JPH07287189A - 光路変換器およびそれを用いたレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マルチストライプアレイ半導体レーザ光の偏
平光源の向きを各々９０度回転することにより、微小ス
ポットへの集光や、光ファイバーへの導光、固体レーザ
素子の励起を可能にする。 【構成】 互いに共焦点に配置した２個のシリンドリカ
ルレンズまたは円柱レンズを一つの要素とし、該要素の
複数個を、その軸線を配列面に対して４５度傾斜させた
状態でアレイ状に配列してなることを特徴とする光路変
換器、及び該光路変換器をマルチストライプアレイ半導
体レーザ発生素子とフォーカシングレンズとの間に設け
たことを特徴とするレーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ光の形状
を変換するための光路変換器、及び該光路変換器を用い
たレーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を集光して光エネルギーを利用
する技術の向上は、レーザ加工分野に於て最重要課題の
一つである。通常のレーザ加工に用いられるレーザ発生
器としては、ＹＡＧレーザが多用されている。しかしな
がらＹＡＧレーザは、電気入力に対する光出力の変換効
率が低く、比較的大規模な装置と多量の冷却水が必要で
ある。

【０００３】一方、電気入力／光出力の変換効率が高
く、かつコンパクトで大がかりな冷却装置を必要としな
いレーザ装置として、半導体レーザ発生素子を用いたも
のが知られている。ところがこの半導体レーザは、ビー
ム品質が低く、特に単一ストライプ半導体レーザ発生素
子は高出力が得られず、レーザ加工にそのまま用いるこ
とは困難である。

【０００４】比較的高出力が得られる半導体レーザ発生
素子としては、マルチストライプアレイ半導体レーザが
知られている。これは１０〜１００本のストライプ状活
性層が半導体チップに刻まれており、１次元上に配列し
た１０〜１００箇所の線分状の各地点からレーザ光が出
射する破線状の光源を有している。

【０００５】ところで、レーザ光は、レーザ加工分野の
みならず、医療分野でも使用性の高いレーザ光源を提供
する要望を満たす上からは、１本の光ファイバに高効率
に導光できることが好ましい。このため、上記マルチス
トライプアレイ半導体レーザを用いる場合には、各活性
層からの出射光をそれぞれ個別の光ファイバに導光して
ファイババンドルとし、これらの光ファイバ端面からの
出射光を新たに集光するなどの措置がとられている。と
ころがこの場合、光ファイバのカプリング損失が大きい
上、破線状に出射するレーザ光を単一の光ファイバに導
光して細く高密度に絞ることが困難であった。

【０００６】他方、半導体レーザ光を励起光源として用
いた固体レーザが、高効率、長寿命、及び小型化を図れ
ることから注目を集めている。この半導体レーザ励起固
体レーザに於ける固体レーザの光軸方向から光励起する
端面励起方式によると、固体レーザ発振のモード空間に
半導体レーザ出力光による励起空間をマッチングさせる
ことによって高効率な単一基本横モード発振を実現し得
るが、マルチストライプアレイ半導体レーザを用いて固
体レーザを端面励起することは困難であった。

【０００７】半導体レーザ光の集光方法として、出射光
を単レンズを用いてまとめて集光する方法がある。とこ
ろがこの方法でマルチストライプアレイ半導体レーザを
集光しようとすると、マルチストライプアレイ半導体レ
ーザの光源の全長が約１０mm程もあるため、フォーカシ
ング時にレンズの倍率で決まる径寸法を持ったビームス
ポットしか得られず、径寸法が１mm以下のビームスポッ
トを得ることは到底不可能であった。

【０００８】その他の半導体レーザ光の集光方法とし
て、図９に示すように、マイクロレンズアレイ３１を用
いて半導体レーザ発生素子の活性層２１が出射するレー
ザ光をそれぞれ個別にコリメートした後、フォーカシン
グレンズ２６を用いてビームスポットＢＳを一箇所に絞
って全ストライプ光を重畳させる方法がある。この方法
によれば、マイクロレンズ３１とフォーカシングレンズ
２６との焦点距離で決まる倍率を各活性層２１の全幅に
掛け合わせた程度のビームスポット径（１mm程度）が得
られる。またこの方法によると、半導体レーザ発生素子
の活性層２１に対して垂直成分は細く絞ることができ
る。

