JP7440492B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、複数の半導体レーザ素子を備える半導体レーザ装置に関する。
指向性の優れた半導体レーザ素子として、１ワットを超える光出力が得られるものが開発されており、多数の半導体レーザ素子からのレーザ光を束ねることで、数百ワット以上数千ワット以下程度の光を出力できるレーザ光源装置が提案されている。これらの高い光出力を得られる半導体レーザ装置は、例えば、被加工物に照射することによって、加工を行う熱源として利用されている。例えば、これらの半導体レーザ装置は、金属材料の溶接、金属板の切断などに利用されている。多数の半導体レーザ素子からのレーザ光を束ねる方法としては、例えば、空間結合又は波長結合があり、高輝度のレーザ光を得るために、結合光学系の工夫がなされている。
例えば、特許文献１に記載されたレーザ・アセンブリにおいては、複数の半導体レーザ素子がそのファースト軸（つまり、速軸）を含む平面内において、所定の位置を中心として放射状に配置される。これにより、所定の位置にレーザ光を集光しようとしている。
また、特許文献２に記載されたレーザ装置においては、複数のレーザモジュールからの異なる波長のレーザ光をレンズを用いて回折格子上に集光して波長結合している。
特開２０１１－８６９０５号公報 国際公開第２０１７／１３４９１１号
しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ・アセンブリにおいては、複数の半導体レーザ素子が、放射状に配置されているため、複数のレーザ・アセンブリ間を乖離して配置しなければならない。これに伴い、所定の角度範囲内に配置できるレーザ素子の数が制限されるため、光出力も制限される。
また、特許文献２に記載されたレーザ装置においては、レンズで集光された各モジュールからのレーザ光が回折格子に入射する。回折格子に入射するレーザ光は、それぞれ平行光ではなく収束光である。回折格子で波長結合されるレーザ光は、各モジュールの発振波長に対応した入射角を有するレーザ光のみであるので、収束光のうち所定の角度を有しないレーザ光の成分は、回折格子から出射した後に発散してしまう。このため、回折格子から出射したレーザ光をレンズで集光して光ファイバに入射させる際に結合ロスが発生する。さらに、より径の小さい光ファイバへの結合においては、より一層結合ロスが増大する。また、回折格子にレンズでレーザ光を集光しているために、回折格子上での光密度が非常に高く、回折格子を破壊してしまうおそれがある。このため、結合できるレーザ光の数にも制約があり、高出力化が難しい。
本開示は、このような課題を解決するものであり、波長分散素子によって波長結合を行う半導体レーザ装置において、波長分散素子における光密度を抑制しつつ、高輝度なレーザ光を出射できる半導体レーザ装置を提供する。
上記課題を解決するために、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子と、前記複数の出射光の少なくとも一つを偏向する偏向素子と、前記複数の半導体レーザ素子からの複数の出射光を同一光軸上に波長結合する波長分散素子とを備え、前記偏向素子は、複数の出射光にそれぞれ対応した複数の平面を有し、前記複数の出射光は、前記波長分散素子上で互いに重なる。
これにより、複数の半導体レーザ素子の間隔を小さく配置しても、偏向素子の複数の平面の傾斜を適切に設定することで、波長分散素子上で、複数の出射光を重ねることができる。これにより、単位面積当たりの半導体レーザ素子の数を増やすことができるため、半導体レーザ装置の中に配置できる半導体レーザ素子の数も大きくすることができ、半導体レーザ装置の高出力化を実現できる。また、複数の出射光は、偏向素子によって、収束されないため、平行光の状態で波長分散素子に入射することが可能となる。したがって、波長分散素子上でのビーム径を大きくすることができるため、複数の出射光を重ねても、複数の収束光を重ねる場合より、光密度を抑制できる。これにより波長分散素子へのダメージを抑制しつつ、より多くの半導体レーザ素子からの出射光を重ねることができるため、半導体レーザ装置の高出力化を実現できる。
また、波長分散素子に入射する各レーザ光を入射角度分布が小さい平行光とすることができるため、波長分散素子によって、各レーザ光を平行光の状態で結合できる。これにより部分反射ミラーから出力される出射光として、ビーム品質の高い高輝度のレーザ光を得ることができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の出射光は、第１軸方向及び前記第１軸方向と直交する第２軸方向に発散角を有し、前記半導体レーザ装置は、前記発散角を変換する複数のレンズをさらに備え、前記複数の平面のうち少なくとも一つの平面は、対応する出射光の光軸に対して傾斜しており、前記複数の半導体レーザ素子は、前記第１軸方向及び前記第２軸方向の一方の軸方向に配列されてもよい。
このように、複数の平面のうち少なくとも一つの平面が、対応する出射光の光軸に対して傾斜していることで、対応する出射光を偏向することができる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、前記波長分散素子によって波長結合された前記複数の出射光の一部を反射し、他の一部を透過し、前記複数の半導体レーザ素子との間で外部共振器を形成する部分反射ミラーをさらに備えてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数のレンズは、前記第１軸方向のレーザ光の発散角を低減する第１レンズを含んでもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数のレンズは、前記第２軸方向における前記複数の出射光の発散角を低減する第２レンズを含んでもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記第２レンズは、前記第１レンズと前記波長分散素子との間に配置されてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記一方の軸方向において、前記複数の出射光の各々のビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下であってもよい。
この場合、複数の出射光の二つの軸方向のうち、複数の出射光を重ねる軸方向におけるビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下となるため、各出射光の重なりのずれが発生する場合にも、ずれの許容範囲が大きくなる。これにより、波長分散によって結合される軸方向のビーム品質の劣化を抑制できるため、高輝度なレーザ光を出力可能な半導体レーザ装置を実現できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記偏向素子は、前記複数の出射光が入射する入射面、及び、前記入射面から入射した前記複数の出射光が出射する出射面を有し、前記複数の平面は、前記複数の出射光をそれぞれ透過する透過面であり、前記入射面及び前記出射面の少なくとも一方に含まれていてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の平面は、前記複数の出射光をそれぞれ反射する反射面であってもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記一方の軸方向は、前記第１軸方向であり、前記第１レンズは、ファースト軸コリメータであり、前記第２レンズは、スロー軸コリメータであってもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、前記複数の半導体レーザ素子がそれぞれ実装され、金属材料で形成された複数のパッケージをさらに備え、前記複数のパッケージの各々は、前記複数の半導体レーザ素子のうち、当該パッケージに実装される半導体レーザ素子に電力を供給する複数のリードピンを有し、前記複数のパッケージの各々の光出射部には、前記第１レンズが配置され、前記複数のパッケージの各々は、前記複数の半導体レーザ素子の各々が実装される実装面を有し、前記複数のパッケージの各々は、前記実装面に平行な二つの平面を有し、前記二つの平面間の距離は当該パッケージの厚さに相当し、前記複数の半導体レーザ素子が配置される間隔に等しくてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ、導電性材料で形成されたサブマウントを介して前記複数のパッケージに実装されており、前記複数のリードピンの一つは、前記複数のパッケージと同電位であり、前記複数の半導体レーザ素子は、電圧駆動されてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ、電気絶縁性材料で形成されたサブマウントを介して前記複数のパッケージに実装されており、前記複数のリードピンと前記複数のパッケージとは絶縁されており、前記複数の半導体レーザ素子は、電流駆動されてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数のパッケージは、それぞれ、前記複数の半導体レーザ素子を気密封止してもよい。
