激光合波装置的制作方法

专利名称：激光合波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光合波装置，更详细地说，涉及使从多个半导体激光器射出的各激光束构成的全部光束聚束、入射到光纤上的激光合波装置。
背景技术：
历来，使在一个方向上排列的多个半导体激光器射出的激光的各光束，通过准直透镜、成为具有在一个方向上排列的相互平行的光轴的平行光束，这样，使并排排列的各光束全部聚光，入射到一根光纤中，在光纤中传输能量密度高的激光，这种方法已为大家熟知(例如，专利文献1)。
在上述方法中，使从多个半导体激光器射出的激光的各光束合波在一根光纤中时的效率(耦合效率)，例如，高达90％，由于入射到光纤中的光束的入射角受到该光纤的数值孔径(例如数值孔径NA＝0.2)的限制，因而能够合波的光束的数目也受到限制。即在光纤中能够合波的激光的功率被上述数值孔径限制。
另外，作为发生具有相互平行光轴的多个激光的方法，使用在同一衬底的一个方向上排列多个激光器的方法，这是大家熟知的方法，由于这样配置的各半导体激光器的有源层排列在同一平面上，从上述多个半导体激光器射出的各光束，在同一平面上具有相互平行的慢轴。这样构成的多个半导体激光器也称为激光器棒。此外，与上述慢轴的方向正交的上述有源层的厚度方向成为上述光束的快轴的方向。
作为在由上述光纤的数值孔径决定的入射角的范围内，聚光更多的激光束，使之合波在该光纤中的方式，我们知道有下述的合波方式。图20(a)是从上方观察激光合波装置的俯视图，图20(b)是从光束的光轴方向观察激光合波装置的左侧视图，图21是说明聚束角的图，图21(a)表示由各光束构成的全部光束聚束的状态图，图21(b)是表示在全部光束的慢轴方向中的光强度分布图。
上述合波方式是将从多个半导体激光器1A、1B、1C、…在图中箭头Y方向上排列而成的激光器棒1，在与上述Y方向正交的图中箭头Z方向射出的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束，通过后述的圆柱形透镜2后，通过聚束光学系统6以聚束角α91聚束，以使慢轴方向(在图中箭头S表示的方向，在这里与Y方向一致)的宽度变窄，使该全部光束聚束在聚焦位置Pi上，该聚焦位置Pi在位于改向系统7的YZ平面上成为1点，即使构成该全部光束的各光束聚束在延伸在改向系统7中的图中箭头X方向(快轴方向，用图中箭头F表示)上的线状区域的上述聚焦位置Pj中的相互不同的位置上。而且，在由该改向系统7使各光束的光轴的方向相互平行的同时，使从快轴方向(图中用箭头F表示的方向，在这里与X方向一致)观察时的各光束La、Lb、Lc…的光轴一致，使上述各光束从该改向系统7射出。然后，使由上述各光束构成的全部光束通过聚焦光学系统3，以聚束角α92(这里α92＜α91)使该全部光束聚束，入射到光纤4的芯部5上。这样，将更多的光束合波在一根光纤中的方法(例如专利文献2)为人熟知。
此外，对上述聚束角说明如下。
即如图21(a)、(b)所示，以特定的位置作为基准，这里以图21(a)中的位置(Yp、Zp)作为基准，求出正在聚束的全部光束的慢轴方向(Y方向)中的光强度分布(参照图21(b))。在该光强度分布中求出该光强度分布中的光强度最大值Pmax的0.1％的强度位置，在这些值中决定该全部光束的慢轴方向(Y方向)的最外侧的两端的位置y1、y2。而且求出位置y1和位置y2的间隔φ。
另外，求出从位置(Yp、Zp)到上述全部光束的聚焦位置Pj的光轴方向(Z方向)的距离L。
这里，聚束角α能够规定作tan(α/2)＝(φ/2)/L＝φ/2L上述改向系统7，例如，在图中箭头X方向(快轴方向)中，在快轴方向上叠层厚度薄的多个反射镜形成，将由上述聚束光学系统6聚束的、在上述X方向中相互位置不同的各光束La、Lb、Lc…，分别入射到上述叠层的反射镜中的规定的一个反射镜上，用各反射镜使各光束的光轴在上述快轴方向视中一致。以后，称从快轴方向观察为快轴方向视，称从慢轴方向观察为慢轴方向视。
更具体地说，在激光器棒1中，将从在同一平面上形成的多个有源层8A、8B、8C…的每一个向同一方向射出的、在同一平面上具有相互平行的慢轴的各激光束La、Lb、Lc…，通过对上述慢轴圆柱形轴(规定在圆柱形透镜延伸方向上的轴)倾斜配置的圆柱形透镜2，各光束La、Lb、Lc…的慢轴保持相互平行的状态，使各光束在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上，通过聚束光学系统6使该偏斜了的各光束入射到改向系统7上。即，使由圆柱形透镜2在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束，通过聚束光学系统6聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束La、Lb、Lc…聚束在慢轴方向及快轴方向上，在快轴方向中在相互不同的位置上入射向改向系统7。此外，激光器棒1配置在区域9上。
这里，由聚束光学系统6使各光束La、Lb、Lc…聚束，以使在快轴方向视中(即在图中YZ平面中)各光束的光轴在聚光位置Pj相互交叉，而且，使各光束聚光在上述聚光位置Pj上。
以下，详细说明各光束La、Lb、Lc…通过改向系统7入射到光纤4上的情况。
图22是将改向系统附近中的光束的光轴及轮廓放大表示的俯视图，图23是将从图20或者图22中的箭头G方向观察改向系统附近的光束的光轴及轮廓放大表示图，图24是沿光束的传播方向观察从配置在规定位置上的后述的改向系统射出的各光束及入射到光纤中的各光束的状态图，图24(a)是表示从改向系统射出的各光束的状态图，图24(b)是表示入射到光纤中的各光束的状态图，图25是沿光束的传播方向观察上述改向系统从规定的位置偏离配置情况下的光束的状态图，图25(a)是表示从改向系统射出的光束的状态图，图25(b)是表示入射到光纤中的光束的状态图。此外，在图22及图23中仅仅表示了光束La及Lc，省略了其他的光束Lb、光束Ld、及光束Le的图示。
如图22、图23所示，上述全部光束被聚束，以使上述聚光位置Pj位于改向系统7上，各光束的束腰Bw的位置也位于改向系统7上。而且，改向系统7在改变各光束的光轴的方向，以使在快轴方向视中各光束的光轴一致，与此同时，使各光束的光轴的方向相互平行，从该改向系统7射出各光束。然后，从改向系统7射出的各光束一面发散一面传播，用聚光光学系统3再次聚光，入射到光纤4的芯部5上。
此外，如上所述，在改向系统7配置在规定的位置上的情况下，从该改向系统7射出的各光束的光轴在光纤轴方向视中一致，如图24(a)所示，各光束在快轴方向上成直线状排列，入射到光纤4中的各光束也如图24(b)所示，在光纤轴方向上排列在直线上。
与此相反，改向系统7在Z方向上从规定的位置偏离配置的情况下，如图25(a)所示，从改向系统7射出的各光束的光轴，在快轴方向视中错位，不是在快轴方向中成直线状排列，由于入射到光纤4中的各光束也如图25(b)所示，不是在快轴方向上成直线状排列，而是偏离开来，如上所述，与在快轴方向上直线状排列的情况相比，各光束入射到比光纤4的端面直径更大的范围，即入射到从芯径偏离的范围内。为此，全部光束向上述光纤4的耦合效率降低。因此，为了抑制耦合效率的降低，要求将改向系统7正确地配置在Z方向中的规定的位置上。
如上所述，在使改向系统高精度地位置固定在多个束腰聚集的非常小的区域上的同时，需要使改向系统自身与在上述聚光位置的各光束的形状一致，进行小型而且高精度地制作，该改向系统的制造困难。另外，由于束腰的尺寸与波长成比例，近年来，随着激光光源的短波长化，上述尺寸减小，更需要改向系统的高精度固定和小型化，制造难度越来越大。
〔专利文献1〕特开平2002-202442号公报〔专利文献2〕美国专利第6462883B1号说明书发明内容(本发明要解决的课题)但是，由于小型而且高输出的半导体激光器难于实现，上述激光合波装置是使从多个半导体激光器射出的激光合波，以得到输出大的(能量密度高的)激光束，强烈要求装置的尺寸小型化。即，例如，存在一种希望不降低合波了的激光的输出、又使装置尺寸小型化，从而得到比装置尺寸大的输出的激光合波装置的要求。
但是，如上所述，在使从多个半导体激光器射出、偏斜的各光束构成的全部光束聚束，通过改向系统使各光束的传播方向一致后，再次用聚光光学系统使各光束聚束，入射到光纤中的合波方式中，在增加从半导体激光器到光纤为止的上述各光束传播的光路的同时，由于在上述光路中配置使各光束偏斜的透镜和使全部光束聚束的透镜等多个光学部件制作合波器，这就存在装置尺寸大型化的问题。另外，在上述方式中，随着光源的短波长化，也存在需要在束腰上设置更小型而且高精度的改向系统的困难的问题。
另外，当使从多个半导体激光器射出的各光束，通过圆柱形的轴对这些光束的慢轴方向倾斜的圆柱形透镜发生偏斜时，通过圆柱形透镜的外围部分的光束的象差增大，具有这样大象差的光束难于正确地聚束(例如难于正确地入射到一根光纤的直径50μm的芯部上)，例如，存在耦合效率降低到60％程度的问题。特别是，为了得到具有高能量密度的激光，使用配置多个半导体激光器的激光器棒、将多个光束合波到光纤中的情况下，由于与合波的光束的数目对应激光器棒的长度增长，需要增大上述偏斜量，通过从圆柱形透镜的中心远离位置(圆柱形透镜轴方向的端部)的光束的象差增大，难于得到高的耦合效率。
进而，即使在上述任何一种情况下，也存在在一根光纤中能够合波的激光的入射范围由光纤的数值孔径NA限制的问题。
鉴于上述情况产生了本发明，其目的在于提供小型而且高输出功率的激光合波装置，更详细地说，本发明的第一个目的是使装置尺寸小型化，由此提供与装置尺寸相比输出大的激光合波装置，本发明的第二个目的是，提供能够抑制随合波光束数目增加上述光束向光纤的耦合效率降低的激光合波装置。
〔解决课题的方法〕本发明的激光合波方法是将从多个半导体激光器射出的多个光束的每一个，偏斜在快轴方向中相互不同的位置上，与此同时，使上述多个光束的各光轴在快轴方向视中聚束，进而，使上述多个光束的每一个聚束在慢轴方向及快轴方向中，入射到光纤端面上的激光合波方法，其特征在于将聚束角变换光学系统配置在比上述快轴方向视中聚束的各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉的位置中最上流侧的位置更上流侧上，使在上述快轴方向视中聚束的各光束构成的全部光束通过上述聚束角变换光学系统，使该各光束构成的全部光束或者一部分光束的快轴方向视的聚束角成为更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤的端面上。
本发明的第1发明的激光合波装置具备多个半导体激光器，是将从该多个的半导体激光器射出的多个光束的每一个偏斜在快轴方向中相互不同的位置上，与此同时，在快轴方向视中使上述多个光束的各光轴聚束，进而，使上述多个光束的每一个聚束在慢轴方向及快轴方向中，入射到光纤的端面上的激光合波装置，具备配置在比上述快轴方向视中聚束的各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中最上流位置更上流侧上的聚束角变换光学系统，该聚束角变换光学系统使上述各光束构成的全部光束的快轴方向视的聚束角成为更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤的端面上。
