特許 6036479 半導体レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6036479

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】半導体レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20161121BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

   H01S5/40

【請求項の数】2

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-68519(P2013-68519)

(22)【出願日】2013年3月28日

(65)【公開番号】特開2014-192450(P2014-192450A)

(43)【公開日】2014年10月6日

【審査請求日】2015年9月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100078754

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 正彦

(72)【発明者】

【氏名】紺谷 亘

(72)【発明者】

【氏名】三浦 雄一

(72)【発明者】

【氏名】吉野 雅也

【審査官】 百瀬 正之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２４３７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２０３５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１６３９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１０９７６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−２６４７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７９６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２１５４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２１９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２８０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−３６８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２５８６２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

階段状のステップ面を有するヒートシンク上に直線状に並ぶ複数の発光部を有する半導体レーザ素子を複数備え、当該複数の半導体レーザ素子からのレーザ光がコリメート部材を介して入射される集光レンズ、および、当該集光レンズからの光が入射される光ファイバーが設けられてなる半導体レーザ装置において、
前記コリメート部材は、ファスト軸用コリメートレンズと、その前方に配置された、スロー軸用コリメートレンズとからなり、
前記複数の半導体レーザ素子は、ファスト軸方向に階段状のステップ面に積層配置されており、
前記ステップ面が集光レンズの光軸と平行であり、
前記スロー軸用コリメートレンズの光軸が集光レンズの光軸と平行であって、
前記集光レンズの有効レンズ径の領域における周縁部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸に接近する方向に傾斜するように、前記ファスト軸用コリメートレンズの光軸が前記集光レンズの光軸に対して傾斜していることを特徴とする半導体レーザ装置。

【請求項2】

対向配置された２つの階段状のヒートシンクにおける複数のステップ面の各々に、前記複数の半導体レーザ素子が配置されると共に、この２つの階段状のヒートシンクの間に折り返しミラーが配置されており、当該折り返しミラーによって折り返された前記複数の半導体レーザ素子からのレーザ光が前記集光レンズに入射され、
前記集光レンズの有効レンズ径の領域における中心部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸から離間する方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザ装置に関し、更に詳しくは、例えば、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光が集光レンズを介して光ファイバーに入射される構成の半導体レーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体レーザ装置の或る種のものとしては、直線状に並ぶ複数の発光部を有する半導体レーザ素子をレーザ光源とし、この半導体レーザ素子からのレーザ光が光ファイバーによって導光されて外部に出射される構成のものが知られている。
このような半導体レーザ装置において、高出力化のために１本の光ファイバーに対して多くのレーザ光を入射させる要求が高まっている。そのために、従来、複数の半導体レーザ素子を用いて、当該複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を集光レンズによって集光させることにより、１本の光ファイバーに入射させる方法が用いられている。具体的には、複数の半導体レーザ素子をファスト軸方向（集光レンズの光軸に対して垂直方向）に積層配置（スタック）した半導体レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【0003】

またさらに、例えば図６に示すように、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆが、互いにファスト軸方向の位置および半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸方向の位置が異なるように階段状に積層配置された半導体レーザ装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
この半導体レーザ装置において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各々には、集光レンズ１９との間における当該半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに接近した位置に、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂよりなるコリメート部材が配置されている。また、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの光出射方向前方（図６における右方）には、集光レンズ１９が設けられている。
図６において、５０はヒートシンクであり、２５は冷却部材であり、１５は、光ファイバー１４を保持するための光ファイバー保持部材である。また、Ｌａ０〜Ｌｆ０は、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸を示す。

【0004】

ところで、半導体レーザ装置においてスタックすることのできる半導体レーザ素子数は、以下の理由（１）、（２）によって制限される。
理由（１）：半導体レーザ素子から効率良くレーザ光を出射させるために、当該半導体レーザ素子を適正な温度に冷却する必要があるので、隣接して配置される半導体レーザ素子同士の間にある程度の離間距離が必要となること。
理由（２）：半導体レーザ素子から出射された光はコリメートされるが、得られたコリメート光は完全な平行光ではなくファスト軸方向にも数ｍｒａｄの発散角度を有するものとなるために、一の半導体レーザ素子からのコリメート光が、これと隣接してスタックされた半導体レーザ素子のコリメート部材に干渉しないように複数の半導体レーザ素子を離間して配置する必要があること。
従って、集光レンズの大きさや光ファイバーとの配置距離とが設定された或る大きさの半導体レーザ装置において、より多くのレーザ光を光ファイバー内へ入射させる目的でスタックする半導体レーザ素子数を増加させても、これらのレーザ光を集光レンズの有効レンズ径の領域内に高い効率で入射させることができず、結局、光ファイバーへの集光率が低下してしまう、という問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４−１７９６０７号公報