これにより、パッケージ内の雰囲気をコントロールできるため、半導体レーザ素子の劣化を抑制できる。特に、半導体レーザ素子が青色光、紫外光などの比較的短波長のレーザ光を出射する場合には、パッケージ内へのシロキサンの流入を抑制することで、半導体レーザ素子などへのシロキサンの堆積を低減できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の出射光の各々の前記第１軸方向及び前記第２軸方向におけるビームパラメータ積は、１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下であり、前記複数の半導体レーザ素子は、前記第２軸方向に配列され、前記第１レンズは、ファースト軸コリメータであり、前記第２レンズは、スロー軸コリメータであってもよい。
この場合、複数の出射光の二つの軸方向のうち、出射光を重ねる軸方向におけるビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下となるため、各出射光の重なりのずれが発生した場合にも、ずれの許容範囲が大きくなる。これにより、波長分散によって結合される軸方向のビーム品質を維持できるため、高輝度なレーザ光を出力可能な半導体レーザ装置を実現できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様は、前記複数の半導体レーザ素子が実装され、金属材料で形成された一つのパッケージをさらに備え、前記一つのパッケージは、前記複数の半導体レーザ素子に電力を供給する複数のリードピンを有し、前記一つのパッケージには、前記第１レンズが配置されていてもよい。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記複数の半導体レーザ素子は、一つのサブマウントを介して前記一つのパッケージに実装されてもよい。
このように、一つのサブマウントに複数の半導体レーザ素子を実装することにより、複数の出射光の光軸のずれを低減できる。したがって、半導体レーザ装置は、より高輝度なレーザ光を出力できる。
また、本開示に係る半導体レーザ装置の一態様において、前記一つのパッケージは、前記複数の半導体レーザ素子を気密封止してもよい。
これにより、パッケージ内の雰囲気をコントロールできるため、半導体レーザ素子の劣化を抑制できる。特に、半導体レーザ素子が青色光、紫外光などの比較的短波長のレーザ光を出射する場合には、パッケージ内へのシロキサンの流入を抑制することで、半導体レーザ素子などへのシロキサンの堆積を低減できる。
本開示によれば、波長分散素子によって波長結合を行う半導体レーザ装置において、波長分散素子における光密度を抑制しつつ、高輝度なレーザ光を出射できる半導体レーザ装置を提供できる。
図１Ａは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の全体構成を示す模式的な上面図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の全体構成を示す模式的な側面図である。 図２Ａは、実施の形態１に係る光源ユニットの上面側の外観を示す斜視図である。 図２Ｂは、実施の形態１に係る光源ユニットの下面側の外観を示す斜視図である。 図２Ｃは、本実施の形態１に係る光源ユニットの構成を示す分解斜視図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る光源モジュールの外観を示す斜視図である。 図３Ｂは、実施の形態１に係る光源モジュールの構成を示す部品展開図である。 図４Ａは、実施の形態１に係る偏向素子の外観を示す斜視図である。 図４Ｂは、実施の形態１に係る偏向素子の形状を示す側面図及び上面図である。 図５は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置の作用及び効果を説明するための図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る偏向素子の複数の平面の第１の設計例を示すグラフである。 図６Ｂは、実施の形態１に係る偏向素子の複数の平面の第２の設計例を示すグラフである。 図６Ｃは、実施の形態１に係る偏向素子の複数の平面の第３の設計例を示すグラフである。 図６Ｄは、実施の形態１に係る偏向素子の複数の平面の第４の設計例を示すグラフである。 図７は、実施の形態２に係る光源ユニットの構成を示す模式的な上面図である。 図８は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置の構成を示す模式的な上面図である。 図９は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置の構成を示す模式的な上面図である。 図１０は、実施の形態４に係る光源ユニットの外観を示す模式的な斜視図である。 図１１は、実施の形態４に係る光源ユニットの構成を示す分解斜視図である。 図１２は、実施の形態４に係る光源モジュールの構成を示す分解斜視図である。 図１３は、実施の形態４に係る複数の半導体レーザ素子及びサブマウントの外観を示す斜視図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
また、本明細書及び図面において、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、三次元直交座標系の三軸を表している。Ｘ軸及びＹ軸は、互いに直交し、かつ、いずれもＺ軸に直交する軸である。
（実施の形態１）
実施の形態１に係る半導体レーザ装置について説明する。
［全体構成］
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の全体構成について図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１の全体構成を示す模式的な上面図及び側面図である。
本実施の形態に係る半導体レーザ装置１は、波長分散素子によって複数の出射光の波長結合を行うレーザ光源である。半導体レーザ装置１は、図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、光源ユニット３００と、波長分散素子７０と、部分反射ミラー８０とを備える。
光源ユニット３００は、複数の半導体レーザ素子を有するユニットである。光源ユニット３００について、図２Ａ～図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、本実施の形態に係る光源ユニット３００の上面側及び下面側の外観を示す斜視図である。図２Ｃは、本実施の形態に係る光源ユニット３００の構成を示す分解斜視図である。
図２Ａ及び図２Ｃに示されるように、光源ユニット３００は、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉと、第２レンズ４０と、レンズホルダ４１と、偏向素子５０と、ユニットベース３０１とを有する。なお、上述の図１Ｂにおいては、簡略化のために、ユニットベース３０１及びレンズホルダ４１の図示が省略されている。また、図２Ｃにおいては、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉのうち、光源モジュール２００ｉだけが示されている。また、図２Ｂ及び図２Ｃに示されるように、光源ユニット３００は、回路基板３１０をさらに有する。
