CN107615601B - 激光模块及激光加工装置 - Google Patents
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Abstract
激光模块(10)具有：光子晶体面发光激光元件(1)；准直透镜阵列(4)，其使光束平行化；聚光透镜(5)，其使光束聚光；以及光纤(6)，其在一端侧接收光束，向外部传送。关于在准直透镜阵列(4)中与准直透镜对应的孔部(41)，将射入至准直透镜阵列(4)的光束的能量设为100％，该孔部(41)使大于或等于94.0％而小于或等于99.5％的能量的光束透过。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有多个面发光激光元件的激光模块以及使用了该激光模块的激光加工装置。
背景技术
现有的激光模块具有：多个激光元件(半导体激光元件)、准直透镜阵列(或者多个准直透镜)、聚光透镜以及光纤，通过准直透镜阵列将激光元件发出的光束平行化，通过聚光透镜进行聚光，然后耦合至光纤。如上所述，通过使用多个激光元件，从而实现激光模块的高输出化，光纤射出后的光束的高亮度化。在专利文献1、2公开的激光模块中，作为激光元件而使用面发光激光元件。
专利文献1：日本特开2007－248581号公报(第12页1～8行、29～31行，图18)
专利文献2：日本专利第2848279号(第2页[0010]～[0012]，图1)
发明内容
为了使光纤射出后的光束高亮度化，需要在激光模块的高输出化的基础上，提高光纤射出后的光束的聚光性。
另外，在将多个光束耦合至1根光纤的情况下，在经过准直透镜阵列的平行的光束相互不接触的状态下，与光束相互接触的状态相比，光纤射出后的光束的聚光性降低。因此，为了将光纤射出后的光束的聚光性提高，优选设为使经过准直透镜阵列的光束相互接触的状态。
但是，在专利文献1、2公开的激光模块中，在准直透镜阵列中使光束透过的孔部相互分离地配置，不能设为使经过的光束相互接触的状态，因此导致光纤射出后的光束的聚光性降低。如上所述，在专利文献1、2中，没有充分进行对于光纤射出后的光束提高聚光性的研究。
本发明是为了解决如上述的问题点而提出的，其课题在于，提供与现有技术相比使光纤射出后的光束高亮度化的激光模块。
本发明所涉及的激光模块具有：
多个光子晶体面发光激光元件，它们配置在同一平面上，分别发出光束；
准直透镜阵列，其具有多个构成准直透镜的孔部，使从所述多个光子晶体面发光激光元件发出的光束平行化；
聚光透镜，其使通过所述准直透镜阵列进行了平行化的光束聚光；
以及
光纤，其在一端侧接收通过所述聚光透镜进行了聚光的光束，向外部传送。
在本发明的一个方式中，
准直透镜阵列的孔部构成为，将射入至准直透镜阵列的光束的能量设为100％，使大于或等于94.0％而小于或等于99.5％的能量的光束透过。
在本发明的一个方式中，
准直透镜阵列的孔部具有大于或等于射入至该孔部的光束的高斯光束半径的0.6倍而小于或等于0.85的大小的孔径。
发明的效果
根据本发明，能够提供与现有技术相比使光纤射出后的光束高亮度化的激光模块。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的激光模块的结构图。
图2是从光束的出射方向观察多个激光元件的图。
图3是表示PCSEL元件的例示构造的剖视图。
图4A是表示光子晶体层内部中的光的行为(Behavior)的图。
图4B是表示光子晶体层内部中的光的行为的图。
图4C是表示光子晶体层内部中的光的行为的图。
图5A是表示光子晶体层内部中的光的面内共振的图。
图5B是表示光子晶体层内部中的光的面法线提取的图。
图6A是表示光纤入射端处的光束的重合的图。
图6B是图6A的局部放大图。
图7是表示从激光元件的发光面射出的高斯形状的光束的图。
图8A是表示光纤入射端处的光束的束轮廓的图。
图8B是图8A的局部放大图。
图9是用于说明本发明的实施方式1涉及的、使光纤出射端处的光束的亮度增大的方法的曲线图。
图10A是用于说明本发明的实施方式1涉及的光学模拟的图。
图10B是用于说明本发明的实施方式1涉及的光学模拟的图。
图11是用于说明本发明的实施方式2涉及的、使光纤出射端处的光束的亮度增大的方法的曲线图。
图12A是用于说明本发明的实施方式2涉及的光学模拟的图。
图12B是用于说明本发明的实施方式2涉及的光学模拟的图。
图13是表示本发明的实施方式4涉及的激光加工装置的结构图。
图14是表示本发明的实施方式5涉及的激光模块的结构图。
图15是表示本发明的实施方式6涉及的激光模块的结构图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在各图中，对同一或者相同的结构标注同一标号。
实施方式1.
