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JP2001330763A - 集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置 - Google Patents

集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置

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JP2001330763A
JP2001330763A JP2001066740A JP2001066740A JP2001330763A JP 2001330763 A JP2001330763 A JP 2001330763A JP 2001066740 A JP2001066740 A JP 2001066740A JP 2001066740 A JP2001066740 A JP 2001066740A JP 2001330763 A JP2001330763 A JP 2001330763A
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light
incident
laser
light guide
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均 山浦
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宏 関口
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Hoya Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、アスペクト比の高い光を効率
良く集光することができる集光部品並びにこれを用いた
光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅装置を提
供することを目的とする。 【解決手段】 集光される光が入射される入射面と、入
射面から入射された光の進行方向に位置する先端部と、
入射面と先端部とを連結し、入射面から入射された光を
反射して先端部方向へ進行させる反射面を有し、入射面
から入射された光を先端部方向へ伝搬させながら集光す
る集光部と、反射面において入射面から先端部へ向う方
向に設けられている導光部とを有し、導光部は集光部を
進行する光を内部に取り込んで反射させることにより導
光部の先端部側の端部に向って進行させると共に、導光
部から集光部へ進行する光を集光部の反射面に対して実
質的に全反射条件を保つように進行させるように設けら
れており、集光された光を先端部および導光部の先端部
側の端部の少なくとも一方から出射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は集光部品並びにこれ
を用いた光源モジュール、レーザー装置及び光信号増幅
装置に係り、特に、アレイ型半導体レーザー装置等から
発せられたアスペクト比の高い光を微小スポットに集光
する集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レー
ザー装置及び光信号増幅装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、光通信、光計測、レーザー加
工等で用いられるレーザー装置又はこのようなレーザ装
置で用いられる励起光源としては、複数のレーザーダイ
オードが水平方向に配列されたレーザーダイオードバー
（以下、ＬＤバーという。）等のアレイ型半導体レーザ
ーが用いられている。このようなＬＤバーの発光領域
は、通常、レーザーダイオードの配列方向（水平方向）
で１０ｍｍ程度と長く、垂直方向（厚さ方向）で１μｍ
程度と短いので、発光領域から出射される光のスポット
はアスペクト比（縦横比）の高い楕円状になる。このよ
うな光を微小なスポットに集光しようとする場合、通常
の光学レンズ系では、垂直方向は十分細く絞ることがで
きるものの、水平方向ではせいぜい数ｍｍ程度までしか
集光することができない。
【０００３】そこで、ＬＤバーから発せられたアスペク
ト比の高い光を縦横が同程度な微小スポットに集光する
集光装置について開発が行われており、既に、ファイバ
ーカップリング方式、対向ミラー方式、三角ダクト方式
等様々な集光装置が提案されている。ファイバーカップ
リング方式は、図４０に示されるように、ＬＤバーの発
光領域４０に近接して水平方向に配列された多数の光フ
ァイバー４２に光を入射させて、出射面を丸く束ねるこ
とによって、丸い集光スポットを得るものである。しか
し、この方式では、集光された光の出射面は、束ねられ
た複数の光ファイバー４２の端面で形成されるため、集
光比に限界がある。
【０００４】対向ミラー方式は、図４１及び図４２に示
されるように、反射面５０ａ、５２ａを内側にして平行
に配置された２枚のミラー５０、５２の間に光を斜め上
方から入射し、光を反射面５０ａ、５２ａ間で繰り返し
反射させながら、光を水平・垂直方向に共にずらしてい
くものである。このミラー５０、５２は水平方向と垂直
方向にずれて向かい合っており、光（１）はミラー５０
の上方を通過した後にそのまま出射し、光（２）から光
（５）は反射面５０ａ、５２ａ間を１〜４往復した後出
射し、光（１）の下に積み重ねられる。このようにして
光（１）から光（５）は水平方向の並びから垂直方向の
並びに変換され、その結果、水平方向ではスポットが１
／５に集光される。しかし、この方式では、複数の光学
部品を用いるため、そのアライメントが複雑であり、製
造及び調整のコストがかかるとともに、使用に際しての
信頼性も低下する。
【０００５】三角ダクト方式は、図４３に示されるよう
に、薄板状の二等辺三角形状を有する三角ダクト１２の
底辺を含む厚さ方向の面（入射面）１２ａに光を入射
し、この光を二等辺三角形の等辺を含む厚さ方向の面
（反射面）１２ｂで全反射させながら二等辺三角形の頂
点方向に光を伝搬して集光し、集光された光を三角ダク
ト１２の頂点に設けられた光ファイバー２７より出射さ
せるものである。この方式では、構成が単純であるた
め、製造及び調整の手間とコストを低減することがき、
また、使用に際しての信頼性も向上させることができ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した三角
ダクト１２では、光が反射面１２ｂで反射される毎に反
射面１２ｂに対する光の入射角が減少する。このため、
光をより微小なスポットに集光しようとすると、反射面
１２ｂで全反射条件である臨界角を保つことができなく
なるので、集光可能な比としては１／３〜１／５が限度
であるといった問題がある。例えば、図４４は、厚さ約
１００μｍ、頂角１０°、入斜面１２ａの幅１２ｍｍの
二等辺三角形状を有する石英ガラス製の三角ダクト１２
に３ｍｍピッチで４本の平行光が入射された場合の光路
を光線追跡法により解析した結果を示す。図４４に示さ
れるように、入射面１２ａから導入された光は反射面１
２ｂで反射されることにより頂点方向に伝搬されている
が、反射面１２ｂでの反射が繰り返される毎に反射面１
２ｂに対する入射角が少さくなっている。そして、頂点
近傍において、反射面１２ｂに対する入射角が全反射条
件である臨界角を保てなくなり、光が反射面１２ｂから
外部に飛び出してしまっている。その結果、集光された
微小スポットの光を頂点からのみ出射することができな
い。
【０００７】この問題に対処するため、図４５に示され
るように、入射面に凸面を形成して、入射面から入射さ
れる光を頂点方向に屈折させることにより反射面での反
射回数を低減し、光が全反射条件を破る前に光を頂点ま
で到達させることが考えられる。しかし、このような三
角ダクトでは、入射面の両端部とＬＤバーの発光面とを
密接させることができないため、この部分から光の漏れ
が生じ、結合効率が低下するといった問題がある。この
ため、上述した三角ダクトの利点を生かしつつ、光をよ
り微小なスポットに集光可能な集光部品の開発が要望さ
れていた。
【０００８】本発明は上述した問題点を解決するために
なされたものであり、簡単な構成で、アスペクト比の高
い光を効率良く微小なスポットに集光することができる
集光部品並びにこれを用いた光源モジュール、レーザー
装置及び光信号増幅装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は以下の内容を有する。まず、請求項１の発
明は、集光される光が入射される入射面と、入射面から
入射された光の進行方向に位置する先端部と、入射面と
先端部とを連結し、入射面から入射された光を反射して
先端部方向へ進行させる反射面を有し、入射面から入射
された光を先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部
と、反射面において入射面から先端部へ向う方向に設け
られている導光部とを有し、導光部は集光部を進行する
光を内部に取り込んで反射させることにより導光部の先
端部側の端部に向って進行させると共に、導光部から集
光部へ進行する光を集光部の反射面に対して実質的に全
反射条件を保つように進行させるように設けられてお
り、集光された光を先端部および導光部の先端部側の端
部の少なくとも一方から出射することを特徴とする集光
