CN111610604B - 光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器 - Google Patents

光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器 Download PDF

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Abstract

提供通过波长光束组合耦合后的激光束的品质优异的光源装置。本公开的光源装置(100)具备光纤(10)、将峰值波长不同的多个激光束同轴地重叠而生成波长耦合光束并出射的光束光源(20)、以及使从光束光源出射的波长耦合光束向光纤入射的光耦合器(30)。光耦合器(30)具备：第一柱面透镜(31)，其将波长耦合光束在第一平面内聚光，具有第一焦距；第二柱面透镜(32)，其在第二平面内聚光，具有第二焦距；以及第三柱面透镜(33)，具有比第一焦距长的第三焦距，在第一平面内聚光而向第一柱面透镜入射。

Description

光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器
技术领域
本申请涉及光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器。
背景技术
使用高输出高亮度的激光束对多种材料进行切断、开孔、作标记等加工，或对金属材料进行焊接。以往，这种激光加工所使用的碳酸气体激光装置以及YAG固体激光装置的一部分正被替换为能量转换效率较高的光纤激光装置。光纤激光装置的激发光源中使用了激光二极管(以下，简称为LD。)。近年来，伴随着LD的高输出化，正在开发不将LD作为激发光源、而是用作直接对材料照射并加工的激光束的光源的技术。这种技术被称作直接二极管激光(DDL)技术。
专利文献1公开了将从多个LD分别出射的相互波长不同的多个激光束耦合(combine)来增大光输出的光源装置的一个例子。同轴地耦合波长相互不同的多个激光束被称作“波长光束组合(WBC)”或者“光束谱合成(SBC)”，例如可为了提高DDL装置等光输出以及亮度而使用于获得。
专利文献1：美国专利6192062号说明书
发明内容
发明将要解决的课题
在将通过波长光束组合而耦合后的光束聚光于光纤时，有光束品质恶化的情况。要求能够抑制这种光束品质恶化的光源装置。
用于解决课题的手段
本公开的光源装置在非限定地例示的实施方式中，具备：光纤；光束光源，其将峰值波长不同的多个激光束同轴地重叠，生成波长耦合光束并出射；以及光耦合器，其使从所述光束光源出射的所述波长耦合光束入射到所述光纤。与所述波长耦合光束的传播方向正交的第一方向上的所述波长耦合光束的第一光束参数积大于与所述传播方向以及所述第一方向这两方正交的第二方向上的第二光束参数积。所述光耦合器具备：第一柱面透镜，其将所述波长耦合光束在包含所述传播方向与所述第一方向的第一平面内进行聚光，具有第一焦距；第二柱面透镜，其将所述波长耦合光束在包含所述传播方向与所述第二方向的第二平面内进行聚光，具有第二焦距；以及第三柱面透镜，其具有比所述第一焦距长的第三焦距，使所述波长耦合光束在所述第一平面内聚光而向所述第一柱面透镜入射。
本公开的直接二极管激光装置在例示的实施方式中具备：上述的光源装置；以及加工头，其结合于所述光源装置的光纤，该加工头利用从所述光纤出射的所述波长耦合光束照射对象物。
本公开的光耦合器在例示的实施方式中，使多个激光束耦合后的耦合光束向光纤入射，与所述耦合光束的传播方向正交的第一方向上的所述耦合光束的第一光束参数积大于与所述传播方向以及所述第一方向这两方正交的第二方向上的第二光束参数积，所述光耦合器具备：第一柱面透镜，其将所述耦合光束在包含所述传播方向与所述第一方向的第一平面内进行聚光，具有第一焦距；第二柱面透镜，其将所述耦合光束在包含所述传播方向与所述第二方向的第二平面内进行聚光，具有第二焦距；以及第三柱面透镜，其具有比所述第一焦距长的第三焦距，使所述耦合光束在所述第一平面内聚光而向所述第一柱面透镜入射。
发明效果
根据本公开的实施方式，可提供抑制了光束品质的恶化的光源装置、直接二极管激光装置以及这些装置所使用的光耦合器。
附图说明
图1是表示将通过波长光束组合而耦合的激光束聚光于光纤的光源装置的构成例的图。
图2是示意地表示波长耦合光束W利用光耦合器30P聚光于光纤10的情形的图。
图3A是示意地表示本公开的光源装置100的构成例的剖面图。
图3B是示意地表示光源装置100所具备的光耦合器30的构成例的立体图。
