JP2016201392A - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】組立作業性に優れると共に、高出力化のためにＬＤの個数が増えても、必要な部品の種類の増加が最小限に抑えられる、ＬＤモジュールを提供する。
【解決手段】ＬＤ３を設置するための第１階段部５と、反射体４を設置するための第２階段部６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザモジュール、特に複数のＬＤ（レーザダイオード）が発するレーザ光を合成することで、高出力のレーザ光を得る構成のレーザモジュールに関するものである。

レーザ光は、その高いエネルギー密度を利用して、金属に代表される材料加工分野、医療分野など、様々な分野において用いられている。特に材料加工分野においては、加工時間の短縮などを目的として、レーザ光の高出力化がなされている。

材料加工分野において頻繁に使用されるレーザには、大きく分けて、ファイバレーザ方式のものと、ＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）方式のものが存在する。
以下、両者を簡単に説明する。

一般的なファイバレーザは特許文献１などに記載された構造を有する。
すなわち、信号光源から発生した信号光と、励起光源から発生する励起光を、光結合器を介して希土類元素を添加したコアを有する増幅用光ファイバへ入力し、励起光がコアに添加された希土類元素に作用することで、増幅用光ファイバのコアを伝搬する信号光を増幅し、高エネルギーを有するレーザ光を得る。

ファイバレーザを高出力化する方法の１つとして、信号光、励起光の高出力化が挙げられ、信号光、励起光の高出力化の方法としては、光源として使用されるＬＤモジュールに使用されるＬＤの個数を増やせばよい。

ＤＤＬは特許文献２に記載されたような、複数のＬＤを組み合わせたモジュールを使用し、各ＬＤから放出されたそれぞれのレーザ光をレンズ等の集光部材を使用して１つの光に合成し、加工対象に直接照射する方式である。ＤＤＬを高出力化するには、使用するＬＤの個数を増やせばよい。

以上の通り、レーザの高出力化には、ＬＤを多数使用して高出力化したモジュールを使用することが重要であり、種々のモジュールが提案されている。ＬＤの個数を増やしてモジュールの高出力化を図ったものとして、特許文献３、４が挙げられる。

特許文献３では、互いに高さの異なるＬＤ設置面を複数用意して各ＬＤ設置面にＬＤを配置すると共に、各ＬＤ設置面にミラーを配置し、ミラーで反射した各レーザ光をレンズで集光することで、モジュールの高出力化を行っている。

特許文献４では、同一の基板上にＬＤと２連ミラーを配置し、２連ミラーで反射した各レーザ光をレンズで集光することで高出力化を行ったモジュールと、基板上に配置された階段状マウント上にＬＤを、基板上に直接高さが異なるミラーをそれぞれ配置し、ミラーで反射した各レーザ光をレンズで集光することで高出力化を行ったモジュールとが記載されている。

しかしながら、特許文献３に記載されたモジュールでは、後段のミラーで反射されたレーザ光に干渉しないよう、ミラーの高さを１０００μｍ程度に抑える必要があるため、ミラー高さの寸法精度要求が厳しくなると共に、その取扱いも難しく、モジュール組立の作業性に難がある。

一方、特許文献４に記載されたモジュールでは、ミラーの取扱いは比較的容易であるものの、２連ミラーを使用する際は、２連ミラーのコストが高価であると共に、後段のミラーで反射されたレーザに干渉しないようにミラー位置を調整する手間がある。
また、階段状マウント上にＬＤを配置する場合は、ＬＤの個数分だけ高さを変えたミラーを用意する必要があり、さらなる高出力化のためにＬＤの個数を増やす場合には、用意するミラーの種類が増えて、部品管理の点で難がある。

特開２００７−１０３７５１号公報 特開２００７−１４２４３９号公報 特開２０１３−２３５９４３号公報 特開２０１４−１２６８５２号公報

本発明の課題は、組立作業性に優れると共に、高出力化のためにＬＤの個数が増えても、必要な部品の種類の増加が最小限に抑えられる、ＬＤモジュールを提供することである。

発明者は、レーザモジュールの構成を鋭意検討した結果、ＬＤを設置するための第１階段部と、反射体を設置するための第２階段部を使用する構成を採用することで、上記の課題を解決できることを見出した。

