WO2019187784A1 - 光学装置 - Google Patents

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WO2019187784A1
WO2019187784A1 PCT/JP2019/005956 JP2019005956W WO2019187784A1 WO 2019187784 A1 WO2019187784 A1 WO 2019187784A1 JP 2019005956 W JP2019005956 W JP 2019005956W WO 2019187784 A1 WO2019187784 A1 WO 2019187784A1
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WO
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laser
light emitting
laser beams
emitting units
light
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Application number
PCT/JP2019/005956
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English (en)
French (fr)
Inventor
瀧川　信一
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • This disclosure relates to an optical device.
  • this application is the 2016 New Energy and Industrial Technology Development Organization, "High-brightness and high-efficiency next-generation laser technology development / New light source and element technology development for next-generation processing / for high-efficiency processing”
  • Laser processing has been attracting attention as a means that can be welded, cut, modified, etc. cleanly with good controllability on materials to be processed such as metals, resins, and carbon fibers.
  • laser processing for example, it is possible to perform spot welding that is smaller than arc discharge, and it is possible to suppress the generation of chips compared to cutting using a mold. Can be realized.
  • the DDL (Direct Diode Laser) method that directly uses semiconductor laser light as laser light for laser processing is (a) highly efficient because it does not convert laser light, and (b) ultraviolet to infrared by selecting a semiconductor laser material. Since it has two features that it can be processed with a laser beam up to, it has attracted particular attention.
  • the optical output power of the semiconductor laser element is at most several watts, whereas in processing applications, an optical output power of about several hundred watts or more and several kilowatts or less is required. For this reason, it is necessary to synthesize output light (laser beams) from many semiconductor laser elements to obtain a large output.
  • combining means a spatial combining method, a polarization combining method, and a wavelength combining method.
  • the spatial synthesis method is a synthesis method that collects a plurality of laser beams (laser beams) in one place using a lens or the like.
  • the polarization combining method is a method in which two laser beams having orthogonal polarization directions are combined into one beam by a polarizing beam splitter.
  • the wavelength combining method is a method of combining a plurality of laser beams having different wavelengths into one beam using a diffraction grating or the like.
  • BPP Beam Parameter Product
  • the polarization combining method does not involve deterioration of BPP, the number of combined laser beams is limited to two. For this reason, it is difficult to obtain a high-power laser beam by the polarization beam synthesis method.
  • the wavelength synthesis method is an excellent method capable of synthesizing many laser beams without degrading BPP in principle.
  • Non-Patent Document 1 discloses an example of a wavelength synthesis method.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the laser light source 1000 shown in Non-Patent Document 1.
  • the laser light source 1000 includes a plurality of laser arrays 1001, a plurality of condenser lenses 1002, a plurality of condenser lenses 1003, a plane mirror array 1004, a condenser mirror 1005, a diffraction grating 1006, and mirrors 1007 and 1008.
  • the laser beam 1020 emitted from each of the plurality of laser arrays 1001 is incident on the plane mirror array 1004 via the condenser lenses 1002 and 1003.
  • Each of the plurality of laser arrays 1001 has an external resonator, and the wavelength of each laser beam of the plurality of laser arrays 1001 is controlled to be different by controlling the external resonator. Note that the wavelength of each laser beam is set based on the diffraction condition of the diffraction grating 1006.
  • the plane mirror array 1004 is formed by a plurality of micromirrors, and the inclination of each micromirror is adjusted so that incident light from each laser array 1001 is directed to the condenser mirror 1005. A number of laser beams incident on the condensing mirror 1005 are reflected and each enter the diffraction grating 1006 at different incident angles.
  • these laser beams are diffracted so as to be directed in the same direction (the direction of the mirror 1007).
  • the laser beams 1021 are directed in the same direction (that is, propagate on one optical axis). Therefore, this method is called a wavelength synthesis method.
  • the combined laser beam 1021 is reflected by the mirrors 1007 and 1008 and travels to the output coupler 1012 through the lenses 1009 and 1011 for condensing and the spatial filter 1010 for removing unnecessary diffracted light.
  • an external resonator type laser resonator is configured by the waveguide in the laser array 1001 and the optical path from the laser array 1001 to the output coupler 1012. Further, if attention is paid to the optical path of the external resonator corresponding to one laser array 1001, the incident angle and the outgoing angle with respect to the diffraction grating 1006 are uniquely determined. Therefore, the oscillation wavelength is automatically controlled from the diffraction conditions. Note that another part of the light incident on the output coupler 1012 passes through the output coupler 1012 and becomes output light 1022.
  • Non-Patent Document 1 a plurality of micromirrors are densely arranged on a plane mirror array 1004.
  • the plurality of micromirrors become virtual light emission points of light rays incident on the diffraction grating 1006.
  • the wavelength of the light beam from the virtual light emission point is determined based on the conditions for wavelength synthesis in the diffraction grating 1006 and the incident angle from the virtual light emission point to the diffraction grating 1006, a plurality of virtual light emission Since the intervals of the incident angles from the plurality of virtual light emitting points can be narrowed by arranging the dots densely, the wavelength intervals of the plurality of light beams respectively emitted from the plurality of light emitting points (that is, there are no light beams). (Wavelength range) can be narrowed. Thereby, more light rays can be synthesized in a narrow wavelength range. In Non-Patent Document 1, an attempt is made to narrow a gap between wavelengths of a plurality of light beams by closely arranging a plurality of micromirrors in this way.
  • the micromirror corresponding to the laser array 1001 disposed at the position ⁇ is more condensing than the micromirror corresponding to the laser array 1001 disposed at the position ⁇ .
  • the distance from the condenser mirror to each micromirror is different.
  • at least one of the images on the diffraction grating 1006 of each laser array 1001 arranged at the position ⁇ and the position ⁇ causes defocusing, and the spot diameter is widened.
  • the laser light source 1000 described in Non-Patent Document 1 has a problem that the efficiency of wavelength synthesis decreases.
  • the efficiency of wavelength synthesis decreases, the wavelength range necessary for obtaining a high-power laser beam is expanded. Moreover, the decrease in the efficiency of wavelength synthesis also becomes a factor that degrades the BPP.
  • Non-Patent Document 1 since the laser array 1001 is arranged on an arc centered on the plane mirror array 1004, the area required for the arrangement of the laser array 1001 increases. For this reason, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the laser light source 1000.
  • the present disclosure provides an optical apparatus that can suppress beam quality deterioration and can be miniaturized.
  • an aspect of the optical device includes a plurality of first light emitting units arranged in a row, a plurality of second light emitting units arranged in a row, and the plurality of first light emitting units.
  • One or more first surfaces that reflect the plurality of first laser beams emitted from the light emitting section; and one or more second surfaces that reflect the plurality of second laser beams emitted from the plurality of second light emitting sections;
  • a direction conversion element that converts the traveling direction of the plurality of first laser beams and the traveling direction of the plurality of second laser beams into the same direction, and the plurality of first beams that have undergone direction conversion by the direction conversion element.
  • One laser beam and a combining element that converts the plurality of second laser beams into a single light beam, and the direction changing element is disposed between the plurality of first light emitting units and the plurality of second light emitting units.
  • a line of intersection with one or more first surfaces and a line of intersection between the plane including the plurality of second laser beams and the one or more second surfaces before the direction is changed are the same straight line.
  • the plurality of first surfaces and the plurality of second surfaces are reflection surfaces, and thus are easily formed by a method such as aluminum vapor deposition. Therefore, a direction changing element can be realized at a lower cost than when the direction is changed using refraction.
  • each of the plurality of second laser beams is incident between two adjacent first laser beams among the plurality of first laser beams on the conversion straight line. May be.
  • the second laser beam can be arranged in a gap generated between the two first laser beams. Accordingly, since the gap between the wavelengths of the combined laser beams and the gap between the incident angles of the light beams incident on the combining element can be reduced, for example, the wavelength combining efficiency and beam quality can be improved compared to the case where only the first laser beam is combined. Can improve.
  • the plurality of first light emitting units are arranged on a first straight line
  • the plurality of second light emitting units are arranged on a second straight line
  • the first straight line and the The second straight line and the conversion straight line may be parallel.
  • the number of the one or more first surfaces is plural, the number of the one or more second surfaces is plural, and each of the one or more first surfaces is Each of the one or more second surfaces is alternately arranged on the conversion straight line, and the plurality of first light emitting units respectively oppose to the one or more first surfaces, and the plurality of second light emitting units. May face each of the one or more second surfaces.
  • the traveling direction of the first laser light and the first laser light are changed.
  • the traveling direction of the two laser beams can be converted to the same direction.
  • the optical device according to the present disclosure may further include a condensing lens disposed between the direction changing element and the combining element.
  • Such a condensing lens makes it possible to condense the first laser light and the second laser light incident in parallel with each other onto the synthesis element.
  • each of the plurality of first laser beams includes a plurality of laser beams arranged in a row, and each of the plurality of second laser beams is a plurality of arranged in a row.
  • the laser beam may be included.
  • the light output of the first laser beam and the second laser beam can be increased.
  • a distance between the first laser beam and the second laser beam adjacent to each other on the conversion straight line is The interval may be equal to or less than the interval between the plurality of laser beams included in each of the plurality of first laser beams, or may be equal to or less than the interval between the plurality of laser beams included in each of the plurality of second laser beams.
  • the condensing lens and the synthesis element can be easily designed.
  • the interval between the first laser beam and the second laser beam is smaller than the interval between the plurality of laser beams included in the first laser beam or the interval between the plurality of laser beams included in the second laser beam.
  • the optical device can be further downsized.
  • an optical device that can suppress beam quality deterioration and can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a bird's eye view showing a schematic configuration of the optical apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a top view illustrating a schematic configuration of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a side view showing a schematic configuration of the optical device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the principle of the wavelength synthesis method used in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a top view showing the positional relationship between the first light emitting unit and the second light emitting unit according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an external view showing a schematic configuration of the first light emitting unit according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the first light emitting unit according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a state during the mounting process of the first light emitting unit according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the optical device according to the first comparative example.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the incident angle and wavelength of laser light incident on the combining element of the optical device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating parameters set in the optical apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a graph illustrating the relationship between the incident angle and the wavelength of the laser light incident on the combining element of the optical device according to the example.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the incident angle and wavelength of laser light incident on the combining element of the optical device according to Comparative Example 2.
  • FIG. 14 is a side view illustrating a schematic configuration of an optical device according to a modification of the first embodiment.
  • FIG. 15 is a top view illustrating a schematic configuration of the optical device according to the second embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of a laser light source disclosed in Non-Patent Document 1.
  • FIGS. 1 and 2 are a bird's-eye view and a top view, respectively, showing a schematic configuration of the optical device 100 according to the present embodiment.
  • the condensing lens 5 and the combining element 6 are not shown.
  • the optical device 100 is a device that combines and outputs a plurality of laser beams. As shown in FIG. 1, the optical device 100 includes two first light emitting units 1 and 3, two second light emitting units 2 and 4, a direction changing element 10, and a combining element 6. In the present embodiment, the optical device 100 further includes a condenser lens 5.
