JP2001284730A - 集光レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザの光線を高密度に集光しレーザ
加工等に応用する集光レーザ装置に関し、アレイ半導体
レーザを多段にした半導体レーザユニットをコリメート
し集光光学系で集光する場合でも集光性を良くすること
を目的とする。 【解決手段】 アレイ半導体レーザを複数段重ねた半導
体レーザユニット１と、ユニット１からのレーザ光を平
行光線群にコリメートするコリメート光学系２とを有
し、平行光線群の約半数の第１光線群１０−１に対して
光線方向を傾ける第１のプリズム３と再び光線方向を元
に戻す第２のプリズム４とにより第１光線群１０−１を
平行移動することで、平行光線群の残りの第２光線群１
０−２に対して第１光線群１０−１が活性層ストライプ
と直交方向に２段に重ねられた複合平行光線群１１が得
られ、集光性が改善された集光レーザ装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザの光線
を高密度に集光してレーザ加工などに応用する、集光レ
ーザ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは電気エネルギーを光エネ
ルギーに変換する効率が高く、小型であるという特徴が
あるが、個々の半導体レーザは出力が小さく、複数の活
性層ストライプからなるアレイ半導体レーザを使用して
出力を増大させている。例えば数十本の活性層ストライ
プをアレイ化して数十Ｗ程度の出力を得るアレイ半導体
レーザがある。さらにはアレイ半導体レーザを数段以上
の多段に重ねて半導体レーザユニットとして数百Ｗの高
出力を得るユニットが実用化されている。

【０００３】アレイ半導体レーザは活性層ストライプか
らの多数のレーザ光線を微小なスポットに集光すること
が重要となる。これは加工応用においては加工点の高エ
ネルギー密度を得るためであり、また、YAGなどの固体
レーザを端面励起するにも微小なスポットに集光する必
要がある。アレイ半導体レーザを集光するには各活性層
ストライプからのレーザ光を平行光線群にコリメートす
る、コリメート光学系が必要である。コリメート光学系
は、例えば特開平７−４３６４３号公報などに開示され
ている。コリメートされた平行光線群は、集光レンズな
どの集光光学系により集光する。

【０００４】アレイ半導体レーザを多段に重ねた半導体
レーザユニットを集光するのも、各活性層ストライプか
らのレーザ光を平行光線群にコリメートし、集光光学系
により集光する。しかしながら、一つの活性層ストライ
プの形状は線状で、例えば幅が１００μｍ、厚みは１μ
ｍで、さらに、活性層ストライプ方向は２５０μｍ間隔
で４０本の活性層ストライプがアレイを形成し、全体は
１０ｍｍの幅となる。

【０００５】このため活性層ストライプの方向である幅
方向は光源が大きい。活性層ストライプの厚みは１μｍ
と小さく、多段に重ねても幅方向に比較して光源は小さ
い。このため、コリメートして集光した集光スポット
も、幅方向が厚み方向に比較して１０倍以上大きくな
る。例えばアレイを１０段重ねたユニットをＮＡ０．２
の集光光学系で集光したとき、集光スポット形状は幅が
２ｍｍに対し、厚みは１００μｍ程度となる。

【０００６】このように集光スポットの幅と厚みの比が
１０倍以上と悪いことは、加工応用における加工品質を
悪くし、また、固体レーザの端面励起などでは均質な励
起を困難にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、アレイ
半導体レーザを多段に重ねた半導体レーザユニットをコ
リメートして集光光学系により集光した場合、幅方向が
厚み方向に比較して集光性が悪く、例えば集光スポット
の幅と厚みの比が１０倍以上となり、集光性が悪いこと
は、レーザ加工や固体レーザの励起など多くの応用で障
害となっている。

【０００８】本発明は、アレイ半導体レーザを多段に重
ねた半導体レーザユニットをコリメートして集光光学系
により集光した場合においても集光性の良い集光レーザ
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、複数の活性層ストライプからなるアレイ半
導体レーザが複数段重ねられた半導体レーザユニット
と、各活性層ストライプからのレーザ光を平行光線群に
コリメートするコリメート光学系と、前記平行光線群を
集光する集光光学系とを有し、前記平行光線群の約半数
の第１光線群に対して光線方向を傾ける第１のプリズム
と再び光線方向を元に戻す第２のプリズムとにより前記
第１光線群を平行移動し、前記平行光線群の残りの第２
光線群に対して前記第１光線群が前記活性層ストライプ
と直交方向に２段に重ねられた、複合平行光線群となる
ようにしたものである。

