JP2004273812A

JP2004273812A - Laser device

Info

Publication number: JP2004273812A
Application number: JP2003063285A
Authority: JP
Inventors: Hiromoto Ichihashi; 宏基市橋; Yuki Kitaoka; 佑輝北岡; Tomoyoshi Nagayasu; 同慶長安
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-09-30

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser device having a good condensing performance in a slow direction without lowering the condensing performance in a fast direction when condensing laser beams from a stacked semiconductor laser unit made by stacking one-dimensional array semiconductor lasers in multiple of stages by means of a condensing optical system, by solving the problem that the condensing performance in the slow direction can be improved by the conventional technology, however, the condensing performance in the fast direction is lowered since laser beams are stacked in two stages in the fast direction, increasing the beam width twice in the fast direction. <P>SOLUTION: The laser beams from the stacked semiconductor laser unit 1 are condensed by the condensing optical system after divergence angles of the laser beams are controlled by a collimator optical system 2, and a prescribed number of laser beams are translated in the fast direction among the rest of the laser beams by means of a flat plate 3 and a prism unit 4. Consequently, the condensing performance in the slow direction can be improved while hardly lowering the condensing performance in the fast direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザのレーザビームを高密度に集光してレーザ加工などに応用する、レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザは電気エネルギーを光エネルギーに変化する効率が高く、小型である。しかしながら個々の半導体レーザ素子からの出力は小さいため、複数の半導体レーザ素子を一次元アレイ状に配列したり、さらに１次元アレイを多数段重ねたスタック状半導体レーザユニットとして用いられている。
【０００３】
一次元アレイ半導体レーザには、４０個程度の半導体レーザ素子を用いて、数十ワットの出力を得るものが実用化されている。またスタック状半導体レーザユニットには、キロワットレベルの出力を得るものも実用化されている。一次元アレイ半導体レーザやスタック状半導体レーザユニットをレーザ加工やＹＡＧレーザ等の固体レーザの端面励起に用いる際、レーザ光を微細なスポットに集光することが重要になる。
【０００４】
一次元アレイ半導体レーザやスタック状半導体レーザユニットを集光するには、個々の半導体レーザからのレーザビームをコリメート光学系を用いて、発散角を制御した後、集光光学系を用いて集光する。
【０００５】
しかしながら、一次元アレイ半導体レーザや、スタック状半導体レーザユニットは、半導体レーザ素子のスロー方向とファースト方向のビーム品質の違いのため、一般にスロー方向の集光性が悪い。
【０００６】
例えばスロー方向の幅が１００μｍ、ファースト方向の幅は１μｍの半導体レーザ素子をスロー方向に２５０μｍ間隔に配列した一次元アレイ半導体レーザを１．８ｍｍ間隔に２０段重ねたスタック状半導体レーザユニットをＮＡ０．２５の集光光学系で集光するとビーム幅はスロー方向４ｍｍ程度、ファースト方向１ｍｍ程度となる。
【０００７】
このようにスロー方向とファースト方向の集光スポットの幅が異なることは、加工応用における加工品質を悪くし、また固体レーザの端面励起などでは均質な励起を困難にしている。
【０００８】
上記のことを解決するため、従来技術として、図５に示す集光レーザ装置（例えば、特許文献１参照）によりスロー方向のビーム幅を改善している。ここで、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。
【０００９】
図５において、５１は一次元アレイ半導体レーザが複数段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、５２はコリメート光学系、５３は第１のプリズム、５４は第２のプリズム、５５と５６はシリンドリカルレンズ、５７は集光光学系、５８は集光スポット、６０−１は第１光線群、６０−２は第２光線群、６１は複合平行光線群である。
【００１０】
図６は、図５のスタック状半導体レーザユニット５１とコリメート光学系５２の詳細説明図を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は側面図である。また、図５と同一部分は同一番号を付与している。
【００１１】
５１−１，５１−２，５１−３、・・・はスタック状半導体レーザユニット５１を構成する個々の一次元アレイ半導体レーザ、５２−１および５２−２はコリメート光学系５２を構成するシリンドリカル光学素子のアレー、５９−１，５９−２，５９−３・・・は半導体レーザ素子で、５９は半導体レーザ素子５９−１，５９−２，５９−３・・・からなる半導体レーザ素子群である。
【００１２】
以下に、作用について説明する。
【００１３】
