(57)【要約】【課題】従来の技術では、スロー方向の集光性は改善できるがファースト方向にレーザビームを２段に重ねるため、ファースト方向のビーム幅が２倍になり、ファースト方向に関しては集光性が悪化するという課題があった。本発明は、一次元アレイ半導体レーザを多段に重ねたスタック状半導体レーザユニットを集光光学系により集光する場合に、ファースト方向の集光性は悪化させないで、スロー方向の集光性が良いレーザ装置を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、スタック状半導体レーザユニット１からのレーザ光をコリメート光学系２を用いて発散角を制御し、平板３とプリズムユニット４を用いて、所定数のレーザ光を残りのレーザ光のファースト方向の隙間に平行移動し、集光光学系で集光することにより、ファースト方向の集光性はほとんど劣化させないでスロー方向の集光性を改善することができる。【選択図】  図１
2004273812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体レーザ素子を並べたアレイ半導体レーザを前記並びに対して直角方向に多数段に重ねた半導体レーザユニットと、前記複数の半導体レーザ素子からの各レーザ光の発散角を制御する発散角制御手段と、前記発散角制御手段を透過した各レーザ光のうち所定数を前記直角方向に平行移動させる直角方向移動手段と、前記所定数のレーザ光および残りのレーザ光の少なくとも一方を前記複数の半導体レーザ素子を並べた方向に平行移動する並び方向移動手段とを備え、移動するレーザ光を移動されないレーザ光の前記直角方向の間に前記並び方向移動手段で配置するレーザ装置。
【請求項２】
スロー方向移動手段は、平行四辺形プリズムを隣り合うアレイ半導体レーザの間隔と等間隔で多数段配置した請求項１記載のレーザ装置。
【請求項３】
スロー方向移動手段は、大きさが異なる２種類の平行四辺形プリズムを多数段重ねた請求項１記載のレーザ装置。
【請求項４】
ファースト方向移動手段はレーザ光を透過させる材質よりなる平行平板である請求項１から３のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項５】
所定数は約半数である請求項１から４のいずれかに記載のレーザ装置。
【請求項６】
ファースト方向移動手段により平行移動されるレーザ光のスロー方向の幅は、半導体レーザユニットより出力されるレーザ光のスロー方向の幅の約半分である請求項１から５のいずれかに記載のレーザ装置
【請求項７】
ファースト方向移動手段およびスロー方向移動手段は、各レーザ光のファースト方向の間隔を略均等にする請求項１から６のいずれかに記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザのレーザビームを高密度に集光してレーザ加工などに応用する、レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは電気エネルギーを光エネルギーに変化する効率が高く、小型である。しかしながら個々の半導体レーザ素子からの出力は小さいため、複数の半導体レーザ素子を一次元アレイ状に配列したり、さらに１次元アレイを多数段重ねたスタック状半導体レーザユニットとして用いられている。
【０００３】
一次元アレイ半導体レーザには、４０個程度の半導体レーザ素子を用いて、数十ワットの出力を得るものが実用化されている。またスタック状半導体レーザユニットには、キロワットレベルの出力を得るものも実用化されている。一次元アレイ半導体レーザやスタック状半導体レーザユニットをレーザ加工やＹＡＧレーザ等の固体レーザの端面励起に用いる際、レーザ光を微細なスポットに集光することが重要になる。
【０００４】
一次元アレイ半導体レーザやスタック状半導体レーザユニットを集光するには、個々の半導体レーザからのレーザビームをコリメート光学系を用いて、発散角を制御した後、集光光学系を用いて集光する。
【０００５】
しかしながら、一次元アレイ半導体レーザや、スタック状半導体レーザユニットは、半導体レーザ素子のスロー方向とファースト方向のビーム品質の違いのため、一般にスロー方向の集光性が悪い。
【０００６】
例えばスロー方向の幅が１００μｍ、ファースト方向の幅は１μｍの半導体レーザ素子をスロー方向に２５０μｍ間隔に配列した一次元アレイ半導体レーザを１．８ｍｍ間隔に２０段重ねたスタック状半導体レーザユニットをＮＡ０．２５の集光光学系で集光するとビーム幅はスロー方向４ｍｍ程度、ファースト方向１ｍｍ程度となる。
