JP2004146456A

JP2004146456A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP2004146456A
Application number: JP2002307344A
Authority: JP
Inventors: Arata Ko; 高　新; Kazunori Shinoda; 篠田　和憲
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】熱負荷を軽減することができ、長寿命で高出力の半導体レーザ装置を提供すること。
【解決手段】本発明の半導体レーザ装置は、レーザ出射点が長手方向に配列されたレーザ出射層を有する複数の半導体レーザアレイが、出射方向を同一方向として長手方向及び出射方向の双方に垂直な方向にスタック状に配置された半導体レーザアレイスタックと、各半導体レーザアレイ１４から出射されたレーザ光を、半導体レーザアレイ１４の短手方向に集光する第１集光手段２０と、半導体レーザアレイスタックの出射方向前方に設置され、各半導体レーザアレイ１４から出射され、第１集光手段２０で集光されたレーザ光を通過させる開口部３１を設けた反射マスク３０と、開口部を通過したレーザ光を所定のスポットへ集光する第２集光手段５０と、を有することを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザは、高効率、長寿命、小型化が図れるため、金属加工等に広く用いられている。中でも、活性層をいくつかの単一モードストライプに分割したアレイ構造を持つ半導体レーザアレイが、スタック状に積層された半導体レーザアレイスタックを用いた装置は、高出力を得られる半導体レーザ装置として注目を集めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、半導体レーザ装置によりアルミニウムなどの金属の溶接や切断等の加工を行う場合、加工対象物の表面からの反射が大きいため、反射光や熱輻射光が加工対象物からレンズ系を通過して逆に伝播し、半導体レーザのヒートシンクに吸収されることとなる。その結果半導体レーザに熱的負荷がかかり、半導体レーザ装置の寿命に影響を与えるということが技術的課題となっていた。そこで上述した加工対象物表面からの反射光や熱輻射光による熱の負荷を軽減でき、長寿命の半導体レーザ装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ装置は、レーザ出射点が長手方向に配列されたレーザ出射層を有する複数の半導体レーザアレイが、出射方向を同一方向として長手方向及び出射方向の双方に垂直な方向にスタック状に配置された半導体レーザアレイスタックと、各半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を、半導体レーザアレイの短手方向に集光する第１集光手段と、半導体レーザアレイスタックの出射方向前方に設置され、各半導体レーザアレイから出射され、第１集光手段で集光されたレーザ光を通過させる開口部を設けた反射マスクと、開口部を通過したレーザ光を所定のスポットへ集光する第２集光手段と、を有することを特徴とする。
【０００５】
本発明の半導体レーザ装置では、半導体レーザアレイスタックの出射方向前方に反射マスクを設けている、これによって、加工対象物へレーザ光を照射したことにより生じた反射光及び熱輻射光のうち半導体レーザアレイスタック側に向かってくる一部の光を、半導体レーザアレイスタックに当たる前に再び反射させることができる。よって半導体レーザアレイスタックに当たる反射光及び熱輻射光を減少することができる。その結果、半導体レーザ装置の温度上昇を防止することができるため半導体レーザ装置の熱の負荷も少なくなり、半導体レーザ装置の寿命も長くなることとなる。
【０００６】
本発明の半導体レーザ装置は、開口部を通過したレーザ光を長手方向に集光する第３集光手段を有することを特徴としてもよい。第３集光手段によってレーザ光を長手方向に集光することにより、第２集光手段での集光がより容易となる。
【０００７】
本発明の半導体レーザ装置は、反射マスクが、反射面が出射方向に対し垂直に設置されたことを特徴としてもよい。反射面を出射方向に対し垂直とすれば、反射面によって反射された反射光及び熱輻射光が、反射面へ入射した光路と同一光路で帰還することとなり、再び加工部分に戻ることとなる。よって、本来は無駄になっていた反射光及び熱輻射光を加工対象物に戻すことにより有効に使うことができ、結果として、半導体レーザ装置の出力が増強されることとなる。
