JP2004252428A - レーザ光合波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光合波装置において、装置サイズの増大を抑え、かつ、レーザ光の利用効率を低下させることなく光束の全体を高い結合効率で合波させる。
【解決手段】 複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各光束を、コリメート光学系２０により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にする。各光束毎に配置された複数のプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…からなる光束再配列光学系３０により上記各光束の伝播方向における互いに異なる位置で上記平行光束となった各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸が同一平面上に並ぶようにする。収束光学系２５により、ファスト軸が同一平面上に並べられた光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバ４０に入射させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光合波装置に関し、詳しくは、複数の半導体レーザから射出された各レーザ光束からなる全体光束を収束させて光ファイバに入射させるレーザ光合波装置に関するものである。

従来より、１方向に並べられた複数の半導体レーザから射出されたレーザ光の各光束をコリメートレンズを通して１方向に並ぶ互いに平行な光軸を有する平行光束とし、このように並べられた各光束の全体を集光させて１本の光ファイバに入射させエネルギ密度の高いレーザ光を光ファイバ中に伝播させる手法（例えば、特許文献１）が知られている。

また、上記１方向に光軸が並べられた複数の光束の全体を収束させる際には、各光束のファスト軸が同一平面上に並ぶようにすると上記光束の全体を小さく絞り込むことができることが知られている。すなわち、各半導体レーザから射出されたレーザ光束はこの半導体レーザの活性層の厚み方向にファスト軸を持ち、上記厚み方向と直交する活性層の表面に対して平行な方向にスロー軸を持つが、上記光束はファスト軸方向に良好な波面を有しこの方向には光束を正確に絞り込むことができるが、スロー軸方向には上記ファスト軸方向ほど良好な波面が形成されないのでこの方向には光束を上記ファスト軸方向ほど正確に絞り込むことができない。

また、複数のレーザ光を発生させる手法として同一基板上に複数の半導体レーザが並ぶように形成する手法が知られており、このようにして形成された半導体レーザは活性層の表面が基板表面と平行になるように形成されるので、同一基板上に並べて形成された複数の半導体レーザから射出された光束は同一平面上にスロー軸が並ぶものとなる。そのため、上記基板を用いて複数の光束を高い結合効率で１本の光ファイバ中に合波させるには、上記同一平面上にスロー軸が並ぶ光束を同一平面上にファスト軸が並ぶ光束となるように変換してから光束の全体を収束させる必要があり、上記光束の軸方向の並び替え（以後、光束再配列という）を行なう手法として、例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４等が知られている。なお、上記結合効率は、複数の半導体レーザから射出された各光束を１本の光ファイバ中に合波させる際の光の利用効率である。

上記特許文献２によれば、同一方向に複数並ぶ光束の伝播方向と直交する方向に各光束に対応させて並べられたプリズムを通して上記光束再配列を実施している。また、特許文献３によれば、各光束を金属製のブロック上に多数形成された反射ミラーで反射させて上記光束再配列を実施している。また、特許文献４によれば１つのプリズム内で各光束を多数回反射させて上記光束再配列を実施している。
特開平２００２−２０２４４２号公報 米国特許第５５１３２０１号明細書 米国特許第５８０８３２３号明細書 米国特許第６０２８７２２号明細書

しかしながら、特許文献２に示されるように、複数並ぶ光束の伝播方向と直交する方向に各光束に対応させてプリズムを並べて上記光束再配列を実施する場合には、各プリズムの配置に合わせて光束の間隔を広げる必要があり各光束の間隔を接近させた状態でこれらの光束を各プリズムに入射させることが難しいので、基板上に形成される半導体レーザの間隔を広げる等のことにより装置サイズが大きくなったり、後述する空間利用効率が低下して上記光束の光ファイバへの結合効率が低下したりするという問題がある。

また、一般に、レーザ光を効率良く利用しようとする場合には、このレーザ光を反射させる反射面に高反射コートを施すことが前提となるが、上記特許文献３に示されるような金属製のブロック上に多数形成された複雑な形状の反射面に高反射コートを施したり、特許文献２、特許文献４中に示される複雑な形状のプリズムに高反射コートを施したりすることが難しく、上記高反射コートが反射面に施されていない伝播光路中ではレーザ光の光量損失が大きくなりレーザ光の利用効率が低下するという問題がある。特に、特許文献４に示されるように、プリズム内で光束を多数回（例えば５回以上）反射させるような場合にはレーザ光の光量損失がさらに大きくなる。

以下、上記空間利用効率について図２８、図２９および図３０を参照して具体的に説明する。図２８はレーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、図２８（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図２８（ｂ）はレーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た図、図２８（ｃ）はレーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た図である。図２９は光束が再配列され合波される様子を示す図であり、図２９（ａ）は光束再配列光学系が各光束の軸方向を再配列する様子を示す図、図２９（ｂ）は各光束が光ファイバに合波される様子を示す図である。図３０は光束再配列光学系を構成する各プリズムの配置を示す斜視図である。なお、図２８（ｃ）ではコリメート光学系を省略している。

上記レーザ光合波装置は、５つの半導体レーザ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…が、各半導体レーザそれぞれの活性層７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ…が同一平面上の図中矢印Ｙ方向に並ぶように配置されたレーザブロック７０と、上記各半導体レーザから射出され図中矢印Ｚ方向に伝播される各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にするコリメート光学系７５と、光束の伝播方向と直交する方向に各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…毎に配置された５つのプリズム８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ…からなる光束再配列光学系８０と、ファスト軸が同一平面上に並べられた上記光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバ４０に入射させる収束光学系８５とを備えている。

コリメート光学系７５は、各光束毎に配置されたコリメートレンズ７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ…から構成されている。

なお、上記光束再配列光学系８０は、コリメート光学系７５により平行光束とされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のＸ方向と一致するファスト軸Ｆの向きを変更して各ファスト軸ＦがＹ方向と一致する向きで同一平面上に並ぶようにするものである。

半導体レーザ７１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、コリメート光学系７５により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束とされ、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…それぞれは、プリズム８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ…を通ってファスト軸がＹ方向と一致する同一平面上に並ぶように再配列される（図２９（ａ）参照）。上記再配列された各光束からなる全体光束は、収束光学系８５を通してファスト軸Ｆ方向およびスロー軸Ｓ方向の幅が狭くなるように収束され、光ファイバ４０のコア部４１に入射される（図２９（ｂ）参照）。

ここで、上記半導体レーザから射出された光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記ファスト軸方向に並ぶ５つの光束を光ファイバ４０のコア部４１に高い結合効率で結合させることができる。

また、上記各プリズム８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ…が、図３０に示すように、三角柱形状の三角柱プリズム部Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３を組み合わせたものであるとすると、各光束は各個別のプリズムにおける三角柱プリズム部Ｊ１から入射し、三角柱プリズム部Ｊ１反射されてＹ方向に光路がシフトされた後、三角柱プリズム部Ｊ２、Ｊ３で反射されて三角柱プリズム部Ｊ３から射出される。そのため、各プリズム８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃが配置される際に、各個別のプリズムの三角柱プリズム部Ｊ３の間に三角柱プリズム部Ｊ１が配置される空間が必要であり、光束が射出される三角柱プリズム部Ｊ３同士を隣接して配置することができない。その結果、光束再配列光学系８０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の間に間隙Ｇが生じた状態で各光束からなる全体光束が収束される。

ここで、各コリメートレンズ７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ…の焦点距離をｆ１、開口数をＮＡ１、収束光学系８５の焦点距離をｆ２、光ファイバ４０の開口数をＮＡ２、空間利用効率をηとすると、レンズ系の倍率Ｍ、つまり半導体レーザ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…の各発光点である活性層の大きさに対する、光ファイバ４０のコア部４１の端面上における各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の収束点の大きさの比が下記式（１）で与えられる。

なお、Ｎは合波本数である。また、上記空間利用効率ηは、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束が占める空間中、すなわち光束Ｌａと光束Ｌｅとで挟まれる空間中における各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…の光路が占める割合によって規定されるものであり、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…が互いに完全密接する状態においてはη＝１である。

上記の条件下では、

この式から明らかな通り、空間利用効率ηが大きくなるほど倍率Ｍは低下する。そして倍率Ｍが小さくなるほど、半導体レーザ７１Ａ、７１Ｂ、７１Ｃ…、収束学系８５および光ファイバ４０の相対位置関係がずれた際に、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…が光ファイバ４０のコア部４１の端面上で移動する距離が小さくなるので、各光束をより正確に合波させることができる。

したがって、再配列された各光束の間に間隙が生じた状態で各光束からなる全体光束が収束されると空間利用効率ηが低下して光束を正確に合波させることが難しくなるので、上記光束の光ファイバへの結合効率が低下する。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置サイズの増大を抑え、かつ、レーザ光の利用効率を低下させることなく光束の全体を高い結合効率で合波させることができるレーザ光合波装置を提供することにある。

本発明のレーザ光合波方法は、複数の半導体レーザから射出され、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束となった各光束を、各光束の伝播方向における互いに異なる位置で各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸を同一平面上に並べ、このファスト軸が同一平面上に並べられた各光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させることを特徴とするものである。

本発明のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置されたレーザブロックと、前記複数の半導体レーザから射出された各光束を、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にするコリメート光学系と、前記平行光束とされた各光束の伝播方向における互いに異なる位置で各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸が同一平面上に並ぶようにする、各光束毎に配置された複数のプリズムからなる光束再配列光学系と、前記ファスト軸が同一平面上に並べられた各光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させる収束光学系とを備えたことを特徴とするものである。

前記コリメート光学系は、トランケート型のレンズとすることができる。

なお、トランケート型のレンズとは、複数のレンズをこれらのレンズの光軸方向と交わる方向に並べて配置する場合において、レンズが並ぶ方向における各レンズの寸法を円形の状態から上記レンズが並ぶ方向に詰めて、一定寸法内により多くのレンズが並ぶように配置したレンズを意味する。

