WO2021177001A1 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Abstract

半導体レーザ装置（１）は、波長が異なるレーザ光（Ｌ１、Ｌ２）をそれぞれ出射する半導体レーザ素子（１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄ）と、レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）を平行光化するためのコリメータレンズ（２１ａ～２１ｄ、２２ａ～２２ｄ）と、レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）がそれぞれ異なる入射角で入射するとともに、入射した各レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）の進行方向を波長に応じて変化させて、レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）が合成された出射光（Ｌ１０）を生成する回折格子（５０）と、レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）をそれぞれ各レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）に対応する入射角で回折格子（５０）に入射させる反射面を有するミラー（４１、４２）と、レーザ光（Ｌ１、Ｌ２）をそれぞれミラー（４１、４２）に導く複数の反射面（３１１、３２１）と、を備える。

Description

半導体レーザ装置
　本発明は、半導体レーザ装置に関し、たとえば、製品の加工等に用いて好適なものである。
　近年、半導体レーザ装置から出射されるレーザ光を用いて、様々な製品の加工が行われている。この種の半導体レーザ装置では、加工品質を高めるために、出射光の出力が高められることが好ましい。
　以下の特許文献１には、互いに出射波長が異なる複数の半導体レーザ素子からそれぞれ出射されたレーザ光を、回折格子で合成して、出射光の出力を高める構成の半導体レーザ装置が記載されている。ここでは、複数の半導体レーザ素子が、回折格子を中心とする円周に沿って、互いに近接して配置されている。
特開２０１６－５４２９５号公報
　上記のように、複数の半導体レーザ素子が近接して配置されると、複数の半導体レーザ素子うちの一の半導体レーザ素子で生じた熱が、その一の半導体レーザ素子の隣りの半導体レーザ素子に影響する。このため、各半導体レーザ素子において、十分な光出力が得られないとの問題が生じる。
　この問題は、円周方向における半導体レーザ素子間の間隔を広げることにより解消され得る。しかし、波長の異なる複数のレーザ光を回折格子により合成する場合、回折格子を中心とする所定の角度範囲に、複数の半導体レーザ素子を配置する必要がある。このため、上記のように半導体レーザ素子間の間隔を広げると、上記の角度範囲に配置可能な半導体レーザ素子の数が減少し、結果、出射光の出力が低下するとの問題が生じる。
　かかる課題に鑑み、本発明は、波長が異なるレーザ光を合成して生成される出射光の出力を効果的に高めることが可能な半導体レーザ装置を提供することを目的とする。
　本発明の主たるの態様は、半導体レーザ装置に関する。本態様に係る半導体レーザ装置は、波長が異なる複数のレーザ光をそれぞれ出射する複数の半導体レーザ素子と、前記複数のレーザ光を平行光化するための複数のレンズ部と、前記複数のレーザ光がそれぞれ異なる入射角で入射するとともに、入射した前記各レーザ光の進行方向を波長に応じて変化させて、前記複数のレーザ光が合成された光を生成する波長分散素子と、前記複数のレーザ光をそれぞれ前記各レーザ光に対応する前記入射角で前記波長分散素子に入射させる複数の第１反射面と、前記複数のレーザ光をそれぞれ前記複数の第１反射面に導く複数の第２反射面と、を備える。
　本態様に係る半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子間の間隔を広げても、複数の第２反射面の配置を調整することにより、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれ複数の第１反射面に導くことができ、また、複数の第１反射面の配置を調整することにより、各レーザ光を適正な入射角で波長分散素子に入射させることができる。よって、半導体レーザ素子間の熱の影響を抑制しつつ、多数の半導体レーザ素子を配置できる。これにより、波長が異なるレーザ光を合成して生成される出射光の出力を、効果的に高めることができる。
　以上のとおり、本発明によれば、波長が異なるレーザ光を合成して生成される出射光の出力を効果的に高めることが可能な半導体レーザ装置および外部共振型レーザ装置を提供することができる。
　本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
図１は、実施形態１に係る、半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図２は、実施形態１に係る、半導体レーザ素子の構成を示す斜視図である。 図３は、実施形態１に係る、光学系の一部を拡大して示す図である。 図４は、実施形態２に係る、半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図５は、実施形態３に係る、半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図６は、実施形態４に係る、半導体レーザ装置の構成を示す図である。 図７は、実施形態４に係る、レーザアレイの構成を示す斜視図である。 図８は、実施形態４の変更例に係る、半導体レーザ素子の配置形態を示す斜視図である。
　以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明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、および、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本発明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、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。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または簡略化する。なお、便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｘ軸方向は、半導体レーザ素子の並び方向であり、Ｙ軸方向は、半導体レーザ素子におけるレーザ光の出射方向である。
