(57)【要約】  発光装置（３００）は、複数の第１発光点を有する第１発光アレイ（３１０）と、第２発光点（３２１〜３２８）を有する第２発光アレイ（３２０）と、複数の第１発光点からそれぞれ出射された複数の第１光の進行方向と、１以上の第２発光点からそれぞれ出射された第２光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子（３３０）とを備え、方向変換素子（３３０）は、第１発光アレイ（３１０）と第２発光アレイ（３２０）との間に配置され、方向変換素子（３３０）上の仮想的な変換直線（３３０Ｌ）上において、複数の第１光及び１以上の第２光の進行方向を変換し、変換直線（３３０Ｌ）上において、複数の第１光がそれぞれ入射する複数の第１入射位置の各々と、１以上の第２光がそれぞれ入射する１以上の第２入射位置の各々とが、交互に配置される。
2020017214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一列に配置された複数の第１発光点を有する第１発光アレイと、
一列に配置された１以上の第２発光点を有する第２発光アレイと、
前記複数の第１発光点からそれぞれ出射された複数の第１光の進行方向と、前記１以上の第２発光点からそれぞれ出射された１以上の第２光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子とを備え、
前記方向変換素子は、前記第１発光アレイと前記第２発光アレイとの間に配置され、前記方向変換素子上の仮想的な変換直線上において、前記複数の第１光及び前記１以上の第２光の進行方向を変換し、
前記変換直線上において、前記複数の第１光がそれぞれ入射する複数の第１入射位置の各々と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射する１以上の第２入射位置の各々とが、交互に配置される
発光装置。
【請求項２】
前記方向変換素子は、前記複数の第１光がそれぞれ入射し、前記第１発光アレイに対向する複数の第１面と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射し、前記第２発光アレイに対向する１以上の第２面とを有し、
前記複数の第１面の各々と前記１以上の第２面の各々とは、前記変換直線上に交互に配置される
請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記第１発光アレイ、前記第２発光アレイ及び前記方向変換素子のうち、少なくとも二つは同一の基板上に配置されている
請求項１又は２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記複数の第１面、及び、前記１以上の第２面の少なくとも一つは、光の集光状態を変える
請求項２に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第１発光アレイの発光波長と前記第２発光アレイの発光波長とが異なる
請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置と、
前記発光装置から出射される前記複数の第１光及び前記１以上の第２光を空間合成する空間合成光学系とを備える
光学装置。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置と、
前記発光装置から出射される前記複数の第１光及び前記１以上の第２光を波長合成する波長合成光学系とを備える
光学装置。
【請求項８】
前記複数の第１光は、第１波長帯のレーザビームを含み、
前記１以上の第２光は、第２波長帯のレーザビームを含み、
前記波長合成光学系は、前記第１光と前記第２光とを合成する回折光学素子であり、
前記第１波長帯に含まれる第１波長をλ１とし、前記第２波長帯に含まれる第２波長をλ２とし、Ｍを２以上の自然数として、λ１＝Ｍ×λ２が満たされる
請求項７に記載の光学装置。
【請求項９】
前記第１発光アレイは、前記複数の第１発光点を含むアレイ構造を有する半導体レーザである
請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記第１波長帯は、８３０ｎｍを含み、
前記第２波長帯は、４１５ｎｍを含む
請求項８又は９に記載の光学装置。
【請求項１１】
発光装置から出射される複数の第１光と１以上の第２光とを合成する波長合成方法であって、
前記発光装置は、
一列に配置された複数の第１発光点を有する第１発光アレイと、
一列に配置された１以上の第２発光点を有する第２発光アレイと、
前記複数の第１発光点からそれぞれ出射された前記複数の第１光の進行方向と、前記１以上の第２発光点からそれぞれ出射された前記１以上の第２光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子とを備え、
前記方向変換素子は、前記第１発光アレイと前記第２発光アレイとの間に配置され、前記方向変換素子上の仮想的な変換直線上において、前記複数の第１光及び前記１以上の第２光の進行方向を変換し、
前記変換直線上において、前記複数の第１光がそれぞれ入射する複数の第１入射位置の各々と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射する１以上の第２入射位置の各々とが、交互に配置され、
前記波長合成方法は、
第１波長帯のレーザビームを含む前記複数の第１光と、第２波長帯のレーザビームを含む前記１以上の第２光とを生成するステップと、
前記複数の第１光と、前記１以上の第２光とを回折現象を用いて合成するステップとを含み、
前記第１波長帯に含まれる第１波長をλ１とし、前記第２波長帯に含まれる第２波長をλ２とし、Ｍを２以上の自然数として、λ１＝Ｍ×λ２が満たされる
波長合成方法。
【請求項１２】
前記第１波長帯は、８３０ｎｍを含み、
前記第２波長帯は、４１５ｎｍを含む
請求項１１に記載の波長合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発光装置、光学装置及び波長合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタ、加工装置などに半導体レーザが用いられるようになり、その高出力化は益々望まれている。一般に半導体レーザの高出力化のため、発光点であるエミッタの幅を広げることで投入できる電力を増やしている。しかしながら、半導体レーザの発光効率はおよそ３０％以上５０％以下程度であるため、発光に寄与しない電力は熱になってエミッタの温度を上昇させる。この温度上昇は半導体レーザに出力熱飽和を生じさせる。【０００３】
そこで、１チップ上（言い換えれば一つの基板上）に複数のエミッタを並べたアレイ構造を有する半導体レーザが用いられている。例えば、トータル出力Ｐに対しエミッタ数がＮとすると、各エミッタの出力はＰ／Ｎとなり、一つのエミッタで出力Ｐを実現する場合より、各エミッタの出力が低減される。さらに、隣り合うエミッタが離隔されているため発熱位置が分散され、各エミッタにおける熱量が減る。これらの理由により、各エミッタの温度上昇が抑制され、高出力な半導体レーザを実現することができる。【０００４】
アレイ構造の一例は特許文献１に記載されており、その構造を図２１を用いて説明する。図２１は、従来技術のアレイ構造を有する半導体レーザを示す断面図である。特許文献１に記載された半導体レーザは、基板１０１０と、基板１０１０上に配置された半導体層１０１１とを備える。特許文献１に記載された半導体レーザは、さらにｎ側電極１０２８及びｐ側電極１０２７を備え、これらの電極を通じて、半導体層１０１１に電流が流れる。この時、半導体層１０１１中において、ｎ型クラッド層１０１３及びｐ型クラッド層（後述のように第１ｐ型クラッド層１０１７及び第２ｐ型クラッド層１０１９に分かれている）から供給された電子及び正孔は、活性層１０１５で再結合し、誘導放出による光増幅とレーザ端面による反射（共振）とにより、レーザ光が発生する。これらの電子及び正孔の供給は、リッジ部１０２３の直下で行われる。リッジ部１０２３の存在により、電子、正孔及び光をリッジ部１０２３直下に閉じ込めることができるため、レーザ発振の低閾値化とレーザビームの横モード制御とを行うことができる。このリッジ部１０２３及びリッジ部１０２３直下の領域をまとめてエミッタと称する。【０００５】
特許文献１に記載された半導体レーザは、複数のリッジ部１０２３を備え、それらのリッジ部１０２３の間には、ダミーリッジ部１０２５が設けられている。ダミーリッジ部１０２５においては、絶縁膜１０２６が存在するため、ｐ側電極１０２７からの電流は注入されない。このため、ダミーリッジ部１０２５の直下でのレーザ発光はない。【０００６】
ダミーリッジ部１０２５の目的を以下で説明する。この種のアレイ構造を有する半導体レーザはリッジ部１０２３側においてサブマウントと実装されるが、光の射出領域となるリッジ部の間隔が開いた状態で実装すると、サブマウントとの間で残留歪みが生じる。この残留歪みによって、半導体レーザ内に局所的に大きな応力が発生し、結晶が劣化したり、ＮＦＰ（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）が不均一になったり、さらには、レーザ自体が割れてしまうこともある。このように、従来のアレイ構造を有する半導体レーザでは、実装後の残留歪みによって信頼性が低下するという問題が存在する。【０００７】
特許文献１に記載された半導体レーザでは、活性層１０１５への電流注入機能を有する二つのリッジ部１０２３の間など隣り合う位置に、電流注入機能を有しないダミーリッジ部１０２５が存在していることにより、複数のリッジ部１０２３及びダミーリッジ部１０２５を含むリッジ状部分の間隔が狭くなるため、サブマウントと半導体レーザとの接触面積の割合が大きくなる。よって、サブマウント上への実装の後において生ずる残留歪みによる応力がリッジ部１０２３だけでなくダミーリッジ部１０２５にも分散され、リッジ部１０２３にかかる応力が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−０７３６６９号公報
【特許文献２】米国特許第６１９２０６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、隣接するエミッタ間の間隔（以下、エミッタ間隔と称する）は、エミッタにおける熱量の抑制、ダミーリッジの形成などの点で必要となる。ところが、このエミッタ間隔の存在は以下の点で課題を発生させる。【００１０】
複数のエミッタから出射された複数のレーザビームは、例えば、一つのレーザビームに合成されて、プロジェクタにおける蛍光体照射やレーザ加工機における集光に用いられる。多数本のビームの合成法として、空間合成法と波長合成法とがある。空間合成法とは、レンズなどを用いて、複数のレーザビームを一か所に集める方法である。波長合成法とは、互いに異なる波長の複数のレーザビームを、回折格子などの回折光学素子を用いて、１本のビームにする方法である。【００１１】
レーザビームの合成においてはビーム品質が重要となる。ビーム品質が悪いと、光学系が大きくなったり、集光効率が低下するなどの問題が発生するためである。【００１２】
空間合成の場合、一般にレーザビームのフィリングファクター（ＦＦ）に比例してビーム品質が良くなることが知られている。このＦＦは、下記のように定義される。【００１３】
ＦＦ＝（エミッタ幅総和）／（発光領域幅）【００１４】
