(57)【要約】【課題】本発明は、結合効率に優れ、半導体レーザアレイからの出力光を効率良く結合して収束でき、かつ出力光によって熱劣化することのない光収束機構と、この光収束機構を有し、光強度の高い光が出射できる半導体レーザ装置及び光励起固体レーザを提供する。【解決手段】本発明は、複数の光ファイバ２がその一方の端部２ａ側で束ねられた状態で備えられ、光ファイバ２の他方の端面２ｂから入射した光が、光ファイバ２の束ねられた一方の端面２ａより収束した状態で出射される光収束機構１であって、前記光ファイバ２がエアークラッド構造を有する構成とする。半導体レーザ装置及び光励起固体レーザは、前記光収束機構１を有する構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光ファイバがその一方の端部側で束ねられた状態で設けられ、光ファイバの他方の端面から入射した光が、光ファイバの束ねられた一方の端面より収束した状態で出射される光収束機構であって、
前記光ファイバがエアークラッド構造を有することを特徴とする光収束機構。
【請求項２】
前記光ファイバのコアの断面形状が長方形であることを特徴とする請求項１に記載の光収束機構。
【請求項３】
前記光ファイバの長さが７ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光収束機構。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光収束機構と、複数の発光点を有する半導体レーザアレイを有し、
前記半導体レーザアレイの各光出力端に、前記光収束機構の各光ファイバの他方の端部が配置されたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
０．７〜１．０μｍの光を出射することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射された光によって励起される固体レーザ媒質を有することを特徴とする光励起固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光収束機構及び高出力のレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｎｄ：ＹＡＧ等の固体レーザ媒質を用いた光励起固体レーザは、レーザ光の出力を高めるためには、励起用光源の光強度を高める必要があり、この励起用光源に関する技術が多数提案されている。近年では、固体レーザの励起用光源として高出力の半導体レーザアレイを用いたものが広く利用されている。半導体レーザアレイは、複数の発光点を有し、それぞれの発光点から光が出力されるようになっており、この半導体レーザアレイからの複数の出力光を収束することによって、高出力の励起用光源として利用できる。
前記半導体レーザアレイからの複数の出力光を収束する技術として、光ファイバを用いた光収束機構が提案されている（特許文献１参照。）。この光収束機構は、複数の光ファイバがその一方の端部側で束ねられた状態で備えられ、各光ファイバの他方の端部から入射した光が、収束された状態で前記一方の端部より出射されるようになっている。
光ファイバの他方の端部を半導体レーザアレイの各出力端に配置することによって、半導体レーザアレイからの複数の出力光を、光ファイバの一方の端部から収束した状態で出射することができる。
【０００３】
前記光ファイバから構成された光収束機構では、半導体レーザアレイからの出力光の光ファイバへの結合効率が重要となる。半導体レーザアレイからの出力光のビーム広がり角よりも大きい値となるように、光ファイバの開口数を設定し、結合効率を高めることによって、低損失で半導体レーザアレイからの出力光を収束することができる。
一般に半導体レーザアレイの出力端は長方形状であり、出力端の縦方向と横方向とで出力光のビーム広がり角が異なる。このため、光ファイバを用いた光収束機構では、出力光のビーム広がり角の最大値に対応させて開口数を決定することになる。
【０００４】
前記光ファイバの開口数を大きくするためには、開口数に比例してコアとクラッドの屈折率差を大きくする必要があり、所望の屈折率が得られるようにコアとクラッドの材料を選択しなければならない。前記した半導体レーザアレイの出力光のビーム広がり角よりも大きい値の開口数を得るためには、比較的大きな屈折率差を必要とし、石英ガラスから構成された光ファイバでは、必要とする屈折率差を形成することが困難である。
