(57)【要約】半導体レーザ装置１は、Ｘ軸方向に沿って複数の発光部２１が配列されたアレイ型半導体レーザ素子３をＸ軸方向と直交するＹ軸方向に沿って複数段堆積して形成され、各発光部２１のＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１と、各発光部２１のＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２との間には、関係式Ｐ１＜Ｐ２が成立しているスタック型半導体レーザ素子２と、上記各発光部２１が出射した各光に対し、９０°旋回させて出射する第２光学レンズ５と、を備えたことを特徴とする。
2002077698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向に沿って複数の発光部が配列されたアレイ型半導体レーザ素子を前記Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に沿って複数段堆積して形成されると共に、前記複数の発光部が出射する各光の光軸は前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するスタック型半導体レーザ素子であって、各発光部のＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１と、前記各発光部のＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２との間には、関係式Ｐ１＜Ｐ２が成立しているスタック型半導体レーザ素子と、
前記スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光に対し前記Ｙ軸方向に作用する第１光学レンズと、
前記第１光学レンズが出射した各光を、前記光軸を中心軸として旋回させた後に出射する第２光学レンズと、
を備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第２光学レンズは、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光を、前記光軸を中心軸として９０°旋回させた後に出射する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１光学レンズは、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光が前記Ｙ軸方向で互いに重なり合う前に配置されている請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１光学レンズは、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光に対して作用した結果得られる各出射光、のＹ軸方向成分長さが、前記各発光部の前記Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１より小さくなるような位置に配置されている請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２光学レンズが出射した各光に対し前記Ｙ軸方向に作用する第３光学レンズ、を更に備えた請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記スタック型半導体レーザ素子において、前記各アレイ型半導体レーザ素子の各間にはヒートシンクが介在されている請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置に関する。特に、複数の発光部が配列されたアレイ型の半導体レーザ素子が、更に複数段堆積して形成されたスタック型の半導体レーザ素子を備えた半導体レーザ装置に関する。
背景技術
従来より、複数の発光部が配列されたアレイ型の半導体レーザ素子が複数段堆積されて形成されたスタック型の半導体レーザ素子が存在している。複数段にスタックすることにより発光部の数が増えるため、例えば、このような半導体レーザ素子に対してコリメートレンズ、集光レンズなどから構成される光学レンズ系を所定の位置に設置して半導体レーザ装置を作製し、これをレーザ加工装置に応用する場合には、高出力を実現でき有効である。
しかしながら、このような半導体レーザ装置では、各発光部が密集して配置されているため、各発光部が出射した各光（発散光）は互いに重なり合いが生じ易い。重なり合いが生じると、各発光部が出射した各光を個別に取得できず、上記したレーザ加工装置に応用する場合には、集光レンズによる集光を正確に行うことが困難になる。光学レンズの設置は、そのような各光の重なり合いが生じないように行う必要があるが、スタック型の半導体レーザ素子に対して設置する場合には、発光部の配列方向での各光の重なり合いだけではなく、スタック方向での各光の重なり合いの発生を防止する必要があり、光学レンズの配置位置について制約が多く、設計上の負担となっていた。
