(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアアレイ半導体レーザを垂直方向にスタックした二次元アレイ半導体レーザの垂直断面がスリット状の複数のエミッタから放射されたレーザビームを該エミッタ単位毎、または、前記リニアアレイ内を２分割以上に分割した単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第１のビーム変換器と、該第１のビーム変換器から出射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第２のビーム変換器からなることを特徴とする半導体レーザのビーム配置変換器。
【請求項２】
リニアアレイ半導体レーザを垂直方向にスタックした二次元アレイ半導体レーザと、該半導体レーザの垂直断面がスリット状の複数のエミッタから放射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位のレーザビーム群毎に受光し、該ビーム断面の垂直成分を光軸方向に平行化する第１のコリメート素子と、該第１のコリメート素子から出射されたレーザビームを前記エミッタ単位毎、または、前記リニアアレイ内を２分割以上に分割した単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第１のビーム変換器と、該第１のビーム変換器から出射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第２のビーム変換器と、該第２のビーム変換器から出射されたレーザビーム群を受光し、各ビーム断面の水平成分を光軸方向に平行化する第２のコリメート素子と、該第２のコリメート素子から出射されたレーザビーム群を集光するための集光器から構成されることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項３】
さらに、前記第１のビーム変換器から出射されたレーザビームまたはレーザビーム群を受光し、該レーザビーム間またはレーザビーム群間における前記リニアアレイに平行な間隔を短縮するビーム圧縮器を備えたことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
レーザビームを放射する第１の方向に長い複数のエミッタが、該第１の方向に直線的に並ぶように、しかも複数列配列して設けられ、レーザビーム要素が２次元アレイ状に配列したレーザビーム群を放射するスタックアレイレーザダイオードと、
前記スタックアレイレーザダイオードの前面に配設され、前記レーザビーム群を各列毎に前記第１の方向に対してほぼ直角な第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器と、
前記第１の集光器の前面に配設され、前記第２の方向にコリメートされたレーザビーム群を受光して、各列毎に前記第１の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換して放射する第１のビーム変換器と、
前記複数列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を受光し、線分状レーザビームの間隔が短縮された複数列の前記第１の方向に延びる圧縮された線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換して放射するビーム圧縮器と、
前記ビーム圧縮器の前面に配設され、前記線分状レーザビームの間隔が短縮された複数列の前記第１の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を受光して、各列毎に前記第２の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換し、その結果、すべてのレーザビームが前記第２の方向に延びる１列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換されて放射する第２のビーム変換器と、
前記１列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を前記第２の方向とほぼ垂直な方向にコリメートして平行化する第２の集光器と、
前記第２の集光器から放射されるレーザビーム群を焦点に集光させる第３の集光器と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項５】
レーザビームを放射する第１の方向に長い複数のエミッタが、該第１の方向に直線的に並ぶように、しかも複数列配列して設けられ、レーザビーム要素が２次元アレイ状に配列したレーザビーム群を放射するスタックアレイレーザダイオード、または、レーザビームを放射する第１の方向に長い多数のエミッタが、該第１の方向に直線的に密集して並ぶように、しかも複数列配列して設けられ、レーザビームが直線状にほぼ連続したものが複数列配列したレーザビーム群を放射するスタックアレイレーザダイオードと、
前記スタックアレイレーザダイオードの前面に配設され、前記レーザビーム群を各列毎に前記第１の方向に対してほぼ直角な第２の方向に屈折させてコリメートする第１の集光器と、
前記第１の集光器の前面に配設され、各列内のレーザビーム群を分区し、分区された複数のレーザビームを単位として、そのレーザビーム単位の断面の軸をほぼ直角に曲げる光学素子を各列内に並列して備え、前記第２の方向にコリメートされたレーザビーム群を受光して前記光学素子毎に該レーザビーム単位の断面の軸を旋回して、該分区された複数のレーザビームを単位とした前記第１の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群として放射する第１のビーム変換器と、
前記複数列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を受光し、線分状レーザビームの間隔が短縮された複数列の前記第１の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換して放射するビーム圧縮器と、
前記ビーム圧縮器の前面に配設され、前記線分状レーザビームの間隔が短縮された複数列の前記第１の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を受光して、各列毎に前記第２の方向に延びる線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換し、その結果、すべてのレーザビームが前記第２の方向に延びる１列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群に変換されて放射する第２のビーム変換器と、
前記１列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群を前記第２の方向とほぼ垂直な方向にコリメートして平行化する第２の集光器と、
前記第２の集光器から放射されるレーザビーム群を焦点に集光させる第３の集光器と、を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１のビーム変換器と前記ビーム圧縮器との間に配設され、前記レーザビーム群を各列毎に前記第１の方向に対してほぼ直角な第２の方向に屈折させてコリメートする第４の集光器を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第３の集光器の焦点面に端面を有する光ファイバを備えることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記第１の集光器がシリンドリカルレンズの１次元アレイであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第４の集光器がシリンドリカルレンズの１次元アレイであることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記ビーム圧縮器がアナモルフィックプリズムまたはアナモルフィックプリズムペアであることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１１】
光軸に垂直な断面が第１の軸を有する入射光線を受光するための受光部と、
前記光線断面の第１の軸をほぼ直角に旋回させる光学系と、
前記光学系を通過した出射光線を出射する出射部とを備える複数光学素子を、前記光学素子がスタックアレイレーザダイオードの放射面上に、該各光学素子の受光部と出射部とをそれぞれ同一面上に隣接させて２次元的に配列したビーム変換器を第１のビーム変換器として用いたことを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１２】