上述激光合波装置具备将从上述多个半导体激光器射出的各光束聚束在慢轴方向及快轴方向上的光束聚束部件，希望该光束聚束部件使从该光束聚束部件射出的各光束的慢轴方向视中的射出角、比从各光束的从上述半导体激光器射出时的光束的慢轴方向视中的辐射角更小。
能够使从上述多个半导体激光器的每一个射出的光束的波长在350nm以上，460nm以下。由于使用了射出这些短波长光束的多个半导体激光器的激光合波装置，能够使合波了的激光的聚光点更小，即由于能够提高激光的能量密度，适合于激光加工。
将从上述多个半导体激光器射出的多个光束的每一个，偏斜在快轴方向中的相互不同的位置上的方式，可以是通过光学系统将从多个半导体激光器射出的多个光束的每一个偏斜的方式，或者，也可以是配置多个半导体激光器，以使这些半导体激光器每一个的有源层的位置在该有源层的厚度方向中为相互不同的位置，使从多个半导体激光器射出的多个光束的每一个在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上的方式。
在快轴方向视中将上述多个光束的各光轴聚束的方式，可以是通过光学系统将上述多个光束的每一个聚束的方式，或者，也可以是配置上述多个半导体激光器，以使从这些半导体激光器射出时的各光束的光轴在快轴方向视中聚束，使上述多个光束的各光轴聚束在快轴方向视中的方式。
上述上流侧意味着是光束传播方向中的上流侧，即意味着光束传播光路中的光源侧(半导体激光器侧)。
上述快轴方向视意味着从快轴方向观察，慢轴方向视意味着从慢轴方向观察。
在使聚束的全部光束快轴方向视的情况下，上述聚束角是该全部光束把聚束方向估计在内的角度。此外，该聚束角是用上述说明的图21中所示的角度α表示的角度。
本发明的第2激光合波装置具备激光器块、聚束分散光学系统和聚束角变换光学系统，其特征是激光器块配置多个半导体激光器，以使该半导体激光器每一个的有源层排列在同一平面上，在该同一平面上射出具有相互平行的慢轴的各光束，聚束分散光学系统由与从上述多个半导体激光器射出的各光束对应配置的各聚束分散个别透镜构成，将由上述各光束构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束的每一个在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上，而且，将各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向中，在该各光束的快轴方向中，在相互不同的规定的位置将各光束的每一个入射到上述聚束角变换光学系统中，聚束角变换光学系统配置在比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧的位置更上流侧上，使上述全部光束的聚束角成为比从上述聚束分散光学系统射出时的全部光束的聚束角更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤中。
上述聚束分散光学系统，在具备使上述各光束的每一个偏斜在快轴方向中的相互不同的位置上的功能，以及使由上述各光束构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄的同时，还兼备使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向中的两种功能，能够作为与各光束对应配置的聚束分散个别透镜。
希望上述聚束分散个别透镜作成截头型透镜。
上述聚束分散光学系统由偏斜光学系统和聚光光学系统构成，偏斜光学系统具备将与上述各光束对应配置的该各光束的每一个偏斜在快轴方向中的相互不同的位置上的功能，聚光光学系统具备将从该偏斜光学系统射出的各光束构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，在该各光束的快轴方向中在相互不同的规定的位置上，将各光束入射到上述聚束角度变换光学系统中的功能。
希望上述偏斜光学系统作成截头型的透镜。
上述多个半导体激光器的每一个能够成为相互分离的半导体激光器。
上述多个半导体激光器能够成为多个半导体激光器中的至少2个以上相互连接一体化的半导体激光器。
此外，上述聚束分散光学系统和聚束角变换光学系统的作用不是仅限于完全分离的情况，也可以作成兼用相互功能的一部分。例如，聚束角变换光学系统也可以是具有使上述光束聚束、以使快轴方向的宽度变窄，或者使上述光束聚束、以使慢轴方向的宽度变窄的聚束分散光学系统的功能的一部分的聚束角变换光学系统。
本发明的第3激光合波装置具备激光器块、全部聚束光学系统和聚束角变换光学系统，其特征在于激光器块配置多个半导体激光器，以使该半导体激光器每一个的有源层平行，而且，每一个的有源层的位置在该有源层的厚度方向中成为不同的位置，射出具有相互平行慢轴的各光束的半导体激光器块，全部聚束光学系统聚束使从上述多个半导体激光器射出的慢轴相互平行的各光束构成的全部光束聚束、以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束每一个在该各光束的快轴方向中、在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统中，上述聚束角变换光学系统配置在，比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中的最上流侧的位置更上流侧上，使上述全部光束的聚束角成为比从聚束分散系统射出时的聚束角更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤中。
上述全部聚束光学系统是能够将由从上述半导体激光器射出的各光束构成的全部光束直接聚束、以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束的每一个在该各光束的慢轴方向及快轴方向上聚束，将各光束的每一个在该各光束的快轴方向中、在相互不同的规定位置入射到上述聚束角变换光学系统中。
希望上述全部聚束光学系统作成截头型透镜。
上述全部聚束光学系统能够由准直光学系统和聚光光学系统构成，准直光学系统使对应各光束配置的各光束的每一个成为平行光束，聚光光学系统使上述平行光束全部聚束、以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，将各光束的每一个在该各光束的快轴方向中、在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统中。
希望上述准直光学系统作成截头型的透镜。
此外，上述全部聚束光学系统及聚束角变换光学系统不是仅限于完全分离的情况，也可以作成聚束角变换光学系统兼用全部聚束光学系统的一部分功能。例如，聚束角变换光学系统也可以是具有聚束功能、以使上述光束慢轴方向的宽度变窄。
本发明的第4激光合波装置具备激光器块、准直光学系统、光轴转移光学系统和聚束光学系统，其特征是激光器块配置多个半导体激光器，该半导体激光器每一个有源层平行，而且，每一个激光器有源层的位置在该有源层的厚度方向中成为相互不同的位置，射出具有相互平行的慢轴及相互平行的光轴的各光束，准直光学系统使从多个半导体激光器射出的各光束的每一个成为平行光束，光轴转移光学系统使通过准直光学系统的各光束转移向该各光束的慢轴方向，排列在与慢轴正交的1平面上，聚束光学系统使由光轴转移光学系统光轴在上述1平面上排列的各光束构成的全部光束聚束在该光束的慢轴方向及快轴方向上、入射到光纤中。
希望上述准直光学系统作成截头型的透镜。
此外，上述准直光学系统、光轴转移光学系统及聚束光学系统的作用不是仅限于完全分离的情况，也可以使之兼用相互功能的一部分。例如，光轴转移光学系统也可以是具有聚束功能的一部分，以使快轴方向的宽度变窄，或者准直光学系统也可以是具有聚束功能的一部分，以使上述光束慢轴方向的宽度变窄。
上述激光合波装置具备与上述多个半导体激光器不同的其他的半导体激光器和偏振光合波部件，偏振光合波部件在由上述多个半导体激光器射出的光束到入射到上述光纤中的该光束的光路中，使由该多个半导体激光器射出的光束和从上述其他的半导体激光器射出的光束偏振光合波，也能够使从该其他的半导体激光器射出的光束入射到上述光纤中。
上述偏振光合波利用偏振光的性质使偏振光方向相互不同的各光束合波。
上述激光合波装置具备与上述多个半导体激光器不同的其他的半导体激光器和波长合波部件，在由上述多个半导体激光器射出的光束到入射到上述光纤为止的该光束的光路中，波长合波部件使由该多个半导体激光器射出的光束和从上述其他的半导体激光器射出的光束波长合波，也能够使从该其他的半导体激光器射出的光束入射到上述光纤中。
上述波长合波利用波长的不同使具有相互不同波长的各光束合波。
上述激光合波装置能够由入射到光纤中、在该光纤中合波了的各光束构成的合波光激励固体激光的介质或者光纤激光器的介质。
上述激光合波装置能够由从聚束角变换光学系统射出的全部光束，直接激励固体激光器的介质或者光纤激光器的介质。
使上述合波光为红外光，能够使上述介质成为包含稀土类元素Nd3+、稀土类元素Yb3+中的至少1种的介质。
使上述合波光的波长为350nm以上、460nm以下，能够使上述介质成为包含稀土类元素Pr3+、稀土类元素Er3+、稀土类元素HO3+中的至少1种的介质。
上述「使各光束的每一个偏斜在快轴方向中相互不同位置上」意味着使各光束的每一个在慢轴方向视中该各光束的光轴位于相互不同的位置上。
上述截头型的透镜意味着在将多个透镜排列配置在与透镜的光轴交叉的方向上的情况中，进行透镜配置，以使透镜排列方向中的各透镜的尺寸从圆形的状态在上述透镜排列的方向上压缩，以便在一定的尺寸内排列更多的透镜。
上述聚束角变换光学系统能够是具有反射面、折射面、光栅、光子晶体中的任何一个的聚束角变换光学系统。例如，在该聚束角变换光学系统是使上述各光束入射的厚度很薄的多个棱镜叠层而成的情况下，能够在各棱镜上形成反射面、折射面或者光栅面，构成聚束角变换光学系统，或者用光子晶体形成各棱镜构成聚束角变换光学系统。
(发明的效果)根据本发明的激光合波方法及第1激光合波装置，将聚束角变换光学系统配置在比在快轴方向视中聚束了的各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中的最上流侧位置更上流侧上，由于通过上述聚束角变换光学系统，使在快轴方向视中聚束了的各光束构成的全部光束，成为比由各光束构成的全部光束或者一部分光束的快轴方向视的聚束角更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤的端面上，能够使作为改向系统的上述聚束角变换光学系统比原来更位于光源侧，即更位于半导体激光器侧，与此同时，能够增加合波在1根光纤中的光束的数目，另外，由于不用象原来那样在改向系统的下流侧中配置使光束聚束的光学系统等，能够缩短从射出光束的半导体激光器到将该光束入射到光纤中的光路长度，能够使装置小型化。由此，能够提供小型、高输出的激光合波装置。
