JPWO2020202395A1

JPWO2020202395A1 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPWO2020202395A1
Application number: JP2020531545A
Authority: JP
Inventors: 正人河▲崎▼; 智毅桂; 藤川　周一; 周一藤川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-05-06
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: US20220123523A1; CN113615014B; WO2020202395A1; JP6910555B2; CN113615014A

Abstract

互いに波長の異なるレーザ光（２００１，２００２）を出射する複数の半導体レーザ素子（１０１１，１０１２）と、複数の半導体レーザ素子（１０１１，１０１２）と外部共振器の両端を構成する部分反射素子（１０４）と、複数の半導体レーザ素子（１０１１，１０１２）および部分反射素子（１０４）の間のレーザ光の光路上であって、複数のレーザ光（２００１，２００２）が重畳される位置に配置され、波長分散性を有し、複数のレーザ光（２００１，２００２）の光軸を含む第１の面（ＸＹ面）内において、複数のレーザ光（２００１，２００２）の進行方向を変化させることで、光軸を共有させて結合する透過型波長分散素子（１０３）と、透過型波長分散素子（１０３）および部分反射素子（１０４）の間の光路上に配置され、第１の面（ＸＹ面）に含まれ且つレーザ光の光軸に直交する方向である第１の向き（Ｄ１）における位置変化に伴って、内部を通過する距離である素子内通過距離が減少する非対称屈折光学素子（１０５）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、波長分散光学素子を用いて、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を結合する半導体レーザ装置に関する。

半導体レーザ素子は、１つの発光点から発生することのできるレーザ光出力が低く、レーザ加工などの用途では、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を束ねて用いる必要がある。複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を束ねる技術として、複数の半導体レーザ素子と波長分散光学素子とを含む外部共振器を用いて、複数の半導体レーザ素子からのビームを１つの光軸に結合する半導体レーザ装置が提案されている。このような半導体レーザ装置においては、ビームの集光性を向上することが課題となっている。

特許文献１には、分散光学素子を用いて複数の半導体レーザ素子のビームを結合する外部共振器において、分散光学素子および部分反射ミラーの間に配置されたレンズによってクロスカップリング発振を抑制し、出力ビームの集光性を向上させる半導体レーザ装置が開示されている。

米国特許出願公開第２０１３／０２０８３６１号明細書

しかしながら、上記従来の技術によれば、クロスカップリング発振による集光性の低下については緩和することができるが、クロスカップリング発振以外の要因による集光性の低下については効果を奏しないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を波長分散光学素子を用いて結合する半導体レーザ装置において、集光性が高く高出力のレーザ光を発生する半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体レーザ装置は、互いに波長の異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子と、複数の半導体レーザ素子と外部共振器の両端を構成する部分反射素子と、複数の半導体レーザ素子および部分反射素子の間のレーザ光の光路上であって、複数のレーザ光が重畳される位置に配置され、波長分散性を有し、複数のレーザ光の光軸を含む第１の面内において、複数のレーザ光の進行方向を変化させることで、光軸を共有させて結合する透過型波長分散素子と、透過型波長分散素子および部分反射素子の間の光路上に配置され、第１の面に含まれ且つレーザ光の光軸に直交する方向である第１の向きにおける位置変化に伴って、内部を通過する距離である素子内通過距離が減少する非対称屈折光学素子と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を波長分散光学素子を用いて結合する半導体レーザ装置において、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能であるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図収差のない光学系の集光状態の一例を示す模式図収差のある光学系の集光状態の一例を示す模式図図１に示す非対称屈折光学素子の構成の一例を示す模式図図４の変形例である非対称屈折光学素子の構成を示す模式図本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図本発明の実施の形態４にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図図８に示す半導体レーザアレイ素子の構成を示す模式図本発明の実施の形態５にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図図１０に示す回転光学素子の構成の一例を示す斜視図本発明の実施の形態６にかかる半導体レーザ装置の構成を示す模式図

以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１００１の構成を示す模式図である。図１には、３軸直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が図示されている。

半導体レーザ装置１００１は、互いに波長の異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子１０１１，１０１２を有する。半導体レーザ素子１０１１が出射したレーザ光２００１は、ビーム発散角を補正する発散角補正素子１０２１を介して、透過型波長分散素子１０３に入射する。半導体レーザ素子１０１２が出射したレーザ光２００２は、ビーム発散角を補正する発散角補正素子１０２２を介して、透過型波長分散素子１０３に入射する。

