JP2019047014A - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】色収差と球面収差とを補正でき、レーザ光を高効率に光ファイバに結合できる半導体レーザモジュール。【解決手段】集光レンズ１４及び光ファイバ１５の光軸上に配置され、第１波長を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する第１レーザ光源１１ａと、光軸の周辺に配置され、第１波長よりも短い第２波長を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する第２レーザ光源１１ｂと、第１レーザ光源から出射される楕円状の第１レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第１ＦＡＳＴ軸整形レンズ１２ａと、第１ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第１レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して集光レンズに出射する第１ＳＬＯＷ軸整形レンズ１３ａと、第２レーザ光源から出射される楕円状の第２レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第２ＦＡＳＴ軸整形レンズ１２ｂと、第２ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第２レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して集光レンズに出射する第２ＳＬＯＷ軸整形レンズ１３ｂとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、可視光、赤外の波長を有するレーザ素子から出力される光ビームを１本の光ファイバに結合する半導体レーザモジュールに関する。

色収差、球面収差を防ぐ方法として、正レンズと負レンズとを組み合わせた複合レンズが用いられている。特許文献１に記載された小型光学ヘッドは、レンズを通った光線が一点に集まらない現象である球面収差を補正する手段とフォーカシング手段を有している。フォーカシング手段は、球面レンズに係る高い収斂性を有する第一のレンズと、光の波長により屈折率が異なるために生ずる現象である収束レンズ軸上色収差、及び横色収差を補正する手段を備えている。

また、特許文献２には、複数のレンズを貼り合せ、空気と接する面を非球面とした複合レンズを用いて、色収差、球面収差を防ぐことが記載されている。

光ピックアップでは、書き込み、読み込みによる出力の差により生ずる微小な波長変化による色収差、球面収差による影響を抑制するため、様々な手法が報告されている。

高出力化されたレーザ光によりレーザ加工等が行われている。レーザ本体と光ファイバとを結合することで、レーザ本体と被照射物とが離れていても、被照射物をレーザ本体からのレーザで加工することができる。

近年、従来の赤外波長帯ではレーザ加工が困難であった難加工物に対して、可視光波長帯のレーザと赤外波長帯のレーザとを併せて使用する複数波長を持つレーザが求められている。また、レーザ加工等を行うためには、高出力で高効率に光ファイバに結合することが求められている。

特表２００９−５３６３６６号公報 ＷＯ２００７／１４８６２５号公報

しかしながら、波長が大きく異なる複数のレーザ光を１本の光ファイバに結合する際に、波長が異なるために、色収差や球面収差が生ずるため、結合効率が低下する。

本発明の課題は、色収差及び球面収差を補正して、可視光や赤外光の波長帯が大きく異なる複数のレーザ光を高効率に光ファイバに結合することができる半導体レーザモジュールを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、レーザ光を集光レンズで集光して光ファイバに結合する半導体レーザモジュールであって、前記集光レンズ及び前記光ファイバの光軸上に配置され、第１波長を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する第１レーザ光源と、前記光軸の周辺に配置され、前記第１波長よりも短い第２波長を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する第２レーザ光源と、前記第１レーザ光源から出射される楕円状の第１レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第１ＦＡＳＴ軸整形レンズと、前記第１ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第１レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して前記集光レンズに出射する第１ＳＬＯＷ軸整形レンズと、前記第２レーザ光源から出射される楕円状の第２レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第２ＦＡＳＴ軸整形レンズと、前記第２ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第２レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して前記集光レンズに出射する第２ＳＬＯＷ軸整形レンズとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１波長を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する赤外光等の長波長帯の第１レーザ光源を光軸に配置し、第１波長よりも短い第２波長を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する短波長帯の第２レーザ光源を光軸の周辺に配置した。

即ち、結像点が遠い長波長帯の第１レーザ光源を光軸上に配置し、球面収差で結像点が近くなる短波長帯の第２レーザ光源を光軸の周辺に配置することで、集光レンズで発生する球面収差と色収差を相殺させる。

従って、色収差と球面収差とを補正でき、レーザ光を高効率に光ファイバに結合することができる。

本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの構成図である。 本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの半導体レーザの構造及び半導体レーザから出射されるレーザビームを示す図である。 本発明の実施例１の半導体レーザモジュールのＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズとＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズを示す図である。 本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの変形例の構成図である。 本発明の実施例２の半導体レーザモジュールの構成図であり、ＦＡＳＴ軸積層例である。 図５に示すＦＡＳＴ軸積層例の集光レンズにおけるレーザビームと、光ファイバ出射後のビームプロファイルを示す図である。 本発明の実施例３の半導体レーザモジュールの構成図であり、ＳＬＯＷ軸積層例である。 図７に示すＳＬＯＷ軸積層例の集光レンズにおけるレーザビームと、光ファイバ出射後のビームプロファイルを示す図である。 本発明の実施例４の半導体レーザモジュールの構成図であり、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸との積層例である。

