JP2005115010A - レーザ光変換光学素子およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力マトリックスアレイ型半導体レーザのレーザ光を変換しようとすると、光学素子が大型化するという課題を有している。
【解決手段】 ファースト方向のレーザ光強度分布を変換するファースト方向レーザ光変換光学素子２は、そのファースト方向断面は斜辺の長さが等しい平行四辺形状の平行平板を、スロー方向に重ねた形状で、その光学ユニットをアレイの段数に応じて、それらの斜辺がジグザグ形状を形成するように組み立て、または一体に積み上げたので、小型のレーザ光変換光学素子を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ光の光強度分布を変換するレーザ光変換光学素子に関するものである。

近年、レーザ加工機はファイバーに接続して用いられており、レーザ加工機は、ファイバーにレーザ光を効率よく導光するためにレーザ光の強度分布を変換するレーザ光変換光学素子を備えている。

従来のこのレーザ光変換光学素子は、扇状に積層したガラス板にレーザ光を透過させ、レーザ光を分割、並び替えている。例えば特許文献１、特許文献２を参照。
以下、レーザ光源を構成する半導体レーザ素子の活性層厚さ方向をファースト方向と呼び、半導体レーザ素子の活性層厚さに垂直な方向をスロー方向と呼んで説明する。

図１２（ａ）は従来のレーザ装置におけるスロー方向レーザ光変換光学素子の動作模式図、図１２（ｂ）は同装置におけるファースト方向レーザ光変換光学素子の動作模式図を示している。

レーザ光を出射するリニアアレイ型半導体レーザ素子１１０は、ヒートシンク１１１に半田付けされており、アレイ状に配置されたレーザ光源から矩形状の１バー半導体レーザ（以下、１段のＬＤバー）ＬＤ０を出射している。

１段のＬＤバーＬＤ０のレーザ光は、ファーストコリメーションレンズ１１２によりファースト方向の発散性を抑制され、略平行光線となり、ファースト方向レーザ光変換光学素子１１３，スロー方向レーザ光変換光学素子１１４を経て出力されている。

ファースト方向レーザ光変換光学素子１１３は、入射面に入射したレーザ光の光強度分布を変換するようにスロー方向にガラス板を複数枚扇形に積層して構成されており、レーザ光をファースト方向に３分割したレーザ光をスロー方向レーザ光変換光学素子１１４によって、ファースト方向レーザ光変換光学素子１１３と同様にして出力する。
特許第３．０９８．２００号（第２図（ａ）） 米国特許５．９８６．７９４号（第１図）

しかし、従来のレーザ光変換光学素子１１３，１１４は、高出力化のために複数レーザ光をスタッキングした光源、特に、半導体レーザ装置においては、１段のＬＤバーを多数スタッキングする必要があり、すなわち、マトリックスアレイ型半導体レーザとする必要があり、高出力に適用しようとすると、レーザ光変換光学素子１１３は大型化して次段のレーザ光変換光学素子１１４を近接して設置することができなくなり、レーザ光の位置制御が困難になるという課題を有している。

また、レーザ光変換光学素子１１３のガラス板１１５，１１６，１１７は、精度良く積層しなければならないという課題を有している。
本発明は、小型で、製造が容易なレーザ光変換光学素子を提供することを目的とする。

本発明のレーザ光変換光学素子は、端面が平行四辺形の平行平板でそのレーザ光透過方向の厚みが異なる複数の光学ユニットを、入射面に入射するレーザ光のスロー方向に配置して、前記レーザ光をファースト方向に変位させて出力するよう構成したことを特徴とする。

また、本発明のレーザ光変換光学素子は、端面が平行四辺形の平行平板でその厚みが異なる複数の光学ユニットを、入射面に入射するレーザ光のスロー方向に配置して、前記レーザ光をファースト方向に変位させて出力するよう構成した第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群を設け、この第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群を前記スロー方向に隙間を空けて配置して、第１，第２の光学ユニット群を通過して前記ファースト方向に変位したＮ個の分割レーザ光と前記隙間を通過したレーザ光との（Ｎ＋１）個の分割レーザ光を出力することを特徴とする。

