JP2017003791A

JP2017003791A - 合波レーザ光源

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Publication number: JP2017003791A
Application number: JP2015118064A
Authority: JP
Inventors: 次郎齊川; Jiro Saikawa; 隼規坂本; Junki Sakamoto
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: JP6485237B2

Abstract

【課題】ファイバ出力光の強度分布ムラを抑制することができる合波レーザ光源を提供する。
【解決手段】互いに所定間隔毎に配置され、各々がレーザ光を出力する複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃと、光導波路４と、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃと光導波路４との間に配置され、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃからの複数のレーザ光を集光することにより光導波路４に結合させる結合レンズ３と、出力用ファイバ８と、出力用ファイバ８と光導波路４との間に配置され、光導波路４からの出射光を出力用ファイバ８へ再結合させる再結合レンズ７とを備え、光導波路４のコア径と出射角との乗算値が出力用ファイバ８のコア径と入射角との乗算値以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに独立した複数の光源からのレーザ光を合波して高輝度化を図る合波レーザ光源に関する。また、本発明は、上述の合波レーザ光源を光源とする露光用装置、加工機、照明機器、医療用機器に関する。

従来、レーザの高出力化を図る方法として、複数の光源からの複数のレーザ光を一本の光ファイバ等に合波させる方法（特許文献１）や複数の光源が結合されたファイバをバンドルして一本のファイバへ結合させる方法が知られている。

特に強度ムラの少ない出射光をファイバから得るために、（１）光源として半導体レーザアレイと呼ばれる半導体レーザチップを数百μｍ程度の間隔で高密度に配置した光源や、半導体レーザバーを用いる、（２）出射される複数のレーザ光源をアナモルフィック光学系やステアリング光学系を用いてファイバ結合用集光レンズの直前で高密度に再配置するという一連の手段によって実現している。

特開２００２−２０２４４２号公報

しかしながら、短波長半導体レーザでは、異物付着による端面劣化を防止するために一般に直径Φ５．６ｍｍや直径Φ９ｍｍといった乾燥窒素や乾燥エアを封入した窓付きの半導体レーザパッケージ（ＴＯ−Ｃａｎパッケージ）内に搭載されて用いられる。したがって、パッケージサイズが規定されている場合、当該半導体レーザを高密度に配置させることは困難である。このため、結合レンズに入射する光束が粗密の分布を形成し、ファイバ出力の光強度分布に濃淡の強度のムラが生じてしまい、均一な照射ができない。このようにレーザ光の品質が劣化した場合、合波レーザの目的である露光、加工、照明などいずれのレーザ応用にとっても機能を低下させてしまう結果になる。

露光や照明の場合には均一な露光、照明ができない、加工の場合には実質的に集光ビームが一点にならず微細な加工ができないなどの悪影響を及ぼすことになる。

したがって、本発明の課題は、このような各レーザの発光サイズに対してレーザ光線間隔が離散的な光束を有した発光光源の場合において、ファイバ出力光の強度分布ムラを抑制することができる合波レーザ光源を提供することにある。ここで、離散的という意味はレーザ光の用途によるが通常のアレイ状に発光部を備えたバー状のアレイレーザ素子の発光点間隔と同等もしくはより大きいことを示唆する。ここで言うレーザは必ずしも半導体レーザである必要はなく、複数の近接できないレーザ光束を対象にすることができる。

本発明に係る合波レーザ光源は、上記課題を解決するために互いに所定間隔毎に配置され、各々がレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、光導波路と、前記複数のレーザ光源と前記光導波路との間に配置され、前記複数のレーザ光源からの複数のレーザ光を集光することにより前記光導波路に結合させる結合レンズと、出力用ファイバと、前記出力用ファイバと前記光導波路との間に配置され、前記光導波路からの出射光を前記出力用ファイバへ再結合させる再結合レンズとを備え、前記光導波路のコア径と出射角との乗算値が前記出力用ファイバのコア径と入射角との乗算値以下であることを特徴とする。

本発明によれば、複数のレーザ光を結合レンズで、光導波路のコア径と出射角との乗算値が出力用ファイバのコア径と入射角との乗算値以下である光導波路に結合させ、光導波路からの出射光を再結合レンズで出力用ファイバへ再結合させると、ファイバ出力光の強度分布ムラを抑制することができる。

