专利名称：聚光装置以及聚光反射镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生成在高密度下进行排列的光束群的聚光装置以及聚光反射镜。
背景技术：
半导体激光，由于具有高效率、长寿命、小型化一类的长处，被广泛用作固体激光的激发用光源。其中，半导体激光阵列堆(semiconductor laser array stack)，作为可以得到高输出的半导体激光引起人们的关注。在半导体激光阵列堆中，多个半导体激光阵列在垂直方向被层叠。半导体激光阵列具有排列在水平方向的多个发光部(emitter)。半导体激光阵列的一个例子，是将几个单模(single mode)活性层排列为条状。
由于进行连续激发，或者是占空比(duty ratio)大的脉冲激发的半导体激光的发热量大，所以在半导体激光阵列堆中，需要在半导体激光阵列间配置放热板或散热器。放热板或散热器通常具有1～2mm左右的厚度，所以，半导体激光阵列的间隔也有1～2mm左右。其结果，从这些半导体激光阵列射出的平行光束群，在垂直于这些光束的光轴的面内形成条状的图案。由于这些光束群按照与半导体激光阵列的间隔相对应的间隔进行排列，所以这些光束群的光密度经常变低。
在特开平4-78180号公报中，公开了提高条状光束群密度的装置。该装置，通过将2个半导体激光阵列堆输出的激光光束，用偏光分束器进行合成，产生与从单一的半导体激光阵列堆射出的激光光束群相比具有高密度的激光光束群。
该装置，为了合成2个半导体激光阵列堆输出的激光光束群使用偏光分束器。因此，使从各半导体激光堆输出的光束群，其偏光方向只90度不同射入偏光分束器，由此可以有效地产生具有更高密度的光束群。但是，该装置不能使用由3个以上的半导体激光阵列堆输出的激光光束群而产生更高密度的光束群。
另外，由2个半导体激光阵列堆输出，并使用偏光分束器进行合成的激光光束群中，同时存在具有不同的2个偏光方向的光束。因此，以Nd:YLF、Nd:YVO4为代表，即使向光吸收中具有偏光依赖性的固体激光介质照射该光束群，也不能充分提高激发效率。
在德国专利说明书DE197 51 716 C2中，公开了另一种提高条状光束群密度的装置。该装置，是使用依次叠置第1棱镜板，光透过性板以及第2棱镜板结构的光装置合成3个激光阵列堆输出的光束群。
发明内容
本发明以提供可产生高密度光束群的聚光装置以及聚光反射镜为课题。
一方面，本发明涉及一种聚光装置。该聚光装置包括输出沿着第1方向排列的多个第1光束的第1光源，输出沿着第1方向排列的多个第2光束的第2光源，具有相互交叉的第1以及第2光学板的聚光反射镜。第1光学板包括沿第1方向配置，分别反射多个第1光束的多个第1反射部。第2光学板包括沿第1方向与第1反射部交替排列，分别反射多个第2光束的多个第2反射部。
由于沿着第1方向排列的第1以及第2光束，被沿着第1方向交替排列的第1以及第2反射部分别反射，所以，合成第1以及第2光束，可生成具有更高密度的光束群。该聚光装置不需要偏光分束器，所以可将来自各光源的光束集中在它们的偏光方向合成。
多个第1光束，也可以有相互平行的光轴。多个第2光束，也可以有相互平行的光轴。第1以及第2光学板也可以使由第1反射部反射的第1光束的光轴，与由第2反射部反射的第2光束的光轴平行配置。
各第1光束，也可以在垂直于第1方向的第2方向具有细长横截面，同时在垂直于其第2方向的平面内被准直。各第2光束，也可以在垂直于第1方向的第3方向具有细长横截面，同时在垂直于其第3方向的平面内被准直。该结构可以防止来自第1光束的光束群与来自第2光源的光束群在第1方向重合，由此可以有效地增加光密度。
第1光源也可以包括沿着第1方向层叠，分别产生多个第1光束的多个第1半导体激光阵列，从多个第1半导体激光阵列接受多个第1光束，并在垂直于第2方向的平面内进行准直的第1准直器。第2光源也可以包括沿着第1方向层叠，从多个第2半导体激光阵列接受多个第2光束，并在垂直于第3方向的平面内进行准直的第2准直器。该结构中，第1以及第2光源可以输出在偏光方向集中的光束群。其结果，可以容易将来自第1以及第2光源的光束群在保持偏光方向相同的状态下直接合成。
第1光学板，也可以包括沿着第1方向与第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部。第2光学板，也可以包括在沿着第1方向与第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部。一个以上的第1反射部可以贯通第2开口部，同时一个以上的第2反射部可以贯通第1开口部。
本发明的聚光装置，还可包括输出沿着第1方向排列的多个第3光束的第3光源。聚光反射镜，也可以包括沿着第1方向排列，并分别使多个第3光束通过的多个光通过部。第1反射部、第2反射部以及光通过部，也可以沿着上述第1方向按规定顺序重复排列。光通过部也可以为开口部，由光透过性物质构成。该结构中，沿着第1方向排列的第3光束，通过沿着第1方向排列的光通过部的结果，第1，第2以及第3光束沿着第1方向按规定顺序重复排列，可生成具有更高密度的光束群。
多个第1光束，也可以有相互平行的光轴，多个第2光束，也可以有相互平行的光轴，多个第3光束也可以有相互平行的光轴。第1以及第2光学板，也可以配置为第3光束通过光通过部，同时通过光通过部的第3光束的光轴，与被第1以及第2反射部反射的第1以及第2光束的光轴平行。
第1光学板，也可以包括沿着第1方向与第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部。第2光学板，也可以包括在沿着第1方向与第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部。一个以上的第1反射部可以贯通第2开口部，同时一个以上的第2反射部的可以贯通第1开口部。第1以及第2开口部，也可以包括形成在第1以及第2反射部之间的间隙，作为光通过部。