【特許文献2】特開２００１−２１５４４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、半導体レーザ装置の大型化が抑制されながら、高い集光率でレーザ光を光ファイバーに入射させることができ、従って高いレーザ出力が得られる半導体レーザ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の半導体レーザ装置は、階段状のステップ面を有するヒートシンク上に直線状に並ぶ複数の発光部を有する半導体レーザ素子を複数備え、当該複数の半導体レーザ素子からのレーザ光がコリメート部材を介して入射される集光レンズ、および、当該集光レンズからの光が入射される光ファイバーが設けられてなる半導体レーザ装置において、
前記コリメート部材は、ファスト軸用コリメートレンズと、その前方に配置された、スロー軸用コリメートレンズとからなり、
前記複数の半導体レーザ素子は、ファスト軸方向に階段状のステップ面に積層配置されており、
前記ステップ面が集光レンズの光軸と平行であり、
前記スロー軸用コリメートレンズの光軸が集光レンズの光軸と平行であって、
前記集光レンズの有効レンズ径の領域における周縁部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸に接近する方向に傾斜するように、前記ファスト軸用コリメートレンズの光軸が前記集光レンズの光軸に対して傾斜していることを特徴とする。

【0008】

本発明の半導体レーザ装置においては、対向配置された２つの階段状のヒートシンクにおける複数のステップ面の各々に、前記複数の半導体レーザ素子が配置されると共に、この２つの階段状のヒートシンクの間に折り返しミラーが配置されており、当該折り返しミラーによって折り返された前記複数の半導体レーザ素子からのレーザ光が前記集光レンズに入射され、
前記集光レンズの有効レンズ径の領域における中心部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸から離間する方向に傾斜する構成とすることができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明の半導体レーザ装置においては、集光レンズの有効レンズ径の領域における周縁部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸に接近する方向に傾斜されている。これにより、通常であれば集光レンズの有効レンズ径の領域外に入射されていたレーザ光を、集光レンズの有効レンズ径の領域内に入射させることができるので、複数の半導体レーザ素子からのレーザ光を高い効率で集光レンズの有効レンズ径の領域内に入射させることができる。その結果、この集光レンズから出射されたレーザ光を高い集光率で光ファイバーの有効取り込み領域に入射させることができる。従って、本発明の半導体レーザ装置によれば、大型化が抑制されながら高いレーザ出力が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の半導体レーザ装置の構成の一例の概要を示す説明図である。

【図2】図１の半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の概要を示す説明図であり、（ａ）は光出射面からの正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。

【図3】本発明の半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の配置状態の一例を示す説明図である。

【図4】本発明の半導体レーザ装置における半導体レーザ素子の配置状態の他の一例を示す説明図である。

【図5】本発明の半導体レーザ装置の構成の他の例の概要を示す説明図である。

【図6】従来の半導体レーザ装置の構成の一例の概要を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0013】

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の半導体レーザ装置の構成の一例の概要を示す説明図である。
この半導体レーザ装置１０は、レーザ光源として、直線状に並ぶ複数の発光部を有する、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを備えており、当該複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光が光ファイバー１４を介して外部に出射される構成を有するものである。
複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、冷却部材２５上に設置された、例えば銅およびアルミニウムなどの金属よりなり、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの発光部の点灯中に発生する熱を速やかに冷却部材２５に伝達するためのヒートシンク２０上に配置されている。具体的には、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの光出射面が光ファイバー１４の光入射面に対向するよう、略同一方向（図１において右方）を向く状態に配置されている。この複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各々と、ヒートシンク２０との間には、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなるサブマウント部材（図示省略）が介在している。
また、半導体レーザ装置１０には、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆと、光ファイバー１４との間に、当該複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を集光する、例えば略円板形状の外観形状を有する集光レンズ１９が設けられている。
光ファイバー１４は、円形状の一端面１４ａが光入射面とされ、円形状の他端面１４ｂが光出射面とされており、集光レンズ１９によって集光されたレーザ光が光入射面に入射されるように当該集光レンズ１９の焦点位置に配置されている。
図１において、Ｌａ１〜Ｌｆ１は、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸示す。

【0014】

また、半導体レーザ装置１０において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光が集光レンズ１９に至るまでの光路上には、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに対応して、当該半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光をコリメートして略平行光に偏向するためのコリメート部材が設けられている。

【0015】

複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、各々、矩形平板状の外観形状を有しており、図２に示されるように、直線状に並ぶ複数の発光部（エミッタ）１３を有する一面１２が光出射面とされたものである。この光出射面を構成する一面１２において、複数の発光部１３は、長手方向（図２（ａ）、（ｃ）における左右方向）に特定の配設ピッチｐで配列されている。配設ピッチｐは、隣接する発光部１３の中心間距離である。
また、これらの複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、複数の発光部１３が並ぶ方向の長さが同一のものであることが好ましい。
この図の例において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、同一の規格を有するものである。

