JPWO2016203998A1 - レーザユニット及びレーザ装置 - Google Patents

Abstract

複数のシングルエミッタＬＤよりそれぞれ発振出力される個々のレーザビームを合成して得られる一束の合成レーザビームの集光密度ないしレーザパワーを高品質で効率よく向上させること。このレーザユニット１０の底板またはユニットベース２２の上には、中心線Ｎに対して左右対称に分かれて配置される一対の積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒと、入射面が中心線Ｎと垂直に交差する単体の波長安定化素子（ＶＢＧ）２６と、中心線Ｎの左右両側に分かれて配置される一対の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒと、中心線Ｎ上に配置されるミラー型のビーム回転素子３０と、このビーム回転素子３０から中心線Ｎと直交する方向（Ｘ方向）にオフセットして配置される二次アナモルフィックプリズム３２とが設けられる。

Description

本発明は、多数のシングルエミッタＬＤを用いて高出力・高輝度のレーザビームを提供するレーザユニットおよびレーザ装置に関する。

近年、レーザ加工の分野では、これまで主にファイバレーザやＹＡＧレーザ等の励起光源に用いてきた半導体レーザまたはレーザダイオード（ＬＤ）を、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）として直接レーザ加工光源に用いる試みが進められている。ＤＤＬは、多数のＬＤを横一列に並べてモノリシックに形成したバー状のＬＤアレイを複数本組み合わせて用いるアレイ方式と、多数の単体ＬＤチップまたはシングルエミッタＬＤを組み合わせて用いるシングルエミッタ方式とに大別される。どちらの方式においても、多数のＬＤより同時に射出されたレーザビームを一束のビームに合成し、通常は光ファイバに通してレーザ加工等の用途に供するようにしている。

アレイ方式は、一般に、複数本のＬＤアレイを積み重ねて積層構造のＬＤモジュールとし、このＬＤモジュールより直接一束の合成レーザビームを提供する。この方式は、個々のＬＤより射出されたレーザビームが射出直後から一束に合成されるので効率的なようにみえるが、実際には、ＬＤアレイないしＬＤモジュール全体の発光面サイズが大きいために合成レーザビームのコリメートや集光の精度が低いうえ、個々のビーム同士が互いに干渉し合うため、カップリング効率がそれほど高くならないことが、不利点となっている。

この点、シングルエミッタ方式（たとえば非特許文献１，２参照）は、多数のシングルエミッタＬＤを任意の距離を隔てて離散的に配置し、それらのシングルエミッタＬＤよりそれぞれ射出される単体レーザビームをファスト軸方向およびスロー軸方向で個別にコリメートしてから単体レーザビーム同士の相互干渉を起こさないように非接触で一束に合成するので、高出力・高輝度のレーザビームを得るのに有利とされている。

タイトル：Ｈｉｇｈ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ， Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｋＷ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ、著者：Ｈａｒｏ Ｆｒｉｔｓｃｈｅ等、発行者：ＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、発行年：２０１４年 タイトル：１００−Ｗ １０５−μｍ， ０．１５ＮＡ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ Ｍｏｄｕｌｅ、著者：Ｓｃｏｔｔ Ｒ． Ｋａｒｌｓｅｎ Ｆｒｉｔｓｃｈｅ等、発行者：ｎＬＩＧＨＴ、発行年：２００９年

しかしながら、シングルエミッタ方式を採用する従来のレーザ装置は、コリメートした後の個々の単体レーザビームをそのままのビームサイズで一束に合成するので、合成レーザビームに含まれる単体レーザビームの個数ないし密度に限界があり、ひいてはＤＤＬで発揮できるレーザパワーやファイバカップリング方式に用いる光ファイバの細さにも限界があった。

本発明は、かかる従来技術の課題を解決するものであり、複数のシングルエミッタＬＤよりそれぞれ発振出力される個々のレーザビームを合成して得られる一束の合成レーザビームの集光密度ないしレーザパワーを高品質で効率よく向上させることができるレーザユニットおよびレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザユニットは、第１の方向において所定のピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第１のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第１のシングルエミッタＬＤより標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第１の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、一束の第１の積層レーザビームを作製する第１の積層レーザビーム作製部と、前記第１の積層レーザビーム作製部に隣接して配置され、前記第１の方向において前記ピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第２のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第２のシングルエミッタＬＤより前記標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第２の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、一束の第２の積層レーザビームを作製する第２の積層レーザビーム作製部と、前記第１の積層レーザビーム作製部からの前記第１の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第１の積層レーザビームを構成する個々の前記第１の単体ビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの一方において第１の圧縮率で圧縮するとともに、前記第１の積層レーザビームの光路を前記第２の積層レーザビーム側にシフトさせる第１のアナモルフィックプリズムと、前記第２の積層レーザビーム作製部からの前記第２の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第２の積層レーザビームを構成する個々の前記第２のシングルビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの前記一方において第２の圧縮率で圧縮するとともに、前記第２の積層レーザビームの光路を前記第１の積層レーザビーム側にシフトさせる第２のアナモルフィックプリズムとを有し、前記第１の積層レーザビームと前記第２の積層レーザビームとを並列に合成してなる一束の合成積層レーザビームを提供する。

上記構成のレーザユニットにおいては、２組のシングルエミッタＬＤより得られる各一束の２つの積層レーザビームを第１および第２のアナモルフィックプリズムに通す過程で、両積層レーザビームを構成する各単体レーザビームの像サイズの圧縮と両積層レーザビームの相互接近とを同時に行わせることにより、高密度な２列一束のレーザビームに合成するようにしたので、レーザビームの集光密度ないしレーザパワーを高品質かつ効率的に向上させることができる。

本発明における第１のレーザ装置は、前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の合成積層レーザビームを射出する本発明の第１のレーザユニットと、前記第１の方向および前記第４の方向と直交する第５の方向に第２の合成積層レーザビームを射出する本発明の第２のレーザユニットと、前記第４の方向および前記第５の方向のいずれに対しても４５度傾いた方向で隣接して並ぶ透過部と反射部とを有し、前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームとをそれぞれ前記透過部および前記反射部のどちらかに選択的に入射させて、前記第１の合成積層レーザビームと前記第２の合成積層レーザビームとを非接触で一束のレーザビームに多重合成する空間カップリング素子とを有する。