ユニットベース３０１は、光源ユニット３００の基台であり、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉなどが取り付けられる。図２Ｃに示されるように、ユニットベース３０１は、板状の形状を有する。ユニットベース３０１には、固定穴３０４及び３０５、貫通孔３０２及び３０３が形成されている。固定穴３０４は、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの各々を固定するためのネジ９０がねじ込まれるネジ穴である。固定穴３０５は、レンズホルダ４１を固定するためのネジ９０がねじ込まれるネジ穴である。貫通孔３０２は、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの各々のリードピン２３及び２４が挿入される長孔である。貫通孔３０３は、ユニットベース３０１を固定するためのネジなどが挿入される孔である。
回路基板３１０は、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉに電力を供給する基板である。図２Ｂ及び図２Ｃに示されるように、回路基板３１０は、ユニットベース３０１の裏面（つまり、各光源モジュールなどが配置される面の裏側の面）に配置される。回路基板３１０には、回路基板３１０に電力を供給するリード線である電力供給リード３１３が接続される。回路基板３１０には、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの各リードピン２３及び２３を接続するための貫通孔３１１が形成されている。また、回路基板３１０には、電力供給リード３１３から貫通孔３１１までのプリント配線３１２などが形成され、当該プリント配線３１２を介して電力供給リード３１３からリードピン２３及び２４に電力が供給される。図２Ｂに示される例では、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉが直列に接続されて、同一の電流が供給される場合、つまり、電流駆動の場合のプリント配線３１２が図示されている。なお、回路基板３１０は、電力供給リード３１３から供給された電圧及び電流の少なくとも一方を変換するための回路を有してもよい。
複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの各々は、半導体レーザ素子を有するモジュールである。なお、本実施の形態に係る光源ユニット３００は、９個の光源モジュール２００ａ～２００ｉを有するが、光源モジュールの個数は複数であれば特に限定されない。以下、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの構成について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは、本実施の形態に係る光源モジュール２００の外観を示す斜視図である。図３Ｂは、本実施の形態に係る光源モジュール２００の構成を示す部品展開図である。図３Ｂにおいては、半導体レーザ素子１０付近の破線枠内の拡大図も併せて示されている。図１Ａに示される複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉの各々は、図３Ａ及び図３Ｂに示される光源モジュール２００と同様の構成を有する。
図３Ａ及び図３Ｂに示されるように、光源モジュール２００は、パッケージ２０と、第１レンズ３０とを有する。本実施の形態では、図３Ｂに示されるように、光源モジュール２００は、半導体レーザ素子１０と、サブマウント１１とカバーガラス２６とを有する。パッケージ２０は、半導体レーザ素子１０が実装され、金属材料で形成されたケースである。パッケージ２０は、枠体２２と、蓋２９と、複数のリードピン２３及び２４とを有する。
枠体２２は、パッケージ２０の本体部であり、開口部２２ａと、光出射部２５と、貫通孔２１とが形成されている。開口部２２ａは、パッケージ２０の内部とつながる開口であり、半導体レーザ素子１０などをパッケージ２０内に挿入するための挿入口である。本実施の形態では、開口部２２ａは、矩形状の形状を有する。光出射部２５は、枠体２２の一面に形成された開口であり、パッケージ２０の内部に実装された半導体レーザ素子１０からの出射光が通る。光出射部２５には、第１レンズ３０が配置される。蓋２９は、枠体２２の開口部２２ａを塞ぐ板状部材であり、開口部２２ａと同様に矩形状の形状を有する。リードピン２３及び２４の各々は、半導体レーザ素子１０に電力を供給する端子である。貫通孔２１は、パッケージ２０をユニットベース３０１に固定するためのネジ９０が挿入される孔である。貫通孔２１に挿入されたネジ９０は、図２Ｃに示されるようにユニットベース３０１に形成されたネジ穴である固定穴３０４にねじ込まれる。これにより、光源モジュール２００がユニットベース３０１に固定される。また、光源モジュール２００がユニットベース３０１に固定される際に、リードピン２３及び２４は、ユニットベース３０１の貫通孔３０２に挿入され、図２Ｃに示される回路基板３１０の貫通孔３１１にさらに挿入される。回路基板３１０の貫通孔３１１に挿入されたリードピン２３及び２４は、半田などを用いて回路基板３１０に固定され、かつ、プリント配線３１２に電気的に接続される。
図３Ｂに示されるように、パッケージ２０は、半導体レーザ素子１０が実装される実装面２７を有する。また、パッケージ２０は、実装面２７に平行な二つの平面２０１ａ及び２０１ｂを有し、二つの平面２０１ａ及び２０１ｂ間の距離はパッケージ２０の厚さＨ（図３Ａ参照）に相当する。本実施の形態では、図１Ａ及び図２Ａに示されるように、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉは、パッケージ２０の厚さ方向にほぼ隙間なく配列される。つまり、パッケージ２０の厚さＨは、複数の半導体レーザ素子１０が配置される間隔に等しい。ここで、パッケージ２０の厚さＨが、複数の半導体レーザ素子１０が配置される間隔に等しいとの記載が意味する構成には、パッケージ２０の厚さＨが半導体レーザ素子１０が配置される間隔と完全に一致する構成だけでなく、パッケージ２０の厚さＨが半導体レーザ素子１０が配置される間隔とほぼ一致する構成も含まれる。パッケージ２０の厚さＨが、複数の半導体レーザ素子１０が配置される間隔に等しいとの記載が意味する構成には、例えば、パッケージ２０の厚さＨと半導体レーザ素子１０が配置される間隔との誤差が５％以内である構成が含まれてもよい。
また、光源モジュール２００ａ～２００ｉが、上述したようにユニットベース３０１上に配置されることにより、複数の半導体レーザ素子１０からの複数の出射光の光軸は、同一平面内に存在する。図１Ａなどに示される例では、複数の出射光の光軸は、ＺＸ平面に平行な平面内に存在する。ここで、複数の出射光の光軸が、同一平面内に存在するとの記載が意味する構成には、各光軸が完全に同一平面内に存在する構成だけでなく、各光軸が完全に略同一平面内に存在する構成も含まれる。複数の出射光の光軸が、同一平面内に存在するとの記載が意味する構成には、複数の出射光の光軸が、製造誤差、組立誤差などに起因する程度だけ所定の平面からずれる構成も含まれてもよい。例えば、各光軸の方向のずれが５°程度以下である構成も含まれてもよいし、各光軸の位置の所定の平面からのずれが、各出射光のスポットサイズの２０％程度以下である構成も含まれてもよい。
パッケージ２０は、例えば、金属材料で形成される。なおリードピン２３及び２４と枠体２２との間には、絶縁部材が挿入される。これにより、リードピン２３及び２４と枠体２２などとが導通することを抑制できる。リードピン２３及び２４はそれぞれ棒状の形状を有し、パッケージ２０の枠体２２を貫通して、一端がパッケージ２０に内部に、他端がパッケージ２０の外部に配置される。リードピン２３及び２４のパッケージ２０の内部に配置される一端には、平面状の形状を有するボンディング面２３ｂ及び２４ｂがそれぞれ形成されている。ボンディング面２３ｂには、第１導電ワイヤ２３ｗの一端がボンディングされ、ボンディング面２４ｂには、第２導電ワイヤ２４ｗの一端がボンディングされる。第１導電ワイヤ２３ｗの他端は、サブマウント１１に形成された導電膜１２にボンディングされる。これにより、第１導電ワイヤ２３ｗは、導電膜１２を介して、半導体レーザ素子１０のｎ側電極に接続される。また、第２導電ワイヤ２４ｗの他端は、半導体レーザ素子１０に接続される。より具体的には、第２導電ワイヤ２４ｗの他端は、半導体レーザ素子１０のｐ側電極に接続される。
また、本実施の形態では、パッケージ２０は、半導体レーザ素子１０を気密封止する。つまり、枠体２２の開口部２２ａと蓋２９との間、光出射部２５とカバーガラス２６との間などはシールされる。これにより、パッケージ２０内の雰囲気をコントロールできるため、半導体レーザ素子１０の劣化を抑制できる。特に、半導体レーザ素子１０が青色光、紫外光などの比較的短波長のレーザ光を出射する場合には、パッケージ２０内へのシロキサンの流入を抑制することで、半導体レーザ素子１０などへのシロキサンの堆積を低減できる。
