CN111468825A - 光源组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光源组件，其为适用于空间光束耦合的新型的光源组件。本发明的光源组件(100)具备：封装体(10)，其包括具有射出激光的发射极区域(E)的LD(激光二极管)(12)及窗部件(14)；第一透镜***(20)，其接收透过窗部件(14)的激光，在像面(22)形成发射极区域的像(虚拟光源)(E’)；第二透镜***(30)，其将通过像面的激光转换成准直光束(B)或会聚光束并射出。

Description

光源组件
技术领域
本发明涉及一种光源组件。
背景技术
使用高输出高亮度的激光束对各种材料进行切割、打孔、作标记等加工、或者对金属材料进行焊接。目前，这种激光加工中使用的二氧化碳激光装置及YAG固态激光装置的一部分正在被能量转换效率高的光纤激光装置所代替。光纤激光装置的激发光源使用半导体激光二极管(以下，简称为LD)。近年来，随着LD的高输出化，开发了LD不用作激发光源而是用作直接照射材料进行加工的激光束的光源的技术。这种技术被称为直接二极管激光(DDL)技术。
专利文献1公开了通过将从多个LD分别射出的多个激光束进行耦合(combine)来增大光输出的激光光源的一例。多个激光束的耦合被称为“空间光束耦合”，能够用于提高例如光纤激光装置的激发光源及DDL装置等的光输出。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利7733932号说明书
发明内容
发明要解决的问题
本发明提供一种适用于空间光束耦合的可靠性更高的激光光源及具备这种激光光源的激光加工装置。
用于解决问题的技术方案
在非限制性示例性实施方式中，本发明的光源组件具备：半导体激光器封装体，其被密封，并包括具有射出激光的发射极区域的激光二极管和透过所述激光的窗部件；第一透镜***，其接收透过所述窗部件的所述激光，在像面形成所述发射极区域的像；第二透镜***，其将通过所述像面后的所述激光转换成准直光束或会聚光束并射出。
发明效果
本发明的实施方式能够提供适用于空间光束耦合的新型的光源组件。
附图说明
图1A是示意性表示使从处于芯片状态的LD射出的激光准直并输出的现有光源组件100P的结构例的俯视图。
图1B是图1A所示的光源组件100P的结构例的侧面图。
图2是表示LD12的基本结构的一例的立体图。
图3A是表示使从收纳于封装体10的LD12射出的激光准直并输出的光源组件100Q的结构例的与XZ面平行的示意剖面图。
图3B是图3A所示的光源组件100Q的与YZ面平行的示意剖面图。
图4是表示本实施方式的光源组件100的基本结构例的图。
图5是放大表示光源组件100的主要部分的图。
图6是表示第一透镜***20包括物镜***24及成像透镜***26的形态的图。
图7A是从XZ面的法线方向观察本实施方式的激光光源模块200的示意俯视图。
图7B是从YZ面的法线方向观察本实施方式的激光光源模块200的示意侧面图。
图7C是从XY面的法线方向观察本实施方式的激光光源模块200的示意正面图。
图8是示意性表示具备9个光源组件100的其它结构例的立体图。
图9A是表示光学***160的结构例的图。
图9B是表示光学***160的其它结构例的图。
图10A是示意性表示5根准直光束B入射到快轴会聚透镜FAF时的光束截面形状的图。
图10B是示意性表示9根准直光束B入射到快轴会聚透镜FAF时的光束截面形状的图。
图10C是示意性表示9根×2列准直光束B入射到快轴会聚透镜FAF时的光束截面形状的图。
图11是表示激光光源模块200的其它结构例的立体图。
图12是表示激光光源模块200的其它结构例的图。
图13是表示本发明的直接二极管激光(DDL)装置的实施方式的结构例的图。
图14是表示本发明的光纤激光装置的实施方式的结构例的图。
图15是表示本发明的实施方式的光源组件的变形例的图。
图16是示意性表示准直光束B的传播方向相对于Z轴倾斜的示例的立体图。
图17A是示意性表示楔形棱镜34的立体图。
图17B是示意性表示楔形棱镜34的剖面图。
图17C是示意性表示从楔形棱镜34射出的准直光束B以描绘圆锥面的方式转向的情况的图。
图18是表示截面具有左右对称的棱镜形状的楔形棱镜34的图。
图19是表示使楔形棱镜34绕X轴转动角度θ0的状态的图。
图20是表示光路修正元件32的正面及截面的图。
图21是表示光路修正元件32的结构例的立体图。
图22是示意性表示具备具有光路修正元件32的多个光源组件100的其它结构例的立体图。
附图标记说明
10：半导体激光器封装体、12：LD、14：窗部件、20：第一透镜***、22：像面、24：物镜***、26：成像透镜***、30：第二透镜***、100：光源组件、120：合束器、140：支架、160：会聚光学***、300：传输光纤、400：加工头、1000：直接二极管激光(DDL)装置、B：光束、M：反射镜、FAC：快轴准直透镜、SAC：慢轴准直透镜、FAF：快轴会聚透镜、SAF：慢轴会聚透镜
具体实施方式
在说明本发明的实施方式之前，说明本发明人等发现的见解及其技术背景。
图1A是示意性表示使从处于芯片状态的LD射出的激光准直并输出的现有光源组件100P的结构例的俯视图，图1B是其侧面图。在附图中，出于参考的目的，示意性示出了以相互垂直的X轴、Y轴及Z轴为基底的XYZ坐标系。