【0016】

半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの寸法例を示すと、長手方向長さが４ｍｍ、高さ方向（図２（ａ）における上下方向）長さが０．１ｍｍ、奥行き方向（図２（ａ）における紙面と垂直な方向）長さが１．５ｍｍである。
また、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各発光部１３におけるレーザ光が出射されるレーザ光出射端面の長手方向長さ（ｗ）が４０μｍ、高さ方向長さ（ｈ）が１μｍである。
また、発光部１３の配設ピッチｐは２００μｍである。
発光部１３を構成するエミッタの発振波長は、例えば６３４〜６４４ｎｍであり、エミッタの光軸に対するファスト軸方向の発散角度が半値全角で４０°（２．３ｍｒａｄ）、スロー軸方向の発散角度が半値全角で７°（０．４ｍｒａｄ）である。

【0017】

半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、アレイ型半導体レーザ素子であってもよく、また複数のシングルエミッタ半導体が、０．５ｍｍ程度、あるいはそれ以下の間隔で直線状に並ぶように配置されてなる構成のものであってもよい。

【0018】

コリメート部材は、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａと、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂとよりなる。
ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂは、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆにおける複数の発光部の各々に対応するレンズセルを有するアレイ型のもの、すなわち、各々、直線状に並んだ複数のレンズセルを有するものである。
ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂは、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆにおける複数の発光部の各々に対応するレンズ素子群によって構成されていてもよい。

【0019】

コリメート部材の寸法例を示すと、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａの光軸方向の長さが１ｍｍ、光軸に垂直な方向の長さ（高さ）が１ｍｍ、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａの屈折率が１．７８である。また、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂの光軸方向の長さが１ｍｍ、光軸に垂直な方向の長さ（高さ）が１ｍｍ、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂのレンズセルの各々の曲率半径が０．８１ｍｍ、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂの屈折率が１．８１である。

【0020】

コリメート部材は、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに接近した位置に配置される。
コリメート部材を半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに接近した位置に配置することにより、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を高い効率でコリメート部材に入射させることができる。

【0021】

半導体レーザ装置１０におけるコリメート部材の配置位置の寸法例を示すと、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａの光入射面における平坦面と半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの光出射面との光軸Ｌａ１〜Ｌｆ１の方向の離間距離が０．１６ｍｍである。また、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂのレンズセルの各々の光入射面とファスト軸用コリメートレンズ１７ａの光出射面との光軸方向の最小離間距離が０．４ｍｍである。

【0022】

ヒートシンク２０は、６段のステップを有する階段状のものであって、集光レンズ１９に対向して、上段のステップほど集光レンズ１９から離間する状態で配置されている。

【0023】

各ステップを構成するステップ面２１ａ〜２１ｆは、集光レンズ１９の光軸Ｃと平行または後述するように略平行な面であり、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを配置する面とされる。
ステップ面２１ａ〜２１ｆは、各々、矩形状であって、各々１個の半導体レーザ素子を配置することのできる大きさを有する。また、排熱性の観点から、１個の半導体レーザ素子の下面（図１における下面）の全域を接触させることができる大きさであることが好ましい。

【0024】

ヒートシンク２０において、ステップの１段の高さ（図１における上下方向の長さ）は、レーザ光利用性の観点から、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光あるいはコリメート部材によってコリメートされたレーザ光（コリメート光）のファスト軸方向の光線幅に応じて適宜に定められる。
具体的には、各ステップ面２１ａ〜２１ｅに配置された半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｅの各々からのレーザ光が、その下段のステップ面２１ｂ〜２１ｆに配置された半導体レーザ素子１１ｂ〜１１ｆに対応して近接配置されるコリメート部材に干渉しないよう段差設計されている。
ここに、ヒートシンク２０のステップの各々における１段の高さとは、隣接するステップ面の位置レベルの差、例えばステップ面２１ａとステップ面２１ｂとの位置レベルの差をいう。
この図の例において、ヒートシンク２０のステップの１段の高さは１．３ｍｍである。

【0025】

ヒートシンク２０においては、ステップ面２１ａ〜２１ｆに、各々、１個の半導体レーザ素子が配置されている。これにより、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、集光レンズ１９の一方側（図１における左方側）において、ファスト軸方向に階段状に並ぶように積層配置されている。
ステップ面２１ａ〜２１ｆの各々において、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、光出射面を構成する一面１２がそれぞれステップ面２１ａ〜２１ｆの集光レンズ１９に対向する外縁に沿って伸びるように位置されている。
この図の例において、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、各々、光出射面を構成する一面１２がそれぞれステップ面２１ａ〜２１ｆの集光レンズ１９に対向する外縁上に位置するように配置されている。また、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｅに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｅが配置されているステップ面２１ａ〜２１ｅよりも１段下のステップにおけるステップ面２１ｂ〜２１ｆの上方に配置されている。半導体レーザ素子１１ｆに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザ素子１１ｆが配置されているステップ面２１ｆから光出射方向に突出する状態に配置されている。

