１０２が横に並んでいる方向をｘ軸とし、ｘ軸とｚ軸に垂直する方向をｙ軸とする。図１は、光源装置１００をｙ軸方向に投影した模式図である。なお、本明細書において、ｙ軸方向を高さ方向又は上下方向と称する場合もある。

図２は図１に示した光源装置の一部をｘ軸に沿って観察した場合の模式図である。よって、図２は、光源装置１００をｘ軸方向に投影した模式図である。理解しやすくするために、図２において出力カプラ１１２と調整レンズ１１４を表していない。図２に示したように、回折格子１１０は、ｙ軸に平行に並んだ１次元の格子パターンを有する。各光出射部１０２に対応する各コリメート部１０６は、光軸が集光部１０８の光軸と平行で、かつｙ軸方向において集光部１０８の光軸と同じ高さとなるように配置されるものとする。

図２は、レーザダイオードバー１０４が変形して、それに含まれる光出射部１０２の高さ（Ｙ軸方向の位置）にばらつきがある場合を示す。図２において、３本の破線によって異なる光出射部１０２から出射した光を表すが、それぞれビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃとする。中央のビーム１０５ｂは高さがコリメート部１０６及び集光部１０８の光軸と一致する光出射部１０２の光を示し、下方のビーム１０５ａは高さが最も低い光出射部１０２の光を示し、上方のビーム１０５ｃは高さが最も高い光出射部１０２の光を示す。

ビーム１０５ｂは、高さがコリメート部１０６及び集光部１０８の光軸と一致するので、対応するコリメート部１０６と集光部１０８を通過しても、光が高さ方向に屈折せず、ｘｚ平面に平行に進む。仮にビーム１０５ｂの光軸が完全に対応するコリメート部１０６及び集光部１０８の光軸と一致する場合、すなわち、図１において並列する７本の破線で示した７本のビーム１０５のうち、中央の破線で示したビームのように、ｘｚ平面においても対応するコリメート部１０６及び集光部１０８の光軸と完全に一致する場合、この光はコリメート部１０６と集光部１０８を通過しても、屈折せず、集光部１０８の光軸に沿ってまっすぐ進むことになる。

ビーム１０５ａは、コリメート部１０６の光軸からずれて、コリメート部１０６の光軸より低い位置からコリメート部１０６に入射するので、コリメート部１０６を通過すると、屈折して上方向に傾斜する。なお、ビーム１０５ｃは、コリメート部１０６の光軸からずれて、コリメート部１０６の光軸より高い位置からコリメート部１０６に入射するので、コリメート部１０６を通過すると、屈折して下方向に傾斜する。集光部１０８によって、コリメート部１０６を通過して上下方向に傾斜した光の方向をｘｚ平面に平行する方向に変更することは理想的であるが、実際には様々な要因によって完全にｘｚ平面に平行するビームにすることは困難である。

例えば、光出射部１０２から出射した光の光軸が初めから上下方向に少し傾斜角を有し、更にその光出射部１０２の位置が高さ方向でコリメート部１０６の光軸からずれた場合、光出射部１０２から出射した光はコリメート部１０６を通過すると、屈折して上下方向に傾斜するが、コリメート部１０６の後側焦点を通過しない。説明を簡潔にするために、光出射部１０２は、図１における７つの光出射部１０２のうちの中央のものとする。すなわち、光出射部１０２から出射した光の光軸が、ｘ軸方向ではコリメート部１０６及び集光部１０８の光軸とずれがなく一致するものとする。通常、集光部１０８の前側焦点がコリメート部１０６の後側焦点に合せられるので、コリメート部１０６の後側焦点を通過しない光は、集光部１０８の前側焦点を通過しない。よって、その光は集光部１０８を通過しても、ｘｚ平面に平行する方向にならない。

