CN116262307A - 波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机 - Google Patents

波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机，进一步提高通过波长光束耦合进行耦合的激光束的输出及功率密度。波长光束耦合装置具有：将多条激光束分离为在第一偏振方向线性偏振的多条第一偏振光束以及在第二偏振方向线性偏振的多条第二偏振光束的偏振分束器、将第二偏振光束转换为在第一偏振方向线性偏振的多条第三偏振光束的第一偏振光转换元件、对多条第一偏振光束进行衍射来形成同轴重叠的第一波长耦合光束且对多条第三偏振光束进行衍射来形成同轴重叠的第二波长耦合光束的衍射光栅、以及形成将第一波长耦合光束及第二波长耦合光束同轴重叠的第三波长耦合光束并射出的偏振光束耦合器。

Description

波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机
技术领域
本申请涉及波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机。
背景技术
使用高输出、高亮度的激光束，对各种材料进行切割、开孔、打标等，或焊接金属材料。以往，在上述激光加工中使用的二氧化碳激光装置及YAG固体激光装置的一部分正在置换为能量转换效率较高的光纤激光装置。光纤激光装置的泵浦光源使用激光二极管(下面简单记为LD)。近年来，随着LD的高输出化，正在开发不是将LD作为泵浦光源、而是作为直接对材料进行照射并加工的激光束的光源来使用的技术。上述技术被称为直接二极管激光(DDL)技术。
专利文献1公开了光源装置的一个例子，该光源装置将从多个LD分别射出、波长相互不同的多条激光束进行耦合(combine)，使光输出增大。将波长相互不同的多条激光束同轴耦合被称为“波长光束耦合(WBC)”或“光谱光束耦合(SBC)”，例如可以为了提高DDL装置等的光输出及亮度而使用。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利6192062号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
要求进一步提高通过波长光束耦合进行耦合的激光束的输出及功率密度。
用于解决技术问题的技术方案
本公开的波长光束耦合装置基于某实施方式，是将峰值波长相互不同的多条激光束进行耦合的波长光束耦合装置，具有：偏振分束器，其将所述多条激光束分别分离为在第一偏振方向上线性偏振的多条第一偏振光束、以及在与所述第一偏振方向正交的第二偏振方向上线性偏振的多条第二偏振光束；第一偏振光转换元件，其将所述多条第二偏振光束转换为在所述第一偏振方向上线性偏振的多条第三偏振光束；一个或多个衍射光栅，其对所述多条第一偏振光束进行衍射，形成将所述多条第一偏振光束同轴重叠的第一波长耦合光束，并对所述多条第三偏振光束进行衍射，形成将所述多条第三偏振光束同轴重叠的第二波长耦合光束；第二偏振光转换元件，其使所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束的一方的偏振状态变化，使所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束的偏振方向正交；偏振光束耦合器，其形成将所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束同轴重叠的第三波长耦合光束并射出。
本公开的直接二极管激光装置基于某实施方式，具有：上述波长光束耦合装置；多个半导体激光装置，其各自射出峰值波长相互不同的激光；光纤阵列装置，其利用从所述多个半导体激光装置射出的所述激光形成向所述波长光束耦合装置的所述偏振分束器入射的所述多条激光束。
本公开的激光加工机基于某实施方式，具有：上述至少一个直接二极管激光装置、与从所述至少一个直接二极管激光装置射出的所述第三波长耦合光束耦合的光传输光纤、以及与所述光传输光纤连接的加工头。
发明的效果
根据本公开的实施方式，提供一种波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机，能够进一步提高通过波长光束耦合进行耦合的激光束的输出及功率密度。
附图说明
图1是表示本公开的波长光束耦合装置的第一实施方式的结构例的图。
图2是示意性地表示偏振分束器的结构例与功能的立体图。
图3A是示意性地表示峰值波长为λn的光线向衍射光栅入射并进行衍射、形成衍射光线的状况的立体图。
图3B是示意性地表示光线向透过型衍射光栅入射时形成的主要的衍射光线的剖视图。
图4A是示意性地表示峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束进行波长耦合后的第一波长耦合光束的光谱的曲线图。
图4B是示意性地表示峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束进行波长耦合后的第二波长耦合光束的光谱的曲线图。
图5是示意性地表示耦合的激光束的条数为K条的情况下(K为4以上的整数)的第三波长耦合光束的光谱的曲线图。
图6是表示本公开的波长光束耦合装置的第二实施方式的结构例的图。
图7是表示偏振分束器的结构例的侧视图。
图8是表示本公开的波长光束耦合装置的第三实施方式的结构例的图。
图9是表示本公开的直接二极管激光装置的实施方式的结构例的图。
