JP2006303195A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】戻り光の影響を低減できるレーザモジュールを低コストで提供する。
【解決手段】半導体レーザ２と光ファイバ３との間の光路Ｌに、半導体レーザ２から出射された光で特定の偏光面を有する偏光成分は透過する偏光ビームスプリッタ５を備える。光ファイバ３の出射端３ｂで反射した光、及び照射対象物９で反射した光は、光ファイバ３を伝搬される戻り光Ｎとなる。戻り光Ｎは、光ファイバ３を伝搬されることで偏光面が維持されず、さまざまな方向の偏光面を持った光の成分が混在する。これにより、半導体レーザ２から出射されたレーザ光Ｓと偏光面が異なる戻り光Ｎは、偏光ビームスプリッタ５の反射面５ａで反射され、半導体レーザ２に到達しない。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体レーザと光ファイバを光学的に結合し、半導体レーザから出射された光を光ファイバで伝搬して、光ファイバの出射端から出射するレーザモジュールに関する。詳しくは、半導体レーザと光ファイバの間の光路中に、半導体レーザから出射された光で特定の偏光面を有する偏光成分は透過する偏光素子を備えることで、光ファイバを伝搬されて偏光面が変化した戻り光を遮断できるようにして、半導体レーザに到達する戻り光を低減できるようにしたものである。

半導体レーザと、レンズ等の光学系と、光ファイバを単一の基板等に実装して、半導体レーザと光ファイバを光学的に結合させた装置は、レーザモジュールと称される。レーザモジュールは、大掛かりな光学系を組み込む必要が無く、小型で使い易い等のメリットがある。

特に、近年は、固体レーザ励起や材料加工等、数十Ｗ〜数ｋＷ程度の高出力を必要とする分野に半導体レーザを利用したレーザモジュールを応用することが期待されている。

図７は従来のレーザモジュール５１の一例を示す構成図で、図７（ａ）はレーザモジュール５１の構成を模式的に示した平面図、図７（ｂ）はレーザモジュール５１の構成を模式的に示した側面図である。

従来のレーザモジュール５１は、レーザ光を出射する半導体レーザ５２と、半導体レーザ５２から出射した光を伝搬する光ファイバ５３と、半導体レーザ５２から出射した光を光ファイバ５３に結合させる光学素子５４を備える。

半導体レーザ５２は、例えばヒートシンク５６を介して実装基板５７に搭載される。光ファイバ５３は、一方の端部側がファイバブロック５８等によって位置決めされて、実装基板５７に固定される。

光学素子５４は、半導体レーザ５２の側から順に、例えば、ロッドレンズ５４ａと、シリンドリカルレンズ５４ｂと、非球面レンズ５４ｃを備える。ロッドレンズ５４ａは円筒状のレンズであり、半導体レーザ５２から出射したレーザ光の垂直方向の放射角を狭める。

シリンドリカルレンズ５４ｂは半円筒状のレンズであり、ロッドレンズ５４ａで垂直方向の放射角が狭められたレーザ光をコリメート光（平行光）に変換する。非球面レンズ５４ｃは、シリンドリカルレンズ５４ｂによって変換されたコリメート光を光ファイバ５３の入射端５３ａに集光する。

従来のレーザモジュール５１では、半導体レーザ５２から出射されたレーザ光Ｓは、光学素子５４で集光されて、光ファイバ５３の入射端５３ａから入射する。入射端５３ａから入射したレーザ光は、光ファイバ５３のコアを伝搬されて出射端５３ｂから出射する。光ファイバ５３の出射端５３ｂから出射したレーザ光は、例えば照射対象物５９を照射して、照射対象物５９の切断や溶接等の材料加工を行う。

しかし、このような従来のレーザモジュールでは、光ファイバ５３の入射端５３ａや出射端５３ｂ、更に出射端５３ｂの先の照射対象物５９等で反射して発生する光、いわゆる戻り光Ｎが、半導体レーザ５２に再入射する。