半導体レーザ素子１０１１，１０１２は、外部共振器の一端を構成し、部分反射素子１０４は、外部共振器の他端を構成する。言い換えると、部分反射素子１０４は、半導体レーザ素子１０１１，１０１２と外部共振器の両端を構成する。透過型波長分散素子１０３は、半導体レーザ素子１０１１，１０１２および部分反射素子１０４の間のレーザ光の光路上であって、複数のレーザ光２００１，２００２が重畳される位置を含む偏向部３０１に配置される。透過型波長分散素子１０３は、レーザ光２００１，２００２の光軸が含まれる第１の面であるＸＹ面内において、波長分散性によってレーザ光２００１，２００２の進行方向を変化させる。これによって、複数のレーザ光２００１，２００２は、共通の光軸を共有する１つのビームに結合される。透過型波長分散素子１０３は、例えば、透過型回折格子、プリズムなどである。

部分反射素子１０４は、１つのビームに結合されたレーザ光２００１，２００２の一部を反射して透過型波長分散素子１０３へと戻し、残部を外部共振器の外部へ出力させる。図１では、部分反射素子１０４は、レーザ光２００１，２００２のビーム断面全体について、一部を反射しているが、入射光のビーム断面の一部を外部へ通過させて、残部を反射するスクレーパミラーとして、不安定型共振器を構成してもよい。

非対称屈折光学素子１０５は、透過型波長分散素子１０３および部分反射素子１０４の間の光路上に配置される。非対称屈折光学素子１０５は、入射光に対する非対称屈折光学素子１０５の出射面１０５ａの角度が、ＸＹ面に含まれ且つレーザ光の光軸に直交する方向である第１の向きＤ１における位置に依存して異なる。このため、出射面１０５ａにおける角度変化が、第１の向きＤ１における位置に依存して異なる。したがって、非対称屈折光学素子１０５は、第１の向きＤ１における位置に依存して、出射面１０５ａから部分反射素子１０４までの光路長に差を生じさせる。

外部光学系３０２は、集光レンズ３０２ａを含み、半導体レーザ装置１００１が出射したレーザ光を集光点３０３に集光させる。図２は、収差のない光学系の集光状態の一例を示す模式図である。図３は、収差のある光学系の集光状態の一例を示す模式図である。ビーム内の多数の光線を代表して、ビームの光軸上を通過する主光線３１２と、レンズ内でビーム光軸の下側を通過する下側光線３１１と、レンズ内でビーム光軸の上側を通過する上側光線３１３とを示した。収差がない場合、図２に示すように、外部光学系３０２により形成される集光点３０３において、主光線３１２、上側光線３１３および下側光線３１１は、１点で交わる。

これに対して、収差がある場合、図３に示すように、外部光学系３０２により形成される集光点３０３において、主光線３１２、上側光線３１３および下側光線３１１は、１点で交わらない。このように、収差がある場合には、集光性が低下し、集光点３０３におけるレーザ光のエネルギー密度が低下したり、ビームプロファイルの非対象化が生じたりする。

図１に示す半導体レーザ装置１００１では、偏向部３０１において、各レーザ光２００１，２００２の光路長に差が生じるため、非対称屈折光学素子１０５を設けない場合、図３に示すように集光性が低下する。半導体レーザ装置１００１では、偏向部３０１において生じた光路差が、非対称屈折光学素子１０５において低減される。このため、ビームの集光性が改善される。

半導体レーザ装置１００１の各構成要素のさらに詳細な構成について説明する。半導体レーザ装置１００１は、図１においては２個の半導体レーザ素子１０１１，１０１２を用いているが、３個以上の半導体レーザ素子を用いてもよい。また、ここでは、半導体レーザ素子１０１１，１０１２は、ファブリペロー型共振器を有する端面発光型のシングルエミッタの半導体レーザ素子である。ファブリペロー型共振器を有する端面発光型半導体レーザは、ビーム発散角が大きいファスト軸と、ファスト軸に直交しビーム発散角が小さいスロー軸とを有する。図１においてファスト軸はＸＹ面内にあり、スロー軸はＺ軸方向である。半導体レーザ素子１０１１，１０１２は、例えばファイバ結合が容易な４００ｎｍから１１００ｎｍの波長を有し、特に９００ｎｍから１０００ｎｍ近辺では他の波長帯に比べて出力が高く、寿命の長い市販の素子を入手することが可能であるため、レーザ加工などの高出力用途に適用する場合には好適である。なお、上記は一例であって、本実施の形態の半導体レーザ素子１０１１，１０１２は、例えば、面発光型としてもよく、共振器構成もフレア型、折り返し共振器型など様々な形態とすることができる。

