JP3917491B2 - レンズアレイ及びレーザ集光装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を集光するレンズアレイ及びレーザ集光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図14に、従来の半導体レーザ集光装置の概略構成の例を示す。半導体レーザ(レーザダイオード等)の活性層14の発光部12から出射される半導体レーザ光(以下、「レーザ光」と記載する)は、レーザ光2の進行方向に対して垂直な面においてほぼ楕円状であり、当該楕円状のレーザ光2は、長軸方向(fast軸方向)と、短軸方向(slow軸方向)とを有する。また、当該楕円は、発光部12からの距離が長くなるほど大きくなる。そして、長軸方向と短軸方向に2次元的に配列した複数の発光部を持つ半導体レーザアレイから出射されるレーザ光を、光ファイバに集光してレーザ光の出力を増大させる半導体レーザ集光装置が知られている。
例えば、半導体レーザをレーザ加工装置の光源として用いる場合、加工に用いるレーザ光の高出力化が必要であるが、単一の発光部から出射されるレーザ光では、出力強度に限界がある。そこで、レンズ群等を用いて複数の発光部から出射されるレーザ光を集光して、レーザ光の出力を増大させている。
従来の半導体レーザ集光装置の技術として、例えば、特開2000−98191号公報では、図14に示すように、レンズ群と光ファイバ30を備え、レーザ光の発光部12から光ファイバ30までの間に、長軸方向コリメートレンズアレイ70、長軸方向集光レンズ80、短軸方向集光レンズアレイ90、の順にレンズを配置してレーザ光を光ファイバ30に集光し、レーザ光の出力を増大させることを提案している。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−98191号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザの発光部12から出射されるレーザ光を効率良く光ファイバ30に集光してレーザ光の出力を増大させるには、より細い光ファイバに、より多くの発光部からのレーザ光を入射して密度を高めることと、より小さな入射角で入射端面に入射して、入射したレーザ光を外部に反射させることなく、効率よく光ファイバに入射する(入射端面に対して、より直角に近い角度で入射する)ことが必要である。
ここで、発光部12から出射されたレーザ光は、長軸方向及び短軸方向に拡がりながら進行する。拡がりながら進行するレーザ光を集光する場合、レンズ自身に非常に高い精度が要求され、そのレンズの配置位置も、非常に高い精度が要求される。
従来の半導体レーザ集光装置(例えば、特開2000−98191号公報)は、発光部の間隔が比較的広い長軸方向においては、一旦、平行光に変換してから集光しているが、発光部の間隔が比較的狭い短軸方向においては、レンズの径が非常に小さく、配置も困難であるため、平行光にしてから集光することをせず、集光のみを行っている。
【0005】
従来の半導体レーザ集光装置(例えば、特開2000−98191号公報)では、図14に示すように、半導体レーザアレイ10の各発光部12(m、n)(m行n列、図14の例では、5行16列)から出射されるレーザ光を、長軸方向コリメートレンズアレイ70を通過させ、長軸方向集光レンズ80を通過させ、更に、短軸方向集光レンズアレイ90を通過させて光ファイバ30(s、t)(s行t列、図14の例では、1行8列)に入射している。
なお、全ての図面において、座標軸は、レーザ光の進行方向をZ軸、fast軸方向(長軸方向)をX軸、slow軸方向(短軸方向)をY軸としている。
なお、全ての図面は、説明を容易にするため、あるいは比較等を容易にするために、実際の寸法とは異なる寸法で記載している部分を含んでいる。
【0006】
また、図14(従来の半導体レーザ集光装置)の構成における、各レンズ及びレーザ光の様子を図15(A)及び(B)に示す。図15(A)は、短軸方向に配列された2個の発光部から出射される2本のレーザ光と、長軸方向に配列された5個の発光部から出射される5本のレーザ光の合計10本のレーザ光を、1本の光ファイバに集光している。図15(A)は、図14をX軸方向から見た図(上から見た図)であり、図15(B)は、図14をY軸方向から見た図(横から見た図)である。
一般的によく用いられる半導体レーザアレイでは、短軸方向においては、各発光部12の幅(図15(A)中のDw)は約0.2mmであり、発光部と発光部の間隔(図15(A)中のDp)は約0.2mmである。よって、短軸方向において隣り合う2個の発光部をグループとした場合の幅(図15(A)中のDin)は約0.6mmである。また、各発光部から出射されるレーザ光の短軸方向の拡がり角(図15(A)中のθiny)は約3.5°である。
また、長軸方向において隣り合う発光部の間隔(図15(B)中のDh)は約1.75mmであり、各発光部の厚さ(図15(B)中のDt)は約0.002mmである。また、各発光部から出射されるレーザ光の長軸方向の拡がり角(図15(B)中のθinx)は約40°である。
【0007】
例えば、このレーザ光を、光ファイバ30に、短軸方向において2本のレーザ光を集光し、長軸方向において5本のレーザ光を集光する。また、短軸方向の入射角(図15(A)中のθouty)が約10°以下になるように(より小さな入射角で)集光する。
この場合、最も効率良く集光するためには、図15(A)において、短軸方向に隣り合う発光部12から出射されるレーザ光が重なる前に短軸方向集光レンズアレイ90を配置する必要がある。レーザ光が重なる位置は、上記の数値の場合は、発光部12から約1.6mmの位置である。また、長軸方向は、拡がり角が大きいので、発光部12により近い位置で平行光にすることが好ましい(距離を大きくして幅がより大きくなったレーザ光を集光すると、光ファイバへの入射角(θoutx)が大きくなるため)。よって、発光部12にほぼ隣接して長軸方向コリメートレンズアレイ70を配置している。
【0008】
以上より、発光部12から約1.6mmまでの距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ70と短軸方向集光レンズアレイ90を配置する必要があり、事実上、配置は非常に困難である。なお、長軸方向集光レンズ80は、図15(A、(B)においては、長軸方向コリメートレンズアレイ70と短軸方向集光レンズアレイ90の間に配置したが、短軸方向集光レンズアレイ90と光ファイバ30の間に配置してもよい。ただし、この場合は、長軸方向集光レンズ80と光ファイバ30までの距離がより短くなるので、光ファイバ30への長軸方向の入射角(図15(B)中のθoutx)が大きくなり、集光の効率が低下する可能性がある。
【0009】
また、この場合、短軸方向集光レンズアレイ90の焦点距離(f90)を、発光部12から短軸方向集光レンズアレイ90までの距離(この場合、約1.6mm)に設定すると、短軸方向における集光の効率がほぼ最適になるので、光ファイバ30の位置が短軸方向集光レンズアレイ90から焦点距離(f90)の位置に自動的に決まる。つまり、発光部12から光ファイバ30までの距離(図15(A)中のL)は、約3.2mmとなる。
しかし、例えば長軸方向に1.75mm間隔で配列された5個の発光部から出射されるレーザ光を、長軸方向の入射角を10°未満とするためには、約19.85mm以上の距離が必要であり、必要な数のレーザ光を集光することが非常に困難である。
【0010】
従って、以下の課題を解決する必要がある。
短軸方向集光レンズアレイ90と発光部12との間の距離が短い。このため、所定距離の間に、長軸方向コリメートレンズアレイ70と短軸方向集光レンズアレイ90を適切に配置することが困難である。また、光ファイバ30の位置も発光部12から短い距離になり、長軸方向の入射角(θoutx)を小さく設定すると、長軸方向に集光できるレーザ光の本数が少なくなる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる光導波路、レンズアレイ及びレーザ集光装置を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、レーザ光の入射面における長軸方向の寸法よりも、レーザ光の出射面における長軸方向の寸法の方が小さいので、長軸方向に配列された複数の発光部からのレーザ光を入射すれば、入射されたレーザ光を光導波路内で反射させながら長軸方向に集めることができる。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、効率良く集光できる。また、当該光導波路は、容易に実現できる。
【0012】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、各レーザ光は、対応する第1レンズに入射される。そして、各第1レンズの光軸が、各々光導波路の出射面側に傾斜しているため、各レーザ光毎に、長軸方向において出射面側に集めることができる。また、光軸の傾斜だけでなく、各第1レンズの位置を、対応するレーザ発光部に対して進行方向の距離及び長軸方向の距離を適切に設定することで、レーザ光を更に適切に長軸方向において出射面側に集めることができる。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、長軸方向において、光導波路内で反射させることなく、あるいはより反射角を小さくすることで、より効率良く集光できる。また、当該複数の第1レンズを備えた光導波路は、容易に実現できる。
【0013】
また、本実施の形態に記載の光導波路では、各第1レンズの光軸は、各々光導波路の出射面側に傾斜させることなく、レーザ光の進行方向とほぼ平行である。しかし、各第1レンズの位置を、対応するレーザ発光部に対して進行方向の距離及び長軸方向の距離を適切に設定することで、レーザ光を適切に長軸方向において出射面側に集めることができる。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、長軸方向において、光導波路内で反射させることなく、あるいはより反射角を小さくすることで、より効率良く集光できる。また、当該複数の第1レンズを備えた光導波路は、容易に実現できる。
【0014】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、長軸方向及び短軸方向に複数配列されたレーザ発光部から出射された複数のレーザ光を、長軸方向毎の第1グループ(長軸グループに相当)毎に複数配列した光導波路を用いて、より効率良く集光することができる。例えば、長軸方向及び短軸方向に、5行(長軸方向)、4列(短軸方向)の合計20個のレーザ発光部が有る場合は、5行1列毎に、合計4個の光導波路を並列に配列して集光する。また、各光導波路を短軸方向に配列されたレーザ発光部のほぼ中心間の距離より小さく、且つレーザ発光部の短軸方向の長さよりも大きく構成することは容易である。
