復用光學系統的制作方法

文檔序號:24728933發布日期:2021-04-16 23:23
復用光學系統的制作方法

1.本發明涉及復用光學系統。


背景技術:

2.以往,以得到高激光輸出為目的,提出了如下復用光學系統:使從光源出射的多個激光光線聚光來形成復用光束,將其耦合至光纖等傳輸單元(例如,參照專利文獻1)。
3.專利文獻1中記載有如下光功率合成用光學系統:通過耦合單元使從按m
×
n配置的多個光源出射的多個激光光線耦合至1個受光器。該光功率合成用光學系統的耦合單元包括準直儀光學元件、變形光學元件(anamorphic optical element)和聚光用光學元件。變形光學元件被配置為使得m個的排列方向的倍率大于n個的排列方向的倍率。
4.現有技術文獻
5.專利文獻
6.專利文獻1:日本特開2005
?
114977號公報


技術實現要素:

7.發明所要解決的技術課題
8.然而,在專利文獻1的光功率合成用光學系統中,通過變形光學元件將多個激光光線的各光束直徑縮小。因此,各激光光線的光束直徑和光束間隔這兩者以相同比率被縮小。
9.在專利文獻1的光功率合成用光學系統中,光束間隔相對地未被縮小。也就是說,光束直徑與光束間隔的比率不變。因此,復用光束中總光束直徑內的光束占有率不變。結果是,難以減小聚光角度,難以提高聚光性。
10.本發明是為了解決上述的技術課題而做出的,其目的在于提供一種能夠形成聚光性高的復用光束的復用光學系統。
11.用于解決技術課題的技術方案
12.為了解決上述技術課題,本發明的復用光學系統具備:光源,包括表面發射激光器的多個發光元件;光路變更部件,分別變更從多個發光元件的各個發光元件出射的激光光線的光路使之聚光;以及聚光部件,包括與由光路變更部件變更的多個激光光線各自的光路對應地排列的多個透鏡區域,通過該多個透鏡區域使多個激光光線聚光來形成復用光束。
13.發明效果
14.根據本發明的復用光學系統,能夠形成聚光性高的復用光束。
附圖說明
15.圖1為示出實施方式1的復用光學系統的結構的圖。
16.圖2為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式1的光源的圖。
17.圖3為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式1的透鏡陣列的圖。
18.圖4為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式2的光源的圖。
19.圖5為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式2的透鏡陣列的圖。
20.圖6為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式3的光源的圖。
21.圖7為從復用光學系統的光軸a的方向觀察實施方式3的透鏡陣列的圖。
22.圖8為示出實施方式4的復用光學系統的結構的圖。
23.圖9為說明實施方式1中的透鏡陣列的形狀不適當時的、透射透鏡陣列的激光光線的聚光的情形的圖。
24.圖10為示出實施方式1中的透鏡陣列的優選的形狀的第1例的圖。
25.圖11為示出實施方式1中的透鏡陣列的優選的形狀的第2例的圖。
26.附圖標記
27.100、400:復用光學系統;1、201、301:光源;11:發光元件;2:透鏡(光路變更部件);402:多面體棱鏡(光路變更部件);4、204、304:透鏡陣列(聚光部件);40、240、340:透鏡區域;5:光纖;51:入射面。
具體實施方式
28.以下參照附圖,詳細說明本申請公開的復用光學系統的實施方式。但是以下所示的實施方式為一例,并非通過這些實施方式來限制本發明。
29.另外,在以下的實施方式中,特別對于使從光源出射的多個激光光線聚光來形成復用光束的復用光學系統進行說明。
30.<復用光學系統的聚光性>
31.在復用光學系統中,通過復用從光源中包含的多個發光元件分別出射的激光光線來形成高輸出的復用光束。此時,如前所述,重要的是復用光束具有高聚光性。
32.bpp(光束參數積:beam parameter product)為評價光束的聚光性的指標。bpp被定義為光束直徑與聚光角度的乘積或光束直徑與發散角度的乘積。從該定義可知,在光束直徑恒定的情況下,為了提高聚光性,減小聚光角度是有效的。
33.復用多個激光光線的情況也是同樣的。在使多個激光光線在空間上聚光的情況下,為了形成聚光性高的復用光束,在將相鄰的激光光線彼此的間隔變窄的狀態下使之聚光。據此,能夠提高復用光束中光束直徑內的光束占有率。
34.尤其是,通過設為使相鄰的激光光線彼此的間隔為零的狀態,能夠將復用光束中光束直徑內的光束占有率最大化。也就是說,設為相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸的狀態。
35.換言之,通過提高復用光束中光束直徑內的光束占有率,能夠減小復用光束的聚光角度。于是能夠得到聚光性高的復用光束。
36.實施方式1.
