(57)【要約】【課題】半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光による光束について、長軸方向及び短軸方向への拡散を抑制し、複数の半導体レーザアレイを密集させることなく光束の密度をより高くすることが可能なレーザ集光装置を提供する。【解決手段】半導体レーザアレイ３１と長軸方向コリメートレンズ３５とで構成されたレーザユニット３６と、ダクト幅Ｗｇとダクト厚さＴｇとを有し、一方の端面をダクト上面ＭＵに対して所定角度θ且つダクト側面ＭＳに対して直交する反射面ＭＭに形成した集光ダクト６５とを備え、レーザユニットの発光部とダクト上面とを対向させ、反射面にて反射した光束が集光ダクト内をダクト長手方向に導光されるように、集光ダクトに対してレーザユニットを配置した集光ユニットを複数用い、各集光ダクトをダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせ、各集光ダクトの出射面ＭＲが同一平面上に位置させる。【選択図】図６
2008021900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する短軸方向と長軸方向に広がりながら進行するレーザ光を出射する複数の発光部が短軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイと、当該複数の発光部に対向する位置に設けられて前記複数の発光部から出射されたレーザ光を長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、で構成されたレーザユニットと、
入射されたレーザ光を伝送可能であり、前記レーザユニットから出射される複数のレーザ光による光束の短軸方向の長さに対応するダクト幅と、前記光束の長軸方向の長さに対応するダクト厚さと、が各々一定に形成されているとともに、ダクト幅方向とダクト厚さ方向とに直交するダクト長手方向の長さは任意の長さに形成されており、前記ダクト長手方向における一方の端面を、ダクト幅方向とダクト長手方向とを含むダクト上面に対して所定角度を有するとともにダクト厚さ方向とダクト長手方向とを含むダクト側面に対して直交する反射面に形成した集光ダクトと、を備え、
前記レーザユニットの短軸方向に対して前記集光ダクトのダクト幅方向とが一致するように前記レーザユニットの発光部と前記集光ダクトのダクト上面とを対向させ、且つ前記レーザユニットから出射される光束を前記集光ダクトの内側から前記反射面に当て、当該反射面にて反射した光束が当該集光ダクト内をダクト長手方向に導光されるように、前記集光ダクトに対して前記レーザユニットを配置して、当該レーザユニットと当該集光ダクトとで集光ユニットを構成し、
前記集光ユニットを複数備え、各集光ユニットの集光ダクトを、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクトの他方の端面となる出射面が同一平面上に位置するように重ね合わせた構造を有する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
【請求項２】
互いに直交する短軸方向と長軸方向に広がりながら進行するレーザ光を出射する複数の発光部が短軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイと、当該複数の発光部に対向する位置に設けられて前記複数の発光部から出射されたレーザ光を長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、で構成されたレーザユニットと、
入射されたレーザ光を伝送可能であり、前記レーザユニットから出射される複数のレーザ光による光束の短軸方向の長さに対応するダクト幅と、前記光束の長軸方向の長さに対応するダクト厚さと、が各々一定に形成されているとともに、ダクト幅方向とダクト厚さ方向とに直交するダクト長手方向の長さは任意の長さに形成されており、前記ダクト長手方向における一方の端面を、ダクト厚さ方向とダクト長手方向とを含むダクト側面に対して所定角度を有するとともにダクト幅方向とダクト長手方向とを含むダクト上面に対して直交する反射面に形成した集光ダクトと、を備え、
前記レーザユニットの短軸方向に対して前記集光ダクトのダクト長手方向とが一致するように前記レーザユニットの発光部と前記集光ダクトのダクト側面とを対向させ、且つ前記レーザユニットから出射される光束を前記集光ダクトの内側から前記反射面に当て、当該反射面にて反射した光束が当該集光ダクト内をダクト長手方向に導光されるように、前記集光ダクトに対して前記レーザユニットを配置して、当該レーザユニットと当該集光ダクトとで集光ユニットを構成し、
前記集光ユニットを複数備え、各集光ユニットの集光ダクトを、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクトの他方の端面となる出射面が同一平面上に位置するように重ね合わせた構造を有する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ集光装置であって、
請求項１または請求項２に記載の、厚さ方向に重ね合わせた集光ダクト、と同一形状となるように集光ダクトが一体成形されている、
