WO2018163598A1

WO2018163598A1 - 波長結合レーザ装置

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Publication number: WO2018163598A1
Application number: PCT/JP2018/000709
Authority: WO
Inventors: 信高小林; 智毅桂; 大嗣森田; 西前　順一; 京藤　友博
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-09-13
Also published as: US11108214B2; JPWO2018163598A1; CN110383607B; US20200028332A1; DE112018001247B4; DE112018001247T5; CN110383607A; JP6818867B2

Abstract

波長結合レーザ装置（１０）は、レーザ光結合方向に並んだ複数の発光部の出射端面（１ｂ）から、レーザ光結合方向に垂直な光軸の方向へ複数のレーザ光（６）を出射する半導体レーザと、レーザ光結合方向に複数のレーザ光を結合して１本のレーザ光にして出力する波長結合素子（３）と、波長結合素子から出力された１本のレーザ光の光軸に垂直なレーザ光結合方向に正のパワーを有するクロスカップリング抑制光学系（４）と、クロスカップリング抑制光学系を経た１本のレーザ光を反射すると共に透過させて出射する部分反射鏡（５）と、を備え、光軸とレーザ光結合方向とが成す平面内において、出射端面と部分反射鏡とを共役に結ぶことにより、出射端面を部分反射鏡の上に結像するように、クロスカップリング抑制光学系が配置されている。

Description

波長結合レーザ装置

　本発明は、半導体レーザの複数の発光部から出射されたレーザ光を合成する波長結合レーザ装置に関する。

　多数の半導体レーザダイオード（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）が出射する光（以下、ＬＤ光と称する）を合成するレーザ発振器の例として、回折格子を波長結合素子として用いた波長結合型の共振器が存在する。

　近年、金属の切断または溶接といった加工に、波長が９００ｎｍ帯または１０００ｎｍ帯であって、電気光変換効率の高いＬＤ光が直接用いられるようになってきた。しかし、これらの用途において、単一のＬＤ光、つまり半導体素子の一つの発光層である活性層ストライプから放射される光の出力には限りがあるので、高出力なレーザ光を得るためには、複数の発光層からのＬＤ光を集めて用いている。

　さらに、特に切断加工においては、高いビーム品質すなわち集光性能も必要であるため、単純に複数のＬＤ光を集めるだけでなく、ＬＤ光の合成が行われる。金属の切断または溶接といった加工には数１００Ｗから数ｋＷのレーザ出力が必要であり、発光層を複数本設けたＬＤバーは、複数のＬＤ光を得るのに便利である。具体的には、幅１０ｍｍ程のＬＤバーに幅５０μｍから２００μｍの発光層が等ピッチに配列されており、１０本から５０本のレーザ光がその端面から出射される。このようなＬＤバーからは数１０Ｗの出力が得られ、近年では数１００Ｗを出力するＬＤバーも入手可能になった。

　波長結合型の共振器では、ビーム品質と電気光変換効率を低下させるクロスカップリング発振、いわゆるクロストークが生じ易い。波長結合型の共振器では、ＬＤバーから出射された多数のＬＤ光を重畳して、高出力且つ多波長の１本の合成レーザ光を得る。この波長結合には波長結合素子を備えた外部共振器光路を用いるが、部分反射鏡で反射されたＬＤ光が、そのＬＤ光を発した元の発光層に帰還せず、隣の発光層といった別の発光層に帰還することがある。このとき、隣り合う発光層間といった異なる発光層間でレーザ発振が生じる。このレーザ発振がクロスカップリング発振である。

　このクロスカップリング発振を抑えるために、特許文献１においては、ａ　ｃｒｏｓｓ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍの後のレーザ光のレイリー長内に、ａ　ｐａｒｔｉａｌｌｙ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｏｕｔｐｕｔ　ｃｏｕｐｌｅｒ、すなわち部分反射鏡を配置すれば良いとされている。

米国特許第９２５６０７３号明細書

　しかし、特許文献１に記載された手法では、クロスカップリング発振を止めることはできない。特許文献１は、回折格子から部分反射鏡までの間の距離であるＬｃｐｌｒ＿ｅｆｆを、レンズ後のレーザ光のレイリー長であるＺｒと同等以上にしている。また、Ｚｒの具体的な値は１６０ｍと非現実的な距離であるため、アフォーカル望遠鏡を用いて１ｍ程度の現実的な距離に短縮して部分反射鏡を配置している。しかし、クロスカップリング発振を抑制可能な部分反射鏡の配置位置は、実際にはこのような広い範囲ではなく、非常に狭いピンポイントでしか存在しない。したがって、クロスカップリング発振を止めるためには、ａ　ｃｒｏｓｓ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍの後のレーザ光のレイリー長内に、部分反射鏡を配置するという条件だけでは不十分である。さらに、アフォーカル望遠鏡ではクロスカップリング発振を止めることができない。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、クロスカップリング発振を発生させず、高いビーム品質および高い電気光変換効率を有した波長結合レーザ装置を得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光結合方向に並んだ複数の発光部の出射端面から、レーザ光結合方向に垂直な光軸の方向へ複数のレーザ光を出射する半導体レーザと、レーザ光結合方向に複数のレーザ光を結合して１本のレーザ光にして出力する波長結合素子と、波長結合素子から出力された１本のレーザ光の光軸に垂直なレーザ光結合方向に正のパワーを有するクロスカップリング抑制光学系と、クロスカップリング抑制光学系を経た１本のレーザ光を反射すると共に透過させて出射する部分反射鏡と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明は、１本のレーザ光の光軸とレーザ光結合方向とが成す平面内において、出射端面と部分反射鏡とを共役に結ぶことにより、出射端面を部分反射鏡の上に結像するように、クロスカップリング抑制光学系が配置されていることを特徴とする。