  • the first light emitting unit 1 and the first light emitting unit 3 are laser modules that emit a first laser beam 21 and a first laser beam 23, respectively.
  • the number of first light emitting units is two, but there is no particular limitation as long as the number of first light emitting units is plural.
  • the 2nd light emission part 2 and the 2nd light emission part 4 are laser modules which radiate
  • the number of the second light emitting units is 2, but the number of the second light emitting units is not particularly limited as long as it is 1 or more.
  • the number of first light emitting units and the number of second light emitting units may be the same, or the number of first light emitting units may be one more than the number of second light emitting units.
  • the first light emitting unit 1 and the first light emitting unit 3 have a laser array 41 and a laser array 43, respectively.
  • the second light emitting unit 2 and the second light emitting unit 4 have a laser array 42 and a laser array 44, respectively.
  • Each of the laser arrays 41 to 44 is a laser element having a plurality of emitters.
  • each of the laser arrays 41 to 44 is a semiconductor laser array having a plurality of waveguides.
  • the first laser beam 21 and the first laser beam 23 include a plurality of laser beams arranged in a line emitted from the laser array 41 and the laser array 43, respectively.
  • the second laser beam 22 and the second laser beam 24 include a plurality of laser beams arranged in a line emitted from the laser array 42 and the laser array 44, respectively.
  • each of the first laser light and the second laser light including a plurality of laser lights is indicated by a single arrow.
  • the optical device 100 has a collimating lens (not shown) for collimating a plurality of laser beams emitted from the laser arrays 41 to 44.
  • the first light emitting units 1 and 3 are arranged in one row as shown in FIG.
  • the first light emitting units 1 and 3 form a row 7.
  • the first light emitting units 1 and 3 are arranged on the first straight line 31.
  • the second light emitting units 2 and 4 are arranged in one row.
  • the second light emitting units 2 and 4 form a column 8.
  • the second light emitting units 2 and 4 are arranged on the second straight line 32.
  • the traveling direction of the first laser beams 21 and 23 is opposite to the traveling direction of the second laser beams 22 and 24.
  • the direction changing element 10 has the same traveling direction of the first laser light emitted from each of the plurality of first light emitting units and the traveling direction of the second laser light emitted from each of the one or more second light emitting units.
  • the direction conversion element 10 is disposed between the plurality of first light emitting units and the one or more second light emitting units as viewed from the combining element 6, and is a conversion line 30 that is a straight line included in the reflection surface of the direction conversion element 10. In the above, the traveling directions of the first laser light and the second laser light are converted.
  • the direction changing element 10 includes reflectors 11 to 14 as shown in FIG.
  • the direction conversion element 10 includes first surfaces 51 and 53 on which the first laser beam is incident, and second surfaces 52 and 54 on which the second laser beam is incident on each.
  • the number of first surfaces is plural and may be equal to the number of first light emitting units.
  • the number of second surfaces is one or more and may be equal to the number of second light emitting units.
  • the first surface 51, the second surface 52, the first surface 53, and the second surface 54 are included in the reflector 11, the reflector 12, the reflector 13, and the reflector 14, respectively.
  • each of the first surfaces 51 and 53 and each of the second surfaces 52 and 54 are alternately arranged so that the reflection position of the first laser beam and the reflection position of the second laser beam are aligned on the conversion straight line 30.
  • each of the plurality of first surfaces and each of the plurality of second surfaces are alternately arranged on the conversion straight line 30.
  • the 1st light emission part 1 and the 1st light emission part 3 oppose the 1st surface 51 and the 1st surface 53, respectively
  • the 2nd light emission part 2 and the 2nd light emission part 4 are the 2nd surface 52 and the 2nd surface 54, respectively. Opposite to.
  • the first laser beams 21 and 23 from the first light emitting units 1 and 3 and the second laser beams 22 and 24 from the second light emitting units 2 and 4 are alternately incident from different directions.
  • the traveling direction of the first laser beams 21 and 23 and the traveling direction of the second laser beams 22 and 24 can be converted to the same direction.
  • the direction conversion element 10 includes one or more first surfaces that reflect the plurality of first laser beams emitted from the plurality of first light emitting units, and the plurality of second light emitting units. And at least one second surface that reflects the plurality of second laser beams emitted from the first laser beam. Further, the direction conversion element 10 converts the traveling direction of the plurality of first laser beams and the traveling direction of the plurality of second laser beams into the same direction.
  • the direction changing element 10 is disposed between the plurality of first light emitting units and the plurality of second light emitting units, and includes a plane including the plurality of first laser beams and one or more first surfaces before the direction is changed. The intersection line and the intersection line between the plane including the plurality of second laser beams and the one or more second surfaces before the direction change are included in the same straight line.
  • the first straight line 31, the second straight line 32, and the conversion straight line 30 are parallel. Therefore, since the first light emitting unit, the second light emitting unit, and the direction changing element can be arranged close to each other, the optical device 100 that can be reduced in size can be realized by the laser light source described in Non-Patent Document 1.
  • the first surfaces 51 and 53 and the second surfaces 52 and 54 of the direction conversion element 10 are reflection surfaces.
  • the 1st surfaces 51 and 53 and the 2nd surfaces 52 and 54 which change direction can be easily formed by methods, such as aluminum vapor deposition. Therefore, a direction changing element can be realized at a lower cost than when the direction is changed using refraction.
  • the condensing lens 5 is a condensing element disposed between the direction changing element 10 and the combining element 6. With such a condensing lens 5, it is possible to condense the first laser light and the second laser light incident in parallel with each other onto the combining element 6 disposed near the focal point of the condensing lens 5.
  • the condensing lens 5 is used as a condensing element that condenses the first laser light and the second laser light, but the condensing element is not limited to the condensing lens 5.
  • the condensing element may be a mirror having a function of collecting incident light at one point.
  • the synthesizing element 6 is an element that converts the first laser beams 21 and 23 and the second laser beams 22 and 24 whose directions are changed by the direction changing element 10 into a single light beam 20.
  • the synthesis element 6 is a diffraction grating.
  • the combining element 6 is not limited to a diffraction grating. For example, a prism or the like may be used.
  • the first light-emitting unit 1, the second light-emitting unit 2, the first light-emitting unit 3, and the second light-emitting unit 4 are the first laser beam 21, the second laser beam 22, the first laser beam 23, and the second laser beam, respectively.
  • a laser beam 24 is emitted.
  • These laser beams are reflected by the reflectors 11, 12, 13 and 14 to change the direction of about 90 °, and the optical axes are adjusted so as to be parallel to each other.
  • the first light emitting units and the second light emitting units are adjusted so that the direction changing points, which are the points at which the directions of these laser beams change, are arranged on the conversion line 30. Yes. Therefore, when the optical device 100 is viewed from the direction along the conversion straight line 30, it looks as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a side view showing a schematic configuration of the optical device 100 according to the present embodiment.
  • the first laser beams 21 and 23 and the second laser beams 22 and 24 that have been converted into parallel laser beams by the direction converting element 10 are condensed on the combining element 6 by the condenser lens 5.
  • a single light beam with high output and high quality is obtained by synthesizing these laser beams by a wavelength synthesis method.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the principle of the wavelength synthesis method used in the present embodiment.
  • two laser beams having wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are incident on the combining element 6 which is a diffraction grating having a period d, respectively. incident at 1 and theta 2.
  • the relationship of the following formula 1 is established between these wavelengths and these incident angles, it is derived as a general diffraction phenomenon that these laser beams are emitted in the same emission angle ⁇ 0 direction.
  • Formula 1 represents an integer excluding zero.
  • Formula 1 is applicable even when the number of laser beams is N, and is more generally expressed by Formula 2 below.
  • Control of the oscillation wavelength of the laser light from each first light emitting unit and each second light emitting unit may use an external resonator system as shown in Patent Document 1 or Non-Patent Document 1.
  • the oscillation wavelength may be controlled by incorporating a wavelength selection mechanism such as a distributed feedback structure or a distributed Bragg reflection structure inside the emitter of each laser array.
  • a wavelength selection mechanism such as a distributed feedback structure or a distributed Bragg reflection structure inside the emitter of each laser array.
  • the relationship between the position of each emitter of the first light emitting units 1 and 3 arranged in the row 7 and the oscillation wavelength is the same as the position of each emitter of the second light emitting units 2 and 4 arranged in the column 8. Note that the relationship with the oscillation wavelength is reversed.
  • the oscillation wavelength of the laser light incident on each position on the conversion line 30 shown in FIG. 2 needs to monotonously increase or monotonously decrease depending on the incident position of each laser light.
  • the oscillation wavelength of each laser beam monotonously decreases as the incident position of each laser beam on the conversion straight line 30 progresses from the upper side to the lower side in FIG.
  • the oscillation wavelength of the laser light emitted from each emitter of the second light emitting unit 2 needs to increase monotonously as it proceeds to the right.
  • FIG. 5 is a top view showing the positional relationship between the first light emitting units 1 and 3 and the second light emitting units 2 and 4 according to the present embodiment.
  • the distance W is, for example, from the laser beam (emitter) positioned at the end of the plurality of laser beams emitted from the laser array 42 to the end of the second light emitting unit 2 in the second straight line 32 direction. Represents the distance.
  • the distance W can be defined similarly for the second light emitting unit 4 and the first light emitting units 1 and 3.
  • the distance D represents the distance between the adjacent first laser beam and the second laser beam on the conversion straight line 30. That is, the distance between the first laser beam 21 and the second laser beam 22, the distance between the first laser beam 23 and the second laser beam 24, and the distance between the second laser beam 22 and the first laser beam 23. Is represented by a distance D.
  • the interval S represents an interval between a plurality of emitters included in the laser arrays 41 to 44.
  • the interval P represents the length of the gap between the two adjacent first light emitting units 1 and 3 and the length of the gap between the two adjacent second light emitting units 2 and 4.
  • N is the number of emitters in each laser array, and in the present embodiment, there is the following relationship between the above quantities.
  • the second laser beam 22 can be disposed in the gap between the two adjacent first laser beams 21 and 23, and the first laser beam 23 can be disposed in the gap between the two adjacent second laser beams 22 and 24.
  • Formula 4 is naturally satisfied.
  • the distance between the first laser beam and the second laser beam adjacent on the conversion straight line 30 is It is less than the interval between the plurality of laser beams included in one laser beam and the second laser beam.
  • the distance between the first laser beam and the second laser beam is shorter than the emitter interval in each laser array.
  • the wavelength of the laser beam is determined according to the spatial position of each laser beam based on the wavelength synthesis condition shown in FIG. 4, the interval between the first laser beam and the second laser beam is shortened.
  • the interval between the wavelength range of the first laser beam and the wavelength range of the second laser beam is reduced. Therefore, when D ⁇ S is satisfied, the wavelength gap is reduced, and the wavelength range used in the entire optical device 100 is also narrowed. For example, the wavelength synthesis efficiency and the beam quality can be improved as compared with the case where D> S.
  • the distance between the first laser beam and the second laser beam becomes equal to the emitter interval in each laser array. That is, since all the laser beams included in the first laser beams 21 and 23 and the second laser beams 22 and 24 are arranged at equal intervals on the conversion straight line 30, the condensing lens 5 and the combining element 6 can be easily designed. .