[整体结构]
图1是表示本发明的实施方式1涉及的激光模块10的结构图。
激光模块10具有凹透镜阵列3、准直透镜阵列4、聚光透镜5、光纤6、多个激光元件1，该激光模块10构成为将从多个激光元件1发出的光束(激光束)耦合至光纤6。激光模块10也可以安装在安装部件(未图示)之上。下面，说明将激光模块10用于材料加工(金属、玻璃、碳纤维增强塑料(CFRP)、树脂等的切断加工、焊接)的例子，但也可以利用于其他光通信等。
此外，在图1中，对从激光元件1射出而射入至凹透镜阵列3为止的光束标注标号11，对经过凹透镜阵列3而射入至准直透镜阵列4为止的光束标注标号12，对经过准直透镜阵列4而射入至聚光透镜5为止的光束标注标号13，对经过聚光透镜5而射入至光纤6为止的光束标注标号14，对从光纤6射出的光束标注标号15。但是，这些标号是形式地标注的标号，即使是标注了相同标号的光束，随着行进而光束宽度等也会发生变化。
多个激光元件1安装在基座2的主表面(同一平面)上，分别发出光束11。激光元件1是光束与基板面垂直地射出的面发光激光元件。激光元件1也可以是后面记述的光子晶体面发光激光器(PCSEL)元件。基座2是板状，但也可以包含用于对激光元件进行冷却的冷却机构、用于向激光元件供给电力的供电电路等。如图2所示，多个激光元件1配置为六方格子状。
此外，图2是概略地表示激光元件1的配置的图，激光元件1的形状、个数、配置间隔并不限定于此。例如，在图2中将激光元件1图示为圆形，但也可以是四边形、六边形等其他形状。在图2中，激光元件1配置为二维状，但也可以配置为一维状。
凹透镜阵列3紧跟激光元件1之后配置，对从各激光元件1发出的光束11的光束宽度进行放大。凹透镜阵列3与准直透镜阵列4一起构成光束扩展器。在凹透镜阵列3设置有与多个激光元件1一对一地对应的多个凹透镜，使得各自在同轴上接收从各激光元件1发出的光束11。在凹透镜阵列3中，将使光束11透过而构成凹透镜的部分称为孔部31。将凹透镜阵列3上的孔部31以外的部分、且不使光束11透过而使光束11发生衍射、反射(下面，称为衍射等)的部分称为非孔部。孔部31与多个激光元件1配置为六方格子状相对应而配置为六方格子状。
此外，在实施方式1中，为了将激光模块10小型化，优选设置凹透镜阵列3而将激光元件1和准直透镜阵列4之间的间隔缩小，但这不是必须的结构。即，也可以是由激光元件1发出的光束11直接射入至准直透镜阵列4的结构。
另一方面，在作为激光元件1而使用PCSEL元件的情况下，如下所述，使用凹透镜阵列3是有效的。光子晶体面发光激光器发出发散角小(光束品质优良)的光束。因此，在光束传播过程中，光束宽度扩散的程度低。在这里，在本实施方式1中，如后面记述那样，在准直透镜阵列4的位置进行光束宽度的最优化。通过将从激光元件1发出的光束通过凹透镜阵列3扩大，从而能够在将从激光元件1至准直透镜阵列4为止的距离减小的状态下，进行所述光束宽度的最优化。
准直透镜阵列4将经过了凹透镜阵列3的光束12变换为相互平行的(或者大致平行的)光束13。准直透镜阵列4也可以是凸透镜阵列。在准直透镜阵列4设置有与多个激光元件1(及凹透镜阵列3的孔部31)一对一地对应的多个准直透镜，使得各自在同轴上接收光束12。在准直透镜阵列4中，将使光束透过而构成准直透镜的部分称为孔部41。此外，将准直透镜阵列4上的孔部以外的部分、且不使光束透过而使光束发生衍射等的部分称为非孔部。
孔部41与多个激光元件1配置为六方格子状相对应而配置为在平面上以六角密排。即，孔部41彼此相邻地设置。换言之，孔部41的中心间的距离与孔部41的半径(准直透镜阵列4的孔径)的2倍的大小相等。另外，准直透镜阵列4配置在经过了各孔部41的相邻的平行的光束13彼此相互接触(或者大致接触)的位置。
在这里，通常，光束的光束宽度定义为，在与光轴正交的面中，光束的辐射强度成为峰值(或者光轴上的值)的1/e2(约13.5％)时的强度分布的半宽。在本说明书中，将如上所述地定义的光束宽度称为高斯光束半径。但是，本发明的实施方式中的“光束宽度”并不限定于如上所述地定义出的大小，能够根据所需的光束的能量截止率(energy cut-offrate)而变化。
聚光透镜5使经过了准直透镜阵列4的多个光束13朝向光纤6的(纤芯的)入射端进行聚光。聚光透镜5也可以是凸透镜。如上所述，经过了准直透镜阵列4的相邻的光束13彼此相互接触，因此经过了聚光透镜5的光束14也以相邻的光束14彼此相互接触的状态向光纤6的入射端射入。由此，光纤射出后的光束15的聚光性提高。
射入至光纤6的多个光束14在光纤6的纤芯中传播而耦合至1根光束。而且，高输出的光束15从光纤6的出射端射出。
通过使用光纤6而将光束传送至外部，从而不需要复杂的光束传送光学系统，这在各种应用中有利的。另外，光纤耦合前的强度分布在光纤传送的过程中被均匀化，因此能够提高光束品质。特别是，通过光纤传送，实现对于二维激光加工来说重要的要素即光束的旋转对称性。
