JP2001111148A - レーザーダイオード励起型固体レーザー発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】バーコードなどの書き込みに際して、コスト高
や発振効率の低下を招くことなく、所望の長方形または
細長い棒状の加工ビーム形状を得ることのできるレーザ
ーダイオード励起型固体レーザー発振器を提供する。 【解決手段】レーザーダイオード２におけるアレイ状の
配置で設けられた複数の発光領域３から出射するレーザ
ー光のうちの垂直方向の光成分のみをマイクロレンズ７
で集光する。発光領域３と同数だけ設けられた光ファイ
バ８を、各々の光導入側端部を各発光領域３に個々に相
対向する配置でマイクロレンズ７に対設し、且つ各光導
出側端部を密接状態に一列に配置する。各光導出側端部
からそれぞれ出射されて長方形状となったレーザー光
を、集光手段１１で集光したのちに、固体レーザー媒体
２２の光照射端面に入射させて、固体レーザー媒体を励
起する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体レーザー媒体
を励起源としてのレーザーダイオードから出力するレー
ザー光を励起光として励起するようになったレーザーダ
イオード励起型固体レーザー発振器に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、固体レーザー発振器としては、フ
ラッシュランプやアークランプを励起源として固体レー
ザー媒体を励起するランプ励起型のものに代わって、レ
ーザーダイオードから出力するレーザー光（固体レーザ
ー媒体の吸収波長を有している）を励起光として固体レ
ーザー媒体を励起するレーザーダイオード励起型のもの
が用いられるようになっている。その理由は、レーザー
ダイオード励起型固体レーザー発振器がランプ励起型固
体レーザー発振器に比較して、供給電力が少ない上に、
ランプ交換などの面倒なメンテナンスが不要であり、ま
た、発振器全体を小型化できるなどの多くの利点を有し
ているからである。さらに、現在のレーザーダイオード
励起型固体レーザー発振器では、ＣＷ（連続波）40Ｗ出
力のレーザーダイオードが実用化されたのに伴って高出
力化が促進されたり、波長変換素子、例えばＫＴＰなど
を用いて発振波長を短波長にすることにより、銅などの
素材に孔開け加工を施すことが可能なものも出現してお
り、今後益々多用されるものと思われる。

【０００３】従来のレーザーダイオード励起型固体レー
ザー発振器としては、米国特許第5436990 号、同512706
8 号、同5579422 号などに開示されたものが知られてい
る。このようなレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器において、レーザーダイオードのレーザー光によ
って固体レーザー媒体を励起する手段としては、レーザ
ーダイオードから出射するレーザー光を一旦光ファイバ
に導光したのちに、光ファイバから出射するレーザー光
をコリメートレンズにより固体レーザー媒体に集光させ
る方式が一般に採用されている。このレーザー光を光フ
ァイバに導光する方式は、損失が少なく、均一なエネル
ギ分布で、且つ小さなスポット径で固体レーザー媒体を
励起することができる特長を有していることから、一般
的に採用されている。

【０００４】図３は、上記のようなレーザー発振器にお
ける励起源として用いられているレーザーダイオード励
起ユニット１を示した斜視図である。同図において、レ
ーザーダイオード２は、数10個（図では４個のみ例示）
のエミッタ領域３がアレイ状に配列されてエミッタベー
ス４に固定された構成を有しており、エミッタベース４
は例えば水などにより冷却されている。エミッタ領域３
から放出されたレーザー光は、水平および垂直方向にそ
れぞれ一定の広がり角を有して発光するが、この水平方
向と垂直方向の各広がり角は互いに異なる。すなわち、
水平方向の広がり角は11°程度であるのに対し、垂直方
向の広がり角は35°程度と大きい。そこで、垂直方向に
広がる光成分のみは、円柱状のマイクロレンズ７により
集光されたのち、各光ファイバ８に導光される。