  • the distance between the first laser beam and the second laser beam adjacent on the conversion line 30 is the interval between the plurality of laser beams included in the first laser beam and the second laser beam. Greater than. Accordingly, there is a wavelength gap between the first laser beam and the second laser beam. Therefore, the following relationship may be satisfied in order to suppress the degradation of the wavelength synthesis efficiency and the beam quality.
  • the distance D between the first laser beam and the second laser beam adjacent on the conversion straight line 30 is each of the plurality of first laser beams. May be equal to or less than the interval S between the plurality of laser beams included in the laser beam or may be equal to or less than the interval S between the plurality of laser beams included in each of the plurality of second laser beams.
  • FIGS. 6 and 7 are an external view and a cross-sectional view showing a schematic configuration of the first light emitting unit 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 7 shows a VIII-VIII cross section of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a state during the mounting process of the first light emitting unit 1 according to the present embodiment. 6 to 8 show the configuration of the first light emitting unit 1, the first light emitting unit 3 and the second light emitting units 2, 4 have the same configuration as the first light emitting unit 1.
  • the first light emitting unit according to the present embodiment has the same configuration as the semiconductor device disclosed in Patent Document 2. As shown in FIG. 7, the laser array 41 is sandwiched between two metal blocks 111 and 112. With this configuration, heat caused by the reactive power of the laser array 41 can be dissipated using the metal blocks 111 and 112. As shown in FIG. 6, these metal blocks 111 and 112 are fixed to each other using screws 113 and 114. 7 and 8, the metal block 111 and the metal block 112 are insulated from each other by an insulating layer 115. A submount 116 and a metal layer 117 are inserted between the laser array 41 and the metal blocks 111 and 112, respectively.
  • the first light emitting unit 1 emits a first laser beam 21 as shown in FIG. For this reason, the screws 113 and 114 and the screw holes for fixing the metal blocks 111 and 112 need to be arranged at positions away from the laser array 41 in a direction intersecting with the emission direction of the first laser light 21. Accordingly, the first light emitting unit 1 has non-light emitting regions 121 and 122 where no laser light is emitted in the arrangement direction of the first laser light 21.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of an optical device 1100 according to Comparative Example 1.
  • the optical device 1100 includes light emitting units 1101 to 1104, a condenser lens 1105, and a combining element 1106.
  • the optical device 1100 includes a collimating lens FAC that collimates laser light emitted from each light emitting unit in the fast axis direction, and a collimating lens SAC that collimates in the slow axis direction.
  • the collimating lens FAC is composed of a cylindrical lens array, and the collimating lens SAC is composed of one cylindrical lens.
  • the light emitting units 1101 to 1104 have the same configuration as the first light emitting unit and the second light emitting unit according to the present embodiment, and have laser arrays 1141 to 1144, respectively.
  • the condensing lens 1105 condenses the laser light from each light emitting unit on the synthesizing element 6 similarly to the condensing lens 5 according to the present embodiment.
  • the combining element 1106 is a diffraction grating that converts a plurality of laser beams from the light emitting units 1101 to 1104 into a single light beam.
  • each light emitting unit has a laser array for emitting a laser beam and a screw for fixing the laser array (see FIGS. 6 to 8).
  • Each light emitting unit emits a laser beam including a plurality of laser beams. In FIG. 9, only the laser beams at both ends of the laser beam are indicated by arrows.
  • each laser beam is collimated by SAC and FAC, and then condensed by the condensing lens 1105 on the synthesis element 1106. If the wavelength and the incident angle of each laser beam satisfy the above formula 2, each laser beam is synthesized on the same axis. However, because of the non-light-emitting areas (see non-light-emitting areas 121 and 122 in FIG. 6) of each light emitting portion, there is a “gap A” between the adjacent laser beams as shown in FIG. . For this reason, “gap B” also exists at the incident angle of adjacent laser beams. Due to the “gap B”, the “gap C” also exists in the wavelength of the laser light from Equation 2. These gaps B and C will be described with reference to FIG.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the incident angle and wavelength of laser light incident on the combining element 1106 of the optical device 1100 according to Comparative Example 1.
  • black circles indicate the wavelengths and incident angles of the respective laser beams, and the wavelengths and incident angles of the four laser beams emitted from the respective laser arrays are illustrated. Therefore, the optical device 1100 includes four light emitting units, and emits four laser beams per light emitting unit, so that the entire optical device 1100 emits 16 laser beams.
  • the “gap C” exists in the wavelength of the laser light, the entire wavelength range is widened. Therefore, the oscillation wavelength range of the laser light emitted from the laser arrays 1141 to 1144 must be widened.
  • the second laser beam 22 is incident on the conversion line 30 between the two adjacent first laser beams 21 and 23.
  • the first laser beam 23 is incident on the conversion straight line 30 between two adjacent second laser beams 22 and 24.
  • each of the plurality of second laser beams is incident on the conversion straight line 30 between two adjacent first laser beams among the plurality of first laser beams. That is, the first laser beams 21 and 23 and the second laser beams 22 and 24 are incident on the direction change element 10 alternately.
  • the incident angle gap (corresponding to the gap C in FIG. 10) and the wavelength gap (corresponding to the gap C in FIG. 10) generated between the first laser beam 21 and the first laser beam 23 are reduced to the second.
  • a gap of incident angles (corresponding to the gap C in FIG. 10) and a gap of wavelengths (corresponding to the gap C in FIG. 10) generated between the second laser beam 22 and the second laser beam 24 are set to the first laser. It can be filled with light 23.
  • the “total wavelength range” can be narrowed. As a result, it is possible to suppress the deterioration of the beam quality of the emitted light from the optical device 100.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating parameters set in the optical apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the incident angle and wavelength of the laser light incident on the combining element of the optical device according to the present embodiment.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the incident angle and wavelength of laser light incident on the combining element of the optical device according to Comparative Example 2. 12 and 13, the relationship between the incident angle and the wavelength of the laser beam corresponding to each light emitting unit is represented by a straight line. In practice, each straight line has the same number as the number N of emitters of each laser array. A collection of points.
  • the diffraction grating frequency of the synthesis element 6 is 800 lines / mm
  • the emission angle after synthesis in the synthesis element 6 is 60 °
  • the distance between each light emitting unit and the synthesis element is The distance is 70 cm.
  • the number of light emitting portions is 6, the number of emitters N of each laser array is 21, the emitter spacing S is 500 ⁇ m, and the distance W is 0.9 cm.
  • the six light emitting units of the present embodiment include three first light emitting units 1a, 3a, and 5a and three second light emitting units 2a, 4a, and 6a (not shown).
  • the first light emitting units 1a, 3a, and 5a are arranged on the first straight line 31 in this order, and the second light emitting units 2a, 4a, and 6a are arranged on the second straight line 32 in this order. Arranged (not shown).
  • the first light emitting units 1a, 3a, and 5a emit first laser beams 21, 23, and 25, respectively, and the second light emitting units 2a, 4a, and 6a emit second laser beams 22, 24, and 26, respectively.
  • a semiconductor laser array having a GaAs material As a laser array used in the near infrared band of each light emitting unit, for example, a semiconductor laser array having a GaAs material is used. Such a semiconductor laser array has an n-doped Al x Ga 1-x As (0 ⁇ x ⁇ 1) cladding layer, an undoped Al s Ga 1-s As (0 ⁇ s ⁇ 1) or In t Ga 1-t as (0 ⁇ t ⁇ 1) active layer, p-doped Al y Ga 1-y as ( 0 ⁇ y ⁇ 1) cladding layer, a laser device comprising a p-doped GaAs contact layer. The oscillation wavelength can be adjusted by changing the composition ratio x, y, s, t of Al or In.
  • An AlGaAs active layer is used for wavelengths shorter than about 873 nm, and an InGaAs active layer is used for longer wavelengths.
  • the optical device according to Comparative Example 2 there is a “wavelength gap” of about 35 nm. Therefore, the entire optical device needs a wide wavelength range from about 700 nm to about 980 nm. Also, in the wavelength range longer than 770 nm, AlGaAs is a direct transition type, so that the light emission efficiency is high. However, in the wavelength band of 770 nm or less, AlGaAs is an indirect transition type, so the light emission efficiency. Will fall. Therefore, the optical device according to Comparative Example 2 cannot obtain a sufficient light output in the wavelength band of 770 nm or less.
  • the optical device according to Comparative Example 2 even if sufficient light output is obtained from the light emitting units 1101a to 1104a, sufficient light output cannot be obtained from the light emitting units 1105a and 1106a.
  • the longest wavelength is 1050 nm.
  • the strain in the InGaAs active layer increases and the reliability of the laser array decreases.
  • the second laser light 22 emitted from the second light emitting unit 2a is arranged in the “gap”.
  • the second light emitting unit 4a emits in the “incident angle and wavelength gap” between the first laser beam 23 emitted from the first light emitting unit 3a and the first laser beam 25 emitted from the first light emitting unit 5a.
  • a second laser beam 24 is arranged.
  • the first laser beam 25 is arranged in the “incident angle and wavelength gap” between the second laser beam 24 emitted from the second light emitting unit 4a and the second laser beam 26 emitted from the second light emitting unit 6a.
  • the “wavelength gap” is reduced to 9 nm, and the necessary wavelength range of the entire optical apparatus falls within the range of about 830 nm to 980 nm. Within such a range, the semiconductor laser array can perform reliable and high-power laser oscillation.
  • a laser array using an InGaAs active layer in the first light emitting units 1a, 3a and the second light emitting units 2a, 4a is used, and a laser using an AlGaAs active layer in the first light emitting unit 5a and the second light emitting unit 6a.
  • Each array was adopted.
  • the laser array was mounted by the method shown in FIGS. 6 to 8, and the oscillation wavelength of each laser beam was controlled by an external resonator.
  • a ridge waveguide type emitter having a stripe width of 50 ⁇ m was adopted as the emitter in the semiconductor laser array.
  • an optical output of about 10 W can be obtained per emitter.
  • the optical device according to the present embodiment employs the wavelength synthesis method, it is possible to obtain laser light with high output and high beam quality. If the optical apparatus according to the present embodiment is used, high-quality laser processing can be realized.
  • the above numerical value is a value at the time of water-cooling each light emission part at 25 degreeC, and carrying out continuous oscillation.
  • the optical device according to the present example satisfies Expression 4.
  • the screw for fixing the metal block of each light emitting unit may be downsized and the distance W may be reduced.
  • the inclination angle of the first surface and the second surface which are the reflection surfaces of the direction changing element 10, is 45 °, but other angles may be used.
  • the case where the inclination angles of the first surface and the second surface are other than 45 ° will be described with reference to FIG.
  • FIG. 14 is a side view showing a schematic configuration of an optical device 100a according to a modification of the present embodiment. As shown in FIG. 14, the inclination angles of the reflecting surfaces (first surface and second surface) of the reflectors 11a and 12a of the direction changing element 10a of the optical device 100a are less than 45 °.
  • the traveling direction of the first laser light 21 and the traveling direction of the second laser light 22 can be converted into the same direction by the direction conversion element 10a.
