JP2008203598A - レーザー集光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減できて製造コストを低減できるとともに、ビーム品質の悪化を防止できるレーザー集光装置の提供を課題とする。
【解決手段】アレイ状に配列された複数の発光点２０を有するレーザーバー１２と、レーザーバー１２の発光点２０と対向するようにアレイ状に配列され、レーザーバー１２から出射されたレーザー光が入射される入射部１６がシリンドリカルレンズ状に形成されている光ファイバー１４と、を備えたレーザー集光装置１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーバーと光ファイバーを備えたレーザー集光装置に関する。

レーザーダイオードアレイ（レーザーバー）から出射されたレーザー光が、ビームコリメーターレンズで一旦集光され、その集光されたレーザー光が、ビームコリメーターレンズと対向配置された複数の各導波路（光ファイバー）に入射されるようにしたレーザー集光装置が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この特許文献１に記載のレーザー集光装置では、レーザーダイオードアレイ（レーザーバー）とビームコリメーターレンズと導波路（光ファイバー）の３つの光学部品を使用しているため、部品点数が多くなり、光軸調整の困難さから、製造コストが高価になるという問題点があった。

また、図８（Ａ）の側面図で示すように、ビームコリメーターレンズ８４は、速軸方向（矢印Ｚ方向）の発散されたレーザー光を集光させることはできても、図８（Ｂ）の平面図で示すように、遅軸方向（矢印Ｘ方向）に対するレンズ効果は無いため、レーザー光は、ビームコリメーターレンズ８４を通過後も一定の開口数（ＮＡ）で拡がり続ける。

そのため、拡がったレーザー光を導波路（光ファイバー）８６に全て入射させようとすると、レーザーダイオードアレイ８２の発光点８０から導波路（光ファイバー）８６の入射端８６Ａまでの距離Ｄと開口数（ＮＡ）で決まるビームサイズ（幅）よりも大きい幅（コアの幅）の導波路（光ファイバー）８６が必要になり、その結果、ビーム品質の悪化を招いてしまう。

この問題を具体的な寸法（数値）を用いて説明すると、図８で示すように、レーザーダイオードアレイ８２の一般的な発光点８０の寸法は、幅１００μｍ、高さ１μｍであり、開口数（ＮＡ）は、速軸方向０．３、遅軸方向０．１である。ビームコリメーターレンズ８４は、比較的特性の良好なものとして、ここでは、先端の曲率半径が４０μｍに相当するφ９４μｍの非球面ロッドレンズを使用する。また、導波路８６の開口数（ＮＡ）は速軸方向・遅軸方向共に０．１である。

まず、速軸方向について説明すると、速軸方向の開口数（ＮＡ）０．３のレーザー光を、ビームコリメーターレンズ（ロッドレンズ）８４により、開口数（ＮＡ）０．１に変換して導波路８６に入射させるためには、ビームコリメーターレンズ（ロッドレンズ）８４の中心から、７０μｍ離れた位置にレーザーダイオードアレイ８２の発光点８０を配置し、２８０μｍ離れた位置に導波路８６の入射端８６Ａを配置する必要がある。このとき、導波路８６の入射端８６Ａでのレーザー光の速軸方向のビームサイズ（高さ）は５．５μｍとなる。したがって、導波路８６の高さとしては５．５μｍ以上のものが必要となる。

次に、遅軸方向について説明すると、レーザーダイオードアレイ８２の発光点８０から３５０μｍ離れた導波路８６の入射端８６Ａまで、開口数（ＮＡ）０．１で拡がって行くと、導波路８６の入射端８６Ａでのレーザー光の遅軸方向のビームサイズ（幅）は１７０μｍとなり、導波路８６の幅（コアの幅）としては１７０μｍ以上のものが必要になる。つまり、ビームコリメーターレンズ（ロッドレンズ）８４を使用すると、１００μｍであったビームサイズ（幅）が１７０μｍ以上に大きくなるため、ビーム品質が悪化してしまう。
特表平１０−５０３８８５号公報

