CN105917535A - 半导体激光器装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体激光器装置，其具有外部谐振器，该外部谐振器具备下述部件而构成：半导体激光器的发光点(2a、2b)，该半导体激光器射出波长不同的多条光束；耦合光学系统(5)，其将从半导体激光器射出的多条光束在空间上叠加；波长色散元件(6)，其将叠加后的多条光束通过波长色散而叠加为一条光束；以及部分反射镜(7)，其将一条光束的一部分反射而返回至波长色散元件，在该半导体激光器装置中，在将一条光束在波长色散时分离为多条的方向的波长色散元件的宽度设为波长色散元件宽度，将建立了正规振荡时的光束设为正规振荡光束时，波长色散元件宽度是与正规振荡光束的宽度相同的大小。
Description
技术领域
本发明涉及一种在外部谐振器结构中利用具有波长色散的光学元件将来自多个发光点的光线进行波长叠加的半导体激光器装置。
背景技术
在现有的半导体激光器装置中，为了抑制由在不同的发光点间建立的外部谐振器光路引起的振荡(下面，称为“交叉耦合”)，将空间滤波器(Spatial Filter)插入至外部谐振器的波长色散元件和部分反射镜之间(例如，参照专利文献1及专利文献2)。
专利文献1：美国专利第06192062号
专利文献2：美国专利申请公开第2013/0208361号
专利文献3：国际公开第2014/087726号
发明内容
但是，在现有技术中存在以下所述的课题。
在专利文献1的半导体激光器装置中产生下述问题，即，由空间滤波器所使用的透镜的像差、损耗引起激光功率、聚光性的降低。另外，即使在使用不利用透镜的空间滤波器(狭缝等)的情况下，也难以进行交叉耦合和所要的正规的振荡的分离。其结果，存在下述课题，即，交叉耦合的抑制不充分，或者连同正规的振荡也进行抑制。
本发明就是为了解决上述的课题而提出的，其目的在于，得到一种半导体激光器装置，该半导体激光器装置能够有效地抑制交叉耦合振荡，而不会引起激光功率、聚光性的降低，无需向外部谐振器新追加设置空间滤波器等光学元件。
本发明所涉及的半导体激光器装置具有外部谐振器，该外部谐振器具备下述部件而构成：半导体激光器，其射出波长不同的多条光束；耦合光学系统，其将从半导体激光器射出的多条光束在空间上叠加；波长色散元件，其将叠加后的多条光束通过波长色散而叠加为一条光束；以及部分反射镜，其将一条光束的一部分反射而返回至波长色散元件，在该半导体激光器装置中，在将一条光束在波长色散时分离为多条的方向的波长色散元件的宽度设为波长色散元件宽度，将建立了正规振荡时的光束设为正规振荡光束时，波长色散元件宽度是与正规振荡光束的宽度相同的大小。
发明的效果
根据本发明，通过将正规振荡的光路和交叉耦合的光路在空间上以最大幅度分离的波长色散元件的宽度设为与正规振荡的光束的宽度相同的大小，从而从正规振荡的光束去除交叉耦合振荡的光束。其结果，能够得到一种半导体激光器装置，其能够有效地抑制交叉耦合振荡，而不会引起激光功率、聚光性的降低，无需向外部谐振器新追加设置空间滤波器等光学元件。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光器装置的例子的第1概略结构图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光器装置的例子的第2概略结构图。
图3表示本发明的实施方式1所涉及的正规振荡时的波长谱。
图4是用于说明本发明的实施方式1所涉及的交叉耦合振荡的概略结构图。
图5表示本发明的实施方式1所涉及的交叉耦合振荡发生的情况下的波长谱。
图6表示本发明的实施方式1所涉及的波长色散元件之上的正规振荡光束的强度分布的曲线图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光器装置的概略结构图。
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体激光器装置的概略结构图。
具体实施方式
下面，使用附图，对本发明中的半导体激光器装置的优选实施方式进行说明。此外，在各图中对相同或等同的部分标注相同标号而进行说明。
实施方式1.