また、本発明のレーザ光変換光学素子は、前記レーザ光変換光学素子を、前記ファースト方向にレーザ光源のスタッキングピッチで積層したことを特徴とする。
また、本発明のレーザ光変換光学素子は、前記レーザ光変換光学素子を、レーザ光源のスタッキングピッチと前記光学ユニットの材質で決まる屈折率に応じた大きさのスペーサを間に挟んでファースト方向にレーザ光源のスタッキングピッチで積層したことを特徴とする。

また、前記スペーサを端面が平行四辺形の平行平板で構成し、前記スペーサと光学ユニットとを、ファースト方向にジグザク形状に積層したことを特徴とする。
また、本発明のレーザ光変換光学素子は、前記第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群との前記隙間の一部または全部を、高透過材で充填して第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群とを一体に構成したことを特徴とする。

また、本発明のレーザ装置は、複数段スタッキングしたレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの各レーザ光が各入射面に入射する前記何れかのレーザ光変換光学素子と、前記レーザ光変換光学素子に続けて前記レーザ光のスロー方向にレーザ光を変位する光学素子とを設けたことを特徴とする。

本発明のレーザ光変換光学素子は、端面が平行四辺形の平行平板でそのレーザ光透過方向の厚みが異なる複数の光学ユニットを、入射面に入射するレーザ光のスロー方向に配置して、前記レーザ光をファースト方向に変位させて出力するので、これを単位として、前記ファースト方向にレーザ光源のスタッキングピッチで積層することによって、精度良く多数スタッキングしたレーザ光を得ることができる。また、この構成によると従来に比べて小型化が可能で、製造も容易である。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１１に基づいて説明する。
ここでは、マトリックスアレイ型半導体レーザを例に挙げて説明する。
また、ファースト方向およびスロー方向の定義については背景技術と同様とする。

（実施の形態１）
図１〜図７は本発明の（実施の形態１）を示す。
図１と図２は本実施の形態のレーザ装置を示す。

マトリックスアレイ型半導体レーザで構成されるアレイ状レーザ光源１は、ＬＤバーを等ピッチで５段スタッキングしたレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５を出射する。
なお、図１と図２では各段のスロー方向レーザ光を７分割し、その１段分のＬＤバーレーザ光の挙動を示している。

レーザ光源１から出射するレーザ光は、図１と図２には図示されていないが図１２に示した従来例と同じようにファースト方向コリメーションレンズ１１２によりレーザ光のファースト方向発散性を抑制され、続いてスロー方向コリメーションレンズ（図示せず）によりレーザ光のスロー方向発散性を抑制されてからレーザ光変換光学素子２に入射する。

そのときのレーザ光強度分布を図６（ａ）に示す。横軸はスロー方向におけるレーザ光の位置を示し、縦軸はファースト方向におけるアレイ状のレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５の位置を示している。

なお、アレイ状レーザ光の強度分布を便宜上、直線で表示しているが、正確には、多数の光源（エミッタ）が一定の微少間隔でスロー方向に、アレイ状に配列されており、各エミッタから出射するそれぞれのレーザ光はスロー方向に発散し、レーザ光が重なりあい、直線状に見える。加えて、ファースト方向に積層されたこのアレイ状のレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５を有するレーザ光源１を、マトリクス状レーザ光源と言うこともできる。

レーザ光源１の後段に配設され、レーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５のファースト方向のレーザ光強度分布を変換するプリズムであるファースト方向レーザ光変換光学素子２は、図３と図４に示すように構成されている。

図３は図１と同じ方向からレーザ光変換光学素子２を見たもので、図４はレーザ光変換光学素子２を入射面の側から見たものである。
レーザ光ＬＤ１の１段分に対するレーザ光変換光学素子２の光学ユニットだけを見ると、この光学ユニット４１は、ファースト方向から見た端面が斜辺の長さａ，ｂが等しい平行四辺形でその厚みがスロー方向にＬ１〜Ｌ７と段階的に異なった平行平板５１〜５７をスロー方向に重ねた形状で、レーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５の５段分処理するレーザ光変換光学素子２の全体は、光学ユニット４１とこれと同じ形状の光学ユニット４２〜４５を、スペーサ６１〜６４を挟んで交互に積み上げた形状である。このとき、レーザ光源１と光学ユニット４１〜４５の距離が各段において等しくなるように設けられている。

