JP2012138554A - Light source device - Google Patents
Light source device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012138554A JP2012138554A JP2010291766A JP2010291766A JP2012138554A JP 2012138554 A JP2012138554 A JP 2012138554A JP 2010291766 A JP2010291766 A JP 2010291766A JP 2010291766 A JP2010291766 A JP 2010291766A JP 2012138554 A JP2012138554 A JP 2012138554A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- region
- light
- optical
- refractive index
- light source
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、複数の光源から出射されるレーザ光を合成して集光し、高出力のレーザ光を出射させる光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device that combines and collects laser beams emitted from a plurality of light sources and emits high-power laser beams.
レーザ光源を用いた加工用、マーク用の光源装置は、高出力なスポットが得られるレーザ光が必要なため、YAG、ルビーなどの固体レーザや、CO2、He−Ne、エキシマレーザなどの気体レーザが主として光源として用いられている。しかし、これらは光源自体の大きさが大きいため、それらを搭載した装置も大きくなり、運搬や設置などの取り扱いに大きな工数が必要となる。また、光源が高価なため、装置が高コストとなり、導入が難しいことが課題となっている。そのため、小型軽量で取り扱いが容易で安価な半導体レーザを光源として用いることが望まれている。 For processing using the laser light source, the light source device of the marks, because the required laser beam of high output spot can be obtained, YAG, solid-state laser and a ruby, CO 2, He-Ne, a gas such as an excimer laser Lasers are mainly used as light sources. However, since the size of the light source itself is large, the apparatus on which the light source is mounted becomes large, and a large man-hour is required for handling such as transportation and installation. Moreover, since the light source is expensive, the apparatus is expensive and difficult to introduce. Therefore, it is desired to use a semiconductor laser that is small, light, easy to handle, and inexpensive as a light source.
半導体レーザは、半導体積層構造中にクラッド層に挟まれた厚さ数ミクロン程度の活性層を有し、この活性層からレーザ光を出射させるものである。このような構造の半導体レーザは、高出力になると、レーザ光出射部である半導体層端面のエネルギー密度が極めて高くなり、端面破壊を生じる。そのため、端面破壊が生じない程度の出力で出射された半導体レーザからのレーザ光を合成する方法が提案されている。 A semiconductor laser has an active layer having a thickness of about several microns sandwiched between clad layers in a semiconductor laminated structure, and emits laser light from the active layer. When the semiconductor laser having such a structure has a high output, the energy density of the end face of the semiconductor layer, which is a laser beam emitting portion, becomes extremely high, causing end face destruction. Therefore, a method for synthesizing laser light from a semiconductor laser emitted with an output that does not cause end face destruction has been proposed.
例えば、特許文献1には、偏光プリズムやダイクロイックプリズムなどを使用することで偏光、或いは分光された光を合成することが開示されている。また、特許文献2には、ロッドインテグレータを使用して、複数のレーザ光源からのレーザ光を合成することが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses synthesizing light that has been polarized or dispersed by using a polarizing prism, a dichroic prism, or the like. Patent Document 2 discloses that a rod integrator is used to synthesize laser beams from a plurality of laser light sources.
しかしながら、特許文献1に開示されているような光学プリズムを用いた場合、例えば、偏光プリズムを使用して偏光合成を行う場合、用いる半導体レーザの数に応じて多数の偏光プリズムが必要となる。また、ダイクロイックプリズムを使用して波長合成を行う場合は、3つの波長のレーザ光を合成することはできるが、それより多くのレーザ光を合成するには、やはり、多数のダイクロイックプリズムが必要となり装置の小型化に限界がある。 However, when an optical prism as disclosed in Patent Document 1 is used, for example, when polarization combining is performed using a polarizing prism, a large number of polarizing prisms are required depending on the number of semiconductor lasers used. In addition, when performing wavelength synthesis using a dichroic prism, it is possible to synthesize laser beams of three wavelengths, but in order to synthesize more laser beams, a large number of dichroic prisms are still required. There is a limit to miniaturization of the device.
また、特許文献2に開示されているような、側面が光軸に平行なロッドインテグレータを用いた場合、その内部に入射されたレーザ光を合成することは可能であるが、出射される合成光の広がり角度(放射角度)が大きいため、それを集光させるためのレンズ径が大きくなり、装置の小型化が困難である。更に、入射面(断面)が長方形のロッドインテグレータを用いると、その出射面において強度分布が均一化された合成光となるため、レンズを用いて集光させたとしても単峰型の強度分布の合成光を得るのが困難である。 In addition, when a rod integrator whose side surface is parallel to the optical axis as disclosed in Patent Document 2 can be used, it is possible to synthesize laser light incident on the inside of the rod integrator. Since the spread angle (radiation angle) is large, the lens diameter for condensing it becomes large, and it is difficult to reduce the size of the apparatus. Furthermore, if a rod integrator with a rectangular entrance surface (cross section) is used, the intensity distribution on the exit surface becomes a composite light with a uniform intensity. It is difficult to obtain synthetic light.
更に、レーザ光源を加工用、マーク用に用いる場合、対象部品の大きさ等により最適な集光スポット径の機器を選択しなければならず、対象部品が変更となった場合、機器を変更しなければならない。また、機器自体の変更ではなく、別の手段としてアパーチャー等により光源からの光のうち、外周の光を遮断することによりスポット径を最適な直径に変更する手段が知られている(例えば特開2006−239743号公報)。しかしながら、この場合、外周の光を遮断してしまうため、無駄になる光量が存在し、光の利用効率が低下し、高出力のレーザ光が必要な場合に問題となる。 In addition, when using a laser light source for processing or marking, the device with the optimum condensing spot diameter must be selected according to the size of the target component, and if the target component is changed, the device is changed. There must be. Further, instead of changing the device itself, another means is known in which the spot diameter is changed to an optimum diameter by blocking the outer peripheral light out of the light from the light source by an aperture or the like (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-259151). 2006-239743). However, in this case, since the light on the outer periphery is blocked, there is a wasteful amount of light, the use efficiency of the light is lowered, and there is a problem when a high-power laser beam is required.
以上の課題を解決するため、本発明の光源装置は、レーザ光の出射部を複数有する光源部と、光源部からの光が入射される入射部と、入射された光が導波され合成される光導波部と、合成された光が外部に出射される出射部とを有する光学素子と、光学素子の出射部から出射される光を集光させる集光部材と、を有する光源装置であって、光導波部は、光軸方向に屈折率が異なる第1領域及び第2領域を有し、第1領域は、屈折率が一定であり、且つ、光導波部の光軸と垂直な面または断面形状が円形、楕円形、円または楕円に近い多角形のいずれかであり、第2領域は、光軸に垂直な断面の少なくとも1つの方向において、光軸の屈折率が最も大きく、側面の屈折率が最も小さいことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the light source device of the present invention includes a light source unit having a plurality of laser beam emitting units, an incident unit to which light from the light source unit is incident, and incident light that is guided and synthesized. The light source device includes an optical element having an optical waveguide section, an output section from which the synthesized light is output to the outside, and a condensing member that condenses the light output from the output section of the optical element. The optical waveguide unit has first and second regions having different refractive indexes in the optical axis direction, and the first region has a constant refractive index and a surface perpendicular to the optical axis of the optical waveguide unit. Alternatively, the cross-sectional shape is any of a circle, an ellipse, a circle, or a polygon close to an ellipse, and the second region has the highest refractive index of the optical axis in at least one direction of the cross section perpendicular to the optical axis, and the side surface. Is characterized by the smallest refractive index.
このような構成により、光学素子からの出射光を1つまたは2つのピークを有する強度分布の合成光とし、かつ、その合成光の放射角度の広がりを抑制することができる。そのため、集光部材の径を大きくすることなく合成光を効率よく集光させ、単峰型の強度分布を有する合成光を得ることができ、その集光した合成光のスポット径を使用に最適な大きさにすることができる。 With such a configuration, the light emitted from the optical element can be combined light having an intensity distribution having one or two peaks, and the spread of the radiation angle of the combined light can be suppressed. Therefore, the combined light can be efficiently condensed without increasing the diameter of the condensing member, and the combined light having a single-peak intensity distribution can be obtained, and the spot diameter of the condensed combined light is optimal for use. Can be of any size.
本発明を実施するための最良の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための光源装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。
また、本明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。尚、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。更に以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the form shown below illustrates the light source device for embodying the technical idea of the present invention, and is not limited to the following.
Further, the present specification by no means specifies the member shown in the claims as the member of the embodiment. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention only to the extent that there is no specific description. It is just an example. It should be noted that the size and positional relationship of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description will be omitted as appropriate.
<実施の形態1>
本実施の形態の光源装置の構成を図1Aに示す。また、図1Bは、図1Aの光学素子2の、光軸Zを含むA−A面における断面図を示しており、第1領域及び第2領域の屈折率について説明するための図である。本実施の形態において、光源装置は、光源部1と、光学素子2と、集光部材であるレンズ3と、を備える。光源部11は、半導体レーザチップを金属や樹脂あるいはセラミックなどのパッケージに搭載したレーザ光源11を複数有しており、各レーザ光源11から、光学素子2の入射部21に向けてそれぞれレーザ光を出射する。透光性の光学部材からなる棒状の光学素子2は、一方の端部(端面)を入射部21、他方の端部(端面)を出射部23としており、これらは光導波部22を介して光学的に連続して設けられており、この光導波部22の中心に光軸Zを有する。
<Embodiment 1>
The configuration of the light source device of this embodiment is shown in FIG. 1A. FIG. 1B is a cross-sectional view of the optical element 2 of FIG. 1A along the AA plane including the optical axis Z, and is a diagram for explaining the refractive indexes of the first region and the second region. In the present embodiment, the light source device includes a light source unit 1, an optical element 2, and a lens 3 that is a condensing member. The light source unit 11 includes a plurality of laser light sources 11 in which a semiconductor laser chip is mounted in a package such as metal, resin, or ceramic. Laser light is emitted from each laser light source 11 toward the incident unit 21 of the optical element 2. Exit. The rod-shaped optical element 2 made of a light-transmitting optical member has one end (end face) as an incident part 21 and the other end (end face) as an exit part 23, which are connected via an optical waveguide part 22. The optical waveguide 22 is optically continuous and has an optical axis Z at the center of the optical waveguide 22.
光源部1からそれぞれ出射され、光学素子2の入射部21からその内部に導入された複数のレーザ光は、光導波部22の側面(内面)22aで反射を繰り返しながら出射部23に向かって進行して合成される。光学素子2の出射部23から出射された合成光は、レンズ3によって集光される。 A plurality of laser beams respectively emitted from the light source unit 1 and introduced into the inside from the incident unit 21 of the optical element 2 travel toward the emitting unit 23 while being repeatedly reflected by the side surface (inner surface) 22a of the optical waveguide unit 22. And synthesized. The combined light emitted from the emission part 23 of the optical element 2 is collected by the lens 3.
そして、本実施の形態において、光学素子2の光導波部22が、光学特性が異なる第1領域221(221a、221b)と第2領域とを有していることを特徴とする。詳細には、第1領域221a、221bは、その内部の屈折率が一定であり、且つ、光導波部の光軸Zと垂直な面または断面形状が円形、楕円形、円または楕円に近い多角形のいずれかであり、第2領域222は、光軸Zに垂直な断面の少なくとも1つの方向において、光軸の屈折率が最も大きく、光導波部の側面の屈折率が最も小さい屈折率分布を有することを特徴とする。尚、本明細書において、「光軸の屈折率」とは、光導波部の光軸近傍における屈折率を指す。同様に、「側面の屈折率」とは、側面近傍の光導波部の屈折率を指す。 And in this Embodiment, the optical waveguide part 22 of the optical element 2 has the 1st area | region 221 (221a, 221b) from which an optical characteristic differs, and a 2nd area | region, It is characterized by the above-mentioned. Specifically, the first regions 221a and 221b have a constant refractive index inside, and a surface or a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis Z of the optical waveguide section is circular, elliptical, circular, or nearly elliptical. The second region 222 has a refractive index distribution in which the refractive index of the optical axis is the largest and the refractive index of the side surface of the optical waveguide portion is the smallest in at least one direction of the cross section perpendicular to the optical axis Z. It is characterized by having. In the present specification, the “refractive index of the optical axis” refers to the refractive index in the vicinity of the optical axis of the optical waveguide section. Similarly, “the refractive index of the side surface” refers to the refractive index of the optical waveguide near the side surface.