图10是表示本公开的激光加工机的实施方式的结构例的图。
具体实施方式
＜波长光束耦合装置的第一实施方式＞
参照图1，说明本公开的波长光束耦合装置的第一实施方式。为了参考，包括图1在内的附加附图示意性地表示了相互正交的X轴、Y轴及Z轴。
图1所示的本实施方式的波长光束耦合装置100能够将峰值波长相互不同的多条激光束10进行耦合。在图1中，为了简单，说明了将峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束10同轴进行耦合的装置的结构例。耦合的激光束10的条数不限于三条，也可以将峰值波长相互不同的两条或四条以上的激光束10进行耦合。下面，有时将耦合的多条激光束10的峰值波长记为λn。在此，“n”为1以上的整数，作为区分(指定)多条激光束10的各激光束的数值来使用。在图示的例子中，λ1＜λ2＜λ3的关系成立。峰值波长λn的单位是任意的，例如为纳米(nm)。
在图1中，分别以单纯的直线表示了多条激光束10。实际的激光束10是在与行进方向正交的平面内具有强度分布的光束。该强度分布在与光束的行进方向正交的平面内，例如可以通过高斯分布等分布函数进行近似。光束的直径例如由相对于光束中心的强度而具有1/e2倍以上强度的剖面区域的尺寸进行定义。在本公开中，激光束10由准直透镜等光学系统进行准直。在图面中，示意性地表示激光束10等进行了准直的光束的行进方向，所以，由直线表现了各光束的中心轴。也可以认为上述直线表示了通过各光束的中心的光线。
波长光束耦合装置100具有多条激光束10入射的偏振分束器20。偏振分束器20具有透过率及反射率根据入射的激光束10的偏振状态而不同的反射/透过面20R。光为电磁波，光的电磁场是相对于行进方向、在垂直的方向上振动的横波。激光束的偏振状态依赖于激光光源的增益介质、谐振器、振荡方式等而可以不同。另外，在从激光光源射出的阶段中，处于指定偏振状态的激光束也存在例如在通过光纤等传输介质的过程中偏振状态变动、或偏振消除(depolarize：去偏振)的情况。偏振分束器20的反射/透过面20R能够对在规定方向上线性偏振的偏振光分量选择性地进行反射，并将在与该规定方向正交的方向上线性偏振的偏振光分量透过。在反射/透过面20R例如设有具有偏振依赖性的电介质多层膜。图1例子中的偏振分束器20将在Z轴方向上行进的激光束10分离为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第一偏振光束11、以及在与第一偏振方向正交的第二偏振方向(X轴方向)线性偏振的多条第二偏振光束12。需要说明的是，在多条激光束10向偏振分束器20入射时，不需要相互平行。在图1的例子中，调整三条激光束10的行进方向，以形成规定的角度。针对该“规定的角度”的详细情况，将在后面叙述。
通常，在光线向物体表面入射时，将包括入射点的物体表面的法线与光线的行进方向矢量(波数矢量)的平面定义为“入射面(plane of incidence)”。另外，在与入射面垂直的方向上线性偏振的光被称为S偏振光，在与入射面平行的方向上线性偏振的光被称为P偏振光。在图1的例子中，偏振分束器20的反射/透过面20R与XZ面垂直，反射/透过面20R的法线位于与XZ面平行的平面内。另外，激光束10的行进方向与XZ面平行。因此，激光束10向反射/透过面20R入射时的“入射面”与XZ面平行。在本公开中，将在与XZ面垂直的方向即第一偏振方向上线性偏振的光称为“S偏振光”。而且，将在与XZ面平行的方向(与第一偏振方向正交的第二偏振方向)线性偏振的光称为“P偏振光”。在附加的附图中，以小圆包围叉号的标记表示“S偏振光”，以两端箭头的标记表示“P偏振光”。“P偏振光”的偏振方向与XZ面平行，但相对于激光束的行进方向垂直，所以，当在激光束的行进方向仍与XZ面平行的情况下通过反射或衍射而旋转时，“P偏振光”的偏振方向也在与XZ面平行的面内旋转。因此，本公开的“第二偏振方向”被定义为与激光束的行进方向垂直、且与第一偏振方向垂直的方向。
图2是示意性地表示偏振分束器20的结构例与功能的立体图。在图2的例子中，包括S偏振光及P偏振光的激光束10在Z轴的正方向上行进，入射偏振分束器20。包括S偏振光及P偏振光的激光束10的偏振状态例如处于S偏振光与P偏振光随机混合的“非偏振光”的状态。在本公开中，“非偏振光”表示在规定的方向上未线性偏振的光。因此，圆偏振光、椭圆偏振光也可包括在上述广义上的“非偏振光”中。另外，偏振方向因时间或地点而随机或有规律变化的线性偏振光的混合状态也包括在“非偏振光”中。
在图2的例子中，偏振分束器20的反射/透过面20R对激光束10中包含的S偏振光进行反射，并透过P偏振光。其结果是，激光束10被分离为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的第一偏振(S偏振光)光束11、以及在第二偏振方向(X轴方向)线性偏振的第二偏振(P偏振光)光束12。
在本公开中，重点在于利用偏振分束器20的反射/透过面20R，将偏振方向相互正交的反射光及透过光分离(偏振光分离)。当激光束10只由S偏振光构成时，由激光束10形成第一偏振(S偏振光)光束11，却未形成第二偏振(P偏振光)光束12。反之，当激光束10只由P偏振光构成时，由激光束10只形成第二偏振(P偏振光)光束12，而未形成第一偏振(S偏振光)光束11。