スタック状半導体レーザユニットは、図６（ｂ）に示すように個々の一次元アレイ半導体レーザ５１−１、５１−２、５１−３、・・・の重ね合わせにより構成され、これら個々の一次元アレイ半導体レーザ５１−１、５１−２、５１−３、・・・は、図６（ａ）に示すように、複数の半導体レーザ素子５９−１、５９−２、５９−３、・・・よりなり、半導体レーザ素子群５９は、スロー方向の幅は例えば１００μｍ程度と広く、ファースト方向の幅は例えば１μｍ程度と狭い。
【００１４】
コリメート光学系５２は、個々の半導体レーザ素子群５９に対応した、例えばシリンドリカルレンズによるシリンドリカル光学素子のアレー５２−１と５２−２よりなる。コリメート光学系５２により平行光線群６０を作る。
【００１５】
平行光線群６０は約２分割され、図５（ａ），（ｂ）の第１光線群６０−１と第２光線群６０−２となり、第１光線群６０−１は第１のプリズム５３で光線方向を傾け、第２のプリズム５４で光線方向を元に戻す。
【００１６】
その結果、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１光線群６０−１と第２光線群６０−２がファースト方向に２段に重ねられ、複合平行光線群となりシリンドリカル光学素子５５に入る。
【００１７】
シリンドリカルレンズ５５と５６は整形光学系を構成し、複合光線群の幅と高さを一致させ、複合平行光線群６１として、集光光学素子５７により、集光スポット５８を作る。
【００１８】
以上のように、従来の技術では、半導体レーザユニットのレーザ光線をコリメート光学系でコリメートした平行光線群を第一光線群と第二光線群の２つに分割し、これらをファースト方向に２段に重ねることにより、スロー方向の光源の大きさを１／２に縮小して、スロー方向の集光性を改善することができる。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００１−２８４７３０号公報（第３−４頁、第１，２図）
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のレーザ装置においては、スロー方向の集光性は改善できるがファースト方向にレーザビームを２段に重ねるため、ファースト方向のビーム幅が２倍になり、ファースト方向に関しては集光性が悪化するという課題があった。
【００２１】
本発明は、一次元アレイ半導体レーザを多段に重ねたスタック状半導体レーザユニットを集光光学系により集光する場合に、ファースト方向の集光性を悪化させないで、スロー方向の集光性が良いレーザ装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ装置は、上記課題を解決するために、複数の半導体レーザ素子を並べたアレイ半導体レーザを前記並びに対して直角方向に多数段に重ねた半導体レーザユニットと、前記複数の半導体レーザ素子からの各レーザ光の発散角を制御する発散角制御手段と、前記発散角制御手段を透過した各レーザ光のうち所定数を前記直角方向に平行移動させる直角方向移動手段と、前記所定数のレーザ光および残りのレーザ光の少なくとも一方を前記複数の半導体レーザ素子を並べた方向に平行移動する並び方向移動手段とを備え、移動するレーザ光を移動されないレーザ光の前記直角方向の間に前記並び方向移動手段で配置するようにしたものである。
【００２３】
この構成により、ファースト方向の集光性をほとんど劣化させないで、スロー方向の集光性を向上でき、加工などに実用性の高いレーザ装置が得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本実施の形態によるレーザ装置の構成を示す概略図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。
【００２５】
図１において、１は複数の半導体レーザ素子を１次元的に並べた一次元アレイ半導体レーザが、それと直角方向であるファースト方向に３段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、２はコリメート光学系、３は平行平板、４はプリズムを一定間隔に３段重ねたプリズムユニット、４ａ，４ｂ，４ｃは平行四辺形プリズム、５は集光光学系、６−１は第１レーザ光、６−２は第２レーザ光である。第１レーザ光６−１を点線で、第２レーザ光を一点鎖線で示す。また、７は集光スポットである。
【００２６】
以下、本実施の形態の作用について説明する。
【００２７】
スタック状半導体レーザユニット１から出力された半導体レーザ光は、コリメート光学系２によりそのスロー方向とファースト方向の発散角が制御される。上述したスロー方向とは複数の半導体レーザ素子を１次元的に並べた方向をいい、ファースト方向とはスロー方向に直角な方向を意味し、以降の説明ではスロー方向とファースト方向を用いて説明する。
【００２８】
スタック状半導体レーザユニットを構成する隣り合う一次元アレイ半導体レーザのファースト方向の間隔は１．８ｍｍとする。
【００２９】
図２（ａ）はコリメート光学系２直後の半導体レーザ光６−１及び６−２の断面図である。第１レーザ光６−１を点線で、第２レーザ光を一点鎖線で示す。第１レーザ光６−１と第２レーザ光６−２を区別するため、図２では両者をスロー方向に少し間隔を空けて示したが、実際には両者の空間的隙間はない。また、図２（ａ）において、左右方向がスロー方向で上下方向がファースト方向である。
【００３０】
コリメート光学系２を通過した半導体レーザ光のうち、第２レーザ光６−２は平行平板３に入射する。平行平板３を透過した第２レーザ光６−２は、ファースト方向に０．９ｍｍ平行移動する。また第１レーザ光６−１は、平行平板３は通らず、そのまま伝播する。
【００３１】
平行平板３直後のレーザ光６−１と６−２の断面図を図２（ｂ）に示す。平行平板３を透過した第２レーザ光６−２が第１レーザ光６−１に対し、ファースト方向に平行移動されている。次に、第１レーザ光６−１と第２レーザ光６−２は、プリズムユニット４に入射する。
【００３２】
プリズムユニット４は平行四辺形プリズムを３枚、一定間隔に重ねたものである。プリズムの間隔は１．８ｍｍとする。隣り合うプリズム間はレーザ光が当たらない領域に細い支柱８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ等を設け、プリズム間の間隔を保っている。
【００３３】
プリズム４ａ，４ｂ，４ｃは、第１レーザ光６−１をスロー方向に平行移動させる。ここでプリズムユニット４は半導体レーザ光６−１と半導体レーザ光６−２のスロー方向の位置を一致させるように半導体レーザ光６−１を平行移動させる。
【００３４】
よって、プリズムユニット４を透過した第１レーザ光６−１及び第２レーザ光６−２の断面は、図２（ｃ）に示すようになる。図２（ｃ）から明らかなように、プリズムユニット４を透過した半導体レーザ光は、第１レーザ光６−１のファースト方向の隙間に第２レーザ光６−２を充填した形になっており、スタック状半導体レーザユニット１を出射直後の半導体レーザ光に比べスロー方向の幅が約半分になっている。
【００３５】
プリズムユニット４を透過したレーザ光は集光光学系５に入射する。集光光学系５はレーザ光を集光し、集光スポット７が形成される。ここで集光スポット７のビーム幅は、幾何光学的には（１）式のような形で与えられる。
【００３６】
【数１】

