WO2020059664A1 - 合波光学系 - Google Patents

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WO2020059664A1
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multiplexing optical
light
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井上　陽子
正人 河▲崎▼
山本　達也
一樹 久場
野田　進
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Mitsubishi Electric Corp
Kyoto University
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Mitsubishi Electric Corp
Kyoto University
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Definitions

  • the present invention relates to a multiplexing optical system.
  • a multiplexing optical system in which a plurality of laser beams emitted from a light source are condensed to form a multiplexed beam, and the multiplexed beam is coupled to transmission means such as an optical fiber.
  • transmission means such as an optical fiber.
  • Patent Document 1 describes an optical power combining optical system in which a plurality of laser beams emitted from a plurality of light sources arranged in M ⁇ N are coupled to one light receiver by coupling means.
  • the coupling means of the optical power combining optical system is composed of a collimator optical element, an anamorphic optical element, and a condensing optical element.
  • the anamorphic optical elements are arranged such that the magnification in the M arrangement directions is larger than the magnification in the N arrangement directions.
  • each beam diameter of the plurality of laser beams is reduced by the anamorphic optical element. Therefore, both the beam diameter and beam spacing of each laser beam are reduced at the same rate.
  • the beam interval is not relatively reduced. That is, the ratio between the beam diameter and the beam interval does not change. Therefore, the beam occupancy of the combined beam within the total beam diameter does not change. As a result, it is difficult to reduce the light collection angle, and it is difficult to enhance the light collection.
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and has as its object to provide a multiplexing optical system capable of forming a multiplexed beam having high light-collecting properties.
  • the multiplexing optical system includes a light source including a plurality of light emitting elements of a surface emitting laser, and changing an optical path of a laser beam emitted from each of the plurality of light emitting elements.
  • An optical path changing member to be condensed including a plurality of lens regions arranged corresponding to respective optical paths of a plurality of laser beams changed by the optical path changing member, and condensing a plurality of laser beams by the plurality of lens regions.
  • the multiplexing optical system of the present invention it is possible to form a multiplexed beam having a high light-collecting property.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a multiplexing optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram of the light source according to the first embodiment as viewed from a direction of an optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 2 is a diagram of the lens array according to the first embodiment when viewed from a direction of an optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 9 is a diagram of the light source according to the second embodiment as viewed from the direction of the optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 13 is a diagram of the lens array according to the second embodiment as viewed from the direction of the optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 14 is a diagram of the light source according to the third embodiment viewed from the direction of the optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 14 is a diagram of the lens array according to the third embodiment viewed from the direction of the optical axis A of the multiplexing optical system.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a multiplexing optical system according to a fourth embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a state of focusing of a laser beam transmitted through the lens array when the shape of the lens array is not appropriate in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a first example of a suitable shape of the lens array according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a second example of a suitable shape of the lens array according to the first embodiment.
  • a multiplexing optical system that forms a multiplexed beam by condensing a plurality of laser beams emitted from a light source will be particularly described.
  • the multiplexing optical system forms a high-power multiplexed beam by multiplexing laser beams respectively emitted from a plurality of light emitting elements included in the light source. At this time, as described above, it is important that the combined beam has a high light-collecting property.
  • BPP Beam Parameter Product
  • BPP is an index for evaluating the beam condensing property.
  • BPP is defined as the product of the beam diameter and the convergence angle or the product of the beam diameter and the divergence angle. As is clear from this definition, in the case where the beam diameter is constant, it is effective to reduce the converging angle in order to enhance the condensing property.
  • the occupation ratio of the combined beam within the beam diameter can be maximized. That is, the outermost diameters of the adjacent laser beams are brought into contact with each other.
  • the converging angle of the combined beam can be reduced. Then, it is possible to obtain a multiplexed beam having high condensing properties.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a multiplexing optical system 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a cross section including the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • the overall configuration of the multiplexing optical system 100 will be described with reference to FIG.
  • the multiplexing optical system 100 includes a light source 1, a lens 2, and a lens array 4.
  • the multiplexing optical system 100 can include the optical fiber 5.
  • the light source 1 includes a plurality of light emitting elements 11.
  • the lens 2 is an example of an optical path changing member.
  • the lens array 4 is an example of a light collecting member.
  • the optical fiber 5 is an example of a transmission unit.
  • the light source 1 includes a plurality of light emitting elements 11 of a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
  • the plurality of light emitting elements 11 are arranged, for example, on the surface 31 of the heat sink 3.
  • the surface 31 is, for example, a single surface.
  • the plurality of light emitting elements 11 are arranged, for example, in a direction parallel to the optical axis A.
  • the heat sink 3 radiates heat generated by each light emitting element 11.
  • the heat sink 3 functions to suppress a temperature rise of each light emitting element 11.
  • FIG. 2 is a diagram of the light source 1 including the plurality of light emitting elements 11 as viewed from the direction of the optical axis A in FIG.
  • the light source 1 includes 19 light emitting elements 11.
  • the 19 light-emitting elements 11 are arranged in a hexagonal lattice with a space between each other.
  • the number and arrangement of the light emitting elements 11 are not limited thereto.
  • each optical axis Ae of the plurality of light emitting elements 11 is perpendicular to the surface 31. Therefore, the plurality of light emitting elements 11 emit a laser beam in a direction perpendicular to the surface 31.
  • Each optical axis Ae of the plurality of light emitting elements 11 is parallel to each other.
  • Each optical axis Ae of the plurality of light emitting elements 11 is parallel to the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • the lens 2 has a light collecting action.
  • the lens 2 is arranged perpendicular to the optical axis A of the multiplexing optical system 100. That is, the optical axis Ad of the lens 2 is parallel to the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • the lens 2 changes the traveling direction of a plurality of laser beams emitted from the light source 1. That is, the lens 2 changes the optical paths of the plurality of laser beams emitted from the light source 1. Specifically, the lens 2 changes the traveling direction of the plurality of laser beams emitted from the light source 1 toward the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5. Accordingly, when the lens array 4 described later does not exist, the optical path of each laser beam after passing through the lens 2 is concentrated at the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • the plurality of laser beams whose optical paths have been changed by the lens 2 enter the lens array 4.
  • the lens array 4 is arranged perpendicular to the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • the lens array 4 includes a plurality of lens regions 40 arranged in the same plane.
  • the plurality of light emitting elements 11 of the light source 1 and the plurality of lens regions 40 of the lens array 4 correspond one to one.
  • Each lens area 40 of the lens array 4 is arranged at a position corresponding to each optical path of each laser beam whose optical path has been changed by the lens 2.
  • FIG. 3 is a view of the lens array 4 viewed from the direction of the optical axis A in FIG.
  • the light source 1 includes 19 light emitting elements 11. Therefore, the lens array 4 also includes 19 lens regions 40. Each lens region 40 has a light collecting action. Further, the lens regions 40 are arranged adjacent to each other on the same plane. Note that the effective area of the lens array 4 is smaller than the light emitting area of the light source 1.
  • the plurality of laser beams respectively incident on each lens region 40 of the lens array 4 are condensed on the incident surface 51 of the optical fiber 5 after passing through the lens array 4 to become a combined beam. .
  • the optical fiber 5 is an optical fiber for transmission.
  • the optical fiber 5 transmits a combined beam. That is, the optical fiber 5 couples and transmits the collected laser beam.
  • the optical fiber 5 is a multi-mode fiber. In a multimode fiber, light is divided into a plurality of modes and propagates in a core.
  • the step index type is an optical fiber in which the refractive index of the core is constant.
  • the graded index type is an optical fiber in which the refractive index of the core is smoothly distributed.
  • the specifications of the optical fiber 5 can be appropriately selected in consideration of the characteristics and the number of the light emitting elements 11.
  • the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is a surface emitting semiconductor laser having a periodic structure having an oscillation wavelength near the active layer. This periodic structure is called a photonic crystal structure.
  • a semiconductor laser can achieve high output by enlarging the light emitting area.
  • the vertical cavity surface emitting lasers currently in practical use generally have a problem that when the light emitting region is enlarged, the light condensing property is reduced. Therefore, in the vertical cavity surface emitting laser, high output and high light collecting property are not compatible.
  • a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser in principle, it is possible to maintain the light condensing property even if the light emitting area is enlarged. Therefore, a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser is expected as a laser light source having high output and high light condensing.
  • the size of the light emitting region is several hundred ⁇ m in diameter.
  • the beam quality is about 1 to 5 in M 2 value.
  • the oscillation wavelength is 940 nm
  • the size of the light emitting region is 300 ⁇ m in diameter
  • the beam quality is 2 in M 2 value
  • the divergence angle of the emitted beam is about 0.5 degrees in full angle.