当向偏振分束器20入射的多条激光束10为“非偏振光”时，激光束10被分离为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第一偏振(S偏振光)光束11、以及在第二偏振方向(X轴方向)线性偏振的多条第二偏振(P偏振光)光束12。然而，即使激光束10是处于S偏振光及P偏振光重合的状态下的线性偏振光，当其偏振方向相对于图2的X轴及Y轴都不平行时，也能够由上述激光束10形成第一偏振(S偏振光)光束11及第二偏振(P偏振光)光束12。另外，在向偏振分束器20入射的多条激光束10各自在不同的方向线性偏振的情况下，上述多条激光束10作为整体，也可被分离为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第一偏振(S偏振光)光束11、以及在第二偏振方向(X轴方向)线性偏振的多条第二偏振(P偏振光)光束12。因此，当向偏振分束器20入射的“多条”激光束10未全部在图2的X轴及Y轴的一方的轴方向上一致线性偏振时，由偏振分束器20实现偏振光分离，所以，多条激光束10作为整体可以解释为“非偏振光”。
需要说明的是，图2表示了棱镜型偏振分束器20，但偏振分束器20的种类不限于该例子，也可以为立方体型、平板型、或其它类型。在图2的例子中，由偏振分束器20的反射/透过面20R反射的第一偏振(S偏振光)光束11在由白色箭头表示的第一行进方向F上行进。另一方面，透过偏振分束器20的反射/透过面20R的第二偏振(P偏振光)光束12在Z轴的正方向上行进。但是，上述第一偏振(S偏振光)光束11及第二偏振(P偏振光)光束12各自的行进方向例如可以由反射镜等光学元件改变。
再次参照图1。波长光束耦合装置100具有将多条第二偏振(P偏振光)光束12转换为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第三偏振(S偏振光)光束13的第一偏振光转换元件30。第一偏振光转换元件30例如为1/2波长板(半波长相位差板)。1/2波长板具有双折射性，使在厚度方向上行进的电磁波正交的两个分量的相位差变化。通过相对于第二偏振(P偏振光)光束12的偏振方向形成45°的角度来配置1/2波长板的迟相轴或进相轴，1/2波长板能够将P偏振光转换为S偏振光。
这样，本实施方式的波长光束耦合装置100例如能够作为整体由非偏振光即多条激光束10形成在指定的相同方向线性偏振的多条第一偏振光束11及多条第三偏振光束13。在该阶段中，多条第一偏振光束11由峰值波长不同、且未同轴耦合的多条激光束构成。同样，多条第三偏振光束13也由峰值波长不同、且未同轴耦合的多条激光束构成。
需要说明的是，1/2波长板形成的相位差取决于入射光的波长。因此，当峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束透过1/2波长板时，不会由所有的峰值波长准确地形成1/2波长的相位差，而是在由P偏振光转换的S偏振光中残留有P偏振光的分量。因此，在从第一偏振光转换元件30射出的多条第三偏振(S偏振光)光束13中可能残留有P偏振光的分量、严格地说是包括椭圆偏振光。然而，当多个峰值波长λn都包含在比较小的范围、例如10nm以下的范围内时，1/2波长板形成的相位差的差异(波长色散)非常小。因此，在本公开的实施方式中，第三偏振光束13也可以主要包括S偏振光分量，局部包括P偏振光分量。
图1的波长光束耦合装置100还具有用于使上述多条第一偏振(S偏振光)光束11、以及多条第三偏振(S偏振光)光束13分别同轴化的两个衍射光栅40。两个衍射光栅40构成为，一方对多条第一偏振光束11进行衍射，形成将多条第一偏振光束11同轴重叠的第一波长耦合光束21，另一方对多条第三偏振光束13进行衍射，形成将多条第三偏振光束13同轴重叠的第二波长耦合光束22。
接着，参照图3A，说明衍射光栅40的结构例与功能。图3A所示的衍射光栅40是对图1的第一偏振光束11进行衍射的衍射光栅40。如下的说明也适用于其它的衍射光栅40。
图3A是示意性地表示峰值波长为λn的光线14A入射衍射光栅40并被衍射、形成衍射光线14B的状况的立体图。当光线14A的入射角为αn时，入射角αn的“n”是与峰值波长为λn的“n”相同的整数。入射角αn是衍射光栅40的衍射面的法线方向N与峰值波长为λn的光线14A形成的角度。在衍射光栅40的表面设有大量的衍射槽。图3A表示了虚拟平面44。该平面44是包括向衍射光栅40入射的光线14A以及从衍射光栅40射出的衍射光线14B的平面，与衍射槽正交。因为衍射是平面40内的光线14A与衍射光线14B之间的角度根据波长而变化(色散)的，所以，可以将平面40扩展的方向称为“色散的方向”。
当衍射光线14B的衍射角为β时，如下的式1的关系成立。
sin(αn)+sin(β)＝N·m·λn…(式1)
在此，N为衍射光栅40的每1mm的衍射槽的条数，m为衍射次数。
例如，在衍射次数m为1、衍射角β为45.0度的情况下，当N＝2500、波长λn为450nm时，入射角αn为24.7度。在将峰值波长λn不同的多条激光束向衍射光栅40的同一位置入射时，通过适当地选择波长λn与入射角αn，能够将峰值波长λn不同的多条激光束衍射在相同衍射角β的方向。
