JP2021136256A - 光源装置、ダイレクトダイオードレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を高めることが可能な光源装置を提供する。【解決手段】本開示の光源装置は、複数の第１レーザビームを同軸に重畳して第１波長結合ビームを生成して出射する第１光源であって、複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長が第１波長範囲に含まれる、第１光源と、複数の第２レーザビームを同軸に重畳して第２波長結合ビームを生成して出射する第２光源であって、複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長が第１波長範囲よりも短い第２波長範囲に含まれる、第２光源と、第１波長結合ビームおよび第２波長結合ビームを同軸に重畳して第３波長結合ビームを生成して出射する波長フィルターとを備える。【選択図】図４

Description

本願は、光源装置およびダイレクトダイオードレーザ装置に関する。

高出力高輝度のレーザビームを用いて多様な種類の材料に切断、穴あけ、マーキングなどの加工を行ったり、金属材料を溶接したりすることが行われている。従来、このようなレーザ加工に使用されてきた炭酸ガスレーザ装置およびＹＡＧ固体レーザ装置の一部は、エネルギ変換効率の高いファイバレーザ装置に置き換わりつつある。ファイバレーザ装置の励起光源には、レーザダイオード（以下、単にＬＤと記載する。）が使用されている。近年、ＬＤの高出力化に伴い、ＬＤを励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）技術と称されている。

特許文献１は、複数のＬＤからそれぞれ出射された互いに波長が異なる複数のレーザビームを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）して光出力を増大させる光源装置の一例を開示している。互いに波長が異なる複数のレーザビームを同軸に結合することは、「波長ビーム結合（ＷＢＣ）」または「スペクトルビーム結合（ＳＢＣ）」と称され、例えばＤＤＬ装置などの光出力および輝度を高めるために用いられ得る。

米国特許６１９２０６２号明細書

出力を高めることが可能な光源装置、ダイレクトダイオードレーザ装置が求められている。

本開示の光源装置は、例示的な実施形態において、複数の第１レーザビームを同軸に重畳して第１波長結合ビームを生成して出射する第１光源であって、前記複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長が第１波長範囲に含まれる、第１光源と、複数の第２レーザビームを同軸に重畳して第２波長結合ビームを生成して出射する第２光源であって、前記複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長が前記第１波長範囲よりも短い第２波長範囲に含まれる、第２光源と、前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームを同軸に重畳して第３波長結合ビームを生成して出射する波長フィルターとを備える。

本開示のダイレクトダイオードレーザ装置は、例示的な実施形態において、上記の光源装置と、前記光源装置から出射された前記第３波長結合ビームに結合される光ファイバと、前記光ファイバに結合される加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射される前記第３波長結合ビームで対象物を照射する加工ヘッドと、を備える。

本開示の実施形態によれば、出力を高めることが可能な光源装置、ダイレクトダイオードレーザ装置が提供され得る。

図１は、波長ビーム結合によって結合したレーザビームを光ファイバに集光する光源装置の構成例を示す図である。 図２は、波長結合ビームＷが光結合器３０Ｐによって光ファイバ１０に集光される様子を模式的に示す図である。 図３は、本開示の実施形態における光源装置の構成例を示す図である。 図４は、第１波長範囲と第２波長範囲との関係を示す図である。 図５は、波長フィルターの反射率の波長依存性の例を示すグラフである。 図６は、本開示の実施形態における光源装置の他の構成例を示す図である。 図７は、本開示の実施形態における光源装置のさらに他の構成例を示す図である。 図８は、本開示の実施形態における光源装置のさらに他の構成例を示す図である。 図９は、波長フィルターの反射率の波長依存性の他の例を示すグラフである。 図１０Ａは、第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂと、ミラー５２および波長フィルター５０との空間的な配置関係の例を模式的に示す斜視図である。 図１０Ｂは、第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂと、ミラー５２および波長フィルター５０との空間的な配置関係の他の例を模式的に示す斜視図である。 図１０Ｃは、第１光源２０Ａ、第２光源２０Ｂおよび第３光源２０Ｃと、ミラー５２および波長フィルター５０、５６との空間的な配置関係の例を模式的に示す斜視図である。 図１１は、本開示の実施形態における第１光源の構成例を模式的に示す断面図である。 図１２は、本実施形態で使用される外部共振器型レーザモジュール２４の構成例を示す断面図である。 図１３は、ＬＤ４２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。 図１４Ａは、透過型回折格子４８の働きを模式的に示す断面図である。 図１４Ｂは、透過型回折格子４８の働きを模式的に示す他の断面図である。 図１５は、ＬＤ４２のゲイン曲線と、ある波長λ_ｎの単一縦モードで発振している外部共振器型レーザモジュール２４から出射されるレーザビームＢのスペクトルを模式的に示す図である。 図１６は、本実施形態におけるビーム光源２０がビームコンバイナ２６として備える反射型回折格子の作用を示す図である。 図１７Ａは、波長結合ビームＷの速軸（Ｙ軸）方向におけるビーム形状を模式的に示す断面図である。 図１７Ｂは、波長結合ビームＷの遅軸（Ｘ軸）方向におけるビーム形状を模式的に示す断面図である。 図１８は、本実施形態における光結合器３０の構成例を模式的に示す斜視図である。 図１９は、本実施形態における光結合器３０の構成例を模式的に示す断面図である。 図２０Ａは、Ｏｄ１＝Ｏｄ２の場合における、光ファイバ端面位置の第３波長結合ビームＷ３の断面を模式的に示す図である。 図２０Ｂは、第１波長結合ビームＷ１のビーム断面および第２波長結合ビームＷ２のビーム断面を模式的に示す図である。 図２０Ｃは、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の場合における、光ファイバ端面位置の第３波長結合ビームＷ３のビーム断面を模式的に示す図である。 図２１は、Ｏｄ１＝Ｏｄ２の場合における、ビーム幅とＺ軸方向位置との関係を示すグラフである。 図２２は、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の場合における、ビーム幅とＺ軸方向位置との関係を示すグラフである。 図２３は、第１光源２０Ａの変形例を示す図である。 図２４は、第１光源２０Ａの他の構成例を示す図である。 図２５は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、まず、「波長ビーム結合（ＷＢＣ）」を行う光源装置の基本的な構成例を説明する。図１は、ＷＢＣによって結合したレーザビームを光ファイバに集光する光源装置の構成例を示す図である。図１を含む添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を含むＸＹＺ座標系が模式的に示されている。図１の例では、Ｙ軸が紙面に垂直であり、光源装置１００ＰのＸＺ面に平行な構成が模式的に記載されている。波長結合ビームＷの伝搬方向は、Ｚ軸方向に平行である。

図示されている光源装置１００Ｐは、光ファイバ１０と、ビーム光源２０Ｐと、光結合器３０Ｐとを備える。ビーム光源２０Ｐは、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢを同軸に重畳して波長結合ビームＷを生成して出射する。本開示における「波長結合ビーム」の用語は、ＷＢＣによってピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢが同軸上に結合して形成されたレーザビームを意味する。ＷＢＣ技術によれば、ピーク波長λが異なるｎ本のレーザビームを同軸上に結合することにより、光出力だけではなくフルエンス（Ｆｌｕｅｎｃｅ、単位：Ｗ/ｃｍ^２）も、各レーザビームＢが有する大きさの約ｎ倍にまで高めることが可能になる。

