特許 6522166 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】6522166

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年5月29日

(54)【発明の名称】レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/022 20060101AFI20190520BHJP

   H01S 5/40 20060101ALI20190520BHJP

   H01S 5/183 20060101ALI20190520BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20190520BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/022

   H01S5/40

   H01S5/183

   B23K26/073

【請求項の数】10

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-561608(P2017-561608)

(86)(22)【出願日】2017年1月10日

(86)【国際出願番号】JP2017000414

(87)【国際公開番号】WO2017122611

(87)【国際公開日】20170720

【審査請求日】2018年4月11日

(31)【優先権主張番号】特願2016-5027(P2016-5027)

(32)【優先日】2016年1月14日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000161367

【氏名又は名称】株式会社アマダミヤチ

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】内田 ▲高▼弘

(72)【発明者】

【氏名】梁瀬 淳

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 昌利

(72)【発明者】

【氏名】室木 佑斗

【審査官】 高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第７００６５４９（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 特表２０１１−５２０２９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４３７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１９１９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５８３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１１５３７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５２５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９４１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０２６４５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１１９１０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第１のレーザビームを出射する第１の面発光レーザと、
第２の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第２のレーザビームを出射する第２の面発光レーザと、
前記第１の面発光レーザからの前記第１のレーザビームと前記第２の面発光レーザからの前記第２のレーザビームとを空間的に多重合成して、合成レーザビームを出射するカップリングユニットと
を有し、
前記第１および第２の面発光レーザの各々は、
半導体基板と、この半導体基板上に形成された活性領域と、その活性領域の上に二次元的に離散して設けられた多数の発光口とを有し、各々の前記発光口より前記半導体基板の基板面に対して垂直または斜めの方向に所定の標準波長に一致または近似する波長を有する光を誘導放出する面発光レーザ素子と、
各々の前記発光口より誘導放出される光を共振増幅して単体のレーザビームを取り出すために、前記面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置される出力ミラーと
を有する、レーザ装置。

【請求項2】

前記第１の面発光レーザは、前記単体のレーザビームの波長を前記第１の標準波長付近に狭帯域化する第１の狭帯域化素子を有し、
前記第２の面発光レーザは、前記単体のレーザビームの波長を前記第２の標準波長付近に狭帯域化する第２の狭帯域化素子を有する、
請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項3】

前記第１および第２の狭帯域化素子は、前記出力ミラーとは独立に設けられる、請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項4】

前記第１および第２の狭帯域化素子は、前記出力ミラーを兼用する、請求項２に記載のレーザ装置。

【請求項5】

各々の前記発光口の中において、前記活性領域の上に重なって設けられる薄膜はいずれも前記誘導放出される光に対して透過性または無反射性の特性を有する、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項6】

前記出力ミラーは、前記単体のレーザビームをコリメートするためのレンズ機能を有する、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項7】

前記出力ミラーから独立して、前記単体のレーザビームをコリメートするための光学レンズが設けられる、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項8】

前記カップリングユニットは、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを波長カップリングにより多重合成する波長カップリング素子を有する、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項9】

前記カップリングユニットは、前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとを偏光カップリングにより多重合成する偏光カップリング素子を有する、請求項１に記載のレーザ装置。

【請求項10】

前記カップリングユニットより出射される前記合成レーザビームを光ファイバに通して伝送するためのファイバ伝送系と、
前記光ファイバの他端より取り出される前記合成レーザビームを被処理体に向けて集光照射するレーザ出射部と
を有する請求項１に記載のレーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、面発光レーザをレーザ光源に用いるレーザ装置に係り、特にレーザ加工に用いて好適なレーザ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、主に光通信、プリンタ、ディスプレイ等のレーザ応用分野で面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）が普及しつつある。面発光レーザは、半導体基板から基板面と垂直にレーザビームを出射するタイプの半導体レーザであり、基板面と水平にレーザビームを出射する一般（シングルエミッタ方式）の半導体レーザと比較して、高集積化、低消費電力化、量産化に有利な次世代のレーザ光源として注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−１１４９１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

