(57)【要約】【課題】単一のエミッタを有する半導体レーザのスロー軸方向のビーム品質を改善し、より小径に集光させることでビームを高効率に光ファイバに結合できる半導体レーザモジュール。【解決手段】単一のエミッタを有する半導体レーザ１と、半導体レーザから出射されるファスト軸方向のレーザビームをコリメートするファスト軸コリメートレンズ２と、ファスト軸コリメートレンズからのレーザビームの内のスロー軸方向のレーザビームをコリメートするスロー軸コリメートレンズ３と、複数のマイクロレンズが略等間隔に併設され、レーザビームの分割数と集光スポット位置と集光径に応じたレンズピッチとレンズ曲率を有し、スロー軸コリメートレンズからのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、分割されたスロー軸方向の複数のレーザビームを光軸方向に対して９０度回転させてファスト軸方向に変位させるマイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５を備える。【選択図】図１
2020145327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のエミッタを有する半導体レーザと、
前記半導体レーザから出射されるファスト軸方向のレーザビームをコリメートするファスト軸コリメートレンズと、
前記ファスト軸コリメートレンズからのレーザビームの内のスロー軸方向のレーザビームをコリメートするスロー軸コリメートレンズと、
複数のマイクロレンズが略等間隔に併設され、前記レーザビームの分割数と集光スポット位置と集光径に応じたレンズピッチとレンズ曲率を有し、前記スロー軸コリメートレンズからのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、分割されたスロー軸方向の複数のレーザビームを光軸方向に対して９０度回転させてファスト軸方向に変位させるマイクロシリンドリカルレンズアレイと、
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記マイクロシリンドリカルレンズアレイは、
前記光軸方向に対して４５度回転して配置され、前記スロー軸コリメートレンズからのレーザビームを複数のレーザビームに分割する第１のマイクロシリンドリカルレンズアレイと、
前記光軸方向に対して約４５度度回転して配置され、前記第１のマイクロシリンドリカルレンズアレイで分割された複数のレーザビームを前記光軸方向に対して９０度回転させる第２のマイクロシリンドリカルレンズアレイと、
を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記第２のマイクロシリンドリカルレンズアレイから出射されるレーザビームに対して、前記ファスト軸方向と前記スロー軸方向との少なくとも一方の軸方向のレーザビームを縮小して光ファイバに導光する縮小光学系を備えることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザモジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールと同一構成で且つ前記半導体レーザモジュールに対して９０度回転させて配置された別の半導体レーザモジュールと、
前記別の半導体レーザモジュールからの第２の複数のレーザビームを反射させる反射ミラーと、
前記半導体レーザモジュールからの第１の複数のレーザビームを透過させ且つ前記反射ミラーからの第２の複数のレーザビームを反射させることにより前記第１の複数のレーザビームと前記第２の複数のレーザビームとを合波するビームスプリッタと、
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のエミッタを有する半導体レーザから出射されたレーザ光を集光する半導体レーザモジュール及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の技術として、特許文献１に記載された半導体レーザ光集光装置が知られている。半導体レーザ光集光装置は、スロー軸方向に複数のエミッタを並べた半導体レーザアレイからレーザ光を放射し、レーザ光をコリメートレンズでコリメートし、コリメートされたレーザ光をレンズ、ミラー等でスロー軸方向に２分割し、２分割されたレーザ光をファスト軸方向に並び替えている。これにより、スロー軸方向のビーム品質を見掛け上改善し、光ファイバへのスロー軸方向の集光ビーム径を小さくすることができる。
【０００３】
また、単一のエミッタを有する半導体レーザからレーザ光を放射し、レーザ光をコリメートレンズでコリメートし、コリメートされたレーザ光をウィンドウ、プリズム等でスロー軸方向に２分割し、２分割されたレーザ光をファスト軸方向に並べ積層する。これにより、光ファイバへのスロー軸方向の集光ビーム径を小さくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２７９８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
単一のエミッタを有する高出力の半導体レーザを小径、低ＮＡ（開口数）の光ファイバに結合する場合には、ファスト軸方向のビーム品質は問題とならない。
【０００６】