图示的光源组件100P具备射出激光L的LD12和使激光L准直的光学***30P。在图中的示例中，光学***30P包括从接近LD12的位置在光轴上依次配置的快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC。快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC均为柱面透镜(例如圆筒面平凸透镜)。柱面透镜具有使平行光束在直线(焦点)上会聚的曲面。曲面具有与圆柱的外周表面的一部分对应的形状，圆柱的轴向曲率为零。可以使用分别具备图示结构的多个光源组件100P执行空间光束耦合。关于空间光束耦合，后面详细叙述。
图2是表示LD12的基本结构的一例的立体图。图示的结构出于说明的目的而被简化。在图2的示例中，LD12具有形成于上表面的带状p侧电极12P、形成于下表面的n侧电极12N及位于端面12F的发射极区域E。激光L从发射极区域E射出。LD12具有半导体基板和生长于半导体基板上的多个半导体层(半导体层叠结构)。半导体层叠结构包括通过进行激光振荡而发光的发光层，可以具有公知的各种结构。该示例中的LD12为广域型，发射极区域E具有X轴方向尺寸(例如50μm以上)远大于Y轴方向尺寸(例如约2μm)的形状。发射极区域E的Y轴尺寸由LD12的半导体层叠结构(具体为波导及包覆层的厚度、折射率比等)规定。发射极区域E的X轴尺寸由电流在横跨发光层的方向上流动的区域的X轴尺寸，具体为脊结构(未图示)的宽度(增益波导宽度)等规定。
如图2所示，从发射极区域E射出的激光L的光束形状在X轴方向和Y轴方向上不对称。图2中，示意性示出了激光L的远场(far field)图案。激光L在Y轴方向上具有与单模高斯光束近似的光束形状，但是在X轴方向上具有整体上发散角较小的多模的光束形状。Y轴方向的发散半角θyO大于X轴方向的发散半角θxO。Y轴方向上的激光L能够与高斯光束近似，因此，若假设Y轴方向的光束腰位置处的光束半径为ωo，激光L的波长为λ，则θyO＝tan-1(λ/πωo)≒λ/(πωo)弧度成立。在λ在可见光区的广域型激光二极管的情况下，θyO例如为20度，θxO例如为5度。其结果，激光L的Y轴尺寸在沿Z轴方向传播时相对较“快”地扩散。因此，Y轴被称为“快轴”，X轴被称为“慢轴”。慢轴方向的光束质量为多模，因此与快轴方向的光束质量相比，相对较差。其结果是，规定光束质量的光束参数乘积BPP(Beam Parameter Product)在慢轴方向上的值与在快轴方向上的值相比，相对较大。此外，BPP是光束腰半径与远场发散半角的乘积。
在图中的示例中，Z轴与从LD12射出的激光L的传播方向(光束中心轴)平行。在说明单个LD的工作时，使XYZ坐标系的原点与发射极区域E的中心一致较为方便。但是，在说明涉及多个LD的空间光束耦合时，无需将XYZ坐标系的原点与任一LD相关联。另外，用于空间光束耦合的多个LD的朝向无需相互平行，各个激光束也有时被不同的反射镜反射而改变传播方向。因此，本发明的术语“快轴方向”及“慢轴方向”分别不限于与全局XYZ坐标系中的“Y轴方向”及“X轴方向”平行，由各激光束所具有的光束质量的非对称性决定。即在与激光束的传播方向垂直的截面中，BPP最低的方向为“快轴”，与快轴垂直的方向为“慢轴”。
再次参照图1A及图1B。这些附图中，为了简便，激光L及准直光束B简化为3根代表性光线而示出。3根光线中，处于中央的光线位于透镜的光轴上，其它的2根光线示意性表示规定光束直径的位置。光束直径可以由相对于光束中心的光强度具有例如1/e2以上的光强度的区域的尺寸规定。在此，e为纳皮尔对数(约2.71)。光束直径或光束半径也可以由其它基准定义。
快轴准直透镜FAC如图1B所示，在包括激光L的传播方向(Z轴)及快轴方向(Y轴)的平面(YZ面)内使激光L准直。慢轴准直透镜SAC如图1A所示，在包括传播方向(Z轴)及慢轴方向(X轴)的平面(XZ面)内使激光L准直。为了进行这些准直处理，快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC被以发射极区域E的中心位于各自前侧焦点的方式配置。
图2中示意性示出的激光L的截面在近场具有反映发射极区域E的形状且快轴方向小于慢轴方向的形状。但是，快轴方向的发散半角大，因此快轴方向的尺寸随着远离发射极区域E而急剧增加。因此，通过光学***30P后的准直光束B的截面的形状及尺寸依赖于快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC在激光L的光路上的位置。更确切地说，准直光束B的快轴尺寸由快轴方向的发散半角θyO(或快轴准直透镜FAC的数值孔径)和快轴准直透镜FAC的焦距规定。同样，准直光束B的慢轴尺寸由慢轴方向的发散半角θxO(或慢轴准直透镜SAC的数值孔径)和慢轴准直透镜SAC的焦距规定。
通常，快轴准直透镜FAC越接近LD12的端面12F，更具体为发射极区域E，越能够减小准直光束B的快轴尺寸。换言之，快轴准直透镜FAC越远离LD12的端面12F(发射极区域E)，越能够增大准直光束B的快轴尺寸。同样地，慢轴准直透镜SAC越远离LD12的端面12F(发射极区域E)，准直光束B的慢轴尺寸也越大。此外，在改变快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC在激光L的光路上的位置时，需要适当改变准直透镜FAC、SAC的口径及焦距。发射极区域E的中心始终配置于准直透镜FAC、SAC各自的前侧焦点。
