(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に薄板状の三角形状に形成され、集光される光が入射される入射面と、前記入射面から入射された光の進行方向に位置する先端部と、前記入射面と前記先端部とを連結し、前記入射面から入射された光を反射して前記先端部方向へ進行させる反射面を有し、前記三角形の一辺を含む厚さ方向の面が前記入射面であり、前記三角形の他の辺を含む厚さ方向の２面が前記反射面であり、前記入射面から入射された光を前記先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、
前記反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方向に設けられており、集光部の厚さよりも２倍以上の厚さを有する導光部とを有し、
前記導光部は前記集光部を進行する光を内部に取り込んで反射させることにより前記導光部の前記先端部側の端部に向って進行させると共に、前記導光部から前記集光部へ進行する光を前記集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を保つように進行させるように設けられており、
前記集光された光を前記先端部および前記導光部の前記先端部側の端部の少なくとも一方から出射することを特徴とする集光部品。
【請求項２】
前記集光部は、集光される光の波長に対して光学的に透明な材料で形成されており、前記入射面に対向する頂点が前記先端部である請求項１記載の集光部品。
【請求項３】
前記導光部は前記入射面から前記先端部に渡って設けられている請求項１又は２記載の集光部品。
【請求項４】
前記導光部はファイバー状の形状を有する請求項１〜３記載のいずれか１項記載の集光部品。
【請求項５】
前記導光部は前記反射面を溶融することにより形成される自由曲面を有する請求項３又は４記載の集光部品。
【請求項６】
前記集光部の厚さ方向の中心と前記導光部の厚さ方向の中心とがずれている請求項４又は５記載の集光部品。
【請求項７】
発光領域が長手方向と短手方向を有する光源と、前記光源の発光領域から発せられた光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品とを備えた光源モジュール。
【請求項８】
発光領域が長手方向と短手方向を有する光源と、前記光源の発光領域から発せられた光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品を複数備えた光源モジュールであって、
前記複数の集光部品の入射面は前記発光領域に向かって水平方向及び垂直方向のいずれか一方向に配列されている光源モジュール。
【請求項９】
レーザー活性物質を含み、前記レーザ活性物質が励起されることにより端部よりレーザー光を出力するレーザーファイバーと、
前記レーザー活性物質を励起する励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品と、
前記励起光に対して透明な材料で形成されており、前記集光部品により集光された励起光を閉じ込め可能な構造体とを備え、
前記レーザーファイバーの側面の少なくとも一部と前記構造体とが直接又は光学媒質を介して間接的に接触しており、その接触した部分を通じて前記レーザーファイバーに入射される励起光により前記レーザー活性物質が励起されるレーザー装置。
【請求項１０】
励起光を発生する励起光源と、
実質的に薄板状の三角形状に形成され、前記励起光が入射される入射面と、前記入射面から入射された励起光の進行方向に位置する先端部と、前記入射面と前記先端部とを連結し、前記励起光を反射して前記先端部方向へ進行させる反射面を有し、前記三角形の一辺を含む厚さ方向の面が前記入射面であり、前記三角形の他の辺を含む厚さ方向の２面が前記反射面であり、前記励起光を前記先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、前記反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方向に設けられ、集光部の厚さよりも２倍以上の厚さを有する導光部とを有し、前記導光部は前記集光部を進行する励起光を内部に取り込んで反射させることにより前記導光部の前記先端部側の端部に向って進行させると共に、前記導光部から前記集光部へ進行する励起光を前記集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を保つように進行させるように設けられている集光部品とを備えたレーザー装置であって、
前記導光部は、レーザー活性物質を含み、前記励起光により前記レーザー活性物質が励起されると端部よりレーザー光を出力するレーザーファイバーであるレーザー装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載のレーザー装置を備え、前記レーザーファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置に係り、特に、アレイ型半導体レーザー装置等から発せられたアスペクト比の高い光を微小スポットに集光する集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光通信、光計測、レーザー加工等で用いられるレーザー装置又はこのようなレーザ装置で用いられる励起光源としては、複数のレーザーダイオードが水平方向に配列されたレーザーダイオードバー（以下、ＬＤバーという。）等のアレイ型半導体レーザーが用いられている。
このようなＬＤバーの発光領域は、通常、レーザーダイオードの配列方向（水平方向）で１０ｍｍ程度と長く、垂直方向（厚さ方向）で１μｍ程度と短いので、発光領域から出射される光のスポットはアスペクト比（縦横比）の高い楕円状になる。このような光を微小なスポットに集光しようとする場合、通常の光学レンズ系では、垂直方向は十分細く絞ることができるものの、水平方向ではせいぜい数ｍｍ程度までしか集光することができない。
【０００３】
そこで、ＬＤバーから発せられたアスペクト比の高い光を縦横が同程度な微小スポットに集光する集光装置について開発が行われており、既に、ファイバーカップリング方式、対向ミラー方式、三角ダクト方式等様々な集光装置が提案されている。
ファイバーカップリング方式は、図４０に示されるように、ＬＤバーの発光領域４０に近接して水平方向に配列された多数の光ファイバー４２に光を入射させて、出射面を丸く束ねることによって、丸い集光スポットを得るものである。しかし、この方式では、集光された光の出射面は、束ねられた複数の光ファイバー４２の端面で形成されるため、集光比に限界がある。
【０００４】
対向ミラー方式は、図４１及び図４２に示されるように、反射面５０ａ、５２ａを内側にして平行に配置された２枚のミラー５０、５２の間に光を斜め上方から入射し、光を反射面５０ａ、５２ａ間で繰り返し反射させながら、光を水平・垂直方向に共にずらしていくものである。このミラー５０、５２は水平方向と垂直方向にずれて向かい合っており、光（１）はミラー５０の上方を通過した後にそのまま出射し、光（２）から光（５）は反射面５０ａ、５２ａ間を１〜４往復した後出射し、光（１）の下に積み重ねられる。このようにして光（１）から光（５）は水平方向の並びから垂直方向の並びに変換され、その結果、水平方向ではスポットが１／５に集光される。しかし、この方式では、複数の光学部品を用いるため、そのアライメントが複雑であり、製造及び調整のコストがかかるとともに、使用に際しての信頼性も低下する。
【０００５】
三角ダクト方式は、図４３に示されるように、薄板状の二等辺三角形状を有する三角ダクト１２の底辺を含む厚さ方向の面（入射面）１２ａに光を入射し、この光を二等辺三角形の等辺を含む厚さ方向の面（反射面）１２ｂで全反射させながら二等辺三角形の頂点方向に光を伝搬して集光し、集光された光を三角ダクト１２の頂点に設けられた光ファイバー２７より出射させるものである。この方式では、構成が単純であるため、製造及び調整の手間とコストを低減することがき、また、使用に際しての信頼性も向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した三角ダクト１２では、光が反射面１２ｂで反射される毎に反射面１２ｂに対する光の入射角が減少する。このため、光をより微小なスポットに集光しようとすると、反射面１２ｂで全反射条件である臨界角を保つことができなくなるので、集光可能な比としては１／３〜１／５が限度であるといった問題がある。
例えば、図４４は、厚さ約１００μｍ、頂角１０°、入斜面１２ａの幅１２ｍｍの二等辺三角形状を有する石英ガラス製の三角ダクト１２に３ｍｍピッチで４本の平行光が入射された場合の光路を光線追跡法により解析した結果を示す。図４４に示されるように、入射面１２ａから導入された光は反射面１２ｂで反射されることにより頂点方向に伝搬されているが、反射面１２ｂでの反射が繰り返される毎に反射面１２ｂに対する入射角が少さくなっている。そして、頂点近傍において、反射面１２ｂに対する入射角が全反射条件である臨界角を保てなくなり、光が反射面１２ｂから外部に飛び出してしまっている。その結果、集光された微小スポットの光を頂点からのみ出射することができない。
【０００７】