图4是表示本公开的实施方式中的光源装置100的构成例的图。
图5是表示在本实施方式中使用的外部谐振器型激光模块24的构成例的剖面图。
图6是表示LD42的基本构成的一个例子的立体图。
图7A是示意地表示透射式衍射光栅48的作用的剖面图。
图7B是示意地表示透射式衍射光栅48的作用的其他剖面图。
图8是示意地表示LD42的增益曲线和从以某一波长λn的单一纵向模式振荡的外部谐振器型激光模块24出射的激光束B的光谱的图。
图9是表示本实施方式中的光束光源20作为合束器26所具备的反射型衍射光栅的作用的图。
图10A是示意地表示波长耦合光束W的快轴(Y轴)方向上的光束形状的剖面图。
图10B是示意地表示波长耦合光束W的慢轴(X轴)方向上的光束形状的剖面图。
图11是放大地示意表示图1中的光耦合器30P的参考例的剖面图。
图12是放大地示意表示本实施方式中的光耦合器30的构成例的剖面图。
图13是表示本实施方式中的DDL装置1000的构成例的图。
附图标记说明
10…光纤，20…光束光源，24…外部谐振器型激光模块，26…合束器，30…光耦合器，31…第一柱面透镜，32…第二柱面透镜，33…第三柱面透镜，42…LD、44…半导体激光封装，46…准直透镜，48…透射式衍射光栅，1000…直接二极管激光(DDL)装置
具体实施方式
在说明本公开的实施方式之前，对本发明人等发现的见解以及其技术背景进行说明。
首先，说明进行“波长光束组合(WBC)”的光源装置的基本的构成例。图1是表示将通过WBC耦合的激光束聚光于光纤的光源装置的构成例的图。在包含图1在内的附图中，为了参考，示意地示出以相互正交的X轴、Y轴以及Z轴为基础的XYZ坐标系。
图示的光源装置100P具备光纤10、光束光源20P、以及光耦合器30P。光束光源20P将峰值波长λ不同的多个激光束B同轴地重叠而生成波长耦合光束W并出射。本公开中的“波长耦合光束”的词语的意思是通过WBC将峰值波长λ不同的多个激光束B在同轴上耦合而形成的激光束。根据WBC技术，通过将峰值波长λ不同的n条激光束在同轴上耦合，不仅是光输出、注量(Fluence，单位：W/cm2)也能够提高到各激光束B所具有的大小的约n倍。
光束光源20P在图示的例子中，具有分别出射峰值波长λ不同的多个激光束B的多个激光模块22、以及将多个激光束B耦合而生成波长耦合光束W的合束器26。图1中示出了5个激光模块221～225。
在图的例子中，合束器26是反射型衍射光栅。合束器26并不限定于衍射光栅，例如也可以是棱镜等其他波长分散性光学元件。以不同的角度入射到反射型衍射光栅的激光束B的-1次的反射衍射光全部向同一方向出射。在图中，为了简单起见，仅记载了各激光束B以及波长耦合光束W的中心轴。光耦合器30P将从光束光源20P出射的波长耦合光束W聚光于光纤10的纤芯而入射。
在图1的例子中，示意性地记载了Y轴与纸面垂直并与光源装置100P的XZ面平行的构成。波长耦合光束W的传播方向与Z轴方向平行。
将从激光模块22到反射型衍射光栅(合束器26)的距离设为L1，将邻接的激光模块22的角度、换言之是邻接的两条激光束B的角度设为Φ(弧度：rad)。在图示的例子中，距离L1以及角度Φ具有激光模块221～225中共用的大小。若将激光模块22的排列间距(发射极间间距)设为S，则Φ×L1＝S的近似式成立。
图2是示意地表示从合束器26出射的波长耦合光束W通过光耦合器30P聚光于光纤10的情形的图。光耦合器30P的典型例是会聚透镜。为了简单起见，用三条代表性的光线简化来表示波长耦合光束W。三条光线中的中央的光线位于光耦合器30P的光轴上，其他两条光线示意性地示出了规定光束直径的位置。光束直径可由相对于光束中心的光强度例如具有1/e2以上的光强度的区域的尺寸规定。这里，e是纳皮尔常数(约2.71)。光束直径或者光束半径也可以通过其他基准来定义。
在图2中，波长耦合光束W被记载为完全平行的准直光束，向光耦合器30P入射的区域的X轴方向上的直径(入射光束直径)由D1表示。但是，现实上，沿Z轴方向传播的波长耦合光束W并非完全的平行光，波长耦合光束W的光束半径R并非一致，而是光路上的位置(Z轴上的坐标值z)或者光路长度的函数。另外，波长耦合光束W的光束半径R可能在Y轴方向以及X轴方向上大小不同。因此，严格来说，将Y轴方向上的光束半径表示为RY(z)、将X轴方向上的光束半径表示为RX(z)较为恰当。另外，波长耦合光束W为各个激光束B同轴地重叠而得，因此波长耦合光束W的光束半径R以及扩散半角θ能够分别近似于与从激光模块22出射的各个激光束B的光束半径ω以及扩散半角θ相等。
