JP2006088216A - Laser marking device - Google Patents

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JP2006088216A JP2004280023A JP2004280023A JP2006088216A JP 2006088216 A JP2006088216 A JP 2006088216A JP 2004280023 A JP2004280023 A JP 2004280023A JP 2004280023 A JP2004280023 A JP 2004280023A JP 2006088216 A JP2006088216 A JP 2006088216A
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Takahisa Jitsuno
孝久 實野
Keiu Tokumura
啓雨 徳村
Katsuya Kazama
克也 風間
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Nalux Co Ltd
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Nalux Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser marking device of a simple structure capable of performing micro-marking. <P>SOLUTION: The laser marking device comprises a semiconductor laser unit 2, a semiconductor laser unit housing 3, a lens housing 5 and a condensing lens 11. The semiconductor laser unit includes a semiconductor laser 1, and has a cylindrical shape having the axis of rotational symmetry matched with the optical axis. The semiconductor laser unit housing has a cylindrical hollow part to be fitted to the semiconductor laser unit, and further has a surface of a predetermined angle with respect to the optical axis when the semiconductor laser unit is fitted thereto. The semiconductor laser unit can be position-adjusted in the optical axial direction and the rotational direction around the axis of rotational symmetry in the cylindrical hollow part. The lens housing can be position-adjusted with respect to the semiconductor laser unit housing by sliding. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体レーザを使用するレーザマーキング装置に関する。特にマイクロマーキングやトレーサブルマーキングが可能なマーキング装置に関する。   The present invention relates to a laser marking apparatus using a semiconductor laser. In particular, the present invention relates to a marking device capable of micro marking and traceable marking.

樹脂などからなる製品などに、文字、コードおよび記号などを記録するマーキングには、顧客などに対して情報を提供することを目的とするものと、製造工程や流通工程において情報を提供することを目的とし、顧客などに対して情報を提供することを目的としないものとがある。前者は、肉眼で視認させることによって情報を提供するので、マーキングの対象を視認できる程度の大きさにする必要がある。このため、前者をマクロマーキングと呼称する。後者は、肉眼で視認させることによって情報を提供することを目的せず、また製品などの美観を損なわないのが好ましいので、肉眼で視認できない程度に小さくするのが好ましい。このような、肉眼で視認できない程度に小さなマーキングをマイクロマーキングと呼称する。   Marking that records characters, codes, symbols, etc. on products made of resin, etc. is intended to provide information to customers, etc., and to provide information in the manufacturing process and distribution process Some are intended, but not intended to provide information to customers. The former provides information by visually recognizing it with the naked eye, so it is necessary to make it large enough to visually recognize the marking target. For this reason, the former is called macro marking. The latter does not aim to provide information by being visually recognized by the naked eye, and it is preferable not to impair the beauty of the product or the like. Such a marking that is so small that it cannot be seen with the naked eye is called micro-marking.

マイクロマーキングの一例が製造工程の管理用のトレーサブルマーキングである。トレーサブルマーキングは製品の特定の位置に、微細な2次元バーコードなどのような特殊な記号をマーキングすることによって、製造日時や製造ライン、型番や使用材料と加工プロセスのパラメーターなどを記録する。記録された情報は、下流の製造工程で使用し、あるいは、万一不良品が出たときに上流の工程に逆上って調査して不良原因を確認するのに使用する。   An example of micro marking is traceable marking for management of a manufacturing process. The traceable marking records a manufacturing date, a manufacturing line, a model number, a material used, parameters of a processing process, and the like by marking a special symbol such as a fine two-dimensional barcode at a specific position of a product. The recorded information is used in the downstream manufacturing process, or is used to confirm the cause of the defect by going back to the upstream process when a defective product is found.

マイクロマーキングに使用されるマーキング装置としては、光源にファイバーレーザを使用するものがある。ファイバーレーザは、光源がシングルモードであるために回折限界まで集光でき、かつエネルギーが大きいので、レーザによるマイクロマーキングに適している。しかし、ファイバーレーザを光源に使用するマーキング装置は、大がかりなものとなり、また高価なものとなる。   Some marking devices used for micro marking use a fiber laser as a light source. The fiber laser is suitable for micro-marking with a laser because the light source is single mode and can be focused to the diffraction limit and has high energy. However, a marking apparatus that uses a fiber laser as a light source becomes large and expensive.

ファイバーレーザを光源に使用するマーキング装置は、たとえば、特許文献1(図3および20頁第1段落乃至24頁第1段落)に開示されている。また、半導体レーザからのレーザ光を微小スポット光に集束できるようなマーキング装置は、特許文献2(図1および22乃至28段落)および特許文献3(図1および25乃至31段落)に開示されている。しかし、これらはマイクロマーキングに適したものではない。   A marking device using a fiber laser as a light source is disclosed in, for example, Patent Document 1 (FIG. 3 and page 20, first paragraph to page 24, first paragraph). Further, a marking device that can focus laser light from a semiconductor laser into a minute spot light is disclosed in Patent Document 2 (FIGS. 1 and 22 to 28) and Patent Document 3 (FIGS. 1 and 25 to 31). Yes. However, these are not suitable for micro marking.

特表2002−501436号公報JP-T-2002-501436 特開2001−100145号公報JP 2001-100135 A 特開2000−334585号公報JP 2000-334585 A

マイクロマーキングを行うことのできる、簡単な構造のレーザマーキング装置は存在しなかった。したがって、マイクロマーキングを行うことのできる、簡単な構造のレーザマーキング装置に対するニーズがある。   There has been no laser marking device with a simple structure capable of performing micro marking. Therefore, there is a need for a laser marking apparatus having a simple structure capable of performing micro marking.

