(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の発振波長を有し第１の方向に偏光するレーザビームを出射する二つの半導体レーザが該半導体レーザの速軸方向に配置されたレーザユニットで構成され、発振波長が互いに異なる複数の前記レーザユニットが前記半導体レーザの遅軸方向に複数配置されたレーザ光源と、
前記レーザビームの一部を反射して前記レーザ光源側へ戻し、残りを透過させる部分反射素子とを備え、
前記レーザ光源と前記部分反射素子との間には、
前記レーザユニットが有する二つの前記半導体レーザのうちの一方から出射したレーザビームの偏光方向を、前記第１の方向と直交する第２の方向に変換する偏光方向変換素子と、
前記第１の方向に偏光する複数の前記レーザビームが一つに重畳し、かつ偏光方向が前記第２の方向に変換された複数の前記レーザビームが一つに重畳する位置に配置され、前記第１の方向に偏光する複数の前記レーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせるとともに、前記第２の方向に偏光する複数の前記レーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせて前記部分反射素子側へ出力する波長分散素子と、
前記波長分散素子から出力された互いに異なる光軸を有する二つの前記レーザビームを、一つの光軸を有するレーザビームに結合する偏光結合素子とが配置されていることを特徴とするレーザ発振装置。
【請求項２】
前記波長分散素子と前記部分反射素子との間に前記偏光結合素子が配置されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ発振装置。
【請求項３】
前記レーザユニットが有する二つの前記半導体レーザは、隙間無く接していることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
【請求項４】
前記偏光結合素子は、複屈折素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ発振装置。
【請求項５】
同一の発振波長を有し第１の方向に偏光するレーザビームを出射する二つの半導体レーザが該半導体レーザの速軸方向に配置されたレーザユニットで構成され、発振波長が互いに異なる複数の前記レーザユニットが前記半導体レーザの遅軸方向に複数配置されたレーザ光源と、
前記レーザユニットが有する二つの前記半導体レーザのうちの一方から出射したレーザビームの偏光方向を、前記第１の方向と直交する第２の方向に変換する偏光方向変換素子と、
前記第１の方向に偏光する複数の前記レーザビームが一つに重畳し、かつ偏光方向が前記第２の方向に変換された前記レーザビームが一つに重畳する位置に配置され、複数の前記レーザビームの一部を二次回折光として前記レーザ光源側に戻し、前記第１の方向に偏光する複数の前記レーザビームを一次回折光として一つの光軸を有するように重ね合わせるとともに、前記第２の方向に偏光する複数の前記レーザビームを一次回折光として一つの光軸を有するように重ね合わせて出射する波長分散素子と、
前記波長分散素子から出力された互いに異なる光軸を有する二つの前記レーザビームを、一つの光軸を有するレーザビームに結合する偏光結合素子とを備えることを特徴とするレーザ発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いたレーザ発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数の半導体レーザからの光を外部共振器で共振させて、複数のビームを一本のビームに結合する装置が開示されている。特許文献１に開示される発明は、複数の半導体レーザごとに偏光ビームスプリッタ及び位相差板を設置し、一つの出射ミラーを用いて、外部共振器を構成し、位相差板を調整することで、出射ビームを偏光コヒーレント合波された高エネルギービームとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−０７４４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示される発明は、半導体レーザの数を増やしてレーザビームの出力及び輝度を向上させようとすると、偏光ビームスプリッタ及び位相差板の数も増加し、装置が大型かつ複雑になるという課題があった。