(57)【要約】【課題】極めて高い光密度のレーザ光束を生成できる集光装置を提供する。【解決手段】集光装置は、光源１０および２０と合光素子３０を備えている。光源１０、２０は、それぞれ半導体レーザアレイスタック１２、２２と、コリメートレンズ１６、２６と、光路変換素子１８、２８とを備えている。合光素子３０は、半導体レーザアレイスタック１２からの光束と半導体レーザアレイスタック２２とからの光束を合成する。したがって、高い光密度のレーザ光束が生成される。合光素子３０の光透過部３２および光反射部３４が半導体レーザアレイ１２、２２の積層方向に沿って細長い帯状であれば、活性層１４、２４が位置ズレを有していても、活性層１４、２４から出射した光束が合光素子３０によって適切に受光される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源と、第２の光源と、前記第１の光源からの光束と前記第２の光源からの光束とを合成する第１の合光素子と、を備える集光装置であって、
前記第１の光源は、第１の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが前記第１の方向と垂直な方向に複数個積層された第１の半導体レーザアレイスタックと、前記複数の活性層から出射した複数の光束を前記第１の方向と垂直な面内で屈折させる第１のコリメートレンズと、前記第１のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第１の光路変換素子とを備えており、
前記第２の光源は、第２の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが前記第２の方向と垂直な方向に複数個積層された第２の半導体レーザアレイスタックと、前記複数の活性層から出射した複数の光束を前記第２の方向と垂直な面内で屈折させる第２のコリメートレンズと、前記第２のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第２の光路変換素子とを備えており、
前記第１の合光素子は、前記第１の光路変換素子から出射した光束を受光する光透過部を有しており、
前記第１の合光素子は、前記第２の光路変換素子から出射した光束を受光する光反射部を有しており、
前記第１の合光素子は、前記光透過部を透過した光束と前記光反射部で反射された光束とを合成する
集光装置。
【請求項２】
前記第１の合光素子の前記光透過部および前記光反射部は、ともに前記半導体レーザアレイの積層方向に沿って細長い帯状であり、
前記第１の合光素子は、前記光透過部と前記光反射部とが交互に配置された平板である
請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記第１の合光素子は、第１および第２の光源の活性層からそれぞれ出射する光束の中心軸に対して４５度の角度で傾斜しており、
前記第１の合光素子の表面は、前記第１の光源と対向しており、
前記第１の合光素子の裏面は、前記第２の光源と対向している
請求項２に記載の集光装置。
【請求項４】
第３の光源と、第２の合光素子と、をさらに備える請求項１に記載の集光装置であって、
前記第３の光源は、第３の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが前記第３の方向と垂直な方向に複数個積層された第３の半導体レーザアレイスタックと、前記複数の活性層から出射した複数の光束を前記第３の方向と垂直な面内で屈折させる第３のコリメートレンズと、前記第３のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第３の光路変換素子とを備えており、
前記第２の合光素子は、前記第１の合光素子によって合成された光束を受光する光透過部を有しており、
前記第２の合光素子は、前記第３の光路変換素子から出射した光束を受光する光反射部を有しており、
前記第２の合光素子は、前記光透過部を透過した光束と前記光反射部で反射された光束とを合成する
請求項１に記載の集光装置。
【請求項５】
第３の光源と、第２の合光素子と、をさらに備える請求項１に記載の集光装置であって、
前記第３の光源は、第３の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが前記第３の方向と垂直な方向に複数個積層された第３の半導体レーザアレイスタックと、前記複数の活性層から出射した複数の光束を前記第３の方向と垂直な面内で屈折させる第３のコリメートレンズと、前記第３のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第３の光路変換素子とを備えており、
前記第２の合光素子は、前記第３の光路変換素子から出射した光束を受光する光透過部を有しており、
前記第２の合光素子は、前記第１の合光素子によって合成された光束を受光する光反射部を有しており、
前記第２の合光素子は、前記光透過部を透過した光束と前記光反射部で反射された光束とを合成する
