專利名稱：半導體激光裝置和采用它的固體激光裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于疊層陣列激光二極管的光束轉(zhuǎn)換器，以及采用該光束轉(zhuǎn)換器的激光裝置。本發(fā)明還涉及將半導體激光會聚成微小的光點的半導體激光聚光器、通過半導體激光對固體激光器件進行光激勵的半導體激光激勵固體激光裝置。
背景技術：
用于激光加工，醫(yī)用目的的激光器采用YAG(yttrium aluminiumgarnet)。但是，作為固體激光器的YAG，從電向光的轉(zhuǎn)換效率較低。其原因在于由于過去的YAG的，用于固體激光器的激勵的Xe燈，閃光燈的發(fā)光效率較低，另外，該發(fā)光頻譜帶域也較寬，故僅僅發(fā)光能量中的較小的部分可用于固體激光器的激勵。由此，通常必須要求采用較大的裝置和冷卻水。
另一方面，半導體激光器(LD)的發(fā)光效率較高，整體緊湊，冷卻器也不必要求較大的裝置。最近，高輸出功率的半導體激光器的成本正在顯著下降。同樣在激光加工領域，最好采用這樣的半導體激光器。但是，半導體激光器的光束品質(zhì)一般較差，另外，在提高單一條半導體激光器的輸出功率方面，具有限制，難于照原樣用于激光加工。
作為高輸出功率激光器，人們知道有直線地排列10～100個發(fā)射激光的活性層條，提供虛線狀的光源的多條半導體激光器。
作為半導體激光器中的活性層條呈1維方式排列的線性陣列的半導體激光器，可獲得CW(連續(xù)振蕩)輸出功率為50W左右的類型。多條(MULTIPLE STRIPE)陣列半導體激光器，比如，象圖1所示的那樣，寬度在100μm～200μm的范圍內(nèi)的端部構(gòu)成發(fā)射體的10～數(shù)十個的條按照一定間距排列于整個寬度為1cm的平面內(nèi)。
通過形成將幾個這樣的線性陣列半導體激光器重疊的，圖1那樣的，2維陣列，可容易提高輸出功率。這樣的2維陣列半導體激光器稱為疊層陣列半導體激光器。
象這樣，提供下述光源，其中，在疊層的數(shù)量由n表示時，從1個半導體激光器元件，射出(10～數(shù)十個)×n條激光，線段呈2維陣列狀排列。另外，Quasi—CW半導體激光器的這樣的高輸出功率的半導體激光器提供下述光源，其中，許多的發(fā)射體密集地排列，射出光在射出后與來自相鄰的發(fā)射體的射出光混合，基本連續(xù)的直線狀的光源按照疊層數(shù)量并排。
為了將多條陣列半導體激光器用于激光加工，醫(yī)用目的，必須要求采取在較窄的區(qū)域，集中高等級的能量的措施。各條光從相應的扁平的光源發(fā)射，各光束發(fā)散角中的與活性層相垂直的分量φ較大，約在40°～50°的范圍內(nèi)，平行分量θ較小，約為10°。發(fā)光源的寬度的垂直分量較窄，在1μm以下，平行分量較寬，象上述那樣，在100μm～200μm的范圍內(nèi)。
在根據(jù)上述那樣的半導體激光器的特性，采用透鏡，將來自半導體激光器的射出光會聚而聚焦的場合，垂直分量可容易聚焦，但是由于光源的整個寬度較寬，發(fā)散角小于垂直分量，故平行分量難于聚焦成微小的光點。
在將來自疊層陣列激光二極管的射出光會聚的場合，針對各線性陣列，配備柱面透鏡，將該光會聚，由此即使在能夠會聚于更加細小的線狀的束點的情況下，仍難于會聚成點狀光點。
另一方面，按照使微型透鏡與條1對1地對應的方式進行排列，將相應的各條光會聚，對其進行準直處理后，通過聚焦透鏡聚焦，使多根光束重疊，通過這樣的方法，可有效地進行光束會聚。但是，聚焦的束點直徑為下述值，該值為倍率(f2/f1)與光源的寬度相乘而得到的值，該倍率是由聚焦透鏡與束點之間的距離(即，聚焦透鏡的焦距f2)，與半導體激光器條和微型透鏡之間的距離(即，微型透鏡的焦距f1)的比確定。
于是，束點的長徑ω1(水平部分)為下述值，該值為上述倍率與條的寬度(ω0100～200μm)相乘而得到的值(ω0·f2/f1)。由于光源的寬度非常小(1μm以下)，故對于垂直成分，即使在乘上相同倍率(f2/f1)的情況下，仍不形成較大的束點直徑。于是，如果考慮條的寬度方向的聚焦，為了減小束點，而增加光的強度，可按照與條盡可能離開的方式設置微型透鏡。
但是，由于條光的垂直分量的發(fā)散角較大，故如果考慮泄漏到透鏡孔徑之外的輻射能量增加的情況下，前述場合難于實現(xiàn)。于是，考慮下述場合，即，通過相應的柱面透鏡，將垂直分量和水平分量會聚，垂直分量聚光用的透鏡以與條最近的距離，按照與各線性陣列半導體激光器1對1相對應的方式設置，平行分量聚光用的透鏡按照與條離開，針對每個與疊層同等的條排，1對1地相對應的方式設置。
作為疊層陣列LD，12個厚度為1μm，寬度為200μm的條按照800μm的間距排列，該線性陣列還按照數(shù)層疊置。由于條光的平行分量的光束發(fā)散角有10°，故在距條的射出端3.4mm的地方，相鄰條光重合。在該重合后，放置透鏡時，由于一部分的光形成與透鏡的軸具有夾角的光線，在與聚焦透鏡的焦點不同的點處會聚，故使系統(tǒng)的效率降低。
由此，為了采用微型柱面透鏡陣列，分別對來自上述各條排的輻射光進行準直處理，必須在3.4mm以內(nèi)的接近的位置，設置透鏡(焦距f1≤3.4mm)。如果將通過與將準直光聚焦的聚焦透鏡的焦距f2相組合而確定的倍率(f2/f1)與條的寬度相乘，求出聚焦束點直徑，則不得不增加該值。
象這樣，在過去，難于實現(xiàn)下述情況，即，使提供線段呈2維陣列狀排列的光源的疊層陣列LD的射出激光高密度地集中于較小的面積。
另外，如果采用從半導體激光激勵固體激光器中的固體激光器的光軸方向，進行光激勵的端面激勵方式，則可通過下述方式，實現(xiàn)高效率的單一基本橫模振蕩，該方式指使由半導體激光器輸出光的激勵空間與固體激光器振蕩的模式空間相匹配。
以二維方式排列的半導體激光器的活性層的疊層陣列半導體激光器振蕩元件具有獲得1kW左右的輸出功率，具有能夠充分地用于激光加工用的輸出功率。如果采用光學系統(tǒng)，將該疊層陣列激光，直接進行會聚，將其會聚成充分小的光點，則應當能夠?qū)雽w激光器輸出用于激光加工。
但是，疊層陣列半導體激光發(fā)生元件象上述那樣，采用透鏡，將來自半導體激光發(fā)生元件的射出光會聚，將其聚焦的場合，垂直分量可較容易地聚焦，但是由于光源的整個寬度較大，故平行分量難于聚焦為微小的光點。
如果打算將這樣的疊層陣列半導體激光器用作激勵光源，則由于象上述那樣，由于陣列的寬度在1cm的范圍內(nèi)，故無法采用通常的透鏡系統(tǒng)，將多根光束呈1個光點狀聚焦，不能夠采用激勵效率良好的端面激勵方式，由此，只能夠用于側(cè)面激勵方式。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種半導體激光裝置，在該半導體激光裝置中，采用疊層陣列半導體激光器的半導體激光裝置的焦點的能量密度提高。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的光束轉(zhuǎn)換器，該光束轉(zhuǎn)換器用于采用疊層陣列半導體激光器的半導體激光裝置，可使半導體激光裝置的焦點極小，提高能量密度。