なお、光出射部１０２から出射するレーザビームにも所定の広がり角があるので、光出射部１０２の位置が高さ方向でコリメート部１０６の光軸からずれた場合、コリメート部１０６がその光出射部１０２から出射した光を完全に後側焦点に集光することができない。上述したように、コリメート部１０６の後側焦点を通過しない光は、集光部１０８を通過しても、ｘｚ平面に平行する方向にならない。また、その光のなかには、図２に示したビーム１０５ａとビーム１０５ｃのように、徐々に集光部１０８の光軸から離れて広がる光もある。集光部１０８を通過したビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃは回折格子１１０に入射する。

図３は図１に示した光源装置の一部をＡ方向から観察した場合の模式図である。図３は光源装置１００における回折格子１１０から調整レンズ１１４までの一部だけを示す。図３に示したように、ビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃは、回折格子１１０に回折され回折光になって出力カプラ１１２に入射する。図１に示したように、ｙ軸方向から見ると、回折光は同じ回折角の方向に回折される。但し、回折格子１１０は、ｙ軸に平行する１次元の格子パターンを有するので、ビーム１０５ａ及びビーム１０５ｃの上下方向の傾斜角度には影響を与えない。そこで、回折されたビーム１０５ａ及びビーム１０５ｃは同じ傾斜角度で出力カプラ１１２に入射する。

出力カプラ１１２に入射した回折光の一部は出力カプラ１１２によって反射され、他の一部は出力カプラ１１２を通過して、出射面１１２ｂから出射する。調整レンズ１１４は、出力カプラ１１２から出射した光を略平行光とするか、出力カプラ１１２から出射した光を集光して出力する。仮に出力カプラ１１２の反射面が平面であれば、その平面に垂直に入射したビーム１０５ｂは元の光路に反射され外部共振できるが、ビーム１０５ａ及びビーム１０５ｃは反射面に対して斜めに入射するので、元の光路に反射されず外部共振ができない。本明細書において、反射面が平面である出力カプラを略して「平面カプラ」ともいう。

光源装置１００の出力カプラ１１２は、ビーム１０５ａ及びビーム１０５ｃも垂直に入射できるように形成された凹面の反射面１１２ａを有する。凹面反射面１１２ａによって、ビーム１０５ｂだけでなく、ビーム１０５ａ及びビーム１０５ｃも元の光路に反射され外部共振できるので、外部共振可能な光を増やすことができ、光源装置１００が出力するレーザビームの品質を改善して出力を高めることができる。

反射面１１２ａの凹面は、元の光路に反射する光の量（本明細書において「戻り光量」ともいう）を増やすことができればどのような凹面であってもよい。例えば、反射面１１２ａの凹面は、曲面であってよい。その曲面の例としては、例えば、球面であってよい。例えば、図３に示した出力カプラ１１２の反射面１１２ａは、回折光のビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃの延長線が交差する交点を球心とする球面にすることができる。その場合、ビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃとも垂直に反射面１１２ａに入射するので、反射面１１２ａによって元の光路に反射されることができる。戻り光量を増やすことができれば、反射面１１２ａの曲面は、非球面であってもよい。本明細書において、反射面の凹面が曲面である出力カプラを略して「曲面カプラ」ともいう。

図４は出力カプラの反射面が柱面である実施形態の模式図である。図４に示したように、反射面１１２ａの曲面は、柱面であってもよい。図４は、光源装置１００における回折格子１１０から出力カプラ１１２までの一部だけを示す斜視図である。図４において、ビーム１０５ｂは集光部１０８の光軸に沿って回折格子１１０に入射して回折された光ビームとする。ビーム１０５ｂは回折光の光軸ＣＣと重なる。

