JP2008251785A - レーザ素子を備えた発光モジュール、この発光モジュールを備えたレーザ加工用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレーザ素子からの出射光の合成効率が低下しない発光モジュールを提供するとともに、この発光モジュールからの出射光の合成効率が低下しなく、かつ該発光モジュールを追加するのみで合成出力をアップできるレーザ加工用光源を提供する。
【解決手段】本発明の発光モジュール１０は複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光が合成されて単一光として出力する。そして、基板１１と、この基板１１上に一列に配列された複数のレーザ素子１２ａと、複数のレーザ素子１２ａから出射された複数のレーザ光をそれぞれ伝搬させる複数の光導波路１４ａと、複数の光導波路１４ａを伝搬する複数のレーザ光の位相を調整する位相調整器１５と、位相調整器１５により同位相となった複数のレーザ光を合成して単一光とする合成部と、合成部により単一光となった出力光を出力する光コネクタ１６とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一列に配列された複数のレーザ素子から出射されたレーザ光が単一光として出力される発光モジュール、およびこの発光モジュールの複数個から出射されたレーザ光が単一光として出力されるレーザ加工用光源に関する。

金属等の材料の溶接や溶断や穴開けなどの加工処理を効率よく行うための光源用として高出力のレーザダイオードが使用されるようになり、特に、高出力のレーザ光を発生することができるレーザダイオードモジュールが求められるようになった。これらの要望に応えるために、レーザダイオードの高出力化が進んでいる。この高出力化の手段として、レーザ光を発生する活性領域をひとつのチップの中に横方向に並べて形成したレーザダイオードバーが開発されている。

図７はレーザダイオードバー５０を示す斜視図である。このレーザダイオードバー５０の大きさは、一般的に１０ｍｍ（幅：ｌ）×（１．０〜１．５）ｍｍ（共振器長：ｗ）×（１００〜１５０）μｍ（厚さ：ｔ）程度である。レーザダイオードバー５０の上下面は電極面５１となっており、レーザダイオードバーの側面の一方がレーザ光を出力する発光面５２となっている。発光面５２の上に発光領域５３が幅方向に一列に配置されており、発光領域５３の個数及び幅は必要な出力により最適化されて設計されている。そして、上下の電極面５１を介して電圧が印加されることにより発光領域５３が発光する。現在の所、出力が１０Ｗから１００Ｗ程度のものが市販されている。

近年、このようなレーザダイオードバーを実装したレーザ装置が特許文献１（特開平１０−２０９５３１号公報）や特許文献２（特開２００１−３３４３８２号公報）や特許文献３（特開２００６−２４７６９６号公報）にて提案されるようになった。図８は特許文献１に示されているレーザダイオードバーを実装したレーザ装置であって、このレーザ装置６０は、ヒートシンクにレーザダイオードを実装したものを、縦方向に積層した積層体６１である。モジュールの基本構成は、下部電極を兼ねる水冷のヒートシンク６２にレーザダイオードバー６３がソルダー層を介して実装されており、レーザダイオードの上部電極と、ヒートシンク６２との絶縁のために設けられたラバーシート６４上に設置された金属シート６５は、ボンディングワイヤー６６で配線されている。

図９は特許文献２に示されているレーザダイオードバーを実装したレーザ装置であって、このレーザ装置７０は、複数のレーザダイオードバー７４をその発光部が直列に並ぶように配置したレーザ素子集合体７１から出射されるレーザビームＢを、シリンドリカルレンズ７２により線状に集光し、移動機構７３によって管材Ｐを周方向へ回動させ、シリンドリカルレンズ７２を経て管材Ｐへ照射されるビーム入射位置を、管材Ｐのビーム照射面に沿い且つビーム長手方向に交差する方向へ逐次移動させて、レーザビームＢを走査するようにしている。

