JPWO2005010592A1 - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

レ−ザ装置１０は、半導体レ−ザアレイ２８を光源として有する。半導体レ−ザアレイの出力ビ−ムは、ビ−ム分割素子１８によって複数のビ−ムに分割される。これらのビ−ムは、鉛直面内で分岐した光路上を進行する。視野レンズ２０およびビ−ム合成素子２２は、これらの分割ビ−ムを水平面内で重ね合わせ、一本のビ−ムに合成する。このビ−ムは集光レンズ２４によって集光された後、光ファイバ２６に入射する。

Description

この発明は、半導体レーザアレイを光源として有するレーザ装置に関する。

特開平１０−１８６２４６号公報、米国特許第５９８６７９４号公報、独国特許発明第１９８４１２８５号明細書、特表平１０−５０２７４６号公報および特表平１０−５１０９３３号公報には、半導体レーザアレイの出力光を集光して射出する装置とその関連技術が開示されている。

本発明は、半導体レーザアレイの出力ビームを効率良く集光するレーザ装置を提供することを課題とする。

本発明のレーザ装置は、第１の方向に沿って配列された複数の半導体レーザを有する半導体レーザアレイと、前記半導体レーザアレイの出力ビームを第１方向と垂直な第１の平面内でコリメートするコリメートレンズと、コリメートされたビームを、並列した複数のビームに分割し、これら複数のビームを、第１平面内において出力ビームの光路から分岐した複数の光路上に進行させるビーム分割素子と、第１平面と垂直な第２の平面内で複数のビームを重ね合わせるビーム合成素子と、ビーム合成素子によって生成されたビームを集光する集光レンズと、ビーム分割素子とビーム合成素子との間に配置された視野レンズとを備えている。

視野レンズは、第２平面内においてビーム合成素子の後側に瞳を形成してもよい。また、集光レンズの光軸に沿って集光レンズの前側焦点から集光レンズの焦点距離の２倍の距離だけ前側に進んだ位置を第１の位置とし、集光レンズの光軸に沿って集光レンズの後側焦点から集光レンズの焦点距離だけ後側に進んだ位置を第２の位置とすると、視野レンズは、第１および第２の位置の間に瞳を形成してもよい。視野レンズは、集光レンズの前側焦点の位置に瞳を形成することが好ましい。

このレーザ装置は、集光レンズに光学的に結合された光ファイバをさらに備えていてもよい。視野レンズは、第１の方向と垂直な母線を持った円柱面を有するシリンダーレンズであってもよい。

図１は第１実施形態の斜視図である。 図２は第１実施形態の概略平面図である。 図３は第１実施形態の概略側面図である。 図２の部分拡大図である。 図３の部分拡大図である。 図６は第２実施形態の斜視図である。 図７は第２実施形態の概略平面図である。 図８は第２実施形態の概略側面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第１実施形態
図１〜図５を参照しながら本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザ装置１０の斜視図であり、図２および図３は、レーザ装置１０の概略平面図および概略側面図である。図４および図５は、それぞれ図２および図３の部分拡大図である。図１には互いに垂直なＸ、ＹおよびＺ軸も示されている。Ｚ軸はレーザ装置１０の光軸２５と平行であり、ＸおよびＹ軸はＺ軸と垂直である。これらの図に示されるように、レーザ装置１０は、レーザアレイスタック１２、複数のＦＡＣ（Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）レンズ１４、複数のテレスコープ１６、複数のビーム分割素子１８、視野レンズ２０、ビーム合成素子２２、集光レンズ２４および光ファイバ２６を有する。