部品である。ここで、実質的に全反射とは、設計上又は
目的に応じては、完全な全反射条件を満たさず、多少の
光漏れがあっても構わない。
【００１０】上記の集光部品においては、入射面より集
光部内に入射された光は反射面で反射されることにより
集光されながら先端部方向に伝搬される。この光が導光
部に達すると、その光は導光部内に取り込まれ、導光部
内で先端部方向に伝搬される。この光は最終的に先端部
又は導光部の先端部側の端面より出射される。このよう
に上記の集光部品によれば、集光部内を伝搬する光を導
光部に導いて導光させることにより、集光部内における
光の光路の長さ及び反射面での光の反射回数を減らすこ
とができる。従って、反射面に対する光の入射角が全反
射条件である臨界角より小さくなる前に光を微小スポッ
トに集光することが可能になる。
【００１１】請求項２の発明は、集光部は、集光される
光の波長に対して光学的に透明な材料で実質的に薄板状
の三角形状に形成されており、三角形の一辺を含む厚さ
方向の面が入射面であり、三角形の他の辺を含む厚さ方
向の２面が反射面であり、入射面に対向する頂点が先端
部であることを特徴とする請求項１記載の集光部品であ
る。上記の集光部品においては、ダクトは実質的に薄板
状の三角形状に形成されており、光はこの三角形の一辺
を含む厚さ方向の面で形成された入射面より集光部品に
入射される。この光は他の辺を含む厚さ方向の２面で形
成された反射面で反射を繰り返しながら三角形の頂点方
向に伝搬されて、集光される。この光が導光部が設けら
れた部分に到達すると、光は導光部内に導かれ、導光部
内で頂点方向に伝搬される。この光は最終的に頂点又は
導光部の頂点側の端面より出射される。
【００１２】このように上記の集光部品によれば、光が
導光部に達すると、その光は導光部内に取り込まれ、導
光部内を伝達するので、集光部内における光路の長さ及
び反射面での光の反射回数を減らすことができる。従っ
て、反射面に対する光の入射角が全反射条件である臨界
角より小さくなる前に光を微小スポットに集光すること
が可能になる。
【００１３】請求項３の発明は、導光部は入射面から先
端部に渡って設けられている請求項１又は２記載の集光
部品である。本発明によれば、導光部の形成が容易にな
ると共に、集光部から導光部へ光を導きやすくなる。請
求項４の発明は、導光部はファイバー状の形状を有する
請求項１〜３記載の集光部品である。本発明によれば、
導光部に入射された光をそのまま光ファイバーで導光す
ることが可能になる。請求項５の発明は、導光部は反射
面を溶融することにより形成される自由曲面を有する請
求項３又は４記載の集光部品である。本発明によれば、
簡易な作業で粗さのない良好な導光部を形成することが
可能になる。
【００１４】請求項６の発明は、集光部は薄板状であ
り、集光部の厚さ方向における導光部の最大厚さは集光
部の厚さの２倍以上である請求項４又は５記載の集光部
品である。本発明では、集光部の厚さ方向における導光
部の最大厚さは集光部の厚さの２倍以上になっているた
め、導光部内に光が閉じ込められ易くなり、光をより長
い距離に渡って導光部内を伝搬させることができるた
め、より微小領域に集光可能となる。集光部の厚さ方向
における導光部の最大厚さとは、例えば、導光部の断面
が円形状の場合、導光部の直径となる。請求項７の発明
は、集光部は薄板状であり、集光部の厚さ方向の中心と
導光部の中心とがずれている請求項４〜６記載の集光部
品である。本発明では、集光部と導光部の中心がずれて
いるため、集光部から導光部に入射される光の入射角を
大きくすることができる。従って、光を導光部に閉じ込
め易くなるので、より微小なスポットに光を集光するこ
とが可能になる。
【００１５】請求項８の発明は、発光領域が長手方向と
短手方向を有する光源と、光源の発光領域から発せられ
た光を集光する請求項１〜７のいずれか１項記載の集光
部品とを備えた光源モジュールである。本発明では、光
源から発せられたアスペクト比の高い光を微小なスポッ
トに集光することが可能になる。請求項９の発明は、発
光領域が長手方向と短手方向を有する光源と、光源の発
光領域から発せられた光を集光する請求項１〜７のいず
れか１項記載の集光部品を複数備えた光源モジュールで
あって、複数の集光部品の入射面は発光領域に向かって
水平方向及び垂直方向のいずれか一方に配列されている
光源モジュールである。本発明では、１の光源から発せ
られた光を複数の集光部品で集光することにより、より
微小なスポットに集光することが可能になる。この場
合、複数の集光部品の入射面は発光領域に向かって水平
方向且つ垂直方向に二次元的に配列されていてもよい。
【００１６】請求項１０の発明は、レーザー活性物質を
含むコアを有し、レーザ活性物質が励起されることによ
り端部よりレーザー光を出力するレーザーファイバー
と、レーザー活性物質を励起するための励起光を発生す
る励起光源と、励起光を集光する請求項１〜７のいずれ
か１項記載の集光部品と、励起光に対して透明な材料で
形成されており、集光部品により集光された励起光を閉
じ込め可能な構造体とを備え、レーザーファイバーの側
面の少なくとも一部と構造体とが直接又は光学媒質を介
して間接的に接触しており、その接触した部分を通じて
レーザーファイバーに入射される励起光によりレーザー
活性物質が励起されるレーザー装置である。
【００１７】本発明では、励起光源で発せられた励起光
は集光部品で集光された後、構造体に閉じ込められる。
この励起光は、構造体のレーザーファイバーが接触して
いる部分に達すると、レーザーファイバーの内部に導入
される。レーザーファイバーに導入された励起光はコア
にドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効
果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光はレ
ーザーファイバー内を伝わって端部より出力される。上
記のレーザー装置によれば、微小スポットに集光された
エネルギー密度の高い励起光によりレーザー光を発生さ
せるので、目標とするレーザー出力に応じて励起光を構
造体に導入すればよいので、高出力化が可能である。ま
た、構造体の微小領域から励起光を導入することができ
るため、励起光の放射を最小限に抑制することが可能に
なる。
【００１８】請求項１１の発明は、励起光を発生する励
起光源と、励起光が入射される入射面と、入射面から入
射された励起光の進行方向に位置する先端部と、入射面
と先端部とを連結し、励起光を反射して先端部方向へ進
行させる反射面を有し、励起光を先端部方向へ伝搬させ
ながら集光する集光部と、反射面において入射面から先
端部へ向う方向に設けられている導光部とを有し、導光
部は集光部を進行する励起光を内部に取り込んで反射さ
せることにより導光部の先端部側の端部に向って進行さ
せると共に、導光部から集光部へ進行する励起光を集光
部の反射面に対して実質的に全反射条件を保つように進
行させるように設けられている集光部品とを備えたレー
ザー装置であって、導光部は、レーザー活性物質を含
み、励起光によりレーザ活性物質が励起されると端部よ
りレーザー光を出力するレーザーファイバーであるレー
ザー装置である。
【００１９】上記のレーザー装置では、励起光源から発
せられた励起光は集光部品に導かれ、この励起光は集光
部の反射面で反射されながら先端部方向に進行する。こ
の励起光は、レーザーファイバーに導入され、コアにド
ープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出効果に
よりレーザー光を発生させる。このレーザー光はレーザ
ーファイバー内を伝わって端部より放出される。上記の
レーザー装置によれば、集光されたエネルギー密度の高
い励起光によりレーザー光を発生させるので、レーザー
光の発生効率を高めることが可能になる。また、励起光
を集光部から直接光ファイバーに導入するため、励起光
の放射を最小限に抑制することが可能になる。請求項１
２の発明は、請求項１０又は１１記載のレーザー装置を
備え、レーザーファイバーの一端を信号光の入力端と
し、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置であ
る。本発明によれば、効率の高いレーザー装置を用いて
光信号増幅装置を構成することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の集光部品
の第１実施形態を示す。この集光部品はＬＤバーの発光
領域から発せられるアスペクト比の高い光の集光等に用
いられる。図１及び図２に示されるように、集光部品１
０は、光を集光する集光部としてのダクト部１２と、こ
のダクト部１２の側面に設けられたファイバー状の導光
部１４とを備えている。
【００２１】ダクト部１２は、ＬＤバーの発光領域の短
手方向の距離（厚さ）よりも大きな厚さを有する薄板で
二等辺三角形状に形成されている。この二等辺三角形の
底辺を含む厚さ方向の面がレーザー光の入射面１２ａと
なり、この入射面１２ａより入射された光は、集光部の
上面１２ｃ、下面１２ｄで反射されながら進行し、等辺
を含む厚さ方向の側面（反射面）１２ｂで反射されるこ
とにより先端部である頂点方向に伝搬される。このよう
なダクト部１２は、石英ガラス、リン酸塩ガラス等のガ
ラス、プラスチック、光学結晶等の集光を行う光の波長
に対して光学的に透明な光学材料で形成される。
