專(zhuān)利名稱：聚光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生成高光密度的激光束的聚光裝置。
背景技術(shù)：
作為高輸出的激光器元件，半導(dǎo)體激光器陣列疊層體是眾所周知的。在日本特開(kāi)平9-181376號(hào)專(zhuān)利公報(bào)和日本特開(kāi)2002-9385號(hào)專(zhuān)利公報(bào)中，記載著半導(dǎo)體激光器陣列疊層體的例子。
圖2是表示半導(dǎo)體激光器陣列疊層體的一個(gè)例子的立體圖。圖3是表示半導(dǎo)體激光器陣列的前端面(光輸出面)的圖。如圖2所示，半導(dǎo)體激光器陣列疊層體12具有交互配置多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列11和多個(gè)散熱片13的構(gòu)造。散熱片13冷卻激光器陣列11。如圖3所示，在激光器陣列11中，沿水平方向配置著多個(gè)活性層14。
在激光器陣列疊層體12中，沿垂直方向疊層激光器陣列11，結(jié)果，行列狀地配置多個(gè)活性層14。各活性層14發(fā)射激光。從這些活性層14射出的激光形成一個(gè)光束。通過(guò)高密度地配置活性層14，能夠得到高光密度的光束。但是，近年來(lái)，希望進(jìn)一步提高光密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以提供能夠生成極高光密度的激光束的聚光裝置作為課題。
與本發(fā)明有關(guān)的聚光裝置具有第一光源、第二光源和第一合光元件。第一光源具有第一半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、第一準(zhǔn)直透鏡和第一光束變換器。在第一激光器陣列疊層體中，在與第一方向垂直的方向上疊層多個(gè)具有沿第一方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列。第一準(zhǔn)直透鏡使從多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與第一方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)。第一光束變換器接受經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°。第二光源具有第二半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、第二準(zhǔn)直透鏡、和第二光束變換器。在第二激光器陣列疊層體中，在與第二方向垂直的方向上疊層多個(gè)具有沿第二方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列。第二準(zhǔn)直透鏡使從多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與第二方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)。第二光束變換器接受經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°。這里，光束的橫截面指的是實(shí)質(zhì)上與該光束的中心軸垂直的截面。第一合光元件合成來(lái)自第一光源的光束和來(lái)自第二光源的光束。第一合光元件具有接受并透過(guò)從第一光束變換器射出的光束的透過(guò)單元、和接受并反射從第二光束變換器射出的光束的反射單元。第一合光元件將透過(guò)透過(guò)單元的光束和由反射單元反射的光束合成起來(lái)。
用合光元件將來(lái)自第一激光器陣列疊層體的光束和來(lái)自第二激光器陣列疊層體的光束合成起來(lái)。因此，生成高光密度的激光束。從激光器陣列疊層體的活性層射出的光束受到準(zhǔn)直透鏡的折射作用，能夠抑制在與活性層的配列方向垂直的面內(nèi)的光束的擴(kuò)展。當(dāng)由光束變換器使光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，能夠?qū)⒐馐臄U(kuò)展抑制在活性層的配列方向中。因此，光束的橫截面具有在半導(dǎo)體激光器陣列的疊層方向長(zhǎng)在活性層的配列方向短的形狀。因此，如果合光元件的透過(guò)單元和反射單元沿激光器陣列的疊層方向都為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，則即便活性層具有位置偏離，也可以由合光元件適當(dāng)?shù)亟邮軓幕钚詫由涑龅墓馐?br> 從下面的詳細(xì)說(shuō)明和附圖可以更充分地理解本發(fā)明。附圖只不過(guò)是例示而已。所以，不應(yīng)該認(rèn)為附圖會(huì)限定本發(fā)明。
從下面的詳細(xì)說(shuō)明可以清楚地看到本發(fā)明的進(jìn)一步的適用范圍?？墒牵撛敿?xì)說(shuō)明和特定的例子表示本發(fā)明的優(yōu)先的實(shí)施方式，但是只不過(guò)是例示而已。這是因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以從該詳細(xì)說(shuō)明了解到在本發(fā)明的旨趣和范圍內(nèi)的各種不同的變形和變更的緣故。