ここで、発光領域幅は、エミッタ幅総和と、エミッタ間隔総和との和であるから、エミッタ間隔が広がるほど、ＦＦが低下し、ビーム品質が悪くなる。【００１５】
波長合成法では、異なる波長の複数のレーザビームを互いに異なる入射角で回折光学素子に入射させることで一つのレーザビームに合成し、ビーム品質の劣化を抑制する。もしエミッタ間隔が大きいと隣接するレーザビームが離れているため、回折光学素子に向かう角度の差も大きくなる。この結果、複数のレーザビーム間の入射角の差のが大きくなるため、複数のレーザビームの波長の差を大きくする必要がある。半導体レーザは利得波長幅を有するため、ある程度の波長帯域において発振波長をチューニングできる。しかしながら、エミッタ間隔が大きくなると、レーザビームに要求される波長がその利得波長幅から逸脱し、半導体レーザでのレーザ発振が困難になる場合がある。【００１６】
そこで本開示では、発光アレイの実効的なエミッタ間隔を狭めることができる発光装置などを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本開示に係る発光装置の一態様は、一列に配置された複数の第１発光点を有する第１発光アレイと、一列に配置された１以上の第２発光点を有する第２発光アレイと、前記複数の第１発光点からそれぞれ出射された複数の第１光の進行方向と、前記１以上の第２発光点からそれぞれ出射された１以上の第２光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子とを備え、前記方向変換素子は、前記第１発光アレイと前記第２発光アレイとの間に配置され、前記方向変換素子上の仮想的な変換直線上において、前記複数の第１光及び前記１以上の第２光の進行方向を変換し、前記変換直線上において、前記複数の第１光がそれぞれ入射する複数の第１入射位置の各々と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射する１以上の第２入射位置の各々とが、交互に配置される。【００１８】
また、本開示に係る発光装置において、前記方向変換素子は、前記複数の第１光がそれぞれ入射し、前記第１発光アレイに対向する複数の第１面と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射し、前記第２発光アレイに対向する１以上の第２面とを有し、前記複数の第１面の各々と前記１以上の第２面の各々とは、前記変換直線上に交互に配置されてもよい。【００１９】
また、本開示に係る発光装置において、前記第１発光アレイ、前記第２発光アレイ及び前記方向変換素子のうち、少なくとも二つは同一の基板上に配置されていてもよい。【００２０】
また、本開示に係る発光装置において、前記複数の第１面、及び、前記１以上の第２面の少なくとも一つは、光の集光状態を変えてもよい。【００２１】
また、本開示に係る発光装置において、前記第１発光アレイの発光波長と前記第２発光アレイの発光波長とが異なってもよい。【００２２】
また、上記課題を解決するために、本開示に係る光学装置は、前記発光装置と、前記発光装置から出射される前記複数の第１光及び前記１以上の第２光を空間合成する空間合成光学系とを備える。【００２３】
また、上記課題を解決するために、本開示に係る光学装置は、前記発光装置と、前記発光装置から出射される前記複数の第１光及び前記１以上の第２光を波長合成する波長合成光学系とを備える。【００２４】
また、本開示に係る光学装置において、前記複数の第１光は、第１波長帯のレーザビームを含み、前記１以上の第２光は、第２波長帯のレーザビームを含み、前記波長合成光学系は、前記第１光と前記第２光とを合成する回折光学素子であり、前記第１波長帯に含まれる第１波長をλ１とし、前記第２波長帯に含まれる第２波長をλ２とし、Ｍを２以上の自然数として、λ１＝Ｍ×λ２が満たされてもよい。【００２５】
また、本開示に係る光学装置において、前記第１発光アレイは、前記複数の第１発光点を含むアレイ構造を有する半導体レーザであってもよい。【００２６】
また、本開示に係る光学装置において、前記第１波長帯は、８３０ｎｍを含み、前記第２波長帯は、４１５ｎｍを含んでもよい。【００２７】
また、上記課題を解決するために、本開示に係る波長合成方法の一態様は、発光装置から出射される複数の第１光と１以上の第２光とを合成する波長合成方法であって、前記発光装置は、一列に配置された複数の第１発光点を有する第１発光アレイと、一列に配置された１以上の第２発光点を有する第２発光アレイと、前記複数の第１発光点からそれぞれ出射された前記複数の第１光の進行方向と、前記１以上の第２発光点からそれぞれ出射された前記１以上の第２光の進行方向とを同一方向に変換する方向変換素子とを備え、前記方向変換素子は、前記第１発光アレイと前記第２発光アレイとの間に配置され、前記方向変換素子上の仮想的な変換直線上において、前記複数の第１光及び前記１以上の第２光の進行方向を変換し、前記変換直線上において、前記複数の第１光がそれぞれ入射する複数の第１入射位置の各々と、前記１以上の第２光がそれぞれ入射する１以上の第２入射位置の各々とが、交互に配置され、前記波長合成方法は、第１波長帯のレーザビームを含む第１光と、第２波長帯のレーザビームを含む第２光とを生成するステップと、前記第１光と、前記第２光とを回折現象を用いて合成するステップとを含み、前記第１波長帯に含まれる第１波長をλ１とし、前記第２波長帯に含まれる第２波長をλ２とし、Ｍを２以上の自然数として、λ１＝Ｍ×λ２が満たされる。
【発明の効果】
【００２８】
本開示によれば、発光アレイの実効的なエミッタ間隔を狭めることができる発光装置などを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】図１Ａは、実施の形態１に係る発光装置の概略構成を示す鳥瞰図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施の形態１に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る第１発光アレイの実装態様を示す外観図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る第１発光アレイの実装態様を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る第１発光アレイの実装工程途中の状態を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る発光装置の実装態様を示す上面図である。
【図６】図６は、実施の形態２に係る発光装置の構成を示す上面図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る発光装置の構成を示す外観図である。
【図８】図８は、実施の形態３に係る発光装置の構成を示す上面図である。
【図９】図９は、比較例１の発光装置におけるレーザビーム径を示す模式図である。
【図１０】図１０は、比較例２の発光装置におけるレーザビーム径を示す模式図である。
【図１１】図１１は、実施の形態３に係る発光装置におけるレーザビーム径を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４に係る発光装置の概略構成を示す鳥瞰図である。
【図１３】図１３は、実施の形態５に係る光学装置の概略構成を示す鳥瞰図である。
【図１４】図１４は、実施の形態６に係る光学装置の概略構成を示す鳥瞰図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、実施の形態７に係る光学装置の概略構成を示す鳥瞰図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、実施の形態７に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。
【図１６】図１６は、実施の形態７に係る発光装置の構成を示す上面図である。
【図１７】図１７は、実施の形態７に係る発光装置の構成を示す外観図である。
【図１８】図１８は、実施の形態８に係る発光装置の構成を示す上面図である。
【図１９】図１９は、実施の形態９に係る発光装置の概略構成を示す上面図である。
【図２０】図２０は、実施の形態１０に係る光学装置の概略構成を示す模式図である。
【図２１】図２１は、従来技術のアレイ構造を有する半導体レーザを示す断面図である。
【図２２】図２２は、従来技術の波長合成方法を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、及び、構成要素の配置位置や接続形態などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００３１】
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。したがって、各図において縮尺等は必ずしも一致していない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
【００３２】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る発光装置について説明する。
【００３３】
［１−１．発光装置の構成］
まず、本実施の形態に係る発光装置の構成を図１Ａ及び図１Ｂを用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ本実施の形態に係る発光装置３００の概略構成を示す鳥瞰図及び上面図である。
【００３４】
本実施の形態に係る発光装置３００は、アレイ構造を有する発光アレイを備え、複数のレーザビームを出射する装置である。図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、発光装置３００は、第１発光アレイ３１０と、第２発光アレイ３２０と、方向変換素子３３０とを備える。
【００３５】
第１発光アレイ３１０は、一列に配置された複数の第１発光点３１１〜３１８を有する。図１Ａ及び図１Ｂに示される例では、第１発光アレイ３１０は、アレイ構造を有する半導体レーザ素子であり、各々がリッジ部からなる導波路構造を有するエミッタである８個の第１発光点３１１〜３１８を有する。第１発光点の個数は、複数であれば特に限定されない。第１発光点３１１〜３１８は、それぞれ、第１光３１１ｂ〜３１８ｂを出射する。第１光３１１ｂ〜３１８ｂの各々は、レーザビームである。
【００３６】
第２発光アレイ３２０は、一列に配置された１以上の第２発光点３２１〜３２８を有する。図１Ａ及び図１Ｂに示される例では、第２発光アレイ３２０は、アレイ構造を有する半導体レーザ素子であり、各々がリッジ部からなる導波路構造を有するエミッタである８個の第２発光点３２１〜３２８を有する。第２発光点の個数は、１以上であれば特に限定されない。第２発光点の個数は、第１発光点の個数と同一であってもよいし、第１発光点の個数より１少なくてもよい。第２発光点３２１〜３２８は、それぞれ、第２光３２１ｂ〜３２８ｂを出射する。第２光３２１ｂ〜３２８ｂの各々は、レーザビームである。
【００３７】
本実施の形態では、第１発光アレイ３１０から方向変換素子３３０に入射されるまでの第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向は、第２発光アレイ３２０から方向変換素子３３０に入射されるまでの第２光３２１ｂ〜３２８ｂの進行方向と逆向きである。
