JP2016082219A

JP2016082219A - 半導体レーザ発振器

Info

Publication number: JP2016082219A
Application number: JP2015147330A
Authority: JP
Inventors: かおり臼田; Kaori Usuda
Original assignee: Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2015-07-27
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】安価にマルチビームを実現することができる半導体レーザ発振器を提供する。【解決手段】半導体レーザ発振器は、複数のレーザダイオードを１組とした複数組のレーザダイオードと、レーザダイオードより射出されたレーザを伝送する複数組の光ファイバ（11f11〜11fn1，11f12〜11fn2）とを備える。光ファイバは、複数組それぞれで第１の方向に配列し、複数組が第１の方向及びレーザの進行方向と交差する第２の方向に配列している。半導体レーザ発振器は、光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータ1112，1115と、レーザダイオードより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、外部共振器ミラーの間に配置され、コリメータ1112，1115より射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティング1103とを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、レーザを射出する半導体レーザ発振器に関する。

半導体レーザ発振器より射出されたレーザを用いて、金属の板材等の被加工材を加工するレーザ加工機が普及している。

半導体レーザ発振器より射出されるレーザのビームスポットを複数にする、いわゆるマルチビームとすることが要求されることがある。従来、マルチビームを実現するには、多焦点レンズを用いる第１の方法や、複数の半導体レーザ発振器からのレーザをバンドルファイバに入射する第２の方法がある。

特開２０１２−１７４７２０号公報

第１の方法では、マルチビームの一つ一つのビームスポットのパワーは、単一のビームスポットのパワーよりも小さくなってしまう。第２の方法では、ビームスポットの個数だけ半導体レーザ発振器を用意しなければならず、コストが高くなってしまう。また、ビーム間隔がバンドルファイバの間隔で決まってしまう。

そこで、一つ一つのビームスポットのパワーを下げることなく、安価にビーム間隔やオーバラップ率が自在であるマルチビームを実現することができる半導体レーザ発振器が求められる。

本発明は、このような要望に対応するため、一つ一つのビームスポットのパワーを下げることなく、安価にマルチビームを実現することができる半導体レーザ発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、複数のレーザダイオードを１組とした複数組のレーザダイオードと、前記複数組のレーザダイオードそれぞれに接続され、前記レーザダイオードより射出されたレーザを伝送する複数組の光ファイバとを備え、前記光ファイバは、少なくとも前記光ファイバの出力端で、前記複数組におけるそれぞれの組で第１の方向に配列し、前記複数組が前記第１の方向及び前記レーザの進行方向と交差する第２の方向に配列しており、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、前記レーザダイオードより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングとをさらに備え、前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させることを特徴とする半導体レーザ発振器を提供する。

上記の構成において、前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記第２の方向のみにコリメートするマイクロレンズと、前記マイクロレンズより射出されたそれぞれのレーザを前記第１の方向のみにコリメートするコリメートレンズとを有する構成とすることができる。

上記の構成において、前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記第１及び第２の方向にコリメートするコリメートレンズであり、前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記グレーティングより射出されたレーザの光軸を調整する光軸調整用レンズをさらに備える構成とすることができる。

以上の構成において、前記光ファイバは、前記複数組が前記第２の方向にオーバラップするように積み重ねられていてもよい。以上の構成において、前記複数組のレーザダイオードが組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていてもよい。

また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、複数の面発光レーザが第１の方向に配列して組とされ、前記面発光レーザの複数の組が前記第１の方向及び射出されるレーザの進行方向と交差する第２の方向に配列した面発光レーザアレイと、前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、前記面発光レーザより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングとを備え、前記コリメータは、前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させることを特徴とする半導体レーザ発振器を提供する。

上記の構成において、前記面発光レーザアレイにおける前記面発光レーザの組は、前記第２の方向にオーバラップするように配列されていてもよい。上記の構成において、前記面発光レーザの組は組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていてもよい。