本発明のレーザモジュールは筐体と、複数のＬＤと、複数の反射体と、集光レンズと、第１階段部と、第２階段部とを有し、
該第１階段部と該第２階段部は、該筐体の底板上に設けられており、
該複数のＬＤのそれぞれは、該第１階段部に階段状に形成されたＬＤ設置面に設けられ、
該複数の反射体のそれぞれは、該第２階段部に階段状に形成された反射体設置面に設けられ、
該複数のＬＤから放射されたレーザ光は、該複数の反射体によって進行方向が変化した後、集光レンズによって合成されること、
を特徴とするものである。

本発明のレーザモジュールは、以下に示す優れた効果を有する。

・ＬＤ設置用の階段部と、反射体設置用の階段部を分けることで、使用する反射体の寸法を統一することができる。

・その結果、高出力化のためにＬＤの個数を増やす場合でも、反射体の寸法を変更する必要が無く、部品管理が容易であるとともに、レーザモジュールの生産性も向上する。

本発明の基本的構成である。 本発明に使用するＬＤの一例である。 遅軸コリメートレンズの傾斜による、レーザ光の高さ変化の説明図である。 本発明の実施例の一例である。

以下、本発明のレーザモジュールの態様について図１を参照しながら述べる。図１はＬＤの個数を５個とした場合の本発明である。ＬＤの個数は５個に限定されず、所望する出力に応じて増減して良い。

図１において、１は本発明のレーザモジュール、２ａは筐体の底板、３はＬＤ、４は反射体、５は第１階段部、６は第２階段部、７は集光レンズ、８はレーザ光である。
本発明で特徴的なことは、第１階段部５と第２階段部６を筐体の底板２ａ上に設けると共に、複数のＬＤ３のそれぞれを第１階段部５に階段状に形成されたＬＤ設置面に設け、複数の反射体４のそれぞれを第２階段部６に階段状に形成された反射体設置面に設けることである。

第１階段部５と第２階段部６を底板２ａ上に設け、複数のＬＤ３のそれぞれを第１階段部５に形成されたＬＤ設置面に設け、複数の反射体４のそれぞれを第２階段部６に形成された反射体設置面に設けることで、各ＬＤ３の設置面の高さと、対応する反射体４の設置面の高さの高低差を一定に保つことができるため、反射体４の寸法を統一することができる。

本発明で用いるＬＤ３の一例を図２に示す。ＬＤ３はサブマウント上にＬＤ素子と、これを駆動する電流を供給する正極、負極を設けた構成を有する。この構成は一例であり、本発明に使用されるＬＤ３は、本発明の技術的思想の範囲において他の構成を取っても良い。また、ＬＤ３は第１階段部５に対して絶縁されている。

集光レンズ７で各レーザ光８を合成した後は、直接対象物にレーザ光８を照射しても良いし、後述する実施例のように、光ファイバに結合させて必要な場所へレーザ光８を導光しても良い。
以下、レーザ光８を光ファイバに結合させた場合について述べる。

反射体４は必ずしも、全てを第２階段部６に設ける必要は無く、後述する実施例のように、最下段の反射体４を底板２ａ上に直接設けても良い。
反射体４を底板２ａ上に設けた場合は、筐体の高さ方向の寸法を低くすることができるため、レーザモジュールの小型化の点で有利である。

第１階段部５、第２階段部６は、底板２ａと一体成型としても良いし、別部品として製作して、底板２ａ上に固定しても良い。
一体成型の場合は底板と階段部と間の熱抵抗が小さくなるため、放熱性に優れた態様となり、一方、別部品の場合は底板と階段部を異なる材料で構成することができるので、材料特性の違いを活かした設計が可能となる。

第１階段部５と第２階段部６は両方とも底板２ａと一体成型、もしくは別部品としても良いし、片方のみを別部品としても良い。

底板２ａ、第１階段部５、第２階段部６の材料としては、熱伝導性に優れた銅、アルミニウムなどの材料を使用すれば良い。また、防食性を高めるために必要に応じてニッケルメッキ、ニッケル＋金メッキなどを施しても良い。

