(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状になる第１平行光束及び第２平行光束を偏光ビームスプリッタの偏光膜の表面及び裏面にそれぞれ入射し、前記第１平行光束及び前記第２平行光束の合成光を出射するレーザ装置において、
前記第１平行光束として、そのストライプの長手方向に振動する第１電界成分を有するものを、前記第１電界成分が前記偏光膜の表面に対しｐ偏光となるよう前記偏光ビームスプリッタに入射する第１光入射手段と、
前記第２平行光束として、そのストライプの長手方向に垂直な方向に振動する第２電界成分を有するものを、前記第２電界成分が前記偏光膜の裏面に対しｓ偏光となるよう前記偏光ビームスプリッタに入射する第２光入射手段と、
を備え、
前記偏光膜の表面及び裏面が共にフラット面に垂直になるように、前記偏向ビームスプリッタは前記フラット面上に配置されており、
前記第1光入射手段の前記偏向膜への出射光軸と、前記第２光入射手段の前記偏向膜への出射光軸とは直交しており、
前記第1及び第2光入射手段のそれぞれは、
前記フラット面に垂直な方向に沿ってプレート状の複数の半導体レーザアレイが積層された半導体レーザアレイスタックからなり、前記半導体レーザアレイスタックからは、前記フラット面に垂直な方向に並んだ複数の平面状のレーザ光が出射され、このレーザ光の光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状となる光源と、
前記半導体レーザアレイスタックから出射されるレーザ光束の前記フラット面に垂直な方向の広がりを抑えて平行光化するために、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のシリンドリカルレンズと、
を備え、
前記偏光膜において、前記第１平行光束と前記第２平行光束のストライプが互いに平行になり、前記偏光膜を透過する前記第１平行光束のストライプと、前記偏光膜の裏面で反射される第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されるよう、前記第１平行光束のストライプが前記フラット面に垂直な方向に配列され、前記第２平行光束のストライプが前記フラット面に垂直な方向に配列されている、
ことを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記第１及び第２光入射手段のそれぞれは、
複数の前記シリンドリカルレンズを通過したレーザ光束の前記フラット面に平行な方向の広がりを抑えて平行光化するために、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のマイクロレンズアレイを備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記第１光入射手段の前記光源は、前記第１平行光束としてＴＥモードの平行光束を前記偏光膜の表面に入射する第１光源であり、
前記第２光入射手段の前記光源は、前記第２平行光束としてＴＭモードの平行光束を前記偏光膜の裏面に入射する第２光源であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状になる第１平行光束及び第２平行光束を偏光ビームスプリッタの偏光膜の表面及び裏面にそれぞれ入射し、前記第１平行光束及び前記第２平行光束の合成光を出射するレーザ装置において、
前記第１平行光束として、そのストライプの長手方向に振動する第１電界成分を有するものを、前記第１電界成分が前記偏光膜の表面に対しｐ偏光となるよう前記偏光ビームスプリッタに入射する第１光入射手段と、
前記第２平行光束として、そのストライプの長手方向に垂直な方向に振動する第２電界成分を有するものを、前記第２電界成分が前記偏光膜の裏面に対しｓ偏光となるよう前記偏光ビームスプリッタに入射する第２光入射手段と、
を備え、
前記第１光入射手段は、
第１フラット面上に配置されており、
四角形状に４点配列された４つの第１光源と、
４つの前記第１光源の内側に配置され、前記第１光源からそれぞれ出射される平行光束を反射する４つの反射面を有する第１反射体と、
を備え、
それぞれの前記第1光源の前記第1反射体への光軸は第1フラット面に平行であり、前記第１反射体のそれぞれの前記反射面で反射された４つの平行光束は、前記第１フラット面に垂直な同一方向に反射され、前記第１平行光束として、前記偏光膜の表面に入射し、
前記第２光入射手段は、
第２フラット面上に配置されており、
四角形状に４点配列された４つの第２光源と、
４つの前記第２光源の内側に配置され、前記第２光源からそれぞれ出射される平行光束を反射する４つの反射面を有する第２反射体と、
を備え、
それぞれの前記第２光源の前記第２反射体への光軸は第２フラット面に平行であり、前記第２反射体のそれぞれの前記反射面で反射された４つの平行光束は、前記第２フラット面に垂直な同一方向に反射され、前記第２平行光束として、前記偏光膜の裏面に入射し、
前記第１及び第２光源それぞれは、
複数の半導体レーザアレイが積層された半導体レーザアレイスタックからなり、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射光を平行化するよう、前記半導体レーザアレイスタックのそれぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置された複数のシリンドリカルレンズと、前記半導体レーザアレイの出射側に配置された複数のマイクロレンズアレイとを有し、