本發(fā)明的還一目的在于提供一種采用上述半導體激光裝置的，強半導體激光激勵固體激光裝置。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的半導體激光裝置的特征在于其包括疊層陣列二極管，在該疊層陣列二極管中，發(fā)射激光束的細長的多個發(fā)射體沿其長軸方向直線地并排，并且按照2維方式排列；第1準直元件，該第1準直元件針對各疊層，使從各發(fā)射體，或由多個發(fā)射體形成的發(fā)射體組發(fā)射的激光束沿與發(fā)射體的長軸方向相垂直的方向平行化(準直)；第1光束轉(zhuǎn)換器，該第1光束轉(zhuǎn)換器將僅僅沿1個方向平行化的激光束的各個發(fā)射體，或發(fā)射體組的長軸方向旋轉(zhuǎn)幾乎直角，將其轉(zhuǎn)換為針對各層呈梯級狀并排的激光束；光束壓縮器，該光束壓縮器縮小呈梯級狀并排的激光束的梯級的間距，將其轉(zhuǎn)換為針對每層而壓縮的激光束組；第2光束轉(zhuǎn)換器，該第2光束轉(zhuǎn)換器針對已壓縮的各激光束組，使其長軸方向旋轉(zhuǎn)幾乎直角，轉(zhuǎn)換為全部的激光束呈梯級狀按照1排并排的激光束組，將其輸出；第2準直元件，該第2準直元件使從第2光束轉(zhuǎn)換器輸出的激光束沿與上述發(fā)射體長軸相對應的方向平行化；聚焦元件，該聚焦元件將沿2個方向平行化的激光束聚焦于焦點。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第1光束轉(zhuǎn)換器的特征在于將多個下述光學元件按照將各光學元件的受光面和射出面分別鄰接的方式以2維陣列方式排列，使該光學元件與疊層陣列激光二極管的發(fā)射面相對應，該光學元件接收呈狹縫狀進行發(fā)射的光源的光，沿光軸使該光線的截面中的該狹縫的方向旋轉(zhuǎn)幾乎直角，將其射出。
即，本發(fā)明的光束轉(zhuǎn)換器按照從疊層陣列半導體激光器中的呈線狀的各發(fā)射體，或各發(fā)射體組發(fā)射的激光束的，與發(fā)射體相對應的方向沿光軸旋轉(zhuǎn)幾乎直角的方式構(gòu)成。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的光束壓縮器，接收以較稀間隔并排的狹縫狀的激光束進一步多排并排，由此輻射的，來自第1光束轉(zhuǎn)換器的輻射光，將其變換為較密間隔的并排而壓縮的狹縫狀的激光束的1排直列的排列。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第2光束轉(zhuǎn)換器的特征在于將多個下述光學元件按照各光學元件中的受光面與射出面分別鄰接，呈直線排列，與光束壓縮器的輻射面相對應，該光學元件接收以較密間隔并排而壓縮的狹縫狀的激光束1排直列而輻射的，來自光束壓縮器的輻射光，使該壓縮激光束的截面中的該狹縫的方向沿光軸旋轉(zhuǎn)幾乎直角，將其射出。
即，象這樣構(gòu)成，通過第1光束轉(zhuǎn)換器、光束壓縮器和第2光束轉(zhuǎn)換器，使從疊層陣列半導體激光器中的呈線狀的各發(fā)射體，或各發(fā)射體組發(fā)射的激光束中的，與狹縫相對應的方向沿光軸旋轉(zhuǎn)幾乎直角兩次，由此，提供轉(zhuǎn)換為全部的發(fā)射體，或各發(fā)射體組為1排并排的發(fā)射體，或發(fā)射體組的激光束。
另外，為了實現(xiàn)上述的還一目的，本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置，在從上述半導體激光裝置輸出的該激光束的焦點處，配置使固體激光裝置的激勵光射入的端面。


圖1為說明疊層陣列激光二極管和激光束的指向性的圖；圖2為本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖；圖3為圖2所示的半導體激光裝置的正視圖；圖4為在第1光束轉(zhuǎn)換器與光束壓縮器之間，還采用第4聚光器的本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖；圖5為圖4所示的半導體激光裝置的正視圖；圖6為采用密集型發(fā)射體結(jié)構(gòu)的半導體激光器的本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖；圖7為圖6所示的半導體激光裝置的正視圖；圖8為采用光纖的本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖；圖9為圖8所示的半導體激光裝置的正視圖；圖10為說明本發(fā)明的第1光束轉(zhuǎn)換器、光束壓縮器、及第2光束轉(zhuǎn)換器的方塊圖；圖11為采用3個直角棱鏡說明3次反射的光束轉(zhuǎn)換的原理的圖；圖12為表示呈斜角柱狀的光學元件，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖13為表示并排設置圖12的光學元件而獲得的光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖14為表示與圖13的光束轉(zhuǎn)換器等效的一體的光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖15為表示將圖14的光束轉(zhuǎn)換器疊層而獲得的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；
圖16為表示將反射鏡陣列疊層而獲得的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖17為表示并排設置柱面透鏡的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖18為表示并排設置入射面和射出面具有圓柱表面的光學元件的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖19為表示采用光學玻璃塊體制作的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖20為表示并排設置雙棱鏡的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖21為表示并排設置雙重的光學器件的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖22為表示并排設置1維分布折射率透鏡的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖23為表示并排設置半圓柱面的分布折射率透鏡元件的第1光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖24為表示采用變形棱鏡的光束壓縮器，與采用它進行的光束壓縮的透視圖；圖25為表示圖24所示的光束壓縮器，與采用它進行的光束壓縮的平面圖；圖26為表示采用2個變形棱鏡的變形棱鏡對的光束壓縮器，與采用它進行的光束壓縮的透視圖；圖27為圖26所示的光束壓縮器，與采用它進行的光束壓縮的平面圖；圖28為表示并排設置呈斜角柱狀的光學元件而獲得的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖29為表示與圖28的光束轉(zhuǎn)換器等效的一體的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖30為表示并排設置反射鏡元件的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖31為表示并排設置柱面透鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖32為表示并排設置入射面與射出面具有圓柱表面的光學元件的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖33為表示采用光學玻璃塊體制作的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖34為表示并排設置雙棱鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖35為表示并排設置雙重的光學器件的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖36為表示并排設置1維分布折射率透鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖37為表示并排設置半圓柱面的分布折射率透鏡元件的第2光束轉(zhuǎn)換器，與采用它進行的光束轉(zhuǎn)換的透視圖；圖38為說明本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的平面圖；圖39為說明圖38所示的半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的正視圖；圖40為說明本發(fā)明的光纖光導半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的平面圖；圖41為說明圖40所示的光纖光導半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的正視圖。