CN106797102B - 激光模块 - Google Patents

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Abstract

本公开所涉及的激光模块具有激光二极管、第1准直透镜和旋光器。激光二极管具有多个发射器，在发光面从多个发射器分别射出激光。第1准直透镜设置为与激光二极管的发光面相距第1距离，使激光在快轴方向上的扩展平行化。旋光器设置为与第1准直透镜相距第2距离，使激光扭转约90度。此外，发光面中的多个发射器各自的宽度为5μm～120μm。此外，发光面中的多个发射器的间距为295μm～305μm。

Description

激光模块
技术领域
本公开涉及激光模块，尤其涉及搭载了形成有多个发射器的激光二极管的激光模块。
背景技术
近年来，在激光切断、激光焊接这样的激光加工的领域中，对于利用了激光二极管的激光模块而要求以高输出来输出高射束质量的激光。
利用图26来说明专利文献1所记载的以往的激光发射器模块900。图26是以往的激光发射器模块900的立体图。
如图26所示，以往的激光发射器模块900包括具有5个发射器901的激光发射器棒902、散热器903、散热器隔离件904、快轴准直仪905、棱镜构件906、以及射束调节光学构件907。激光发射器棒902被固定在散热器903之上，散热器903被固定在散热器隔离件904之上。此外，快轴准直仪905以及射束调节光学构件907被固定于散热器隔离件904之上所固定的棱镜构件906。
快轴准直仪905在快轴方向上对从发射器901输出的激光进行校准。此外，作为射束调节光学构件907，例如利用旋光器(beam twister)，使所入射的激光旋转约90度后射出。
由此，能够在激光的扩展角大的快轴方向上，通过快轴准直仪905在快轴方向上对激光进行校准，使激光旋转90度以使得快轴和慢轴交替。然后，在激光的扩展角比较小的慢轴方向上，通过慢轴准直仪(未图示)在慢轴方向上对激光进行校准，从而完成激光的准直。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-95916号公报
发明内容
以往的激光发射器模块900的发射器901在宽度为约50微米～300微米、空腔长为约0.5mm～约5mm这样的宽范围内进行规定，关于发射器901的间距(配置间隔)并未记载。但是，由于激光的输出以及射束质量对发射器的宽度以及间距有较大影响，因此为了从1个激光发射器棒高射束质量地获得高输出的激光，仅仅是这种宽范围的公开，将无法以高输出获得高射束质量的激光。
为了解决上述问题，本公开所涉及的激光模块具有激光二极管、第1准直透镜和旋光器。激光二极管具有多个发射器，在发光面从多个发射器分别射出激光。第1准直透镜设置为与激光二极管的发光面相距第1距离，使激光在快轴方向上的扩展平行化。旋光器设置为与第1准直透镜相距第2距离，使激光扭转约90度。此外，发光面中的多个发射器各自的宽度为5μm～120μm。此外，发光面中的多个发射器的间距为295μm～305μm。
如以上，本公开的激光模块通过规定更详细的发射器的宽度和间距，从而能够在激光切断、激光焊接这样的激光加工中以高输出获得高射束质量的激光。
附图说明
图1是表示实施方式中的激光模块1的简要构成的立体图。
图2是实施方式中的激光模块1的水平立体图。
图3是实施方式中的激光模块1的主视图。
图4是图3的虚线处的放大图。
图5是实施方式中的激光模块1的侧视图。
图6是图5的虚线处的放大图。
图7是实施方式中的快速准直透镜50的立体图。
图8是图7的VIII-VIII线处的剖视图。
图9是实施方式中的旋光器60的部分立体图。
图10是实施方式中的旋光器60的主视图。
图11是实施方式中的旋光器60的后视图。
图12是构成实施方式中的旋光器60的圆柱体61的立体图。
图13是表示实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的立体图。
图14是表示实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的侧视图。
图15是表示实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的俯视图。