光軸に垂直な断面が第１の軸を有する入射光線を受光するための受光部と、
前記光線断面の第１の軸をほぼ直角に旋回させる光学系と、
前記光学系を通過した出射光線を出射する出射部とを備える複数光学素子を、前記光学素子が前記ビーム圧縮器から放射された線分状レーザビームの間隔が縮まった複数列の線分状レーザビームが互いに平行に配列したレーザビーム群の列毎の放射面に対応するように、該各光学素子の受光部と出射部とをそれぞれ同一面上に隣接させてリニアに配列したビーム変換器を第２のビーム変換器として用いたことを特徴とする請求項４〜１１のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１３】
前記光学素子が、反射面で画定された空間であって、鉛直でかつ入射光線に対してほぼ４５°傾いた前記第１の反射面と、入射光線に対し平行で水平面に対してほぼ４５°傾いた前記第２の反射面と、入射光線に平行な鉛直面に対し垂直でかつ前記第１の反射面と第２の反射面との交線と平行で水平面に対してはほぼ４５°傾いた前記第３の反射面とを供する空間であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１４】
前記光学素子が、第１の全反射面と第２の全反射面と第３の全反射面と入射面と出射面と接合面とからなるプリズムであり、第１、第２、第３の全反射面が互いに交差角６０°で交わり、互いに平行な入射面と出射面とが第２の全反射面と直交し、第１および第３の全反射面に対してほぼ４５°傾き、接合面が第２の全反射面と平行なプリズムであり、該プリズムが第３の全反射面と入射面と出射面とをそれぞれ同一面上に隣接させて隣り合うプリズムの接合面と第２の全反射面とを接合したプリズムの１次元アレイを請求項１２に記載の第２のビーム変換器として用い、プリズムの１次元アレイをさらに並列した２次元アレイを請求項１１に記載の第１のビーム変換器として用いたことを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１５】
互いに平行な第１及び第２の平面と、前記第１の平面と１３５°の挟角をもって交わる第３の平面と、前記第１の平面に対してｔａｎ−１（１／√２）の角度で交差する方向に、その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０°をなす山と谷とが洗濯板状に連続形成された周期的屈曲面からなり、かつ、各稜線並びに各谷線が前記第３の平面と平行な第４の面を有し、前記第１の平面を入射面とし、前記第２の平面を出射面とし、前記第４の面を構成する屈曲面のうち前記第１の平面と４５°の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし、他の面を第２の反射面とし、前記第３の平面を第３の反射面とした光学ガラス体を請求項１２に記載の第２のビーム変換器として用い、該光学ガラス体をさらに並列した２次元アレイを請求項１１に記載の第１のビーム変換器として用いたことを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１６】
入射光軸に垂直な平面と１３５°の挟角をもって交わる第１の平面と前記入射光軸に垂直な平面に対してｔａｎ−１（１√２）の角度で交差する方向に、その稜線並びに谷線が延在する折れ曲がり角が６０°をなす山と谷とが洗濯板状に連続形成された周期的屈曲面からなり、かつ、各稜線並びに各谷線が前記第１の平面と平行な第２の面を有し、前記第１の平面および第２の面には鏡面処理が施され、前記第２の面を構成する屈曲面のうち前記入射光軸に垂直な平面と４５°の挟角をもって交わる面を第１の反射面とし、他の面を第２の反射面とし、前記第１の平面を第３の反射面としたミラー構造体を請求項１２に記載の第２のビーム変換器として用い、該ミラー構造体をさらに並列した２次元アレイを請求項１１に記載の第１のビーム変換器として用いたことを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１７】
前記光学素子が、軸をほぼ４５°傾けた凸型のシリンドリカルレンズの対を所定の距離空間を挟んで対向配置したものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１８】
前記ビーム変換器が、軸をほぼ４５°傾けた凸型のシリンドリカルレンズの対を所定の距離空間を挟んで対向配置したものを複数配列したものの１次元アレイであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１９】
前記光学素子が、側面の両端に凸型のレンズ部分を有するシリンドリカルレンズであり、該光学素子を複数、入射光線に対してほぼ４５°傾けて接合させたものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２０】
前記ビーム変換器が、側面の両端に凸型のレンズ部分を有するシリンドリカルレンズを複数、入射光線に対してほぼ４５°傾けて接合させたものの１次元アレイであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２１】
前記ビーム変換器が、断面が長方形をなす光学ガラス製角柱の入射面と出射面とに同じ方向にほぼ４５°傾いた円柱状表面を複数形成し、各円柱表面に入射した入射光線の断面がほぼ９０°旋回して出射するようにしたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２２】
前記光学素子が、断面が台形をなすダブプリズムであり、該光学素子を複数、ほぼ４５°傾けて配設したものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２３】
前記光学素子が、回折により中心軸に垂直な方向にのみパワーが変化する２つの光学要素を対向させ、中心軸をほぼ４５°傾けて配設したものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２４】
前記ビーム変換器が、入射側と出射側と１対のバイナリオプティクス素子を所定の距離空間を挟んで対向配置したものからなり、入射側バイナリオプティクス素子と出射側バイナリオプティクス素子の表面に、ほぼ４５°傾いた中心軸に対して対称に、中心軸に垂直な方向にのみパワーが変化するように深さを変化させた軸対称な階段状表面を複数形成し、各軸対称な階段状表面に入射した入射光線の断面がほぼ９０°旋回して出射するようにしたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２５】
前記光学素子が、屈折率が連続的に変化した構造からなり配設の向きと垂直な方向にのみパワーが変化する光学要素を水平面に対してほぼ４５°傾けて配置したことを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２６】
前記ビーム変換器が、中央面で最も屈折率が高く側面に近づくほど屈折率が低くなる光学ガラス体からなる１次元分布屈折率レンズ要素を複数、前記中央面が水平面に対してほぼ４５°傾けて接合させたものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２７】
前記ビーム変換器が、光学ガラス板の両面に、同じ方向にそれぞれ対になるほぼ４５°傾いた半円柱状の分布屈折率レンズ要素を対向配置したものからなり、半円の中心が最も屈折率が高く、外側になる程屈折率が低くなるレンズ要素を複数形成したものであることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項２８】
請求項４〜６、８〜１０のいずれかの項に記載の半導体レーザ装置と、励起光受光面を有し、かつ、該励起光受光面が、請求項４〜６、８〜１０のいずれかの項に記載の第３の集光器の焦点位置に整合された固体レーザ素子、を備えることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【請求項２９】
