JP7623237B2 - 光学装置、光源装置、および光ファイバレーザ - Google Patents

Description

本発明は、光学装置、光源装置、および光ファイバレーザに関する。

従来、複数の発光素子から出力されたレーザ光を複数の光学部品を介して光ファイバの端部に導く光学装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の光学装置では、放熱性を有したベース上に、複数の発光素子や複数の光学部品が実装されている。

国際公開第２０１７／１３４９１１号

この種の光学装置では、複数のレーザ光を一つの光ファイバの端部に導くため、特に後段、すなわち光ファイバの端部に近い側の光学部品については、エネルギ密度が高くなる分、レーザ光の吸収等による温度上昇が大きくなりやすい。仮に、このような光学部品の温度上昇によって、光学部品とベースとの間で熱膨張の差が過度に大きくなると、光学部品がベースに対してずれるなどの不都合な事象が生じかねない。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、光学部品の温度上昇による不都合を抑制することが可能となるような、より改善された新規な構成を備えた光学装置、光源装置、および光ファイバレーザを得ること、である。

本発明の光学装置は、例えば、ベースと、前記ベースに設けられ、レーザ光を出力する複数の発光素子と、前記ベースに設けられ、前記発光素子から出力されたレーザ光を光ファイバに伝送する複数の光学部品と、を備え、前記複数の光学部品は、前記光ファイバの端部に向けて前記複数の発光素子からのレーザ光を集光する第一集光レンズと、前記第一集光レンズに向けて前記複数の発光素子からのレーザ光を集光する第二集光レンズと、を含み、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズは、合成石英で作られ、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズと、前記ベースとの間に、熱膨張係数が前記合成石英の熱膨張係数と前記ベースの熱膨張係数との間の値である中間部材が設けられる。

前記光学装置では、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズは、それぞれ、接着剤を介して前記中間部材に固定されてもよい。

前記光学装置は、前記中間部材として、前記第一集光レンズと前記ベースとの間に介在した第一中間部材を備えてもよい。

前記光学装置は、前記光ファイバの端部と一体化され当該光ファイバの断面積よりも大きい面積の端面を有したエンドキャップを備え、前記第一中間部材は、前記ベースに設けられ、前記光ファイバ、前記エンドキャップ、および前記第一集光レンズを支持した第一支持部材であってもよい。

前記光学装置は、前記ベースに設けられ前記光ファイバを支持した第二支持部材を備え、前記第一中間部材は、前記第二支持部材と、前記第一集光レンズとの間に介在してもよい。

前記光学装置は、前記中間部材として、前記第二集光レンズと前記ベースとの間に介在した第二中間部材を備えてもよい。

前記光学装置は、前記中間部材として、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズと、前記ベースとの間に介在した第三中間部材を備えてもよい。

前記光学装置は、前記光ファイバの端部と一体化され当該光ファイバの断面積よりも大きい面積の端面を有したエンドキャップを備え、前記第三中間部材は、前記ベースに設けられ、前記光ファイバと、前記エンドキャップと、前記第一集光レンズと、前記第二集光レンズとを支持した第三支持部材であってもよい。

前記光学装置では、前記合成石英の熱膨張係数と前記中間部材の熱膨張係数との差が、１１×１０^－６［１／Ｋ］以下であってもよい。

前記光学装置では、前記中間部材の熱膨張係数と前記ベースとの熱膨張係数との差が、１１×１０^－６［１／Ｋ］以下であってもよい。

前記光学装置では、前記レーザ光の波長が、４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下であってもよい。

前記光学装置では、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズの、前記レーザ光に対する吸収率が、０．１［％］以下であってもよい。

前記光学装置では、前記光ファイバからの光出力が、１００［Ｗ］以上であってもよい。

前記光学装置では、前記中間部材を構成する材料の４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下の波長の光の吸収率は、前記ベースを構成する材料より低くてもよい。

前記光学装置では、前記中間部材は、銅タングステン合金または酸化アルミニウムで作られてもよい。

本発明の光学装置は、例えば、ベースと、前記ベースに設けられ、レーザ光を出力する複数の発光素子と、前記ベースに設けられ、前記発光素子から出力されたレーザ光を光ファイバに伝送する複数の光学部品と、を備え、前記複数の光学部品は、前記複数の発光素子からのレーザ光を集光する集光レンズを含み、前記集光レンズと、前記ベースとの間に、熱膨張係数が前記集光レンズの熱膨張係数と前記ベースの熱膨張係数との間の値である中間部材が設けられる。

前記光学装置では、前記集光レンズは、接着剤を介して前記中間部材に固定されてもよい。

前記光学装置は、前記中間部材を冷却する冷却機構を備えてもよい。

また、本発明の光源装置は、例えば、前記光学装置を備える。

また、本発明の光ファイバレーザは、例えば、前記光源装置と、前記光源装置から出力されたレーザ光を増幅する光増幅ファイバと、を備える。

本発明によれば、より改善された新規な構成を備えた光学装置、光源装置、および光ファイバレーザを得ることができる。

図１は、第１実施形態の光学装置の例示的かつ模式的な平面図である。 図２は、第１実施形態の光学装置に含まれる発光モジュールの例示的かつ模式的な平面図である。 図３は、第１実施形態の光学装置に含まれるベースの例示的かつ模式的な斜視図である。 図４は、第１実施形態の光学装置に含まれる支持構造の例示的かつ模式的な斜視図である。 図５は、第１実施形態の光学装置に含まれる光ファイバおよびエンドキャップの例示的かつ模式的な平面図である。 図６は、第１実施形態の光学装置に含まれるレンズの材料中に含まれるＢ_２Ｏ_３の含有率とレンズの温度との相関関係の一例を示すグラフである。 図７は、第２実施形態の光学装置に含まれる支持構造の例示的かつ模式的な斜視図である。 図８は、第３実施形態の光学装置の例示的かつ模式的な平面図である。 図９は、第３実施形態の光学装置に含まれるサブユニットの例示的かつ模式的な側面図である。 図１０は、第４実施形態の光学装置の例示的かつ模式的な平面図である。 図１１は、第５実施形態の光源装置の例示的な概略構成図である。 図１２は、第６実施形態の光ファイバレーザの例示的な概略構成図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