  • the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a large light emitting area and good beam quality, so that an output beam with high linearity can be obtained.
  • “good beam quality” means that the M 2 value is small.
  • the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser can be a laser light source having high output and high condensing.
  • ⁇ About arrangement intervals of light emitting elements> In order to operate a semiconductor laser with high output and good performance, it is important to deal with heat generation. In a semiconductor laser, 40 to 60% of the supplied power is heat. Then, as the output increases, the generated heat further increases. Therefore, it is preferable that the light emitting element of the high-power semiconductor laser be mounted on a cooling structure including a submount or a heat sink.
  • the cooling structure heat generated in the light emitting element is transmitted, diffused, and radiated. As the heat generated increases, the cooling structure becomes larger.
  • an output of 10 W is obtained with a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser, it is calculated that the arrangement interval of the light emitting elements 11 is required to be several mm for heat radiation.
  • the two-dimensional photonic crystal surface emitting laser has a structure in which an electrode structure for power supply is provided around the light emitting surface.
  • an electrode structure for power supply is provided around the light emitting surface.
  • the light emitting elements 11 need to be arranged at intervals from each other. As described above with reference to FIG. 2, in the first embodiment, the light emitting elements 11 are arranged with an interval therebetween.
  • the multiplexing optical system 100 forms a multiplexed beam by condensing a plurality of laser beams emitted from a plurality of light emitting elements 11 arranged at intervals. In this case, by increasing the beam occupancy within the diameter of the combined beam, the condensing property of the combined beam is improved.
  • the codes used in the multiplexing optical system 100 will be described.
  • the diameter of the laser beam is the beam diameter.
  • the size of each lens region 40 of the lens array 4 and D 4. D 4 is, for example, a diameter of the lens region 40.
  • P be the arrangement interval of the plurality of light emitting elements 11 arranged on the surface 31 of the heat sink 3.
  • the center ray is a center line passing through the center of the beam diameter of the laser beam.
  • the beam diameter of each laser beam is defined as the diameter when the encircled power of the light intensity distribution becomes 86.5%.
  • the term “laser beam” means light having a beam diameter defined as described above.
  • the outermost diameter of the laser beam is a diameter at which the encircled power of the light intensity distribution is 86.5%.
  • the beam diameter of the combined beam is defined similarly.
  • the plurality of light emitting elements 11 emit laser beams in parallel with the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • Each laser beam enters the lens 2 perpendicularly. That is, each laser beam emitted from each light emitting element 11 is parallel to the optical axis Ad of the lens 2.
  • the light emitting element 11 is a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
  • the incident surface 51 of the optical fiber 5 is arranged at a distance F2 from the lens 2. Therefore, if when the lens array 4 is not present, the central ray A n of a plurality of laser beams emitted from the lens 2 is focused on the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • a lens array 4 is disposed at a position at a distance L2 from the lens 2.
  • the lens array 4 is arranged at a position where the outermost diameters of adjacent laser beams emitted from the lens 2 are in contact with each other. Then, each laser beam enters each corresponding lens area 40 of the lens array 4.
  • lens regions 40 are integrally formed in the lens array 4.
  • a holding structure between the lens regions 40 becomes unnecessary. Further, the ineffective area having no lens effect can be reduced or eliminated.
  • the size D 4 of each lens region 40 of the lens array 4 is determined so as to match the beam diameter W 2 of the laser beam to be incident. As a result, adjacent laser beams incident on the lens array 4 are emitted from the lens array 4 with the outermost diameters in contact with each other.
  • the center ray A n of each laser beam passes through the center of the corresponding lens region 40 of the lens array 4.
  • the central ray A n of each laser beam travels straight inside the lens array 4.
  • Central ray A n of each laser beam transmitted through the lens region 40 of the lens array 4 is focused at the focal position of the lens array 4.
  • Each laser beam enters the corresponding lens area 40 of the lens array 4.
  • Each laser beam is incident only on the corresponding lens area 40 of the lens array 4. Therefore, each laser beam passes through the lens array 4 in a state where the energy loss is minimized.
  • Each laser beam transmitted through the lens array 4 is condensed at the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5 to become a combined beam, where energy is concentrated.
  • the sum of the distance L 2 and the distance L 3 is to be equal to the focal length F 2, multiplexing condition of the optical system 100 is set.
  • multiplexing condition of the optical system 100 for example, a focal length F 2, a focal length F 4, the distance L 1, and the like distance L 2 or the distance L 3.
  • the conditions of the multiplexing optical system 100 are set according to the characteristics of the light source 1 and the characteristics of the multiplexed beam to be obtained.
  • the “characteristics of the light source 1 and the characteristics of the combined beam” include the number of light emitting elements to be combined, beam quality, beam diameter, oscillation wavelength, and the like.
  • each laser beam emitted from the plurality of light emitting elements 11 is condensed to one point and becomes a multiplexed beam. At a position where each laser beam is focused on one point, each laser beam forms a minimum spot.
  • the nineteen converging spots of the nineteen laser beams emitted from the nineteen light emitting elements 11 overlap at one point. That is, the respective focused spots of the respective laser beams are overlapped. At this time, the energy of each laser beam emitted from the 19 light emitting elements 11 is concentrated on one point with a small loss.
  • the arrangement interval P of the light emitting element 11 By adjusting the arrangement interval P of the light emitting element 11, the central ray A n of each laser after passing through the lens array 4 it can be focused on the assumed position.
  • the assumed position is the center 50 on the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • the arrangement interval P between the light emitting elements 11 the arrangement interval P is not the same among all the light emitting elements 11, but this does not pose a problem.
  • the “beam diameter” is defined as the width when the encircled power of the light intensity distribution becomes 86.5%.
  • the definition of the beam diameter is not limited to this.
  • the definition of the beam diameter may be defined according to the required light use efficiency or the beam quality of the combined beam.
  • each lens area 40 in the lens array 4 does not have to be circular as shown in FIG.
  • the shape of each lens region 40 may be a hexagonal shape including a circular lens portion.
  • the shape of the lens region 40 is a hexagon in which a circular lens is inscribed. Further, some sides of the hexagon may be arc-shaped.
  • the optical fiber 5 is arranged such that the center 50 of its own incident surface 51 coincides with the position where each laser beam emitted from the plurality of light emitting elements 11 is condensed to one point to form a combined beam. Have been.
  • the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5 coincides with the position where each laser beam emitted from the plurality of light emitting elements 11 is condensed to form a combined beam.
  • the diameter of the focused spot of the laser beam and the core diameter of the fiber have an appropriate relationship described below.
  • the focused spot diameter of the laser beam is the beam diameter of the combined beam.
  • the NA at the time of condensing by the multiplexing optical system 100 and the NA allowed by the optical fiber 5 have an appropriate relationship described below. Note that NA is the numerical aperture.
  • the core diameter of the optical fiber 5 can secure a coupling efficiency of 90 to 99.5% with respect to the total power of the combined beam.
  • the beam coupling efficiency on the incident surface 51 of the optical fiber 5 approaches 100%.
  • the laser beam incident on the optical fiber 5 is reflected at the interface between the core and the clad while propagating inside the optical fiber 5. For this reason, the laser beam spreads on a cross section perpendicular to the transmission direction. As a result, the light collecting property of the laser beam is reduced.
  • the energy loss of the laser beam propagating inside the optical fiber 5 increases.
  • a laser beam that has not entered the core of the optical fiber 5 is applied to the cladding or its periphery.
  • the laser beam not incident on the core of the optical fiber 5 causes heating or burning near the incident surface 51.
  • the NA allowed by the optical fiber 5 is preferably 1.2 to 3 times the NA when the combined beam is focused. If the NA allowed by the optical fiber 5 is too large, it is easily coupled to a higher-order mode depending on the state of the optical fiber 5 laid. For this reason, the light collecting property is deteriorated during transmission of the laser beam.
  • NA the NA allowed by the optical fiber is the same as or smaller than the NA at which the combined beam is focused, energy loss occurs during coupling or transmission of the laser beams. As a result, there is a possibility that damage to the optical fiber 5 or peripheral components may be caused from the part where the light has leaked.
  • the plurality of laser beams are efficiently coupled to the optical fiber 5. Then, the plurality of laser beams propagate inside the optical fiber 5 in a state where the deterioration of the beam quality is suppressed. From the exit surface of the optical fiber 5, a multiplexed beam having high output and high light condensing is output.
  • Large mode area fiber is a type of multimode fiber.