レーザアレイスタック１２は、複数（本実施形態では３枚）の基体２７が鉛直方向、すなわち図１のＹ方向に沿って積み重ねられて構成されている。各基体２７には、半導体レーザアレイ２８が設けられている。基体２７は、半導体レーザアレイ２８を冷却するためのヒートシンクとして機能する。半導体レーザアレイ２８は、水平方向、すなわち図１のＸ方向に沿って配列された複数（本実施形態では３個）のレーザダイオード（ＬＤ）３８から構成されている。このため、半導体レーザアレイ２８は、ＬＤバーとも呼ばれる。各ＬＤ３８の活性層は、Ｘ方向に沿って細長い断面を有している。活性層に対して水平なＸ軸はスロー軸（Ｓｌｏｗ Ａｘｉｓ）、活性層に対して垂直なＹ軸はファースト軸（Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ）と呼ばれることがある。半導体レーザアレイ２８からは各ＬＤ３８からのレーザビームが束となって射出される。このレーザビームの束を半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０とみなすと、その出力ビーム４０は、Ｘ方向に沿って長くＹ方向に沿って短い、ほぼ楕円状の断面を有する。

複数（本実施形態では３個）のＦＡＣレンズ１４は、レーザアレイスタック１２の基体２７と一対一に対応している。ＦＡＣレンズ１４は、対応する半導体レーザアレイ２８の出力面に取り付けられている。ＦＡＣレンズ１４は、ＸＹ平面に平行な平坦面を入力面として有し、円柱面を出力面として有するシリンダーレンズである。ＦＡＣレンズ１４の入力面は、半導体レーザアレイ２８の出力面と当接している。各ＦＡＣレンズ１４は、各半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０をファースト軸に沿ってコリメートする。つまり、ＦＡＣレンズ１４は、対応する半導体レーザアレイ２８からレーザビーム４０を受け取り、それをＹＺ平面内でコリメートする。図３に示されるように、コリメートされたレーザビームは、Ｚ方向に平行となる。

複数（本実施形態では３個）のテレスコープ１６は、ＦＡＣレンズ１４と一対一に対応している。テレスコープ１６は、対応するＦＡＣレンズ１４の出力面と対向させて配置されている。テレスコープ１６は、Ｘ方向に沿って配列された複数のレンズからなるレンズアレイである。テレスコープ１６は、ＦＡＣレンズ１４からレーザビームを受け取り、レーザビームの拡がり角を小さくして、その集光度を高める。レーザビームは、テレスコープ１６を透過した後、ビーム分割素子１８に入射する。

複数（本実施形態では３個）のビーム分割素子１８は、テレスコープ１６と一対一に対応している。ビーム分割素子１８は、対応するテレスコープ１６の出力面と対向させて配置されている。図４に示されるように、各ビーム分割素子１８は、Ｘ方向に沿って配列された３枚のガラス板１９ａ、１９ｂおよび１９ｃからなるプリズムである。これら３枚のガラス板１９ａ〜１９ｃは、互いに異なる角度に配置された入力面を有する。各ガラス板は、その入力面と平行な出力面を有している。各ガラス板は、入力面および出力面間で光を伝送する光導波路として機能する。これらのガラス板１９ａ〜１９ｃは、半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０をテレスコープ１６から受け取り、それを水平方向（Ｘ方向）に沿って３分割する。図３に示されるように、これら３本の分割ビームは、ＹＺ平面において半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０の光路から分岐した３本の光路を有している。ビーム分割素子１８から出射する分割ビーム４１〜４３は、Ｙ方向に沿って並列しており、互いに平行に進行する。

視野レンズ２０は、その入力面２０ａがすべてのビーム分割素子１８の出力面と対向するように配置されている。視野レンズ２０は、Ｙ軸方向に沿って延びる円柱面を入力面２０ａとして有するシリンダーレンズである。言い換えると、視野レンズ２０の入力面２０ａは、Ｙ軸方向に平行な母線を有する円柱面である。この入力面２０ａはビーム分割素子１８の出力面と近接している。視野レンズ２０の出力面２０ｂは、Ｚ軸方向、すなわち光軸２５の方向に対して垂直な平坦面である。すべてのビーム分割素子１８によって生成されたすべての分割ビーム４１〜４３が視野レンズ２０に入射するように、視野レンズ２０の入力面は十分に大きな面積を有している。ビーム分割素子１８によって生成された分割ビーム４１〜４３は、図２に示されるように、視野レンズ２０によって水平面（ＺＸ平面）内で集光される。視野レンズ２０は鉛直方向の集光作用を有さないので、図３に示されるように、鉛直面（ＹＺ平面）内では分割ビーム４１〜４３は集光されない。