【0015】
また、本実施の形態に記載の光導波路では、各光導波路の短軸方向の寸法を更に小さくして、各第1グループ(長軸グループに相当)毎に複数の光導波路を配列する。例えば、長軸方向及び短軸方向に、5行(長軸方向)、4列(短軸方向)の合計20個のレーザ発光部が有る場合は、5行1列毎に、1列当たりに2個ずつの光導波路を並列して配置し、合計8個の光導波路を並列に配列して集光する。
このため、各光導波路の出射面を小さくできる(短軸方向に更に小さくできる)ので、より細いレーザ光として集めることができる。
【0016】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、各光導波路内に入射されたレーザ光が、当該光導波路内で全反射し易くし、効率良く集光することができる。また、光導波路と当該光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材を交互に配列した一体構造とすることで、各光導波路を第1グループ(長軸グループに相当)毎の発光部に対応させて、1個ずつ配置させる必要がなく、光導波路の配置の調整が容易となる。
【0017】
また、本実施の形態に記載のレーザ集光装置を用いれば、長軸方向及び短軸方向に複数配列されたレーザ発光部から出射される複数のレーザ光を、まず光導波路を用いて長軸方向に集光して複数の光ファイバに入射し、更に、複数の光ファイバから出射されたレーザ光を集光レンズで集光して加工等に用いることができる。
このように、発光部から出射されたレーザ光を光ファイバに入射するまでの経路中に、複数のレンズ群の代わりに、光導波路を用いる。
複数のレンズ群の個々の加工精度及び配置位置の精度を調整等するよりも、光導波路(単体)の加工精度及び配置位置の精度を調整等する方が、誤差等をより小さくできるので、レーザ光をより効率良く集光でき、且つより容易に実現でき、レーザ光の出力を増大させることができる。
【0018】
また、本発明の第1〜第2発明は、請求項1〜2に記載されたとおりのレンズアレイである。
請求項1〜2に記載のレンズアレイを用いれば、各レーザ光は、対応する第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)に入射される。そして、各第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)の光軸が、複数のレーザ発光部を含む発光面から所定の距離の面上の所定の直線上、且つ短軸方向にほぼ平行な所定の直線上をレーザ集光位置として、当該レーザ集光位置の方向に傾斜しているため、各レーザ光毎に、長軸方向において当該レーザ集光位置に集光することができる。また、光軸の傾斜だけでなく、各第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)の位置を、対応するレーザ発光部に対して進行方向の距離及び長軸方向の距離を適切に設定することで、レーザ光を更に適切に長軸方向においてレーザ集光位置に集めることができる。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、長軸方向において、当該レンズアレイを用いれば、長軸方向コリメートレンズアレイと長軸方向集光レンズを用いることなく、効率良く集光できる。また、当該複数の第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)を備えたレンズアレイは、容易に実現できる。
【0019】
また、本実施の形態に記載のレンズアレイでは、各第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)の光軸は、各々レーザ集光位置の方向に傾斜させることなく、レーザ光の進行方向とほぼ平行である。しかし、各第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)の位置を、対応するレーザ発光部に対して進行方向の距離及び長軸方向の距離を適切に設定することで、レーザ光を適切に長軸方向においてレーザ集光位置に集めることができる。
このため、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、長軸方向において、当該レンズアレイを用いれば、長軸方向コリメートレンズアレイと長軸方向集光レンズを用いることなく、効率良く集光できる。また、当該複数の第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)を備えたレンズアレイは、容易に実現できる。
【0020】
また、請求項1に記載のレンズアレイでは、レーザ光の入射面側が凸部であるため、入射面側がほぼ平坦な凸レンズよりも、入射されたレーザ光の拡散が大きくなる前に、入射面で大きく屈折させることができるので、レーザ光の拡散をより抑制することができる。
【0021】
また、請求項1に記載のレンズアレイでは、レンズ凸部の曲面の曲率を部分的に変更することで、収差の影響をより少なくすることができ、レーザ光をより効率良く集光できる。また、当該レンズアレイの実現は容易である。
また、本発明の第3発明は、請求項3に記載されたとおりのレンズアレイである。
請求項3に記載のレンズアレイは、請求項1または2に記載のレンズアレイであって、前記長軸側集光レンズにおける前記レーザ光の出射面側は、ほぼ平面状である。
また、本発明の第4発明は、請求項4に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項4に記載のレーザ集光装置は、請求項1〜3のいずれかに記載のレンズアレイと、複数の光導波路とを備えたレーザ集光装置である。
複数の前記光導波路のそれぞれは、前記レーザ発光部の前記短軸方向の長さに対応した厚さを有し、前記長軸方向に並んだ前記レーザ発光部からの複数のレーザ光が入射される入射面を有し、前記レーザ集光位置に出射面を有しており、複数の前記レーザ発光部を、前記長軸方向毎の複数の長軸グループに分割し、前記レンズアレイの前記短軸方向の長さは前記光導波路の前記短軸方向の長さと同じであり、各光導波路の入射面に前記レンズアレイを設ける。
そして、前記光導波路の入射面に設けられた前記レンズアレイの前記長軸側集光レンズのそれぞれが、前記長軸グループの各レーザ発光部に対応する位置となるように、複数の前記光導波路が前記短軸方向に並べて配置されており、複数の前記レーザ発光部から出射される複数の前記レーザ光を、前記長軸グループ毎に、前記光導波路を用いて、前記短軸方向に対して前記光導波路内に閉じ込め、前記長軸方向に対して前記レーザ集光位置に集光する。
【0022】
また、本発明の第5発明は、請求項5に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項5に記載のレーザ集光装置を用いれば、長軸方向及び短軸方向に複数配列されたレーザ発光部から出射される複数のレーザ光を、まずレンズアレイを用いて長軸方向に集光し、その長軸方向の集光経路において、短軸方向集光レンズを用いて短軸方向に集光することで、より効率良く集光できる。
【0023】
また、本発明の第6発明は、請求項6に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項6に記載のレーザ集光装置では、第5発明に対して、更に短軸方向幅均一化レンズ(入射された拡散するレーザ光を、短軸方向に対して幅をほぼ均一化するレンズ)を追加する。そして、長軸方向及び短軸方向に複数配列されたレーザ発光部から出射される複数のレーザ光を、まずレンズアレイを用いて長軸方向に集光し、その長軸方向の集光経路において、短軸方向幅均一化レンズで短軸方向の幅をほぼ均一化し、更に長軸方向の集光経路において、短軸方向集光レンズを用いて短軸方向に集光することで、より効率良く集光できる。
【0024】
また、本発明の第7発明は、請求項7に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項7に記載のレーザ集光装置は、請求項4に記載のレーザ集光装置であって、更に、複数の光ファイバと、集光レンズとを備え、前記光ファイバのそれぞれの入射面を、前記光導波路のそれぞれの出射面に配置する。
また、前記光ファイバのそれぞれの出射面は任意の形状に束ねられ、任意の形状に束ねられた前記光ファイバの出射面側に前記集光レンズが配置されている。
そして、複数の前記レーザ発光部から出射される複数の前記レーザ光を、前記光導波路を用いて前記長軸グループ毎に集光して前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの出射面から出射されるレーザ光を前記集光レンズで集光する。
また、本発明の第8発明は、請求項8に記載されたとおりのレーザ集光装置である。
請求項8に記載のレーザ集光装置では、第5発明及び第6発明に対して、更に光ファイバと集光レンズを用いる。レンズアレイと短軸方向集光レンズ、あるいはレンズアレイと短軸方向幅均一化レンズと短軸方向集光レンズとで、長軸方向及び短軸方向に集光したレーザ光を、複数の光ファイバ(レーザ発光部の数より少ない数の光ファイバ)に入射し、更に、複数の光ファイバから出射されたレーザ光を集光レンズで集光することで、より効率良く集光でき、且つより容易に実現でき、レーザ光の出力を増大させることができる。
【0025】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、全反射部材で所定の面を覆う(蒸着、貼り付け等)ことにより、全反射部材で覆った面からのレーザ光の漏れ量を抑制することができるので、レーザ光の集光効率をより向上させることができる。
【0026】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、短軸方向に配列した一体構造の光導波路について、各光導波路において、全反射部材の層を形成した面からのレーザ光の漏れ量を抑制することができるので、各光導波路におけるレーザ光の集光効率をより向上させることができる。
【0027】
また、本実施の形態に記載の光導波路を用いれば、光導波路のレーザ光の光伝搬層と、光ファイバ30の入射面にて発生する屈折の角度を適切に調節することができるので、光ファイバに入射されたレーザ光の漏れ量を抑制することができ、レーザ光の集光効率をより向上させることができる。
【0028】
