レーザ装置
【課題】実用上好ましいビーム形状のレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供すること。
【解決手段】基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備える。好ましくは、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、を備える。
【解決手段】基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備える。好ましくは、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザアレイ素子を用いたレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に複数の面発光レーザ素子が配列された面発光レーザアレイ素子を用いたレーザ装置が開示されている（たとえば特許文献１、２参照）。このレーザ装置では、面発光レーザアレイ素子を構成する各面発光レーザ素子が出力する各レーザ光を、各面発光レーザ素子に対応して設けた回折レンズによって１本の光ファイバに集束して出力するようにしている。面発光レーザ素子は、低コストであり、ストライプレーザで問題となるＣＯＤ（Catastrophic optical damage）を起こしにくいため、これを用いたレーザ装置は、低コストで信頼性の高い高出力のレーザ装置として期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８８８,８７１号明細書
【特許文献２】特開２００６−９１２８５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Takaki, N.Iwai, K.Hiraiwa, S.Imai, H.Shimizu, T.kageyama, Y.kawakita, N.Tsukiji and A.Kasukawa,"A recorded 62% PCE and low series and thermal resistance VCSEL with a double intra-cavity structure", The 21st IEEE International Semiconductor Laser Conference (ISCL2008, September 14-18, 2008, Sorrent, Italy), Postdeadline Papers, PD1.1.）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、面発光レーザアレイ素子を用いた高出力のレーザ装置を実用化する場合に、低消費電力化のために個々の面発光レーザ素子の発光効率が高く、電気−光変換効率が高いことが要求されている。面発光レーザ素子の発光効率を高くするには、適切なアパチャサイズを選択する必要がある。ここでアパチャとは、選択酸化等の手法により活性層への電流注入を制限する構造において、電流注入のために残された開口のことである。すなわち、アパチャサイズが小さすぎると素子抵抗が大きくなり発光効率が低下する。一方、アパチャサイズが大きすぎると、アパチャの周辺部に電流が集中するなどによって電流の流れ方が不均一になり、やはり発光効率が低下する。したがって、発光効率が高い面発光レーザ素子を実現するためには、アパチャサイズを最適化する必要がある。高発光効率のためにアパチャサイズを最適化した面発光レーザ素子は、たとえば非特許文献１に開示されている。このように高発光効率の面発光レーザ素子は、発熱が少ないため、素子の劣化が抑制されて信頼性も高くなる。
【０００６】
しかしながら、非特許文献１のように高発光効率のためにアパチャサイズを最適化した面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モードが多モードとなり、レーザ光のビーム形状が複数のピークを有する形状となる。個々の面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状が、このような複数のピークを有する場合、これらのレーザ光を集束したレーザ光のビーム形状も複数のピークを有するものとなり、実用上好ましくないという問題があった。
【０００７】
たとえば、集束したレーザ光が、ビーム断面の中心部が窪んでその周囲に２つのピークを有する双峰型のビーム形状の場合、中心部での光強度密度が小さくなる。その結果、このレーザ光を、光ファイバレーザの励起光として光ファイバに結合しても、光ファイバの中心部での光強度密度が小さいため、励起効率が、レーザ光の全光強度から期待される効率よりも低くなる場合がある。また、レーザ加工の用途で、直接加工対象にレーザ光を照射する場合も、ビーム内の光強度分布が不均一であるため、良好な加工条件を得にくくなる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実用上好ましいビーム形状のレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記第２光学素子は、前記第１光学素子が整形した各レーザ光をさらに整形することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差を解消するように整形することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を単峰型に整形することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子が平行光にした各レーザ光を集束する集束光学素子と、前記集束光学素子が集束した各レーザ光が結合される光ファイバと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記集束光学素子は、前記面発光レーザアレイ素子の基板面内の温度分布に起因する前記各レーザ光の波長分布を補正することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子または前記集束光学素子は、回折レンズを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、実用上好ましいビーム形状のレーザ光を出力するレーザ装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ装置の模式的な要部構成図である。
【図３】図３は、図２に示す面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。
【図４】図４は、異なる駆動電流において面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図５】図５は、駆動電流とビーム広がり角との関係を示す図である。
【図６】図６は、図２に示す第１光学素子の模式的な平面図である。
【図７】図７は、第１光学素子の特性を説明する第１光学素子の半径に沿った模式的な一部断面図である。
【図８】図８は、面発光レーザ素子から出力されたレーザ光の整形、平行光化、および集束について説明する図である。
【図９】図９は、面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム角度θを説明する図である。
【図１０】図１０は、設計例における第１光学素子および第２光学素子によるビーム角度θの変化を説明する図である。