【００２２】このダクト部１２は、光源からの光を入射
するのに十分な厚さで、且つ必要な機械的強度を保てる
範囲内でできるだけ薄く形成される。例えば、光源とし
てＬＤバーを用いた場合、ＬＤバーの発光領域は、通常
垂直方向（短手方向）は数μｍ程度であり、垂直方向の
広がり角はその分布の半値全幅で３０°程度であるか
ら、ＬＤバーとダクト部１２の入射面１２ａとの距離を
５０μｍとした場合、ダクト部１２としては１００μｍ
程度の厚さがあればよい。このような薄板状のダクト部
１２は、例えば、石英ガラスの場合、研磨、火炎堆積法
等により製造することができる。
【００２３】このダクト部１２の一方の反射面１２ｂに
は導光部１４が設けられている。この導光部１４は、ダ
クト部１２を伝搬される光が導光部１４と反射面１２ｂ
の鏡界面に到達したときに、光が導光部１４内に取り込
まれ且つ導光部１４内を伝搬するように、ダクト部１２
と同程度の屈折率を有し且つ集光を行う光の波長に対し
て光学的に透明な光学材料で形成される。通常、導光部
１４は、ダクト部１２と同一の材質、即ち、石英ガラ
ス、リン酸塩ガラス等のガラス、プラスチック、光学結
晶等で形成される。
【００２４】この導光部１４は、ダクト部１２を伝達す
る光を取り込み、先端部方向へ伝搬させ、且つ導光部１
４からダクト部１２に戻った光の反射面１２ｂに対する
角度が、集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を
保たせるような形状及び物質で形成することができる。
例えば、導光部１４としては、図３に示されるように中
空に形成されたものや、図４に示されるように断面が四
角形状に形成されたもの、又は断面楕円形状（リボン
状）のもの等を用いることもできる。この導光部１４
は、通常、一端１４ａがダクト部１２の入射面１２ａと
同一平面を形成し、他端１４ｂは出力端として頂点より
突出するように形成される。この出力端１４ｂは集光さ
れた光の取り出しが可能な垂直破断面又は平面研磨面と
なっており、必要に応じ反射防止膜が形成される。
【００２５】通常、導光部１４の直径はダクト部１２の
厚さより大きく、２倍以上、好ましくは４倍以上に形成
される。導光部１４の厚さに対するダクト部１２の厚さ
が小さくなるほど、導光部１４内で伝搬される光路の長
さが増大するので、ダクト部１２に入射された光のより
多くを微小なスポットに集光することが可能になる。図
５は、導光部１４の径に対するダクト部１２の厚さと結
合効率の関係を光線追跡法により解析した結果を表すグ
ラフである。この結合効率とは、ダクト部１２に入射す
る光量と導光部１４から出射する光量の比を表す。この
場合、導光ダクト１０として、入射面１２ａの幅１２ｍ
ｍ、頂角１０°、導光部の半径２５０μｍで、図６に示
されるようにダクト部１２の下面１２ｄと導光部１４の
下端とが同一平面上にあるものを用いた。そして、入射
面１２ａから５０μｍ離れたところに３ｍｍ間隔で４個
の光源を設置し、各々の光源から放射角３０°で８本の
光が入射された場合を示す。図５より、導光部１４の径
に対するダクト部１２の厚さが小さくなるほど、結合効
率が増加していることが判る。
【００２６】また、導光部１４は、図２に示されるよう
に、その中心がダクト部１２の厚さ方向の中心とずれる
ように配置されていることが好ましい。このように、ダ
クト部１２の中心と導光部１４の中心とにオフセットｄ
を設定することにより、ダクト部１２から導光部１４に
入射される光の入射角が大きくなるので、導光部１４内
に光を閉じ込めて伝搬させ易くなる。図７はダクト部１
２の厚さ方向の中心と導光部１４の中心との間の距離と
結合効率の関係を光線追跡法により解析した結果を示す
グラフである。図７は集光部品１０として厚さ６２．５
μｍ、入射面１２ａの幅１２ｍｍ、頂角１０°、導光部
の半径２５０μｍのものを用い、入射面１２ａから５０
μｍ離れたところに３ｍｍ間隔で４個の光源を設置し、
各々の光源から放射角３０°で８本の光が入射されてい
る場合を示す。図７よりダクト部１２の中心と導光部１
４の中心との間の距離が大きいほど結合効率が増加して
いることが判る。
【００２７】上記ような集光部品１０は、ダクト部１２
の反射面１２ｂを炭酸ガスレーザー等で溶融して、反射
面１２ｂに円筒状の自由曲面を形成することにより製造
することができる。この方法によれば、簡易な作業で粗
さのない良好なファイバー状の導光部を形成することが
可能になる。また、ダクト部１２の反射面１２ｂに炭酸
ガスレーザー等で光ファイバーを融着接続することによ
り製造することも可能である。この場合、導光部から出
射される光をそのまま光ファイバーで導光することがで
きるため、集光部品の利用範囲を拡大することができ
る。ダクト部１２の入射面１２ａと導光部１４の出射端
１４ｂは光の入射及び取り出しが可能な垂直破断面又は
平面研磨面とされ、必要に応じ反射防止膜が形成され
る。また、集光部品１０の入射面１２ａと出力端１４ｂ
を除く部分は、空気中のごみ等の外界の影響を除去する
とともに、各部分の保持、保護のため、低屈折率のポリ
マー等で覆われていることが好ましい。
【００２８】また、上記の集光部品１０において、ダク
ト部１２及び導光部１４の屈折率は、ダクト部１２の集
光作用及び導光部１４の導光作用を損なわない範囲で適
宜設定することができる。例えば、双方が同じ屈折率を
有するようにしてもよく、また一方が他方より大きな屈
折率を有するようにしてもよい。上記のような集光部品
１０に対する光の入射は、図８に示されるように、集光
部品１０の入射面１２ａとＬＤバー１６の発光領域１６
ａを近接させることにより行われる。このとき、ＬＤバ
ー１６から発せられた光をコリメートするため、ＬＤバ
ー１６と集光部品１０の間にシリンドリカルレンズやマ
イクロレンズアレイ等を配置してもよい。
【００２９】また、図９に示されるように１のＬＤバー
１６に対して複数の集光部品１０を水平方向に配列して
もよく、図１０に示されるように垂直方向に配列しても
よい。図９に示されるように、相似的に１／４に縮小さ
れた４個の集光部品１０を水平方向に配列すると、ＬＤ
バー１６から出射されたレーザー光は４本の導光部１４
に集光される。このとき、各々の導光部１４の断面積は
１／１６になり、４本の導光部１４の断面積の合計は１
／４になるので、結果としてエネルギー密度（輝度）を
４倍にすることが可能になる。この場合、ダクト部１２
内での光の反射回数を減らすことができ、またダクト部
１２の長さが短くなっているため、同じ割合で導光部を
伝搬する長さも短くてよいので、ダクト部１２の厚さを
１／４より厚くすることができる。
【００３０】次に、上述した集光部品１０の作用につい
て説明する。まず、ダクト部１２と導光部１４の屈折率
が同じである集光部品の作用について図１１を参照して
説明する。集光部品１０の入射面１２ａとＬＤバー１６
の発光領域を近接させると、ＬＤバーから出射された光
は入射面１２ａよりダクト部１２内に導入される。この
光はダクト部１２の上下面で反射しながら進行し、反射
面１２ｂで反射されて頂点方向に伝搬される。この光が
導光部１４と反射面１２ｂの境界面に到達すると、光は
導光部１４内に導かれ、導光部１４の内周面に沿って周
回しながら頂点方向に進行した後、再びダクト部１２内
に導かれる。
【００３１】このとき、ダクト部１２から導光部１４に
導かれた光は、導光部１４内を先端部方向に伝搬する間
には導光部内の反射によって入射角は変化しないため、
この光がダクト部１２に戻ったときのダクト部１２の反
射面１２ｂに対する入射角は、導光部１４に取り込まれ
た時の状態を保っている。従って、導光部１４からダク
ト部１２に戻った光の反射面１２ｂに対する入射角は、
光がダクト部１２内のみを進行してきたと仮定した場合
の入射角より大きくなる。その結果、ダクト部１２の先
端部付近においても反射面１２ｂで全反射条件を破らず
にすむため、導光部が設けられていない場合と比較し
て、光をより微小領域に集光することが可能になる。ダ
クト部１２に戻った光は、導光部１４が設けられていな
い反射面１２ｂで反射された後、再び、導光部１４に導
かれて周回するということが繰り返され、最終的に導光
部１４の出力端１４ｂより出射される。
【００３２】このように上記の集光部品１０によれば、
反射面１２ｂに到達した光を導光部１４に導いて導光さ
せることにより、ダクト部１２内における反射回数を減
少することができる。従って、光が反射面１２ｂに入射
するときの入射角が全反射条件である臨界角より小さく
なる前に光をダクト部１２の先端にまで到達させること
ができる。従って、ＬＤバー１６等から出射されたアス
ペクト比の大きな光をより微小なスポットに集光するこ
とが可能になる。
【００３３】次に、導光部１４の屈折率がダクト部１２
の屈折率より小さい集光部品１０の作用について図１２
を参照して説明する。入射面１２ａからダクト部１２内
に導入された光は反射面１２ｂで反射を繰り返しながら
頂点方向に進行する。この光は反射面１２ｂで反射され
る毎に反射面１２ｂに対する入射角が減少し、反射面１
２ｂと導光部１４の境界面で全反射条件が維持できなく
なると導光部１４に導かれる。この場合、導光部１４と
空気との屈折率の関係により、光が外部に飛び出す前に
必ず導光部１４に導かれる。このとき、ダクト部１２と
導光部１４の屈折率の差により、導光部１４に導かれた
光の光路と導光部１４の光軸となす角度は小さくなる。
この光は導光部１４の内周面に沿って周回し、場合によ