本発明の半導体レーザ発振器によれば、一つ一つのビームスポットのパワーを下げることなく、安価にマルチビームを実現することができる。

一実施形態の半導体レーザ発振器を備えるレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。一実施形態の半導体レーザ発振器を示すブロック図である。図２中のＤＤＬユニット１１ｕの基本的な構成を示す概念図である。図３中のファイバアレイ1101を示す斜視図である。図３における光ファイバの配列を示す概略的な断面図である。マルチビームを実現するための図２中のＤＤＬユニット１１ｕの構成を示す概念図である。図６中のファイバアレイ1111を示す斜視図である。図６における光ファイバの配列を示す概略的な断面図である。マルチビームを実現するための図２中のＤＤＬユニット１１ｕの具体的な第１の構成例を示す斜視図である。第１の構成例を側面から見た平面図である。第１の構成例を上面から見た平面図である。光ファイバの列を４段に積み重ねた場合のマルチビームの第１の例を示す図である。光ファイバの列を４段に積み重ねた場合のマルチビームの第２の例を示す図である。第１の構成例の変形例を示す平面図である。図１４中のシリンドリカルレンズ1116を示す斜視図である。マルチビームを実現するための図２中のＤＤＬユニット１１ｕの具体的な第２の構成例を示す斜視図である。第２の構成例を側面から見た平面図である。第２の構成例を上面から見た平面図である。面発光レーザを用いてマルチビームを実現する場合の構成例を示す斜視図である。図１９中の面発光レーザアレイ1118の変形例を示す斜視図である。マルチビームを用いたＣＷ溶接またはＣＷ切断を説明するための図である。単一ビームを用いたパルス溶接を説明するための図である。マルチビームを用いて矩形ビームを生成する概略的な構成図である。矩形ファイバの概略的な断面図である。図２３に示す構成によって得られる矩形ビームを示す図である。

以下、一実施形態の半導体レーザ発振器について、添付図面を参照して説明する。まず、一実施形態の半導体レーザ発振器を備えるレーザ加工機の全体的構成及び動作を説明する。

図１に示すレーザ加工機１００は、レーザによって被加工材を切断加工するレーザ切断加工機である場合を例とする。レーザ加工機は、レーザによって被加工材を溶接加工するレーザ溶接加工機、レーザによって被加工材の表面を改質する表面改質装置、レーザによって被加工材にマーキングするマーキング装置であってもよい。

レーザ加工機１００は、レーザＬＢを生成して射出する半導体レーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザＬＢをレーザ加工ユニット１５（後述するコリメート補正ユニット２９）へと伝送する伝送光学ユニット３０とを備える。

半導体レーザ発振器１１は、高出力のシングルエミッタのダイオードレーザを複数使用したダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）発振器である。以下、ＤＤＬ発振器１１と称する。ＤＤＬ発振器１１の具体的構成及び動作については後に詳述する。

ＤＤＬ発振器１１より射出されたレーザＬＢをレーザ加工ユニット１５へと伝送する伝送光学ユニット３０は次のように構成される。

ミラー収納部３２はＸ軸ベンドミラー３３を収納し、ミラー収納部３５はＹ軸ベンドミラー３６を収納する。ＤＤＬ発振器１１とミラー収納部３２とは、蛇腹状の光路カバー３１で連結されている。ミラー収納部３２とミラー収納部３５とは、蛇腹状の光路カバー３４で連結されている。ミラー収納部３５は、コリメート補正ユニット２９に連結されている。

ＤＤＬ発振器１１より射出されたレーザＬＢはＸ軸ベンドミラー３３で反射し、さらにてＹ軸ベンドミラー３６で反射してコリメート補正ユニット２９に入射する。

レーザ加工ユニット１５は、被加工材Ｗを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメート補正ユニット２９を有する。

コリメート補正ユニット２９は、ＤＤＬ発振器１１から射出されたレーザＬＢを補正するコリメート補正レンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザＬＢをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメート補正ユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザＬＢを集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

コリメート補正レンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメート補正ユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメート補正レンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