【０００７】
このようにスロー方向とファースト方向の集光スポットの幅が異なることは、加工応用における加工品質を悪くし、また固体レーザの端面励起などでは均質な励起を困難にしている。
【０００８】
上記のことを解決するため、従来技術として、図５に示す集光レーザ装置（例えば、特許文献１参照）によりスロー方向のビーム幅を改善している。ここで、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。
【０００９】
図５において、５１は一次元アレイ半導体レーザが複数段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、５２はコリメート光学系、５３は第１のプリズム、５４は第２のプリズム、５５と５６はシリンドリカルレンズ、５７は集光光学系、５８は集光スポット、６０−１は第１光線群、６０−２は第２光線群、６１は複合平行光線群である。
【００１０】
図６は、図５のスタック状半導体レーザユニット５１とコリメート光学系５２の詳細説明図を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は側面図である。また、図５と同一部分は同一番号を付与している。
【００１１】
５１−１，５１−２，５１−３、・・・はスタック状半導体レーザユニット５１を構成する個々の一次元アレイ半導体レーザ、５２−１および５２−２はコリメート光学系５２を構成するシリンドリカル光学素子のアレー、５９−１，５９−２，５９−３・・・は半導体レーザ素子で、５９は半導体レーザ素子５９−１，５９−２，５９−３・・・からなる半導体レーザ素子群である。
【００１２】
以下に、作用について説明する。
【００１３】
スタック状半導体レーザユニットは、図６（ｂ）に示すように個々の一次元アレイ半導体レーザ５１−１、５１−２、５１−３、・・・の重ね合わせにより構成され、これら個々の一次元アレイ半導体レーザ５１−１、５１−２、５１−３、・・・は、図６（ａ）に示すように、複数の半導体レーザ素子５９−１、５９−２、５９−３、・・・よりなり、半導体レーザ素子群５９は、スロー方向の幅は例えば１００μｍ程度と広く、ファースト方向の幅は例えば１μｍ程度と狭い。
【００１４】
コリメート光学系５２は、個々の半導体レーザ素子群５９に対応した、例えばシリンドリカルレンズによるシリンドリカル光学素子のアレー５２−１と５２−２よりなる。コリメート光学系５２により平行光線群６０を作る。
【００１５】
平行光線群６０は約２分割され、図５（ａ），（ｂ）の第１光線群６０−１と第２光線群６０−２となり、第１光線群６０−１は第１のプリズム５３で光線方向を傾け、第２のプリズム５４で光線方向を元に戻す。
【００１６】
その結果、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１光線群６０−１と第２光線群６０−２がファースト方向に２段に重ねられ、複合平行光線群となりシリンドリカル光学素子５５に入る。
【００１７】
シリンドリカルレンズ５５と５６は整形光学系を構成し、複合光線群の幅と高さを一致させ、複合平行光線群６１として、集光光学素子５７により、集光スポット５８を作る。
【００１８】
以上のように、従来の技術では、半導体レーザユニットのレーザ光線をコリメート光学系でコリメートした平行光線群を第一光線群と第二光線群の２つに分割し、これらをファースト方向に２段に重ねることにより、スロー方向の光源の大きさを１／２に縮小して、スロー方向の集光性を改善することができる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−２８４７３０号公報（第３−４頁、第１，２図）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のレーザ装置においては、スロー方向の集光性は改善できるがファースト方向にレーザビームを２段に重ねるため、ファースト方向のビーム幅が２倍になり、ファースト方向に関しては集光性が悪化するという課題があった。
【００２１】
