JPWO2020059664A1 - 合波光学系 - Google Patents

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Abstract

合波光学系は、光源、レンズ及びレンズアレイを備えている。光源は、面発光レーザーの複数の発光素子を含んでいる。レンズは、複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更して集光させる。レンズアレイは、レンズによって変更された複数のレーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、複数のレンズ領域によって複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する。

Description

本発明は、合波光学系に関する。
従来、高いレーザー出力を得ることを目的として、光源から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成し、これを光ファイバ等の伝送手段に結合する合波光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、Ｍ×Ｎに配置された複数の光源から出射された複数のレーザー光線を結合手段によって１個の受光器に結合させる、光パワー合成用光学系が記載されている。この光パワー合成用光学系の結合手段は、コリメータ光学素子と、アナモフィック光学素子と、集光用光学素子とから構成されている。アナモフィック光学素子は、Ｍ個の配列方向の倍率がＮ個の配列方向の倍率よりも大きくなるように配置されている。
特開２００５−１１４９７７号公報
しかしながら、特許文献１の光パワー合成用光学系は、アナモフィック光学素子によって、複数のレーザー光線の各ビーム径を縮小している。したがって、各レーザー光線のビーム径とビーム間隔との両方が、同じ比率で縮小されている。
特許文献１の光パワー合成用光学系では、ビーム間隔は相対的には縮小されない。つまり、ビーム径とビーム間隔との比率は変化しない。そのため、合波ビームにおける総ビーム径内のビーム占有率は変化しない。結果として、集光角度を小さくすることが難しく、集光性を高めることが困難である。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、集光性の高い合波ビームを形成することができる、合波光学系を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明に係る合波光学系は、面発光レーザーの複数の発光素子を含む光源と、複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更して集光させる光路変更部材と、光路変更部材によって変更された複数のレーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、当該複数のレンズ領域によって複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する集光部材とを備える。
本発明に係る合波光学系によれば、集光性の高い合波ビームを形成することができる。
実施の形態１に係る合波光学系の構成を示す図である。 実施の形態１に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態１に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態２に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態２に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態３に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態３に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態４に係る合波光学系の構成を示す図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの形状が適切でない場合における、レンズアレイを透過するレーザー光線の集光の様子を説明する図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの好適な形状の第１の例を示す図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの好適な形状の第２の例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願が開示する合波光学系の実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
また、以下の実施の形態では、特に光源から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する合波光学系に関して説明する。
＜合波光学系の集光性＞
合波光学系では、光源に含まれる複数の発光素子からそれぞれ出射されるレーザー光線を合波することによって、高出力の合波ビームを形成する。この際、先述したように、合波ビームが高い集光性を有することが重要である。
ＢＰＰ（ビームパラメータプロダクト：Beam Parameter Product）は、ビームの集光性を評価する指標である。ＢＰＰは、ビーム径と集光角度との積またはビーム径と発散角度との積として定義される。この定義から明らかであるように、ビーム径が一定の場合、集光性を高めるためには、集光角度を小さくすることが有効である。
複数のレーザー光線を合波する場合も同様である。複数のレーザー光線を空間的に集光させる場合、集光性の高い合波ビームを形成するためには、隣り合うレーザー光線同士の間隔を狭めた状態で集光させる。これによって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を高めることができる。
特に、隣り合うレーザー光線同士の間隔をゼロにした状態にすることによって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を最も高めることができる。つまり、隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する状態にする。
