JP6521098B2 - 合波レーザ光源 - Google Patents

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Description

本発明は、互いに独立した複数の光源からのレーザ光を合波して高輝度化を図る合波レーザ光源に関する。また、本発明は、上述の合波レーザ光源を光源とする露光用装置、加工機、照明機器、医療用機器に関する。
従来、レーザの高出力化を図る方法として、複数の光源からの複数のレーザ光を一本の光ファイバ等に合波させる方法や複数の光源が結合されたファイバをバンドルして一本のファイバへ結合させる方法が知られている（特許文献１）。
また、高輝度化を図るために気密にパッケージングされた複数の半導体レーザの複数のビームのうち、集光光学系の光軸とは異なる方向に出射されたビームを光軸の方向に偏向して集光光学系に入射させて、集光光学系により集光されたビームをファイバに入射させて合波する方法が知られている（特許文献２）。
特開２００２−２０２４４２号公報 特開２００７−１７９２５号公報
しかしながら、特許文献２では、パッケージングされた複数の半導体レーザの各々は配置される位置が異なり、複数の半導体レーザの各々は、三次元上に配置されていた。このため、複数の半導体レーザの光軸を三次元上で調整して配置するため、調整に時間がかかり、調整コストが増加してしまう。
また、半導体レーザが熱を発生するためにヒートシンクにより半導体レーザを放熱させる必要がある。しかし、半導体レーザの数が増加した場合には、より多くの放熱を行う必要があるため、ヒートシンク構造が複雑化してしまう。
本発明の課題は、レーザ光源の光軸を容易に調整でき、調整コストを低減することができる合波レーザ光源を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係る合波レーザ光源は、Ｘ方向に配列された複数のレーザ光源と前記Ｘ方向と直交するＹ方向に配列された複数のレーザ光源とが二次元状に配列された二次元レーザ光源と、前記二次元レーザ光源に対応して配置され、前記Ｘ方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をＸ方向に偏向させるＸ方向ステアリング光学素子及び前記Ｙ方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をＹ方向に偏向させるＹ方向ステアリング光学素子を有する二次元偏向光学素子と、前記二次元偏向光学素子からのレーザ光を集光させて光ファイバに結合させる結合レンズとを備え、各方向の前記複数のレーザ光源間の中央位置が前記結合レンズの略中心位置に来るように前記複数のレーザ光源が配置され、各方向ステアリング光学素子は、前記中央位置と配置された前記レーザ光源との距離に応じた長さを有し、前記レーザ光源からの光を前記結合レンズの中心付近に導く。
本発明によれば、二次元平面に配置されたレーザ光源は、光軸調整を同一平面内に限定できるため、二次元レーザ光源の光軸を容易に調整できる。これにより、調整の自動化等により調整コストを低減することができる。また、二次元偏向光学素子によりＸ方向及びＹ方向に二次元レーザ光源の各レーザ光軸を偏向させ、二次元偏向光学素子からのレーザ光を結合レンズで集光させて光ファイバに結合させる。従って、光束の高密度化を図ることができ高出力化が可能となる。
図１は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＣＡＮタイプ半導体レーザを用いた二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。 図３は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＣＡＮタイプ半導体レーザを用いＸ方向に分割された二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。 図４は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＣＡＮタイプ半導体レーザを用いＹ方向に分割された二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。 図５は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。 図６は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＹ方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。 図７は本発明の第２の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。 図８は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の変形例を示す構成図である。 図９は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の他の変形例を示す構成図である。