上記構成のレーザ装置は、複数の本発明のレーザユニットよりそれぞれ得られる複数の合成積層レーザビームを空間カップリングによりさらに多重合成するので、高品質レーザパワーの更なる倍増を実現することができる。

本発明における第２のレーザ装置は、前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の合成積層レーザビームを射出する本発明の第１のレーザユニットと、前記第１方向および前記第４の方向とも直交する第５の方向に第２の合成積層レーザビームを射出する本発明の第２のレーザユニットと、前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームとを偏光カップリングにより一束のレーザビームに多重合成する偏光カップリング素子とを有する。

上記構成のレーザ装置は、複数の本発明のレーザユニットよりそれぞれ得られる複数の合成積層レーザビームを偏光カップリングによりさらに多重合成するので、高品質レーザパワーの更なる倍増を実現することができる。

本発明における第３のレーザ装置は、前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の標準波長付近の波長を有する第１の積層レーザビームを射出する請求項５または本発明の第１のレーザユニットと、前記第１方向および前記第４の方向と直交する第５の方向に前記第１の標準波長と干渉し合わない第２の標準波長付近の波長を有する第２の合成積層レーザビームを射出する本発明の第２のレーザユニットと、前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームを波長カップリングにより一束のレーザビームに多重合成する波長カップリング素子とを有する。

上記構成のレーザ装置は、複数の本発明のレーザユニットよりそれぞれ得られる複数の合成積層レーザビームを波長カップリングによりさらに多重合成するので、高品質レーザパワーの更なる倍増を実現することができる。

本発明のレーザユニットまたはレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、複数のシングルエミッタＬＤよりそれぞれ発振出力されるシングルのレーザビームを合成して得られる一束の合成レーザビームの集光密度ないしレーザパワーを高い精度で効率よく向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるレーザユニットの外観構成を示す斜視図である。 上記レーザユニット内部の主要な構成を示す平面図である。 上記レーザユニットにおける積層レーザビーム作製部の主要な部分の構成および作用を示す平面図である。 上記レーザユニットにおける一次アナモルフィックプリズムの構成および作用を示す平面図である。 上記レーザユニットにおけるビーム回転素子の構成および作用を示す平面図である。 上記レーザユニットにおける主要な各部のレーザビームのパターン（像）を示す図である。 第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す略平面図である。 図７のレーザ装置に設けられるストライプミラー（空間カップリング素子）の構成および作用を示す斜視図である。 図７のレーザ装置の各部におけるレーザビームのパターン（像）を示す図である。 第２の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す略平面図である。 図１０のレーザ装置の各部におけるレーザビームのパターン（像）を示す図である。 第３の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す略平面図である。 図１２のレーザ装置の各部におけるレーザビームのパターン（像）を示す図である。 他の実施形態におけるレーザ装置の各部における各部のレーザビームのパターン（像）を示す図である。 実施形態における一次アナモルフィックプリズム組立体の一変形例を示す図である。 図１４のアナモルフィックプリズム組立体の各部におけるレーザビームのパターン（像）を示す図である。 ビーム回転素子の別の構成例を示す図である。 波長安定化素子の配置構成に関する一実施例を示す平面図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［レーザユニットの実施形態］

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザユニットの外観を示す。このレーザユニット１０は、ＤＤＬとしてユニット単体でレーザ加工等の用途に使用される場合は、図示のような筐体１２を有する独立したユニットとして提供される。筐体１２の一側面にレーザ射出口１４が設けられ、レーザ発振出力時にはこのレーザ射出口１４より一束の合成レーザビームＳＬＢ_Ｔがユニットの外に射出される。ファイバカップリング方式を採る場合は、レーザ射出口１４に光コネクタ（図示せず）を介して光ファイバ（図示せず）の一端部が取り付けられる。筐体１２の他の側面には、レーザ電源（図示せず）からの電気ケーブル１６やチラー（図示せず）からの冷却水供給管１８等に接続する各種コネクタ類（図示せず）が設けられている。筐体１２の上面には、メンテナンス等のために随時開放される蓋体２０が設けられている。

図２に、このレーザユニット１０内の主要な構成、特に主要部品の配置構造（レイアウト）を平面視で示す。図３〜図６に、ユニット１０内の各部の構成および作用を示す。

このレーザユニット１０の底には、ユニット内の全ての部品を搭載して支持し、かつヒートシンクとして機能する熱伝導率の高い部材たとえば銅からなる板状のユニットベース２２が配置されている。このユニットベース２２の内部には、冷却水供給管１８を介して供給される冷却水を各部に行き渡らせる通路（図示せず）が形成されている。

ユニットベース２２の上には、図２のＹ方向に延びる中心線Ｎに対して左右対称に一対の積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒが設けられる。さらに、レーザビームの進行方向に沿って、両積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒの下流側または後段には、入射面が中心線Ｎと垂直に交差する単体の波長安定化素子たとえばＶＢＧ２６と、中心線Ｎの左右両側に分かれて配置される一対の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒと、中心線Ｎ上に配置されるミラー型のビーム回転素子３０と、このビーム回転素子３０から中心線Ｎと直交する方向（Ｘ方向）にオフセットして配置される二次アナモルフィックプリズム３２とが設けられる。

一方（図２の右側）の積層レーザビーム作製部２４Ｒにおいては、図３の（ｂ）に示すように、ユニットベース２２の上面がＶＢＧ２６側からレーザビームの上流側に向って階段状に高くなっており（階段状ＬＤ支持部２２ａが構成されており）、各段の上面に熱伝導率の高い絶縁体たとえばセラミック部材３４を介して複数個（図示の例では７個）のシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７が載置されている。ここで、各シングルエミッタＬＤ３６Ｒｎ（ｎ＝１，２，・・７）は、そのレーザ射出面Ａを中心線Ｎと対向させて、つまりＸ方向に向けて配置される。

レーザユニット１０ないしユニットベース板２２の底面をＸＹ面として、平面視で見ると、図２および図３の（ａ）に示すように、これらのシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７は、中心線Ｎと平行に、つまりＹ方向に一定間隔ｄで一列に配置されている。また、ＸＹ面に垂直なユニット高さ方向つまりＺ方向においては、図３の（ｂ）に示すように、これらのシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７は、階段の段差に相当するピッチｈでそれぞれの配置位置つまりレーザ射出面Ａの高さ位置を異にしている。

シングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７のレーザ射出面Ａの前方には、中心線Ｎの手前で全反射ミラー３８Ｒ１，３８Ｒ２，・・３８Ｒ７がそれぞれの反射面をＸ方向およびＹ方向のどちらに対しても４５度傾けた姿勢で配置されている。すなわち、各々のミラー３８Ｒｎは、Ｘ方向においては４５度傾いて各対応するシングルエミッタＬＤ３６Ｒｎと対向し、Ｙ方向においては４５度傾いてＶＢＧ２６と対向している。

ここで、Ｚ方向において最も高い位置のミラー３８Ｒ１を除いて、各々のミラー３８Ｒｎの頂部は、それと対応するシングルエミッタＬＤ３６Ｒｎのレーザ射出面Ａよりは高く、それより一段高い隣のシングルエミッタＬＤ３６Ｒｎ−１のレーザ射出面Ａよりは低くなっている。これにより、最も高い位置に配置される端のシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１よりＸ方向に出射された単体レーザビームＬＢ_Ｒ１は、ミラー３８Ｒ１に４５度の入射角で入射して、そこで直角に全反射し、図３の（ｃ）に示すようにその後段のミラー３８Ｒ２，・・３８Ｒ７の頭上をＹ方向に直進し、ＶＢＧ２６に最も高い位置で入射するようになっている。

また、端のシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１の隣に配置される２番目に高いシングルエミッタＬＤ３６Ｒ２よりＸ方向に射出された単体レーザビームＬＢ_Ｒ２は、ミラーＬＤ３８Ｒ２に４５度の入射角で入射して、そこで直角に全反射し、図３の（ｃ）に示すようにその後段のミラー３８Ｒ３，・・３８Ｒ７の頭上をＹ方向に直進し、ＶＢＧ２６に２番目に高い位置で入射するようになっている。そして、他端または末端のシングルエミッタＬＤ３６Ｒ７よりＸ方向に射出された単体レーザビームＬＢ_Ｒ７は、ミラー３８Ｒ７に４５度の入射角で入射し、そこで直角つまりＹ方向に全反射し、図３の（ｃ）に示すように最も低い位置でＶＢＧ２６に入射するようになっている。

互いに対向するシングルエミッタＬＤ３６Ｒｎとミラー３８Ｒｎとの間の光路上には、ファスト軸コリメートレンズ４０Ｒｎとスロー軸コリメートレンズ４２Ｒｎが配置されている。ファスト軸コリメートレンズ４０Ｒｎは、シングルエミッタＬＤ３６Ｒｎのレーザ射出面Ａに近接して配置され、このシングルエミッタＬＤ３６Ｒｎより射出された直後の単体レーザビームＬＢ_Ｒｎのビームサイズをファスト軸方向でコリメートする。また、スロー軸コリメートレンズ４２Ｒｎは、シングルエミッタＬＤ３６Ｒｎから見てファスト軸コリメートレンズ４０Ｒｎの後方に配置され、単体レーザビームＬＢ_Ｒｎのビームサイズをスロー軸方向でコリメートする。

上記のような構成を有する右側積層レーザビーム作製部２４Ｒにおいては、図２および図３の（ａ），（ｃ）に示すように、複数（７つ）のシングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７よりそれぞれ射出された複数（７つ）の単体レーザビームＬＢ_Ｒ１，ＬＢ_Ｒ２，・・ＬＢ_Ｒ７が、ミラー３８Ｒ１，３８Ｒ２，・・３８Ｒ７でそれぞれ反射した後、Ｚ方向に非接触で積層状に並んだ状態で空中をＹ方向に平行に伝搬し、図６の（ｂ）に示すような縦一列の一束の第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒを構成して、ＶＢＧ２６の中心線Ｎより図２の右側の領域に入射する。

なお、シングルエミッタＬＤ３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７は、同一仕様の単体ＬＤチップであり、電極板や配線（図示せず）を介して電気的に直列接続されており、レーザ電源より電気ケーブル１６を介して供給される直流電力の下で、一定の標準波長（たとえば８８０ｎｍ）に一致または近似する波長を有する単体レーザビームＬＢ_Ｒ１，ＬＢ_Ｒ２，・・ＬＢ_Ｒ７をそれぞれ発振出力する。

他方（図２の左側）の積層レーザビーム作製部２４Ｌも、中心線Ｎに対して右側の積層レーザビーム作製部２４Ｒと対称であることを除いて、右側積層レーザビーム作製部２４Ｒと同一の構成および機能を有している。したがって、この左側積層レーザビーム作製部２４Ｌにおいては、複数（７つ）のシングルエミッタＬＤ３６Ｌ１，３６Ｌ２，・・３６Ｌ７より上記標準波長（８８０ｎｍ）に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数（７つ）の単体レーザビームＬＢ_Ｌ１，ＬＢ_Ｌ２，・・ＬＢ_Ｌ７が、ミラー３８Ｌ１，３８Ｌ２，・・３８Ｌ７でそれぞれ反射した後、Ｚ方向に非接触で積層状に並んだ状態で空中をＹ方向に平行に伝搬し、図６の（ａ）に示すような縦一列の一束の第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌを構成して、ＶＢＧ２６の中心線Ｎより図２の左側の領域に入射する。

ＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）２６は、外部共振器を構成し、シングルエミッタＬＤ（３６Ｌ１，３６Ｌ２，・・３６Ｌ７）、（３６Ｒ１，３６Ｒ２，・・３６Ｒ７）におけるレーザ発振の波長幅を狭帯域化するとともに、中心波長のバラツキを抑えて上記標準波長（８８０ｎｍ）付近にロックする。この実施形態では、単一または単体のＶＢＧ２６がユニット内の全てのシングルエミッタＬＤに共用されるため、コストの低減を図れるだけでなく、狭帯域化および波長ロックの精度が安定している。なお、波長安定化素子として、ＶＨＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ）も使用可能である。