コリメート補正ユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザＬＢを被加工材Ｗに照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、ＤＤＬ発振器１１より射出されたレーザＬＢを伝送光学ユニット３０によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、高エネルギ密度の状態で被加工材Ｗに照射して被加工材Ｗを切断加工することができる。

なお、被加工材Ｗを切断加工するとき、被加工材Ｗには溶融物を除去するためのアシストガスが噴射される。図１では、アシストガスを噴射する構成については図示を省略している。

次に、図２〜図６を用いて、ＤＤＬ発振器１１の具体的な構成及び動作を説明する。図２に示すように、ＤＤＬ発振器１１は、ＤＤＬユニット１１ｕとＤＤＬユニット１１ｕに電力を供給する電力供給部１１３と、ＤＤＬ発振器１１を制御する制御部１１４とを有する。

図３は、ＤＤＬユニット１１ｕの基本的な構成を概念的に示している。まず、図３を用いて、ＤＤＬユニット１１ｕの基本的な構成を説明する。図３において、ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザダイオードモジュール11m1〜11mnのｎ個のレーザダイオードモジュールを有する。

レーザダイオードモジュール11m1〜11mnのうちのいずれかを特定しないレーザダイオードモジュールをレーザダイオードモジュール１１ｍと称することとする。レーザダイオードモジュール１１ｍの個数は２以上で適宜設定すればよい。

それぞれのレーザダイオードモジュール１１ｍは、複数のレーザダイオードが直列に接続されて構成されている。レーザダイオードの個数は例えば１４個である。レーザダイオードモジュール１１ｍは、それぞれでロックさせるレーザの波長が異なる。

レーザダイオードモジュール11m1〜11mnは、各レーザダイオードより射出されたレーザを空間ビーム結合するように構成されている。各レーザダイオードのレーザを射出する側とは反対側の端面には、高反射ミラーが形成されている。

レーザダイオードモジュール11m1〜11mnには、光ファイバ11f1〜11fnの一方の端部が接続されている。光ファイバ11f1〜11fnの他方の端部は、ファイバアレイ1101となっている。

ファイバアレイ1101は、一例として、図４に示すように構成される。図４は、ファイバアレイ1101をレーザの射出端側から見た状態を示している。

光ファイバ11f1〜11fnの先端部は、レーザの射出方向と直交する方向に一列に並べられた光ファイバ列110fとなっている。光ファイバ列110fの先端部の数ミリから十数ミリの範囲が樹脂110rで円筒状に被覆されて、ファイバアレイ1101が構成されている。ファイバアレイ1101のレーザの射出端側の端面は研磨されている。

光ファイバ11f1〜11fnは、少なくともファイバアレイ1101の部分において、図５に示すように、第１の方向（図５の左右方向）に配列している。

レーザダイオードモジュール11m1〜11mnより射出されたレーザは、ファイバアレイ1101より射出して、コリメートレンズ1102によって平行光化されて略平行光束となる。コリメートレンズ1102より射出されたそれぞれのレーザは、グレーティング1103に互いに異なる角度で入射して方向が曲げられて、部分反射ミラー1104を介して射出する。

このとき、レーザがコリメートレンズ1102に入射する位置の違いによって、グレーティング1103への入射角度が決まる。

レーザの一部は、部分反射ミラー1104で反射してレーザダイオードモジュール１１ｍへと戻り、高反射ミラーで反射して再び部分反射ミラー1104に入射する。

このように、レーザは、レーザダイオードモジュール１１ｍ内部の高反射ミラーと部分反射ミラー1104との間で共振する。ＤＤＬユニット１１ｕは外部共振器を構成する。高反射ミラー及び部分反射ミラー1104は、外部共振器ミラーを構成する。

ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザを、外部共振器とグレーティング1103とによって波長ロックさせる。グレーティング1103は、波長ロックの機能に加えて、スペクトルビーム結合させる機能を有する。

以上の構成及び動作によって、ＤＤＬユニット１１ｕからは、複数の波長にロックされた図示のような波長スペクトルＳＰ１を有するレーザが出力される。図３の構成では、１つの円形のビームスポットＬＢＳを有するレーザが出力される。図３のビームスポットＬＢＳを単一ビームと称する。