ビーム光源２０Ｐは、図示されている例において、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢをそれぞれ出射する複数のレーザモジュール２２と、複数のレーザビームＢを結合して波長結合ビームＷを生成するビームコンバイナ２６とを有している。図１には、５個のレーザモジュール２２_１〜２２_５が記載されている。

図の例において、ビームコンバイナ２６は反射型回折格子である。ビームコンバイナ２６は、回折格子に限定されず、例えばプリズムなどの他の波長分散性光学素子であってもよい。異なる角度で反射型回折格子に入射したレーザビームＢの−１次の反射回折光が、すべて、同一方向に出射される。図では、簡単のため、各レーザビームＢおよび波長結合ビームＷの中心軸のみが記載されている。光結合器３０Ｐは、ビーム光源２０Ｐから出射された波長結合ビームＷを光ファイバ１０のコアに集光して入射する。

レーザモジュール２２から反射型回折格子（ビームコンバイナ２６）までの距離をＬ１、隣接するレーザモジュール２２の角度、言い換えると、隣接する２本のレーザビームＢの角度をΦ（ラジアン：ｒａｄ）とする。図示される例において、距離Ｌ１および角度Φは、レーザモジュール２２_１〜２２_５で共通の大きさを有している。レーザモジュール２２の配列ピッチ（エミッタ間ピッチ）をＳとすると、Φ×Ｌ１＝Ｓの近似式が成立する。

図２は、ビームコンバイナ２６から出射された波長結合ビームＷが光結合器３０Ｐによって光ファイバ１０に集光される様子を模式的に示す図である。光結合器３０Ｐの典型例は収束レンズである。簡単のため、波長結合ビームＷが３本の代表的な光線によって単純化されて表されている。３本の光線のうち、中央の光線は光結合器３０Ｐの光軸上にあり、他の２本の光線は、ビーム直径を規定する位置を模式的に示している。ビーム直径は、ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ^２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビーム直径またはビーム半径は、他の基準によって定義されてもよい。

図２では、波長結合ビームＷが平行なコリメートビームとして記載され、光結合器３０Ｐに入射する領域のＸ軸方向における直径（入射ビーム径）がＤ１で表されている。しかし、現実には、Ｚ軸方向に伝搬する波長結合ビームＷは完全な平行光ではなく、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒは、一様ではなく、光路上における位置（Ｚ軸上の座標値ｚ）または光路長の関数である。また、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒは、Ｙ軸方向およびＸ軸方向において大きさが異なり得る。このため、厳密には、Ｙ軸方向におけるビーム半径をＲ_Ｙ（ｚ）、Ｘ軸方向におけるビーム半径をＲ_Ｘ（ｚ）と表わすことが適切である。なお、波長結合ビームＷは個々のレーザビームＢが同軸に重畳したものであるから、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒおよび発散半角θは、それぞれ、レーザモジュール２２から出射された個々のレーザビームＢのビーム半径ωおよび発散半角θに等しいと近似することができる。

図２には、反射型回折格子（ビームコンバイナ２６）から光結合器３０Ｐまでの距離がＬ２で表されている。距離Ｌ２は、例えば１００〜１０００ミリメートル（ｍｍ）の範囲に設定され得る。また、図１に示される距離Ｌ１は、例えば約２０００ｍｍ以上である。この距離Ｌ１を規定する角度ΦおよびピッチＳは、レーザビームＢの波長、ビームコンバイナ２６の構造および性能、レーザモジュール２２の構造およびサイズなどに拘束されるため、大幅に短縮することは困難である。以下、Ｌ１＋Ｌ２を「光路長」と呼ぶ場合がある。

本発明者等の検討によると、上記の構成例には、以下の課題があることがわかった。

波長結合ビームＷの光出力を増加させるために、レーザモジュール２２の個数を増加させていくと、ビームコンバイナ２６に入射する複数のレーザビームＢの入射角度の範囲が拡大する。この入射角度の範囲は、図１から明らかなように、Φ×（レーザモジュール２２の個数−１）の角度幅を有している。ビームコンバイナ２６の回折効率は、レーザビームＢの入射角度が所定の範囲から外れると、低下する。このため、レーザモジュール２２の個数を増加させていくと、ビームコンバイナ２６で回折されるレーザビームＢの光強度が低下したり、ビーム品質が低下したりする可能性が高くなる。このため、図１に示される構成例では、波長ビーム結合に用いることのできるレーザモジュール２２の個数に限度があり、その限度は、例えば１２個程度である。その限度を超えてレーザモジュール２２の個数を増加させることは、ビーム品質の低下を招く恐れがある。本開示の実施形態は、このような課題を解決することができる。

（実施形態）
＜光源装置＞
図３は、本開示の実施形態における光源装置１００の構成例を示す図である。図３に示されている光源装置１００は、第１光源２０Ａと第２光源２０Ｂとを備えている。第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂのそれぞれは、概略的には、図１のビーム光源２０Ｐの構成と同様の構成を有していてもよい。第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂの構成の詳細は、後述する。

第１光源２０Ａは、複数の第１レーザビームを同軸に重畳して第１波長結合ビームＷ１を生成して出射する。複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長は第１波長範囲に含まれる。一方、第２光源２０Ｂは、複数の第２レーザビームを同軸に重畳して第２波長結合ビームＷ２を生成して出射する。複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長は、第１波長範囲よりも短い第２波長範囲に含まれる。この関係は、図４に模式的に示される。図４の例では、第１波長結合ビームＷ１を構成する複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長は、第１波長範囲内で相互に異なっている。同様に、第２波長結合ビームＷ２を構成する複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長は、第２波長範囲内で相互に異なっている。図４の例では、第１波長範囲および第２波長範囲のそれぞれに含まれるピーク波長の個数は１０個であるが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。

図３の例において、光源装置１００は、第１波長結合ビームＷ１と第２波長結合ビームＷ２とを同軸上に重畳して第３波長結合ビームＷ３を生成して出射する波長フィルター５０と、第２波長結合ビームＷ２を反射するミラー５２とを備えている。波長フィルター５０は、例えば、波長が約４２５ｎｍ未満の波長結合ビームＷ２は透過するが、波長が約４２５ｎｍを超える波長結合ビームＷ１を反射する誘電体多層膜を有している。ミラー５２で反射された波長結合ビームＷ２は、波長フィルター５０を透過し、波長フィルター５０で反射された波長結合ビームＷ１と結合する。

波長フィルター５０の例は、ダイクロイックミラー、回折光学素子、ホログラフィック光学素子等を含み、好ましくはダイクロイックミラーである。図５は、波長フィルター５０の反射率波長依存性の一例を模式的に示すグラフである。波長フィルター５０には、誘電体層膜などの波長選択性を有する膜が堆積されており、第１波長範囲にピーク波長を有するレーザビーム、および、第２波長範囲にピーク波長を有するレーザビームの一方を透過し、他方を反射することができる。図５の例では、第１波長範囲と第２波長範囲との間にある基準値で反射率が約０％から約１００％に変化する反射率特性の一例が示されている。例えば、第１波長結合ビームＷ１は、波長が４３０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲内に含まれる１１個の異なるピーク波長を有するレーザビームが結合した光であり得る。一方、第２波長結合ビームＷ２は、波長が４００ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲内に含まれる１１個の異なるピーク波長を有するレーザビームが結合した光であり得る。