換言すれば、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を高めることによって、合波ビームの集光角度を小さくすることができる。そして、集光性の高い合波ビームを得ることができる。
実施の形態１．
＜合波光学系１００の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００の構成を示す図である。図１は、合波光学系１００の光軸Ａを含む断面を示している。以下、図１を参照して、合波光学系１００の全体構成を説明する。
合波光学系１００は、光源１、レンズ２およびレンズアレイ４を備えている。合波光学系１００は、光ファイバ５を備えることができる。光源１は、複数の発光素子１１を含んでいる。レンズ２は、光路変更部材の一例である。レンズアレイ４は、集光部材の一例である。光ファイバ５は、伝送手段の一例である。
光源１は、２次元フォトニック結晶面発光レーザーの複数の発光素子１１を含んでいる。本実施の形態１では、複数の発光素子１１は、例えば、ヒートシンク３の面３１上に配列されている。ここで、面３１は、例えば、単一の面である。また、複数の発光素子１１は、例えば、光軸Ａと平行な方向を向いて配列されている。ヒートシンク３は、各発光素子１１が発する熱を放熱する。これによって、ヒートシンク３は、各発光素子１１の温度上昇を抑える働きをする。
図２は、複数の発光素子１１を含む光源１を図１の光軸Ａの方向から見た図である。本実施の形態１では、光源１は１９個の発光素子１１を含んでいる。また、１９個の発光素子１１は、互いに間隔を空けて六方格子状に配列されている。ただし、発光素子１１の数および配置の態様は、これに限定されるものではない。
図１に戻って、複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、面３１に対して垂直である。したがって、複数の発光素子１１は、面３１に対して垂直な方向にレーザー光線を出射する。複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、互いに平行である。また、複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、合波光学系１００の光軸Ａに平行である。
光源１から出射された複数のレーザー光線は、レンズ２に入射する。レンズ２は集光作用を有している。レンズ２は、合波光学系１００の光軸Ａに対して垂直に配置されている。つまり、レンズ２の光軸Ａｄは、合波光学系１００の光軸Ａに平行である。
レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の進行方向を変更する。つまり、レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の光路を変更する。具体的には、レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の進行方向を、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に向けて変化させる。これによって、後述するレンズアレイ４が存在しない場合には、レンズ２を透過した後の各レーザー光線の光路は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集中する。
レンズ２によって光路を変更された複数のレーザー光線は、レンズアレイ４に入射する。レンズアレイ４は、合波光学系１００の光軸Ａに対して垂直に配置されている。レンズアレイ４は、同一の面内に配列された複数のレンズ領域４０を含んでいる。
光源１の複数の発光素子１１と、レンズアレイ４の複数のレンズ領域４０とは、一対一に対応している。レンズアレイ４の各レンズ領域４０は、レンズ２によって光路を変更された各レーザー光線のそれぞれの光路に対応する位置に配列されている。
図３は、レンズアレイ４を図１の光軸Ａの方向から見た図である。本実施の形態１では、光源１には１９個の発光素子１１が含まれている。したがって、レンズアレイ４にも、１９個のレンズ領域４０が含まれている。各レンズ領域４０は、集光作用を有している。また、各レンズ領域４０は、同一の面上に隣接して配列されている。なお、レンズアレイ４の有効領域は、光源１の発光領域よりも小さい。
図１に戻って、レンズアレイ４の各レンズ領域４０にそれぞれ入射した複数のレーザー光線は、レンズアレイ４を透過した後には、光ファイバ５の入射面５１上に集光されて合波ビームとなる。
光ファイバ５は、伝送用の光ファイバである。光ファイバ５は、合波ビームを伝送する。つまり、光ファイバ５は、集光されたレーザー光線を結合して伝送する。また、本実施の形態１では、光ファイバ５は、マルチモードファイバである。マルチモードファイバでは、光が複数のモードに分かれてコア内を伝搬する。
なお、マルチモードファイバには、ステップインデックス型と、グレーデッドインデックス型とがある。ステップインデックス型は、コアの屈折率が一定の光ファイバである。グレーデッドインデックス型は、コアの屈折率が滑らかに分布している光ファイバである。光ファイバ５の仕様は、発光素子１１の特性および数を考慮して適切に選定することができる。
＜２次元フォトニック結晶面発光レーザー＞
次に、本実施の形態１で用いる２次元フォトニック結晶面発光レーザーについて説明する。２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、活性層近傍に発振波長程度の周期的な構造を設けた面発光型の半導体レーザーである。この周期的な構造をフォトニック結晶構造という。
一般に、半導体レーザーは、発光領域を大きくすることによって、高出力化をはかることができる。しかしながら、現在一般に実用化されている垂直共振器型面発光レーザーでは、発光領域を大きくすると、集光性が低下するという問題がある。そのため、垂直共振器型面発光レーザーでは、高出力と高集光性とは両立しない。
これに対して、２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、原理的には、発光領域を大きくしても、集光性を維持することが可能である。そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、高出力かつ高集光性のレーザー光源として期待されている。