【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置を大型化及び複雑化することなくレーザビームの出力及び輝度を高めたレーザ発振装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、同一の発振波長を有し第１の方向に偏光するレーザビームを出射する二つの半導体レーザが半導体レーザの速軸方向に配置されたレーザユニットで構成され、発振波長が互いに異なる複数のレーザユニットが半導体レーザの遅軸方向に複数配置されたレーザ光源と、レーザビームの一部を反射してレーザ光源側へ戻し、残りを透過させる部分反射素子とを備える。レーザ光源と部分反射素子との間には、レーザユニットが有する二つの半導体レーザのうちの一方から出射したレーザビームの偏光方向を、第１の方向と直交する第２の方向に変換する偏光方向変換素子と、第１の方向に偏光する複数のレーザビームが一つに重畳し、かつ偏光方向が第２の方向に変換された複数のレーザビームが一つに重畳する位置に配置され、第１の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせるとともに、第２の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせて部分反射素子側へ出力する波長分散素子とが配置されている。本発明は、部分反射素子から出力された互いに異なる光軸を有する二つのレーザビームを、一つの光軸を有するレーザビームに結合する偏光結合素子を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るレーザ発振装置は、装置を大型化及び複雑化することなくレーザビームの出力及び輝度を高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図２】実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図３】実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図５】実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図６】実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図７】本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図８】実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【図９】実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ発振装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
実施の形態１．
図１、図２及び図３は、本発明の実施の形態１に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図である。図１は、レーザビームの光路に関しては、後述する波長分散素子への光の入射角と出射角との間に波長依存性を有する面内における構成を示している。以下、波長分散素子への光の入射角と出射角との間に波長依存性がある面を分散結合次元という。また、分散結合次元と直交する方向を偏光結合方向という。図２及び図３は、偏光結合方向及びレーザビームの光軸を含む面における構成を模式的に示している。なお、図２は、図１中の矢印Ａ方向から見た回折格子１３よりも半導体レーザ１１，１２側の部分と、図１中の矢印Ｂ方向から見た回折格子１３よりも部分反射ミラー１４側の部分とを合わせて図示している。また、図３は、図１中の矢印Ｃ方向から見た回折格子１３よりも半導体レーザ５１，５２側の部分と、図１中の矢印Ｄ方向から見た回折格子１３よりも部分反射ミラー１４側の部分とを合わせて図示している。
【００１１】