以下、本発明の実施形態に係る合波レーザ光源を図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。図１に示す合波レーザ光源は、二次元レーザマウント部１、ヒートシンク２、Ｘ方向ステアリング光学素子３、Ｙ方向ステアリング光学素子４、集光レンズ５、光ファイバ６を有している。
なお、Ｙ方向ステアリング光学素子４と集光レンズ５との間に、テレスコープ等の光学素子を設けてもよい。これにより、ビームサイズ等の特性を変えることができる。
二次元レーザマウント部１は、本発明の二次元レーザ光源に対応し、平板状をなしており、図２に示すように、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍと複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍに対向して配置された複数のレンズ１１とをＸ方向及びＹ方向に、即ち二次元状に配列して構成されている。Ｘ方向（水平方向）には複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍ（この例はｍ＝５）が所定間隔毎に配置され、Ｙ方向（垂直方向）には複数の半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙｎ（この例はｎ＝３）が所定間隔毎に配置されている。
気密にパッケージングされた各々の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍ，１０ｙ１〜１０ｙｎは、レーザダイオードからなり、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。これらの半導体レーザとしては、ＣＡＮタイプ半導体レーザが用いられている。なお、半導体レーザとしては、ＣＡＮタイプ半導体レーザに限定されない。
複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍ，１０ｙ１〜１０ｙｎについて、半導体レーザとこの半導体レーザに対応するコリメートレンズ１１とは一体化されて、光軸調整が可能なホルダ等で固定されている。エッジエミッタ型の半導体レーザではアナモルプリズムやシリンドリカルレンズ対を加えビーム整形してもよい。
また、二次元レーザマウント部１の表面には、各々のコリメートレンズ１１に対向する位置に、貫通穴１３が設けられており、各々の貫通穴１３は、コリメートレンズ１１を介する各々の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘｍからのレーザ光をＸ方向ステアリング光学素子３に出力し、半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙｎからのレーザ光をＹ方向ステアリング光学素子４に出力する。
ヒートシンク２は、平板状をなしており、二次元レーザマウント部１に接触又は接近して配置され、二次元レーザマウント部１で発生した熱を放熱する放熱板からなる。ヒートシンク２としては、伝熱特性の良いアルミニウム、鉄、銅、黄銅等の金属材料が用いられる。
また、二次元レーザマウント部１を、図３に示すように、Ｘ方向に複数に分割して構成された分割マウント部２０Ａ〜２０Ｅを用いても良い。あるいは、二次元レーザマウント部１を、図４に示すように、Ｙ方向に複数に分割して構成された分割マウント部２１Ａ〜２１Ｃを用いても良い。
この場合には、分割マウンド部２０Ａ〜２０Ｅ，２１Ａ〜２１Ｃ内の半導体レーザ１０が故障した場合には、その故障した半導体レーザ１０を有する分割マウント部のみを交換すればよい。また、半導体レーザ１０を増加又は減少させる場合には、該当する分割マウント部のみを交換すればよい。
Ｘ方向ステアリング光学素子３及び方向ステアリング光学素子４は、本発明の二次元偏向光学素子に対応し、ガラス、水晶等の透明な媒質からなるロンボイドプリズム群からなり、レーザビームの進行方向を変えるものであり、より具体的には、Ｘ方向及びＹ方向に二次元レーザマウント部１の各レーザ光軸を偏向させる。
図５は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。図５に示すように、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ５（この例では、５個としたが、これに限定されない。）に対向して複数のビーム整形光学素子１１ｘ１〜１１ｘ５，１２ｘ１〜１２ｘ５、ロンボイドプリズム群からなる複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４が配置されている。