石英ガラスから構成されたコアを樹脂で被覆した樹脂クラッド構造を有する光ファイバでは、樹脂の材質を選択することで、必要となるコアとクラッドの屈折率差を形成することができる。しかし、半導体レーザアレイ等の光源は光出力に伴って発熱するため、この熱によって樹脂クラッドが熱変質する場合がある。また、光収束機構とするためには、光ファイバを一方の端部側で束ねる際、この一方の端部の樹脂クラッドを除去しなければならず、光収束機構の形成に係る作業工程が増えることとなる。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４８１８０６２号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち結合効率に優れ、半導体レーザアレイからの出力光を効率良く結合して収束でき、かつ出力光によって熱劣化することのない光収束機構と、この光収束機構を有し、光強度の高い光が出射できる半導体レーザ装置及び光励起固体レーザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の光ファイバがその一方の端部側で束ねられた状態で設けられ、光ファイバの他方の端面から入射した光が、光ファイバの束ねられた一方の端面より収束した状態で出射される光収束機構であって、前記光ファイバがエアークラッド構造を有することを特徴とする光収束機構である。
請求項２に係る発明は、前記光ファイバのコアの断面形状が長方形であることを特徴とする請求項１に記載の光収束機構である。
請求項３に係る発明は、前記光ファイバの長さが７ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光収束機構である。
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光収束機構と、複数の発光点を有する半導体レーザアレイを有し、前記半導体レーザアレイの各光出力端に、前記光収束機構の各光ファイバの他方の端部が配置されたことを特徴とする半導体レーザ装置である。
請求項５に係る発明は、０．７〜１．０μｍの光を出射することを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置である。
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出射された光によって励起される固体レーザ媒質を有することを特徴とする光励起固体レーザ装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の光収束機構１の一例を示す概略図である。この光収束機構１は、エアクラッド構造を有する複数の光ファイバ２と、光ファイバ用保持体３から構成されている。
光ファイバ用保持体３は、矩形状の本体３１と、この本体３１の一方の端部３１ａ側に設けられ、光ファイバ固定用の溝部３２ａが１本形成された出力側固定部３２と、本体３１の他方の端部３１ｂ側に設けられ、光ファイバ固定用の複数の溝部３３ａが並列して形成された入力側固定部３３とから構成される。ここで、図中、本体３１の端部のうち、紙面上奥側を一方の端部３１ａとし、手前側を他方の端部３１ｂとする。
エアクラッド構造を有する光ファイバ２は、コアのみから構成され、コアの周囲の空気がクラッドの役割を果たす。前記コアとしては、石英ガラス等が挙げられる。
【０００９】
図１において、前記エアクラッド構造を有する複数の光ファイバ２は、一方の端部２ａ側で束ねられた状態で、この一方の端部２ａ（以下、出射端とも言い、また束ねられた状態の一方の端部をバンドル部とも言う。）が前記光ファイバ用保持体３の出力側固定部３２の溝部３２ａに収容されている。また、複数の光ファイバ２の他方の端部２ｂ（以下、入射端とも言う。）は、光ファイバ用支持体３の入力側固定部３３のそれぞれの溝部３３ａに収容されている。
前記光ファイバ２の出射端２ａ及び入射端２ｂを溝部３２ａ，３３ａに固定する方法としては、光ファイバ２上に押さえ板を載せて、クランプなどでこの押さえ板と矩形状の本体３１とを固定する方法等の機械的手段による固定方法や、接着剤による接着固定等が適用できる。また、光ファイバ２の出射端２ａは、複数重ねた状態で溝部３２ａに収納して固定する方法や、加熱溶融して１本のコアとして溝部３２ａに収容して固定する方法等が適用できる。
【００１０】
