WO2016013653A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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semiconductor laser
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cross
light emitting
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大嗣 森田
正人 河▲崎▼
今野　進
智毅 桂
藤川　周一
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser device that outputs a beam of a plurality of wavelengths generated from a plurality of light emitting points by superimposing them by wavelength dispersion of a wavelength dispersion element.
  • a spatial filter is arranged between the wavelength dispersion element of the external laser resonator and the partial reflection mirror.
  • a known semiconductor laser device is known (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • this semiconductor laser device has a problem that an oscillation beam interferes with a slit used for a spatial filter and a laser output is reduced.
  • a slit used for a spatial filter In order to prevent interference of the oscillation beam to the slit and to reduce the size of the device, it is necessary to shorten the focal length of the lens used for the spatial filter. There was also a problem.
  • the slit since the slit is placed at the focal position of the lens, slit burning is likely to occur during slit adjustment, making slit adjustment very difficult and a cooling structure required for the slit as a countermeasure against slit burning. There was also a problem of cost.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems, and it is possible to increase the oscillation loss of the cross-coupled oscillation beam without increasing the size of the device, thereby improving the light condensing performance.
  • An object of the present invention is to obtain a semiconductor laser device that can be improved.
  • An external laser resonator that outputs the beam to the outside; Light of a cross-coupled oscillation beam that is disposed between the wavelength dispersion element and the partial reflection mirror and oscillates through the plurality of emission points having different normal oscillation optical axes that are optical axes of the normal oscillation beam.
  • An angle expanding element that expands an angle formed with a cross coupling optical axis as an axis is provided.
  • the cross-coupling that oscillates through the normal oscillation optical axis of the normal oscillation beam emitted from the emission point and the different emission point Since the angle expansion element that expands the angle formed by the cross coupling optical axis of the oscillation beam is arranged, it is possible to increase the oscillation loss of the cross coupling oscillation beam without increasing the size of the device, and to collect light. Can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the spectrum of the regular oscillation beam of the semiconductor laser apparatus of FIG. It is a schematic block diagram for demonstrating the cross-coupling oscillation beam in a semiconductor laser apparatus. It is a figure which shows the spectrum of a cross-coupling oscillation beam. It is a schematic block diagram for demonstrating the suppression method of the cross-coupling oscillation beam of a semiconductor laser apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an effect of suppressing a cross-coupling oscillation beam in the semiconductor laser device of FIG. 1. It is a schematic block diagram which shows the semiconductor laser apparatus by Embodiment 2 of this invention. It is a schematic block diagram which shows the semiconductor laser apparatus by Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a semiconductor laser device 40 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the semiconductor laser device 40 uses the wavelength dispersion effect of the wavelength dispersive element 5 for light from the first light emitting point 2a and the second light emitting point 2b of each of the first semiconductor laser 1a and the second semiconductor laser 1b. Thus, it is configured to superimpose on one beam.
  • an optical system composed of optical elements between the surface opposite to the light emitting side surface of the light emitting points 2a and 2b of the semiconductor lasers 1a and 1b and the partial reflection mirror 7 is a laser resonator.
  • the semiconductor lasers 1a and 1b usually have the light emitting points 2a and 2b themselves as laser resonators.
  • the partial reflection mirror 7 and the like installed outside the light emitting points 2a and 2b are used as constituent elements.
  • the above laser resonator is referred to as an external laser resonator.
  • FIG. 1 for the sake of simplicity, there are two first semiconductor lasers 1a and second semiconductor lasers 1b, and one light emitting point 2a and 2b for each semiconductor laser 1a and 1b (a so-called single emitter semiconductor laser). ).
  • the number of light emitting points may be larger than the number of semiconductor lasers, and even when there are a plurality of light emitting points on one semiconductor laser (so-called semiconductor laser bar), the light from the plurality of light emitting points is similarly transmitted to the wavelength dispersion element. 5 can be superimposed on one beam.
  • the beam reciprocates in the external laser resonator.
  • the propagation of the beam in the direction from the first light emitting point 2a and the second light emitting point 2b to the partial reflection mirror 7 will be described.
  • Beams generated from the light emitting points 2a and 2b of the semiconductor lasers 1a and 1b are emitted while diverging.
  • the beams generated from the semiconductor lasers 1a and 1b are almost collimated by the beam collimating optical systems 3a and 3b.
  • the beam collimating optical systems 3a and 3b a cylindrical lens, a spherical lens, an aspheric lens, a mirror having a curvature, or a combination thereof can be used.
  • the divergence angle of light generated from the semiconductor lasers 1a and 1b is anisotropic, and the divergence angle is different between a direction perpendicular to the paper surface and a direction in the paper surface. Accordingly, it is desirable to use a combination of a plurality of lenses or curvature mirrors as the beam collimating optical systems 3a and 3b.
  • the beam collimating optical systems 3a and 3b may include a beam rotating optical system.
  • a beam rotation optical system a cylindrical lens array shown in a publicly known document (see Japanese Patent Laid-Open No. 2000-137139, see FIG. 2), a reflector shown in a publicly known document (WO98 / 08128), or the like is used. .
  • the anisotropic beams emitted from the light emitting points 2a and 2b are rotated about 90 degrees in a plane perpendicular to the optical axis.
  • the beams substantially collimated by the beam collimating optical systems 3 a and 3 b are spatially overlapped on the wavelength dispersion element 5 by the coupling optical system 4.
  • the coupling optical system 4 having the focal length f is shown as a single lens in FIG. 1, but a cylindrical lens, a spherical lens, an aspheric lens, a mirror having a curvature, or a combination thereof can be used.