更に具体的には、各スペーサ６１〜６４の形状は光学ユニット４１と同じ平行平板形状で、光学ユニット４２〜４５の積み上げピッチがレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５のスタッキングピッチに等しくなるように、光学ユニット４１〜４５，スペーサ６１〜６４を積み上げてそれらの斜辺がジグザグ形状を形成するようにしたものである。

なお、このレーザ光変換光学素子２は高屈折率（望ましくはｎ＝１．８以上）のガラスまたは樹脂を材料として構成されている。
したがって、レーザ光変換光学素子２に入射したレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５は、光学ユニット４１〜４５のスロー方向の屈折量の違いによってその一部を図５に示すように、光学ユニット４１〜４５を透過する位置の厚みＬ１〜Ｌ７の違いによって、図５（ｂ）に示す厚い場所では図５（ａ）に示す薄い場所よりも大きく屈折して、その時の入射方向から見たレーザ光強度分布を図６（ｂ）に示す。

このようにレーザ光変換光学素子２によりスロー方向に７分割されたレーザ光のうち、６個分が各透過位置のセルの厚さの違いによって順に、ファースト方向の下方に向かって大きく変位する。

レーザ光変換光学素子２を介してスロー方向に分割されスロー方向のレーザ光発散性が抑制されて出射した後の図６（ｂ）に示した分布の分割後のレーザ光は、レーザ光変換光学素子３を介してスロー方向に変位して出力される。その時のレーザ光強度分布を図６（ｃ）に示す。

以上のように、１段分のレーザ光を分割、変位する端面が平行四辺形状の光学ユニットを、ファースト方向のスタッキング段数に合わせた数だけ備えており、この構成により小型化できる。

図７は光学ユニット４１〜４５とスペーサ６１〜６４を別々に製作し、積層している途中の状態を示している。
また、レーザ光変換光学素子２は上記のように光学ユニット４１〜４５，スペーサ６１〜６４を積み上げて組み上げる他に、図３と図４に示す形状に、高屈折率（望ましくはｎ＝１．８以上）のガラスまたは樹脂を材料として一体形成することも容易であり、この場合には、光学ユニット４１〜４５，スペーサ６１〜６４を積み上げてくみ上げたものよりも精度のよい積層状態を容易に得ることができ、安価にレーザ光変換光学素子を提供できる。

（実施の形態２）
図８〜図１０は本発明の（実施の形態２）のレーザ光変換光学素子２を示す。なお、（実施の形態１）と同様の構成については同一の符号を付けて説明する。

図８は本実施の形態の模式図、図１０は各光学素子におけるレーザ光強度分布を示している。（実施の形態１）と異なるのは、レーザ光変換光学素子２をスロー方向に２分割して形状を変更した点である。

具体的には、端面が平行四辺形の平行平板でスロー方向の厚みが段階的に異なる第１の光学ユニット群２１と第２の光学ユニット群２２を、スロー方向に隙間２３を空けて配置している。空隙２３の位置はレーザ光変換光学素子２のスロー方向の中央に位置しており、レーザ光変換光学素子２は空隙２３をレーザ光源１の中央部分に正対するように配置されている。

図９はレーザ光変換光学素子２をレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５の入射面側から見た図である。
第１の光学ユニット群２１は、光学ユニット４１１〜４１５がファースト方向にレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５のスタッキングピッチで積層されるように、それぞれスペーサ６１１〜６１４を介してファースト方向に積層した形状に一体成形されている。

第２の光学ユニット群２２は、光学ユニット４２１〜４２５がファースト方向にレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５のスタッキングピッチで積層されるように、それぞれスペーサ６２１〜６２４を介してファースト方向に積層した形状に一体成形されている。第１，第２の光学ユニット群２１，２２は、高屈折率（望ましくはｎ＝１．８以上）のガラスまたは樹脂より一体形成されている。