【００３８】
本実施の形態では、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０のエミッタ間隔（つまり、発光点間隔）は約４００μｍである。各発光点の共振器長は１２００μｍである。隣り合う二つの発光点の間には、幅３００μｍのダミーリッジが形成されているが、各図では省略されている。
【００３９】
図１Ａに示されるように、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０は、それぞれ、ｎ型ＧａＡｓ基板３５１及び３６１、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層３５２及び３６２、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ活性層３５３及び３６３、並びに、ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層３５４及び３６４を有する。ここで、ｘ及びｙは、各層における原子組成を表し、Ａｌ組成をｙ＜ｘとすることで、所謂ダブルへテロ構造としている。第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０は、さらに、ガイド層、コンタクト層など（不図示）を有する。第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０の発振波長は約８３０ｎｍである。
【００４０】
方向変換素子３３０は、複数の第１発光点３１１〜３１８からそれぞれ出射された複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向と、１以上の第２発光点３２１〜３２８からそれぞれ出射された１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂの進行方向とを同一方向に変換する素子である。図１Ｂに示されるように、方向変換素子３３０は、第１発光アレイ３１０と第２発光アレイ３２０との間に配置され、方向変換素子３３０上の仮想的な変換直線３３０Ｌ上において、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂの進行方向を変換する。本実施の形態では、変換直線３３０Ｌ上において、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射する複数の第１入射位置３１１ｉ〜３１８ｉの各々と、１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂがそれぞれ入射する１以上の第２入射位置３２１ｉ〜３２８ｉの各々とが、交互に配置される。言い換えると、変換直線３３０Ｌ上の、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射する複数の第１入射位置３１１ｉ〜３１８ｉのうち、隣り合う二つの第１入射位置の間に、１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂがそれぞれ入射する１以上の第２入射位置３２１ｉ〜３２８ｉのうちの一つが配置される。
【００４１】
方向変換素子３３０は、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射し、第１発光アレイ３１０に対向する複数の第１面３３１１〜３３１８と、１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂがそれぞれ入射し、第２発光アレイ３２０に対向する１以上の第２面３３２１〜３３２８とを有する。本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８は、それぞれ、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂの進行方向を、９０度変換する。図１Ｂに示される例では、各第１面及び各第２面は、各第１光及び各第２光の各進行方向に対して４５度傾斜している。これにより、紙面に水平方向に進行する各第１光及び各第２光の進行方向を、紙面に垂直な方向に変換する。このように、変換直線３３０Ｌ上において第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び第２光３２１ｂ〜３２８ｂが交互に異なる方向から入射される方向変換素子３３０において、第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向と、第２光３２１ｂ〜３２８ｂの進行方向とを同一方向に変換できる。
【００４２】
本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８は、それぞれ、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂを反射する平面状の反射面である。反射面は、例えば、図１Ａに示されるように三角柱状の反射体の一面に形成される。これにより、方向変換を行う各第１面及び各第２面をアルミ蒸着などの方法によって容易に形成できる。したがって、屈折などを用いて方向変換を行う場合より、低コストで方向変換素子を実現できる。本実施の形態では、各第１面及び各第２面は、ガラス基板からなる基体３３０ｓの上に三角柱状の反射体をガラスモールド成型によって形成した後、反射体の面にアルミ蒸着することによって形成される。
【００４３】
複数の第１面３３１１〜３３１８の各々と１以上の第２面３３２１〜３３２８の各々とは、変換直線３３０Ｌ上に交互に配置される。本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８の各々と１以上の第２面３３２１〜３３２８の各々とは、２００μｍ毎に交互に配置される。
【００４４】
本実施の形態では、方向変換素子３３０は、基体３３０ｓを有する。基体３３０ｓには、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８が配置される。
【００４５】
第１面の個数は、複数であり、第１発光点の個数と等しくてもよい。第２面の個数は、１以上であり、第２発光点の個数と等しくてもよい。
【００４６】
また、図１Ａ及び図１Ｂには図示しないが、発光装置３００は、第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び第２光３２１ｂ〜３２８ｂをそれぞれ集光するレンズを備えてもよい。例えば、発光装置３００は、第１発光アレイ３１０と方向変換素子３３０との間、及び、第２発光アレイ３２０と方向変換素子３３０との間にそれぞれ配置されたコリメートレンズを備えてもよい。これにより、各第１光及び各第２光が発散することを抑制できる。
【００４７】
以上のような構成により、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂと１以上の第２光３２１ｂ〜３２８ｂとが交互に並ぶレーザビームを得ることができる。本実施の形態では、各発光アレイのエミッタ間隔が４００μｍであるため、発光装置３００から出射されるレーザビームの間隔は、２００μｍとなる。つまり、実効的なエミッタ間隔が２００μｍの光源を実現できる。このように、本実施の形態では、実効的なエミッタ間隔を低減できる。
【００４８】
従来のエミッタ間隔（発光点間隔）が２００μｍ及び４００μｍのアレイ構造を有する半導体レーザからなる発光アレイでは、各エミッタ（発光点）からのレーザ光出力は、それぞれ２Ｗ及び４Ｗが限界である。したがって、エミッタ間隔が２００μｍ、エミッタの個数が１６のアレイ構造を有する半導体レーザアレイでは、３２Ｗ（＝２Ｗ×１６個）のレーザ光出力が限界である。
【００４９】
一方、本実施の形態に係る発光装置３００では、各発光アレイのエミッタ間隔は、４００μｍであるため、各エミッタからのレーザ光出力は、４Ｗである。また、実効的なエミッタ間隔は、上述のとおり２００μｍであるため、空間合成及び波長合成におけるビーム品質は、上記従来のエミッタ間隔２００μｍの発光アレイと同等で、かつ、レーザ光出力を当該発光アレイの２倍の６４Ｗとすることができる。
【００５０】
［１−２．発光装置の実装態様］
次に、本実施の形態に係る発光装置３００の実装態様について図２〜図５を用いて説明する。図２及び図３は、それぞれ本実施の形態に係る第１発光アレイ３１０の実装態様を示す外観図及び断面図である。図３においては、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面が示されている。図４は、本実施の形態に係る第１発光アレイ３１０の実装工程途中の状態を示す図である。なお、図２〜図４では、第１発光アレイ３１０の構成を示したが、第２発光アレイ３２０も第１発光アレイ３１０と同様の構成を有する。図５は、本実施の形態に係る発光装置３００の実装態様を示す上面図である。図５においては、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０の上方に配置される金属ブロックなどを取り除いて、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０を露出させた状態の外観図が示されている。
【００５１】
図３に示されるように、第１発光アレイ３１０は、二つの金属ブロック１１１、１１２によって挟まれている。この構成により、第１発光アレイ３１０の無効電力に起因した熱を、金属ブロック１１１、１１２を用いて放散させることができる。図２に示されるように、これらの金属ブロック１１１、１１２はネジ１１３、１１４を用いて相互に固定される。なお、図３及び図４に示されるように、金属ブロック１１１と金属ブロック１１２との間は絶縁層１１５によって絶縁される。また、第１発光アレイ３１０と金属ブロック１１１及び１１２との間にはそれぞれサブマウント１１６及び金属層１１７が挿入される。
【００５２】
このような実装態様を有する第１発光アレイ３１０と第２発光アレイ３２０とを用いて、図５に示されるような発光装置３００を実現できる。
【００５３】
（実施の形態２）
実施の形態２に係る発光装置について説明する。本実施の形態に係る発光装置は、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０が集積されている点において、実施の形態１に係る発光装置３００と相違する。以下、本実施の形態に係る発光装置について、実施の形態１に係る発光装置３００との相違点を中心に図６及び図７を用いて説明する。
【００５４】
図６及び図７は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置４００の構成を示す上面図及び外観図である。図６においては、発光装置４００の金属ブロック４０４を取り外した状態の上面図が示されている。
【００５５】
本実施の形態に係る発光装置４００では、図６に示されるように、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０が同一の基板４０６上に配置されている。そして、基板４０６は、金属ブロック４０２上に実装され、金属ブロック４０４で覆われる。これにより、本実施の形態に係る発光装置４００は、集積された一つのモジュールを形成する。なお、金属ブロック４０４の方向変換素子３３０と対向する位置には、窓４０５が形成されている。これにより、発光装置４００の出射光は、窓４０５から出射される。
