JP2001185792A

JP2001185792A - レーザー用光学素子

Info

Publication number: JP2001185792A
Application number: JP36438799A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Suzudo; 剛鈴土
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】取扱が容易で且つレーザー装置全体の設計の
自由度を高くでき、しかも低コストなレーザー用光学素
子を提供する。【解決手段】複数の発光点１０ａを有する励起用光源
としての半導体レーザーアレイ２の近傍にレーザー用光
学素子としてのマイクロレンズアレイ４が配置されてい
る。マイクロレンズアレイ４は、石英で形成された光学
基板１２と、光学基板１２の入射側に形成された複数の
レンズ部１４と、光学基板１２の出射側に形成された複
数のレンズ部１６を有し、レンズ部１４とレンズ部１６
は直交する方向の曲率半径が異なるトーリック形状を有
している。マイクロレンズアレイ４から出た複数の独立
したレーザー光の集合により、励起用レーザー光が形成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コヒーレント光、
特に半導体レーザーから発せられるレーザー光の屈折、
集光又は発散等を行うレーザー用光学素子、これを用い
たレーザー装置、固体レーザー励起方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、加工機やセンサー、衛生通信
などの精度向上を目的として、レーザー装置の開発が進
められている。その中で、固体レーザーはその効率の良
さやネネルギーの蓄積性などに優れ、高出力レーザーや
高効率レーザーとしての開発が進んでいる。固体レーザ
ーの励起光源としては、一般的にランプが用いられてき
たが、近年、高出力半導体レーザーの高性能化や低コス
ト化が進められ、固体レーザー用励起光源として、半導
体レーザーが多用されるようになってきた。高出力半導
体レーザーは発光スペクトル幅が狭く、固体レーザー材
料の吸収スペクトルにその発光中心波長を合わせて作製
することが可能であり、固体レーザーの高効率化を可能
にしている。また、ランプと比較してその大きさが十分
に小さいため、装置の小型化をも可能にしている。

【０００３】高出力の半導体レーザーとしては、発光点
が１個で出力が０．５〜２Ｗ程度のものから、発光点を
複数並べて高出力化（〜２０Ｗ）を図ったものなど様々
な種類が存在する。固体レーザー励起用光源に使用され
る場合は、発光点が１個の半導体レーザーは主に端面励
起構成の固体レーザー用に使用される。発光点を複数個
持った半導体レーザーアレイは、主に側面励起構成の固
体レーザー用に使用されている。しかしながら、いずれ
のタイプの半導体レーザーもその光学的特性として、光
の形状が楕円であるという問題があり、その光学的な取
扱が不十分であると、光の利用効率が低減し、その有効
性を活かせなくなる。

【０００４】このような半導体レーザー、特に、半導体
レーザーアレイによる固体レーザーの励起方法として、
例えば特開平９−２６０７５６号公報、特開平１０−２
２５５１号公報、特開平１０−２７５９５２号公報に記
載のものが知られている。特開平９−２６０７５６号公
報に記載のものは、半導体レーザー光を直接レーザーロ
ッドに入射させる構成であり（図１、図４）、図５には
導波路板を用いて半導体レーザー光を離れたレーザーロ
ッドに導入する構成も開示されている。特開平１０−２
７５９５２号公報に記載のものは、正Ｎ角形の角柱の透
明ブロックの中心にレーザーロッドを配置し、その頂点
部分から半導体レーザー光を導入することで均一な励起
を得る構成である。また、特開平１０−２２５５１号公
報に記載ものは、特開平９−２６０７５６号公報の図５
の構成と同様に、導波路板を用いて半導体レーザー光を
離れたレーザーロッドに導入する構成である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平９−２６０７５
６号公報に記載された構成では、光学素子などを全く用
いないために、伝搬によるロスなどは低減することがで
きるが、半導体レーザーの光学的特性やレーザーロッド
形状等によって装置レイアウトが制限されるという問題
がある。半導体レーザー光をレーザーロッドにどのよう
に入射させたいかによってレーザーロッドと半導体レー
ザー間の距離や位置関係が定義されてしまうからであ
る。導波路板を用いる構成では、導波路板による伝搬ロ
スやカップリングのロス、導波路板の吸収による発熱等
の問題がある。特に大出力の半導体レーザーを用いる場
合には上記問題が顕著となる。また、装置全体の組み付
けの際に手間がかかってしまう等の問題も抱えている。