本実施形態においては、図３に示すＤＤＬユニット１１ｕの基本的な構成を応用して、ＤＤＬユニット１１ｕが図６に示すように概念的に構成されている。図６において、図３と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。図６に示すＤＤＬユニット１１ｕは、図３に示すＤＤＬユニット１１ｕとは内部構成が異なるものの、便宜上、ＤＤＬユニット１１ｕと称することとする。

図６において、ＤＤＬユニット１１ｕは、レーザダイオードモジュール11m11〜11mn1のｎ個のレーザダイオードモジュールと、レーザダイオードモジュール11m12〜11mn2のｎ個のレーザダイオードモジュールとを有する。レーザダイオードモジュール11m11〜11mn1と、レーザダイオードモジュール11m12〜11mn2とは紙面と直交する方向に位置をずらした状態で配置されている。

レーザダイオードモジュール11m12〜11mn2のうちのいずれかを特定しないレーザダイオードモジュールもレーザダイオードモジュール１１ｍと称することとする。

レーザダイオードモジュール11m11〜11mn1には、光ファイバ11f11〜11fn1の一方の端部が接続されている。レーザダイオードモジュール11m12〜11mn2には、光ファイバ11f12〜11fn2の一方の端部が接続されている。光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2の他方の端部は、ファイバアレイ1111となっている。

ファイバアレイ1111は、一例として、図７に示すように構成される。図７は、ファイバアレイ1111をレーザの射出端側から見た状態を示している。

光ファイバ11f11〜11fn1の先端部は、レーザの射出方向と直交する方向に一列に並べられた光ファイバ列111f1となっている。光ファイバ11f12〜11fn2の先端部は、レーザの射出方向と直交する方向に一列に並べられた光ファイバ列111f2となっている。

光ファイバ列111f1及び111f2の先端部の数ミリから十数ミリの範囲が樹脂111rで円筒状に被覆されて、ファイバアレイ1111が構成されている。ファイバアレイ1111のレーザの射出端側の端面は研磨されている。

光ファイバ列111f1及び111f2は、第１の方向及び射出されるレーザの進行方向との交差する第２の方向に配列している。交差する方向とは直交する方向であってもよい。配列された光ファイバ列111f1及び111f2は、第２の方向に互いに接触している。

光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2は、少なくともファイバアレイ1111の部分において、図８に示すように２段に配列している。光ファイバ11f11〜11fn1と及び11f12〜11fn2は、長さ方向の全体が図８に示すように配列していなくてもよい。

光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2は、少なくともレーザの射出端側の端部において、それぞれ第１の方向に配列している。光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2は、少なくともレーザの射出端側の端部において、互いに第２の方向に配列している。

本実施形態ではファイバアレイ1111を用いることによって、光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2の先端部を第１の方向に配列させて光ファイバ列111f1及び111f2とし、光ファイバ列111f1及び111f2第２の方向に配列させている。ファイバアレイ1111を用いず、光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2の少なくとも先端部を第１及び台２の方向に配列させてもよい。

光ファイバは、少なくとも光ファイバの出力端で、複数組におけるそれぞれの組で第１の方向に配列し、複数組が第２の方向に配列していればよい。

図６においては、図３のコリメートレンズ1102の代わりに、レーザを第１の方向にのみコリメートするコリメートレンズ1112が設けられている。また、ファイバアレイ1111とコリメートレンズ1112との間に、レーザを第２の方向にのみコリメートするマイクロレンズ1115が設けられている。マイクロレンズ1115の具体的な構成は後述する。

円筒状のファイバアレイ1111の代わりに、平板状のファイバアレイを用いてもよい。

以上のように構成された図６に示すＤＤＬユニット１１ｕからは、複数の波長にロックされた図示のような波長スペクトルＳＰ２を有するレーザが出力される。図６に示す波長スペクトルＳＰ２は、図３に示す波長スペクトルＳＰ１と比較して、隣接する波長の間隔が狭く、２倍の数のロック波長を有する。