37.<復用光學系統100的結構>
38.圖1為示出本發明的實施方式1的復用光學系統100的結構的圖。圖1示出復用光學系統100的包括光軸a的截面。以下參照圖1說明復用光學系統100的整體結構。
39.復用光學系統100具備光源1、透鏡2以及透鏡陣列4。復用光學系統100可以具備光纖5。光源1包括多個發光元件11。透鏡2為光路變更部件的一例。透鏡陣列4為聚光部件的一
例。光纖5為傳輸單元的一例。
40.光源1包括二維光子晶體表面發射激光器的多個發光元件11。在本實施方式1中,多個發光元件11例如排列于散熱器3的面31上。在此,面31例如為單個面。另外,多個發光元件11例如向著與光軸a平行的方向排列。散熱器3將各發光元件11產生的熱量散熱。據此,散熱器3起到抑制各發光元件11的溫度上升的作用。
41.圖2為從圖1的光軸a的方向觀察包括多個發光元件11的光源1的圖。在本實施方式1中,光源1包括19個發光元件11。另外,19個發光元件11相互隔開間隔地排列為六邊形格子狀。但是,發光元件11的數量及配置的形態不限于此。
42.返回圖1,多個發光元件11的各光軸ae與面31垂直。因此,多個發光元件11在與面31垂直的方向上出射激光光線。多個發光元件11的各光軸ae相互平行。另外,多個發光元件11的各光軸ae平行于復用光學系統100的光軸a。
43.從光源1出射的多個激光光線入射于透鏡2。透鏡2具有聚光作用。透鏡2與復用光學系統100的光軸a垂直地配置。也就是說,透鏡2的光軸ad平行于復用光學系統100的光軸a。
44.透鏡2變更從光源1出射的多個激光光線的行進方向。也就是說,透鏡2變更從光源1出射的多個激光光線的光路。具體而言,透鏡2使從光源1出射的多個激光光線的行進方向向著光纖5的入射面51的中心50變化。據此,在不存在將在后說明的透鏡陣列4的情況下,透射過透鏡2之后的各激光光線的光路集中于光纖5的入射面51的中心50。
45.被透鏡2變更光路的多個激光光線入射于透鏡陣列4。透鏡陣列4與復用光學系統100的光軸a垂直地配置。透鏡陣列4包括排列于同一面內的多個透鏡區域40。
46.光源1的多個發光元件11與透鏡陣列4的多個透鏡區域40一一對應。透鏡陣列4的各透鏡區域40排列于與被透鏡2變更光路的各激光光線各自的光路對應的位置。
47.圖3為從圖1的光軸a的方向觀察透鏡陣列4的圖。在本實施方式1中,光源1中包括19個發光元件11。因此,透鏡陣列4中也包括19個透鏡區域40。各透鏡區域40具有聚光作用。另外,各透鏡區域40在同一面上鄰接地排列。此外,透鏡陣列4的有效區域小于光源1的發光區域。
48.返回圖1,分別入射于透鏡陣列4的各透鏡區域40的多個激光光線在透射過透鏡陣列4之后,被聚光于光纖5的入射面51上而成為復用光束。
49.光纖5為傳輸用的光纖。光纖5傳輸復用光束。也就是說,光纖5將聚光的激光光線耦合并傳輸。另外,在本實施方式1中,光纖5為多模光纖。在多模光纖中,光被分成多個模式而在纖芯內傳播。
50.此外,多模光纖有階躍折射率型和漸變折射率型。階躍折射率型為纖芯的折射率恒定的光纖。漸變折射率型為纖芯的折射率平滑分布的光纖。能夠考慮發光元件11的特性及數量來適當地選定光纖5的規格。
51.<二維光子晶體表面發射激光器>
52.接下來,對本實施方式1中使用的二維光子晶體表面發射激光器進行說明。二維光子晶體表面發射激光器為在活性層附近設置有約為振蕩波長的周期性構造的表面發光型的半導體激光器。將該周期性構造稱為光子晶體構造。
53.一般而言,半導體激光器能夠通過增大發光區域來實現輸出提高。然而,目前通常
實際使用的垂直諧振器型表面發射激光器存在如下問題:當增大發光區域時,聚光性下降。因此,垂直諧振器型表面發射激光器不能同時實現高輸出和高聚光性。
54.與此相對,二維光子晶體表面發射激光器原則上即使增大發光區域,也能夠維持聚光性。因此,期望將二維光子晶體表面發射激光器作為高輸出且高聚光性的激光光源。
55.關于二維光子晶體表面發射激光器的代表性特性,發光區域大小為直徑幾百μm。另外,光束質量為m2值為約1至5。例如,在振蕩波長為940nm、發光區域大小為直徑300μm、光束質量為m2值為2的情況下,出射的光束的發散角為全角為約0.5度。二維光子晶體表面發射激光器由于發光區域大且光束質量好,因此可以得到直進性(straight traveling property)高的出射光束。此外,“光束質量好”的意思是m2值小。
56.另外,在二維光子晶體表面發射激光器中,例如當將發光區域的大小擴大至直徑1mm時,期望可以得到10w級的輸出。因此,二維光子晶體表面發射激光器可以成為高輸出且高聚光性的激光光源。
57.<關于發光元件的排列間隔>
58.為了使半導體激光器高輸出且良好地工作,重要的是應對發熱。在半導體激光器中,供給功率的40~60%變為熱量。然后,當輸出變高時產生的熱量進一步增加。因此,優選為高輸出的半導體激光器的發光元件被安裝于具備子底座(sub
?