以下、本発明の半導体レーザモジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施例１の半導体レーザモジュールは、光ファイバに高効率に結合するように、結像点が遠い長波長帯のレーザ光源を光軸上に配置し、球面収差で結像点が近くなる短波長帯のレーザ光源を光軸の周辺に配置することで、球面単レンズ（集光レンズ１４）で発生する球面収差と色収差を相殺させることを特徴とする。

図１は、本発明の実施例１の半導体レーザモジュールの構成図である。図１はレーザ光源１１ａ，１１ｂから出射されるレーザビームのＦＡＳＴ軸から見た半導体レーザモジュールの側面図である。

半導体レーザモジュールは、レーザ光を集光レンズ１４で集光して光ファイバ１５に結合するもので、レーザ光源１１ａ，１１ｂ、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂ、集光レンズ１４を備えている。

集光レンズ１４は、球面レンズである。シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ、１３ａ，１３ｂ、集光レンズ１４は、ガラス、プラスチックからなる。

レーザ光源１１ａは、本発明の第１レーザ光源に対応し、半導体レーザからなり、集光レンズ１４及び光ファイバ１５の光軸上に配置され、赤外光のような長波長（第１波長）を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する。赤外光の波長は、ＩＲ−Ａの場合には、８００ｎｍ〜１４００ｎｍであり、ＩＲ−Ｂの場合には、１４００ｎｍ〜３０００ｎｍである。

レーザ光源１１ｂは、本発明の第２レーザ光源に対応し、半導体レーザからなり、前記光軸の周辺に配置され、青色等の可視光のような短波長（前記第１波長よりも短い第２波長）を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する。青色の可視光の波長は、４３５ｎｍ〜４８０ｎｍである。青色の可視光の代わりに、例えば、緑色の可視光、赤色の可視光、を用いても良い。緑色の可視光の波長は、５００ｎｍ〜５６０ｎｍである。赤色の可視光の波長は、６１０ｎｍ〜７５０ｎｍである。

ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａは、本発明の第１ＦＡＳＴ軸整形レンズに対応し、レーザ光源１１ａから出射される楕円状の第１レーザ光のＦＡＳＴ軸をコリメートする。

ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａは、本発明の第１ＳＬＯＷ軸整形レンズに対応し、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａから出射される楕円状の第１レーザ光のＳＬＯＷ軸をコリメートして集光レンズ１４に出射する。

ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ｂは、本発明の第２ＦＡＳＴ軸整形レンズに対応し、レーザ光源１１ｂから出射される楕円状の第２レーザ光のＦＡＳＴ軸をコリメートする。

ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ｂは、本発明の第２ＳＬＯＷ軸整形レンズに対応し、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ｂから出射される楕円状の第２レーザ光のＳＬＯＷ軸をコリメートして集光レンズ１４に出射する。

図２に、レーザ光源１１ａ，１１ｂである半導体レーザ１１の構造及び半導体レーザ１１から出射されるレーザビームを示す。半導体レーザ１１は、レーザ結晶１１１上に、電子と正孔とが結合してレーザ光を出力する中心層からなる活性層１１２と、活性層１１２の上下に配置されたクラッド層１１３とを配置して構成される。

活性層１１２の発振領域１１４は、ストライプの幅がｗで、厚みがｈであり、レーザ光を発振する。活性層１１２で発生したレーザ光は、楕円状のレーザビームＢＭで出力される。所定の拡がり角で出射された楕円状のレーザビームの長軸がＦＡＳＴ軸である。所定の拡がり角で出射される楕円状のレーザビームの短軸がＳＬＯＷ軸である。

図３（ａ）にＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂの構成を示し、図３（ｂ）にＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂの構成を示す。シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂは、互いに直交するＸ軸とＹ軸の一方の軸のみにレンズとして作用する曲率が形成され、他方の軸にはレンズとして作用する曲率は形成されていない。

ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂは、半導体レーザ１１の近傍に配置され、ストライプから出射される楕円状のレーザビームのＦＡＳＴ軸と曲率が形成されたＹ軸とを略平行に配置して、ＦＡＳＴ軸のレーザビームをＹ軸方向のみに集束又は拡散又はコリメートを行う。

ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂは、ストライプ幅から出射される楕円状のレーザビームのＳＬＯＷ軸と曲率が形成されたＸ軸とを略平行に配置して、ＳＬＯＷ軸のレーザビームをＸ軸方向のみに集束又は拡散又はコリメートを行う。