图1及图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光器装置的例子的概略结构图。具体地说，图1表示使用波长色散元件6的波长色散将来自1个半导体激光器1的发光点2a、2b的光叠加为一条光束的结构。另外，图2表示使用波长色散元件6的波长色散将来自多个半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b的光叠加为一条光束的结构。
在图1中，由半导体激光器1的发光点2a、2b的与光射出侧面相反侧的面、和部分反射镜7构成激光谐振器。在这里，关于半导体激光器1，通常除了上述的谐振器以外，发光点2a、2b自身也成为谐振器，下面，为了对这两种谐振器进行区别，将由部分反射镜7和发光点2a、2b构成的谐振器称为外部谐振器。
此外，在图1中，为了简单，示出了具有2个发光点2a、2b的1个半导体激光器1的例子。但是，本实施方式1的半导体激光器装置并不限定于上述这样的结构。例如，半导体激光器1的个数也可以大于或等于2个。
另外，作为半导体激光器1，除了具有多个发光点2的半导体激光条的情况以外，如图2所示，在各半导体激光器1a、1b分别具有1个发光点2a、2b的所谓单发射器半导体激光器的情况下也同样地，如以下所述，能够将来自多个发光点2a、2b的光叠加为一条光束。下面，基于图2进行说明。
在图2中，实际上在外部谐振器内光束进行往返，首先，对从发光点2a、2b朝向部分反射镜7的方向的光束的传播进行说明。
从半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b产生的光束一边发散一边射出。光束平行化光学系统3a、3b为了与外部谐振器的模式耦合，而使从半导体激光器1a、1b产生的光束大致平行化。
光束平行化光学系统3a、3b能够使用圆筒透镜、球面透镜、非球面透镜、具有曲率的反射镜、或它们的组合。通常，从半导体激光器1a、1b产生的光的发散角具有各向异性，在与纸面垂直的方向和纸面内的方向发散角不同。因此，作为光束平行化光学系统3a、3b，优选将多块透镜或曲率反射镜组合而进行使用。
通过光束平行化光学系统3a、3b而大致平行化后的2条光束，由反射镜4a、4b改变为朝向耦合光学系统5的方向。此外，在图2中使用反射镜4a及4b改变了光束的朝向，但如图1所示，也存在不具有反射镜的情况。
来自发光点2a、2b的2条光束通过耦合光学系统5而在波长色散元件6之上得到空间上的叠加。此外，在图2中，示出了耦合光学系统5由1块透镜构成的例子，但耦合光学系统5也能够使用圆筒透镜、球面透镜、非球面透镜、具有曲率的反射镜、或它们的组合，也能够通过对光束平行化光学系统3的配置进行改进，从而构成耦合光学系统5(例如，参照专利文献3)。
波长色散元件6能够使用反射型衍射光栅、透过型衍射光栅、棱镜、将衍射光栅和棱镜组合而成的元件(棱栅)。作为波长色散元件6，波长色散越大，即，在射入了不同波长的光束时衍射角或折射角的差异越大，越能够省空间地将来自多个半导体激光器1a、1b的光束叠加。因此，与棱镜相比，优选使用衍射光栅。
在来自不同的发光点2a、2b的光为某特定的不同波长时，根据波长色散元件6的波长色散特性，即，衍射角或折射角随波长而变化的特性，将射入的多条光束叠加为一条光束。
叠加为一条光束后的光束朝向部分反射镜7射出。照射至部分反射镜7的光束的一部分透过而被作为激光功率而取出，剩余的一部分被反射。反射的光束在与从发光点2a、2b朝向部分反射镜7的光束相同的路径沿反方向传播。而且，如果反射的光束射入至半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b，并返回至半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b的后侧端面，则外部谐振器建立。为了使上述的外部谐振器得以建立，需要适当地调整部分反射镜7、波长色散元件6、耦合光学系统5、反射镜4a、4b、光束平行化光学系统3a、3b的位置、角度。