半導体レーザ素子１０は、出射光を出射する半導体発光素子であり、互いに異なる波長の光を出射する。本実施の形態では、半導体レーザ素子１０は、レーザ共振方向における一方の端部において高反射率の反射膜（不図示）が形成されており、他方の端部においては、図３Ｂに示されるように低反射膜１３が形成されている。
複数の半導体レーザ素子１０からの複数の出射光は、第１軸方向及び第２軸方向に発散角を有する。本実施の形態では、第１軸方向及び第２軸方向は、それぞれ、ファースト軸方向及びスロー軸方向である。また、図３Ｂなどに示される例では、第１軸方向は、Ｘ軸方向に平行であり、第２軸方向は、第１軸方向と直交し、Ｙ軸方向に平行である。本実施の形態では、複数の半導体レーザ素子１０は、図１Ａ及び図２Ａに示されるように、第１軸方向に配列される。より詳しくは、複数の半導体レーザ素子１０は、第１軸方向に等間隔に配置される。半導体レーザ素子１０の構成は特に限定されないが、例えば、半導体レーザ素子１０は、ＧａＮ系の半導体材料からなるレーザ素子である。
サブマウント１１は、パッケージ２０の実装面２７に実装される部材である。サブマウント１１には、半導体レーザ素子１０が実装される。つまり、半導体レーザ素子１０は、サブマウント１１を介してパッケージ２０に実装される。より詳しくは、半導体レーザ素子１０は、サブマウント１１の一つの主面に実装される。本実施の形態では、半導体レーザ素子１０のｎ側電極がサブマウント１１の上面１１ｍに実装される。サブマウント１１の上面１１ｍには、導電膜１２が形成されており、半導体レーザ素子１０のｎ側電極と接続される。
本実施の形態では、サブマウント１１は、熱伝導率が高い電気絶縁性材料で形成される。サブマウント１１は、例えば、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどで形成される。サブマウント１１の熱伝導率が高いことで、半導体レーザ素子１０で発生する熱を速やかに放散できるため、半導体レーザ素子１０の熱に起因する出力低下などの悪影響を抑制できる。また、サブマウント１１を電気絶縁性材料で形成することにより、半導体レーザ素子１０のｎ側電極と、パッケージ２０とを絶縁できる。これにより、例えば、複数の半導体レーザ素子１０を直列接続して、電流駆動することが可能となる。
カバーガラス２６は、パッケージ２０の光出射部２５に配置される透光性の板状部材である。本実施の形態では、カバーガラス２６は、光出射部２５を覆う透明なガラス板である。
第１レンズ３０は、半導体レーザ素子１０からの出射光の発散角を変換する複数のレンズの一つであり、第１軸方向における出射光の発散角を低減する。本実施の形態では、第１レンズ３０は、半導体レーザ素子１０のファースト軸方向の発散を低減する。本実施の形態では、第１レンズ３０は、半導体レーザ素子１０の出射光をファースト軸方向において平行光にする。つまり、第１レンズ３０は、ファースト軸コリメータである。また、第１軸方向は、ファースト軸方向である。第１レンズ３０は、例えば、ガラス、石英などで形成されたシリンドリカルレンズである。第１レンズ３０は、カバーガラス２６を介してパッケージ２０の光出射部２５に配置される。
第２レンズ４０は、半導体レーザ素子１０からの出射光の発散角を変換する複数のレンズの一つであり、第１レンズ３０と波長分散素子７０との間に配置され、第２軸方向のレーザ光の発散角を低減する。本実施の形態では、第２レンズ４０は、半導体レーザ素子１０のスロー軸方向の発散を低減する。本実施の形態では、第２レンズ４０は、半導体レーザ素子１０の出射光をスロー軸方向において平行光にする。つまり、第２レンズ４０は、スロー軸コリメータである。また、第２軸方向は、スロー軸方向である。第２レンズ４０は、例えば、ガラス、石英などで形成されたシリンドリカルレンズである。
レンズホルダ４１は、第２レンズ４０を保持するホルダである。レンズホルダ４１は、ネジ９０によってユニットベース３０１に固定される。つまり、第２レンズ４０は、レンズホルダ４１を介してユニットベース３０１に固定される。レンズホルダ４１は、例えば、パッケージ２０と同様に金属材料で構成される。
偏向素子５０は、複数の半導体レーザ素子１０からの複数の出射光の少なくとも一つを偏向する光学素子である。偏向素子５０は、ユニットベース３０１に固定される。偏向素子５０のユニットベース３０１への固定態様は特に限定されない。本実施の形態では、偏向素子５０の底面（つまり、ユニットベース３０１と対向する面）がユニットベース３０１に接合される。偏向素子５０は、例えば接着剤などを用いてユニットベース３０１に接合される。
以下、偏向素子５０について、図１Ａ、図４Ａ及び図４Ｂを用いて詳細に説明する。図４Ａは、本実施の形態に係る偏向素子５０の外観を示す斜視図である。図４Ｂは、本実施の形態に係る偏向素子５０の形状を示す側面図及び上面図である。図４Ｂにおいては、左側及び右側にそれぞれ偏向素子５０の側面図及び上面図が示されている。
図１Ａに示されるように、偏向素子５０は、複数の半導体レーザ素子１０からの複数の出射光６０ａ～６０ｉが入射する入射面５２、及び、入射面５２から入射した複数の出射光６０ａ～６０ｉが出射する出射面５３とを有する。また、偏向素子５０は、複数の出射光にそれぞれ対応した複数の平面５１ａ～５１ｉを有する。本実施の形態では、複数の平面５１ａ～５１ｉは、複数の出射光６０ａ～６０ｉをそれぞれ透過する透過面である。なお、本実施の形態では、複数の平面５１ａ～５１ｉは、入射面５２に含まれるが、複数の平面５１ａ～５１ｉは、出射面５３に含まれてもよい。複数の平面５１ａ～５１ｉは、入射面５２及び出射面５３の少なくとも一方に含まれてもよい。
偏向素子５０の複数の平面５１ａ～５１ｉのうち少なくとも一つの平面の各々は、複数の出射光６０ａ～６０ｉのうち、少なくとも一つの平面の各々に対応する出射光の光軸に対して傾斜している。本実施の形態では、図１Ａに示されるように、平面５１ａ～５１ｄ及び５１ｆ～５１ｉは、それぞれ、対応する出射光６０ａ～６０ｄ、６０ｆ～６０ｉに対して傾斜している（つまり、垂直でない）。また、各平面の傾斜は、平面５１ｅから遠ざかるにしたがって大きくなる。これにより、偏向素子５０において、出射光６０ｅから遠い位置にある出射光ほど、偏向素子５０によって大きく偏向される。また、複数の出射光６０ａ～６０ｉは、同一平面内に存在するため、偏向素子５０によって、複数の出射光６０ａ～６０ｉを波長分散素子７０上で重ねることが可能となる。偏向素子５０の詳細な作用については、後述する。偏向素子５０は、例えば、ガラス、石英などの透光性材料で形成される。偏向素子５０の傾斜面形状は、例えば、金型を用いてガラス材料を成型することで形成が可能である。又は、傾斜面形状に応じた透過率を持つグレースケールマスクなどを用いて、ステッパ装置などで、ガラス基板上に塗布したレジストに形状を転写し、その後反応性エッチング装置（ＲＩＥ）などでガラス基板をエッチングして形成する方法でも形成が可能である。このように形成された偏向素子５０の入射面５２及び出射面５３には、透過率を高めるための反射防止膜が形成されている。反射防止膜は、屈折率の異なる複数の誘電体材料（例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５などの材料）を、例えば、スパッタ又は蒸着によって多層に成膜したものが用いられる。
波長分散素子７０は、偏向素子５０からの複数の出射光６０ａ～６０ｉを同一光軸上に波長結合して結合光６１とする光学素子である。波長分散素子７０の構成は、複数の出射光６０ａ～６０ｉを同一光軸上に波長結合できる光学素子であれば特に限定されないが、本実施の形態では、波長分散素子７０は、反射型の回折格子である。ここで、複数の出射光６０ａ～６０ｉを同一光軸上に波長結合するとの記載が意味する構成には、複数の出射光６０ａ～６０ｉが完全に同一の光軸上に結合される構成だけでなく、複数の出射光６０ａ～６０ｉが略同一の光軸上に結合される構成も含まれる。複数の出射光６０ａ～６０ｉを同一光軸上に波長結合するとの記載が意味する構成には、波長結合された複数の出射光６０ａ～６０ｉの各光軸が製造誤差、組立誤差に起因する程度ずれている構成も含まれてもよい。例えば、各光軸の方向のずれが５°程度以下である場合も含まれてもよいし、各光軸の位置のずれが、各出射光のスポットサイズの２０％程度以下である場合も含まれてもよい。
波長分散素子７０に入射する複数の出射光６０ａ～６０ｉの各波長は、互いに異なり、波長分散素子７０への入射角度と、結合光６１の出射角度と、波長分散素子７０の特性とに基づいて決定される。