　＜実施形態１＞
　実施形態１において、ミラー４１、４２の反射面４１１、４２１は、請求の範囲に記載の「第１反射面」に対応し、ミラー３１、３２の反射面３１１、３２１は、請求の範囲に記載の「第２反射面」に対応する。また、実施形態１において、コリメータレンズ２１ａ～２１ｄおよびコリメータレンズ２２ａ～２２ｄは、請求の範囲に記載の「レンズ部」に対応する。
　ただし、上記記載は、あくまで、請求の範囲の構成と実施形態１の構成とを対応付けることを目的とするものであって、上記対応付けによって請求の範囲に記載の発明が実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
　図１は、半導体レーザ装置１の構成を示す図である。
　半導体レーザ装置１は、光学系Ｓ１と、光学系Ｓ２と、回折格子５０とを備える。
　光学系Ｓ１は、４つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄと、４つのコリメータレンズ２１ａ～２１ｄと、４つのミラー３１と、４つのミラー４１とを備える。光学系Ｓ２は、４つの半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄと、４つのコリメータレンズ２２ａ～２２ｄと、４つのミラー３２と、４つのミラー４２とを備える。光学系Ｓ１および光学系Ｓ２にそれぞれ配置される半導体レーザ素子の数は、４つに限られるものではなく、４つ以外の複数であればよい。
　図２は、半導体レーザ素子１１ａの構成を示す斜視図である。
　図２の（ａ）に示すように、半導体レーザ素子１１ａは、活性層１１１がＮ型クラッド層１１２とＰ型クラッド層１１３に挟まれた構造となっている。Ｎ型クラッド層１１２は、Ｎ型基板１１４に積層される。また、Ｐ型クラッド層１１３にコンタクト層１１５が積層される。電極１１６に電流が印加されることにより、発光領域１１７からレーザ光がＺ軸正方向に出射される。一般に、発光領域１１７は、活性層１１１に平行な方向の幅Ｗ１が、活性層１１１に垂直な方向の幅Ｗ２よりも広くなっている。
　発光領域１１７の短辺方向の軸、すなわち、活性層１１１に垂直な方向（Ｚ軸方向）の軸は、ファスト軸と称され、発光領域１１７の長辺方向の軸、すなわち、活性層１１１に平行な方向（Ｘ軸方向）の軸は、スロー軸と称される。図２の（ｂ）において、１１８ａはファスト軸を示し、１１８ｂはスロー軸を示している。発光領域１１７から出射されたレーザ光は、スロー軸方向よりもファスト軸方向の広がり角が大きい。このため、ビームＢ２０の形状は、図２の（ｂ）に示すように、ファスト軸方向に長い楕円形状となる。
　図１に示した半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、図２の（ａ）および（ｂ）と同様の構成である。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、互いに異なる波長のレーザ光を出射する。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの出射波長帯は、隣り合う半導体レーザ素子間で、たとえば、数ｎｍ（たとえば１ｎｍ）程度互いに異なっている。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの出射波長帯は、たとえば、３９０～４５０ｎｍ付近に設定される。本実施形態１では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄとして、たとえば、分布帰還型（DFB：Distributed Feedback）レーザ素子または分布反射型（DBR：Distributed Bragg Reflector）レーザ素子が用いられる。
　図１に戻り、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、それぞれ、ＣＡＮに収納された状態で、放熱プレートＰ１、Ｐ２に設置される。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、Ｘ軸方向に直線状に並んで配置される。４つのミラー４１は、４つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄに対してＸ軸正方向に離れて配置される。また、４つのミラー４２は、４つの半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄに対してＸ軸負方向に離れて配置される。
　半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄの後段に、これら半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄから出射されたレーザ光Ｌ１を全周に亘って平行光化するための４つのコリメータレンズ２１ａ～２１ｄが配置される。同様に、半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄの後段に、これら半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ２を全周に亘って平行光化するための４つのコリメータレンズ２２ａ～２２ｄが配置される。
　また、コリメータレンズ２１ａ～２１ｄの後段に、コリメータレンズ２１ａ～２１ｄを透過したレーザ光Ｌ１をそれぞれ４つのミラー４１に導くための４つのミラー３１が配置される。同様に、コリメータレンズ２２ａ～２２ｄの後段に、コリメータレンズ２２ａ～２２ｄを透過したレーザ光Ｌ２をそれぞれ４つのミラー４２に導くための４つのミラー３２が配置される。ミラー３１、３２は、Ｙ軸負側に反射面３１１、３２１を有する板状のミラーである。
　４つのミラー３１は、それぞれ、Ｙ軸方向において半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄに対向する位置に配置される。Ｙ軸正側から見たときの平面視において、４つのミラー３１は、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄと同列に並ぶ。４つのミラー３１は、Ｘ軸負側に隣り合うミラー３１の反射面３１１で反射されたレーザ光Ｌ１を遮らないように、Ｘ軸正側のミラー３１ほどＹ軸正方向にシフトするように配置されている。
　４つのミラー３２は、ぞれぞれ、Ｙ軸方向において半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄに対向する位置に配置される。Ｙ軸正側から見たときの平面視において、４つのミラー３２は、半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄと同列に並ぶ。４つのミラー３２は、Ｘ軸正側に隣り合うミラー３２の反射面３２１で反射されたレーザ光Ｌ２を遮らないように、Ｘ軸負側のミラー３２ほどＹ軸正方向にシフトするように配置されている。