前記レーザ光合波装置は、複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、複数の半導体レーザによって射出された光束が光ファイバに入射するまでの光束の光路中において、複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを偏光合波させる偏光合波手段とを備え、他の半導体レーザから射出された光束をも光ファイバに入射させるようにすることができる。

前記レーザ光合波装置は、複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、複数の半導体レーザによって射出された光束が光ファイバに入射するまでの光束の光路中において、複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを波長合波させる波長合波手段とを備え、他の半導体レーザから射出された光束をも光ファイバに入射させるようにすることができる。

また、前記互いに平行な光軸とは、実質的に平行な光軸であればよく完全に平行な光軸であることを要求するものではない。また、前記平行光束も実質的に平行光束とみなされる光束であればよい。また、上記同一平面上とは、実質的に同一平面上であればよく完全に同一平面上であることを要求するものではない。

なお、前記コリメート光学系、光束再配列光学系、および収束光学系の役割は完全に分離されている場合に限らず、互いの機能の一部を兼用するようにしてもよい。例えば、光束再配列光学系が、上記光束を、ファスト軸方向の幅が狭くなるように収束させる機能の一部を有するものであってもよいし、あるいは、コリメート光学系が、上記光束を、スロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる収束光学系の機能の一部を有するものであってもよい。

本発明のレーザ光合方法は、複数の半導体レーザから射出され、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束となった各光束を、各光束の伝播方向における互いに異なる位置で各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸を同一平面上に並べ、このファスト軸が同一平面上に並べられた各光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させるようにしたので、各光束の間隔が接近した状態において各光束のファスト軸の向きを変更する場合において、各光束のファスト軸の向きの変更に必要なスペースの干渉を防止することができるので、各光束の互いの間隔を狭めることができ、各光束間の間隔の広がりによるレーザ光の利用効率の低下を生じさせることなく光束の全体を高い結合効率で光ファイバに入射させることができるとともに、装置サイズの増大を抑えることができる。

本発明のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザが、各半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置されたレーザブロックと、上記半導体レーザから射出された各光束を、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にするコリメート光学系と、各光束毎に配置された複数のプリズムからなり、平行光束とされた各光束の伝播方向における互いに異なる位置で各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸が同一平面上に並ぶようにする光束再配列光学系と、上記ファスト軸が同一平面上に並べられた光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させる収束光学系とを備えているので、装置サイズの増大を抑え、かつ、レーザ光の利用効率を低下させることなく光束の全体を高い結合効率で合波させることができる。

すなわち、光束再配列光学系が各光束毎に配置された複数のプリズムからなるので、これらのプリズムを例えば単純な三角柱形状プリズムの組合せ等で構成することができるので、高反射コートを容易に施すことができ、また、プリズム内での反射回数も少なくすることができので（例えば３回以下）、光束の伝播光路中における光量損失を少なくすることができる。これとともに、平行光束とされた各光束の伝播方向における互いに異なる位置で光束再配列を行なうので各光束の間隔を接近させた状態で各プリズムに各光束を入射したり各プリズムから各光束を射出させたりすることができるので装置サイズを増大させることもない。また、各光束の間隔を接近させて各プリズムに入射させることは、上記空間利用効率ηを大きくすることとなり、上記式（１）における倍率Ｍを低下させることができるので、レーザ光の利用効率を低下させることなく光束の全体を高い結合効率で合波させることができる。

また、本発明のレーザ光合波装置は、特に波長４５０ｎｍ以下の波長を持つレーザ光を合波する際に顕著な効果を奏することができる。なぜならば、光束再配列光学系を単純な形状の組み合わせによる製作容易な構造とすることができるので、この光束再配列光学系におけるレーザ光を反射させる反射面に短波長領域の光を高い反射率で反射させる高反射コート膜を容易に形成することができ、これにより、上記レーザ光合波装置を高出力レーザ装置として不可欠な、レーザ光に対する高い透過率特性を有するものとすることができるからである。

また、レーザ光合波装置を、前記複数の半導体レーザによって射出された光束と他の半導体レーザから射出された光束とを偏光合波させる偏光合波手段、あるいは波長合波させる波長合波手段を備えるようにし、他の半導体レーザから射出された光束をも光ファイバに入射させるようにすれば、光ファイバ中に入射させ合波させることができるレーザ光のパワーをより高めることができる。

発明を実施するための代表的な形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態におけるレーザ光合波装置の概略構成を示す図であり、図１（ａ）は上記レーザ光合波装置を上方から見た平面図、図１（ｂ）はレーザ光合波装置を半導体レーザが並ぶ方向から見た図、図１（ｃ）はレーザ光合波装置を光束の光軸方向から見た図である。図２は半導体レーザの活性層からレーザ光束が射出される様子を示す斜視図、図３は光束再配列光学系を構成するプリズムを示す斜視図、図４は光束が再配列され合波される様子を示す図であり、図４（ａ）は光束再配列光学系が各光束の軸方向を再配列する様子を示す図、図４（ｂ）は各光束が光ファイバに合波される様子を示す図である。図５は収束角変換光学系を３方向から見た図であり、図５（ａ）は収束角変換光学系をＺ方向から見た図、図５（ｂ）は収束角変換光学系をＹ方向から見た図、図５（ｃ）は収束角変換光学系をＸ方向から見た図である。図６は収束光学系が全体光束を収束させる様子を示す図であり、図６（ａ）は全体光束をスロー軸方向の幅が狭くなるように収束させる様子を示す図、図６（ｂ）は全体光束をファスト軸方向の幅が狭くなるように収束させる様子を示す図である。なお、図１（ｃ）ではコリメート光学系を省略している。

本発明のレーザ光合波装置は、複数の半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…（以後、まとめて半導体レーザ１１ともいう）が、各半導体レーザ１１それぞれの活性層１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ…（以後、まとめて活性層１２ともいう）が同一平面上の図中矢印Ｙ方向に並ぶように配置されたレーザブロック１０と、各半導体レーザ１１から射出され図中矢印Ｚ方向に伝播される各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、Ｚ方向に互いに平行な光軸を持ち同一平面Ｈ１上にスロー軸（図中矢印Ｓでスロー軸方向を示す）を有する平行光束にするコリメート光学系２０と、上記平行光束とされた各光束の伝播方向における互いに異なる位置で上記各光束のファスト軸（図中矢印Ｆでファスト軸方向を示す）の向きを変更して各ファスト軸が同一平面上に並ぶようにする光束再配列光学系３０と、ファスト軸が同一平面上に並べられた上記光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバ４０に入射させる収束光学系２５とを備えている。なお、光束再配列光学系３０は各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…毎に配置されたプリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…（以後、まとめてプリズム３１ともいう）からなるものである。

上記各半導体レーザ１１は、出力１Ｗ、発振波長４００〜４２０ｎｍのエッジエミッタ型の窒化物系半導体レーザであり、図２に示すように、ファスト軸Ｆ方向の発光幅Ｄｆ＝０．５μｍ、スロー軸Ｓ方向の発光幅Ｄｓ＝２５μｍである。また、各半導体レーザ１１から射出される光束のファスト軸Ｆ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｆ）は０．４６で、スロー軸Ｓ方向の実効的な開口数ＮＡ（ｓ）は０．２である。なお、ここでいうファスト軸Ｆ方向は、エッジエミッタ型半導体レーザの活性層の厚み方向、スロー軸Ｓ方向は上記活性層の表面に対して平行な方向でありありファスト軸Ｆ方向とスロー軸Ｓ方向とは互いに直交している。なお、上記レーザブロック１０は、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを有するものである。

コリメート光学系２０は、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…毎に配置されたコリメートレンズ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから構成されるトランケート型のレンズであり、各コリメートレンズ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…の焦点距離は３ｍｍ、開口数ＮＡは０．６である。また、各コリメートレンズ２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ…でコリメートされた各平行光束の断面形状はファスト軸Ｆ方向の幅Ｕｆが２．８ｍｍ、スロー軸Ｓ方向の幅Ｕｓが１．２ｍｍの楕円形状となる。

光束再配列光学系３０を構成する各プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…のそれぞれは、図３に示すように、３つの単純な三角柱形状からなる三角柱プリズム部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３が組み合わされた形状を有するものであり、ファスト軸Ｆの方向が図中Ｘ方向と一致するように入射された光束を、各プリズム部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で１回ずつ合計３回反射してファスト軸Ｆの方向がＹ方向に一致する方向となるように変換して射出する。すなわち、図４（ａ）に示すように、この光束再配列光学系３０は、同一平面Ｈ１上のＹ方向にスロー軸が並ぶようにして入射された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を、同一平面上のＹ方向にファスト軸Ｆが並ぶ光束となるように再配列する。なお、上記Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は互いに直交する方向である。図６に、光束再配列光学系３０をＺ軸方向から見た図（図５（ａ））、Ｙ軸方向から見た図（図５（ｂ））、軸方向から見た図（図５（ｃ））を示す。

なお、上記光束を反射する各プリズム部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３つの面には反射率９９．５％以上の高反射コートが施され、上記光束の入射面および射出面には反射率を０．５％以下に抑える反射防止コートが施されている。

収束光学系２５は、図６に示すように、光束再配列光学系３０から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…からなる全体光束を、ファスト軸Ｆ方向（ここではＹ方向）の幅が狭くなるように収束させる収束Ｆレンズ２６、および上記全体光束を、スロー軸Ｓ方向（ここではＸ方向）の幅が狭くなるように収束させる収束Ｓレンズ２７とからなり、各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…を光ファイバ４０のコア部４１の端面に合波させる（図４（ｂ）参照）。