２次元フォトニック結晶面発光レーザーの代表的な特性では、発光領域の大きさは直径が数百μｍである。また、ビーム品質は、Ｍ2値で１から５程度である。例えば、発振波長が９４０ｎｍ、発光領域の大きさが直径で３００μｍ、ビーム品質がＭ2値で２の場合には、出射されるビームの発散角は全角で０．５度程度である。２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、発光領域が大きくかつビーム品質が良好であるため、直進性の高い出射ビームが得られる。なお、「ビーム品質が良好」とは、Ｍ2値が小さいという意味である。
また、２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、例えば、発光領域の大きさを直径１ｍｍまで拡大すると、１０Ｗ級の出力が得られることが見込まれている。そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、高出力かつ高集光性のレーザー光源となり得る。
＜発光素子の配列間隔について＞
半導体レーザーを高出力かつ良好に動作させるためには、発熱への対処が重要である。半導体レーザーでは、供給電力の４０〜６０％が熱になる。そして、出力が高くなると発生する熱がさらに増加する。そのため、高出力の半導体レーザーの発光素子は、サブマウントまたはヒートシンクを備える冷却構造の上に実装されることが好ましい。
冷却構造では、発光素子で発生した熱は、伝えられて拡散されて放熱される。発生する熱が増加すれば、冷却構造は大型化する。２次元フォトニック結晶面発光レーザーで１０Ｗの出力を得る場合には、放熱のために、発光素子１１の配列間隔は数ｍｍ程度必要と計算されている。
また、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、給電のための電極構造を発光面の周囲に設ける構造を有している。電極が光を透過しない金属などで形成されている場合には、その部分でレーザー光線が遮られないように、隣り合う発光素子１１を配列する必要がある。
以上のような理由から、２次元フォトニック面発光レーザーの複数の発光素子１１を近接して配列する場合には、隣り合う発光素子１１の間に必要な距離を確保して配列する必要がある。換言すれば、各発光素子１１は、互いに間隔を空けて配列される必要がある。図２を参照して先述したように、本実施の形態１では、各発光素子１１は互いに間隔を空けて配列されている。
＜合波光学系１００の動作＞
次に、本実施の形態１に係る合波光学系１００の動作について詳細に説明する。図２のように、合波光学系１００は、間隔を空けて配列された複数の発光素子１１から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する。この場合には、合波ビームの径内におけるビーム占有率を高めることによって、合波ビームの集光性が高められる。
まず、合波光学系１００で用いる符号について説明する。その際、図１を併せて参照されたい。レンズ２の焦点距離をＦ2とする。また、図１には示されていないが、レンズアレイ４の焦点距離をＦ4とする。
光源１の各発光素子１１からレンズ２までの距離をＬ1とする。レンズ２からレンズアレイ４までの距離をＬ2とする。レンズアレイ４を透過した複数のレーザー光線が集光するまでに要する距離をＬ3とする。
レンズアレイ４に入射する各レーザー光線の直径をＷ2とする。レーザー光線の直径はビーム径である。レンズアレイ４の各レンズ領域４０の大きさをＤ4とする。Ｄ4は、例えば、レンズ領域４０の直径である。ヒートシンク３の面３１上に配列された複数の発光素子１１の配列間隔をＰとする。
また、図１には示されていないが、１９個の発光素子１１から出射される１９本のレーザー光線における各中心光線をＡnとする。ただし、添字ｎ＝１、２、・・・Ｎである。Ｎは発光素子１１の数であり、本実施の形態１ではＮ＝１９である。なお、中心光線とは、レーザー光線におけるビーム径の中心を通る中心線のことである。
本実施の形態１および後述する実施の形態２〜４において、各レーザー光線のビーム径とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％になるときの直径であると定義する。そして、本明細書中において「レーザー光線」とは、このように定義されたビーム径を有する光を意味するものとする。この場合、レーザー光線の最外径とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％となる径である。なお、合波ビームのビーム径も同様に定義される。
続いて、合波光学系１００の動作について説明する。複数の発光素子１１は、合波光学系１００の光軸Ａと平行にレーザー光線を出射する。各レーザー光線はレンズ２に垂直に入射する。すなわち、各発光素子１１から出射された各レーザー光線は、レンズ２の光軸Ａｄに平行である。ここで、発光素子１１は、２次元フォトニック結晶面発光レーザーである。
レンズ２に入射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnの進行方向は、レンズ２から出射する際には変化している。具体的には、レンズ２から出射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、レンズ２から距離Ｆ２の位置の一点に向けて集光する。すなわち、複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、レンズ２から距離Ｆ２の位置に集光する。
本実施の形態１では、レンズ２から距離Ｆ２の位置には、光ファイバ５の入射面５１が配置されている。そのため、仮にレンズアレイ４が存在しない場合には、レンズ２から出射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光する。
また、レンズ２から出射した複数のレーザー光線において、隣り合うレーザー光線同士は、進行するにつれて互いに接近する。そして、レンズ２から距離Ｌ２の位置で、隣り合うレーザー光線の最外径は互いに接するようになる。
レンズ２から距離Ｌ２の位置には、レンズアレイ４が配置されている。換言すれば、レンズアレイ４は、レンズ２から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。そして、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応する各レンズ領域４０に入射する。
