JP2021163865A - Laser device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser device.
近年、レーザ装置の短波長化に注目が集まっている。金属その他の材料は、近赤外域から紫外域において、照射するレーザ光の波長が短くなるほど吸収率が高くなるという性質を有している。このため、より短波長のレーザ光を出力するレーザ装置を用いれば、より低出力で材料を加工することが可能になり、熱的影響の少ない綺麗な仕上がりを実現できる。また、照射するレーザ光の波長が短くなるほど、ワークにおける反射損失も小さくなる。このため、短波長のレーザ光を出力するレーザ装置は、省電力化の面でも有利である。 In recent years, attention has been focused on shortening the wavelength of laser devices. Metals and other materials have the property that the shorter the wavelength of the laser beam to be irradiated, the higher the absorption rate in the near-infrared region to the ultraviolet region. Therefore, if a laser device that outputs a laser beam having a shorter wavelength is used, the material can be processed at a lower output, and a beautiful finish with less thermal influence can be realized. Further, the shorter the wavelength of the laser beam to be irradiated, the smaller the reflection loss in the work. Therefore, a laser device that outputs a laser beam having a short wavelength is also advantageous in terms of power saving.
レーザ装置の短波長化は、例えば、光源として用いる半導体レーザ素子の短波長化を図ることによって実現される。特許文献１には、光源として４００ｎｍ帯のレーザ光を出力する青色半導体レーザ素子を用いたレーザ装置が開示されている。 The wavelength of the laser device can be shortened, for example, by shortening the wavelength of the semiconductor laser device used as a light source. Patent Document 1 discloses a laser apparatus using a blue semiconductor laser element that outputs a laser beam in the 400 nm band as a light source.
しかしながら、光源として用いる半導体レーザ素子の短波長化を図った従来のレーザ装置には、高出力化が困難であるという問題があった。 However, the conventional laser apparatus for shortening the wavelength of the semiconductor laser element used as a light source has a problem that it is difficult to increase the output.
例えば、特許文献１に記載のレーザ装置において、光源として用いられている青色半導体レーザ素子の出力は、１素子あたり高々数ワット程度である。このため、例えば、ｋＷクラスのレーザ装置を実現するためには、高度なパッケージング技術を用いて多数の青色半導体レーザ素子を搭載することが必要になり、光源の調達コスト及び実装コストが高額になる。 For example, in the laser apparatus described in Patent Document 1, the output of a blue semiconductor laser element used as a light source is at most several watts per element. Therefore, for example, in order to realize a kW class laser device, it is necessary to mount a large number of blue semiconductor laser elements using advanced packaging technology, and the procurement cost and mounting cost of the light source are high. Become.
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてされたものであり、短波長化及び高出力化の容易性を両立したレーザ装置を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a laser apparatus that has both short wavelength and ease of high output.
本発明の態様１に係るレーザ装置は、少なくとも１つの半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、を備えている。 The laser device according to the first aspect of the present invention includes at least one semiconductor laser element, a wavelength conversion element that acts on the laser light having a wavelength λ1 output from the semiconductor laser element, and a wavelength λ1 output from the wavelength conversion element. The laser beam and the optical fiber into which the laser beam having a wavelength λ2 (λ2 <λ1) is incident are provided.
本発明の態様２に係るレーザ装置は、前記半導体レーザ素子が収容された第１筐体と、前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子であって、前記第１筐体と前記第２筐体とを連通させる開口部を塞ぐように配置されたフィルタ素子と、を更に備えている。 The laser device according to the second aspect of the present invention includes a first housing in which the semiconductor laser element is housed, a second housing in which the wavelength conversion element is housed and the optical fiber is drawn into the laser device, and a laser having a wavelength of λ1. A filter element that transmits light and blocks laser light having a wavelength of λ2, and is arranged so as to close an opening that communicates the first housing and the second housing. Further prepared.
本発明の態様３に係るレーザ装置において、前記第１筐体と第２筐体とは、分離可能に構成されている。 In the laser apparatus according to the third aspect of the present invention, the first housing and the second housing are configured to be separable.
本発明の態様４に係るレーザ装置は、前記波長変換素子の内部に集光点が形成されるように、波長λ１のレーザ光を集光する集光レンズを更に備えている。 The laser apparatus according to the fourth aspect of the present invention further includes a condensing lens that condenses laser light having a wavelength of λ1 so that a condensing point is formed inside the wavelength conversion element.
本発明の態様５に係るレーザ装置において、前記波長変換素子は、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶により構成されている。 In the laser apparatus according to the fifth aspect of the present invention, the wavelength conversion element is composed of birefringent crystals arranged so as to satisfy the non-critical phase matching condition.
本発明の態様６に係るレーザ装置において、前記波長変換素子は、疑似位相整合素子により構成されている。 In the laser apparatus according to the sixth aspect of the present invention, the wavelength conversion element is composed of a pseudo-phase matching element.
本発明の態様７に係るレーザ装置において、波長λ２は、５００ｎｍ以下である。 In the laser apparatus according to the seventh aspect of the present invention, the wavelength λ2 is 500 nm or less.
本発明の態様８に係るレーザ装置において、波長λ１は、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。 In the laser apparatus according to the eighth aspect of the present invention, the wavelength λ1 is 800 nm or more and 1000 nm or less.
本発明の態様９に係るレーザ装置は、複数の半導体レーザ素子を備えており、前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を空間合成又は偏波合成する。 The laser device according to the ninth aspect of the present invention includes a plurality of semiconductor laser elements, and spatially synthesizes or polarizes the laser light output from the plurality of semiconductor laser elements.
本発明の態様１０に係るレーザ装置は、前記光ファイバを導波された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をワークに照射するための加工ヘッドを更に備えている。 The laser apparatus according to the tenth aspect of the present invention further includes a processing head for irradiating the work with a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2 waved through the optical fiber.
本発明の態様１１に係るレーザモジュールは、第１筐体に少なくとも１つの半導体レーザ素子が収容された他のレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、を備えている。 The laser module according to the eleventh aspect of the present invention is a laser module used in combination with another laser module in which at least one semiconductor laser element is housed in the first housing, and has a wavelength λ1 output from the semiconductor laser element. The wavelength conversion element acting on the laser light of the above, the optical fiber on which the laser light of the wavelength λ1 and the laser light of the wavelength λ2 (λ2 <λ1) output from the wavelength conversion element are incident, and the wavelength conversion element are accommodated. It includes a second housing into which the optical fiber is drawn.
本発明の態様１２に係るレーザモジュールは、本発明の態様１１に係るレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、前記第１筐体と、前記半導体レーザ素子と、を備えている。 The laser module according to the 12th aspect of the present invention is a laser module used in combination with the laser module according to the 11th aspect of the present invention, and includes the first housing and the semiconductor laser element.
本発明の一態様によれば、短波長化及び高出力化の容易性を両立したレーザ装置を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a laser apparatus that has both short wavelength and ease of high output.
〔レーザ装置の構成〕
本発明の一実施形態に係るレーザ装置１について、図１を参照して説明する。図１は、レーザ装置１の平面図である。図１においては、蓋を外したレーザ装置１を上面視した様子を示している。以下の説明においては、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を図１に示すように取った座標系を適宜用いる。
[Laser device configuration]
The laser apparatus 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a plan view of the laser device 1. FIG. 1 shows a state in which the laser device 1 with the lid removed is viewed from above. In the following description, a coordinate system in which the x-axis, y-axis, and z-axis are taken as shown in FIG. 1 is appropriately used.