即，例如，如表示上述激光合波方法及第1激光合波装置概略结构的俯视图26(a)及主视图26(b)所示，在用偏斜部件92使从多个半导体激光器91射出的各光束La、Lc、Le偏斜，用聚束光学系统93聚束，通过聚束角变换光学系统94入射到光纤95的端面上的激光合波装置90中，聚束角变换光学系统94配置在比用聚束光学系统93聚束的各光束La、Lc、Le的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中的最上流侧位置Pk更上流侧上。
这里，在现有的方式中，仅限于各光束的光轴被规定为相互交叉位置与束腰的位置一致，改向系统配置在上述各光束的光轴交叉、而且成为各光束的束腰的规定的位置上的情况，与此相反，在本发明中，由于能够将上述聚束角变换光学系统94配置在聚束光学系统93和上述位置Pk之间的光轴方向(图中箭头Z轴方向)的任意位置上，与现有技术相比能够使装置小型化，同时，能够提高制作装置时的部件配置的自由度。
例如，在希望使用大型、制作容易的聚束角变换光学系统的情况下，聚束角变换光学系统配置在上述聚束光学系统和光纤之间的上流侧中的各光束间的间隔展宽的位置上，另一方面，在希望使用小型、制作精度高的聚束角变换光学系统的情况下，能够将聚束分散光学系统配置在聚束光学系统和光纤之间的下流侧中各光束间的间隔变窄的位置上。此外，根据上述现有技术的方式，能够使用的聚束角变换光学系统仅限于小型、制作精度高的聚束角变换光学系统。
另外，如从图26(c)的从左侧面(图26(a)的箭头Z方向)观察通过聚束角变换光学系统的光束的状态图所示，由于通过聚束角变换光学系统中的光束在快轴方向上不是直线状排列，各光束间的间隔大，由此，该聚束角变换光学系统的制作自由度增大，更容易制作。
另外，如果使用光束聚束部件，使从该光束聚束部件射出的各光束的由慢轴方向视的射出角、比从半导体激光器射出时的上述各光束的每一个对应的光束的慢轴方向视中的放射角更小，能够使入射到光纤上的光束的入射角减小，由于能够增大入射在光纤的数值孔径NA规定的入射范围内的光通量，能够增大在该光纤中合波的光的光通量。
进而，在使从多个半导体激光器每一个射出的光束的波长是350nm以上、460nm以下的情况下，由于能够使用在装置中的光学部件被显著地限定，当使用该被限定的光学部件时，提高制作上述装置时的部件配置的自由度，得到使装置的制作更容易的显著效果。另外，由于使用了射出这些短波长光束的多个半导体激光器的激光合波装置，能够减小合波了的激光的聚光点，即由于能够提高激光的能量密度，因而适合于激光加工。
关于下述的第2激光合波装置，在配置多个半导体激光器，以使这些半导体激光器每一个的有源层排列在同一平面上，具备在同一平面上射出具有相互平行的慢轴的各光束的激光器块的激光合波装置中，对于使上述装置尺寸小型化的课题，对缩短使各光束合波时的光路长度的方式，本发明人进行了各种研讨，结果得出能够在单一的光学部件中具有使上述各光束偏斜功能和使各光束及全部光束聚束功能的多个功能的见解，根据这一见解，发明了该第2激光合波装置。
本发明的第2激光合波装置，具备使全部光束的快轴方向视的聚束角成为更小聚束角、将该全部光束入射到光纤中的聚束角变换光学系统，由于该聚束角变换光学系统配置在比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉的位置中最上流侧的位置更上流侧上，能够得到与上述第1激光合波装置的情况同样的小型、高输出的装置，进而，如果用兼备作为该聚束分散光学系统包含的功能的准直光束的功能、使光束偏斜的功能、使各光束聚束的功能及使各光束的光轴聚束功能等中的多个功能的光学系统构成聚束分散光学系统，能够缩短光路长度，因而能够使装置更小型化。
另外，如果将聚束分散光学系统聚束作成具备使各光束的每一个偏斜在快轴方向中相互不同位置的功能，使由各光束构成的全部光束聚束、以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，兼备使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上的功能的聚束分散个别透镜，由于不是个别的具备使上述各光束偏斜的光学系统和使上述各光束聚束的光学系统，能够将从半导体激光器射出的光束合波在光纤中，在能够更可靠地缩短光路长度的同时，能够减少配置在光路中的光学部件。由此，能够使装置更可靠地小型化。
另外，如果用具备使与各光束对应配置的该各光束的每一个偏斜在快轴方向中的相互不同的位置上的功能的偏斜光学系统，和具备使从偏斜光学系统射出的各光束构成的全部光束聚束、以使慢轴方向的宽度变窄的同时，使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上、使各光束在该各光束的快轴方向中相互不同的规定的位置上入射到聚束角变换光学系统的功能的聚光光学系统构成聚束分散光学系统，不是个别的具备使各光束的光轴聚束的光学系统和使各光束分别被聚束的光学系统，由于从半导体激光器射出的光束能够合波在光纤中，在更可靠地缩短光路长度的同时，能够减少配置在光路中的光学部件。由此，能够更可靠地使装置小型化。
进而，如果使聚束个别透镜作成截头型的透镜、使偏斜光学系统作成截头型的透镜，由于能够使具有慢轴方向的直径小、快轴方向的直径大的椭圆形状的剖面的上述各光束没有过不足地通过该截头型的透镜，能够使各光束有效地通过透镜的同时，由于能够使各光束间的间隔挨紧，能够使装置进一步小型化，因而能够进一步提高输出。
进而，如果使上述多个半导体激光器的每一个作成相互分离的半导体激光器，能够由调节半导体激光器的位置实施半导体激光器和光学系统的调芯，由于光轴调节的自由度增大，上述调芯更容易，能够更进一步提高各光束向光纤的耦合效率。与此同时，能够抑制减小从半导体激光器发生的热对其他半导体激光器的影响、能够使半导体激光器的振荡稳定。
另外，如果将多个半导体激光器中的至少2个以上作成相互连接的一体化的器件、能够将半导体激光器构成为激光器棒，能够提高半导体激光器的封装密度。
本发明的第3激光合波装置，具备使全部光束的快轴方向视的聚束角成为更小的聚束角、使该全部光束入射到光纤中的聚束角变换光学系统，由于该聚束角变换光学系统配置在比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉的位置中最上流侧位置更上流侧上，与上述第1激光合波装置的情况同样、能够得到小型、高输出的装置，进而，多个半导体激光器配置为该半导体激光器每一个的有源层平行，而且，每一个的有源层的位置在该有源层的厚度方向中成为相互不同的位置，由于具备射出具有相互平行的慢轴的各光束的激光器块，例如，不使用对慢轴方向倾斜插入圆柱形透镜等增大光束象差的方法，能够不使各光束的象差退化地生成慢轴相互平行、在快轴方向中相互位置不同的各光束，即在快轴方向中偏斜的各光束，与上述偏斜量无关、能够将象差小的各光束正确地导入光纤中，能够抑制随着合波光束的数量增加引起的各光束向光纤的耦合效率的降低。进而，由于能够省略使从多个半导体激光器射出的光束偏斜的光学系统，能够使装置小型化。
另外，在将全部聚束光学系统作成，使从半导体激光器射出的各光束构成的全部光束直接聚束、以使慢轴方向的宽度变窄的同时，使各光束的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束每一个在该各光束的快轴方向中的在相互不同的规定的位置上也入射到上述聚束角变换光学系统中，在半导体激光器和全部聚束光学系统之间，例如不配置准直各光束的光学系统、能够使各光束入射到光纤中，由此，由于能够缩短从半导体激光器到光纤的光路长度，能够使装置更小型化。
另外，如果用使与各光束对应配置的各光束每一个成为平行光束的准直光学系统，和使上述平行光束的全部聚束，以使慢轴方向的宽度变窄的同时，使各光束每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束每一个在该各光束的快轴方向中的在相互不同的规定的位置上入射到聚束角变换光学系统上的聚光光学系统构成全部聚束光学系统，例如，不向光路中个别地配置使全部光束聚束的光学系统和使各光束个别地聚束的光学系统，能够使各光束入射到光纤中，由此，由于能够缩短从半导体激光器到光纤的光路长度，能够使装置更小型化。
进而，如果将全部聚束光学系统作成截头型的透镜，将准直光学系统作成截头型的透镜，由于能够使具有慢轴方向的直径小、快轴方向的直径大的椭圆形状剖面的上述光束没有过不足地通过该截头型的透镜，能够使各光束效率良好地通过透镜的同时，由于能够挤紧各光束的间隔，能够使装置进一步小型化，能够进一步提高输出。
本发明的第4激光合波装置由于具备配置了多个半导体激光器的激光器块，以使具有相互平行的慢轴及相互平行的光轴的各光束射出，与上述第3激光合波装置同样，不增大光束的象差，能够生成偏斜在快轴方向中的各光束，与上述偏斜量无关，能够将象差少的各光束正确地导入光纤，能够抑制随合波的光束数量增加而引起的各光束向光纤耦合效率的降低。进而，由于能够省略使从多个半导体激光器射出的光束偏斜的光学系统，能够使装置小型化。
另外，如果将准直光学系统作成截头型的透镜，与上述相同，在能够使各光束效率良好地通过透镜的同时，由于能够挤紧各光束间的间隔，能够使装置进一步小型化，进一步提高输出。
另外，具备偏振光合波部件或者波长合波部件，如果使从其他的半导体激光器射出的光束也入射到光纤中，能够进一步提高合波在光纤中的合波光的输出。
另外，如果用在光纤中合波的合波光激励固体激光器的介质或者光纤激光器的介质，能够得到具有希望波长输出大的激光。
另外，如果用从聚束角变换光学系统射出的全部光束，直接激励固体激光器的介质或者光纤激光器的介质，能够得到具有希望波长输出的大的激光。


图1是表示本发明第1实施方式中的实施例1-1的激光合波装置的概略结构图。
图2是表示从半导体激光器的有源层射出激光束的状态的立体图。
图3是表示聚束角变换光学系统的结构和在光纤中合波的光束的状态图。
图4是表示使聚束分散透镜中的光束偏斜聚束的功能图。
图5是表示实施例1-2的激光合波装置的概略结构的俯视图。
图6是表示偏斜透镜使光束偏斜的功能图。
图7是慢轴方向视的在聚束角变换光学系统中变换光轴方向的功能图。
图8是表示多个半导体激光器配置例的俯视图。
图9是表示第2实施方式中的实施例2-1的激光合波装置的概略结构图。
图10是慢轴方向视的在聚束角变换光学系统中变换光束的光轴方向的功能图。
图11是表示实施例2-2的激光合波装置的概略结构的俯视图。
图12是表示实施例2-3的光束偏振光合波的激光合波装置概略结构的俯视图。
图13是表示实施例2-4的波长合波的激光合波装置概略结构的俯视图。
图14是表示实施例2-4的激光合波装置中聚束透镜的功能图。
图15是实施例2-5的激光合波装置概略结构的俯视图。
图16是表示在激光合波装置中使用的聚束光学系统的特性图。
图17是表示第3实施方式的激光合波装置的概略结构的俯视图。
图18是表示光轴转移光学系统的结构图。
图19是表示用聚束光学系统聚束各光束的状态的原理图。
图20是表示现有的激光合波装置的概略结构图。
图21是聚束角的说明图。
图22是表示光束通过改向系统的状态图。
图23是表示光束通过改向系统的状态图。
图24是表示通过位于规定位置上的改向系统的各光束的状态图。
图25是表示通过位于偏离规定位置的改向系统的各光束的状态图。
图26是表示在本发明的激光合波装置中能够配置聚束分散光学系统的区域图。
其中，符号说明11-半导体激光器；12-有源层；30-聚束角变换光学系统；40-光纤；41-芯部；110-激光器块；120-聚束分散透镜。