  • the traveling directions of the first laser beam 21 and the second laser beam 22 can be adjusted by adjusting the arrangement and posture of the first light emitting unit 1 and the second light emitting unit 2, for example, as shown in FIG.
  • Embodiment 2 An optical device according to Embodiment 2 will be described.
  • the optical device according to the present embodiment is different from the optical device 100 according to the first embodiment in that each light emitting unit is a CAN package type single emitter.
  • each light emitting unit is a CAN package type single emitter.
  • the optical device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 15 with a focus on differences from the optical device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a top view showing a schematic configuration of the optical device 200 according to the present embodiment. Similar to the optical device 100 according to the first embodiment, the optical device 200 includes first light emitting units 201, 203, 205, and 207 arranged in a row and second light emitting units 202, 204, and 206 arranged in a row. , 208. The optical device 200 further converts the traveling direction of the first laser light emitted from each first light emitting unit and the traveling direction of the second laser light emitted from each second light emitting unit into the same direction. An element 10a is further provided. Although not shown, the optical device 200 includes a condensing lens and a combining element, like the optical device 100.
  • a laser module in which a laser array is mounted as each light emitting unit is employed.
  • the semiconductor laser device is used.
  • the semiconductor laser element included in each light emitting unit is mounted in a CAN package having a diameter of about 9 mm.
  • the collimating lens attached to the emission part of each light emitting part is not shown.
  • the semiconductor laser element included in each light emitting unit uses a GaN-based material, and the oscillation wavelengths of the first light emitting units 201, 203, 205, and 207 are 400 nm, 420 nm, 440 nm, and 460 nm, respectively.
  • the oscillation wavelengths of the second light emitting units 202, 204, 206, and 208 are 410 nm, 430 nm, 450 nm, and 470 nm, respectively. These oscillation wavelengths are adjusted by changing the In composition of the InGaN quantum well active layer of the laser element. Further, when the oscillation wavelength changes, the light distribution in the laser changes and affects the threshold value.
  • the thickness and composition of the cladding layer and the guide layer are also optimized according to each wavelength.
  • the first light emitting units 201, 203, 205, and 207 and the second light emitting units 202, 204, 206, and 208 are fixed to the copper blocks 281 and 282 with solder, respectively. Thereby, the heat emission of each light emitting part is performed, and the relative position of each light emitting part is fixed.
  • the first light emitting unit and the second light emitting unit are electrically connected in series.
  • the first light emitting units 201, 203, 205, and 207 are arranged on the first straight line 231, and the second light emitting units 202, 204, 206, and 208 are arranged on the second straight line 232.
  • Each first light emitting unit emits the first laser light toward the direction changing element 210 in a direction parallel to the paper surface of FIG. 15, and each second light emitting unit emits the second laser light to the paper surface of FIG. The light is emitted toward the direction changing element 210 in a parallel direction.
  • the direction conversion element 210 is disposed between the first light emitting units 201, 203, 205, and 207 and the second light emitting units 202, 204, 206, and 208, and is on a conversion line 230 that is a straight line included in the direction conversion element 210. , The traveling directions of the first laser beam and the second laser beam are converted.
  • the first straight line 231, the second straight line 232, and the conversion straight line 230 are parallel.
  • the direction changing element 210 includes reflectors 211 to 218 as shown in FIG.
  • the direction changing element 210 includes first surfaces 251, 253, 255, and 257 on which the first laser beam is incident, and second surfaces 252, 254, 256 and 258 on which the second laser beam is incident. Prepare.
  • Each first surface and each second surface of the direction changing element 210 are Ag-coated reflective surfaces inclined by + 45 ° and ⁇ 45 ° with respect to the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the first laser beam and the second laser beam are reflected by the first surface and the second surface, respectively, and the traveling directions are converted in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the light output from each light emitting unit is, for example, 3 W, and a total light output of about 24 W can be obtained from the optical device 200.
  • the CAN package type single emitter used in this embodiment has a smaller optical output power than the laser array used in the first embodiment.
  • the CAN package type single emitter is effective in the laser processing field which is allowed even if the output of solder processing is low.
  • the optical device 200 according to the present embodiment realizes a laser processing machine with low price and good beam quality. it can.
  • optical device according to the present disclosure has been described based on the respective embodiments and modifications.
  • present disclosure is not limited to the above-described embodiments and modifications.
  • the semiconductor light emitting device of the present disclosure can be applied to laser processing as a high-power and high-efficiency laser light source, for example.

Landscapes

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Abstract