图3B是示意性地表示在光线I向透过型衍射光栅40入射时形成的主要的衍射光线的剖视图。图3B表示了由衍射光栅40形成的反射0次的衍射光线R－0、反射一次的衍射光线R－1、透过0次的衍射光线T－0、以及透过一次的衍射光线T－1。即使为透过型衍射光栅，本实施方式使用的衍射光栅40也构成为可选择性地较强生成反射一次的衍射光线R－1。因此，可以忽略由透过型衍射光栅40生成的反射0次的衍射光线R－0、透过0次的衍射光线T－0、以及透过一次的衍射光线T－1。其结果是，向衍射光栅入射的激光束几乎未被构成衍射光栅40的材料吸收，可抑制光损耗。与透过型衍射光栅不同，反射型衍射光栅具有用于反射的部件(电介质多层膜或反射镜)，不能忽略该部件的光吸收。因此，根据反射型衍射光栅，当入射的激光束的强度增高时，光吸收产生的热量可能使衍射光栅的性能劣化。因此，在本公开的实施方式中，希望利用透过型衍射光栅。衍射光栅40的基材可由激光束的峰值波长中吸收率较低的材料、例如石英形成。光栅剖面的形状例如为长方形或梯形。
需要说明的是，在收纳波长光束耦合装置100的结构主要部件的筐体的内侧面可设有光吸收部件。光吸收部件吸收反射一次的衍射光线R－1以外的衍射光线，抑制产生杂散光。
接着，另外参照图1。在本公开的实施方式中，确定向左侧的衍射光栅40入射的多条第一偏振光束11的入射角(αn)，以根据波长λn(＝λ1、λ2、λ3)满足式1。另外，同样地，确定向右侧的衍射光栅40入射的多条第三偏振光束13的入射角(αn)，以根据波长λn(＝λ1、λ2、λ3)满足式1。这样，能够生成使衍射角(β)相同而被同轴化的第一波长耦合光束21以及第二波长耦合光束22。衍射光栅40的形成有衍射槽的面上的第一偏振光束11及第三偏振光束13各自的直径(光束直径)例如在0.5mm以上、10mm以下的范围内。
在本实施方式中，向衍射光栅40入射的激光束为S偏振光的第一偏振光束11、以及S偏振光的第三偏振光束13。在衍射光栅40具有偏振光依赖性的情况下，当非偏振光的激光束入射时，会因偏振光分量而使衍射效率降低。在本实施方式中，衍射光栅40具有与第一偏振方向(Y轴方向)平行的衍射槽。在本实施方式中，通过利用相对于S偏振光的衍射效率比相对于P偏振光的衍射效率高的衍射光栅40，能够抑制因衍射光栅40而产生光损耗。
需要说明的是，在激光束10以峰值波长λn为大致中心而具有Δλn的光谱宽度时，该光谱宽度Δλn越小越好。当光谱宽度Δλn扩展，则衍射角β具有较大的宽度。衍射角β具有较大的宽度，则意味着在第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的行进方向具有宽度。光谱宽度Δλn例如设定为0.3nm以下。通过耦合光谱宽度Δλn较窄的多条激光束10，能够生成在期望的波长范围内包括多个峰值波长的波长耦合光束，有效地提高其光输出。在进行Cu等金属的加工/焊接的用途中，例如多个峰值波长可以包含在430nm至480nm的范围内。另外，多条激光束10的条数可以为10以上。
波长光束耦合装置100还具有第二偏振光转换元件50、以及偏振光束耦合器60。第二偏振光转换元件50构成为，使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的一方的偏振状态变化，使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的偏振方向正交。第二偏振光转换元件50与第一偏振光转换元件30相同，例如为1/2波长板(半波长相位差板)。在图1的例子中，第二偏振光转换元件50使第二波长耦合光束22的偏振方向旋转90度地进行配置。透过了第二偏振光转换元件50的第二波长耦合光束22在第二偏振方向上线性偏振。也可以与之不同，将第二偏振光转换元件50放置在使第一波长耦合光束21的偏振方向旋转90度的位置上。
偏振光束耦合器60构成为，形成将第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22同轴重叠的第三波长耦合光束23并射出。偏振光束耦合器60也可以具有与偏振分束器20相同的结构。通常，偏振分束器也可以作为偏振光束耦合器来使用。在图1的例子中，第一波长耦合光束21为S偏振光，透过了第二偏振光转换元件50的第二波长耦合光束22为P偏振光。偏振光束耦合器60具有对S偏振光进行反射、将P偏振光透过的反射/透过面60R。其结果是，偏振光束耦合器60能够射出S偏振光即第一波长耦合光束21与P偏振光即第二波长耦合光束22同轴重叠后的第三波长耦合光束23。
第三波长耦合光束23是将峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束10进行波长耦合的激光束。这样，根据波长光束耦合装置100，能够提高波长耦合后的激光束的输出及功率密度。当耦合的激光束10的条数增加，则与之成正比，可增加第三波长耦合光束23的输出及功率密度。
需要说明的是，也可以与上述的例子相反，由偏振分束器20的反射/透过面20R使第二偏振(P偏振光)光束12向第一行进方向F反射，使第一偏振(S偏振光)光束11向Z轴的正方向透过。在该情况下，第一偏振光转换元件30放置在将多条第二偏振(P偏振光)光束12透过的位置上，将多条第二偏振(P偏振光)光束12转换为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第三偏振(S偏振光)光束13。
图4A是示意性地表示将峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束10进行波长耦合后的第一波长耦合光束21的光谱的曲线图。曲线图的纵轴为光强度，横轴为波长。图4B是示意性地表示将峰值波长为λ1、λ2、以及λ3的三条激光束10进行波长耦合后的第二波长耦合光束22的光谱的曲线图。曲线图的纵轴为光强度，横轴为波长。当忽略由偏振光束耦合器60产生的光损耗时，第一波长耦合光束21与第二波长耦合光束22同轴重叠后的第三波长耦合光束23的光强度等同于图4A所示的光强度与图4B所示的光强度的总和。