【００１０】また本発明は、複数の活性層ストライプか
らなるアレイ半導体レーザが複数段重ねられた半導体レ
ーザユニットと、各活性層ストライプからの各レーザ光
を平行光線群にコリメートするコリメート光学系と、前
記平行光線群を集光する集光光学系とを有し、前記平行
光線群の約半数の第１光線群に対して光線方向を傾ける
第１のプリズムと再び光線方向を元に戻す第２のプリズ
ムとにより前記活性層ストライプと平行に前記第１光線
群を平行移動し、また前記平行光線群の残りの第２光線
群に対して光線方向を傾ける第３のプリズムと再び光線
方向を元に戻す第４のプリズムとにより前記活性層スト
ライプと直交方向に前記第２光線群を平行移動すること
により、前記第１光線群と前記第２光線群が前記活性層
ストライプと直交方向に２段に重ねられる、複合平行光
線群となるようにしたものである。

【００１１】これにより、活性層ストライプ方向の集光
性が向上し、加工応用等に対して実用性の高い集光レー
ザ装置が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、複数の活性層ストライプからなるアレイ半導体レー
ザが複数段重ねられた半導体レーザユニットと、前記ユ
ニットの前記各活性層ストライプからの各レーザ光を平
行光線群にコリメートするコリメート光学系と、前記平
行光線群を集光する集光光学系を有する集光レーザ装置
において、前記平行光線群の約半数の第１光線群に対し
て光線方向を傾ける第１のプリズムと再び光線方向を元
に戻す第２のプリズムとにより前記第１光線群を平行移
動し、前記平行光線群の残りの第２光線群に対して前記
第１光線群が前記活性層ストライプと直交方向に２段に
重ねられた、複合平行光線群となることを特徴とする集
光レーザ装置であり、活性層ストライプ方向の光源の大
きさを半減し、直交方向の光源の大きさを倍増すること
で集光性を改善するという作用を有する。

【００１３】請求項２に記載の発明は、複数の活性層ス
トライプからなるアレイ半導体レーザが複数段重ねられ
た半導体レーザユニットと、前記ユニットの前記各活性
層ストライプからの各レーザ光を平行光線群にコリメー
トするコリメート光学系と、前記平行光線群を集光する
集光光学系を有する集光レーザ装置において、前記平行
光線群の約半数の第１光線群に対して光線方向を傾ける
第１のプリズムと再び光線方向を元に戻す第２のプリズ
ムとにより前記活性層ストライプと平行に前記第１光線
群を平行移動し、また前記平行光線群の残りの第２光線
群に対して光線方向を傾ける第３のプリズムと再び光線
方向を元に戻す第４のプリズムとにより前記活性層スト
ライプと直交方向に前記第２光線群を平行移動すること
により、前記第１光線群と前記第２光線群とが前記活性
層ストライプと直交方向に２段に重ねられた、複合平行
光線群となることを特徴とする集光レーザ装置であり、
活性層ストライプ方向の光源の大きさを半減し、直交方
向の光源の大きさを倍増することで集光性を改善すると
いう作用を有する。

【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１または
請求項２記載の集光レーザ装置において、複合平行光線
群の前記活性層ストライプ方向の幅と直交方向の高さを
およそ一致させる、シリンドリカル光学素子からなる整
形光学系を有することを特徴とする集光レーザ装置であ
り、複合平行光線群のビーム形状が正方形に近づき、集
光光学系の開口を有効に使用してより集光性が高まると
いう作用を有する。

【００１５】更に、請求項４に記載の発明のように、請
求項３記載の集光レーザ装置において、シリンドリカル
光学素子をシリンドリカルレンズとするのが好適であ
る。

【００１６】また、請求項５に記載の発明のように、請
求項１または請求項２記載の集光レーザ装置において、
コリメート光学系がシリンドリカルレンズのアレイより
なることを特徴とする集光レーザ装置とするのが好適で
ある。