在聚光装置包括上述第3光源时，聚光反射镜，还可以包括与第1以及第2光学板交叉的第3光学板。第3光学板，也可以包括沿着第1方向排列，分别反射多个第3光束的多个第3反射部。第1，第2以及第3反射部，也可以沿着第1方向按规定顺序重复排列。该结构中，沿着第1方向排列的第3光束，通过沿着第1方向排列第3反射部反射的结果，使第1、第2以及第3光束沿着第1方向按规定顺序重复排列，生成具有更高密度的光束群。
多个第1光束，也可以有相互平行的光轴，多个第2光束，以可以有相互平行的光轴，多个第3光束，也可以有相互平行的光轴。第1、第2以及第3光学板，也可以被配置为，由第1，第2以及第3反射部反射的第1、第2以及第3光束的光轴相互平行。
第3光学板，也可以包括沿着第1方向与第3反射部交替排列的一个以上的第3开口部。一个以上的第3反射部可以贯通第1以及第2开口部，同时一个以上的第1反射部以及一个以上第2反射部可以贯通第3开口部。
各第3光束，也可以在相对于第1方向垂直的第4方向上具有细长横截面，同时在垂直于其第4方向的平面内被准直。该结构可以防止来自第1、第2以及第3光源的光束群在第1方向重合，由此可以有效地增加光密度。
第3光源也可以包括沿着第1方向层叠，分别产生多个第3光束的多个第3半导体激光阵列，接受来自多个第3半导体激光阵列的多个第3光束，在垂直于第4方向的平面内准直的第3准直器。该结构中，第3光源可以输出在偏光方向集中的光束群。其结果，可以容易在偏光方向集中使光密度增加。
另一方面，本发明涉及一种聚光反射镜。该聚光反射镜，包括有沿着第1方向排列的多个第1反射部的第1光学板，和与第1光学板交叉的第2光学板。第2光学板，包括沿着第1方向与第1反射部交替排列的多个第2反射部。
若在沿着第1方向交替排列的第1以及第2反射部，分别照射沿着第1方向排列的多个光束，则可产生沿着第1方向交替排列，具有更高密度的光束群。该聚光反射镜，由于不需要偏光分束器，所以可将多个光束集中在其偏光方向进行合成，并可增加光密度。
第1光学板，也可以包括沿着第1方向与第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部。第2光学板，也可以包括沿着第1方向与第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部。一个以上的第1反射部贯通第2开口部的同时，一个以上的第2反射部可以贯通第1开口部。
本发明的聚光反射镜，还可以包括沿着第1方向排列的多个光通过部。第1反射部、第2反射部以及光通过部，也可以沿着第1方向按规定顺序重复排列。光通过部也可以是开口部，由光透过性物质构成。如果使沿着第1方向排列的多个光束通过光通过部，这些通过的光束被第1以及第2反射部反射合成为光束，可产生具有更高密度的光束群。
第1光学板，也可以包括沿着第1方向与第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部。第2光学板，也可以包括沿着第1方向与第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部。一个以上的第1反射部贯通第2开口部，同时，一个以上的第2反射部贯通第1开口部。第1以及第2开口部，也可以包括形成在第1以及第2反射部之间的间隙，作为通过部。
本发明的聚光反射镜，还可以包括与第1以及第2光学板交叉的第3光学板。第3光学板，还可以包括沿着第1方向排列的多个第3反射部，和沿着第1方向与第3反射部交替排列的一个以上的第3开口部。第1、第2以及第3反射部，也可以沿着第1方向按规定顺序重复排列。一个以上的第3反射部贯通第1以及第2开口部，同时一个以上的第1反射部以及第2反射部的一个以上贯通第3开口部。如果向第3反射部照射沿着第1方向排列的多个光束，则可合成被第1，第2以及第3反射部反射的光束，可以产生具有更高密度的光束群。
通过下面的详细说明以及附图，可以更加深刻地理解本发明。另外，附图只是例示而已，并没有限定本发明范围的意思。
图1是第1实施方式的聚光装置的立体图。
图2是第1实施方式的聚光装置，从与图1不同的角度看的概略立体图。
图3是表示聚光装置内的光源的分解立体图。
图4是第1实施方式的聚光装置的俯视图。
图5是沿图4的V-V线的概略截面图。
图6是表示构成聚光反射镜的光学板的概略图。
图7是聚光反射镜的正面图。
图8是由第1实施方式的聚光装置所合成的光的情形。
图9是第2实施方式的聚光装置的俯视图。
图10是表示构成聚光反射镜的光学板的概略图。
图11是由第2实施方式的聚光装置所合成的光的情形。
图12表示的是由半导体激光阵列堆输出的光束群。
图13表示的是本发明的另一例聚光装置的俯视图。
图14表示的是本发明的再一例聚光装置的俯视图。
符号说明10，30聚光装置12，32第1光源14，34第2光源16，36第3光源18，40聚光反射镜20准直透镜22，42第1光学板24，44第2光学板26半导体聚光阵列堆27半导体阵列28散热器38第4光源46第3光学板48第4光学板
具体实施例方式
下面，参照附图，对本发明的聚光装置以及聚光反射镜的实施方式进行详细说明。另外，在
中，对同一或同等的元素标记同一符号，并省略重复说明。图面的尺寸比例，不规定和说明的一致。另外，为了便于说明，在可能的图中标示了xyz正交座标。
第1实施方式参照图1～图8，说明本发明的第1实施方式。图1是表示本发明的聚光装置的立体图。图2是将该装置简化，并从与图1不同的角度看的立体图。图3是表示该聚光装置内的光源的分解立体图。图4是沿z轴方向看该聚光装置的平面图。图5是沿图4的V-V线的概略截面图。图6是表示构成该装置所使用的聚光反射镜的光学板的概略图。图7是表示该聚光反射镜的正面图。图8是由该置聚光装置所合成的光的情形。