本発明によるレーザマーキング装置は、半導体レーザユニットと、半導体レーザユニットハウジングと、レンズハウジングと、集光レンズと、を含む。半導体レーザユニットは、半導体レーザを含み、光軸と一致する回転対称軸を有する円筒形をなす。半導体レーザユニットハウジングは、半導体レーザユニットと嵌合する円筒形の中空部を備え、さらに、半導体レーザユニットを嵌合させた場合の光軸に対して一定の角度の面を備える。集光レンズは、コリメータレンズによって平行化された光束を集光する。半導体レーザユニットは、半導体レーザユニットハウジングの円筒形の中空部において光軸方向および光軸と一致する回転対称軸のまわりの回転方向に位置調整ができるように構成され、レンズハウジングは、光軸に対して前記一定の角度の面を摺動させることにより、半導体レーザユニットハウジングに対して位置調整ができるように構成されている。   The laser marking device according to the present invention includes a semiconductor laser unit, a semiconductor laser unit housing, a lens housing, and a condenser lens. The semiconductor laser unit includes a semiconductor laser and has a cylindrical shape having an axis of rotational symmetry that coincides with the optical axis. The semiconductor laser unit housing includes a cylindrical hollow portion that is fitted to the semiconductor laser unit, and further includes a surface having a certain angle with respect to the optical axis when the semiconductor laser unit is fitted. The condensing lens condenses the light beam collimated by the collimator lens. The semiconductor laser unit is configured to be position-adjustable in a cylindrical hollow portion of the semiconductor laser unit housing in an optical axis direction and a rotational direction around a rotational symmetry axis that coincides with the optical axis. On the other hand, the position of the semiconductor laser unit housing can be adjusted by sliding the surface having the predetermined angle.

本発明によるレーザマーキング装置を製造する方法は、半導体レーザユニットと、半導体レーザユニットハウジングと、レンズハウジングと、を含むマーキング装置を製造する。半導体レーザユニットは、半導体レーザを含み、光軸と一致する回転対称軸を有する円筒形をなす。半導体レーザユニットハウジングは、半導体レーザユニットと嵌合する円筒形の中空部を備え、さらに、半導体レーザユニットを嵌合させた場合の光軸に対して一定の角度の面を備える。半導体レーザユニットは、半導体レーザユニットハウジングの円筒形の中空部において光軸方向および光軸と一致する回転対称軸のまわりの回転方向に位置調整ができるように構成され、レンズハウジングは、光軸に対して前記一定の角度の面を摺動させることにより、半導体レーザユニットハウジングに対して位置調整ができるように構成されている。   A method of manufacturing a laser marking device according to the present invention manufactures a marking device including a semiconductor laser unit, a semiconductor laser unit housing, and a lens housing. The semiconductor laser unit includes a semiconductor laser and has a cylindrical shape having an axis of rotational symmetry that coincides with the optical axis. The semiconductor laser unit housing includes a cylindrical hollow portion that is fitted to the semiconductor laser unit, and further includes a surface having a certain angle with respect to the optical axis when the semiconductor laser unit is fitted. The semiconductor laser unit is configured to be position-adjustable in a cylindrical hollow portion of the semiconductor laser unit housing in an optical axis direction and a rotational direction around a rotational symmetry axis that coincides with the optical axis. On the other hand, the position of the semiconductor laser unit housing can be adjusted by sliding the surface having the predetermined angle.

本発明によるレーザマーキング装置を製造する方法は、半導体レーザユニットを、半導体レーザユニットハウジングの円筒形の中空部に勘合させるステップと、光軸をZ軸として、波面の点像を観察しながら半導体レーザ光の中心を像の中心に合わせるように、半導体レーザユニットハウジングのX軸方向およびY軸方向の位置を調整するステップと、を含む。さらに、半導体レーザユニットハウジングの光軸と一定の角度の面にレンズハウジングを載せて、波面像の点像の位置が左右・上下が対称となるようにレンズハウジングのX軸方向およびY軸方向の位置を調整するステップを含む。さらに、波面収差を測定し、測定結果に基づいてレンズハウジングの位置と半導体レーザユニットの高さを調整するステップと、半導体レーザユニット、半導体レーザユニットハウジングおよびレンズハウジングを一体として固定するステップと、を含む。   A method of manufacturing a laser marking device according to the present invention includes a step of fitting a semiconductor laser unit into a cylindrical hollow portion of a semiconductor laser unit housing, and a semiconductor laser while observing a point image of a wavefront using the optical axis as a Z axis. Adjusting the position of the semiconductor laser unit housing in the X-axis direction and the Y-axis direction so that the center of the light is aligned with the center of the image. Furthermore, the lens housing is mounted on a surface at a certain angle with the optical axis of the semiconductor laser unit housing, and the position of the point image of the wavefront image is symmetrical in the left and right and up and down directions in the X and Y axis directions. Adjusting the position. Further, measuring the wavefront aberration, adjusting the position of the lens housing and the height of the semiconductor laser unit based on the measurement result, and fixing the semiconductor laser unit, the semiconductor laser unit housing and the lens housing as a unit Including.

本発明によれば、コリメータレンズによって平行化されたレーザ光束の波面を測定しながら、波面収差をできるだけ小さくするように、半導体レーザユニットハウジングを介して、半導体レーザユニットとレンズハウジングとの位置関係を調整することができる。したがって、簡単な構造のレーザマーキング装置によって、コリメータレンズによって平行化されたレーザ光束を微小スポット光に集光することができ、マイクロマーキングが実現できる。   According to the present invention, the positional relationship between the semiconductor laser unit and the lens housing is determined via the semiconductor laser unit housing so as to minimize the wavefront aberration while measuring the wavefront of the laser beam collimated by the collimator lens. Can be adjusted. Therefore, the laser beam collimated by the collimator lens can be condensed into the minute spot light by the laser marking device having a simple structure, and the micro marking can be realized.