請求項７に記載の半導体レーザ装置と、請求項７に記載の光ファイバーから出射する光をコリメートして焦点に収斂する光学系と、励起光受光面を有し、かつ、該励起光受光面が、該焦点の位置に整合された固体レーザ素子、を備えることを特徴とする半導体レーザ励起固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタックアレイレーザダイオードに用いるビーム変換器、および、ビーム変換器を用いたレーザ装置に関するものである。本発明は、さらに、半導体レーザ光を微小スポットに集光する半導体レーザ集光器、半導体レーザ光で固体レーザ素子を光励起する半導体レーザ励起固体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工や医用目的に使用するレーザとして、ＹＡＧ（yttrium aluminium garnet）が用いられてきた。しかし、固体レーザであるＹＡＧレーザは、電気→光の変換効率が低い。これは、従来型のＹＡＧレーザは、固体レーザの励起に用いられるＸｅランプやフラッシュランプの発光効率が低く、また、その発光スペクトル帯域も広いため、発光エネルギーのうち小さな部分しか固体レーザ励起に使用できないことによる。このため、大きな装置と冷却水とが、通常必要となる。
【０００３】
一方、半導体レーザ（ＬＤ）は発光効率が高く、コンパクトで冷却装置も大がかりな装置を必要としない。最近、高出力半導体レーザのコストが顕著に下がりつつある。レーザ加工分野においても、このような半導体レーザを利用することが好ましい。しかしながら、半導体レーザは、そのビーム品質が一般に悪く、しかも単一ストライプ半導体レーザの高出力化には限りがあり、レーザ加工にそのまま用いることは困難である。
【０００４】
レーザ光を放射する活性層ストライプを１０〜１００本直線的に配列し、破線状の光源を与えるマルチストライプ半導体レーザは、高出力レーザとして知られている。
【０００５】
半導体レーザの活性層ストライプが一次元的に配列したリニアアレイの半導体レーザとしてＣＷ（連続発振）出力５０Ｗ程度のものが入手できる。マルチストライプアレイ半導体レーザは、例えば、図１に示すように、幅が１００μｍ〜２００μｍの端部がエミッタとなっているストライプ１０〜数１０本が、全幅１ｃｍの平面内に一定間隔で配列している。
【０００６】
このようなリニアアレイ半導体レーザをいくつか積み重ね、図１のように、２次元アレイとすることにより、容易に出力アップを図ることができる。このような２次元アレイ半導体レーザはスタックアレイ半導体レーザと呼ばれる。
【０００７】
このように、１個の半導体レーザ素子からは、スタック層の数をｎとして、（１０〜数１０）×ｎ本のレーザ光が出射する、２次元アレイ状に線分が配列した光源を与える。また、Ｑｕａｓｉ−ＣＷ半導体レーザのような高出力半導体レーザは、沢山のエミッタが密集して配列し、出射光が隣のエミッタからの出射光と出射直後に混じり合って、ほぼ連続した直線状の光源がスタック層の数だけ並列した光源を与える。
【０００８】
レーザ加工や医用目的にマルチストライプアレイ半導体レーザを利用するためには、狭い領域に高水準のエネルギーを集中する工夫が必要である。各ストライプ光は各々扁平な光源から発したものであり、ビーム発散角は活性層に対し垂直成分φが大きく、約４０°〜５０°であり、平行成分θは小さく、約１０°である。発光源の幅は垂直成分が狭く１μｍ以下であり、平行成分は広く上述のように１００μｍ〜２００μｍである。
【０００９】
以上のような半導体レーザの特性から、半導体レーザからの出射光をレンズを用いて集光して絞り込む場合、垂直成分は容易に絞ることができるが、平行成分は、光源の全幅が広く発散角が垂直成分より狭いため、微小スポットに絞ることが困難である。
【００１０】
スタックアレイレーザダイオードからの出射光を集光する場合、各リニアアレイ毎にシリンドリカルレンズを配して集光することにより線状スポットに集光することはできても、点状スポットに集光することは困難であった。
【００１１】
一方、ストライプに対して１対１にマイクロレンズを対応させて配列し、各々のストライプ光を集光しコリメートした後、集光レンズで絞り複数ビームを重畳させる方法により、比較的効率よく集束可能である。しかしながら、絞り込んだビームスポット径は、集束レンズとビ−ムスポットとの間の距離（つまり集束レンズの焦点距離f2）と半導体レーザストライプとマイクロレンズ間距離（つまりマイクロレンズの焦点距離f1）の比で決まる倍率（f2／f1）を光源の幅に掛けた値になる。
【００１２】
従って、ビームスポットの長径ω1（水平部分）は、ストライプの幅（ω0：１００μｍ〜２００μｍ）に上記倍率を掛けた値（ω0・f2／f1）となる。垂直成分は光源の幅が非常に小さい（１μｍ以下）ので、同じ倍率（f2／f1）を掛けても大きなスポット径にはならない。従って、ストライプの幅方向の集束を考えると、ビームスポットを小さくして光の強度を大きくするために、マイクロレンズはストライプからなるべく放して配置した方がよい。
【００１３】
しかし、ストライプ光の垂直成分の発散角が大きいため、レンズ開口外に漏れる放射エネルギーが大きくなることを考えると、これは難しい。そこで、垂直成分と水平成分とを別々のシリンドリカルレンズで集光し、垂直成分集光用のレンズはストライプから至近距離に各リニアアレイ半導体レーザに１対１に対応させて配置し、平行成分集光用のレンズは、ストライプから離してスタック層の同等なストライプ列毎に１対１に対応させて配置することが考えられる。
【００１４】
スタックアレイＬＤとして、厚さ１μｍ、幅２００μｍのストライプ１２本がピッチ８００μｍで配列し、このリニアアレイが、さらに数層スタックしたものがある。ストライプ光の平行成分はビーム発散角１０゜を有するので、ストライプの出射端から３．４ｍｍのところで隣同士のストライプ光が重なり合う。その重合の後にレンズを置いたときは、一部の光はレンズの軸と角度を持つ光線となり、フォーカシングレンズの焦点と異なる点に集束するため、システムの効率を低下させる。
【００１５】
このため、マイクロシリンドリカルレンズアレイを用いて前記各ストライプ列からの放射光を各々コリメートするためには、３．４ｍｍ以内の接近した位置にレンズ（焦点距離f1≦３．４ｍｍ）を置く必要がある。コリメート光を集束する集束レンズの焦点距離f2との組み合わせで決まる倍率（f2／f1）をストライプの幅に掛けて集束スポット径を求めると大きくならざるを得ない。
【００１６】
このように従来、２次元アレイ状に線分が配列した光源を与えるスタックアレイＬＤの出射レーザ光を小さい面積に高密度に集中させることは困難であった。
【００１７】
また、半導体レーザ励起固体レーザにおける固体レーザの光軸方向から光励起する端面励起方式によると、固体レーザ発振のモード空間に半導体レーザ出力光による励起空間をマッチングさせることによって高効率な単一基本横モード発振を実現し得る。
【００１８】
半導体レーザの活性層を二次元的に配列したスタックアレイ半導体レーザ発振素子は、１ｋＷ前後の出力が得られ、レーザ加工用として十分に使用できる出力を有している。このスタックアレイレーザ光を光学系を用いて直接集光し、十分に細いスポットに絞ることができれば、半導体レーザ出力をレーザ加工に用いることができるはずである。
【００１９】
ところが、スタックアレイ半導体レーザ発生素子は、上述のとおり、半導体レーザ発生素子からの出射光をレンズを用いて集光して絞り込む場合、垂直成分は比較的容易に絞り得るが、平行成分は光源の全幅が広いために微小スポットに絞ることが困難である。
【００２０】
このようなスタックアレイ半導体レーザを励起光源として用いようとすると、上記したようにアレイの幅は長さ１ｃｍ程に亘るので、通常のレンズ系を用いて複数ビームを１つのスポット状に絞り込めず、励起効率の良い端面励起方式が採用できないことから側面励起方式にしか適用できなかった。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した問題に鑑み、本発明の目的は、スタックアレイ半導体レーザを用いた半導体レーザ装置の焦点におけるエネルギー密度を高くした半導体レーザ装置を提供することにある。
【００２２】
本発明の目的は、スタックアレイ半導体レーザを用いた半導体レーザ装置に用いて、半導体レーザ装置の焦点を極めて小さくしてエネルギー密度を高くすることを可能にするための新規なビーム変換器を提供することにある。
【００２３】
本発明の更に別の目的は、上記半導体レーザ装置を用いた、強力な半導体レーザ励起固体レーザ装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によると、リニアアレイ半導体レーザを垂直方向にスタックした二次元アレイ半導体レーザの垂直断面がスリット状の複数のエミッタから放射されたレーザビームを該エミッタ単位毎、または、前記リニアアレイ内を２分割以上に分割した単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第１のビーム変換器と、該第１のビーム変換器から出射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第２のビーム変換器からなることを特徴とする半導体レーザのビーム配置変換器が提供される。