图16是表示用于说明实施方式中的激光模块1的尺寸关系的上表面以及侧面的图。
图17是实施方式中的激光二极管10翘曲的情况下的旋光器60的主视图。
图18是实施方式中的激光二极管10翘曲的情况下的旋光器60的后视图。
图19是图10的XIX-XIX线处的剖视图。
图20是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在旋光器60的出射面处的强度的图。
图21是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在旋光器60的出射面处的强度的图表。
图22是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距50mm的位置处的强度的图。
图23是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距50mm的位置处的强度的图表。
图24是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距600mm的位置处的强度的图。
图25是表示从实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距600mm的位置处的强度的图表。
图26是表示以往的激光发射器模块900的简要构成的立体图以及侧视图。
具体实施方式
(实施方式)
以下，利用图1～图25来说明本公开的实施方式。
1.激光模块1的说明
图1是表示本实施方式中的激光模块1的简要构成的立体图。图2是本实施方式中的激光模块1的水平立体图。图3是本实施方式中的激光模块1的主视图。图4是图3的虚线处的放大图。图5是本实施方式中的激光模块1的侧视图。图6是图5的虚线处的放大图。
如图1～图6所示，在本实施方式的激光模块1中，从发射器11输出激光的激光二极管10被搭载于副底座20，它们被下部电极块30和上部电极块40夹着。下部电极块30以及上部电极块40具有用于使激光二极管10与电源(未图示)连接的电极的功能、以及用于释放激光二极管10所产生的热的散热器的功能。
此外，激光二极管10的发光面被配置为：成为与下部电极块30以及上部电极块40的侧面大致相同的面(相当于图3以及图4的主面、图5以及图6的右端面)。在激光二极管10的发光面排列有多个发射器11，若在激光二极管10流动电流，则在发光面从各个发射器11输出激光。关于激光二极管10的宽度、发射器11的宽度、数目、间距等，在后面详细说明。
快速准直透镜50(第1准直透镜)隔开给定的距离(第1距离)配置为面对激光二极管10的发光面。快速准直透镜50对从激光二极管10输出的激光在快轴方向上的扩展进行校准。快速准直透镜50具有平面和曲面，在本实施方式中，将快速准直透镜50的平面配置在激光二极管10侧，将快速准直透镜50的曲面配置为与激光二极管10相反的一侧。另外，也可以将快速准直透镜50的曲面配置在激光二极管10侧，将快速准直透镜50的平面配置为与激光二极管10相反的一侧。关于快速准直透镜50的构造以及配置，在后面详细说明。
从快速准直透镜50观察，在与激光二极管10相反的一侧，与快速准直透镜50相距给定的距离(第2距离)配置有旋光器60。旋光器60使从快速准直透镜50射出的激光扭转约90度。关于旋光器60的构造以及配置，在后面详细说明。另外，快速准直透镜50和旋光器60被固定在底座70，以规定快速准直透镜50和旋光器60的位置关系。
如以上，首先由快速准直透镜50在快轴方向上对从激光二极管10射出的激光进行校准，从而能够将快轴方向的激光的扩展抑制在最小限度。进而，由旋光器60使从快速准直透镜50射出的激光扭转，从而关于慢轴方向的扩展，也能够将来自相邻的发射器11的激光的重叠抑制在最小限度来避免。由此，能够根据多个发射器11的宽度而使间距(配置间隔)为最小限度，能够以高射束质量输出高输出的激光。
2.快速准直透镜50的说明
接下来，利用图7以及图8来说明快速准直透镜50。图7是本实施方式中的快速准直透镜50的立体图。图8是图7的VIII-VIII线处的剖视图。