【図１１】図１１は、設計例における第１光学素子に入射する直前のレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図１２】図１２は、設計例における第２光学素子から出射した直後のレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図１３】図１３は、集束光学素子の好ましい態様の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係るレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図１に示すように、このレーザ装置１００は、筐体１０の基台部１１に載置された面発光レーザアレイ素子２０と、外周を覆うように放熱フィン１２が設けられた筐体１０の本体部１３内に、面発光レーザアレイ素子２０と離隔して配置された光学素子群３０と、筐体１０の突出部１４の一端に取り付けられた補助集光レンズ４０と、突出部１４の他の一端に挿通固定された光ファイバ５０とを備えている。
【００２１】
面発光レーザアレイ素子２０は、高強度のレーザ光ＬＬを出力するものである。光学素子群３０および補助集光レンズ４０は、レーザ光ＬＬを光ファイバ５０に光学的に結合させるものである。光ファイバ５０は、レーザ光ＬＬを外部へ出力するものである。
【００２２】
基台部１１は、面発光レーザアレイ素子２０を冷却するための冷却機構１１ａを備えている。この冷却機構１１ａとしては、たとえばマイクロチャネルを用いた水冷パイプ、空冷フィン、ヒートパイプ、またはペルチェ素子などを用いることができる。また、放熱フィン１２は、レーザ光ＬＬのうち光ファイバ５０に結合しなかった成分、たとえば散乱光のエネルギーによって筐体１０が温度上昇することを抑制している。
【００２３】
つぎに、このレーザ装置１００の光学的要素について説明する。図２は、図１に示すレーザ装置１００の模式的な要部構成図である。図２に示すように、面発光レーザアレイ素子２０は、基板２１上に４×４の２次元正方格子状に配列された、１６個の面発光レーザ素子２２を有している。
【００２４】
光学素子群３０は、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２、および集束光学素子３３から構成されている。これらの光学素子は、離隔した状態または一体化した状態で光学素子群３０を構成している。
【００２５】
第１光学素子アレイ３１は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２に対応させて配列された、複数の第１光学素子３１ａを有している。また、第２光学素子アレイ３２も、各面発光レーザ素子２２に対応させて配列された複数の第２光学素子３２ａを有している。面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１は、第１光学素子アレイ３１の対応する第１光学素子３１ａ、第２光学素子アレイ３２の対応する第２光学素子３２ａ、集束光学素子３３、補助集光レンズ４０を順次通過して光ファイバ５０に到達する。
【００２６】
ここで、各第１光学素子３１ａは、各面発光レーザ素子２２が出力した各レーザ光ＬＬ１のビーム形状を整形する機能を有する。また、各第２光学素子３２ａは、各第１光学素子３１ａが整形した各レーザ光ＬＬ１のビーム形状をさらに整形するとともに、各レーザ光ＬＬ１を平行光にする機能を有する。すなわち、各第１光学素子３１ａと各第２光学素子３２ａの組み合わせによって、レーザ光ＬＬ１のビーム形状の整形と平行化とを行う整形光学素子を実現している。また、集束光学素子３３は、各第２光学素子３２ａが平行光にした各レーザ光ＬＬ１の束であるレーザ光ＬＬを集束する機能を有する。これらの各光学素子については後に詳述する。
【００２７】
つぎに、図２に示す各構成要素について具体的に説明する。はじめに、面発光レーザアレイ素子２０について説明する。
【００２８】
図３は、図２に示す面発光レーザアレイ素子２０の模式的な平面図である。基板２１上に配列された１６個の面発光レーザ素子２２は、たとえば非特許文献１に開示される構造を有する発光効率が高い面発光レーザ素子であり、直径１０μｍ程度のアパチャを有し、アパチャから波長９００〜１１００ｎｍ程度のレーザ光を出力する。出力されたレーザ光はビーム径が広がりながら進行する。また、面発光レーザ素子２２の電流−光出力特性としては、しきい値電流が１〜２ｍＡであり、駆動電流がＣＷ（連続波）電流の場合には２０ｍＡ程度で光出力がロールオーバーする。また、駆動電流がパルス電流の場合には、３０ｍＡ程度でも光出力がロールオーバーせず、さらに光出力が増加する。なお、後の説明に用いるため、基板２１上の面発光レーザ素子２２の配列する領域に内側領域Ａ１と外側領域Ａ２とを規定する。
【００２９】
図４は、異なる駆動電流において面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状をファーフィールドパターン（ＦＦＰ）により示す図である。なお、図４（ａ）は駆動電流がしきい値電流付近のＣＷ電流の場合、図４（ｂ）は１０ｍＡのＣＷ電流の場合、図４（ｃ）は３０ｍＡのパルス電流の場合をそれぞれ示している。ここで、ビーム形状の光強度が最大値の１／２となる位置でのビーム形状の広がり角度（図４中の対向する矢印間の幅）をビーム広がり角と定義する。図５は、駆動電流とビーム広がり角との関係を示す図である。
【００３０】
図４、５に示すように、面発光レーザ素子２２は、駆動電流を図４（ａ）から図４（ｂ）に増加させるにつれて横モードが多モードの発振状態となり、ビーム形状の角度が約１１度から約１３度に広がるとともに複数のピークが分離し、より顕著な双峰型となる。さらに、図４（ｃ）では、更に高次の横モードが発生し、中央にあらたなピークが発生している。
【００３１】
つぎに、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａについて具体的に説明する。図６は、図２に示す第１光学素子３１ａの模式的な平面図である。図７は、第１光学素子３１ａの特性を説明する第１光学素子３１ａの半径に沿った模式的な一部断面図である。図６、７に示すように、第１光学素子３１ａは、同心円状に回折格子が形成された回折レンズである。この回折格子は、中心からの距離によって回折面の角度が異なるパターンを有している。
【００３２】
ここで、図７に示すように、角度が小さい回折面３１ａａに入射した光Ｌ１は回折角が大きくなる。その結果、光Ｌ１は大きく分散して広がりながら進行するので、単位角度当たりの光強度は弱くなる。一方、角度が大きい回折面３１ａｂに入射した光Ｌ２は回折角が小さくなる。その結果、光Ｌ２はあまり広がらずに進行するので、単位角度当たりの光強度は弱くならない。この第１光学素子３１ａは、このように回折面の角度が異なる回折格子によって、この第１光学素子３１ａに入力されたレーザ光ＬＬ１の強度分布、すなわちビーム形状を整形する機能を有する。
【００３３】
なお、第２光学素子３２ａについても、図６、７に示す第１光学素子３１ａと同様に、同心円状に形成された回折格子を有するが、その回折格子のパターンは第１光学素子３１ａと異なるように設計されており、この第２光学素子３２ａに入力されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状を整形するとともに平行光にする機能を有するように設計されている。
【００３４】
つぎに、図８を用いて、面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１の整形、平行光化、および集束について説明する。はじめに、面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、模式的に示す形状Ｐ１のような複数のピークを有する多モード発振状態の形状を有している。また、第１光学素子３１ａに入射する直前のレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ２のような、形状Ｐ１がさらに広がった形状を有している。