半導体レーザ素子１０１１，１０１２から出射されたレーザ光２００１，２００２は、ファスト軸方向の発散角補正素子１０２１，１０２２のそれぞれに入射する。発散角補正素子１０２１，１０２２から出射したレーザ光２００１，２００２は、透過型波長分散素子１０３に入射する。

レーザ光２００１，２００２は、透過型波長分散素子１０３の位置において、ビーム断面が重畳する。図１においては、半導体レーザ素子１０１１，１０１２および透過型波長分散素子１０３の配置を調整することによってビーム断面を重畳させている。このように、複数の半導体レーザ素子１０１１，１０１２の配置を調整してビーム断面を重畳させてもよいし、複数のレーザ光２００１，２００２の光路上に別途光学素子を設けて、光路を調整することによって、ビーム断面を重畳させてもよい。

透過型波長分散素子１０３は、レーザ光のＸＹ面内方向に波長分散性を有する。透過型波長分散素子１０３は、複数のレーザ光を、波長に依存した角度でＸＹ面内に偏向することにより１つの光軸を共有するビームに結合する。偏向部３０１を通過する際に、ＸＹ面内において、ビーム断面内の位置に依存して、光路長に差が生じる。このような光路長の差は、外部共振器の出力ビームの集光性低下の原因となる。

非対称屈折光学素子１０５は、ＸＹ面内において、ビーム断面方向の第１の向きＤ１における位置変化に伴って、レーザ光が非対称屈折光学素子１０５の内部を通過する距離である内部通過距離が減少する。図１に示す非対称屈折光学素子１０５は、自由空間よりも高い屈折率を有する材料で形成されている。本明細書中では、半導体レーザ素子１０１１，１０１２および光学素子が存在する周辺の領域を自由空間と呼ぶこととする。非対称屈折光学素子１０５の屈折率が自由空間の屈折率よりも高い場合、第１の向きＤ１は、図１に示す通り、透過型波長分散素子１０３から非対称屈折光学素子１０５までの距離が長い側の外側光線２０３から、短い側の内側光線２０１へ向かう向きである。なお、非対称屈折光学素子１０５が自由空間よりも低い屈折率を有する材料で形成されている場合、第１の向きＤ１は、内側光線２０１から外側光線２０３へ向かう向きとなる。

図１には、主光線２０２、内側光線２０１および外側光線２０３が示されている。主光線２０２は、レーザ光の光軸である。内側光線２０１および外側光線２０３は、幾何学的な光路である。内側光線２０１は、透過型波長分散素子１０３において主光線２０２よりも偏向角の内側に入射し、外側光線２０３は、透過型波長分散素子１０３において主光線２０２よりも偏向角の外側に入射する。

非対称屈折光学素子１０５は、透過型波長分散素子１０３でレーザ光が進行方向を変える際に、主光線２０２よりも光路長が短くなった内側光線２０１に対しては、非対称屈折光学素子１０５を通過した後の部分反射素子１０４までの光路長が主光線２０２よりも長くなるように作用する。非対称屈折光学素子１０５は、主光線２０２よりも光路長が長くなった外側光線２０３に対しては、非対称屈折光学素子１０５を通過した後の部分反射素子１０４までの光路長が主光線２０２よりも短くなるように作用する。これにより、集光点３０３における光線のばらつきが低減される。すなわち、収差が低減され、出力ビームの集光性の低下を抑制する効果を奏することができる。

図４は、図１に示す非対称屈折光学素子１０５の構成の一例を示す模式図である。図４に示す非対称屈折光学素子１０５は、底面が直角三角形である三角柱の形状を有するプリズムである。プリズムの構成材料としては、例えば、合成石英のような光学材料が適しており、光入射面および光出射面には、必要に応じて低反射コーティングがなされる。三角形の頂角θは、外側光線２０３と内側光線２０１の間の光路差を低減することができればよい。より好適には、偏向部３０１で生じる収差を算出し、非対称屈折光学素子１０５の材料の屈折率を考慮して頂角θを設計し、断面内の位置に依存した非対称屈折光学素子１０５内の素子内通過距離を算出することによって、偏向部３０１で生じた外側光線２０３と内側光線２０１との間の光路差を補償するようにして集光性の高い出力ビームを得てもよい。

この非対称屈折光学素子１０５は、直角三角形の斜辺に対応する側面が出射面となるように配置される。これにより、素子内通過距離は、第１の向きＤ１に進む距離に対して、線形に減少する。なお、第１の向きＤ１に直交する方向であるＺ軸方向においては、素子内通過距離は一様である。