如图1以及图2所示，聚光装置10，由第1光源12，第2光源14，第3光源16以及聚光反射镜18构成。以下，对坐标轴(x轴、y轴、z轴)进行设定，来自聚光装置10的光的射出方向为x轴，各光源中的半导体阵列堆26(后面记述)的层叠方向为z轴，垂直于二者的方向为y轴。
如图2所示，第1光源12，被设置为向-y方向射出光。如图3所示，光源12包括半导体激光阵列堆26，和多个准直透镜20。半导体激光阵列堆26具有将多个(本实施方式中为3个)半导体激光阵列27和多个散热器28(本实施方式中为3个)沿着z轴方向交替层叠的结构。
各半导体激光阵列27的轴方向(共振器方向)等于y轴方向，各半导体激光阵列27的光射出面平行于zx平面。垂直于半导体激光阵列27的pn接合面的方向，称为快轴(fast Axis)方向。同时垂直于轴方向和快轴方向的方向，称为慢轴(slow axis)方向。在本实施方式中，快轴方向等于z轴方向，慢轴方向等于x轴方向。
各半导体激光阵列27，具有沿着慢轴方向，即x轴方向等间隔排列的多个发光部(emitter)29。本实施方式中，各半导体激光阵列27，具有沿着慢轴方向(x轴方向)并列排列的多个活性区域，从各活性区域向-y方向射出激光光束。
在本实施方式中，从各半导体激光阵列27的多个发光部29射出的光束，相互混为1个光束。该光束，在垂直于半导体激光阵列27的轴方向的平面，即在zx平面内，发光部29的排列方向，即在x轴方向上具有细长的图案。
散热器28，为用于冷却导体激光阵列27的部件，其一个例子为水冷平板。各散热器28，具有形成在台阶形状上面的高位部28a和低位部28b。半导体激光阵列27，搭载在低位部28c的前端。下面，将散热器28中搭载有半导体激光阵列27的部分28d称为激光阵列搭载部。
半导体激光阵列26的射出面，与半导体激光阵列27的射出面和散热器28的前端面交替配置形成。所以，从半导体激光阵列26的射出面，输出与半导体激光阵列27的个数相同的细长光束。如图8(a)所示，这群光束55，沿着z轴方向平行排列，在垂直于这些光束55的光轴的平面内形成条状的图案。各条形的长度方向，等于发光部29的排列方向，即等于半导体激光阵列27的慢轴方向(x轴方向)。
再次参照图3。半导体激光阵列26的两个侧面通过边罩81以及82覆盖。在半导体激光阵列26的上下，设置有方形的上板83和底板84。在边罩81和82以及上板83上，设置有上部罩85。在上部罩85的表面，也可以设置用来对半导体激光阵列26供给驱动电压的电极板。
从半导体激光输出的光束，通常，向慢轴方向(x轴方向)的扩展小，但在快轴方向(z轴方向)有比较大的扩展角。所以，为了抑制z轴方向的扩展角提高聚光效率，在光源12上设置准直透镜20。准直透镜20也称为FAC(快轴用准直器Fast Axis Collimator)，从半导体激光阵列27的激光光束在半导体激光阵列27的快轴(Fast Axis)方向准直(平行化)。换言之，准直透镜20，将从半导体激光阵列27输出的光束，在垂直于发光部29的排列方向的平面内，即在yz平面内准直。
另外，通过准直装置的光束，由于准直装置的设计从严格意义上说没有完全被平行化，有时会伴随着光束的行进具有一点扩展角或变窄角。在本说明书中“平行”包括，光束具有这样小的角度的情况，实质上平行的情况。
在本实施方式中，作为准直透镜20使用圆柱形透镜，该圆柱形透镜包括在沿着半导体激光阵列27的慢轴方向(x轴方向)具有母线的圆柱面的透镜面20a。这些准直透镜20，沿着z轴方向排列，与半导体激光阵列27一对一的对应。各准直透镜20，设置在对应半导体激光阵列27的射出面的前方(与射出面相比向-y方向侧)，并与射出面接近。从半导体激光阵列27射入准直透镜20的光束，在垂直于准直透镜20的母线的面内(yz面)折射，并进行准直。其结果，第1光源12，输出沿着z轴方向平行排列的光束群。准直透镜20，可根据任意的方法，固定在半导体激光阵列26的前方。例如，也可以在上板83以及底板84安装覆盖半导体激光阵列26的光射出面的罩(cover)(未图示)，在该罩上固定准直透镜20。
第2光源14，使其向+y方向射出光来进行配置。第2光源14具有与第1光源12相同的结构，有半导体激光阵列26和多个准直透镜20。半导体激光阵列26，具有在z轴方向交替层叠多个半导体激光阵列27和多个散热器28的结构。第2光源14内的准直透镜20，在快轴方向准直来自半导体激光阵列27的激光光束。换言之，准直透镜20，在与发光部29的排列方向垂直的平面(yz平面)内准直。如图8(b)所示，从第2光源14射出的一群光束55，沿着z轴方向排列，在垂直于这些光束55的光轴的平面内形成条状的图案。各条形的长度方向，等于发光部29的排列方向，即等于半导体激光阵列27的慢轴方向(x轴方向)。
第3光源16，使其相+x轴方向射出光来进行配置。第3光源16，具有与第1光源12和第2光源14相同的结构，有半导体激光阵列26和多个准直透镜20。半导体激光阵列26，具有在z轴方向交替层叠多个半导体激光阵列27和多个散热器28的结构。关于第3光源16内的半导体激光阵列27，轴方向等于x轴方向，快轴方向等于z轴方向，慢轴方向等于y轴方向。在该半导体激光阵列27中，多个发光部29沿着y轴方向等间隔的排列。第3光源16内的准直透镜20，在快轴方向准直来自半导体激光阵列27的激光光束。换言之，准直透镜20，在与发光部29的排列方向垂直的平面(zx平面)内进行准直。如图8(c)所示，从第3光源16输出的一群光束55，沿着z轴方向排列，在垂直于这些光束55的光轴的平面内形成条状图案。各条形的长度方向，等于发光部29的排列方向，即等于半导体激光阵列27的慢轴方向(y轴方向)。