しかし、スロー軸方向のビーム品質が悪く、ビームを高効率に光ファイバに結合することができない。
【０００７】
本発明の課題は、単一のエミッタを有する半導体レーザのスロー軸方向のビーム品質を改善し、より小径に集光させることで、ビームを高効率に光ファイバに結合することができる半導体レーザモジュール及びその装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザモジュールの請求項１の発明は、単一のエミッタを有する半導体レーザと、前記半導体レーザから出射されるファスト軸方向のレーザビームをコリメートするファスト軸コリメートレンズと、前記ファスト軸コリメートレンズからのレーザビームの内のスロー軸方向のレーザビームをコリメートするスロー軸コリメートレンズと、複数のマイクロレンズが略等間隔に併設され、前記レーザビームの分割数と集光スポット位置と集光径に応じたレンズピッチとレンズ曲率を有し、前記スロー軸コリメートレンズからのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、分割されたスロー軸方向の複数のレーザビームを光軸方向に対して９０度回転させてファスト軸方向に変位させるマイクロシリンドリカルレンズアレイを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明では、前記マイクロシリンドリカルレンズアレイは、前記光軸方向に対して４５度回転して配置され、前記スロー軸コリメートレンズからのレーザビームを複数のレーザビームに分割する第１のマイクロシリンドリカルレンズアレイと、前記光軸方向に対して約４５度回転して配置され、前記第１のマイクロシリンドリカルレンズアレイで分割された複数のレーザビームを前記光軸方向に対して９０度回転させる第２のマイクロシリンドリカルレンズアレイとを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、前記第２のマイクロシリンドリカルレンズアレイから出射されるレーザビームに対して、前記ファスト軸方向と前記スロー軸方向との少なくとも一方の軸方向のレーザビームを縮小して光ファイバに導光する縮小光学系を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項４の半導体レーザモジュール装置の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体レーザモジュールと、前記半導体レーザモジュールと同一構成で且つ前記半導体レーザモジュールに対して９０度回転させて配置された別の半導体レーザモジュールと、前記別の半導体レーザモジュールからの第２の複数のレーザビームを反射させる反射ミラーと、前記半導体レーザモジュールからの第１の複数のレーザビームを透過させ且つ前記反射ミラーからの第２の複数のレーザビームを反射させることにより前記第１の複数のレーザビームと前記第２の複数のレーザビームとを合波するビームスプリッタとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複数のマイクロレンズが略等間隔に併設され、レーザビームの分割数と集光スポット位置と集光径に応じたレンズピッチとレンズ曲率を有するマイクロシリンドリカルレンズアレイが、スロー軸コリメートレンズからのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、分割されたスロー軸方向の複数のレーザビームを光軸方向に対して９０度回転させてファスト軸方向に変位させる。
【００１３】
従って、単一のエミッタを有する半導体レーザのスロー軸方向のビーム品質を改善し、より小径に集光させることで、ビームを高効率に光ファイバに結合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの構成図である。
【図２】本発明の実施例１の半導体レーザモジュールのマイクロシリンドリカルレンズアレイの側面図である。
【図３】元のビームプロファイルの一例を示す図である。
【図４】本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの各部におけるビームプロファイルを示す図である。
【図５】本発明の実施例２の半導体レーザモジュール備えた半導体モジュール装置の構成図である。
【図６】本発明の実施例２の２つの半導体レーザモジュールの出力を合成して得られたビームプロファイルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の半導体レーザモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
図１（ａ）は、実施例１の半導体レーザモジュールの上面図である。図１（ｂ）は、実施例１の半導体レーザモジュールの側面図である。図１（ｃ）は、実施例１の半導体レーザモジュールの内のスロー軸コリメートレンズ３、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５及び縮小光学系６の斜視図である。
【００１７】
半導体レーザモジュールは、半導体レーザ（レーザダイオードＬＤ）１、ファスト軸コリメートレンズ（ＦＡＣレンズ）２、スロー軸コリメートレンズ（ＳＡＣレンズ）３、マイクロシリンドリカルレンズアレイ（ＭＣＬＡ）４、マイクロシリンドリカルレンズアレイ（ＭＣＬＡ）５、縮小光学系６を備えている。