そこで、本発明の目的は、各発光部が出射する各光に対して作用する光学レンズの配置について、その制約の少ない半導体レーザ装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、スタック型半導体レーザ素子が出射する各光が互いに重なり合う位置を、先に延ばすことが可能な半導体レーザ装置を提供することにある。
発明の開示
上記目的を達成するため、本発明による半導体レーザ装置は、Ｘ軸方向に沿って複数の発光部が配列されたアレイ型半導体レーザ素子をＸ軸方向と交差するＹ軸方向に沿って複数段堆積して形成されると共に、複数の発光部が出射する各光の光軸はＸ軸方向及びＹ軸方向に直交するスタック型半導体レーザ素子であって、各発光部のＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１と、各発光部のＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２との間には、関係式Ｐ１＜Ｐ２が成立しているスタック型半導体レーザ素子と、スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光に対しＹ軸方向に作用する第１光学レンズと、第１光学レンズが出射した各光を、光軸を中心軸として旋回させた後に出射する第２光学レンズと、を備えたことを特徴とする。
このような半導体レーザ装置によれば、スタック型半導体レーザ素子の各発光部に関して、Ｙ軸方向ピッチ幅Ｐ２がＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１より大きくなるように設計されているので、各発光部が出射した各光を、第２光学レンズ（光路変換器）により光軸を中心軸として旋回させると、各発光部が出射する各光がＸ軸方向（旋回された後にはＹ軸方向となる）で互いに重なり始まる位置を先に伸ばすことが可能となる。
なお、「光に対して作用する」とは、入射された発散光に対しコリメート又は集光して出射することを指すものとする。「Ｘ軸方向ピッチ幅」とは、Ｘ軸方向に隣接する任意の二つの発光部において、一方の発光部のＸ軸方向中点から他方の発光部のＸ軸方向中点までのＸ軸方向成分距離を指すものとする。また、「Ｙ軸方向ピッチ幅」とは、Ｙ軸方向に隣接する任意の二つの発光部において、一方の発光部のＹ軸方向中点から他方の発光部のＹ軸方向中点までのＹ軸方向成分距離を指すものとする（図１Ｂ参照）。
第２光学レンズは、スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光を、光軸を中心軸として９０°旋回させた後に出射することが望ましい。
この第１光学レンズは、スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光がＹ軸方向で互いに重なり合う前に配置されていることが望ましい。
また、この第１光学レンズは、スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光に対して作用した結果得られる各出射光、のＹ軸方向成分長さが、各発光部のＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１より小さくなるような位置に配置されていると、更に望ましい。第１光学レンズの作用により、第２光学レンズへの各入射光は、そのＹ軸方向成分長さがＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１より小さく設定されるので、９０°旋回して出射された各出射光も、そのＸ軸方向成分長さ（旋回前のＹ軸方向成分長さ）が同様にＰ１より小さくなるため、各光がＸ軸方向で互いに重なり合うことがない。
また、半導体レーザ装置は、第２光学レンズが出射した各光に対しＹ軸方向に作用する第３光学レンズ、を更に備えていてもよい。第３光学レンズを更に設けることにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共に作用を受けた各出射光を出射することが可能な半導体レーザ装置が実現される。
スタック型半導体レーザ素子において、各アレイ型半導体レーザ素子の各間にはヒートシンクが介在されていてもよい。これにより、各アレイ型半導体レーザ素子は放熱される。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面に従って、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
図１Ａは、実施形態に係る半導体レーザ装置の全体図で、図１Ｂは、スタック型半導体レーザ素子の部分拡大図である。図２Ａ及び図２Ｂは、半導体レーザ装置に使用される第２光学レンズの全体図である。半導体レーザ装置１は、スタック型半導体レーザ素子２と、第１〜第３光学レンズ５，６，７とから構成されている。スタック型半導体レーザ素子２は、Ｘ軸方向に沿って複数の発光部（活性層ストライプ）２１ａ，２１ｂ，…が配列されたアレイ型半導体レーザ素子３が、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に複数段堆積して形成されている。