本実施形態の光集束機構１は、エアクラッド構造を有する光ファイバ２から構成され、コアの周囲の空気がクラッドの役割を果たす。空気の屈折率は１であり、石英ガラス等の固体媒体より小さい値であるため、光ファイバ２の開口数を大きな値とすることができ、優れた結合効率で光源からの光６１を光ファイバ２に結合させることができる。このため、光源からの光６１を低損失で収束できる。また、空気をクラッドとして用いるため、従来のように光源の光出力に伴う発熱によってクラッドが熱変質することがなく、高い光強度のレーザ光等を安定して収束することができる。
更に、光ファイバ２の開口数を大きな値とすることができるため、光ファイバ２の入射端２ｂを光源の出力端に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
また、エアクラッド構造を有する光ファイバ２の長さは、７ｃｍ以下が好ましく、これにより、光ファイバ２をその両端部２ａ，２ｂが溝部に収納された状態で固定したとき、光ファイバ２がたわみにくくなり、長手方向途中で光ファイバ２が破断することをほとんど無くすることができる。更に、光ファイバ２は、曲がりが無く真直ぐな状態で光ファイバ用保持体３に固定することが好ましく、これにより更に光ファイバ２が破断することを無くすることができる。
【００１１】
また、エアクラッド構造を有する光ファイバ２のコアの断面形状は長方形や正方形等の矩形状であることが好ましい。図２は、コアの断面が長方形であり、かつエアクラッド構造を有する光ファイバ２の一例を示す概略図である。このような光ファイバ２は束ねやすく、光ファイバ２の出射端２ａ側で束ねたとき、各出射端２ａ間にほとんど隙間がなく、互いに接触した状態とすることができる。この状態で光ファイバ２の出射端２ａ側を出力側固定部３２の溝部３２ａに収容した場合、光ファイバ２の出射端２ａ間にほとんど隙間が無いため、光ファイバ２に入射した光６１を高い結合効率で収束でき、高出力で、コリメート性に優れた光として出射できる。
特に、半導体レーザ装置４の出力端４２の端面形状が矩形状の場合、光ファイバ２のコアの断面を前記出力端４２と同一寸法とすることが好ましい。これにより、光ファイバ２の入射端２ｂの面積は、半導体レーザ装置４の出力端４２と同一であり最小の面積で、出力端４２からの光６１を外方に漏れることなく光ファイバ２に結合させることができる。このため優れた光６１の結合効率が実現でき、かつ、光ファイバ２の入射端２ｂの単位面積当たりの光強度（以下、光ファイバ２に結合後の光６１のパワー密度とも言う。）を高い値とすることができる。
【００１２】
次に、前記光収束機構１を用いた半導体レーザ装置４及び光励起固体レーザ装置５について説明する。
図３は、本実施形態の光励起固体レーザ装置５の一例を示す概略図である。この光励起固体レーザ装置５は、励起用光源の半導体レーザ装置４と、固体レーザ媒質５１から構成されている。
前記半導体レーザ装置４は、複数の発光点を有する半導体レーザアレイ４１と前述した光収束機構１から構成されている。前記複数の発光点を有する半導体レーザアレイ４１は、基板の同一の端面４１ａに複数の出力端４２が設けられ、それぞれの出力端４２から光６１が出力されるものである。例えば、基板上に複数の活性層が形成され、基板の同一の端面４１ａに複数の出力端４２が設けられたものや、複数の半導体レーザ素子がその出力端４２を同一方向に向けた状態でアレイ基板上に配列、固定されたもの等が挙げられる。
【００１３】
光収束機構１の構成は、図１に示された本実施形態の一例と同一であるため説明を省略する。この光収束機構１は、半導体レーザアレイ４１の出力端４２に対向配置したとき、光収束機構１の光ファイバ２の入射端２ｂが半導体レーザアレイ４のそれぞれの出力端４２に対向し、この出力端４２から出射された出力光６１を、光ファイバ２のそれぞれの入力端２ｂに結合できるようになっている。
また、光ファイバ２の断面形状は、半導体レーザアレイ４１の出力端４２と同一形状である。これにより、半導体レーザアレイ４１からの出力光６１を優れた結合効率で光ファイバ２の入射端２ｂに結合できるようになっている。
【００１４】
次に、固体レーザ媒質５１は、例えばＹＡＧ（Ｙ３  Ａｌ５  Ｏ１２）やＮｄ：ＹＶＯ４  等の結晶から構成され、Ｅｒ，Ｔｂ，Ｎｄ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｐｒから選ばれた１以上の元素が含有されたものなどが挙げられる。この固体レーザ媒質５１は、前記光収束機構１の光ファイバ２の出射端２ａ側に設けられる。