レンズアレイ４には、１９個のレンズ領域４０が一体成型されている。一体成型で製作することによって、レンズ領域４０間の保持構造が不要になる。また、レンズ効果を有しない無効領域を小さくすることまたは無くすことができる。
本実施の形態１では、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の大きさＤ4は、入射するレーザー光線のビーム径Ｗ2と一致するように定められている。その結果、レンズアレイ４に入射した隣り合うレーザー光線同士は、最外径が互いに接した状態でレンズアレイ４から出射される。
また、各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４における対応するレンズ領域４０の中心を通過する。したがって、各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４の内部を直進する。レンズアレイ４の各レンズ領域４０を透過した各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４の焦点位置に集光する。
また、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応するレンズ領域４０に入射する。各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応するレンズ領域４０にのみ入射する。そのため、各レーザー光線は、エネルギーの損失を最大限抑えた状態でレンズアレイ４を透過する。レンズアレイ４を透過した各レーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光して合波ビームとなり、そこにエネルギーが集中する。
本実施の形態１では、距離Ｌ2と距離Ｌ3との和が焦点距離Ｆ2と等しくなるように、合波光学系１００の条件が設定されている。なお、合波光学系１００の条件とは、例えば、焦点距離Ｆ2、焦点距離Ｆ4、距離Ｌ1、距離Ｌ2または距離Ｌ3などである。
合波光学系１００の条件は、光源１の特性および得ようとする合波ビームの特性に応じて設定される。なお、「光源１の特性および合波ビームの特性」とは、合波する発光素子の数、ビーム品質、ビーム径、発振波長などである。
これらの値が定まると、レンズアレイ４に入射する複数のレーザー光線のビーム径Ｗ2を計算することができる。これによって、レンズアレイ４における各レンズ領域４０の大きさＤ2および発光素子１１の配列間隔Ｐを決定することができる。
上記のように設計された合波光学系１００では、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線は１点に集光して合波ビームとなる。各レーザー光線が１点に集光した位置において、各レーザー光線は最小スポットを形成する。
本実施の形態１では、１９個の発光素子１１から出射された１９本のレーザー光線の１９個の集光スポットは１点で重なり合っている。すなわち、各レーザー光線の各集光スポットは重なり合っている。この際、１９個の発光素子１１から出射された各レーザー光線のエネルギーは、少ない損失で１点に集中している。
また、レンズアレイ４を透過した後の複数のレーザー光線は、隣り合うレーザー光線同士の最外径が互いに接した状態で出射して集光する。したがって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率は高められる。つまり、合波ビームの集光性は高められる。
なお、実際の厚みのあるレンズを用いる場合には、レンズに斜めに入射したレーザー光線の中心光線Ａnは、レンズの前後でわずかに平行にずれる。このような場合には、ヒートシンク３上の各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって対処する。
各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって、レンズアレイ４を透過した後の各レーザー光線の中心光線Ａnを、想定した位置に集光させることができる。ここで、想定した位置とは、光ファイバ５の入射面５１上の中心５０である。なお、各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって、配列間隔Ｐがすべての発光素子１１間で同一ではなくなるが、これが問題となることはない。
なお、上記において、「ビーム径」とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％になるときの幅であると定義した。しかしながら、ビーム径の定義はこれに限定されるものではない。ビーム径の定義は、必要な光利用効率または合波ビームのビーム品質に応じて定義されればよい。
また、レンズアレイ４における各レンズ領域４０の形状は、図３に示されるような円形でなくてもよい。例えば、各レンズ領域４０の形状は、円形のレンズ部分を含む六角形状でもよい。例えば、レンズ領域４０の形状は、円形のレンズが内接する六角形状である。また、六角形の一部の辺が円弧状でもよい。
＜光ファイバへの結合＞
光ファイバ５は、自身の入射面５１の中心５０と、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線が１点に集光して合波ビームが形成される位置とが、一致するように配置されている。光ファイバ５の入射面５１の中心５０と、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線が集光して合波ビームが形成される位置とは一致している。
光ファイバ５は、レーザー光線の集光スポット径とファイバのコア径とが、以下に示す適切な関係にある。レーザー光線の集光スポット径は、合波ビームのビーム径である。また、光ファイバ５は、合波光学系１００の集光する際のＮＡと光ファイバ５の許容するＮＡとが、以下に示す適切な関係にある。なお、ＮＡは開口数である。
光ファイバ５のコア径は、合波ビームの総パワーに対して９０〜９９．５％の結合効率を確保できることが好ましい。
大きいコア径を選択すると、光ファイバ５の入射面５１におけるビームの結合効率は、１００％に近くなる。しかしながら、光ファイバ５に入射したレーザー光線は、光ファイバ５の内部を伝播する間にコアとクラッドとの界面で反射される。このため、レーザー光線は伝送方向と垂直な断面上で広がってしまう。結果として、レーザー光線の集光性は低下する。