本発明の一実施形態よれば、一定の角度が90度である。   According to one embodiment of the invention, the constant angle is 90 degrees.

したがって、光軸に対するレンズハウジングの位置を調整するのが容易である。   Therefore, it is easy to adjust the position of the lens housing with respect to the optical axis.

本発明の他の実施形態よれば、半導体レーザユニットハウジングとレンズハウジングとの間にレンズの傾き調整のための機構を備える。   According to another embodiment of the present invention, a mechanism for adjusting the tilt of the lens is provided between the semiconductor laser unit housing and the lens housing.

したがって、非点収差を補正することができる。   Therefore, astigmatism can be corrected.

本発明の他の実施形態よれば、レンズハウジングが、波面補正板をさらに備える。   According to another embodiment of the present invention, the lens housing further comprises a wavefront correction plate.

したがって、レーザアブレーション加工法により波面補正板の形状を加工することにより収差をさらに小さくすることができる。   Therefore, the aberration can be further reduced by processing the shape of the wavefront correction plate by the laser ablation processing method.

本発明の他の実施形態よれば、コリメータレンズが、半導体レーザの活性層に垂直な方向のビーム拡がり角と平行な方向のビーム拡がり角を揃えるようなビーム整形機能を有する。   According to another embodiment of the present invention, the collimator lens has a beam shaping function that aligns the beam divergence angle in the direction parallel to the direction perpendicular to the active layer of the semiconductor laser.

したがって、非点収差を小さくすることができる。   Therefore, astigmatism can be reduced.

本発明によるマーキング装置の他の実施形態よれば、マーキング対象物からの戻り光の強度が最大となるようにまたは戻り光のビーム径が最小となるように集光レンズの光軸方向の位置を調整するオートフォーカス機構をさらに備える。   According to another embodiment of the marking device of the present invention, the position of the condenser lens in the optical axis direction is set so that the intensity of the return light from the marking object is maximized or the beam diameter of the return light is minimized. An autofocus mechanism for adjusting is further provided.

したがって、オートフォーカス機構によりマーキングの不鮮明化が防止出来る。   Therefore, it is possible to prevent the marking from being blurred by the autofocus mechanism.

図1および図2を参照して、本発明のレーザマーキング装置のレーザ光源部分の構成を説明する。レーザ光源部分は、半導体レーザユニット2と、半導体レーザユニットハウジング3と、レンズハウジング5とを含む。半導体レーザユニット2は、半導体レーザ1を含み、光軸と一致する回転対称軸を有する円筒形である。半導体レーザユニットハウジング3は、半導体レーザユニットと嵌合する円筒形の中空部を備え、さらに、半導体レーザユニットを嵌合させた場合に光軸に対して一定の角度の面を備える。レンズハウジング5は、コリメータレンズ4を含み、半導体レーザユニットハウジング3の光軸に対して一定の角度の面に対応する、光軸に対して一定の角度の面を備える。本実施形態においては、一定の角度は90度である。   With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the structure of the laser light source part of the laser marking apparatus of this invention is demonstrated. The laser light source portion includes a semiconductor laser unit 2, a semiconductor laser unit housing 3, and a lens housing 5. The semiconductor laser unit 2 includes the semiconductor laser 1 and has a cylindrical shape having an axis of rotational symmetry that coincides with the optical axis. The semiconductor laser unit housing 3 includes a cylindrical hollow portion that is fitted to the semiconductor laser unit, and further includes a surface having a certain angle with respect to the optical axis when the semiconductor laser unit is fitted. The lens housing 5 includes a collimator lens 4 and includes a surface having a constant angle with respect to the optical axis corresponding to a surface having a constant angle with respect to the optical axis of the semiconductor laser unit housing 3. In the present embodiment, the constant angle is 90 degrees.

使用する半導体レーザ1は、シングルモードの半導体レーザであれば、いずれの波長でもよい。波長は、主には、406ナノメータまたは940ナノメータである。半導体レーザ1の出力は、2Wまでの範囲であり、本実施形態においては、200mWである。   The semiconductor laser 1 to be used may be any wavelength as long as it is a single mode semiconductor laser. The wavelength is mainly 406 nanometers or 940 nanometers. The output of the semiconductor laser 1 is in the range up to 2 W, and in this embodiment is 200 mW.

ここで、半導体レーザユニット2は、半導体レーザユニットハウジング3の円筒形の中空部において光軸方向および光軸と一致する回転対称軸のまわりの回転方向に位置調整ができるように構成されている。また、レンズハウジング5は、光軸に対して一定の角度の面を摺動させることにより、半導体レーザユニットハウジング3に対して位置調整ができるように構成されている。   Here, the semiconductor laser unit 2 is configured such that the position of the semiconductor laser unit 2 can be adjusted in the direction of the optical axis and the rotational direction around the rotationally symmetric axis that coincides with the optical axis in the cylindrical hollow portion of the semiconductor laser unit housing 3. Further, the lens housing 5 is configured such that the position of the lens housing 5 can be adjusted with respect to the semiconductor laser unit housing 3 by sliding a surface having a certain angle with respect to the optical axis.