圖1是表示與第一實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的示意立體圖。
圖2是表示第一實(shí)施方式用的半導(dǎo)體激光器陣列疊層體的立體圖。
圖3表示在與第一實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置中使用的半導(dǎo)體激光器陣列的前端面(光輸出面)。
圖4表示半導(dǎo)體激光器陣列的活性層的前端面。
圖5A和圖5B表示從半導(dǎo)體激光器陣列射出的光束的擴(kuò)展角。
圖6是表示在第一實(shí)施方式中使用的柱面透鏡的立體圖。
圖7是在第一實(shí)施方式中使用的光束變換器的立體圖。
圖8是在第一實(shí)施方式中使用的合光元件的平面圖。
圖9A～圖9C是表示在第一實(shí)施方式中的光束的橫截面的圖。
圖10A～圖10C是表示在第一實(shí)施方式中的光束的合成的圖。
圖11A～11C表示當(dāng)活性層具有垂直方向的位置偏離時(shí)的光束的合成。
圖12A～12C表示當(dāng)活性層具有水平方向的位置偏離時(shí)的光束的合成。
圖13是表示與第二實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的示意平面圖。
圖14A～圖14E表示在第二實(shí)施方式中的光束的合成。
圖15表示本發(fā)明的聚光裝置中使用的合光元件的其它例子。
具體實(shí)施例方式
下面，我們一面參照附圖一面詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。此外，在圖的說(shuō)明中在相同要素上附加相同的標(biāo)號(hào)，并省略對(duì)它們的重復(fù)說(shuō)明。
第一實(shí)施方式圖1是表示與第一實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的示意立體圖。該聚光裝置由第一光源10、第二光源20和合光元件30構(gòu)成。
第一光源10由一個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列疊層體12、多個(gè)準(zhǔn)直透鏡16和多個(gè)光束變換器18構(gòu)成。它們?cè)诠鈱W(xué)上相互耦合。
圖2是表示半導(dǎo)體激光器陣列疊層體的立體圖。激光器陣列疊層體12，如圖2所示，具有沿z方向交互地配置多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列11和多個(gè)散熱片13的構(gòu)造。此外，在圖1和圖2中的x軸、y軸、z軸分別表示激光器陣列11的縱方向、水平方向和垂直方向。
圖3表示激光器陣列11的前端面(光輸出面)。圖4表示活性層14的前端面。各激光器陣列11具有多個(gè)活性層14。激光器陣列11的活性層14在1cm寬度中以300μm～500μm的間隔沿y方向并排成一列。為了使圖面簡(jiǎn)單，在這些圖中只畫(huà)出5個(gè)活性層14，但是，實(shí)際上，并排著更多活性層14。各活性層14的截面具有100μm～200μm的寬度和1μm的厚度。
圖5A和圖5B表示從激光器陣列射出的光束的擴(kuò)展角。又，在這些圖中標(biāo)號(hào)15表示光束的中心軸。從該活性層14射出的光束的擴(kuò)展角，如圖5所示，在活性層14的厚度方向，即垂直方向(z方向)為30°～40°，在活性層14的寬度方向，即水平方向(y方向)為8°～10°。
散熱片13冷卻激光器陣列11。散熱片13具有將多個(gè)銅制的平板狀部件組合起來(lái)形成的冷卻水路。冷卻水在該冷卻水路內(nèi)循環(huán)。
圖6是表示作為準(zhǔn)直透鏡16的一個(gè)例子的柱面透鏡的立體圖。柱面透鏡16具有相互對(duì)置的輸入面160和輸出面161。輸入面160是與x方向垂直的平坦面，輸出面161是具有沿y方向的母線的圓柱面。柱面透鏡16在包含母線方向的面內(nèi)沒(méi)有折射作用，但是在與母線垂直的面內(nèi)具有折射作用。如圖6所示，母線方向，即y方向的長(zhǎng)度為12mm，x方向的長(zhǎng)度為0.4mm，z方向的長(zhǎng)度為0.6mm。這樣，柱面透鏡16是沿y方向細(xì)長(zhǎng)的。y方向的長(zhǎng)度具有入射面160覆蓋激光器陣列11的全部活性層14那樣的大小。因此，從這些活性層14射出的光束全部入射到柱面透鏡16中。
如上所述，因?yàn)閺幕钚詫?4射出的光束的垂直方向的擴(kuò)展角很大，所以為了提高聚光效率需要抑制光束的擴(kuò)展。因而，以使柱面透鏡16的輸出面161的母線與半導(dǎo)體激光器陣列11的垂直方向(z方向)正交的方式設(shè)置柱面透鏡16。因此，能夠使從活性層14射出的光束在垂直方向校準(zhǔn)，即在與柱面透鏡16的母線垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)。即準(zhǔn)直透鏡16對(duì)從各活性層14射出的光束的垂直方向(z方向)的成分進(jìn)行校準(zhǔn)。為了高效率地進(jìn)行校準(zhǔn)，使柱面透鏡16接近活性層14地進(jìn)行配置。因此，準(zhǔn)直透鏡16與激光器陣列11一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。即，準(zhǔn)直透鏡16的設(shè)置數(shù)量等于激光器陣列11的數(shù)量。以各準(zhǔn)直透鏡16分別與一個(gè)激光器陣列11對(duì)置的方式配置各準(zhǔn)直透鏡16。所以，從一個(gè)激光器陣列11的活性層14射出的光束全部入射到一個(gè)準(zhǔn)直透鏡16中。