　本発明によれば、クロスカップリング発振を発生させず、高いビーム品質および高い電気光変換効率を有した波長結合レーザ装置を得ることが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置の構成を示す図実施の形態１にかかる波長結合素子における複数のレーザ光の振る舞いを示す図クロスカップリング発振におけるレーザ光の振る舞いを説明する図実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置におけるクロスカップリング抑制光学系の働きを説明する図図３に示した波長結合レーザ装置の波長スペクトルを示す図図４に示した波長結合レーザ装置の波長スペクトルを示す図実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置に１／２波長板を配置した様子を示す図本発明の実施の形態２にかかる波長結合レーザ装置の構成を示す図実施の形態２にかかるＬＤバーおよびビーム整形素子の一例の拡大図実施の形態２にかかるＬＤバーおよびビーム整形素子の別の例の拡大図実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置においてビーム品質が低下する様子を説明する図本発明の実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置の構成を示す図実施の形態３にかかる別の波長結合レーザ装置の構成を示す図本発明の実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置の構成を示す図実施の形態４にかかる別の波長結合レーザ装置の構成を示す図

　以下に、本発明の実施の形態にかかる波長結合レーザ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０の構成を示す図である。波長結合レーザ装置１０は、複数の発光部である発光層１ａが設けられた半導体レーザであるＬＤバー１と、集光素子２と、波長結合素子３と、クロスカップリング抑制光学系４と、部分反射鏡５と、を備えている。集光素子２およびクロスカップリング抑制光学系４それぞれの具体例はレンズである。波長結合素子３の具体例は回折格子である。

　ＬＤバー１内の発光層１ａは１０本から５０本程度設けられており、ＬＤバー１の幅方向に等ピッチで並んでいる。ＬＤバー１の幅方向は、波長結合素子３がレーザ光６を結合する方向であるレーザ光結合方向になっている。図１においては、簡略化して示すために３本の発光層１ａだけが描かれている。個々の発光層１ａの出射端面１ｂから、レーザ光結合方向に垂直な光軸の方向にそれぞれレーザ光６が出射される。レーザ光結合方向は、レーザ光６の光軸に対する方向であり、光軸に対して垂直かつＬＤバー１の厚み方向に対しても垂直な方向と定義する。したがって、後述する波長結合素子３により光軸の方向が変化すれば、レーザ光結合方向も変化する。ここで、発光層１ａが並んでいるＬＤバー１の幅方向をＸ方向、ＬＤバー１の厚み方向をＹ方向、レーザ光６が出射される方向をＺ方向とする。

　ＬＤバー１は、ＩｎＧａＡｓ基板またはＡｌＧａＡｓ基板に対して、リソグラフィといった半導体プロセスを実行することにより作製される。ＬＤバー１を冷却するためのヒートシンク、ＬＤバー１とヒートシンクをつなぐサブマウント、通電のための電極および金ワイヤーは、図１では省略してある。

　集光素子２をレンズで構成する場合、集光素子２は石英またはガラス製で、少なくとも上述したレーザ光結合方向（Ｘ方向）に、凸のパワーすなわち正のパワーを持つ。集光素子２は、各発光層１ａから出射されて発散しながら伝搬してくるレーザ光６をコリメートすなわち平行化する。同時に、集光素子２は、各レーザ光６の主光線６ａを波長結合素子３上の一点Ａに集める。

　波長結合素子３を回折格子で構成する場合、波長結合素子３は、主光線６ａが一点Ａに集められた各レーザ光６を１次の回折方向へと回折する。なお、波長結合素子３が各レーザ光６を回折する方向は１次の回折方向に限定されるわけではない。

　波長結合素子３で回折された各レーザ光６は、クロスカップリング抑制光学系４を透過し、部分反射鏡５でその一部が反射される。部分反射鏡５で反射された各レーザ光６の一部は、これまで伝搬してきた光路を逆方向に、クロスカップリング抑制光学系４、波長結合素子３、集光素子２と遡って行き、各々が当該各レーザ光６を出射した元の発光層１ａへと帰還する。

　すなわち、波長結合レーザ装置１０は、発光層１ａを利得媒質である発振源とし、ＬＤバー１における出射端面１ｂの逆側の端面１ｃを全反射鏡とし、部分反射鏡５を端面１ｃに対向する鏡とした共振器である。ＬＤバー１の外側の部分となる集光素子２から部分反射鏡５までを外部共振器光路と呼ぶ。