高出力の半導体レーザを用いたレーザモジュールで、戻り光Ｎが半導体レーザ５２に再入射すると、半導体レーザ５２の発振状態が不安定になる。この影響により、出力や波長が揺らいだり、半導体レーザ５２が故障してしまうことがある。

このような戻り光の影響を抑制するために、光アイソレータを利用することは良く知られている。しかし、特にレーザの出力が高い場合には、光アイソレータ自体が大型で高価なものとなるため、当然ながらレーザモジュール自体も大型で高価になってしまう。

このため、半導体レーザの出射光に偏光面に対して光軸がほぼ４５度傾くように１／４波長板を配置して、戻り光を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、光学異方性材料を用いることで光軸をずらして、戻り光を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１３３７９号公報 特開平２−２９７０７号公報

レーザモジュールで使用される１／４波長板としては、光源として高出力の半導体レーザを用いる場合、水晶を切り出したものが良く用いられる。しかし、水晶を切り出して作製された１／４波長板は高価なものとなるため、レーザモジュールも高価になるという問題がある。

また、光学異方性材料としては、方解石が良く用いられるが、方解石も高価なものであり、やはり、レーザモジュールが高価になるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、戻り光の影響を低減できるレーザモジュールを低コストで提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明のレーザモジュールは、半導体レーザと光ファイバを光学的に結合し、半導体レーザから出射された光を光ファイバで伝搬して、光ファイバの出射端から出射するレーザモジュールにおいて、半導体レーザから出射された光で特定の偏光面を有する偏光成分は透過すると共に、光ファイバの出射端側で発生し、光ファイバを伝搬されることで偏光面が変化した戻り光は遮断する偏光素子を、半導体レーザと光ファイバとの間の光路中に備えたものである。

本発明のレーザモジュールでは、半導体レーザから出射した光は偏光素子を透過し、光ファイバの入射端から入射する。光ファイバの入射端から入射した光は、光ファイバを伝搬されて出射端から出射する。光ファイバの出射端から出射した光は、照射対象物を照射して、材料加工等を行う。

半導体レーザから光ファイバに入射した光の一部は、出射端の端面で反射して光ファイバを伝搬される戻り光となる。また、光ファイバの出射端から出射した光の一部は、照射対象物で反射して出射端から光ファイバに入射して、光ファイバを伝搬される戻り光となる。

光ファイバを伝搬される光は偏光面が維持されないので、光ファイバの出射端側で発生した戻り光は、光ファイバを伝搬されることで偏光方向がランダムに変化する。偏光素子は、半導体レーザから出射される特定の偏光成分以外は反射するので、光ファイバを伝搬され、入射端から出射して偏光素子に入射した戻り光は、偏光素子で遮断されて半導体レーザには到達しない。

本発明によれば、半導体レーザと光ファイバの間の光路中に、半導体レーザから出射された光で特定の偏光面を有する偏光成分は透過する偏光素子を備えることで、半導体レーザから出射した光と偏光面の異なる光は、偏光素子で遮断することができる。

これにより、光ファイバの出射端側で発生して、光ファイバを伝搬されることで偏光面が変化した戻り光を、偏光素子で遮断することができるので、半導体レーザに到達する戻り光を低減することができる。そして、半導体レーザに到達する戻り光を低減できることで、半導体レーザの信頼性を向上させることができる。

更に、偏光素子は偏光ビームスプリッタで実現可能であり、偏光ビームスプリッタは安価でかつ小型であるので、戻り光の影響を低減したレーザモジュールを低コストで実現できる。また、レーザモジュールの小型化を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明のレーザモジュールの実施の形態について説明する。

＜本実施の形態のレーザモジュールの構成例＞
図１は本実施の形態のレーザモジュール１Ａの一例を示す構成図で、図１（ａ）はレーザモジュール１Ａの構成を模式的に示した平面図、図１（ｂ）はレーザモジュール１Ａの構成を模式的に示した側面図である。