圖7是表示光束變換器18的一個(gè)例子的立體圖。光束變換器18由玻璃、石英等的透光性材料構(gòu)成。x方向的長(zhǎng)度為1.5mm，y方向的長(zhǎng)度為12mm，z方向的長(zhǎng)度為1.5mm。光束變換器18沿y方向具有細(xì)長(zhǎng)的形狀。光束變換器18具有相互對(duì)置的輸入面180和輸出面181。輸入面180具有多個(gè)并列的斜圓柱面。各斜圓柱面的寬度為0.5mm。這些斜圓柱面以對(duì)y方向成45°的角度延伸。這些斜圓柱面的數(shù)量等于活性層14的數(shù)量。即這些斜圓柱面與活性層14一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。輸出面181也同樣，具有多個(gè)并列的寬度為0.5mm的斜圓柱面。這些斜圓柱面也以對(duì)y方向成45°的角度地延伸，與活性層14一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。所以從一個(gè)激光器陣列11的各活性層14的射出的光束全部入射到對(duì)應(yīng)的一個(gè)光束變換器18中。
光束變換器18使經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡16校準(zhǔn)的光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°。因此，光束變換器18與柱面透鏡16一對(duì)一地對(duì)應(yīng)地進(jìn)行配置。即，使各光束變換器18分別與一個(gè)準(zhǔn)直透鏡16對(duì)置地進(jìn)行配置。所以，從一個(gè)柱面透鏡16射出的全部光束入射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的光束變換器18中。
此外，本發(fā)明中使用的光束變換器不限于圖5所示的光束變換器。例如，在日本第3071360號(hào)專(zhuān)利公報(bào)中記載著光束變換器的其它例子。
第二光源20，與第一光源10同樣，由一個(gè)激光器陣列疊層體22、多個(gè)柱面透鏡26和多個(gè)光束變換器28構(gòu)成。它們?cè)诠鈱W(xué)上相互耦合。因?yàn)榧す馄麝嚵携B層體22、柱面透鏡26和光束變換器28的構(gòu)成分別與激光器陣列疊層體12、柱面透鏡16和光束變換器18相同，所以我們省略對(duì)它們的詳細(xì)說(shuō)明。但是，第二光源20的方向與第一光源10的方向不同。具體地說(shuō)，構(gòu)成激光器陣列疊層體12的激光器陣列11具有沿y方向并列配置的多個(gè)活性層14。相對(duì)于此，構(gòu)成激光器陣列疊層體22的激光器陣列21具有沿x方向并列配置的多個(gè)活性層24。柱面透鏡26與激光器陣列21的活性層24對(duì)應(yīng)，沿x方向配置。光束變換器28也同樣，與激光器陣列21的活性層24對(duì)應(yīng)，沿x方向配置。
圖8是表示合光元件30的平面圖。合光元件30由具有交互地配置的多個(gè)透過(guò)單元32和多個(gè)反射單元34的平板構(gòu)成。各個(gè)透過(guò)單元32和反射單元34是具有相同尺寸的帶狀。透過(guò)單元32和反射單元34是沿激光器陣列11和21的疊層方向(垂直方向)細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方形。更具體地說(shuō)，透過(guò)單元32和反射單元34形成在由光透過(guò)部件構(gòu)成的一塊平板上，分別以沿z方向延伸的細(xì)長(zhǎng)的帶狀交互地并列配置。透過(guò)單元32接受從第一光束變換器18射出的光束。在透過(guò)單元32的表面上形成光透過(guò)性薄膜。另一方面，反射單元34接受從第二光束變換器28射出的光束。在反射單元34的表面上形成光反射性薄膜。
合光元件30對(duì)從第一光源10的活性層14射出的光束的中心軸15傾斜45°的角度。合光元件30對(duì)從第二光源20的活性層24射出的光束的中心軸15也同樣傾斜45°的角度。合光元件30的表面與第一光源10對(duì)置，合光元件30的背面與第二光源20對(duì)置。
一個(gè)透過(guò)單元32與第一光源10的激光器陣列疊層體12的行列狀配置的活性層14的一列對(duì)應(yīng)。從各列的活性層14射出的全部光束入射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的透過(guò)單元32。另一方面，一個(gè)反射單元34與第二光源20的激光器陣列疊層體22的行列狀配置的活性層24的一列對(duì)應(yīng)。從各列的活性層24射出的全部光束入射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的反射單元34中。因此，從第一光源10的活性層14射出的光束全部透過(guò)合光元件30的透過(guò)單元32。另一方面，從第二光源20的活性層24射出的光束全部被合光元件30的反射單元34反射。結(jié)果，各個(gè)光束在合光元件30的背面?zhèn)妊赝环较蛐羞M(jìn)。如圖1所示，這些光束混合起來(lái)形成一個(gè)合成光束61。
