KR100309953B1 - 반도체레이저광원및고체레이저장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 반도체 레이저 광원은, 편광면이 서로 평행하고, 직교 두 방향으로 그 확산각(θz, θx)이 부등식 θz 〉θx를 만족하는 레이저빔을 출사하는 반도체 레이저 어레이와 ; 상기 반도체 레이저 어레이로부터 출사되는 레이저빔을 확산각(θz)이 감소하는 방향으로 집광하는 원통상 렌즈와 ; 원통상 렌즈를 통과하는 각 레이저빔의 편광면이 서로 90도 각도가 되도록 편광 방향을 제어하는 파장판(wave plate)과 ; 상기 파장판을 통과한 각 레이저빔의 광로를 복굴절 효과에 의해서 합류시키는 복굴절 광학 소자와 ; 복굴절 광학 소자에 의해서 합류된 레이저빔을 확산각(θx)이 감소하는 방향으로 집광시키는 광출사면으로 구성된다.

따라서 레이저빔의 합류 효율 및 후단의 광학계로의 결합 효율을 상당히 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 레이저 광원 및 고체 레이저 장치

본 발명은 복수의 반도체 레이저빔을 합성하도록 구성된 반도체 레이저 광원 및 이를 사용한 고체 레이저 장치에 관한 것이다.

반도체 레이저는 가스 레이저나 고체 레이저등에 비하여 소형으로 신뢰성이 높고, 유지 보수도 용이하여 광통신 분야와 광디스크 장치등에 널리 사용되고 있다. 그러나 반도체 레이저는 아직 레이저 용접과 레이저 매스 분야등의 고출력 레이저빔이 필요한 분야에서 아직 개발 상태에 있다. 하나의 반도체 레이저로부터 얻은 광출력은 CW(constant wave) 동작으로 수미리 와트 내지 수백 미리 와트 정도가 한도이다. 따라서 상기 반도체 레이저를 상기한 분야에 응용하는 것이 곤란하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 복수의 반도체 레이저로부터 레이저빔을 합성함으로서 레이저 빔의 출력을 증가시키는 연구가 진행되고 있다.

한편 반도체 레이저의 레이저빔은 확산각(divergent angle)이 크므로 광학 소자의 형상이나 배치가 고정밀 해야 할 것이 요구되어, 복수의 레이저빔을 합성하기가 기술적으로 아주 곤란하다. 그러나, 예를 들어 1개의 광파이버에 복수의 레이저빔을 합류시킬 수 있는 경우에는 반도체 레이저의 응용 범위가 확대된다.

종래 기술로서 특개소 60-76707(1985)호 공보에는, 2개의 반도체 레이저로 부터의 빔을 하나의 광파이버로 입사시키기 위해서 한쪽의 레이저빔 편광면을 90도 회전 시킨후, 복굴절 효과(birefringence effect)에 의해서 2개의 레이저빔을 합류시키는 광학계를 사용하고 있어, 하나가 고장났을 때 나머지가 동작을 계속하도록 되어 다중화(multiplexing)에 의한 신뢰성을 향상시키기 위한 광통신용 반도체 레이저 이중화 모듈이 하기 특성을 갖고 개시되어 있다.

그러나 일본국 특개소 60-76707로 공보 구성에서는 큰 확산각을 갖는 반도체 레이저를 사용할 경우, 복굴절 소자로의 입사각이 광축 근방의 광과 외측으로 확산되는 광 사이의 차이가 크므로, 복굴절 효과가 균일하지 않게 되어 레이저빔의 합류를 어렵게 한다. 또 입사각이 크게 변동함으로서 레이저 빔의 파면도 산란되어, 작은 코어 직경을 갖는 광파이버로 빔을 집광시키기가 어렵다.

파장 안정성이나 수명을 중요시하는 광통신용 반도체 레이저에서는 확산각이 크기 않기 때문에, 상기와 같은 문제점은 발생하지 않는다. 그러나 고출력 고휘도를 중요시 하는 가공 처리용 반도체 레이저에서는, 일반적으로 확산각이 크기 때문에 상기와 같은 문제가 발생한다.

또 상기 종래 기술에서는 레이저빔을 합류시키는 광학 소자와 광파이버에 결합되는 광학 소자를 분리 설치하고 있기 때문에, 광의 투과 손실도 증가하는 동시에 전체 구성이 대형화되어, 결국 신뢰성과 생산성이 저하하게 된다.