各光源12，14以及16，如图5所示，具有3个半导体激光阵列27。在光源12，14以及16之间，半导体激光阵列27的位置，沿着z轴方向按规定的顺序错开。若在各激光阵列堆26中的半导体激光阵列27的堆的间隔为L，各半导体激光阵列27的厚度(z轴方向的长度)为L/3，各散热器28的激光阵列搭载部28d的厚度(z轴方向的长度为2L/3，聚光装置10内的半导体激光阵列27的位置，沿着z轴方向各错开L/3。若更为具体的叙述，3个光源内的半导体激光阵列27，在图5中自上而下，按第3光源16，第1光源12，第2光源14的顺序各错开L/3离开，在z轴方向不重复的配置。
如图1，图2以及图4所示，聚光反射镜18，由从z轴方向看，第1光学板22和第2光学板24成90度交叉组合构成。如图6所示，第1光学板22包括具有长方形的平面形状的反射部22a以及光通过部22b。这些反射部22a以及光通过部22b，沿着z轴方向交替排列为条状。
各反射部22a，是为了反射来自第1光源12的激光光束而设置。这些反射部22a具有相同的尺寸形状，等间隔排列。反射部22a中x轴方向的+侧面，即与第1光源12相对的面，为反射激光光束的镜面。
光通过部22b，是为了使来自第3光源16的激光光束通过而设置的，在本实施方式中为开口。这些光通过部22b具有相同尺寸形状，等间隔排列。光通过部22b的宽度，为反射部22a宽度的2倍。若第1光学板22的反射部22a以及光通过部22b的排列间隔为L，在反射部22a的宽度为L/3，光通过部22b的宽度为2L/3。另外，该间隔L，等于激光阵列堆26中的半导体激光阵列27的堆的间隔。
第1光学板22，在反射部22a的长度方向的一端，还具有沿着垂直于其长度方向的支持部22c。反射部22a和支持部22c，形成梳齿状。在反射部22a的长度方向的另一端，与支持部22c平行地安装有可拆装的支持部22d。
第2光学板24，具有与第1光学板22相同的结构。即，如图6所示，第2光学板24包括，具有长方形平行形状的反射部24a以及光通过部24b。这些反射部24a以及光通过部24b，沿着z轴方向条状交替排列。反射部24a以及光通过部24b的尺寸形状，分别与第1光学板22的反射部22a以及光通过部22b相同。第2光学板24，还具有在反射部24a的长度方向的一端，沿着垂直于其长度方向的支持部24c。反射部24a和支持部24c，形成梳齿状。在反射部24a的长度方向的另一端，与支持部24c平行地安装有可拆装的支持部24d。
第1光学板22和第2光学板24，通过将第1光学板22的反射部22a插入第2光学板24的光通过部24b，同时将第2光学板24的反射部24a插入第1光学板22的光通过部22b来进行组合。由此，组装聚光反射镜18。从正面看聚光反射镜18，如图7所示。另外，为了容易看，在图2中省略了第1光学板22的支持板22d，在图7中省略了第1光学板22以及第2光学板24的支持板22d，24d。
如图4和图7所示，第1光学板22，配置为使从第1光源12输出的一群平行光束射入反射部22a，向+x方向反射。反射部22a的长度方向，在xy平面内相对x轴倾斜135度的角度。第2光学板24，配置为使从第2光源14输出的一群平行光束射入反射部24a，向+x方向反射。反射部24a的长度方向，在xy平面内相对x轴倾斜45度的角度。该结果，第1光学板22和第2光学板24形成90度角交叉。
另外，第1光学板22以及第2光学板24，配置为使从第3光源16输出的平行光束，通过光通过部22b以及24b的重合部分23。另外，从第3光源16的最高位置的半导体激光阵列27射出的光束，不通过重合部分23，而通过聚光反射镜18的外侧上方。
如上所述，从第3光源16输出的光束，或通过光通过部22b以及24b的重合部分23，或通过聚光反射镜18的外侧，向+x方向行进。所以，从第1光源12输出并在第1光学板22被反射的平行光束群，从第2光源14输出并在第2光学板24反射的平行光束群，从第3光源输出并通过重合部分23的平行光束的光轴方向都是同一方向，即为x轴方向，这些平行光束向+x轴方向行进。
如图1所示，光源12，14以及16，分别载置在平板形状的设置台62，64以及66上。这些设置台具有不同的高度，其结果，如图5所示，光源12，14以及16内的半导体激光阵列27的位置沿着z方向错开。聚光反射镜18，被固定在设置台68上。设置台62，64，66以及68，被固定在平板70的上面。设置台68，具有从设置台68的上面突出，配置为对角形状的2个支持部72。各支持部72具有相同深度的槽，光学板22插入这些槽并被固定。设置台68，具有从设置台68的上面突出，配置为对角形状的2个支持部74。各支持部74具有相同深度的槽，光学板24插入这些槽并被固定。支持部72的槽比支持部74的槽浅，其结果，光学板22配置在比光学板24高的位置。另外，在图2中，设置台62，64，66以及68，和平板70被省略。
下面，说明聚光装置10以及聚光反射镜18的动作。图8(a)～(c)，是将分别从第1光源12，第2光源14，以及第3光源16射出的光束群，相对各自的光轴垂直剖开的截面图。图8(d)，是将从第1光源12射出并在第1光学板22反射的光束群，从第2光源14射出并在第2光学板24反射的光束群，从第3光源16射出并通过聚光反射镜18的内侧或外侧的光束群合成为一群的平行光束55，相对它们的光轴垂直剖开的截面图。
由于从光源12，14以及16输出的光束群，由准直透镜20准直，如图8(a)，(b)以及(c)所示，形成为相互平行等间隔排列的条状图案。如图5所示，在光源12，14以及16之间，半导体激光阵列27的位置沿着z方向错开。另外，反射部22b以及24b，和光通过部的重合部分23，相互不重合，沿着z方向按规定顺序重复排列。其结果，由反射部22a以及24a反射的光束群，和通过聚光反射镜18的光束群，相互不重合向着同一方向(+x方向)行进，其断面，有如图8(d)所示的图案。所以，这些反射光束群和通过光束群合成的一群光束，与光源12，14以及16输出的光束群相比，具有其3倍的密度。
