(57)【要約】  【課題】  小型で高出力なレーザ光合波装置を提供する。  【解決手段】  複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出され収束分散レンズ１２０を通って、ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐａよりさらに上流側に収束角変換光学系３０を配置し、この収束角変換光学系３０が、収束分散光学系１２０を通った各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバ４０のコア部４１に入射させる。【選択図】          図１
2004258624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせるとともに、前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させ、さらに、前記複数の光束のそれぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバの端面に入射させるレーザ光合波方法であって、
前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に収束角変換光学系を配置し、前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束からなる全体光束を前記収束角変換光学系に通して、該各光束からなる全体光束または一部の光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバの端面に入射させることを特徴とするレーザ光合波方法。
【請求項２】
複数の半導体レーザを備え、
該複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせるとともに、前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させ、さらに、前記複数の光束のそれぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバの端面に入射させるレーザ光合波装置であって、
前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置された収束角変換光学系を備え、
該収束角変換光学系が、前記各光束からなる全体光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にして該全体光束を光ファイバの端面に入射させるものであることを特徴とするレーザ光合波装置。
【請求項３】
前記複数の半導体レーザから射出された各光束をスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる光束収束手段を備え、該光束収束手段が、該光束収束手段から射出される各光束のスロー軸方向視における射出角を、各光束の前記半導体レーザから射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角より小さくするものであることを特徴とする請求項２記載のレーザ光合波装置。
【請求項４】
前記複数の半導体レーザそれぞれから射出される光束の波長が３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ光合波装置。
【請求項５】
レーザブロックと、収束分散光学系と、収束角変換光学系とを備え、
前記レーザブロックは、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置され、該同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するものであり、
前記収束分散光学系は、前記複数の半導体レーザから射出された各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせ、かつ、各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものであり、
前記収束角変換光学系は、各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置されて、前記全体光束の収束角を前記収束分散光学系から射出させたときの全体光束の収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させるものであることを特徴とするレーザ光合波装置。
【請求項６】
前記収束分散光学系が、前記各光束のそれぞれを前記ファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能と、前記各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに、各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる機能の双方を兼ね備えた、各光束に対応させて配置された、収束分散個別レンズであることを特徴とする請求項５記載のレーザ光合波装置。
【請求項７】
前記収束分散光学系が、前記各光束に対応させて配置された該各光束のそれぞれを前記ファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能を備えたオフセット光学系と、該オフセット光学系から射出された各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束を該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させる機能を備えた集光光学系とで構成されたものであることを特徴とする請求項５記載のレーザ光合波装置。
【請求項８】
前記収束分散個別レンズがトランケート型のレンズであることを特徴とする請求項６記載のレーザ光合波装置。
【請求項９】
前記オフセット光学系がトランケート型のレンズであることを特徴とする請求項７記載のレーザ光合波装置。
【請求項１０】
前記複数の半導体レーザのそれぞれが、互いに分離されているものであることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項１１】
前記複数の半導体レーザは、該複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上が、互いにつながった一体化されたものであることを特徴とする請求項２から９のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項１２】
レーザブロックと、全体収束光学系と、収束角変換光学系とを備え、
前記レーザブロックは、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が平行となり、かつ、それぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置され、互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するものであり、
前記全体収束光学系は、前記複数の半導体レーザから射出されたスロー軸が互いに平行な各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものであり、
前記収束角変換光学系は、各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置され、前記全体光束の収束角を前記収束分散光学系から射出させたときの全体光束の収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させるものであることを特徴とするレーザ光合波装置。
【請求項１３】
前記全体収束光学系が、前記半導体レーザから射出された各光束からなる全体光束を、直接、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものであることを特徴とする請求項１２記載のレーザ光合波装置。
【請求項１４】
前記全体収束光学系が、各光束に対応させて配置された各光束のそれぞれを平行光束にするコリメート光学系と、前記平行光束の全体を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させる集光光学系とで構成されたものであることを特徴とする請求項１２記載のレーザ光合波装置。
【請求項１５】
前記全体収束光学系がトランケート型のレンズであることを特徴とする請求項１３記載のレーザ光合波装置。
【請求項１６】
前記コリメート光学系がトランケート型のレンズであることを特徴とする請求項１４記載のレーザ光合波装置。
【請求項１７】
複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が平行となり、かつ、それぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置され、互いに平行なスロー軸および互いに平行な光軸を有する各光束を射出するレーザブロックと、
前記複数の半導体レーザから射出された各光束のそれぞれを平行光束にするコリメート光学系と、
前記コリメート光学系を通った各光束を該各光束のスロー軸の方向にシフトさせて各光軸がスロー軸と直交する１平面上に並ぶようにする光軸シフト光学系と、
前記光軸シフト光学系により光軸が前記１平面上に並べられた各光束からなる全体光束を該光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させる収束光学系とを備えたことを特徴とするレーザ光合波装置。
【請求項１８】
前記コリメート光学系がトランケート型のレンズであることを特徴とする請求項１７記載のレーザ光合波装置。
【請求項１９】
前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを偏光合波させる偏光合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項２から１８のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項２０】
前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを波長合波させる波長合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項２から１８のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項２１】
前記光ファイバに入射し該光ファイバ中に合波せしめられた各光束からなる合波光が、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起するものであることを特徴とする請求項２から２０のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項２２】
前記収束角変換光学系から射出された前記全体光束が、直接、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起するものであることを特徴とする請求項２から１６のいずれか１項記載のレーザ光合波装置。
【請求項２３】
前記合波光が赤外光であり、前記媒質が、希土類元素Ｎｄ３＋、希土類元素Ｙｂ３＋のうちの少なくとも１つを含むものであることを特徴とする請求項２１または２２記載のレーザ光合波装置。
【請求項２４】
前記合波光の波長が３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下であり、前記媒質が、希土類元素Ｐｒ３＋、希土類元素Ｅｒ３＋、希土類元素Ｈｏ３＋のうちの少なくとも１つを含むものであることを特徴とする請求項２１または２２記載のレーザ光合波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光合波装置に関し、詳しくは、複数の半導体レーザから射出された各レーザ光束からなる全体光束を収束させて光ファイバに入射させるレーザ光合波装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、１方向に並べられた複数の半導体レーザから射出されたレーザ光の各光束をコリメートレンズを通して１方向に並ぶ互いに平行な光軸を有する平行光束とし、このように並べられた各光束の全体を集光させて１本の光ファイバに入射させエネルギ密度の高いレーザ光を光ファイバ中に伝播させる手法（例えば、特許文献１）が知られている。
【０００３】
上記手法において、複数の半導体レーザから射出されたレーザの各光束を１本の光ファイバ中に合波させる際の効率（結合効率）は、例えば９０％と高いが、光ファイバに入射させる光束の入射角が、この光ファイバの開口数（例えば開口数ＮＡ＝０．２）によって制限を受けるので、合波可能な光束の数が制限される。すなわち、光ファイバ中に合波されるレーザ光のパワーが上記開口数によって制限される。
【０００４】
また、互いに平行な光軸を有する複数のレーザ光を発生させる手法としては、同一基板上の１方向に並べられた複数の半導体レーザを用いる手法が知られており、このように配置された各半導体レーザは活性層が同一平面上に並ぶので、上記複数の半導体レーザから射出された各光束は同一平面上に互いに平行なスロー軸を有するものとなる。このように構成された複数の半導体レーザをレーザバーと称することもある。なお、上記スロー軸の方向と直交する上記活性層の厚さ方向が上記光束のファスト軸の方向となる。
【０００５】
上記光ファイバの開口数によって定められる入射角の範囲内により多くのレーザ光束を集光させこの光ファイバ中に合波させる方式として下記の合波方式が知られている。図２０（ａ）はレーザ光合波装置を上方から見た平面図、図２０（ｂ）はレーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た左側面図、図２１は収束角を説明する図であり、図２１（ａ）は各光束からなる全体光束が収束する様子を示す図、図２１（ｂ）は全体光束のスロー軸方向における光強度分布を示す図である。
【０００６】
上記合波方式は、複数の半導体レーザ１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、…が図中矢印Ｙ方向に並べられて成るレーザバー１から上記Ｙ方向と直交する図中矢印Ｚ方向に射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束を、後述するシリンドリカルレンズ２に通した後、収束光学系６を通してスロー軸方向（図中矢印Ｓで示す方向、ここではＹ方向と一致する）の幅が狭くなるように上記全体光束を収束角α９１で収束させ、この全体光束をリダイレクションシステム７上に位置するＹＺ平面で１点となる集光位置Ｐｊに収束させ、すなわち、リダイレクションシステム７上における図中矢印Ｘ方向（ファスト軸方向、図中矢印Ｆで示す）に伸びる線状領域である上記集光位置Ｐｊ中の互いに異なる位置にこの全体光束を構成する各光束を収束させる。そして、このリダイレクションシステム７により各光束の光軸の向きを互いに平行にするとともにファスト軸方向（図中矢印Ｆで示す方向、ここではＸ方向と一致する）から見たときの各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸を一致させるようにして、上記各光束をこのリダイレクションシステム７から射出させる。その後、上記各光束からなる全体光束を集光光学系３に通してこの全体光束を収束角α９２（ここで、α９２＜α９１）で収束させ光ファイバ４のコア部５に入射させる方式である。このようにして、より多くの光束を１本の光ファイバ中に合波させる手法（例えば、特許文献２）が知られている。
【０００７】
なお、上記収束角は以下のように説明されるものである。
【０００８】