【００３５】
ここで、第１光学素子３１ａは、形状Ｐ２のうち高光強度に対応する位置では光が分散して強度が弱くなり、低光強度に対応する位置では回折光の強度が弱くならないように、その回折格子パターンが設計されている。したがって、第１光学素子３１ａは、レーザ光ＬＬ１のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差（すなわち、モードに起因する光強度のピーク部分と、ピーク間に位置する光強度が弱い谷の部分との強度差）を解消するように整形する。その結果、第２光学素子３２ａに入射する直前のレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ３のような、光強度分布がより平坦な形状を有するものとなる。
【００３６】
つぎに、第２光学素子３２ａは、形状Ｐ３にあわせて、レーザ光ＬＬ１のビーム形状を、光強度分布の偏差をさらに解消するように整形し、かつ平行光にするように、その回折格子パターンが設計されている。その結果、第２光学素子３２ａから出射したレーザ光ＬＬ１は、そのビーム形状がより平坦であるとともに、平行光となる。なお、光強度分布の偏差の最大値が、ビーム形状の両端に位置するピーク間における光強度分布の平均値の２０％以内であることが好ましい。
【００３７】
なお、第１光学素子アレイ３１における第１光学素子３１ａの占める面積を大きくして、第１光学素子３１ａの面積を大きくすることが好ましい。第１光学素子３１ａの面積が大きければ、回折レンズを加工するにあたり、所定の加工精度にてより複雑で性能の良い回折レンズを実現することができる。また、第１光学素子３１ａを大きくすることによって、入射されるレーザ光ＬＬ１の光強度密度を低くすることができるので、第１光学素子３１ａの局所的な光学損傷の発生を抑制することができる。第２光学素子３２ａについても、同様に面積を大きくすることが好ましい。
【００３８】
第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａの面積を大きくするためには、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離をできるだけ大きくすることが好ましい。この離隔距離は、隣接する面発光レーザ素子２２から出射するレーザ光ＬＬ１のビーム同士が交差しない程度の距離とする。たとえば、直径１０μｍ程度のアパチャを有する面発光レーザ素子２２を１００μｍピッチで配列する場合、レーザ光ＬＬ１のビーム広がり角が１５度であれば、面発光レーザアレイ素子２０から３５０μｍだけ離隔した位置でのレーザ光ＬＬ１のビーム直径が１００μｍとなる。この場合、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離を３５０μｍ程度以下とする。
【００３９】
つぎに、集束光学素子３３は、第２光学素子３２ａから出射したレーザ光ＬＬ１を集束する。集束されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ４のような、平坦かつ幅の狭い形状を有するものとなる。また、集束光学素子３３は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２から出力され、対応する第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａにより整形、平行光化された各レーザ光ＬＬ１の束を、レーザ光ＬＬとして補助集光レンズ４０を介して光ファイバ５０に集束する。
【００４０】
補助集光レンズ４０としては、非球面レンズや平凸レンズを用いることができる。また、光ファイバ５０は、コア径が２００μｍ以下、さらには１００μｍ以下に小さいものである。ここで、上述したように、レーザ装置１００では、放熱フィン１２によって筐体１０の温度が上昇することを抑制している。しかし、温度が上昇したとしても、補助集光レンズ４０を用いることによって、温度上昇の影響による光軸変動に対するロバスト（頑健性）が高くなるようにしている。その結果、コア径が小さくＮＡ（開口数：Numerical Aperture）が小さい光ファイバ５０に対しても、レーザ光ＬＬをより安定して光学結合することができる。また、補助集光レンズ４０と光ファイバ５０とは、いずれも筐体１０の突出部１４に取り付けられているため、筐体１０の温度上昇によってもその相対位置は変化しにくくなり、一層安定した光学結合を実現することができる。
【００４１】
なお、各面発光レーザ素子２２から出力された各レーザ光ＬＬ１は、その光強度がたとえば１０ｍＷ程度と低いため、第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａ、および集束光学素子３３に入射するときの各レーザ光ＬＬ１の光強度密度は低い。また、面発光レーザアレイ２０における面発光レーザ素子２２の配置ピッチを大きくすることで、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離を大きくすることが可能となり、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの面積をより大きくすることができるので、この光強度密度をさらに低くできる。したがって、これらの光学素子の材質としては、耐熱性が低くても加工しやすいガラスや光学樹脂、またはガラスと光学樹脂のハイブリッド材料などの低コストの材料を使用することができる。なお、補助集光レンズ４０は、入射するレーザ光ＬＬの光強度が高いので、たとえば石英ガラスなどの耐熱性が高い材質からなるものが好ましい。
【００４２】
以上のようにして、レーザ装置１００は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２から出力された各レーザ光ＬＬ１を、集束された高強度のレーザ光ＬＬとして光ファイバ５０から外部に出力することができる。
【００４３】
なお、このレーザ装置１００は、出力するレーザ光ＬＬの波長を９８０ｎｍ帯とすると、たとえば光ファイバレーザ用の励起光源として好適に用いることができる。また、波長を１０６４ｎｍとすると、ＹＡＧレーザの代替光源として用いることができる。また、波長変換素子と組み合わせて、５３２ｎｍ、３５０ｎｍ、２６０ｎｍなどの波長を有する波長変換光を発生させるための基本波光源として用いることができる。
【００４４】
つぎに、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの設計例を説明する。なお、本設計は光線追跡法を用いたシミュレーション計算により行われたものである。図９は、面発光レーザ素子２２が出力するレーザ光のビーム角度θを説明する図である。図９に示すように、ビーム角度θとは、面発光レーザ素子２２のアパチャの中心を基準位置（原点）として、該基準位置からアパチャに垂直に延びる直線（レーザ光の光軸Ｘ）からのレーザ光の進行方向の傾き角を表すものであり、前出のビーム広がり角の半分の大きさを表す。また、光軸Ｘを基準として紙面時計回り方向を位置の負の向き、紙面上反時計回りの方向を角度の正の向きとする。また、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの直径をいずれも１００μｍとする。
【００４５】
