(57)【要約】【課題】  光学系のレンズにおいて、複数のブロックをレーザ発光部の固有の変形に対応して各々独立に調整可能とし、光学的損失を少なくして効率を向上させる。【解決手段】  本発明のレーザ照射装置は、光学系のＳＡＣレンズ２はレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置されると共に、複数のブロックはレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して各々独立に調整可能に設けられ、光学系のＳＡＣレンズ２の調整によりレーザ光をコリメートするようにしたものである。【選択図】        図１
2006024860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発光部からのレーザ光の方向を光学系を介して調整して対象物に照射するレーザ照射装置において、
上記光学系のレンズは上記レーザ発光部の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置されると共に、
上記複数のブロックは上記レーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して各々独立に調整可能に設けられ、
上記光学系のレンズの調整により上記レーザ光をコリメートするようにしたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ照射装置において、
上記複数のブロックは、上記レーザ光の光導波路としては密着しないように分離して構成されることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
請求項１記載のレーザ照射装置において、
上記複数のブロックは、上記レーザ発光部の素子数を分割したブロックに対して、互いに重なり合う部分を有して構成されることを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
レーザ発光部からのレーザ光の方向を光学系のレンズを介して調整して対象物に照射する際のレーザ照射におけるレンズ調整方法において、
光軸の垂直方向の調整時には、
上記レーザ発光部の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置される上記光学系のレンズのうち、
上記複数のブロックの中心部のブロックについて上記レーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整した後に、
順次上記複数のブロックの端部のブロックについて上記レーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整することにより、
上記光学系のレンズの調整により上記レーザ光をコリメートするようにしたことを特徴とするレーザ照射におけるレンズ調整方法。
【請求項５】
請求項４記載のレーザ照射におけるレンズ調整方法において、
光軸方向の調整時には、
上記レーザ発光部からのレーザ光を上記光学系のレンズを介してコリメートしてからファイバーに集光するまでの光路のうち、
光路上流の上記レーザ発光部の調整し、光路下流のファイバーに集光するレンズの調整をした後に、
光路中流の上記光学系のレンズのうち光路上流側から光路下流側へ向けて順次調整することを特徴とするレーザ照射におけるレンズ調整方法。
【請求項６】
請求項４記載のレーザ照射におけるレンズ調整方法において、
上記光軸の垂直方向の調整は、光軸方向の調整を行いながら順次上記複数のブロックの調整をすることを特徴とするレーザ照射におけるレンズ調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、アレイ型レーザのレーザを、特にマイクロレンズを用いてコリメートし、さらにファイバーにカップリングするレーザ照射装置及びレーザ照射におけるレンズ調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ特に半導体レーザを応用製品に用いる時はほとんど照射されたレーザ光をフォーカスしたり、モニター光を取り出したり、偏光したり、方向を変えて物質に照射したりなどを行う際に、マイクロレンズを設けていた。この際マイクロレンズあるいは波長板、ミラー、アイソレータ、光波長変換素子などの高精度光学素子を同時に設けることも多かった。
【０００３】
また、半導体レーザでは発光領域が最長辺でも数μｍの狭い箇所（ナローストライプ型）であったが、昨今は高出力化を目的に数百μｍのブロードストライプ型、あるいはこれを２次元方向に並べて１ｍｍ以上にもなるようなサイズにも達したアレイ型、更には３次元的に並べたスタック型が製品化されてきている。これに伴い上記の光学素子において所望する特性を得るために、マイクロレンズを光学設計し作製して製品化している。
【０００４】
図９は、従来のレーザ照射装置を示す図である。
ここではアレイ型レーザを用いたレーザ素子で説明する。例えばこのアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１０１の光出力は１５Ｗであるとする。アレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１０１は、シングルエミッタのナローストライプ型あるいは単なるブロードエリア型半導体レーザをアレイ型に実装して、ＦＡＣ（Fast Axis Collimate）レンズ９１、SAC(Slow Axis Collimate）レンズ９２及びフォーカスレンズ９３をそれぞれ一体型レンズとして設計作製して、図９のような構造のレーザ照射装置が構成される。
【０００５】