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖，對本發(fā)明進行具體描述。
圖2為本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖，圖3為其正視圖。
疊層陣列半導體激光器10，在5～40mm的高度范圍內(nèi)，疊置有線性陣列半導體激光器(在圖中顯示出4層)，在線性陣列半導體激光器中，在寬度約為10mm的間距之間，呈一排排列有10～100個發(fā)射激光束(在圖中，為了方便，顯示6個)的活性層條12。
在各活性層條12的截面中，比如，寬度在100～200μm的范圍內(nèi)，厚度在0.1～1μm的范圍內(nèi)，從活性層條的端面發(fā)射的激光光線構(gòu)成疊層陣列半導體激光器10的發(fā)光光源，其厚度方向的輻射角在40°～50°范圍內(nèi)，寬度方向的輻射角為10°。由于該活性層條呈一排并排于線性陣列半導體的端部，故該疊層陣列半導體激光器提供線段呈二維陣列狀排列的發(fā)光的光源。
第1柱面透鏡陣列20具有沿活性層條的厚度方向，將從疊層陣列半導體激光器10發(fā)射的激光會聚的作用，使與活性層條相垂直的分量的發(fā)散光平行。由于第1柱面透鏡陣列20具有沿寬度方向相等的厚度，光基本上直線行進，故激光束的寬度方向的輻射角約為10°而不變化。
第1光束轉(zhuǎn)換器30將從第1柱面透鏡陣列20輸出的激光束的截面相對入射光，旋轉(zhuǎn)約90°。第1光束轉(zhuǎn)換器30按照下述方式，呈2維陣列狀排列，該方式為使1對1地與疊層陣列半導體激光器10中的各活性層條12相對應的光學元件，與各活性層條相對應。
由于下述激光束通過第1光束轉(zhuǎn)換器30，針對每個活性層條12，旋轉(zhuǎn)約90°，該激光束指通過第1柱面透鏡20，以約10°的角度沿寬度方向輻射，沿厚度方向形成平行光的激光束(參照圖3)，故將該激光束轉(zhuǎn)換為沿厚度方向輻射角約為10°，沿寬度方向平行的光(參照圖2)。另外，上述光學元件也可與具有多個活性層條的條組相對應。
象這樣，由于旋轉(zhuǎn)約90°，經(jīng)光束轉(zhuǎn)換的激光束只按照各活性層條，或條組的數(shù)量平行并排，故疊層陣列半導體激光器10的發(fā)射光與下述場合實質(zhì)上相同，該場合指活性層條呈梯級狀并排，進一步將多個該并排的活性層條并排，呈2維方式排列。
激光壓縮器40將呈梯級狀并排的激光束的梯級的間距縮小，將激光束壓縮。這樣的經(jīng)壓縮的激光束還沿疊層陣列半導體激光器的高度方向按1排直列。
第2光束轉(zhuǎn)換器50最終使從光束轉(zhuǎn)換器40輸出的壓縮激光束的截面相對入射光，旋轉(zhuǎn)90°左右。第2光束轉(zhuǎn)換器50按照下述方式，沿疊層陣列半導體激光器的高度方向直線地排列，該方式為使1對1地與來自壓縮光學系統(tǒng)40的壓縮激光束相對應的光學元件與壓縮激光束對應。
其結(jié)果是，從全部的活性層條射出的激光束組構(gòu)成以1排并排的激光束組。另外，上述按1排并排的激光束組的并列單元象前述那樣，也可與具有多個活性層條的條組相對應。
第2柱面透鏡60與疊層陣列半導體激光器的高度方向平行地設置。在從該疊層陣列半導體激光器10發(fā)射的，通過柱面透鏡陣列20和第1光束轉(zhuǎn)換器30、光束壓縮器40、第2光束轉(zhuǎn)換器50的激光，針對每個活性層條，與活性層條相垂直的分量構(gòu)成平行光，寬度方向的輻射角為10°，但是，由于它們并排在一起，故全部激光束沿與半導體激光器的活性層平行的方向的輻射角約為10°。由于第2柱面透鏡60接收該激光，形成與寬度方向相平行的光，故激光形成與任何的方向均保持平行的光。
聚焦透鏡70將通過第2柱面透鏡，變?yōu)橥耆钠叫泄獾募す馐?，會聚成較小的射束點。在這里，如果第1柱面透鏡20的焦距由f1表示、第2柱面透鏡60的焦距由f3表示、聚焦透鏡70的焦距由f2表示、活性層條的寬度由ω0表示，厚度由d0表示，則來自一個活性層條的激光束點的寬度ω1、厚度d1象下述這樣求出。
d1＝d0·f2/f1ω1＝ω0·f2/f3于是，為了獲得尖銳的光點，f1和f3越大越好。在這里，如果考慮ω0在100～200μm的范圍內(nèi)，d0在0.1～1μm的范圍內(nèi)，則f1的大小與f3相比較，沒有問題。在ω0為200μm，條的排列間距為800μm，活性層條長軸方向的輻射角為10°，另外，疊層的排列間距為4mm的實例中，來自相鄰的條的激光按照距條射出端面3.4mm的距離，沿長軸方向重合。
因此，當不采用本發(fā)明時，為了有效地利用輸出能量，第1和第2柱面透鏡均必須設置于距條表面，3.4mm以下的距離處，為了使激光束保持平行，f1和f3的最大尺寸必須為3.4mm。
但是，如果將f1具有小于3.4mm的適當值的第1柱面透鏡和第1光束轉(zhuǎn)換器設置于距條射出端面，3.4mm以下的距離處，通過第1光束轉(zhuǎn)換器，使激光束旋轉(zhuǎn)，則沿與活性層平行的方向，激光束形成平行光，不相互重疊。
另外，可沿與活性層相垂直的方向，具有約10°的擴散。其結(jié)果是，沿與活性層相垂直的方向，相鄰的疊層的激光在來自條表面的光路長度為21.7mm的位置處重合。于是，如果將光束壓縮器與第2光束轉(zhuǎn)換器設置于21.7mm以下的位置，通過該第2光束轉(zhuǎn)換器，使激光束旋轉(zhuǎn)，則沿與與活性層相垂直的方向，形成平行光，光不相互重疊。另外，沿與活性層平行的方向，可具有約10°的擴散。
為了通過第2柱面透鏡，使該輻射光形成平行光，焦距f3取足夠大的值。即，f3可不限制為3.4mm，21.7mm，而選擇適當?shù)闹担热?，當選擇與聚焦透鏡的焦距f2相同的值時，射束點的寬度ω1為200μm。
如果象這樣，采用本發(fā)明的激光裝置，可使射束點的寬度ω1與厚度d1為足夠小的值，可獲得有效利用線性陣列激光二極管的輸出的強激光。于是，本發(fā)明的激光裝置可用于激光加工，作為激光手術刀，而用于醫(yī)療領域。
圖4為在第1光束轉(zhuǎn)換器與光束壓縮器之間，插入第2柱面透鏡陣列的本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖，圖5為其正視圖。第2柱面透鏡陣列80沿與活性層平行的方向，具有聚光作用，但是，通過與柱面透鏡60相配合的復合光學系統(tǒng)，使從疊層陣列半導體激光器10發(fā)射的激光中的沿活性層條的寬度方向的發(fā)散光處于平行狀態(tài)。通過插入第2柱面透鏡陣列，可延長距到相鄰的疊層的激光重合的位置處的條表面的光路長度?？墒乖O置光束壓縮器的空間具有余量。
