JP3098200B2 - レーザビームの補正方法及び装置 - Google Patents
レーザビームの補正方法及び装置Info
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に半導体レーザ
から発生させたレーザビームのように、一方に広がった
楕円状などの非円形なレーザビームを、容易且つ安価な
手段によって小径な円形状ビームスポットに集光できる
ように補正するレーザビームの補正方法及び装置に関す
るものであり、例えば半導体レーザ励起固体レーザの励
起用光源などとして理科学研究、マイクロレーザ加工、
製版、医療、その他の各種分野で利用することができ
る。
から発生させたレーザビームのように、一方に広がった
楕円状などの非円形なレーザビームを、容易且つ安価な
手段によって小径な円形状ビームスポットに集光できる
ように補正するレーザビームの補正方法及び装置に関す
るものであり、例えば半導体レーザ励起固体レーザの励
起用光源などとして理科学研究、マイクロレーザ加工、
製版、医療、その他の各種分野で利用することができ
る。
【０００２】
【従来の技術】この種のレーザビームは、特殊な用途を
除いて一般に集光が容易で且つ高密度のビームにする必
要があり、そのためにはビームスポットが円形状でなる
べく小径であることが望ましく、例えば高出力半導体レ
ーザのレーザビームを励起光として固体レーザを励起す
る場合には、固体レーザの媒質端面から入射するレーザ
ビームが高密度で且つ固体レーザの発振光と等しいビー
ムスポットで集光させると、高い光変換効率で且つ良質
な発振出力ビームが得られることが一般に知られてお
り、そのためにはレーザビームをレーザ媒体内に於て数
百μｍの円形状をしたビームスポットで集光させること
が望ましい。
除いて一般に集光が容易で且つ高密度のビームにする必
要があり、そのためにはビームスポットが円形状でなる
べく小径であることが望ましく、例えば高出力半導体レ
ーザのレーザビームを励起光として固体レーザを励起す
る場合には、固体レーザの媒質端面から入射するレーザ
ビームが高密度で且つ固体レーザの発振光と等しいビー
ムスポットで集光させると、高い光変換効率で且つ良質
な発振出力ビームが得られることが一般に知られてお
り、そのためにはレーザビームをレーザ媒体内に於て数
百μｍの円形状をしたビームスポットで集光させること
が望ましい。
【０００３】しかしながら、例えば多数の発光素子を並
列にしたレーザダイオードバーと呼ばれる半導体レーザ
の発光面は、一方に長く（例えば１０〜２０Ｗ出力の半
導体レーザでは発光長が１０ｍｍ）て、他方が短い（例
えば発光長が１μｍ）ので、発光面から出射されるレー
ザビームのビームスポットは楕円状になり、このレーザ
ビームを所望のビームスポットに集光させる場合には、
短手方向成分は容易に小さいピーム径（数十μｍ以下）
に集光することができるが、長手方向成分に対してはシ
リンドリカルレンズ，球面レンズ，非球面レンズ等を組
み合わせた通常の光学的集光方法では小さく絞ることが
きわめて困難であり、３ｍｍ程度のピーム径になってし
まう。
列にしたレーザダイオードバーと呼ばれる半導体レーザ
の発光面は、一方に長く（例えば１０〜２０Ｗ出力の半
導体レーザでは発光長が１０ｍｍ）て、他方が短い（例
えば発光長が１μｍ）ので、発光面から出射されるレー
ザビームのビームスポットは楕円状になり、このレーザ
ビームを所望のビームスポットに集光させる場合には、
短手方向成分は容易に小さいピーム径（数十μｍ以下）
に集光することができるが、長手方向成分に対してはシ
リンドリカルレンズ，球面レンズ，非球面レンズ等を組
み合わせた通常の光学的集光方法では小さく絞ることが
きわめて困難であり、３ｍｍ程度のピーム径になってし
まう。
【０００４】なお、以下の説明では前記半導体レーザの
発光面が横長になるように長手方向を水平にした状態、
即ち発光面の長手方向に沿った第１方向が水平面で短手
方向に沿った第２方向が垂直面とした状態で使用する場
合について説明するが、例えば水平方向の発光長が１０
ｍｍのビームを１ｍｍφ以下に集光することは前記の理
由から不可能であり、そのために半導体レーザ励起固体
レーザに用いた場合に高い光変換効率が得にくいばかり
か、ビームスポットが楕円状になると発振出力ビームも
楕円状になって高品質のレーザビームが得られない。
発光面が横長になるように長手方向を水平にした状態、
即ち発光面の長手方向に沿った第１方向が水平面で短手
方向に沿った第２方向が垂直面とした状態で使用する場
合について説明するが、例えば水平方向の発光長が１０
ｍｍのビームを１ｍｍφ以下に集光することは前記の理
由から不可能であり、そのために半導体レーザ励起固体
レーザに用いた場合に高い光変換効率が得にくいばかり
か、ビームスポットが楕円状になると発振出力ビームも
楕円状になって高品質のレーザビームが得られない。
【０００５】前記課題を解決する手段の一つとして、例
えば特開平５−９３８２８号公報などに開示されている
光ファイバー束を用いた端面励起方法があり、この方法
では半導体レーザの出力放射を平行化するコリメート素
子に、一端側が分離状態で水平方向に並設されて他端側
が円形状に結束された多数（半導体レーザの発光素子と
同数）の光ファイバー束を結合し、前記半導体レーザの
発光面に近接させたコリメートレンズによって、ダイオ
ードバーを構成する個々の発光素子からの出射光をまず
垂直方向に集光して平行にコリメートした後に、この出
射光を並設した光ファイバー束の一端側から入射させて
結束した他端側から出射させると、レーザビームは水平
方向と垂直方向のビームが平均化された円形状で径の小
さいビームスポットが得られる。
えば特開平５−９３８２８号公報などに開示されている
光ファイバー束を用いた端面励起方法があり、この方法
では半導体レーザの出力放射を平行化するコリメート素
子に、一端側が分離状態で水平方向に並設されて他端側
が円形状に結束された多数（半導体レーザの発光素子と
同数）の光ファイバー束を結合し、前記半導体レーザの
発光面に近接させたコリメートレンズによって、ダイオ
ードバーを構成する個々の発光素子からの出射光をまず
垂直方向に集光して平行にコリメートした後に、この出
射光を並設した光ファイバー束の一端側から入射させて
結束した他端側から出射させると、レーザビームは水平
方向と垂直方向のビームが平均化された円形状で径の小
さいビームスポットが得られる。
【０００６】前記端面励起方法による集光では、例え
ば、直径１０ｍｍ（広がり角１５°）×１μｍ（広がり
角５０°）の半導体レーザに光ファイバー束を組み合わ
せて使用すると、６００μｍ径の領域から広がり角２３
°＝（開口数ＮＡ＝０．２）でレーザビームが出射さ
れ、例えばこのレーザビームを開口数ＮＡ＝０．２の非
球面レンズで集光させると、約６００μｍの円形状のビ
ームにすることができ、光ファイバー束を用いないで開
口数ＮＡ＝０．２のレンズのみで集光した場合における
水平方向のビーム径約６ｍｍに比べて著しく集光性が改
善される。
ば、直径１０ｍｍ（広がり角１５°）×１μｍ（広がり
角５０°）の半導体レーザに光ファイバー束を組み合わ
せて使用すると、６００μｍ径の領域から広がり角２３
°＝（開口数ＮＡ＝０．２）でレーザビームが出射さ
れ、例えばこのレーザビームを開口数ＮＡ＝０．２の非
球面レンズで集光させると、約６００μｍの円形状のビ
ームにすることができ、光ファイバー束を用いないで開
口数ＮＡ＝０．２のレンズのみで集光した場合における
水平方向のビーム径約６ｍｍに比べて著しく集光性が改
善される。
【０００７】因みに、例えば出力２０Ｗの半導体レーザ
（波長８０８ｎｍ）２個を励起光源とし、前記端面励起
方法による集光手段を介して発振波長１０６４ｎｍのレ
ーザ媒体Ｎｄ：ＹＶＯ4を用いた固体レーザに照射する
と、励起光から発振光への光変換効率として約５０％の
値が得られている。
（波長８０８ｎｍ）２個を励起光源とし、前記端面励起
方法による集光手段を介して発振波長１０６４ｎｍのレ
ーザ媒体Ｎｄ：ＹＶＯ4を用いた固体レーザに照射する
と、励起光から発振光への光変換効率として約５０％の
値が得られている。
【０００８】また、半導体レーザの集光性を改善する他
の手段として、水平方向については集光させずに垂直方
向のみ集光させるように、半導体レーザの出射光をロッ
ド形状をしたレーザ媒質の側面から入力射させて励起す
る側面励起方法も用いられているが、この方法ではレー
ザ発振光の領域以外の部分でもレーザビームが吸収され
るので、前記光ファイバー束を用いた端面励起方法に比
べて光変換効率長が低く、一般に２０％程度の光変換効
率しか期待できない。
の手段として、水平方向については集光させずに垂直方
向のみ集光させるように、半導体レーザの出射光をロッ
ド形状をしたレーザ媒質の側面から入力射させて励起す
る側面励起方法も用いられているが、この方法ではレー
ザ発振光の領域以外の部分でもレーザビームが吸収され
るので、前記光ファイバー束を用いた端面励起方法に比
べて光変換効率長が低く、一般に２０％程度の光変換効
