【手続補正書】
【提出日】平成19年8月10日(2007.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの共用ビームコリメータレンズを用いて、複数のレーザーとレーザーダイオードからの複数のレーザービームを一つのビームに結合することを特徴とする光学系構造。
【請求項２】
ビーム形状と発散角が異なる複数のレーザーとレーザーダイオードからの複数のビームの発散角をそれぞれ個別に補正して結合するレンズ型プリズムと、このレンズ型プリズムで結合されて出射されたレーザービームを一つの平行ビームとするコリメータレンズとを備え、前記コリメータレンズから前記複数のレーザーとレーザーダイオードからの各波長成分のレーザービームを、同様なビーム径で同光軸に伝搬する一つの結合されたレーザービームとして出力することを特徴とする光学系構造。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】複数レーザービームを結合する光学系構造
【技術分野】
【０００１】
この発明は複数のレーザーとレーザーダイオードの複数のビームを結合して一つの多波長のビームを出力する光学系構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一つビームに複数の波長出力のレーザーを得る為、プリズム、或いは、反射ミラーなどを用いて、複数のレーザーダイオード、又は、レーザービームを結合させる技術がある。
【０００３】
レーザーダイオードなどビーム発散するタイプに対し、ビームを先ず平行光にしてから結合するのは、従来の技術である。又、レーザー二つ以上を結合する場合に、ビームを二つずつ段階的に結合にするので、システム全体のサイズは非常に大きくなる。
【０００４】
又、応用上の都合で、結合される複数のレーザーは、同一形状と同じ発散角のビームにするので、従来の手法では、結合前に一つずつのレーザービームを整形するコリメータレンズが必要である。複数のレーザーダイオード（ＬＤ）からのビームを結合する場合には、ＬＤ一つずつ、ビーム整形できるコリメータレンズ系が必要である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この様に、従来の方法では、多数の光学部品と長い光路は必要なので、サイズが大きくなるシステムに煩雑な光路調整も必要である。更に、多い光学部品とマウントを使われる為、結合されたビームの光軸ずれなど経時変化もシステムの不安定な要因になるのである。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２５３９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１の光学系は、ビームを結合するプリズムかミラーでの精密な光軸調整が必要であり、光軸の微小なずれによるビーム同軸性のずれもシステムの不安定要因である。そこで、本発明はより簡素な手法で作るよりコンパクトな光学系で、複数のレーザーを結合できること、又は、ビーム性質が異なる各々のレーザーからのビームに対し、所要光学部品の数を最低限に抑え、より高いビーム整形効果で各々のビームを整形し、結合されたレーザービームに含められる各波長成分のレーザーが同一形状且つ同じビーム発散角になる複数のビームを結合する光学系構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従来可視長波長赤色から赤外線までしかないレーザーダイオード（ＬＤ）は、近年、製造技術の向上に伴って、紫外から、可視短波長ブルー色までの発光波長に伸びて来た。又、ＬＤ励起のグリーンレーザーは、チップのような小型の製品も出来ている。紫外、ブルーとグリーン又赤色の可視領域から、近赤外線までいろいろな波長を持つ多波長小型化のレーザーは、バイオと遺伝子関係、医療診断、又、分光計測機器等幅広い応用に使われている。近年、それらの応用に、紫外から可視、又近赤外に複数の波長を持つ小型のレーザー光源を求められている。
【０００９】
本発明は、一つの共用ビームコリメータレンズを用いて、複数のレーザーとレーザーダイオードのビームを結合する光学系構造である。
【００１０】
すなわち、本発明は、図２のように、二つのレーザーダイオード２１、２２からのビームを先ずプリズム２３で結合させ、一つの共用のコリメータレンズ２５で平行ビームにコリメートする。この光学系の光軸調整のキーポイントは、レーザーダイオード２１と２２の発光点を、共用のコリメータレンズ２５のバックフォックス焦点に合わせることである。ビーム結合プリズム２３を通るビームは、普通１０度以上発散角を持つ非平行光であり、プリズム２３の位置が多少ずれても、その後でビームを共用のコリメータレンズ２５でコリメートするので、光軸はずれにくくなる。