底板２ａなどにメッキを施すことの効果としては、材料表面の反射率が上がることも挙げられる。材料表面の反射率が上がることで、光路から不意に外れたレーザ光８が材料に吸収される量が減り、筐体などの発熱を抑制することができる。
ただし、必ずしも材料表面の反射率を上げる必要は無く、冷却手段によって筐体の冷却が十分に行われる状況などでは、材料表面がレーザ光８を吸収する構成を取っても良い。

また、複数のＬＤ３から放射されたレーザ光８が、速軸方向コリメートレンズ９と遅軸方向コリメートレンズ１０を透過した後、反射体４に到達するように、レーザモジュール１を構成するのが好ましい。
速軸方向コリメートレンズ９と遅軸方向コリメートレンズ１０を透過させることで、集光レンズ７で複数のレーザ光８を合成する際に、合成後のレーザ光の径が不用意に増大し、エネルギー密度が低減することを防止できる。

加えて、遅軸方向コリメートレンズ１０の一部が、図３に示したように底板２ａに対して傾斜して設けられていることが好ましい。
遅軸方向コリメートレンズ１０を傾斜して設けることで、遅軸方向コリメートレンズ１０を透過したレーザ光８は、屈折によって底板２ａに対する光路の高さが変化する。
これを利用することで、集光レンズ７に到達するレーザ光８の高さ方向の広がりを抑制することができ、集光レンズ７の径の増大を防ぐことができる共に、コア径の小さい光ファイバへのレーザ光８の結合が容易になる。

本発明に使用する集光レンズ７としては、非球面レンズを使用するのが好ましい。非球面レンズを使用することで、レーザ光８を集光する際に発生する収差が低減され、その結果レーザ光８を効率よく集光することができ、光ファイバへの結合効率が高くなる。
また、集光したレーザ光８を対象物へ直接照射する時は、照射部におけるレーザ光８のエネルギー密度を高めることができる。

本発明のようなレーザモジュール１を使用して対象物にレーザ光８を照射する場合、対象物の表面で反射したレーザ光８が、レーザモジュール１内に戻ってレーザ光の光路を逆行し、ＬＤ３を破損してしまう場合が存在する。
これを防ぐための保護反射体１６を、図４に示したように集光レンズ７と反射体４の間へ設けるのが好ましい。保護反射体１６は、ＬＤ３から照射されたレーザ光８が進む方向を光路の下流側、その反対方向を光路の上流側と定義した場合、下流側に向かうレーザ光を透過し、上流側に向かうレーザ光をその表面で反射する機能を有し、ハーフミラーなどが利用できる。

保護反射体１６は、その表面が集光レンズ７の中心軸に対して傾斜するように設けるのが好ましい。このように保護反射体１６を設けることで、集光レンズ７の中心軸に沿って戻ってきた反射レーザ光を、集光レンズ７の中心軸に対して傾斜した方向に反射することができ、保護反射体１６で反射された反射レーザ光を不用意に対象物へ照射することを防げる。

保護反射体１６で反射された反射レーザ光を筐体の内壁面に照射されるように構成することで、レーザモジュール１の動作に致命的な影響を起こすことなく、反射レーザ光を処理することができる。この時、反射レーザ光が照射される筐体の内壁面は、反射レーザ光を吸収する処理を行うのが好ましい。

本発明の実施例として、図４に１００Ｗ級のレーザ光を出力できるレーザモジュールを示す。以下、ＬＤ３から照射されたレーザ光８が進む方向を光路の下流側、その反対方向を光路の上流側と定義して述べる。

筐体２の底板２ａとして、銅板に、ニッケルメッキを施したものを準備した。

筐体２の側壁２ｂとして、ニッケルメッキを施したステンレス製フレームを準備し、ろう付けによって底板２ａと接合した。
フレームには予め、ＬＤ３を駆動する電流を供給するための電極１１と、光ファイバ１２を挿通させるための挿通孔が設けられており、電極１１がフレームに対して絶縁されて挿通される。
なお、図４では、手前側の側壁２ｂは省略して記載した。

第１階段部５として、ＬＤ設置面が１０面設けられた銅製ブロックを準備した。隣り合うＬＤ設置面の高低差、各ＬＤ設置面の面積は均等になるよう形成されている。

第１階段部５の各ＬＤ設置面には、市販されている波長９１５ｎｍ、出力１２ＷのＬＤ３を搭載し、ＬＤ３の正極と負極の間を、駆動電流を供給するためのリードフレーム（図示せず）で接続した。計算上、レーザモジュールの出力は１２０Ｗとなる。