【0026】

半導体レーザ装置１０において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆがヒートシンク２０においてファスト軸方向に階段状に積層配置されていることにより、互いに隣接する半導体レーザ素子が大きく離間した状態とされる。これにより、高い排熱性が得られ、その結果、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各々に高い信頼性および高い出力が得られる。

【0027】

また、この半導体レーザ装置１０においては、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに共通のヒートシンク２０が用いられていることから、これらの複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを冷却するための冷却機構を簡易な構成のものとすることができる。従って、半導体レーザ装置１０を簡易な構成のものとすることができる。

【0028】

光ファイバー１４は、円筒状のコア部と、当該コア部の周面に設けられたクラッド部とを有するものであり、光入射面を構成する一端面１４ａにおいては、コア部によって円形状の有効取り込み領域が形成されている。
光ファイバー１４としては、例えば石英ファイバーなどが用いられる。
図の例においては、光ファイバー１４の光入射面とされる一端面側の端部には、光ファイバー１４の外径に適合した内径を有する円筒状の光ファイバー保持部材１５が装着されている。

【0029】

そして、本発明においては、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して、集光レンズ１９に向かうに従って当該集光レンズ１９の光軸Ｃに接近する方向に傾斜している。

【0030】

具体的には、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸Ｌａ１〜Ｌｆ１の各々と、集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度がそれぞれ±１０ｍｒａｄ以内であることが好ましい。
図１の例においては、ヒートシンク２０の最上段のステップに配置された半導体レーザ素子１１ａからのレーザ光、および、最下段のステップに配置された半導体レーザ素子１１ｆからのレーザ光が、それぞれ、それらの光軸Ｌａ１，Ｌｆ１が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜する状態のものとされている。具体的には、半導体レーザ素子１１ａからのレーザ光の光軸Ｌａ１と集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度が５ｍｒａｄ、半導体レーザ素子１１ｆからのレーザ光の光軸Ｌｆ１と集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度が５ｍｒａｄとなるよう、それぞれ、それらの光軸Ｌａ１，Ｌｆ１が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜している。

【0031】

一方、有効レンズ径の領域１９Ａの周縁部と離間した位置、具体的には領域１９Ａの中心部に入射するレーザ光の光軸Ｌｂ１〜Ｌｅ１は、集光レンズ１９の光軸Ｃと平行とされている。すなわち、図の例においては、半導体レーザ素子１１ｂ〜１１ｅからのレーザ光は、各々、それらの光軸Ｌｂ１〜Ｌｅ１が集光レンズ１９の光軸Ｃと平行とされている。

【0032】

本発明において、集光レンズ１９の有効レンズ径とは、下記式（１）で定義されるものであって、搭載される光ファイバー１４のコア部の径および開口数、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの発光部１３の全幅、並びにスロー軸用コリメートレンズ１７ｂの焦点距離が設定されることにより、必然的に決定されるものである。
この集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射されたレーザ光は、当該集光レンズ１９を介して光ファイバー１４の一端面１４ａにおける有効取り込み領域に入射させることができる。
式（１）：有効レンズ径φ_l ＝２×（ｔａｎθ・φ_f ・ｆ_slow）／ｗ_total
〔上記式（１）において、ｗ_total は一つの半導体レーザ素子における全発光部（エミッタ）の幅、具体的には一つの半導体レーザ素子における一端の発光部と他端の発光部との中心間距離であり、ｆ_slowはスロー軸用コリメートレンズ１７ｂの焦点距離、φ_f は光ファイバー１４のコア部の径、θは光ファイバー１４の開口数ＮＡに関する角度であって、ＮＡ＝ｓｉｎθと定義される角度である。〕

【0033】

集光レンズ１９の有効レンズ径φ_l の一例を挙げると、半導体レーザ素子における全発光部の幅ｗ_total が４ｍｍ、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂの焦点距離ｆ_slowが２５ｍｍ、光ファイバー１４のコア部の径φ_f が０．８ｍｍ、光ファイバー１４の開口数ＮＡが０．２２であって、有効レンズ径φ_l は１０ｍｍとなる。