본 발명의 목적은, 레이저빔의 집광 효율과 후단의 광학계로의 레이저빔의 결합 효율을 상당히 향상시킬 수 있는 반도체 레이저광을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저빔의 합류 효율과 후단의 광학계로의 레이저빔의 결합 효율의 향상에 의해서, 여기빔의 출력을 증가시킬 수 있는 고체 레이저 장치를 제공함에 있다.

본 발명은, 편광면이 서로 평행하고, 직교 두 방향으로 그 확산각(θa, θb)이 부등식 θa 〉θb를 만족하는 레이저빔을 출사하는 제1 및 제2 반도체 레이저와 ;

제1 및 제2 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 확산각(θa)이 감소되는 방향으로 집광하는 원통상의 광학 소자와 ;

원통상의 광학 소자를 통과한 각 레이저빔의 편광면이 서로 90도 각도가 되도록 편광 방향을 제어하는 편광 회전 소자와 ;

편광 회전 소자를 통과한 각 레이저빔의 광로를 복굴절 효과에 의해서 합류시키는 복굴절 광학 소자와 ;

복굴절 광학 소자에 의해서 합류되는 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광 광학 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원이다.

본 발명에 의하면, 제1 및 제2 반도체 레이저의 뒤에 원통상 광학 소자를 배치하고, 레이저빔을 확산각(θa)이 감소하는 방향으로 집광함으로서, 광이용 효율이 향상되며 후단의 복굴절 광학 소자로의 입사각의 변동이 감소된다. 따라서 레이저빔의 복굴절 효과의 변동이 감소하여 레이저빔의 합류 효율이 향상한다.

또 복굴절 광학 소자에 의해서 합류된 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광성 광학 소자, 예를 들어 원통상 렌즈나 구면 렌즈 등을 설비함으로서 광이용 효율이 향상시키는 동시에, 원통상 광학 소자 및 집광성 광학 소자가 2개의 확산각(θa, θb)을 독립적으로 제어함으로서 원형의 작은 집광 스포트를 실현할 수 있다. 그 결과 광파이버등의 후단 광학계의 레이저빔의 결합 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

또 본 발명은 제1 및 제2 반도체 레이저가 각각 횡멀티모드로 각각 발진하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 횡멀티 모드 반도체 레이저는 하나만 사용할 경우에도 고출력을 발생시킬 수 있어, 레이저빔의 출력을 향상시킬 수 있다.

또 본 발명은 제1 및 제2 반도체 레이저가 단일 칩상에 복수의 발광 영역이 형성된 횡멀티 모드 반도체 레이저 어레이로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 복수의 발광 영역을 갖는 반도체 레이저 어레이를 사용함으로서 확산각, 편광비, 발진 파장, 출력등의 각 발광 영역에서의 발광 특성이 대략 균일하게 되어 합류된 레이저빔의 특성이 균일하게 된다. 또 횡멀티 모드 반도체 레이저 어레이는 하나만 사용할 경우에도 고출력을 발생할 수 있어 레이저빔의 출력을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 집광 광학 소자가 상기 복굴절 광학 소자의 광출사면에 일체로 형성된 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 집광 광학 소자와 복굴절 광학 소자를 일체로 형성함으로서, 집광 광학 소자와 복굴절 광학 소자가 개별 형성되는 것에 비해서 계면 반사 손실이 감소되는 동시에 조립과 조정이 용이하게 되고, 그 결과 신뢰성과 생산성이 향상한다.

또 본 발명은 원통상 광학 소자의 집광 위치와 집광 광학 소자의 집광 위치가 서로 일치하고, 상기 집광 위치에 광파이버의 입사 단면이 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 집광 위치에서의 스포트 직경을 감소시킬 수 있기 때문에, 광파이버와 레이저빔의 결합 효율이 상당히 향상된다.

또 본 발명은, 복수의 광파이버로 되고, 각 광파이버의 입사 단면상에 상기 반도체 레이저 어레이의 발광 영역중 한쌍의 발광 영역으로부터의 레이저빔이 서로 합류된 후 입사하도록 배치된 광파이버 다발(bundle)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 광파이버 다발의 출사 단면이 소정 면적을 갖는 면상 광원(plane-shaped light source)으로서 구성되므로, 고출력, 고휘도의 광원을 실현할 수 있다. 또 본 발명은 광여기형 고체 레이저의 광원이나 가공이나, 조명 및 표시등의 용도에 유용하다.

