(57)【要約】【課題】集光が容易である集光装置および集光方法を提供する。【解決手段】集光装置１０は、焦点Ａを持つ反射面１１を有する放物面鏡１と、焦点Ａに配置され、かつ反射面１１に向かって光２０ａ〜２０ｄの各々を射出する複数の半導体レーザ２ａ〜２ｄと、反射面１１で反射された反射光２１ａ〜２１ｄをｘ軸方向において集束させるための集光レンズ３とを備えている。ｙｚ平面で切った場合に、反射面１１は放物線の形状を有しており、焦点Ａは直線状である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点を持つ反射面を有する反射部と、
前記焦点に配置され、かつ前記反射面に向かって光を射出する複数の発光素子と、
前記反射面で反射された反射光を、前記反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させるための集光部とを備えた、集光装置。
【請求項２】
前記反射面に対して垂直な平面で切った場合に、前記反射面は放物線の形状を有する、請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記焦点は直線状である、請求項１または２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記集光部は、前記反射光の光軸および前記一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも前記反射光を集束させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項５】
複数の発光素子の各々を反射部の反射面の焦点に配置する工程と、
前記複数の発光素子の各々から前記反射面へ光を射出する工程と、
前記反射面で反射された反射光を、前記反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させる工程とを備えた、集光方法。
【請求項６】
前記光を射出する工程において、前記反射光に前記焦点が含まれないような前記反射面の位置に光を射出する、請求項５に記載の集光方法。
【請求項７】
前記焦点は直線状である、請求項５または６に記載の集光方法。
【請求項８】
前記反射光を集束させる工程において、前記反射光の光軸および前記一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも前記反射光を集束させる、請求項５〜７のいずれか一項に記載の集光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光装置および集光方法に関し、より特定的には、複数の半導体レーザからの光を集光するための集光装置および集光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば歯科用レーザ装置などの医療用レーザや、レーザ溶接用レーザ装置などでは、高いレーザ出力が求められる。このため、これらのレーザ装置においては、複数の半導体レーザの各々から射出された光を集光して光ファイバ内に入射し、光ファイバから集光した光を取り出すことにより、高出力のレーザを得ている。従来においては、半導体レーザから射出された光を集光して光ファイバ内に入射するために、以下の装置が用いられていた。
【０００３】
図１２は、従来の集光装置を模式的に示す図である。図１２を参照して、従来の集光装置２００（レーザ光合波装置）は、光ファイバ１５１に集光した光束を入射するためのものであり、半導体レーザ群１１１と、レーザブロック１２１と、光束再配列光学系１３１と、収束光学系１４１とを備えている。半導体レーザ群１１１から光ファイバ１５１へ向かって、レーザブロック１２１、光束再配列光学系１３１、および収束光学系１４１がこの順序で配置されている。
【０００４】
半導体レーザ群１１１は、ｘ軸方向に並んだ複数の半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｅを有している。複数の半導体レーザ１１１ａ〜１１１ｅの各々から射出された光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、ｙ軸方向に伝搬され、レーザブロック１２１を構成するコリメートレンズ１２１ａ〜１２１ｅの各々を通過する。この際に光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、ｘ軸方向およびｚ軸方向に互いに平行な光軸を持つ平行光束とされる。次に、光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、光束再配列光学系１３１を構成するプリズム１３１ａ〜１３１ｅの各々を通過する。この際に光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、ファスト軸の向きがｘｙ平面上に並ぶようにされる。次に、光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、収束光学系１４１を通過する。