あるいは、請求項１または請求項２に記載の、厚さ方向に重ね合わせた集光ダクト、と同一形状となるように集光ダクトが長手方向に対して分割して成形されている、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ集光装置であって、
各集光ユニットの集光ダクトの長手方向の長さを任意の長さとすることで、複数の前記半導体レーザアレイを発熱量に応じた間隔で配置して放熱板に固定し、
前記放熱板には放熱フィンが設けられており、前記放熱フィンに対向させて冷却ファンが設けられている、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を集光するレーザ集光装置に関し、特に半導体レーザアレイから出射される半導体レーザの光束を集光するレーザ集光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体レーザは発振効率が高い（〜５０％）ことから、固体レーザの励起光として、あるいは直接加工光源として利用するニーズが高まっている。また、半導体レーザメーカからは、複数のエミッタ（発光部）を一次元状に配置した半導体レーザアレイや、半導体レーザアレイを積層して複数のエミッタ（発光部）を二次元状に配置した半導体レーザスタックが商品化されている。
例えば一般的な半導体レーザアレイは、長さ約１０ｍｍ、厚さ約０．２ｍｍ、幅約１ｍｍの外形寸法の半導体レーザチップをヒートシンクにマウントしたもので、この中に厚さ方向に約１μｍ、長さ方向に約１５０μｍの発光部がピッチ約５００μｍで１０数個集積化されている。そして１個の発光部からは約２Ｗの出力のレーザ光が出射される。これらを集光してパワー密度を高くして励起光として用いたり、直接加工光源として用いたりすれば、金属の溶接や穴あけ、切断等を行うことができる。
【０００３】
一般的な半導体レーザアレイ（発光部が一次元配置）において、図１（Ａ）の例に示すように、発光部（３１ａ〜３１ｈ）から出射されるレーザ光Ｌ１は長軸方向及び短軸方向にほぼ楕円状に広がりながら進行する。また、図１（Ｂ）の例に示すように、長軸方向の広がり角θｆは数１０度（例えば３０度〜４０度）程度あり、短軸方向の広がり角θｓは数度（例えば３度〜４度）程度である。また各発光部（３１ａ〜３１ｈ）の寸法は、上述したように、一般的な半導体レーザアレイでは長軸方向が１μｍ程度、短軸方向が１００〜２００μｍ程度である。以下の説明では、半導体レーザアレイの各発光部（この場合、３１ａ〜３１ｈ）から出射されるレーザ光をまとめた光（発光部３１ａから出射されるレーザ光Ｌ１と、発光部３１ｂから出射されるレーザ光Ｌ１と・・発光部３１ｈから出射されるレーザ光Ｌ１とをまとめた光）を「光束」と記載する。
レーザ光の集光性は「ビーム径＊広がり角」で示されるビームパラメータプロダクトに依存し、上述のような半導体レーザアレイの場合、長軸方向のビームパラメータプロダクトは０．２ｍｍ・ｍｒａｄ程度で、短軸方向のビームパラメータプロダクトは２００ｍｍ・ｍｒａｄである。このため、集光する場合、長軸方向には比較的容易に小さく集光できるが、短軸方向に小さく集光することは比較的困難である。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載された従来技術では、複数の半導体レーザアレイからの各々の光束を平行光に変換して、それぞれの半導体レーザアレイ用の反射部材を用いて各光束を同一方向にして長軸方向に並べてレーザ光の密度を高くしている。
また、特許文献２に記載された従来技術では、半導体レーザアレイを長軸方向に積層した半導体レーザスタックを用い、各半導体レーザアレイに長軸方向コリメートレンズを設けて、光束を長軸方向については平行光に変換し、光束毎に用意した光反射面を用いて各光束の長軸方向の間隔が短くなるように並べてレーザ光の密度を高くしている。
また、特許文献３及び特許文献４に記載された従来技術では、各半導体レーザアレイには長軸方向コリメートレンズを設けて、光束を長軸方向については平行光に変換し、半導体レーザアレイと冷却プレートとを長軸方向に交互に重ねた積層ユニットを２組用いている。一方の組の積層ユニットから出射される長軸方向に並んだ光束における冷却プレートによる隙間の部分に、他方の組の光束が入るように工夫されている。
【特許文献１】特開２００１−０４４５７４号公報
【特許文献２】特開２００１−２１５４４３号公報
【特許文献３】特開２００３−１２４５５８号公報
【特許文献４】特開平１１−０７２７４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
半導体レーザアレイから出射されるレーザ光の光束は、上記したとおり、ビームパラメータプロダクトが比較的小さい長軸方向については広がり角が大きいが比較的集光が容易であり、コリメートレンズを用いて平行光に変換することも容易である。しかし、短軸方向については広がり角が小さいにもかかわらず、ビームパラメータプロダクトが比較的大きく、コリメートレンズの配置が困難であるとともに、平行光に変換することも困難である。