　４つのミラー３１は、反射面３１１がＸ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置される。同様に、４つのミラー３２は、反射面３２１がＸ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置される。４つのミラー３１の反射面３１１の傾き角は互いに相違し、４つのミラー３２の反射面３２１の傾き角は互いに相違する。
　４つのミラー４１は、それぞれ、４つのミラー３１で反射されたレーザ光Ｌ１を反射して、これらレーザ光Ｌ１を回折格子５０の入射面上の略同一位置に入射させる。また、４つのミラー４２は、それぞれ、４つのミラー３２で反射されたレーザ光Ｌ２を反射して、これらレーザ光Ｌ２を回折格子５０の入射面上の略同一位置に入射させる。回折格子５０の入射面上におけるレーザ光Ｌ１、Ｌ２の入射位置は、略同一である。
　ミラー４１、４２は、Ｙ軸正側に反射面４１１、４２１を有する板状のミラーである。Ｙ軸正側から見たときの平面視において、４つのミラー４１は、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄと同列に並ぶ。同様に、４つのミラー４２は、Ｙ軸正側から見たときの平面視において、半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄと同列に並ぶ。したがって、４つのミラー４１と４つのミラー４２は、Ｘ軸方向に直線状に並ぶ。
　図３は、ミラー４１、４２付近を拡大して示す図である。
　４つのミラー４１は、Ｘ軸正側のミラー４１ほどＹ軸正方向にシフトするように配置されている。また、４つのミラー４２は、Ｘ軸負側のミラー４２ほどＹ軸正方向にシフトするように配置されている。４つのミラー４１は、反射面４１１がＸ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置される。同様に、４つのミラー４２は、反射面４２１がＸ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置される。４つのミラー４１の反射面４１１の傾き角は互いに相違し、４つのミラー４２の反射面４２１の傾き角は互いに相違する。
　図１に戻り、ミラー４１、４２で反射された複数のレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ異なる入射角で回折格子５０に入射する。回折格子５０は、入射した各レーザ光Ｌ１、Ｌ２の進行方向を波長に応じた回折角で変化させて、これら複数のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が合成する。すなわち、回折格子５０を透過した各レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、互いに光軸が整合され、これにより、出射光Ｌ１０が生成される。出射光Ｌ１０は、たとえば、製品の加工に用いられる。
　回折格子５０は、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向に所定の角度で傾くように配置される。回折格子５０は、所定の入射角で入射する各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が、同一の進行方向に回折されるように、回折パターン（回折溝のピッチおよび深さ）が設定されている。また、ミラー３１、３２およびミラー４１、４２は、各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が、それぞれ、対応する入射角で回折格子５０に入射するように、配置（Ｙ軸方向の位置および傾き）が調整されている。
　同様に、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、ミラー３１、３２およびミラー４１、４２の配置と相俟って、各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が、それぞれ、対応する入射角で回折格子５０に入射するように、配置（Ｘ軸方向の間隔）が調整されている。これにより、上記のように、回折格子５０を透過した各レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光軸を整合させることができ、これらレーザ光Ｌ１、Ｌ２が合成された出射光Ｌ１０を生成することができる。
　図１の構成における回折格子５０の角度配置と各レーザ光の入射角において、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの発振波長は、λ１２ｄ＜λ１２ｃ＜λ１２ｂ＜λ１２ａ＜λ１１ａ＜λ１１ｂ＜λ１１ｃ＜λ１１ｄなる関係を満足するように選択されて配置される。
　＜実施形態１の効果＞
　実施形態１によれば、以下の効果が奏される。
　半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄ間の間隔を広げても、ミラー３１、３２の反射面３１１、３２１（第２反射面）の配置を調整することにより、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２をそれぞれミラー４１、４２の反射面４１１、４２１（第１反射面）に導くことができ、また、ミラー４１、４２の反射面４１１、４２１（第１反射面）の配置を調整することにより、各レーザ光Ｌ１、Ｌ２を適正な入射角で回折格子５０（波長分散素子）に入射させることができる。よって、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄ間の熱の影響を抑制しつつ、多数の半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄを配置できる。これにより、波長が異なるレーザ光Ｌ１、Ｌ２を合成して生成される出射光Ｌ１０の出力を、効果的に高めることができる。