[PCSEL元件]
下面，说明作为激光元件1的一个例子的PCSEL元件。
PCSEL元件是具有与光的波长相同程度的周期的光子晶体构造设置在有源层附近的面发光型的半导体激光元件，能够发出均匀的相干光。通过对在PCSEL元件的制作中所使用的半导体材料和光子晶体构造的周期进行调节，从而能够对从PCSEL元件射出的光束的波长进行控制。
具体地说，在现有的激光二极管中，存在下述问题，即，射出光束的横向模式对应于发光面的面积而变化，为了高输出化而越使发光面增大，光束的聚光性越降低。与此相对，已知在PCSEL元件中，即使将发光面增大，也能够以维持高的聚光性的状态实现高输出化。另外，关于纵向模式，在现有的激光二极管中，射出包含与有源层的增益宽度相对应的恒定区域的波长的光束，与此相对，在PCSEL元件中，仅射出通过光子晶体的晶格常数规定出的单一波长的光束。
图3是表示PCSEL元件的例示构造的剖视图。在图3中，将光束的发出方向规定为z方向，将+z侧设为表侧，将－z侧设为背侧。
作为层叠体100的材料，使用例如GaAs(砷化镓)。PCSEL元件具有：层叠体100；窗状电极110，其设置于层叠体100的表面；背面电极120，其设置于层叠体100的背面；以及AR(anti reflection)涂层(无反射涂层)130，其设置于由窗状电极110形成的窗部。该窗部成为光束的出射面(发光面)。
层叠体100具有基板101、n型包层102、有源层103、载流子阻挡层104、光子晶体层105、p型包层106及p型接触层107。载流子阻挡层104是未掺杂层。在光子晶体层105中，在用标号105a表示的板层形成有空孔105b。光子晶体层105的格子形状是正方格子、三角格子、正交格子等任意形状。
此外，在上述PCSEL元件的结构中，有源层103、载流子阻挡层104、光子晶体层105层的顺序也可以逆转。
如果在窗状电极110和背面电极120之间施加偏置电压，则在有源层103产生发光，通过光子晶体层105进行调制，向与基板面垂直的方向(z方向)作为激光束发出。
激光的振荡波长由光子晶体的材料和周期决定。在上述PCSEL元件中，在光子晶体层105所使用的GaAs的折射率为约3.5，空孔(空气)的折射率为1。如果考虑空孔105b所占的体积(16％)和PCSEL元件的层叠构造，则有源层103附近的有效折射率成为约3.3左右。此时，光子晶体的周期成为980nm/3.3≈295nm。但是，该周期对应于层叠体100的层叠构造等而变化。
下面，对PCSEL元件的例示的制造方法(包含工序S1～S4)简单地进行说明。
(S1)在基板101的背面，通过例如有机金属化学气相沉积法而使n型包层102、有源层103、载流子阻挡层104及板层105a外延生长。
(S2)在板层105a之上将阻焊剂图案化，通过例如反应性离子蚀刻(RIE)而对板层105a进行蚀刻，形成空孔105b，由此制作光子晶体层105。
(S3)在光子晶体层105的背面，通过例如有机金属化学气相沉积法而使p型包层106和p型接触层107外延再生长。
(S4)分别在n型包层102的表面通过蒸镀而设置窗状电极110，在p型接触层107的背面通过蒸镀而设置背面电极120。
下面，使用表示光子晶体内部中的光的行为的图4、图5，对PCSEL作为面发光激光源而动作的原理进行说明。
图4是光子晶体层105的上表面图。在图4中，例示地将空孔105b的形状设为真圆(或者大致真圆)。光子晶体层105位于有源层103的附近，因此示出针对在有源层103产生的光的束缚作用。光子晶体的晶格形状是任意的，但在这里设为设计容易的正方格子状。光子晶体的晶格常数与在有源层103产生的光的波长λ相等。
例如，考虑产生在图4A用箭头表示的波长的光201的情况。在光子晶体的晶格常数为λ时，光201如图4B所示地向90°或者180°的方向衍射，分别产生衍射光2021、2022。可知衍射光2021、2022进一步如图4C所示地向90°或者180°的方向衍射，分别产生衍射光2031、2032。在图4C中，衍射光2021和衍射光2032、及衍射光2022和衍射光2032分别干涉而形成驻波。如上所述，90°、180°方向的衍射反复，衍射光相互干涉，从而在光子晶体内部产生沿着晶体方向的驻波。其结果，光被困而在有源层103引起光的共振。
另外，在图4中考虑了在形成光子晶体的平面内的衍射，但在与光子晶体面垂直的方向上，当然也发生相互增强的干涉。其结果，被困在面内而共振的光向面法线方向作为激光束提取。
图5A是与图4C对应的图，表示光的面内共振。光路差等于波长λ的2倍的衍射光301、302相互干涉。此外，在图4中将空孔105b的形状设为真圆，但在图5A中设为三角形。可知通过将空孔105b的形状设为三角形，从而与设为真圆时相比，光束品质提高。图5B是表示上述光的面法线提取。光路差等于波长λ的衍射光303、304相互干涉。
