JPH0498216A - Optical device for collimating or converging laser beam - Google Patents

Optical device for collimating or converging laser beam

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JPH0498216A
JPH0498216A JP21775490A JP21775490A JPH0498216A JP H0498216 A JPH0498216 A JP H0498216A JP 21775490 A JP21775490 A JP 21775490A JP 21775490 A JP21775490 A JP 21775490A JP H0498216 A JPH0498216 A JP H0498216A
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JP
Japan
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refractive index
beams
laser
semiconductor laser
index distribution
Prior art date
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Pending
Application number
JP21775490A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mitsuyoshi Watanabe
光由 渡辺
Makoto Suzuki
誠 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To collimate or converge laser beams outputted from a semiconductor laser element by using a phase adjusting element having prescribed refractive index distribution based upon a material whose refractive index is changed in accordance with the quantity of irradiating light and constituted so as to align the equal phase faces of laser beams. CONSTITUTION:Laser beams projected from a broad area type semiconductor laser element 10 are converted into parallel beams by a collimating lens 12, allowed to pass the phase adjusting element 14 to align the equal phase faces of the beams and then converged by a condenser lens 16. The element 14 is constituted of a transparent base 26 consisting of glass or acrylic resin and a refractive index distribution forming layer 28 formed on one face of the base 26. The layer 28 consists of a material having characteristics capable of changing its refractive index by the irradiation of energy beams. The laser beams passing the element 14 are provided with the equal phase faces spherically aligned by the refractive index distribution of the element 14, the beams can be converged into a small spot up to the limit of diffraction on a beam waist position.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レーザ光の等位相面を揃えることにより、そ
のレーザ光を好適にコリメート或いは集光させるための
光学装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical device for suitably collimating or condensing laser light by aligning equiphase fronts of the laser light.

従来の技術 レーザ光の照射、伝送、或いは光学処理などのための光
学系を構成するに際して、レーザ光源から出力されたレ
ーザ光を精度良い平行光にコリメートしたり或いは精度
良く集光させたりすることが必要となる場合がある。た
とえば、レーザ光源から出力されたレーザ光はコリメー
トレンズにより平行光線とされ、その平行光線が集光レ
ンズによってビームウェストに絞り込まれるのである。
Conventional technology When configuring an optical system for laser light irradiation, transmission, or optical processing, it is necessary to collimate the laser light output from a laser light source into parallel light with high precision or to focus it with high precision. may be required. For example, a laser beam output from a laser light source is converted into parallel rays by a collimating lens, and the parallel rays are focused into a beam waist by a condensing lens.

半導体レーザ素子はレーザ光源として多用されるが、固
体レーザ励起のために高出力レーザ光を発生させるため
、たとえば100乃至200ミクロン幅の比較的広い発
振領域を有するブロードエリヤ型の半導体レーザ素子を
用いる場合などには、それから出力されたレーザ光のビ
ーム断面は矩形となっているだけでなく、等位相面が揃
っていないため、レーザ光を小さな断面に収束させるこ
とが困難であった。
Semiconductor laser devices are often used as laser light sources, and in order to generate high-output laser light for solid-state laser excitation, a broad-area semiconductor laser device having a relatively wide oscillation region of, for example, 100 to 200 microns in width is used. In some cases, the beam cross section of the laser beam output from the laser beam is not only rectangular, but also the phase fronts are not aligned, making it difficult to converge the laser beam into a small cross section.

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、
その目的とするところは、レーザ光の等位相面に拘わら
ず、小さいスポットに絞り込むことができる光学装置を
提供することにある。
The present invention has been made against the background of the above circumstances,
The purpose is to provide an optical device that can narrow down a laser beam to a small spot regardless of the equiphase front of the laser beam.

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところ
は、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメ
ート或いは集光させるための光学装置であって、光線照
射量に対応して屈折率が変化する材料により所定の屈折
率分布が備えられ、前記半導体レーザ素子から出力され
るレーザ光の光路中に介挿されてそのレーザ光の等位相
面を揃える位相調整素子を含むことにある。
Means for Solving the Problems The gist of the present invention to achieve the object is an optical device for collimating or condensing laser light output from a semiconductor laser element, which A phase adjustment element is provided with a predetermined refractive index distribution by a material whose refractive index changes correspondingly, and is inserted into the optical path of the laser light output from the semiconductor laser element to align equiphase planes of the laser light. It consists in including.