  • the wavelength dispersion element 5 may be a reflection type diffraction grating, a transmission type diffraction grating, a prism, or an element (grism) that combines a diffraction grating and a prism. Since the wavelength dispersion is large, that is, when the difference in the diffraction angle or the refraction angle is large when two beams having different wavelengths are incident, the beams from the plurality of semiconductor lasers 1a and 1b can be superimposed in a space-saving manner. It is desirable to use a diffraction grating rather than a prism.
  • the wavelength dispersion of the wavelength dispersion element 5 that is, the characteristic that the diffraction angle or the refraction angle changes depending on the wavelength
  • the beam superimposed on one beam is emitted toward the partial reflection mirror 7 after passing through the anamorphic prism pair 6 which is an angle expanding element.
  • the anamorphic prism pair 6 only the normal oscillation output beam size 21 having an axis parallel to the paper surface is reduced after the beam traveling from the wavelength dispersion element 5 to the partial reflection mirror 7 passes through the anamorphic prism pair 6. It is arranged in a direction.
  • the anamorphic prism pair 6 is composed of two prisms, can change the beam size in only one direction, and is often used for the purpose of shaping an elliptical beam into a circular beam.
  • a part of the beam irradiated to the partial reflection mirror 7 is transmitted, extracted as a normal oscillation output beam 10, and the remaining part is reflected.
  • the reflected beam propagates in the opposite direction along the same path as the beam from the first light emitting point 2a and the second light emitting point 2b toward the partial reflection mirror 7, and the first light emitting point 2a of the first semiconductor laser 1a is transmitted.
  • Incident on the second light emitting point 2b of the second semiconductor laser 1b behind the first light emitting point 2a of the first semiconductor laser 1a and the second light emitting point 2b of the second semiconductor laser 1b.
  • the function as an external laser resonator is established by returning to the aptitude to the side end face. In order to form an external laser resonator, the positions and angles of the partial reflection mirror 7, the wavelength dispersion element 5, the coupling optical system 4, and the beam collimating optical systems 3a and 3b are adjusted.
  • this external laser resonator In the state where this external laser resonator is established, there is one optical axis between the partial reflection mirror 7 and the wavelength dispersion element 5, and the wavelength dispersion element 5, the first light emitting point 2a, and the first light emission point Between the two light emitting points 2b, there are two different optical axes connecting the wavelength dispersive element 5 and the first light emitting point 2a, and the wavelength dispersive element 5 and the second light emitting point 2b.
  • the laser oscillation wavelengths by the first light emission point 2a and the second light emission point 2b are automatically determined so that these optical axes are established.
  • the normal oscillation optical axis 20 which is one optical axis between the partial reflection mirror 7 and the wavelength dispersion element 5 in FIG.
  • the oscillation wavelengths of the first emission point 2a and the second emission point 2b are automatically determined so that the external laser resonator is established, and the wavelengths are different from each other.
  • this oscillation beam is referred to as a normal oscillation beam.
  • FIG. 2 shows a wavelength spectrum at the time of a regular oscillation beam.
  • this normal oscillation beam two beams from the first light emission point 2a and the second light emission point 2b are superimposed and emitted from the partial reflection mirror 7 as a single normal oscillation output beam 10, and the luminance is increased. It can be approximately doubled. Increasing the number of semiconductor lasers and light emitting points can further improve the luminance.
  • the cross coupling oscillation beam will be described with reference to FIG. 3 includes a minimum number of optical elements to simplify the description of the cross-coupled oscillation beam, and the anamorphic prism pair shown in FIG. 1 is interposed between the wavelength dispersion element 5 and the partial reflection mirror 7. 6 is not arranged.
  • the cross coupling optical axis 30 that is the optical axis of the cross coupling oscillation beam is indicated by a dotted line
  • the normal oscillation optical axis 20 is indicated by a solid line.
  • the normal oscillation optical axis 20 is at one place on the wavelength dispersion element 5 and enters the partial reflection mirror 7 perpendicularly.
  • the cross coupling optical axis 30 is not gathered at one place on the wavelength dispersion element 5 and is incident on the partial reflection mirror 7 obliquely rather than perpendicularly.
  • the cross coupling optical axis 30 enters and exits obliquely at the first light emitting point 2a and the second light emitting point 2b, but a certain amount of light is emitted from the first light emitting point 2a and the first light emitting point 2b. Since a beam can be generated with an angular width, an external laser resonator is also formed on the cross coupling optical axis 30 of the cross coupling oscillation beam in which the beam is inclined at the first light emitting point 2a and the second light emitting point 2b. To do.
  • the normal oscillation optical axis 20 is vertical on the partial reflection mirror 7 and is one optical axis, whereas the cross coupling optical axis 30 is a partial reflection mirror as shown in FIG. 7 is diagonal.
  • the cross coupling oscillation output beams 11a and 11b having different traveling directions are mixed, thereby condensing the beam generated from the external laser resonator. Will be reduced.
  • Condition 1 is that, as shown in FIG. 4, the oscillation wavelength due to cross coupling is an intermediate wavelength between the oscillation wavelengths of the first emission point 2a and the second emission point 2b in the case of a regular oscillation beam.
  • Condition 2 is that the emission angle of the cross coupling optical axis 30 emitted from the first light emission point 2 a and the second light emission point 2 b is vertically symmetrical with respect to the normal oscillation optical axis 20, as shown in FIG. 3.
  • the above conditions are used to make the explanation easy to understand. Actually, a cross-coupling oscillation beam other than the above-mentioned conditions can be considered, but it is sufficient for understanding the cross-coupling oscillation beam. .
  • the emission angles of the cross coupling optical axes 30 of the cross coupling oscillation beams emitted from the first light emission point 2a and the second light emission point 2b shown in FIG. 3 are + ⁇ 1 and ⁇ 1, respectively.