具体实施例方式
以下，使用

本发明的第1实施方式。
<实施例1-1>
图1是表示本发明的第1实施方式中的第1实施例(以下，称为实施例1-1)的激光合波装置的概略结构图，图1(a)是从上方观察上述激光合波装置的俯视图，图1(b)是从半导体激光器排列方向观察上述激光合波装置的主视图，图1(c)是从光束的光轴方向观察上述激光合波装置的左侧视图。另外，图2是表示激光束从半导体激光器的有源层射出的状态的立体图，图3是表示聚束角变换光学系统的结构和通过该聚束角变换光学系统合波在光纤中的光束的状态图，图3(a)是表示聚束角变换光学系统结构的俯视图，图3(b)是表示聚束角变换光学系统结构的主视图，图4是表示后述的聚束分散透镜使光束偏斜的同时聚束的状态图，图4(a)是将Y方向作为上方、从Z方向及X方向观察的通过上述聚束分散透镜的光束图，图4(b)是将X方向作为上、从Z方向及Y方向观察的通过上述聚束分散透镜的光束图。如图1所示，上述实施例1-1的激光合波装置101具备配置了多个半导体激光器的激光器块110、作为聚束分散光学系统的聚束分散透镜120和聚束角变换光学系统30。
激光器块110中，多个个别独立配置的半导体激光器11A、11B、11C…(以下、总称为半导体激光器11)，半导体激光器11每一个的有源层12A、12B、12C…(以下，总称为有源层12)并列配置在同一平面H1上，在上述平面H1上射出具有相互平行的慢轴的各光束La、Lb、Lc…。
各半导体激光器11是输出1W、振荡波长400～420nm的边发射型氮化物半导体激光器，如图2所示，有源层12的厚度方向(图中F方向，以下也称为快轴方向)的发光宽度Df＝1μm、与该快轴正交的有源层12平行的方向(图中S轴方向、以下也称为慢轴方向)的发光宽度Ds＝10μm。另外，从各半导体激光器11射出的光束的快轴方向的有效数值孔径NA(f)是0.5，慢轴方向的有效数值孔径NA(s)是0.2。此外，如上所述，这里所说的快轴方向是对上述边发射型半导体激光器的有源层垂直的方向，慢轴方向是对上述有源层平行的方向。此外，上述数值孔径NA(f)＝0.5是从普通的半导体激光器射出的光束的快轴方向的有效数值孔径的代表值。
上述X方向、 Y方向、Z方向相互正交，从半导体激光器11射出的光束的快轴方向(光束的扩展角大的方向)与X方向是同一方向，上述光束的慢轴方向(光束的扩展角小的方向)与Y方向是同一方向。
另外，上述激光器块110配置了5个半导体激光器11A、11B、11C、11D、11E。
聚束分散透镜120由与从多个半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…对应配置的各聚束分散个别透镜121A、121B、121C…构成，在使由上述各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向变窄的同时，使各光束每一个在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上(在图中用P1、P2、P3…表示)，而且，使各光束La、Lb、Lc…的每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束La、Lb、Lc…每一个从该各光束的快轴方向中相互不同的规定的位置39A、39B、39C…入射到聚束角变换光学系统30中，兼具使光束偏斜的功能、聚束各光束的光轴的功能及聚束各光束的每个的功能。这里，当使全部光束聚束、以使慢轴方向的宽度变窄时，上述聚束角是盯着该全部光束聚束方向的YZ平面中的角度，即快轴方向视中的聚束角。另外，聚束分散透镜120是由各聚束分散个别透镜121A、121B、121C…构成的截头型的透镜。
作为改向系统的聚束角变换光学系统30，使全部光束的快轴方向视的聚束角成为比从聚束分散透镜120射出时的全部光束的聚束角α1更小的聚束角α2，使该全部光束入射到光纤40的芯部41中，各光束的光轴配置在比快轴方向视中(这里是在YZ平面中)相互交叉位置中最上流侧的位置Pa更上流侧上。此外，光纤40的芯部41的直径是50μm、数值孔径NA是0.2。
此外，聚束分散透镜120的快轴方向视的数值孔径NA设定为大于上述光纤40的数值孔径。
如图3(a)、图3(b)所示，聚束角变换光学系统30，在作为X方向的上述快轴方向上，厚度薄的多个棱镜31A、31B、31C…叠层形成在该快轴方向上，用聚束分散透镜120聚束，以使全部光束的慢轴方向的宽度变窄，使向快轴方向视中的聚束角变换光学系统30入射的光轴的角度相互不同的各光束La、Lb、Lc…入射到各光束对应的规定的棱镜31A、31B、31C…中，在各棱镜31A、31B、31C…变更各光束的传播方向。即在快轴方向视中，棱镜31A、31B、31D、31E使从聚束分散透镜120射出的全部光束的聚束角成为更小的聚束角，与此同时，在慢轴方向中，使以发散状态入射的各光束的光轴聚束(参照图3(b))。这里，由于要让向着光纤的中心传播的光束Lc通过，位于中央的棱镜31C被设定为使Lc的传播方向不弯曲。
其次，说明在上述实施方式中的作用。
从多个半导体激光器11A、11B、11C…射出的、在同一平面H1上具有慢轴的各光束La、Lb、Lc…，通过聚束分散个别透镜121A、121B、121C…，由各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束被聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄(即在快轴方向视中聚束)，与此同时，各光束每一个在快轴方向中被偏斜在相互不同的位置P1、P2、P3…上。与此同时，各光束La、Lb、Lc…每一个聚束在各光束的慢轴方向及快轴方向中。
即，构成聚束分散透镜120的聚束分散个别透镜121A、121B、121C…的每一个具有改变光束传播方向的相互不同的折射力。如图4所示，位于全部光束周边部的聚束分散个别透镜121A使入射的光束La的传播方向在慢轴S方向上发生巨大变化，以使相互的光轴间隔变窄，与此同时，在快轴F方向上发生使相互的光轴间隔扩展的变化，而且，具有使该光束La聚束、入射到聚束角变换光学系统30的规定的棱镜31A上的功能。另外，位于全部光束中心部的聚束分散个别透镜121C使入射的光束Lc的传播方向在慢轴S方向、快轴F方向都不发生变化，具有使该光束Lc聚束、入射到聚束角变换光学系统30的规定的棱镜31C中的功能。此外，从Z轴方向观察图4(a)及图4(b)的左侧所示的聚束分散个别透镜121A的图中的实线，表示聚束分散个别透镜121A的半导体激光器11A侧的透镜面，上述图中的虚线表示聚束分散个别透镜121A的聚束角变换光学系统30侧的透镜面，各自的透镜面的曲率中心的位置对X轴及Y轴偏离在倾斜方向。
然后，各光束La、Lb、Lc…每一个在快轴F方向中从相互不同的规定位置39A、39B、39C…入射到聚束角变换光学系统30的规定的棱镜31A、31B、31C…中，如上所述，用棱镜31A、31B、31C…，在快轴方向中，使从聚束分散透镜120射出时的全部光束的聚束角成为更小的聚束角，在慢轴方向视中，变换各光束的光轴方向、以使以发散状态入射的各光束的光轴聚束，上述全部光束入射到光纤40的芯部41上。这里，各光束通过聚束分散透镜120及聚束角变换光学系统30传播，以使上述各光束的束腰位于上述芯部41的入射端面上。
由于上述措施，具有从5个半导体激光器11A、11B、11C…射出的各0.5W输出的光束合波在光纤40的芯部41上，能够从芯部41输出2.25W的激光。即，5根激光束以90％的耦合效率耦合到光纤中。
<实施例1-2>
以下，说明本发明的第1实施方式中的第2实施例(以下，称为实施例1-2)的激光合波装置。图5是表示上述激光合波装置的概略结构图，图5(a)是从上方观察该激光合波装置的俯视图，图5(b)是从半导体激光器排列方向观察激光合波装置的俯视图，图5(c)是从光束的光轴方向观察激光合波装置的左侧视图，图6是表示构成偏斜透镜的个别透镜使光束偏斜的功能图，图6(a)是将Y方向作为纸面上方观察的上述个别透镜的原理图，图6(b)是将X方向作为纸面上方观察的上述个别透镜的原理图，图7是表示聚束角变换光学系统使在慢轴方向视中陡峻聚束的全部光束的光轴的聚束程度减缓的状态图。
代替上述实施例1-1中作为聚束分散光学系统的聚束分散透镜，上述激光合波装置102用作为偏斜方法的偏斜透镜和使全部光束聚束的聚光透镜分别个别配置构成，其他的结构与上述实施例1-1同样。以下，具有与上述实施例1-1的激光合波装置同样功能的结构、使用相同的符号，省略其说明。
上述激光合波装置102由偏斜透镜123和聚光透镜124构成，作为聚束分散光学系统，偏斜透镜123与从多个半导体激光器11A、11B…射出的各光束对应配置，在使该各光束的每一个准直的同时，具备使各光束偏斜在快轴方向中的相互不同位置上的功能，聚光透镜124在使从该偏斜透镜123射出的各光束构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄的同时，使各光束每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向中，具备使各光束在该各光束的快轴方向中在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统30B中的功能。
此外，偏斜透镜123是由与各光束对应配置的作为各透镜的偏斜个别透镜123A、123B、…构成的截头型透镜。另外，由偏斜透镜123和聚光透镜124构成的光学系统起着与上述实施例1-1中的聚束分散透镜120同样的作用。
从多个半导体激光器11A、11B、11C…射出的、在同一平面H1上具有慢轴的各光束La、Lb、Lc…，通过偏斜透镜123，各光束每一个被偏斜在快轴方向中相互不同的位置上。更详细地说，如图6所示，构成偏斜透镜123的各偏斜个别透镜123A、123B、123C…分别具有使光束的传播方向改变的相互不同的折射力。位于全部光束周边部的偏斜个别透镜123A，不使入射的光束La的传播方向在慢轴方向上发生变化，使之在快轴方向视变化入射到聚光透镜124上。此外，位于全部光束中心部的偏斜个别透镜123C，使入射的光束Lc的传播方向在慢轴方向上、快轴方向上都不变化，入射到聚光透镜124上。此外，图6(a)及图6(b)的左侧所示的从Z轴方向观察偏斜个别透镜123A的图中的实线表示偏斜个别透镜123A的半导体激光器11A侧的透镜面，上图中的虚线表示该偏斜个别透镜123A的聚束角变换光学系统30B侧的透镜面，各自的透镜面的曲率中心的位置偏离在X轴方向上。
由从偏斜透镜123射出、通过聚光透镜124的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄的同时，各光束La、Lb、Lc…的每一个在各光束的慢轴方向及快轴方向上聚束。