【００３７】
（１）式において、ｙは像幅、ｙ_０は光源の幅、ＮＡＯは光源の発散角、ＮＡＩは集光ビームの収束角である。本実施の形態では、スロー方向において、平行平板３、プリズムユニット４を用いて集光光学系５からみたスロー方向の光源の幅を約１／２にしているので、ＮＡＩが一定になるように集光光学系を設計すれば集光スポット７のスロー方向の幅は平行平板３、プリズムユニット４を用いない場合に比べ、１／２になる。
【００３８】
一方、ファースト方向は、平行平板３、プリズムユニット４を用いない場合に比べ、光源の幅が、おおよそ一次元アレイ半導体レーザ１つのファースト方向の幅分だけ増加するが、前述の従来技術に比べファースト方向の集光性の悪化は大幅に改善される。
【００３９】
以上のように、スタック状半導体レーザユニット１からのレーザ光をコリメート光学系２を用いて発散角を制御し、平行平板３とプリズムユニット４を用いて、所定数のレーザ光を残りのレーザ光のファースト方向の隙間に平行移動し、集光光学系で集光することにより、ファースト方向の集光性はほとんど劣化させないでスロー方向の集光性を改善することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
図３は本実施の形態によるレーザ装置の構成を示す概略図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。
【００４１】
図３において、３１は一次元アレイ半導体レーザがファースト方向に３段重ねられたスタック状半導体レーザユニット、３２はコリメート光学系、３３は平行平板、３４は大きさの異なる２種類の平行四辺形プリズムを交互に６段重ねたプリズムユニット、３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃは第１平行四辺形プリズム、３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃは第２平行四辺形プリズム、３５は集光光学系、３６−１は第１レーザ光、３６−２は第２レーザ光である。第１レーザ光３６−１を点線で、第２レーザ光３６−２を一点鎖線で示す。また、３７は集光スポットである。
【００４２】
以下に本実施の形態の作用について説明する。スタック状半導体レーザユニット３１から出力された半導体レーザ光は、コリメート光学系３２によりそのスロー方向とファースト方向の発散角が制御される。スタック状半導体レーザユニットを構成する隣り合う一次元アレイ半導体レーザの間隔は１．８ｍｍとする。
【００４３】
図４は本実施の形態における半導体レーザ光の断面図を示す図である。図４（ａ）は、コリメート光学系直後の第１レーザ光３６−１および第２レーザ光３６−２の断面図である。第１レーザ光３６−１を点線で、第２レーザ光３６−２を一点鎖線で示す。また、図４（ａ）において、左右方向がスロー方向で上下方向がファースト方向である。
【００４４】
第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２を区別するため、図４では両者をスロー方向に少し間隔を空けて示したが、実際には両者の空間的隙間はない。
【００４５】
コリメート光学系３２を通過した半導体レーザ光のうち第２レーザ光３６−２は、平行平板３３に入射する。平行平板３３を透過した第２レーザ光３６−２は、ファースト方向に０．９ｍｍ平行移動する。また第１レーザ光３６−１は、平行平板３３は通らず、そのまま伝播する。
【００４６】
平行平板３３直後のレーザ光３６−１と３６−２の断面図を、図４（ｂ）に示す。平行平板３３を透過した第２レーザ光３６−２が第１レーザ光３６−１に対し、ファースト方向に平行移動されている。
【００４７】
次に、第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２はプリズムユニット３４に入射する。プリズムユニット３４は大きさの異なる２つの平行四辺形プリズムを交互に積み重ねたものであり、第１平行四辺形プリズム３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃは第１レーザ光３６−１をスロー方向に平行移動させ、第２平行四辺形プリズム、３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃは第２レーザ光３６−２をスロー方向に平行移動させる。ここでプリズムユニット３４は、第１レーザ光３６−１と第２レーザ光３６−２のスロー方向の位置を一致させるように、それぞれを平行移動させる。
【００４８】
よってプリズムユニット３４を透過した第１レーザ光３６−１および第２レーザ光３６−２の断面は、図４（ｃ）に示すようになる。図４（ｃ）から明らかなように、プリズムユニット３４を透過した半導体レーザ光は、第１レーザ光３６−１のファースト方向の隙間に第２レーザ光３６−２を充填した形になっており、スタック状半導体レーザユニット３１を出射直後の半導体レーザ光に比べスロー方向の幅が約半分になっている。
【００４９】
プリズムユニット３４を透過したレーザ光は、集光光学系３５に入射する。集光光学系３５はレーザ光を集光し、集光スポット３７が形成される。ここで集光スポット３７のビーム幅は、幾何光学的には実施の形態１で示した（１）式で表される。
【００５０】
本実施の形態では、スロー方向において、平板３３、プリズムユニット３４を用いて集光光学系３５からみたスロー方向の光源の幅を約１／２にしているので、ＮＡＩが一定になるように集光光学系を設計すれば集光スポットのスロー方向の幅は平板３３、プリズムユニット３４を用いない場合に比べ、１／２になる。
【００５１】
一方ファースト方向は、平板３３、プリズムユニット３４を用いない場合に比べ、光源の幅が、おおよそ一次元アレイ半導体レーザ１つのファースト方向の幅分だけ増加するが、前述した従来技術に比べファースト方向の集光性の悪化は大幅に改善される。
【００５２】
以上のように、スタック状半導体レーザユニット３１からのレーザ光をコリメート光学系３２を用いて発散角を制御し、平行平板３３とプリズムユニット３４を用いて、所定数のレーザ光を残りのレーザ光のファースト方向の隙間に平行移動し、集光光学系で集光することにより、ファースト方向の集光性はほとんど劣化させないでスロー方向の集光性を改善することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のレーザ装置によれば、複数の半導体レーザ素子を並べたアレイ半導体レーザを前記並びに対して直角方向に多数段に重ねた半導体レーザユニットと、前記複数の半導体レーザ素子からの各レーザ光の発散角を制御する発散角制御手段と、前記発散角制御手段を透過した各レーザ光のうち所定数を前記直角方向に平行移動させる直角方向移動手段と、前記所定数のレーザ光および残りのレーザ光の少なくとも一方を前記複数の半導体レーザ素子を並べた方向に平行移動する並び方向移動手段とを備え、移動するレーザ光を移動されないレーザ光の前記直角方向の間に前記並び方向移動手段で配置するようにしたため、ファースト方向の集光性をほとんど劣化させないで、スロー方向の集光性を向上でき、加工などに実用性の高いレーザ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ装置の全体構成図
【図２】同実施の形態１におけるレーザビームの断面図
【図３】同実施の形態２におけるレーザ装置の全体構成図
【図４】同実施の形態２におけるレーザビームの断面図
【図５】従来におけるレーザ装置の全体構成図
【図６】従来におけるレーザ装置のスタック状半導体レーザユニットとコリメート光学系の詳細説明図
【符号の説明】
１，３１スタック状半導体レーザユニット
２，３２コリメート光学系
３，３３平行平板
４，３４プリズムユニット
４ａ，４ｂ，４ｃ，平行四辺形プリズム
５，３５集光光学系
６−１，３６−１第１レーザ光
６−２，３６−２第２レーザ光
７，３７集光スポット
３４−１ａ，３４−１ｂ，３４−１ｃ第１平行四辺形プリズム
３４−２ａ，３４−２ｂ，３４−２ｃ第２平行四辺形プリズム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser device that focuses a laser beam of a semiconductor laser at a high density and applies it to laser processing or the like.
[0002]
2. Description of the Related Art Semiconductor lasers have a high efficiency of converting electric energy into light energy and are small in size. However, since the output from each semiconductor laser element is small, a plurality of semiconductor laser elements are arranged in a one-dimensional array or used as a stacked semiconductor laser unit in which many one-dimensional arrays are stacked.
[0003]