  • the large mode area fiber has a large core diameter of several tens of ⁇ m and a small allowable NA of about 0.15 or less.
  • the large mode area fiber can transmit only low-order modes. Coupling to higher modes is suppressed while the combined beam is transmitted in the fiber. As a result, it is possible to maintain a high light-collecting property of the output laser beam.
  • Table 1 shows a first example of the specifications of the multiplexing optical system 100.
  • the light emitting elements 11 of the light source 1 are arranged in a hexagonal lattice.
  • the characteristics of the multiplexing optical system 100 are as follows.
  • the size of the focused spot is approximately 48 ⁇ m in diameter.
  • the NA when condensing light is about 0.13.
  • An example of the characteristics of the optical fiber 5 is as follows.
  • the core diameter of the optical fiber 5 is, for example, about 50 ⁇ m.
  • Table 2 shows a second example of the specifications of the multiplexing optical system 100.
  • the plurality of light emitting elements 11 of the light source 1 are arranged in a hexagonal lattice.
  • the characteristics of the multiplexing optical system 100 are as follows.
  • the size of the converging spot is about 44 ⁇ m in diameter.
  • the NA at the time of condensing light is about 0.1.
  • An example of the characteristics of the optical fiber 5 is as follows.
  • the core diameter of the optical fiber 5 is, for example, about 50 ⁇ m.
  • the multiplexing optical system 100 includes the light source, the optical path changing member, and the light collecting member.
  • the light source includes a plurality of light emitting elements.
  • the light emitting device is a two-dimensional photonic crystal surface emitting laser.
  • the optical path changing member changes the optical path of each laser beam emitted from the plurality of light emitting elements and focuses the laser beam toward one point.
  • the optical path changing member changes the optical path of each laser beam emitted from the plurality of light emitting elements and focuses the laser beam.
  • the condensing member converges each laser beam emitted from the optical path changing member by a plurality of lens areas to form a combined beam.
  • the multiplexing optical system 100 is a multiplexing optical system having high light-collecting properties.
  • the multiplexing optical system 100 is a high-power multiplexing optical system.
  • the condensing member is disposed at a position where the outermost diameters of adjacent laser beams emitted from the optical path changing member are in contact with each other. Thereby, the condensing property of the combined beam is further enhanced.
  • the sizes of the plurality of lens regions included in the light collecting member are determined so as to be equal to the beam diameter of each laser beam incident on the plurality of lens regions.
  • the laser beams emitted from the light focusing member are emitted with their outermost diameters in contact with each other. Thereby, the condensing property of the combined beam is further enhanced.
  • the optical paths of the plurality of laser beams can be accurately changed by simple means.
  • the ineffective area between each lens area can be minimized and laser beams can be made closer to each other. For this reason, the convergence of the combined beam can be improved.
  • the plurality of light emitting elements are arranged in a hexagonal lattice.
  • the plurality of light emitting elements are arranged most densely. Therefore, the plurality of laser beams that are the source of the combined beam enter the optical path changing member as close as possible. This also makes it possible to easily obtain a multiplexed beam having a high condensing property.
  • "dense" generally indicates a state in which the objects are densely packed.
  • FIG. 4 is a diagram showing an arrangement of the light emitting elements 11 included in the light source 201 in the multiplexing optical system according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an array of lens regions 240 in the lens array 204 according to the second embodiment.
  • the light source 201 includes 16 light emitting elements 11.
  • the 16 light emitting elements 11 are arranged in a square lattice on the surface 31 of the heat sink 3.
  • the surface 31 is, for example, a single surface.
  • the arrangement of the light emitting elements 11 is a hexagonal lattice pattern due to various limitations such as the performance of the device used when the light emitting elements 11 are arranged, the electrode structure of the light source 1 and the required number of light emitting elements 11.
  • the beam occupancy can be increased to a certain extent to improve the condensing property of the combined beam.
  • FIG. 6 is a diagram showing an arrangement of the light emitting elements 11 included in the light source 301 in the multiplexing optical system according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing an array of lens regions 340 in the lens array 304 according to the third embodiment.
  • the light source 301 includes ten light emitting elements 11.
  • the ten light emitting elements 11 are arranged at equal angles on the circumference on the surface 31 of the heat sink 3.
  • the surface 31 is, for example, a single surface.
  • the beam occupancy obtained by the equiangular arrangement on the circumference according to the third embodiment is lower than the beam occupancy obtained by the hexagonal lattice arrangement according to the first embodiment.
  • the beam occupancy is higher in FIG. 7 than in FIG.
  • the arrangement of the light emitting elements 11 is a hexagonal lattice-like arrangement due to various limitations such as the performance of the device used for arranging the light emitting elements 11, the electrode structure of the light source 1, and the required number of light emitting elements 11.
  • the beam occupancy can be increased to a certain extent to improve the condensing property of the combined beam.
  • FIG. 8 is a diagram showing a cross section of a plane including the optical axis A in the multiplexing optical system 400 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the multiplexing optical system 400 includes the light source 1, the polyhedral prism 402, and the lens array 4.
  • the multiplexing optical system 400 can include the optical fiber 5.
  • a polyhedral prism 402 is used instead of the lens 2 of the first embodiment. Except for this point, the multiplexing optical system 400 is the same as or similar to the multiplexing optical system 100. Therefore, the same or similar components as those of the multiplexing optical system 100 are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
  • the distance from the polygon prism 402 to the lens array 4 is L402 .
  • the distance from the lens array 4 to the incident surface 51 of the optical fiber 5 is represented by L403 .
  • the polyhedral prism 402 is arranged between the light source 1 and the lens array 4.
  • the polyhedral prism 402 has a prism surface Pn corresponding to each of the plurality of light emitting elements 11.
  • the subscript n is to corresponds with index n of the central ray A n. That is, the subscript n of the prism surface P n is the same as the index n of the central ray A n.
  • the polyhedral prism 402 has an entrance surface 421 and an exit surface 422.
  • the incident surface 421 of the polyhedral prism 402 is a plane perpendicular to the optical axis A of the multiplexing optical system 400.
  • the exit surface 422 of the polyhedral prism 402 includes a prism surface Pn .
  • the prism surfaces Pn are surfaces in different directions corresponding to the N light-emitting elements 11, respectively.
  • Position of the optical axis A of the focal length F 402 polyhedral prism 402 is a focusing position.
  • the condensing position is the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • Each laser beam emitted from each light emitting element 11 is perpendicularly incident on the incident surface 421 of the polyhedral prism 402.
  • Each laser beam entering the polyhedral prism 402 exits from the corresponding prism surface Pn .
  • Each laser beam emitted from the polyhedral prism 402 proceeds toward the above-mentioned condensing position. If when the lens array 4 is not present, the central ray A n of each laser beam emitted from the polyhedron prism 402 is mainly collected at 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • adjacent laser beams approach each other as they travel. Then, at a distance L 402 from polyhedral prism 402, the outermost diameter of the adjacent laser beam is in contact with one another.
  • a lens array 4 is disposed.
  • the lens array 4 is arranged at a position where the outermost diameters of adjacent laser beams emitted from the polyhedral prism 402 are in contact with each other. Then, each laser beam enters each corresponding lens area 40 of the lens array 4.
  • Each laser beam passes through the lens array 4 with the energy loss minimized.
  • Each laser beam transmitted through the lens array 4 is condensed at the center 50 of the incident surface 51 of the optical fiber 5 to become a combined beam, where energy is concentrated.
  • the conditions of the multiplexing optical system 400 are set such that the sum of the distance L 402 and the distance L 403 is equal to the focal length F 402 .
  • the conditions of the multiplexing optical system 400 include, for example, the focal point distance F 402 , the focal length F 404 of the lens array 4, the distance L 401 , the distance L 402 , the distance L 403 , and the like.
  • the conditions of the multiplexing optical system 400 are set according to the characteristics of the light source 1 and the characteristics of the multiplexed beam to be obtained. In this manner, similarly to the first embodiment, it is possible to obtain a multiplexed beam having high condensing properties.
  • the incident surface 421 of the polyhedral prism 402 does not have to be flat.
  • the entrance surface may be a polyhedron.
  • the optical path changing member according to the present invention is the lens 2 in the first to third embodiments, and is the polyhedral prism 402 in the fourth embodiment.
  • the optical path changing member is not limited to these two.
  • a diffractive optical element can be used as the optical path changing member. By using the diffractive optical element, the thickness of the optical path changing member can be reduced.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a state of focusing of a laser beam transmitted through the lens array 4 when the shape of the lens array 4 in the first embodiment is not appropriate.