本実施の形態のレーザモジュール１Ａは、レーザ光を出射する半導体レーザ２と、半導体レーザ２から出射した光を伝搬する光ファイバ３を備える。また、本実施の形態のレーザモジュール１Ａは、半導体レーザ２と光ファイバ３との間の光路Ｌに、半導体レーザ２から出射した光を光ファイバ３に光学的に結合させる光学素子４と、光ファイバ３を伝搬された戻り光を遮断する偏光ビームスプリッタ５を備える。

半導体レーザ２は、端面発光型の半導体レーザ（ＬＤ）で、例えばヒートシンク６を介して実装基板７に搭載される。半導体レーザ２は、図示しないドライバ素子に駆動されて、電気信号を光信号に変換して出射する。

光ファイバ３は、例えばマルチモードの光ファイバで、一方の端部側がファイバブロック８等によって位置決めされて、実装基板７に固定される。光ファイバ３は、半導体レーザ２から出射されたレーザ光が、一方の端部側の入射端３ａから入射する。入射したレーザ光は光ファイバ３の図示しないコアを伝搬されて他方の端部側の出射端３ｂから出射する。光ファイバ３は、用途に応じて所定の長さを有し、出射端３ｂから出射したレーザ光を集光するため、出射端３ｂ側に図示しないレンズ等の光学部品を備えても良い。

光学素子４は、半導体レーザ２の側から順に、例えば、ロッドレンズ４ａと、シリンドリカルレンズ４ｂと、非球面レンズ４ｃを備える。ロッドレンズ４ａは円筒状のレンズであり、半導体レーザ２から出射したレーザ光の垂直方向の放射角を狭める。

一般的に、端面発光型の半導体レーザ２は、垂直方向と水平方向でレーザ光の放射角が異なり、垂直方向の放射角が大きい。このため、ロッドレンズ４ａで、垂直方向の放射角を狭める。

シリンドリカルレンズ４ｂは半円筒状のレンズであり、ロッドレンズ４ａで垂直方向の放射角が狭められたレーザ光をコリメート光（平行光）に変換する。非球面レンズ４ｃは、シリンドリカルレンズ４ｂによって変換されたコリメート光を光ファイバ３の入射端３ａに集光する。

偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter: ＰＢＳ）５は、ガラスのプリズムの斜面に誘電体多層膜をコーティングして形成した反射面５ａを挟んで貼り合わせた立方体形状の光学ブロックで、ある特定の偏光面の光は透過し、透過する偏光に対して９０度傾いている偏光は反射面５ａで反射して遮断する。

偏光ビームスプリッタ５は、半導体レーザ２から出射されたレーザ光がコリメート光となっているシリンドリカルレンズ４ｂと非球面レンズ４ｃの間に配置される。そして、半導体レーザ２から出射したレーザ光が偏光ビームスプリッタ５を透過する際の透過率が最大となるように、偏光ビームスプリッタ５の向き等が設定される。具体的には、偏光ビームスプリッタ５を軸方向に回して透過率が最大となる角度で固定する。

通常、半導体レーザ２から出射するレーザ光は直線偏光であり、レーザ光の偏光面は半導体レーザ２のＰＮ接合面に平行な場合と垂直な場合がある。ここでは、例として偏光面がＰＮ接合面に平行な場合について説明する。

半導体レーザ２から出射されるレーザ光の偏光面がＰＮ接合面に平行な場合は、偏光ビームスプリッタ５は、偏光面が平行な直線偏光の透過率が最大となるような角度で配置することになる。半導体レーザ２から出射されるレーザ光は直線偏光であるから、角度を合わせれば偏光ビームスプリッタ５を透過する際のロスは１％程度あるいはそれ以下であり、半導体レーザ２から出射されたレーザ光のほとんどが偏光ビームスプリッタ５を透過して、光ファイバ３の入射端３ａに入射することになる。

さて、偏光ビームスプリッタ５は、通常、面に対して水平または垂直に偏光面が決まっているため、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の偏光面と合わせる場合は、偏光ビームスプリッタ５の向きを９０度回転させれば良く、設置が容易である。