【０００５】上記マイクロレンズ７は、例えば、コア層
の外周がクラッド層で覆われた円柱状を有し、コア層は
その屈折率が周端部に向かって徐々に大きくなる、いわ
ゆるグレーデッドインデックスコアからなり、クラッド
層がコア層とは異なる一定の屈折率を有した構成になっ
ている。このマイクロレンズ７は、その軸線がエミッタ
領域３からのレーザー光の放出方向に対し直交するよう
に配置されている。したがって、マイクロレンズ７は、
光源であるエミッタ領域３から出射するレーザー光のう
ちの垂直方向に広がる光成分のみを透過させることによ
って平行光に変換する。また、各光ファイバ８は、エミ
ッタ領域３と同数だけ設けられて、それぞれ各エミッタ
領域３に相対向するよう配置されている。したがって、
各光ファイバ８には、相対向するエミッタ領域３からそ
れぞれ出射したレーザー光が、マイクロレンズ７で平行
光になるよう集光されたのちに、個々に導光される。

【０００６】各光ファイバ８は、束ねられ、断面形状が
約１ｍｍ程度の径を有する円形のファイババンドル９に
なっている。このファイババンドル９は、ファイババン
ドル９と同一の径を有する単一のシングルファイバ１０
に、各々の相対向する終端部にそれぞれ設けられた中継
コネクタ（図示せず）を介し連結されて、光結合されて
いる。以上の構成がレーザーダイオード励起ユニット１
であり、シングルファイバ１０の光導出側端部は、レー
ザー発振器本体を構成するレーザーヘッドに連結されて
いる。

【０００７】レーザーヘッドでは、シングルファイバ１
０から出射したレーザー光が一対のコリメートレンズ１
１により集光されたのちに、レーザーダイオード２の発
振波長である808 ｎｍの光成分を透過し、且つ1064ｎｍ
の光成分を反射するダイクロイックミラー１２を介して
ロッド型の固体レーザー媒体１３に入射する。これによ
り、固体レーザー媒体１３は、入射したレーザー光によ
って励起されてレーザー光をコヒーレントに増幅する。

【０００８】図４は上記従来のレーザーダイオード励起
型固体レーザー発振器の全体構成を示すブロック構成図
であり、同図において、図３と同一のものには同一の符
号を付してある。同図には、レーザーダイオード励起ユ
ニット１、シングルファイバ１０、一対のコリメートレ
ンズ１１およびダイクロイックミラー１２を二組備えて
高出力化を図ったレーザー発振器を例示してある。

【０００９】固体レーザー媒体１３で増幅された光ビー
ムは、光共振器を構成するリアミラー１４と出力ミラー
１７により正帰還されて増幅されるとともに、発振制御
素子であるＱスイッチ１８により出力波形がパルス化す
るよう制御され、固体レーザー媒体１３による利得が光
共振器内の全損心を上回ったときに、レーザー発振が生
じる。また、両レーザーダイオード励起ユニット１にお
ける各レーザーダイオード２は、電流制御部１９により
供給電流を制御され、且つ温度制御手段２０により所定
の一定温度にコントロールされて、固体レーザー媒体１
３の吸収波長に一致する発振波長のレーザー光を出射す
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記レーザ
ーダイオード励起型固体レーザー発振器は、基板などに
対する孔開け加工の用途に用いられることが多い。この
ような加工に際しては、レーザー発振器から出力される
レーザー光のビーム形状がほぼ円形を有していることか
ら、孔開け加工やその他の加工において円形に加工され
ることが多い。これとは別に、近年では、加工物に対す
る製造保管や識別情報の追記などを目的としたバーコー
ドを、レーザー発振器から出力するレーザー光で書き込
むことが要求されている。このバーコードの書き込みに
際しては、加工ビーム形状が円形でなく長方形または細
長い棒状を有していることが必要となる。

【００１１】そこで、従来では、シリンドリカルレンズ
などの光学系を用いて上記レーザー発振器から出力され
たレーザー光における円形のビームにおける一軸を集光
させ、他の一軸を広げることによって長方形または細長
い棒状のビーム形状に変換している。そのため、従来で
は、バーコードなどの書き込みに際して、シリンドリカ
ルレンズなどの光学部品を別途必要として部品点数が多
くなる上に、光学部品の調整を必要として工数も増え、
コスト高になるという問題があり、しかも、光学部品に
おいて約30％もの損失が生じるので、発振効率が悪くな
る欠点がある。