【０００６】特開平１０−２２５５１号公報に記載の構
成によれば、放熱や安定性などに対してかなりの有効性
があると思われるが、複雑な構成であるために装置全体
のコストが高くなってしまうという問題がある。特開平
１０−２７５９５２号公報に記載の構成では、特開平９
−２６０７５６号公報に記載された導波路板を用いる構
成と同様の問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、取扱が容易で且つレー
ザー装置全体の設計の自由度を高くでき、しかも低コス
トなレーザー用光学素子、これを用いたレーザー装置、
固体レーザー励起方法を提供することを、その目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】複数のレーザー光を束ね
て一つのまとまった励起用のレーザー光を形成するより
も、励起用のレーザー光を、独立した複数のレーザー光
の集合体として捉えれば、個々のレーザー光の設計容易
性で励起用レーザー光全体の設計、調整を容易にするこ
とが可能となる。これが本発明の趣旨である。具体的に
は、請求項１記載の発明では、半導体レーザー、半導体
レーザーアレイ等の光源から発せられるレーザー光を通
過させるとともに、その屈折、集光又は発散等を行うレ
ーザー用光学素子において、光学基板と、該光学基板の
レーザー光通過部位に形成されたレンズ部を有する、と
いう構成を採っている。

【０００９】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
レーザー用光学素子において、上記レンズ部が複数形成
されている、という構成を採っている。

【００１０】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
レーザー用光学素子において、上記レンズ部が、上記光
源の発光点の位置に対応して同数形成されている、とい
う構成を採っている。

【００１１】請求項４記載の発明では、請求項１乃至３
のうちの一つに記載のレーザー用光学素子において、上
記レンズ部がトーリック形状である、という構成を採っ
ている。

【００１２】請求項５記載の発明では、請求項１乃至４
のうちの一つに記載のレーザー用光学素子において、上
記レンズ部が、上記光学基板のレーザー光の入射側と出
射側の両面に形成されている、という構成を採ってい
る。

【００１３】請求項６記載の発明では、請求項１乃至５
のうちの一つに記載のレーザー用光学素子において、上
記光学基板が、他の光学素子を組み合わせる際のアライ
メント用ガイドとなる段差部を有している、という構成
を採っている。

【００１４】請求項７記載の発明では、請求項５記載の
レーザー用光学素子において、上記光学基板がレーザー
光の入射側と出射側に分割され、それらのうちの少なく
とも一方が双方を組み合わせる際のアライメント用ガイ
ドとなる段差部を有している、という構成を採ってい
る。

【００１５】請求項８記載の発明では、請求項１乃至７
のうちの一つに記載のレーザー用光学素子において、上
記光学基板が透明な材料で形成されている、という構成
を採っている。

【００１６】請求項９記載の発明では、請求項８記載の
レーザー用光学素子において、上記光学基板が透明石英
で形成されている、という構成を採っている。

【００１７】請求項１０記載の発明では、請求項８記載
のレーザー用光学素子において、上記光学基板がサファ
イアで形成されている、という構成を採っている。

【００１８】請求項１１記載の発明では、請求項１乃至
１０のうちの一つに記載のレーザー用光学素子と、該レ
ーザー用光学素子に向けてレーザー光を発する光源とを
有する、という構成を採っている。

【００１９】請求項１２記載の発明では、複数の発光点
を有する光源から発せられた複数のレーザー光を、上記
発光点の数に対応した数のレンズ部を有する光学基板を
通過させ、これらの独立した複数のレーザー光からなる
全体として一つの励起用レーザー光を得る、という手順
を採っている。

【００２０】

【実施の形態】以下、図に基づいて本発明の実施形態を
説明する。まず、図１に基づいて第１の実施形態を説明
する。図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は平面図であ
る。なお、図１（ａ）、（ｂ）共に座標系を示してい
る。本実施形態におけるレーザー装置は、光源としての
半導体レーザーアレイ２と、半導体レーザーアレイ２か
ら発せられるレーザー光Ｌ（適宜、ビームともいう）を
通過させるとともに、その屈折、集光又は発散等を行う
レーザー用光学素子としてのマイクロレンズアレイ４
と、マイクロレンズアレイ４を通過した励起光としての
レーザー光Ｌによって励起される図示しない固体レーザ
ー等から構成されている（請求項１１）。

【００２１】半導体レーザーアレイ２は、波長が８０８
ｎｍ、出力１０ＷのOpto Power Corporation製のA010-8
08-CS を使用しており、ｎ形層６と、ｐ形層８と、これ
らの間に設けられた１２個（但し、図面上では簡単化の
ために６個しか表示していない）のレーザー発光領域１
０と、図示しない光共振器等を有している。従って、半
導体レーザーアレイ２は、１２個の発光点１０ａを有し
ており、各発光点１０ａの形状は、２００μｍ×１μｍ
である。発光点１０ａのピッチｐ１は８００μｍであ
り、レーザー光Ｌの発散角は４２°⊥×１０°‖（ＦＷ
ＨＭ：カタログ値）となっている。