＜本実施の形態のレーザモジュールの動作例＞
図２は本実施の形態のレーザモジュール１Ａの動作例を示す構成図で、次に、本実施の形態のレーザモジュール１Ａの動作について説明する。ここで、図２（ａ）はレーザモジュール１Ａの構成を模式的に示した平面図、図２（ｂ）はレーザモジュール１Ａの構成を模式的に示した側面図である。

半導体レーザ２は、図示しないドライバ素子に駆動されると、電気信号を光信号に変換して、レーザ光を出射する。半導体レーザ２から出射したレーザ光Ｓは、実線の矢印で示すように、ロッドレンズ４ａで垂直方向の放射角が狭められ、シリンドリカルレンズ４ｂを透過してコリメート光に変換される。シリンドリカルレンズ４ｂを透過したレーザ光Ｓは、偏光ビームスプリッタ５に入射する。上述したように、半導体レーザ２から出射するレーザ光Ｓは直線偏光で、偏光ビームスプリッタ５は、半導体レーザ２から出射したレーザ光Ｓの透過率が最大となるように向きが設定されているため、半導体レーザ２から出射して偏光ビームスプリッタ５に入射したレーザ光Ｓは、大部分が偏光ビームスプリッタ５を透過する。

偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光Ｓは、非球面レンズ４ｃを透過して光ファイバ３の入射端３ａに集光して、入射端３ａから光ファイバ３に入射する。入射端３ａから入射したレーザ光Ｓは、光ファイバ３を伝搬されて、出射端３ｂから出射する。そして、光ファイバ３の出射端３ｂから出射したレーザ光Ｓは、ワーク等と称される照射対象物９に照射されて、照射対象物９の切断や溶接等の材料加工が行われる。

さて、半導体レーザ２から出射したレーザ光Ｓは、光ファイバ３の入射端３ａ、出射端３ｂ、そして出射端３ｂの先の照射対象物９の表面等で反射して、二点鎖線の矢印で示す戻り光Ｎとなる。本発明においては、光ファイバ３の出射端３ｂ及び照射対象物９の表面で発生した戻り光Ｎが、いずれも光ファイバ３を往復して戻ってくることに着目している。すなわち、光ファイバ３をレーザ光Ｓが伝搬されると、その偏光面は維持されず、偏光比が小さくなることが知られている。

従って、光ファイバ３を往復した戻り光Ｎの偏光面は一定方向を向いてはおらず、さまざまな方向の偏光面を持った光の成分が混在した状態である。このため、さまざまな方向の偏光面を持った光の成分が混在した戻り光Ｎが光ファイバ３の入射端３ａから出射して偏光ビームスプリッタ５に入射すると、偏光面が半導体レーザ２から出射されるレーザ光Ｓとは異なる成分は偏光ビームスプリッタ５の反射面５ａで反射され、半導体レーザ２に到達しない。従って、戻り光Ｎによる影響を低減することが可能となる。

このように、半導体レーザ２と光ファイバ３の間に偏光ビームスプリッタ５を設置することで、光ファイバ３を伝搬された戻り光Ｎで、半導体レーザ２のレーザ光Ｓとは偏光面が異なる戻り光成分を除去することができる。

本例の構成では、光ファイバ３を伝搬された戻り光Ｎの５０％程度は除去できるため、半導体レーザ２の発振状態が不安定にならず、これにより、出力や波長が揺らいだり、半導体レーザ２が故障してしまうことを防ぐことができ、戻り光Ｎが半導体レーザ２に及ぼす影響を十分に低減して、信頼性を向上させることができる。

また、偏光ビームスプリッタ５は小型でかつ安価な光学部品であるので、レーザモジュール１Ａの小型化が可能であると共に、低コストで戻り光の影響を低減したレーザモジュール１Ａを提供可能となる。本実施の形態のレーザモジュール１Ａでは、汎用の偏光ビームスプリッタを利用でき、例えば、偏光ビームスプリッタ５の価格は、１／４波長板の半分程度、あるいはそれ以下であるので、戻り光の影響を低減したレーザモジュール１Ａを、１／４波長板を用いる場合と比較して、低コストで実現可能となる。