如图7以及图8所示，快速准直透镜50是剖面形状为单凸透镜的柱状的光学构件。在本实施方式中，快速准直透镜50的上表面的厚度d51为0.0984mm，侧面的高度d52为0.244mm，中央的厚度d53为0.1700mm，侧面的长度d54为12mm。另外，将图8中的上下方向设为快速准直透镜50的上下方向，将图8中的包括上下方向和与纸面垂直的方向的平面设为快速准直透镜50的侧面。此外，将图8中的左右方向设为快速准直透镜50的厚度方向，将上表面与下表面的中间设为中央。快速准直透镜50的侧面的长度是与图8的纸面垂直的方向的长度。为使来自激光二极管10的所有激光透过，快速准直透镜50的侧面的长度d54长于激光二极管10的宽度(发光面的长边方向的长度)。在本实施方式中，作为图8中的右侧面的快速准直透镜50的曲面的曲率半径为0.1188mm，曲面的端部与上表面的铅垂方向所成的角度d55为52.2度。而且，快速准直透镜50的折射率为1.85280。如前述，快速准直透镜50被配置在激光二极管10的发光面的前面，在快轴方向上对从激光二极管10的发射器11射出的激光进行校准。
3.旋光器60的说明
接下来，利用图9～图15来说明旋光器60。图9是本实施方式中的旋光器60的部分立体图。图10是本实施方式中的旋光器60的主面侧(激光的入射面侧)的图。图11是本实施方式中的旋光器60的背面侧(激光的出射面侧)的图。图12是构成本实施方式中的旋光器60的圆柱体61的立体图。图13是表示本实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的立体图。图14是表示本实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的侧视图。图15是表示本实施方式中的基于旋光器60的激光的光路的俯视图。
如图9～图11所示，旋光器60是将两面为凸透镜的多个圆柱体61倾斜角度d62且重叠而成的光学构件。在本实施方式中，角度d62为45度，由此，如图10以及图11所示，使从主面侧入射的激光倾斜90度后从背面侧射出。即，能够交替激光的快轴方向和慢轴方向。图9的箭头表示激光的行进方向，图10是从图9中的左侧观察旋光器60的图，图11是从图9中的右侧观察旋光器60的图。如图12所示，在本实施方式中，与激光二极管10的发光面垂直的方向上的圆柱体61的厚度d64为1.55mm，侧面的高度d63为0.2121mm。在本实施方式中，圆柱体61的曲面的曲率半径为0.352mm，圆柱体61的折射率为1.85280。另外，圆柱体61的侧面是激光的入射面以及出射面的高度，侧面的高度是图12中的纸面的上下方向上的圆柱体61的长度。圆柱体61的曲面是激光的入射面以及出射面。
而且，如图13～图15所示，通过配置为使圆柱体61倾斜45度的旋光器60，从主面(面对激光二极管10的面)入射的激光一边如发生扭转那样折射一边在旋光器60内前进，旋转90度后从背面(与主面相反的一侧的面)射出。由此，激光的快轴和慢轴的位置交替。另外，关于激光，快轴方向已经被校准，但慢轴方向发生了扩展。
4.激光模块1的各部分的尺寸
接下来，利用图16来说明各构成的尺寸、数目。图16是表示用于说明本实施方式中的激光模块1的尺寸关系的上表面以及侧面的图。
如图16所示，在本实施方式中，利用设置了5个发射器11的激光二极管10来进行说明。首先，说明激光模块1的各部分的尺寸。将发射器11彼此的间距设为d1，在本实施方式中设为300μm。另外，发射器11的间距是从发射器11的中心到相邻的发射器11的中心为止的距离。发射器11的间距优选约295μm～约305μm，更优选约298μm～约302μm。
接下来，将发射器11的长度(与发光面垂直的方向的长度)设为d2，在本实施方式中设为6mm。发射器11的长度与发射器11延伸的方向上的激光二极管10的长度相同。激光二极管10的与发光面相反的面被实施端面处理，以使得激光全反射。另外，在本实施方式中，发射器11在发光面中的宽度(发射器11相邻的方向上的发射器11的长度)设为105μm。发射器11的长度优选约2mm～约8mm，更优选约4mm～约7mm。
接下来，将激光二极管10的发光面和快速准直透镜50的距离设为d3，在本实施方式中设为50μm。激光二极管10的发光面和快速准直透镜50的距离优选约30μm～约70μm，更优选约40μm～约60μm。另外，快速准直透镜50的侧面的高度是对于使在快轴方向上扩展的激光全部入射而言充分的大小。进而，快速准直透镜50的侧面的长度是对于使来自激光二极管10的激光全部入射而言充分的大小。