mount)或散熱器的冷卻構造上。
59.在冷卻構造中,發光元件產生的熱量被傳遞、擴散而散熱。如果產生的熱量增加,則冷卻構造大型化。在用二維光子晶體表面發射激光器得到10w的輸出的情況下,為了散熱,計算出發光元件11的排列間隔需要為約幾mm。
60.另外,二維光子晶體表面發射激光器具有在發光面的周圍設置用于供電的電極構造的構造。在電極由不透射光的金屬等來形成的情況下,需要以使在該部分激光光線不被遮擋的方式來排列相鄰的發光元件11。
61.由于以上理由,在將二維光子表面發射激光器的多個發光元件11接近地排列的情況下,需要在相鄰的發光元件11之間確保需要的距離來排列。換言之,各發光元件11需要相互隔開間隔來排列。參照圖2,如前所述,在本實施方式1中,各發光元件11相互隔開間隔地排列。
62.<復用光學系統100的工作>
63.接下來,對本實施方式1的復用光學系統100的工作詳細地進行說明。如圖2那樣,復用光學系統100使從隔開間隔地排列的多個發光元件11出射的多個激光光線聚光而形成復用光束。在該情況下,通過提高在復用光束的直徑內的光束占有率,從而復用光束的聚光性被提高。
64.首先,對復用光學系統100中使用的附圖標記進行說明。此時,期望同時參照圖1。將透鏡2的焦距設為f2。另外,雖然圖1中未示出,但是將透鏡陣列4的焦距設為f4。
65.將從光源1的各發光元件11至透鏡2的距離設為l1。將從透鏡2至透鏡陣列4的距離設為l2。將到透射過透鏡陣列4的多個激光光線聚光為止所需的距離設為l3。
66.將入射于透鏡陣列4的各激光光線的直徑設為w2。激光光線的直徑為光束直徑。將透鏡陣列4的各透鏡區域40的大小設為d4。d4例如為透鏡區域40的直徑。將排列于散熱器3的面31上的多個發光元件11的排列間隔設為p。
67.另外,雖然圖1中未示出,但是將從19個發光元件11出射的19條激光光線的各中心光線設為a
n
。其中,后綴n=1、2、
……
n。n為發光元件11的數量,在本實施方式1中n=19。此外,中心光線是指穿過激光光線中的光束直徑的中心的中心線。
68.在本實施方式1以及將在后說明的實施方式2~4中,各激光光線的光束直徑被定義為光強度分布的環繞功率為86.5%時的直徑。然后,在本說明書中“激光光線”的意思是指具有這樣定義的光束直徑的光。在該情況下,激光光線的最外直徑是指光強度分布的環繞功率為86.5%的直徑。此外,復用光束的光束直徑也同樣地定義。
69.接下來,對復用光學系統100的工作進行說明。多個發光元件11與復用光學系統100的光軸a平行地出射激光光線。各激光光線垂直地入射于透鏡2。即,從各發光元件11出射的各激光光線平行于透鏡2的光軸ad。在此,發光元件11為二維光子晶體表面發射激光器。
70.入射于透鏡2的多個激光光線的各中心光線a
n
的行進方向在從透鏡2出射時變化。具體而言,從透鏡2出射的多個激光光線的各中心光線a
n
向著與透鏡2距離f2的位置的一點聚光。即,多個激光光線的各中心光線a
n
聚光于與透鏡2距離f2的位置。
71.在本實施方式1中,在與透鏡2距離f2的位置配置有光纖5的入射面51。因此,在假設不存在透鏡陣列4的情況下,從透鏡2出射的多個激光光線的各中心光線a
n
聚光于光纖5的入射面51的中心50。
72.另外,在從透鏡2出射的多個激光光線中,相鄰的激光光線彼此隨著行進而相互接近。然后,在與透鏡2距離l2的位置,相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸。
73.在與透鏡2距離l2的位置配置有透鏡陣列4。換言之,透鏡陣列4配置于從透鏡2出射的相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸的位置。然后,各激光光線入射于透鏡陣列4的對應的各透鏡區域40。
74.在透鏡陣列4中,19個透鏡區域40被一體成型。通過以一體成型來制作,不需要透鏡區域40之間的保持構造。另外,能夠減小或消除不具有透鏡效應的無效區域。
75.在本實施方式1中,透鏡陣列4的各透鏡區域40的大小d4被規定為與入射的激光光線的光束直徑w2一致。其結果是,入射于透鏡陣列4的相鄰的激光光線彼此在最外直徑相互接觸的狀態下從透鏡陣列4被出射。