ってはダクト部１２に戻った後再び導光部１４に導か
れ、最終的に導光部１４の出力端１４ｂより取り出され
る。
【００３４】このように上記の集光部品１０によれば、
集光部品１０に導入された光を導光部１４で導光させる
ことにより、ダクト部１２内における反射回数を減少す
ることができる。従って、ダクト部１２に導かれた光が
全反射条件を破る前に光をダクト部１２の先端にまで到
達させることができる。従って、ＬＤバー１６から出射
されたアスペクト比の大きな光を微小スポットに集光す
ることが可能になる。また、ダクト部１２と導光部１４
との屈折率の差により、導光部１４に導かれた光と導光
部１４の光軸のなす角度を小さくすることができる。従
って、最終的に導光部１４の出力端１４ｂから出射され
る光の放射角を小さくすることができ、より微小なスポ
ットに光を集光することが可能になる。
【００３５】次に、導光部１４の屈折率がダクト部１２
の屈折率より大きな集光部品１０の作用について図１３
を参照して説明する。入射面１２ａからダクト部１２内
に導かれた光は導光部１４内に導かれる。この光は導光
部１４とダクト部１２の屈折率の差により導光部１４と
ダクト部１２の界面で全反射が繰り返されることによ
り、導光部１４の内周面に沿って周回しつつ頂点方向に
進行する。この場合、導光部１４に入射された光は導光
部１４に閉じ込められやすく、一旦光が導光部１４に導
入されると、ダクト部１２で光が進行することがなくな
るか又は少なくなるので、ダクト部１２での反射回数を
減少させることができる。従って、光が導光部１４内に
閉じ込められ易い結果、ダクト部１２におけるエネルギ
密度を低く抑えることができるため、ダクト部１２を耐
熱性の低い樹脂等で形成することが可能になる。
【００３６】図１４は、厚さ約１００μｍ、頂角１０
°、入斜面の幅が１２ｍｍの二等辺三角形状を有する石
英ガラス製のダクト部１２の側面に直径２ｍｍの石英ガ
ラス製の導光部１４が設けられている集光部品１０に３
ｍｍピッチで４本の平行光が入射された場合の光路を光
線追跡法により解析した結果を示す。図１４から、入射
面１２ａから入射された光はダクト部１２及び導光部１
４内を頂点方向に伝搬しながら集光され、最終的には導
光部１４の出力端１４ｂから微小な広がり角で出力され
ていることが判る。
【００３７】次に、本実施形態の集光部品の変形例につ
いて説明する。以下の説明においては、上述した構成と
同一部分には同一の参照番号を付し、その詳細な説明は
省略する。図１５は本実施形態の集光部品の第１変形例
を示す。この集光部品１０では、導光部１４がダクト部
１２の反射面１２ｂの一部分のみに沿って形成されてい
る。この導光部１４の頂点側の端部には、径が先端方向
に向かって徐々に減少するテーパー面１４ｃが形成され
ている。この集光部品１０において、導光部１４内を伝
搬してきた光はテーパー面１４ｃで反射されることによ
りダクト部１２内に戻される。ダクト部１２内に戻され
た光は、反射面１２ｂで反射されながら頂点方向に進行
し、最終的にダクト部１２の先端部より出力される。こ
のような集光部品１０によれば、ダクト部１２内を伝搬
する光を導光部１４に導いて導光させることにより、ダ
クト部１２内における光の反射回数を減少することがで
きると共に、導光部１４内を伝搬してきた光をダクト部
１２内に戻すことにより、最終的に、集光された光をダ
クト部１２の頂点から出力することが可能になる。尚、
本変形例のように、集光された光をダクト部１２から出
力する集光部品では、集光された光の出射端はダクト部
の入射面の反対側に位置する頂点又はこの頂点に形成さ
れた切断面になる。
【００３８】図１６は本実施形態の集光部品の第２変形
例を示す。この集光部品１０では、ダクト部１２の入射
面１２ａには厚さ方向に凸面が形成されている。これに
よって、ＬＤバー１６からの光の導入効率を向上するこ
とができる。ダクト部１２の上下面１２ｃ、１２ｄ、反
射面１２ｂを曲面としてもよい。図１７及び図１８は本
実施形態の集光部品の第３変形例を示す。この集光部品
１０では、双方の反射面１２ｂに導光部１４が設けられ
ている。これによって、反射面１２ｂでの反射回数を減
少させることができ、出力端１４ｂでの放射角を低減さ
せ、ダクト部１２の長さを短くすることが可能になる。
この場合、２本の導光部１４を上下にずらすことにより
先端で交差しないように配置することが好ましい。
【００３９】図１９は本実施形態の集光部品の第４変形
例を示す。この集光部品１０では、一方の反射面に２個
の導光部が設けられている。これによって、第３変形例
と同様、反射面１２ｂでの反射回数を減少させることが
でき、出力端１４ｂでの放射角を低減させ、ダクト部１
２の長さを短くすることが可能になる。図２０は本実施
形態の集光部品の第５変形例を示す。この集光部品１０
では、２個のダクト部１２が１個の導光部１４で連結さ
れた構造を有している。これによって、２個のダクト部
１２で集光された光を１個の導光部１４から出射させる
ことができるので、集光された光のエネルギー密度を高
めることができる。このような集光装置は、例えば、図
２１に示されるように、複数を垂直方向に配列して用い
ることができる。さらに、本形態の集光部品は上述した
例に限定されるものではなく、適宜変更することが可能
である。
【００４０】例えば、上述した例では、ダクト部１２は
二等辺三角形状に形成されていたが、入射面から先端部
に向かって先細り形状を有していれば、その形状は特に
限定されない。例えば、ダクト部を円錐状又は楕円錐状
に形成し、その底面を入射面とし、底面と先端部とを連
結する側面全体を反射面としてもよい。また、ダクト部
を入射面側に直角を有する直角三角形や台形状に形成し
てもよい。さらに、ダクト部１２の厚さは入射面１２ａ
から頂点に向かって拡大するようにしてもよく、導光部
１４と接続されている部分で減少するようにしてもよ
い。
【００４１】また、上述した例では、導光部はダクト部
の反射面に設けられていたが、導光部はダクト部を進行
する光を内部に取り込んで進行させるものであれば、そ
の位置は特に限定されない。例えば、図２２及び図２３
に示されるように、導光部１４をダクト部１２の上面の
中心線付近に配置してもよい。さらに、上述した形態で
は導光部をファイバー状の部材で構成したが、ファイバ
ー状の部材に替え又はこれとともに、ダクト部に形成さ
れた屈折率分布により導光部を構成することも可能であ
る。このような屈折率分布は、例えば、ダクト部の所定
領域に屈折率を高めるドープ材を添加すること等により
形成することができる。
【００４２】次に、本発明の集光装置の他の実施形態に
ついて説明する。図２４及び図２５は本発明の集光部品
の第２実施形態を示す。この集光部品１０のダクト部１
２の入射面１２ａには多数のマイクロレンズ１２ｅが連
続的に形成され、これによってフレネルレンズ状のレン
ズ面１２ｆが形成されている。このフレネルレンズ状の
レンズ面１２ｆは、ＬＤバー１６から出射された光をダ
クト部１２の先端部方向に屈折させることにより、ダク
ト部１２に入射された光が反射部１２ｂで反射される回
数を減少させることができる。 フレネルレンズ状のレ
ンズ面１２ｆを構成する各々のマイクロレンズ１２ｅ
は、通常、ＬＤバー１６の発光面を構成する１個又は複
数個のレーザーダイオードに対向するように形成され
る。このような集光部品１０は、ダクト部１２の入射面
１２ａを炭酸ガスレーザー等の集光ビームを用いて切り
出したり、あるいは入射面１２ａを研磨すること等によ
り形成することができる。
【００４３】このような導光部を有しない集光部品１０
では、集光された光を出射する出射端はダクト部１２の
先端部か、或はダクト部１２の先端部に形成された切断
面となる。本形態の集光部品１０によれば、ダクト部１
２の入射面１２ａにフレネルレンズ状のレンズ面１２ｆ
を形成したことにより、ダクト部１２内における光の反
射回数を減少させることができる。従って、光が反射面
１２ｂに入射するときの入射角が全反射条件である臨界
角より小さくなる前に光をダクト部１２の先端部にまで
到達させることができる。また、入射面全体に１の凸面
を形成した場合に比べ、入射面の曲率を小さくすること
ができ、入射面の両端部における光の漏れを低減するこ
とができる。従って、ＬＤバー１６等から出射された光
を効率的に微小スポットに集光することが可能になる。
【００４４】図２６及び図２７は本発明の集光部品の第
２実施形態の集光部品１０の変形例を示す。この集光部
品１０では、上述したダクト部１２の反射面１２ｂに導
光部１４が設けられている。本変形例によれば、フレネ
ルレンズ状のレンズ面１２ｆと導光部１４を併用してダ
クト部１２内における光の反射回数を減少させることに
より、ＬＤバー１６から出射された光をより効率的に集
光することが可能になる。図２８及び図２９は本発明の
集光部品の第３実施形態を示す。この集光部品１０のダ
クト部１２の入射面１２ａには多数のマイクロレンズ１
２ｇが連続して形成されている。このマイクロレンズ１
２ｇはＬＤバー１６の発光面を構成する１個又は複数個
のレーザーダイオードに対向するように形成されてお
り、ＬＤバー１６から出射された光をダクト部１２の先
端方向に屈折させることにより、ダクト部１２に入射さ
れた光が反射部１２ｂで反射される回数を減少させるこ
とができる。
【００４５】このような入射面１２ａは、第２実施形態
と同様、炭酸ガスレーザーを用いた切り出し又は研磨等
