(57)【要約】  集光装置（１０）は、第１の光源（１２）、第２の光源（１４）及び集光ミラー（１８）を有する。第１及び第２の光源は、第１の方向に沿って配列された複数の第１及び第２光束をそれぞれ出力する。集光ミラーは、互いに交差する第１及び第２の光学板（２２、２４）を有する。第１の光学板は、第１の方向に沿って配列され、第１光束をそれぞれ反射する複数の第１反射部（２２ａ）を含んでいる。第２の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列され、第２光束をそれぞれ反射する複数の第２反射部（２４ａ）を含んでいる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に沿って配列された複数の第１光束を出力する第１の光源と、
前記第１の方向に沿って配列された複数の第２光束を出力する第２の光源と、
互いに交差する第１及び第２の光学板を有する集光ミラーと、
を備える集光装置であって、
前記第１の光学板は、前記第１の方向に沿って配列され、前記複数の第１光束をそれぞれ反射する複数の第１反射部を含んでおり、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列され、前記複数の第２光束をそれぞれ反射する複数の第２反射部を含んでいる、
集光装置。
【請求項２】
前記複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記複数の第２光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記第１及び第２の光学板は、前記第１反射部によって反射された前記第１光束の光軸が、前記第２反射部によって反射された前記第２光束の光軸と平行になるように配置されている、
請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
前記第１光束の各々は、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に細長い横断面を有すると共に、その第２の方向に垂直な平面内でコリメートされており、
前記第２光束の各々は、前記第１の方向に対して垂直な第３の方向に細長い横断面を有すると共に、その第３の方向に垂直な平面内でコリメートされている、
請求項１又は２に記載の集光装置。
【請求項４】
前記第１の光源は、
前記第１の方向に沿って積層され、前記複数の第１光束をそれぞれ生成する複数の第１半導体レーザアレイと、
前記複数の第１半導体レーザアレイから前記複数の第１光束を受けて、前記第２の方向に垂直な平面内でコリメートする第１コリメータと、
を有しており、
前記第２の光源は、
前記第１の方向に沿って積層され、前記複数の第２光束をそれぞれ生成する複数の第２半導体レーザアレイと、
前記複数の第２半導体レーザアレイから前記複数の第２光束を受けて、前記第３の方向に垂直な平面内でコリメートする第２コリメータと、
を有している、
請求項２又は３に記載の集光装置。
【請求項５】
前記第１の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有しており、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有しており、
前記第１反射部の一つ以上が前記第２開口部を貫通すると共に、前記第２反射部の一つ以上が前記第１開口部を貫通している、
請求項１〜４のいずれかに記載の集光装置。
【請求項６】
前記第１の方向に沿って配列された複数の第３光束を出力する第３の光源を更に備え、
前記集光ミラーは、前記第１の方向に沿って配列され、前記複数の第３光束をそれぞれ通過させる複数の光通過部を有しており、
前記第１反射部、前記第２反射部及び前記光通過部が、前記第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の集光装置。
【請求項７】
前記複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記複数の第２光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記複数の第３光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記第１及び第２の光学板は、前記第３光束が前記光通過部を通過すると共に、前記光通過部を通過した前記第３光束の光軸が、前記第１及び第２反射部によって反射された前記第１及び第２光束の光軸と平行になるように配置されている、
請求項６に記載の集光装置。
【請求項８】
前記第１の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有しており、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有しており、
前記第１反射部の一つ以上が前記第２開口部を貫通すると共に、前記第２反射部の一つ以上が前記第１開口部を貫通しており、
前記第１及び第２開口部は、前記第１及び第２反射部の間に形成される隙間を前記光通過部として含んでいる、
請求項６又は７に記載の集光装置。
【請求項９】
前記第１の方向に沿って配列された複数の第３光束を出力する第３の光源を更に備え、
前記集光ミラーは、前記第１及び第２の光学板と交差する第３の光学板を更に有しており、
前記第３の光学板は、前記第１の方向に沿って配列され、前記複数の第３光束をそれぞれ反射する複数の第３反射部を含んでおり、
前記第１、第２及び第３反射部は、前記第１方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の集光装置。
【請求項１０】
前記複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記複数の第２光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記複数の第３光束は、互いに平行な光軸を有しており、
前記第１、第２及び第３の光学板は、前記第１、第２及び第３反射部によって反射された前記第１、第２及び第３光束の光軸が互いに平行になるように配置されている、
請求項９に記載の集光装置。
【請求項１１】
前記第３の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第３反射部と交互に配列された一つ以上の第３開口部を更に有しており、
前記第３反射部の一つ以上が前記第１及び第２開口部を貫通すると共に、前記第１反射部の一つ以上及び前記第２反射部の一つ以上が前記第３開口部を貫通している、
請求項６〜１０のいずれかに記載の集光装置。
【請求項１２】
前記第３光束の各々は、前記第１の方向に対して垂直な第４の方向に細長い横断面を有すると共に、その第４の方向に垂直な平面内でコリメートされている、
請求項６〜１１のいずれか記載の集光装置。
【請求項１３】
前記第３の光源は、
前記第１の方向に沿って積層され、前記複数の第３光束をそれぞれ生成する複数の第３半導体レーザアレイと、
前記複数の第３半導体レーザアレイから前記複数の第３光束を受けて、前記第４の方向に垂直な平面内でコリメートする第３コリメータと、
を有している、
請求項６〜１２のいずれかに記載の集光装置。
【請求項１４】
前記第１の方向に沿って配列された複数の第１反射部を有する第１の光学板と、
前記第１の光学板と交差する第２の光学板と、
を備える集光ミラーであって、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列された複数の第２反射部を有している、集光ミラー。
【請求項１５】
前記第１の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有しており、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有しており、