この問題に対処するため、図４５に示されるように、入射面に凸面を形成して、入射面から入射される光を頂点方向に屈折させることにより反射面での反射回数を低減し、光が全反射条件を破る前に光を頂点まで到達させることが考えられる。しかし、このような三角ダクトでは、入射面の両端部とＬＤバーの発光面とを密接させることができないため、この部分から光の漏れが生じ、結合効率が低下するといった問題がある。
このため、上述した三角ダクトの利点を生かしつつ、光をより微小なスポットに集光可能な集光部品の開発が要望されていた。
【０００８】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成で、アスペクト比の高い光を効率良く微小なスポットに集光することができる集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は以下の内容を有する。
まず、請求項１の発明は、実質的に薄板状の三角形状に形成され、集光される光が入射される入射面と、前記入射面から入射された光の進行方向に位置する先端部と、前記入射面と前記先端部とを連結し、前記入射面から入射された光を反射して前記先端部方向へ進行させる反射面を有し、前記三角形の一辺を含む厚さ方向の面が前記入射面であり、前記三角形の他の辺を含む厚さ方向の２面が前記反射面であり、前記入射面から入射された光を前記先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、前記反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方向に設けられており、集光部の厚さよりも２倍以上の厚さを有する導光部とを有し、前記導光部は前記集光部を進行する光を内部に取り込んで反射させることにより前記導光部の前記先端部側の端部に向って進行させると共に、前記導光部から前記集光部へ進行する光を前記集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を保つように進行させるように設けられており、前記集光された光を前記先端部および前記導光部の前記先端部側の端部の少なくとも一方から出射することを特徴とする集光部品である。
請求項２の発明は、前記集光部は、集光される光の波長に対して光学的に透明な材料で形成されており、前記入射面に対向する頂点が前記先端部である請求項１記載の集光部品である。
ここで、実質的に全反射とは、設計上又は目的に応じては、完全な全反射条件を満たさず、多少の光漏れがあっても構わない。
【００１０】
上記の集光部品においては、入射面より集光部内に入射された光は反射面で反射されることにより集光されながら先端部方向に伝搬される。この光が導光部に達すると、その光は導光部内に取り込まれ、導光部内で先端部方向に伝搬される。この光は最終的に先端部又は導光部の先端部側の端面より出射される。
このように上記の集光部品によれば、集光部内を伝搬する光を導光部に導いて導光させることにより、集光部内における光の光路の長さ及び反射面での光の反射回数を減らすことができる。従って、反射面に対する光の入射角が全反射条件である臨界角より小さくなる前に光を微小スポットに集光することが可能になる。
【００１１】
上記の集光部品においては、ダクトは実質的に薄板状の三角形状に形成されており、光はこの三角形の一辺を含む厚さ方向の面で形成された入射面より集光部品に入射される。この光は他の辺を含む厚さ方向の２面で形成された反射面で反射を繰り返しながら三角形の頂点方向に伝搬されて、集光される。この光が導光部が設けられた部分に到達すると、光は導光部内に導かれ、導光部内で頂点方向に伝搬される。この光は最終的に頂点又は導光部の頂点側の端面より出射される。
本発明において、集光部の厚さ方向における導光部の最大厚さは集光部の厚さの２倍以上にすることができる。これによって、導光部内に光が閉じ込められ易くなり、光をより長い距離に渡って導光部内を伝搬させることができるため、より微小領域に集光可能となる。集光部の厚さ方向における導光部の最大厚さとは、例えば、導光部の断面が円形状の場合、導光部の直径となる。
【００１２】
このように上記の集光部品によれば、光が導光部に達すると、その光は導光部内に取り込まれ、導光部内を伝達するので、集光部内における光路の長さ及び反射面での光の反射回数を減らすことができる。従って、反射面に対する光の入射角が全反射条件である臨界角より小さくなる前に光を微小スポットに集光することが可能になる。
【００１３】
請求項３の発明は、導光部は入射面から先端部に渡って設けられている請求項１又は２記載の集光部品である。本発明によれば、導光部の形成が容易になると共に、集光部から導光部へ光を導きやすくなる。
請求項４の発明は、導光部はファイバー状の形状を有する請求項１〜３記載の集光部品である。本発明によれば、導光部に入射された光をそのまま光ファイバーで導光することが可能になる。
請求項５の発明は、導光部は反射面を溶融することにより形成される自由曲面を有する請求項３又は４記載の集光部品である。本発明によれば、簡易な作業で粗さのない良好な導光部を形成することが可能になる。
【００１４】
請求項６の発明は、集光部の厚さ方向の中心と導光部の中心とがずれている請求項４又は５記載の集光部品である。本発明では、集光部と導光部の中心がずれているため、集光部から導光部に入射される光の入射角を大きくすることができる。従って、光を導光部に閉じ込め易くなるので、より微小なスポットに光を集光することが可能になる。
【００１５】
請求項７の発明は、発光領域が長手方向と短手方向を有する光源と、光源の発光領域から発せられた光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品とを備えた光源モジュールである。本発明では、光源から発せられたアスペクト比の高い光を微小なスポットに集光することが可能になる。
請求項８の発明は、発光領域が長手方向と短手方向を有する光源と、光源の発光領域から発せられた光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品を複数備えた光源モジュールであって、複数の集光部品の入射面は発光領域に向かって水平方向及び垂直方向のいずれか一方に配列されている光源モジュールである。本発明では、１の光源から発せられた光を複数の集光部品で集光することにより、より微小なスポットに集光することが可能になる。この場合、複数の集光部品の入射面は発光領域に向かって水平方向且つ垂直方向に二次元的に配列されていてもよい。
【００１６】
請求項９の発明は、レーザー活性物質を含むコアを有し、レーザ活性物質が励起されることにより端部よりレーザー光を出力するレーザーファイバーと、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生する励起光源と、励起光を集光する請求項１〜６のいずれか１項記載の集光部品と、励起光に対して透明な材料で形成されており、集光部品により集光された励起光を閉じ込め可能な構造体とを備え、レーザーファイバーの側面の少なくとも一部と構造体とが直接又は光学媒質を介して間接的に接触しており、その接触した部分を通じてレーザーファイバーに入射される励起光によりレーザー活性物質が励起されるレーザー装置である。
【００１７】
本発明では、励起光源で発せられた励起光は集光部品で集光された後、構造体に閉じ込められる。この励起光は、構造体のレーザーファイバーが接触している部分に達すると、レーザーファイバーの内部に導入される。レーザーファイバーに導入された励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光はレーザーファイバー内を伝わって端部より出力される。
上記のレーザー装置によれば、微小スポットに集光されたエネルギー密度の高い励起光によりレーザー光を発生させるので、目標とするレーザー出力に応じて励起光を構造体に導入すればよいので、高出力化が可能である。また、構造体の微小領域から励起光を導入することができるため、励起光の放射を最小限に抑制することが可能になる。
【００１８】
請求項１０の発明は、励起光を発生する励起光源と、実質的に薄板状の三角形状に形成され、前記励起光が入射される入射面と、前記入射面から入射された励起光の進行方向に位置する先端部と、前記入射面と前記先端部とを連結し、前記励起光を反射して前記先端部方向へ進行させる反射面を有し、前記三角形の一辺を含む厚さ方向の面が前記入射面であり、前記三角形の他の辺を含む厚さ方向の２面が前記反射面であり、前記励起光を前記先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、前記反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方向に設けられ、集光部の厚さよりも２倍以上の厚さを有する導光部とを有し、前記導光部は前記集光部を進行する励起光を内部に取り込んで反射させることにより前記導光部の前記先端部側の端部に向って進行させると共に、前記導光部から前記集光部へ進行する励起光を前記集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を保つように進行させるように設けられている集光部品とを備えたレーザー装置であって、前記導光部は、レーザー活性物質を含み、前記励起光により前記レーザ活性物質が励起されると端部よりレーザー光を出力するレーザーファイバーであるレーザー装置である。