  • the lens region 40R 1 on the optical axis A of the multiplexing optical system 100, a lens region 40R 2 and 40R 3 out of the optical axis A are all Have the same shape and are on the same plane.
  • the laser beam transmitted through the lens region 40R 1 on the optical axis A form a minimum spot on the incident surface 51 of the optical fiber 5.
  • the laser beam transmitted through the optical axis A outside the lens region 40R 2 and 40R 3 forms a minimum spot in front than to reach the incident surface 51.
  • the laser beams do not intersect at one point but intersect.
  • a method of correcting these aberrations As a method of correcting these aberrations, a method of combining a plurality of lenses or making a lens surface aspherical is known.
  • a method of correcting aberration using a plurality of lenses is not suitable. This is because the lens array is an expensive optical member, and it is necessary to adjust the relative positions of the plurality of lens arrays with high accuracy.
  • the curvature of field is an aberration that cannot be corrected by a single lens.
  • the shape of the lens array refers to the shape and thickness of both surfaces in each lens region and the relative position of each lens region in the lens array. In order to obtain the same magnification in any of the lens regions, the focal length of each lens region should be equal.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a first example of a suitable shape of the lens array 4 according to the first embodiment.
  • each lens area 40 of the lens array 4 is parallel to the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • Each of the lens regions 40 has at least one lens surface, here a lens surface on the light source side, which is aspherical, and corrects aberrations other than field curvature.
  • the optical axis A outside the lens region 40R 2 and 40R 3 inhibit astigmatism and coma. If both surfaces of each lens area 40 are aspherical, aberrations may be better corrected.
  • the lens surfaces on the light source side in the lens regions 40R 1 , 40R 2 and 40R 3 are denoted by S1 R1 , S1 R2 and S1 R3 , respectively. Further, the lens surfaces on the converging point side in the lens regions 40R 1 , 40R 2 and 40R 3 are denoted by S2 R1 , S2 R2 and S2 R3 , respectively.
  • curvatures C 2R1 , C 2R2 and C 2R3 are designed so as to satisfy the following relational expression.
  • the curvature of the lens surface on the converging point side of each lens area 40 is designed to increase as the distance between the optical axis of the lens area and the optical axis A of the multiplexing optical system 100 increases. .
  • the back focus can be increased by increasing the curvature of each lens surface on the focusing point side.
  • the distance from the lens surface on the light-converging point side to the light-condensing position becomes longer as the lens area 40 is farther from the optical axis A of the multiplexing optical system 100. That is, by increasing the curvature of the lens surface closer to the converging point as the lens area 40 is farther away from the optical axis A of the multiplexing optical system 100, the extension of the back focus and the forward tilt of the converging position due to the curvature of field are reduced. Can be offset. As a result, the laser beam transmitted through each lens area 40 forms a minimum spot at the same location.
  • the front focus becomes short.
  • the distance L 2 is several tens of times larger several times the distance L 3. For this reason, the influence of the front focus changing by a very small distance about the curvature of field is small.
  • the shape of the lens array 4 as described above, it is possible to correct aberration and obtain a good condensed spot, and to align the position where the minimum spot is formed, thereby improving the condensing property of the combined beam. be able to.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a second example of a suitable shape of the lens array 4 according to the first embodiment.
  • each lens region 40 of the lens array 4 is parallel to the optical axis A of the multiplexing optical system 100. Further, each lens region 40 has the same shape. That is, in each of the lens regions 40, the shape of the lens surface on the light source side is all the same, and the shape of the lens surface on the condensing point side is also all the same.
  • each lens area 40 at least one lens surface, here the lens surface on the light source side, is aspherical, and corrects aberrations other than field curvature.
  • the lens area is arranged at a position shifted toward the light-converging point along the optical axis A of the multiplexing optical system 100.
  • the longer the distance between the optical axis of the lens area and the optical axis A of the multiplexing optical system 100 is, the longer the vertex of the lens surface on the converging point side of each lens area 40 is. It is located on the converging point side along the optical axis A. Thereby, the forward tilt of the image plane due to the field curvature is corrected.