下面，我們一面參照?qǐng)D9A～圖9C和圖10A～圖10C，一面說(shuō)明與本實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的作用。這里，圖9A表示當(dāng)在活性層14和24中生成的激光束射出時(shí)的橫截面，即射出圖案。圖9B表示在從活性層14和24射出的光束通過(guò)柱面透鏡16和26后，該光束的橫截面。圖9C表示在通過(guò)柱面透鏡16和26后的光束通過(guò)光束變換器18和28后的該光束的橫截面。圖10A是與從第一光源10射出、透過(guò)合光元件30的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖10B是與從第二光源20射出、被合光元件30反射的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖10C是與來(lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束的合成光束61的中心軸垂直的橫截面圖。圖10A～圖10C中的雙點(diǎn)劃線表示合光元件30。
如圖4所示，活性層14和24的橫截面的垂直方向的長(zhǎng)度是水平方向的長(zhǎng)度的百分之一以下。所以，如圖9A所示，從活性層14和24射出時(shí)，光束的橫截面在水平方向是細(xì)長(zhǎng)的。從活性層14和24射出的光束到達(dá)柱面透鏡16和26，即便多少發(fā)生擴(kuò)散，也能夠?qū)⒃摴馐臋M截面的垂直方向的長(zhǎng)度抑制在水平方向的長(zhǎng)度的1.5分之1以下。即，入射到柱面透鏡16和26的光束的橫截面也具有在水平方向細(xì)長(zhǎng)的形狀。
該光束，當(dāng)透過(guò)柱面透鏡16和26時(shí)，在與柱面透鏡16和26的母線方向垂直的面內(nèi)受到折射作用。結(jié)果，如圖9B所示，校準(zhǔn)光束的垂直方向成分。另一方面，因?yàn)楣馐乃椒较虻某煞譀](méi)有受到折射作用，所以光束的水平方向的擴(kuò)展角不變。
從活性層14射出的光束，透過(guò)第一柱面透鏡16后，入射到第一光束變換器18。如圖9C所示，光束變換器18使該光束的橫截面圍繞光束的中心軸15大致旋轉(zhuǎn)90°。因此，將在垂直方向校準(zhǔn)的光束變換成在水平方向校準(zhǔn)的光束。結(jié)果，光束在水平方向沒(méi)有擴(kuò)展。光束的橫截面成為在垂直方向長(zhǎng)在水平方向短的形狀。
從第二光源20的活性層24射出的光束也與第一光源同樣，當(dāng)透過(guò)第二柱面透鏡26時(shí)，它的垂直方向成分被校準(zhǔn)。當(dāng)該光束透過(guò)第二光束變換器28時(shí)，被變換成在水平方向校準(zhǔn)的光束。結(jié)果，在第二光源20中，光束在水平方向也沒(méi)有擴(kuò)展。與光束變換器18同樣，從光束變換器28射出的光束的橫截面也成為在垂直方向長(zhǎng)在水平方向短的形狀。
從光束變換器18和28射出的光束分別向著合光元件30的透過(guò)單元32和反射單元34。透過(guò)單元32和反射單元34分別在垂直方向具有細(xì)長(zhǎng)的形狀。從各活性層14、24向著透過(guò)單元32或反射單元34的光束的寬度比透過(guò)單元32和反射單元34各自的寬度窄得多。因此，在合光元件30的透過(guò)單元32和反射單元34的寬度范圍內(nèi)接受從各活性層14和24射出的光束。在激光器陣列疊層體12和22中，活性層14和24沿水平方向和垂直方向行列狀地配置。如圖10A所示，從各列的活性層14射出的光束透過(guò)對(duì)應(yīng)的各透過(guò)單元32。另一方面，如圖10B所示，從各列的活性層24射出的光束被對(duì)應(yīng)的各反射單元34所反射。透過(guò)透過(guò)單元32的光束和被反射單元34反射的光束形成一個(gè)合成光束61。如圖10C所示，合成光束61的光密度是將從第一光源10射出的光束的光密度和從第二光源20射出的光束的光密度加起來(lái)得到的光密度。因?yàn)閷?lái)自激光器陣列疊層體12和22的高光密度光束合成起來(lái)，所以能夠得到極高光密度的光束。
在上面說(shuō)明中，假定將全部活性層14和24配置在預(yù)定位置上。但是，實(shí)際上，當(dāng)在激光器陣列疊層體12和22的組合中疊層激光器陣列11和21時(shí)，活性層14和24偏離預(yù)定的位置。在本實(shí)施方式中，即便在這種情形中也能夠不損失光密度地形成合成光束61。下面，我們說(shuō)明這一點(diǎn)。
因?yàn)榧す馄麝嚵?1和21是用半導(dǎo)體工藝精密地制造出來(lái)的，所以在各個(gè)激光器陣列11和21中活性層14和24的水平方向的間隔誤差非常小。但是，因?yàn)榧す馄麝嚵携B層體12和22的組合是通過(guò)機(jī)械的步驟進(jìn)行的，所以激光器陣列11和21的疊層間隔可能不均勻。這時(shí)，活性層14和24的位置從預(yù)定位置沿垂直方向發(fā)生偏離。該位置偏離通常在50μm左右。