請求項１に記載の集光装置。
【請求項６】
前記第２の合光素子の前記光透過部および前記光反射部は、ともに前記半導体レーザアレイの積層方向に沿って細長い帯状であり、
前記第２の合光素子は、前記光透過部と前記光反射部とが交互に配置された平板である
請求項４又は５に記載の集光装置。
【請求項７】
前記第２の合光素子は、第１の合光素子によって合成される光束および第３の光源の活性層から出射する光束の中心軸に対して４５度の角度で傾斜しており、
前記第２の合光素子の表面は、前記第１の合光素子と対向しており、
前記第２の合光素子の裏面は、前記第３の光源と対向している
請求項６に記載の集光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い光密度のレーザ光束を生成する集光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高出力のレーザ素子として、半導体レーザアレイスタックが知られている。特開平９−１８１３７６号公報および特開２００２−９３８５号公報には、半導体レーザアレイスタックの一例が記載されている。図２は、半導体レーザアレイスタックの一例を示す斜視図である。図３は、半導体レーザアレイの前端面（光出射面）を示す図である。図２に示されるように、半導体レーザアレイスタック１２は、複数の半導体レーザアレイ１１と複数のヒートシンク１３とが交互に配置された構造を有している。ヒートシンク１３は、半導体レーザアレイ１１を冷却する。図３に示されるように、半導体レーザアレイ１１では、複数の活性層１４が水平方向に沿って配置されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザアレイスタック１２では、半導体レーザアレイ１１が垂直方向に積層される結果、複数の活性層１４が行列状に配置される。各活性層１４は、レーザ光を放出する。これらの活性層１４から出射するレーザ光は、一つの光束を形成する。活性層１４を高い密度で配置することにより、高い光密度の光束が得られる。しかし、近年では、光密度のさらなる向上が要望されている。
【０００４】
そこで、この発明は、極めて高い光密度のレーザ光束を生成できる集光装置の提供を課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る集光装置は、第１の光源と、第２の光源と、第１の合光素子とを備えている。第１の光源は、第１の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが第１の方向と垂直な方向に複数個積層された第１の半導体レーザアレイスタックと、複数の活性層から出射した複数の光束を第１の方向と垂直な面内で屈折させる第１のコリメートレンズと、第１のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第１の光路変換素子とを備えている。第２の光源は、第２の方向に沿って並列に配列された複数の活性層を有する半導体レーザアレイが第２の方向と垂直な方向に複数個積層された第２の半導体レーザアレイスタックと、複数の活性層から出射した複数の光束を第２の方向と垂直な面内で屈折させる第２のコリメートレンズと、第２のコリメートレンズによって屈折された光束を受光し、その光束の横断面をほぼ９０°回転させる第２の光路変換素子とを備えている。ここで、光束の横断面とは、その光束の中心軸に実質的に垂直な断面をいう。第１の合光素子は、第１の光源からの光束と第２の光源からの光束とを合成する。第１の合光素子は、第１の光路変換素子から出射した光束を受光する光透過部と、第２の光路変換素子から出射した光束を受光する光反射部を有している。第１の合光素子は、光透過部を透過した光束と光反射部で反射した光束とを合成する。
【０００６】
第１の半導体レーザアレイスタックからの光束と第２の半導体レーザアレイスタックからの光束は、合光素子を用いて合成される。したがって、高い光密度のレーザ光束が生成される。半導体レーザアレイスタックの活性層から出射した光束は、コリメートレンズの屈折作用によって、活性層の配列方向と垂直な面内での光束の拡がりが抑えられる。光路変換素子によって光束の横断面がほぼ９０°回転させられると、活性層の配列方向において光束の拡がりが抑えられる。これにより、光束の横断面は、半導体レーザアレイの積層方向に長く活性層の配列方向に短い形状となる。このため、合光素子の光透過部および光反射部が半導体レーザアレイの積層方向に沿って細長い帯状であれば、活性層が位置ズレを有していても、活性層から出射した光束が合光素子によって適切に受光される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る集光装置を示す概略斜視図である。本実施形態に係る集光装置は、第１の光源１０、第２の光源２０および合光素子３０から構成されている。
【０００９】