76.另外,各激光光線的中心光線a
n
通過透鏡陣列4中的對應的透鏡區域40的中心。因此,各激光光線的中心光線a
n
在透鏡陣列4的內部直線行進。透射過透鏡陣列4的各透鏡區域40的各激光光線的中心光線a
n
聚光于透鏡陣列4的焦點位置。
77.另外,各激光光線入射于透鏡陣列4的對應的透鏡區域40。各激光光線僅入射于透鏡陣列4的對應的透鏡區域40。因此,各激光光線在最大限度地抑制能量損耗的狀態下透射透鏡陣列4。透射過透鏡陣列4的各激光光線聚光于光纖5的入射面51的中心50而成為復用光束,能量集中于此處。
78.在本實施方式1中,復用光學系統100的條件被設定為使得距離l2與距離l3之和與焦距f2相等。此外,復用光學系統100的條件是指例如焦距f2、焦距f4、距離l1、距離l2或距離l3等。
79.根據光源1的特性以及想要得到的復用光束的特性來設定復用光學系統100的條件。此外,“光源1的特性以及復用光束的特性”是指復用的發光元件的數量、光束質量、光束
直徑、振蕩波長等。
80.當確定了這些值后,能夠計算入射于透鏡陣列4的多個激光光線的光束直徑w2。據此,能夠決定透鏡陣列4中的各透鏡區域40的大小d2以及發光元件11的排列間隔p。
81.在如上述那樣設計的復用光學系統100中,從多個發光元件11出射的各激光光線聚光于1點而成為復用光束。在各激光光線聚光于1點的位置,各激光光線形成最小光點。
82.在本實施方式1中,從19個發光元件11出射的19條激光光線的19個聚光光點在1點重合。即,各激光光線的各聚光光點重合。此時,從19個發光元件11出射的各激光光線的能量以少的損耗集中于1點。
83.另外,透射過透鏡陣列4之后的多個激光光線在相鄰的激光光線彼此的最外直徑相互接觸的狀態下出射并聚光。因此,復用光束中光束直徑內的光束占有率提高。也就是說,復用光束的聚光性提高。
84.此外,在使用實際的具有厚度的透鏡的情況下,傾斜地入射于透鏡的激光光線的中心光線a
n
在透鏡的前后略微平行地錯開。在這樣的情況下,通過調節散熱器3上的各發光元件11的排列間隔p來應對。
85.通過調節各發光元件11的排列間隔p,能夠使透射過透鏡陣列4之后的各激光光線的中心光線a
n
聚光于設想的位置。在此,設想的位置是指光纖5的入射面51上的中心50。此外,通過調節各發光元件11的排列間隔p,排列間隔p在全部發光元件11之間不再相同,但這不會造成問題。
86.此外,以上,“光束直徑”被定義為光強度分布的環繞功率為86.5%時的寬度。然而,光束直徑的定義不限于此。光束直徑的定義根據需要的光利用效率或復用光束的光束質量來定義即可。
87.另外,透鏡陣列4中的各透鏡區域40的形狀可以不是如圖3所示的圓形。例如,各透鏡區域40的形狀可以為包含圓形的透鏡部分的六邊形狀。例如,透鏡區域40的形狀為圓形的透鏡內接的六邊形狀。另外,六邊形的部分的邊可以為圓弧狀。
88.<向光纖的耦合>
89.光纖5以自身的入射面51的中心50與從多個發光元件11出射的各激光光線聚光于1點而形成復用光束的位置一致的方式來配置。光纖5的入射面51的中心50與從多個發光元件11出射的各激光光線聚光而形成復用光束的位置一致。
90.在光纖5中,激光光線的聚光光點直徑與纖維的纖芯直徑具有以下所示的適當關系。激光光線的聚光光點直徑為復用光束的光束直徑。另外,在光纖5中,復用光學系統100聚光時的na與光纖5的允許的na具有以下所示的適當關系。其中,na為數值孔徑。
91.優選為光纖5的纖芯直徑相對于復用光束的總功率能夠確保90~99.5%的耦合效率。
92.當選擇大的纖芯直徑時,光纖5的入射面51處的光束的耦合效率接近于100%。然而,入射于光纖5的激光光線在光纖5的內部傳播期間在纖芯與包層的界面處被反射。因此,激光光線在與傳輸方向垂直的截面上擴散。結果是,激光光線的聚光性下降。
93.另一方面,當選擇小的纖芯直徑時,在光纖5的內部傳播過程中的激光光線的能量損耗變大。另外,未入射于光纖5的纖芯的激光光線被照射至包層或其周邊。結果是,未入射于光纖5的纖芯的激光光線成為引起在入射面51附近的加熱或燒壞的原因。