　また、図１に示すように、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、Ｘ軸方向に直線状に並んで配置され、ミラー４１、４２の反射面４１１、４２１（第１反射面）は、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの並び方向において、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから離れて配置され、ミラー３１、３２の反射面３１１、３２１（第２反射面）は、反射面４１１、４２１（第１反射）面に近い反射面３１１、３２１（第２反射面）ほど半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから離れた位置に配置される。これにより、一のミラー３１、３２の反射面３１１、３２１で反射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２を、他のミラー３１、３２で遮られることなく、対応するミラー４１、４２の反射面４１１、４２１に適正に入射させることができる。よって、出射光Ｌ１０の出力を、円滑に高めることができる。
　また、図１に示すように、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、コリメータレンズ２１ａ～２１ｄ（レンズ部）、４つの反射面４１１（第１反射面）および４つの反射面３１１（第２反射面）を有する光学系Ｓ１（組）と、半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄ、コリメータレンズ２２ａ～２２ｄ（レンズ部）、４つの反射面４２１（第１反射面）および４つの反射面３２１（第２反射面）を有する光学系Ｓ２（組）とが、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの並び方向（Ｘ軸方向）に並び、且つ、光学系Ｓ１、Ｓ２の反射面４１１、４２１（第１反射面）が互いに隣り合うように配置されている。このように、２つの光学系Ｓ１、Ｓ２を一方向に対称に配置することにより、配置可能な半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの数を顕著に増加させることができる。よって、出射光Ｌ１０の出力を、より効果的に高めることができる。
　また、本実施形態１では、波長分散素子として回折格子５０が用いられている。これにより、回折パターン（回折溝のピッチおよび深さ）を調整することにより、各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を円滑に合成することができる。
　＜実施形態２＞
　図４は、実施形態２に係る半導体レーザ装置１の構成を示す図である。
　実施形態２では、実施形態１に比べて、回折格子５０からの出射光Ｌ１０の一部を回折格子５０側に反射させて半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄに帰還させる部分反射ミラー６０が追加されている。また、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、外部共振型の半導体レーザ素子に変更される。すなわち、実施形態２では、部分反射ミラー６０と半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄにより外部共振器が構成され、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、部分反射ミラー６０からの反射光が帰還することにより、互いに異なる波長で外部共振する。その他の構成は、上記実施形態１と同様である。
　回折格子５０の角度配置と各レーザ光の入射角は実施形態１と同じであるので、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの外部共振のそれぞれの波長λ１１ａ～１１ｄ、λ１２ａ～λ１２ｄは、λ１２ｄ＜λ１２ｃ＜λ１２ｂ＜λ１２ａ＜λ１１ａ＜λ１１ｂ＜λ１１ｃ＜λ１１ｄなる関係になる。
　半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄにおける外部共振が可能な波長幅は、３０～４０ｎｍ程度である。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、この波長幅の範囲内で、外部共振により発振する。半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、それぞれ、外部共振により発振する波長付近にゲインのピークを持つように、組成が調整されることが好ましい。これにより、外部共振時に各半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄを効率的に発振させることができ、各半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの出力を高めることができる。
　実施形態２においても、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの出射波長の帯域は、上記実施形態１と同様、たとえば、３９０～４５０ｎｍ程度に設定されればよい。
　＜実施形態２の効果＞
　実施形態２において、実施形態１と同様の効果が奏され得る。
　また、実施形態２によれば、部分反射ミラー６０と半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄにより外部共振器が構成されたため、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２の回折格子５０に対する入射角を緻密に調整しなくても、これらレーザ光Ｌ１、Ｌ２が出射光Ｌ１０に適正に合成される波長で、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが発振する。よって、簡易な調整作業により、出射光Ｌ１０の出力を効果的に高めることができる。
　＜実施形態３＞
　図５は、実施形態３に係る半導体レーザ装置１の構成を示す図である。
　実施形態３では、実施形態２に比べて、回折格子５０に入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２をファスト軸方向に平行光化するためのファスト軸コリメータレンズ７０がさらに配置されている。また、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、ファスト軸方向に並んでいる。すなわち、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、ファスト軸がＸ軸方向に平行になるように配置されている。実施形態３におけるその他の構成は、上記実施形態２と同様である。
　なお、実施形態３において、ファスト軸コリメータレンズ７０は、請求項５に記載の「他のレンズ部」に対応する。