なお、光学ユニット４１１〜４１５の入射面の傾きは、入射したレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５をファースト方向のプラス方向にシフトさせる方向に傾いており、光学ユニット４２１〜４２５の入射面の傾きは、入射したレーザ光ＬＤ１〜ＬＤ５をファースト方向のマイナス方向にシフトさせる方向に傾いている。

レーザ光変換光学素子２についてレーザ光ＬＤ１の１段分の動作を説明する。他の４段も以下と同様に動作する。
図１０（ａ）に示すレーザ光ＬＤ１は、第１の光学ユニット群２１の光学ユニット４１１と第２の光学ユニット群２２の光学ユニット４２１に入射する。

なお、図１０（ａ）では各レーザ光強度分布を、便宜上、直線で表示しているが、図６（ａ）の説明と同様のマトリクス状レーザ光源である。
第１の光学ユニット群２１の光学ユニット４１１に入射したレーザ光ＬＤ１は、図１０（ｂ）に示すようにファースト方向のプラス方向に段階的に大きくシフトする。

第２の光学ユニット群２２の光学ユニット４２１に入射したレーザ光ＬＤ１は、図１０（ｂ）に示すようにファースト方向のマイナス方向に段階的に大きくシフトする。
第１の光学ユニット群２１の光学ユニット４１１と第２の光学ユニット群２２の光学ユニット４２１との隙間２３を通過したレーザ光ＬＤ１は、ファースト方向にシフトせずに通過する。

このようにしてレーザ光ＬＤ１は、第１，第２の光学ユニット群２１，２２を通過してファースト方向に６段階にシフト量したＮ＝６個の分割レーザ光と前記隙間２３を通過したレーザ光との合計（Ｎ＋１）＝７個の７段階のシフト量の分割レーザ光となって出射する。

レーザ光ＬＤ２〜ＬＤ５も図１０（ｂ）に示すように第１，第２の光学ユニット群２１，２２によって同様に処理されて出射する。
この実施の形態が（実施の形態１）と異なるのは、アレイ状レーザ光源の中央部分にファースト方向レーザ光変換光学素子がなく、変位を受けることなく出射することである。

レーザ光変換光学素子２から図１０（ｂ）に示すように出射した分割レーザ光は、スロー方向レーザ光変換光学素子３に入射し、図１０（ｃ）に示すようにファースト方向にスタッキングして出力される。

このように、レーザ光変換光学素子２をアレイ状レーザ光源の中央部分に空隙２３を設けた構成とすることにより、レーザ光変換光学素子を小型化できる。
また、レーザ光をファースト方向に関して上下に分割することで、上方（または下方）に分割するレーザ光変換光学素子をレーザ光光軸に関して点対称に回転すれば、下方（または上方）に分割するレーザ光変換光学素子として使用することができる。

（実施の形態３）
（実施の形態２）では第１の光学ユニット群２１と第２の光学ユニット群２２を、隙間２３を空けて配置したが、この隙間２３の一部または全部を、高透過材で充填することで第１の光学ユニット群２１と第２の光学ユニット群２２とを一体に構成することもできる。

具体的には、前記空隙２３に、レーザ光源１からのレーザ光に対して正対している入射側面と出射側面とが平行な矩形もしくは正方形の平行平板を充填することによって、ファースト方向にシフトさせずに通過させることができ、しかも前記第１の光学ユニット群２１と第２の光学ユニット群２２とを一体に取り扱うことができるので、レーザ光変換光学素子２の保持が容易になる。

上記の各実施の形態において、下記のように変形することによっても同様のレーザ光変換光学素子２を実現できる。
具体的には、（実施の形態１）のレーザ光変換光学素子２の光学ユニット４１〜４５とスペーサ６１〜６４とを積み重ねてレーザ光変換光学素子２を作成する場合に、スペーサ６１〜６４は光学ユニット４１〜４５と同じく端面が平行四辺形の平行平板で構成したが、レーザ光が通過しないスペーサ６１〜６４は図１１に示すように正方形もしくは矩形の平行平板を挟んで構成することもできる。なお、この点は（実施の形態２）（実施の形態３）でも同様である。

