(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチストライプアレイ半導体レーザと、前記マルチストライプアレイ半導体レーザからの各ストライプ光の各々に対応して配設されかつストライプ数に対応した平行光線群にコリメートするレンズアレイと、該平行光線群を集光する集光レンズとを有するレーザ装置において、
前記平行光線群のうちの約半数の光線に対して配設されかつ偏光を９０度回転させる１／２波長板と、前記１／２波長板の透過光と前記平行光線群のうちの残りの光線からなる非透過光とを合成するべく配設された偏光ビームスプリッタとを有し、
さらに、前記偏光ビームスプリッタで合成された平行光線群の約半数に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに垂直な方向に光軸を平行移動させるための第１プリズムと、前記平行光線群のうちの残りの光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに平行な方向に光軸を平行移動させると共に前記第１プリズムにより平行移動した光線群と併せて２列の光線群を形成するための第２プリズムとを有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
マルチストライプアレイ半導体レーザと、前記マルチストライプアレイ半導体レーザからの各ストライプ光の各々に対応して配設されかつストライプ数に対応した平行光線群にコリメートするレンズアレイと、該平行光線群を集光する集光レンズとを有するレーザ装置において、
前記平行光線群のうちの約半数の光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに垂直な方向に光軸を平行移動させるための第１プリズムと、前記平行光線群のうちの残りの光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに平行な方向に光軸を平行移動させると共に前記第１プリズムにより平行移動した光線群と併せて２列の光線群を形成するための第２プリズムとを有することを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体レーザ出力を高密度に集光してレーザ加工やレーザ半田付けに用いるのに適するレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を集光した光エネルギーを利用することは、レーザ加工分野に於て重要である。通常のレーザ加工に用いられるレーザとしてはＹＡＧレーザ等が用いられるが、電気入力に対する光出力の変換効率が低く大きな装置と冷却水が必要である。一方、半導体レーザは変換効率が高くコンパクトで冷却も大がかりな装置を必要としない。しかしながら、半導体レーザにあっては、ビーム品質が悪くしかも高出力のものが得られず、レーザ加工にそのまま用いることが困難である。
【０００３】
高出力半導体レーザとして知られているアレイ半導体レーザは、１０〜１００本のストライプを半導体チップに刻まれており、１次元上に配列した１０〜１００箇所の各点から光が出射する点線状の光源である。このため、各ストライプからの出射光を各々別々の光ファイバーに導光してファイバーバンドルとし、ファイバー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た。この場合、光ファイバーのカップリング損失が大きく、また細く高密度に絞ることが困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マルチストライプアレイ半導体レーザは、１０Ｗ以上の出力のものが得られ、レーザマイクロ加工用として十分に使用出来る出力を有している。そのマルチストライプ光を光学系を用いて直接集光して十分に細いスポット光に絞ることができれば、半導体レーザ出力を高い効率でレーザ加工に用いることができる。
【０００５】
しかしながら、このようなアレイ半導体レーザ光を集光しようとすると、アレイの全体の幅が長さ１ｃｍ程になるので、通常のレンズ系を用いて複数ビームを一つのスポット状に絞り込むことは困難であるという問題があった。
【０００６】
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、マルチストライプのアレイ半導体レーザから出る発散角が大きい多数の複数ビームを集光し、１つのスポット状に絞り込み、レーザ加工用光源として使用し得るレーザ装置を提供することにある。
【０００７】
