JP4048016B2

JP4048016B2 - 半導体レーザ光源及びこれを用いた半導体レーザ加工装置

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Publication number: JP4048016B2
Application number: JP2000066688A
Authority: JP
Inventors: ラリット・ビー・シャルマ; 裕司竹中; 啓介古田; 哲夫小島; 公治安井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2000-03-10
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2020-03-10
Also published as: JP2001257434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力半導体レーザ光源に関し、特に、等方的な出力ビームを有し、産業用、材料加工用、医療用の高出力レーザ装置に応用することができる高出力半導体レーザ光源の提供に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザダイオードは、高効率（≧４０％）、小型、長寿命、低コストといった利点を有しているため、種々のレーザ装置のレーザ光源として魅力的である。近年、新たなレーザダイオードの開発や、ヒートシンクの高効率化、レーザチップのマウント技術の発展等によって、レーザダイオードの出力は飛躍的に増大しており、材料加工用や医療用レーザ装置のレーザ光源へのレーザダイオードの応用の可能性が高まってきた。
【０００３】
しかしながら、半導体レーザダイオードには、こうした分野に応用するには出力ビーム品質が十分でないという大きな欠点がある。半導体レーザダイオードの発光領域は、接合面に平行な方向に長く（数ｍｍ〜１０ｍｍ）、接合面に垂直な方向に短い（〜１μｍ）ため、出力レーザ光のビーム品質は異方性が非常に大きい。このため、半導体レーザダイオードの出力光を、試料上に小さな円形スポットで集光することが難しい。このことはレーザダイオードを加工用途等に用いるための大きな障害となる。
【０００４】
従来、レーザダイオードのビーム品質因子を等方化する技術としては、例えば、W.A.Clarkson等によって1996年3月15日発行のOptics Letter Vol.21に発表された方法があった。この方法の概略を図８（ａ）及び（ｂ）に示す。この方法では、複数の半導体レーザダイオードチップを接合面の方向が揃うように一次元配列したレーザダイオードバーを光源として、その出力光を２枚の平行な高反射率ミラー（８０８ｎｍにおいて９９．８％以上）２９及び３０から成るビーム整形器を用いて整形する。図８（ａ）は、ビーム整形器の上面図を示し、図８（ｂ）は、その側面図を示している。レーザダイオードバーからの入力レーザ光は複数の隣接したビーム（図中（１）〜（５））から成り、レーザ光の進行方向をｚ方向として、ｘｚ平面及びｙｚ平面におけるビーム品質因子が各々Ｍ_x ²及びＭ_y ²となっている。尚、図面の簡単のために入力レーザ光は５個の平行なビームから成るとしている。ミラー２９とミラー３０は少しずらして配置されており、入力レーザ光は、ミラー３０の、ミラー２９に隠れていない部分に斜めに入射する。ミラービーム整形器の２枚のミラーがｘ’ｙ’平面内にあるとすると、入力レーザ光は、ｘ’ｚ’平面においてミラー３０に対してθｘ’の角度で進入し（図８（ａ））、ｙ’ｚ’平面においてミラー３０に対してθｙ’の角度で進入する（図８（ｂ））。２枚のミラー２９及び３０の間の距離ｄと入力レーザ光の進入角度θ_x及びθ_yとを適切に調整することにより、入力レーザ光を個々のエミッタ（＝レーザチップ）ごとに分割して、分割されたレーザ光をｙ方向に積層させる。積層された出力光は２つのクロスした円柱レンズによって直交面内において平行とされ、最終的に非球面レンズによって集光される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の方法には、ビーム整形器が大型化し、フレキシビリティに欠け、低効率であるといった欠点に加えて、レーザダイオードバーを複数個積層してさらなる高出力化を図りたい場合に適用が困難であるという欠点がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みて成されたものであり、材料加工用又は医療用レーザ装置に必要な円形スポットへの集光が可能な等方的レーザ光を出力する高出力半導体レーザ光源であって、小型、フレキシブル、低コストで、しかも複数のレーザダイオードバーを積層することによる高出力化が可能な半導体レーザ光源を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の半導体レーザ光源は、半導体レーザダイオードを複数個配列してなるレーザダイオードアレイと、該レーザダイオードアレイの出力レーザ光のビーム形状を整形するビーム整形器と、前記レーザダイオードアレイを前記ビーム整形器に光学的に接続するレンズ系とを備えた半導体レーザ光源であって、前記ビーム整形器中に、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少する非可撓性の透明ロッドを有し、前記レーザダイオードアレイの出力レーザ光が前記透明ロッド内を伝搬することにより、前記出力レーザ光のビーム品質因子が等方化されることを特徴とする。