또 본 발명은, 편광면이 서로 평행하고, 직교하는 2방향으로 그의 확산각(θa, θb)이 부등식 θa〉θb를 만족하는 레이저빔을 출사하는 제1 및 제2 반도체 레이저와 ;

제1 및 제2 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 확산각(θa)이 감소하는 방향으로 집광하는 원통상 광학 소자와 ;

원통상 광학 소자를 통과한 각 레이저빔의 편광면이 서로 90가 되도록 편광 방향을 제어하는 편광 회전 소자와 ;

편광 회전 소자를 통과한 각 레이저빔의 광로를, 복굴절 효과에 의해서 합류시키는 복굴절 광학 소자와 ;

복굴절 광학 소자에 의해서 합류된 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광 광학 소자와,

합류된 레이저빔에 의해서 광여기 되어, 레이저 발진을 행하는 고체 레이저 매질을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치이다.

본 발명에 의하면, 제1 및 제2 반도체 레이저의 뒤에 원통상 광학 소자를 배치하고, 레이저빔을 확산각(θa)이 감소하는 방향으로 집광함으로서 광이용 효율이 향상되는 동시에, 후단에 배치된 복굴절 광학 소자로의 입사각도 변화를 감소 시킬 수 있다. 따라서 레이저빔의 복굴적 효과의 변동이 감소하여 레이저 광의 합류 효율도 향상시킬 수 있다.

또 복굴절 광학 소자에서 합류된 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광 광학 소자, 예를 들어 원통상 렌즈나 구면 렌즈등을 구비함으로서, 광이용 효율이 향상하는 동시에 원통상 광학 소자 및 집광 광학 소자가 두 개의 확산각(θa, θb)을 별도로 제어함으로서, 원형으로 작은 집광 스포트를 실현할 수 있다. 그 결과 , 후단의 광학계의 결합 효율을 상당히 향상시킬 수 있다.

이와같이 해서 출력이 증가된 레이저빔을 고체 레이저 매질의 여기빔으로 서 사용함으로서 고체 레이저 매질의 레이저 출력이 매우 증가된다.

여기서 원통상 광학 소자는 양측의 광입·출력면이, 서로 평행한 모선을 갖는 곡면이나 평면으로 형성되고, 모선과 수직인 방향으로 집광력을 갖고, 모선과 평행한 방향으로 집광력을 갖지 않는 소자를 의미한다. 예를 들면, 일쪽이 원통상이고, 다른 쪽이 평면상으로 형성된 렌즈(소위 반원통상 렌즈)이다. 또 모선에 수직인 단면이 원형인 원통상 렌즈등을 예시 할 수 있다.

본 발명에서는 장치의 소형화를 위해서 원통상 광학 소자로서 원통상 렌즈가 바람직하다. 원통상 렌즈는 반원통상 렌즈보다 굴절력이 크기 때문에, 반도체 레이저 어레이의 발광부 사이의 간극을 작게 할 수 있고, 복굴적 광학 소자의 레이저빔 전파 방향의 길이를 짧게 할 수 있고, 그 결과 광파이버의 NA(개구수)를 증가시키지 않아도 광 파이버까지의 거리를 짧게 할 수 있다. 이 효과를 더 발휘하게 하기 위해서는 원통상 렌즈의 직경의 상한은 1mm가 바람직하고, 500㎛가 더 바람직하다. 직경의 하한은 반도체 레이저의 확산각과 확산 거리에도 의하나, 조정의 용이함을 고려하면, 10㎛가 바랍직하고, 30㎛가 더 바람직하다.

또 본 발명에서는 주변부의 굴절률이 중심부의 굴절률 보다 작아지는 굴절 분포를 갖는 원통상 렌즈가 더 바람직하다. 이와같은 굴절률 분포형 원통상 렌즈를 사용함으로서 구면 수차를 보정하기 위해서 제1 및 제2 반도체 레이저로부터 출사된 2개의 레이저 빔이 각각 콜리메터되어 겹쳐지는 복굴절 광학 소자의 면에서의 파면의 산란이 작고 또 복굴적 효과의 불균일도 작아지고, 그 결과 빔은 작은 스포트로 양호하게 집광된다. 이와같은 굴절률 분포형 원통상 렌즈로서 예를 들어 캐나다 Doric사제의 도릭렌즈를 사용할 수 있다.