このような構成により、光学素子2の出射部23から出射される合成光の放射角度を小さく(狭く)することができる。そのため、効率よく集光部材で集光することができ、図2に示すような単峰型の強度分布を有するレーザ光の合成光を得ることができる。尚、図2に示すグラフは、縦軸が光強度、横軸がスポット径を示しており、本発明によってこのグラフに示すような単峰型でスポット径の小さい合成光を得ることができる。また、本明細書において「ピーク」とは、FFP(ファーフィールドパターン)の強度分布のうち、実質的に最大強度の部分を指し、その近傍領域に最大強度と近似値を示す数個の強度の部分をも含めるものとする。そして、「単峰型の合成光」とは、このようなピークを1つ有する強度分布を有する合成光を指す。 With such a configuration, it is possible to reduce (narrow) the emission angle of the combined light emitted from the emission unit 23 of the optical element 2. Therefore, the light can be efficiently collected by the light collecting member, and the combined light of the laser light having a unimodal intensity distribution as shown in FIG. 2 can be obtained. In the graph shown in FIG. 2, the vertical axis indicates the light intensity and the horizontal axis indicates the spot diameter. According to the present invention, it is possible to obtain a single-peak type combined light with a small spot diameter as shown in this graph. Further, in this specification, the “peak” means a portion of the FFP (far field pattern) intensity distribution which is substantially the maximum intensity, and has several intensities indicating the maximum intensity and the approximate value in the vicinity region. The part shall be included. The “single-peak type combined light” refers to combined light having an intensity distribution having one such peak.
光導波部22内において、光軸Zに垂直な断面内に光軸と側面とで屈折率が異なる第2領域を有することで合成光の放射角度を制御することができることについて、図1Bを用いて説明する。図1Bは、光学素子2の光導波部22の光軸Zを含む断面図であり、入射部21側から順に第1領域221aと第2領域222と第1領域221bとが設けられた光導波部22を示す。尚、ここでは、説明を簡略化するために、複数のレーザ光源のうち、1つのレーザ光源からのレーザ光の屈折で説明し、更に、光導波部22の側面22aが光軸と平行である光学部材を用いて説明する。 With reference to FIG. 1B, it is possible to control the radiation angle of the combined light by having the second region having the refractive index different between the optical axis and the side surface in the cross section perpendicular to the optical axis Z in the optical waveguide section 22. I will explain. FIG. 1B is a cross-sectional view including the optical axis Z of the optical waveguide portion 22 of the optical element 2, and an optical waveguide in which a first region 221a, a second region 222, and a first region 221b are provided in this order from the incident portion 21 side. Part 22 is shown. Here, in order to simplify the explanation, the explanation will be given by refraction of laser light from one laser light source among a plurality of laser light sources, and the side surface 22a of the optical waveguide section 22 is parallel to the optical axis. A description will be given using an optical member.
光源部と光学素子2の間、及び集光部材(図示せず)と光学素子2の間(すなわち、光学素子2の周囲)の屈折率をn0、第1領域221a、221bの屈折率をそれぞれn1、n3とする。第2領域222は、光軸Zと垂直な面の1つの方向(ここでは、図面の上下方向とする)において、中心となる光軸Zの屈折率をn2とし、光導波部の側面(図面では上端と下端)に向かって屈折率が小さくなるように制御されており、側面ではn2よりもα分だけ小さい屈折率n2−αとなっている。尚、ここでは、各屈折率が、n0<n1=n3<n2−α<n2の関係となっているものとする。 The refractive index between the light source unit and the optical element 2 and between the light collecting member (not shown) and the optical element 2 (that is, around the optical element 2) is n 0 , and the refractive indexes of the first regions 221a and 221b are set. Let n 1 and n 3 respectively. The second region 222 has a refractive index of the center optical axis Z in one direction of the plane perpendicular to the optical axis Z (in this case, the vertical direction in the drawing), n 2, and the side surface ( in the drawings are controlled so that the refractive index towards the upper end and lower end) is small, the side surface has a refractive index n 2-.alpha. also by α min less than n 2. Here, it is assumed that each refractive index has a relationship of n 0 <n 1 = n 3 <n 2 −α <n 2 .
レーザ光の入射部21への入射角度をθ0とし、光学素子2の第1領域221に入射されたレーザ光の屈折角度をθ1とする。この場合スネルの法則により、
n0・sinθ0=n1・sinθ1…(式1)
が成り立つ。
The incident angle of the laser beam on the incident portion 21 is θ 0, and the refraction angle of the laser beam incident on the first region 221 of the optical element 2 is θ 1 . In this case, Snell's law
n 0 · sin θ 0 = n 1 · sin θ 1 (Formula 1)
Holds.
光導波部22の側面が光軸Zと平行であるため、第1領域221aから第2領域222へのレーザ光の入射角度は、第1領域221a内に入射されたレーザ光の屈折角度θ1と同じθ1となる。そして、第2領域222内に入射されたレーザ光の光軸での屈折角度をθ2とすると、
n1・sinθ1=n2・sinθ2…(式2)
が成り立つ。
Since the side surface of the optical waveguide section 22 is parallel to the optical axis Z, the incident angle of the laser light from the first region 221a to the second region 222 is the refraction angle θ 1 of the laser light incident on the first region 221a. Is the same as θ 1 . And if the refraction angle at the optical axis of the laser light incident in the second region 222 is θ 2 ,
n 1 · sin θ 1 = n 2 · sin θ 2 (Expression 2)
Holds.
第2領域222は、光軸Zの屈折率n2が、光導波部の側面22aの屈折率よりも高いため、レーザ光は屈折角度θ2のまま直進するのではなく、光軸Zに近づくように屈曲しながら伝搬する。そのため、屈折率n2−αである側面での屈折角度θ2’は、θ2よりも小さくなり、
θ2>θ2’…(式3)
となる。
The second region 222 has a refractive index n 2 of the optical axis Z is higher than the refractive index of the side surface 22a of the optical waveguide section, rather than the laser beam travels straight while refracting angle theta 2, closer to the optical axis Z Propagate while bending. Therefore, the refraction angle θ 2 ′ at the side surface having the refractive index n 2 −α is smaller than θ 2 ,
θ 2 > θ 2 ′ (Expression 3)
It becomes.
第2領域222の側面で反射され第1領域221bに伝搬するレーザ光の屈折角度θ3とすると、
(n2−α)・sinθ2’=n1・sinθ3…(式4)
となる。
When the refraction angle θ 3 of the laser light reflected on the side surface of the second region 222 and propagating to the first region 221b,
(N 2 −α) · sin θ 2 ′ = n 1 · sin θ 3 (Expression 4)
It becomes.
そして、上記(式1)〜(式4)により、
n1・sinθ1=n2・sinθ2>n2・sinθ2’>(n2−α)・sinθ2’=n1・sinθ3…(式5)
すなわち、
n1・sinθ1>n3・sinθ3…(式6)
の関係が成り立ち、n1=n3であることから、
θ1>θ3…(式7)
となる。
And by the above (formula 1)-(formula 4),
n 1 · sin θ 1 = n 2 · sin θ 2 > n 2 · sin θ 2 '> (n 2 -α) · sin θ 2 ' = n 1 · sin θ 3 (Formula 5)
That is,
n 1 · sin θ 1 > n 3 · sin θ 3 (Formula 6)
Since n 1 = n 3 holds,
θ 1 > θ 3 (Expression 7)
It becomes.
第1領域221bの出射部23から屈折率n0の外部に出射されるレーザ光の放射角度θ0’とすると、
n1・sinθ3=n0・sinθ0’…(式8)
が成り立つ。
When the radiation angle θ 0 ′ of the laser beam emitted from the emission part 23 of the first region 221b to the outside of the refractive index n 0 is assumed,
n 1 · sin θ 3 = n 0 · sin θ 0 ′ (Expression 8)
Holds.
そして、(式1)、(式7)、(式8)より、
θ0>θ0’…(式9)
となる。つまり、光学素子22に入射した角度θ0よりも、外部に出射される際の角度θ0’の方が小さくなる。
From (Expression 1), (Expression 7), and (Expression 8),
θ 0 > θ 0 ′ (Equation 9)
It becomes. That is, the angle θ 0 ′ when emitted to the outside is smaller than the angle θ 0 incident on the optical element 22.
このように、レーザ光の出射光の屈折角度を小さくすることができる光学素子を用いると、屈折率が異なる領域を具備しない(屈折率が一定である)光学素子のみを用いて同程度のスポット径に集光させる場合と比較すると、集光部材(レンズ等)の径を小さく、或いは、光学素子の出射部と集光部材との距離を短くすることができる。 As described above, when an optical element capable of reducing the refraction angle of the emitted light of the laser beam is used, a spot having the same degree using only an optical element that does not have a region having a different refractive index (a refractive index is constant). Compared with the case where the light is condensed to a diameter, the diameter of the light condensing member (lens or the like) can be reduced, or the distance between the light emitting portion of the optical element and the light condensing member can be shortened.
一例を挙げると、入射部から出射部までの間の光導波部の屈折率が一定である光学素子を用いて、図1Aに示すような光源部と集光部材とを具備する光源装置とする場合、その出射部から出射される合成光の放射角度が約20°であるとする。そして、このような光学素子を用いて出射光のスポット径を100μmにするためには、径が約8mmのレンズが必要であるとする。これに対し、光軸方向の長さが同じであり、屈折率が異なる領域(第1領域、第2領域)を有する本実施の形態のような光学素子を用いると、第2領域の屈折率の分布状態を制御することにより、例えば、出射される合成光の放射角度を約10°以下と、約半分程度にまで狭くすることができる。そのため、同じ100μmのスポット径を得るためのレンズの径を、約6mm程度と、約25%近く小さくすることができる。更に、その小型化した径6mmのレンズが、前述の径8mmのレンズと開口数(NA)が同じであれば、光学素子の出射部からの距離を短くすることができ、更に、集光スポットまでの距離も短くすることができる。このようにして、同じ数の部材を用いても、より小型化(集積化)して配置させることができる。 As an example, a light source device including a light source unit and a condensing member as shown in FIG. 1A using an optical element having a constant refractive index of an optical waveguide between an incident part and an emission part. In this case, it is assumed that the radiation angle of the combined light emitted from the emission part is about 20 °. Then, in order to set the spot diameter of the emitted light to 100 μm using such an optical element, a lens having a diameter of about 8 mm is required. On the other hand, when the optical element as in this embodiment having the same length in the optical axis direction and different regions (first region, second region) is used, the refractive index of the second region is used. By controlling the distribution state, for example, the emission angle of the emitted combined light can be reduced to about 10 ° or less, about half. Therefore, the lens diameter for obtaining the same spot diameter of 100 μm can be reduced by about 25% to about 6 mm. Further, if the lens having a reduced diameter of 6 mm has the same numerical aperture (NA) as that of the lens having the diameter of 8 mm, the distance from the light emitting portion of the optical element can be shortened. Can be shortened. In this way, even if the same number of members are used, they can be arranged more compactly (integrated).
以下、各構成部材について、詳説する。 Hereinafter, each component will be described in detail.