【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、マルチストライプアレイ半導体レーザと、前記マルチストライプアレイ半導体レーザからの各ストライプ光の各々に対応して配設されかつストライプ数に対応した平行光線群にコリメートするレンズアレイと、該平行光線群を集光する集光レンズとを有するレーザ装置において、前記平行光線群のうちの約半数の光線に対して配設されかつ偏光を９０度回転させる１／２波長板と、前記１／２波長板の透過光と前記平行光線群のうちの残りの光線からなる非透過光とを合成するべく配設された偏光ビームスプリッタとを有し、さらに、前記偏光ビームスプリッタで合成された平行光線群の約半数に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに垂直な方向に光軸を平行移動させるための第１プリズムと、前記平行光線群のうちの残りの光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに平行な方向に光軸を平行移動させると共に前記第１プリズムにより平行移動した光線群と併せて２列の光線群を形成するための第２プリズムとを有することを特徴とするレーザ装置を提供することにより達成される。また、マルチストライプアレイ半導体レーザと、前記マルチストライプアレイ半導体レーザからの各ストライプ光の各々に対応して配設されかつストライプ数に対応した平行光線群にコリメートするレンズアレイと、該平行光線群を集光する集光レンズとを有するレーザ装置において、前記平行光線群のうちの約半数の光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに垂直な方向に光軸を平行移動させるための第１プリズムと、前記平行光線群のうちの残りの光線に対して配設されかつ２回の全反射を行わせることにより活性層ストライプに平行な方向に光軸を平行移動させると共に前記第１プリズムにより平行移動した光線群と併せて２列の光線群を形成するための第２プリズムとを有することを特徴とするレーザ装置を提供することにより達成される。
【０００８】
【作用】
光ファイバーへの光結合器として屈折率が中心軸から外周面に向かって放射線状に分布して異なっている円柱状の光学ガラス体である分布屈折率レンズを用いると発散角の大きい半導体レーザ光を容易に集光することができる。このような特性を持つ分布屈折率レンズを用いて半導体レーザの活性層ストライプからのレーザ光を集光できることを利用し、マルチストライプアレイ半導体レーザの各々のストライプからの出射光を、分布屈折率レンズを各ストライプに１対１で対応して配列したレンズアレイでそれぞれコリメートし、これら光線束を一括して単レンズでフォーカシングすれば、高効率で、細いビームスポットが得られる。しかしながら、マルチストライプの幅は全長１ｃｍあるいはそれ以上にもなる。このような発光源からの光線束をフォーカシングすれば、外辺部のストライプから出射した光線の絞り込み角は大きなものとなり、固体レーザの端面励起にとってマイナスの要因となる。
【０００９】
各ストライプからの出射光は活性層と平行な方向に偏光している（図１参照）。マルチストライプのうち半分のストライプ光について２分の１波長板を用いて偏光方向を９０度回転し、残りのストライプからの出射光の偏光方向とは互いに垂直にし、しかる後に偏光ビームスプリッターにより偏波合成すれば全ビーム幅を半分の幅にすることができる。したがって、ビーム合成を行わない場合に較べて細長く絞ることができる。通常、偏光ビームスプリッターは複数の半導体レーザのビーム合成に用いられたりするが、このように、単独の半導体レーザに適用すれば、半導体レーザ自身の光線束を細くすることができる。
【００１０】
また、図２に示すごとく、ストライプ光を２つに分け、半数のストライプ光を、断面が平行四辺形でなる角柱を用いて、２回の全反射により光軸を平行移動する。残りの半数のストライプ光は、別の同じく断面が平行四辺形でなる角柱を用いて同様に光軸を平行移動し、さきに平行移動した光線束と併せて２段重ねとする。このように、１次元的に配列したマルチストライプからの出射光を、いくつかに分割して多段層に変換すれば、活性層と平行成分のビーム幅を短くすることができ、細長く絞ることができる。
【００１１】
さらにまた、２分の１波長板と偏光ビームスプリッターによる偏波合成とプリズムによる多段層変換とを組み合わせれば、さらに細長く絞り込むことができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の好適実施例を添付の図面について詳しく説明する。
【００１３】
図１は、本発明に基づくアレイ半導体レーザ光を細いスポットに集光する半導体レーザ集光器の平面図（ａ）及び側面図（ｂ）の模式図である。図１に示すごとく、アレイ半導体レーザ１は、幅２００μｍの活性層ストライプ２を１２本、８００μｍのピッチで並列に配設したアレイからなる。各活性層ストライプ２から出射された１２本のストライプ光の光路中には集光レンズアレイ３が配設されている。これら集光レンズアレイ３は、幅８００μｍの分布屈折率レンズ１２個からなり、上記各ストライプ光をそれぞれ集光しコリメートする。集光レンズアレイ３としては、分布屈折率レンズアレイまたはＧＲＩＮレンズアレイを用いることができる。
【００１４】