実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、制御部９０と、駆動回路７１，７２と、駆動電源８１，８２と、外部共振器１０と、回折格子１３と、複屈折素子１６とを備えている。外部共振器１０は、レーザ光源１７と、レーザビームの一部を反射してレーザ光源１７側へ戻し、残りを透過させる部分反射ミラー１４とで構成されている。部分反射ミラー１４は、回折格子１３と複屈折素子１６との間に配置されている。レーザ光源１７は、第１の方向に偏光するレーザビームを出射する半導体レーザ１１，１２を有するレーザユニット１０１と、第１の方向に偏光するレーザビームを出射する半導体レーザ５１，５２を有するレーザユニット５０１とを有する。レーザユニット１０１において、半導体レーザ１１，１２は、半導体レーザ１１，１２の速軸方向に並んで配置されている。レーザユニット５０１において、半導体レーザ５１，５２は、半導体レーザ５１，５２の速軸方向に並んで配置されている。実施の形態１において、半導体レーザ１１，１２，５１，５２の速軸方向は、第１の方向と同じ方向である。半導体レーザ１１，１２が出射するレーザビームの波長はλ１であり、半導体レーザ５１，５２が出射するレーザビームの波長はλ２である。したがって、半導体レーザ１１，１２の発振波長と、半導体レーザ５１，５２の発振波長は互いに異なっている。すなわち、レーザユニット１０１とレーザユニット５０１とで、レーザビームの波長は異なっている。
【００１２】
レーザ光源１７と部分反射ミラー１４との間には、半導体レーザ１１，１２，５１，５２から出射したレーザビームを平行光化する平行光化素子であるコリメートレンズ２１，２２，６１，６２と、半導体レーザ１１，５１が出射したレーザビームの偏光方向を、第１の方向と直交する第２の方向に変換する偏光方向変換素子である波長板３１，３２と、入射光の波長に依存した方向に光を出射する波長分散素子である回折格子１３とが配置されている。回折格子１３は、レーザユニット１０１，５０１から出射された第１の方向に偏光するレーザビームを一本に重ね合わせるとともに、レーザユニット１０１，５０１から出射された後に偏光方向が第２の方向に変換されたレーザビームを一本に重ね合わせて部分反射ミラー１４側へ出力する。レーザユニット１０１，５０１は、分散結合次元の面内に配置されている。半導体レーザ１１，１２，５１，５２の遅軸方向は、第２の方向と同じ方向である。したがって、レーザユニット１０１，５０１は、半導体レーザ１１，１２，５１，５２の遅軸方向に配置されているともいえる。
【００１３】
ここで、偏光方向が第１の方向であるレーザビームは、分散結合次元の面内に偏光方向が存在するレーザビームであることを意味する。また、偏光方向が第２の方向であるレーザビームは、偏光結合方向に偏光するレーザビームであることを意味する。ただし、第１の方向及び第２の方向の定義は、説明の便宜上のものであり、第１の方向に偏光するレーザビームが偏光結合方向に偏光するレーザビームであり、第２の方向の偏光に偏光するレーザビームが波長分散次元の面内で偏光するレーザビームであってもよい。レーザユニット１０１が有する半導体レーザ１１，１２は、偏光結合方向における位置が異なっており、レーザユニット５０１が有する半導体レーザ５１，５２は、偏光結合方向における位置が異なっている。半導体レーザ１１，１２は、隙間無く接しており、半導体レーザ５１，５２は、隙間無く接している。半導体レーザ１１と半導体レーザ１２とが隙間無く接し、かつ半導体レーザ５１，５２が隙間無く接することにより、偏光結合方向においてレーザ発振装置を小型化できる。半導体レーザ１１，１２，５１，５２が発するレーザビームは、構造に依存し概ね一方向に偏光することが一般的である。
【００１４】
複屈折素子１６は、回折格子１３において一本に重ね合わされた第１の方向に偏光するレーザビームと、回折格子１３において一本に重ね合わされた第２の方向に偏光するレーザビームとをさらに重ね合わせて一つのビームにする偏光結合素子である。すなわち、複屈折素子１６は、回折格子１３から出力された互いに異なる光軸を有する二つのレーザビームを、一つの光軸を有するレーザビームに結合する。なお、以下の説明では、偏光方向の異なるビームを重ね合わせて一つのビームにすることを偏光結合という。駆動回路７１，７２は、半導体レーザ１１，１２，５１，５２のオンオフの制御及び短絡発生時に半導体レーザ１１，１２，５１，５２への電力供給を遮断する保護機能を有する回路である。駆動電源８１，８２は、駆動回路７１，７２に電力を供給する電源である。制御部９０は、数値制御装置から入力される指令に基づいて駆動回路７１，７２を制御する。制御部９０は、プロセッサにより実現される。