【0034】

集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸Ｌａ１，Ｌｆ１を、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜させるための方法を以下に説明する。
具体的には、図３に示すように、ヒートシンク２０における、集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜させるべきレーザ光を出射する半導体レーザ素子１１ａ（１１ｆ）が配置されるステップ面２１ａ（２１ｆ）を、集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜させることにより、半導体レーザ素子１１ａ（１１ｆ）自体を傾斜させて配置する方法が挙げられる。このとき、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂは、それぞれの光軸が半導体レーザ素子１１ａ（１１ｆ）からのレーザ光の光軸Ｌａ１，Ｌｆ１に対して平行に配置される。

【0035】

また、図４に示すように、集光レンズ１９の光軸Ｃに対して平行なステップ面２１ａ（２１ｆ）上に半導体レーザ素子１１ａ（１１ｆ）を配置し、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａを、その光軸が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜するよう設ける方法を採用してもよい。この方法によっては、半導体レーザ素子１１ａ（１１ｆ）から出射される光の光軸Ｌａ１（Ｌｆ１）は集光レンズ１９の光軸Ｃに平行となるが、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａによって、集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜されたレーザ光を得ることができる。このとき、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂは、その光軸が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して平行に配置される。

【0036】

以上の半導体レーザ装置１０においては、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光は、コリメート部材（ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂ）によってコリメートされて略平行光に偏向される。その後、このコリメート部材によってコリメートされて略平行光に偏向されたレーザ光は、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射され、当該集光レンズ１９によって集光されて、光ファイバー１４の一端面１４ａにおける有効取り込み領域に入射される。そして、この光ファイバー１４によって導光されて他端面１４ｂから外部に出射され、例えばプロジェクター装置の光源光として利用される。

【0037】

以上の半導体レーザ装置１０においては、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸Ｌａ１，Ｌｆ１が、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して、集光レンズ１９に向かうに従って当該光軸Ｃに接近する方向に傾斜されている。これにより、通常であれば集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ外に入射されていたレーザ光を、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射させることができるので、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を高い効率で集光レンズ１９に入射させることができる。その結果、この集光レンズ１９から出射されたレーザ光を高い集光率で光ファイバー１４の有効取り込み領域に入射させることができる。従って、この半導体レーザ装置１０によれば、大型化が抑制されながら高いレーザ出力が得られる。

【0038】

以上、第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明したが、この半導体レーザ装置は、種々の変更を加えることが可能である。

【0039】

＜第２の実施の形態＞
図５は、本発明の半導体レーザ装置の構成の他の例の概要を示す説明図である。
この半導体レーザ装置３０は、レーザ光源として、直線状に並ぶ複数の発光部を有する、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを備えており、当該複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光が光ファイバー１４を介して外部に出射される構成を有するものである。
複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、冷却部材４５上に設置された、例えば銅およびアルミニウムなどの金属よりなり、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの発光部の点灯中に発生する熱を速やかに冷却部材４５に伝達するためのヒートシンク４０上に配置されている。
具体的には、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、略同一方向（図５において右方向）にレーザ光を出射する半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｃの群と、当該方向と反対の方向（図５において左方向）における略同一方向にレーザ光を出射する半導体レーザ素子１１ｄ〜１１ｆの群とに分けられている。そして、これらの２つの群が対向配置されると共に、当該２つの群から出射されるレーザ光を同方向に向かうよう合成するための直角三角プリズムからなる折り返しミラー３８が、これらの２つの群の間に介在して設けられている。
この複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各々と、ヒートシンク４０との間には、例えば銅タングステン（ＣｕＷ）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などからなるサブマウント部材（図示省略）が介在している。
また、半導体レーザ装置３０には、折り返しミラー３８と、光ファイバー１４との間に、当該複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を集光する、例えば略円板形状の外観形状を有する集光レンズ１９が設けられている。
光ファイバー１４は、円形状の一端面１４ａが光入射面とされ、円形状の他端面１４ｂが光出射面とされており、集光レンズ１９によって集光されたレーザ光が光入射面に入射されるように当該集光レンズ１９の焦点位置に配置されている。
図５において、Ｌａ２〜Ｌｆ２は、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸を示す。

【0040】

また、半導体レーザ装置３０において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光が集光レンズ１９に至るまでの光路上には、各半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに対応して、当該半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光をコリメートして略平行光に偏向するためのコリメート部材が設けられている。

【0041】

コリメート部材は、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに接近した位置に配置される。
コリメート部材を半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに接近した位置に配置することにより、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を高い効率でコリメート部材に入射させることができる。

【0042】

半導体レーザ装置３０におけるコリメート部材の配置位置の寸法例を示すと、ファスト軸用コリメートレンズ１７ａの光入射面における平坦面と半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの光出射面との光軸Ｌａ２〜Ｌｆ２の方向の離間距離が０．１６ｍｍである。また、スロー軸用コリメートレンズ１７ｂのレンズセルの各々の光入射面とファスト軸用コリメートレンズ１７ａの光出射面との光軸方向の最小離間距離が０．４ｍｍである。