この例の光源装置１００では、２つのビーム光源２０Ｐ１、２０Ｐ２から光結合器３０Ｐまでの光路長は、互いに等しい。

本実施形態によれば、波長結合ビームＷの光出力を増加させるために、図１に示されるようなレーザモジュール２２の個数を増加させても、ビームコンバイナ２６に入射する複数のレーザビームの入射角度の範囲が拡大を抑制することができる。このため、ビーム品質が低下を抑制しながら、波長ビーム結合に用いることのできるレーザモジュールの個数を例えば２０個以上に増加させることができる。

図６は、本開示の実施形態における光源装置１００の他の構成例を示す図である。

図６の実施形態において、第１光源２０Ａと波長フィルター５０との間の第１光路長Ｏｄ１は、第２光源２０Ｂと波長フィルター５０との間の第２光路長Ｏｄ２よりも長い。例えば、第１光路長Ｏｄ１と第２光路長Ｏｄ２との差異は、２５０ミリメートル以上である。Ｏｄ１＞Ｏｄ２の関係を満足することにより、ビーム品質を高めることができる。この理由については後述する。

なお、図６の例における光源装置１００は、波長フィルター５０から出射された第３波長結合ビームＷ３を集光して光ファイバ１０に結合する光結合器３０を備えている。この光結合器３０の詳細についても後述する。

図７は、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の関係を満足するさらに他の構成例を模式的に示す図である。この例における光源装置１００は、第２光源２０Ｂから出射された第２波長結合ビームＷ２を反射して波長フィルター５０に入射させるミラー５２を備えている。ミラー５２の位置および向きは、ミラー５２で反射された第２波長結合ビームＷ２が波長フィルター５０で反射された第１波長結合ビームＷ１と同軸で結合するように調整されている。図７の例において、ミラー５２は、第２光路長Ｏｄ２を有する光路上で第２波長結合ビームＷ２の進行方向を９０度回転させている。第２光源２０Ｂから出射される第２波長結合ビームＷ２の進行方向は、第１光源２０Ａから出射される第１波長結合ビームＷ１の進行方向に対して平行である必要はない。それらが平行でない場合、ミラー５２および波長フィルター５０による反射角度は、互いに異なる角度であってもよい。

図８は、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の関係を満足するさらに他の構成例を模式的に示す図である。この例における光源装置１００は、図９に示す反射率特性を有する波長フィルター５０を備えている。図９の波長選択性を有する波長フィルター５０は、第１波長範囲にピーク波長を有するレーザビームを透過し、第２波長範囲にピーク波長を有するレーザビームを反射することができる。この光源装置１００において、ミラー５２は、第１光源２０Ａから出射された第１波長結合ビームＷ１を反射して波長フィルター５０に入射させる。ミラー５２の位置および向きは、ミラー５２で反射された第１波長結合ビームＷ１が波長フィルター５０で反射された第２波長結合ビームＷ２と同軸で結合するように調整されている。

図１０Ａおよび１０Ｂは、それぞれ、第１光源２０Ａ、第２光源２０Ｂ、ミラー５２、および波長フィルター５０の空間的な配置関係の例を模式的に示す斜視図である。図１０Ａの例において、第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂは水平方向に並んでいる。一方、図１０Ｂの例では、第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂが鉛直方向に並んでおり、光源装置１００は、ミラー５２および波長フィルター５０によって立ち上げ方向に反射された第３波長結合ビームＷ３を水平方向に反射するミラー５４を更に備えている。ミラーの配置および個数は、図示されている例に限定されない。

図１０Ａおよび図１０Ｂの例において、光源装置１００は、２個の光源２０Ａ、２０Ｂを備えているが、光源の個数が３個以上であってもよい。図１０Ｃは、第１光源２０Ａ、第２光源２０Ｂ、および第３光源２０Ｃを備えている。光源２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、それぞれ、第１波長範囲の波長結合ビームＲＷ、第２波長範囲の波長結合ビームＧＷ、第３波長範囲の波長結合ビームＢＷを出射する。ここで、第１波長範囲より第２波長範囲は短く、第２波長範囲より第３波長範囲は短い。

図１０Ｃの光源装置１００は、波長結合ビームＲＷおよび第２波長範囲の波長結合ビームＧＷを透過し、かつ、第３波長範囲の波長結合ビームＢＷを反射する波長フィルター５６を備えている。この例において、第１光路長Ｏｄ１は、第１光源２０Ａから、すべてのレーザビームが結合された波長結合ビームＷを出射する波長フィルター５６までの距離である。同様に、第２光路長Ｏｄ２は、第２光源２０Ｂから波長フィルター５６までの距離である。第３光路長Ｏｄ３は、第３光源２０Ｃから波長フィルター５６までの距離である。この例において、Ｏｄ１＞Ｏｄ２＞Ｏｄ３が成立している。なお、第１波長範囲、第２波長範囲、および第３波長範囲が、それぞれ、赤、緑、および青の色に対応する波長範囲であってもよい。その場合、図１０Ｃの波長結合ビームＷは、「白色光」に相当する。

＜光源装置＞
図１１は、本実施形態における第１光源２０Ａの構成例を示す図である。第１光源２０Ａは、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢを同軸に重畳して波長結合ビームＷ１を生成して出射する。第２光源２０Ｂも、基本的には、第１光源２０Ａの構成と同様の構成を備えている。異なる点は、レーザビームＢの波長λの大きさにある。このため、第２光源２０Ｂの構成については重複した説明を省略する。

図１１に示されるように、第１光源２０Ａは、複数のレーザビームＢをそれぞれ出射する複数のレーザモジュール２４と、複数のレーザビームＢを結合して波長結合ビームＷ１を生成するビームコンバイナ２６とを有している。本実施形態におけるレーザモジュール２４は、外部共振器型である。図１１には、簡単のため、５個のレーザモジュール２４_１〜２４_５が記載されている。各レーザモジュール２４_１〜２４_５からは、それぞれ、ピーク波長λ_１〜λ_５のレーザビームＢが出射される。ここでは、λ_１＜λ_２＜λ_３＜λ_４＜λ_５の関係が成立しているが、これに限定されない。また、第１光源２０Ａが備えるレーザモジュール２４の個数は、５個に限定されず、６個以上、例えば１０個以上であり得る。

本実施形態において、隣接するレーザビームＢのピーク波長はδλだけ異なり（λ_ｎ＋１−λ_ｎ＝δλ）、隣接するレーザビームＢの間の角度Φは約０．４度、すなわち約７ミリラジアン（ｍｒａｄ）である。また、レーザモジュール２４の配列ピッチＳは１０ｍｍ程度である。このような数値例を採用すると、Φ×Ｌ１＝Ｓの近似式から、距離Ｌ１は約１５００ｍｍになる。なお、限られた空間内に無駄なく構成要素を収容するため、レーザモジュール２４とビームコンバイナ２６との間に１枚または複数枚のミラーを挿入し、各レーザビームＢの伝搬方向をミラーによって回転させてもよい。

次に、図１２および図１３を参照しながら、外部共振器型レーザモジュール２４の具体的な構成例を説明する。図１２は、一例として、外部共振器型レーザモジュール２４_１の構成例を示す断面図である。他の外部共振器型レーザモジュール２４_２〜２４_５の構成も同様である。図１２および図１３には、参考のため、互いに直交するＸ_１軸、Ｙ_１軸およびＺ_１軸を基底とするＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系が示されている。このＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系は、レーザモジュール２４_１に固有のローカル座標である。Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系の原点は、レーザモジュール２４_１におけるレーザビームＢの起点に一致させることが便利であるが、図では記載の分かりやすさを優先して、エミッタから外れた位置にある。Ｚ_１軸はレーザビームＢの伝搬方向（ビーム中心軸）に平行である。