As a one-dimensional array semiconductor laser, a laser that obtains an output of several tens of watts using about 40 semiconductor laser elements has been put to practical use. In addition, a stack-type semiconductor laser unit that obtains an output of a kilowatt level has been put to practical use. When a one-dimensional array semiconductor laser or a stacked semiconductor laser unit is used for laser processing or end face excitation of a solid-state laser such as a YAG laser, it is important to focus a laser beam on a fine spot.
[0004]
In order to focus a one-dimensional array semiconductor laser or a stacked semiconductor laser unit, the laser beam from each semiconductor laser is controlled using a collimating optical system, the divergence angle is controlled, and then the laser beam is focused using a focusing optical system. I do.
[0005]
However, one-dimensional array semiconductor lasers and stacked semiconductor laser units generally have poor light-gathering properties in the slow direction due to the difference in beam quality between the slow and fast directions of the semiconductor laser element.
[0006]
For example, a stacked semiconductor laser unit in which 20 one-dimensional array semiconductor lasers each having semiconductor laser elements having a width in the slow direction of 100 μm and a width of 1 μm in the fast direction arranged at intervals of 250 μm in the slow direction are stacked at intervals of 1.8 mm at NA0. When condensed by the 25 condensing optical systems, the beam width becomes about 4 mm in the slow direction and about 1 mm in the fast direction.
[0007]
The difference between the widths of the converging spots in the slow direction and the fast direction degrades the processing quality in the processing application, and makes it difficult to perform uniform excitation by the end face excitation of a solid-state laser.
[0008]
In order to solve the above, as a conventional technique, the beam width in the slow direction is improved by using a condensing laser device shown in FIG. 5 (for example, see Patent Document 1). Here, FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a side view.
[0009]
In FIG. 5, reference numeral 51 denotes a stacked semiconductor laser unit in which a plurality of one-dimensional array semiconductor lasers are stacked, 52 is a collimating optical system, 53 is a first prism, 54 is a second prism, 55 and 56 are cylindrical lenses, 57 is a condensing optical system, 58 is a condensing spot, 60-1 is a first ray group, 60-2 is a second ray group, and 61 is a composite parallel ray group.
[0010]
FIG. 6 is a detailed explanatory view of the stacked semiconductor laser unit 51 and the collimating optical system 52 of FIG. 5, FIG. 6 (a) is a plan view, and FIG. 6 (b) is a side view. The same parts as those in FIG. 5 are given the same numbers.
[0011]
51-1, 51-2, 51-3,... Are individual one-dimensional array semiconductor lasers constituting the stacked semiconductor laser unit 51, and 52-1 and 52-2 are cylindrical optics constituting the collimating optical system 52. .. Are semiconductor laser elements, and 59 is a semiconductor laser element group composed of semiconductor laser elements 59-1, 59-2, 59-3,. is there.
[0012]
The operation will be described below.
[0013]
The stacked semiconductor laser unit is configured by superposing individual one-dimensional array semiconductor lasers 51-1, 51-2, 51-3,... As shown in FIG. The array semiconductor lasers 51-1, 51-2, 51-3,... Have a plurality of semiconductor laser elements 59-1, 59-2, 59-3,. The semiconductor laser element group 59 has a wide width in the slow direction, for example, about 100 μm, and a narrow width in the fast direction, for example, about 1 μm.
[0014]
The collimating optical system 52 includes, for example, arrays 52-1 and 52-2 of cylindrical optical elements formed of, for example, cylindrical lenses, corresponding to the individual semiconductor laser element groups 59. The collimating optical system 52 forms a parallel light beam group 60.
[0015]
The parallel ray group 60 is divided into about two parts, and becomes a first ray group 60-1 and a second ray group 60-2 in FIGS. 5A and 5B. And the second prism 54 returns the light beam direction to the original.
[0016]
As a result, as shown in FIGS. 5A and 5B, the first ray group 60-1 and the second ray group 60-2 are superimposed in two steps in the first direction, and become a composite parallel ray group to form a cylindrical optical element. Enter 55.
[0017]
The