【0043】

この半導体レーザ装置３０において、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆ、コリメート部材（ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂ）、光ファイバー１４および集光レンズ１９は、図１の半導体レーザ装置１０と同様の構成を有するものである。

【0044】

ヒートシンク４０は、３段のステップを有する階段状の２つのブロック構造体４０Ａ，４０Ｂが互いに対向する状態に、折り返しミラー３８を挟む状態に形成されてなるものである。２つのブロック構造体４０Ａ，４０Ｂは、それぞれ、上段のステップほど折り返しミラー３８から離間する状態で、かつ、集光レンズ１９の光軸Ｃに関して互いに鏡面対称に配置されている。

【0045】

各ステップを構成するステップ面４１ａ〜４１ｆは、集光レンズ１９の光軸Ｃと平行または略平行な面であり、各々、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを配置する面とされる。
ステップ面４１ａ〜４１ｆは、各々、矩形状であって、各々１個の半導体レーザ素子を配置することのできる大きさを有する。また、排熱性の観点から、１個の半導体レーザ素子の下面（図５における下面）の全域を接触させることができる大きさであることが好ましい。

【0046】

ヒートシンク４０において、ステップの１段の高さ（図５における上下方向の長さ）は、レーザ光利用性の観点から、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光あるいはコリメート部材によってコリメートされたレーザ光（コリメート光）のファスト軸方向の光線幅に応じて適宜に定められる。
具体的には、各ステップ面４１ａ，４１ｂ，４１ｅ，４１ｆに配置された半導体レーザ素子１１ａ，１１ｂ，１１ｅ，１１ｆの各々からのレーザ光が、その下段のステップ面４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅに配置された半導体レーザ素子１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅに対応して近接配置されるコリメート部材に干渉しないよう段差設計されている。
ここに、ヒートシンク４０のブロック構造体４０Ａ，４０Ｂのステップの各々における１段の高さとは、隣接するステップ面の位置レベルの差、例えばステップ面４１ａとステップ面４１ｂとの位置レベルの差をいう。
この図の例において、ヒートシンク４０のステップの１段の高さは１．３ｍｍである。

【0047】

ヒートシンク４０においては、ステップ面４１ａ〜４１ｆに、各々、１個の半導体レーザ素子が配置されている。これにより、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、折り返しミラー３８の両方側（図５における左方側および右方側）において、それぞれ、ファスト軸方向に階段状に並ぶように積層配置されている。
ステップ面４１ａ〜４１ｆの各々において、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、光出射面を構成する一面１２がそれぞれステップ面４１ａ〜４１ｆの折り返しミラー３８に対向する外縁に沿って伸びるように位置されている。
この図の例において、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆは、各々、光出射面を構成する一面１２がそれぞれステップ面４１ａ〜４１ｆの折り返しミラー３８に対向する外縁上に位置するように配置されている。また、各半導体レーザ素子１１ａ，１１ｂ，１１ｅ，１１ｆに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザ素子１１ａ，１１ｂ，１１ｅ，１１ｆが配置されているステップ面４１ａ，４１ｂ，４１ｅ，４１ｆよりも１段下のステップにおけるステップ面４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅの上方に配置されている。半導体レーザ素子１１ｃ，１１ｄに対応するコリメート部材は、対応する半導体レーザ素子１１ｃ，１１ｄが配置されているステップ面４１ｃ，４１ｄから光出射方向に突出する状態に配置されている。

【0048】

折り返しミラー３８は、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光（コリメート光）が入射されると共に、この折り返しミラー３８で反射されることによって直角に屈曲したレーザ光が集光レンズ１９に入射されるように位置されている。
折り返しミラー３８を構成する直角三角プリズムの一構成例を示すと、２面ある反射面間の角度は直角であり、各反射面の面積は１０ｍｍ×１０ｍｍ、反射面は、その表面に金、アルミニウムまたは誘電体多層膜などのコーティングが施されたものとされている。

【0049】

折り返しミラー３８と半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆとの配置位置を示すと、最上段に配置された半導体レーザ素子１１ａ，１１ｆの光出射面の位置と、折り返しミラー３８の頂点位置との、光軸Ｌｂ２，Ｌｅ２の方向（図５において水平方向）の距離が６０ｍｍである。また、中段に配置された半導体レーザ素子１１ｂ，１１ｅの光出射面の位置と、折り返しミラー３８の頂点位置との、光軸Ｌｂ２，Ｌｅ２の方向の距離が４５ｍｍである。さらに、最下段に配置された半導体レーザ素子１１ｃ，１１ｄの光出射面の位置と、折り返しミラー３８の頂点位置との、光軸Ｌｂ２，Ｌｅ２の方向の距離が３０ｍｍである。