在图2中，用L2表示从反射型衍射光栅(合束器26)到光耦合器30P的距离。距离L2例如可设定为100～500mm的范围。另外，图1所示的距离L1例如约为2000mm以上。规定该距离L1的角度Φ以及间距S被激光束B的波长、合束器26的构造以及性能、激光模块22的构造以及尺寸等限制，因此难以大幅度缩短。以下，有时将L1+L2称作“光路长度”。
根据本发明人等研究，可知在上述的构成例中存在光耦合器30P产生的聚光束直径超过光纤10的纤芯直径这一问题。若聚光束直径大于光纤10的纤芯直径，则会导致向光纤10的光耦合效率的降低，从而降低从光纤10输出的激光束的光输出以及光束品质。另外，也有可能对光纤覆盖、光纤保持夹具带来热损伤。本发明人等深刻研究后得知，其原因是光路长度(L1+L2)较长，光耦合器30P上的入射光束直径D1在X轴方向上扩大，结果，由于球面像差导致光束品质恶化。
＜本公开的光源装置的基本构成＞
参照图3A以及图3B，对本公开的光源装置100的基本构成例进行说明。图3A是示意地表示XZ面上的光源装置100的构成例的剖面图。图3B是示意地表示光源装置100所具备的光耦合器30的构成例的立体图。
图3A所示的光源装置100具备光纤10、生成波长耦合光束W并出射的光束光源20、以及使从光束光源20出射的波长耦合光束W入射到光纤10的光耦合器30。与波长耦合光束W的传播方向(Z轴方向)正交的第一方向(X轴方向)上的波长耦合光束W的第一光束参数积(第一BPP)大于与传播方向以及第一方向这两方正交的第二方向(Y轴方向)上的第二BPP。BPP是用于定量地评价光束品质的指标，光束品质越是恶化，具有越大的值。BPP的详细情况将在后面叙述。
光耦合器30如图3B所示，具有将波长耦合光束W在包含传播方向与第一方向(X轴方向)的第一平面(XZ)内聚光的第一柱面透镜31、将波长耦合光束W在包含传播方向与第二方向(Y轴方向)的第二平面(YZ)内聚光的第二柱面透镜32、以及将波长耦合光束W在第一平面(XZ)内聚光并向第一柱面透镜31入射的第三柱面透镜(副聚光透镜)33。柱面透镜具有将平行的光线束会聚在直线(焦点)上的曲面。曲面具有相当于圆柱的外周表面的一部分的形状，圆柱的轴向上的曲率为零。图3B中的曲线(虚线)示意性地示出了各个透镜31～33的入射面上的光束剖面形状。
本公开中的光耦合器30通过第三柱面透镜33的作用，能够抑制光束品质的降低，解决前述的问题。以下，详细地说明本公开的实施方式中的光源装置100的构成以及动作。
(实施方式)
＜光源装置＞
图4是表示本公开的实施方式中的光源装置100的构成例的图。图4所示的光源装置100具备光纤10、光束光源20、以及光耦合器30。光束光源20将峰值波长λ不同的多个激光束B同轴地重叠而生成波长耦合光束W并出射。
光束光源20具有分别出射多个激光束B的多个激光模块24、以及将多个激光束B耦合而生成波长耦合光束W的合束器26。本实施方式中的激光模块24是外部谐振器型。图4中记载有5个激光模块241～245。从各激光模块241～245分别出射峰值波长λ1～λ5的激光束B。这里成立有λ1＜λ2＜λ3＜λ4＜λ5的关系。光束光源20所具备的激光模块24的个数并不限定于5个，例如也可以是6个以上。
在本实施方式中，邻接的激光束B的峰值波长相差δλ(λn+1-λn＝δλ)，邻接的激光束B之间的角度Φ约为0.4度，即，约为7毫弧度(mrad)。另外，激光模块24的排列间距S为10毫米(mm)左右。若采用这种数值例，则根据Φ×L1＝S的近似式，距离L1约为1500mm。另外，为了在受限的空间内无浪费地收容构成要素，也可以在激光模块24与合束器26之间插入一张或者多张反射镜，并利用反射镜使各激光束B的传播方向旋转。
接下来，一边参照图5以及图6，一边对外部谐振器型激光模块24的具体构成例进行说明。图5是作为一个例子示出外部谐振器型激光模块241的构成例的剖面图。其他外部谐振器型激光模块242～245的构成也相同。在图5以及图6中，为了参考，示出了以相互正交的X1轴、Y1轴以及Z1轴为基础的X1Y1Z1坐标系。该X1Y1Z1是坐标系激光模块241所固有的本地坐标。X1Y1Z1坐标系的原点与激光模块241中的激光束B的起点一致较为便利，但在图中，优先考虑记载的容易理解性，处于远离发射极的位置。Z1轴与激光束B的传播方向(光束中心轴)平行。
图5的外部谐振器型激光模块241具有包含激光二极管42作为光源或者光学增益要素(增益介质)的外部谐振器构造。以下，将激光二极管简称为“LD”。