図９〜図１１を用いて、図６に示すＤＤＬユニット１１ｕの具体的な構成を説明する。図１０は図９の側面から見た状態、図１１は図９の上から見た状態を示している。

図９〜図１１に示すように、マイクロレンズ1115は、例えば石英ガラス板上に、光ファイバ列111f1及び111f2それぞれに対応させたマイクロレンズエレメント列115M1及び115M2を形成したものである。マイクロレンズエレメント列115M1及び115M2の個々のマイクロレンズエレメントは、光ファイバ列111f1及び111f2より射出したそれぞれのレーザを第２の方向にのみコリメートする。

コリメートレンズ1112は、マイクロレンズ1115より射出したそれぞれのレーザを第１の方向にのみコリメートする。マイクロレンズ1115とコリメートレンズ1112との全体は、レーザダイオードモジュール１１ｍから射出したレーザを第１及び第２の方向にのみコリメートするコリメータとして作用する。

マイクロレンズ1115によって光ファイバ列111f1及び111f2より射出したそれぞれのレーザを第２の方向にのみコリメートし、コリメートレンズ1112によってレーザを第１の方向にコリメートして、グレーティングに入射させることによって、ＤＤＬユニット１１ｕより、２つの円形のビームスポットＬＢＳを有するレーザが出力される。

図６，図９〜図１１に示す構成によれば、光ファイバの列を第２の方向に積み重ねることによって、マルチビームを実現している。ＤＤＬユニット１１ｕは１つであるので、安価にマルチビームを実現でき、一つ一つのビームスポットのパワーを下げることもない。

光ファイバの列を積み重ねる数をさらに多くしてもよい。図１２の（ａ）は、光ファイバの列を４段に積み重ねた状態を断面図で示している。図１２の（ａ）は、列方向では隣接する光ファイバに隙間を設けていない。各列の光ファイバは積み重なる方向にわずかにオーバラップしている。

光ファイバがオーバラップするとは、複数段の光ファイバの列の断面において、ある段の光ファイバの第２の方向の範囲と、第２の方向に隣接する段の光ファイバの第２の方向の範囲とが部分的に重複していることである。

この場合、スペクトルビーム結合の結果得られるビームスポットＬＢＳは、図１２の（ｂ）に示すように、４つの円形がわずかに重なり合った状態となる。例えば図１２の（ａ）に下から１列目と３列目を、レーザを射出させないダミーファイバとすると、図１２の（ｃ）に示すように、２つの円形が離れたビームスポットＬＢＳとすることができる。

図１３の（ａ）も、光ファイバの列を４段に積み重ねた状態を断面図で示している。図１３の（ａ）では、列方向の隣接する光ファイバに隙間を設けている。よって、各列の光ファイバは積み重なる方向に図１２の（ａ）よりも多くオーバラップしている。

この場合、スペクトルビーム結合の結果得られるビームスポットＬＢＳは、図１３の（ｂ）に示すように、４つの円形が図１２の（ｂ）よりも多く重なり合った状態となる。同様に、例えば図１３の（ａ）に下から１列目と３列目をダミーファイバとすると、図１３の（ｃ）に示すように、２つの円形が離れたビームスポットＬＢＳとすることができる。

図１２または図１３のように例えば光ファイバの一部の列をダミーファイバとすることによって、隣り合うビームが第２の方向に離れている場合には、マイクロレンズ1115に代えて、シリンドリカルレンズまたはロッドレンズを用いてもよい。ダミーファイバを用いず、第２の方向に隣り合う光ファイバ列を所定距離だけ離した場合も、シリンドリカルレンズまたはロッドレンズを用いることができる。

図１４は、隣り合うビームが第２の方向に離れており、マイクロレンズ1115に代えてシリンドリカルレンズ1116を用いた場合を示している。図１４は、光ファイバの一部の列をダミーファイバとすることによって実現されていてもよい。図１４は、図１０と同様、ＤＤＬユニット１１ｕを側面から見た状態を示している。