　ファスト軸コリメータレンズ７０は、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向のみに湾曲するレンズ面７０ａを有する。レンズ面７０ａの母線は、Ｚ軸に平行である。
　＜実施形態３の効果＞
　上記実施形態２の構成では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、それぞれ、コリメータレンズ２１ａ～２１ｄ、２２ａ～２２ｄによって平行光化されるものの、完全には平行光とはならず、平行光からやや広がった状態で回折格子５０に入射する。このため、レーザ光Ｌ１、Ｌ２には、回折格子５０に対して適正な入射角で入射しないビームが生じ、このビームは出射光Ｌ１０から外れることになる。
　これに対し、実施形態３では、ファスト軸コリメータレンズ７０によって、回折格子５０に入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２がファスト軸方向にさらに平行光に近づけられる。このため、実施形態２に比べて、回折格子５０に適正な入射角で入射しないビームを減少させることができ、より多くのビームを出射光Ｌ１０に合成できる。よって、出射光Ｌ１０の出力をより効果的に高めることができる。また、部分反射ミラー６０からの帰還光量を確保できるので、効率良く、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄからレーザ光Ｌ１、Ｌ２を出射させることができる。
　また、実施形態３では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄがファスト軸方向に並んで配置されため、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、回折格子５０に向かうにつれて、ファスト軸方向に互いに接近して、回折格子５０の受光面上で重なる。したがって、光学部品の配置に誤差等が生じた場合、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、回折格子５０の受光面上において、ファスト軸方向に位置ずれが生じることになる。しかし、ファスト軸方向はビーム品質が良いため、出射光Ｌ１０全体のビーム品質を維持可能な位置ずれの許容範囲を広げることができる。よって、このように半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄをファスト軸方向に並べることにより、出射光Ｌ１０のビーム品質を高めることができ、且つ、光学部品の配置の調整作業を容易に行うことができる。
　なお、実施形態３に示した構成、すなわち、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄをファスト軸方向に配置し、ファスト軸コリメータレンズ７０を配置する構成は、上記実施形態１の構成に適用されてもよい。これにより、上記と同様の効果が奏され得る。
　＜変更例＞
　図５の構成では、実施形態１に係る図１の構成と同様、４つのミラー３１の反射面３１１が、Ｘ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置され、４つのミラー４１は、反射面４１１がＸ－Ｙ平面に平行な平面上において略放物線状に並ぶように配置されている。この点は、４つのミラー３２の反射面３２１および４つのミラー４２の反射面４２１についても同様である。
　また、回折格子５０の角度配置と各レーザ光の入射角も実施形態１と同じであるので、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄのそれぞれの波長λ１１ａ～λ１１ｄ、λ１２ａ～λ１２ｄが、λ１２ｄ＜λ１２ｃ＜λ１２ｂ＜λ１２ａ＜λ１１ａ＜λ１１ｂ＜λ１１ｃ＜λ１１ｄなる関係で、外部共振器が形成されている。このように、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄについては、Ｘ軸正側の半導体レーザ素子ほど、外部共振の波長は短くなっている。
　一方、ファスト軸コリメータレンズ７０には、全ての波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２が入射するため、レーザ光ごと（波長ごと）に、色収差が生じる。また、上記のように、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの波長が異なるために、レーザ光ごと（波長ごと）に、収束作用が相違する。このため、図５の構成では、各波長のレーザ光を適正に平行光化するための構成がさらに用いられることが好ましい。
　この点に鑑み、本変更例では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄのうち、出射波長が短い半導体レーザ素子ほどファスト軸コリメータレンズ７０までの光路長が短くなるように、光学系Ｓ１、Ｓ２が構成される。具体的には、４つのミラー３１の反射面３１１および４つのミラー３２の反射面３２１の配置によって、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄとファスト軸コリメータレンズ７０の間の光路長が上記のように調整されている。
　波長が短いほど、ファスト軸コリメータレンズ７０の焦点距離が短くなる。したがって、上記のように出射波長が短い半導体レーザ素子ほどファスト軸コリメータレンズ７０までの光路長が短くなるように光学系Ｓ１、Ｓ２を構成することにより、各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２を、ファスト軸コリメータレンズ７０によってより適正に平行光化することができる。よって、出射光Ｌ１０の出力をより効果的に高めることができる。
　なお、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄとファスト軸コリメータレンズ７０との間の光路長は、各波長のレーザ光Ｌ１、Ｌ２がファスト軸コリメータレンズ７０によって適正に平行光化されるように調整されることが好ましい。この場合も、たとえば、４つのミラー３１の反射面３１１および４つのミラー３２の反射面３２１の配置によって、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄとファスト軸コリメータレンズ７０の間の光路長が調整されればよい。
　図５の構成では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄのうち、Ｘ軸正側の半導体レーザ素子ほど波長が短い。したがって、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄからファスト軸コリメータレンズ７０までのそれぞれの光路長Ｌ１ａ～Ｌ１ｄ、Ｌ２ａ～Ｌ２ｄが、Ｌ２ｄ＜Ｌ２ｃ＜Ｌ２ｂ＜Ｌ２ａ＜Ｌ１ａ＜Ｌ１ｂ＜Ｌ１ｃ＜Ｌ１ｄとなるように調整されればよい。これにより、出射波長が短い半導体レーザ素子ほどファスト軸コリメータレンズ７０までの光路長が短くなることが、実現され得る。