により形成することができる。本形態の集光部品１０に
よれば、集光部品１０の入射面１２ａにマイクロレンズ
１２ｇを形成したことにより、ダクト部１２内における
光の反射回数を減少させることができ、ダクト部１２内
に導入された光が全反射条件を破る前に光をダクト部１
２の先端部にまで到達させることができる。また、入射
面全体に１の凸面を形成した場合と比べると、入射面の
両端部における光の漏れを低減することができる。従っ
て、ＬＤバー１６から出射された光を効率的に微小スポ
ットに集光することが可能になる。図３０及び図３１は
本発明の集光部品の第３実施形態の変形例を示す。この
集光部品１０では、上述したダクト部１２の反射面１２
ｂに導光部１４が設けられている。本変形例によれば、
マイクロレンズ１２ｇと導光部１４を併用してダクト部
１２内における光の反射回数を減少させることにより、
ＬＤバー１６から出射された光をより効率的に集光する
ことが可能になる。
【００４６】図３２及び図３３は本発明の集光部品の第
４実施形態を示す。この集光部品１０はダクト部１２と
ダクト部１２内に形成された屈折部１２ｈを備えてい
る。この屈折部１２ｈは集光する光に対して透明度が高
く、ダクト部１２と異なる屈折率を有する物質、例え
ば、ガラス、樹脂等によりレンズ形状に形成されてい
る。この屈折部１２ｈは、通常、ダクト部１２の入射面
１２ａ近傍おいてダクト部１２と一体的に形成される。
これによって、ＬＤバーから出射された光をダクト部１
２の出射端方向に屈折させ、集光部に入射された光が反
射面１２ｂで反射される回数を減少させることができ
る。
【００４７】このような集光部品は、例えば、ダクト部
１２に屈折部１２ｈに相当する形状の貫通孔を形成し、
この貫通孔に軟化状態のガラス、樹脂等を充填して硬化
させることにより形成することができる。本形態の集光
部品１０によれば、集光部品に屈折部１２ｈを形成した
ことにより、ダクト部１２内における光の反射回数を減
少することができる。従って、ダクト部１２に入射され
た光が全反射条件を破る前に光をダクト部１２の先端に
まで到達させることができる。また、屈折部１２ｈの位
置をダクト部１２の製造段階で精度良く調整することが
でき、光がダクト部１２内に閉じ込められた状態で光の
操作を行うものであるので、結合効率の良い集光部品を
提供することが可能になる。
【００４８】また、水平方向の偏向を入射面１２ａでな
くダクト部１２内部に形成された屈折部１２ｈで行うた
め、入射面１２ａを平坦とすることができる。従って、
入射面の両端部における光の漏れを低減することができ
る。また、入射面１２ａに複雑な形状を形成する必要が
ないので製造が容易である。さらに、入射面１２ａに厚
さ方向の凸面を形成し、ダクト部１２に入射された光の
厚さ方向の偏向を行うことも可能になる。本形態の集光
部品は上述した例に限定されるものではなく、適宜変更
することが可能である。例えば、屈折部はＬＤバー１６
から出射された光をダクト部１２の出射端方向に屈折さ
せ、ダクト部１２に入射された光が反射面１２ａで反射
される回数を減少させるものであれば、その形状は限定
されない。例えば、屈折面にＬＤバーの各々のレーザー
ダイオードに対向するフレネルレンズ様レンズ又はマイ
クロレンズアレイを形成することもできる。また、第２
実施形態又は第３実施形態と同様に、ダクト部１２の反
射面１２ａに導光部を設けることも可能である。
【００４９】次に、本発明に係るレーザー装置について
説明する。図３４は本発明のレーザー装置の第１実施形
態を示す。このレーザー装置２０は、レーザー活性物質
の誘導放出効果を利用した光の発振装置又は増幅装置で
あり、レーザー加工、光通信、レーザー計測等で用いら
れる。このレーザー装置２０は、励起光源としてのＬＤ
バー１６と、ＬＤバー１６から発せられた励起光を集光
する集光部品１０と、集光部品１０により集光された励
起光を閉じ込めるため円筒状の構造体２２と、構造体２
２の芯となる円筒２２ａと、構造体２２に巻回された光
ファイバー２４とを備えている。
【００５０】本実施例に係るレーザー装置においては、
集光部品１０としては、上述した集光部品の何れかを用
いることができる。円筒２２ａは表面が反射率の高い金
属で形成されており、この表面には屈折率の低い樹脂が
コーティングされている。構造体２２は、ＬＤバー１６
から発せられる励起光に対して透明な材料で形成されて
おり、導入された励起光をその内部で反射させながら閉
じ込める。この構造体は、通常、石英ガラス、リン酸塩
ガラス等のガラス、プラスチック、光学結晶等で形成さ
れたシートを円筒２２ａに巻き付けることにより形成さ
れる。このような構造体２２における励起光の閉じ込め
は、通常、外界（通常は空気）との屈折率の差による全
反射により行なわれるが、構造体２２に反射率の高い反
射コートを施し、この反射コートによる反射により行な
ってもよい。構造体は、円柱形状、円盤形状、レンズ形
状等に形成することもできる。
【００５１】この構造体２２には光ファイバー２４が直
接又は光学媒質を介して巻回されている。光学媒質とし
ては、構造体２２から光ファイバーへの励起光の導入を
妨げないような屈折率を有する光学樹脂等が用いられ
る。光ファイバー２４としては、レーザ活性物質がドー
プされているコアの周りに、クラッドが形成されている
レーザーファイバーが用いられる。このレーザー活性物
質は励起光による誘導放出効果によりレーザー光を発生
する物質であり、ネオジム（Ｎｄ）、イッテルビウム
（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素等からレ
ーザー装置２０の用途等に応じて適宜選択される。
【００５２】本発明に係るレーザー装置においては、光
ファイバー２４の一端２４ａは、通常、反射端として、
平面研磨後に反射率の高い多層膜コートが施され、構造
体２２に固定されている。一方、光ファイバーの他端２
４ｂは、出力端として、コート処理等が施されていない
垂直破断面とされ、外部に引き出されている。光ファイ
バー２４の一端２４ａを信号入力端とし他端２４ｂを出
力端とする場合や、両端２４ａ、２４ｂをレーザー光の
出力端とする場合は、両端２４ａ、２４ｂともに垂直破
断面として外部に引き出される。垂直破断面には、必要
に応じ、反射防止膜が形成される。
【００５３】集光部品１０の出力端には光ファイバー２
６の一端が接続されており、この光ファイバー２６の他
端は構造体２２の上端面と所定角度で融着接続されてい
る。また、この集光部品１０としては、上述した集光部
品のいずれかを用いることができる。導光部１４から構
造体２２への光の導光は、集光部品１０の出力端を構造
体の上端面に直接接続することにより行なってもよい。
【００５４】上記のようなレーザー装置２０において、
ＬＤバー１６の発光領域と集光部品１０の入射面１２ａ
とを近接させると、ＬＤバー１６から発せられた励起光
は集光部品１０内に導かれる。この励起光は集光部品１
０内で集光され、出力端から微小なスポットを有する励
起光として出力される。この励起光は光ファイバー２６
を介して上端面より構造体２２内に所定角度で入射され
る。この励起光は構造体２２の表裏面で全反射を繰り返
しながら螺旋形状の光路を描いて下方に進行する。この
とき、円筒２２ａの表面には低屈折率の樹脂がコーティ
ングされているので、構造体に入射された光は構造体２
２内に閉じ込められ易い。また、円筒２２ａの表面は反
射率の高い金属で形成されいるので、構造体２２の裏面
から漏れた光は円筒２２ａ表面で反射され、構造体２２
内に戻される。
【００５５】この励起光は、光ファイバー２４が巻き付
けられている部分に達すると、光ファイバー２４の側面
より光ファイバー２４の内部に導入される。光ファイバ
ー２４に導入された励起光はコアにドープされたレーザ
ー活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を
発生させる。このレーザー光は光ファイバー２４内を伝
わって出力端２４ｂより放出される。上記のレーザー装
置２０では、微小スポットに集光されたエネルギー密度
の高い光を励起光としているので、構造体２２の微小領
域から励起光を導入することが可能になる。この結果、
構造体２２に入射された光が入射部分から漏れにくくな
り、レーザー発振の効率を高めることが可能になる。ま
た、構造体２２に対する励起光の導入を微小領域で行な
うことができる結果、励起光の放射を最小限に抑制する
ことが可能になると共に、多数の励起光を構造体２２に
導入することが可能になるので、レーザー装置の高出力
化を図ることができる。
【００５６】次に、本発明のレーザー装置の第２実施形
態について説明する。図３５は、上述した集光部品を用
いたレーザー装置３０を示す。このレーザー装置３０
は、励起光源としてのＬＤバー１６と、ＬＤバー１６か
ら発せられた励起光を集光するダクト部１２と、光ファ
イバー２４と、光ファイバー２４を支持する支持体３２
とを備えている。支持体３２は横断面が長円形の長円柱
形状を有している。この支持体３２の表面は反射率の高
い金属で形成されており、この表面には屈折率の低い樹
脂がコーティングされている。
【００５７】支持体３２の側面には光ファイバー２４が
巻き付けられている。この支持体３２に巻き付けられた
光ファイバー２４の直線部分には、３個のダクト部１２
が垂直方向に所定の距離を介して設けられている。ダク
ト部１２としては、上述した集光部品のうち、導光部を