然后，各光束La、Lb、Lc…每一个在快轴F方向中在相互不同的规定的位置上，入射到聚束角变换光学系统30B的规定的棱镜上，在快轴方向视中，由各光束构成的全部光束的聚束角α1通过各棱镜、成为比由各光束构成的全部光束的聚束角更小的聚束角α2，与此同时，如图7所示，在慢轴方向视中，变换各光束的光轴的方向，以使各光束的光轴比以陡峻聚束状态传播的各光束的光轴更缓和地聚束，上述全部光束入射到光纤40的芯部41上。即，与上述同样，从聚束角变换光学系统30B射出的上述全部光束的聚束角α2成为比从聚光透镜124射出时的全部光束的聚束角α1更小的角度。即使在这种情况下，该聚束角变换光学系统30B配置在比从聚光透镜124射出、聚束的各光束La、Lb、Lc…的光轴在快轴方向视中相互交叉的位置中最上流侧的位置Pa更上流侧上。
由上述措施，具有从5个半导体激光器11A、11B、11C…射出的各0.5W输出的光束合波在光纤40的芯部41中，能够从芯部41输出2.25W的激光。即5根激光束以90％的耦合效率耦合在光纤上。
另外，由于半导体激光器的封装配置、由截头型透镜构成的聚束分散光学系统的光束聚束分散功能、及聚束角变换光学系统的聚束角变换功能等的设计的最佳化，上述实施例1-1、实施例1-2及以下说明的从实施例2-1到2-5，及实施例3-1的激光合波装置的方式，也能够适用于由本发明申请人提出的、在专利文献(例如，特愿2002-287640，特愿2002-201979)等中记载了的、具有叠层型(在快轴方向中叠层半导体激光器的结构)的光纤·激光器(激光合波装置)。
图8是表示配置多个半导体激光器时的结构图，图8(a)是表示使多个半导体激光器的分别个别独立的结构图，图8(b)是表示将多个半导体激光器分散在多个基板上的结构图，图8(c)是表示将多个半导体激光器作为激光器棒的结构图。
在上述实施例1-1、实施例1-2中，如图8(a)所示，是将多个半导体激光器15A、15B…的每一个作为相互分离的激光器，不是仅限于这种情况，多个半导体激光器也可以采用将这些多个半导体激光器中的至少2个以上17A、17B相互连接成为一体化的激光器棒的结构。
更具体地说，如图8(b)所示，上述多个半导体激光器可以采用半导体激光器17A、17B、…中的至少2个以上相互连接一体化，即半导体激光器17A、17B相互连接一体化，半导体激光器17C、17D相互连接一体化，进而、半导体激光器17E、17F相互连接一体化，进而，如图8(c)所示，上述多个半导体激光器也可以采用全部半导体激光器从18A到18E连接起来作为1根激光器棒的结构。
此外，如图5所示，也可以将实施例1-2的激光合波装置作为激励装置，将从半导体激光器11射出、入射到光纤40的芯部41中，用在该光纤41中合波的各光束构成的合波光Lx，激励固体激光器的介质Kb或者光纤激光器的介质Fb，或者用从半导体激光器11射出、通过聚束角变换光学系统30B的全部光束，直接激励固体激光器的介质Kb、或者光纤激光器的介质Fb。
即，也可以用由上述激光合波装置入射到光纤40的芯部41中的合波了的合波光Lx、或者通过聚束角变换光学系统30B的全部光束Lg，激励固体激光器的介质Kb，在该固体激光器中的输出镜M1和反射镜M2之间振荡，产生激光Lk，或者激励配置在光纤40的芯部41上的光纤激光器的介质Fb，产生激光Lf。
在上述合波光Lx是红外光的情况下，希望上述介质Kb及介质Fb包含稀土类元素Nd3+、稀土类元素Yb3+中的至少一种。另外，在上述合波光的波长是350nm以上、460nm以下的情况下，希望上述介质Kb及介质Fb包含稀土类元素Pr3+、稀土类元素Er3+、稀土类元素Ho3+中的至少1种。
此外，用在上述光纤中合波了的合波光进行固体激光器的介质或者光纤激光器的介质的激励，也能够适用于上述实施例1-1、或者后述的实施例2-1到实施例2-5、实施例3-1。
以下，使用

本发明的第2实施方式。
此外，在第2实施方式中，具有与上述第1实施方式同样功能的部件，使用与第1实施方式相同的符号，省略其说明。
<实施例2-1>
图9是表示本发明的第2实施方式中的第1实施例(以下，称为实施例2-1)的激光合波装置201的概略结构图，图9(a)是从上方观察上述激光合波装置的俯视图，图9(b)是从激光器排列方向观察上述激光合波装置的主视图，图9(c)是从光束的光轴方向观察上述激光合波装置图，图10是表示聚束角变换光学系统在慢轴方向视中使相互平行的各光束的光轴聚束的状态图。如图9所示，实施例2-1的激光合波装置201具备激光器块10、全部聚束光学系统20和聚束角变换光学系统30C。
激光器块10中，配置多个半导体激光器11A、11B、11C…(以下，总称为半导体激光器11)，以使半导体激光器11每一个的有源层12A、12B、12C…(以下，总称为有源层12)平行，而且，每一个的有源层12A、12B、12C…的位置成为在有源层12的厚度方向中(图中箭头X方向)相互不同的位置13A、13B、13C…，射出具有相互平行的慢轴的各光束。即在激光器块10上形成用于配置各半导体激光器11的高度差。
各半导体激光器11是输出1W、振荡波长从400nm到420nm的边发射型的氮化物半导体激光器，快轴F方向的发光宽度Df＝1μm、慢轴S方向的发光宽度Ds＝25μm。另外，从各半导体激光器11射出的光束的快轴F方向的有效数值孔径NA(f)是0.5，慢轴S方向的有效数值孔径NA(s)是0.2。此外，如在第1实施方式中已说明的，这里所说的快轴F方向是边发射型半导体激光器的有源层的厚度方向，慢轴方向是对上述有源层平行的方向，从半导体激光器11射出的光束的扩展角大的方向成为光束的快轴方向(图中箭头F方向)，光束扩展角小的方向成为光束的慢轴方向(图中箭头S方向)。
上述激光器块10是具有5个半导体激光器11A、11B、11C、11D、11E的区域。
全部聚束光学系统20在使从多个半导体激光器11射出的、慢轴相互平行、在快轴方向上相互位置不同的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向(这里，与图中箭头Y方向一致)的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个在慢轴方向及快轴方向(这里，与图中箭头X方向一致)聚束，使各光束La、Lb、Lc…每一个在快轴F方向中、在相互不同的规定的位置39A、39B、39C…入射到聚束角变换光学系统30C中。此外，从全部聚束光学系统20射出的各光束La、Lb、Lc…的光轴，在慢轴方向视中相互平行。
作为改向系统的聚束角变换光学系统30C，是使全部光束的快轴方向视的聚束角成为比从全部聚束光学系统20射出时的全部光束的聚束角α11更小的聚束角α12，使该全部光束入射到光纤40的芯部41中，各光束的光轴配置在比在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧位置Pb更上流侧上。此外，光纤40的芯部41的直径是50μm、数值孔径NA是0.2。
另外，如图10所示，该聚束角变换光学系统30C使在慢轴方向视中、从全部聚束光学系统20射出的相互平行的各光束La、Lb、Lc…的光轴聚束。
此外，全部聚束光学系统20的快轴方向视中的数值孔径NA设定为比上述光纤40的数值孔径NA大。
上述全部聚束光学系统20由个别准直透镜21A、21B、21C…(以下，总称为个别准直透镜21)和全部聚束透镜22构成，个别准直透镜21使从多个半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…每一个在慢轴方向及快轴方向中准直，全部聚束透镜22使由各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄。此外，个别准直透镜21是作为截头型的透镜构成的。
此外，在上述结构中，快轴方向经常与X方向一致。
其次，说明在上述实施方式中的作用。
从多个半导体激光器11A、11B、11C…射出、在快轴方向中相互位置不同的各光束La、Lb、Lc通过个别准直透镜21A、21B、21C…，各自成为平行光束。用个别准直透镜21准直了的光束的快轴F方向中、相互位置不同的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束，通过全部聚束透镜22聚束，以使慢轴S方向的宽度变窄。
然后，各光束La、Lb、Lc…每一个，在快轴F方向中、从相互不同的规定的位置39A、39B、39C…入射到聚束角变换光学系统30C的规定的棱镜31A、31B、31C…中，入射到棱镜31A、31B、31C…、在各棱镜31A、31B、31C…，由各光束构成的全部光束的聚束角、在快轴方向视中成为更小的聚束角，与此同时，变换各光轴的方向、以使各光束的光轴在慢轴方向视中聚束，使上述全部光束入射到光纤40的芯部41中。这里，各光束通过聚束分散光学系统20及聚束角变换光学系统30C传播，以使各光束的束腰位置于上述芯部41的入射端面附近。
从聚束角变换光学系统30C射出的上述全部光束的聚束角α12，成为比从全部聚束透镜22射出，即通过全部聚束光学系统20射出时的全部光束的聚束角α11更小的角度。
用上述措施，从5个半导体激光器11A、11B、11C…射出的具有各1.0W输出的光束合波在光纤40的芯部41中，从芯部41能够输出4.5W的激光。即5根激光束以90％的耦合效率，耦合进光纤中。
<实施例2-2>
以下，说明本发明的第2实施方式中的第2实施例(以下，称为实施例2-2)的激光合波装置。图11表示实施例2-2的激光合波装置的概略结构图。
上述实施例2-2的激光合波装置202在上述实施例2-1的激光合波装置的结构上、还添加具备使从其他半导体激光器射出的光束偏振光合波的偏振光合波部件。以下，对与上述实施例2-1的激光合波装置201同样的结构，使用相同的符号，省略其说明。
上述实施例2-2的激光合波装置202具备激光器块10、个别准直透镜21、全部聚束透镜22、聚束角变换光学系统30C，激光器块10配置5个半导体激光器11A、11B、11C、11D、11E，个别准直透镜21使从上述多个半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…每一个准直在慢轴方向及快轴方向上，全部聚束透镜22使由个别准直透镜21成为平行光束的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个聚束在慢轴方向及快轴方向上，使各光束La、Lb、Lc…每一个在快轴方向中、在相互不同的规定的位置上入射到聚束角变换光学系统30C中，聚束角变换光学系统30C使由全部聚束透镜22聚束了的聚束角α11成为更小的聚束角α12，以使上述全部光束的慢轴方向的宽度变窄，是使上述全部光束入射到光纤40中的改向系统。
该激光合波装置202进而具备激光器块10T和偏振光合波部件45，激光器块10T配置与上述多个半导体激光器11A、11B、…不同的其他的半导体激光器11TA、11TB、…(以下，总称为半导体激光器11T)，在从半导体激光器11射出的光束到入射到光纤中的该光束的光路中，偏振光合波部件45使从半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…与从其他半导体激光器11T射出的各光束TLa、TLb、TLc…偏振光合波，使从其他半导体激光器11T射出的光束也入射到光纤40中。
偏振光合波部件45具有个别准直透镜46、1/2λ波长板47及偏振光束分束器48，偏振光束分束器48配置在个别准直透镜21和全部聚束透镜22之间，1/2λ波长板47和个别准直透镜46配置在半导体激光器11T和偏振光束分束器48之间。