第１の光源１０は、一つの半導体レーザアレイスタック１２と、複数のコリメートレンズ１６と、複数の光路変換素子１８とから構成されている。これらは相互に光学的に結合されている。
【００１０】
図２は、半導体レーザアレイスタックの斜視図である。半導体レーザアレイスタック１２は、図２に示すように、複数の半導体レーザアレイ１１と複数のヒートシンク１３とがｚ軸方向に沿って交互に配置された構造を有している。図３は、半導体レーザアレイ１１の前端面（光出射面）を示す図である。図４は、活性層１４の前端面を示す図である。各半導体レーザアレイ１１は、複数の活性層１４を有している。半導体レーザアレイ１１は、幅１ｃｍの間に活性層１４が、５００μｍの間隔でｙ軸方向に一列に配列された構造を有している。その活性層１４の断面は、１００μｍの幅、１μｍの厚さを有している。図５は、半導体レーザアレイから出射した光束の拡がり角を示す図である。この活性層１４から出射する光束の拡がり角は、図５に示されるように、活性層１４の厚み方向、すなわち垂直方向（ｚ軸方向）で３０°であり、活性層１４の幅方向、すなわち水平方向（ｙ軸方向）で８°である。
【００１１】
ヒートシンク１３は、半導体レーザアレイ１１を冷却する。ヒートシンク１３は、銅製の平板状部材を組み合わせて形成した冷却水路を有している。冷却水は、この冷却水路内を循環する。
【００１２】
図６は、コリメートレンズ１６の一例としてのシリンドリカルレンズを示す斜視図である。図６に示すように、ｘ軸方向の長さが０．２ｍｍであり、ｙ軸方向の長さが１２ｍｍであり、ｚ軸方向の長さが０．６ｍｍである。シリンドリカルレンズ１６は、ｙ軸方向に沿って細長い形状をしている。シリンドリカルレンズ１６の前後のレンズ面は、ｙ軸方向に沿った母線をもつ円柱面である。
【００１３】
シリンドリカルレンズ１６は、母線方向を含む面内では屈折作用を有しないが、母線に垂直な面内では屈折作用を有している。上述のように、活性層１４から出射する光束の垂直方向の拡がり角が大きいので、集光効率を高めるためには、屈折作用を利用して光束の拡がりを抑える必要がある。そこで、相互に対向するシリンドリカルレンズ１６と半導体レーザアレイ１１は、シリンドリカルレンズ１６の母線と半導体レーザアレイ１１の垂直方向（ｚ軸方向）とが直交するように設置する。このように設置すると、活性層１４から出射した光束をシリンドリカルレンズ１６の母線に垂直な面内で屈折させ、平行化することができる。すなわち、コリメートレンズ１６は、各活性層１４から出射した光束の垂直方向（ｚ軸方向）の成分を屈折させ、平行化する。また、この平行化を効率良く行うために、シリンドリカルレンズ１６を活性層１４と近接させて配置する。このため、コリメートレンズ１６は、半導体レーザアレイ１１と１対１に対応している。すなわち、コリメートレンズ１６の設置数は、半導体レーザアレイ１１の数に等しい。各コリメートレンズ１６は、それぞれ一つの半導体レーザアレイ１１と対向するように配置されている。したがって、一つの半導体レーザアレイ１１の活性層１４から出射する光束は、すべて一つのコリメートレンズ１６に入射する。
【００１４】
図７は、光路変換素子１８の一例を示す斜視図である。光路変換素子１８は、ガラス、石英等の透光性材料からなる。ｘ軸方向の長さは１．５ｍｍ、ｙ軸方向の長さは１２ｍｍ、ｚ軸方向の長さは１．５ｍｍである。このように、光路変換素子１８は、ｙ軸方向に沿って細長い形状をしている。
【００１５】
光路変換素子１８は、コリメートレンズ１６で平行化された光束の横断面をほぼ９０°回転させる。このため、光路変換素子１８は、シリンドリカルレンズ１６と１対１に対応させて配置する。すなわち、各光路変換素子１８は、それぞれ一つのコリメートレンズ１６と対向するよう配置される。したがって、一つのシリンドリカルレンズ１６から出射するすべての光束は、対応する一つの光路変換素子１８に入射する。
【００１６】
光路変換素子１８は、互いに対向する入射面１８０と出射面１８１とを有している。この入射面１８０は、並列に配置された幅０．５ｍｍの複数の円柱面を有している。これらの円柱面は、ｙ軸方向に対して４５°の角度で延びている。これらの円柱面の数は、半導体レーザアレイ１１の活性層１４の数に等しい。すなわち、これらの円柱面は活性層１４と１対１に対応している。反射面１８１も同様に、並列に配置された幅０．５ｍｍの複数の円柱面を有している。これらの円柱面も、ｙ軸方向に対して４５°の角度で延びている。これらの円柱面も、活性層１４と１対１に対応している。したがって、一つの半導体レーザアレイ１１の各活性層１４から出射する光束は、すべて対応する一つの光路変換素子１８に入射する。
【００１７】
なお、光路変換素子の他の例は、特許第３０７１３６０号公報に記載されている。
【００１８】