部分反射ミラー８０は、波長分散素子７０からの結合光６１の一部を反射し、他の一部を透過し、複数の半導体レーザ素子１０との間で外部共振器を形成する素子である。より詳しくは、部分反射ミラー８０は、複数の半導体レーザ素子１０に形成された高反射膜との間で外部共振器を形成する。本実施の形態では、部分反射ミラー８０は、平面ミラーである。部分反射ミラー８０の部分反射特性を持つ反射膜は、部分反射ミラー８０のいずれか一方の面に形成されており、他方の面には反射防止膜が形成されている。反射膜及び反射防止膜としては、例えば、屈折率の異なる複数の誘電体材料（例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５などの材料）をスパッタや蒸着によって多層に成膜した誘電体多層膜が用いられる。部分反射ミラー８０の反射率は、複数の半導体レーザ素子１０の特性などに応じて適宜設定されるが、複数の半導体レーザ素子１０の各々が発振する波長の幅において、ほぼ一定であってもよく、具体的には、中心波長－２０ｎｍ以上、中心波長＋２０ｎｍ以下の幅で、ほぼ一定であってもよい。半導体レーザ装置１の高出力化のためには、部分反射ミラー８０を透過して出力されるレーザ光６２はできるだけ大きい方が良い。レーザ光６２の高出力化のために、部分反射ミラー８０の反射率を、５％～５０％範囲で設定してもよい。
［作用及び効果］
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１の作用及び効果について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１の作用及び効果を説明するための図である。図５においては、簡略化のため、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉのうち、光源モジュール２００ａ及び２００ｅだけが示されている。
図５に示されるように、半導体レーザ装置１の光源モジュール２００ａ及び２００ｅが有する各半導体レーザ素子１０からの出射光６０ａ及び６０ｅは、同一平面内において、同一方向（図５のＺ軸方向）に伝播する。そして、出射光６０ａ及び６０ｅは、各光源モジュールが有する第１レンズ３０によって、ファースト軸方向である第１軸方向（図５のＸ軸方向）における発散角が低減される。続いて、出射光６０ａ及び６０ｅは、第２レンズ４０によって、スロー軸方向である第２軸方向（図５のＹ軸方向）における発散角が低減される。第１レンズ３０及び第２レンズ４０によって略平行光となった出射光６０ａ及び６０ｅは、偏向素子５０に入射される。出射光６０ａは、偏向素子５０の入射面５２に含まれる平面５１ａによって偏向され、波長分散素子７０上において、同一平面内を伝播する出射光６０ｅと重なる。偏向素子５０の各平面の各出射光に対する傾きは、偏向素子５０の入射面から波長分散素子７０までの距離Ｌと、隣り合う半導体レーザ素子１０の間隔Ｐとに応じて、各出射光が波長分散素子７０上で重なるように定められる。なお、偏向素子５０の入射面５２の位置は、実質的に出射光が入射する位置である入射基準位置として定義される。ここで、本実施の形態に係る偏向素子５０の設計例について図６Ａ～図６Ｄを用いて説明する。図６Ａ～図６Ｄは、本実施の形態に係る偏向素子５０の複数の平面の設計例を示すグラフである。図６Ａ及び図６Ｂには、隣り合う半導体レーザ素子１０の間隔Ｐが１０ｍｍであって、偏向素子５０の入射面から波長分散素子７０までの距離Ｌが５００ｍｍである場合の偏向素子５０の入射面位置が示されている。図６Ｂには、間隔Ｐが１０ｍｍであって、距離Ｌが１０００ｍｍである場合の偏向素子５０の入射面位置が示されている。図６Ｃには、間隔Ｐが５ｍｍであって、距離Ｌが５００ｍｍである場合の偏向素子５０の入射面位置が示されている。図６Ｄには、間隔Ｐが５ｍｍであって、距離Ｌが１０００ｍｍである場合の偏向素子５０の入射面位置が示されている。図６Ａ～図６Ｄに示されるように、間隔Ｐが小さいほど、また、距離Ｌが小さいほど、偏向素子５０の平面の傾斜を大きくする必要がある。図６Ａ～図６Ｄに示されるように、入射面５２の各平面を間隔Ｐ及び距離Ｌに応じて設計することで、本実施の形態に係る偏向素子５０を実現できる。
偏向素子５０は、平面５１ａによって出射光６０ａを偏向するため、収束されることなく略平行光のままで出射光６０ｅと重なる。このようにして波長分散素子７０に入射した出射光６０ａ及び６０ｅは、波長分散素子７０によって波長結合されて結合光６１となる。結合光６１は、部分反射ミラー８０に入射し、一部が反射し、他の一部が透過する。部分反射ミラー８０で反射した結合光６１は、再度波長分散素子７０に戻り、出射光６０ａ及び６０ｅに分離される。出射光６０ａ及び６０ｅは、それぞれ、光源モジュール２００ａ及び２００ｅに入射し、半導体レーザ素子１０に設けられた高反射膜で反射されて、再度半導体レーザ素子１０から出射される。
このように、出射光６０ａ及び６０ｅは、半導体レーザ素子１０と部分反射ミラー８０との間で形成される外部共振器内で共振する。これにより、部分反射ミラー８０から、結合光６１の一部であるレーザ光６２が出射される。
以上のように、本実施の形態では、偏向素子５０によって、各出射光を偏向するため、複数の半導体レーザ素子１０の間隔（図５に示される間隔Ｐに相当）を小さく配置しても、偏向素子５０の複数の平面の傾斜を適切に設定することで、波長分散素子７０上で、複数の出射光を重ねることができる。これにより、単位面積当たりの半導体レーザ素子１０の数を増やすことができるため、半導体レーザ装置１の中に配置できる半導体レーザ素子１０の数も大きくすることができ、半導体レーザ装置１の高出力化を実現できる。また、複数の出射光は、偏向素子５０によって、収束されないため、略平行光の状態で波長分散素子に入射することが可能となる。したがって、波長分散素子７０上でのビーム径を大きくすることができるため、複数の出射光６０ａ～６０ｉを重ねても、複数の収束光を重ねる場合より、光密度を抑制できる。これにより波長分散素子７０へのダメージを抑制しつつ、より多くの半導体レーザ素子からの出射光を重ねることができるため、半導体レーザ装置１の高出力化を実現できる。
また、波長分散素子７０に入射する各出射光を入射角度分布が小さい平行光とすることができるため、波長分散素子７０によって、各レーザ光を平行光の状態で結合できる。これにより部分反射ミラーから出力される出射光として、ビーム品質の高い高輝度のレーザ光を得ることができる。
また、本実施の形態では、複数の半導体レーザ素子１０は、ファースト軸方向である第１軸方向に等間隔に配置される。ここで、半導体レーザ素子１０の出射光のファースト軸方向におけるビームパラメータ積は、１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下であってもよい。この場合、複数の出射光の二つの軸方向のうち、複数の出射光を重ねる軸方向におけるビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下となるため、各出射光の重なりのずれが発生する場合にも、ずれの許容範囲が大きくなる。これにより、波長分散によって結合される軸方向のビーム品質の劣化を抑制できるため、高輝度なレーザ光を出力可能な半導体レーザ装置１を実現できる。
また、本実施の形態では、図３Ｂに示されるように、複数の半導体レーザ素子１０は、それぞれ、電気絶縁性材料で形成されたサブマウント１１を介して複数のパッケージ２０に実装されている。複数のリードピン２３及び２４と複数のパッケージ２０とは絶縁されており、複数の半導体レーザ素子１０は、直列接続されて、電流駆動される。これにより、複数の半導体レーザ素子１０に同一の電流を供給することができるため、各半導体レーザ素子１０の出力を揃えることができる。
（実施の形態２）
実施の形態２に係る半導体レーザ装置について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、主に、偏向素子５０及び第２レンズ４０の配置において、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ装置について、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１との相違点を中心に図７及び図８を用いて説明する。
図７は、本実施の形態に係る光源ユニット１３００の構成を示す模式的な上面図である。図８は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００１の構成を示す模式的な上面図である。