現在普及している面発光レーザは、典型的には、４．７ｍｍ×４．７ｍｍの発光面を有し、その発光面に二次元アレイとして形成される個々のビーム出射口の口径が１８μｍ、そこから出射される単体レーザビームのレーザ出力は数１０ｍＷであり、二次元アレイ全体のレーザ出力は最も高くても１００Ｗ程度で、しかもビーム品質が良くない。

【0005】

面発光レーザの高出力化を実現するには、ビーム出射口の口径を大きくし数を増やすことが簡明な解決法であるが、それにも限界があり、しかもビーム出射口の口径を大きくして数を増やすほど二次元アレイ全体で得られる一束のレーザビームのビーム品質が低下することが課題となっている。このため、従来の面発光レーザは、高出力および高品質のレーザビームを必要とするレーザ加工には使えないのが現状である。

【0006】

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、面発光レーザを用いて高出力および高品質のレーザビームを実現するレーザ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のレーザ装置は、第１の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第１のレーザビームを出射する第１の面発光レーザと、第２の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第２のレーザビームを出射する第２の面発光レーザと、前記第１の面発光レーザからの前記第１のレーザビームと前記第２の面発光レーザからの前記第２のレーザビームとを空間的に多重合成して、合成レーザビームを出射するカップリングユニットとを有し、前記第１および第２の面発光レーザの各々は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された活性領域と、その活性領域の上に二次元的に離散して設けられた多数の発光口とを有し、各々の前記発光口より前記半導体基板の基板面に対して垂直または斜めの方向に所定の標準波長に一致または近似する波長を有する光を誘導放出する面発光レーザ素子と、各々の前記発光口より誘導放出される光を共振増幅して単体のレーザビームを取り出すために、前記面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置される出力ミラーとを有する。

【0008】

上記の構成においては、レーザ共振器の出力ミラーを面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置する構成により、各発光口より得られる単体レーザビームの拡がり角を小さくすることが可能であり、それによって発光口の口径を大きくし数を増やしても、面発光レーザ素子全体で得られる一束のレーザビーム内で単体レーザビーム同士の重なり合いまたは相互干渉を極力少なくし、高出力とビーム品質とを両立させることができる。さらに、複数の面発光レーザより得られる各一束のレーザビームを空間的に多重合成することにより、レーザ出力の逓倍化つまり高出力化を一層効率的に実現することができる。

【0009】

本発明の好適な一態様においては、第１の面発光レーザが単体のレーザビームの波長を第１の標準波長付近に狭帯域化する第１の狭帯域化素子を有し、第２の面発光レーザが単体のレーザビームの波長を第２の標準波長付近に狭帯域化する第２の狭帯域化素子を有する。このように、各々の面発光レーザにおいて単体レーザビームの波長を標準波長付近にロックして狭帯域化することにより、空間カップリングを安定かつ高精度に行うことができる。より具体的には、カップリングユニットは、第１のレーザビームと第２のレーザビームとを波長カップリングにより多重合成する波長カップリング素子を有してよい。このような波長カップリング法によれば、面発光レーザ毎にレーザ発振波長（標準波長）をオフセットさせることにより、レーザ出力の逓倍化または高出力化を容易に実現することができる。また、別の態様として、偏光カップリング素子を用いて偏光カップリングにより第１および第２のレーザビームを多重合成することも可能である。

【0010】

別の好適な一態様においては、狭帯域化素子が出力ミラーを兼用する。この場合、狭帯域化素子は、波長の狭帯域化だけでなく、主たる外部共振器としても機能し、拡がり角が小さくて波長が安定にロックされた単体レーザビームを外部へ出射する。

【0011】

別の好適な一態様においては、各々の発光口の中で、活性領域の上に重なって設けられる薄膜がいずれも誘導放出光に対して透過性または無反射性の特性を有する。この構成によれば、活性領域の上に誘導放出される光が相当の距離を隔てた外部の出力ミラーによって反射されるので、垂直方向から斜めにずれた（つまり拡がり角の大きい）誘導放出光を効果的に単体レーザビームから除くことができる。