また、本実施の形態に記載のレーザ集光装置を用いれば、請求項8に記載のレーザ集光装置よりも集光効率をより向上させることができる光導波路を用いることで、レーザ光を更に効率良く集光でき、且つより容易に実現でき、レーザ光の出力を、より増大させることができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。以下、[第1の実施の形態]〜[第3の実施の形態]について、順に説明する。
◆[第1の実施の形態]
図1は、本発明のレンズアレイを用いたレーザ集光装置の第1の実施の形態の概略構成図を示している。
図1に示す第1の実施の形態では、図14に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ10と光ファイバ30との距離を非常に大きくできる(従来では約3.2mmのところを、第1の実施の形態では短軸方向幅均一化レンズ50と短軸方向集光レンズ60の各焦点距離に応じて、数cm以上(本実施の形態の例では、約20cm)に設定することも可能)。このため、各レンズの配置が容易であるとともに、光ファイバ30への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を集光することができる。
【0030】
[全体構成]
半導体レーザアレイ10は、複数の発光部12を有し、単一の発光部を有する半導体レーザを2次元的に配列して、あるいは一列に複数の発光部を有するアレイ型半導体レーザを積層または配列して、あるいは2次元配列されたスタック型半導体レーザで、構成されている。本実施の形態では、スタック型レーザダイオードを用いている。
レンズアレイ40は、発光部12(m,n)の短軸方向毎の各第2グループ(短軸グループに相当)毎に対応するレンズ(第2レンズ(長軸側集光レンズに相当))が、長軸方向に複数配列されて構成されている。レンズアレイ40は、半導体レーザアレイ10の各発光部12から入射された複数のレーザ光を、長軸方向に対して各光ファイバ30の入射面に集まるように、長軸方向に集光(束ね、あるいは集約)する。
なお、以下、「束ねる」とは、各レーザ光の径をほぼ縮めることなく複数のレーザ光を集めることをいい、「集約する」とは、各レーザ光の径を縮めるあるいは径を縮めるとともに複数のレーザ光を集めることをいう。また、「集光する」とは、「束ねる」あるいは「集約する」方法を用いて、レーザ光の出力を高めることをいう。
【0031】
短軸方向幅均一化レンズ50は、レンズアレイ40から入射された複数のレーザ光を、各レーザ光毎に、短軸方向に対してほぼ幅が均一なレーザ光に変換する。図1に示す例では、短軸方向幅均一化レンズ50は、複数のレンズで構成されることなく、単体(単一)のレンズで構成されている。
短軸方向集光レンズ60は、短軸方向幅均一化レンズ50から入射されたレーザ光を、各光ファイバ30の入射面に集まるように、短軸方向に集光する(この場合は集約する)。光ファイバ30の入射面は、半導体レーザアレイ10の複数のレーザ発光部12を含む発光面から所定の距離の面上の所定の直線上、且つ短軸方向にほぼ平行な所定の直線上(レーザ集光位置)に配置されている。図1に示す例では、短軸方向集光レンズ60は、複数のレンズで構成されることなく、単体(単一)のレンズで構成されている。
光ファイバ30には、長軸方向及び短軸方向に集光されたレーザ光が入射される。そして、集光レンズ100は、任意の形状に束ねられた光ファイバ30の出射面から出射されたレーザ光を、各々所定の位置に集光する。これにより、半導体レーザアレイ10の複数の発光部から出射された複数のレーザ光は、所定の位置に集光され、加工等に用いることができるように、レーザ光の出力を増大させることができる。
【0032】
[レンズアレイの概略構造]
次に、図2を用いてレンズアレイ40の概略構造について説明する。レンズアレイ40は、短軸方向毎に用意された複数のレンズ(例えば、ほぼ短軸方向に中心軸を有するシリンドリカル状のレンズ(第2レンズ))を長軸方向に複数配列して構成されている。
図2(A)に示すレンズアレイ40aでは、1枚のレンズ基板に複数のレンズ42a〜42e(第2レンズ)を形成した例を示している。
図2(B)に示すレンズアレイ40bでは、各レンズ44a〜44e(第2レンズ)を積層して形成した例を示している。レンズアレイ40の構成は、種々の構成方法がある。
【0033】
[各構成要素の配置と、レーザ光の集光状態(概略)]
次に、図3(A)及び(B)を用いて、発光部12、レンズアレイ40、短軸方向幅均一化レンズ50、短軸方向集光レンズ60、光ファイバ30の配置位置と、レーザ光の集光状態について説明する。図3(A)は、長軸(fast軸)方向から見た図であり、レーザ光を短軸(slow軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。また、図3(B)は、短軸(slow軸)方向から見た図であり、レーザ光を長軸(fast軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。
ここで、半導体レーザアレイ10の各発光部12(m、n)は、短軸方向の幅(図3(A)中のDw)が約0.2mmであり、短軸方向の間隔(図3(A)中のDp)が約0.2mmである。
このため、短軸方向において隣り合う2つの発光部から出射されるレーザ光を1本の光ファイバに集光させるためには、出射の時点でDin(約0.6mm)の幅を有するレーザ光を、Dout(例えば、0.2mm)の径の光ファイバ80(s、t)に集光する。
【0034】
次に、図3(A)を用いて、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、短軸方向において光ファイバ30(s、t)の入射面に集光することを説明する。図3(A)において、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点距離を(f50)(例えば、75mm)、短軸方向集光レンズ60の焦点距離を(f60)(例えば、25mm)とする。
そして、短軸方向幅均一化レンズ50を「発光部12(m、n)からほぼ(f50)の距離の位置」に配置し、短軸方向集光レンズ60を「発光部12(m、n)からほぼ(f50+f50+f60)の距離の位置」に配置し、光ファイバ30(s、t)を「発光部12(m、n)からほぼ(f50+f50+f60+f60)の距離の位置」に配置する。このとき、各位置は誤差により微妙に位置が修正される。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、短軸方向の拡がり角度をθiny(例えば、3.5°)とする。また、光ファイバ30(s、t)に入射されるレーザ光において、短軸方向の入射角をθouty(例えば、10°)とする。
【0035】
短軸方向幅均一化レンズ50及び短軸方向集光レンズ60を選定するには、発光部12(m、n)における、Din、Dp、Dw、θinyから、目標とする光ファイバ30(s、t)の短軸方向の本数(t)及び径(Dout)とθoutyを満足するf50、f60の焦点距離を有する、短軸方向幅均一化レンズ50及び短軸方向集光レンズ60を選定すればよい。
各光ファイバ30(s,t)の入射面は、複数の発光部12(m,n)を含む発光面から所定の距離(この場合、f50+f50+f60+f60の距離)の面上の直線上にあり、且つ短軸方向にほぼ平行な直線上にある。以下、この光ファイバ30(s,t)の入射面を並べた位置を「レーザ集光位置(図3(A)中のSPの位置)」という。
なお、この場合、レンズアレイ40は、短軸方向において、ほとんど影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0036】
各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光は、Z軸方向に対してθinyの角度(例えば、3.5°の角度)を持ち、徐々に拡がり、やがて重なる。短軸方向に重なったレーザ光は、短軸方向幅均一化レンズ50を通過すると、短軸方向幅均一化レンズ50が焦点距離(f50)の位置に配置されているため、短軸方向において幅がほぼ均一になる。この時、短軸方向幅均一化レンズ50を通過した各レーザ光は、各々Z軸方向に対して異なる角度を有するが、各レーザ光の幅は各々ほぼ均一であり、また、幅がほぼ均一化された各レーザ光の幅の中心は、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点の位置(図3(A)中のF50)を通る。
そして、短軸方向幅均一化レンズ50を通過した各レーザ光は、短軸方向集光レンズ60を通過すると、各レーザ光がほぼ均一の幅であり、且つ短軸方向集光レンズがF50から焦点距離(F60)の位置に配置されているため、短軸方向集光レンズ60からf60の距離(短軸方向集光レンズ60の焦点距離)に各々集光される。
【0037】
そして、各レーザ光が短軸方向集光レンズ60で集光される位置(短軸方向集光レンズ60からf60の距離の位置)に、光ファイバ30(s、t)の入射面を配置して集光されたレーザ光を入射する。このとき、短軸方向のグループ毎のレーザ光が、各グループ毎に集光される。例えば、光ファイバ(1、1)には、発光部12(1、1)と発光部12(1、2)のグループのレーザ光が集光される。
なお、図3(A)においては、以下の式が成立する。
Dout=(f60/f50)*Din
θouty=arctan[(f50/f60)*tan(θiny)]
Dout/Din=tan(θiny)/tan(θouty)=f60/f50
このため、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点距離(f50)と、短軸方向集光レンズ60の焦点距離(f60)との比を適切に選択することで、Dout及びθoutyを任意に設定できる。
この「各レーザ光が短軸方向集光レンズ60で集光される位置(レーザ集光位置)」に、長軸方向においても集光する。
【0038】
次に、図3(B)を用いて、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、長軸方向において光ファイバ30(s、t)の入射面に集光することを説明する。図3(B)において、レンズアレイ40の各第2レンズ(例えば、42a〜42e)の焦点距離を(f)とする。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、長軸方向の拡がり角度をθinx(例えば、40°)とする。また、光ファイバ30(s、t)に入射されるレーザ光において、長軸方向の入射角をθoutx(例えば、10°)とする。また、発光部12(m、n)の長軸方向における間隔をDh(例えば、1.75mm)とする。また、各発光部の厚さ(図3(B)中のDt)は約0.002mmである。