　＜実施形態４＞
　図６は、実施形態４に係る半導体レーザ装置１の構成を示す図である。
　実施形態４では、実施形態３に比べて、ミラー３１、３２の前段の構成が相違している。すなわち、実施形態４では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが、スロー軸方向に並ぶように、放熱プレートＰ１、Ｐ２に設置される。また、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの後段に、それぞれ、ファスト軸コリメータレンズ８１ａ～８１ｄ、８２ａ～８２ｄと、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄと、スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄとが配置される。実施形態４におけるその他の構成は、上記実施形態３と同様である。
　実施形態４では、４つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄがアレイ化されている。同様に、４つの半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄもアレイ化されている。
　図７は、レーザアレイ１１の構成を示す斜視図である。
　図７に示すように、４つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄがスロー軸に沿って並ぶようにベース１２０に設置されて、レーザアレイ１１が構成されている。したがって、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄの発光領域１１７は、スロー軸方向に１列に並んでいる。４つの半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄを含むレーザアレイについても同様の構成である。
　なお、図７では、４つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄが互いに隣接してベース１２０に設置されることによりレーザアレイ１１が構成されているが、４つの発光領域１１７がスロー軸方向に並ぶように形成された１つの半導体発光素子がベース１２０に設置されてもよい。この場合、当該半導体発光素子のうち、各発光領域１１７からレーザ光を出射させる構造部分が、それぞれ、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄに対応する。４つの半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄについても、４つの発光領域１１７がスロー軸方向に並ぶように形成された１つの半導体発光素子によりアレイ化されてもよい。
　図６に戻り、こうして構成されたレーザアレイが放熱プレートＰ１、Ｐ２に設置される。これにより、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが、スロー軸方向に並ぶように配置される。
　ファスト軸コリメータレンズ８１ａ～８１ｄ、８２ａ～８２ｄは、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄから出射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２を、それぞれファスト軸方向において平行光化する。ファスト軸コリメータレンズ８１ａ～８１ｄ、８２ａ～８２ｄは、たとえば、シリンドリカルレンズにより構成される。この場合、ファスト軸コリメータレンズ８１ａ～８１ｄ、８２ａ～８２ｄは、レンズ面の母線がＸ軸に平行となるように配置される。
　ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄは、レーザ光Ｌ１、Ｌ２のファスト軸およびスロー軸を回転させる。ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄは、たとえば、入射面と出射面に、それぞれ、外方に凸のシリンドリカル面を有する光学素子である。各シリンドリカル面は、母線が互いに平行である。各シリンドリカル面は、互いに同じ形状であり、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄの内部において焦点を共有する。
　この場合、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄは、入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２のファスト軸およびスロー軸に対してシリンドリカル面の母線が４５°となるように配置される。これにより、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄを透過したレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄに近づくにつれて、光軸を中心に一方向に回転する。
　スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄは、入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２のスロー軸がＺ軸に平行となる位置に配置される。これにより、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、対応するスロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄに対して、スロー軸がＺ軸に平行となり、ファスト軸がＸ軸に平行となる状態で入射する。
　スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄは、入射するレーザ光Ｌ１、Ｌ２を、それぞれスロー軸方向において平行光化する。スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄは、たとえば、シリンドリカルレンズにより構成される。この場合、スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄは、レンズ面の母線がＸ軸に平行となるように配置される。スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄのレンズ面（シリンドリカル面）は、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の出射面に形成されている。