【００２２】マイクロレンズアレイ４は、光学基板１２
と、この光学基板１２のレーザー光入射面に一次元的に
形成された曲率半径形状のレンズ部１４と、光学基板１
２の出射面に一次元的に形成された曲率半径形状のレン
ズ部１６を有している（請求項１，５）。ここで、レン
ズ部とは、厳密にはレンズ表面部を意味する（以下、同
じ）。なお、図１（ａ）、（ｂ）間において、レンズ部
１４とレンズ部１６の形状上の整合性は厳密なものとは
していない。レンズ部１４とレンズ部１６は半導体レー
ザーアレイ２の発光点１０ａの位置に対応して発光点１
０ａの数と同数（請求項２，３）形成されている（但
し、図面上では半導体レーザーアレイ２の簡単化表示に
対応して６個しか表示していない）。マイクロレンズア
レイ４は、半導体レーザーアレイ２の発光面（発光点１
０ａ）から０．０１ｍｍの近接位置に発光面と略平行に
配置されている。

【００２３】光学基板１２は透明石英で形成されており
（請求項８，９）、その厚みｔは０．５ｍｍである。レ
ンズ部１４とレンズ部１６は、光学基板１２のＹ軸方向
に直線状に複数個（１２個）配置されている。レンズ部
１４とレンズ部１６のいずれも直交する方向で曲率が異
なるトーリック形状を有しており（請求項４）、トーリ
ックレンズの機能を呈するようになっている。従って、
マイクロレンズアレイ４は複数のトーリックレンズの集
合体といえる。レーザー光の入射側に位置するレンズ部
１４の曲率半径は、ｒｘ×ｒｙ＝１ｍｍ×０．０５ｍｍ
としている（図４（ａ）参照）。ここで、ｒｘ、ｒｙは
レンズのＸ軸、Ｙ軸方向の曲率半径を示している（以
下、同じ）。レーザー光の出射側に位置するレンズ部１
６の曲率半径は、ｒｘ×ｒｙ＝１ｍｍ×０．３５ｍｍと
している（図４（ｂ）参照）。

【００２４】レンズ部１４，１６は、フォトリソ工程と
ドライエッチング工程を用いて作製している。詳細に説
明すると、まず基板上にフォトリソ工程によってレジス
トパターンを作製し、そのレジストパターンを熱変形さ
せることにより曲率半径を有する形状を得る。次に、そ
のパターンを光学基板１２に転写するためにドライエッ
チングを行う。エッチング装置としてはＥＣＲエッチン
グ装置を用い、エッチングガスとしてはＣＨＦ₃ ガスと
Ａｒ、Ｏ₂ の混合ガスを用いた。エッチング条件を、レ
ジストと石英のエッチングレートが同一になる等速エッ
チングで、異方性エッチングの条件とすることにより、
レジストで作製した曲率半径を有する形状を光学基板１
２に転写することができる。本実施形態の場合は、光学
基板１２の両面に曲率半径を有する形状を形成するた
め、光学基板１２の表面（入射面）と裏面（出射面）に
同様のプロセスでアライメントを行い、曲率半径を有す
るレンズ形状を作製している。また、光学基板１２の上
記両面には、波長８０８ｎｍの光に対しての無反射コー
ティングを施してある。

【００２５】半導体レーザーアレイ２から発せられたレ
ーザー光Ｌを、上記構成のマイクロレンズアレイ４を通
過させることにより、所望のビーム形状や集光状態にす
ることができる。その理由は以下の通りである。まず、
マイクロレンズアレイ４の設計方法とその集光時のビー
ム形状の関係について説明する。半導体レーザーから発
せられるレーザー光は、ビームの伝搬方向に対して直交
する二方向のビーム直径（又は半径）が大きく異なる特
殊なレーザー光である。そのため、光学系を設計するた
めには複雑な計算を伴うが、レーザービームパラメータ
である、Ｍ² パラメータを導入することによって、より
簡単な設計が可能になる。すなわち、理想光学系のＡＢ
ＣＤ行列を使用したレンズの設計が可能になる（参考文
献：平等拓範、鈴土剛、小林喬郎、レーザー研究24(1
996)46. 平等拓範、レーザー研究26(1998)723.）