【0012】

別の好適な一態様においては、カップリングユニットが、第１および第２の標準波長が互いにオフセットしている第１および第２のレーザビームを波長カップリングにより多重合成する波長カップリング素子を有する。あるいは、カップリングユニットが、第１および第２の標準波長が同一である第１および第２のレーザビームを偏光カップリングにより多重合成する偏光カップリング素子を有する。波長カップリング素子と偏光カップリング素子とを併用する構成も可能である。かかる構成により、合成レーザビームの高出力化に用いる面発光レーザの数を任意に増やし、面発光レーザのレーザ出力の大幅な向上を実現することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、面発光レーザを用いて高出力および高品質のレーザビームを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。

【図2】上記レーザ加工装置が備える面発光レーザの要部の外観構成を示す斜視図である。

【図3】上記面発光レーザにおける発光面の二次元アレイを模式的に示す平面図である。

【図4】上記面発光レーザの構成を示す断面図である。

【図5】上記レーザ加工装置において波長カップリング素子として用いられるダイクロイックミラーの波長−反射率特性を示す図である。

【図6】別の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示す図である。

【図7】別の実施形態におけるレーザ加工装置の要部の構成を示す図である。

【図8】上記面発光レーザの構成の一変形例を示す断面図である。

【図9】別の実施形態における面発光レーザの構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

【0016】

［装置全体の構成］
図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザ切断、レーザ穴あけ等の各種レーザ加工に適用可能なレーザ装置であり、複数（この例では２つ）の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０Ａ，１０Ｂ、カップリングユニット１４、ファイバ伝送系１５、レーザ出射部１６、ステージ１８、制御部２０等で構成されている。

【0017】

制御部２０は、このレーザ加工装置の各部および全体の動作を制御する。特に、各々の面発光レーザ１０Ａ，１０Ｂについては、制御部２０が、個別のレーザ電源２２Ａ，２２Ｂを通じてそれらのレーザ発振動作（連続発振、パルス発振等）を任意に制御できるようになっている。また、レーザ出射部１６にガルバノスキャナ等のスキャニング機構が搭載される場合や、ステージ１８にＸＹテーブル等の送り機構が搭載される場合には、制御部２０が、レーザ発振動作に同期して、あるいは加工ポイントの位置合わせのために、それら運動機構の動作（スキャニング動作、ワーク送り動作）を制御するようになっている。制御部２０には、マン・マシン・インタフェース用の入出力装置等（図示せず）も接続されている。

【0018】

［面発光レーザの概略的な構成および作用］
図２に、面発光レーザ１０Ａ（１０Ｂ）の要部の外観およびレーザ出射状態の様子を模式的に示す。面発光レーザ１０Ａ（１０Ｂ）は、たとえば矩形の発光面２４を有する板状の面発光レーザ素子（以下、「ＶＣＳＥＬ素子」と称する。）２６と、このＶＣＳＥＬ素子２６の上方にその発光面２４から適度な距離を置いて平行に配置される板状またはブロック状の出力ミラー２８と、この出力ミラー２８の上方に平行に配置される板状またはブロック状の狭帯域化素子２９（図１、図４）とを有している。

【0019】

ＶＣＳＥＬ素子２６の発光面２４には、図３に示すように、二次元方向に離散的またはアレイ状に配置された多数の発光口３０が設けられている。各発光口３０の口径φは、通常のものより格段に大きく、たとえば１００〜１０００μｍに選ばれる。発光口３０の数は、図３では簡略化のため１６（４×４）個で図示しているが、実際には数１００個以上あるいは１０００個以上である。