各ＬＤ３の前面に、速軸方向コリメートレンズ９として第１のシリンドリカルレンズを設けた。

以上述べたように、第１階段部５とＬＤ３に関する必要な部品組み立てを行った後、第１階段部５を底板２ａの所定の場所にろう付けで接合した。
その後、第１階段部５と平行するように、底板２ａに対して絶縁された導電板１３を設け、電極１１の正極と第１階段部５の最上段に設置されたＬＤ３、第１階段部５の最下段に設置されたＬＤ３と導電板１３、導電板１３と電極１１の負極をそれぞれリードフレーム（図示せず）で接続した。

第２階段部６として、反射体設置面が９面設けられた銅製ブロックを準備した。隣り合う反射体設置面の高低差、各反射体設置面の面積は均等になるよう形成されていると共に、各反射体設置面の高低差は、第１階段部５の各ＬＤ設置面の高低差と等しくなるよう形成されている。

第２階段部６の各反射体設置面に、反射体４としてミラーを設置した。ミラーは、第１階段部５と第２階段部６を平行に配置した際に、ＬＤ３から照射されたレーザ光８（図４では図示せず）を反射して、その進行方向を９０°変更する向きに設置する。
ミラーの高さは、第２階段部６の上段に設置されたミラーで反射されたレーザ光８が、第２階段部６の下段に設置されたミラーと干渉しない高さに設定した。

第２階段部６の最上段に設置されたミラーが、第１階段部５の最上段に設置されたＬＤ３から照射されるレーザ光８を反射するように、第２階段部６を底板２ａにろう付けで接合した。第２階段部６は第１階段部５に対して平行に配置した。

第１階段部５の最下段に設置されたＬＤ３から照射されるレーザ光８を反射する反射体４として、第２階段部６に設置したミラーと同じものを、底板２ａ上に固定した。
ミラーの位置は、第２階段部６の最下段の下に、第２階段部６の反射体設置面と同じ面積の仮想設置面が、第２階段部６から一続きで存在すると見なして、この仮想設置面に設置する。
第２階段部６に設置されたミラーと同様、仮想設置面に設置されるミラーは、第１階段部５の最下段に設置されたＬＤ３から照射されるレーザ光８の進行方向を９０°変更する向きに設置する。
ミラーの高さについては、第２階段部６に設置されたミラーと同様に設定した。

続いて、遅軸方向コリメートレンズ１０を設置する。遅軸方向コリメートレンズ１０は、速軸方向コリメートレンズ９の下流側、反射体４の上流側に設けられる。

遅軸方向コリメートレンズ１０を所定の場所に仮置きし、ＬＤ３を駆動させてレーザ光８を照射する。反射体４で進行方向が変化したレーザ光８をカメラで観察しながら、レーザ光８の高さ方向の広がりが所定の範囲に収まるよう、各遅軸方向コリメートレンズ１０の底板２ａに対する傾斜角度を調整する。

調整の結果、第１階段部５の上段側に設置されたＬＤ３に対応する遅軸方向コリメートレンズ１０は、下流側に向かって傾斜し、第１階段部５の中段に設置されたＬＤ３に対応する遅軸方向コリメートレンズ１０はほぼ傾斜がなく、第１階段部５の下段側に設置されたＬＤ３に対応する遅軸方向コリメートレンズ１０は、上流側に向かって傾斜する形となった。

遅軸方向コリメートレンズ１０の傾斜調整を終えたら、接着剤を使用して遅軸方向コリメートレンズ１０を底板２ａに固定した。

集光レンズ７として、レンズホルダ１４に非球面レンズを固定したものを使用した。
レンズホルダ１４は、集光レンズ７の中心軸が、ミラーで反射したレーザ光８の光軸に沿うよう底板２ａにろう付けで固定した。

レンズホルダ１４を底板２ａに固定した後、直方体状のガラスブロック１５を、その底面が底板２ａ、その側面の一面がレンズホルダ１４に当接するよう、接着固定した。
このガラスブロック１５は、ＬＤ３の駆動によってレーザモジュール１が発熱した際、レンズホルダ１４の熱膨張によって集光レンズ７の中心軸がレーザ光８の光軸からずれてしまうのを抑制する効果を有する。