在使用具有上述结构的多个光源组件100P进行空间光束耦合的情况下，若采用振荡波长小于近红外区的LD12提高其光输出，则存在由于光集尘效应而环境中的尘埃等附着在工作中的发射极区域E而可能导致光输出降低的问题。发射极区域附着的物质不仅限于尘埃，还可能是挥发的有机物与激光L发生化学反应而生成的沉积物。激光L的波长越短，光输出越高，附着物引起的劣化就越显著。为了避免这种问题，在将多个LD12收纳于壳体内时，在注意不让尘埃混入壳体内的前提下进行壳体的组装，可以密封壳体本身。但是，空间光束耦合所需的透镜***及反射镜等零件可能附着有尘埃等，另外，难以提高壳体整体的气密性，因此，可知难以长期维持高光输出。
作为其它问题解决方案，考虑将各个LD12收纳于密封的半导体激光器封装体内。LD的封装技术高度发展，实现了长期可靠的动作。但是，在半导体激光器封装体的内部收纳LD12的情况下，即使想要使快轴准直透镜FAC接近LD12的发射极区域，由于半导体激光器封装体会产生物理干扰，因此不能足够接近，只能采用焦距相对较长的快轴准直透镜FAC。下面，对这一点进行说明。
图3A是表示使从收纳于半导体激光器封装体10的LD12射出的激光准直并输出的光源组件100Q的结构例的与XZ面平行的示意剖面图，图3B是与该YZ面平行的示意剖面图。下面，有时将半导体激光器封装体简称为封装体。
由图示可知，封装体10的窗部件14位于LD12的发射极区域E与快轴准直透镜FAC之间，快轴准直透镜FAC无法比图示状态更接近LD12的发射极区域E。在上述光源组件100P的情况下，从LD12的发射极区域E至快轴准直透镜FAC的距离为例如0.3毫米(mm)。与此相对，从收纳于封装体10内部的LD12的发射极区域E至快轴准直透镜FAC的距离(指后述的“光学距离”)增加到例如1.5rnm左右。发射极区域E的中心需要位于快轴准直透镜FAC的前侧焦点，因此需要增加快轴准直透镜FAC的焦距，这必然导致准直光束B的快轴(Y轴)方向尺寸增加至数倍。如果准直光束B的快轴尺寸增加，则导致用于空间光束耦合的会聚光学***大型化等不良情况的发生。关于这种不良情况，以后详述。
根据本发明的实施方式，能够解决这种问题。下面，说明本发明的实施方式的光源组件100的基本结构例。
[实施方式]
(光源组件)
图4是表示本实施方式的光源组件100的基本结构例的图。图5是光源组件100的主要部分的模式图。在图示的示例中，光源组件100具备密封的封装体10、第一透镜***20及第二透镜***30。
封装体10包括再端面12F具有射出激光L的发射极区域E的LD12和透过激光L的窗部件14。封装体10的结构没有特别限定，例如可以为Φ5.6mm或Φ9mm等的TO－CAN型封装体。封装体10具备：具有引线端子的芯柱及覆盖固定于芯柱的LD的金属帽，金属帽上安装有具有透光性的窗部件14。窗部件14的典型示例是由光学玻璃(折射率：1.4以上)形成的薄板。封装体10的内部填充高清洁度氮气或稀有气体等惰性气体，可以气密性密封。LD12可以是由例如氮化物半导体系材料形成的输出近紫外、蓝紫色、蓝色或绿色激光的半导体激光元件。具体而言，LD12的振荡波长(中心波长)例如在350nm以上且550nm以下的范围。LD12可以经由具有高导热率的底座固定于芯柱。LD12的朝向不限于图示的示例，还可以以通过封装体内的反射镜沿Z轴方向反射激光的方式配置。
第一透镜***20接收透过窗部件14的激光L，在像面22形成发射极区域E的像E’。另外，在图5所示的示例中，具有与窗部件14相同结构及尺寸的第二窗部件15配置于第一透镜***20的光路上。第二窗部件15相对于第一透镜***20设置于与窗部件14的位置对称的位置。像面22是从发射极区域E的各点发出的光线通过第一透镜***20的折射作用会聚于一点并成像的面。发射极区域E与像面22上的像E’位于共轭位置或其附近。在本发明的实施方式中，通过发射极区域E的中心的激光L的光轴与第一透镜***20的光轴一致。在本发明中，与第一透镜***20的光轴垂直的平面中，将经过从发射极区域E的中心发出的光线通过第一透镜***20会聚的点的中心的平面定义为“像面”。在像面22设置屏幕的情况下，在该屏幕上形成发射极区域E的像E’。但是，现实中，像面22没有配置屏幕，因此像E’作为位于自由空间中的虚拟光源发挥作用。可以将这种虚拟光源称为发射极区域E的中间像、再生像或转印像。第二窗部件15有利于补偿窗部件14对激光L造成的影响，使像面22形成的像E’的形状准确再生为发射极区域E的形状。第二窗部件15并不是必不可少的，第一透镜***20优选具有能够发挥第二窗部件15或第二窗部件15的功能的光学部件。
第二透镜***30将通过像面22的激光L转换成准直光束B或会聚光束并射出。第二透镜***30从位于像面22的发射极区域E的像(虚拟光源)E’取入光，因此，不受封装体10结构的物理约束(干扰)，能够缩短第二透镜***30的焦距。