そこで、本発明は、上記事情に鑑み、部品点数を削減できて製造コストを低減できるとともに、ビーム品質の悪化を防止できるレーザー集光装置を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のレーザー集光装置は、アレイ状に配列された複数の発光点を有するレーザーバーと、前記レーザーバーの発光点と対向するようにアレイ状に配列され、該レーザーバーから出射されたレーザー光が入射される入射部がシリンドリカルレンズ状に形成されている光ファイバーと、を備えたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、光ファイバーの入射部をシリンドリカルレンズ状に形成し、レンズと光ファイバーを一体にしたので、従来３点必要だった光学部品点数を２点に削減できる。したがって、光軸調整も容易になり、製造コストを低減できる。また、光ファイバーの入射部がシリンドリカルレンズ状に形成されているため、光ファイバーをレーザーバーに近接して対向配置できる。したがって、レーザーバーから光ファイバーの入射部までの間で、光の損失を少なくすることができる。よって、ビーム品質の悪化を防止できる。

また、請求項２に記載のレーザー集光装置は、請求項１に記載のレーザー集光装置において、前記光ファイバーの数量が前記発光点と同数以下であることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、発光点に対して、光ファイバーの本数を減らすことができる。つまり、部品点数を減らすことができるので、光軸調整も容易になり、製造コストを低減できる。

また、請求項３に記載のレーザー集光装置は、請求項１又は請求項２に記載のレーザー集光装置において、前記光ファイバーの断面形状が矩形状であることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、光ファイバーの出射部の配列を任意かつ容易に変更することができる。したがって、任意の出射パターンが形成できる。

また、請求項４に記載のレーザー集光装置は、請求項３に記載のレーザー集光装置において、レーザー光を出射する前記光ファイバーの出射部が、全数もしくはその一部が積層されてバンドル化されていることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、レーザーバーからアレイ状に出射された複数のレーザー光を、光ファイバーの出射部では積層状に出射することができるので、光密度を高めることができる。つまり、ビーム品質の高い光源とすることができる。

また、請求項５に記載のレーザー集光装置は、請求項４に記載のレーザー集光装置において、前記出射部の所定領域におけるクラッドの厚さが、他の領域におけるクラッドの厚さよりも薄く形成されていることを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、光ファイバーの出射部の所定領域におけるクラッドの厚さが、他の領域におけるクラッドの厚さよりも薄く形成されているため、その出射部において、コアの充填率を一層高くできる。したがって、ビーム品質を更に高められる。

以上のように、本発明によれば、部品点数を削減できて製造コストを低減できるとともに、ビーム品質の悪化を防止できるレーザー集光装置を提供することができる。

以下、本発明の最良な実施の形態について、図面に示す実施例を基に詳細に説明する。図１は本実施形態に係るレーザー集光装置の構成を示す概略斜視図であり、図２は光ファイバーの入射部の形状を示す概略側面図と概略平面図、図３は光ファイバーの出射部の構成を示す概略正面図である。なお、説明の便宜上、矢印Ｘ方向を幅方向（遅軸方向）、矢印Ｙ方向を前後方向、矢印Ｚ方向を高さ方向（速軸方向）とする。

図１で示すように、このレーザー集光装置１０は、幅方向（矢印Ｘ方向）に一直線上に配列された複数の発光点２０を有し、それぞれ同一方向に向けてレーザー光を出射する半導体レーザーバー１２と、半導体レーザーバー１２から出射されたレーザー光が入射され、その入射されたレーザー光を所定の方向に導く（伝送する）複数の光ファイバー１４と、を備えている。

半導体レーザーバー１２は、フォトプロセスによって製造され、発光点２０の位置を正確に規定できるようになっている。なお、半導体レーザーバー１２としては、発光点２０の幅方向（矢印Ｘ方向）の断面寸法や数量によって数種類のものがあるが、本実施例では、その中でも最も一般的な、幅１００μｍ、高さ１μｍとされた（高さ方向よりも幅方向が長い）矩形型形状の発光点２０を、２００μｍピッチ（図６参照）で４８個、アレイ状に配置して構成している。

また、光ファイバー１４は、半導体レーザーバー１２の発光点２０に対向して同数（４８本）配置され、その幅方向（矢印Ｘ方向）の断面形状が、発光点２０の幅方向（矢印Ｘ方向）の断面形状に相応した（高さ方向よりも幅方向が長い）矩形型形状とされており、発光点２０から出射されたレーザー光が入射されるレーザー光入射部１６が、発光点２０と同間隔でアレイ状に（一直線状に）配置されている。そして、このレーザー光入射部１６のアレイ状に配列された入射端１６Ａの前後方向（矢印Ｙ方向）における断面形状が、図２で示すように、シリンドリカルレンズ状とされている。