作用および発明の効果 このようにすれば、レーザ光の光路中に介挿されて位相
調整素子によってレーザ光の等位相面が揃えられるので
、レーザ光を小さな断面に収束させることができる。ま
た、上記位相調整素子は、光線照射量に対応して屈折率
が変化する材料により構成されていることから、光線照
射位置および量を変化させることにより所望の屈折率分
布が備えられ得るので、簡単且つ容易に等位相面の揃わ
ないレーザ光を高精度で絞り込むことができる。
Functions and Effects of the Invention In this way, the phase adjustment element inserted into the optical path of the laser beam aligns the equiphase planes of the laser beam, so that the laser beam can be converged into a small cross section. Furthermore, since the phase adjustment element is made of a material whose refractive index changes depending on the amount of light irradiation, a desired refractive index distribution can be provided by changing the position and amount of light irradiation. Laser beams whose phase fronts are not aligned can be simply and easily narrowed down with high precision.

実施例 以下、本発明の一実施例を1面に基づいて詳細に説明す
る。
EXAMPLE Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail based on one aspect.

第1図は、光学装置の一部であるレーザ光収束部を示す
図である。図において、ブロードエリヤ型半導体レーザ
素子10から出力されたレーザ光は、コリメートレンズ
12によって平行光に変換された後、位相調整素子14
を通過させられることにより等位相面が揃えられ、その
後、集光レンズ16により収束させられるようになって
いる。
FIG. 1 is a diagram showing a laser beam converging section that is a part of the optical device. In the figure, a laser beam output from a broad area semiconductor laser device 10 is converted into parallel light by a collimating lens 12, and then a phase adjustment element 14
By allowing the light to pass through, equiphase fronts are aligned, and then the light is converged by the condenser lens 16.

上記ブロードエリヤ型半導体レーザ素子IOは、たとえ
ば第2図に示すように、100乃至200ミクロン幅程
度の比較的大きな発振領域20を有する半導体チップ2
2をハウジング24内に備えている。このため、ブロー
ドエリヤ型半導体レーザ素子10から出力されるレーザ
光は、高出力ではあるが、比較的大きな発振領域20か
ら出力されることから、矩形のビーム断面を備えている
とともに、等位相面が揃っていない。
The broad area type semiconductor laser device IO has a semiconductor chip 2 having a relatively large oscillation region 20 with a width of about 100 to 200 microns, as shown in FIG. 2, for example.
2 is provided in the housing 24. Therefore, although the laser light output from the broad area type semiconductor laser device 10 has a high output, since it is output from a relatively large oscillation region 20, it has a rectangular beam cross section and an equiphase surface. are not complete.

上記位相調整素子14は、ガラス或いはアクリル樹脂な
どの透明基板26と、この透明基板26の一面に設けら
れた屈折率分布形成層28とから構成されている。この
位相調整素子14は、以下のように製造される。
The phase adjustment element 14 is composed of a transparent substrate 26 made of glass or acrylic resin, and a refractive index distribution forming layer 28 provided on one surface of the transparent substrate 26. This phase adjustment element 14 is manufactured as follows.

すなわち、第3図の(a)に示すように、たとえばスチ
レン(S L : 5tyrene )がドープされた
ポリメチルメタクリレート(P M M A : Po
1y methylmethacrylate)から成
る感光性樹脂がスピナーなどを利用して透明基板26の
一面にコーティングされ、SL/PMMAi膜30が形
成される。このSt、/PMMA薄膜30ば、第4図に
示すように、紫外線照射量(露光量)に応じて屈折率が
変化する性質を備えている。
That is, as shown in FIG. 3(a), for example, polymethyl methacrylate (PMMA: Po) doped with styrene (SL: 5tyrene)
A photosensitive resin made of 1y methylmethacrylate is coated on one surface of the transparent substrate 26 using a spinner or the like to form an SL/PMMAi film 30. As shown in FIG. 4, this St,/PMMA thin film 30 has a property that its refractive index changes depending on the amount of ultraviolet irradiation (exposure amount).

次いで第3図の(b)に示すように、St/PMMA薄
膜30が紫外線露光装置32により露光される。、この
紫外線露光装置32は、St/PMMA薄膜30が形成
された透明基板26が載置されるX−Yテーブル34と
、紫外線放射プローブ36および集光レンズ38を有す
る光学ヘット40とを備えており、図示しない制御装置
によって、St7 P M M A 薄膜30の予め定
められた場所が予め定められた光量だけ露光されるよう
になっている。
Next, as shown in FIG. 3(b), the St/PMMA thin film 30 is exposed to ultraviolet light by an ultraviolet exposure device 32. , this ultraviolet exposure apparatus 32 includes an X-Y table 34 on which a transparent substrate 26 on which a St/PMMA thin film 30 is formed, and an optical head 40 having an ultraviolet radiation probe 36 and a condensing lens 38. A predetermined location on the St7 PMMA thin film 30 is exposed to a predetermined amount of light by a control device (not shown).