図１０は特許文献３に示されているレーザダイオードバーを実装したレーザ装置であって、このレーザ装置８０は、レーザダイオードバー８１を複数積層せしめて形成したレーザ発振器８３と、このレーザ発振器８３と被加熱物８４との間に介挿した光学レンズ系８５とよりなる。この光学レンズ系８５は、レーザ発振器８３の速軸方向では各レーザダイオードバー８１のレーザ出口に設けたコリメートレンズ８６と、被加熱物８４側に向かうに従って順番に配置せしめた凸レンズ８７、フライアイレンズ８８とよりなる。そして、コリメートレンズ８６により出た平行光を、凸レンズ８７、フライアイレンズ８８を通過せしめた後に集光せしめてからデフォーカスして被加熱物８４に照射させる。これにより、レーザ発振器８３の遅軸方向ではレーザ出口から出たレーザ光を出射角度のまま第１の絞りにより整形し被加熱物８４に照射せしめ、レーザ発振器８３の速軸方向での光学レンズ系８５の集光点近傍にレーザ光を通過する第２の絞り８９を有する。
特開平１０−２０９５３１号公報 特開２００１−３３４３８２号公報 特開２００６−２４７６９６号公報

しかしながら、上述した各特許文献１〜３にて提案された各レーザ装置においては、１つのチップに複数の光源を備えたレーザダイオードバーを用いているため、該レーザダイオードバーにハイパワーを入力した場合の損失が大きい。このため、この損失に基づく温度上昇も大きく、材質を劣化させるという問題を生じた。また、この種のレーザダイオードバーでの発熱は大きいため、大容量のヒートシンクが必要になり、極端な場合には、水冷装置が必要になるという問題を生じた。

また、各レーザダイオードバーの個々の光源からの出力光は位相調整がなされないとともに、これらの合成の出力光も位相調整がなされることがない。このため、これらの各レーザダイオードバーからの出力光を合成しても、光損失が大きく、所望の合成光が得られないという問題を生じた。また、合成光のパワーを増加させるためにはレーザダイオードバーの積層本数を増加させた新たなレーザ装置を用意する必要があり、今までのレーザ装置が無駄になるという問題も生じた。

さらに、光路が空間となるため、安全対策が実施しにくいという問題も生じた。また、集光レンズを用いた場合には、各ビームと集光レンズとの機械的な位置調整を実施する必要があるが、この機械的な位置調整は非常に難しいという問題も生じた。また、集光レンズは大型にする必要があるため、高価になるという問題も生じた。

本発明は上述したような問題点を解消するためになされものであって、複数のレーザ素子からの出射光の合成効率が低下しない発光モジュールを提供するとともに、この発光モジュールからの出射光の合成効率が低下しなく、かつ該発光モジュールを追加するのみで合成出力をアップできるレーザ加工用光源を提供することを目的とする。

本発明は上記の如き課題を解消するためになされたものであって、複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光が合成されて単一光として出力される本発明の発光モジュールは、基板と、この基板上に一列に配列された複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光をそれぞれ伝搬させる複数の光導波路と、複数の光導波路を伝搬する複数のレーザ光の位相を調整する位相調整器と、位相調整器により同位相となった複数のレーザ光を合成して単一光とする合成部と、単一光を出力する光コネクタとを備えている。

このように、複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光を位相調整器により同位相となった複数のレーザ光を合成して単一光として出力するようにすると、光損失を極力抑制することが可能となる。これにより、光の合成効率を低下させることなく単一光として合成した光の出力を増大させることが可能となる。この場合、１枚の基板内で複数のレーザ光を合成することが可能となり、この種の発光モジュールの小型化が可能になるとともに、製造工程の簡略化が可能となるので、その製造も容易となる。

ここで、基板は高熱伝導性を有する積層基板からなると、複数のレーザ素子で生じた発熱を基板を介して容易に基板より外部に伝達できるようになる。そして、一列に配列された複数のレーザ素子の下部に冷却装置が配設されていると、基板に伝達した複数のレーザ素子で生じた発熱を容易に放熱することが可能となって、温度変化に起因するレーザ素子の周波数変動を未然に防止することが可能となる。