  • the distance between the lens region 40 and the lens 2 is slightly reduced by protruding the lens region 40 closer to the converging point as the lens region 40 is closer to the periphery.
  • the effect of this is slight.
  • the shape of the lens array 4 as described above, it is possible to correct aberration and obtain a good condensed spot, and to align the position where the minimum spot is formed, thereby improving the condensing property of the combined beam. be able to.

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Abstract

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

Description

合波光学系
　本発明は、合波光学系に関する。
　従来、高いレーザー出力を得ることを目的として、光源から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成し、これを光ファイバ等の伝送手段に結合する合波光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、Ｍ×Ｎに配置された複数の光源から出射された複数のレーザー光線を結合手段によって１個の受光器に結合させる、光パワー合成用光学系が記載されている。この光パワー合成用光学系の結合手段は、コリメータ光学素子と、アナモフィック光学素子と、集光用光学素子とから構成されている。アナモフィック光学素子は、Ｍ個の配列方向の倍率がＮ個の配列方向の倍率よりも大きくなるように配置されている。
特開２００５－１１４９７７号公報
　しかしながら、特許文献１の光パワー合成用光学系は、アナモフィック光学素子によって、複数のレーザー光線の各ビーム径を縮小している。したがって、各レーザー光線のビーム径とビーム間隔との両方が、同じ比率で縮小されている。
　特許文献１の光パワー合成用光学系では、ビーム間隔は相対的には縮小されない。つまり、ビーム径とビーム間隔との比率は変化しない。そのため、合波ビームにおける総ビーム径内のビーム占有率は変化しない。結果として、集光角度を小さくすることが難しく、集光性を高めることが困難である。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、集光性の高い合波ビームを形成することができる、合波光学系を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するために、本発明に係る合波光学系は、面発光レーザーの複数の発光素子を含む光源と、複数の発光素子の各々から出射されたレーザー光線の光路をそれぞれ変更して集光させる光路変更部材と、光路変更部材によって変更された複数のレーザー光線のそれぞれの光路に対応して配列された複数のレンズ領域を含み、当該複数のレンズ領域によって複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する集光部材とを備える。
　本発明に係る合波光学系によれば、集光性の高い合波ビームを形成することができる。
実施の形態１に係る合波光学系の構成を示す図である。 実施の形態１に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態１に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態２に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態２に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態３に係る光源を合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態３に係るレンズアレイを合波光学系の光軸Ａの方向から見た図である。 実施の形態４に係る合波光学系の構成を示す図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの形状が適切でない場合における、レンズアレイを透過するレーザー光線の集光の様子を説明する図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの好適な形状の第１の例を示す図である。 実施の形態１におけるレンズアレイの好適な形状の第２の例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本願が開示する合波光学系の実施の形態を詳細に説明する。ただし、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
　また、以下の実施の形態では、特に光源から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する合波光学系に関して説明する。
　＜合波光学系の集光性＞
　合波光学系では、光源に含まれる複数の発光素子からそれぞれ出射されるレーザー光線を合波することによって、高出力の合波ビームを形成する。この際、先述したように、合波ビームが高い集光性を有することが重要である。
　ＢＰＰ（ビームパラメータプロダクト：Beam Parameter Product）は、ビームの集光性を評価する指標である。ＢＰＰは、ビーム径と集光角度との積またはビーム径と発散角度との積として定義される。この定義から明らかであるように、ビーム径が一定の場合、集光性を高めるためには、集光角度を小さくすることが有効である。
　複数のレーザー光線を合波する場合も同様である。複数のレーザー光線を空間的に集光させる場合、集光性の高い合波ビームを形成するためには、隣り合うレーザー光線同士の間隔を狭めた状態で集光させる。これによって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を高めることができる。
　特に、隣り合うレーザー光線同士の間隔をゼロにした状態にすることによって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を最も高めることができる。つまり、隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する状態にする。
　換言すれば、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率を高めることによって、合波ビームの集光角度を小さくすることができる。そして、集光性の高い合波ビームを得ることができる。
　実施の形態１．
　＜合波光学系１００の構成＞
　図１は、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００の構成を示す図である。図１は、合波光学系１００の光軸Ａを含む断面を示している。以下、図１を参照して、合波光学系１００の全体構成を説明する。
　合波光学系１００は、光源１、レンズ２およびレンズアレイ４を備えている。合波光学系１００は、光ファイバ５を備えることができる。光源１は、複数の発光素子１１を含んでいる。レンズ２は、光路変更部材の一例である。レンズアレイ４は、集光部材の一例である。光ファイバ５は、伝送手段の一例である。
　光源１は、２次元フォトニック結晶面発光レーザーの複数の発光素子１１を含んでいる。本実施の形態１では、複数の発光素子１１は、例えば、ヒートシンク３の面３１上に配列されている。ここで、面３１は、例えば、単一の面である。また、複数の発光素子１１は、例えば、光軸Ａと平行な方向を向いて配列されている。ヒートシンク３は、各発光素子１１が発する熱を放熱する。これによって、ヒートシンク３は、各発光素子１１の温度上昇を抑える働きをする。
　図２は、複数の発光素子１１を含む光源１を図１の光軸Ａの方向から見た図である。本実施の形態１では、光源１は１９個の発光素子１１を含んでいる。また、１９個の発光素子１１は、互いに間隔を空けて六方格子状に配列されている。ただし、発光素子１１の数および配置の態様は、これに限定されるものではない。
　図１に戻って、複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、面３１に対して垂直である。したがって、複数の発光素子１１は、面３１に対して垂直な方向にレーザー光線を出射する。複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、互いに平行である。また、複数の発光素子１１の各光軸Ａｅは、合波光学系１００の光軸Ａに平行である。
　光源１から出射された複数のレーザー光線は、レンズ２に入射する。レンズ２は集光作用を有している。レンズ２は、合波光学系１００の光軸Ａに対して垂直に配置されている。つまり、レンズ２の光軸Ａｄは、合波光学系１００の光軸Ａに平行である。
　レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の進行方向を変更する。つまり、レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の光路を変更する。具体的には、レンズ２は、光源１から出射された複数のレーザー光線の進行方向を、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に向けて変化させる。これによって、後述するレンズアレイ４が存在しない場合には、レンズ２を透過した後の各レーザー光線の光路は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集中する。
　レンズ２によって光路を変更された複数のレーザー光線は、レンズアレイ４に入射する。レンズアレイ４は、合波光学系１００の光軸Ａに対して垂直に配置されている。レンズアレイ４は、同一の面内に配列された複数のレンズ領域４０を含んでいる。
　光源１の複数の発光素子１１と、レンズアレイ４の複数のレンズ領域４０とは、一対一に対応している。レンズアレイ４の各レンズ領域４０は、レンズ２によって光路を変更された各レーザー光線のそれぞれの光路に対応する位置に配列されている。
　図３は、レンズアレイ４を図１の光軸Ａの方向から見た図である。本実施の形態１では、光源１には１９個の発光素子１１が含まれている。したがって、レンズアレイ４にも、１９個のレンズ領域４０が含まれている。各レンズ領域４０は、集光作用を有している。また、各レンズ領域４０は、同一の面上に隣接して配列されている。なお、レンズアレイ４の有効領域は、光源１の発光領域よりも小さい。
　図１に戻って、レンズアレイ４の各レンズ領域４０にそれぞれ入射した複数のレーザー光線は、レンズアレイ４を透過した後には、光ファイバ５の入射面５１上に集光されて合波ビームとなる。
　光ファイバ５は、伝送用の光ファイバである。光ファイバ５は、合波ビームを伝送する。つまり、光ファイバ５は、集光されたレーザー光線を結合して伝送する。また、本実施の形態１では、光ファイバ５は、マルチモードファイバである。マルチモードファイバでは、光が複数のモードに分かれてコア内を伝搬する。