特許文献１に記載された従来技術では、光束の長軸方向の広がり角（例えば３０度〜４０度）は無視できない大きさであるためコリメータを用いて長軸方向に変換しているが、光束の短軸方向の広がり角（例えば３度〜４度）は無視しており短軸方向のコリメータを特に用いることなく、短軸方向についてはもともと平行光であるものとして扱っている。これでは、半導体レーザアレイから反射部材までの距離、及び反射部材から先では、レーザ光は空間を伝播し、距離が長くなると短軸方向の広がり角により、レーザ光の密度が低下するため好ましくない。また、複数の半導体レーザアレイを用いて高出力化する際、半導体レーザアレイを対向させて配置し、それに合わせて反射部材を用意（特許文献１の図５）する例と、半導体レーザアレイを放射状に配置し、それに合わせて反射部材を用意（特許文献１の図６）する例と、が提案されている。対向させて配置する例では、半導体レーザアレイの数を増やすと反射部材で反射した後の光束の長さが長くなり、短軸方向の広がり角の影響が大きくなり、好ましくない。また、放射状に配置する例では、半導体レーザアレイの数が空間的に制限され、所望する数の半導体レーザアレイを配置できない場合があり、同時に反射部材の形状が複雑になる。
【０００６】
また、特許文献２に記載された従来技術では、特許文献１と同様に、長軸方向については光束を平行光に変換しているが、光束の短軸方向の広がり角（例えば３度〜４度）は無視しており短軸方向のコリメータを特に用いることなく、短軸方向についてはもともと平行光であるものとして扱っている。これでは、半導体レーザアレイから光反射面までの距離、及び光反射面から先では、レーザ光は空間を伝播し、距離が長くなると短軸方向の広がり角により、レーザ光の密度が低下するため好ましくない。
【０００７】
また、特許文献３及び特許文献４に記載された従来技術では、レーザ光を高密度にするがために半導体レーザアレイを長軸方向に積層して密集させた結果、放熱ができなくなり、半導体レーザアレイと水冷プレートとを交互に積層しており、水冷の冷却装置を必要とするため、コスト高になってしまう。また、特許文献１及び２と同様に、長軸方向については光束を平行光に変換しているが、光束の短軸方向の広がり角（例えば３度〜４度）は無視しており短軸方向のコリメータを特に用いることなく、短軸方向についてはもともと平行光であるものとして扱っている。これでは、半導体レーザアレイから反射面までの距離、及び反射面から先では、レーザ光は空間を伝播し、距離が長くなると短軸方向の広がり角により、レーザ光の密度が低下するため好ましくない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光による光束について、長軸方向及び短軸方向への拡散を抑制し、複数の半導体レーザアレイを密集させることなく光束の密度をより高くすることが可能なレーザ集光装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項１に記載のレーザ集光装置は、互いに直交する短軸方向と長軸方向に広がりながら進行するレーザ光を出射する複数の発光部が短軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイと、当該複数の発光部に対向する位置に設けられて前記複数の発光部から出射されたレーザ光を長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、で構成されたレーザユニットと、入射されたレーザ光を伝送可能であり、前記レーザユニットから出射される複数のレーザ光による光束の短軸方向の長さに対応するダクト幅と、前記光束の長軸方向の長さに対応するダクト厚さと、が各々一定に形成されているとともに、ダクト幅方向とダクト厚さ方向とに直交するダクト長手方向の長さは任意の長さに形成されており、前記ダクト長手方向における一方の端面を、ダクト幅方向とダクト長手方向とを含むダクト上面に対して所定角度を有するとともにダクト厚さ方向とダクト長手方向とを含むダクト側面に対して直交する反射面に形成した集光ダクトと、を備える。
そして、前記レーザユニットの短軸方向に対して前記集光ダクトのダクト幅方向とが一致するように前記レーザユニットの発光部と前記集光ダクトのダクト上面とを対向させ、且つ前記レーザユニットから出射される光束を前記集光ダクトの内側から前記反射面に当て、当該反射面にて反射した光束が当該集光ダクト内をダクト長手方向に導光されるように、前記集光ダクトに対して前記レーザユニットを配置して、当該レーザユニットと当該集光ダクトとで集光ユニットを構成する。
そして、前記集光ユニットを複数備え、各集光ユニットの集光ダクトを、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクトの他方の端面となる出射面が同一平面上に位置するように重ね合わせた構造を有する。
【０００９】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項２に記載のレーザ集光装置は、互いに直交する短軸方向と長軸方向に広がりながら進行するレーザ光を出射する複数の発光部が短軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイと、当該複数の発光部に対向する位置に設けられて前記複数の発光部から出射されたレーザ光を長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズと、で構成されたレーザユニットと、入射されたレーザ光を伝送可能であり、前記レーザユニットから出射される複数のレーザ光による光束の短軸方向の長さに対応するダクト幅と、前記光束の長軸方向の長さに対応するダクト厚さと、が各々一定に形成されているとともに、ダクト幅方向とダクト厚さ方向とに直交するダクト長手方向の長さは任意の長さに形成されており、前記ダクト長手方向における一方の端面を、ダクト厚さ方向とダクト長手方向とを含むダクト側面に対して所定角度を有するとともにダクト幅方向とダクト長手方向とを含むダクト上面に対して直交する反射面に形成した集光ダクトと、を備える。