图5示出了从LD12的端面12F到窗部件14的外侧表面14S的距离L0和从像面22到第二透镜***30的距离L2。在图5所示的示例中，以使L0＞L2的方式配置第二透镜***30的快轴准直透镜FAC。这样，与受封装体10结构的物理约束的情况相比，能够缩短第二透镜***30(具体为快轴准直透镜FAC)的焦距，减小准直光束B的直径。此处的“距离”是指“光学距离”。光学距离是沿着光线的路径对作为线元素ds与折射率n的乘积的n·ds进行积分而得到的值，也被称为“光学距离”或“光路长度”。即使窗部件14的厚度相同，距离L0也可以根据窗部件14的折射率而不同。窗部件14的折射率可以大于空气的折射率(约1.0)，因此窗部件14的存在实质上导致光学距离增加。窗部件14的厚度通常为0.25mm左右。在窗部件14由例如折射率为1.52的玻璃形成的情况下，仅窗部件14即可使光学距离达到0.38(＝0.25×1.52)mm。在LD12与窗部件14之间还具有规定的间隙，因此距离L0可能达到1.0mm以上。此外，从像面22到第二透镜***30的距离是指第二透镜***30所包括的透镜等一个或多个光学元件所具有的表面中离像面22最近的表面与像面22之间的光学距离。在本实施方式中，从像面22到第二透镜***30的距离L2相当于快轴准直透镜FAC的“前侧焦距”、“工作距离”及“后侧焦距(BFL：Back Focal Length)”。
根据本实施方式，距离L2即快轴准直透镜FAC的“前侧焦距”可以为1.0mm以下，通常为0.8mm以下，也可以为0.5mm以下的值(例如约0.3mm)。这样，能够在将LD12收纳于密封的封装体10内部的同时，维持较小的准直光束B的快轴(Y轴)方向尺寸。其结果是，能够提高长期可靠性，而不会使进行空间光束耦合时用于会聚的光学***大型化。
第一透镜***20不必由一个单透镜构成，也可以由透镜组构成。另外，如图6所示，第一透镜***20可以为包括物镜***24及成像透镜***26的中继透镜。通过采用物镜***24和成像透镜***26，能够形成无限远修正光学***。物镜***24及成像透镜***26也可以分别为透镜组。通过采用透镜组，能够减小像差，抑制光束质量的劣化。
在图6的示例中，LD12的发射极区域E位于物镜***24的前侧焦点。像面22位于成像透镜***26的后侧焦点。在本发明的实施方式中，成像透镜***26的有效焦距F2为物镜***24的有效焦距F1以上。有效焦距是指从透镜的主点到焦点的距离。像面22上形成的像的横向倍率为F2/F1，因此像面22上的发射极区域E的像E’的大小为发射极区域E的大小的F2/F1倍。若F2大于F1，则放大的发射极区域E的像E’作为虚拟光源其作用。在此，虚拟光源的快轴方向的尺寸即像面22中的快轴方向光束直径为2×ωy1。另外，从虚拟光源射出的光束的快轴方向发散半角(远场的发散半角)为θy1。另一方面，实际的发射极区域E的快轴尺寸即发射极区域E中的快轴方向光束直径为2×ωyO。另外，从发射极区域E射出的光束的快轴方向发散半角(远场的发散半角)为θyO。在光束质量不劣化的条件下，ωyO×θyO＝ωy1×θy1的关系成立。因此，若F2/F1大于1，则ωy1大于ωyO，θy1小于θyO。其结果是，能够减小第二透镜***30(快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC)的数值孔径，增加有效焦距。关于其技术意义，在后面叙述。
此外，第二透镜***30不限于输出准直光束的光学***，也可以为射出会聚光束的光学***。
在本实施方式中，从像面22到第二透镜***30的距离L2由从像面22到快轴准直透镜FAC的距离规定。在此，从像面22到快轴准直透镜FAC的距离是指快轴准直透镜FAC的表面中距离像面22最近的表面与像面22之间的光学距离。通过使用快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC而并不使用非球面透镜，能够分别对快轴及慢轴实现适当的准直。根据本发明的实施方式，通过在接近像面22的位置配置快轴准直透镜FAC，能够缩短快轴准直透镜FAC的有效焦距，减小准直光束B的快轴尺寸。
在本发明的实施方式中，在第二透镜***30包括从像面22侧依次配置的快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC的情况下，通过使快轴准直透镜FAC的有效焦距EFL为1.0mm以下，能够使准直光束B的快轴尺寸为例如1.0rnm以下(例如0.8mm左右)。若准直光束B的快轴尺寸较小，则能够减小用于将多个准直光束B进行空间耦合的光学***及装置(合束器)。
此外，可以在像面22的位置配置孔径光阑。能够通过孔径光阑遮挡作为虚拟光源发挥作用的发射极像E’的周边部的不必要的光。准直光束B入射到光纤时，通过上述孔径光阑的作用消除光纤耦合不需要的干扰光(爱里斑的外侧形成的干扰光)。
(激光光源模块)
接着，参照图7A、图7B及图7C说明本发明的激光光源模块的实施方式。图7A是从XZ面的法线方向观察本实施方式的激光光源模块200的示意俯视图，图7B是从YZ面的法线方向观察的示意侧面图，图7C是从XY面的法线方向观察的示意正面图。图示的结构收纳于未图示的壳体(外壳)。
图示的激光光源模块200具备多个激光光源100A、100B、100C及合束器120。多个激光光源100A、100B、100C分别为上述光源组件100。下面，出于简便的目的，有时会将激光光源100A、100B、100C统称为“光源组件100”。一个激光光源模块200所包括的光源组件100的个数为任意个。该示例中，光源组件100的个数为3个，通常为4个以上。图8是示意性表示具备9个光源组件100的其它结构例的立体图。能够与光源组件100的个数成正比地提高耦合光束的光输出及光强度。为了在有限的空间内用多个准直光束填充来提高填充率，优选减小准直光束的快轴尺寸，缩短Y轴(快轴)方向的准直光束B的中心间距S。