【０００９】しかしながら、この方法では、隣合ったス
トライプ光同士が重なり合わないようにするために、各
ストライプ光に対応する各マイクロレンズを、半導体レ
ーザ発生素子の出射面に近接配置する必要がある。この
ため、各マイクロレンズは焦点距離の短いものを使う必
要があり、フォーカシングレンズとの組合せで決まる倍
率が大きくならざるを得なかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】さて、半導体レーザは
上記したように、ビーム放射角が大きいために半導体レ
ーザ発生素子に集光系を接近させて集光する必要があ
り、発振光の集光は容易ではない。また半導体レーザ励
起固体レーザの高出力化のためには、励起用の半導体レ
ーザを高出力化する必要がある。そして半導体レーザ発
生素子は、ストライプ状の活性層からレーザ光が出射す
るが、単一ストライプ半導体レーザでは出力に限界があ
り、高出力を得るには、複数の活性層を配列したアレイ
状にしなければならない。

【００１１】半導体レーザの活性層を一次元的に配列し
たマルチストライプアレイ半導体レーザ発生素子は、１
０Ｗ以上の出力が得られ、レーザマイクロ加工用として
十分に使用できる出力を有している。このマルチストラ
イプレーザ光を光学系を用いて直接集光し、十分に細い
スポットに絞ることができれば、半導体レーザ出力をレ
ーザ加工に用いることができる。

【００１２】ところが、マルチストライプアレイ半導体
レーザ発生素子２２は、図１０に示すように、通常、約
１００〜２００μｍ幅の活性層２１が、全幅約１０mmの
平面内に１０〜１００本一定間隔で配列されている。従
って、ひとつの半導体レーザ発生素子から１０〜１００
本のレーザ光が出射する破線状の光源が与えられる。こ
れらの各ストライプ光は、それぞれ偏平な光源から発せ
られたものであり、ビーム放射角は活性層に対して垂直
成分θVが相対的に大きく約４０〜５０度であり、平行
成分θHは相対的に小さく約１０度である。また発光源
の幅は垂直成分が相対的に狭く０．１〜１μｍであり、
平行成分は相対的に広く上述のように１００〜２００μ
ｍである。このため、半導体レーザ発生素子２２からの
出射光をレンズを用いて集光して絞り込む場合、垂直成
分θVは容易に絞り得るが、平行成分θHは光源の全幅が
広いために微小スポットに絞ることが困難である。

【００１３】これに対応するために、上記した如くスト
ライプ光源に対して１対１でマイクロレンズを対応させ
て配列し、各々のストライプ光を集光してコリメートし
た後にフォーカシングレンズで絞ることが考えられる
が、絞り込んだビームスポット径は、フォーカシングレ
ンズ２６とビームスポットＢＳ間の距離と、光源とマイ
クロレンズ３１間の距離との比で決まる倍率を活性層の
幅に掛けたスポット径となる。そのため、マイクロレン
ズは光源からできるだけ離間して配置することが好まし
いが、ストライプ光の垂直成分の放射角が大きいことを
考えると、このように配置することは困難である。

【００１４】これに対応するために、垂直成分θVと平
行成分θHとを別々のレンズで集光し、垂直成分集光用
レンズは光源の至近距離に、平行成分集光用レンズは離
間して配置することが考えられるが、平行成分θHにつ
いても１０度という放射角があるため、ある一定の距離
以上では隣同士のストライプ光が重なってしまい、離間
し得る距離には限度がある。

【００１５】活性層の発光端面が梯子状に配列されたも
のが存在すれば、うまく集光することができる。即ち、
図１１に示すように、まず焦点距離の短いマイクロシリ
ンドリカルレンズアレイ３２を用いて活性層２１に垂直
な成分をコリメートし、次いで焦点距離の長いシリンド
リカルレンズ２５を用いて活性層２１に平行な成分をコ
リメートする。最後にフォーカシングレンズ２６を用い
て両成分をビームスポットＢＳに集束させる。ここで垂
直成分については、マイクロシリンドリカルレンズ３２
を光源に近接配置するので、倍率は高くなるものの、光
源の幅は極めて狭いために集束スポット径はさほど大き
くならない。また平行成分については、シリンドリカル
レンズ２５を光源から離間配置するので、倍率を小さく
抑えることができるために集束スポット径を小さくする
ことができる。