【０００８】
ビーム整形器内の透明ロッドは、擬似レンズ列として作用し、レーザ光の拡大・縮小を繰り返しながら、レーザ光を伝搬する。このレーザ光の拡大・縮小過程は、ロッド内の屈折率分布の微妙な乱れと相俟って、伝搬するレーザ光に誘乱を与える。このため、レーザ光のビーム品質の異方性は、レーザ光が透明ロッド中を伝搬するにしたがって徐々に解消され、透明ロッドから等方的なレーザ光が出射される。
【０００９】
このビーム整形手段によれば、複数のレーザダイオードの発光を積み重ねることによってビーム形状を整形する従来の方法と異なり、個々のレーザダイオードの発光自身を等方化することができる。従って、レーザダイオードを二次元配列して高出力化を行うことができる。
【００１０】
例えば、前記レーザダイオードアレイが、接合面の方向が揃った半導体レーザダイオードの一次元配列から成るレーザダイオードバーを、複数個積層して成ることが好ましい。このようなレーザダイオードアレイを用いることにより、ｋＷオーダの高いＣＷ出力を得ることができる。
【００１１】
また、前記レーザダイオードアレイを、接合面の方向が揃った半導体チップの一次元配列から成るレーザダイオードバーを、複数個放射状に配列して構成しても良い。このようなレーザダイオードアレイを用いることにより、ｋＷオーダの高いＣＷ出力を得ると共に、ビーム品質因子の異方性を小さくすることができる。
【００１２】
また、前記透明ロッドが、前記出力レーザ光の誘乱を促進するように、中心軸の曲がりを有していることが好ましい。これにより、透明ロッド内を伝搬するレーザ光に与える誘乱を大きくして、レーザビームの等方化に必要な透明ロッドの長さを短縮することができる。
【００１３】
さらに、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の遅軸方向の径φ_xが、前記透明ロッドの屈折率が変化する領域の径φ_c以下であることが好ましい。これにより、透明ロッドを伝搬することによるレーザ光のビーム品質低下を抑制することができる。尚、ここで、「透明ロッドの屈折率が変化する領域の径」とは、透明ロッドのうちクラッド部分を除いたコア部分の径を指し、クラッド部のない透明ロッドの場合には透明ロッドの直径に一致する。
【００１４】
加えて、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の遅軸方向のビーム品質因子をＭ_x ²、前記出力レーザ光の中心波長をλ、前記透明ロッドの中心軸における屈折率をｎ₀、前記透明ロッドｎ中心軸と外周との屈折率差をΔｎとして、前記φ_xが、次式
【数３】

を実質的に満たすことが好ましい。これにより、透明ロッドを伝搬することによるレーザ光のビーム品質低下をさらに抑制することができる。
【００１５】
またさらに、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の速軸方向のビーム品質因子をＭ_y ²として、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の速軸方向の径φ_yが、
【数４】

を実質的に満たすことが好ましい。これにより、透明ロッドに入射したレーザ光のビーム品質を維持したまま、ビームの等方化を行うことができる。
【００１６】
また、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の開口数が、前記透明ロッドの開口数以下であることが好ましい。これにより、透明ロッドに入射するレーザ光の強度ロスを防止することができる。
【００１７】
さらに、前記透明ロッドの長さが、透明ロッドの屈折率が変化する領域の径の２５倍以上であることが好ましい。これにより、透明ロッドから出力される光を真円とすることができる。
【００１８】
また、前記透明ロッドを、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少するように加熱されている均質なガラスロッドによって構成しても良い。これにより、安価な材料を用いてレーザ光の等方化を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の半導体レーザ加工装置は、上記の本発明に係る半導体レーザ光源と、該半導体レーザ光源から出力されたレーザ光を伝送するためのフレキシブルなマルチモード光ファイバと、前記半導体レーザ光源と前記光ファイバを光学的に接続するための光学レンズと、前記光ファイバから出力されたレーザ光を被加工物に集光するための加工ヘッドとを有することを特徴とする。
