(57)【要約】【課題】高収束かつ高効率な光ビームを発生できる半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ装置１００は、階段状に配置された複数の半導体レーザ素子１ａ〜１ｄと、各半導体レーザ素子１ａ〜１ｄから出射した光ビームＬａ〜Ｌｄを補正するための補正光学系などを備える。半導体レーザ素子１ａ〜１ｄは、光軸間距離ｄ１で直線状に配列し、互いに平行な複数の光ビームを出射する。補正光学系は、半導体レーザ素子１ｂ〜１ｄから出射した光ビームＬｂ〜Ｌｄを２回反射するためのＺ型折り返しミラー６ｂ，７ｂ；６ｃ，７ｃ；６ｄ，７ｄを含み、光ビームＬｂ〜Ｌｄが進行する光路長の差を低減し、各光ビームＬｂ〜Ｌｄの光軸を平行に整列しつつ、各光ビームＬｂ〜Ｌｄの光軸間距離ｄ２をｄ１より小さく設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
階段状に配置された複数の半導体レーザ素子であって、光軸間距離ｄ１で直線状に配列し、互いに平行な複数の光ビームを出射する複数の半導体レーザ素子と、
各半導体レーザ素子から出射した光ビームが進行する光路長の差を低減し、各光ビームの光軸を平行に整列しつつ、各光ビームの光軸間距離ｄ２をｄ１より小さく設定するための補正光学系と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
補正光学系は、半導体レーザ素子から出射した光ビームを２回反射するためのＺ型折り返しミラーを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
階段状に配置された複数の半導体レーザ素子であって、光軸間距離が等しく、複数の方向に進行する複数の光ビームを出射する複数の半導体レーザ素子と、
各半導体レーザ素子から出射した光ビームが進行する光路長の差を低減し、各光ビームの光軸を平行に整列するための補正光学系と、を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項４】
補正光学系は、２つの半導体レーザ素子から相対する方向に出射した光ビームの光軸を平行に整列するための折り返しミラーを含むことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
補正光学系の出射側に、外部共振器として部分透過ミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
補正光学系と部分透過ミラーの間に、波長分散素子をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体レーザ素子を用いて高出力の光ビームを発生する半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザ装置（例えば、特許文献１）では、階段状のジグの上に半導体レーザ素子を配置し、発光点を２次元的に集約している。他の先行技術（例えば、特許文献２）では、発光点が同一平面上に配置されている、いわゆるスタック型の半導体レーザ装置を使用しており、冷却に関して制約が多く、また、発光点間隔を狭める工夫はされているが、光路差については何ら考慮されていない。さらに他の先行技術（例えば、特許文献３）では、光軸を直角に折り返し、段差を設けた構成でも、発光点間の光路差が考慮されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１５４１８１号公報（頁３、図１）
【特許文献２】特開２００１−２１５４４３号公報（頁３〜５、図１）
【特許文献３】特開２００１−４４５７４号公報（頁４〜５、図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような従来の半導体レーザ装置では、発光点の集合体全体の特性を考えた場合、各光ビーム間の光路差の影響が大きいため、レーザ光の高収束かつ高効率な発振が困難になる。また、複数の発光点に対して、一体となった光学素子を配置して外部共振器を構成した場合に、発光点ごとに光路差によってレーザ発振条件が変わってしまい、発振しなかったり、レーザ光の収束性が低下する等の問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、高収束かつ高効率な光ビームを発生できる半導体レーザ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ装置は、階段状に配置された複数の半導体レーザ素子であって、光軸間距離ｄ１で直線状に配列し、互いに平行な複数の光ビームを出射する複数の半導体レーザ素子と、
各半導体レーザ素子から出射した光ビームが進行する光路長の差を低減し、各光ビームの光軸を平行に整列しつつ、各光ビームの光軸間距離ｄ２をｄ１より小さく設定するための補正光学系と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また本発明に係る半導体レーザ装置は、階段状に配置された複数の半導体レーザ素子であって、光軸間距離が等しく、複数の方向に進行する複数の光ビームを出射する複数の半導体レーザ素子と、