　次に、複数のレーザ光６の合成、つまり波長結合について説明する。図２は、実施の形態１にかかる波長結合素子３における複数のレーザ光６の振る舞いを示す図である。図２では、複数のレーザ光６を、簡単のため３本の主光線６ｉ，６ｊ，６ｋで表している。主光線６ｉ，６ｊ，６ｋは、集光素子２で波長結合素子３上の一点Ａに集められている。

　波長結合素子３における主光線６ｉ，６ｊ，６ｋの入射角は、ＬＤバー１における発光層１ａのピッチと、集光素子２の焦点距離と、波長結合素子３の配置角とに基づいて、それぞれθｉ，θｊ，θｋと決定される。

　一方、主光線６ｉ，６ｊ，６ｋが各々の光線を出射した元の発光層１ａに帰還するためには、主光線６ｉ，６ｊ，６ｋは波長結合素子３で回折された後、部分反射鏡５に垂直入射して垂直反射しなければならない。この条件から、波長結合素子３における主光線６ｉ，６ｊ，６ｋの出射角すなわち回折角は、全て同じ大きさの角度ψに決定される。

　以上のようにして決定された入射角θｉ，θｊ，θｋおよび出射角ψに基づいて、主光線６ｉ，６ｊ，６ｋの波長は、定められた値λｉ，λｊ，λｋに決定される。

　すなわち、各発光層１ａから出射されるレーザ光６の発振可能な波長が自動的に選択されて、波長結合レーザ装置１０は発振する。この時、入射角がθｉからθｋへと大きくなるのに従い、波長はλｉからλｋへと長くなることから、各発光層１ａから出射されるレーザ光６の波長は、ＬＤバー１のＸ方向に沿って段階的且つ離散的に変化したものになる。

　波長結合素子３におけるレーザ光６の出射角ψは、入射角の大きさに関わらず一定の値である。つまり、波長結合素子３はレーザ光結合方向であるＸ方向に複数のレーザ光６を結合して１本のレーザ光６にして出力する。その結果、波長結合素子３から部分反射鏡５までの間、全ての波長のレーザ光６は１本に重畳されており、波長結合レーザ装置１０は部分反射鏡５から１本の多波長の合成レーザ光を出射する。

　クロスカップリング抑制光学系４が存在しない場合または適切に配置されていない場合、ある一つの発光層１ａから出射されたレーザ光６が元の発光層１ａに帰還せず、別の発光層１ａに帰還してしまうことがある。このような場合、異なる２つの発光層１ａの間で発振が生じる。この現象をクロスカップリング発振と呼ぶ。

　図３は、クロスカップリング発振におけるレーザ光６の振る舞いを説明する図である。図３に示した波長結合レーザ装置２０には、クロスカップリング抑制光学系４が存在しない。また、図３では、波長結合素子３における回折の効果を簡略化して示してあり、ＬＤバー１から部分反射鏡５までを一直線に配置して示してある。そして、ＬＤバー１の発光層については、着目する２本の発光層１ｐ，１ｑのみを描いてある。実線で示した主光線６ｐ，６ｑは、それぞれ発光層１ｐ，１ｑから出射されたレーザ光で、クロスカップリング発振ではない正規発振の光路を表している。破線で示した光線６ｒはクロスカップリング発振の光路を表している。

　発光層１ｐから斜めに出射された光線６ｒは、部分反射鏡５に対して入射角度εで入射し、反射角度εで反射して発光層１ｑに帰還する。逆に、光線６ｒが発光層１ｑから出射される場合は、発光層１ｐに帰還する。このようにして、光線６ｒは発光層１ｐと発光層１ｑとを往復する。この時、主光線６ｐ，６ｑの一部は部分反射鏡５を真っ直ぐに透過するが、クロスカップリング発振の光線６ｒはその一部が角度εだけずれて部分反射鏡５を透過する。すなわち、クロスカップリング発振が生じると、部分反射鏡５から出射されるレーザ光は正規発振のレーザ光より広がり、ビーム品質が低下する。

　なお、主光線６ｐ，６ｑの波長をそれぞれλｐ，λｑとした時、クロスカップリング発振の光線６ｒの波長は、およそλｐおよびλｑの中間の波長（λｐ＋λｑ）／２になる。よって、出射されるレーザ光の波長スペクトルを測定すれば、クロスカップリング発振が生じているか否かを知ることができる。

　図４は、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０におけるクロスカップリング抑制光学系４の働きを説明する図である。図４も、図３と同様に、波長結合素子３における回折の効果を簡略化して示してあり、ＬＤバー１から部分反射鏡５までを一直線に配置して示してある。

　クロスカップリング抑制光学系４をレンズで構成する場合、クロスカップリング抑制光学系４は石英またはガラス製である。クロスカップリング抑制光学系４は、波長結合素子３において結合されて出射された１本のレーザ光６の光軸方向と、ＬＤバー１の厚み方向との双方に垂直な図１に示したレーザ光結合方向４００に凸のパワーすなわち正のパワーを有している。レーザ光結合方向４００は、クロスカップリング抑制光学系４における、波長結合素子３で複数のレーザ光６を結合したＬＤバー１の幅方向に相当する方向である。

　さらに、クロスカップリング抑制光学系４と集光素子２とを合わせた外部共振器光路のレンズ系は、１本のレーザ光６の光軸方向とレーザ光結合方向４００とが成す平面内すなわちＸＺ面内においてＬＤバー１の出射端面１ｂと部分反射鏡５とを共役に結んでいる。つまり、上記レンズ系は、ＸＺ面内で出射端面１ｂを部分反射鏡５上に結像する。