  • the light After passing through the dispersive element 5, the light travels at angles of + ⁇ g and ⁇ g according to the above condition 1, and intersects the normal oscillation optical axis 20 on the partial reflection mirror 7.
  • the cross-coupling optical axis 30 of the cross-coupling oscillation beam that has entered the partial reflection mirror 7 is partially specularly reflected.
  • the cross-coupling optical axis 30 emitted from the first light emitting point 2a is the second coupling optical axis 30.
  • the cross coupling optical axis 30 incident on the light emitting point 2b and emitted from the second light emitting point 2b is incident on the first light emitting point 2a, thereby forming a cross coupling oscillation beam optical path.
  • the distance from the wavelength dispersion element 5 to the partial reflection mirror 7 is L1, but this distance is L2 (> L1) as shown in FIG.
  • the cross-coupling optical axis 30 and the normal oscillation optical axis 20 between the wavelength dispersion element 5 and the partial reflection mirror 7 are Are the same as those in FIG. 3, respectively. Therefore, the amount of deviation between the cross-coupling optical axis 30 and the normal oscillation optical axis 20 on the wavelength dispersion element 5 is D1 in the configuration of FIG. 3, whereas in the configuration of FIG.
  • D2 (L2 / L1) ⁇ D1, and D2 is larger than D1.
  • the emission angle of the cross coupling optical axis 30 of the cross coupling oscillation beam emitted from the first light emission point 2a and the second light emission point 2b is an angle formed with the normal oscillation optical axis 20 and + ⁇ 2 and ⁇ 2.
  • ⁇ 2 (L2 / L1) ⁇ ⁇ 1 and ⁇ 2> ⁇ 1.
  • the cross coupling oscillation beam increases. Since the resonance at the light emitting points 2a and 2b is suppressed and the oscillation loss of the cross-coupling oscillation beam increases, the angle ⁇ 2 formed by the cross-coupling optical axis 30 and the normal oscillation optical axis 20 in FIG. It is possible to suppress the cross-coupled oscillation beam by increasing the value of.
  • the angle ⁇ 2 is increased, that is, the amount of deviation between the cross-coupling optical axis 30 and the normal oscillation optical axis 20 on the wavelength dispersion element 5 is increased. It turns out to be effective.
  • ⁇ g is a very small value. Therefore, in order to increase D2 until it becomes possible to suppress the cross-coupled oscillation beam, it is necessary to increase L2 very much. There is a problem that.
  • the cross-coupling oscillation beam is suppressed without enlarging the device, and the cross-coupling oscillation beam is suppressed using FIG. 6 below.
  • the anamorphic prism pair 6 has a beam size of an axis parallel to the paper surface when the beam passes through the anamorphic prism pair 6 in the direction of the light emitting points 2a and 2b. Has the effect of 1 / A times.
  • A is a natural number other than 0, and by adjusting the arrangement and shape of the anamorphic prism pair 6, the size of A can be freely selected. Many are 2 to 6 sizes.
  • the cross-coupling oscillation beam equivalent to the configuration shown in FIG. 5 is used, where the distance from the wavelength dispersion element 5 to the partial reflection mirror 7 is L2.
  • the normal oscillation optical axis 20 of the normal oscillation beam emitted from the light emitting points 2a and 2b.
  • the anamorphic prism pair 6 that is an angle expanding element that expands the angle formed by the cross coupling optical axis 30 of the cross coupling oscillation beam that oscillates via the different light emitting points 2a and 2b.
  • FIG. FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a semiconductor laser device 40 according to the second embodiment of the present invention.
  • the opening 8 is disposed in the vicinity of the wavelength dispersion element 5 with respect to the semiconductor laser device 40 of the first embodiment.
  • the opening 8 physically blocks the cross-coupled oscillation beam.
  • the aperture width of the aperture 8 is larger than the normal oscillation output beam size 21 of the normal oscillation optical axis 20 and is arranged so that the aperture 8 does not interfere with the normal oscillation output beam 10.
  • the opening width of the opening 8 is 1.1 times or more the width including 99% of the entire energy of the normal oscillation output beam 10.
  • the cross coupling optical axis 30 is similar to the semiconductor laser device 40 of the first embodiment. Since the amount of deviation from the normal oscillation optical axis 20 is increased, the cross-coupled oscillation beam can be effectively blocked even when such an opening 8 having a large width is used. Further, the arrangement position of the opening 8 may not be close to the wavelength dispersion element 5, but may be close to the coupling optical system 4. In short, the coupling optical system 4 can effectively suppress the cross-coupling oscillation beam. What is necessary is just to be between the wavelength dispersion elements 5. Other configurations are the same as those of the semiconductor laser device 40 of the second embodiment.
  • the aperture 8 is disposed between the coupling optical system 4 and the wavelength dispersive element 5 which are constituent elements of the external laser resonator, so that the light emitting points 2a and 2b are emitted.
  • the effect of suppressing the cross-coupled oscillation beam can always be kept constant without being affected by individual differences such as the allowable angular width of the cross-coupled oscillation beam.
  • the cross-coupled oscillation beam that does not exceed the allowable angular width of the light emitting points 2a and 2b can be blocked, the length of the distance L3 between the partial reflection mirror 7 and the anamorphic prism pair 6 is further shortened. This can further reduce the size of the apparatus.
  • the anamorphic prism pair 6 is used as the angle expanding element.
  • the present invention is not limited to this and has other same functions. I just need it.
  • the coupling optical system 4 superimposes the beams from the light emitting points 2 a and 2 b on the wavelength dispersive element 5 between the light emitting points 2 a and 2 b and the wavelength dispersive element 5.
  • the present invention can also be applied to a semiconductor laser device in which the beams from the light emitting points 2 a and 2 b are directly superimposed on the wavelength dispersion element 5.