另外，該柱面透鏡陣列80是為了完全確保光束轉(zhuǎn)換器與光束壓縮器的間距余量而插入的，其不以對活性層條陣列方向的發(fā)散角進行補償，進行準直處理為目的。其原因在于如前面所述，由于該方向的聚光直徑ω1與柱面透鏡陣列(在此場合，透鏡陣列60和80的復合焦距)f3成反比，故希望f3為盡可能大的值。
于是，最好，即使在插入柱面透鏡陣列80的情況下，仍還設置柱面透鏡陣列60。
圖6為下述場合的本發(fā)明的半導體激光裝置的平面圖，該場合指作為疊層陣列激光二極管采用發(fā)光部分的密度較高的假連續(xù)振蕩激光二極管Quasi—CW—LD等，圖7為其正視圖。在該疊層陣列激光二極管10中，高密度地設置有多個活性層條12，形成實質(zhì)上沒有隔開的直線狀發(fā)光部。
第1光束轉(zhuǎn)換器30，與活性層條的尺寸無關，或按照適當數(shù)量直線地排列具有尺寸與規(guī)定數(shù)量的條相對應的光學元件。第1柱面透鏡陣列20、第1光束轉(zhuǎn)換器30、光束壓縮器40、第2光束轉(zhuǎn)換器50、第2柱面透鏡60、聚焦透鏡70的位置，作用與通過圖2和圖3已描述的相同。
當象這樣，采用活性層條的寬度較小，其間距較窄的激光二極管時，如果使第1光束轉(zhuǎn)換器的光學元件與活性層條1對1地相對應，則難于制作光束轉(zhuǎn)換器。在本實施例中，將適當數(shù)量的活性層條組合成組，與其相對應，以代替前述的方式。另外，也可考慮下述場合，在該場合，將激光二極管的發(fā)光部看作1個條，而代替視為虛線狀的方式，通過光學元件，對其進行適當劃分，使其旋轉(zhuǎn)，實質(zhì)上，使呈梯級狀發(fā)光的激光二極管變化。
圖8為采用光纖90的本發(fā)明的激光裝置的平面圖，圖9為其正視圖。在上述激光裝置所形成的激光束點的位置，設置光纖90的受光面，可接收從激光器10發(fā)射的激光能量，將其傳遞到光纖90的另一端面?zhèn)取?br> 可獲得下述激光裝置，其中，根據(jù)光纖90的長度和柔性，簡單地將發(fā)光部帶入所需場所，進行作業(yè)，容易使用。另外，將輸出功率為800W的疊層陣列激光二極管10作為光源，在纖芯直徑為400μm的光纖90的入射面，形成比纖芯的截面小的激光束點，象這樣形成的激光裝置的效率為60％。
圖10為說明由本發(fā)明的第1光束轉(zhuǎn)換器30、光束壓縮器40、第2光束轉(zhuǎn)換器50形成的光學系統(tǒng)的方塊圖。第1光束轉(zhuǎn)換器30象圖10所示的那樣，按照呈2維陣列狀，將適當數(shù)量的光學元件32連接的方式形成。第1光束轉(zhuǎn)換器的寬度和高度與疊層陣列激光二極管的發(fā)光面相對應。
光學元件32象圖10所示的那樣，具有受光面，該受光面以與其面相垂直的方式對沿第1光束轉(zhuǎn)換器的寬度方向，具有活性層條的軸向的激光束36進行受光；輸出面，該輸出面按照與其面垂直的方式輸出下述激光束37，該激光束37是在光學元件的內(nèi)部，沿光軸，接受將光路扭轉(zhuǎn)的處理，將光路轉(zhuǎn)換而形成的激光束。光學元件32比如，接收從按照800μm的反復間距而并排的活性層條發(fā)射的，水平地具有條長軸方向的激光束36，使已接收的激光束的截面的方向基本旋轉(zhuǎn)90°，進行條軸向為垂直的這樣的轉(zhuǎn)換。
用于第1光束轉(zhuǎn)換器30的光學元件32一般可1對1地與下述活性層條12相對應，該活性層條12指用于裝配有第1光束轉(zhuǎn)換器的激光裝置的疊層陣列激光二極管10中的活性層條12。于是，比如，在反復使用按照800μm的間距，12個活性條并排，接著，它們每次按照4mm的尺寸，疊置成4層的疊層陣列激光二極管的場合，在第1光束轉(zhuǎn)換器中，反復按照800μm的間距，并排12個活性層條，接著，它們每次按照4mm的尺寸重疊。
但是，象圖6所示的示例那樣，以下述方式使用，該方式為在活性層條以高密度并排的場合，將激光束視為是從1個連續(xù)波發(fā)射的光束，以適當?shù)拈g隔，將第1光束轉(zhuǎn)換器所接收的激光分隔，針對每個部分，旋轉(zhuǎn)激光束約90°，由此，實質(zhì)上，可用作這樣構(gòu)成的疊層陣列激光二極管，其中，形成具有以上述間距作為寬度的梯級狀發(fā)光部的線性陣列激光二極管，接著，將這些線性陣列激光二極管重疊。針對這樣的目的，不依賴活性層條的數(shù)量，而以2維方式并排設置適當數(shù)量的光學元件。
與疊層陣列激光二極管的發(fā)射面為平面的情況相對應，第1光束轉(zhuǎn)換器30的入射面與射出面在第1光束轉(zhuǎn)換器的整個范圍內(nèi)，分別設置于1個平面上，該情況從激光裝置的結(jié)構(gòu)方面來說是有利的。
上述光學元件在US5513201號專利中給出，可根據(jù)各種原理形成。
首先，考慮基于3次反射的扭轉(zhuǎn)的光學元件。在該場合，容易想到假定3個直角棱鏡。即，象圖11所示的那樣，將3個直角棱鏡組合。如果將橫向的扁平的激光束射入第1直角棱鏡，則通過第1、第2、第3棱鏡內(nèi)的3次全反射，形成扭轉(zhuǎn)90°的縱向的扁平的激光束，從第3直角棱鏡射出。可通過圖12那樣的1個棱鏡元件，實現(xiàn)由3個直角棱鏡達到的功能。
如果將這樣的棱鏡元件按1維陣列排列，形成圖13那樣的棱鏡陣列，則射入呈虛線狀直列排列的激光束，轉(zhuǎn)換為呈梯級狀并排的排列的激光束，然后射出。這樣的棱鏡陣列也可由1塊玻璃基板，象圖14那樣，成整體形成。如果沿縱向?qū)⑦@樣的棱鏡陣列重疊，象圖15那樣，形成棱鏡元件的2維陣列，則射入虛線并排的排列的激光束，轉(zhuǎn)換為梯級并排的排列的激光束，然后射出。
3次反射不必象直角棱鏡那樣，一定為直角，其結(jié)果是，可射入虛線并排的排列的激光束，轉(zhuǎn)換為梯級狀并排的排列的激光束射出。
采用反射面的光學元件也可不是棱鏡，而為適當設置的反射鏡。
在采用反射鏡，構(gòu)成光束轉(zhuǎn)換器的場合，可按照棱鏡陣列的全反射面構(gòu)成反射面的方式，形成反射鏡陣列。作為反射鏡的材料，可采用金屬、鍍金屬的玻璃、涂有反射涂層的玻璃、塑料、硅等。精細的光學元件可采用精密模具制造，或，比如，采用硅半導體制造工藝，LIGA工藝而制造。在采用硅晶體的場合，使其劈裂面形成反射鏡面的加工也是容易的。
如果采用1維的反射鏡陣列，則射入呈虛線狀直列的排列的激光束，轉(zhuǎn)換為呈梯級狀并排的排列的激光束，將其射出。如果沿縱向?qū)⑦@樣的反射鏡陣列重疊，象圖16那樣，形成反射鏡元件的2維陣列，則射入虛線并排的排列的激光束，轉(zhuǎn)換為梯級并排的排列的激光束，將其射出。
圖17為表示并排設置柱面透鏡的第1光束轉(zhuǎn)換器的圖。該第1光束轉(zhuǎn)換器這樣形成，將柱面透鏡的軸傾斜45°而并排設置該透鏡，然后，將其按照夾有具有適當距離的空間的方式相對設置。水平地射入入射面的扁平的光線通過傾斜45°的柱面透鏡，接受伴隨入射位置而不同的折射作用，扁平軸旋轉(zhuǎn)，接著，在相對射出面傾斜45°的柱面透鏡中，扁平軸共計旋轉(zhuǎn)約90°，之后從射出面射出。
通過使用第1光束轉(zhuǎn)換器，來自疊層陣列激光二極管的條光實質(zhì)上按照梯級并排的排列而變化。在傾斜45°的柱面透鏡的排列不與鄰接的線性陣列LD層的條的排列相對應的場合，可按照與線性陣列LD層相對應的方式，分區(qū)域地將柱面透鏡陣列切斷，按照與條保持一致的方式錯開。