視野レンズ２０から出射した分割ビーム４１〜４３はビーム合成素子２２に入射する。ビーム合成素子２２は、プリズム２９、ガラス板３０およびプリズム３１が３枚ずつ交互に積み重ねされた構成を有する。プリズム２９、ガラス板３０およびプリズム３１は、互いに接触している。図３および図５に示されるように、各プリズムおよび各ガラス板は分割ビームを一本ずつ受け取る。プリズム２９、ガラス板３０およびプリズム３１は、視野レンズ２０の出力面と対向する入力面およびこの入力面と平行な出力面をそれぞれ有している。プリズム２９および３１の入力面および出力面は、視野レンズ２０の出力面に対して一定の角度で傾斜している。ただし、プリズム２９と３１とでは、傾斜の向きが反対である。ガラス板３０の入力面および出力面は、視野レンズ２０の出力面と平行である。

図２に示されるように、一枚のプリズム２９、一枚のガラス板３０および一枚のプリズム３１からなる部分素子は、一つのビーム分割素子１８によって分割された３本のビーム４１〜４３をＺＸ平面内で重ね合わせるようにこれらのビームの光路を設定する。ガラス板３０は中央の分割ビーム４２を受け取り、それを屈折させることなく伝搬させる。視野レンズ２０の集光作用により、中央ビーム４２はＺ方向に沿って収束しながら進行する。一方、プリズム２９および３１の入力面は、中央ビームの両側の分割ビーム４１および４３を受け取り、それらを中央ビーム４２に向けて屈折させる。これにより、３本の分割ビーム４１〜４３がＺＸ平面内で重ね合わされる。この後、プリズム２９および３１の出力面は、入力面と逆方向にビーム４１および４３を屈折させる。これにより、重ね合わされた分割ビーム４１〜４３が再び分離してしまうことを防止する。この結果、分割ビーム４１〜４３がＺＸ平面内で１本のビーム４４に合成される。

一方、図３に示されるように、プリズム２９および３１ならびにガラス板３０は、ＹＺ平面では屈折作用を有しない。このため、ＹＺ平面内では、複数の分割ビーム４１〜４３がＹ方向に沿って並列している。分割ビーム同士の間隔は十分に狭いので、これらの分割ビームはＹＺ平面内で実質的に１本のビーム４４を形成する。このようにして、ビーム合成素子２２は、すべての分割ビームを一本のビーム４４に合成する。

上述のように、ビーム分割素子１８は、半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０を平行なビーム４１〜４３に分割する。しかし、光導波路であるガラス板１９ａ〜１９ｃの出力面からは、平行ビーム４１〜４３のほかに、拡がりがあるビームも出射する。半導体レーザアレイ２８の出力ビーム４０がＦＡＣ１４によってＹＺ平面内でコリメートされているため、これらのビームは、主にＺＸ平面内で拡散し、ＹＺ平面内では実質的にコリメートされている。これらのビームの拡がり角は、ＬＤ３８のスロー軸の拡がり特性とテレスコープ１６の特性に応じて定まる。図２および図４には、これらの拡がりがあるビームの代表として、中央のガラス板１９ｂから放射されるビーム４５が示されている。

分割ビーム４１〜４３と同様に、これらの拡がりあるビームは、ビーム合成素子２２の屈折作用により、ＺＸ平面内で重ね合わせられる。結果として、ビーム合成素子２２は、分割ビーム４１〜４３および拡がりがあるビームを重ね合わせて合成ビーム４６を生成する。後述する瞳３６の位置では、拡がりがあるビーム４５が分割ビーム４１〜４３を重ね合わせたビーム４４よりも十分に大きなＸ方向の幅を有するので、合成ビーム４６のＸ方向の幅は、拡がりがあるビーム４５のＸ方向の幅に実質的に等しい。図２および図３に示されるように、この合成ビーム４６は、ＺＸ平面内では光軸２５に沿って拡散し、ＹＺ平面内では光軸２５と平行に進行する。このため、合成ビーム４６の断面形状は次第に正方形に近づく。