图5是示意性地表示耦合的激光束10的条数为K条的情况(K为4以上的整数)下第三波长耦合光束23的光谱的曲线图。曲线图的纵轴为光强度，横轴为波长。通过增加耦合的激光束10的条数，增大光输出以及功率密度。另外，为了在规定的波长范围内耦合多条激光束10，只要减小激光束10的峰值波长的间隔即可。
根据本实施方式的波长光束耦合装置，利用适合于入射的光的偏振状态的衍射光栅来提高衍射效率，将由衍射光栅生成的衍射光同轴化，由此而能够提高输出及功率密度。
＜波长光束耦合装置的第二实施方式＞
接着，参照图6及图7，说明本公开的波长光束耦合装置的第二实施方式。
图6所示的本实施方式的波长光束耦合装置200与第一实施方式相同，能够将峰值波长相互不同的多条激光束10耦合。
图6的波长光束耦合装置200具有偏振分束器20，该偏振分束器20将峰值波长相互不同的多条激光束10分别分离为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第一偏振光束11、以及在与第一偏振方向正交的第二偏振方向(XZ平面内的方向)线性偏振的多条第二偏振光束12。如图7的详细表示，该偏振分束器20具有将入射的激光束10分离为第一偏振(S偏振光)光束11与第二偏振(P偏振光)光束12的反射/透过面20R、以及将第二偏振(P偏振光)光束12向第一行进方向(F方向)反射的反射镜26M。在该例子中，在剖面为三角形的透明棱镜上，经由反射/透过面20R固定有剖面为平行四边形的透明部件。而且，反射镜26M固定在剖面为平行四边形的透明部件的斜面。
由反射镜26M反射的多条第二偏振光束12由第一偏振光转换元件30转换为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第三偏振光束13。
在图6的波长光束耦合装置200中，一个衍射光栅40配置为，对多条第一偏振光束11进行衍射，形成将多条第一偏振光束11同轴重叠的第一波长耦合光束21，并对多条第三偏振光束13进行衍射，形成将多条第三偏振光束13同轴重叠的第二波长耦合光束22。多条第一偏振光束11入射的衍射光栅40上的位置与多条第三偏振光束13入射的衍射光栅40上的位置不同。因此，图6的衍射光栅40也可以分离为多条第一偏振光束11入射的第一衍射光栅、以及多条第三偏振光束13入射的第二衍射光栅。当多条激光束10作为整体所具有的输出增高时，上述光束入射的衍射光栅40的温度局部上升，其结果为，衍射光栅40可能因热膨胀而变形。上述变形使衍射效率降低，可能使衍射光栅40的性能降低。在本实施方式中，即使在利用一个衍射光栅40的方式中，也因为将各偏振光束分开照射向衍射光栅40的不同的区域，所以，即使多条激光束10作为整体而具有的输出增大，也能够抑制衍射光栅40的所述性能降低。
图6的波长光束耦合装置200也具有：第二偏振光转换元件50，其使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的一方的偏振状态变化，使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的偏振方向正交；偏振光束耦合器60，其形成将第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22同轴重叠的第三波长耦合光束23并射出。
本实施方式的偏振光束耦合器60具有与偏振分束器20相同的结构，但其方向处在围绕Y轴只旋转90度的关系中。在该例子中，在偏振光束耦合器60固定的反射镜60M对第二波长耦合光束22进行反射，能够将第一波长耦合光束21与第二波长耦合光束22同轴重叠。
根据本实施方式的波长光束耦合装置，利用适合于入射的光的偏振状态的衍射光栅来提高衍射效率，将由衍射光栅生成的衍射光同轴化，由此而能够提高输出及功率密度。
＜波长光束耦合装置的第三实施方式＞
接着，参照图8，说明本公开的波长光束耦合装置的第三实施方式。
图8所示的本实施方式的波长光束耦合装置300具有第二实施方式的偏振分束器20，但峰值波长相互不同的多条激光束10相对于偏振分束器20相互平行地入射。偏振分束器20的反射/透过面20R将多条第一偏振光束11向第一行进方向(F方向)进行反射，并且将多条第二偏振光束12透过。本实施方式的波长光束耦合装置300与第二实施方式的波长光束耦合装置200相同，具有将透过偏振分束器20的反射/透过面20R的多条第二偏振光束12向第一行进方向(F方向)反射的反射镜26M。由反射镜26M反射的多条第二偏振光束12由第一偏振光转换元件30转换为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第三偏振光束13。第一偏振光转换元件30与其它实施方式相同，例如为1/2波长板(半波长相位差板)。
在本实施方式中，与第二实施方式不同，在第一行进方向(F方向)上行进的多条第一偏振光束11、以及多条第三偏振光束13分别平行。
本实施方式的波长光束耦合装置300具有的衍射光栅包括：第一衍射光栅40A，其在接受由偏振分束器20向第一行进方向(F方向)反射的多条第一偏振光束11、以及从第一偏振光转换元件30向第一行进方向(F方向)射出的多条第三偏振光束13的位置上进行配置；第二衍射光栅40B，其相对于第一衍射光栅40A平行地进行配置。第二衍射光栅40B包括：第一区域41，其接受多条第一偏振光束11的由第一衍射光栅40A产生的反射衍射光，并向第一行进方向(F方向)射出第一波长耦合光束21；第二区域42，其接受多条第三偏振光束13的由第一衍射光栅40A产生的反射衍射光，并向第一行进方向(F方向)射出第二波长耦合光束22。