レンズホルダ１４の上流側の底部は、レーザ光８の進行方向に対して傾斜した面を有する。この傾斜面には保護反射体１６としてハーフミラーを設けた。

ハーフミラーによって反射された戻りレーザ光が照射される側壁２ｂの領域は、ニッケルメッキを剥がして戻りレーザ光の吸収能を高めた。

集光レンズ７の焦点に、光ファイバの入射端面が位置するよう光ファイバ１２を配置し、集光されたレーザ光８が光ファイバ１２に結合するよう構成する。

光ファイバ１２は、底板２ａ上に固定した銅製の光ファイバ固定ブロック１７の上に配置し、半田を用いて固定した。

光ファイバ１２が側壁２ｂを貫通する部分では、光ファイバ１２をフェルール１８に挿入して固定を行い、フェルール１８を側壁２ｂに固定した。

側壁２ｂの上に筐体天板をろう付けで固定し、レーザモジュール１が完成した。

完成したレーザモジュール１を駆動し、光ファイバ１２から出射されるレーザ光８の出力を測定した所、１００Ｗの出力を確認した。
計算上は１２０Ｗの出力であるが、レンズ、光ファイバの透過時に出力の一部が吸収されるなど、実使用環境における出力のロスなどを考慮すると、１００Ｗクラスのレーザ光を出力するレーザモジュールとして必要十分な出力を得ることができたと言える。

以上の通り、必要十分な性能を有するとともに、生産性に優れたレーザモジュールを得ることができた。

本発明のレーザモジュールは材料加工用のレーザ装置をはじめ、複数のＬＤを有するレーザモジュールが必要とされる様々な場面・用途に利用できる。

１ レーザモジュール
２ 筐体
２ａ 筐体の底板
２ｂ 筐体の側壁
３ レーザダイオード（ＬＤ）
４ 反射体
５ 第１階段部
６ 第２階段部
７ 集光レンズ
８ レーザ光
９ 速軸方向コリメートレンズ
１０ 遅軸方向コリメートレンズ
１１ 電極
１２ 光ファイバ
１３ 導電板
１４ レンズホルダ
１５ ガラスブロック
１６ 保護反射体
１７ 光ファイバ固定ブロック
１８ フェルール

Claims (6)

1. レーザモジュールであって、筐体と、複数のＬＤ（レーザダイオード）と、複数の反射体と、集光レンズと、第１階段部と、第２階段部とを有し
   該第１階段部と該第２階段部は、該筐体の底板上に設けられており、
   該複数のＬＤのそれぞれは、該第１階段部に階段状に形成されたＬＤ設置面に設けられ、
   該複数の反射体のそれぞれは、該第２階段部に階段状に形成された反射体設置面に設けられ、
   該複数のＬＤから放射されたレーザは、該複数の反射体によって進行方向が変化した後、
   集光レンズによって合成されることを特徴とする、レーザモジュール。
2. レーザモジュールであって、筐体と、複数のＬＤと、複数の反射体と、集光レンズと、第１階段部と、第２階段部とを有し
   該第１階段部と該第２階段部は、該筐体の底板上に設けられており、
   該複数のＬＤのそれぞれは、該第１階段部に階段状に形成されたＬＤ設置面に設けられ、
   該複数の反射体のうち１つは、該筐体の底板上に設けられると共に、残りの反射体のそれぞれは該第２階段部に階段状に形成された反射体設置面に設けられ、
   該複数のＬＤから放射されたレーザは、該複数の反射体によって進行方向が変化した後、
   集光レンズによって合成されることを特徴とする、レーザモジュール。
3. 該複数のＬＤから放射されたレーザは、速軸方向コリメートレンズと遅軸方向コリメートレンズを透過した後、反射体に到達することを特徴とする、請求項１または２に記載のレーザモジュール。
4. 該遅軸方向コリメートレンズの少なくとも１つが、該筐体の底板に対して傾斜して設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のレーザモジュール。
5. 該集光レンズが、非球面レンズであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
6. 該反射体のうち、最も該集光レンズに近い位置に存在する反射体と、該集光レンズとの間に、保護反射体が設置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
   

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