以下に示される複数の実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

本明細書において、序数は、部品や、部位等を区別するために便宜上付与されており、優先順位や順番を示すものではない。

また、各図において、Ｘ１方向を矢印Ｘ１で表し、Ｘ２方向を矢印Ｘ２で表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表す。Ｘ１方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに互いに直交している。また、Ｘ１方向とＸ２方向とは互いに逆方向である。

なお、図１，８～１０において、レーザ光Ｌの光路は、実線の矢印で示されている。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の光学装置１００Ａ（１００）の概略構成図であって、光学装置１００Ａの内部をＺ方向の反対方向に見た平面図である。

図１に示されるように、光学装置１００Ａは、ベース１０１と、複数のサブユニット１００ａと、光合成部１０８と、集光レンズ１０４，１０５と、光ファイバ１２０と、を備えている。各サブユニット１００ａの発光モジュール１０から出力されたレーザ光は、各サブユニット１００ａのミラー１０３、光合成部１０８、および集光レンズ１０４，１０５を経由して光ファイバ１２０の端部（不図示）に伝送され、当該光ファイバ１２０と光学的に結合される。光学装置１００Ａは、発光装置とも称されうる。

ベース１０１は、例えば、銅系材料やアルミニウム系材料のような、熱伝導率が高い材料で作られる。ベース１０１は、一つの部品で構成されてもよいし、複数の部品で構成されてもよい。また、ベース１０１は、カバー（不図示）で覆われている。複数のサブユニット１００ａ、複数のミラー１０３、光合成部１０８、集光レンズ１０４，１０５、および光ファイバ１２０の端部は、いずれもベース１０１上に設けられ、ベース１０１とカバーとの間に形成された収容室（不図示）内に収容されている。本実施形態では、収容室は気密封止されているが、これに限定されない。

光ファイバ１２０は、出力光ファイバであって、その端部を支持する支持構造１１０を介して、ベース１０１と固定されている。光ファイバ１２０からの光出力は、例えば、１００［Ｗ］以上である。

サブユニット１００ａ（１００ａ１，１００ａ２）は、発光モジュール１０、レンズ４３Ａ、およびミラー１０３を有している。レンズ４３Ａは、発光モジュール１０のレーザ光を、Ｙ方向において、すなわち遅軸においてコリメートする。

図２は、発光モジュール１０を示す平面図である。図２に示されるように、発光モジュール１０は、サブアセンブリ３０と、を有している。なお、図１，２において、レーザ光の光軸を一点鎖線Ａｘで示している。

サブアセンブリ３０は、サブマウント３１と、発光素子３２と、レンズ４２Ａと、を有している。

サブマウント３１は、例えば、Ｚ方向に薄い扁平な直方体状の形状を有している。また、サブマウント３１は、例えば、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）や、セラミック、ガラスのような絶縁材料で作られる。この他、熱伝導率が比較的大きいシリコンカーバイトやダイヤモンド等で作られていてもよい。サブマウント３１上には、発光素子３２に電力を供給する電極として、メタライズ層３１ａが形成されている。

発光素子３２は、例えば、速軸（ＦＡ）と遅軸（ＳＡ）とを有し、出力が５［Ｗ］以上の半導体レーザ素子である。発光素子３２は、Ｘ１方向に延びている。発光素子３２は、Ｚ方向と直交したＸ１方向の端部に位置する出射面３２ａに設けられた出射開口（不図示）から、当該Ｘ方向に、レーザ光を出射する。本実施形態では、発光素子３２の速軸はＺ方向に沿い、かつ遅軸はＹ方向に沿っている。また、発光素子３２は、例えば、４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下のレーザ光を出力する。

レンズ４２Ａは、サブマウント３１のＸ１方向の端面に取り付けられ、発光素子３２の出射面３２ａに対してＸ１方向に隣接して配置されている。レンズ４２Ａは、発光素子３２からのレーザ光を屈折するとともに透過する。発光素子３２から出射し、レンズ４２Ａを透過したレーザ光は、Ｘ方向に向かう。また、レンズ４２Ａは、例えば、コリメートレンズであり、速軸において、レーザ光をコリメートする。また、レンズ４２Ａは、発光モジュール１０からのレーザ光を光ファイバ１２０へ伝送する光学部品の一例である。

また、発光モジュール１０は、筐体２０を有してもよい。図２に示す例では、発光モジュール１０の筐体２０が部分的に破断され、発光モジュール１０の内部の構成が示されている。図２に示す例では、サブマウント３１は、筐体２０の底壁２１上に実装され、発光素子３２は、筐体２０およびサブマウント３１を介して、ベース１０１に設けられている。さらに、レンズ４２Ａは、筐体２０およびサブマウント３１を介して、ベース１０１に設けられている。

筐体２０は、箱形の形状を有し、ハウジングとも称されうる。筐体２０は、その内部に収容室Ｒを形成している。筐体２０は、収容室Ｒ内に、サブアセンブリ３０を収容している。筐体２０は、収容室Ｒを気密封止し、これにより、サブアセンブリ３０に筐体２０外から、液体や、気体、塵芥等が作用するのを防止している。また、収容室Ｒ内には、例えば、不活性ガスや乾燥空気が封入される。

筐体２０は、例えば、銅や銅合金のような銅系材料で作られている。

筐体２０の底壁２１は、例えば、銅や銅合金のような銅系材料で作られており、筐体２０のＺ方向の反対方向の端部に位置している。底壁２１は、Ｚ方向と交差し、Ｘ方向およびＹ方向に延びている。底壁２１は、四角形状かつ板状の形状を有している。