光学装置（１００）は、第１発光部（１、３）と、第２発光部（２、４）と、第１発光部（１、３）から出射された第１レーザ光（２１、２３）を反射する第１面（５１、５３）と、第２発光部（２、４）から出射された第２レーザ光（２２、２４）を反射する第２面（５２、５４）とを有し、第１レーザ光（２１、２３）の進行方向と第２レーザ光（２２、２４）の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子（１０）と、方向変換素子（１０）により方向変換された第１レーザ光（２１、２３）及び第２レーザ光（２２、２４）を単一の光線に変換する合成素子（６）とを備え、方向変換素子（１０）は、第１発光部（１、３）と第２発光部（２、４）との間に配置され、第１レーザ光（２１、２３）を含む平面と第１面（５１、５３）との交線、及び、第２レーザ光（２２、２４）を含む平面と第２面（５２、５４）との交線は、変換直線（３０）に含まれる。

Description

光学装置
　本開示は、光学装置に関する。
　なお、本願は、平成28年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構　「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発／次々世代加工に向けた新規光源・要素技術開発／高効率加工用GaN系高出力・高ビーム品質半導体レーザーの開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願である。
　レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維などの加工対象素材に対して、制御性良く、クリーンに溶接、切断、改質などをできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点などにより、従来の加工手段より高品質な加工を実現できる。レーザ加工用のレーザ光として半導体レーザ光を直接用いるＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｓｅｒ）方式は、（ａ）レーザ光を変換しないため高効率、及び、（ｂ）半導体レーザ材料を選ぶことにより紫外から赤外までのレーザ光で加工が可能という二つの特徴を有するため、特に注目されている。
　ところが半導体レーザ素子の光出力パワーはせいぜい数ワットであるのに対し、加工応用では、数百ワット以上、数キロワット以下程度の光出力パワーが必要とされる。このため、多くの半導体レーザ素子からの出力光（レーザ光線）を合成し、大出力を得る必要がある。この合成の手段として主に、空間合成法、偏波合成法及び波長合成法の３種類存在する。
　空間合成法とは、レンズ等を用いて、複数のレーザ光線（レーザビーム）を一箇所に集める合成方式である。偏波合成法とは、直交する偏光方向を有する２本のレーザ光線を偏光ビームスプリッタで１本の光線に合成する方式である。波長合成法とは、互いに異なる波長の複数のレーザ光線を回折格子等を用いて、１本の光線に合成する方式である。
　ところで、レーザ加工において、レーザ光線を扱いやすくするためには、ビーム品質が重要である。ビーム品質の指標であるＢＰＰ（Ｂｅａｍ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔ）は、ビーム径とビーム拡がり角との積で表され、値が小さいほど、高ビーム品質となる。空間合成法では、合成数の増加に伴って、ビーム径又はビーム拡がり角が大きくなり、ＢＰＰが悪化するのでビーム品質を高め難い。また、偏波合成法はＢＰＰの悪化を伴わないものの、レーザ光線の合成数は２本に限られる。このため、偏波合成法では、高出力のレーザ光を得難い。それに比べて、波長合成法は、原理的にＢＰＰの悪化なく、多くのレーザ光線の合成が可能な優れた方式である。
　非特許文献１には、波長合成法の一例が開示されている。図１６は、非特許文献１に示されるレーザ光源１０００の概略構成を示す模式図である。図１６に示されるように、レーザ光源１０００は、複数のレーザアレイ１００１、複数の集光レンズ１００２、複数の集光レンズ１００３、平面鏡アレイ１００４、集光鏡１００５、回折格子１００６、鏡１００７、１００８、レンズ１００９、１０１１、空間フィルタ１０１０及び出力カプラ１０１２を備える。レーザ光源１０００において、複数のレーザアレイ１００１の各々が出射したレーザ光線１０２０は集光レンズ１００２、１００３を介して、平面鏡アレイ１００４に入射する。
　複数のレーザアレイ１００１の各々は外部共振器を有し、外部共振器を制御することにより、複数のレーザアレイ１００１の各々のレーザ光線の波長は相異なるように制御される。なお、各レーザ光線の波長は、回折格子１００６の回折条件に基づいて設定される。平面鏡アレイ１００４は複数の微小鏡で形成されており、各レーザアレイ１００１からの入射光線が集光鏡１００５に向かうように、各微小鏡の傾きが調整されている。集光鏡１００５に入射した多数のレーザ光線は反射され、各々が異なる入射角で回折格子１００６に入射する。回折格子１００６上でこれらのレーザ光線は、同一方向（鏡１００７の方向）に向かうよう回折される。このように、相異なる波長のレーザ光線が、回折条件を満たす相異なる入射角で入射することにより、同一方向に向かう（つまり、一本の光軸上を伝播する）のレーザ光線１０２１になることから、本方式は、波長合成法といわれる。一本になったレーザ光線１０２１は、鏡１００７、１００８で反射され、集光のためのレンズ１００９、１０１１、及び、不要回折光を除去する空間フィルタ１０１０を介して出力カプラ１０１２に向かう。出力カプラ１０１２に入射する光線の一部が反射されることで、入射光路とおなじ経路でレーザアレイ１００１に戻る。この戻った光はレーザアレイ１００１の共振光の一部になる。すなわち、レーザアレイ１００１内の導波路と、レーザアレイ１００１から出力カプラ１０１２までの光路とによって外部共振器型のレーザ共振器を構成している。さらに、ひとつのレーザアレイ１００１に対応する外部共振器の光路に注目すれば、回折格子１００６に対する入射角及び出射角は一意に決まるから、その回折条件から、発振波長は自動的に制御される。なお、出力カプラ１０１２に入射する光線の他の一部は、出力カプラ１０１２を透過し、出力光１０２２となる。
　非特許文献１に示されるレーザ光源１０００においては、平面鏡アレイ１００４に複数の微小鏡を密に配列している。複数の微小鏡は、回折格子１００６に入射する光線の仮想発光点となる。ここで、回折格子１００６における波長合成のための条件と、仮想発光点から回折格子１００６への入射角とに基づいて、当該仮想発光点からの光線の波長が決定されるため、複数の仮想発光点を密に配列することで複数の仮想発光点からの当該入射角の間隔を狭めることができるため、複数の発光点からそれぞれ出射される複数の光線の波長の間隔（つまり、光線が存在しない波長範囲）を狭めることができる。これにより、狭い波長範囲においてより多くの光線を合成することができる。非特許文献１においては、このように複数の微小鏡を密に配列することにより、複数の光線の波長の隙間を狭めようとしている。
米国特許第６１９２０６２号明細書 国際公開第２０１６／１０３５３６号
"Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ　ｂｅａｍ－ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｄｉｏｄｅ　ｌａｓｅｒ　ｂａｒｓ"，　Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗｅｒ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＩＩ，　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．　５３３６　（ＳＰＩＥ，　Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ，　ＷＡ，　２００４）
　図１６に示されるように、平面鏡アレイ１００４において、位置βに配置されるレーザアレイ１００１に対応する微小鏡は、位置αに配置されるレーザアレイ１００１に対応する微小鏡よりも、集光鏡１００５から見て、遠くに配置される。つまり、集光鏡から各微小鏡までの距離が異なる。このため、位置α及び位置βに配置された各レーザアレイ１００１の回折格子１００６における像の少なくともどちらかが焦点ずれを起こしてしまい、スポット径が広がってしまう。このため、非特許文献１に記載のレーザ光源１０００は、波長合成の効率が低下するという課題を有している。波長合成の効率が低下する場合には、高出力のレーザ光線を得るために必要な波長範囲が拡大する。また波長合成の効率低下は、ＢＰＰが劣化する要因にもなる。
　さらには、非特許文献１に記載のレーザ光源１０００では、平面鏡アレイ１００４を中心とした円弧上にレーザアレイ１００１を配置するため、レーザアレイ１００１の配置に要する面積が大きくなる。このため、レーザ光源１０００の小型化が困難であるという課題もある。
　そこで本開示では、ビーム品質の劣化を抑制でき、かつ、小型化が可能な光学装置を提供する。
　上記課題を解決するために、本開示に係る光学装置の一態様は、一列に配置された複数の第１発光部と、一列に配置された複数の第２発光部と、前記複数の第１発光部から出射された複数の第１レーザ光を反射する１以上の第１面と、前記複数の第２発光部から出射された複数の第２レーザ光を反射する１以上の第２面とを有し、前記複数の第１レーザ光の進行方向と前記複数の第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子と、前記方向変換素子により方向変換された前記複数の第１レーザ光及び前記複数の第２レーザ光を単一の光線に変換する合成素子とを備え、前記方向変換素子は、前記複数の第１発光部と前記複数の第２発光部との間に配置され、方向変換される前における前記複数の第１レーザ光を含む平面と前記１以上の第１面との交線、及び、方向変換される前における前記複数の第２レーザ光を含む平面と前記１以上の第２面との交線は、同一の直線である変換直線に含まれる。
　このように、合成素子からみると、すべての発光部は、仮想的に方向変換素子に含まれる変換直線上に並んでいるように見える。したがって、変換直線と平行に合成素子の入射面を配置すれば、すべての仮想発光点と合成素子の距離が等しくなり、合成素子上における焦点のずれを抑制できる。よって合成素子からの出射光線のビーム品質の劣化を避けることが可能になる。また、非特許文献１に開示されたレーザ光源のように円弧上に光学装置を配置しないので面積が大きくならず、コンパクトな光学装置を実現可能である。
　また、本開示に係る光学装置において、複数の第１面及び複数の第２面は、反射面であるため、アルミ蒸着などの方法によって容易に形成される。したがって、屈折などを用いて方向変換を行う場合より、低コストで方向変換素子を実現できる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記複数の第２レーザ光の各々は、前記変換直線上において、前記複数の第１レーザ光のうち、隣り合う二つの第１レーザ光の間に入射してもよい。
　これにより、二つの第１レーザ光の間に発生する隙間に第２レーザ光を配置することができる。したがって、合成されるレーザ光の波長の隙間、及び、合成素子に入射する光線の入射角の隙間を削減できるため、例えば、第１レーザ光だけを合成する場合より、波長合成効率及びビーム品質を改善できる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記複数の第１発光部は、第１直線上に配置され、前記複数の第２発光部は、第２直線上に配置され、前記第１直線と前記第２直線と前記変換直線とは、平行であってもよい。
　これにより、複数の第１発光部、１以上の第２発光部及び方向変換素子を近接させて配置できるため、非特許文献１に記載されたレーザ光源などより、小型化が可能な光学装置を実現できる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記１以上の第１面の個数は、複数であり、前記１以上の第２面の個数は、複数であり、前記１以上の第１面の各々と前記１以上の第２面の各々とは、前記変換直線上において交互に配置され、前記複数の第１発光部は、それぞれ前記１以上の第１面に対向し、前記複数の第２発光部は、それぞれ前記１以上の第２面に対向してもよい。
　これにより、変換直線上において第１発光部からの第１レーザ光及び第２発光部からの第２レーザ光が交互に異なる方向から入射される光学装置において、第１レーザ光の進行方向と第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換できる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記方向変換素子と前記合成素子との間に配置された集光レンズをさらに備えてもよい。
　このような集光レンズにより、互いに平行に入射された第１レーザ光及び第２レーザ光を合成素子に集光することが可能となる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記複数の第１レーザ光の各々は、一列に配置された複数のレーザ光を含み、前記複数の第２レーザ光の各々は、一列に配置された複数のレーザ光を含んでもよい。
　これにより、第１レーザ光及び第２レーザ光の光出力を増大させることができる。
　また、本開示に係る光学装置において、前記複数の第１レーザ光及び前記複数の第２レーザ光のうち、前記変換直線上において隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離は、前記複数の第１レーザ光の各々に含まれる前記複数のレーザ光の間隔以下、又は、前記複数の第２レーザ光の各々に含まれる前記複数のレーザ光の間隔以下であってもよい。