【００１２】そこで、図３に示したロッド型の固体レー
ザー媒体１３に代えて、長方形の断面形状を有するスラ
ブ型の固体レーザー媒体を用い、このスラブ型の固体レ
ーザー媒体にレーザーダイオード２からのレーザー光を
照射させて加工ビーム形状を長方形または細長い棒状と
することが考えられる。しかしながら、スラブ型の固体
レーザー媒体にレーザーダイオード２からのレーザー光
を円形状のまま照射すると、加工ビーム形状は、所要の
長方形や細長い棒状とならず、楕円形状になってしま
う。

【００１３】一方、スラブ型の固体レーザー媒体に対
し、そのレーザー照射面に対する側面から励起光を照射
して励起すれば、所要の長方形のビーム形状を得ること
ができる。しかしながら、上記の方法では、励起出力に
対するレーザー出力の比である発光効率が、レーザー光
が照射される照射端面を用いて励起する場合に比較して
低くなるという欠点がある。

【００１４】そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み
てなされたもので、バーコードなどの書き込みに際し
て、コスト高や発振効率の低下を招くことなく、所望の
長方形または細長い棒状の加工ビーム形状を得ることの
できるレーザーダイオード励起型固体レーザー発振器を
提供することを目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザーダイオード励起型固体レーザー発
振器は、複数の発光領域がアレイ状の配置で設けられた
レーザーダイオードと、前記発光領域から出射するレー
ザー光のうちの垂直方向の光成分のみを集光するマイク
ロレンズと、前記発光領域と同数だけ設けられて各々の
光導入側端部が該各発光領域に個々に相対向する配置で
前記マイクロレンズに対設され、前記マイクロレンズで
集光されたレーザー光を導光する複数本の光ファイバ
と、密接状態に一列に配置された前記各光ファイバの光
導出側端部からそれぞれ出射されて長方形状となったレ
ーザー光を集光する集光手段と、前記集光手段で集光さ
れたレーザー光を透過させ、固体レーザー媒体からの光
を反射するダイクロイックミラーと、前記ダイクロイッ
クミラーを透過した長方形状のレーザー光が光照射端面
に入射されることにより励起して長方形状のレーザー光
を発する固体レーザー媒体とを備えている。

【００１６】このレーザーダイオード励起型固体レーザ
ー発振器では、マイクロレンズで集光されたレーザー光
を導光する複数本の光ファイバを、それらの光導入側端
部をレーザーダイオードの各発光領域に個々に相対向さ
せ、且つそれらの光導出側端部を密接状態に一列に配置
しているので、各光導出側端部からそれぞれ出射したレ
ーザー光の全体のビーム形状は、光進行方向に対し直交
方向にほぼ長方形となる。この長方形のレーザー光を固
体レーザー媒体の光照射端面に入射して固体レーザー媒
体を励起するので、固体レーザー媒体から出射するレー
ザー光のビーム形状は、励起光のビーム形状である長方
形をそのまま維持したものとなる。

【００１７】したがって、このレーザー発振器では、バ
ーコードなどの書き込みに際して、シリンドリカルレン
ズのような光学部品を使用せずに所望の長方形または細
長い棒状の形状を正確に有する加工ビームを確実に得る
ことができるから、光学部品を用いる場合に比較して、
相当のコストダウンを図ることができるとともに、光学
部品を用いないことから光学的損失を低減でき、発光効
率の高い長方形状のレーザー光を確実に得ることができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明
の一実施の形態に係るレーザーダイオード励起型固体レ
ーザー発振器におけるレーザーダイオード励起ユニット
２１を示す斜視図である。同図において、図３と同一の
ものには同一の符号を付してある。レーザーダイオード
２は、数10個（図では４個み図示）のエミッタ領域３が
アレイ状に配列されてエミッタベース４に固定された構
成を有している。

【００１９】エミッタ領域３から放出されるレーザー光
のうちの比較的大きな広がり角で広がる垂直方向の光成
分は、マイクロレンズ７に導光される。マイクロレンズ
７は、屈折率が周端部に向かって徐々に大きくなる、い
わゆるグレーデッドインデックスコアからなるコア層の
外周面がクラッド層で覆われた構成になっている。この
ようなマイクロレンズ７としては、例えば、商品名「ド
リックレンズ」を用いることができる。マイクロレンズ
７は、その軸線がエミッタ領域３からのレーザー光の放
出方向に対し直交するよう配置されている。したがっ
て、マイクロレンズ７は、光源であるエミッタ領域３か
ら出射したレーザー光のうちの垂直方向に広がる光成分
のみを通過させることによって、レーザー光を平行光に
変換する。以上の構成は図３と同様のものである。