すなわち、図２１（ａ）、（ｂ）に示すように、特定の位置、ここでは図２１（ａ）中の位置（Ｙｐ，Ｚｐ）を基準とし、収束しつつある全体光束のスロー軸方向（Ｙ方向）における光強度分布（図２１（ｂ）参照）を求める。この光強度分布における光強度の最大値Ｐｍａｘの０．１％の強度となる位置をこの光強度分布中に求め、その中でこの全体光束のスロー軸方向（Ｙ方向）の最も外側となる両端の位置ｙ１、ｙ２を定める。そして位置ｙ１と位置ｙ２との間隔φを求める。
【０００９】
また、位置（Ｙｐ，Ｚｐ）から上記全体光束の集光位置Ｐｊまでの光軸方向（Ｚ方向）の距離Ｌを求める。
【００１０】
ここで、収束角αは、
ｔａｎ（α／２）＝（φ／２）／Ｌ＝φ／２Ｌ
として定めることができる。
【００１１】
上記リダイレクションシステム７は、例えば、図中矢印Ｘ方向（ファスト軸方向）において厚さの薄い複数のミラーをファスト軸方向に積層して形成することができ、上記収束光学系６により収束させた、上記Ｘ方向において互いに位置が異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、上記積層されたミラーのうちの所定の１つのミラーにそれぞれ入射させ、各ミラーで各光束の光軸を上記ファスト軸方向視において一致させるものである。以後、ファスト軸方向から見ることをファスト軸方向視といい、スロー軸方向から見ることをスロー軸方向視という。
【００１２】
より具体的には、レーザバー１において、同一平面上に形成された複数の活性層８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、…のそれぞれから同一方向に射出された、同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する各レーザ光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、上記スロー軸に対してシリンドリカル軸（シリンドリカルレンズが延びる方向に定められた軸）が傾けられて配置されたシリンドリカルレンズ２に通して、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のスロー軸が互いに平行な状態を保ったまま各光束をファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせ、このオフセットした各光束を収束光学系６を通してリダイレクションシステム７に入射させている。すなわち、シリンドリカルレンズ２によりファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束を、収束光学系６を通してスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…をスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、ファスト軸方向において互いに異なる位置で上記リダイレクションシステム７へ入射させている。なお、レーザバー１はブロック９上に配置されている。
【００１３】
ここで、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は収束光学系６により、ファスト軸方向視において（すなわち、図中ＹＺ平面において）各光束の光軸が互いに集光位置Ｐｊで交わるように、かつ、各光束が上記集光位置Ｐｊに集光するように収束せしめられる。
【００１４】
以下、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…がリダイレクションシステム７を通って光ファイバ４に入射する様子について詳しく説明する。
【００１５】
図２２はリダイレクションシステム近傍における光束の光軸および輪郭を拡大して示した平面図、図２３は図２０あるいは図２２中の矢印Ｇ方向から見たリダイレクションシステム近傍の光束の光軸および輪郭を拡大して示した図、図２４は所定の位置に配置された後述するリダイレクションシステムから射出される各光束および光ファイバに入射する各光束の状態を光束の伝播方向に沿って見た図であり、図２４（ａ）はリダイレクションシステムから射出される各光束の状態を示す図、図２４（ｂ）は光ファイバに入射する各光束の状態を示す図、図２５は上記リダイレクションシステムが所定の位置から外れて配置された場合の光束の状態を光束の伝播方向に沿って見た図であり、図２５（ａ）はリダイレクションシステムから射出される光束の状態を示す図、図２５（ｂ）は光ファイバに入射する光束の状態を示す図である。なお、図２２および図２３においては光束Ｌａおよび光束Ｌｃのみを示し他の光束Ｌｂ、光束Ｌｄ、および光束Ｌｅの図示は省略した。
【００１６】
図２２、図２３に示すように、上記全体光束は、上記集光位置Ｐｊがリダイレクションシステム７上に位置し、各光束のビームウエストＢｗの位置もリダイレクションシステム７上に位置するように収束せしめられる。そして、リダイレクションシステム７は、ファスト軸方向視において各光束の光軸が一致するように各光束の光軸の向きを変えるとともに各光束の光軸の向きが互いに平行となるようにして、このリダイレクションシステム７から各光束を射出する。その後、リダイレクションシステム７から射出された各光束は発散しながら伝播するが、集光光学系３によって再び集光されて光ファイバ４のコア部５に入射する。
【００１７】
なお、上記のように、リダイレクションシステム７が所定の位置に配置されている場合には、このリダイレクションシステム７から射出された各光束の光軸がファスト軸方向視において一致し、図２４（ａ）に示すように、各光束はファスト軸方向に直線状に並び、光ファイバ４に入射する各光束も図２４（ｂ）に示すようにファスト軸方向に直線上に並ぶ。
【００１８】
これに対して、リダイレクションシステム７が所定の位置からＺ方向に外れて配置されている場合には、図２５（ａ）に示すように、リダイレクションシステム７から射出された各光束の光軸がファスト軸方向視においてずれて各光束はファスト軸方向に直線状に並ばず、光ファイバ４に入射する各光束も図２５（ｂ）に示すようにファスト軸方向に直線状に並ぶことなくずれてしまうので、上記のように各光束がファスト軸方向に直線状に並ぶ場合に比して光ファイバ４の端面のより径の大きな範囲、すなわちコア径から外れた範囲に入射する。そのため、全体光束の上記光ファイバ４への結合効率が低下する。したがって、この結合効率の低下を抑制するためには、リダイレクションシステム７をＺ方向における所定位置に正確に配置することが求められる。
【００１９】
上記のように、複数のビームウエストが集まる非常に小さい領域にリダイレクションシステムを高精度に位置させ固定するとともに、リダイレクションシステム自体を上記集光位置での各光束の形状に合わせ小型かつ高精度に製作する必要があり、このリダイレクションシステムは製造が難しい。また、ビームウエストの寸法は波長に比例するので、近年のレーザ光源の短波長化にともない上記寸法が小さくなると、リダイレクションシステムの高精度固定と小型化がさらに必要となり製造難易度はますます大きくなる。
【特許文献１】特開平２００２−２０２４４２号公報
【特許文献２】米国特許第６４６２８８３Ｂ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、上記レーザ光合波装置は、小型で高出力の半導体レーザの実現が難しいため、複数の半導体レーザから射出されたレーザ光を合波させて出力の大きな（エネルギ密度の高い）レーザ光束を得ようとするものであり、装置サイズを小型化したいという強い要請がある。すなわち、例えば、合波させたレーザ光の出力を低下させることなく装置サイズを小型化することにより、装置サイズに比して大きな出力が得られるレーザ光合波装置を得たいという要請がある。
【００２１】
しかしながら、上記のように、複数の半導体レーザから射出されてオフセットした各光束からなる全体光束を収束させ、リダイレクションシステムを通して各光束の伝播方向を一致させた後、再び集光光学系により各光束を収束させて光ファイバに入射させ合波させる方式では、半導体レーザから光ファイバまでの上記各光束が伝播する光路が長くなるとともに、上記光路中に、各光束をオフセットさせるレンズや全体光束を収束させるレンズ等、多数の光学部材を配置することになり装置サイズが大型化してしまうという問題がある。また、上記方式においては、光源の短波長化にともないビームウエストにさらに小型かつ高精度なリダイレクションシステムを設ける必要があるという困難な問題もある。
【００２２】
また、複数の半導体レーザから射出された各光束を、これらの光束のスロー軸方向に対してシリンドリカル軸を傾けたシリンドリカルレンズに通してオフセットさせると、シリンドリカルレンズの周縁部を通る光束の収差が大きくなり、このような大きな収差を持つ光束は正確に収束させることが難しくなって（例えば１本の光ファイバの直径５０μｍのコア部に正確に入射させることが難しくなって）、結合効率が、例えば６０％程度に低下するという問題がある。特に高いエネルギ密度を有するレーザ光を得るために、多数の半導体レーザを配置してなるレーザバーを用いて多数の光束を光ファイバ中に合波させようとする場合には、合波させる光束の数に応じてレーザバーが長くなり上記オフセット量を大きくする必要があるため、シリンドリカルレンズの中心から大きく外れた位置（シリンドリカル軸方向の端部）を通る光束の収差が増大して高い結合効率を得ることが困難になる。
【００２３】
さらに、上記いずれの場合においても、１本の光ファイバ中に合波可能なレーザ光の入射範囲が光ファイバの開口数ＮＡによって制限されるという問題もある。
【００２４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型で高出力のレーザ光合波装置を提供することを目的とするものであり、より詳しくは、本発明の第１の目的は、装置サイズを小型化し、これにより装置サイズに比して出力が大きなレーザ光合波装置を提供することであり、本発明の第２の目的は、合波させる光束の数の増加に伴う上記光束の光ファイバへの結合効率の低下を抑えることができるレーザ光合波装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明のレーザ光合波方法は、複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせるとともに、前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させ、さらに、前記複数の光束のそれぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバの端面に入射させるレーザ光合波方法であって、前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に収束角変換光学系を配置し、前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束からなる全体光束を前記収束角変換光学系に通して、該各光束からなる全体光束または一部の光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバの端面に入射させることを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１の発明のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザを備え、該複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせるとともに、前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させ、さらに、前記複数の光束のそれぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバの端面に入射させるレーザ光合波装置であって、前記ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置された収束角変換光学系を備え、この収束角変換光学系が、前記各光束からなる全体光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にして該全体光束を光ファイバの端面に入射させるものである。
【００２７】
上記レーザ光合波装置は、前記複数の半導体レーザから射出された各光束をスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる光束収束手段を備え、該光束収束手段が、該光束収束手段から射出される各光束のスロー軸方向視における射出角を、各光束の前記半導体レーザから射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角より小さくするものとすることが望ましい。
【００２８】
前記複数の半導体レーザそれぞれから射出される光束の波長は３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下にすることができる。これら短波長の光束を射出する複数の半導体レーザを使用したレーザ光合波装置は、合波させたレーザ光の集光スポットを小さくできるため、すなわちレーザ光のエネルギ密度を高めることができるのでレーザ加工に適している。
【００２９】
前記複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせる方式は、複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを光学系に通してオフセットさせる方式であってもよいし、あるいは、複数の半導体レーザを、これらの半導体レーザそれぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置して、複数の半導体レーザから射出された複数の光束のそれぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせる方式であってもよい。
【００３０】
前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させる方式は、上記複数の光束のそれぞれを光学系に通して収束させる方式であってもよいし、あるいは、上記複数の半導体レーザを、これらの半導体レーザから射出されたときの各光束の光軸がファスト軸方向視において収束するように配置して、前記複数の光束の各光軸をファスト軸方向視において収束させる方式であってもよい。
【００３１】
前記上流側は、光束の伝播方向における上流側、すなわち光束が伝播する光路における光源側（半導体レーザの側）を意味する。
【００３２】
前記ファスト軸方向視とはファスト軸方向から見ることを意味し、スロー軸方向視とはスロー軸方向から見ることを意味する。
【００３３】
前記収束角は、収束する全体光束をファスト軸方向視した場合において、この全体光束が収束方向を見込む角度である。なお、この収束角は、上記説明した図２１に示す角度αで示されるものである。
【００３４】
本発明の第２のレーザ光合波装置は、レーザブロックと、収束分散光学系と、収束角変換光学系とを備え、レーザブロックは、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置され、該同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するものであり、収束分散光学系は、前記複数の半導体レーザから射出された各光束に対応させて配置された各収束分散個別レンズからなり、前記各光束からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせ、かつ、各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものであり、収束角変換光学系は、各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置され、前記全体光束の収束角を前記収束分散光学系から射出させたときの全体光束の収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させることを特徴とするものである。