集光レンズ２４は、ビーム合成素子２２によって合成されたビーム４６を受け取り、それを光軸２５に沿って集光する。集光レンズ２４は、光軸２５に沿って配置されたシリンダーレンズ３２および平凸レンズ３４から構成されるレンズ系である。シリンダーレンズ３２は、Ｚ方向に対して垂直な平坦面を入力面として有し、Ｘ方向に垂直な母線を持った円柱面を出力面として有する。平凸レンズ３４は、凸面を入力面として有し、Ｚ方向に対して垂直な平坦面を出力面として有する。シリンダーレンズ３２および平凸レンズ３４は、合成ビーム４６をＺＸ平面内で集光する。また、平凸レンズ３４は、合成ビーム４６をＹＺ平面内でも集光する。これにより、合成ビーム４６の断面形状が正方形に保たれながら、合成ビーム４６の径が縮小される。

光ファイバ２６は、集光レンズ２４との間に共通の光軸２５を有するように位置合わせされている。集光レンズ２４によって集光されたビーム４６は光ファイバ２６の一端面に入射し、光ファイバ２６内を伝搬する。光ファイバ２６の他端面から出射するレーザビームがレーザ装置１０の出力光である。

視野レンズ２０は、ＺＸ平面（水平面）内においてビーム合成素子２２の後側、より具体的には集光レンズ２４の前側焦点７０の位置に瞳３６を形成する。本実施形態では、前側焦点７０は集光レンズ２４の直前に位置する。瞳３６は、集光レンズ２４の前側に配置された光学系の射出瞳とみなすことができる。この光学系の構成要素のうち瞳３６の形成に関わるのは、レーザアレイスタック１２と視野レンズ２０である。視野レンズ２０がない場合、瞳３６は無限遠となる。視野レンズ２０の屈折力が高いほど瞳３６の位置は視野レンズ２０に近づく。瞳３６を形成することにより、ビーム分割素子１８から発する、拡がりがあるビームを、光ファイバ２６のＮＡ（開口数）に応じたテレセントリックビームとすることが可能になる。つまり、瞳３６の中心を通過する主光線は、集光レンズ２４の後側で光軸２５に平行に進む。この結果、多くの光線が光ファイバ２６の受光角以下の角度で光ファイバ２６に入射するので、光ファイバ２６にビームを効率良く導くことができる。したがって、レーザ装置１０は、高いパワーの出力ビームを光ファイバ２６から射出することができる。

また、視野レンズ２０によって瞳が形成されるため、複雑な構成の集光レンズを使用せずとも高い集光度を得ることができる。したがって、集光レンズの単純化と小型化が可能である。

本実施形態のように、瞳３６が集光レンズ２４の前側焦点面上に配置されていると、最も良好なテレセントリックビームが得られる。しかし、瞳３６が前側焦点７０から多少ずれていても、レーザアレイスタック１２からのビームを十分に高い効率で光ファイバ２６に結合することができる。光軸２５に沿って集光レンズ２４の前側焦点７０から集光レンズの焦点距離の２倍の距離だけ前側に進んだ位置を第１の位置７２とし、光軸２５に沿って集光レンズ２４の後側焦点７４から集光レンズの焦点距離だけ後側に進んだ位置を第２の位置７６とする。本発明者の知見によれば、視野レンズ２０は、第１の位置７２と第２の位置７６の間に瞳３６を形成することが好ましい。このような位置範囲に瞳が形成されれば、集光レンズ２４がビーム分割素子１８からの拡がりがあるビームをテレセントリックビームに十分に近づけることができ、したがって、十分に高い結合効率を得ることができる。