また、本発明は上述した複数個の発光モジュールがバックプレートに挿入されて形成されたレーザ加工用光源であって、バックプレートは、複数個の発光モジュールを挿入するための複数個のスロットと、スロット内に配置されて発光モジュールからの出力光の光路を変換する光路変換手段と、光路変換手段により光路が変換された光を伝搬させる複数の光導波路と、複数の光導波路を伝搬した複数のレーザ光を合成して単一光とする合成部と、単一光を出力する光コネクタとを備えたことを特徴とする。

これにより、複数個の発光モジュールをバックプレートに形成されたスロットに挿入するだけで、レーザ加工に適したハイパワーの出力光を得ることが可能となる。また、発光モジュール内で位相調整されているので、バックプレートにおいては光導波路の各光路長を等しくするだけですむ。これにより、レーザ加工用光源としての構造を単純化できて、組み立てが容易で、歩留まりも向上し、かつ信頼性の向上したレーザ加工用光源が得られるようになる。また、バックプレートに対して、発光モジュールを追加したり削除したりして、必要に応じた枚数の発光モジュールを用いるだけで、必要とするパワーのレーザ加工用光源を得ることが可能となる。

この場合、バックプレートに形成されたスロット内に配置された光路変換手段は、入射光が全反射できるような反射面を有していて、発光モジュールからの出射光を全反射して光導波路に入射できるようになされていると、光路変換部での光損失を極力抑制することが可能となる。

上述したように、本発明の発光モジュールにおいては、合成効率を低下させることなく単一光として合成した光の出力を増大させることが可能となる。また、このような発光モジュールを用いた本発明のレーザ加工用光源においては、バックプレートのスロットに挿入する発光モジュールの個数を調整するだけで、容易にその出力を調整することが可能となる。

ついで、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、図１は本発明の実施例１の発光モジュールを模式的に示す上面図である。図２は本発明の実施例１の発光モジュールを模式的に示す断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面を示す図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面を示す図である。図３は本発明の実施例２の発光モジュールを模式的に示す上面図である。図４は本発明の実施例２の発光モジュールを模式的に示す断面図であり、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面を示す図であり、図４（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。図５は本発明の発光モジュールを備えたレーザ加工用光源を模式的に示す斜視図である。図６は、図５に示すレーザ加工用光源の要部であるＡ−Ａ断面を拡大して示す断面図である。

１．発光モジュール
（１）実施例１
本実施例１の発光モジュール１０は光・電気複合配線板からなり、図１および図２に示すように、高熱伝導性基板１１の一方の表面（図１，図２の場合は上部表面）に形成された光配線部１０ａと、同基板１１の他方の表面（図１，図２の場合は下部表面）に形成された電気配線部１０ｂとからなる。光配線部１０ａは、所定の光を出射するＬＤアレイ１２と、このＬＤアレイ１２から出射された出力光を集光するレンズアレイ１３と、このレンズアレイ１３からの出力光を導くアレイ光導波路１４と、アレイ光導波路１４の各光導波路１４ａを伝搬した光の位相を調整する位相調整器１５と、出力光を外部に出射するための接続部を有する光コネクタ１６とを備えている。

ここで、高熱伝導性基板１１は低熱膨張率で熱伝導性が良好（高熱伝導性）なアルミニウム積層板等から形成されている。ＬＤアレイ１２は複数個のレーザ素子（ＬＤ）１２ａが１列に配列されて形成されていて、これらの出射側に配置されたレンズアレイ１３によりアレイ光導波路１４の各光導波路１４ａに集光されるようになされている。レンズアレイ１３はＬＤアレイ１２の各レーザ素子（ＬＤ）１２ａに１対１に対応するように配置された複数の集光レンズ１３ａにより形成されている。

アレイ光導波路１４は基板１１の表面に複数列となるように形成された各コア材（例えば、使用波長で光吸収が少ないフッ素化ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ樹脂などのポリマ材料や石英からなる）の周囲がクラッド材（例えば、光ファイバー接合用のゲル化剤や熱硬化性エポキシ樹脂などからなる）により被覆形成されていて、複数列の光導波路１４ａ，１４ａ・・・が形成されるようになされている。この場合、光路長差は後述する位相調整器１５でキャンセルされることとなるので、特に、考慮する必要はない。そして、各光導波路１４ａの幅（コア径）が５０〜１００μｍになるように形成されている。