図３は比較例としてのレーザモジュールの一例を示す構成図で、図３（ａ）は比較例のレーザモジュール１１の構成を模式的に示した平面図、図３（ｂ）はレーザモジュール１１の構成を模式的に示した側面図である。ここで、図３において、図１で説明したレーザモジュール１Ａと同じ構成の要素については、同じ番号を付して説明する。

比較例のレーザモジュール１１は、半導体レーザ２と光ファイバ３との間の光路Ｌ中に、偏光ビームスプリッタに代えて、複屈折性の結晶を利用した非線形光学材料１２を備える。非線形光学材料１２は、半導体レーザ２から出射したレーザ光がロッドレンズ４ａ、シリンドリカルレンズ４ｂ及び非球面レンズ４ｃによってコリメート光となっている位置で、かつ、結晶の向きとして、半導体レーザ２から出射したレーザ光が複屈折によるビームずれ（ウォークオフ）を起こすような位置に配置される。

ウォークオフとは、複屈折性の結晶において、入射した光の偏光面の方向によって進行方向がずれて、出射光がいわゆる「常光線（または正常光線）」と、「異常光線」という偏光面が互いに直交する２つのビームに分離される現象である。

図４は非線形光学材料による光の分離動作を示す説明図である。ここで、本例でも、半導体レーザ２から出射されるレーザ光の偏光面が、半導体レーザ２のＰＮ接合面と平行な場合について説明する。図４において矢印Ｓｐは半導体レーザ２から出射されるレーザ光Ｓの偏光面の方向を示し、矢印Ｓｓはレーザ光Ｓの偏光面と直交する偏光面の方向を示す。なお、図４では、レンズ等の光学系は図示していない。

半導体レーザ２から出射した直線偏光のレーザ光Ｓは、図４（ａ）に示すように、ほとんどすべてが非線形光学材料１２を「常光線」として透過する。これに対して、上述したように、光ファイバ３の出射端３ｂ側で発生して、光ファイバ３を伝搬される戻り光Ｎは、その偏光面が一定方向ではなく、さまざまな方向の偏光面を持った光の成分が混在した状態である。これにより、図４（ｂ）に示すように、戻り光Ｎは、非線形光学材料１２を直進する常光線Ｎｒと、非線形光学材料１２で屈折する異常光線Ｎｉの２つの成分に分離される。

図５は変形例のレーザモジュール１１の動作例を示す構成図である。光ファイバ３を伝搬された戻り光Ｎが、非線形光学材料１２において常光線Ｎｒと異常光線Ｎｉの２つの成分に分離されることで、異常光線Ｎｉとして屈折した成分はもとの光軸から外れ、半導体レーザ２には到達しない。これにより、異常光線成分の分だけ戻り光Ｎを低減することができることになる。

但し、非線形光学材料１２としては、複屈折の大きな結晶が必要で、方解石や、ベータホウ酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が利用され、特に、方解石が良く利用されるが、偏光ビームスプリッタに比較すると高価な材料であり、結果として、レーザモジュールが高価になる。これに対して、本実施の形態のレーザモジュール１Ａは、偏光ビームスプリッタ５を利用することで、非線形光学材料を用いる場合と比較して、戻り光の影響を低減できるレーザモジュール１Ａを低コストで実現可能である。

＜本実施の形態のレーザモジュールの変形例＞
図６は本実施の形態のレーザモジュールの変形例を示す構成図で、図６（ａ）はレーザモジュール１Ｂの構成を模式的に示した平面図、図６（ｂ）はレーザモジュール１Ｂの構成を模式的に示した側面図である。ここで、図６において、図１で説明したレーザモジュール１Ａと同じ構成の要素については、同じ番号を付して説明する。

変形例のレーザモジュール１Ｂでは、半導体レーザ２に対向する偏光ビームスプリッタ５の入射面５ｂが、半導体レーザ２から出射されるレーザ光Ｓの光路に対して９０度の面から傾斜するように、偏光ビームスプリッタ５を傾斜させて配置する。