なお、筐体２０の底壁２１は、熱伝導率の高い材料であることが好ましいため、筐体２０の他の部分とは異なる材料で作られていてもよい。より具体的には、例えば、底壁２１が熱伝導率の高い銅や銅合金のような銅系材料等で作られ、筐体２０の側壁や蓋（不図示）が他の材料、例えば鉄ニッケルコバルト合金等で作られていてもよい。

筐体２０の側壁の一つである前壁２２は、筐体２０のＸ１方向の端部に位置している。前壁２２は、Ｘ１方向と交差し、Ｙ方向およびＺ方向に延びている。前壁２２は、四角形状かつ板状の形状を有している。

また、前壁２２には、開口部２２ａが設けられている。開口部２２ａには、窓部材２３が嵌められている。窓部材２３は、レーザ光を透過する性質を有している。すなわち、窓部材２３は、発光素子３２が出射するレーザ光に対して透明である。

図３は、ベース１０１の斜視図である。図３に示されるように、ベース１０１の表面１０１ｂには、Ｙ方向に向かうにつれてサブユニット１００ａの位置がＺ方向の反対方向にずれる複数の段差１０１ｂ１が設けられている。複数のサブユニット１００ａがＹ方向に所定間隔（例えば一定間隔）で並ぶアレイＡ１，Ａ２のそれぞれについて、サブユニット１００ａは、各段差１０１ｂ１上に配置されている。これにより、アレイＡ１に含まれるサブユニット１００ａのＺ方向の位置は、Ｙ方向に向かうにつれてＺ方向の反対方向にずれるとともに、アレイＡ２に含まれるサブユニット１００ａのＺ方向の位置も、Ｙ方向に向かうにつれてＺ方向の反対方向にずれる。このような構成により、各アレイＡ１，Ａ２において、複数のミラー１０３から、光合成部１０８に、Ｙ方向に進むＺ方向に並んだ互いに平行なレーザ光を、入力することができる。なお、段差１０１ｂ１は、Ｚ方向に対してＹ方向またはＹ方向の反対方向に傾斜した方向にずれ、各ミラー１０３から、Ｙ方向に対して所定の仰角をもつ方向にレーザ光が進むよう構成されてもよい。

図１に示されるように、各ミラー１０３からのレーザ光は、光合成部１０８に入力され、当該光合成部１０８において合成される。光合成部１０８は、コンバイナ１０８ａ、ミラー１０８ｂ、および１／２波長板１０８ｃを有している。

ミラー１０３、コンバイナ１０８ａ、ミラー１０８ｂ、および１／２波長板１０８ｃは、発光モジュール１０からのレーザ光を光ファイバ１２０へ伝送する光学部品の一例である。これら光学部品は、ベース１０１に直接的にあるいは他の部材を介して間接的に設けられている。

ミラー１０８ｂは、アレイＡ１のサブユニット１００ａからのレーザ光を１／２波長板１０８ｃを介してコンバイナ１０８ａに向かわせる。１／２波長板１０８ｃは、アレイＡ１からの光の偏波面を回転させる。

他方、アレイＡ２のサブユニット１００ａからのレーザ光は、コンバイナ１０８ａに直接入力される。

コンバイナ１０８ａは、二つのアレイＡ１，Ａ２からのレーザ光を合成する。コンバイナ１０８ａは、偏波合成素子とも称されうる。

コンバイナ１０８ａからのレーザ光は、集光レンズ１０４，１０５によって光ファイバ１２０の端部（不図示）に向けて集光され、光ファイバ１２０と光学的に結合され、光ファイバ１２０内を伝送される。集光レンズ１０４は、速軸において、集光レンズ１０５に向けてレーザ光を集光する。集光レンズ１０５は、遅軸において、光ファイバ１２０の端部（エンドキャップ、不図示）に向けてレーザ光を集光する。集光レンズ１０４，１０５は、発光モジュール１０からのレーザ光を光ファイバ１２０へ伝送する光学部品の一例である。また、集光レンズ１０４は、第二集光レンズの一例であり、集光レンズ１０５は、第一集光レンズの一例である。

ベース１０１には、サブユニット１００ａ（発光モジュール１０）や、支持構造１１０（支持部材１１１Ａ）、集光レンズ１０４，１０５、コンバイナ１０８ａ、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２等を冷却する冷媒通路１０９が設けられている。冷媒通路１０９では、例えば、冷却液のような冷媒が流れる。冷媒通路１０９は、例えば、ベース１０１の各部品の実装面の近く、例えば直下またはその近傍を通り、冷媒通路１０９の内面および冷媒通路１０９内の冷媒（不図示）は、冷却対象の部品や部位、すなわち、サブユニット１００ａや、支持構造１１０、集光レンズ１０４，１０５、コンバイナ１０８ａ、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２等と、熱的に接続されている。ベース１０１を介して冷媒と部品や部位との間で熱交換が行われ、部品が冷却される。なお、冷媒通路１０９の入口１０９ａおよび出口１０９ｂは、一例として、ベース１０１のＹ方向の反対方向の端部に設けられているが、他の位置に設けられてもよい。冷媒通路１０９は、冷媒のポンプや、バルブ、当該ポンプやバルブ等の制御装置等とともに、冷却機構を構成している。

また、図１，３に示されるように、ベース１０１の表面１０１ｂ上には、支持構造１１０の支持部材１１１Ａが設けられている。支持部材１１１Ａは、ベース１０１に固定されるとともに、光ファイバ１２０や、集光レンズ１０５等を支持している。言い換えると、支持部材１１１Ａは、ベース１０１と、光ファイバ１２０や、集光レンズ１０５のような光学部品との間に介在している。支持部材１１１Ａは、中間部材１３０Ａ１であり、第一支持部材および第一中間部材の一例である。