有しないものを用いることが好ましい。このダクト部１
２の反射面１２ｂは光ファイバー２４と溶融接続又は紫
外線硬化樹脂等の接着剤を用いた接着等により光ファイ
バー２４に固定されている。この場合、図３６に示され
るように、ダクト部１２の反射面１２ｂと光ファイバー
２４とを１ヶ所で接続してもよく、図３７に示されるよ
うに、反射面１２ｂを光ファイバー２４の互いに隣接す
る２ヶ所で接続することもできる。
【００５８】上記のようなレーザー装置３０において、
ＬＤバー１６の発光領域とダクト部１２の入射面１２ａ
とを近接させることにより、ＬＤバー１６から発せられ
た励起光は入射面１２ａよりダクト部１２内に導かれ、
この励起光はダクト部１２の反射面１２ｂで反射されな
がら頂点方向に進行する。この励起光は、光ファイバー
２４と接続されている部分に達すると、光ファイバー２
４の側面より光ファイバー２４の内部に導入される。
【００５９】光ファイバー２４に導入された励起光はコ
アにドープされたレーザー活性物質を励起し、誘導放出
効果によりレーザー光を発生させる。このレーザー光は
光ファイバー２４内を伝わって出力端２４ｂより放出さ
れる。上記のレーザー装置３０では、集光されたエネル
ギー密度の高い励起光によりレーザー光を発生させるの
で、レーザー光の発生効率を高めることが可能になる。
また、励起光をダクト部１２から直接光ファイバー２４
に導入することができるため、励起光の放射を最小限に
抑制することが可能になる。
【００６０】次に、本発明のレーザー装置の第３実施形
態について説明する。図３８は、上述した集光部品を用
いたレーザー装置３５を示す。このレーザー装置３５
は、励起光源としてのＬＤバー１６と、ＬＤバー１６か
ら発せられた励起光を集光する集光部品１０と、光ファ
イバー構造体３６と、光ファイバ構造体３６を冷却する
ための冷却部材３７とを備えている。
【００６１】光ファイバー構造体３６は、光ファイバー
２４に巻回され樹脂等で一体化された円環状の形状を有
している。この光ファイバー構造体３６の側面には集光
部品１０が設けられている。集光部品１０としては、通
常、上述した集光部品１０のうち導光部を有しないもの
が用いられる。このダクト部の反射面には、図３９に示
されるように、光ファイバ構造体３６の外周部に対応す
る凹状の接続部１２ｉが形成されている。これによっ
て、光ファイバ構造体３６と集光部品１０の反射面１２
ａとを密着した状態で接続することができる。
【００６２】冷却部材３７は金属等の材料で円盤状に形
成されており、光ファイバー構造体３６はこの冷却部材
３７に挟まれた状態で固定される。これによって、光フ
ァイバー構造体３６から発せられた熱を外部に放出する
こことができる。上記のようなレーザー装置３５におい
て、ＬＤバー１６の発光領域とダクト部１２の入射面１
２ａとを近接させることにより、ＬＤバー１６から発せ
られた励起光は入射面１２ａよりダクト部１２内に導か
れ、この励起光はダクト部１２の反射面１２ｂで反射さ
れながら頂点方向に進行する。この励起光はダクト部１
２の接続部１２ｉより光ファイバー構造体３６に導入さ
れる。
【００６３】光ファイバー構造体３６に導入された励起
光は光ファイバー２４を横切りながら進行する。この励
起光は光ファイバー２４のコアにドープされたレーザー
活性物質を励起し、誘導放出効果によりレーザー光を発
生させる。このレーザー光は光ファイバー２４内を伝わ
って出力端２４ｂより放出される。上記のレーザー装置
３０では、集光された励起光をダクト部１２から直接光
ファイバー２４に導入することができるため、励起光の
放射を最小限に抑制することが可能になる。従って、レ
ーザー発振効率の高いレーザー装置を提供することが可
能になる。本発明は上述した形態に限定されるものでは
なく変更して実施することが可能である。例えば、本発
明に係る集光装置又はレーザ装置は上述した技術的構成
を適宜組み合わせて実施することができる。
【００６４】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明
する。 Ａ．集光部品による集光 （実施例１）コンピューター制御のステージと炭酸ガス
レーザーを用いて、厚さ約１００μｍ、頂角１０°、底
辺が１２ｍｍの二等辺三角形状の石英ガラス製薄板（屈
折率１．４５８）を成形し、この薄板の各面に光学研磨
を施し、ダクト部１２とした。このダクト部１２の反射
面１２ｂの一方に炭酸ガスレーザーを照射して溶融する
ことにより、反射面１２ｂに直径約５００μｍのファイ
バー状の導光部１４を形成した。そして、ダクト部の入
射面１２ａ及びダクト部１４の出力端１４ｂに反射防止
膜を形成し、図１及び図２に示される集光部品を得た。
【００６５】光源として、５００μｍピッチで１９個の
レーザーダイオードが一列に配列され、厚さ数μｍ、幅
約９ｍｍの偏平な発光領域を有するＬＤバーを用いた。
そして、図８に示されるように、集光部品１０の入射面
１２ａとＬＤバー１６の発光領域１６ａとを約５０μｍ
まで接近させることにより集光部品に光を入射し、導光
部１４の出力端１４ｂの先端からの出射光量を測定し
て、結合効率を求めた。
【００６６】（実施例２）実施例１で得られたダクト部
１２の２枚を幅１ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの石英製リボン
で連結した。そして、ダクト部の入射面及び石英製リボ
ンの出力端に反射防止膜を形成し、図２０に示される集
光部品１０を２個作製した。光源として、５００μｍピ
ッチで１９個のレーザーダイオードが一列に配列され、
厚さ数μｍ、幅約９ｍｍの偏平な発光領域を有するＬＤ
バーが約１ｍｍ間隔で４段積み重なれているものを用い
た。そして、図２１に示されるように、上述した集光部
品１０の各々のダクト部１２の入射面１２ａとＬＤバー
１６の発光領域１６ａとを約５０μｍまで接近させるこ
とにより集光部品１０に光を入射し、２本の石英製リボ
ンから出射された出射光量を測定して、結合効率を求め
た。
【００６７】（実施例３）コンピューター制御のステー
ジと炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で得られたダ
クト部の入射面１２ａに５００μｍピッチでマイクロレ
ンズを１９個形成してフレネルレンズ様のレンズ面を形
成した。そして、ダクト部の頂点に幅０．５ｍｍの切断
面を形成して出射端とした。そして、ダクト部の入射面
１２ａ及び出射端に反射防止膜を形成し、図２４及び図
２５に示される集光部品を得た。光源として実施例１で
用いたＬＤバーと同一のものを用い、ＬＤバーの各々の
レーザーダイオードが集光部品の各々のマイクロレンズ
と対向するようにした他は実施例１と同一条件で集光を
行い、結合効率を求めた。
【００６８】（実施例４）コンピューター制御のステー
ジと炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で得られたダ
クト部１２の入射面１２ａに５００μｍピッチでマイク
ロレンズを１９個形成してフレネルレンズ様のレンズ面
を形成した。また、ダクト部１２の反射面１２ｂの一方
に炭酸ガスレーザーを照射して溶融させることにより、
反射面１２ｂに直径約４５０μｍのファイバー状の導光
部１４を形成した。そして、ダクト部の入射面１２ａ及
び導光部１４の出力端１４ｂに反射防止膜を形成し、図
２６及び図２７に示される集光部品を得た。そして、実
施例３と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。 （実施例５）コンピュータ制御のステージと集光した炭
酸ガスレーザーを用いて、実施例１で用いたダクト部の
入射面に約４９０μｍピッチでマイクロレンズを１９個
形成した。そして、ダクト部の頂点に幅０．５ｍｍの切
断面を形成して出射端とした。そして、ダクト部の入射
面１２ａ及び出力端に反射防止膜を形成し、図２８及び
図２９に示される集光部品を得た。そして、実施例３と
同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。
【００６９】（実施例６）コンピュータ制御のステージ
と集光した炭酸ガスレーザーを用いて、実施例１で用い
たダクト部の入射面に約４９０μｍピッチでマイクロレ
ンズを１９個形成した。また、このダクト部１２の反射
面１２ｂの一方に炭酸ガスレーザーを照射して溶融させ
ることにより、反射面１２ｂに直径約４５０μｍのファ
イバー状の導光部１４を形成した。そして、ダクト部の
入射面１２ａ及び導光部１４の出力端１４ｂに反射防止
膜を形成し、図３０及び図３１に示される集光部品を得
た。そして、実施例３と同一条件で集光を行い、結合効
率を求めた。 （実施例７）実施例１で用いたダクト部１２にシリンド
リカルレンズ状の穴を形成した。この穴に屈折率約１．
５の紫外線硬化樹脂を充填、硬化させて、曲率半径約６
ｍｍ、レンズ幅約１１ｍｍ、中心部厚さ約１５ｍｍの屈
曲部を形成した。屈折部と入射面との距離は屈折部中央
において約２ｍｍであった。そして、ダクト部の頂点に
幅０．５ｍｍの切断面を形成して出射端とした。そし
て、ダクト部１２の入射面１２ａ及び出射端に反射防止
膜を形成して、図３２及び図３３に示される集光部品を
得た。この集光部品を用いて実施例１と同一条件で集光
を行い、結合効率を求めた。 （比較例）実施例１で得られたダクト部を用いて実施例
１と同一条件で集光を行い、結合効率を求めた。以上の