下面，我們一面參照?qǐng)D11A～圖11C，一面說(shuō)明當(dāng)在激光器陣列疊層體22中產(chǎn)生垂直方向的位置偏離時(shí)的本實(shí)施方式的聚光裝置的作用。此外，令激光器陣列疊層體12沒(méi)有位置偏離。圖11A是與從第一光源10射出的、透過(guò)合光元件30的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖11B是與從第二光源20射出的、被合光元件30反射的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖11C是與來(lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束的合成光束61的中心軸垂直的橫截面圖。圖11A～圖11C中的雙點(diǎn)劃線表示合光元件30。
在激光器陣列疊層體22中，疊層在第二層的激光器陣列21沿垂直方向偏離預(yù)定位置。因此，如圖11B所示，上面2行的光束沿垂直方向偏離。但是，因?yàn)榉瓷鋯卧?4在垂直方向具有細(xì)長(zhǎng)的形狀，所以即便存在這種位置偏離，光束也能夠入射到反射單元34中。結(jié)果，如圖11C所示，能夠適當(dāng)?shù)睾铣蓙?lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束，能夠得到高的光密度。
上面說(shuō)明假定活性層具有垂直方向的位置偏離。實(shí)際上，在大多數(shù)情形中，活性層的位置偏離不限于垂直方向。但是，當(dāng)進(jìn)行激光器陣列疊層體12和22的組合時(shí)，活性層14、24也可以沿水平方向從預(yù)定位置發(fā)生微小的偏離。
下面，我們一面參照?qǐng)D12A～圖12C，一面說(shuō)明當(dāng)在激光器陣列疊層體12中產(chǎn)生水平方向的位置偏離時(shí)的本實(shí)施方式的聚光裝置的作用。此外，令激光器陣列疊層體22沒(méi)有位置偏離。圖12A是與從第一光源10射出的、透過(guò)合光元件30的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖12B是與從第二光源20射出的、被合光元件30反射的光束的中心軸15垂直的橫截面圖。圖12C是與來(lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束的合成光束61的中心軸垂直的橫截面圖。圖12A～圖12C中的雙點(diǎn)劃線表示合光元件30。
在激光器陣列疊層體12中，疊層在第二層的激光器陣列11具有沿水平方向的位置偏離。因此，如圖12A所示，第二行的光束向右偏離。但是，即便具有這種位置偏離，光束也能夠入射到透過(guò)單元32中。從活性層14入射到透過(guò)單元32的光束的橫截面，由于光束變換器18的作用，成為在垂直方向長(zhǎng)在水平方向短的形狀。該光束的寬度與透過(guò)單元32的寬度比較極窄。因此，即便活性層14在水平方向多少具有位置偏離，透過(guò)單元32也能夠接受來(lái)自活性層14的光束。結(jié)果，如圖12C所示，能夠?qū)?lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束適當(dāng)?shù)睾铣善饋?lái)。
以上，如詳細(xì)說(shuō)明了的那樣，與本實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置，因?yàn)橛煤瞎庠?0將來(lái)自2個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列疊層體12和22的光束合成起來(lái)，所以能夠生成極高光密度的激光束。因?yàn)楹瞎庠?0的透過(guò)單元32和反射單元34在垂直方向具有細(xì)長(zhǎng)的形狀，所以即便活性層14和24具有垂直方向的位置偏離，也能夠適當(dāng)?shù)睾铣晒馐?br> 第二實(shí)施方式下面，我們說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。圖13是表示與本實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的示意平面圖。與第一實(shí)施方式由2個(gè)光源和1個(gè)合光元件構(gòu)成相對(duì)，本實(shí)施方式由3個(gè)光源和2個(gè)合光元件構(gòu)成。與第一實(shí)施方式合成從2個(gè)光源射出的光束相對(duì)，本實(shí)施方式合成從3個(gè)光源射出的光束。
與本實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置由第一光源10、第二光源20、第三光源40、第一合光元件30和第二合光元件50構(gòu)成。第一光源10、第二光源20和第一合光元件30的構(gòu)成和配置如關(guān)于第一實(shí)施方式所作的說(shuō)明所示。
第三光源40與第一和第二光源10和20同樣，由1個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列疊層體42、多個(gè)準(zhǔn)直透鏡46和多個(gè)光束變換器48構(gòu)成。它們?cè)诠鈱W(xué)上相互耦合。激光器陣列疊層體42、準(zhǔn)直透鏡46和光束變換器48的構(gòu)成，分別與半導(dǎo)體激光器陣列疊層體12和22、準(zhǔn)直透鏡16和26以及光束變換器18和28相同。激光器陣列疊層體42，如圖2所示，具有沿z方向交互地配置多個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列41和多個(gè)散熱片43的構(gòu)造。激光器陣列41具有多個(gè)活性層44。散熱片43冷卻激光器陣列41。