圖18表示下述第1光束轉(zhuǎn)換器，其中，將入射面和射出面具有圓柱表面，側(cè)面是平行的，內(nèi)部密度較高的，多個光學玻璃制光學元件接合。該光學元件也為一種柱面透鏡。光學元件相對水平面傾斜45°。水平地射入入射面的扁平的光線受到在傾斜45°的入射面的圓柱表面產(chǎn)生的不同的折射作用，扁平軸旋轉(zhuǎn)，接著，在射出面中的傾斜45°的圓柱表面，扁平軸旋轉(zhuǎn)幾乎90°左右，然后，光線從射出面射出。通過采用第1光束轉(zhuǎn)換器，來自疊層陣列激光二極管的條光實質(zhì)上按照梯級并排的排列而變化。
在與條光間距相匹配的場合，側(cè)面不必為平行面，也可采用截面為正圓的柱面透鏡。在傾斜45°的柱面透鏡的排列不與鄰接的線性陣列LD層的條的排列一致的場合，與前述相同，可按照與線性陣列LD層相對應的方式，分區(qū)域地將柱面透鏡陣列切斷，按照與條保持一致的方式錯開。
圖19表示通過光學玻璃塊體制作的第1光束轉(zhuǎn)換器。在該光束轉(zhuǎn)換器中，在截面呈長方形的光線玻璃制棱柱的入射面與射出面，形成沿相同方向傾斜45°的，多個圓柱表面，該第1光束轉(zhuǎn)換器的功能與圖18的光束轉(zhuǎn)換器相同。傾斜45°的圓柱表面的排列不與鄰接的線性陣列LD層的條的排列一致的場合，與前述相同，可按照與線性陣列LD層相對應的方式，分區(qū)域地將圓柱表面陣列切斷，按照與條保持一致的方式錯開。
圖20表示設置多個雙棱鏡的第1光束轉(zhuǎn)換器。光學元件相對水平面，傾斜45°。水平地射入入射面的扁平的光線為因伴隨入射位置，底面處的反射位置不同，垂直地在射出面射出的扁平的光線。于是，扁平軸旋轉(zhuǎn)90°左右射出。通過采用第1光束轉(zhuǎn)換器，來自疊層陣列激光二極管的條光實質(zhì)上按照梯級并排的排列而變化。在將鄰接的雙棱鏡接合的場合，可根據(jù)需要，在雙棱鏡的底面形成反射涂層。
光束轉(zhuǎn)換器也可為采用利用衍射的光學元件的類型。圖21為表示利用雙重的光學器件的光學元件的圖。在該光學元件中，透明板按照中心軸傾斜45°的方式排列，沿與各中心軸相垂直的方向，按照與中心軸保持對稱的方式，設置深度變化的多個槽，該光學元件呈階梯狀。槽的深度按照利用衍射，伴隨從中心向外，衍射角增加的方式變化。射出面的階梯狀表面按照與入射面的階梯狀表面保持面對稱的方式切刻加工。水平地射入入射面的扁平的光線在中心軸傾斜45°的階梯狀表面，受到伴隨入射位置而不同的折射作用，其扁平軸旋轉(zhuǎn)，接著，在相對射出面，中心軸傾斜45°的階梯狀表面，其扁平軸共計旋轉(zhuǎn)90°，然后該光線從射出面射出。這樣的雙重的光學器件由光學玻璃，塑料形成，也可采用半導體制造工藝制造，還可采用模具制造。
圖22表示由在中央面，折射率最高，越靠近側(cè)面，折射率越低的光學玻璃體形成的，多個1維分布折射率透鏡接合而形成的第1光束轉(zhuǎn)換器。該1維分布折射率透鏡相對水平面，傾斜45°。水平地射入入射面的扁平的光線受到朝向傾斜45°的中央面的折射作用，扁平軸旋轉(zhuǎn)90°左右，然后該光線從射出面射出。
圖23表示下述第1光束轉(zhuǎn)換器，其中，在光學玻璃板的兩個表面，沿相同方向，相對地設置分別成對的，基本呈半圓柱面的分布折射率透鏡元件，形成多個這樣的組合體。半圓柱的中心軸相對水平面，傾斜45°，半圓的中心的折射率為最高，越靠近外側(cè)，折射率越低。光學玻璃板的兩個表面構(gòu)成入射面和射出面，水平地射入入射面的扁平的光線在傾斜45°的分布折射率透鏡元件中，受到伴隨入射位置而不同的折射作用，其扁平軸旋轉(zhuǎn)90°左右，然后，該光線從射出面射出。
圖24為表示采用變形棱鏡的光束壓縮器的透視圖，圖25為其平面圖。如果具有一定寬度的平行光線射入該變形棱鏡，則轉(zhuǎn)換為因折射效應，使寬度縮小的光束，其從變形棱鏡射出。
象圖26的透視圖，與作為其平面圖的圖27所示的那樣，如果再配備1個變形棱鏡，形成變形棱鏡對，則由于2次的折射的效果，不僅寬度進一步縮小，而且相對入射光軸，射出光軸僅僅平行地移動，方向不改變。
從第1光束轉(zhuǎn)換器射出的，呈梯級狀并排的激光束排進一步按多排并排，以2維方式排列的激光束組通過變形棱鏡，進行光束壓縮處理，轉(zhuǎn)換為針對各相應的激光束排，排壓縮，梯級的間距縮小的激光束排，其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換為這些壓縮激光束排按1排直列的排列。
另外，如果配備再1組變形棱鏡對，使用共計4個變形棱鏡，則可使射出光軸位于入射光軸的大致前方。顯然，如果不考慮光軸的方向變化，則也可僅僅使用1個變形棱鏡。
第2光束轉(zhuǎn)換器50象圖10所示的那樣，這樣形成，即，呈1維陣列狀，只以疊層陣列激光二極管的疊層的數(shù)量，將光學元件52連接。用于第2光束轉(zhuǎn)換器50的光學元件52可1對1地與從光束壓縮器40射出的各壓縮激光束排相對應。該光學元件52按照與用于第1激光轉(zhuǎn)換器30的光學元件32相同的原理，將已射入的激光束扭轉(zhuǎn)90°。于是，如果已壓縮的并排激光束排進一步按照直列布置而形成的激光束組從光束壓縮器射出，射入第2光束轉(zhuǎn)換器，則已壓縮的并排激光束排扭轉(zhuǎn)90°，其結(jié)果是，全部的激光束單元構(gòu)成按1排并排的排列。
上述光學元件可按照用于第1光束轉(zhuǎn)換器的各種原理而形成。
首先，考慮基于3次反射的扭轉(zhuǎn)的場合。象圖28所示的那樣，按照1維陣列方式排列棱鏡元件，其中，如果射入縱向的扁平的激光束沿橫向并排的激光束，則形成通過3次的反射，扭轉(zhuǎn)90°的橫向的扁平的激光束沿縱向并排的激光束，然后其射出，在此場合，射入經(jīng)壓縮的并排激光束排進一步按直列布置而形成的激光束，轉(zhuǎn)換為全部的激光束單元按1排并排的排列，然后其射出。象這樣的1維陣列也可采用1塊玻璃基板，象圖29那樣，單片形成。
3次的反射不必一定象直角棱鏡中的那樣，為直角，其結(jié)果是，射入經(jīng)壓縮的并排激光束排進一步按直列布置而形成的激光束組，可轉(zhuǎn)換為全部的激光束單元按照1排并排的排列，這一點與第1光束轉(zhuǎn)換器的場合相同。
另外，采用反射面的光學元件也可為不為棱鏡，而為以適當方式設置的反射鏡。
象圖30那樣，如果形成通過3次反射，扭轉(zhuǎn)90°的橫向的扁平的激光束沿縱向并排者，將其射出的反射鏡元件按1維陣列方式排列，則射入經(jīng)壓縮的并排的激光束排進一步按直列布置而形成的激光束組，轉(zhuǎn)換為全部的激光束單元按1排并排的排列，將其射出。
圖31為表示并排設置柱面透鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器的圖。在該光束轉(zhuǎn)換器中，按照柱面透鏡的軸傾斜45°的方式并排設置該透鏡而形成的組合體以夾有具有適當距離的空間的方式相對地設置。
水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排在傾斜45°的柱面透鏡中，受到伴隨入射位置而不同的折射作用，光束排的截面旋轉(zhuǎn)，接著，在相對射出面傾斜45°的柱面透鏡中，光束排的截面共計旋轉(zhuǎn)90°左右，然后，該光束從射出面射出。
通過采用第2光束轉(zhuǎn)換器，來自光束壓縮器的，經(jīng)壓縮的并排激光束排進一步按直列布置而形成的激光束組實質(zhì)上轉(zhuǎn)換為全部的激光束呈梯級狀，按1排并排的排列。此時，全部的梯級的間距不必相同。
圖32表示下述光束轉(zhuǎn)換器，其中，接合有多個，入射面和射出面具有圓柱表面，側(cè)面是平行的，內(nèi)部稠密的光學玻璃制的光學元件。光學元件相對水平面，傾斜45°。水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排受到在傾斜45°的入射面的圓柱表面產(chǎn)生的不同的折射作用，光束排的截面旋轉(zhuǎn)，接著，在射出面傾斜45°的圓柱表面，光束排的截面旋轉(zhuǎn)90°左右，然后該光束從射出面射出。