此外，准直光束B在附图中被简略描绘成了完全平行光，但是现实中的准直光束B在光束腰处达到最小光束半径后以规定的发散角发散。因此，在图8所示的示例中，若光源组件100的个数过多，则对于来自离开聚光学***160的位置的光源组件100的准直光束B，可能光路增加，光束直径增大。作为一例，在快轴准直透镜FAC的有效焦距为0.3mm的情况下，从快轴准直透镜FAC到准直光束B的光束腰的距离为例如50mm左右。在该示例中，若光源组件100的个数过多超过10个，则最大光路长度远远超过50mm。其结果是，不能无视部分准直光束B的发散，对于芯尺寸小的光纤，可能难以适当会聚。因此，作为由空间光束耦合应耦合的准直光束B的数量并不是简单地越多越好，优选根据条件设定在适当范围。
合束器120将从多个光源组件100射出的多个准直光束B进行空间耦合。在本实施方式中，从各光源组件100射出的准直光束B具有大致相同的波长(例如，约465nm±10nrn)，但是相位并未相互同步。因此，多个准直光束B被非相干地耦合。
在本实施方式中，激光光源模块200具备支承基体(支架)140，支承基体(支架)140以使从基准平面Ref到多个准直光束B的中心的距离(高度)H分别不同的方式支承多个光源组件100。如图7B所示，支架140具备具有多个台阶的载置面140T。Y轴(快轴)方向的准直光束B的中心间距S相当于支架140的载置面140T的台阶的大小。中心间距S可以设定为例如200μm以上至350μm的范围内，为了容易理解，图7B、图7C及图8中，台阶被夸张地放大表示。如图7A所示，光源组件100沿着Z轴方向以中心间距P排列。
本实施方式的合束器120包括具有分别反射多个准直光束B的多个反射镜M的反射镜阵列。具体地，支架140的载置面140T在不同高度(水平位置)支承个数与光源组件100的个数相对应的反射镜M。各反射镜M的位置及朝向以反射对应的准直光束B并朝向会聚光学***160的方式对齐。在典型示例中，反射镜M使准直光束B绕与Y轴平行的轴旋转90度。这样，本实施方式的反射镜M的阵列使被反射的多个准直光束B沿着与基准平面Ref垂直的面(YZ面)传播。此外，反射镜M可以固定于未图示的壳体壁，也可以经由能够调整各个反射镜M的位置及朝向的零件固定。此外，反射镜M的反射面优选由在入射的准直光束B的波长中选择性地具有高反射率的多层膜形成。
Y轴方向的准直光束B的中心间距S大于各个反射镜M的Y轴方向的尺寸。在典型示例中，各个反射镜M的Y轴方向的尺寸设定为各个准直光束B的Y轴方向半径ωy2的2倍以上。在此，ωy2严格来说为准直光束B的在光束腰处的值，但是由于发散半角足够小，因此该示例中光路上准直光束B的Y轴方向半径可以近似大致等于ωy2。在本实施方式中，S＞2×ωy2成立。在ωy2为例如100μm时，S可以设定为例如300μm(＝2.5×ωy2)。各个准直光束B的Y轴方向半径ωy2越小，越能减小中心间距S。在此，在不采用本实施方式的光源组件100，而使采用图3B所示的光源组件100Q的情况下，各个准直光束B的Y轴方向半径ωy2达到1mm左右。因此，台阶的大小S也需要为1mm左右以上，空间光束耦合后的光束直径过大。另外，例如，如图8所示，光源组件100的个数越多，该问题就越明显。但是，通过采用本实施方式的光源组件100，能够解决该问题。
在决定Y轴方向的准直光束B的中心间距S时，可以忽略光源组件100彼此间的物理干扰。与此相对，Z轴方向的中心间距P以使相邻两个光源组件100不会物理干扰的方式决定。
合束器120包括将由多个反射镜M分别反射的多个准直光束B进行会聚的光学***160。本实施方式的光学***160将多个准直光束B耦合于未图示的光纤。此外，反射镜M的反射面并不必须是平坦的。反射镜M可以担当光学***160所具有的会聚功能的至少一部分。另外，合束器120可以具有除反射镜M以外的光学零件，例如具有波长选择性的滤波器。
图7A、图7B、图7C及图8所示的结构可以收纳于未图示的壳体。壳体本身有时会被称为封装体，但是与上述半导体激光器封装体相比，内部零部件数量多，难以达到充分抑制光集尘效应所需要的清洁度并维持气密性。
下面，参照图9A及图9B，说明耦合多个准直光束B的光学***160的结构例。图9A及图9B分别表示使沿快轴(Y轴)方向以中心间距S排列的n根准直光束B进行会聚的光学***160的结构例。图9A的示例与图9B的示例之间的差异在于快轴准直透镜FAC的差异。
在图示的示例中，n为3以上的奇数，但是n也可以为偶数。另外，出于简便的目的，准直光束B在附图中绘制成了完全平行的光线，但是如上所述，现实中的准直光束B在光束腰处达到最小光束半径后以规定的发散角度发散。若入射到光学***160的n根准直光束B的Y轴方向的整体尺寸为2×RTY，则2×RTY＝S×(n－1)+2×ωy2的关系成立。该关系可以转换成RTY＝S×(n－1)/2+ωy2。此外，n根准直光束B沿着快轴(Y轴)方向呈直线状排列，因此，n根准直光束B的X轴方向的整体尺寸等于各个准直光束B的X轴方向的尺寸2×ωx2。
图9A及图9B的光学***160从接近其会聚点的位置(后侧焦点)Q的一侧依次包括慢轴会聚透镜SAF及快轴会聚透镜FAF。这些透镜为柱面透镜。在此，使Z轴(点划线)与光学***160的光轴一致。快轴会聚透镜FAF在包括Z轴及快轴方向(Y轴)的平面(YZ面)内使全准直光束B会聚。慢轴会聚透镜SAF在包括Z轴及慢轴方向(X轴)的平面(与纸面垂直的XZ面)内使各准直光束B会聚。