図3は、本発明のレーザマーキング装置のレーザ光源部分を調整するための調整装置51を示す。図中のPの位置に、レンズユニット5を配置し、その下に半導体レーザユニットハウジング3を配置して調整を行う。図中のAは、半導体レーザユニットハウジング3に対する、レンズハウジング5のX軸方向の位置調整機構を示す。図中のBは、半導体レーザユニットハウジング3に対する、レンズハウジング5のY軸方向の位置調整機構を示す。これらの調整は、半導体レーザユニットハウジング3を固定して、その光軸に対して一定の角度の面において、バネによる反力をかけながらX軸方向またはY軸方向に、レンズハウジング5をネジによって押して摺動させることによって行う。図中のCは、半導体レーザユニットハウジング3に対する、半導体レーザユニット2のZ軸(光軸)方向の位置調整機構を示す。この調整は、固定した半導体レーザユニットハウジング3の円筒形の中空部に半導体レーザユニット2を嵌合させて、ネジ機構により半導体レーザユニット2の底面のZ軸(光軸)方向の位置を変化させることにより行う。図中のDは、半導体レーザユニットハウジング3に対する、半導体レーザユニット2のZ軸(光軸)のまわりの回転位置調整機構を示す。半導体レーザユニット2を載せた円形のテーブルが回転することによってZ軸(光軸)のまわりの回転位置を調整する。図中のEは、半導体レーザユニットハウジング3を固定する固定機構および半導体レーザユニット2を載せた円形のテーブルを載せたステージ全体のX軸方向の傾き調整機構を示す。図中のFは、半導体レーザユニットハウジング3を固定する固定機構および半導体レーザユニット2を載せた円形のテーブルを載せたステージ全体のY軸方向の傾き調整機構を示す。   FIG. 3 shows an adjusting device 51 for adjusting the laser light source portion of the laser marking device of the present invention. The lens unit 5 is disposed at a position P in the drawing, and the semiconductor laser unit housing 3 is disposed below the lens unit 5 for adjustment. A in the drawing indicates a position adjustment mechanism in the X-axis direction of the lens housing 5 with respect to the semiconductor laser unit housing 3. B in the drawing indicates a position adjustment mechanism in the Y-axis direction of the lens housing 5 with respect to the semiconductor laser unit housing 3. In these adjustments, the semiconductor laser unit housing 3 is fixed, and the lens housing 5 is screwed in the X-axis direction or the Y-axis direction while applying a reaction force by a spring on a surface at a certain angle with respect to the optical axis. This is done by pushing and sliding. C in the drawing indicates a position adjustment mechanism in the Z-axis (optical axis) direction of the semiconductor laser unit 2 with respect to the semiconductor laser unit housing 3. In this adjustment, the semiconductor laser unit 2 is fitted into the cylindrical hollow portion of the fixed semiconductor laser unit housing 3, and the position of the bottom surface of the semiconductor laser unit 2 in the Z-axis (optical axis) direction is changed by a screw mechanism. By doing. D in the drawing indicates a rotational position adjusting mechanism around the Z axis (optical axis) of the semiconductor laser unit 2 with respect to the semiconductor laser unit housing 3. The rotational position around the Z axis (optical axis) is adjusted by rotating a circular table on which the semiconductor laser unit 2 is mounted. E in the drawing indicates a fixing mechanism for fixing the semiconductor laser unit housing 3 and a tilt adjusting mechanism for the entire stage on which a circular table on which the semiconductor laser unit 2 is mounted is mounted. F in the figure indicates a fixing mechanism for fixing the semiconductor laser unit housing 3 and a tilt adjusting mechanism for the entire stage on which a circular table on which the semiconductor laser unit 2 is mounted is mounted.

レーザ光源部分を調整するための上述の調整装置51によって、半導体レーザユニットハウジング3を介して、半導体レーザユニットハウジング3とレンズハウジング5との位置関係を調整することができる。調整装置51を使用して、どのように調整を行うかについて以下に説明する。   The positional relationship between the semiconductor laser unit housing 3 and the lens housing 5 can be adjusted via the semiconductor laser unit housing 3 by the adjusting device 51 described above for adjusting the laser light source portion. How to adjust using the adjusting device 51 will be described below.

図4は、調整装置51と、レーザ光の波面を測定する測定光学系とを含む調整システムの構成を示す。以下に詳細に説明するように、測定光学系によってレーザ光の波面を測定しながら、調整装置51によってレーザ光源部分の調整を行う。半導体レーザ1によって射出されたレーザ光束は、コリメータレンズ4によって平行とされる。平行レーザ光束は、それぞれの焦点の和の間隔を空けて配置された焦点距離F1のレンズ101および焦点距離F2のレンズ103を通過させることによって平行レーザ光束の直径を変更する。具体的に平行レーザ光束の直径は、F2/F1倍となる。平行レーザ光束の直径は、後方に配置されたマイクロレンズアレイ105の面積に合わせるように行う。   FIG. 4 shows a configuration of an adjustment system including the adjustment device 51 and a measurement optical system that measures the wavefront of the laser light. As will be described in detail below, the laser light source portion is adjusted by the adjusting device 51 while measuring the wavefront of the laser light by the measuring optical system. The laser beam emitted by the semiconductor laser 1 is collimated by the collimator lens 4. The diameter of the parallel laser beam is changed by allowing the parallel laser beam to pass through the lens 101 having the focal length F1 and the lens 103 having the focal length F2 which are arranged with an interval of the sum of the focal points. Specifically, the diameter of the parallel laser beam is F2 / F1 times. The diameter of the parallel laser beam is adjusted so as to match the area of the microlens array 105 disposed behind.