前記第１反射部の一つ以上が前記第２開口部を貫通すると共に、前記第２反射部の一つ以上が前記第１開口部を貫通している、
請求項１４に記載の集光ミラー。
【請求項１６】
前記第１の方向に沿って配列された複数の光通過部を更に備え、
前記第１反射部、前記第２反射部及び前記光通過部が、前記第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されている、
請求項１４に記載の集光ミラー。
【請求項１７】
前記第１の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有しており、
前記第２の光学板は、前記第１の方向に沿って前記第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有しており、
前記第１反射部の一つ以上が前記第２開口部を貫通すると共に、前記第２反射部の一つ以上が前記第１開口部を貫通しており、
前記第１及び第２開口部は、前記第１及び第２反射部の間に形成される隙間を前記光通過部として含んでいる、
請求項１６に記載の集光ミラー。
【請求項１８】
前記第１及び第２の光学板と交差する第３の光学板を更に備え、
前記第３の光学板は、前記第１の方向に沿って配列された複数の第３反射部と、前記第１の方向に沿って前記第３反射部と交互に配列された一つ以上の第３開口部を有しており、
前記第１、第２及び第３反射部は、前記第１方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されており、
前記第３反射部の一つ以上が前記第１及び第２開口部を貫通すると共に、前記第１反射部の一つ以上及び第２反射部の一つ以上が前記第３開口部を貫通している、
請求項１４に記載の集光ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い密度で配列された光束群を生成する集光装置及び集光ミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、高効率、長寿命、小型といった長所を有するため、固体レーザの励起用光源として広く用いられている。なかでも、半導体レーザアレイスタックは、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。半導体レーザアレイスタックでは、複数の半導体レーザアレイが垂直方向に積層されている。半導体レーザアレイは、水平方向に配列された複数の発光部（emitter）を有する。半導体レーザアレイの一例では、幾つかの単一モード活性層がストライプ状に配列されている。【０００３】
連続発振、あるいはｄｕｔｙ比の大きいパルス発振を行う半導体レーザは発熱量が大きいため、半導体レーザアレイスタックでは、半導体レーザアレイ間に放熱板あるいはヒートシンクを配置する必要がある。放熱板あるいはヒートシンクは通常１〜２ｍｍ程度の厚みを有するため、半導体レーザアレイの間隔も１〜２ｍｍ程度、あいてしまう。その結果、それらの半導体レーザアレイから出射する平行光束群は、それらの光束の光軸に垂直な面内でストライプ状のパターンを形成することになる。これらの光束群は半導体レーザアレイの間隔に対応する間隔で配列されるので、これらの光束群の光密度は低くなりがちである。【０００４】
特開平４−７８１８０号公報は、ストライプ状光束群の密度を高める装置を開示している。この装置は、２個の半導体レーザアレイスタックから出力されるレーザ光束を、偏光ビームスプリッタを用いて合成することにより、単一の半導体レーザアレイスタックから出射するレーザ光束群よりも高い密度を有するレーザ光束群を生成する。【０００５】
この装置は、２個の半導体レーザアレイスタックから出力されたレーザ光束群を合成するために偏光ビームスプリッタを用いている。そのため、各半導体レーザスタックから出力された光束群を、それらの偏光方向を９０度だけ異ならせて偏光ビームスプリッタに入射させることによって、より高い密度を有する光束群を効率良く生成することができる。しかし、この装置は、３個以上の半導体レーザアレイスタックから出力されたレーザ光束群を用いて、更に高い密度の光束群を生成することはできない。【０００６】
また、２個の半導体レーザアレイスタックから出力され、偏光ビームスプリッタを用いて合成されたレーザ光束群では、異なる２個の偏光方向を持った光束が混在することになる。このため、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４に代表される、光の吸収において偏光依存性を有する固体レーザ媒質にこの光束群を照射しても、励起効率を十分に向上させることができない。【０００７】
独国特許明細書ＤＥ １９７ ５１ ７１６ Ｃ２には、ストライプ状光束群の密度を高める別の装置が開示されている。この装置は、第１のプリズム板、光透過性の板及び第２のプリズム板を順次に積み重ねた構造の光デバイスを使用して３個のレーザアレイスタックから出力された光束群を合成する。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、高い密度の光束群を生成することの可能な集光装置及び集光ミラーを提供することを課題とする。
【０００９】
一つの側面において、本発明は、集光装置に関する。この集光装置は、第１の方向に沿って配列された複数の第１光束を出力する第１の光源と、第１の方向に沿って配列された複数の第２光束を出力する第２の光源と、互いに交差する第１及び第２の光学板を有する集光ミラーとを備えている。第１の光学板は、第１の方向に沿って配列され、複数の第１光束をそれぞれ反射する複数の第１反射部を含んでいる。第２の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列され、複数の第２光束をそれぞれ反射する複数の第２反射部を含んでいる。
【００１０】
第１の方向に沿って配列された第１及び第２光束が、第１の方向に沿って交互に配列された第１及び第２反射部によってそれぞれ反射されるので、第１及び第２光束を合成し、より高い密度を有する光束群を生成することが可能である。この集光装置は、偏光ビームスプリッタを必要としないので、各光源からの光束をそれらの偏光方向を揃えたま合成することも可能である。
【００１１】
複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有していてもよい。複数の第２光束も、互いに平行な光軸を有していてもよい。第１及び第２の光学板は、第１反射部によって反射された第１光束の光軸が、第２反射部によって反射された第２光束の光軸と平行になるように配置されていてもよい。
【００１２】
第１光束の各々は、第１の方向に対して垂直な第２の方向に細長い横断面を有すると共に、その第２の方向に垂直な平面内でコリメートされていてもよい。第２光束の各々は、第１の方向に対して垂直な第３の方向に細長い横断面を有すると共に、その第３の方向に垂直な平面内でコリメートされていてもよい。この構成では、第１の光源からの光束群と第２の光源からの光束群とが第１の方向において重なり合うことを防止し、それによって効率良く光密度を増加させることができる。
【００１３】
第１の光源は、第１の方向に沿って積層され、複数の第１光束をそれぞれ生成する複数の第１半導体レーザアレイと、複数の第１半導体レーザアレイから複数の第１光束を受けて、第２の方向に垂直な平面内でコリメートする第１コリメータとを有していてもよい。第２の光源は、第１の方向に沿って積層され、複数の第２光束をそれぞれ生成する複数の第２半導体レーザアレイと、複数の第２半導体レーザアレイから複数の第２光束を受けて、第３の方向に垂直な平面内でコリメートする第２コリメータとを有していてもよい。この構成では、第１及び第２の光源が、偏光方向の揃った光束群を出力することができる。この結果、第１及び第２の光源からの光束群を偏光方向を揃えたまま合成することが容易になる。
【００１４】