レーザ装置１は、図１に示すように、半導体レーザ素子群ＬＤと、コリメートレンズ群Ｃ１と、ミラー群Ｍ１と、波長安定化素子Ｓと、集光レンズＬ１と、ミラーＭ２と、フィルタ素子Ｆと、ミラーＭ３と、波長変換素子Ｗと、コリメートレンズＣ２と、集光レンズＬ２と、光ファイバＯＦと、第１筐体Ｂ１と、第２筐体Ｂ２と、を備えている。ここで、半導体レーザ素子群ＬＤは、少なくとも１つの半導体レーザ素子の集合である。本実施形態においては、８個の半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の集合を、半導体レーザ素子群ＬＤとして用いている。また、コリメートレンズ群Ｃ１は、少なくとも１つのコリメートレンズの集合である。本実施形態においては、８個のコリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８の集合を、コリメートレンズ群Ｃ１として用いている。 As shown in FIG. 1, the laser device 1 includes a semiconductor laser element group LD, a collimating lens group C1, a mirror group M1, a wavelength stabilizing element S, a condenser lens L1, a mirror M2, and a filter element F. A mirror M3, a wavelength conversion element W, a collimating lens C2, a condenser lens L2, an optical fiber OF, a first housing B1 and a second housing B2 are provided. Here, the semiconductor laser element group LD is a set of at least one semiconductor laser element. In this embodiment, a set of eight semiconductor laser element LD1 to LD8 is used as the semiconductor laser element group LD. Further, the collimating lens group C1 is a set of at least one collimating lens. In this embodiment, a set of eight collimating lenses C11 to C18 is used as the collimating lens group C1.
半導体レーザ素子群ＬＤ、コリメートレンズ群Ｃ１、ミラー群Ｍ１、波長安定化素子Ｓ、集光レンズＬ１、ミラーＭ２、及びフィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１に収容されている。半導体レーザ素子群ＬＤ、コリメートレンズ群Ｃ１、ミラー群Ｍ１、波長安定化素子Ｓ、集光レンズＬ１、ミラーＭ２、フィルタ素子Ｆ、及び第１筐体Ｂ１は、第１レーザモジュールＬＭ１を構成している。ミラーＭ３、波長変換素子Ｗ、コリメートレンズＣ２、及び集光レンズＬ２は、第２筐体Ｂ２に収容されており、光ファイバＯＦは、第２筐体Ｂ２に引き込まれている。ミラーＭ３、波長変換素子Ｗ、コリメートレンズＣ２、集光レンズＬ２、及び第２筐体Ｂ２は、第２レーザモジュールＬＭ２を構成している。第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とは、分離可能に連結されている。本実施形態においては、第１筐体Ｂ１の側壁と第２筐体Ｂ２の側壁とが４本のネジにより連結されており、これらのネジを外すことにより分離することができる。尚、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とは、短辺の側壁同士がネジにより連結されても良い。また、第１筐体Ｂ１の短辺の側壁と第２筐体Ｂ２の長辺の側壁、または、第１筐体Ｂ１の長辺と第２筐体Ｂ２の短辺の側壁がネジにより連結されても良い。また、第１筐体Ｂ１の蓋と第２筐体Ｂ２の蓋がネジにより連結されても良い。 The semiconductor laser element group LD, the collimating lens group C1, the mirror group M1, the wavelength stabilizing element S, the condenser lens L1, the mirror M2, and the filter element F are housed in the first housing B1. The semiconductor laser element group LD, the collimating lens group C1, the mirror group M1, the wavelength stabilizing element S, the condenser lens L1, the mirror M2, the filter element F, and the first housing B1 constitute the first laser module LM1. There is. The mirror M3, the wavelength conversion element W, the collimating lens C2, and the condenser lens L2 are housed in the second housing B2, and the optical fiber OF is drawn into the second housing B2. The mirror M3, the wavelength conversion element W, the collimating lens C2, the condenser lens L2, and the second housing B2 constitute the second laser module LM2. The first housing B1 and the second housing B2 are separably connected. In the present embodiment, the side wall of the first housing B1 and the side wall of the second housing B2 are connected by four screws, and can be separated by removing these screws. The side walls of the first housing B1 and the second housing B2 may be connected to each other by screws. Further, the side wall of the short side of the first housing B1 and the side wall of the long side of the second housing B2, or the long side of the first housing B1 and the side wall of the short side of the second housing B2 are connected by screws. You may. Further, the lid of the first housing B1 and the lid of the second housing B2 may be connected by screws.
半導体レーザ素子ＬＤｉ（ｉは１以上８以下の自然数）は、波長λ１のレーザ光を生成するための構成である。波長λ１は、例えば、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。本実施形態においては、活性層がｘｙ平面と平行になるように、かつ、出射端面がｚｘ平面と平行になるように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された半導体レーザ素子を、半導体レーザ素子ＬＤｉとして用いている。このため、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、第１筐体Ｂ１の底板には、半導体レーザ素子ＬＤｊ＋１（ｊは１以上７以下の自然数）の高さが半導体レーザ素子ＬＤｊの高さよりも高くなるように段差が設けられている。 The semiconductor laser device LDi (i is a natural number of 1 or more and 8 or less) is configured to generate a laser beam having a wavelength of λ1. The wavelength λ1 is, for example, 800 nm or more and 1000 nm or less. In the present embodiment, the semiconductor laser element mounted on the bottom plate of the first housing B1 is arranged so that the active layer is parallel to the xy plane and the emission end surface is parallel to the zx plane. It is used as a semiconductor laser element LDi. Therefore, the laser beam having a wavelength of λ1 output from the semiconductor laser element LDi is a laser beam traveling in the positive direction of the y-axis, and the beam diameter in the positive / negative direction of the x-axis gradually increases. The bottom plate of the first housing B1 is provided with a step so that the height of the semiconductor laser element LDj + 1 (j is a natural number of 1 or more and 7 or less) is higher than the height of the semiconductor laser element LDj.
半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光の光路上には、コリメートレンズＣ１ｉが配置されている。コリメートレンズＣ１ｉは、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光をコリメートするための構成である。本実施形態においては、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、コリメートレンズＣ１ｉとして用いている。このため、コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。なお、コリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８は、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８と同様、段差が設けられた第１筐体Ｂ１の底板上に載置されている。コリメートレンズＣ１ｉの載置される段は、半導体レーザ素子ＬＤｉの載置される段と同一である。なお、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光は、ｘ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径も次第に大きくなるレーザ光であり得る。この場合、コリメートレンズＣ１ｉの前段又は後段に、レーザ光のｚ軸正負方向の広がりをコリメートする他のコリメートレンズを更に設けることが好ましい。 A collimating lens C1i is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LDi. The collimating lens C1i is configured to collimate the laser light of the wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LDi. In the present embodiment, the flat surface (incident surface) faces the y-axis negative direction, the curved surface (emission surface) faces the y-axis positive direction, and the outer edge of the cross section parallel to the xy plane on the y-axis positive direction is an arc. A plano-convex cylindrical lens mounted on the bottom plate of the first housing B1 is used as the collimating lens C1i. Therefore, the laser light having a wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C1i is a laser light traveling in the positive direction of the y-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the x-axis is constant. The collimating lenses C11 to C18 are placed on the bottom plate of the first housing B1 provided with a step, similarly to the semiconductor laser elements LD1 to LD8. The stage on which the collimating lens C1i is placed is the same as the stage on which the semiconductor laser device LDi is placed. The laser beam output from the semiconductor laser element LDi can be a laser beam in which not only the beam diameter in the x-axis positive / negative direction but also the beam diameter in the z-axis positive / negative direction gradually increases. In this case, it is preferable to further provide another collimating lens that collimates the spread of the laser beam in the positive and negative directions of the z-axis in the front stage or the rear stage of the collimating lens C1i.
コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ１ｉが配置されている。ミラーＭ１ｉは、コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｙ軸と４５°を成すように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ１ｉとして用いている。このため、ミラーＭ１ｉにて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径がほぼ一定であるレーザ光となる。なお、ミラーＭ１１〜Ｍ１８は、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８及びコリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８と同様、段差が設けられた第１筐体Ｂ１の底板上に載置されている。ミラーＭ１ｉの載置される段は、半導体レーザ素子ＬＤｉ及びコリメートレンズＣ１ｉの載置される段と同一である。なお、第１筐体Ｂ１の底板の段差は、ミラーＭ１ｉの上端を隣接するミラーＭ１ｉ＋１にて反射されたレーザ光が掠めるように設定されている。これにより、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８から出力されたレーザ光を高密度に空間合成することが可能になる。 A mirror M1i is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 that has passed through the collimating lens C1i. The mirror M1i is configured to reflect the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C1i. In the present embodiment, a mirror mounted on the bottom plate of the first housing B1 is used as the mirror M1i so that the reflecting surface is parallel to the z-axis and forms 45 ° with the y-axis. .. Therefore, the laser light of wavelength λ1 reflected by the mirror M1i is a laser light traveling in the negative direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the y-axis is substantially constant. The mirrors M11 to M18 are mounted on the bottom plate of the first housing B1 provided with a step, like the semiconductor laser elements LD1 to LD8 and the collimating lenses C11 to C18. The stage on which the mirror M1i is placed is the same as the stage on which the semiconductor laser element LDi and the collimating lens C1i are placed. The step on the bottom plate of the first housing B1 is set so that the laser beam reflected by the adjacent mirror M1i + 1 blurs the upper end of the mirror M1i. This makes it possible to spatially synthesize the laser light output from the semiconductor laser elements LD1 to LD8 at high density.
ミラーＭ１１〜Ｍ１８にて反射された波長λ１のレーザ光の光路上には、波長安定化素子Ｓが配置されている。波長安定化素子Ｓは、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の外部共振器を構成し、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の発振波長をλ１にロックするための構成である。本実施形態においては、入射面及び出射面がｙｚ平面と平行になるように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたＶＢＧ（Volume Bragg Grating）素子を、波長安定化素子Ｓとして用いている。 The wavelength stabilizing element S is arranged on the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 reflected by the mirrors M11 to M18. The wavelength stabilizing element S constitutes an external resonator of the semiconductor laser elements LD1 to LD8, and is configured to lock the oscillation wavelength of the semiconductor laser elements LD1 to LD8 to λ1. In the present embodiment, a VBG (Volume Bragg Grating) element mounted on the bottom plate of the first housing B1 is used as the wavelength stabilizing element S so that the entrance surface and the exit surface are parallel to the yz plane. ing.
波長安定化素子Ｓを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、集光レンズＬ１が配置されている。集光レンズＬ１は、波長安定化素子Ｓを透過した波長λ１のレーザ光を集光するための構成である。本実施形態においては、湾曲面（入射面）がｘ軸正方向を向き、平坦面（出射面）がｘ軸負方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、集光レンズＬ１として用いている。このため、集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光は、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１は、ｙ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるように、波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものであってもよい。この場合、集光レンズＬ１は、２つのシリンドリカルレンズを組み合わせることにより実現してもよいし、１つの球面レンズ又は非球面レンズにより実現してもよい。また、この場合、集光レンズＬ１は、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光を個別に集光する機能に加え、これらのレーザ光からなるレーザ光束を集束する機能も担う。 A condenser lens L1 is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 that has passed through the wavelength stabilizing element S. The condensing lens L1 has a configuration for condensing laser light having a wavelength λ1 that has passed through the wavelength stabilizing element S. In the present embodiment, the curved surface (incident surface) faces the x-axis positive direction, the flat surface (exit surface) faces the x-axis negative direction, and the outer edge of the cross section parallel to the xy plane on the x-axis positive direction is an arc. A plano-convex cylindrical lens mounted on the bottom plate of the first housing B1 is used as the condenser lens L1. Therefore, the laser light having a wavelength λ1 transmitted through the condenser lens L1 is a laser light traveling in the negative direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive / negative direction of the y-axis gradually becomes smaller. The condensing lens L1 biaxially condenses the laser light transmitted through the wavelength stabilizing element S so that not only the beam diameter in the y-axis positive / negative direction but also the beam diameter in the z-axis positive / negative direction gradually decreases. It may be. In this case, the condenser lens L1 may be realized by combining two cylindrical lenses, or may be realized by one spherical lens or an aspherical lens. Further, in this case, the condensing lens L1 has a function of individually condensing the laser light output from each of the semiconductor laser elements LD1 to LD8, and also has a function of focusing the laser light beam composed of these laser beams.
集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ２が配置されている。ミラーＭ２は、集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｘ軸と４５°を成すように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ２として用いている。このため、ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。 A mirror M2 is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 transmitted through the condenser lens L1. The mirror M2 is configured to reflect the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the condenser lens L1. In the present embodiment, a mirror mounted on the bottom plate of the first housing B1 is used as the mirror M2 so that the reflecting surface is parallel to the z-axis and forms 45 ° with the x-axis. .. Therefore, the laser light of wavelength λ1 reflected by the mirror M2 is a laser light traveling in the positive direction of the y-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the x-axis gradually becomes smaller. When the condensing lens L1 biaxially condenses the laser light transmitted through the wavelength stabilizing element S, the laser light of the wavelength λ1 reflected by the mirror M2 is a laser traveling in the positive direction of the y-axis. The light is laser light in which the beam diameters in the x-axis positive / negative direction and the z-axis positive / negative direction gradually decrease.
ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光の光路上には、フィルタ素子Ｆが配置されている。フィルタ素子Ｆは、波長λ１のレーザ光を透過すると共に、波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光を遮断するための構成である。ここで、波長λ２は、波長λ１のレーザ光を波長変換素子Ｗに入射させたときに、波長λ１のレーザ光と共に波長変換素子Ｗから出力されるレーザ光の波長であり、例えば、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。本実施形態においては、波長λ２と波長λ１との間の波長（例えば、７００ｎｍ）で透過係数が急峻に立ち上がる（反射係数が急峻に立ち下がる）ハイパスフィルタ素子を、フィルタ素子Ｆとして用いる。なお、フィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１に設けられた開口Ｏ１と、開口Ｏ１と連通する第２筐体Ｂ２に設けられた開口Ｏ２とを塞ぐように、第１筐体Ｂ１の側壁の内側に固定される。 The filter element F is arranged on the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 reflected by the mirror M2. The filter element F has a configuration for transmitting the laser light having the wavelength λ1 and blocking the laser light having the wavelength λ2 (λ2 <λ1). Here, the wavelength λ2 is the wavelength of the laser light output from the wavelength conversion element W together with the laser light of the wavelength λ1 when the laser light of the wavelength λ1 is incident on the wavelength conversion element W, and is, for example, 400 nm or more and 500 nm. It is as follows. In the present embodiment, a high-pass filter element in which the transmission coefficient rises sharply (the reflection coefficient sharply falls) at a wavelength between the wavelength λ2 and the wavelength λ1 (for example, 700 nm) is used as the filter element F. The filter element F is a side wall of the first housing B1 so as to close the opening O1 provided in the first housing B1 and the opening O2 provided in the second housing B2 communicating with the opening O1. It is fixed inside.
フィルタ素子Ｆを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ３が配置されている。ミラーＭ３は、フィルタ素子Ｆを透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｙ軸と４５°を成すように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ３として用いている。このため、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。 A mirror M3 is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 that has passed through the filter element F. The mirror M3 has a configuration for reflecting a laser beam having a wavelength λ1 that has passed through the filter element F. In the present embodiment, a mirror mounted on the bottom plate of the second housing B2 is used as the mirror M3 so that the reflecting surface is parallel to the z-axis and forms 45 ° with the y-axis. .. Therefore, the laser light of wavelength λ1 reflected by the mirror M3 is a laser light traveling in the positive direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the y-axis gradually becomes smaller. When the condensing lens L1 biaxially condenses the laser light transmitted through the wavelength stabilizing element S, the laser light of the wavelength λ1 reflected by the mirror M3 is a laser traveling in the positive direction of the x-axis. The light is laser light in which the beam diameters in the y-axis positive and negative directions and the z-axis positive and negative directions gradually decrease.
ミラーＭ３にて反射されたレーザ光の集光点には、波長変換素子Ｗが配置されている。波長変換素子Ｗは、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光の一部を、波長λ２のレーザ光に変換する。波長変換素子Ｗとしては、例えば、二次高調波を発生するＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を用いることができる。本実施形態においては、非臨界位相整合条件を満たすように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された複屈折結晶を、波長変換素子Ｗとして用いている。このため、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶の代わりに、擬似位相整合素子、すなわち、コヒーレント長周期で自発分極を周期的に反転させた非線形光学結晶を波長変換素子Ｗとして用いてもよい。 A wavelength conversion element W is arranged at a condensing point of the laser light reflected by the mirror M3. The wavelength conversion element W converts a part of the laser light of the wavelength λ1 reflected by the mirror M3 into the laser light of the wavelength λ2. As the wavelength conversion element W, for example, an SHG (Second Harmonic Generation) element that generates a second harmonic can be used. In this embodiment, a birefringent crystal placed on the bottom plate of the second housing B2 is used as the wavelength conversion element W so as to satisfy the non-critical phase matching condition. Therefore, the laser light of wavelength λ1 and the laser light of wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W are both laser light traveling in the positive direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the y-axis gradually increases. It becomes a laser beam. When the condensing lens L1 biaxially condenses the laser light transmitted through the wavelength stabilizing element S, the laser light of the wavelength λ1 and the laser light of the wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W are either. Is also a laser light traveling in the positive direction of the x-axis, and the beam diameters in the positive and negative directions of the y-axis and the positive and negative directions of the z-axis gradually increase. Instead of the birefringent crystal arranged so as to satisfy the non-critical phase matching condition, a pseudo-phase matching element, that is, a nonlinear optical crystal in which the spontaneous polarization is periodically inverted in a coherent long period is used as the wavelength conversion element W. You may use it.
なお、ＳＨＧ素子として機能する複屈折結晶としては、例えば、ＫＤＰ（KH2(PO4)）結晶、ＢＢＯ（β-BaB2O4）結晶、ＬＢＯ（LiB3O5）結晶、ＣＬＢＯ（CsLiB6O10）結晶などが挙げられる。複屈折結晶により波長変換素子Ｗを構成する場合には、臨界位相整合条件が常に満たされるよう、複屈折結晶の温度を調整するペルチェ素子などの温調機構を併用するとよい。また、ＳＨＧ素子として機能する擬似位相整合素子としては、例えば、ＬＴ（Mg:LiTaO3）結晶、ＬＮ（Mg:LiNbO3）結晶、ＫＴＰ（KTiOPO4）結晶などの非線形光学結晶に電圧印加により分極反転構造を形成したものを用いることができる。 Examples of the birefringent crystal that functions as an SHG element include a KDP (KH 2 (PO 4 )) crystal, a BBO (β-BaB 2 O 4 ) crystal, an LBO (LiB 3 O 5 ) crystal, and a CLBO (CsLiB 6). O 10 ) Crystals and the like can be mentioned. When the wavelength conversion element W is composed of the birefringent crystal, a temperature control mechanism such as a Perche element that adjusts the temperature of the birefringent crystal may be used in combination so that the critical phase matching condition is always satisfied. Further, as a pseudo phase matching element that functions as an SHG element, for example, it is polarized by applying a voltage to a nonlinear optical crystal such as an LT (Mg: LiTaO 3 ) crystal, an LN (Mg: LiNbO 3 ) crystal, or a KTP (KTiOPO 4) crystal. Those having an inverted structure can be used.
波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の光路上には、コリメートレンズＣ２が配置されている。コリメートレンズＣ２は、波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をコリメートするための構成である。本実施形態においては、平坦面（入射面）がｘ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｘ軸正方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、コリメートレンズＣ２として用いている。このため、コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。この場合、コリメートレンズＣ２の前段又は後段に、レーザ光のｚ軸正負方向の広がりをコリメートする他のコリメートレンズを更に設けることが好ましい。 A collimating lens C2 is arranged on the optical path of the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W. The collimating lens C2 is configured to collimate the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W. In the present embodiment, the flat surface (incident surface) faces the x-axis negative direction, the curved surface (exit surface) faces the x-axis positive direction, and the outer edge of the cross section parallel to the xy plane on the x-axis positive direction is an arc. A plano-convex cylindrical lens mounted on the bottom plate of the second housing B2 is used as the collimating lens C2. Therefore, the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 transmitted through the collimating lens C2 are both laser lights traveling in the positive direction of the x-axis and having a constant beam diameter in the positive and negative directions of the y-axis. It becomes light. When the condensing lens L1 biaxially condenses the laser light transmitted through the wavelength stabilizing element S, the laser light of the wavelength λ1 and the laser light of the wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W are either. Is also a laser light traveling in the positive direction of the x-axis, and the beam diameters in the positive and negative directions of the y-axis and the positive and negative directions of the z-axis gradually increase. In this case, it is preferable to further provide another collimating lens that collimates the spread of the laser beam in the positive and negative directions of the z-axis in the front stage or the rear stage of the collimating lens C2.
コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の光路上には、集光レンズＬ２が配置されている。集光レンズＬ２は、コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光を集光するための構成である。本実施形態においては、湾曲面（入射面）がｘ軸負方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸負方向側の外縁が円弧を描くように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、集光レンズＬ２として用いている。このため、集光レンズＬ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ２は、ｙ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるように、コリメートレンズＣ２を透過したレーザ光を二軸集光するものであってもよい。この場合、集光レンズＬ２は、２つのシリンドリカルレンズを組み合わせることにより実現してもよいし、１つの球面レンズ又は非球面レンズにより実現してもよい。また、この場合、集光レンズＬ２は、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光を個別に集光する機能に加え、これらのレーザ光からなるレーザ光束を集束する機能も担う。 A condenser lens L2 is arranged on the optical path of the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 that have passed through the collimating lens C2. The condensing lens L2 is configured to condense the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 that have passed through the collimating lens C2. In the present embodiment, the curved surface (incident surface) faces the x-axis negative direction, and the outer edge on the x-axis negative direction side of the cross section parallel to the xy plane draws an arc on the bottom plate of the second housing B2. The mounted plano-convex cylindrical lens is used as the condenser lens L2. Therefore, both the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 transmitted through the condenser lens L2 are laser lights traveling in the positive direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive / negative direction of the y-axis gradually becomes smaller. It becomes a laser beam. The condensing lens L2 biaxially condenses the laser light transmitted through the collimating lens C2 so that not only the beam diameter in the y-axis positive / negative direction but also the beam diameter in the z-axis positive / negative direction gradually decreases. You may. In this case, the condenser lens L2 may be realized by combining two cylindrical lenses, or may be realized by one spherical lens or an aspherical lens. Further, in this case, the condensing lens L2 has a function of individually condensing the laser light output from each of the semiconductor laser elements LD1 to LD8, and also has a function of focusing the laser light beam composed of these laser beams.
集光レンズＬ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の集光点には、光ファイバＯＦの入射端面が配置されている。光ファイバＯＦは、集光レンズＬ２を透過したレーザ光を導波するための構成である。本実施形態において光ファイバＯＦは、入射端面がｘ軸負方向を向くように、第２筐体Ｂ２の底板上に固定されたマウントにフェルールを介して載置されている。 An incident end face of the optical fiber OF is arranged at a condensing point of the laser light having a wavelength λ1 and the laser light having a wavelength λ2 transmitted through the condensing lens L2. The optical fiber OF is configured to guide the laser light transmitted through the condenser lens L2. In the present embodiment, the optical fiber OF is mounted via a ferrule on a mount fixed on the bottom plate of the second housing B2 so that the incident end face faces the negative direction on the x-axis.
なお、本実施形態においては、第１筐体Ｂ１の底板に段差を設け、低い方から数えてｉ番目の段に半導体レーザ素子ＬＤｉ、コリメートレンズＣ１ｉ、及びミラーＭ１ｉを載置する構成を採用している。これは、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べるためである。しかしながら、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べることは、第１筐体Ｂ１の底面に段差を設けずとも実現することができる。例えば、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８、コリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８、及びミラーＭ１１〜Ｍ１８の各々をマウントに載置し、このマウントの高さを適宜調整することによって、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べることができる。コリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８については、マウントを用いずにコリメートレンズＣ１１〜Ｃ１８自体の高さを適宜調整してもよい。また、ミラーＭ１１〜Ｍ１８についても、マウントを用いずにミラーＭ１１〜Ｍ１８自体の高さを適宜調整してもよい。 In this embodiment, a step is provided on the bottom plate of the first housing B1 and the semiconductor laser element LDi, the collimating lens C1i, and the mirror M1i are placed on the i-th stage counting from the lower side. ing. This is because the laser beams output from each of the semiconductor laser elements LD1 to LD8 are arranged along the z-axis direction. However, arranging the laser beams output from each of the semiconductor laser elements LD1 to LD8 along the z-axis direction can be realized without providing a step on the bottom surface of the first housing B1. For example, the semiconductor laser elements LD1 to LD8, the collimating lenses C11 to C18, and the mirrors M11 to M18 are mounted on a mount, and the height of the mount is appropriately adjusted so that the semiconductor laser elements LD1 to LD8 can be separated from each other. The output laser beams can be arranged along the z-axis direction. Regarding the collimating lenses C11 to C18, the height of the collimating lenses C11 to C18 itself may be adjusted as appropriate without using a mount. Further, with respect to the mirrors M11 to M18, the height of the mirrors M11 to M18 itself may be appropriately adjusted without using a mount.
〔レーザ装置の特徴と効果〕
以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１は、少なくとも１つの半導体レーザ素子ＬＤ１と、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子Ｗと、波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光が入射する光ファイバと、を備えている。上記の構成によれば、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光の波長λ１（発振波長、又は、ロック波長）よりも短い波長λ２のレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することができる。しかも、波長λ２のレーザ光のみならず、波長λ１のレーザ光も光ファイバＯＦに入射させているので、波長変換素子Ｗの変換効率が低い場合でも、十分なパワーのレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することができる。
[Characteristics and effects of laser equipment]
As described above, the laser device 1 according to the present embodiment includes at least one semiconductor laser element LD1, a wavelength conversion element W that acts on the laser light of wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LD1, and a wavelength conversion element W. It includes an optical fiber to which a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2, which are output from the above, are incident. According to the above configuration, a laser beam having a wavelength λ2 shorter than the wavelength λ1 (oscillation wavelength or lock wavelength) of the laser beam output from the semiconductor laser element LDi is output from the optical fiber OF and used for metal processing and the like. can do. Moreover, since not only the laser light having the wavelength λ2 but also the laser light having the wavelength λ1 is incident on the optical fiber OF, even if the conversion efficiency of the wavelength conversion element W is low, the laser light having sufficient power is emitted from the optical fiber OF. It can be output and used for metal processing and the like.
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、半導体レーザ素子ＬＤｉが収容された第１筐体Ｂ１と、波長変換素子Ｗが収容され、光ファイバＯＦが引き込まれた第２筐体Ｂ２と、波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子Ｆと、を更に備えている。そして、フィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とを連通させる開口部Ｏ１，Ｏ２を塞ぐように配置されている。上記の構成によれば、第２筐体Ｂ２に収容された波長変換素子Ｗから出力された波長λ２のレーザ光が、迷光として第１筐体Ｂ１に入射することを抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子ＬＤｉなど第１筐体Ｂ１に収容された光学部品が、波長λ２のレーザ光によって劣化することを抑制することができる。また、これらの光学部品を第１筐体Ｂ１に固定するための接着剤は、波長が短い光ほど吸収し易く、光を吸収して発熱すると劣化が進行する。また、これらの接着剤に波長の短い（１光子あたりのエネルギーが高い）光が入射すると光分解反応による劣化が生じ易くなる。上記の構成によれば、このような接着剤の劣化も抑制することができる。 Further, in the laser device 1 according to the present embodiment, the first housing B1 in which the semiconductor laser element LDi is housed, the second housing B2 in which the wavelength conversion element W is housed and the optical fiber OF is drawn in, and the wavelength It further includes a filter element F that transmits the laser light of λ1 and blocks the laser light of the wavelength λ2. The filter element F is arranged so as to close the openings O1 and O2 that communicate the first housing B1 and the second housing B2. According to the above configuration, it is possible to suppress the laser light of the wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W housed in the second housing B2 from entering the first housing B1 as stray light. Therefore, it is possible to prevent the optical component housed in the first housing B1, such as the semiconductor laser element LDi, from being deteriorated by the laser beam having a wavelength of λ2. Further, the adhesive for fixing these optical components to the first housing B1 is more likely to absorb light having a shorter wavelength, and when the light is absorbed and heat is generated, deterioration progresses. Further, when light having a short wavelength (high energy per photon) is incident on these adhesives, deterioration due to a photodecomposition reaction is likely to occur. According to the above configuration, such deterioration of the adhesive can be suppressed.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とが、分離可能に構成されている。上記の構成によれば、波長λ２のレーザ光によって第２筐体Ｂ２に収容された光学部品や接着剤が劣化した場合、それらの光学部品を含む第２レーザモジュールＬＭ２を新しいものに交換することによって、レーザ装置１の機能を容易に回復することができる。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the first housing B1 and the second housing B2 are configured to be separable. According to the above configuration, when the optical components and the adhesive housed in the second housing B2 are deteriorated by the laser beam having a wavelength of λ2, the second laser module LM2 including those optical components is replaced with a new one. Therefore, the function of the laser device 1 can be easily restored.