本実施例では、ブロードエリヤ型半導体レーザ素子10
から出力されるレーザ光の等位相面を球面状とすること
ができる屈折率分布が得られるようにS t/PMMA
薄膜30が露光される。紫外線の露光量は、光量を変化
させる絞り機構や、紫外線パルスのデユーティ比を変化
させることにより制御される。上記のように紫外線に露
光されると、St/PMMAi膜30のうちの露光を受
けた部分はP S t (poly 5tylene)
に変化する。
In this embodiment, a broad area type semiconductor laser device 10
In order to obtain a refractive index distribution that allows the equiphase front of the laser beam output from the S t/PMMA to be spherical,
Thin film 30 is exposed. The exposure amount of ultraviolet rays is controlled by a diaphragm mechanism that changes the amount of light and by changing the duty ratio of the ultraviolet pulse. When exposed to ultraviolet light as described above, the exposed portion of the St/PMMAi film 30 becomes P S t (poly 5tylene).
Changes to

そして、第3図の(C)に示すように、真空乾燥される
ことにより、St/PMMAi膜30内からスチレンが
除去されると、所望の屈折率分布が形成されて前記屈折
率分布形成層28が得られるのである。
Then, as shown in FIG. 3C, when styrene is removed from the St/PMMAi film 30 by vacuum drying, a desired refractive index distribution is formed and the refractive index distribution forming layer is 28 is obtained.

上記のように構成された位相調整素子14を通過したレ
ーザ光は、集光レンズ16によって収束されるのである
が、第5図に示すように位相調整素子14の屈折率分布
によって球面状に揃った等位相面Sを備えているので、
そのビームウエスト位置δとおいて回折限界まで小さく
絞られる。Z方向へ伝播する電磁波の電界成分が(1)
弐のように表わされるガウシアンビームの断面形状が第
5図に示しである。
The laser light that has passed through the phase adjustment element 14 configured as described above is converged by the condenser lens 16, and as shown in FIG. Since it has an equiphase surface S,
The beam is narrowed down to the diffraction limit at the beam waist position δ. The electric field component of the electromagnetic wave propagating in the Z direction is (1)
The cross-sectional shape of the Gaussian beam, which is represented by a double arrow, is shown in FIG.

但し、 λZ 一 である。however, λZ one It is.

λ λl ここで、上記(1)式、(2)式中のjは虚数単位、ω
(Z)は座標Zでのビーム径、ω。はビームウェストで
のビーム径(最小スポット径)を示す。また、rはZ軸
からの距離、Eoは2=0、r=oでの電界強度、nは
媒質の屈折率、λは光の波長を示す。
λ λl Here, j in the above equations (1) and (2) is an imaginary unit, ω
(Z) is the beam diameter at coordinate Z, ω. indicates the beam diameter (minimum spot diameter) at the beam waist. Further, r is the distance from the Z axis, Eo is the electric field intensity at 2=0 and r=o, n is the refractive index of the medium, and λ is the wavelength of light.

前記レーザ光のビーム断面は楕円であるが、簡略して考
察するために円形であると仮定すると、上記ガウシアン
ビームは、回折1@界のスポットサイズω。を備え、そ
の等位相面Sは上記(2)式で示される曲率Rの球面と
なる。
Although the beam cross section of the laser beam is elliptical, assuming that it is circular for the sake of simplicity, the Gaussian beam has a diffraction field of 1@field spot size ω. The equiphase surface S is a spherical surface with a curvature R expressed by the above equation (2).

光の進行の可逆性により、第5図のような球面状にそろ
った等位相面Sを持つ進行波は、回折限界のスポットを
得ることができるが、等位相面が揃っていない場合には
、回折限界まで絞ることができず、スポット径が大きく
なる。このため、第6図に示すような発振領域が数ミク
ロン幅である半導体チップ50を備えたナローエリヤ型
半導体レーザ素子からのレーザ光に比較して、ブロード
エリヤ型半導体レーザ素子10から出力されるレーザ光
は、従来では、小さいスポット径まで絞ることができな
かったのである。
Due to the reversibility of the propagation of light, a traveling wave with equiphase planes S aligned spherically as shown in Figure 5 can obtain a diffraction-limited spot, but if the equiphase planes are not aligned, , it is not possible to focus down to the diffraction limit, and the spot diameter becomes large. Therefore, the laser beam output from the broad-area semiconductor laser device 10 is different from the laser beam output from the narrow-area semiconductor laser device 10, which has a semiconductor chip 50 whose oscillation region is several microns wide, as shown in FIG. Conventionally, light could not be focused down to a small spot diameter.