位相調整器１５はアレイ光導波路１４の各光導波路１４ａからの出力光の光路長を変化させることにより位相調整するようになされている。この場合、例えば、各光導波路１４ａからの出力光を位相調整器１５のグラスファイバー（図示せず）に導き、このグラスファイバーに紫外線を照射することにより、グラスファイバーの屈折率を変化させて光路長を変化させるようにしている。なお、ミラーを用いて何回も反射を繰り返させることにより、光路長を変化させるようにしてもよい。また、位相調整器１５は、位相調整器１５から出力された出力光を導波路上で合成させて単一の出力光とする合成部（図示せず）も備えている。そして、合成部から出力された単一の出力光は出力用光導波路１４ｂを介して光コネクタ１６に入射するようになされている。なお、出力用光導波路１４ｂの出力端面は研磨仕上げされていて端面に対して垂直方向に出射されるようになされている。また、光をコリメートするために出力端面に光学マイクロレンズを実装することもある。

この場合、合成部から出力された合成光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように制御するために、その出力光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化するための信号を位相調整器１５に付与するパワーモニター１５ａと、位相調整器１５から出力された合成光の一部を反射させてパワーモニター１５ａに入力させるハーフミラー１５ｂとが位相調整器１５の出力側に配置されている。なお、出力光のトータルパワー（Ｗ）の最大値はレーザ素子（ＬＤ）１２ａの１個当たりの出力値（ｍＷ）からＬＤアレイ１２の理論最大出力値が予め求められていて、この理論最大出力値に近い値になるように、紫外線の照射量を制御するようになされている。また、紫外線の照射は各光導波路１４ａ毎に行うようになされている。光コネクタ１６は後述するバックプレーン３０に形成されたアレイ光導波路３２に接続されるように形成されている。

一方、電気配線部１０ｂは、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）パターン１７と、ＬＤアレイ１２を冷却する複数のペルチェ素子からなる熱電モジュール１８とからなる。この場合、熱電モジュール１８はヒートシンク１８ａに接合されているとともに、ヒートシンク１８ａでの放熱を良好にするための放熱ファン１８ｂが設けられている。なお、熱電モジュール１８と、ヒートシンク１８ａと、放熱ファン１８ｂとで冷却装置が構成されることとなる。そして、冷却効率をよくするために、熱電モジュール１８は熱伝導性が良好（高熱伝導性）な接着剤やハンダやグリースやロー材によるロー付けにより、基板１１に形成されたＰＣＢパターン１７に接合されている。

ついで、上述のような構成となる光・電気複合配線板からなる実施例１の発光モジュール１０の動作を以下に説明する。まず、ＬＤアレイ１２の各レーザ素子（ＬＤ）１２ａに電源が印加されることにより、各レーザ素子（ＬＤ）１２ａからレーザ光が出射されて、その出力光がレンズアレイ１３の各集光レンズ１３ａにより集光されてアレイ光導波路１４の各光導波路１４ａに入射することとなる。ここで、アレイ光導波路１４の各光導波路１４ａに入射した光は各光導波路１４ａをそれぞれ伝搬して位相調整器１５に到達することとなる。

各光導波路１４ａを伝搬して位相調整器１５に到達すると、到達した光は位相調整器１５の合成部の導波路上で合成されて単一の合成出力光として出射され、この合成出力光の一部はハーフミラー１５ｂにより反射されてパワーモニター１５ａに入力される。これにより、パワーモニター１５ａは、出力光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化するための信号を位相調整器１５に付与される。この結果、位相調整器１５の合成部で合成された単一の合成出力光のトータルパワー（Ｗ）は最大になるように最適化されて、光コネクタ１６よりこの発光モジュール１０の外部に出射されることとなる。