通過使用該第2光束轉(zhuǎn)換器，來自光束壓縮器的，經(jīng)壓縮的并排激光束排進一步按直列布置而形成的激光束組實質(zhì)上轉(zhuǎn)換為全部的激光束呈梯級狀，按1排并排的排列。此時，全部的梯級的間距不必相同。在與經(jīng)壓縮的并排激光束排與鄰接的光束排的間距匹配的場合，也可采用側(cè)面不必為平行面，截面為正圓的柱面透鏡。
圖33表示采用光學玻璃塊體制作的第2光束轉(zhuǎn)換器。在該光束轉(zhuǎn)換器中，在截面呈長方形的光學玻璃制棱柱的入射面與射出面，沿相同方向，形成傾斜45°的多個圓柱表面，該光束轉(zhuǎn)換器的功能與圖32的光束轉(zhuǎn)換器相同。
圖34表示采用雙棱鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器。水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排在傾斜45°的雙棱鏡的入射面發(fā)生折射，形成因入射位置不同，在底面不同的反射位置，由此，在射出面，光束排的截面旋轉(zhuǎn)90°左右，然后該光束排從射出面折射地射出。在將鄰接的雙棱鏡接合的場合，根據(jù)需要，可在雙棱鏡的底面形成反射涂敷層。
圖35表示采用雙重光學器件的第2光束轉(zhuǎn)換器。在該光束轉(zhuǎn)換器中，在入射面和射出面，沿相同方向，形成多個，中心軸傾斜45°的階梯狀表面。水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排受到在傾斜45°的入射面的階梯狀表面產(chǎn)生的不同的衍射作用，光束排旋轉(zhuǎn)，接著，在射出面中的傾斜45°的階梯狀表面，光束排的截面旋轉(zhuǎn)90°，然后該光束排從射出面射出。
圖36表示采用1維分布折射率透鏡的第2光束轉(zhuǎn)換器。在該光束轉(zhuǎn)換器中，由在中央面，折射率最高，越靠近側(cè)面，折射率越低的光學玻璃體形成的，多個1維分布折射率透鏡按照傾斜45°的方式接合。水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排在傾斜45°的1維分布折射率透鏡內(nèi)，受到伴隨入射位置而不同的折射作用，光束排旋轉(zhuǎn)，光束排的截面旋轉(zhuǎn)90°，然后該光束排從射出面射出。
圖37表示采用相對設置的分布折射率透鏡元件的第2光束轉(zhuǎn)換器。在該光束轉(zhuǎn)換器中，在光學玻璃板的兩個面，沿相同方向，分別成對的基本呈半圓柱面的分布折射率透鏡元件相對地設置，形成多個這樣的組合體。半圓柱的中心軸相對水平面傾斜45°，半圓的中心的折射率最高，越靠近外側(cè)，折射率越低。水平地射入入射面的，經(jīng)壓縮的并排激光束排因傾斜45°的分布折射率透鏡元件，受到伴隨入射位置而不同的折射作用，光束排旋轉(zhuǎn)，光束排的截面旋轉(zhuǎn)90°，然后該光束排從射出面射出。
圖38為說明本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的平面圖，圖39為其正視圖。該半導體激光激勵固體激光裝置將本發(fā)明的半導體激光裝置用作固體激光器95的激勵光源。采用疊層陣列激光二極管的以往的半導體激光裝置即使在通過光學系統(tǒng)，將能量集中的情況下，仍限制在橫向較長的區(qū)域，實質(zhì)的能量密度不增加。另外，如果要有效地利用該能量，則只能實現(xiàn)固體激光器的側(cè)面激勵。
本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置通過具有較短的焦距f1的第1柱面透鏡陣列20，沿與條相垂直的方向?qū)B層陣列激光二極管10的虛線狀發(fā)光條會聚，然后，采用第1光束轉(zhuǎn)換器30，將其轉(zhuǎn)換為多排的梯級狀激光束，通過光束壓縮器40，針對每排，對光束進行壓縮，通過第2光束轉(zhuǎn)換器50，針對每排，使光束旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)換為全部的光束按1排并列的排列，接著，通過具有較長的焦距f3的第2柱面透鏡60，沿梯級狀激光束的橫向?qū)⒃摴馐鴷郏缓?，通過聚焦透鏡70，將能量會聚于固體激光元件96的受光面上的較小的區(qū)域。
本發(fā)明的半導體激光裝置象前述那樣，可采用縱向f2/f1與橫向f2/f3不同的聚光作用，將能量集中于規(guī)定的較窄的范圍內(nèi)。由此，采用本發(fā)明的半導體激光裝置的半導體激光激勵固體激光裝置可有效地靈活使用疊層陣列激光二極管10的輸出，并且還可實現(xiàn)固體激光器95的端面激勵。
作為固體激光器件，除了可采用YAG、YLF等的，普通的固體激光器件，也可采用具有Q開關，波長轉(zhuǎn)換元件的固體激光器件。
另外，也可按照具有布留斯特(Brewster)角的方式，將激勵光源射入固體激光器件中。固體激光器件也可為短吸收長激光晶體(YVO4)?？赏ㄟ^本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置，采用300W的半導體激光器件，獲得100W的YAG激光輸出功率。
圖40為說明本發(fā)明的光纖光導半導體激光激勵固體激光裝置的方塊圖的平面圖，圖41為其正視圖。該光纖光導半導體激光激勵固體激光裝置通過光纖90，對本發(fā)明的半導體激光裝置的輸出進行光導處理，形成固體激光器95的激勵光源。在光纖的輸出部，設置有光學系統(tǒng)92，該光學系統(tǒng)92用于對從端部發(fā)射的激光束的能量進行準直處理，再次使其會聚。
象這樣，由于在半導體激光裝置部分和固體激光裝置部分之間，夾設柔軟的光纖，故具有裝置的自由度顯著地增加，組成容易的優(yōu)點?？赏ㄟ^本發(fā)明的光纖光導半導體激光激勵固體激光裝置，采用400W的半導體激光器件，獲得80W的YAG激光輸出功率。
在本發(fā)明的半導體激光裝置中，由于疊層陣列激光二極管產(chǎn)生的激光能量可會聚于極小的面積，故可充分地用于激光加工，醫(yī)療領域。另外，采用本發(fā)明的光束轉(zhuǎn)換器，具有實質(zhì)上將疊層陣列半導體激光器中的發(fā)射體呈1排的梯級狀排列的效果的半導體激光裝置可將疊層陣列半導體激光器的能量集中于極小的焦點處。另外，本發(fā)明的半導體激光激勵固體激光裝置可實現(xiàn)靈活使用高強的半導體激光器的端面激勵，可獲得效率較高的，光束質(zhì)量良好的固體激光輸出。
權利要求
1.一種半導體激光器的光束配置轉(zhuǎn)換器，其特征在于，將呈直線狀，并且呈虛線狀排列的陣列沿與其垂直的方向疊層的二維陣列半導體激光器的輸出光束組，轉(zhuǎn)換為沿疊層方向排列為1排的梯級狀光束組。
2.一種半導體激光裝置，其特征在于，由將呈直線狀，并且呈虛線狀排列的陣列沿與其垂直的方向疊層的2維陣列半導體激光器；將其輸出光束組轉(zhuǎn)換為沿疊層方向排列成1排的梯級狀光束組的光束配置轉(zhuǎn)換器；和用于將其輸出會聚的聚焦透鏡構(gòu)成。
3.一種半導體激光器的光束配置轉(zhuǎn)換器，其特征在于，將呈直線狀，并且呈虛線狀連續(xù)地，或假連續(xù)地具有射出口的半導體激光器發(fā)光元件沿與上述直線方向垂直的方向疊層的二維陣列半導體激光器的輸出光束組，轉(zhuǎn)換為沿疊層方向排列為1排的梯級狀光束組。