レンズアレイ40は、発光部12(m、n)における、Dh、θinxから、目標とする光ファイバ30(s、t)の長軸方向の本数(s)及び径(Dout)とθoutxを満足するように形成及び配置する必要がある。
なお、この場合、短軸方向幅均一化レンズ50と短軸方向集光レンズ60は、長軸方向において、ほとんど影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0039】
なお、図3(B)において、レンズアレイ40を発光部12(m、n)からレンズアレイ40の焦点距離(f)の距離に配置すると、レンズアレイ40を通過したレーザ光は、幅がほぼ均一化され、図3(B)中に2aで示すように集光される(この場合は束ねられる)。また、レンズアレイ40を発光部12(m、n)からレンズアレイ40の焦点距離(f)よりもやや遠い(S3)の距離に配置し、(1/S3)+(1/T3)=(1/f)が成立するS3及びT3を設定し、発光部12からS3+T3の距離に光ファイバ30(s、t)の入射面を配置すると、レンズアレイ40を通過したレーザ光は、図3(B)中に2c〜2eで示すように集光される(この場合は集約される)。
【0040】
レンズアレイ40は、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光が、Z軸方向に対してθinxの角度を持ち、徐々に拡がり、レンズアレイ40を通過すると、長軸方向において幅がほぼ均一化されて所定の位置に束ねられる(図3(B)中2a)ように、あるいは所定の位置に集約される(図3(B)中2c〜2e)ように、レンズアレイ40の各レンズ(第2レンズ)が形成されており、配置されている。
そして、レンズアレイ40を通過した各レーザ光は、レンズアレイ40を通過すると、所定の位置に集光される。
各レーザ光がレンズアレイ40で集光される位置(複数のレーザ発光部を含む発光面から所定の距離の面上の直線上、且つ短軸方向にほぼ平行な直線の中の所定の直線(レーザ集光位置)であり、この位置は、短軸方向集光レンズ60からf60の距離の位置でもある)に、光ファイバ30(s、t)を配置して集光されたレーザ光を入射する。このとき、長軸方向のグループ毎(図1中の「第2グループ」毎)のレーザ光が、各グループ毎に集光される。例えば、光ファイバ30(1、1)には、発光部12(1、1)、(2、1)、(3、1)、(4、1)、(5、1)のレーザ光が集光される。
【0041】
なお、長軸方向の拡がり角(θinx:例えば40°)は、短軸方向の拡がり角(θiny:例えば3.5°)と比較して充分大きいので、レンズアレイ40は、発光部12(m、n)により近い位置に配置することが好ましい。図3(A)及び(B)の例では、発光部12(m、n)に非常に近い位置に配置している。
図3(A)及び(B)の例では、1本の光ファイバ30に、短軸方向に2本のレーザ光を、長軸方向に5本のレーザ光を集光し、合計10本のレーザ光を集光している。
なお、実現した半導体レーザ集光装置では、目標とするレーザ光の出力を得るために、短軸方向に2本のレーザ光を、長軸方向に10本のレーザ光を集光し、合計20本のレーザ光を集光して実用可能な出力を有するレーザ光を得た。
また、光ファイバ30(s、t)の長軸方向の本数(この場合は「s」本であり、これにより、長軸方向に集光するレーザ光の数も決まる)、及び光ファイバ30(s、t)の径(この場合は「Dout」)、及びθoutxにより、レンズアレイ40焦点距離(f)、及びレンズアレイ40の配置位置及び各第2レンズの形成位置について、詳細を図4で説明する。
【0042】
[レンズアレイにおける、各第2レンズの構造(光軸)及び配置]
次に、図4(A)及び(B)、図5(A)及び(B)に、レンズアレイ40(この場合、図2(B)に示すレンズアレイ40b)における、各第2レンズ(ここでは、第2レンズ42b、42c)の構造(光軸)及び配置について、詳細を説明する。
図4(A)及び(B)に示す図では、各第2レンズの光軸をほぼレーザ集光位置の方向に向けるとともに、各第2レンズの位置をレーザ光の進行方向(Z軸方向)と長軸方向(X軸方向)に移動させて配置している(対応する発光部からの距離を第3の所定距離に設定している)。
また、図5(A)及び(B)に示す図では、各第2レンズの光軸はレーザ光の進行方向とほぼ平行であり、各第2レンズの位置をレーザ光の進行方向(Z軸方向)と長軸方向(X軸方向)に移動させて配置している(対応する発光部からの距離を第4の所定距離に設定している)。
【0043】
次に、図4(A)、(B)を用いて、第2レンズの光軸を傾斜させた場合の、発光部12(2、1)に対応する第2レンズ42bの配置等について詳細を説明する。図4(A)は、レーザ光を「束ねる」方法を実現する配置の例であり、図4(B)は、レーザ光を「集約する」方法を実現する配置の例である。
【0044】
[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置(図4(A))]
以下、図4(A)を用いて説明する。
第2レンズ42cは、発光部12(3、1)と、レーザ集光位置(この場合、光ファイバ30(1、1)の入射面のほぼ中心)を結んだ直線と、第2レンズ42cの光軸(Kc)が一致するように配置する。また、対応する発光部12(3、1)から第2レンズ42cの中心(Cc)までの距離が、第2レンズ42cの焦点距離(f)となる位置に配置する。
これにより、発光部12(3、1)から出射されたレーザ光は、第2レンズ42cを通過すると、幅がほぼ均一なレーザ光となる。また、焦点距離(f)の選定は、光ファイバ30(1、1)の径を考慮して選定する(焦点距離(f)を大きくすると、通過後のレーザ光の幅が大きくなるため)。
【0045】
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。
まず、光ファイバ30において、入射可能な最大受光角の正弦で表される開口数(以下、NAという)より、光ファイバ30への入射角(θ)を、以下のように設定する。
θ<arcsin(NA)
発光部12(2,1)と発光部12(3,1)の長軸方向の距離を(d)として、第2レンズ42bの中心(Cb)が、対応する発光部12(2、1)から、長軸方向の距離(Lx1)、レーザ光の進行方向の距離(Lz1)を、以下のように設定する。
Lx1=f*sinθ
Lz1=f*cosθ
【0046】
そして、第2レンズ42bを通過して幅がほぼ均一化されたレーザ光の幅の半分を(b)として、光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離(Mz1+Nz1)を以下のように設定する。
Mz1=d/tanθ
Nz1=b/sinθ
なお、発光部12(3、1)から光ファイバ30(1、1)までの距離(L)は、図3(A)に示すように、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点距離(f50)と短軸方向集光レンズ60の焦点距離(f60)により設定されているため、以下の式が成立するように、f60、f50、θ等を選定する。
d/tanθ+b/sinθ=f60+f60+f50+f50
その他の発光部12(m,n)に対しても同様に設定することができる。
【0047】
[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を集約する配置(図4(B))]
以下、図4(B)を用いて説明する。
第2レンズ42cは、発光部12(3,1)と、レーザ集光位置(この場合、光ファイバ30(1、1)の入射面のほぼ中心)を結んだ直線と、第2レンズ42cの光軸(Kc)が一致するように配置する。また、対応する発光部12(3、1)から第2レンズ42cの中心(Cc)までの距離が、第2レンズ42cの焦点距離(f)よりも長い距離(S)となる位置に配置する。また、第2レンズ42cの中心(Cc)から光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離を(T)として、以下の式が成立するようにf、S、Tを設定する。
1/f=1/S+1/T
また、S+T=Lであるため、S、Tは以下となる。
S=[L−√(L2−4*L*f)]/2
T=[L+√(L2−4*L*f)]/2(なお、S<Tとする)
これにより、発光部12(3、1)から出射されたレーザ光は、第2レンズ42cを通過すると、幅が集約されていく。
【0048】
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。
まず、光ファイバ30への入射角(θ)を、以下のように設定する。
θ<arcsin(NA)
発光部12(2,1)から光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離を(L1)、発光部12(2,1)から第2レンズ42bの中心(Cb)までの距離を(S1)、第2レンズ42bの中心(Cb)から光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離を(T1)とすると、以下の式が成立する。
L1=d/sinθ
S1=[L1−√(L1 2−4*L1*f)]/2
T1=[L1+√(L1 2−4*L1*f)]/2
【0049】
また、第2レンズ42bの中心(Cb)が、対応する発光部12(2、1)から、長軸方向の距離(Lx2)、レーザ光進行方向の距離(Lz2)を、以下のように設定する。
Lx2=S1*sinθ
Lz2=S1*cosθ
そして、発光部12(3,1)から光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離(L)を以下のように設定する。
L=d/tanθ
なお、発光部12(3、1)から光ファイバ30(1、1)までの距離(L)は、図3(A)に示すように、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点距離(f50)と短軸方向集光レンズ60の焦点距離(f60)により設定されているため、以下の式が成立するように、f60、f50、θ等を選定する。
d/tanθ=f60+f60+f50+f50
その他の発光部12(m,n)に対しても同様に設定することができる。
【0050】
以上では、各第2レンズの焦点距離(f)を一定として、距離(S1)を各第2レンズ毎に設定したが、距離(S1)を一定として、各第2レンズ毎に焦点距離(f)を設定することも可能である。
この場合、距離(S1)を一定として、焦点距離(f)及び距離(T1)を以下のように設定する。
f=S1−(S1)2/L1
T1=L1−S1