  • the aperture 8 in addition to the position between the coupling optical system 4 and the wavelength dispersion element 5, the positions on the light emitting points 2 a and 2 b side of the coupling optical system 4 and the anamorphic prism pair 6 side of the wavelength dispersion element 5. You may arrange in. Moreover, you may arrange
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a semiconductor laser device 40 according to the third embodiment of the present invention.
  • the semiconductor laser device 40 of the third embodiment has a first anamorphic prism pair 6a between the wavelength dispersion element 5 and the partial reflection mirror 7.
  • a second anamorphic prism pair 6b is arranged, and one anamorphic prism pair is added.
  • the cross coupling optical axis 30 in the anamorphic prism pair 6a, 6b is omitted.
  • the amount of deviation D4 between the cross coupling optical axis 30 and the normal oscillation optical axis 20 on the wavelength dispersion element 5 is expressed by the second anamorphic prism pair 6b.
  • the distance between the morphic prism pair 6b and the partial reflection mirror 7 is L3, D4 ⁇ A ⁇ B ⁇ D3.
  • the traveling angle ⁇ g of the cross coupling optical axis 30 after passing through the wavelength dispersion element 5 becomes small, and the cross coupling oscillation beam is suppressed. It becomes difficult. In this case, it is effective to increase the angle expansion rate of the anamorphic prism pair 6 to suppress the cross-coupling oscillation beam.
  • ⁇ 2 shown in FIG. if ⁇ 2 is increased, the loss due to reflection increases and the oscillation efficiency decreases.
  • the semiconductor laser device 40 according to the third embodiment is used, the effect of suppressing cross coupling can be enhanced without increasing the angle expansion rate of each anamorphic prism pair 6a, 6b. The oscillation loss can be reduced.
  • the semiconductor laser device 40 of the third embodiment by arranging the plurality of anamorphic prism pairs 6a and 6b, the effect of suppressing the cross-coupling oscillation beam can be enhanced without increasing the oscillation loss.
  • the semiconductor laser device 40 according to the third embodiment the case where two anamorphic prism pairs 6a and 6b are arranged has been described. Of course, the number is not limited to two, and three or more. Also good.

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Abstract

　この半導体レーザ装置は、波長分散素子と部分反射ミラーとの間に、発光点から出射する正規発振ビームの正規発振光軸と、異なる発光点を経由して発振するクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸とが成す角度を拡大するアナモルフィックプリズムペアが配置されており、装置を大型化することなく、クロスカップリング発振ビームの発振ロスを大きくすることができ、集光性を向上させることができる。

Description

半導体レーザ装置
　この発明は、複数の発光点から発生する複数の波長のビームを波長分散素子の波長分散によって重畳させて出力する半導体レーザ装置に関するものである。
　従来、異なる発光点同士で生じる外部レーザ共振器光路によるクロスカップリング発振ビーム出力を抑制するために、外部レーザ共振器の波長分散素子と部分反射ミラーとの間に空間フィルター(spatial filter)が配置された半導体レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
米国特許第０６１９２０６２号明細書 米国特許第０7０６５１０７号明細書
　しかしながら、この半導体レーザ装置においては、空間フィルターに用いているスリットに発振ビームが干渉し、レーザ出力が低下するという問題点があった。
　また、スリットへの発振ビームの干渉を防ぐため、また装置を小型化するためには、空間フィルターに用いるレンズの焦点距離を短くする必要があり、レンズの収差によるレーザ出力低下や集光性低下という問題点もあった。