【００２５】
また、リニアアレイ半導体レーザを垂直方向にスタックした二次元アレイ半導体レーザと、該半導体レーザの垂直断面がスリット状の複数のエミッタから放射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位のレーザビーム群毎に受光し、該ビーム断面の垂直成分を光軸方向に平行化する第１のコリメート素子と、該第１のコリメート素子から出射されたレーザビームを前記エミッタ単位毎、または、前記リニアアレイ内を２分割以上に分割した単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第１のビーム変換器と、該第１のビーム変換器から出射されたレーザビームを前記リニアアレイ単位毎に受光し、該ビーム断面の水平成分を光軸に平行な回転軸の周りに旋回させる第２のビーム変換器と、該第２のビーム変換器から出射されたレーザビーム群を受光し、各ビーム断面の水平成分を光軸方向に平行化する第２のコリメート素子と、該第２のコリメート素子から出射されたレーザビーム群を集光するための集光器から構成されることを特徴とする半導体レーザ装置が提供される。
【００２６】
さらに、本発明の半導体レーザ装置は、前記第１のビーム変換器から出射されたレーザビームまたはレーザビーム群を受光し、該レーザビーム間またはレーザビーム群間における前記リニアアレイに平行な間隔を短縮するビーム圧縮器を備えるようにしてもよい。
【００２７】
さらに、上記目的を達成するため、本発明に係る半導体レーザ装置は、レーザビームを放射する細長いエミッタが、複数、その長軸方向に直線的に並び、さらに２次元的に配列したスタックアレイレーザダイオードと、各エミッタ、若しくは複数のエミッタからなるエミッタ群から放射されたレーザビームを、各スタック層毎にエミッタの長軸方向に対して垂直の方向に平行化（コリメート）する第１のコリメート素子と、１方向にのみ平行化されたレーザビームの各々のエミッタ若しくはエミッタ群の長軸方向をほぼ直角に旋回し、各層毎に線分状レーザビームが互いに平行に並列したレーザビームに変換して出力する第１のビーム変換器と、線分状レーザビームが互いに平行に並列したレーザビームの線分状レーザビームの間隔を短縮し、各層毎に圧縮されたレーザビーム群に変換するビーム圧縮器と、圧縮された各レーザビーム群毎にその長軸方向をほぼ直角に旋回し、全てのレーザビームが線分状レーザビームが互いに平行に１列に並列したレーザビーム群に変換して出力する第２のビーム変換器と、第２のビーム変換器から出力されるレーザビームを前記エミッタ長軸に対応する方向に平行化する第２のコリメート素子と、２方向に平行化されたレーザビームを焦点に集光するフォーカシング素子とを備えることを特徴とする。
【００２８】
上記目的を達成するため、本発明の第１のビーム変換器は、スリット状に放射される光源を受光して該光線の断面中の該スリットの方向を光軸に沿ってほぼ直角に旋回させて出射する光学素子を、複数、各光学素子の受光面と出射面をそれぞれ隣接して２次元アレイ状に配列し、スタックアレイレーザダイオードの放射面に対応させたことを特徴とする。
【００２９】
即ち、本発明のビーム変換器は、スタックアレイ半導体レーザのライン状をした各エミッタ、若しくは各エミッタ群から放射されるレーザビームのエミッタに対応する方向を光軸に沿ってほぼ直角に旋回させるように構成されている。
【００３０】
上記目的を達成するため、本発明のビーム圧縮器は、粗な間隔で並列したスリット状のレーザビームが更に複数列並列して放射される第１のビーム変換器からの放射光を受光して密な間隔の並列に圧縮されたスリット状のレーザビームが１列に直列した配列に変換するように構成されている。
【００３１】
上記目的を達成するため、本発明の第２のビーム変換器は、密な間隔の並列に圧縮されたスリット状のレーザビームが１列に直列して放射されるビーム圧縮器からの放射光を受光して該圧縮レーザビームの断面中の該スリットの方向を光軸に沿ってほぼ直角に旋回させて出射する光学素子を、複数、各光学素子の受光面と出射面をそれぞれ隣接してリニアに配列し、ビーム圧縮器の放射面に対応させたことを特徴とする。
【００３２】
即ち、第１のビーム変換器、ビーム圧縮器、および第２のビーム変換器を通して、スタックアレイ半導体レーザのライン状をした各エミッタ、若しくは各エミッタ群から放射されるレーザビームの該スリットに対応する方向を光軸に沿ってほぼ直角に２度旋回させることにより、全てのエミッタ若しくは各エミッタ群が１列に並列したエミッタ若しくはエミッタ群を与えるレーザビームに変換するように構成されている。
【００３３】
さらに、上記別の目的を達成するため、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、上記の半導体レーザ装置から出力される該レーザビームの焦点に固体レーザ装置の励起光を入射させる端面を配置した。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００３５】
図２は、本発明の半導体レーザ装置の平面図、図３は、その立面図である。
【００３６】
スタックアレイ半導体レーザ１０は、幅約１０ｍｍの間にレーザビームを放射する１０個から１００個（図では便宜上６個表示される）の活性層ストライプ１２を一列に配列したリニアアレイ半導体レーザを積み重ね（図では４層表示される）高さ５ｍｍ〜４０ｍｍとしたものである。
【００３７】
各活性層ストライプ１２の断面は、例えば、幅１００μｍ〜２００μｍ、厚み０．１μｍ〜１μｍで、活性層ストライプの端面から放射されるレーザ光線は、厚み方向の放射角が４０°〜５０°、幅方向の放射角が１０°で、スタックアレイ半導体レーザ１０の発光源となっている。活性層ストライプはリニアアレイ半導体の端部に一列に並んでいるため、スタックアレイ半導体レーザは、線分が２次元アレイ状に配列した発光の光源を与える。
【００３８】
第１の柱状レンズアレイ２０が、スタックアレイ半導体レーザ１０から放射されるレーザ光を活性層ストライプの厚みの方向に集束力を有し、活性層ストライプに垂直な成分の発散光を平行にする。第１の柱状レンズアレイ２０は幅方向には等しい厚みを有して、光はほぼ直進するため、レーザビームの幅方向の放射角は約１０°と変わらない。
【００３９】
第１のビーム変換器３０が、第１の柱状レンズアレイ２０から出力されるレーザビームの断面を入射光に対してほぼ９０°回転させる。第１のビーム変換器３０は、スタックアレイ半導体レーザ１０の各活性層ストライプ１２に１対１に対応する光学素子を各活性層ストライプに対応するように、２次元アレイ状に配列したものである。
【００４０】
第１の柱状レンズアレイ２０によって幅方向に約１０°の角をもって放散し厚み方向に平行光となったレーザビーム（図３参照）は、第１のビーム変換器３０によって、各活性層ストライプ毎に約９０°回転させられるので、厚み方向に放射角約１０°、幅方向に平行な光に変換される（図２参照）。なお、上記光学素子は複数の活性層ストライプを含むストライプ群に対応するようにしたものであってもよい。
【００４１】
このように、約９０°回転しビーム変換されたレーザビームが活性層ストライプ、若しくはストライプ群の数だけ平行に並ぶので、スタックアレイ半導体レーザ１０の放射光は活性層ストライプが梯子状に並列し、その並列が、さらに複数並列して２次元的に配列したものと実質的に同じものとなる。
【００４２】
ビーム圧縮器４０が梯子状に並列したレーザビームの梯子の間隔を短縮しレーザビームを圧縮する。このような圧縮されたレーザビームが、さらに、スタックアレイ半導体レーザの高さ方向に１列に直列することになる。
【００４３】
第２のビーム変換器５０が、ビーム圧縮器４０から出力される圧縮レーザビームの断面をまとめて入射光に対してほぼ９０°回転させる。第２のビーム変換器５０は圧縮光学系４０からの圧縮レーザビームに１対１に対応する光学素子を圧縮レーザビームに対応するように、スタックアレイ半導体レーザの高さ方向に直線的に配列したものである。
【００４４】
その結果、全ての活性層ストライプから出射したレーザビーム群は１列に並列したレーザビーム群となる。なお、上記１列に並列したレーザビーム群の並列要素は、前述のように、複数の活性層ストライプを含むストライプ群に対応するようにしたものであってもよい。
【００４５】