図８に示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１００１は、三つの光源ユニット１３００ａ、１３００ｂ及び１３００ｃと、波長分散素子７０と、反射ミラー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ及び４０２と、部分反射ミラー８０とを備える。
三つの光源ユニット１３００ａ、１３００ｂ及び１３００ｃは、いずれも、図７に示される光源ユニット１３００と同様の構成を有する。
図７に示されるように、本実施の形態に係る光源ユニット１３００は、ユニットベース１３０１と、複数の光源モジュール２００ａ～２００ｉと、偏向素子５０と、第２レンズ４０と、レンズホルダ４１とを有する。なお、図示しないが、光源ユニット１３００は、実施の形態１に係る光源ユニット３００と同様に回路基板３１０を有する。
図７に示されるように、本実施の形態に係る光源ユニット１３００は、第２レンズ４０及びレンズホルダ４１と偏向素子５０との位置が入れ替わっている点において、実施の形態１に係る光源ユニット３００と相違する。これに伴い、ユニットベース１３０１のネジ穴の位置などの構成が、実施の形態１に係るユニットベース３０１の構成から変更される。
本実施の形態に係る光源ユニット１３００ａ、１３００ｂ及び１３００ｃによっても、実施の形態１に係る光源ユニット３００と同様に、略平行光である出射光６０ａａ～６０ａｉ、６０ｂａ～６０ｂｉ及び６０ｃａ～６０ｃｉを反射ミラー４０１ａ、４０１ｂ及び４０１ｃを介して波長分散素子７０上に重ねることができる。また、本実施の形態では、三つの光源ユニット１３００ａ、１３００ｂ及び１３００ｃからの出射光を重ねるため、実施の形態１より一層高輝度のレーザ光を得られる。
また、本実施の形態では、波長分散素子７０として、透過型の回折格子を用いる例、及び、外部共振器内に反射ミラー４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ及び４０２を備える例を示したが、このような構成によっても、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と同様の効果が奏される。また、外部共振器内に反射ミラー４０１ａ、４０１ｂ及び４０１ｃを用いることで、半導体レーザ装置１００１の寸法の拡大を抑制しつつ、偏向素子５０から波長分散素子７０までの距離を大きくできる。これにより、半導体レーザ装置１００１の寸法の拡大を抑制しつつ、偏向素子５０の各平面の傾斜を低減できる。
（実施の形態３）
実施の形態３に係る半導体レーザ装置について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、主に、偏向素子の複数の平面がそれぞれ複数の出射光を反射する点において、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と相違する。以下、本実施の形態に係る半導体レーザ装置について、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１との相違点を中心に図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置２００１の構成を示す模式的な上面図である。
図９に示されるように、本実施の形態に係る半導体レーザ装置２００１は、光源ユニット２３００と、波長分散素子７０と、部分反射ミラー８０とを備える。
本実施の形態に係る光源ユニット２３００は、偏向素子２０５０の構成において実施の形態１に係る光源ユニット３００と相違する。
本実施の形態に係る偏向素子２０５０は、実施の形態１に係る偏向素子５０と同様に、複数の出射光６０ａ～６０ｉにそれぞれ対応した複数の平面２０５２ａ～２０５２ｉを有する。複数の平面２０５２ａ～２０５２ｉは、それぞれ、複数の出射光６０ａ～６０ｉの光軸に対して傾斜している。本実施の形態においては、複数の平面２０５２ａ～２０５２ｉは、複数の出射光６０ａ～６０ｉをそれぞれ反射する反射面である。偏向素子２０５０は、例えば、複数の平面を形成したガラスなどに反射膜となる金属膜を形成することによって、形成される。
このような構成を有する偏向素子２０５０によっても、平面２０５２ａ～２０５２ｉの各傾斜を調整することにより、波長分散素子７０上に、複数の出射光６０ａ～６０ｉを重ねることができる。したがって、本実施の形態に係る半導体レーザ装置２００１においても、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と同様の効果が奏される。
（実施の形態４）
実施の形態４に係る半導体レーザ装置について説明する。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、複数の半導体レーザ素子が第２軸方向に配列される点、及び、複数の半導体レーザ素子が一つのパッケージ内に配置される点において、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と相違する。本実施の形態に係る半導体レーザ装置は、光源ユニット以外の構成においては、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１と同様の構成を有するため、以下では、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の光源ユニットについて、実施の形態１に係る光源ユニット３００との相違点を中心に図１０～図１３を用いて説明する。
図１０は、本実施の形態に係る光源ユニット３３００の外観を示す模式的な斜視図である。図１１は、本実施の形態に係る光源ユニット３３００の構成を示す分解斜視図である。図１２は、本実施の形態に係る光源モジュール３２００の構成を示す分解斜視図である。図１３は、本実施の形態に係る複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇ及びサブマウント３０１１の外観を示す斜視図である。
図１０に示されるように、本実施の形態に係る光源ユニット３３００は、光源モジュール３２００と、第２レンズ３０４０と、レンズホルダ３０４１と、偏向素子３０５０と、ユニットベース３３０１とを備える。
本実施の形態に係る偏向素子３０５０は、入射面において７個の平面を含む点以外は、実施の形態１に係る偏向素子５０と同様の構成を有する。図１０及び図１１に示されるように、偏向素子３０５０の底面が、ユニットベース３３０１に接合される。
本実施の形態に係る光源モジュール３２００は、複数の半導体レーザ素子を有するモジュールである。本実施の形態に係る光源モジュール３２００は、図１２に示されるように、パッケージ３０２０と、第１レンズ３０３０とを有する。また、光源モジュール３２００は、図１３に示される複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇと、一つのサブマウント３０１１とをさらに有する。本実施の形態では、７個の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇを有する。複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇがそれぞれ出射する複数の出射光の各々の第１軸方向及び第２軸方向におけるビームパラメータ積は、１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下である。このように、複数の出射光の第２軸方向におけるビームパラメータ積が十分に小さいため、図１３に示されるように、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、第２軸方向に配列されてもよい。本実施の形態では、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、第２軸方向に配列される。より詳しくは、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、第２軸方向に等間隔に配置される。この場合にも、半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇの複数の出射光を重ねる軸方向におけるビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下となるため、各出射光の重なりのずれが発生する場合にも、ずれの許容範囲が大きくなる。これにより、波長分散によって結合される軸方向のビーム品質の劣化を抑制できるため、高輝度なレーザ光を出力可能な半導体レーザ装置を実現できる。