【００２０】マイクロレンズ７から出射するレーザー光
を導光する各光ファイバ８は、エミッタ領域３と同一形
状を有し、エミッタ領域３と同数だけ設けられて、それ
ぞれ各エミッタ領域３に相対向する配置で設けられてい
る。したがって、各光ファイバ８には、相対向するエミ
ッタ領域３からそれぞれ出射したレーザー光が、マイク
ロレンズ７で平行光になるよう集光されたのちに、個々
に導光される。各光ファイバ８は、互いに密接されて一
列に配置された状態のままレーザー発振器本体を構成す
るレーザーヘッドまで延ばされ、レーザーヘッドに対し
コネクタ（図示せず）を介して連結されている。

【００２１】個々の光ファイバ８の光導出側端部から出
射するレーザー光は円形のビーム形状を有しているが、
この各レーザー光が互いに近接して一列の配置で出射さ
れるので、全ての光ファイバ８から出射したレーザー光
全体のビーム形状は、光進行方向に対し直交方向にほぼ
長方形となる。しかも、マイクロレンズ７から出射した
平行光は、各光ファイバ８内を導光されるときに光強度
の分布がほぼ均一化され、この均一化されたレーザー光
は、各光ファイバ８の光導出側端部から互いに近接しな
がら導出されたときに混合され、光強度の均一性の高い
長方形状となる。この長方形のビーム形状を有するレー
ザー光は、一対のコリメートレンズ１１により集光され
たのちに、レーザーダイオード２の発振波長である808
ｎｍの光成分を透過し、且つ1064ｎｍの光成分を反射す
るダイクロイックミラー１２を介してスラブ型の固体レ
ーザー媒体２２に入射する。これにより、固体レーザー
媒体２２は、入射したレーザー光によって励起されてレ
ーザー光をコヒーレントに増幅したレーザー光を発す
る。

【００２２】図２は、同上の一実施の形態に係るレーザ
ーダイオード励起型固体レーザー発振器の全体構成を示
すブロック構成図であり、同図において、図１および図
４と同一のものには同一の符号を付してある。同図に
は、レーザーダイオード励起ユニット２１、一組の光フ
ァイバ８、一対のコリメートレンズ１１およびダイクロ
イックミラー１２を二組備えて高出力化を図ったレーザ
ー発振器を例示してある。一対のコリメートレンズ１１
によって集光されたレーザー光のうちの808 ｎｍの波長
の光成分は、固体レーザー媒体２２に対し励起光として
入射する。これにより、固体レーザー媒体２２は、入射
したレーザー光によって励起されて入射レーザー光をコ
ヒーレントに増幅したレーザー光を発する。

【００２３】上記固体レーザー媒体２２から出射するレ
ーザー光のビーム形状は、励起光のビーム形状である長
方形をそのまま維持したものとなる。したがって、この
レーザー発振器では、シリンドリカルレンズのような光
学部品を使用せずに所望の長方形または細長い棒状のビ
ーム形状を正確に有する加工ビームを確実に得ることが
できるから、光学部品を用いる場合に比較して、相当の
コストダウンを図ることができるとともに、光学部品を
用いないことから光学的損失を低減でき、発光効率の高
い長方形状のレーザー光を確実に得ることができる。な
お、固体レーザー媒体２２としては、図１に図示したス
ラブ型のものを用いれば、所望の長方形または細長い棒
状のビーム形状を確実に有するレーザー光を得ることが
できることから好ましいが、励起光が長方形を維持しな
がら入射するので、ロッド型のものを用いても上記とほ
ぼ同様の効果を得ることができる。