つぎに、波面測定について説明する。波面測定には、シャックハルトマン測定法を使用する。測定に際しては、たとえばヘリウム・ネオン光源111からの基準光をマイクロレンズアレイ105に入射させる。マイクロレンズアレイ105におけるマイクロレンズの焦点距離は、10000マイクロメートル、配置ピッチは、0.3ミリメートルである。各マイクロレンズは、入射された基準光をそれぞれ集光する。結像レンズ107を使用して焦点像をディテクタアレイ(CCD)109上に結像して、個々の焦点の位置を記録する。つぎに測定光をマイクロレンズアレイ105に入射させ、同様に焦点像を記録する。基準光での焦点位置と測定光の焦点位置のズレ量を求める。基準光とのズレ量は波面の傾きを表しているので、ビーム径全体について積分するとビーム光の波面が求まる。   Next, wavefront measurement will be described. For the wavefront measurement, the Shack-Hartmann measurement method is used. In measurement, for example, reference light from a helium-neon light source 111 is incident on the microlens array 105. The microlens focal length of the microlens array 105 is 10,000 micrometers, and the arrangement pitch is 0.3 millimeters. Each microlens collects the incident reference light. A focus image is formed on a detector array (CCD) 109 using the imaging lens 107, and the position of each focus is recorded. Next, measurement light is made incident on the microlens array 105, and similarly a focus image is recorded. A deviation amount between the focus position of the reference light and the focus position of the measurement light is obtained. Since the amount of deviation from the reference light represents the inclination of the wavefront, the wavefront of the beam light can be obtained by integrating the entire beam diameter.

測定された波面の変位、すなわち波面収差をチェルニケ係数展開することで収差を個別に評価することがでる。具体的にチェルニケ係数1項はX軸の傾きを、チェルニケ係数2項はY軸の傾きを、チェルニケ係数3項はコリメートレンズ4のデファーカスを、チェルニケ係数4項および5項は非点収差を、チェルニケ係数6項および7項はコマ収差(レンズの表面裏面の位置、半導体レーザ光源とコリメータレンズとの軸ずれなど)、チェルニケ係数8項は球面収差を示す。波面収差をチェルニケ係数展開する上述の処理は、ディテクタアレイ109に接続された図示しないプロセッサによって行われる。プロセッサは、たとえばパーソナルコンピュータであってもよい。   The aberration can be individually evaluated by expanding the measured wavefront displacement, that is, the wavefront aberration, with the Chernike coefficient. Specifically, the first term of the Chernike coefficient is the tilt of the X axis, the second term of the Chernike coefficient is the tilt of the Y axis, the third term of the Chernike coefficient is the defercus of the collimating lens 4, the fourth and fifth terms of the Chernike coefficient are astigmatism, Chernike coefficients 6 and 7 indicate coma aberration (positions of the front and back surfaces of the lens, axial misalignment between the semiconductor laser light source and the collimator lens, etc.), and Chernike coefficient 8 indicates spherical aberration. The above-described processing for expanding the wavefront aberration to the Chernike coefficient is performed by a processor (not shown) connected to the detector array 109. The processor may be a personal computer, for example.

上述の波面測定の結果に基づいて、調整装置51によって、半導体レーザユニットハウジング3を介して、半導体レーザユニット2とレンズハウジング5との位置関係を調整する。   Based on the result of the wavefront measurement described above, the adjustment device 51 adjusts the positional relationship between the semiconductor laser unit 2 and the lens housing 5 via the semiconductor laser unit housing 3.

上述の半導体レーザユニットハウジング3とレンズハウジング5との位置関係の調整によっても、収差がなお目標値、たとえばλ/4以下とならない場合には、加工用レーザ光源113および加工用集光レンズ115を使用してレーザアブレーション加工法により波面補正板6の形状を加工することにより収差をさらに小さくする。具体的には、コリメータレンズ4と波面補正板6を透過した半導体レーザ光の波面を測定して、位相の進み具合を示す等高線マップを作成する。このマップの位相が遅れている所に対応する波面補正板の部分をレーザアブレーションで除去して位相を調整する。樹脂製の波面補正板を使用することにより、コリメータレンズ4がガラス製であっても補正可能となる。レーザアブレーション加工法の詳細については、特許第3085875号(光学面の形成方法)に記載されている。   Even if the positional relationship between the semiconductor laser unit housing 3 and the lens housing 5 is adjusted, if the aberration still does not become a target value, for example, λ / 4 or less, the processing laser light source 113 and the processing condensing lens 115 are changed. The aberration is further reduced by processing the shape of the wavefront correction plate 6 by laser ablation processing. Specifically, the wavefront of the semiconductor laser light that has passed through the collimator lens 4 and the wavefront correction plate 6 is measured, and a contour map indicating the degree of phase advance is created. The portion of the wavefront correction plate corresponding to the place where the phase of this map is delayed is removed by laser ablation to adjust the phase. By using a resin wavefront correction plate, correction can be performed even if the collimator lens 4 is made of glass. Details of the laser ablation processing method are described in Japanese Patent No. 3085875 (method for forming an optical surface).