【０００８】
また、本発明の半導体レーザ装置は、第１集光手段を、反射マスク上の開口部に対応する位置に設けてもよい。第１集光手段を反射マスクと一体化することにより半導体レーザ装置の組立の工程を少なくすることができる。
【０００９】
また、本発明の半導体レーザ装置の反射マスクは、強誘電体薄膜と金属薄膜とを有するものとしてもよい。強誘電体薄膜は半導体レーザ光に対する反射率が高いという性質を持つため、反射マスクが反射光を有効に反射することができる。また、金属薄膜は熱輻射光の広い波長範囲において反射率が高いという性質を持つため、反射マスクが熱輻射光を有効に反射することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザ装置の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は実施形態の半導体レーザ装置の分解斜視図である。図２（ａ）は実施形態の半導体レーザ装置の側面図であり、図２（ｂ）は実施形態の半導体レーザ装置の上面図である。実施形態の半導体レーザ装置は、光源１０を有している。光源１０は平板状電極１２ａ、１２ｂを有し、それらの電極の間に、ヒートシンク１６を介してプレート状のレーザアレイ１４を複数個積層したレーザアレイスタックを有している。レーザアレイ１４は図２（ｂ）のとおりレーザ出射点１４１を長手方向に複数個配列させた構造となっており、それぞれのレーザ出射点がレーザ光を出射するようになっている。
【００１２】
各半導体レーザアレイ１４から出力されたレーザ光をレーザアレイの短手方向に集光させるため、光源１０から見て出射方向前方にレーザアレイ１４の個数と同数の第１レンズ２０（第１集光手段）が設置してある。第１レンズ２０はそれぞれレーザアレイ１４に対応する位置に設置してある円柱型レンズである。第１レンズ２０は円柱の回転対称軸がレーザアレイの長手方向と平行になるように設置してあり、ｎ番目のレーザアレイ１４の長手方向に配列された出射点１４１から出射されたｍ本のレーザ光は対応するｎ番目の第１レンズ２０によってレーザアレイの短手方向に集光される。各レンズ２０は焦点距離と設置位置が適切に調整されることにより、通過したレーザ光がレーザアレイの短手方向については平行となるようになっている。
【００１３】
さらに、実施形態の半導体レーザ装置は、第１レンズ２０から見て出射方向前方に反射マスク３０を有している。この反射マスク３０は反射面が出射方向に対し垂直になるように設置されている。反射マスク３０はそれぞれのレーザアレイに対応する位置にレーザアレイ１４の個数と同数の長方形の開口部３１を有している。この開口部３１は第１レンズ２０を通過してきたレーザ光を反射マスク３０で遮ることなく通過させるようになっており、ｎ番目の第１レンズ２０を通過したレーザ光はｎ番目の開口部３１を通過するようになっている。反射マスク３０は出射方向から見ると光源１０のヒートシンク１６に対応する部分のみを覆うようになっている。さらに、反射マスク３０は図３（ａ）に示すとおり出射方向と垂直な面全体に強誘電体薄膜層と金属薄膜層を出射方向に積層させた２層構造の反射積層膜を有している。
【００１４】
さらに、実施形態の半導体レーザ装置は、反射マスク３０から見て出射方向前方に第３レンズ４０（第３集光手段）を有している。この第３レンズ４０はそれぞれのレーザ出射点１４１に対応する位置に、レーザ出射点のアレイ方向の配列個数と同数設置してあり、各レーザ出射点１４１から出射されたレーザ光をレーザアレイ１４の長手方向に集光させる役割を果たしている。第３レンズ４０はレーザアレイ１４の短手方向に平行に設置された柱状凸レンズであり、それぞれのレーザアレイ１４のｍ番目のレーザ出射点１４１から出射されたレーザ光はｍ番目の第３レンズ４０ｍによってレーザアレイの長手方向に集光される。レーザ光は第１レンズ２０を通過しレーザアレイの短手方向に対して平行になった後、さらに第３レンズを通過しレーザアレイの長手方向に対しても平行となるため、結局、第３レンズを通過してきた光束は互いに平行で等間隔に配列された複数のストライプ状の光束となる。
【００１５】