激光器块10T是与上述激光器块10同样的激光器块，半导体激光器11T每一个的有源层与半导体激光器11每一个的有源层对应配置。即半导体激光器11TA的有源层和半导体激光器11A的有源层位于同一平面上，半导体激光器11TB的有源层和半导体激光器11B的有源层位于同一平面上，这样，相互对应的半导体激光器的有源层位于同一平面上。
个别准直透镜46是与上述个别准直透镜21同样的准直透镜，使从各半导体激光器11T射出的各光束TLa、TLb、TLc…每一个成为光轴相互平行的平行光束。
1/2λ波长板47改变直线偏振光的方位，使入射的各光束TLa、TLb、TLc…的偏振光的方位旋转90度。
此外，配置上述部件，以使从半导体激光器11T射出时的各光束的光轴和从半导体激光器11射出时的各光束的光轴正交。
在图11中，偏振光束分束器48使作为平行于纸面的直线偏振光成分的P偏振光成分透过，反射作为垂直于纸面的直线偏振光成分的S偏振光成分，这里，透过从半导体激光器11射出、通过个别准直透镜21的光，反射从半导体激光器11T射出、通过个别准直透镜46及1/2λ波长板47的光。
从多个半导体激光器11A、11B…射出、由上述P偏振光成分构成的各光束La、Lb、Lc…，通过个别准直透镜21、偏振光束分束器48、全部聚束透镜22、聚束角变换光学系统30C，入射到光纤40上。另外，从半导体激光器11T射出的、由上述P偏振光成分构成的各光束TLa、TLb、TLc…，用个别准直透镜46变成平行光束后，通过1/2λ波长板47，偏振光方向旋转90度，成为由上述S偏振光成分构成的各光束TLa、TLb、TLc…，在偏振光束分束器48的束分束面BS1反射。而且，在偏振光束分束器48反射的各光束TLa、TLb、TLc…，通过与透过偏振光束分束器48的各光束La、Lb、Lc…每一个相同的光路，入射到光纤40中。即与光束TLa和光束La、光束TLb和光束Lb、…光束TLe和光束Le的每一个对应的光束，通过相同的光路入射到光纤40中。聚束角变换光学系统30C使从全部聚束透镜22射出时的全部光束的聚束角α11成为更小的聚束角α12，使该全部光束入射到光纤40中。
此外，上述聚束角变换光学系统30C与上述实施例2-1同样，从全部聚束透镜22射出、聚束的各光束La、Lb、Lc…的光轴配置在比快轴方向视中相互交叉位置中的最上流侧的位置Pb更上流侧上。
此外，使用上述偏振光合波部件得到高输出激光的手法，也能够适用于上述实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1、及后述的实施例2-3到实施例2-5、实施例3-1。
<实施例2-3>
以下，说明本发明的第2实施方式中的第3实施例(以下，称为实施例2-3)的激光合波装置。图12是表示上述实施例2-3的激光合波装置的概略结构图。
该实施例2-3的激光合波装置203是在上述实施例2-1的激光合波装置201的结构上、具备使从其他半导体激光器射出的光束波长合波的波长合波部件的激光合波装置。以下，对具有与实施例2-1的激光合波装置201同样功能的结构使用相同的符号，省略其说明。
实施例2-3的激光合波装置203具备激光器块10、个别准直透镜21、全部聚束透镜22及聚束角变换光学系统30C，激光器块10配置5个半导体激光器11A、11B、11C、11D、11E，个别准直透镜21使从上述多个半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…每一个聚束在慢轴S方向及快轴F方向上，全部聚束透镜22使由个别准直透镜21成为并行光束的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个聚束在慢轴方向及快轴F方向，在快轴F方向中相互不同的规定的位置上，使各光束La、Lb、Lc…每一个入射到聚束角变换光学系统30C上，作为改向系统的聚束角变换光学系统30C，使上述全部光束的聚束角成为比从全部聚束透镜22射出时的聚束角α11更小的聚束角α12，将上述全部光束入射到光纤40中。
该激光合波装置203进而具备激光器块10U、激光器块10V、波长合波部件55U及波长合波部件55V，激光器块10U配置与多个半导体激光器11A、11B…不同的其他半导体激光器11UA、11UB、…(以下，也总称为半导体激光器11U)，激光器块10V配置其他的半导体激光器11VA、11VB、…(以下，也总称为半导体激光器11V)，在从半导体激光器11射出的光束入射到光纤40中的该光束的光路中，波长合波部件55U使从其他半导体激光器11U射出的各光束ULa、ULb、ULc…波长合波在从半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…上，波长合波部件55V使从半导体激光器11V射出的各光束VLa、VLb、VLc波长合波在从半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…上，使从其他半导体激光器11U及半导体激光器11V射出的光束也入射到光纤40中。
此外，从各半导体激光器11射出的各光束的波长分别是410nm，从各半导体激光器11U射出的各光束的波长分别是370nm，从各半导体激光器11V射出的各光束的波长分别是450nm。
波长合波部件55U具有个别准直透镜56U及二向色分束器58U，二向色分束器58U配置在个别准直透镜21和全部聚束透镜22之间，个别准直透镜56U配置在半导体激光器11U和二向色分束器58U之间。
波长合波部件55V具有个别准直透镜56V及二向色分束器58V，二向色分束器58V配置在个别准直透镜21和全部聚束透镜22之间，个别准直透镜56V配置在半导体激光器11V和二向色分束器58V之间。
激光器块10U及激光器块10V是与上述激光器块10同样的激光器块，半导体激光器11U及半导体激光器11V每一个的有源层与半导体激光器11每一个的有源层对应配置。即半导体激光器11UA及半导体激光器11VA的有源层和半导体激光器11A的有源层位于同一的平面上，半导体激光器1 1UB及半导体激光器11VB和半导体激光器11B的有源层位于同一平面上，这样，相互对应的半导体激光器的有源层位于同一平面上。
另外，从半导体激光器11射出时的光束的光轴与从半导体激光器11U射出时的光束的光轴及从半导体激光器11V射出时的光束的光轴正交。
个别准直透镜56U是与上述个别准直透镜21同样的个别准直透镜，使从各半导体激光器11U射出的各光束ULa、ULb、ULc…每一个成为光轴相互平行的平行光束。
个别准直透镜56V是与上述个别准直透镜21同样的个别准直透镜，使从各半导体激光器11V射出的各光束VLa、VLb、VLc…每一个成为光轴相互平行的平行光束。
二向色分束器58U使410nm的光透过、370nm的光反射。二向色分束器58V使370nm及410nm的光透过、450nm的光反射。
从多个半导体激光器11A、11B…射出的各光束La、Lb、Lc…通过个别准直透镜21、二向色分束器58U、二向色分束器58V、全部聚束透镜22、聚束角变换光学系统30C，入射到光纤40中。
另外，从半导体激光器11U射出的各光束ULa、ULb、ULc…，在用个别准直透镜56U成为平行光束后，在二向色分束器58U的束分离面U1反射。而且，用二向色分束器58U反射的各光束ULa、ULb、ULc…通过与透过该二向色分束器58U的上述各光束La、Lb、Lc…的每一个同样的光路，入射到光纤40中。即光束ULa和光束La、光束ULb和光束Lb、…、光束ULe和光束Le分别对应的光束同伴，通过同一光路入射到光纤40中。
进而，从半导体激光器11V射出的各光束VLa、VLb、VLc…用个别准直透镜56V成为平行光束后，在二向色分束器58V的束分离面V1反射。而且，在二向色分束器58V反射的各光束VLa、VLb、VLc…通过与透过该二向色分束器58V的各光束La、Lb、Lc…及各光束ULa、ULb、ULc…的各自相同的光路，入射到光纤40中。即光束VLa、光束ULa及光束La通过相同的光路，光束VLb、光束ULb及Lb通过相同的光路、…光束VLe、光束ULe及光束Le通过相同的光路，入射到光纤40中。
由此，各光束La、Lb、Lc、…、各光束ULa、ULb、ULc…及各光束VLa、VLb、VLc…在光纤40中合波。
此外，上述聚束角变换光学系统30C，与上述实施例2-1同样，配置在比从全部光束透镜22射出、聚束了的各光束La、Lb、Lc…的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧位置的光轴聚束位置Pb更上流侧上。
此外，使用上述波长合波部件得到高输出激光的手法也能够适用于上述实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1、实施例2-2及后述的实施例2-4到实施例2-5、实施例3-1。
<实施例2-4>
图13是表示第2实施方式中的第4实施例(以下，称为实施例2-4)的激光合波装置的概略结构图，图13(a)是从上方观察上述激光合波装置的俯视图，图13(b)是从半导体激光器排列方向观察上述激光合波装置的主视图，图13(c)是从光束的光轴方向观察上述激光合波装置的左侧视图。另外，图14是表示聚束透镜的功能图，图14(a)是将Y方向作为上方观察的聚束透镜的原理图，图14(b)是将X方向作为上方观察的聚束透镜的原理图。
如图13所示，上述实施例2-4的激光合波装置，用由各聚束透镜24A、24B、24C…构成的聚束透镜24作为截头型透镜，代替在实施例2-1中、用个别准直透镜21和全部聚束透镜22构成的全部聚束光学系统。
即，聚束透镜24由具有改变光束传播方向的各自不同的折射力的聚束透镜24A、24B、24C…构成，在使从多个半导体激光器11射出的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个聚束在慢轴方向及快轴F方向中，将各光束La、Lb、Lc…分别通过在快轴F方向中相互不同的规定的位置39A、39B、39C…，入射到聚束角变换光学系统30C中。
更详细地说，如图14所示，位于全部光束周边部的聚束透镜24A，使入射的光束La的传播方向在慢轴方向中发生大的变化，而且，使该光束La聚束，入射到聚束角变换光学系统30C的规定的棱镜31A(参照图3)上。另外，位于全部光束中心部的聚束透镜24C不使入射的光束Lc的传播方向发生变化，使该光束Lc聚束，入射到聚束角变换光学系统30C的规定的棱镜31C上。
此外，在图14(a)及图14(b)的纸面左侧所示的、从Z轴方向观察聚束透镜24A的图中的实线表示聚束透镜24A的半导体激光器11A侧的透镜面，上述图中的虚线表示聚束透镜24A的聚束角变换光学系统30C侧的透镜面，各自的透镜面的曲率中心的位置偏离Y方向。
其他的结构及作用与上述实施例1相同，由于与上述同样的聚束角变换光学系统30C的作用，由作为全部聚束光学系统的聚束透镜24聚束的聚束角α21的全部光束成为更小的聚束角α22，以使上述慢轴方向的宽度变窄，入射到光纤40的直径50μm的芯部41中。
此外，与上述实施例2-1同样，上述聚束角变换光学系统30C配置在比从全部聚束透镜22射出、聚束的各光束La、Lb、Lc…的光轴，在快轴方向视中相互交叉位置中的最上流侧的位置的光轴聚束位置Pb更上流侧上。