一方、小さいコア径を選択すると、光ファイバ５の内部を伝搬中のレーザー光線のエネルギー損失が大きくなる。また、光ファイバ５のコアに入射しなかったレーザー光線が、クラッドまたはその周辺に照射される。結果として、光ファイバ５のコアに入射しなかったレーザー光線は、入射面５１の付近での加熱または焼損を引き起こす原因となる。
また、光ファイバ５の許容するＮＡは、合波ビームの集光する際のＮＡに対して、１．２〜３倍が好ましい。光ファイバ５の許容するＮＡが大きすぎる場合には、光ファイバ５の敷設の状態などによって、簡単に高次モードへ結合してしまう。そのため、レーザー光線の伝送中に集光性が劣化する。
光ファイバの許容するＮＡが合波ビームの集光する際のＮＡと同じ場合または小さい場合には、レーザー光線の結合時または伝送中にエネルギーの損失が発生する。結果として、光が漏れ出した部分から光ファイバ５の損傷または周辺部品の損傷を引き起こす可能性がある。
このようにして、複数のレーザー光線は、効率よく光ファイバ５に結合される。そして、複数のレーザー光線は、ビーム品質の低下を抑えた状態で光ファイバ５の内部を伝搬する。光ファイバ５の出射面からは、高出力かつ高集光性の合波ビームが出力される。
なお、発光素子１１の数が２〜２０個程度の場合には、光ファイバ５にラージモードエリアファイバを用いることが好ましい。ラージモードエリアファイバは、マルチモードファイバの一種である。ラージモードエリアファイバは、コア径が数１０μｍと大きく、許容するＮＡが０．１５以下程度と小さい。ラージモードエリアファイバは、低次のモードのみが伝送可能である。合波ビームがファイバ内で伝送される間に、高次モードへの結合が抑制される。結果として、出力されるレーザー光線の集光性を高く維持することができる。
＜具体的な数値例＞
次に、本実施の形態１に係る合波光学系１００における具体的な数値例を示す。
＜数値例１＞
表１は、合波光学系１００の仕様の第１の例を示している。なお、光源１の複数の発光素子１１は、六方格子状に配置されている。
Figure 2020059664
表１では、光源１の各発光素子１１のビーム径をＷ0で表記している。ビーム品質はＭ2で表記している。発光素子１１の数はＮで表記している。
表１の仕様の場合には、合波光学系１００の特性は次の通りである。集光スポットの大きさは、直径約４８μｍである。集光する際のＮＡは、約０．１３である。なお、光ファイバ５の特性の一例を挙げると次の通りである。光ファイバ５のコア径は、例えば、直径約５０μｍである。光ファイバの許容するＮＡは、例えば、ＮＡ＝０．１６である。
＜数値例２＞
表２は、合波光学系１００の仕様の第２の例を示している。光源１の複数の発光素子１１は、六方格子状に配置されている。
Figure 2020059664
表２の仕様の場合には、合波光学系１００の特性は次の通りである。集光スポットの大きさは、直径約４４μｍである。集光する際のＮＡは、約０．１である。なお、光ファイバ５の特性の一例を挙げると次の通りである。光ファイバ５のコア径は、例えば、直径約５０μｍである。光ファイバの許容するＮＡは、例えば、ＮＡ＝０．１２である。
＜実施の形態１の効果＞
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００は、光源、光路変更部材および集光部材を備えている。光源は、複数の発光素子を含む。発光素子は２次元フォトニック結晶面発光レーザーである。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して１点に向けて集光させる。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して集光させる。集光部材は、光路変更部材から出射した各レーザー光線を複数のレンズ領域によって集光させて合波ビームを形成する。
上記の特徴によって、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００は、集光性の高い合波光学系となる。また、合波光学系１００は、高出力の合波光学系となる。
また、集光部材は、光路変更部材から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。これによって、合波ビームの集光性がさらに高められる。
また、集光部材に含まれる複数のレンズ領域の大きさは、これら複数のレンズ領域に入射する各レーザー光線のビーム径と等しくなるように定められている。そして、集光部材から出射する各レーザー光線は互いの最外径が接する状態で出射される。これによって、合波ビームの集光性がさらに高められる。
また、光路変更部材としてレンズを用いることによって、複数のレーザー光線の光路を簡易な手段で精度良く変更することができる。
また、集光部材としてレンズアレイを用いることによって、各レンズ領域間の無効領域を最小化して、レーザー光線同士をより接近させることができる。このため、合波ビームの集光性を高めることができる。
また、複数の発光素子は、六方格子状に配列されている。そして、複数の発光素子は最も稠密に配列されている。したがって、合波ビームの元になる複数のレーザー光線は、可能なかぎり接近した状態で光路変更部材に入射する。これによっても、集光性の高い合波ビームを容易に得ることができる。なお、「稠密」とは、一般に密集してぎっしり詰まっている様子を表す。
また、光ファイバとして、ラージモードエリアファイバを用いることによって、光ファイバから出力されるレーザー光線の集光性を高く維持することができる。
実施の形態２．
＜正方格子状の配列＞
図４は、本発明の実施の形態２に係る合波光学系における、光源２０１に含まれる発光素子１１の配列を示す図である。また、図５は、本実施の形態２に係るレンズアレイ２０４におけるレンズ領域２４０の配列を示す図である。
本実施の形態２では、光源２０１は、１６個の発光素子１１を含んでいる。１６個の発光素子１１は、ヒートシンク３の面３１上に正方格子状に配列されている。面３１は、例えば、単一の面である。
本実施の形態２に係る正方格子状の配列によって得られるビーム占有率は、実施の形態１に係る六方格子状の配列によって得られるビーム占有率よりも低い。しかしながら、本実施の形態２の図４と図５とを比較すると、図５では図４よりもビーム占有率が高められている。
したがって、本実施の形態２では、発光素子１１を配列する際に用いる装置の性能、光源１の電極構造または必要な発光素子１１の数などの諸制約によって、発光素子１１の配列として六方格子状の配置を採用できない場合に、ビーム占有率をある程度まで上げて合波ビームの集光性を高めることができる。