从第1光源12输出的激光光束，具有垂直于半导体激光阵列27的快轴方向的偏光方向，即平行于x轴的偏光方向，向-y方向行进。所以，这些激光光束，若在第1光学板22的反射部22a被反射，就成为具有平行于y轴的偏光方向，向+x方向行进的激光光束。
从第2光源14输出的激光光束，具有垂直于半导体激光阵列27的快轴方向的偏光方向，即平行于x轴的偏光方向，向+y方向行进。所以，这些激光光束，若在第2光学板24的反射部24a被反射，就成为具有平行于y轴的偏光方向，向+x方向行进的激光光束。
从第3光源16输出的激光光束，具有垂直于半导体激光阵列27的快轴方向的偏光方向，即平行于y轴的偏光方向，向+x方向行进。所以，这些激光光束，即使在第1以及第2光学板的光通过部22b以及24b中通过，它们的偏光方向以及行进方向也不改变。也就是说，这些激光光束，作为具有平行于y轴的偏光方向的激光，向+x方向继续行进。
这样，从第1光源12输出并被第1光学板22的反射部22a反射的光束群，从第2光源14输出并被第2光学板24的反射部24a反射的光束群，以及从第3光源16输出并通过聚光反射镜18内外的光束群构成的合成光束群，具有平行于y轴的偏光方向，向+x轴方向行进。
下面，说明本实施方式的优点。聚光反射镜18，可以使从3个光源12，14以及16输出的光束群相互不重合而进行合成。因此，聚光反射镜18，可以在空间上均匀且有效地增加各光源产生的光束群的密度。所以，聚光装置10可以使用输出相对较低密度的光束群的半导体激光阵列堆作为光源，来有效地产生更高密度的光束群。另外，作为光源12，14以及16，也可以使用半导体激光阵列堆以外的光源。
聚光反射镜18，与偏光分束器不同，是在将来自光源12，14以及16的光束群集中在它们的偏光方向的状态下进行合成，可以产生更高密度的光束群。所以，若使用由聚光装置10产生的光束群，以Nd:YLF、Nd:YVO4为代表，可有效地激发光吸收中具有偏光依赖性的固体激光介质。
另外，在从各半导体激光阵列27射出，经由准直透镜20准直的光束的快轴方向的宽度优选为，与光学板的反射部的宽度L/3相同，或者在它以下。此时，可以防止来自光源的光束在聚光反射镜18反射，或防止通过聚光反射镜18时的光损失，而有效地合成这些光束。
若去除聚光装置10中3个光源12，14以及16中的如何一个，也可以合成由余下的2个光源输出的光束群。即使在该情况下，也可以使2个光源输出的光束群，相互不重合地进行合成，由此，可以空间的均匀的，而且有效地增加单一光源输出的光束群的密度。另外，与合成来自3个光源的光束相比，合成时必要的距离不变化。因此，即使合成来自3个光源的光束群，与合成来自2个光源的光束方向图(beam pattern)发散更大，不会因此使合成效率恶化。
在合成来自2个光源的光束的情况下，例如，去除第3光源16，只合成来自第1以及第2光源12以及14的光束时，若设定光学板的反射部22a，24a和光通过部22b，24b的宽度分别为L/2，各半导体激光阵列27的厚度为L/2，可有效地增加光密度。另外，在本实施方式中，即使不分别设定半导体激光阵列27的厚度以及反射部22a和24a的宽度为L/3，激光阵列搭载部28d的厚度，以及光通过部22b和24b的宽度为2L/3，只要使半导体激光阵列27的排列间隔和光学板22以及24的排列间隔一致，从各光源输出的光束群射入各光学板的对应反射部这样的结构，也可以有效地增加光密度。
下面，将本实施方式与现有技术进行比较，进一步说明本实施方式的优点。在德国专利说明书DE19751716C2中，公开的聚光装置是，使用顺次重叠了第1棱镜板、光透过性板以及第2棱镜板结构的光装置，合成来自3个激光阵列堆的光束。第1棱镜板接受来自第1激光阵列堆的光束，向规定方向反射。第2棱镜板接受来自第2激光阵列堆的光束，向与第1棱镜板相同的方向反射。光透过性板，使来自第3激光阵列堆的光束透过，和第1以及第2棱镜板所反射的光束相同方向行进。由此，合成来自3个激光阵列堆的光束。
但是，该光学装置，由于是重叠棱镜板和透光板构成，所以和激光阵列堆的定位比较难。例如，在设计激光阵列堆中半导体激光阵列的堆的间隔为1.75mm时，在该堆的间隔，通常会产生±0.05mm左右的偏差。因此，已有技术的光学装置，若不调整对应这种堆间隔的偏差的棱镜板以及透光板的位置就会增大光损失。准备具有适合各堆间隔厚度的棱镜板以及透光板，边与各半导体激光阵列一个一个的对位，边重叠制作光学装置，需要极大的劳力，是不现实的。通常，准备具有3等分1.75mm厚度的棱镜板以及透光板并重叠，但在棱镜或透光板与半导体激光阵列之间产生位置偏差，光损失大。
而与此相对的是，聚光反射镜18不层叠多个板，具有组合2个光学板22以及24的结构，所以，可以容易解决半导体激光阵列27的堆间隔的偏差。即，如果在制作聚光反射镜18之前，测定半导体激光阵列27的堆的间隔，在板上形成与测定的堆间隔一致的宽度的开口，就容易制作具有对应各堆间隔的间隔配置的反射部22a，24a的光学板22，24。该开口，例如可以使用切片机(slicing machine)通过NC高精度形成。
另外，与已有技术的光装置相比，本实施方式的聚光反射镜18，具有可以减少部件数量的优点。例如，在准备层叠了25个半导体阵列的激光阵列堆3个，合成它们的输出光束时，已有技术需要棱镜板以及透光板合计为75个。而聚光反射镜18虽然形成在光学板上的反射部增加了，但光学板的个数只需要2个。由此，可以低成本制作聚光反射镜18。