此外，在PCSEL元件中光束向两个面法线方向(2个方向)发出，但在仅从1个方向射出即可的用途的情况下，如上述PCSEL元件所示，设为利用通过背面电极120实现的光的反射，仅从表面侧射出光束的结构。
[光束的高亮度化]
在将激光模块10用于材料加工(特别是金属切断加工)的情况下，优选对被加工件照射的光束为高亮度。因此，下面对使光纤射出后的光束15高亮度化的方法进行说明。
在以下的说明中，如图1所示，将激光元件1的配置间隔设为PL，将激光元件1的发光面的孔径(半径)设为dp，将凹透镜阵列3的孔径(半径)设为de，将准直透镜阵列4的孔径(半径)设为dc，将光纤6的芯径(半径)设为df，将光束14的聚光角设为θi。激光元件1的配置间隔PL是准直透镜阵列4的孔径dc的2倍(或者约2倍)的大小。聚光角θi是将位于六方格子的对角线上的激光元件1的数量设为N(参照图2)、将聚光透镜5的焦距设为f，使用配置间隔PL，由下述的式(1)表示。
【式1】
在一个例子中，配置间隔PL为约2mm，孔径dp为约0.1mm，孔径de、dc为约1mm，激光元件1和凹透镜阵列3的间隔为约10mm，凹透镜阵列3的(各凹透镜的)焦距为约10mm，凹透镜阵列3和准直透镜阵列4的间隔为约40mm，准直透镜阵列4的(各准直透镜的)焦距为约50mm，准直透镜阵列4和聚光透镜5的中心的间隔为约10mm，聚光透镜5的焦距f为约40mm，从聚光透镜5的中心至光纤6的入射端为止的距离为约40mm。但是，准直透镜阵列4和聚光透镜5的间隔优选较短，也可以是约0mm。
作为光纤出射端处的光束15的亮度Bo，如果忽视损耗，则将从1个激光元件1射出的光束11的平均输出设为P0，将激光元件1的数量设为M，将光纤出射端处的光束15的发散角设为θo，将光束宽度设为wo，由下述的式(2)表示。
【式2】
为了增大光纤出射端处的亮度Bo，将发散角θo和光束宽度wo减小，将光束的聚光性提高即可。
此外，所有激光元件1的数量M使用对角线上的激光元件1的数量N，由下述的式(3)表示。
【式3】
在这里，如果在光纤6存在弯曲部等，则在光纤内传送的光束在光纤内引起模耦合，即使在光纤入射时以低阶的模式射入，也成为包含高阶的模式在内的形式而从光纤端射出。即，光束以在光纤6处容许的最大发散角(NA)射出。在将激光模块10用于材料加工的情况下，光纤6的长度为几m～几十m左右，与用于光通信等的情况相比较短，另一方面，通常光纤6以包含弯曲部的形式使用的情况。因此，可想到发散角θo等于(或者大致相等)与数值孔径NA对应的角度sin－1NA，光束宽度wo与光纤6的芯径df相等(或者大致相等)。为了使光纤出射端处的亮度Bo增大，将光纤6的芯径df和数值孔径NA减小即可。
为了减小光纤6的芯径df和数值孔径NA，需要将光束14的聚光角θi和光纤入射端处的光束宽度wf减小。
图6是表示光纤入射端处的光束14重合的图。图6B是在图6A中用虚线包围的部分的放大图。在图中，将划出与各激光元件1对应的光束的光束宽度的线中的、隔着光轴在上侧的线用实线表示，将下侧的线用虚线表示。
如图6所示，与各激光元件1对应的光束14在光纤入射端的相同位置处重合，重合后的光束的光束宽度与各光束14的光束宽度wf相等。在图中，2wf表示光束的光纤入射端处的光束直径。
在这里，关于光纤入射端处的光束宽度wf，将射入至准直透镜阵列4的光束12的光束宽度设为wc，将波长设为λ，由下述的式(4)表示。
【式4】
式(4)在由下述的式(5)表示的范围单调降低。
【式5】
如果例如设为λ＝0.94μm、f＝40mm，则通过式(5)而在wc≥0.11mm的范围，式(4)单调降低。即，在该范围，准直透镜阵列4的位置处的光束宽度wc越大，光纤入射端处的光束宽度wf越小。
光纤6的最大受光角θmax(＝sin－1NA)的大小需要大于或等于由式(1)表示的聚光角θi，芯径df的大小需要大于或等于由式(4)表示的光纤入射端处的光束宽度wf。但是，可想到如果将θi和wf设得过大，则如上所述，在光纤6内发生模耦合，光纤出射端处的亮度Bo减小。亮度Bo成为最大之时是光纤6的最大受光角θmax与聚光角θi一致、芯径df与光束宽度wf一致时。
此时，关于光纤出射端处的光束15，对成为光束品质的指标的光束参数积BPP(光束宽度和发散角的乘积)进行计算。根据式(1)和式(4)，BPP由下述的式(6)表示。
【式6】
然后，对光纤入射端处的光束14的亮度Bi进行计算。亮度Bi由下述的式(7)表示。
【式7】
在式(7)中，在N相对于1充分大时，光纤入射端处的亮度Bi不依赖于N，大致由下述的式(8)表示。
【式8】
如上所述，光纤出射端处的亮度Bo成为最大之时是光纤6的最大受光角θmax与聚光角θi一致、芯径df与光束宽度wf一致时。此时，如果忽视光纤6内的损耗，则光纤出射端处的亮度Bo与光纤入射端处的亮度Bi一致。即，通过使光纤入射端处的亮度Bi增大，能够增大光纤出射端处的亮度Bo。