【００２６】本実施形態においては、光学系の曲率半径
の設計を上記方法で行っている。まず、半導体レーザー
光のＭ² パラメータであるが、上記半導体レーザー（半
導体レーザーアレイ２を構成する１つ）の場合には、Ｍ
² ＝６１．４×１．３８（ｘ方向×ｙ方向）となる。こ
れは上記参考文献により計算を行った結果である。半導
体レーザーアレイ２の場合には、上記のようなＭ² パラ
メータも持った半導体レーザーが平行に並んでいるとす
ることができる。その半導体レーザー光の一つ一つを一
対のマイクロレンズ（１つのレンズ部１４と１つのレン
ズ部１６の組み合わせ）で扱うこととしてその光学素子
（マイクロレンズアレイ４）を設計した。

【００２７】上記したマイクロレンズ形状とすること
で、マイクロレンズ出射端からＺ₀ ＝約５ｍｍの位置
で、Ｙ軸方向においてはビーム直径が約４０μｍ、Ｘ軸
方向においてはビーム直径が約９．６ｍｍ（＝０．８ｍ
ｍ×１２）の均一なビームを形成することができる。Ｙ
軸方向においては一個の半導体レーザーとして考えるこ
とができるため、図２に示すようなビーム強度分布を得
ることができる。すなわち、ビーム直径が（Ｗｙ（Ｚ
₀ ））のビームが実現できる。Ｘ軸方向においては、図
３に示すように、複数のビームを重ね合わせることによ
って均一のビームを形成することができるが、それぞれ
のポジションＺ₀ におけるビーム直径（Ｗｘ（Ｚ₀ ））
を約８００μｍとすることによって、Ｚ₀ 近傍で均一な
ビームを形成することができる。マイクロレンズアレイ
４から出る励起光としてのレーザー光Ｌは、各半導体レ
ーザーから発せられたそれぞれに独立したビームの集合
体としてなる。

【００２８】このように、半導体レーザーアレイ２から
のレーザー光Ｌをまとまった一つの光として扱うのでは
なく、独立した一本一本のビームの集合体として形成す
ることにより、より簡単な光学設計が可能となる（請求
項１２）。すなわち、半導体レーザーアレイ２を構成す
る各半導体レーザーのビーム形状の調整は、これに対応
するマイクロレンズを構成するレンズ部１４とレンズ部
１６の曲率を変化させればよい。励起光としてのレーザ
ー光Ｌは一本一本のビームの集合体であるので、一本一
本のビームの調整の容易性がそのまま反映されることに
なる。

【００２９】このことにより、より簡単な光学設計、例
えば理想光学系のＡＢＣＤ行列を利用した設計が可能と
なる。また、励起光としてのレーザー光Ｌを、各半導体
レーザーから発せられたそれぞれに独立したビームの集
合体として捉えるので、マイクロレンズアレイ４を半導
体レーザーアレイ２の出射端面近傍に配置することがで
きる。このため、各半導体レーザーから発せられたレー
ザー光を拡散ロスが少ない時点で取り込むことができ、
光学系（マイクロレンズアレイ４）におけるレーザー光
入射の高効率化を達成することができる。また、マイク
ロレンズ（レンズ部１４、１６）の曲率を変化させるこ
とにより、任意の位置で任意のビーム直径を実現できる
ため、レーザービームを使用する装置、例えば固体レー
ザー装置のレイアウトや光学設計によってその使用する
形状などを選択する自由度が大きくなり、これに伴って
取扱も容易となる。また、光学基板１２を透明石英で形
成しているので、光学系における高効率のビーム伝達を
得ることができる。

【００３０】本実施形態では光学基板１２を透明石英で
形成したが、サファイヤで形成しても上記と同様の機能
を得ることができる（請求項１０）。サファイヤの場合
には石英とは屈折率が異なるため、曲率半径を変えてレ
ンズ部１４、１６の形状を変える必要がある。また、光
学基板１２をサファイヤで形成した場合には、結晶方位
面によって複屈折が存在するので、光学基板１２をｃ面
基板とする。光学基板１２の材料としては、石英、サフ
ァイヤに限定されるものではなく、他の透明材料でもよ
い（以下の実施形態において同じ）。