【００３５】
前記収束分散光学系は、前記各光束のそれぞれをファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能と、前記各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに、各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる機能の双方を兼ね備えた、各光束に対応させて配置された、収束分散個別レンズとすることができる。
【００３６】
前記収束分散個別レンズはトランケート型のレンズとすることが望ましい。
【００３７】
前記収束分散光学系は、前記各光束に対応させて配置された該各光束のそれぞれをファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能を備えたオフセット光学系と、該オフセット光学系から射出された各光束からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束を該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させる機能を備えた集光光学系とで構成することができる。
【００３８】
前記オフセット光学系はトランケート型のレンズとすることが望ましい。
【００３９】
前記複数の半導体レーザのそれぞれは、互いに分離されたものとすることができる。
【００４０】
前記複数の半導体レーザは、複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上が、互いにつながった一体化されたものとすることができる。
【００４１】
なお、前記収束分散光学系と、収束角変換光学系との役割は完全に分離されている場合に限らず、互いの機能の一部を兼用するようにしてもよい。例えば、収束角変換光学系が、上記光束を、ファスト軸方向の幅が狭くなるように収束させたり、あるいはスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させたりする収束分散光学系の機能の一部を有するものであってもよい。
【００４２】
本発明の第３のレーザ光合波装置は、レーザブロックと、全体収束光学系と、収束角変換光学系とを備え、レーザブロックは、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が平行となり、かつ、それぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置され、互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するものであり、全体収束光学系は、前記複数の半導体レーザから射出されたスロー軸が互いに平行な各光束からなる全体光束を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものであり、前記収束角変換光学系は、各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置され、前記全体光束の収束角を収束分散光学系から射出させたときの収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させることを特徴とするものである。
【００４３】
前記全体収束光学系は、前記半導体レーザから射出された各光束からなる全体光束を、直接、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるものとすることができる。
【００４４】
前記全体収束光学系はトランケート型のレンズとすることが望ましい。
【００４５】
前記全体収束光学系は、各光束に対応させて配置された各光束のそれぞれを平行光束にするコリメート光学系と、前記平行光束の全体を前記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させる集光光学系とで構成されたものとすることができる。
【００４６】
前記コリメート光学系はトランケート型のレンズとすることが望ましい。
【００４７】
なお、前記全体収束光学系、および収束角変換光学系の機能は完全に分離されている場合に限らず、収束角変換光学系が全体収束光学系の機能の一部を兼用するようにしてもよい。例えば、収束角変換光学系が、上記光束を、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる機能を有するものであってもよい。
【００４８】
本発明の第４のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が平行となり、かつ、それぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置され、互いに平行なスロー軸および互いに平行な光軸を有する各光束を射出するレーザブロックと、複数の半導体レーザから射出された各光束のそれぞれを平行光束にするコリメート光学系と、コリメート光学系を通った各光束を該各光束のスロー軸の方向にシフトさせて各光軸がスロー軸と直交する１平面上に並ぶようにする光軸シフト光学系と、光軸シフト光学系により光軸が前記１平面上に並べられた各光束からなる全体光束を該光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させる収束光学系とを備えたことを特徴とするものである。
【００４９】
前記コリメート光学系はトランケート型のレンズにすることが望ましい。
【００５０】
なお、前記コリメート光学系、光軸シフト光学系、および収束光学系の役割は完全に分離されている場合に限らず、互いの機能の一部を兼用するようにしてもよい。例えば、光軸シフト光学系が、上記光束を、ファスト軸方向の幅が狭くなるように収束させる機能の一部を有するものであってもよいし、あるいは、コリメート光学系が、上記光束を、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる機能の一部を有するものであってもよい。
【００５１】
前記レーザ光合波装置は、前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを偏光合波させる偏光合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させるようにすることができる。
【００５２】
前記偏光合波は、偏光方向が互いに異なる各光束を偏光の性質を利用して合波させるものである。
【００５３】
前記レーザ光合波装置は、前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを波長合波させる波長合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させるようにすることができる。
【００５４】
前記波長合波は、互いに異なる波長を有する各光束を波長の違いを利用して合波させるものである。
【００５５】
前記レーザ光合波装置は、光ファイバに入射し該光ファイバ中に合波せしめられた各光束からなる合波光により、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起するものとすることができる。
【００５６】
前記レーザ光合波装置は、収束角変換光学系から射出された全体光束により、直接、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起するものとすることができる。
【００５７】
前記合波光を赤外光とし、前記媒質を、希土類元素Ｎｄ３＋、希土類元素Ｙｂ３＋のうちの少なくとも１つを含むものとすることができる。
【００５８】
前記合波光の波長を３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下とし、前記媒質を、希土類元素Ｐｒ３＋、希土類元素Ｅｒ３＋、希土類元素Ｈｏ３＋のうちの少なくとも１つを含むものとすることができる。
【００５９】
前記「各光束それぞれをファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットさせる」とは、各光束それぞれを該各光束の光軸をスロー軸方向視において互いに異なる位置に位置させることを意味するものである。
【００６０】
前記トランケート型のレンズとは、複数のレンズをレンズの光軸と交わる方向に並べて配置する場合において、レンズが並ぶ方向における各レンズの寸法を円形の状態から上記レンズが並ぶ方向に詰めて、一定寸法内により多くのレンズが並ぶように配置したレンズを意味する。
【００６１】
前記収束角変換光学系は、反射面、屈折面、グレーティング、フォトニクス結晶のうちの、いずれかを有するものとすることができる。例えば、この収束角変換光学系が上記各光束を入射させる厚さの薄い複数のプリズムを積層したものである場合には、各プリズムに反射面、屈折面、またはグレーティング面を形成して収束角変換光学系を構成したり、各プリズムをフォトニクス結晶で形成して収束角変換光学系を構成したりすることができる。
【発明の効果】
【００６２】
本発明のレーザ光合波方法および第１のレーザ光合波装置によれば、ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に収束角変換光学系を配置し、ファスト軸方向視において収束せしめられた各光束からなる全体光束を上記収束角変換光学系に通して、各光束からなる全体光束または一部の光束のファスト軸方向視の収束角を、より小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバの端面に入射させるようにしたので、リダイレクションシステムである上記収束角変換光学系を従来に比してより光源側、すなわち半導体レーザの側に位置させることができるとともに、１本の光ファイバ中に合波可能な光束の数を増加させることができ、また、従来のようにリダイレクションシステムの下流側において光束を収束させる光学系等の配置が不用となるので、光束を射出する半導体レーザから、この光束を光ファイバに入射させるまでの光路長を短かくすることができ装置を小型化することができる。これにより、小型で高出力のレーザ光合波装置を提供することができる。
【００６３】
すなわち、例えば、上記レーザ光合波方法および第１のレーザ光合波装置の概略構成を表す平面図２６（ａ）、および正面図２６（ｂ）に示すように、複数の半導体レーザ９１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｃ、Ｌｅを、オフセット手段９２によりオフセットさせ、収束光学系９３により収束させて収束角変換光学系９４を通して光ファイバ９５の端面に入射させるレーザ光合波装置９０においては、収束光学系９３により収束せしめられた各光束Ｌａ、Ｌｃ、Ｌｅの光軸が、ファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐｋよりさらに上流側に収束角変換光学系９４が配置されている。
【００６４】
ここで、従来の方式においては各光束の光軸が互いに交わる位置がビームウエストの位置と一致するように定められており、上記各光束の光軸が交わり、かつ各光束のビームウエストとなる所定の位置にリダイレクションシステムが配置される場合に限られるのに対して、本発明においては、上記収束角変換光学系９４を、収束光学系９３と上記位置Ｐｋとの間における光軸方向（図中矢印Ｚ軸方向）の任意の位置に配置することが可能となるので、従来に比して装置を小型化することができるとともに、装置を製作する際の部品配置の自由度を高めることができる。
【００６５】
例えば、大型で製作容易な収束角変換光学系の使用が望ましい場合には、上記収束光学系と光ファイバとの間の上流側における各光束間の間隔が広くなる位置に収束角変換光学系を配置し、一方、小型で製作精度の高い収束角変換光学系の使用が望ましい場合には、収束光学系と光ファイバとの間の下流側における各光束間の間隔が狭くなる位置に収束分散光学系を配置することができる。なお、上記従来の方式によれば、使用可能な収束角変換光学系は、小型で製作精度の高いものに限られる。
【００６６】
また、図２６（ｃ）の、収束角変換光学系を通る光束の様子を左側面（図２６（ａ）の矢印Ｚ方向）から見た図に示すように、収束角変換光学系中を通る光束はファスト軸方向に直線状には並んでいないので各光束間の間隔が大きく、これにより、この収束角変換光学系の製作の自由度が増大し製作が容易となる。
【００６７】
また、光束収束手段を、この光束収束手段から射出される各光束のスロー軸方向視による射出角を、半導体レーザから射出されたときの上記各光束のそれぞれが対応する光束のスロー軸方向視における放射角より小さくすれば、光ファイバに入射させる光束の入射角を小さくすることができ、光ファイバの開口数ＮＡで定められる入射範囲内に入射する光量を多くすることができるので、この光ファイバ中に合波させる光の光量を増大させることができる。
【００６８】
さらに、複数の半導体レーザそれぞれから射出される光束の波長を３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下にした場合には、装置に使用可能な光学部材が著しく限定されるので、この限定された光学部材を使用する際には、上記装置を製作する際の部品配置の自由度を高めて装置の製作を容易にする顕著な効果が得られる。また、これら短波長の光束を射出する複数の半導体レーザを使用したレーザ光合波装置は、合波させたレーザ光の集光スポットを小さくできるため、すなわちレーザ光のエネルギ密度を高めることができるのでレーザ加工に適している。
【００６９】
下記第２のレーザ光合波装置に関し、本発明者は、複数の半導体レーザが、これらの半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置され、同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するレーザブロックを備えたレーザ光合波装置において、上記装置サイズを小型化する課題に対して、各光束を合波させる際の光路長を短縮させる方式について種々検討した結果、上記各光束をオフセットさせる機能や各光束および全体光束を収束させる機能等の複数の機能を単一の光学部材に持たせることができるとの知見を得、かかる知見に基づいてこの第２のレーザ光合波装置の発明に至ったものである。
【００７０】
本発明の第２のレーザ光合波装置は、全体光束のファスト軸方向視の収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させる収束角変換光学系を備え、この収束角変換光学系を各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置させているので、上記第１のレーザ光合波装置の場合と同様に小型で高出力な装置を得ることができ、さらに、収束分散光学系を、この収束分散光学系が含む機能である、光束をコリメートする機能、光束をオフセットさせる機能、各光束を収束させる機能、および各光束の光軸を収束させる機能等のうちの複数の機能を兼ね備えた光学系で構成すれば、光路長を短縮することができ、装置をより小型化することができる。
【００７１】
また、収束分散光学系を、各光束のそれぞれをファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能と、前記各光束からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに、各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる機能の双方を兼ね備えた収束分散個別レンズとすれば、上記各光束をオフセットさせる光学系と、上記各光束を収束させる光学系とを個別に備えることなく、半導体レーザから射出された光束を光ファイバ中に合波させることができるので、光路長をより確実に短縮するとともに光路中に配置する光学部材等を少なくすることができる。これにより装置をより確実に小型化することができる。