図１５に示すように、シリンドリカルレンズ1116は、第１の方向の光ファイバ列に対応した長さに形成されている。

図６，図９〜図１１に示すマイクロレンズ1115及びコリメートレンズ1112を用いる構成に代えて、図１６〜図１８に示す構成とすることも可能である。図１６〜図１８において、図３または図６，図９〜図１１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

図１６〜図１８において、ファイバアレイ1111の光ファイバ列111f1及び111f2より射出したそれぞれのレーザは、コリメートレンズ1102によって第１及び第２の方向それぞれにコリメートされる。図１６〜図１８に示す構成では、コリメートレンズ1102がコリメータを構成する。

コリメートレンズ1102より射出されたそれぞれのレーザは、グレーティング1103に互いに異なる角度で入射して方向が曲げられて、光軸調整用レンズ1117に入射される。グレーティング1103より射出したそれぞれのビームはコリメート光ではあるものの、グレーティング1103は第２の方向のビームの光軸を拡散させる。光軸調整用レンズ1117は、入射したビームの第２の方向の光軸を平行とし、かつ、ビームを集光させる。

光軸調整用レンズ1117より射出したそれぞれのビームは、部分反射ミラー1104を介して射出する。部分反射ミラー1104は、入射したビームの光軸を拡散させる。

本実施形態においては、光ファイバを第１の方向及び第２の方向に配列させたが、複数組におけるそれぞれの組のレーザダイオードより射出されるレーザのビームが第１の方向に配列し、複数組のレーザダイオードより射出されるレーザのビームが第２の方向に配列していればよい。

光ファイバを配列させるのではなく、導波路を配列させてもよい。レーザダイオードモジュールを配列させることによって、レーザのビームが配列するように構成してもよい。面発光レーザ（VCSEL）を配列させてもよい。半導体レーザ発振器が、射出するレーザによって形成されるビームスポットが配列してマルチビームを実現するような任意の構成を有すればよい。

図１９及び図２０を用いて、VCSELを用いた場合の構成を具体的に説明する。VCSELを用いた場合には、図１９に示すように、レーザダイオードモジュール１１ｍと、光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2と、ファイバアレイ1111との全体が面発光レーザアレイ（VCSELアレイ）1118に置換される。

図１９において、マイクロレンズ1115は図９におけるそれとは異なり、光ファイバ列111f1及び111f2に対応してそれぞれ一列に構成されており、第２の方向に並べられている。便宜上、図９のマイクロレンズ1115と図１９のマイクロレンズ1115を同じ符号としている。図１９において、その他の部分は図９と同一の構成であり、説明を省略する。

図１９に示す例では、VCSELアレイ1118は、ビートシンク118h上に、複数のVCSEL118vを第１の方向に配列して組とし、VCSEL118vの組を第２の方向に２列配列させている。VCSEL118vの組を第２の方向に３列以上配列させてもよい。

図１６においても、レーザダイオードモジュール１１ｍと、光ファイバ11f11〜11fn1及び11f12〜11fn2と、ファイバアレイ1111との全体をVCSELアレイ1118に置換した構成とすることができる。

図１９に示すVCSELアレイ1118は、図２０に示すような構成であってもよい。図２０に示す例では、第１の方向に配列したVCSEL118vの隣接するVCSEL118v間に、１つのVCSEL118vが入る間隔を設けている。図２０の上側のVCSEL118vの組と下側のVCSEL118vの組とが、第２の方向にオーバラップした状態で配列されている。

VCSELアレイ1118を図２０のように構成すると、ビームスポットＬＢＳを、２つの円形が第２の方向に重なり合った状態とすることができる。

図２１及び図２２を用いて、マルチビームの使い方の一例を説明する。図２１は、マルチビームをＣＷ（連続発振）溶接またはＣＷ切断に用いた場合、図２２は図３に示す１つの円形のビームスポットＬＢＳである単一ビームをパルス溶接に用いた場合を示している。

パルス溶接の場合には、単一ビームのビームスポットＳ１のレーザピークパワーを、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３で図２２に示すように制御することができる。