集光レンズアレイ３を通過した１２本のストライプ光のうちの片側の６本の光路中に偏光方向を９０度回転するための１／２波長板４が配設されている。集光レンズアレイ３からの残りの６本の光路中には偏光ビームスプリッター５が配設されていると共に、偏光ビームスプリッター５の側面には、１／２波長板４を通過した６本のストライプ光を偏光ビームスプリッター５に導くための光路変換器５ａが配設されている。
【００１５】
１２本のストライプ光は、活性層と平行方向に偏光しており、そのうち６本の偏光方向が１／２波長板４を用いて９０度回転され、偏光ビームスプリッター５により、偏光方向を回転していない残りの６本と偏波合成して６本のビームとなって偏光ビームスプリッター５から出射する。その偏光ビームスプリッター５からの出射光の光路中にフォーカシングレンズ８が配設されており、上記合成された６本のビームが、レンズ８でフォーカシングされ、一箇所に重ね合わされてスポットになる。
【００１６】
このようにして集光してスポットを作るようにした半導体レーザ集光システムに於ては、アレイ半導体レーザ光を８６％の効率で直径１ｍｍのスポットに絞ることができる。このとき、絞り込み角が０．１ｒａｄになり、ビーム合成をしない場合の０．２ｒａｄに較べて、２倍細い光線束を得られる。なお、ストライプ光の本数は必ずしも等分する必要はなく、任意に分割すれば良い。
【００１７】
図２は、本発明に基づく第２の実施例であり、前記実施例と同じく、（ａ）は平面図で（ｂ）は側面図であり、アレイ半導体レーザ光を細いスポットに集光する半導体レーザ集光器の模式図である。なお、前記実施例と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図２に於いて、１２本のストライプ光のうち６本は平行四辺形プリズム６ａにより光路▲１▼に変換され、残りの６本が別の平行四辺形プリズム６ｂにより光路▲２▼に変換され、上下２段の層となるように構成されている。この第２の実施例に於いても前記と同様に、絞り込み角は０．１ｒａｄであり、なにもしない場合の０．２ｒａｄに較べて、２倍細い光線束が得られている。
【００１８】
図３は、本発明に基づく第３の実施例を示し、図１と図２との両方の構成を取り入れた半導体レーザ集光器の模式図であり、前記各実施例と同じく、（ａ）は平面図で（ｂ）は側面図である。図３に示されるように、１２本のストライプ光は、第１の実施例と同様に１／２波長板４及び偏光ビームスプリッタ５及び光路変換器５ａにより構成された部分を介して６本に変換される。偏光ビームスプリッタ５の出射面側には、第２の実施例と同様に２つの平行四辺形プリズム６ａ・６ｂが設けられており、上記６本が３本ずつの２段層に変換されるようになっている。この場合、ストライプ光は２段層からなる２×３本に変換されており、さらに細長く絞り込むことができている。
【００１９】
図４は、本発明に基づく第４の実施例を示し、図３の構成にビーム拡大器７を加えた半導体レーザ集光器の模式的斜視図であり、図５は、その平面図（ａ）および側面図（ｂ）を前記各実施例と同様に示す。この第４の実施例にあっては、第３の実施例で示した平行四辺形プリズム６ｂとフォーカシングレンズ８との間にビーム拡大器７が配設されている。従って、フォーカシングレンズ８で絞る前に、ビーム拡大器７でビーム拡大することにより、さらに細いスポット径に絞ることができている。
【００２０】
【発明の効果】
このように本発明によれば、出力が大きい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細長く絞ることができ、パワー密度の高いビームスポットを得ることができるため、レーザ加工やレーザ半田付けでも特に精密な加工をすることが出来る。また、固体レーザの端面励起に有利である効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施例を示す平面図であり、（ｂ）は、第１の実施例の側面図である。
【図２】（ａ）は、第２の実施例を示す平面図であり、（ｂ）は、第２の実施例の側面図である。
【図３】（ａ）は、第３の実施例を示す平面図であり、（ｂ）は、第３の実施例の側面図である。
【図４】本発明の第４の実施例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は、第４の実施例を示す平面図であり、（ｂ）は、第４の実施例の側面図である。
【符号の説明】
１  アレイ半導体レーザ
２  活性層ストライプ
３  集光レンズアレイ
４  １／２波長板
５  偏光ビームスプリッター
５ａ  光路変換器
６ａ・６ｂ  プリズム
７  ビーム拡大器
８  フォーカシングレンズ
【図１】
0003553130.tif 000002
【図２】
0003553130.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003553130.tif 000005
【図５】
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