cylindrical lenses

55 and 56 constitute a shaping optical system, and the width and height of the composite light beam group are matched with each other, and a condensing spot 58 is formed by the converging optical element 57 as a composite parallel light beam 61.
[0018]
As described above, in the conventional technique, a parallel light group obtained by collimating a laser beam from a semiconductor laser unit by a collimating optical system is divided into two, a first light group and a second light group, and these are divided into two steps in the first direction. , The size of the light source in the slow direction can be reduced to half, and the light-collecting property in the slow direction can be improved.
[0019]
[Patent Document 1]
JP 2001-284730 A (pages 3-4, FIGS. 1 and 2)
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional laser device, the light collecting property in the slow direction can be improved, but the laser beam is doubled in the first direction, so that the beam width in the first direction is doubled, and the light collecting property in the first direction deteriorates. There was a problem to do.
[0021]
According to the present invention, when the stacked semiconductor laser unit in which the one-dimensional array semiconductor lasers are stacked in multiple stages is condensed by the condensing optical system, the condensing property in the first direction is not deteriorated, and the condensing property in the slow direction is good. It is an object to provide a laser device.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a laser device according to the present invention includes a semiconductor laser unit in which an array semiconductor laser in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged is stacked in a number of stages in a direction perpendicular to the arrangement, and the plurality of semiconductor laser elements A divergence angle control means for controlling a divergence angle of each laser light from, a right angle direction moving means for translating a predetermined number of the respective laser lights transmitted through the divergence angle control means in the right angle direction, and the predetermined number of An alignment direction moving means for parallelly moving at least one of the laser light and the remaining laser light in a direction in which the plurality of semiconductor laser elements are arranged, wherein the moving laser light is not moved between the perpendicular directions of the laser light. It is arranged by the arrangement direction moving means.
[0023]
With this configuration, it is possible to improve the light condensing property in the slow direction without substantially deteriorating the light condensing property in the first direction, and to obtain a laser device that is highly practical for processing and the like.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view showing the configuration of a laser device according to the present embodiment, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a side view.
[0025]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a stacked semiconductor laser unit in which a one-dimensional array semiconductor laser in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged one-dimensionally is stacked in three stages in a first direction perpendicular to the semiconductor laser element, 2 denotes a collimating optical system, Reference numeral 3 denotes a parallel plate, 4 denotes a prism unit in which three prisms are stacked at regular intervals, 4a, 4b, and 4c denote parallelogram prisms, 5 denotes a condensing optical system, 6-1 denotes a first laser beam, and 6-2 denotes a first laser beam. This is the second laser light. The first laser light 6-1 is indicated by a dotted line, and the second laser light is indicated by a chain line. Reference numeral 7 denotes a converging spot.
[0026]
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described.
[0027]
The divergence angle of the semiconductor laser light output from the stacked semiconductor laser unit 1 in the slow direction and the fast direction is controlled by the collimating optical system 2. The above-described slow direction refers to a direction in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged one-dimensionally, and the fast direction refers to a direction perpendicular to the slow direction. In the following description, the slow direction and the fast direction will be described. .
[0028]
The distance between adjacent one-dimensional array semiconductor lasers constituting the stacked semiconductor laser unit in the first direction is 1.8 mm.
[0029]
FIG. 2A is a cross-sectional view of the semiconductor laser beams 6-1 and 6-2 immediately after the collimating optical system 2. The first laser light 6-1 is indicated by a dotted line, and the second laser light is indicated by a chain line. In order to distinguish between the first laser light 6-1 and the second laser light 6-2, both are shown in FIG. 2 with a small gap in the slow direction, but there is no spatial gap between them. In FIG. 2A, the horizontal direction is the slow direction, and the vertical direction is the fast direction.
[0030]
The second laser light 6-2 of the semiconductor laser light passing through the collimating optical system 2 is incident on the parallel flat plate 3. The second laser beam 6-2 transmitted through the parallel flat plate 3 translates by 0.9 mm in the fast direction. Further, the first laser light 6-1 does not pass through the parallel flat plate 3, but propagates as it is.
[0031]
FIG. 2B is a cross-sectional view of the laser beams 6-1 and 6-2 immediately after the parallel plate 3. The second laser beam 6-2 transmitted through the parallel flat plate 3 is translated in the fast direction with respect to the first laser beam 6-1. Next, the first laser light 6-1 and the second laser light 6-2 enter the prism unit 4.
[0032]
The prism unit 4 is formed by stacking three parallelogram prisms at regular intervals. The distance between the prisms is 1.8 mm. Thin columns 8a, 8b, 8c, 8d and the like are provided between the adjacent prisms in a region where the laser beam does not shine, to keep the distance between the prisms.
[0033]
The prisms 4a, 4b, 4c translate the first laser beam 6-1 in the slow direction. Here, the prism unit 4 translates the semiconductor laser light 6-1 in parallel so that the positions of the semiconductor laser light 6-1 and the semiconductor laser light 6-2 in the slow direction coincide.
[0034]
Therefore, the cross sections of the first laser light 6-1 and the second laser light 6-2 transmitted through the prism unit 4 are as shown in FIG. As is clear from FIG. 2C, the semiconductor laser light transmitted through the prism unit 4 has a shape in which the gap in the first direction of the first laser light 6-1 is filled with the second laser light 6-2. The width in the slow direction is about half that of the semiconductor laser light immediately after emission from the stacked semiconductor laser unit 1.
[0035]
The laser light transmitted through the prism unit 4 is incident on the focusing optical system 5. The condensing optical system 5 condenses the laser light to form a converging spot 7. Here, the beam width of the condensed spot 7 is given geometrically optically in the form of the equation (1).
[0036]
(Equation 1)