率しか期待できない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術における前
者すなわち光ファイバー束を用いた側面励起方法による
と、ビームスポットを小径の円形状にすることができる
ので、このレーザビームを例えば固体レーザ用励起光源
に使用すると、励起光から発振光への光変換効率を高め
ることができる利点はあるが、光ファイバー束の製作に
多くの費用及び時間を必要とし、例えば２０Ｗクラスの
半導体レーザ励起光源について製作コストの比較をする
と、前記光ファイバー束を使用することによって製作コ
ストが約２倍に高騰する。
者すなわち光ファイバー束を用いた側面励起方法による
と、ビームスポットを小径の円形状にすることができる
ので、このレーザビームを例えば固体レーザ用励起光源
に使用すると、励起光から発振光への光変換効率を高め
ることができる利点はあるが、光ファイバー束の製作に
多くの費用及び時間を必要とし、例えば２０Ｗクラスの
半導体レーザ励起光源について製作コストの比較をする
と、前記光ファイバー束を使用することによって製作コ
ストが約２倍に高騰する。
【００１０】また、従来の技術における後者すなわち水
平方向の集光を行わない側面励起方法によると、製作コ
ストが安価で簡便に実施できる利点はあるが、前記吸収
によるロスが多くて高い光変換効率を期待することがで
きない。
平方向の集光を行わない側面励起方法によると、製作コ
ストが安価で簡便に実施できる利点はあるが、前記吸収
によるロスが多くて高い光変換効率を期待することがで
きない。
【００１１】そこで本発明では、例えば半導体レーザか
ら出射されたレーザビームなどのように、非円形なレー
ザビームに対して光学的な補正を行って、円形状をした
径の小さいビームスポットが得られるようにし、例えば
固体レーザ用励起光源に使用した際には励起光から発振
光への光変換効率を高め且つ良質な発振出力ビームが得
られるようにすると共に、その達成手段が比較的安価に
提供できるように改善したレーザビームの補正方法及び
装置を目的としたものである。
ら出射されたレーザビームなどのように、非円形なレー
ザビームに対して光学的な補正を行って、円形状をした
径の小さいビームスポットが得られるようにし、例えば
固体レーザ用励起光源に使用した際には励起光から発振
光への光変換効率を高め且つ良質な発振出力ビームが得
られるようにすると共に、その達成手段が比較的安価に
提供できるように改善したレーザビームの補正方法及び
装置を目的としたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
ために、本発明によるレーザビームの補正方法では、発
光面が長手方向と短手方向を有するレーザ発光源から出
射されたレーザビームに対し、発光面の短手方向に沿っ
たビームの第２方向成分をほぼ平行にコリメートした後
に、このビームを発光面の長手方向に沿った第１方向へ
複数の導光板を並設した光路分割素子に入射させて、ビ
ームの第１方向成分を分割した状態で各導光板内を伝送
させると共に、各分割ビームを第２方向へ所定幅で変位
させた状態で各導光板から出射させ、この各分割ビーム
は第２方向へ複数の導光板を並設した光路変更素子に入
射させると共に、各導光板内で第１方向成分の光路を変
更させて各分割ビームを出射側端部で重ね合わせた状態
にして出射させ、この光路変更素子から出射させた各分
割ビームを集光するようにした。
ために、本発明によるレーザビームの補正方法では、発
光面が長手方向と短手方向を有するレーザ発光源から出
射されたレーザビームに対し、発光面の短手方向に沿っ
たビームの第２方向成分をほぼ平行にコリメートした後
に、このビームを発光面の長手方向に沿った第１方向へ
複数の導光板を並設した光路分割素子に入射させて、ビ
ームの第１方向成分を分割した状態で各導光板内を伝送
させると共に、各分割ビームを第２方向へ所定幅で変位
させた状態で各導光板から出射させ、この各分割ビーム
は第２方向へ複数の導光板を並設した光路変更素子に入
射させると共に、各導光板内で第１方向成分の光路を変
更させて各分割ビームを出射側端部で重ね合わせた状態
にして出射させ、この光路変更素子から出射させた各分
割ビームを集光するようにした。
【００１３】前記レーザビームの補正方法において、前
記光路変更素子と光路変更素子は、各導光板における入
射角度と出射角度、又は出射位置、又は屈折率の何れか
の設定により、各分割ビームの前記光路を得ることがで
きる。
記光路変更素子と光路変更素子は、各導光板における入
射角度と出射角度、又は出射位置、又は屈折率の何れか
の設定により、各分割ビームの前記光路を得ることがで
きる。
【００１４】本発明によるレーザビームの補正装置で
は、発光面が長手方向と短手方向を有するレーザ発光源
から出射されるレーザビームに対し、発光面の短手方向
に沿った第２方向成分をほぼ平行にコリメートするコリ
メート素子と、発光面の長手方向に沿った第１方向成分
を分割した状態で各導光板内を伝送させると共に、各分
割ビームを第２方向へ所定幅で変位させた状態で出射す
べく、複数の導光板を第１方向へ並設した光路分割素子
と、各分割ビームの第１方向成分の光路を変更させて出
射側端部で重ね合わせた状態にして出射すべく、複数の
導光板を第２方向へ並設した光路変更素子と、光路変更
素子から出射させた各分割ビームを集光する集光素子
と、を具備する。
は、発光面が長手方向と短手方向を有するレーザ発光源
から出射されるレーザビームに対し、発光面の短手方向
に沿った第２方向成分をほぼ平行にコリメートするコリ
メート素子と、発光面の長手方向に沿った第１方向成分
を分割した状態で各導光板内を伝送させると共に、各分
割ビームを第２方向へ所定幅で変位させた状態で出射す
べく、複数の導光板を第１方向へ並設した光路分割素子
と、各分割ビームの第１方向成分の光路を変更させて出
射側端部で重ね合わせた状態にして出射すべく、複数の
導光板を第２方向へ並設した光路変更素子と、光路変更
素子から出射させた各分割ビームを集光する集光素子
と、を具備する。
【００１５】前記レーザビームの補正装置において、前
記光路分割素子と光路変更素子は、ビームの入射側端面
と出射側端面を平行にした各導光板をガラスプレート又
は光学結晶板で形成することにより、各分割ビームの前
記光路を得ることができる。
記光路分割素子と光路変更素子は、ビームの入射側端面
と出射側端面を平行にした各導光板をガラスプレート又
は光学結晶板で形成することにより、各分割ビームの前
記光路を得ることができる。
【００１６】前記光路分割素子と光路変更素子の少なく
とも何れか一方の素子としては、入射角度と出射角度が
順次異なるように所定角度で変位させて各導光板を並設
した態様のものを使用することができるが、この場合に
おける光路分割素子と光路変更素子は、平行四辺形を含
む方形状をした同形の各導光板で構成し、光路分割素子
の各導光板は第２方向と平行する面上において、光路変
更素子の各導光板は第１方向と平行する面上において、
それぞれ角度をずらせて扇形状に配列して実施すること
ができる。
とも何れか一方の素子としては、入射角度と出射角度が
順次異なるように所定角度で変位させて各導光板を並設
した態様のものを使用することができるが、この場合に
おける光路分割素子と光路変更素子は、平行四辺形を含
む方形状をした同形の各導光板で構成し、光路分割素子
の各導光板は第２方向と平行する面上において、光路変
更素子の各導光板は第１方向と平行する面上において、
それぞれ角度をずらせて扇形状に配列して実施すること
ができる。
【００１７】また前記光路分割素子と光路変更素子の少
なくとも何れか一方の素子として、入射角度及び出射角
度が一定でビームの出射位置が順次異なるように長さを
変えた各導光板を並設した態様のものも使用することが
できるが、この場合における光路分割素子と光路変更素
子は、平行四辺形を含む方形状をした各導光板で構成
し、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行する面上
において、入射側及び出射側端面を入射側へ所定角度に
傾斜させた状態で配置すると共に、光路変更素子の各導
光板は第１方向と平行する面上において、入射側及び出
射側端面を出射側へ所定角度に傾斜させた状態で配置し
て実施することができる。
なくとも何れか一方の素子として、入射角度及び出射角
度が一定でビームの出射位置が順次異なるように長さを
変えた各導光板を並設した態様のものも使用することが
できるが、この場合における光路分割素子と光路変更素
子は、平行四辺形を含む方形状をした各導光板で構成
し、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行する面上
において、入射側及び出射側端面を入射側へ所定角度に
傾斜させた状態で配置すると共に、光路変更素子の各導
光板は第１方向と平行する面上において、入射側及び出
射側端面を出射側へ所定角度に傾斜させた状態で配置し