【００１９】
上記のレーザー装置では、励起光源から発せられた励起光は集光部品に導かれ、この励起光は集光部の反射面で反射されながら先端部方向に進行する。この励起光は、レーザーファイバーに導入され、コアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光はレーザーファイバー内を伝わって端部より放出される。
上記のレーザー装置によれば、集光されたエネルギー密度の高い励起光によりレーザー光を発生させるので、レーザー光の発生効率を高めることが可能になる。また、励起光を集光部から直接光ファイバーに導入するため、励起光の放射を最小限に抑制することが可能になる。
請求項１１の発明は、請求項９又は１０記載のレーザー装置を備え、レーザーファイバーの一端を信号光の入力端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置である。本発明によれば、効率の高いレーザー装置を用いて光信号増幅装置を構成することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２は本発明の集光部品の第１実施形態を示す。
この集光部品はＬＤバーの発光領域から発せられるアスペクト比の高い光の集光等に用いられる。
図１及び図２に示されるように、集光部品１０は、光を集光する集光部としてのダクト部１２と、このダクト部１２の側面に設けられたファイバー状の導光部１４とを備えている。
【００２１】
ダクト部１２は、ＬＤバーの発光領域の短手方向の距離（厚さ）よりも大きな厚さを有する薄板で二等辺三角形状に形成されている。この二等辺三角形の底辺を含む厚さ方向の面がレーザー光の入射面１２ａとなり、この入射面１２ａより入射された光は、集光部の上面１２ｃ、下面１２ｄで反射されながら進行し、等辺を含む厚さ方向の側面（反射面）１２ｂで反射されることにより先端部である頂点方向に伝搬される。このようなダクト部１２は、石英ガラス、リン酸塩ガラス等のガラス、プラスチック、光学結晶等の集光を行う光の波長に対して光学的に透明な光学材料で形成される。
【００２２】
このダクト部１２は、光源からの光を入射するのに十分な厚さで、且つ必要な機械的強度を保てる範囲内でできるだけ薄く形成される。例えば、光源としてＬＤバーを用いた場合、ＬＤバーの発光領域は、通常垂直方向（短手方向）は数μｍ程度であり、垂直方向の広がり角はその分布の半値全幅で３０°程度であるから、ＬＤバーとダクト部１２の入射面１２ａとの距離を５０μｍとした場合、ダクト部１２としては１００μｍ程度の厚さがあればよい。このような薄板状のダクト部１２は、例えば、石英ガラスの場合、研磨、火炎堆積法等により製造することができる。
【００２３】
このダクト部１２の一方の反射面１２ｂには導光部１４が設けられている。この導光部１４は、ダクト部１２を伝搬される光が導光部１４と反射面１２ｂの鏡界面に到達したときに、光が導光部１４内に取り込まれ且つ導光部１４内を伝搬するように、ダクト部１２と同程度の屈折率を有し且つ集光を行う光の波長に対して光学的に透明な光学材料で形成される。通常、導光部１４は、ダクト部１２と同一の材質、即ち、石英ガラス、リン酸塩ガラス等のガラス、プラスチック、光学結晶等で形成される。
【００２４】
この導光部１４は、ダクト部１２を伝達する光を取り込み、先端部方向へ伝搬させ、且つ導光部１４からダクト部１２に戻った光の反射面１２ｂに対する角度が、集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を保たせるような形状及び物質で形成することができる。例えば、導光部１４としては、図３に示されるように中空に形成されたものや、図４に示されるように断面が四角形状に形成されたもの、又は断面楕円形状（リボン状）のもの等を用いることもできる。この導光部１４は、通常、一端１４ａがダクト部１２の入射面１２ａと同一平面を形成し、他端１４ｂは出力端として頂点より突出するように形成される。この出力端１４ｂは集光された光の取り出しが可能な垂直破断面又は平面研磨面となっており、必要に応じ反射防止膜が形成される。
【００２５】
通常、導光部１４の直径はダクト部１２の厚さより大きく、２倍以上、好ましくは４倍以上に形成される。導光部１４の厚さに対するダクト部１２の厚さが小さくなるほど、導光部１４内で伝搬される光路の長さが増大するので、ダクト部１２に入射された光のより多くを微小なスポットに集光することが可能になる。
図５は、導光部１４の径に対するダクト部１２の厚さと結合効率の関係を光線追跡法により解析した結果を表すグラフである。この結合効率とは、ダクト部１２に入射する光量と導光部１４から出射する光量の比を表す。この場合、導光ダクト１０として、入射面１２ａの幅１２ｍｍ、頂角１０°、導光部の半径２５０μｍで、図６に示されるようにダクト部１２の下面１２ｄと導光部１４の下端とが同一平面上にあるものを用いた。そして、入射面１２ａから５０μｍ離れたところに３ｍｍ間隔で４個の光源を設置し、各々の光源から放射角３０°で８本の光が入射された場合を示す。図５より、導光部１４の径に対するダクト部１２の厚さが小さくなるほど、結合効率が増加していることが判る。
【００２６】
また、導光部１４は、図２に示されるように、その中心がダクト部１２の厚さ方向の中心とずれるように配置されていることが好ましい。このように、ダクト部１２の中心と導光部１４の中心とにオフセットｄを設定することにより、ダクト部１２から導光部１４に入射される光の入射角が大きくなるので、導光部１４内に光を閉じ込めて伝搬させ易くなる。図７はダクト部１２の厚さ方向の中心と導光部１４の中心との間の距離と結合効率の関係を光線追跡法により解析した結果を示すグラフである。図７は集光部品１０として厚さ６２．５μｍ、入射面１２ａの幅１２ｍｍ、頂角１０°、導光部の半径２５０μｍのものを用い、入射面１２ａから５０μｍ離れたところに３ｍｍ間隔で４個の光源を設置し、各々の光源から放射角３０°で８本の光が入射されている場合を示す。図７よりダクト部１２の中心と導光部１４の中心との間の距離が大きいほど結合効率が増加していることが判る。
【００２７】
上記ような集光部品１０は、ダクト部１２の反射面１２ｂを炭酸ガスレーザー等で溶融して、反射面１２ｂに円筒状の自由曲面を形成することにより製造することができる。この方法によれば、簡易な作業で粗さのない良好なファイバー状の導光部を形成することが可能になる。また、ダクト部１２の反射面１２ｂに炭酸ガスレーザー等で光ファイバーを融着接続することにより製造することも可能である。この場合、導光部から出射される光をそのまま光ファイバーで導光することができるため、集光部品の利用範囲を拡大することができる。
ダクト部１２の入射面１２ａと導光部１４の出射端１４ｂは光の入射及び取り出しが可能な垂直破断面又は平面研磨面とされ、必要に応じ反射防止膜が形成される。また、集光部品１０の入射面１２ａと出力端１４ｂを除く部分は、空気中のごみ等の外界の影響を除去するとともに、各部分の保持、保護のため、低屈折率のポリマー等で覆われていることが好ましい。
【００２８】
また、上記の集光部品１０において、ダクト部１２及び導光部１４の屈折率は、ダクト部１２の集光作用及び導光部１４の導光作用を損なわない範囲で適宜設定することができる。例えば、双方が同じ屈折率を有するようにしてもよく、また一方が他方より大きな屈折率を有するようにしてもよい。
上記のような集光部品１０に対する光の入射は、図８に示されるように、集光部品１０の入射面１２ａとＬＤバー１６の発光領域１６ａを近接させることにより行われる。このとき、ＬＤバー１６から発せられた光をコリメートするため、ＬＤバー１６と集光部品１０の間にシリンドリカルレンズやマイクロレンズアレイ等を配置してもよい。
【００２９】
また、図９に示されるように１のＬＤバー１６に対して複数の集光部品１０を水平方向に配列してもよく、図１０に示されるように垂直方向に配列してもよい。図９に示されるように、相似的に１／４に縮小された４個の集光部品１０を水平方向に配列すると、ＬＤバー１６から出射されたレーザー光は４本の導光部１４に集光される。このとき、各々の導光部１４の断面積は１／１６になり、４本の導光部１４の断面積の合計は１／４になるので、結果としてエネルギー密度（輝度）を４倍にすることが可能になる。この場合、ダクト部１２内での光の反射回数を減らすことができ、またダクト部１２の長さが短くなっているため、同じ割合で導光部を伝搬する長さも短くてよいので、ダクト部１２の厚さを１／４より厚くすることができる。
【００３０】
次に、上述した集光部品１０の作用について説明する。
まず、ダクト部１２と導光部１４の屈折率が同じである集光部品の作用について図１１を参照して説明する。集光部品１０の入射面１２ａとＬＤバー１６の発光領域を近接させると、ＬＤバーから出射された光は入射面１２ａよりダクト部１２内に導入される。この光はダクト部１２の上下面で反射しながら進行し、反射面１２ｂで反射されて頂点方向に伝搬される。この光が導光部１４と反射面１２ｂの境界面に到達すると、光は導光部１４内に導かれ、導光部１４の内周面に沿って周回しながら頂点方向に進行した後、再びダクト部１２内に導かれる。
【００３１】