接下来，将快速准直透镜50的厚度(与发光面垂直的方向的厚度)设为d4，在本实施方式中设为170.0μm。快速准直透镜50的厚度优选约100.0μm～约240.0μm，更优选约120.0μm～约220.0μm。另外，快速准直透镜50的位置根据基于快速准直透镜50的曲面的焦点距离和激光在快轴方向上的扩展来决定。因而，为使快速准直透镜50尽量靠近激光二极管10的发光面，优选如图16那样将快速准直透镜50的平面侧设为激光二极管10侧。
接下来，将快速准直透镜50和旋光器60的距离设为d5，在本实施方式中设为20μm。快速准直透镜50和旋光器60的距离优选0μm～约60μm，更优选0μm～约40μm。另外，关于旋光器60的位置，由于继续发生慢轴方向的扩展，因此尽量靠近快速准直透镜50为宜，也可以接触(距离为0μm)。但是，实际上考虑到旋光器60的多个圆柱体61的加工精度而使快速准直透镜50和旋光器60稍微分离。
接下来，将旋光器60的厚度(与发光面垂直的方向上的厚度)设为d6，在本实施方式中设为1.55mm。旋光器60的厚度优选约1.53mm～约1.57mm，更优选约1.54mm～约1.56mm。这是为使激光在内部旋转90度所需的距离，由旋光器60的两端面的曲率来规定。
此外，1个发射器11的宽度(相邻的方向的长度)在本实施方式中设为100μm，优选约5μm～约120μm，更优选约70μm～约115μm。此外，1个激光二极管10所设置的发射器11的数目在本实施方式中设为20个，优选3～35个，更优选3～20个。
5.激光二极管10的宽度和激光模块1的输出的关系
接下来，利用图17以及图18来说明激光二极管10的宽度和激光的输出的合计(激光模块1的输出)。图17是本实施方式中的激光二极管10翘曲的情况下的旋光器60的主视图。图18是本实施方式中的激光二极管10翘曲的情况下的旋光器60的后视图。另外，在图17以及图18中，虽然以快轴方向比慢轴方向短的激光为例来进行记载，但并不限于此，实际上可以是快轴方向比慢轴方向长的激光。
若假定发射器11的间距相同，则激光二极管10的宽度越大，则越能增多发射器11的数目，激光的输出的合计越变大。但是，激光二极管10在制造过程中也会发生翘曲，若被为了输出激光而流动的电流加热，则翘曲进一步变大。若该激光二极管10的翘曲变大，则如图17以及图18所示，激光相对于旋光器60的各个曲面会产生位置偏离。而且，如图17以及图18的虚线所包围的区域的激光那样，会产生不收纳于旋光器60的曲面内的激光。这些激光在旋光器60的入射面未能入射，不会从激光模块1输出。若考虑激光二极管10的翘曲所引起的这些激光的损失，则激光二极管10的宽度需要设为8mm以下，优选6mm以下。
6.发射器11的间距和激光模块1的输出的关系
接下来，利用图19来说明发射器11的间距和激光的输出的合计(激光模块1的输出)。图19是图10的XIX-XIX线处的剖视图。将激光二极管10的宽度假定为6mm，来说明发射器11的间距和激光的输出的合计(激光模块1的输出)。如果激光二极管10的宽度固定，则与发射器11的间距成反比例地决定发射器11的数目。例如，如果发射器11的间距为200μm，则发射器11的数目成为30个(6mm÷200μm)。如果发射器11的间距为300μm，则发射器11的数目成为20个(6mm÷300μm)。如果发射器11的间距为500μm，则发射器11的数目成为12个(6mm÷500μm)。若假定发射器11的宽度相等，则发射器11的数目越多，激光的输出的合计越大。但是，若发射器11的间距过小，则由于旋光器60的曲面的加工精度的限度，激光在旋光器60的入射面未能入射，不会从激光模块1输出。如图19所示，在旋光器60的入射面以及反射面存在圆柱体61的中央部的具有透镜功能的有效区域A和不具有透镜功能的无效区域B。入射至旋光器60的无效区域B的入射面的激光在入射面未能入射。若考虑旋光器60的加工精度所引起的这些激光的损失，则发射器11的间距需要设为250μm以上，优选300μm以上。
7.发射器11的宽度和激光的输出的关系