由式(8)表示的光纤入射端处的亮度Bi，在由式(5)表示的范围单调增加。但是，准直透镜阵列4的孔径dc的大小已被决定，因此如果将光束宽度wc设得过大，则射入至准直透镜阵列4的非孔部而不经过孔部41的光束13的比例增加，其结果，亮度Bi降低。为了防止亮度Bi的降低，也能想到将孔径dc设得大，但根据式(8)可知，此时激光元件1的配置间隔PL也变大，亮度Bi降低。
即，光束宽度wc的大小被孔径dc限制，因此不能够简单地增大。为了求出光束宽度wc的最佳大小，需要考虑通过准直透镜阵列4的非孔部发生的衍射等的影响。
在实施方式1中，通过将经过孔部41的光束所具有的能量相对于射入至准直透镜阵列4的光束12的能量的比例(下面，称为能量透过率)利用光学模拟而最优化，由此意图使光纤入射端处的亮度Bi增大，进而使光纤出射端处的亮度Bo增大。光能量透过率的最优化能够通过对配置间隔PL、孔径dp、孔径de、孔径dc、激光元件1和凹透镜阵列3的间隔、凹透镜阵列3的焦距、凹透镜阵列3和准直透镜阵列4的间隔、准直透镜阵列4的焦距等参数进行调整而进行。
图7是表示从激光元件1的发光面(孔径dp)射出的高斯形状的光束的图。图中的标号11表示从激光元件1射出的光束的束轮廓，箭头表示光束的11的出射方向。
激光元件1是面发光激光元件，因此能够发出聚光性高且高品质的、大致高斯形状的单模的光束11。特别是，在作为激光元件1而使用了PCSEL元件的情况下，能够将光束11的发散角进一步减小，能够使凹透镜阵列3的位置处的光束宽度与孔径de相比充分小。因此几乎能够忽视凹透镜阵列3的非孔部处的衍射等的影响。由此，射入至准直透镜阵列4的光束12的束轮廓成为高斯形状(或者大致高斯形状)。
图8是表示光纤入射端处的光束14的束轮廓的图。图8B是图在8A中用虚线包围的部分的放大图。在图8中，将光束宽度wc为1.6mm时的束轮廓用实线表示，将0.8mm时的束轮廓用虚线表示。此外，为了得到图8，将准直透镜阵列4的孔径dc设为1mm而进行了模拟。
如图8所示，在光束宽度wc大时(wc＝1.6mm：实线)，与光束宽度wc小时(wc＝0.8mm：虚线)相比较，由于准直透镜阵列4的非孔部而对光束进行衍射等，整体上强度降低。另外，在光束宽度wc大时，如在图8B中用箭头800示出的那样，在束轮廓产生旁瓣，从理想的高斯形状偏离。
图9是用于说明本发明的实施方式1涉及的使光纤出射端处的光束15的亮度Bo增大的方法的曲线图。
曲线图的横轴表示经过孔部41的光束13所具有的能量相对于射入至准直透镜阵列4的光束12的能量的比例(光能量透过率)。光能量透过率增大对应于光束宽度wc相对于准直透镜阵列4的孔径dc减小的情况。曲线图的纵轴表示光纤入射端处的光束14的亮度Bi。为了得到图9所示的曲线图，将射入至准直透镜阵列4的光束12的束轮廓设为高斯形状进行了模拟。但是，即使该束轮廓稍微偏离高斯形状，也能够得到同样的模拟结果。
在这里，通常，对于复振幅分布u1(x1)的光束经过了由光线矩阵ABCD示出的光学系统后的复振幅分布u2(x2)，将光束的波长设为λ0、将计算区域设为a、将光路长设为L0，由下述的式(9)表示。
【式9】
图9的模拟是使用将式(9)进行二维化后的式而进行的。为了考虑由准直透镜阵列4上的非孔部引起的衍射等的影响，将复振幅分布u1(x1)作为复高斯分布，通过将其端部切断而进行了计算。
下面，使用图10A、图10B，进一步对所述模拟的结果进行说明。图10A、图10B表示射入至准直透镜阵列4内的1个孔部41的光束的束轮廓和从孔部41射出的光束的束轮廓。
在图10A中，具有比准直透镜阵列4的孔径dc大的光束宽度wc的光束射入至准直透镜阵列4。从准直透镜阵列4射出的光束的束轮廓的端部被切去而变得与射入至准直透镜阵列4的光束的束轮廓(大致轮廓)不同。图10A的状况相当于图9的曲线图的横轴的值小于94.0％的区域。此时，由于衍射扩散而在束轮廓产生旁瓣，光纤入射端处的光束的光束宽度变大(例如，参照图8B的箭头800)。
即，可以说是在图9中，示出在光能量透过率(曲线图的横轴)小于94.0％的情况下，以由于束轮廓的端部被切去而带来的能量的降低和由衍射引起的光束宽度的扩散为起因，光纤入射端处的光束的亮度Bi降低。
另一方面，在图10B中，具有比准直透镜阵列4的孔径dc小的光束宽度wc的光束射入至准直透镜阵列4。从准直透镜阵列4射出的光束的束轮廓的端部基本没有被切去，成为与射入至准直透镜阵列4的光束的束轮廓基本相同的形状。图10B的状况相当于图9的曲线图的横轴的值大于99.5％的区域。此时，向后级的聚光透镜5射入光束宽度小的光束，作为其结果，光纤入射端处的光束宽度(聚光点直径)变大。
即，可以说是在图9中，示出在光能量透过率(曲线图的横轴)大于99.5％的情况下，虽然能够抑制光束的能量的降低，但在光纤入射端处不能使光束宽度充分变小，从而光纤入射端处的光束14的亮度Bi降低。