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、波長変換素子Ｗの内部に集光点が形成されるように、波長λ１のレーザ光を集光する集光レンズＬ１を更に備えている。波長変換素子Ｗに入射する波長λ１のレーザ光のエネルギー密度が高くなるほど、波長変換素子Ｗの変換効率が高くなる。このため、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗにおいて波長λ２のレーザ光を効率的に生成することができる。 Further, the laser device 1 according to the present embodiment further includes a condensing lens L1 that condenses laser light having a wavelength λ1 so that a condensing point is formed inside the wavelength conversion element W. The higher the energy density of the laser beam of wavelength λ1 incident on the wavelength conversion element W, the higher the conversion efficiency of the wavelength conversion element W. Therefore, according to the above configuration, the wavelength conversion element W can efficiently generate the laser light having the wavelength λ2.
また、本実施形態に係るレーザ装置１において、波長変換素子Ｗは、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶により構成することができる。非臨界位相整合条件を満たす複屈折結晶は、ウォークオフ現象を生じないため、短い結晶長で長い相互作用長を稼ぐことができる。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の軽量化が容易である。また、非臨界位相整合条件を満たす複屈折結晶は、基本波と高調波とを同軸出力するので、基本波と高調波とを光ファイバのコアに漏れなく入射させることが容易である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高効率化が容易である。また、複屈折結晶は、量産技術が確立されている。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の低コスト化が容易である。なお、波長変換素子Ｗとして利用する複屈折結晶は、レーザダメージ閾値の高い複屈折結晶であることが好ましい。この場合、レーザ装置１の高出力化が容易になる。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the wavelength conversion element W can be composed of birefringent crystals arranged so as to satisfy the non-critical phase matching condition. Since the birefringent crystal satisfying the non-critical phase matching condition does not cause the walk-off phenomenon, a long interaction length can be obtained with a short crystal length. Therefore, according to the above configuration, the weight of the laser device 1 can be easily reduced. Further, since the birefringent crystal satisfying the non-critical phase matching condition outputs the fundamental wave and the harmonics coaxially, it is easy to make the fundamental wave and the harmonics incident on the core of the optical fiber without leakage. Therefore, according to the above configuration, it is easy to improve the efficiency of the laser device 1. In addition, mass production technology has been established for birefringent crystals. Therefore, according to the above configuration, it is easy to reduce the cost of the laser device 1. The birefringent crystal used as the wavelength conversion element W is preferably a birefringent crystal having a high laser damage threshold. In this case, it becomes easy to increase the output of the laser device 1.
また、本実施形態に係るレーザ装置１において、波長変換素子Ｗは、擬似位相整合素子により構成することができる。擬似位相整合素子は、ウォークオフ現象を生じないため、短い結晶長で長い相互作用長を稼ぐことができる。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の軽量化が容易である。また、擬似位相整合素子は、基本波と高調波とを同軸出力するので、基本波と高調波とを光ファイバのコアに漏れなく入射させることが容易である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高効率化が容易である。また、擬似位相整合素子では、基本波の偏光方向と高調波の偏光方向とを一致させることができ、その結果、非線形光学テンソルの最大成分を有効活用することが可能である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高出力化が容易である。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the wavelength conversion element W can be configured by a pseudo phase matching element. Since the pseudo-phase matching element does not cause the walk-off phenomenon, a long interaction length can be obtained with a short crystal length. Therefore, according to the above configuration, the weight of the laser device 1 can be easily reduced. Further, since the pseudo-phase matching element coaxially outputs the fundamental wave and the harmonics, it is easy to make the fundamental wave and the harmonics incident on the core of the optical fiber without leakage. Therefore, according to the above configuration, it is easy to improve the efficiency of the laser device 1. Further, in the pseudo-phase matching element, the polarization direction of the fundamental wave and the polarization direction of the harmonic can be matched, and as a result, the maximum component of the nonlinear optical tensor can be effectively utilized. Therefore, according to the above configuration, it is easy to increase the output of the laser apparatus 1.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、波長λ２を５００ｎｍ以下とすることができる。上記の構成によれば、ＣＯ２レーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ等のレーザ装置と比べて、金属に対する吸収率が高いレーザ光を出力することができる。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the wavelength λ2 can be set to 500 nm or less. According to the above configuration, it is possible to output a laser beam having a higher absorption rate for metal than a laser device such as a CO2 laser, a Yb-added fiber laser, or a YAG laser.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、波長λ１を８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。４００ｎｍ帯に属するレーザ光を出力する場合、従来のレーザ装置によれば、光源として青色半導体レーザを用いる必要があるところ、上記の構成によれば、その必要がない。このため、上記の構成によれば、４００ｎｍ帯に属するレーザ光を出力する場合であっても、従来のレーザ装置よりもハイパワーなレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することが容易になる。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the wavelength λ1 can be set to 800 nm or more and 1000 nm or less. When outputting a laser beam belonging to the 400 nm band, it is necessary to use a blue semiconductor laser as a light source according to a conventional laser apparatus, but according to the above configuration, it is not necessary. Therefore, according to the above configuration, even when the laser beam belonging to the 400 nm band is output, the laser beam having higher power than that of the conventional laser apparatus is output from the optical fiber OF and used for metal processing and the like. It becomes easy.
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、複数の半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８を備えており、これらの半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ８から出力されたレーザ光を空間合成する。上記の構成によれば、レーザ装置１の高出力化が容易である。また、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光のパワーが高くなる。ｎ次の非線形光学効果によって波長λ２のレーザ光を生成する場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ２のレーザ光の強度は、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光の強度のｎ乗に比例する。このため、波長変換素子Ｗにおける波長変換が非線形光学効果によるものである場合、波長変換の変換効率が高くなり、その結果、レーザ装置１から出力されるレーザ光において、波長λ２のレーザ光の占める割合が大きくなる。したがって、レーザ装置１から出力されるレーザ光のワークに対する吸収率を高くすることができる。 Further, the laser device 1 according to the present embodiment includes a plurality of semiconductor laser elements LD1 to LD8, and spatially synthesizes the laser light output from these semiconductor laser elements LD1 to LD8. According to the above configuration, it is easy to increase the output of the laser apparatus 1. Further, according to the above configuration, the power of the laser beam having the wavelength λ1 input to the wavelength conversion element W is increased. When the laser light of wavelength λ2 is generated by the nth-order nonlinear optical effect, the intensity of the laser light of wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W is the intensity of the laser light of wavelength λ1 input to the wavelength conversion element W. It is proportional to the nth power. Therefore, when the wavelength conversion in the wavelength conversion element W is due to the nonlinear optical effect, the conversion efficiency of the wavelength conversion becomes high, and as a result, the laser light having the wavelength λ2 occupies the laser light output from the laser device 1. The ratio increases. Therefore, it is possible to increase the absorption rate of the laser light output from the laser device 1 with respect to the work.