　例えば、第１レーザ光と第２レーザ光との間隔が、第１レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔及び第２レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔と等しい場合には、すべてのレーザ光の間隔が等しくなるため、集光レンズ及び合成素子の設計が容易となる。また、第１レーザ光と第２レーザ光との間隔が、第１レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔、又は、第２レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔より小さい場合には、光学装置をより一層小型化できる。
　本開示によれば、ビーム品質の劣化を抑制でき、かつ、小型化が可能な光学装置を提供できる。
図１は、実施の形態１に係る光学装置の概略構成を示す鳥瞰図である。 図２は、実施の形態１に係る光学装置の概略構成を示す上面図である。 図３は、実施の形態１に係る光学装置の概略構成を示す側面図である。 図４は、実施の形態１で用いる波長合成法の原理を説明する模式図である。 図５は、実施の形態１に係る第１発光部及び第２発光部の位置関係を示す上面図である。 図６は、実施の形態１に係る第１発光部の概略構成を示す外観図である。 図７は、実施の形態１に係る第１発光部の概略構成を示す断面図である。 図８は、実施の形態１に係る第１発光部の実装工程途中の状態を示す図である。 図９は、比較例１に係る光学装置の概略構成を示す模式図である。 図１０は、比較例１に係る光学装置の合成素子に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。 図１１は、実施例に係る光学装置に設定するパラメータを示す図である。 図１２は、実施例に係る光学装置の合成素子に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。 図１３は、比較例２に係る光学装置の合成素子に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。 図１４は、実施の形態１の変形例に係る光学装置の概略構成を示す側面図である。 図１５は、実施の形態２に係る光学装置の概略構成を示す上面図である。 図１６は、非特許文献１に示されるレーザ光源の概略構成を示す模式図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　（実施の形態１）
　［１－１．光学装置の構成］
　実施の形態１に係る光学装置の構成を図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は、それぞれ本実施の形態に係る光学装置１００の概略構成を示す鳥瞰図及び上面図である。なお、図２においては、集光レンズ５及び合成素子６は図示されていない。
　本実施の形態に係る光学装置１００は、複数のレーザ光を合成して出力する装置である。図１に示されるように、光学装置１００は、二つの第１発光部１、３と、二つの第２発光部２、４と、方向変換素子１０と、合成素子６とを備える。本実施の形態では、光学装置１００は、さらに集光レンズ５を備える。
　第１発光部１及び第１発光部３は、それぞれ第１レーザ光２１及び第１レーザ光２３を出射するレーザモジュールである。本実施の形態では、第１発光部の個数は２であるが、第１発光部の個数は複数であれば特に限定されない。第２発光部２及び第２発光部４は、それぞれ第２レーザ光２２及び第２レーザ光２４を出射するレーザモジュールである。本実施の形態では、第２発光部の個数は２であるが、第２発光部の個数は１以上であれば特に限定されない。第１発光部の個数と第２発光部の個数は同一であってもよいし、第１発光部の個数は、第２発光部の個数より１多くてもよい。
　第１発光部１及び第１発光部３は、それぞれ、レーザアレイ４１及びレーザアレイ４３を有し、第２発光部２及び第２発光部４は、それぞれ、レーザアレイ４２及びレーザアレイ４４を有する。レーザアレイ４１～４４の各々は、複数のエミッタを有するレーザ素子である。本実施の形態では、レーザアレイ４１～４４の各々は、複数の導波路を有する半導体レーザアレイである。図２に示されるように、第１レーザ光２１及び第１レーザ光２３は、それぞれレーザアレイ４１及びレーザアレイ４３から出射される一列に配置された複数のレーザ光を含む。第２レーザ光２２及び第２レーザ光２４は、それぞれレーザアレイ４２及びレーザアレイ４４から出射される一列に配置された複数のレーザ光を含む。なお、図１では、複数のレーザ光を含む第１レーザ光及び第２レーザ光をそれぞれ単一の矢印で示している。また、光学装置１００は、レーザアレイ４１～４４の各々が出射する複数のレーザ光をコリメートするコリメートレンズを有する（図示せず）。
　第１発光部１、３は、図２に示されるように、１列に配置されている。第１発光部１、３は、列７を形成する。本実施の形態では、第１発光部１、３は、第１直線３１上に配置されている。第２発光部２、４は、１列に配置されている。第２発光部２、４は、列８を形成する。本実施の形態では、第２発光部２、４は、第２直線３２上に配置されている。
　本実施の形態では、第１レーザ光２１、２３の進行方向は、第２レーザ光２２、２４の進行方向と逆向きである。
　方向変換素子１０は、複数の第１発光部の各々から出射された第１レーザ光の進行方向と、１以上の第２発光部の各々から出射された第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換する素子である。方向変換素子１０は、合成素子６から見て、複数の第１発光部と１以上の第２発光部との間に配置され、方向変換素子１０の反射面に含まれる直線である変換直線３０上において、第１レーザ光及び第２レーザ光の進行方向を変換する。
　本実施の形態では、方向変換素子１０は、図１に示されるように、反射体１１～１４を含む。また、方向変換素子１０は、各々に第１レーザ光が入射する第１面５１、５３と、各々に第２レーザ光が入射する第２面５２、５４とを備える。第１面の個数は、複数であり、第１発光部の個数と等しくてもよい。第２面の個数は、１以上であり、第２発光部の個数と等しくてもよい。第１面５１、第２面５２、第１面５３及び第２面５４は、それぞれ、反射体１１、反射体１２、反射体１３及び反射体１４に含まれる。
　第１面５１、５３の各々と第２面５２、５４の各々とは、第１レーザ光の反射位置と第２レーザ光の反射位置が変換直線３０上に並ぶよう交互に配置される。言い換えると、本実施の形態では、複数の第１面の各々と複数の第２面の各々とは、変換直線３０上において交互に配置される。第１発光部１及び第１発光部３は、それぞれ第１面５１及び第１面５３に対向し、第２発光部２及び第２発光部４は、それぞれ第２面５２及び第２面５４に対向する。
　これにより、変換直線３０上において第１発光部１、３からの第１レーザ光２１、２３及び第２発光部２、４からの第２レーザ光２２、２４が交互に異なる方向から入射される光学装置１００において、第１レーザ光２１、２３の進行方向と第２レーザ光２２、２４の進行方向とを同一方向に変換できる。
　以上のように、本実施の形態では、方向変換素子１０は、複数の第１発光部から出射された複数の第１レーザ光を反射する１以上の第１面と、複数の第２発光部から出射された複数の第２レーザ光を反射する１以上の第２面とを有する。また、方向変換素子１０は、複数の第１レーザ光の進行方向と複数の第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換する。方向変換素子１０は、複数の第１発光部と複数の第２発光部との間に配置され、方向変換される前における複数の第１レーザ光を含む平面と１以上の第１面との交線、及び、方向変換される前における複数の第２レーザ光を含む平面と１以上の第２面との交線は、同一の直線である変換直線に含まれる。
　また、本実施の形態では、図２に示されるように、第１直線３１と第２直線３２と変換直線３０とは、平行である。これにより、第１発光部、第２発光部及び方向変換素子を近接させて配置できるため、非特許文献１に記載されたレーザ光源などより、小型化が可能な光学装置１００を実現できる。
　また、本実施の形態では、方向変換素子１０の第１面５１、５３及び第２面５２、５４は、反射面である。これにより、方向変換を行う第１面５１、５３及び第２面５２、５４をアルミ蒸着などの方法によって容易に形成できる。したがって、屈折などを用いて方向変換を行う場合より、低コストで方向変換素子を実現できる。
　集光レンズ５は、方向変換素子１０と合成素子６との間に配置された集光素子である。このような集光レンズ５により、互いに平行に入射された第１レーザ光及び第２レーザ光を、集光レンズ５の焦点付近に配置された合成素子６に集光することが可能となる。なお、本実施の形態では、第１レーザ光及び第２レーザ光を集光する集光素子として集光レンズ５を用いたが、集光素子は、集光レンズ５に限定されない。例えば、集光素子は、入射光を一点に集める機能を有するミラーであってもよい。
　合成素子６は、方向変換素子１０により方向変換された第１レーザ光２１、２３及び第２レーザ光２２、２４を単一の光線２０に変換する素子である。本実施の形態では、合成素子６は、回折格子である。なお、合成素子６は、回折格子に限定されない。例えば、プリズムなどであってもよい。
　［１－２．光学装置の動作］
　次に、本実施の形態に係る光学装置１００の動作を説明する。
　上述したとおり、第１発光部１、第２発光部２、第１発光部３及び第２発光部４は、それぞれ第１レーザ光２１、第２レーザ光２２、第１レーザ光２３及び第２レーザ光２４を出射する。これらレーザ光は、それぞれ、反射体１１、１２、１３及び１４において反射することにより約９０°向きを変え、互いに、平行なレーザ光となるように光軸調整される。さらに、図２に示されるように、これらのレーザ光の向きが変わる点である方向変換点は、変換直線３０上に並ぶように、各第１発光部及び各第２発光部が調整されている。したがって、光学装置１００を変換直線３０に沿った方向から見ると、図３に示されるように見える。図３は、本実施の形態に係る光学装置１００の概略構成を示す側面図である。
　方向変換素子１０によって平行なレーザ光に方向変換された第１レーザ光２１、２３及び第２レーザ光２２、２４は、集光レンズ５によって合成素子６上に集光される。本実施の形態では、これらのレーザ光を波長合成法により合成することで、高出力かつ高品質の単一の光線を得る。
　以上のように、合成素子６からみると、すべての発光部は、仮想的に方向変換素子１０に含まれる変換直線３０上に並んでいるように見える。したがって、変換直線３０と平行に合成素子６の入射面を配置すれば、変換直線３０上のすべての仮想発光点と合成素子６の距離が等しくなり、合成素子６上における焦点のずれを抑制できる。よって合成素子６からの出射光線のビーム品質の劣化を避けることが可能になる。また、非特許文献１に開示されたレーザ光源のように円弧上に光学装置を配置しないので面積が大きくならず、コンパクトな光学装置１００を実現可能である。
　ここで、特許文献１に記載されたような一般的な波長合成法の原理について図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態で用いる波長合成法の原理を説明する模式図である。図４に示されるように、周期ｄを有する回折格子である合成素子６に、波長λ１及びλ２の二つのレーザ光線（図４の合成素子６に向かう矢印参照）が、それぞれ入射角θ１及びθ２で入射する。これらの波長及びこれらの入射角の間に、以下の式１の関係が成り立つ場合に、これらのレーザ光線は、同一出射角θ０方向に出射することが一般的な回折現象として導かれる。
　　　ｄ（ｓｉｎθｉ－ｓｉｎθ０）＝ｍλｉ　　　ｉ＝１，２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式１）
  ただし、式１において、ｍは、ゼロを除く整数を表す。式１の関係が成り立つ場合に、ビーム品質を劣化させることなく、同軸上にレーザ光線を合成可能である。式１はレーザ光線の本数がＮ本である場合にも適用可能であり、より一般的に以下の式２で表される。
　　　ｄ（ｓｉｎθｉ－ｓｉｎθ０）＝ｍλｉ　　　ｉ＝１，２・・Ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式２）
 なお、ｍの絶対値が小さいほど、効率的に回折が行われるため、ｍ＝±１としてもよい。
　以上のように、波長合成法においては、各レーザ光線の波長を正確に制御する必要がある。各第１発光部及び各第２発光部からのレーザ光の発振波長の制御は、特許文献１又は非特許文献１に示されるような外部共振器方式を用いてもよい。又は、各レーザアレイのエミッタ内部に、分布帰還構造、分布ブラッグ反射構造などの波長選択機構を取り入れることで、発振波長を制御してもよい。後者を用いる場合、列７に配置される第１発光部１、３の各エミッタの位置と発振波長との関係が、列８に配置される第２発光部２、４の各エミッタの位置と発振波長との関係と、逆になることに注意が必要である。例えば、式２より、図２に示される変換直線３０上の各位置に入射されるレーザ光の発振波長が、各レーザ光の入射位置に応じて、単調増加、又は単調減少する必要がある。例えば各レーザ光の変換直線３０への入射位置が図２の上側から下側に進むにしたがって、各レーザ光の発振波長が単調減少する場合について説明する。この場合、第１発光部１の発光面からみて、右に進むに従い、第１発光部１の各エミッタから出射されるレーザ光の発振波長は、単調減少する必要がある。一方、第２発光部２の発光面からみて、右に進むに従い、第２発光部２の各エミッタから出射されるレーザ光の発振波長は、単調増加する必要がある。
　［１－３．第１発光部及び第２発光部の構成及び配置］
　次に、第１発光部１、３及び第２発光部２，４の構成及び配置について説明する。
　まず、第１発光部１、３及び第２発光部２、４における各エミッタの間隔について図５を用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る第１発光部１、３及び第２発光部２、４の位置関係を示す上面図である。