て実施することができる。
【００１８】更に前記光路分割素子と光路変更素子の少
なくとも何れか一方の素子として、入射角度及び出射角
度が一定でビームの屈折率が順次異なるように屈折率を
変えた各導光板を並設した態様のものも使用することが
できるが、この場合における前記光路分割素子と光路変
更素子は、平行四辺形を含む方形状をした同形の各導光
板で構成し、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行
する面上において、入射側及び出射側端面を出射側へ所
定角度に傾斜させた状態で配置すると共に、光路変更素
子の各導光板は第１方向と平行する面上において、入射
側及び出射側端面を入射側へ所定角度に傾斜させた状態
で配置して実施することができる。
なくとも何れか一方の素子として、入射角度及び出射角
度が一定でビームの屈折率が順次異なるように屈折率を
変えた各導光板を並設した態様のものも使用することが
できるが、この場合における前記光路分割素子と光路変
更素子は、平行四辺形を含む方形状をした同形の各導光
板で構成し、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行
する面上において、入射側及び出射側端面を出射側へ所
定角度に傾斜させた状態で配置すると共に、光路変更素
子の各導光板は第１方向と平行する面上において、入射
側及び出射側端面を入射側へ所定角度に傾斜させた状態
で配置して実施することができる。
【００１９】前記レーザビームの補正装置における光路
分割素子には、各導光板の表裏両面でレーザビームを全
反射させて分割ビームの光路を制限する手段が施され、
この光路制限手段として各導光板間にわずかな空気層を
設けるか、金属膜または誘電体膜をコーティングするよ
うにした。
分割素子には、各導光板の表裏両面でレーザビームを全
反射させて分割ビームの光路を制限する手段が施され、
この光路制限手段として各導光板間にわずかな空気層を
設けるか、金属膜または誘電体膜をコーティングするよ
うにした。
【００２０】なお、前記光路分割素子と光路変更素子と
して同様構成のものを使用する態様だけではなく、異な
った構成のものを組み合わせて使用する態様もある。
して同様構成のものを使用する態様だけではなく、異な
った構成のものを組み合わせて使用する態様もある。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明によるレーザビー
ムの補正方法及び装置に付いて、半導体レーザを使用し
た固体レーザ用励起光源に適用した好適な実施形態に基
づき、添付した図１〜５によって詳しく説明する。
ムの補正方法及び装置に付いて、半導体レーザを使用し
た固体レーザ用励起光源に適用した好適な実施形態に基
づき、添付した図１〜５によって詳しく説明する。
【００２２】図１で、第１の実施形態による補正方法及
び装置の基本構成を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図
でそれぞれ示すが、この第１の実施形態には半導体レー
ザ１と、コリメート素子２と、光路分割素子３と、光路
変更素子４と、集光素子５とが使用され、レーザ発光源
である半導体レーザ１は、発光面の長手方向を水平方向
に延在させて配置した状態で使用している。
び装置の基本構成を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図
でそれぞれ示すが、この第１の実施形態には半導体レー
ザ１と、コリメート素子２と、光路分割素子３と、光路
変更素子４と、集光素子５とが使用され、レーザ発光源
である半導体レーザ１は、発光面の長手方向を水平方向
に延在させて配置した状態で使用している。
【００２３】半導体レーザ１には、多数のダイオードレ
ーザ発光素子を水平方向に並設した横長の発光面を備え
た、所謂ダイオードレーザバーを用い、コリメート素子
２には、円柱状に形成したファイバーレンズまたはシリ
ンドリカルレンズを横長に使用し、半導体レーザ１の発
光面にコリメート素子２を近接させた状態で対向状に配
置し、このコリメート素子２が半導体レーザ１から出射
されたレーザビームに対して、その垂直方向成分即ち発
光面の短手方向から広がりを持って出射されたレーザビ
ームをほぼ平行にコリメートして光路分割素子３側へ出
射する。
ーザ発光素子を水平方向に並設した横長の発光面を備え
た、所謂ダイオードレーザバーを用い、コリメート素子
２には、円柱状に形成したファイバーレンズまたはシリ
ンドリカルレンズを横長に使用し、半導体レーザ１の発
光面にコリメート素子２を近接させた状態で対向状に配
置し、このコリメート素子２が半導体レーザ１から出射
されたレーザビームに対して、その垂直方向成分即ち発
光面の短手方向から広がりを持って出射されたレーザビ
ームをほぼ平行にコリメートして光路分割素子３側へ出
射する。
【００２４】光路分割素子３は、光学ガラスや石英ガラ
スなどのガラスプレート或いは板状に加工した光学結晶
などで形成された複数枚（図１では３枚）の方形状をし
た導光板３−１，３−２，３−３を並設状に配置したも
のであり、垂直方向成分がコリメートされたレーザビー
ムの水平方向成分を、即ち発光面の長手方向から広がり
を持って出射されたレーザビームを各導光板３−１，３
−２，３−３に分割した状態で入射させ、各導光板によ
って規制された光路内を分割レーザビームが光路変更素
子４側に向けてそれぞれ伝送されるようにしている。
スなどのガラスプレート或いは板状に加工した光学結晶
などで形成された複数枚（図１では３枚）の方形状をし
た導光板３−１，３−２，３−３を並設状に配置したも
のであり、垂直方向成分がコリメートされたレーザビー
ムの水平方向成分を、即ち発光面の長手方向から広がり
を持って出射されたレーザビームを各導光板３−１，３
−２，３−３に分割した状態で入射させ、各導光板によ
って規制された光路内を分割レーザビームが光路変更素
子４側に向けてそれぞれ伝送されるようにしている。
【００２５】光路分割素子３は、レーザビームの幅広な
水平方向成分に対応すべく垂直方向に延在する各導光板
３−１，３−２，３−３を水平方向に沿って並設し、且
つ各導光板の入射側端面に対するレーザビームの入射角
度がそれぞれ異なるように垂直面上において扇形状に順
次角度を変位させた状態で並設し、各導光板の両面は光
が乱反射しないよう研磨されていると共に、各導光板を
通過する分割レーザビームが並設境界面で全反射するよ
う波長間隔以上のすき間（空気層）を設けた状態で並設
するか、少なくとも導光板の片面に金属膜又は誘電体膜
などによる反射面を施し、更に各導光板はレーザビーム
の入射側端面及び出射側端面をそれぞれ研磨して反射防
止膜を施すことによって反射ロスを少なくしている。
水平方向成分に対応すべく垂直方向に延在する各導光板
３−１，３−２，３−３を水平方向に沿って並設し、且
つ各導光板の入射側端面に対するレーザビームの入射角
度がそれぞれ異なるように垂直面上において扇形状に順
次角度を変位させた状態で並設し、各導光板の両面は光
が乱反射しないよう研磨されていると共に、各導光板を
通過する分割レーザビームが並設境界面で全反射するよ
う波長間隔以上のすき間（空気層）を設けた状態で並設
するか、少なくとも導光板の片面に金属膜又は誘電体膜
などによる反射面を施し、更に各導光板はレーザビーム
の入射側端面及び出射側端面をそれぞれ研磨して反射防
止膜を施すことによって反射ロスを少なくしている。
【００２６】従って、光路分割素子３の各導光板３−
１，３−２，３−３に入射された分割レーザビームは、
水平方向成分が各導光板の厚み幅で制限された狭い光路
内を全反射しながら光路変更素子４側に向けてそれぞれ
伝送されるが、垂直方向成分は各導光板内で垂直方向に
光路変化を受けながら伝送され、各導光板を通過した分
割レーザビームは垂直方向に対してそれぞれ異なった高
さに分散した状態で出射することになるので、この分散
を少なくして各分割レーザビームが垂直方向でオーバラ
ップしない程度に接近するように、並設する各導光板の
前記変位角度を予め設定し、光路変更素子４の各導光板
に適合する所定幅の平行ビームで出射されるようにして
いる。
１，３−２，３−３に入射された分割レーザビームは、
水平方向成分が各導光板の厚み幅で制限された狭い光路
内を全反射しながら光路変更素子４側に向けてそれぞれ
伝送されるが、垂直方向成分は各導光板内で垂直方向に
光路変化を受けながら伝送され、各導光板を通過した分
割レーザビームは垂直方向に対してそれぞれ異なった高
さに分散した状態で出射することになるので、この分散
を少なくして各分割レーザビームが垂直方向でオーバラ
ップしない程度に接近するように、並設する各導光板の
前記変位角度を予め設定し、光路変更素子４の各導光板
に適合する所定幅の平行ビームで出射されるようにして
いる。
【００２７】光路分割素子３の各導光板３−１，３−
２，３−３を通過した分割レーザビームは、その後段に
配置された光路変更素子４にそれぞれ入射されるが、こ
