(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光面が互いに平行で、直交２方向の拡がり角θａ、θｂがθａ＞θｂを満たすレーザ光を出射する第１および第２半導体レーザと、
第１および第２半導体レーザから出射されるレーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光するシリンドリカル光学素子と、
シリンドリカル光学素子を通過した各レーザ光の偏光面が互いに９０度となるように偏光方向を制御する偏光回転素子と、
偏光回転素子を通過した各レーザ光の光路を複屈折効果によって合流させる複屈折光学素子と、
複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子とを備え、
第１および第２半導体レーザが、単一のチップに複数の発光領域が形成された横マルチモードの半導体レーザアレイで隣接する発光領域であり、
シリンドリカル光学素子は、該半導体レーザアレイ側の入力面が該複数の発光領域が形成される方向に平行な母線を有する円筒状で、偏光回転素子側の出力面が平面状であり、
偏光回転素子は、シリンドリカル光学素子側の光入射面が平面状に形成され、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
シリンドリカル光学素子の集光位置と集光性光学素子の集光位置とが一致し、該集光位置に光ファイバの入射端面が配置されることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
【請求項３】
前記光ファイバが複数の光ファイバが束ねられて構成され、各光ファイバの入射端面には前記半導体レーザアレイの発光領域のうち２つの発光領域からのレーザ光が合流して入射するように配置された光ファイババンドルであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ光源。
【請求項４】
偏光面が互いに平行で、直交２方向の拡がり角θａ、θｂがθａ＞θｂを満たすレーザ光を出射する第１および第２半導体レーザが、単一のチップで隣接する発光領域に形成された横マルチモードの半導体レーザアレイと、
半導体レーザアレイ側の入力面が第１および第２半導体レーザが隣接する方向に平行な母線を有する円筒状で、偏光回転素子側の出力面が平面状であり、第１および第２半導体レーザから出射されるレーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光するシリンドリカル光学素子と、
シリンドリカル光学素子側の光入射面が平面状に形成され、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成され、シリンドリカル光学素子を通過した各レーザ光の偏光面が互いに９０度となるように偏光方向を制御する偏光回転素子と、
偏光回転素子を通過した各レーザ光の光路を複屈折効果によって合流させる複屈折光学素子と、
複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子と、
合流したレーザ光で光励起され、レーザ発振を行う固体レーザ媒質とを備えることを特徴とする固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のレーザ光を合成するように構成された半導体レーザ光源およびこれを用いた固体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、ガスレーザや固体レーザ等と比べて小型で信頼性が高く、メンテナンスも容易である点で、光通信や光ディスク装置等で広く使用されているが、レーザ溶接やレーザメス等の大出力レーザ光を必要とする分野では開発途上の段階である。１つの半導体レーザから得られる光出力は、ＣＷ(Constant Wave )動作で数ｍＷから数百ｍＷ程度が限度であり、上記分野への応用はかなり難しい。こうした対策として、複数の半導体レーザからのレーザ光を１つに合成することによって、レーザ光の大出力化を狙う研究が行われている。
【０００３】
一方、半導体レーザのレーザ光は拡がり角が大きいため、光学素子の形状や配置に高い精度が要求され、複数のレーザ光を１つに合成することはかなり技術的に困難であるが、たとえば１本の光ファイバに複数のレーザ光を合流させることが実現できければ、応用分野も拡大する。
【０００４】
先行技術として特開昭６０−７６７０７号公報には、２つの半導体レーザからの光を１本の光ファイバに入射させるために、一方のレーザ光の偏光面を９０°回転させた後、複屈折効果によって２つのレーザ光を合流させる光学系を使用しており、１つが故障したとき残りが動作を継続することによって、多重化による信頼性向上を目的とした光通信用の半導体レーザ二重化モジュールが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６０−７６７０７号公報の構成では、拡がり角の大きい半導体レーザを使用した場合、複屈折素子への入射角度が光軸近傍の光と外側に拡がった光とで大きく相違するため、複屈折効果がばらついてレーザ光の合流が困難になる。さらに、入射角度が大きく変化することによってレーザ光の波面も乱れてしまうため、小さなコア径を有する光ファイバへの集光が難しくなる。