【００５６】
本実施の形態では、基板４０６の構成はＣｕＷ基板である。なお、基板４０６の構成は、これに限定されず、他の材料で形成された基板であってもよい。また、基板４０６は、金属ブロック４０２と一体的に形成されていてもよい。つまり、金属ブロック４０２に、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０が配置されていてもよい。
【００５７】
以上のように、本実施の形態では、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０が集積されている。これにより、発光装置４００内のアライメント及び発光装置４００と外部の光学素子とのアライメントが必要な箇所が減るため、アライメント精度を上げることができ、かつ、アライメントを容易化できる。
【００５８】
なお、本実施の形態に係る発光装置４００では、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０が同一の基板４０６上に配置されたが、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０のすべてが同一の基板４０６上に配置されなくてもよい。例えば、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ３２０及び方向変換素子３３０のうち、少なくとも二つが同一の基板４０６上に配置されてもよい。このような構成によっても、発光装置のアライメント精度を上げることができ、かつ、アライメントを容易化できる。
【００５９】
（実施の形態３）
実施の形態３に係る発光装置について説明する。本実施の形態に係る発光装置は、方向変換素子の構成において、実施の形態１に係る発光装置３００と相違する。以下、本実施の形態に係る発光装置について、実施の形態１に係る発光装置３００との相違点を中心に、比較例と比較しながら図８〜図１１を用いて説明する。
【００６０】
図８は、本実施の形態に係る発光装置５００の構成を示す上面図である。図８においては、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０の上方に配置される金属ブロックなどを取り除いて、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ３２０を露出させた状態の外観図が示されている。図９及び図１０は、それぞれ比較例１及び比較例２の発光装置におけるレーザビームの発散の様子を示す模式図である。図１１は、本実施の形態に係る発光装置５００におけるレーザビームの発散の様子を示す模式図である。
【００６１】
図８に示されるように、本実施の形態に係る発光装置５００は、実施の形態１に係る発光装置３００と同様に、第１発光アレイ３１０と、第２発光アレイ３２０と、方向変換素子５３０とを備える。図８に示すように、本実施の形態に係る方向変換素子５３０は、複数の第１光がそれぞれ入射し、第１発光アレイ３１０に対向する複数の第１面と、１以上の第２光がそれぞれ入射し、第２発光アレイ３２０に対向する１以上の第２面とに、光路を制御する機能面５３６を有する。以下、本機能面５３６の作用について説明する。
【００６２】
図９に示される比較例１の発光装置は、方向変換素子３３０の構成において、本実施の形態に係る発光装置５００と相違する。比較例１の発光装置の方向変換素子３３０は、実施の形態１に係る方向変換素子３３０と同様の構成を有する。なお、図９には、比較例１の発光装置からの光が入射される回折格子などからなる光学素子５０６も併せて示されている。
【００６３】
図９に示される方向変換素子３３０の第１面３３１１は平面状の反射面である。図９に示されるように、第１発光点３１１からのレーザビームである第１光３１１ｂは、発散するため、第１面３３１１で反射した後も広がり続ける。そのため、第１光３１１ｂの中央付近の部分３１１ｂ１は光学素子５０６に入射するもの、周辺の部分３１１ｂ２は光学素子５０６に入射しない。つまり、周辺の部分３１１ｂ２は、利用できない無効な成分となる。したがって、比較例１の発光装置の光利用効率が低下する。
【００６４】
そこで、図１０に示される比較例２の発光装置のように、第１発光点３１１と、第１面３３１１との間にコリメートレンズ５０７を配置することによって、第１光３１１ｂを平行化して利用効率の低下を抑制する方法が考えられる。なお、上記実施の形態１及び実施の形態２では、このようなコリメートレンズ５０７の図示が省略されている。図１０に示されるような構成により、第１光３１１ｂの利用効率は向上するが、コリメートレンズ５０７における透過損失などの損失が発生する。
【００６５】
本実施の形態に係る発光装置５００では、図１１に示されるように、方向変換素子５３０の第１面５３１１に第１光３１１ｂの光路を制御する機能面５３６が形成されている。機能面５３６は、第１光３１１ｂの集光状態を変化させる。本実施の形態では、機能面５３６は、放物面状の形状を有する凹状の反射面であり、放物面の焦点は第１発光点３１１の出射点３１１ｅ付近にある。このため、出射点３１１ｅから出射された第１光３１１ｂは機能面５３６によって光学素子５０６に向かう平行化されたビームとなる。この結果、第１光３１１ｂのうち、中央付近の部分３１１ｂ１だけでなく、周辺の部分３１１ｂ２も光学素子５０６に入射される。このため本実施の形態に係る発光装置５００では、図１０に示されるようなコリメートレンズ５０７が不要になる。これに伴い、発光装置５００の小型化、及び、光学系の簡素化が図れるだけでなく、コリメートレンズの透過損失を除くことができるため、発光装置５００の効率低下を抑制できる。
【００６６】
ここでは、第１発光点３１１に関する機能面５３６に対して述べたが、図８からも分かるように、他の発光点に対しても同様に機能面５３６が設けられている。これらの機能面５３６は同一である必要はなく、例えば、方向変換素子５３０の長手方向における中央部と端部とで形状が異なっていてもよい。例えば、機能面５３６が放物面であり、方向変換素子５３０の中央部と端部とで方向変換素子５３０から出射光が入射する外部光学素子までの距離（つまり、光路長）が異なる場合に、方向変換素子５３０の中央部と端部とで各第１光及び各第２光に対して最適な機能面における放物面形状も異なる。このため、機能面毎に形状を最適化することで、発光装置５００からの出射光の利用効率を最適化できる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、機能面５３６を用いてビームの平行化を行ったが、機能面５３６が他の機能を有してもよい。例えば、機能面５３６が収差の補正機能を有してもよい。
【００６８】
また、本実施の形態では、機能面５３６として鏡面を用いたが、回折現象を用いた面を用いてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、複数の第１面及び１以上の第２面の両方が機能面を有したが、少なくとも一方が有してもよい。つまり、複数の第１面、及び、１以上の第２面の少なくとも一つが、光の集光状態を変えてもよい。
【００７０】
加えて、このような機能面の形成は、本実施の形態以外の形態にも適用可能であり、他の実施の形態に係る発光装置に適用してもよい。
【００７１】
（実施の形態４）
実施の形態４に係る発光装置について説明する。本実施の形態に係る発光装置は、第１発光アレイの構成において、実施の形態１に係る発光装置３００と相違する。以下、本実施の形態に係る発光装置について、実施の形態１に係る発光装置３００との相違点を中心に、図１２を用いて説明する。
【００７２】
図１２は、本実施の形態に係る発光装置６００の概略構成を示す鳥瞰図である。図１２に示されるように、本実施の形態に係る発光装置６００は、実施の形態１に係る発光装置３００と同様に、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ６２０及び方向変換素子３３０を備える。本実施の形態に係る第２発光アレイ６２０は、約４５０ｎｍの発振波長を有するＧａＮ系の半導体レーザである。
【００７３】
第２発光アレイ６２０は、一列に配置された複数の第２発光点６２１〜６２８を有する。図１２に示される例では、第２発光アレイ６２０は、アレイ構造を有する半導体レーザ素子であり、各々がリッジ部からなる導波路構造を有するエミッタである８個の第２発光点６２１〜６２８を有する。第２発光点６２１〜６２８は、それぞれ、第２光６２１ｂ〜６２８ｂを出射する。第２光６２１ｂ〜６２８ｂの各々は、レーザビームである。
【００７４】
図１２に示されるように、第２発光アレイ６２０は、基本構成は実施例１と同じであるが、用いられる半導体材料はＧａＡｓ系でなくＧａＮ系である。
【００７５】
第２発光アレイ６２０は、ｎ型ＧａＮ基板６６１、ｎ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層６６２、ＩｎｔＧａ１−ｔＮ活性層６６３及びｐ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層６６４を主に備える。ここで、ｓ及びｔは、各層における原子組成を表す。第２発光アレイ６２０は、さらに、ガイド層、コンタクト層、電子漏れ抑制層など（不図示）を備える。第２発光アレイ６２０の発振波長は約４５０ｎｍである。
【００７６】
このように、本実施の形態では、第１発光アレイ３１０の発光波長と第２発光アレイ６２０の発光波長とが異なる。これにより、異なる波長の複数のレーザビームを有し、かつ、実効的なエミッタ間隔の低減された発光装置６００を実現できる。
【００７７】
本実施の形態に係る発光装置６００においても、実施の形態１に係る発光装置３００と同様に、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂと１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂとが交互に並ぶレーザビームを得ることができる。この結果、波長約８３０ｎｍの赤外光からなる第１光と、波長約４５０ｎｍの青色光からなる第２光とが混ざったレーザビームが発光装置６００から出力される。このようなレーザビームは、例えば、レーザ加工で、アルミニウムと銅の複合材を切断する場合に有効である。すなわち、アルミニウムは赤外光をよく吸収し、銅はこの青色光をよく吸収するため、発光装置６００から出力されるレーザビームによって効率よく加工を行うことができる。
【００７８】
（実施の形態５）
実施の形態５に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、実施の形態２に係る発光装置４００と、空間合成光学系とを備える。以下、本実施の形態に係る光学装置について、図１３を用いて説明する。
【００７９】
図１３は、本実施の形態に係る光学装置７００の概略構成を示す鳥瞰図である。図１３に示されるように、本実施の形態に係る光学装置７００は、実施の形態２に係る発光装置４００と、空間合成光学系７０１とを備える。
【００８０】
空間合成光学系７０１は、発光装置４００から出射される複数の第１光及び１以上の第２光を空間合成する光学系である。図１３に示される例では、空間合成光学系７０１は、シリンドリカルレンズである。これにより、空間合成光学系７０１は、シリンドリカルレンズの焦点に発光装置４００から出射された複数の第１光及び１以上の第２光を集光できる。この焦点付近に蛍光体を配置することで得られる光をプロジェクタなどに利用できる。また、この焦点付近に被加工材料を配置することでレーザ加工を行うことができる。