在本公开的实施方式中，LD42典型来说安装于被气密密封的的半导体激光封装(以下，简称为“封装”)44中。封装44具备具有引线端子的基座、以及将固定于基座的LD42覆盖的金属盖，在金属盖安装有具有透光性的窗部件。封装44的构成不被特别限定，例如可以是Φ5.6mm或者Φ9mm等TO-CAN型的封装。窗部件的典型例是由光学玻璃(折射率：1.4以上)形成的薄板。封装44的内部由洁净度较高的氮气或者稀有气体等非活性气体填充，可被气密地密封。一般来说，若采用激光束的波长比近红外区域短的LD42，提高其光输出，则有可能由于光集尘效果而导致环境中的尘埃等附着于动作中的发射极区域进而光输出降低的问题。附着于发射极区域的物质尘埃并不限定于此，也有挥发的有机物与激光束化学反应而生成的堆积物的可能性。激光束的波长越短，光输出越高，附着物所引起的恶化越显著。为了避免这种问题，考虑在将多个LD42收容于光源装置100的壳体内时，注意不使尘埃混入壳体内地进行壳体的组装并密封壳体自身。但是，波长光束组合所需的透镜系以及衍射光栅等部件有时附着有尘埃等，另外，难以提高壳体整体的气密性。在本实施方式中，将各个LD42收容于密封后的半导体激光封装内。LD的封装技术正高度发展，可长时间实现可靠性较高的动作。
LD42例如可以是由氮化物半导体系材料形成的输出近紫外、青紫、蓝色、或者绿色的激光的半导体激光元件。LD42可经由热传导率较高的副安装座固定于基座。LD42的朝向并不限定于图示的例子，也可以配置成利用封装44内的反射镜将激光在Z轴方向上反射。
图6是表示LD42的基本的构成的一个例子的立体图。图示的构成为了说明而被简化。在图6的例子中，LD42具有形成于上表面的条纹状的p侧电极42P、形成于下表面的n侧电极42N、以及位于端面42F的发射极区域E。激光束B从发射极区域E出射。LD42具有半导体基板和在半导体基板上生长的多个半导体层(半导体层叠构造)。半导体层叠构造包含发光层，可具有公知的各种构成。在该例中，发射极区域E具有X轴方向的尺寸(例如15μm左右)明显大于Y轴方向的尺寸(例如约1.5μm)的形状。发射极区域E的Y轴尺寸由LD42的半导体层叠构造(具体而言是波导以及包覆层的厚度、折射率比等)规定。发射极区域E的X轴尺寸由在横穿发光层的方向上流过电流的区域的X轴尺寸、具体而言是由脊构造(未图示)的宽度(增益波导宽度)等规定。
在本实施方式中的LD42的端面42F形成有防反射膜。在LD42的另一方的端面42B形成有高反射率膜。因此，图5的距离CL所示的区域形成谐振器，由距离CL规定谐振器长度。如后述那样，从LD42出射的激光束B的一部分被透射式衍射光栅48衍射而返回到LD42。在位于LD42的端面42B的高反射率膜与透射式衍射光栅48之间形成具有规定的波长的单一纵向模式的驻波。将谐振器中的位于LD42的外侧的部分称作“外部谐振器”。图示的配置为利特罗(Littrow)型。在利特罗型中，不需要未图示的利特曼型所需的反射镜。通过使用了透射式衍射光栅48的利特罗型配置，能够缩短谐振器长度CL，易于使谐振模式稳定化。本实施方式中的谐振器长度CL例如为25～35mm。
如图6所示，从发射极区域E出射的激光束B的形状在X轴方向与Y轴方向上为非对称。在图6中，示意性地示出激光束B的远场(far field)图案。激光束B在Y轴方向上具有近似单模的高斯光束的光束形状，但在X轴方向上具有整体上扩散角较小的多模的光束形状。Y轴方向的扩散半角θy0比X轴方向的扩散半角θx0大。由于Y轴方向上的激光束B能够近似于高斯光束，因此若将Y轴方向的光束腰位置处的光束半径设为ωo，将激光束B的波长设为λ，则成立有θy0＝tan-1(λ/πωo)≒λ/(πωo)弧度。在λ处于可见光域的情况下，θy0例如为20度，θx0例如为5度。其结果，激光束B的Y轴尺寸在沿Z轴方向传播时相对“快”地扩散而扩大。因此，Y轴被称作“快轴”，X轴被称作“慢轴”。慢轴方向上的光束品质由于是多模，因此相比于快轴方向上的光束品质相对恶化。其结果，规定光束品质的光束参数积(BPP)若与快轴方向上的值相比，在慢轴方向上相对地变大。另外，BPP是光束腰半径与远场中的扩散半角的积。关于这一点的详细情况，将在后面叙述。
本公开中的“快轴方向”以及“慢轴方向”的词语在使用于各个LD42的情况下，分别是各个LD42固有的X1Y1Z1坐标系中的Y1轴以及X1轴的意思。另外，在对波长耦合光束W进行说明的情况下，“快轴方向”以及“慢轴方向”分别是全局的XYZ坐标系中的“Y轴方向”以及“X轴方向”的意思。换言之，在与激光束的传播方向正交的剖面上，BPP最低的方向是“快轴”，与快轴正交的方向是“慢轴”。
再次参照图5。图示的激光模块241具有将从LD42出射的激光束B准直的准直透镜46。准直透镜46例如是球面透镜。透过了准直透镜46的激光束B作为大致平行的光线束而向透射式衍射光栅48入射。