【００１５】
実施の形態１において、レーザユニット１０１からのレーザビームとレーザユニット５０１からのレーザビームとが異なる入射角で入射し、同じ出射角で出射する波長分散素子は、複数の溝によりレーザビームを回折する回折格子１３である。したがって、実施の形態１において、分散結合次元は回折格子１３の溝に垂直な面であり、偏光結合方向は回折格子１３の溝に平行な方向である。図１、図２及び図３中に示した矢印は紙面に対して平行な偏光を示している。また、図１、図２及び図３中に示した白と黒との同心円は、紙面に対して垂直な偏光を示している。また、図１、図２及び図３中で白と黒との同心円及び矢印を重ねたものは、紙面に対して平行な偏光と紙面に対して垂直な偏光とが一本のビームに重なっていることを示している。
【００１６】
半導体レーザ１１，１２，５１，５２には、レーザ媒質を一つ有するシングルエミッタの半導体レーザを用いることもできるし、複数のレーザ媒質を複数個直線上に配置した半導体レーザバーを用いることもできる。半導体レーザバーを用いると、比較的安価に高い出力を得ることが可能である。半導体レーザ１１，１２及び半導体レーザ５１，５２は、実施の形態１においては、一つの半導体レーザモジュール上に偏光結合方向に沿って接近して構成されている。一般的に、半導体レーザモジュールには、半導体レーザアレイ、又は半導体レーザスタックと呼ばれるものを用いることができる。
【００１７】
コリメートレンズ２１，２２，６１，６２は、半導体レーザ１１，１２，５１，５２から出射されたレーザビームの発散角を小さくして、平行光化する。また、半導体レーザ１１，１２，５１，５２に向かって入射した光の発散角度を大きくして拡散光化する。
【００１８】
波長板３１は、半導体レーザ１１から出射したレーザビームの偏光方向を９０度回転させる。半導体レーザ１１，１２から出射したレーザビームは、半導体レーザ１１，１２から出射した時点では、レーザビームの偏光方向は一致しているため、波長板３１を通過した後では、半導体レーザ１１から出射したレーザビームの偏光方向と半導体レーザ１２から出射したレーザビームの偏光方向は、９０度異なっている。また、波長板３２は、半導体レーザ５１から出射したレーザビームの偏光方向を９０度回転させる。半導体レーザ５１，５２から出射したレーザビームは、半導体レーザ５１，５２から出射した時点では、レーザビームの偏光方向は一致しているため、波長板３２を通過した後では、半導体レーザ５１から出射したレーザビームの偏光方向と半導体レーザ５２から出射したレーザビームの偏光方向は、９０度異なっている。
【００１９】
回折格子１３は、第１の方向に偏光する複数のレーザビームが一つに重畳し、かつ偏光方向が第２の方向に変換された複数の前記レーザビームが一つに重畳する位置に配置されている。具体的には、半導体レーザ１２から出射された第１の方向に偏光する波長λ１のレーザビームと半導体レーザ５２から出射され第１の方向に偏光する波長λ２のレーザビームとが一つに重畳され、かつ半導体レーザ１１から出射されて波長板３１を経た第２の方向に偏光する波長λ１のレーザビームと、半導体レーザ５１から出射されて波長板３２を経た第２の方向に偏光する波長λ２のレーザビームとが一つに重畳される位置に配置されている。回折格子１３は、第１の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせるとともに、第２の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせて部分反射ミラー１４側へ出力する。具体的には、波長板３１を経て半導体レーザ１１から入射した第２の方向に偏光する波長λ１のレーザビームと波長板３２を経て半導体レーザ５１から入射した第２の方向に偏光する波長λ２のレーザビームとを一つに重ね合わせる。また、回折格子１３は、半導体レーザ１２から入射した第１の方向に偏光する波長λ１のレーザビームと半導体レーザ５２から入射した第１の方向に偏光する波長λ２のレーザビームとを一つに重ね合わせる。図２に示すように、回折格子１３は偏光結合方向においては、レーザビームに作用を及ぼさないため、偏光結合方向での半導体レーザ１１からのレーザビームと半導体レーザ１２からのレーザビームとの位置関係は、回折格子１３を通過する前後では変化しない。同様に、偏光結合方向での半導体レーザ５１からのレーザビームと半導体レーザ５２からのレーザビームとの位置関係は、回折格子１３を通過する前後では変化しない。