前記偏光膜において、前記第１平行光束のストライプと前記第２平行光束のストライプとが互いに平行となって入射され、前記偏光膜を透過する前記第１平行光束のストライプと、前記偏光膜の裏面で反射される前記第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されるよう、前記第１及び第２光入射手段のそれぞれにおいて、隣接する前記半導体レーザアレイスタック同士の積層方向は、互いに直交するように配置され、且つ、前記第１及び第２反射体のそれぞれの４つの前記反射面は、所定の上面と４５°の角度をなし、この上面に直交する軸の回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されている、
ことを特徴とするレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ加工、固体レーザ励起等に使用されるレーザ装置に係り、より詳細には、いわゆる半導体レーザアレイスタックを用いたレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工用のレーザ装置として、従来から、例えば高出力のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置等が用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置は、励起用光源から出射される光をＹＡＧレーザ素子に照射することによりＹＡＧレーザ素子から高い光パワー密度を持ったレーザ光を出力する。励起用光源としては、半導体レーザがよく用いられ、特に、活性層がいくつかのストライプに分割されたアレイ構造を持つ半導体レーザアレイを複数積層した半導体レーザアレイスタックは、比較的高出力を得られる半導体レーザとして注目を集めている。
【０００３】
例えば特開平４−７８１８０号公報に記載されるレーザ装置は、励起用光源として２個の半導体レーザアレイスタックを用い、互いに直交する２方向から、光軸に直交する面内でストライプ状となる２つの平行光束を偏光ビームスプリッタに入射し、その合成光を集光してＹＡＧレーザ素子に照射する。このレーザ装置において、半導体レーザアレイスタックは、それらから出射される平行光束のストライプが互いに直交するように、即ち合成光の発光パターンが格子状となるように配置されている。
【０００４】
一方、特開平１１−７２７４３号公報に開示されるレーザ装置は、半導体レーザアレイスタックをそれぞれ有する２つの光源から出力される平行光束を、透光板を用いて合成するものであり、透光板の表面にはＡｕ等からなる光反射膜が１ｍｍ程度あるいはそれ以下のピッチサイズでストライプ状にコーティングされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の公報に記載のレーザ装置は、以下のような問題点を有していた。
【０００６】
即ち、特開平４−７８１８０号公報に記載されるレーザ装置においては、偏光ビームスプリッタで合成される合成光の発光パターンが格子状になるため、光強度分布が空間的に不均一となる。特に、半導体レーザアレイスタックは、比較的高出力で動作するので、光の重なった部分の光強度は特に大きく、その光強度によって偏光ビームスプリッタが破損するおそれがある。
【０００７】
また、特開平１１−７２７４３号公報に記載されたレーザ装置においては、Ａｕ等からなる光反射膜が透光板の表面に１ｍｍ程度あるいはそれ以下のピッチサイズでストライプ状にコーティングされているため、透光板の製造が面倒であり、コストも高くなる。
【０００８】
そこで、本発明は、レーザ光の光パワー密度を均一化させると共に、製造が容易で且つ低コスト化を図ることができるレーザ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】
上記目的を達成するため、本発明は、光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状になる第１平行光束及び第２平行光束を偏光ビームスプリッタの偏光膜の表面及び裏面にそれぞれ入射し、第１平行光束及び第２平行光束の合成光を出射するレーザ装置において、第１平行光束として、そのストライプの長手方向に振動する第１電界成分を有するものを、第１電界成分が偏光膜の表面に対しｐ偏光となるよう偏光ビームスプリッタに入射する第１光入射手段と、第２平行光束として、そのストライプの長手方向に垂直な方向に振動する第２電界成分を有するものを、第２電界成分が偏光膜の裏面に対しｓ偏光となるよう偏光ビームスプリッタに入射する第２光入射手段とを備えている。