【００２４】図２における下方に図示のダイクロイック
ミラー１２は、入射したレーザー光のうちの波長が1064
ｎｍの光成分を反射し、この反射光は、Ｑスイッチ１８
を通過してリアミラー１４で反射され、再びＱスイッチ
１８を通過してダイクロイックミラー１２に入射する。
一方、上方に図示のダイクロイックミラー１２は、入射
したレーザー光のうちの波長が1064ｎｍの光成分を反射
し、この反射光の一部分が出力ミラー１７を透過して出
力され、且つ大部分が出力ミラー１７で反射されて再び
ダイクロイックミラー１２に入射する。これにより、固
体レーザー媒体２２で入射光を増幅して出射された光ビ
ームは、リアミラー１４と出力ミラー１７からなる光共
振器の間で正帰還されて増幅され、固体レーザー媒体２
２による利得が光発振器内の全損失を上回ったときに、
レーザー発振が生じて出力ミラー１７からレーザー光を
出射する。このレーザー光は、Ｑスイッチ１８によりパ
ルス化されたものとなる。

【００２５】両側のレーザーダイオード励起ユニット２
１内の各々のレーザーダイオード２は、電流制御部１９
により供給電流を制御されているとともに、冷却手段２
０により所定の温度を保つよう冷却されていることによ
り、発振波長が固体レーザー媒体２２の吸収波長と同じ
808 ｎｍに設定されている。これにより、このレーザー
発振器は効率の良い発振動作を行う。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明のレーザーダイオ
ード励起型固体レーザー発振器によれば、マイクロレン
ズで集光されたレーザー光を導光する複数本の光ファイ
バを、それらの光導入側端部をレーザーダイオードの各
発光領域に個々に相対向させ、且つそれらの光導出側端
部を密接状態に一列に配置した構成としたので、各光導
出側端部からそれぞれ出射したレーザー光の全体のビー
ム形状が、光進行方向に対し直交方向にほぼ長方形とな
り、この長方形のレーザー光を固体レーザー媒体の光照
射端面に入射して固体レーザー媒体を励起するので、固
体レーザー媒体から出射するレーザー光のビーム形状
が、励起光のビーム形状である長方形をそのまま維持し
たものとなる。したがって、このレーザー発振器では、
バーコードなどの書き込みなどに際して、シリンドリカ
ルレンズのような光学部品を使用せずに所望の長方形ま
たは細長い棒状のビーム形状を正確に有する加工ビーム
を確実に得ることができるから、光学部品を用いる場合
に比較して、相当のコストダウンを図ることができると
ともに、光学部品を用いないことから光学的損失を低減
でき、発光効率の高い長方形状のレーザー光を確実に得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態に係るレーザーダイオード励起型
固体レーザー発振器におけるレーザーダイオード励起ユ
ニットを示す斜視図。

【図２】同上のレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器の全体構成を示すブロック構成図。

【図３】従来のレーザーダイオード励起型固体レーザー
発振器におけるレーザーダイオード励起ユニットを示す
斜視図。

【図４】同上レーザーダイオード励起型固体レーザー発
振器の全体構成を示すブロック構成図。

【符号の説明】

２ レーザーダイオード ３ エミッタ領域（発光領域） ７ マイクロレンズ ８ 光ファイバ １１ コリメートレンズ（集光手段） １２ ダイクロイックミラー ２２ 固体レーザー媒体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の発光領域がアレイ状の配置で設け
   られたレーザーダイオードと、 前記発光領域から出射するレーザー光のうちの垂直方向
   の光成分のみを集光するマイクロレンズと、 前記発光領域と同数だけ設けられて各々の光導入側端部
   が該各発光領域に個々に相対向する配置で前記マイクロ
   レンズに対設され、前記マイクロレンズで集光されたレ
   ーザー光を導光する複数本の光ファイバと、 密接状態に一列に配置された前記各光ファイバの光導出
   側端部からそれぞれ出射されて長方形状となったレーザ
   ー光を集光する集光手段と、 前記集光手段で集光されたレーザー光を透過させ、固体
   レーザー媒体からの光を反射するダイクロイックミラー
   と、 前記ダイクロイックミラーを透過した長方形状のレーザ
   ー光が光照射端面に入射されることにより励起して長方
   形状のレーザー光を発する固体レーザー媒体とを備えて
   いることを特徴とするレーザーダイオード励起型固体レ
   ーザー発振器。