【００１６】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、その第１の目的は、半導体レーザ活性層
に対して平行成分を集光するに際し、コリメータレンズ
を半導体レーザ発生素子から離間して配置し、フォーカ
シングレンズとの組合せで決まる倍率を小さくすること
によって絞ったビームスポット径を小さくすることので
きる光路変換器を提供することにある。これに加えて本
発明の第２の目的は、マルチストライプアレイ半導体レ
ーザ発生素子から出射される発散角が大きい多数のレー
ザビームを集光して単一のスポットに絞り込み、レーザ
加工用光源として使用したり、光ファイバに導光した
り、固体レーザ発振のモード空間に半導体レーザ出力光
による励起空間をマッチングしたりすることができるよ
うに、固体レーザ基本波を高効率に生起せしめるレーザ
装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】このような目的は、本発
明によれば、互いに共焦点に配置した２個のシリンドリ
カルレンズまたは円柱レンズを一つの要素とし、該要素
の複数個を、その軸線を配列面に対して４５度傾斜させ
た状態でアレイ状に配列してなることを特徴とする光路
変換器、及び該光路変換器をマルチストライプアレイ半
導体レーザ発生素子とフォーカシングレンズとの間に設
けたことを特徴とするレーザ装置を提供することによっ
て達成される。

【００１８】

【作用】本発明の光路変換器によれば、入射した偏平光
は、第１のシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）でその
入射位置の屈折率に応じて曲げられ、全体としてレンズ
の中心軸線を中心に反転し、偏平方向が９０度回転して
ねじれた状態で第２のシリンドリカルレンズ（円柱レン
ズ）から出射する。従って、マルチストライプアレイ半
導体レーザ発生素子から出射した破線状に直列する線状
レーザ光を、梯子状に並列したレーザ光に変換すること
ができる。これにより、マルチストライプアレイ半導体
レーザ発生素子とシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）
間の光学距離を長くとっても、隣同士のストライプ光が
重なり合うことがなく、マルチストライプアレイ半導体
レーザ光を重畳させて微小なスポットに絞り込むことが
できる。

【００１９】

【実施例】以下に添付の図面に示された具体的な実施例
に基づいて本発明を詳細に説明する。

【００２０】まず、本発明の光路変換器の光路変換原理
について説明する。図１は本発明に基づく光路変換器１
の斜視図、図２は図１に示す光路変換器１の側面図であ
る。この光路変換器１は、２個の同一形状のシリンドリ
カルレンズ１ａ・１ｂをひと組として用いており、入射
光に対して同一の大きさの像を与えるために、これら一
対のシリンドリカルレンズ１ａ・１ｂは、共焦点の位置
関係に置かれている。ここで、図２に於ける右方の第１
シリンドリカルレンズ１ａの入射面から入射した光線ａ
・ｂ・ｄ・ｅは、それぞれが通る部分の屈折率の差に応
じて２つのシリンドリカルレンズ内を進み、ａ′・ｂ′
・ｄ′・ｅ′となって左方の第２シリンドリカルレンズ
１ｂの出射面から出射する。また中央に入射した光線ｃ
は、両レンズ内を直進し、ｃ′となって出射する。

【００２１】一方、一対のシリンドリカルレンズ１ａ・
１ｂは、ある所定の基準面（例えば水平面）に対し、そ
の軸を４５度傾けて配置されている。この光路変換器１
の第１シリンドリカルレンズ１ａの入射面に対し、半導
体レーザ素子の線状光源から出射した水平方向に偏平な
光線ＰＱが入射すると、曲面をなす入射面上での円弧Ｐ
1Ｑ1が、線分Ｐ2Ｑ2となって出射する。次いで、第２シ
リンドリカルレンズ１ｂに線分Ｐ3Ｑ3となって入射し、
さらに円弧Ｐ4Ｑ4となって出射し、出射光Ｐ5Ｑ5を与え
る。このように、一対のシリンドリカルレンズ１ａ・１
ｂを４５度傾けることにより、入射光線の向きを第１シ
リンドリカルレンズ１ａの軸と対称な位置に変換し、第
２シリンドリカルレンズ１ｂによって光軸を入射光光軸
と平行に戻して出射することができる。つまり、光線の
偏平の向きを、入射前に比して９０度だけ回転させるこ
とができる。

【００２２】上記した光路変換器１を複数個配列し、マ
ルチストライプアレイ半導体レーザ素子からの出射光を
処理することができるようにした光路変換アレイ５を図
３に示す。ここで、マルチストライプアレイ半導体レー
ザ素子２２は、前記した通り活性層２１の発光端面が破
線状に配列しており（図１０参照）、これら各活性層２
１の発光端面から出射した光の垂直成分θVをコリメー
トして破線状の偏平光が光路変換器１に入射するものと
する。各光路変換器１は、偏平光の長軸と入射面の中央
線とが４５度傾くように配列している。これにより、入
射した各偏平光を９０度回転させ、即ち、レーザ光の垂
直成分θVと水平成分θhとを入れ替えて梯子状に配列さ
せて出射するようになっている。