ここで、前記偏光膜の表面及び裏面が共にフラット面に垂直になるように、前記偏向ビームスプリッタは前記フラット面上に配置されており、前記第1光入射手段の前記偏向膜への出射光軸と、前記第２光入射手段の前記偏向膜への出射光軸とは直交しており、前記第1及び第2光入射手段のそれぞれは、前記フラット面に垂直な方向に沿ってプレート状の複数の半導体レーザアレイが積層された半導体レーザアレイスタックからなり、前記半導体レーザアレイスタックからは、前記フラット面に垂直な方向に並んだ複数の平面状のレーザ光が出射され、このレーザ光の光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状となる光源と、前記半導体レーザアレイスタックから出射されるレーザ光束の前記フラット面に垂直な方向の広がりを抑えて平行光化するために、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のシリンドリカルレンズと、を備え、前記偏光膜において、前記第１平行光束と前記第２平行光束のストライプが互いに平行になり、前記偏光膜を透過する前記第１平行光束のストライプと、前記偏光膜の裏面で反射される第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されるよう、前記第１平行光束のストライプが前記フラット面に垂直な方向に配列され、前記第２平行光束のストライプが前記フラット面に垂直な方向に配列されていることを特徴とする。
また、前記第１及び第２光入射手段のそれぞれは、複数の前記シリンドリカルレンズを通過したレーザ光束の前記フラット面に平行な方向の広がりを抑えて平行光化するために、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のマイクロレンズアレイを備えていることが好ましい。
【００１０】
本発明によれば、第１光入射手段から、第１平行光束が偏光ビームスプリッタの偏光膜表面に入射されると、偏光膜表面に対し第１平行光束の第１電界成分がｐ偏光となるため、第１平行光束は偏光膜を透過する。一方、第２光入射手段から、第２平行光束が偏光ビームスプリッタの偏光膜裏面に入射されると、偏光膜裏面に対し第２平行光束の第２電界成分がｓ偏光となるので、第２平行光束は偏光膜裏面で反射される。ここで、偏光膜の表面に対しては、ストライプの長手方向に振動する第１電界成分がｐ偏光として入射され、偏光膜の裏面に対しては、ストライプの長手方向に垂直な方向に振動する第２電界成分がｓ偏光として入射されるため、偏光膜において、第１平行光束と第２平行光束のストライプを平行にすることが可能となる。従って、第１平行光束と第２平行光束のストライプが互いに交差することなく合成され得る。また、偏光膜の裏面でｓ偏光が選択的に反射されるため、反射率の向上を図るために、偏光膜裏面に反射膜等をコーティングする必要がなくなる。
【００１１】
上記発明においては、例えば、第１光入射手段の光源は、第１平行光束としてＴＥモードの平行光束を偏光膜の表面に入射する第１光源であり、第２光入射手段の光源は、第２平行光束としてＴＭモードの平行光束を偏光膜の裏面に入射する第２光源であることが可能である。
【００１２】
また、上記発明において、第１光入射手段は、四角形状に４点配列され、内側に向けて、出射光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状となるように平行光束を出射する４つの第１光源と、第１光源の内側に配置され、第１光源からそれぞれ出射される平行光束を同一方向に反射する４つの反射面を有する第１反射体とを備え、第２光入射手段は、四角形状に４点配列され、内側に向けて、出射光軸に垂直な面内で発光パターンがストライプ状となるように平行光束を出射する４つの第２光源と、第２光源の内側に配置され、第２光源からそれぞれ出射される平行光束を同一方向に反射する４つの反射面を有する第２反射体とを備え、第１光入射手段は、第１反射体で反射される４つの平行光束を第１平行光束として偏光膜の表面に入射するものであり、第２光入射手段は、第２反射体で反射される４つの平行光束を第２平行光束として偏光膜の裏面に入射するものであることが好ましい。
より好適には、上記発明において、前記第１光入射手段は、第１フラット面上に配置されており、四角形状に４点配列された４つの第１光源と、４つの前記第１光源の内側に配置され、前記第１光源からそれぞれ出射される平行光束を反射する４つの反射面を有する第１反射体と、を備え、それぞれの前記第1光源の前記第1反射体への光軸は第1フラット面に平行であり、前記第１反射体のそれぞれの前記反射面で反射された４つの平行光束は、前記第１フラット面に垂直な同一方向に反射され、前記第１平行光束として、前記偏光膜の表面に入射し、前記第２光入射手段は、第２フラット面上に配置されており、四角形状に４点配列された４つの第２光源と、４つの前記第２光源の内側に配置され、前記第２光源からそれぞれ出射される平行光束を反射する４つの反射面を有する第２反射体と、を備え、それぞれの前記第２光源の前記第２反射体への光軸は第２フラット面に平行であり、前記第２反射体のそれぞれの前記反射面で反射された４つの平行光束は、前記第２フラット面に垂直な同一方向に反射され、前記第２平行光束として、前記偏光膜の裏面に入射し、前記第１及び第２光源それぞれは、複数の半導体レーザアレイが積層された半導体レーザアレイスタックからなり、それぞれの前記半導体レーザアレイの出射光を平行化するよう、前記半導体レーザアレイスタックのそれぞれの前記半導体レーザアレイの出射側に配置された複数のシリンドリカルレンズと、前記半導体レーザアレイの出射側に配置された複数のマイクロレンズアレイとを有し、前記偏光膜において、前記第１平行光束のストライプと前記第２平行光束のストライプとが互いに平行となって入射され、前記偏光膜を透過する前記第１平行光束のストライプと、前記偏光膜の裏面で反射される前記第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されるよう、前記第１及び第２光入射手段のそれぞれにおいて、隣接する前記半導体レーザアレイスタック同士の積層方向は、互いに直交するように配置され、且つ、前記第１及び第２反射体のそれぞれの４つの反射面は、所定の上面と４５°の角度をなし、この上面に直交する軸の回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、４つの第１光源から出射される平行光束は、第１反射体の４つの反射面で同一方向に反射され、この平行光束が第１平行光束として、偏光ビームスプリッタの偏光膜表面に入射される。