なお、半導体レーザ１０ｘ３のレーザ光の光軸は、ステアリング光学素子３ａ，４ａを通過した光束の光軸方向に一致し、ロンボイドプリズムを通すことなく、半導体レーザ１０ｘ３のレーザ光は、直接、コリメートレンズ１４ａ，１４ｂを介して結合レンズ５に導かれる。
複数のビーム整形光学素子１１ｘ１〜１１ｘ５，１２ｘ１〜１２ｘ５は、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ５からのレーザ光を整形して、整形されたレーザ光を複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４に導く。
複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４は、菱形の直方体からなり、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ５からのレーザ光をクランク状に偏向させてコリメートレンズ１４ａ，１４ｂに導く。
半導体レーザ１０ｘ１，１０ｘ５に対応して配置されたロンボイドプリズム３０ｘ１，３０ｘ４が最も長く、半導体レーザ１０ｘ２，１０ｘ４に対応して配置されたロンボイドプリズム３０ｘ２，３０ｘ３がその次に長い。
上記構成により、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ５からのレーザ光を複数のビーム整形光学素子１１ｘ１〜１１ｘ５，１２ｘ１〜１２ｘ５と複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４を通して、コリメートレンズ１４ａ，１４ｂ及び結合レンズ５に導くことができる。
結合レンズ５は、集光レンズの役目をなし、コリメートレンズ１４ａ，１４ｂを介する複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４からのレーザ光を集光して光ファイバ６に結合させる。
なお、複数のビーム整形光学素子１１ｘ１〜１１ｘ５，１２ｘ１〜１２ｘ５の代わりに、シリンドリカルレンズ系を用いても良い。
また、複数の半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ５からのレーザ光をビーム整形しないで、複数のロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ４に直接導くことができる場合には、複数のビーム整形光学素子１１ｘ１〜１１ｘ５，１２ｘ１〜１２ｘ５を設けなくても良い。
図６は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＹ方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。図６に示すように、Ｙ方向の複数の半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙ５（この例では、５個としたが、これに限定されない。）に対向してコリメートレンズ１５ａ，１５ｂ、ロンボイドプリズム群からなる複数のロンボイドプリズム４０ｙ１〜４０ｙ５が配置されている。
コリメートレンズ１５ａ，１５ｂは、複数の半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙ５からのレーザビームをコリメートして、複数のロンボイドプリズム４０ｙ１，４０ｙ２，４０ｙ４，４０ｙ５に導く。なお、半導体レーザ１０ｙ３のレーザ光の光軸は、光ファイバ６の光軸に一致し、ロンボイドプリズムを通すことなく、半導体レーザ１０ｙ３のレーザ光は、直接、結合レンズ５に導かれる。
複数のロンボイドプリズム４０ｙ１，４０ｙ２，４０ｙ４，４０ｙ５は、菱形の直方体からなり、複数の半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙ５からのレーザ光をクランク状に偏向させてコリメートレンズ１５ａ，１５ｂに導く。
半導体レーザ１０ｙ１，１０ｙ５に対応して配置されたロンボイドプリズム４０ｙ１，４０ｙ５が長く、半導体レーザ１０ｙ２，１０ｙ４に対応して配置されたロンボイドプリズム４０ｙ２，４０ｙ４が短い。
上記構成により、複数の半導体レーザ１０ｙ１〜１０ｙ５からのレーザ光をコリメートレンズ１５ａ，１５ｂと複数のロンボイドプリズム４０ｙ１，４０ｙ２，４０ｙ４，４０ｙ５を通して、結合レンズ５に導くことができる。
このように構成された第１の実施形態の合波レーザ光源によれば、二次元平面に配置された二次元レーザマウント部１は、二次元レーザマウント部１の光軸調整を同一平面内に限定することができるため、二次元レーザマウント部１の光軸を容易に調整できる。これにより、調整コストを低減することができる。