ＶＢＧ２６より射出された第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７）および第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒ（ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）は、縦方向（Ｚ方向）では略同じ高さに揃っており、横方向（Ｘ方向）では両積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒ内の左右両側ミラー（３８Ｌ１〜３８Ｌ７）、（３８Ｒ１〜３８Ｒ７）間の空間マージンに依存する距離Ｍ（図４，図６）だけ大きく離間しており、そのまま左右の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒにそれぞれ入射する。

図４に示すように、右側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｒは、ＶＢＧ２６の近傍に位置し、一方（長い方）の隣辺ａ_１がＶＢＧ２６と平行に対向し、他方（短い方）の隣辺ｂ_１が中心線Ｎと平行に対向するように配置される前段の直角プリズム４０Ｒと、ビーム進行方向（Ｙ方向）において前段直角プリズム４０Ｒの後方に位置し、一方の隣辺ａ_２が一定の角度で前段直角プリズム４０Ｒの斜辺ｃ_１と斜めに対向し、斜辺ｃ_２が中心線Ｎに斜めに近接して対向するように配置される後段の直角プリズム４２Ｒとで構成されている。

ＶＢＧ２６をＹ方向に通過してきた右側の第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒは、右側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｒの前段直角プリズム４０Ｒおよび後段直角プリズム４２Ｒを図示のように光路を折り曲げながら順次通過し、Ｙ方向に抜け出る。この際、第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒを構成している個々の単体レーザビームＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７の像サイズ（長さ）が、スロー軸方向において所定の圧縮率たとえば０．５で１／２に圧縮される（図６の（ｂ）→（ｃ））。

さらに、後段直角プリズム４２Ｒは、隣辺ａ_２と斜辺ｃ_２との間の角部を大きく切り落とし、しかも斜辺ｃ_２を中心線Ｎに可及的に近づけているので、後段直角プリズム４２Ｒを透過した直後の第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｒ（ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）の光路は、中心線Ｎに殆ど接するくらいまでＸ方向で大きくシフトしている。

左側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌは、右側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｒと同一の構成を有し、中心線Ｎに対して線対称に配置されている。ＶＢＧ２６をＹ方向に通過してきた左側の第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌは、右側の第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒと線対称の光路で左側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌの前段および後段直角プリズム４０Ｌ，４２Ｌを順次通通する。

これにより、第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌを構成している個々の単体レーザビームＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７の像サイズ（長さ）が、スロー軸方向において所定の圧縮率たとえば０．５で１／２に圧縮される（図６の（ａ）→（ｃ））。そして、左側の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌを抜け出た後の第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７）の光路は、中心線Ｎに殆ど接するくらいまでＸ方向で大きくシフトしている。

こうして、左右一対の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒの後段には、図６の（ｃ）に示すように、第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌと第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒとが極僅かな間隔ｍを挟んで横２列に並んで合成された一束の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒが得られる。

この合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒは、図２に示すように、ミラー型のビーム回転素子３０を通過し、その際に、ビームのパターンまたは像が９０度回転するとともに、ビームの光路または進行方向がＹ方向からＸ方向に直角に折れ曲がる。

図５に示すように、ビーム回転素子３０は、上下方向（Ｚ方向）で斜めに対向する一対の全反射ミラー４４，４６によって構成されている。ここで、前段のミラー４４は、中心線Ｎと交差する位置で、Ｘ方向に対しては平行で、Ｙ方向に対しては４５度傾いた反射面４４ａを有し、一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒを通り抜けてきた合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒが該反射面４４ａに入射するように配置される。後段のミラー４６は、Ｙ方向に対しては平行で、Ｘ方向に対しては４５度傾いた反射面４６ａを有し、前段ミラー４４の反射面４４ａで反射した合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒが該反射面４６ａに入射するように配置される。

なお、図５は、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの中の一部（２つ）の単体レーザビームＬＢＲｎ−１，ＬＢＲｎについて、ビーム像が９０度回転する仕組みと、ビーム光路がＹ方向からＸ方向に直角に折れ曲がる仕組みとを模式的に示している。後段ミラー４６を前段ミラー４４の上下いずれに配置するか、後段ミラー４６で反射した合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの進行方向（向き）を左右のいずれにするか等は、設計事項の範囲内で任意に選ぶことができる。

このように、ビーム回転素子３０により合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの像が９０度回転すると、第１積層レーザビームＳＬＢ_Ｌと第２積層レーザビームＳＬＢ_Ｒの相互の位置関係がそれまでの横２列の関係（図６の（ｃ））から縦２列の関係（図６の（ｄ））に変わる。しかし、両者ＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒの結合関係は全く変わらずに維持される。

次に、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒは、ビーム回転素子３０の後段でＸ方向に二次アナモルフィックプリズム３２を通過し、その際に、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒを構成している個々の単体レーザビームＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７の像サイズ（太さ）が、ファスト軸方向において所定の圧縮率たとえば０．５で１／２に圧縮される（図６の（ｄ）→（ｅ））。この場合、相隣接する単体レーザビームＬＢ間のスペースまたは間隔も、同じ圧縮率（１／２）で縮小する。

なお、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒが二次アナモルフィックプリズム３２に入射する前とそれを透過した後とで、進行方向（Ｘ方向）は変わらないが、光路は横（Ｙ方向）に幾らかシフトする。このシフト量に格別の意義はない。また、二次アナモルフィックプリズム３２を構成する前段および後段の直角プリズム４８，５０の形状や配置位置に関しても、一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒ（図４）におけるような特別な限定は不要である。

合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒは、二次アナモルフィックプリズム３２を通過した後、１ユニット分の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔとしてレーザ射出口１４よりユニット筐体１２の外に出射される。ファイバカップリング方式を採る場合は、レーザ射出口１４に光コネクタを介して光ファイバの一端部が取り付けられ、二次アナモルフィックプリズム３２とレーザ射出口１４との間に集光レンズ（図示せず）が設けられる。合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔが光ファイバに入射すると、光ファイバの中で合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔを構成している積層レーザビームＳＬＢ_Ｒ，ＳＬＢ_Ｌ同士ないし単体レーザビームＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７同士が伝搬中にカップリングされる。