以上の構成では、半導体レーザ２から出射したレーザ光Ｓは、その大部分は偏光ビームスプリッタ５を透過して、光ファイバ３に入射する。そして、光ファイバ３に入射したレーザ光Ｓは、出射面３ｂから出射して、照射対象物９を照射する。

これに対して、半導体レーザ２から出射したレーザ光Ｓの一部は、偏光ビームスプリッタ５の入射面５ｂで反射して、戻り光Ｎ１となる。偏光ビームスプリッタ５は、入射面５ｂが半導体レーザ２からの光路に対して９０度の面から傾斜しているので、戻り光Ｎ１の光路は、半導体レーザ２の方向からずれて、戻り光Ｎ１は半導体レーザ２には戻らない。また、変形例のレーザモジュール１Ｂでは、偏光ビームスプリッタ５の全体を傾斜させて、入射面５ｂを光路に対して傾斜させているので、偏光ビームスプリッタ５の出射面側で発生する戻り光も、半導体レーザ２に戻らないようにすることができる。なお、偏光ビームスプリッタ５を傾斜させる角度としては、１〜２度程度が好ましい。

ここで、変形例のレーザモジュール１Ｂでも、光ファイバ３の出射端３ｂ側で発生した戻り光Ｎ２は、光ファイバ３を伝搬されることで偏光面が維持されず、さまざまな方向の偏光面を持った光の成分が混在することで、半導体レーザ２から出射されたレーザ光Ｓと偏光面が異なる戻り光Ｎ２は、偏光ビームスプリッタ５の反射面５ａで反射される。

これにより、変形例のレーザモジュール１Ｂでは、偏光ビームスプリッタ５の入射面５ｂで発生する戻り光Ｎ１と、光ファイバ３の出射端３ｂ側で発生する戻り光Ｎ２の双方を、半導体レーザ２に到達できないようにすることができ、戻り光が半導体レーザ２に及ぼす影響を更に低減することができる。

本発明は、半導体レーザから出射された光を光ファイバで導波して、加工の対象物を照射する半導体レーザを利用した加工装置等に適用される。

本実施の形態のレーザモジュールの一例を示す構成図である。 本実施の形態のレーザモジュールの動作例を示す構成図である。 比較例としてのレーザモジュールの一例を示す構成図である。 非線形光学材料による光の分離動作を示す説明図である。 変形例のレーザモジュール１１の動作例を示す構成図である。 本実施の形態のレーザモジュールの変形例を示す構成図である。 従来のレーザモジュールの一例を示す構成図である。

符号の説明

１・・・レーザモジュール、２・・・半導体レーザ、３・・・光ファイバ、３ａ・・・入射端、３ｂ・・・出射端、４・・・光学素子、４ａ・・・ロッドレンズ、４ｂ・・・シリンドリカルレンズ、４ｃ・・・非球面レンズ、５・・・偏光ビームスプリッタ、６・・・ヒートシンク、７・・・実装基板、８・・・ファイバブロック

Claims (4)

1. 半導体レーザと光ファイバを光学的に結合し、半導体レーザから出射された光を光ファイバで伝搬して、光ファイバの出射端から出射するレーザモジュールにおいて、
   前記半導体レーザから出射された光で特定の偏光面を有する偏光成分は透過すると共に、前記光ファイバの出射端側で発生し、前記光ファイバを伝搬されることで偏光面が変化した戻り光は遮断する偏光素子を、前記半導体レーザと前記光ファイバとの間の光路中に備えた
   ことを特徴とするレーザモジュール。
2. 前記偏光素子は、光を透過する光学ブロックに、誘電体多層膜を備えて構成される偏光ビームスプリッタである
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
3. 前記偏光素子は、前記半導体レーザから出射されるレーザ光の透過率が最も高くなるように配置される
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
4. 前記偏光素子の前記半導体レーザと対向する入射面を、前記入射面で反射した光の光路が、前記半導体レーザの方向とずれる方向に傾斜させた
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザモジュール。
   

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