【0020】

発光面２４の各発光口３０より誘導放出される光ＳＢのうち、ＶＣＳＥＬ素子２６に内蔵されている反射鏡３４（図４）と外部の出力ミラー２８ないし狭帯域化素子２９との間で反射を繰り返して共振増幅されたものが、１本の単体レーザビームＬＢとして出力ミラー２８の外へ取り出される。そして、出力ミラー２８の外へ同時に取り出される単体レーザビームＬＢが全部合わさって、一束のレーザビームＳＬＢ_Ａ（ＳＬＢ_Ｂ）が構成される。

【0021】

この実施形態では、出力ミラー２８の外に得られる各単体レーザビームＬＢが非常に小さな拡がり角を有しており、発光口３０の口径φを相当大きなサイズ（１００〜１０００μｍ）に選び、かつ密度を高くしても、一束のレーザビームＳＬＢ_Ａ（ＳＬＢ_Ｂ）内における単体レーザビームＬＢ同士の重なり合いまたは相互干渉を極力少なくして、ビーム品質を向上させている。

【0022】

［面発光レーザの詳細な構成および作用］
図４に、面発光レーザ１０Ａ（１０Ｂ）の内部の構成（断面構成）を示す。ＶＣＳＥＬ素子２６は、たとえばＧaＡs系の半導体基板３２を基材とし、この半導体基板３２の上に通常の半導体プロセスにより多層反射鏡たとえばＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）３４、単層または多層の下部半導体層３６、活性層３８、単層または多層の上部半導体層４０および上部電極４２を順に重ねて形成し、半導体基板３２の裏面に下部電極４４を形成している。通常、下部電極４４は、絶縁体（図示せず）を介して冷却用のヒートシンク（図示せず）に結合される。

【0023】

下部半導体層３６および上部半導体層４０にはキャリア注入層が含まれている。さらに、上部半導体層４０には反射防止膜も含まれている。この実施形態では、下部半導体層３６および上部半導体層４０を構成している薄膜は、いずれも発振波長の光に対して無反射性または透過性の特性を有している。上部電極４２には、発光口３０を形成する開口部４２ａが形成されている。活性層３８の発光口３０の直下に位置する部分が活性領域３８ａを形成する。

【0024】

この面発光レーザ１０Ａ（１０Ｂ）にレーザ発振を行わせるときは、レーザ電源２２Ａ（２２Ｂ）より上部電極４２と下部電極４４との間に駆動電圧Ｅが印加される。これにより、下部半導体層３６および上部半導体層４０を介して活性層３８にキャリアが注入され、活性領域３８ａより所定の標準波長λ_Ｓと一致または近似する光ＳＢが発光口３０の外へ誘導放出される。

【0025】

ここで、該標準波長λ_Ｓおよびその近辺の波長に対して、光共振器を構成するために、ＶＣＳＥＬ素子２６内部の多層反射鏡３４は略１００％の反射率を有し、外部の出力ミラー２８はたとえば１〜９０％、好ましくは２〜３０％の反射率を有している。活性領域３８ａより誘導放出される光ＳＢのうち、多層反射鏡３４と出力ミラー２８ないし狭帯域化素子２９との間で反射を繰り返して共振増幅されたものが、単体レーザビームＬＢとして出力ミラー２８の外へ取り出される。

【0026】

この場合、図４に示すように、ＶＣＳＥＬ素子２６の発光口３０からＶＣＳＥＬ素子２６の基板面と垂直またはそれに近い角度で出たものは、実線ＳＢで示すように、出力ミラー２８の対向面（下面）で略垂直に反射して発光口３０の中に戻ってくる。しかし、発光口３０から一定角度以上拡がって出たものは、一点鎖線ＳＢ’で示すように、出力ミラー２８の対向面（下面）で斜めに反射して、発光口３０の中に戻ってこない。これにより、ＶＣＳＥＬ素子２６の基板面に対して垂直またはそれに近い角度で伝搬する光ＳＢが多層反射鏡３４と出力ミラー２８ないし狭帯域化素子２９との間で反射を繰り返して共振増幅されるので、拡がり角の小さな単体レーザビームＬＢが出力ミラー２８の外に取り出される。