準(zhǔn)直透鏡46對(duì)從各活性層44射出的光束的垂直方向的成分進(jìn)行校準(zhǔn)。為了高效率地進(jìn)行校準(zhǔn)，準(zhǔn)直透鏡46與激光器陣列41一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。準(zhǔn)直透鏡46的設(shè)置數(shù)量等于激光器陣列41的數(shù)量。以各準(zhǔn)直透鏡46分別與一個(gè)激光器陣列41對(duì)置的方式配置各準(zhǔn)直透鏡46。所以，從一個(gè)激光器陣列41的活性層44射出的光束全部入射到一個(gè)準(zhǔn)直透鏡46中。
光束變換器48具有相互對(duì)置的輸入面和輸出面。輸入面和輸出面分別具有多個(gè)圓柱面。這些圓柱面的數(shù)量等于激光器陣列41的活性層44的數(shù)量。即，這些圓柱面與活性層44一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。所以，從一個(gè)激光器陣列41的各活性層44射出的光束全部入射到對(duì)應(yīng)的一個(gè)光束變換器48中。
光束變換器48使經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡46校準(zhǔn)的光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°。因此，為了高效率地變換從激光器陣列41射出的光束的光程，光束變換器48也與激光器陣列41一對(duì)一地對(duì)應(yīng)。即，光束變換器48的設(shè)置數(shù)量也等于激光器陣列41的數(shù)量。使各光束變換器48分別與一個(gè)準(zhǔn)直透鏡46對(duì)置地進(jìn)行配置。所以，從一個(gè)柱面透鏡46射出的全部光束入射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的光束變換器48中。
第三光源40的方向與第二光源20的方向相同，與第一光源10的方向不同。與第一光源10中的激光器陣列11具有沿y方向并列配置的多個(gè)活性層14相對(duì)，第二和第三光源20和40中的激光器陣列21和41具有沿x方向并列配置的多個(gè)活性層24和44。因此，柱面透鏡46與半導(dǎo)體激光器陣列41的活性層44對(duì)應(yīng)，沿x方向配置。光束變換器48也同樣，沿x方向配置。
如上述第一實(shí)施方式中說(shuō)明的那樣，從第一光源10射出的光束透過(guò)第一合光元件30的透過(guò)單元。另一方面，從第二光源20射出的光束被第一合光元件30的反射單元所反射。結(jié)果，各個(gè)光束在第一合光元件30的背面?zhèn)妊赝环较蛐羞M(jìn)。如圖13所示，這些光束混合起來(lái)形成一個(gè)合成光束61。
第二合光元件50具有與第一合光元件30相同的構(gòu)成。即，第二合光元件50由具有交互并列多個(gè)透過(guò)單元和多個(gè)反射單元的平板構(gòu)成。透過(guò)單元和反射單元是沿半導(dǎo)體激光器陣列的疊層方向(垂直方向)細(xì)長(zhǎng)的長(zhǎng)方形。更具體地說(shuō)，透過(guò)單元和反射單元形成在由光透過(guò)部件構(gòu)成的一塊平板上，分別以沿z方向延伸的細(xì)長(zhǎng)的帶狀交互地并列配置。第二合光元件80的透過(guò)單元接受從第一合光元件30射出的光束61。另一方面，第二合光元件50的反射單元接受從光束變換器48射出的光束。第二合光元件50相對(duì)合成光束61的中心軸傾斜45°的角度。第二合光元件50相對(duì)從第三光源40的活性層64射出的光束的中心軸也同樣傾斜45°的角度。第二合光元件50的表面與第一合光元件30對(duì)置，第二合光元件50的背面與第三光源40對(duì)置。第二合光元件50的一個(gè)反射單元與第三光源40的行列狀配置的活性層44的一列對(duì)應(yīng)。從各列的活性層44射出的全部光束入射到一個(gè)對(duì)應(yīng)的反射單元。
合成光束61透過(guò)第二合光元件50的透過(guò)單元。另一方面，從第三光源40射出的光束被第二合光元件50的反射單元所反射。結(jié)果，各個(gè)光束在第二合光元件50的背面?zhèn)妊赝环较蛐羞M(jìn)。如圖13所示，這些光束混合起來(lái)形成一個(gè)合成光束65。
下面，我們一面參照?qǐng)D14A～圖14E，一面說(shuō)明與本實(shí)施方式有關(guān)的聚光裝置的作用效果。圖14A是與從第一光源10射出的、透過(guò)合光元件30的光束的中心軸15垂直的橫截面。圖14B是與從第二光源20射出的、被合光元件30反射的光束的中心軸15垂直的橫截面。圖14C是與從第三光源40射出的、被合光元件50反射的光束的中心軸15垂直的橫截面。圖14D是與來(lái)自第一光源10的光束和來(lái)自第二光源20的光束的合成光束61的中心軸垂直的橫截面。圖14E是與合成光束61和從第三光源40射出的光束的合成光束65的中心軸垂直的橫截面圖。圖14A～圖14E中的雙點(diǎn)劃線表示合光元件30和50。