【００７２】
また、収束分散光学系を、各光束に対応させて配置された該各光束のそれぞれをファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能を備えたオフセット光学系と、オフセット光学系から射出された各光束からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束を該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で収束角変換光学系に入射させる機能を備えた集光光学系とで構成されたものとすれば、各光束の光軸を収束させる光学系と各光束それぞれを収束させる光学系とを個別に備えることなく、半導体レーザから射出された光束を光ファイバ中に合波させることができるので、光路長をより確実に短縮するとともに光路中に配置する光学部材等を少なくすることができる。これにより装置をより確実に小型化することができる。
【００７３】
さらに、収束分個別レンズをトランケート型のレンズにしたり、オフセット光学系をトランケート型のレンズにすれば、スロー軸方向の径が小さく、ファスト軸方向の径が大きい楕円形状の断面を有する上記各光束を過不足なくこのトランケート型のレンズに通すことができるので、各光束を効率よくレンズに通すことができるとともに、各光束間の間隔を詰めることができるので装置をさらに小型化し出力をさらに高めることができる。
【００７４】
さらに、前記複数の半導体レーザのそれぞれが、互いに分離されているものとすれば、半導体レーザと光学系との調芯を、半導体レーザの位置の調節により実施することができ、光軸調節の自由度が増大するので、上記調芯が容易となり各光束の光ファイバへの結合効率をより高めることができる。これとともに、半導体レーザから発生する熱の他の半導体レーザへの影響を少なく抑えることができ、半導体レーザの発振を安定させることができる。
【００７５】
また、複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上が、互いにつながった一体化されたものとすれば、半導体レーザをレーザバーとして構成することができ、半導体レーザの実装密度を高めることができる。
【００７６】
本発明の第３のレーザ光合波装置は、全体光束のファスト軸方向視の収束角をより小さい収束角にしてこの全体光束を光ファイバに入射させる収束角変換光学系を備え、この収束角変換光学系を各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置よりさらに上流側に配置させているので、上記第１のレーザ光合波装置の場合と同様に小型で高出力な装置を得ることができ、さらに、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が平行となり、かつ、それぞれの活性層の位置が該活性層の厚さ方向において互いに異なる位置となるように配置された、互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するレーザブロックを備えているので、例えば、シリンドリカルレンズをスロー軸方向に対して斜めに傾けて挿入する等の光束の収差を増大させるような手段を用いることなく、スロー軸が互いに平行でファスト軸方向において互いの位置が異なる、すなわちファスト軸方向にオフセットさせた各光束を、各光束の収差を劣化させることなく生成することができ、上記オフセットさせる量にかかわらず収差の少ない各光束を正確に光ファイバに導くことができ、合波させる光束の数の増加に伴う各光束の光ファイバへの結合効率の低下を抑えることができる。さらに、複数の半導体レーザから射出された光束をオフセットさせる光学系を省略することができるので装置を小型化することができる。
【００７７】
また、全体収束光学系を、半導体レーザから射出された各光束からなる全体光束を、直接、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系に入射させるもとすれば、半導体レーザと全体収束光学系との間に、例えば各光束をコリメートする光学系を配置することなく各光束を光ファイバに入射させることができ、これにより半導体レーザから光ファイバまでの光路長を短縮することができるので装置をより小型化することができる。
【００７８】
また、全体収束光学系を、各光束に対応させて配置された各光束のそれぞれを平行光束にするコリメート光学系と、上記平行光束の全体をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で収束角変換光学系に入射させる集光光学系とで構成されたものとすれば、例えば、全体光束を収束させる光学系と各光束を個別に収束させる光学系とを光路中へ個別に配置することなく、各光束を光ファイバ入射させることができ、これにより半導体レーザから光ファイバまでの光路長を短縮することができるので装置をより小型化することができる。
【００７９】
さらに、全体収束光学系をトランケート型のレンズにしたり、コリメート光学系をトランケート型のレンズにしたりすれば、スロー軸方向の径が小さく、ファスト軸方向の径が大きい楕円形状の断面を有する上記各光束を過不足なくこのトランケート型のレンズに通すことができるので、各光束を効率よくレンズに通すことができるとともに、各光束間の間隔を詰めることができるので装置をさらに小型化し出力をさらに高めることができる。
【００８０】
本発明の第４のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザが、互いに平行なスロー軸および互いに平行な光軸を有する各光束を射出するように配置されたレーザブロックを備えているので、上記第３のレーザ光合波装置と同様に、光束の収差を増大させることなく、ファスト軸方向にオフセットさせた各光束生成することができ、上記オフセットさせる量にかかわらず収差の少ない各光束を正確に光ファイバに導くことができ、合波させる光束の数の増加に伴う各光束の光ファイバへの結合効率の低下を抑えることができる。さらに、複数の半導体レーザから射出された光束をオフセットさせる光学系を省略することができるので装置を小型化することができる。
【００８１】
また、コリメート光学系をトランケート型のレンズとすれば、上記と同様に、各光束を効率よくレンズに通すことができるとともに、各光束間の間隔を詰めることができるので装置をさらに小型化し出力をさらに高めることができる。
【００８２】
また、偏光合波手段、あるいは波長合波手段を備えて、他の半導体レーザから射出された光束をも光ファイバに入射させるようにすれば、光ファイバ中に合波させる合波光の出力をさらに高めることができる。
【００８３】
また、光ファイバ中に合波してなる合波光により、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起させるようにすれば、所望の波長を有する出力の大きなレーザ光を得ることができる。
【００８４】
また、収束角変換光学系から射出された全体光束により、直接、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質を励起すれば、所望の波長を有する出力の大きなレーザ光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８５】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００８６】
＜実施例１−１＞
図１は本発明の第１の実施の形態における第１の実施例（以後、実施例１−１という）のレーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、図１（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図１（ｂ）は上記レーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た正面図、図１（ｃ）は上記レーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た左側面図である。また、図２は半導体レーザの活性層からレーザ光束が射出される様子を示す斜視図、図３は収束角変換光学系の構造とこの収束角変換光学系を通して光ファイバに合波される光束の様子を示す図であり、図３（ａ）は収束角変換光学系の構造を示す平面図、図３（ｂ）は収束角変換光学系の構造を示す正面図、図４は後述する収束分散レンズが光束をオフセットさせるとともに収束させる様子を示す図であり、図４（ａ）はＹ方向を上方にしてＺ方向およびＸ方向から見た上記集束分散レンズを通る光束を示す図、図４（ｂ）はＸ方向を上にしてＺ方向およびＹ方向から見た上記集束分散レンズを通る光束を示す図である。
【００８７】
図１に示すように、上記実施例１−１のレーザ光合波装置１０１は、複数の半導体レーザが配置されたレーザブロック１１０と、収束分散光学系である収束分散レンズ１２０と、収束角変換光学系３０とを備えている。
【００８８】
レーザブロック１１０は、複数の個別に独立させて配置された半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…（以後、まとめて半導体レーザ１１ともいう）が、半導体レーザ１１それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…（以後、まとめて活性層１２ともいう）が同一平面Ｈ１上に並ぶように配置され、上記同一平面Ｈ１上に互いに平行なスロー軸を有する各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を射出するものである。
【００８９】
各半導体レーザ１１は、出力１Ｗ、発振波長４００〜４２０ｎｍでエッジエミッタ型の窒化物系半導体レーザであり、図２に示すように、活性層１２の厚さ方向（図中Ｆ軸方向、以後、ファスト軸方向ともいう）の発光幅Ｄｆ＝１μｍ、このファスト軸と直交する活性層１２と平行な方向（図中Ｓ軸方向、以後、スロー軸方向ともいう）の発光幅Ｄｓ＝１０μｍである。また、各半導体レーザ１１から射出される光束のファスト軸方向の実効的な開口数ＮＡ（ｆ）は０．５で、スロー軸方向の実効的な開口数ＮＡ（ｓ）は０．２である。なお、上記のように、ここでいうファスト軸方向は、上記エッジエミッタ型半導体レーザの活性層に対して垂直な方向、スロー軸方向は上記活性層に対して平行な方向である。なお、上記開口数ＮＡ（ｆ）＝０．５は、一般的な半導体レーザから射出される光束のファスト軸方向の実効的な開口数の代表的な値である。
【００９０】
上記Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交し、半導体レーザ１１から射出された光束のファスト軸方向（光束の広がり角が大きい方向）はＸ方向と同一方向となり、上記光束のスロー軸方向（光束の広がり角が小さい方向）はＹ方向と同一方向となる。
【００９１】
また、上記レーザブロック１１０は、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅが配置されてなるものである。
【００９２】
収束分散レンズ１２０は、複数の半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…に対応させて配置された各収束分散個別レンズ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ…からなり、上記各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束を上記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをファスト軸方向において互いに異なる位置（図中Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…で示す）にオフセットさせ、かつ、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ…から収束角変換光学系３０に入射させるものであり、光束をオフセットさせる機能、各光束の光軸を収束させる機能、および各光束のそれぞれを収束させる機能を兼ねるものである。ここで、上記収束角は、全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる際に、この全体光束が収束方向を見込むＹＺ平面における角度、すなわちファスト軸方向視における収束角である。また、収束分散レンズ１２０は、各収束分散個別レンズ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ…からなるトランケート型のレンズである。
【００９３】
リダイレクションシステムである収束角変換光学系３０は、全体光束のファスト軸方向視の収束角を収束分散レンズ１２０から射出させたときの全体光束の収束角α１をより小さい収束角α２にしてこの全体光束を光ファイバ４０のコア部４１に入射させるものであり、各光束の光軸がファスト軸方向視において（ここではＹＺ平面において）互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐａよりさらに上流側に配置されている。なお光ファイバ４０のコア部４１の径は５０μｍ、開口数ＮＡは０．２である。
【００９４】
なお、収束分散レンズ１２０のファスト軸方向視の開口数ＮＡは、上記光ファイバ４０の開口数ＮＡより大きく設定されている。
【００９５】
図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、収束角変換光学系３０は、Ｘ方向である上記ファスト軸方向に厚さが薄い複数のプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…がこのファスト軸方向に積層されて形成されており、収束分散レンズ１２０により全体光束のスロー軸方向の幅が狭くなるように収束された、ファスト軸方向視における収束角変換光学系３０へ入射する光軸の角度が互いに異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、各光束が対応する所定のプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…に入射させ各プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…で各光束の伝播方向を変更する。すなわち、プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｄ、３１Ｅは、ファスト軸方向視において、収束分散レンズ１２０から射出させた全体光束の収束角をより小さい収束角にするとともに、スロー軸方向視において、発散状態で入射した各光束の光軸を収束させる（図３（ｂ）参照）。ここで、中央に位置するプリズム３１Ｃは、ファイバの中心に向かって伝播される光束Ｌｃを通すので、その伝播方向を曲げないように設定されている。
【００９６】
次に上記実施の形態における作用について説明する。
【００９７】
複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された、同一平面Ｈ１上にスロー軸を有する各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、収束分散個別レンズ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ…を通り、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束が上記スロー軸方向の幅が狭くなるように収束される（すなわち、ファスト軸方向視において収束せしめられる）とともに各光束それぞれがファスト軸方向において互いに異なる位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…にオフセットされる。これとともに、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれが各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束せしめられる。