图7A以及图7B分别是示意地表示透射式衍射光栅48引起的激光束B的衍射的剖面图。图7A与图7B之间的不同点在于透射式衍射光栅48的倾斜角度。在这些图中，为了简单起见，省略了准直透镜46的记载，激光束B以及衍射光也用单纯的直线表示。
图的例子的透射式衍射光栅48从入射激光束中主要形成0次透过衍射光T0、0次反射衍射光R0、-1次透过衍射光T-1、以及-1次反射衍射光R-1。-1次的衍射光T-1、R-1以根据波长而不同的角度从透射式衍射光栅48出射。这些衍射光中的-1次反射衍射光R-1向LD42返回。在采用了前述利特曼型配置的情况下，-1次反射衍射光R-1在被未图示的反射镜反射之后，再次经由透射式衍射光栅48向LD42返回。因而，利特曼型配置扩大谐振器长度，降低纵向模式的稳定性。
图7A以及图7B中关于-1次的衍射光T-1、R-1分别示意性地示出5条光线。这些5条光线是波长相互不同的5条虚拟的-1次衍射光线。实际上，由于在激光振荡中的谐振器内形成单一的纵向模式的驻波，因此只有具有该驻波的波长的衍射光线向LD42返回而有助于激光振荡。若透射式衍射光栅48的倾斜角度变化，则向LD42返回的-1次反射衍射光R-1的波长偏移。通过调整透射式衍射光栅48的倾斜角度，能够选择激光振荡的波长。另外，即使透射式衍射光栅48的倾斜角度一定，也能够通过调整透射式衍射光栅48中的格子间隔来获得相同的效果。
某一例子中的透射式衍射光栅48可形成为，以规定角度(40～50度)入射的规定波长(例如约410nm)的光束中的0次透过衍射光T0的比例例如约为50％以上，-1次反射衍射光R-1的比例例如约为25％左右、0次反射衍射光R0以及-1次透过衍射光T-1的合计比例例如约为25％以下。
图8是示意地表示LD42的增益曲线(表示增益的波长依赖性的曲线)和从以某一波长λn的单一纵向模式振荡的外部谐振器型激光模块24出射的激光束B的光谱的图。激光束B的波长(峰值波长λn)从具有可激光振荡的增益的波长范围中选择。通过外部谐振器构造，激光束B的光谱宽度示出了较窄且较尖的峰值。
在本公开的实施方式中，例如准备表示能够在包含400～420nm的波长范围内振荡的增益的多个LD42。换言之，准备增益宽度约为20nm、增益最大的波长为410nm的多个LD42。然后，以使从透射式衍射光栅48向LD42返回的-1次反射衍射光R-1的波长相差几nm的方式调整透射式衍射光栅48的构造以及倾斜角度。通过使用外部谐振器型激光模块24，激光束的波长宽度较窄，并且振荡波长稳定。其结果，能够使用衍射光栅等合束器26向希望的方向以较高的精度同轴地耦合多个激光束。
这样获得的具有多个不同的峰值波长λn的激光束B通过波长光束组合在同轴上耦合而形成波长耦合光束W。另外，具有相同的增益宽度(例如20～30nm的波长宽度)的LD42典型来说具备由同一组成的半导体形成的半导体层叠构造。但是，本公开的实施方式并不限定于这种例子。例如也可以在LD42中含有发光层的半导体成分不同、结果是带来增益的波长范围不一致的激光二极管。更具体而言，例如能够将峰值波长属于紫外、蓝紫、蓝以及绿中的至少某一个色域的多个激光束B任意地耦合而形成具有各种光谱的波长耦合光束W。
图9是表示本实施方式中的光束光源20作为合束器26所具备的反射型衍射光栅的作用的图。峰值波长λn的激光束B呈以合束器26的法线方向N为基准的入射角αn向合束器26入射。以衍射角β使-1次的反射衍射光沿Z轴方向入射。此时，sinαn+sinβK·m·λn的式子成立。这里，K是合束器26中的每1mm的衍射光栅数，m是衍射次数。
如前述那样，在本实施方式中，具有相互不同的峰值波长λn的激光束B从外部谐振器型激光模块24出射，以适当的入射角αn向合束器26入射。其结果，以相等的衍射角β衍射的激光束B重叠，实现波长光束组合。
在某一实施例中，准备构成为出射具有以下的表1所示的峰值波长λn的激光束的11个外部谐振器型激光模块24，并进行对准以实现表1的入射角αn以及衍射角β。在这样制作出的光源装置中，从合束器(反射型衍射光栅)26以相等的衍射角β出射的峰值波长的不同的11条激光束同轴地重叠，生成了1条波长耦合光束。另外，在该例中，K是2222mm-1，光路长度(L1+L2)约为1800mm。
[表11
Figure BDA0002390056040000111
在该实施例中，使用了在约399～422nm的范围内具有增益的LD42。即，增益宽度Δλ约为23nm。根据表1可知，从第n个激光模块24n出射的激光束的峰值波长λn和从第n+1个激光模块24n+1出射的激光束的峰值波长λn+1之间被赋予了δλ＝约2.3nm的波长差。另外，从第n个激光模块24n出射的激光束的入射角αn和从第n+1个激光模块24n+1出射的激光束的入射角αn+1之间被赋予了约4.2度的角度差。