上記したように、この実施形態のレーザユニット１０によれば、一対の積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒにおいて、多数のシングルエミッタＬＤ（３６Ｌ１〜３６Ｌ７，３６Ｒ１〜３６Ｒ７）を２列または２組（３６Ｌ１〜３６Ｌ７），（３６Ｒ１〜３６Ｒ７）に分けて階段状に配置し、それらのシングルエミッタＬＤよりそれぞれ離散的に射出された複数の単体レーザビーム（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７），（ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）をそれぞれ個別にコリメートしてから、各組毎に一束の積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒに編成する。これら２組の積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒは、略同じ高さで一定方向（Ｙ方向）に併進するものの、横方向（Ｘ方向）では相当離れている。そして、これら２組の積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒが一対の一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒをそれぞれ通過することにより、各単体レーザビーム（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）の像サイズまたは長さの圧縮と両積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒの相互接近とが同時に行われ、２列一束の高密度な合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒが得られる。

このレーザユニット１０においては、両積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒの全部品がヒートシンク機能を有する同一のユニットベース２２上に搭載されることで、光学部品の各々および相互間の位置精度が非常に高く、かつ安定しており、単体レーザビーム（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）間ないし積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒ間の相対的位置精度が高く、かつ安定している。これによって、合成レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの中で単体レーザビーム間ないし積層レーザビーム間の相互干渉を確実に回避することが可能であり、高密度で高品質の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒを得ることができる。

さらに、この実施形態では、二次アナモルフィックプリズム３２により、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒを構成している個々の単体レーザビームＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７の像サイズまたは太さ、およびそれら単体レーザビームＬＢの間隔を、ファスト軸方向において所定の圧縮率で細くする。これにより、後述するように、レーザユニット１０の外で合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ（ＳＬＢ_Ｌ／Ｒ）と他の同種の合成レーザビームとの多重合成をより精細・綿密かつ正確に行うことができる。

また、この実施形態では、ミラー型のビーム回転素子３０により、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの像を９０度回転させると同時にビームの進行方向を直角に折り曲げるので、図２から容易に理解されるように、ユニットベース（ヒートシンク）２２ないしレーザユニット１０の長手方向（Ｙ方向）のサイズを大幅に縮小することができる。
［レーザ装置の実施形態］

以下、図７〜図１４を参照して、本発明のレーザ装置に関する実施形態について説明する。

本発明の実施形態におけるレーザ装置は、上記レーザユニット１０を複数有し、それぞれのレーザユニット１０より提供される複数の合成レーザビームを後述するカップリング法により多重合成して、さらに整数倍の集光密度ないしレーザパワーを有する合成レーザビームを得るようにしている。

図７に、第１の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す。このレーザ装置は、２台のレーザユニット１０（１），１０（２）を備える。ここで、両レーザユニット１０（１），１０（２）のユニットベース２２（１），２２（２）は、面一の上面を有する共通または単一のメインベース（図示せず）上に取り付けられる。ユニット筐体１２を省くことも可能である。ただし、レーザユニット１０（１），１０（２）は、それぞれのレーザ射出口１４（１），１４（２）より同一の標準波長（たとえば８８０ｎｍ）で射出された合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２が互いに直交して交差するように配置される。この例では、第１および第２の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２の進行方向をそれぞれＹ方向，Ｘ方向とする。

より詳細には、両合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２の交差する位置に、図８に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれに対しても４５度傾いた方向の板面に相隣接する透過部５２ａと反射部５２ｂとを形成している空間カップリング素子たとえばストライプミラー５２が設けられる。第１のレーザユニット１０（１）からの第１合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）はストライプミラー５２の透過部５２ａにＸ方向で入射し、その透過部５２ａをそのまま直進して通り抜ける。一方、第２のレーザユニット１０（２）からの第２合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ２（ＬＢ_Ｌ１〜ＬＢ_Ｌ７，ＬＢ_Ｒ１〜ＬＢ_Ｒ７）はストライプミラー５２の反射部５２ｂにＹ方向で入射し、その反射部５２ｂで直角に、つまりＸ方向に反射する。ストライプミラー５２は、たとえばガラス板からなる基板上で、透過部５２ａの領域にはレーザビームＳＬＢ_Ｔ１に対して透過性のコーティング材を塗布し、反射部５２ｂの領域にはレーザビームＳＬＢ_Ｔ２に対して反射性のコーティング材を塗布している。透過部５２ａを開口部として形成することも可能である。

こうして、ストライプミラー５２より、図９に示すように第１合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１と第２積層合成レーザビームＳＬＢ_Ｔ２とがＹ方向で左右に並んで構成される一束の多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２}がＸ方向に射出される。この多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２}は、レーザユニット１０（１），１０（２）からの実質的に同波長の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２を足し合わせた集光密度ないしレーザパワーを有する。

このレーザ装置は、多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２}における空間カップリングの精度を高くするうえで、レーザユニット１０（１），１０（２）およびストライプミラー５２間（三者間）の光学的な位置合わせに高い精度および安定性を必要とする。この実施形態では、各合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２に含まれる各単体レーザビームＬＢ_ｉ，ＬＢ_ｊの長軸およびストライプミラー５２のストライプは、そのいずれもメインベースの主面（ＸＹ面）に直交して配置されるので、厳密に相互に平行となる。メインベース板上で三者１０（１），１０（２），５２の位置および／または向きを調整するだけで、光学的な位置合わせを容易かつ正確に行うことができる。これにより、ストライプミラー５２において、第１合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１の各単体レーザビームＬＢ_ｉは正確に透過部５２ａを透過し、第２合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ２の各単体レーザビームＬＢ_ｊは正確に反射部５２ｂで反射する。なお、レーザユニット１０内にビーム回転素子３０を設け、合成積層レーザビームＬＢ_Ｌ／Ｒの像を９０度回転させて各単体レーザビームＬＢ_ｉ（ＬＢ_ｊ）の長軸を横から縦に変換するのは、メインベースの主面（ＸＹ面）に直交させるためである。