【００９８】
すなわち、収束分散レンズ１２０を構成する収束分散個別レンズ１２１Ａ、１２１Ｂ、１２１Ｃ…のそれぞれは、光束の伝播方向を変化させる互いに異なる屈折力を有している。図４に示すように、全体光束の周縁部に位置する収束分散個別レンズ１２１Ａは、入射された光束Ｌａの伝播方向を互いの光軸の間隔が狭まるようにスロー軸Ｓ方向に大きく変化させるとともにファスト軸Ｆ方向に互いの光軸の間隔が広がるように変化させ、かつこの光束Ｌａを収束させて収束角変換光学系３０の所定のプリズム３１Ａに入射させる機能を有する。また、全体光束の中心部に位置する収束分散個別レンズ１２１Ｃは、入射された光束Ｌｃの伝播方向をスロー軸Ｓ方向にもファスト軸Ｆ方向にも変化させることなく、この光束Ｌｃを収束させて収束角変換光学系３０の所定のプリズム３１Ｃに入射させる機能を有する。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の左側に示す収束分散個別レンズ１２１ＡをＺ軸方向から見た図中の実線は、収束分散個別レンズ１２１Ａの半導体レーザ１１Ａ側のレンズ面を示し、上記図中の破線は、収束分散個別レンズ１２１Ａの収束角変換光学系３０側のレンズ面を示すものであり、それぞれのレンズ面の曲率中心の位置がＸ軸およびＹ軸に対して斜め方向にずれている。
【００９９】
その後、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれはファスト軸Ｆ方向において互いに異なる所定の位置３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ…から収束角変換光学系３０の所定のプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…に入射し、プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…により、上述したように、ファスト軸方向視において、収束分散レンズ１２０から射出させたときの全体光束の収束角がより小さい収束角になり、スロー軸方向視において、発散状態で入射した各光束の光軸が収束するように各光束の光軸の向きが変換されて上記全体光束が光ファイバ４０のコア部４１に入射する。ここで、上記コア部４１の入射端面に上記各光束のビームウエストが位置するように、各光束が収束分散レンズ１２０および収束角変換光学系３０を通して伝播される。
【０１００】
上記のことにより、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各０．５Ｗの出力を有する光束が光ファイバ４０のコア部４１に合波され、コア部４１から２．２５Ｗのレーザ光を出力させることができる。すなわち、５本のレーザ光束が、結合効率は９０％で光ファイバに結合される。
【０１０１】
＜実施例１−２＞
以下、本発明の第１の実施の形態における第２の実施例（以下、実施例１−２という）のレーザ光合波装置について説明する。図５は上記レーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、図５（ａ）はこのレーザ光合波装置を上方から見た平面図、図５（ｂ）はレーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た平面図、図５（ｃ）はレーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た左側面図、図６はオフセットレンズを構成する個別レンズが光束をオフセットさせる機能を示す図であり、図６（ａ）はＹ方向を紙面上方にして見た上記個別レンズの概念図、図６（ｂ）はＸ方向を紙面上方にして見た上記個別レンズの概念図、図７は収束角変換光学系が、スロー軸方向視において急峻に収束する全体光束の光軸の収束の度合いを緩やかにする様子を示す図である。
【０１０２】
上記レーザ光合波装置１０２は、上記実施例１−１における収束分散光学系である収束分散レンズの代わりに、オフセット手段であるオフセットレンズと全体光束を収束させる集光レンズとをそれぞれ個別に配置して構成したものであり、その他は上記実施例１−１と同様の構成からなる。以下、上記実施例１−１のレーザ光合波装置１０１と同様の機能を有する構成については同じ符号を使用し説明を省略する。
【０１０３】
上記レーザ光合波装置１０２は、収束分散光学系として、複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、…から射出された各光束に対応させて配置された、該各光束のそれぞれをコリメートするとともにファスト軸方向における互いに異なる位置にオフセットさせる機能を備えたオフセットレンズ１２３と、このオフセットレンズ１２３から射出された各光束からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれを該各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束を該各光束のファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で前記収束角変換光学系３０Ｂに入射させる機能を備えた集光レンズ１２４とで構成されたものである。
【０１０４】
なお、オフセットレンズ１２３は各光束に対応させて配置された各レンズであるオフセット個別レンズ１２３Ａ、１２３Ｂ、…から構成されたトランケート型のレンズである。また、オフセットレンズ１２３と集光レンズ１２４とからなる光学系が上記実施例１−１における収束分散レンズ１２０と同様の働きをする。
【０１０５】
複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された、同一平面Ｈ１上にスロー軸を有する各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、オフセットレンズ１２３を通り各光束それぞれがファスト軸方向において互いに異なる位置にオフセットされる。より詳しくは、図６に示すように、オフセットレンズ１２３を構成する各オフセット個別レンズ１２３Ａ、１２３Ｂ、１２３Ｃ…それぞれは、光束の伝播方向を変化させる互いに異なる屈折力を有している。全体光束の周縁部に位置するオフセット個別レンズ１２３Ａは、入射した光束Ｌａの伝播方向をスロー軸方向に変化させることなくファスト軸方向に変化させて集光レンズ１２４に入射させる。なお、全体光束の中心部に位置するオフセット個別レンズ１２３Ｃは、入射された光束Ｌｃの伝播方向をスロー軸方向にもファスト軸方向にも変化させることなく集光レンズ１２４に入射させる。なお、図６（ａ）および図６（ｂ）の左側に示すオフセット個別レンズ１２３ＡをＺ軸方向から見た図中の実線は、オフセット個別レンズ１２３Ａの半導体レーザ１１Ａ側のレンズ面を示し、上記図中の破線は、このオフセット個別レンズ１２３Ａの収束角変換光学系３０Ｂ側のレンズ面を示すものであり、それぞれのレンズ面の曲率中心の位置がＸ軸方向にずれている。
【０１０６】
オフセットレンズ１２３から射出され集光レンズ１２４を通った各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束は、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束するとともに、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のそれぞれが各光束のスロー軸方向およびファスト軸方向に収束する。
【０１０７】
その後、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれはファスト軸Ｆ方向において互いに異なる所定の位置で収束角変換光学系３０Ｂの所定のプリズムに入射し、ファスト軸方向視において、各光束からなる全体光束の収束角α１が各プリズムを通って各光束からなる全体光束の収束角がより小さい収束角α２になるとともに、図７に示すようにスロー軸方向視において、各光束の光軸が急峻に収束する状態で伝播する各光束の光軸がより緩やかに収束するように各光束の光軸の向きが変換されて上記全体光束が光ファイバ４０のコア部４１に入射する。すなわち、上記と同様に収束角変換光学系３０Ｂから射出された上記全体光束の収束角α２は、集光レンズ１２４から射出されたときの全体光束の収束角α１より小さい角度となる。この場合においても、この収束角変換光学系３０Ｂは、集光レンズ１２４から射出され収束せしめられる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐａよりさらに上流側に配置されている。
【０１０８】
上記のことにより、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各０．５Ｗの出力を有する光束が光ファイバ４０のコア部４１に合波され、コア部４１から２．２５Ｗのレーザ光を出力させることができる。すなわち、５本のレーザ光束が、結合効率９０％で光ファイバに結合される。
【０１０９】
また、上記実施例１−１、実施例１−２、および以下に説明する実施例２−１から２−５、および実施例３−１のレーザ光合波装置の方式は、半導体レーザの実装配置、トランケート型レンズからなる収束分散光学系の光束収束分散機能、および収束角変換光学系の収束角変換機能等の設計の最適化により、本出願人によりすでに提案されている特許文献（例えば、特願２００２−２８７６４０、特願２００２−２０１９７９）等に記載されているスタック型（ファスト軸方向に半導体レーザを積層した構造）を有する光ファイバ・レーザ（レーザ光合波装置）にも適用することができるものである。
【０１１０】
図８は、複数の半導体レーザを配置する際の構成を示す図であり、図８（ａ）は複数の半導体レーザのそれぞれを個別に独立させた構成を示す図、図８（ｂ）は複数の半導体レーザを複数の基板上に分散させた構成を示す図、図８（ｃ）は複数の半導体レーザをレーザバーとして構成を示す図である。
【０１１１】
上記実施例１−１、実施例１−２においては、図８（ａ）に示すように、複数の半導体レーザ１５Ａ、１５Ｂ、・・・のそれぞれが互いに分離されているものとしたが、このような場合に限らず、複数の半導体レーザは、これら複数の半導体レーザのうちの少なくとも２つ以上１７Ａ、１７Ｂ、が互いにつながって一体化さしたレーザバーとして構成されたものを採用してもよい。
【０１１２】
より具体的には、図８（ｂ）に示すように、上記複数の半導体レーザは、半導体レーザ１７Ａ、１７Ｂ…のうちの少なくとも２つ以上、すなわち、半導体レーザ１７Ａ、１７Ｂが互いにつながって一体化され、半導体レーザ１７Ｃ、１７Ｄが互いにつながって一体化され、さらに半導体レーザ１７Ｅ、１７Ｆが互いにつながって一体化されたものを採用してもよいし、さらに、図８（ｃ）に示すように、上記複数の半導体レーザは、全ての半導体レーザ１８Ａから１８Ｅがつながって、１本のレーザバー１８として構成されたものを採用してもよい。
【０１１３】
なお、図５に示すように、実施例１−２のレーザ光合波装置を、半導体レーザ１１から射出され光ファイバ４０のコア部４１に入射してこの光ファイバ４１中に合波せしめられた各光束からなる合波光Ｌｘにより、固体レーザの媒質Ｋｂ、あるいはファイバレーザの媒質Ｆｂを励起させるものとしたり、あるいは半導体レーザ１１から射出され収束角変換光学系３０Ｂを通った全体光束で、直接、固体レーザの媒質Ｋｂ、あるいはファイバレーザの媒質Ｆｂを励起させるものとしてもよい。
【０１１４】
すなわち、上記レーザ光合波装置によって光ファイバ４０のコア部４１に入射し合波された合波光Ｌｘ、あるいは、収束角変換光学系３０Ｂを通った全体光束Ｌｇで、固体レーザの媒質Ｋｂを励起し、この固体レーザにおける出力ミラーＭ１と反射ミラーＭ２との間で発振させてレーザ光Ｌｋを発生させたり、あるいは、光ファイバ４０のコア部４１に配置されたファイバレーザの媒質Ｆｂを励起してレーザ光Ｌｆを発生させるようにしてもよい。
【０１１５】
上記合波光Ｌｘが赤外光である場合には、上記媒質Ｋｂ、および媒質Ｆｂを、希土類元素Ｎｄ３＋、希土類元素Ｙｂ３＋のうちの少なくとも１つを含むものとすることが望ましい。また、上記合波光Ｌｘの波長が３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下である場合には、上記媒質Ｋｂ、および媒質Ｆｂを、希土類元素Ｐｒ３＋、希土類元素Ｅｒ３＋、希土類元素Ｈｏ３＋のうちの少なくとも１つを含むものとすることが望ましい。
【０１１６】
なお、上記光ファイバ中に合波させた合波光による、固体レーザの媒質あるいはファイバレーザの媒質の励起は、上記実施例１−１、あるいは後述する実施例２−１から実施例２−５、実施例３−１に適用可能である。
【０１１７】
以下、本発明の第２の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【０１１８】
なお、第２の実施の形態において上記第１の実施の形態と同様の機能を有するものについては、第１の実施の形態と同一の符号を用い説明を省略する。
【０１１９】
＜実施例２−１＞
図９は本発明の第２の実施の形態における第１の実施例（以後、実施例２−１という）のレーザ光合波装置２０１の概略構成を示す図であり、図９（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図９（ｂ）は上記レーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た正面図、図９（ｃ）は上記レーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た図、図１０は収束角変換光学系が、スロー軸方向視において互いに平行である各光束の光軸を収束させる様子を示す図である。
【０１２０】
図９に示すように、実施例２−１のレーザ光合波装置２０１は、レーザブロック１０と、全体収束光学系２０と、収束角変換光学系３０Ｃとを備えている。
【０１２１】
レーザブロック１０は、複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…（以後、まとめて半導体レーザ１１ともいう）が、半導体レーザ１１それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…（以後、まとめて活性層１２ともいう）が平行となり、かつ、それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…の位置が活性層１２の厚さ方向（図中矢印Ｘ方向）において互いに異なる位置１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ…となるように配置され、互いに平行なスロー軸を有する各光束を射出するものである。すなわち、レーザブロック１０には各半導体レーザ１１を配置するための段差が形成されている。
【０１２２】
各半導体レーザ１１は、出力１Ｗ、発振波長４００ｎｍから４２０ｎｍでエッジエミッタ型の窒化物系半導体レーザであり、ファスト軸Ｆ方向の発光幅Ｄｆ＝１μｍ、スロー軸Ｓ方向の発光幅Ｄｓ＝２５μｍである。また、各半導体レーザ１１から射出される光束のファスト軸Ｆ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｆ）は０．５で、スロー軸Ｓ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｓ）は０．２である。なお、第１の実施の形態で説明したように、ここでいうファスト軸Ｆ方向は、エッジエミッタ型半導体レーザの活性層の厚み方向、スロー軸方向は上記活性層に対して平行な方向であり、半導体レーザ１１から射出された光束の広がり角が大きい方向が光束のファスト軸方向（図中矢印Ｆ方向）、光束の広がり角が小さい方向が光束のスロー軸方向（図中矢印Ｓ方向）となる。