【００１７】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図３を用いて説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は本実施の形態によ
る集光レーザ装置の構成を示す概略図であり、（ａ）は
平面図、（ｂ）は側面図である。図１において、１はア
レイ半導体レーザが複数段重ねられた半導体レーザユニ
ット、２はコリメート光学系、３は第１のプリズム、４
は第２のプリズム、５と６はシリンドリカルレンズ、７
は集光光学系、８は集光スポット、１０−１は第１光線
群、１０−２は第２光線群、１１は複合平行光線群であ
る。

【００１９】図２は図１の半導体レーザユニット１とコ
リメート光学系２の部分拡大図であり、（ａ）は平面
図、（ｂ）は側面図である。図１と同一部分は同一番号
を付けた。１−１、１−２、１−３、…は半導体レーザ
ユニット１を構成する個々のアレイ半導体レーザ、２−
１および２−２はコリメート光学系２を構成するシリン
ドリカル光学素子のアレー、９、９−１、９−２、９−
３、…は活性層ストライプである。

【００２０】以下に、本実施の形態の基本的構成を説明
する。半導体レーザユニット１は、図２（ｂ）に示すよ
うに個々のアレイ半導体レーザ１−１、１−２、１−
３、…の重ね合わせより構成され、図２（ａ）に示すよ
うに個々のアレイ半導体レーザ１−１、１−２、１−
３、…は、複数の活性層ストライプ９−１、９−２、９
−３、…よりなり、活性層ストライプ９は平面図の図２
（ａ）に示すように、幅は例えば１００μｍ程度と広
く、図２（ｂ）に示すように厚みは例えば１μｍ程度と
狭い。

【００２１】コリメート光学系２は、個々の活性層スト
ライプ９に対応した、例えばシリンドリカルレンズによ
るシリンドリカル光学素子のアレー２−１と２−２によ
りなるコリメート光学系２により、平行光線群１０を作
る。平行光線群１０は約２分割され、図１の第１光線群
１０−１と第２光線群１０−２となり、第１光線群１０
−１は第１のプリズム３で光線方向を傾け、第２のプリ
ズム４で光線方向を元に戻す。その結果、図１（ａ）、
（ｂ）に示すように、第１光線群１０−１と第２光線群
１０−２が活性層ストライプ９と直交方向に２段に重ね
られ、複合平行光線群となりシリンドリカル光学素子５
に入る。

【００２２】シリンドリカル光学素子５と６は整形光学
系を構成し、複合平行光線群の幅と高さを一致させ、複
合平行光線群１１として、集光光学素子７により集光ス
ポット８を作る。

【００２３】以上のように、半導体レーザユニットのレ
ーザ光線をコリメート光学系でコリメートした平行光線
群を第１光線群と第２光線群の２つに分割し、これらを
活性層ストライプと直交方向に２段に重ねることによ
り、活性層ストライプ方向の光源の大きさを１／２に縮
小して、集光性を改善することができる。これは、小さ
な光源からの光線は、平行光線にコリメートしたとき、
光線の並行性が良く、集光光学系で集光すると小さなス
ポットに集光され、集光性が良いためである。

【００２４】本実施の形態では、活性層ストライプ方向
に平行光線群を２つに分割することで、分割した方向の
光源の大きさは半減し、活性層ストライプと直交方向に
２段に重ねることにより、直交方向の光源の大きさは倍
増するが、従来の技術で述べたように、活性層ストライ
プ方向の光源幅は、もともと１００μｍ程度と直交方向
の光源の厚み１μｍ程度に比較して１００倍も大きく、
幅と厚さの光源の大きさ比率が１００程度もある。そこ
で本実施の形態のように、活性層ストライプ方向の光源
の大きさを半減し、直交方向の光源の大きさを倍増する
ことで、相対的に光源の大きさ比率を１／４に改善し、
光源の大きさ比率に対応する集光スポットの幅と厚さの
形状比率も１／４となるため、集光性を大きく改善する
ことができる。

【００２５】なお、複合平行光線群の活性層ストライプ
方向の幅と直交方向の高さをおよそ一致させるようなシ
リンドリカル光学素子（例えばシリンドリカルレンズ）
からなる整形光学系を付加することにより、複合平行光
線群のビーム形状が正方形に近づくため、集光光学系の
開口を有効に使用して、より集光性を高めることができ
る。

【００２６】（実施の形態２）図３は、本実施の形態に
よる集光レーザ装置の構成を示す概略図であり、（ａ）
は平面図、（ｂ）は側面図である。図３において、図１
と同一部分は同一の番号を付けた。１２は第３のプリズ
ム、１３は第４のプリズムである。