第１の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有していてもよい。第２の光学板は、第１の方向に沿って第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有していてもよい。第１反射部の一つ以上が第２開口部を貫通すると共に、第２反射部の一つ以上が第１開口部を貫通していてもよい。
【００１５】
本発明に係る集光装置は、第１の方向に沿って配列された複数の第３光束を出力する第３の光源を更に備えていてもよい。集光ミラーは、第１の方向に沿って配列され、複数の第３光束をそれぞれ通過させる複数の光通過部を有していてもよい。第１反射部、第２反射部及び光通過部は、前記第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されていてもよい。光通過部は、開口部であってもよいし、光透過性物質から構成されていてもよい。この構成では、第１の方向に沿って配列された第３光束が、第１の方向に沿って配列された光通過部を通過する結果、第１、第２及び第３光束が第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列され、より高い密度を有する光束群が生成される。
【００１６】
複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有していてもよく、複数の第２光束は、互いに平行な光軸を有していてもよく、複数の第３光束は、互いに平行な光軸を有していてもよい。第１及び第２の光学板は、第３光束が光通過部を通過すると共に、光通過部を通過した第３光束の光軸が、第１及び第２反射部によって反射された第１及び第２光束の光軸と平行になるように配置されていてもよい。
【００１７】
第１の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有していてもよい。第２の光学板は、第１の方向に沿って第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有していてもよい。第１反射部の一つ以上が第２開口部を貫通すると共に、第２反射部の一つ以上が第１開口部を貫通していてもよい。第１及び第２開口部は、第１及び第２反射部の間に形成される隙間を光通過部として含んでいてもよい。
【００１８】
集光装置が上記第３の光源を備えている場合、集光ミラーは、第１及び第２の光学板と交差する第３の光学板を更に有していてもよい。第３の光学板は、第１の方向に沿って配列され、複数の第３光束をそれぞれ反射する複数の第３反射部を含んでいてもよい。第１、第２及び第３反射部は、第１方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されていてもよい。この構成では、第１の方向に沿って配列された第３光束が、第１の方向に沿って配列された第３反射部によって反射される結果、第１、第２及び第３光束が第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列され、より高い密度を有する光束群が生成される。
【００１９】
複数の第１光束は、互いに平行な光軸を有していてもよく、複数の第２光束は、互いに平行な光軸を有していてもよく、複数の第３光束は、互いに平行な光軸を有していてもよい。第１、第２及び第３の光学板は、第１、第２及び第３反射部によって反射された第１、第２及び第３光束の光軸が互いに平行になるように配置されていてもよい。
【００２０】
第３の光学板は、第１の方向に沿って第３反射部と交互に配列された一つ以上の第３開口部を更に有していてもよい。第３反射部の一つ以上が第１及び第２開口部を貫通すると共に、第１反射部の一つ以上及び第２反射部の一つ以上が第３開口部を貫通していてもよい。
【００２１】
第３光束の各々は、第１の方向に対して垂直な第４の方向に細長い横断面を有すると共に、その第４の方向に垂直な平面内でコリメートされていてもよい。この構成では、第１、第２及び第３の光源からの光束群が第１の方向において重なり合うことを防止し、それによって効率良く光密度を増加させることができる。
【００２２】
第３の光源は、第１の方向に沿って積層され、複数の第３光束をそれぞれ生成する複数の第３半導体レーザアレイと、複数の第３半導体レーザアレイから複数の第３光束を受けて、第４の方向に垂直な平面内でコリメートする第３コリメータとを有していてもよい。この構成では、第３の光源が、偏光方向の揃った平行光束群を出力することができる。この結果、偏光方向を揃えたまま光密度を増加させることが容易になる。
【００２３】
別の側面において、本発明は、集光ミラーに関する。この集光ミラーは、第１の方向に沿って配列された複数の第１反射部を有する第１の光学板と、第１の光学板と交差する第２の光学板とを備えている。第２の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列された複数の第２反射部を有している。
【００２４】
第１の方向に沿って交互に配列された第１及び第２反射部に、第１の方向に沿って配列された複数の光束をそれぞれ照射すれば、第１の方向に沿って交互に配列され、より高い密度を有する光束群を生成することが可能である。この集光ミラーは、偏光ビームスプリッタを必要としないので、複数の光束をそれらの偏光方向を揃えたま合成して、光密度を増加させることが可能である。
【００２５】
第１の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有していてもよい。第２の光学板は、第１の方向に沿って第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有していてもよい。第１反射部の一つ以上が第２開口部を貫通すると共に、第２反射部の一つ以上が第１開口部を貫通していてもよい。
【００２６】
本発明に係る集光ミラーは、第１の方向に沿って配列された複数の光通過部を更に備えていてもよい。第１反射部、第２反射部及び光通過部が、第１の方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されていてもよい。光通過部は、開口部であってもよいし、光透過性物質から構成されていてもよい。第１の方向に沿って配列された複数の光束に光通過部を通過させれば、これらの通過光束を第１及び第２反射部で反射された光束と合成して、より高い密度を有する光束群を生成することが可能である。
【００２７】
第１の光学板は、第１の方向に沿って第１反射部と交互に配列された一つ以上の第１開口部を有していてもよい。第２の光学板は、第１の方向に沿って第２反射部と交互に配列された一つ以上の第２開口部を有していてもよい。第１反射部の一つ以上が第２開口部を貫通すると共に、第２反射部の一つ以上が第１開口部を貫通していてもよい。第１及び第２開口部は、第１及び第２反射部の間に形成される隙間を光通過部として含んでいてもよい。
【００２８】
本発明に係る集光ミラーは、第１及び第２の光学板と交差する第３の光学板を更に備えていてもよい。第３の光学板は、第１の方向に沿って配列された複数の第３反射部と、第１の方向に沿って第３反射部と交互に配列された一つ以上の第３開口部を有していてもよい。第１、第２及び第３反射部は、第１方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されていてもよい。第３反射部の一つ以上が第１及び第２開口部を貫通すると共に、第１反射部の一つ以上及び第２反射部の一つ以上が第３開口部を貫通していてもよい。第１の方向に沿って配列された複数の光束を第３反射部に照射すれば、第１、第２及び第３反射部で反射された光束を合成して、より高い密度を有する光束群を生成することが可能である。
【００２９】
本発明の理解は、下記の詳細な説明と添付図面によって更に深まる。なお、添付図面は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図したものではない