また、Ｘ方向ステアリング光学素子３及びＹ方向ステアリング光学素子４によりＸ方向及びＹ方向に二次元レーザマウント部１の各レーザ光軸を偏向させるので、Ｘ方向ステアリング光学素子３及びＹ方向ステアリング光学素子４からのレーザ光を結合レンズ５で集光させて光ファイバ６に結合させる。従って、光束の高密度化を図ることができる。
また、半導体レーザ１０とコリメートレンズ１１とを一体化し、一体化された半導体レーザ１０とコリメートレンズ１１とを同一平面内で左右方向に移動して、半導体レーザ１０からのレーザ光が貫通穴１３に導かれるように半導体レーザ１０とコリメートレンズ１１との位置を調整することができる。
また、従来の特許文献２に記載された図１０（Ａ）に示す構成では、半導体レーザＬＤ１と半導体レーザＬＤ７との光路差が大きいため、ビームが拡がってしまう。
これに対して、本発明では、図５に示すように、半導体レーザ１０ｘ１〜１０ｘ２と、半導体レーザ１０ｘ４〜１０ｘ５とは、対称となっている。このため、半導体レーザ１０ｘ１と半導体レーザ１０ｘ２との光路差は小さくなる。このため、ビームの拡がりが小さくなる。半導体レーザ間のビーム形状の差が小さくなる。
（第２の実施形態）
図７は本発明の第２の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。図７（ａ）は合波レーザ光源の上面図、図７（ｂ）はレーザモジュール１ａ，１ｂを含むレーザ光源の断面図、図７（ｃ）はミラー８と偏光合波素子９ａの断面図である。
図７（ａ）に示すように、例えば、Ｘ方向（水平方向）に２個でＹ方向（垂直方向）に２個配置された４個のレーザモジュール１ａ〜１ｄ（二次元レーザマウント部に対応）が取り付けられている。レーザモジュール１ａ〜１ｄの各々には、例えば、Ｘ方向に３個でＹ方向に５個配置された１５個の半導体レーザ１０が実装されている。
合波レーザ光源には、図７（ｂ）に示すように、レーザモジュール１ａとＸ方向ステアリング光学素子３ａとＹ方向ステアリング光学素子４ａとプリズム７ａとからなる第１レーザ光源と、レーザモジュール１ｂとＸ方向ステアリング光学素子３ｂとＹ方向ステアリング光学素子４ｂとプリズム７ｂとからなる第２レーザ光源とが設けられている。第１レーザ光源と、第２レーザ光源との間には、ミラー８が設けられている。
レーザモジュール１ａ内の半導体レーザ１０からのレーザ光は、Ｘ方向ステアリング光学素子３ａとＹ方向ステアリング光学素子４ａとでＸ方向及びＹ方向に偏向されて、プリズム７ａに導かれる。プリズム７ａは、偏光されたレーザモジュール１ａからのレーザ光を１８０度偏向させてミラー８に導く。
一方、レーザモジュール１ｂ内の半導体レーザ１０からのレーザ光は、Ｘ方向ステアリング光学素子３ｂとＹ方向ステアリング光学素子４ｂとでＸ方向及びＹ方向に偏向されて、プリズム７ｂに導かれる。プリズム７ｂは、偏光されたレーザモジュール１ｂからのレーザ光を１８０度偏向させてミラー８に導く。
ミラー８は、図７（ｃ）に示すように、プリズム７ａからのレーザ光とプリズム７ｂからのレーザ光を反射させて偏光合波素子９ａに導く。
また、レーザモジュール１ｃ，１ｄについても、図７（ｂ）に示す構成と同様に、レーザモジュール１ｃとＸ方向ステアリング光学素子３ｃとＹ方向ステアリング光学素子４ｃとプリズム７ｃとからなる第３レーザ光源と、レーザモジュール１ｄとＸ方向ステアリング光学素子３ｄとＹ方向ステアリング光学素子４ｄとプリズム７ｄとからなる第４レーザ光源とが設けられている。第３レーザ光源と、第４レーザ光源との間には、偏光合成波素子９ａが設けられている。
レーザモジュール１ｃ内の半導体レーザ１０からのレーザ光は、Ｘ方向ステアリング光学素子３ｃとＹ方向ステアリング光学素子４ｃとでＸ方向及びＹ方向に偏向されて、プリズム７ｃに導かれる。プリズム７ｃは、偏光されたレーザモジュール１ｃからのレーザ光を１８０度偏向させて波長板９ｂを介して偏光合波素子９ａに導く。
一方、レーザモジュール１ｄ内の半導体レーザ１０からのレーザ光は、Ｘ方向ステアリング光学素子３ｄとＹ方向ステアリング光学素子４ｄとでＸ方向及びＹ方向に偏向されて、プリズム７ｄに導かれる。プリズム７ｄは、偏光されたレーザモジュール１ｄからのレーザ光を１８０度偏向させて波長板９ｂを介して偏光合波素子９ａに導く。
偏光合波素子９ａは、ミラー８からのレーザ光と波長板９ｂからのレーザ光とを合波してレンズ５ａを介してファイバ６に導く。
以上のように構成された第２の実施形態に係る合波レーザ光源によれば、レーザモジュール１ａ〜１ｄからのレーザ光は、Ｘ方向ステアリング光学素子３ａ〜３ｄとＹ方向ステアリング光学素子４ａ〜４ｄとにより偏向され、プリズム７ａ〜７ｄの偏向により１８０度反転され、レーザ光は、集光レンズ５ａにより集光されて光ファイバ６に結合される。即ち、レーザの光軸に対して、プリズム７ａ，７ｂを通過した光束の光軸方向は、１８０度反転される。