根据上述内容可知，在光能量透过率大于或等于94.0％而小于或等于99.5％时，可得到大的亮度Bi。根据图9可知，在光能量透过率大于或等于94.0％而小于或等于99.5％时，达到在光能量透过率为约97％时所达到的最大亮度Bi的约0.8倍以上的亮度。
此外，关于制造后的激光模块10，对于光能量透过率是否是大于或等于94.0％而小于或等于99.5％，能够通过将在准直透镜阵列4的紧前位置处测定出的能量的大小设为100％，对在准直透镜阵列4的紧后位置处测定出的能量的大小进行测定而判定。此外，光束的能量的大小能够使用例如利用光电变换的激光功率计而进行测定。
如上所述，图9的横轴所示的比例(光能量透过率)变大，这相当于准直透镜阵列4的位置处的光束宽度wc减小。光能量透过率超过99.5％，这意味着光束宽度wc进入由式(5)表示的(光纤入射端处的)亮度Bi的单调增加范围，即，由式(8)表示的亮度Bi在该范围变小。
另一方面，图9的横轴所示的比例(光能量透过率)减小，这相当于准直透镜阵列4的位置处的光束宽度wc变大。光能量透过率例如低于94％，意味着由于由准直透镜阵列4上的非孔部引起的衍射等的影响，光纤入射端处的光束宽度wf变大，由式(8)表示的亮度Bi变小。
从使亮度Bi、Bo增大的观点出发，光能量透过率越大则越优选。但是，由于在准直透镜阵列4上的非孔部发生的衍射等而产生损耗，因此实际上不能将光能量透过率设为100％。在实施方式1中，设为将经过了孔部41的光束13的能量设为100％，其约98％射入至光纤6。如果是将射入至准直透镜阵列4的光束12的能量设为100％而94.0％的能量的光束经过了孔部41时，则能够将该光束12的约大于或等于92％的能量射入至光纤6而利用。
以上，根据实施方式1，将射入至准直透镜阵列4的光束12的能量设为100％，大于或等于94.0％而小于或等于99.5％的能量的光束经过孔部41，因此能够增大光纤出射端处的光束15的亮度Bo，进而能够得到适用于材料加工的激光模块10。
实施方式2.
图11是用于说明本发明的实施方式2涉及的使光纤出射端处的光束15的亮度Bo增大的方法的曲线图。曲线图的横轴表示准直透镜阵列4的位置处的光束宽度(高斯光束半径)wc相对于准直透镜阵列4的孔径dc的比wc/dc。曲线图的纵轴表示光纤入射端处的光束14的亮度Bi。
在实施方式1中，将经过孔部41的光束所具有的能量相对于射入至准直透镜阵列4的光束12的能量的比例(光能量透过率)，通过光学模拟而进行了最优化。在实施方式2中，意图通过实施相同的光学模拟而对上述比wc/dc进行最优化，从而使光纤入射端处的亮度Bi增大，由此使光纤出射端处的亮度Bo增大。此外，实施方式2与实施方式1不同点仅是进行最优化的对象，基本结构与实施方式1相同。
使用图12A、图12B，说明实施方式2涉及的模拟的结果。图12A、图12B分别与图10A、图10B对应，表示射入至准直透镜阵列4内的1个孔部41的光束12的束轮廓、和从孔部41射出的光束13的束轮廓。
在图12A中，具有与准直透镜阵列4的孔径dc相同大小的光束宽度(高斯光束半径)的光束射入至准直透镜阵列4。从准直透镜阵列4射出的光束的束轮廓的端部被切去而变得与射入至准直透镜阵列4的光束的束轮廓(大致高斯轮廓)不同。图12A的状况相当于图11的曲线图的横轴的值为1.0。此时，光纤入射端处的光束的光束宽度由于衍射扩散而在束轮廓产生旁瓣，变大(例如，参照图8B的箭头800)。
即，可以说是在图11中，示出以如果比wc/dc(曲线图的横轴)大(如果接近1.0)则由束轮廓的端部被切掉而带来的能量降低、和由衍射而引起的光束宽度的扩散为起因，光纤入射端处的光束14的亮度Bi降低。
另一方面，在图12B中，具有比准直透镜阵列4的孔径dc小的光束宽度wc的光束射入至准直透镜阵列4。从准直透镜阵列4射出的光束的束轮廓的端部基本没有被切去，成为与射入至准直透镜阵列4的光束的束轮廓基本相同的形状。在图12B的状况中，向后级的聚光透镜5射入光束宽度小的光束，作为其结果，光纤入射端处的光束宽度(聚光点直径)变大。
在实施方式1中，使用图10A、图10B，考察了能得到大的亮度Bi的条件(光能量透过率大于或等于94.0％而小于或等于99.5％)。根据图9，可知在该条件下，达到最大亮度Bi的约0.8倍以上的亮度。同样地，根据图11，能够将达到最大亮度Bi的约0.8倍以上的亮度的比wc/dc的范围(大于或等于0.60而小于或等于0.85)，在本实施方式2中采用为能得到大的亮度Bi的条件。
此外，关于制造后的激光模块10，对于比wc/dc是否是大于或等于0.60而小或等于0.85，能够通过例如使用CCD照相机型的激光束分析仪在准直透镜阵列4的紧前位置处对光束宽度的大小进行测定而判定。
以上，根据实施方式2，与实施方式1同样地，能够增大光纤出射端处的光束15的亮度Bo，进而能够得到适用于材料加工的激光模块10。
实施方式3.