[0037]
(1) In the equation, y is the image width, _{y 0} is the light source of the width, NAO divergence angle of the light source, NAI is convergent angle of the focused beam. In the present embodiment, in the slow direction, the width of the light source in the slow direction as viewed from the condensing optical system 5 is reduced to about 1/2 by using the parallel plate 3 and the prism unit 4 so that the NAI is constant. If a condensing optical system is designed, the width of the converging spot 7 in the slow direction will be １／ compared to the case where the parallel plate 3 and the prism unit 4 are not used.
[0038]
On the other hand, in the first direction, the width of the light source is increased by approximately the width of one one-dimensional array semiconductor laser in the first direction as compared with the case where the parallel plate 3 and the prism unit 4 are not used. Deterioration of light collection in the direction is greatly improved.
[0039]
As described above, the divergence angle of the laser light from the stacked semiconductor laser unit 1 is controlled by using the collimating optical system 2, and a predetermined number of laser lights are converted to the remaining laser light by using the parallel plate 3 and the prism unit 4. Is moved in parallel to the gap in the first direction, and the light is condensed by the condensing optical system, so that the light condensing property in the slow direction can be improved without substantially deteriorating the light condensing property in the first direction.
[0040]
(Embodiment 2)
3A and 3B are schematic diagrams showing the configuration of the laser device according to the present embodiment, where FIG. 3A is a plan view and FIG. 3B is a side view.
[0041]
3, reference numeral 31 denotes a stacked semiconductor laser unit in which one-dimensional array semiconductor lasers are stacked in three stages in the first direction; 32, a collimating optical system; 33, a parallel plate; and 34, two types of parallelogram prisms having different sizes. Are alternately stacked in six stages, 34-1a, 34-1b, 34-1c are first parallelogram prisms, 34-2a, 34-2b, 34-2c are second parallelogram prisms, and 35 is A focusing optical system, 36-1 is a first laser beam, and 36-2 is a second laser beam. The first laser light 36-1 is indicated by a dotted line, and the second laser light 36-2 is indicated by a chain line. Reference numeral 37 denotes a converging spot.
[0042]
Hereinafter, the operation of the present embodiment will be described. The divergence angle of the semiconductor laser light output from the stacked semiconductor laser unit 31 in the slow direction and the fast direction is controlled by the collimating optical system 32. The distance between adjacent one-dimensional array semiconductor lasers constituting the stacked semiconductor laser unit is 1.8 mm.
[0043]
FIG. 4 is a sectional view showing a semiconductor laser beam according to the present embodiment. FIG. 4A is a cross-sectional view of the first laser light 36-1 and the second laser light 36-2 immediately after the collimating optical system. The first laser light 36-1 is indicated by a dotted line, and the second laser light 36-2 is indicated by a chain line. In FIG. 4A, the left-right direction is the slow direction, and the up-down direction is the fast direction.
[0044]
In order to distinguish between the first laser light 36-1 and the second laser light 36-2, both are shown in FIG. 4 with a small gap in the slow direction, but there is no spatial gap between them.
[0045]
The second laser light 36-2 of the semiconductor laser light passing through the collimating optical system 32 is incident on the parallel plate 33. The second laser beam 36-2 transmitted through the parallel flat plate 33 translates by 0.9 mm in the fast direction. The first laser light 36-1 does not pass through the parallel flat plate 33 and propagates as it is.
[0046]
FIG. 4B is a cross-sectional view of the laser beams 36-1 and 36-2 immediately after the parallel plate 33. The second laser light 36-2 transmitted through the parallel flat plate 33 is translated in the fast direction with respect to the first laser light 36-1.
[0047]