以上、本発明の一実施例を示す図面に基づいて詳細に説
明したが、本発明はその他の態様においても適用される
Although one embodiment of the present invention has been described above in detail based on the drawings, the present invention can also be applied to other aspects.

たとえば、前述の実施例の位相調整素子14では、屈折
率分布形成層28がSt/PMMA薄膜30から製造さ
れていたが、他の材料であっても差支えない。要するに
、エネルギビームの照射によって屈折率が変化する特性
を備えた材料であれば他の材料であっても差支えないし
、他の製造方法で製造されたものであってもよいのであ
る。
For example, in the phase adjustment element 14 of the above embodiment, the refractive index distribution forming layer 28 was manufactured from the St/PMMA thin film 30, but it may be made of other materials. In short, any other material may be used as long as the material has the property of changing its refractive index when irradiated with an energy beam, and it may be manufactured using any other manufacturing method.

また、第1図の実施例の光学系に替えて或いは加えて、
プリズムやシリンドリカルレンズが用いられてもよいの
である。
Moreover, instead of or in addition to the optical system of the embodiment shown in FIG.
A prism or a cylindrical lens may also be used.

また、前述の実施例では、ブロードエリヤ型半導体レー
ザ素子10から出力されたレーザ光を収束させる説明が
為されているが、他の種類のレーザ光源であっても、レ
ーザ出力領域が比較的大きいものであれば、前述の位相
調整素子14が適用されることにより、一応の効果を享
受できる。
Further, in the above-mentioned embodiment, the explanation is given that the laser light output from the broad-area semiconductor laser device 10 is converged, but even with other types of laser light sources, the laser output area is relatively large. If so, by applying the above-mentioned phase adjustment element 14, a certain degree of effect can be enjoyed.

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり
、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更
が加えられ得るものである。
It should be noted that the above-mentioned embodiment is merely one embodiment of the present invention, and various modifications may be made to the present invention without departing from the spirit thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の一実施例を含む光学系の一部を示す
図である。第2図は、第1図のブロードエリヤ型半導体
レーザ素子の構成を説明する図である。第3図は第1図
の位相調整素子の製造方法を説明する図であって、第3
図(a)はコーティング工程、第3図(b)は露光工程
、第3図(C)は真空乾燥工程をそれぞれ示している。 第4図は、第1図の位相調整素子に用いられるSt/P
MMAFi膜の紫外線露光量と屈折率変化との関係を示
す図である。第5図は、ガウシアンビームのビームウェ
ストにおける収束作用を説明する図である。第6図は、
ナローエリヤ型半導体レーザ素子の構成を示す図である
。 10ニブロードエリヤ型半導体レーザ素子14:位相調
整素子 出願人  ブラザー工業株式会社 02監會べυ \r
FIG. 1 is a diagram showing a part of an optical system including an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the broad area type semiconductor laser device of FIG. 1. FIG. 3 is a diagram illustrating a method for manufacturing the phase adjustment element shown in FIG.
FIG. 3(a) shows the coating process, FIG. 3(b) shows the exposure process, and FIG. 3(C) shows the vacuum drying process. Figure 4 shows the St/P used in the phase adjustment element in Figure 1.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of ultraviolet light exposure and the change in refractive index of the MMAFi film. FIG. 5 is a diagram illustrating the convergence effect at the beam waist of a Gaussian beam. Figure 6 shows
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a narrow area type semiconductor laser device. 10 Nibroad area type semiconductor laser device 14: Phase adjustment device Applicant Brother Industries, Ltd. 02 Supervision υ \r

Claims (1)

【特許請求の範囲】 半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメート
或いは集光させるための光学装置であって、 光線照射量に対応して屈折率が変化する材料により所定
の屈折率分布が備えられ、前記半導体レーザ素子から出
力されるレーザ光の光路中に介挿されて該レーザ光の等
位相面を揃える位相調整素子を含むことを特徴とする光
学装置。
[Claims] An optical device for collimating or condensing laser light output from a semiconductor laser element, the optical device having a predetermined refractive index distribution made of a material whose refractive index changes in accordance with the amount of light irradiation. 1. An optical device comprising: a phase adjustment element that is inserted into the optical path of a laser beam output from the semiconductor laser element and aligns equiphase fronts of the laser beam.
JP21775490A 1990-08-17 1990-08-17 Optical device for collimating or converging laser beam Pending JPH0498216A (en)

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