図４は、支持構造１１０の斜視図である。図４に示されるように、支持構造１１０は、支持部材１１１Ａと、カバー１１２と、ホルダ１１４と、を有し、光ファイバ１２０、エンドキャップ１１３、および集光レンズ１０５を支持している。

支持部材１１１Ａは、Ｙ方向に延びた直方体状の形状を有しており、Ｙ方向に延びた光ファイバ１２０を支持している。また、支持部材１１１Ａは、Ｚ方向の反対方向を向いた面１１１ａと、Ｚ方向を向いた面１１１ｂと、を有している。

カバー１１２は、Ｚ方向と交差しかつ直交している。カバー１１２は、Ｘ１，Ｘ２方向に短くＹ方向に長くかつＺ方向に薄い長方形状かつ板状の形状を有している。

支持部材１１１Ａおよびカバー１１２は、いずれも、熱伝導性の高い材料で作られる。

光ファイバ１２０は、支持部材１１１Ａとカバー１１２との間に設けられＸ方向に延びる収容室１４０内に、部分的に収容されている。収容室１４０内には、光ファイバ１２０からの漏洩光を処理する光処理機構が設けられてもよい。

カバー１１２は、例えば、ねじのような固定具１１６によって、支持部材１１１Ａと固定されている。光ファイバ１２０は、支持部材１１１Ａとカバー１１２とによって支持されている。

エンドキャップ１１３は、支持部材１１１Ａと、当該支持部材１１１Ａとは反対側に位置されたホルダ１１４とによって、取り囲まれている。ホルダ１１４は、支持部材１１１Ａとの間にエンドキャップ１１３を挟む状態で、ねじのような固定具１１６によって、支持部材１１１Ａに取り付けられている。エンドキャップ１１３は、例えば融着等により、光ファイバ１２０の剥離端部１２０ａ（芯線１２１）と一体化されている。

集光レンズ１０５は、支持部材１１１Ａの面１１１ｂ上に、接着剤のような接合材（不図示）によって固定されている。接合材は、例えば、電磁波硬化性の接着剤や、熱硬化性の接着剤、湿気硬化性の接着剤である。

図５は、光ファイバ１２０の先端とエンドキャップ１１３とを示す平面図である。図５には、エンドキャップ１１３内において光ファイバ１２０の芯線１２１の先端１２０ａ１に至るまでのレーザ光Ｌの光路が破線で示されている。仮に、エンドキャップ１１３が設けられていない構成において、剥離端部１２０ａの先端１２０ａ１に向けて集光レンズ１０５等によって集光されたレーザ光が到来すると、界面となる先端１２０ａ１においてビーム径が小さくなるのに伴ってパワー密度が過度に大きくなり、これにより過度な温度上昇が生じ、ひいては当該先端１２０ａ１が損傷してしまう虞がある。この点、本実施形態では、レーザ光Ｌは、先端１２０ａ１よりも広い、すなわち光ファイバ１２０の断面積よりも広い面積のエンドキャップ１１３の端面１１３ａ１に、ビーム径がより大きくパワー密度がより小さい状態で到達するため、界面となる端面１１３ａ１および芯線１２１の先端１２０ａ１の双方において、過度な温度上昇ひいては損傷を、抑制することができる。エンドキャップ１１３は、緩和部材とも称されうる。

なお、エンドキャップ１１３の突出部１１３ｂとは反対側の端面１１３ａ１には、ＡＲ（anti reflection）コーティングが施されている。これにより、端面１１３ａ１における光の反射が抑制されている。

また、図１，３に示されるように、ベース１０１の表面１０１ｂ上には、中間部材１３０Ａ２が設けられている。中間部材１３０Ａ２は、ベース１０１に固定されるとともに、集光レンズ１０４を支持している。言い換えると、中間部材１３０Ａ２は、ベース１０１と、光学部品としての集光レンズ１０４との間に介在している。中間部材１３０Ａ２は、例えば、はんだや、ろう、接着剤のようや接合材による接合、溶接などにより、ベース１０１に固定されている。また、集光レンズ１０４は、中間部材１３０Ａ２に、例えば、接着剤のような接合材（不図示）によって固定されている。接合材は、例えば、電磁波硬化性の接着剤や、熱硬化性の接着剤、湿気硬化性の接着剤である。中間部材１３０Ａ２は、第二中間部材の一例である。

集光レンズ１０４，１０５は、例えば、合成石英で作られる。合成石英は、レーザ光に対する吸収率が低い。よって、集光レンズ１０４，１０５を合成石英によって作ることにより、レーザ光の吸収による集光レンズ１０４，１０５の温度上昇を抑制することができる。このような観点から、集光レンズ１０４，１０５による波長が４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下であるレーザ光の吸収率は、０．１［％］以下であるのが好ましい。

発明者らは、光学装置１００Ａにおいて、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）の含有率（質量含有率）が異なる材料で作られた集光レンズ１０５をそれぞれ装着してレーザ光を照射し、各場合の集光レンズ１０５の温度、および光出力のような光学特性を計測する実験を行った。図６は、酸化ホウ素の含有率と、集光レンズ１０５の最高温度との相関関係を示すグラフである。グラフの横軸は、集光レンズ１０５中の酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）の質量含有率（質量［％］）であり、縦軸は、集光レンズ１０５の温度［℃］である。この実験において、レーザ光の波長は、４６５[ｎｍ]、レーザ光のパワーの合計は、２２０［Ｗ］であった。図６から、酸化ホウ素の含有率が高いほど、集光レンズ１０５の温度が高くなることがわかる。

この実験の結果、光学装置１００Ａにおいて光学特性が所期範囲に収まった集光レンズ１０５の温度の閾値Ｔｔｈ（最高温度）は、５７［℃］であり、当該閾値Ｔｔｈに対応した酸化ホウ素の質量含有率の閾値Ｐｔｈ（最大含有率）は、２［％］であった。すなわち、集光レンズ１０４，１０５の材料中の酸化ホウ素の質量含有率は、２［％］（質量［％］）以下であるのが好ましいことが判明した。