第２実施形態
以下では、図６〜図８を参照しながら本発明の第２の実施形態を説明する。図６は、第２実施形態に係るレーザ装置５０の斜視図であり、図７および図８はレーザ装置５０の概略平面図および概略側面図である。図６には互いに垂直なＸ、ＹおよびＺ軸も示されている。Ｚ軸はレーザ装置５０の光軸２５と平行であり、ＸおよびＹ軸はＺ軸と垂直である。レーザ装置５０は、レーザアレイスタック５２、複数のＦＡＣレンズ１４、ビーム分割素子５４、視野レンズ２０、ビーム合成素子５６、集光レンズ２４および光ファイバ２６を有する。

レーザアレイスタック５２は、第１実施形態におけるレーザアレイスタック１２と同様の構成を有している。すなわち、レーザアレイスタック５２では３枚の基体５７がＹ方向に沿って積み重ねられており、各基体５７には、半導体レーザアレイ５８が設けられている。半導体レーザアレイ５８は、図６のＸ方向に沿って配列された３個のＬＤ６８から構成されている。各ＬＤ６８の構成は第１実施形態におけるＬＤ３８と同様である。半導体レーザアレイ５８の出力ビーム８０は、Ｘ方向に沿って長くＹ方向に沿って短い、ほぼ楕円状の断面を有する。

各ＦＡＣレンズ１４は、対応する半導体レーザアレイ５８からレーザビーム８０を受け取り、ＹＺ平面内でコリメートする。これらのＦＡＣレンズ１４の出力面は、ビーム分割素子５４を構成するプリズム５９および６０の入力面と対向している。プリズム５９および６０は、Ｘ方向に沿って離間させて配列されている。プリズム５９および６０の入力面は、Ｙ方向に対して互いに反対方向に傾斜している。また、プリズム５９および６０の出力面は、Ｘ方向に対して互いに反対方向に傾斜している。

図７に示されるように、ＦＡＣレンズ１４によってコリメートされたレーザビーム８０は、ビーム分割素子５４によって、Ｘ方向に沿って並列した３本のビーム８１〜８３に分割される。具体的に述べると、レーザビーム４０は、プリズム５９を透過するビーム８１、プリズム６０を透過するビーム８２、およびプリズム５９と６０の間隙を通過するビーム８３に分割される。図８に示されるように、これら３本の分割ビームは、ＹＺ平面において半導体レーザアレイ５８の出力ビーム８０の光路から分岐した３本の光路を有している。これらの分割ビーム８１〜８３はＹＺ平面内でわずかに異なる方向に進行する。このため、異なる基体５７上の半導体レーザアレイ５８から発する分割ビーム８１〜８３の束は、進行するにつれて互いに接近する。

視野レンズ２０は、その入力面２０ａがプリズム５９および６０の出力面と対向するように配置されている。ビーム分割素子５４によって生成された分割ビーム８１〜８３は、図７に示されるように、視野レンズ２０によってＺＸ平面内で集光される。

ビーム合成素子５６は、視野レンズ２０と集光レンズ２４の間の光路上において集光レンズ２４の付近に配置されている。ビーム合成素子５６は、３本のプリズム６１と３本のプリズム６２とが交互に重ねられた構造を有している。なお、図８では、「６１」および「６２」に添字１〜３を付してこれらのプリズムを区別する。プリズム６１および６２は、視野レンズ２０の出力面２０ｂと対向する入力面を有している。図８に示されるように、プリズム６１および６２の入力面は、Ｙ方向に対して互いに反対方向に傾斜している。また、図７に示されるように、プリズム６１および６２は、Ｘ方向に対して互いに反対方向に傾斜した出力面を有している。図８に示されるように、最も上方に配置されたプリズム６１_１とその直下に配置されたプリズム６２_１とは離間している。プリズム６２_１と６１_２は接しているが、プリズム６１_２とプリズム６２_２とは離間している。プリズム６２_２と６１_３とは接しているが、プリズム６１_３とプリズム６２_３とは離間している。