【００８１】
本実施の形態では、各第１光及び各第２光を出射するエミッタの間隔は、実効的なエミッタ間隔より広いため、各第１光及び各第２光のビーム品質の低下を抑制できる。したがって、本実施の形態に係る光学装置７００によれば、これらの各第１光及び各第２光を合成することで、ビーム品質の高いレーザ光を出射できる。
【００８２】
なお、図１３に示す例では、発光装置として、実施の形態２に係る発光装置４００を用いたが、他の発光装置を用いてもよい。
【００８３】
（実施の形態６）
実施の形態６に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、実施の形態２に係る発光装置４００と、波長合成光学系とを備える。以下、本実施の形態に係る光学装置について、図１４を用いて説明する。
【００８４】
図１４は、本実施の形態に係る光学装置８００の概略構成を示す鳥瞰図である。図１４に示されるように、本実施の形態に係る光学装置８００は、実施の形態２に係る発光装置４００と、波長合成光学系８０１とを備える。
【００８５】
波長合成光学系８０１は、発光装置４００から出射される複数の第１光及び１以上の第２光を波長合成する光学系である。図１４に示される例では、波長合成光学系８０１は、シリンドリカルレンズ８０２と、回折格子８０３と、アウトプットカプラ８０４とを有する。
【００８６】
本実施の形態に係る光学装置８００においては、発光装置４００からの複数の第１光及び１以上の第２光がシリンドリカルレンズ８０２を用いて集められ、回折格子８０３により一本のレーザビーム８０３ｂになる。レーザビーム８０３ｂはアウトプットカプラ８０４によって一部が反射され、各発光点（エミッタ）に戻る。つまり、波長合成光学系８０１は、所謂、外部共振器を形成する。これにより、容易にレーザ発振を実現できる。
【００８７】
本実施の形態では、アウトプットカプラ８０４を透過したレーザビーム８００ｂが最終的な出射光となる。このような構成は、特に高いビーム品質が必要とされる切断用レーザに有用である。
【００８８】
なお、図１４に示す例では、発光装置として、実施の形態２に係る発光装置４００を用いたが、他の発光装置を用いてもよい。
【００８９】
（実施の形態７）
実施の形態７に係る光学装置及び波長合成方法について説明する。まず、本実施の形態に係る光学装置などが解決する課題について説明する。
【００９０】
レーザ加工は、金属、樹脂、炭素繊維などの加工対象素材に対して、制御性良く、クリーンに溶接、切断、改質などをできる手段として注目されている。レーザ加工によれば、例えば、アーク放電に比べて小さなスポット溶接が可能な点、金型を使った切断に比べて切り屑の発生を抑制できる点などにより、従来の加工手段より高品質な加工を実現できる。レーザ加工用のレーザ光として半導体レーザ光を直接用いるＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｄｉｏｄｅ  Ｌａｓｅｒ）方式は、（ａ）レーザ光を変換しないため高効率、及び、（ｂ）半導体レーザ材料を選ぶことにより紫外から赤外までのレーザ光で加工が可能という二つの特徴を有するため、特に注目されている。
【００９１】
一般に半導体レーザの高出力化は、発光部であるエミッタの幅を広げることで投入できる電力を増やすことにより実現される。しかしながら、半導体レーザの発光効率はおよそ３０％以上５０％以下程度であるため、発光に寄与しない電力は熱になってエミッタの温度を上昇させる。この温度上昇は半導体レーザに出力熱飽和を生じさせる。そこで、１チップ上（言い換えればひとつの基板上）に複数のエミッタを並べたアレイ構造を有する半導体レーザが用いられる。
【００９２】
この場合、各エミッタから出射された複数のレーザビームを加工用に用いるためには、複数のレーザビームを一つのレーザビームに纏めなければならない。この手法として、波長合成法が望ましい。この手法は同一光軸上にすべてのレーザビームを集めるものであり、ビーム品質が高いという特徴を有する。その一例を図２２に示す（特許文献２参照）。図２２は、従来技術の波長合成方法を示す模式図である。図２２に示される半導体レーザアレイ１０１２の各エミッタからの出射光は、コリメートレンズ１０２２を介して回折格子１０２４に照射される。
【００９３】
ここで、波長合成方法の原理について述べる。周期ｄを有する回折格子に、波長λ１、λ２のレーザビームが各々、入射角θ１、θ２で入射した場合、これらの波長及び入射角の間に以下の式１の関係が成り立てば、これらの光を同一出射角θ０方向に出射することができる。
【００９４】
ｄ（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθ０）＝ｍλｉ                              （式１）
（ｍ：ゼロを除く整数、ｉ＝１，２）
【００９５】
すなわち、上記式１が成り立てば、ビーム品質を劣化させることなく、二本のレーザビームを同軸上に合成可能である。上記式１はＮ本のレーザビームの合成においても適用可能であり、より一般的に以下の式２で表される。
【００９６】
ｄ（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθ０）＝ｍλｉ                              （式２）
（ｍ：ゼロを除く整数、ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）
【００９７】
これにより、図２２に示されるように、θ０方向に向かう光の一部は反射ミラー１０３０によって一部が半導体レーザアレイ１０１２に帰還される。このように、反射ミラー１０３０が外部共振器を形成することによって波長がロックされる。
【００９８】
このような原理によって、高効率なビーム合成が可能である。
【００９９】
加工対象材料が単一材料の場合、従来例の手法、すなわち、概ね単一の波長で加工可能である。しかしながら、近年、異種材料を組み合わせた部材のレーザ加工が重要になっている。材料が異なると吸収する光の波長も異なる。例えば、リチウムイオン電池は、正極集電体としてアルミニウム箔、負極集電体として銅箔を用いている。このため、電極切断の際には、アルミニウム箔と銅箔とを同時に切断する必要がある。ところが、アルミニウムの吸収は近赤外域で高く、銅は短波長ほど高くなる。特許文献２に記載されたような波長合成の手法は、合成する波長範囲が比較的近い場合は適用可能であるが、例えば、近赤外光と青色光とを用いる場合のように合成する波長範囲が大きく異なる場合には、適用が困難である。
【０１００】
そこで本実施の形態では、波長範囲が大きく異なる複数の光の合成を可能とする光学装置などを提供することを目的とする。
【０１０１】
［７−１．光学装置の構成］
まず、本実施の形態に係る光学装置の構成を図１５Ａ及び図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、本実施の形態に係る光学装置９００の概略構成を示す鳥瞰図である。図１５Ｂは、本実施の形態に係る発光装置６００の概略構成を示す上面図である。
【０１０２】
本実施の形態に係る光学装置９００は、波長の異なる複数のレーザ光を合成する光源であり、図１５Ａに示されるように、発光装置６００と、波長合成光学系９０１とを備える。
【０１０３】
発光装置６００は、アレイ構造を有する発光アレイを備え、複数のレーザビームを出射する装置である。図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、発光装置６００は、第１発光アレイ３１０と、第２発光アレイ６２０と、方向変換素子３３０とを備える。
【０１０４】
第１発光アレイ３１０は、第１波長帯のレーザビームを含む第１光を出射する第１光源の一例であり、一列に配置された複数の第１発光点３１１〜３１８を有する。図１５Ａ及び図１５Ｂに示される例では、第１発光アレイ３１０は、アレイ構造を有する半導体レーザ素子であり、各々がリッジ部からなる導波路構造を有するエミッタである８個の第１発光点３１１〜３１８を有する。第１発光点の個数は、複数であれば特に限定されない。図１５Ｂに示されるように、第１発光点３１１〜３１８は、それぞれ、第１光３１１ｂ〜３１８ｂを出射する。
【０１０５】
第２発光アレイ６２０は、第２波長帯のレーザビームを含む第２光を出射する第２光源の一例であり、一列に配置された１以上の第２発光点６２１〜６２８を有する。図１５Ａ及び図１５Ｂに示される例では、第２発光アレイ６２０は、アレイ構造を有する半導体レーザ素子であり、各々がリッジ部からなる導波路構造を有するエミッタである８個の第２発光点６２１〜６２８を有する。第２発光点の個数は、１以上であれば特に限定されない。第２発光点の個数は、第１発光点の個数と同一であってもよいし、第１発光点の個数より１少なくてもよい。図１５Ｂに示されるように、第２発光点６２１〜６２８は、それぞれ、第２光６２１ｂ〜６２８ｂを出射する。
【０１０６】
本実施の形態では、第１発光アレイ３１０から方向変換素子３３０に入射されるまでの第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向は、第２発光アレイ６２０から方向変換素子３３０に入射されるまでの第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向と逆向きである。
【０１０７】
本実施の形態では、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ６２０のエミッタ間隔（つまり、発光点間隔）は約４００μｍである。各発光点の共振器長は１２００μｍである。隣り合う二つの発光点の間には、幅３００μｍのダミーリッジが形成されているが、各図では省略されている。
【０１０８】
図１５Ａに示されるように、第１発光アレイ３１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板３５１、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層３５２、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ活性層３５３及びｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層３５４を有し、かつ、アレイ構造を有する半導体レーザである。第２発光アレイ６２０は、ｎ型ＧａＮ基板６６１、ｎ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層６６２、ＩｎｔＧａ１−ｔＮ活性層６６３及びｐ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層６６４を有し、かつ、アレイ構造を有する半導体レーザである。ここで、ｘ、ｙ、ｓ及びｔは、各層における原子組成を表す。第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ６２０は、さらに、ガイド層、コンタクト層など（不図示）を有する。第１発光アレイ３１０の発振波長は、約８３０ｎｍであり、第２発光アレイ６２０の発振波長は約４１５ｎｍである。本実施の形態に係る複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂは、８００ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の波長帯である第１波長帯のレーザビームを含み、１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂは、４００ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の波長帯である第２波長帯のレーザビームを含む。