各半導体レーザ素子から出射した光ビームが進行する光路長の差を低減し、各光ビームの光軸を平行に整列するための補正光学系と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光路長差および光軸間距離が小さく、平行度が良好な複数の光ビームを実現できる。その結果、高収束かつ高効率な光ビームを発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による半導体レーザ装置を示す構成図である。半導体レーザ装置１００は、複数（ここでは４個を例示）の半導体レーザ素子１ａ〜１ｄと、各半導体レーザ素子１ａ〜１ｄを支持するための支持台４と、各半導体レーザ素子１ａ〜１ｄから出射した光ビームＬａ〜Ｌｄを補正するための補正光学系などで構成される。ここでは、理解容易のため、紙面に垂直な方向をＸ方向とし、半導体レーザ素子が放射する光ビームの進行方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向としている。
【００１１】
支持台４は、熱伝導性に優れた金属材料、例えば、銅などで形成され、Ｘ方向に沿った水平ピッチｐを有する水平面およびＹ方向に沿った垂直ピッチｄ１を有する垂直面からなる階段形状を有する。支持台４の各水平面上には、板状で等厚のヒートシンク３ａ〜３ｄが固定される。ヒートシンク３ａ〜３ｄは、例えば、銅などで形成され、放熱および電気伝導の機能を備えているが、支持台４がこれらの機能を兼用する場合は省略することも可能である。
【００１２】
半導体レーザ素子１ａ〜１ｄは、ヒートシンク３ａ〜３ｄの水平面上のエッジ付近に半田付けで固定される。半導体レーザ素子１ａ〜１ｄの上面には、通電用のワイヤ（不図示）が接続される。個々の半導体レーザ素子１ａ〜１ｄは、単一の発光点を有するＬＤ（レーザダイオード）チップでもよく、複数の発光点が直線状に配列したＬＤバーであってもよい。
【００１３】
半導体レーザ素子１ａ〜１ｄの発光点の前方には、コリメート機能とビーム変換機能を有する光学素子５ａ〜５ｄがそれぞれ設置される。光学素子５ａ〜５ｄは、ボールレンズ、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズなどで構成され、一般には、レンズの焦点位置と発光点が一致するように位置決めされる。
【００１４】
最上段の水平面に位置する半導体レーザ素子１ａが放射する光ビームＬａは、光学素子５ａを通過してそのまま外部に供給される。補正光学系は、半導体レーザ素子１ａ以外の半導体レーザ素子１ｂ〜１ｄから出射した光ビームＬｂ〜Ｌｄを２回反射するためのＺ型折り返しミラー６ｂ，７ｂ；６ｃ，７ｃ；６ｄ，７ｄを含む。
【００１５】
２段目の水平面に位置する半導体レーザ素子１ｂが放射する光ビームＬｂは、光ビームＬａを基準として、その光路長は水平ピッチｐに等しい距離だけ短くなり、垂直ピッチｄ１に等しい距離だけ下方に離れている。そこで、ミラー６ｂ，７ｂの設置位置および反射角度は、光ビームＬａと光ビームＬｂとの光路長の差が可及的に少なくなり、光ビームＬａ，Ｌｂの光軸が平行に整列し、そして、光ビームＬａ，Ｌｂの光軸間距離ｄ２がｄ１より小さくなるように調整される。
【００１６】
３段目の水平面に位置する半導体レーザ素子１ｃが放射する光ビームＬｃは、光ビームＬａを基準として、その光路長は水平ピッチｐの２倍に等しい距離だけ短くなり、垂直ピッチｄ１の２倍に等しい距離だけ下方に離れている。そこで、ミラー６ｃ，７ｃの設置位置および反射角度は、光ビームＬａと光ビームＬｃとの光路長の差が可及的に少なくなり、光ビームＬａ，Ｌｃの光軸が平行に整列し、そして、隣接する光ビームＬｂ，Ｌｃの光軸間距離ｄ２がｄ１より小さくなるように調整される。
【００１７】
４段目の水平面に位置する半導体レーザ素子１ｄが放射する光ビームＬｄは、光ビームＬａを基準として、その光路長は水平ピッチｐの３倍に等しい距離だけ短くなり、垂直ピッチｄ１の３倍に等しい距離だけ下方に離れている。そこで、ミラー６ｄ，７ｄの設置位置および反射角度は、光ビームＬａと光ビームＬｄとの光路長の差が可及的に少なくなり、光ビームＬａ，Ｌｄの光軸が平行に整列し、そして、隣接する光ビームＬｃ，Ｌｄの光軸間距離ｄ２がｄ１より小さくなるように調整される。
【００１８】
図１の右側に示すように、光ビームＬａ〜Ｌｄは、半導体レーザ素子の出射直後において距離ｄ１の等間隔（ビームパターンＢ１）で垂直に配列しているが、補正光学系を通過した後は、距離ｄ２（＜ｄ１）の等間隔（ビームパターンＢ２）で垂直に配列していることが判る。こうして光路長差および光軸間距離が小さく、平行度が良好な複数の光ビームを実現でき、その結果、高収束かつ高効率な光ビームを発生することができる。
【００１９】
ここでは、４個の半導体レーザ素子１ａ〜１ｄを使用した場合を例示したが、２個、３個または５個以上の半導体レーザ素子を使用することも可能である。
【００２０】
なお、Ｚ型折り返しミラー６ｂ，７ｂ；６ｃ，７ｃ；６ｄ，７ｄのどちらか一方もしくは両方が、光学素子５ａ〜５ｄと一体化してもよく、あるいはヒートシンク３ａ〜３ｄに取り付けてもよい。
【００２１】
本実施形態の効果は、全発光点の光路差が少なくなるため、発光点全てに対して個別にではなく、全部に対して一体として光学素子を使用して、外部共振器を構成した場合に最も大きく発揮される。また、ファイバ結合する場合も、光路差による集光点のずれ等が発生しにくく、結果として収束性の高いファイバ結合光源を得ることができる。
【００２２】