光ファイバ２の出射端２ａから出射された光６２は、固体レーザ媒質５１に入射し、これにより固体レーザ媒質５１で共振動作が起こり、発信レーザが出射される。
【００１５】
本実施形態の半導体レーザ装置４は、前記した光収束機構１を用いることによって、優れた結合効率で、半導体レーザアレイ４１から出射された複数の出力光６１をそれぞれの光ファイバ２に結合でき、半導体レーザアレイ４１から出射された出力光６１を低損失で収束でき、高出力の光６２として出射できる。
また、エアークラッド構造の光ファイバ２のコアは、石英ガラスから構成され、０．７〜１．０μｍの波長帯において比較的光損失が小さいため、この波長帯の光を低損失で出射できる。
【００１６】
本実施形態の光励起固体レーザ装置５は、前記半導体レーザ装置４を励起用光源として用いることによって、高出力の励起光６２を固体レーザ媒質５１に入射でき、これにより高強度のレーザ光を出射することができる。
このように、本実施形態の光励起固体レーザ装置５は、高出力のレーザ光が出射できるため、例えば金属溶接等にも利用することができる。
【００１７】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
図４は、本実施形態の光励起固体レーザ装置の他の一例を示す概略図である。光収束機構１１の光ファイバ２の入射端２ｂ側と出射端２ａ側には、それぞれ集光用のレンズ７が設けられている。レンズ７としては、球状レンズ、円柱状レンズや、また複数のレンズ７が配置されたレンズアレイ等が適用できる。
光収束機構１１の光ファイバ２の入射端２ｂ側では、光源となる半導体レーザアレイ４１の各出力端４２に対向する位置にレンズ７が配置されており、これにより、半導体レーザアレイ４１の各出力端４２から出射された出力光６１を集光して、コリメート性に優れた光として光ファイバ２に結合させることができる。このため、光源からの出力光６１の光ファイバ２への結合効率を更に高めることができ、低損失で光源からの出力光６１を収束できる光収束機構１１が実現できる。
また、光収束機構１１の光ファイバ２の出射端２ａ側にレンズ７を配置することによって、光収束機構１１にて収束された光６２は、レンズ７によって集光されてコリメート性に優れた光として出射できる。
【００１８】
前記した光収束装置１１を用いた半導体レーザ装置１４は、高出力でコリメート性に優れた光６２を低損失で出射できる。また、この半導体レーザ装置１４を励起用光源として用いた光励起固体レーザ装置１５は、高強度のレーザ光を効率良く出射することができる。
【００１９】
図５は、本実施形態の光励起固体レーザ装置の更に他の一例を示す概略図である。光収束機構２１の光ファイバ２の出射端２ａ側には、１本の出射用光ファイバ８が設けられている。この出射用光ファイバ８としては、開口数が、半導体レーザアレイ４１と固定レーザ媒質５１の開口数の平均値となるように調整された光ファイバが用いられる。
前記出射用光ファイバ８が設けられたことによって、半導体レーザ装置２４の出射端となる出射用光ファイバ８は、半導体レーザアレイ４１から十分離れた位置にあり、半導体レーザアレイ４１の光出力に伴って発せられた熱が、光収束機構２１を介して出射用光ファイバ８の出射端面にまで伝わることがない。このため、図５に示された光励起固体レーザ装置２５では、半導体レーザアレイ４１の光出力に伴なう発熱が、光収束機構２１を介して固体レーザ媒質５１に伝わることを防止でき、熱によって固体レーザ媒質５１の共振動作が不安定になることを無くすることができ、安定したレーザ発振が可能となる。
【００２０】
また、光励起固体レーザ装置５では、固体レーザ媒質５１での共振動作を効率良く行えるように、固体レーザ媒質５１を介在して対向する１対の反射鏡を備えたレーザ共振器を設けた構成や、固体レーザ媒質５１のレーザ出射端側に非線形光学結晶素子を設け、固体レーザ媒質５１から出射された基本波の発振レーザ光が非線形光学結晶素子を通過することにより、波長変換されたレーザ光として出力される構成としても構わない。
【００２１】
次に本実施形態の具体例を以下に示す。
具体例の光励起固体レーザ装置５は、図３に示された本実施形態と同様の構成であるため、詳細の説明は省略する。半導体レーザアレイ４１は、基板の同一の端面に１９個の出力端４２が配列して設けられたものである。この出力端４２の形状は、長方形であり、長辺が１５０μｍ、短辺が１μｍである。