【００２０】
また、回折格子１３は、部分反射ミラー１４から入射したレーザビームのうち、波長λ１の波長成分のレーザビームを半導体レーザ１１，１２側に回折し、波長λ２の波長成分のレーザビームを半導体レーザ５１，５２側に回折させる。
【００２１】
回折格子１３を始めとする波長分散素子の中には、入射光に対する出射光の割合が偏光方向によって異なる、偏光依存性を示すものもある。実施の形態１に係るレーザ発振装置１００には、入射光に対する出射光の割合の偏光依存性が少ない回折格子１３を用いている。
【００２２】
部分反射ミラー１４は、半導体レーザ１１，１２から出射された波長λ１のレーザビーム及び半導体レーザ５１，５２から出射された波長λ２のレーザビームが回折格子１３から出射される方向に配置されている。部分反射ミラー１４は、回折格子１３から入射したレーザビームの一部を反射して回折格子１３に入射させ、残りは透過させる。
【００２３】
部分反射ミラー１４を透過したレーザビームは、図２及び図３に示すように、偏光結合方向においては、偏光の異なる二本のビームとなっている。なお、部分反射ミラー１４から出射されたレーザビームは、分散結合次元においては、一つに重なって見える。各々のレーザビームは、回折格子１３により波長結合されたレーザビームであり、λ１及びλ２の異なる波長のレーザビームを含んでいる。複屈折素子１６は、部分反射ミラー１４を透過した偏光方向が異なる二本のレーザビームのうちの一方の光路を曲げて、偏光方向が異なる二本のレーザビームを２方向の偏光成分を持つ一本のレーザビームに変換する。
【００２４】
複屈折素子１６には、水晶（ＳｉＯ２）、イットリウムバナデート（ＹＶＯ４）、カルサイト（ＣａＣＯ３）又はルチル（ＴｉＯ２）を適用できるがこれらに限定はされない。このような結晶中では、特定方向の偏光のビームのポインティングベクトルの方向が、波数ベクトルの方向から変化するウォークオフと呼ばれる現象が発生する。結晶軸と偏光方向とが垂直である光線を常光線、結晶軸と偏光方向とが平行である光線を異常光線と定義する場合、ウォークオフは異常光線で発生する。常光線では、ポインティングベクトルの向きと波数ベクトルの方向とは一致する。水晶及びイットリウムバナデートは、不純物が少ない結晶を得やすいため、ビームの強度が高い場合には、水晶又はイットリウムバナデートの結晶を複屈折素子１６に用いることが好ましい。
【００２５】
ウォークオフ角度ρは、下記式（１）で表わされる。ここで、ｎｅは常光線の屈折率、ｎｏは異常光線の屈折率、θは入射光軸と結晶の光学軸のなす角である。
【００２６】
【数１】
0006293385.tif 000002
【００２７】
複屈折結晶に入射する二本のビームの間隔をδ、複屈折結晶の長さをＬとすると、下記式（２）で表わされるＬを選択することで、偏光方向が９０度異なる二本のビームを複屈折素子１６において結合させることができる。
δ＝Ｌｔａｎρ  ・・・・・（２）
【００２８】
イットリウムバナデートの結晶は、常光線の屈折率と異常光線の屈折率との差が大きいため、常光線と異常光線とを結合させるのに必要となる複屈折結晶の長さＬが短くてよく、外部共振器１０の小型化を実現しやすい。
【００２９】
実施の形態１に係るレーザ発振装置１００の動作について説明する。制御部９０からの指令に基づき駆動回路７１，７２が半導体レーザ１１，１２，５１，５２に駆動電源８１，８２から電圧を印加すると、半導体レーザ１１，１２，５１，５２からレーザビームが出射される。半導体レーザ１１，１２，５１，５２から出射されたレーザビームは、コリメートレンズ２１，２２，６１，６２を通過することによって平行光化される。半導体レーザ１１，５１から出射されたレーザビームは、波長板３１，３２を通過することによって偏光方向が９０度回転し、半導体レーザ１２，５２から出射されたレーザビームの偏光方向と直交する方向に偏光する。
【００３０】
コリメートレンズ２２，６２で平行光化されたレーザビーム及び波長板３１，３２を通過したレーザビームは、波長ごとに異なる方向から回折格子１３に入射し、回折格子１３の光の入射角と出射角との間に波長依存性により、同じ方向に出射する。すなわち、波長λ１のレーザビームと波長λ２のレーザビームとが結合する。