また、発光点の個数が増えるほど、配置した発光点の間の光路差の影響は大きくなるため、本実施形態の効果はより大きく発揮される。
【００２３】
さらに、ヒートシンクおよび半導体レーザ素子が縦に積層されるスタック型の装置を使用した場合に比べて、本実施形態は階段状の配置を採用しているため、冷却についての制約を大幅に緩和できる。
【００２４】
また、補正光学系を用いて光軸間距離の変更が可能であるため、半導体レーザ素子周辺での機械設計の自由度が高くなり、より収束性の高いレーザ光を発生することが可能である。
【００２５】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による半導体レーザ装置を示す構成図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は右側面図である。半導体レーザ装置２００は、複数（ここでは８個を例示）の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈと、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈを支持するための支持台１４と、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈから出射した光ビームＬａ〜Ｌｈを補正するための補正光学系などで構成される。ここでは、理解容易のため、図２（ｂ）における紙面に垂直な方向をＸ方向とし、半導体レーザ素子が放射する光ビームの最終進行方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向としている。
【００２６】
支持台１４は、熱伝導性に優れた金属材料、例えば、銅などで形成され、図２（ｂ）に示すように、Ｘ方向に沿った水平ピッチｐを有する水平面およびＹ方向に沿った垂直ピッチｄを有する垂直面からなる階段形状を有する。支持台４の各水平面上には、板状で等厚のヒートシンク１３ａ〜１３ｈが固定される。ヒートシンク１３ａ〜１３ｈは、例えば、銅などで形成され、放熱および電気伝導の機能を備えているが、支持台１４がこれらの機能を兼用する場合は省略することも可能である。
【００２７】
本実施形態では、光ビームＬａ〜Ｌｈの高さに関して、半導体レーザ素子１１ａが位置する最上段の水平面Ｓａの高さを基準として、半導体レーザ素子１１ｂが位置する２段目の水平面Ｓｂは段差ｄ／２だけ低く、半導体レーザ素子１１ｃが位置する３段目の水平面Ｓｃは段差ｄだけ低く、半導体レーザ素子１１ｄが位置する４段目の水平面Ｓｄは段差ｄ×３／２だけ低く、半導体レーザ素子１１ｅが位置する５段目の水平面Ｓｅは段差ｄ×２だけ低く、半導体レーザ素子１１ｆが位置する６段目の水平面Ｓｆは段差ｄ×５／２だけ低く、半導体レーザ素子１１ｇが位置する７段目の水平面Ｓｇは段差ｄ×３だけ低く、半導体レーザ素子１１ｈが位置する８段目の水平面Ｓｈは段差ｄ×７／２だけ低くなるようにそれぞれ設定している。
【００２８】
半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈは、ヒートシンク１３ａ〜１３ｈの水平面上のエッジ付近に半田付けで固定される。半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈの上面には、通電用のワイヤ（不図示）が接続される。個々の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈは、単一の発光点を有するＬＤ（レーザダイオード）チップでもよく、複数の発光点が直線状に配列したＬＤバーであってもよい。
【００２９】
半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈの発光点の前方には、コリメート機能とビーム変換機能を有する光学素子１５ａ〜１５ｈがそれぞれ設置される。光学素子１５ａ〜１５ｈは、ボールレンズ、ロッドレンズ、シリンドリカルレンズなどで構成され、一般には、レンズの焦点位置と発光点が一致するように位置決めされる。
【００３０】
最上段の水平面Ｓａに位置する半導体レーザ素子１１ａが放射する光ビームＬａは、光学素子１５ａを通過してそのまま外部に供給される。補正光学系は、半導体レーザ素子１１ａ以外の半導体レーザ素子１１ｂ〜１１ｈから出射した光ビームＬｂ〜Ｌｈを９０度の角度で反射するための折り返しミラー１６ｂ〜１６ｈを含む。
【００３１】
２段目の水平面Ｓｂに位置する半導体レーザ素子１１ｂから出射した光ビームＬｂは、＋Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｂによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｂの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ／２だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｂからミラー１６ｂまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｂまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｂと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３２】