【０００６】
波長安定性や寿命を重視した光通信用半導体レーザでは拡がり角があまり大きくないため、上記のような問題点は生じないが、高出力・高輝度を重視した加工用半導体レーザでは一般に拡がり角が大きいため、上記のような問題点が浮上してくる。
【０００７】
さらに、該先行技術ではレーザ光を合流させる光学素子と光ファイバに結合させる光学素子とを別個に設けているため、光の通過損失も増加するとともに、全体構成が大型で複雑になり、信頼性や生産性が低くなる。
【０００８】
本発明の目的は、レーザ光同士の合流効率および後段の光学系への結合効率を格段に向上できる半導体レーザ光源を提供することである。
【０００９】
また本発明の目的は、レーザ光同士の合流効率および後段の光学系への結合効率の向上によって、励起光の大出力化が可能な固体レーザ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、偏光面が互いに平行で、直交２方向の拡がり角θａ、θｂがθａ＞θｂを満たすレーザ光を出射する第１および第２半導体レーザと、
第１および第２半導体レーザから出射されるレーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光するシリンドリカル光学素子と、
シリンドリカル光学素子を通過した各レーザ光の偏光面が互いに９０度となるように偏光方向を制御する偏光回転素子と、
偏光回転素子を通過した各レーザ光の光路を複屈折効果によって合流させる複屈折光学素子と、
複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子とを備え、
第１および第２半導体レーザが、単一のチップに複数の発光領域が形成された横マルチモードの半導体レーザアレイで隣接する発光領域であり、
シリンドリカル光学素子は、該半導体レーザアレイ側の入力面が該複数の発光領域が形成される方向に平行な母線を有する円筒状で、偏光回転素子側の出力面が平面状であり、
偏光回転素子は、シリンドリカル光学素子側の光入射面が平面状に形成され、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１１】
本発明に従えば、第１および第２半導体レーザの後にシリンドリカル光学素子を配置し、レーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光することによって、光利用効率が向上するとともに、後段に配置された複屈折光学素子への入射角度変化を小さくできる。そのためレーザ光の複屈折効果のばらつきが減少して、レーザ光同士の合流効率も向上する。
【００１２】
また、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成される複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子、たとえばシリンドリカルレンズや球面レンズなどを設けることによって、光利用効率が向上するとともに、シリンドリカル光学素子および集光性光学素子が２つの拡がり角θａ、θｂを別個に制御することになるため、円形で小さい集光スポットを実現できる。その結果、たとえば光ファイバ等の後段の光学系との結合効率を格段に向上できる。
【００１６】
さらに複数の発光領域を有する半導体レーザアレイを用いることによって、各発光領域での発光特性、たとえば拡がり角、偏光比、発振波長、出力などがほぼ均一になるため、合流後のレーザ光の特性を均質にできる。また、横マルチモードの半導体レーザアレイは単体でも大出力のものが得られるため、レーザ光の出力向上に資する。
【００１９】
また本発明は、シリンドリカル光学素子の集光位置と集光性光学素子の集光位置とが一致し、該集光位置に光ファイバの入射端面が配置されることを特徴とする。
【００２０】
本発明に従えば、集光位置でのスポット径を小さく形成できるため、光ファイバとの結合効率が格段に向上する。
【００２１】
また本発明は、前記光ファイバが複数の光ファイバが束ねられて構成され、各光ファイバの入射端面には前記半導体レーザアレイの発光領域のうち２つの発光領域からのレーザ光が合流して入射するように配置された光ファイババンドルであることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、光ファイババンドルの出射端面が一定面積を有する面状光源として構成されるため、大出力・高輝度の光源を実現でき、光励起型固体レーザの励起光源やその他の加工や照明、表示などの用途に有用である。