【0050】

半導体レーザ装置３０において、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆがヒートシンク４０の２つの階段状のブロック構造体４０Ａ，４０Ｂの各々においてファスト軸方向に階段状に積層配置されていることにより、互いに隣接する半導体レーザ素子が大きく離間した状態とされる。これにより、高い排熱性が得られ、その結果、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆの各々に高い信頼性および高い出力が得られる。

【0051】

また、この半導体レーザ装置３０においては、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆに共通のヒートシンク４０が用いられていることから、これらの複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆを冷却するための冷却機構を簡易な構成のものとすることができる。従って、半導体レーザ装置３０を簡易な構成のものとすることができる。

【0052】

そして、本発明においては、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸が、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して、集光レンズ１９に向かうに従って当該集光レンズ１９の光軸Ｃに接近する方向に傾斜している。
具体的には、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸Ｌａ２〜Ｌｆ２の各々と、集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度がそれぞれ±１０ｍｒａｄ以内であることが好ましい。
ここに、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光の光軸Ｌａ２〜Ｌｆ２の各々と、集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度とは、半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆから出射されたレーザ光について、折り返しミラー３８によって反射された後のレーザ光の光軸と光軸Ｃとの角度をいう。

【0053】

図５の例においては、ヒートシンク４０の最下段のステップに配置された半導体レーザ素子１１ｃ，１１ｄからのレーザ光が、それぞれ、それらの光軸Ｌｃ２，Ｌｄ２が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜する状態のものとされている。具体的には、半導体レーザ素子１１ｃからのレーザ光の光軸Ｌｃ２と集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度が５ｍｒａｄ、半導体レーザ素子１１ｄからのレーザ光の光軸Ｌｄ２と集光レンズ１９の光軸Ｃとの成す角の角度が５ｍｒａｄとなるよう、それぞれ、それらの光軸Ｌｃ２，Ｌｄ２が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜している。

【0054】

一方、有効レンズ径の領域１９Ａの周縁部と離間した位置、具体的には領域１９Ａの中心部に入射するレーザ光の光軸Ｌｂ２，Ｌｅ２は、集光レンズ１９の光軸Ｃと平行とされている。すなわち、図の例においては、半導体レーザ素子１１ｂ，１１ｅからのレーザ光は、各々、それらの光軸Ｌｂ２，Ｌｅ２が集光レンズ１９の光軸Ｃと平行とされている。

【0055】

第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置３０において、集光レンズ１９の有効レンズ径は、第１の実施の形態に係る半導体レーザ装置１０と同様にして決定されるものである。

【0056】

集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸Ｌｃ２，Ｌｄ２を、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して傾斜させるための方法は、第１の実施の形態と同様の方法を挙げることができる。

【0057】

この半導体レーザ装置３０においては、最上段のステップに配置された半導体レーザ素子１１ａ，１１ｆが、そのレーザ光の光軸Ｌａ２，Ｌｆ２が集光レンズ１９の光軸Ｃに対して、集光レンズ１９に向かうに従って当該集光レンズ１９の光軸Ｃから離間する方向に傾斜されるよう配置されていることが好ましい。

【0058】

このように半導体レーザ素子１１ａ，１１ｆからのレーザ光の光軸Ｌａ２，Ｌｆ２が傾斜していることにより、折り返しミラー３８を構成する直角三角プリズムとして小さなものを用いた場合にも、所期の量のレーザ光を直角三角プリズムの反射面に入射させることができる。従って、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を高い効率で集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射させることができる。その結果、半導体レーザ装置３０の大型化を抑制することができる。

【0059】

以上の半導体レーザ装置３０においては、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光は、コリメート部材（ファスト軸用コリメートレンズ１７ａおよびスロー軸用コリメートレンズ１７ｂ）によってコリメートされて略平行光に偏向される。その後、このコリメート部材によってコリメートされて略平行光に偏向されたレーザ光は、折り返しミラー３８によって集光レンズ１９に向かって反射される。そして、折り返しミラー３８によって反射されたレーザ光は、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射され、当該集光レンズ１９によって集光されて、光ファイバー１４の一端面１４ａにおける有効取り込み領域に入射される。そして、この光ファイバー１４によって導光されて他端面１４ｂから外部に出射され、例えばプロジェクター装置の光源光として利用される。

【0060】

以上の半導体レーザ装置３０においては、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａにおける周縁部に入射するレーザ光の光軸Ｌｃ２，Ｌｄ２が、当該集光レンズ１９の光軸Ｃに対して、集光レンズ１９に向かうに従って当該光軸Ｃに接近する方向に傾斜されている。これにより、通常であれば集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ外に入射されていたレーザ光を、集光レンズ１９の有効レンズ径の領域１９Ａ内に入射させることができるので、複数の半導体レーザ素子１１ａ〜１１ｆからのレーザ光を高い効率で集光レンズ１９に入射させることができる。その結果、この集光レンズ１９から出射されたレーザ光を高い集光率で光ファイバー１４の有効取り込み領域に入射させることができる。従って、この半導体レーザ装置３０によれば、大型化が抑制されながら高いレーザ出力が得られる。