図１２の外部共振器型レーザモジュール２４_１は、ＬＤ４２を光源または光学ゲイン要素（利得媒質）として含む外部共振器構造を有している。

一般に、レーザビームの波長が近赤外域よりも短いＬＤ４２を採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のエミッタ領域に雰囲気中の塵埃などが付着する。エミッタ領域に付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザビームと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザビームの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。また、複数のＬＤ４２を光源装置１００の筐体内に収容するとき、筐体内に塵埃が混入しないように留意して筐体の組立を行い、筐体そのものを封止することが考えられるが、波長ビーム結合に必要なレンズ系および回折格子などの部品に塵埃などが付着していることがあり、筐体全体の気密性を高くすることは難しい。本開示の実施形態においても例外ではないが、ＬＤ４２を、気密に封止された半導体レーザパッケージ（以下、単に「パッケージ」と称する）４４に実装することで、塵埃等の影響による光出力の低下を抑制できる。パッケージ４４は、リード端子を有するステムと、ステムに固定されたＬＤ４２を覆う金属キャップとを備え、金属キャップには透光性を有する窓部材が取り付けられている。パッケージ４４の構成は特に限定されず、例えばΦ５．６ｍｍまたはΦ９ｍｍなどのＴＯ−ＣＡＮ型のパッケージであり得る。窓部材の典型例は、光学ガラス（屈折率：１．４以上）から形成された薄板である。パッケージ４４の内部は、不純物の含有が少ない窒素ガスまたは希ガスなどの不活性ガスによって充填され、気密に封止され得る。このように、個々のＬＤ４２を気密に封止された半導体レーザパッケージ内に収容することで、長期間、信頼性の高い動作が実現する。

ＬＤ４２は、例えば窒化物半導体系材料から形成された近紫外、青紫、青色、または緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であり得る。ＬＤ４２は、熱伝導率の高いサブマウントを介してステムに固定され得る。ＬＤ４２の向きは、図示されている例に限定されず、パッケージ４４内のミラーによってレーザ光をＺ軸方向に反射するよう配置されていてもよい。

図１３は、ＬＤ４２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。図示されている構成は、説明のために単純化されている。図１３の例において、ＬＤ４２は、上面に形成されたストライプ状のｐ側電極４２Ｐと、下面に形成されたｎ側電極４２Ｎと、端面４２Ｆに位置するエミッタ領域Ｅとを有している。レーザビームＢはエミッタ領域Ｅから出射される。ＬＤ４２は、半導体基板と、半導体基板上に成長した複数の半導体層（半導体積層構造）を有している。半導体積層構造は、発光層を含み、公知の様々な構成を有し得る。この例において、エミッタ領域Ｅは、Ｘ軸方向のサイズ（例えば１５μｍ程度）がＹ軸方向のサイズ（例えば約１．５μｍ）よりも格段に大きな形状を有している。エミッタ領域ＥのＹ軸サイズは、ＬＤ４２の半導体積層構造（具体的には導波路およびクラッド層の厚さ、屈折率比など）によって規定される。エミッタ領域ＥのＸ軸サイズは、発光層を横切る方向に電流が流れる領域のＸ軸サイズ、具体的にはリッジ構造（不図示）の幅（利得導波路幅）などによって規定される。

本実施形態におけるＬＤ４２の端面４２Ｆには、反射防止膜が形成されている。ＬＤ４２の他方の端面４２Ｂには高反射率膜が形成されている。このため、図１２の距離ＣＬで示される領域が共振器を形成し、距離ＣＬによって共振器長が規定される。後述するように、ＬＤ４２から出射されたレーザビームＢの一部は、透過型回折格子４８によって回折されてＬＤ４２に戻る。ＬＤ４２の端面４２Ｂにある高反射率膜と透過型回折格子４８との間で、所定の波長を有する単一縦モードの定在波が形成される。共振器のうち、ＬＤ４２の外側に位置する部分を「外部共振器」と呼ぶ。図示される配置は、リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型である。リトロー型では、不図示のリットマン型で必要になるミラーが不要である。透過型回折格子４８を用いたリトロー型配置により、共振器長ＣＬを短縮することができ、共振モードを安定化させやすくなる。本実施形態における共振器長ＣＬは、例えば２５〜３５ｍｍである。

図１３に示されるように、エミッタ領域Ｅから出射されたレーザビームＢの形状はＸ軸方向とＹ軸方向で非対称になる。図１３では、レーザビームＢのファーフィールド（遠方界）パターンが模式的に示される。レーザビームＢは、Ｙ軸方向ではシングルモードのガウシアンビームに近似されるビーム形状を有するが、Ｘ軸方向では全体として発散角の小さなマルチモードのビーム形状を有する。Ｙ軸方向の発散半角θ_ｙ０は、Ｘ軸方向の発散半角θ_ｘ０よりも大きい。Ｙ軸方向におけるレーザビームＢは、ガウシアンビームに近似できるため、Ｙ軸方向のビームウエスト位置におけるビーム半径をω_o、レーザビームＢの波長をλとすると、θ_ｙ０＝ｔａｎ^−１（λ／πω_o）≒λ／（πω_o）ラジアンが成立する。λが可視光域にある場合、θ_ｙ０は例えば２０度、θ_ｘ０は例えば５度である。その結果、レーザビームＢのＹ軸サイズは、Ｚ軸方向に沿って伝搬するときに相対的に「速く」発散して拡大する。このため、Ｙ軸は「速軸」、Ｘ軸は「遅軸」と呼ばれる。遅軸方向におけるビーム品質は、マルチモードであるため、速軸方向におけるビーム品質に比べて相対的に劣化している。その結果、ビーム品質を規定するビームパラメータ積（ＢＰＰ）は、速軸方向における値に比べると、遅軸方向で相対的に大きくなる。ＢＰＰは、ビームウエスト半径と遠方界における発散半角の積である。ＢＰＰは、ビーム品質を定量的に評価するための指標であり、ビーム品質が劣化するほど、大きな値となる。

本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、個々のＬＤ４２に用いる場合、それぞれ、個々のＬＤ４２に固有のＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系におけるＹ_１軸およびＸ_１軸を意味する。また、波長結合ビームＷについて説明する場合、「速軸方向」および「遅軸方向」は、それぞれ、グローバルなＸＹＺ座標系における「Ｙ軸方向」および「Ｘ軸方向」を意味している。言い換えると、レーザビームの伝搬方向に直交する断面において、ＢＰＰが最も低い方向が「速軸」であり、速軸に直交する方向が「遅軸」である。

再び、図１２を参照する。図示されているレーザモジュール２４_１は、ＬＤ４２から出射されたレーザビームＢをコリメートするコリメータレンズ４６を有している。コリメータレンズ４６は、例えば球面レンズである。コリメータレンズ４６を透過したレーザビームＢは、ほぼ平行な光線束として透過型回折格子４８に入射する。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、それぞれ、透過型回折格子４８によるレーザビームＢの回折を模式的に示す断面図である。図１４Ａと図１４Ｂとの間にある相違点は、透過型回折格子４８の傾斜角度にある。これらの図では、簡単のため、コリメータレンズ４６の記載は省略され、レーザビームＢおよび回折光も単純な直線で表されている。