【００２３】このようにして、一直線上に破線状に直列
した多数のストライプ光Ｂ1は、光路変換アレイ５によ
り、見かけ上梯子状に並列したストライプ光Ｂ2に変換
される。

【００２４】ところで、上記の構成に於ては、一つのス
トライプ光に対して一つの光路変換器１を対応させてい
る。従って、幅寸法が小さな活性層を多数配列したもの
に対しては光路変換器として極めて小さなものを用意し
なければならないことになる。しかしながら実用上は、
複数のストライプ光に対して一つの光路変換器を対応さ
せても良い。この場合は、隣接する光路変換器の配列ピ
ッチと同一幅に多数のストライプを分割し、分割した要
素毎に９０度回転することになるが、この場合でも、光
路変換器の配列ピッチと同程度にレーザ光を絞ることが
できる。

【００２５】なお、用いるオプティックスとしては一軸
方向にのみ屈折を与えるものであれば特に限定されるも
のではなく、例えば上記した円筒形の曲面を有するシリ
ンドリカルレンズに替えて、真円断面の円柱レンズを用
いてもよい。円柱レンズペアの場合は、図４に示したよ
うに、２個の円柱レンズ１１ａ・１１ｂが共焦点の位置
に配置されていれば、上記したシリンドリカルレンズペ
アと同様の理論が成立するので、この円柱レンズペアを
アレイ状に配列すれば、入射した破線状の半導体レーザ
ーストライプ光を梯子状にして出射させることができ
る。さらに、屈折率の設定次第では、一対の円柱レンズ
を互いに接して配置（共焦点の位置を接点に置く）する
こともできる。なお、光ファイバを円柱レンズとして用
いることもできる。

【００２６】上記光路変換器を用い、例えば２００μｍ
幅の活性層２１を８００μｍピッチで１２本配列してな
るマルチストライプアレイ半導体レーザ素子２２が出射
するレーザ光を集光する半導体レーザ集光装置２３を図
５に示す。図５に於て、マルチストライプアレイ半導体
レーザ素子２２に近接配置した円柱レンズ２４によって
活性層２１に対する垂直成分をコリメートした後、各活
性層２１に対応して光路変換器１（各変換器が配列面に
対して４５゜で傾斜）を８００μｍピッチで配列した光
路変換アレイ５により、各ストライプ光の断面の長軸と
短軸とを反転させる。

【００２７】次いで光路変換アレイ５からの出射光を集
光するように配置されたシリンドリカルレンズ２５によ
って活性層と平行な成分をコリメートする。そして最後
にフォーカシングレンズ２６を用いてレーザ光を絞り込
む。これにより、焦点の位置に複数のストライプ光が重
畳したビームスポットＢＳが得られる。

【００２８】このようにして、フォーカシングレンズ２
６とビームスポットＢＳとの間の距離と、マルチストラ
イプアレイ半導体レーザ素子２２とシリンドリカルレン
ズ２５との間の距離との比を小さくとれるので、極めて
小さな径（直径４００μｍ）に集光されたビームスポッ
トＢＳが得られる。尚、垂直成分については、フォーカ
シングレンズ２６とビームスポットＢＳとの間の距離
と、マルチストライプアレイ半導体レーザ素子２２と円
柱レンズ２４との間の距離との比が大きくなるものの、
光源の幅が十分に小さいため、絞られたビームスポット
径は大きくならない。

【００２９】上記半導体レーザ集光装置２３を用いて集
光したレーザ光を光ファイバ（コア径４００μｍ）に導
光することもでき、図６に示すように、フォーカシング
レンズ２６にて集光したレーザ光を光ファイバ２７に導
光すると、１０Ｗの半導体レーザ出力のうち６０％の導
光効率が得られる。

【００３０】また、上記半導体レーザ集光装置２３にて
集光したレーザ光を用いて固体レーザを光励起すること
もでき、図７に示すように、フォーカシングレンズ２６
にて集光したレーザ光にてＹＡＧレーザなどの固体レー
ザ素子２８の端面励起による光励起を試みると、１０Ｗ
の半導体レーザを用いて３ＷのＹＡＧレーザ出力が得ら
れる。なお、符号２９は共振器出力鏡である。

【００３１】更に、図８に示すように、フォーカシング
レンズ２６にて集光したレーザ光を光ファイバ２７に導
光した上で固体レーザ素子２８を端面励起により光励起
すると、２ＷのＹＡＧレーザ出力が得られる。