図１０は、本設計例における第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａによるビーム角度θの変化を説明する図である。図１０に示すように、本設計における第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａは、第１光学素子３１ａへの入射時にはビーム角度θが第１光学素子３１ａの直径上の位置に対して所定の傾きで線形に変化しているようなレーザ光に対して、第２光学素子３２ａからの出射時には位置によらずビーム角度θがゼロである、すなわち平行光であるレーザ光になるように設計されている。また、第１光学素子３１ａからの出射および第２光学素子３２ａの内部におけるビーム角度θの形状は、ビーム形状の整形、またはビーム形状の整形およびレーザ光の平行光化のために第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの回折格子パターンを設定したことによって発生したものである。
【００４６】
ここで、本設計例の第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの組み合わせの第１光学素子３１ａを組み合せてなる整形光学素子において、図１１に示すような複数のピークを有するビーム形状を有するレーザ光を入射した。すると、第２光学素子３２ａからは、図１２に示すような、ビーム断面内の光強度分布の偏差が解消された、きわめて平坦なビーム形状を有するレーザ光を出射できることが確認された。
【００４７】
なお、本設計例は、一例であって、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの設計は、面発光レーザ素子２２の動作時におけるレーザ光ＬＬ１のビーム形状に合わせて、光強度分布の偏差を解消できるように設計すればよい。
【００４８】
つぎに、集束光学素子３３の好ましい態様について説明する。集束光学素子３３は、面発光レーザアレイ素子２０の基板２１面内の温度分布に起因する、各面発光レーザ素子２２が出力するレーザ光の波長分布を補正するように構成することが好ましい。
【００４９】
以下、具体的に説明する。図３に示すように、基板２１面内の内側領域Ａ１に存在する面発光レーザ素子２２は、その周囲を他の面発光レーザ素子２２に囲まれているために、動作時に他の面発光レーザ素子２２が発生する熱の流入によって、外側領域Ａ２に存在する面発光レーザ素子２２よりも素子温度が高くなる。素子温度は、素子の個数、および配列形状や配列間隔に応じて、基板面内においてたとえば５０℃〜８０℃まで分布する。また、面発光レーザ素子２２のレーザ発振波長の温度係数は、たとえば０．０７ｎｍ／℃程度である。そのため、内側領域Ａ１の面発光レーザ素子２２のレーザ光の波長は素子の温度上昇によって長波長側にシフトする。その結果、各レーザ光ＬＬ１の波長は、基板２１面内の温度分布に起因して波長分布を有することとなる。そこで、集束光学素子３３として、この波長分布を補正するように構成したものを用いることが好ましい。
【００５０】
図１３は、集束光学素子３３の好ましい態様の模式的な平面図である。図１３に示すように、この集束光学素子３３は、回折レンズであり、内側領域Ａ１と外側領域Ａ２との形状に合わせて、回折格子のパターンが形成されている。この回折格子は、その回折面の角度が、各面発光レーザ素子２２からの各レーザ光ＬＬ１を集束するとともに、このレーザ光ＬＬ１の波長分布を補正するように設定されている。これによって、集束光学素子３３は、各面発光レーザ素子２２からの各レーザ光ＬＬ１を、その波長分布にかかわらず結合効率高く光ファイバ５０に結合させることができる。なお、回折レンズでは、通常は波長が長くなる程回折角は大きくなるので、長波長シフトを補正するためには、回折レンズにおける回折面の角度を相対的に小さくすればよい。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、第１光学素子または第２光学素子は、断面が矩形状の回折レンズまたは非球面レンズでもよい。また、集束光学素子は、断面が矩形状の回折レンズまたは非球面レンズでもよいし、平凸レンズでもよい。また、第１光学素子および第２光学素子は、レーザ光のビーム形状をガウシアン形状等の単峰型に整形するものでもよい。また、第１光学素子のみでレーザ光のビーム形状の整形を行い、第２光学素子はレーザ光の平行光化のみをおこなうようにしてもよい。また、第１光学素子と第２光学素子との組み合わせの代わりに、１つの整形光学素子のみでレーザ光のビーム形状の整形と平行光化とを行うようにしてもよい。
【００５２】
また、面発光レーザアレイ素子が備える面発光レーザ素子の数は特に限定されず、たとえば１００〜１００００個とできる。個々の面発光レーザ素子の光出力が１０ｍＷの場合、面発光レーザ素子を１０×１０に配列すると１Ｗ程度の強度の光出力が得られる。また、３０×３０の配列で１０Ｗ程度、１００×１００の配列で１００Ｗ程度の強度の光出力が得られる。なお、面発光レーザ素子の配列ピッチを１００μｍとすると、面発光レーザアレイ素子のチップサイズは、１０×１０配列で１ｍｍ角、３０×３０配列で３ｍｍ角、１００×１００配列で１０ｍｍ角であり、いずれもその光出力に比して非常に小さいものである。また、面発光レーザ素子の配列形状も、正方格子状に限定されず、たとえば三角格子状、円形状、ハニカム状にすることができる。また、光ファイバは、先端部をレンズ加工したものでもよい。レンズ加工した光フィバを用いる場合は、補助集光レンズを省略してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 筐体
１１ 基台部
１１ａ 冷却機構
１２ 放熱フィン
１３ 本体部
１４ 突出部
２０ 面発光レーザアレイ素子
２１ 基板
２２ 面発光レーザ素子
３０ 光学素子群
３１ 第１光学素子アレイ
３１ａ 第１光学素子
３１ａａ、３１ａｂ 回折面
３２ 第２光学素子アレイ
３２ａ 第２光学素子
３３ 集束光学素子
４０ 補助集光レンズ
５０ 光ファイバ
１００ レーザ装置
Ａ１ 内側領域
Ａ２ 外側領域
Ｌ１、Ｌ２ 光
ＬＬ、ＬＬ１ レーザ光
Ｐ１〜Ｐ４ 形状
Ｘ 光軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光レーザアレイ素子を用いたレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に複数の面発光レーザ素子が配列された面発光レーザアレイ素子を用いたレーザ装置が開示されている（たとえば特許文献１、２参照）。このレーザ装置では、面発光レーザアレイ素子を構成する各面発光レーザ素子が出力する各レーザ光を、各面発光レーザ素子に対応して設けた回折レンズによって１本の光ファイバに集束して出力するようにしている。面発光レーザ素子は、低コストであり、ストライプレーザで問題となるＣＯＤ（Catastrophic optical damage）を起こしにくいため、これを用いたレーザ装置は、低コストで信頼性の高い高出力のレーザ装置として期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，８８８,８７１号明細書