図４における一点鎖線のＢＢは、柱面反射面１１２ａの中心軸を表す。反射面１１２ａの中心軸ＢＢは、回折光の光軸ＣＣに直交し、回折光の光軸ＣＣと集光部１０８の光軸によって定められる平面にある。特に、光源装置１００の集光部１０８がｙ軸に平行する中心軸を有するシリンドリカルレンズを含む場合に（図１参照）、出力カプラ１１２の反射面１１２ａの柱面は円柱面であってよい。その円柱面を形成する円の半径Ｒは、次の式（１）で定めることができる。
Ｒ＝ｆ₁×２＋Ｌ （１）
式（１）において、ｆ₁は集光部１０８の焦点距離を表し、Ｌは回折格子１１０から出力カプラ１１２までの距離を表す。

図５は反射面が複数のサブ平面から構成された出力カプラの模式図である。図５に示したように、出力カプラ１１２の反射面１１２ａの凹面は、複数のサブ平面５０２から構成されてもよい。サブ平面５０２は、面積が小さい平面であって、反射面１１２ａはサブ平面５０２の組合せによって形成される。

図３に示したように、反射面１１２ａが凹面であるので、出力カプラ１１２はそれを通過する回折光に対して凹レンズと同じ効果を有する。そこで、出力カプラ１１２を通過して出射面１１２ｂから出射する光が屈折によって更に広がる。調整レンズ１１４は、出力カプラ１１２から出射した光を略平行光とするか集光して、光の広がりを抑制する。

図６は他の実施形態にかかる光源装置の一部の模式図である。この実施形態は、前述した実施形態の変形例である。本実施形態において、前述した実施形態と同じ機能を有する部材、部分、要素については、前述実施形態と同じ符号を付しており、且つその説明を省略することがある。前述した実施形態と異なる点は、出力カプラ１１２の反射面１１２ａも出射面１１２ｂも曲面であり、且つ出射面１１２ｂは反射面１１２ａに平行する曲面である。

ここでいう「平行」とは、出射面１１２ｂの形状が、反射面１１２ａの形状に対応しており、反射面１１２ａに垂直に入射した光が出射面１１２ｂにも垂直に出射できる形状であることをいう。このような出力カプラ１１２の反射面１１２ａに垂直に入射した光は、出力カプラ１１２を通過しても、出射面１１２ｂの屈折によって更に広がることはないので、サイズが小さく、曲率半径の大きい、曲面変化の緩やかな調整レンズ１１４を使用することができる。

図７は調整レンズが出力カプラと一体に形成された実施形態の模式図である。この実施形態は、前述した実施形態の変形例である。本実施形態の出力カプラ７１２は、前述した実施形態における調整レンズ１１４と出力カプラ１１２を一体に形成したものである。これによって、光源装置の部品数を減らし、光学系の組立及び調整の負担を低減することができる。

図８は変形したレーザダイオードバーを光軸方向から見た場合の模式図である。レーザダイオードバー１０４は、通常、サブマウント８０２の上に半田等の接合材８０４を使用して接合される。レーザダイオードバー１０４の各光出射部１０２の高さは、一定になるのが理想であるが、実際には接合の均一性、加熱・冷却に伴う熱変形等の影響によって、各光出射部１０２の高さに数ミクロンレベルのばらつきが発生することがある。図８に示したように、レーザダイオードバー１０４の中央部の光出射部１０２の高さが最も高く、両端部の光出射部１０２の高さが最も低い「スマイル」と呼ばれる変形が代表的な例である。前述したように、出力カプラが平面カプラである場合、光出射部が高さ方向でコリメート部の光軸からずれた場合、光出射部から出射した光が元の光路に反射されず外部共振できない可能性がある。

図９は平面カプラを有する光源装置におけるレーザ光源の高さのずれと外部共振との関係を調べた結果である。図９は、３つのレーザダイオードバーについて調べた結果である。各レーザダイオードバーは２０個の光出射部が横一列に配列されて構成される。横軸はレーザダイオードバーの一端から順番に光出射部に付けた番号を示す。縦軸は、コリメート部の光軸に対する光出射部の高さ方向のずれを表す。３つのレーザダイオードバーの結果は、それぞれ四角、三角、菱形のマークによって表す。塗りつぶしたマークは外部共振が発生したことを示し、中抜きのマークは外部共振が発生しなかったことを示す。