　図４において実線で示した主光線６ｐ，６ｑは、図３と同様に、それぞれ発光層１ｐ，１ｑから出射されたレーザ光で、正規発振の光路を表している。図４において破線で示した光線６ｖは、図３の光線６ｒを参考にした部分反射鏡５上で入射角度εおよび反射角度εで入射および反射する仮想的な光線である。図４から、光線６ｖは発光層１ｐと発光層１ｑとの中央の点Ｂに帰還することが分かる。この帰還する点Ｂの位置は角度εの大きさに依らないことから、クロスカップリング発振のレーザ光である光線６ｖは存在することができない。

　クロスカップリング抑制光学系４の機能を別の方法でも説明する。先に述べたように、クロスカップリング抑制光学系４と集光素子２とを合わせた外部共振器光路のレンズ系によって、ＸＺ面内でＬＤバー１の出射端面１ｂは部分反射鏡５上に結像される。ここで、クロスカップリング発振が発生するとすれば、発光層１ｐと発光層１ｑとが同一の波長（λｐ＋λｑ）／２で発振するため、部分反射鏡５上における発光層１ｐおよび発光層１ｑそれぞれの像は、発光層１ｐおよび発光層１ｑのピッチ分だけ分離しなければならない。つまり、発光層１ｐおよび発光層１ｑそれぞれの像は部分反射鏡５上で重ならないことになるので、部分反射鏡５で反射されたレーザ光６が出射元とは別の発光層１ａに帰還することはなく、出射元の発光層１ａのみに帰還可能である。よって、クロスカップリング発振は発生せず、部分反射鏡５から出射されるレーザ光６は正規発振のレーザ光６のみとなる。

　図５は、図３に示した波長結合レーザ装置２０の波長スペクトルを示す図である。図６は、図４に示した波長結合レーザ装置１０の波長スペクトルを示す図である。図５および図６の横軸は波長で、縦軸は強度である。図６は、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０の効果を示している。

　図３に示した波長結合レーザ装置２０および図４に示した波長結合レーザ装置１０は、共に１９本の発光層１ａを備えたＬＤバー１を用いている。図５では、クロスカップリング発振が抑制できておらず、波長スペクトルが乱れているのに対して、図６では、１９本の分離したピークを明瞭に確認でき、クロスカップリング発振が抑制できていることが分かる。

　すなわち、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０によれば、クロスカップリング抑制光学系４を設けることによって、光軸方向とレーザ光結合方向４００とが成す平面内においてＬＤバー１の出射端面１ｂと部分反射鏡５とを共役に結ぶ、つまり出射端面１ｂを部分反射鏡５上に結像する。これにより、クロスカップリング発振が抑制され、高いビーム品質が得られる。また、クロスカップリング発振が生じると、ＬＤバー１の電気光変換効率が低下するが、クロスカップリング発振を抑制することで本来ＬＤバー１が備えている電気光変換効率が得られる。さらに、クロスカップリング発振によるレーザ光はビーム品質を落とす無駄な光であるので、クロスカップリング発振の発生を抑えることでレーザ加工に寄与するレーザ光の利用効率を高めることが可能となる。

　実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０においては、クロスカップリング抑制光学系４を配置することのみによってＬＤバー１の出射端面１ｂを部分反射鏡５上に結像している。したがって、波長結合レーザ装置１０は、クロスカップリング発振の光路を遮断するための開口またはスリット、レーザ光６の発振波長を固定するための追加光路であるロッキングアームなどを設ける必要がない単純かつ簡便な構成である。その結果、波長結合レーザ装置１０は低コストであり、製造誤差に対しても安定してクロスカップリング発振を抑制することができる。

　なお、ＬＤバー１と波長結合素子３との間、具体的には集光素子２と波長結合素子３との間に１／２波長板を配置しても良い。図７は、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０に１／２波長板８を配置した様子を示す図である。集光素子２と波長結合素子３との間に設けられた１／２波長板８によってレーザ光６の偏光方向を光軸の回りに９０ｄｅｇ回転させることで、波長結合素子３の回折効率を高め易くなり、高効率な波長結合レーザ装置１０が得られる。

　さらに、波長結合レーザ装置１０は半導体レーザであるＬＤバー１を複数備えても良い。全てのＬＤバー１から出射されるレーザ光６の主光線６ａが、波長結合素子３上の一点Ａに集まるようにＬＤバー１を配置する。複数のＬＤバー１のレーザ光６を１本に重畳するので、波長結合レーザ装置１０は高出力を得ることができる。

実施の形態２．
　図８は、本発明の実施の形態２にかかる波長結合レーザ装置１１の構成を示す図である。図８において、図１および図４と同じ符号を付した構成要素は同じである。実施の形態２に示す波長結合レーザ装置１１は、ビーム整形素子７を備える。すなわち、波長結合レーザ装置１１のＬＤバー１は、出射端面１ｂに対向するようにビーム整形素子７を備える。ＬＤバー１の幅方向であるＸ方向に等ピッチで並ぶアレイ状の発光層１ａから発散光として出射される複数のレーザ光６がお互いに重なり合う前に、ビーム整形素子７は、ＬＤバー１から出射される複数のレーザ光６をコリメートして発散角を抑える。ビーム整形素子７によってコリメートされた複数のレーザ光６が波長結合素子３に入射する。図８においては、簡略化して示すために３本の発光層１ａだけが描かれている。ビーム整形素子７の詳細については、図９および図１０を用いて以下で説明する。