【特許文献２】特開２００６−９１２８５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K.Takaki, N.Iwai, K.Hiraiwa, S.Imai, H.Shimizu, T.kageyama, Y.kawakita, N.Tsukiji and A.Kasukawa,"A recorded 62% PCE and low series and thermal resistance VCSEL with a double intra-cavity structure", The 21st IEEE International Semiconductor Laser Conference (ISCL2008, September 14-18, 2008, Sorrent, Italy), Postdeadline Papers, PD1.1.）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、面発光レーザアレイ素子を用いた高出力のレーザ装置を実用化する場合に、低消費電力化のために個々の面発光レーザ素子の発光効率が高く、電気−光変換効率が高いことが要求されている。面発光レーザ素子の発光効率を高くするには、適切なアパチャサイズを選択する必要がある。ここでアパチャとは、選択酸化等の手法により活性層への電流注入を制限する構造において、電流注入のために残された開口のことである。すなわち、アパチャサイズが小さすぎると素子抵抗が大きくなり発光効率が低下する。一方、アパチャサイズが大きすぎると、アパチャの周辺部に電流が集中するなどによって電流の流れ方が不均一になり、やはり発光効率が低下する。したがって、発光効率が高い面発光レーザ素子を実現するためには、アパチャサイズを最適化する必要がある。高発光効率のためにアパチャサイズを最適化した面発光レーザ素子は、たとえば非特許文献１に開示されている。このように高発光効率の面発光レーザ素子は、発熱が少ないため、素子の劣化が抑制されて信頼性も高くなる。
【０００６】
しかしながら、非特許文献１のように高発光効率のためにアパチャサイズを最適化した面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モードが多モードとなり、レーザ光のビーム形状が複数のピークを有する形状となる。個々の面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状が、このような複数のピークを有する場合、これらのレーザ光を集束したレーザ光のビーム形状も複数のピークを有するものとなり、実用上好ましくないという問題があった。
【０００７】
たとえば、集束したレーザ光が、ビーム断面の中心部が窪んでその周囲に２つのピークを有する双峰型のビーム形状の場合、中心部での光強度密度が小さくなる。その結果、このレーザ光を、光ファイバレーザの励起光として光ファイバに結合しても、光ファイバの中心部での光強度密度が小さいため、励起効率が、レーザ光の全光強度から期待される効率よりも低くなる場合がある。また、レーザ加工の用途で、直接加工対象にレーザ光を照射する場合も、ビーム内の光強度分布が不均一であるため、良好な加工条件を得にくくなる。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、実用上好ましいビーム形状のレーザ光を出力することができるレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレーザ装置は、基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記第２光学素子は、前記第１光学素子が整形した各レーザ光をさらに整形することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差を解消するように整形することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を単峰型に整形することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子が平行光にした各レーザ光を集束する集束光学素子と、前記集束光学素子が集束した各レーザ光が結合される光ファイバと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記集束光学素子は、前記面発光レーザアレイ素子の基板面内の温度分布に起因する前記各レーザ光の波長分布を補正することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係るレーザ装置は、上記の発明において、前記整形光学素子または前記集束光学素子は、回折レンズを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、実用上好ましいビーム形状のレーザ光を出力するレーザ装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ装置の模式的な要部構成図である。
【図３】図３は、図２に示す面発光レーザアレイ素子の模式的な平面図である。
【図４】図４は、異なる駆動電流において面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図５】図５は、駆動電流とビーム広がり角との関係を示す図である。
【図６】図６は、図２に示す第１光学素子の模式的な平面図である。
【図７】図７は、第１光学素子の特性を説明する第１光学素子の半径に沿った模式的な一部断面図である。
【図８】図８は、面発光レーザ素子から出力されたレーザ光の整形、平行光化、および集束について説明する図である。
【図９】図９は、面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム角度θを説明する図である。
【図１０】図１０は、設計例における第１光学素子および第２光学素子によるビーム角度θの変化を説明する図である。
【図１１】図１１は、設計例における第１光学素子に入射する直前のレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図１２】図１２は、設計例における第２光学素子から出射した直後のレーザ光のビーム形状を示す図である。
【図１３】図１３は、集束光学素子の好ましい態様の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面を参照して本発明に係るレーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２０】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ装置の模式的な構成図である。図１に示すように、このレーザ装置１００は、筐体１０の基台部１１に載置された面発光レーザアレイ素子２０と、外周を覆うように放熱フィン１２が設けられた筐体１０の本体部１３内に、面発光レーザアレイ素子２０と離隔して配置された光学素子群３０と、筐体１０の突出部１４の一端に取り付けられた補助集光レンズ４０と、突出部１４の他の一端に挿通固定された光ファイバ５０とを備えている。
【００２１】
面発光レーザアレイ素子２０は、高強度のレーザ光ＬＬを出力するものである。光学素子群３０および補助集光レンズ４０は、レーザ光ＬＬを光ファイバ５０に光学的に結合させるものである。光ファイバ５０は、レーザ光ＬＬを外部へ出力するものである。
【００２２】
基台部１１は、面発光レーザアレイ素子２０を冷却するための冷却機構１１ａを備えている。この冷却機構１１ａとしては、たとえばマイクロチャネルを用いた水冷パイプ、空冷フィン、ヒートパイプ、またはペルチェ素子などを用いることができる。また、放熱フィン１２は、レーザ光ＬＬのうち光ファイバ５０に結合しなかった成分、たとえば散乱光のエネルギーによって筐体１０が温度上昇することを抑制している。
【００２３】
つぎに、このレーザ装置１００の光学的要素について説明する。図２は、図１に示すレーザ装置１００の模式的な要部構成図である。図２に示すように、面発光レーザアレイ素子２０は、基板２１上に４×４の２次元正方格子状に配列された、１６個の面発光レーザ素子２２を有している。
【００２４】
光学素子群３０は、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２、および集束光学素子３３から構成されている。これらの光学素子は、離隔した状態または一体化した状態で光学素子群３０を構成している。