【００３１】次に、図５及び図６に基づいて第２の実施
形態を説明する。上記実施形態と同一部分は同一符号で
示す。図５（ａ）は側面図、図５（ｂ）は平面図であ
る。なお、図５（ａ）、（ｂ）共に座標系を示してい
る。本実施形態におけるレーザー装置は、光源としての
半導体レーザーアレイ２と、半導体レーザーアレイ２か
ら発せられるレーザー光Ｌ（適宜、ビームともいう）を
通過させるとともに、その屈折、集光又は発散等を行う
レーザー用光学素子としてのマイクロレンズアレイ２０
と、マイクロレンズアレイ２０を通過した励起光として
のレーザー光Ｌによって励起される図示しない固体レー
ザー等から構成されている。

【００３２】半導体レーザーアレイ２は第１の実施形態
で示したものと同一であるのでその説明を省略する。マ
イクロレンズアレイ２０は、光学基板２２と、この光学
基板２２のレーザー光入射面に一次元的に形成された曲
率半径形状のレンズ部２４と、光学基板２２の出射面に
一次元的に形成された曲率半径形状のレンズ部２６を有
している。光学基板２２は、レーザー光の入射側基板２
２ａと、出射側基板２２ｂに分割され、レンズ部２４は
入射側基板２２ａの片面に、レンズ部２６は出射側基板
２２ｂの片面にそれぞれ形成されている。なお、図５
（ａ）、（ｂ）間において、レンズ部２４とレンズ部２
６の形状上の整合性は厳密なものとはしていない。レン
ズ部２４とレンズ部２６は、半導体レーザーアレイ２の
発光点１０ａの位置に対応して発光点１０ａの数と同数
形成されている（但し、図面上では半導体レーザーアレ
イ２の簡単化表示に対応して６個しか表示していな
い）。マイクロレンズアレイ２０は、半導体レーザーア
レイ２の発光面（発光点１０ａ）から０．０１ｍｍの近
接位置に発光面と略平行に配置されている。

【００３３】入射側基板２２ａと出射側基板２２ｂはそ
れぞれ透明石英で形成されており、その厚みは共に０．
３５ｍｍである。レンズ部２４とレンズ部２６は、光学
基板２２のＹ軸方向に直線状に複数個（１２個）配置さ
れている。レンズ部２４とレンズ部２６のいずれも直交
する方向で曲率が異なるトーリック形状を有しており、
トーリックレンズの機能を呈する。従って、マイクロレ
ンズアレイ２０は複数のトーリックレンズの集合体とい
える。レーザー光の入射側に位置するレンズ部２４の曲
率半径は、ｒｘ×ｒｙ＝１．２ｍｍ×０．０５ｍｍとし
ている。一方、レーザー光の出射側に位置するレンズ部
２６の曲率半径は、ｒｘ×ｒｙ＝１．ｍｍ×０．５ｍｍ
としている。

【００３４】図６に示すように、入射側基板２２ａには
アライメント用ガイドとなる段差部としての凸部２２ｃ
が４隅に形成され、これに対応して出射側基板２２ｂに
は、アライメント用ガイドとなる段差部としての凹部２
２ｄが４隅に形成されている（請求項６，７）。それら
の段差ｔ１は約２０μｍとなっている。本実施形態では
光学基板２２を分割構成とし、上記段差部を介して双方
を組み合わせる構成としたが、例えば一つの光学基板と
しての入射側基板２２ａに他の光学素子を組み合わせる
場合にもアライメント用ガイドとなる段差部を有する構
成とすることができる。

【００３５】レンズ部２４，２６は、フォトリソ工程と
ドライエッチング工程を用いて作製している。詳細に説
明すると、まず基板上にフォトリソ工程によってレジス
トパターンを作製し、そのレジストパターンを熱変形さ
せることにより曲率半径を有する形状を得る。次に、そ
のパターンを入射側基板２２ａ、出射側基板２２ｂに転
写するためにドライエッチングを行う。エッチング装置
としてはＥＣＲエッチング装置を用い、エッチングガス
としてはＣＨＦ₃ ガスとＡｒ、Ｏ₂ の混合ガスを用い
た。

【００３６】エッチング条件を、レジストと石英のエッ
チングレートが同一になる等速エッチングで、異方性エ
ッチングの条件とすることにより、レジストで作製した
曲率半径を有する形状を入射側基板２２ａ、出射側基板
２２ｂに転写することができる。本実施形態の場合は、
光学基板２２の両面に曲率半径を有する形状を形成する
ため、入射側基板２２ａの表面（入射面）と出射側基板
２２ｂの裏面（出射面）に同様のプロセスでアライメン
トを行い、曲率半径を有する形状を作製している。ま
た、光学基板２２の上記両面には、波長８０８ｎｍの光
に対しての無反射コーティングを施してある。