図１２に示されるように、本実施の形態に係るパッケージ３０２０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇが実装され、金属材料で形成されたケースである。本実施の形態では、パッケージ３０２０は、直方体状の外形を有し、蓋３０２９を有する。なお、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、サブマウント３０１１にジャンクションダウン実装される。つまり、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇのｐ側電極（不図示）がサブマウント３０１１に接続される。
本実施の形態に係るパッケージ３０２０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇを気密封止する。これにより、パッケージ３０２０内の雰囲気をコントロールできるため、半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇの劣化を抑制できる。特に、半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇが青色光、紫外光などの比較的短波長のレーザ光を出射する場合には、パッケージ３０２０内へのシロキサンの流入を抑制することで、半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇなどへのシロキサンの堆積を低減できる。
パッケージ３０２０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇに電力を供給する複数のリードピン３０２３及び３０２４を有する。リードピン３０２３とリードピン３０２４とによって、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇに電力が供給される。
パッケージ３０２０には、第１レンズ３０３０が配置されている。第１レンズ３０３０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇの第１軸方向における発散を低減するシリンドリカルレンズである。本実施の形態では、第１レンズ３０３０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇからの出射光を略平行光化するファースト軸コリメータである。
本実施の形態では、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、一つのサブマウント３０１１を介して一つのパッケージ３０２０に実装される。このように、一つのサブマウント３０１１に複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇを実装することにより、複数の出射光の光軸のずれを低減できる。したがって、半導体レーザ装置は、より高輝度なレーザ光を出力できる。
複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇは、互いに導電ワイヤ３０２３ｗによって直列接続される。より具体的には、リードピン３０２３と半導体レーザ素子３０１０ａのｎ側電極とが導電ワイヤ３０２３ｗによって接続され、半導体レーザ素子３０１０ａのｐ側電極と接続された導電膜３０１２ａと半導体レーザ素子３０１０ｂのｎ側電極とが導電ワイヤ３０２３ｗによって接続される。以下同様に、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇが直列接続され、半導体レーザ素子３０１０ｇのｐ側電極と接続された導電膜３０１２ｇとリードピン３０２４とが導電ワイヤ３０２３ｗによって接続される。これにより、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇの電流駆動が可能となる。
本実施の形態に係るサブマウント３０１１は、熱伝導率が高く、電気絶縁性の材料で形成される。サブマウント３０１１は、例えば、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ダイヤモンドなどで形成される。サブマウント３０１１の上面３０１１ｍには、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇがそれぞれ実装される位置に複数の導電膜３０１２ａ～３０１２ｇが形成されている。複数の導電膜３０１２ａ～３０１２ｇは、互いに絶縁されている。複数の導電膜３０１２ａ～３０１２ｇの絶縁をより確実にするために、図１３に示されるように、サブマウント３０１１の上面３０１１ｍの隣り合う導電膜の間に溝を形成してもよい。
第２レンズ３０４０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇの第２軸方向における発散をそれぞれ低減する複数のシリンドリカルレンズが一体化された光学素子である。本実施の形態では、第２レンズ３０４０は、複数の半導体レーザ素子３０１０ａ～３０１０ｇからの出射光を第２軸方向において略平行光化するスロー軸コリメータである。第２レンズ３０４０は、レンズホルダ３０４１を介してユニットベース３３０１に固定される。レンズホルダ３０４１には、貫通孔が形成されており、貫通孔に挿入されたネジ９０がユニットベース３３０１に形成された固定穴３３０５にねじ込まれることによって、レンズホルダ３０４１及び第２レンズ３０４０がユニットベース３３０１に対して固定される。
図１２に示されるように、光源モジュール３２００は、板状の固定部３０２８を有する。固定部３０２８には、貫通孔３０２１が形成されており、貫通孔３０２１にネジ９０を挿入して、ネジ９０をユニットベース３３０１に形成された固定穴３３０４（図１１参照）にねじ込むことによって、光源モジュール３２００がユニットベース３３０１に固定される。
本実施の形態に係る光源ユニット３３００を備える半導体レーザ装置によっても、実施の形態１に係ると同様の効果が奏される。
なお、本実施の形態では、複数の半導体レーザ素子をサブマウントに実装する形態であったが、出射する複数の出射光の各々の第１軸方向及び第２軸方向におけるビームパラメータ積は、１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下であれば、同一基板上に複数の半導体レーザ素子を形成したアレイ状の半導体レーザ素子を用いることもできる。
（変形例など）
以上、本開示に係る半導体レーザ装置について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記各実施の形態においては、複数の半導体レーザ素子が電流駆動されたが、複数の半導体レーザ素子は、電圧駆動されてもよい。具体的には、複数の半導体レーザ素子は、それぞれ、導電性材料で形成されたサブマウントを介して複数のパッケージに実装され、複数のリードピンの一つは、複数のパッケージと同電位であり、複数の半導体レーザ素子は、電圧駆動されてもよい。例えば、複数の半導体レーザ素子のｎ側電極が導電性材料で形成されたサブマウントに実装され、サブマウントが実装されたパッケージと同電位となる。この場合、複数の半導体レーザ素子のｐ側電極にパッケージの電位より高い電位を印加することで、複数の半導体レーザ素子を電圧駆動してもよい。
また、上記各実施の形態では、複数の半導体レーザ素子の各々は、半導体発光素子単体で構成されたが、複数の半導体レーザ素子の構成はこれに限定されない。例えば、複数の半導体レーザ素子の各々は、半導体発光素子と、外部共振器を構成する反射部材とを有してもよい。また、外部共振器には、出射光の波長を選択する波長選択部材が含まれてもよい。例えば、外部共振器は、部分反射ミラーとして機能する波長選択部材として、透過型の回折格子などを含んでもよい。この場合、透過型の回折格子と、半導体発光素子の一方の端部との間で外部共振器が構成されてもよい。
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
本開示の半導体レーザ装置は、例えば、高出力かつ高効率な光源としてレーザ加工機などに適用できる。
１、１００１、２００１ 半導体レーザ装置
１０、３０１０ａ、３０１０ｂ、３０１０ｃ、３０１０ｄ、３０１０ｅ、３０１０ｆ、３０１０ｇ 半導体レーザ素子