上述の調整手順を、図5の流れ図を参照して説明する。ステップS010において、半導体レーザユニット2および半導体レーザユニットハウジング3を、調整装置51に取付ける。ステップS020において、波面の点像を観察しながら以下の調整を行う。図3のDによって、半導体レーザユニット2を回転させることにより半導体レーザの向きを調整する。半導体レーザ光の中心を像の中心に合わせるように、図3に示さない調整機構により、調整装置全体をX軸方向およびY軸方向に移動させることにより、半導体レーザユニットハウジング3のX軸方向およびY軸方向の位置を調整する。さらに、半導体レーザチップの取付け誤差による半導体レーザ光の光軸ずれを、図3のEおよびFのチルト調整ステージで調整する。ステップS030において、半導体レーザユニットハウジング3の光軸と一定の角度の面にレンズハウジング5を載せて、半導体レーザ光の中心に合わせる。波面像の点像の位置が左右・上下が対称となるように、図3のAおよびBによってレンズハウジング5のX軸方向およびY軸方向の位置を調整する。ステップS040において、ディテクタアレイ109によって波面収差を測定する。チェルニケ係数1、2および3項が0に近づくように、図3のCによってレンズハウジング5の位置と半導体レーザユニット2の高さを調整する。ステップS050において、非点収差の調整が必要かどうか判断する。必要であれば、ステップS060に進み、必要でなければステップS070に進む。ステップS060において、チェルニケ係数4および5項が0に近づくように、図3のGに示す、半導体レーザユニットハウジング3とレンズハウジング5との間において、X軸方向またはY軸方向にレンズを傾ける。レンズを傾けるには、たとえばシムを挿入してもよい。あるいは、ネジとバネからなる機構あるいはバイアスネジ機構を設けてネジを調整することによって傾けてもよい。その後、ステップS030に戻り、再び、レンズハウジング5の位置と半導体レーザユニット2の高さを調整する。ステップS070において、半導体レーザユニット2および半導体レーザユニットハウジング3をUV硬化樹脂などの接着剤で固定する。また、レンズハウジング5、シムおよび半導体レーザユニットハウジング3をUV硬化樹脂などの接着剤で固定する。ステップS080において、波面を測定し、波面補正板による補正が必要かどうか判断する。必要であれば、ステップS090に進む。必要でなければ、終了する。ステップS090において、加工用レーザ光源113および加工用集光レンズ115を使用してレーザアブレーション加工法により波面補正板6の形状を加工することにより収差をさらに小さくする。   The above adjustment procedure will be described with reference to the flowchart of FIG. In step S 010, the semiconductor laser unit 2 and the semiconductor laser unit housing 3 are attached to the adjustment device 51. In step S020, the following adjustment is performed while observing the point image of the wavefront. The direction of the semiconductor laser is adjusted by rotating the semiconductor laser unit 2 according to D in FIG. The entire adjustment device is moved in the X-axis direction and the Y-axis direction by an adjustment mechanism not shown in FIG. 3 so that the center of the semiconductor laser beam is aligned with the center of the image. Adjust the position in the Y-axis direction. Further, the optical axis shift of the semiconductor laser light due to the mounting error of the semiconductor laser chip is adjusted by the tilt adjustment stages E and F in FIG. In step S030, the lens housing 5 is placed on a surface having a certain angle with the optical axis of the semiconductor laser unit housing 3, and is aligned with the center of the semiconductor laser light. The positions of the lens housing 5 in the X-axis direction and the Y-axis direction are adjusted by A and B in FIG. 3 so that the position of the point image of the wavefront image is symmetrical left and right and up and down. In step S040, the wavefront aberration is measured by the detector array 109. The position of the lens housing 5 and the height of the semiconductor laser unit 2 are adjusted by C in FIG. 3 so that the Cernike coefficients 1, 2 and 3 terms approach 0. In step S050, it is determined whether astigmatism adjustment is necessary. If necessary, the process proceeds to step S060, and if not necessary, the process proceeds to step S070. In step S060, the lens is tilted in the X-axis direction or the Y-axis direction between the semiconductor laser unit housing 3 and the lens housing 5 shown in FIG. 3G so that the Chernike coefficients 4 and 5 are close to zero. In order to tilt the lens, for example, a shim may be inserted. Or you may incline by providing a mechanism which consists of a screw and a spring, or a bias screw mechanism, and adjusting a screw. Thereafter, the process returns to step S030, and the position of the lens housing 5 and the height of the semiconductor laser unit 2 are adjusted again. In step S070, the semiconductor laser unit 2 and the semiconductor laser unit housing 3 are fixed with an adhesive such as a UV curable resin. Further, the lens housing 5, the shim, and the semiconductor laser unit housing 3 are fixed with an adhesive such as UV curable resin. In step S080, the wavefront is measured to determine whether correction by the wavefront correction plate is necessary. If necessary, go to step S090. Exit if not needed. In step S090, the aberration is further reduced by processing the shape of the wavefront correction plate 6 by the laser ablation processing method using the processing laser light source 113 and the processing condensing lens 115.

図6は、本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置の全体構成を示す。レーザマーキング装置は、上述の方法によって波面収差を最小化した、レーザ光源部分、すなわち、半導体レーザユニット2、半導体レーザユニットハウジング3、レンズハウジング5および波面補正板6と、集光レンズ11を含む。レーザ光源部分によって波面収差を最小化し、平行化したレーザ光束を、集光レンズ11によって集光することにより高輝度のスポットを得ることで、XYステージ22上の加工物21へのマイクロマーキングが可能となる。レーザマーキング装置は、半導体レーザドライバ16およびXYステージ22を制御するためのプロセッサ15を備えてもよい。   FIG. 6 shows the overall configuration of a laser marking device according to an embodiment of the present invention. The laser marking device includes a laser light source portion, that is, a semiconductor laser unit 2, a semiconductor laser unit housing 3, a lens housing 5, a wavefront correction plate 6, and a condenser lens 11, in which wavefront aberration is minimized by the above-described method. Micro marking on the workpiece 21 on the XY stage 22 is possible by minimizing the wavefront aberration by the laser light source part and collecting the collimated laser beam by the condenser lens 11 to obtain a high brightness spot. It becomes. The laser marking apparatus may include a processor 15 for controlling the semiconductor laser driver 16 and the XY stage 22.

ここで、短焦点レンズによる集光では集光点での深度が浅いためにマーキング物の凹凸によりマーキングが不鮮明に成り易い。そこで、集光照射したマーキング物による反射光をビームスプリター12で分離し、集光レンズ13で集光して、光―電気変換素子14により電気信号に変換し、プロセッサ15に取り込む。プロセッサ15は、当該信号を最大とするように、集光レンズ11をアクチエター17で駆動しマーキング面にベストなフォーカスを維持する。また、別の方法として、ビーム径を画像によって測定し、最小とするように、集光レンズ11をアクチエター17で駆動してもよい。   Here, when the light is condensed by the short focus lens, since the depth at the light condensing point is shallow, the marking tends to be unclear due to the unevenness of the marking object. Therefore, the reflected light from the marking object that has been condensed and irradiated is separated by the beam splitter 12, condensed by the condenser lens 13, converted into an electrical signal by the light-electric conversion element 14, and taken into the processor 15. The processor 15 drives the condenser lens 11 with the actuator 17 so as to maximize the signal, and maintains the best focus on the marking surface. As another method, the condenser lens 11 may be driven by the actuator 17 so that the beam diameter is measured by an image and is minimized.