第２の光源２０は、第１の光源１０と同様に、一つの半導体レーザアレイスタック２２と、複数のシリンドリカルレンズ２６と、複数の光路変換素子２８とから構成されている。これらは、相互に光学的に結合されている。半導体レーザアレイスタック２２、シリンドリカルレンズ２６および光路変換素子２８の構成は、それぞれ半導体レーザアレイスタック１２、シリンドリカルレンズ１６および光路変換素子１８と同じであるため、詳細な説明は省略する。但し、第２の光源２０の向きは、第１の光源１０の向きと異なっている。具体的には、半導体レーザアレイスタック１２を構成する半導体レーザアレイ１１は、ｙ軸方向に沿って並列に配列された複数の活性層１４を有している。これに対し、半導体レーザアレイスタック２２を構成する半導体レーザアレイ２１は、ｘ軸方向に沿って並列に配列された複数の活性層２４を有している。シリンドリカルレンズ２６は、半導体レーザアレイ２１の活性層２４に対応してｘ軸方向に沿って配置されている。光路変換素子２８も同様に、半導体レーザアレイ２１の活性層２４に対応してｘ軸方向に沿って配置されている。
【００１９】
図８は、合光素子３０の平面図である。合光素子３０は、複数の光透過部３２と複数の光反射部３４とが交互に並列配置された平板からなる。光透過部３２および光反射部３４の各々は、同一寸法の帯状をしている。光透過部３２および光反射部３４は、半導体レーザアレイ１１、２１の積層方向（垂直方向）に沿って細長い長方形である。合光素子３０は、透過性物質を主材としたプレートからなる。各光透過部３２の表面には、光透過性薄膜が形成されている。各光反射部３４の表面には、光反射性薄膜が形成されている。各光透過部３２は、光路変換素子１８から出射した光束を受光する。一方、各光反射部３４は、光路変換素子２８から出射した光束を受光する。
【００２０】
合光素子３０は、第１の光源１０の活性層１４から出射する光束の中心軸１５に対して、４５°の角度で傾斜している。合光素子３０は、第２の光源２０の活性層２４から出射する光束の中心軸１５に対しても同様に、４５°の角度で傾斜している。合光素子３０の表面は、第１の光源１０と対向しており、合光素子３０の裏面は、第２の光源２０と対向している。
【００２１】
一つの光透過部３２は、第１の光源１０の半導体レーザアレイスタック１２の行列状に配置された活性層１４の一つの列に対応している。各列の活性層１４から出射するすべての光束は、対応する一つの光透過部３２に入射する。一方、一つの光反射部３４は、第２の光源２０の半導体レーザアレイスタック２２の行列状に配置された活性層２４の一つの列に対応している。各列の活性層２４から出射するすべての光束は、対応する一つの光反射部３４に入射する。このため、第１の光源１０の活性層１４から出射した光束は、すべて合光素子３０の光透過部３２を透過する。一方、第２の光源２０の活性層２４から出射した光束は、すべて合光素子３０の光反射部３４によって反射される。その結果、それぞれの光束は、合光素子３０の裏面側で同一方向に進行する。これらの光束は、一つの合成光６１を形成する（図１）。
【００２２】
次に、図９および図１０を参照しながら、本実施形態に係る集光装置の作用について説明する。ここで、図９（ａ）は、活性層１４、２４で発生した光の出射時の横断面（出射パターン）を示している。図９（ｂ）は、活性層１４、２４から出射した光束がシリンドリカルレンズ１６、２６を通過した後の当該光束の横断面を示している。図９（ｃ）は、シリンドリカルレンズ１６、２６を通過した光束が光路変換素子１８、２８を通過した後の当該光束の横断面を示している。
図１０（ａ）は、第１の光源１０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３２を透過する時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１０（ｂ）は、第２の光源２０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３４で反射される時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１０（ｃ）は、第１の光源１０から出射した光束と第２の光源２０から出射した光束との合成光６１の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。
【００２３】
図４に示されるように、活性層１４、２４の横断面の垂直方向の長さは、水平方向の長さの１００分の１である。したがって、活性層１４、２４から出射する際、光束の横断面は水平方向に細長い（図９（ａ））。活性層１４，２４から出射した光束がシリンドリカルレンズ１６、２６に到達するまでに多少拡散しても、その光束の横断面の垂直方向の長さは水平方向の長さの１０分の１以下に抑えることができる。すなわち、シリンドリカルレンズ１６、２６に入射する光束の横断面も、水平方向に細長い形状を有している。
【００２４】
この光束がシリンドリカルレンズ１６、２６を透過すると、シリンドリカルレンズ１６、２６の母線方向と垂直な面内で屈折される。この結果、光束の垂直方向成分が平行化される（図９（ｂ））。一方、光束の水平方向成分は、屈折作用を受けないため、水平方向の拡がり角に変化はない。
【００２５】