接下来，将激光二极管10的宽度假定为6mm，将发射器11的间距假定为300μm，将发射器11的数目假定为20个，来说明发射器11的宽度和激光的输出的合计(激光模块1的输出)。如果发射器11的间距以及数目固定，则根据发射器11的宽度来决定发射器11的输出，因此决定了来自激光模块1的激光的输出。但是，若发射器11的宽度变大，则与相邻的发射器11的距离变近，在慢轴方向上，来自相邻的发射器11的激光彼此易于重叠，并且激光会入射至旋光器60的圆柱体61的端部。但是，若发射器11的宽度过大，则由于旋光器60的曲面的加工精度的限度，激光在旋光器60的入射面未能入射，不会从激光模块1输出。该理由与利用图19说明过的上述理由相同。若考虑旋光器60的加工精度所引起的激光的损失，则发射器11的宽度需要设为120μm以下，优选105m以下。
8.结果的验证
利用图20～图25来说明本实施方式的激光模块1的激光。图20是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在旋光器60的出射面处的强度的图。图21是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在旋光器60的出射面处的强度的图表。图22是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距50mm的位置处的强度的图。图23是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距50mm的位置处的强度的图表。图24是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距600mm的位置处的强度的图。图25是表示从本实施方式中的激光模块1射出的激光在与旋光器60相距600mm的位置处的强度的图表。
在图20～图25中，利用5个发射器11的5个激光确认出快轴方向的激光的分离。如图20～图25所示，在本实施方式中确认出：即便在与旋光器60相距600mm的位置处，在快轴方向上激光也会分离。由此，还确认出激光的射束质量高。
产业上的可利用性
根据本公开的激光模块，通过规定更详细的发射器11的宽度和间距，从而在激光切断、激光焊接这样的激光加工中，能够以高输出获得高射束质量的激光，在产业上是有用的。
符号说明
1 激光模块
10 激光二极管
11 发射器
20 副底座
30 下部电极块
40 上部电极块
50 快速准直透镜
60 旋光器
61 圆柱体
70 底座
900 激光发射器模块
901 发射器
902 激光发射器棒
903 散热器
904 散热器隔离件
905 快轴准直仪
906 棱镜构件
907 射束调节光学构件

Claims (9)

1.一种激光模块，具备：
激光二极管，具有多个发射器，在发光面从所述多个发射器分别射出激光；
第1准直透镜，设置为与所述激光二极管的所述发光面相距第1距离，使所述激光在快轴方向上的扩展平行化；
旋光器，设置为与所述第1准直透镜相距第2距离，使所述激光扭转约90度；和
L字型底座，固定有所述第1准直透镜和所述旋光器，
所述发光面中的所述多个发射器各自的宽度为5μm～120μm，
所述发光面中的所述多个发射器的间距为295μm～305μm，
所述L字型底座的固定所述第1准直透镜的面与固定所述旋光器的面不同。
2.根据权利要求1所述的激光模块，其中，
所述第1距离为30μm～70μm。
3.根据权利要求2所述的激光模块，其中，
所述第1距离为40μm～60μm。
4.根据权利要求1所述的激光模块，其中，
所述第2距离为0μm～60μm。
5.根据权利要求4所述的激光模块，其中，
所述第2距离为0μm～40μm。
6.根据权利要求1所述的激光模块，其中，
与所述发光面垂直的方向上的所述多个发射器各自的长度为2mm～8mm。
7.根据权利要求6所述的激光模块，其中，
与所述发光面垂直的方向上的所述多个发射器各自的长度为4mm～7mm。
8.根据权利要求1所述的激光模块，其中，
所述发光面中的所述多个发射器各自的宽度为70μm～115μm。
9.根据权利要求1所述的激光模块，其中，
所述发光面中的所述多个发射器的间距为298μm～302μm。
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