アクチエター17としては ピエゾ素子駆動、モーター駆動、静電気駆動、磁力駆動などを用いることが出来る。このようなオートフォーカス機構によりマーキングの不鮮明化が防止出来る。   As the actuator 17, piezo element driving, motor driving, electrostatic driving, magnetic driving, and the like can be used. Such an autofocus mechanism can prevent the marking from becoming blurred.

図7は、コリメータレンズの光学配置を示す。コリメータレンズは、R1面がY−トロイダル面からなり、R2面がX−トロイダル面からなるトロイダルレンズを使用した。トロイダルレンズの形状データを以下に示す。rは曲率半径、Kは形状係数、A、B、CおよびDは、それぞれ4次、6次、8次および10次の補正項の係数である。

Figure 2006088216
FIG. 7 shows the optical arrangement of the collimator lens. As the collimator lens, a toroidal lens in which the R1 surface is a Y-toroidal surface and the R2 surface is an X-toroidal surface was used. The shape data of the toroidal lens is shown below. r is a radius of curvature, K is a shape factor, and A, B, C, and D are coefficients of fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order correction terms, respectively.

Figure 2006088216

コリメータレンズとしては、アナモルフィックレンズなどを使用し、X方向(半導体レーザの活性層に平行な方向)およびY方向(半導体レーザの活性層に垂直な方向)の光束の径を等しくするようにしてもよい。 As the collimator lens, an anamorphic lens or the like is used, and the diameters of the light beams in the X direction (direction parallel to the active layer of the semiconductor laser) and the Y direction (direction perpendicular to the active layer of the semiconductor laser) are made equal. May be.

集光レンズは、焦点距離が10ミリメータのものを使用した。   A condenser lens having a focal length of 10 mm was used.

本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置によってマイクロマーキングされた結果を図8乃至10に示す。図8は、ポリカーボネート(PC)上にマイクロマーキングされたものである。ドットの大きさは、約70マイクロメータである。図9は、アクリルニトリルブタジエンスチレン共重合体(ABS)上にマイクロマーキングされたものである。ドットの大きさは、約10マイクロメータである。図10は、エポキシ上にマイクロマーキングされたものである。ドットの大きさは、約30マイクロメータである。   The results of micro marking by the laser marking device according to one embodiment of the present invention are shown in FIGS. FIG. 8 is micromarked on polycarbonate (PC). The dot size is approximately 70 micrometers. FIG. 9 is micromarked on an acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS). The size of the dot is about 10 micrometers. FIG. 10 is micromarked on epoxy. The size of the dot is about 30 micrometers.

本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置のレーザ光源部分を示す。1 shows a laser light source portion of a laser marking device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置のレーザ光源部分を示す。1 shows a laser light source portion of a laser marking device according to an embodiment of the present invention. 本発明のレーザマーキング装置のレーザ光源部分を調整するための調整装置を示す。The adjustment apparatus for adjusting the laser light source part of the laser marking apparatus of this invention is shown. 調整装置を含む、レーザ光源部分を調整するための光学系の構成を示す。The structure of the optical system for adjusting a laser light source part including an adjustment apparatus is shown. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置の調整手順を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the adjustment procedure of the laser marking apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置の全体構成を示す。1 shows an overall configuration of a laser marking device according to an embodiment of the present invention. コリメータレンズの光学配置を示す。The optical arrangement of the collimator lens is shown. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置によってマイクロマーキングされた結果を示す。6 shows the result of micro marking by a laser marking device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置によってマイクロマーキングされた結果を示す。6 shows the result of micro marking by a laser marking device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるレーザマーキング装置によってマイクロマーキングされた結果を示す。6 shows the result of micro marking by a laser marking device according to an embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体レーザ
2 半導体レーザユニット
3 半導体レーザユニットハウジング
4 コリメータレンズ
5 レンズハウジング
6 波面補正板
7 集光レンズ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor laser 2 Semiconductor laser unit 3 Semiconductor laser unit housing 4 Collimator lens 5 Lens housing 6 Wavefront correction plate 7 Condensing lens

Claims (10)