（２）実施例２
本実施例２の発光モジュール２０も光・電気複合配線板からなり、図３および図４に示すように、高熱伝導性基板２１の一方の表面（図３，図４の場合は上部表面）に形成された電気配線部２０ａと、同基板２１の他方の表面（図３，図４の場合は下部表面）に形成された光配線部２０ｂとからなる。電気配線部２０ａは、基板２１の一方の表面に形成されたＰＣＢ（Printed Circuit Board）パターン２２と、所定の光を出射するＬＤアレイ２３と、このＬＤアレイ２３から出射された出力光を集光するレンズアレイ２４と、ＬＤアレイ２３を冷却する熱電モジュール２５と、レンズアレイ２３からの出力光の方向を垂直に変換する第１反射板２６ａとからなる。

ここで、高熱伝導性基板２１は、実施例１と同様に、低熱膨張率で熱伝導性が良好（高熱伝導性）なアルミニウム積層板等から形成されている。ＬＤアレイ２３は複数個の半導体レーザ素子（ＬＤ）２３ａからなり、これらの出射側に配置されたレンズアレイ（各レーザ素子（ＬＤ）毎に配置された複数の集光レンズ２４ａからなる）２４により第１反射板２６ａに集光されるようになされている。レンズアレイ２４はＬＤアレイ２３の各レーザ素子（ＬＤ）２３ａに１対１に対応するように配置された複数の集光レンズ２４ａにより形成されている。第１反射板２６ａはＬＤアレイ２３より出射され、かつレンズアレイ２４により平行光になされた出力光を垂直方向（この場合は、基板２１に対して９０度下側）に変換するために配置されている。

熱電モジュール２５はＬＤアレイ２３を冷却するために設けており、ＰＣＢパターン２２の上に固着されていて、この熱電モジュール２５の上にＬＤアレイ２３が配置されるようになされている。そして、冷却効率をよくするために、熱電モジュール２５は熱伝導性が良好（高熱伝導性）な接着剤やハンダやグリースやロー材によるロー付けにより、基板２１に形成されたＰＣＢパターン２２に接合されている。なお、基板２１の一部に長方形状の切欠部２６が形成されていて、この切欠部２６の上部に第１反射板２６ａが配設されている。

一方、光配線部２０ｂは、第１反射板２６ａからの反射光を水平方向（この場合は、基板２１と平行な方向）に変換するために、切欠部２６の下部に配置された第２反射板２６ｂと、第２反射板２６ｂで反射された出力光を導くアレイ光導波路２７と、アレイ光導波路２７の各光導波路２７ａを伝搬した光の位相を調整する位相調整器２８と、出力光を外部に出射するための接続部を有する光コネクタ２９とを備えている。また、光配線部２０ｂには、熱電モジュール２５の下部に位置する基板に接合されていて、熱電モジュール２５からの熱を放熱するヒートシンク２５ａと、ヒートシンク２５ａでの放熱を良好にするための放熱ファン２５ｂが設けられている。なお、熱電モジュール２５と、ヒートシンク２５ａと、放熱ファン２５ｂとで冷却装置が構成されることとなる。

ここで、アレイ光導波路２７は基板２１の表面に複数列となるように形成された各コア材（例えば、使用波長で光吸収が少ないフッ素化ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ樹脂などのポリマ材料や石英からなる）の周囲がクラッド材（例えば、光ファイバー接合用のゲル化剤や熱硬化性エポキシ樹脂などからなる）により被覆形成されていて、複数列の光導波路２７ａ，２７ａ・・・が形成されるようになされている。この場合、各光導波路２７ａの幅（コア径）が５０〜１００μｍになるように形成されている。

位相調整器２８はアレイ光導波路２７の各光導波路２７ａからの出力光の光路長を変化させることにより位相調整するようになされている。この場合、例えば、アレイ光導波路２７の各光導波路２７ａからの出力光をグラスファイバーに導き、このグラスファイバーに紫外線を照射することにより、グラスファイバーの屈折率を変化させて光路長を変化させるようにすればよい。あるいは、ミラーを用いて何回も反射を繰り返させることにより、光路長を変化させるようにしてもよい。なお、位相調整器２８は、位相調整器２８から出力された出力光を導波路上で合成させて単一の出力光とする合成部（図示せず）を備えている。そして、合成部から出力された単一の出力光は出力用光導波路２７ｂを介して光コネクタ２９に入射するようになされている。なお、出力用光導波路２７ｂの出力端面は研磨仕上げされていて端面に対して垂直方向に出射されるようになされている。また、光をコリメートするために出力端面に光学マイクロレンズを実装することもある。