【００３１】
回折格子１３から出射したレーザビームは、部分反射ミラー１４において一部が反射されて回折格子１３に戻り、残りは部分反射ミラー１４を透過して複屈折素子１６に入射する。
【００３２】
部分反射ミラー１４で反射されて回折格子１３に戻ったレーザビームは、回折格子１３の波長分散作用により波長λ１のレーザビームと波長λ２のレーザビームとで進行方向が分かれる。すなわち、部分反射ミラー１４から入射したレーザビームは、波長λ１の成分は半導体レーザ１１，１２側に戻り、波長λ２の成分は、半導体レーザ５１，５２側に戻る。
【００３３】
回折格子１３から半導体レーザ１１に向かって戻るレーザビームは、波長板３１を通過することによって偏光方向が再度９０度回転し、半導体レーザ１１から出射した直後のレーザビームと同じ方向に偏光する。波長板３１を通過したレーザビームは、コリメートレンズ２１を通過することによって収束光となって半導体レーザ１１に入射する。また、回折格子１３から半導体レーザ１２に向かって戻るレーザビームは、コリメートレンズ２２を通過することによって収束光となって半導体レーザ１２に入射する。
【００３４】
半導体レーザ１１，１２に入射したレーザビームは、反射コーティング１１１，１２１で反射され、再び半導体レーザ１１，１２から出射する。
【００３５】
回折格子１３から半導体レーザ５１に向かって戻るレーザビームは、波長板３２を通過することによって偏光方向が再度９０度回転し、半導体レーザ５１から出射した直後のレーザビームと同じ方向に偏光する。波長板３２を通過したレーザビームは、コリメートレンズ６１を通過することによって収束光となって半導体レーザ５１に入射する。また、回折格子１３から半導体レーザ５２に向かって戻るレーザビームは、コリメートレンズ６２を通過することによって収束光となって半導体レーザ５２に入射する。
【００３６】
半導体レーザ５１，５２に入射したレーザビームは、反射コーティング５１１，５２１で反射され、再び半導体レーザ５１，５２から出射する。
【００３７】
上記のようにして、半導体レーザ１１，１２，５１，５２が出射するレーザビームは、反射コーティング１１１，１２１，５１１，５２１と部分反射ミラー１４との間で増幅される。すなわち、外部共振器１０中には直交する二種類の偏光のレーザビームが共振している。
【００３８】
上記の説明において、偏光結合素子には複屈折素子１６を用いたが、偏光ビームスプリッタを用いることもできる。ただし、半導体レーザスタックのようにビーム同士の距離が近い半導体レーザモジュールを半導体レーザ１１，１２，５１，５２に用いる場合には、半導体レーザ１１，１２のビーム同士の距離及び半導体レーザ５１，５２のビーム同士の距離は１０ｍｍ以下である。一方、多数の半導体レーザ素子からのビームを結合しようとすると、回折格子１３と半導体レーザ１１，１２，５１，５２との距離は１００ｍｍ以上になる。コリメートレンズ２１，２２，６１，６２で平行光化するものの、回折格子１３での回折の効果によってビームは広がっていくため、外部発振器１０の出口に当たる部分反射ミラー１４においてビーム同士が重なることがある。ビームの光軸同士は重なっていなくても、プロファイルが重なっていると、偏光ビームスプリッタではビーム同士を偏光結合できない。すなわち、半導体レーザ１１，１２の間隔又は半導体レーザ５１，５２の間隔が狭く、ビームのプロファイルが重なる場合には、偏光ビームスプリッタではビーム同士を偏光結合できない。
【００３９】
一方、偏光結合素子に複屈折素子１６を用いる場合には、プロファイルが重なっているビーム同士を偏光結合できるため、ビーム同士の間隔の狭い半導体レーザモジュールを半導体レーザ１１，１２，５１，５２に適用できる。ビーム間隔の狭い半導体レーザモジュールを使用することにより、半導体レーザ１１，１２，５１，５２周辺で部品を共通化できるために更なるコスト低減効果を得ることができる。
【００４０】
上記の説明においては、波長分散素子に回折格子１３を用いた構成を示したが、波長分散素子は回折格子に限定されることはない。波長分散素子にはプリズムを用いることもできる。また、上記の説明においては、半導体レーザ１１，５１からのレーザビームの偏光方向を変更する偏光方向変換素子に波長板３１，３２を用いた構成を示したが、波長板３１，３２の代わりにローテータを用いてもよい。また、上記の説明においては、部分反射素子に部分反射ミラー１４を用いた構成を示したが、部分反射素子は、レーザビームが部分的に当たるように設置した全反射ミラーでも実現できる。