Next, the first laser light 36-1 and the second laser light 36-2 enter the prism unit 34. The prism unit 34 is formed by alternately stacking two parallelogram prisms having different sizes, and the first parallelogram prisms 34-1a, 34-1b, and 34-1c throw the first laser beam 36-1. The second parallelogram prisms 34-2a, 34-2b, and 34-2c translate the second laser beam 36-2 in the slow direction. Here, the prism unit 34 translates the first laser light 36-1 and the second laser light 36-2 so that the positions in the slow direction coincide with each other.
[0048]
Therefore, the cross sections of the first laser light 36-1 and the second laser light 36-2 transmitted through the prism unit 34 are as shown in FIG. As is clear from FIG. 4C, the semiconductor laser light transmitted through the prism unit 34 has a shape in which the gap in the first direction of the first laser light 36-1 is filled with the second laser light 36-2. The width in the slow direction is about half of the width of the semiconductor laser light immediately after exiting from the stacked semiconductor laser unit 31.
[0049]
The laser light transmitted through the prism unit 34 is incident on the condensing optical system 35. The condensing optical system 35 condenses the laser light to form a converging spot 37. Here, the beam width of the condensed spot 37 is expressed geometrically by the equation (1) shown in the first embodiment.
[0050]
In the present embodiment, the width of the light source in the slow direction viewed from the condensing optical system 35 using the flat plate 33 and the prism unit 34 in the slow direction is reduced to about １／, so that the collection is performed so that the NAI is constant. If the optical optical system is designed, the width of the condensed spot in the slow direction is １／ compared to the case where the flat plate 33 and the prism unit 34 are not used.
[0051]
On the other hand, in the first direction, the width of the light source is increased by approximately the width of one one-dimensional array semiconductor laser in the first direction as compared with the case where the flat plate 33 and the prism unit 34 are not used. Deterioration of the light collecting property is greatly improved.
[0052]
As described above, the divergence angle of the laser light from the stacked semiconductor laser unit 31 is controlled using the collimating optical system 32, and a predetermined number of laser lights are converted into the remaining laser light using the parallel plate 33 and the prism unit 34. Is moved in parallel to the gap in the first direction, and the light is condensed by the condensing optical system, so that the light condensing property in the slow direction can be improved without substantially deteriorating the light condensing property in the first direction.
[0053]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the laser device of the present invention, a semiconductor laser unit in which an array semiconductor laser in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged is stacked in a number of stages in a direction perpendicular to the arrangement, Divergence angle control means for controlling a divergence angle of each laser light from the semiconductor laser element, and a right angle direction moving means for translating a predetermined number of laser light transmitted through the divergence angle control means in the right angle direction, A direction moving means for moving at least one of a predetermined number of laser lights and the remaining laser light in parallel in a direction in which the plurality of semiconductor laser elements are arranged, and moving the moving laser light in the right-angle direction of the laser light which is not moved. Since the arrangement is performed by the arrangement direction moving means, the light collection in the slow direction can be improved without substantially deteriorating the light collection in the first direction. Machining high laser device practical is obtained like.
[Brief description of the drawings]
1 is an overall configuration diagram of a laser device according to Embodiment 1 of the present invention; FIG. 2 is a cross-sectional view of a laser beam according to Embodiment 1; FIG. 3 is an overall configuration diagram of a laser device according to Embodiment 2; FIG. 4 is a cross-sectional view of a laser beam according to the second embodiment. FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional laser device. FIG. 6 is a detailed explanatory diagram of a stacked semiconductor laser unit and a collimating optical system of the conventional laser device. Description]
1,31 Stacked