そして、前記レーザユニットの短軸方向に対して前記集光ダクトのダクト長手方向とが一致するように前記レーザユニットの発光部と前記集光ダクトのダクト側面とを対向させ、且つ前記レーザユニットから出射される光束を前記集光ダクトの内側から前記反射面に当て、当該反射面にて反射した光束が当該集光ダクト内をダクト長手方向に導光されるように、前記集光ダクトに対して前記レーザユニットを配置して、当該レーザユニットと当該集光ダクトとで集光ユニットを構成する。
そして、前記集光ユニットを複数備え、各集光ユニットの集光ダクトを、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクトの他方の端面となる出射面が同一平面上に位置するように重ね合わせた構造を有する。
【００１０】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項３に記載のレーザ集光装置は、請求項１または２に記載のレーザ集光装置であって、請求項１または請求項２に記載の、厚さ方向に重ね合わせた集光ダクト、と同一形状となるように集光ダクトが一体成形されている。
あるいは、請求項１または請求項２に記載の、厚さ方向に重ね合わせた集光ダクト、と同一形状となるように集光ダクトが長手方向に対して分割して成形されている。
【００１１】
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項４に記載のレーザ集光装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ集光装置であって、各集光ユニットの集光ダクトの長手方向の長さを任意の長さとすることで、複数の前記半導体レーザアレイを発熱量に応じた間隔で配置して放熱板に固定し、前記放熱板には放熱フィンが設けられており、前記放熱フィンに対向させて冷却ファンが設けられている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載のレーザ集光装置を用いれば、半導体レーザアレイから出射した光束を集光ダクトの内部に導光し、集光ダクトの内部で光束を全反射させて伝送することができ、光束における長軸方向と短軸方向への拡散を抑制し、集光ダクト内に光束を閉じ込めて伝送することができる。
また、集光ダクトの長さは任意に設定することができるので、光束の密度を高くするために複数の集光ユニットを用いて集光ダクトを重ね合わせても、各半導体レーザアレイの間隔を自由に設定することができるので、半導体レーザアレイを密集させることなく光束の密度をより高くすることができる。
【００１３】
請求項２に記載のレーザ集光装置では、請求項１に対して、集光ダクトの形状と、集光ダクトに対する半導体レーザアレイの配置位置を変更し、請求項１と同等の効果を得ることができるレーザ集光装置を構成できる。
これにより、半導体レーザアレイから出射される複数のレーザ光による光束について、長軸方向及び短軸方向への拡散を抑制し、複数の半導体レーザアレイを密集させることなく光束の密度をより高くすることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載のレーザ集光装置によれば、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに他方の端面となる出射面が同一平面上に位置するように重ね合わせた集光ダクトと、同一の機能を有する集光ダクトを実現することができ、製造方法の自由度が向上する。
【００１５】
また、請求項４に記載のレーザ集光装置によれば、光束を高密度化できるにもかかわらず半導体レーザアレイの間隔を自由に設定することができ、放熱フィン、放熱板、冷却ファンで構成した空冷の冷却機構で冷却可能であるため、装置を小型化してより安価に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
図２は、本発明のレーザ集光装置６８を用いたレーザ発振装置１０の概略外観図の例を示しており、図２における各図は、左上から右に向かってそれぞれ背面図、平面図、正面図を示しており、下方の図は側面図を示している。
【００１７】
●［レーザ発振装置１０の外観と構造（図２〜図４）］
図２に示すように、レーザ発振装置１０は、略箱状の筐体（ケース）に収容されており、脚部１０Ｓにて水平面に載置される。
筐体の背面１０Ｂ（一方の側面に相当）には冷却用の空気を取り込む吸気口１０Ｎが設けられており、筐体の正面１０Ｆ（一方の側面と対向する側面に相当）には冷却風を排出する排気口１０Ｅが設けられている。また、正面１０Ｆには、出力レーザ光の状態等を設定するための各種の操作スイッチや、動作状態等を表示する表示パネルや、出力レーザ光を取り出すコネクタ等が配置された正面パネル１０Ｇが設けられている。
また、筐体の上面１０Ｕには、第２排気口１０Ｃが設けられている。
【００１８】
次に、図３を用いて、出力レーザ発生装置（筐体内に収容されている）の構成を説明する。
本実施の形態にて説明するレーザ発振装置１０は、半導体レーザアレイ３１から出射されるレーザ光（以下、励起レーザ光と記載する）を励起光として用い、励起レーザ光をファイバレーザ用光ファイバ７０に入射し、ファイバレーザ用光ファイバ７０内で励起されたレーザ光（以下、出力レーザ光と記載する）を出力レーザとして取り出す。