另外，本公开的实施方式并不限定于上述的实施例。例如能够使用从波长350～550nm的范围选择的、例如具有几10nm的增益宽度的多个LD在各种波长频带内实现波长光束组合。在波长350～550nm的范围内，铜等金属带来的吸收率较高，因此可提供适合金属加工的波长耦合光束。
从具有上述的构成的光束光源20出射的波长耦合光束W如前述那样在Y轴(快轴)方向以及X轴(慢轴)方向上具有非对称的光束品质。以下对这一点进行说明。
图10A是示意地表示Y轴方向上的光束形状的剖面图。图10B是示意地表示波长耦合光束W的X轴方向上的光束形状的剖面图。
将Y轴方向上的光束腰的光束半径设为ωy，将远场的扩散半角设为θy。同样，将X轴方向上的光束腰的光束半径设为ωx，将远场的扩散半角xθx。此时，在Y轴方向上，能够将波长耦合光束W近似为高斯光束来处理。因此，作为Y轴方向上的第一BPP(单位：[mm·mrad])ωy×θy与λ/π大致相等。与此相对，在X轴方向上，虽然不能将波长耦合光束W处理为高斯光束，但能够作为光束半径比高斯光束扩大的光束来处理。X轴方向上的第二BPP由ωy×θy＝M2×(λ/π)表示。若利用以1次的高斯光束为基准的M2的因素评价光束品质，则在Y轴方向上，可以是M2约为1。X轴方向上的M2例如为11左右。
在前述的实施例中，Y轴(快轴)方向上的第一BPP约为0.15mm·mrad，X轴(慢轴)方向上的第二BPP约为1.43mm·mrad。因此，在光路长度为1000mm的位置，Y轴方向上的光束直径约为2.91mm，相对于此，X轴方向上的光束直径约为4.45mm。另外，在光路长度为2000mm的位置，Y轴方向上的光束直径约为2.91mm，相对于此，X轴方向上的光束直径约为8.20mm。如此，波长耦合光束W的X轴方向上的光束品质相对较低，光束与光路长度成比例地大幅扩散。
根据本发明人等的研究，波长耦合光束W的X轴(慢轴)方向上的光束品质由于光耦合器30进一步降低而导致向光纤10的聚光性能大幅降低。光束品质的降低如前述那样，导致光纤10的入射侧端面上的集束光束光斑直径的放大。
图11是示意地表示光耦合器30P的比较例的构成的图。该例中的光耦合器30P具有在第一平面(XZ)内聚光的柱面透镜31P和在第二平面(YZ)内聚光的第二柱面透镜32。柱面透镜31P的像侧主点位置从光纤10的入射侧端面离开柱面透镜31P的焦距(有效焦距)EFLSAF。因而，入射到柱面透镜31P的波长耦合光束W在柱面透镜31P的作用下向光纤10的入射侧端面聚光。波长耦合光束W的X轴方向上的BPP由于柱面透镜31P的球面像差而变大，光纤10的入射侧端面上的X轴方向上的光束直径比纤芯直径(例如50μm)大。
另外，在本实施方式中的光束光源20中，多个激光模块24以规定的角度倾斜地排列，但本公开中的光束光源20并不限定于这种例子。也可以是多个激光模块24相互平行地排列，并且从激光模块24出射的激光束B的传播方向分别被单独的反射镜偏转然后以不同的角度向合束器26入射。也可以为了使沿平行的方向传播的多个激光束B偏转，取代使用单独的反射镜而是使用会聚透镜。
＜光耦合器＞
以下，对本公开的实施方式中的光耦合器30的构成例进行说明。
图12是放大地示意表示本实施方式中的光耦合器30的构成例的剖面图。这里，波长耦合光束W的传播方向位于Z轴上，慢轴是X轴，快轴是Y轴。在该例中，光耦合器30具有在第一平面(XZ)内聚光的第一柱面透镜31、在第二平面(YZ)内聚光的第二柱面透镜32、以及在第一平面(XZ)内聚光的第三柱面透镜33。这些柱面透镜31、32、33都是例如圆筒面平凸透镜。
第一柱面透镜31、第二柱面透镜32、以及第三柱面透镜33分别具有第一焦距EFLSAF1、第二焦距EFLFAF以及第三焦距EFLSAF2。第三焦距EFLSAF2比第一焦距EFLSAF1长。在本实施方式中，第一焦距EFLSAF1是75mm，第三焦距EFLSAF2是300mm。出于抑制第三柱面透镜33带来的球面像差的影响这一观点，期望的是第三焦距EFLSAF2设定为第一焦距EFLSAF1的2倍以上。第二焦距EFLFAF在图示的例子中比第一焦距EFLSAF1短，但本公开的实施方式并不限定于该例。
波长耦合光束W的光束形状以及光束品质在第一平面(XZ)与第二平面(YZ)上大幅不同。在本实施方式中，BPP相对较大的第一平面(XZ)中的向光纤10的聚光由第一以及第三柱面透镜31、33实现。与此相对，BPP相对小的第二平面(YZ)中的向光纤10的聚光由单一的第二柱面透镜32实现。