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施形態に係る集光装置の斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る集光装置の、図１とは別の角度から見た概略斜視図である。
【図３】集光装置内の光源を示す分解斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る集光装置の上面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った概略断面図である。
【図６】集光ミラーを構成する光学板を示す概略図である。
【図７】集光ミラーを示す正面図である。
【図８】第１の実施形態に係る集光装置によって光が合成される様子を表す図である。
【図９】第２の実施形態に係る集光装置の上面図である。
【図１０】集光ミラーを構成する光学板を示す概略図である。
【図１１】第２の実施形態に係る集光装置によって光が合成される様子を表す図である。
【図１２】半導体レーザアレイスタックから出力される光束群を表す図である。
【図１３】本発明に係る集光装置の別の例を示す上面図である。
【図１４】本発明に係る集光装置の更に別の例を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０、３０……集光装置、１２、３２……第１の光源、１４、３４…第２の光源、１６、３６…第３の光源、１８、４０…集光ミラー、２０…コリメートレンズ、２２、４２…第１の光学板、２４、４４…第２の光学板、２６…半導体レーザアレイスタック、２７…半導体レーザアレイ、２８…ヒートシンク、３８…第４の光源、４６…第３の光学板、４８…第４の光学板。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明による集光装置及び集光ミラーの実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。また、説明の便宜のため、可能な図についてはｘｙｚ直交座標が示されている。【００３３】
第１実施形態
図１〜図８を参照しながら、本発明に係る第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態の集光装置を示す斜視図、図２は、この集光装置を簡略化し、図１とは別の角度から見た斜視図である。図３は、この集光装置内の光源を示す分解斜視図である。図４は、この集光装置をｚ軸方向に沿って見た平面図、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った概略断面図である。図６は、この集光装置で用いる集光ミラーを構成する光学板を示す概略図であり、図７は、この集光ミラーを示す正面図、図８は、この集光装置によって光が合成される様子を表す図である。【００３４】
図１及び図２に示されるように、集光装置１０は、第１の光源１２、第２の光源１４、第３の光源１６及び集光ミラー１８から構成されている。以下では、集光装置１０からの光の出射方向をｘ軸方向、各光源における半導体レーザアレイスタック２６（後述する）の積層方向をｚ軸方向、その双方に垂直な方向をｙ軸方向として、座標軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を設定する。【００３５】
図２に示されるように、第１の光源１２は、−ｙ方向に光を出射するように配置されている。図３に示されるように、光源１２は、半導体レーザアレイスタック２６と、複数のコリメートレンズ２０を有している。半導体レーザアレイスタック２６は、複数（本実施形態では３個）の半導体レーザアレイ２７と複数のヒートシンク２８（本実施形態では３個）をｚ軸方向に沿って交互に積層した構造を有する。【００３６】
各半導体レーザアレイ２７の軸方向（共振器方向）はｙ軸方向に等しく、各半導体レーザアレイ２７の光出射面はｚｘ平面に平行である。半導体レーザアレイ２７のｐｎ接合面に対して垂直な方向は、速軸（fast Axis）方向と呼ばれる。軸方向及び速軸方向の双方に垂直な方向は、遅軸（slow axis）方向と呼ばれる。本実施形態では、速軸方向がｚ軸方向に等しく、遅軸方向がｘ軸方向に等しい。【００３７】
各半導体レーザアレイ２７は、遅軸方向、すなわちｘ軸方向に沿って等間隔に配列された複数の発光部（emitter）２９を有している。本実施形態では、各半導体レーザアレイ２７は、遅軸方向（ｘ軸方向）に沿って並列に配列された複数の活性領域を有しており、それぞれの活性領域から−ｙ方向にレーザ光束が出射する。【００３８】
本実施形態では、各半導体レーザアレイ２７の複数の発光部２９から出射する光束が、互いに混ざり合って１本の光束を成す。この光束は、半導体レーザアレイ２７の軸方向に対して垂直な平面、すなわちｚｘ平面内において、発光部２９の配列方向、すなわちｘ軸方向に細長いパターンを有する。【００３９】
ヒートシンク２８は、半導体レーザアレイ２７を冷却するための部材であり、その一例は、水冷プレートである。各ヒートシンク２８は、階段状の上面を形成する高位部２８ａ及び低位部２８ｂを有している。半導体レーザアレイ２７は、低位部２８ｃの先端に搭載されている。以下では、ヒートシンク２８のうち半導体レーザアレイ２７が搭載される部分２８ｄを、レーザアレイ搭載部と呼ぶことにする。【００４０】
半導体レーザアレイスタック２６の出射面は、半導体レーザアレイ２７の出射面とヒートシンク２８の先端面とが交互に配置されて形成されている。したがって、半導体レーザアレイスタック２６の出射面からは、半導体レーザアレイ２７の個数と同数の細長い光束が出力される。図８（ａ）に示されるように、これら一群の光束５５は、ｚ軸方向に沿って平行に配列されており、これらの光束５５の光軸に垂直な平面内でストライプ状のパターンを形成する。各ストライプの長手方向は、発光部２９の配列方向、すなわち半導体レーザアレイ２７の遅軸方向（ｘ軸方向）に等しい。【００４１】
再び図３を参照する。半導体レーザアレイスタック２６の両側面はサイドカバー８１及び８２によって覆われている。半導体レーザアレイスタック２６の上下には、方形の上板８３及び底板８４が設置されている。サイドカバー８１及び８２並びに上板８３の上には、上部カバー８５が設置されている。上部カバー８５の表面には、半導体レーザアレイスタック２６に駆動電圧を供給するための電極板が設置されていてもよい。【００４２】
半導体レーザから出力される光束は、通常、遅軸方向（ｘ軸方向）への拡がりは小さいが、速軸方向（ｚ軸方向）には比較的大きな拡がり角を有する。そこで、ｚ軸方向の拡がり角を抑えて集光効率を高めるべく、光源１２にはコリメートレンズ２０が設置されている。コリメートレンズ２０は、ＦＡＣ（Fast Axis Collimator、速軸用コリメータ）とも呼ばれ、半導体レーザアレイ２７からのレーザ光束を半導体レーザアレイ２７の速軸（Fast Axis）方向でコリメート（平行化）する。言い換えると、コリメートレンズ２０は、半導体レーザアレイ２７から出力された光束を、発光部２９の配列方向と垂直な平面内、すなわちｙｚ平面内でコリメートする。【００４３】
なお、コリメート手段を通過した光束は、コリメート手段の設計によっては厳密な意味で完全には平行化されず、光束の進行に伴ってわずかに広がり角や狭まり角を有する場合がある。本明細書において「平行」とは、光束がこの様なわずかな角度を有する場合、すなわち実質的に平行な場合も含む。【００４４】
本実施形態では、コリメートレンズ２０として、半導体レーザアレイ２７の遅軸方向（ｘ軸方向）に沿った母線を有する円柱面をレンズ面２０ａとして有するシリンドリカルレンズを用いる。これらのコリメートレンズ２０は、ｚ軸方向に沿って配列されており、半導体レーザアレイ２７に一対一に対応している。各コリメートレンズ２０は、対応する半導体レーザアレイ２７の出射面の前方（出射面より−ｙ方向側）に出射面と近接させて設置される。半導体レーザアレイ２７からコリメートレンズ２０に入射する光束は、コリメートレンズ２０の母線に垂直な面内（ｙｚ面）で屈折させられて、コリメートされる。この結果、第１の光源１２は、ｚ軸方向に沿って平行に配列された光束群を出力する。コリメートレンズ２０は、任意の手法によって、半導体レーザアレイスタック２６の前方に固定することができる。例えば、レーザアレイスタック２６の光出射面を覆うカバー（図示せず）を上板８３及び底板８４に取り付け、そのカバーにコリメートレンズ２０を固定してもよい。【００４５】