4.一種半導體激光裝置，其特征在于，由將呈直線狀，并且呈虛線狀連續(xù)地，或假連續(xù)地具有射出口的半導體激光器發(fā)光元件沿與上述直線方向垂直的方向疊層的2維陣列半導體激光器；將其輸出光束組，轉(zhuǎn)換為沿疊層方向排成1排的梯級狀光束組的光束配置轉(zhuǎn)換器；和用于將其輸出會聚的聚焦透鏡構(gòu)成。
5.一種半導體激光裝置，其特征在于包括沿發(fā)射激光束的第1方向較長的多個發(fā)射體沿該第1方向呈直線狀并排的方式，且多排排列地設置，發(fā)射激光束單元呈2維陣列狀排列的激光束組的疊層陣列激光二極管；配設于上述疊層陣列激光二極管的前面，在各排中，沿與上述第1方向幾乎成直角的第2方向使上述激光束組折射進行準直處理的第1聚光器；配設于上述第1聚光器的前面，接收沿上述第2方向經(jīng)準直處理的激光束組，將其轉(zhuǎn)換為在各排中，沿上述第1方向延伸的，實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，進行輻射的第1光束轉(zhuǎn)換器；接收上述多排的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，將其轉(zhuǎn)換為梯級的間隔縮小的多排的沿上述第1方向延伸的，經(jīng)壓縮的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組進行輻射的光束壓縮器；配設于上述光束壓縮器的前面，接收上述梯級的間隔縮小的多排的，沿上述第1方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，將其轉(zhuǎn)換為在各排中，沿上述第2方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換為全部的激光束沿上述第2方向延伸的1排的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組進行輻射的第2光束轉(zhuǎn)換器；沿與上述第2方向基本相垂直的方向，對上述1排的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組進行準直處理進行平行化的第2聚光器；和將從上述第2聚光器輻射的激光束組聚焦于焦點的第3聚光器。
6.一種半導體激光裝置，其特征在于包括發(fā)射激光束的，沿第1方向較長的多個發(fā)射體沿該第1方向呈直線狀并排的方式，且多排排列地設置，發(fā)射激光束單元呈2維陣列狀排列的激光束組的疊層陣列激光二極管；或者發(fā)射激光束的，沿第1方向較長的多個發(fā)射體沿該第1方向呈直線狀密集地排列的方式，且多排排列地設置，發(fā)射激光束呈直線狀基本連續(xù)者以多排排列的激光束組的疊層陣列激光二極管；設置于上述疊層陣列激光二極管的前面，在每排中，沿與上述第1方向基本呈直角的第2方向使上述激光束組折射，進行準直處理的第1聚光器；設置于上述第1聚光器的前面，將各排內(nèi)的激光束組分區(qū)，以經(jīng)分區(qū)的多個激光束為單位，在各排內(nèi)并排地具有將該激光束單位的截面的軸基本呈直角彎曲的光學元件，接收沿上述第2方向經(jīng)準直處理的激光束組，在每個光學元件中，將該激光束單位的截面的軸旋轉(zhuǎn)，輻射以經(jīng)分區(qū)的多個激光束為單位的，沿上述第1方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組的第1光學束轉(zhuǎn)換器；接收上述多排實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，將其轉(zhuǎn)換為梯級的間距縮小的多排的，沿上述第1方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組進行輻射的光束壓縮器；設置于上述光束壓縮器的前面，接收上述梯級的間距縮小的，多排的，沿上述第1方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，將其轉(zhuǎn)換為在每排中，沿上述第2方向延伸的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組，其結(jié)果是，轉(zhuǎn)換為全部的激光束沿上述第2方向延伸的1排的實質(zhì)上呈梯級狀的激光束組進行輻射的第2光束轉(zhuǎn)換器；沿與上述第2方向基本相垂直的方向，對上述1排的實質(zhì)上呈梯級狀激光束組進行準直處理，進行平行化的第2聚光器；和將從上述第2聚光器輻射的激光束組聚焦于焦點的第3聚光器。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的半導體激光裝置，其特征在于包括設置于上述第1光束轉(zhuǎn)換器與上述光束壓縮器之間，在每排中，使上述激光束組，沿與上述第1方向基本呈直角的第2方向折射，進行準直處理的第4聚光器。
8.根據(jù)權利要求5～7中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于包括在第3聚光器的焦點面具有端面的光纖。
9.根據(jù)權利要求5～8中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于上述第1聚光器為柱面透鏡的1維陣列。
10.根據(jù)權利要求7或8所述的半導體激光裝置，其特征在于上述第4聚光器為柱面透鏡的1維陣列。
11.根據(jù)權利要求5～10中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光束壓縮器為變形棱鏡，或變形棱鏡對。
12.根據(jù)權利要求5～11中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于將具備用于接收與光軸相垂直的截面具有第1軸的入射光線的受光部；使上述光線截面的第1軸基本旋轉(zhuǎn)直角的光學系統(tǒng)；和射出通過上述光學系統(tǒng)的射出光線的射出部的多個光學元件，以2維排列而成的光束轉(zhuǎn)換器用作第1光束轉(zhuǎn)換器，上述光學元件在疊層陣列激光二極管的發(fā)射面上，使該各光學元件的受光部與射出部分別在同一面上鄰接。
13.根據(jù)權利要求5～12中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于將具備用于接收與光軸相垂直的截面具有第1軸的入射光線的受光部；使上述光線截面的第1軸基本旋轉(zhuǎn)直角的光學系統(tǒng)；和射出通過上述光學系統(tǒng)的射出光線的射出部的多個光學元件，以線性排列而成的光束轉(zhuǎn)換器用作第2光束轉(zhuǎn)換器，上述光學元件，按照與從上述光束壓縮器輻射的梯級的間距縮小的多排的實質(zhì)上呈梯級狀的激光組的每排的輻射面相對應的方式，使該各光學元件的受光部與射出部分別在同一面上鄰接。
14.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件為由反射面劃定的空間，其為提供第1反射面，該第1反射面沿垂直方向，并且相對入射光線傾斜45°左右；第2反射面，該第2反射面與入射光線平行，相對水平面傾斜45°；和第3反射面，該第3反射面與和入射光線平行的垂直面相垂直，并且與上述笫1反射面和第2反射面的交線平行，相對水平面傾斜45°左右的空間。