図５は、図４の変形例である非対称屈折光学素子１０５２の構成を示す模式図である。非対称屈折光学素子１０５２は、階段形状の高屈折材素子である。非対称屈折光学素子１０５の形状は、図４および図５に示した例に限定されず、素子内通過距離が、ビーム断面の第１の向きＤ１における位置に依存して異なればよい。また非対称屈折光学素子１０５は、図１，４，５では単一の光学素子であるが、複数の光学素子で構成されていてもよい。

近年、加工用レーザの高出力化が進み、限られた波長範囲の中でより多くの半導体レーザ素子からのビームを結合することが必要となる。このようなレーザ装置においては、波長分散素子へのビーム入射角を大きく、かつ波長分散性光学素子の波長分解能を上げるために、波長分散素子上のビーム径を大きくすることが求められる。ビーム入射角とは、素子への入射光線と入射面の法線とのなす角度である。そして、このようなレーザ装置においては、波長分散素子での波長分散方向、図１に示す第１の向きＤ１における集光性の低下が大きいため、上記の実施の形態の技術を適用することにより、大きな効果が期待される。

例えば、半導体レーザ素子１０１１，１０１２の出力光の波長が９００ｎｍから１１００ｎｍであり、透過型波長分散素子１０３が溝本数１５００本／ｍｍ以上の透過型回折格子を用いる場合、回折効果が最も高くなるような、例えば、リトロー型に近い光学配置では、透過型波長分散素子１０３へのレーザ光の入射角が４０度以上となる。このような条件においては、透過型波長分散素子１０３での偏向部３０１において生じる収差が大きくなるため、本実施の形態の技術を適用することにより、大きな効果が期待される。さらに、透過型波長分散素子１０３上での第１の向きＤ１のビーム径が、ナイフエッジ幅で３０ｍｍ以上である場合には、透過型波長分散素子１０３で生じる収差が特に大きくなる。このため、本実施の形態の技術を適用することによる収差低減効果が大きくなる。

ここで、ビーム断面の第１の向きＤ１にエネルギーを積算していき、積算エネルギーが１６％となる位置をｘ１、積算エネルギーが８４％に達する位置をｘ２とした場合、ナイフエッジ幅ｄｘは、以下の数式（１）で表される。

ｄｘ＝２×（ｘ２−ｘ１）・・・（１）

本実施の形態において説明した、偏向部３０１において発生するビーム断面内の収差が、波長結合外部共振器において、集光性に大きな影響を及ぼしていることは知られていなかった。これは、波長結合外部共振器が、多くのビームを結合する複雑な系で開発されてきたことによると考えられる。多くのビームを結合する複雑な系では、波長結合されるビーム間の特性のずれ、半導体レーザアレイのスマイルの影響、クロスカップリング発振の影響など、集光性を低下させる多くの要因があった。このため、それらを分離して解析することが困難であり、偏向部３０１で発生する収差の影響については着目されておらず、対策も取られてこなかった。本願発明者らは、偏向部３０１で発生する収差について初めて着目し、解決策を示した。

なお、非対称屈折光学素子１０５を波長結合外部共振器内に配置すると、非対称屈折光学素子１０５の持つ波長分散性により、波長結合ビームの集光性が低下することも考えられる。しかしながら、本実施の形態では、非対称屈折光学素子１０５の波長分散性による集光性低下が、非対称屈折光学素子１０５による集光性の改善効果に比べて十分に小さくなる構成としている。具体的には、例えば、石英ガラス、ＳＦ１０などのガラスで形成された光学素子を用い、このガラスで形成された部分を通過する距離の差によって収差を解消する構成とすれば、少なくとも１桁以上集光性の改善効果が集光性低下を上回ることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかる半導体レーザ装置１００１は、第１の面であるＸＹ面内であって、第１の向きＤ１における位置変化に伴って、非対称屈折光学素子１０５の内部をレーザ光が通過する距離である素子内通過距離が減少する。レーザ光２００１，２００２の光線の曲がり角の外側から内側に向かうにつれて、偏向部３０１における光路長は短くなるが、上記のような素子内通過距離を有する非対称屈折光学素子１０５を用いることで、非対称屈折光学素子１０５の出射面１０５ａから部分反射素子１０４までの光路長は、レーザ光２００１，２００２の光線の曲がり角の外側から内側に向かうにつれて、長くなる。このため、非対称屈折光学素子１０５は、半導体レーザ装置１００１における収差を低減することができる。したがって、半導体レーザ装置１００１は、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる半導体レーザ装置１００２の構成を示す模式図である。半導体レーザ装置１００２は、図１に示した半導体レーザ装置１００１の構成に加えて、発散角補正素子１０２１および透過型波長分散素子１０３の間の光路上に配置される集光レンズ１０６１と、発散角補正素子１０２２および透過型波長分散素子１０３の間の光路上に配置される集光レンズ１０６２とを備える。以下、半導体レーザ装置１００１と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略し、半導体レーザ装置１００１と異なる部分について主に説明する。