(光学素子)
光学素子は、光源部から出射される複数のレーザ光を入射させる入射部と、その光が導波され合成される光導波部と、その合成光を外部に出射させる出射部とを有している棒状または筒状の光学部材であり、ここでは光ファイバのような可撓性の高いものではなく、光軸が固定された直線状となる剛性の高い部材を用いてなる光学部材を光学素子とする。
(Optical element)
The optical element has an incident part for entering a plurality of laser beams emitted from the light source part, an optical waveguide part for which the light is guided and synthesized, and an emission part for emitting the synthesized light to the outside. In this case, the optical member is not a highly flexible member such as an optical fiber but an optical member using a highly rigid member having a linear shape with a fixed optical axis. And
本実施の形態においては、この光学素子の光導波部が、光軸方向に光学特性(屈折率)が異なる少なくとも2以上の領域、すなわち、第1領域と第2領域を有している。第1領域は、その内部の屈折率が一定であり、且つ、光導波部の光軸と垂直な断面形状が円形、楕円形、円または楕円に近い多角形のいずれかである。また、第2領域は、光軸に垂直な断面の少なくとも1つの方向において、光軸の屈折率が最も大きく、光導波部の側面の屈折率が最も小さくなっている。 In the present embodiment, the optical waveguide portion of this optical element has at least two or more regions having different optical characteristics (refractive index) in the optical axis direction, that is, a first region and a second region. The first region has a constant refractive index inside, and a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the optical waveguide portion is any of a circle, an ellipse, a circle, or a polygon close to an ellipse. The second region has the highest refractive index of the optical axis and the lowest refractive index of the side surface of the optical waveguide section in at least one direction of the cross section perpendicular to the optical axis.
第1領域は、光軸と垂直な断面を特定の形状、具体的には、円形、楕円形、円または楕円に近い形状とすることで、合成光を単峰型に制御することができる。すなわち、合成光の強度分布を制御できる。そして、第2領域は、光軸と垂直な断面の少なくとも1つの方向において屈折率の異なる領域を設ける、具体的には、径方向において屈折率分布を設けることで、レーザ光の屈折角度を制御することができる。すなわち、合成光の放射角度を制御することができる。このように、光導波部内にそれぞれ光学的な作用が異なる領域を設けることで、高出力の合成光を出射可能な光学装置を、少ない部品数の小型化された光学装置とすることができる。以下、光導波部の第1領域と第2領域について更に詳説する。 The first region has a cross section perpendicular to the optical axis having a specific shape, specifically, a circle, an ellipse, a circle, or a shape close to an ellipse, so that the combined light can be controlled to a single peak type. That is, the intensity distribution of the synthesized light can be controlled. In the second region, a region having a different refractive index is provided in at least one direction of a cross section perpendicular to the optical axis. Specifically, a refractive index distribution is provided in the radial direction to control the refraction angle of the laser beam. can do. That is, the radiation angle of the synthesized light can be controlled. As described above, by providing regions having different optical actions in the optical waveguide section, an optical device capable of emitting high-power synthesized light can be made a compact optical device with a small number of components. Hereinafter, the first region and the second region of the optical waveguide will be described in more detail.
(光導波部の第1領域)
光導波部の第1領域は、主として合成光の強度分布を制御する領域である。特に、光軸に垂直な断面形状がその強度分布の波形を大きく左右するものであり、まず、第1領域の光軸に垂直な断面形状について説明する。図3A、図3Bは、光学素子2の光導波部の第1領域221aの任意の位置における光軸Zに垂直な断面形状を示す。第1領域は、その断面形状によって、出射部における合成光の強度分布の状態を制御できるものであり、本実施の形態においては、第1領域の光軸に垂直な断面形状が円形、楕円形、円または楕円に近い多角形のいずれかが好ましい。特に、光学素子からの出射光を、中央に強度分布のピークを有する単峰型の合成光とする場合は、図3Aに示すように断面形状を円形とするのが好ましい。
(First region of the optical waveguide)
The first region of the optical waveguide is a region that mainly controls the intensity distribution of the synthesized light. In particular, the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis greatly affects the waveform of the intensity distribution. First, the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the first region will be described. 3A and 3B show a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis Z at an arbitrary position in the first region 221a of the optical waveguide portion of the optical element 2. FIG. The first region can control the intensity distribution state of the combined light at the emitting portion by its cross-sectional shape. In the present embodiment, the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the first region is circular or elliptical. Any of a polygon close to a circle or an ellipse is preferred. In particular, when the light emitted from the optical element is a single-peak type combined light having a peak of intensity distribution at the center, the cross-sectional shape is preferably circular as shown in FIG. 3A.
また、図3Bに示すように、第1領域の断面形状を楕円形とすることでも、上記と同様の単峰型の合成光を得ることができる。尚、楕円形の場合は、長軸及び短軸の長さ比を調整することによって、2つの強度分布のピークを有する合成光とすることもでき、更に、それらの比を調整することで、強度ピーク点間の距離を調整することができる。 Moreover, as shown in FIG. 3B, the single-peak type combined light similar to the above can also be obtained by making the cross-sectional shape of the first region elliptical. In the case of an ellipse, by adjusting the length ratio of the major axis and the minor axis, it can be a combined light having two intensity distribution peaks, and further, by adjusting the ratio thereof, The distance between intensity peak points can be adjusted.
図3A、図3Bに示すような、第1領域の断面が円形や楕円形の場合は、光導波部の側面(内面)22aが連続する1つの面(曲面)からなっているため、光学素子の出射部における合成光を1つまたは2つのピークを有する強度分布の合成光とするのには好ましい。しかしながら、円や楕円に近い多角形でも、同様の効果を得ることができる。例えば、断面形状が64角形のような場合、第1領域の側面は64面の平面からなっており、正64角形の場合は、その1つの内角が約174°となるため、断面が円形(曲面)の場合と比較的良く似た光の反射をさせることができる。多角形とする場合、側面が平面の集合体であるため、その角数が多いほど円や楕円に近付くために好ましく、具体的には64角形以上、更に好ましくは128角形以上の多角形が好ましい。また、正多角形であることが好ましい。 When the cross section of the first region is circular or elliptical as shown in FIGS. 3A and 3B, the side surface (inner surface) 22a of the optical waveguide section is formed by one continuous surface (curved surface). It is preferable that the combined light at the emission part is a combined light having an intensity distribution having one or two peaks. However, the same effect can be obtained with a polygon close to a circle or an ellipse. For example, when the cross-sectional shape is a hexagon, the side surface of the first region is composed of 64 planes, and in the case of a regular hexagon, the internal angle is about 174 °, so the cross-section is circular ( It is possible to reflect light that is relatively similar to that of a curved surface. In the case of a polygon, since the side surface is an aggregate of planes, the greater the number of corners, the closer to a circle or an ellipse, and the more preferable is a polygon of 64 or more, more preferably 128 or more. . Moreover, it is preferable that it is a regular polygon.
また、第1領域は、その側面に、レーザ光が実質的に照射(反射)されない領域、すなわちレーザ光の合成に寄与しない(影響を与えない)領域を有していてもよく、その場合は、光軸に垂直な断面形状は、円形や楕円形(それらに近い多角形含む)以外の形状であっても構わない。このような構成として、例えば、光軸に垂直な断面が上記円形や楕円形(それらに近い多角形含む)であり、かつ、側面が傾斜面である光導波部を有する場合、少なくとも出射部の径よりも大きい径を有する領域(以下、「大径領域」とも称する)を、第1領域のいずれかの領域において、1つまたは2以上の領域に設けられていてもよい。 Further, the first region may have, on its side surface, a region where the laser beam is not substantially irradiated (reflected), that is, a region that does not contribute (does not affect) the synthesis of the laser beam. The cross-sectional shape perpendicular to the optical axis may be a shape other than a circle or an ellipse (including a polygon close to them). As such a configuration, for example, in the case of having an optical waveguide whose cross section perpendicular to the optical axis is the above-mentioned circle or ellipse (including a polygon close to them) and whose side surface is an inclined surface, at least of the emission part A region having a diameter larger than the diameter (hereinafter also referred to as “large-diameter region”) may be provided in one or more regions in any region of the first region.
次に、第1領域の光軸に平行な断面形状について説明する。第1領域の側面は、図1A、図1Bに示すように光軸に対して平行でもよく、また、図4に示すように傾斜してもよい。光導波部の側面が傾斜していることで、その出射部から出射される合成光の放射角度を制御することが可能であり、特に入射部から出射部にかけて徐々に広がるような傾斜面とすることで、合成光の放射角度を小さくすることができる。そのため、第2領域で制御される合成光の放射角度を更に小さくすることが可能となる。傾斜させる場合は、光軸Zと第1領域の傾斜した側面とのなす角度βは、2°以上10°以下の傾斜角とするのが好ましく、更に4°以上6°以下の範囲が好ましい。第2領域の側面も、同様に傾斜していても構わない。 Next, a cross-sectional shape parallel to the optical axis of the first region will be described. The side surface of the first region may be parallel to the optical axis as shown in FIGS. 1A and 1B, or may be inclined as shown in FIG. By tilting the side surface of the optical waveguide part, it is possible to control the radiation angle of the synthesized light emitted from the emitting part, and in particular, the inclined surface gradually spreads from the incident part to the emitting part. As a result, the radiation angle of the synthesized light can be reduced. For this reason, it is possible to further reduce the radiation angle of the combined light controlled in the second region. In the case of tilting, the angle β formed by the optical axis Z and the tilted side surface of the first region is preferably 2 ° or more and 10 ° or less, and more preferably 4 ° or more and 6 ° or less. The side surface of the second region may be similarly inclined.
合成光の強度分布を単峰型にするためには、第1領域の光軸方向の長さ(合成に有効な側面を有する領域の長さ)は、その側面での反射を繰り返すことが可能なように、ある程度は長いことが必要である。本実施の形態では、少なくとも光学素子の光導波部の長さは、出射部の径よりも長ければよく、更に、出射部の径に対して、長さを5倍以上100倍以下とするのが好ましく、取り扱いや、装置の大きさを考慮して10倍以上20倍以下とするのがより好ましい。 In order to make the intensity distribution of the synthesized light unimodal, the length in the optical axis direction of the first region (the length of the region having the side surface effective for synthesis) can be repeatedly reflected on that side surface. As such, it needs to be long to some extent. In the present embodiment, at least the length of the optical waveguide portion of the optical element only needs to be longer than the diameter of the emission portion, and further, the length is set to be 5 to 100 times the diameter of the emission portion. In view of handling and the size of the apparatus, it is more preferably 10 times or more and 20 times or less.
具体的には、第1領域の径が約2mm〜20mmであり、光軸に垂直な断面形状が円形の光学素子の場合、第1領域の光軸方向の長さは約100mm〜200mm程度のものが好ましい。尚、第1領域の長さ、及び、径2は、上述の大径領域のように、レーザ光の合成に寄与しない領域を除いた領域、すなわち、実質的にレーザ光の合成に寄与する第1領域の側面を有する領域における長さ及び径とする。また、第1領域が複数に分離されている場合は、それらの合計の長さとする。 Specifically, when the diameter of the first region is about 2 mm to 20 mm and the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is a circular optical element, the length of the first region in the optical axis direction is about 100 mm to 200 mm. Those are preferred. Note that the length and the diameter 2 of the first region are the regions other than the region that does not contribute to the synthesis of the laser beam, such as the large-diameter region described above, that is, the first region that contributes substantially to the synthesis of the laser beam. The length and diameter in a region having a side surface of one region. Moreover, when the 1st area | region is isolate | separated into plurality, let it be the total length of them.
第1領域は、屈折率が一定の部材であり、光学ガラスまたは中空からなる。用いる材料としては、光源部からのレーザ光を吸収しにくい材料であるのが好ましく、更に、第1領域の周囲の気体よりも屈折率の大きい材料であるのが好ましい。例えば、光学素子の周囲が空気(屈折率1.0)で囲まれている場合、光学素子の第1領域として石英ガラス(屈折率1.5)を用いることで、効率よく光を導波させることができる。光学ガラスの具体的な材料としては、無機物としては、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、石英ガラスなど各種ガラスを挙げることができ、中でも、BK7ガラス、B270ガラス、SF11ガラス、PBK40ガラス、石英ガラスなどが好ましい。特に、光源部として波長が450nm以下の紫外〜青色の半導体レーザを用いる場合、第1領域を無機化合物である石英ガラスとする光学素子を用いることで、経時変化(劣化)を抑制することができ、光の合成力の効率を低下しにくくすることができる。また、有機物としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の光学特性がガラスに近い樹脂を用いることもできる。 The first region is a member having a constant refractive index, and is made of optical glass or hollow. The material to be used is preferably a material that hardly absorbs laser light from the light source unit, and more preferably a material having a refractive index larger than that of the gas around the first region. For example, when the periphery of the optical element is surrounded by air (refractive index 1.0), the light is efficiently guided by using quartz glass (refractive index 1.5) as the first region of the optical element. be able to. Specific examples of the optical glass include inorganic glasses such as soda lime glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, and quartz glass. Among them, BK7 glass, B270 glass, SF11 glass, and PBK40 glass are exemplified. Quartz glass or the like is preferable. In particular, when an ultraviolet to blue semiconductor laser having a wavelength of 450 nm or less is used as the light source part, the change over time (deterioration) can be suppressed by using an optical element in which the first region is quartz glass which is an inorganic compound. It is possible to make it difficult to reduce the efficiency of the light synthesis power. As the organic substance, a resin having optical properties close to glass, such as an acrylic resin and a polycarbonate resin, can be used.