【００４１】
以上のように、実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、偏光結合方向の位置が異なる二つの半導体レーザのレーザビームを偏光結合させるため、偏光結合方向の位置が異ならない同数の半導体レーザを配置する構造と比較した場合には、装置を小型化できる。すなわち、実施の形態１に係るレーザ発振装置１００は、装置の大型化を抑制しつつ、レーザビームの輝度を高めることができる。
【００４２】
また、上記の説明においては、レーザユニット５０１が有する半導体レーザ５１，５２は、いずれも第１の方向に偏光するレーザビームを発しているが、半導体レーザ５１，５２は第２の方向に偏光するレーザビームを発するように設置されていてもよい。半導体レーザ５１，５２が第２の方向に偏光するレーザビームを発する場合も、半導体レーザ５１，５２から発せられたレーザビームの一方のみ、波長板のような偏光方向変換素子を用いて偏光方向を第１の偏光方向に変えることで、複屈折素子１６において、半導体レーザ１１，１２，５１，５２のレーザビームを重ねることができ、レーザビームの輝度を高めることができる。
【００４３】
また、上記の説明においては、半導体レーザ１１，１２は、分散結合次元と直交する偏光結合方向に重ねて配置されているが、半導体レーザ１１，１２は、偏光結合方向に必ずしも重なっている必要はなく、偏光結合方向における位置が異なっていればよい。半導体レーザ５１，５２についても同様である。
【００４４】
実施の形態２．
図４、図５及び図６は、本発明の実施の形態２に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図である。図４は、分散結合次元におけるレーザ発振装置１１０の構成を示している。図５及び図６は、偏光結合方向及びレーザビームの光軸を含む面におけるレーザ発振装置１１０の構成を模式的に示している。なお、図５は、図４中の矢印Ｅ方向から見た回折格子１３よりも半導体レーザ１１，１２側の部分と、図４中の矢印Ｆ方向から見た回折格子１３よりも部分反射ミラー１４側の部分とを合わせて図示している。また、図６は、図４中の矢印Ｇ方向から見た回折格子１３よりも半導体レーザ５１，５２側の部分と、図４中の矢印Ｈ方向から見た回折格子１３よりも部分反射ミラー１４側の部分とを合わせて図示している。実施の形態２に係るレーザ発振装置１１０は、偏光結合素子である複屈折素子１６が外部共振器１０の内側に配置されている点で実施の形態１と相違する。すなわち、実施の形態２に係るレーザ発振装置１１０では、複屈折素子１６は、回折格子１３と部分反射ミラー１４との間に配置されている。したがって、波長分散素子である回折格子１３において回折されたレーザビームは、複屈折素子１６に入射して偏光結合され、偏光結合されたレーザビームが部分反射素子である部分反射ミラー１４に入射する。
【００４５】
実施の形態１で説明したように、複屈折素子には様々な種類があるが、高品質で大型の素子を作ることが困難である場合がある。よって、より安価で安定なレーザ発振装置を得ようとすると、複屈折素子上のビーム径は小さいことが望ましい。実施の形態１でも説明したように、半導体レーザからのレーザビームは、コリメートレンズでコリメートされた後も、回折によって発散するため、ビーム径はコリメートレンズから離れるほど大きくなる傾向がある。外部共振器の内外に複数又は単数のレンズを設置することで、ビーム径を調整することもできるが、装置が複雑になる上に、レーザビームを共振させることができなくなることもあり得る。
【００４６】
実施の形態２に係るレーザ発振装置１１０は、外部共振器１０の回折格子１３と部分反射ミラー１４との間に複屈折素子１６を設置することで、外部共振器１０の外に複屈折素子１６を設置する実施の形態１に係るレーザ発振装置１００と比較して、複屈折素子１６上のビーム径を小さくすることができ、より安価に高安定性のレーザ発振装置１１０を得ることができるという効果を奏する。
【００４７】