在实施方式3中，在由下述式(10)表示的从激光元件1至聚光透镜5为止的光线矩阵中，以使要素C的值成为0的方式，调节各种参数(激光元件1的配置间隔PL、激光元件1的发光面的孔径dp、凹透镜阵列3的孔径de、准直透镜阵列4的孔径dc、激光元件1和凹透镜阵列3的间隔、凹透镜阵列3的焦距、凹透镜阵列3和准直透镜阵列4的间隔、准直透镜阵列4的焦距等)。
【式10】
在这里，从(面发光)激光元件1射出的光束基本是平面波，相对于基板面垂直地射出。因此，由式(10)表示光线矩阵的要素C的值为0，从而光束不改变其倾斜度而行进。由此，即使例如在激光元件1的位置、透镜阵列3、4的位置及孔径de、dc产生了稍微的偏差(公差)，也能够使从所有的激光元件1射出的光束相对于聚光透镜5垂直地入射。
另外，在实施方式3中，使聚光透镜5的焦距f和从聚光透镜5至光纤6的入射端为止的距离相等。由此，从各激光元件1射出的光束聚光于光纤6的入射端的相同(或者基本相同)位置。由此，即使例如在激光元件1的位置、透镜阵列3、4的位置及孔径de、dc产生了稍微的偏差(公差)，也能够使从所有的激光元件1射出的光束相对于聚光透镜5垂直地射入，各光学元件1、3～5的排列变得容易。
特别是，在作为激光元件1使用了PCSEL元件的情况下，能够射出高品质的平面波的光束，并且将发光面的孔径dp增大，因此与聚光透镜5相隔与焦距f相等距离的位置成为聚光点位置，能够将光纤6的芯径df减小。
实施方式4.
图13是表示本发明的实施方式4涉及的激光加工装置的结构图。
激光加工装置1000具有：上述实施方式1～3中的任一个激光模块10、或者具有在上述实施方式中说明的特征的任意组合的激光模块10、以及用于将从光纤6射出的光束15朝向被加工件W照射的加工头50。
加工头50是中空筒状的部件，在内部设置有将光束平行化、聚光，而在被加工件W的加工点形成光点的2个加工透镜51、52。加工头50的前端使通过加工透镜52进行聚光的光束经过，并且形成为喷嘴状，以使得朝向被加工件W供给辅助气体。
以上，根据实施方式4，通过利用将光纤射出后的光束15与现有技术相比高亮度化的激光模块10，从而能够得到加工精度高的激光加工装置1000。
实施方式5.
图14是表示本发明的实施方式5涉及的激光模块的结构图。
在实施方式1～3中，由凹透镜阵列3和准直透镜阵列4构成了光束扩展器。在本实施方式5中，如图14所示，设置凸透镜阵列23，替代凹透镜阵列3，由该凸透镜阵列23和准直透镜阵列24构成光束扩展器。凸透镜阵列23和准直透镜阵列24配置为在两个透镜阵列23、24之间形成聚光点。
凸透镜阵列23具有与图1所示的凹透镜阵列3的孔部31对应的孔部231。准直透镜阵列24具有与图1所示的准直透镜阵列4的孔部41对应的孔部241。
此外，在本实施方式5中，光束扩展器以外的结构与实施方式1～3相同。对于这些结构，在本实施方式5的说明和图14中，使用与在实施方式1～3中使用的标号相同的标号。
根据本实施方式5，通过与实施方式1～3不同的光束扩展器的结构，得到与在实施方式1～3得到的效果同样的效果。
实施方式6.