図１０に、第２の実施形態におけるレーザ装置の構成を示す。このレーザ装置は、上記空間カップリング素子５２を偏光カップリング素子５４に置き換える点を除いて、上記第１の実施形態のレーザ装置と同様の構成を有している。両レーザユニット１０（１），１０（２）のいずれか一方と偏光カップリング素子５４との間には１／２波長板５６が配置される。偏光カップリング素子５４は、たとえば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）からなり、図１１に示すように両合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２を偏光カップリングにより偏光の直交成分で合成する。この偏光カップリングによって得られる一束の多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＃Ｔ２}の集光密度ないしレーザパワーは、両レーザユニット１０（１），１０（２）からの実質的に同波長の合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２を足し合わせたものである。

図１２に示す第３の実施形態におけるレーザ装置は、より多数たとえば４台のレーザユニット１０（１），１０（２），１０（３），１０（４）を備え、上記のような空間カップリングと偏光カップリングとを併用する構成としている。

ここで、レーザユニット１０（１），１０（２）よりそれぞれ射出される合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２から、第１の空間カップリング素子５２を通じて、両合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１，ＳＬＢ_Ｔ２を空間カップリングしてなる一束の第１多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２}が得られる。一方、レーザユニット１０（３），１０（４）よりそれぞれ射出される合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ３，ＳＬＢ_Ｔ４から、第２の空間カップリング素子５２を通じて、両合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ３，ＳＬＢ_Ｔ４を空間カップリングしてなる一束の第２多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ３＊Ｔ４}が得られる。そして、これら第１および第２多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２}，ＳＬＢ_{Ｔ３＊Ｔ４}から、１／２波長板５６およびＰＢＳ５４を通じて、それらを偏光カップリングしてなる一束の逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ１＊Ｔ２＃Ｔ３＊Ｔ４}つまりＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}が得られる。図１３Ａに、逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}と各合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｔ１〜ＬＢ_Ｔ４とのカップリング関係を示す。

レーザユニット１０（１）〜１０（４）の波長および出力が略同じであると仮定すると、この逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}はレーザユニット１０の台数（図示の例は４台）に相当する整数倍（４倍）の集光密度ないしレーザパワーを有する。

図１２において、ＰＢＳ５４より得られる一束の逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}は、集光レンズを含む入射ユニット５８を介して光ファイバ６０に入射し、光ファイバ６０の中を伝搬して遠隔の出射ユニット（図示せず）へ送られる。そして、該出射ユニットにおいて、光ファイバ６０の他端からシングルモードで出た逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}は、被加工品に向けて集光照射され、所望のレーザ加工（たとえば溶接）に供される。

別の実施形態として、上記のような空間カップリングおよび／または偏光カップリングと波長カップリングを併用することも可能である。波長カップリングは、標準波長の異なる複数のレーザビームをたとえばダイクロイックミラーを用いて合成または多重化するカップリング法である。たとえば、図１２に示すような４台一組のレーザユニット１０（１）〜１０（４）により得られる第１標準波長（たとえば８８０μｍ）の逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}と、別の４台一組のレーザユニット１０（１）〜１０（４）により得られる第２標準波長（たとえば９１５μｍ）の逓倍多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ（１〜４）}とを図１３Ｂの（ａ）のような２波長カップリングにより多重合成して一束の多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ２（１〜４）}とすることにより、レーザパワーをさらに２倍に増やすことができる。同様の原理で、たとえば９４０μｍ，９６０μｍ，９７５μｍ等の他の標準波長のものを併用することにより、たとえば図１３Ｂの（ｂ）に示すような３波長カップリングの多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ３（１〜４）}あるいは図１３Ｂの（ｃ）に示すような４波長カップリングの多重合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ｔ４（１〜４）}を得ることも可能であり、レーザパワーをさらに３倍あるいは４倍以上に増やすことも容易に実現できる。また、この実施例では、レーザユニット１０（１）〜１０（４）が上記のような波長安定化素子（たとえばＶＢＧ）２６を備えており、それらのレーザユニット１０（１）〜１０（４）よりそれぞれ得られる積層合成レーザビームＳＬＢ_Ｔ１〜ＳＬＢ_Ｔ４の波長がいずれも各標準波長付近にロックされているので、上記のような多重の波長カップリングを精度よく安定に行うことができる。

本実施形態のレーザ装置によれば、上記のような高精度の複合的カップリングにより、たとえば、ＤＤＬ等の用途においてφ５０μｍ程度の細い光ファイバを用いるファイバカッリングにおいて１ｋＷ以上の高出力を容易かつ効率的に実現することができる。
［別の実施形態又は変形例］

上記実施形態のレーザユニット１０において、ユニットベース２２上に上記構成の積層レーザビーム作製部２４を３つ以上搭載する構成も可能である。その場合は、たとえば３つの積層レーザビーム作製部２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ（図示せず）によりそれぞれ作製される３組の積層レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂ，ＳＬＢ_Ｃに対して、単一のＶＢＧ２６と３組のアナモルフィックプリズム２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃとを使用すればよい。図１４に、レイアウトを示す。

すなわち、２組のアナモルフィックプリズム２８Ｂ，２８Ｃが上記実施形態（図４）における２組のアナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒが対応し、それに端（左端）のアナモルフィックプリズム２８Ａが並列に追加された構成となっている。ここで、アナモルフィックプリズム２８Ａは、ＶＢＧ２６の近傍に位置し、一方（長い方）の隣辺ａ_１がＶＢＧ２６と平行に対向し、他方（短い方）の隣辺ｂ_１が合成積層レーザビームＳＬ_Ｂ／_Ｃと合流する仮想の基準線Ｋと平行に対向するように配置される前段の直角プリズム４０Ａと、ビーム進行方向（Ｙ方向）において前段直角プリズム４０Ａのかなり後方に位置し、一方の隣辺ａ_２が一定の角度で前段直角プリズム４０Ａの斜辺ｃ_１と斜めに対向し、斜辺ｃ_２が合流基準線Ｋに斜めに近接して対向するように配置される後段の直角プリズム４２Ａとで構成されている。ここで、後段直角プリズム４２Ａは、隣辺ａ_２と斜辺ｃ_２との間の角部を大きく切り落とし、しかも斜辺ｃ_２を合流基準線Ｋに可及的に近づけているので、後段直角プリズム４２Ａを透過した直後の積層レーザビームＳＬＢ_Ａ（ＬＢ_Ａ１〜ＬＢ_Ａ７）の光路は、合流基準線Ｋに殆ど接するくらいまでＸ方向で大きくシフトする。