このとき、ダクト部１２から導光部１４に導かれた光は、導光部１４内を先端部方向に伝搬する間には導光部内の反射によって入射角は変化しないため、この光がダクト部１２に戻ったときのダクト部１２の反射面１２ｂに対する入射角は、導光部１４に取り込まれた時の状態を保っている。従って、導光部１４からダクト部１２に戻った光の反射面１２ｂに対する入射角は、光がダクト部１２内のみを進行してきたと仮定した場合の入射角より大きくなる。その結果、ダクト部１２の先端部付近においても反射面１２ｂで全反射条件を破らずにすむため、導光部が設けられていない場合と比較して、光をより微小領域に集光することが可能になる。
ダクト部１２に戻った光は、導光部１４が設けられていない反射面１２ｂで反射された後、再び、導光部１４に導かれて周回するということが繰り返され、最終的に導光部１４の出力端１４ｂより出射される。
【００３２】
このように上記の集光部品１０によれば、反射面１２ｂに到達した光を導光部１４に導いて導光させることにより、ダクト部１２内における反射回数を減少することができる。従って、光が反射面１２ｂに入射するときの入射角が全反射条件である臨界角より小さくなる前に光をダクト部１２の先端にまで到達させることができる。従って、ＬＤバー１６等から出射されたアスペクト比の大きな光をより微小なスポットに集光することが可能になる。
【００３３】
次に、導光部１４の屈折率がダクト部１２の屈折率より小さい集光部品１０の作用について図１２を参照して説明する。入射面１２ａからダクト部１２内に導入された光は反射面１２ｂで反射を繰り返しながら頂点方向に進行する。この光は反射面１２ｂで反射される毎に反射面１２ｂに対する入射角が減少し、反射面１２ｂと導光部１４の境界面で全反射条件が維持できなくなると導光部１４に導かれる。この場合、導光部１４と空気との屈折率の関係により、光が外部に飛び出す前に必ず導光部１４に導かれる。このとき、ダクト部１２と導光部１４の屈折率の差により、導光部１４に導かれた光の光路と導光部１４の光軸となす角度は小さくなる。この光は導光部１４の内周面に沿って周回し、場合によってはダクト部１２に戻った後再び導光部１４に導かれ、最終的に導光部１４の出力端１４ｂより取り出される。
【００３４】
このように上記の集光部品１０によれば、集光部品１０に導入された光を導光部１４で導光させることにより、ダクト部１２内における反射回数を減少することができる。従って、ダクト部１２に導かれた光が全反射条件を破る前に光をダクト部１２の先端にまで到達させることができる。従って、ＬＤバー１６から出射されたアスペクト比の大きな光を微小スポットに集光することが可能になる。
また、ダクト部１２と導光部１４との屈折率の差により、導光部１４に導かれた光と導光部１４の光軸のなす角度を小さくすることができる。従って、最終的に導光部１４の出力端１４ｂから出射される光の放射角を小さくすることができ、より微小なスポットに光を集光することが可能になる。
【００３５】
次に、導光部１４の屈折率がダクト部１２の屈折率より大きな集光部品１０の作用について図１３を参照して説明する。
入射面１２ａからダクト部１２内に導かれた光は導光部１４内に導かれる。この光は導光部１４とダクト部１２の屈折率の差により導光部１４とダクト部１２の界面で全反射が繰り返されることにより、導光部１４の内周面に沿って周回しつつ頂点方向に進行する。
この場合、導光部１４に入射された光は導光部１４に閉じ込められやすく、一旦光が導光部１４に導入されると、ダクト部１２で光が進行することがなくなるか又は少なくなるので、ダクト部１２での反射回数を減少させることができる。従って、光が導光部１４内に閉じ込められ易い結果、ダクト部１２におけるエネルギ密度を低く抑えることができるため、ダクト部１２を耐熱性の低い樹脂等で形成することが可能になる。
【００３６】
図１４は、厚さ約１００μｍ、頂角１０°、入斜面の幅が１２ｍｍの二等辺三角形状を有する石英ガラス製のダクト部１２の側面に直径２ｍｍの石英ガラス製の導光部１４が設けられている集光部品１０に３ｍｍピッチで４本の平行光が入射された場合の光路を光線追跡法により解析した結果を示す。図１４から、入射面１２ａから入射された光はダクト部１２及び導光部１４内を頂点方向に伝搬しながら集光され、最終的には導光部１４の出力端１４ｂから微小な広がり角で出力されていることが判る。
【００３７】
次に、本実施形態の集光部品の変形例について説明する。以下の説明においては、上述した構成と同一部分には同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
図１５は本実施形態の集光部品の第１変形例を示す。この集光部品１０では、導光部１４がダクト部１２の反射面１２ｂの一部分のみに沿って形成されている。この導光部１４の頂点側の端部には、径が先端方向に向かって徐々に減少するテーパー面１４ｃが形成されている。この集光部品１０において、導光部１４内を伝搬してきた光はテーパー面１４ｃで反射されることによりダクト部１２内に戻される。ダクト部１２内に戻された光は、反射面１２ｂで反射されながら頂点方向に進行し、最終的にダクト部１２の先端部より出力される。このような集光部品１０によれば、ダクト部１２内を伝搬する光を導光部１４に導いて導光させることにより、ダクト部１２内における光の反射回数を減少することができると共に、導光部１４内を伝搬してきた光をダクト部１２内に戻すことにより、最終的に、集光された光をダクト部１２の頂点から出力することが可能になる。尚、本変形例のように、集光された光をダクト部１２から出力する集光部品では、集光された光の出射端はダクト部の入射面の反対側に位置する頂点又はこの頂点に形成された切断面になる。
【００３８】
図１６は本実施形態の集光部品の第２変形例を示す。この集光部品１０では、ダクト部１２の入射面１２ａには厚さ方向に凸面が形成されている。これによって、ＬＤバー１６からの光の導入効率を向上することができる。ダクト部１２の上下面１２ｃ、１２ｄ、反射面１２ｂを曲面としてもよい。
図１７及び図１８は本実施形態の集光部品の第３変形例を示す。この集光部品１０では、双方の反射面１２ｂに導光部１４が設けられている。これによって、反射面１２ｂでの反射回数を減少させることができ、出力端１４ｂでの放射角を低減させ、ダクト部１２の長さを短くすることが可能になる。この場合、２本の導光部１４を上下にずらすことにより先端で交差しないように配置することが好ましい。
【００３９】
図１９は本実施形態の集光部品の第４変形例を示す。この集光部品１０では、一方の反射面に２個の導光部が設けられている。これによって、第３変形例と同様、反射面１２ｂでの反射回数を減少させることができ、出力端１４ｂでの放射角を低減させ、ダクト部１２の長さを短くすることが可能になる。
図２０は本実施形態の集光部品の第５変形例を示す。この集光部品１０では、２個のダクト部１２が１個の導光部１４で連結された構造を有している。これによって、２個のダクト部１２で集光された光を１個の導光部１４から出射させることができるので、集光された光のエネルギー密度を高めることができる。
このような集光装置は、例えば、図２１に示されるように、複数を垂直方向に配列して用いることができる。
さらに、本形態の集光部品は上述した例に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。
【００４０】
例えば、上述した例では、ダクト部１２は二等辺三角形状に形成されていたが、入射面から先端部に向かって先細り形状を有していれば、その形状は特に限定されない。例えば、ダクト部を円錐状又は楕円錐状に形成し、その底面を入射面とし、底面と先端部とを連結する側面全体を反射面としてもよい。また、ダクト部を入射面側に直角を有する直角三角形や台形状に形成してもよい。さらに、ダクト部１２の厚さは入射面１２ａから頂点に向かって拡大するようにしてもよく、導光部１４と接続されている部分で減少するようにしてもよい。
【００４１】
また、上述した例では、導光部はダクト部の反射面に設けられていたが、導光部はダクト部を進行する光を内部に取り込んで進行させるものであれば、その位置は特に限定されない。例えば、図２２及び図２３に示されるように、導光部１４をダクト部１２の上面の中心線付近に配置してもよい。
さらに、上述した形態では導光部をファイバー状の部材で構成したが、ファイバー状の部材に替え又はこれとともに、ダクト部に形成された屈折率分布により導光部を構成することも可能である。このような屈折率分布は、例えば、ダクト部の所定領域に屈折率を高めるドープ材を添加すること等により形成することができる。
【００４２】
次に、本発明の集光装置の他の実施形態について説明する。
図２４及び図２５は本発明の集光部品の第２実施形態を示す。この集光部品１０のダクト部１２の入射面１２ａには多数のマイクロレンズ１２ｅが連続的に形成され、これによってフレネルレンズ状のレンズ面１２ｆが形成されている。このフレネルレンズ状のレンズ面１２ｆは、ＬＤバー１６から出射された光をダクト部１２の先端部方向に屈折させることにより、ダクト部１２に入射された光が反射部１２ｂで反射される回数を減少させることができる。 フレネルレンズ状のレンズ面１２ｆを構成する各々のマイクロレンズ１２ｅは、通常、ＬＤバー１６の発光面を構成する１個又は複数個のレーザーダイオードに対向するように形成される。このような集光部品１０は、ダクト部１２の入射面１２ａを炭酸ガスレーザー等の集光ビームを用いて切り出したり、あるいは入射面１２ａを研磨すること等により形成することができる。