また、光ファイバ４０のコア部４１の直径は５０μｍで、開口数ＮＡは０．２である。

次に上記実施の形態における作用について説明する。

半導体レーザ１１から射出された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、コリメート光学系２０により互いに平行な光軸を持ち同一平面Ｈ１上にスロー軸Ｓを有する平行光束にされる。上記平行光束とされた各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は、プリズム３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…のそれぞれを通って各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のファスト軸が同一平面上に並ぶように再配列される（図４参照）。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

光束再配列光学系３０から射出されたファスト軸が同一平面上に並ぶように再配列された各光束からなる全体光束は、収束Ｆレンズ２６を通してファスト軸Ｆ方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ２７を通してスロー軸Ｓ方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ４０の直径５０μｍのコア部４１に入射される。

ここで、上記半導体レーザから射出された光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記ファスト軸方向に並ぶ５つの光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ、Ｌｅを光ファイバ４０のコア部４１に高い結合効率で結合させることができる。

上記のことにより、５つの半導体レーザ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から射出された各１Ｗの出力を有する光束が光ファイバ４０のコア部４１に合波され、コア部４１から４．５Ｗのレーザ光を出力させることができる。すなわち、５本のレーザ光束が結合効率は９０％で光ファイバに結合される。

ここで、上記装置による合波の性能について説明する。

○ファスト軸方向の合波の性能（図６（ｂ）参照）
収束Ｆレンズ２６は、ＹＺ平面において光ファイバと同じ、開口数ＮＡ＝０．２となっている。すなわち、コリメート光学系側から１光束あたりのＮＡ＝０．４６程度の広がり角で各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…が入射され、これらの光束５本が、ＮＡ＝０．２の光ファイバに入射されるように、ＮＡ＝０．２を５分割されるので、半導体レーザ１１から光ファイバ４０への光学系の拡大率は、０．４６／（０．２／５）＝１１．５倍となる。

したがって、収束Ｆレンズ２６はファスト軸方向に１１．５倍の拡大率を有するものとなるため、ファスト軸方向の焦点距離Ｆｆとして３４．５ｍｍ（すなわち、３ｍｍ（各コリメートレンズの焦点距離）×１１．５（倍率）＝３４．５ｍｍ）が必要となる。

また、上記ファスト軸方向の集光における回折による光束のボケ（広がり）は下記式で与えられる。

Δｓ＝（４／π）×λ×Ｆｆ／Ｔｆ
ここで、
λ：合波される光束の波長
Ｆｆ：収束される側のファスト軸方向の焦点距離
Ｔｆ：全体光束のファスト軸方向の幅
したがって、波長λ＝０．４μｍ、Ｆｆ＝３４．５ｍｍ、Ｔｆ＝３．１ｍｍとして、ファスト軸方向の光束のボケ（広がり）Δｓは約５．７μｍとなり、集光された光束は、ファスト軸方向に１１．５μｍ（０．５×１１．５μｍ＋５．７μｍ＝１１．５μｍ）程度の広がりを有するものとなる。

○スロー軸方向の合波の性能（図６（ａ）参照）
収束Ｓレンズ２７は、ＸＺ平面において光ファイバ４０と同じ、開口数ＮＡ＝０．２となっている。すなわち、コリメート光学系側から５本の光束のスロー軸ＳがＹ方向に重ねられた状態で全体光束となり、ＮＡ＝０．２程度の広がり角で入射されている。その後、この全体光束はＮＡ＝０．２の光ファイバに入射されるので、半導体レーザ１１から光ファイバ４０への光学系の拡大率は０．２／０．２＝１倍となる。

したがって、この収束Ｓレンズ２７はスロー軸方向に１倍の拡大率を有するものとなるため、スロー軸方向の焦点距離Ｆｓとして３ｍｍ（すなわち、３ｍｍ（各コリメートレンズの焦点距離）×１（倍率）＝３ｍｍ）が必要となる。

また、上記スロー軸方向の集光における回折による光束のボケ（広がり）は下記式で与えられる。

Δｓ＝（４／π）×λ×Ｆｓ／Ｔｓ
ここで、
λ：合波される光束の波長
Ｆｓ：収束される側のスロー軸方向の焦点距離
Ｔｓ：全体光束のスロー軸方向の幅
したがって、波長λ＝０．４μｍ、Ｆｓ＝３ｍｍ、Ｔｓ＝１．２ｍｍとして、スロー軸方向の光束のボケ（広がり）Δｓは約１．３μｍとなり、集光された光束は、スロー軸方向に２６．３μｍ（２５μｍ＋１．３μｍ＝２６．３μｍ）程度の広がりを有するものとなる。

ここで、光ファイバ４０のコア部４１上に合波された５本の光束は、短軸方向の幅（ファスト軸方向でありＹ方向である幅）が約１１．５μｍ、で、長軸方向の幅（スロー軸方向でありＸ方向である幅）が約２６．３μｍ、の楕円形状となる（図４（ｂ）参照）。

上記のことから、回折による光束のボケを考慮しても、光ファイバの端面において収束される光束の直径は３０μｍ以下であり、光ファイバのコア部の直径Ｄｃ＝５０μｍに対して小さく、高い結合効率で光束を光ファイバに結合させることができる。

なお、レーザ光合波装置の装置サイズを決める最大要因として、各光学要素を収容するための収容容積が重要となるが、上記レーザ光合波装置の光束の進行方向における寸法は、コリメートレンズの焦点距離が３ｍｍ、収束光学系の焦点距離が３４．５ｍｍであるので、その他の部品を含めても装置全体の長さを５０ｍｍ以内に収めることができ小型化が可能である。

また、光束再配列光学系を以下のような構成にしてもよい。図７は上記と異なる光束再配列光学系の概略構成を示す平面図、図８は上記光束再配列光学系を構成する個別のプリズムを示す斜視図、図９は光束が再配列され合波される様子を示す図であり、図９（ａ）は各光束が光束再配列光学系に入射される様子を示す図、図９（ｂ）は各光束が光束再配列光学系から射出される様子を示す図、図４（ｃ）は各光束が光ファイバに合波される様子を示す図である。

図７、図８および図９に示すように、光束再配列光学系５０を構成する各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…のそれぞれは、２つの単純な四角柱形状からなる四角柱プリズム部Ｐ１１、Ｐ１２が組み合わされた形状であり、各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…が、スロー軸Ｓの方向が図中Ｙ方向と一致するように入射された光束を、四角柱プリズム部Ｐ１１、Ｐ１２それぞれで１回ずつ合計２回反射させてファスト軸Ｆの方向がＺ方向と一致するように変換して射出させる。

これにより、半導体レーザ１１から射出されコリメート光学系２０により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸Ｓを有する平行光束に変換された各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…は各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…に入射され（図９（ａ）参照）、プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…のそれぞれを通って各光束Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…のファスト軸が同一平面上に並ぶように再配列されて各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…から射出される（図９（ｂ）参照）。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、密接配置された光束からなる空間利用効率が高い全体光束が生成される。

光束再配列光学系３０から射出されたファスト軸が同一平面上に並ぶように再配列された各光束からなる全体光束は、収束光学系２５を通してファスト軸Ｆ方向の幅が狭くなるように収束されるとともに、スロー軸Ｓ方向にも幅が狭くなるように収束され、光ファイバ４０の直径５０μｍのコア部４１に入射され合波される（図９（ｃ）参照）。

なお、光束再配列光学系５０への光束の入射方向（Ｚ方向）と、この光束再配列光学系５０からの光束の射出方向とが互いに異なる方向（Ｙ方向）となるので、各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…のそれぞれの入射面５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ…のＹ方向（スロー軸Ｓ方向）の幅Ｎｓ（図９（ａ）参照）は、各プリズム５１Ａ、５１Ｂ、５１Ｃ…のそれぞれの射出面５６Ａ、５６Ｂ、５６Ｃ…のＺ方向（ファスト軸Ｆ方向）の幅Ｎｆ（図９（ｂ）参照）に制限されることなく定めることができ、上記各入射面５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ…へ入射する光束のスロー軸Ｓ方向の幅と上記入射面５５Ａ、５５Ｂ、５５Ｃ…の幅Ｎｓとを概略同等の幅とすることができるので、光束再配列光学系５０に入射される互いに隣り合う光束の間隔をさらにさらに狭めることができる。これにより、レーザブロックやコリメータレンズの寸法をＹ方向にさらに小さくすることができ、レーザ光合波装置のさらなる小型化が可能である。

以下、レーザ光合波装置の種々の実施例について説明する。

まず、はじめに、各実施例Ｅｘ１〜実施例Ｅｘ９における共通の機能について説明する。

後述する図１０から図２６に示すように、５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１１Ｂ〜１１２Ｂ、および１１５Ｂ〜１１９Ｂと、１０個の半導体レーザが配置されたレーザブロック１１３Ｂおよび１１４Ｂとは、いずれも、レーザブロック毎に、各半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に配置されて、各半導体レーザから射出されたときの各光束は同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する光束となる。

なお、上記各半導体レーザは、出力１Ｗ、発振波長４００〜４２０ｎｍのエッジエミッタ型の窒化物系半導体レーザであり、ファスト軸方向の発光幅Ｄｆ＝０．５μｍで、ファスト軸方向の実質的な開口数ＮＡ（ｆ）＝０．４６である。また、スロー軸方向の発光幅Ｄｓは、レーザブロック１１１Ｂ〜１１２Ｂの場合が２５μｍ、レーザブロック１１３Ｂ〜１１５Ｂの場合が３０μｍ、レーザブロック１１６Ｂ〜１１９Ｂの場合が５０μｍであり、スロー軸方向の実質的な開口数ＮＡ（ｓ）はいすれの場合においても０．２である。