この際に光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の各々に収束される。そして収束された光束１０１ａ〜１０１ｅの各々は光ファイバ１５１に入射する。なお、図１２に示す集光装置は、たとえば特開２００４−２５２４２８号公報（特許文献１）に開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２５２４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の集光装置には、集光が容易ではないという問題があった。すなわち、複数の半導体レーザの各々から射出される光を互いに平行な光にするためには、入射する光の入射角および幅を考慮してコリメータレンズの表面を加工する必要がある。このとき、コリメータレンズの表面を非球面状に加工する必要があり、この加工には高い精度が要求される。このため、コリメータレンズの加工が容易ではなかった。加えて、半導体レーザの各々から射出された光がコリメータレンズの所定の位置を透過するように、半導体レーザの各々を精度良く配置する必要があった。この配置は容易ではなかった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、集光が容易である集光装置および集光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の集光装置は、焦点を持つ反射面を有する反射部と、焦点に配置され、かつ反射面に向かって光を射出する複数の発光素子と、反射面で反射された反射光を、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させるための集光部とを備えている。
【０００８】
本発明の集光方法は、複数の発光素子の各々を反射部の反射面の焦点に配置する工程と、複数の発光素子の各々から反射面へ光を射出する工程と、反射面で反射された反射光を、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において集束させる工程とを備えている。
【０００９】
焦点から反射面に向かって光を射出すると、その反射光は、反射面における反射位置に関らず、一の方向に伝搬する。本発明の集光装置および集光方法は、この性質を利用して互いに平行な光を得るため、コリメータレンズが不要になる。加えて、発光素子の各々を焦点に配置さえすれば、発光素子の各々から反射面に向かって射出された光は互いに平行な光となるので、発光素子の各々の配置が容易になる。以上により、集光を容易に行なうことができる。
【００１０】
本発明の集光装置において好ましくは、反射面に対して垂直な平面で切った場合に、反射面は放物線の形状を有している。これにより、反射面が簡易な形状となり、反射部の製造が容易になる。
【００１１】
本発明の集光装置および集光方法において好ましくは、焦点は直線状である。これにより、発光素子の各々を容易に焦点に配置することができる。また、発光素子の各々から投光された光を、１つの反射部を用いて反射することができる。その結果、部品点数の減少を図ることができる。
【００１２】
本発明の集光装置において好ましくは、反射光の光軸および一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも反射光を集束させる。
【００１３】
本発明の集光方法において好ましくは、反射光を集束させる工程において、反射光の光軸および前記一の軸方向の両方に対して垂直な他の軸方向にも反射光を集束させる。
【００１４】
これにより、反射光における他の軸の方向の幅を収縮させることができる。その結果、集光した光を入射部分に入射させる際に、入射部分における他の軸方向の幅が、反射光における他の軸方向の幅よりも小さい場合であっても、集光した光を全て入射部分に入射させることができる。
【００１５】
本発明の集光方法において好ましくは、光を射出する工程において、反射光に焦点が含まれないような反射面の位置に光を射出する。これにより、反射光が発光素子によって妨げられることを防止することができ、反射光の光量を増加することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の集光装置および集光方法によれば、集光を容易に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における集光装置の適用例を模式的に示す図である。図１を参照して、本実施の形態における集光装置１０は、たとえば高出力のレーザ装置である歯科用レーザ７０に適用される。歯科用レーザ７０は、生体組織の治療や、歯科用金属の溶接に用いられ、集光装置１０と、光ファイバ３０と、プローブ５０とを備えている。集光装置１０とプローブ５０とが光ファイバ３０によって光学的に接続されている。集光装置１０において発生され、かつ集光された光は、光ファイバ３０を伝搬し、プローブ５０から対象物へ照射される。