【０１０９】
方向変換素子３３０は、第１光源から出射される第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向、及び、第２光源から出射される第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向の少なくとも一方を変換する光学素子である。本実施の形態では、複数の第１発光点３１１〜３１８からそれぞれ出射された複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向と、１以上の第２発光点６２１〜６２８からそれぞれ出射された１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向とを同一方向に変換する。図１５Ｂに示されるように、方向変換素子３３０は、第１発光アレイ３１０と第２発光アレイ６２０との間に配置され、方向変換素子３３０上の仮想的な変換直線３３０Ｌ上において、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向を変換する。本実施の形態では、変換直線３３０Ｌ上において、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射する複数の第１入射位置３１１ｉ〜３１８ｉの各々と、１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂがそれぞれ入射する１以上の第２入射位置６２１ｉ〜６２８ｉの各々とが、交互に配置される。言い換えると、変換直線３３０Ｌ上の、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射する複数の第１入射位置３１１ｉ〜３１８ｉのうち、隣り合う二つの第１入射位置の間に、１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂがそれぞれ入射する１以上の第２入射位置６２１ｉ〜６２８ｉのうちの一つが配置される。
【０１１０】
方向変換素子３３０は、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂがそれぞれ入射し、第１発光アレイ３１０に対向する複数の第１面３３１１〜３３１８と、１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂがそれぞれ入射し、第２発光アレイ６２０に対向する１以上の第２面３３２１〜３３２８とを有する。本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８は、それぞれ、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向を、９０度変換する。図１５Ｂに示される例では、各第１面及び各第２面は、各第１光及び各第２光の各進行方向に対して４５度傾斜している。これにより、紙面に水平方向に進行する各第１光及び各第２光の進行方向を、紙面に垂直な方向に変換する。このように、変換直線３３０Ｌ上において第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び第２光６２１ｂ〜６２８ｂが交互に異なる方向から入射される方向変換素子３３０において、第１光３１１ｂ〜３１８ｂの進行方向と、第２光６２１ｂ〜６２８ｂの進行方向とを同一方向に変換できる。
【０１１１】
本実施の形態に係る方向変換素子３３０は、第１発光アレイ３１０と第２発光アレイ６２０との間に配置され、かつ、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂのすべての光の方向を同一方向に変換できる。これにより、光学装置９００の小型化を実現できる。
【０１１２】
本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８は、それぞれ、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂを反射する平面状の反射面である。反射面は、例えば、図１５Ａに示されるように三角柱状の反射体の一面に形成される。これにより、方向変換を行う各第１面及び各第２面をアルミ蒸着などの方法によって容易に形成できる。したがって、屈折などを用いて方向変換を行う場合より、低コストで方向変換素子を実現できる。本実施の形態では、各第１面及び各第２面は、ガラス基板からなる基体３３０ｓの上に三角柱状の反射体をガラスモールド成型によって形成した後、反射体の面にアルミ蒸着することによって形成される。
【０１１３】
複数の第１面３３１１〜３３１８の各々と１以上の第２面３３２１〜３３２８の各々とは、変換直線３３０Ｌ上に交互に配置される。本実施の形態では、複数の第１面３３１１〜３３１８の各々と１以上の第２面３３２１〜３３２８の各々とは、２００μｍ毎に交互に配置される。
【０１１４】
本実施の形態では、方向変換素子３３０は、基体３３０ｓを有する。基体３３０ｓには、複数の第１面３３１１〜３３１８及び１以上の第２面３３２１〜３３２８が配置される。
【０１１５】
第１面の個数は、複数であり、第１発光点の個数と等しくてもよい。第２面の個数は、１以上であり、第２発光点の個数と等しくてもよい。
【０１１６】
また、図１５Ａ及び図１５Ｂには図示しないが、発光装置６００は、第１光３１１ｂ〜３１８ｂ及び第２光６２１ｂ〜６２８ｂをそれぞれ集光するレンズを備えてもよい。例えば、発光装置６００は、第１発光アレイ３１０と方向変換素子３３０との間、及び、第２発光アレイ６２０と方向変換素子３３０との間にそれぞれ配置されたコリメートレンズを備えてもよい。これにより、各第１光及び各第２光が発散することを抑制できる。
【０１１７】
以上のような構成により、本実施の形態に係る発光装置６００によれば、複数の第１光３１１ｂ〜３１８ｂと１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂとが交互に並ぶレーザビームを得ることができる。本実施の形態では、各発光アレイのエミッタ間隔が４００μｍであるため、発光装置６００から出射されるレーザビームの間隔は、２００μｍとなる。つまり、実効的なエミッタ間隔が２００μｍの光源を実現できる。このように、本実施の形態では、実効的なエミッタ間隔を低減できる。
【０１１８】
従来のエミッタ間隔（発光点間隔）が２００μｍ及び４００μｍのアレイ構造を有する半導体レーザからなる発光アレイでは、各エミッタ（発光点）からのレーザ光出力は、それぞれ２Ｗ及び４Ｗが限界である。したがって、エミッタ間隔が２００μｍ、エミッタの個数が１６のアレイ構造を有する半導体レーザアレイでは、３２Ｗ（＝２Ｗ×１６個）のレーザ光出力が限界である。
【０１１９】
一方、本実施の形態に係る発光装置６００では、各発光アレイのエミッタ間隔は、４００μｍであるため、各エミッタからのレーザ光出力は、４Ｗである。また、実効的なエミッタ間隔は、上述のとおり２００μｍであるため、空間合成及び波長合成におけるビーム品質は、上記従来のエミッタ間隔２００μｍの発光アレイと同等で、かつ、レーザ光出力を当該発光アレイの２倍の６４Ｗとすることができる。
【０１２０】
波長合成光学系９０１は、発光装置６００から出射される複数の第１光及び１以上の第２光を波長合成する光学系である。本実施の形態では、波長合成光学系９０１は、シリンドリカルレンズ９０２と、回折格子９０３と、アウトプットカプラ９０４とを有する。
【０１２１】
シリンドリカルレンズ９０２は、発光装置６００から出射される一列に配列されたレーザビームを集光する光学素子である。
【０１２２】
回折格子９０３は、第１光３１１ｂ〜３１８ｂと第２光６２１ｂ〜６２８ｂとを合成する回折光学素子である。本実施の形態では、回折格子９０３は一定の周期ｄを有する。回折格子９０３は、シリンドリカルレンズ９０２によって集光された複数の第１光３１１ｂ〜３１８及ｂび１以上の第２光６２１ｂ〜６２８ｂを一本のレーザビームに合成する。
【０１２３】
アウトプットカプラ９０４は、共振器を形成する出力ミラーである。本実施の形態では、アウトプットカプラ９０４は、入射した光の一部を透過し、他の一部を反射する部分反射ミラーである。アウトプットカプラ９０４は、各発光点のリア側の端面との間で外部共振器を形成する。アウトプットカプラ９０４で反射した光は、各発光点に戻り当該外部共振器内で共振する。アウトプットカプラ９０４を透過した光は、光学装置９００の出射光となる。
【０１２４】
［７−２．作用］
次に、本実施の形態に係る光学装置９００及び波長合成方法の作用について説明する。
【０１２５】
上述のとおり、本実施の形態に係る光学装置９００は、第１光源の一例である第１発光アレイ３１０と、第２光源の一例である第２発光アレイ６２０と、第１光３１１ｂ〜３１８ｂと第２光６２１ｂ〜６２８ｂとを合成する回折光学素子の一例である回折格子９０３とを備える。第１光源の一例である第１発光アレイ３１０は、８００ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の波長帯である第１波長帯のレーザビームを含む第１光３１１ｂ〜３１８ｂを出射する。また、本実施の形態に係る第２光源の一例である第２発光アレイ６２０は、４００ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の波長帯である第２波長帯のレーザビームを含む第２光６２１ｂ〜６２８ｂを出射する。
【０１２６】
本実施の形態に係る光学装置９００及び波長合成方法においては、第１波長帯に含まれる第１波長をλ１＝８３０ｎｍとし、第２波長帯に含まれる第２波長をλ２＝４１５ｎｍとし、Ｍを２以上の自然数として、以下の式３が満たされる。
【０１２７】
λ１＝Ｍ×λ２                                                    （式３）
【０１２８】
なお、本実施の形態では、第１波長λ１が８３０ｎｍであり、第２波長λ２が４１５ｎｍであることからＭ＝２である。ここで、第２波長λ２が、上記式１を満たす場合、第２光の回折格子９０３への入射角θ２、回折格子９０３からの出射角θ０、回折格子９０３の周期ｄについて、以下の式４が成り立つ。
【０１２９】
ｄ（ｓｉｎθ２−ｓｉｎθ０）＝ｍλ２                            （式４）
（ｍ：ゼロを除く整数）
【０１３０】
この式４に上記式３を代入すれば、以下の式５が得られる。
【０１３１】
ｄ（ｓｉｎθ２−ｓｉｎθ０）＝ｍ（Ｍ×λ１）＝（ｍ×Ｍ）λ１      （式５）
【０１３２】
上記式５において、ｍ及びＭは整数であることから、（ｍ×Ｍ）も整数となり、第１波長λ１に対しても回折条件を満たす。すなわち第１波長λ１に対して回折条件を満たす波長合成光学系において、第２波長λ２に対しても波長合成可能である。
【０１３３】