一方、４つの第２光源から出射される平行光束は、第２反射体の４つの反射面で同一方向に反射され、この平行光束が第２平行光束として、偏光ビームスプリッタの偏光膜裏面に入射される。このとき、第１及び第２平行光束の光パワー密度はそれぞれ、第１及び第２光入射手段としてそれぞれ単一の光源を用いる場合に比べて４倍になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明のレーザ装置の好適な実施形態について説明する。なお、全図中、同一又は同等の構成要素については、同一の符号を付す。
【００１５】
図１は、本発明のレーザ装置の第１実施形態を示す斜視図である。図１に示すように、レーザ装置５０は偏光ビームスプリッタ２を備えており、偏光ビームスプリッタ２はフラット面１上に配置されている。偏光ビームスプリッタ２としては、例えば一対の直角三角柱状の透光性部材４ａ，４ｂを偏光膜としての誘電体多層膜６を介して貼り合わせたものが用いられる。偏光ビームスプリッタ２としては、透光板に偏光膜としての誘電体多層膜をコーティングした平板状のものでもよい。
【００１６】
透光性部材４ａは、フラット面１に垂直な第１受光面８ａを有し、透光性部材４ｂはフラット面１に垂直な第２受光面８ｂを有し、第１受光面８ａ及び第２受光面８ｂは互いに直交している。また、誘電体多層膜６の透光性部材４ａ側の表面及び透光性部材４ｂ側の裏面もフラット面１に垂直であり、且つ第１受光面８ａ及び第２受光面８ｂに対して所定の角度（例えば４５°）をなして傾いている。さらに、第１受光面８ａに対向する位置には、第１光源（第１光入射手段）９が配置され、第２受光面８ｂに対向する位置には、第２光源（第２の光出射手段）１１が配置されている。
【００１７】
ここで、第１光源９及び第２光源１１の構成について説明する。
【００１８】
まず第１光源９は、図２に示すように、半導体レーザアレイスタック１０を備えている。半導体レーザアレイスタック１０は、フラット面１に垂直な方向に対向配置される一対の平板状電極１２ａ，１２ｂを有し、電極１２ａ，１２ｂ間には、プレート状の複数の半導体レーザアレイ（図２では３つ）１４がフラット面１に垂直な方向に沿って積層されている。各半導体レーザアレイ１４は、活性層がいくつかのストライプに分割されたアレイ構造を有している。そして、半導体レーザアレイスタック１０は、その出射光軸１３が偏光ビームスプリッタ２の第１受光面８ａに直交するように配置されている。従って、電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイスタック１０からは、フラット面１に垂直な方向に並んだ複数の平面状のレーザ光が出射され、出射光軸１３に垂直な面７内で発光パターンがストライプ状になる。
【００１９】
また、各半導体レーザアレイ１４は、例えばダブルヘテロ構造、あるいは無歪み又は圧縮歪みを持った量子井戸構造で構成されている。半導体レーザアレイ１４がダブルヘテロ構造で構成されている場合、ＴＥモード、ＴＭモードの利得は互いに同程度であり、閉込め係数及び内部損失も大差はない。しかし、端面反射率は、ＴＥモードに対する値の方がＴＭモードに対する値に比べて非常に大きい。このため、ＴＥモードでの発振となる。また、半導体レーザアレイ１４が無歪みの量子井戸構造で構成されている場合、例えばＡｌＧａＡｓ（クラッド層）／ＧａＡｓ（活性層）材料系からなるとき、利得はＴＥモードの方が大きくなる。このため、ＴＥモードでの発振となる。また、半導体レーザアレイ１４が圧縮歪みの量子井戸構造で構成されている場合、例えばＩｎＧａＡｓ（クラッド層ないし障壁層）／ＧａＡｓ（活性層ないし量子井戸層）材料系からなるときは、利得はＴＥモードの方が大きくなる。このため、この場合もＴＥモードでの発振となる。
【００２０】
従って、半導体レーザアレイスタック１０から出射されるレーザ光束は、そのストライプの長手方向に沿って振動する電界成分（第１電界成分）を有する。
【００２１】
各半導体レーザアレイ１４は、例えば金属、セラミックまたはダイヤモンド等からなる一対のプレート状の高熱伝導性ヒートシンク１６によって挟持されている。そして、これらヒートシンク１６を介して半導体レーザアレイ１４を冷却するために、ＢｅＯ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等の高熱伝導材料からなりヒートシンク１６と接触する電気絶縁板１８を介して水冷タンク２０が設けられ、この水冷タンク２０の内部と外部との間で冷却水が循環している。従って、半導体レーザアレイスタック１０の作動中における半導体レーザアレイ１４の過度の発熱が防止される。
【００２２】