94.另外,優選為光纖5的允許的na相對于復用光束聚光時的na為1.2~3倍。在光纖5的允許的na過大時,取決于光纖5的敷設狀態等而容易向高階模式耦合。因此,在激光光線的傳輸過程中聚光性劣化。
95.在光纖的允許的na與復用光束聚光時的na相同的情況或比其小的情況下,在激光光線耦合時或傳輸過程中產生能量損耗。結果是,有可能從光漏出的部分引起光纖5的損傷或周邊部件的損傷。
96.如此,多個激光光線高效地耦合至光纖5。然后,多個激光光線在抑制了光束質量下降的狀態下在光纖5的內部傳播。高輸出且高聚光性的復用光束從光纖5的出射面輸出。
97.此外,在發光元件11的數量為大約2~20個的情況下,優選為使用大模面積光纖(large mode area fiber)作為光纖5。大模面積光纖為多模光纖的一種。關于大模面積光纖,纖芯直徑大至幾十μm,允許的na小至約0.15以下。大模面積光纖僅能夠在低階模式下傳輸。在復用光束在纖維內傳輸期間,向高階模式的耦合被抑制。結果是,能夠將輸出的激光光線的聚光性維持得高。
98.<具體的數值例>
99.接下來示出本實施方式1的復用光學系統100的具體的數值例。
100.<數值例1>
101.表1示出復用光學系統100的規格的第1例。此外,光源1的多個發光元件11被配置為六邊形格子狀。
102.[表1]
[0103][0104][0105]
在表1中,用w0來記載光源1的各發光元件11的光束直徑。用m2來記載光束質量。用n來記載發光元件11的數量。
[0106]
在表1的規格的情況下,復用光學系統100的特性如下。聚光光點的大小為直徑約48μm。聚光時的na為約0.13。此外,列舉光纖5的特性的一例如下。光纖5的纖芯直徑例如為
直徑約50μm。光纖的允許的na例如為na=0.16。
[0107]
<數值例2>
[0108]
表2示出復用光學系統100的規格的第2例。光源1的多個發光元件11被配置為六邊形格子狀。
[0109]
[表2]
[0110][0111][0112]
在表2的規格的情況下,復用光學系統100的特性如下。聚光光點的大小為直徑約44μm。聚光時的na為約0.1。此外,列舉光纖5的特性的一例如下。光纖5的纖芯直徑例如為直徑約50μm。光纖的允許的na例如為na=0.12。
[0113]
<實施方式1的效果>
[0114]
如以上說明的那樣,本發明的實施方式1的復用光學系統100具備光源、光路變更部件以及聚光部件。光源包括多個發光元件。發光元件為二維光子晶體表面發射激光器。光路變更部件變更從多個發光元件出射的各激光光線的光路而使之向著1點聚光。光路變更部件變更從多個發光元件出射的各激光光線的光路而使之聚光。聚光部件通過多個透鏡區域使從光路變更部件出射的各激光光線聚光來形成復用光束。
[0115]
根據上述特征,本發明的實施方式1的復用光學系統100為聚光性高的復用光學系統。另外,復用光學系統100為高輸出的復用光學系統。
[0116]
另外,聚光部件被配置于從光路變更部件出射的相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸的位置。據此,復用光束的聚光性進一步提高。
[0117]
另外,聚光部件中包含的多個透鏡區域的大小被規定為與入射于這些多個透鏡區域的各激光光線的光束直徑相等。然后,從聚光部件出射的各激光光線在相互的最外直徑接觸的狀態下被出射。據此,復用光束的聚光性進一步提高。
[0118]
另外,使用透鏡作為光路變更部件,由此能夠以簡單的單元來高精度地變更多個激光光線的光路。
[0119]
另外,使用透鏡陣列作為聚光部件,由此能夠使各透鏡區域之間的無效區域最小化,能夠使激光光線彼此更接近。因此能夠提高復用光束的聚光性。
[0120]
另外,多個發光元件排列為六邊形格子狀。而且,多個發光元件以最稠密的方式排列。因此,作為復用光束的源的多個激光光線在盡可能接近的狀態下入射于光路變更部件。據此也能夠容易地得到聚光性高的復用光束。其中,“稠密”一般表示密集地擠得滿滿的情形。
[0121]
另外,通過使用大模面積光纖作為光纖,能夠將從光纖輸出的激光光線的聚光性維持得高。
[0122]
實施方式2.