本実施形態では４段に堆積されている。
この発光部２１（個別に指さない場合は、発光部２１とする）は、その厚みに対して幅の大きい構造を有し、その幅寸法Ｅ２は１００〜２００μｍ、その厚さ寸法Ｅ１は０．１〜１μｍである。また、各発光部２１は、Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１、Ｙ軸方向ピッチ幅Ｐ２の間隔で配列されている。Ｐ１とＰ２の間には、Ｐ１＜Ｐ２の間形式が成立している。本実施形態では、Ｐ１＝５００μｍ、Ｐ２＝１５００μｍに設定されている。Ｐ１の定義からＰ１＜Ｅ１が成立し、これよりＥ１＜Ｐ２も成立している。すなわち、各発光部２１のＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２は、発光部２１のＸ軸方向長さよりも大きくなるように設計されている。なお、この関係式の意味内容については後述する。
第１光学レンズ６は、スタック型半導体レーザ素子２の各発光部２１が出射した各光に対し、Ｙ軸方向にそれぞれコリメートした後に出射する。各光に対して作用する光学作用部は光出射面側に設けられている。なお、図１Ａでは、第１光学レンズ６はスタック型半導体レーザ２の各発光部２１から離間した状態で設けられるが、密着して設けることも可能である。この場合、その配置位置について考慮する必要がなくなるという利点がある。
第２光学レンズ５は、図２Ｂに示されるように、第１透光性材料により構成される円柱型レンズ１０を、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜しかつ光軸方向に対して直交した状態でＸ軸方向に沿って複数配列させる、ことにより形成される２つのレンズアレイ１１と、第１透光性材料とは異なる屈折率を有する第２透光性材料により構成され、２つのレンズアレイ１１が互いに平行に配列された状態で埋め込まれた光学部材１２とから成る。第２光学レンズ５は、第１光学レンズ６が出射した各出射光に対し、光軸を中心軸として９０°旋回させて出射する。なお、光軸方向はＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向である。第２光学レンズとしては、図２Ｂに示されるように、光入射面及び光出射面にレンズアレイ５１が互いに平行に形成された第２光学レンズ５５、であってもよい。このレンズアレイ５１は、Ｘ軸方向に対して４５°傾斜しかつ光軸方向に対して直交したレンズがＸ軸方向に沿って複数配列されることで形成されている。
第３光学レンズ７は、第２光学レンズが出射した各出射光に対し、Ｙ軸方向にコリメートした後に出射する。本実施形態では、第１光学レンズと同様、各出射光に対して作用する光学作用部は光出射面側に設けられている。なお、これら第１〜第３光学レンズ５〜７は、線引き方法などによって作製することが可能である。
図３は、スタック型半導体レーザ素子の各発光部から出射された各光に対する第１〜第３光学レンズの作用を示す図である。なお、簡単のため、第２光学レンズ５のうちレンズアレイが埋め込まれる光学部材１２については、図に示されていない。また、この図３に示される光の形状、光断面等は、実際の形状と異なるように表現されている場合もあるが、以下の説明する技術的内容に基づきその形状等を理解すべきである。
発光部２１ａが出射する光は発散光で、Ｙ軸方向に長い楕円形状の光断面５０ａを有する。すなわち、発光部２１からの出射光の発散角は、垂直成分（Ｙ軸方向成分）が大きく（５０〜６０°）、平行成分（Ｘ軸方向成分）が小さい（〜１０°）。この光は第１光学レンズ６の光出射側に形成された光学作用部によりＹ軸方向にまずコリメートされ、光断面５０ｂが得られる。この時点では、この第１光学レンズ６により出射された出射光は、Ｙ軸方向にはコリメートされているためＹ軸方向には発散しないが、Ｘ軸方向には発散する光である。
次に、第１光学レンズ６が出射した出射した出射光は２つの傾斜した円柱型レンズ１０ａ，１０ｂによりビーム断面の軸が９０°旋回された後、出射される。すなわち、第１光学レンズ６が出射した出射光、即ちＸ軸方向に発散しかつＹ軸方向に既にコリメートされている光は、Ｙ軸方向に発散しかつＸ軸方向に既にコリメートされている光となって出射される。光断面としては、光断面５０ｂは第２光学レンズ５を構成する円筒型レンズ１０ａ，１０ｂの作用により光断面５０ｄへと変化する。第２光学レンズ５の出射光は、更に第３光学レンズ７によりＹ軸方向にコリメートされ、この結果、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向共にコリメートされた光断面５０ｅを有する出射光が得られる。
スタック型半導体レーザ素子２では、各光学レンズ５〜７によって上記したような作用を受ける光、を出射する発光部が、複数密集した状態でＸ軸方向に配列されている（実際には、更にＹ軸方向にもスタックされＹ軸方向の配列も形成されているが、まずＸ軸方向の配列について注目して説明する）。特に、半導体レーザ装置１をレーザ加工用のレーザ装置として使用する場合には、その出力を増大させるべく発光部の数を増やすことが望ましい。また、これらの各光を最終的に集光するための集光系レンズを構成するにあたって、スタック型半導体レーザ素子２全体のＸ軸方向長さが短くなるように設計した方がよい。