図１（Ａ）に示すように、半導体レーザアレイ３１は、（一列に配置された）複数の発光部（３１ａ〜３１ｈ）を有しており、各発光部から励起レーザ光が出力される。本実施の形態にて説明するレーザ発振装置１０では、出力レーザ光を高出力化するために、複数の半導体レーザアレイ３１を用いている。
【００１９】
各半導体レーザアレイ３１から出射される励起レーザ光は、励起レーザ集光ブロック６０にて集光されてファイバレーザ用光ファイバ７０の一方の端面（入射面）に入射される。
図３に示す例では、励起レーザ集光ブロック６０は、半導体レーザアレイ３１の複数の発光部から出射される励起レーザ光の光束を更に束ねる等して集光する集光ブロック６１（詳細な説明は後述する）、集光ブロック６１から出射される励起光束Ｌｉｎをほぼ平行光に変換する第１レンズ６２、平行光に変換された励起光束Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ７０の入射面に集光する第２レンズ６４とで構成される。なお、ダイクロイックミラー６３は、励起光束Ｌｉｎの波長の光を透過させて、出力レーザ光Ｌｏｕｔの波長の光を反射するものである。
そして、ファイバレーザ用光ファイバ７０から出射される出力レーザ光Ｌｏｕｔは、出力レーザ集光ブロック８０にて集光されて伝送用光ファイバ９０の一方の端面（入射面）に入射される。
ファイバレーザ用光ファイバ７０は、レーザ活性物質を含むコア７２を有し、コア７２の周囲をクラッド部材７３で覆った光ファイバであり、入射された励起レーザ光を内部に閉じ込め、励起レーザ光がコア７２に当たるとコア７２の内部に出力レーザ光が励起され、出力レーザ光はコア７２内で伝送される。また、ファイバレーザ用光ファイバ７０には、励起レーザ光が入射される端面とは反対側の端面に、励起レーザ光及び出力レーザ光を反射するＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）７１が設けられており、励起レーザ光の入射面側から出力レーザ光を取り出す構成としている。
【００２０】
ファイバレーザ用光ファイバ７０のコア７２内で励起されて発生した出力レーザ光Ｌｏｕｔは、励起光束Ｌｉｎの入射面から出力され、第２レンズ６４にてほぼ平行光に変換され、ダイクロイックミラー６３にて進行方向を変えられる。ダイクロイックミラー６３は、励起光束Ｌｉｎの波長の光を透過させて、出力レーザ光Ｌｏｕｔの波長の光を反射するものである。そして、進行方向を変えられた出力レーザ光Ｌｏｕｔは、第３レンズ８１にて集光されて伝送用光ファイバ９０の入射面に入射される。伝送用光ファイバ９０の出射面は、例えば正面パネル１０Ｇに設けられた出力レーザ光を取り出すコネクタ等に接続される。
図３に示す例では、出力レーザ集光ブロック８０は、第２レンズ６４、ダイクロイックミラー６３、第３レンズ８１とで構成される。
ここで、半導体レーザアレイ３１、及びファイバレーザ用光ファイバ７０は、レーザ光を発生させるために発熱量が大きく、適切に冷却を行わなければ、劣化の進行や、各種の部品の熱膨張率の違いによる位置の誤差の増大に伴う出力レーザ光の出力低下等が発生する可能性がある。
本実施の形態にて説明するレーザ発振装置１０は、図３にて説明した出力レーザ発生装置に、冷却機構を組み合わせて筐体内に収容している。この収容状態は、図５に示すとおりであり、各部品の概略外観等は図４に示すとおりである。
本実施の形態では、シンプルな冷却機構とすることで装置の小型化と保守性の向上を図るために、空冷の冷却機構を採用している。
【００２１】
図４に示すように、半導体レーザ放熱部材３０は、半導体レーザアレイ３１が固定されるベース放熱板３２と、放熱を助長する複数の放熱板で形成された半導体レーザ放熱フィン３３とで構成されている。なお、材質は熱伝導率が比較的高い銅やアルミ等であり、ベース放熱板３２と半導体レーザ放熱フィン３３との接触部には熱伝導性を有するシリコングリス等を用いてもよい。
ファイバレーザ放熱部材５０は、ファイバレーザ用光ファイバ７０が固定されるベース放熱板５１と、放熱を助長する複数の放熱板で形成されたファイバレーザ放熱フィン５２とで構成されている。なお、材質は熱伝導率が比較的高い銅やアルミ等であり、ベース放熱板５１とファイバレーザ放熱フィン５２との接触部には熱伝導性を有するシリコングリス等を用いてもよい。
また、ベース放熱板５１には、半導体レーザ放熱部材３０、励起レーザ集光ブロック６０（この場合、集光ブロック６１、第１レンズ６２、第２レンズ６４）、ファイバレーザ用光ファイバ７０、出力レーザ集光ブロック８０（この場合、第２レンズ６４、ダイクロイックミラー６３、第３レンズ８１）、伝送用光ファイバ９０等が位置決めされて固定される。
【００２２】
更に、半導体レーザ放熱部材３０とファイバレーザ放熱部材５０に冷却風を送風する冷却ファン２０と、冷却風を導風するガイド部材４０（４１、４２）を備える。ガイド部材４０（４１、４２）は、冷却風の流れを促すための、漏斗状に設けられたダクトである。
以上の構成により、冷却ファン２０から送風される冷却風を、まず半導体レーザ放熱部材３０に当て、半導体レーザ放熱部材３０に当たった後の冷却風の少なくとも一部をガイド部材４０（４１、４２）に導風して絞り、ガイド部材４０（４１、４２）に導風して絞った冷却風をファイバレーザ放熱部材５０に導風する構造としている。これにより、冷却ファン２０にて半導体レーザアレイ３１とファイバレーザ用光ファイバ７０との双方の冷却を行うことができる。