第一衍射光栅40A及第二衍射光栅40B的结构基于所述的式1进行设计。更详细地说，第一衍射光栅40A及第二衍射光栅40B的每1mm的衍射槽的条数N相同，相互平行地进行配置。而且，第一衍射光栅40A配置为，使多条第一偏振光束11及多条第三偏振光束13都以入射角α(例如45度)入射。第一衍射光栅40A构成为，根据各自的峰值波长λn，以不同的衍射角βn对以相同的入射角α平行入射的多条第一偏振光束11及多条第三偏振光束13进行衍射，并使之向对置的第二衍射光栅40B的规定位置入射。具有与第一衍射光栅40A相同结构的第二衍射光栅40B构成为，使根据峰值波长λn而以不同的入射角βn入射的、来自第一衍射光栅40A的反射衍射光以相同的衍射角α(例如45度)射出。这样，通过一对衍射光栅40A、40B的作用，能够将被同轴化的第一波长耦合光束21、以及被同轴化的第二波长耦合光束22向第一行进方向(F方向)射出。
如上所述，第一衍射光栅40A与第二衍射光栅40B在各自的色散方向包含在同一平面内的状态下处于平行关系中。换言之，第一衍射光栅40A与第二衍射光栅40B平行地进行配置，以相互共享图3A所示的平面44。在该情况下，向第一衍射光栅40A的入射角与来自第二衍射光栅40B的衍射角为相同的角度。因为该关系不依赖于波长而被维持，所以，即使多条激光束的波长变动，也能够恒定地确保来自第二衍射光栅40B的衍射角，容易向光纤聚光。
需要说明的是，第一衍射光栅40A与第二衍射光栅40B的平行度通过第一衍射光栅40A的相对于形成有衍射槽的面的第一法线与第二衍射光栅40B的相对于形成有衍射槽的面的第二法线之间的角度进行评估。在本公开的实施方式中，希望上述第一法线与第二法线之间的角度在180度±1度的范围内。
图8的波长光束耦合装置300也具有：第二偏振光转换元件50，其使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的一方的偏振状态变化，使第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22的偏振方向正交；偏振光束耦合器60，其形成将第一波长耦合光束21及第二波长耦合光束22同轴重叠后的第三波长耦合光束23并射出。在图8的例子中，偏振光束耦合器60处在具有与偏振分束器20相同的结构、但其方向围绕Y轴只旋转180度的关系中。
根据本实施方式的波长光束耦合装置，利用适合于入射的光的偏振状态的衍射光栅来提高衍射效率，使由衍射光栅生成的衍射光同轴化，由此而能够提高输出及功率密度。
＜直接二极管激光装置的实施方式＞
下面，参照图9，说明直接二极管激光装置的实施方式。
本实施方式的直接二极管激光装置1000具有：波长光束耦合装置400、各自射出峰值波长相互不同的激光的多个半导体激光装置72、以及构成为利用从多个半导体激光装置72射出的激光形成向波长光束耦合装置400的偏振分束器20入射的激光束10的光纤阵列装置70。从各半导体激光装置72射出的激光与光纤阵列装置70对应的光纤74光学耦合。多个半导体激光装置72各自构成为以峰值波长相互不同的单纵模进行振荡。各峰值波长例如包含在430nm至480nm的范围内。即使从各半导体激光装置72射出的激光为线性偏振光，在光纤74不是保偏光纤的情况下，激光的偏振状态在通过光纤74的过程中变化。因此，由本实施方式的光纤阵列装置70形成的多条激光束10各自为非偏振光。
以单纵模进行振荡的半导体激光装置72的例子包括：外部谐振型激光(ExternalCavity Laser：ECL)装置、分布反馈型(Distributed Feedback：DFB)激光装置、分布式布拉格反射型(Distributed Bragg Reflector：DBR)激光装置。
通过利用光纤阵列装置70，能够排列光纤74，容易调整激光束10的射出角度。其结果是，容易从光纤阵列装置70，使多条激光束10例如以较高的准确度平行地射出。根据光纤阵列装置70，也能够将从激光光源延伸的光纤与光纤阵列装置70的光纤74熔融并连接。光纤阵列装置70具有将从各光纤74的前端射出的激光进行准直的透镜系统。
本实施方式的波长光束耦合装置400与第三实施方式相同，具有偏振分束器20。但是，本实施方式的偏振分束器20为平板型。从光纤阵列装置70平行于与第一行进方向(F方向)正交的第二行进方向射出的、峰值波长相互不同的多条激光束10相互平行地向该平板型偏振分束器20入射。偏振分束器20的反射/透过面20R将多条第一偏振光束11向第一行进方向(F方向)反射，并且将多条第二偏振光束12透过。当偏振分束器20为平板型时，与所述实施方式的偏振分束器20相比，第二偏振光束12被偏振分束器20吸收的比例降低，能够抑制光能损耗，并且也可抑制偏振分束器20升温。当耦合的激光束10各自的光能增加、另外耦合的激光束10的条数增加时，希望尽可能地抑制装置内因光能的吸收而使光学元件发热。
波长光束耦合装置400具有将透过了偏振分束器20的反射/透过面20R的多条第二偏振光束12向第一行进方向(F方向)反射的反射镜26M。该反射镜26M也为平板型。由平板型反射镜26M反射的多条第二偏振光束12由第一偏振光转换元件30转换为在第一偏振方向(Y轴方向)线性偏振的多条第三偏振光束13。第一偏振光转换元件30与其它实施方式相同，例如为1/2波长板(半波长相位差板)。在本实施方式中，也与第三实施方式相同，在第一行进方向(F方向)上行进的多条第一偏振光束11、以及多条第三偏振光束13分别平行。