結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】 表１より本発明に係る集光部品によれば高い結合効率が
得られることが明らかになった。 Ｂ．レーザー装置によるレーザー発振
【００７１】（実施例８）図３４に示されるレーザ装置
を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行った。外径１
０ｃｍ、内径９ｃｍの銅製の円筒２２ａの表面に金メッ
キを施し、その上に屈折率約１．３８の樹脂を薄くコー
ティングした。この円筒２２ａの側面に、幅６０ｍｍ、
厚さ５００μｍ、長さ３１４ｍｍのガラスシート２２を
炭酸ガスレーザーで加熱しながら巻き付け、構造体２２
を作成した。このガラスシート２２としては、石英ガラ
スを研磨して作成されたものが用いられた。
【００７２】上記の構造体２２に光ファイバー２４を４
００周、約１２５ｍ巻き付けてレーザー装置２０を構成
した。この光ファイバー２４としては、母材が石英ガラ
スで、コア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍであり、
コア部に０．５ａｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ
３＋）がドープされているレーザーファイバーが用いら
れた。この光ファイバー２４の一端面２４ａは平面研磨
された後にレーザー発振波長１・０６μｍにおいて反射
率９８％以上の多層膜コートが施された。また、光ファ
イバーの他端面２４ｂは、出力端として、垂直破断した
だけの面であり、コート処理等は施されなかった。この
他端面２４ｂの反射率は、レーザー発振波長１．０６μ
ｍに対して４％程度であった。
【００７３】ＬＤバー１６及び集光部品１０としては上
述した実施例１、実施例４及び実施例６で得られたもの
を用いた。そして、集光部品１０の導光部１４の出力端
１４ｂに直径約５００μｍのガラスファイバー２６の一
端を接続し、その他端をガラスシート２２の上端部に融
着接続して励起光の導入を行った。ＬＤバー１６から発
せらた励起光は波長０．８μｍ、出力４０Ｗであり、集
光部品１０により約３６〜３８Ｗが構造体に導入され
た。そして、構造体２２に巻き付けられた光ファイバー
２４の出力端２４ｂから発せられた波長１．０６μｍの
レーザー出力を測定した。結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
【００７５】また、このレーザー装置の光ファイバー２
４の両端面２４ａ、２４ｂを引き出して垂直破断面とす
ることにより光信号増幅装置を構成した。集光ダクトと
しては実施例１で得られたものを用いた。この光ファイ
バー２４の一端２４ａから波長１．０６μｍ、出力５０
０μＷの信号光を入射したところ、他端２４ｂから３７
０ｍＷの増幅光が出射され、２９ｄＢの利得が得られ
た。
【００７６】（実施例９）図３５に示されるレーザー装
置３０を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行った。
両端の半径５０ｍｍ、直線部分が１００ｍｍの長円形の
横断面を有する長円柱形状の銅製の支持体３２の表面に
金コート処理を施し、その上に屈折率約１．３８の樹脂
を薄くコーティングした。この支持体３２に光ファイバ
ー２４を８０周、約４０ｍ巻き付けた。この光ファイバ
ー２４としては、母材が石英ガラスで、コア径５０μ
ｍ、クラッド径２５０μｍであり、コア部には０．５ａ
ｔ％の濃度でネオジムイオン（Ｎｄ３＋）がドープされ
ているレーザーファイバーが用いられた。この光ファイ
バー２４の一端面は平面研磨された後にレーザー発振波
長１・０６μｍにおいて反射率９８％以上の多層膜コー
トが施された。また、光ファイバー２４の他端面２４ｂ
は、出力端として、垂直破断しただけの面であり、コー
ト処理等は施されなかった。この他端面２４ｂの反射率
は、レーザー発振波長１．０６μｍに対して４％程度で
あった。
【００７７】上記の巻き付けられた光ファイバー２４の
直線部分に、同一のダクト部１２が接続された。このダ
クト部１２としては、実施例１で得られたダクト部１
２、実施例３及び実施例５で得られた集光部品１０が用
いられた。ダクト部１２は、反射面１２ｂが光ファイバ
ー２４の側面に固定されるように石英ガラスと同じ屈折
率を有する紫外線硬化樹脂により接着した。このダクト
部１２は、光ファイバーの２０周毎に１個ずつ、計３個
接続された。ダクト部１２は、図３６に示されるよう
に、約５００μｍピッチで巻き付けた光ファイバー２４
の１ヶ所で接続した。ＬＤバー１６としては実施例１で
用いられたものと同一のものを３個用い、各々のダクト
部１２の入射面１２ａにＬＤバー１６の発光領域を近接
させた。そして、光ファイバーの出力端２４ｂから発せ
られた波長１．０６μｍのレーザー光の出力を測定し
た。結果を表３に示す。
【００７８】
【表３】
【００７９】また、ダクト部１２を、図３７に示される
ように、約２５０μｍピッチで密着させて巻き付けた光
ファイバー２４の隣接する２ヶ所で接続するようにし
た。ＬＤバー１６としては実施例１で用いられたものと
同一のものを３個用い、各々のダクト部１２の入射面１
２ａにＬＤバー１６の発光領域を近接させた。そして、
光ファイバーの出力端２４ｂから発せられた波長１．０
６μｍのレーザー光の出力を測定した。その結果、光フ
ァイバーの出力端から波長１．０６μｍでレーザー出力
４８Ｗのレーザー光が得られた。さらに、このレーザー
装置３０の光ファイバー２４の両端面を引き出して垂直
破断面とすることにより光信号増幅装置を構成した。ダ
クト部１２としては実施例１で得られたものを用い、ダ
クト部１２と光ファイバー２４の接続形態は、図３７に
示されるように、約２５０μｍピッチで密着させて巻き
付けた光ファイバー２４の隣接する２個所で接続するよ
うにした。この光ファイバー２４の一端から波長１．０
６μｍ、出力１００μＷの信号光を入射したところ、他
端２４ｂから２９０ｍＷの増幅光が出射され、３５ｄＢ
の利得が得られた。
【００８０】（実施例１０）図３８に示されるレーザー
装置３５を用いてレーザー発振及び光信号増幅を行っ
た。コア径約５０μｍ、クラッド径約１２５μｍ、Ｎｄ
３＋添加量約０．５ａｔ％の石英ガラスレーザーファイ
バー２４を巻回して、内径約１５ｃｍ、外形約１７ｃ
ｍ、厚さ約１５０μｍの円環を作製した。この円環を石
英ガラスと同じ屈折率の紫外線硬化樹脂を用いて一体化
して光ファイバー構造体３６を得た。このファイバー２
４の一端には平面研磨後にレーザー発振波長１．０６μ
ｍにおいて反射率９８％以上の多層膜反射コーティング
を施した。また、他端は出力端として垂直破断面とし、
コーティングは施さなかった。
【００８１】集光部品１０としては実施例３、実施例５
及び実施例７で得られたものを用い、炭酸ガスレーザー
を用いてダクト部１２の先端部を光ファイバー構造体３
６の外周部の形状に合わせて周長約１５ｍｍで曲面カッ
トして接続部１２ｉを形成した。そして、集光部品１０
の接続部１２ｉと光ファイバー構造体３６の外周部とを
石英ガラスと同じ屈折率の紫外線硬化樹脂により接着し
た。光ファイバー構造体３６は上下から低屈折率の樹脂
シート（厚さ０．１ｍｍのＦＥＰシート）を介して、金
属製の放熱板を用いて挟んだ。ＬＤバーとしては実施例
１で用いられたものと同一のものを用い、ＬＤバーから
波長０．８μｍ、出力４０Ｗの励起光を入射した。そし
て、出力端から発せられた波長１．６μｍのレーザー光
の出力を測定した。結果を表４に示す。
【００８２】
【表４】 以上の結果から、本発明によればレーザー発振効率の高
いレーザー装置を得られることが明らかになった。
【００８３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の集光部品及び光源モジュールによれば、集光部に入射
された光を導光部に導いて導光させることにより、集光
部内での光の反射回数を減らすことができる。従って、
光が集光部の反射面に入射するときの入射角が全反射条
件である臨界角より小さくなる前に光を集光部の先端部
にまで到達させることができるので、光をより微小なス
ポットに集光することが可能になる。また、複数の光学
部品を用いた従来の集光装置に比べ、構成が簡単である
ため、製造や調整にかかる手間及びコストを低減するこ
とが可能になる。また、本発明のレーザー装置及び光信
号増幅装置によれば、上記の集光部品により集光された
エネルギー密度の高い励起光によりレーザー発振及び光
信号増幅を行うので、装置の効率化を図ることが可能に
なる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集光部品の第１実施形態を示す斜
視図である。
【図２】本発明に係る集光部品の第１実施形態を示す断
面図である。
【図３】導光部が中空に形成されている状態を示す断面
図である。
【図４】導光部が断面四角形状に形成されている状態を
示す断面図である。
【図５】導光部の径に対するダクト部の厚さと結合効率
との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係る集光部品の第１実施形態の他の例
を示す断面図である。
【図７】ダクト部と導光部のオフセット量と結合効率と
の関係を示すグラフである。