　レーザ光Ｌ１、Ｌ２がスロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄのレンズ面（入射面）に入射すると、レンズ面の光学作用により、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄにより付与されたビームの回転が停止する。したがって、スロー軸コリメータレンズ８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄを透過したレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、上記実施形態３と同様、ファスト軸がＸ軸に平行な状態で、ファスト軸コリメータレンズ７０へと進む。
　＜実施形態４の効果＞
　実施形態４においても、上記実施形態３と同様の効果が奏され得る。
　また、実施形態４では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄおよび半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄがアレイ化されているため、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄの設置および位置調整を容易に行い得る。
　なお、上記実施形態３の変更例で示した構成が、実施形態４に同様に適用されてもよい。
　また、図６の構成では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄと部分反射ミラー６０とによって外部共振器が構成されたが、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが内部共振により発振する構成であってもよい。この場合、図６の構成から部分反射ミラー６０が省略され、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、上記実施形態１と同様、内部共振型の半導体レーザ素子に変更される。
　また、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄのそれぞれが、更に複数のエミッタを有するレーザアレイ素子で構成されており、複数のエミッタに対応するように、ビーム回転素子８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄのそれぞれが、複数のシリンドリカルレンズ面を有するレンズアレイの構成になっていてもよい。
　なお、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄは、必ずしも一体化されていなくてもよく、たとえば、図８に示すように、互いに分離して配置されてもよい。
　＜その他の変更例＞
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、他に種々の変更が可能である。
　たとえば、実施形態１～４では、合計８つの半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが配置されたが、配置される半導体レーザ素子の数はこれに限られるものではない。たとえば、光学系Ｓ１、Ｓ２にさらに多くの半導体レーザ素子が配置されてもよい。また、光学系Ｓ１に配置される半導体レーザ素子の数と、光学系Ｓ２に配置される半導体レーザ素子の数とが相違していてもよい。
　また、実施形態１～４では、合計８つの反射面３１１、３２１が互いに分離して配置されたが、反射面３１１、３２１は、必ずしも分離していなくてもよい。たとえば、１つのミラーに、傾斜角の異なる４つの反射面３１１が、互いに分離されることなく、境界を共有する状態で、形成されてもよい。反射面３２１についても、これと同様に構成されてもよい。この点は、反射面４１１、４２１についても、同様である。
　また、上記実施形態１～４では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄの間隔が一定であったが、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄの間隔は必ずしも一定でなくてもよい。この点は、半導体レーザ素子１２ａ～１２ｄについても同様である。
　また、上記実施形態では、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄが直線状に並んで配置されたが、半導体レーザ素子１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄは、必ずしも、直線状に並ばなくてもよい。たとえば、図１の構成において、半導体レーザ素子１１ｂ、１１ｄが、半導体レーザ素子１１ａ、１１ｃに対して、Ｚ軸方向にシフトした位置に配置されてもよい。この場合、半導体レーザ素子１１ｂ、１１ｄのシフトに応じて、半導体レーザ素子１１ｂ、１１ｄに対向するミラー３１がＹ－Ｚ平面に平行な方向に傾けられて、半導体レーザ素子１１ｂ、１１ｄから出射されたレーザ光Ｌ１が、対応するミラー４１に導かれる。また、これら２つのミラー４１で反射されたレーザ光Ｌ１が回折格子５０の共通の入射位置に入射するように、これら２つのミラー４１が、Ｙ－Ｚ平面に平行な方向に傾けられる。
　また、ミラー４１、４２が、ミラー３１、３２に対してＺ軸方向にシフトするように配置されてもよい。この構成では、ミラー４１、４２のシフトに応じて、回折格子５０がＺ軸方向にシフトされ、ミラー４１、４２で反射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２が回折格子５０の共通の入射位置に入射するように、ミラー４１、４２の傾きが調整されればよい。なお、この場合は、ミラー４１、４２で反射されたレーザ光Ｌ１、Ｌ２が、Ｘ軸正方向の端のミラー３１とＸ軸負方向の端のミラー３２との間の隙間を通らないため、この隙間がなくなるように、ミラー３１、３２から前段の光学系が互いに接近して配置されてもよい。
　また、上記実施形態１～４では、半導体レーザ装置１に２つの光学系Ｓ１、Ｓ２が配置されたが、何れか一方の光学系のみが半導体レーザ装置１に配置されてもよい。
　また、上記実施形態１～４では、波長分散素子として透過型の回折格子５０が用いられたが、波長分散素子として反射型の回折格子が用いられてもよい。また、回折格子５０に代えて、プリズム等の他の波長分散素子が用いられてもよい。