　なお、マルチモードファイバには、ステップインデックス型と、グレーデッドインデックス型とがある。ステップインデックス型は、コアの屈折率が一定の光ファイバである。グレーデッドインデックス型は、コアの屈折率が滑らかに分布している光ファイバである。光ファイバ５の仕様は、発光素子１１の特性および数を考慮して適切に選定することができる。
　＜２次元フォトニック結晶面発光レーザー＞
　次に、本実施の形態１で用いる２次元フォトニック結晶面発光レーザーについて説明する。２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、活性層近傍に発振波長程度の周期的な構造を設けた面発光型の半導体レーザーである。この周期的な構造をフォトニック結晶構造という。
　一般に、半導体レーザーは、発光領域を大きくすることによって、高出力化をはかることができる。しかしながら、現在一般に実用化されている垂直共振器型面発光レーザーでは、発光領域を大きくすると、集光性が低下するという問題がある。そのため、垂直共振器型面発光レーザーでは、高出力と高集光性とは両立しない。
　これに対して、２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、原理的には、発光領域を大きくしても、集光性を維持することが可能である。そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、高出力かつ高集光性のレーザー光源として期待されている。
　２次元フォトニック結晶面発光レーザーの代表的な特性では、発光領域の大きさは直径が数百μｍである。また、ビーム品質は、Ｍ2値で１から５程度である。例えば、発振波長が９４０ｎｍ、発光領域の大きさが直径で３００μｍ、ビーム品質がＭ2値で２の場合には、出射されるビームの発散角は全角で０．５度程度である。２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、発光領域が大きくかつビーム品質が良好であるため、直進性の高い出射ビームが得られる。なお、「ビーム品質が良好」とは、Ｍ2値が小さいという意味である。
　また、２次元フォトニック結晶面発光レーザーでは、例えば、発光領域の大きさを直径１ｍｍまで拡大すると、１０Ｗ級の出力が得られることが見込まれている。そのため、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、高出力かつ高集光性のレーザー光源となり得る。
　＜発光素子の配列間隔について＞
　半導体レーザーを高出力かつ良好に動作させるためには、発熱への対処が重要である。半導体レーザーでは、供給電力の４０～６０％が熱になる。そして、出力が高くなると発生する熱がさらに増加する。そのため、高出力の半導体レーザーの発光素子は、サブマウントまたはヒートシンクを備える冷却構造の上に実装されることが好ましい。
　冷却構造では、発光素子で発生した熱は、伝えられて拡散されて放熱される。発生する熱が増加すれば、冷却構造は大型化する。２次元フォトニック結晶面発光レーザーで１０Ｗの出力を得る場合には、放熱のために、発光素子１１の配列間隔は数ｍｍ程度必要と計算されている。
　また、２次元フォトニック結晶面発光レーザーは、給電のための電極構造を発光面の周囲に設ける構造を有している。電極が光を透過しない金属などで形成されている場合には、その部分でレーザー光線が遮られないように、隣り合う発光素子１１を配列する必要がある。
　以上のような理由から、２次元フォトニック面発光レーザーの複数の発光素子１１を近接して配列する場合には、隣り合う発光素子１１の間に必要な距離を確保して配列する必要がある。換言すれば、各発光素子１１は、互いに間隔を空けて配列される必要がある。図２を参照して先述したように、本実施の形態１では、各発光素子１１は互いに間隔を空けて配列されている。
　＜合波光学系１００の動作＞
　次に、本実施の形態１に係る合波光学系１００の動作について詳細に説明する。図２のように、合波光学系１００は、間隔を空けて配列された複数の発光素子１１から出射された複数のレーザー光線を集光させて合波ビームを形成する。この場合には、合波ビームの径内におけるビーム占有率を高めることによって、合波ビームの集光性が高められる。
　まず、合波光学系１００で用いる符号について説明する。その際、図１を併せて参照されたい。レンズ２の焦点距離をＦ2とする。また、図１には示されていないが、レンズアレイ４の焦点距離をＦ4とする。
　光源１の各発光素子１１からレンズ２までの距離をＬ1とする。レンズ２からレンズアレイ４までの距離をＬ2とする。レンズアレイ４を透過した複数のレーザー光線が集光するまでに要する距離をＬ3とする。
　レンズアレイ４に入射する各レーザー光線の直径をＷ2とする。レーザー光線の直径はビーム径である。レンズアレイ４の各レンズ領域４０の大きさをＤ4とする。Ｄ4は、例えば、レンズ領域４０の直径である。ヒートシンク３の面３１上に配列された複数の発光素子１１の配列間隔をＰとする。
　また、図１には示されていないが、１９個の発光素子１１から出射される１９本のレーザー光線における各中心光線をＡnとする。ただし、添字ｎ＝１、２、・・・Ｎである。Ｎは発光素子１１の数であり、本実施の形態１ではＮ＝１９である。なお、中心光線とは、レーザー光線におけるビーム径の中心を通る中心線のことである。
　本実施の形態１および後述する実施の形態２～４において、各レーザー光線のビーム径とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％になるときの直径であると定義する。そして、本明細書中において「レーザー光線」とは、このように定義されたビーム径を有する光を意味するものとする。この場合、レーザー光線の最外径とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％となる径である。なお、合波ビームのビーム径も同様に定義される。
　続いて、合波光学系１００の動作について説明する。複数の発光素子１１は、合波光学系１００の光軸Ａと平行にレーザー光線を出射する。各レーザー光線はレンズ２に垂直に入射する。すなわち、各発光素子１１から出射された各レーザー光線は、レンズ２の光軸Ａｄに平行である。ここで、発光素子１１は、２次元フォトニック結晶面発光レーザーである。
　レンズ２に入射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnの進行方向は、レンズ２から出射する際には変化している。具体的には、レンズ２から出射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、レンズ２から距離Ｆ２の位置の一点に向けて集光する。すなわち、複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、レンズ２から距離Ｆ２の位置に集光する。
　本実施の形態１では、レンズ２から距離Ｆ２の位置には、光ファイバ５の入射面５１が配置されている。そのため、仮にレンズアレイ４が存在しない場合には、レンズ２から出射した複数のレーザー光線の各中心光線Ａnは、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光する。
　また、レンズ２から出射した複数のレーザー光線において、隣り合うレーザー光線同士は、進行するにつれて互いに接近する。そして、レンズ２から距離Ｌ２の位置で、隣り合うレーザー光線の最外径は互いに接するようになる。
　レンズ２から距離Ｌ２の位置には、レンズアレイ４が配置されている。換言すれば、レンズアレイ４は、レンズ２から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。そして、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応する各レンズ領域４０に入射する。
　レンズアレイ４には、１９個のレンズ領域４０が一体成型されている。一体成型で製作することによって、レンズ領域４０間の保持構造が不要になる。また、レンズ効果を有しない無効領域を小さくすることまたは無くすことができる。
　本実施の形態１では、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の大きさＤ4は、入射するレーザー光線のビーム径Ｗ2と一致するように定められている。その結果、レンズアレイ４に入射した隣り合うレーザー光線同士は、最外径が互いに接した状態でレンズアレイ４から出射される。
　また、各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４における対応するレンズ領域４０の中心を通過する。したがって、各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４の内部を直進する。レンズアレイ４の各レンズ領域４０を透過した各レーザー光線の中心光線Ａnは、レンズアレイ４の焦点位置に集光する。
　また、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応するレンズ領域４０に入射する。各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応するレンズ領域４０にのみ入射する。そのため、各レーザー光線は、エネルギーの損失を最大限抑えた状態でレンズアレイ４を透過する。レンズアレイ４を透過した各レーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光して合波ビームとなり、そこにエネルギーが集中する。
　本実施の形態１では、距離Ｌ2と距離Ｌ3との和が焦点距離Ｆ2と等しくなるように、合波光学系１００の条件が設定されている。なお、合波光学系１００の条件とは、例えば、焦点距離Ｆ2、焦点距離Ｆ4、距離Ｌ1、距離Ｌ2または距離Ｌ3などである。
　合波光学系１００の条件は、光源１の特性および得ようとする合波ビームの特性に応じて設定される。なお、「光源１の特性および合波ビームの特性」とは、合波する発光素子の数、ビーム品質、ビーム径、発振波長などである。
　これらの値が定まると、レンズアレイ４に入射する複数のレーザー光線のビーム径Ｗ2を計算することができる。これによって、レンズアレイ４における各レンズ領域４０の大きさＤ2および発光素子１１の配列間隔Ｐを決定することができる。
　上記のように設計された合波光学系１００では、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線は１点に集光して合波ビームとなる。各レーザー光線が１点に集光した位置において、各レーザー光線は最小スポットを形成する。
　本実施の形態１では、１９個の発光素子１１から出射された１９本のレーザー光線の１９個の集光スポットは１点で重なり合っている。すなわち、各レーザー光線の各集光スポットは重なり合っている。この際、１９個の発光素子１１から出射された各レーザー光線のエネルギーは、少ない損失で１点に集中している。
　また、レンズアレイ４を透過した後の複数のレーザー光線は、隣り合うレーザー光線同士の最外径が互いに接した状態で出射して集光する。したがって、合波ビームにおけるビーム径内のビーム占有率は高められる。つまり、合波ビームの集光性は高められる。