図の例における透過型回折格子４８は、入射したレーザビームから、主として、０次透過回折光Ｔ０、０次反射回折光Ｒ０、−１次透過回折光Ｔ−１、および−１次反射回折光Ｒ−１を形成する。−１次の回折光Ｔ−１、Ｒ−１は、波長に応じて異なる角度で、透過型回折格子４８から出射される。これらの回折光のうち、−１次反射回折光Ｒ−１がＬＤ４２に帰還する。前述したリットマン型配置を採用した場合、−１次反射回折光Ｒ−１は、不図示のミラーで反射した後、再び透過型回折格子４８を介してＬＤ４２に帰還することになる。従って、リットマン型配置は共振器長を拡大し、縦モードの安定性を低下させる。

図１４Ａおよび図１４Ｂには、−１次の回折光Ｔ−１、についてＲ−１、それぞれ、５本の光線が模式的に記載されている。これらの５本の光線は、波長が相互に異なる５本の仮想的な−１次回折光線である。実際には、レーザ発振中の共振器内では単一の縦モードの定在波が形成されるため、その定在波の波長を有する回折光線のみがＬＤ４２に帰還してレーザ発振に寄与する。透過型回折格子４８の傾斜角度が変化すると、ＬＤ４２に帰還する−１次反射回折光Ｒ−１の波長がシフトする。透過型回折格子４８の傾斜角度を調整することにより、レーザ発振の波長を選択することが可能になる。なお、透過型回折格子４８の傾斜角度が一定であっても、透過型回折格子４８における格子間隔を調整することにより、同様の効果を得ることができる。

ある例における透過型回折格子４８は、所定角度（４０〜５０度）で入射した所定波長（例えば約４１０ｎｍ）のビームのうち、０次透過回折光Ｔ０の割合が例えば約５０％以上、−１次反射回折光Ｒ−１の割合が例えば約２５％程度、０次反射回折光Ｒ０および−１次透過回折光Ｔ−１の合計割合が例えば約２５％以下になるように形成され得る。

図１５は、ＬＤ４２のゲイン曲線（ゲインの波長依存性を示す曲線）と、ある波長λ_ｎの単一縦モードで発振している外部共振器型レーザモジュール２４から出射されるレーザビームＢのスペクトルを模式的に示す図である。レーザビームＢの波長（ピーク波長λ_ｎ）は、レーザ発振可能なゲインを有する波長範囲から選択される。外部共振器構造により、レーザビームＢのスペクトル幅は狭く、鋭いピークを示している。

本開示の実施形態では、例えば４００〜４２０ｎｍを含む波長範囲で発振可能なゲインを示す複数のＬＤ４２を用意する。言い換えると、ゲイン幅が約２０ｎｍであり、最もゲインが大きくなる波長が４１０ｎｍである複数のＬＤ４２を用意する。そして、透過型回折格子４８からＬＤ４２に帰還する−１次反射回折光Ｒ−１の波長が数ｎｍずつ異なるように透過型回折格子４８の構造および傾斜角度を調整する。外部共振器型レーザモジュール２４を使用することにより、レーザビームの波長幅が狭く、かつ発振波長が安定する。その結果、回折格子などのビームコンバイナ２６を用いて所望の方向に高い精度で複数のレーザビームを同軸に結合することができる。

こうして得られた複数の異なるピーク波長λ_ｎを有するレーザビームＢは、波長ビーム結合によって同軸上に結合されて波長結合ビームが形成される。なお、同一のゲイン幅（例えば２０〜３０ｎｍの波長幅）を有するＬＤ４２は、典型的には、同一組成の半導体から形成された半導体積層構造を備えている。しかし、本開示の実施形態は、このような例に限定されない。例えば発光層の半導体組成が異なり、その結果としてゲインをもたらす波長範囲が一致していないレーザダイオードがＬＤ４２に含まれていてもよい。より具体的には、例えば、紫外、青紫、青、および緑のいずれか少なくとも１つの色域にピーク波長が属する複数のレーザビームＢを任意に結合して様々なスペクトルを有する波長結合ビームを形成することが可能である。

図１６は、本実施形態におけるビーム光源２０がビームコンバイナ２６として備える反射型回折格子の作用を示す図である。ピーク波長λ_ｎのレーザビームＢがビームコンバイナ２６の法線方向Ｎを基準とする入射角α_ｎでビームコンバイナ２６に入射している。回折角βで−１次の反射回折光がＺ軸方向に入射される。このとき、ｓｉｎ α_ｎ＋ｓｉｎ β ＝ Ｋ・ｍ・λ_ｎの式が成立する。ここで、Ｋはビームコンバイナ２６における１ｍｍあたりの回折格子数、ｍは回折次数である。

このように、本実施形態の第１光源２０Ａでは、互いに異なるピーク波長λ_ｎを有するレーザビームＢが外部共振器型レーザモジュール２４から出射され、適切な入射角α_ｎでビームコンバイナ２６に入射する。その結果、等しい回折角βで回折されたレーザビームＢが重畳され、波長ビーム結合が達成される。その結果、回折角βの方向に進む第１波長結合ビームＷ１が得られる。

ある例では、４３０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の幅を有する第１波長範囲内にピーク波長λ_ｎを有するレーザビームを出射するように構成した１１個の外部共振器型レーザモジュール２４が用意され、一定の回折角βを実現するように入射角α_ｎで外部共振器型レーザモジュール２４のそれぞれの配置がアライメントされる。この例において、入射角α_ｎの範囲は、例えば４３〜４７°の範囲に収まる。こうして作製された第１光源２０Ａでは、ビームコンバイナ（反射型回折格子）２６から等しい回折角βで出射されたピーク波長の異なる１１本のレーザビームが同軸に重畳して、１本の波長結合ビームが生成される。

このような例では、４３０ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲（この例における第１波長範囲）でゲインを有するＬＤ４２が用いられている。すなわち、ゲイン幅Δλは約２０ｎｍである。ｎ番目のレーザモジュール２４_ｎから出射されるレーザビームのピーク波長λ_ｎと、ｎ＋１番目のレーザモジュール２４_ｎ＋１から出射されるレーザビームのピーク波長λ_ｎ＋１との間には、δλ＝約２．０ｎｍの波長差が与えられる。また、ｎ番目のレーザモジュール２４_ｎから出射されるレーザビームの入射角α_ｎと、ｎ＋１番目のレーザモジュール２４_ｎ＋１から出射されるレーザビームの入射角α_ｎ＋１との間には、約４度の角度差が与えられる。

第２光源２０Ｂは、第１光源２０Ａと同様の基本構成を備えているが、例えば、約４００ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲（この例における第２波長範囲）でゲインを有するＬＤ４２が使用される。そして、第２波長範囲において、例えば約２ｎｍずつピーク波長が異なる１１本のレーザビームが同軸上に結合され、第２波長結合ビームＷ２が得られる。

第１光源２０Ａにおける外部共振器型レーザモジュール２４を「第１外部共振器型レーザモジュール」、ビームコンバイナ２６を「第１ビームコンバイナ」と称するとき、第２光源２０Ｂにおける外部共振器型レーザモジュール２４を「第２外部共振器型レーザモジュール」、ビームコンバイナ２６を「第２ビームコンバイナ」と称することができる。