本発明の実施例１の合波レーザ光源の構成を示す図である。本発明の実施例１の合波レーザ光源において光導波路と出力用ファイバとの関係を示す図である。本発明の実施例２の合波レーザ光源の構成を示す図である。本発明の実施例３の合波レーザ光源の構成を示す図である。

以下、本発明の合波レーザ光源の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１の合波レーザ光源の構成を示す図である。図１に示す実施例１の合波レーザ光源は、半導体レーザ１ａ〜１ｃ、レンズ２ａ〜２ｃ、結合レンズ３、光導波路４、コリメートレンズ５、再結合レンズ７、出力用ファイバ８を備えている。ここで、各要素番号は添字として振ったａ〜ｃは３個という意味ではなく２個以上を意味するものとする。

半導体レーザ１ａ〜１ｃは、所定間隔毎に配置されており、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。半導体レーザとして、バー状の半導体に複数のレーザ発光機構を持ったアレイレーザでも良いし、面発光レーザあるいはバー状のアレイレーザを積層したスタックレーザのような平面的に発光分布するレーザでも良い。

５３０ｎｍ以下波長の短波長レーザの場合、レーザの光子エネルギーが大きくなることから、レーザの出射端面にパーティクルの付着や半導体レーザの表面物質も含めた化学的な反応等により異物汚染が付着したり生成することが知られている。そのためレーザを乾燥窒素や乾燥空気などの不活性ガス等を封入した気密パッケージ内に収納して使用することが多い。

単一チップの半導体レーザの場合には複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃとして例えば、光学ガラスもしくはサファイアなどの透明な窓付きのＴｏ−Ｃａｎパッケージで個別に封止される素子を用いても良い。

レンズ２ａ〜２ｃは、半導体レーザ１ａ〜１ｃに対向して所定間隔毎に配置され、半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光を結合レンズ３に導く。半導体レーザのようにビームの広がり角が大きい場合はある程度の平行光が得られるコリメート配置にするのが良い。広がり角が小さなレーザの場合は必ずしもレンズ２ａ〜２ｃが必要ではない。

結合レンズ３は、集光レンズの役目をしており、半導体レーザ１ａ〜１ｃからの複数のレーザ光を集光することにより光導波路４に合波させる。

光導波路４は、光ファイバからなり、結合レンズ３とコリメートレンズ５との間に配置される。この光導波路４と出力用ファイバ８との関係を図２に示す。図２において、光導波路４は、コア４ａとコア４ａの外側に配置されたクラッド４ｂからなり、コア４ａの径はΦ１である。コア４ａの中心からコリメートレンズ５へのレーザ光の出射角はθ１である。

光導波路４の材料としては、例えば、石英ガラスなどを用いることができる。コア４ａの屈折率はクラッド４ｂの屈折率よりも高い。これにより、光導波路４の一方の端から入った各々のレーザ光は、コア４ａからクラッド４ｂへ漏れ出ることなく、コア４ａ内で反射しながら進行し、他方の端から放出される。

出力用ファイバ８は、コア８ａとコア８ａの外側に配置されたクラッド８ｂからなり、コア８ａの径はΦ２である。再結合レンズ７からコア８ａの中心への入射角はθ２である。光導波路４は、光導波路４のコア径Φ１と出射角θ１との乗算値が出力用光ファイバ８のコア径Φ２と入射角θ２との乗算値以下である導波路からなる。

即ち、出力用光ファイバ８のコア径Φ２と入射角θ２との乗算値が光導波路４のコア径Φ１と出射角θ１との乗算値よりも大きいので、光導波路４からの各々のレーザ光を出力用光ファイバ８に導くことができる。

また、コア８ａの屈折率はクラッド８ｂの屈折率よりも高い。これにより、出力用ファイバ８の一方の端から入った各々のレーザ光は、コア８ａからクラッド８ｂへ漏れ出ることなく、コア８ａ内で反射しながら進行し、他方の端から放出される。

コリメートレンズ５は、光導波路４からの複数のレーザ光を平行光にして出力する。コリメートレンズ５からの平行光では、図１の強度分布６に示すようにムラが生ずる。図１に示す例は、レーザ光束密度が低い場合である。