【００１８】
半導体レーザ１は、単一のエミッタからなり、楕円状のレーザビームを出力する。半導体レーザ１は、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって励起光を発生する。
【００１９】
ファスト軸コリメートレンズ２は、例えば、ファスト軸シリンドリカルレンズからなり、半導体レーザ１の近傍に配置され、半導体レーザ１からのレーザビームの内のファスト軸方向のビームをコリメートする。
【００２０】
スロー軸コリメートレンズ３は、例えば、スロー軸シリンドリカルレンズからなり、ファスト軸コリメートレンズ２に対向して配置され、ファスト軸コリメートレンズ２からのビームの内のスロー軸方向のビームをコリメートする。
【００２１】
ここで、ファスト軸は、半導体レーザ１の活性層に対して垂直方向に広がりをもつビーム軸である。スロー軸は、半導体レーザ１の活性層に対して水平方向に広がりをもつビーム軸である。
【００２２】
ファスト軸コリメートレンズ２、スロー軸コリメートレンズ３は、互いに直交するＸ軸とＹ軸の一方の軸のみにレンズとして作用する曲率が形成され、他方の軸にはレンズとして作用する曲率は形成されていない。
【００２３】
マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５は、スロー軸コリメートレンズ３からのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、分割されたスロー軸方向の複数のレーザビームを回転させてファスト軸方向に変位させる。
【００２４】
マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５は、図２に示すように、平板部４ａに複数の凸型のマイクロレンズ４ｂ１〜４ｂ４（この例では４個）が略等間隔に併設されている。マイクロレンズ４ｂ１〜４ｂ４のピッチは、Ｐｈである。マイクロレンズ４ｂ１〜４ｂ４の焦点距離はｆｈである。
【００２５】
マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５は、ビームの分割数、集光スポット位置、集光径に応じたレンズピッチＰｈとマイクロレンズ４ｂ１〜４ｂ４の凸曲面の曲率を有している。
【００２６】
マイクロシリンドリカルレンズアレイ４は、本発明の第１のマイクロシリンドリカルレンズアレイに対応し、光軸方向に対して４５度回転して配置され、ＦＡＣレンズ２からのレーザビームを複数のレーザビームに分割する。
【００２７】
マイクロシリンドリカルレンズアレイ５は、本発明の第２のマイクロシリンドリカルレンズアレイに対応し、光軸方向に対して約４５度度回転して配置され、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４で分割された複数のレーザビームを光軸方向に対して９０度回転させる。
【００２８】
縮小光学系６は、シリンドリカルレンズ６ａと凹レンズ６ｂとを備える。シリンドリカルレンズ６ａは、マイクロシリンドリカルレンズアレイ５で光軸方向に対して９０度回転された複数のレーザビームに対して、ファスト軸方向とスロー軸方向との少なくとも一方の軸方向のレーザビームを縮小させる。凹レンズ６ｂは、シリンドリカルレンズ６ａで縮小された複数のレーザビームを所定の集光ビーム径にする。
【００２９】
次にこのように構成された実施例１の半導体レーザモジュールの動作を詳細に説明する。
【００３０】
まず、図３に元のビームプロファイルの一例を示す。元のビームプロファイルＢＰＦ１は、半導体レーザ１の活性層から出射されたビームである。図３において、横軸は、スロー軸方向である。縦軸は、ファスト軸方向である。図３に示すように、ビームは、スロー軸方向に長い。
【００３１】
次に、ファスト軸コリメートレンズ２は、半導体レーザ１からのレーザビームの内のファスト軸方向のビームをコリメートする。スロー軸コリメートレンズ３は、ファスト軸コリメートレンズ２からのビームの内のスロー軸方向のビームをコリメートする。
【００３２】
スロー軸コリメートレンズ３から出射されたビームプロファイルを図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すビームプロファイルＢＰＦ２は、図３に示す元のビームプロファイルＢＰＦ１よりもスロー軸方向の幅が小さくなっている。ビームプロファイルＢＰＦ２の横軸は、スロー軸である。
【００３３】
次に、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４は、ＦＡＣレンズ２からのレーザビームを複数のレーザビーム（この例では、６つのレーザビーム）に分割する。マイクロシリンドリカルレンズアレイ４は、光軸方向に対して４５度回転して配置されるので、図４（ｂ）に示すように、分割されたビームプロファイルＢＰＦ３は、光軸方向に対して４５度回転して配置される。
【００３４】
次に、マイクロシリンドリカルレンズアレイ５は、光軸方向に対して９０度回転して配置されているので、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４で分割された複数のレーザビーム（（この例では、６つのレーザビーム））を光軸方向に対して９０度回転させる。図４（ｂ）に示すように、分割されたビームプロファイルＢＰＦ４は、光軸方向に対して９０度回転して配置される。