の光路変更素子４は前段の光路分割素子３と同様に光学
ガラスや石英ガラスなどのガラスプレート或いは板状に
加工した光学結晶などで形成された複数枚（図１では３
枚）の方形状をした導光板４−１，４−２，４−３を並
設状に配置したものであり、光路分割素子３の各導光板
とは９０°回転した状態で即ち分割レーザビームに対応
すべく水平方向に延在する各導光板４−１，４−２，４
−３を垂直方向に沿って並設し、且つ各導光板の入射側
端面に対する分割レーザビームの入射角度がそれぞれ異
なるように水平面上において扇形状に順次角度を変位さ
せた状態で並設されている。
２，３−３を通過した分割レーザビームは、その後段に
配置された光路変更素子４にそれぞれ入射されるが、こ
の光路変更素子４は前段の光路分割素子３と同様に光学
ガラスや石英ガラスなどのガラスプレート或いは板状に
加工した光学結晶などで形成された複数枚（図１では３
枚）の方形状をした導光板４−１，４−２，４−３を並
設状に配置したものであり、光路分割素子３の各導光板
とは９０°回転した状態で即ち分割レーザビームに対応
すべく水平方向に延在する各導光板４−１，４−２，４
−３を垂直方向に沿って並設し、且つ各導光板の入射側
端面に対する分割レーザビームの入射角度がそれぞれ異
なるように水平面上において扇形状に順次角度を変位さ
せた状態で並設されている。
【００２８】従って、光路分割素子３の垂直な各導光板
３−１，３−２，３−３を通過した分割レーザビーム
は、光路変更素子４の水平な各導光板４−１，４−２，
４−３にそれぞれ入射され、当該光路変更素子４の各導
光板内で水平方向に光路変化を受けながら伝送される
が、光路変更素子４の後段に設けた集光素子５による集
光を容易にするために、各導光板を通過した分割レーザ
ビームが出射側端面において水平方向でオーバーラップ
するように、並設する各導光板の変位角度が予め設定さ
れている。
３−１，３−２，３−３を通過した分割レーザビーム
は、光路変更素子４の水平な各導光板４−１，４−２，
４−３にそれぞれ入射され、当該光路変更素子４の各導
光板内で水平方向に光路変化を受けながら伝送される
が、光路変更素子４の後段に設けた集光素子５による集
光を容易にするために、各導光板を通過した分割レーザ
ビームが出射側端面において水平方向でオーバーラップ
するように、並設する各導光板の変位角度が予め設定さ
れている。
【００２９】尚、光路変更素子４の各導光板内における
垂直方向成分の広がり角は一般に小さく（＜０．５°）
て、導光板の上下両面にレーザビームが当たる量は非常
に少ないので、光路変更素子３の場合のように各導光板
間に空気層を設けたり、金属膜や誘電体膜等のコーティ
ングを導光板面に施して全反射させる必要性は必ずしも
ないので、省略することもできる。
垂直方向成分の広がり角は一般に小さく（＜０．５°）
て、導光板の上下両面にレーザビームが当たる量は非常
に少ないので、光路変更素子３の場合のように各導光板
間に空気層を設けたり、金属膜や誘電体膜等のコーティ
ングを導光板面に施して全反射させる必要性は必ずしも
ないので、省略することもできる。
【００３０】光路変更素子４の各導光板を通過したレー
ザビームは、その後段に設けた集光素子５に向けて出射
されるが、この集光素子５は例えばシリンドリカルレン
ズ５ａと非球面レンズ５ｂを有し、シリンドリカルレン
ズ５ａで光路変更素子４からの出射光を一旦平行にした
後に、非球面レンズ５ｂによって水平方向成分及び垂直
方向成分がそれぞれ絞り込まれて焦点Ｆに集光され、そ
の際における水平方向成分と垂直方向成分の焦点Ｆ位置
は、前記シリンドリカルレンズ５ａによってずれが生じ
ないように予め補正される。
ザビームは、その後段に設けた集光素子５に向けて出射
されるが、この集光素子５は例えばシリンドリカルレン
ズ５ａと非球面レンズ５ｂを有し、シリンドリカルレン
ズ５ａで光路変更素子４からの出射光を一旦平行にした
後に、非球面レンズ５ｂによって水平方向成分及び垂直
方向成分がそれぞれ絞り込まれて焦点Ｆに集光され、そ
の際における水平方向成分と垂直方向成分の焦点Ｆ位置
は、前記シリンドリカルレンズ５ａによってずれが生じ
ないように予め補正される。
【００３１】前記集光素子５に対する水平方向成分の実
質的な入射ビーム径は分割数（即ち導光板の数）に逆比
例して短くなっているので、集光素子５で集光したとき
の水平方向のビーム径を入射ビーム径が小さくなった比
率で小さくすることができ、またレーザビームの垂直方
向成分に対しては、複数の分割レーザビームが垂直方向
に並んだ状態で実質的な出射ビーム径は長くなり、集光
素子５で集光したときの垂直方向の集光性は多少損なわ
れるが、元々広がり角が小さくて平行光に近いので、分
割数（即ち導光板の数）を適切な値以下に設定しておけ
ばで水平方向成分のビーム径より大きくなることはな
く、実用上では問題にならない。
質的な入射ビーム径は分割数（即ち導光板の数）に逆比
例して短くなっているので、集光素子５で集光したとき
の水平方向のビーム径を入射ビーム径が小さくなった比
率で小さくすることができ、またレーザビームの垂直方
向成分に対しては、複数の分割レーザビームが垂直方向
に並んだ状態で実質的な出射ビーム径は長くなり、集光
素子５で集光したときの垂直方向の集光性は多少損なわ
れるが、元々広がり角が小さくて平行光に近いので、分
割数（即ち導光板の数）を適切な値以下に設定しておけ
ばで水平方向成分のビーム径より大きくなることはな
く、実用上では問題にならない。
【００３２】例えば半導体レーザ１の発光面が１０ｍｍ
（水平）×１μｍ（垂直）の場合、垂直方向成分に対す
るコリメートで０．５°程度の平行度（これは市販のコ
リメート素子を用いても十分に可能な値である。）にす
ると、光路分割素子３による水平方向成分の分割数が２
０分割（導光板を２０枚並設する）程度までは垂直方向
成分のビーム径が実用上問題になることはない。
（水平）×１μｍ（垂直）の場合、垂直方向成分に対す
るコリメートで０．５°程度の平行度（これは市販のコ
リメート素子を用いても十分に可能な値である。）にす
ると、光路分割素子３による水平方向成分の分割数が２
０分割（導光板を２０枚並設する）程度までは垂直方向
成分のビーム径が実用上問題になることはない。
【００３３】これを、光路分割素子３及び光路変更素子
４として３枚の導光板をそれぞれ用いた図１の実施形態
に適合させて具体的に述べると、水平方向成分について
は導光板４−１，４−３から出射した分割レーザビーム
が導光板４−２の分割レーザビームと重なり、集光素子
５側からみた水平方向のビーム径は導光板４−２の幅と
ほぼ等しく、半導体レーザ１の水平方向における発光面
の幅の約１／３になるので、集光素子５によってレーザ
スポットの水平方向のビーム径を当初の約１／３に集光
させることができる。
４として３枚の導光板をそれぞれ用いた図１の実施形態
に適合させて具体的に述べると、水平方向成分について
は導光板４−１，４−３から出射した分割レーザビーム
が導光板４−２の分割レーザビームと重なり、集光素子
５側からみた水平方向のビーム径は導光板４−２の幅と
ほぼ等しく、半導体レーザ１の水平方向における発光面
の幅の約１／３になるので、集光素子５によってレーザ
スポットの水平方向のビーム径を当初の約１／３に集光
させることができる。
【００３４】また、光路分割素子３の各導光板から出射
される垂直方向のビーム径は、半導体レーザ１から出射
された直後にコリメートした径の約３倍となるが、水平
方向成分に比べると元の平行度が一般に５０倍以上も良
いので、光路分割素子３によって垂直方向成分の集光性
が多少損なわれても実質的に問題とならない。
される垂直方向のビーム径は、半導体レーザ１から出射
された直後にコリメートした径の約３倍となるが、水平
方向成分に比べると元の平行度が一般に５０倍以上も良
いので、光路分割素子３によって垂直方向成分の集光性
が多少損なわれても実質的に問題とならない。
【００３５】以上に説明した第１の実施形態では、レー
ザビームの水平方向成分を分割して伝送する光路分割素
子３と、この分割レーザビームの水平方向成分を重ね合
わせる光路変更素子４を用い、この第１及び光路変更素
子３，４は入射角が異なるように扇状にずらした状態で
並設した複数の方形状をした導光板で構成したが、各導
光板への入射角は同じにして各導光板からの出射位置が
異なるように長さを変えたり、各導光板の屈折率を変え
て屈折角が異なるようにし、第１の実施形態と同様に機
能させる他の実施形態もある。
ザビームの水平方向成分を分割して伝送する光路分割素
子３と、この分割レーザビームの水平方向成分を重ね合
わせる光路変更素子４を用い、この第１及び光路変更素
子３，４は入射角が異なるように扇状にずらした状態で
並設した複数の方形状をした導光板で構成したが、各導
光板への入射角は同じにして各導光板からの出射位置が
異なるように長さを変えたり、各導光板の屈折率を変え
て屈折角が異なるようにし、第１の実施形態と同様に機
能させる他の実施形態もある。
【００３６】例えば、図２では光路分割素子及び光路変