【００２０】
この半導体レーザ加工装置は、半導体レーザダイオードアレイ及び透明ロッドを用いる光源を利用するため小型、高出力、長寿命であり、円形の小さな集光スポットを得ることができるため加工性に優れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体レーザ光源を示す概略図である。図１に示すレーザ光源は、半導体レーザダイオードを複数個配列したレーザダイオードアレイ１と、光学レンズ系３と、レーザ光のビーム形状を整えるビーム整形器である透明ロッド４とを備える。レーザダイオードアレイ１から出力された高次モード発振のレーザ光２は、光学レンズ系３によって透明ロッド４の光入射端面に集光され、透明ロッド４を伝搬して光出射端面から出射する。レーザ光２はレーザダイオードアレイ１から出力された時には非常に大きな異方性を有しているが、透明ロッド４を伝搬する間に等方化され、均質な円形ビームとして出力される。
【００２２】
レーザダイオードアレイ１は、例えば、図２に示すように、２０個のエミッタ（＝レーザダイオード）６を接合面の方向が揃うように一次元に配列したレーザダイオードバー７を、２５ライン積層した構成とすることができる。こうして構成されたレーザダイオードアレイ１によれば、ｋＷオーダの高いＣＷ出力が得られる。図２に示すレーザダイオードアレイから出力されるレーザ光のスポット形状は、レーザダイオードの遅軸方向（半導体レーザダイオードの接合面に平行な方向）を横辺とし、レーザダイオード７の速軸方向（半導体レーザダイオードの接合面に垂直な方向）を縦辺とする矩形となる。個々のレーザダイオード６の発光領域は、遅軸方向に長く（数ｍｍ〜１０ｍｍ）、速軸方向に短い（〜１μｍ）ため、出力レーザ光のスポット形状はアスペクト比の大きな矩形となる。また、出力されるレーザ光のビーム品質因子Ｍ²の異方性も大きく、レーザダイオードの遅軸方向のビーム品質因子Ｍ_x ²は、速軸方向のビーム品質因子Ｍ_y ²に比べて遥かに大きくなる。
【００２３】
光学レンズ系３には、複数のコリメーションレンズ、集光レンズ及び他の適当な光学部品が組み込まれている。光学レンズ系３は、まず、レーザダイオードアレイ１の出力光２を遅軸方向及び速軸方向に平行にし、そして、平行化した光を透明ロッド４の光入射端面に集光する。光入射端面に集光された時にも、レーザ光の矩形形状とビーム品質の異方性は維持されている。尚、レーザダイオードアレイ１がマイクロレンズを備えている場合には、レンズ系３において速軸方向の平行化を行うコリメーション・レンズは省略することができる。
【００２４】
透明ロッド４は、半導体レーザ光源の発光波長において透明な円柱体であり、円柱の中心軸から外周に向かって２次関数的に減少する屈折率分布を有している。透明ロッド４は、いわゆるグレーテッド・インデックス型（ＧＩ型）光ファイバと同様の屈折率構造を有しているが、ＧＩ型光ファイバよりも短く、可撓性のないロッドである。透明ロッド４は、ＧＩ型光ファイバと同様に、その周囲をクラッド層によって覆っても良い。その場合には、コア部分において屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少する。透明ロッド４には、例えば、ＧＩ型光ファイバの製造工程においてファイバへの紡糸前に得られるロッドを用いることができる。
【００２５】
この透明ロッド４は、ＧＩ型光ファイバと同様の原理に従って、擬似レンズ列として作用し、レーザ光２を、その拡大・縮小を繰り返しながら伝搬する。このレーザ光の拡大・縮小過程は、屈折率分布の微妙な乱れと相俟って、伝搬するレーザ光に誘乱を与える。このため、レーザ光の矩形形状及びビーム品質の異方性は、レーザ光が透明ロッド４中を伝搬するにしたがって徐々に解消され、透明ロッド４の出射端部から等方的なビーム品質を有する円形のレーザ光が出射される。したがって、ＧＩ型の屈折率分布を有する透明ロッド４を用いることにより、簡易な構成によってレーザダイオード出力の異方性を解消することができる。
【００２６】
また、透明ロッドによってビーム整形を行えば、半導体レーザダイオードの個々のビームについて等方化を行うことができるため、図２に示したようなレーザダイオードの２次元配列についてもビーム整形を行うことができる。したがって、大出力の半導体レーザ光源を構成することができる。
【００２７】
さらに、ＧＩ型の屈折率分布を持った透明ロッド４によってビーム品質の等方化を行うことには、得られるビーム形状が安定となるという利点もある。透明ロッド４を、いわゆるステップインデックス型光ファイバと同様の構造としてもレーザ光のビーム品質の異方性を緩和することは可能であるが、このような構成によっては透明ロッドに応力や衝撃などの外乱が加わると得られるビーム形状が簡単に変化してしまうからである。