快轴会聚透镜FAF及慢轴会聚透镜SAF以各自的后侧焦点一致的方式配置。耦合激光束在会聚位置Q处的Y轴方向半径ωy3具有虚拟光源的Y轴方向半径ωy1与倍率(EFLFAF/EFLFAC)相乘而得到的值。在此，EFLFAC为快轴准直透镜FAC的有效焦距，EFLFAF为快轴会聚透镜FAF的有效焦距。
如上所述，在本发明的实施方式中，若使成像透镜***26的有效焦距F2大于物镜***24的有效焦距F1，由于像面22上形成的像的横向倍率为F2/F1，则像面22上的发射极区域E的像E’的大小放大到发射极区域E的实际大小的F2/F1倍。另外，F2/F1越大，从虚拟光源输出的光束的快轴方向发散半角(远场发散半角)θy1越小。若从虚拟光源射出的光束的快轴方向发散半角(远场的发散半角)θy1减小，则能够减小快轴准直透镜FAC的数值孔径，增加有效焦距。与图9A的结构例相比，图9B的结构例中的θy1相对较小。通过采用有效焦距EFLFAC较长的快轴准直透镜FAC，快轴准直透镜FAC及快轴会聚透镜FAF的会聚位置Q处的横向倍率(EFLFAF/EFLFAC)减小。这样，若会聚位置Q处的横向倍率减小，则能够提高会聚光束斑相对于光纤纤芯的位置偏离容许度。
此外，作为一例，在ωy1＝2.0μm、EFLFAC＝0.3mm、EFLFAF＝10.0mm的情况下，ωy3＝66.7μm。另外，在ωy1＝4.0μm、EFLFAC＝0.6mm、EFLFAF＝10.0mm的情况下，ωy3＝66.7μm。另外，当使慢轴准直透镜SAC的有效焦距为EFLSAC，慢轴会聚透镜SAF的有效焦距为EFLSAF时，耦合激光束在会聚位置Q处的X轴方向半径ωx3具有虚拟光源的X轴方向半径ωx1与倍率(EFLSAF/EFLSAC)相乘得到的值。例如在ωx1＝80μm、EFLSAC＝5.0mm、EFLSAF＝4.0mm的情况下，ωx3＝64μm。
根据本实施方式，能够将激光束会聚到例如数值孔径为0.2左右纤芯直径为100μm的多模光纤。n根激光束非相干地耦合，引起光强度增大到n倍。此外，在图3B的结构中，S及RTY增大，因此需要使会聚光学***160大型化。
图10A、图10B及图10C分别示意性表示5根、9根及9根×2列准直光束B入射到快轴会聚透镜FAF时的光束截面形状。如图11所示，图10C的形态通过将多个光源组件100排列成2列而得到。
光源组件100的排列的形态不限于上述示例。图12是表示其它示例的上表面模式图。从多个光源组件100输出的光束可以排列成3列。另外，多个光源组件100及/或反射镜M无需相互平行，也可以倾斜。
根据本发明的实施方式，LD12收纳于封装体内，因此，高输出短波长的激光束可能引起的光集尘效应导致的LD12的光输出降低被抑制，可靠性提升。另外，能够使多个准直光束B以高空间密度进行耦合，因此，能够有效地提高光输出。进一步地，抑制了准直光束B的快轴尺寸的增加，因此光源组件100的空间配置自由度提高，能够密集排列多个准直光束B。其结果是，能够将高输出的激光束高效地耦合到光纤。
在上述实施方式中，各个封装体10收纳有一个LD12，但是各封装体10也可以收纳有多个LD12。另外，在各实施方式中，各个LD12具有1个发射极区域E，但是一个LD12也可以有多个发射极区域E。这样，1个封装体10的内部具有多个发射极区域E(发射极阵列)的情况下，同样能够得到本发明的实施方式的效果。即，通过将位于各封装体10内部的发射极阵列的像转印到第一透镜***20的像面22，只要在自由空间中形成虚拟光源即可不受封装体结构约束地设计第二透镜***30。
(直接二极管激光装置)
接着，参照图13说明本发明的直接二极管激光(DDL)装置的实施方式。图13是表示本实施方式的DDL装置1000的结构例的图。
图示的DDL装置1000具备4个激光光源模块200、加工头400以及将激光光源模块200与加工头400连接的传输光纤300。激光光源模块200的个数为1个或多个，并不限于4个。
各激光光源模块200具有与上述结构相同的结构。搭载于各激光光源模块200的LD的个数没有特别限定，根据所需的光输出或放射照度决定。从各LD放射的激光的波长也可以根据被加工材料选择。例如，在加工铜、黄铜、铝等的情况下，需要采用中心波长在350nm以上且550nm以下的范围内的LD。从各LD放射的激光的波长无需相同，中心波长不同的激光可以重叠。另外，采用中心波长在350nm以上且550nm以下的范围外的激光的情况下，同样能够得到本发明的效果。
在图示的示例中，从多个激光光源模块200中每一个延伸的光纤220通过光纤合束器230耦合到传输光纤300。加工头400将从传输光纤300的前端射出的激光束通过未图示的光学***会聚并照射到对象物500。在1台DDL装置1000具备M个激光光源模块200，各个激光光源模块200搭载有N个LD的情况下，若1个LD的光输出为P瓦特，则能够使最大具有P×N×M瓦特的光输出的激光束会聚在对象物500上。在此，N为2以上的整数，M为正整数。例如，若P＝10瓦特、N＝9、M＝12，则能够实现超过1千瓦的光输出。
根据本实施方式，激光光源模块内的LD收纳于半导体激光器封装体内，因此抑制了光集尘效应等引起的光输出降低，提高了可靠性。另外，能够在有限的空间内填充光束直径小的多个准直光束，因此，能够以小型装置实现高光输出，也容易耦合到光纤。
(光纤激光装置)
接着，参照图14说明本发明的光纤激光装置的实施方式。图14是表示本实施方式的光纤激光装置2000的结构例的图。