更素子の各導光板へのビーム入射角を等しくして各導光
板からの出射位置が異なるように長さを変え、第１の実
施形態と同様に機能させた第２の実施形態の基本構成
を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示し、
この実施形態では第１の実施形態の場合と同様の半導体
レーザ１と、コリメート素子２と、集光素子５とが使用
されると共に、光路分割素子３に代わる光路分割素子６
と、光路変更素子４に代わる光路変更素子７とが使用さ
れるが、共通する半導体レーザ１と、コリメート素子２
と、集光素子５に付いては詳細な説明は省略する。
更素子の各導光板へのビーム入射角を等しくして各導光
板からの出射位置が異なるように長さを変え、第１の実
施形態と同様に機能させた第２の実施形態の基本構成
を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示し、
この実施形態では第１の実施形態の場合と同様の半導体
レーザ１と、コリメート素子２と、集光素子５とが使用
されると共に、光路分割素子３に代わる光路分割素子６
と、光路変更素子４に代わる光路変更素子７とが使用さ
れるが、共通する半導体レーザ１と、コリメート素子２
と、集光素子５に付いては詳細な説明は省略する。
【００３７】光路分割素子６は、垂直方向に延在する平
行四辺形状の複数枚（図２では３枚）の各導光板６−
１，６−２，６−３を、入射側端面及び出射側端面が垂
直面上において入射側に傾斜する態様で水平方向に沿っ
て並設し、且つ各導光板の入射側端面に対するレーザビ
ームの入射角度がそれぞれ等しくなるように入射側端面
を整列状態にすると共に、出射位置が順次異なるように
各導光板６−１，６−２，６−３の長さを変えて出射側
端面が階段状になる状態で並設されている。
行四辺形状の複数枚（図２では３枚）の各導光板６−
１，６−２，６−３を、入射側端面及び出射側端面が垂
直面上において入射側に傾斜する態様で水平方向に沿っ
て並設し、且つ各導光板の入射側端面に対するレーザビ
ームの入射角度がそれぞれ等しくなるように入射側端面
を整列状態にすると共に、出射位置が順次異なるように
各導光板６−１，６−２，６−３の長さを変えて出射側
端面が階段状になる状態で並設されている。
【００３８】これにより、光路分割素子６の各導光板６
−１，６−２，６−３に入射された分割レーザビーム
は、水平方向成分は各導光板の厚み幅で制限された狭い
光路内を全反射しながら光路変更素子７側に向けてそれ
ぞれ伝送されるが、垂直方向成分は各導光板内で垂直方
向に光路変化を受けながら伝送され、各導光板を通過し
た分割レーザビームは垂直方向に対してそれぞれ異なっ
た高さで出射することになるので、この分散を少なくし
て各分割レーザビームが出射側端面において垂直方向で
オーバラップしない程度に接近するように、並設する各
導光板の長さと入射側端面及び出射側端面の前記傾斜角
度を予め設定し、光路変更素子７の各導光板に適合する
所定幅の平行ビームとして出射されるようにしている。
−１，６−２，６−３に入射された分割レーザビーム
は、水平方向成分は各導光板の厚み幅で制限された狭い
光路内を全反射しながら光路変更素子７側に向けてそれ
ぞれ伝送されるが、垂直方向成分は各導光板内で垂直方
向に光路変化を受けながら伝送され、各導光板を通過し
た分割レーザビームは垂直方向に対してそれぞれ異なっ
た高さで出射することになるので、この分散を少なくし
て各分割レーザビームが出射側端面において垂直方向で
オーバラップしない程度に接近するように、並設する各
導光板の長さと入射側端面及び出射側端面の前記傾斜角
度を予め設定し、光路変更素子７の各導光板に適合する
所定幅の平行ビームとして出射されるようにしている。
【００３９】光路変更素子７は、光路分割素子６の各導
光板とは９０°回転した状態で即ち水平方向に延在する
平行四辺形状の各導光板７−１，７−２，７−３を、入
射側端面及び出射側端面が水平面上において出射側に傾
斜する態様で垂直方向に沿って並設し、且つ各導光板の
入射側端面に対するレーザビームの入射角度がそれぞれ
等しくなるように入射側端面を整列状態にすると共に、
出射位置が順次異なるように各導光板７−１，７−２，
７−３の長さを変えて出射側端面が階段状になる状態で
並設されている。
光板とは９０°回転した状態で即ち水平方向に延在する
平行四辺形状の各導光板７−１，７−２，７−３を、入
射側端面及び出射側端面が水平面上において出射側に傾
斜する態様で垂直方向に沿って並設し、且つ各導光板の
入射側端面に対するレーザビームの入射角度がそれぞれ
等しくなるように入射側端面を整列状態にすると共に、
出射位置が順次異なるように各導光板７−１，７−２，
７−３の長さを変えて出射側端面が階段状になる状態で
並設されている。
【００４０】これにより、光路分割素子６の各導光板を
通過して光路変更素子７の各導光板７−１，７−２，７
−３にそれぞれ入射された分割レーザビームは、当該光
路変更素子７の各導光板内で水平方向に光路変化を受け
ながら伝送されるが、光路変更素子７の後段に設けた集
光素子５による集光を容易にするために、各導光板を通
過した分割レーザビームが出射側端面において水平方向
でオーバーラップするように、並設する各導光板の傾斜
角度及び長さが予め設定されている。
通過して光路変更素子７の各導光板７−１，７−２，７
−３にそれぞれ入射された分割レーザビームは、当該光
路変更素子７の各導光板内で水平方向に光路変化を受け
ながら伝送されるが、光路変更素子７の後段に設けた集
光素子５による集光を容易にするために、各導光板を通
過した分割レーザビームが出射側端面において水平方向
でオーバーラップするように、並設する各導光板の傾斜
角度及び長さが予め設定されている。
【００４１】更に、図４では光路分割素子及び光路変更
素子の各導光板の屈折率を変えて屈折角が異なるように
し、第１の実施形態と同様に機能させる第３の実施形態
の基本構成を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれ
ぞれ示し、この実施形態では第１の実施形態の場合と同
様の半導体レーザ１と、コリメート素子２と、集光素子
５とが使用されると共に、光路分割素子３に代わる光路
分割素子８と、光路変更素子４に代わる光路変更素子９
とが使用されるが、共通する半導体レーザ１と、コリメ
ート素子２と、集光素子５に付いては詳細な説明は省略
する。
素子の各導光板の屈折率を変えて屈折角が異なるように
し、第１の実施形態と同様に機能させる第３の実施形態
の基本構成を、（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれ
ぞれ示し、この実施形態では第１の実施形態の場合と同
様の半導体レーザ１と、コリメート素子２と、集光素子
５とが使用されると共に、光路分割素子３に代わる光路
分割素子８と、光路変更素子４に代わる光路変更素子９
とが使用されるが、共通する半導体レーザ１と、コリメ
ート素子２と、集光素子５に付いては詳細な説明は省略
する。
【００４２】光路分割素子８は、垂直方向に延在する方
形状で屈折率がそれぞれ異なる複数枚（図２では３枚）
の各導光板８−１，８−２，８−３を、入射側端面及び
出射側端面が垂直面上において入射側から見て仰角状に
所定角度（例えば４５°）に傾斜する態様で水平方向に
沿って並設し、且つ各導光板の入射側端面に対するレー
ザビームの入射角度がそれぞれ等しくなるように入射側
端面を整列状態にして並設されると共に、各導光板６−
１，６−２，６−３は屈折角が異なるように屈折率を変
えたものをが使用される。
形状で屈折率がそれぞれ異なる複数枚（図２では３枚）
の各導光板８−１，８−２，８−３を、入射側端面及び
出射側端面が垂直面上において入射側から見て仰角状に
所定角度（例えば４５°）に傾斜する態様で水平方向に
沿って並設し、且つ各導光板の入射側端面に対するレー
ザビームの入射角度がそれぞれ等しくなるように入射側
端面を整列状態にして並設されると共に、各導光板６−
１，６−２，６−３は屈折角が異なるように屈折率を変
えたものをが使用される。
【００４３】これにより、光路分割素子８の各導光板８
−１，８−２，８−３に入射された分割レーザビーム
は、水平方向成分は各導光板の厚み幅で制限された狭い
光路内を全反射しながら光路変更素子９側に向けてそれ
ぞれ伝送されるが、垂直方向成分は各導光板の屈折率に
対応する屈折角度で垂直方向に光路変化を受けながら伝
送され、各導光板を通過した分割レーザビームは垂直方
向に対してそれぞれ異なった高さに分散した状態で出射
することになるので、この分散を少なくして各分割レー
ザビームが垂直方向でオーバラップしない程度に接近す
るように、並設する各導光板の屈折率が予め設定（例え
ば、図３では導光板８−１の屈折率が最も小さくて、導
光板８−３の屈折率を最も大きい）されている。
−１，８−２，８−３に入射された分割レーザビーム
は、水平方向成分は各導光板の厚み幅で制限された狭い
光路内を全反射しながら光路変更素子９側に向けてそれ