【００３２】

【発明の効果】このように本発明によれば、第１のシリ
ンドリカルレンズ（円柱レンズ）と、これと共焦点で配
置した第２のシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）とか
らなる光路変換器に対し、第１のシリンドリカルレンズ
の軸線に対してその長軸が４５度傾くように偏平光を入
射すると、光像の長軸と短軸とが反転して第２のシリン
ドリカルレンズから出射する。即ち、光路変換器を経る
ことで偏平光が９０゜回転したのと同様な光像が得られ
る。これにより、波線状の光線の各偏平光が９０度回転
し、あたかも梯子状に配列したかのような状態となるの
で、大出力のマルチストライプアレイ半導体レーザ光を
高効率で集光し、かつ細く絞ることができるので、パワ
ー密度の高いビームスポットを得ることができる。これ
により、レーザ加工やレーザはんだ付けに於て特に精密
な加工を実現することが可能となる。また、集光したマ
ルチストライプアレイ半導体レーザ光を光ファイバに導
光するように構成すれば、レーザ光の取扱い性が高めら
れる。さらに、上記構成を有する半導体レーザ励起固体
レーザによれば、従来のアレイ半導体レーザでは困難で
あった端面励起が可能となり、効率並びにビーム品質の
高い固体レーザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された光路変換器の構成及び光路
変換の様子を示す模式的斜視図。

【図２】図１の光路変換器の光路変換の原理を説明する
ための側面図。

【図３】本発明が適用された光路変換アレイとマルチス
トライプアレイ半導体レーザ光との対応図。

【図４】本発明の変形実施例を示す図２に対応する側面
図。

【図５】本発明が適用されたレーザ装置の構成を示す模
式的側面図。

【図６】本発明が適用されたレーザ装置の構成を示す模
式的側面図。

【図７】本発明が適用されたレーザ装置の構成を示す模
式的側面図。

【図８】本発明が適用されたレーザ装置の構成を示す模
式的側面図。

【図９】従来の破線状に配列したマルチストライプアレ
イ半導体レーザの集光状態を説明する平面図（ａ）及び
側面図（ｂ）。

【図１０】マルチストライプアレイ半導体レーザ素子と
各活性層からの出射光パターンを示す模式的斜視図。

【図１１】半導体レーザの活性層が梯子状に配列されて
いると仮定した場合の、集光状態を説明する平面図
（ａ）及び側面図（ｂ）。

【符号の説明】

１ 光路変換器 １ａ 第１シリンドリカルレンズ １ｂ 第２シリンドリカルレンズ ５ 光路変換アレイ １１ａ 第１円柱レンズ １１ｂ 第２円柱レンズ ２１ 活性層 ２２ マルチストライプアレイ半導体レーザ素子 ２３ 半導体レーザ集光装置 ２４ 円柱レンズ ２５ シリンドリカルレンズ ２６ フォーカシングレンズ ２７ 光ファイバ ２８ 固体レーザ素子 ２９ 共振器出力鏡 ３０ レンズ ３１ マイクロレンズ ３２ マイクロシリンドリカルレンズ

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年５月１２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに共焦点に配置した２個のシリンド
   リカルレンズを一つの要素とし、該要素の複数個を、そ
   の軸線を配列面に対して４５度傾斜させた状態でアレイ
   状に配列してなることを特徴とする光路変換器。 【請求項１】 互いに共焦点に配置した２個の円柱レン
   ズを一つの要素とし、該要素の複数個を、その軸線を配
   列面に対して４５度傾斜させた状態でアレイ状に配列し
   てなることを特徴とする光路変換器。
2. 【請求項２】 互いに共焦点に配置した２個のシリンド
   リカルレンズまたは円柱レンズを一つの要素とし、該要
   素の複数個を、その軸線を配列面に対して４５度傾斜さ
   せた状態でアレイ状に配列してなる光路変換器と、 該光路変換器の入射面にコリメータレンズを介して対向
   配置されたマルチストライプアレイ半導体レーザ発生素
   子と、 前記光路変換器の出射面に対向配置されたコリメータレ
   ンズと、 該コリメータレンズの出射面に対向配置されたフォーカ
   シングレンズとを有することを特徴とするレーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項４に記載のレーザ装置に於ける前
   記フォーカシングレンズにて集光したレーザ光を光ファ
   イバに導光することを特徴とするレーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項４または５のいずれかに記載のレ
   ーザ装置によって集光したレーザ光を用いて固体レーザ
   を光励起することを特徴とするレーザ装置。