<实施例2-5>
图15是表示第2实施方式中的第5实施例(以下，称为实施例2-5)的激光合波装置的概略结构图，该图15是从上方观察上述激光合波装置的俯视图。
如图15所示，实施例2-5激光合波装置205的激光器块10Q配置5个半导体激光器11A、11B、11C、…，半导体激光器11每一个的有源层12A、12B、12C、…平行，而且每一个有源层12A、12B、12C、…的位置，在有源层12的厚度方向(图中X方向，也就是快轴方向)中成为相互不同的位置，而且，配置从半导体激光器11射出时的各光束La、Lb、Lc…的光轴，以使在快轴方向视中光轴间的间隔相互变窄。
因此，从半导体激光器11射出时的各光束La、Lb、Lc…的慢轴不平行。
全部聚束光学系统20Q，使从上述半导体激光器11射出的、在快轴方向中相互位置不同的各光束La、Lb、Lc…每一个个别地聚束在慢轴方向及快轴方向(图中箭头X方向)中，与上述同样，使各光束La、Lb、Lc…每一个，在快轴方向中在相互不同的规定的位置上，入射到与上述同样的聚束角变换光学系统30C中。
此外，全部聚束光学系统20Q由使上述各光束La、Lb、Lc…每一个成为平行光束的准直透镜26A、26B、26C…，以及使已成为上述平行光束的各光束La、Lb、Lc…每一个聚光在慢轴方向及快轴方向中的聚光透镜27A、27B、27C构成。
从上述半导体激光器11射出时的各光束La、Lb、Lc…的光轴与从全部聚束光学系统20Q射出时的各光束La、Lb、Lc、…的光轴一致。此外，各光束La、Lb、Lc…的光轴用图15中的光轴Ja、Jb、Jc…表示。
这里，从全部聚束光学系统20Q射出时的全部光束的聚束角α31与从半导体激光器11射出时的全部光束的聚束角相等，从聚束角变换光学系统30C射出时的上述全部光束的聚束角α32成为比从全部聚束光学系统20Q射出时的全部光束的聚束角α31小的角度。
其他的结构及作用与上述实施例1及实施例2同样。
这里，使各准直透镜26A、26B、26C的焦距为3mm、数值孔径NA为0.6，使各聚光透镜27A、27B、27C…的焦距为9mm、数值孔径为0.2，从5个半导体激光器11A、11B、11C、…射出的、具有各1W输出的光束合波在光纤40的芯部41中，从芯部41能够输出4.5W的激光。即5根激光束耦合到光纤中时的耦合效率为90％。
此外，与上述实施例2-1同样，上述聚束角变换光学系统30C配置在比从全部聚束光学系统20Q射出、聚束的各光束La、Lb、Lc…的光轴，在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧位置的光轴聚束位置Pc更上流侧上。
在上述各实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到实施例2-5中的激光合波装置中，作为使从多个半导体激光器11射出的各光束在慢轴方向及快轴方向聚束的光束聚束部件的各光学系统，用该各光学系统聚束了的各光束的慢轴方向视中的射出角，比从各光束的上述半导体激光器射出时的光束的慢轴方向视中的放射角更小。
即，从本发明中使用的边发射型半导体激光器射出的光的快轴方向中的扩展(即慢轴方向视中的扩展)，用数值孔径表示时是NA1＝0.5左右，另一方面，当用数值孔径NA表示光入射到一般的光纤中时的入射光的扩展时，数值孔径是比上述数值孔径NA1小的0.3以下，通常数值孔径是0.2左右。因此，将从半导体激光器射出的光有效地耦合在光纤中的关键一点是，使从上述光学系统将光入射到光纤中时的射出角比从半导体激光器射出的光的放射角小，这是一般熟知的方法。此外，偏离光纤的数值孔径NA2规定的范围入射的光不能与该光纤的模式耦合，漏泄到光纤外。
于是，如图16所示，在各实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到实施例2-5的各激光合波装置中，从数值孔径NA＝0.5的半导体激光器11射出的光，通过光束聚束部件130，在光纤40的数值孔径NA2＝0.2的范围内入射，使从半导体激光器射出的光向光纤的高效率耦合成为可能，为了作到这点的放大倍率Re是Re＝f2/f1＝NA2/NA1＝0.5/0.2＝2.5因此，进行设计至少使上述光束聚束部件130的放大倍率Re大于1.0，这是实现高效率耦合的必要条件。
即，进行设计，以便用图16中所示的上述光束聚束部件130(各光学系统)聚束了的光束的慢轴方向视中的射出角θ2比从半导体激光器11射出时的光束的慢轴方向视中的放射角θ1更小，这成为实现高效率耦合的必要条件。
此外，与上述光束聚束部件130(各光学系统)对应、在实施例1-1中的激光合波装置101中的聚束分散透镜120，实施例1-2的激光合波装置102中的偏斜透镜123和聚光透镜124组合构成的光学系统，实施例2-1的激光合波装置201中的全部聚束光学系统20，实施例2-2的激光合波装置202中的偏振光合波部件45和全部聚束透镜22组合而成的光学系统，实施例2-3的激光合波装置203中的波长合波部件55U和全部聚束透镜22组合而成的光学系统，以及波长合波部件55V和全部聚束透镜22的组合构成的光学系统，实施例2-4的激光合波装置204中的聚束透镜24及实施例2-5的激光合波装置205中的全部聚束光学系统20Q，对这些光学系统进行设计，以使由这些光学系统聚束了的光束的慢轴方向视中的射出角θ2比从半导体激光器11射出时的光束的慢轴方向视中的放射角θ1更小。
但是，本发明的激光合波装置，不是仅限于进行上述光束聚束部件的设计，以使从该光束聚束部件射出的各光束的慢轴方向视中的射出角θ2比从各光束的半导体激光器射出时的光束的慢轴方向视中的放射角θ1更小的情况。
<实施例3-1>
以下，用

本发明的第3实施方式。此外，在第3实施方式中，具有与上述第2实施方式同样功能的部件，使用与第2实施方式同一的符号，省略其说明。
图17是表示本发明的第3实施方式的激光合波装置的第1实施例(实施例3-1)的概略结构图，图17(a)是从上方观察上述激光合波装置的俯视图，图17(b)是从半导体激光器排列方向观察上述激光合波装置的主视图，图17(c)是从光束的光轴方向观察上述激光合波装置的左侧视图。另外，图18是表示光轴偏移光学系统的结构的俯视图，图19是表示用聚束光学系统聚束各光束的状态的原理图，图19(a)是表示光束在慢轴方向上聚束的状态图，图19(b)是表示光束在快轴方向中聚束的状态图。
上述实施例3-1的激光合波装置301具备激光器块50、准直光学系统60、光轴偏移光学系统70、聚束光学系统80，激光器块50配置多个半导体激光器51A、51B、51C…(以下，也总称为半导体激光器51)，以使半导体激光器51A、51B、51C…每一个的有源层52A、52B、52C…平行，而且，每一个的有源层52A、52B、52C…的位置成为在有源层52A、52B、52C…的厚度方向(图中箭头X方向)中相互不同的位置53A、53B、53C…，准直光学系统60使从多个半导体激光器51射出的各光束La、Lb、Lc…具有相互平行的光轴，而且，成为慢轴S相互平行的光束，作为改向系统的光轴偏移光学系统70，使通过准直光学系统60的、在快轴F方向(图中箭头F方向)中相互位置不同的各光束偏移在慢轴S方向(图中箭头S方向)中，各光束La、Lb、Lc…的快轴F排列在与慢轴S正交的1平面H2上，聚束光学系统80使从光轴偏移光学系统70射出的各光束La、Lb、Lc构成的全部光束及各光束聚束在慢轴S方向及快轴F方向上，入射到光纤40中，各半导体激光器51是与上述第2实施方式中的半导体激光器同样的输出1W、振荡波长400～420nm的氮化物半导体激光器，快轴F方向的发光宽度Df＝1μm、慢轴S方向的发光宽度Ds＝25μm。另外，从各半导体激光器51射出的光束的快轴F方向的有效数值孔径NA(f)是0.5，慢轴S方向的数值孔径NA(s)是0.2。
准直光学系统60是由配置在各光束每一个上的准直透镜61A、61B、61C…构成的截头型的透镜。
如图18所示，光轴偏移光学系统70是在图中X方向上叠层形成厚度薄的多个棱镜71A、71B、71C…，例如，入射到棱镜71A上的光束La，在棱镜71A的平行平面R1、R2之间分别反射，在上述平面H2上光轴被偏移，从该棱镜71A射出。其他的棱镜的作用也同样。但是，由于光束Lc的光轴在入射到光轴偏移光学系统70前，已经位于上述平面H2上，光束Lc的光路不被偏移，通过棱镜71C。该棱镜71C，例如能够成为不改变光束的光路的光学平板。
如图19所示，聚束光学系统80由聚束F透镜81和聚束S透镜82构成，聚束F透镜81使从光轴偏移光学系统70射出的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束聚束在快轴F方向上，聚束S透镜82使上述全部光束聚束在慢轴S方向上。
其次，说明在上述实施方式中的作用。
从多个半导体激光器51射出的各光束La、Lb、Lc…，由准直光学系统60成为具有相互平行的光轴、慢轴S相互平行、而且快轴F方向相互位置不同的平行光束，入射到光轴偏移光学系统70的各棱镜71A、71B、71C…中。
由各棱镜71A、71B、71C…使各光束偏移到慢轴S方向上，各光束La、Lb、Lc…的快轴F被排列在与慢轴S正交的平面H1上，从光轴偏移光学系统70射出。
由从光轴偏移光学系统70射出的各光束La、Lb、Lc…构成的全部光束通过聚束F透镜81，聚束在快轴F方向中(在XZ平面中)，通过S透镜82、聚束到慢轴S方向上(在YZ平面中)后，入射到光纤40的直径50μm的芯部41中。
此外，由半导体激光器的封装配置、截头型透镜的聚光角度及聚束角变换系统的聚光功能和光轴偏移光学系统的光轴偏移功能等的设计的最佳化，第1实施方式、第2实施方式及第3实施方式的各激光合波装置，也能够适用于本发明申请人已经提出的专利文献(例如，特愿2002-287640、特愿2002-201979)等记述的、具有叠层型(在快轴方向中叠层半导体激光器的结构)的光纤·激光器(激光合波装置)中。
另外，由上述实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到实施例2-5及实施例3-1中的激光合波装置，在光束入射、合波的光纤40中，使用芯径25μm到400μm的光纤，特别是使用最多的芯径是50μm～100μm的光纤。
另外，在上述各实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到2-5及实施例3-1中使用的截头型的透镜可以是球面透镜，也可以是非球面透镜。另外，在实施例中作为截头型透镜进行了说明，但不是一定限于截头型透镜的情况，也可以使用从光轴方向观察的形状是圆形的普通的透镜。
此外，作为上述各实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到实施例2-5及实施例3-1的半导体激光器11，作为可能采用的半导体激光器的1例，有发光宽度Ds(参照图2)大小不同的以下种类的半导体激光器。
·单模半导体激光器横模(慢轴方向)是单模。发光宽度Ds值是1μm到3μm，输出一般是数mW到500mW。
·多模半导体激光器横模(慢轴方向)是多模。发光宽度Ds是数μm到100μm，输出一般是100mW到2000mW。