ぞれ伝送されるが、垂直方向成分は各導光板の屈折率に
対応する屈折角度で垂直方向に光路変化を受けながら伝
送され、各導光板を通過した分割レーザビームは垂直方
向に対してそれぞれ異なった高さに分散した状態で出射
することになるので、この分散を少なくして各分割レー
ザビームが垂直方向でオーバラップしない程度に接近す
るように、並設する各導光板の屈折率が予め設定（例え
ば、図３では導光板８−１の屈折率が最も小さくて、導
光板８−３の屈折率を最も大きい）されている。
【００４４】光路変更素子９は、光路分割素子８の各導
光板と同様の構成による各導光板９−１，９−２，９−
３を、９０°転移させた水平状態で使用するものであ
り、光路分割素子８の各導光板を通過した垂直方向に高
さの異なる分割レーザビームが各導光板９−１，９−
２，９−３にそれぞれ入射されると、この分割レーザビ
ームの水平方向成分は各導光板の屈折率に対応する屈折
角度で水平方向に光路変化を受けながら伝送されるが、
光路変更素子９の後段に設けた集光素子５による集光を
容易にするために、各導光板を通過した分割レーザビー
ムが出射側端面において水平方向でオーバーラップする
ように、各導光板の屈折率が予め設定（例えば、図３で
は導光板９−１の屈折率が最も小さくて、導光板９−３
の屈折率を最も大きい）されている。
光板と同様の構成による各導光板９−１，９−２，９−
３を、９０°転移させた水平状態で使用するものであ
り、光路分割素子８の各導光板を通過した垂直方向に高
さの異なる分割レーザビームが各導光板９−１，９−
２，９−３にそれぞれ入射されると、この分割レーザビ
ームの水平方向成分は各導光板の屈折率に対応する屈折
角度で水平方向に光路変化を受けながら伝送されるが、
光路変更素子９の後段に設けた集光素子５による集光を
容易にするために、各導光板を通過した分割レーザビー
ムが出射側端面において水平方向でオーバーラップする
ように、各導光板の屈折率が予め設定（例えば、図３で
は導光板９−１の屈折率が最も小さくて、導光板９−３
の屈折率を最も大きい）されている。
【００４５】以上に述べた第１〜３の実施形態では、レ
ーザ発光源である半導体レーザ１の発光面から出射され
たレーザビームに対し、コリメート素子２でビームの垂
直方向（短手方向）成分を平行化した後に、並設した複
数の導光板を備えた光路分割素子３，６，８にビームの
水平方向（長手方向）成分を分割した状態で入射させ、
光路分割素子３，６，８の各導光板内を伝送させた分割
ビームを出射側端面で垂直方向（短手方向）成分がオー
バーラップしない程度に集光させ、この分割レーザビー
ムの水平方向成分を並設した複数の導光板を備えた光路
変更素子４，７，９で重ね合わせた状態にして集光素子
５で集光させている。
ーザ発光源である半導体レーザ１の発光面から出射され
たレーザビームに対し、コリメート素子２でビームの垂
直方向（短手方向）成分を平行化した後に、並設した複
数の導光板を備えた光路分割素子３，６，８にビームの
水平方向（長手方向）成分を分割した状態で入射させ、
光路分割素子３，６，８の各導光板内を伝送させた分割
ビームを出射側端面で垂直方向（短手方向）成分がオー
バーラップしない程度に集光させ、この分割レーザビー
ムの水平方向成分を並設した複数の導光板を備えた光路
変更素子４，７，９で重ね合わせた状態にして集光素子
５で集光させている。
【００４６】
【実施例】図４は、第１の実施形態によるビームの補正
方法を具現化した装置を示し、発光源となる半導体レー
ザ１１はＳＤＬ社の２０ＷＣＷ半導体レーザ（形ＳＤＬ
−３４７０−Ｓ）を用いているが、この半導体レーザは
発光長が水平方向１０ｍｍで垂直方向１μｍであると共
に、発光の広がり角は水平方向１５°で垂直方向５０°
とし、発光波長は８１０ｎｍである。
方法を具現化した装置を示し、発光源となる半導体レー
ザ１１はＳＤＬ社の２０ＷＣＷ半導体レーザ（形ＳＤＬ
−３４７０−Ｓ）を用いているが、この半導体レーザは
発光長が水平方向１０ｍｍで垂直方向１μｍであると共
に、発光の広がり角は水平方向１５°で垂直方向５０°
とし、発光波長は８１０ｎｍである。
【００４７】半導体レーザ１１から出射したレーザビー
ムは、まず垂直方向成分に対してグラディエントシレン
ドリカルレンズ（Ｄｏｒｉｃ Ｌｅｎｓｅｓ Ｉｎｃ
社，ＵＳＡ，ロッド径１ｍｍφ）をコリメート手段１２
に用いて平行にコリメートすると、垂直方向のビーム径
が０．５ｍで広がり角は０．４°となり、このあと焦点
距離６０ｍｍ（外径４０ｍｍφ）の凸レンズ２個をリレ
ーレンズ１３に用いて、テレセントリック光学系となる
ようにして、コリメートされたビーム径（１０ｍｍ×
０．５ｍｍ）を２倍の２０ｍｍ×１ｍｍに拡大し、光学
原理上での広がり角を１／２即ち７．５°×０．２°に
なるようにした。
ムは、まず垂直方向成分に対してグラディエントシレン
ドリカルレンズ（Ｄｏｒｉｃ Ｌｅｎｓｅｓ Ｉｎｃ
社，ＵＳＡ，ロッド径１ｍｍφ）をコリメート手段１２
に用いて平行にコリメートすると、垂直方向のビーム径
が０．５ｍで広がり角は０．４°となり、このあと焦点
距離６０ｍｍ（外径４０ｍｍφ）の凸レンズ２個をリレ
ーレンズ１３に用いて、テレセントリック光学系となる
ようにして、コリメートされたビーム径（１０ｍｍ×
０．５ｍｍ）を２倍の２０ｍｍ×１ｍｍに拡大し、光学
原理上での広がり角を１／２即ち７．５°×０．２°に
なるようにした。
【００４８】なお、前記リレーレンズ１３を用いてビー
ム径を拡大させると、その後段に使用する光路分割素子
１４及び光路変更素子１５の分割数（導光板の枚数）を
一定にした場合における１板当たりの導光板の厚みを厚
みすることができるので、当該導光板の加工を含む製作
が容易になる利点があり、従ってリレーレンズ１３は製
作上では使用することが望ましいが原理的には必須要件
ではない。
ム径を拡大させると、その後段に使用する光路分割素子
１４及び光路変更素子１５の分割数（導光板の枚数）を
一定にした場合における１板当たりの導光板の厚みを厚
みすることができるので、当該導光板の加工を含む製作
が容易になる利点があり、従ってリレーレンズ１３は製
作上では使用することが望ましいが原理的には必須要件
ではない。
【００４９】次に、入射端面を２倍に拡大したビーム位
置には水平方向成分を分割する光路分割素子１４を配置
するが、この光路変更素子１４には導光板として大きさ
５０ｍｍ×５０ｍｍで厚さ２．３ｍｍの石英プレートを
９枚重ねた状態で使用され、各導光板１６−１〜１６−
９は入射ビームの導光板端面への入射角をそれぞれ変え
るために、図で示すように垂直面上で扇状に変位させた
状態で並設しているが、変位角度は出射ビームが垂直方
向にそれぞれ２．３ｍｍずつずれるように設定した。
置には水平方向成分を分割する光路分割素子１４を配置
するが、この光路変更素子１４には導光板として大きさ
５０ｍｍ×５０ｍｍで厚さ２．３ｍｍの石英プレートを
９枚重ねた状態で使用され、各導光板１６−１〜１６−
９は入射ビームの導光板端面への入射角をそれぞれ変え
るために、図で示すように垂直面上で扇状に変位させた
状態で並設しているが、変位角度は出射ビームが垂直方
向にそれぞれ２．３ｍｍずつずれるように設定した。
【００５０】変位角度を２．３ｍｍに設定した理由は、
分割した水平方向成分を重ね合わせる光路変更素子１５
を、光路分割素子１４と同じ形状にして製作コストの低
減を図るためであり、仮に光路分割素子１４の各導光板
の厚みを２ｍｍとすると、ずれも２ｍｍになるように光
路変更素子１４の変位角度を決めれば良いが、光路変更
素子１５の各導光板の厚みを光路分割素子１４からの各
ビームの垂直方向成分の径より大きくしないとビームが
独立して入射されないので、そのための余剰寸法を考慮
して設定した。
分割した水平方向成分を重ね合わせる光路変更素子１５
を、光路分割素子１４と同じ形状にして製作コストの低
減を図るためであり、仮に光路分割素子１４の各導光板
の厚みを２ｍｍとすると、ずれも２ｍｍになるように光
路変更素子１４の変位角度を決めれば良いが、光路変更
素子１５の各導光板の厚みを光路分割素子１４からの各
ビームの垂直方向成分の径より大きくしないとビームが
独立して入射されないので、そのための余剰寸法を考慮
して設定した。
【００５１】光路分割素子１４の両面には、入射角８０
°以上のビームに対して全反射する誘電体多層膜のコー
ティングが施されているが、この誘電体多層膜のコーテ
ィングは導光板内でのビームを全反射するためのもので
はなく、導光板から出射した後に隣接する導光板に当た
る一部のビームを反射させて伝送損失を少なくするため
の対策であり、また各導光板の両端面（入出射面）には
伝送損失を少なくするための対策として反射防止膜を施
してあり、更に各導光板の間には導光板内でビームが全
反射するよう５０μｍ程度の空気層を設けた状態で並設
したが、これらは何れも性能或いは生産性を向上するた
めの手段であって、発明の本質に係わるものではない。
°以上のビームに対して全反射する誘電体多層膜のコー
ティングが施されているが、この誘電体多層膜のコーテ
