(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で、アレイ型半導体レーザの出力光を等方的な集光性の光ビームに変換できるアレイ型光学部品およびアレイ型半導体レーザ用光学系を提供する。【解決手段】アレイ型光学部品３は、アレイ型半導体レーザ１からの出力光が入射する光入射面３ａと、光入射面３ａで屈折した光を反射する光反射面３ｂと、光反射面３ｂで反射した光を屈折させる光出射面３ｃとを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面３ｂ同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成され、アレイ型半導体レーザ１の発光点の配列方向をＸ方向とし、出力光の進行方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向をＹ方向として、各単位透過光学素子の光反射面３ｂがＺ方向に対して平行、かつＸ−Ｚ面に対して略４５°で交差するように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、該光入射面で屈折した光を反射する光反射面と、該光反射面で反射した光を屈折させる光出射面とを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成されたことを特徴とするアレイ型光学部品。
【請求項２】
複数の発光点を有するアレイ型半導体レーザからの出力光を集光するための光学系であって、
出力光が入射する光入射面と、該光入射面で屈折した光を反射する光反射面と、該光反射面で反射した光を屈折させる光出射面とを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成されたアレイ型光学部品を備え、
アレイ型半導体レーザの発光点の配列方向をＸ方向とし、出力光の進行方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向をＹ方向として、各単位透過光学素子の光反射面がＺ方向に対して平行、かつＸ−Ｚ面に対して略４５°で交差するように、前記アレイ型光学部品が配置されていることを特徴とするアレイ型半導体レーザ用光学系。
【請求項３】
アレイ型半導体レーザとアレイ型光学部品との間に設けられ、アレイ型半導体レーザからの出力光をＹ方向に集光するための第１集光レンズと、
アレイ型光学部品を通過した光をＹ方向に集光するための第２集光レンズと、
第２集光レンズを通過した光をＸ方向およびＹ方向に集光するための第３集光レンズとをさらに備えることを特徴とする請求項２記載のアレイ型半導体レーザ用光学系。
【請求項４】
第３集光レンズを通過した光を伝送するための光ファイバをさらに備えることを特徴とする請求項３記載のアレイ型半導体レーザ用光学系。
【請求項５】
底面同士が略平行となるように、複数の三角形が積み重なった断面形状を有する素材を、断面垂直方向に沿って引き伸ばすことによって製作することを特徴とするアレイ型光学部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ型半導体レーザからの出力光を、光ファイバ等の光学素子と結合させるためのアレイ型光学部品、これを用いたアレイ型半導体レーザ用光学系、およびアレイ型光学部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高い出力が得られるレーザ光源として、アレイ型半導体レーザの応用が拡大している。アレイ型半導体レーザは、十数個〜数十個の複数の発光点を有し、それぞれの発光点から光が出力されるように構成されている。これらのアレイ状発光点からの複数の出力光を収束することによって、高出力のレーザ光源として利用することができる。例えぱ、アレイ型半導体レーザの出力光を光ファイバに結合することによって、より自由度が高く多様な応用が可能となる。
【０００３】
一般に、アレイ型半導体レーザの各発光点の出力ビームは、発光点の配列方向に対して垂直な方向には集光性が高いが、発光点の配列方向と平行な方向には集光性が低いといった特性を有する。従って、集光性の低い方向に多数のビームが整列するため、アレイ型半導体レーザ全体として発光点の配列方向と平行な方向の集光性が極端に低くなり、円形断面の光ファイバとの結合は困難である。
【０００４】
アレイ型半導体レーザの結合光学系として、例えば、下記の非特許文献１の図８には、ステップミラーが記載されている。これは下記の特許文献１に開示されたものと同一である。ステップミラーは、洗濯板状に切り出した構造を持つミラーを２枚重ね合わせ、斜めに傾斜したステップ面を９０°ねじって向かい合わせたものである。向かい合ったステップ面が反射面となっており、アレイ型半導体レーザの各発光点からの各々の出射ビームを第１、第２のステップミラーでの合計２回の反射によって９０°回転させる。これによって集光性の高い方向に沿って多数個のビームが並ぶように各発光点のビームを再配列し、アレイ型半導体レーザの出力光を円形の光ファイバへの結合に適した等方的な集光性のビームに変換するものである。
【０００５】
しかしながら、こうしたステップミラーの組合せは、形状が複雑で、製作も困難であり、結合光学系が高価となる問題がある。
【０００６】