　さらに、スリットはレンズの焦点位置に配置されるため、スリット調整時にスリット焼けなどが発生しやすく、スリット調整は非常に困難であるとともに、スリット焼け対策としてスリットに冷却構造が必要となるために高コストとなるという問題点もあった。
　この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、装置を大型化することなく、クロスカップリング発振ビームの発振ロスを大きくすることができ、集光性を向上させることができる半導体レーザ装置を得ることを目的としている。
　この発明に係る半導体レーザ装置は、複数の発光点からのビームが重畳される波長分散素子と、前記波長分散素子を通過後の前記ビームが照射され、前記ビームの一部を外部に出力し、残りのビームを反射する部分反射ミラーとを含み、前記複数の発光点から発生する複数の波長の前記ビームを前記波長分散素子の波長分散によって重畳させ、前記複数の発光点それぞれが発振する正規発振ビームを外部に出力する外部レーザ共振器と、
　前記波長分散素子と前記部分反射ミラーとの間に配置され、前記正規発振ビームの光軸である正規発振光軸が、異なる前記複数の発光点を経由して発振するクロスカップリング発振ビームの光軸であるクロスカップリング光軸と成す角度を拡大する角度拡大素子とを備えている。
　この発明に係る半導体レーザ装置によれば、波長分散素子と部分反射ミラーとの間に、発光点から出射する正規発振ビームの正規発振光軸と、異なる発光点を経由して発振するクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸とが成す角度を拡大する角度拡大素子が配置されているので、装置を大型化することなく、クロスカップリング発振ビームの発振ロスを大きくすることができ、集光性を向上させることができる。
この発明の実施の形態１による半導体レーザ装置を示す概略構成図である。 図１の半導体レーザ装置の正規発振ビームのスペクトルを示す図である。 半導体レーザ装置でのクロスカップリング発振ビームを説明するための概略構成図である。 クロスカップリング発振ビームのスペクトルを示す図である。 半導体レーザ装置のクロスカップリング発振ビームの抑制方法を説明するための概略構成図である。 図１の半導体レーザ装置でのクロスカップリング発振ビームの抑制効果を説明する概略構成図である。 この発明の実施の形態２による半導体レーザ装置を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態３による半導体レーザ装置を示す概略構成図である。
　以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
　実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１による半導体レーザ装置４０を示す概略構成図である。
　この半導体レーザ装置４０は、第１の半導体レーザ１ａ及び第２の半導体レーザ１ｂのそれぞれの第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂからの光を波長分散素子５の波長分散効果を用いて、一つのビームに重畳する構成である。
　半導体レーザ装置４０は、半導体レーザ１ａ，１ｂの発光点２ａ，２ｂの光出射側面の反対側の面と部分反射ミラー７との間の各光学素子からなる光学系がレーザ共振器になっており、また半導体レーザ１ａ，１ｂは、通常発光点２ａ，２ｂ自体がレーザ共振器となっているが、以下の説明では、発光点２ａ，２ｂの外に設置した、部分反射ミラー７等を構成要素とした上記レーザ共振器を外部レーザ共振器と呼ぶことにする。
　図１では簡単のため、第１の半導体レーザ１ａ及び第２の半導体レーザ１ｂが二つで、各々の半導体レーザ１ａ，１ｂに対して発光点２ａ，２ｂが一つずつ（所謂シングルエミッター半導体レーザ）で示している。
　なお、発光点が半導体レーザの数より多くの数でもよく、また一つの半導体レーザ上に発光点が複数個存在する場合（所謂半導体レーザバー）でも同様に複数の発光点からの光を波長分散素子５において一つのビームに重畳可能である。
　実際には外部レーザ共振器内でビームが往復しているのであるが、まず第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂから部分反射ミラー７に向かう方向のビームの伝播について説明する。
　半導体レーザ１ａ，１ｂの発光点２ａ，２ｂから発生するビームは、発散しながら出射される。外部共振器のモードとカップリングさせるために、ビーム平行化光学系３ａ，３ｂにより半導体レーザ１ａ，１ｂから発生するビームをほぼ平行化する。
　ビーム平行化光学系３ａ，３ｂは、円筒レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラーやその組み合わせを用いることができる。
　一般的に半導体レーザ１ａ，１ｂから発生する光の発散角は異方性があり、紙面に垂直な方向と紙面内の方向とで発散角が異なる。従って、ビーム平行化光学系３ａ，３ｂとしては、複数枚のレンズまたは曲率ミラーを組み合わせて用いることが望ましい。
　また、このとき、ビーム平行化光学系３ａ，３ｂにはビーム回転光学系が含まれていてもよい。
　ビーム回転光学系としては、公知文献（特開２０００－１３７１３９号公報、図２参照）に示されたシリンドリカルレンズアレイや、公知文献（ＷＯ９８／０８１２８号公報）に示された反射鏡等が用いられる。
　上記ビーム回転光学系を通すことにより、各発光点２ａ，２ｂから出射された異方性を持ったビームは、光軸に垂直な面内で約９０度回転される。
　ビーム平行化光学系３ａ，３ｂによってほぼ平行化されたビームは、結合光学系４によって、波長分散素子５上で空間的にオーバラップされる。
　焦点距離ｆの結合光学系４は、図１では１枚のレンズで示しているが、円筒レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラーやその組み合わせを用いることができる。
　波長分散素子５は、反射型回折格子、透過型回折格子、プリズム、回折格子とプリズムを組み合わせた素子（グリズム）を用いることができる。波長分散が大きい、即ち二つの異なる波長のビームを入射した際に回折角または屈折角の違いが大きい方が、省スペースで複数の半導体レーザ１ａ，１ｂからのビームを重畳することができるため、プリズムよりは回折格子を使用することが望ましい。
　異なる、第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂからの光がある特定の異なる波長であるときには、波長分散素子５の波長分散、即ち波長によって回折角または屈折角が変化する特性によって、入射した発光点２ａ，２ｂからのビームは一つのビームとして重畳される。
　一つのビームに重畳されたビームは、角度拡大素子であるアナモルフィックプリズムペア６を通過後、部分反射ミラー７に向けて出射される。
　このとき、アナモルフィックプリズムペア６は、波長分散素子５から部分反射ミラー７へ進行するビームがアナモルフィックプリズムペア６を通過後に紙面に平行な軸の正規発振出力ビームサイズ２１のみが縮小される向きに配置されている。