【００１１】
この様な複数のレーザーダイオードからのビームを一個の共用のコリメータレンズ２５でコリメートする方法では、必要な光学部品点数が減る上に光路も短縮でき、光軸がずれ難く、またコンパクトな構造でのビーム結合が実現できる。
【００１２】
但し、結合する各波長のレーザービームは、一般的に、ビーム広がり角が異なるので、一つの共用のコリメータレンズ２５でコリメートすると、結合される各ダイオードレーザーのビーム形状と発散角は、異なることもある。
【００１３】
この問題を解決するため、本発明は、ビーム形状と発散角が異なる複数のレーザーとレーザーダイオードからの複数のビームの発散角をそれぞれ個別に補正して結合するレンズ型プリズムと、このレンズ型プリズムで結合されて出射されたレーザービームを一つの平行ビームとするコリメータレンズとを備え、コリメータレンズから複数のレーザーとレーザーダイオードからの各波長成分のレーザービームを、同様なビーム径で同光軸に伝搬する一つの結合されたレーザービームとして出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ビーム形状と発散角が異なる複数のダイオードからのビームとレーザーからのビームとをそれぞれ個別に補正して結合するレンズ型プリズムと共用コリメータレンズとの組み合わせで、複数のビームを結合できる。本発明によれば、一個のレンズ型のプリズムと一個の共用コリメータレンズのみを含める構成で光学部品の点数は最小限に抑えられ、システムを小型化にし、また、先にレンズ型プリズムで結合された複数のビームを共用のコリメータレンズでコリメートする仕組みで、光軸がずれにくい構造になり、光学システムの安定性を向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図３は本発明になる光学系構造の基本的な構成図を示す。図３に示す実施形態は、ビーム形状と発散角が異なる二つのレーザーダイオードからのビームに対しそれぞれ個別に波面を補正して結合するレンズ型プリズム３３と共用のコリメータレンズ３７とを導入した光学系である。
【００１６】
図３にあるレンズ型プリズム３３は、波長λ１のダイオードＬＤ１のビームを曲面３５に、波長λ２のダイオードＬＤ２のビームを曲面３６にそれぞれ通させ、更にプリズム内部に波長λ１のビームを透過且つ波長λ２のビームを９０°全反射のコーティング面３４で二つビームを結合させる構造である。プリズム３３の曲面３５と３６は、各々の入射ビームの波面（ビーム分布と発散角度）を予備補正する効用があり、セルフォックレンズ、球面か非球面レンズ、或いは、円筒形か非柱面円筒形レンズ、等等の曲面とされて、入射するレーザービームの特性に個別に合わせて設計できる。
【００１７】
プリズム３３のコート面３４で結合される二つの波長成分を含むビームは、λ１の方が３５を、λ２の方が３６を各々通されたことにより、異なる波長の成分の波面を各々の特性に合わせて個別的に予備整形されているので、図３に示す様に、レンズ３７を更に通させて、元にビーム質が異なるλ１とλ２の二つ波長の成分のビームを、同じ形状の一つの平行ビームになる。
【００１８】
図４は、図３の３１番レーザーダイオードＬＤ１に対する光学系の有効光路図である。レンズ面３５を有するプリズム３３は、実際ＬＤ１のビーム形状を予備補正出来る一つのレンズと見られる。レンズ面３５を有するプリズム３３とレンズ３７の組み合わせレンズでＬＤ１ビームを整形しコリメートする。
【００１９】
図４と同じ原理で、図５は、３２番レーザーダイオードＬＤ２に対する光学系の有効光路図である。レンズ面３６を有するプリズム３３とレンズ３５の組み合わせレンズで、ＬＤ２ビームを整形しコリメートする。
【００２０】
このように、ＬＤ１とＬＤ２の二つのレーザービームは、同光軸伝搬になるビーム結合コート面３４を有するプリズム３３で結合されるが、プリズムに対し各々の通過光路上に異なる曲率があるレンズ形曲面３５と３６と、後に共同通過のコリメータレンズ３３により、３５と３３、又は３６と３３の様な異なる組合せレンズで、各々のビームに異なる整形効果を持ってコリメートされる。つまり、結合される二者は、異なるレーザービーム特性に合わせて予め設計された異なる整形レンズでコリメートされ、同一ビーム形状の一つの平行ビームになる。
【実施例】
【００２１】
３個以上の複数のレーザービームでも、上記同じ原理の光学系、レンズ型のプリズム３３と、共用コリメータレンズ３７との組み合わせでビームを結合できる。