【００２７】以下に、本実施の形態の基本的構成を説明
する。半導体レーザユニット１は（実施の形態１）と同
様に、図２（ｂ）に示すような個々のアレイ半導体レー
ザ１−１、１−２、１−３、…の重ね合わせより構成さ
れ、図２（ａ）に示すように個々のアレイ半導体レーザ
１−１、１−２、１−３、…は、複数の活性層ストライ
プ９−１、９−２、９−３、…よりなり、活性層ストラ
イプ９は平面図の図２（ａ）に示すように、幅は例えば
１００μｍ程度と広く、図２（ｂ）に示すように厚みは
例えば１μｍ程度と狭い。

【００２８】コリメート光学系２は、個々の活性層スト
ライプ９に対応した、例えばシリンドリカルレンズによ
るシリンドリカル光学素子のアレー２−１と２−２によ
りなるコリメート光学系２により、平行光線群１０を作
る。平行光線群１０は約２分割され、図３の第１光線群
１０−１と第２光線群１０−２となり、第１光線群１０
−１は、第１のプリズム３で光線方向を傾け、再び光線
方向を元に戻す第２のプリズム４により活性層ストライ
プと平行に第１光線群１０−１を平行移動する。

【００２９】残りの第２光線群１０−２は、第３のプリ
ズム１２で光線方向を傾け、再び光線方向を元に戻す第
４のプリズム１３により活性層ストライプ９と直交方向
に第２光線群１０−２を平行移動する。その結果、図３
（ａ）、（ｂ）に示すように、第１光線群１０−１と第
２光線群１０−２が活性層ストライプ９と直交方向に２
段に重ねられ、複合平行光線群となりシリンドリカル光
学素子５に入る。

【００３０】シリンドリカル光学素子５と６は整形光学
系を構成し、複合平行光線群の幅と高さを一致させ、複
合平行光線群１１として、集光光学素子７により集光ス
ポット８を作る。

【００３１】以上のように、半導体レーザユニットのレ
ーザ光線をコリメート光学系でコリメートした平行光線
群を第１光線群と第２光線群の２つに分割し、これらを
活性層ストライプと直交方向に２段に重ねることによ
り、活性層ストライプ方向の光源の大きさを１／２に縮
小して、集光性を改善することができる。これは、小さ
な光源からの光線は、平行光線にコリメートしたとき、
光線の並行性が良く、集光光学系で集光すると小さなス
ポットに集光され、集光性が良いためである。

【００３２】本実施の形態では、活性層ストライプ方向
に平行光線群を２つに分割することで、分割した方向の
光源の大きさは半減し、活性層ストライプと直交方向に
２段に重ねることにより、直交方向の光源の大きさは倍
増するが、従来の技術で述べたように、活性層ストライ
プ方向の光源幅は、もともと１００μｍ程度と直交方向
の光源の厚み１μｍ程度に比較して１００倍も大きく、
幅と厚さの光源の大きさ比率が１００程度もある。そこ
で本実施の形態のように、活性層ストライプ方向の光源
の大きさを半減し、直交方向の光源の大きさを倍増する
ことで、相対的に光源の大きさ比率を１／４に改善し、
光源の大きさ比率に対応する集光スポットの幅と厚さの
形状比率も１／４となるため、集光性を大きく改善する
ことができる。

【００３３】なお、複合平行光線群の活性層ストライプ
方向の幅と直交方向の高さをおよそ一致させるようなシ
リンドリカル光学素子（例えばシリンドリカルレンズ）
からなる整形光学系を付加することにより、複合平行光
線群のビーム形状が正方形に近づくため、集光光学系の
開口を有効に使用して、より集光性を高めることができ
る。

【００３４】なお、（実施の形態１）の構成ではプリズ
ムを２個使用し、（実施の形態２）の構成ではプリズム
を４個使用しており、（実施の形態１）の構成は、（実
施の形態２）の構成と比べて必要光学部品数が少なくて
済むという特長を有している。

【００３５】また、（実施の形態１）の構成で使用する
プリズムは一つの面が二重に傾いた複雑な形態をしてい
るが、（実施の形態２）の構成で使用するプリズムは一
つの面が一方向のみに傾いた単純な形態をしており、
（実施の形態２）の構成は、（実施の形態１）の構成と
比べてプリズムの形態が単純で済むという特長を有して
いる。