　アナモルフィックプリズムペア６は、２つのプリズムから構成されており、１方向のみのビームサイズを変化させることができ、楕円ビームを円形ビームに整形する目的で使用されることが多い。
　部分反射ミラー７に照射されたビームは、一部は透過し、正規発振出力ビーム１０として取り出され、残りの一部は反射される。
　反射されたビームが、第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂから部分反射ミラー７へ向かうビームと同じ経路で逆向きに伝播し、第１の半導体レーザ１ａの第１の発光点２ａ、第２の半導体レーザ１ｂの第２の発光点２ｂに入射して、第１の半導体レーザ１ａの第１の発光点２ａ、第２の半導体レーサ１ｂの第２の発光点２ｂのそれぞれの後ろ側端面まで適性に戻ることで外部レーザ共振器としての機能が成立する。
　外部レーザ共振器として成立するために、部分反射ミラー７、波長分散素子５、結合光学系４、ビーム平行化光学系３ａ，３ｂの位置、角度が調整される。
　この外部レーザ共振器が成立している状態では、部分反射ミラー７と波長分散素子５との間は一本の光軸となっており、波長分散素子５と、第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂとの間は、波長分散素子５と第１の発光点２ａ、及び波長分散素子５と第２の発光点２ｂを結ぶ二本の異なる光軸となる。これらの光軸が成り立つように第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂによるレーザ発振波長は自動的に決定される。
　即ち、半導体レーザ装置４０において、外部レーザ共振器の機能が成立している時には、図１において、部分反射ミラー７と波長分散素子５との間は一本の光軸である正規発振光軸２０で外部レーザ共振器が成立するように、第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂの発振波長が自動的に決定され、その波長は各々異なる波長となる。
　以下、この発振ビームのことを正規発振ビームと呼ぶことにする。
　図２に正規発振ビーム時の波長スペクトルを示す。
　この正規発振ビームにおいては、第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂからの二本のビームが重畳され一本の正規発振出力ビーム１０として部分反射ミラー７から出射されており、輝度を約２倍にすることが可能である。半導体レーザ及び発光点の数を増加させると更に輝度を向上させることが可能である。
　一方で、図１の正規発振光軸２０が成立するように外部レーザ共振器内の各光学素子を調整したとしても、望ましくないレーザ発振が起こり得る。
　後述するように、異なる第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂを経由して発振することから、以下この望ましくないレーザ発振ビームをクロスカップリング発振ビームと呼ぶことにする。
　次に、図３を用いてクロスカップリング発振ビームについて説明する。
　図３はクロスカップリング発振ビームの説明を簡単にするため、最小限の光学素子から構成されており、波長分散素子５と部分反射ミラー７との間に図１に示したアナモルフィックプリズムペア６は配置されていない。
　図３においては、クロスカップリング発振ビームの光軸であるクロスカップリング光軸３０が点線で示され、正規発振光軸２０が実線で示されている。
　正規発振光軸２０は、波長分散素子５上で一箇所であり、部分反射ミラー７には垂直に入射する。
　一方、クロスカップリング光軸３０は、波長分散素子５上において、一箇所には集まっておらず、また部分反射ミラー７に対しても垂直ではなく斜めに入射している。
　クロスカップリング光軸３０は、第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂにおいても斜めに入出射することになるが、第１の発光点２ａ、第１の発光点２ｂからはある程度の角度幅をもってビームが発生し得るため、第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂにおいてビームが斜めになっているクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０でも外部レーザ共振器が成立する。
　このとき、第１の発光点２ａから出射したビームは、部分反射ミラー７で一部が正反射された後、第２の発光点２ｂに入射し、第２の発光点２ｂから出射したビームは、部分反射ミラー７で一部が正反射された後、第１の発光点２ａに入射する。
　このように、第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂの間で相互にビームが入射、出射する光路にて外部レーザ共振器が成立する。
　このとき、正規発振光軸２０は、部分反射ミラー７上では垂直であり、また１本の光軸であるのに対して、クロスカップリング光軸３０は図３で示すように、部分反射ミラー７上で斜めである。
　よって、正規発振光軸２０から発生する正規発振出力ビーム１０とは別に、進行方向の異なるクロスカップリング発振出力ビーム１１ａ，１１ｂが混じることによって、外部レーザ共振器から発生するビームの集光性が低下することとなる。
　ここで、クロスカップリング光軸３０について詳細に説明するに当たり、以下の２つの条件を課す。
　条件１は、図４に示すようにクロスカップリングによる発振波長は、正規発振ビーム時の第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂの発振波長の中間の波長とする。
　条件２は、図３に示すように、第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂから出射するクロスカップリング光軸３０の出射角度は正規発振光軸２０に対して上下対称とする。
　以上の条件は、説明を分かり易くするために用いるものであり、実際には上記条件以外のクロスカップリング発振ビームも考えられるが、クロスカップリング発振ビームの理解のためには十分な条件である。
　上記条件２より、図３に示す第１の発光点２ａ及び第２の発光点２ｂから出射するクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０の出射角度は、それぞれ＋θ１及び－θ１となり、波長分散素子５を通過後は上記条件１により、それぞれ＋θｇ及び－θｇの角度で進行し、部分反射ミラー７上で正規発振光軸２０と交わることとなる。
　部分反射ミラー７へ入射した、クロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０は、一部正反射され、そのうち、第１の発光点２ａから出射したクロスカップリング光軸３０は、第２の発光点２ｂへと入射し、第２の発光点２ｂから出射したクロスカップリング光軸３０は、第１の発光点２ａへと入射することにより、クロスカップリング発振ビーム光路が形成される。
　次に、クロスカップリング発振ビームの抑制方法について説明する。