根据图12所示的例子，利用辅助的第三柱面透镜33使波长耦合光束W的第一平面(XZ)中的光束直径缩小然后向第一柱面透镜31入射。透镜的球面像差与透镜上的光束直径的3次方成比例变大，因此通过第一柱面透镜31上的光束直径的缩小，能够抑制第一柱面透镜31的球面像差所引起的光束品质降低。第一柱面透镜31上的波长耦合光束W的照射区域比没有第三柱面透镜33的情况下的虚拟的照射区域缩小。通过第一柱面透镜31引起的波长耦合光束W的第一BPP的变化率(恶化比例)与图11的比较例相比得以抑制。
另外，第三柱面透镜33具有比第一柱面透镜31的焦距(EFLSAF1)长的焦距(EFLSAF2)，因此能够采用难以产生球面像差的薄壁构造。而且，由于使第一平面(XZ)中的光束扩散角相对地较大的波长耦合光束W在向第一柱面透镜31入射之前向第三柱面透镜33入射，因此第三柱面透镜33上的入射光束直径可缩小到更难产生球面像差的较窄范围内。这样，几乎不会产生由第三柱面透镜33引起的光束品质的降低，能够解决第一柱面透镜31引起的光束品质降低的问题。其结果，不采用高价的非球面透镜，就可缩小聚光束直径而提高向光纤10的光耦合效率。
如图12所示，将从第一柱面透镜31的像侧主点位置到光纤10的入射侧端面的距离设为d1，将从第三柱面透镜33的像侧主点位置到第一柱面透镜31的像侧主点位置的距离设为d2。此时，d1＜EFLSAF1、d2＜EFLSAF2成立。可以说通过满足d2＜EFLSAF2，第三柱面透镜33辅助地减少了第一平面(XZ)中的光束直径的会聚。另外，在图12的例子中，d1+d2＜EFLSAF2也成立。在本实施方式中，d1例如是50mm，d2例如是150mm。为了抑制第三柱面透镜33的球面像差引起的光束品质的降低，优选的是EFLSAF2为EFLSAF1的2倍以上，例如3倍以上。
第一柱面透镜31上的波长耦合光束W的照射区域是没有第三柱面透镜33的情况下(图11的比较例)的虚拟的照射区域的75％以下(例如约50％)。通过照射区域的缩小，能够利用第一柱面透镜31中难以产生球面像差的部分。但是，若欲极端减小该照射区域，则不能忽视由第三柱面透镜33引起的球面像差的影响。因此，优选的是第一柱面透镜31上的波长耦合光束W的照射区域设定为没有第三柱面透镜33的情况下(图11的比较例)的虚拟的照射区域的40％以上。
根据本实施方式，通过第一柱面透镜31引起的波长耦合光束W的X轴方向上的BPP(第一光束参数积)的变化率处于0％以上10％以下的范围。换言之，第一柱面透镜31引起的光束品质的降低被抑制为10％以下。
在某一实施方式中，波长耦合光束W向第三柱面透镜33入射时的方向上的光束直径是5mm以上(例如约10mm)，波长耦合光束W向第一柱面透镜31入射时的X轴方向上的光束直径是2.5mm以上(例如约5mm)。
在参照表1说明的实施例中，用图12的光耦合器30将生成的波长耦合光束W聚光。向第三柱面透镜33入射前的波长耦合光束W的X轴方向上的BPP是1.43mm·mrad。即使通过光耦合器30，光束品质也不会恶化，X轴方向上的BPP保持为1.43mm·mrad，光束直径约10mm的波长耦合光束W聚光到36μm这样小的光斑。但是，在使用了图11的光耦合器30P的情况下，X轴方向上的BPP从1.43mm·mrad增加到2.02mm·mrad，光束直径也只能聚光到56μm。如此，根据本公开的实施方式，能够使X轴方向上的BPP小于1.5mm·mrad，能够以较高的效率(例如约85％)将波长耦合光束W耦合到纤芯直径为50μm的光纤。
本实施方式中的光耦合器30在与图4所示的光束光源20组合使用时发挥优异的效果，但波长耦合光束W的生成并不限定于使用图4的光束光源20进行的例子。光耦合器30能够被广泛用作使多个激光束耦合后的耦合光束向光纤入射的光耦合器。具体而言，在与耦合光束的传播方向正交的第一方向上的耦合光束的第一光束参数积比与传播方向以及第一方向这两方正交的第二方向上的第二光束参数积大时，抑制第一光束参数积的增加而发挥优异的聚光性能。
＜直接二极管激光装置＞
接下来，参照图13，对本公开的直接二极管激光(DDL)装置的实施方式进行说明。图13是表示本实施方式中的DDL装置1000的构成例的图。
图示的DDL装置1000具备光源装置100和连接于从光源装置100延伸的光纤10的加工头200。加工头200以从光纤10出射的波长耦合光束照射对象物300。在图示的例子中，光源装置100的个数为一个。