また、光ファイバー１４のレーザー光出射部１８は、図３で示すように、幅方向（矢印Ｘ方向）の断面形状が、高さ方向よりも幅方向が長い矩形型形状になるため、全数もしくはその一部を、高さ方向（矢印Ｚ方向）に密に積層して束ねることが容易にできる。したがって、このレーザー光出射部１８は、任意の形状にバンドル化することができる。

また、このような矩形状光ファイバー１４は、一般的な製造方法である光ファイバー母材を紡糸するという方法において、通常、円形状の光ファイバー母材を用いるところを、矩形状の光ファイバー母材を用いて紡糸することで、容易に製造することができる。なお、光ファイバー１４の材料としては、一般的なＳｉＯ_２やプラスチック等が使用できる。

また、光ファイバー１４は、図１で示すように、側面視略台形状とされた保持部材２２とカバー２６で保持することができる。すなわち、保持部材２２の表面（上面）には、光ファイバー１４の寸法よりも僅かに大きい寸法とされた収納溝２４が、半導体レーザーバー１２の発光点２０と同間隔に複数（光ファイバー１４の本数分）形成されており、その収納溝２４内に光ファイバー１４を挿入して、カバー２６で固定することにより、容易に保持することができる。なお、保持部材２２及びカバー２６の材料としては、ガラス、金属、セラミックス、プラスチック等が使用できる。

また、収納溝２４の形成方法としては、使用する材料に応じて機械加工やエッチング等、一般的な方法が使用できる。本実施例においては、半導体レーザーバー１２から出射されるレーザー光の強度が非常に高いことから、レーザー光の吸収による加熱を考慮して、レーザー光に対して透過率が高いガラスを用い、機械加工により収納溝２４を形成している。また、レーザー光入射部１６の入射端１６Ａにおけるシリンドリカルレンズ状の加工方法としては、保持部材２２及びカバー２６ごと、シリンドリカルレンズ状に研磨することで形成することができる。

以上のような構成のレーザー集光装置１０において、次にその作用について説明する。半導体レーザーバー１２の発光点２０から出射されたレーザー光は、光ファイバー１４のレーザー光入射部１６に入射される。このとき、このレーザー光入射部１６における入射端１６Ａは、シリンドリカルレンズ状に形成されているので、従来、光ファイバー１４にレーザー光を入射させるために必要とされたレンズが不要になり、部品点数を削減することができる。したがって、光軸調整も容易になり、部品コスト、光軸調整コスト等の製造コストを低減することができる。

また、レーザー光入射部１６の入射端１６Ａをシリンドリカルレンズ状に形成することにより、半導体レーザーバー１２の発光点２０と、レーザー光入射部１６の入射端１６Ａを従来よりも近接して対向配置することができる。したがって、光ファイバー１４の幅方向（矢印Ｘ方向）における断面寸法（幅及び高さ）を、発光点２０のビームサイズ（幅及び高さ）と、ほぼ同等にすることができる（同等か、それよりも若干大きくするだけで済む）。よって、発光点２０から出射されたレーザー光のビームサイズを保持したまま、言い換えればビーム品質を悪化させることなく、光ファイバー１４のレーザー光出射部１８から、レーザー光を出射させることが可能となる。

これを具体的な寸法（数値）を用いて説明すると、図２で示すように、本実施形態に係るレーザー集光装置１０において、一般的な半導体レーザーバー１２の発光点２０の寸法は、幅１００μｍ、高さ１μｍであり、その発光点２０から出射されるレーザー光の開口数（ＮＡ）は、速軸方向０．３、遅軸方向０．１である。また、ここで使用される光ファイバー１４の開口数（ＮＡ）は、速軸方向・遅軸方向共に０．１である。

そして、光ファイバー１４のレーザー光入射部１６における入射端１６Ａのシリンドリカルレンズ形状は、先端の曲率半径が７．２μｍの非球面形状とされている。つまり、その入射端１６Ａは、曲率半径７．２μｍ相当の非球面レンズ形状とされている。そして、その焦点位置は、そこから１５μｍ離れた位置とされている。

したがって、まず図２（Ａ）の側面図で示す速軸方向（矢印Ｚ方向）について説明すると、レーザー光を開口数（ＮＡ）０．３から、開口数（ＮＡ）０．１へ変換して光ファイバー１４のレーザー光入射部１６に入射させるためには、半導体レーザーバー１２の発光点２０とレーザー光入射部１６の入射端１６Ａとの距離Ｄを１５μｍとすればよく、これによって、速軸方向のレーザー光を光ファイバー１４に全て入射させることができる。