半導体レーザ装置１００２においては、半導体レーザ装置１００１と同様に、透過型波長分散素子１０３でレーザ光２００１，２００２の進行方向を変化させるときに、内側光線２０１は主光線２０２よりも光路長が長くなり、外側光線２０３は主光線２０２よりも光路長が短くなる。非対称屈折光学素子１０５は、光の屈折によって、主光線２０２よりも光路長が短くなった内側光線２０１に対しては、非対称屈折光学素子１０５通過後の部分反射素子１０４までの光路長が主光線２０２よりも長くなるように作用する。また非対称屈折光学素子１０５は、光の屈折によって、主光線２０２よりも光路長が長くなった外側光線２０３に対しては、非対称屈折光学素子１０５通過後の部分反射素子１０４までの光路長が主光線よりも短くなるように作用する。これにより、透過型波長分散素子１０３で、第１の向きＤ１を含む方向において生じるレーザ光２００１，２００２の光路長差に起因する収差を低減することが可能になる。したがって、集光性の低下を抑制することができる。

また、半導体レーザ装置１００２においては、集光レンズ１０６１および１０６２の作用によって、透過型波長分散素子１０３におけるビーム径が、半導体レーザ装置１００１よりも小さくなる。このため、偏向部３０１において発生する収差の量を低減することが可能になる。また、透過型波長分散素子１０３によって結合された後のビーム径についても、半導体レーザ装置１００１よりも小さくなる。このため、外部光学系３０２における集光点３０３までの距離を短くすることができ、光学系全体のサイズを小さくすることが可能になる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、偏向部３０１で発生するビーム断面内の第１の向きＤ１における位置に依存する収差の少なくとも一部を補償することができる。このため、分散性を有する素子を利用して複数の半導体レーザ素子１０１１，１０１２が出射する複数のレーザ光２００１，２００２を用いて、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

また、透過型波長分散素子１０３に入射するレーザ光２００１，２００２のビーム径を縮小することにより、偏向部３０１で生じる収差を、発生段階において低減することができる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかる半導体レーザ装置１００３の構成を示す模式図である。半導体レーザ装置１００３は、半導体レーザ装置１００１の構成に加えて、透過型波長分散素子１０３および非対称屈折光学素子１０５の間の光路上に集光レンズ１０７を有する。以下、半導体レーザ装置１００１と同様の構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略し、半導体レーザ装置１００１と異なる部分について主に説明する。

集光レンズ１０７は、非対称屈折光学素子１０５へのレーザ光の入射角度および光線高さを変化させる。これにより、収差の発生原因である光路間の光路長差を、集光角度差および光線高さの差に変換することができる。したがって、非対称屈折光学素子１０５を小型化することができる。ここで光線高さとは、光軸から光軸に垂直な方向にはかった光線の高さである。

半導体レーザ素子１０１１，１０１２を点光源であると仮定した場合、収差がない光学系では、単一ビーム内の光線は、主光線２０２に垂直な方向の光線高さをｈ、集光角をαとすると、光線高さｈと集光角αの正接ｔａｎαとが比例する関係を保った状態で集光される。この場合、全ての光線が一点に集まる。一方、収差がある光学径では、この光線高さｈと集光角αとの間の関係が崩れ、光線が一点に集まらない。

部分反射素子１０４の前に非対称屈折光学素子１０５を設けない場合、透過型波長分散素子１０３において生じる光路長差の影響により、内側光線２０１、主光線２０２および外側光線２０３が集光点３０３において一点に集まらない。これに対して本実施の形態では、非対称屈折光学素子１０５を設けることで、屈折作用により、各光線の光線高さｈと集光角αとが変更され、光線高さｈと集光角αの正接ｔａｎαとが比例する状態に近づき、収差が低減される。なお、ここでは、簡単のため、半導体レーザ素子１０１１，１０１２を点光源として説明したが、実際の半導体レーザ素子１０１１，１０１２から出射するレーザ光に対しても、上記の説明と同様の収差低減効果が得られる。

以上説明したように、本発明の実施の形態３によれば、実施の形態１と同様に、偏向部３０１で発生するビーム断面内の第１の向きＤ１における位置に依存する収差の少なくとも一部を補償することができる。このため、分散性を有する素子を利用して複数の半導体レーザ素子１０１１，１０１２が出射する複数のレーザ光２００１，２００２を用いて、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