第２の柱状レンズ６０がスタックアレイ半導体レーザの高さ方向に平行に設けられている。スタックアレイ半導体レーザ１０から放射され柱状レンズアレイ２０と第１のビーム変換器３０、ビーム圧縮器４０、第２のビーム変換器５０を通過したレーザ光は、活性層ストライプ毎に活性層ストライプに垂直な成分が平行光、幅方向の放射角は１０°になっているが、これらが並列して並んでいるから、レーザビーム全体は半導体レーザの活性層に平行な方向における放射角が約１０°程度となる。第２の柱状レンズ６０は、このレーザ光を受容して幅方向について平行光にするため、レーザ光はいずれの方向についても平行な光になる。
【００４６】
集束レンズ７０が第２の柱状レンズを通過して完全な平行光となったレーザビームを小さなビームスポットに集束する。ここで、第１の柱状レンズ２０の焦点距離f1、第２の柱状レンズ６０の焦点距離をf3、集束レンズ７０の焦点距離をf2、活性層ストライプの幅をω0、厚みをd0とすると、一個の活性層ストライプからのレーザのビームスポットの幅ω1、厚みd1は、次のようにして求められる。
【００４７】
d1＝d0・f2／f1
ω1＝ω0・f2／f3
従って、鋭いスポットを得るためにはf1およびf3は大きいほどよい。ここで、ω0が１００μｍ〜２００μｍ、d0が０．１μｍ〜１μｍであることを考慮すれば、f1の大きさはf3と比較して問題にならない。ω0が２００μｍ、ストライプの配列ピッチが８００μｍ、活性層ストライプ長軸方向の放射角１０°、さらに、スタック層の配列ピッチが４ｍｍの例では、隣のストライプからのレーザはストライプ出射端面から３．４ｍｍの距離で長軸方向に重なる。
【００４８】
従って、本発明によらないときは、出力エネルギーを効率よく利用するためには、第１および第２の柱状レンズは、ともにストライプ表面から３．４ｍｍ以下の距離に設ける必要があり、レーザビ−ムを平行化するためには、f1とf3は最長でも３．４ｍｍでなければならないことになる。
【００４９】
しかし、f1が３．４ｍｍより小さい適当な値を持つ第１の柱状レンズと第１のビーム変換器をストライプ出射端面から３．４ｍｍ以下の距離に置き、第１のビーム変換器によりレーザビームを回転させると、活性層に平行な方向については、レーザビームは平行光となり相互に重畳することがない。
【００５０】
そして、活性層に垂直な方向に約１０°の広がりを有するようになる。その結果、活性層に垂直な方向について、隣のスタック層のレーザはストライプ表面からの光路長２１．７ｍｍの位置で重なる。そこで、ビーム圧縮器と第２のビーム変換器を２１．７ｍｍ以下の位置に置き、第２のビーム変換器によりレーザビームを回転させると、活性層に垂直な方向については平行光となり相互に重畳することがない。そして、活性層に平行な方向に約１０°の広がりを有するようになる。
【００５１】
この放射光を第２の柱状レンズで平行光にするためには焦点距離f3を十分大きな値に取る。即ち、f3は３．４ｍｍや２１．７ｍｍに制約されることなく適当な値を選択することができ、例えば、集束レンズの焦点距離f2と同じ値を選んだときはビームスポットの幅ω1は２００μｍとなる。
【００５２】
このように、本発明のレーザ装置によればビームスポットの幅ω1と厚みd1を十分小さな値にすることが可能になり、リニアアレイレーザダイオードの出力を効率的に利用した強力なレーザを得ることができる。従って、本発明のレーザ装置はレーザ加工やレーザメスとして医療用に用いることができる。
【００５３】
図４は、第１のビーム変換器とビーム圧縮器の間に第２の柱状レンズアレイを挿入した本発明の半導体レーザ装置の平面図、図５は、その立面図である。第２の柱状レンズアレイ８０は、活性層に平行な方向に集束力を有するが、柱状レンズ６０と合わせた複合光学系により、スタックアレイ半導体レーザ１０から放射されるレーザ光の活性層ストライプの幅方向の発散光を平行にする。第２の柱状レンズアレイを挿入することにより、隣のスタック層のレーザが重なり合う位置までのトライプ表面からの光路長を延長することができる。ビーム圧縮器を配置するスペースに余裕を与えることができる。
【００５４】
なお、この柱状レンズアレイ８０は、あくまでビーム変換器とビーム圧縮器の間隔余裕を確保するために挿入するものであって、活性層ストライプアレイ方向の発散角を補正しコリメートすることを目的とするものではない。これは前述したごとく、この方向の集光径ω1は柱状レンズアレイ（この場合はレンズアレイ６０と８０の複合焦点距離）f3に反比例することから、f3はなるべく大きな値としたい、という点に由来する。
【００５５】
従って、柱状レンズアレイ８０を挿入した場合にも、さらに柱状レンズアレイ６０を設置することが望ましい。
【００５６】
図６は、スタックアレイレーザダイオードとして発光部分の密度が高い疑似連続発振レーザダイオードＱｕａｓｉ−ＣＷ−ＬＤ等を用いる場合の本発明の半導体レーザ装置の平面図、図７は、その立面図である。スタックアレイレーザダイオード１０には多数の活性層ストライプ１２が高密度に設けられていて、実質的に区切りのない直線状発光部を形成している。
【００５７】
第１のビーム変換器３０は、活性層ストライプのサイズと関係なく、或いは、所定数のストライプに対応する寸法を有する光学素子を、適当数、直線的に配列したものである。第１の柱状レンズアレイ２０、第１のビーム変換器３０、ビーム圧縮器４０、第２のビーム変換器５０、第２の柱状レンズ６０、集束レンズ７０の位置や作用は、図２および図３に説明したものと同じである。
【００５８】
このように活性層ストライプの幅が短いか、その間隔が狭いレーザダイオードを用いるときには、第１のビーム変換器の光学素子を活性層ストライプと１対１に対応させるとビーム変換器の製作が困難になる。本態様は、その代わりに、適当な数の活性層ストライプを群にまとめてこれに対応させたものである。また、レーザダイオードの発光部を点線状と見る代わりに１本のストライプと見なして、これを光学素子で適当に区分して旋回させて、実質的に、梯子状に発光するレーザダイオードに変化させたものと考えることもできる。
【００５９】
図８は、光ファイバ９０を用いた本発明に係るレーザ装置の平面図、図９はその立面図である。上記レーザ装置が形成するレーザスポットの位置に光ファイバ９０の受光面を配置し、レーザ１０から放射されるレーザエネルギーを受容して光ファイバ９０の他端面側に伝達するようにしたものである。
【００６０】
光ファイバ９０の長さと可撓性とにより、簡単に、目的の場所に発光部を持ち込んで作業ができるような、使いやすいレーザ装置を得ることができる。なお、８００Ｗの出力を有するスタックアレイレーザダイオード１０を光源とし、コア径４００μｍの光ファイバ９０の入射面に、コアの断面より小さいレーザスポットを形成するように構成したレーザ装置は６０％の効率を達成している。
【００６１】
図１０は、本発明の第１のビーム変換器３０、ビーム圧縮器４０、及び第２のビーム変換器５０からなる光学系を説明するブロック図である。第１のビーム変換器３０は、図１０にあるように、２次元アレイ状に光学素子３２を適当な数だけ連結して形成されている。第１のビーム変換器の幅および高さは、スタックアレイレーザダイオードの発光面に対応させる。
【００６２】
光学素子３２は、図１０にあるように第１のビーム変換器の幅方向に活性層ストライプの軸方向を有するレーザビーム３６を面に垂直に受光する受光面と、光学素子内部で光軸に沿って光路を捻る処理を受けて光路を変換されたレーザビーム３７を面から垂直に出力する出力面とを有する。光学素子３２は、例えば、繰り返し間隔８００μｍで並んでいる活性層ストライプから放射される水平にストライプ長軸方向を有するレーザビーム３６を受容し、受容したレーザビームの断面の向きをほぼ９０°旋回してストライプ軸方向が垂直になるような変換をする。
【００６３】
第１のビーム変換器３０に用いる光学素子３２は、一般には、第１のビーム変換器を組み込むレーザ装置に使用するスタックアレイレーザダイオード１０の活性層ストライプ１２に１対１で対応するようにする。従って、例えば、繰り返し間隔８００μｍで活性層ストライプが１２個並び、さらに、それらが４ｍｍ毎に４層積み重なったスタックアレイレーザダイオードを使用する場合には、第１のビーム変換器は、繰り返し間隔８００μｍで光学素子を１２個並べ、さらに、それらを４ｍｍ毎に積み重ねたものとなる。
【００６４】
しかし、図６に示した例にあるように、活性層ストライプが高密度に並んでいる場合には、レーザビームを１本の連続波から放射されたものと見なして、第１のビーム変換器に受光するレーザを適当な間隔で区切って、その部分毎に約９０°レーザビームを旋回して用いることにより、実質的に、その間隔を幅として有する梯子状発光部を持ったリニアアレイレーザダイオードとして、さらに、これらのリニアアレイレーザダイオードが積み重なったスタックアレイレーザダイオードとして扱うことができる。このような目的には、活性層ストライプの数によらず、適当数の光学素子を２次元的に並列配置すれば足りる。