【００４３】
このような導光部を有しない集光部品１０では、集光された光を出射する出射端はダクト部１２の先端部か、或はダクト部１２の先端部に形成された切断面となる。
本形態の集光部品１０によれば、ダクト部１２の入射面１２ａにフレネルレンズ状のレンズ面１２ｆを形成したことにより、ダクト部１２内における光の反射回数を減少させることができる。従って、光が反射面１２ｂに入射するときの入射角が全反射条件である臨界角より小さくなる前に光をダクト部１２の先端部にまで到達させることができる。また、入射面全体に１の凸面を形成した場合に比べ、入射面の曲率を小さくすることができ、入射面の両端部における光の漏れを低減することができる。従って、ＬＤバー１６等から出射された光を効率的に微小スポットに集光することが可能になる。
【００４４】
図２６及び図２７は本発明の集光部品の第２実施形態の集光部品１０の変形例を示す。この集光部品１０では、上述したダクト部１２の反射面１２ｂに導光部１４が設けられている。本変形例によれば、フレネルレンズ状のレンズ面１２ｆと導光部１４を併用してダクト部１２内における光の反射回数を減少させることにより、ＬＤバー１６から出射された光をより効率的に集光することが可能になる。
図２８及び図２９は本発明の集光部品の第３実施形態を示す。この集光部品１０のダクト部１２の入射面１２ａには多数のマイクロレンズ１２ｇが連続して形成されている。このマイクロレンズ１２ｇはＬＤバー１６の発光面を構成する１個又は複数個のレーザーダイオードに対向するように形成されており、ＬＤバー１６から出射された光をダクト部１２の先端方向に屈折させることにより、ダクト部１２に入射された光が反射部１２ｂで反射される回数を減少させることができる。
【００４５】
このような入射面１２ａは、第２実施形態と同様、炭酸ガスレーザーを用いた切り出し又は研磨等により形成することができる。
本形態の集光部品１０によれば、集光部品１０の入射面１２ａにマイクロレンズ１２ｇを形成したことにより、ダクト部１２内における光の反射回数を減少させることができ、ダクト部１２内に導入された光が全反射条件を破る前に光をダクト部１２の先端部にまで到達させることができる。また、入射面全体に１の凸面を形成した場合と比べると、入射面の両端部における光の漏れを低減することができる。従って、ＬＤバー１６から出射された光を効率的に微小スポットに集光することが可能になる。
図３０及び図３１は本発明の集光部品の第３実施形態の変形例を示す。この集光部品１０では、上述したダクト部１２の反射面１２ｂに導光部１４が設けられている。本変形例によれば、マイクロレンズ１２ｇと導光部１４を併用してダクト部１２内における光の反射回数を減少させることにより、ＬＤバー１６から出射された光をより効率的に集光することが可能になる。
【００４６】
図３２及び図３３は本発明の集光部品の第４実施形態を示す。この集光部品１０はダクト部１２とダクト部１２内に形成された屈折部１２ｈを備えている。この屈折部１２ｈは集光する光に対して透明度が高く、ダクト部１２と異なる屈折率を有する物質、例えば、ガラス、樹脂等によりレンズ形状に形成されている。この屈折部１２ｈは、通常、ダクト部１２の入射面１２ａ近傍おいてダクト部１２と一体的に形成される。これによって、ＬＤバーから出射された光をダクト部１２の出射端方向に屈折させ、集光部に入射された光が反射面１２ｂで反射される回数を減少させることができる。
【００４７】
このような集光部品は、例えば、ダクト部１２に屈折部１２ｈに相当する形状の貫通孔を形成し、この貫通孔に軟化状態のガラス、樹脂等を充填して硬化させることにより形成することができる。
本形態の集光部品１０によれば、集光部品に屈折部１２ｈを形成したことにより、ダクト部１２内における光の反射回数を減少することができる。従って、ダクト部１２に入射された光が全反射条件を破る前に光をダクト部１２の先端にまで到達させることができる。また、屈折部１２ｈの位置をダクト部１２の製造段階で精度良く調整することができ、光がダクト部１２内に閉じ込められた状態で光の操作を行うものであるので、結合効率の良い集光部品を提供することが可能になる。
【００４８】
また、水平方向の偏向を入射面１２ａでなくダクト部１２内部に形成された屈折部１２ｈで行うため、入射面１２ａを平坦とすることができる。従って、入射面の両端部における光の漏れを低減することができる。また、入射面１２ａに複雑な形状を形成する必要がないので製造が容易である。さらに、入射面１２ａに厚さ方向の凸面を形成し、ダクト部１２に入射された光の厚さ方向の偏向を行うことも可能になる。
本形態の集光部品は上述した例に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。例えば、屈折部はＬＤバー１６から出射された光をダクト部１２の出射端方向に屈折させ、ダクト部１２に入射された光が反射面１２ａで反射される回数を減少させるものであれば、その形状は限定されない。例えば、屈折面にＬＤバーの各々のレーザーダイオードに対向するフレネルレンズ様レンズ又はマイクロレンズアレイを形成することもできる。また、第２実施形態又は第３実施形態と同様に、ダクト部１２の反射面１２ａに導光部を設けることも可能である。
【００４９】
次に、本発明に係るレーザー装置について説明する。
図３４は本発明のレーザー装置の第１実施形態を示す。このレーザー装置２０は、レーザー活性物質の誘導放出効果を利用した光の発振装置又は増幅装置であり、レーザー加工、光通信、レーザー計測等で用いられる。
このレーザー装置２０は、励起光源としてのＬＤバー１６と、ＬＤバー１６から発せられた励起光を集光する集光部品１０と、集光部品１０により集光された励起光を閉じ込めるため円筒状の構造体２２と、構造体２２の芯となる円筒２２ａと、構造体２２に巻回された光ファイバー２４とを備えている。
【００５０】
本実施例に係るレーザー装置においては、集光部品１０としては、上述した集光部品の何れかを用いることができる。
円筒２２ａは表面が反射率の高い金属で形成されており、この表面には屈折率の低い樹脂がコーティングされている。
構造体２２は、ＬＤバー１６から発せられる励起光に対して透明な材料で形成されており、導入された励起光をその内部で反射させながら閉じ込める。この構造体は、通常、石英ガラス、リン酸塩ガラス等のガラス、プラスチック、光学結晶等で形成されたシートを円筒２２ａに巻き付けることにより形成される。このような構造体２２における励起光の閉じ込めは、通常、外界（通常は空気）との屈折率の差による全反射により行なわれるが、構造体２２に反射率の高い反射コートを施し、この反射コートによる反射により行なってもよい。構造体は、円柱形状、円盤形状、レンズ形状等に形成することもできる。
【００５１】
この構造体２２には光ファイバー２４が直接又は光学媒質を介して巻回されている。光学媒質としては、構造体２２から光ファイバーへの励起光の導入を妨げないような屈折率を有する光学樹脂等が用いられる。
光ファイバー２４としては、レーザ活性物質がドープされているコアの周りに、クラッドが形成されているレーザーファイバーが用いられる。このレーザー活性物質は励起光による誘導放出効果によりレーザー光を発生する物質であり、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素等からレーザー装置２０の用途等に応じて適宜選択される。
【００５２】
本発明に係るレーザー装置においては、光ファイバー２４の一端２４ａは、通常、反射端として、平面研磨後に反射率の高い多層膜コートが施され、構造体２２に固定されている。一方、光ファイバーの他端２４ｂは、出力端として、コート処理等が施されていない垂直破断面とされ、外部に引き出されている。光ファイバー２４の一端２４ａを信号入力端とし他端２４ｂを出力端とする場合や、両端２４ａ、２４ｂをレーザー光の出力端とする場合は、両端２４ａ、２４ｂともに垂直破断面として外部に引き出される。垂直破断面には、必要に応じ、反射防止膜が形成される。
【００５３】
集光部品１０の出力端には光ファイバー２６の一端が接続されており、この光ファイバー２６の他端は構造体２２の上端面と所定角度で融着接続されている。また、この集光部品１０としては、上述した集光部品のいずれかを用いることができる。
導光部１４から構造体２２への光の導光は、集光部品１０の出力端を構造体の上端面に直接接続することにより行なってもよい。
【００５４】
上記のようなレーザー装置２０において、ＬＤバー１６の発光領域と集光部品１０の入射面１２ａとを近接させると、ＬＤバー１６から発せられた励起光は集光部品１０内に導かれる。この励起光は集光部品１０内で集光され、出力端から微小なスポットを有する励起光として出力される。
この励起光は光ファイバー２６を介して上端面より構造体２２内に所定角度で入射される。この励起光は構造体２２の表裏面で全反射を繰り返しながら螺旋形状の光路を描いて下方に進行する。このとき、円筒２２ａの表面には低屈折率の樹脂がコーティングされているので、構造体に入射された光は構造体２２内に閉じ込められ易い。また、円筒２２ａの表面は反射率の高い金属で形成されいるので、構造体２２の裏面から漏れた光は円筒２２ａ表面で反射され、構造体２２内に戻される。
【００５５】