また、上述した構成において、中間部材１３０Ａ１は、熱膨張係数が集光レンズ１０５の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との間の値である材料で作られるとともに、中間部材１３０Ａ２は、熱膨張係数が集光レンズ１０４の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との間の値である材料で作られるのが好適である。仮に、集光レンズ１０４，１０５がベース１０１に直接取り付けられた場合、例えば銅系金属で作られるベース１０１の熱膨張係数と、例えば合成石英で作られる集光レンズ１０４，１０５の熱膨張係数との差によって、集光レンズ１０４，１０５とベース１０１との間で、温度変化に伴う体積変化の差が大きくなってしまう。このような体積変化の差が、例えば集光レンズ１０４，１０５をベース１０１に固定する接着剤の接合状態を維持できる範囲を超えてしまうと、集光レンズ１０４，１０５がベース１０１に対してずれたり、傾いたり、外れたりし、ひいては光学装置１００Ａにおいて所期の光学特性が得られなくなってしまう虞がある。この点、本実施形態では、集光レンズ１０４，１０５は、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２を介してベース１０１に固定されているため、集光レンズ１０４，１０５と中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２との間で、温度変化に伴う体積変化の差をより小さくすることができるとともに、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２とベース１０１との間で温度変化に伴う体積変化の差をより小さくすることができる。よって、ベース１０１による中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２を介した集光レンズ１０４，１０５の固定状態を所期の状態に維持しやすくなり、ひいては、集光レンズ１０４，１０５のベース１０１に対する相対的な位置や姿勢の変化に伴って光学装置１００Ａにおいて所期の光学特性が得られなくなるのを抑制することができる。

このような中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２の材料としては、例えば、銅タングステン合金（例えば、Ｃｕを質量含有率で１０～２０［％］程度含むもの）や、酸化アルミニウム等が好ましい。また、光学装置１００Ａ内の迷光（漏洩光）による発熱を抑制するため、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２は、ベース１０１を構成する材料（本実施形態では銅）よりも波長が４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下であるレーザ光の吸収率が低い材料で作られることが好ましい。

さらに、発明者らは、鋭意検討により、合成石英で作られた集光レンズ１０４の熱膨張係数と中間部材１３０Ａ２の熱膨張係数との差、合成石英で作られた集光レンズ１０５の熱膨張係数と中間部材１３０Ａ１の熱膨張係数との差、中間部材１３０Ａ２の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との差、ならびに中間部材１３０Ａ１の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との差が、いずれも１１×１０^－６［１／Ｋ］以下であれば、集光レンズ１０４，１０５のベース１０１に対する固定状態について所期の信頼性を確保することができ、ひいては、集光レンズ１０４，１０５の位置や姿勢のずれに起因した光学装置１００Ａの光学特性の低下が生じないか、あるいは問題にならないレベルであることを、確認した。

以上、説明したように、本実施形態では、集光レンズ１０４，１０５が合成石英で作られている。集光レンズ１０４，１０５は、複数のレーザ光が入力されるとともに、特に集光レンズ１０５は、集光レンズ１０４から集光された光が入力されるため、レーザ光が比較的高いエネルギ密度で入力される。このため、集光レンズ１０４，１０５、特に集光レンズ１０５は、エンドキャップ１１３を除く他の光学部品に比べて、温度が上昇しやすい。集光レンズ１０４，１０５において、過度な温度上昇が生じた場合には、集光レンズ１０４，１０５のベース１０１に対する固定状態の信頼性の低下や、それに伴う光学装置１００Ａの光学特性の信頼性の低下を、招く虞がある。この点、本実施形態では、集光レンズ１０４，１０５がレーザ光の吸収率が低い合成石英で作られているため、集光レンズ１０４，１０５の過度な温度上昇を抑制することができ、ひいては、集光レンズ１０４，１０５のベース１０１に対する固定状態の信頼性の低下や、それに伴う光学装置１００Ａの光学特性の信頼性の低下を、抑制することができる。

また、本実施形態では、集光レンズ１０４，１０５は、中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２を介して、ベース１０１に固定されており、当該中間部材１３０Ａ１，１３０Ａ２の熱膨張係数は、集光レンズ１０４，１０５の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との間の値である。このような構成により、集光レンズ１０４，１０５がベース１０１に直接固定されている場合に比べて、当該集光レンズ１０４，１０５の所期の固定状態を維持しやすくなる。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態の支持構造１１０の斜視図である。本実施形態の光学装置１００Ｂ（１００）は、支持構造１１０が相違する点を除き、上記第１実施形態の光学装置１００Ａと同様の構成を備えている。

本実施形態の支持構造１１０では、支持部材１１１Ｂと、集光レンズ１０５との間に板状の中間部材１３０Ｂが介在している。中間部材１３０Ｂは、支持部材１１１Ｂとエンドキャップ１１３との間には介在していない。本実施形態でも、中間部材１３０Ｂは、熱膨張係数が、集光レンズ１０５の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との間の値である材料で作られており、具体的には、銅タングステン合金または酸化アルミニウムで作られている。このような構成の光学装置１００Ｂにおいても、ベース１０１と集光レンズ１０５との間に中間部材１３０Ｂを備えていることにより、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。中間部材１３０Ｂは、第一中間部材の一例であり、支持部材１１１Ｂは、第二支持部材の一例である。

支持部材１１１Ｂの熱膨張係数は、ベース１０１の熱膨張係数と中間部材１３０Ｂの熱膨張係数との間の値であってもよいし、ベース１０１の熱膨張係数と近いあるいは同じ値であってもよい。また、支持部材１１１Ｂは、ベース１０１と別の部材として構成されベース１０１に固定されてもよいし、ベース１０１の一部であってもよい。