また、本実施の形態においては、収差の発生原因である光路間の光路長差を集光レンズ１０７を用いて集光角度差および光線高さの差に変換することにより、実施の形態１および実施の形態２と比べて非対称屈折光学素子１０５の大きさを小さくすることが可能になり、半導体レーザ装置１００３を小型化することができるという効果を得ることができる。

実施の形態４．
図８は、本発明の実施の形態４にかかる半導体レーザ装置１００４の構成を示す模式図である。半導体レーザ装置１００４は、実施の形態２で説明した集光レンズ１０６１，１０６２の機能と、実施の形態３で説明した集光レンズ１０７とを併せ持つ。このため、偏向部３０１で生じる収差の低減と、非対称屈折光学素子１０５の小型化という２つの効果を同時に得ることができる。

また、半導体レーザ装置１００４は、複数の半導体レーザ素子が一体化した半導体レーザアレイ素子１０８を光源として用いている。このため、実施の形態２では、半導体レーザ素子１０１１，１０１２のそれぞれに対応して発散角補正素子１０２１，１０２２および集光レンズ１０６１，１０６２を設けたのに対して、実施の形態４では、半導体レーザアレイ素子１０８が出射した複数のレーザ光の複数の光路に渡って、発散角補正素子１０９および集光レンズ１０６３を設けている。

図９は、図８に示す半導体レーザアレイ素子１０８の構成を示す模式図である。半導体レーザアレイ素子１０８のファスト軸方向はＺ軸方向に一致しており、スロー軸方向はＹ軸方向に一致している。半導体レーザアレイ素子１０８は、複数の発光点を有している。図９には、各発光点からの出射光４０１および光出射方向４０２が示されている。図９に示す半導体レーザアレイ素子１０８は、複数のビームを平行な光軸を有した状態で出射する。集光レンズ１０６３は、これらの複数のビームの拡がり角を変化させる作用に加えて、複数のビームの進行方向を変化させることで、ある位置において、複数のビームを重畳させる作用も有する。

また、端面発光型の半導体レーザバーにおいては、一般的には、スロー軸方向に素子が配列されており、ファスト軸方向のビーム発散角を補正するレンズとしては円筒レンズである発散角補正素子１０９を用いる。本実施の形態においては、透過型波長分散素子１０３によるビームの結合は、スロー軸方向で行われ、偏向部３０１における収差もスロー軸方向に生じる。このため、収差低減に関する集光レンズ１０６３、集光レンズ１０７および非対称屈折光学素子１０５については、スロー軸方向にパワーを有するように配置される。

また、半導体レーザアレイ素子１０８は、狭いピッチで半導体レーザ素子が密に配列されている。そのため、シングルチップレーザダイオードに比べて、より多くのビームが狭い角度の中に入射し、波長結合されることになる。このため、透過型波長分散素子１０３は、より高い角度分解能が必要となる。透過型波長分散素子１０３の角度分解能を向上するためには、透過型波長分散素子１０３上のビーム径を大きくする必要がある。このため、偏向部３０１で生じるビーム断面内の収差はより大きくなり、本発明の効果はより大きく発揮される。

以上説明したように、本発明の実施の形態４によれば、実施の形態１と同様に、偏向部３０１で発生するビーム断面内の第１の向きＤ１における位置に依存する収差の少なくとも一部を補償することができる。このため、分散性を有する素子を利用して半導体レーザアレイ素子１０８が出射する複数のレーザ光を用いて、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

さらに、本実施の形態においては、集光レンズ１０６３および集光レンズ１０７を備えるため、実施の形態２で説明した偏向部３０１における収差を発生段階で低減する効果と、実施の形態３で説明した非対称屈折光学素子１０５を小型化することができるという効果とを同時に得ることが可能になる。

また、複数の半導体レーザ素子を搭載した半導体レーザアレイ素子１０８を用いたため、構造が単純で部品点数が少ない半導体レーザ装置によって、高出力かつ集光性の高いレーザ光を発生させることができる。

実施の形態５．
図１０は、本発明の実施の形態５にかかる半導体レーザ装置１００５の構成を示す模式図である。半導体レーザ装置１００５は、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置１００４の構成に加えて、ファスト軸方向の発散角補正素子１０９および透過型波長分散素子１０３の間の光路上に、それぞれのビームを光軸を中心として像回転しながら透過型波長分散素子１０３上に重畳する回転光学素子１１０を有する。