【００６５】
スタックアレイレーザダイオードの放射面が平面であることに対応して、第１のビーム変換器３０の入射面と出射面とは、第１のビーム変換器の全体に亘って、それぞれ１つの平面上に配置することがレーザ装置の構造上好都合である。
【００６６】
上記光学素子は、米国特許第５，５１３，２０１号に示されているとおり、いろいろな原理に基づいて形成することができる。
【００６７】
まず、３回の反射による捻転に基づくものである。これは、３個の直角プリズムを想定すると考えやすい。つまり、図１１に示すように、３個の直角プリズムを組み合わせる。第１の直角プリズムに横向きの扁平なレーザビームを入射すると、第１、第２、第３のプリズム内での３回の全反射により９０°捻れた縦向きの扁平なレーザビームとなって、第３の直角プリズムから出射する。３個の直角プリズムで果たせる機能を、図１２のような１個のプリズム素子で行うことができる。
【００６８】
このようなプリズム素子を１次元アレイに配列し、図１３のようなプリズムアレイとすれば、破線状に直列した配列のレーザビームを入射して梯子状に並列した配列のレーザビームに変換されて出射する。このようなプリズムアレイは１枚のガラス基板から、図１４のようにモノリシックに形成することもできる。このようなプリズムアレイを縦に積み重ねて、図１５のように、プリズム素子の２次元アレイとすれば、破線が並列した配列のレーザビームを入射して梯子が並列した配列のレーザビームに変換されて出射する。
【００６９】
３回の反射は、直角プリズムにおけるように、必ずしも直角である必要はなく、結果的に、破線が並列した配列のレーザビームを入射して梯子が並列した配列のレーザビームに変換されればよい。
【００７０】
反射面を用いる光学素子は、プリズムでなくて、適当に配置した反射鏡であってもよい。
【００７１】
反射鏡を用いてビーム変換器を構成する場合は、プリズムアレイにおける全反射面を反射面とするようにミラーアレイを形成すればよい。材料として、金属、金属メッキしたガラス、反射コーティングしたガラス、プラスチック、シリコン等が利用できる。微細な光学素子は、精密金型による製造或いは例えばシリコン半導体製造プロセスやＬＩＧＡプロセスを応用することにより製造可能である。シリコン結晶を利用する場合には、その劈開面を反射鏡面とすると加工も容易になる。
【００７２】
１次元のミラーアレイを用いれば、破線状に直列した配列のレーザビームを入射して梯子状に並列した配列のレーザビームに変換されて出射する。このようなミラーアレイを縦に積み重ねて、図１６のように、ミラー要素の２次元アレイとすれば、破線が並列した配列のレーザビームを入射して梯子が並列した配列のレーザビームに変換されて出射する。
【００７３】
図１７は、シリンドリカルレンズを並列配置した第１のビーム変換器を表す図である。この第１のビーム変換器は、シリンドリカルレンズの軸を４５°傾けて並列配置したものを、適当な距離を有する空間を挟んで対向配置したものである。入射面に水平に入射する扁平な光線は、４５°傾いたシリンドリカルレンズで、入射位置により異なる屈折力を受けて扁平軸が旋回し、さらに、出射面から４５°傾いたシリンドリカルレンズで扁平軸が、合計ほぼ９０°旋回して出射面から出射する。
【００７４】
第１のビーム変換器を使用することにより、スタックアレイレーザダイオードからのストライプ光は実質的に梯子が並列した配列に変化する。４５°に傾斜したシリンドリカルレンズの配列が隣接するリニアアレイＬＤ層のストライプの配列と合わない場合は、リニアアレイＬＤ層と対応するようにシリンドリカルレンズアレイを領域に分けて切断し、ストライプと合致するようにずらすとよい。
【００７５】
図１８は、入射面と出射面とが円柱表面を有し側面が平行で内部が稠密になっている光学ガラス製光学素子を複数接合した第１のビーム変換器を示す。この光学素子も一種のシリンドリカルレンズである。光学素子は水平面に対して４５°傾斜している。入射面に水平に入射する扁平な光線は、４５°傾いた入射面の円柱表面で生じる異なる屈折力を受けて扁平軸が旋回し、さらに、出射面の４５°傾いた円柱表面で扁平軸がほぼ９０°旋回して出射面から出射する。第１のビーム変換器を使用することにより、スタックアレイレーザダイオードからのストライプ光は、実質的に梯子が並列した配列に変化する。
【００７６】
ストライプ光間隔と整合する場合は、側面が平行面である必要はなく、断面が真円であるシリンダレンズを利用することも可能である。４５°に傾斜したシリンドリカルレンズの配列が隣接するリニアアレイＬＤ層のストライプの配列と合わない場合は、前記と同様、リニアアレイＬＤ層と対応するようにシリンドリカルレンズアレイを領域に分けて切断し、ストライプと合致するようにずらすとよい。
【００７７】
図１９は、光学ガラスのブロックから作製した第１のビーム変換器を示す。本ビーム変換器は、断面が長方形をした光学ガラス製角柱の入射面と出射面に同じ方向に４５°傾いた円柱表面を複数形成したもので、図１８のビーム変換器と同じ機能を有するものである。４５°に傾斜した円柱表面の配列が隣接するリニアアレイＬＤ層のストライプの配列と合わない場合は、前記と同様、リニアアレイＬＤ層と対応するように円柱表面アレイを領域に分けて切断し、ストライプと合致するようにずらすとよい。
【００７８】
図２０は、ダブプリズムを複数配設した第１のビーム変換器を示す。光学素子は水平面に対して４５°傾斜している。入射面に水平に入射する扁平な光線は、入射位置により底面での反射位置が異なるため出射面では垂直に出射する扁平な光線となる。従って、扁平軸がほぼ９０°旋回して出射する。第１のビーム変換器を使用することにより、スタックアレイレーザダイオードからのストライプ光は、実質的に梯子が並列した配列に変化する。隣接するダブプリズムを接合する場合は必要に応じてダブプリズムの底面を反射コーティングしておくとよい。
【００７９】
ビーム変換器は回折を利用する光学素子を使用したものであってもよい。図２１はバイナリオプティクスを利用する光学素子を示す図である。該光学素子は透明板に中心軸を４５°傾けて配列し、各中心軸に垂直な方向に、中心軸に対して対称に深さが変化する多数の溝を設け階段状としたものである。溝の深さは、回折を利用して中心から外に向かうに連れて回折角を増すように変化する。出射面における階段状表面は入射面における階段状表面と面対称となるよう刻まれている。入射面に水平に入射する扁平な光線は、中心軸が４５°傾いた階段状表面で、入射位置により異なる屈折力を受けて扁平軸が旋回し、さらに、出射面から中心軸が４５°傾いた階段状表面で扁平軸が、合計９０°旋回して出射面から出射する。このようなバイナリオプティクスは光学ガラスやプラスチックからなり、半導体製造プロセスによる製造の他、金型を用いて製造することも可能である。
【００８０】
図２２は、中央面で最も屈折率が高く側面に近づくほど屈折率が低くなる光学ガラス体からなる１次元分布屈折率レンズを複数接合した第１のビーム変換器を示す。１次元分布屈折率レンズは水平面に対して４５°傾斜している。入射面に水平に入射する扁平な光線は、４５°傾いた中央面に向かう屈折力を受けて扁平軸がほぼ９０°旋回して出射面から出射する。
【００８１】
図２３は、光学ガラス板の両面に、同じ方向にそれぞれ対になるほぼ半円柱状の分布屈折率レンズ要素を対向配置したものを複数形成した第１のビーム変換器を示す。半円柱の中心軸は水平面に対して４５°傾斜しており、半円の中心が最も屈折率が高く、外側になる程屈折率が低くなっている。光学ガラス板の両面は入射面および出射面になっており、入射面に水平に入射する扁平な光線は、４５°傾いた分布屈折率レンズ要素で、入射位置により異なる屈折力を受けて扁平軸がほぼ９０°旋回して出射面から出射する。
【００８２】
図２４は、アナモルフィックプリズムを用いたビーム圧縮器を表す斜視図、図２５は、その平面図である。アナモルフィックプリズムに一定の幅を持った平行光線を入射すると、屈折効果により幅が短縮されたビームに変換されてアナモルフィックプリズムから出射する。
【００８３】
図２６の斜視図、および、その平面図である図２７に示すように、アナモルフィックプリズムをもう１個用意しアナモルフィックプリズムペアとすると、２度の屈折効果により、さらに幅が短縮されるばかりでなく、入射光軸に対し出射光軸は平行移動するのみで方向は変わらない。
【００８４】
第１のビーム変換器から出射した、梯子状に並列したレーザビーム列が更に複数並列し２次元配列したレーザビーム群は、アナモルフィックプリズムによりビーム圧縮され、各々のレーザビーム列について列が圧縮され梯子の間隔が短縮したレーザビーム列に変換される結果、これら圧縮レーザビーム列が１列に直列した配列に変換される。
