(57)【要約】【課題】集光しやすい光スポット照射装置に関する。【解決手段】本発明の光スポット照射装置は、レーザ光源と、レーザ光源からの発散光を平行光とするコリメータレンズと、平行光を集光してスポット光とするコンデンサレンズと、を備えた光スポット照射装置であって、コリメータレンズと、コンデンサレンズとの間に、平行光を、その光軸と交差する面内におけるファーフィールド・パターンを２分割して、異なる方向に進む第１光及び第２光とするビーム分割器と、第１光及び第２光を重ね合わせて合成する光合成器と、を有することを特徴とする。これにより、コンデンサレンズの径を小さくすることができ、球面収差の影響を受けにくくすることができ、高光密度の光スポットを得ることができる。ことを特徴とする。【選択図】  図１
2013122801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、
該レーザ光源からの発散光を平行光とするコリメータレンズと、
前記平行光を集光してスポット光とするコンデンサレンズと、
を備えた光スポット照射装置であって、
前記コリメータレンズと、前記コンデンサレンズとの間に、前記平行光を、その光軸と交差する面内におけるファーフィールド・パターンを２分割して、異なる方向に進む第１光及び第２光とするビーム分割器と、
前記第１光及び第２光を重ね合わせて合成する光合成器と、
を有することを特徴とする光スポット照射装置。
【請求項２】
前記ビーム分割器は、透過型光学素子である請求項１記載の光スポット照射装置。
【請求項３】
前記ビーム分割器は、反射型光学素子である請求項１記載の光スポット照射装置。
【請求項４】
前記ビーム分割器と、前記光合成器の間に、前記第１光又は前記第２光の何れか一方のレーザ光の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板を有し、前記光合成器として偏光光学素子を用いる請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光スポット照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源から出射されるレーザ光をスポットとして集光する光スポット照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子を用いたレーザ光源から出射されるレーザ光を、集光されたスポット光として用いるために、コリメータレンズを用いて平行光とし、その平行光を、コンデンサレンズを用いて集光する。また、近年では、更に高光密度のスポット光を得るため、複数の光源から出射されるレーザ光を集光する技術の開発が進められている。例えば、図３に示すように、複数の光源をマトリクス状に配列し、各光源からのレーザ光を、それぞれに対応するコリメータレンズを用いて平行光とし、それら平行光の光束を１つのコンデンサレンズなどによってスポットとして集光していることが開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０２４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の方法では、コンデンサレンズの径はコリメータレンズの径よりも大きくなる。コンデンサレンズの径が大きくなると球面収差の影響が出やすくなり、１点に集光しにくくなるという問題が生じやすくなる。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００５】
以上の課題を解決するために、本発明の光スポット照射装置は、レーザ光源と、レーザ光源からの発散光を平行光とするコリメータレンズと、平行光を集光してスポット光とするコンデンサレンズと、を備えた光スポット照射装置であって、コリメータレンズと、コンデンサレンズとの間に、平行光を、その光軸と交差する面内におけるファーフィールド・パターンを２分割して、異なる方向に進む第１光及び第２光とするビーム分割器と、第１光及び第２光を重ね合わせて合成する光合成器と、を有することを特徴とする。これにより、コンデンサレンズの径を小さくすることができ、球面収差の影響を受けにくくすることができ、高光密度の光スポットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の実施の形態１による光スポット照射装置の基本構成を説明するための図
【図２】本発明の実施の形態２による光スポット照射装置の基本構成を説明するための図
【図３】従来技術による光スポット照射装置の基本構成を説明するための図（複数光源）
【図４】半導体レーザ素子（ファブリぺロー型）のＮＦＰを説明するための図
【図５】従来技術による光スポット照射装置の基本構成を説明するための図（単一光源）
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための光スポット照射装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。
また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
【０００８】