この場合、合成部から出力された合成光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように制御するために、その出力光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化するための信号を位相調整器２８に付与するパワーモニター２８ａと、位相調整器２８から出力された合成光の一部を反射させてパワーモニター２８ａに入力させるハーフミラー２８ｂとが位相調整器２８の出力側に配置されている。なお、出力光のトータルパワー（Ｗ）の最大値はレーザ素子（ＬＤ）２３ａの１個当たりの出力値（ｍＷ）からＬＤアレイ２３の理論最大出力値が予め求められていて、この理論最大出力値に近い値になるように、紫外線の照射量を制御するようになされている。また、紫外線の照射は各光導波路２７ａ毎に行うようになされている。光コネクタ２９は後述するバックプレーン３０に形成されたアレイ光導波路３２に接続されるように形成されている。

ついで、上述のような構成となる光・電気複合配線板からなる実施例２の発光モジュール２０の動作を以下に説明する。まず、ＬＤアレイ２３の各レーザ素子（ＬＤ）２３ａに電源が印加されることにより、各レーザ素子（ＬＤ）２３ａからレーザ光が出射されて、その出力光がレンズアレイ２４の各集光レンズ２４ａにより集光されて平行光となる。この平行光は切欠部２６の上部に配置された第１反射板２６ａにより垂直方向（この場合は、基板２１に対して９０度下側）に変換された後、切欠部２６の下部に配置された第２反射板２６ｂにより水平方向（この場合は、基板２１と平行な方向）に変換される。

そして、第２反射板２６ｂにより水平方向に変換された反射光はアレイ光導波路２７の各光導波路２７ａに入射することとなる。ここで、アレイ光導波路２７の各光導波路２７ａに入射した光は各光導波路２７ａをそれぞれ伝搬して位相調整器２８に到達することとなる。各光導波路２７ａを伝搬して位相調整器２８に到達すると、到達した光は位相調整器２８の合成部の導波路上で合成されて単一の合成出力光として出射され、この合成出力光の一部はハーフミラー２８ｂにより反射されてパワーモニター２８ａに入力される。これにより、パワーモニター２８ａは、出力光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化するための信号を位相調整器２８に付与される。
この結果、位相調整器２８の合成部で合成された単一の合成出力光のトータルパワー（Ｗ）は最大になるように最適化されて、光コネクタ２９よりこの発光モジュール２０の外部に出射されることとなる。

２．レーザ加工用光源
ついで、上述のような構成となる発光モジュール１０（２０）を用いてレーザ加工用光源１００を構成する例について、図５および図６に基づいて以下に説明する。
本発明のレーザ加工用光源１００は、図５および図６に示すように、上述した発光モジュール１０（２０）の光導波路１４ａ（２７ａ）とほぼ同様な複数の光導波路３３が形成された光バックプレーン３０を備えており、この光バックプレーン３０に形成されたスロット３２内に所定の枚数の発光モジュール１０（２０）を挿入することにより、レーザ加工用光源１００が形成されることとなる。

ここで、光バックプレーン３０は、図６に示すように、高熱伝導性基板３１と、この高熱伝導性基板３１の所定の部位に形成された複数のスロット３２と、各スロット３２に挿入された発光モジュール１０（２０）の光コネクタ１６（２９）より出射された光を導く複数の光導波路３３と、これらの光導波路３３を被覆するクラッド３４と、発光モジュール１０（２０）の光コネクタ１６（２９）より出射された光の光路を水平方向に変換する光路変換手段となる反射鏡３５と、出力用の光コネクタ３６とから構成されている。なお、スロット３２は光コネクタを兼用するように形成されている。また、光コネクタ３６には光ファイバ３７が接続され、その先端の光コネクタ３８によりレーザ加工機に接続されることとなる。