【００３７】段差部２２ｃ、２２ｄは、エッチングマス
クとしてアルミニウムなどの金属膜を使用し、マイクロ
レンズ作製と同様のエッチング条件で作製している。こ
の際、半導体レーザー光の入射側と出射側のマイクロレ
ンズを同一のエッチングで作製するために、段差部２２
ｃ、２２ｄは同様の段差になり、完全に合わせることが
可能になる。また、マイクロレンズ形状も同一の基板上
に作製するため、光軸方向の位置も完全に合うことにな
る。入射側基板２２ａと出射側基板２２ｂの貼り合わせ
には、紫外線硬化型の樹脂からなる接着剤を使用してい
る。半導体レーザー光が通過する部分には接着剤を塗布
せずに、段差部２２ｃ、２２ｄ部分のみに塗布してい
る。このため、接着剤による光吸収などは起こらず、マ
イクロレンズアレイ２０の安定した光学機能を得ること
ができる。また、２枚のマイクロレンズ（入射側基板２
２ａとレンズ部２４からなるマイクロレンズと、出射側
基板２２ｂとレンズ部２６からなるマイクロレンズ）を
貼り合わせる構成は、単一の光学基板１２の両面にフォ
トリソを行う場合に比べ、精度良く光軸を合わせること
が可能になるため、アライメントの正確さが向上する利
点がある。

【００３８】半導体レーザーアレイ２から発せられたレ
ーザー光Ｌを、上記構成のマイクロレンズアレイ２０を
通過させることにより、所望のビーム形状や集光状態に
することができる。その理由は以下の通りである。マイ
クロレンズアレイ２０の設計方法とその集光時のビーム
形状の関係については第１の実施形態と同様であるの
で、マイクロレンズ形状とビーム径の関係だけ簡単に説
明する。

【００３９】上記したマイクロレンズ形状とすること
で、マイクロレンズ出射端からＺ₀ ＝約６ｍｍの位置
で、Ｙ軸方向においてはビーム直径が約８０μｍ、Ｘ軸
方向においてはビーム直径が約９．６ｍｍ（＝０．８ｍ
ｍ×１２）の均一なビームを形成することができる。Ｙ
軸方向においては一個の半導体レーザーとして考えるこ
とができるため、図２に示すようなビーム強度分布を得
ることができる。すなわち、ビーム直径が（Ｗｙ（Ｚ
₀ ））のビームが実現できる。Ｘ軸方向においては、図
３に示すように、複数のビームを重ね合わせることによ
って均一のビームを形成することができるが、それぞれ
のポジションＺ₀ におけるビーム直径（Ｗｘ（Ｚ₀ ））
を約８００μｍとすることによって、Ｚ₀ 近傍で均一な
ビームを形成することができる。マイクロレンズアレイ
２０から出る励起光としてのレーザー光Ｌは、各半導体
レーザーから発せられたそれぞれに独立したビームの集
合体としてなる。

【００４０】このように、半導体レーザーアレイ２から
のレーザー光Ｌをまとまった一つの光として扱うのでは
なく、独立した一本一本のビームの集合体として形成す
ることにより、より簡単な光学設計が可能となる。すな
わち、半導体レーザーアレイ２を構成する各半導体レー
ザーのビーム形状の調整は、これに対応するマイクロレ
ンズを構成するレンズ部２４とレンズ部２６の曲率を変
化させればよい。励起光としてのレーザー光Ｌは一本一
本のビームの集合体であるので、一本一本のビームの調
整の容易性がそのまま反映されることになる。

【００４１】このことにより、より簡単な光学設計、例
えば理想光学系のＡＢＣＤ行列を利用した設計が可能と
なる。また、励起光としてのレーザー光Ｌを、各半導体
レーザーから発せられたそれぞれに独立したビームの集
合体として捉えるので、マイクロレンズアレイ２０を半
導体レーザーアレイ２の出射端面近傍に配置することが
できる。このため、各半導体レーザーから発せられたレ
ーザー光を拡散ロスが少ない時点で取り込むことがで
き、光学系（マイクロレンズアレイ２０）におけるレー
ザー光入射の高効率化を達成することができる。また、
マイクロレンズ（レンズ部２４、２６）の曲率を変化さ
せることにより、任意の位置で任意のビーム直径を実現
できるため、レーザービームを使用する装置、例えば固
体レーザー装置のレイアウトや光学設計によってその使
用する形状などを選択する自由度が大きくなり、これに
伴って取扱も容易となる。また、光学基板２２を透明石
英で形成しているので、光学系における高効率のビーム
伝達を得ることができる。