另外，上述实施例1-1、实施例1-2、实施例2-1到实施例2-5中的聚束角变换光学系统，或者实施例3-1中的光轴偏移光学系统，不是仅限于组合棱镜形成的情况，能够使用反射要素、折射要素、光栅要素、或者光子晶体等形成，或者组合这些要素形成。
此外，本发明的激光合波装置中合波根数不是仅限于5根，合波根数也可以选择2根以上的任何的数目。
另外，希望从上述各半导体激光器射出的光束的波长是350nm以上、460nm以下，不是仅限于该范围的情况，进而，从上述半导体激光器射出的光束的波长也可以是偏离350nm以上、460nm以下的范围的情况，例如也可以是红外光。
权利要求
1.一种激光合波方法，是使从多个半导体激光器射出的多个光束的每个、在快轴方向中偏斜在相互不同的位置的同时，使上述多个光束的各光轴在快轴方向视中聚束，进而，使上述多个光束的每个聚束在慢轴方向及快轴方向中，入射到光纤的端面上的激光合波方法，其特征在于将聚束角变换光学系统配置在，比在上述快轴方向视中聚束的各光束的光轴，在快轴方向视中的相互交叉的位置中的最上流侧的位置更上流侧上，使在上述快轴方向视中聚束了的各光束构成的全部光束，通过上述聚束角变换光学系统，使由该各光束构成的全部光束或者一部分的光束的快轴方向视的聚束角，成为更小的聚束角，使该全部光束入射到光纤的端面上。
2.一种激光合波装置，具备多个半导体激光器；是使从该多个半导体激光器射出的多个光束的每个、在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上的同时，使上述多个光束的各光轴在快轴方向视中聚束，进而，使上述多个光束的每个聚束在慢轴方向及快轴方向中，入射到光纤端面的激光合波装置，其特征在于具备聚束角变换光学系统，聚束角变换光学系统配置在，比上述快轴方向视中聚束了的各光束的光轴在快轴方向视中的相互交叉的位置中的最上流侧的位置更上流侧上，该聚束角变换光学系统，能够使由上述各光束构成的全部光束的快轴方向视中的聚束角成为更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤的端面上。
3.根据权利要求2所述的激光合波装置，其特征在于具备使从上述多个半导体激光器射出的各光束聚束在慢轴方向及快轴方向上的光束聚束部件，该光束聚束部件使从该光束聚束部件射出的各光束的慢轴方向视中的射出角，比从各光束的上述半导体激光器射出时的光束的慢轴方向视中的放射角更小。
4.根据权利要求2或者3所述的激光合波装置，其特征在于从上述多个半导体激光器分别射出的光束的波长是350nm以上、460nm以下。
5.一种激光合波装置，具备激光器块、聚束分散光学系统、聚束角变换光学系统，其特征在于上述激光器块配置多个半导体激光器，以使该半导体激光器每个有源层排列在同一平面上，在该同一平面上射出具有相互平行的慢轴的各光束，上述聚束分散光学系统使从上述多个半导体激光器射出的各光束构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每个、在快轴方向中偏斜在相互不同的位置上，而且，使各光束分别聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束分别在该各光束的快轴方向视中的在相互不同的规定的位置上，入射到上述聚束角变换光学系统中，上述聚束角变换光学系统配置在，比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧的位置更上流侧上，使上述全部光束的聚束角成为比从上述聚束分散光学系统射出时的全部光束的聚束角更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤中。
6.根据权利要求5所述的激光合波装置，其特征在于上述聚束分散光学系统是聚束分散个别透镜，聚束分散个别透镜对应各光束配置，具备使上述各光束的每个偏斜在上述快轴方向中的相互不同位置上的功能，使由上述各光束构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，还兼备使各光束分别聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向中的功能。
7.根据权利要求5所述的激光合波装置，其特征在于上述聚束分散光学系统用偏斜光学系统和聚光光学系统构成，偏斜光学系统具备使与上述各光束对应配置的该各光束每个偏斜在上述快轴方向中的相互不同的位置上的功能，聚光光学系统具备使从该偏斜光学系统射出的各光束构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束分别聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束在该各光束的快轴方向中的在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统中的功能。
8.根据权利要求6所述的激光合波装置，其特征在于上述聚束分散个别透镜是截头型的透镜。
9.根据权利要求7所述的激光合波装置，其特征在于上述偏斜光学系统是截头型的透镜。
10.根据权利要求2至9中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于上述多个半导体激光器的每一个是相互分离的半导体激光器。
11.根据权利要求2至9中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于上述多个半导体激光器是该多个半导体激光器中的至少2个以上相互连接一体化了的半导体激光器。
12.一种激光合波装置，具备激光器块、全部聚束光学系统、聚束角变换光学系统，其特征在于上述激光器块配置多个半导体激光器，该半导体激光器每一个的有源层平行，而且，每一个有源层的位置在该有源层的厚度方向中成为相互不同的位置，射出具有相互平行的慢轴的各光束，上述全部聚束光学系统使由从上述多个半导体激光器射出的慢轴相互平行的各光束构成的全部光束聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束分别聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束每一个在该各光束的快轴方向视中的在相互不同的规定的位置上，入射到上述聚束角变换光学系统中，上述聚束角变换光学系统配置在，比各光束的光轴在快轴方向视中相互交叉位置中最上流侧的位置更上流侧上，使上述全部光束的聚束角成为比从上述聚束分散光学系统射出时的全部光束的聚束角更小的聚束角，将该全部光束入射到光纤中。
13.根据权利要求12所述的激光合波装置，其特征在于上述全部聚束光学系统使从上述半导体激光器射出的各光束构成的全部光束直接聚束，以使慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束分别聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向上，使各光束每一个在该各光束的快轴方向中的在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统中。
14.根据权利要求12所述的激光合波装置，其特征在于上述全部聚束光学系统用准直光学系统和聚光光学系统构成，准直光学系统使对应各光束配置的各光束的每一个成为平行光束，聚光光学系统使上述平行光束的全部聚束，以使上述慢轴方向的宽度变窄，与此同时，使各光束每一个聚束在该各光束的慢轴方向及快轴方向中，使各光束每一个在该各光束的快轴方向中的在相互不同的规定的位置上入射到上述聚束角变换光学系统上。
15.根据权利要求13所述的激光合波装置，其特征在于上述全部聚束光学系统是截头型的透镜。
16.根据权利要求14所述的激光合波装置，其特征在于上述准直光学系统是截头型的透镜。
17.一种激光合波装置，其特征在于具备激光器块、准直光学系统、光轴偏移光学系统以及聚束光学系统；激光器块配置多个半导体激光器，使该半导体激光器每一个有源层平行，而且，在该有源层的厚度方向中的每一个有源层的位置成为相互不同的位置，射出具有相互平行的慢轴及相互平行的光轴的各光束，准直光学系统使从上述多个半导体激光器射出的各光束的每一个成为平行光束，光轴偏移光学系统使通过上述准直光学系统的各光束偏移在该各光束的慢轴方向上，使各光轴排列在与慢轴正交的1平面上，聚束光学系统使由上述光轴偏移光学系统光轴排列在上述1平面上的各光束构成的全部光束聚束在该光束的慢轴方向及快轴方向上，入射到光纤中。
18.根据权利要求17所述的激光合波装置，其特征在于上述准直光学系统是截头型的透镜。
19.根据权利要求2至18中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于具备与上述多个半导体激光器不同的其他的半导体激光器和偏振光合波部件，在由上述多个半导体激光器射出的光束入射到上述光纤为止的该光束的光路中，偏振光合波部件使由该多个半导体激光器射出的光束和从上述其他的半导体激光器射出的光束偏振光合波，使从该其他半导体激光器射出的光束也入射到上述光纤中。
20.根据权利要求2至18中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于具备与上述多个半导体激光器不同的其他的半导体激光器和波长合波部件，在由上述多个半导体激光器射出的光束入射到上述光纤为止的该光束的光路中，波长合波部件使由该多个半导体激光器射出的光束和从上述其他半导体激光器射出的光束波长合波，使从该其他的半导体激光器射出的光束也入射到上述光纤中。
21.根据权利要求2至20中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于由入射到上述光纤中的在该光纤中合波的各光束构成的合波光激励固体激光器的介质或者光纤激光器的介质。
22.根据权利要求2至16中任一权利要求所述的激光合波装置，其特征在于从上述聚束角变换光学系统射出的上述全部光束，直接激励固体激光器的介质或者光纤激光器的介质。
23.根据权利要求21或者22所述的激光合波装置，其特征在于上述合波光是红外光，上述介质包含稀土类元素Nd3+、稀土类元素Yb3+中的至少1个。
24.根据权利要求21或者22所述的激光合波装置，其特征在于上述合波光的波长是350nm以上、460nm以下，上述介质至少包含稀土类元素Pr3+、稀土类元素Er3+、稀土类元素Ho3+中的至少1个。
全文摘要
本发明提供一种小型、高输出的激光合波装置。在比从多个半导体激光器(11A)、(11B)、(11C)…射出、通过聚束分散透镜(120)、在快轴方向视中聚束了的各光束(La)、(Lb)、(Lc)…的光轴在快轴方向视中相互交叉的位置中最上流侧的位置(Pa)更上流侧上，配置聚束角变换光学系统(30)，该聚束角变换光学系统(30)使由通过聚束分散光学系统(120)的各光束(La)、(Lb)、(Lc)…构成的全部光束的快轴方向视的聚束角成为更小的聚束角，将全部光束入射到光纤(40)的芯部(41)中。
文档编号G02B27/30GK1519613SQ20041000360
公开日2004年8月11日 申请日期2004年2月3日 优先权日2003年2月3日
发明者山中英生, 冈崎洋二, 二 申请人:富士胶片株式会社