高熱伝導性基板３１は低熱膨張率で熱伝導性が良好（高熱伝導性）なアルミニウム積層板等から形成されている。光コネクタを兼用するスロット３２の入り口には図示しない固定用レバーが配設されていて、挿入された発光モジュール１０（２０）を固定するようになされている。そして、スロット３２の内部にはスロット３２の側壁面に対して約４５度のカット面となるように反射鏡（光路変換手段）３５が配設されていて、発光モジュール１０（２０）の光コネクタ１６（２９）より出射された光を全反射させ、その光路を水平方向に変換して光導波路３３に入射するようになされている。

光導波路３３は使用波長で光吸収が少ないフッ素化ポリイミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、エポキシ樹脂などのポリマ材料や石英などの材質により基板３１の表面に形成されていて、各発光モジュール１０（２０）の光コネクタ１６（２９）が収容される位置から光コネクタ３８に向けて形成されている。光導波路３３の周囲はクラッド材（例えば、光ファイバー接合用のゲル化剤や熱硬化性エポキシ樹脂などからなる）３４により被覆されている。この場合、複数の光導波路３３の各光路長が等しくなるように形成されていてこれらを伝搬する光が合成されて光コネクタ３８より出力されるようになされている。

なお、複数の光導波路３３の各光路長が等しくない場合は、合成出力が位相調整されるように、上述した実施例１，２に記載の各発光モジュール１０（２０）とほぼ同様な位相調整部を設けるのが望ましい。また、反射鏡３５の反射面にはアルミニウム（Ａｌ）や白金（Ｐｔ）やクロム（Ｃｒ）等の薄膜からなる蒸着層が形成されていて、使用波長の吸収を少なくして光を全反射させるようにしている。さらに、各発光モジュール１０（２０）の光コネクタ１６（２９）の先端部と光導波路３３の先端部と反射鏡３５とで囲われた部位には、光損失を最小にするための充填剤（例えば、カップリングゲル）を充填するのが望ましい。

ついで、上述のような構成となるレーザ加工用光源１００の動作を説明するが、この場合、実施例１の発光モジュール１０を用いた場合のレーザ加工用光源１００の動作について以下に説明する。まず、光バックプレーン３０に形成された各スロット３２内に発光モジュール１０を挿入して、所定の枚数の発光モジュール１０が挿入されて所定の光出力が得られるレーザ加工用光源１００を構成する。ついで、これらの発光モジュール１０のＬＤアレイ１２の各レーザ素子（ＬＤ）１２ａに電源を印加すると、各レーザ素子（ＬＤ）１２ａからレーザ光が出射されて、その出力光がレンズアレイ１３の各集光レンズ１３ａにより集光されてアレイ光導波路１４の各光導波路１４ａに入射することとなる。ここで、アレイ光導波路１４の各光導波路１４ａに入射した光は各光導波路１４ａをそれぞれ伝搬して位相調整器１５に到達することとなる。

各光導波路１４ａを伝搬して位相調整器１５に到達すると、到達した光は位相調整器１５の合成部の導波路上で合成されて単一の合成出力光として出射され、この合成出力光の一部はハーフミラー１５ｂにより反射されてパワーモニター１５ａに入力される。これにより、パワーモニター１５ａは、出力光のトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化するための信号を位相調整器１５に付与される。この結果、位相調整器１５の合成部で合成されてトータルパワー（Ｗ）が最大になるように最適化された単一の合成出力光が出力用光導波路１４ｂおよび光コネクタ１６を介して、光バックプレーン３０に形成された各スロット３２内に出射されることとなる。

単一の合成出力光が各スロット３２内に出射されると、各スロット３２内に設けられた反射鏡３５により光の光路は水平方向に変換されて、各スロット３２に対応して設けられたそれぞれの光導波路３３に入射することとなる。この場合、各光導波路３３の各光路長が等しくなるように形成されているので、これらを伝搬する光は位相調整することなく合成されて、単一の合成出力光として光コネクタ３６より出力されるようになされている。これにより光コネクタ３６より、光ケーブル３７および光コネクタ３８を介してレーザ加工装置に入力されることとなる。