[0123]
<正方形格子狀的排列>
[0124]
圖4為示出本發明的實施方式2的復用光學系統中的、光源201中包含的發光元件11的排列的圖。另外,圖5為示出本實施方式2的透鏡陣列204中的透鏡區域240的排列的圖。
[0125]
在本實施方式2中,光源201包括16個發光元件11。16個發光元件11在散熱器3的面31上排列為正方形格子狀。面31例如為單個面。
[0126]
本實施方式2的由正方形格子狀的排列而得到的光束占有率低于實施方式1的由六邊形格子狀的排列而得到的光束占有率。然而,當比較本實施方式2的圖4與圖5時,相比于圖4,在圖5中光束占有率提高。
[0127]
因此在本實施方式2中,在由于排列發光元件11時使用的裝置的性能、光源1的電極構造或需要的發光元件11的數量等各種制約而無法采用六邊形格子狀的配置作為發光元件11的排列的情況下,能夠將光束占有率提高到某個程度來提高復用光束的聚光性。
[0128]
實施方式3.
[0129]
<圓弧狀的排列>
[0130]
圖6為示出本發明的實施方式3的復用光學系統中的、光源301中包含的發光元件11的排列的圖。另外,圖7為示出本實施方式3的透鏡陣列304中的透鏡區域340的排列的圖。
[0131]
在本實施方式3中,光源301包括10個發光元件11。10個發光元件11在散熱器3的面31上的圓周上以等角度排列。面31例如為單個面。
[0132]
本實施方式3的由圓周上的等角度的排列而得到的光束占有率低于實施方式1的由六邊形格子狀的排列而得到的光束占有率。然而,當比較本實施方式3的圖6與圖7時,相比于圖6,在圖7中光束占有率提高。
[0133]
因此,在本實施方式3中,在由于排列發光元件11時使用的裝置的性能、光源1的電極構造或需要的發光元件11的數量等各種制約而無法采用六邊形格子狀的配置作為發光元件11的排列的情況下,能夠將光束占有率提高到某個程度來提高復用光束的聚光性。
[0134]
實施方式4.
[0135]
<多面體棱鏡>
[0136]
圖8為示出本發明的實施方式4的復用光學系統400的、包括光軸a的面的截面的圖。
[0137]
復用光學系統400具備光源1、多面體棱鏡402以及透鏡陣列4。復用光學系統400可以具備光纖5。
[0138]
在本實施方式4中,使用多面體棱鏡402來代替實施方式1的透鏡2。在這一點以外,
復用光學系統400與復用光學系統100相同或相似。因此,對與復用光學系統100相同或相似的構成要素附加相同附圖標記并省略其說明。
[0139]
將從光源1的各發光元件11到多面體棱鏡402的距離設為l
401
。另外,將從多面體棱鏡402到透鏡陣列4的距離設為l
402
。進而將從透鏡陣列4到光纖5的入射面51的距離設為l
403
。
[0140]
多面體棱鏡402配置于光源1與透鏡陣列4之間。多面體棱鏡402具有與多個發光元件11分別對應的棱鏡面p
n
。其中,后綴n=1、2、3、
……
、n。n為發光元件11的數量。另外,后綴n也與中心光線a
n
的后綴n對應。即,棱鏡面p
n
的后綴n與中心光線a
n
的后綴n相同。
[0141]
多面體棱鏡402具有入射面421以及出射面422。多面體棱鏡402的入射面421為與復用光學系統400的光軸a垂直的平面。多面體棱鏡402的出射面422包括棱鏡面p
n
。其中棱鏡面p
n
為與n個發光元件11分別對應的互為不同朝向的面。
[0142]
在此,棱鏡面p1~p
n
相對于光軸a的傾斜被規定為使得從各發光元件11出射的各激光光線各自的中心光線a
n
在距多面體棱鏡402焦距f
402
的光軸a上相交。距多面體棱鏡402焦距f
402
的光軸a的位置為聚光位置。在本實施方式4中,聚光位置為光纖5的入射面51的中心50。
[0143]
從各發光元件11出射的各激光光線垂直地入射于多面體棱鏡402的入射面421。入射于多面體棱鏡402的各激光光線分別從對應的棱鏡面p
n
出射。
[0144]
從多面體棱鏡402出射的各激光光線向著上述聚光位置行進。在假設不存在透鏡陣列4的情況下,從多面體棱鏡402出射的各激光光線的各中心光線a