また、第１光源９は、半導体レーザアレイスタック１０から出射されるレーザ光束のフラット面１に垂直な方向の広がりを抑えて平行光化するために、半導体レーザアレイ１４の出射側に近接配置される複数のシリンドリカルレンズ２２を備えている。更に、第１光源９は、シリンドリカルレンズ２２を通過したレーザ光束のフラット面１に平行な方向の広がりを抑えるために、シリンドリカルレンズ２２の近傍にマイクロレンズアレイ２４を備えている。従って、半導体レーザアレイスタック１０から出射されるレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって平行化され、第１平行光束として第１光源９から出射される。
【００２３】
こうして第１光源９から出射される第１平行光束は、そのストライプ１５がフラット面１に垂直な方向に配列され、誘電体多層膜６の表面もフラット面１に垂直となっているため（図１参照）、ストライプの長手方向に振動する電界成分は、偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の表面に対しｐ偏光となる。このため、第１平行光束は偏光ビームスプリッタ２を透過する。
【００２４】
一方、第２光源１１は以下のように構成される。
【００２５】
即ち、第２光源１１は、図１に示すように、各半導体レーザアレイ２６がＴＭモードの光を出射するように構成されている以外は第１光源９と同様な構成を有する。第２光源１１は、半導体レーザアレイスタック２８を有し、半導体レーザアレイスタック２８は、その出射光軸２９が偏光ビームスプリッタ２の第２受光面８ｂに直交するように配置され、この出射光軸２９は、第１光源９の出射光軸１３と直交している。従って、電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイスタック２８からは、フラット面１に垂直な方向に並んだ複数の平面状のレーザ光が第２受光面８ｂに向けて出射され、出射光軸２９に垂直な面内で発光パターンがストライプ状になる。
【００２６】
ここで、第２光源１１から出射される第２平行光束がＴＭモード光となるためには、第２光源１１の半導体レーザアレイ２６が、引張り歪みを持った量子井戸構造で構成される必要がある。即ち、量子井戸層の格子定数が障壁層の格子定数よりも小さい場合、引張り歪みによりバンド構造が変化しＴＭモード発振が起こる。より詳細に説明すると、図３に示すように、歪みの無いバルク半導体では、価電子帯の重い正孔帯（ＨＨ）と軽い正孔帯（ＬＨ）の上端は縮退している（図３（ａ）参照）が、歪みが加わるとその縮退が解け、圧縮歪みでは重い正孔帯（ＨＨ）が価電子帯上端に（図３（ｂ）参照）、引張り歪みでは軽い正孔帯（ＬＨ）が価電子帯上端になる（図３（ｃ）参照）。従って、圧縮歪みでは、電子−重い正孔間（Ｅ−ＨＨ）遷移が、引張り歪みでは電子−軽い正孔帯（Ｅ−ＬＨ）遷移が主要な遷移となる。そして、Ｅ−ＨＨ遷移は、ＴＥ波の増幅に寄与し、Ｅ−ＬＨ遷移はＴＭ波の増幅に寄与する。
【００２７】
具体的には、半導体レーザアレイ２６は、例えばＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＰ材料系、あるいはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系で構成され、各元素の混晶比を適当に選ぶことにより半導体レーザアレイ２６に引張り歪みが導入される。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、縦軸はエネルギー、横軸は波数を表す。
【００２８】
こうして量子井戸構造に引張り歪みを導入すると、ＴＭモード発振が起こり、第２平行光束は、ＴＭモード光となる。従って、第２平行光束は、そのストライプの長手方向に垂直な方向に振動する電界成分（第２電界成分）を有する。そして、この電界成分は、偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の裏面に対しｓ偏光となるので、第２平行光束は誘電体多層膜６の裏面で選択的に反射される。
【００２９】
次に、前述した構成を有するレーザ装置５０の動作について説明する。
【００３０】
まず、第１光源９において電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイスタック１０からその出射光軸１３に垂直な面７内で発光パターンがストライプ状となるレーザ光束が出射され、このレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって平行化され、第１平行光束として偏光ビームスプリッタ２の第１受光面８ａに向けて出射される。第１平行光束は、透光性部材４ａを透過して誘電体多層膜６の表面に入射する。このとき、第１平行光束は、誘電体多層膜６の表面に対しｐ偏光となるので、誘電体多層膜６を透過する。
【００３１】
一方、第２光源１１において、電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイスタック２６からレーザ光束が出射され、このレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって平行化され、第２平行光束として偏光ビームスプリッタ２の第２受光面８ｂに向けて出射される。第２平行光束は、透光性部材４ｂを透過して誘電体多層膜６の裏面に入射する。このとき、第２平行光束は、誘電体多層膜６の裏面に対しｓ偏光となるので、誘電体多層膜６の裏面で反射される。
【００３２】