なお、本開示の実施形態は、上記の例に限定されない。例えば波長３５０〜５５０ｎｍの範囲から選択された、例えば数１０ｎｍのゲイン幅を有する複数のＬＤを用いて、様々な波長帯域内で波長ビーム結合を実現することができる。波長３５０〜５５０ｎｍの範囲では、銅などの金属による吸収率が高くなるため、金属加工に適した波長結合ビームが提供される。このため、第１波長範囲および第２波長範囲は、それぞれ、波長３５０〜５５０ｎｍの範囲から選択されることが望ましい。

上記の構成を有する第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂのそれぞれから出射された波長結合ビームＷ１またはＷ２は、前述したように、Ｙ軸（速軸）方向およびＸ軸（遅軸）方向で非対称なビーム品質を有している。その結果、第１波長結合ビームＷ１および第２波長結合ビームＷ２を結合して得られる第３波長結合ビームも、同様に非対称なビーム品質を有している。

図１７Ａは、第３波長結合ビームＷ３のＹ軸方向におけるビーム形状を模式的に示す断面図である。図１７Ｂは、第３波長結合ビームＷ３のＸ軸方向におけるビーム形状を模式的に示す断面図である。

Ｙ軸方向におけるビームウエストでのビーム半径をω_ｙ、遠方界の発散半角をθ_ｙとする。同様に、Ｘ軸方向におけるビームウエストでのビーム半径ω_ｘ、遠方界の発散半角をθ_ｘとする。このとき、Ｙ軸方向では、第３波長結合ビームＷ３をガウシアンビームとして近似的に扱うことがきる。このため、Ｙ軸方向における第１のＢＰＰ（単位：［ｍｍ・ｍｒａｄ］）であるω_ｙ×θ_ｙは、λ／πにほぼ等しくなる。これに対して、Ｘ軸方向では、第３波長結合ビームＷ３をガウシアンビームとは扱えないが、ビーム半径がガウシアンビームよりも拡大したビームとして扱うことができる。Ｘ軸方向における第２のＢＰＰは、ω_ｙ×θ_ｙ＝Ｍ^２×（λ／π）で表される。１次のガウシアンビームを基準とするＭ^２のファクタによってビーム品質を評価すると、Ｙ軸方向では、Ｍ^２が約１であると言える。Ｘ軸方向におけるＭ^２は、例えば１１程度である。

ある例において、第３波長結合ビームＷ３のＹ軸（速軸）方向における第１のＢＰＰは、約０．１５ｍｍ・ｍｒａｄであり、Ｘ軸（遅軸）方向における第２のＢＰＰは、約１．４３ｍｍ・ｍｒａｄである。このように、第３波長結合ビームＷ３のＸ軸方向におけるビーム品質は相対的に低く、光路長に比例してビームは大きく発散する。

なお、本実施形態における第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂのそれぞれでは、複数のレーザモジュール２４が所定の角度で傾斜して配列されているが、本開示におけるビーム光源２０は、このような例に限定されない。複数のレーザモジュール２４が互いに平行に配列され、かつ、レーザモジュール２４から出射されたレーザビームＢの伝搬方向が、それぞれ、個別のミラーによって偏向されてからビームコンバイナ２６に異なる角度で入射してもよい。平行な方向に伝搬する複数のレーザビームＢを偏向するには、個別のミラーを使用する代わりに収束レンズを用いてもよい。

＜光結合器＞
以下、図１８および図１９を参照して、本実施形態における光源装置１００が備える光結合器３０の構成例を説明する。図１８は、光結合器３０の構成例を模式的に示す斜視図である。図１９は、光結合器３０の構成例を模式的に示す断面図である。

第３波長結合ビームＷ３の伝搬方向（Ｚ軸方向）に直交する第１の方向（Ｘ軸方向）における第３波長結合ビームＷ３の第１のビームパラメータ積（第１のＢＰＰ）は、伝搬方向および第１の方向の両方に直交する第２の方向（Ｙ軸方向）における第２のＢＰＰよりも大きい。

光結合器３０は、図１８に示されるように、第３波長結合ビームＷ３を伝搬方向と第１の方向（Ｘ軸方向）とを含む第１の平面（ＸＺ）内で集光する第１のシリンドリカルレンズ３１と、第３波長結合ビームＷ３を伝搬方向と第２の方向（Ｙ軸方向）とを含む第２の平面（ＹＺ）内で集光する第２のシリンドリカルレンズ３２と、第３波長結合ビームＷ３を第１の平面（ＸＺ）内で集光して第１のシリンドリカルレンズ３１に入射させる第３のシリンドリカルレンズ（副集光レンズ）３３とを有している。シリンドリカルレンズは、平行な光線束を直線（焦点）上に収束する曲面を有している。曲面は、円柱の外周表面の一部に相当する形状を有しており、円柱の軸方向における曲率はゼロである。図１８における曲線（破線）は、それぞれのレンズ３１〜３３の入射面上におけるビーム断面形状を模式的に示している。

図１９に示されるように、第１のシリンドリカルレンズ３１、第２のシリンドリカルレンズ３２、および第３のシリンドリカルレンズ３３は、それぞれ、第１の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ１、第２の焦点距離ＥＦＬ_ＦＡＦ、および第３の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ２を有している。第３の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ２は、第１の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ１よりも長い。例えば、第１の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ１は７５ｍｍ、第３の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ２は３００ｍｍである。第３のシリンドリカルレンズ３３による球面収差の影響を抑制するという観点から、第３の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ２は、第１の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ１の２倍以上に設定されることが望ましい。第２の焦点距離ＥＦＬ_ＦＡＦは、図示されている例において第１の焦点距離ＥＦＬ_ＳＡＦ１よりも短いが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。

前述したように、第３波長結合ビームＷ３のビーム形状およびビーム品質は、第１の平面（ＸＺ）と第２の平面（ＹＺ）とで大きく異なる。本実施形態では、ＢＰＰが相対的に大きな第１の平面（ＸＺ）における光ファイバ１０への集光が第１および第３のシリンドリカルレンズ３１、３３によって実現される。これに対して、ＢＰＰが相対的に小さな第２の平面（ＹＺ）における光ファイバ１０への集光は、単一の第２のシリンドリカルレンズ３２によって実現される。

光結合器３０によれば、第３波長結合ビームＷ３の第１の平面（ＸＺ）におけるビーム直径を、補助的な第３のシリンドリカルレンズ３３によって縮小してから第１のシリンドリカルレンズ３１に入射させる。レンズの球面収差は、レンズ上におけるビーム直径の３乗に比例して大きくなるため、第１のシリンドリカルレンズ３１上におけるビーム直径の縮小により、第１のシリンドリカルレンズ３１の球面収差に起因するビーム品質低下を抑制できる。

また、第３のシリンドリカルレンズ３３は、第１のシリンドリカルレンズ３１の焦点距離（ＥＦＬ_ＳＡＦ１）よりも長い焦点距離（ＥＦＬ_ＳＡＦ２）を有しているため、球面収差が生じにくい薄肉構造を採用できる。更に、第１の平面（ＸＺ）におけるビーム発散角が相対的に大きな波長結合ビームＷを第１のシリンドリカルレンズ３１に入射するよりも手前で第３のシリンドリカルレンズ３３に入射させるため、第３のシリンドリカルレンズ３３上での入射ビーム直径は、より球面収差が生じにくい狭い範囲に縮小され得る。こうして、第３のシリンドリカルレンズ３３によるビーム品質の低下をほとんど生じさせることなく、第１のシリンドリカルレンズ３１によるビーム品質低下の問題を解決できる。その結果、高価な非球面レンズを採用することなく、集光ビーム径を縮小して光ファイバ１０への光結合効率を高められる。