n
聚光于光纖5的入射面51的中心50。
[0145]
在從多面體棱鏡402出射的多個激光光線中,相鄰的激光光線彼此隨著行進而相互接近。然后,在距多面體棱鏡402距離l
402
的位置,相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸。
[0146]
在距多面體棱鏡402距離l
402
的位置配置有透鏡陣列4。換言之,透鏡陣列4配置于從多面體棱鏡402出射的相鄰的激光光線的最外直徑相互接觸的位置。然后,各激光光線入射于透鏡陣列4的對應的各透鏡區域40。
[0147]
各激光光線在最大限度地抑制能量損耗的狀態下透射透鏡陣列4。透射過透鏡陣列4的各激光光線聚光于光纖5的入射面51的中心50而成為復用光束,能量集中于此。
[0148]
在本實施方式4中,復用光學系統400的條件被設定為使得距離l
402
與距離l
403
之和與焦距f
402
相等。此外,復用光學系統400的條件是指例如焦距f
402
、透鏡陣列4的焦距f
404
、距離l
401
、距離l
402
、距離l
403
等。
[0149]
根據光源1的特性以及想要得到的復用光束的特性來設定復用光學系統400的條件。如此,與實施方式1同樣地能夠得到聚光性高的復用光束。
[0150]
此外,多面體棱鏡402的入射面421可以不是平面。例如,入射面可以為多面體。
[0151]
另外,本發明的光路變更部件在實施方式1~3中為透鏡2,在實施方式4中為多面體棱鏡402。然而,光路變更部件不限于這兩個。例如還能夠使用衍射光學元件作為光路變更部件。通過使用衍射光學元件,能夠使光路變更部件變薄。
[0152]
此外,在上述各實施方式中,有時使用“平行”或“垂直”等表示部件之間的位置關系或者部件的形狀的術語,而這些術語表示包括考慮到制造上的公差、組裝上的偏差等的范圍。因此,在權利要求書中存在表示部件之間的位置關系或部件的形狀的記載的情況下,
表示包括考慮了制造上的公差、組裝上的偏差等的范圍。
[0153]
<透鏡陣列的形狀的設計方法>
[0154]
最后對前述的實施方式1的透鏡陣列4的形狀的設計方法進行補充說明。在實施方式1中,為了提高復用光束的聚光性,需要適當地設計透鏡陣列4及透鏡陣列4中包含的各透鏡區域40的透鏡面的形狀。此外,以下說明的設計方法還能夠同樣地應用于實施方式2~4。
[0155]
圖9為說明實施方式1的透鏡陣列4的形狀不適當時的、透射透鏡陣列4的激光光線的聚光的情形的圖。在圖9中,在透鏡陣列4中包含的各透鏡區域40中,復用光學系統100的光軸a上的透鏡區域40r1和光軸a外的透鏡區域40r2及40r3均為相同形狀并且位于相同平面上。
[0156]
在圖9中,透射過光軸a上的透鏡區域40r1的激光光線在光纖5的入射面51形成最小光點。與此相對,透射過光軸a外的透鏡區域40r2及40r3的激光光線在到達入射面51之前形成了最小光點。另外,各激光光線不在1點相交,而是錯開地相交。
[0157]
像這樣,在激光光線相對于透鏡區域40的光軸傾斜地入射的情況下,容易產生場曲(field curvature)、像散(astigmatism)、彗形像差(coma)等像差。在產生了像差的復用光學系統中,聚光光點變大。其結果是,光纖5的入射面51處的光束直徑變大,復用光束的聚光性變低。
[0158]
作為校正這些像差的方法,已知有組合多個透鏡、或是將透鏡面設為非球面的方法。然而,在使用透鏡陣列的結構中,使用多個透鏡來校正像差的方法不適合。這是因為,透鏡陣列為昂貴的光學部件,并且需要高精度地調節多個透鏡陣列的相對位置。另一方面,已知上述像差中的場曲為無法用1個透鏡來校正的像差。
[0159]
在此,考慮如下方法:使用1個透鏡陣列,使透射各透鏡區域的激光光線的聚光位置一致,從而得到聚光性高的復用光束。此外,在此所謂的透鏡陣列的形狀是指各透鏡區域的兩面的形狀及厚度,還有透鏡陣列內的各透鏡區域的相對位置。另外,為了在全部透鏡區域中都具有相等倍率,各透鏡區域的焦距應該相等。