【０１２３】
上記レーザブロック１０は、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを有するものである。
【０１２４】
全体収束光学系２０は、複数の半導体レーザ１１から射出されたスロー軸が互いに平行でファスト軸Ｆ方向に互いの位置が異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束をスロー軸方向（ここでは図中矢印Ｙ方向と一致する）の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向（ここでは図中矢印Ｘ方向と一致する）に収束させて、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをファスト軸Ｆ方向において互いに異なる所定の位置３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ…で収束角変換光学系３０Ｃに入射させるものである。なお、全体収束光学系２０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸は、スロー軸方向視において互いに平行となる。
【０１２５】
リダイレクションシステムである収束角変換光学系３０Ｃは、全体光束のファスト軸方向視の収束角を全体収束光学系２０から射出させたときの全体光束の収束角α１１をより小さい収束角α１２にしてこの全体光束を光ファイバ４０のコア部４１に入射させるものであり、各光束の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐｂよりさらに上流側に配置されている。なお、光ファイバ４０のコア部４１の径は５０μｍ、開口数ＮＡは０．２である。
【０１２６】
また、この収束角変換光学系３０Ｃは、図１０に示すように、スロー軸方向視において、全体収束光学系２０から射出された互いに平行である各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸を収束させる。
【０１２７】
なお、全体収束光学系２０のファスト軸方向視における開口数ＮＡは、上記光ファイバ４０の開口数ＮＡより大きく設定される。
【０１２８】
上記全体収束光学系２０は、複数の半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向にコリメートする個別コリメートレンズ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…（以後、まとめて個別コリメートレンズ２１ともいう）と、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる全体収束レンズ２２とからなる。なお、個別コリメートレンズ２１はトランケート型のレンズとして構成されたものである。
【０１２９】
なお、上記の構成においては、ファスト軸方向は常にＸ方向と一致している。
【０１３０】
次に上記実施の形態における作用について説明する。
【０１３１】
複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された、ファスト軸方向に互いの位置が異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、個別コリメートレンズ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…を通してそれぞれ平行光束となる。個別コリメートレンズ２１によりコリメート光束とされたファスト軸Ｆ方向に互いの位置が異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束は、全体収束レンズ２２を通してスロー軸Ｓ方向の幅が狭くなるように収束される。
【０１３２】
その後、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれはファスト軸Ｆ方向において互いに異なる所定の位置３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ…から収束角変換光学系３０Ｃの所定のプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…に入射され各プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…に入射し、各プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…で各光束からなる全体光束の収束角がファスト軸方向視においてより小さい収束角になるとともに、各光束の光軸がスロー軸方向視において収束するように各光軸の向きが変換されて上記全体光束が光ファイバ４０のコア部４１に入射する。ここで、上記コア部４１の入射端面の近傍に各光束のビームウエストが位置するように、各光束が収束分散光学系２０および収束角変換光学系３０Ｃを通して伝播される。
【０１３３】
収束角変換光学系３０Ｃから射出された上記全体光束の収束角α１２は、全体収束レンズ２２から射出された、すなわち、全体収束光学系２０を通して射出されたときの全体光束の収束角α１１より小さい角度となる。
【０１３４】
上記のことにより、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各１．０Ｗの出力を有する光束が光ファイバ４０のコア部４１に合波され、コア部４１から４．５Ｗのレーザ光を出力させることができる。すなわち、５本のレーザ光束が、結合効率９０％で光ファイバに結合される。
【０１３５】
＜実施例２―２＞
以下、本発明の第２の実施の形態における第２の実施例（以下、実施例２−２という）のレーザ光合波装置について説明する。図１１は実施例２−２のレーザ光合波装置の概略構成を示す図である。
【０１３６】
上記実施例２−２のレーザ光合波装置２０２は、上記実施例２−１のレーザ光合波装置の構成に加えて、他の半導体レーザから射出された光束を偏光合波させる偏光合波手段を備えたものである。以下、上記実施例２−１のレーザ光合波装置２０１と同様の構成については同じ符号を使用し説明を省略する。
【０１３７】
上記実施例２−２のレーザ光合波装置２０２は、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅが配置されたレーザブロック１０と、上記複数の半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向にコリメートする個別コリメートレンズ２１と、個別コリメートレンズ２１によって並行光束となった各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させて、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で収束角変換光学系３０Ｃに入射させる全体収束レンズ２２と、上記全体光束のスロー軸方向の幅が狭くなるように全体収束レンズ２２によって収束された収束角α１１をより小さい収束角α１２にして、上記全体光束を光ファイバ４０に入射させるリダイレクションシステムである収束角変換光学系３０Ｃとを備えている。
【０１３８】
このレーザ光合波装置２０２は、さらに、上記複数の半導体レーザ１１Ａ，１１Ｂ…とは異なる他の半導体レーザ１１ＴＡ，１１ＴＢ、…（以後、まとめて半導体レーザ１１Ｔともいう）が配置されたレーザブロック１０Ｔと、半導体レーザ１１から射出された光束が光ファイバ４０に入射するまでの該光束の光路中において、半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…と他の半導体レーザ１１Ｔから射出された各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…とを偏光合波させる偏光合波手段４５とを備え、他の半導体レーザ１１Ｔから射出された光束をも光ファイバ４０に入射させるものである。
【０１３９】
偏光合波手段４５は、個別コリメートレンズ４６、１／２λ波長板４７、および偏光ビームスプリッタ４８を有し、偏光ビームスプリッタ４８は、個別コリメートレンズ２１と全体収束レンズ２２との間に配置され、１／２λ波長板４７と個別コリメートレンズ４６は半導体レーザ１１Ｔと偏光ビームスプリッタ４８との間に配置されている。
【０１４０】
レーザブロック１０Ｔは上記レーザブロック１０と同様のものであり、半導体レーザ１１Ｔそれぞれの活性層は、半導体レーザ１１それぞれの活性層に対応するように配置されている。すなわち、半導体レーザ１１ＴＡの活性層と半導体レーザ１１Ａの活性層とは同一平面上に位置し、半導体レーザ１１ＴＢの活性層と半導体レーザ１１Ｂの活性層とは同一平面上に位置し、このように、互いに対応する半導体レーザの活性層が同一平面上に位置している。
【０１４１】
個別コリメートレンズ４６は、上記個別コリメートレンズ２１と同様のものであり、各半導体レーザ１１Ｔから射出された各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…それぞれを互いに光軸が平行な平行光束にする。
【０１４２】
１／２λ波長板４７は、直線偏光の方位を変えるものであり、入射した各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…の偏光の方位を９０度回転させる。
【０１４３】
なお、半導体レーザ１１Ｔから射出されたときの各光束の光軸と半導体レーザ１１から射出されたときの各光束の光軸とが直交するように、上記各部材が配置されている。
【０１４４】
偏光ビームスプリッタ４８は、図１１において紙面に平行な直線偏光成分であるＰ偏光成分を透過させ、紙面に垂直な直線偏光成分であるＳ偏光成分を反射するものであり、ここでは、半導体レーザ１１から射出され個別コリメートレンズ２１を通った光を透過し、半導体レーザ１１Ｔから射出され個別コリメートレンズ４６および１／２λ波長板４７を通った光を反射する。
【０１４５】
複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ…から射出された、上記Ｐ偏光成分からなる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、個別コリメートレンズ２１、偏光ビームスプリッタ４８、全体収束レンズ２２、収束角変換光学系３０Ｃを通って光ファイバ４０に入射する。また、半導体レーザ１１Ｔから射出された上記Ｐ偏光成分からなる各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…は、個別コリメートレンズ４６で平行光束とされた後１／２λ波長板４７を通って偏光方向が９０度回転し上記Ｓ偏光成分からなる各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…となり、偏光ビームスプリッタ４８のビームスプリット面ＢＳ１で反射される。そして、偏光ビームスプリッタ４８で反射された各光束ＴＬａ、ＴＬｂ、ＴＬｃ…は、偏光ビームスプリッタ４８を透過する各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のそれぞれと同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。すなわち、光束ＴＬａと光束Ｌａ、光束ＴＬｂと光束Ｌｂ、…光束ＴＬｅと光束Ｌｅのそれぞれ対応する光束が同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。収束角変換光学系３０Ｃは、全体収束レンズ２２から射出されたときの全体光束の収束角α１１をより小さい収束角α１２にして、この全体光束を光ファイバ４０に入射させる。
【０１４６】
なお、上記収束角変換光学系３０Ｃは、上記実施例２−１と同様に、全体収束レンズ２２から射出され収束せしめられる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置Ｐｂよりさらに上流側に配置されている。
【０１４７】
なお、上記偏光合波手段を用いて高出力のレーザ光を得る手法は、上記実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１、および後述する実施例２−３から実施例２−５、実施例３−１にも適用することができる。
【０１４８】
＜実施例２−３＞
以下、本発明の第２の実施の形態における第３の実施例（以下、実施例２−３という）のレーザ光合波装置について説明する。図１２は上記実施例２−３のレーザ光合波装置の概略構成を示す図である
この実施例２−３のレーザ光合波装置２０３は、上記実施例２−１のレーザ光合波装置２０１の構成に加えて、他の半導体レーザから射出された光束を波長合波させる波長合波手段を備えたものである。以下、実施例２−１のレーザ光合波装置２０１と同様の機能を有する構成については同じ符号を使用し説明を省略する。
【０１４９】
実施例２−３のレーザ光合波装置２０３は、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅが配置されたレーザブロック１０と、上記複数の半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをスロー軸Ｓ方向およびファスト軸Ｆ方向に収束させる個別コリメートレンズ２１と、個別コリメートレンズ２１によって並行光束となった各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをスロー軸方向およびファスト軸Ｆ方向に収束させて、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをファスト軸Ｆ方向において互いに異なる所定の位置で収束角変換光学系３０Ｃに入射させる全体収束レンズ２２と、上記全体光束が全体収束レンズ２２から射出されるときの収束角α１１をより小さい収束角α１２にして、上記全体光束を光ファイバ４０に入射させるリダイレクションシステムである収束角変換光学系３０Ｃとを備えている。
【０１５０】
このレーザ光合波装置２０３は、さらに、複数の半導体レーザ１１Ａ，１１Ｂ…とは異なる他の半導体レーザ１１ＵＡ，１１ＵＢ、…（以後、まとめて半導体レーザ１１Ｕともいう）が配置されたレーザブロック１０Ｕ、および他の半導体レーザ１１ＶＡ，１１ＶＢ、…（以後、まとめて半導体レーザ１１Ｖともいう）が配置されたレーザブロック１０Ｖと、半導体レーザ１１から射出された光束が光ファイバ４０に入射するまでの該光束の光路中において、半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…に他の半導体レーザ１１Ｕから射出された各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…を波長合波させる波長合波手段５５Ｕ、および半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…に半導体レーザ１１Ｖから射出された各光束ＶＬａ、ＶＬｂ、ＶＬｃ…を波長合波させる波長合波手段５５Ｖとを備え、他の半導体レーザ１１Ｕおよび半導体レーザ１１Ｖから射出された光束をも光ファイバ４０に入射させるものである。
【０１５１】
なお、各半導体レーザ１１から射出される各光束の波長はそれぞれ４１０ｎｍであり、各半導体レーザ１１Ｕから射出される各光束の波長はそれぞれ３７０ｎｍであり、各半導体レーザ１１Ｖから射出される各光束の波長はそれぞれ４５０ｎｍである。
【０１５２】