本発明は、一次元アレイ半導体レーザを多段に重ねたスタック状半導体レーザユニットを集光光学系により集光する場合に、ファースト方向の集光性を悪化させないで、スロー方向の集光性が良いレーザ装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ装置は、上記課題を解決するために、複数の半導体レーザ素子を並べたアレイ半導体レーザを前記並びに対して直角方向に多数段に重ねた半導体レーザユニットと、前記複数の半導体レーザ素子からの各レーザ光の発散角を制御する発散角制御手段と、前記発散角制御手段を透過した各レーザ光のうち所定数を前記直角方向に平行移動させる直角方向移動手段と、前記所定数のレーザ光および残りのレーザ光の少なくとも一方を前記複数の半導体レーザ素子を並べた方向に平行移動する並び方向移動手段とを備え、移動するレーザ光を移動されないレーザ光の前記直角方向の間に前記並び方向移動手段で配置するようにしたものである。
【００２３】
この構成により、ファースト方向の集光性をほとんど劣化させないで、スロー方向の集光性を向上でき、加工などに実用性の高いレーザ装置が得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態によるレーザ装置の構成を示す概略図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。
【００２５】
図１において、１は複数の半導体レーザ素子を１次元的に並べた一次元アレイ半導体レーザが、それと直角方向であるファースト方向に３段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、２はコリメート光学系、３は平行平板、４はプリズムを一定間隔に３段重ねたプリズムユニット、４ａ，４ｂ，４ｃは平行四辺形プリズム、５は集光光学系、６−１は第１レーザ光、６−２は第２レーザ光である。第１レーザ光６−１を点線で、第２レーザ光を一点鎖線で示す。また、７は集光スポットである。
【００２６】
以下、本実施の形態の作用について説明する。
【００２７】
スタック状半導体レーザユニット１から出力された半導体レーザ光は、コリメート光学系２によりそのスロー方向とファースト方向の発散角が制御される。上述したスロー方向とは複数の半導体レーザ素子を１次元的に並べた方向をいい、ファースト方向とはスロー方向に直角な方向を意味し、以降の説明ではスロー方向とファースト方向を用いて説明する。
【００２８】
スタック状半導体レーザユニットを構成する隣り合う一次元アレイ半導体レーザのファースト方向の間隔は１．８ｍｍとする。
【００２９】
図２（ａ）はコリメート光学系２直後の半導体レーザ光６−１及び６−２の断面図である。第１レーザ光６−１を点線で、第２レーザ光を一点鎖線で示す。第１レーザ光６−１と第２レーザ光６−２を区別するため、図２では両者をスロー方向に少し間隔を空けて示したが、実際には両者の空間的隙間はない。また、図２（ａ）において、左右方向がスロー方向で上下方向がファースト方向である。
【００３０】
コリメート光学系２を通過した半導体レーザ光のうち、第２レーザ光６−２は平行平板３に入射する。平行平板３を透過した第２レーザ光６−２は、ファースト方向に０．９ｍｍ平行移動する。また第１レーザ光６−１は、平行平板３は通らず、そのまま伝播する。
【００３１】
平行平板３直後のレーザ光６−１と６−２の断面図を図２（ｂ）に示す。平行平板３を透過した第２レーザ光６−２が第１レーザ光６−１に対し、ファースト方向に平行移動されている。次に、第１レーザ光６−１と第２レーザ光６−２は、プリズムユニット４に入射する。
【００３２】
プリズムユニット４は平行四辺形プリズムを３枚、一定間隔に重ねたものである。プリズムの間隔は１．８ｍｍとする。隣り合うプリズム間はレーザ光が当たらない領域に細い支柱８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ等を設け、プリズム間の間隔を保っている。
【００３３】
プリズム４ａ，４ｂ，４ｃは、第１レーザ光６−１をスロー方向に平行移動させる。ここでプリズムユニット４は半導体レーザ光６−１と半導体レーザ光６−２のスロー方向の位置を一致させるように半導体レーザ光６−１を平行移動させる。
【００３４】
よって、プリズムユニット４を透過した第１レーザ光６−１及び第２レーザ光６−２の断面は、図２（ｃ）に示すようになる。図２（ｃ）から明らかなように、プリズムユニット４を透過した半導体レーザ光は、第１レーザ光６−１のファースト方向の隙間に第２レーザ光６−２を充填した形になっており、スタック状半導体レーザユニット１を出射直後の半導体レーザ光に比べスロー方向の幅が約半分になっている。
【００３５】
プリズムユニット４を透過したレーザ光は集光光学系５に入射する。集光光学系５はレーザ光を集光し、集光スポット７が形成される。ここで集光スポット７のビーム幅は、幾何光学的には（１）式のような形で与えられる。