図９の中でアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１０１のレーザ端面から発射されたレーザ光はここでは単純に光軸の垂直方向を曲げるＦＡＣレンズ９１のマイクロレンズをレーザのごく近傍に設けて、さらにＳＡＣレンズ９２の一体型レンズでコリメートして、更にはフォーカスレンズ９３で集光することにより絞り込んでファイバー９４のコア径まで小さくしてファイバーカップリングさせる。
【０００６】
このようなレンズとして、例えば、位置調整や組み立てを容易にするために光軸の垂直方向に複数のアレイレンズを一体型となるように配置して光ファイバーに結合するようにしたアレイレンズが開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−６２６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このアレイ型レーザを用いた場合の一体型レンズは上記のように設計及び作製がシングルエミッタのナローストライプ型あるいはブロードストライプ型レーザの場合より著しく困難である。その理由として多くあるが例えば発光領域が大きいためにレーザ自身がレーザチップ実装時に反ってしまったりする。あるいは発光するエミッタの数が多くなるほどその全ての光学特性の同一性が歩留的に異なってくる。
【０００８】
従って、この精度上の積み重なりは例えばここで説明しているファイバーカップリング効率に影響を及ぼし、例えばシングルエミッタのナローストライプ型あるいはブロードエリア型レーザでは８０％であったものが、アレイ型では６０％まで減少する。つまり更に具体的に数値で示すのであれば１５Ｗのレーザがファイバーアウト出力では６Ｗのロスで結局９Ｗしか出てこないという不都合があった。
【０００９】
上述したように、発光領域の大きなレーザを用いた場合、マイクロレンズは大きな領域のレーザ光の光学系をコントロールすることになり実際上の光学設計とレンズ作製は飛躍的に困難度が大きくなる。これは例えば、半導体レーザの実装精度によって発光領域全域では光軸方向にずれが生じて、従来の一体型レンズではコリメートされなかったり、また、効率が悪くなりいわゆる光学的損失が大きくなるという不都合があった。
【００１０】
その結果、ファイバーカップリング効率が例えばナローストライプ型では８０％であったが、ブロードストライプ型、あるいはアレイ型では４０％になるなど急激に減少悪化することになる。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、特に光学素子の１つであるマイクロレンズの構成に関する新たな設計製法である。
本発明は、アレイ型レーザのように発光領域が大きなレーザを用いる素子において、特にマイクロレンズを用いてコリメートする素子、さらにはコリメートしてファイバーのカップリングする際の光学系のレンズにおいて、複数のブロックをレーザ発光部の固有の変形に対応して各々独立に調整可能とすることにより、光学的損失を少なくしてファイバーカップリング効率を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明のレーザ照射装置は、光学系のレンズはレーザ発光部の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置されると共に、複数のブロックはレーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して各々独立に調整可能に設けられ、光学系のレンズの調整によりレーザ光をコリメートするようにしたものである。
【００１３】
従来技術では、マイクロレンズの設計能力あるいはレンズ作製技術を高めて、半導体レーザ自身の素子サイズの拡大に伴う実装精度の悪化分を補正する方式であったのに対して、本発明では、発光領域の大きなしかもアレイ構造のような発光領域がある方向に対して断続的に配置される半導体レーザに対して、発光領域の限定された領域を１つのレンズブロックが担い、このレンズブロックを適正に調整してレンズ実装する。
【００１４】
また、本発明のレンズ調整方法は、光軸の垂直方向の調整時には、レーザ発光部の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置される光学系のレンズのうち、複数のブロックの中心部のブロックについてレーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整した後に、順次複数のブロックの端部のブロックについてレーザ発光部の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整することにより、光学系のレンズの調整によりレーザ光をコリメートするようにしたものである。
【００１５】
これにより、まず、レーザ発光部の発光領域の広がりが比較的小さい、光学系のレンズの複数のブロックのうち中心部のブロックについて調整をし、次に、レーザ発光部の発光領域の広がりが比較的大きい、光学系のレンズの複数のブロックのうち順次端部のブロックについて調整をすることができ、レーザ発光部の中心部から端部に向けて徐々に大きくなる反りに対して、発光領域ごとに調整を施すことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、アレイ型レーザのように発光領域の大きい場合では従来のシングルエミッタのナローストライプ型あるいはブロードエリア型レーザの延長として、マイクロレンズを設計作製することは、特に発光領域が大きければ大きいほど困難であった。
【００１７】
従って、マイクロレンズの構造について本発明のように複数のブロックをレーザの発光領域の広がりによる固有の変形に対応して各々独立に調整可能にすることにより、レーザ光のコリメートは容易にできると共に光学的損失を少なくして効率が良くなり、例えばファイバーカップリング効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態の一例を、適宜、図面を用いて説明する。