図７に示されるように、互いに離間した一対のプリズム６１_ｎよび６２_ｎ（ｎは１〜３の整数）は、一つの半導体レーザアレイ５８から得られる３本の分割ビーム８１〜８３をＺＸ平面内で重ね合わせるようにこれらの分割ビームの光路を設定する。また、図８に示されるように、３本の分割ビーム８１〜８３のうち最上方および最下方のビームはそれぞれプリズム６１_ｎおよび６２_ｎによってＹＺ平面内で屈折させられる。３本の分割ビームのうち中央のビーム８３はプリズム６１_ｎおよび６２_ｎの間隙を通過する。この結果、３本の分割ビーム８１〜８３はいずれもＺ方向に進行するようになる。つまり、ＹＺ平面内では、複数の分割ビームがＹ方向に沿って平行に並んでいる。分割ビーム同士の間隔は十分に狭いので、これらの分割ビームはＹＺ平面内で実質的に１本のビーム８６を形成する。

本実施形態のレーザ装置５０でも、分割ビーム８１〜８３に加えて、拡がりがあるビームが存在する。ＬＤ６８の活性層は光導波路であるため、これらの活性層から拡がりがあるビームが発する。これらのビームは、ＺＸ平面内で拡散し、ＹＺ平面内ではＦＡＣ１４によって実質的にコリメートされる。これらのビームの拡がり角は、ＬＤ６８のスロー軸の拡がり特性に応じて定まる。図７には、これらの拡がりがあるビームの代表として、中央のＬＤ６８から放射されるビーム８５が示されている。

分割ビーム４１〜４３と同様に、これらの拡がりがあるビームは、プリズム６１および６２の屈折作用により、ＺＸ平面内で重ね合わせられる。結果として、ビーム合成素子５６は、分割ビーム８１〜８３および拡がりがあるビームを重ね合わせて合成ビーム８６を生成する。後述する瞳６６の位置では、拡がりがあるビーム８５が分割ビーム８１〜８３を重ね合わせたビーム８４よりも十分に大きなＸ方向の幅を有するので、合成ビーム８６のＸ方向の幅は、拡がりがあるビーム８５のＸ方向の幅に実質的に等しい。図７および図８に示されるように、この合成ビーム８６は、ＺＸ平面内では光軸２５に沿って拡散し、ＹＺ平面内では光軸２５と平行に進行する。このため、合成ビームの断面形状は次第に正方形に近づく。

集光レンズ２４は、ビーム合成素子５６によって合成されたビーム８６を受け取り、それを集光する。これにより、合成ビームの断面形状が正方形に保たれながら、合成ビーム８６の径が縮小される。集光されたビーム８６は光ファイバ２６の一端面に入射し、光ファイバ２６内を伝搬する。光ファイバ２６の他端面から出射するレーザビームがレーザ装置５０の出力光である。

第１実施形態と同様に、視野レンズ２０は、ＺＸ平面（水平面）内においてビーム合成素子５６の後側、より具体的には集光レンズ２４の前側焦点７０の位置に瞳６６を形成する。瞳６６は、集光レンズ２４の前側に配置された光学系の射出瞳とみなすことができる。この光学系の構成要素のうち瞳６６の形成に関わるのは、レーザアレイスタック１２と視野レンズ２０である。視野レンズ２０がない場合、瞳６６は無限遠となる。視野レンズ２０の屈折力が高いほど瞳６６の位置は視野レンズ２０に近づく。瞳６６を形成することにより、半導体レーザアレイ５８からの拡がりがあるビームを光ファイバ２６のＮＡ（開口数）に応じたテレセントリックビームとすることが可能になる。これにより、第１実施形態と同様に、光ファイバ２６にビームを効率良く導くことができる。したがって、レーザ装置５０は、高いパワーの出力ビームを光ファイバ２６から射出することができる。