【００２８】
光学レンズ系３の焦点距離、及びコリメーション・レンズと集光レンズの配置は、レーザ光の強度ロスを防止し、ビームの品質を維持することができるように適切に設定する。レーザ光の強度ロスを防止するためには、透明ロッド４への入射光学系の開口数（＝ＮＡ値（Numerical Aperture））が透明ロッド４の開口数以下となるようにすることが好ましい。レーザ光のビーム品質の劣化を抑制するためには、透明ロッド４の光入射端面におけるレーザ光ビーム形状の遅軸方向の長さφ_xが、透明ロッドのクラッド部を除くコア部分の直径φ_c以下であることが好ましい。
【００２９】
また、レーザ光のビーム品質の劣化をさらに抑制するためには、透明ロッド４の光入射端面におけるレーザ光の遅軸方向の長さφ_xが、次の（式１）を満たすことが好ましく、同時に速軸方向の長さφ_yが、次の（式２）を満たすことがさらに好ましい。
【数５】

ここで、Ｍ_x ²及びＭ_y ²は透明ロッド４の光入射端面におけるレーザダイオードアレイ出力光の遅軸方向及び速軸方向のビーム品質因子、λはレーザダイオードアレイの出力光の中心波長、ｎ₀は透明ロッド４の中心軸における屈折率を、Δｎは透明ロッドの中心軸と外周との屈折率差である。
【００３０】
特に、（式１）及び（式２）の両方が満たされている場合には、一定の長さ以上の透明ロッドから出力されるレーザ光のビーム品質因子Ｍ_r ²は全方位について√（Ｍ_x ²Ｍ_y ²）に等しくなる。即ち、φ_x及びφ_yが上式を満たす大きさとなるように光学系３の焦点距離等を設定することにより、入射されたレーザ光のビーム品質を劣化させることなく、等方的な円形ビームを得ることができる。
【００３１】
例えば、図２に示す１ｋＷの出力を有するレーザダイオードアレイ７の場合について計算を行うと、遅軸方向及び速軸方向のビーム品質因子は各々Ｍ_x ²＝４０００及びＭ_y ²＝２５、最適なビーム径はφ_x＝９．０９５ｍｍ及びφ_y＝０．７１９ｍｍとなり、透明ロッドから出力されるレーザ光のビーム品質因子はＭｒ²＝３１６となると見積もられる。尚、計算に当たっては、λ＝８０８．０ｎｍ、ｎ₀＝１．４３７、Δｎ＝０．０２１とした。
【００３２】
図３は、コア部の直径約１０ｍｍの透明ロッドを用いた場合について、出力レーザ光のビーム品質因子Ｍ²の、透明ロッドの長さＬに対する依存性を示すグラフである。図から明らかなように、遅軸方向のビーム品質因子１８と速軸方向のビーム品質因子１９の差は、透明ロッドの長さＬが長くなるに従って減少する。例えば、長さＬ２におけるビーム品質因子の差は、長さＬ１における差に比べて大きく減少している。透明ロッドの長さＬが、コア径の約２５倍以上となる２５ｃｍ以上でビーム品質因子の異方性はほぼ解消され、コア径の約３０倍以上となる３０ｃｍ以上でビーム品質因子の異方性は完全に解消されている。また、ビーム形状も透明ロッドの長さＬに対して同様の傾向を示し、長さがＬ２におけるビーム形状２１は、長さＬ１におけるビーム形状２０に比べて異方性が小さく、長さが３０ｃｍ以上におけるビーム形状２２は真円となる。
【００３３】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源のレーザダイオードアレイを示す概略図である。本実施の形態においては、図２に示したレーザダイオードバーを積層したレーザダイオードアレイ１に代えて、レーザダイオードバー９を放射状に配列したレーザダイオードアレイ８を用いる。
【００３４】
このレーザダイオードアレイ８によれば、図２に示したレーザダイオードアレイと同様にｋＷオーダの高いＣＷ出力を得ることができる。また、レーザダイオードバー９を放射状に配列することにより、図２に示したレーザダイオードアレイ１よりも、直交する平面におけるビーム品質因子の異方性を小さくすることができる。
【００３５】
尚、図４に示すレーザダイオードアレイの場合、ビームの動径方向がレーザダイオードアレイ８の遅軸方向となり、ビームの角度方向（円周方向）がレーザダイオードアレイ８の速軸方向となる。従って、この場合に透明ロッドによるビーム品質の劣化を抑制するための条件は、透明ロッドの光入射端面におけるビームの直径φ_xを基準として考える。即ち、直径φ_xが透明ロッドのコア径φ_c以下であることが好ましく、直径φ_xが上記（式１）を満たすことがさらに好ましい。
【００３６】
実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ光源の透明ロッド１１を示す概略図である。本実施の形態においては、透明ロッド１１に適切な曲率を持たせることにより、透明ロッドの光軸を蛇行させる。透明ロッドの入射端面１２から入射したレーザ光１４は、透明ロッド１１内を拡大・縮小を繰り返しながら蛇行して伝搬し、透明ロッドの出射端面１３から真円化されたレーザ光１５として出射する。したがって、透明ロッド１１に適当な中心軸の曲がりを持たせることにより、透明ロッド１１内を伝搬するレーザ光１４は拡大・縮小による誘乱に加えて進行方向が蛇行することによる誘乱を受けることになり、真直ぐな透明ロッドを用いた場合よりも短い距離でビーム品質の異方性が解消される。