　ここでは、各第１発光部及び各第２発光部がいずれも同等の形状及び構造を有する場合について説明する。図５に示されるように、距離Ｗは、例えば、レーザアレイ４２が出射する複数のレーザ光のうち端に位置するレーザ光（エミッタ）から第２発光部２の第２直線３２方向における端までの距離を表す。なお、第２発光部４及び第１発光部１、３についても同様に距離Ｗを定義できる。
　距離Ｄは、変換直線３０上における隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離を表す。つまり、第１レーザ光２１と第２レーザ光２２との間の距離、第１レーザ光２３と第２レーザ光２４との間の距離、第２レーザ光２２と第１レーザ光２３との間の距離が距離Ｄで表される。
　間隔Ｓは、レーザアレイ４１～４４が有する複数のエミッタの間隔を表す。
　間隔Ｐは、隣り合う二つの第１発光部１、３との間の隙間の長さ、及び、隣り合う二つの第２発光部２、４との隙間の長さを表す。
　ここでＮを各レーザアレイ内のエミッタ数として、本実施の形態では、上記諸量の間には、以下の関係がある。
　　　２Ｗ＋Ｐ＝２Ｄ＋（Ｎ－１）Ｓ　　　　　　　　　　　　　（式３）
　本開示の効果を得るためには、以下の関係が成り立つ必要がある。
　　　２Ｗ＋Ｐ＞Ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式４）
　これにより、隣り合う二つの第１レーザ光２１、２３の隙間に第２レーザ光２２を配置でき、隣り合う二つの第２レーザ光２２、２４の隙間に第１レーザ光２３を配置できる。なお、式３が成り立つ場合には、自ずと式４が成り立つ。
　ここで、距離Ｄと間隔Ｓとの関係に着目すると、Ｄ＜Ｓが成り立つ場合、上述のとおり、変換直線３０上において隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離は、第１レーザ光及び第２レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔未満である。この場合、第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離が、各レーザアレイ内のエミッタ間隔より短くなる。ここで、図４で示した波長合成の条件より、各レーザ光の空間的な位置に応じて当該レーザ光の波長が決まるため、第１レーザ光と第２レーザ光との間隔を短くすることで、第１レーザ光の波長範囲と第２レーザ光の波長範囲との間隔が小さくなる。したがって、Ｄ＜Ｓが成り立つ場合、波長の隙間が小さくなり、光学装置１００全体で用いる波長範囲も狭くなるため、例えば、Ｄ＞Ｓである場合より、波長合成効率及びビーム品質を改善できる。
　また、Ｄ＝Ｓが成り立つ場合、第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離が、各レーザアレイ内のエミッタ間隔と等しくなる。つまり、第１レーザ光２１、２３及び第２レーザ光２２及び２４に含まれるすべてのレーザ光が変換直線３０上で等間隔で並ぶため、集光レンズ５及び合成素子６の設計が容易になる。
　一方、Ｄ＞Ｓが成り立つ場合、変換直線３０上において隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離は、第１レーザ光及び第２レーザ光に含まれる複数のレーザ光の間隔より大きい。したがって、第１レーザ光及び第２レーザ光との間に波長の隙間が存在する。したがって、波長合成効率及びビーム品質が劣化を抑えるためには、以下の関係が成り立ってもよい。
　　　Ｄ≦Ｓ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（式５）
　つまり、複数の第１レーザ光及び複数の第２レーザ光のうち、変換直線３０上において隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離Ｄは、複数の第１レーザ光の各々に含まれる複数のレーザ光の間隔Ｓ以下、又は、複数の第２レーザ光の各々に含まれる複数のレーザ光の間隔Ｓ以下であってもよい。
　この式５は、以下の式６に変形できる。
　　　Ｗ≦［（Ｎ＋１）Ｓ－Ｐ］／２　　　　　　　　　　　　　（式６）
　次に、本実施の形態に係る第１発光部１、３及び第２発光部２、４の配置について説明する。まず、第１発光部１、３及び第２発光部２、４の配置に関係する各発光部の構造について図６～図８を用いて説明する。図６及び図７は、本実施の形態に係る第１発光部１の概略構成を示す外観図及び断面図である。図７においては、図６のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面が示されている。図８は、本実施の形態に係る第１発光部１の実装工程途中の状態を示す図である。なお、図６～図８では、第１発光部１の構成を示したが、第１発光部３及び第２発光部２、４も第１発光部１と同様の構成を有する。
　本実施の形態に係る第１発光部は、特許文献２に開示された半導体装置と同様の構成を有する。図７に示されるように、レーザアレイ４１は、二つの金属ブロック１１１、１１２によって挟まれている。この構成により、レーザアレイ４１の無効電力に起因した熱を、金属ブロック１１１、１１２を用いて放散させることができる。図６に示されるように、これらの金属ブロック１１１、１１２はネジ１１３、１１４を用いて相互に固定される。なお、図７及び図８に示されるように、金属ブロック１１１と金属ブロック１１２のとの間は絶縁層１１５によって絶縁される。また、レーザアレイ４１と金属ブロック１１１及び１１２との間にはそれぞれサブマウント１１６及び金属層１１７が挿入される。
　第１発光部１においては、図６に示されるように第１レーザ光２１を出射する。このため、金属ブロック１１１、１１２を固定するネジ１１３、１１４及びネジ穴は、レーザアレイ４１から、第１レーザ光２１の出射方向と交差する方向に離れた位置に配置される必要がある。したがって、第１発光部１には、第１レーザ光２１の並び方向において、レーザ光が出ない無発光領域１２１、１２２が存在する。
　この第１発光部１の光出力パワーは最大１００Ｗ前後であるため、レーザ加工が必要とする光量より少ない。そこで、複数の第１発光部からの複数レーザ光をさらに合成して、出力を増大させる。高いビーム品質を得るために、以下では上述の波長合成法を用いる例について説明する。図９は、比較例１に係る光学装置１１００の概略構成を示す模式図である。光学装置１１００は、発光部１１０１～１１０４と、集光レンズ１１０５と、合成素子１１０６とを備える。さらに、光学装置１１００は、各発光部が出射するレーザ光をファスト軸方向においてコリメートするコリメートレンズＦＡＣと、スロー軸方向においてコリメートするコリメートレンズＳＡＣとを備える。コリメートレンズＦＡＣは、円筒型レンズアレイで構成され、コリメートレンズＳＡＣは、一つの円筒型レンズで構成される。
　発光部１１０１～１１０４は、本実施の形態に係る第１発光部及び第２発光部と同様の構成を有し、それぞれ、レーザアレイ１１４１～１１４４を有する。
　集光レンズ１１０５は、本実施の形態に係る集光レンズ５と同様に各発光部からのレーザ光を合成素子６に集光する。
　合成素子１１０６は、発光部１１０１～１１０４からの複数のレーザ光を単一の光線に変換する回折格子である。
　図９に示されるように、光学装置１１００では、四つの発光部１１０１～１１０４は、一列に配置されている。各発光部は、レーザ光束を出射するレーザアレイとそれを固定するネジを有する（図６～図８参照）。各発光部は複数のレーザ光を含むレーザ光束を出射するが、図９ではそのレーザ光束の両端のレーザ光だけが矢印で示されている。
　各レーザ光は、ＳＡＣとＦＡＣとにより平行化された後、集光レンズ１１０５によって、合成素子１１０６に集光される。各レーザ光の波長及び入射角が上記式２を満たせば、各レーザ光は同軸上に合成される。しかしながら、各発光部の無発光領域（図６の無発光領域１２１、１２２参照）のため、図９に示されるように隣り合うレーザ光束の間に、レーザ光が存在しない「隙間Ａ」が存在する。このため、隣り合うレーザ光の入射角にも「隙間Ｂ」が存在する。この「隙間Ｂ」により、式２から、レーザ光の波長にも、「隙間Ｃ」が存在する。これらの隙間Ｂ及び隙間Ｃについて、図１０を用いて説明する。図１０は、比較例１に係る光学装置１１００の合成素子１１０６に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。図１０では、黒丸は各レーザ光の波長及び入射角を示し、各レーザアレイから出射される４本のレーザ光の波長及び入射角が示されている。したがって、光学装置１１００は、４個の発光部を備え、１個の発光部あたり４本のレーザ光を出射するため、光学装置１１００全体で１６本のレーザ光が出射される。図１０に示されるように、レーザ光の波長に「隙間Ｃ」が存在するため全体の波長範囲が広くなる。このため、レーザアレイ１１４１～１１４４が出射するレーザ光の発振波長範囲を広くしなければならない。しかしながら、レーザアレイで用いられるレーザ材料が利得を有する波長範囲は有限であるため、発振波長範囲の拡大には限界がある。また、発振したとしても十分な発光効率が得られない場合がある。またこのような「全体の波長範囲」の拡大は、同軸に合成されたレーザビームのスペクトル純度を低下させ、光学系の色収差の影響を受けやすくなる。
　そこで、本実施の形態では、図１～図３及び図５に示されるように、第２レーザ光２２は、変換直線３０上において、隣り合う二つの第１レーザ光２１、２３の間に入射する。また、第１レーザ光２３は、変換直線３０上において、隣り合う二つの第２レーザ光２２、２４の間に入射する。言い換えると、複数の第２レーザ光の各々は、変換直線３０上において、複数の第１レーザ光のうち、隣り合う二つの第１レーザ光の間に入射する。つまり、第１レーザ光２１、２３と、第２レーザ光２２、２４を互い違いに方向変換素子１０に入射する。これにより、第１レーザ光２１と第１レーザ光２３との間に発生する入射角の隙間（図１０の隙間Ｃに相当）及び波長の隙間（図１０の隙間Ｃに相当）を、第２レーザ光２２によって埋めることができる。また、第２レーザ光２２と第２レーザ光２４との間に発生する入射角の隙間（図１０の隙間Ｃに相当）及び波長の隙間（図１０の隙間Ｃに相当）を、第１レーザ光２３によって埋めることができる。このように、各発光部を互い違いに配置することにより、「全体の波長範囲」を狭くすることができる。その結果、光学装置１００の出射光線のビーム品質の劣化を抑制できる。
　［実施例］
　本実施の形態に係る光学装置１００の実施例について説明する。ここでは、実施例として、６個の発光部を備え、近赤外帯のレーザ光を出射する光学装置について比較例と比較しながら説明する。図１１は、本実施例に係る光学装置に設定するパラメータを示す図である。図１２は、本実施例に係る光学装置の合成素子に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。図１３は、比較例２に係る光学装置の合成素子に入射されるレーザ光の入射角及び波長の関係を示すグラフである。なお、図１２及び図１３では各発光部に対応するレーザ光の入射角及び波長の関係が直線で表されているが、実際には、各直線は、各レーザアレイのエミッタ数Ｎと同数の点の集まりである。
　本実施の形態では、図１１に示されるように、合成素子６の回折格子周波数は８００本／ｍｍ、合成素子６における合成後の出射角は６０°、各発光部と合成素子との間の距離は、７０ｃｍである。また、発光部の個数は６、各レーザアレイのエミッタ数Ｎは２１、エミッタ間隔Ｓは５００μｍ、距離Ｗは０．９ｃｍである。また、本実施例の６個の発光部は、３個の第１発光部１ａ、３ａ、５ａと、３個の第２発光部２ａ、４ａ、６ａとからなる（不図示）。本実施例では、第１発光部１ａ、３ａ、５ａが、この順で、第１直線３１上に配置され、第２発光部２ａ、４ａ、６ａが、この順で、第２直線３２上に配置される（不図示）。第１発光部１ａ、３ａ、５ａは、それぞれ第１レーザ光２１、２３、２５を出射し、第２発光部２ａ、４ａ、６ａは、それぞれ第２レーザ光２２、２４、２６を出射する。
　一方、比較例２に係る光学装置では、図９に示される比較例１に係る光学装置１１００と同様に、すべての発光部１１０１ａ～１１０６ａが一列に配置される（不図示）。また、発光部１１０１ａ～１１０６ａは、それぞれレーザ光１１２１～１１２６を出射する。
　このような各発光部が有する近赤外帯で用いられるレーザアレイとして、例えばＧａＡｓ系材料を有する半導体レーザアレイが用いられる。このような半導体レーザアレイは、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎドープＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）クラッド層、アンドープＡｌｓＧａ１－ｓＡｓ（０＜ｓ＜１）又はＩｎｔＧａ１－ｔＡｓ（０＜ｔ＜１）活性層、ｐドープＡｌｙＧａ１－ｙＡｓ（０＜ｙ＜１）クラッド層、ｐドープＧａＡｓコンタクト層を備えるレーザ素子である。Ａｌ又はＩｎの組成比ｘ，ｙ，ｓ，ｔを変えることにより発振波長を調整することが可能である。およそ発振波長８７３ｎｍより短波長ではＡｌＧａＡｓ活性層が、長波長ではＩｎＧａＡｓ活性層がそれぞれ用いられる。
　図１３に示されるように、比較例２に係る光学装置では、「波長の隙間」が約３５ｎｍ存在する。そのため、光学装置全体では７００ｎｍ程度から９８０ｎｍ程度までの広い波長範囲が必要である。また、その波長範囲のうち、７７０ｎｍより長波長側の波長帯では、ＡｌＧａＡｓが直接遷移型であるため発光効率が高いものの、７７０ｎｍ以下の波長帯では、ＡｌＧａＡｓが間接遷移型となるため、発光効率が低下してしまう。したがって、比較例２に係る光学装置では、７７０ｎｍ以下の波長帯において十分な光出力が得られない。つまり、比較例２に係る光学装置では、発光部１１０１ａ～１１０４ａからは十分な光出力が得られても、発光部１１０５ａ、１１０６ａからは十分な光出力が得られない。また、例えば、比較例２に係る光学装置において、すべての発光部の発振波長帯を長波長側に７０ｎｍシフトさせた場合、最長波長は１０５０ｎｍになる。ＩｎＧａＡｓを用いる半導体レーザアレイにおいて、このような長波長でのレーザ発振を実現しようとすると、ＩｎＧａＡｓ活性層内の歪が大きくなりレーザアレイの信頼性が低下してしまう。