なお、図４の一点鎖線の円に示すように、半導体レーザアレイ３１の任意の面（励起レーザ光を出射する面とベース放熱板３２に固定される面を除く）に、放熱を促進する放熱板３４を更に設けてもよい。
【００２３】
レーザ発振装置１０の出力レーザ光Ｌｏｕｔを高出力化するには、ファイバレーザ用光ファイバ７０に、より多くの励起レーザ光を入射することが必要であり、より多くの半導体レーザアレイ３１からの励起レーザ光の光束を集光しなければならない。
本発明のレーザ集光装置６８は、複数の半導体レーザアレイ３１と集光ブロック６１（複数の集光ダクト６５にて構成）とを含み、より多くの半導体レーザアレイ３１からの励起レーザ光を適切に集光することができる。
【００２４】
●●［第１の実施の形態（図６、図７）］
次に、図６及び図７を用いて本発明のレーザ集光装置６８の第１の実施の形態について説明する。図７に示すレーザ集光装置６８は、図６に示す半導体レーザアレイ３１と長軸方向コリメートレンズ３５と集光ダクト６５とで構成した集光ユニット６７を複数個集めて構成されている。
●［集光ユニット６７の構成（図６）］
図１（Ｄ）に示すように、レーザユニット３６は、互いに直交する短軸方向と長軸方向に広がりながら進行する励起レーザ光Ｌ１を出射する複数の発光部（この場合、３１ａ〜３１ｈ）が短軸方向に一列に配置された半導体レーザアレイ３１と、発光部に対向する位置に設けられて励起レーザ光Ｌ１を長軸方向に対して平行光に変換する長軸方向コリメートレンズ３５とで構成されている。
図１（Ｄ）の概略図に示すように、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋは、長軸方向については平行光に変換されており、短軸方向については、広がり角θｓを有している。この光束Ｌｋを空間で伝送すると、距離が長くなるにつれて短軸方向への広がりが大きくなるため、集光ダクト６５（図６（Ａ）参照）を用いて、集光ダクト６５内で全反射させながら伝播させて拡散させることなく伝播させる。なお、光束Ｌｋは複数の励起レーザ光Ｌ１にて構成されているが、図１（Ｄ）では模式的に箱状として記載している。
【００２５】
図６（Ａ）に示すように、集光ダクト６５は、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋの短軸方向の長さに対応するダクト幅Ｗｇと、光束Ｌｋの長軸方向の長さに対応するダクト厚さＴｇと、が各々一定となるように形成されている。また、ダクト幅方向とダクト厚さ方向とに直交するダクト長手方向の長さＬｇは、任意の長さに設定されている。
そして、ダクト幅方向とダクト長手方向とを含む面をダクト上面ＭＵ（対向する面も同様）、ダクト厚さ方向とダクト長手方向とを含む面をダクト側面ＭＳ（対向する面も同様）として、長手方向の一方の端面を端面ＭＭ、長手方向の他方の端面を端面ＭＲとする。
一方の端面ＭＭは、ダクト上面ＭＵに対して所定角度θを有するとともにダクト側面ＭＳに対して直交するように設けられた反射面であり、光束Ｌｋを反射可能である（以下、一方の端面ＭＭを反射面ＭＭと記載する）。
【００２６】
集光ユニット６７は、レーザユニット３６と集光ダクト６５とで構成されている（図６（Ｂ）参照）。
次に、集光ユニット６７において、レーザユニット３６と集光ダクト６５の位置について説明する。図６（Ｂ）に示すように、レーザユニット３６の短軸方向に対して集光ダクト６５のダクト幅方向とが一致するようにレーザユニット３６の発光部と集光ダクト６５のダクト上面ＭＵとを対向させる。且つ、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋを、集光ダクト６５の内側から反射面ＭＭに当て、当該反射面ＭＭにて反射した光束Ｌｋが集光ダクト６５内をダクト長手方向に導光されるように、集光ダクト６５に対してレーザユニット３６を配置する。
本実施の形態では所定角度θを４５度に設定しているので、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋの進行方向に対して、ダクト上面ＭＵは垂直となる。
なお、集光ダクト６５の材質は、石英ガラス等である。
【００２７】
そして、図６（Ｃ）に示すように、複数の集光ユニットを用意して（図６（Ｃ）の例では２組の集光ユニットを使用）、各集光ユニットの集光ダクト６５を、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクト６５の他方の端面ＭＲとなる出射面（以下、他方の端面ＭＲを出射面ＭＲと記載する）が同一平面上に位置するように重ね合わせてレーザ集光装置６８を構成する。
レーザ集光装置６８の出射面ＭＲから出射される光束Ｌｋの中心軸の間隔Ｄｋは非常に小さく（図８（Ｄ）に示す光束Ｌｋの中心軸の間隔Ｄｋも同様）、半導体レーザアレイ３１を長軸方向に積層した半導体レーザスタックの長軸方向の間隔よりも小さくすることが可能であり、光束の密度を非常に高くすることができる。
また、集光ダクト６５内で光束を閉じ込めて伝送するため、長い距離を伝送しても、光束が短軸方向に広がることを防止することができるため、半導体レーザアレイ３１の間隔Ｄａ（光束Ｌｋの中心軸の間隔Ｄａ）を任意の距離に設定することが可能である（図８（Ｄ）に示す光束Ｌｋの中心軸の間隔Ｄａも同様）。このため、半導体レーザアレイ３１を密集させることなく放熱に適した間隔とすることができるため、空冷の冷却機構で充分に冷却することが可能である。