第２の光源１４は、＋ｙ方向に光を出射するように配置されている。第２の光源１４は、第１の光源１２と同じ構造を有しており、半導体レーザアレイスタック２６と、複数のコリメートレンズ２０を有している。レーザアレイスタック２６は、複数の半導体レーザアレイ２７と複数のヒートシンク２８をｚ軸方向に沿って交互に積層した構造を有する。第２の光源１４内のコリメートレンズ２０は、半導体レーザアレイ２７からのレーザ光束を速軸方向でコリメートする。言い換えると、コリメートレンズ２０は、発光部２９の配列方向と垂直な平面（ｙｚ平面）内でコリメートする。図８（ｂ）に示されるように、第２の光源１４から出力される一群の光束５５は、ｚ軸方向に沿って配列されており、これらの光束５５の光軸に垂直な平面内でストライプ状のパターンを形成する。各ストライプの長手方向は、発光部２９の配列方向、すなわち半導体レーザアレイ２７の遅軸方向（ｘ軸方向）に等しい。【００４６】
第３の光源１６は、＋ｘ方向に光を出射するように配置されている。第３の光源１６は、第１の光源１２及び第２の光源１４と同じ構造を有しており、半導体レーザアレイスタック２６と、複数のコリメートレンズ２０を有している。レーザアレイスタック２６は、複数の半導体レーザアレイ２７と複数のヒートシンク２８をｚ軸方向に沿って交互に積層した構造を有する。第３の光源１６内の半導体レーザアレイ２７に関しては、軸方向がｘ軸方向、速軸方向がｚ軸方向、遅軸方向がｙ軸方向に等しい。この半導体レーザアレイ２７では、複数の発光部２９がｙ軸方向に沿って等間隔に配列されている。第３の光源１６内のコリメートレンズ２０は、半導体レーザアレイ２７からのレーザ光束を速軸方向でコリメートする。言い換えると、コリメートレンズ２０は、発光部２９の配列方向と垂直な平面（ｚｘ平面）内でコリメートする。図８（ｃ）に示されるように、第３の光源１６から出力される一群の光束５５は、ｚ軸方向に沿って配列されており、これらの光束５５の光軸に垂直な平面内でストライプ状のパターンを形成する。各ストライプの長手方向は、発光部２９の配列方向、すなわち半導体レーザアレイ２７の遅軸方向（ｙ軸方向）に等しい。【００４７】
光源１２、１４及び１６の各々は、図５に示す通り、３個の半導体レーザアレイ２７を有している。光源１２、１４及び１６間において、半導体レーザアレイ２７の位置は、ｚ軸方向に沿って一定の順序でずれている。各レーザアレイスタック２６での半導体レーザアレイ２７のスタック間隔をＬ、各半導体レーザアレイ２７の厚み（ｚ軸方向の長さ）をＬ／３、各ヒートシンク２８のレーザアレイ搭載部２８ｄの厚み（ｚ軸方向の長さ）を２Ｌ／３とすると、集光装置１０内の半導体レーザアレイ２７の位置は、ｚ軸方向に沿ってＬ／３ずつ、ずれる。より具体的に述べると、３個の光源内の半導体レーザアレイ２７は、図５中で上から下へ向かって、第３の光源１６、第１の光源１２、第２の光源１４の順にＬ／３ずつずれ、ｚ軸方向において重複することなく配置されている。【００４８】
図１、図２及び図４に示されるように、集光ミラー１８は、第１の光学板２２と第２の光学板２４をｚ軸方向からみて９０度で交差するように組み合わせることによって構成されている。図６に示されるように、第１の光学板２２は、長方形の平面形状を有する反射部２２ａ及び光通過部２２ｂを有している。これらの反射部２２ａ及び光通過部２２ｂは、ｚ軸方向に沿ってストライプ状に交互に配列されている。【００４９】
各反射部２２ａは、第１の光源１２からのレーザ光束を反射するために設けられている。これらの反射部２２ａは同じ寸法形状を有しており、等間隔に配列されている。反射部２２ａのうちｘ軸方向の＋側の面、すなわち第１の光源１２と対向する面は、レーザ光束を反射する鏡面となっている。【００５０】
光通過部２２ｂは、第３の光源１６からのレーザ光束を通過させるために設けられており、本実施形態では開口となっている。これらの光通過部２２ｂは同じ寸法形状を有しており、等間隔に配列されている。光通過部２２ｂの幅は、反射部２２ａの幅の２倍である。第１の光学板２２での反射部２２ａ及び光通過部２２ｂの配列間隔をＬとすると、反射部２２ａの幅はＬ／３であり、光通過部２２ｂの幅は２Ｌ／３である。なお、この配列間隔Ｌは、レーザアレイスタック２６における半導体レーザアレイ２７のスタックの間隔に等しい。【００５１】
第１の光学板２２は、反射部２２ａの長手方向における一端に、その長手方向と垂直に延在する支持部２２ｃを更に有している。反射部２２ａと支持部２２ｃは、櫛歯状を成している。反射部２２ａの長手方向における他端には、着脱可能な支持板２２ｄが支持部２２ｃと平行に取り付けられている。【００５２】
第２の光学板２４は、第１の光学板２２と同様の構造を有している。すなわち、第２の光学板２４は、図６に示すように、長方形の平面形状を有する反射部２４ａ及び光通過部２４ｂを有している。これらの反射部２４ａ及び光通過部２４ｂは、ｚ軸方向に沿ってストライプ状に交互に配列されている。反射部２４ａ及び光通過部２４ｂの寸法形状は、第１の光学板２２の反射部２２ａ及び光通過部２２ｂとそれぞれ同じである。第２の光学板２４は、反射部２４ａの長手方向における一端に、その長手方向と垂直に延在する支持部２４ｃを更に有しており、反射部２４ａと支持部２４ｃは、櫛歯状を成している。反射部２４ａの長手方向における他端には、着脱可能な支持板２４ｄが支持部２４ｃと平行に取り付けられている。【００５３】
第１の光学板２２と第２の光学板２４は、第１の光学板２２の反射部２２ａを第２の光学板２４の光通過部２４ｂに挿入すると共に、第２の光学板２４の反射部２４ａを第１の光学板２２の光通過部２２ｂに挿入することによって組み合わされる。これにより、集光ミラー１８が組み立てられる。集光ミラー１８を正面からみると、図７のようになる。なお、見易さのため、図２では第１の光学板２２の支持板２２ｄを、図７では第１の光学板２２及び第２の光学板２４の支持板２２ｄ、２４ｄをそれぞれ省略している。【００５４】
図４および図７に示されるように、第１の光学板２２は、第１の光源１２から出力された一群の平行光束が反射部２２ａに入射し、＋ｘ方向に反射されるように配置されている。反射部２２ａの長手方向は、ｘｙ平面内でｘ軸に対し１３５度の角度で傾斜している。第２の光学板２４は、第２の光源１４から出力された一群の平行光束が反射部２４ａに入射し、＋ｘ方向に反射されるように配置されている。反射部２４ａの長手方向は、ｘｙ平面内でｘ軸に対し４５度の角度で傾斜している。この結果、第１の光学板２２と第２の光学板２４は９０度の角度を成して交差する。【００５５】
更に、第１の光学板２２及び第２の光学板２４は、第３の光源１６から出力された平行光束が、光通過部２２ｂ及び２４ｂの重なり部分２３を通過するように配置される。なお、第３の光源１６の最も高い位置の半導体レーザアレイ２７から出射する光束は、重なり部分２３を通過せずに、集光ミラー１８の外側上方を通過する。【００５６】
このように、第３の光源１６から出力された光束は、光通過部２２ｂ及び２４ｂの重なり部分２３を通過するか、あるいは集光ミラー１８の外側を通過して、＋ｘ方向に進行することとなる。したがって、第１の光源１２から出力されて第１の光学板２２で反射された平行光束群、第２の光源１４から出力されて第２の光学板２４で反射された平行光束群、第３の光源から出力されて重なり部分２３を通過した平行光束の光軸方向はすべて同一方向、つまりｘ軸方向となり、これらの平行光束は＋ｘ方向に進行する。【００５７】