更に、光導波部の周囲(側面)を上述のような気体(空気)ではなく、第1領域を構成する部材よりも小さい屈折率を有する固体からなる被覆部材を有していてもよい。特に、光学素子よりも機械的強度の高い被覆部材や、展性の高い部材等からなる被覆部材を用いることで、外部からの衝撃を受けやすい環境下での使用時や、工程内や輸送時の落下時等に破損するのを防止することができる。また、接着やネジなどの締結部品を用いて光学素子を光源装置に組み込む場合など、光学素子に機械的負荷を掛ける場合に作業性が向上し、かつ、容易に安定して固定することができる。 Furthermore, you may have the coating | coated member which consists of a solid which has a refractive index smaller than the member which comprises the 1st area | region instead of the above gas (air) around the optical waveguide part (side surface). In particular, by using a covering member that is higher in mechanical strength than an optical element or a covering member that is highly malleable, etc., it can be used in an environment where it is susceptible to external impacts, in the process or during transportation. It can be prevented from being damaged when falling. In addition, workability is improved when a mechanical load is applied to the optical element, such as when the optical element is incorporated into a light source device using a fastening part such as an adhesive or a screw, and can be easily and stably fixed. .
また、周囲の温度が比較的高くなり易い環境下で使用する場合、第1領域よりも熱伝導率の高い部材からなる被覆部材を設けることで、第1領域の劣化を低減し、屈折率差の変化を低減して安定した合成光を得ることができる。第1領域と被覆部材とは、それらの屈折率差が大きい程、光導波部の側面で反射し易い(外部に漏れ出しにくい)ため好ましく、特に0.5以上の差があることが好ましい。 Also, when used in an environment where the ambient temperature tends to be relatively high, by providing a covering member made of a member having a higher thermal conductivity than the first region, the deterioration of the first region is reduced, and the refractive index difference It is possible to obtain a stable synthesized light by reducing the change of. The larger the difference in the refractive index between the first region and the covering member, the more preferable because it is easier to reflect on the side surface of the optical waveguide portion (it is difficult to leak outside), and it is particularly preferable that there is a difference of 0.5 or more.
被覆部材の好ましい材料としては、金属、無機化合物、有機化合物等を用いることができ、例えば、金属としてはアルミニウム、ステンレス、銀、真鍮等の金属または合金をあげることができる。また、無機化合物としては、セラミック、石英ガラス等があげられる。有機化合物としては、POM等の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができ、これらに光を反射し易いアクリル系樹脂等を混合させてもよい。これらは、単独で用いてもよいし、混合して用いてもよい。或いは、積層させるようにしてもよい。尚、被覆部材は、第2領域にも設けられてもよい。その場合、第1領域と第2領域とを同一部材で一体的に被覆するのが好ましく、また、別部材で被覆しても構わない。また、第2領域のみを被覆してもよい。 As a preferable material for the covering member, a metal, an inorganic compound, an organic compound, or the like can be used. Examples of the metal include metals or alloys such as aluminum, stainless steel, silver, and brass. Examples of the inorganic compound include ceramic and quartz glass. As the organic compound, a thermoplastic resin such as POM, a thermosetting resin, or the like can be used, and an acrylic resin that easily reflects light may be mixed therein. These may be used alone or in combination. Or you may make it laminate | stack. The covering member may also be provided in the second region. In that case, it is preferable that the first region and the second region are integrally covered with the same member, or may be covered with another member. Moreover, you may coat | cover only a 2nd area | region.
第1領域として、上記光学ガラスの他、中空、すなわち、その内部が空洞である筒状の光学素子を用いてもよい。この場合、筒の側面に光源部からの光を効率よく反射可能な反射部材(ミラー)を設けるのが好ましい。第1領域の光導波部が固体ではなく気体若しくは液体などの流体で充填された空洞とすることで、光の吸収を低減させて光利用効率を向上することができる。そのため、第1領域がガラスなどの固体からなる第1領域に比して、その側面での反射回数を多くすることができるため、より効率よく合成光を得ることができる。換言すれば、第1領域がガラスなどの固体からなる光学素子よりも短い長さの光学素子で同様の合成を行うことができるため、光源装置をより小型化することができる。また、第1領域の内外を任意に移動可能である流体を光導波部として用いることで、光の合成に伴う発熱により温度が上昇した光導波部内の流体そのものをその外部に移動させることができ、温度変化による屈折率の変化の影響を受けにくくし、安定して合成光を得ることができる。 As the first region, in addition to the optical glass, a hollow, that is, a cylindrical optical element having a hollow inside may be used. In this case, it is preferable to provide a reflecting member (mirror) capable of efficiently reflecting light from the light source unit on the side surface of the cylinder. By making the optical waveguide in the first region a cavity filled with a fluid such as gas or liquid instead of solid, light absorption can be reduced and light utilization efficiency can be improved. Therefore, compared with the 1st area | region which 1st area | regions which consist of solids, such as glass, since the frequency | count of reflection in the side surface can be increased, synthetic light can be obtained more efficiently. In other words, since the same composition can be performed with an optical element having a shorter length than the optical element made of a solid such as glass in the first region, the light source device can be further downsized. In addition, by using a fluid that can be arbitrarily moved in and out of the first region as the optical waveguide, the fluid itself in the optical waveguide whose temperature has risen due to heat generated by the synthesis of light can be moved to the outside. The composite light can be stably obtained without being affected by the change of the refractive index due to the temperature change.
第1領域が中空である場合、その空洞に充填される気体としては、化学的に安定で、光源部からのレーザ光を吸収しにくいものが好ましく、更に、温度変化による絶対屈折率の変化が少ないものが好ましい。具体的には空気(N2、O2)が好ましい。 When the first region is hollow, the gas filled in the cavity is preferably chemically stable and difficult to absorb the laser light from the light source part, and further, the absolute refractive index changes due to temperature changes. Less is preferred. Specifically, air (N 2 , O 2 ) is preferable.
第1領域の空洞内の気体の圧力は、常圧(大気圧)〜真空とするのが好ましく、光源部の波長や気体の組成、更にはコストや取り扱い易さ等を考慮し、目的や用途に応じて調整することができる。例えば、紫外線など比較的短波長の半導体レーザを光源部として用いる場合などは、密度の小さい気体を用いることで(例えば、真空)、第1領域内での光の吸収を低減することができ、効率よく合成光を得ることができる。また、可視光など常圧の気体中での光の吸収が極めて少ない波長の半導体レーザを光源として用いる場合などは、常圧としても光の合成には大きな影響を与えることはなく、また、減圧のための装置等も不要とし、取り扱いが容易となる。 The pressure of the gas in the cavity of the first region is preferably normal pressure (atmospheric pressure) to vacuum, and the purpose and application in consideration of the wavelength of the light source part, the composition of the gas, and cost and ease of handling. Can be adjusted according to. For example, when using a semiconductor laser having a relatively short wavelength such as ultraviolet light as a light source unit, the absorption of light in the first region can be reduced by using a gas having a low density (for example, vacuum), Synthetic light can be obtained efficiently. Also, when a semiconductor laser with a wavelength that absorbs very little light in a gas at normal pressure, such as visible light, is used as the light source, the atmospheric pressure does not significantly affect the synthesis of light. Therefore, the apparatus and the like are not required, and handling becomes easy.
中空の第1領域は、単一または複数の部材が光軸を中心とする同心円方向に積層されたもの、更には、光軸方向に異なる部材が接合されたもの等を用いることができ、例えば、金属製の筒体や、樹脂などからなる筒体の側面にレーザ光を反射可能な反射部材を設けたものなどを用いることができる。具体的には、アルミニウム、ステンレス、銀、真鍮等をあげることができ、これらを単独または合金で、或いは、積層させて用いることができる。例えば、アルミニウム製の筒体の側面に銀や誘電体多層膜など、レーザ光の反射率が高いものをコーティングしたものなどを用いることができる。また、アクリル系樹脂製の筒体の側面に、銀や誘電体多層膜などをコーティングしたものなどを用いることができる。 As the hollow first region, a single member or a plurality of members stacked in a concentric direction with the optical axis as the center, or a member in which different members are joined in the optical axis direction can be used. In addition, a metal cylinder, or a cylinder provided with a reflection member capable of reflecting laser light on the side surface of a cylinder made of resin or the like can be used. Specifically, aluminum, stainless steel, silver, brass, and the like can be given, and these can be used alone, in an alloy, or laminated. For example, it is possible to use an aluminum cylinder whose side surface is coated with a high laser beam reflectance such as silver or a dielectric multilayer film. Moreover, the side surface of the cylindrical body made of acrylic resin, such as silver or a dielectric multilayer film, etc. can be used.
(光導波部の第2領域)
光導波部の第2領域は、主としてその内部で導波されるレーザ光の屈折角度(進行方向)を制御するものであり、合成光の放射角度を制御するものである。特に、光軸に垂直な断面において、少なくとも1つの方向に屈折率の異なる領域を設けることで、レーザ光の屈折角度、更には合成光の放射角度を制御するものである。
(Second area of the optical waveguide)
The second region of the optical waveguide section mainly controls the refraction angle (traveling direction) of the laser light guided inside, and controls the radiation angle of the combined light. In particular, by providing a region having a different refractive index in at least one direction in a cross section perpendicular to the optical axis, the refraction angle of laser light and further the emission angle of synthesized light are controlled.
図5Aは、光学素子2の光導波部の第2領域222の、光軸Zに垂直な断面を示す図であり、この断面の少なくとも1つの方向(ここでは上下方向)において屈折率の異なる領域を有していることを、白から黒への濃淡で示している。光軸Zを含む白い領域が最も屈折率が大きく、上下方向において側面22a(図面では上端と下端)の黒い領域が最も屈折率が小さくなっている。図5Bは、その屈折率分布をグラフで示したものであり、縦軸は光軸Zに垂直な断面の上下方向の位置を示し、横軸は屈折率を示す。本実施の形態においては、図5B(a)に示すように光軸Zでの屈折率n2が最も大きく、光導波部の側面22aの屈折率n2−αが最も小さくなっている。このように光軸Zに垂直な断面内において屈折率が異なる領域を有することで、レーザ光を直進ではなく屈曲するようにして導波させることができる。 FIG. 5A is a diagram showing a cross section perpendicular to the optical axis Z of the second region 222 of the optical waveguide section of the optical element 2, and regions having different refractive indexes in at least one direction (the vertical direction here) of the cross section. It has shown by the shading from white to black that it has. The white region including the optical axis Z has the highest refractive index, and the black region on the side surface 22a (upper and lower ends in the drawing) has the lowest refractive index in the vertical direction. FIG. 5B is a graph showing the refractive index distribution, where the vertical axis indicates the vertical position of the cross section perpendicular to the optical axis Z, and the horizontal axis indicates the refractive index. In the present embodiment, as shown in FIG. 5B (a), the refractive index n 2 at the optical axis Z is the largest, and the refractive index n 2 −α of the side surface 22a of the optical waveguide portion is the smallest. As described above, by having the regions having different refractive indexes in the cross section perpendicular to the optical axis Z, it is possible to guide the laser light so that it is bent rather than straight.