図９から各レーザダイオードバーの変形パターンが分かる。四角マークで示したレーザダイオードバーは、３番から１１番の間の光出射部の高さが高く、レーザダイオードバーの両端の光出射部の高さが相対的に低いので、「スマイル」変形である。三角マークで示したレーザダイオードバーは、左端部の光出射部の高さが高く、右端部の光出射部の高さが低い。中間部に少し波があるが、全体的に傾斜した変形をしている。菱形マークで示したレーザダイオードバーは、１１番から１７番の間の光出射部の高さが低く、レーザダイオードバーの両端の光出射部の高さが相対的に高いので、「スマイル」変形をしている。３つのレーザダイオードバーの変形パターンが異なるが、どのレーザダイオードバーにおいても、高さずれがおよそ１μｍ以上になると、光出射部から出射した光は外部共振していない。

出力カプラ１１２の反射面１１２ａを凹面にすれば、戻り光量を増やすことができ、コリメート部の光軸に対して高さ方向にずれた光出射部から出射した光も外部共振ができると説明したが、どのような凹面（曲面である場合には、どのような曲面）でどの程度の戻り光量が発生するかについては、コンピュータシミュレーションで予測することができる。以下、Ｚｅｍａｘ社の光学シミュレーションソフト「ＺＥＭＡＸ」を用いて行ったコンピュータシミュレーションの一例を説明する。

図１０はコンピュータシミュレーションに用いた光源装置モデルの模式図である。図１０は光源装置モデルの基本構造を示す。図１０において、前述した実施形態と同じ機能を有する部材、部分、要素については、同じ符号を付している。このモデルにおいて、コリメート部１０６は、集光部１０８の光軸と同じ高さの光軸を有するレンズアレイである。集光部１０８は、ｙ軸に平行する中心軸を有するシリンドリカルレンズである。回折格子１１０は、ｙ軸に平行する１次元の格子パターンを有する。出力カプラ１１２は、円柱面の反射面を有する。当該円柱面の中心軸が、回折光の光軸に直交し、回折光の光軸と集光部１０８の光軸によって定められる平面にある。なお、対比するために、出力カプラ１１２を平面カプラにした条件でもシミュレーションを行った。

図１０において、ｆ₁は集光部１０８の焦点距離を表し、ｆ₂はコリメート部１０６の焦点距離を表し、Ｌは回折格子１１０から出力カプラ１１２までの距離を表す。なお、出力カプラ１１２の円柱面を形成する円の半径Ｒは、前述した式（１）で決まる。図１０に示したように、レーザダイオードバー１０４の光出射部１０２からｆ₂だけ離れた位置にコリメート部１０６が設置され、コリメート部１０６から（ｆ₂＋ｆ₁）だけ離れた位置に集光部１０８が設置され、更に集光部１０８からｆ₁だけ離れた位置に回折格子１１０が設置される。そして、回折格子１１０による１次回折光の光軸上でＬだけ離れた位置に出力カプラ１１２が設置される。ｆ₁＝１５０ｍｍ、ｆ₂＝１ｍｍ、Ｌ＝５７ｍｍとすると、Ｒ＝３５７ｍｍとなる。

図１１は図１０に示した光源装置モデルの光学系を示す模式図である。図１０に示したように、実際には、回折格子１１０の回折効果によって光路が折れ曲がっているが、理解を容易にするために、図１１では光路を全て直線で示している。図１１において、上下方向は図１０に示したｙ軸方向になる。破線で示したビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃは、図２で説明したとおり、高さが異なる光出射部１０２から出射した光を表す。

集光部１０８は、ｙ軸に平行する中心軸を有するシリンドリカルレンズであるため、それを通過した光の上下方向の傾斜角度が変わらない。なお、回折格子１１０は、ｙ軸に平行する１次元の格子パターンを有するので、それによって回折された光の上下方向の傾斜角度に影響しない。よって、ビーム１０５ａ、ビーム１０５ｂ及びビーム１０５ｃは、コリメート部１０６を通過した後の傾斜角度を維持したまま、出力カプラ１１２まで進行することができる。