【0061】

以上、第２の実施の形態に係る半導体レーザ装置について説明したが、この半導体レーザ装置は、種々の変更を加えることが可能である。

【0062】

以下、本発明の作用効果を確認するために行った実験例について説明する。

【0063】

〔実験例１〕
図１の構成に基づいて、６段のステップを有する階段状のブロック構造体におけるステップ面の各々に、同一の規格を有する６個の半導体レーザ素子が配置されてなる構成の半導体レーザ装置（以下、「半導体レーザ装置（１）」ともいう。）を作製した。
半導体レーザ装置（１）において、６個の半導体レーザ素子の配置間隔は、集光レンズの光軸方向の間隔が１５ｍｍであって、当該光軸に垂直な方向の間隔（ステップの１段の高さ）が１．３ｍｍである。
各半導体レーザ素子は、長手方向長さ（複数の発光部が並ぶ方向の長さ）が４ｍｍ、全発光部の幅ｗ_total が４ｍｍのものである。集光レンズは、焦点距離が２０ｍｍのものである。光ファイバーは、コア径が０．８ｍｍであって開口数（ＮＡ）が０．２２のものである。スロー軸用コリメートレンズは、焦点距離が２５ｍｍのものである。有効レンズ径φ_l は１０ｍｍである。
また、この半導体レーザ装置（１）において、コリメート部材から出射されるレーザ光は、波長６４０ｎｍである。また、ファスト軸方向の発散角度が半値全角で４０°（２．３ｍｒａｄ）であってスロー軸方向の発散角度が半値全角で７°（０．４ｍｒａｄ）である。
そして、最上段の半導体レーザ素子を、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸に接近する方向に、５ｍｒａｄ傾斜するよう配置した。他の５個の半導体レーザ素子は、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸と平行になるよう配置した。
この半導体レーザ装置（１）の最上段の半導体レーザ素子について、光ファイバーの有効取り込み領域における集光率を確認したところ、９８％であった。

【0064】

〔比較実験例１〕
実験例１に係る半導体レーザ装置（１）において、最上段の半導体レーザ素子も、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸と平行になるよう配置したことの他は同様にして構成した、比較用の半導体レーザ装置を作製した。これを、半導体レーザ装置（１ｘ）という。
この比較用の半導体レーザ装置（１ｘ）の最上段の半導体レーザ素子について、光ファイバーの有効取り込み領域における集光率を確認したところ、９１％であった。

【0065】

〔実験例２〕
実験例１に係る半導体レーザ装置（１）において、各半導体レーザ素子を以下のように配置したことの他は同様にして構成した、半導体レーザ装置を作製した。これを、半導体レーザ装置（２）という。
すなわち、最下段の半導体レーザ素子を、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸に対して、集光レンズに向かうに従って当該集光レンズの光軸に接近する方向に、１０ｍｒａｄ傾斜するよう配置した。他の５個の半導体レーザ素子は、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸と平行になるよう配置した。
この半導体レーザ装置（２）の最下段の半導体レーザ素子について、光ファイバーの有効取り込み領域における集光率を確認したところ、９０％であった。

【0066】

〔比較実験例２〕
実験例１に係る半導体レーザ装置（２）において、最下段の半導体レーザ素子も、出射されるレーザ光の光軸が集光レンズの光軸と平行になるよう配置したことの他は同様にして構成した、比較用の半導体レーザ装置を作製した。これを、半導体レーザ装置（２ｘ）という。
この比較用の半導体レーザ装置（２ｘ）の最下段の半導体レーザ素子について、光ファイバーの有効取り込み領域における集光率を確認したところ、８７％であった。

【符号の説明】

【0067】

１０ 半導体レーザ装置
１１ａ〜１１ｆ 半導体レーザ素子
１２ 一面
１３ 発光部
１４ 光ファイバー
１４ａ 一端面
１４ｂ 他端面
１５ 光ファイバー保持部材
１７ａ スロー軸用コリメートレンズ
１７ｂ ファスト軸用コリメートレンズ
１９ 集光レンズ
１９Ａ 有効レンズ径の領域
２０ ヒートシンク
２１ａ〜２１ｆ ステップ面
２５ 冷却部材
３０ 半導体レーザ装置
３８ 折り返しミラー
４０ ヒートシンク
４０Ａ，４０Ｂ ブロック構造体
４１ａ〜４１ｆ ステップ面
４５ 冷却部材
５０ ヒートシンク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】