また、光軸Zと光導波部の側面22aの屈折率の差を、図5B(b)に示すように、図5B(a)よりも大きくなるようにすると、前述の(式1)〜(式8)から導かれるθ0>θ0’におけるθ0’を、更に小さいθ0’>θ0’’とすることができる。合成光の放射角度を、更に小さくすることができる。尚、ここでは、光導波部の光軸から側面にかけて、徐々に屈折率が小さくなるような屈折率分布としており、これによって、レーザ光の合成を効率的に行うことができる。しかしながら、このようなガウス分布的な屈折率分布に限らず、光軸の屈折率が最も大きく、側面の屈折率が最も小さくなっていれば、放射角度を小さくするには有効であるため、例えば、任意の位置において、上記屈折率の範囲内において、屈折率の大小差が逆転する領域、更には、屈折率が一定の領域を有していても構わない。 Further, when the difference in refractive index between the optical axis Z and the side surface 22a of the optical waveguide is made larger than that shown in FIG. 5B (a) as shown in FIG. the 'theta 0 in' θ 0> θ 0 derived from equation 8), may be a smaller θ 0 '> θ 0'' . The radiation angle of the synthesized light can be further reduced. In this case, the refractive index distribution is such that the refractive index gradually decreases from the optical axis to the side surface of the optical waveguide portion, whereby the laser light can be efficiently synthesized. However, the refractive index distribution is not limited to such a Gaussian refractive index distribution. If the refractive index of the optical axis is the largest and the refractive index of the side surface is the smallest, it is effective to reduce the radiation angle. At any position, within the above refractive index range, there may be a region where the difference in the refractive index is reversed, or a region where the refractive index is constant.
このような、光軸に垂直な断面の1方向において屈折率が異なる第2領域を有する光学素子を用いると、その合波光も、それに応じて1方向の成分のみが合成される。このような合成光は、集光することにより楕円形のスポットとすることができるため、例えば、スクライバとして用いる場合、そのスポットの長軸方向を切断方向とすることで、効率的に切断することができる。 When such an optical element having a second region having a different refractive index in one direction in a cross section perpendicular to the optical axis is used, only the component in one direction is synthesized accordingly. Since such synthesized light can be collected into an elliptical spot by condensing, for example, when used as a scriber, it can be efficiently cut by setting the major axis direction of the spot as the cutting direction. Can do.
図5Cは、このような1方向の合波が可能な第2領域222a、222bを、2つ設けた光学素子2を示す断面図と、その第1領域221a、221b、221c及び第2領域222a、222bの光軸Zに垂直な断面図である。第2領域222aは、上下方向に屈折率の異なる領域を設けるようにしているのに対し、第2領域222bは、左右方向に屈折率の異なる領域を設けるようにしている。つまり、屈折率差を設ける方向を90°異なるよう(直交するよう)な第2領域を2つ設けている。これにより、最終的に合成されるレーザ光を上下方向と左右方向の2方向で放射角度を制御することができる。更に、それぞれの屈折率分布が同じ第2領域ものを用いると、上下方向と左右方向の屈折角度の制御を同じにすることができる。 FIG. 5C is a cross-sectional view showing the optical element 2 provided with two second regions 222a and 222b capable of multiplexing in one direction, and the first regions 221a, 221b and 221c and the second region 222a. , 222b is a cross-sectional view perpendicular to the optical axis Z. The second region 222a is provided with regions having different refractive indexes in the vertical direction, while the second region 222b is provided with regions having different refractive indexes in the left / right direction. That is, two second regions are provided so that the direction in which the difference in refractive index is provided is different by 90 ° (perpendicular). Thereby, the radiation angle of the laser beam finally synthesized can be controlled in two directions, the vertical direction and the horizontal direction. Further, when the second region having the same refractive index distribution is used, the control of the refraction angle in the vertical direction and the horizontal direction can be made the same.
尚、ここでは、2つの第2領域を、その屈折率の異なる方向を90°変えて配置するようにしているが、これに限らず、任意の角度及び数で配置してもよく、例えば、30°異なるように4つの第2領域を設けるようにしてもよい。また、図6では、光軸Zに垂直な断面形状が、第1領域では円形、第2領域では四角形となっているがこのような場合、第2領域の面積を第1領域の面積よりも大きくするのが好ましく、第1領域と重なっていない第2領域は、図7に示すように、レーザ光を遮光する部材からなるカバーPで覆うことが好ましい。 Here, the two second regions are arranged by changing the direction in which the refractive index is different by 90 °. However, the present invention is not limited to this and may be arranged at an arbitrary angle and number, for example, You may make it provide four 2nd area | regions so that it may differ 30 degrees. In FIG. 6, the cross-sectional shape perpendicular to the optical axis Z is a circle in the first region and a quadrangle in the second region. In such a case, the area of the second region is larger than the area of the first region. As shown in FIG. 7, the second region that does not overlap the first region is preferably covered with a cover P made of a member that shields the laser beam.
第2の領域は、光軸Zに垂直な断面において、光軸と側面との屈折率が異なっているものであるが、このような屈折率の分布を、外部からの制御によって行えるよう制御部を設けるのが好ましい。制御部を有することで、例えば光学装置を加工用として用いる場合、その加工用の合成光を被加工物に対して出射している際の屈折率が変動しないように、例えば、液晶に設けられた導電部材に一定値の電圧を連続して加えるなどによって制御することができ、また、加工前に、その合成光が所望の放射角度(スポット径)となるような屈折率となるように、電圧を変化させて制御(調整)することができる。すなわち、制御部を設けることで、第2領域を屈折率可変領域として機能させることができる。このような制御部を有する第2領域の部材としては、光学変調素子を用いることができる。具体的には、制御部として導電部材を有する液晶や、制御部として圧電素子など超音波を発生する素子を結晶などに接着した音響光学素子、制御部として導電部材を有する非線形光学材料などが挙げられる。 The second region has a refractive index different from that of the optical axis and the side surface in a cross section perpendicular to the optical axis Z. The control unit can perform such a refractive index distribution by external control. Is preferably provided. By using the control unit, for example, when an optical device is used for processing, it is provided in, for example, liquid crystal so that the refractive index does not fluctuate when the combined light for processing is emitted to the workpiece. It can be controlled by continuously applying a constant voltage to the conductive member, and before processing, so that the combined light has a refractive index so that the desired radiation angle (spot diameter) is obtained. It can be controlled (adjusted) by changing the voltage. That is, by providing the control unit, the second region can function as a refractive index variable region. As a member of the second region having such a control unit, an optical modulation element can be used. Specifically, a liquid crystal having a conductive member as a control unit, an acousto-optic device in which an element generating ultrasonic waves such as a piezoelectric element is bonded to a crystal as a control unit, a nonlinear optical material having a conductive member as a control unit, and the like. It is done.
光導波部の第2領域の屈折率を外部からの制御によって変化させることができるため、部品(光学素子)自体を交換することなく容易に屈折率を制御することができ、これにより出射部から出射される合成光の放射角度を制御することができる。そのため、集光部材を変えることなく、被照射物に対して最適な合成光のスポット径を得ることができ、レーザ光を用いた加工機の部品の交換作業が必要なく、効率よく作業を行うことができる。 Since the refractive index of the second region of the optical waveguide can be changed by external control, it is possible to easily control the refractive index without replacing the component (optical element) itself. The radiation angle of the emitted synthesized light can be controlled. Therefore, it is possible to obtain the optimum spot diameter of the synthesized light with respect to the irradiated object without changing the light condensing member, and it is possible to efficiently perform the work without replacing the parts of the processing machine using the laser light. be able to.
第2領域が液晶を有する場合について、図5A及び図8を用いて説明する。図8に示すように、光学素子2の第2領域222は、板状の透明部材K1に液晶分子Qが挟まれており、光導波部の側面22a(図では上端と下端)には、屈折率を制御するための制御部として、液晶分子の配向状態を制御するための導電部材M1が設けられ、その外側が絶縁部材L1で被覆された構成となっている。一方の導電部材M1上には光導電層が設けられており(図示せず)、その上に液晶分子Qを挟む一対の配向膜(図示せず)を有している。導電部材M1に電圧を印加すると、長軸と短軸で誘電率の異なる液晶分子は、電圧値に応じて傾斜する。そして、導電部材Mからの距離に応じてその傾斜角度が異なる。つまり、図8に示すように、導電部材M1に近い側の液晶分子Qと、導電部材M1から離れた光軸Zの液晶分子Qとでは、その傾斜角度が異なる。そのため、その傾斜角度に応じて異なる屈折率となる。電圧値が高い程、光軸と側面(制御部が設けられる側面)との屈折率差は大きくなるため、このような現象を利用して、すなわち、電圧を制御することによって第2領域の屈折率分布を制御することができる。 A case where the second region includes liquid crystal will be described with reference to FIGS. 5A and 8. As shown in FIG. 8, in the second region 222 of the optical element 2, the liquid crystal molecules Q are sandwiched between the plate-like transparent members K1, and the side surface 22a (the upper end and the lower end in the drawing) is refracted. As a control unit for controlling the rate, a conductive member M1 for controlling the alignment state of liquid crystal molecules is provided, and the outside thereof is covered with an insulating member L1. A photoconductive layer is provided on one conductive member M1 (not shown), and a pair of alignment films (not shown) sandwiching the liquid crystal molecules Q are provided thereon. When a voltage is applied to the conductive member M1, liquid crystal molecules having different dielectric constants between the major axis and the minor axis are inclined according to the voltage value. And the inclination angle differs according to the distance from the conductive member M. That is, as shown in FIG. 8, the inclination angle is different between the liquid crystal molecules Q closer to the conductive member M1 and the liquid crystal molecules Q of the optical axis Z away from the conductive member M1. Therefore, the refractive index varies depending on the inclination angle. Since the refractive index difference between the optical axis and the side surface (side surface on which the control unit is provided) increases as the voltage value increases, the refraction of the second region by utilizing such a phenomenon, that is, by controlling the voltage. The rate distribution can be controlled.
図8に示すように、透明部材K1が光路内に配される場合、透明部材K1の材料としては、その屈折率が第1領域221a、221bと略等しい部材が好ましいため、第1領域と同様の部材を用いるのが好ましい。 As shown in FIG. 8, when the transparent member K1 is arranged in the optical path, the material of the transparent member K1 is preferably a member whose refractive index is substantially equal to that of the first regions 221a and 221b. It is preferable to use these members.
また、導電部材M1は、レーザ光源からのレーザ光の透過率が大きく、且つ、低抵抗なものが好ましく、具体的には酸化インジウム−酸化スズ(ITO)、酸化スズ−酸化アンチモン(ATO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、酸化インジウム−酸化亜鉛(IZO)、酸化ガリウム−酸化亜鉛(GaZnO)、二酸化スズ(SnO2)、又は酸化亜鉛(ZnO)等、及びこれらの組み合わせが挙げられる。特に、ITOは、透過率が高く電気抵抗が低いため好ましい。 The conductive member M1 preferably has a high transmittance of laser light from a laser light source and a low resistance. Specifically, indium oxide-tin oxide (ITO), tin oxide-antimony oxide (ATO), Examples include fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide-zinc oxide (IZO), gallium oxide-zinc oxide (GaZnO), tin dioxide (SnO 2 ), zinc oxide (ZnO), and combinations thereof. In particular, ITO is preferable because of its high transmittance and low electrical resistance.
被覆部材L1は、導電部材M1を支持すると共に、一対の透明部材K1の間に液晶を介して保持するように、外周を被覆しているものである。被覆部材Lも、レーザ光を吸収しにくい部材が好ましく、透明部材K1と同じ材料を用いることができる。 The covering member L1 covers the outer periphery so as to support the conductive member M1 and hold the liquid crystal between the pair of transparent members K1. The covering member L is also preferably a member that hardly absorbs laser light, and the same material as that of the transparent member K1 can be used.
液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶(リオトロピック液晶、サーモトロピック液晶)、強誘電性液晶(Ferroelectric Liquid Crystal)、又は反強誘電性液晶(Anti−ferroelectric Liquid Crystal)等が挙げられる。 As the liquid crystal material, nematic liquid crystal, smectic liquid crystal, chiral nematic liquid crystal, cholesteric liquid crystal (lyotropic liquid crystal, thermotropic liquid crystal), ferroelectric liquid crystal (Ferroelectric Liquid Crystal), or anti-ferroelectric liquid crystal (Anti-ferroelectric Liquid Crystal), etc. Is mentioned.