図１９に示されるように、第１のシリンドリカルレンズ３１の像側主点位置から光ファイバ１０の入射側端面までの距離をｄ１、第３のシリンドリカルレンズ３３の像側主点位置から第１のシリンドリカルレンズ３１の像側主点位置までの距離をｄ２とする。このとき、ｄ１＜ＥＦＬ_ＳＡＦ１、ｄ２＜ＥＦＬ_ＳＡＦ２が成立している。ｄ２＜ＥＦＬ_ＳＡＦ２が満たされることにより、第３のシリンドリカルレンズ３３は、第１の平面（ＸＺ）におけるビーム直径の収束を補助的に低減していると言える。

＜Ｏｄ１がＯｄ２よりも長いことによる効果＞
ＷＢＣによって第１波長結合ビームＷ１と第２波長結合ビームＷ２とを結合して生成した第３波長結合ビームＷ３のスペクトル幅は、第１波長結合ビームＷ１および第２波長結合ビームＷ２のそれぞれのスペクトル幅の２倍程度に拡大する。このため、光結合器３０の「色収差」が無視できなくなる場合がある。また、前述したように、レーザビームは、Ｙ軸方向およびＸ軸方向で異なるビーム品質を有している。このため、Ｙ軸方向におけるビーム半径が最も小さくなる位置と、Ｘ軸方向におけるビーム半径が最も小さくなる位置とがずれる。この位置ずれは、「非点収差」である。

このように、ＷＢＣによってスペクトル幅が拡大すると、色収差および非点収差が複合してビーム品質が低下し得る。その結果、前述のように改良した光結合器３０を採用しても、ビームウエスト付近におけるビーム断面は長軸／短軸比の大きな楕円形状を有し得る。

図２０Ａは、第１光源２０Ａと波長フィルター５０との間の第１光路長Ｏｄ１が、第２光源２０Ｂと波長フィルター５０との間の第２光路長Ｏｄ２に等しい場合、すなわち、Ｏｄ１＝Ｏｄ２の場合の、光ファイバ端面位置における第３波長結合ビームＷ３の断面を模式的に示す図である。この断面では、Ｘ軸（遅軸）方向のビーム幅がＹ軸（速軸）方向のビーム幅に比べて大きい。このように一方向に長い楕円では、円形の断面を有する光ファイバのコアに対して効率的な光結合が実現しないことがある。

このようにビーム断面がＸ軸方向に延びている原因は、第１波長範囲にピーク波長を有する複数のレーザビームが結合した第１波長結合ビームＷ１にある。図２０Ｂは、図２０Ａのビーム断面のうち、第１波長結合ビームＷ１のビーム断面を実線で示し、第２波長結合ビームＷ２のビーム断面を点線で示している。図２０Ｂにおいて、「Ｗ１ Ｆａｓｔ」および「Ｗ１ Ｓｌｏｗ」は、それぞれ、第１波長結合ビームＷ１の速軸方向におけるビーム幅および遅軸方向におけるビーム幅である。「Ｗ２ Ｆａｓｔ」および「Ｗ２ Ｓｌｏｗ」は、それぞれ、第２波長結合ビームＷ２の速軸方向におけるビーム幅および遅軸方向におけるビーム幅である。図２０Ｂからわかるように、第１波長結合ビームＷ１のビーム品質によって第３波長結合ビームＷ３のビーム品質が決まる。

図２０Ｃは、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の場合の、光ファイバ端面位置における第３波長結合ビームＷ３のビーム断面を模式的に示す図である。第１波長結合ビームＷ１のビーム断面は、第２波長結合ビームＷ２のビーム断面とほぼ同じ形状およびサイズを有している。このように、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の構成を採用することにより、第１波長結合ビームＷ１のビーム品質が改善し、それによって第３波長結合ビームＷ３のビーム品質が改善される。

図２１は、Ｏｄ１＝Ｏｄ２の場合における、ビーム幅とＺ軸方向位置との関係を示すグラフである。横軸は、第２のシリンドリカルレンズ３２の平坦面からの距離であり、縦軸は、ビーム幅である。横軸の単位および縦軸の単位は、それぞれ、［ｍｍ］である。グラフ中、実線および点線は、それぞれ、第２波長結合ビームＷ２の遅軸方向のビーム幅（Ｗ２ Ｓｌｏｗ）および速軸方向ビーム幅（Ｗ２ Ｆａｓｔ）である。また、一点鎖線および二点鎖線は、それぞれ、第１波長結合ビームＷ１の遅軸方向のビーム幅（Ｗ１ Ｓｌｏｗ）および速軸方向ビーム幅（Ｗ１ Ｆａｓｔ）である。

図２１からわかるように、第１波長結合ビームＷ１の遅軸方向のビーム幅（Ｗ１ Ｓｌｏｗ）は、他のビームウエスト位置よりも０．４ｍｍも第２のシリンドリカルレンズ３２の平坦面から遠い位置にずれている。その結果、Ｚ軸方向の位置が３５．８ｍｍの断面では、遅軸方向におけるビーム幅が０．０７０ｍｍ（＝７０μｍ）を超えている。

図２２は、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の場合における、ビーム幅とＺ軸方向位置との関係を示すグラフである。横軸は、第２のシリンドリカルレンズ３２の平坦面からの距離であり、縦軸は、ビーム幅である。横軸の単位および縦軸の単位は、それぞれ、［ｍｍ］である。図２２のグラフは、Ｏｄ１−Ｏｄ２の距離差を４２６ｍｍにした場合における結果を示している。

図２２から明らかなように、この例において、第１波長結合ビームＷ１および第２波長結合ビームＷ２のそれぞれの遅軸方向におけるビーム幅は約０．０３６ｍｍ（＝３６μｍ）に縮小している。この結果、第１波長結合ビームＷ１と第２波長結合ビームＷ２とを結合した第３波長結合ビームＷ３の遅軸方向におけるビーム幅も０．０３６ｍｍ程度になる。

本開示の実施形態では、第１光源２０Ａの位置を光結合器３０から遠ざけることにより、Ｏｄ１＞Ｏｄ２の関係を実現している。第１光源２０Ａの位置を光結合器３０から遠ざけると、図２２に示されている第１波長結合ビームＷ１の遅軸（Ｓｌｏｗ）方向におけるビームウエストの位置がグラフ中の左側に移動する。このとき、同様に、第１波長結合ビームＷ１の速軸（Ｆａｓｔ）方向におけるビームウエストの位置もグラフ中の左側に移動することが予想されるが、図２２に示されるように、第１波長結合ビームＷ１の速軸（Ｆａｓｔ）方向におけるビームウエストの位置はほとんど移動しないことがわかった。この理由は、図１３を参照しながら説明したように、ＬＤ４２の端面４２Ｆに位置するエミッタ領域Ｅが、速軸（Ｆａｓｔ）方向では遅軸(Ｓｌｏｗ)方向よりも相対的に小さなサイズを有していることに起因する。より詳細には、エミッタ領域Ｅは、速軸（Ｆａｓｔ）方向において「点光源」として扱われ得るため、図１２のコリメータレンズ４６によってコリメートされたレーザビームＢは、速軸（Ｆａｓｔ）方向では遅軸（Ｓｌｏｗ）方向に比べて、より平行度が高く、ビームウエストの位置が、エミッタ領域Ｅから光結合器３０までの距離にほとんど依存しないからである。