この励起光は、光ファイバー２４が巻き付けられている部分に達すると、光ファイバー２４の側面より光ファイバー２４の内部に導入される。光ファイバー２４に導入された励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー２４内を伝わって出力端２４ｂより放出される。
上記のレーザー装置２０では、微小スポットに集光されたエネルギー密度の高い光を励起光としているので、構造体２２の微小領域から励起光を導入することが可能になる。この結果、構造体２２に入射された光が入射部分から漏れにくくなり、レーザー発振の効率を高めることが可能になる。また、構造体２２に対する励起光の導入を微小領域で行なうことができる結果、励起光の放射を最小限に抑制することが可能になると共に、多数の励起光を構造体２２に導入することが可能になるので、レーザー装置の高出力化を図ることができる。
【００５６】
次に、本発明のレーザー装置の第２実施形態について説明する。
図３５は、上述した集光部品を用いたレーザー装置３０を示す。このレーザー装置３０は、励起光源としてのＬＤバー１６と、ＬＤバー１６から発せられた励起光を集光するダクト部１２と、光ファイバー２４と、光ファイバー２４を支持する支持体３２とを備えている。
支持体３２は横断面が長円形の長円柱形状を有している。この支持体３２の表面は反射率の高い金属で形成されており、この表面には屈折率の低い樹脂がコーティングされている。
【００５７】
支持体３２の側面には光ファイバー２４が巻き付けられている。この支持体３２に巻き付けられた光ファイバー２４の直線部分には、３個のダクト部１２が垂直方向に所定の距離を介して設けられている。ダクト部１２としては、上述した集光部品のうち、導光部を有しないものを用いることが好ましい。このダクト部１２の反射面１２ｂは光ファイバー２４と溶融接続又は紫外線硬化樹脂等の接着剤を用いた接着等により光ファイバー２４に固定されている。この場合、図３６に示されるように、ダクト部１２の反射面１２ｂと光ファイバー２４とを１ヶ所で接続してもよく、図３７に示されるように、反射面１２ｂを光ファイバー２４の互いに隣接する２ヶ所で接続することもできる。
【００５８】
上記のようなレーザー装置３０において、ＬＤバー１６の発光領域とダクト部１２の入射面１２ａとを近接させることにより、ＬＤバー１６から発せられた励起光は入射面１２ａよりダクト部１２内に導かれ、この励起光はダクト部１２の反射面１２ｂで反射されながら頂点方向に進行する。
この励起光は、光ファイバー２４と接続されている部分に達すると、光ファイバー２４の側面より光ファイバー２４の内部に導入される。
【００５９】
光ファイバー２４に導入された励起光はコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー２４内を伝わって出力端２４ｂより放出される。
上記のレーザー装置３０では、集光されたエネルギー密度の高い励起光によりレーザー光を発生させるので、レーザー光の発生効率を高めることが可能になる。また、励起光をダクト部１２から直接光ファイバー２４に導入することができるため、励起光の放射を最小限に抑制することが可能になる。
【００６０】
次に、本発明のレーザー装置の第３実施形態について説明する。
図３８は、上述した集光部品を用いたレーザー装置３５を示す。
このレーザー装置３５は、励起光源としてのＬＤバー１６と、ＬＤバー１６から発せられた励起光を集光する集光部品１０と、光ファイバー構造体３６と、光ファイバ構造体３６を冷却するための冷却部材３７とを備えている。
【００６１】
光ファイバー構造体３６は、光ファイバー２４に巻回され樹脂等で一体化された円環状の形状を有している。
この光ファイバー構造体３６の側面には集光部品１０が設けられている。集光部品１０としては、通常、上述した集光部品１０のうち導光部を有しないものが用いられる。このダクト部の反射面には、図３９に示されるように、光ファイバ構造体３６の外周部に対応する凹状の接続部１２ｉが形成されている。これによって、光ファイバ構造体３６と集光部品１０の反射面１２ａとを密着した状態で接続することができる。
【００６２】
冷却部材３７は金属等の材料で円盤状に形成されており、光ファイバー構造体３６はこの冷却部材３７に挟まれた状態で固定される。これによって、光ファイバー構造体３６から発せられた熱を外部に放出するこことができる。
上記のようなレーザー装置３５において、ＬＤバー１６の発光領域とダクト部１２の入射面１２ａとを近接させることにより、ＬＤバー１６から発せられた励起光は入射面１２ａよりダクト部１２内に導かれ、この励起光はダクト部１２の反射面１２ｂで反射されながら頂点方向に進行する。この励起光はダクト部１２の接続部１２ｉより光ファイバー構造体３６に導入される。
【００６３】
光ファイバー構造体３６に導入された励起光は光ファイバー２４を横切りながら進行する。この励起光は光ファイバー２４のコアにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は光ファイバー２４内を伝わって出力端２４ｂより放出される。
上記のレーザー装置３０では、集光された励起光をダクト部１２から直接光ファイバー２４に導入することができるため、励起光の放射を最小限に抑制することが可能になる。従って、レーザー発振効率の高いレーザー装置を提供することが可能になる。
本発明は上述した形態に限定されるものではなく変更して実施することが可能である。例えば、本発明に係る集光装置又はレーザ装置は上述した技術的構成を適宜組み合わせて実施することができる。
【００６４】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
Ａ．集光部品による集光
（実施例１）
コンピューター制御のステージと炭酸ガスレーザーを用いて、厚さ約１００μｍ、頂角１０°、底辺が１２ｍｍの二等辺三角形状の石英ガラス製薄板（屈折率１．４５８）を成形し、この薄板の各面に光学研磨を施し、ダクト部１２とした。このダクト部１２の反射面１２ｂの一方に炭酸ガスレーザーを照射して溶融することにより、反射面１２ｂに直径約５００μｍのファイバー状の導光部１４を形成した。そして、ダクト部の入射面１２ａ及びダクト部１４の出力端１４ｂに反射防止膜を形成し、図１及び図２に示される集光部品を得た。
【００６５】
光源として、５００μｍピッチで１９個のレーザーダイオードが一列に配列され、厚さ数μｍ、幅約９ｍｍの偏平な発光領域を有するＬＤバーを用いた。
そして、図８に示されるように、集光部品１０の入射面１２ａとＬＤバー１６の発光領域１６ａとを約５０μｍまで接近させることにより集光部品に光を入射し、導光部１４の出力端１４ｂの先端からの出射光量を測定して、結合効率を求めた。
【００６６】
（実施例２）
実施例１で得られたダクト部１２の２枚を幅１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの石英製リボンで連結した。そして、ダクト部の入射面及び石英製リボンの出力端に反射防止膜を形成し、図２０に示される集光部品１０を２個作製した。
光源として、５００μｍピッチで１９個のレーザーダイオードが一列に配列され、厚さ数μｍ、幅約９ｍｍの偏平な発光領域を有するＬＤバーが約１ｍｍ間隔で４段積み重なれているものを用いた。
そして、図２１に示されるように、上述した集光部品１０の各々のダクト部１２の入射面１２ａとＬＤバー１６の発光領域１６ａとを約５０μｍまで接近させることにより集光部品１０に光を入射し、２本の石英製リボンから出射された出射光量を測定して、結合効率を求めた。
【００６７】
（実施例３）
コンピューター制御のステージと炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で得られたダクト部の入射面１２ａに５００μｍピッチでマイクロレンズを１９個形成してフレネルレンズ様のレンズ面を形成した。そして、ダクト部の頂点に幅０．５ｍｍの切断面を形成して出射端とした。そして、ダクト部の入射面１２ａ及び出射端に反射防止膜を形成し、図２４及び図２５に示される集光部品を得た。
光源として実施例１で用いたＬＤバーと同一のものを用い、ＬＤバーの各々のレーザーダイオードが集光部品の各々のマイクロレンズと対向するようにした他は実施例１と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
【００６８】
（実施例４）
コンピューター制御のステージと炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で得られたダクト部１２の入射面１２ａに５００μｍピッチでマイクロレンズを１９個形成してフレネルレンズ様のレンズ面を形成した。
また、ダクト部１２の反射面１２ｂの一方に炭酸ガスレーザーを照射して溶融させることにより、反射面１２ｂに直径約４５０μｍのファイバー状の導光部１４を形成した。そして、ダクト部の入射面１２ａ及び導光部１４の出力端１４ｂに反射防止膜を形成し、図２６及び図２７に示される集光部品を得た。そして、実施例３と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
（実施例５）