與第一實(shí)施方式中說(shuō)明的那樣，透過(guò)透過(guò)單元32光束(請(qǐng)參照?qǐng)D14A)和被反射單元34反射的光束(請(qǐng)參照?qǐng)D14B)形成一個(gè)合成的光束61(請(qǐng)參照?qǐng)D14D)。合成光束61透過(guò)第二合光元件50的透過(guò)單元。
另一方面，從第三光源40的光束變換器48射出的光束被第二合光元件50的反射單元所反射，從激光器陣列疊層體42的行列狀配置的活性層44的各列射出的光束被對(duì)應(yīng)的反射單元所反射(請(qǐng)參照?qǐng)D14C)。透過(guò)透過(guò)單元的合成光束61和被反射單元反射的光束形成一個(gè)合成的光束65。合成光束65的光密度是將從上述第一光源10射出的光束的光密度和從第二光源20射出的光束的光密度加起來(lái)，再進(jìn)一步加上從第三光源40射出的光束的光密度得到的光密度(請(qǐng)參照?qǐng)D14E)。這樣，因?yàn)閷?lái)自半導(dǎo)體激光器陣列疊層體12、22和42的高光密度光束合成起來(lái)，所以能夠得到極高光密度的光束。
在激光器陣列疊層體12、22或44中可能發(fā)生位置偏離。但是與第一實(shí)施方式同樣，第二合光元件50也具有在垂直方向細(xì)長(zhǎng)的透過(guò)單元和反射單元。因此，即便在激光器陣列疊層體中發(fā)生位置偏離，也能夠不損失光密度地形成合成光束65。以上，我們根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式詳細(xì)地說(shuō)明了本發(fā)明。但是本發(fā)明不限定于上述實(shí)施方式。在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以具有各種不同的變形。
在上述實(shí)施方式中，作為準(zhǔn)直透鏡的一個(gè)例子我們舉出了柱面透鏡，但是代替它也可以使用玻璃光纖透鏡、自聚焦透鏡等。又，本發(fā)明也可以是用4個(gè)以上的光源的聚光裝置。
在上述合光元件30和50中，交互地配置具有帶狀的形狀的透過(guò)單元32和反射單元34。代替這種合光元件，也可以用圖15所示那種合光元件70。合光元件70具有行列狀配置的長(zhǎng)方形的透過(guò)單元72和配置在透過(guò)單元72之間的格子狀的反射單元74。此外，代替反射單元74，也可以使透過(guò)單元72具有格子形狀，反射單元74具有長(zhǎng)方形形狀。
在第二實(shí)施方式中，使合成光束61透過(guò)第二合光元件50，由第二合光元件50反射從第三光源40射出的光束，形成合成光束65。代替它，也可以使從第三光源40射出的光束透過(guò)第二合光元件50，由第二合光元件50反射合成光束61，形成合成光束65。這時(shí)，第二合光元件50的透過(guò)單元接受從第三光束變換器48射出的光束。另一方面，第二合光元件50的反射單元接受合成光束61。
在第一實(shí)施方式中，我們說(shuō)明了在第一光源10和第二光源20的一方的激光器陣列疊層體中發(fā)生位置偏離的例子。但是，在本發(fā)明中，即便在2個(gè)以上的激光器陣列疊層體中發(fā)生垂直方向和/或水平方向的位置偏離的情形中，也能夠形成合成光束61。
本發(fā)明的聚光裝置能夠用合光元件適當(dāng)?shù)睾铣蓮亩鄠€(gè)半導(dǎo)體激光器陣列疊層體射出的光束，生成極高光密度的激光束。所以，本發(fā)明的聚光裝置能夠很好地應(yīng)用于需要高光密度的固體激光器激勵(lì)、打印、材料加工或醫(yī)療的領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種聚光裝置，該聚光裝置具有第一光源、第二光源和合成來(lái)自所述第一光源的光束與來(lái)自所述第二光源的光束的第一合光元件，其特征在于所述第一光源具有含有沿第一方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列在與所述第一方向垂直的方向上疊層多個(gè)的第一半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、使從所述多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與所述第一方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)的第一準(zhǔn)直透鏡、和接受經(jīng)過(guò)所述第一準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°的第一光束變換器；所述第二光源具有含有沿第二方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列在與所述第二方向垂直的方向上疊層多個(gè)的第二半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、使從所述多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與所述第二方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)的第二準(zhǔn)直透鏡、和接受經(jīng