【００２５】
第１光学素子アレイ３１は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２に対応させて配列された、複数の第１光学素子３１ａを有している。また、第２光学素子アレイ３２も、各面発光レーザ素子２２に対応させて配列された複数の第２光学素子３２ａを有している。面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１は、第１光学素子アレイ３１の対応する第１光学素子３１ａ、第２光学素子アレイ３２の対応する第２光学素子３２ａ、集束光学素子３３、補助集光レンズ４０を順次通過して光ファイバ５０に到達する。
【００２６】
ここで、各第１光学素子３１ａは、各面発光レーザ素子２２が出力した各レーザ光ＬＬ１のビーム形状を整形する機能を有する。また、各第２光学素子３２ａは、各第１光学素子３１ａが整形した各レーザ光ＬＬ１のビーム形状をさらに整形するとともに、各レーザ光ＬＬ１を平行光にする機能を有する。すなわち、各第１光学素子３１ａと各第２光学素子３２ａの組み合わせによって、レーザ光ＬＬ１のビーム形状の整形と平行化とを行う整形光学素子を実現している。また、集束光学素子３３は、各第２光学素子３２ａが平行光にした各レーザ光ＬＬ１の束であるレーザ光ＬＬを集束する機能を有する。これらの各光学素子については後に詳述する。
【００２７】
つぎに、図２に示す各構成要素について具体的に説明する。はじめに、面発光レーザアレイ素子２０について説明する。
【００２８】
図３は、図２に示す面発光レーザアレイ素子２０の模式的な平面図である。基板２１上に配列された１６個の面発光レーザ素子２２は、たとえば非特許文献１に開示される構造を有する発光効率が高い面発光レーザ素子であり、直径１０μｍ程度のアパチャを有し、アパチャから波長９００〜１１００ｎｍ程度のレーザ光を出力する。出力されたレーザ光はビーム径が広がりながら進行する。また、面発光レーザ素子２２の電流−光出力特性としては、しきい値電流が１〜２ｍＡであり、駆動電流がＣＷ（連続波）電流の場合には２０ｍＡ程度で光出力がロールオーバーする。また、駆動電流がパルス電流の場合には、３０ｍＡ程度でも光出力がロールオーバーせず、さらに光出力が増加する。なお、後の説明に用いるため、基板２１上の面発光レーザ素子２２の配列する領域に内側領域Ａ１と外側領域Ａ２とを規定する。
【００２９】
図４は、異なる駆動電流において面発光レーザ素子が出力するレーザ光のビーム形状をファーフィールドパターン（ＦＦＰ）により示す図である。なお、図４（ａ）は駆動電流がしきい値電流付近のＣＷ電流の場合、図４（ｂ）は１０ｍＡのＣＷ電流の場合、図４（ｃ）は３０ｍＡのパルス電流の場合をそれぞれ示している。ここで、ビーム形状の光強度が最大値の１／２となる位置でのビーム形状の広がり角度（図４中の対向する矢印間の幅）をビーム広がり角と定義する。図５は、駆動電流とビーム広がり角との関係を示す図である。
【００３０】
図４、５に示すように、面発光レーザ素子２２は、駆動電流を図４（ａ）から図４（ｂ）に増加させるにつれて横モードが多モードの発振状態となり、ビーム形状の角度が約１１度から約１３度に広がるとともに複数のピークが分離し、より顕著な双峰型となる。さらに、図４（ｃ）では、更に高次の横モードが発生し、中央にあらたなピークが発生している。
【００３１】
つぎに、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａについて具体的に説明する。図６は、図２に示す第１光学素子３１ａの模式的な平面図である。図７は、第１光学素子３１ａの特性を説明する第１光学素子３１ａの半径に沿った模式的な一部断面図である。図６、７に示すように、第１光学素子３１ａは、同心円状に回折格子が形成された回折レンズである。この回折格子は、中心からの距離によって回折面の角度が異なるパターンを有している。
【００３２】
ここで、図７に示すように、角度が小さい回折面３１ａａに入射した光Ｌ１は回折角が大きくなる。その結果、光Ｌ１は大きく分散して広がりながら進行するので、単位角度当たりの光強度は弱くなる。一方、角度が大きい回折面３１ａｂに入射した光Ｌ２は回折角が小さくなる。その結果、光Ｌ２はあまり広がらずに進行するので、単位角度当たりの光強度は弱くならない。この第１光学素子３１ａは、このように回折面の角度が異なる回折格子によって、この第１光学素子３１ａに入力されたレーザ光ＬＬ１の強度分布、すなわちビーム形状を整形する機能を有する。
【００３３】
なお、第２光学素子３２ａについても、図６、７に示す第１光学素子３１ａと同様に、同心円状に形成された回折格子を有するが、その回折格子のパターンは第１光学素子３１ａと異なるように設計されており、この第２光学素子３２ａに入力されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状を整形するとともに平行光にする機能を有するように設計されている。
【００３４】
つぎに、図８を用いて、面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１の整形、平行光化、および集束について説明する。はじめに、面発光レーザ素子２２から出力されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、模式的に示す形状Ｐ１のような複数のピークを有する多モード発振状態の形状を有している。また、第１光学素子３１ａに入射する直前のレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ２のような、形状Ｐ１がさらに広がった形状を有している。
【００３５】
ここで、第１光学素子３１ａは、形状Ｐ２のうち高光強度に対応する位置では光が分散して強度が弱くなり、低光強度に対応する位置では回折光の強度が弱くならないように、その回折格子パターンが設計されている。したがって、第１光学素子３１ａは、レーザ光ＬＬ１のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差（すなわち、モードに起因する光強度のピーク部分と、ピーク間に位置する光強度が弱い谷の部分との強度差）を解消するように整形する。その結果、第２光学素子３２ａに入射する直前のレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ３のような、光強度分布がより平坦な形状を有するものとなる。
【００３６】
つぎに、第２光学素子３２ａは、形状Ｐ３にあわせて、レーザ光ＬＬ１のビーム形状を、光強度分布の偏差をさらに解消するように整形し、かつ平行光にするように、その回折格子パターンが設計されている。その結果、第２光学素子３２ａから出射したレーザ光ＬＬ１は、そのビーム形状がより平坦であるとともに、平行光となる。なお、光強度分布の偏差の最大値が、ビーム形状の両端に位置するピーク間における光強度分布の平均値の２０％以内であることが好ましい。
【００３７】
なお、第１光学素子アレイ３１における第１光学素子３１ａの占める面積を大きくして、第１光学素子３１ａの面積を大きくすることが好ましい。第１光学素子３１ａの面積が大きければ、回折レンズを加工するにあたり、所定の加工精度にてより複雑で性能の良い回折レンズを実現することができる。また、第１光学素子３１ａを大きくすることによって、入射されるレーザ光ＬＬ１の光強度密度を低くすることができるので、第１光学素子３１ａの局所的な光学損傷の発生を抑制することができる。第２光学素子３２ａについても、同様に面積を大きくすることが好ましい。
【００３８】