３段目の水平面Ｓｃに位置する半導体レーザ素子１１ｃから出射した光ビームＬｃは、光ビームＬｂの進行方向と相対する−Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｃによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｃの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄだけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｃからミラー１６ｃまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｃまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｃと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３３】
４段目の水平面Ｓｄに位置する半導体レーザ素子１１ｄから出射した光ビームＬｄは、＋Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｄによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｄ光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ×３／２だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｄからミラー１６ｄまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｄまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｄと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３４】
５段目の水平面Ｓｅに位置する半導体レーザ素子１１ｅから出射した光ビームＬｅは、光ビームＬｄの進行方向と相対する−Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｅによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｅの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ×２だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｅからミラー１６ｅまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｅまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｅと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３５】
６段目の水平面Ｓｆに位置する半導体レーザ素子１１ｆから出射した光ビームＬｆは、＋Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｆによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｆの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ×５／２だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｆからミラー１６ｆまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｆまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｆと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３６】
７段目の水平面Ｓｇに位置する半導体レーザ素子１１ｇから出射した光ビームＬｇは、光ビームＬｆの進行方向と相対する−Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｇによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｇの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ×３だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｇからミラー１６ｇまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｇまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｇと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３７】