しかし、実施例１では、さらに、コリメートレンズ５からの複数の平行光を再結合レンズ７により出力用ファイバ８に再結合させる。出力用ファイバ８としては、例えば、純シリカ系コアを有するステップインデックス型のファイバ等が用いられる。

以上の構成によれば、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｃからの複数のレーザ光を結合レン３ズで、光導波路４のコア径Φ１と出射角θ１との乗算値が出力用光ファイバのコア径Φ２と入射角θ２との乗算値以下である光導波路４に結合させ、光導波路４からの出射光を再結合レンズ７で出力用光ファイバ８へ再結合させると、ファイバ出力光の強度分布ムラを抑制することができる。

このため、半導体レーザが少ない場合や、半導体レーザのサイズにより高密度に半導体レーザを配置できない場合において、特に有用である。

なお、ここではレーザ光源として半導体レーザの場合を例に挙げて説明したが、通常のレーザ装置を複数台設置したものや、複数のファイバをバンドルしたようなレーザ光束など離散的な状態を示すどのようなレーザ光源でも実施が可能である。

図３は、本発明の実施例２の合波レーザ光源において光導波路と出力用ファイバとの関係を示す図である。図１に示す実施例１の合波レーザ光源は、複数の半導体レーザの内の１つの半導体レーザ２ｂをファイバ光軸上に配置したが、実施例２の合波レーザ光源は、複数の半導体レーザ１ａ〜１ｄをファイバ光軸上に配置しない場合の例である。

複数の半導体レーザ１ａ〜１ｄに対応方向して複数のレンズ２ａ〜２ｄが配置されている。結合レンズ３は、複数のレンズ２ａ〜２ｄからの複数のレーザ光を光導波路４に結合させる。

この場合には、コリメートレンズ５からの複数の平行光による強度分布６ａでは、ファイバ光軸付近が暗くなるが、光導波路４からの出射光を再結合レンズ７で出力用光ファイバ８へ再結合させるので、ファイバ出力光の強度分布ムラを抑制することができる。

図４は、本発明の実施例３の合波レーザ光源の構成を示す図である。図１及び図３に示す実施例では、再結合の光学系として、ディスクリートの再結合レンズ７を用いたが、実施例３の合波レーザ光源は、光導波路４と出力用ファイバ８との間にグリンロッドレンズ１０を配置したことを特徴とする。

グリンロッドレンズ１０は、円柱形状をなし、径方向に屈折率が変化するように形成され、集光レンズの役目を有している。このため、グリンロッドレンズ１０は、コリメートレンズ５と再結合レンズ７との機能を有する。

従って、グリンロッドレンズ１０は、実施例１のコリメートレンズ５と再結合レンズ７のように動作するので、実施例３においても、実施例１の効果と同様の効果が得られる。また、グリンロッドレンズ１０を用いることで、合波レーザ光源を小型化することができる。

本発明に係る合波レーザ光源は、特に、レーザ加工装置、レーザ照明、レーザ露光装置、蛍光材励起、レーザ計測、レーザ医療等に適用可能である。

１ａ〜１ｄ半導体レーザ
２ａ〜２ｄレンズ
３結合レンズ
４光導波路
４ａ，８ａコア
４ｂ，８ｂクラッド
５コリメートレンズ
６光強度分布
７再結合レンズ
８出力用ファイバ
１０グリンロッドレンズ

Claims

互いに所定間隔毎に配置され、各々がレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
光導波路と、
前記複数のレーザ光源と前記光導波路との間に配置され、前記複数のレーザ光源からの複数のレーザ光を集光することにより前記光導波路に結合させる結合レンズと、
出力用ファイバと、
前記出力用ファイバと前記光導波路との間に配置され、前記光導波路からの出射光を前記出力用ファイバへ再結合させる再結合レンズとを備え、
前記光導波路のコア径と出射角との乗算値が前記出力用ファイバのコア径と入射角との乗算値以下であることを特徴とする合波レーザ光源。
前記複数のレーザ光源を封止する封止パッケージを設けたことを特徴とする請求項１記載の合波レーザ光源。
前記再結合レンズは、グリンロッドレンズからなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の合波レーザ光源。
前記出力用ファイバは、純シリカ系コアを有するステップインデックス型のファイバからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の合波レーザ光源。