上記の各実施の形態においては、説明が複雑にならないように、偏光結合方向に二つ、分散結合次元に二つ、計四つの半導体レーザを用いた構成を示したが、分散結合次元には、三つ以上の半導体レーザを設置可能である。分散結合次元に三つ以上の半導体レーザを設置することにより、半導体レーザが二つの構成よりも高出力化及び高輝度化を実現できる。
【００４８】
上記の実施の形態においては、透過型の波長分散素子である回折格子で波長結合を行う構成を説明したが、反射型の波長分散素子を用いて波長結合を行うことも可能である。
【００４９】
実施の形態３．
図７、図８及び図９は、本発明の実施の形態３に係るレーザ発振装置の構成を示す模式図である。図７は、分散結合次元におけるレーザ発振装置１２０の構成を示している。図８及び図９は、偏光結合方向及びレーザビームの光軸を含む面におけるレーザ発振装置１２０の構成を模式的に示している。なお、図８は、図７中の矢印Ｉ方向から見た回折格子２３よりも半導体レーザ１１，１２側の部分と、図８中の矢印Ｊ方向から見た回折格子２３よりも複屈折素子１６側の部分とを合わせて図示している。また、図９は、図７中の矢印Ｋ方向から見た回折格子２３よりも半導体レーザ５１，５２側の部分と、図７中の矢印Ｌ方向から見た回折格子２３よりも複屈折素子１６側の部分とを合わせて図示している。実施の形態３に係るレーザ発振装置１２０は、外部共振器１０の構成が実施の形態１，２と相違する。
【００５０】
実施の形態１，２において、回折格子１３における半導体レーザビームの一次回折光に対して部分反射ミラー１４を設置していたが、実施の形態３においては、回折格子２３におけるレーザビームの二次回折光を半導体レーザ１１，１２，５１，５２に戻す。すなわち、実施の形態３に係るレーザ発振装置１２０においては、半導体レーザ１１，１２，５１，５２と回折格子２３とで外部共振器１０が構成されている。このとき、一次回折光は、回折角ゼロ度で回折される。すなわち、一次回折光は、回折格子２３に対して垂直に出射される。レーザ発振装置１２０の出力ビームに使用されるのは、一次回折光である。レーザ発振装置１２０は、複数の半導体レーザ１１，１２，５１，５２を有するが、一次回折光は回折格子２３と垂直に出射されるため、複数の半導体レーザ１１，１２，５１，５２からのレーザビームを一本に重畳することが可能である。
【００５１】
実施の形態３に係るレーザ発振装置１０２においても、回折格子２３の一次回折光の光路中に複屈折素子１６を挿入することにより、高出力のレーザ出力を得ることが可能である。
【００５２】
実施の形態３に係るレーザ発振装置１２０は、部分反射ミラーを使用しないため装置を簡略化及び小型化できることに加え、外部共振器１０内部の損失を低減させてレーザ発振の効率を高めることができる。
【００５３】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  外部共振器、１１，１２，５１，５２  半導体レーザ、１３，２３  回折格子、１４  部分反射ミラー、１６  複屈折素子、１７  レーザ光源、２１，２２，６１，６２  コリメートレンズ、３１，３２  波長板、７１，７２  駆動回路、８１，８２  駆動電源、９０  制御部、１００，１１０，１２０  レーザ発振装置、１０１，５０１  レーザユニット、１１１，１１２，５１１，５２１  反射コーティング。
【要約】
レーザ発振装置（１００）は、レーザ光源（１７）と部分反射ミラー（１４）との間に、半導体レーザ（１１，５１）から出射したレーザビームの偏光方向を、第１の方向と直交する第２の方向に変換する波長板（３１，３２）と、第１の方向に偏光する複数のレーザビームが一つに重畳し、かつ偏光方向が第２の方向に変換された複数のレーザビームが一つに重畳する位置に配置され、第１の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせるとともに、第２の方向に偏光する複数のレーザビームを一つの光軸を有するように重ね合わせて部分反射ミラー（１４）側へ出力する回折格子（１３）とが配置されており、部分反射ミラー（１４）から出力された互いに異なる光軸を有するレーザビームを、一つの光軸を有するレーザビームに結合する複屈折素子（１６）を備える。【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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