このとき、第１平行光束のストライプがフラット面１に垂直な方向に配列され、第２平行光束のストライプもフラット面１に垂直な方向に配列されるため、誘電体多層膜６において、第１平行光束と第２平行光束のストライプが互いに平行になり得る。従って、誘電体多層膜６を透過する第１平行光束のストライプと、誘電体多層膜６の裏面で反射される第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されることが可能となり、合成光の光パワー密度が均一となる。このため、比較的高出力で動作する半導体レーザアレイスタック１０，２８を有する第１光源９及び第２光源１１を用いる場合でも、過大な光強度による偏光ビームスプリッタ２の破損が十分に防止される。
【００３３】
さらに、誘電体多層膜６の裏面でｓ偏光が選択的に反射されるため、反射率の向上を図るべく誘電体多層膜６の裏面に、Ａｕ等からなる反射膜をコーティングする必要がなくなる。従って、レーザ装置５０の製造が容易となり、また、コストも低減することができる。
【００３４】
こうして合成された合成光は、集光レンズ等で集光することによりレーザ加工や固体レーザ励起等に利用することができる。
【００３５】
次に、本発明のレーザ装置の第２の実施形態について説明する。
【００３６】
図４は、本発明のレーザ装置の第２実施形態を概略的に示す斜視図である。図４に示すように、本実施形態に係るレーザ装置７０においては、第１光入射手段２９は、偏光ビームスプリッタ２の第１受光面８ａに平行な第１フラット面３０上に配置され、第２光入射手段３１は、第２受光面８ｂに平行な第２フラット面３２上に配置され、レーザ装置７０は、第１光入射手段２９及び第２光入射手段３１が以下のように構成されている点で第１実施形態のレーザ装置５０と異なっている。
【００３７】
即ち、まず第１光入射手段２９は、四角形状に４点配列される４つの第１光源３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄを備えている。第１光源３４ａ〜３４ｄの配置形状としては、四角形状であればよく、例えば正方形状、長方形状、菱形形状等を採用することができる。
【００３８】
また、４つの第１光源３４ａ〜３４ｄの内側には、第１光源３４ａ〜３４ｄから出射される平行光束を同一方向に且つ第１フラット面１３０に垂直な方向に反射する第１反射体３６が配置され、第１反射体３６は、各第１光源３４ａ〜３４ｄから出射される平行光束を偏光ビームスプリッタ２の第１受光面８ａに向けて反射する。
【００３９】
ここで、第１反射体３６の構成について説明する。
【００４０】
図５は、第１反射体３６の構成を示す斜視図である。図５に示すように、第１反射体３６は、第１フラット面３０上に配置される直方体状の固定台３８を有し、固定台３８の上面上には４つの反射部４０ａ〜４０ｄが固定されている。反射部４０ａ〜４０ｄはそれぞれ、固定台３８の上面と４５°の角度をなす反射面４２ａ〜４２ｄを有し、反射面４２ａ〜４２ｄはそれぞれ固定台３８の上面の周縁部を交線としている。４つの反射面４２ａ〜４２ｄは、これらを右回りにみたとき、固定台３８の上面に直交する軸Ｃの回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されている。
【００４１】
反射部４０ａ〜４０ｄとしては、図６にも示すように、例えば互いに直交する２つの直交面４４ａ，４４ｂと、これら直交面４４ａ，４４ｂと４５°の角度をなす斜面４６とを有し且つ断面が二等辺三角形状の三角柱状体が用いられる。こうした三角柱状体は、例えばガラスや金属等からなる。三角柱状体は、直交面４４ａ又は４４ｂが固定台３８の上面に接し且つ第１光源３４ａ〜３４ｄから出射される平行光束が固定台３８の上方に反射されるように固定台３８に固定されること、即ち斜面４６が反射面４２ａ〜４２ｄとなっていることが好ましい。これにより、４つの反射部４０ａ〜４０ｄのそれぞれの反射面４２ａ〜４２ｄが互いに近接することとなり、各反射面４２ａ〜４２ｄで出射される平行光束が互いに近接する。従って、これら平行光束群の光強度分布の均一化が図られる。また、４つの平行光束が近接するので、これら平行光束群を受光する偏光ビームスプリッタ２を小型化することが可能となる。
【００４２】
ここで、三角柱状体の斜面４６上には、図７に示すように、誘電体多層膜４８がコーティングされることが好ましい。この場合、誘電体多層膜４８の表面が反射面４２ａを構成する。これにより、第１光源３４ａから出射される平行光束の反射率がより向上し、レーザ装置７０から出射される光パワー密度が増加する。
【００４３】
一方、第１光源３４ａ〜３４ｂとしては、第１実施形態の第１光源９と同様の構成を有するものが用いられる。図４に示すように、第１光源３４ａ〜３４ｄの出射光軸５２ａ〜５２ｄはいずれも第１フラット面３０に平行となっている。更に、半導体レーザアレイスタック１０は、隣接する半導体レーザアレイスタック１０同士の半導体レーザアレイ１４の積層方向が互いに直交するように配置され、且つ第１反射体３６で反射される４つの平行光束が偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の表面に対しｐ偏光となるように配置されている。
【００４４】
従って、半導体レーザアレイスタック１０からは、第１フラット面３０に垂直な方向に並んだ複数の平面状のレーザ光束が出射され、このレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４（図４では省略）によって平行化され、平行光束として出射される。