ビームスポットＳ１のレーザピークパワーを図２２に示すように制御すると、次のような効果を得ることができる。被加工材Ｗを予め温めてから融点に達する熱量を与えて被加工材Ｗを急速に加熱することによって、被加工材Ｗの溶融時間を短くすることができる。冷却時に被加工材Ｗに弱い熱量を与えて、溶融後にゆっくりと冷却させることができる。

ＣＷ溶接またはＣＷ切断の場合には、図２２に示すような時間方向のレーザピークパワーの制御を行うことはできない。

そこで、図２１に示すように、ビームスポットＳ１〜Ｓ３のマルチビームを例にすると、ＤＤＬユニット１１ｕは次のようにレーザピークパワーを制御する。ＤＤＬユニット１１ｕは、被加工材Ｗ上の位置Ｐ１，Ｐ３に照射されるビームスポットＳ１，Ｓ３ではレーザピークパワーを小さく、被加工材Ｗ上の位置Ｐ２に照射されるビームスポットＳ２ではレーザピークパワーを大きくする。

被加工材Ｗの加工の進行に伴って、被加工材Ｗ上にビームスポットＳ１〜Ｓ３が照射される位置は太実線の矢印の方向に移動したとする。レーザピークパワーが小さいビームスポットＳ１で温められた位置Ｐ１には、レーザピークパワーが大きいビームスポットＳ２が照射されるので、被加工材Ｗを急速に加熱することができる。

被加工材Ｗの位置Ｐ１が溶融した後、レーザピークパワーが小さいビームスポットＳ３が照射されるので、被加工材Ｗはゆっくりと冷却されることになる。

このように、マルチビームを用いると、ＣＷ溶接またはＣＷ切断の場合でも、パルス溶接と同様の温度プロファイルで加工を制御することができる。ＣＷ溶接またはＣＷ切断で図２１のような温度プロファイルで加工すると、切断カーフを小さくすることが期待できる。

本実施形態は、複数組のレーザダイオードが組ごとに出力制御されていて、出力の異なるマルチビームを形成することができる。

以上説明したマルチビームは、矩形ビームを生成するために用いることもできる。図２３において、マルチビームのレーザ２０１は、フォーカスレンズ２０２に入射して集光される。レーザ２０１は、３つの円形のビームスポットが重なり合った状態である。レーザ２０１は、コリメート光である。

フォーカスレンズ２０２で集光されて射出したレーザは、矩形ファイバ２０３へと入射される。図２４に示すように、矩形ファイバ２０３は、概略的に、レーザを伝送させる断面矩形状のコア2031と、コア2031を覆うクラッド2032と、クラッド2032を覆う外被2033とを有して構成される。

マルチビームのレーザ２０１を矩形ファイバ２０３によって伝送させると、図２５に示すような矩形ビーム２０４を、効率よく高出力で生成することができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１１半導体レーザ発振器
１１ｕＤＤＬユニット
11m1〜11mn，11m11〜11mn1，11m12〜11mn2 レーザダイオードモジュール
11f1〜11fn，11f11〜11fn1，11f12〜11fn2 光ファイバ
1102，1112 コリメートレンズ（コリメータ）
1103 グレーティング
1104 部分反射ミラー（外部共振器ミラー）
1115 マイクロレンズ（コリメータ）
1117 光軸調整用レンズ

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、複数のレーザダイオードを１組とした複数組のレーザダイオードと、前記複数組のレーザダイオードそれぞれに接続され、前記レーザダイオードより射出されたレーザを伝送する複数組の光ファイバとを備え、前記光ファイバは、少なくとも前記光ファイバの出力端で、前記複数組におけるそれぞれの組で第１の方向に配列し、前記複数組が前記第１の方向及び前記レーザの進行方向と交差する第２の方向に配列しており、前記光ファイバは、前記光ファイバを断面で見たときに、前記第２の方向に隣接する２つの組の一方の組の光ファイバの断面における前記第２の方向の範囲と、他方の組の光ファイバの断面における前記第２の方向の範囲とが部分的に重複するように、前記複数組が前記第２の方向に互いに接触した状態で積み重ねられており、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、前記レーザダイオードより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングとをさらに備え、前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させることを特徴とする半導体レーザ発振器を提供する。