なお、以下の説明で使用する「ファスト軸の方向」および「スロー軸の方向」は、各光束におけるスロー軸およびファスト軸の状態を基準にしている。すなわち、例えば光束の向きが光軸の周りに回転した場合は、「ファスト軸の方向」および「スロー軸の方向」も図中Ｘ軸、Ｙ軸、あるいはＺ軸に対して回転した方向となる。そのため、光路中の場所によって、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸それぞれの方向と、上記ファスト軸の方向およびスロー軸の方向との関係が変わる。

また、図中矢印＋Ｘ方向の反対方向が−Ｘ方向であり、図中矢印＋Ｙ方向の反対方向が−Ｙ方向であり、図中矢印＋Ｚ方向の反対方向が−Ｚ方向である。

レーザブロック１１１Ｂ〜１１２Ｂ、および１１５Ｂ〜１１９Ｂに対応して配置されたコリメート光学系１１１Ｃ〜１１２Ｃ、および１１５Ｃ〜１１９Ｃと、レーザブロック１１３Ｂ〜１１４Ｂに対応して配置されたコリメート光学系１１３Ｃ〜１１４Ｃとは、トランケート型のレンズであり、いずれも、各半導体レーザから射出された各光束を、互いに平行な光軸を持ち同一平面上に互いに平行なスロー軸を有する平行光束にするものである。

上記各コリメート光学系１１１Ｃ〜１１９Ｃのそれぞれは、焦点距離２．８５ｍｍ、開口数ＮＡ＝０.６である。また、各コリメート光学系でコリメートされた各平行光束の断面形状はファスト軸方向の幅が２．６ｍｍ、スロー軸方向の幅が１．１ｍｍの楕円形状となる。

光束再配列光学系１１１Ｒ〜１１９Ｒのそれぞれは、上記コリメート光学系１１１Ｃ〜１１９Ｃを通って平行光束となった各光束を、各光束の伝播方向における互いに異なる位置で上記各光束のファスト軸の向き（図中矢印Ｆで示す）を変更して各ファスト軸が互いに平行となり、かつ同一平面上に並ぶようにするものである。光束再配列光学系１１１Ｒ〜１１９Ｒは入射した各光束を、同一平面上に互いに平行にファスト軸が並ぶ各光束に再配列して射出する。

なお、上記光束再配列光学系１１１Ｒから１１９Ｒのそれぞれは、直角２等辺三角柱形状の三角柱プリズム部Ｐｔ、四角柱透過部Ｐｓ、波長合波用のダイクロイック・コーティング膜Ｃｄ、偏光合波用の偏光コーティング膜Ｃｐ等が組み合わされて構成されたものである。なお、三角柱プリズム部Ｐｔのうちの光束を反射する反射面Ｓｒ（上記直角２等辺三角形状の直角部の稜線に対向する面）には反射率９９．５％以上の高反射コートが施され、光束の入射面、および射出面となる透過面Ｓｔ（上記直角２等辺三角形状の２つの等しい長さの辺に対応する面）には反射率を０．５％以下に抑える反射防止コートが施されている。

上記光束再配列光学系１１１Ｒ〜１１９Ｒから射出された同一平面上に互いに平行なファスト軸が５本並ぶ各光束を通す収束光学系１１１Ｆ〜１１９Ｆは、いずれも、ファスト軸が互いに平行となるように並べられて入射した各光束からなる全体光束をスロー軸およびファスト軸方向に収束させて、対応する光ファイバ１１１Ｌ〜１１９Ｌのそれぞれに入射させるものである。

収束光学系１１１Ｆ〜１１９Ｆのそれぞれは、上記光束再配列光学系１１１Ｒ〜１１９Ｒのそれぞれから射出された各光束からなる全体光束を、ファスト軸方向（ここではＹ方向）の幅が狭くなるように収束させるシリンドリカルレンズである収束Ｆレンズ１１１Ｆｆ〜１１９Ｆｆのそれぞれ、および上記全体光束を、スロー軸方向（ここではＸ方向）の幅が狭くなるように収束させるシリンドリカルレンズである収束Ｓレンズ１１１Ｆｓ〜１１９Ｆｓのそれぞれで構成されたものであり、各光束を光ファイバ１１１Ｌ〜１１９Ｌそれぞれのコア部の端面に入射させ合波させるものである。

各光ファイバ１１１Ｌ〜１１９Ｌに光が入射する際の実質的な開口数ＮＡは全て０．２２であり、光ファイバ１１１Ｌ〜１１２Ｌのコア部の径は５０μｍ、光ファイバ１１３Ｌ〜１１９Ｌのコア部の径は６０μｍである。

なお、図２７（ａ）は、実施例Ｅｘ１、実施例Ｅｘ２、実施例Ｅｘ６，実施例Ｅｘ７、実施例Ｅｘ８、実施例Ｅｘ９の各実施例において、各収束光学系１１１Ｆ、１１２Ｆ、１１６Ｆ、１１７Ｆ、１１８Ｆ、１１９Ｆに入射するときの各光束の状態を各収束光学系の側から光軸方向に見た図、図２７（ｂ）は、実施例Ｅｘ３において、収束光学系１１３Ｆに入射するときの各光束の状態をこの収束光学系１１３Ｆの側から光軸方向に見た図、図２７（ｃ）は、実施例Ｅｘ４において、収束光学系１１４Ｆに入射するときの各光束の状態をこの収束光学系１１４Ｆの側から光軸方向に見た図、図２７（ｄ）は、実施例Ｅｘ５において、収束光学系１１５Ｆから射出される各光束の状態をこの収束光学系１１５Ｆの側から光軸方向に見た図である。

＜実施例Ｅｘ１＞
図１０は実施例Ｅｘ１のレーザ光合波装置１０１の概略構成を示す図であり、図１０（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図１０（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図１１は光束再配列光学系の個別プリズム部の構成を示す斜視図である。

実施例Ｅｘ１のレーザ光合波装置１０１は、上記５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１１Ｂと、上記コリメート光学系１１１Ｃと、上記光束再配列光学系１１１Ｒと、上記収束光学系１１１Ｆと、上記光ファイバ１１１Ｌを備えている。

なお、上述したように、レーザブロック１１１Ｂに配置された５つの半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは２５μｍ、収束光学系１１１Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１１Ｌのコア径は５０μｍである。

光束再配列光学系１１１Ｒは、上記図３で説明した３つの三角柱プリズム部Ｐｔが組み合わされて構成された個別プリズム部である個別プリズム部１１１ｐを、コリメート光学系１１１Ｃを通った５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置してなるものである。

レーザブロック１１１Ｂに配置された半導体レーザから図中矢印＋Ｚ方向に射出された５本の各光束Ｌｚは、コリメート光学系１１１Ｃにより互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となって図中矢印＋Ｚ方向に伝播する各光束Ｌｚは、光束再配列光学系１１１Ｒの５つの個別プリズム部１１１ｐのそれぞれを通って各光束Ｌｚのファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列される。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

なお、＋Ｚ方向に伝播して個別プリズム部１１１ｐの第１の三角柱プリズム部Ｐｔに入射した光束は、＋Ｘ方向に向かうように反射されて第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射し、さらに、この光束は第２の三角柱プリズム部Ｐｔで−Ｙ方向に向かうように反射されて第３の三角柱プリズムに入射し、その後、第３の三角柱プリズムで＋Ｚ方向に向かうように反射される。

光束再配列光学系１１１Ｒから図中矢印Ｚ方向に向けて射出されたファスト軸が互いに平行で同一平面上に並ぶように再配列された各光束Ｌｚからなる全体光束（図２７（ａ）参照）は、収束Ｆレンズ１１１Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１１Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１１Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１１Ｌの５０μｍの径を有するコア部の端面に収束した上記全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が２５μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚからなる全体光束を光ファイバ１１１Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ２＞
図１２は実施例Ｅｘ２のレーザ光合波装置１０２の概略構成を示す図であり、図１２（ａ）はレーザ光合波装置の平面図、図１２（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図１３は光束再配列光学系の個別プリズム部の構成を示す斜視図である。

実施例Ｅｘ２のレーザ光合波装置１０２は、―Ｙ方向に向けて光束を射出する５つの半導体レーザが配置された上記レーザブロック１１２Ｂと、上記コリメート光学系１１２Ｃと、上記光束再配列光学系１１２Ｒと、上記収束光学系１１２Ｆと、上記光ファイバ１１２Ｌを備えている。

なお、上述したように、レーザブロック１１２Ｂに配置された５つの半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは２５μｍ、収束光学系１１２Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１２Ｌのコア径は５０μｍである。

光束再配列光学系１１２Ｒは、２つの三角柱プリズム部Ｐｔが組み合わされて構成された個別プリズム部１１２ｐを、コリメート光学系１１２Ｃを通った５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置してなるものである。

レーザブロック１１２Ｂに配置された半導体レーザから−Ｙ方向に向けて射出された５本の各光束Ｌｚは、コリメート光学系１１２Ｃにより互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられて−Ｙ方向に向けて射出される。上記平行光束となった各光束Ｌｚは、光束再配列光学系１１２Ｒの５つの個別プリズム部１１２ｐのそれぞれに入射し各光束Ｌｚのファスト軸が同一平面上に並ぶように再配列され＋Ｚ方向に向けて射出される。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

なお、−Ｙ方向に伝播して個別プリズム部１１２ｐの第１の三角柱プリズム部Ｐｔに入射した光束は、＋Ｘ方向に向かうように反射されて第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射し、さらに、この光束は第２の三角柱プリズム部Ｐｔで＋Ｚ方向に向かうように反射される。

光束再配列光学系１１２Ｒから射出されたファスト軸が互いに平行で同一平面上に並ぶように再配列された各光束Ｌｚからなる全体光束（図２７（ａ）参照）は、収束Ｆレンズ１１２Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１２Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１２Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１２Ｌの５０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が２５μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚからなる全体光束を光ファイバ１１２Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ３＞
図１４は実施例Ｅｘ３のレーザ光合波装置１０３の概略構成を示す図であり、図１４（ａ）はレーザ光合波装置の平面図、図１４（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図である。