このように、実施例１の半導体レーザモジュールによれば、第１波長を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する赤外光等の長波長帯のレーザ光源１１ａを光軸に配置し、第１波長よりも短い第２波長を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する青色等の可視光のような短波長帯のレーザ光源１１ｂを光軸の周辺に配置した。

即ち、結像点が遠い長波長帯のレーザ光源１１ａを光軸上に配置し、球面収差で結像点が近くなる短波長帯のレーザ光源１１ｂを光軸の周辺に配置することで、球面単レンズ（集光レンズ１４）で発生する球面収差と色収差を相殺させる。

従って、色収差と球面収差とを補正でき、レーザ光を高効率に光ファイバに結合することができる。

図４に実施例１の半導体レーザモジュールの変形例の構成図を示す。図４では、図１に示す構成に対して、さらに、レーザ光源１１ｃ、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ｃ、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ｃを備えている。

レーザ光源１１ｃは、本発明の第２レーザ光源に対応し、前記光軸の周辺に配置され、青色等の可視光のような短波長（前記第１波長よりも短い第２波長）を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する。

なお、レーザ光源１１ｃは、緑色等の可視光のような短波長（前記第１波長よりも短い第３波長）を持つ楕円状の第２レーザ光を出力しても良い。

ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ｃは、本発明の第２ＦＡＳＴ軸整形レンズに対応し、レーザ光源１１ｃから出射される楕円状の第２レーザ光のＦＡＳＴ軸をコリメートする。

ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ｃは、本発明の第２ＳＬＯＷ軸整形レンズに対応し、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ｃから出射される楕円状の第２レーザ光のＳＬＯＷ軸をコリメートして集光レンズ１４に出射する。

このように実施例１の半導体レーザモジュールの変形例であっても、実施例１の半導体モジュールの動作と同様に動作し、同様な効果が得られる。また、実施例１の半導体レーザモジュールの変形例では、さらに、レーザ光源１１ａ〜１１ｃを配置したので、実施例１の半導体モジュールの光出力よりも高出力が得られる。

また、レーザ光源１１ａ〜１１ｃを配置したので、光ファイバ出射後のビーム特性が細いリング状から太いリング状になり、ビームモードを容易に改善することができる。

図５は、本発明の実施例２の半導体レーザモジュールの構成図でＦＡＳＴ軸積層例である。図５に示すＦＡＳＴ軸積層例では、レーザ光源１１ａとレーザ光源１１ｂをＦＡＳＴ軸方向（図５の↑方向）に積層したものである。図５のＦＡＳＴ軸方向（↑方向）は、図２のＦＡＳＴ軸方向に一致し、レーザ結晶１１１は、横サイズが縦サイズよりも長いように配置されている。

ＦＡＳＴ軸方向に積層したレーザ光源１１ａのレーザ光とレーザ光源１１ｂのレーザ光とは、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂを通って集光レンズ１４で集光される。

図６（ａ）は、図５に示すＦＡＳＴ軸積層例の集光レンズ１４におけるレーザビームである。図６（ｂ）は、光ファイバ１５出射後のビームプロファイルを示す。

図６（ａ）に示すレーザビームＢＭ１は、レーザ光源１１ａからの横長の楕円ビームで光軸上にある。レーザビームＢＭ２は、レーザ光源１１ｂからの横長の楕円ビームで光軸の周辺にある。

図６（ｂ）に示す光ファイバ１５出射後のビームプロファイルＢＰＦ１は、レーザビームＢＭ１に対応する。ビームプロファイルＢＰＦ２は、レーザビームＢＭ２に対応し、細いリング状になる。

次に、本発明の実施例３の半導体レーザモジュールを説明する。まず、使用する光ファイバがマルチモードファイバである場合、入射ビームの入射角が出射ビームの出射角に保存される傾向がある。

光軸を含まず、入射したビームは、マルチモードファイバを出射した後、図６（ｂ）に示すように、リング状になる。ビームを絞らない限り、円形とリング状と異なる状態であるため、使用することが困難なこともある。

そこで、モードスクランブラや拡散板を使用する方法もあるが、ビームモードの差が大きいと、ビームを整形するのに手間がかかる。

そこで、実施例３では、図７に示すようにレーザ光源１１ａとレーザ光源１１ｂをＳＬＯＷ軸方向（図７の↑方向）に積層したものである。図７のＳＬＯＷ軸方向（↑方向）は、図２のＳＬＯＷ軸方向に一致する。図７に示すレーザ光源１１ａ，１１ｂは、図５に示すレーザ光源１１ａ，１１ｂに対して９０度回転し、レーザ結晶１１１は、縦サイズが横サイズよりも長いように配置されている。