【００３６】なお、（実施の形態１）、（実施の形態
２）の構成は、シリンドリカル光学素子のアレー２−１
と２−２よりなるコリメート光学系２を用いて構成され
ているが、コリメート光学系２は、各活性層ストライプ
からのレーザ光線を平行光線群にコリメートできる性能
があれば、シリンドリカル光学素子を使用しなくても良
い。

【００３７】また、（実施の形態１）、（実施の形態
２）の構成は、共にシリンドリカル光学素子５と６から
なる整形光学系を有して複合光線群の幅と高さを一致さ
せて、集光光学系７に入る複合平行光線群１１のビーム
形状を正方形に近くすることで、より集光性を高められ
るとしているが、もともと複合光線群のビーム形状が正
方形に近ければ必ずしも必要ではない。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、半導体レ
ーザユニットをコリメートして集光光学系により集光し
たとき、集光スポットの幅と厚みの比を大きく改善して
集光性を向上することが可能となり、たとえば、レーザ
加工では加工品質を向上し、固体レーザ励起では均質な
励起を実現化することができるなど、加工応用等に対し
て実用性の高い集光レーザ装置が得られ、その効果は非
常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による集光レーザ装置の構
成を示す概念図

【図２】本発明の実施の形態による集光レーザ装置の一
部分の構成を示す拡大概念図

【図３】本発明の実施の形態による集光レーザ装置の構
成を示す概念図

【符号の説明】

１ 半導体レーザユニット ２ コリメート光学系 ３ 第１のプリズム ４ 第２のプリズム ５ シリンドリカルレンズ ６ シリンドリカルレンズ ７ 集光光学系 ８ 集光スポット ９ 活性層ストライプ １０ 平行光線群 １１ 複合平行光線群 １２ 第３のプリズム １３ 第４のプリズム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市橋 宏基 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 CD05 CD09 CD12 5F073 AB05 AB25 AB27 BA09 EA29

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の活性層ストライプからなるアレイ
   半導体レーザが複数段重ねられた半導体レーザユニット
   と、前記ユニットの前記各活性層ストライプからの各レ
   ーザ光を平行光線群にコリメートするコリメート光学系
   と、前記平行光線群を集光する集光光学系を有する集光
   レーザ装置において、前記平行光線群の約半数の第１光
   線群に対して光線方向を傾ける第１のプリズムと再び光
   線方向を元に戻す第２のプリズムとにより前記第１光線
   群を平行移動し、前記平行光線群の残りの第２光線群に
   対して前記第１光線群が前記活性層ストライプと直交方
   向に２段に重ねられた、複合平行光線群となることを特
   徴とする集光レーザ装置。
2. 【請求項２】 複数の活性層ストライプからなるアレイ
   半導体レーザが複数段重ねられた半導体レーザユニット
   と、前記ユニットの前記各活性層ストライプからの各レ
   ーザ光を平行光線群にコリメートするコリメート光学系
   と、前記平行光線群を集光する集光光学系を有する集光
   レーザ装置において、前記平行光線群の約半数の第１光
   線群に対して光線方向を傾ける第１のプリズムと再び光
   線方向を元に戻す第２のプリズムとにより前記活性層ス
   トライプと平行に前記第１光線群を平行移動し、また前
   記平行光線群の残りの第２光線群に対して光線方向を傾
   ける第３のプリズムと再び光線方向を元に戻す第４のプ
   リズムとにより前記活性層ストライプと直交方向に前記
   第２光線群を平行移動することにより、前記第１光線群
   と前記第２光線群とが前記活性層ストライプと直交方向
   に２段に重ねられた、複合平行光線群となることを特徴
   とする集光レーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の集光レー
   ザ装置において、複合平行光線群の前記活性層ストライ
   プ方向の幅と直交方向の高さをおよそ一致させる、シリ
   ンドリカル光学素子からなる整形光学系を有することを
   特徴とする集光レーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の集光レーザ装置におい
   て、シリンドリカル光学素子がシリンドリカルレンズで
   あることを特徴とする集光レーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２記載の集光レー
   ザ装置において、コリメート光学系がシリンドリカルレ
   ンズのアレイよりなることを特徴とする集光レーザ装
   置。