従って、本実施の形態に係る光学装置９００は、第１光３１１ｂ〜３１８ｂも第２光６２１ｂ〜６２８ｂも同一光軸を進み、良好なビーム品質を有する二波長高出力光源となる。つまり、本実施の形態に係る光学装置９００によれば、波長範囲が倍以上異なる複数の光の合成が可能となる。
【０１３４】
以上のように、本実施の形態に係る波長合成方法は、第１波長帯のレーザビームを含む第１光と、第２波長帯のレーザビームを含む第２光とを生成するステップと、第１光と、第２光とを回折現象を用いて合成するステップとを含み、第１波長帯に含まれる第１波長をλ１とし、第２波長帯に含まれる第２波長をλ２とし、Ｍを２以上の自然数として、λ１＝Ｍ×λ２が満たされる。これにより、波長範囲が倍以上異なる複数の光の合成が可能となる。
【０１３５】
また、本実施の形態に係る光学装置９００では、上述のとおり、第１波長帯は、８３０ｎｍを含み、第２波長帯は、４１５ｎｍを含む。このような二つの波長帯のレーザビームを合成することで、例えば、８００ｎｍ帯において吸収が大きいアルミニウムと、４００ｎｍ帯において吸収が大きい銅とを同時加工することが可能となる。
【０１３６】
ここで、上記式５を満たすために必要な整数Ｍの条件について説明する。入射角θｉ（ｉ＝１，２）及び出射角θ０は、原理的には、以下の範囲の値をとり得る。
【０１３７】
−π／２＜θｉ＜π／２                                            （式６）
−π／２＜θ０＜π／２                                            （式７）
【０１３８】
これにより、入射角θｉ及び出射角θ０について、それぞれ以下の式８及び式９が成り立つ。
【０１３９】
−１＜ｓｉｎ（θｉ）＜１                                          （式８）
−１＜ｓｉｎ（θ０）＜１                                          （式９）
【０１４０】
したがって、ｓｉｎ（θｉ）とｓｉｎ（θ０）との間に、以下の式１０が成り立つ。
【０１４１】
−２＜ｓｉｎ（θｉ）−ｓｉｎ（θ０）＜２                        （式１０）
【０１４２】
一方、上記式５より、以下の式１１が成り立つ。
【０１４３】
ｓｉｎ（θｉ）−ｓｉｎ（θ０）＝（ｍ×Ｍ）λｉ／ｄ              （式１１）
【０１４４】
Ｍは２以上の自然数であることを考慮すると、上記式１０と式１１から以下の式１２が成り立つ。
【０１４５】
２≦Ｍ＜２ｄ／（ｍλｉ）                                        （式１２）
【０１４６】
この式１２より、２以上の整数Ｍの取り得る値の範囲がわかる。
【０１４７】
ここで、代表的な回折格子９０３の単位長さあたりの格子数を８００本／ｍｍとすると、周期ｄは、１２５０ｎｍとなる。波長合成において、第１波長λ１を８３０ｎｍとし、短波長側の第２波長における回折格子次数ｍを１とすると、上記式１２の右辺は以下のように算出される。
【０１４８】
２ｄ／（ｍλ２）＝２×１２５０／（１×９００）＝２．７          （式１３）
【０１４９】
したがって、２≦Ｍ＜２．７となることから、Ｍは２である。
【０１５０】
［７−３．発光装置の実装態様］
次に、本実施の形態に係る光学装置９００の実装態様について説明する。ここでは、光学装置９００のうち、発光装置６００の実装態様について、図１６及び図１７を用いて説明する。図１６及び図１７は、それぞれ本実施の形態に係る発光装置６００の構成を示す上面図及び外観図である。図１６においては、発光装置６００の金属ブロック４０４を取り外した状態の上面図が示されている。
【０１５１】
本実施の形態に係る発光装置６００では、図１６に示されるように、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ６２０及び方向変換素子３３０が同一の基板４０６上に配置されている。そして、基板４０６は、金属ブロック４０２上に実装され、金属ブロック４０４で覆われる。これにより、本実施の形態に係る発光装置６００は、集積された一つのモジュールを形成する。なお、金属ブロック４０４の方向変換素子３３０と対向する位置には、窓４０５が形成されている。これにより、発光装置６００の出射光は、窓４０５から出射される。
【０１５２】
本実施の形態では、基板４０６の構成はＣｕＷ基板である。なお、基板４０６の構成は、これに限定されず、他の材料で形成された基板であってもよい。また、基板４０６は、金属ブロック４０２と一体的に形成されていてもよい。つまり、金属ブロック４０２に、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ６２０及び方向変換素子３３０が配置されていてもよい。
【０１５３】
以上のように、本実施の形態では、第１発光アレイ３１０、第２発光アレイ６２０及び方向変換素子３３０が集積されている。これにより、発光装置６００内のアライメント及び発光装置６００と外部の波長合成光学系９０１などとのアライメントが必要な箇所が減るため、アライメント精度を上げることができ、かつ、アライメントを容易化できる。
【０１５４】
（実施の形態８）
実施の形態８に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、発光装置が有する方向変換素子の構成において、実施の形態７に係る光学装置９００と相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、実施の形態７に係る光学装置９００との相違点を中心に、図１８及び図１１を用いて説明する。
【０１５５】
図１８は、本実施の形態に係る発光装置６００ａの構成を示す上面図である。図１８においては、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ６２０の上方に配置される金属ブロックなどを取り除いて、第１発光アレイ３１０及び第２発光アレイ６２０を露出させた状態の外観図が示されている。
【０１５６】
図１８に示されるように、本実施の形態に係る発光装置６００ａは、実施の形態７に係る発光装置６００と同様に、第１発光アレイ３１０と、第２発光アレイ６２０と、方向変換素子５３０とを備える。図１８に示すように、本実施の形態に係る方向変換素子５３０は、複数の第１光がそれぞれ入射し、第１発光アレイ３１０に対向する複数の第１面と、１以上の第２光がそれぞれ入射し、第２発光アレイ６２０に対向する１以上の第２面とに、光路を制御する機能面５３６を有する。本機能面５３６は、図１１に示される機能面５３６と同様の作用を奏する。
【０１５７】
このため本実施の形態に係る発光装置６００ａでは、図１０に示されるようなコリメートレンズ５０７が不要になる。これに伴い、発光装置６００ａの小型化、及び、光学系の簡素化が図れるだけでなく、コリメートレンズの透過損失を除くことができるため、発光装置６００ａの効率低下を抑制できる。
【０１５８】
ここでは、第１発光点３１１に関する機能面５３６に対して述べたが、図１８からも分かるように、他の発光点に対しても同様に機能面５３６が設けられている。これらの機能面５３６は同一である必要はなく、例えば、方向変換素子５３０の長手方向における中央部と端部で形状が異なっていてもよい。例えば、機能面５３６が放物面であり、方向変換素子５３０の中央部と端部とで方向変換素子５３０から出射光が入射する外部光学素子までの距離（つまり、光路長）が異なる場合に、方向変換素子５３０の中央部と端部とで各第１光及び各第２光に対して最適な機能面における放物面形状も異なる。このため、機能面毎に形状を最適化することで、発光装置６００ａからの出射光の利用効率を最適化できる。また、複数の第１面と１以上の第２面とで形成する機能面５３６の構成を異ならせてもよい。これにより、方向変換素子５３０は、第１面及び第２面に入射する光の波長に合わせた構成を備えてもよい。
【０１５９】
なお、本実施の形態では、機能面５３６を用いてビームの平行化を行ったが、機能面５３６が他の機能を有してもよい。例えば、機能面５３６が収差の補正機能を有してもよい。
【０１６０】
また、本実施の形態では、機能面５３６として鏡面を用いたが、回折現象を用いた面を用いてもよい。
【０１６１】
加えて、このような機能面の形成は、本実施の形態以外の形態にも適用可能であり、他の実施の形態に係る発光装置に適用してもよい。
【０１６２】
（実施の形態９）
実施の形態９に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、発光装置が有する第１発光アレイ及び第２発光アレイの構成において、実施の形態７に係る光学装置９００と相違する。以下、本実施の形態に係る発光装置について、実施の形態７に係る発光装置６００との相違点を中心に、図を用いて説明する。
【０１６３】
図１９は、本実施の形態に係る発光装置２００の概略構成を示す上面図である。図１９に示されるように、本実施の形態に係る発光装置２００は、実施の形態７に係る発光装置６００と同様に、第１発光アレイ２１０、第２発光アレイ２２０及び方向変換素子３３０を備える。
【０１６４】
本実施の形態に係る第１発光アレイ２１０は、一列に配置された複数の第１発光点２１１〜２１４を有し、第２発光アレイ２２０は、一列に配置された１以上の第２発光点２２１〜２２４を有する。本実施の形態に係る第１発光点２１１〜２１４及び第２発光点２２１〜２２４は、それぞれ、シングルエミッタの半導体レーザ素子を有する一般的なＣＡＮパッケージの半導体レーザ装置である。各発光点が備える半導体レーザ素子は直径約９ｍｍのＣＡＮパッケージ内に実装されている。図１９では、簡単のため、各発光点の出射部に取り付けるコリメートレンズは示していない。
【０１６５】
第１発光点２１１〜２１４及び第２発光点２２１〜２２４は、それぞれ銅ブロックに半田で固定されている。これにより、各発光点の放熱を行い、かつ、各発光点の相対的な位置を固定している。また各銅ブロック内で第１発光点及び第２発光点の各々は電気的に直列接続されている。
【０１６６】
第１発光点２１１〜２１４は、第１直線２１０Ｌ上に配置され、第２発光点２２１〜２２４は、第２直線２２０Ｌ上に配置される。
【０１６７】
方向変換素子３３０は、第１発光アレイ２１０と第２発光アレイ２２０との間に配置され、方向変換素子３３０上の仮想的な変換直線３３０Ｌ上において、第１光及び第２光の進行方向を変換する。ここで、第１直線２１０Ｌと第２直線２２０Ｌと変換直線３３０Ｌとは、平行である。
【０１６８】
本実施の形態に係る光学装置においても、第１発光点２１１〜２１４からは、８００ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の波長帯である第１波長帯のレーザビームを含む第１光を出射する。また、第２発光点２２１〜２２４からは、４００ｎｍ以上４３０ｎｍ以下の波長帯である第２波長帯のレーザビームを含む第２光を出射する。これにより、本実施の形態に係る光学装置によれば、実施の形態７に係る光学装置９００と同様の効果を得られる。
【０１６９】
また、本実施の形態で用いたＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、実施の形態７で用いたアレイ構造を有する半導体レーザより光出力パワーは小さい。しかしながら、ＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、半田加工などの出力が低くても許容されるレーザ加工分野において有効である。また、ＣＡＮパッケージ型のシングルエミッタは、量産されており比較的入手が容易であることから、本実施の形態に係る発光装置２００を備える光学装置によれば、低価格で、ビーム品質が良いレーザ加工機を実現できる。