実施の形態３．
＜円弧状の配列＞
図６は、本発明の実施の形態３に係る合波光学系における、光源３０１に含まれる発光素子１１の配列を示す図である。また、図７は、本実施の形態３に係るレンズアレイ３０４におけるレンズ領域３４０の配列を示す図である。
本実施の形態３では、光源３０１は、１０個の発光素子１１を含んでいる。１０個の発光素子１１は、ヒートシンク３の面３１上の円周上に等角度で配列されている。面３１は、例えば、単一の面である。
本実施の形態３に係る円周上の等角度の配列によって得られるビーム占有率は、実施の形態１に係る六方格子状の配列によって得られるビーム占有率よりも低い。しかしながら、本実施の形態３の図６と図７とを比較すると、図７では図６よりもビーム占有率が高められている。
したがって、本実施の形態３では、発光素子１１を配列する際に用いる装置の性能、光源１の電極構造または必要な発光素子１１の数などの諸制約によって、発光素子１１の配列として六方格子状の配置を採用できない場合に、ビーム占有率をある程度まで上げて合波ビームの集光性を高めることができる。
実施の形態４．
＜多面体プリズム＞
図８は、本発明の実施の形態４に係る合波光学系４００における、光軸Ａを含む面の断面を示す図である。
合波光学系４００は、光源１、多面体プリズム４０２およびレンズアレイ４を備えている。合波光学系４００は、光ファイバ５を備えることができる。
本実施の形態４では、実施の形態１のレンズ２に代えて、多面体プリズム４０２が用いられている。この点以外では、合波光学系４００は合波光学系１００と同一または同様である。そのため、合波光学系１００と同一または同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
光源１の各発光素子１１から多面体プリズム４０２までの距離をＬ401とする。また、多面体プリズム４０２からレンズアレイ４までの距離をＬ402とする。さらに、レンズアレイ４から光ファイバ５の入射面５１までの距離をＬ403とする。
多面体プリズム４０２は、光源１とレンズアレイ４との間に配置されている。多面体プリズム４０２は、複数の発光素子１１にそれぞれ対応するプリズム面Ｐnを有している。ただし、添字ｎ＝１、２、３、・・・、Ｎである。Ｎは発光素子１１の数である。また、添字ｎは、中心光線Ａnの添字ｎとも対応している。すなわち、プリズム面Ｐnの添字ｎは、中心光線Ａnの添字ｎと同じである。
多面体プリズム４０２は、入射面４２１および出射面４２２を有している。多面体プリズム４０２の入射面４２１は、合波光学系４００の光軸Ａに垂直な平面である。多面体プリズム４０２の出射面４２２は、プリズム面Ｐnを含んでいる。ただし、プリズム面Ｐnは、Ｎ個の発光素子１１にそれぞれ対応した互いに異なる向きの面である。
ここで、プリズム面Ｐ1〜ＰNの光軸Ａに対する傾きは、各発光素子１１から出射された各レーザー光線のそれぞれの中心光線Ａnが、多面体プリズム４０２から焦点距離Ｆ402の光軸Ａ上で交わるように定められている。多面体プリズム４０２から焦点距離Ｆ402の光軸Ａの位置は、集光位置である。本実施の形態４において、集光位置は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０である。
各発光素子１１から出射された各レーザー光線は、多面体プリズム４０２の入射面４２１に垂直に入射する。多面体プリズム４０２に入射した各レーザー光線は、それぞれ対応するプリズム面Ｐnから出射する。
多面体プリズム４０２から出射した各レーザー光線は、上記の集光位置に向けて進行する。仮にレンズアレイ４が存在しない場合には、多面体プリズム４０２から出射した各レーザー光線の各中心光線Ａnは、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光する。
多面体プリズム４０２から出射した複数のレーザー光線において、隣り合うレーザー光線同士は、進行するにつれて互いに接近する。そして、多面体プリズム４０２から距離Ｌ402の位置で、隣り合うレーザー光線の最外径は互いに接するようになる。
多面体プリズム４０２から距離Ｌ402の位置には、レンズアレイ４が配置されている。換言すれば、レンズアレイ４は、多面体プリズム４０２から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。そして、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応する各レンズ領域４０に入射する。
各レーザー光線は、エネルギーの損失を最大限抑えた状態でレンズアレイ４を透過する。レンズアレイ４を透過した各レーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光して合波ビームとなり、そこにエネルギーが集中する。
本実施の形態４では、距離Ｌ402と距離Ｌ403との和が焦点距離Ｆ402と等しくなるように、合波光学系４００の条件が設定されている。なお、合波光学系４００の条件とは、例えば、集点距離Ｆ402、レンズアレイ４の焦点距離Ｆ404、距離Ｌ401、距離Ｌ402、距離Ｌ403などである。
合波光学系４００の条件は、光源１の特性および得ようとする合波ビームの特性に応じて設定される。このようにして、実施の形態１と同様に、集光性の高い合波ビームを得ることができる。
なお、多面体プリズム４０２の入射面４２１は平面でなくてもよい。例えば、入射面は多面体であってもよい。
また、本発明における光路変更部材は、実施の形態１〜３ではレンズ２であり、実施の形態４では多面体プリズム４０２である。しかしながら、光路変更部材は、これら２つに限定されるものではない。例えば、光路変更部材として、回折光学素子を用いることもできる。回折光学素子を用いることによって、光路変更部材を薄くすることができる。
なお、上述の各実施の形態においては、「平行」または「垂直」などの部材間の位置関係もしくは部材の形状を示す用語を用いている場合があるが、これらは製造上の公差、組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。そのため、請求の範囲に部材間の位置関係もしくは部材の形状を示す記載が存在する場合には、製造上の公差、組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
＜レンズアレイの形状の設計方法＞