另外，部件个数的减少，还可以带来制作聚光反射镜18以及设置所需要的劳动力。而已有技术，必须对75个棱镜板以及透光板进行定位，通过粘结等方法固定。而聚光反射镜18，只组合2个光学板22，24很容易制作。这些光学板，由于可以预计半导体激光阵列的堆间隔的偏差的尺寸进行制作，所以可以据此容易决定光学板的位置。
第2实施方式以下，参照附图9～图11，对本发明的第2实施方式进行说明。图9是沿z轴方向看本实施方式的聚光装置的俯视图，图10是表示构成该装置所使用的聚光反射镜的光学板的概略图，图11是表示由该聚光装置合成光的情形。上述聚光装置10由3个光源，2个光学板组合而成的聚光反射镜构成，而与此相对，聚光装置30由4个光源，4个光学板组合而成的聚光反射镜构成。
第1光源32，第2光源34，第3光源36以及第4光源38，都和第1实施方式中的光源12，14以及16由相同结构。各光源32，34，36以及38，具有半导体激光堆26和多个准直透镜20，输出和光源内的半导体激光阵列27的个数相同的平行光束。该一群光束，在垂直于这些光束的光轴的平面内形成条状的图案。各条形的长度方向，等于发光部29的排列方向，即半导体激光阵列27的慢轴方向。
各光源32，34，36以及38，具有3个半导体激光阵列27，在这4个光源之间，半导体激光阵列27的位置，沿着z轴方向按规定的顺序错开。若将半导体激光阵列堆26的半导体激光阵列27的堆的间隔设定为L，各半导体激光阵列27的厚度(z轴方向的长度)为L/4，各散热器28的激光阵列搭载部28d的厚度(z轴方向的长度)为3L/4，则聚光装置30内的半导体激光阵列27的位置，沿着z轴方向各错开L/4。更为具体的是，4个光源内的半导体激光阵列27，按着第1光源32，第2光源34，第3光源36，第4光源38的顺序沿着z轴方向各错开L/4，且相互不重复的配置。
如图10所示，聚光反射镜40，由4个光学板42，44，46以及48组合构成。第1光学板42，包括有长方形平面形状的反射部42a以及光通过部42b。这些反射部42a以及光通过部42b，沿着z轴方向相互排列为条状。
反射部42a，为了反射来自第1光源32的激光光束而设置。这些反射部42a具有相同尺寸的形状，等间隔排列。反射部42a轴x轴方向的+侧的面，即与第1光源32相对的面，成为反射激光光束的镜面。
光通过部42b，为了使来自第2～第4光源34，36以及38的激光光束通过而设置，在本实施方式中为开口。这些反射部42a具有相同尺寸的形状，以等间隔进行排列。光通过部42b的宽度为反射部42a的宽度的3倍。若将第1光学板42的反射部42a以及光通过部42b的排列间隔设为L，则反射部42a的宽度为L/4，光通过部42b宽度为3L/4。另外，该排列间隔L，等于激光阵列堆26中半导体激光阵列27的堆的间隔。
第1光学板42，与第1实施方式中的光学板22，24相同，还有支持部42c以及支持板42d。第2光学板44，第3光学板46以及第4光学板48，也具有和第1光学板42相同的结构，具有反射部44a，46a以及48a，光通过部44b，46b以及48b，支持部44c，46c以及48c，以及支持板44d，46d以及48d。这些光学板42，44，46以及48，通过将各光学板的反射部插入其他的光学板的光通过部相互组合，由此，组装聚光反射镜40。
第1光学板42，配置为使从第1光源32输出的一群平行光束射入反射部42a，向+x方向反射。同样，第2，第3以及第4光学板44，46以及48，也配置为使从第2，第3以及第4光源34，36以及38输出的一群平行光束分别射入反射部44a，46a以及48a，向+x方向反射。所以，从光源32，34，36以及38输出，并被对应的光学板42，44，46以及48反射的平行光束的光轴方向都是同一方向，即都为x轴方向，这些平行光束向+x方向行进。
下面，对聚光装置30以及聚光反射镜40的工作进行说明。图11(a)～(d)，是分别将第1光源32，第2光源34，第3光源36以及第4光源38射出的光束群，相对各自光轴垂直剖开的截面图。图11(e)，是将从第1光源32射出并被第1光学板42反射的光束群，从第2光源34射出并被第2光学板44反射的光束群，从第3光源36射出并被第3光学板46反射的光束群，从第4光源38射出并被第4光学板48反射的光束群合成的一群平行光束55，相对它们的光轴垂直剖开的截面图。
各光源32，34，36以及38所输出的光束群，由于是由准直透镜20准直，所以如图11(a)，(b)，(c)以及(d)所示，形成相互平行等间隔排列的条状图案。而且，在光源32，34，36以及38之间，半导体激光阵列27的位置沿着z方向错开。另外，光学板42，44，46以及48的反射部，相互不重合，沿着z方向按规定的顺序重复排列。其结果，由光学板42，44，46以及48的反射部所反射的光束群，相互不重合而向同一方向(+x方向)行进，其截面，成为具有图11(e)所示的图案。所以，合成这些反射光束群而成的一群光束，与光源32，34，36以及38输出的各光束群相比，具有4倍的密度。这些各光束，具有平行于y轴的偏光方向，向+x方向行进。
如上所述，本发明，使4个或4个以上的光源所输出的光束群，相互不重合而进行合成，由此，可以在空间上均匀且有效地增加各光源产生的光束群的密度。
另外，在第2实施方式中，优选在由各半导体激光阵列射出的，并由准直透镜准直的光束的快轴方向的宽度，和光学板的反射部的宽度L/4相同，或者在其以下。此时，可以防止来自光源的光束在聚光反射镜40反射时的光损失，可有效地对其光束进行合成。