【００２３】
また本発明は、偏光面が互いに平行で、直交２方向の拡がり角θａ、θｂがθａ＞θｂを満たすレーザ光を出射する第１および第２半導体レーザが、単一のチップで隣接する発光領域に形成された横マルチモードの半導体レーザアレイと、
半導体レーザアレイ側の入力面が第１および第２半導体レーザが隣接する方向に平行な母線を有する円筒状で、偏光回転素子側の出力面が平面状であり、第１および第２半導体レーザから出射されるレーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光するシリンドリカル光学素子と、
シリンドリカル光学素子側の光入射面が平面状に形成され、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成され、シリンドリカル光学素子を通過した各レーザ光の偏光面が互いに９０度となるように偏光方向を制御する偏光回転素子と、
偏光回転素子を通過した各レーザ光の光路を複屈折効果によって合流させる複屈折光学素子と、
複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子と、
合流したレーザ光で光励起され、レーザ発振を行う固体レーザ媒質とを備えることを特徴とする固体レーザ装置である。
【００２４】
本発明に従えば、第１および第２半導体レーザの後にシリンドリカル光学素子を配置し、レーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光することによって、光利用効率が向上するとともに、後段に配置された複屈折光学素子への入射角度変化を小さくできる。そのためレーザ光の複屈折効果のばらつきが減少して、レーザ光同士の合流効率も向上する。
【００２５】
また、第１半導体レーザからのレーザ光と第２半導体レーザからのレーザ光とが通過する部分の厚さが異なるように、光出射面が段差状に形成される複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子、たとえばシリンドリカルレンズや球面レンズなどを設けることによって、光利用効率が向上するとともに、シリンドリカル光学素子および集光性光学素子が２つの拡がり角θａ、θｂを個別に制御することによって、円形で小さい集光スポットを実現できる。その結果、後段の光学系との結合効率を格段に向上できる。
【００２６】
こうして大出力化されたレーザ光を固体レーザ媒質の励起光として使用することによって、固体レーザ媒質のレーザ出力が格段に増加する。
【００２７】
ここでシリンドリカル光学素子とは、両側の光入出力面が互いに平行な母線を有する曲面や平面で形成され、母線と垂直な方向に集光力を有し、母線と平行な方向に集光力を持たない素子を意味し、たとえば一方が円筒状で他方が平面状に形成されたレンズ（いわゆるかまぼこ型レンズ）などが例示できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の一形態の構成を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は部分正面図、図１（ｃ）は光出射側の端面形状を示す図である。半導体レーザ光源９は、複数の発光領域３を有する半導体レーザアレイ２と、発光領域３からのレーザ光ＬＡ、ＬＢをＺ方向に集光するシリンドリカルレンズ４と、シリンドリカルレンズ４を通過したレーザ光ＬＡ、ＬＢの偏光面が互いに９０度となるように偏光方向を制御する偏光回転素子である波長板５と、波長板５を通過したレーザ光ＬＡ、ＬＢの光路を複屈折効果によって合流させる複屈折光学素子６と、複屈折光学素子６を通過するレーザ光ＬＡ、ＬＢをＸ方向に集光するためにシリンドリカル面状に形成された光出射面７と、シリンドリカルレンズ４および光出射面７の集光位置に設けられた複数の光ファイバ１０などで構成される。
【００３１】
半導体レーザアレイ２から複屈折光学素子６での各光学素子は同一の基板上に固定され、光源モジュール１として構成される。
【００３２】
半導体レーザアレイ２は、単一のチップに複数の発光領域３がストライプ幅５０μｍ、ストライプ間隔５００μｍ、共振器長１ｍｍで形成されたもので、１つの発光領域が１つの独立した半導体レーザとして機能し、横マルチモード発振でそれぞれ出力１Ｗ程度という大出力のレーザ光を発生する。こうした半導体レーザアレイ２を用いることによって、各発光領域３での発光特性、たとえば拡がり角、偏光比、発振波長、出力などがほぼ均一になるため、合流後のレーザ光の特性を均質にできる。
【００３３】
発光領域３からのレーザ光ＬＡ、ＬＢは、ＸＹ面と平行に形成された活性層に対して垂直なＺ方向に拡がり角が大きい楕円状の強度分布を示し、たとえばＺ方向の拡がり角θｚ＝３４°、Ｘ方向の拡がり角θｘ＝１０°である。また、発光領域３から出射した直後のレーザ光ＬＡ、ＬＢはほぼ直線偏光であり、その偏光面は活性層と平行になる。
【００３４】