【００２２】
図６は本発明になる光学系構造の一実施例の構成図を示す。図６に示すように、本実施例は、波長が異なる二つのレーザーダイオードビームと、一つのダイオードレーザー励起グリーンレーザービームを結合する実施例である。図６の４１は、グリーン５３２ｎｍ波長のチップ型レーザーである。４２は、励起用８０８ｎｍ波長のレーザーダイオードで、４３は、１０６４ｎｍ発振波長のＹＶＯ４レーザー結晶で、４４は、二倍波ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）非線形光学結晶である。４７と５０は、レーザーダイオードである。グリーンレーザーの方はレンズ型プリズム４５のマイナス（凹面）レンズ面４６でビームを適当な発散角度に付けて予備整形にし、また、元の発散角が異なるレーザーダイオード４７と５０の二つダイオードレーザービームもレンズ型プリズム４５のそれぞれ曲率が異なるプラス（凸面）レンズ面４８と５１でそれぞれのビームを別々に予備整形する。
【００２３】
この様にレンズ面４６、４８と５１の曲率を各々後に通過するコリメータレンズ５３の特性と合わせておけば、レーザー４１からのビームと、レーザーダイオード４７と５０からのビームを同じビーム径を持つ平行ビームに整形することが出来る。この様に、波長が異なる複数のレーザーとレーザーダイオードからのビームをレンズ型プリズム４５と共用レンズ５３のみと構成するコンパクトな光学系で同光軸且つ同ビーム形状の一つの平行ビームに整形する。前述のように、三個の平行ビームをプリズムで結合する場合と違って、レンズ型プリズム４５で結合した後に三個の発散ビームを一個のレンズ５３でコリメートする本実施例の光学系であるので、ビームの光軸は、ずれ難くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】予めコリメータされた二つのレーザーダイオードビームの結合光学系である。
【図２】一個共用コリメータレンズで二つレーザーダイオードビームを結合する光学系構造図である。
【図３】ビーム径予備補正レンズ面付き“レンズ型プリズム”を用いる二つのレーザーダイオードビームの結合光学系の実際構成図である。
【図４】図３に示す光学系のレーザーダイオードＬＤ１からのレーザービームに対する有効光路図である。
【図５】図３に示す光学系のレーザーダイオードＬＤ２からのレーザービームに対する有効光路図である。
【図６】本発明の光学系構造の実施例１の構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１、２１、３１  波長λ１のレーザーダイオード（ＬＤ１）
１２、２２、３２  波長λ２のレーザーダイオード（ＬＤ２）
１３  レーザービーム整形且つコリメータレンズ
１４  二つのビームを結合するプリズム
１５、２４、３４  波長λ１ビーム透過、波長λ２ビーム全反射コーディング面
１６  結合後のビーム形状
２３  二つのビームを結合するプリズム
２５  ＬＤ１とＬＤ２両ビーム整形且つコリメータの共用レンズ
２６  結合後ＬＤ１波長成分のレーザービーム形状
２７  結合後ＬＤ２波長成分のレーザービーム形状
３３  二つのビームを結合するレンズ型プリズム
３５  ＬＤ１レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
３６  ＬＤ２レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
３７  ＬＤ１とＬＤ２両ビーム整形且つコリメータの共用コリメータレンズ
３８  結合後ＬＤ１波長成分のレーザービーム形状
３９  結合後ＬＤ２波長成分のレーザービーム形状
４１  ダイオード励起５３２ｎｍ波長チップ型レーザー
４２  励起光源のレーザーダイオード（ＬＤ１）
４３  ＹＶＯ４レーザー結晶
４４  ＫＴＰ二倍波非線形光学結晶
４５  三つのビームを結合するレンズ型プリズム
４６  ５３２ｎｍレーザービーム形状補正球面レンズ面
４７  波長λ２のレーザーダイオード（ＬＤ２）
４８  ＬＤ２レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
４９  ５３２ｎｍ波長透過、波長λ２ビーム全反射コーディング面
５０  波長λ３のレーザーダイオード（ＬＤ３）
５１  ＬＤ３レーザービーム形状補正球面、或いは、非球面、或いは、シリンドリカル型曲面
５２  ５３２ｎｍとλ２波長透過、λ３波長４５°全反射コーディング面
５３  結合した三つのレーザービームの整形且つコリメータの共通レンズ
５４  結合後のレーザービーム形状