図７は、シングルエミッタ半導体レーザを示す図であり、図７Ａはナローストライプ型、図７Ｂはブロードストライプ型である。
通常のナローストライプ型半導体レーザ(ＬＤ)７１は図７Ａのように発光領域が例えば２μｍと比較的狭く単純な光学的構成になっている。これに対して、高出力化を目指したブロードエリア型半導体レーザ(ＬＤ)７２は図７Ｂのようにその発光領域はレーザ光の光軸方向に平行方向(図中縦方向)な厚さはナローストライプ型と大して変わらないのに対して、レーザ光の光軸方向に垂直方向(図中横方向)は例えば１００μｍと比較的広くなっている。
【００１９】
図８は、２次元及び３次元配列半導体レーザを示す図であり、図８Ａはアレイ型、図８Ｂはスタック型である。
図８Ａは典型的なアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)８１であり発光領域のストライプ幅がレーザ光の光軸方向に垂直方向(図中横方向)に例えば１００μｍで１００μｍ間隔で１０個(図中４個アレイ８２を示す)ならんでいて全体幅は２ｍｍである。図８Ｂはスタック型半導体レーザ(ＬＤ)８３でありアレイ型レーザが４×２スタック８４分だけ層状に積み重なっている。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態によるレーザ照射装置を示す図である。
そこで本発明者は以上の点を考慮して例えば図１に示すようなマイクロレンズを構造として持つレーザ照射装置を考案した。図１中、図９と異なる箇所は一体型レンズではなく複数のレンズブロックからなっていて、レンズブロックをアレイ型レーザの発射するレーザ光を局所的に分割して、１つのマイクロレンズは一定の領域のレーザ光をコリメートし、別のマイクロレンズはまた一定の領域のレーザ光をコリメートするようにしている点である。
【００２１】
具体的には、図１において、光学系のレンズのうちＳＡＣレンズ２はレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１の配置に対応して光軸方向とは垂直方向(図中上下方向)に複数のブロックに分割して配置される。また、これと共に、ＳＡＣレンズ２の複数のブロックはレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して各々独立に調整可能に設けられ、光学系のレンズのうちＳＡＣレンズ２の調整によりレーザ光をコリメートするようにしたものである。
【００２２】
ここでは、レーザ発光部の発光領域の広がりが大きくなるＳＡＣレンズ２のみを複数のブロックに分割し、ＦＡＣレンズ１及びフォーカスレンズ３は一体型レンズであるように示しているが、レーザ発光部の発光領域の広がりに応じて、ＦＡＣレンズ１及びフォーカスレンズ３もＳＡＣレンズ２のように複数のブロックに分割して構成するようにしてもよい。
【００２３】
図２は、ＳＡＣレンズを構成するマイクロレンズの実装を示す図である。
特にアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１においてはレーザ光の光軸の垂直方向(図中上下方向)に発光するエミッタ２１−１，２１−２，２１−３，２１−４の数が多くなるほど発光領域の広がりが大きいので、この方向についてマイクロレンズのうちＳＡＣレンズ９２が分割された各々のブロック領域２２−１，２２−２，２２−３，２２−４ごとに光学的角度調整の作用をしている。
【００２４】
この発明の特徴はそれぞれのマイクロレンズのうちＳＡＣレンズ９２のブロック領域２２−１，２２−２，２２−３，２２−４ごとに光学的角度調整を行うことにより、上述したようにアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１のレーザチップの例えば数μｍ程度の反りや、各領域のエミッタ２１−１，２１−２，２１−３，２１−４から発射されるレーザ光の進行方向の差異を容易に補正して、例えばファイバーカップリング効率を７５％まで改善することができる。
【００２５】
例えば、マイクロレンズのＦＡＣレンズ９１、ＳＡＣレンズ９２及びフォーカスレンズ９３の実装は、アレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１のレーザチップの両端側から３０μｍだけレーザ光軸側にシフトして接着あるいは溶接して固定している。この時の実装は実際にレーザ光を発光させた状態で後述する図４の調整方法に示すようにＣＣＤカメラ７の撮影画面をモニタ８で確認しながら固定することにより、最大の効率が得られるようにしている。
【００２６】
図３は、ＳＡＣレンズの実装位置トレランスを示す図である。
図３において、アレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１とＦＡＣレンズ１との間隔は３０μｍ、ＦＡＣレンズ１とＳＡＣレンズ２との間隔は５０ｍｍ、ＳＡＣレンズ２とフォーカスレンズ３との間隔は１０ｍｍである。このとき、複数のブロックに分割して構成するＳＡＣレンズ２のトレランス３１は、光軸方向に５０μｍ、光軸と垂直方向(図中上下方向)に１０μｍである。
【００２７】
図４は、光軸方向の調整順序を示す図である。
図４において、まず、光路上流のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１のモジュール６に対するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びその中間の各軸の６軸方向について調整をする(ステップＳ１)。次に、光路下流の集光レンズ５のモジュール６に固定された固定軸４１に対する調整軸４２−４のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びその中間の各軸の６軸方向について調整をする(ステップＳ２)。
【００２８】