［第３実施形態］
図８は、第３実施形態の光学装置１００Ｃの平面図である。本実施形態の光学装置１００Ｃは、サブユニット１００ａの構成が上記第１実施形態と相違するとともに、支持構造１１０の構成が上記第１実施形態と相違している。これらを除き、光学装置１００Ｃは、上記第１実施形態の光学装置１００Ａと同様の構成を備えている。

図９は、サブユニット１００ａ１（１００ａ）の構成を示す側面図である。図９に示されるように、サブユニット１００ａ１において、発光素子３２から出力されたレーザ光Ｌは、レンズ４１Ｃ、レンズ４２Ｃ、およびレンズ４３Ｃをこの順に経由し、少なくともＺ方向およびＹ方向でコリメートされる。レンズ４１Ｃ、レンズ４２Ｃ、およびレンズ４３Ｃは、いずれも筐体２０外に設けられている。

本実施形態では、レンズ４１Ｃ、レンズ４２Ｃ、およびレンズ４３Ｃは、Ｘ１方向にこの順に並んでいる。発光素子３２から出力されたレーザ光Ｌは、レンズ４１Ｃ、レンズ４２Ｃ、およびレンズ４３Ｃを、この順に通過する。また、発光素子３２から出て、レンズ４１Ｃ、レンズ４２Ｃ、およびレンズ４３Ｃを通過する迄の間、レーザ光Ｌの光軸は直線状であり、レーザ光Ｌの速軸方向はＺ方向に沿い、かつレーザ光Ｌの遅軸方向はＹ方向に沿う。

レンズ４１Ｃは、窓部材２３からＸ１方向に僅かに離間するか、あるいは窓部材２３に対してＸ１方向に接している。レンズ４１Ｃは、筐体２０に接着剤等を介して固定されてもよい。

レンズ４１Ｃには、窓部材２３を通過したレーザ光Ｌが入射する。レンズ４１Ｃは、光軸に沿う中心軸Ａｘに対する軸対称形状を有したレンズであり、中心軸Ａｘ周りの回転体として構成されている。レンズ４１Ｃは、中心軸ＡｘがＸ１方向に沿うとともにレーザ光Ｌの光軸と重なるように配置される。レンズ４１Ｃの入射面４１ａおよび出射面４１ｂは、それぞれ、Ｘ１方向に延びた中心軸Ａｘ周りの回転面を有している。出射面４１ｂは、Ｘ１方向に凸の凸曲面である。出射面４１ｂは、入射面４１ａよりも大きく突出している。レンズ４１Ｃは、所謂凸レンズである。

レンズ４１Ｃを出たレーザ光Ｌのビーム幅は、Ｘ１方向に進むにつれて狭くなる。なお、ビーム幅は、レーザ光のビームプロファイルにおいて、光強度が所定値以上となる領域の幅である。所定値は、例えば、ピークの光強度の１／ｅ^２である。レンズ４１Ｃは、レーザ光Ｌを、Ｚ方向、Ｙ方向、およびＺ方向とＹ方向との間の方向において集束するため、レーザ光Ｌの収差が小さくなるという効果が得られる。

レンズ４２Ｃは、Ｚ方向と交差しかつ直交した平面としての仮想中心面Ｖｃ２に対する面対称形状を有している。レンズ４２Ｃの入射面４２ａおよび出射面４２ｂは、Ｙ方向に沿う母線を有しＹ方向に延びた柱面を有している。入射面４２ａは、Ｘ１方向の反対方向に凸の凸曲面である。また、出射面４２ｂは、Ｘ１方向に凹の凹曲面である。

レンズ４２Ｃは、レーザ光Ｌを、Ｚ方向におけるビーム幅Ｗｚｃが、レンズ４１Ｃへの入射面４１ａでのＺ方向におけるビーム幅Ｗｚａよりも小さい状態で、Ｚ方向において、すなわち速軸においてコリメートする。レンズ４２Ｃは、Ｙ方向と直交する断面において凹レンズである。レンズ４２Ｃは、コリメートレンズとも称されうる。

また、レンズ４２Ｃは、レンズ４１Ｃによるレーザ光ＬのＺ方向の集束点Ｐｃｚよりもレンズ４１Ｃの近くに位置されている。仮に、レンズ４２Ｃが、Ｚ方向の集束点Ｐｃｚよりもレンズ４１Ｃの遠くに位置された場合、レンズ４１Ｃとレンズ４２Ｃとの間のレーザ光Ｌの光路上に、Ｚ方向の集束点Ｐｃｚが出現することになる。この場合、エネルギ密度の高いＺ方向の集束点Ｐｃｚにおいて塵芥が集積するなどの不都合が生じる虞がある。この点、本実施形態では、レンズ４２ＣがＺ方向の集束点Ｐｃｚよりもレンズ４１Ｃの近くに位置されているため、レーザ光Ｌが集束点Ｐｃｚに到達する前にレンズ４２Ｃによってコリメートされる。すなわち、本実施形態によれば、レーザ光Ｌの光路上にＺ方向の集束点Ｐｃｚが出現しないため、当該集束点Ｐｃｚによる不都合が生じるのを、回避することができる。

なお、レーザ光ＬのＹ方向における集束点（不図示）は、レンズ４１Ｃとレンズ４２Ｃとの間に出現するが、Ｙ方向における集束点でのエネルギ密度はそれほど高くないため、塵芥の集積のような問題は生じ無い。

発光素子３２から出力されレンズ４１Ｃおよびレンズ４２Ｃを経由したレーザ光ＬのＹ方向のビーム幅は、Ｘ１方向に進むにつれて拡がる。レンズ４３Ｃには、レンズ４２Ｃを経由してＹ方向において拡がっている先太りのレーザ光Ｌが入射する。

レンズ４３Ｃは、Ｙ方向と交差しかつ直交した平面としての仮想中心面に対する面対称形状を有している。レンズ４３Ｃの入射面４３ａおよび出射面４３ｂは、Ｚ方向に沿う母線を有しＺ方向に延びた柱面を有している。入射面４３ａは、Ｘ１方向と直交する平面である。また、出射面４３ｂは、Ｘ１方向に凸の凸曲面である。