実施例Ｅｘ３のレーザ光合波装置１０３は、＋Ｚ方向に向けて光束を射出する上記１０個の半導体レーザが配置されたレーザブロック１１３Ｂと、上記コリメート光学系１１３Ｃと、上記光束再配列光学系１１３Ｒと、上記収束光学系１１３Ｆと、上記光ファイバ１１３Ｌを備えている。

なお、上述したように、レーザブロック１１３Ｂに配置された１０個の半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは３０μｍ、収束光学系１１３Ｆのファスト軸方向の焦点距離は６０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１３Ｌのコア径は６０μｍである。

光束再配列光学系１１３Ｒは、上記図３、および図１１で説明した３つの三角柱プリズム部Ｐｔが組み合わされて構成された個別プリズム部である個別プリズム部１１３ｐを、コリメート光学系１１３Ｃを通った１０本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置してなるものである。

レーザブロック１１３Ｂに配置された半導体レーザから＋Ｚ方向に向けて射出された１０本の各光束Ｌｚは、コリメート光学系１１３Ｃにより互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となって＋Ｚ方向に向けて射出された各光束Ｌｚは、上記実施例Ｅｘ１と同様に、光束再配列光学系１１３Ｒの１０個の個別プリズム部１１３ｐのそれぞれを通って各光束Ｌｚのファスト軸が同一平面上に互いに平行に並ぶように再配列されて＋Ｚ方向に向けて射出される。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

光束再配列光学系１１３Ｒから射出されたファスト軸が互いに平行で同一平面上に並ぶように再配列された各光束Ｌｚからなる全体光束（図２７（ｂ）参照）は、収束Ｆレンズ１１３Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１３Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１３Ｌの６０μｍの径を有するコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１３Ｌのコア部の端面に収束された上記全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が１０μｍ、スロー軸方向の径が３０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚからなる全体光束を光ファイバ１１３Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ４＞
図１５は実施例Ｅｘ４のレーザ光合波装置１０４の概略構成を示す図であり、図１５（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図１５（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図１６は光束再配列光学系の第１の個別プリズム部の構成を示す斜視図、図１７は光束再配列光学系の第２の個別プリズム部の構成を示す斜視図である。

実施例Ｅｘ４のレーザ光合波装置１０４は、＋Ｚ方向に向けて光束を射出する上記１０個の半導体レーザが配置されたレーザブロック１１４Ｂと、上記コリメート光学系１１４Ｃと、上記光束再配列光学系１１４Ｒと、上記収束光学系１１４Ｆと、上記光ファイバ１１４Ｌを備えている。

なお、上述したように、レーザブロック１１４Ｂに配置された１０個の半導体レーザそれぞれのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは３０μｍ、収束光学系１１４Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は５．９ｍｍ、光ファイバ１１４Ｌのコア径は６０μｍである。

光束再配列光学系１１４Ｒは、図１６に示すように、４つの三角柱プリズム部Ｐｔが組み合わされて構成された５つの各第１の個別プリズム部１１４ｐ１と、図１７に示すように、１つの四角柱透過部Ｐｓと、この四角柱透過部Ｐｓを両側から挟む２つの三角柱プリズム部Ｐｔとが組み合わされて構成された５つの各第２の個別プリズム部１１４ｐ２とを備えている。第１の個別プリズム部１１４ｐ１は、図３、あるいは図１１に示した個別プリズム部と１つの三角柱プリズム部Ｐｔとを組み合わせたものである。

各第１の個別プリズム部１１４ｐ１は、コリメート光学系１１４Ｃを通った５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置されている。各第２の個別プリズム部１１４ｐ２は、コリメート光学系１１４Ｃを通った上記とは異なる残りの５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置されている。

レーザブロック１１４Ｂに配置された各半導体レーザから＋Ｚ方向に向けて射出された１０本の各光束Ｌｚは、コリメート光学系１１４Ｃにより互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられ＋Ｚ方向に向けて射出される。上記平行光束となった１０本の光束のうちの５つの光束Ｌｚ１は、光束再配列光学系１１４Ｒの各個別プリズム部１１４ｐ１の上記図３、あるいは図１１に示した３つの三角柱プリズム部Ｐｔからなる部分を通って各光束Ｌｚ１のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列される。

一方、上記コリメート光学系１１４Ｃにより＋Ｚ方向に向けて射出された上記５本の光束Ｌｚ１とは異なる残りの５つの各光束Ｌｚ２は、光束再配列光学系１１４Ｒの各個別プリズム部１１４ｐ２のそれぞれを通って各光束Ｌｚ２のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列され−Ｙ方向に向けて射出される。

すなわち、個別プリズム部１１４ｐ２は、＋Ｚ方向に伝播する光束Ｌｚ２を第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させて＋Ｘ方向に向かうように反射させ、この反射した光束Ｌｚ２を四角柱透過部Ｐｓを通して第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させて、この第２の三角柱プリズム部Ｐｔで−Ｙ方向に向かうように反射する。上記個別プリズム部１１４ｐ２から−Ｙ方向に向けて射出された各光束Ｌｚ２は、個別プリズム部１１４ｐ１のうちの上記図３、あるいは図１１に示した３つの三角柱プリズム部Ｐｔからなる部分とは異なる残りの１つの三角柱プリズム部Ｐｔで反射されて＋Ｚ方向に向けて射出される。

図１６に示すように、＋Ｚ方向に向けて射出された上記光束Ｌｚ１とＬｚ２とはＸ方向の位置が互いに異なるものとなる。

このようにして、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

上記再配列された５つの光束Ｌｚ１と光束Ｌｚ２とからなる全体光束は（図２９（ｃ）参照）、収束Ｆレンズ１１４Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１４Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１４Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１４Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が６０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚ１およびＬｚ２からなる全体光束を光ファイバ１１４Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ５＞
図１８は実施例Ｅｘ５のレーザ光合波装置１０５の概略構成を示す図であり、図１８（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図１８（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図１８（ｃ）は上記レーザ光合波装置の左側面図、図１９は光束再配列光学系の第１の個別プリズム部の構成を示す斜視図、図２０は光束再配列光学系の第２の個別プリズム部の構成を示す斜視図である。

実施例Ｅｘ５のレーザ光合波装置１０５は、上記それぞれ５個の半導体レーザが配置された互いに対向する第１のレーザブロック１１５Ｂ１および第２のレーザブロック１１５Ｂ２と、上記レーザブロック１１５Ｂ１、１１５Ｂ２のそれぞれに対応させて配置された２つのコリメート光学系１１５Ｃ１、１１５Ｃ２と、コリメート光学系１１５Ｃ１、１１５Ｃ２のそれぞれを通った光束を再配列する上記光束再配列光学系１１５Ｒと、上記収束光学系１１５Ｆと、上記光ファイバ１１５Ｌを備えている。なお、第１のレーザブロック１１５Ｂ１は−Ｙ方向に向けて光束を射出するものであり、第２のレーザブロック１１５Ｂ２は＋Ｙ方向に向けて光束を射出するものである。

なお、上述したように、２つのレーザブロック１１５Ｂ１、１１５Ｂ２のそれぞれに配置された半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは３０μｍ、収束光学系１１５Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は５．９ｍｍ、光ファイバ１１５Ｌのコア径は６０μｍである。

光束再配列光学系１１５Ｒは、図１９に示すように、１つの四角柱透過部Ｐｓと、この四角柱透過部Ｐｓを両側から挟む２つの三角柱プリズム部Ｐｔとが組み合わされて構成された５つの各個別プリズム部１１５ｐ１と、図２０に示すように、２つの三角柱プリズム部Ｐｔが組み合わされて構成された５つの各個別プリズム部１１５ｐ２とを備えている。

各個別プリズム部１１５ｐ１は、一方のレーザブロック１１５Ｂ１から射出されコリメート光学系１１５Ｃ１を通った５本の各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置されている。各個別プリズム部１１５ｐ２は、レーザブロック１１５Ｂ２から射出されコリメート光学系１１５Ｃ２を通った上記とは異なる５本の各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置されている。

レーザブロック１１５Ｂ１に配置された各半導体レーザから−Ｙ方向に向けて射出された５本の各光束Ｌｚ１は、コリメート光学系１１５Ｃ１により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となり−Ｙ方向に向けて射出された５つの光束Ｌｚ１は、光束再配列光学系１１５Ｒの各個別プリズム部１１５ｐ１に入射し２回反射されて各光束Ｌｚ１のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列され＋Ｚ方向に射出される。

すなわち、個別プリズム部１１５ｐ１は、−Ｙ方向に伝播する光束Ｌｚ１を第１の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させて＋Ｘ方向に向かうように反射させ、この反射した光束Ｌｚ２を四角柱透過部Ｐｓを通して第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させ、この第２の三角柱プリズム部Ｐｔで＋Ｚ方向に向かうように反射する。

一方、レーザブロック１１５Ｂ２に配置された各半導体レーザから＋Ｙ方向に射出された５本の各光束Ｌｚ２は、コリメート光学系１１５Ｃ２により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となった５つの各光束Ｌｚ２は、光束再配列光学系１１５Ｒの各個別プリズム部１１５ｐ２で２回反射されてファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列されて＋Ｚ方向に向けて射出される。

すなわち、個別プリズム部１１５ｐ２は、＋Ｙ方向に伝播する光束Ｌｚ２を第１の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させて＋Ｘ方向に向かうように反射させ、この反射した光束Ｌｚ２を第２の三角柱プリズム部Ｐｔに入射させて、この第２の三角柱プリズム部Ｐｔで＋Ｚ方向に向かうように反射する。