[0160]
<透鏡陣列的優選的形狀:第1例>
[0161]
圖10為示出實施方式1的透鏡陣列4的優選的形狀的第1例的圖。
[0162]
在圖10中,透鏡陣列4的各透鏡區域40的光軸與復用光學系統100的光軸a平行。
[0163]
在各透鏡區域40中都是至少一個透鏡面、在此為光源側的透鏡面為非球面,校正除場曲以外的像差。尤其是,光軸a外的透鏡區域40r2及40r3抑制像散及彗形像差。此外,如果將各透鏡區域40的兩面設為非球面,則有時能夠更好地校正像差。
[0164]
在圖10中,將透鏡區域40r1、40r2及40r3的光源側的透鏡面分別設為s1
r1
、s1
r2
及s1
r3
。另外,將透鏡區域40r1、40r2及40r3的聚光點側的透鏡面分別設為s2
r1
、s2
r2
及s2
r3
。
[0165]
進而,將光源側的透鏡面s1
r1
、s1
r2
及s1
r3
各自的曲率設為c
1r1
、c
1r2
及c
1r3
。另外,將聚光點側的透鏡面s2
r1
、s2
r2
及s2
r3
各自的曲率分別設為c
2r1
、c
2r2
及c
2r3
。
[0166]
此時,曲率c
2r1
、c
2r2
及c
2r3
被設計為滿足以下關系式。
[0167]
c
2r1
<c
2r2
<c
2r3
(1)
[0168]
一般而言,各透鏡區域40的聚光點側的透鏡面的曲率被設計為隨著該透鏡區域的光軸與復用光學系統100的光軸a的距離越長而越變大。
[0169]
在焦距恒定的情況下,當增大聚光點側的各透鏡面的曲率時,能夠取得長的后焦
點。在如上述那樣設計透鏡陣列4的情況下,對于越與復用光學系統100的光軸a遠離的透鏡區域40,從聚光點側的透鏡面到聚光位置的距離越變長。即,通過對于越與復用光學系統100的光軸a遠離的透鏡區域40而越增大聚光點側的透鏡面的曲率,從而能夠使后焦點的延長和由場曲引起的聚光位置的前傾抵消。結果是,透射過各透鏡區域40的激光光線在相同位置形成最小光點。
[0170]
此外,在上述的情況下,前焦點變短。然而,在實施方式1中,距離l2是距離l3的幾倍至幾十倍大。因此,由于前焦點的場曲程度的微小距離變化而導致的影響很小。
[0171]
通過如上述那樣設計透鏡陣列4的形狀,能夠校正像差以得到良好的聚光光點,并且能夠使形成最小光點的位置對齊,能夠提高復用光束的聚光性。
[0172]
<透鏡陣列的優選的形狀:第2例>
[0173]
圖11為示出實施方式1的透鏡陣列4的優選的形狀的第2例的圖。
[0174]
在圖11中,透鏡陣列4的各透鏡區域40的光軸與復用光學系統100的光軸a平行。另外,各透鏡區域40為相同形狀。即,在各透鏡區域40中,光源側的透鏡面的形狀全都相同,另外,聚光點側的透鏡面的形狀也全都相同。
[0175]
在各透鏡區域40中,至少一個透鏡面、在此為光源側的透鏡面為非球面,校正除場曲以外的像差。
[0176]
另外,當關注于透鏡區域40r1、40r2及40r3時,它們越位于透鏡陣列4的邊緣,即按照透鏡區域40r1、透鏡區域40r2、透鏡區域40r3的順序,則越向聚光點側突出。即,該透鏡區域的光軸距復用光學系統100的光軸a越遠,則該透鏡區域被配置于沿著復用光學系統100的光軸a越向聚光點側偏離的位置。
[0177]
換言之,各透鏡區域40的光軸與復用光學系統100的光軸a的距離越長,該透鏡區域的聚光點側的透鏡面的面頂點沿著復用光學系統100的光軸a越位于聚光點側。據此,由場曲引起的像面的前傾被校正。
[0178]
此外,由于越靠邊緣的透鏡區域40越向聚光點側突出,透鏡區域40與透鏡2的距離略微變短。然而,與上述第1例的情況同樣地,由此產生的影響很小。
[0179]
通過如上述那樣設計透鏡陣列4的形狀,能夠校正像差以得到良好的聚光光點,并且能夠使形成最小光點的位置對齊,能夠提高復用光束的聚光性。
再多了解一些
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