　図９は、実施の形態２にかかるＬＤバー１およびビーム整形素子７の一例の拡大図である。図１０は、実施の形態２にかかるＬＤバー１およびビーム整形素子７の別の例の拡大図である。図９および図１０は、異なる２タイプのビーム整形素子７を示している。

　ＬＤバー１の発光層１ａの幅は、通常５０μｍから２００μｍであり、発光層１ａから出射されるレーザ光６のＬＤバー１の幅方向（Ｘ方向）の発散角は７ｄｅｇから１１ｄｅｇである。一方、発光層１ａの厚さは１μｍ程度で、出射されるレーザ光６の発光層１ａの厚み方向（Ｙ方向）の発散角は４５ｄｅｇから６０ｄｅｇである。レーザ光６の発散角が小さい方向を遅軸方向と呼び、レーザ光６の発散角が大きい方向を速軸方向と呼ぶ。したがって、ＬＤバー１の幅方向（Ｘ方向）が遅軸方向であり、発光層１ａの厚み方向（Ｙ方向）が速軸方向となる。すなわち、ＬＤバー１において幅方向（遅軸方向）に並んだ複数の発光層１ａから複数のレーザ光６が出射され、個々のレーザ光６は、発散角が異なる２つの方向、すなわち遅軸方向および速軸方向を有する。

　このようなレーザ光６をコリメートするために、一例として図９に示すビーム整形素子７が用いられる。ビーム整形素子７は２つのレンズ、つまり速軸方向をコリメートするＦＡＣ（Ｆａｓｔ　Ａｘｉｓ　Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）７１と、遅軸方向をコリメートするＳＡＣ（Ｓｌｏｗ　Ａｘｉｓ　Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）７２と、から構成される。ＦＡＣ７１は、Ｘ方向に母線を有するシリンドリカルレンズである。ＳＡＣ７２の出射面７２ｂは、Ｙ方向に母線を有するシリンドリカル形状のレンズ面をレーザ光結合方向であるＸ方向に複数並べたレンズアレイ、すなわちマイクロレンズアレイである。なお、ＳＡＣ７２の入射面７２ａは、平坦な面である。

　一方、図１０に示すビーム整形素子７は、ＦＡＣ７１を備えた上で、ＳＡＣ７２の代りに光路変換素子７３を備える。光路変換素子７３は、レーザ光６の遅軸方向と速軸方向とを入れ替える働きがある。つまり、光路変換素子７３の前後で、レーザ光６の遅軸方向はＸ方向からＹ方向へと、速軸方向はＹ方向からＸ方向へと変化する。光路変換素子７３においては、入射面７３ａおよび出射面７３ｂは共に、シリンドリカル形状のレンズ面をレーザ光結合方向であるＸ方向に複数並べたレンズアレイ、すなわちマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイを構成する個々のレンズ面は、ＸＹ平面内で４５ｄｅｇの方向に母線を有する。マイクロレンズアレイを構成する個々のレンズ面は、入射面７３ａと出射面７３ｂとで対向するように配置されており、遅軸方向であるＸ方向における対向するレンズ面同士の位置が一致する。また、個々のレンズ面の位置が発光層１ａからのレーザ光６の出射位置とも一致するように、光路変換素子７３は配置される。

　ＦＡＣ７１、ＳＡＣ７２および光路変換素子７３それぞれのレンズ面は、母線に垂直な断面形状が凸の円弧、楕円、双曲線またはそれらに多項式を組み合わせた非円弧のいずれかになっている。なお、光路変換素子７３を用いる場合、外部共振器光路内にレーザ光６の遅軸方向をコリメートするレンズを別途設けることがある。

　図９または図１０に示したビーム整形素子７によって、レーザ光６をコリメートして発散角を抑えることで、波長結合レーザ装置１１を小さくコンパクトにすることができる。つまり、波長結合レーザ装置１１の製造コストを安く抑えることが可能である。

　ビーム整形素子７でコリメートされたレーザ光６は、ＳＡＣ７２の出射面７２ｂまたは光路変換素子７３の出射面７３ｂから出射した後、回折によって再び広がる。このため、波長結合レーザ装置１１がビーム整形素子７を備える場合、出射面７２ｂまたは７３ｂをＬＤバー１の新たな出射端面と見なし、これらを部分反射鏡５上に結像することで、クロスカップリング発振を抑えることができる。すなわち、光軸方向とレーザ光結合方向とが成す平面内において出射面７２ｂまたは７３ｂが部分反射鏡５と共役に結ぶようにクロスカップリング抑制光学系４を配置することにより、出射面７２ｂまたは７３ｂを部分反射鏡５上に結像する。図８の破線は、出射面７２ｂ，７３ｂが部分反射鏡５上に結像されていることを表す発散光である。なお、実線はレーザ光６の主光線６ａである。実際には、ビーム整形素子７は、波長結合レーザ装置１０と比べて十分小さいので、ビーム整形素子７を無視して、クロスカップリング抑制光学系４がＬＤバー１の出射端面１ｂを部分反射鏡５上に結像するように、クロスカップリング抑制光学系４を配置しても問題ない。