【００８５】
さらに、もう１組のアナモルフィックプリズムペアを用意し、合計４枚のアナモルフィックプリズムを使用すると、出射光軸を入射光軸のほぼ前方に位置させることができる。勿論、光軸の向きが変化することを厭わなければ、１個のアナモルフィックプリズムのみ使用してもよい。
【００８６】
第２のビーム変換器５０は、図１０にあるように、１次元アレイ状に光学素子５２をスタックアレイレーザダイオードのスタック層の数だけ連結して形成されている。第２のビーム変換器５０に用いる光学素子５２は、ビーム圧縮器４０から出射した各圧縮レーザビーム列に１対１に対応するようにする。光学素子５２は第１のビーム変換器３０に用いる光学素子３２と同じ原理で入射したレーザビームを９０°捻転する。従って、圧縮された並列レーザビーム列が、さらに直列したレーザビーム群がビーム圧縮器から出射し第２のビーム変換器に入射すると、圧縮された並列レーザビーム列が９０°捻転する結果、全てのレーザビーム要素が１列に並列した配列となる。
【００８７】
上記光学素子は、第１のビーム変換器に用いた種々の原理に基づいて形成することができる。
【００８８】
まず、３回の反射による捻転に基づくものである。図２８のように、縦向きの扁平なレーザビームが横に並列したものを入射すると、３回の反射により９０°捻れた横向きの扁平なレーザビームが縦に並列したものとなって出射するプリズム素子を１次元アレイに配列すれば、圧縮された並列レーザビーム列がさらに直列したレーザビーム群を入射して、全てのレーザビーム要素が１列に並列した配列に変換されて出射する。このような１次元アレイは１枚のガラス基板から図２９のようにモノリシックに形成することもできる。
【００８９】
３回の反射は直角プリズムに於けるように必ずしも直角である必要はなく、結果的に、圧縮された並列レーザビーム列が、さらに直列したレーザビーム群を入射して全てのレーザビーム要素が１列に並列した配列に変換されればよいことは第１のビーム変換器の場合と同様である。
【００９０】
また、反射面を用いる光学素子はプリズムでなくて適当に配置した反射鏡であってもよい。
【００９１】
図３０のように、３回の反射により９０°捻れた横向きの扁平なレーザビームが縦に並列したものとなって出射するミラー要素を１次元アレイに配列すれば、圧縮された並列レーザビーム列がさらに直列したレーザビーム群を入射して、全てのレーザビーム要素が１列に並列した配列に変換されて出射する。
【００９２】
図３１は、シリンドリカルレンズを並列配置した第２のビーム変換器を表す図である。このビーム変換器は、シリンドリカルレンズの軸を４５°傾けて並列配置したものを適当な距離を有する空間を挟んで対向配置したものである。
【００９３】
入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いたシリンドリカルレンズで入射位置により異なる屈折力を受けてビーム列の断面が旋回し、さらに、出射面から４５°傾いたシリンドリカルレンズでビーム列の断面が合計ほぼ９０°旋回して出射面から出射する。
【００９４】
第２のビーム変換器を使用することにより、ビーム圧縮器からの圧縮された並列レーザビーム列が、さらに直列したレーザビーム群は、実質的に、全てのレーザビームが梯子状に１列に並列した配列に変換される。このとき、全ての梯子の間隔が同一である必要はない。
【００９５】
図３２は、入射面と出射面とが円柱表面を有し側面が平行で内部が稠密になっている光学ガラス製光学素子を複数接合したビーム変換器を示す。光学素子は水平面に対して４５°傾斜している。入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いた入射面の円柱表面で生じる異なる屈折力を受けてビーム列の断面が旋回し、さらに、出射面の４５°傾いた円柱表面でビーム列の断面がほぼ９０°旋回して出射面から出射する。
【００９６】
第２のビーム変換器を使用することにより、ビーム圧縮器からの圧縮された並列レーザビーム列が、さらに直列したレーザビーム群は、実質的に、全てのレーザビームが梯子状に１列に並列した配列に変換される。このとき、全ての梯子の間隔が同一である必要はない。圧縮された並列レーザビーム列と隣接のビーム列との間隔と整合する場合は、側面が平行面である必要はなく、断面が真円であるシリンダレンズを利用することも可能である。
【００９７】
図３３は、光学ガラスのブロックから作製した第２のビーム変換器を示す。本ビーム変換器は、断面が長方形をした光学ガラス製角柱の入射面と出射面に同じ方向に４５°傾いた円柱表面を複数形成したもので、図３２のビーム変換器と同じ機能を有するものである。
【００９８】
図３４はダブプリズムを利用した第２のビーム変換器を示す。入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いたダブプリズムの入射面で屈折し、入射位置の違いが底面で異なる反射位置を与えるため出射面ではビーム列の断面がほぼ９０°旋回して出射面から屈折して出射する。隣接するダブプリズムを接合する場合は必要に応じてダブプリズムの底面を反射コーティングしておくとよい。
【００９９】
図３５はバイナリオプティクスを利用した第２のビーム変換器を示す。本ビーム変換器は、入射面と出射面に同じ方向に中心軸が４５°傾いた階段状表面を複数形成したものである。入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いた入射面の階段状表面で生じる異なる回折力を受けてビーム列が旋回し、さらに、出射面の４５°傾いた階段状表面でビーム列の断面が９０°旋回して出射面から出射する。
【０１００】
図３６は１次元分布屈折率レンズを利用した第２のビーム変換器を示す。本ビーム変換器は、中央面で最も屈折率が高く側面に近づくほど屈折率が低くなる光学ガラス体からなる１次元分布屈折率レンズを４５°傾けて複数接合したものである。入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いた１次元分布屈折率レンズ内での入射位置によって異なる屈折力を受けてビーム列が旋回し、ビーム列の断面が９０°旋回して出射面から出射する。
【０１０１】
図３７は対向配置した分布屈折率レンズ要素を利用した第２のビーム変換器を示す。本ビーム変換器は、光学ガラス板の両面に、同じ方向にそれぞれ対になるほぼ半円柱状の分布屈折率レンズ要素を対向配置したものを複数形成したものである。半円柱の中心軸は水平面に対して４５°傾斜しており、半円の中心が最も屈折率が高く、外側になる程屈折率が低くなっている。入射面に水平に入射する圧縮された並列レーザビーム列は、４５°傾いた分布屈折率レンズ要素により入射位置によって異なる屈折力を受けてビーム列が旋回し、ビーム列の断面が９０°旋回して出射面から出射する。
【０１０２】
図３８は、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の平面図、図３９はその立面図である。該半導体レーザ励起固体レーザ装置は、本発明の半導体レーザ装置を固体レーザ９５の励起光源として使用する。スタックアレイレーザダイオードを利用した従来の半導体レーザ装置は光学系でエネルギーを集中しても横長の領域に限られ、実質的なエネルギー密度は大きくなかった。また、このエネルギーを有効に利用しようとすると、固体レーザの側面励起しかできなかった。
【０１０３】
本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、スタックアレイレーザダイオード１０の点線状発光ストライプを短い焦点距離f1を有する第１の柱状レンズアレイ２０により、ストライプと垂直な方向に集束した後に第１のビーム変換器３０を用いて複数列の梯子状レーザビームに変換し、ビーム圧縮器４０で列毎にビームを圧縮、第２のビーム変換器５０で列毎にビームを旋回し全てのビームを１列に並列した配列に変換し、次いで、長い焦点距離f3を有する第２の柱状レンズ６０で梯子状レーザビームの横方向に集束した後に、集束レンズ７０で固体レーザ素子９６の受光面上の小さい領域にエネルギーを収斂させる。
【０１０４】
本発明の半導体レーザ装置は、前述のとおり、縦方向f2／f1と横方向f2／f3とで異なる集束力を用いて、所定の狭い範囲にエネルギーを集中することができる。このため、本発明の半導体レーザ装置を利用した本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、スタックアレイレーザダイオード１０の出力を有効活用できるとともに、固体レーザ９５の端面励起をも可能にするものである。
【０１０５】