シリンドリカルレンズ４は、Ｘ方向と平行な母線を有するシリンドリカル面に形成された光入射面と、平面状の光出射面とを有し、発光領域３からのレーザ光ＬＡ、ＬＢをＺ方向にのみ集光し、Ｘ方向には集光しない。こうしたシリンドリカルレンズ４を半導体レーザアレイ２の後に配置することによって、光利用効率が向上するとともに、後段の複屈折光学素子６への入射角度変化を小さくできるため、複屈折効果のばらつきが減少し、レーザ光同士の合流効率が向上する。
【００３５】
シリンドリカルレンズ４として、たとえば光入射面の曲率半径５００μｍ、開口数（ＮＡ）０．４、中心厚さ０．５ｍｍの溶融クォーツから成るシリンドリカルレンズ４が使用できる。
【００３６】
波長板５は、Ｘ方向とＺ方向とで光の屈折率が相違する１軸性結晶または２軸性結晶で形成され、かつレーザ光ＬＡが通過する部分５ａとレーザ光ＬＢが通過する部分５ｂとで厚さが異なるように光出射面が段差状に形成される。こうした形状によって光学距離の相違に起因する光の位相差が生じ、隣合ったレーザ光ＬＡ、ＬＢ同士の偏光面の回転角度が９０°となるように調整している。
【００３７】
波長板５として、たとえば異常光屈折率ｎｅ＝１．５３８０、常光屈折率ｎｏ＝１．５４７０の溶融クォーツで形成し、部分５ａの厚さが０．５ｍｍで、部分５ｂでは厚さ０．５ｍｍに対して４５μｍの凹みを形成することによって、部分５ａは偏光面をそのまま保持するとともに、部分５ｂは２分の１波長板として機能し、偏光面を９０°回転させる。したがって、部分５ａを通過するレーザ光ＬＡの偏光面はＸ方向と平行なままであり、一方、部分５ｂを通過するレーザ光ＬＢの偏光面はＺ方向と平行になり、両者の偏光面は互いに垂直になる。なお、各部分５ａ、５ｂの厚さを調整することによって、レーザ光ＬＡの偏光面を９０°回転させ、レーザ光ＬＢの偏光面をそのまま保持するような波長板も使用可能であり、あるいは一方の偏光面を＋４５°に回転させ、他方を−４５°に回転させるように構成することも可能である。
【００３８】
複屈折光学素子６は、複屈折性の結晶、たとえばｃ軸に対して４５°の方向に切り出されたＹＶＯ4 結晶（異常光屈折率ｎｅ＝２．２０、常光屈折率ｎｏ＝２．０）で形成され、複屈折効果によってレーザ光ＬＡは常光線としてＹ方向と平行に直進し、レーザ光ＬＢは異常光線としてＸＹ面内でＹ方向に対して約５．８°のビームウォークオフが生じて斜めに進行する。また、複屈折光学素子６内でのレーザ光ＬＡ、ＬＢはともに約２．５°の拡がり角となる。
【００３９】
こうして光入射面で一定距離隔てていたレーザ光ＬＡ、ＬＢは、レーザ光ＬＢの斜め進行によって光路が交差することになり、この交差位置と光出射面とが一致するように複屈折光学素子６の長さを調整する。ここでは長さ５ｍｍに設定している。
【００４０】
光出射面７は、Ｚ方向と平行な母線を有し、たとえば曲率半径５ｍｍのシリンドリカル面状に形成することによって、シリンドリカルレンズと同等な機能を付与しており、レーザ光ＬＡ、ＬＢをＸ方向にのみ集光し、Ｚ方向に集光しない。この光出射面７では、レーザ光ＬＢは約５．８°のビームウォークオフが解消され、レーザ光ＬＡ、ＬＢは重なり合ってＹ方向と平行に出射する。こうして合流したレーザ光ＬＡ、ＬＢは、１つの光ファイバ１０に入射する。
【００４１】
ここで、光出射面７によるＸ方向の集光位置とシリンドリカルレンズ４によるＺ方向の集光位置とを一致させることが好ましく、たとえば光出射面７の結像倍率βｘをほぼ等倍、シリンドリカルレンズ４の結像倍率βｚを１０〜３０倍に設定している。これによって直交方向で拡がり角が異なるレーザ光であっても、集光位置で円形で小さい集光スポットを実現でき、後段の光学系である光ファイバ１０との結合効率を向上できる。また、複屈折光学素子６の光出射面７に集光レンズの機能を一体的に形成することによって、個別配置と比べて界面反射ロスが少なくなるとともに、組立調整が簡単になり、信頼性や生産性が向上する。
【００４２】
光ファイバ１０は、たとえば直径６０μｍのコア１１とコア１１を被覆するクラッド１２とで構成され、開口数ＮＡ＝０．１４である。光ファイバ１０の光入射端面は、複屈折光学素子６の光出射面７から約７ｍｍ後方に配置される。
【００４３】
こうして隣合うレーザ光ＬＡ、ＬＢが合流した光ファイバ１０が複数本設置され、これらの光出射端はリング状の結束部材１３によって結束され、図１（ｃ）に示すように、１本の光ファイババンドルとして構成され、レーザ光ＬＣを発生する単一の面状光源として利用される。たとえば、出力１Ｗの発光領域３が２０個形成された半導体レーザアレイ２と、１０本の光ファイバを使用することによって、途中の光学ロスを考慮しても出力約１４Ｗのレーザ光ＬＣを発生する光源が得られることになる。これは半導体レーザのレーザ加工への応用を拡大するものである。
【００４４】
図２は、本発明に係る固体レーザ装置の構成図である。固体レーザ装置は、図１で説明した半導体レーザ装置９と、半導体レーザ装置９から発生するレーザ光ＬＣを集光するレンズ１４と、レーザ光ＬＣによって光励起されてレーザ発振を行う固体レーザ部２０などで構成される。