コンピュータ制御のステージと集光した炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で用いたダクト部の入射面に約４９０μｍピッチでマイクロレンズを１９個形成した。そして、ダクト部の頂点に幅０．５ｍｍの切断面を形成して出射端とした。そして、ダクト部の入射面１２ａ及び出力端に反射防止膜を形成し、図２８及び図２９に示される集光部品を得た。そして、実施例３と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
【００６９】
（実施例６）
コンピュータ制御のステージと集光した炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で用いたダクト部の入射面に約４９０μｍピッチでマイクロレンズを１９個形成した。また、このダクト部１２の反射面１２ｂの一方に炭酸ガスレーザーを照射して溶融させることにより、反射面１２ｂに直径約４５０μｍのファイバー状の導光部１４を形成した。そして、ダクト部の入射面１２ａ及び導光部１４の出力端１４ｂに反射防止膜を形成し、図３０及び図３１に示される集光部品を得た。そして、実施例３と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
（実施例７）
実施例１で用いたダクト部１２にシリンドリカルレンズ状の穴を形成した。この穴に屈折率約１．５の紫外線硬化樹脂を充填、硬化させて、曲率半径約６ｍｍ、レンズ幅約１１ｍｍ、中心部厚さ約１５ｍｍの屈曲部を形成した。屈折部と入射面との距離は屈折部中央において約２ｍｍであった。そして、ダクト部の頂点に幅０．５ｍｍの切断面を形成して出射端とした。そして、ダクト部１２の入射面１２ａ及び出射端に反射防止膜を形成して、図３２及び図３３に示される集光部品を得た。この集光部品を用いて実施例１と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
（比較例）
実施例１で得られたダクト部を用いて実施例１と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
以上の結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
0004471522.tif 000002
表１より本発明に係る集光部品によれば高い結合効率が得られることが明らかになった。
Ｂ．レーザー装置によるレーザー発振
【００７１】
（実施例８）
図３４に示されるレーザ装置を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行った。
外径１０ｃｍ、内径９ｃｍの銅製の円筒２２ａの表面に金メッキを施し、その上に屈折率約１．３８の樹脂を薄くコーティングした。
この円筒２２ａの側面に、幅６０ｍｍ、厚さ５００μｍ、長さ３１４ｍｍのガラスシート２２を炭酸ガスレーザーで加熱しながら巻き付け、構造体２２を作成した。このガラスシート２２としては、石英ガラスを研磨して作成されたものが用いられた。
【００７２】
上記の構造体２２に光ファイバー２４を４００周、約１２５ｍ巻き付けてレーザー装置２０を構成した。この光ファイバー２４としては、母材が石英ガラスで、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍであり、コア部に０．５ａｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ３＋）がドープされているレーザーファイバーが用いられた。
この光ファイバー２４の一端面２４ａは平面研磨された後にレーザー発振波長１・０６μｍにおいて反射率９８％以上の多層膜コートが施された。また、光ファイバーの他端面２４ｂは、出力端として、垂直破断しただけの面であり、コート処理等は施されなかった。この他端面２４ｂの反射率は、レーザー発振波長１．０６μｍに対して４％程度であった。
【００７３】
ＬＤバー１６及び集光部品１０としては上述した実施例１、実施例４及び実施例６で得られたものを用いた。そして、集光部品１０の導光部１４の出力端１４ｂに直径約５００μｍのガラスファイバー２６の一端を接続し、その他端をガラスシート２２の上端部に融着接続して励起光の導入を行った。
ＬＤバー１６から発せらた励起光は波長０．８μｍ、出力４０Ｗであり、集光部品１０により約３６〜３８Ｗが構造体に導入された。そして、構造体２２に巻き付けられた光ファイバー２４の出力端２４ｂから発せられた波長１．０６μｍのレーザー出力を測定した。結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
0004471522.tif 000003
【００７５】
また、このレーザー装置の光ファイバー２４の両端面２４ａ、２４ｂを引き出して垂直破断面とすることにより光信号増幅装置を構成した。集光ダクトとしては実施例１で得られたものを用いた。この光ファイバー２４の一端２４ａから波長１．０６μｍ、出力５００μＷの信号光を入射したところ、他端２４ｂから３７０ｍＷの増幅光が出射され、２９ｄＢの利得が得られた。
【００７６】
（実施例９）
図３５に示されるレーザー装置３０を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行った。
両端の半径５０ｍｍ、直線部分が１００ｍｍの長円形の横断面を有する長円柱形状の銅製の支持体３２の表面に金コート処理を施し、その上に屈折率約１．３８の樹脂を薄くコーティングした。
この支持体３２に光ファイバー２４を８０周、約４０ｍ巻き付けた。この光ファイバー２４としては、母材が石英ガラスで、コア径５０μｍ、クラッド径２５０μｍであり、コア部には０．５ａｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ３＋）がドープされているレーザーファイバーが用いられた。
この光ファイバー２４の一端面は平面研磨された後にレーザー発振波長１・０６μｍにおいて反射率９８％以上の多層膜コートが施された。また、光ファイバー２４の他端面２４ｂは、出力端として、垂直破断しただけの面であり、コート処理等は施されなかった。この他端面２４ｂの反射率は、レーザー発振波長１．０６μｍに対して４％程度であった。
【００７７】
上記の巻き付けられた光ファイバー２４の直線部分に、同一のダクト部１２が接続された。このダクト部１２としては、実施例１で得られたダクト部１２、実施例３及び実施例５で得られた集光部品１０が用いられた。ダクト部１２は、反射面１２ｂが光ファイバー２４の側面に固定されるように石英ガラスと同じ屈折率を有する紫外線硬化樹脂により接着した。このダクト部１２は、光ファイバーの２０周毎に１個ずつ、計３個接続された。ダクト部１２は、図３６に示されるように、約５００μｍピッチで巻き付けた光ファイバー２４の１ヶ所で接続した。
ＬＤバー１６としては実施例１で用いられたものと同一のものを３個用い、各々のダクト部１２の入射面１２ａにＬＤバー１６の発光領域を近接させた。そして、光ファイバーの出力端２４ｂから発せられた波長１．０６μｍのレーザー光の出力を測定した。結果を表３に示す。
【００７８】
【表３】
0004471522.tif 000004
【００７９】
また、ダクト部１２を、図３７に示されるように、約２５０μｍピッチで密着させて巻き付けた光ファイバー２４の隣接する２ヶ所で接続するようにした。ＬＤバー１６としては実施例１で用いられたものと同一のものを３個用い、各々のダクト部１２の入射面１２ａにＬＤバー１６の発光領域を近接させた。そして、光ファイバーの出力端２４ｂから発せられた波長１．０６μｍのレーザー光の出力を測定した。その結果、光ファイバーの出力端から波長１．０６μｍでレーザー出力４８Ｗのレーザー光が得られた。
さらに、このレーザー装置３０の光ファイバー２４の両端面を引き出して垂直破断面とすることにより光信号増幅装置を構成した。ダクト部１２としては実施例１で得られたものを用い、ダクト部１２と光ファイバー２４の接続形態は、図３７に示されるように、約２５０μｍピッチで密着させて巻き付けた光ファイバー２４の隣接する２個所で接続するようにした。この光ファイバー２４の一端から波長１．０６μｍ、出力１００μＷの信号光を入射したところ、他端２４ｂから２９０ｍＷの増幅光が出射され、３５ｄＢの利得が得られた。
【００８０】
（実施例１０）
図３８に示されるレーザー装置３５を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行った。
コア径約５０μｍ、クラッド径約１２５μｍ、Ｎｄ３＋添加量約０．５ａｔ％の石英ガラスレーザーファイバー２４を巻回して、内径約１５ｃｍ、外形約１７ｃｍ、厚さ約１５０μｍの円環を作製した。この円環を石英ガラスと同じ屈折率の紫外線硬化樹脂を用いて一体化して光ファイバー構造体３６を得た。
このファイバー２４の一端には平面研磨後にレーザー発振波長１．０６μｍにおいて反射率９８％以上の多層膜反射コーティングを施した。また、他端は出力端として垂直破断面とし、コーティングは施さなかった。
【００８１】
集光部品１０としては実施例３、実施例５及び実施例７で得られたものを用い、炭酸ガスレーザーを用いてダクト部１２の先端部を光ファイバー構造体３６の外周部の形状に合わせて周長約１５ｍｍで曲面カットして接続部１２ｉを形成した。そして、集光部品１０の接続部１２ｉと光ファイバー構造体３６の外周部とを石英ガラスと同じ屈折率の紫外線硬化樹脂により接着した。光ファイバー構造体３６は上下から低屈折率の樹脂シート（厚さ０．１ｍｍのＦＥＰシート）を介して、金属製の放熱板を用いて挟んだ。