ＳＬＯＷ軸方向に積層したレーザ光源１１ａのレーザ光とレーザ光源１１ｂのレーザ光とは、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂを通って集光レンズ１４で集光される。

図８（ａ）は、図７に示すＳＬＯＷ軸積層例の集光レンズ１４におけるレーザビームである。図８（ｂ）は、光ファイバ１５出射後のビームプロファイルを示す。

図８（ａ）に示すレーザビームＢＭ３は、レーザ光源１１ａからの縦長の楕円ビームで光軸上にある。レーザビームＢＭ４は、レーザ光源１１ｂからの縦長の楕円ビームで光軸の周辺にある。

図８（ｂ）に示す光ファイバ１５出射後のビームプロファイルＢＰＦ３は、レーザビームＢＭ３に対応する。ビームプロファイルＢＰＦ４は、レーザビームＢＭ４に対応し、太いリング状になる。ビームプロファイルＢＰＦ４の太いリング状は、レーザビームＢＭ４が光ファイバ１５を通って全周に亙るために形成される。

即ち、レーザ光源１１ａ，１１ｂをＳＬＯＷ軸方向に積層することで、光ファイバ出射後のビーム特性が細いリング状から太いリング状になり、ビームモードを容易に改善することができる。

図９（ａ）は、本発明の実施例４の半導体レーザモジュールの構成図であり、ＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸との積層例である。図９（ａ）に示す実施例４の半導体レーザモジュールでは、レーザ光源１１ａをＦＡＳＴ軸方向に積層し、レーザ光源１１ｂをＳＬＯＷ軸方向に積層したものである。

ＦＡＳＴ軸方向に積層したレーザ光源１１ａのレーザ光と、ＳＬＯＷ軸方向に積層したレーザ光源１１ｂのレーザ光とは、ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ１２ａ，１２ｂ、ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ１３ａ，１３ｂを通って集光レンズ１４で集光される。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すＦＡＳＴ軸とＳＬＯＷ軸とを積層した場合の集光レンズ１４におけるレーザビームである。

図９（ｂ）に示すレーザビームＢＭ５は、レーザ光源１１ａからの横長の楕円ビームで光軸上にある。レーザビームＢＭ６は、レーザ光源１１ｂからの縦長の楕円ビームで光軸の周辺にある。

即ち、レーザ光源１１ａをＦＡＳＴ軸方向に積層し、レーザ光源１１ｂをＳＬＯＷ軸方向に積層することで、光ファイバ出射後のビーム特性が細いリング状から太いリング状になり、ビームモードを容易に改善することができる。

本発明は、レーザ加工、レーザ半田、レーザ溶接に利用可能である。

１１ａ，１１ｂ，１１ｃ レーザ光源
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ ＦＡＳＴ軸シリンドリカルレンズ
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ＳＬＯＷ軸シリンドリカルレンズ
１４ 集光レンズ
１５ 光ファイバ
１１１ レーザ結晶
１１２ 活性層
１１３ クラッド層
ＢＭ１〜ＢＭ６ レーザビーム
ＢＰＦ１〜ＢＰＦ４ ビームプロファイル

Claims (5)

1. レーザ光を集光レンズで集光して光ファイバに結合する半導体レーザモジュールであって、
   前記集光レンズ及び前記光ファイバの光軸上に配置され、第１波長を持つ楕円状の第１レーザ光を出力する第１レーザ光源と、
   前記光軸の周辺に配置され、前記第１波長よりも短い第２波長を持つ楕円状の第２レーザ光を出力する第２レーザ光源と、
   前記第１レーザ光源から出射される楕円状の第１レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第１ＦＡＳＴ軸整形レンズと、
   前記第１ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第１レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して前記集光レンズに出射する第１ＳＬＯＷ軸整形レンズと、
   前記第２レーザ光源から出射される楕円状の第２レーザ光のＦＡＳＴ軸を整形する第２ＦＡＳＴ軸整形レンズと、
   前記第２ＦＡＳＴ軸整形レンズから出射される楕円状の第２レーザ光のＳＬＯＷ軸を整形して前記集光レンズに出射する第２ＳＬＯＷ軸整形レンズと、
   を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記集光レンズは、球面レンズであることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記第１レーザ光源及び前記第２レーザ光源は、ＳＬＯＷ軸方向に積層されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記第１レーザ光源は、ＦＡＳＴ軸方向に積層され、前記第２レーザ光源は、ＳＬＯＷ軸方向に積層されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記第１レーザ光源は、前記第１波長を有する赤外光を出力し、前記第２レーザ光源は、前記第２波長を有する可視光を出力ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の半導体レーザモジュール。