波长光束耦合装置400包括：第一衍射光栅40A，其在接受由偏振分束器20向第一行进方向(F方向)反射的多条第一偏振光束11、以及从第一偏振光转换元件30向第一行进方向(F方向)射出的多条第三偏振光束13的位置上进行配置；第二衍射光栅40B，其相对于第一衍射光栅40A平行地进行配置。在本实施方式中，第一衍射光栅40A及第二衍射光栅40B各自为透过型衍射光栅。
第二衍射光栅40B包括：第一区域41，其接受多条第一偏振光束11的由第一衍射光栅40A产生的反射衍射光，并向第一行进方向(F方向)射出第一波长耦合光束21；第二区域42，其接受多条第三偏振光束13的由第一衍射光栅40A产生的反射衍射光，并向第一行进方向(F方向)射出第二波长耦合光束22。在第二衍射光栅40B中，第一区域41及第二区域42是隔着间隙而分开的两个元件。第一区域41及第二区域42各自的衍射槽与第一偏振方向(Y轴方向)平行。第一区域41及第二区域42各自的衍射槽的光栅间距例如为200nm以上、500nm以下。当第一区域41及第二区域42各自的衍射槽的条数例如为2000条以上、5000条以下时，第一区域41及第二区域42各自的尺寸(与衍射槽正交的方向的长度)例如被限制在15mm以下。通过减小来自第一衍射光栅40A的反射衍射光聚集的第二衍射光栅40B的区域，在激光束的峰值波长偏离设定值的情况下，来自第一衍射光栅40A的反射衍射光不会射向第一区域41及第二区域42，其结果为，能够抑制光束品质降低。当光束品质降低，则由聚光透镜80收敛的波长耦合光束可能照射光传输光纤90的芯以外的部分，而有损光传输光纤90。需要说明的是，在第二衍射光栅40B的背面侧设有光吸收部件等，希望由光吸收部件吸收偏离第一区域41及第二区域42的反射衍射光。
波长光束耦合装置400此外也可以具有针对第一波长耦合光束21、第二波长耦合光束22、以及第三波长耦合光束23的至少一种光束的光圈(针孔元件)95。例如通过在图9所示的位置配置针孔元件95，抑制由聚光透镜80收敛的第三波长耦合光束23照射光传输光纤90的芯以外的部分而有损光传输光纤90。针孔元件95的针孔径例如可以在1.0mm以上、5mm以下的范围内。针孔元件95可以设置在作为针对第一波长耦合光束21的光圈而发挥作用的位置，也可以设置在作为针对第二波长耦合光束22的光圈而发挥作用的位置。针孔元件95的个数不限于一个。
在本实施方式中，偏振分束器20、反射镜26M、衍射光栅40A、40B、以及偏振光转换元件30、50等光学元件都为平板型。在激光束的峰值波长包含在蓝色波段的情况下，上述光学元件可由难以吸收蓝色波段的光的材料、例如石英形成。减薄上述光学元件并集成在规定的空间内，不但有助于装置的小型化，而且容易将多个光学元件的温度作为整体来调整。
第三波长耦合光束23由聚光透镜80耦合在光传输光纤90。适合于蓝色波段的高输出光传输的光传输光纤90的例子包括：具有OH基含量高的“高OH－纯石英”芯的光纤、无芯光纤、以及光子晶体光纤。
需要说明的是，本公开的直接二极管激光装置不限于配置具有图9所示的结构的波长光束耦合装置400的例子，也可以具有其它实施方式的波长光束耦合装置100、200、300、或上述实施方式的变形例。
根据本实施方式的直接二极管激光装置，即使从多个半导体激光装置射出的激光的偏振状态通过光纤阵列装置而成为非偏振光，也由偏振分束器而转换为线性偏振光，所以能够利用适合于各偏振状态的衍射光栅，提高衍射效率。而且，通过使由上述衍射光栅生成的衍射光同轴化，能够提高输出及功率密度。
＜激光加工机的实施方式＞
接着，参照图10，说明本公开的激光加工机2000的实施方式。图10是表示本实施方式的激光加工机2000的结构例的图。
图示的激光加工机2000具有光源装置1100、以及与从光源装置1100延伸的光传输光纤90连接的加工头1200。加工头1200利用从光传输光纤90射出的波长耦合光束对对象物1300进行照射。在图示的例子中，光源装置1100的个数为一个。加工头1200与多个光源装置1100可经由光传输光纤90来连接。
光源装置1100是包括具有所述结构的波长光束耦合装置、以及射出峰值波长相互不同的多条激光束的多个半导体激光装置的直接二极管激光装置。光源装置1100具有的波长光束耦合装置可以为所述的各种实施方式、以及上述实施方式的变形例。在光源装置1100搭载的半导体激光装置的个数未特别限定，根据需要的光输出或放射照度而确定。从半导体激光装置射出的激光的波长也可根据加工对象的材料而进行选择。
根据本实施方式，因为通过波长光束耦合来生成高输出的激光束，并有效地耦合于光纤，所以能够通过较高的能量转换效率得到光束品质良好的高功率密度的激光束。
需要说明的是，从加工头1200射出的激光束也可以包含从半导体激光装置射出并耦合的激光束以外的激光束。例如，从半导体激光装置射出并进行波长耦合的激光束的峰值波长包含在430nm至480nm的范围内，但也可以与之不同，例如将峰值波长为近红外的激光束重叠。可以根据加工对象的材料，适当地将该材料的吸收率较高的波长的激光束进行重叠。
工业实用性
本公开的波长光束耦合装置、直接二极管激光装置、以及激光加工机可以广泛应用在要求具有高光束品质的高输出、高功率密度的激光的用途、例如各种材料的切割、开孔、局部热处理、表面处理、金属焊接、3D打印等中。
附图标记说明