【００３５】
このため、ビームプロファイルＢＰＦ４の縦軸がスロー軸方向となり、横軸がファスト軸方向となる。即ち、スロー軸方向をファスト軸方向に並び替えるようにすることができる。
【００３６】
さらに、縮小光学系６のシリンドリカルレンズ６ａは、マイクロシリンドリカルレンズアレイ５からの複数のレーザビームに対して、ファスト軸方向とスロー軸方向との少なくとも一方の軸方向のレーザビームを縮小させる。これにより、図４（ｄ）に示すような縮小されたビームプロファイルＢＰＦ５が得られる。
【００３７】
さらに、集光レンズによりビームプロファイルＢＰＦ５は、集光されて、図４（ｅ）に示すような集光スポットＢＰＦ６が得られる。
【００３８】
このように、実施例１の半導体レーザモジュールによれば、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４が、スロー軸コリメートレンズからのスロー軸方向のレーザビームを複数のレーザビームに分割し、マイクロシリンドリカルレンズアレイ５が、分割された複数のレーザビームをファスト軸方向に積層するので、単一のエミッタを有する半導体レーザのスロー軸方向のビーム品質を改善し、より小径に集光させることで、ビームを高効率に光ファイバに結合することができる。
【００３９】
また、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５を用いるのみで、スロー軸方向のビーム品質を改善できるので、特許文献１に記載された半導体レーザ光集光装置よりも部品点数が少なくて済み、コストダウンを図ることができる。
【００４０】
また、マイクロシリンドリカルレンズアレイ４，５を用いているので、マイクロレンズを増やすことで分割数を増加させることができるので、スロー軸方向のビーム品質をさらに改善できる。また、Ｍ２値を良くすることができる。
【００４１】
（実施例２）
図５は、本発明の実施例２の半導体レーザモジュールを備えた半導体モジュール装置の構成図である。半導体モジュール装置は、第１半導体レーザモジュールＡと、第２半導体レーザモジュールＢと、反射ミラー２２、偏光ビームスプリッタ２１とを備えている。
【００４２】
第１半導体レーザモジュールＡは、実施例１で述べた半導体レーザモジュールからなり、出力される第１の複数のレーザビームの偏光方向は、例えば、図５に示すように、紙面に対して上下方向である。
【００４３】
第２半導体レーザモジュールＢは、本発明の別の半導体レーザモジュールに対応し、第１半導体レーザモジュールＡと同一構成で且つ第１半導体レーザモジュールＡに対して９０度回転させて配置されている。第２半導体レーザモジュールＢから出力される第２の複数のレーザビームの偏光方向は、例えば、図５に示すように、紙面の上面から下面に向かう方向である。
【００４４】
反射ミラー２２は、第２半導体レーザモジュールＢからの第２の複数のレーザビームを反射させて、反射された第２の複数のレーザビームを偏光ビームスプリッタ２１に導く。偏光ビームスプリッタ２１は、半導体レーザモジュールＡからの第１の複数のレーザビームを透過させ且つ反射ミラー２２からの第２の複数のレーザビームを反射させることにより第１の複数のレーザビームと第２の複数のレーザビームとを合波する。
【００４５】
図６に、実施例２の２つの半導体レーザモジュールＡ，Ｂの出力を合成して得られたビームプロファイルを示す。第１半導体レーザモジュールＡによるビームプロファイルは、横方向に並んだ６つのプロファイルＰＡ１〜ＰＡ６からなる。６つのプロファイルＰＡ１〜ＰＡ６の縦軸方向がスロー軸方向である。
【００４６】
第２半導体レーザモジュールＢによるビームプロファイルは、縦方向に並んだ６つのプロファイルＰＢ１〜ＰＢ６からなる。６つのプロファイルＰＢ１〜ＰＢ６の横軸方向がスロー軸方向である。
【００４７】
６つのプロファイルＰＡ１〜ＰＡ６と６つのプロファイルＰＢ１〜ＰＢ６との合波によりビーム強度を２倍にすることができる。
【００４８】
なお、実施例２では、２つの半導体レーザモジュールのレーザビームを合波したが、３つ以上の半導体レーザモジュールのレーザビームを合波しても良く、この場合には、さらに、ビーム強度を大きくすることができる。
【００４９】
また、複数の半導体レーザモジュールの各々が異なる波長を有し、複数の半導体レーザモジュールの複数のビームを合波することにより、波長を多重化してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、レーザ加工、レーザ治療、レーザ半田等のレーザ装置に適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１  半導体レーザ
２  ファスト軸コリメートレンズ
３  スロー軸コリメートレンズ
４，５  マイクロシリンドリカルレンズアレイ  
６  縮小光学系
６ａ  シリンドリカルレンズ
６ｂ  凹レンズ
２１  偏光ビームスプリッタ
２２  反射ミラー
Ａ  第１半導体レーザモジュール
Ｂ  第２半導体レーザモジュール
ＢＰＦ１〜ＢＰＦ６  ビームプロファイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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