本発明の実施形態において、光スポット照射装置は、図１に示すように、レーザ光源１と、レーザ光源１からの出射光（発散光）を平行光とするコリメータレンズ２と、平行光を集光してスポット光とするコンデンサレンズ３と、を備えている。コリメータレンズ２とコンデンサレンズ３との間には、平行光を２つに分割するビーム分割器８を有している。ビーム分割器８は、平行光を、その光軸と交差する面内におけるファーフィールド・パターンを２分割して、直進する第１光と、屈折する第２光にするよう、光路内に配置される。更に、第１光の偏光方向を回転させるための１／２波長板５と、第２光を偏光させずに反射させる反射器７と、を有している。そして、これら２つの光が共に入射される１つの光合成器６を備えており、光合成器６から出射されるレーザ光（第１光と第２光が重ね合わされたレーザ光）がコンデンサレンズ３に入射される。
【０００９】
本実施の形態では、上記のように、レーザ光源から出射されたレーザ光を、ビーム分割器によって半分の大きさに分け、その半分の大きさのレーザ光を重ね合わせた後に、コンデンサレンズに入射している。これにより、コンデンサレンズの径を小さくすることができるため、球面収差の影響を受けにくくすることができる。そのため、１点に集光し易くなり、高光密度の光スポットを得ることができる。以下、各構成部材について、詳説する。
【００１０】
１．レーザ光源
本実施の形態においてレーザ光源は、半導体レーザを用いるのが好ましい。半導体レーザとしては、積層された半導体層の端面を出射面（発光面）とするファブリペロー型レーザ、積層された半導体層の上面を発光面とする面発光レーザや、分布帰還型レーザ、分布反射型レーザ、平面導波路を用いた波長変換素子からなる光源等を用いることができる。また、その組成や発振波長は、目的や用途に応じて任意に選択することができる。
【００１１】
ファブリペロー型の半導体レーザ素子をレーザ光源として用いる場合、半導体レーザ素子の光導波路作製工程において、光出射端面における発光領域（ニア・フィールドパターン、以下、ＮＦＰ）の幅方向（活性層に平行な方向）の大きさが、厚み方向（活性層に垂直な方向）の大きさよりも大きくなるのが一般的である。図４は、半導体レーザ素子１０を出射端面側の端面から見た模式図である。基板１１上に、ｎ型半導体層１２、活性層１３、ｐ型半導体層１４がこの順に積層されており、ｐ型半導体層１４には、リッジ１４ａが形成されている。通電により、リッジ下部の光導波路の端面からレーザ光が出射され、図４に示すような横長楕円形の発光領域Ａ（ＮＦＰ）が形成される。半導体レーザ素子１０から出射されるレーザ光の放射角は、光導波路構造に依存して異なるため、図４の上下方向（ＮＦＰの短軸方向）については、レーザ光がほぼ１点から大きく発散しながら（広がりながら）出射されるように見えるのに対し、図４の左右方向（ＮＦＰの長軸方向）については、ＮＦＰの幅全体から、上下方向の広がりに比して小さな角度で発散しながら（広がりながら）出射される。つまり、このようなレーザ光源を用いると、レーザ光の放射角に異方性があり、これを集光して得られる光スポットの形状は、光導波路構造を反映した楕円形状となる。このとき、集光された光スポットは、レンズの結像特性から、コリメータレンズの焦点距離（ｆ１）とコンデンサレンズの焦点距離（ｆ２）によって決まる倍率（ｍ＝ｆ２／ｆ１）でＮＦＰを映し出した像となる。
【００１２】
上記ではファブリペロー型の半導体レーザ素子で説明したが、平面導波路に共振器を形成した他の半導体レーザ、例えばＤＦＢ型レーザ、ＤＢＲ型レーザでも同様である。
【００１３】
２．コリメータレンズ
コリメータレンズは、レーザ光源から出射されるレーザ光（発散光）を、平行光化するものであり、１つのレーザ光源に対して１つのコリメータレンズを用いる。コリメータレンズには、球面レンズ、非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、トロイダルレンズなどが使用できる。
【００１４】
３．ビーム分割器
ビーム分割器は、コリメータレンズによって平行光化されたレーザ光を、その光軸と交差する面内におけるファーフィールド・パターンを２分割するよう、２つのレーザ光に分割するものである。詳細には、コリメータレンズからの光を、そのまま光軸方向に直進する第１光と、光軸と異なる方向へ屈折（あるいは反射、回折）させる第２光とに分割するものである。ほぼ均等に２分割するのが好ましく、これにより、後で合成される際に、平行光の断面積が小さくなり必要なコンデンサレンズが小さくし易い。特に、楕円形のファーフィールド・パターン（以下、ＦＦＰ）の短軸（光軸を含み、長軸の中央において長軸と垂直な面）で分割するようにビーム分割器を配置するのが好ましい。
【００１５】
このようなビーム分割器としては、反射型、透光型のいずれかを用いることができ、レーザ光源を複数用いる場合は、両方のビーム分割器を組み合わせて用いてもよい。いずれにしても、各レーザ光源に対して１つのビーム分割器を用いるのが好ましい。反射型のビーム分割器としては、ミラー、反射型回折格子等が挙げられ、透過型のビーム分割器としては、ウェッジプリズム、透過型回折格子等が挙げられる。
【００１６】
図１では、反射型のビーム分割器として、ミラーを用いている。コリメータレンズからの平行光を、その中央で分割するように、ミラーの一方の端部が平行光の光軸と一致するように配置する。ミラーに反射されずに直進する第１光は、そのまま直進して後述の１／２波長板に入射される。ミラーによって反射されて、進行方向が変わった第２光は、後述の反射器に入射される。ミラーは、その角度によって第２光の進む角度を調整することができ、後述の反射器、偏光光学素子の位置に、正しく入射できるように調整する。
【００１７】