図１１は、図１０に示す回転光学素子１１０の構成の一例を示す斜視図である。回転光学素子１１０は、入射する複数のレーザ光を光軸を回転軸として個別に９０度回転させ出射させる９０度像回転光学系アレイである。回転光学素子１１０は、ＹＺ面内において、Ｙ軸に対して４５度傾いた状態で配置される。回転光学素子１１０は、一対の円筒凸レンズが、水平軸に対して４５度傾いた状態で、複数配列されている。円筒凸レンズは、半導体レーザアレイ素子１０８に含まれる複数の発光点の配列ピッチと同一のピッチで配列されている。円筒凸レンズの焦点距離をｆとしたとき、一対の円筒凸レンズの間の距離Ｌは、２ｆである。このような回転光学素子１１０にビームを入射すると、垂直軸方向と水平軸方向とが入れ替わった状態のビームが出射される。このような回転光学素子１１０は、製品化されており、容易に入手可能である。回転光学素子１１０を有する波長結合外部共振器は、国際公開第２０１４／０８７７２６号公報にも開示されており、同様の技術を適用することができる。

図９に示したような端面発光型の半導体レーザアレイ素子１０８は、複数の半導体レーザ素子を並べて使用する場合にしばしばもちいられる。このような半導体レーザアレイ素子１０８においては、一般的に、発光点の配列方向であるスロー軸のビーム発散角が全角５度から１０度程度であるのに対して、配列方向に直交するファスト軸方向のビーム発散角は３０度から６０度程度と大きい。また、一般的にスロー軸方向は、ファスト軸方向に比べて集光性が低い。半導体レーザアレイ素子１０８では、製造プロセスに起因したスマイルと呼ばれる素子の変形があり、ファスト軸方向に光源の設置高さのばらつきが生じる場合がある。本実施の形態では、回転光学素子１１０の使用によりレーザ光を光軸周りに９０度回転させており、これにより、ファスト軸方向のスマイルの影響を、相対的に集光性の低いスロー軸方向に変換することができる。

これにより、半導体レーザ装置１００５は、スマイルに起因する集光性の低下割合を抑制することが可能となり、安定的に複数の半導体レーザ素子の出力を重畳し、高出力を得ることができるという効果がある。

以上説明したように、本発明の実施の形態５にかかる半導体レーザ装置１００５によれば、実施の形態１と同様に、偏向部３０１で発生するビーム断面内の第１の向きＤ１における位置に依存する収差の少なくとも一部を補償することができる。このため、分散性を有する素子を利用して半導体レーザアレイ素子１０８が出射する複数のレーザ光を用いて、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

さらに、本実施の形態では、回転光学素子１１０を用いたため、ファスト軸方向のスマイルの影響を、相対的に集光性の低いスロー軸方向に変換することができる。このため、スマイルに起因する集光性の低下を抑制することが可能であり、安定的に複数の半導体レーザ素子の出力を重畳して高出力を得るという効果を奏することができる。

実施の形態６．
図１２は、本発明の実施の形態６にかかる半導体レーザ装置１００６の構成を示す模式図である。半導体レーザ装置１００６は、複数の半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２を有する。半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２は、図９に示した半導体レーザアレイ素子１０８と同様の構成を有することができる。ここでは２つの半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２を示したが、３つ以上の半導体レーザアレイ素子１０８が用いられてもよい。

半導体レーザ装置１００６は、２つの半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２のそれぞれに対応して設けられる２つの発散角補正素子１０９１，１０９２と、２つの回転光学素子１１０１，１１０２とを有する。

また、複数の半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２の出力を重畳するために、透過型波長分散素子１０３には、１つの半導体レーザアレイ素子１０８を用いる場合に比べてより広い角度範囲からビームが入射することになる。このため、透過型波長分散素子１０３に大きな入射角で入射するビームにおいては、偏向部３０１における偏向角が大きくなり、偏向部３０１で生じる光路長差に起因する収差も大きくなってしまう。したがって、複数の半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２を用いる波長結合外部共振器を備える半導体レーザ装置１００６においては、本実施の形態の技術を適用することによる効果が大きくなる。

以上説明したように、本発明の実施の形態６にかかる半導体レーザ装置１００６によれば、実施の形態１と同様に、偏向部３０１で発生するビーム断面内の第１の向きＤ１における位置に依存する収差の少なくとも一部を補償することができる。このため、分散性を有する素子を利用して半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２が出射する複数のレーザ光を用いて、集光性が高く高出力のレーザ光を発生することが可能になる。

さらに、本実施の形態では、複数の半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２を用いるため、より多くの半導体レーザ素子が出力するレーザ光を結合することにより、１つの半導体レーザアレイ素子１０８を用いる場合よりも、さらに高出力化が可能になるという効果を奏することができる。