第１光路長Ｏｄ１と第２光路長Ｏｄ２との差異の好ましい大きさは、他のパラメータに依存して変化する。第１波長範囲および第２波長範囲が４００ｎｍ以上４５０ｎｍ以下の範囲にある場合、第１光路長Ｏｄ１と第２光路長Ｏｄ２との差異は、２５０ｍｍ以上４７０ｍｍ以下であることが好ましい。

＜第１および第２光源の変形例＞
図２３は、第１光源２０Ａの変形例を示す図である。第２光源２０Ｂも同様の構成を備えることができる。

図２３の例において、第１光源２０Ａは、複数のレーザモジュール２４から出射されたレーザビームＢの伝搬方向を変化させてビームコンバイナ２６に案内する２個のミラーＭ１、Ｍ２を備えている。また、第１光源２０Ａは、ミラーＭ３、Ｍ４とセンサ６０とを備えている。ミラーＭ３は、ビームコンバイナ２６から出射された第１波長結合ビームＷ１の伝搬方向を変化させて第１光源２０Ａから外部に出射する。ミラーＭ４は、ビームコンバイナ２６を透過した回折光を反射してセンサ６０に入射させる。この回折光のビーム品質は、第１波長結合ビームＷ１のビーム品質に応じた値を有している。センサ６０によって、ビームコンバイナ２６を透過した回折光を検出することにより、第１波長結合ビームＷ１のビーム品質をモニタすることができる。

図２３の構成例では、ミラーＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を用いることにより、図１１の構成例に比較して、第１光源２０Ａを小型化することができる。

＜第１および第２光源の他の構成例＞
図２４は、第１光源２０Ａの他の構成例を示す図である。第２光源２０Ｂも同様の構成を備えることができる。

図２４の例において、第１光源２０Ａは、ピーク波長が異なる複数のレーザビームＢを出射するレーザバー７０と、レーザバー７０から出射された複数のレーザビームＢを集光する収束レンズ７２とを備えている。レーザバー７０は、ピーク波長が異なる複数のレーザビームＢを出射する複数のエミッタ領域を有するレーザダイオードである。収束レンズ７２によって集光されたレーザビームＢは、ビームコンバイナ２６に所定の角度で入射する。ビームコンバイナ２６で回折されたレーザビームＢは、同軸上に結合された後、ミラーＭ３で反射されて第１光源２０Ａの外部に出射される。

図２４の例では、簡単のため、１個のレーザバー７０から３本のレーザビームＢが出射されているが、レーザビームＢは、４本以上であってもよい。

図２４に示されるような構成を有する第１光源２０Ａおよび第２光源２０Ｂを用いる場合でも、本開示の実施形態による前述の効果を実現することができる。本開示の光源装置の実施形態において、外部共振器型レーザモジュールは不可欠の構成要素ではない。

＜ダイレクトダイオードレーザ装置＞
次に、図２５を参照して、本開示によるＤＤＬ装置の実施形態を説明する。図２５は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。

図示されているＤＤＬ装置１０００は、光源装置１００と、光源装置１００から延びる光ファイバ１０に接続された加工ヘッド２００とを備えている。加工ヘッド２００は、光ファイバ１０から出射された波長結合ビームで対象物３００を照射する。図示されている例において、光源装置１００の個数は、１個である。

光源装置１００は、前述した構成と同様の構成を有している。光源装置１００に搭載されている外部共振器型レーザモジュールの個数は特に限定されず、必要な光出力または放射照度に応じて決定される。外部共振器型レーザモジュールから放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなどを加工する場合、発振波長帯域が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に属するＬＤが好適に採用され得る。

本実施形態によれば、波長ビーム結合によって高出力のレーザビームを生成し、光ファイバに効率的に結合されるため、ビーム品質に優れた高フルエンスのレーザビームを高いエネルギ変換効率で得ることが可能になる。

本開示の光源装置は、光ファイバから高いビーム品質を持つ高出力高フルエンスのレーザ光を放射させることが求められる用途に広く利用される。また、本開示の光源装置およびＤＤＬ装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、３Ｄプリンティングなどに利用され得る。

１０・・・光ファイバ、２０Ａ・・・第１光源、２０Ｂ・・・第２光源、２４・・・外部共振器型レーザモジュール、２６・・・ビームコンバイナ、３０・・・光結合器、３１・・・第１のシリンドリカルレンズ、３２・・・第２のシリンドリカルレンズ、３３・・・第３のシリンドリカルレンズ、４２・・・レーザダイオード（ＬＤ）、４４・・・半導体レーザパッケージ、４６・・・コリメータレンズ、４８・・・透過型回折格子、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置

Claims (11)

1. 複数の第１レーザビームを同軸に重畳して第１波長結合ビームを生成して出射する第１光源であって、前記複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長が第１波長範囲に含まれる、第１光源と、
   複数の第２レーザビームを同軸に重畳して第２波長結合ビームを生成して出射する第２光源であって、前記複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長が前記第１波長範囲よりも短い第２波長範囲に含まれる、第２光源と、
   前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームを同軸に重畳して第３波長結合ビームを生成して出射する波長フィルターとを備える、光源装置。
2. 前記波長フィルターは、ダイクロイックミラー、回折光学素子、ホログラフィック光学素子のいずれかである、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１光源と前記波長フィルターとの間の第１光路長は、前記第２光源と前記波長フィルターとの間の第２光路長よりも長い、請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記第１光路長と前記第２光路長との差異は、２５０ミリメートル以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記波長フィルターから出射された前記第３波長結合ビームを集光するレンズ系を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記複数の第１レーザビームのそれぞれのピーク波長は、前記第１波長範囲内で相互に異なり、
   前記複数の第２レーザビームのそれぞれのピーク波長は、前記第２波長範囲内で相互に異なる、請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記第１光源は、前記複数の第１レーザビームをそれぞれ出射する複数の第１外部共振器型レーザモジュールと、前記複数の第１レーザビームを結合して前記第１波長結合ビームを生成する第１ビームコンバイナとを有し、
   前記第２光源は、前記複数の第２レーザビームをそれぞれ出射する複数の第２外部共振器型レーザモジュールと、前記複数の第２レーザビームを結合して前記第２波長結合ビームを生成する第２ビームコンバイナとを有する、請求項６に記載の光源装置。
8. 前記複数の第１外部共振器型レーザモジュールおよび前記第２外部共振器型レーザモジュールのそれぞれは、レーザダイオードと外部共振器とを有する、請求項７に記載の光源装置。
9. 前記レーザダイオードの発振波長は、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある、請求項８に記載の光源装置。
10. 前記レーザダイオードは、封止された半導体レーザパッケージ内に収容されている、請求項９に記載の光源装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から出射された前記第３波長結合ビームに結合される光ファイバと、
    前記光ファイバに結合される加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射される前記第３波長結合ビームで対象物を照射する加工ヘッドと、
    を備えるダイレクトダイオードレーザ装置。

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