半導体レーザを使用するレーザマーキング装置であって、
半導体レーザを含み、光軸と一致する回転対称軸を有する円筒形の半導体レーザユニットと、
半導体レーザユニットと嵌合する円筒形の中空部を備え、さらに、半導体レーザユニットを嵌合させた場合に光軸に対して一定の角度の面を備える半導体レーザユニットハウジングと、
コリメータレンズを含み、光軸に対して前記一定の角度の面を備えるレンズハウジングと、
コリメータレンズによって平行化された光束を集光する集光レンズと、を含み、
半導体レーザユニットが、半導体レーザユニットハウジングの円筒形の中空部において光軸方向および光軸と一致する回転対称軸のまわりの回転方向に位置調整ができるように構成され、
レンズハウジングが、光軸に対して前記一定の角度の面を摺動させることにより、半導体レーザユニットハウジングに対して位置調整ができるように構成されたレーザマーキング装置。
A laser marking device using a semiconductor laser,
A cylindrical semiconductor laser unit including a semiconductor laser and having a rotational symmetry axis coinciding with the optical axis;
A semiconductor laser unit housing having a cylindrical hollow portion to be fitted with the semiconductor laser unit, and further having a surface at a constant angle with respect to the optical axis when the semiconductor laser unit is fitted;
A lens housing including a collimator lens and having a surface at the fixed angle with respect to the optical axis;
A condensing lens that condenses the light beam collimated by the collimator lens,
The semiconductor laser unit is configured such that the position of the semiconductor laser unit can be adjusted in the direction of the optical axis in the cylindrical hollow portion of the semiconductor laser unit housing and in the rotational direction around the rotational symmetry axis that coincides with the optical axis,
A laser marking device configured such that a lens housing can be adjusted in position with respect to a semiconductor laser unit housing by sliding a surface having the predetermined angle with respect to an optical axis.
前記一定の角度が90度である請求項1に記載のレーザマーキング装置。   The laser marking device according to claim 1, wherein the certain angle is 90 degrees. 半導体レーザユニットハウジングとレンズハウジングとの間にレンズの傾き調整のための機構を備えた請求項1または2に記載のレーザマーキング装置。   3. The laser marking device according to claim 1, further comprising a mechanism for adjusting the tilt of the lens between the semiconductor laser unit housing and the lens housing. レンズハウジングが、波面補正板をさらに備える請求項1から3のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。   The laser marking device according to claim 1, wherein the lens housing further includes a wavefront correction plate. コリメータレンズが、半導体レーザの活性層に垂直な方向のビーム拡がり角と平行な方向のビーム拡がり角を揃えるようなビーム整形機能を有する請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。   5. The laser marking device according to claim 1, wherein the collimator lens has a beam shaping function to align a beam divergence angle in a direction parallel to a direction perpendicular to an active layer of the semiconductor laser. . マーキング対象物からの戻り光の強度が最大となるようにまたは戻り光のビーム径が最小となるように集光レンズの光軸方向の位置を調整するオートフォーカス機構をさらに備える請求項1から5のいずれか一項に記載のレーザマーキング装置。   6. An autofocus mechanism for adjusting the position of the condenser lens in the optical axis direction so that the intensity of the return light from the marking object is maximized or the beam diameter of the return light is minimized. The laser marking device according to any one of the above. 半導体レーザを含み、光軸と一致する回転対称軸を有する円筒形の半導体レーザユニットと、半導体レーザユニットと嵌合する円筒形の中空部を備え、さらに、半導体レーザユニットを嵌合させた場合に光軸に対して一定の角度の面を備える半導体レーザユニットハウジングと、コリメータレンズを含み、光軸に対して前記一定の角度の面を備えるレンズハウジングと、を含むレーザマーキング装置を製造する方法であって、
半導体レーザユニットを、半導体レーザユニットハウジングの円筒形の中空部に勘合させるステップと、
光軸をZ軸として、波面の点像を観察しながら半導体レーザ光の中心を像の中心に合わせるように、半導体レーザユニットハウジングのX軸方向およびY軸方向の位置を調整するステップと、
半導体レーザユニットハウジングの光軸と一定の角度の面にレンズハウジングを載せて、波面像の点像の位置が左右・上下が対称となるようにレンズハウジングのX軸方向およびY軸方向の位置を調整するステップと、
波面収差を測定し、測定結果に基づいてレンズハウジングの位置と半導体レーザユニットの高さを調整するステップと、
半導体レーザユニット、半導体レーザユニットハウジングおよびレンズハウジングを一体として固定するステップと、を含む方法。
When the semiconductor laser unit includes a semiconductor laser unit and includes a cylindrical semiconductor laser unit having a rotationally symmetric axis that coincides with the optical axis, and a cylindrical hollow portion that is fitted to the semiconductor laser unit. A method of manufacturing a laser marking device comprising: a semiconductor laser unit housing having a surface with a constant angle with respect to the optical axis; and a lens housing including a collimator lens and having the surface with the constant angle with respect to the optical axis. There,
Mating the semiconductor laser unit with the cylindrical hollow portion of the semiconductor laser unit housing; and
Adjusting the position of the semiconductor laser unit housing in the X-axis direction and the Y-axis direction so that the center of the semiconductor laser light is aligned with the center of the image while observing the point image of the wavefront with the optical axis as the Z-axis;
Place the lens housing on a surface at a certain angle with the optical axis of the semiconductor laser unit housing, and position the lens housing in the X-axis direction and Y-axis direction so that the position of the point image of the wavefront image is symmetrical left and right and up and down Adjusting steps,
Measuring wavefront aberration and adjusting the position of the lens housing and the height of the semiconductor laser unit based on the measurement results;
Fixing the semiconductor laser unit, the semiconductor laser unit housing and the lens housing together.
前記一定の角度が90度である請求項7に記載の方法。   The method of claim 7, wherein the constant angle is 90 degrees. 非点収差の調整が必要な場合に、半導体レーザユニットハウジングとレンズハウジングとの間において、X軸方向またはY軸方向のレンズの傾きを傾き調整機構により調整するステップをさらに含む請求項7または8に記載の方法。   9. The method according to claim 7, further comprising: adjusting an inclination of the lens in the X-axis direction or the Y-axis direction between the semiconductor laser unit housing and the lens housing by an inclination adjusting mechanism when astigmatism adjustment is necessary. The method described in 1. レンズハウジングの前面に波面補正板を取付けるステップと、波面を測定しながら、レーザアブレーション加工法により波面補正板の形状を加工することにより収差をさらに小さくする請求項7から9のいずれか一項に記載の方法。   The step of attaching a wavefront correction plate to the front surface of the lens housing; and the aberration is further reduced by processing the shape of the wavefront correction plate by a laser ablation processing method while measuring the wavefront. The method described.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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