【００２２】
次に光収束機構１のエアークラッド構造を有する光ファイバ２について説明する。光収束機構１は、図３に示された本実施形態と同様の構成となる。光ファイバ２のコアの断面形状は、長方形であり、長辺が１６０μｍ、短辺が１０μｍである。また光ファイバ２の長さは７ｃｍ以下である。
光ファイバ用保持体３の入力側固定部３３と出力側固定部３２との間の距離は５ｃｍであり、光ファイバ２はその両端２ａ，２ｂが溝部３２ａ，３３ａに収納固定された状態で光ファイバ用保持体３に固定されている。
【００２３】
コアの断面が長方形であるため、光ファイバ２は束ねやすく、光ファイバ２の出射端２ａは、ほとんど隙間が無く、互いに接触した状態に束ねられている。このため、光ファイバ２に入射した光６１を高い結合効率で収束でき、高出力で、コリメート性に優れた光６２として出射できる。
また、光ファイバ２は、エアクラッド構造であるため、光ファイバ２の入射端２ｂの開口数を、半導体レーザアレイ４１の出力端４２からの光６１のビーム広がり角よりも大きい値とすることができる。
【００２４】
以上により、半導体レーザアレイ４１からの出力光６１を優れた結合効率で光ファイバ２の入射端２ｂに結合できる。また、半導体レーザアレイ４１の出力端４２の大きさに比べて、光収束機構１の光ファイバ２のコアの方が大きいため、光ファイバ２の入射端２ｂを半導体レーザアレイ４１の出力端４２に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
【００２５】
また、光ファイバ２の長さが７ｃｍ以下であるため、光ファイバ２をその両端２ａ，２ｂが溝部３２ａ，３３ａに収納された状態で光ファイバ用保持体３に固定したとき、光ファイバ２がたわみにくくなり、長手方向途中で光ファイバ２が破断することをほとんど無くすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の光集束機構は、エアクラッド構造を有する光ファイバから構成され、光ファイバの開口数を大きな値とすることができ、優れた結合効率で光源からの光を光ファイバの他方の端面に結合させることができる。このため、光源からの光を低損失で収束できる。また、空気をクラッドとして用いるため、従来のように光源の光出力に伴う発熱によってクラッドが熱変質することがなく、高い光強度のレーザ光等を安定して収束することができる。
また、光ファイバの開口数を大きな値とすることができるため、光ファイバの他方の端面を光源の出力端に対向配置する際、配置位置の公差が大きく、配置作業が容易に行える。
【００２７】
また、本発明の半導体レーザ装置は、前記した光収束機構を用いることによって、優れた結合効率で、半導体レーザアレイから出射された複数の光をそれぞれの光ファイバに結合でき、半導体レーザアレイから出射された光を低損失で収束でき、高出力の光として出射できる。
本発明の光励起固体レーザ装置は、前記半導体レーザ装置を励起用光源として用いることによって、高出力の励起光を固体レーザ媒質に入射でき、これにより高強度のレーザ光を出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の光収束機構の一例を示す概略図である。
【図２】エアクラッド構造を有する光ファイバの一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態の光励起固体レーザ装置の一例を示す概略図である。
【図４】本実施形態の光励起固体レーザ装置の他の一例を示す概略図である。
【図５】本実施形態の光励起固体レーザ装置の更に他の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１，１１，２１‥‥光収束機構、２‥‥光ファイバ、２ａ‥‥光ファイバの一方の端部、２ｂ‥‥光ファイバの他方の端部、４，１４，２４‥‥半導体レーザ装置、５，１５，２５‥‥光励起固体レーザ装置、７‥‥レンズ、８‥‥出射用光ファイバ、４１‥‥半導体レーザアレイ、４２‥‥半導体レーザアレイの光出射端、５１‥‥固体レーザ媒質、６１‥‥光ファイバに入射する光、６２‥‥半導体レーザ装置から出射された光
【図１】
2004325550.tif 000003
【図２】
2004325550.tif 000004
【図３】
2004325550.tif 000005
【図４】
2004325550.tif 000006
【図５】
2004325550.tif 000007