最後に、先述した実施の形態１におけるレンズアレイ４の形状の設計方法について、補足説明する。実施の形態１において、合波ビームの集光性を高めるためには、レンズアレイ４およびレンズアレイ４に含まれる各レンズ領域４０のレンズ面の形状を、適切に設計する必要がある。なお、以下に説明する設計方法は、実施の形態２〜４においても、同様に適用することができる。
図９は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の形状が適切でない場合における、レンズアレイ４を透過するレーザー光線の集光の様子を説明する図である。図９において、レンズアレイ４に含まれる各レンズ領域４０のうち、合波光学系１００の光軸Ａ上のレンズ領域４０Ｒ1と、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3とは、いずれも同じ形状であり、かつ同一平面上にある。
図９では、光軸Ａ上のレンズ領域４０Ｒ1を透過したレーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１で最小スポットを形成している。これに対して、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3を透過したレーザー光線は、入射面５１に到達するよりも手前で最小スポットを形成している。また、各レーザー光線は、１点で交わらず、ずれて交わっている。
このように、レンズ領域４０の光軸に対してレーザー光線が斜めに入射する場合には、像面湾曲、非点収差、コマ収差などの収差が発生しやすい。収差が生じている合波光学系では、集光スポットが大きくなってしまう。その結果、光ファイバ５の入射面５１におけるビーム径が大きくなり、合波ビームの集光性が低くなる。
これらの収差を補正する方法としては、複数のレンズを組み合わせたり、レンズ面を非球面にしたりする方法が知られている。しかしながら、レンズアレイを用いる構成では、複数のレンズを用いて収差を補正する方法は適していない。レンズアレイは高価な光学部材であり、また、複数のレンズアレイの相対的な位置を高精度に調整する必要があるためである。一方、上記の収差のうち、像面湾曲は、１枚のレンズでは補正することが出来ない収差であることが知られている。
ここでは、１枚のレンズアレイを使用して、各レンズ領域を透過するレーザー光線の集光位置を一致させ、集光性の高い合波ビームが得られるようにすることを考える。なお、ここで云うレンズアレイの形状とは、各レンズ領域における両面の形状および厚み、並びに、レンズアレイ内における各レンズ領域の相対的な位置のことである。また、いずれのレンズ領域においても等しい倍率となるためには、各レンズ領域の焦点距離は等しくあるべきである。
＜レンズアレイの好適な形状：第１の例＞
図１０は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の好適な形状の第１の例を示す図である。
図１０において、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の光軸は、合波光学系１００の光軸Ａと平行である。
各レンズ領域４０は、いずれも少なくとも一方のレンズ面、ここでは光源側のレンズ面が非球面であり、像面湾曲以外の収差を補正する。特に、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3では、非点収差およびコマ収差を抑制する。なお、各レンズ領域４０の両面を非球面にすれば、より良く収差を補正できる場合がある。
図１０において、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3における光源側のレンズ面を、それぞれＳ１R1、Ｓ１R2およびＳ１R3とする。また、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3における集光点側のレンズ面を、それぞれＳ２R1、Ｓ２R2およびＳ２R3とする。
さらに、光源側のレンズ面Ｓ１R1、Ｓ１R2およびＳ１R3のそれぞれの曲率を、Ｃ1R1、Ｃ1R2およびＣ1R3とする。また、集光点側のレンズ面Ｓ２R1、Ｓ２R2およびＳ２R3のそれぞれの曲率を、それぞれＣ2R1，Ｃ2R2およびＣ2R3とする。
このとき、曲率Ｃ2R1，Ｃ2R2およびＣ2R3は、以下の関係式を満たすように設計される。
Ｃ2R1＜Ｃ2R2＜Ｃ2R3 （１）
一般的には、各レンズ領域４０の集光点側のレンズ面の曲率は、当該レンズ領域の光軸と合波光学系１００の光軸Ａとの距離が長いほど大きくなるように設計される。
焦点距離が一定の場合、集光点側の各レンズ面の曲率を大きくすると、バックフォーカスを長くとることができる。レンズアレイ４が上記のように設計される場合には、合波光学系１００の光軸Ａから離れたレンズ領域４０ほど、集光点側のレンズ面から集光位置までの距離が長くなる。すなわち、合波光学系１００の光軸Ａから離れたレンズ領域４０ほど集光点側のレンズ面の曲率を大きくすることによって、バックフォーカスの伸長と像面湾曲による集光位置の前傾とを相殺することができる。結果として、各レンズ領域４０を透過したレーザー光線は、同じ位置で最小スポットを形成する。
なお、上記の場合、フロントフォーカスは短くなる。しかしながら、実施の形態１において、距離Ｌ2は距離Ｌ3の数倍から数十倍大きい。そのため、フロントフォーカスが像面湾曲程度の微小距離変化することによる影響は僅かである。
レンズアレイ４の形状を上記のように設計することによって、収差を補正して良好な集光スポットにするとともに、最小スポットを形成する位置を揃えることができ、合波ビームの集光性を高めることができる。
＜レンズアレイの好適な形状：第２の例＞
図１１は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の好適な形状の第２の例を示す図である。
図１１において、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の光軸は、合波光学系１００の光軸Ａと平行である。また、各レンズ領域４０は同一の形状である。すなわち、各レンズ領域４０において、光源側のレンズ面の形状は全て同一であり、また、集光点側のレンズ面の形状も全て同一である。
各レンズ領域４０において、少なくとも一方のレンズ面、ここでは光源側のレンズ面は非球面であり、像面湾曲以外の収差を補正する。