【００４５】
ここで、第１光源３４ａの半導体レーザアレイスタック１０から出射される平行光束はＴＥモードであり、そのストライプの長手方向に振動する電界成分（第１電界成分）を有する。そして、第１光源３４ａは、図８に示すように、第１反射体３６に対して、その出射光軸５２ａが反射面４２ａと交差するように配置されている。従って、第１光源３４ａから出射される平行光束は、反射面４２ａの方向に向けて出射される。
【００４６】
ここで、第１光源３４ａの出射光軸５２ａは、第１フラット面３０に平行となっているため、第１光源３４ａの出射光軸５２ａは反射面４２ａと４５°の角度をなすことになる。このため、反射面４２ａで反射される平行光束の反射光軸５４ａは、第１フラット面３０に直交する。従って、第１光源３４ａからは、出射光軸５２ａに沿って平行光束が出射され、平行光束は反射面４２ａで上方に向かって反射される。
【００４７】
第１光源３４ｂは、図９に示すように、第１光源３４ａに対し第１反射体３６を介して対向配置され、第１光源３４ｂの出射光軸５２ｂは、第１フラット面３０に平行で且つ反射面４２ｂと交差している。一方、第１光源３４ｃ、３４ｄは、第１光源３４ａ，３４ｂを結ぶ方向と直交する方向に沿って配置され、第１光源３４ｃ，３４ｄ間には第１反射体３６が配置されている。また、第１光源３４ｃ，３４ｄの出射光軸５２ｃ，５２ｄはそれぞれ第１フラット面３０に平行となっている。そして、第１光源３４ｃは、反射面４２ｃに対向し、その出射光軸５２ｃは反射面４２ｃと交差している。また、第１光源３４ｄは、反射面４２ｄに対向し、その出射光軸５２ｄは反射面４２ｄと交差している。
【００４８】
ここで、第１光源３４ｂ〜３４ｄの出射光軸５２ａ〜５２ｄはそれぞれ、反射面４２ｂ〜４２ｄと４５°の角度をなしているため、反射面４２ｂ〜４２ｄで反射される平行光束の反射光軸５４ａ〜５４ｄは第１フラット面３０に直交する。従って、第１光源３４ａ〜３４ｄの反射光軸５４ａ〜５４ｄは互いに平行となる。
【００４９】
一方、図４に示すように、第２光入射手段３１は、第１光源３４ａ〜３４ｄに代えて、第１実施形態の第２光源１１と同様の第２光源５６ａ〜５６ｄを用いた以外は、第１光入射手段２９と同様の構成を有する。但し、第２光源５６ａ〜５６ｄは、第２反射体３６で反射される平行光束のストライプが互いに平行となり、且つそのストライプの長手方向に垂直な方向に振動する電界成分が誘電体多層膜６の裏面に対してｓ偏光となるように配置されている。
【００５０】
次に、前述した構成を有するレーザ装置７０の動作について説明する。
【００５１】
まず、第１光源３４ａ〜３４ｄのそれぞれにおいて電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、各半導体レーザアレイスタック１０から出射されるレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって平行光化され、出射光軸５２ａ〜５２ｄに沿って平行光束として出射される。
【００５２】
出射された平行光束は、図９に示すように、反射部４０ａ〜４０ｄの各反射面４２ａ〜４２ｄに入射され、各反射面４２ａ〜４２ｄで、反射光軸５４ａ〜５４ｄに沿って、即ち第１フラット面３０に垂直な方向に沿って反射される。このとき、各第１光源３４ａ〜３４ｄの反射光軸５４ａ〜５４ｄは互いに平行であるため、図１０に示すように、４つの平行光束はともに同一方向に、且つ第１フラット面３０に垂直な方向に反射される。また、各反射面４２ａ〜４２ｄで反射される平行光束同士は重なり合うことがなく、反射される平行光束群のストライプは互いに平行となる。
【００５３】
こうして反射される４つの平行光束は、図４に示すように、第１平行光束として偏光ビームスプリッタ２の第１受光面８ａに入射される。このとき、第１平行光束は、４つの第１光源３４ａ〜３４ｄによって作り出されるので、誘電体多層膜６の表面に入射されるストライプの数は、第１実施形態の如く１つの光源を用いる場合に比べて４倍となる。また、第１平行光束は、偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の表面に対しｐ偏光となるので、偏光ビームスプリッタ２を透過する。
【００５４】
一方、第２光入射手段３１において、各光源５６ａ〜５６ｄの電極１２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、各半導体レーザアレイスタック２８から出射されるレーザ光束は、シリンドリカルレンズ２２及びマイクロレンズアレイ２４によって平行光化され、出射光軸５８ａ〜５８ｄに沿って平行光束として出射される。出射された平行光束は、第２反射体３６の反射部４０ａ〜４０ｄの各反射面４２ａ〜４２ｄに入射され、各反射面４２ａ〜４２ｄで第２フラット面３２に垂直な方向に反射される。このとき、第１光入射手段２９と同様に、４つの平行光束はともに同一方向に、且つ第２フラット面３２に垂直な方向に反射される。従って、各反射面４２ａ〜４２ｄで反射される平行光束同士は重なり合うことがなく、また、反射される平行光束群のストライプは互いに平行となる。
【００５５】