レンズ４３Ｃは、レーザ光Ｌを、Ｙ方向において、すなわち遅軸においてコリメートする。レンズ４３Ｃは、Ｚ方向と直交する断面において凸レンズである。レンズ４３Ｃは、コリメートレンズとも称されうる。

また、本実施形態では、図８に示されるように、支持部材１１１Ｃは、集光レンズ１０４，１０５を支持している。支持部材１１１Ｃは、中間部材１３０Ｃである。当該中間部材１３０Ｃは、熱膨張係数が、集光レンズ１０４，１０５の熱膨張係数とベース１０１の熱膨張係数との間の値である材料で作られており、具体的には、銅タングステン合金または酸化アルミニウムで作られている。

このような構成の光学装置１００Ｃにおいても、ベース１０１と集光レンズ１０４，１０５との間に中間部材１３０Ｃを備えていることにより、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。中間部材１３０Ｃは、第三中間部材の一例であり、支持部材１１１Ｃは、第三支持部材の一例である。

本実施形態の光学装置１００Ｃは、二つの集光レンズ１０４，１０５について一つの中間部材１３０Ｃが設けられている分、上記第１実施形態の光学装置１００Ａおよび第２実施形態の光学装置１００Ｂに比べて、中間部材１３０Ｃの数、ひいては光学装置１００Ｃの部品点数を減らすことができるため、例えば、製造の手間やコストを低減できる場合がある。このような構成は、集光レンズ１０４，１０５が比較的近くに配置される場合には特に有利である。これに対し、集光レンズ１０４，１０５が比較的遠くに配置される場合には、上記第１実施形態や第２実施形態のように、集光レンズ１０４，１０５に対してそれぞれ別の中間部材１３０Ａ１（１３０Ｂ），１３０Ａ２を設けた構成が、中間部材をより小さくし、ひいては光学装置１００の質量の増大を抑制できるという点で、有利となる場合がある。

［第４実施形態］
図１０は、第４実施形態の光学装置１００Ｄの平面図である。本実施形態の光学装置１００Ｄは、複数の発光素子３２が、互いに異なる波長（λ１，λ２，・・・，λｎ－１，λｎ）のレーザ光を出力し、１／２波長板１０８ｃを有さず、かつサブアセンブリ３０が筐体２０内に収容されていない点を除き、上記実施形態の光学装置１００と同様の構成を備えている。複数の波長の間隔は、例えば、中心波長間で、５［ｎｍ］～２０［ｎｍ］である。また、ここで合成される光には、青色のレーザ光が含まれてもよい。

このような構成の光学装置１００Ｄにおいても、ベース１０１と集光レンズ１０４，１０５との間に中間部材１３０Ｃを備えていることにより、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。

［第５実施形態］
図１１は、上記第１～第４実施形態のいずれかの光学装置１００（発光装置）が実装された第５実施形態の光源装置１０００の構成図である。光源装置１０００は、励起光源として、複数の光学装置１００を備えている。複数の光学装置１００から出力されたレーザ光は、光ファイバ１２０を介して光結合部としてのコンバイナ２００に伝送される。光ファイバ１２０の出力端は、複数入力１出力のコンバイナ２００の複数の入力ポートにそれぞれ結合されている。なお、光源装置１０００は、複数の光学装置１００を有するものに限定されるものではなく、少なくとも１つの光学装置１００を有していればよい。

［第６実施形態］
図１２は、図１１の光源装置１０００が実装された光ファイバレーザ３００の構成図である。光ファイバレーザ３００は、図１１に示された光源装置１０００およびコンバイナ２００と、希土類添加光ファイバ３３０と、出力側光ファイバ３４０と、を備える。希土類添加光ファイバ３３０の入力端及び出力端には、それぞれ高反射ＦＢＧ３１０，３２１（fiber Bragg grating）が設けられている。

コンバイナ２００の出力端には、希土類添加光ファイバ３３０の入力端が接続され、希土類添加光ファイバ３３０の出力端には、出力側光ファイバ３４０の入力端が接続されている。なお、複数の光学装置１００から出力されるレーザ光を希土類添加光ファイバ３３０に入力する入力部は、コンバイナ２００に換えて他の構成を使用してもよい。例えば、複数の光学装置１００における出力部の光ファイバ１２０を並べて配置し、複数の光ファイバ１２０から出力されたレーザ光を、レンズを含む光学系等の入力部を用いて、希土類添加光ファイバ３３０の入力端に入力するように構成してもよい。希土類添加光ファイバ３３０は、光増幅ファイバの一例である。

第５実施形態の光源装置１０００、あるいは第６実施形態の光ファイバレーザ３００によれば、上記第１～第４実施形態の光学装置１００を備えることにより、上記第１～第４実施形態と同様の効果が得られる。

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

例えば、以上の実施形態では、光学装置が二つの集光レンズを有する構成を示したが、これには限定されない。より具体的には、光学装置は、例えば、二つの集光レンズに代えて、三つ以上の集光レンズを有してもよいし、速軸および遅軸の双方において光ファイバの端部に向けてレーザ光を集光する一つの集光レンズを有してもよい。

また、サブユニットや、発光モジュール、各光学部品、突出部、遮蔽部等の、構成や、配置、組み合わせは、上記実施形態には限定されない。また、迷光の進行方向も、上述した方向には限定されない。