尚、ここでは、ビーム分割器によって、一方のレーザ光のみを屈折させ、もう一方のレーザ光は直進させたが、これに限らず、異なる２つの方向に屈折するようにしてもよい。
【００１８】
４．１／２波長板
１／２波長板は、分割された２つのレーザ光を、後述の偏光光学素子において合成するため、いずれかのレーザ光の偏光方向を９０度回転させるためのものであり、分割された後から偏光光学素子に至るまでの光路内に配置される。図１では、直進する第１光が偏光光学素子に入射される前に１／２波長板が配置されている。これにより、偏光光学素子を直進することができる。１／２波長板としては、水晶波長板や、光学硝子板の表面の一部に等方性材料をコーティングしたガラス位相板、光学硝子・石英などの板の間に複屈折性を持たせた波長フィルムを挟み込んで接合した波長位相板、自己クローニングフォトニック結晶等を用いることができる。
【００１９】
また、このような機能を有する部品としては上記の１／２波長板の他、鉛ガラス（ＦＧ―６２）、特殊ガラス（ＳＦＳ１）、Ｅｕドープガラス、Ｃｅドープガラス等のファラデー回転子等を用いてもよい。これらは磁場（磁界）を加えることでレーザ光の偏光面を回転させることができるものである。或いは、偏波保持シングルモードファイバを用いてもよく、そのファイバの出口光軸をレーザ光の光軸を中心に９０°以下の範囲で回転させるのが好ましい。
【００２０】
５．反射器
反射器７は、ビーム分割器によって異なる進行方向に進むレーザ光を、後述の光合成器に入射させるために設けられるものであり、第１光、第２光のいずれかが入射される位置に、角度等を調整して配置される。図１では、ビーム分割器によって屈折された第２光が、反射器によって反射され光合成器に入射されている。このような反射器７は、入射光と反射光の進行方向を変える機能のみを有していればよく、すなわち、入射された平行光を、そのまま平行光として反射するものが好ましい。
【００２１】
６．光合成器
光合成器６は、分割された２つのレーザ光を、合成（合波）するための光学部材であり、異なる２つの入射面（第１光の入射面と、第２光の入射面）と、それら２つの光が合わせて出射される１つの出射面と、を有している。このような光合成器としては、偏光光学素子を用いるのが好ましく、具体的には、ダイオードレーザー用偏光キューブビームスプリッター等の偏光ビームスプリッタや、ウォラストンプリズム、サバール板が挙げられる。
【００２２】
７．コンデンサレンズ
コンデンサレンズは、前述の偏光光学素子によって合成された平行光を集光して、光スポットとするものであり、平凸レンズ、両凸レンズ、凸凹レンズ、フレネルレンズなどがあげられる。
【実施例】
【００２３】
（実施例１）
図１に実施例１の光スポット照射装置の構造を示す。楕円状のＦＦＰのレーザ光を放射するレーザ光源として例えば高出力半導体レーザ１と、半導体レーザから大きく発散しながら射出されるレーザ光を平行光化するコリメータレンズ２と、コリメータレンズ２で平行光化されたレーザ光を楕円状のＦＦＰの長軸に垂直に概ね均等に２分割するビーム分割器８としてミラーを用いる。さらに、ミラー８で進路を曲げられたレーザ光（第２光）を折り返すように反射させる反射器７と、直進するレーザ光（第１光）の偏光方向を９０度回転する１／２波長板５とをそれぞれ配置する、反射器７で反射された第２光と、１／２波長板５で偏光方向を９０度回転された第１光を重ね合わす光合成器６として、偏光ビームスプリッタを用いる。偏光ビームスプリッタ６の異なる面から入射された第１光と第２光は、同一面から共に出射されてコンデンサレンズ３に向けて出射される。
【００２４】
コンデンサレンズ３を介して出射されるレーザ光は、図５に示される光スポット照射装置に比して、平行光化されたレーザ光の径を概ね半分の大きさとすることができる。そのため、コンデンサレンズの焦点距離（ｆ２）が同じ場合、ＮＡを概ね半分にすることができる。よって、ＮＡの小さな光ファイバへレーザ光を有効に入射することができる。
【００２５】
（実施例２）
図２に実施例２の光スポット照射装置を示す。ここでは、レーザ光源１が複数である点、及び、ビーム分割器４が透過型である点が、実施例１と異なる。図３に示される構成の光スポット照射装置に比して、実施例１と同様に、平行光化されたレーザ光の径を概ね半分の大きさとすることができる。コンデンサレンズのＮＡが同じ場合、焦点距離（ｆ２）を概ね半分にすることができる。よって、よって倍率(ｍ＝ｆ２／ｆ１)を概ね半分に抑えられるので、概ね4倍の高光密度な集光スポットを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る光スポット照射装置は、高光密度な集光スポットを得るのに適しており、相変化型光ディスクの初期化を行なう初期化装置、高効率なレーザピグテイル、レーザ光合成装置や、溶接・穴あけなどのレーザ加工などに利用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１…光源（半導体レーザ）
１０…半導体レーザ素子（ファブリペロー型）
１１…基板、１２…ｎ型半導体層、１３…活性層、１４…ｐ型半導体層、１４ａ…リ
ッジ、Ａ…発光領域（ＮＦＰ）
２…コリメータレンズ
３…コンデンサレンズ
４、８…ビーム分割器
５…１／２波長板
６…光合成器
７…反射器
【図１】
2013122801.tif 000003
【図２】
2013122801.tif 000004
【図３】
2013122801.tif 000005
【図４】
2013122801.tif 000006
【図５】
2013122801.tif 000007