活性層１４から出射した光束は、シリンドリカルレンズ１６を透過した後、光路変換素子１８に入射する。光路変換素子１８は、その光束の横断面を光束の中心軸１５のまわりにほぼ９０°回転させる（図９（ｃ））。これにより、垂直方向で平行化された光束は、水平方向で平行化された光束へ変換される。これにより、光束の横断面は、垂直方向に長く水平方向に短い形状となる。
【００２６】
活性層２４から出射した光束も第１の光源と同様に、シリンドリカルレンズ２６を透過すると光束の垂直方向成分が平行化される。この光束は、光路変換素子２８を透過すると、水平方向で平行化された光束へ変換される。この結果、第２の光源２０においても、光束は水平方向で拡がらなくなる。光路変換素子１８と同様に、光路変換素子２８から出射する光束の横断面も垂直方向に長く水平方向に短い形状となる。
【００２７】
光路変換素子１８および２８から出射する光束は、合光素子３０の光透過部３２および光反射部３４にそれぞれ向かう。光透過部３２および光反射部３４は、それぞれ垂直方向に細長い形状を有している。各活性層１４、２４から光透過部３２または光反射部３４へ向かう光束の幅は、光透過部３２および光反射部３４のそれぞれの幅よりも十分に狭い。このため、各活性層１４、２４から出射した光束は、合光素子３０の光透過部３２または光反射部３４の各幅の範囲内で受光される。半導体レーザアレイスタック１２、２２では、活性層１４、２４が水平方向および垂直方向に沿って行列状に配列されている。各列の活性層１４から出射した光束は、対応する各光透過部３２を透過する（図１０（ａ））。一方、各列の活性層２４から出射した光束は、対応する各光反射部３４で反射される（図１０（ｂ））。各光透過部３２を透過した光束と各光反射部３４によって反射された光束は、一つの合成光６１を形成する。合成光６１の光密度は、第１の光源１０から出射する光束の光密度と第２の光源２０から出射する光束の光密度とを加算したものとなる（図１０（ｃ））。半導体レーザアレイスタック１２、２２からの高い光密度の光束が合成されるので、極めて高い光密度の光束を得ることができる。
【００２８】
上記の説明では、すべての活性層１４、２４が所定の位置に配置されているものと想定している。しかし、実際には、半導体レーザアレイスタック１２，２２の組み立てにおいて、半導体レーザアレイ１１、２１を積層する際に、活性層１４、２４が所定の位置からずれることがある。本実施形態は、このような場合でも光密度を損なわずに合成光６１を形成できる。以下では、この点について説明する。
【００２９】
半導体レーザアレイ１１、２１は、半導体工程で精密に製造されるので、個々の半導体レーザアレイ１１、２１において活性層１４、２４の水平方向の間隔の誤差は非常に小さい。しかし、半導体レーザアレイスタック１２，２２の組み立ては機械的な工程によって行われるので、半導体レーザアレイ１１、２１の積層間隔が不均一となる可能性がある。この場合、活性層１４，２４の位置が、所定の位置から垂直方向にずれることになる。この位置ズレは、通常５０μｍ程度である。
【００３０】
以下では、半導体レーザアレイスタック２２において、垂直方向の位置ズレが生じた場合における本実施形態の集光装置の作用を説明する。なお、半導体レーザアレイスタック１２は位置ズレを有していないものとする。図１１（ａ）は、第１の光源１０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３２を透過する時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１１（ｂ）は、第２の光源２０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３４で反射される時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１１（ｃ）は、第１の光源１０から出射した光束と第２の光源２０から出射した光束との合成光６１の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。半導体レーザアレイスタック２２では、２番目に積層した半導体レーザアレイ２１が所定の位置より垂直方向にずれている。このため、図１１（ｂ）に示されるように、２段目以上の光束が全体的に垂直方向にずれている。しかし、光反射部３４が垂直方向に細長い形状を有しているので、このような位置ズレがあっても、光束は光反射部３４に入射することができる。この結果、図１１（ｃ）に示されるように、第１の光源１０からの光束と第２の光源２０からの光束を適切に合成でき、高い光密度を得ることができる。
【００３１】
上記の説明は、活性層が垂直方向の位置ズレを有していることを想定している。実際、ほとんどの場合、活性層の位置ズレは垂直方向に限られている。しかし、半導体レーザアレイスタック１２、２２の組み立ての際に、活性層１４、２４が所定の位置から水平方向にわずかにずれる可能性もある。
【００３２】