こうして、積層レーザビームＳＬＢ_Ｂ，ＳＬＢ_Ｃを２列に合成してなる合成レーザビームＳＬＢ_Ｂ／Ｃにさらに積層レーザビームＳＬＢ_Ａを並列に追加してなる３列一束の合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ａ／Ｂ／Ｃ}（図１５）が得られる。

なお、このように３つの独立した一束の積層レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂ，ＳＬＢ_Ｃを３列で合成して一束の合成積層レーザビームＳＬＢ_{Ａ／Ｂ／Ｃ}を得る場合は，各々のアナモルフィックプリズム２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃにおけるビーム長軸方向（スロー軸方向）の圧縮率を１／３以下に設定するのが好ましい。

また、図１６に示すように、上記実施形態のレーザユニット１０におけるビーム回転素子３０の一変形例として、ＤＯＶＥプリズム６２を用いることも可能である。この場合、一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒ（図２）をＹ方向に通り抜けてきた合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒは、ＤＯＶＥプリズム６２の一方の傾斜端面に入射し、このプリズム６２の底面で全反射してから、一方の傾斜端面よりＹ方向に抜け出る。その際、ＤＯＶＥプリズム６２に入射する前と出射した後とで、合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒのパターンまたは像が９０度回転する。

このようにＤＯＶＥプリズム６２を用いる場合は、レーザユニット（図２）の長手方向（Ｙ方向）において、ビーム回転素子３０のサイズが大きく増すだけでなく、後段の二次アナモルフィックプリズム３２もＹ方向の延長上に配置されるため、ユニットベース２２ないしレーザユニット１０全体のサイズが一段と大きくなる面がある。この点では、ミラー型のビーム回転素子３０（図５）の方がＤＯＶＥプリズム６２よりも有利である。

また、上記実施形態のレーザユニット１０において、各シングルエミッタＬＤ３６Ｌｎ（３６Ｒｎ）からの各単体レーザビームＬＢ_Ｌｎ（ＬＢ_Ｒｎ）をＶＢＧ２６側に反射させるための各ミラー３８Ｌｎ（３８Ｒｎ）に、各スロー軸コリメートレンズ４２Ｌｎ（４２Ｒｎ）の機能を持たせる（兼用させる）構成も可能である。

上記実施形態においては、単体のＶＢＧ２６を積層レーザビーム作製部２４Ｌ，２４Ｒと一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒとの間に配置している。別の実施例として、図１７に示すように、積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ，ＳＬＢ_Ｒが一次アナモルフィックプリズム２８Ｌ，２８Ｒを通り抜けた後の光路上に、つまり合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの光路上に、ＶＢＧ２６を配置する構成も可能である。この配置構成によれば、ＶＢＧ２６のサイズを合成積層レーザビームＳＬＢ_Ｌ／Ｒの一束分をカバーする大きさで済ますことができるため、ＶＢＧ２６の一層の小型化、低コスト化を実現することができる。

１０ レーザユニット
２２ ユニットベース
２４Ｌ，２４Ｒ 積層レーザビーム作製部
２６ ＶＢＧ
２８Ｌ，２８Ｒ 一次アナモルフィックプリズム
３０ ビーム回転素子
３２ 二次アナモルフィックプリズム
３６Ｒ１〜３６Ｒ７，３６Ｌ１〜３６Ｌ７ シングルエミッタＬＤ
３８Ｒ１〜３８Ｒ７，３８Ｌ１〜３８Ｌ７ ミラー
５２ 空間カップリング素子，ストライプミラー

本発明のレーザユニットは、第１の方向において所定のピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第１のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第１のシングルエミッタＬＤより標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第１の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、所定の中心線（Ｎ）から一方の側に離間してそれと平行に伝搬する一束の第１の積層レーザビームを作製する第１の積層レーザビーム作製部と、前記第１の積層レーザビーム作製部に隣接して配置され、前記第１の方向において前記ピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第２のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第２のシングルエミッタＬＤより前記標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第２の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、前記中心線（Ｎ）から他方の側に離間してそれと平行に伝搬する一束の第２の積層レーザビームを作製する第２のスタックレーザビーム作製部と、前記第１の積層レーザビーム作製部からの前記第１の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第１の積層レーザビームを構成する個々の前記第１の単体レーザビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの一方において第１の圧縮率で圧縮するとともに、前記第１の積層レーザビームの光路を前記中心線（Ｎ）に接近するようにシフトする第１のアナモルフィックプリズムと、前記第２の積層レーザビーム作製部からの前記第２の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第２の積層レーザビームを構成する個々の前記第２の単体レーザビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの前記一方において第２の圧縮率で圧縮するとともに、前記第２の積層レーザビームの光路を前記中心線（Ｎ）に接近するようにシフトする第２のアナモルフィックプリズムとを有し、前記第１および第２のアナモルフィックプリズムの後段に、前記第１の積層レーザビームと前記第２の積層レーザビームとが２列に並んで合成された一束の合成積層レーザビームが得られる。

上記構成のレーザユニットにおいては、２組のシングルエミッタＬＤより得られる各一束の２つの積層レーザビームを第１および第２のアナモルフィックプリズムに通す過程で、両積層レーザビームを構成する各単体レーザビームの像サイズの圧縮と両積層レーザビームの相互接近とが同時に奏され、両アナモルフィックプリズムの後段に高密度な２列一束の合成レーザビームが得られるので、レーザビームの集光密度ないしレーザパワーを高品質かつ効率的に向上させることができる。

Claims (10)