図9は、同じく液晶を有する光学素子2の第2領域222を示す斜視図であり、図10は図9に示す第2領域222を第1領域221a、221bと接するように設けた光学素子2の断面図である。導電部材M2は、光軸Zに垂直な断面において、光軸Zを中心とする同心円状に、異なる電圧が印加されるように、板状の透明部材K2に設けられる絶縁部材(図示せず)を介して複数(図9では、5つ)設けられている。このような構造の液晶を用いることで、各導電部材M2に印加する電圧の値を制御することで液晶分子Qの傾斜角度を制御し、光軸から側面に向けて、すなわち、光軸に垂直な断面の全径方向において、光軸の屈折率が最も大きく、側面の屈折率が最も小さい第2領域とすることができる。図9では、光軸から側面に向けて5つの導電部材M2によって5つの屈折率の異なる領域を設けることができる。屈折率の異なる領域を、更に細かく分断することで、屈折率分布を、滑らかなものとすることができる。光軸の電圧を最も高くし、側面の電圧を最も低くすることで、光軸の屈折率は最も大きく、側面の屈折率は最も小さい屈折率分布とすることができ、その間の領域では、屈折率が一部逆転するようなものでも構わない。好ましくは、光軸から側面にかけて徐々に屈折率が小さくなるようにする。 FIG. 9 is a perspective view showing the second region 222 of the optical element 2 similarly having liquid crystal, and FIG. 10 is an optical element 2 in which the second region 222 shown in FIG. 9 is provided in contact with the first regions 221a and 221b. FIG. The conductive member M2 is an insulating member (not shown) provided on the plate-like transparent member K2 so that different voltages are applied concentrically around the optical axis Z in a cross section perpendicular to the optical axis Z. A plurality (five in FIG. 9) are provided. By using the liquid crystal having such a structure, the inclination angle of the liquid crystal molecules Q is controlled by controlling the value of the voltage applied to each conductive member M2, and the direction from the optical axis to the side surface, that is, perpendicular to the optical axis. In the entire radial direction of a simple cross section, the second region can have the highest refractive index of the optical axis and the lowest refractive index of the side surface. In FIG. 9, five regions having different refractive indexes can be provided by the five conductive members M2 from the optical axis toward the side surface. By further finely dividing regions having different refractive indexes, the refractive index distribution can be made smooth. By making the voltage of the optical axis the highest and the voltage of the side face the lowest, the refractive index distribution of the optical axis is the largest and the refractive index of the side face is the smallest. The rate may be partially reversed. Preferably, the refractive index gradually decreases from the optical axis to the side surface.
このような液晶も、上述の上下端に導電部材を有する液晶と、同様の材料を用いることができる。特に、導電部材M2が光路の全面に渡って設けられているため、透光性の高いものが好ましく、ITOが好ましい。 Such a liquid crystal can also use the same material as the liquid crystal having conductive members on the upper and lower ends. In particular, since the conductive member M2 is provided over the entire surface of the optical path, one having high translucency is preferable, and ITO is preferable.
光導電体は、液晶に配向分布を転写するためのものであり、透過率の高いものが用いられる。具体的には、水素化アモルファスシリコン(α−Si:H)、非晶質水素化シリコーンカーバイド(α−SiC:H)、硫化カドミウム(CdS)、有機感光体(OPC、例えば、ポリ−N−ビニルカルバゾール、ポリ−N−ビニルカルバゾール誘導体、ポリ−9−ビニルアントラセン、又はポリ−9−(P−ビニルフェニルアントラセン)等)、結晶Si、結晶GaAs、Bi12SiO20単結晶、の薄膜等が挙げられる。膜厚としては3μm以下が好ましく、特に1μm以下が好ましい。 The photoconductor is used for transferring the orientation distribution to the liquid crystal, and one having a high transmittance is used. Specifically, hydrogenated amorphous silicon (α-Si: H), amorphous hydrogenated silicone carbide (α-SiC: H), cadmium sulfide (CdS), organic photoreceptor (OPC, for example, poly-N— Vinyl carbazole, poly-N-vinylcarbazole derivatives, poly-9-vinylanthracene, or poly-9- (P-vinylphenylanthracene)), crystalline Si, crystalline GaAs, Bi 12 SiO 20 single crystal, etc. Can be mentioned. The film thickness is preferably 3 μm or less, particularly preferably 1 μm or less.
配向膜は、液晶を配向させるためのものであり、具体的にはポリビニルアルコール(Polyvinyl alcohol)、ポリイミド(Polyimide)、ポリビニルシンナメート(Polyvinyl cinnamate)等が挙げられる。膜厚は、数nm〜数十nm程度が好ましく、約50nm程度が好ましい。特にポリイミド膜が好ましい。 The alignment film is for aligning the liquid crystal, and specific examples thereof include polyvinyl alcohol, polyimide, and polyvinyl cinnamate. The film thickness is preferably about several nm to several tens of nm, and is preferably about 50 nm. A polyimide film is particularly preferable.
第2領域を構成する光学変調素子としては、上記の液晶の他、音響光学素子や、非線形光学素子を挙げることができる。音響光学素子は、超音波で振動させることで、その周波数に応じた応力分布を生じさせ、光弾性により屈折率を変化させるものである。このような音響光学素子の制御部としては、超音波を発生させるための圧電素子等が挙げられる。 Examples of the optical modulation element constituting the second region include an acousto-optic element and a nonlinear optical element in addition to the above-described liquid crystal. The acousto-optic device is caused to vibrate with ultrasonic waves to generate a stress distribution according to its frequency and change the refractive index by photoelasticity. As a control unit of such an acousto-optic element, a piezoelectric element for generating ultrasonic waves and the like can be cited.
非線形光学結晶としては、例えば、KTaxNb1−xO3(KTN)、LiB3O5(LBO)、LiNbO3、LiTaO3、KNbO3、KTiOPO3(KTP)、Ba2NaNb5O15(BNN)、K3Li2Nb5O15(KLN)、Ba2LiNb5O15(BLN)、ZnO、LiIO3、SrxBa1−xNb2O6(SBN)、BaTiO3、PbTiO3、KH2PO4(KDP)、KD2PO4(KDP)、NH4H2PO4(ADP)、InPS4、β−BaB2O4(BBO)等が挙げられる。これらは電気光学効果を有しており、加えた電圧による電界の二乗に比例した屈折率変化が起こるものである。したがって、液晶と同様に、制御部として正負一対の導電部材を用いる。 Nonlinear optical crystals include, for example, KTa x Nb 1-x O 3 (KTN), LiB 3 O 5 (LBO), LiNbO 3 , LiTaO 3 , KNbO 3 , KTiOPO 3 (KTP), Ba 2 NaNb 5 O 15 ( BNN), K 3 Li 2 Nb 5 O 15 (KLN), Ba 2 LiNb 5 O 15 (BLN), ZnO, LiIO 3, Sr x Ba 1-x Nb 2 O 6 (SBN), BaTiO 3, PbTiO 3, KH 2 PO 4 (KDP), KD 2 PO 4 (KDP), NH 4 H 2 PO 4 (ADP), InPS 4, β-BaB 2 O 4 (BBO) , and the like. These have an electro-optic effect, and a change in refractive index proportional to the square of the electric field due to the applied voltage occurs. Therefore, like the liquid crystal, a pair of positive and negative conductive members is used as the control unit.
(光導波部の第1領域と第2領域)
上記のような第1領域及び第2領域は、光導波部に各々1つずつ、または2以上の複数設けることができる。また、配置については、それぞれ交互に配置してもよく、あるいは、屈折率等の異なる第1領域を隣接させてもよく、屈折率分布の異なる第2領域を隣接させてもよい。それぞれ、複数用いる場合は、その各々を同じ部材としてもよく、又は異なる部材としてもよい。
(First region and second region of optical waveguide)
The first region and the second region as described above can be provided one by one or two or more in the optical waveguide unit. Moreover, about arrangement | positioning, you may arrange | position alternately, respectively, 1st area | regions from which refractive index etc. differ may be adjoined, and 2nd area | regions from which refractive index distribution differs may be adjoined. When using two or more, respectively, it is good also considering each as the same member or a different member.
第1領域と第2領域との屈折率の関係については、第2領域の光軸の屈折率が最も大きければよく、その他の領域については、光源装置の大きさ等に応じて適切な屈折率の関係になるよう各部材を選択することができる。例えば、図1Bに示すように、入射部側から第1領域221a(屈折率n1)、第2領域222(屈折率n2〜n2−α)、第1領域221b(屈折率n3)の3つの領域を有する光学部材2が、屈折率n0の大気中に載置される場合、上述のn0<n1=n3<n2−α<n2の他、n0<n3≦n1<n2−α<n2、n0<n2−α<n1=n3<n2、n0<n2−α<n3≦n1<n2等の関係となるようにしてもよい。 Regarding the relationship between the refractive indexes of the first region and the second region, it is only necessary that the refractive index of the optical axis of the second region is the largest, and for the other regions, an appropriate refractive index depending on the size of the light source device and the like. Each member can be selected so as to satisfy the following relationship. For example, as shown in FIG. 1B, the first region 221a (refractive index n 1 ), the second region 222 (refractive index n 2 to n 2 −α), and the first region 221b (refractive index n 3 ) from the incident part side. of the optical member 2 having three areas, when placed in the atmosphere of the refractive index n 0, n 0 above <n 1 = n 3 <other n 2 -α <n 2, n 0 <n 3 ≦ n 1 <n 2 −α <n 2 , n 0 <n 2 −α <n 1 = n 3 <n 2 , n 0 <n 2 −α <n 3 ≦ n 1 <n 2 and the like It may be made to become.
特に、第2領域の全領域の屈折率(n2〜n2−α)が、第1領域の屈折率n1、n3よりも大きいことが好ましく、n0<n1=n3<n2−α<n2の他、n0<n3≦n1<n2−α<n2、とするのが好ましい。これにより、光の損失を抑制しつつ、合成光の放射角度を小さくすることができる。また、合成光の屈折角度をより小さくしたい場合、第2領域の光軸と側面との屈折率差を大きくすることが有効であるが、用いる材料によっては、第2領域の光軸の屈折率n2と、第1領域の屈折率n1、n3との差が大きく出ない場合がある。そのような場合は、第1領域の屈折率n1よりも小さい屈折率のn2−αとしてもよい。この場合、一部、第2領域に入射されない光があるものの、n2とn2−αとの屈折率差を大きくすることで、合成光の放射角度を更に小さくすることができる。 In particular, the refractive index (n 2 to n 2 −α) of the entire second region is preferably larger than the refractive indexes n 1 and n 3 of the first region, and n 0 <n 1 = n 3 <n. other 2 -α <n 2, n 0 <n 3 ≦ n 1 <n 2 -α <n 2, preferably with. Thereby, the radiation angle of synthetic light can be made small, suppressing the loss of light. In order to reduce the refraction angle of the synthesized light, it is effective to increase the difference in refractive index between the optical axis and the side surface of the second region, but depending on the material used, the refractive index of the optical axis of the second region. The difference between n 2 and the refractive indices n 1 and n 3 of the first region may not be large. In such a case, the refractive index n 2 −α may be smaller than the refractive index n 1 of the first region. In this case, although there is some light that is not incident on the second region, the radiation angle of the combined light can be further reduced by increasing the refractive index difference between n 2 and n 2 −α.
第1領域を複数設ける場合、入射部に近い側に配置される第1領域の屈折率よりも、出射部に近い側の屈折率を同等又は小さくするのが好ましい。すなわち、図1Bで示すように第1領域を2つ設ける場合、n1≧n3が成り立つようにするのが好ましい。これにより、前述の(式1)〜(式8)から導かれるθ0>θ0’におけるθ0’を、更に小さいθ0’>θ0’’とすることができる。 In the case where a plurality of first regions are provided, it is preferable that the refractive index on the side closer to the emitting portion is equal or smaller than the refractive index of the first region disposed on the side closer to the incident portion. That is, when two first regions are provided as shown in FIG. 1B, it is preferable to satisfy n 1 ≧ n 3 . Thus, the 'theta 0' in the above-described (Equation 1) ~ 0 θ derived from the equation (8)> θ 0, may be smaller θ 0 '> θ 0'' .