　なお、実際の厚みのあるレンズを用いる場合には、レンズに斜めに入射したレーザー光線の中心光線Ａnは、レンズの前後でわずかに平行にずれる。このような場合には、ヒートシンク３上の各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって対処する。
　各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって、レンズアレイ４を透過した後の各レーザー光線の中心光線Ａnを、想定した位置に集光させることができる。ここで、想定した位置とは、光ファイバ５の入射面５１上の中心５０である。なお、各発光素子１１の配列間隔Ｐを調整することによって、配列間隔Ｐがすべての発光素子１１間で同一ではなくなるが、これが問題となることはない。
　なお、上記において、「ビーム径」とは、光強度分布のエンサークルドパワーが８６．５％になるときの幅であると定義した。しかしながら、ビーム径の定義はこれに限定されるものではない。ビーム径の定義は、必要な光利用効率または合波ビームのビーム品質に応じて定義されればよい。
　また、レンズアレイ４における各レンズ領域４０の形状は、図３に示されるような円形でなくてもよい。例えば、各レンズ領域４０の形状は、円形のレンズ部分を含む六角形状でもよい。例えば、レンズ領域４０の形状は、円形のレンズが内接する六角形状である。また、六角形の一部の辺が円弧状でもよい。
　＜光ファイバへの結合＞
　光ファイバ５は、自身の入射面５１の中心５０と、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線が１点に集光して合波ビームが形成される位置とが、一致するように配置されている。光ファイバ５の入射面５１の中心５０と、複数の発光素子１１から出射された各レーザー光線が集光して合波ビームが形成される位置とは一致している。
　光ファイバ５は、レーザー光線の集光スポット径とファイバのコア径とが、以下に示す適切な関係にある。レーザー光線の集光スポット径は、合波ビームのビーム径である。また、光ファイバ５は、合波光学系１００の集光する際のＮＡと光ファイバ５の許容するＮＡとが、以下に示す適切な関係にある。なお、ＮＡは開口数である。
　光ファイバ５のコア径は、合波ビームの総パワーに対して９０～９９．５％の結合効率を確保できることが好ましい。
　大きいコア径を選択すると、光ファイバ５の入射面５１におけるビームの結合効率は、１００％に近くなる。しかしながら、光ファイバ５に入射したレーザー光線は、光ファイバ５の内部を伝播する間にコアとクラッドとの界面で反射される。このため、レーザー光線は伝送方向と垂直な断面上で広がってしまう。結果として、レーザー光線の集光性は低下する。
　一方、小さいコア径を選択すると、光ファイバ５の内部を伝搬中のレーザー光線のエネルギー損失が大きくなる。また、光ファイバ５のコアに入射しなかったレーザー光線が、クラッドまたはその周辺に照射される。結果として、光ファイバ５のコアに入射しなかったレーザー光線は、入射面５１の付近での加熱または焼損を引き起こす原因となる。
　また、光ファイバ５の許容するＮＡは、合波ビームの集光する際のＮＡに対して、１．２～３倍が好ましい。光ファイバ５の許容するＮＡが大きすぎる場合には、光ファイバ５の敷設の状態などによって、簡単に高次モードへ結合してしまう。そのため、レーザー光線の伝送中に集光性が劣化する。
　光ファイバの許容するＮＡが合波ビームの集光する際のＮＡと同じ場合または小さい場合には、レーザー光線の結合時または伝送中にエネルギーの損失が発生する。結果として、光が漏れ出した部分から光ファイバ５の損傷または周辺部品の損傷を引き起こす可能性がある。
　このようにして、複数のレーザー光線は、効率よく光ファイバ５に結合される。そして、複数のレーザー光線は、ビーム品質の低下を抑えた状態で光ファイバ５の内部を伝搬する。光ファイバ５の出射面からは、高出力かつ高集光性の合波ビームが出力される。
　なお、発光素子１１の数が２～２０個程度の場合には、光ファイバ５にラージモードエリアファイバを用いることが好ましい。ラージモードエリアファイバは、マルチモードファイバの一種である。ラージモードエリアファイバは、コア径が数１０μｍと大きく、許容するＮＡが０．１５以下程度と小さい。ラージモードエリアファイバは、低次のモードのみが伝送可能である。合波ビームがファイバ内で伝送される間に、高次モードへの結合が抑制される。結果として、出力されるレーザー光線の集光性を高く維持することができる。
　＜具体的な数値例＞
　次に、本実施の形態１に係る合波光学系１００における具体的な数値例を示す。
　＜数値例１＞
　表１は、合波光学系１００の仕様の第１の例を示している。なお、光源１の複数の発光素子１１は、六方格子状に配置されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１では、光源１の各発光素子１１のビーム径をＷ0で表記している。ビーム品質はＭ2で表記している。発光素子１１の数はＮで表記している。
　表１の仕様の場合には、合波光学系１００の特性は次の通りである。集光スポットの大きさは、直径約４８μｍである。集光する際のＮＡは、約０．１３である。なお、光ファイバ５の特性の一例を挙げると次の通りである。光ファイバ５のコア径は、例えば、直径約５０μｍである。光ファイバの許容するＮＡは、例えば、ＮＡ＝０．１６である。
　＜数値例２＞
　表２は、合波光学系１００の仕様の第２の例を示している。光源１の複数の発光素子１１は、六方格子状に配置されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２の仕様の場合には、合波光学系１００の特性は次の通りである。集光スポットの大きさは、直径約４４μｍである。集光する際のＮＡは、約０．１である。なお、光ファイバ５の特性の一例を挙げると次の通りである。光ファイバ５のコア径は、例えば、直径約５０μｍである。光ファイバの許容するＮＡは、例えば、ＮＡ＝０．１２である。
　＜実施の形態１の効果＞
　以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００は、光源、光路変更部材および集光部材を備えている。光源は、複数の発光素子を含む。発光素子は２次元フォトニック結晶面発光レーザーである。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して１点に向けて集光させる。光路変更部材は、複数の発光素子から出射された各レーザー光線の光路を変更して集光させる。集光部材は、光路変更部材から出射した各レーザー光線を複数のレンズ領域によって集光させて合波ビームを形成する。
　上記の特徴によって、本発明の実施の形態１に係る合波光学系１００は、集光性の高い合波光学系となる。また、合波光学系１００は、高出力の合波光学系となる。
　また、集光部材は、光路変更部材から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。これによって、合波ビームの集光性がさらに高められる。
　また、集光部材に含まれる複数のレンズ領域の大きさは、これら複数のレンズ領域に入射する各レーザー光線のビーム径と等しくなるように定められている。そして、集光部材から出射する各レーザー光線は互いの最外径が接する状態で出射される。これによって、合波ビームの集光性がさらに高められる。
　また、光路変更部材としてレンズを用いることによって、複数のレーザー光線の光路を簡易な手段で精度良く変更することができる。
　また、集光部材としてレンズアレイを用いることによって、各レンズ領域間の無効領域を最小化して、レーザー光線同士をより接近させることができる。このため、合波ビームの集光性を高めることができる。
　また、複数の発光素子は、六方格子状に配列されている。そして、複数の発光素子は最も稠密に配列されている。したがって、合波ビームの元になる複数のレーザー光線は、可能なかぎり接近した状態で光路変更部材に入射する。これによっても、集光性の高い合波ビームを容易に得ることができる。なお、「稠密」とは、一般に密集してぎっしり詰まっている様子を表す。
　また、光ファイバとして、ラージモードエリアファイバを用いることによって、光ファイバから出力されるレーザー光線の集光性を高く維持することができる。
　実施の形態２．
　＜正方格子状の配列＞
　図４は、本発明の実施の形態２に係る合波光学系における、光源２０１に含まれる発光素子１１の配列を示す図である。また、図５は、本実施の形態２に係るレンズアレイ２０４におけるレンズ領域２４０の配列を示す図である。
　本実施の形態２では、光源２０１は、１６個の発光素子１１を含んでいる。１６個の発光素子１１は、ヒートシンク３の面３１上に正方格子状に配列されている。面３１は、例えば、単一の面である。
　本実施の形態２に係る正方格子状の配列によって得られるビーム占有率は、実施の形態１に係る六方格子状の配列によって得られるビーム占有率よりも低い。しかしながら、本実施の形態２の図４と図５とを比較すると、図５では図４よりもビーム占有率が高められている。
　したがって、本実施の形態２では、発光素子１１を配列する際に用いる装置の性能、光源１の電極構造または必要な発光素子１１の数などの諸制約によって、発光素子１１の配列として六方格子状の配置を採用できない場合に、ビーム占有率をある程度まで上げて合波ビームの集光性を高めることができる。
　実施の形態３．
　＜円弧状の配列＞
　図６は、本発明の実施の形態３に係る合波光学系における、光源３０１に含まれる発光素子１１の配列を示す図である。また、図７は、本実施の形態３に係るレンズアレイ３０４におけるレンズ領域３４０の配列を示す図である。
　本実施の形態３では、光源３０１は、１０個の発光素子１１を含んでいる。１０個の発光素子１１は、ヒートシンク３の面３１上の円周上に等角度で配列されている。面３１は、例えば、単一の面である。
　本実施の形態３に係る円周上の等角度の配列によって得られるビーム占有率は、実施の形態１に係る六方格子状の配列によって得られるビーム占有率よりも低い。しかしながら、本実施の形態３の図６と図７とを比較すると、図７では図６よりもビーム占有率が高められている。
　したがって、本実施の形態３では、発光素子１１を配列する際に用いる装置の性能、光源１の電極構造または必要な発光素子１１の数などの諸制約によって、発光素子１１の配列として六方格子状の配置を採用できない場合に、ビーム占有率をある程度まで上げて合波ビームの集光性を高めることができる。
　実施の形態４．
　＜多面体プリズム＞
　図８は、本発明の実施の形態４に係る合波光学系４００における、光軸Ａを含む面の断面を示す図である。
　合波光学系４００は、光源１、多面体プリズム４０２およびレンズアレイ４を備えている。合波光学系４００は、光ファイバ５を備えることができる。
　本実施の形態４では、実施の形態１のレンズ２に代えて、多面体プリズム４０２が用いられている。この点以外では、合波光学系４００は合波光学系１００と同一または同様である。そのため、合波光学系１００と同一または同様の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
　光源１の各発光素子１１から多面体プリズム４０２までの距離をＬ401とする。また、多面体プリズム４０２からレンズアレイ４までの距離をＬ402とする。さらに、レンズアレイ４から光ファイバ５の入射面５１までの距離をＬ403とする。
　多面体プリズム４０２は、光源１とレンズアレイ４との間に配置されている。多面体プリズム４０２は、複数の発光素子１１にそれぞれ対応するプリズム面Ｐnを有している。ただし、添字ｎ＝１、２、３、・・・、Ｎである。Ｎは発光素子１１の数である。また、添字ｎは、中心光線Ａnの添字ｎとも対応している。すなわち、プリズム面Ｐnの添字ｎは、中心光線Ａnの添字ｎと同じである。