図１２はコンピュータシミュレーションの結果を示す。横軸は、コリメート部１０６の光軸に対する光出射部１０２の高さ方向のずれを表す。縦軸は、出力カプラ１１２の反射面によって、元の光路に反射される戻り光量を表す。図１２は、３つの異なる条件の下で行ったシミュレーション結果を含み、それぞれ菱形、四角、三角のマークによって表す。菱形マークは、平面カプラを用いた光源装置のシミュレーション結果を表す。四角マークと三角マークは、円柱面の反射面を有する曲面カプラを用いた光源装置のシミュレーション結果を表す。

図１２に表示した「デフォーカス」とは、コリメート部１０６のレンズアレイが図１０に示した位置からｚ軸方向にシフトされたことを意味する。「デフォーカスなし」は、コリメート部１０６のレンズアレイがちょうど図１０に示した位置にあることを意味する。「デフォーカス＋２．５」は、コリメート部１０６のレンズアレイがｚ軸の正方向（図１０における右方向）に２．５μｍシフトされたことを意味する。

図１２に示したように、平面カプラの場合には、光出射部の高さのずれがないとき、出力カプラ１１２によって９０％の光が元の光路に反射される。但し、高さのずれが１μｍ以上になると、戻り光量がゼロになり、光が全く元の光路に戻らなくなる。このような場合には、外部共振できない。このシミュレーション結果は、図９に示した実験結果と一致する。

曲面カプラを用いた光源装置は、「デフォーカスなし」の場合、四角マークで示したように、光出射部の高さのずれがなくても、１５％の戻り光量しかないが、高さのずれが１０μｍになっても、戻り光量がゼロにならず、５％程度の戻り光量を確保することができる。一方、「デフォーカス＋２．５」の場合には、三角マークで示したように、戻り光量が大幅に増える。光出射部の高さのずれがないときは、６０％以上の戻り光量が得られる。なお、たとえ４μｍの高さのずれが発生しても、５０％以上の戻り光量を確保でき、７μｍの高さのずれが発生しても、２０％の戻り光量を確保できる。

このように、レーザダイオードバー１０４に高さ方向に１μｍ以上の変形が発生する場合、平面カプラの代わりに曲面カプラを用いることによって、外部共振をするレーザダイオードの数を増やすことができるので、光源装置のレーザビームの出力、品質を高めることができる。

図１３は曲面カプラを有する光源装置のコンピュータシミュレーション結果を示す。図１３は、光出射部の高さのずれがゼロである場合に、戻り光量に及ぼすデフォーカスの影響を示す。図１３に示す結果から、デフォーカスが＋２．５μｍであるところに、戻り光量のピークが存在することが分かる。なお、デフォーカスが０～４μｍである範囲では、デフォーカスが０である場合の戻り光量以上の戻り光量が得られる。ｆ₁、ｆ₂及びＬの値を変えてコンピュータシミュレーションを繰り返したが、何れの結果も「＋」のデフォーカスのところ、言い換えると正方向にデフォーカスさせたときに戻り光量のピークが存在することを示した。

各光出射部１０２は完全な点光源ではなく、所定の大きさを持つため、各光出射部１０２から出射したビームはコリメート部１０６、集光部１０８を透過しても完全なコリメート光とはならず、わずかに発散したビームとなる。また、コリメート部１０６をｚ軸の正方向にデフォーカスすることで、ビームは集光されるが、光源の所定の大きさに起因する発散と相殺されて、ある点において戻り光量がピークを有することとなる。デフォーカス量をこの値よりも大きくすると、集光効果が勝り、戻り光量は低下する。