【００３６】
【数１】
2004273812.tif 000003
【００３７】
（１）式において、ｙは像幅、ｙ０は光源の幅、ＮＡＯは光源の発散角、ＮＡＩは集光ビームの収束角である。本実施の形態では、スロー方向において、平行平板３、プリズムユニット４を用いて集光光学系５からみたスロー方向の光源の幅を約１／２にしているので、ＮＡＩが一定になるように集光光学系を設計すれば集光スポット７のスロー方向の幅は平行平板３、プリズムユニット４を用いない場合に比べ、１／２になる。
【００３８】
一方、ファースト方向は、平行平板３、プリズムユニット４を用いない場合に比べ、光源の幅が、おおよそ一次元アレイ半導体レーザ１つのファースト方向の幅分だけ増加するが、前述の従来技術に比べファースト方向の集光性の悪化は大幅に改善される。
【００３９】
以上のように、スタック状半導体レーザユニット１からのレーザ光をコリメート光学系２を用いて発散角を制御し、平行平板３とプリズムユニット４を用いて、所定数のレーザ光を残りのレーザ光のファースト方向の隙間に平行移動し、集光光学系で集光することにより、ファースト方向の集光性はほとんど劣化させないでスロー方向の集光性を改善することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態によるレーザ装置の構成を示す概略図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。
【００４１】
図３において、３１は一次元アレイ半導体レーザがファースト方向に３段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、３２はコリメート光学系、３３は平行平板、３４は大きさの異なる２種類の平行四辺形プリズムを交互に６段重ねたプリズムユニット、３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃは第１平行四辺形プリズム、３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃは第２平行四辺形プリズム、３５は集光光学系、３６−１は第１レーザ光、３６−２は第２レーザ光である。第１レーザ光３６−１を点線で、第２レーザ光３６−２を一点鎖線で示す。また、３７は集光スポットである。
【００４２】
以下に本実施の形態の作用について説明する。スタック状半導体レーザユニット３１から出力された半導体レーザ光は、コリメート光学系３２によりそのスロー方向とファースト方向の発散角が制御される。スタック状半導体レーザユニットを構成する隣り合う一次元アレイ半導体レーザの間隔は１．８ｍｍとする。
【００４３】
図４は本実施の形態における半導体レーザ光の断面図を示す図である。図４（ａ）は、コリメート光学系直後の第１レーザ光３６−１および第２レーザ光３６−２の断面図である。第１レーザ光３６−１を点線で、第２レーザ光３６−２を一点鎖線で示す。また、図４（ａ）において、左右方向がスロー方向で上下方向がファースト方向である。
【００４４】
第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２を区別するため、図４では両者をスロー方向に少し間隔を空けて示したが、実際には両者の空間的隙間はない。
【００４５】
コリメート光学系３２を通過した半導体レーザ光のうち第２レーザ光３６−２は、平行平板３３に入射する。平行平板３３を透過した第２レーザ光３６−２は、ファースト方向に０．９ｍｍ平行移動する。また第１レーザ光３６−１は、平行平板３３は通らず、そのまま伝播する。
【００４６】
平行平板３３直後のレーザ光３６−１と３６−２の断面図を、図４（ｂ）に示す。平行平板３３を透過した第２レーザ光３６−２が第１レーザ光３６−１に対し、ファースト方向に平行移動されている。
【００４７】
次に、第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２はプリズムユニット３４に入射する。プリズムユニット３４は大きさの異なる２つの平行四辺形プリズムを交互に積み重ねたものであり、第１平行四辺形プリズム３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃは第１レーザ光３６−１をスロー方向に平行移動させ、第２平行四辺形プリズム、３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃは第２レーザ光３６−２をスロー方向に平行移動させる。ここでプリズムユニット３４は、第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２のスロー方向の位置を一致させるように、それぞれを平行移動させる。