ィングは導光板内でのビームを全反射するためのもので
はなく、導光板から出射した後に隣接する導光板に当た
る一部のビームを反射させて伝送損失を少なくするため
の対策であり、また各導光板の両端面（入出射面）には
伝送損失を少なくするための対策として反射防止膜を施
してあり、更に各導光板の間には導光板内でビームが全
反射するよう５０μｍ程度の空気層を設けた状態で並設
したが、これらは何れも性能或いは生産性を向上するた
めの手段であって、発明の本質に係わるものではない。
【００５２】光路変更素子１５は水平方向成分に対して
各ビームを重ね合わせるためのものであり、ここでは光
路分割素子１４と同じ構成のものを並設配置を９０°変
位させた状態で使用しているが、光路変更素子１４の場
合と違って垂直方向の平行度は非常に良いので、多少の
損失を許容すれば必ずしも導光板内でビーム全反射させ
る必要はなく、従って各導光板間に空気層を設けたり、
全反射コートをつけたりしないでそのまま密着状態で並
設することも可能であり、また形状も光路分割素子１４
と同じにする必要もないが、但し各導光板の間隔は光路
分割素子１４によるビームのずれの間隔と同じにし、且
つ水平方向から見てビームが重なるように導光板の角度
と厚み及び各導光板の屈折率を調整する必要がある。
各ビームを重ね合わせるためのものであり、ここでは光
路分割素子１４と同じ構成のものを並設配置を９０°変
位させた状態で使用しているが、光路変更素子１４の場
合と違って垂直方向の平行度は非常に良いので、多少の
損失を許容すれば必ずしも導光板内でビーム全反射させ
る必要はなく、従って各導光板間に空気層を設けたり、
全反射コートをつけたりしないでそのまま密着状態で並
設することも可能であり、また形状も光路分割素子１４
と同じにする必要もないが、但し各導光板の間隔は光路
分割素子１４によるビームのずれの間隔と同じにし、且
つ水平方向から見てビームが重なるように導光板の角度
と厚み及び各導光板の屈折率を調整する必要がある。
【００５３】以上の補正光学系によってビームの状態は
水平方向からみると出射径が２．３ｍｍで広がり角７．
５°のものとみなすことができ、また垂直方向から見る
と各ビームは光路変更素子１５の各導光板より０．２°
の角度で出射されるので、近似値には出射径は２０．７
ｍｍ（２．３ｍｍ×９導光板）で広がり角０．２°のビ
ームとみなすことができ、即ち光学原理によれば出射径
と広がり角の積が集光できるスポット径に近似値に逆比
例するので、水平方向のビームの集光性はこの補正光学
系を使わない場合に比べ約１０倍に改善されることにな
る。
水平方向からみると出射径が２．３ｍｍで広がり角７．
５°のものとみなすことができ、また垂直方向から見る
と各ビームは光路変更素子１５の各導光板より０．２°
の角度で出射されるので、近似値には出射径は２０．７
ｍｍ（２．３ｍｍ×９導光板）で広がり角０．２°のビ
ームとみなすことができ、即ち光学原理によれば出射径
と広がり角の積が集光できるスポット径に近似値に逆比
例するので、水平方向のビームの集光性はこの補正光学
系を使わない場合に比べ約１０倍に改善されることにな
る。
【００５４】光路変更素子１５の後段には、集光素子１
６としてシリンドリカル凸レンズ１６ａと非球面レンズ
１６ｂを配置して集光させているが、シリンドリカルレ
ンズ１６ａは焦点距離が２００ｍｍで大きさ３０×３０
ｍｍとし、レンズ１６ｂは焦点距離が５０ｍｍ（集光時
の開口数は水平方向で約０．２９、垂直方向で約０．２
４）として、特にシリンドリカル凸レンズ１６ａは水平
及び垂直両方向の最小スポット位置を光軸上で一致させ
るために使用している。
６としてシリンドリカル凸レンズ１６ａと非球面レンズ
１６ｂを配置して集光させているが、シリンドリカルレ
ンズ１６ａは焦点距離が２００ｍｍで大きさ３０×３０
ｍｍとし、レンズ１６ｂは焦点距離が５０ｍｍ（集光時
の開口数は水平方向で約０．２９、垂直方向で約０．２
４）として、特にシリンドリカル凸レンズ１６ａは水平
及び垂直両方向の最小スポット位置を光軸上で一致させ
るために使用している。
【００５５】集光素子１６で集光した最小スポット位置
におけるビームスポットの径は、ビームプロファイラー
を用いて測定した結果では５００μｍ（水平）×４００
μｍ（垂直）となり、固体レーザの励起光に適したビー
ムスポットまで集光でき、而もこれら光学系の透過率は
８８％ときわめて良好であった。
におけるビームスポットの径は、ビームプロファイラー
を用いて測定した結果では５００μｍ（水平）×４００
μｍ（垂直）となり、固体レーザの励起光に適したビー
ムスポットまで集光でき、而もこれら光学系の透過率は
８８％ときわめて良好であった。
【００５６】また、前記補正光学系を使用した半導体レ
ーザを励起光源１７として図５で示す固体レーザを製作
したが、この固体レーザはレーザ媒質１８としてＮｄ：
ＹＶＯ4（３×３×１ｍｍの形状でＮｄの濃度は１％の
もの）を使用し、一方面（集光レンズ側）には波長１０
６４ｎｍに対して全反射し且つ波長８１０ｎｍに対して
は１００％近く透過するコーティングを行うと共に、他
方面には波長１０６４ｎｍに対する反射防止コーティン
グを行い、レーザ媒質１８内に前記の集光方法で得られ
た波長が８１０ｎｍでビームスポットが５００μｍ（水
平）×４００μｍ（垂直）のレーザビームを励起光１９
として集光させるようにし、出力ミラー２０には反射率
９５％（透過率５％）で曲率１ｍの凹面鏡を使用すると
共に、レーザ媒質１８と出力ミラー２０間の共振器長を
１５０ｍｍに設定したものである。
ーザを励起光源１７として図５で示す固体レーザを製作
したが、この固体レーザはレーザ媒質１８としてＮｄ：
ＹＶＯ4（３×３×１ｍｍの形状でＮｄの濃度は１％の
もの）を使用し、一方面（集光レンズ側）には波長１０
６４ｎｍに対して全反射し且つ波長８１０ｎｍに対して
は１００％近く透過するコーティングを行うと共に、他
方面には波長１０６４ｎｍに対する反射防止コーティン
グを行い、レーザ媒質１８内に前記の集光方法で得られ
た波長が８１０ｎｍでビームスポットが５００μｍ（水
平）×４００μｍ（垂直）のレーザビームを励起光１９
として集光させるようにし、出力ミラー２０には反射率
９５％（透過率５％）で曲率１ｍの凹面鏡を使用すると
共に、レーザ媒質１８と出力ミラー２０間の共振器長を
１５０ｍｍに設定したものである。
【００５７】この固体レーザでは、レーザ媒質１８に対
する励起光１９の入射パワー（励起パワー）を１５Ｗと
した時に、出力ミラー２０を介して出射された発振光２
１である波長１０６４ｍｍの出力パワーは６Ｗであり、
従って光変換効率としては４０％と高い変換効率が得ら
れ、前記した従来技術の光ファイバー束を用いた端面励
起方法と比べてもさほど遜色が無く、而もコスト的には
ガラスプレートの導光板を並設した光路分割素子及び光
路変更素子は光ファイバー束に比べて遥かに安価であ
る。
する励起光１９の入射パワー（励起パワー）を１５Ｗと
した時に、出力ミラー２０を介して出射された発振光２
１である波長１０６４ｍｍの出力パワーは６Ｗであり、
従って光変換効率としては４０％と高い変換効率が得ら
れ、前記した従来技術の光ファイバー束を用いた端面励
起方法と比べてもさほど遜色が無く、而もコスト的には
ガラスプレートの導光板を並設した光路分割素子及び光
路変更素子は光ファイバー束に比べて遥かに安価であ
る。
【００５８】
【発明の効果】以上の説明でも明らかなように、本発明
によるレーザビームの補正方法及び装置では、複数の導
光板を並設した光路分割素子と光路変更素子を用いて、
レーザビームの長手方向成分を一旦分割した状態にした
後に集光することによってビーム幅を狭めると共に、元
々ビーム幅の狭いレーザビームの短手方向成分に付いて
は多少の広がりを許容させることで、径の小さい円形状
のビームスポットにすることが容易にできる。従って、
本発明を例えば固体レーザ用の半導体レーザ励起光源に
適用すると、高い光変換効率で励起することが可能で高
品質の発振出力ビームが得られる。
によるレーザビームの補正方法及び装置では、複数の導
光板を並設した光路分割素子と光路変更素子を用いて、
レーザビームの長手方向成分を一旦分割した状態にした
後に集光することによってビーム幅を狭めると共に、元
々ビーム幅の狭いレーザビームの短手方向成分に付いて
は多少の広がりを許容させることで、径の小さい円形状
のビームスポットにすることが容易にできる。従って、
本発明を例えば固体レーザ用の半導体レーザ励起光源に
適用すると、高い光変換効率で励起することが可能で高
品質の発振出力ビームが得られる。
【００５９】また、その達成には光ファイバー束を用い
た従来技術のように高価な手段を必要とせず、光路分割
素子及び光路変更素子を構成する導光板にはガラスプレ
ート又は板状に加工した光学結晶を用い、各導光板を所
定の配列又は形状と長さ又は屈折率に設定して並設する
事によって安価に提供することができる。
た従来技術のように高価な手段を必要とせず、光路分割
素子及び光路変更素子を構成する導光板にはガラスプレ
ート又は板状に加工した光学結晶を用い、各導光板を所