この場合、各第2レンズ毎に焦点距離(f)が異なるため、各第2レンズ毎に曲率が異なる。発光部が中心から離れる程(光ファイバへの入射角が大きくなる程)、距離(L1)が大きくなり、対応する第2レンズの焦点距離(f)が大きくなるため、曲率が大きくなる。従って、距離(S1)を一定にすることによって第2レンズの有効径をほぼ一定にできるため、各第2レンズの間隔に制約がある場合等において、第2レンズの設計の自由度が増す。
【0051】
以上に説明したように、図4(A)及び(B)では、各第2レンズの光軸を、各第2レンズ毎に異なる角度で、ほぼ光ファイバ30の入射面(つまり、レーザ集光位置)の方向に傾斜するように構成する。また、各第2レンズの位置を、レーザ光の進行方向における距離(Lz1、Lz2)、及びレーザ光の長軸方向における距離(Lx1、Lx2)を、各第2レンズの焦点距離(f)、及び各第2レンズと光ファイバの入射面(レーザ集光位置)とを結んだ線と発光面との垂線とのなす角度(θ)に基づいて、各第2レンズ毎に、各レーザ発光部に対して所定の距離(第3の所定距離)に設定する。
【0052】
次に、図5(A)、(B)を用いて、第2レンズの光軸を傾斜させずにレーザ光の進行方向とほぼ平行とした場合の、発光部12(2、1)に対応する第2レンズ42bの配置等について詳細を説明する。図5(A)は、レーザ光を「束ねる」方法を実現する配置の例であり、図5(B)は、レーザ光を「集約する」方法を実現する配置の例である。
【0053】
[光軸を傾斜させることなくレーザ光を束ねる配置(図5(A))]
以下、図5(A)を用いて、図4(A)との相違点について説明する。
第2レンズ42cの配置位置は、図4(A)の配置位置と同じであるので、説明を省略する。
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。図4(A)との相違点は、光軸(Kb)を傾斜させることなく、入射されるレーザ光とほぼ平行にしている点である。
第2レンズの断面が真円である場合、第2レンズのレンズ面が、当該真円の中心まわりに回転しても、その特性は変わらない。そこで、図4(A)に示した光軸を傾斜させた第2レンズにおいて、入射されるレーザ光の進行方向に対して、当該光軸がほぼ平行になるように回転させれば、光軸を傾斜させることなく、図4(A)と同じ効果を実現できる。ただし、この場合、第2レンズに入射されたレーザ光が出射面に到達したとき、出射面に対する入射角が0(ゼロ)でないので、出射面においてレーザ光が屈折する。この出射面における屈折を考慮すればよい。
【0054】
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。
まず、光ファイバ30への入射角(θ)を、以下のように設定する。
θ<arcsin(NA)
第2レンズ42bの出射面における屈折より、以下の式が成立する。
ψ=arcsin[(n1/n2)*sinθ](n1:大気の屈折率、n2:第2レンズ42bの屈折率)
第2レンズ42bの中心(Cb)から、当該第2レンズ42bを含む真円の中心までの距離を(k)として、第2レンズ42bの中心(Cb)が、対応する発光部12(2,1)から、長軸方向の距離(Lx3)、レーザ光の進行方向の距離(Lz3)を、以下のように設定する。
Lx3=(f+k)*sinψ
Lz3=(f+k)*cosψ−k
【0055】
発光部12(2,1)から第2レンズ42bの出射面までの距離を(a)として、第2レンズ42bを通過して幅がほぼ均一化されたレーザ光の幅の半分を(b)とする。そして、光ファイバ30(1,1)の入射面までの距離(Mz3+Nz3)を以下のように設定する。
Mz3=a+(d−a/tanψ)/tanθ
Nz3=b/sinθ
なお、発光部12(3、1)から光ファイバ30(1、1)までの距離(L)は、図3(A)に示すように、短軸方向幅均一化レンズ50の焦点距離(f50)と短軸方向集光レンズ60の焦点距離(f60)により設定されているため、以下の式が成立するように、f60、f50、θ等を選定する。
a+(d−a/tanψ)/tanθ+b/sinθ=f60+f60+f50+f50
その他の発光部12(m,n)に対しても同様に設定することができる。
【0056】
[光軸を傾斜させることなくレーザ光を集約する配置(図5(B))]
以下、図5(B)を用いて、図4(B)との相違点について説明する。
第2レンズ42cの配置位置は、図4(B)の配置位置と同じであるので、説明を省略する。
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。図4(B)との相違点は、光軸(Kb)を傾斜させることなく、入射されるレーザ光とほぼ平行にしている点である。
図4(B)に対して回転させれば、光軸を傾斜させることなく、図4(B)と同じ効果を実現できることは上記と同様である。また、この出射面における屈折を考慮すればよいことも同様である。
【0057】
次に、第2レンズ42bの配置を説明する。
光ファイバ30への入射角(θ)より、以下のように設定する。
θ<arcsin(NA)
また、第2レンズ42bの出射面における屈折より、以下の式がが成立する。
ψ=arcsin[(n1/n2)*sinθ]
以下、図5(A)及び図4(B)と同様であるので説明を省略する。
なお、図4(A)及び(B)では、各第2レンズの光軸及び配置位置を各第2レンズ毎に適切に設定し、図5(A)及び(B)では、各第2レンズの配置位置のみを各第2レンズ毎に適切に設定しているが、光軸のみを各第2レンズ毎に適切に設定するようにしてもよい。
【0058】
また、第2レンズのレーザ光の入射面側の凸部の曲率を、出射面側より大きくしている(この例では、入射面側が凸で、出射面側はほぼ平面)ので、入射面で(入射の時点で)大きく屈折させることができ、入射されたレーザ光の拡散を抑制できる。このため、図4(A)、図5(A)に示すように、幅をほぼ均一にして集光する場合に、幅をより細くでき、より細い光ファイバに入射することができる。
また、収差の影響をより少なくするために、第2レンズの凸部の曲面の曲率を部分的に変更してもよい。この場合、収差を少なくして、更に効率良くレーザ光を集光できる。
【0059】
以上に説明したように、図5(A)及び(B)では、各第2レンズの光軸を、発光部から出射されるレーザ光の進行方向とほぼ平行に設定する。また、各第2レンズの位置を、レーザ光の進行方向における距離(Lz3、Lz4)、及びレーザ光の長軸方向における距離(Lx3、Lx4)を、各第2レンズの焦点距離(f)、及び各第2レンズと光ファイバの入射面(レーザ集光位置)とを結んだ線と発光面との垂線とのなす角度(θ)に基づいて、各第2レンズ毎に、各レーザ発光部に対して所定の距離(第4の所定距離)に設定する。
なお、以上に説明した第2レンズを形成するためには、超精密加工装置が必要である。当該超精密加工装置には、特開平7−100752あるいは特開平7−299746に記載の加工装置を用いることができる。
【0060】
◆[第2の実施の形態]
第2の実施の形態は、第1の実施の形態から短軸方向幅均一化レンズ50を省略したものである。
図6に示す第2の実施の形態では、図14に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ10と光ファイバ30との距離を非常に大きくできる(第1の実施の形態と同様)。このため、各レンズの配置が容易であるとともに、光ファイバ30への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を集光することができる。
また、図1に示す第1の実施の形態に対して、短軸方向幅均一化レンズ50を省略しているので、構成が簡素化され、組み付け時の調整等(各レンズ等の配置位置の微調整等)が第1の実施の形態に比して容易である。
【0061】
[全体構成]
図6は、本発明のレンズアレイを用いたレーザ集光装置の第2の実施の形態の概略構成図を示している。
図6では、図1に示す第1の実施の形態と比して、短軸方向幅均一化レンズ50が省略されていることと、光ファイバ30の本数が異なる。ここで、光ファイバ30の本数は、短軸方向集光レンズ60の焦点距離(f60)等によって、種々変更することができる。他は第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。また、[レンズアレイの概略構造]も第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【0062】
[各構成要素の配置と、レーザ光の集光状態(概略)]
次に、図7を用いて、発光部12、レンズアレイ40、短軸方向集光レンズ60、光ファイバ30の配置位置と、レーザ光の集光状態について説明する。図7(A)は、長軸(fast軸)方向から見た図であり、レーザ光を短軸(slow軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。また、図7(B)は、短軸(slow軸)方向から見た図であり、レーザ光を長軸(fast軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。
次に、図7(A)を用いて、各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光を、短軸方向において光ファイバ30(s、t)の入射面に集光することを説明する。図7(A)において、短軸方向集光レンズ60の焦点距離をf60(この場合、例えば、30mm)とする。
そして、短軸方向集光レンズ60を「発光部12(m、n)から距離(S4)の位置」に配置し、光ファイバ30(m,n)を「短軸方向集光レンズ60から距離(T4)の位置」に配置する。なお、このとき以下のように、S4及びT4を設定する。(図7の例では、(S4、T4)=(60mm、60mm))
1/S4+1/T4=1/f60
このとき、各位置は誤差により微妙に位置が修正される。また、発光部12(m、n)から出射された各レーザ光において、短軸方向の拡がり角度をθiny(例えば、3.5°)とする。また、光ファイバ30(s、t)に入射されるレーザ光において、短軸方向の入射角をθouty(例えば、10°)とする。
【0063】
短軸方向集光レンズ60を選定するには、発光部12(m、n)における、Din、Dp、Dw、θinyから、目標とする光ファイバ30(s、t)の短軸方向の本数(t)及び径(Dout)とθoutyを満足する焦点距離(f60)を有する、短軸方向集光レンズ60を選定すればよい。
各光ファイバ30(s,t)の入射面は、複数の発光部12(m,n)を含む発光面から所定の距離(この場合、S4+T4の距離)の面上の直線上にあり、且つ短軸方向にほぼ平行な直線上にある。以下、この光ファイバ30(s,t)の入射面を並べた位置を「レーザ集光位置」という。
なお、この場合、レンズアレイ40は、短軸方向において、ほとんど影響を及ぼさないので説明を省略する。