つまり、そのシリンドリカルレンズ（非球面レンズ）形状とされた入射端１６Ａの焦点位置（距離Ｄ＝１５μｍとされた位置）に半導体レーザーバー１２の発光点２０を置くと、速軸方向のレーザー光は、開口数（ＮＡ）０．１に変換されて、光ファイバー１４に入射できることになる。なお、そのときの速軸方向のレーザー光のビームサイズ（高さ）は４μｍとなり、光ファイバー１４の高さとしては４μｍ以上のものが必要となる。この高さは、従来技術とほぼ同じになっている。

次に、図２（Ｂ）の平面図で示す遅軸方向（矢印Ｘ方向）について説明すると、レーザー光は、開口数（ＮＡ）０．１で拡がりながら、１５μｍ離れた光ファイバー１４のレーザー光入射部１６における入射端１６Ａに到達するが、そのときの遅軸方向のレーザー光のビームサイズ（幅）は１０３μｍである。これは、半導体レーザーバー１２の発光点２０の幅（１００μｍ）とほぼ同じである。

したがって、この場合、光ファイバー１４の幅（コア３０の幅）を１０３μｍ以上にすれば、遅軸方向に拡がったレーザー光を全て入射させることができることになり、ビーム品質の悪化を防止することができる。つまり、半導体レーザーバー１２の発光点２０から、光ファイバー１４の出射部１８（出射端１８Ａ）までのビーム品質は、殆ど変わることがなく、これによって、従来よりもビーム品質を向上させることができる。

なお、本実施形態に係るレーザー集光装置１０においては、光軸ずれの誤差を考慮して、光ファイバー１４のコア３０の幅方向（矢印Ｘ方向）における断面寸法を幅１１０μｍ、高さ２０μｍとし、クラッド３２を含めた光ファイバー１４全体の断面寸法を幅１３０μｍ、高さ４０μｍとしている。

こうして、光ファイバー１４に入射されたレーザー光は、レーザー光出射部１８の出射端１８Ａから出射される。この出射端１８Ａは、光ファイバー１４の幅方向（矢印Ｘ方向）の断面形状が矩形型形状であることから、高さ方向に複数本（この場合は４８本）、隙間無く密に積層して束ねることが容易にでき、全体で光密度の高いバンドル部２８を構成することができる。

これを具体的な寸法（数値）を用いて説明すると、図３で示すように、幅１３０μｍ、高さ４０μｍの断面寸法を有する光ファイバー１４のレーザー光出射部１８を、高さ方向に密に４８本積み重ねると、そのレーザー光出射部１８における出射端１８Ａのコア３０の断面寸法は、幅１１０μｍ、高さ１．８８ｍｍ（１８８０μｍ）となる。

もし、同じ効果を、一般的に用いられる円形状の光ファイバー（図示省略）で得ようとすると、コア径φ３００μｍの断面寸法が必要となり、クラッドも含めると、円形状光ファイバーの断面寸法は更に大きいものになる。この円形状光ファイバーを、矩形状光ファイバー１４と同数（４８本）密に束ねてバンドル部２８とすることを想定すると、矩形状光ファイバー１４の方が、光密度が高いことは明白である。

なお、バンドル部２８の光密度を更に高める他の方法としては、図４で示すように、バンドル部２８とされている出射端１８Ａ付近における光ファイバー１４のクラッド３２を、エッチング等により、数μｍを残して除去し、その出射端１８Ａ付近のクラッド３２の厚さを、他の部分（他の領域）のクラッド３２の厚さよりも薄くする方法がある。これにより、コア３０の充填率が一層高くなり、光密度を更に高めることができる。

具体的には、図４で示すように、光ファイバー１４のバンドル化される出射端１８Ａ付近において、片側１０μｍとされているクラッド３２を、エッチング等により、約８μｍ除去する。つまり、出射端１８Ａ付近のクラッド３２の厚さを約２μｍにする。すると、出射端１８Ａ付近での光ファイバー１４の断面寸法は、幅１１４μｍ、高さ２４μｍとなる。

このような構成の出射端１８Ａを備えた光ファイバー１４のレーザー光出射部１８を、図３で示したものと同様に、高さ方向に４８本密に束ねてバンドル部２８とすると、レーザー光出射部１８の出射端１８Ａにおけるコア３０の断面寸法は、幅１１０μｍ、高さ１．１４８ｍｍ（１１４８μｍ）となり、光密度は明らかに高くなる。