聚光装置30，与第1实施方式相同，将来自光源32，34，36以及38的光束群在集中在它们的偏光方向上的状态下进行合成，可以产生更高密度的光束群。由于即使增加光源的数量，也不必加长光束合成所必须的距离，所以可以防止光束方向图发散，使合成效率的恶化。另外，在本实施方式中，即使分别不设定半导体激光阵列27的厚度，以及反射部42a，44a，46a以及48a的宽度为L/4，激光阵列搭载部28d的厚度，以及光通过部42b，44b，46b以及48b的宽度为3L/4，只要半导体激光阵列27的排列间隔和光学板42，44，46以及48的排列间隔一致，由各光源输出的光束群射入各光学板的对应的反射部的结构，就可以有效的增加光密度。
本发明并不限定于上述实施方式，可以有各种变形。例如，光学板的光通过部，不限于开口，也可以使用光透过性物质构成。例如，在组合上述实施方式使用的光学板之后，也可以用光透过性物质填充这些光通过部。另外，在上述各实施方式中，各光学板具有支持部以及支持板，但也可以没有支持板，或支持部以及支持板二者都没有。另外，聚光装置所使用的光源的个数，可以2个以上任意设定。例如，在第2实施方式中，光源以及光学板的数量都是4个，但光源也可以是3个或5个以上。另外，在第1实施方式的结构中，也可以根据需要增设光源以及光学板。
根据本发明合成的光束群，不限于具有图12(a)所示的条状图案。例如，如图12(b)所示，应合成的光束群，各条形56沿着其长度方向分割为多个部分57图案，换言之，也可以具有矩阵形状的图案。这样的光束群，可以通过例如，从半导体激光阵列的多个发光部发出的光束，在半导体激光阵列的各堆方向(快轴方向)以及发光部的排列方向(慢轴方向)被准直，来自发光部的光束在慢轴方向不重合的得到。
在第1实施方式中，光源12以及14所输出的光束的光轴，分别和光源16所输出的光束的光轴垂直，其结果，光源12和光源14相向。在这样的配置中，从光源12以及14的一个射出的激光光束的一部分，可透光光学板的反射部，照射到光源12以及14的另一个。这样的照射，在光束的能量大时，会给光源带来损伤。例如，除了光束直接照射到发光部29给发光部29带来损伤外，光束照到散热器28散热器的温度上升，其结果，可能会缩短半导体激光阵列27的寿命。
为了防止光束向光源的照射，使光源之间不相重合，可使光源12以及14的输出光束的光轴相对光源16的输出光束的光轴倾斜。在设定倾斜角度时，要考虑以下条件。即，1.避开光束向光源的照射；2.光源之间互不干扰；3.尽量使光源相互接近。之所以要光源相互接近，是为了使光路短以便最小限度地减少光损失。短光路抑制光损失的理由如下射入聚光反射镜18的反射部的光束，由准直透镜20在快轴方向被准直，但也可以根据准直透镜的设计完全不准直，有时也会随着光束的行进快轴方向的宽度有一点扩展。因此，光路若长光束的宽度比反射部的宽度大而发生光损失。
图13以及14是表示为了避免光源的损伤配置的合适光源的俯视图。这里，各光源内的半导体激光阵列27，在其慢轴方向具有约10mm的长度，半导体激光阵列27的输出光束在慢轴方向具有8度左右的发散角。在图13以及14中，相对光源16的中心轴106轴对称的配置光源12以及14。设定从这些光源的中心轴102，104以及106的交点到各光源的距离，约为20mm。在图13中，光源12的中心轴102和光源16的中心轴106所成的角度91，以及光源14的中心轴104和光源16的中心轴106所成的角度92都为65度。在图14中，同样的角度93和94都为115度。采用这样的配置，可以避免向光源12，14以及16的光束照射，很好地合成各光源输出的光束群。
由上述发明可明显地看出，本发明的实施方式还可以用各种方法增加变形。这样的变形，只要不超出本发明的范围，都包含在所述的专利权利要求范围内，这对本领域技术人员是显而易见的。
产业上利用的可能性本发明可以合成多个光束群，并产生更高密度的光束群。另外，本发明由于不需要偏光分束器，所以，可以集中偏光方向直接使光密度增加。所以，以Nd:YLF、Nd:YVO4为代表，可有效地激发光吸收中具有偏光依赖性的固体激光介质。另外，本发明的聚光装置以及聚光反射镜，可以比较低的成本制作，并容易组装以及设置。
权利要求
1.一种聚光装置，其特征在于，包括输出沿着第1方向排列的多个第1光束的第1光源，输出沿着所述第1方向排列的多个第2光束的第2光源，具有相互交叉的第1以及第2光学板的聚光反射镜，其中，所述第1光学板，包括沿着所述第1方向排列，并分别反射所述多个第1光束的多个第1反射部，所述第2光学板，包括沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列，并分别反射所述多个第2光束的多个第2反射部。
2.如权利要求1所述的聚光装置，其特征在于，所述多个第1光束具有相互平行的光轴，所述多个第2光束具有相互平行的光轴，所述第1以及第2光学板被配置为，使由所述第1反射部反射的所述第1光束的光轴，和由所述第2反射部反射的所述第2光束的光轴平行。
3.如权利要求1或2所述的聚光装置，其特征在于，各所述第1光束在相对于所述第1方向垂直的第2方向上具有细长的横截面，同时在垂直于其第2方向的平面内被准直，各所述第2光束在相对于所述第1方向垂直的第3方向上具有细长的横截面，同时在垂直于其第3方向的平面内被准直。
4.如权利要求2或3所述的聚光装置，其特征在于，所述第1光源，具有沿着所述第1方向层叠，并分别产生所述多个第1光束的多个第1半导体激光阵列，从所述多个第1半导体激光阵列接受所述多个第1光束，并在垂直于所述第2方向的平面内进行准直的第1准直器，所述第2光源，具有沿着所述第1方向层叠，并分别产生所述多个第2光束的多个第2半导体激光阵列，从所述多个第2半导体激光阵列接受所述多个第2光束，并在垂直于所述第3方向的平面内进行准直的第2准直器。
5.如权利要求1～4的任何一项所述的聚光装置，其特征在于，所述第1光学板具有沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部，所述第2光学板具有沿着所述第1方向与所述第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部，一个以上的所述第1反射部贯通所述第2开口部，同时，一个以上的所述第2反射部贯通所述第1开口部。