【００３７】
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ光源の透明ロッドを示す概略図である。本実施の形態においては、より安価な材料を用いてビーム整形を行うため、透明ロッドとして単純な均質ガラスロッド３６を用いる。図６（ａ）に示すように、単純な均質ガラスロッド３６の全周を囲んで加熱ヒータ３８を設け、ガラスロッド３６の外周部を適切な温度に加熱する。これにより、ガラスロッド３６の動径方向に図６（ｂ）に示すような屈折率分布を発生させ、ガラスロッド３６をＧＩ型の透明ロッドとすることができる。
【００３８】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ加工装置を示す概略図である。この装置は、ｋＷオーダの高いＣＷ出力が可能な半導体レーザダイオードアレイ１と、ＧＩ型の屈折率分布を有する透明ロッドから成るビーム整形器４と、レーザダイオードアレイ１の出射ビームを適切なビーム径となるように透明ロッド４の光入射端面に集光するレンズ系３と、ビーム整形器４からの出射ビームをフレキシブルな光ファイバ２５に入射するための光学レンズ２３と、レーザビームを試料２６の近傍に伝搬するためのコア径の大きなマルチモード光ファイバ２５と、レーザビームを試料２６の上に小さな円形スポットに集光するためのレーザ加工ヘッド２７とを備える。
【００３９】
レーザダイオードアレイ１、レンズ系３及びビーム整形器４には、実施の形態１乃至４において説明したいずれを用いても良い。実施の形態１において説明したように、レーザビーム２は、入射光の開口数が透明ロッド４の開口数以下となり、遅軸方向のビーム径φ_xが（式１）によって表される最適値となるように、透明ロッド４の入射端面に集光することが好ましい。これにより、透明ロッドから成るビーム整形器４から、等方的なビーム品質を有するレーザ光が出力される。
【００４０】
ビーム整形器４から出力されたレーザ光は、光学レンズ２３によって光ファイバ２５に接続され、試料２６の近傍に運ばれる。光ファイバ２５のコア径は、ビーム整形器４から出力されるレーザ光のビーム品質に合わせて設定する。マルチモード光ファイバ２５の出射端は、複数の光学レンズを有するレーザ加工ヘッドに接続されており、レーザ加工ヘッドはビームを試料２６の上に円形スポット２８として集光する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少する透明ロッドにより、出力レーザ光のビーム品質因子を等方化するため、小型、フレキシブル、低コストで、しかも複数のレーザダイオードバーを積層することによる高出力化が可能な半導体レーザ光源を提供することができる。
【００４２】
また、レーザダイオードアレイを、レーザダイオードバーを積層した構成とすることにより、ｋＷオーダの高いＣＷ出力を得ることができる。
【００４３】
また、レーザダイオードアレイを、レーザダイオードバーを放射状に配列した構成とすることにより、ｋＷオーダの高いＣＷ出力を得ると共に、初期のビーム品質因子の異方性を小さくして、ビーム品質のより均一な光源とすることができる。
【００４４】
さらに、中心軸に適当な曲率を有する透明ロッドを用いることにより、出力レーザ光の誘乱を促進して、レーザビームの等方化に必要な透明ロッドの長さを短縮することができる。
【００４５】
また、透明ロッドの光入射端面における出力レーザ光の遅軸方向の径φ_xを、透明ロッドの屈折率が変化する領域の径φ_c以下とすることにより、透明ロッドを伝搬することによるレーザ光のビーム品質低下を抑制することができる。
【００４６】
加えて、透明ロッドの光入射端面における出力レーザ光の遅軸方向の径φ_xを（式１）によって表される最適値とすることにより、透明ロッドを伝搬することによるレーザ光のビーム品質低下をさらに抑制することができる。
【００４７】
またさらに、透明ロッドの光入射端面における出力レーザ光の速軸方向の径φ_yを（式２）によって表される最適値とすることにより、透明ロッドに入射したレーザ光のビーム品質を維持したまま、ビームの等方化を行うことができる。
【００４８】
また、透明ロッドの光入射端面における出力レーザ光の開口数を、透明ロッドの開口数以下とすることにより、透明ロッドに入射するレーザ光の強度ロスを防止して、半導体レーザ光源の効率を高めることができる。
【００４９】
さらに、透明ロッドの長さを、透明ロッドの屈折率が変化する領域の径の２５倍以上とすることにより、透明ロッドから出力されるレーザ光を等方的な円形ビームとすることができる。
【００５０】
また、透明ロッドを、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少するように加熱されている均質なガラスロッドによって構成することにより、安価な材料を用いてレーザ光の等方化を行うことができる。