定の配列又は形状と長さ又は屈折率に設定して並設する
事によって安価に提供することができる。
【００６０】特に、光路分割素子及び光路変更素子の導
光板を第１の実施形態のように構成すると、積層する配
列のみを所望に設定すれば同形で同材質のものを量産し
て使用することができるので、安価に提供することが可
能である。
光板を第１の実施形態のように構成すると、積層する配
列のみを所望に設定すれば同形で同材質のものを量産し
て使用することができるので、安価に提供することが可
能である。
【００６１】又、光路分割素子及び光路変更素子の導光
板を第２の実施形態のように構成すると、同材質のもの
を量産して所望の長さに切断して使用することができる
ので、安価に提供することが可能である。
板を第２の実施形態のように構成すると、同材質のもの
を量産して所望の長さに切断して使用することができる
ので、安価に提供することが可能である。
【００６２】更に、光路分割素子及び光路変更素子の導
光板を第３の実施形態のように構成すると、屈折率のみ
を所望に設定すれば同形のものをそのまま積層して使用
することができるので、材料コストは前２者に比べて多
少高価にはなるが組立てコストが安価になって全体とし
ては安価に提供することが可能である。
光板を第３の実施形態のように構成すると、屈折率のみ
を所望に設定すれば同形のものをそのまま積層して使用
することができるので、材料コストは前２者に比べて多
少高価にはなるが組立てコストが安価になって全体とし
ては安価に提供することが可能である。
【図１】本発明のレーザビームの補正方法及び装置を適
用した第１の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
用した第１の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
【図２】本発明のレーザビームの補正方法及び装置を適
用した第２の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
用した第２の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
【図３】本発明のレーザビームの補正方法及び装置を適
用した第３の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
用した第３の実施形態による基本構成を、（ａ）は平面
図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
【図４】本発明のレーザビームの補正方法及び装置を適
用した第１の実施形態をより具体的にしたものであり
（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
用した第１の実施形態をより具体的にしたものであり
（ａ）は平面図で（ｂ）は正面図でそれぞれ示す。
【図５】図４の装置を励起光源とした固体レーザの説明
図である。
図である。
１，１１ 半導体レーザ ２，１２ コリメート素子 ３，６，８，１４ 光路分割素子 ４，７，９，１５ 光路変更素子 ５，１６ 集光素子 １３ リレーレンズ １７ 励起光源 １８ レーザ媒質 １９ 励起光 ２０ 出力ミラー ２１ 発振光
Claims (11)
- 【請求項１】 発光面が長手方向と短手方向を有するレ
ーザ発光源から出射されたレーザビームに対し、発光面
の短手方向に沿ったビームの第２方向成分をほぼ平行に
コリメートした後に、このビームを発光面の長手方向に
沿った第１方向へ複数の導光板を並設した光路分割素子
に入射させて、ビームの第１方向成分を分割した状態で
各導光板内を伝送させると共に、各分割ビームを第２方
向へ所定幅で変位させた状態で各導光板から出射させ、
この各分割ビームは第２方向へ複数の導光板を並設した
光路変更素子に入射させると共に、各導光板内で第１方
向成分の光路を変更させて各分割ビームを出射側端部で
重ね合わせた状態にして出射させ、この光路変更素子か
ら出射させた各分割ビームを集光することを特徴とした
レーザビームの補正方法。 - 【請求項２】 前記光路変更素子と光路変更素子は、各
導光板における入射角度と出射角度、又は出射位置、又
は屈折率の何れかの設定により、各分割ビームの前記光
路を得るようにした請求項１に記載したレーザビームの
補正方法。 - 【請求項３】 発光面が長手方向と短手方向を有するレ
ーザ発光源から出射されるレーザビームに対し、発光面
の短手方向に沿った第２方向成分をほぼ平行にコリメー
トするコリメート素子と、発光面の長手方向に沿った第
１方向成分を分割した状態で各導光板内を伝送させると
共に、各分割ビームを第２方向へ所定幅で変位させた状
態で出射すべく、複数の導光板を第１方向へ並設した光
路分割素子と、各分割ビームの第１方向成分の光路を変
更させて出射側端部で重ね合わせた状態にして出射すべ
く、複数の導光板を第２方向へ並設した光路変更素子
と、光路変更素子から出射させた各分割ビームを集光す
る集光素子と、を具備することを特徴としたレーザビー
ムの補正装置。 - 【請求項４】 前記光路分割素子と光路変更素子は、ビ
ームの入射側端面と出射側端面を平行にした各導光板で
構成され、各導光板をガラスプレート又は光学結晶板で
形成した請求項３に記載したレーザビームの補正装置。 - 【請求項５】 前記光路分割素子と光路変更素子の少な
くとも何れか一方の素子は、入射角度及び出射角度が順
次異なるように所定角度で変位させて各導光板を並設し
た請求項４に記載したレーザビームの補正装置。 - 【請求項６】 前記光路分割素子と光路変更素子は、平
行四辺形を含む方形状をした同形の各導光板で構成さ
れ、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行する面上
において、光路変更素子の各導光板は第１方向と平行す
る面上において、それぞれ角度をずらせて扇形状に配列
した請求項５に記載したレーザビームの補正装置。 - 【請求項７】 前記光路分割素子と光路変更素子の少な
くとも何れか一方の素子は、入射角度及び出射角度が一
定でビームの出射位置が順次異なるように長さを変えた
各導光板を並設した請求項４に記載したレーザビームの
補正装置。 - 【請求項８】 前記光路分割素子と光路変更素子は、平
行四辺形をを含む方形状の各導光板で構成され、光路分
割素子の各導光板は第２方向と平行する面上において、
入射側及び出射側端面を入射側へ所定角度に傾斜させた
状態で配置すると共に、光路変更素子の各導光板は第１
方向と平行する面上において、入射側及び出射側端面を
出射側へ所定角度に傾斜させた状態で配置する請求項７
に記載したレーザビームの補正装置。 - 【請求項９】 前記光路分割素子と光路変更素子の少な
くとも何れか一方の素子は、入射角度及び出射角度が一
定でビームの屈折率が順次異なるように屈折率を変えた
各導光板を並設した請求項４に記載したレーザビームの
補正装置。 - 【請求項１０】 前記光路分割素子と光路変更素子は、
平行四辺形を含む方形状をした同形の各導光板で構成さ
れ、光路分割素子の各導光板は第２方向と平行する面上
において、入射側及び出射側端面を出射側へ所定角度に
傾斜させた状態で配置すると共に、光路変更素子の各導
光板は第１方向と平行する面上において、入射側及び出
射側端面を入射側へ所定角度に傾斜させた状態で配置す
る請求項９に記載したレーザビームの補正装置。 - 【請求項１１】 前記光路分割素子には、各導光板の表
裏両面でレーザビームを全反射させて分割ビームの光路
を制限させる手段を施し、この光路制限手段として各導
光板間にわずかな空気層を設けるか、金属膜または誘電
体膜をコーティングした請求項３〜11の何れかに記載し
たレーザビームの補正装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08350727A JP3098200B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | レーザビームの補正方法及び装置 |
| US08/838,942 US5805748A (en) | 1996-12-27 | 1997-04-23 | Laser beam shaping system |
| DE19743322A DE19743322B4 (de) | 1996-12-27 | 1997-09-30 | Laserstrahlformgebungssystem |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08350727A JP3098200B2 (ja) | 1996-12-27 | 1996-12-27 | レーザビームの補正方法及び装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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