８段目の水平面Ｓｈに位置する半導体レーザ素子１１ｈから出射した光ビームＬｈは、＋Ｘ方向に進行し、続いて折り返しミラー１６ｈによってＹ方向に９０度の角度で反射する。このとき光ビームＬｈの光軸は、光ビームＬａに対して平行に整列しているが、距離ｄ×７／２だけ下方に離れている。また、半導体レーザ素子１１ｈからミラー１６ｈまでの距離が半導体レーザ素子１１ａからミラー１６ｈまでの距離と等しくなるように設定することによって、光ビームＬｈと光ビームＬａの光路長の差が可及的に少なくなる。
【００３８】
図２（ｃ）の右側に示すように、光ビームＬａ〜Ｌｈは、距離ｄ／２の等間隔（ビームパターンＢ３）で垂直に配列していることが判る。こうして光路長差および光軸間距離が小さく、平行度が良好な複数の光ビームを実現でき、その結果、高収束かつ高効率な光ビームを発生することができる。
【００３９】
そのため、複数の半導体レーザ素子から出射した光ビームを一括してファイバ結合した場合、光学距離の違いによって生じる、集光点のずれ（収差）、結合効率の低下、入射、出射ＮＡの増加等を避けることができる。また、複数の半導体レーザ素子に対して、一体として外部共振器を構成した場合、光路差による効率の低下、集光性の低下を低減することが可能である。
【００４０】
さらに、ヒートシンクおよび半導体レーザ素子が縦に積層されるスタック型の装置を使用した場合に比べて、本実施形態は階段状の配置を採用しているため、冷却についての制約を大幅に緩和できる。
【００４１】
なお、ここでは８個の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｈを使用した場合を例示したが、２個〜７個または９個以上の半導体レーザ素子を使用することも可能である。発光点の個数が増えるほど、配置した発光点の間の光路差の影響は大きくなるため、本実施形態の効果はより大きく発揮される。
【００４２】
実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３による半導体レーザ装置を示す構成図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は正面図である。本実施形態では、実施の形態１に係る半導体レーザ装置１００において、補正光学系の出射側に、外部共振器として波長分散素子２１および部分透過ミラー２２を配置している。
【００４３】
部分透過ミラー２２は、例えば、入射光の９０％を反射し、１０％を透過する特性を有し、各半導体レーザ素子１ａ〜１ｄの後端面との組合せで光共振器を構成するとともに、該光共振器の出力ミラーとして機能する。
【００４４】
波長分散素子２１は、例えば、回折格子（グレーティング）、プリズムなどを含み、光ビームの波長に依存して出射方向が変化する特性を有する。波長分散素子２１を光共振器の内部に配置した場合、光共振器の波長選択度が高くなり、単一の縦モード発振を実現できる。なお、波長分散素子２１を光共振器の内部に配置しない構成も可能であり、その場合、マルチの縦モード発振を実現できる。
【００４５】
こうした外部共振器を使用することにより、収束性の高いレーザ光を発生することが可能である。また、半導体レーザ装置１００において各光ビームＬａ〜Ｌｄの光路長の差を低減しているため、より収束性の高いレーザ光を実現できる。
【００４６】
実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４による半導体レーザ装置を示す構成図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は正面図である。本実施形態では、実施の形態２に係る半導体レーザ装置２００において、補正光学系の出射側に、外部共振器として波長分散素子２１および部分透過ミラー２２を配置している。
【００４７】
部分透過ミラー２２は、例えば、入射光の９０％を反射し、１０％を透過する特性を有し、各半導体レーザ素子１ａ〜１ｄの後端面との組合せで光共振器を構成するとともに、該光共振器の出力ミラーとして機能する。
【００４８】
波長分散素子２１は、例えば、回折格子（グレーティング）、プリズムなどを含み、光ビームの波長に依存して出射方向が変化する特性を有する。波長分散素子２１を光共振器の内部に配置した場合、光共振器の波長選択度が高くなり、単一の縦モード発振を実現できる。なお、波長分散素子２１を光共振器の内部に配置しない構成も可能であり、その場合、マルチの縦モード発振を実現できる。
【００４９】
こうした外部共振器を使用することにより、収束性の高いレーザ光を発生することが可能である。また、半導体レーザ装置２００において各光ビームＬａ〜Ｌｄの光路長の差を低減しているため、より収束性の高いレーザ光を実現できる。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ〜１ｄ，１１ａ〜１１ｈ  半導体レーザ素子、
３ａ〜３ｄ，１３ａ〜１３ｈ  ヒートシンク、  ４，１４  支持台、
５ａ〜５ｄ，１５ａ〜１５ｈ  光学素子、
６ｂ〜６ｄ，７ｂ〜７ｄ，１６ｂ〜１６ｈ  折り返しミラー、
２１  波長分散素子、  ２２  部分透過ミラー、
１００，２００  半導体レーザ装置、
Ｌａ〜Ｌｈ  光ビーム、  Ｓａ〜Ｓｈ  水平面。
【図１】
2014120621.tif 000003
【図２】
2014120621.tif 000004
【図３】
2014120621.tif 000005
【図４】
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