なお、本実施形態に係るレーザ装置１は、図１に示すように、光ファイバＯＦを導波された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をワークに照射するための加工ヘッドＨを更に備えていてもよい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光の波長λ１よりも短い波長λ２のレーザ光をワークに照射するレーザ加工機を実現することができる。 As shown in FIG. 1, the laser apparatus 1 according to the present embodiment further includes a processing head H for irradiating the work with a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2 waveguideed through an optical fiber OF. You may have it. According to the above configuration, it is possible to realize a laser processing machine that irradiates a work with a laser beam having a wavelength λ2 shorter than the wavelength λ1 of the laser beam output from the semiconductor laser element LDi.
また、第１レーザモジュールＬＭ１及び第２レーザモジュールＬＭ２は、それぞれ単体で実施することが可能である。特に、第１レーザモジュールＬＭ１よりも寿命の短い第２レーザモジュールＬＭ２は、交換部品として市場に流通させることに適している。 Further, the first laser module LM1 and the second laser module LM2 can be implemented independently. In particular, the second laser module LM2, which has a shorter life than the first laser module LM1, is suitable for distribution as a replacement part on the market.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、集光角が十分に小さい（焦点距離が十分に長い）集光レンズＬ１を用いている。これは、波長変換素子Ｗに入射する波長λ１のレーザ光の入射角を十分に小さくすることによって、波長変換素子Ｗにおいて生じ得るウォークオフ現象を抑制するためである。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, a condenser lens L1 having a sufficiently small focusing angle (sufficiently long focal length) is used. This is because the walk-off phenomenon that may occur in the wavelength conversion element W is suppressed by sufficiently reducing the incident angle of the laser light of the wavelength λ1 incident on the wavelength conversion element W.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とを固定するためのネジを、蓋を開けることなく外部からアクセスすることが困難な第１筐体Ｂ１及び第２筐体Ｂ２の側壁に設けている。これは、ネジの緩み等によって、第１筐体Ｂ１に収容された光学部品と第２筐体Ｂ２に収容された光学部品とのアラインメントが狂うことを防ぐためである。 Further, in the laser device 1 according to the present embodiment, it is difficult to access the screws for fixing the first housing B1 and the second housing B2 from the outside without opening the lid. It is provided on the side wall of B1 and the second housing B2. This is to prevent the alignment between the optical component housed in the first housing B1 and the optical component housed in the second housing B2 from being out of order due to loosening of screws or the like.
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、集光レンズＬ２の設計及び配置を、波長λ１のレーザ光が漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するように決定している。レーザ光の集光径は波長に比例するので、波長λ１のレーザ光が漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するよう集光レンズＬ２の設計及び配置を決定すれば、波長λ２のレーザ光は漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するからである。 Further, in the laser apparatus 1 according to the present embodiment, the design and arrangement of the condenser lens L2 are determined so that the laser light having the wavelength λ1 is incident on the core of the optical fiber OF without leakage. Since the focusing diameter of the laser light is proportional to the wavelength, if the design and arrangement of the focusing lens L2 is determined so that the laser light of the wavelength λ1 is incident on the core of the optical fiber OF without leakage, the laser light of the wavelength λ2 leaks. This is because it is incident on the core of the optical fiber OF.
〔レーザ装置の変形例〕
本実施形態に係るレーザ装置１においては、半導体レーザ素子群ＬＤから出力された波長λ１のレーザ光を空間合成する構成が採用されている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、半導体レーサ素子群から出力されたレーザ光を偏波合成する構成を採用することもできる。
[Modification example of laser device]
In the laser apparatus 1 according to the present embodiment, a configuration is adopted in which the laser light of the wavelength λ1 output from the semiconductor laser element group LD is spatially synthesized. However, the present invention is not limited to this. For example, it is possible to adopt a configuration in which the laser beam output from the semiconductor racer element group is polarized and synthesized.
このようなレーザ装置１の変形例（以下、レーザ装置１’と記載する）について、図２を参照して説明する。図２は、本変形例に係るレーザ装置１’の平面図である。 A modified example of such a laser device 1 (hereinafter, referred to as a laser device 1') will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a plan view of the laser device 1'according to this modified example.
レーザ装置１’においては、半導体レーザ素子群ＬＤが２つの半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ２により構成されている。半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ２から出力される波長λ１のレーザ光は、それぞれ、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。 In the laser device 1', the semiconductor laser element group LD is composed of two semiconductor laser elements LD1 and LD2. The laser light of wavelength λ1 output from the semiconductor laser elements LD1 to LD2 is a laser light traveling in the negative direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive / negative direction of the y-axis gradually increases.
また、レーザ装置１’においては、コリメートレンズ群Ｃ１が２つのコリメートレンズＣ１１〜Ｃ１２により構成されている。コリメートレンズＣ１１は、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光の光路上に配置されており、コリメートレンズＣ１２は、半導体レーザ素子ＬＤ２から出力された波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。コリメートレンズＣ１１〜Ｃ１２を透過した波長λ１のレーザ光は、それぞれ、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。 Further, in the laser device 1', the collimating lens group C1 is composed of two collimating lenses C11 to C12. The collimating lens C11 is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LD1, and the collimating lens C12 is arranged on the optical path of the laser beam having a wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LD2. Has been done. The laser light of wavelength λ1 transmitted through the collimating lenses C11 to C12 is a laser light traveling in the negative direction of the x-axis, and the beam diameter in the positive and negative directions of the y-axis is constant.
レーザ装置１’は、ミラーＭ４と、波長板ＷＰと、偏光ビームコンバイナＰＣと、を備えている。ミラーＭ４は、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。ミラーＭ４にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。波長板ＷＰは、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。波長板ＷＰは、１／２波長板であり、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の偏光方向を９０°回転させる。偏光ビームコンバイナＰＣは、波長板ＷＰを透過した波長λ１のレーザ光の光路と、コリメートレンズＣ１１を透過した波長λ１のレーザ光の光路とが交差する点に配置されている。偏光ビームコンバイナＰＣは、波長板ＷＰを透過した波長λ１のレーザ光を反射すると共に、コリメートレンズＣ１１を透過した波長λ１のレーザ光を透過する。これにより、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光と、半導体レーザ素子ＬＤ２から出力された波長λ１のレーザ光とが、偏波合成される。 The laser device 1'includes a mirror M4, a wave plate WP, and a polarizing beam combiner PC. The mirror M4 is arranged on the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C12. The laser beam of wavelength λ1 reflected by the mirror M4 is a laser beam that travels in the positive direction of the y-axis and has a constant beam diameter in the positive and negative directions of the x-axis. The wave plate WP is arranged on the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C12. The wave plate WP is a 1/2 wave plate, and rotates the polarization direction of the laser beam of wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C12 by 90 °. The polarized beam combiner PC is arranged at a point where the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the wave plate WP and the optical path of the laser beam having the wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C11 intersect. The polarized beam combiner PC reflects the laser light of wavelength λ1 transmitted through the wave plate WP and transmits the laser light of wavelength λ1 transmitted through the collimating lens C11. As a result, the laser beam of wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LD1 and the laser beam of wavelength λ1 output from the semiconductor laser element LD2 are polarized and synthesized.