また、実施形態の半導体レーザ装置は、第３レンズ４０から見て出射方向前方に第２レンズ５０（第２集光手段）を有している。図１においては第２レンズ５０を一つのレンズとして概念的に表しているが、第２レンズ５０は複数の光学レンズを組み合わせたレンズ群である。第２レンズ５０はレンズ群全体として所定の焦点距離を持ち、平行光を焦点５１でスポットに集光させるように調整されている。よって、上記平行なストライプ状の光束は第２レンズ５０を通過し、すべて焦点５１のスポットへ集光されることとなる。焦点５１ではレーザ光が集光され金属加工に適した光密度を得ることができるため、加工対象物７０の加工部分７１を焦点５１に合わせることによって加工対象物の加工を行えることとなる。
【００１６】
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。反射マスク３０には半導体レーザアレイ１４の面に対応する部分に開口部３１を設けてあるので、第１レンズ２０を通過してきたレーザ光光束は反射マスク３０に遮られることなくすべてが開口部３１を通過し第３レンズ４０の方向へ向かう。さらにレーザ光は第３レンズ４０、第２レンズ５０を通過して焦点５１に集光されることによって加工に利用することができる。
【００１７】
一方、加工部分７１で反射された反射光及び加工部分７１で発生する熱輻射光は一部が出射方向とは逆向きに再び第２レンズ５０を通過し、第３レンズ４０を通過して光源１０へ向かってくる。しかし、本来光源１０に当たるはずであった光はほとんどが反射マスク３０に遮られ、開口部３１を通過して光源１０に達する光はごくわずかとなる。その結果半導体レーザアレイスタックの反射光による温度上昇を抑えることができる。本実施形態では、半導体レーザ光に対する反射率が９９．９％に達する強誘電体薄膜層が反射マスク３０に形成されているため、特に温度上昇の抑制効果が大きい。また、本実施形態では、熱輻射光に対する反射率が広い波長範囲において９０％以上に達する金属薄膜層を反射マスク３０に形成しているので、特に温度上昇の抑制効果が大きい。
【００１８】
光源１０へ向かって来た反射光及び熱輻射光は反射マスク３０の開口部３１を通り一部が光源１０に達する。しかし、開口部３１は反射マスク３０全体に対する面積比が小さいため、その光の量は従来の反射マスクを有しない半導体レーザ装置に比較して低くなっている。たとえば一般的な半導体レーザアレイのサイズを参考にすると、開口部３１のレーザアレイの短手方向の長さは０．３５ｍｍ、ピッチは１．７５ｍｍ程度である。すなわち開口部３１と反射マスク３０の面積比は約０．３５／１．７５つまり約１／５となるため、光源１０の方へ向かって来る反射光及び熱輻射光の約４／５を遮ることができる。よって、反射マスクを有しない従来の半導体レーザ装置に比較して温度上昇を約１／５に抑えることが出来る。
【００１９】
また、本発明の半導体レーザ装置では、反射マスク３０を反射面と出射方向が垂直になるような向きに設置している。このことによって、加工部分７１から第２レンズ５０及び第３レンズ４０を通過し反射マスク３０の反射面に垂直な向きで反射マスク３０に入射した光は、方向を１８０°変化させ、まったく正反対の向きに反射されることになる。正反対の方向に反射された光は反射マスク３０へ入射したときの入射光路とまったく同一光路で再び第３レンズ４０及び第２レンズ５０を通過し、加工部分７１の方向へ帰還することとなる。入射光路と正反対向きの同一光路で帰還した光は再び焦点５１、すなわち加工部分７１に集光されることになるので、これらの光は再度加工に貢献することとなる。よって、本来は無駄になっていた反射光及び熱輻射光を再び加工部分７１に戻すことにより有効に使うことができ、結果として、半導体レーザ装置の出力が増強されることとなる。
【００２０】
本発明の半導体レーザ装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態の半導体レーザ装置では第１集光手段として円柱型レンズを用いているが、第１集光手段として柱状凸レンズ、ガラスファイバレンズ又はセルフォックレンズを用いてもよい。
【００２１】
また、本発明の半導体レーザ装置では、第１レンズを光源と反射マスクの間に設置したが、図３（ｂ）のように第１レンズ２０を反射マスク３０の開口部３１に対応する位置に設置し、第１レンズ２０と反射マスク３０を一体化する構成にしてもよい。第１集光手段を反射マスクと一体化することにより半導体レーザ装置の組立工程を少なくすることができる。