１１、３０１１ サブマウント
１１ｍ、３０１１ｍ 上面
１２、３０１２ａ、３０１２ｂ、３０１２ｃ、３０１２ｄ、３０１２ｅ、３０１２ｆ、３０１２ｇ 導電膜
２０、３０２０ パッケージ
２１、３０２、３０３、３１１、３０２１ 貫通孔
２２ 枠体
２２ａ 開口部
２３、２４、３０２３、３０２４ リードピン
２３ｂ、２４ｂ ボンディング面
２３ｗ 第１導電ワイヤ
２４ｗ 第２導電ワイヤ
２５ 光出射部
２６ カバーガラス
２７ 実装面
２９、３０２９ 蓋
３０、３０３０ 第１レンズ
４０、３０４０ 第２レンズ
４１、３０４１ レンズホルダ
５０、２０５０、３０５０ 偏向素子
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ、５１ｈ、５１ｉ、２０５２ａ、２０５２ｂ、２０５２ｃ、２０５２ｄ、２０５２ｅ、２０５２ｆ、２０５２ｇ、２０５２ｈ、２０５２ｉ 平面
５２ 入射面
５３ 出射面
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅ、６０ｆ、６０ｇ、６０ｈ、６０ｉ、６０ａａ、６０ａｅ、６０ａｉ、６０ｂａ、６０ｂｅ、６０ｂｉ、６０ｃａ、６０ｃｅ、６０ｃｉ 出射光
６１ 結合光
６２ レーザ光
７０ 波長分散素子
８０ 部分反射ミラー
９０ ネジ
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆ、２００ｇ、２００ｈ、２００ｉ、３２００ 光源モジュール
２０１ａ、２０１ｂ 平面
３００、１３００、１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃ、２３００、３３００ 光源ユニット
３０１、１３０１、３３０１ ユニットベース
３０４、３０５、３３０４、３３０５ 固定穴
３１０ 回路基板
３１２ プリント配線
３１３ 電力供給リード
４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０２ 反射ミラー
３０２８ 固定部

Claims (18)

  1. 半導体レーザ装置であって、
    互いに異なる波長の光を出射する複数の半導体レーザ素子と、
    前記複数の半導体レーザ素子からの複数の出射光の少なくとも一つを偏向する偏向素子と、
    前記複数の出射光を同一光軸上に波長結合する波長分散素子とを備え、
    前記偏向素子は、複数の出射光にそれぞれ対応した複数の平面を有し、
    前記複数の出射光は、前記波長分散素子上で互いに重なり、
    前記複数の出射光は、第１軸方向及び前記第１軸方向と直交する第２軸方向に発散角を有し、
    前記半導体レーザ装置は、前記複数の出射光の、前記第１軸方向及び前記第２軸方向における前記発散角を低減する複数のレンズをさらに備え、
    前記発散角を低減された前記複数の出射光の各々は、前記波長分散素子に入射するまで収束されない
    半導体レーザ装置。
  2. 前記複数の平面のうち少なくとも一つの平面は、対応する出射光の光軸に対して傾斜しており、
    前記複数の半導体レーザ素子は、前記第１軸方向及び前記第２軸方向の一方の軸方向に配列される
    請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記波長分散素子によって波長結合された前記複数の出射光の一部を反射し、他の一部を透過し、前記複数の半導体レーザ素子との間で外部共振器を形成する部分反射ミラーをさらに備える
    請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記複数のレンズは、前記第１軸方向のレーザ光の発散角を低減する第１レンズを含む
    請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記複数のレンズは、前記第２軸方向における前記複数の出射光の発散角を低減する第２レンズを含む
    請求項４に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記第２レンズは、前記第１レンズと前記波長分散素子との間に配置される
    請求項５に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記一方の軸方向において、前記複数の出射光の各々のビームパラメータ積が１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下である
    請求項２、４～６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記偏向素子は、前記複数の出射光が入射する入射面、及び、前記入射面から入射した前記複数の出射光が出射する出射面を有し、
    前記複数の平面は、前記複数の出射光をそれぞれ透過する透過面であり、前記入射面及び前記出射面の少なくとも一方に含まれている
    請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記複数の平面は、前記複数の出射光をそれぞれ反射する反射面である
    請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記一方の軸方向は、前記第１軸方向であり、
    前記第１レンズは、ファースト軸コリメータであり、
    前記第２レンズは、スロー軸コリメータである
    請求項５又は６に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記複数の半導体レーザ素子がそれぞれ実装され、金属材料で形成された複数のパッケージをさらに備え、
    前記複数のパッケージの各々は、前記複数の半導体レーザ素子のうち、当該パッケージに実装される半導体レーザ素子に電力を供給する複数のリードピンを有し、
    前記複数のパッケージの各々の光出射部には、前記第１レンズが配置され、
    前記複数のパッケージの各々は、前記複数の半導体レーザ素子の各々が実装される実装面を有し、
    前記複数のパッケージの各々は、前記実装面に平行な二つの平面を有し、前記二つの平面間の距離は当該パッケージの厚さに相当し、前記複数の半導体レーザ素子が配置される間隔に等しい
    請求項１０に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ、導電性材料で形成されたサブマウントを介して前記複数のパッケージに実装されており、
    前記複数のリードピンの一つは、前記複数のパッケージと同電位であり、
    前記複数の半導体レーザ素子は、電圧駆動される
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記複数の半導体レーザ素子は、それぞれ、電気絶縁性材料で形成されたサブマウントを介して前記複数のパッケージに実装されており、
    前記複数のリードピンと前記複数のパッケージとは絶縁されており、
    前記複数の半導体レーザ素子は、電流駆動される
    請求項１１に記載の半導体レーザ装置。
  14. 前記複数のパッケージは、それぞれ、前記複数の半導体レーザ素子を気密封止する
    請求項１１～１３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
  15. 前記複数の出射光の各々の前記第１軸方向及び前記第２軸方向におけるビームパラメータ積は、１［ｍｍ・ｍｒａｄ］以下であり、
    前記複数の半導体レーザ素子は、前記第２軸方向に配列され、
    前記第１レンズは、ファースト軸コリメータであり、
    前記第２レンズは、スロー軸コリメータである
    請求項５又は６に記載の半導体レーザ装置。
  16. 前記複数の半導体レーザ素子が実装され、金属材料で形成された一つのパッケージをさらに備え、
    前記一つのパッケージは、前記複数の半導体レーザ素子に電力を供給する複数のリードピンを有し、
    前記一つのパッケージには、前記第１レンズが配置されている
    請求項１５に記載の半導体レーザ装置。
  17. 前記複数の半導体レーザ素子は、一つのサブマウントを介して前記一つのパッケージに実装される
    請求項１６に記載の半導体レーザ装置。
  18. 前記一つのパッケージは、前記複数の半導体レーザ素子を気密封止する
    請求項１６又は１７に記載の半導体レーザ装置。
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