在建立了该外部谐振器的状态下，在部分反射镜7和波长色散元件6之间，为一根光轴，另一方面，在波长色散元件6和发光点2a、2b之间，为将波长色散元件6与发光点2a连结的光轴、和将波长色散元件6与发光点2b连结的光轴这两根不同的光轴。为了建立上述这些光轴，自动地决定各个发光点2a、2b的激光振荡波长。
即，在建立了外部谐振器时，在图2中，为了以正规振荡光轴8所示的光轴来建立谐振器，自动地决定发光点2a、2b的振荡波长，其波长成为各自不同的波长。下面，将该振荡称为正规振荡。
图3表示本发明的实施方式1所涉及的正规振荡时的波长谱。在该正规振荡中，来自发光点2a、2b的两条光束叠加，作为一条光束从部分反射镜7射出。其结果，能够将光束的亮度变为大约2倍。如果使半导体激光器1a、1b及发光点2a、2b的数量增加，则能够进一步使光束的亮度提高。
另一方面，即使为了建立图2的正规振荡而对外部谐振器内的各光学元件进行了调整，也可能引起不希望的激光振荡。上述不希望的激光振荡如后面记述所示，是通过将不同的发光点2a、2b耦合(coupling)而进行振荡的，因此在下面称为交叉耦合振荡。
图4是用于说明本发明的实施方式1所涉及的交叉耦合振荡的概略结构图。使用该图4对交叉耦合振荡进行说明。在图4中，将交叉耦合振荡的光轴作为虚线的交叉耦合光轴10而示出。另外，将正规振荡的光轴作为实线的正规振荡光轴8而示出。
正规振荡光轴8在波长色散元件6之上为一处，垂直地射入至部分反射镜7。另一方面，交叉耦合光轴10在波长色散元件6之上没有汇集在一处，另外，相对于部分反射镜7不垂直而是倾斜射入。
交叉耦合光轴10在发光点2a、2b也倾斜地射入，但由于从发光点2a、2b能够以一定程度的角度幅度而产生光束，因此即使是倾斜地射入的交叉耦合光轴10也会建立外部谐振器。
此时，从发光点2a射出的光束的一部分由部分反射镜7进行反射而射入至发光点2b。另外，从发光点2b射出的光束的一部分由部分反射镜7进行反射而射入至发光点2a。这样，通过光束在2个发光点2a和发光点2b之间相互地射入、射出的光路而建立外部谐振器。
图5表示本发明的实施方式1所涉及的交叉耦合振荡发生的情况下的波长谱。如图5所示，交叉耦合振荡的振荡波长成为正规振荡中的发光点2a及发光点2b的振荡波长的中间的波长。
另外，如图4所示，正规振荡光轴8是垂直射入至部分反射镜7之上的1根光轴，与此相对，交叉耦合光轴10在部分反射镜7之上倾斜。这样，由于行进方向不同的交叉耦合振荡的光束的混合，因此导致从外部谐振器产生的光束的聚光性降低。
在外部谐振器中，如果观察外部谐振器功率的波长谱，则可知交叉耦合是否发生。在没有发生交叉耦合而成为仅进行正规振荡时，波长谱的峰值的个数与外部振荡器所包含的发光点2的个数一致。
因此，在本实施方式1的半导体激光器装置中，为了抑制交叉耦合振荡，如图1及图2所示，将波长色散元件6的宽度设定为与波长色散元件6之上的正规振荡光束9的宽度相等。
在这里，波长色散元件6的宽度在图1及图2中，是由长方形表示的波长色散元件6的长边方向的大小。即，是一条光束在波长色散时分离为两条的方向的波长色散元件6的宽度。进一步换言之，是波长色散元件6的接受光的面在具有波长色散的面内(在图1及图2中是包含纸面的面)的宽度。与纸面垂直的方向的大小只要是足够接受正规振荡光束9的大小即可，即使过大也不会对外部谐振器动作造成不良影响。
图6表示本发明的实施方式1所涉及的波长色散元件6之上的正规振荡光束9的强度分布的曲线图。图6的横轴是波长色散元件6的宽度方向的位置。波长色散元件6之上的正规振荡的强度分布如图6所示是中央强的接近高斯形状的吊钟状。
在图6中，将正规振荡的光束强度中的照射至波长色散元件6的部分涂上颜色(灰色)而示出。作为波长色散元件6的宽度的基准而设定为，该涂上颜色而示出的照射至波长色散元件6的功率大于或等于正规振荡的光束的功率整体的95％，更优选大于或等于99％。如果波长色散元件6比该基准小，则与正规振荡对应的损耗增加，从外部谐振器产生的激光功率的降低变得显著。
另一方面，如果波长色散元件6过大，则交叉耦合振荡的光束也能够充分地在波长色散元件6处进行受光、衍射，在外部谐振器内能够进行交叉耦合振荡，因此交叉耦合振荡的抑制效果降低。即，波长色散元件6的宽度的上限的基准是包含正规振荡光束功率整体的99％的宽度×1.1倍，如果将波长色散元件6的宽度设为大于或等于该基准，则交叉耦合振荡的抑制效果降低。