　また、上記実施形態１～３では、請求の範囲に記載の「レンズ部」として、１つのコリメータレンズ２１ａ～２１ｄ、２２ａ～２２ｄが用いられたが、レーザ光Ｌ１、Ｌ２をファスト軸方向に平行光化するシリンドリカルレンズと、レーザ光Ｌ１、Ｌ２をスロー軸方向に平行光化するシリンドリカルレンズとを組み合わせて、「レンズ部」が構成されてもよい。また、請求の範囲に記載の「他のレンズ部」も、必ずしも、１つのファスト軸コリメータレンズ７０から構成されなくてもよく、複数のレンズを組み合わせて構成されてもよい。
　また、半導体レーザ装置１の構成も、上記実施形態１～４に示した構成に限られるものではなく、種々変更可能である。たとえば、ミラー４１、４２と回折格子５０との間に、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の光路を折り曲げるミラーが配置されてもよい。また、回折格子５０の後段に、適宜、レンズ等の光学素子が配置されてもよい。
　なお、半導体レーザ装置１は、製品の加工に限らず、他の用途に用いられてもよい。
　この他、本発明の実施形態は、請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。例えば、上記の各実施の形態に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素およ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発明に含まれる。
　１　半導体レーザ装置
　１１　レーザアレイ
　１１ａ～１１ｄ、１２ａ～１２ｄ　半導体レーザ素子
　２１ａ～２１ｄ、２２ａ～２２ｄ　コリメータレンズ（レンズ部）
　３１、３２、４１、４２　ミラー
　５０　回折格子（波長分散素子）
　６０　部分反射ミラー
　７０　ファスト軸コリメータレンズ（他のレンズ部）
　８１ａ～８１ｄ、８２ａ～８２ｄ　ファスト軸コリメータレンズ（レンズ部）
　８３ａ～８３ｄ、８４ａ～８４ｄ　ビーム回転素子
　８５ａ～８５ｄ、８６ａ～８６ｄ　スロー軸コリメータレンズ（レンズ部）
　３１１　反射面（第２反射面）
　４１１　反射面（第１反射面）
　Ｌ１、Ｌ２　レーザ光
　Ｌ１０　出射光
　Ｓ１、Ｓ２　光学系（組）

Claims (11)

  1. 　波長が異なる複数のレーザ光をそれぞれ出射する複数の半導体レーザ素子と、
    　前記複数のレーザ光を平行光化するための複数のレンズ部と、
    　前記複数のレーザ光がそれぞれ異なる入射角で入射するとともに、入射した前記各レーザ光の進行方向を波長に応じて変化させて、前記複数のレーザ光が合成された光を生成する波長分散素子と、
    　前記複数のレーザ光をそれぞれ前記各レーザ光に対応する前記入射角で前記波長分散素子に入射させる複数の第１反射面と、
    　前記複数のレーザ光をそれぞれ前記複数の第１反射面に導く複数の第２反射面と、を備える、
    半導体レーザ装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数の半導体レーザ素子は、直線状に並んで配置され、
    　前記複数の第１反射面は、前記複数の半導体レーザ素子の並び方向において、前記複数の半導体レーザ素子から離れて配置され、
    　前記複数の第２反射面は、前記複数の第１反射面に近い前記第２反射面ほど前記半導体レーザ素子から離れた位置に配置される、
    半導体レーザ装置。
  3. 　請求項２に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数の半導体レーザ素子、前記複数のレンズ部、前記複数の第１反射面および前記複数の第２反射面を有する２つの組が、前記複数の半導体レーザ素子の並び方向に並び、且つ、各組の前記複数の第１反射面が互いに隣り合うように配置されている、
    半導体レーザ装置。
  4. 　請求項１ないし３の何れか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記波長分散素子からの出射光の一部を前記波長分散素子側に反射させて前記複数の前記半導体レーザ素子に帰還させる部分反射ミラーを備え、
    　前記部分反射ミラーと前記複数の半導体レーザ素子により外部共振器が構成され、
    　前記複数の半導体レーザ素子は、互いに異なる波長で外部共振する、
    半導体レーザ装置。
  5. 　請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数の半導体レーザ素子は、ファスト軸方向に並んで配置され、
    　前記波長分散素子に入射する前記複数のレーザ光を前記ファスト軸方向に平行光化するための他のレンズ部をさらに備える、
    半導体レーザ装置。
  6. 　請求項１ないし４の何れか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数の半導体レーザ素子は、スロー軸方向に並んで配置され、
    　前記複数のレーザ光のファスト軸をそれぞれ略９０°回転させる複数のビーム回転素子を備え、
    　前記波長分散素子に入射する前記複数のレーザ光を前記ファスト軸方向に平行光化するための他のレンズ部をさらに備える、
    半導体レーザ装置。
  7. 　請求項６に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数のレンズ部は、それぞれ、
    　　前記ビーム回転素子の前段に配置され、前記半導体レーザ素子から出射された前記レーザ光をファスト軸方向に平行光化するファスト軸コリメータレンズと、
    　　前記ビーム回転素子の後段に配置され、前記レーザ光をスロー軸方向に平行光化するスロー軸コリメータレンズと、を含む、
    半導体レーザ装置。
  8. 　請求項６または７に記載の半導体レーザ素子において、
    　前記複数の半導体レーザ素子は、アレイ化されている、
    半導体レーザ装置。
  9. 　請求項５ないし８の何れか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    　出射波長が短い前記半導体レーザ素子ほど前記他のレンズ部までの光路長が短くなっている、
    半導体レーザ装置。
  10. 　請求項９に記載の半導体レーザ装置において、
    　前記複数の第２反射面の配置によって、前記複数の半導体レーザ素子と前記他のレンズ部との間の光路長が調整されている、
    半導体レーザ装置。
  11. 　請求項１ないし１０の何れか一項に記載の半導体レーザ装置において、
    　波長分散素子は、回折格子である、
    半導体レーザ装置。
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