【００１８】
図２〜図４は、本発明の実施の形態１における集光装置の構成を模式的に示す図である。図２は斜視図、図３は側面図、図４は平面図である。なお、図３における上方向をｚ軸、右方向をｙ軸とし、図４における上方向をｘ軸としている。ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の各々は、互いに垂直に交わっている。
【００１９】
図２〜図４を参照して、本実施の形態における集光装置１０は、反射部としての放物面鏡１と、発光素子としての複数の半導体レーザ２ａ〜２ｄと、集光部としての集光レンズ３と、ベースプレート４とを備えている。放物面鏡１、複数の半導体レーザ２ａ〜２ｄ、および集光レンズ３の各々は、ｙ軸方向に沿ってベースプレート４上に配置されている。光ファイバ３０から遠い側のベースプレート４の端部には、放物面鏡１が配置されており、光ファイバ３０に近い側のベースプレート４の端部には、ｘ軸に平行に集光レンズ３が配置されている。そして、放物面鏡１と集光レンズ３との間には複数の半導体レーザ２ａ〜２ｄが配置されている。
【００２０】
放物面鏡１は、ｘ軸に平行な反射面１１を有している。特に図３に示すように、反射面１１に対して垂直な平面（ｙｚ平面）で切った場合に、反射面１１は放物線の形状を有している。その結果、反射面１１はｘ軸に平行な直線状の焦点Ａを有している。
【００２１】
半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々は、同軸パッケージであり、たとえばＩｎＰ、ＡｌＧａ，ＩｎＰ，またはＧａＮなどよりなる端面発光の半導体チップを搭載している。半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々は、ベースプレート４の傾斜面１２上の焦点Ａに配置されている。傾斜面１２は、後述する反射光２１ａ〜２１ｄの各々の光軸（図２〜図４における点線）に対して一定の角度θをなしている。なお、半導体レーザの数は任意に設定することができる。
【００２２】
集光レンズ３は、ｘｙ平面で見た場合に凸型の形状を有している。集光レンズ３は、特に図４に示すように、分散している反射光２１ａ〜２１ｄの各々をｘ軸方向に集束させる。
【００２３】
ベースプレート４は、たとえばセラミック系の材料や、金属系の材料や、金属化合物系の材料よりなっている。具体的には、アルミニウム、銅、銅モリブデン、銅タングステン、窒化アルミニウム、炭化シリコン、炭化アルミニウムシリコン、立方晶窒化ホウ素、または銅ダイヤモンドなどよりなっている。ベースプレート４は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有することが好ましく、これにより、半導体レーザ２ａ〜２ｄにおいて発生した熱を集光装置１０の外部へ効率良く放熱することができる。特に、放物面鏡１は半導体レーザ２ａ〜２ｄに隣接しているので、半導体レーザ２ａ〜２ｄの熱によって放物面鏡１が変形するのを抑止することができる。また、熱による変形を抑止するために、放物面鏡１および集光レンズ３は熱膨張率の低い材料よりなることが好ましい。
【００２４】
光ファイバ３０としては、たとえば６０μｍまたは１０５μｍの直径を有するマルチモードファイバが用いられる。また、結合効率の観点から、光ファイバ３０のＮＡ（numerical  aperture）は、集光レンズ３のＮＡと同じであることが好ましい。
【００２５】
続いて、本実施の形態における集光方法について説明する。
始めに、焦点Ａに配置された半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々から、反射面１１へ光２０ａ〜２０ｄの各々を射出する。光２０ａ〜２０ｄの各々は、反射面１１で反射され、互いに平行な反射光２１ａ〜２１ｄとなってｙ軸の正の方向に伝搬する。反射光２１ａ〜２１ｄの各々のｚ軸方向の幅Ｗ（図３）は、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々から反射面１１との距離で調節される。
【００２６】
ここで、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々は、一定の角度θを有する傾斜面１２上に配置されている。これにより、光２０ａ〜２０ｄの各々が反射面１１において反射される位置は、ｘ軸に平行な直線上にある。また、反射光２１ａ〜２１ｄのｚ軸方向の位置は互いに等しい。また、焦点Ａが反射光２１ａ〜２１ｄに含まれないような反射面１１の位置に光２０ａ〜２０ｄを射出する（つまり、光軸外しをする）ことが好ましい。これは、半導体レーザ２ａ〜２ｄと反射面１１との距離に応じて傾斜面１２の角度θを適切に調節することにより実現することができる。角度θはたとえば４５°や６０°である。
【００２７】
次に、反射光２１ａ〜２１ｄの各々は、集光レンズ３によってｘ軸方向に集束される。その結果、光ファイバ３０の端部には、反射光２１ａ〜２１ｄが合成された高出力のレーザが入射する。
【００２８】