また、実際には、ステップミラーとは別に、発光点の配列方向に垂直な方向と平行な方向で異なるビームの発散角を平行に揃えてから集光するためのコリメートレンズが用いられており、平行な方向に関しては、各発光点間のビームが発散角によって混合する前に各発光点からのビームをコリメートする必要がある。従来のステップミラー方式では、ビーム再配列に要する伝搬距離が長く、ステップミラーの後では各発光点間のビームが混合してしまうため、ステップミラーへの入射前に複雑な形状のマイクロレンズアレイを挿入する必要がある。その結果、全体の光学系がさらに高価となる問題がある。
【０００７】
非特許文献１の図６には、プリズムアレイを用いた構成も報告されている。非特許文献１の図７には、アレイ型半導体レーザから入射したビームがプリズム内の反射によって変換されて出射していく様子が模式的に示されている。プリズム内面の３回の全反射によって、アレイ型半導体レーザの各発光点から出射されるビームを９０°回転して平行成分と垂直成分を入れ換えることが可能であり、前述したステップミラーの構成と同様に、アレイ型半導体レーザの出力光を円形の光ファイバへの結合に適した等方的な集光性のビームに変換することができる。
【０００８】
プリズムアレイを用いた方式では、各プリズム素子の形状は斜角柱形状であり、入出射面と３つの反射面を合わせて５面が光学面であることから、個々のプリズム素子を光学仕上げする必要があり、結合光学系が高価となる問題がある。
【０００９】
また、プリズムアレイを用いた方式においても、ビーム再配列に要する伝搬距離が比較的長く、マイクロレンズアレイを挿入する必要があり、全体の光学系がさらに高価となる問題がある。
【００１０】
【特許文献１】特表平１０−５１０９３３号公報
【非特許文献１】山口哲著、「半導体レーザー光の伝送技術」レーザー研究、第２７巻３号（１９９９年３月）、１６１〜１６６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来のアレイ型半導体レーザの結合光学系は、アレイ型半導体レーザの各発光点のビームを再配列して円形光ファイバへの結合に適したビームに変換するための光学部品として、製造が難しく、高価な部品が必要であるという問題がある。
【００１２】
さらに、ビーム再配列のために比較的長い伝搬距離を要するために、マイクロレンズアレイを併用する必要があり、全体の光学系がさらに複雑で高価となる問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、比較的簡単な構成で、アレイ型半導体レーザの出力光を等方的な集光性の光ビームに変換できるアレイ型光学部品およびアレイ型半導体レーザ用光学系を提供することである。
【００１４】
また本発明の目的は、こうしたアレイ型光学部品を安価かつ大量に生産が可能なアレイ型光学部品の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るアレイ型光学部品は、光入射面と、該光入射面で屈折した光を反射する光反射面と、該光反射面で反射した光を屈折させる光出射面とを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成されたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係るアレイ型半導体レーザ用光学系は、複数の発光点を有するアレイ型半導体レーザからの出力光を集光するための光学系であって、
出力光が入射する光入射面と、該光入射面で屈折した光を反射する光反射面と、該光反射面で反射した光を屈折させる光出射面とを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成されたアレイ型光学部品を備え、
アレイ型半導体レーザの発光点の配列方向をＸ方向とし、出力光の進行方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向をＹ方向として、各単位透過光学素子の光反射面がＺ方向に対して平行、かつＸ−Ｚ面に対して略４５°で交差するように、前記アレイ型光学部品が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、比較的単純な三角柱形状の素子を積み重ねた光学部品を用いて、アレイ型半導体レーザの出力光を等方的な集光性のビームに変換することが可能になる。その結果、円形の光ファイバへの結合光学系として、従来知られているステップミラーやプリズムアレイ方式と比較して、大量生産に適した低価格のアレイ型半導体レーザ用光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す斜視図である。アレイ型半導体レーザ用光学系は、アレイ型半導体レーザ１からの出力光を光ファイバ６に結合させる機能を有し、光進行方向に沿って、コリメートレンズ２と、アレイ型光学部品３と、コリメートレンズ４と、集光レンズ５などで構成される。
【００１９】
アレイ型半導体レーザ１は、十数個〜数十個の複数の発光点を有し、各発光点から光が出力される。ここでは、理解容易のため、アレイ型半導体レーザ１の発光点の配列方向をＸ方向とし、出力光の進行方向をＺ方向とし、Ｘ方向およびＺ方向に垂直な方向をＹ方向としている。
【００２０】
コリメートレンズ２は、アレイ型半導体レーザ１からの出力光をＹ方向に集光する機能を有し、例えば、Ｘ方向に平行な母線を有するシリンドリカルレンズで構成される。
【００２１】
コリメートレンズ４は、アレイ型光学部品３を通過した光をＹ方向に集光する機能を有し、例えば、Ｘ方向に平行な母線を有するシリンドリカルレンズで構成される。