【００４８】
よってプリズムユニット３４を透過した第１レーザ光３６−１および第２レーザ光３６−２の断面は、図４（ｃ）に示すようになる。図４（ｃ）から明らかなように、プリズムユニット３４を透過した半導体レーザ光は、第１レーザ光３６−１のファースト方向の隙間に第２レーザ光３６−２を充填した形になっており、スタック状半導体レーザユニット３１を出射直後の半導体レーザ光に比べスロー方向の幅が約半分になっている。
【００４９】
プリズムユニット３４を透過したレーザ光は、集光光学系３５に入射する。集光光学系３５はレーザ光を集光し、集光スポット３７が形成される。ここで集光スポット３７のビーム幅は、幾何光学的には実施の形態１で示した（１）式で表される。
【００５０】
本実施の形態では、スロー方向において、平板３３、プリズムユニット３４を用いて集光光学系３５からみたスロー方向の光源の幅を約１／２にしているので、ＮＡＩが一定になるように集光光学系を設計すれば集光スポットのスロー方向の幅は平板３３、プリズムユニット３４を用いない場合に比べ、１／２になる。
【００５１】
一方ファースト方向は、平板３３、プリズムユニット３４を用いない場合に比べ、光源の幅が、おおよそ一次元アレイ半導体レーザ１つのファースト方向の幅分だけ増加するが、前述した従来技術に比べファースト方向の集光性の悪化は大幅に改善される。
【００５２】
以上のように、スタック状半導体レーザユニット３１からのレーザ光をコリメート光学系３２を用いて発散角を制御し、平行平板３３とプリズムユニット３４を用いて、所定数のレーザ光を残りのレーザ光のファースト方向の隙間に平行移動し、集光光学系で集光することにより、ファースト方向の集光性はほとんど劣化させないでスロー方向の集光性を改善することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ装置によれば、複数の半導体レーザ素子を並べたアレイ半導体レーザを前記並びに対して直角方向に多数段に重ねた半導体レーザユニットと、前記複数の半導体レーザ素子からの各レーザ光の発散角を制御する発散角制御手段と、前記発散角制御手段を透過した各レーザ光のうち所定数を前記直角方向に平行移動させる直角方向移動手段と、前記所定数のレーザ光および残りのレーザ光の少なくとも一方を前記複数の半導体レーザ素子を並べた方向に平行移動する並び方向移動手段とを備え、移動するレーザ光を移動されないレーザ光の前記直角方向の間に前記並び方向移動手段で配置するようにしたため、ファースト方向の集光性をほとんど劣化させないで、スロー方向の集光性を向上でき、加工などに実用性の高いレーザ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ装置の全体構成図
【図２】同実施の形態１におけるレーザビームの断面図
【図３】同実施の形態２におけるレーザ装置の全体構成図
【図４】同実施の形態２におけるレーザビームの断面図
【図５】従来におけるレーザ装置の全体構成図
【図６】従来におけるレーザ装置のスタック状半導体レーザユニットとコリメート光学系の詳細説明図
【符号の説明】
１，３１  スタック状半導体レーザユニット
２，３２  コリメート光学系
３，３３  平行平板
４，３４  プリズムユニット
４ａ，４ｂ，４ｃ，  平行四辺形プリズム
５，３５  集光光学系
６−１，３６−１  第１レーザ光
６−２，３６−２  第２レーザ光
７，３７  集光スポット
３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃ  第１平行四辺形プリズム
３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃ  第２平行四辺形プリズム
【図１】
2004273812.tif 000004
【図２】
2004273812.tif 000005
【図３】
2004273812.tif 000006
【図４】
2004273812.tif 000007
【図５】
2004273812.tif 000008
【図６】
2004273812.tif 000009