　多面体プリズム４０２は、入射面４２１および出射面４２２を有している。多面体プリズム４０２の入射面４２１は、合波光学系４００の光軸Ａに垂直な平面である。多面体プリズム４０２の出射面４２２は、プリズム面Ｐnを含んでいる。ただし、プリズム面Ｐnは、Ｎ個の発光素子１１にそれぞれ対応した互いに異なる向きの面である。
　ここで、プリズム面Ｐ1～ＰNの光軸Ａに対する傾きは、各発光素子１１から出射された各レーザー光線のそれぞれの中心光線Ａnが、多面体プリズム４０２から焦点距離Ｆ402の光軸Ａ上で交わるように定められている。多面体プリズム４０２から焦点距離Ｆ402の光軸Ａの位置は、集光位置である。本実施の形態４において、集光位置は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０である。
　各発光素子１１から出射された各レーザー光線は、多面体プリズム４０２の入射面４２１に垂直に入射する。多面体プリズム４０２に入射した各レーザー光線は、それぞれ対応するプリズム面Ｐnから出射する。
　多面体プリズム４０２から出射した各レーザー光線は、上記の集光位置に向けて進行する。仮にレンズアレイ４が存在しない場合には、多面体プリズム４０２から出射した各レーザー光線の各中心光線Ａnは、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光する。
　多面体プリズム４０２から出射した複数のレーザー光線において、隣り合うレーザー光線同士は、進行するにつれて互いに接近する。そして、多面体プリズム４０２から距離Ｌ402の位置で、隣り合うレーザー光線の最外径は互いに接するようになる。
　多面体プリズム４０２から距離Ｌ402の位置には、レンズアレイ４が配置されている。換言すれば、レンズアレイ４は、多面体プリズム４０２から出射した隣り合うレーザー光線の最外径が互いに接する位置に配置されている。そして、各レーザー光線は、レンズアレイ４の対応する各レンズ領域４０に入射する。
　各レーザー光線は、エネルギーの損失を最大限抑えた状態でレンズアレイ４を透過する。レンズアレイ４を透過した各レーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１の中心５０に集光して合波ビームとなり、そこにエネルギーが集中する。
　本実施の形態４では、距離Ｌ402と距離Ｌ403との和が焦点距離Ｆ402と等しくなるように、合波光学系４００の条件が設定されている。なお、合波光学系４００の条件とは、例えば、集点距離Ｆ402、レンズアレイ４の焦点距離Ｆ404、距離Ｌ401、距離Ｌ402、距離Ｌ403などである。
　合波光学系４００の条件は、光源１の特性および得ようとする合波ビームの特性に応じて設定される。このようにして、実施の形態１と同様に、集光性の高い合波ビームを得ることができる。
　なお、多面体プリズム４０２の入射面４２１は平面でなくてもよい。例えば、入射面は多面体であってもよい。
　また、本発明における光路変更部材は、実施の形態１～３ではレンズ２であり、実施の形態４では多面体プリズム４０２である。しかしながら、光路変更部材は、これら２つに限定されるものではない。例えば、光路変更部材として、回折光学素子を用いることもできる。回折光学素子を用いることによって、光路変更部材を薄くすることができる。
　なお、上述の各実施の形態においては、「平行」または「垂直」などの部材間の位置関係もしくは部材の形状を示す用語を用いている場合があるが、これらは製造上の公差、組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。そのため、請求の範囲に部材間の位置関係もしくは部材の形状を示す記載が存在する場合には、製造上の公差、組立て上のばらつき等を考慮した範囲を含むことを示している。
　＜レンズアレイの形状の設計方法＞
　最後に、先述した実施の形態１におけるレンズアレイ４の形状の設計方法について、補足説明する。実施の形態１において、合波ビームの集光性を高めるためには、レンズアレイ４およびレンズアレイ４に含まれる各レンズ領域４０のレンズ面の形状を、適切に設計する必要がある。なお、以下に説明する設計方法は、実施の形態２～４においても、同様に適用することができる。
　図９は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の形状が適切でない場合における、レンズアレイ４を透過するレーザー光線の集光の様子を説明する図である。図９において、レンズアレイ４に含まれる各レンズ領域４０のうち、合波光学系１００の光軸Ａ上のレンズ領域４０Ｒ1と、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3とは、いずれも同じ形状であり、かつ同一平面上にある。
　図９では、光軸Ａ上のレンズ領域４０Ｒ1を透過したレーザー光線は、光ファイバ５の入射面５１で最小スポットを形成している。これに対して、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3を透過したレーザー光線は、入射面５１に到達するよりも手前で最小スポットを形成している。また、各レーザー光線は、１点で交わらず、ずれて交わっている。
　このように、レンズ領域４０の光軸に対してレーザー光線が斜めに入射する場合には、像面湾曲、非点収差、コマ収差などの収差が発生しやすい。収差が生じている合波光学系では、集光スポットが大きくなってしまう。その結果、光ファイバ５の入射面５１におけるビーム径が大きくなり、合波ビームの集光性が低くなる。
　これらの収差を補正する方法としては、複数のレンズを組み合わせたり、レンズ面を非球面にしたりする方法が知られている。しかしながら、レンズアレイを用いる構成では、複数のレンズを用いて収差を補正する方法は適していない。レンズアレイは高価な光学部材であり、また、複数のレンズアレイの相対的な位置を高精度に調整する必要があるためである。一方、上記の収差のうち、像面湾曲は、１枚のレンズでは補正することが出来ない収差であることが知られている。
　ここでは、１枚のレンズアレイを使用して、各レンズ領域を透過するレーザー光線の集光位置を一致させ、集光性の高い合波ビームが得られるようにすることを考える。なお、ここで云うレンズアレイの形状とは、各レンズ領域における両面の形状および厚み、並びに、レンズアレイ内における各レンズ領域の相対的な位置のことである。また、いずれのレンズ領域においても等しい倍率となるためには、各レンズ領域の焦点距離は等しくあるべきである。
　＜レンズアレイの好適な形状：第１の例＞
　図１０は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の好適な形状の第１の例を示す図である。
　図１０において、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の光軸は、合波光学系１００の光軸Ａと平行である。
　各レンズ領域４０は、いずれも少なくとも一方のレンズ面、ここでは光源側のレンズ面が非球面であり、像面湾曲以外の収差を補正する。特に、光軸Ａ外のレンズ領域４０Ｒ2および４０Ｒ3では、非点収差およびコマ収差を抑制する。なお、各レンズ領域４０の両面を非球面にすれば、より良く収差を補正できる場合がある。
　図１０において、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3における光源側のレンズ面を、それぞれＳ１R1、Ｓ１R2およびＳ１R3とする。また、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3における集光点側のレンズ面を、それぞれＳ２R1、Ｓ２R2およびＳ２R3とする。
　さらに、光源側のレンズ面Ｓ１R1、Ｓ１R2およびＳ１R3のそれぞれの曲率を、Ｃ1R1、Ｃ1R2およびＣ1R3とする。また、集光点側のレンズ面Ｓ２R1、Ｓ２R2およびＳ２R3のそれぞれの曲率を、それぞれＣ2R1，Ｃ2R2およびＣ2R3とする。
　このとき、曲率Ｃ2R1，Ｃ2R2およびＣ2R3は、以下の関係式を満たすように設計される。
　　Ｃ2R1＜Ｃ2R2＜Ｃ2R3　（１）
　一般的には、各レンズ領域４０の集光点側のレンズ面の曲率は、当該レンズ領域の光軸と合波光学系１００の光軸Ａとの距離が長いほど大きくなるように設計される。
　焦点距離が一定の場合、集光点側の各レンズ面の曲率を大きくすると、バックフォーカスを長くとることができる。レンズアレイ４が上記のように設計される場合には、合波光学系１００の光軸Ａから離れたレンズ領域４０ほど、集光点側のレンズ面から集光位置までの距離が長くなる。すなわち、合波光学系１００の光軸Ａから離れたレンズ領域４０ほど集光点側のレンズ面の曲率を大きくすることによって、バックフォーカスの伸長と像面湾曲による集光位置の前傾とを相殺することができる。結果として、各レンズ領域４０を透過したレーザー光線は、同じ位置で最小スポットを形成する。
　なお、上記の場合、フロントフォーカスは短くなる。しかしながら、実施の形態１において、距離Ｌ2は距離Ｌ3の数倍から数十倍大きい。そのため、フロントフォーカスが像面湾曲程度の微小距離変化することによる影響は僅かである。
　レンズアレイ４の形状を上記のように設計することによって、収差を補正して良好な集光スポットにするとともに、最小スポットを形成する位置を揃えることができ、合波ビームの集光性を高めることができる。
　＜レンズアレイの好適な形状：第２の例＞
　図１１は、実施の形態１におけるレンズアレイ４の好適な形状の第２の例を示す図である。
　図１１において、レンズアレイ４の各レンズ領域４０の光軸は、合波光学系１００の光軸Ａと平行である。また、各レンズ領域４０は同一の形状である。すなわち、各レンズ領域４０において、光源側のレンズ面の形状は全て同一であり、また、集光点側のレンズ面の形状も全て同一である。
　各レンズ領域４０において、少なくとも一方のレンズ面、ここでは光源側のレンズ面は非球面であり、像面湾曲以外の収差を補正する。
　また、レンズ領域４０Ｒ1、４０Ｒ2および４０Ｒ3に着目すると、これらはレンズアレイ４の周縁に位置するものほど、すなわちレンズ領域４０Ｒ1、レンズ領域４０Ｒ2、レンズ領域４０Ｒ3の順に、集光点側にせり出している。すなわち、当該レンズ領域の光軸が合波光学系１００の光軸Ａから遠いほど、当該レンズ領域は、合波光学系１００の光軸Ａに沿って、集光点側にずれた位置に配置されている。
　換言すれば、各レンズ領域４０の集光点側のレンズ面の面頂点は、当該レンズ領域の光軸と合波光学系１００の光軸Ａとの距離が長いほど、合波光学系１００の光軸Ａに沿って集光点側に位置している。これにより、像面湾曲による像面の前傾が補正される。
　なお、周縁のレンズ領域４０ほど集光点側にせり出すことによって、レンズ領域４０とレンズ２との距離が僅かに短くなる。しかしながら、上記の第１の例の場合と同様に、このことによる影響は僅かである。
　レンズアレイ４の形状を上記のように設計することによって、収差を補正して良好な集光スポットにするとともに、最小スポットを形成する位置を揃えることができ、合波ビームの集光性を高めることができる。
　１００，４００　合波光学系、１，２０１，３０１　光源、１１　発光素子、２　レンズ（光路変更部材）、４０２　多面体プリズム（光路変更部材）、４，２０４，３０４　レンズアレイ（集光部材）、４０，２４０，３４０　レンズ領域、５　光ファイバ、５１　入射面。

Claims (16)

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