また、図１１において、集光部１０８を透過するビーム１０５ａ、１０５ｃを１本の直線で示したが、実際には集光部１０８に入射する際に屈折して、集光部１０８の光軸方向（ビーム１０５ｂと一致する方向）に傾斜し、集光部１０８から出射する際に屈折して、傾きは入射時の角度に戻る。従って、集光部１０８の後側のビーム１０５ａ、１０５ｃの直線を延伸させると、コリメート部１０６の後側焦点よりもｚ軸の正方向にシフトした位置に交点を結ぶ。

上記の理由から、曲面カプラを使用した場合には、コリメート部１０６をｚ軸正方向にデフォーカスした位置に戻り光量のピーク位置が存在することになる。

したがって、多くの戻り光量を得るために、コリメート部１０６からレーザダイオードバー１０４（光出射部１０２）までの距離は、コリメート部１０６の焦点距離ｆ₂以上にすることが好ましい。例えば、コリメート部１０６からレーザダイオードバー１０４（光出射部１０２）までの距離は、コリメート部１０６の焦点距離ｆ₂以上で、（ｆ₂＋４μｍ）以下にすることが好ましい。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者に明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記実施形態において、光源部として複数のレーザ光源が一列に配列されたレーザダイオードバーを例示したが、光源部をレーザダイオードバーに限定するものではない。レーザ光源をマトリックス状に配列したレーザダイオードスタックを光源部としてもよい。また、キャンタイプやＳМＤタイプのレーザダイオードを複数個用いてもよい。上述の実施形態において、回折格子の例として、図面において反射型回折格子だけ示したが、回折格子は透過型回折格子であってもよい。

なお、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成によって置換することも可能であり、それを削除することも可能である。

１００ 光源装置
１０１ 導波路
１０２ 光出射部
１０４ レーザダイオードバー
１０５ ビーム
１０６ コリメート部
１０８ 集光部
１１０ 回折格子
１１２ 出力カプラ
１１２ａ 反射面
１１２ｂ 出射面
１１４ 調整レンズ
５０２ サブ平面
７１２ 出力カプラ
８０２ サブマウント
８０４ 接合材

Claims (6)

1. 所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射した個々の光を略平行光とするコリメート部と、前記コリメート部から出射した個々の光を平行光とするとともに前記平行光全体を集光する集光部と、前記集光部によって集光された光が入射する回折格子と、前記回折格子の回折光の光路に配置され、前記レーザ光源と共に外部共振器を構成する出力カプラと、を含む光源装置において、
   前記出力カプラの反射面は、前記回折光の光軸に直交し、前記回折光の光軸と前記集光部の光軸によって定められる平面にある中心軸を有する円柱面であり、
   前記出力カプラから出射した光を略平行光とする、又は、前記出力カプラから出射した光を集光する、調整レンズを備える
   ことを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記調整レンズは、前記出力カプラと一体に形成されている
   ことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記出力カプラの出射面は、前記反射面に平行する曲面である
   ことを特徴とする光源装置。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の光源装置において、
   前記レーザ光源は、レーザダイオードであり、
   前記光源部は、複数の前記レーザダイオードが横一列に配列されたレーザダイオードバーであり、
   前記集光部は、シリンドリカルレンズを含み、
   前記円柱面を形成する円の半径Ｒは、
   式 Ｒ＝ｆ_１×２＋Ｌ
   （式中、ｆ_１は前記集光部の焦点距離を表し、Ｌは前記回折格子から前記出力カプラまでの距離を表す）
   で定められる
   ことを特徴とする光源装置。
5. 請求項４に記載の光源装置において、
   前記コリメート部から前記レーザダイオードバーまでの距離は、前記コリメート部の焦点距離ｆ_２以上である
   ことを特徴とする光源装置。
6. 請求項５に記載の光源装置において、
   前記コリメート部から前記レーザダイオードバーまでの距離は、前記コリメート部の焦点距離ｆ_２以上であり、（ｆ_２＋４μｍ）以下である
   ことを特徴とする光源装置。

Images