１０…発光モジュール
２０…筐体
２１…底壁
２２…前壁
２２ａ…開口部
２３…窓部材
３０…サブアセンブリ
３１…サブマウント
３１ａ…メタライズ層
３２…発光素子
３２ａ…出射面
４１Ｃ…レンズ
４１ａ…入射面
４１ｂ…出射面
４２Ａ，４２Ｃ…レンズ（光学部品）
４２ａ…入射面
４２ｂ…出射面
４３Ａ，４３Ｃ…レンズ（光学部品）
４３ａ…入射面
４３ｂ…出射面
１００，１００Ａ～１００Ｄ…光学装置
１００ａ，１００ａ１，１００ａ２…サブユニット
１０１…ベース
１０１ｂ…表面
１０１ｂ１…段差
１０３…ミラー（光学部品）
１０４…集光レンズ（第二集光レンズ、光学部品）
１０５…集光レンズ（第一集光レンズ、光学部品）
１０８…光合成部
１０８ａ…コンバイナ（第一光学部品、光学部品）
１０８ｂ…ミラー（第一光学部品、光学部品）
１０８ｃ…１／２波長板（第一光学部品、光学部品）
１０９…冷媒通路
１０９ａ…入口
１０９ｂ…出口
１１０…支持構造
１１１Ａ～１１１Ｃ…支持部材
１１１ａ…面
１１１ｂ…面
１１２…カバー
１１３…エンドキャップ
１１３ａ１…端面
１１３ｂ…突出部
１１４…ホルダ
１１６…固定具
１２０…光ファイバ
１２０ａ…剥離端部
１２０ａ１…先端
１２１…芯線
１３０Ａ１…中間部材（第一中間部材）
１３０Ａ２…中間部材（第二中間部材）
１３０Ｂ…中間部材（第二中間部材）
１３０Ｃ…中間部材（第三中間部材）
１４０…収容室
２００…コンバイナ
３００…光ファイバレーザ
３１０，３２０…高反射ＦＢＧ
３３０…希土類添加光ファイバ
３４０…出力側光ファイバ
１０００…光源装置
Ａｘ…中心軸
Ａ１，Ａ２…アレイ
Ｌ…レーザ光
Ｐｃｚ…集束点
Ｐｔｈ…閾値
Ｒ…収容室
Ｔｔｈ…閾値
Ｖｃ２…仮想中心面
Ｗｚａ…（Ｚ方向における）ビーム幅
Ｗｚｃ…（Ｚ方向におけるコリメートされた）ビーム幅
Ｘ１…方向
Ｘ２…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向

Claims (16)

1. ベースと、
   前記ベースに設けられ、レーザ光を出力する複数の発光素子と、
   前記ベースに設けられ、前記発光素子から出力されたレーザ光を光ファイバに伝送する複数の光学部品と、
   を備え、
   前記複数の光学部品は、
   前記光ファイバの端部に向けて前記複数の発光素子からのレーザ光を集光する第一集光レンズと、
   前記第一集光レンズに向けて前記複数の発光素子からのレーザ光を集光する第二集光レンズと、
   を含み、
   前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズは、合成石英で作られ、
   前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズと、前記ベースとの間に、熱膨張係数が前記合成石英の熱膨張係数と前記ベースの熱膨張係数との間の値である中間部材が設けられ、
   前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズは、それぞれ、接着剤により前記中間部材に固定され、
   前記合成石英の熱膨張係数と前記中間部材の熱膨張係数との差が、１１×１０ ^－６ ［１／Ｋ］以下であり、
   前記中間部材の熱膨張係数と前記ベースとの熱膨張係数との差が、１１×１０ ^－６ ［１／Ｋ］以下であり、
   前記ベースが冷却される、光学装置。
2. 前記複数の光学部品は、前記ベースとの間に前記中間部材が介在しない光学部品を含む、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記中間部材として、前記第一集光レンズと前記ベースとの間に介在した第一中間部材を備えた、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記光ファイバの端部と一体化され当該光ファイバの断面積よりも大きい面積の端面を有したエンドキャップを備え、
   前記第一中間部材は、前記ベースに設けられ、前記光ファイバ、前記エンドキャップ、および前記第一集光レンズを支持した第一支持部材である、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記ベースに設けられ前記光ファイバを支持した第二支持部材を備え、
   前記第一中間部材は、前記第二支持部材と、前記第一集光レンズとの間に介在した、請求項３に記載の光学装置。
6. 前記中間部材として、前記第二集光レンズと前記ベースとの間に介在した第二中間部材を備えた、請求項３～５のうちいずれか一つに記載の光学装置。
7. 前記中間部材として、前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズと、前記ベースとの間に介在した第三中間部材を備えた、請求項１または２に記載の光学装置。
8. 前記光ファイバの端部と一体化され当該光ファイバの断面積よりも大きい面積の端面を有したエンドキャップを備え、
   前記第三中間部材は、前記ベースに設けられ、前記光ファイバと、前記エンドキャップと、前記第一集光レンズと、前記第二集光レンズとを支持した第三支持部材である、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記レーザ光の波長が、４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下である、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の光学装置。
10. 前記第一集光レンズおよび前記第二集光レンズの、前記レーザ光に対する吸収率が、０．１［％］以下である、請求項９に記載の光学装置。
11. 前記光ファイバからの光出力が、１００［Ｗ］以上である、請求項１～１０のうちいずれか一つに記載の光学装置。
12. 前記中間部材を構成する材料の４００［ｎｍ］以上かつ５２０［ｎｍ］以下の波長の光の吸収率は、前記ベースを構成する材料よりも低い、請求項１～１１のうちいずれか一つに記載の光学装置。
13. 前記中間部材は、銅タングステン合金または酸化アルミニウムで作られた、請求項１～１２のうちいずれか一つに記載の光学装置。
14. 前記ベースに、前記中間部材、前記第一集光レンズ、および前記第二集光レンズと熱的に接続された冷媒が通る冷媒通路が設けられた、請求項１～１３のうちいずれか一つに記載の光学装置。
15. 請求項１～１４のうちいずれか一つに記載の光学装置を備えた、光源装置。
16. 請求項１５に記載の光源装置と、
    前記光源装置から出力されたレーザ光を増幅する光増幅ファイバと、
    を備えた、光ファイバレーザ。

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