以上の構成において、前記光ファイバにおけるそれぞれの組は、前記第１の方向に隣接するそれぞれの光ファイバの間に隙間が設けられており、前記第２の方向に隣接する組のそれぞれの光ファイバが部分的に前記隙間に入り込んだ状態で積み重ねられていてもよい。
以上の構成において、前記光ファイバの前記出力端は、樹脂で被覆されて円筒状または平板状のファイバアレイを構成していてもよい。
以上の構成において、前記複数組のレーザダイオードが組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていてもよい。

また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、複数の面発光レーザが第１の方向に配列して組とされ、前記面発光レーザの複数の組が前記第１の方向及び射出されるレーザの進行方向と交差する第２の方向に配列しており、前記面発光レーザにおけるそれぞれの組は、前記第１の方向に隣接するそれぞれの面発光レーザの間に隙間が設けられ、前記第２の方向に隣接する組のそれぞれの面発光レーザは部分的に前記隙間に入り込んだ状態に構成されている面発光レーザアレイと、前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、前記面発光レーザより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングとを備え、前記コリメータは、前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させることを特徴とする半導体レーザ発振器を提供する。

上記の構成において、前記面発光レーザの組は組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていてもよい。

被加工材Ｗの加工の進行に伴って、被加工材Ｗ上にビームスポットＳ１〜Ｓ３が照射される位置は実線の矢印の方向に移動したとする。レーザピークパワーが小さいビームスポットＳ１で温められた位置Ｐ１には、レーザピークパワーが大きいビームスポットＳ２が照射されるので、被加工材Ｗを急速に加熱することができる。

Claims

複数のレーザダイオードを１組とした複数組のレーザダイオードと、
前記複数組のレーザダイオードそれぞれに接続され、前記レーザダイオードより射出されたレーザを伝送する複数組の光ファイバと、
を備え、
前記光ファイバは、少なくとも前記光ファイバの出力端で、前記複数組におけるそれぞれの組で第１の方向に配列し、前記複数組が前記第１の方向及び前記レーザの進行方向と交差する第２の方向に配列しており、
前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、
前記レーザダイオードより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、
前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングと、
をさらに備え、
前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させる
ことを特徴とする半導体レーザ発振器。
前記コリメータは、
前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記第２の方向のみにコリメートするマイクロレンズと、
前記マイクロレンズより射出されたそれぞれのレーザを前記第１の方向のみにコリメートするコリメートレンズと、
を有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
前記コリメータは、前記複数組の光ファイバより射出されたそれぞれのレーザを前記第１及び第２の方向にコリメートするコリメートレンズであり、
前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記グレーティングより射出されたレーザの光軸を調整する光軸調整用レンズをさらに備える
ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ発振器。
前記光ファイバは、前記複数組が前記第２の方向にオーバラップするように積み重ねられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ発振器。
前記複数組のレーザダイオードが組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ発振器。
複数の面発光レーザが第１の方向に配列して組とされ、前記面発光レーザの複数の組が前記第１の方向及び射出されるレーザの進行方向と交差する第２の方向に配列した面発光レーザアレイと、
前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを平行光化するコリメータと、
前記面発光レーザより射出されたレーザを共振させる外部共振器ミラーと、
前記外部共振器ミラーの間に配置され、前記コリメータより射出されたレーザをスペクトルビーム結合させるグレーティングと、
を備え、
前記コリメータは、前記面発光レーザアレイより射出されたそれぞれのレーザを前記グレーティングに互いに異なる角度で入射させる
ことを特徴とする半導体レーザ発振器。
前記面発光レーザアレイにおける前記面発光レーザの組は、前記第２の方向にオーバラップするように配列されていることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ発振器。
前記面発光レーザの組は組ごとに出力制御され、出力の異なるマルチビームを形成するように構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の半導体レーザ発振器。