図１に示されるように、光源１２、１４及び１６は、それぞれ平板状の設置台６２、６４及び６６の上に載置されている。これらの設置台は異なる高さを有しており、その結果、図５に示すように、光源１２、１４及び１６内の半導体レーザアレイ２７の位置がｚ方向に沿ってずれている。集光ミラー１８は、設置台６８の上に固定されている。設置台６２、６４、６６及び６８は、平板７０の上面に固定されている。設置台６８は、設置台６８の上面から突出し、対角状に配置された２個の支持部７２を有している。各支持部７２は同じ深さの溝を有しており、それらの溝に光学板２２が差し込まれて固定されている。設置台６８は、設置台６８の上面から突出し、対角状に配置された別の２個の支持部７４も有している。各支持部７４は同じ深さの溝を有しており、それらの溝に光学板２４が差し込まれて固定されている。支持部７２の溝は支持部７４の溝よりも浅く、その結果、光学板２２が光学板２４よりも高い位置に配置される。なお、図２では、設置台６２、６４、６６及び６８、並びに平板７０が省略されている。【００５８】
続いて、集光装置１０及び集光ミラー１８の動作を説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、第１の光源１２、第２の光源１４、及び第３の光源１６からそれぞれ出射した光束群を、それぞれの光軸に対して垂直に切った断面図である。図８（ｄ）は、第１の光源１２から出射して第１の光学板２２で反射された光束群と、第２の光源１４から出射して第２の光学板２４で反射された光束群と、第３の光源１６から出射して集光ミラー１８の内側又は外側を通過した光束群とが合成されて成る一群の平行光束５５を、それらの光軸に対して垂直に切った断面図である。【００５９】
光源１２、１４及び１６から出力された光束群は、コリメートレンズ２０によってコリメートされているため、図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、互いに平行で等間隔に配列されたストライプ状のパターンを形成する。図５に示すように、光源１２、１４及び１６の間で、半導体レーザアレイ２７の位置はｚ方向に沿ってずれている。また、反射部２２ｂ及び２４ｂ、並びに光通過部の重なり部分２３は、互いに重なり合うことなく、ｚ方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されている。この結果、反射部２２ａ及び２４ａによって反射された光束群と集光ミラー１８を通過する光束群とは、互いに重なることなく同一の方向（＋ｘ方向）に進行していき、その断面は、図８（ｄ）に示されるようなパターンを有することになる。したがって、これらの反射光束群と通過光束群とを合成して成る一群の光束は、光源１２、１４及び１６から出力される各光束群と比較して３倍の密度を有している。【００６０】
第１の光源１２から出力されるレーザ光束は、半導体レーザアレイ２７の速軸方向に垂直な偏光方向、すなわちｘ軸に平行な偏光方向を有しており、−ｙ方向に進行する。したがって、これらのレーザ光束は、第１の光学板２２の反射部２２ａで反射されると、ｙ軸に平行な偏光方向を有し、＋ｘ方向に進行するレーザ光束になる。【００６１】
第２の光源１４から出力されるレーザ光束は、半導体レーザアレイ２７の速軸方向に垂直な偏光方向、すなわちｘ軸に平行な偏光方向を有しており、＋ｙ方向に進行する。したがって、これらのレーザ光束は、第２の光学板２４の反射部２４ａで反射されると、ｙ軸に平行な偏光方向を有し、＋ｘ方向に進行するレーザ光束になる。【００６２】
第３の光源１６から出力されるレーザ光束は、半導体レーザアレイ２７の速軸方向に垂直な偏光方向、すなわちｙ軸に平行な偏光方向を有しており、＋ｘ方向に進行する。これらのレーザ光束が第１及び第２の光学板の光通過部２２ｂ及び２４ｂを通過しても、それらの偏光方向及び進行方向は変わらない。つまり、これらのレーザ光束は、ｙ軸に平行な偏光方向を有するレーザ光として＋ｘ方向に進行し続けることになる。【００６３】
このように、第１の光源１２から出力され第１の光学板２２の反射部２２ａによって反射された光束群、第２の光源１４から出力され第２の光学板２４の反射部２４ａによって反射された光束群、及び第３の光源１６から出力され集光ミラー１８の内外を通過した光束群からなる合成光束群は、ｙ軸に平行な偏光方向を有し、＋ｘ方向に進行する。【００６４】
以下では、本実施形態の利点を説明する。集光ミラー１８は、３個の光源１２、１４及び１６から出力した光束群を、互いに重なり合わせることなく合成することができる。このため、集光ミラー１８は、各光源で生成された光束群の密度を、空間的に均一に、しかも効率良く増加させることができる。したがって、集光装置１０は、比較的低い密度の光束群を出力しがちな半導体レーザアレイスタックを光源として用いて、より高い密度の光束群を効率良く生成することができる。なお、光源１２、１４又は１６として、半導体レーザアレイスタック以外の光源を用いてもよい。【００６５】
集光ミラー１８は、偏光ビームスプリッタと異なり、光源１２、１４及び１６からの光束群をそれらの偏光方向を揃えた状態で合成し、より高い密度の光束群を生成することができる。したがって、集光装置１０によって生成された光束群を使用すれば、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４に代表される、光の吸収において偏光依存性を有する固体レーザ媒質を効率良く励起することができる。【００６６】
なお、各半導体レーザアレイ２７から出射し、コリメートレンズ２０によってコリメートされた光束の速軸方向における幅は、光学板の反射部の幅Ｌ／３と同じか、あるいはこれ以下であることが好ましい。この場合、光源からの光束が集光ミラー１８で反射され、あるいは集光ミラー１８を通過する際の光損失を防ぐことができ、それらの光束を効率良く合成することができる。【００６７】
集光装置１０において３個の光源１２、１４及び１６のいずれかを除去すれば、残った２個の光源から出力される光束群を合成することも可能である。この場合においても、２個の光源から出力した光束群を、互いに重なり合わないように合成することができ、それにより、単一の光源の出力光束群の密度を、空間的に均一に、しかも効率良く増加させることができる。なお、３個の光源からの光束を合成する場合と比べて、合成に必要な距離に変化はない。そのため、３個の光源からの光束群を合成するときでも、２個の光源からの光束を合成するときに比べてビームパターンが大きく発散し、それにより合成効率が悪化するということはない。【００６８】
２個の光源からの光束を合成する場合、例えば第３の光源１６を除去し、第１及び第２の光源１２及び１４からの光束のみを合成する場合は、光学板の反射部２２ａ、２４ａと光通過部２２ｂ、２４ｂの幅をそれぞれＬ／２に設定し、各半導体レーザアレイ２７の厚みをＬ／２に設定すれば、効率の良い光密度の増加が可能となる。また、本実施形態において、半導体レーザアレイ２７の厚み、並びに反射部２２ａ及び２４ａの幅をＬ／３に、レーザアレイ搭載部２８ｄの厚み、並びに光通過部２２ｂ及び２４ｂの幅を２Ｌ／３にそれぞれ設定しなくても、半導体レーザアレイ２７の配列間隔と光学板２２及び２４の配列間隔とが一致し、各光源から出力される光束群が各光学板の対応する反射部に入射するように構成されていれば、効率の良い光密度の増加が可能である。【００６９】
以下では、本実施形態を先行技術と比較しながら、本実施形態の利点を更に説明する。独国特許明細書ＤＥ１９７５１７１６Ｃ２には、第１のプリズム板、光透過性の板及び第２のプリズム板を順次に積み重ねた構造の光デバイスを使用して３個のレーザアレイスタックからの光束を合成する集光装置が開示されている。第１のプリズム板は第１のレーザアレイスタックから光束を受け取り、所定の方向に反射する。第２のプリズム板は第２のレーザアレイスタックから光束を受け取り、第１のプリズム板と同じ方向に反射する。光透過性の板は、第３のレーザアレイスタックからの光束を透過させ、第１及び第２のプリズム板によって反射された光束と同じ方向に進行させる。これにより、３個のレーザアレイスタックからの光束が合成される。【００７０】