また、前記レーザ光源１から出射したレーザ光はレーザ光源１から離れるに従って僅かに照射位置が外側に広がりを見せるが、（実施の形態１）のレーザ光変換光学素子２の前記入射面に僅かの曲率を付けることによって、この影響を低減することができる。なお、この点は（実施の形態２）（実施の形態３）でも同様である。

ファイバーなどで構成される光導波路にレーザ光源からのレーザを送り込む必要のある各種レーザ加工機、またはこれを使用した各種の生産設備に使用できる。

本発明のレーザ光変換光学素子を使用したレーザ装置の（実施の形態１）における全体斜視図 同実施の形態の正面図 同実施の形態のレーザ光変換光学素子の拡大斜視図 図３のレーザ光変換光学素子の入射面から見た拡大斜視図 同実施の形態のレーザ光変換光学素子の説明図 同実施の形態のレーザ光変換光学素子へ入射前レーザ光強度分布図とレーザ光変換光学素子出射後レーザ光強度分布図およびレーザ装置出射後レーザ光強度分布図 同実施の形態のレーザ光変換光学素子を組み立てて構成する場合の組み立て途中の斜視図 本発明のレーザ装置の（実施の形態２）における要部斜視図 図８のレーザ光変換光学素子の入射面から見た拡大斜視図 同実施の形態のレーザ光変換光学素子へ入射前レーザ光強度分布図とレーザ光変換光学素子出射後レーザ光強度分布図およびレーザ装置出射後レーザ光強度分布図 本発明の（実施の形態１）のレーザ光変換光学素子のスペーサの別の形状を示す要部正面図 従来のレーザ装置におけるスロー方向光学素子動作模式図とファースト方向光学素子動作模式図

符号の説明

１ レーザ光源
ＬＤ１〜ＬＤ５ レーザ光
２ レーザ光変換光学素子
１１２ ファースト方向コリメーションレンズ
Ｌ１〜Ｌ７ スロー方向の厚み
５１〜５７ 平行平板
４１〜４５ 光学ユニット
６１〜６４ スペーサ
２１ 第１の光学ユニット群
２２ 第２の光学ユニット群
２３ 隙間
４１１〜４１５，４２１〜４２５ 光学ユニット
６１１〜６１４，６２１〜６２４ スペーサ

Claims (7)

1. 端面が平行四辺形の平行平板でそのレーザ光透過方向の厚みが異なる複数の光学ユニットを、入射面に入射するレーザ光のスロー方向に配置して、前記レーザ光をファースト方向に変位させて出力するよう構成した
   レーザ光変換光学素子。
2. 端面が平行四辺形の平行平板でその厚みが異なる複数の光学ユニットを、入射面に入射するレーザ光のスロー方向に配置して、前記レーザ光をファースト方向に変位させて出力するよう構成した第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群を設け、
   この第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群を前記スローに隙間を空けて配置して、第１，第２の光学ユニット群を通過して前記ファースト方向に変位したＮ個の分割レーザ光と前記隙間を通過したレーザ光との（Ｎ＋１）個の分割レーザ光を出力する
   レーザ光変換光学素子。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザ光変換光学素子を、ファースト方向にレーザ光源のスタッキングピッチで積層した
   レーザ光変換光学素子。
4. 請求項１または請求項２記載のレーザ光変換光学素子を、レーザ光源のスタッキングピッチと前記光学ユニットの材質で決まる屈折率に応じた大きさのスペーサを間に挟んでファースト方向にレーザ光源のスタッキングピッチで積層した
   レーザ光変換光学素子。
5. スペーサを端面が平行四辺形の平行平板で構成し、
   前記スペーサと光学ユニットとを、ファースト方向にジグザク形状に積層した
   請求項４記載のレーザ光変換光学素子。
6. 第１の光学ユニット群と第２の光学ユニット群の前記隙間の一部または全部を、高透過材で充填して前記第１の光学ユニット群と前記第２の光学ユニット群とを一体に構成した
   請求項２記載のレーザ光変換光学素子。
7. 複数段スタッキングしたレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からの各レーザ光が各入射面に入射する請求項１〜請求項６の何れかのレーザ光変換光学素子と、
   前記レーザ光変換光学素子に続けて前記レーザ光のスロー方向にレーザ光を変位する光学素子とを設けた
   レーザ装置。

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