【0064】
各発光部12(m、n)から出射された各レーザ光は、Z軸方向に対してθinyの角度(例えば、3.5°の角度)を持ち、徐々に拡がり、やがて重なる。各レーザ光の進行方向が当該短軸方向集光レンズ60の光軸とほぼ平行であるため、短軸方向に重なったレーザ光は、短軸方向集光レンズ60を通過すると、1/S4+1/T4=1/f60が成立していれば、発光部12(m,n)からS4+T4の距離に各々集光される。
そして、各レーザ光が短軸方向集光レンズ60で集光される位置(発光部12(m,n)から距離S4+T4の位置)に、光ファイバ30(s、t)の入射面を配置して集光されたレーザ光を入射する。
この「各レーザ光が短軸方向集光レンズ60で集光される位置(レーザ集光位置)」に、長軸方向においても集光する。
なお、図7(B)は、図3(B)と同様であるので、説明を省略する。
【0065】
また、[レンズアレイにおける、各第2レンズの構造(光軸)及び配置]
[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置]
[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を集約する配置]
[光軸を傾斜させることなくレーザ光を束ねる配置]
[光軸を傾斜させることなくレーザ光を集約する配置]
は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【0066】
◆[第3の実施の形態]
第3の実施の形態では、第2の実施の形態から、更にレンズアレイ40と短軸方向集光レンズ60とを省略して光導波路20に置き換えたものである。
図8に示す第3の実施の形態では、図14に示す従来のレーザ集光装置に対して、半導体レーザアレイ10と光ファイバ30との距離を非常に大きくできる(第1の実施の形態と同様)。このため、各レンズの配置が容易であるとともに、光ファイバ30への入射角を小さくできるので、より効率良くレーザ光を集光することができる。
また、図6に示す第2の実施の形態に対して、レンズアレイ40と短軸方向集光レンズ60とを省略し、その代わりに光導波路20を設けているので、第2の実施の形態よりも更に構成が簡素化され、組み付け時の調整等(各レンズ等の配置位置の微調整等)が第1の実施の形態及び第2の実施の形態に比して、更に容易である。
【0067】
[全体構成]
図8は、本発明の光導波路20(s,t)を用いたレーザ集光装置の第3の実施の形態の概略構成図を示している。
図8に示す第3の実施の形態では、発光部12(m,n)を、長軸方向毎の複数の第1グループ(長軸グループに相当)に分割し、各第1グループ毎のレーザ光を各光導波路20(s,t)で集光して、各光ファイバ30(s,t)に入射する。他は第1の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【0068】
[光導波路の概略構造]
次に、図9を用いて光導波路20の概略構造について説明する。光導波路20は、複数のレンズ(例えば、ほぼ短軸方向に中心軸を有するシリンドリカル状のレンズ22a〜22e(第1レンズ))を長軸方向に複数配列して構成されている。
また、図9に示す光導波路20の例では、第1レンズ22a〜22eが配置された面をレーザ光の入射面として、当該入射面と対向する面をレーザ光の出射面としている。そして、入射されたレーザ光を集光して出射面から出射するために、図9に示す例では、長軸方向(X軸方向)において、入射面の寸法よりも出射面の寸法の方が小さくなるように構成されている(テーパ形状に構成されている)。なお、本実施の形態では、入射面と出射面の短軸方向(Y軸方向)における寸法はほぼ同じであるが、出射面の方が小さな寸法となるように構成してもよい。
なお、光導波路20は、ガラス等様々な材質を用いることができる。
【0069】
[各構成要素の配置と、レーザ光の集光状態(概略)]
次に、図10(A)及び(B)を用いて、発光部12、光導波路20、光ファイバ30の配置位置と、レーザ光の集光状態について説明する。
図10(A)は、長軸(fast軸)方向から見た図である。各発光部12から出射されたレーザ光は、各光導波路20の入射面に入射されると、各光導波路20内に入射され、短軸方向においては各光導波路20内を反射しながら当該光導波路20からほとんど外部に漏れることなく進行し、(当該光導波路20の出射面に到達し、)光ファイバ30の入射面に入射される。
【0070】
また、図10(B)は、短軸(slow軸)方向から見た図であり、レーザ光を長軸(fast軸)方向に屈折及び集光する様子を示している。
図10(B)において、光導波路20(s,t)の各第1レンズ22a〜22eの焦点距離を(f)とする。
なお、図10(B)において、光導波路20(s,t)を、発光部12(m、n)から当該光導波路20(s,t)の第1レンズの焦点距離(f)の位置に配置すると、光導波路20(s,t)を通過したレーザ光は、幅がほぼ均一化され、図10(B)中に2aで示すように集光される(この場合は束ねられる)。
また、光導波路20(s,t)を発光部12(m、n)から当該光導波路20(s,t)の焦点距離(f)よりもやや遠い(S6)の位置に配置し、(1/S6+1/T6=1/f)が成立するS6及びT6を設定し、発光部12からS6+T6の距離に光ファイバ30(s、t)の入射面を配置すると、光導波路20(s,t)を通過したレーザ光は、図10(B)中に2c〜2eで示すように集光される(この場合は集約される)。
【0071】
[光導波路における、各第1レンズの構造(光軸)及び配置]
次に、図11(A)及び(B)に、光導波路20における、各第1レンズ(ここでは、第1レンズ22b、22c)の構造(光軸)及び配置について、詳細を説明する。
各第1レンズの光軸を傾斜させる場合は、各第1レンズの光軸をほぼ光導波路20の出射面の方向に向けるとともに、各第1レンズの位置をレーザ光の進行方向(Z軸方向)と長軸方向(X軸方向)に移動させる(対応する発光部からの距離を第1の所定距離に設定する)。
また、図11(A)及び(B)に示す図では、各第1レンズの光軸はレーザ光の進行方向とほぼ平行であり、各第1レンズの位置をレーザ光の進行方向(Z軸方向)と長軸方向(X軸方向)に移動させて配置している。
図11(A)と図5(A)とは、光軸(Kb)を傾斜させることなく、入射されるレーザ光とほぼ平行にしている点は同じである。また、図5(A)では、入射されたレーザ光が出射される際に、出射面で屈折するが、図11(A)でも同様に、出射面で屈折する。このとき、屈折後の角度が、arcsin(NA)を越えないように設定する。また、第1レンズの断面が真円である場合、当該真円の中心まわりに回転しても、その特性は変わらないことは、既に説明したとおりである。
したがって、図11(A)は、図4(A)とほぼ同様であり、図11(B)は、図4(B)とほぼ同様である。
【0072】
[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置]は、図4(A)とほぼ同様であり、[光軸を傾斜させるとともにレーザ光を束ねる配置]は、図4(B)とほぼ同様であるので、説明を省略する。
この場合、各第1レンズの光軸を、各第1レンズ毎に異なる角度で、ほぼ光ファイバ30の入射面(つまり、光導波路の出射面)の方向に傾斜するように構成する。また、各第1レンズの位置を、レーザ光の進行方向における距離(Lz1、Lz2)、及びレーザ光の長軸方向における距離(Lx1、Lx2)を、各第1レンズの焦点距離(f)、及び各第1レンズと光ファイバの入射面(光導波路の出射面)とを結んだ線と発光面との垂線とのなす角度(出射面と各第1レンズとのなす角度を示すθ)に基づいて、各第1レンズ毎に、各レーザ発光部に対して所定の距離(第1の所定距離)に設定する。
【0073】
また、[光軸を傾斜させることなくレーザ光を束ねる配置(図11(A))]は、図4(A)とほぼ同様であり、[光軸を傾斜させることなくレーザ光を集約する配置(図11(B))]は、図4(B)とほぼ同様であるので、説明を省略する。
この場合、図11(A)及び(B)では、各第1レンズの光軸を、発光部から出射されるレーザ光の進行方向とほぼ平行に設定する。また、各第1レンズの位置を、レーザ光の進行方向における距離(Lz5、Lz6)、及びレーザ光の長軸方向における距離(Lx5、Lx6)を、各第1レンズの焦点距離(f)、及び各第1レンズと光ファイバの入射面(光導波路の出射面)とを結んだ線と発光面との垂線とのなす角度(出射面と各第1レンズとのなす角度を示すθ)に基づいて、各第1レンズ毎に、各レーザ発光部に対して所定の距離(第2の所定距離)に設定する。
【0074】
なお、本実施の形態では、光導波路の入射面に第1レンズを設けたが、第1レンズを設けない構成としてもよい。この場合、光導波路に入射されたレーザ光は、屈折して出射面の方向に向かうのでなく、光導波路内を反射しながら出射面の方向に進行する。
この構成の場合は、反射角をより小さくして集光効率を向上させるために(各発光部からの入射角をより小さくするために)、レーザ光の進行方向において光導波路の長さを長くする。
【0075】
[光導波路を用いた、その他の構成]
次に、図12(A)及び(B)を用いて、図10(A)に示した各光導波路を一体化した光導波路の例について説明する。なお、図12(A)及び(B)は、どちらも長軸方向から見た図であり、理解を容易にするために、図10(A)とは異なる寸法で記載している。
図12(A)では、各光導波路20(s,t)の短軸方向の寸法を、発光部12(m,n)の短軸方向における中心間の距離より小さく、且つ発光部12(m,n)の短軸方向の長さよりも大きく設定している。これにより、短軸方向においては、1個の発光部12(m,n)から出射されたレーザ光を、当該発光部12(m,n)に対応する1個の光導波路20(s,t)に適切に入射することができる。また、各光導波路20(s,t)が、短軸方向において、互いに干渉することがない。
【0076】
更に、各光導波路20(s,t)の間の間隙を、当該光導波路20(s,t)よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材25で埋めて、短軸方向に複数配列した光導波路20(s,t)を一体構造とする。これにより、光導波路のサイズを(短軸方向に)大きくすることができるので、第1レンズの加工等を行う場合の保持がより容易になり、加工等をより容易に行うことができる。また、レーザ集光装置として所定の位置に配置して、その配置位置を微調整する際、個々の光導波路毎に微調整する必要がなく、一括して微調整することができるので便利である。
【0077】