こうして反射される４つの平行光束は第２平行光束として、偏光ビームスプリッタ２の第２受光面８ｂに入射される。ここで、第２平行光束はＴＭモードである。即ち、第２平行光束は、ストライプに垂直な方向に振動する電界成分を有する。従って、第２平行光束は、偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の裏面に対しｓ偏光となり、その裏面で反射される。
【００５６】
こうして、偏光ビームスプリッタ２の誘電体多層膜６の表面及び裏面に第１平行光束及び第２平行光束が入射されると、誘電体多層膜６において、第１平行光束のストライプと第２平行光束のストライプとが互いに平行となって入射される。
【００５７】
従って、誘電体多層膜６を透過する第１平行光束のストライプと、誘電体多層膜６の裏面で反射される第２平行光束のストライプとが互いに交差することなく合成されることが可能となり、合成光の光パワー密度が均一となる。更に、第１平行光束、第２平行光束はそれぞれ、４つの光源によって作り出されるので、誘電体多層膜６に入射されるストライプの数は単一の光源を用いる場合に比べて４倍となる。従って、これらの合成光のストライプの数も、第１光入射手段２９及び第２光入射手段３１としてそれぞれ単一の光源を用いる場合に比べて４倍となり、光パワー密度が大幅に向上する。更に、このように光パワー密度が大幅に向上しても、第１平行光束のストライプと第２平行光束のストライプとが重なり合うことがないので、過大な光強度による偏光ビームスプリッタ２の破損も十分に防止される。
【００５８】
また、誘電体多層膜６の裏面にはｓ偏光が入射され、それが選択的に反射されるため、反射率の向上を図るべく誘電体多層膜６の裏面に特別に反射膜等をコーティングする必要がなくなる。従って、レーザ装置７０の製造が容易となり、また、コストも低減することができる。
【００５９】
こうして合成された合成光は、集光レンズ等で集光することによりレーザ加工や固体レーザ励起等に利用することができる。特に、本実施形態のレーザ装置７０においては、合成光の光パワー密度が均一で且つ大幅に大きくなるので、レーザ加工の分野において特に有効である。
【００６０】
なお、本発明は、前述した第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば、第２実施形態において、反射部４０ａ〜４０ｄは、第１フラット面３０に対して４５°の角度をなす反射面を有するものであれば特に限定されない。例えば、上記第２実施形態では、三角柱状体の斜面４６上に誘電体多層膜４８をコーティングしたものが用いられているが、三角柱状体の斜面４６が固定台３８の上面に接するように三角柱状体を固定台３８に固定し、直交面４４ａ，４４ｂ上に誘電体多層膜４８をコーティングするようにしてもよい。この場合でも、光パワー密度を向上させることが可能となる。また、円柱状体をその中心軸に対して４５°の角度をなす平面で切断し、その切断面を反射面とするようにしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、偏光膜表面に対しては、ストライプの長手方向に振動する第１電界成分がｐ偏光として入射され、偏光膜の裏面に対しては、ストライプの長手方向に直交する方向に振動する第２電界成分がｓ偏光として入射されるため、偏光膜において、偏光膜表面に入射される第１平行光束のストライプと、偏光膜裏面に入射される第２平行光束のストライプとを平行にすることが可能となる。従って、第１平行光束と第２平行光束のストライプが互いに交差することなく合成されることが可能となり、レーザ装置から出射される合成光の光パワー密度を均一とすることができる。また、偏光膜裏面でｓ偏光が選択的に反射されるため、偏光膜裏面に反射膜等をコーティングする必要がなくなり、レーザ装置の製造が容易となり、コストも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１の第１光源を示す分解斜視図である。
【図３】無歪み、圧縮歪み、引張り歪みによる半導体レーザアレイの価電子帯のバンド構造の変形を示すグラフである。
【図４】本発明のレーザ装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４の第１反射体を示す斜視図である。
【図６】図４の第１反射体を構成する反射部を示す斜視図である。
【図７】図４の第１反射体の断面図である。
【図８】１つの第１光源と第１反射体との位置関係を示す斜視図である。
【図９】４つの第１光源と第１反射体との位置関係を示す斜視図である。
【図１０】４つの第１光源から平行光束が出射された状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
２…偏光ビームスプリッタ、６…誘電体多層膜（偏光膜）、７…光軸に垂直な面、９…第１光源（第１光入射手段）、１１…第２光源（第２光入射手段）、１３，２９…光軸、３４ａ〜３４ｄ…第１光源、３６…第１反射体、第２反射体、４２ａ〜４２ｄ…反射面、５０、７０…レーザ装置、５２ａ〜５２ｄ…出射光軸、５６ａ〜５６ｄ…第２光源。
【図１】
0004295870.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004295870.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004295870.tif 000008
【図８】
0004295870.tif 000009
【図９】
0004295870.tif 000010
【図１０】
0004295870.tif 000011