【０１７０】
（実施の形態１０）
実施の形態１０に係る光学装置について説明する。本実施の形態に係る光学装置は、主に、発光装置の構成において実施の形態７に係る光学装置９００と相違する。以下、本実施の形態に係る光学装置について、図２０を用いて説明する。
【０１７１】
図２０は、本実施の形態に係る光学装置９００ｂの概略構成を示す模式図である。図２０に示されるように、本実施の形態に係る光学装置９００ｂは、発光装置６００ｂと、波長合成光学系９０１ｂとを備える。
【０１７２】
発光装置６００ｂは、第１発光アレイ４１０と、第２発光アレイ４２０と、第３発光アレイ４３０と、集光レンズ４５１〜４５３と、方向変換素子４４０とを有する。
【０１７３】
第１発光アレイ４１０は、第１波長帯のレーザビームを含む第１光４１０ｂを出射する第１光源の一例であり、一列に配置された複数の第１発光点を有する。本実施の形態では、第１発光アレイ４１０は、各々がＧａＡｓ系半導体で形成されたエミッタからなる８本の第１発光点を有する。第１発光アレイ４１０では、活性層にＡｌＧａＡｓを用いることで発振波長が約７９８ｎｍの近赤外の８本の第１光４１０ｂを生成できる。
【０１７４】
第２発光アレイ４２０は、第２波長帯のレーザビームを含む第２光４２０ｂを出射する第２光源の一例であり、一列に配置された複数の第２発光点を有する。本実施の形態では、第２発光アレイ４２０は、各々がＧａＮ系半導体で形成されたエミッタからなる８本の第２発光点を有する。第２発光アレイ４２０では、活性層にＩｎＧａＮを用いることで発振波長が約５３２ｎｍの緑色の８本の第２光４２０ｂを生成できる。
【０１７５】
第３発光アレイ４３０は、第３波長帯のレーザビームを含む第３光４３０ｂを出射する第３光源の一例であり、一列に配置された複数の第３発光点を有する。本実施の形態では、第３発光アレイ４３０は、各々がＧａＮ系半導体で形成されたエミッタからなる８本の第３発光点を有する。第３発光アレイ４３０では、活性層にＡｌＧａＮを用いることで発振波長が約２６６ｎｍの紫外の８本の第３光４３０ｂを生成できる。
【０１７６】
集光レンズ４５１、４５２及び４５３は、それぞれ、第１発光アレイ４１０、第２発光アレイ４２０及び第３発光アレイ４３０の出射面に対向する位置に配置され、第１光４１０ｂ、第２光４２０ｂ及び第３光４３０ｂを集光する光学素子である。集光レンズ４５１〜４５３として、例えば、シリンドリカルレンズを用いることができる。なお、第１発光アレイ４１０、第２発光アレイ４２０及び第３発光アレイ４３０と集光レンズ４５１、４５２及び４５３との間に、それぞれ、各発光点からのレーザビームを平行化するコリメートレンズを設けてもよい。
【０１７７】
方向変換素子４４０は、第１光４１０ｂの進行方向、第２光４２０ｂの進行方向及び第３光４３０ｂの進行方向の少なくとも一つを変換する光学素子である。本実施の形態では、方向変換素子４４０は、ダイクロイックミラー４４１及び４４２を有する。
【０１７８】
ダイクロイックミラー４４１は、波長７００ｎｍ以上の光を反射し、波長７００ｎｍ未満の光を透過する光学素子であり、第１光４１０ｂ及び第３光４３０ｂの光路上に配置される。これにより、ダイクロイックミラー４４１は、第１光４１０ｂを反射し、かつ、第２光４２０ｂ及び第３光４３０ｂを透過する。ダイクロイックミラー４４１は、例えば、誘電体多層膜によって形成される。
【０１７９】
ダイクロイックミラー４４２は、波長４００ｎｍ以上の光を反射し、波長４００ｎｍ未満の光を透過する光学素子であり、第２光４２０ｂ及び第３光４３０ｂの光路上に配置される。これにより、ダイクロイックミラー４４２は、第２光４２０ｂを反射し、かつ、第３光４３０ｂを透過する。ダイクロイックミラー４４２は、例えば、誘電体多層膜によって形成される。
【０１８０】
したがって、方向変換素子４４０は、第１光４１０ｂの進行方向及び第２光４２０ｂの進行方向を変換する。本実施の形態では、方向変換素子４４０は、第１光４１０ｂ及び第２光４２０ｂを波長合成光学系９０１ｂの回折格子９０３に向かう向きに反射する。
【０１８１】
波長合成光学系９０１ｂは、発光装置６００ｂから出射される第１光４１０ｂ、第２光４２０ｂ及び第３光４３０ｂを波長合成する光学系である。本実施の形態では、波長合成光学系９０１ｂは、実施の形態７と同様の回折格子９０３及びアウトプットカプラ９０４を備える。
【０１８２】
以下、本実施の形態に係る光学装置９００ｂの作用について説明する。
【０１８３】
第１発光アレイ４１０から出射した第１光４１０ｂは、集光レンズ４５１で集光され、ダイクロイックミラー４４１で反射された後、回折格子９０３の集光点に集光される。第２発光アレイ４２０から出射した第２光４２０ｂは、集光レンズ４５２で集光され、ダイクロイックミラー４４２で反射された後、ダイクロイックミラー４４１を透過し、回折格子９０３の集光点に集光される。第３発光アレイ４３０から出射した第３光４３０ｂは、集光レンズ４５３で集光され、ダイクロイックミラー４４２及び４４１を透過した後、回折格子９０３の集光点に集光される。
【０１８４】
ここで第１発光アレイ４１０の第１波長帯に含まれる第１波長λ１を７９８ｎｍとし、第２発光アレイ４２０の第２波長帯に含まれる第２波長λ２を５３２ｎｍとし、第３発光アレイ４３０の第３波長帯に含まれる第３波長λ３を２６６ｎｍとする。この場合、λ１＝３×λ３、及び、λ２＝２×λ３が成り立つ。つまり、第１光と第３光との間、及び、第２光と第３光との間に、上記式３が成り立つ。よって、これらの三つのレーザビームは、波長合成光学系９０１ｂによって同一の光軸上のレーザビームに合成される。合成されたレーザビームのうち一部の光はアウトプットカプラ９０４と、各発光点とで形成される外部共振器内で共振する。アウトプットカプラ９０４を透過した光は、光学装置９００ｂの出射光となる。このように３波長の光を含む高出力かつ高品質のレーザビームを用いることで、被加工材料により適したレーザビームを用いたレーザ加工が可能になる。
【０１８５】
なお、本実施の形態では、三つのレーザビームを用いたが、本実施の形態と同様にダイクロイックミラーからなる方向変換素子を用いた光学装置において、二つのレーザビームを用いることも可能である。この場合、方向変換素子は、一つのダイクロイックミラーで実現でき、第１光の進行方向、及び、第２光の進行方向の少なくとも一方を変換する。
【０１８６】
（その他の変形例など）
以上、本開示に係る発光装置、光学装置及び波長合成方法について、各実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記各実施の形態に限定されるものではない。
【０１８７】
例えば、上記各実施の形態では、特定の材料、レーザ構造だけを例示したが、発光装置の各発光アレイにおいて採用され得る材料及びレーザ構造は、上記各実施の形態及び変形例で示した例に限定されない。例えば、第１発光アレイ及び第２発光アレイにおいて、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＩｎＧａＰ系、ＧａＳｂ系、量子カスケードレーザなどの半導体レーザアレイ、ファイバーレーザ、固体レーザなども適用できる。
【０１８８】
また、上記実施の形態７〜１０に係る光学装置は、第１光源及び第２光源がそれぞれ複数の発光点を有したが、それぞれ単一の発光点を有してもよい。
【０１８９】
また、上記実施の形態では、各第１発光点及び各第２発光点は、リッジ部でなくてもよく、例えば埋め込み構造などでもよい。
【０１９０】
また、上記各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
本開示の発光装置、光学装置及び波長合成方法は、例えば、ビーム品質が高く高出力なレーザ光源としてレーザ加工などに適用できる。
【符号の説明】
【０１９２】
１１１、１１２、４０２、４０４  金属ブロック
１１３、１１４  ネジ
１１５  絶縁層
１１６  サブマウント
１１７  金属層
２００、３００、４００、５００、６００、６００ａ、６００ｂ  発光装置
２１０、３１０、４１０  第１発光アレイ
２１０Ｌ  第１直線
２１１、２１２、２１３、２１４、３１１、３１２、３１３、３１４、３１５、３１６、３１７、３１８  第１発光点
３１１ｂ、３１２ｂ、３１３ｂ、３１４ｂ、３１５ｂ、３１６ｂ、３１７ｂ、３１８ｂ、４１０ｂ  第１光
３１１ｂ１  中央付近の部分
３１１ｂ２  周辺の部分
３１１ｅ  出射点
３１１ｉ、３１２ｉ、３１３ｉ、３１４ｉ、３１５ｉ、３１６ｉ、３１７ｉ、３１８ｉ  第１入射位置
２２０、３２０、４２０、６２０  第２発光アレイ
２２１、２２２、２２３、２２４、３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６、３２７、３２８、６２１、６２２、６２３、６２４、６２５、６２６、６２７、６２８  第２発光点
３２１ｂ、３２２ｂ、３２３ｂ、３２４ｂ、３２５ｂ、３２６ｂ、３２７ｂ、３２８ｂ、４２０ｂ、６２１ｂ、６２２ｂ、６２３ｂ、６２４ｂ、６２５ｂ、６２６ｂ、６２７ｂ、６２８ｂ  第２光
３２１ｉ、３２２ｉ、３２３ｉ、３２４ｉ、３２５ｉ、３２６ｉ、３２７ｉ、３２８ｉ、６２１ｉ、６２２ｉ、６２３ｉ、６２４ｉ、６２５ｉ、６２６ｉ、６２７ｉ、６２８ｉ  第２入射位置
３３０、４４０、５３０  方向変換素子
３３０Ｌ  変換直線
３３０ｓ  基体
３５１、３６１  ｎ型ＧａＡｓ基板
３５２、３６２  ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層
３５３、３６３  ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ活性層
３５４、３６４  ｐ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓクラッド層
４０５  窓
４０６  基板
４３０  第３発光アレイ
４３０ｂ  第３光
４４１、４４２  ダイクロイックミラー
４５１、４５２、４５３  集光レンズ
５０６  光学素子
５０７  コリメートレンズ
５３６  機能面
６６１  ｎ型ＧａＮ基板
６６２  ｎ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層
６６３  ＩｎｔＧａ１−ｔＮ活性層
６６４  ｐ型ＡｌｓＧａ１−ｓＮクラッド層
７００、８００、９００、９００ｂ  光学装置
７０１  空間合成光学系
８０１、９０１、９０１ｂ  波長合成光学系
８０２、９０２  シリンドリカルレンズ
８０３、９０３  回折格子
８０４、９０４  アウトプットカプラ
３３１１、３３１２、３３１３、３３１４、３３１５、３３１６、３３１７、３３１８、５３１１  第１面
３３２１、３３２２、３３２３、３３２４、３３２５、３３２６、３３２７、３３２８  第２面
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
2020017214.tif 000027
2020017214.tif 000028
2020017214.tif 000029
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