なお、上述した実施の形態においては、本発明の発光モジュールを用いてレーザ加工用光源を得る例について説明したが、本発明の発光モジュールはレーザ加工用光源に限らず、光通信の合分波デバイスなどにも用いることが可能である。

本発明の実施例１の発光モジュールを模式的に示す上面図である。 本発明の実施例１の発光モジュールを模式的に示す断面図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面を示す図であり、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面を示す図である。 本発明の実施例２の発光モジュールを模式的に示す上面図である。 本発明の実施例２の発光モジュールを模式的に示す断面図であり、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面を示す図であり、図４（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面を示す図である。 実施例１の発光モジュールを備えたレーザ加工用光源を模式的に示す斜視図である。 図５に示すレーザ加工用光源の要部であるＡ−Ａ断面を拡大して示す断面図である。 従来例のレーザダイオードバーを模式的に示す斜視図である。 従来例のレーザダイオードバーを実装したレーザ装置を模式的に示す斜視図である。 従来例のレーザダイオードバーを実装したレーザ装置を模式的に示す斜視図である。 従来例のレーザダイオードバーを実装したレーザ装置を模式的に示す概念図である。

符号の説明

１０…発光モジュール、１０ａ…光配線部、１０ｂ…電気配線部、１１…高熱伝導性基板、１２…ＬＤアレイ、１２ａ…レーザ素子（ＬＤ）、１３…レンズアレイ、１３ａ…集光レンズ、１４…アレイ光導波路、１４ａ…光導波路、１４ｂ…光導波路、１５…位相調整器、１５ａ…パワーモニター、１５ｂ…ハーフミラー、１６…光コネクタ、１７…ＰＣＢパターン、１８…熱電モジュール、１８ａ…ヒートシンク、１８ｂ…放熱ファン、２０…発光モジュール、２０ａ…電気配線部、２０ｂ…光配線部、２１…高熱伝導性基板、２２…ＰＣＢパターン、２３…ＬＤアレイ、２４…レンズアレイ、２４ａ…集光レンズ、２５…熱電モジュール、２５ａ…ヒートシンク、２５ｂ…放熱ファン、２６…切欠部、２６ａ…第１反射板、２６ｂ…第２反射板、２７…アレイ光導波路、２７ａ…光導波路、２８…位相調整器、２８ａ…パワーモニター、２８ｂ…ハーフミラー、２９…光コネクタ、３０…光バックプレーン、３１…高熱伝導性基板、３２…スロット、３３…光導波路、３４…クラッド、３５…反射鏡、３６…光コネクタ、３７…光ケーブル、３８…光コネクタ、１００…レーザ加工用光源

Claims (6)

1. 複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光が合成されて単一光として出力される発光モジュールであって、
   基板と、
   前記基板上に一列に配列された複数のレーザ素子と、
   前記複数のレーザ素子から出射された複数のレーザ光をそれぞれ伝搬させる複数の光導波路と、
   前記複数の光導波路を伝搬する複数のレーザ光の位相を調整する位相調整器と、
   前記位相調整器により同位相となった複数のレーザ光を合成して単一光とする合成部と、
   前記単一光を出力する光コネクタとを備えたことを特徴とする発光モジュール。
2. 前記基板は高熱伝導性を有する積層基板からなることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記一列に配列された複数のレーザ素子の下部に当該レーザ素子を冷却するための冷却装置が配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の複数個の発光モジュールがバックプレートに挿入されて形成されたレーザ加工用光源であって、
   前記バックプレートは前記発光モジュールを挿入するための複数個のスロットと、
   前記スロット内に配置されていて前記発光モジュールからの出力光の光路を変換する光路変換手段と、
   前記光路変換手段により光路が変換された光を伝搬させる複数の光導波路と、
   前記複数の光導波路を伝搬した複数のレーザ光を合成して単一光とする合成部と、
   前記単一光を出力する光コネクタとを備えたことを特徴とするレーザ加工用光源。
5. 前記複数の光導波路の各光路長は等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工用光源。
6. 前記光路変換手段は前記発光モジュールからの出力光が全反射できるような反射面を有していて、その全反射光を前記光導波路に入射できるようになされていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーザ加工用光源。

Images