また、レーザモジュール１ａ，１ｂからのレーザ光とレーザモジュール１ｃ，１ｄからのレーザ光とを合波するので、高出力のレーザが得られる。特に、全てのレーザモジュール１ａ〜ｄの波長を同一にすることで２次元配置を維持しながら高出力のレーザが得られる。
また、レーザモジュール１ａ〜１ｄの各々は、互いに異なる波長に設定することができる。これにより、マルチカラーレーザを実現することができる。
また、半導体レーザ１０に異常があった場合にも、異常の半導体レーザ１０を有するレーザモジュールのみを交換するのみで済む。
図８は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の変形例を示す構成図である。図８に示すＸ方向ステアリング光学素子の変形例は、図５に示すＸ方向ステアリング光学素子であるロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ５に代えて、４５度プリズム対３１，３２を用いたことを特徴とする。
４５度プリズム対３１，３２の各々は、４５度の三角形状のプリズムからなり、互いに対向して配置され、一方の４５度プリズムから他方の４５度プリズムにレーザ光が伝送してレーザ光をクランク状に偏向させる。
このような４５度プリズム対３１，３２を用いてもロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ５と同様な効果が得られるとともに、４５度プリズム対３１，３２は小さいので、より安価となる。
図９は本発明の第１の実施形態に係る合波レーザ光源のＸ方向ステアリング光学素子の他の変形例を示す構成図である。図９に示すＸ方向ステアリング光学素子の他の変形例は、図５に示すＸ方向ステアリング光学素子であるロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ５に代えて、４５度プリズムミラー３３，３４を用いたことを特徴とする。
４５度プリズムミラー３３，３４の各々は、４５度の三角形状のミラーからなり、互いに対向して配置され、一方の４５度プリズムミラーから他方の４５度プリズムミラーにレーザ光が伝送してレーザ光をクランク状に偏向させる。
４５度プリズムミラー３３，３４を用いてもロンボイドプリズム３０ｘ１〜３０ｘ５と同様な効果が得られるとともに、４５度プリズムミラー３３，３４は、小さいので、より安価となる。
本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等の高出力合波レーザ光源に適用可能である。

Claims (6)

  1. Ｘ方向に配列された複数のレーザ光源と前記Ｘ方向と直交するＹ方向に配列された複数のレーザ光源とが二次元状に配列された二次元レーザ光源と、
    前記二次元レーザ光源に対応して配置され、前記Ｘ方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をＸ方向に偏向させるＸ方向ステアリング光学素子及び前記Ｙ方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をＹ方向に偏向させるＹ方向ステアリング光学素子を有する二次元偏向光学素子と、
    前記二次元偏向光学素子からのレーザ光を集光させて光ファイバに結合させる結合レンズと、
    を備え、
    各方向の前記複数のレーザ光源間の中央位置が前記結合レンズの略中心位置に来るように前記複数のレーザ光源が配置され、各方向ステアリング光学素子は、前記中央位置と配置された前記レーザ光源との距離に応じた長さを有し、前記レーザ光源からの光を前記結合レンズの中心付近に導く合波レーザ光源。
  2. 前記二次元レーザ光源は、コリメートレンズを有し、前記レーザ光源と前記コリメートレンズを一体化し一体化された前記レーザ光源が二次元状に配列されてなる請求項１記載の合波レーザ光源。
  3. 前記二次元レーザ光源は、Ｘ方向又はＹ方向に複数に分割されてなる請求項２記載の合波レーザ光源。
  4. 前記二次元偏向光学素子は、ロンボイドプリズムからなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の合波レーザ光源。
  5. 前記二次元偏向光学素子は、４５度プリズム対からなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の合波レーザ光源。
  6. 前記二次元偏向光学素子は、４５度プリズムミラーからなる請求項１乃至３のいずれか１項記載の合波レーザ光源。
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