도1a∼도1c는 본 발명의 일실시예의 구성을 나타낸 것으로, 도1a는 평면도, 도1b는 부분 정면도, 도1c는 광출사측의 단면 형상을 나타낸 도면.

도2는 본 발명에 의한 고체 레이저 장치의 구성을 나타낸 도면.

도3a 및 도3b는 본 발명의 다른 실시예의 구성을 나타낸 도면으로, 도3a는 평면도, 도3b는 부분 정면도.

본 발명의 다른 목적, 특색 및 이점은 하기의 상세한 설명과 도면을 참조하면 더 명확해 질 것이다.

본 발명의 양호한 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.

도1a∼도1c는 본 발명의 일실시예의 구성을 나타낸 것으로, 도1a는 평면도, 도1b는 부분 정면도, 도1c는 광출사측의 단면 형상을 나타낸 도면이다. 반도체 레이저 광원(9)은 복수의 발광 영역(3)을 갖는 반도체 레이저 어레이(2)와, 발광 영역(3)으로부터 레이저빔(LA, LB)을 Z방향으로 집광하는 원통상 렌즈(4)와, 원통상 렌즈(4)를 통과하는 레이저빔(LA, LB)의 편광면이 서로 90도 각도가 되게 편광 방향을 제어하기 위한 편광 회전 소자인 파장판(5)과, 상기 파장판(5)을 통과한 레이저빔(LA, LB)의 광로를 복굴절 효과에 의해 합류시키기 위한 복굴절 광학 소자(6)와, 복굴절 광학 소자(6)를 통과하는 레이저빔(LA, LB)를 X 방향으로 집광하기 위한 원통상으로 형성된 광출사면(7)과, 원통상 렌즈(4)와 광출사면(7)의 집광 위치에 구비된 복수의 광파이버(10)로 구성되어 있다.

반도체 레이저 어레이(2)로부터 복굴절 광학 소자(6)까지의 각 광학 소자는 동일한 기판상에 고정된 광원 모듈(1)로서 구성되어 있다.

상기 반도체 레이저 어레이(2)는 복수의 발광 영역(3)이 스트라이프 폭 50㎛, 스트라이프 간격 500㎛, 공진기 길이 1mm로 단일칩에 형성되어 있다. 각 발광 영역은 단일의 독립된 반도체 레이저로서 기능하고, 횡멀티모드 발진에서 대략 1W의 고출력 레이저빔을 발생시킨다. 상기 반도체 레이저 어레이(2)를 사용함으로서 각 발광 영역(3)에서의 발광 특성, 예를 들어 확산각, 편광비, 발진 파장과 출력이 균일하게 되고, 그 결과 각 레이저빔이 합류된 후 레이저빔의 특성이 균일하게 된다.

발광 영역(3)으로 부터의 레이저빔(LA, LB)은 XY면과 평행하게 형성된 활성층에 대해서 수직인 Z방향으로 확산각이 큰 타원상 강도 분포를 나타낸다. 예를 들어 Z방향의 확산각(θz)은 34도이고, X방향의 확산각(θx)은 10도이다. 레이저빔(LA, LB)은 발광 영역(3)으로 부터 출사된 직후 대략 직선 편광이고, 상기 레이저 빔(LA, LB)의 편광면은 활성층과 평행하다.

상기 원통상 렌즈(4)는 X 방향과 평행한 모선을 갖는 원통상 면에 형성된 광입사면과, 평면상 광출사면을 갖는다. 원통상 렌즈(4)는 발광 영역(3)으로부터 레이저빔(LA, LB)을 Z 방향으로만 집광하고, X 방향으로는 레이저빔(LA, LB)을 집광하지는 않는다. 반도체 레이저 어레이(2)의 배후에 원통상 렌즈(4)를 배치함으로서, 광이용 효율이 증대하는 동시에 후단의 복굴절 광학 소자(6)로의 입사각도 변동을 작게 할 수 있으므로, 복굴절 효과의 불균일이 감소하여, 레이저빔의 합류 효율이 향상된다.

예를 들어 원통상 렌즈(4)로서, 광입사면의 곡률 반경이 500㎛이고, 개구수(NA)는 0.4이고, 중심 두께는 0.5mm인 용융 수정으로 된 원통상 렌즈를 사용한다.