10激光束；20偏振分束器；11第一偏振光束；12第二偏振光束；13第三偏振光束；21第一波长耦合光束；22第二波长耦合光束；23第三波长耦合光束；30第一偏振光转换元件；40衍射光栅；50第二偏振光转换元件；60偏振光束耦合器；100波长光束耦合装置；200波长光束耦合装置；300波长光束耦合装置；400波长光束耦合装置；1000直接二极管激光装置；2000激光加工机

Claims (15)

1.一种波长光束耦合装置，将峰值波长相互不同的多条激光束进行耦合，该波长光束耦合装置的特征在于，具有：
偏振分束器，其将所述多条激光束分别分离为在第一偏振方向线性偏振的多条第一偏振光束、以及在与所述第一偏振方向正交的第二偏振方向线性偏振的多条第二偏振光束；
第一偏振光转换元件，其将所述多条第二偏振光束转换为在所述第一偏振方向线性偏振的多条第三偏振光束；
一个或多个衍射光栅，其对所述多条第一偏振光束进行衍射，形成将所述多条第一偏振光束同轴重叠的第一波长耦合光束，并对所述多条第三偏振光束进行衍射，形成将所述多条第三偏振光束同轴重叠的第二波长耦合光束；
第二偏振光转换元件，其使所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束的一方的偏振状态变化，使所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束的偏振方向正交；
偏振光束耦合器，其形成将所述第一波长耦合光束及所述第二波长耦合光束同轴重叠的第三波长耦合光束并射出。
2.如权利要求1所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述一个或多个衍射光栅具有与所述第一偏振方向平行的衍射槽。
3.如权利要求1或2所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述峰值波长包含在430nm至480nm的范围内。
4.如权利要求1至3中任一项所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述多条激光束的条数为10以上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述偏振分束器构成为，在所述多条激光束相互平行地入射时，将所述多条第一偏振光束向第一行进方向反射，并且使所述多条第二偏振光束透过，
还具有将透过了所述偏振分束器的所述多条第二偏振光束向所述第一行进方向反射的反射镜，
所述第一偏振光转换元件将由所述反射镜反射的所述多条第二偏振光束转换为所述多条第三偏振光束，并向所述第一行进方向射出。
6.如权利要求5所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述多个衍射光栅包括：
第一衍射光栅，其配置在接受由所述偏振分束器向所述第一行进方向反射的所述多条第一偏振光束、以及从所述第一偏振光转换元件向所述第一行进方向射出的所述多条第三偏振光束的位置上；
第二衍射光栅，其相对于所述第一衍射光栅平行地配置；
所述第二衍射光栅包括：第一区域，其接受所述多条第一偏振光束的由所述第一衍射光栅产生的反射衍射光，并向所述第一行进方向射出所述第一波长耦合光束；第二区域，其接受所述多条第三偏振光束的由所述第一衍射光栅产生的反射衍射光，并向所述第一行进方向射出所述第二波长耦合光束。
7.如权利要求6所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述第一衍射光栅及所述第二衍射光栅各自为透过型衍射光栅。
8.如权利要求6或7所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
在所述第二衍射光栅中，所述第一区域及所述第二区域为隔着间隙分开的两个元件。
9.如权利要求6至8中任一项所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
所述第一区域及所述第二区域各自的衍射槽与所述第一偏振方向平行，
所述第一区域及所述第二区域各自的所述衍射槽的光栅间距为200nm以上、500nm以下，所述第一区域及所述第二区域各自的所述衍射槽的条数为2000条以上、5000条以下。
10.如权利要求1至9中任一项所述的波长光束耦合装置，其特征在于，
还具有针对所述第一波长耦合光束、所述第二波长耦合光束、以及所述第三波长耦合光束的至少一种光束的光圈。
11.一种直接二极管激光装置，其特征在于，具有：
权利要求1至10中任一项所述的波长光束耦合装置；
多个半导体激光装置，其各自射出峰值波长相互不同的激光；
光纤阵列装置，其利用从所述多个半导体激光装置射出的所述激光，形成向所述波长光束耦合装置的所述偏振分束器入射的所述多条激光束。
12.如权利要求11所述的直接二极管激光装置，其特征在于，
所述多个半导体激光装置各自构成为以单纵模进行振荡。
13.如权利要求11或12所述的直接二极管激光装置，其特征在于，
所述相互不同的峰值波长包含在430nm至480nm的范围内。
14.如权利要求11至13中任一项所述的直接二极管激光装置，其特征5在于，
所述光纤阵列装置构成为使所述多条激光束相互平行地射出。
15.一种激光加工机，其特征在于，具有：
权利要求11至14中任一项所述的至少一个直接二极管激光装置；
光传输光纤，其与从所述至少一个直接二极管激光装置射出的所述第三0波长耦合光束耦合；
加工头，其与所述光传输光纤连接。
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