【００４２】本実施形態では光学基板２２を透明石英で
形成したが、サファイヤで形成しても上記と同様の機能
を得ることができる。サファイヤの場合には石英とは屈
折率が異なるため、曲率半径を変えてレンズ部２４、２
６の形状を変える必要がある。また、光学基板２２を
サファイヤで形成した場合には、結晶方位面によって複
屈折が存在するので、光学基板２２をｃ面基板とする。

【００４３】上記各実施形態においては、半導体レーザ
ーとして１つの種類のものを示したが、どの様な半導体
レーザーにおいても実施可能である。また、レンズ部に
関しても上記曲率半径に限定されるものではない。これ
は必要な半導体レーザー光に基づいて決定されるもので
あり、その際に設計が必要である。また、レンズ部とし
て円形状のレンズを示したが、収差等を抑えるためには
非球面のレンズにする必要もでてくることがあるが、そ
の場合にはレンズ作製時のフォトリソ条件によって変更
することは容易に可能である。

【００４４】

【発明の効果】請求項１又は１１記載の発明によれば、
半導体レーザー、半導体レーザーアレイ等の光源から発
せられるレーザー光を通過させる光学素子を、光学基板
と、該光学基板形成されたレンズ部からなるいわゆるマ
イクロレンズ構成としたので、複雑な光学系を形成する
必要がなく、光学系の取扱が容易となる。また、マイク
ロレンズ構成を発光点の近傍に配置できるので、光学素
子自体の伝搬効率や集光効率が向上し、レーザー光の利
用効率を高めることができる。

【００４５】請求項２又は１１記載の発明によれば、レ
ンズ部が複数形成されている構成としたので、１つの光
学素子で多数の発光点を有する光源に対応でき、光学系
の取扱が容易となる。また、マイクロレンズ構成を発光
点の近傍に配置できるので、光学素子自体の伝搬効率や
集光効率が向上し、レーザー光の利用効率を高めること
ができる。

【００４６】請求項３又は１１記載の発明によれば、レ
ンズ部が光源の発光点の位置に対応して同数形成されて
いる構成としたので、各発光点からのレーザー光を独立
に扱うことができるので、励起光全体の設計、調整が容
易となる。また、１つの光学素子で多数の発光点を有す
る光源に対応でき、光学系の取扱が容易となる。また、
マイクロレンズ構成を発光点の近傍に配置できるので、
光学素子自体の伝搬効率や集光効率が向上し、レーザー
光の利用効率を高めることができる。

【００４７】請求項４又は１１記載の発明によれば、レ
ンズ部がトーリック形状である構成としたので、半導体
レーザー特有の楕円光を効率よく集光発散させることが
できる。また、光学系の取扱が容易となる。また、マイ
クロレンズ構成を発光点の近傍に配置できるので、光学
素子自体の伝搬効率や集光効率が向上し、レーザー光の
利用効率を高めることができる。

【００４８】請求項５又は１１記載の発明によれば、レ
ンズ部が光学基板のレーザー光の入射側と出射側の両面
に形成されている構成としたので、レーザー光が２回曲
率半径形状を通過することになり、１枚の光学素子によ
りさらに自由度の高い設計が可能となる。これにより光
学系の取扱が容易となる。また、マイクロレンズ構成を
発光点の近傍に配置できるので、光学素子自体の伝搬効
率や集光効率が向上し、レーザー光の利用効率を高める
ことができる。

【００４９】請求項６又は１１記載の発明によれば、光
学基板が他の光学素子を組み合わせる際のアライメント
用ガイドとなる段差部を有している構成としたので、レ
ーザー光の光軸の整合を容易且つ高精度に行うことがで
きる。これにより、アライメント工程が容易又は不要に
なり、組み立て工程の減少や削減を行うことができるた
め低コスト化を実現できる。

【００５０】請求項７又は１１記載の発明によれば、光
学基板を分割構成とし、少なくとも一方にアライメント
用ガイドとなる段差部を設ける構成としたので、レーザ
ー光の光軸の整合を容易且つ高精度に行うことができ
る。これにより、アライメント工程が容易又は不要にな
り、組み立て工程の減少や削減を行うことができるため
低コスト化を実現できる。

【００５１】請求項８又は１１記載の発明によれば、光
学基板が透明な材料で形成されている構成としたので、
レーザー光の透過率を高めることができ、光学素子での
損失や発熱を抑えることができる。

【００５２】請求項９または１１記載の発明によれば、
光学基板が透明石英で形成されている構成としたので、
石英の有するドライエッチングの容易性により光学素子
の作製の容易化を図ることができる。また、石英は半導
体レーザー全般の波長に対して透過率が高いので、光学
素子での損失や発熱を抑えることができ、光学素子の高
効率化を図ることができる。