파장판(5)은, X 방향과 Z 방향으로 광의 굴절률이 상위한 1축 결정 또는 2축 결정으로 형성된다. 레이저빔(LA)이 통과하는 부분(5a)과 레이저빔(LB)이 통과하는 부분(5b)에서 두께가 다르도록 파장판(5)의 광출사면이 단차상으로 형성된다. 이러한 구성은 광학 거리의 상위에 기인하여 광의 위상차(phase differnce)가 발생하여, 인접한 레이저빔(LA, LB)의 편광면의 회전 각도가 90도가 되게 조정한다.

예를 들어 파장판(5)은 이상광굴절률(extraordinary ray refractive index) ne는 1.5380 이고, 상광굴절률(ordinary ray refractive index) no는 1.5470의 용융 수정으로 제조한다. 이 파장판은 부분(5a)의 두게가 0.5mm이고, 부분(5b)의 두께 0.5㎛에 대해서 45㎛의 요부를 형성함으로서, 상기 부분(5a)은 편광면 그대로 유지하고 있고, 상기 부분(5b)은 반파장판으로 기능하고, 90도 편광면을 회전시킨다. 따라서 부분(5a)을 통과하는 레이저빔(LA)의 편광면은 X 방향과 평행하게 유지되고, 부분(5b)를 통과하는 레이저빔(LB)의 편광면은 Z 방향과 평행하게 유지되어 레이저빔(LA, LB)의 편광면이 서로 수직하게 된다. 또 각 부분(5a, 5b)의 두께를 조정함으로서 레이저빔(LA)의 편광면은 90도 회전되고, 레이저빔(LB)의 편광면은 그대로 유지되도록 한 파장판도 사용할 수 있고, 또 상기 파장판(5)을 레이저빔의 편광면이 +45도 회전되고 다른 레이저빔은 -45로 회전되도록 설계할 수도 있다.

복굴적 광학 소자(6)는 복굴절 결정, 예를 들어 c축에 대해서 45도의 방향으로 절삭(cut-out)된 YVO₄결정(이상광굴절률 ne는 2.20이고, 상광굴절률 no는 2.0임)으로 형성한다. 복굴절 효과에 의해서 레이저빔(LA)은 상광선으로서 Y 방향과 평행하게 직진하고, 레이저빔(LB)은 이상광선으로서 XY면내에서 Y 방향에 대해서 약 5..8도의 빔 워크오프(walkoff)가 발생하여 경사진 방향으로 진행한다. 복굴절 광학 소자(6)내에서 레이저빔(LA, LB)의 확산각은 둘다 약 2.5도 정도이다.

따라서 광입사면에서 소정 간격으로 분리되어 있는 레이저빔(LA, LB)은 레이저빔(LB)의 경사 진행에 의하여 광로가 교차한다. 이 교차 위치가 출사광과 일치하도록 복굴절 광학 소자(6)의 길이를 조정한다. 본 실시예에서는 그 길이는 5mm이다.

상기 광출사면(7)은 Z방향과 평행한 모선을 갖고, 예를 들어 곡률 반경이 5mm인 원통면상으로 형성함으로서 원통상 렌즈와 동일한 기능을 부여하고 있다. 광출사면(7)은 X 방향으로만 레이저빔(LA, LB)을 집광시키고, 상기 레이저빔(LA, LB)을 Z 방향으로는 집광시키지 않는다. 광출사면(7)에서, 상기 레이저빔(LB)은 대략 5.8도의 워크 오프는 해소되고, 레이저빔(LA, LB)이 서로 겹쳐져 Y 방향과 평행한 방향으로 출사된다. 이와같이 합류된 레이저빔(LA, LB)은 하나의 광학 파이버(10)로 입사된다.

광출사면(7)에 의한 X 방향의 집광 위치와 원통상의 렌즈(4)에 의한 Z 방향의 집광 위치는 서로 일치하는 것이 바람직하다. 예를 들어 광출사면(7)의 결상 배율(βx)은 대략 동일 배율이고, 원통상 렌즈(4)의 결상 배율(βz)는 10∼30배로 설정된다. 이러한 구성에서, 직교하는 방향에서 확산각이 다른 레이저빔일 경우에도, 집광위치에서 원형의 작은 집광 스포트를 실현할 수 있고, 그 결과 후단 광학계인 광파이버(10)와의 결합 레이저빔의 효율이 향상된다. 또 복굴절 광학 소자(6)의 광출사면(7)에 집광 렌즈의 기능을 일체로 형성함으로서, 광출사면(7)과 집광 렌즈의 기능을 분리해서 구비하는 경우에 비해서 계면 반사 손실(interfacial reflection loss)이 감소된다. 따라서 조립과 조정이 용이하고, 신뢰성과 생산성이 향상된다.