　図３では、波長分散素子５から部分反射ミラー７の距離をＬ１としているが、この距離を図５に示すようにＬ２（＞Ｌ１）とする。このとき、クロスカップリング発振ビームの波長は、上記条件１により変化することはないので、波長分散素子５と部分反射ミラー７との間における、クロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角はそれぞれ＋θｇ及び－θｇのままであり、図３のものと同じである。
　よって、波長分散素子５上におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０とのずれ量は、図３の構成においてはＤ１であるのに対して、図５の構成ではＤ２＝（Ｌ２／Ｌ１）×Ｄ１となり、Ｄ２は、Ｄ１よりも大きな値となる。
　その結果、第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂから出射するクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０の出射角度は、正規発振光軸２０との成す角で、それぞれ＋θ２及び－θ２となる。
　このとき、θ２＝（Ｌ２／Ｌ１）×θ１であり、θ２＞θ１となる。
　第１の発光点２ａ、第２の発光点２ｂから出射する、クロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角が大きくなればなるほど、クロスカップリング発振ビームの発光点２ａ，２ｂでの共振が抑制され、クロスカップリング発振ビームの発振ロスは大きくなると考えることができるので、図５のクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角度θ２の値を大きくすることによりクロスカップリング発振ビームの抑制が可能となる。
　以上のことから、クロスカップリング発振ビームの抑制のためには、上記角度θ２を大きくすること、即ち波長分散素子５上におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０とのずれ量を大きくすることが効果的であることが分かる。
　ただし、一般的にはθｇは非常に小さな値であるため、クロスカップリング発振ビームの抑制が可能となるまでＤ２を大きくするためにはＬ２を非常に大きくする必要があり、装置が巨大化してしまうという問題点がある。
　これに対しては、この実施の形態１の半導体レーザ装置４０では、装置を巨大化することなくクロスカップリング発振ビームを抑制したものであり、以下図６を用いてクロスカップリング発振ビームの抑制効果について説明する。
　図６においてアナモルフィックプリズムペア６は、ビームがアナモルフィックプリズムペア６をビームの出射方向である発光点２ａ，２ｂの方向に向かって通過する際に、紙面に平行な軸のビームサイズを１／Ａ倍にする効果を持つ。ここで、Ａとは０以外の自然数であり、アナモルフィックプリズムペア６の配置や形状を調整することにより、Ａの大きさは自由に選ぶことができるが、市販されているものはＡ＝２～６程度の大きさのものが多い。
　このとき、光軸の角度については、波長分散素子５とアナモルフィックプリズムペア６との間におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角がそれぞれ＋θｇ及び－θｇのとき、アナモルフィックプリズムペア６と部分反射ミラー７との間におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角はそれぞれ＋Ａθｇ及び－Ａθｇとなり、紙面内における角度がＡ倍される。このとき、波長分散素子５上におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０とのずれ量Ｄ４は、θｇが十分小さいため、Ｄ４≒ＡＤ３となる。
　クロスカップリング発振ビームの抑制のためには上記Ｄ４を大きくすることが効果的であることは上述の通りであるが、この実施の形態１の半導体レーザ装置４０においてはＤ３を大きくすればよいことがわかる。Ｄ３を大きくするためにはＬ３を大きくすればよい。
　このとき、アナモルフィックプリズムペア６と部分反射ミラー７との間におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角はそれぞれ＋Ａθｇ及び－Ａθｇであり、クロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０との成す角がＡ倍されているため、Ｌ３を増大することによるＤ３の増大量もＡ倍となる。
ここで、図６に示すこの実施の形態１の半導体レーザ装置４０を用いて、波長分散素子５から部分反射ミラー７の距離をＬ２とした、図５に示す構成と同等のクロスカップリング発振ビームの抑制効果を得ることについて考える。
　図５と同等のクロスカップリング発振ビームの抑制効果を得るためには、Ｄ４＝ＡＤ３＝Ｄ２となればよいので、Ｄ３＝Ｄ２／ＡとなるＬ３の大きさを求める。
　Ｄ３とＤ２の大きさは以下の式（１）、（２）で求められる。
　Ｄ３≒Ａθｇ×Ｌ３・・・（１）
　Ｄ２＝θｇ×Ｌ２・・・（２）
　式（１）よりＬ３が求められる。
　Ｌ３＝Ｄ３/Ａθｇ・・・（３）
　今、Ｄ３＝Ｄ２/Ａであるので、式（３）は以下のように変形される。
　Ｌ３＝Ｄ２/Ａθｇ・・・（４）
　式（４）に式（２）を代入すると
　Ｌ３＝Ｌ２/Ａ２・・・（５）
となる。
　以上より、Ｄ３＝Ｄ２／Ａとするためには、Ｌ３＝Ｌ２／Ａ２でよいことがわかる。
　以上のことより、この実施の形態１の半導体レーザ装置４０によれば、波長分散素子５と部分反射ミラー７の間には、発光点２ａ，２ｂから出射する正規発振ビームの正規発振光軸２０と、異なる発光点２ａ，２ｂを経由して発振するクロスカップリング発振ビームのクロスカップリング光軸３０とが成す角度を拡大する角度拡大素子であるアナモルフィックプリズムペア６が配置されているので、波長分散素子５と部分反射ミラー７との間の距離をコンパクトに保ったまま、またレンズの収差や遮蔽物へのビーム干渉による出力低下が発生する空間フィルターなどを用いることなく、効率的にクロスカップリング発振ビームの抑制が実現でき、集光性が向上するという顕著な効果がある。
　実施の形態２．
　図７は、この発明の実施の形態２の半導体レーザ装置４０の概略構成図である。
　この実施の形態２の半導体レーザ装置４０は、実施の形態１の半導体レーザ装置４０に対して、開口物８が波長分散素子５の近接に配置されている。この開口物８は、クロスカップリング発振ビームを物理的に遮断する。
　開口物８の開口幅は、正規発振光軸２０の正規発振出力ビームサイズ２１よりも大きなサイズであり、開口物８が正規発振出力ビーム１０と干渉することのないように配置されている。開口物８の開口幅は、目安としては、正規発振出力ビーム１０のエネルギー全体の９９％が含まれる幅の１．１倍以上である。
　なお、開口物８の開口幅は上述の通り大きな量としているが、この実施の形態２の半導体レーザ装置４０では、実施の形態１の半導体レーザ装置４０と同様に、クロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０とのずれ量を大きくしているため、このような大きな幅の開口物８を用いたとしても効果的にクロスカップリング発振ビームを遮断することができる。