以上のように、本変形例に係るレーザ装置１’によれば、半導体レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ２から出力されたレーザ光が偏波合成される。この場合、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力されたレーザ光と半導体レーザ素子ＬＤ２から出力されたレーザ光を、これらのレーザ光の光軸を一致させて波長変換素子Ｗに入射させることができる。このため、波長変換素子Ｗとして利用される複屈折結晶を、これらのレーザ光の両方に対して非臨界位相整合条件を満たすように配置することができる。すなわち、本変形例に係るレーザ装置１’によれば、波長変換素子Ｗを複屈折結晶により構成する場合について、非臨界位相整合条件を破ることなく、半導体レーザ素子Ｌ１〜ＬＤ２の複数化による高出力化を実現することができる。また、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光のパワーが高くなる。ｎ次の非線形光学効果によって波長λ２のレーザ光を生成する場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ２のレーザ光の強度は、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光の強度のｎ乗に比例する。このため、波長変換素子Ｗにおける波長変換が非線形光学効果によるものである場合、波長変換の変換効率が高くなり、その結果、レーザ装置１から出力されるレーザ光において、波長λ２のレーザ光の占める割合が大きくなる。したがって、レーザ装置１から出力されるレーザ光のワークに対する吸収率を高くすることができる。 As described above, according to the laser device 1'related to the present modification, the laser light output from the semiconductor laser devices LD1 to LD2 is polarized and synthesized. In this case, the laser light output from the semiconductor laser element LD1 and the laser light output from the semiconductor laser element LD2 can be incident on the wavelength conversion element W by aligning the optical axes of these laser lights. Therefore, the birefringent crystal used as the wavelength conversion element W can be arranged so as to satisfy the non-critical phase matching condition for both of these laser beams. That is, according to the laser apparatus 1'according to the present modification, in the case where the wavelength conversion element W is composed of the double refraction crystal, the height due to the plurality of semiconductor laser elements L1 to LD2 is increased without breaking the non-critical phase matching condition. Output can be realized. Further, according to the above configuration, the power of the laser beam having the wavelength λ1 input to the wavelength conversion element W is increased. When the laser light of wavelength λ2 is generated by the nth-order nonlinear optical effect, the intensity of the laser light of wavelength λ2 output from the wavelength conversion element W is the intensity of the laser light of wavelength λ1 input to the wavelength conversion element W. It is proportional to the nth power. Therefore, when the wavelength conversion in the wavelength conversion element W is due to the nonlinear optical effect, the conversion efficiency of the wavelength conversion becomes high, and as a result, the laser light having the wavelength λ2 occupies the laser light output from the laser device 1. The ratio increases. Therefore, it is possible to increase the absorption rate of the laser light output from the laser device 1 with respect to the work.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. The technical scope of the present invention also includes embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the embodiments.
１ レーザ装置
ＬＤ 半導体レーザ素子群
ＬＤ１〜ＬＤ８ 半導体レーザ素子
Ｃ１ コリメートレンズ群
Ｃ１１〜Ｃ１８ コリメートレンズ
Ｍ１ ミラー群
Ｓ 波長安定化素子
Ｌ１ 集光レンズ
Ｍ２ ミラー
Ｆ フィルタ素子
Ｍ３ ミラー
Ｗ 波長変換素子
Ｃ２ コリメートレンズ
Ｌ２ 集光レンズ
Ｈ 加工ヘッド
Ｂ１ 第１筐体
Ｂ２ 第２筐体
ＬＭ１ 第１レーザモジュール
ＬＭ２ 第２レーザモジュール
1 Laser device LD semiconductor laser element group LD1 to LD8 semiconductor laser element C1 collimating lens group C11 to C18 collimating lens M1 mirror group S wavelength stabilizing element L1 condensing lens M2 mirror F filter element M3 mirror W wavelength conversion element C2 collimating lens L2 Condensing lens H processing head B1 1st housing B2 2nd housing LM1 1st laser module LM2 2nd laser module
Claims (12)
前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、
前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、を備えている、
ことを特徴とするレーザ装置。 With at least one semiconductor laser device
A wavelength conversion element that acts on the laser light of wavelength λ1 output from the semiconductor laser element, and
It includes an optical fiber to which a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2 (λ2 <λ1) output from the wavelength conversion element are incident.
A laser device characterized by that.
前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、
波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子であって、前記第１筐体と前記第２筐体とを連通させる開口部を塞ぐように配置されたフィルタ素子と、を更に備えている、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。 The first housing in which the semiconductor laser element is housed and
A second housing in which the wavelength conversion element is housed and the optical fiber is drawn in, and
A filter element that transmits laser light of wavelength λ1 and blocks laser light of wavelength λ2, and is a filter arranged so as to close an opening that communicates the first housing and the second housing. Further equipped with elements,
The laser apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。 The first housing and the second housing are configured to be separable.
The laser apparatus according to claim 2.
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ装置。 A condensing lens that condenses laser light of wavelength λ1 is further provided so that a condensing point is formed inside the wavelength conversion element.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ装置。 The wavelength conversion element is composed of birefringent crystals arranged so as to satisfy the non-critical phase matching condition.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ装置。 The wavelength conversion element is composed of a pseudo phase matching element.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 4.
ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のレーザ装置。 The wavelength λ2 is 500 nm or less.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 6.
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載のレーザ装置。 The wavelength λ1 is 800 nm or more and 1000 nm or less.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 7.
前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を空間合成又は偏波合成する、
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のレーザ装置。 Equipped with multiple semiconductor laser elements
Spatial synthesis or polarization synthesis of laser light output from the plurality of semiconductor laser elements.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 8.
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のレーザ装置。 The work is further provided with a processing head for irradiating the work with a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2 waveguideed through the optical fiber.
The laser apparatus according to any one of claims 1 to 9.
前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、
前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、
前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、を備えている、
ことを特徴とするレーザモジュール。 A laser module used in combination with another laser module in which at least one semiconductor laser element is housed in a first housing.
A wavelength conversion element that acts on the laser light of wavelength λ1 output from the semiconductor laser element, and
An optical fiber to which a laser beam having a wavelength λ1 and a laser beam having a wavelength λ2 (λ2 <λ1) output from the wavelength conversion element are incident.
A second housing in which the wavelength conversion element is housed and the optical fiber is drawn in is provided.
A laser module characterized by that.
前記第１筐体と、前記半導体レーザ素子と、を備えている、
ことを特徴とするレーザモジュール。 A laser module used in combination with the laser module according to claim 11.
The first housing and the semiconductor laser element are provided.
A laser module characterized by that.
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