상기 광파이버(10)는 예를 들어 직경이 60㎛인 코어(11)와, 상기 코어(11)를 덮는 클래딩(12)으로 구성되어 있고, 개구수(NA)는 0.14 이다. 광파이버(10)의 광입사단면은 복굴절 광학 소자(6)의 광출사면(7)에서 약 7mm 후방에 위치된다.

그리고 인접 레이저빔(LA, LB)에 의해서 합류되는 복수의 광파이버(10)를 설치한다. 광파이버(10)의 광출사단이 링상 결속 부재(13)에 의해서 결속되어, 도1c에 나타낸 바와같이 하나의 광파이버 다발로서 구성된다. 광파이버 다발은 레이저빔(LC)을 발생하기 위한 단일 면상 광원으로서 이용된다. 예를 들어 1W 출력의 20개의 발광 영역(3)을 갖는 반도체 레이저 어레이(2)와, 10개의 반도체 광파이버를 사용함으로서, 중도의 광학 손실을 고려할 경우에도 대략 14W의 출력으로 레이저빔(LC)을 발생시키는 광원을 얻는다. 이러한 구성은 반도체 레이저의 레이저 가공으로의 응용을 확대하는 것이다.

도2는 본 발명에 의한 고체 레이저장치의 구성을 나타낸다. 상기 고체 레이저 장치는 도1을 참조하여 기술한 반도체 레이저 장치(9)와, 상기 반도체 레이저 장치(9)로부터 발생된 레이저빔(LC)을 집광하는 렌즈(14)와, 레이저빔(LC)에 의해서 광여기되어 레이저 발진을 행하는 고체 레이저부(20)등으로 구성된다.

고체 레이저부(20)는 여기빔인 레이저빔(LC)에 의해서 광여기 되어 반전 분포(inverted population)를 형성하는 고체 레이저 매질(22)과, 레이저빔(LC)의 파장에 대해 높은 투과율이고, 고체 레이저 매질(22)의 발진 파장에 대해서 높은 반사율을 나타내는 오목 거울(concave mirror)(21)과, 고체 레이저 매질(22)의 발진 파장에 대해서 95%의 반사율을 나타내는 평면 거울(24)과, 발진빔의 횡모드를 제한하는 개구(23)등으로 구성된다.

예를 들어, 레이저빔(LC)의 파장이 810nm이고, 고체 레이저 매질(22)은 Nd가 1.1at%(원자 퍼센트) 도프되고 발진 파장이 1064nm인 Nd : YAG 결정과, 개구(23)의 개구 직경이 250㎛이고, 오목 거울(21) 및 평면 거울(24)로 구성되는 광공진기 길이가 100mm로 구성된 경우에는 파장이 1064nm이고 출력이 약 7.5W인 레이저빔(LP)을 얻을 수 있다.

이와같은 반도체 레이저 어레이(2)로부터 출사되는 복수의 레이저빔을 복굴절 효과에 의해서 두개를 하나로 합류시키고, 또 광파이버(10)를 결속함으로서, 고출력의 단일 여기빔원을 얻는다. 또 고체 레이저 매질(22)을 광여기함으로서 고체 레이저 매질(22)의 레이저 발진 출력도 상당히 증가한다.

도3은 본 발명의 실시의 다른 형태의 구성을 나타내고, 도3a는 평면도이고, 도3b는 부분 정면도이다. 본 실시예의 전체 구성은 도1에 설명한 것과 유사하나, 도1의 원통상 렌즈(4) 대신에 굴절률 분포(graded index)형의 원통상 렌즈(4a)(예를 들어 직경 30㎛의 도릭렌즈 ; 캐나다국 도릭 렌즈사제)를 원통상 렌즈서 사용하고 있다. 원통상 광학 소자로서 원통상 렌즈(4a)를 사용하고 있기 때문에, 도3b에 나타낸 바와같이 광 파이버(10)의 NA를 증가시키지 않아도, 광파이버(10)와 반도체 레이저 어레이(2)와의 거리를 감소시킬 수 있다. 이 때문에 설계로서 발광영역(3)의 간격을 250㎛, 복굴절 광학 소자(6)의 길이를 2.5mm, 광출사면(7)의 원통상면의 곡률 반경을 2.5mm로 하고, 또 복굴절 광학 소자(6)와 광파이버(10)의 거리를 3.5mm로 했다. 기타 조건이나 동작은 도1과 동일하기 때문에 그의 설명은 생략한다.