【００２２】
集光レンズ５は、コリメートレンズ４を通過した光をＸ方向およびＹ方向に集光する機能を有し、例えば、回転対称系のレンズで構成される。
【００２３】
アレイ型光学部品３は、光入射面３ａと、光入射面３ａで屈折した光を反射する光反射面３ｂと、光反射面３ｂで反射した光を屈折させる光出射面３ｃとを有する三角柱状の単位透過光学素子が、光反射面３ｂ同士が略平行となるように複数積み重ねられて構成される。そして、アレイ型光学部品３は、各単位透過光学素子の光反射面３ｂがＺ方向に対して平行、かつＸ−Ｚ面に対して略４５°で交差するように、コリメートレンズ２とコリメートレンズ４の間に配置されている。
【００２４】
図２は、アレイ型光学部品３の機能を示す説明図であり、図２（ａ）は光進行方向に垂直なＸ−Ｙ面を示し、図２（ｂ）は単位透過光学素子の断面図を示す。図２（ａ）に示すように、水平なスリット状の光束（ａ−ｂ）がＺ方向に進行して、光入射面３ａに入射すると、光入射面３ａで屈折して、光反射面３ｂに向けて進行する。続いて、光束は光反射面３ｂで反射されて、光出射面３ｃに向けて進行し、光出射面３ｃで屈折すると、垂直なスリット状の光束（Ａ−Ｂ）に変換される。
【００２５】
従って、１つの単位透過光学素子は、Ｘ方向に細長い光束がＺ方向に沿って光入射面３ａに入射すると、光束をＺ軸回りに９０°回転して、光出射面３ｃからＹ方向に細長い光束をＺ方向に沿って出射する機能、即ち、９０°回転プリズムとして機能することが判る。
【００２６】
再び、図１に戻って、アレイ型半導体レーザ１の各発光点から出射したビームは、発光点の配列方向であるＸ方向には集光性が低く、Ｙ方向には集光性が高いことから、コリメートレンズ２によりＹ方向にのみ集光され、Ｙ方向に関して略平行なビームに変換される。Ｘ方向については、アレイ型半導体レーザ１での放射角がそのまま維持されるため、隣接した発光点からのビームが互いに混合する前に９０°回転が完了するように、アレイ型光学部品３が位置決めされる。
【００２７】
コリメートレンズ２を通過した各ビームが、アレイ型光学部品３の各光入射面３ａに入射すると、上述のようにＺ軸回りに９０°回転して、光出射面３ｃから出射する。これにより各ビームのＸ方向発散角とＹ方向発散角が交換される。さらに、光出射面３ｃから出射した各ビームがコリメートレンズ４を通過すると、Ｙ方向にのみ集光され、Ｙ方向に関して略平行なビームに変換される。Ｘ方向については、コリメートレンズ２によって制御された発散角がそのまま維持される。
【００２８】
こうして各発光点から出射したビームは、コリメートレンズ２，アレイ型光学部品３およびコリメートレンズ４を通過することによって、等方的な集光性のビームに変換され、直交２方向に関する発散角が制御される。さらに、コリメートレンズ２，４の倍率を調整することによって、Ｘ方向発散角とＹ方向発散角が等しい円形のビームを得ることができる。
【００２９】
コリメートレンズ４を通過したビームは、集光レンズ５によってＸ方向およびＹ方向に集光され、光ファイバ６の開口数に適合した発散角およびビーム径に調整された後、光ファイバ６に入射する。
【００３０】
以上のように、アレイ型光学部品３は、単純な形状である三角柱状の透過光学素子を多段に積み重ねて構成しているために、結合光学系を安価に構成できる。
【００３１】
本発明に係るアレイ型光学部品３は、ビームの９０°回転に要する伝搬距離が短くて済むため、アレイ型半導体レーザ１の隣接発光点からのビームが混合する前に９０°回転を完了させることができる。このため、各発光点からのビームのＸ方向発散角は、単純な形状のコリメートレンズ４を用いて制御可能になるため、従来で必要であったマイクロレンズアレイが不要となり、安価な結合光学系を構成できる。
【００３２】
なお、アレイ型光学部品３を構成する単位透過光学素子は、少なくとも光入射面３ａと、光反射面３ｂと、光出射面３ｃとを含む略三角形の断面形状である場合を説明したが、ビームの不通過部分を切り落とした多角形形状でも同じ機能を有することは言うまでもない。
【００３３】
アレイ型光学部品３の製造方法としては、切削および研磨による製作が容易であり、あるいはモールド成形のための金型製作が容易である。
【００３４】
また、アレイ型光学部品３は、３つの光学面を持つ三角柱であるから、長尺の三角柱を製作し、いわば金太郎飴のように適当に分割して積み重ねることによって安価に製造することができる。
【００３５】
また、アレイ型光学部品３は、光ファイバの延伸法と同様に、底面同士が略平行となるように、複数の三角形が積み重なった断面形状を有する相似形の素材（プリフォーム）を、断面垂直方向に沿って引き伸ばすことによって製作することも可能であり、これにより安価で大量に生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】アレイ型光学部品３の機能を示す説明図であり、図２（ａ）は光進行方向に垂直なＸ−Ｙ面を示し、図２（ｂ）は単位透過光学素子の断面図を示す。
【符号の説明】
【００３７】
１  アレイ型半導体レーザ、  ２  コリメートレンズ、  ３  アレイ型光学部品、
３ａ  光入射面、  ３ｂ  光反射面、  ３ｃ  光出射面、  ４  コリメートレンズ、
５  集光レンズ、  ６  光ファイバ。
【図１】
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【図２】
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