第1領域と第2領域は、それぞれ任意の長さで設けることができるが、好ましくは、第1領域を第2領域の1000倍以上100000倍以下とするのが好ましく、更に1000倍以上10000倍以下とするのが好ましい。例えば、上述で例示したような、第1領域の径が約2mm〜20mmで、第1領域の光軸方向の長さが約100mm〜200mm程度とする場合、第2領域の光軸方向の長さは、10μm〜200μmとするのが好ましい。第2領域として液晶を用いる場合、その光軸方向の長さ(厚み)が1μm〜10μm程度のものが取り扱い易く、入手も容易であるため好ましいが、レーザ光の合成に必要なだけの光軸長さにすることが好ましい。そのため第2領域を加えても、光導波部の全長が極端に長くなることはない。このように、第2領域は、第1領域に比して光軸方向の長さが短くするのが好ましいため、その側面形状がレーザ光の合成にほとんど影響を与えない。そのため、第2領域については、光軸に垂直な断面の形状は特定な形状でなくてもよく、制御部が設けるのが容易な形状、すなわち、四角形や長方形などが好ましい。特に液晶を用いる場合は、制御部である導電部からの距離によって屈折率が制御されるため、導電部材間の距離が異なるものを用いると、制御が複雑になるため、一対の制御部(導電部材)がそれぞれ平行に設けられる形状が好ましい。 The first region and the second region can be provided with arbitrary lengths, respectively. Preferably, the first region is preferably 1000 times or more and 100000 times or less that of the second region, and more preferably 1000 times or more and 10,000 times times. The following is preferable. For example, when the diameter of the first region is about 2 mm to 20 mm and the length of the first region in the optical axis direction is about 100 mm to 200 mm as exemplified above, the length of the second region in the optical axis direction The thickness is preferably 10 μm to 200 μm. When a liquid crystal is used as the second region, a length (thickness) in the direction of the optical axis of about 1 μm to 10 μm is preferable because it is easy to handle and easily obtainable. It is preferable to make the length. Therefore, even if the second region is added, the total length of the optical waveguide portion does not become extremely long. Thus, since it is preferable that the length of the second region in the optical axis direction is shorter than that of the first region, the side surface shape hardly affects the synthesis of the laser light. Therefore, for the second region, the shape of the cross section perpendicular to the optical axis may not be a specific shape, and a shape that can be easily provided by the control unit, that is, a quadrangle or a rectangle is preferable. In particular, when liquid crystal is used, the refractive index is controlled by the distance from the conductive part that is the control part. Therefore, if a different distance between the conductive members is used, the control becomes complicated. A shape in which the members are provided in parallel is preferable.
また、第1領域と第2領域の界面は、図1Aなどに示すように、光軸に垂直な界面となるようにするのが好ましいが、これに限らず、図11に示すように、板状の第2領域222を、光学素子2の光路内の面を光軸Zに対して傾斜させるような配置、すなわち、第1領域221と第2領域222の界面が、光軸Zに対して傾斜するような配置としてもよい。また、第1領域221が中空の場合、図12に示すように、その光学素子2の筒体の中空内に第2領域222を配置させることができる。 Further, the interface between the first region and the second region is preferably an interface perpendicular to the optical axis as shown in FIG. 1A and the like, but not limited to this, as shown in FIG. The second region 222 is shaped so that the surface in the optical path of the optical element 2 is inclined with respect to the optical axis Z, that is, the interface between the first region 221 and the second region 222 is relative to the optical axis Z. It may be arranged so as to be inclined. When the first region 221 is hollow, the second region 222 can be disposed in the hollow of the cylindrical body of the optical element 2 as shown in FIG.
また、第1領域及び第2領域は、それぞれ光導波部内において接するように設けるのが好ましい。これにより、間に空気層等が介在しないようにすることができ、レーザ光の合成を効率よく行うことができる。 The first region and the second region are preferably provided so as to be in contact with each other in the optical waveguide section. Thereby, it is possible to prevent an air layer or the like from intervening therebetween, and it is possible to efficiently combine laser beams.
尚、図示しないが、光源部からの光の入射を阻害しない位置であれば、入射面の一部を被覆してもよい。また、光導波部内で合成された光の出射を阻害しない位置であれば、出射面の一部を被覆してもよい。また、膜厚や屈折率を調整することで、レーザ光の反射を低減させた誘電体保護膜(無反射コート/ARコート)を、光学素子の光導波部の入射部(入射面)や出射部(出射面)に設けてもよい。このようなARコートとしては、例えば、主波長が約405nmの半導体レーザを用いた光源部の場合、AlN、Nb2O5、Al2O3、SiO2等を約数nm〜数μmの厚さで設けることで、ARコートとすることができる。 In addition, although not shown in figure, you may coat | cover a part of entrance plane if it is a position which does not inhibit the entrance of the light from a light source part. Further, a part of the emission surface may be covered as long as the position does not hinder the emission of the light synthesized in the optical waveguide unit. In addition, by adjusting the film thickness and refractive index, a dielectric protective film (non-reflective coating / AR coating) in which the reflection of the laser light is reduced is applied to the incident portion (incident surface) and the emission of the optical waveguide portion of the optical element. You may provide in a part (output surface). As such an AR coat, for example, in the case of a light source unit using a semiconductor laser having a dominant wavelength of about 405 nm, AlN, Nb 2 O 5 , Al 2 O 3 , SiO 2, etc. have a thickness of about several nm to several μm. By providing this, an AR coat can be obtained.
(光源部)
光源部は、レーザ光の出射部を複数有するものであり、各レーザ光を、光学素子の入射部に向けて出射する。この場合、レーザ光の出射部が1つである半導体レーザチップを、金属や樹脂あるいはセラミックなどのパッケージに搭載したレーザ光源を複数有する光源部や、2以上の出射部を有する半導体レーザチップを1または2以上用いるレーザ光源を用いることができる。
(Light source)
The light source unit has a plurality of laser beam emitting units, and emits each laser beam toward the incident unit of the optical element. In this case, a semiconductor laser chip having a single laser light emitting portion, a light source portion having a plurality of laser light sources mounted on a package of metal, resin, ceramic, or the like, or a semiconductor laser chip having two or more emitting portions are provided. Alternatively, two or more laser light sources can be used.
各レーザ光源は、その光軸が光学素子の光軸と交差するように角度を調整して配置させるのが好ましい。レーザ光源の光軸を、光学素子の光導波部の光軸に対して傾斜させる場合、その光導波部の入射部の径、レーザ光源と光学素子との距離、更には、レーザ光源からのレーザ光の放射角度によって任意に調整することができる。少なくとも、そのレーザ光の全光束の80%以上が光導波部の入射部に入射されるようにするのが好ましく、更に好ましくは、FFPの全体が入射されるようにするのが好ましい。また、各レーザ光源の出射部と、光学素子の入射部との距離は、任意に選択することができ、例えば、それらの距離がそれぞれ等しくなるように配置してもよく、或いは、異なる距離になるように配置してもよい。 Each laser light source is preferably arranged with its angle adjusted so that its optical axis intersects the optical axis of the optical element. When the optical axis of the laser light source is tilted with respect to the optical axis of the optical waveguide of the optical element, the diameter of the incident part of the optical waveguide, the distance between the laser light source and the optical element, and the laser from the laser light source It can be arbitrarily adjusted according to the radiation angle of light. It is preferable that at least 80% or more of the total luminous flux of the laser light is incident on the incident portion of the optical waveguide, and more preferably, the entire FFP is incident. Further, the distance between the emission part of each laser light source and the incident part of the optical element can be arbitrarily selected. For example, the distances may be equal to each other, or the distances may be different. You may arrange so that it may become.
また、光源部からのレーザ光は、直接、光学素子の入射部に入射されるようにしてもよく、或いは、各種レンズ等を介して、間接的に入射させても構わない。ここで用いるレンズは、レーザ光1つに対して1または2以上のレンズを用いることができる。 Further, the laser light from the light source unit may be directly incident on the incident part of the optical element, or may be incident indirectly through various lenses. As the lens used here, one or two or more lenses can be used for one laser beam.
半導体レーザは、任意の波長のものを選択することができ、可視光、紫外光、や赤外光などを用いることができる。例えば、紫外光や、青色、緑色の可視光が発振可能な半導体レーザとしては、II−VI族化合物半導体(ZnSeなど)や窒化物半導体(InXAlYGa1−X−YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)、GaPを用いたものを適用させることができる。また、赤色の半導体レーザとしては、GaAlAs、AlInGaPなどを用いることができる。更に、これ以外の材料からなる半導体レーザを用いることもでき、目的や用途に応じて、波長や個数等を適宜選択することができる。光源装置をレーザスクライブの光源として用いる場合、主波長が400nm〜500nmの縦モードがシングルまたはマルチの紫外〜青色の半導体レーザを用いるのが好ましく、例えば、800mWの出力が可能な窒化物半導体レーザチップを金属のパッケージに搭載した半導体レーザを12個用いることで、約10Wの合成されたレーザ光を出射可能な光源装置とすることができる。 A semiconductor laser having an arbitrary wavelength can be selected, and visible light, ultraviolet light, infrared light, or the like can be used. For example, semiconductor lasers capable of oscillating ultraviolet light, blue light, and green visible light include II-VI group compound semiconductors (ZnSe and the like) and nitride semiconductors (In X Al Y Ga 1-XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and those using GaP can be applied. As the red semiconductor laser, GaAlAs, AlInGaP, or the like can be used. Furthermore, a semiconductor laser made of a material other than this can be used, and the wavelength, number, etc. can be appropriately selected according to the purpose and application. When the light source device is used as a laser scribe light source, it is preferable to use an ultraviolet to blue semiconductor laser whose main wavelength is 400 nm to 500 nm and whose longitudinal mode is single or multi, for example, a nitride semiconductor laser chip capable of outputting 800 mW By using twelve semiconductor lasers mounted on a metal package, a light source device capable of emitting a synthesized laser beam of about 10 W can be obtained.
(集光部材)
集光部材は、光学素子の出射部から出射される合成光を集光させるものであり、各種レンズや、ミラーを用いることができる。光学素子から出射される合成光は、光軸に垂直な断面形状が円形または円に近い多角形の光学素子を用いる場合、強度分布が単峰型の発散光からなる合成光であり、この合成光を集光部材によって集光することで、スポット径の小さい単峰型強度分布を有するレーザ合成光を得ることができる。また、光学素子として光軸に垂直な断面形状が楕円形または楕円に近い多角形の光学素子を用いる場合、強度分布が1つまたは2つのピークを有する合成光とすることができる。
(Condensing member)
A condensing member condenses the synthetic | combination light radiate | emitted from the output part of an optical element, and can use various lenses and a mirror. The combined light emitted from the optical element is a combined light composed of divergent light having a single-peak intensity distribution when a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis is circular or a polygonal optical element close to a circle is used. By condensing the light with the condensing member, it is possible to obtain laser combined light having a single-peak intensity distribution with a small spot diameter. In addition, when an optical element having a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis as an optical element having an elliptical shape or a polygonal shape close to an elliptical shape is used, the combined light having one or two peaks in intensity distribution can be obtained.
集光部材は、光学素子から出射される合成光の放射角度に合わせて、その径を選択することができ、少なくとも合成光の全光束の80%以上、好ましくは、合成光の全光束が入射されるような有効径を有するものが好ましい。更に、その合成光の光束径と同程度以上から10%程度大きくなるような有効径を有するものが好ましい。 The diameter of the condensing member can be selected according to the radiation angle of the synthesized light emitted from the optical element, and at least 80% or more of the total luminous flux of the synthesized light, preferably the total luminous flux of the synthesized light is incident Those having an effective diameter as described above are preferred. Furthermore, it is preferable to have an effective diameter that is about the same as or larger than the luminous flux diameter of the combined light and about 10% larger.