이와같이 원통상 렌즈(4a)를 사용함으로서 광파이버(10)의 NA를 도1의 것과 동일하게 0.14까지 유지하면서, 광전파 방향에 따라서 반도체 레이저의 길이를 약절반으로 줄일 수 있다.

또 이와같은 원통상 렌즈(4a)를 사용하는 경우에는, 반도체 레이저 어레이(2)의 발광 영역(3)으로부터의 레이저빔(LA, LB)을 Z 방향으로 집광을 행함으로서, 복굴절 광학 소자(6)에서의 레이저빔(LA, LB)의 합류를 더 효율 좋게 행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로 부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 형태로 실시할 수 있음을 밝혀둔다. 그리고, 상술한 실시 형태는 모든 점에서 예시에 불과한 것으로 제한받지 않는다. 본 발명의 범위는 특허 청구 범위에 나타낸 것으로 명세서 본문에는 구속되지 않는다. 또 청구 범위의 범위에 속하는 변형은 본 발명의 범위내의 것이다.

Claims (7)

1. 편광면이 서로 평행하고, 직교 두 방향으로 그 확산각(θa, θb)이 부등식 θa > θb를 만족하는 레이저빔을 출사하는 제1 및 제2 반도체 레이저와 ; 제1 및 제2 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 확산각(θa)이 감소되는 방향으로 집광하는 원통상의 광학 소자와 ; 원통상 광학 소자를 통과한 각 레이저빔의 편광면이 서로 90도 각도가 되도록 편광 방향을 제어하는 편광 회전 소자와 ; 편광 회전 소자를 통과한 각 레이저빔의 광로를 복굴절 효과에 의해서 합류시키는 복굴절 광학 소자와 ; 복굴절 광학 소자에 의해서 합류되는 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광 광학 소자로 되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원.
2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 반도체 레이저가 각각 횡멀티 모드에서 발진하는 것을 특징으로 반도체 레이저 광원.
3. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 반도체 레이저가 단일 칩에 복수의 발광 영역이 형성된 횡멀티 모드 반도체 레이저 어레이인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원.
4. 제1항에 있어서, 집광 광학 소자는 상기 복굴절 광학 소자의 출사면에 일체로 형성된 곡면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서, 원통상 광학소자의 집광 위치와 집광 광학 소자의 집광 위치가 일치하고, 상기 집광 위치에 광파이버의 입사 단면이 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원.
6. 제5항에 있어서, 복수의 광파이버로 구성되고, 각 광파이버의 입사단면에는 상기 반도체 레이저 어레이의 발광 영역중 한쌍의 발광 영역으로부터의 레이저빔이 합류되어 입사하도록 배치된 광파이버 다발을 구비한 것을 특징으로 하는 반도체 레이저 광원.
7. 편광면이 서로 평행하고, 직교 두 방향으로 그 확산각(θa, θb)이 부등식 θa > θb를 만족하는 레이저빔을 출사하는 제1 및 제2 반도체 레이저와 ; 제1 및 제2 반도체 레이저로부터 출사되는 레이저빔을 확산각(θa)이 감소되는 방향으로 집광하는 원통상의 광학 소자와 ; 원통상 광학 소자를 통과한 각 레이저빔의 편광면이 서로 90도 각도가 되도록 편광 방향을 제어하는 편광 회전 소자와 ; 편광 회전 소자를 통과한 각 레이저빔의 광로를 복굴절 효과에 의해서 합류시키는 복굴절 광학 소자와 ; 복굴절 광학 소자에 의해서 합류되는 레이저빔을 확산각(θb)이 감소하는 방향으로 집광하는 집광 광학 소자와 ; 합류된 레이저빔으로 광여기되고, 레이저 발진을 행하는 고체 레이저 매질을 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 레이저 장치.