しかしながら、この光学デバイスは、プリズム板と透光板の積み重ねから構成されるため、レーザアレイスタックとの位置合わせが難しい。例えば、レーザアレイスタックにおける半導体レーザアレイのスタック間隔を１．７５ｍｍに設計した場合、そのスタック間隔には、通常、±０．０５ｍｍ程度のばらつきが生じる。このため、先行技術の光学デバイスでは、このようなスタック間隔のばらつきに応じてプリズム板及び透光板の位置を調整しなければ光損失が増大してしまう。スタック間隔の各々に合致した厚みを有するプリズム板及び透光板を用意し、各半導体レーザアレイと一つ一つ位置合わせしながら積み重ねて光学デバイスを作製するのは極めて大きな労力が必要となり、現実的でない。通常は、１．７５ｍｍを３等分した厚みを有するプリズム板及び透光板を用意して積み重ねるが、プリズム又は透光板と半導体レーザアレイとの間に位置ずれが生じ、光損失が大きくなってしまう。【００７１】
これに対して、集光ミラー１８は複数の板の積み重ねではなく、２枚の光学板２２及び２４を組み合わせた構造を有するので、半導体レーザアレイ２７のスタック間隔のばらつきに容易に対処することができる。すなわち、集光ミラー１８を作製する前に半導体レーザアレイ２７のスタック間隔を測定しておき、測定されたスタック間隔に合致する幅の開口を板に形成すれば、各スタック間隔に対応した間隔で配置された反射部２２ａ、２４ａを有する光学板２２、２４を作製することは容易である。この開口は、例えば、スライシングマシンを用いたＮＣ加工によって精度良く形成することができる。【００７２】
また、先行技術の光デバイスに比べて本実施形態の集光ミラー１８は、部品点数を少なくできるという利点も有する。例えば、２５個の半導体レーザアレイを積み重ねたレーザアレイスタックを３個用意し、それらの出力光束を合成する場合、先行技術では、プリズム板及び透光板が合計で７５枚も必要になる。これに対し、集光ミラー１８では、光学板に形成される反射部は増えるものの、光学板の枚数は２枚で済む。このため、集光ミラー１８は低コストで作製することができる。【００７３】
更に、部品点数の少なさは、集光ミラー１８の作製及び設置に必要な労力が少ないという利点をもたらす。先行技術では、７５枚ものプリズム板及び透光板を位置決めし、接着などの方法により固定しなければならない。これに対し、集光ミラー１８は、２枚の光学板２２、２４を組み合わせるだけで容易に作製することができる。これらの光学板は、半導体レーザアレイのスタック間隔のばらつきを見込んだ寸法で作製できるので、これにより光学板の位置決めを容易にすることができる。【００７４】
第２実施形態
以下では、図９〜図１１を参照しながら、本発明に係る第２の実施形態を説明する。図９は、本実施形態の集光装置をｚ軸方向に沿って見た上面図、図１０は、この集光装置で用いる集光ミラーを構成する光学板を示す概略図、図１１は、この集光装置によって光が合成される様子を表す図である。上述した集光装置１０が、３個の光源と、２枚の光学板を組み合わせた集光ミラーとから構成されているのに対して、集光装置３０は、４個の光源と、４枚の光学板を組み合わせた集光ミラーとから構成されている。【００７５】
第１の光源３２、第２の光源３４、第３の光源３６及び第４の光源３８は、いずれも第１の実施形態における光源１２、１４及び１６と同じ構造を有している。光源３２、３４、３６及び３８の各々は、半導体レーザスタック２６と複数のコリメートレンズ２０を有しており、光源内の半導体レーザアレイ２７の個数と同数の平行光束を出力する。これら一群の光束は、これらの光束の光軸に垂直な平面内でストライプ状のパターンを形成する。各ストライプの長手方向は、発光部２９の配列方向、すなわち半導体レーザアレイ２７の遅軸方向に等しい。【００７６】
光源３２、３４、３６及び３８の各々は、３個の半導体レーザアレイ２７を有しており、これら４個の光源間において、半導体レーザアレイ２７の位置は、ｚ軸方向に沿って一定の順序でずれている。半導体レーザアレイスタック２６での半導体レーザアレイ２７のスタック間隔をＬ、各半導体レーザアレイ２７の厚み（ｚ軸方向の長さ）をＬ／４、各ヒートシンク２８のレーザアレイ搭載部２８ｄの厚み（ｚ軸方向の長さ）を３Ｌ／４とすると、集光装置３０内の半導体レーザアレイ２７の位置は、ｚ軸方向に沿ってＬ／４ずつ、ずれる。より具体的に述べると、、４個の光源内の半導体レーザアレイ２７は、第１の光源３２、第２の光源３４、第３の光源３６、第４の光源３８の順にｚ軸方向に沿ってＬ／４ずつずれ、互いに重複することなく配置されている。【００７７】
図１０に示されるように、集光ミラー４０は、４枚の光学板４２、４４、４６及び４８を組み合わせることによって構成されている。第１の光学板４２は、長方形の平面形状を有する反射部４２ａ及び光通過部４２ｂを有している。これらの反射部４２ａ及び光通過部４２ｂは、ｚ軸方向に沿ってストライプ状に交互に配列されている。【００７８】
反射部４２ａは、第１の光源３２からのレーザ光束を反射するために設けられている。これらの反射部４２ａは同じ寸法形状を有しており、等間隔に配列されている。反射部４２ａのうちｘ軸方向の＋側の面、すなわち第１の光源３２と対向する面は、レーザ光束を反射する鏡面となっている。【００７９】
光通過部４２ｂは、第２〜第４の光源３４、３６及び３８からのレーザ光束を通過させるために設けられており、本実施形態では開口となっている。これらの反射部４２ａは同じ寸法形状を有しており、等間隔に配列されている。光通過部４２ｂの幅は、反射部４２ａの幅の３倍である。第１の光学板４２での反射部４２ａ及び光通過部４２ｂの配列間隔をＬとすると、反射部４２ａの幅はＬ／４であり、光通過部４２ｂの幅は３Ｌ／４である。なお、この配列間隔Ｌは、レーザアレイスタック２６における半導体レーザアレイ２７のスタックの間隔に等しい。【００８０】
第１の光学板４２は、第１実施形態における光学板２２、２４と同様に、支持部４２ｃ及び支持板４２ｄを更に有している。第２の光学板４４、第３の光学板４６及び第４の光学板４８も、第１の光学板４２と同様の構造を有しており、反射部４４ａ、４６ａ及び４８ａ、光通過部４４ｂ、４６ｂ及び４８ｂ、支持部４４ｃ、４６ｃ及び４８ｃ、並びに支持板４４ｄ、４６ｄ及び４８ｄを有している。これらの光学板４２、４４、４６及び４８は、各光学板の反射部を他の光学板の光通過部に挿入することによって相互に組み合わされ、これにより、集光ミラー４０が組み立てられる。【００８１】
第１の光学板４２は、第１の光源３２から出力された一群の平行光束が反射部４２ａに入射し、＋ｘ方向に反射されるように配置されている。同様に、第２、第３及び第４の光学板４４、４６及び４８も、第２、第３及び第４の光源３４、３６及び３８から出力された一群の平行光束が反射部４４ａ、４６ａ及び４８ａにそれぞれ入射し、＋ｘ方向に反射されるように配置されている。したがって、光源３２、３４、３６及び３８から出力され、対応する光学板４２、４４、４６及び４８によって反射された平行光束の光軸方向はすべて同一方向、つまりｘ軸方向となり、これらの平行光束は＋ｘ方向に進行する。【００８２】
続いて、集光装置３０及び集光ミラー４０の動作を説明する。図１１（ａ）〜（ｄ）は、第１の光源３２、第２の光源３４、第３の光源３６、及び第４の光源３８からそれぞれ出射した光束群を、それぞれの光軸に対して垂直に切った断面図である。図１１（ｅ）は、第１の光源３２から出射して第１の光学板４２で反射された光束群と、第２の光源３４から出射して第２の光学板４４で反射された光束群と、第３の光源３６から出射して第３の光学板４６で反射された光束群と、第４の光源３８から出射して第４の光学板４８で反射された光束群とが合成されて成る一群の平行光束５５を、それらの光軸に対して垂直に切った断面図である。【００８３】