1. 第１の方向において所定のピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第１のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第１のシングルエミッタＬＤより標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第１の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、一束の第１の積層レーザビームを作製する第１の積層レーザビーム作製部と、
   前記第１の積層レーザビーム作製部に隣接して配置され、前記第１の方向において前記ピッチで高さの異なる位置に配置される複数の第２のシングルエミッタＬＤを有し、それら複数の第２のシングルエミッタＬＤより前記標準波長に一致または近似する波長でそれぞれ射出された複数の第２の単体レーザビームを非接触で積層状に並べて、一束の第２の積層レーザビームを作製する第２の積層レーザビーム作製部と、
   前記第１の積層レーザビーム作製部からの前記第１の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第１の積層レーザビームを構成する個々の前記第１の単体レーザビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの一方において第１の圧縮率で圧縮するとともに、前記第１の積層レーザビームの光路を前記第２の積層レーザビーム側にシフトさせる第１のアナモルフィックプリズムと、
   前記第２の積層レーザビーム作製部からの前記第２の積層レーザビームを透過させ、その際に、前記第２の積層レーザビームを構成する個々の前記第２の単体レーザビームのビームサイズをファスト軸方向およびスロー軸方向のうちの前記一方において第２の圧縮率で圧縮するとともに、前記第２の積層レーザビームの光路を前記第１の積層レーザビーム側にシフトさせる第２のアナモルフィックプリズムと
   を有し、
   前記第１の積層レーザビームと前記第２の積層レーザビームとを並列に合成してなる一束の合成積層レーザビームを提供するレーザユニット。
2. 前記第１および第２の積層レーザビームを構成する個々の前記第１および第２の単体レーザビームの波長を同時に前記標準波長付近に安定化し狭帯域化するための単体の波長安定化素子を有する、請求項１に記載のレーザユニット。
3. 前記波長安定化素子は、前記第１および第２の積層レーザビームが前記第１および第２のアナモルフィックプリズムをそれぞれ通り抜けた後の光路上に配置される、請求項２に記載のレーザユニット。
4. 前記第１の積層レーザビーム作製部は、
   各々のレーザ射出面が前記第１の方向と直交する第２の方向に向いている複数の前記第１のシングルエミッタＬＤを前記第１の方向および前記第２の方向と直交する第３の方向に並べて前記ピッチに対応する前記第１の方向の異なる高さに載置する第１の階段状ＬＤ支持部と、
   複数の前記第１のシングルエミッタＬＤよりそれぞれ前記第２の方向で射出された前記複数の第１の単体レーザビームを前記第１のアナモルフィックプリズムに向けて前記ピッチに対応する前記第１の方向の異なる高さで前記第３の方向に反射させる複数の第１のミラーと、
   互いに対向する前記第１のシングルエミッタＬＤと前記第１のミラーとの間に配置され、前記第１の単体レーザビームをファスト軸方向においてコリメートする第１のファスト軸コリメートレンズと、
   互いに対向する前記第１のシングルエミッタＬＤと前記第１のミラーとの間に配置され、前記第１の単体レーザビームをスロー軸方向においてコリメートする第１のスロー軸コリメートレンズと
   を有する請求項１に記載のレーザユニット。
5. 前記第２の積層レーザビーム作製部は、
   前記第２の方向において前記第１の階段状ＬＤ支持部と向かい合い、各々のレーザ出射面が前記第２の方向に向いている複数の前記第２のシングルエミッタＬＤを前記第３の方向に並べて前記ピッチに対応する前記第１の方向の異なる高さに載置する第２の階段状ＬＤ支持部と、
   複数の前記第２のシングルエミッタＬＤよりそれぞれ前記第２の方向で射出された前記第２の単体レーザビームを前記第２のアナモルフィックプリズムに向けて前記ピッチに対応する前記第１の方向の異なる高さで前記第３の方向に反射させる複数の第２のミラーと、
   互いに対向する前記第２のシングルエミッタＬＤと前記第２のミラーとの間に配置され、前記第２の単体レーザビームをファスト軸方向においてコリメートする第２のファスト軸コリメートレンズと、
   互いに対向する前記第２のシングルエミッタＬＤと前記第２のミラーとの間に配置され、前記第２の単体レーザビームをスロー軸方向においてコリメートする第２のスロー軸コリメートレンズと
   を有する、請求項４に記載のレーザユニット。
6. 前記第１および第２のアナモルフィックプリズムより得られる前記合成積層レーザビームの像を所定角度回転させるビーム回転素子と、
   前記ビーム回転素子を通り抜けた前記合成レーザビームに対して、それを構成する個々の前記第１および第２の単体レーザビームのビームサイズをファスト軸方向もしくはスロー軸方向の他方において第３の圧縮率で圧縮する第３のアナモルフィックプリズムと
   を有する、請求項１に記載のレーザユニット。
7. 前記ビーム回転素子は、
   前記第２の方向に対しては平行で、前記第３の方向に対しては４５度傾いた第１の反射面を有し、前記第１および第２のアナモルフィックプリズムからの前記合成積層レーザビームが前記第１の反射面に入射するように配置される第３のミラーと、
   前記第３の方向に対しては平行で、前記第２の方向に対しては４５度傾いた第２の反射面を有し、前記第１のミラーの第１の反射面で反射した前記合成積層レーザビームが前記第２の反射面に入射するように配置される第４のミラーと
   を有する、請求項６に記載のレーザユニット。
8. 前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第１のレーザユニットと、
   前記第１の方向および前記第４の方向のいずれとも直交する第５の方向に第２の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第２のレーザユニットと、
   前記第４の方向および前記第５の方向のいずれに対しても４５度傾いた方向で隣接して並ぶ透過部と反射部とを有し、前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームとをそれぞれ前記透過部および前記反射部のどちらかに選択的に入射させて、前記第１の合成積層レーザビームと前記第２の合成積層レーザビームとを非接触で一束のレーザビームに多重合成する空間カップリング素子と
   を有するレーザ装置。
9. 前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第１のレーザユニットと、
   前記第１の方向および前記第４の方向のいずれとも直交する第５の方向に第２の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第２のレーザユニットと、
   前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームとを偏光カップリングにより一束のレーザビームに多重合成する偏光カップリング素子と
   を有するレーザ装置。
10. 前記第１の方向と直交する第４の方向に第１の標準波長付近の波長を有する第１の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第１のレーザユニットと、
    前記第１方向および前記第４の方向のいずれとも直交する第５の方向に前記第１の標準波長と干渉し合わない第２の標準波長付近の波長を有する第２の合成積層レーザビームを射出する請求項１に記載の第２のレーザユニットと、
    前記第１のレーザユニットからの前記第１の合成積層レーザビームと前記第２のレーザユニットからの前記第２の合成積層レーザビームとを波長カップリングにより一束のレーザビームに多重合成する波長カップリング素子と
    を有するレーザ装置。

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