semiconductor laser unit

2,32 Collimating

optical system

3,33

Parallel plate

4,34 Prism units 4a, 4b, 4c, Parallelogram prism 5,35 Condensing optical system 6-1,36-1 First Laser light 6-2, 36-2

Second laser light

7, 37 Focused spot 34-1a, 34-1b, 34-1c First parallelogram prism 34-2a, 34-2b, 34-2c Second parallel Quadrilateral prism

Claims

A semiconductor laser unit in which an array semiconductor laser in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged is superposed in a number of stages in a direction perpendicular to the arrangement, and a divergence angle control means for controlling a divergence angle of each laser beam from the plurality of semiconductor laser elements A right angle direction moving means for parallel moving a predetermined number of the laser lights transmitted through the divergence angle control means in the right angle direction; and at least one of the predetermined number of laser lights and the remaining laser light is supplied to the plurality of semiconductors. A laser device, comprising: an array direction moving means for performing parallel movement in the direction in which the laser elements are arrayed, wherein the moving laser light is arranged by the array direction moving means between the perpendicular directions of the laser light that is not moved.

2. The laser device according to claim 1, wherein the slow-direction moving means includes a plurality of parallelogram prisms arranged at equal intervals between adjacent arrayed semiconductor lasers.

2. The laser device according to claim 1, wherein the slow direction moving means includes a large number of two parallelogram prisms having different sizes.

4. The laser device according to claim 1, wherein the first direction moving means is a parallel flat plate made of a material that transmits laser light.

5. The laser device according to claim 1, wherein the predetermined number is about half.

6. The laser device according to claim 1, wherein the width in the slow direction of the laser light translated in parallel by the first direction moving means is about half of the width in the slow direction of the laser light output from the semiconductor laser unit.

The laser device according to any one of claims 1 to 6, wherein the first direction moving means and the slow direction moving means make the intervals of the respective laser beams in the first direction substantially equal.