光源装置100具有与前述构成相同的构成。搭载于光源装置100的外部谐振器型激光模块的个数不被特别限定，根据必要的光输出或者放射照度而决定。从外部谐振器型激光模块放射的激光的波长也可根据加工对象的材料而选择。例如在铜、黄铜、铝等加工的情况下，可适当地采用振荡波长频带属于350nm以上550nm以下的范围的LD。
根据本实施方式，通过波长光束组合生成高输出的激光束，并高效地耦合到光纤，因此能够以较高的能量转换效率获得光束品质优异的高注量的激光束。
工业上的可利用性
本公开的光源装置被广泛应用于要求从光纤放射具有较高光束品质的高输出高注量的激光的用途。另外，本公开的光源装置以及DDL装置能够利用于需要高输出的激光源的工业用领域，例如各种材料的切断、开孔、局部的热处理、表面处理、金属的焊接，3D打印等。

Claims (11)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：
光纤；
光束光源，其将峰值波长不同的多个激光束同轴地重叠，生成波长耦合光束并出射；以及
光耦合器，其使从所述光束光源出射的所述波长耦合光束入射到所述光纤；
与所述波长耦合光束的传播方向正交的第一方向上的所述波长耦合光束的第一光束参数积大于与所述传播方向以及所述第一方向这两方正交的第二方向上的第二光束参数积，
所述光耦合器具备：
第一柱面透镜，其将所述波长耦合光束在包含所述传播方向与所述第一方向的第一平面内进行聚光，具有第一焦距；
第二柱面透镜，其将所述波长耦合光束在包含所述传播方向与所述第二方向的第二平面内进行聚光，具有第二焦距；以及
第三柱面透镜，其具有比所述第一焦距长的第三焦距，使所述波长耦合光束在所述第一平面内聚光而向所述第一柱面透镜入射，
所述第三柱面透镜与所述第一柱面透镜的距离比所述第三焦距短，
在所述传播方向上，所述第三柱面透镜、所述第一柱面透镜、所述第二柱面透镜依次排列。
2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，
所述第一柱面透镜上的所述波长耦合光束的照射区域是没有所述第三柱面透镜的情况下的虚拟的照射区域的75％以下。
3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，
通过所述第一柱面透镜引起的所述波长耦合光束的所述第一光束参数积的变化率处于0％以上10％以下的范围。
4.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，
所述波长耦合光束向所述第三柱面透镜入射时的所述第一方向上的光束直径为5mm以上，
所述波长耦合光束向所述第一柱面透镜入射时的所述第一方向上的光束直径为2.5mm以上。
5.根据权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于，
所述光束光源具有：
多个外部谐振器型激光模块，其分别出射所述多个激光束；以及
合束器，其将所述多个激光束耦合而生成所述波长耦合光束。
6.根据权利要求5所述的光源装置，其特征在于，
所述多个外部谐振器型激光模块分别以激光二极管为光源，具有外部谐振器。
7.根据权利要求6所述的光源装置，其特征在于，
所述激光二极管的振荡波长处于350nm以上550nm以下的范围。
8.根据权利要求6或7所述的光源装置，其特征在于，
所述激光二极管收容于密封的半导体激光封装内。
9.根据权利要求6所述的光源装置，其特征在于，
所述多个外部谐振器型激光模块分别具有透射式衍射光栅，构成了利特罗型配置。
10.一种直接二极管激光装置，其特征在于，具备：
权利要求1至9中任一项所述的光源装置；以及
加工头，其结合于所述光源装置的光纤，该加工头利用从所述光纤出射的所述波长耦合光束照射对象物。
11.一种光耦合器，使多个激光束耦合后的耦合光束向光纤入射，其特征在于，
与所述耦合光束的传播方向正交的第一方向上的所述耦合光束的第一光束参数积大于与所述传播方向以及所述第一方向这两方正交的第二方向上的第二光束参数积，
所述光耦合器具备：
第一柱面透镜，其将所述耦合光束在包含所述传播方向与所述第一方向的第一平面内进行聚光，具有第一焦距；
第二柱面透镜，其将所述耦合光束在包含所述传播方向与所述第二方向的第二平面内进行聚光，具有第二焦距；以及
第三柱面透镜，其具有比所述第一焦距长的第三焦距，使所述耦合光束在所述第一平面内聚光而向所述第一柱面透镜入射，
所述第三柱面透镜与所述第一柱面透镜的距离比所述第三焦距短，
在所述传播方向上，所述第三柱面透镜、所述第一柱面透镜、所述第二柱面透镜依次排列。
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