　一方、本実施例では、図１２に示されるように、第１発光部１ａが出射する第１レーザ光２１と第１発光部３ａが出射する第１レーザ光２３との「入射角及び波長の隙間」に、第２発光部２ａが出射する第２レーザ光２２が配置される。同様に、第１発光部３ａが出射する第１レーザ光２３と第１発光部５ａが出射する第１レーザ光２５との「入射角及び波長の隙間」に、第２発光部４ａが出射する第２レーザ光２４が配置される。第２発光部４ａが出射する第２レーザ光２４と第２発光部６ａが出射する第２レーザ光２６との「入射角及び波長の隙間」に、第１レーザ光２５が配置される。これにより、「波長の隙間」が９ｎｍに低減され、光学装置全体では必要な波長範囲は、８３０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下程度に収まる。このような範囲であれば、半導体レーザアレイにおいて、信頼性よく、かつ、高出力なレーザ発振が可能である。本実施例では、第１発光部１ａ、３ａ及び第２発光部２ａ、４ａにおいてＩｎＧａＡｓ活性層を用いたレーザアレイを、第１発光部５ａ及び第２発光部６ａにおいてＡｌＧａＡｓ活性層を用いたレーザアレイをそれぞれ採用した。レーザアレイの実装は図６～図８に示される方法で行い、各レーザ光の発振波長の制御は外部共振器によって行った。
　本実施例では、半導体レーザアレイ内のエミッタとして、ストライプ幅５０μｍのリッジ導波路型のエミッタを採用した。これにより、１エミッタあたり、約１０Ｗもの光出力を得られる。この場合、１アレイあたりでは、１０Ｗ×２１本＝２１０Ｗの光出力を得られ、合成素子６による合成後には、２１０Ｗ×６＝１２６０Ｗの光出力が得られる。したがって、合成素子６による約８０％の結合効率を考慮しても１ｋＷ以上の光出力を得られる。しかも本実施例に係る光学装置は、波長合成法を採用しているため、高出力かつ高ビーム品質なレーザ光を得られる。本実施例に係る光学装置を用いれば、高品質なレーザ加工が実現できる。なお、以上の数値は、各発光部を２５℃で水冷し、連続発振させる場合の値である。
　なお、本実施例では、Ｐ＝０．２ｃｍ、Ｗ＝０．９ｃｍ、Ｓ＝０．０５ｃｍ、Ｄ＝０．５ｃｍ、Ｎ＝２１なる関係がある。したがって、本実施例に係る光学装置は、式４を満たす。式５を満たすためには、各発光部の金属ブロックを固定するためのネジを小型化し、距離Ｗを小さくすればよい。
　また、本実施例では方向変換素子１０の反射面である第１面及び第２面の傾斜角度を４５°としたが他の角度でもよい。第１面及び第２面の傾斜角度が４５°以外の場合について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施の形態の変形例に係る光学装置１００ａの概略構成を示す側面図である。図１４に示されるように、光学装置１００ａの方向変換素子１０ａの反射体１１ａ及び１２ａの各反射面（第１面及び第２面）の傾斜角度が４５°未満である。この場合、第１発光部１及び第２発光部２がそれぞれ出射する第１レーザ光２１及び第２レーザ光２２の方向変換素子１０ａの反射体１１ａ及び１２ａへの入射角を調整することで、第１レーザ光２１の進行方向及び第２レーザ光２２の進行方向を方向変換素子１０ａによって、同一方向に変換できる。第１レーザ光２１及び第２レーザ光２２の進行方向は、例えば、図１４に示されるように、第１発光部１及び第２発光部２の配置及び姿勢を調整することで調整できる。
　（実施の形態２）
　実施の形態２に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、各発光部が、ＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタである点において、実施の形態１に係る光学装置１００と相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態１に係る光学装置１００との相違点を中心に図１５を用いて説明する。
　図１５は、本実施の形態に係る光学装置２００の概略構成を示す上面図である。光学装置２００は、実施の形態１に係る光学装置１００と同様に、一列に配置された第１発光部２０１、２０３、２０５、２０７と、一列に配置された第２発光部２０２、２０４、２０６、２０８とを備える。光学装置２００は、さらに、各第１発光部から出射された第１レーザ光の進行方向と、各第２発光部から出射された第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子１０ａをさらに備える。なお、図示しないが、光学装置２００は、光学装置１００と同様に、集光レンズ及び合成素子を備える。
　実施の形態１に係る光学装置１００では、各発光部としてレーザアレイを実装したレーザモジュールを採用したが、本実施の形態では、各発光部としてシングルエミッタの半導体レーザ素子を有する一般的なＣＡＮパッケージの半導体レーザ装置を用いている。各発光部が備える半導体レーザ素子は直径約９ｍｍのＣＡＮパッケージ内に実装されている。図１５では、簡単のため、各発光部の出射部に取り付けるコリメートレンズは示していない。各発光部が備える半導体レーザ素子は、ＧａＮ系の材料を使用しており、第１発光部２０１、２０３、２０５、２０７の発振波長は、それぞれ４００ｎｍ、４２０ｎｍ、４４０ｎｍ、４６０ｎｍである。また、第２発光部２０２、２０４、２０６、２０８の発振波長は、それぞれ４１０ｎｍ、４３０ｎｍ、４５０ｎｍ、４７０ｎｍである。これらの発振波長は、レーザ素子のＩｎＧａＮ量子井戸活性層のＩｎ組成を変えることにより調整されている。また、発振波長が変わるとレーザ内の光分布が変わり、閾値などに影響するため、クラッド層及びガイド層の膜厚、並びに組成も各波長に応じて最適化されている。第１発光部２０１、２０３、２０５、２０７及び第２発光部２０２、２０４、２０６、２０８は、それぞれ銅ブロック２８１及び２８２に半田で固定されている。これにより、各発光部の放熱を行い、かつ、各発光部の相対的な位置を固定している。また各銅ブロック内で第１発光部及び第２発光部の各々は電気的に直列接続されている。
　第１発光部２０１、２０３、２０５、２０７は、第１直線２３１上に配置され、第２発光部２０２、２０４、２０６、２０８は、第２直線２３２上に配置される。各第１発光部は、第１レーザ光を、図１５の紙面と平行な方向に方向変換素子２１０に向けて出射し、各第２発光部は、第２レーザ光を、図１５の紙面と平行な方向に方向変換素子２１０に向けて出射する。
　方向変換素子２１０は、第１発光部２０１、２０３、２０５、２０７と第２発光部２０２、２０４、２０６、２０８との間に配置され、方向変換素子２１０に含まれる直線である変換直線２３０上において、第１レーザ光及び第２レーザ光の進行方向を変換する。ここで、第１直線２３１と第２直線２３２と変換直線２３０とは、平行である。
　本実施の形態では、方向変換素子２１０は、図１に示されるように、反射体２１１～２１８を含む。また、方向変換素子２１０は、各々に第１レーザ光が入射する第１面２５１、２５３、２５５、２５７と、各々に第２レーザ光が入射する第２面２５２、２５４、２５６、２５８とを備える。
　方向変換素子２１０の各第１面及び各第２面は、それぞれ図１５の紙面に垂直な方向に対して、＋４５°及び－４５°傾斜したＡｇコートされた反射面である。第１レーザ光及び第２レーザ光はそれぞれ、第１面及び第２面で反射され、図１５の紙面に垂直な方向に進行方向が変換される。各発光部からの光出力は例えば３Ｗであり、光学装置２００からは、トータル２４Ｗ程度の光出力が得られる。
　本実施の形態で用いたＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、実施の形態１で用いたレーザアレイより光出力パワーは小さい。しかしながら、ＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、半田加工などの出力が低くても許容されるレーザ加工分野において有効である。また、ＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、量産されており比較的入手が容易であることから、本実施の形態に係る光学装置２００によれば、低価格で、ビーム品質がよいレーザ加工機を実現できる。
　（その他の変形例など）
　以上、本開示に係る光学装置について、各実施の形態及び変形例に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態及び変形例に限定されるものではない。
　例えば、上記各実施の形態及び変形例では、特定の材料、レーザ構造だけを例示したが、光学装置の各発光部において採用され得る材料及びレーザ構造は、上記各実施の形態及び変形例で示した例に限定されない。例えば、各発光部において、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＩｎＧａＰ系、ＧａＳｂ系、量子カスケードレーザの半導体レーザアレイ、又は、ファイバーレーザ、固体レーザなども適用できる。
　また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示の半導体発光素子は、例えば、高出力かつ高効率なレーザ光源としてレーザ加工などに適用できる。
１、３、２０１、２０３、２０５、２０７　第１発光部
２、４、２０２、２０４、２０６、２０８　第２発光部
５、１１０５　集光レンズ
６、１１０６　合成素子
７、８　列
１０、１０ａ、２１０　方向変換素子
１１、１１ａ、１２、１２ａ、１３、１４、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８　反射体
２０　光線
２１、２３　第１レーザ光
２２、２４　第２レーザ光
３０、２３０　変換直線
３１、２３１　第１直線
３２、２３２　第２直線
４１、４２、４３、４４、１００１、１１４１、１１４２、１１４３、１１４４　レーザアレイ
５１、５３、２５１、２５３、２５５、２５７　第１面
５２、５４、２５２、２５４、２５６、２５８　第２面
１００、１００ａ、２００、１１００　光学装置
１１１、１１２　金属ブロック
１１３、１１４　ネジ
１１５　絶縁層
１１６　サブマウント
１１７　金属層
１２１、１２２　無発光領域
２８１、２８２　銅ブロック
１０００　レーザ光源
１００２、１００３　集光レンズ
１００４　平面鏡アレイ
１００５　集光鏡
１００６　回折格子
１００７、１００８　鏡
１００９、１０１１　レンズ
１０１０　空間フィルタ
１０１２　出力カプラ
１０２２　出力光

Claims (7)

  1. 　一列に配置された複数の第１発光部と、
    　一列に配置された複数の第２発光部と、
    　前記複数の第１発光部から出射された複数の第１レーザ光を反射する１以上の第１面と、前記複数の第２発光部から出射された複数の第２レーザ光を反射する１以上の第２面とを有し、前記複数の第１レーザ光の進行方向と前記複数の第２レーザ光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子と、
    　前記方向変換素子により方向変換された前記複数の第１レーザ光及び前記複数の第２レーザ光を単一の光線に変換する合成素子とを備え、
    　前記方向変換素子は、前記複数の第１発光部と前記複数の第２発光部との間に配置され、
    　方向変換される前における前記複数の第１レーザ光を含む平面と前記１以上の第１面との交線、及び、方向変換される前における前記複数の第２レーザ光を含む平面と前記１以上の第２面との交線は、同一の直線である変換直線に含まれる
    　光学装置。
  2. 　前記複数の第２レーザ光の各々は、前記変換直線上において、前記複数の第１レーザ光のうち、隣り合う二つの第１レーザ光の間に入射する
    　請求項１記載の光学装置。
  3. 　前記複数の第１発光部は、第１直線上に配置され、
    　前記複数の第２発光部は、第２直線上に配置され、
    　前記第１直線と前記第２直線と前記変換直線とは、平行である
    　請求項１又は２記載の光学装置。
  4. 　前記１以上の第１面の個数は、複数であり、
    　前記１以上の第２面の個数は、複数であり、
    　前記１以上の第１面の各々と前記１以上の第２面の各々とは、前記変換直線上において交互に配置され、
    　前記複数の第１発光部は、それぞれ前記１以上の第１面に対向し、
    　前記複数の第２発光部は、それぞれ前記１以上の第２面に対向する
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学装置。
  5. 　前記方向変換素子と前記合成素子との間に配置された集光レンズをさらに備える
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の光学装置。
  6. 　前記複数の第１レーザ光の各々は、一列に配置された複数のレーザ光を含み、
    　前記複数の第２レーザ光の各々は、一列に配置された複数のレーザ光を含む
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の光学装置。
  7. 　前記複数の第１レーザ光及び前記複数の第２レーザ光のうち、前記変換直線上において隣り合う第１レーザ光と第２レーザ光との間の距離は、前記複数の第１レーザ光の各々に含まれる前記複数のレーザ光の間隔以下、又は、前記複数の第２レーザ光の各々に含まれる前記複数のレーザ光の間隔以下である
    　請求項６記載の光学装置。
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