6.如权利要求1～5的任何一项所述的聚光装置，其特征在于，还包括，输出沿着所述第1方向排列的多个第3光束的第3光源，所述聚光反射镜具有，沿着所述第1方向排列，并分别使所述多个第3光束通过的多个光通过部，所述第1反射部、所述第2反射部以及所述光通过部，沿着所述第1方向以规定顺序重复排列。
7.如权利要求6所述的聚光装置，其特征在于，所述多个第1光束具有相互平行的光轴，所述多个第2光束具有相互平行的光轴，所述多个第3光束具有相互平行的光轴，所述第1以及第2光学板被配置为，所述第3光束通过所述光通过部，同时，通过所述光通过部后的所述第3光束的光轴，与由所述第1以及第2反射部反射的所述第1以及第2光束的光轴平行。
8.如权利要求6或7所述的聚光装置，其特征在于，所述第1光学板具有沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部，所述第2光学板具有沿着所述第1方向与所述第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部，一个以上的所述第1反射部贯通所述第2开口部，同时，一个以上的所述第2反射部贯通所述第1开口部，所述第1以及第2开口部包括形成在所述第1以及第2反射部之间的间隙，作为所述光通过部。
9.如权利要求1～5中任何一项所述的聚光装置，其特征在于，还包括，输出沿着所述第1方向排列的多个第3光束的第3光源，所述聚光反射镜还具有与所述第1以及第2光学板交叉的第3光学板，所述第3光学板包括沿着所述第1方向排列，并分别反射所述多个第3光束的多个第3反射部，所述第1，第2以及第3反射部沿着所述第1方向以规定的顺序重复排列。
10.如权利要求9所述的聚光装置，其特征在于，所述多个第1光束具有相互平行的光轴，所述多个第2光束具有相互平行的光轴，所述多个第3光束具有相互平行的光轴，所述第1，第2以及第3光学板被配置为，使由所述第1、第2以及第3反射部反射的所述第1、第2以及第3光束的光轴相互平行。
11.如权利要求6～10中任何一项所述的聚光装置，其特征在于，所述第3光学板还具有沿着所述第1方向与所述第3反射部交替排列的一个以上的第3开口部，一个以上的所述第3反射部贯通所述第1以及第2开口部，同时，一个以上的所述第1反射部以及一个以上的所述第2反射部贯通所述第3开口部。
12.如权利要求6～11中任何一项所述的聚光装置，其特征在于，各所述第3光束在相对于所述第1方向垂直的第4方向上具有细长的横截面，同时在垂直于其第4方向的平面内被准直。
13.如权利要求6～12中任何一项所述的聚光装置，其特征在于，所述第3光源，具有沿着所述第1方向层叠，并分别产生所述多个第3光束的多个第3半导体激光阵列，从所述多个第3半导体激光阵列接受所述多个第3光束，并在垂直于所述第4方向的平面内进行准直的第3准直器。
14.一种聚光反射镜，其特征在于，包括具有沿着所述第1方向排列的多个第1反射部的第1光学板，和与所述第1光学板交叉的第2光学板，其中，所述第2光学板具有沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列的多个第2反射部。
15.如权利要求14所述的聚光反射镜，其特征在于，所述第1光学板具有沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部，所述第2光学板具有沿着所述第1方向与所述第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部，一个以上的所述第1反射部贯通所述第2开口部，同时，一个以上的所述第2反射部贯通所述第1开口部。
16.如权利要求14所述的聚光反射镜，其特征在于，还包括沿着所述第1方向排列的多个光通过部，所述第1反射部、所述第2反射部以及所述光通过部，沿着所述第1方向以规定顺序重复排列。
17.如权利要求16所述的聚光反射镜，其特征在于，所述第1光学板具有沿着所述第1方向与所述第1反射部交替排列的一个以上的第1开口部，所述第2光学板具有沿着所述第1方向与所述第2反射部交替排列的一个以上的第2开口部，一个以上的所述第1反射部贯通所述第2开口部，同时，一个以上的所述第2反射部贯通所述第1开口部，所述第1以及第2开口部包括形成在所述第1以及第2反射部之间的间隙，作为所述光通过部。
18.如权利要求14所述的聚光反射镜，其特征在于，还包括与所述第1以及第2光学板交叉的第3光学板，所述第3光学板具有，沿着所述第1方向排列的多个第3反射部，和沿着所述第1方向与所述第3反射部交替排列的一个以上的第3开口部，所述第1、第2以及第3反射部沿着所述第1方向以规定顺序重复排列，一个以上的所述第3反射部贯通所述第1以及第2开口部，同时，一个以上的所述第1反射部以及一个以上的第2反射部贯通所述第3开口部。
全文摘要
聚光装置(10)包括第1光源(12)，第2光源(14)以及聚光反射镜(18)。第1以及第2光源，输出沿着第1方向排列的多个第1以及第2光束。聚光反射镜，具有相互交叉的第1以及第2光学板(22，24)。第1光学板包括沿着第1方向排列，并分别反射第1光束的多个第1反射部(22a)。第2光学板包括沿着第1方向并与第1反射部交替排列，分别反射第2光束的多个第2反射部(24a)。
文档编号G02B27/09GK1942806SQ20058001131
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月13日 优先权日2004年4月13日
发明者高新, 大桥弘之, 筱田和宪 申请人:浜松光子学株式会社