【００５３】請求項１０又は１１記載の発明によれば、
光学基板がサファイアで形成されている構成としたの
で、サファイヤの有する半導体レーザー全般の波長に対
する透過率の高さ、熱伝導率の高さによって、高出力の
パワーを伝達する場合の安定性を得ることができる。こ
れにより、光学素子での損失や発熱を抑えることがで
き、光学素子の高効率化を図ることができる。

【００５４】請求項１２記載の発明によれば、複数の発
光点を有する光源から発せられた複数のレーザー光を、
発光点の数に対応した数のレンズ部を有する光学基板を
通過させ、これらの独立した複数のレーザー光からなる
全体として一つの励起用レーザー光を得ることとしたの
で、各発光点からのレーザー光を独立に扱うことができ
るので、励起光全体の設計、調整が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るレーザー装置を示す
図で、（ａ）は要部側面図、（ｂ）は要部平面図であ
る。

【図２】光学素子通過後のビームスポットにおけるＹ軸
方向のビーム強度分布の概念図である。

【図３】光学素子通過後のビームスポットにおけるＸ軸
方向のビーム強度分布の概念図である。

【図４】レンズ部を示す図で、（ａ）は入射側のレンズ
部の斜視図、（ｂ）は出射側のレンズ部の斜視図であ
る。

【図５】他の実施形態に係るレーザー装置を示す図で、
（ａ）は要部側面図、（ｂ）は要部平面図である。

【図６】図５で示した実施形態における光学基板の分解
斜視図である。

【符号の説明】

２半導体レーザーアレイ４，２０レーザー用光学素子１０ａ発光点１２，２２光学基板１４，１６，２４，２６レンズ部２２ｃ，２２ｄ段差部Ｌレーザー光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザー、半導体レーザーアレイ等
の光源から発せられるレーザー光を通過させるととも
に、その屈折、集光又は発散等を行うレーザー用光学素
子において、光学基板と、該光学基板のレーザー光通過部位に形成さ
れたレンズ部を有することを特徴とするレーザー用光学
素子。
【請求項２】請求項１記載のレーザー用光学素子におい
て、上記レンズ部が複数形成されていることを特徴とするレ
ーザー用光学素子。
【請求項３】請求項２記載のレーザー用光学素子におい
て、上記レンズ部が、上記光源の発光点の位置に対応して同
数形成されていることを特徴とするレーザー用光学素
子。
【請求項４】請求項１乃至３のうちの一つに記載のレー
ザー用光学素子において、上記レンズ部がトーリック形状であることを特徴とする
レーザー用光学素子。
【請求項５】請求項１乃至４のうちの一つに記載のレー
ザー用光学素子において、上記レンズ部が、上記光学基板のレーザー光の入射側と
出射側の両面に形成されていることを特徴とするレーザ
ー用光学素子。
【請求項６】請求項１乃至５のうちの一つに記載のレー
ザー用光学素子において、上記光学基板が、他の光学素子を組み合わせる際のアラ
イメント用ガイドとなる段差部を有していることを特徴
とするレーザー用光学素子。
【請求項７】請求項５記載のレーザー用光学素子におい
て、上記光学基板がレーザー光の入射側と出射側に分割さ
れ、それらのうちの少なくとも一方が双方を組み合わせ
る際のアライメント用ガイドとなる段差部を有している
ことを特徴とするレーザー用光学素子。
【請求項８】請求項１乃至７のうちの一つに記載のレー
ザー用光学素子において、上記光学基板が透明な材料で形成されていることを特徴
とするレーザー用光学素子。
【請求項９】請求項８記載のレーザー用光学素子におい
て、上記光学基板が透明石英で形成されていることを特徴と
するレーザー用光学素子。
【請求項１０】請求項８記載のレーザー用光学素子にお
いて、上記光学基板がサファイアで形成されていることを特徴
とするレーザー用光学素子。
【請求項１１】請求項１乃至１０のうちの一つに記載の
レーザー用光学素子と、該レーザー用光学素子に向けて
レーザー光を発する光源とを有するレーザー装置。
【請求項１２】複数の発光点を有する光源から発せられ
た複数のレーザー光を、上記発光点の数に対応した数の
レンズ部を有する光学基板を通過させ、これらの独立し
た複数のレーザー光からなる全体として一つの励起用レ
ーザー光を得ることを特徴とする固体レーザー励起方
法。