このようなことから、Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１を小さく設定すると、発光部２１ａ，２１ｂが出射する各光は、発光部２１からの距離の比較的近い地点でＸ軸方向に互いに重なり合う可能性が生じてくるが、本実施形態による半導体レーザ装置１では、第１光学レンズ６によりＹ軸方向にコリメートし、この光を更に第２光学レンズ５により９０°旋回することにより、Ｘ軸方向にはコリメートされた光が出射されるので、Ｘ軸方向での各光の重なり合いの問題は解消されている。
しかしながら、スタック型半導体レーザ素子２では、Ｙ軸方向にも発光部２１の配列が形成されているため、Ｙ軸方向に各光が互いに重なり合う可能性もある。本実施形態による半導体レーザ装置１では、９０°旋回した結果Ｙ軸方向で各光が互いに重なり合うことが無いよう、Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１＜Ｙ軸方向ピッチ幅Ｐ２となるように設計されている。これにより、第１光学レンズ６の出射光のＸ軸方向成分長さがＰ１となるまで発散した位置（即ち、各光がＸ軸方向で互いに重なり始める位置）に第２光学レンズ５を配置しても、９０°旋回すれば、Ｙ軸方向ピッチ幅Ｐ２には納まるため、Ｙ軸方向での重なり合いを防止することが可能となる。また、同時に第３光学レンズ７の配置位置を発光部２１からより離れた位置に持ってくることも可能となる。
Ｙ軸方向についても、スタック型半導体レーザ素子２全体のＹ軸方向長さを小さく設計すべく、そのＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２は小さく設定した方がよいが（Ｐ１の場合と同様の理由から）、上記したように、発光部の形状自体がＸ軸方向に長くＹ軸方向に短い形状を有しているため、スタック型半導体レーザ素子２全体のＹ軸方向長さ自体はその分小さく設計することが可能である。なお、スタック型半導体レーザ素子２は、各段のアレイ型半導体レーザ素子３の間に放熱部品としてのヒートシンクを交互に介在させてもよく、このようにＹ軸方向に長く設計する別の要因との関連から、Ｙ軸方向にある程度の距離を設けてスタック型半導体レーザ素子２を設計することは効率的である。
また、本実施形態による半導体レーザ装置１では、第１光学レンズ６は、その出射光のＹ軸方向成分長さ７０がＰ１よりも小さくなるように配置されている。これにより第２光学レンズ５により９０°旋回された後においても、Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１に納まるため、Ｘ軸方向での重なり合いを防止することが可能となっている。
図４Ａ及び図４Ｂは、隣接する二つの発光部が出射した各光の経路を示す図である。図４Ａは、本実施形態による半導体レーザ装置１の平面断面図であり、Ｘ軸方向に隣接する発光部２１ａ，２１ｂが出射した各光の経路が示されている。図４Ｂは、本実施形態による半導体レーザ装置１の側面断面図であり、Ｙ軸方向に隣接する発光部２１ａ，２１ｃが出射した各光の経路が示されている。図４Ａに端的に示されているように、各発光部２１ａ，２１ｂが出射する各光は、第２光学レンズ５の手前でＸ軸方向に互いに重なる直前にまで発散しているが（即ち、Ｘ軸方向成分長さがＰ１になるまで発散しているが）、第２光学レンズ５によって光軸を中心軸として９０°旋回され、既に第１光学レンズ６によってコリメートされた成分に入れ替わるので、Ｘ軸方向での各光の重なり合いは起こらない。
また、第２光学レンズ５によって光軸を中心軸として９０°旋回された結果、Ｙ軸方向では、逆にＸ軸方向成分長さがＰ１になるまで発散した成分に入れ替わる。しかしながら、本実施形態では、Ｐ１（＝５００μｍ）＜Ｐ２（＝１５００μｍ）となるように設計してあるため、各光が重なることがない。図４Ｂに示されるように、第２光学レンズ５の各出射光が重なり合う位置が先に延びるため、Ｘ軸方向にコリメートする第３光学レンズ７の配置位置を先に延ばすことが可能となる。なお、実際の設計にあたっては、各光学レンズ５〜７の厚み、その厚み内で受けると予想される作用についても考慮される。
第２光学レンズ５を設置せず光を９０°旋回させなかった場合には、図４Ｂで、発光部２１ａ，２１ｃが出射した各光がそのまま互いに重なり合う位置までにＹ軸方向にコリメートする光学レンズを配置しなければならなかったが、本実施形態による半導体レーザ装置１は、これに比して配置制限が大幅に緩和されていることがわかる。なお、この効果を分かり易くするため、図４Ｂでは、第３光学レンズ７を発光部２１から最も離間した位置に配置した場合について示されている。