【００２８】
●［レーザ集光装置６８を用いた出力レーザ発生装置の例（図７）］
図７に示す出力レーザ発生装置は、図３に示した出力レーザ発生装置をより詳細に示すとともに、半導体レーザアレイ３１を冷却する冷却ファン２０、半導体レーザ放熱フィン３３、ベース放熱板３２及び放熱板３４にて構成される冷却機構も示しており、図３と図７とで同一のものには同じ符号を付与している。
図７の例は、４組の集光ユニット６７にてレーザ集光装置６８を構成し、このレーザ集光装置６８を２組用いて集光された励起光束Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ７０に入射している。各レーザ集光装置６８の出射面には各々進路変換プリズム６６が設けられており、出射された光束の進行方向を同一の方向にするとともに、各々光束の間隔がより小さくなるように進路変換プリズム６６が配置されており、一方のレーザ集光装置６８からの光束と、他方のレーザ集光装置６８からの光束との間隔を小さくし、励起光束Ｌｉｎの密度を高めている。なお、進路変換プリズム６６のＹ軸方向の長さは、集光ダクト６５のダクト幅方向の長さ（図７では集光ダクト６５のＹ軸方向の長さ）と同一である。
【００２９】
励起光束Ｌｉｎは、長軸方向（図７の場合、半導体レーザアレイ３１から出射された時点、及び第１レンズ６２に入射時点ではＸ軸方向）には平行光であるが、短軸方向（図７の場合、半導体レーザアレイ３１から出射された時点、及び第１レンズ６２に入射時点ではＹ軸方向）には広がっているため、短軸方向コリメートレンズ６２（第１レンズ）を通過させて短軸方向について平行光に変換し、長軸方向にも短軸方向にも平行光とする。そして、平行光の励起光束Ｌｉｎを、長軸方向集光レンズ６４ａを通過させて長軸方向に絞り（集光し）、短軸方向集光レンズ６４ｂを通過させて短軸方向に絞り（集光し）、ファイバレーザ用光ファイバ７０の入射面に入射する。
また、ファイバレーザ用光ファイバ７０のコア７２から出射された出力レーザ光は、ダイクロイックミラー６３にて反射され、長軸方向及び短軸方向に絞る（集光する）集光レンズ８１（第３レンズ）を通過して伝送用光ファイバ９０の入射面に入射される。
【００３０】
各集光ダクト６５の長手方向（図７の場合、Ｘ軸方向）の長さは任意の長さにすることが可能であり、各半導体レーザアレイ３１を発熱量に応じた間隔でベース放熱板３２に固定することができる。図７の例では、更に各半導体レーザアレイ３１に放熱板３４を追加している。そして、ベース放熱板３２に半導体レーザ放熱フィン３３を設け、半導体レーザ放熱フィン３３に対向させて冷却ファン２０を設け、各半導体レーザアレイ３１を充分に冷却可能な冷却機構を空冷式にて実現しており、装置の小型化と低コスト化を実現している。
以上に説明したダクト厚さ方向に重ね合わせた集光ダクトの形状は、図７中の（ａ）に示す形状であるが、図７中の（ｂ）に示すように、同一形状となるように一体形成して構成してもよいし、図７中の（ｃ）に示すように、同一形状となるようにダクト長手方向に対して分割（この場合、６１ａ〜６１ｄに分割）して構成してもよい。
【００３１】
●●［第２の実施の形態（図８、図９）］
次に、図８及び図９を用いて本発明のレーザ集光装置６８の第２の実施の形態について説明する。図９に示すレーザ集光装置６８は、半導体レーザアレイ３１と長軸方向コリメートレンズ３５と集光ダクト６５とで構成した集光ユニット６７（図８（Ｂ）参照）を複数個集めて構成されている。
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対して集光ダクト６５の形状の変更と、集光ダクト６５の形状の変更に伴い、集光ダクト６５に対する半導体レーザアレイ３１の位置が変更されている。以下、第１の実施の形態からの相違点について説明する。
【００３２】
●［集光ユニット６７の構成（図６）］
図８（Ａ）に示すように、集光ダクト６５における一方の端面ＭＭは、ダクト側面ＭＳに対して所定角度θを有するとともにダクト上面ＭＵに対して直交するように設けられた反射面であり、光束Ｌｋを反射可能である（以下、一方の端面ＭＭを反射面ＭＭと記載する）。
次に、集光ユニット６７において、レーザユニット３６と集光ダクト６５の位置について説明する。図８（Ｂ）に示すように、レーザユニット３６の短軸方向に対して集光ダクト６５のダクト長手方向とが一致するようにレーザユニット３６の発光部と集光ダクト６５のダクト側面ＭＳとを対向させる。且つ、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋを、集光ダクト６５の内側から反射面ＭＭに当て、当該反射面ＭＭにて反射した光束Ｌｋが集光ダクト６５内をダクト長手方向に導光されるように、集光ダクト６５に対してレーザユニット３６を配置する。
本実施の形態では所定角度θを４５度に設定しているので、レーザユニット３６から出射される光束Ｌｋの進行方向に対して、ダクト側面ＭＳは垂直となる。
【００３３】