第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａの面積を大きくするためには、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離をできるだけ大きくすることが好ましい。この離隔距離は、隣接する面発光レーザ素子２２から出射するレーザ光ＬＬ１のビーム同士が交差しない程度の距離とする。たとえば、直径１０μｍ程度のアパチャを有する面発光レーザ素子２２を１００μｍピッチで配列する場合、レーザ光ＬＬ１のビーム広がり角が１５度であれば、面発光レーザアレイ素子２０から３５０μｍだけ離隔した位置でのレーザ光ＬＬ１のビーム直径が１００μｍとなる。この場合、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離を３５０μｍ程度以下とする。
【００３９】
つぎに、集束光学素子３３は、第２光学素子３２ａから出射したレーザ光ＬＬ１を集束する。集束されたレーザ光ＬＬ１のビーム形状は、形状Ｐ４のような、平坦かつ幅の狭い形状を有するものとなる。また、集束光学素子３３は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２から出力され、対応する第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａにより整形、平行光化された各レーザ光ＬＬ１の束を、レーザ光ＬＬとして補助集光レンズ４０を介して光ファイバ５０に集束する。
【００４０】
補助集光レンズ４０としては、非球面レンズや平凸レンズを用いることができる。また、光ファイバ５０は、コア径が２００μｍ以下、さらには１００μｍ以下に小さいものである。ここで、上述したように、レーザ装置１００では、放熱フィン１２によって筐体１０の温度が上昇することを抑制している。しかし、温度が上昇したとしても、補助集光レンズ４０を用いることによって、温度上昇の影響による光軸変動に対するロバスト（頑健性）が高くなるようにしている。その結果、コア径が小さくＮＡ（開口数：Numerical Aperture）が小さい光ファイバ５０に対しても、レーザ光ＬＬをより安定して光学結合することができる。また、補助集光レンズ４０と光ファイバ５０とは、いずれも筐体１０の突出部１４に取り付けられているため、筐体１０の温度上昇によってもその相対位置は変化しにくくなり、一層安定した光学結合を実現することができる。
【００４１】
なお、各面発光レーザ素子２２から出力された各レーザ光ＬＬ１は、その光強度がたとえば１０ｍＷ程度と低いため、第１光学素子３１ａ、第２光学素子３２ａ、および集束光学素子３３に入射するときの各レーザ光ＬＬ１の光強度密度は低い。また、面発光レーザアレイ２０における面発光レーザ素子２２の配置ピッチを大きくすることで、第１光学素子アレイ３１、第２光学素子アレイ３２の面発光レーザアレイ素子２０からの離隔距離を大きくすることが可能となり、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの面積をより大きくすることができるので、この光強度密度をさらに低くできる。したがって、これらの光学素子の材質としては、耐熱性が低くても加工しやすいガラスや光学樹脂、またはガラスと光学樹脂のハイブリッド材料などの低コストの材料を使用することができる。なお、補助集光レンズ４０は、入射するレーザ光ＬＬの光強度が高いので、たとえば石英ガラスなどの耐熱性が高い材質からなるものが好ましい。
【００４２】
以上のようにして、レーザ装置１００は、面発光レーザアレイ素子２０の各面発光レーザ素子２２から出力された各レーザ光ＬＬ１を、集束された高強度のレーザ光ＬＬとして光ファイバ５０から外部に出力することができる。
【００４３】
なお、このレーザ装置１００は、出力するレーザ光ＬＬの波長を９８０ｎｍ帯とすると、たとえば光ファイバレーザ用の励起光源として好適に用いることができる。また、波長を１０６４ｎｍとすると、ＹＡＧレーザの代替光源として用いることができる。また、波長変換素子と組み合わせて、５３２ｎｍ、３５０ｎｍ、２６０ｎｍなどの波長を有する波長変換光を発生させるための基本波光源として用いることができる。
【００４４】
つぎに、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの設計例を説明する。なお、本設計は光線追跡法を用いたシミュレーション計算により行われたものである。図９は、面発光レーザ素子２２が出力するレーザ光のビーム角度θを説明する図である。図９に示すように、ビーム角度θとは、面発光レーザ素子２２のアパチャの中心を基準位置（原点）として、該基準位置からアパチャに垂直に延びる直線（レーザ光の光軸Ｘ）からのレーザ光の進行方向の傾き角を表すものであり、前出のビーム広がり角の半分の大きさを表す。また、光軸Ｘを基準として紙面時計回り方向を位置の負の向き、紙面上反時計回りの方向を角度の正の向きとする。また、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの直径をいずれも１００μｍとする。
【００４５】
図１０は、本設計例における第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａによるビーム角度θの変化を説明する図である。図１０に示すように、本設計における第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａは、第１光学素子３１ａへの入射時にはビーム角度θが第１光学素子３１ａの直径上の位置に対して所定の傾きで線形に変化しているようなレーザ光に対して、第２光学素子３２ａからの出射時には位置によらずビーム角度θがゼロである、すなわち平行光であるレーザ光になるように設計されている。また、第１光学素子３１ａからの出射および第２光学素子３２ａの内部におけるビーム角度θの形状は、ビーム形状の整形、またはビーム形状の整形およびレーザ光の平行光化のために第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの回折格子パターンを設定したことによって発生したものである。
【００４６】
ここで、本設計例の第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの組み合わせの第１光学素子３１ａを組み合せてなる整形光学素子において、図１１に示すような複数のピークを有するビーム形状を有するレーザ光を入射した。すると、第２光学素子３２ａからは、図１２に示すような、ビーム断面内の光強度分布の偏差が解消された、きわめて平坦なビーム形状を有するレーザ光を出射できることが確認された。
【００４７】
なお、本設計例は、一例であって、第１光学素子３１ａおよび第２光学素子３２ａの設計は、面発光レーザ素子２２の動作時におけるレーザ光ＬＬ１のビーム形状に合わせて、光強度分布の偏差を解消できるように設計すればよい。
【００４８】
つぎに、集束光学素子３３の好ましい態様について説明する。集束光学素子３３は、面発光レーザアレイ素子２０の基板２１面内の温度分布に起因する、各面発光レーザ素子２２が出力するレーザ光の波長分布を補正するように構成することが好ましい。
【００４９】
以下、具体的に説明する。図３に示すように、基板２１面内の内側領域Ａ１に存在する面発光レーザ素子２２は、その周囲を他の面発光レーザ素子２２に囲まれているために、動作時に他の面発光レーザ素子２２が発生する熱の流入によって、外側領域Ａ２に存在する面発光レーザ素子２２よりも素子温度が高くなる。素子温度は、素子の個数、および配列形状や配列間隔に応じて、基板面内においてたとえば５０℃〜８０℃まで分布する。また、面発光レーザ素子２２のレーザ発振波長の温度係数は、たとえば０．０７ｎｍ／℃程度である。そのため、内側領域Ａ１の面発光レーザ素子２２のレーザ光の波長は素子の温度上昇によって長波長側にシフトする。その結果、各レーザ光ＬＬ１の波長は、基板２１面内の温度分布に起因して波長分布を有することとなる。そこで、集束光学素子３３として、この波長分布を補正するように構成したものを用いることが好ましい。