また、図12(B)では、各光導波路20(s,t)の短軸方向の寸法を、発光部12(m,n)の短軸方向の長さよりも小さく設定している。これにより、短軸方向においては、1個の発光部12(m,n)から出射されたレーザ光を、当該発光部12(m,n)に対応する2個以上(図12(B)の例では、2個)の光導波路20(s,t)に適切に入射することができる。また、各光導波路20(s,t)が、短軸方向において、互いに干渉することがないように設定する。これにより、光ファイバ30の径(dn)を、より小さくできる。
更に、各光導波路20(s,t)の間の間隙を、当該光導波路20(s,t)よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材25、25aで埋めて、短軸方向に複数配列した光導波路20を一体構造とすることは、図12(A)と同様である。
なお、各光導波路20(s,t)と向かい合う部分の低屈折率部材25aは、レーザ光を効率的に集光するために、できるだけ薄い方が好ましい。
【0078】
次に、図13(A)及び(B)を用いて、光ファイバ30の径を小さくした場合の、他の効果(複数の光ファイバを束ねたケーブルの小径化)について説明する。
図13(A)は、19本の光ファイバ30を束ねたケーブルの断面である。一般的に、光ファイバ30の断面は円であるので、図13(A)に示すように、各光ファイバが隙間なく配列された状態で束ねられる。この例では、束ねた光ファイバの直径方向の本数は5本である。
また、図13(B)は、複数の光ファイバを束ねた場合の、「光ファイバ総本数」と「直径方向の本数」を示すグラフである。当該グラフより、光ファイバの総本数が2倍になっても、直径方向の本数は2倍よりも小さい。従って、複数の発光部12から出射されるレーザ光を、複数の光ファイバ30に集光する場合、例えば図12(A)に示す方法で200本の光ファイバを用いるよりも、図12(B)に示す方法で400本の光ファイバ(この場合、各光ファイバの径は約半分)を用いる方が、全光ファイバを束ねたケーブルの直径が小さくなり、ビーム半径と広がり角(半角)との積により表されるBeam Parameter Product(ビーム品質)が向上し、且つ取りまわし等が容易である。
【0079】
◆[第4の実施の形態]
第4の実施の形態では、第3の実施の形態に対して、各光導波路20の側面(短軸方向と交わる面)を、レーザ光を全反射する全反射部材100yで覆う(図16)。これにより、光導波路20内に入射されたレーザ光は、短軸方向においては光導波路20の外部に漏れることなく、入射された全レーザ光が出射面に到達する。このため、短軸方向における集光効率をより向上させることができる。
全反射部材100yで覆う方法としては、例えば、銀等を蒸着させたり、表面を鏡面仕上げした銀等の金属板を貼り付けたりする。なお、全反射部材100yはレーザ光を全反射可能であれば、どのような材質であってもよい。また、どのような厚さであってもよい(膜状、板状に限定されない)。
【0080】
[全体構成]
全体構成は、図8に示す第3の実施の形態と同様であるので説明を省略する。以下、第3の実施の形態との相違点について説明する。
[光導波路の構成と、レーザ光の集光状態]
図17(A)に、第4の実施の形態の光導波路20を複数配列して構成した例を示す。図12で説明した第3の実施の形態と同様に、短軸方向におけるレーザ発光部12毎に光導波路20を配置し、短軸方向における各光導波路20と光導波路20との間隙の層は、レーザ光を全反射する全反射部材100yの層を含んでいる。
【0081】
図17(A)の例では、間隙の層は、全反射部材100yで間隙部材110を挟み込んで形成されている。この場合、間隙部材110にはレーザ光が入射されることがないので、間隙部材110はどのような材質で構成されていてもよい。また、この場合、全反射部材100yは、間隙部材110の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよいし、光導波路20の表面に形成あるいは貼り付け等されてもよい。
また、間隙の層は、全反射部材100yのみで形成してもよいし、間隙部材110で全反射部材100yを挟み込む構造にしてもよい。間隙部材110で全反射部材100yを挟み込む構造にする場合、間隙部材110はレーザ光を通過させることができれば屈折率は問わない。
以上のように、短軸方向における光導波路20と光導波路20との間隙の層には、レーザ光を全反射する全反射部材100yの層が少なくとも形成されていればよい。
【0082】
図17(B)に示す第3の実施の形態(光導波路20と光導波路20との間隙の層を低屈折率部材25で構成)では、レーザ光の進行方向(Z軸方向)に対して短軸方向(Y軸方向)における角度が比較的大きなレーザ光が発生すると(図17(B)中のレーザ光2βに示すような角度のレーザ光が発生すると)、入射された光導波路20内から外部に漏れる可能性がある。
しかし、光導波路20と光導波路20との間隙の層に全反射部材100yの層を形成した第4の実施の形態(図17(A))では、レーザ光の進行方向(Z軸方向)に対して短軸方向(Y軸方向)における角度が比較的大きなレーザ光(図17(A)中のレーザ光2β)が発生しても、入射された光導波路20の外部に漏れることがなく、当該光導波路20の出射面まで確実に伝搬させることができる。このため、短軸方向における集光効率をより向上させることができる。
【0083】
◆[第5の実施の形態]
第5の実施の形態では、第3の実施の形態あるいは第4の実施の形態に対して、光導波路20aが少なくとも第1レンズ部分で構成されており、当該第1レンズ部分を通過したレーザ光が進行する光伝搬層が空洞に形成されている。なお、レーザ光が第1レンズを通過して空洞部分に達した時点で屈折するため、この屈折の角度を考慮して第1レンズの位置を調節する。
図18(A)〜(C)は、第4の実施の形態に対して光導波路20aの光伝搬層を空洞に形成した例を示している。空洞の形成方法は、これらに限定されず、種々の形成方法が考えられる。
また、第3の実施の形態に対する空洞の形成方法は、第4の実施の形態に対する形成方法と同様であるので説明を省略する。
【0084】
[全体構成]
全体構成は、図8に示す第3の実施の形態と同様であるので説明を省略する。以下、第3の実施の形態との相違点について説明する。
[光導波路の構成と、短軸方向におけるレーザ光の集光状態]
図18(C)に、第5の実施の形態の光導波路20aを複数配列して構成した例を示す。レーザ光の進行方向(Z軸方向)に対して短軸方向(Y軸方向)における角度が比較的大きなレーザ光(図18(C)中のレーザ光2β)が発生しても、入射された光導波路20a(この例では、第1レンズ部分の光導波路20aと全反射部材100yで覆われている、光ファイバ30までの空間120)の外部に漏れることがなく、当該光導波路20aから空間120の終端部分まで(光ファイバ30の入射面まで)確実に伝搬させることができる。このため、短軸方向における集光効率を、第4の実施の形態と同様に、より向上させることができる。
【0085】
[長軸方向におけるレーザ光の集光状態]
次に図19を用いて第5の実施の形態について、長軸方向におけるレーザ光の集光状態について説明する。図19(A)は第5の実施の形態の、長軸方向におけるレーザ光の集光状態を説明する図であり、図19(B)は第3の実施の形態及び第4の実施の形態の、長軸方向におけるレーザ光の集光状態を説明する図である。
まず、図19(A)について説明する。空間(空洞)120部分は、この例では大気であり、屈折率をn1とする。また、光ファイバ30の屈折率をn2とすると、通常は、屈折率n1<屈折率n2である。そして、空間(空洞)120内を進行するレーザ光の1つをレーザ光2αとして、当該レーザ光2αと光ファイバ30の長手方向とのなす角度をθ1とする。そして、光ファイバ30に入射したレーザ光2αの進行方向と光ファイバ30の長手方向とのなす角度をθ2とする。
【0086】
この場合、屈折率n1<屈折率n2であるため、θ1>θ2になる。このため、光ファイバ30に入射されたレーザ光が当該光ファイバ30から外部に漏れる漏れ量が抑制される。つまり、長軸方向(X軸方向)における集光効率をより向上させることができる。
【0087】
第3の実施の形態、及び第4の実施の形態では、例えば、図19(B)に示すように、光導波路20と光ファイバ30との間に間隙が設けられてしまう場合がある。(光導波路20の出射面と、光ファイバ30の入射面が、完全に隙間なく接している場合は、図19(B)に示す屈折は発生しない。なお、完全に隙間なく接している場合は、屈折率n3<屈折率n2に設定することが好ましい。)
間隙が設けられてしまう場合、その間隙は大気であり、その屈折率をn1とする。また、光導波路20の屈折率をn3として、光ファイバ30の屈折率をn2とすると、通常は、屈折率n1<屈折率n2、且つ屈折率n1<屈折率n3である。
【0088】
そして、光導波路20内を進行するレーザ光の1つをレーザ光2αとして、当該レーザ光2αと光ファイバ30の長手方向とのなす角度を、図19(A)と同様にθ1とする。そして、光ファイバ30に入射したレーザ光2αの進行方向と光ファイバ30の長手方向とのなす角度をθ20とする。また、光導波路20の出射面から出射されたレーザ光と光ファイバ30の長手方向とのなす角度、及び光ファイバ30の入射面に入射されたレーザ光と光ファイバ30の長手方向とのなす角度を、θ3とする。
【0089】
この場合、屈折率n1<屈折率n3であるため、θ1<θ3になる。また、屈折率n1<屈折率n2であるため、θ3>θ20である。
図19(A)と(B)を比較すれば、θ1<θ3であるため、θ2<θ20であることが容易に理解できる。つまり、第5の実施の形態(図19(A))の方が、長軸方向(X軸方向)における集光効率をより向上させることができる。
【0090】
以上、第4の実施の形態と第5の実施の形態にて、光導波路20、20aにおける全反射部材100yの層を短軸方向(Y軸方向)と交わる面に形成したが、第3〜第5の実施の形態において、全反射部材100yを光導波路20、20aにおける長軸方向(X軸方向)と交わる面に形成してもよい。
光導波路20、20aにおける長軸方向(X軸方向)と交わる面に全反射部材100yを形成した場合は、当該光導波路20、20aに入射されたレーザ光の長軸方向の漏れ量を抑制することができるので、長軸方向(X軸方向)における集光効率をより向上させることができる。
【0091】
本発明の光導波路、レンズアレイ及びレーザ集光装置は、本実施の形態で説明した構成、形状、配置等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本発明の光導波路、レンズアレイ及びレーザ集光装置は、レーザ加工装置等、レーザ光を用いた種々の装置に適用することが可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