　また、ＳＡＣ７２のピッチをずらす、またはＦＡＣ７１の母線をＸＹ面内で傾斜させるといった方法で、発光層１ａから出射される各レーザ光６の主光線６ａを波長結合素子３の一点Ａに集めることができる。つまり、図８に示すように、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０が備える集光素子２は必須の部品ではなく、無くてもかまわない。図８に示すように、集光素子２を用いない場合、クロスカップリング抑制光学系４のみによって、ＸＺ面内でＳＡＣ７２の出射面７２ｂまたは光路変換素子７３の出射面７３ｂを部分反射鏡５上に結像する。

　以上説明したように、実施の形態２にかかる波長結合レーザ装置１１によれば、クロスカップリング抑制光学系４によって、光軸方向とレーザ光結合方向とが成す平面内においてＳＡＣ７２の出射面７２ｂまたは光路変換素子７３の出射面７３ｂと部分反射鏡５を共役に結ぶ、つまり、出射面７２ｂ，７３ｂを部分反射鏡５上に結像することで、クロスカップリング発振が抑制されると共に、波長結合レーザ装置１１を小さくコンパクトにして安価にすることができる。

実施の形態３．
　図１１は、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０においてビーム品質が低下する様子を説明する図である。実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０および実施の形態２にかかる波長結合レーザ装置１１が備えるクロスカップリング抑制光学系４によって、クロスカップリング発振を抑制することができても、以下に説明する条件下でビーム品質が低下することがある。

　図１１は、実施の形態１にかかる波長結合レーザ装置１０におけるクロスカップリング抑制光学系４によるビーム品質の低下を説明する図である。図１１は簡略化して示すために、３本の発光層１ａだけを描いている。真ん中の発光層１ａから出射されるレーザ光６のみを考え、実線は主光線６ａで、破線は出射端面１ｂが部分反射鏡５上に結像されていることを表す発散光である。クロスカップリング抑制光学系４は、波長結合レーザ装置１０においては一枚のレンズである。前述したように、クロスカップリング抑制光学系４は、波長結合素子３において結合された１本のレーザ光６の光軸方向と、ＬＤバー１の厚み方向との双方に垂直なレーザ光結合方向４００に凸のパワーすなわち正のパワーを有している。

　ここで、図１１において、クロスカップリング抑制光学系４のレーザ光結合方向の焦点距離をｆ、波長結合素子３とクロスカップリング抑制光学系４との間隔をＬ１とし、クロスカップリング抑制光学系４と部分反射鏡５との間隔をＬ２とする。図１１の波長結合レーザ装置１０においては、Ｌ１＝Ｌ２＝ｆとなるようにクロスカップリング抑制光学系４と部分反射鏡５とが配置されている。

　図１１のようにクロスカップリング抑制光学系４と部分反射鏡５とが配置された場合、波長結合素子３で回折した波長の異なる複数の光線６ｓ（波長λｓ）、光線６ｔ（波長λｔ）、光線６ｕ（波長λｕ）が元の発光層１ａに帰還可能である。すなわち、１つの発光層１ａが連続した広い波長幅でレーザ発振し、部分反射鏡５上でレーザ光６のビーム径は大きく広がっている。このため、部分反射鏡５から出射されるレーザ光のビーム品質が低下する。

　このビーム品質の低下は、Ｌ１≪Ｌ２となる関係にすれば回避できる。そして、Ｌ１とＬ２との差を大きくすればするほど、各発光層１ａの１つあたりの波長幅を狭くすることができる。これにより、部分反射鏡５上のレーザ光６のビーム径が細くなり、部分反射鏡５から出射されるレーザ光６のビーム品質は向上する。したがって、図１１において、クロスカップリング抑制光学系４を波長結合素子３に近づけてＬ１をゼロに近づけ、Ｌ２（＝ｆ）をより長くすればＬ１とＬ２の差は大きくなる。しかし、これはＬ１がゼロ以下にならないため全体としては波長結合レーザ装置１０が大型化する方向である。

　図１２は、本発明の実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置１２の構成を示す図である。図１３は、実施の形態３にかかる別の波長結合レーザ装置１３の構成を示す図である。本発明の実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置１２，１３においては、外部共振器光路を長くすることなく、上記した条件を回避して、良好なビーム品質を実現することができる。