【0027】

このように、この実施形態においては、ＶＣＳＥＬ素子２６の活性領域３８ａの上に誘導放出される光ＳＢが相当の距離を隔てた外部の出力ミラー２８によって反射されるので、垂直方向から斜めにずれた（つまり拡がり角の大きい）誘導放出光ＳＢ’を効果的に単体レーザビームから除くことが可能であり、これによって出力ミラー２８の外に得られる単体レーザビームＬＢの拡がり角を効果的に小さくすることができる。

【0028】

さらに、この実施形態では、単体レーザビームＬＢの拡がり角を一層小さくするための手段として、コリメータを好適に備える。このために、たとえば、図４に示すように、出力ミラー２８の発光口３０と対向する部位の上面に球面状の凸部２８ａを形成して、出力ミラー２８にコリメートレンズの機能を持たせてよい。あるいは、図示省略するが、出力ミラー２８の外に、たとえば出力ミラー２８と狭帯域化素子２９との間、あるいは狭帯域化素子２９の外に独立のコリメートレンズを配置する構成も可能である。

【0029】

狭帯域化素子２９は、たとえばＶＢＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）またはＶＨＧ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ）からなり、外部共振器としても機能し、面発光レーザ１０Ａ（１０Ｂ）より出射される単体のレーザビームＬＢないし一束のレーザビームＳＬＢ_Ａ（ＳＬＢ_Ｂ）の波長幅を十分狭い帯域λ_ＳＡ±Δλ_Ａ（λ_ＳＢ±Δλ_Ｂ）に狭帯域化し、かつ中心波長のバラツキを抑えて標準波長λ_ＳＡ（λ_ＳＢ）付近にロックする。ここで、一方の面発光レーザ１０におけるレーザ発振の標準波長λ_ＳＡと、他方の面発光レーザ１０Ｂにおけるレーザ発振の標準波長λ_ＳＢとの間には、それぞれの波長幅が重ならないように、一定のオフセットλ_Ｋが設けられている（図５）。一例として、λ_ＳＡ＝９５０ｎｍ、λ_ＳＢ＝９６０ｎｍ、Δλ_Ａ，Δλ_Ｂ＝０．１〜３ｎｍ、λ_Ｋ＝１０ｎｍである。

【0030】

この実施形態によれば、ＶＣＳＥＬ素子２６の発光口３０が大きな口径（１００〜１０００μｍ）を有し、しかもレーザ発振の波長が狭帯域で安定にロックされるので、１００ｍＷ以上の高出力の単体レーザビームＬＢを実現することが可能である。したがって、ＶＣＳＥＬ素子２６の１チップ上にそのような大きな口径の発光口３０をたとえば１個当たり１００ｍＷで１０００個以上設けることにより、１００Ｗ以上のレーザ出力を有し、かつ高ビーム品質の一束のレーザビームＳＬＢ_Ａ（ＳＬＢ_Ｂ）を得ることができる。

【0031】

［装置全体の作用］
この実施形態においては、上記のように、ＶＣＳＥＬ素子２６、出力ミラー２８および狭帯域化素子２９で構成される一対の面発光レーザ１０Ａ，１０Ｂにより、大きなビーム径を有しつつ拡がり角の小さい狭帯域化された多数の高出力単体レーザビームＬＢからなり、それぞれの波長が相互に重なり合わない一束のレーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂが出力される。

【0032】

図１において、一方の面発光レーザ１０Ａより出力される一束のレーザビームＳＬＢ_Ａと，他方の面発光レーザ１０Ｂより出力される一束のレーザビームＳＬＢ_Ｂとは、同一平面上で互いに直交してカップリングユニット１４に入射する。このカップリングユニット１４は、図５の曲線Ｍで示すような反射率特性を有するダイクロイックミラー５０からなり、一方のレーザビームＳＬＢ_Ａを透過させるとともに、他方のレーザビームＳＬＢ_Ｂを直角に折り返してレーザビームＳＬＢ_Ａの進行する方向に反射する。ここで、両レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂはそれぞれの波長が重なり合わないので、波長カップリングによって空間的に多重合成される。特に、双方の面発光レーザ１０Ａ，１０Ｂにおいて狭帯域化素子２９により両レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂの波長をそれぞれの標準波長λ_ＳＡ，λ_ＳＢ付近にロックして狭帯域化しているので、ダイクロイックミラー５０において安定かつ高精度の波長カップリングを行うことかできる。