図２７に示すように、＋Ｚ方向に向けて射出された上記光束Ｌｚ１とＬｚ２とはＸ方向の位置が互いに異なり、Ｙ方向に１つの光束分ずれた状態に並ぶものとなる。

上記各個別プリズム部１１５ｐ１から射出された５つの光束Ｌｚ１と、上記各個別プリズム部１１５ｐ２から射出された５つの光束Ｌｚ２とからなる全体光束は、収束Ｆレンズ１１５Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１５Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１５Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１５Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が６０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚ１、Ｌｚ２からなる全体光束を光ファイバ１１５Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ６＞
図２１は実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６の概略構成を示す図であり、図２１（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図２１（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図である。

上記実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６は、上記実施例Ｅｘ１のレーザ光合波装置１０１と同様の構成および機能を有する主光学部１１６Ｍを備えるとともに、この主光学部１１６Ｍに加えて副光学部１１６Ｓを備えている。

この副光学部１１６Ｓは、上記主光学部１１６Ｍに配置されている複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、主光学部１１６Ｍでの上記複数の半導体レーザによって射出された光束が光ファイバに入射するまでの各光束の光路中に、上記他の半導体レーザから射出された光束を偏光合波させる偏光合波手段とを有するものであり、副光学部１１６Ｓに配置された上記他の半導体レーザから射出された光束をも主光学部１１６Ｍに配置された上記光ファイバに入射させるものである。

主光学部１１６Ｍは、上記レーザブロック１１６Ｂである＋Ｚ方向に向けて光束を射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１６Ｂ１と、上記コリメート光学系１１６Ｃであるコリメート光学系１１６Ｃ１と、上記光束再配列光学系１１６Ｒである光束再配列光学系１１６Ｒ１と、上記収束光学系１１６Ｆと、上記光ファイバ１１６Ｌとを備えている。

なお、上記主光学部１１６Ｍのレーザブロック１１６Ｂ１、コリメート光学系１１６Ｃ１、光束再配列光学系１１６Ｒ１、収束光学系１１６Ｆ、および光ファイバ１１６Ｌのそれぞれは、実施例Ｅｘ１のレーザ光合波装置１０１のレーザブロック１１１Ｂ、コリメート光学系１１１Ｃ、光束再配列光学系１１１Ｒ、収束光学系１１１Ｆ、および光ファイバ１１１Ｌのそれぞれと対応するものである。

副光学部１１６Ｓは、上記レーザブロック１１６Ｂである＋Ｚ方向に向けて光束を射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１６Ｂ２と、上記コリメート光学系１１６Ｃであるコリメート光学系１１６Ｃ２と、上記光束再配列光学系１１６Ｒである光束再配列光学系１１６Ｒ２と、１／２λ波長板１１６λと、偏光ビームスプリッタ１１６Ｐとを備えている。

上記コリメート光学系１１６Ｃ２、光束再配列光学系１１６Ｒ２、１／２λ波長板１１６λ、および偏光ビームスプリッタ１１６Ｐで構成される偏光合波手段１１６Ｇは、レーザブロック１１６Ｂ２の５つの半導体レーザから射出された５本の光束それぞれを、上記レーザブロック１１６Ｂ１から射出されて光ファイバ１１６Ｌに入射する主光学部１１６Ｍの各光束に合波させるものである。

ここでは、上記偏光合波手段１１６Ｇの偏光ビームスプリッタ１１６Ｐが、主光学部１１６Ｍの光束再配列光学系１１６Ｒ１と収束光学系１１６Ｆとの間に配置されている。

なお、上述したように、レーザブロック１１６Ｂ１およびレーザブロック１１６Ｂ２に配置された５つの半導体レーザそれぞれのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは５０μｍ、収束光学系１１６Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ光ファイバ１１６Ｌのコア径は６０μｍである。

実施例Ｅｘ１の光束再配列光学系１１１Ｒと同様の構成を成す光束再配列光学系１１６Ｒ１および光束再配列光学系１１６Ｒ２のそれぞれは、図１１に示す個別プリズム部１１１ｐと同様の個別プリズム部を、主光学部１１６Ｍおよび副光学部１１６Ｓにおける５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置してなるものである。

次に、主光学部１１６Ｍを伝播する光束Ｌｚ１の光路に副光学部１１６Ｓを伝播する各光束Ｌｚ２を合波させる作用について説明する。

レーザブロック１１６Ｂ１に配置された半導体レーザから＋Ｚ方向に射出された５本の各光束Ｌｚ１は、コリメート光学系１１６Ｃ１により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられ＋Ｚ方向に射出される。上記平行光束となった各光束Ｌｚ１は、光束再配列光学系１１６Ｒ１の５つの個別プリズム部のそれぞれを通って各光束Ｌｚ１のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列される。ここで、互いに隣り合う光束Ｌｚ１同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

なお、＋Ｚ方向に伝播して光束再配列光学系１１６Ｒ１に入射した光束はＬｚ１、この光束再配列光学系１１６Ｒ１から＋Ｚ方向に向けて射出され、偏光ビームスプリッタ１１６Ｐに入射してビームスプリット面ＢＳ１を透過しこの偏光ビームスプリッタ１１６Ｐから＋Ｚ方向に向けて射出される。

偏光ビームスプリッタ１１６Ｐから射出された、ファスト軸が互いに平行で同一平面上に並ぶように再配列された各光束Ｌｚ１からなる全体光束は、収束光学系１１６Ｆに入射し、収束Ｆレンズ１１６Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１６Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１６Ｌのコア部に入射する。

一方、副光学部１１６Ｓでは、レーザブロック１１６Ｂ２に配置された他の５つの半導体レーザから＋Ｙ方向に向けて射出された５本の各光束Ｌｚ２は、コリメート光学系１１６Ｃ２により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となった各光束Ｌｚ２は、光束再配列光学系１１６Ｒ２の５つの個別プリズム部のそれぞれを通って各光束Ｌｚ２のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列される。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

光束再配列光学系１１６Ｒ２から＋Ｙ方向に向けて射出された各光束Ｌｚ２は、１／２λ波長板１１６λを通って偏光方向が９０度回転され１／２λ波長板１１６λから＋Ｙ方向に向けて射出される。

なお、この１／２λ波長板１１６λを通った各光束の光軸が上記光束再配列光学系１１６Ｒ２によって再配列された各光束Ｌｚの光軸と同一平面上に並び、かつ、互いに直交するように、上記副光学部１１６Ｓは構成されている。

１／２λ波長板１１６λから＋Ｙ方向に向けて射出された光束Ｌｚ２は、偏光ビームスプリッタ１１６Ｐに入射し、ビームスプリット面ＢＳ１で反射されて＋Ｚ方向に向かう。そして、上記偏光ビームスプリッタ１１６Ｐで反射された＋Ｚ方向に向かう各光束Ｌｚ２のそれぞれは、レーザブロック１１６Ｂ１から射出された＋Ｚ方向に向かう各光束Ｌｚ１のそれぞれと同じ光路を通って光ファイバ１１６Ｌに入射する。なお、上記偏光ビームスプリッタ１１６Ｐから射出される光束Ｌｚ１の偏光方向と光束Ｌｚ２の偏光方向とは方位が９０度ずれている。

ここで、光ファイバ１１６Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記１０本の光束からなる全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が５０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚからなる全体光束を光ファイバ１１６Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ７＞
図２２は実施例Ｅｘ７のレーザ光合波装置１０７の概略構成を示す図であり、図２２（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図２２（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図２３は光束再配列光学系の拡大図であり、図２３（ａ）は光束再配列光学系の個別プリズム部の斜視図、図２３（ｂ）は光束再配列光学系の個別プリズム部において互いに異なる方向から入射した光束を偏光合波する様子を示す図である。

上記実施例Ｅｘ７のレーザ光合波装置１０７は、上記実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６の主光学部１１６Ｍと同様の構成および機能を有する主光学部１１７Ｍを備えるとともに、この主光学部１１６Ｍに加えて、上記実施例Ｅｘ６における副光学部１１６Ｓの機能と同様の機能を有する副光学部１１７Ｓを備え、副光学部１１７Ｓに配置された半導体レーザから射出された光束をも主光学部１１７Ｍに配置された上記光ファイバに入射させるものである。上記実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６と同様の構成や機能を有するものについては説明を省略する。

副光学部１１７Ｓは、＋Ｙ方向に向けて光束を射出する上記５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１７Ｂであるレーザブロック１１７Ｂ２と、上記コリメート光学系１１７Ｃであるコリメート光学系１１７Ｃ２と、１／２λ波長板１１７λと、偏光ビームスプリッタを兼用する光束再配列光学系１１７Ｒ２とを備えている。

上記コリメート光学系１１７Ｃ２、１／２λ波長板１１７λ、および光束再配列光学系１１７Ｒ２で構成される偏光合波手段１１７Ｇは、レーザブロック１１７Ｂ２の５つの半導体レーザから射出された５本の光束それぞれを、上記レーザブロック１１７Ｂ１から射出されて光ファイバ１１７Ｌに入射する主光学部１１７Ｍにおける各光束に合波させるものである。

ここでは、上記副光学部１１７Ｓの光束再配列光学系１１７Ｒ２が、主光学部１１７Ｍの光束再配列光学系１１７Ｒ１と収束光学系１１７Ｆとの間に配置されている。

なお、レーザブロック１１７Ｂ１およびレーザブロック１１７Ｂ２に配置された５つの半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは５０μｍ、収束光学系１１７Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１７Ｌのコア径は６０μｍである。

上記副光学部１１７Ｓの光束再配列光学系１１７Ｒ２は、図２３（ａ）、（ｂ）に示すように、偏光合波用の偏光コーティング膜Ｃｐと３つの三角柱プリズム部Ｐｔとが組み合わされて構成された５つの各個別プリズム部１１７ｐからなる。すなわち、この光束再配列光学系１１７Ｒ２は、上記偏光コーティング膜Ｃｐを２つの三角柱プリズム部Ｐｔの間に挟んで成るビームスプリッタ部とこのビームスプリッタ部で合波させる光束を導くための１つの三角柱プリズム部Ｐｔとから構成されている。