15.根據(jù)權利要求5～11中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件為棱鏡，該棱鏡由第1全反射面，第2全反射面，第3全反射面，入射面，射出面和接合面構(gòu)成，在該棱鏡中，上述第1、第2、第3全反射面按照60°的交叉角相互交叉，相互平行的入射面和射出面與第2全反射面正交，相對第1和第3全反射面傾斜45°左右，接合面與第2全反射面平行，該棱鏡的1維陣列用作權利要求13所述的第2光束轉(zhuǎn)換器，在該棱鏡的1維陣列中，使第3全反射面和入射面與射出面分別在同一面上鄰接，將鄰接的棱鏡的接合面和第2全反射面接合，將使棱鏡的1維陣列進一步并排而形成的2維陣列用作權利要求12所述的第1光束轉(zhuǎn)換器。
16.根據(jù)權利要求5-11中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于將下述光學玻璃體用作權利要求13所述的第2光束轉(zhuǎn)換器，該光學玻璃體具有相互平行的第1和第2平面；以135°的夾角與上述第1面相交的第3平面；第4面，該第4面由周期性的彎曲面形成，在該彎曲面中，沿相對第1平面，按照tag-1(1/ )的角度交叉的方向，其峰線和谷線延伸的彎折角度為60°的峰部和谷部呈起伏狀連續(xù)地形成，并且各峰線和谷線與上述第3平面平行，上述笫1平面構(gòu)成入射面，上述第2平面構(gòu)成射出面，構(gòu)成上述第4面的彎曲面中的，以45°的夾角與上述第1平面相交的面構(gòu)成第1反射面，該彎曲面中的另一面構(gòu)成第2反射面，上述第3平面構(gòu)成第3反射面，將使該光學玻璃體進一步并排而形成的1維陣列用作權利要求12所述的第1光束轉(zhuǎn)換器。
17.根據(jù)權利要求5-11中的任何一項所述的半導體激光裝置，其特征在于將反射鏡結(jié)構(gòu)體用作權利要求13所述的第2光束轉(zhuǎn)換器，該反射鏡結(jié)構(gòu)體具有第1平面，該第1平面沿以135°的夾角與和入射光軸相垂直的平面相交；第2面，該第2面由周期性的彎曲面形成，該第2面沿相對與上述入射光軸相垂直的平面，按照tag-1(1/ )的角度相交的方向，其峰線和谷線延伸的彎折角度為60°的峰部和谷部呈起伏狀連續(xù)地形成，并且各峰線和谷線與上述第1平面平行，對上述第1平面和第2面進行鏡面處理，構(gòu)成上述第2面的彎曲面中的，以45°的夾角和與上述入射光軸相垂直的平面相交的面構(gòu)成第1反射面，該彎曲面中的另一面構(gòu)成第2反射面，上述第1平面構(gòu)成第3反射面，將使該反射鏡結(jié)構(gòu)體進一步并排而形成的1維陣列用作權利要求12所述的的第1光束轉(zhuǎn)換器。
18.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于在上述光學元件，按照夾設規(guī)定距離空間的方式，相對地設置軸傾斜45°左右的凸型的柱面透鏡對。
19.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光束轉(zhuǎn)換器為多個排列的1維陣列，按照夾設規(guī)定距離空間的方式，相對地設置軸傾斜45°左右的凸型的柱面透鏡對。
20.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件為在側(cè)面的兩端，具有凸型的透鏡部分的柱面透鏡，按照相對入射光線傾斜45°左右的方式將多個該光學元件接合。
21.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光束轉(zhuǎn)換器為按照相對入射光線，傾斜45°左右的方式，將多個，在側(cè)面的兩端具有凸型的透鏡部分的柱面透鏡接合的1維陣列。
22.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光束轉(zhuǎn)換器沿與截面呈長方形的光學玻璃制棱柱的入射面和射出面相同的方向，形成傾斜45°左右的多個圓柱面表面，射入各圓柱表面的入射光線以其截面旋轉(zhuǎn)90°左右的方式射出。
23.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件為截面呈梯形的雙棱鏡，多個該光學元件按照傾斜45°左右的方式設置。
24.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件這樣配設，將因衍射，僅僅沿與中心軸相垂直的方向，倍率變化的2個光學部件相對，中心軸傾斜45°左右。
25.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光束轉(zhuǎn)換器由按照夾設規(guī)定的距離空間的方式在入射側(cè)和射出側(cè)，相對地設置1對兩重光學元件構(gòu)成，在入射側(cè)兩重光學元件和射出側(cè)兩重光學元件的表面上，形成多個軸對稱的階梯狀表面，在階梯狀表面中，按照與傾斜45°左右的中心軸保持對稱的方式，象僅僅沿與中心軸相垂直的方向，倍率變化那樣，其深度發(fā)生改變，射入各軸對稱的階梯狀表面的入射光線可按照光線的截面旋轉(zhuǎn)90°左右的方式射出。
26.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于上述光學元件由折射率連續(xù)地變化的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，僅僅沿與設置的方向相垂直的方向倍率變化的光學元件按照相對水平面傾斜45°左右的方式設置。
27.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于在上述光束轉(zhuǎn)換器中，由在中間面折射率最高，越靠近側(cè)面，折射率越低的光學玻璃體構(gòu)成的，多個1維分布折射率透鏡元件按照上述中央面相對水平面傾斜45°左右的方式接合。
28.根據(jù)權利要求12或13所述的半導體激光裝置，其特征在于在上述光束轉(zhuǎn)換器，是形成半圓的中心的折射率最高，越靠近外側(cè)，折射率越低的多個透鏡元件，該透鏡元件由在光學玻璃板的兩個面，沿相同方向分別成對的，傾斜45°左右的半圓柱面的分布折射率透鏡元件相對地設置而構(gòu)成的。
29.一種半導體激光激勵固體激光裝置，其特征在于包括權利要求5～7、9～11中的任何一項所述的半導體激光裝置，以及固體激光元件，該固體激光元件具有激勵受光面，并且該激勵受光面與權利要求5～7、9～11中的任何一項所述的第3聚光器的焦點位置相匹配。
30.一種半導體激光激勵固體激光裝置，其特征在于包括權利要求8所述的半導體激光裝置；對從權利要求8所述的的光纖射出的光進行準直處理，將其聚焦于焦點的光學系統(tǒng)；和固體激光元件，該固體激光元件具有激勵受光面，并且該激勵受光面與上述焦點位置相匹配。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高焦點能量密度的半導體激光裝置，及采用它的半導體激光激勵固體激光裝置，接收設置于發(fā)射呈虛線狀直列布置的激光束排進一步并排形成的，2維陣列狀激光束組的疊層陣列激光器件前面的，沿與上述虛線方向基本垂直的方向折射，經(jīng)準直處理的各激光束排，將來自各發(fā)射體，或各射體組的激光束的方向旋轉(zhuǎn)90°，輻射該激光束，將其轉(zhuǎn)換為實質(zhì)上呈梯級狀并排的多個激光束排，將該激光束排，轉(zhuǎn)換為進行了光束壓縮處理的并排激光束排進一步按1排直列布置而形成的排列，旋轉(zhuǎn)90°輻射分別進行了壓縮處理的并列激光束排，轉(zhuǎn)換為全部激光束1排并排的激光束組，對該激光束組進行準直處理，將其聚焦于焦點。
文檔編號H01S5/00GK1500223SQ0280750
公開日2004年5月26日 申請日期2002年3月12日 優(yōu)先權日2001年3月30日
發(fā)明者山口哲, 也, 濱田直也 申請人:新日本制鐵株式會社, 學校法人文理學園