以下では、半導体レーザアレイスタック１２が水平方向の位置ズレを生じた場合における本実施形態の集光装置の作用を説明する。なお、半導体レーザアレイスタック２２は位置ズレを有していないものとする。図１２（ａ）は、第１の光源１０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３２を透過する時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１２（ｂ）は、第２の光源２０から出射した光束が合光素子３０の光透過部３４で反射される時の当該光束の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。図１２（ｃ）は、第１の光源１０から出射した光束と第２の光源２０から出射した光束との合成光６１の中心軸１５に対して垂直な横断面図である。半導体レーザアレイスタック１２では、２番目に積層した半導体レーザアレイ１１が水平方向の位置ズレを有している。このため、図１２（ａ）に示されるように、２段目の光束は全体的に右にずれている。しかし、このような位置ズレがあっても、光束は光透過部３２に入射することができる。活性層１４から光透過部３２に入射する光束の横断面は、光路変換素子１８の作用により、垂直方向に長く水平方向に短い形状となっている。この光束の幅は、光透過部３２の幅よりも極めて狭い。このため、活性層１４が水平方向に多少の位置ズレを有していても、光透過部３２は活性層１４からの光束を受光することができる。この結果、図１２（ｃ）に示されるように、第１の光源１０からの光束と第２の光源２０からの光束を適切に合成できる。
【００３３】
以上、詳細に説明したように、本実施形態に係る集光装置は、２つ半導体レーザアレイスタック１２、２２からの光束を合光素子３０で合成するので、極めて高い光密度のレーザ光束を生成できる。合光素子３０の光透過部３２と光反射部３４とは垂直方向に細長い形状を有しているので、活性層１４、２４が垂直方向の位置ズレを有していても適切に光束を合成でき、高い光密度を得ることができる。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る集光装置について説明する。図１３は、本実施形態に係る集光装置の平面図である。第１の実施形態の集光装置は、２つの光源と１枚の合光素子とから構成されているのに対し、本実施形態の集光装置は、３つの光源と２枚の合光素子とから構成されている。第１の実施形態の集光装置は、２つの光源から出射した光束を合成するのに対し、本実施形態の集光装置は、３つの光源から出射した光束を合成する。
【００３５】
本実施形態に係る集光装置は、第１の光源１０、第２の光源２０、第３の光源４０、第１の合光素子３０および第２の合光素子５０から構成されている。第１の光源１０、第２の光源２０および第１の合光素子３０の構成および配置は、第１実施形態に関して説明した通りである。
【００３６】
第３の光源４０は、第１の光源１０および第２の光源２０と同一の構成を有している。すなわち、第３の光源４０は、一つの半導体レーザアレイスタック４２と、複数のコリメートレンズ４６と、複数の光路変換素子４８とから構成されている。なお、半導体レーザアレイスタック４２、コリメートレンズ４６および光路変換素子４８の構成は、それぞれ半導体レーザアレイスタック１２，２２、コリメートレンズ１６，２６および光路変換素子１８、２８と同じである。これらは相互に光学的に結合されている。半導体レーザアレイスタック４２は、図２に示すように半導体レーザアレイ１１とヒートシンク１３とをｚ軸方向に沿って交互に配置させた構造を有している。半導体レーザアレイ１１は、複数の活性層４４を有している。ヒートシンク１３は、半導体レーザーアレイ１１を冷却する。
【００３７】
コリメートレンズ４６は、各活性層４４から出射した光束の垂直方向の成分を屈折させ、平行化する。コリメートレンズ４６は、半導体レーザアレイ１１から出射した光束を効率良く屈折させるため、半導体レーザアレイ１１と１対１に対応している。コリメートレンズ４６の設置数は、半導体レーザアレイ１１の数に等しい。各コリメートレンズ４６は、それぞれ一つの半導体レーザアレイ１１と対向するように設置されている。したがって、一つの半導体レーザアレイ１１の活性層４４から出射する光束は、すべて一つのコリメートレンズ４６に入射する。
【００３８】
光路変換素子４８は、コリメートレンズ４６によって平行化された光束の横断面をほぼ９０°回転させる。光路変換素子４８も、半導体レーザアレイ１１から出射した光束の光路を効率良く変換するため、半導体レーザアレイ１１と１対１に対応している。すなわち、光路変換素子４８の設置数も半導体レーザアレイ１１の数に等しい。各光路変換素子４８は、それぞれ一つのコリメートレンズ４６と対向するように設置されている。したがって、一つのシリンドリカルレンズ４６から出射するすべての光束は、対応する一つの光路変換素子４８に入射する。