本実施形態のように、瞳６６が集光レンズ２４の前側焦点面上に配置されていると、最も良好なテレセントリックビームが得られる。しかし、瞳６６が前側焦点７０から多少ずれていても、レーザアレイスタック１２からのビームを十分に高い効率で光ファイバ２６に結合することができる。光軸２５に沿って集光レンズ２４の前側焦点７０から集光レンズの焦点距離の２倍の距離だけ前側に進んだ位置を第１の位置７２とし、光軸２５に沿って集光レンズ２４の後側焦点７４から集光レンズの焦点距離だけ後側に進んだ位置を第２の位置７６とする。本発明者の知見によれば、視野レンズ２０は、第１の位置７２と第２の位置７６の間に瞳６６を形成することが好ましい。このような位置範囲に瞳が形成されれば、集光レンズ２４が半導体レーザアレイ５８からの拡がりがあるビームをテレセントリックビームに十分に近づけることができ、したがって、十分に高い結合効率を得ることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では、瞳が集光レンズの前側に形成されている。しかし、集光レンズの内部または後側に瞳が形成されてもよい。集光レンズの光軸に沿って集光レンズの前側焦点から集光レンズの焦点距離の２倍の距離だけ前側に進んだ位置を第１の位置とし、集光レンズの光軸に沿って集光レンズの後側焦点から集光レンズの焦点距離だけ後側に進んだ位置を第２の位置とする。このとき、視野レンズは、第１および第２の位置の間に瞳を形成することが好ましい。このような位置範囲に瞳が形成されれば、上記実施形態と同等の効果を得ることができる。この位置範囲は、ビーム合成素子の前側にまで及ぶ可能性がある。しかし、ビーム合成素子の後側に瞳が形成されることがより好ましい。

上記実施形態のレーザ装置は、光ファイバ２６を用いて出力ビームを射出する。しかし、光ファイバを使用せずに、集光レンズ２４によって集光したビームを対象物に直接照射してもよい。この場合、視野レンズによって瞳が集光レンズ２４の内部、直前または直後に形成されていれば、単純な構造の小型の集光レンズを用いて高い照射エネルギー密度を得ることができる。

本発明の効果は、ビーム分割素子とビーム合成素子の間に視野レンズを配置することにより得られる。したがって、上記実施形態のほかにも、特許文献１〜３に記載される構成のレーザ装置において視野レンズを配置することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態では、高い出力パワーを得るために、複数の半導体レーザアレイを積み重ねたレーザアレイスタックが光源として使用されている。しかし、単独の半導体レーザアレイを光源として使用してもよい。

本発明のレーザ装置は、視野レンズを用いて瞳を半導体レーザアレイから有限の距離に形成するため、半導体レーザアレイの出力ビームを効率良く集光することができる。また、瞳の形成により、拡がりがあるビームを集光レンズの通過後にテレセントリックビームに近づけることができる。このため、半導体レーザアレイの出力ビームを光ファイバに効率良く結合することができる。

Claims (6)

1. 第１の方向に沿って配列された複数の半導体レーザを有する半導体レーザアレイと、
   前記半導体レーザアレイの出力ビームを前記第１方向と垂直な第１の平面内でコリメートするコリメートレンズと、
   コリメートされた前記ビームを、並列した複数のビームに分割し、これら複数のビームを、前記第１平面内において前記出力ビームの光路から分岐した複数の光路上に進行させるビーム分割素子と、
   前記第１平面と垂直な第２の平面内で前記複数のビームを重ね合わせるビーム合成素子と、
   前記ビーム合成素子によって生成されたビームを集光する集光レンズと、
   前記ビーム分割素子と前記ビーム合成素子との間に配置された視野レンズと、
   を備えるレーザ装置。
2. 前記視野レンズは、前記第２平面内において前記ビーム合成素子の後側に瞳を形成する、
   請求項１のレーザ装置。
3. 前記集光レンズの光軸に沿って前記集光レンズの前側焦点から前記集光レンズの焦点距離の２倍の距離だけ前側に進んだ位置を第１の位置とし、
   前記集光レンズの光軸に沿って前記集光レンズの後側焦点から前記集光レンズの焦点距離だけ後側に進んだ位置を第２の位置とすると、
   前記視野レンズは、前記第１および第２の位置の間に前記瞳を形成する、
   請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記視野レンズは、前記集光レンズの前側焦点の位置に前記瞳を形成する、請求項１または２に記載のレーザ装置。
5. 前記集光レンズに光学的に結合された光ファイバをさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ装置。
6. 前記視野レンズは、前記第１の方向と垂直な母線を持った円柱面を有するシリンダーレンズである、請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ装置。

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