各光源３２、３４、３６及び３８から出力された光束群は、コリメートレンズ２０によってコリメートされているため、図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、互いに平行で等間隔に配列されたストライプ状のパターンを形成する。更に、光源３２、３４、３６及び３８の間で、半導体レーザアレイ２７の位置はｚ方向に沿ってずれている。また、光学板４２、４４、４６及び４８の反射部は、互いに重なり合うことなく、ｚ方向に沿って一定の順序で繰り返し配列されている。この結果、光学板４２、４４、４６及び４８の反射部によって反射された光束群は、互いに重なることなく同一の方向（＋ｘ方向）に進行していき、その断面は、図１１（ｅ）に示されるようなパターンを有することになる。したがって、これらの反射光束群を合成して成る一群の光束は、光源３２、３４、３６及び３８から出力される各光束群と比較して４倍の密度を有している。これらの光束の各々は、ｙ軸に平行な偏光方向を有し、＋ｘ方向に進行する。【００８４】
このように、本発明は、４個あるいはそれ以上の光源から出力された光束群を、互いに重なり合わせることなく合成し、それによって、各光源で生成された光束群の密度を、空間的に均一に、しかも効率良く増加させることができる。【００８５】
なお、第２実施形態では、各半導体レーザアレイから出射し、コリメートレンズによってコリメートされた光束の速軸方向における幅は、光学板の反射部の幅Ｌ／４と同じか、あるいはこれ以下であることが好ましい。この場合、光源からの光束が集光ミラー４０で反射される際の光損失を防ぐことができ、それらの光束を効率良く合成することができる。【００８６】
集光装置３０は、第１実施形態と同様に、光源３２、３４、３６及び３８からの光束群をそれらの偏光方向を揃えた状態で合成し、より高い密度の光束群を生成することができる。光源の数を増やしても、光束の合成に必要な距離を長くする必要はないため、ビームパターンが発散して合成効率が悪化することを防ぐことができる。また、本実施形態において、半導体レーザアレイ２７の厚み、並びに反射部４２ａ、４４ａ、４６ａ及び４８ａの幅をＬ／４に、レーザアレイ搭載部２８ｄの厚み、並びに光通過部４２ｂ、４４ｂ、４６ｂ及び４８ｂの幅を３Ｌ／４にそれぞれ設定しなくても、半導体レーザアレイ２７の配列間隔と光学板４２、４４、４６及び４８の配列間隔とが一致し、各光源から出力される光束群が各光学板の対応する反射部に入射するように構成されていれば、効率の良い光密度の増加が可能である。【００８７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、光学板の光通過部は、開口に限られず、光透過性の物質を用いて構成されていてもよい。例えば、上記実施形態で使用した光学板を組み合わせた後、それらの光通過部を光透過性物質で充填してもよい。更に、上記の各実施形態では、各光学板は支持部及び支持板の双方を備えているが、支持板がなくても、あるいは支持部及び支持板の双方がなくてもよい。また、集光装置で用いられる光源の数は、２以上で任意に設定することができる。例えば、第２の実施形態では、光源及び光学板の数が共に４だが、光源が３個あるいは５個以上であっても良い。また、第１実施形態の構成においても、必要に応じて光源及び光学板を増設することが可能である。【００８８】
本発明によって合成される光束群は、図１２（ａ）に示されるようなストライプ状のパターンを有するものに限られない。例えば、図１２（ｂ）に示すように、合成されるべき光束群は、各ストライプ５６がその長手方向に沿って複数の部分５７に分割されているパターン、言い換えるとマトリックス状のパターンを有していてもよい。このような光束群は、例えば、半導体レーザアレイの複数の発光部から発する光束を、半導体レーザアレイのスタック方向（速軸方向）及び発光部の配列方向（遅軸方向）のそれぞれにおいてコリメートし、発光部からの光束を遅軸方向において重なり合わせないようにすることで得られる。【００８９】
第１実施形態では、光源１２及び１４の出力光束の光軸が、光源１６の出力光束の光軸とそれぞれ直交しており、その結果、光源１２と光源１４が向かい合っている。このような配置では、光源１２及び１４の一方から出射したレーザ光束の一部が、光学板の反射部を透過して、光源１２及び１４の他方に照射される可能性がある。このような照射は、光束のパワーが高いときには、光源に損傷を与えるおそれがある。例えば、発光部２９に光束が直接照射されて発光部２９に損傷を与えるほかに、ヒートシンク２８に光束が当たってその温度が上昇し、その結果、半導体レーザアレイ２７の寿命を縮める可能性もある。【００９０】
光源への光束の照射を防止するためには、光源同士が向かい合わないように、光源１６の出力光束の光軸に対して光源１２及び１４の出力光束の光軸を傾斜させればよい。傾斜角度を設定する際は、以下の条件を考慮する。すなわち、１．光源への光束の照射を避けること、２．光源同士が干渉しないこと、３．できる限り光源同士を近づけること、である。光源同士を近づけるのは、光路を短くして光損失を最小限に抑えるためである。短い光路が光損失を抑える理由は、次の通りである。集光ミラー１８の反射部に入射する光束は、コリメートレンズ２０によって速軸方向でコリメートされているものの、コリメートレンズ２０の設計によっては完全にコリメートされずに、光束の進行に伴って速軸方向の幅がわずかに拡がることもある。そのため、光路が長いと光束の幅が反射部の幅よりも大きくなって光損失が生じてしまう。【００９１】
図１３及び図１４は、光源の損傷を回避するために好適な光源の配置を示す上面図である。ここで、各光源内の半導体レーザアレイ２７は、その遅軸方向において約１０ｍｍの長さを有しており、半導体レーザアレイ２７の出力光束は遅軸方向において８度程度の発散角を有しているものとする。図１３及び図１４では、光源１６の中心軸１０６に対して光源１２及び１４が線対称に配置されている。これらの光源の中心軸１０２、１０４及び１０６の交点から各光源までの距離は、約２０ｍｍに設定されている。図１３では、光源１２の中心軸１０２が光源１６の中心軸１０６と成す角度９１、及び光源１４の中心軸１０４が光源１６の中心軸１０６と成す角度９２が共に６５度である。図１４では、同様の角度９３及び９４が共に１１５度である。このような配置を採用すれば、光源１２、１４及び１６への光束の照射を回避して、各光源の出力光束群を良好に合成することができる。【００９２】
上述した発明から明らかなように、本発明の実施形態には様々な方法で変形を加えてもよい。このような変形は、本発明の範囲から逸脱するものではなく、当業者にとっては明らかなように、このような変形は、すべて下記の特許請求の範囲内に含まれるように意図されている。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、複数の光束群を合成して、より高い密度の光束群を生成することができる。また、本発明は、偏光ビームスプリッタを必要としないので、偏光方向を揃えたまま光密度を増加させることができる。したがって、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４に代表される、光の吸収において偏光依存性を有する固体レーザ媒質を効率良く励起することが可能である。更に、本発明に係る集光装置及び集光ミラーは、比較的低いコストで作製でき、組立及び設置も容易である。
【図１】
2005101096.tif 000002
【図２】
2005101096.tif 000003
【図３】
2005101096.tif 000004
【図４】
2005101096.tif 000005
【図５】
2005101096.tif 000006
【図６】
2005101096.tif 000007
【図７】
2005101096.tif 000008
【図８】
2005101096.tif 000009
【図９】
2005101096.tif 000010
【図１０】
2005101096.tif 000011
【図１１】
2005101096.tif 000012
【図１２】
2005101096.tif 000013
【図１３】
2005101096.tif 000014
【図１４】
2005101096.tif 000015
【国際調査報告】
2005101096.tif 000016
2005101096.tif 000017
2005101096.tif 000018
2005101096.tif 000019