また、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3に着目すると、これらはレンズアレイ４の周縁に位置するものほど、すなわちレンズ領域４０Ｒ1、レンズ領域４０Ｒ2、レンズ領域４０Ｒ3の順に、集光点側にせり出している。すなわち、当該レンズ領域の光軸が合波光学系１００の光軸Ａから遠いほど、当該レンズ領域は、合波光学系１００の光軸Ａに沿って、集光点側にずれた位置に配置されている。
換言すれば、各レンズ領域４０の集光点側のレンズ面の面頂点は、当該レンズ領域の光軸と合波光学系１００の光軸Ａとの距離が長いほど、合波光学系１００の光軸Ａに沿って集光点側に位置している。これにより、像面湾曲による像面の前傾が補正される。
なお、周縁のレンズ領域４０ほど集光点側にせり出すことによって、レンズ領域４０とレンズ２との距離が僅かに短くなる。しかしながら、上記の第１の例の場合と同様に、このことによる影響は僅かである。
レンズアレイ４の形状を上記のように設計することによって、収差を補正して良好な集光スポットにするとともに、最小スポットを形成する位置を揃えることができ、合波ビームの集光性を高めることができる。
１００，４００ 合波光学系、１，２０１，３０１ 光源、１１ 発光素子、２ レンズ（光路変更部材）、４０２ 多面体プリズム（光路変更部材）、４，２０４，３０４ レンズアレイ（集光部材）、４０，２４０，３４０ レンズ領域、５ 光ファイバ、５１ 入射面。
上記の課題を解決するために、本発明に係る合波光学系は、同一平面上に配置された面発光レーザーの複数の発光素子を含む光源と、複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更して集中させる光路変更部材と、光路変更部材によって変更された複数のレーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、当該複数のレンズ領域によって複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する集光部材とを備える。

Claims (16)

  1. 面発光レーザーの複数の発光素子を含む光源と、
    前記複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更して集光させる光路変更部材と、
    前記光路変更部材によって変更された複数の前記レーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、該複数のレンズ領域によって前記複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する集光部材と
    を備える、合波光学系。
  2. 前記集光部材は、前記光路変更部材から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接するようになる位置に配置される、請求項１に記載の合波光学系。
  3. 前記集光部材に含まれる前記複数のレンズ領域の大きさは、該複数のレンズ領域に入射する前記複数のレーザー光線の最外径と等しくなるように定められ、
    前記集光部材から出射する前記複数のレーザー光線は、隣り合うレーザー光線同士の最外径が互いに接する状態で出射される、請求項２に記載の合波光学系。
  4. 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置されたレンズである、請求項３に記載の合波光学系。
  5. 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置された多面体プリズムである、請求項３に記載の合波光学系。
  6. 前記光路変更部材は、前記光源と前記集光部材との間に配置された回折光学素子である、請求項３に記載の合波光学系。
  7. 前記集光部材は、前記複数のレンズ領域を含むレンズアレイである、請求項３〜６のいずれか一項に記載の合波光学系。
  8. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の光軸は、前記合波光学系の光軸と平行である、請求項７に記載の合波光学系。
  9. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の少なくとも一方のレンズ面は非球面である、請求項７または８に記載の合波光学系。
  10. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の曲率は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離に依存して異なっている、請求項７〜９のいずれか一項に記載の合波光学系。
  11. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の曲率は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離が長いほど大きい、請求項１０に記載の合波光学系。
  12. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の面頂点は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離に依存して、前記合波光学系の光軸に沿った方向の位置が異なる、請求項７〜９のいずれか一項に記載の合波光学系。
  13. 前記複数のレンズ領域において、各レンズ領域の集光点側のレンズ面の面頂点は、該レンズ領域の光軸と前記合波光学系の光軸との距離が長いほど、前記合波光学系の光軸に沿って集光点側に位置する、請求項１２に記載の合波光学系。
  14. 前記複数の発光素子は六方格子状に配列されている、請求項３〜１３のいずれか一項に記載の合波光学系。
  15. 前記集光部材によって形成された前記合波ビームが入射面から入射して内部を伝送する光ファイバをさらに備え、
    前記光ファイバはラージモードエリアファイバである、請求項３〜１４のいずれか一項に記載の合波光学系。
  16. 前記面発光レーザーは、２次元フォトニック結晶面発光レーザーである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の合波光学系。
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