)過(guò)所述第二準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°的第二光束變換器；所述第一合光元件具有接受并透過(guò)從所述第一光束變換器射出的光束的透過(guò)單元、和接受并反射從所述第二光束變換器射出的光束的反射單元，將透過(guò)所述透過(guò)單元的光束和由所述反射單元反射的光束合成起來(lái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚光裝置，其特征在于所述第一合光元件的所述透過(guò)單元和所述反射單元沿所述激光器陣列的疊層方向都為細(xì)長(zhǎng)的帶狀；所述第一合光元件是具有交互地配置的所述透過(guò)單元和所述反射單元的平板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的聚光裝置，其特征在于所述第一合光元件對(duì)從所述第一光源的活性層射出的光束和從所述第二光源的活性層射出的光束雙方的中心軸傾斜45度的角度；所述第一合光元件的表面與所述第一光源對(duì)置；所述第一合光元件的背面與所述第二光源對(duì)置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的聚光裝置，其特征在于該聚光裝置進(jìn)一步具有第三光源和第二合光元件；所述第三光源具有含有沿第三方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列在與所述第三方向垂直的方向上疊層多個(gè)的第三半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、使從所述多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與所述第三方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)的第三準(zhǔn)直透鏡、和接受經(jīng)過(guò)所述第三準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°的第三光束變換器；所述第二合光元件，具有接受并透過(guò)由所述第一合光元件合成的光束的透過(guò)單元、和接受并反射從所述第三光束變換器射出的光束的反射單元，將透過(guò)所述透過(guò)單元的光束和由所述反射單元反射的光束合成起來(lái)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～3中任何一項(xiàng)所述的聚光裝置，其特征在于該聚光裝置進(jìn)一步具有第三光源和第二合光元件；所述第三光源具有含有沿第三方向并列配置的多個(gè)活性層的半導(dǎo)體激光器陣列在與所述第三方向垂直的方向上疊層多個(gè)的第三半導(dǎo)體激光器陣列疊層體、使從所述多個(gè)活性層射出的多個(gè)光束在與所述第三方向垂直的面內(nèi)校準(zhǔn)的第三準(zhǔn)直透鏡、和接受經(jīng)過(guò)所述第三準(zhǔn)直透鏡校準(zhǔn)的光束，使該光束的橫截面大致旋轉(zhuǎn)90°的第三光束變換器；所述第二合光元件，具有接受并透過(guò)從所述第三光束變換器射出的光束的透過(guò)單元、和接受并反射由所述第一合光元件合成的光束的反射單元，將透過(guò)所述透過(guò)單元的光束和由所述反射單元反射的光束合成起來(lái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的聚光裝置，其特征在于所述第二合光元件的所述透過(guò)單元和所述反射單元沿所述半導(dǎo)體激光器陣列的疊層方向都為細(xì)長(zhǎng)的帶狀；所述第二合光元件是具有交互地配置的所述透過(guò)單元和所述反射單元的平板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚光裝置，其特征在于所述第二合光元件對(duì)由所述第一合光元件合成的光束和從第三光源的活性層射出的光束的中心軸傾斜45度的角度；所述第二合光元件的表面與所述第一合光元件對(duì)置；所述第二合光元件的背面與所述第三光源對(duì)置。
全文摘要
聚光裝置具有多個(gè)光源(10、20)和合光元件(30)。這些光源(10、20)分別具有半導(dǎo)體激光器陣列疊層體(12、22)、準(zhǔn)直透鏡(16、26)和光束變換器(18、28)。因?yàn)楹瞎庠?30)合成來(lái)自疊層體(12)的光束和來(lái)自疊層體(22)的光束，所以能夠生成高光密度的激光束。合光元件(30)的透過(guò)單元(32)和反射單元(34)，優(yōu)選為沿疊層體(12、22)的疊層方向?yàn)榧?xì)長(zhǎng)的帶狀，這時(shí)，即便多個(gè)活性層(14、24)具有位置偏離，也可以由合光元件(30)適當(dāng)?shù)亟邮堋⒑铣蓮幕钚詫?14、24)射出的光束。
文檔編號(hào)G02B19/00GK1675578SQ0381863
公開(kāi)日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2003年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者鄭宇進(jìn), 宮島博文, 菅博文 申請(qǐng)人:浜松光子學(xué)株式會(huì)社