ＬＤバーとしては実施例１で用いられたものと同一のものを用い、ＬＤバーから波長０．８μｍ、出力４０Ｗの励起光を入射した。そして、出力端から発せられた波長１．６μｍのレーザー光の出力を測定した。結果を表４に示す。
【００８２】
【表４】
0004471522.tif 000005
以上の結果から、本発明によればレーザー発振効率の高いレーザー装置を得られることが明らかになった。
【００８３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の集光部品及び光源モジュールによれば、集光部に入射された光を導光部に導いて導光させることにより、集光部内での光の反射回数を減らすことができる。従って、光が集光部の反射面に入射するときの入射角が全反射条件である臨界角より小さくなる前に光を集光部の先端部にまで到達させることができるので、光をより微小なスポットに集光することが可能になる。また、複数の光学部品を用いた従来の集光装置に比べ、構成が簡単であるため、製造や調整にかかる手間及びコストを低減することが可能になる。
また、本発明のレーザー装置及び光信号増幅装置によれば、上記の集光部品により集光されたエネルギー密度の高い励起光によりレーザー発振及び光信号増幅を行うので、装置の効率化を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集光部品の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る集光部品の第１実施形態を示す断面図である。
【図３】導光部が中空に形成されている状態を示す断面図である。
【図４】導光部が断面四角形状に形成されている状態を示す断面図である。
【図５】導光部の径に対するダクト部の厚さと結合効率との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る集光部品の第１実施形態の他の例を示す断面図である。
【図７】ダクト部と導光部のオフセット量と結合効率との関係を示すグラフである。
【図８】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視図である。
【図９】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視図である。
【図１０】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る集光部品の作用を説明するための図である。
【図１２】本発明に係る集光部品の作用を説明するための図である。
【図１３】本発明に係る集光部品の作用を説明するための図である。
【図１４】本発明に係る集光部品に入射された光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。
【図１５】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第１変形例を示す平面図である。
【図１６】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第２変形例を示す斜視図である。
【図１７】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第３変形例を示す斜視図である。
【図１８】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第３変形例を示す断面図である。
【図１９】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第４変形例を示す断面図である。
【図２０】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第５変形例を示す斜視図図である。
【図２１】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視図である。
【図２２】導光部がダクト部の中央に形成されている集光部品を示す斜視図である。
【図２３】導光部がダクト部の中央に形成されている集光部品を示す断面図である。
【図２４】本発明に係る集光部品の第２実施形態を示す平面図である。
【図２５】本発明に係る集光部品の第２実施形態を示す側面図である。
【図２６】本発明に係る集光部品の第２実施形態の変形例を示す平面図である。
【図２７】本発明に係る集光部品の第２実施形態の変形例を示す側面図である。
【図２８】本発明に係る集光部品の第３実施形態を示す平面図である。
【図２９】本発明に係る集光部品の第３実施形態を示す側面図である。
【図３０】本発明に係る集光部品の第３実施形態の変形例を示す平面図である。
【図３１】本発明に係る集光部品の第３実施形態の変形例を示す側面図である。
【図３２】本発明に係る集光部品の第４実施形態を示す平面図である。
【図３３】本発明に係る集光部品の第４実施形態を示す側面図である。
【図３４】本発明に係るレーザー装置の第１実施形態の概略を示す斜視図である。
【図３５】本発明に係るレーザー装置の第２実施形態の概略を示す斜視図である。
【図３６】ダクト部と光ファイバーとの接続状態の一例を示す断面図である。
【図３７】ダクト部と光ファイバーとの接続状態の一例を示す断面図である。
【図３８】本発明に係るレーザー装置の第２実施形態を示す斜視図である。
【図３９】光ファイバー構造体と集光部との接続状態を示す平面図である。
【図４０】従来のファイバーカップリング方式の集光装置を説明するための図である。
【図４１】従来の対向ミラー方式の集光装置を説明するための平面図である。
【図４２】従来の対向ミラー方式の集光装置を説明するための側面図である。
【図４３】従来の三角ダクトを示す斜視図である。
【図４４】従来の三角ダクトに入射された光の光路を光線追跡法により解析した結果を示す図である。
【図４５】従来の三角ダクトの他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０  集光部品
１２  ダクト部
１２ａ  入射面
１２ｂ  反射面
１４  導光部
１６  ＬＤバー
１６ａ  発光領域
２０  レーザー装置
２２  構造体
２４  光ファイバー
３０  レーザー装置
３２  支持体
【図１】
0004471522.tif 000006
【図２】
0004471522.tif 000007
【図３】
0004471522.tif 000008
【図４】
0004471522.tif 000009
【図５】
0004471522.tif 000010
【図６】
0004471522.tif 000011
【図７】
0004471522.tif 000012
【図８】
0004471522.tif 000013
【図９】
0004471522.tif 000014
【図１０】
0004471522.tif 000015
【図１１】
0004471522.tif 000016
【図１２】
0004471522.tif 000017
【図１３】
0004471522.tif 000018
【図１４】
0004471522.tif 000019
【図１５】
0004471522.tif 000020
【図１６】
0004471522.tif 000021
【図１７】
0004471522.tif 000022
【図１８】
0004471522.tif 000023
【図１９】
0004471522.tif 000024
【図２０】
0004471522.tif 000025
【図２１】
0004471522.tif 000026
【図２２】
0004471522.tif 000027
【図２３】
0004471522.tif 000028
【図２４】
0004471522.tif 000029
【図２５】
0004471522.tif 000030
【図２６】
0004471522.tif 000031
【図２７】
0004471522.tif 000032
【図２８】
0004471522.tif 000033
【図２９】
0004471522.tif 000034
【図３０】
0004471522.tif 000035
【図３１】
0004471522.tif 000036
【図３２】
0004471522.tif 000037
【図３３】
0004471522.tif 000038
【図３４】
0004471522.tif 000039
【図３５】
0004471522.tif 000040
【図３６】
0004471522.tif 000041
【図３７】
0004471522.tif 000042
【図３８】
0004471522.tif 000043
【図３９】
0004471522.tif 000044
【図４０】
0004471522.tif 000045
【図４１】
0004471522.tif 000046
【図４２】
0004471522.tif 000047
【図４３】
0004471522.tif 000048
【図４４】
0004471522.tif 000049
【図４５】
0004471522.tif 000050