固体レーザ素子として、ＹＡＧ、ＹＬＦなど通常の固体レーザ素子のほか、Ｑスイッチや波長変換素子を含む固体レーザ素子も利用できる。
【０１０６】
また、固体レーザ素子への励起光源の入射がブリュースター角をもって行われてもよい。固体レーザ素子は短吸収長レーザ結晶（ＹＶＯ4）であってもよい。本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置により、３００Ｗの半導体レーザ素子を用いて、１００ＷのＹＡＧレーザ出力を得ることができた。
【０１０７】
図４０は、本発明の光ファイバー導光半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の平面図、図４１は、その立面図である。該光ファイバー導光半導体レーザ励起固体レーザ装置は、本発明の半導体レーザ装置の出力を光ファイバー９０で導光して固体レーザ９５の励起光源とする。光ファイバーの出力部には端部から放散されるレーザビームのエネルギーをコリメートして再度収斂させるための光学系９２が設けられている。
【０１０８】
このように、半導体レーザ装置部分と固体レーザ装置部分の間に柔軟な光ファイバーが介在するため、装置の自由度が飛躍的に増大し、構成が容易になる利点がある。本発明の光ファイバー導光半導体レーザ励起固体レーザ装置により、４００Ｗの半導体レーザ素子を用いて８０ＷのＹＡＧレーザ出力を得ることができた。
【０１０９】
本発明の半導体レーザ装置は、スタックアレイレーザダイオードが発生するレーザエネルギーは極めて小さな面積に集束させることができることから、十分にレーザ加工や医療用に用いることができる。また、本発明のビーム変換器を使用してスタックアレイ半導体レーザのエミッタを実質的に１列の梯子状に配列する効果をもたらした半導体レーザ装置は、極めて小さい焦点にスタックアレイ半導体レーザのエネルギーを集中することが可能になる。さらに、本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置は、強力な半導体レーザを活用した端面励起が可能となり、効率が高くビームの質が良い固体レーザ出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  スタックアレイレーザダイオードとレーザビームの指向性を説明する図である。
【図２】  本発明の半導体レーザ装置の平面図である。
【図３】  図２に示した半導体レーザ装置の立面図である。
【図４】  第１のビーム変換器とビーム圧縮器との間に、さらに、第４の集光器を用いた本発明の半導体レーザ装置の平面図である。
【図５】  図４に示した半導体レーザ装置の立面図である。
【図６】  密集型エミッタ構造の半導体レーザを用いた本発明の半導体レーザ装置の平面図である。
【図７】  図６に示した半導体レーザ装置の立面図である。
【図８】  光ファイバを用いた本発明の半導体レーザ装置の平面図である。
【図９】  図８に示した半導体レーザ装置の立面図である。
【図１０】  本発明の第１のビーム変換器、ビーム圧縮器、および、第２のビーム変換器を説明するブロック図である。
【図１１】  ３回の反射によるビーム変換の原理を、３個の直角プリズムを用いて説明する図である。
【図１２】  斜角柱の形状をした光学素子と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１３】  図１２の光学素子を並列配置して得られるビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１４】  図１３のビーム変換器と等価の一体的なビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１５】  図１４のビーム変換器をスタックして得られる第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１６】  ミラーアレイをスタックして得られる第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１７】  シリンドリカルレンズを並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１８】  入射面と出射面とが円柱表面を有する光学素子を並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図１９】  光学ガラスのブロックから作製した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２０】  ダブプリズムを並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２１】  バイナリオプティクスを並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２２】  １次元分布屈折率レンズを並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２３】  半円柱状の分布屈折率レンズ要素を並列配置した第１のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２４】  アナモルフィックプリズムによるビーム圧縮器と、それによるビーム圧縮を示す斜視図である。
【図２５】  図２４に示したビーム圧縮器と、それによるビーム圧縮を示す平面図である。
【図２６】  アナモルフィックプリズムを２個用いたアナモルフィックプリズムペアによるビーム圧縮器と、それによるビーム圧縮を示す斜視図である。
【図２７】  図２６に示したビーム圧縮器と、それによるビーム圧縮を示す平面図である。
【図２８】  斜角柱の形状をした光学素子を並列配置して得られる第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図２９】  図２８のビーム変換器と等価の一体的な第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３０】  ミラー要素を並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３１】  シリンドリカルレンズを並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３２】  入射面と出射面とが円柱表面を有する光学素子を並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３３】  光学ガラスのブロックから作製した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３４】  ダブプリズムを並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３５】  バイナリオプティクスを並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３６】  １次元分布屈折率レンズを並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３７】  半円柱状の分布屈折率レンズ要素を並列配置した第２のビーム変換器と、それによるビーム変換を示す斜視図である。
【図３８】  本発明の半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の平面図である。
【図３９】  図３８に示した半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の立面図である。
【図４０】  本発明の光ファイバー導光半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の平面図である。
【図４１】  図４０に示した光ファイバー導光半導体レーザ励起固体レーザ装置を説明するブロック図の立面図である。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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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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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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