【0033】

ダイクロイックミラー５０で両レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂの波長カップリングによって得られた合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢは、入射ユニット（集光レンズ）５２および光ファイバ５４を有するファイバ伝送系１５を介してレーザ出射部１６に伝送され、レーザ出射部１６内の集光レンズ（図示せず）によりステージ１８上の被加工物Ｗに集光照射される。

【0034】

このレーザ加工装置は、高出力および高ビーム品質の合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢを被加工物Ｗに集光照射することにより、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザ切断、レーザ穴あけ等の各種レーザ加工を所望の仕様で良好に行うことができる。

【0035】

［他の実施形態又は変形例］
本発明の技術思想によれば、上述した実施形態の延長あるいは変形として、種種の他の実施形態が可能である。

【0036】

図６に示す実施形態は、カップリングユニット１４として、波長カップリング素子５０の代わりに偏光カップリング素子５６を用いる構成例を示す。

【0037】

この場合、一方の面発光レーザ１０Ａより標準波長λ_ＳＡを有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＡがＰ偏光で出力され、他方の面発光レーザ１０Ｂより標準波長λ_Ｂを有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＢがＳ偏光で出力される。ここで、標準波長λ_ＳＡと標準波長λ_ＳＢは同じ値に選定される。図示省略するが、Ｐ偏光またはＳ偏光の作成に１／２波長板を用いてよい。偏光カップリング素子５６は、たとえば偏光ビームスプリッタからなり、互いに直交して入射するレーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂを偏光カップリングによって空間的に多重合成して、直進する側のレーザビームＳＬＢ_Ａの進行方向に標準波長λ_ＳＡ（λ_ＳＢ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢを出射する。

【0038】

図７に示す実施形態は、カップリングユニット１４において波長カップリング素子５０と偏光カップリング素子５６とを併用し、合成レーザビームの高出力化に用いる面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０の数を大幅（図示の例は６個）に増やしている。

【0039】

この場合、６個の面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０Ａ〜１０Ｆは、３組のペア（１０Ａ／１０Ｂ）、（１０Ｃ／１０Ｄ）、（１０Ｅ／１０Ｆ）に分割される。第１組のペア（１０Ａ／１０Ｂ）では、一方の面発光レーザ１０Ａより標準波長λ_ＳＡを有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＡがＰ偏光で出力され、他方の面発光レーザ１０Ｂより標準波長λ_ＳＢ（ただし、λ_ＳＢ＝λ_ＳＡ）を有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＢがＳ偏光で出力される。そして、両レーザビームＳＬＢ_Ａ，ＳＬＢ_Ｂが互いに直交して第１の偏光カップリング素子５６（１）に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λ_ＳＢ（λ_ＳＢ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢが得られる。

【0040】

同様に、第２組のペア（１０Ｃ／１０Ｄ）では、一方の面発光レーザ１０Ｃより標準波長λ_ＳＣ（ただし、λ_ＳＣ＝λ_ＳＡ＋λ_Ｋ１）を有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＣがＰ偏光で出力され、他方の面発光レーザ１０Ｄより標準波長λ_ＳＤ（ただし、λ_ＳＤ＝λ_ＳＣ）を有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＤがＳ偏光で出力される。そして、両レーザビームＳＬＢ_Ｃ，ＳＬＢ_Ｄが互いに直交して第２の偏光カップリング素子５６（２）に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λ_ＳＣ（λ_ＳＤ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＣＤが得られる。また、第３組のペア（１０Ｅ／１０Ｆ）では、一方の面発光レーザ１０Ｅより標準波長λ_ＳＥ（ただし、λ_ＳＥ＝λ_ＳＣ＋λ_Ｋ２）を有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＥがＰ偏光で出力され、他方の面発光レーザ１０Ｆより標準波長λ_ＳＦ（ただし、λ_ＳＦ＝λ_ＳＥ）を有する一束のレーザビームＳＬＢ_ＦがＳ偏光で出力される。そして、両レーザビームＳＬＢ_Ｅ，ＳＬＢ_Ｆが互いに直交して第３の偏光カップリング素子５６（３）に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λ_ＳＥ（λ_ＳＦ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＥＦが得られる。