そして、図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示すように、複数の集光ユニットを用意して（図８（Ｃ）の例では２組、図８（Ｄ）の例では４組の集光ユニットを使用）、各集光ユニットの集光ダクト６５を、ダクト長手方向が一致するようにダクト厚さ方向に重ね合わせるとともに、各集光ダクト６５の他方の端面ＭＲとなる出射面（以下、他方の端面ＭＲを出射面ＭＲと記載する）が同一平面上に位置するように重ね合わせてレーザ集光装置６８を構成する。
【００３４】
●［レーザ集光装置６８を用いた出力レーザ発生装置の例（図９）］
図９の例は、８組の集光ユニット６７にてレーザ集光装置６８を構成し、集光された励起光束Ｌｉｎをファイバレーザ用光ファイバ７０に入射している。なお、図９の例では、図７に対して、ファイバレーザ用光ファイバ７０、ダイクロイックミラー６３、集光レンズ８１、伝送用光ファイバ９０の配置及び概略形状は図７と同一であるため、記載を省略している。
励起光束Ｌｉｎは、長軸方向（図９の場合、半導体レーザアレイ３１から出射された時点、及び第１レンズ６２に入射時点ではＹ軸方向）には平行光であるが、短軸方向（図９の場合、半導体レーザアレイ３１から出射された時点ではＺ軸方向、第１レンズ６２に入射時点ではＸ軸方向）には広がっているため、短軸方向コリメートレンズ６２（第１レンズ）を通過させて短軸方向について平行光に変換し、長軸方向にも短軸方向にも平行光とする。そして、平行光の励起光束Ｌｉｎを、長軸方向集光レンズ６４ａを通過させて長軸方向に絞り（集光し）、短軸方向集光レンズ６４ｂを通過させて短軸方向に絞り（集光し）、ファイバレーザ用光ファイバ７０の入射面に入射する。
【００３５】
各集光ダクト６５の長手方向（図９の場合、Ｚ軸方向）の長さは任意の長さにすることが可能であり、各半導体レーザアレイ３１を発熱量に応じた間隔でベース放熱板３２に固定することができる。そして、ベース放熱板３２に半導体レーザ放熱フィン３３を設け、半導体レーザ放熱フィン３３に対向させて冷却ファン２０を設け、各半導体レーザアレイ３１を充分に冷却可能な冷却機構を空冷式にて実現しており、装置の小型化と低コスト化を実現している。
以上に説明したダクト厚さ方向に重ね合わせた集光ダクトの形状は、図７中の（ｂ）、（ｃ）と同様に、一体形成して構成してもよいし、ダクト長手方向に対して分割して構成してもよい。
【００３６】
本発明のレーザ集光装置６８は、本実施の形態で説明した外観、構成等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、レーザ集光装置６８を構成する集光ユニット６７の数はいくつであってもよい。
また、図７において、進路変換プリズム６６を使用することなく、２組のレーザ集光装置６８の出射面ＭＲを隣り合うように配置するようにしてもよい。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
また、本実施の形態の説明では、冷却機構として空冷式の例を説明したが、他の冷却機構（例えば、ペルチェ（電子冷却装置）や水冷式の冷却装置）を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】半導体レーザアレイ３１、レーザユニット３６について説明する図である。
【図２】本発明のレーザ集光装置６８を用いたレーザ発振装置１０の一実施の形態を説明する概略外観図である。
【図３】出力レーザ発生装置の構成例を説明する図である。
【図４】レーザ発振装置１０において、各部品の外観等を示す分解斜視図である。
【図５】レーザ発振装置１０における冷却風の通路を説明する透視図である。
【図６】第１の実施の形態における、集光ダクト６５、集光ユニット６７、レーザ集光装置６８の例を説明する図である。
【図７】第１の実施の形態におけるレーザ集光装置６８を用いた出力レーザ発生装置の例を説明する図である。
【図８】第２の実施の形態における、集光ダクト６５、集光ユニット６７、レーザ集光装置６８の例を説明する図である。
【図９】第２の実施の形態におけるレーザ集光装置６８を用いた出力レーザ発生装置の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０      レーザ発振装置
１０Ｅ    排気口
１０Ｃ    第２排気口
１０Ｇ    正面パネル
１０Ｎ    吸気口
２０      冷却ファン
３１      半導体レーザアレイ
３１ａ〜３１ｈ    発光部
３２      ベース放熱板
３３      半導体レーザ放熱フィン
３５      長軸方向コリメートレンズ
３６      レーザユニット
６５      集光ダクト
６７      集光ユニット
６８      レーザ集光装置
Ｗｇ      ダクト幅
Ｔｇ      ダクト厚さ
ＭＵ      ダクト上面
ＭＳ      ダクト側面
ＭＭ      反射面
ＭＲ      出射面
７０      ファイバレーザ用光ファイバ
９０      伝送用光ファイバ
【図２】
2008021900.tif 000003
【図４】
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【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
2008021900.tif 000008
【図７】
2008021900.tif 000009
【図８】
2008021900.tif 000010
【図９】
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