【００４５】
固体レーザ部２０は、励起光であるレーザ光ＬＣによって光励起されて反転分布を形成する固体レーザ媒質２２と、レーザ光ＬＣの波長に対して高い透過率で、固体レーザ媒質２２の発振波長に対して高い反射率を示す凹面ミラー２１と、固体レーザ媒質２２の発振波長に対して９５％の反射率を示す平面ミラー２４と、発振光の横モードを制限するアパーチャ２３などで構成される。
【００４６】
たとえば、レーザ光ＬＣの波長が８１０ｎｍ、固体レーザ媒質２２がＮｄが１．１ａｔ％ドープされ、発振波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶、アパーチャ２３の開口直径が２５０μｍ、凹面ミラー２１および平面ミラー２４から成る光共振器長が１００ｍｍで構成された場合、波長１０６４ｎｍで出力約７．５Ｗのレーザ光ＬＰを得ることができる。
【００４７】
このように半導体レーザアレイ２から出射される複数のレーザ光を複屈折効果によって２つから１つに合流させ、さらに光ファイバ１０を束ねることによって大出力で単一の励起光源が得られる。さらに固体レーザ媒質２２を光励起するよって、固体レーザ媒質２２のレーザ発振出力も格段に増加する。
【００４８】
図３は本発明に関連する形態の構成を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分正面図である。全体の構成は図１で説明したものと同様であるが、図１のシリンドリカルレンズ４の代わりに屈折率分布型の円柱レンズ４ａ（たとえば直径３００μｍのドリックレンズ：カナダDoric Lenses社製）をシリンドリカル光学素子として使用している。シリンドリカルレンズとして円柱レンズ４ａを用いているため、図３（ｂ）に示すように、光ファイバ１０のＮＡを大きくしなくても光ファイバ１０と半導体レーザアレイ２との距離を近づけることができる。そのための設計として、発光領域３の間隔を２５０μｍ、複屈折光学素子６の長さを２．５ｍｍ、光出射面７のシリンドリカル面の曲率半径を２．５ｍｍとし、さらに複屈折光学素子６と光ファイバ１０との距離を３．５ｍｍとした。その他の条件や動作内容は図１のものと同様であるため重複説明を省略する。このように円柱レンズ４ａを用いることで、光ファイバ１０のＮＡを図１のものと同じ０．１４のままで、光伝播方向に沿った全体の長さを約半分にすることができた。
【００４９】
さらに、こうした円柱レンズ４ａを用いた場合、半導体レーザアレイ２の発光領域３からのレーザ光ＬＡ、ＬＢをＺ方向に集光して、複屈折光学素子６におけるレーザ光ＬＡ、ＬＢの合成をさらに効率的に行なうことができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、第１および第２半導体レーザの後にレーザ光を拡がり角θａが減少する方向に集光するシリンドリカル光学素子を配置することによって、光利用効率が向上し、複屈折光学素子への入射角度変化を小さくできる。そのためレーザ光の複屈折効果のばらつきが減少して、レーザ光同士の合流効率も向上する。
【００５１】
また、第１および第２半導体レーザからのレーザ光が通過する部分の厚さがそれぞれ異なるように、段差状の光出射面が形成される複屈折光学素子で合流したレーザ光を拡がり角θｂが減少する方向に集光する集光性光学素子を設けることによって、光利用効率が向上するとともに、シリンドリカル光学素子および集光性光学素子が２つの拡がり角θａ、θｂを別個に制御することになるため、円形で小さい集光スポットを実現できる。その結果、後段の光学系との結合効率を格段に向上できる。
【００５２】
さらに、合流したレーザ光で固体レーザ媒質の光励起を行うことによって、励起光の大出力化が図られ、その結果、固体レーザ媒質のレーザ発振出力も格段に増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の構成を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は部分正面図、図１（ｃ）は光出射側の端面形状を示す図である。
【図２】本発明に係る固体レーザ装置の構成図である。
【図３】  本発明に関連する形態の構成を示し、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は部分正面図である。
【符号の説明】
１  光源モジュール
２  半導体レーザアレイ
３  発光領域
４  シリンドリカルレンズ
４ａ  円柱レンズ
５  波長板
６  複屈折光学素子
７  光出射面
９  半導体レーザ光源
１０  光ファイバ
１３  結束部材
２０  固体レーザ部
２１  凹面ミラー
２２  固体レーザ媒質
２４  平面ミラー
【図１】
0003761708.tif 000002
【図２】
0003761708.tif 000003
【図３】
0003761708.tif 000004