波長合波手段５５Ｕは、個別コリメートレンズ５６Ｕ、およびダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕを有し、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕは、個別コリメートレンズ２１と全体収束レンズ２２との間に配置され、個別コリメートレンズ５６Ｕは半導体レーザ１１Ｕとダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕとの間に配置されている。
【０１５３】
波長合波手段５５Ｖは、個別コリメートレンズ５６Ｖ、およびダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖを有し、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖは、個別コリメートレンズ５６Ｖと全体収束レンズ２２との間に配置され、個別コリメートレンズ５６Ｖは半導体レーザ１１Ｖとダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖとの間に配置されている。
【０１５４】
レーザブロック１０Ｕおよびレーザブロック１０Ｖは、上記レーザブロック１０と同様のものであり、半導体レーザ１１Ｕおよび半導体レーザ１１Ｖそれぞれの活性層は、半導体レーザ１１それぞれの活性層に対応するように配置されている。すなわち、半導体レーザ１１ＵＡおよび半導体レーザ１１ＶＡの活性層と半導体レーザ１１Ａの活性層とは同一平面上に位置し、半導体レーザ１１ＵＢおよび半導体レーザ１１ＶＢの活性層と半導体レーザ１１Ｂの活性層とは同一平面上に位置し、このように、互いに対応する半導体レーザの活性層が同一平面上に位置している。
【０１５５】
また、半導体レーザ１１から射出されたときの光束の光軸は、半導体レーザ１１Ｕから射出されたときの光束の光軸、および半導体レーザ１１Ｖから射出されたときの光束の光軸と直交する。
【０１５６】
個別コリメートレンズ５６Ｕは、上記個別コリメートレンズ２１と同様のものであり、各半導体レーザ１１Ｕから射出された各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…それぞれを互いに光軸が平行な平行光束にする。
【０１５７】
個別コリメートレンズ５６Ｖは、上記個別コリメートレンズ２１と同様のものであり、各半導体レーザ１１Ｖから射出された各光束ＶＬａ、ＶＬｂ、ＶＬｃ…それぞれを互いに光軸が平行な平行光束にする。
【０１５８】
ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕは、４１０ｎｍの光を透過させ３７０ｎｍの光を反射する。ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖは、３７０ｎｍおよび４１０ｎｍの光を透過させ４５０ｎｍの光を反射する。
【０１５９】
複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ…から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、個別コリメートレンズ２１、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕ、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖ、全体収束レンズ２２、収束角変換光学系３０Ｃを通って光ファイバ４０に入射する。
【０１６０】
また、半導体レーザ１１Ｕから射出された各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…は、個別コリメートレンズ５６Ｕで平行光束とされた後、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕのビームスプリット面Ｕ１で反射される。そして、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕで反射された各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…は、このダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｕを透過する上記各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のそれぞれと同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。すなわち、光束ＵＬａと光束Ｌａ、光束ＵＬｂと光束Ｌｂ、…光束ＵＬｅと光束Ｌｅそれぞれ対応する光束同士が同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。
【０１６１】
さらに、半導体レーザ１１Ｖから射出された各光束ＶＬａ、ＶＬｂ、ＶＬｃ…は、個別コリメートレンズ５６Ｖで平行光束とされた後、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖのビームスプリット面Ｖ１で反射される。そして、ダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖで反射された各光束ＶＬａ、ＶＬｂ、ＶＬｃ…は、このダイクロイック・ビームスプリッタ５８Ｖを透過する各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…および各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…のそれぞれと同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。すなわち、光束ＶＬａ、光束ＵＬａおよび光束Ｌａが同じ光路を通り、光束ＶＬｂ、光束ＵＬｂおよび光束Ｌｂが同じ光路を通り、…光束ＶＬｅ、光束ＵＬｅおよび光束Ｌｅが同じ光路を通って光ファイバ４０に入射する。
【０１６２】
これにより、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…、各光束ＵＬａ、ＵＬｂ、ＵＬｃ…および各光束ＶＬａ、ＶＬｂ、ＶＬｃ…が光ファイバ４０中に合波される。
【０１６３】
なお、上記収束角変換光学系３０Ｃは、上記実施例２−１と同様に、全体収束レンズ２２から射出され収束せしめられる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置である光軸収束位置Ｐｂよりさらに上流側に配置されている。
【０１６４】
なお、上記波長合波手段を用いて高出力のレーザ光を得る手法は、上記実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１、実施例２−３、および後述する実施例２−４から実施例２−５、実施例３−１にも適用することができる。
【０１６５】
＜実施例２−４＞
図１３は第２の実施の形態における第４の実施例（以下、実施例２−４という）のレーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、図１３（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図１３（ｂ）は上記レーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た正面図、図１３（ｃ）は上記レーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た左側面図である。また、図１４は収束レンズの機能を示す図であり、図１４（ａ）はＹ方向を上方にして見た収束レンズの概念図、図１４（ｂ）はＸ方向を上にして見た収束レンズの概念図である。
【０１６６】
図１３に示すように、上記実施例２−４のレーザ光合波装置は、実施例２−１において、個別コリメートレンズ２１と全体収束レンズ２２とで構成される全体収束光学系を、各収束レンズ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…からなるトランケート型のレンズである収束レンズ２４で代替したものである。
【０１６７】
すなわち、収束レンズ２４は、光束の伝播方向を変化させるそれぞれ異なる屈折力を有する収束レンズ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ…から構成されており、複数の半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させるとともに各光束それぞれをスロー軸方向およびファスト軸Ｆ方向に収束させて、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを、ファスト軸Ｆ方向に互いに異なる所定の位置３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ…を通して収束角変換光学系３０Ｃに入射させる。
【０１６８】
より詳しくは、図１４に示すように、全体光束の周縁部に位置する収束レンズ２４Ａが、入射した光束Ｌａの伝播方向をスロー軸方向に大きく変化させ、かつこの光束Ｌａを収束させて収束角変換光学系３０Ｃの所定のプリズム３１Ａ（図３参照）に入射させる。また、全体光束の中心部に位置する収束レンズ２４Ｃは、入射した光束Ｌｃの伝播方向を変化させることなく、この光束Ｌｃを収束させて収束角変換光学系３０Ｃの所定のプリズム３１Ｃに入射させる。
【０１６９】
なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）の紙面左側に示す収束レンズ２４ＡをＺ軸方向から見た図中の実線は、収束レンズ２４Ａの半導体レーザ１１Ａ側のレンズ面を示し、上記図中の破線は、収束レンズ２４Ａの収束角変換光学系３０Ｃ側のレンズ面を示すものであり、それぞれのレンズ面の曲率中心の位置がＹ方向にずれている。
【０１７０】
その他の構成および作用は上記実施例１と同様であり、上記と同様の収束角変換光学系３０Ｃの作用により、上記スロー軸方向の幅が狭くなるように全体収束光学系である収束レンズ２４により収束された収束角α２１の全体光束が、より小さい収束角α２２となって光ファイバ４０の直径５０μｍのコア部４１に入射する。
【０１７１】
なお、上記収束角変換光学系３０Ｃは、上記実施例２−１と同様に、全体収束レンズ２２から射出され収束せしめられる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置である光軸収束位置Ｐｂよりさらに上流側に配置されている。
【０１７２】
＜実施例２−５＞
図１５は第２の実施の形態における第５の実施例（以後、実施例２−５という）のレーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、この図１５は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図である。
【０１７３】
図１５に示すように、実施例２−５レーザ光合波装置２０５のレーザブロック１０Ｑは、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…が、半導体レーザ１１それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…が平行となり、かつ、それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…の位置が活性層１２の厚さ方向（図中Ｘ方向、ファスト軸方向でもある）において互いに異なる位置となるように配置され、かつ、半導体レーザ１１から射出されたときの各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸が、ファスト軸方向視において光軸間の間隔が互いに狭くなるように配置されている。
【０１７４】
したがって、半導体レーザ１１から射出されたときの各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のスロー軸は平行にならない。
【０１７５】
全体収束光学系２０Ｑは、上記半導体レーザ１１から射出された、ファスト軸方向に互いの位置が異なる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを個別にスロー軸方向およびファスト軸方向（図中矢印Ｘ方向）に収束させて、上記と同様に各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを、ファスト軸方向において互いに異なる所定の位置で上記と同様の収束角変換光学系３０Ｃに入射させる。
【０１７６】
なお、全体収束光学系２０Ｑは、上記各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれを平行光束にするコリメートレンズ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ…、および上記平行光束とされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれをスロー軸方向およびファスト軸方向に集光する集光レンズ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ…とで構成されている。
【０１７７】
上記各半導体レーザ１１から射出されたときの各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸と全体収束光学系２０Ｑから射出されたときの各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸とは一致する。なお、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸を図１５中の光軸Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃ…で示す。
【０１７８】
ここでは、全体収束光学系２０Ｑから射出されたときの全体光束の収束角α３１が、半導体レーザ１１から射出されたときの全体光束の収束角と等しくなり、収束角変換光学系３０Ｃから射出されたときの上記全体光束の収束角α３２は、全体収束光学系２０Ｑから射出された全体光束の収束角α３１より小さい角度となる。
【０１７９】
その他の構成および作用は上記実施例１および実施例２と同様である。
【０１８０】
ここで、各コリメートレンズ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ…を焦点距離は３ｍｍ、開口数ＮＡは０．６とし、各集光レンズ２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ…を焦点距離は９ｍｍ、開口数ＮＡは０．２とすることにより、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各１Ｗの出力を有する光束が光ファイバ４０のコア部４１に合波され、コア部４１から４．５Ｗのレーザ光を出力させることができる。すなわち、５本のレーザ光束が光ファイバに結合される際の結合効率は９０％となる。
【０１８１】
なお、上記収束角変換光学系３０Ｃは、上記実施例２−１と同様に、全体収束光学系２０Ｑから射出され収束せしめられる各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光軸がファスト軸方向視において互いに交わる位置のうちの最上流側の位置である光軸収束位置Ｐｃよりさらに上流側に配置されている。
【０１８２】
上記各実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５におけるレーザ光合波装置においては、複数の半導体レーザ１１から射出された各光束をスロー軸方向およびファスト軸方向に収束させる光束収束手段である各光学系が、この各光学系により収束せしめられる各光束のスロー軸方向視における射出角を、各光束の前記半導体レーザから射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角より小さくするものである。