光路変換素子４８は、互いに対向する入射面１８０と出射面１８１とを有している。入射面１８０と出射面１８１とは、それぞれ複数の円柱面を有している。これら円柱面の数は、半導体レーザアレイ１１の活性層４４の数に等しい。すなわち、これら円柱面は活性層４４と１対１に対応している。したがって、一つの半導体レーザアレイ１１の各活性層４４から出射する光束は、すべて対応する一つの光路変換素子４８に入射する。
【００３９】
第３の光源４０の向きは、第２の光源２０の向きと同じであり、第１の光源１０の向きとは異なっている。第１の光源１０の半導体レーザアレイスタック１２を構成する半導体レーザアレイ１１は、ｙ軸方向に沿って並列に配列された複数の活性層１４を有しているのに対し、第２および第３の光源２０、４０の半導体レーザアレイスタック２２、４２を構成する半導体レーザアレイ１１は、ｘ軸方向に沿って並列に配列された複数の活性層２４、４４を有している。このため、シリンドリカルレンズ４６は、各半導体レーザアレイ１１の活性層４４に対応してｘ軸方向に沿って配置されている。光路変換素子４８も同様に、ｘ軸方向に沿って配置されている。
【００４０】
第１実施形態で説明したように、第１の光源１０から出射した光束は、第１の合光素子３０の各光透過部３２を透過する。一方、第２の光源２０から出射した光束は、第１の合光素子３０の各光反射部３４によって反射される。各光源１０、２０から出射した光束は合光素子３０の対応する各光透過部３２または各光反射部３４で受光される。その結果、それぞれの光束は、第１の合光素子３０の裏面側で同一方向に進行する。これらの光束は、一つの合成光６１となる（図１３）。
【００４１】
第２の合光素子５０は、第１の合光素子３０と同一の構成を有している。すなわち、第２の合光素子５０も、図８に示すような複数の光透過部と複数の光反射部とが交互に並列配置された平板からなる。光透過部および光反射部は、半導体レーザアレイの積層方向（垂直方向）に沿って細長い長方形である。第２の合光素子５０の各光透過部は、第１の合光素子３０から出射した合成光６１を受光する。一方、第２の合光素子５０の光反射部は、光路変換素子４８から出射した光束を受光する。第２の合光素子５０は、合成光６１の中心軸に対して、４５°の角度で傾斜している。第２の合光素子５０は、第３の光源４０の活性層４４から出射する光束の中心軸に対しても同様に、４５°の角度で傾斜している。第２の合光素子５０の表面は、第１の合光素子３０と対向しており、第２の合光素子５０の裏面は、第３の光源４０と対向している。第２の合光素子５０の一つの光反射部は、第３の光源４０の行列状に配置された活性層４４の一つの列に対応している。各列の活性層４４から出射するすべて光束は、対応する一つの光反射部に入射する。
【００４２】
合成光６１は、第２の合光素子５０の光透過部を透過する。一方、第３の光源４０から出射した光束は、第２の合光素子５０の対応する各光反射部によって反射される。その結果、それぞれの光束は、第２の合光素子５０の裏側で同一方向に進行する。これらの光束は、一つの合成光６５を形成する（図１３）。
【００４３】
次に、本実施形態に係る集光装置の作用効果について説明する。図１４は、３つの光源１０、２０、４０から出射する光束が、２枚の合光素子３０、５０によって一つの合成光６５が形成される様子を示す図である。図１４（ａ）は、第１の光源１０から出射した光束が第１の合光素子３０の各光透過部３２を通過する時の当該光束の中心軸に対して垂直な横断面図である。図１４（ｂ）は、第２の光源２０から出射した光束が第１の合光素子３０の各光反射部３４で反射される時の当該光束の中心軸に対して垂直な横断面図である。図１４（ｃ）は、第３の光源４０から出射した光束が第２の合光素子５０の各光反射部で反射される時の当該光束の中心軸に対して垂直な横断面図である。図１４（ｄ）は、第１の光源１０ら出射した光束と第２の光源２０から出射した光束との合成光６１の中心軸に対して垂直な横断面図である。図１４（ｅ）は、合成光６１と第３の光源４０から出射した光束との合成光６５の中心軸に対して垂直な横断面図である。
【００４４】
第１の実施形態で説明したように、光透過部３２を透過した光束（図１４（ａ））と光反射部３４によって反射された光束（図１４（ｂ））は、一つの合成光６１を形成する（図１４（ｄ））。合成光６１は、第２の合光素子５０の各光透過部を透過する。
【００４５】
一方、第３の光源４０の光路変換素子４８から出射した光束は、第２の合光素子５０の各光反射部によって反射される。半導体レーザアレイスタック４２の行列状に配置された各活性層４４の各列から出射した光束は、対応する各光反射部によって反射される（図１４（ｃ））。光透過部を透過した合成光６１と光反射部によって反射された光束は、一つの合成光６５を形成する。合成光６５の光密度は、上述の第１の光源１０から出射する光束の光密度と第２の光源２０から出射する光束の光密度とを加算したものに、さらに第３の光源４０から出射する光束の光密度を加算したものとなる（図１４（ｅ））。したがって、半導体レーザアレイスタック１２、２２および４２からの高い光密度の光束が合成されるので、光密度を極めて高くすることができる。