本実施の形態における集光装置１０および集光方法によれば、集光を容易に行なうことができる。すなわち、焦点Ａから反射面１１に向かって光２０ａ〜２０ｄを射出すると、その反射光２１ａ〜２１ｄは、反射面１１における反射位置に関らず、ｙ軸の正の方向に伝搬する。本実施の形態においては、この性質を利用して互いに平行な反射光２１ａ〜２１ｄを得るため、コリメータレンズが不要になる。加えて、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々を焦点Ａに配置さえすれば、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々から反射面１１に向かって射出された光２０ａ〜２０ｄは互いに平行な反射光２１ａ〜２１ｄとなるので、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々の配置が容易になる。
【００２９】
また、反射面１１に対して垂直なｙｚ平面で切った場合に、反射面１１は放物線の形状を有しているので、反射面１１が簡易な形状となり、放物面鏡１の製造が容易になる。
【００３０】
また、焦点Ａが直線状であるので、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々を容易に焦点Ａに配置することができる。また、半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々から投光された光２０ａ〜２０ｄを、１つの反射部を用いて反射することができる。その結果、部品点数の減少を図ることができる。
【００３１】
さらに、反射光２１ａ〜２１ｄに焦点Ａが含まれないような反射面１１の位置に光２０ａ〜２０ｄを射出することにより、反射光２１ａ〜２１ｄが半導体レーザ２ａ〜２ｄによって妨げられることを防止することができ、反射光２１ａ〜２１ｄの光量を増加することができる。
【００３２】
なお、本発明の反射面の断面形状は、放物線以外であってもよく、少なくとも焦点を持つ形状であればよい。
【００３３】
また、本実施の形態においては、光２０ａ〜２０ｄの各々が反射面１１におけるｚ軸方向の同一位置に射出される場合について示したが、発光素子からの光は反射面の任意の位置に射出されればよい。
【００３４】
また、本実施の形態においては、焦点Ａが反射光２１ａ〜２１ｄに含まれないような場合について示したが、焦点Ａが反射光２１ａ〜２１ｄに含まれてもよい。
【００３５】
また、本実施の形態においては、反射光２１ａ〜２１ｄの各々をｘ軸方向に集束される場合について示したが、反射光は、反射光の光軸に対して垂直な一の軸方向において少なくとも集束されればよい。
【００３６】
さらに、反射光２１ａ〜２１ｄの各々をｚ軸方向にも集束させてもよい。図５は、本発明の実施の形態１における集光装置の他の構成を模式的に示す側面図である。図５を参照して、集光レンズ３は、ｙｚ平面で見た場合に凸型の形状を有している。これにより、反射光２１ａ〜２１ｄにおけるｚ軸方向の幅Ｗを収縮させることができる。その結果、集光した反射光２１ａ〜２１ｄを光ファイバ３０の端部に入射させる際に、光ファイバ３０の端部のｚ軸方向の幅が、反射光２１ａ〜２１ｄの幅Ｗよりも小さい場合であっても、集光した反射光２１ａ〜２１ｄを全て光ファイバ３０の端部に入射させることができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図６〜図９は、本発明の実施の形態２における集光装置の様々な構成を模式的に示す部分斜視図である。なお、図６〜図９においては、複数の半導体レーザのうち一つから射出された光の進行方向のみを点線で示している。図６においては、半導体レーザ２ａ〜２ｄは端面発光の半導体チップよりなっている。また、図７においては、発光素子として半導体チップの１次元アレイバーを用いている。この１次元アレイバーは、キャリア１５と、キャリア１５上に配置された半導体チップよりなる半導体レーザ２ａ〜２ｇとを有している。キャリア１５はｘ軸に沿って配置されており、これにより半導体レーザ２ａ〜２ｇの各々は焦点Ａに配置されている。また、図８においては、半導体レーザ２ａ〜２ｄは面発光の半導体チップよりなっている。半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々はキャリア１５上に配置されている。キャリア１５は、ｙｚ平面で切った場合にＬ字形状を有している。これにより、半導体レーザ２ａ〜２ｄの状態が、図２に示す端面発光の半導体レーザの状態からｘ軸を中心として９０度回転され、発光面を反射面１１側に向けることができる。また、キャリア１５はｘ軸に沿って配置されており、これにより半導体レーザ２ａ〜２ｇの各々は焦点Ａに配置されている。さらに、図９においては、発光素子として半導体チップの１次元アレイバーを用いている。この１次元アレイバーは、図８の構成よりも半導体レーザの数を増加し、半導体レーザ２ａ〜２ｇをキャリア１５上に配置したものである。
【００３８】