【０１８３】
すなわち、本発明に用いているエッジエミッタ型の半導体レーザから射出される光のファスト軸方向における広がり（すなわち、スロー軸方向視における広がり）は開口数で示すと開口数ＮＡ１＝０．５程度であり、一方、一般的な光ファイバに光が入射する際の入射光の広がりを開口数ＮＡで示すと上記開口数ＮＡ１より小さく開口数ＮＡ０．３以下、通常は開口数ＮＡ２＝０．２程度である。そのため、半導体レーザから射出された光を光ファイバに効率的に結合する重要なポイントとして、半導体レーザから射出された光の放射角に比して上記光学系から光ファイバに光を入射させる際の射出角を小さくしてやる手法が一般に知られている。なお、光ファイバの開口数ＮＡ２で規定される範囲を外れて入射した光は、この光ファイバのモードと結合することなく光ファイバ外に漏れてゆく。
【０１８４】
そこで、図１６に示すように、各実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５の各レーザ光合波装置において、開口数ＮＡ＝０．５の半導体レーザ１１から射出された光を光束収束手段１３０を通して光ファイバ４０の開口数ＮＡ２＝０．２の範囲内に入射させることにより半導体レーザから射出された光の光ファイバへの高効率な結合を可能にすることができ、このようにするための拡大倍率Ｒｅは、
Ｒｅ＝ｆ２／ｆ１＝ＮＡ２／ＮＡ１＝０．５／０．２＝２．５
である。
【０１８５】
したがって、少なくとも上記光束収束手段１３０を拡大倍率Ｒｅが１．０より大きな倍率となるように設計することが、高効率な結合を実現するための必要条件となる。
【０１８６】
すなわち、図１６中に示した上記光束収束手段１３０（各光学系）により収束せしめられる光束のスロー軸方向視における射出角θ２を、半導体レーザ１１から射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角θ１より小さくなるように設計することが、高効率な結合を実現するための必要条件となる。
【０１８７】
なお、上記光束収束手段１３０（各光学系）に対応する、実施例１−１のレーザ光合波装置１０１における収束分散レンズ１２０、実施例１−２のレーザ光合波装置１０２におけるオフセットレンズ１２３と集光レンズ１２４との組み合わせからなる光学系、実施例２−１のレーザ光合波装置２０１における全体収束光学系２０、実施例２−２のレーザ光合波装置２０２における偏光合波手段４５と全体収束レンズ２２の組み合わせからなる光学系、実施例２−３のレーザ光合波装置２０３における波長合波手段５５Ｕと全体収束レンズ２２の組み合わせからなる光学系、および波長合波手段５５Ｖと全体収束レンズ２２の組み合わせからなる光学系、実施例２−４のレーザ光合波装置２０４における収束レンズ２４、および実施例２−５のレーザ光合波装置２０５における全体収束光学系２０Ｑは、これらによって収束せしめられる光束のスロー軸方向視における射出角θ２が、半導体レーザ１１から射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角θ１より小さくなるように設計されている。
【０１８８】
しかしながら、本発明のレーザ光合波装置は、上記光束収束手段が、この光束収束手段から射出される各光束のスロー軸方向視における射出角θ２を、各光束の半導体レーザから射出されたときの光束のスロー軸方向視における放射角θ１より小さくなるように設計する場合に限るものではない。
【０１８９】
＜実施例３−１＞
以下、本発明の３実施の形態について図面を用いて説明する。なお、第３の実施の形態において上記第２の実施の形態と同様の機能を有するものについては、第２の実施の形態と同一の符号を用い説明を省略した。
【０１９０】
図１７は本発明の第３の実施の形態のレーザ光合波装置の第１の実施例（実施例１−１）の概略構成を示す図であり、図１７（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図１７（ｂ）は上記レーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た正面図、図１７（ｃ）は上記レーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た左側面図である。また、図１８は光軸シフト光学系の構造を示す平面図、図１９は収束光学系によって各光束が収束される様子を示す概念図であり、図１９（ａ）光束をスロー軸方向に収束させる様子を示す図、図１９（ｂ）は光束をファスト軸方向に収束させる様子を示す図である。
【０１９１】
上記実施例３−１のレーザ光合波装置３０１は、複数の半導体レーザ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…（以後、まとめて半導体レーザ５１ともいう）が、半導体レーザ５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…それぞれの活性層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…が平行となり、かつ、それぞれの活性層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…の位置が活性層５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…の厚さ方向（図中矢印Ｘ方向）において互いに異なる位置５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ…となるように配置されたレーザブロック５０と、複数の半導体レーザ５１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、互いに平行な光軸を有し、かつ互いにスロー軸Ｓが平行な平行光束にするコリメート光学系６０と、コリメート光学系６０を通ったファスト軸Ｆ方向（図中矢印Ｆ方向）に互いの位置が異なる各光束をスロー軸Ｓ方向（図中矢印Ｓ方向）にシフトさせて各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のファスト軸Ｆがスロー軸Ｓと直交する１平面Ｈ２上に並ぶようにするリダイレクションシステムである光軸シフト光学系７０と、光軸シフト光学系７０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束および各光束を、スロー軸Ｓ方向およびファスト軸Ｆ方向に収束させて光ファイバ４０に入射させる収束光学系８０とを備えている。
【０１９２】
各半導体レーザ５１は、上記第２の実施の形態における半導体レーザと同様の出力１Ｗ、発振波長４００〜４２０ｎｍの窒化物系半導体レーザであり、ファスト軸Ｆ方向の発光幅Ｄｆ＝１μｍ、スロー軸Ｓ方向の発光幅Ｄｓ＝２５μｍである。また、各半導体レーザ５１から射出される光束のファスト軸Ｆ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｆ）は０．５で、スロー軸Ｓ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｓ）は０．２である。
【０１９３】
コリメート光学系６０は、各光束毎に配置されたコリメートレンズ６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ…から構成されるトランケート型のレンズである。
【０１９４】
光軸シフト光学系７０は、図１８に示すように、厚さの薄い複数のプリズム７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…が図中Ｘ方向に積層されて形成されており、例えば、プリズム７１Ａに入射角した光束Ｌａは、プリズム７１Ａの平行平面Ｒ１、Ｒ２間でそれぞれ反射されて上記平面Ｈ２上に光軸がシフトされてこのプリズム７１Ａから射出される。他のプリズムの作用も同様である。ただし、光束Ｌｃの光軸は光軸シフト光学系７０への入射前に既に上記平面Ｈ２上にあるので、光束Ｌｃの光路はシフトされることなくプリズム７１Ｃを通過する。このプリズム７１Ｃは、例えば光束の光路を変更させない光学平板とすることができる。
【０１９５】
収束光学系８０は、図１９に示すように、光軸シフト光学系７０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束を、ファスト軸Ｆ方向に収束させる収束Ｆレンズ８１、および上記全体光束を、スロー軸Ｓ方向に収束させる収束Ｓレンズ８２とからなる。
【０１９６】
次に上記実施の形態における作用について説明する。
【０１９７】
複数の半導体レーザ５１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、コリメート光学系６０により、互いに平行な光軸を有し、スロー軸Ｓが互いに平行で、かつ、ファスト軸Ｆ方向の互いの位置が異なる平行光束となって光軸シフト光学系７０の各プリズム７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…に入射される。
【０１９８】
各光束は、各プリズム７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…によりスロー軸Ｓ方向にシフトされて各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のファスト軸Ｆが、スロー軸Ｓと直交する１平面Ｈ１上に並べられて光軸シフト光学系７０から射出される。
【０１９９】
光軸シフト光学系７０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束は、収束Ｆレンズ８１を通してファスト軸Ｆ方向に（ＸＺ平面において）収束され、収束Ｓレンズ８２を通してスロー軸Ｓ方向に（ＹＺ平面において）収束された後、光ファイバ４０の直径５０μｍのコア部４１に入射する。
【０２００】
なお、第１の実施の形態、第２の実施の形態、および第３の実施の形態の各レーザ光合波装置は、半導体レーザの実装配置、トランケート型レンズの集光角度、および収束角変換光学系の集光機能や光軸シフト光学系の光軸シフト機能等の設計の最適化により、本出願人によりすでに提案されている特許文献（例えば、特願２００２−２８７６４０、特願２００２−２０１９７９）等に記載されているスタック型（ファスト軸方向に半導体レーザを積層した構造）を有する光ファイバ・レーザ（レーザ光合波装置）にも適用することができる。
【０２０１】
また、上記実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５、および実施例３−１におけるレーザ光合波装置によって光束が入射され合波される光ファイバ４０には、コア径が２５μｍから４００μｍのものが使用され、特に多く用いられるコア径は５０μｍ〜１００μｍである。
【０２０２】
また、上記各実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５および実施例３−１において使用されるトランケート型のレンズは、球面レンズであってあってもよいし、非球面レンズであってもよい。また、実施例においてトランケート型のレンズとして説明したものは、必ずしもトランケー型のレンズの場合に限らず、光軸方向から見た形状が円形である通常のレンズを使用してもよい。
【０２０３】
なお、上記各実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５および実施例３−１の半導体レーザ１１として採用可能な半導体レーザの１例として、発光幅Ｄｓ（図２参照）の大きさの違う以下の種類のものがある。
【０２０４】
・シングルモード半導体レーザ
横モード（スロー軸方向）がシングルモードとなる。発光幅Ｄｓの値は１μｍから３μｍであり、出力は数ｍＷから５００ｍＷが一般的である。
【０２０５】
・マルチモード半導体レーザ
横モード（スロー軸方向）がマルチモードとなる。発光幅Ｄｓの値は数μｍから１００μｍであり、出力は１００ｍＷから２０００ｍＷが一般的である。
【０２０６】
また、上記実施例１−１、実施例１−２、実施例２−１から実施例２−５における収束角変換光学系、あるいは実施例３−１における光軸シフト光学系は、プリズムを組み合わせて形成する場合に限らず、反射要素、屈折要素、グレーティング要素、あるいはフォトニクス結晶等を用いて形成したり、これらの要素を組み合わせて形成したりすることができる。
【０２０７】
なお、本発明のレーザ光合波装置における合波本数は５本に限るものではなく、合波本数は２本以上のいずれの数が選択されてもよい。
【０２０８】
また、上記各半導体レーザから射出される光束の波長は３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下であることが望ましいが、この範囲に限るものではなく、さらに上記各半導体レーザから射出される光束の波長は３５０ｎｍ以上、４６０ｎｍ以下の範囲から外れた場合、例えば赤外光であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０２０９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における実施例１−１のレーザ光合波装置の概略構成を示す図
【図２】半導体レーザの活性層からレーザ光束が射出される様子を示す斜視図
【図３】収束角変換光学系の構造と光ファイバに合波される光束の様子を示す図
【図４】収束分散個別レンズにおける光束をオフセットさせ収束させる機能を示す図
【図５】実施例１−２のレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図６】オフセットレンズが光束をオフセットさせる機能を示す図
【図７】収束角変換光学系での光束の光軸の向きを変換する機能をスロー軸方向視した図
【図８】複数の半導体レーザの配置例を示す平面図
【図９】第２の実施の形態における実施例２−１のレーザ光合波装置の概略構成を示す経お面図
【図１０】収束角変換光学系での光束の光軸の向きを変換する機能をスロー軸方向視した図
【図１１】実施例２−２のレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図１２】実施例２−３の光束を偏光合波するレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図１３】実施例２−４の波長を合波するレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図１４】実施例２−４のレーザ光合波装置における収束レンズの機能を示す図
【図１５】実施例２−５のレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図１６】レーザ光合波装置に使用される収束光学系の特性を示す図
【図１７】第３の実施の形態のレーザ光合波装置の概略構成を示す平面図
【図１８】光軸シフト光学系の構造を示す図
【図１９】収束光学系によって各光束が収束される様子を示す概念図
【図２０】従来のレーザ光合波装置の概略構成を示す図
【図２１】収束角を説明する図
【図２２】光束がリダイレクションシステムを通る様子を示す図
【図２３】光束がリダイレクションシステムを通る様子を示す図
【図２４】所定の位置に位置するリダイレクションシステムを通る各光束の様子を示す図
【図２５】所定の位置から外れて位置するリダイレクションシステムを通る各光束の様子を示す図
【図２６】本発明のレーザ光合波装置において収束分散光学系を配置可能な領域を示す図
【符号の説明】
【０２１０】
１１    半導体レーザ
１２    活性層
３０    収束角変換光学系
４０    光ファイバ
４１    コア部
１１０    レーザブロック
１２０    収束分散レンズ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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