【００５１】
また、本発明の半導体レーザ加工装置は、レーザダイオードの出力レーザ光を透明ロッドによってビーム整形する半導体レーザ光源を用いるため、小型、高出力、長寿命であり、また、円形の小さな集光スポットを得ることができるため、加工性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ光源のレーザダイオードアレイを示す概略図である。
【図３】図３は、出力レーザ光のビーム品質因子と透明ロッドの長さの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ光源のレーザダイオードアレイを示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ光源の透明ロッドを示す概略図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ光源の透明ロッドを示す概略図であり、図６（ｂ）はその屈折率分布を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ加工装置を示す概略図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、従来の半導体レーザ光源のビーム整形器を示す上面図及び側面図である。
【符号の説明】
１及び８半導体レーザダイオードアレイ、３及び２３レンズ系、４ＧＩ型ファイバロッド（＝透明ロッド）、６及び９半導体レーザダイオードバー、７及び１０エミッタ（＝半導体レーザダイオード）、２５光ファイバ、２７加工ヘッド。

Claims

半導体レーザダイオードを複数個配列してなるレーザダイオードアレイと、該レーザダイオードアレイの出力レーザ光のビーム形状を整形するビーム整形器と、前記レーザダイオードアレイを前記ビーム整形器に光学的に接続するレンズ系とを備えた半導体レーザ光源であって、
前記ビーム整形器中に、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少する非可撓性の透明ロッドを有し、前記レーザダイオードアレイの出力レーザ光が前記透明ロッド内を伝搬することにより、前記出力レーザ光のビーム品質因子が等方化されることを特徴とする半導体レーザ光源。
前記レーザダイオードアレイが、接合面の方向が揃った半導体レーザダイオードの一次元配列から成るレーザダイオードバーを、複数個積層して成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記レーザダイオードアレイが、接合面の方向が揃った半導体チップの一次元配列から成るレーザダイオードバーを、複数個放射状に配列して成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の遅軸方向の径φ_xが、前記透明ロッドの屈折率が変化する領域の径φ_c以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の遅軸方向のビーム品質因子をＭ_x ²、前記出力レーザ光の中心波長をλ、前記透明ロッドの中心軸における屈折率をｎ₀、前記透明ロッドｎ中心軸と外周との屈折率差をΔｎとして、前記φ_xが、次式

を実質的に満たすことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源
前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の速軸方向のビーム品質因子をＭ_y ²として、さらに、前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の速軸方向の径φ_yが、

を実質的に満たすことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記透明ロッドの光入射端面における前記出力レーザ光の開口数が、前記透明ロッドの開口数以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記透明ロッドの長さが、屈折率が変化する領域の径の２５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
前記透明ロッドが、屈折率が中心軸から外周に向かって２次関数的に減少するように加熱されている均質なガラスロッドから成ることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ光源。
請求項１記載の半導体レーザ光源と、該半導体レーザ光源から出力されたレーザ光を伝送するためのフレキシブルなマルチモード光ファイバと、前記半導体レーザ光源と前記光ファイバを光学的に接続するための光学レンズと、前記光ファイバから出力されたレーザ光を被加工物に集光するための加工ヘッドとを有する半導体レーザ加工装置。