　図１２の波長結合レーザ装置１２においては、クロスカップリング抑制光学系４を凸レンズ４１および凹レンズ４２の２枚のレンズで構成している。凸レンズ４１と凹レンズ４２は、波長結合素子３において結合された１本のレーザ光６の光軸方向と、ＬＤバー１の厚み方向との双方に垂直な図１２に示したレーザ光結合方向４０１にパワーを有している。波長結合素子３に近い側に第一レンズである凸レンズ４１を配置し、部分反射鏡５に近い側に第二レンズである凹レンズ４２を配置する。なお、凸レンズ４１と凹レンズ４２との間隔Ｌ３は、凸レンズ４１のレーザ光結合方向４０１の焦点距離を第一焦点距離ｆ１とし、凹レンズ４２のレーザ光結合方向４０１の焦点距離を第二焦点距離ｆ２とすると、Ｌ３＞ｆ１＋ｆ２を満たす。つまり、Ｌ３＝ｆ１＋ｆ２を満たすアフォーカル望遠鏡ではない。このレンズ配置により、凸レンズ４１と凹レンズ４２とを合成した時のレンズ主面Ｈを、波長結合素子３よりもＬＤバー１側に配置することができる。したがって、図１２の波長結合レーザ装置１２においては、図１１の一枚のレンズからなるクロスカップリング抑制光学系４を上記レンズ主面Ｈに配置したことに相当する構成が可能となる。すなわち、図１１において、Ｌ１＜０にしてＬ１とＬ２の差を大きくすることに相当する構成が図１２の波長結合レーザ装置１２により可能となる。

　また、図１３の波長結合レーザ装置１３においては、クロスカップリング抑制光学系４を２枚の凸レンズ４３，４４で構成している。凸レンズ４３，４４は、波長結合素子３において結合された１本のレーザ光６の光軸方向と、ＬＤバー１の厚み方向との双方に垂直な図１３に示したレーザ光結合方向４０２にパワーを有している。波長結合素子３に近い側に第一レンズである凸レンズ４３を配置し、部分反射鏡５に近い側に第二レンズである凸レンズ４４を配置する。なお、凸レンズ４３と凸レンズ４４との間隔Ｌ４は、凸レンズ４３のレーザ光結合方向４０２の焦点距離を第一焦点距離ｆ３、凸レンズ４４のレーザ光結合方向４０２の焦点距離を第二焦点距離ｆ４とすると、Ｌ４＞ｆ３＋ｆ４を満たす。つまり、クロスカップリング抑制光学系４はＬ４＝ｆ３＋ｆ４を満たすアフォーカル望遠鏡ではない。さらに、ｆ３＞ｆ４である。凸レンズ４４はレーザ光結合方向４０２に凸のパワーすなわち正のパワーを有しており、凸レンズ４４と部分反射鏡５との間隔Ｓは、Ｓ＞Ｌ４－ｆ３を満たす。このレンズ配置により、凸レンズ４３と凸レンズ４４とを合成した時のレンズ主面Ｈを、波長結合素子３よりもＬＤバー１側に置くことができる。したがって、図１３の波長結合レーザ装置１３においては、図１１の一枚のレンズからなるクロスカップリング抑制光学系４を上記レンズ主面Ｈに配置したことに相当する構成が可能となる。すなわち、図１１において、Ｌ１＜０にしてＬ１とＬ２の差を大きくすることに相当する構成が図１３の波長結合レーザ装置１３により可能となる。

　以上説明したように、実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置１２，１３によれば、クロスカップリング抑制光学系４を２枚のレンズで構成することにより、外部共振器光路を長くすることなく、つまり波長結合レーザ装置１２，１３を大型化することなく、クロスカップリング発振を抑制すると共に良好なビーム品質を得ることができる。

　なお、図１２および図１３には、実施の形態２で示したビーム整形素子７を描いていないが、実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置１２，１３においては、ビーム整形素子７が無くても上記効果が得られる。また、実施の形態３にかかる波長結合レーザ装置１２，１３がビーム整形素子７を備えている場合は、集光素子２を備えていなくても、波長結合レーザ装置１２，１３は良好なビーム品質を有する。

実施の形態４．
　図１４は、本発明の実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置１４の構成を示す図である。図１５は、実施の形態４にかかる別の波長結合レーザ装置１５の構成を示す図である。

　図１４を用いて説明すると、部分反射鏡５の外部共振器光路の内側に面した面が部分反射面５ａであり、外部共振器光路の外側に面した面が全透過面５ｂである。波長結合レーザ装置１４が複数のＬＤバー１を備える場合、１つのＬＤバー１を備える場合に比べて高い出力のレーザ光６が部分反射鏡５の部分反射面５ａ上に集光される。なお、全透過面５ｂは、真空蒸着またはその他の手法により形成された反射防止膜を備えている。

　実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置１４では、部分反射面５ａをノンコートの面にする。つまり、レーザ光６を吸収する可能性がある膜を無くして、高い出力のレーザ光６が集光されても損傷を生じ難くする。その結果、波長結合レーザ装置１４において、レーザ光６は部分反射鏡５の硝材と空気との界面の約４％の反射率で反射されて、発光層１ａに帰還し、波長結合レーザ装置１４は発振する。

　さらに、図１５に示した実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置１５では、部分反射鏡５の外部共振器光路の内側に面した部分反射面５ａを凹面にする。すなわち、部分反射面５ａは、負のパワーを有している。部分反射面５ａを凹面にすることで、全透過面５ｂ上のレーザ光６を広げることによりエネルギー密度を下げることができ、全透過面５ｂの損傷を生じ難くすることができる。