一般に、光の長距離伝送を目的とする光ファイバー１４のクラッド３２は、全長に亘って透過率を維持するため、相応の厚さを必要とする。例えば本実施例では、クラッド３２の厚さを１０μｍとしている。しかしながら、図５で示すように、例えば全長１ｍの矩形状光ファイバー１４において、その出射端１８Ａから２０ｍｍまでの領域をエッチングして、その領域だけクラッド３２の厚さを２μｍとしても、光ファイバー１４の透過率は９８％を維持し、殆ど影響が出ない。

これに対し、例えば全長１ｍの矩形状光ファイバー１４の全長に亘ってクラッド３２の厚さを２μｍとした場合には、光ファイバー１４の透過率は３５％となり、光の損失が格段に増加する（透過率が悪化してしまう）ことが確認されている。したがって、クラッド３２を除去する部位は、光ファイバー１４のレーザー光出射部１８における出射端１８Ａ付近のみという限られた領域であることが重要で、その領域内（本実施例の場合は出射端１８Ａから２０ｍｍ以内）であれば、透過率が悪化するおそれはない。

また、上記実施例では、１つの発光点２０に対して１本の光ファイバー１４で受光するする例を示したが、光ファイバー１４の幅寸法のみを大きくすることで、１本の光ファイバー１４で複数の発光点２０を同時に受光することも可能である。これにより、光ファイバー１４の数量を減らすことができるので、部品点数を削減することができ、光軸調整も更に容易に実行できるようになる。

図６はその実施例を示したもので、同時に２つの発光点２０からのレーザー光を１本の光ファイバー１４で受光するようにした例である。具体的には、光ファイバー１４のコア３０の幅寸法を３１０μｍとすれば、１００μｍ間隔で置かれた幅１００μｍの２つの発光点２０を１本の光ファイバー１４で同時に受光することができる。これによれば、半導体レーザーバー１２の全ての発光点２０を、２４本の光ファイバー１４で受光できることになる。

また、バンドル部２８は、図７で示すように、光ファイバー１４の配置によって、様々な形状とすることができる。例えば、階段状に積層された複数のバンドル部２８に分割することも可能であるし、逆に複数のレーザー集光装置１０からの光ファイバー１４を全て束ねて、１つのバンドル部２８とすることもできる。このように、レーザー光出射部１８は、その配列を任意かつ容易に変更することができ、出射パターンを任意に形成することができる。

本実施形態に係るレーザー集光装置の構成を示す概略斜視図 （Ａ）光ファイバーの入射部の形状を示す概略側面図、（Ｂ）光ファイバーの入射部の形状を示す概略平面図 光ファイバーの出射部の構成を示す概略正面図 （Ａ）光ファイバーの出射部の別構成を示す概略側面図、（Ｂ）光ファイバーの出射部の別構成を示す概略正面図 クラッドの厚さと透過率との関係を示すグラフ 発光点に対する光ファイバーの入射部の構成を示す概略正面図 光ファイバーの出射部の別構成を示す概略斜視図 （Ａ）従来の光ファイバーの入射部側の構成を示す概略側面図、（Ｂ）従来の光ファイバーの入射部側の構成を示す概略平面図

符号の説明

１０ レーザー集光装置
１２ 半導体レーザーバー
１４ 光ファイバー
１６ レーザー光入射部
１６Ａ 入射端
１８ レーザー光出射部
１８Ａ 出射端
２０ 発光点
２２ 保持部材
２４ 収納溝
２６ カバー
２８ バンドル部
３０ コア
３２ クラッド

Claims (5)

1. アレイ状に配列された複数の発光点を有するレーザーバーと、
   前記レーザーバーの発光点と対向するようにアレイ状に配列され、該レーザーバーから出射されたレーザー光が入射される入射部がシリンドリカルレンズ状に形成されている光ファイバーと、
   を備えたことを特徴とするレーザー集光装置。
2. 前記光ファイバーの数量が前記発光点と同数以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー集光装置。
3. 前記光ファイバーの断面形状が矩形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザー集光装置。
4. レーザー光を出射する前記光ファイバーの出射部は、全数もしくはその一部が積層されてバンドル化されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザー集光装置。
5. 前記出射部の所定領域におけるクラッドの厚さが、他の領域におけるクラッドの厚さよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザー集光装置。

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