【００４６】
また、半導体レーザアレイスタック１２、２２または４４が位置ズレを生じている場合がある。しかし、第１の実施形態と同様に、第２の合光素子５０も垂直方向に細長い光透過部と光反射部とを有している。このため、このような場合でも光密度を損なわずに合成光６５を形成できる。したがって、３つの光源からの光束を合光素子で合成するので、極めて高い光密度のレーザ光束を生成できる。
【００４７】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
【００４８】
例えば、上記実施形態では、コリメートレンズの一例としてシリンドリカルレンズを使用する。この代わりに、ガラスファイバレンズ、セルフォックレンズ等を使用しても良い。また、本発明は、４つ以上の光源を用いる集光装置であってもよい。
【００４９】
上記実施形態の合光素子３０、５０では、帯状の平面形状を有する光透過部３２と光反射部３４とが交互に配置されている。このような合光素子の代わりに、図１５に示されるような合光素子７０を用いてもよい。合光素子７０は、行列状に配置された長方形の光透過部７２と、光透過部７２の間に配置された格子状の光反射部７４とを有している。なお、光反射部７４の代わりに、光透過部７２を格子の形状とし、光反射部７４を長方形としてもよい。
【００５０】
上記第２の実施形態では、合成光６１に第２の合光素子５０を透過させ、第３の光源４０から出射した光束を第２の合光素子５０で反射して合成光６５を形成している。この代わりに、第３の光源４０から出射した光束に第２の合光素子５０を透過させ、合成光６１を第２の合光素子５０で反射して合成光６５を形成しても良い。この場合、第２の合光素子５０の光透過部は、第３の光路変換素子４８から出射した光束を受光する。一方、第２の合光素子５０の光反射部は、合成光６１を受光する。
【００５１】
上記第１の実施形態では、第１の光源１０および第２の光源２０のうち一つの半導体レーザアレイスタックのみが位置ズレを有している。しかし、２以上の半導体レーザアレイスタックが垂直方向および／または水平方向の位置ズレを生じた場合であっても、合成光６１を形成できる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の集光装置は、複数の半導体レーザアレイスタックから出射した光束を合光素子により適切に合成するので、極めて高い光密度のレーザ光束を生成することができる。したがって、本発明の集光装置は、高い光密度を要する固体レーザ励起、印刷、材料加工または医療の分野に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る集光装置を示す概略斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る集光装置で用いる半導体レーザアレイスタックの斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係る集光装置で用いる半導体レーザアレイの前端面（光出射面）を示す図である。
【図４】半導体レーザアレイの活性層の前端面を示す図である。
【図５】半導体レーザアレイから出射した光束の拡がり角を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る集光装置で用いるシリンドリカルレンズの斜視図である。
【図７】第１の実施形態に係る集光装置で用いる光路変換素子の斜視図である。
【図８】第１の実施形態に係る集光装置で用いる合光素子の平面図である。
【図９】第１の実施形態に係る集光装置での光束の横断面を示す図である。
【図１０】第１の実施形態に係る集光装置によって光束が合成される様子を表す図である。
【図１１】第１の実施形態に係る集光装置において活性層が垂直方向の位置ズレを有する場合に光束が合成される様子を表す図である。
【図１２】第１の実施形態に係る集光装置において活性層が水平方向の位置ズレを有する場合に光束が合成される様子を表す図である。
【図１３】第２の実施形態に係る集光装置を示す概略斜視図である。
【図１４】第２の実施形態に係る集光装置によって光束が合成される様子を表す図である。
【図１５】本発明の集光装置に使用される合光素子の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１０…第１の光源、１２…第１の半導体レーザアレイスタック、１４、２４…活性層、１６…第１のシリンドリカルレンズ、１８…第１の光路変換素子、２０…第２の光源、２２…第２の半導体レーザアレイスタック、２６…第２のシリンドリカルレンズ、２８…第２の光路変換素子、３０…第１の合光素子、３２…光透過部、３４…光反射部、６１…合成光。
【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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