图示的光纤激光装置2000具备作为激发光源发挥作用的激光光源模块200及被从激光光源模块200射出的激发光激发的稀土掺杂光纤600。在图示的示例中，从多个激光光源模块200中每一个延伸的光纤220被光纤合束器230耦合到稀土掺杂光纤600。稀土掺杂光纤600由规定谐振器的一对光纤布拉格光栅夹持。在稀土掺杂光纤600掺杂Yb离子的情况下，使用生成波长为例如915nm的激发光的激光光源模块200。在本发明的实施方式的激光光源模块200中，LD收纳于半导体激光器封装体，因此，如上所述，特别是在采用输出蓝色或绿色激光的LD时能够发挥优异的效果。另外，例如在使用由掺杂有镨(Pr)的氟化物玻璃形成的稀土掺杂光纤600的情况下，能够通过蓝色激发光实现可见光激光振荡。本发明的实施方式的激光光源模块200可以用作这种激发光源。
加工头400使从稀土掺杂光纤600的前端射出的激光束通过未图示的光学***会聚并照射到对象物500。
这样，在非限定性的示例性实施方式中，本发明的激光光源模块具备分别作为所述光源组件的多个激光光源以及将从所述多个激光光源分别射出的多个准直光束进行空间耦合的合束器。
在某一实施方式中，具备以从基准平面到所述多个准直光束的中心的高度分别不同的方式支承所述多个激光光源的支架。所述合束器包括：反射镜阵列，其具有分别反射所述多个准直光束的多个反射镜，使反射的所述多个准直光束沿着与所述基准平面垂直的面传播；以及光学***，其使被所述多个反射镜反射的所述多个准直光束会聚。
另外，在非限定性的示例性实施方式中，本发明的直接二极管激光装置具备：至少一个所述激光光源模块；光纤，其使从所述激光光源模块射出的激光束传播，并使所述激光束射出；以及加工头，其耦合到所述光纤，用从所述光纤射出的所述激光束照射对象物。
进一步地，在非限定性的示例性实施方式中，本发明的光纤激光装置具备至少一个所述激光光源模块以及被从所述激光光源模块射出的激光束激发的稀土掺杂光纤。
(光源组件的变形例)
图15是表示本发明的实施方式的光源组件的变形例的图。在图示的示例中，光源组件100X具备密封的封装体10、第一透镜***20、第二透镜***30以及光路修正元件32。封装体10、第一透镜***20及第二透镜***30的结构与上述实施方式中的结构例相同。该变形例的光源组件100X与上述光源组件100的差异在于，具备光路修正元件32。光路修正元件32是改变从第二透镜***30输出的准直光束B的传播方向的元件。
图16是示意性表示在没有光路修正元件32时准直光束B的传播方向相对于Z轴倾斜的示例的立体图。准直光束B在XZ面内从Z轴的正方向向X轴的正方向旋转方位角Φ，且从XZ面向Y轴的正方向旋转仰角Ω。方位角Φ及仰角Ω分别主要是由于快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC的错位而产生的。例如，快轴准直透镜FAC的Y轴方向的位置与规定位置的偏差为1μm的情况下，即可产生0.1度的仰角Ω。即使是Ω＝0.1度的情况下，若光路长，也会导致准直光束B的位置偏差过大。例如，在参照图8说明的激光光源模块200中，准直光束B产生的约0.1～1.0度的角度偏差可能对会聚光学***160的会聚产生不良影响。此外，即使快轴准直透镜FAC的Y轴方向的位置在规定位置上，若慢轴准直透镜SAC的X轴方向的位置偏离规定位置，也可能产生非0度的方位角Φ。
根据图15的光路修正元件32，能够修正准直光束B的朝向，实施修正使仰角Ω及方位角Φ接近0度。光路修正元件32包括使准直光束B折射的光学部件，这种光学部件的典型示例为楔形棱镜。下面，作为一例，说明具有圆形楔形棱镜的光路修正元件32的结构例及动作。
图17A及17B是分别示意性表示楔形棱镜34的立体图及剖面图。图17C是示意性表示通过使楔形棱镜34沿箭头方向旋转而使从楔形棱镜34射出的准直光束B以描绘圆锥面的方式转向的情况。
楔形棱镜34是在光入射面34A与光输出面34B之间形成非0度的角度α的棱镜。角度α在例如0.1度以上1.0度以下的范围内。楔形棱镜34可以由例如折射率为1.5左右的光学玻璃形成。入射到楔形棱镜34的光入射面34A的准直光束B在空气(折射率约为1.0)与光入射面34A的边界面及光输出面34B与空气的边界面发生折射。通过这两次折射能够使准直光束B的传播方向(光束轴向)改变规定角度。因此，只要使用楔形棱镜34使准直光束B的传播方向沿适当方向改变适当角度，即可使上述仰角Ω及方位角Φ接近零度。
接着，参照图18说明楔形棱镜34对光线的折射。图18示出了截面具有左右对称的棱镜形状的楔形棱镜34。图18的楔形棱镜34处于被置于水平面35上的状态。入射光线Bin相对于楔形棱镜34的轴Ax以角度θ0入射至光入射面34A。入射光线Bin的入射角由光入射面34A相对于法线N1的角度θ1规定。由于楔形棱镜34的对称性，输出光线Bout相对于楔形棱镜34的轴Ax以角度θ0从光输出面34B射出。输出光线Bout的射出角由光射出面34B相对于法线N2的角度θ1规定。
图19是表示使这种楔形棱镜34及光线Bin、Bout绕X轴旋转角度θ0的状态的图。通过该旋转，射出光线Bout与Z轴平行。另外，入射光线Bin相对于水平面35形成的角度等于2×θ0。
由上述可知，入射光线Bin沿相对于Z轴倾斜角度2×θ0的方向传播时，即仰角Ω＝2×θ0时，通过采用绕X轴旋转角度θ0的楔形棱镜34能够使射出光线Bout与Z轴平行。
如上所述，入射光线Bin相对于Z轴倾斜的角度(仰角Ω)可以因快轴准直透镜FAC的错位而异。因此，光路的修正所需的楔形棱镜34的倾斜角度θ0也可以因各个光源组件100X而不同。