レンズとしては、光軸に垂直な断面形状が円形のレンズが好ましく、例えば、凸レンズ、凹レンズ、フレネルレンズ等、集光レンズとして知られているものを用いることができる。また、GRINレンズ、アキシコンプリズムでもよい。そしてそれらは、集光能力や開口数、曲率半径、有効半径、光軸方向の厚み等について、光学素子からの合成光の特性や、目的等に応じて種々選択することができる。レンズの具体的な材料としては、無機化合物としては、ソーダ石灰ガラス、硼珪酸ガラス、アルミノ珪酸ガラス、石英ガラス等を挙げることができ、中でも、BK7ガラス、B270ガラス、SF11ガラス、PBK40ガラス、石英ガラスなど各種ガラスが好ましく、更に、これらに反射防止膜などの表面処理を施しても構わない。また、有機化合物も用いることができ、例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂等の光学特性がガラスに近い樹脂を用いることができる。 As the lens, a lens having a circular cross section perpendicular to the optical axis is preferable. For example, a lens known as a condensing lens such as a convex lens, a concave lens, or a Fresnel lens can be used. Further, a GRIN lens or an axicon prism may be used. They can be variously selected according to the characteristics of the combined light from the optical element, the purpose, etc., with respect to the light collecting ability, the numerical aperture, the radius of curvature, the effective radius, the thickness in the optical axis direction, and the like. Specific examples of the lens material include inorganic compounds such as soda lime glass, borosilicate glass, aluminosilicate glass, and quartz glass. Among them, BK7 glass, B270 glass, SF11 glass, PBK40 glass, and quartz can be used. Various glasses such as glass are preferable, and they may be further subjected to a surface treatment such as an antireflection film. An organic compound can also be used, and for example, a resin having optical properties close to glass, such as an acrylic resin and a polycarbonate resin, can be used.
集光部材として用いるレンズやミラーは1枚でもよく、または、複数枚用いてもよい。その場合は、複数枚で集光機能を有するように構成されていればよい。更に、レンズとミラーとの両方を用いて集光部材としても構わない。 One lens or mirror may be used as the light collecting member, or a plurality of lenses or mirrors may be used. In that case, what is necessary is just to be comprised so that it may have a condensing function by multiple sheets. Further, both the lens and the mirror may be used as a light collecting member.
<実施の形態2>
本実施の形態の光源装置の構成を図13に示す。図13は、実施の形態1において説明した光源装置を複数セット用いて光源部10とする光源装置である。実施の形態2では、合成されたレーザ光を光源とし、それを更に合成することで半導体レーザを多く用いる場合であっても、光学素子との結合効率(光利用効率)を低下しにくくすることができる。用いる半導体レーザの数が多くなると、1つの光学素子の入射部に入射させる場合に傾斜させる角度が大きくなり易く、効率よく入射できる載置場所が制限されるので、実施の形態2のように、2段階、或いは3段階以上で合成をさせることで、高い結合効率で合成光を得ることができる。
<Embodiment 2>
The structure of the light source device of this embodiment is shown in FIG. FIG. 13 shows a light source device that uses the light source device described in Embodiment 1 as a light source unit 10 by using a plurality of sets. In the second embodiment, combined laser light is used as a light source and further combined to further reduce the coupling efficiency (light utilization efficiency) with the optical element even when many semiconductor lasers are used. Can do. When the number of semiconductor lasers to be used is increased, the tilting angle tends to be large when entering the incident portion of one optical element, and the place where the light can be efficiently incident is limited. By synthesizing in two steps or three or more steps, synthesized light can be obtained with high coupling efficiency.
光源部10で用いられている光学素子2と、合成光が入射される光学素子20とは、第1領域と第2領域の大きさ、断面形状、傾斜面の角度等については、両者とも同じものを用いてもよく、或いは、異なるものを用いてもよい。ここでは、光源部10の光学素子2の第2領域222は、第1領域221に挟まれ、光学素子20の光学素子20も、第2領域2222は、第1領域2221に挟まれたものを用いている。レンズ30は、合成されたレーザ光を集光させるために実施の形態1で説明した集光レンズを用いることができ、光源部10で用いられるレンズと同じもの、または異なるものを用いることができる。光源部10からの合成光は、その光軸が、光学素子20の光導波部の光軸と交差するように、入射するのが好ましい。この場合、光源部10からの合成光の焦点を、光学素子20の光導波部の入射部に一致させてもよく、また、図13に示すように入射部よりも内側の光軸上が焦点となるように入射させるのが好ましい。また、光学素子20の入射部の面積と略等しい程度のスポット径となるように、することで、光学素子20の入射面にかかる負荷を低減し、耐光性の劣化を抑制することができる。例えば、第2領域222と、第2領域2222とを同じ液晶を有するものとし、第2領域222に与える電圧を、第2領域2222に与える電圧よりも低くするなどにより屈折率を制御することで合成された出射光の放射角度を制御することができる。 The optical element 2 used in the light source unit 10 and the optical element 20 to which the combined light is incident are the same in both the size of the first region and the second region, the cross-sectional shape, the angle of the inclined surface, and the like. A thing may be used, or a different thing may be used. Here, the second region 222 of the optical element 2 of the light source unit 10 is sandwiched between the first regions 221, and the optical element 20 of the optical element 20 is also the second region 2222 sandwiched between the first regions 2221. Used. As the lens 30, the condensing lens described in Embodiment 1 can be used for condensing the synthesized laser light, and the same lens as the lens used in the light source unit 10 or a different lens can be used. . The combined light from the light source unit 10 is preferably incident so that the optical axis thereof intersects the optical axis of the optical waveguide unit of the optical element 20. In this case, the focus of the combined light from the light source unit 10 may be made coincident with the incident part of the optical waveguide part of the optical element 20, and the focus is on the optical axis inside the incident part as shown in FIG. It is preferable to make it enter so that. In addition, by setting the spot diameter to be approximately equal to the area of the incident portion of the optical element 20, it is possible to reduce the load applied to the incident surface of the optical element 20 and suppress deterioration of light resistance. For example, the second region 222 and the second region 2222 have the same liquid crystal, and the refractive index is controlled by making the voltage applied to the second region 222 lower than the voltage applied to the second region 2222. The radiation angle of the synthesized outgoing light can be controlled.
本発明に係る光源装置は、複数のレーザ光を合成することで得られる合成光を、1つまたは2つのピークを有する強度分布となるように制御し、かつ、レーザ光を合成させる光学素子の光導波部は光軸に垂直な方向に屈折率が異なる領域を設けて、その屈折率を制御することで放射角度を制御することができる。そのため、集光のためのレンズ径を大きくすることなく、単峰型の強度分布を有するレーザ光の合成光を出射可能な光源装置とするものであり、レーザスクライブなどの加工用として、または、マーク用として利用することができる。 The light source device according to the present invention is an optical element that controls combined light obtained by combining a plurality of laser beams so as to have an intensity distribution having one or two peaks, and combines the laser beams. The optical waveguide section is provided with regions having different refractive indexes in the direction perpendicular to the optical axis, and the radiation angle can be controlled by controlling the refractive index. Therefore, without increasing the lens diameter for condensing, it is a light source device that can emit a combined light of laser light having a unimodal intensity distribution, for processing such as laser scribe, or It can be used for marks.
1、10…光源部
11…レーザ光源
2、20…光学素子
21…入射部
22…光導波部
221a、221b、221c、2221…第1領域
222、222a、222b、2222…第2領域
K1、K2…透明部材
L1、L2…被覆部材
M1、M2…制御部(導電部材)
P…カバー
Q…液晶分子
22a…側面(内面)
223…筒体
23…出射部
3、30…集光部材(レンズ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 10 ... Light source part 11 ... Laser light source 2, 20 ... Optical element 21 ... Incident part 22 ... Optical waveguide part 221a, 221b, 221c, 2221 ... 1st area | region 222, 222a, 222b, 2222 ... 2nd area | region K1, K2 ... Transparent members L1, L2 ... Coating members M1, M2 ... Control part (conductive member)
P ... Cover Q ... Liquid crystal molecule 22a ... Side (inner surface)
223 ... Cylinder 23 ... Output part 3, 30 ... Condensing member (lens)
Claims (13)
前記光源部からの光が入射される入射部と、入射された光が導波され合成される光導波部と、合成された光が外部に出射される出射部とを有する光学素子と、
該光学素子の出射部から出射される光を集光させる集光部材と、
を有する光源装置であって、
前記光導波部は、光軸方向に屈折率が異なる第1領域及び第2領域を有し、
前記第1領域は、屈折率が一定であり、且つ、前記光導波部の光軸と垂直な面または断面形状が円形、楕円形、円または楕円に近い多角形のいずれかであり、
前記第2領域は、前記光軸に垂直な断面の少なくとも1つの方向において、光軸の屈折率が最も大きく、側面の屈折率が最も小さいことを特徴とする光源装置。 A light source unit having a plurality of laser beam emitting units;
An optical element having an incident part into which light from the light source part is incident, an optical waveguide part in which the incident light is guided and synthesized, and an emitting part from which the synthesized light is emitted to the outside;
A condensing member that condenses the light emitted from the emitting portion of the optical element;
A light source device comprising:
The optical waveguide unit includes a first region and a second region having different refractive indexes in the optical axis direction,
The first region has a constant refractive index, and a surface or a cross-sectional shape perpendicular to the optical axis of the optical waveguide portion is a circle, an ellipse, a circle, or a polygon close to an ellipse,
The light source device, wherein the second region has the highest refractive index of the optical axis and the lowest refractive index of the side surface in at least one direction of a cross section perpendicular to the optical axis.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010291766A JP2012138554A (en) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Light source device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010291766A JP2012138554A (en) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Light source device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012138554A true JP2012138554A (en) | 2012-07-19 |
Family
ID=46675721
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010291766A Pending JP2012138554A (en) | 2010-12-28 | 2010-12-28 | Light source device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012138554A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017003791A (en) * | 2015-06-11 | 2017-01-05 | 株式会社島津製作所 | Multiplexing laser beam source |
JP2020507934A (en) * | 2017-01-03 | 2020-03-12 | カロライナ ディアス マチャド、ポーラ | Triodes for laser therapy and triode based devices for laser therapy |
-
2010
- 2010-12-28 JP JP2010291766A patent/JP2012138554A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017003791A (en) * | 2015-06-11 | 2017-01-05 | 株式会社島津製作所 | Multiplexing laser beam source |
JP2020507934A (en) * | 2017-01-03 | 2020-03-12 | カロライナ ディアス マチャド、ポーラ | Triodes for laser therapy and triode based devices for laser therapy |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7839908B2 (en) | Mode control waveguide laser device | |
JP3522117B2 (en) | Self-guided optical circuit | |
US8339697B2 (en) | Wavelength conversion laser light source and image display device | |
US20090279017A1 (en) | Wavelength conversion module, laser light source device, two dimensional image display device, backlight light source, liquid crystal display device and laser processing device | |
US9405169B2 (en) | Frequency-converted light source | |
US7738162B2 (en) | Short wavelength light source | |
US9312655B2 (en) | Planar waveguide laser pumping module and planar waveguide wavelength conversion laser device | |
CN108508677B (en) | Supercontinuum variable frequency laser based on PPLN crystal | |
JP2012138554A (en) | Light source device | |
JP2008198980A (en) | Laser light source apparatus, illuminating apparatus, image displaying apparatus, and monitoring apparatus | |
JPH11271823A (en) | Wavelength converter | |
JP2004295088A (en) | Wavelength conversion element | |
US8705165B2 (en) | Optical wavelength conversion element, wavelength conversion laser device, and image display device | |
US20210265802A1 (en) | Second-harmonic generation crystal | |
CN106936053A (en) | A kind of terahertz emission source device | |
KR20080041398A (en) | Methods and apparatus for manufacturing wavelength changing device having optical waveguide | |
JP5742331B2 (en) | Laser light scanner | |
US9927679B2 (en) | Wavelength separating element for use in a nonlinear frequency conversion device | |
DK181086B1 (en) | Electromagnetic radiation frequency converter and light source comprising same | |
US11163118B2 (en) | Optical modulation device | |
JPWO2017213099A1 (en) | Light modulator, light observation device, and light irradiation device | |
JP4269836B2 (en) | Liquid crystal element and optical head device | |
JP2022172581A (en) | Solar cell module | |
JP2008172148A (en) | Laser source device, lighting equipment, image display, monitoring equipment | |
US8270069B2 (en) | UV light generator |