また、各レンズの形状、サイズ等は、実施の形態の説明及び図に限定されるものではない。本発明で使用される各レンズは、一方面が曲面であれば、他方面は平面でも曲面でもよい。
本実施の形態で説明した光導波路は、長軸方向において複数の発光部から出射されるレーザ光を集光する構成としたが、短軸方向において複数の発光部から出射されるレーザ光を集光する構成とすることも可能である。
また、以上(≧)、以下(≦)、より大きい(>)、未満(<)等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
【0092】
【発明の効果】
以上説明したように、本実施の形態に記載の光導波路、請求項4〜8のいずれかに記載のレーザ集光装置、請求項1〜3のいずれかに記載のレンズアレイ、あるいは本実施の形態に記載のレーザ集光装置を用いれば、半導体レーザアレイの複数の発光部から出射された各レーザ光を、より効率良く集光でき、且つより容易に実現できる光導波路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザ集光装置の第1の実施の形態の概略構成図である。
【図2】 レンズアレイ40の概略構造を説明する図である。
【図3】 第1の実施の形態において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図4】 レンズアレイ40における各第2レンズの光軸を傾斜させた場合の、各第2レンズの配置位置を説明する図である。
【図5】 レンズアレイ40における各第2レンズの光軸を傾斜させない場合の、各第2レンズの配置位置を説明する図である。
【図6】 本発明のレーザ集光装置の第2の実施の形態の概略構成図である。
【図7】 第2の実施の形態において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図8】 本発明のレーザ集光装置の第3の実施の形態の概略構成図である。
【図9】 光導波路20の概略構造を説明する図である。
【図10】 第3の実施の形態において、光導波路20の配置位置と、光導波路内でレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図11】 光導波路20における各第1レンズの光軸を傾斜させない場合の、各第1レンズの配置位置を説明する図である。
【図12】 光導波路の配列、及び光導波路の屈折率よりも小さな屈折率を有する低屈折率部材を各光導波路に挟み込み、一体構造とすることを説明する図である。
【図13】 光ファイバの径を小さくした場合の、他の効果を説明する図である。
【図14】 従来の半導体レーザ集光装置の概略構成を説明する図である。
【図15】 従来の半導体レーザ集光装置において、各レンズの配置位置と、各レンズを通過したレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図16】 第4の実施の形態において、光導波路20の構成を説明する図である。
【図17】 第4の実施の形態において、光導波路20内及び全反射部材100yにてレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図18】 第5の実施の形態において、光導波路20aの構成と、当該光導波路20a及び全反射部材100yにてレーザ光が集光される様子を説明する図である。
【図19】 第5の実施の形態において、光ファイバ30に入射されたレーザ光と、当該光ファイバ30の長手方向とのなす角度(θ2)について説明する図である。
【符号の説明】
10 半導体レーザアレイ
12 発光部
20 光導波路
22a〜22e 第1レンズ
25、25a 低屈折率部材
30 光ファイバ
40、40a、40b レンズアレイ
42a〜42e、44a〜44e 第2レンズ(長軸側集光レンズに相当)
50 短軸方向幅均一化レンズ
60 短軸方向集光レンズ
70 長軸方向コリメートレンズアレイ
80 長軸方向集光レンズ
90 短軸方向集光レンズアレイ
Claims (8)
- 楕円状に広がりながら進行するとともに進行方向がそれぞれ平行な複数のレーザ光を、所定の方向に集光するレンズアレイであって、
複数の前記レーザ光のそれぞれは、前記楕円の長軸方向及び短軸方向のそれぞれの方向に平行となるように配列された複数のレーザ発光部から出射され、
前記レーザ発光部の数、及び各レーザ発光部のほぼ中心間における前記長軸方向の間隔と前記短軸方向の間隔は予め確認されており、
複数の前記レーザ発光部を、前記短軸方向毎の複数の短軸グループに分割し、
複数の前記レーザ発光部を含む発光面から所定の距離に位置するとともに前記短軸方向にほぼ平行な所定の直線上をレーザ集光位置に設定し、
前記レンズアレイには、入射された前記レーザ光を前記長軸方向に集光する長軸側集光レンズが、各短軸グループに対応させて前記長軸方向に複数配列されており、
前記長軸側集光レンズは、
前記レーザ光の入射面側が凸状であるとともに該レンズ凸部の曲面の曲率が部分的に変更されており、
入射された前記レーザ光のそれぞれが前記レーザ集光位置に向かって前記長軸方向に屈折して前記長軸方向に対してほぼ集光されるように、前記長軸側集光レンズの光軸が前記長軸側集光レンズ毎に異なる角度でほぼ前記レーザ集光位置の方向に傾斜するように構成されている、
ことを特徴とするレンズアレイ。 - 請求項1に記載のレンズアレイであって、
前記レンズアレイにおける各長軸側集光レンズの位置は、前記短軸方向の側から見て、対応する前記短軸グループの前記レーザ発光部から前記長軸側集光レンズの中心までにおける、前記レーザ光の進行方向の距離と前記長軸方向の距離とをそれぞれ所定距離とすることで位置決めされ、
前記進行方向の距離及び前記長軸方向の距離は、各長軸側集光レンズの焦点距離、及び各長軸側集光レンズと前記レーザ集光位置とを結んだ線と前記発光面の垂線とのなす角度に基づいて前記長軸側集光レンズ毎に設定されている、
ことを特徴とするレンズアレイ。 - 請求項1または2に記載のレンズアレイであって、
前記長軸側集光レンズにおける前記レーザ光の出射面側は、ほぼ平面状である、
ことを特徴とするレンズアレイ。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のレンズアレイと、
複数の光導波路とを備えたレーザ集光装置であって、
複数の前記光導波路のそれぞれは、前記レーザ発光部の前記短軸方向の長さに対応した厚さを有し、前記長軸方向に並んだ前記レーザ発光部からの複数のレーザ光が入射される入射面を有し、前記レーザ集光位置に出射面を有しており、
複数の前記レーザ発光部を、前記長軸方向毎の複数の長軸グループに分割し、
前記レンズアレイの前記短軸方向の長さは前記光導波路の前記短軸方向の長さと同じであり、
各光導波路の入射面に前記レンズアレイを設け、
前記光導波路の入射面に設けられた前記レンズアレイの前記長軸側集光レンズのそれぞれが、前記長軸グループの各レーザ発光部に対応する位置となるように、複数の前記光導波路が前記短軸方向に並べて配置されており、
複数の前記レーザ発光部から出射される複数の前記レーザ光を、前記長軸グループ毎に、前記光導波路を用いて、前記短軸方向に対して前記光導波路内に閉じ込め、前記長軸方向に対して前記レーザ集光位置に集光する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載のレンズアレイと、
入射された前記レーザ光を前記短軸方向に集光する短軸方向集光レンズとを備えたレーザ集光装置であって、
前記レンズアレイの位置が、前記短軸グループの前記レーザ発光部から出射される前記レーザ光のそれぞれが、前記短軸グループに対応する前記長軸側集光レンズによって前記長軸方向に対して前記レーザ集光位置に集光される位置に位置決めされており、
更に、前記短軸方向集光レンズの位置が、前記レンズアレイと前記レーザ集光位置との間、且つ当該短軸方向集光レンズを通過した前記レーザ光のそれぞれが、前記レーザ集光位置上における前記短軸方向に沿ったそれぞれの所定位置で前記短軸方向に対して集光される位置に位置決めされている、
ことを特徴とするレーザ集光装置。 - 請求項5に記載のレーザ集光装置であって、更に、入射された前記レーザ光を前記短軸方向に屈折させて前記短軸方向に対して幅をほぼ均一にする短軸方向幅均一化レンズを備え、
前記短軸方向幅均一化レンズの位置が、前記レンズアレイと前記短軸方向集光レンズとの間の位置、且つ前記発光面から当該短軸方向幅均一化レンズのほぼ焦点距離の位置に位置決めされており、
前記短軸方向集光レンズの位置が、前記発光面から前記短軸方向幅均一化レンズの焦点距離のほぼ2倍の距離に当該短軸方向集光レンズのほぼ焦点距離を加えた位置に位置決めされており、
前記レーザ集光位置が、前記発光面から前記短軸方向幅均一化レンズの焦点距離のほぼ2倍の距離に当該短軸方向集光レンズの焦点距離のほぼ2倍の距離を加えた位置に位置決めされている、
ことを特徴とするレーザ集光装置。 - 請求項4に記載のレーザ集光装置であって、更に、複数の光ファイバと、集光レンズとを備え、
前記光ファイバのそれぞれの入射面を、前記光導波路のそれぞれの出射面に配置し、
前記光ファイバのそれぞれの出射面は任意の形状に束ねられ、任意の形状に束ねられた前記光ファイバの出射面側に前記集光レンズが配置されており、
複数の前記レーザ発光部から出射される複数の前記レーザ光を、前記光導波路を用いて前記長軸グループ毎に集光して前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの出射面から出射されるレーザ光を前記集光レンズで集光する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。 - 請求項5または6に記載のレーザ集光装置であって、更に、複数の光ファイバと、集光レンズとを備え、
前記光ファイバのそれぞれの入射面を、前記レーザ集光位置上において、前記レーザ光のそれぞれが前記長軸方向及び前記短軸方向に集光された位置に配置し、
前記光ファイバのそれぞれの出射面は任意の形状に束ねられ、任意の形状に束ねられた前記光ファイバの出射面側に前記集光レンズが配置されており、
複数の前記レーザ発光部から出射される複数の前記レーザ光を、前記レンズアレイを用いて前記レーザ集光位置に前記長軸方向に対して集光し、前記短軸方向集光レンズ、あるいは前記短軸方向幅均一化レンズと前記短軸方向集光レンズを用いて前記レーザ光毎に前 記短軸方向に集光して前記光ファイバに入射し、前記光ファイバの出射面から出射されるレーザ光を前記集光レンズで集光する、
ことを特徴とするレーザ集光装置。
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