【００５０】
図１３は、集束光学素子３３の好ましい態様の模式的な平面図である。図１３に示すように、この集束光学素子３３は、回折レンズであり、内側領域Ａ１と外側領域Ａ２との形状に合わせて、回折格子のパターンが形成されている。この回折格子は、その回折面の角度が、各面発光レーザ素子２２からの各レーザ光ＬＬ１を集束するとともに、このレーザ光ＬＬ１の波長分布を補正するように設定されている。これによって、集束光学素子３３は、各面発光レーザ素子２２からの各レーザ光ＬＬ１を、その波長分布にかかわらず結合効率高く光ファイバ５０に結合させることができる。なお、回折レンズでは、通常は波長が長くなる程回折角は大きくなるので、長波長シフトを補正するためには、回折レンズにおける回折面の角度を相対的に小さくすればよい。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、第１光学素子または第２光学素子は、断面が矩形状の回折レンズまたは非球面レンズでもよい。また、集束光学素子は、断面が矩形状の回折レンズまたは非球面レンズでもよいし、平凸レンズでもよい。また、第１光学素子および第２光学素子は、レーザ光のビーム形状をガウシアン形状等の単峰型に整形するものでもよい。また、第１光学素子のみでレーザ光のビーム形状の整形を行い、第２光学素子はレーザ光の平行光化のみをおこなうようにしてもよい。また、第１光学素子と第２光学素子との組み合わせの代わりに、１つの整形光学素子のみでレーザ光のビーム形状の整形と平行光化とを行うようにしてもよい。
【００５２】
また、面発光レーザアレイ素子が備える面発光レーザ素子の数は特に限定されず、たとえば１００〜１００００個とできる。個々の面発光レーザ素子の光出力が１０ｍＷの場合、面発光レーザ素子を１０×１０に配列すると１Ｗ程度の強度の光出力が得られる。また、３０×３０の配列で１０Ｗ程度、１００×１００の配列で１００Ｗ程度の強度の光出力が得られる。なお、面発光レーザ素子の配列ピッチを１００μｍとすると、面発光レーザアレイ素子のチップサイズは、１０×１０配列で１ｍｍ角、３０×３０配列で３ｍｍ角、１００×１００配列で１０ｍｍ角であり、いずれもその光出力に比して非常に小さいものである。また、面発光レーザ素子の配列形状も、正方格子状に限定されず、たとえば三角格子状、円形状、ハニカム状にすることができる。また、光ファイバは、先端部をレンズ加工したものでもよい。レンズ加工した光フィバを用いる場合は、補助集光レンズを省略してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０ 筐体
１１ 基台部
１１ａ 冷却機構
１２ 放熱フィン
１３ 本体部
１４ 突出部
２０ 面発光レーザアレイ素子
２１ 基板
２２ 面発光レーザ素子
３０ 光学素子群
３１ 第１光学素子アレイ
３１ａ 第１光学素子
３１ａａ、３１ａｂ 回折面
３２ 第２光学素子アレイ
３２ａ 第２光学素子
３３ 集束光学素子
４０ 補助集光レンズ
５０ 光ファイバ
１００ レーザ装置
Ａ１ 内側領域
Ａ２ 外側領域
Ｌ１、Ｌ２ 光
ＬＬ、ＬＬ１ レーザ光
Ｐ１〜Ｐ４ 形状
Ｘ 光軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、
前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、
前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記第２光学素子は、前記第１光学素子が整形した各レーザ光をさらに整形することを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差を解消するように整形することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を単峰型に整形することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記整形光学素子が平行光にした各レーザ光を集束する集束光学素子と、
前記集束光学素子が集束した各レーザ光が結合される光ファイバと、
を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記集束光学素子は、前記面発光レーザアレイ素子の基板面内の温度分布に起因する前記各レーザ光の波長分布を補正することを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記整形光学素子または前記集束光学素子は、回折レンズを有することを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ装置。
【請求項１】
基板上に配列され、多モードのレーザ光を出力する複数の面発光レーザ素子を有する面発光レーザアレイ素子と、
前記面発光レーザアレイ素子から離隔して配置され、前記複数の面発光レーザ素子が出力した各レーザ光のビーム形状を整形するとともに該各レーザ光を平行光にする整形光学素子を備えることを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を整形する第１光学素子と、
前記第１光学素子が整形した各レーザ光を少なくとも平行光にする第２光学素子と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記第２光学素子は、前記第１光学素子が整形した各レーザ光をさらに整形することを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を、ビーム断面内の光強度分布の偏差を解消するように整形することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記整形光学素子は、前記各レーザ光のビーム形状を単峰型に整形することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項６】
前記整形光学素子が平行光にした各レーザ光を集束する集束光学素子と、
前記集束光学素子が集束した各レーザ光が結合される光ファイバと、
を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ装置。
【請求項７】
前記集束光学素子は、前記面発光レーザアレイ素子の基板面内の温度分布に起因する前記各レーザ光の波長分布を補正することを特徴とする請求項６に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記整形光学素子または前記集束光学素子は、回折レンズを有することを特徴とする請求項６または７に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−４２２７（Ｐ２０１２−４２２７Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６２０５（Ｐ２０１０−１３６２０５）
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１５日（２０１０．６．１５）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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