上記光束再配列光学系１１７Ｒ２は、主光学部１１７Ｍの光束再配列光学系１１７Ｒ１から＋Ｚ方向に向けて射出された各光束Ｌｚ１を上記ビームスプリッタ部に透過させて、この光束再配列光学系１１７Ｒ２から＋Ｚ方向に向けて射出する。一方、副光学部１１７Ｓの１／２λ波長板１１７λを通って＋Ｚ方向に向かう光束Ｌｚ２は、上記１つの三角柱プリズム部Ｐｔに入射し＋Ｘ方向に向けて反射され、さらに上記ビームスプリッタ部に入射して偏光コーティング膜Ｃｐで＋Ｚ方向に向けて反射されて、上記光束Ｌｚ１が通る主光学部１１７Ｍの光路に合波される。なお、上記ビームスプリッタ部から射出される光束Ｌｚ１の偏光方向と光束Ｌｚ２の偏光方向とは方位が９０度ずれている。

これにより、主光学部１１７Ｍを伝播する光束Ｌｚ１の光路に副光学部１１７Ｓを伝播する各光束Ｌｚ２が合波される。合波された各光束Ｌｚ１およびＬｚ２からなる全体光束（図２７（ａ）参照）は、収束光学系１１７Ｆを通って光ファイバ１１７Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１７Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記１０本の光束からなる全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が５０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚからなる全体光束を光ファイバ１１７Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ８＞
図２４は実施例Ｅｘ８のレーザ光合波装置１０８の概略構成を示す図であり、図２４（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図２４（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図である。

実施例Ｅｘ８のレーザ光合波装置１０８は、上記実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６の主光学部１１６Ｍと同様の構成および機能を有する主光学部１１８Ｍを備えるとともに、この主光学部１１８Ｍに加えて副光学部１１８Ｓを備えている。

この副光学部１１８Ｓは、主光学部１１８Ｍに配置されている複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、主光学部１１８Ｍにおける上記複数の半導体レーザによって射出された光束が光ファイバに入射するまでの各光束の光路中に、上記他の半導体レーザから射出された光束を波長合波させる波長合波手段とを有するものであり、副光学部１１８Ｓに配置された上記他の半導体レーザから射出された光束をも主光学部１１８Ｍに配置された上記光ファイバに入射させるものである。なお、上記実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置１０６と同様の構成や機能を有するものについては説明を省略する。

副光学部１１８Ｓは、３７０ｎｍの波長の光束Ｌｚ２を主光学部１１８Ｍを通る４１０ｎｍの波長の光束Ｌｚ１に合波させるための第１の合波部と、４５０ｎｍの波長の光束Ｌｚ３を主光学部１１８Ｍを通る４１０ｎｍの波長の光束Ｌｚ１および上記３７０ｎｍの波長の光束Ｌｚ２に合波させるための第２の合波部とを備えている。

第１の合波部は、３７０ｎｍの波長の光束Ｌｚ２を射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１８Ｂ２と、このレーザブロック１１８Ｂ２から射出された光束Ｌｚ２をコリメートするコリメート光学系１１８Ｃ２と、コリメート光学系１１８Ｃ２を通った各光束Ｌｚ２を再配列する光束再配列光学系１１８Ｒ２と、４１０ｎｍの波長の光を通し３７０ｎｍの波長の光を反射するダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ２とを備えている。

第２の合波部は、４５０ｎｍの波長の光束を射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１８Ｂ３と、このレーザブロック１１８Ｂ３から射出された光束Ｌｚ３をコリメートするコリメート光学系１１８Ｃ３と、コリメート光学系１１８Ｃ３を通った各光束Ｌｚ３を再配列する光束再配列光学系１１８Ｒ３と、３７０ｎｍの波長の光および４１０ｎｍの波長の光を通し４５０ｎｍの波長の光を反射するダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ３とを備えている。

上記コリメート光学系１１８Ｃ２、光束再配列光学系１１８Ｒ２、およびでダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ２で構成される波長合波手段１１８Ｇ２は、レーザブロック１１８Ｂ２から射出された５本の光束Ｌｚ２それぞれを、上記レーザブロック１１８Ｂ１から射出されて光ファイバ１１８Ｌに入射する主光学部１１８Ｍにおける各光束Ｌｚ１に合波させるものである。

上記コリメート光学系１１８Ｃ３、光束再配列光学系１１８Ｒ３、およびダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ３で構成される波長合波手段１１８Ｇ３は、レーザブロック１１８Ｂ３から射出された５本の各光束Ｌｚ３それぞれを、上記主光学部１１８Ｍを通る各光束Ｌｚ１および各光束Ｌｚ２に合波させるものである。

ここでは、上記副光学部１１８Ｓのレーザブロック１１８Ｂ２とレーザブロック１１８Ｂ３が、主光学部１１８Ｍの光束再配列光学系１１８Ｒ１と収束光学系１１８Ｆとの間に配置されている。

なお、レーザブロック１１８Ｂ１、レーザブロック１１８Ｂ２、およびレーザブロック１１８Ｂ３のそれぞれに配置された５つの半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは５０μｍ、収束光学系１１８Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１８Ｌのコア径は６０μｍである。

上記副光学部１１８Ｓの光束再配列光学系１１８Ｒ２、および光束再配列光学系１１８Ｒ３のそれぞれは、実施例Ｅｘ１の光束再配列光学系１１１Ｒと同様の構成を成す光束再配列光学系１１８Ｒ１と同様のものであり、図１１に示す個別プリズム部１１１ｐと同様の個別プリズム部を、５本の各光束に対応させて各光束の伝播方向における互いに異なる位置に１つずつ配置してなるものである。

次に、主光学部１１８Ｍを伝播する光束Ｌｚ１の光路に、副光学部１１８Ｓの第１の合波部を伝播する各光束Ｌｚ３および第２の合波部を伝播する各光束Ｌｚ３を合波させる作用について説明する。

レーザブロック１１８Ｂ１に配置された各半導体レーザから＋Ｚ方向に向けて射出された５本の各光束Ｌｚ１は、コリメート光学系１１８Ｃ１により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となった各光束Ｌｚ１は、光束再配列光学系１１８Ｒ１の５つの個別プリズム部のそれぞれを通って各光束Ｌｚ１のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列され＋Ｚ方向に向けて射出される。ここで、互いに隣り合う光束同士が干渉することなく光束の再配列が実施されて、各光束が互いに密接配置された空間利用効率が高い全体光束が生成される。

光束再配列光学系１１８Ｒ１から＋Ｚ方向に向けて射出された光束Ｌｚ１は、ダイクロイック面ＤＳ２を透過してダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ２から射出され、ダイクロイック面ＤＳ３を透過してダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ３から射出された後、波長４１０ｎｍの各光束Ｌｚ１からなる全体光束は、収束光学系１１８Ｆに入射し、収束Ｆレンズ１１８Ｆｆを通してファスト軸方向の幅が狭くなるようにＹＺ平面において収束されるとともに、収束Ｓレンズ１１８Ｆｓを通してスロー軸方向に幅が狭くなるようにＸＺ平面において収束され、光ファイバ１１８Ｌのコア部に入射する。

一方、副光学部１１８Ｓでは、レーザブロック１１８Ｂ２に配置された５つの半導体レーザから＋Ｙ方向に向けて射出された５本の３７０ｎｍの各光束Ｌｚ２は、コリメート光学系１１８Ｃ２により互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にせしめられる。上記平行光束となった各光束Ｌｚ２は、光束再配列光学系１１８Ｒ２の５つの個別プリズム部のそれぞれを通って各光束Ｌｚ２のファスト軸が互いに平行となり同一平面上に並ぶように再配列され＋Ｙ方向に向けて射出される。

なお、この光束再配列光学系１１８Ｒ２から射出された各光束Ｌｚ２の光軸が上記光束再配列光学系１１８Ｒ１によって再配列された各光束Ｌｚの光軸と同一平面上に並び、かつ、互いに直交するように、上記副光学部１１８Ｓの第１の合波部は構成されている。

上記再配列されて光束再配列光学系１１８Ｒ２から＋Ｙ方向に射出された各光束Ｌｚ２は、ダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ２のダイクロイック面Ｄｃ２で反射され、各光束Ｌｚ１のそれぞれと同じ光路を通ってダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ３に入射した後、収束光学系１１８Ｆを通って光ファイバ１１８Ｌのコア部に入射する。

レーザブロック１１８Ｂ３に配置された５つの半導体レーザから＋Ｙ方向に向けて射出された５本の４５０ｎｍの各光束Ｌｚ３も、上記と同様にコリメート光学系１１８Ｃ３、光束再配列光学系１１８Ｒ３を通って再配列され＋Ｙ方向に向けて射出される。

なお、この光束再配列光学系１１８Ｒ３から射出された各光束Ｌｚ３の光軸が上記光束再配列光学系１１８Ｒ１によって再配列された各光束Ｌｚ１の光軸と同一平面上に並び、かつ、互いに直交するように、上記副光学部１１８Ｓの第２の合波部は構成されている。

上記再配列されて光束再配列光学系１１８Ｒ３から＋Ｙ方向に射出された各光束Ｌｚ３は、ダイクロイック・ビームスプリッタ１１８Ｄ３のダイクロイック面Ｄｃ３で反射され、上記各光束Ｌｚ１および各光束Ｌｚ２のそれぞれと同じ光路を通り（図２７（ａ）参照）収束光学系１１８Ｆで収束されて光ファイバ１１８Ｌに入射する。

ここで、光ファイバ１１８Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記１５本の光束からなる全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が５０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚ１、各光束Ｌｚ２、および各光束Ｌｚ３からなる全体光束を光ファイバ１１８Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