　すなわち、実施の形態４に係る波長結合レーザ装置１４によれば、部分反射鏡５の部分反射面５ａをノンコートの面にする、さらに実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置１５では、部分反射面５ａを凹面にすることで、クロスカップリング発振を抑制すると共に部分反射鏡５の損傷を抑えて長寿命にすることが可能になる。

　なお、部分反射面５ａと全透過面５ｂとは逆の配置でも構わない。つまり、外部共振器光路の内側の面が全透過面で、外側の面が部分反射面であっても構わない。また、図１４および図１５には集光素子２を描いていないが、集光素子２が有っても無くても上記効果が得られる。また、実施の形態４にかかる波長結合レーザ装置１４，１５が、集光素子２を有する場合は、ビーム整形素子７を備えていなくても、波長結合レーザ装置１４，１５は部分反射鏡５の損傷を抑えることが可能である。

　以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　ＬＤバー、１ａ，１ｐ，１ｑ　発光層、１ｂ　出射端面、１ｃ　端面（全反射鏡）、２　集光素子、３　波長結合素子、４　クロスカップリング抑制光学系、５　部分反射鏡、５ａ　部分反射面、５ｂ　全透過面、６　レーザ光、６ａ，６ｉ，６ｊ，６ｋ，６ｐ，６ｑ　主光線、６ｒ，６ｓ，６ｔ，６ｕ，６ｖ　光線、７　ビーム整形素子、８　１／２波長板、１０，１１，１２，１３，１４，１５，２０　波長結合レーザ装置、４１，４３，４４　凸レンズ、４２　凹レンズ、７１　ＦＡＣ、７２　ＳＡＣ、７２ａ，７３ａ　入射面、７２ｂ，７３ｂ　出射面、７３　光路変換素子、θｉ，θｊ，θｋ　入射角、ψ　出射角（回折角）、Ａ　一点、Ｂ　点、Ｈ　レンズ主面。

Claims

　レーザ光結合方向に並んだ複数の発光部の出射端面から、前記レーザ光結合方向に垂直な光軸の方向へ複数のレーザ光を出射する半導体レーザと、
　前記レーザ光結合方向に前記複数のレーザ光を結合して１本のレーザ光にして出力する波長結合素子と、
　前記波長結合素子から出力された前記１本のレーザ光の光軸に垂直な前記レーザ光結合方向に正のパワーを有するクロスカップリング抑制光学系と、
　前記クロスカップリング抑制光学系を経た前記１本のレーザ光を反射すると共に透過させて出射する部分反射鏡と、
　を備え、
　前記１本のレーザ光の光軸と前記レーザ光結合方向とが成す平面内において、前記出射端面と前記部分反射鏡とを共役に結ぶことにより、前記出射端面を前記部分反射鏡の上に結像するように、前記クロスカップリング抑制光学系が配置されている
　ことを特徴とする波長結合レーザ装置。
　レーザ光結合方向に並んだ複数の発光部の出射端面から、前記レーザ光結合方向に垂直な光軸の方向へ複数のレーザ光を出射する半導体レーザと、
　前記出射端面に対向するように設けられ、前記複数のレーザ光をコリメートして出射する出射面が前記レーザ光結合方向に並べられた複数のレンズ面であるビーム整形素子と、
　前記レーザ光結合方向に前記出射面からの前記複数のレーザ光を結合して１本のレーザ光にして出力する波長結合素子と、
　前記波長結合素子から出力された前記１本のレーザ光の光軸に垂直な前記レーザ光結合方向に正のパワーを有するクロスカップリング抑制光学系と、
　前記クロスカップリング抑制光学系を経た前記１本のレーザ光を反射すると共に透過させて出射する部分反射鏡と、
　を備え、
　前記１本のレーザ光の光軸と前記レーザ光結合方向とが成す平面内において、前記出射面と前記部分反射鏡とを共役に結ぶことにより、前記出射面を前記部分反射鏡の上に結像するように、前記クロスカップリング抑制光学系が配置されている
　ことを特徴とする波長結合レーザ装置。
　前記クロスカップリング抑制光学系は、前記１本のレーザ光の光軸方向に垂直な前記レーザ光結合方向にパワーを有する２枚のレンズからなり、前記波長結合素子に近い側の第一レンズの前記レーザ光結合方向の焦点距離をｆ１とし、前記部分反射鏡に近い側の第二レンズの前記レーザ光結合方向の焦点距離をｆ２とすると、ｆ１＞ｆ２であり、
　前記第一レンズと前記第二レンズとの間隔Ｌは、Ｌ＞ｆ１＋ｆ２を満たす
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の波長結合レーザ装置。
　前記第二レンズは、前記レーザ光結合方向に正のパワーを有し、
　前記第二レンズと前記部分反射鏡との間隔Ｓは、Ｓ＞Ｌ－ｆ１を満たす
　ことを特徴とする請求項３に記載の波長結合レーザ装置。
　前記部分反射鏡の部分反射面がノンコートである
　ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の波長結合レーザ装置。
　前記部分反射鏡の部分反射面が負のパワーを有する
　ことを特徴とする請求項５に記載の波長結合レーザ装置。
　前記半導体レーザを複数備える
　ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の波長結合レーザ装置。
　前記半導体レーザと前記波長結合素子との間に１／２波長板を備える
　ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の波長結合レーザ装置。