为了减少正规振荡的损耗，需要使正规振荡光轴8在波长色散元件6之上良好地重叠。如果没有反射镜4a、4b，则波长色散元件6处的正规振荡光轴8的重叠状况由半导体激光器1a、1b的设置精度决定，因此难以得到良好的重叠。因此，将反射镜4a、4b设置在谐振器中，对光束平行化光学系统3a、3b的位置及反射镜4a、4b的朝向进行调整，由此能够使正规振荡光轴8在波长色散元件6之上良好地重叠。
在半导体激光器1是单发射器半导体激光器、半导体激光条时，正规振荡是接近衍射极限的光束。关于正规振荡光束9在波长色散元件6之上的光束波形，能够使用光线追踪及波动计算而进行计算。
如图4所示，在外部谐振器中，交叉耦合光轴10和正规振荡光轴8在空间上以最大幅度分离的部位是波长色散元件6之上。因此，在两者以最大幅度分离的部位，对交叉耦合振荡的光束和正规振荡的光束进行选择，由此能够有效地抑制交叉耦合，而不使正规振荡的损耗增加。
另一方面，如现有技术所示，如果在外部谐振器中设置空间滤波器，则由于用于选择性地将交叉耦合光遮挡的遮挡构造(开口、狭缝)而散射的光返回至发光点2a、2b，在发光点2a、2b内得到放大，有时成为损坏的原因。另外，作为空间滤波器用透镜，需要使用像差大的短焦距透镜，由于插入至外部谐振器中的透镜的像差，有时发生正规振荡的光束品质的恶化、功率降低。
如上所述，根据实施方式1，具有下述结构，即，将使正规振荡的光路和交叉耦合的光路在空间上以最大幅度分离的波长色散元件的宽度设为与正规振荡的光束的宽度相同的大小。其结果，能够有效地抑制交叉耦合振荡，将来自多个发光点的光束叠加，而无需在外部谐振器内设置会扰乱外部共振动作而成为正规振荡的光束品质恶化、功率降低的原因的光学元件、遮挡物。因此，具有下述显著的效果，即，能够得到高亮度的激光功率。
实施方式2.
在本实施方式2中，对多个外部谐振器共有1个部分反射镜7的结构进行说明。通过上述的结构，能够抑制成本，容易地将光束导光至光纤等。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光器装置的概略结构图。本实施方式2的半导体激光器装置呈现将2个上述的实施方式1的半导体激光器装置翻转、相邻地组合的形态。
在这里，将上述的实施方式1的半导体激光器装置称为基本模块。图7所示的半导体激光器1a、1b、1c、1d、发光点2a、2b、2c、2d、光束平行化光学系统3a、3b、3c、3d、反射镜4a、4b、4c、4d、耦合光学系统5及波长色散元件6的功能与上述的实施方式1相同。
在图7中，2个基本模块镜像对称地设置。在这里，各半导体激光器装置具有与上述的实施方式1的情况相同数量的各光学元件，但关于构成外部谐振器一端的部分反射镜7，则由2个基本模块共有。此外，基本模块的数量也能够大于或等于3个。
另外，在本实施方式2中，也与上述的实施方式1同样地，波长色散元件6的宽度设定为与波长色散元件6之上的正规振荡光束9的宽度大致相同的大小。因此，如图7所示，能够使2个基本模块接近地设置。其结果，能够将从左侧的基本模块产生的光束、和从右侧的基本模块产生的光束之间的间隙几乎消除。
在将半导体激光器装置用于激光加工时，大多将光束射入至光纤而导光至加工对象的附近。因此，在本实施方式2中，将从部分反射镜7射出的没有间隙的两条光束，使用聚光透镜11导光至光纤12。
通过上述的结构，光束的聚光性恶化为基本模块的2倍，但功率变为2倍。即，能够在亮度不变的情况下，将功率变为2倍。另一方面，在现有技术中，为了将来自多个模块的光束导光至光纤，除了聚光透镜以外，需要诸如使从基本模块产生的光束相邻的反射镜、透镜等光学系统。
如上所述，根据实施方式2，具有下述结构，即，将2个基本模块镜像对称地设置，共有1个部分反射镜。其结果，不仅能够导光至一根光纤，还能够使2个基本模块共有部分反射镜，无需新追加用于使来自2个基本模块的光束相邻的光学系统。另外，通过削减光学元件，从而具有下述显著的效果，即，削减半导体激光器的制造成本，提高稳定性，提高效率。
实施方式3.