上記の実施の形態では、半導体レーザ装置１００１〜１００６の構成について説明したが、上記の実施の形態で説明した技術は、半導体レーザ装置１００１〜１００６を備えるレーザ加工装置として実現することもできる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

例えば、上記の実施の形態４および５では、１つの半導体レーザアレイ素子１０８を光源として用いる例を示し、実施の形態６では、２つの半導体レーザアレイ素子１０８１，１０８２を光源として用いる例を示したが、本発明は係る例に限定されない。複数の半導体レーザ素子の少なくとも一部が、半導体レーザアレイ素子１０８で構成されていればよい。つまり、半導体レーザ素子の全てが半導体レーザアレイ素子１０８である例に限定されず、半導体レーザ装置１００４〜１００６は、半導体レーザアレイ素子１０８およびシングルチップレーザダイオードである半導体レーザ素子の両方を有していてもよい。また、半導体レーザ装置１００４〜１００６は、３つ以上の半導体レーザアレイ素子１０８を有してもよい。

１０３透過型波長分散素子、１０４部分反射素子、１０５非対称屈折光学素子、１０５ａ出射面、１０７，３０２ａ，１０６１，１０６２，１０６３集光レンズ、１０８，１０８１，１０８２半導体レーザアレイ素子、１０９，１０２１，１０２２，１０９１，１０９２発散角補正素子、１１０，１１０１，１１０２回転光学素子、２０１内側光線、２０２主光線、２０３外側光線、３０１偏向部、３０２外部光学系、３０３集光点、１００１〜１００６半導体レーザ装置、１０１１，１０１２半導体レーザ素子、２００１，２００２レーザ光、Ｄ１第１の向き、θ 頂角、α 集光角、ｈ光線高さ。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体レーザ装置は、互いに波長の異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子と、複数の半導体レーザ素子と外部共振器の両端を構成する部分反射素子と、複数の半導体レーザ素子および部分反射素子の間のレーザ光の光路上であって、複数のレーザ光が重畳される位置に配置され、波長分散性を有し、複数のレーザ光の光軸を含む第１の面内において、複数のレーザ光の進行方向を変化させることで、光軸を共有させて結合する透過型波長分散素子と、透過型波長分散素子および部分反射素子の間の光路上に配置され、第１の面に含まれ且つレーザ光の光軸に直交する方向である第１の向きにおける位置変化に伴って、内部を通過する距離である素子内通過距離が減少する非対称屈折光学素子と、透過型波長分散素子および非対称屈折光学素子の間の光路上に配置される集光レンズと、を備えることを特徴とする。

Claims

互いに波長の異なるレーザ光を出射する複数の半導体レーザ素子と、
複数の前記半導体レーザ素子と外部共振器の両端を構成する部分反射素子と、
複数の前記半導体レーザ素子および前記部分反射素子の間の前記レーザ光の光路上であって、複数の前記レーザ光が重畳される位置に配置され、波長分散性を有し、複数の前記レーザ光の光軸を含む第１の面内において、複数の前記レーザ光の進行方向を変化させることで、光軸を共有させて結合する透過型波長分散素子と、
前記透過型波長分散素子および前記部分反射素子の間の光路上に配置され、前記第１の面に含まれ且つ前記レーザ光の光軸に直交する方向である第１の向きにおける位置変化に伴って、内部を通過する距離である素子内通過距離が減少する非対称屈折光学素子と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
前記透過型波長分散素子は、透過型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記非対称屈折光学素子は、自由空間よりも高い屈折率の材料で形成され、
前記第１の向きは、前記透過型波長分散素子から前記非対称屈折光学素子までの距離が長い側から短い側へ向かう向きであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
前記非対称屈折光学素子は、前記第１の向きの距離に対して線形に、前記素子内通過距離が減少することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記非対称屈折光学素子は、前記第１の向きに一定の距離進むごとに段階的に、前記素子内通過距離が減少することを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子および前記透過型波長分散素子の間に配置され、前記レーザ光の発散角を補正する発散角補正素子をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記発散角補正素子および前記透過型波長分散素子の間の光路上に配置される集光レンズをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
前記透過型波長分散素子および前記非対称屈折光学素子の間の光路上に配置される集光レンズをさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
複数の前記半導体レーザ素子および前記透過型波長分散素子の間の光路上に配置され、入射する複数の前記レーザ光を光軸を回転軸として個別に９０度回転させ出射させる回転光学素子をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
複数の前記半導体レーザ素子の少なくとも一部が、半導体レーザアレイ素子で構成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。