　また、開口物８の配置位置は、波長分散素子５の近接でなくてもよく、結合光学系４の近接でもよく、要はクロスカップリング発振ビームを効果的に抑制できる、結合光学系４と波長分散素子５との間であればよい。
　他の構成は、実施の形態２の半導体レーザ装置４０と同じである。
　この実施の形態２の半導体レーザ装置４０によれば、開口物８を外部レーザ共振器の構成要素である結合光学系４と波長分散素子５との間に配置することにより、発光点２ａ，２ｂの許容角度幅などの個体差に影響されることなく、クロスカップリング発振ビームの抑制効果を常に一定に保つことができる。
　また、発光点２ａ，２ｂの許容角度幅を越えないクロスカップリング発振ビームも遮断することができるため、部分反射ミラー７とアナモルフィックプリズムペア６との間の距離Ｌ３の長さをさらに短くすることができ、さらなる装置の小型化が可能となる。
　なお、上記各実施の形態の半導体レーザ装置４０では、角度拡大素子としてアナモルフィックプリズムペア６を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、他の同一機能を有するものであればよい。
　また、実施の形態１，２の半導体レーザ装置では、発光点２ａ，２ｂと波長分散素子５との間に、発光点２ａ，２ｂからのビームを波長分散素子５上へ重畳する結合光学系４が配置されている半導体レーザ装置について説明したが、発光点２ａ，２ｂからのビームが直接波長分散素子５上に重畳する半導体レーザ装置であってもこの発明は適用できる。
　また、開口物８については、結合光学系４と波長分散素子５との間以外にも、結合光学系４の発光点２ａ，２ｂ側、波長分散素子５のアナモルフィックプリズムペア６側の位置に配置してもよい。また、開口物８は、一つの位置だけではなく、それぞれの位置に配置してもよい。
　実施の形態３．
　図８は、この発明の実施の形態３の半導体レーザ装置４０を示す概略構成図である。
　この実施の形態３の半導体レーザ装置４０は、実施の形態１の半導体レーザ装置４０と比較して、波長分散素子５と部分反射ミラー７との間に、第１のアナモルフィックプリズムペア６ａと第２のアナモルフィックプリズムペア６ｂとが配置され、アナモルフィックプリズムペアが一個追加されている。なお、図８においては、アナモルフィックプリズムペア６ａ，６ｂ中のクロスカップリング光軸３０は省略されている。
　追加された第２のアナモルフィックプリズムペア６ｂの角度拡大率をＢとすると、波長分散素子５上におけるクロスカップリング光軸３０と正規発振光軸２０とのずれ量Ｄ４は、第２のアナモルフィックプリズムペア６ｂと部分反射ミラー７との間の距離をＬ３とすると、Ｄ４≒Ａ×Ｂ×Ｄ３となる。
　クロスカップリング発振ビームの抑制のためには上記Ｄ４を大きくすることが効果的であるため、この実施の形態３の半導体レーザ装置４０では、さらなるクロスカップリング発振ビームの抑制効果が発揮される。
　第１の半導体レーザ１ａと第２の半導体レーザ１ｂの間の距離を短くすると、波長分散素子５通過後のクロスカップリング光軸３０の進行角度θｇは小さくなり、クロスカップリング発振ビームを抑制することが困難となる。
　その際、クロスカップリング発振ビームを抑制するために効果的となるのが、アナモルフィックプリズムペア６の角度拡大率を大きくすることである。アナモルフィックプリズムペア６の角度拡大率を大きくするためには、図８に示すα２を大きくすればよい。ただし、α２を大きくすると反射によるロスが大きくなり、発振効率が低下することになる。
　これに対して、この実施の形態３の半導体レーザ装置４０を用いれば、個々のアナモルフィックプリズムペア６ａ，６ｂの角度拡大率は大きくせずとも、クロスカップリング抑制効果を高めることができるので、発振ロスを小さくすることができる。
　この実施の形態３の半導体レーザ装置４０によれば、複数のアナモルフィックプリズムペア６a，６ｂを配置することにより、発振ロスを大きくすることなくクロスカップリング発振ビーム抑制効果を高めることができる。
　なお、この実施の形態３の半導体レーザ装置４０では、アナモルフィックプリズムペア６ａ，６ｂを２個配置した場合について説明したが、勿論２個に限定されるものではなく、３個以上であってもよい。
　１ａ　第１の半導体レーザ、１ｂ　第２の半導体レーザ、２ａ　第１の発光点、２ｂ　第２の発光点、３　ビーム平行化光学系、４　結合光学系、５　波長分散素子、６　アナモルフィックプリズムペア（角度拡大素子）、６ａ　第１のアナモルフィックプリズムペア（角度拡大素子）、６ｂ　第２のアナモルフィックプリズムペア（角度拡大素子）、７　部分反射ミラー、１０　正規発振出力ビーム、１１　クロスカップリング発振出力ビーム、２０　正規発振光軸、２１　正規発振出力ビームサイズ、３０　クロスカップリング光軸、４０　半導体レーザ装置。

Claims (6)

  1. 　複数の発光点からのビームが重畳される波長分散素子と、前記波長分散素子を通過後の前記ビームが照射され、前記ビームの一部を外部に出力し、残りのビームを反射する部分反射ミラーとを含み、前記複数の発光点から発生する複数の波長の前記ビームを前記波長分散素子の波長分散によって重畳させ、前記複数の発光点それぞれが発振する正規発振ビームを外部に出力する外部レーザ共振器と、
    　前記波長分散素子と前記部分反射ミラーとの間に配置され、前記正規発振ビームの光軸である正規発振光軸が、異なる前記複数の発光点を経由して発振するクロスカップリング発振ビームの光軸であるクロスカップリング光軸と成す角度を拡大する角度拡大素子とを備えた半導体レーザ装置。
  2. 　前記角度拡大素子と前記部分反射ミラーとの間に、さらに１個又は複数個の角度拡大素子が配置されてい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。
  3. 　前記角度拡大素子は、アナモルフィックプリズムペア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。
  4. 　前記複数の発光点と前記波長分散素子との間には、前記複数の発光点からの前記ビームを前記波長分散素子上へ重畳する結合光学系が配置されていることを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 　前記結合光学系と前記複数の発光点との間、前記波長分散素子と前記角度拡大素子との間、及び前記結合光学系と前記波長分散素子との間の少なくとも一つの位置に、前記クロスカップリング発振ビームの前記波長分散素子への入射を遮断する開口物が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
  6. 　前記開口物の開口幅は、前記正規発振ビームのビームサイズよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
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