【図８】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視
図である。
【図９】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜視
図である。
【図１０】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜
視図である。
【図１１】本発明に係る集光部品の作用を説明するため
の図である。
【図１２】本発明に係る集光部品の作用を説明するため
の図である。
【図１３】本発明に係る集光部品の作用を説明するため
の図である。
【図１４】本発明に係る集光部品に入射された光の光路
を光線追跡法により解析した結果を示す図である。
【図１５】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第１
変形例を示す平面図である。
【図１６】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第２
変形例を示す斜視図である。
【図１７】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第３
変形例を示す斜視図である。
【図１８】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第３
変形例を示す断面図である。
【図１９】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第４
変形例を示す断面図である。
【図２０】本発明に係る集光部品の第１実施形態の第５
変形例を示す斜視図図である。
【図２１】集光部品に光を入射する状態の一例を示す斜
視図である。
【図２２】導光部がダクト部の中央に形成されている集
光部品を示す斜視図である。
【図２３】導光部がダクト部の中央に形成されている集
光部品を示す断面図である。
【図２４】本発明に係る集光部品の第２実施形態を示す
平面図である。
【図２５】本発明に係る集光部品の第２実施形態を示す
側面図である。
【図２６】本発明に係る集光部品の第２実施形態の変形
例を示す平面図である。
【図２７】本発明に係る集光部品の第２実施形態の変形
例を示す側面図である。
【図２８】本発明に係る集光部品の第３実施形態を示す
平面図である。
【図２９】本発明に係る集光部品の第３実施形態を示す
側面図である。
【図３０】本発明に係る集光部品の第３実施形態の変形
例を示す平面図である。
【図３１】本発明に係る集光部品の第３実施形態の変形
例を示す側面図である。
【図３２】本発明に係る集光部品の第４実施形態を示す
平面図である。
【図３３】本発明に係る集光部品の第４実施形態を示す
側面図である。
【図３４】本発明に係るレーザー装置の第１実施形態の
概略を示す斜視図である。
【図３５】本発明に係るレーザー装置の第２実施形態の
概略を示す斜視図である。
【図３６】ダクト部と光ファイバーとの接続状態の一例
を示す断面図である。
【図３７】ダクト部と光ファイバーとの接続状態の一例
を示す断面図である。
【図３８】本発明に係るレーザー装置の第２実施形態を
示す斜視図である。
【図３９】光ファイバー構造体と集光部との接続状態を
示す平面図である。
【図４０】従来のファイバーカップリング方式の集光装
置を説明するための図である。
【図４１】従来の対向ミラー方式の集光装置を説明する
ための平面図である。
【図４２】従来の対向ミラー方式の集光装置を説明する
ための側面図である。
【図４３】従来の三角ダクトを示す斜視図である。
【図４４】従来の三角ダクトに入射された光の光路を光
線追跡法により解析した結果を示す図である。
【図４５】従来の三角ダクトの他の例を示す平面図であ
る。
【符号の説明】
１０ 集光部品 １２ ダクト部 １２ａ 入射面 １２ｂ 反射面 １４ 導光部 １６ ＬＤバー １６ａ 発光領域 ２０ レーザー装置 ２２ 構造体 ２４ 光ファイバー ３０ レーザー装置 ３２ 支持体

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 集光される光が入射される入射面と、前
    記入射面から入射された光の進行方向に位置する先端部
    と、前記入射面と前記先端部とを連結し、前記入射面か
    ら入射された光を反射して前記先端部方向へ進行させる
    反射面を有し、前記入射面から入射された光を前記先端
    部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、 前記反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方
    向に設けられている導光部とを有し、 前記導光部は前記集光部を進行する光を内部に取り込ん
    で反射させることにより前記導光部の前記先端部側の端
    部に向って進行させると共に、前記導光部から前記集光
    部へ進行する光を前記集光部の反射面に対して実質的に
    全反射条件を保つように進行させるように設けられてお
    り、 前記集光された光を前記先端部および前記導光部の前記
    先端部側の端部の少なくとも一方から出射することを特
    徴とする集光部品。
  2. 【請求項２】 前記集光部は、集光される光の波長に対
    して光学的に透明な材料で実質的に薄板状の三角形状に
    形成されており、前記三角形の一辺を含む厚さ方向の面
    が前記入射面であり、前記三角形の他の辺を含む厚さ方
    向の２面が前記反射面であり、前記入射面に対向する頂
    点が前記先端部であることを特徴とする請求項１記載の
    集光部品。
  3. 【請求項３】 前記導光部は前記入射面から前記先端部
    に渡って設けられている請求項１又は２記載の集光部
    品。
  4. 【請求項４】 前記導光部はファイバー状の形状を有す
    る請求項１〜３記載の集光部品。
  5. 【請求項５】 前記導光部は前記反射面を溶融すること
    により形成される自由曲面を有する請求項３又は４記載
    の集光部品。
  6. 【請求項６】 前記集光部は薄板状であり、前記集光部
    の厚さ方向における前記導光部の最大厚さは前記集光部
    の厚さの２倍以上である請求項４又は５記載の集光部
    品。
  7. 【請求項７】 前記集光部は薄板状であり、前記集光部
    の厚さ方向の中心と前記導光部の厚さ方向の中心とがず
    れている請求項４〜６のいずれか１項記載の集光部品。
  8. 【請求項８】 発光領域が長手方向と短手方向を有する
    光源と、前記光源の発光領域から発せられた光を集光す
    る請求項１〜７のいずれか１項記載の集光部品とを備え
    た光源モジュール。
  9. 【請求項９】 発光領域が長手方向と短手方向を有する
    光源と、前記光源の発光領域から発せられた光を集光す
    る請求項１〜７のいずれか１項記載の集光部品を複数備
    えた光源モジュールであって、 前記複数の集光部品の入射面は前記発光領域に向かって
    水平方向及び垂直方向のいずれか一方向に配列されてい
    る光源モジュール。
  10. 【請求項１０】 レーザー活性物質を含み、前記レーザ
    活性物質が励起されることにより端部よりレーザー光を
    出力するレーザーファイバーと、 前記レーザー活性物質を励起する励起光を発生する励起
    光源と、 前記励起光を集光する請求項１〜７のいずれか１項記載
    の集光部品と、 前記励起光に対して透明な材料で形成されており、前記
    集光部品により集光された励起光を閉じ込め可能な構造
    体とを備え、 前記レーザーファイバーの側面の少なくとも一部と前記
    構造体とが直接又は光学媒質を介して間接的に接触して
    おり、その接触した部分を通じて前記レーザーファイバ
    ーに入射される励起光により前記レーザー活性物質が励
    起されるレーザー装置。
  11. 【請求項１１】 励起光を発生する励起光源と、 前記励起光が入射される入射面と、前記入射面から入射
    された励起光の進行方向に位置する先端部と、前記入射
    面と前記先端部とを連結し、前記励起光を反射して前記
    先端部方向へ進行させる反射面を有し、前記励起光を前
    記先端部方向へ伝搬させながら集光する集光部と、前記
    反射面において前記入射面から前記先端部へ向う方向に
    設けられている導光部とを有し、前記導光部は前記集光
    部を進行する励起光を内部に取り込んで反射させること
    により前記導光部の前記先端部側の端部に向って進行さ
    せると共に、前記導光部から前記集光部へ進行する励起
    光を前記集光部の反射面に対して実質的に全反射条件を
    保つように進行させるように設けられている集光部品と
    を備えたレーザー装置であって、 前記導光部は、レーザー活性物質を含み、前記励起光に
    より前記レーザ活性物質が励起されると端部よりレーザ
    ー光を出力するレーザーファイバーであるレーザー装
    置。
  12. 【請求項１２】請求項１０又は１１記載のレーザー装置
    を備え、前記レーザーファイバーの一端を信号光の入力
    端とし、他端を増幅光の出力端とする光信号増幅装置。
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