＜実施例Ｅｘ９＞
図２５は実施例Ｅｘ９のレーザ光合波装置１０９の概略構成を示す図であり、図２５（ａ）は上記レーザ光合波装置の平面図、図２５（ｂ）は上記レーザ光合波装置の正面図、図２６は光束再配列光学系の拡大図であり、図２６（ａ）は光束再配列光学系の個別プリズム部の斜視図、図２６（ｂ）は光束再配列光学系の個別プリズム部において互いに異なる方向から入射した光束を波長合波する様子を示す図である。

上記実施例Ｅｘ９のレーザ光合波装置１０９は、上記実施例Ｅｘ８のレーザ光合波装置１０８の主光学部１１８Ｍと同様の構成および機能を有する主光学部１１９Ｍを備えるとともに、この主光学部１１９Ｍに加えて、上記実施例Ｅｘ８における副光学部１１８Ｓの機能と同様の機能を有する副光学部１１９Ｓを備え、副光学部１１９Ｓに配置された半導体レーザから射出された光束をも主光学部１１９Ｍに配置された上記光ファイバに入射させるものである。上記実施例Ｅｘ８のレーザ光合波装置１０８と同様の構成や機能を有するものについては説明を省略する。

副光学部１１９Ｓの第１の合波部は、３７０ｎｍの波長の光束を＋Ｙ方向に向けて射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１９Ｂ２と、コリメート光学系１１９Ｃ２と、４１０ｎｍの波長の光を通し３７０ｎｍの波長の光を反射するダイクロイック・ビームスプリッタを兼用する光束再配列光学系１１９Ｒ２とを備えている。

上記コリメート光学系１１９Ｃ２、および光束再配列光学系１１９Ｒ２で構成される波長合波手段１１９Ｇ２は、レーザブロック１１９Ｂ２の５つの半導体レーザから射出された５本の光束それぞれを、上記レーザブロック１１９Ｂ１から射出されて光ファイバ１１９Ｌに入射する主光学部１１９Ｍにおける各光束に合波させるものである。

ここでは、上記副光学部１１９Ｓの光束再配列光学系１１９Ｒ２、および後述する光束再配列光学系１１９Ｒ３が、主光学部１１９Ｍの光束再配列光学系１１９Ｒ１と収束光学系１１９Ｆとの間に配置されている。

なお、レーザブロック１１９Ｂ１、レーザブロック１１９Ｂ２、および後述するレーザブロック１１９Ｂ３に配置された５つの半導体レーザのスロー軸方向の発光幅Ｄｓは５０μｍ、収束光学系１１９Ｆのファスト軸方向の焦点距離は３０ｍｍ、スロー軸方向の焦点距離は２．８５ｍｍ、光ファイバ１１９Ｌのコア径は６０μｍである。

上記副光学部１１９Ｓの光束再配列光学系１１９Ｒ２は、図２６に示すように、波長合波用のダイクロイック・コーティング膜Ｃｄと３つの三角柱プリズム部Ｐｔとが組み合わされて構成された５つの各個別プリズム部１１９ｐからなる。すなわち、この光束再配列光学系１１９Ｒ２は、上記ダイクロイック・コーティング膜Ｃｄを２つの三角柱プリズム部Ｐｔの間に挟んで成るダイクロイック・ビームスプリッタ部とこのダイクロイック・ビームスプリッタ部において合波させる光束を導くための１つの三角柱プリズム部Ｐｔとから構成されている。

光束再配列光学系１１９Ｒ２は、主光学部１１９Ｍの光束再配列光学系１１９Ｒ１から＋Ｚ方向に向けて射出された各光束Ｌｚ１を、上記ダイクロイック・ビームスプリッタ部に透過させて、この光束再配列光学系１１９Ｒ２から＋Ｚ方向に向けて射出させる。一方、副光学部１１９Ｓの第１の合波部においてコリメート光学系１１９Ｃ２を通って＋Ｙ方向に向かう光束Ｌｚ２は、上記１つの三角柱プリズム部Ｐｔに入射し＋Ｘ方向に向けて反射し、さらに上記ダイクロイック・ビームスプリッタ部に入射してダイクロイック・コーティング膜Ｃｄで＋Ｚ方向に向けて反射されて、上記光束Ｌｚ１が通る主光学部１１９Ｍの光路と同じ光路を伝播する。

これにより、主光学部１１９Ｍを伝播する光束Ｌｚ１の光路に副光学部１１９Ｓを伝播する各光束Ｌｚ２が合波される。

副光学部１１９Ｓの第２の合波部は、４５０ｎｍの波長の光束を＋Ｙ方向に向けて射出する５つの半導体レーザが配置されたレーザブロック１１９Ｂ３と、コリメート光学系１１９Ｃ３と、３７０ｎｍおよび４１０ｎｍの波長の光を透過させ、４５０ｎｍの光を反射するダイクロイック・ビームスプリッタを兼用する光束再配列光学系１１９Ｒ３とを備えている。

この第２の合波部の作用は上記第１の合波部と同様であり、光束再配列光学系１１９Ｒ３のダイクロイック・ビームスプリッタ部を通って＋Ｙ方向に向かう光束Ｌｚ１およびＬｚ２に対して、レーザブロック１１９Ｂ３から射出されコリメート光学系１１９Ｃ３を通ってダイクロイック・ビームスプリッタ部で反射させた光束Ｌｚ３を合波させる。

これにより、各光束Ｌｚ１、Ｌｚ２、およびＬｚ３からなる全体光束（図２７（ａ）参照）は、収束光学系１１９Ｆを通って光ファイバ１１９Ｌのコア部に入射する。

ここで、光ファイバ１１９Ｌの６０μｍの径を有するコア部の端面に収束された上記１５本の光束からなる全体光束の集光スポットサイズは、光学系の拡大率から計算した概略値（回折による光束のボケを無視した）で、ファスト軸方向の径が５μｍ、スロー軸方向の径が５０μｍとなる。このように、上記半導体レーザから射出された各光束は、スロー軸方向に比してファスト軸方向に品質良く絞り込むことができるので上記各光束Ｌｚ１、Ｌｚ２、およびＬｚ３からなる全体光束を光ファイバ１１９Ｌに高い結合効率、例えば結合効率９０％で結合させることができる。

なお、上記レーザ光合波装置は、半導体レーザの実装配置、トランケート型のコリメートレンズのコリメート機能、および光束再配列光学系の光束再配列機能、収束光学系の光束収束機能等の最適化により、本出願人によりすでに提案されている特許文献（例えば、特願２００２−２８７６４０、特願２００２−２０１９７９）等に記載されているスタック型（ファスト軸方向に半導体レーザを積層した構造）を有する光ファイバ・レーザ（レーザ光合波装置）にも適用することができる。

なお、本発明のレーザ光合波装置における合波本数は５本に限るものではなく、合波本数は２本以上のいずれの数が選択されてもよい。

本発明の実施の形態におけるレーザ光合波装置の概略構成を示す図 半導体レーザの活性層からレーザ光束が射出される様子を示す斜視図 光束再配列光学系を構成するプリズムを示す斜視図 光束が再配列され合波される様子を示す図 収束角変換光学系を３方向から見た図 収束光学系が全体光束を収束させる様子を示す図 他の光束再配列光学系の概略構成を示す図 光束再配列光学系を構成するプリズムを示す斜視図 光束が再配列され合波される様子を示す図 実施例Ｅｘ１のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 実施例Ｅｘ２のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 実施例Ｅｘ３のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 実施例Ｅｘ４のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 実施例Ｅｘ５のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 光束再配列光学系に使用されるプリズムの拡大斜視図 実施例Ｅｘ６のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 実施例Ｅｘ７のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムを通る光束の様子を示す図 実施例Ｅｘ８のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 実施例Ｅｘ９のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束再配列光学系に使用されるプリズムを通る光束の様子を示す図 収束光学系に入射するときの各光束の整列状態を示す図 従来のレーザ光合波装置の概略構成を示す図 光束が再配列され合波される様子を示す図 光束再配列光学系を構成する各プリズムの配置を示す斜視図

符号の説明

１１ 半導体レーザ
１２ 活性層
１０ レーザブロック
２０ コリメート光学系
２５ 収束光学系
３０ 光束再配列光学系
４０ 光ファイバ

Claims (5)

1. 複数の半導体レーザから射出され、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束となった各光束を、該各光束の伝播方向における互いに異なる位置で各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸を同一平面上に並べ、前記ファスト軸が同一平面上に並べられた各光束からなる全体光束を前記スロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させることを特徴とするレーザ光合波方法。
2. 複数の半導体レーザが、該半導体レーザそれぞれの活性層が同一平面上に並ぶように配置されたレーザブロックと、
   前記複数の半導体レーザから射出された各光束を、互いに平行な光軸を持ち同一平面上にスロー軸を有する平行光束にするコリメート光学系と、
   前記平行光束とされた各光束の伝播方向における互いに異なる位置で前記各光束のファスト軸の向きを変更して各ファスト軸が同一平面上に並ぶようにする、前記各光束毎に配置された複数のプリズムからなる光束再配列光学系と、
   前記ファスト軸が同一平面上に並べられた光束からなる全体光束を前記スロー軸およびファスト軸方向に収束させて光ファイバに入射させる収束光学系とを備えたことを特徴とするレーザ光合波装置。
3. 前記コリメート光学系が、トランケート型のレンズであることを特徴とする請求項１記載のレーザ光合波装置。
4. 前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを偏光合波させる偏光合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ光合波装置。
5. 前記複数の半導体レーザとは異なる他の半導体レーザと、前記複数の半導体レーザによって射出された光束が前記光ファイバに入射するまでの該光束の光路中において、該複数の半導体レーザによって射出された光束と前記他の半導体レーザから射出された光束とを波長合波させる波長合波手段とを備え、該他の半導体レーザから射出された光束をも前記光ファイバに入射させることを特徴とする請求項２または３記載のレーザ光合波装置。

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