在本实施方式3中，对下述结构进行说明，即，通过对正规振荡光束9中的照射至波长色散元件6的宽度之外而向波长色散元件6的后方泄露的光束的功率进行检测，从而对外部谐振器的状态进行监视。
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体激光器装置的概略结构图。图8所示的本实施方式3的半导体激光器装置，与上述的实施方式2的图7相比，不同点在于在波长色散元件6的后方还具备光束传感器13。其他结构与图7相同。
图8所示的本实施方式3的波长色散元件6的宽度设定为，使大于或等于正规振荡光束9的功率整体的95.0％且小于或等于99.5％照射至波长色散元件6的宽度内。即，正规振荡光束9的功率的0.5％～5.0％的功率照射至波长色散元件6的宽度之外而向波长色散元件6的后方泄露。在本实施方式3中，通过使用在波长色散元件6的后方配备的光束传感器13对该漏出的正规振荡光束9的功率值进行检测，从而对外部谐振器的状态，即外部谐振器是否产生正常的功率进行监视。
作为光束传感器13，能够使用单一的光电二极管、光电二极管阵列、CCD(Charge Coupled Device)图像传感器、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)图像传感器。在使用单一的光电二极管的情况下，仅能够对外部谐振器的功率降低进行检测。另外，在使用光电二极管阵列、CCD图像传感器、CMOS图像传感器对空间分布进行检测的情况下，能够对多个半导体激光器1a、1b、1c、1d中的哪个半导体激光器1的功率降低进行检测。
在将半导体激光器装置作为激光加工机使用的情况下，为了将加工品质保持恒定，需要对激光功率进行监视，根据上述的本实施方式3的结构，能够对外部谐振器中的激光功率进行监视，并且在激光功率降低时，能够容易地进行原因的确定及修复。
具体地说，例如，在导光至光纤12后的激光功率降低时，半导体激光器装置的监视部(未图示)通过将由光束传感器13检测的外部谐振器中的激光功率、和导光至光纤12后的功率进行比较，从而能够区分是光纤12受损、还是外部谐振器中的激光功率降低。
并且，在外部谐振器的激光功率降低的情况下，如前述所示，通过对由光束传感器13检测的光束的功率的空间分布进行检测，从而还能够对哪个半导体激光器1a、1b、1c、1d的功率降低进行确定。
如上所述，根据实施方式3，在波长色散元件的后方还具备光束传感器，该光束传感器对正规振荡光束中的照射至波长色散元件宽度之外而向波长色散元件的后方泄露的光束的功率进行检测。其结果，能够基于由光束传感器检测的照射至波长色散元件宽度之外的光束的功率值，对外部谐振器的状态进行监视，因此具有下述显著的效果，即，激光功率降低时的修复变得容易。
此外，在图8中，示出了相对于上述的实施方式2的图7的结构进一步具备光束传感器13的例子，但本实施方式3并不限定于上述结构。例如，通过相对于上述的实施方式1的图1及图2进一步具备光束传感器13的结构，也能够得到同样的效果。
Claims (4)
1.一种半导体激光器装置，其具有外部谐振器，该外部谐振器具备下述部件而构成：半导体激光器，其射出波长不同的多条光束；耦合光学系统，其将从所述半导体激光器射出的所述多条光束在空间上叠加；波长色散元件，其将叠加后的所述多条光束通过波长色散而叠加为一条光束；以及部分反射镜，其将所述一条光束的一部分反射而返回至所述波长色散元件，
在该半导体激光器装置中，
在将所述一条光束在波长色散时分离为多条的方向的所述波长色散元件的宽度设为波长色散元件宽度，将建立了正规振荡时的所述光束设为正规振荡光束时，所述波长色散元件宽度是与所述正规振荡光束的宽度相同的大小。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器装置，其中，
多个所述外部谐振器共有1个所述部分反射镜。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中，
所述波长色散元件宽度设定为，使照射至所述波长色散元件的所述光束的功率大于或等于所述正规振荡光束整体的功率的95％。
4.根据权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其中，
所述波长色散元件宽度设定为，使照射至所述波长色散元件的所述光束的功率大于或等于所述正规振荡光束整体的功率的95.0％且小于或等于99.5％，
所述半导体激光器装置还具有：
光束传感器，其配备在所述波长色散元件的后方，对所述正规振荡光束中的照射至所述波长色散元件宽度之外而向所述波长色散元件的后方泄露的光束的功率进行检测；以及
监视部，其基于由所述光束传感器检测的照射至所述波长色散元件宽度之外的所述光束的功率值，对所述外部谐振器的状态进行监视。
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