另外，如上所述，有时需要修正方位角Φ。这种情况下，如图17C所示，通过使楔形棱镜34绕Z轴旋转，能够充分减小仰角Ω及方位角Φ。通常，仰角Ω及方位角Φ均为1.0度以下的小值，因此，如图17C所示，无需使楔形棱镜34大角度旋转。另外，通常，方位角Φ小于仰角Ω，因此在将仰角Ω修正成零后，只要稍微旋转楔形棱镜34即可实现方位角Φ的修正。
在本发明的实施方式中，在快轴准直透镜FAC及慢轴准直透镜SAC的对齐后，调整准直光束B的传播方向时，在光路上配置楔形棱镜34，调整其倾斜角度θ0。具体地，可以提前准备以不同角度θ0倾斜的多个楔形棱镜34，从中选择使仰角Ω最小的楔形棱镜34。然后，使上述选择的楔形棱镜34绕Z轴旋转将方位角Φ最小化即可。然后，使用粘结剂或固化树脂固定楔形棱镜34的位置及朝向即可。提前准备的楔形棱镜34的个数为例如7个，倾斜角度θ0为例如0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0度。
图20是表示适用于上述修正作业的光路修正元件32的结构例的图。图20是左侧表示光路修正元件32的正面，右侧表示光路修正元件32的截面的图。图20的光路修正元件32具有圆柱体(筒状架)36及以倾斜角度θ0固定于圆柱体36的内侧的圆形的楔形棱镜34。这种光路修正元件32可以固定于图21所示的支承台座38。该支承台座38具有容纳被圆柱体36包围的楔形棱镜34的一部分的凹部。在图21的示例中，该凹部为截面的大致形状为V字型槽。通过该V字型槽，能够便于上述楔形棱镜34绕Z轴旋转。
图22是表示具备多个光源组件100X的激光光源模块200的结构例的立体图。该激光光源模块200的光源组件100X具有光路修正元件32，这一点与图8的激光光源模块200不同，除此之外，其它结构均相同。
在图22所示的示例中，各光源组件100X具有光路修正元件32，但是本发明的实施方式并不限于该示例。不需要光路修正的光源组件100X可以不具备光路修正元件32。在多个光源组件100X分别具有光路修正元件32的情况下，各个光路修正元件32所具有的倾斜角度θ0的大小可以分别根据所需的修正量而互不相同。
出于简便的目的，图22中省略了详细图示，支架140的载置面140T设有容纳光路修正元件32的楔形棱镜34的一部分的凹部。楔形棱镜34的外周可以根据需要被圆柱体这样的部件包围。在图22的示例中，各光路修正元件32固定于支架140。
根据图22的激光光源模块200，准直光束B适当入射至会聚光学***160，因此，能够对未图示的光纤实现高效的光耦合。
产业上的可利用性
本发明的光源组件能够用于要求减小准直光束或会聚光束的快轴尺寸的各种用途。特别是可以用于耦合多个激光束实现高输出的激光束。本发明的光源组件的激光二极管并不限于端面射出型激光二极管，也可以是VCSEL(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser)等表面射出型激光二极管。另外，本发明的激光光源模块及直接二极管激光装置可以用于需要高输出的激光光源的产业领域，例如各种材料的切割、打孔、局部热处理、表面处理、金属焊接、3D打印等。进一步地，本发明的激光光源模块还可以用于除DDL装置以外的用途，例如作为光纤激光装置的激发光源使用。

Claims (12)

1.一种光源组件，其具备：
半导体激光器封装体，其被密封，并包括具有射出激光的发射极区域的激光二极管和透过所述激光的窗部件；
第一透镜***，其接收透过所述窗部件的所述激光，在像面形成所述发射极区域的像；
第二透镜***，其将通过所述像面后的所述激光转换成准直光束或会聚光束并射出。
2.如权利要求1所述的光源组件，其中，
从所述像面至所述第二透镜***的距离小于从所述激光二极管的所述发射极区域至所述窗部件的外侧表面的距离。
3.如权利要求1或2所述的光源组件，其中，
所述第一透镜***包括物镜***及成像透镜***。
4.如权利要求3所述的光源组件，其中，
所述激光二极管的所述发射极区域位于所述物镜***的前侧焦点，
所述像面位于所述成像透镜***的后侧焦点，
所述成像透镜***的有效焦距为所述物镜***的有效焦距以上。
5.如权利要求3或4所述的光源组件，其中，
所述物镜***及所述成像透镜***分别为透镜组。
6.如权利要求2～5中任一项所述的光源组件，其中，
所述第二透镜***包括从所述像面的一侧依次配置的快轴准直透镜及慢轴准直透镜，
从所述像面至所述第二透镜***的所述距离由从所述像面至所述快轴准直透镜的距离规定。
7.如权利要求1～6中任一项所述的光源组件，其中，
从所述像面至所述第二透镜***的所述距离为1.0毫米以下。
8.如权利要求1～5中任一项所述的光源组件，其中，
所述第二透镜***包括从所述像面的一侧依次配置的快轴准直透镜及慢轴准直透镜，
所述快轴准直透镜的有效焦距为1.0毫米以下，
所述准直光束的快轴尺寸为1.0毫米以下。
9.如权利要求1～8中任一项所述的光源组件，其中，
还具备光路修正元件，该光路修正元件改变从所述第二透镜***射出的所述准直光束的传播方向。
10.如权利要求1～8中任一项所述的光源组件，其中，
所述光路修正元件包括使所述准直光束折射的光学部件。
11.如权利要求10所述的光源组件，其中，
所述光学部件为楔形棱镜。
12.如权利要求11所述的光源组件，其中，
具备台座，该台座支承所述楔形棱镜，并具有容纳所述楔形棱镜的一部分的凹部。
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