また、Ｐ１＜Ｐ２でなかった場合には、図４Ａで発光部２１ａ，２１ｂが出射した各光が、９０°旋回した結果Ｙ軸方向で重なり合うことがないように、第２光学レンズ５を、各発光部２１ａ，２１ｂが出射する各光のＸ軸方向成分長さが、Ｐ２（≦Ｐ１）より小さい位置に配置しなければならなかった。これに対して、本実施形態による半導体レーザ装置１では、各発光部２１ａ，２１ｂが出射する各光のＸ軸方向成分長さが、Ｐ１になるまでの何れかの位置に配置すればよく、この点でも配置制限が緩和されていることがわかる。
また、各発光部２１ａ，２１ｃが出射する各光は、第１光学レンズ６によってＹ軸方向にコリメートされているが、図４Ｂに示すように、第１光学レンズ６はその出射光のＹ軸方向成分長さ７０がＰ１を超えないように配置されているため、第２光学レンズ５によって９０°旋回された後にも、図４Ａに示すように、各出射光がＸ軸方向で互いに重なり合うことがない。
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、本発明を実施するにあたって前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の請求項の範囲内に該当する発明の全ての変更を包含し、形状、サイズ、配置、構成などについて変更が可能である。
産業上の利用可能性
本発明では、各発光部が出射する光に対して作用する光学レンズの配置について、その制約の少ない半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
また、スタック型の半導体レーザ素子が出射する各光に対して、光軸を中心軸として９０°旋回させる光路変換器を適用し、各光が重なり合う位置を先に延ばすことが可能な半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａは、実施形態に係る半導体レーザ装置の全体図である。
図１Ｂは、スタック型半導体レーザ素子の部分拡大図である。
図２Ａ及び図２Ｂは、半導体レーザ装置に使用される第２光学レンズの全体図である。
図３は、スタック型半導体レーザ素子の各発光部から出射された各光に対する第１〜第３光学レンズの作用を示す図である。
図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ隣接する二つの発光部が出射した各光の経路を示す図である。
【図１Ａ】
2002077698.tif 000003
【図１Ｂ】
2002077698.tif 000004
【図２Ａ】
2002077698.tif 000005
【図２Ｂ】
2002077698.tif 000006
【図３】
2002077698.tif 000007
【図４Ａ】
2002077698.tif 000008
【図４Ｂ】
2002077698.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成14年8月23日(2002.8.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向に沿って複数の発光部が配列されたアレイ型半導体レーザ素子を前記Ｘ軸方向と交差するＹ軸方向に沿って複数段、互いに密接して一体的に形成されると共に、前記複数の発光部が出射する各光の光軸は前記Ｘ軸方向及び前記Ｙ軸方向に直交するスタック型半導体レーザ素子であって、各発光部のＸ軸方向ピッチ幅Ｐ１と、前記各発光部のＹ軸方向ピッチ幅Ｐ２との間には、関係式Ｐ１＜Ｐ２が成立しているスタック型半導体レーザ素子と、
前記スタック型半導体レーザ素子の各発光部が出射した各光に対し前記Ｙ軸方向に作用する第１光学レンズと、
前記第１光学レンズが出射した各光を、前記光軸を中心軸として旋回させた後に出射する第２光学レンズと、
を備え
前記第２光学レンズが、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光を、前記光軸を中心軸として９０°旋回させた後に出射し、
前記第１光学レンズは、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光に対して作用した結果得られる各出射光、のＹ軸方向成分長さが、前記各発光部の前記Ｘ軸方向ピッチ幅Ｐ１より小さくなるような位置に配置され、
更に、前記第１光学レンズが、前記スタック型半導体レーザ素子の前記各発光部が出射した各光が前記Ｙ軸方向で互いに重なり合う前に配置されているていることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
削除
【請求項３】
削除
【請求項４】
削除
【請求項５】
前記第２光学レンズが出射した各光に対し前記Ｙ軸方向に作用する第３光学レンズ、を更に備えた請求項１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記スタック型半導体レーザ素子において、前記各アレイ型半導体レーザ素子の各間にはヒートシンクが介在されている請求項１〜２の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
【国際調査報告】
2002077698.tif 000010
2002077698.tif 000011