【0041】

第１の偏光カップリング素子５６（１）より出射された標準波長λ_ＳＡ（λ_ＳＢ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢと、第２の偏光カップリング素子５６（２）より出射された標準波長λ_ＳＣ（λ_ＳＤ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＣＤは、互いに直交して第１の波長カップリング素子５０（１）に入射して、そこで波長カップリングされ、２種類の標準波長λ_ＳＡ（λ_ＳＢ），λ_ＳＣ（λ_ＳＤ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢＣＤが得られる。

【0042】

この合成レーザビームＳＬＢ_ＡＢＣＤは、第２の波長カップリング素子５０（２）に入射し、それと直交する第３組のペア（１０Ｅ／１０Ｆ）からの標準波長λ_ＳＥ（λ_ＳＦ）を有する合成レーザビームＳＬＢ_ＥＦと波長カップリングされる。こうして、第２の波長カップリング素子５０（２）より、６個の面発光レーザ１０Ａ〜１０Ｆのレーザ出力が全部足し合わさった３種類の標準波長λ_ＳＡ（λ_ＳＢ），λ_ＳＣ（λ_ＳＤ），λ_ＳＥ（λ_ＳＦ）を有する高出力の合成レーザビームＳＬＢ_{ＡＢＣＤＥＦ}が後段のレーザ光学系（図示せず）に向けて出射される。

【0043】

図８に示す実施形態は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０において、出力ミラー２８を、ＶＣＳＥＬ素子２６の各々の発光口３０と対応する位置に個別に配置する構成を特徴としている。この場合も、単体レーザビームＬＢの拡がり角を可及的に小さくするために、個々の出力ミラー２８にコリメートレンズの機能を持たせてもよく、あるいは個々の出力ミラー２８の後段に独立したコリメートレンズ（図示せず）を配置してよい。

【0044】

図９に示す実施形態は、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）１０において、狭帯域化素子２９に出力ミラー２８を兼用させる構成を特徴としている。すなわち、狭帯域化素子２９は、波長の狭帯域化だけでなく、外部共振器としても機能するので、これを出力ミラーに利用することができる。この場合も、単体レーザビームＬＢの拡がり角を可及的に小さくするために、狭帯域化素子２９の後段にコリメートレンズ（図示せず）を配置することができる。

【0045】

なお、上記実施形態は、上述したように、上部半導体層４０に反射防止膜を設け、さらには上部半導体層４０の各層を無反射性または透過性とするする構成を好適に採る。しかし、一変形例または一構成例として、上部半導体層４０の中に反射性の膜を設けることも可能である。

【0046】

また、本発明のレーザ装置は、上記実施形態のようなレーザ加工装置に適用して特に大なる利点を有するが、たとえばレーザ医療装置等の他のアプリケーションにも適用可能である。

【符号の説明】

【0047】

１０，１０Ａ〜１０Ｆ 面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
１４ カップリングユニット
１５ ファイバ伝統系
１６ レーザ出射部
２０ 制御部
２６ 面発光レーザ素子（ＶＣＳＥＬ素子）
２８ 出力ミラー
２９ 狭帯域化素子（ＶＢＧ／ＶＨＧ）
３０ 発光口
３２ 半導体基板
３８ａ 活性領域
４２ａ 開口部
５０，５０（１），５０（２） 波長カップリング素子
５６，５６（１），５６（２），５６（３） 偏光カップリング素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】