【００２２】
また、本発明の半導体レーザ装置の反射マスクは、開口部が長方形に形成されている一片のマスクとなっており、反射面を出射方向と垂直に設置する際の設置精度を高める点で望ましいが、半導体レーザアレイスタックのヒートシンク部を覆い、ヒートシンク部に向かって来る反射光及び熱輻射光を有効に反射することができれば、図３（ｃ）に示すような長方形の反射板３９を並べた構成にしても良い。
【００２３】
上述した実施形態の反射マスクの開口部は、反射マスクの一部に長方形の穴をあけた空間とする構成となっているが、光源側から第１集光手段を通過してきたレーザ光光束を通過させることができれば、レーザ光を通過させる材料を用いて開口部を形成してもよい。たとえば、図４（ａ）のようにレーザ光を透過する透過性材料により板状の透過部材３５を形成する。そして透過部材３５のレーザ光を通過させたい部分以外の部分のみ表面に強誘電体薄膜３２及び金属薄膜３３を形成することにより、レーザ光が通過可能な開口部３６を設ける構成としてもよい。反射マスクをこのような構成にすれば部品点数の減少及び組立工程の減少という効果も得られる。
【００２４】
また、図４（ｂ）のように透過部材３７のレーザ光を通過させたい部分に凸部３８を形成し、それ以外の部分には表面に強誘電体薄膜３２及び金属薄膜３３を形成することとし、凸部３８が開口部としての機能と第１集光手段としての機能とを持つ構成にしてもよい。このような構成にすれば第１集光手段と反射マスクを一体化することができ、部品点数及び組立工程を減少することができる。
【００２５】
【発明の効果】
上述した通り、本発明によれば、加工対象物表面からの反射光や熱輻射光による熱の負荷を軽減することができ、長寿命で高出力の半導体レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施形態の半導体レーザ装置を示す分解斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態の半導体レーザ装置を示す側面図、上面図である。
【図３】図３（ａ）は実施例に係る反射マスクの正面図・側面図であり、図３（ｂ）は実施例の変形例に係る反射マスクの正面図・側面図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は実施例の変形例に係る反射マスクの正面図・側面図である。
【符号の説明】
１０…光源、１２ａ…平板状電極、１２ｂ…平板状電極、１４…半導体レーザアレイ、１４１…レーザ出射点、１６…ヒートシンク、２０…第１レンズ、３０…反射マスク、３１…開口部、３２…強誘電体薄膜、３３…金属薄膜、３５…透過部材、３６…開口部、３７…透過部材、３８…凸部、３９…反射板、４０…第３レンズ、５０…第２レンズ、７０…加工対象物、７１…加工部分。

Claims

レーザ出射点が長手方向に配列されたレーザ出射層を有する複数の半導体レーザアレイが、出射方向を同一方向として前記長手方向及び前記出射方向の双方に垂直な方向にスタック状に配置された半導体レーザアレイスタックと、
前記各半導体レーザアレイから出射されたレーザ光を、前記半導体レーザアレイの短手方向に集光する第１集光手段と、
前記半導体レーザアレイスタックの前記出射方向前方に設置され、前記各半導体レーザアレイから出射され、前記第１集光手段で集光されたレーザ光を通過させる開口部を設けた反射マスクと、
前記開口部を通過したレーザ光を所定のスポットへ集光する第２集光手段と、を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
前記開口部を通過したレーザ光を前記長手方向に集光する第３集光手段を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記反射マスクは、反射面が前記出射方向に対し垂直に設置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
前記第１集光手段は、前記反射マスク上の前記開口部に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
前記反射マスクは、強誘電体薄膜と金属薄膜とを有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。