そして、光路中流の光路上流側のＦＡＣレンズ１のモジュール６に固定された固定軸４１に対する調整軸４２−１のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びその中間の各軸の６軸方向について調整をする(ステップＳ３)。次に、光路中流の中間のＳＡＣレンズ２のモジュール６に固定された固定軸４１に対する調整軸４２−２のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びその中間の各軸の６軸方向について調整をする(ステップＳ４)。最後に、光路中流の光路下流側のフォーカスレンズ３のモジュール６に固定された固定軸４１に対する調整軸４２−３のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸及びその中間の各軸の６軸方向について調整をする(ステップＳ５)。
【００２９】
図５は、光軸の垂直方向の調整順序を示すフローチャートである。
図５において、レーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の配置に対応して光軸方向とは垂直方向に複数のブロックに分割して配置される光学系のレンズのＳＡＣレンズ２のうち、図２に示した複数のブロック２２−１，２２−２，２２−３，２２−４の中心部のブロック２２−２，２２−３についてレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整する(ステップＳ１１)。
【００３０】
この後に、順次複数のブロック２２−１，２２−２，２２−３，２２−４の端部のブロック２２−１，２２−４についてレーザ発光部のアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１の発光領域の広がりによる固有の変形に対応して独立に調整する(ステップＳ１２)。
【００３１】
上述した光軸の垂直方向の調整(ステップＳ１１、ステップＳ１２)は、光軸方向の調整(ステップＳ１〜ステップＳ５)を行いながら、ＳＡＣレンズ２の調整(ステップＳ４)において、順次複数のブロック２２−１，２２−２，２２−３，２２−４のうち、中心部のブロック２２−２，２２−３について調整(ステップＳ１１)した後に、端部のブロック２２−１，２２−４について調整 (ステップＳ１２)するようにする。
【００３２】
図６は、レーザ照射装置の構成例を示す図である。
図６において、モジュール６の光路上流にヒートシンク６２を介してアレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１が固定される。アレイ型半導体レーザ(ＬＤ)１１には電源電圧を供給するＬＤ駆動部６１が接続される。ヒートシンク６２にはペルチエ効果により冷却作用をする温度調節ドライバー６３が接続される。モジュール６の光路中流の光路上流側にＦＡＣレンズ１が固定される。次に、光路中流の中間にＳＡＣレンズ２が固定される。最後に、光路中流の光路下流側にフォーカスレンズ３が固定される。
【００３３】
モジュール６の光路下流の図４に示した集光レンズ５により集光されたレーザ光をファイバー４を介してＣＣＤカメラ７に送り、ＣＣＤカメラ７の撮影画面をモニタ８で確認できるように構成される。
【００３４】
以上、本発明の一実施の形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の各実施の形態に限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づく各種変形が可能である。
【００３５】
例えば、上述の各実施の形態において記載した数値、構造、材料、プロセス等は一例であって、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、材料、プロセスなどは用いてもよい。
【００３６】
一例としては実施の形態例では極端に簡単化して説明するために光軸方向のコリメート用のマイクロレンズを１個とする例のみを説明したが、当然ながら複数個数が実際では必要なことが多いことはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態によるレーザ照射装置を示す図である。
【図２】ＳＡＣレンズを構成するマイクロレンズの実装を示す図である。
【図３】ＳＡＣレンズの実装位置トレランスを示す図である。
【図４】光軸方向の調整順序を示す図である。
【図５】光軸の垂直方向の調整順序を示すフローチャートである。
【図６】レーザ照射装置の構成例を示す図である。
【図７】シングルエミッタ半導体レーザを示す図であり、図７Ａはナローストライプ型、図７Ｂはブロードストライプ型である。
【図８】２次元及び３次元配列半導体レーザを示す図であり、図８Ａはアレイ型、図８Ｂはスタック型である。
【図９】従来のレーザ照射装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ＦＡＣレンズ，２…ＳＡＣレンズ，３…フォーカスレンズ，４…ファイバー、５…集光レンズ、６…モジュール、７…ＣＣＤカメラ、８…モニタ、１１…アレイ型半導体レーザ(ＬＤ)、２１−１，２１−２，２１−３，２１−４…エミッタ、２２−１，２２−２，２２−３，２２−４…複数のブロック、３１…トレランス、４１…固定軸、４２−１、４２−２、４２−３、４２−４…調整軸、６１…ＬＤ駆動部、６２…ヒートシンク、６３…温度調節ドライバー、
【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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【図７】
2006024860.tif 000009
【図８】
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【図９】
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