なお、図６〜図９における上記以外の構成は、図２〜図４に示す実施の形態１の集光装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３９】
本実施の形態における集光装置によれば、実施の形態１の集光装置と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
（実施の形態３）
図１０および図１１は、本発明の実施の形態３における集光装置の構成を模式的に示す図である。図１０は側面図、図１１は平面図である。図１０および図１１を参照して、本実施の形態における集光装置１０は、反射部として複数の凹面鏡１ａ〜１ｄを用いている点において、実施の形態１の集光装置と異なっている。複数の凹面鏡１ａ〜１ｄの各々は、光ファイバ３０から遠い側のベースプレート４の端部において、ｘ軸に平行に配置されている。凹面鏡１ａ〜１ｄの各々は、ｘ軸に平行な反射面１１ａ〜１１ｄの各々を有している。特に図１２に示すように、反射面１１ａ〜１１ｄに対して垂直な平面（ｙｚ平面）およびｘｙ平面で切った場合に、反射面１１ａ〜１１ｄの各々はたとえば部分的な楕円の形状を有している。その結果、反射面１１ａ〜１１ｄの各々は焦点Ａａ〜Ａｄの各々を有している。半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々は、焦点Ａａ〜Ａｄの各々に配置されている。
【００４１】
複数の半導体レーザ２ａ〜２ｄの各々は、反射面１１ａ〜１１ｄの各々に光２０ａ〜２０ｄを射出し、光２０ａ〜２０ｄの各々は反射面１１ａ〜１１ｄの各々で反射され、互いに平行な反射光２１ａ〜２１ｄとなってｙ軸の正の方向に伝搬する。
【００４２】
なお、図１０および図１１における上記以外の構成は、図２〜図４に示す実施の形態１の集光装置と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
【００４３】
本実施の形態における集光装置によれば、実施の形態１の集光装置とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、実施の形態１〜３に記載の集光装置の各部材は、適宜組み合わせることができる。
【００４５】
以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、高出力のレーザ装置の集光装置および集光方法に適している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態１における集光装置の適用例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１における集光装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１における集光装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１における集光装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における集光装置の他の構成を模式的に示す側面図である。
【図６】本発明の実施の形態２における集光装置の第１の構成を模式的に示す部分斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態２における集光装置の第２の構成を模式的に示す部分斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態２における集光装置の第３の構成を模式的に示す部分斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態２における集光装置の第４の構成を模式的に示す部分斜視図である。
【図１０】本発明の実施の形態３における集光装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３における集光装置の構成を模式的に示す平面図である。
【図１２】従来の集光装置を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  放物面鏡、１ａ〜１ｄ  凹面鏡、２ａ〜２ｇ  半導体レーザ、３  集光レンズ、４  ベースプレート、１０  集光装置、１１，１１ａ〜１１ｄ  反射面、１２  傾斜面、１５  キャリア、２０ａ〜２０ｄ  光、２１ａ〜２１ｄ  反射光、３０  光ファイバ、５０  プローブ、７０  歯科用レーザ、１０１ａ〜１０１ｅ  光束、１１１  半導体レーザ群、１１１ａ〜１１１ｅ  半導体レーザ、１２１  レーザブロック、１２１ａ〜１２１ｅ  コリメートレンズ、１３１  光束再配列光学系、１３１ａ〜１３１ｅ  プリズム、１４１  収束光学系、１５１  光ファイバ、２００  集光装置、Ａ，Ａａ〜Ａｄ  焦点、Ｗ  光の幅、θ  角度。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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