图15是表示本发明的实施方式6涉及的激光模块的结构图。
在实施方式5中，通过凸透镜阵列23和准直透镜阵列24这2组透镜阵列构成了光束扩展器。在本实施方式6中，如图15所示，在凸透镜阵列33和准直透镜阵列34之间还设置有凸透镜阵列35，通过上述3组透镜阵列构成光束扩展器。凸透镜阵列33、35配置为在两个透镜阵列33、35之间形成聚光点。凸透镜阵列35和准直透镜阵列34配置为在两个透镜阵列34、35之间形成聚光点。
凸透镜阵列33具有与图1所示的凹透镜阵列3的孔部31对应的孔部331。准直透镜阵列34具有与图1所示的准直透镜阵列4的孔部41对应的孔部341。
此外，在本实施方式6中，光束扩展器以外的结构与实施方式1～3、5相同。对于这些结构，在本实施方式6的说明和图15中，使用与在实施方式1～3、5中使用的标号相同的标号。
根据本实施方式6，通过与实施方式1～3、5不同的光束扩展器的结构，得到与在实施方式1～3、5得到的效果同样的效果。
在这里，在实施方式3中，在由式(10)表示的从激光元件1至聚光透镜5为止的光线矩阵中，以使要素C的值成为0的方式，调节了各种参数(激光元件1的配置间隔PL、激光元件1的发光面的孔径dp、凹透镜阵列3的孔径de、准直透镜阵列4的孔径dc、激光元件1和凹透镜阵列3的间隔、凹透镜阵列3的焦距、凹透镜阵列3和准直透镜阵列4的间隔、准直透镜阵列4的焦距等)。在本实施方式6中，替代此或者在此基础上，也可以以使要素B的值成为0的方式，调节各种参数。
通过使所述要素B的值成为0，从而即使在从激光元件1发出的光束的发散角成为偏离设计的值的情况下，通过仅对所述3组阵列透镜的间隔进行调整，也能够在聚光透镜5的位置处容易地得到期望的光束宽度和期望的光束发散角。
以上，举出实施方式说明了本发明，但本发明并不限定于实施方式。另外，也可以将各实施方式的特征任意地组合而构成其他实施方式。另外，也可以对实施方式施加各种变形、改良，因此在本发明中存在各种变形例。
标号的说明
1激光元件，2基座，3凹透镜阵列，4准直透镜阵列，5聚光透镜，6光纤，10激光模块，50加工头，1000激光加工装置，PL激光元件的配置间隔，dp激光元件的发光面的孔径，de凹透镜阵列的孔径，dc准直透镜阵列的孔径，θi光束的聚光角，df光纤的芯径
Claims (14)
1.一种激光模块，其特征在于，具有：
多个光子晶体面发光激光元件，它们配置在同一平面上，分别发出光束；
凹透镜阵列，其对从所述多个光子晶体面发光激光元件发出的光束的光束宽度进行放大；
准直透镜阵列，其具有多个构成准直透镜的孔部，使通过所述凹透镜阵列放大了光束宽度的光束平行化；
聚光透镜，其使通过所述准直透镜阵列进行了平行化的光束聚光；以及
光纤，通过所述聚光透镜进行了聚光的光束射入该光纤的入射端，从出射端射出，
所述准直透镜阵列的孔部构成为，将射入至所述准直透镜阵列的光束的能量设为100％，使大于或等于94.0％而小于或等于99.5％的能量的光束透过。
2.根据权利要求1所述的激光模块，其特征在于，
所述准直透镜阵列的孔部彼此相邻地设置，
所述光子晶体面发光激光元件的配置间隔与准直透镜阵列的孔径的2倍的大小相等。
3.根据权利要求1所述的激光模块，其特征在于，
在由下述式表示的从所述光子晶体面发光激光元件至所述聚光透镜为止的光线矩阵中要素C的值为0，而且，
所述聚光透镜的焦距和从所述聚光透镜的中心至所述光纤的入射端为止的距离相等，
4.根据权利要求3所述的激光模块，其特征在于，
在所述光线矩阵中，进一步地，要素B的值为0。
5.根据权利要求1所述的激光模块，其特征在于，
所述凹透镜阵列紧跟所述多个光子晶体面发光激光元件之后配置。
6.根据权利要求1所述的激光模块，其特征在于，
所述光子晶体面发光激光元件发出高斯形状的单模光束。
7.一种激光加工装置，其特征在于，具有：
权利要求1至6中任一项所述的激光模块；以及
加工头，其用于将从所述光纤射出的光束朝向被加工件照射。
8.一种激光模块，其特征在于，具有：
多个光子晶体面发光激光元件，它们配置在同一平面上，分别发出光束；
凹透镜阵列，其对从所述多个光子晶体面发光激光元件发出的光束的光束宽度进行放大；
准直透镜阵列，其具有多个构成准直透镜的孔部，使通过所述凹透镜阵列放大了光束宽度的光束平行化；
聚光透镜，其使通过所述准直透镜阵列进行了平行化的光束聚光；以及
光纤，通过所述聚光透镜进行了聚光的光束射入该光纤的入射端，从出射端射出，
所述准直透镜阵列的孔部具有大于或等于射入至该孔部的光束的高斯光束半径的0.6倍而小于或等于0.85的大小的孔径。
9.根据权利要求8所述的激光模块，其特征在于，
所述准直透镜阵列的孔部彼此相邻地设置，
所述光子晶体面发光激光元件的配置间隔与准直透镜阵列的孔径的2倍的大小相等。
10.根据权利要求8所述的激光模块，其特征在于，
在由下述式表示的从所述光子晶体面发光激光元件至所述聚光透镜为止的光线矩阵中要素C的值为0，而且，
所述聚光透镜的焦距和从所述聚光透镜的中心至所述光纤的入射端为止的距离相等，
11.根据权利要求10所述的激光模块，其特征在于，
在所述光线矩阵中，进一步地，要素B的值为0。
12.根据权利要求8所述的激光模块，其特征在于，
所述凹透镜阵列紧跟所述多个光子晶体面发光激光元件之后配置。
13.根据权利要求8所述的激光模块，其特征在于，
所述光子晶体面发光激光元件发出高斯形状的单模光束。
14.一种激光加工装置，其特征在于，具有：
权利要求8至13中任一项所述的激光模块；以及
加工头，其用于将从所述光纤射出的光束朝向被加工件照射。
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