JP3234403U - 低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ビームの発散角が小さい、低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールを提供する。【解決手段】複数の独立したダイオードレーザーがビームコリメート及びスペースにより併合され、合流光が開口数０．１２の光ファイバー４０の直径１０５μｍのコア光ファイバー４１に進入する。一般的な製品である開口数０．２２の光ファイバーに比べ、光出射角度が５５％に低下する。また、一般的な青色光レーザーダイオードを用いて検証する場合、まず光学ソフトウェアにより光学レンズパラメーターの設計及び最適化を補助し、実験では、８個の青色光ダイオードレーザーを理論的に設計された光学レンズ組立ユニットにより精密に組み立て、合流光を開口数０．１２の光ファイバーの直径１０５μｍのコア光ファイバーに進入させる。【選択図】図３Ｃ

Description

本考案は、光学レンズ組立ユニットでビームをコリメートし、スペースを併合して合流させ、合流ビームを低開口数のコア光ファイバーに進入させる低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールに関する。

現在、高輝度レーザーは材料の加工、医療、軍事、立体映像等に適用される重要な部材となっている。半導体レーザーは、量産性、低コスト、小さい体積、及び高い光電変換効率等の特性を有するため、現在から未来においても高輝度レーザーを製造するための第一選択肢となっている。このため、半導体レーザーに光ファイバーを利用してビームを出力し、高輝度を獲得することが広く知られている。

しかしながら、前述した従来の技術では、半導体レーザーは出力パワーが大きくなるほど、出力するビームの品質が低下する。従来の一般的な直径１０５μｍのコア光ファイバーを出力端とすると、ビームパラメーター積（Beam Parameter Product：ＢＰＰ）が１０ｍｍ＊ｍｒａｄより大きくなり、高輝度を達成しにくくなる。また、半導体レーザーの適用をさらに広い用途に拡大できなかった。

そこで、本考案者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本考案の提案に至った。

本考案は前記技術的課題に鑑みて開発されたものであり、低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールを提供することを目的とする。つまり、低開口数の出力光ファイバーを採用し、ビームの発散角を小さくする効果を増進する。

なお、ヒドロキシル価が所定値以上である高ヒドロキシル価を採用することで、光ファイバーが波長４６０ｎｍ未満のレーザーに対し好ましい透過率を有する効果を増進する。

本考案のさらなる他の目的は、低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールを提供することである。つまり、光ファイバー端面にビーム切断方式の構造が採用される。一般的な研磨艶出しに比べ、この方法は高速に切断でき、量産に適合する効果を有している。

本考案のさらにさらなる目的は、低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールを提供することである。つまり、レーザーチップを気密環境でパッケージングし、レーザーの耐用性を高める効果を増進する。

本考案のなおさらなる目的は、低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールを提供することである。つまり、レーザーチップの共振空胴に反射フィルムを鍍金し、反射率２０％以上の塗膜を採用し、さらに高い外部の反射光を受ける効果を増進する。

上記課題を解決するために、本考案のある態様の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールは、
外枠と、
前記外枠内に位置し、且つ複合ビームを励起する複数のレーザーダイオードと、
前記外枠内に位置し、且つ各ビームをそれぞれコリメートした後、スペースを併合して合流ビームを形成する光学レンズ組立ユニットと、
０．１２以下の開口数を「低開口数」と定義すると、コア光ファイバーを有し、低開口数が設定されている光ファイバーであって、前記外枠の側面に結合し、前記合流ビームを前記コア光ファイバーに結合させる光ファイバーと、
を備えている。

本考案によれば、次のような効果がある。
一、より小さい角度で耐用性が高いレーザー製品の製造において、半導体レーザーの適用をより幅広い用途に拡大し、例えば、レーザー溶接及び金属の３Ｄプリント等に適用する。
二、輝度を考慮してヒドロキシル価が所定値以上である高ヒドロキシル価の材質で、開口数が０．１２の出力光ファイバーを採用する。同じ直径１０５μｍのコア光ファイバーの条件下で、そのビーム品質のビームパラメーター積（Beam Parameter Product, ＢＰＰ）が一般的な開口数０．２２の光ファイバーの僅か５５％となり、且つ光ファイバーが波長４６０ｎｍ未満のレーザーに対して好ましい透過率を有している。
三、光ファイバー端面にはビーム切断方式の構造が採用される。一般的な研磨艶出しと比べて、この方法は高速に切断でき、量産に適合する。
四、レーザーチップを気密環境でパッケージングし、レーザーの耐用性を高めている。実施においては、溶接によりカバーを密封するほか、光ファイバーの出力端には気密はんだを組み合わせた透明ウィンドウを採用し、レーザーを気密環境で操作し、環境の空気が共振空胴のミラーを汚染しないようにしている。
五、レーザーチップの共振空胴には反射フィルムを鍍金し、高反射率の塗膜を採用し、高い反射パワーを受ける。一般的な高いパワーのレーザーダイオードの光出射効率を考慮すると、塗膜の反射率は多くの場合１０％以下に設定し、光電変換効率が５０％超の光出射効率を獲得する。但し、欠点として、反射光に対して敏感であり、特に半導体レーザーの直接加工用途ではそれが顕著である。実施においては、塗膜の反射率を２０％以上に高め、特にレーザー加工用途ではさらに高い反射光を受け止める。

本明細書及び図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。

本考案の一実施形態に係るファイバー出力ダイオードレーザーモジュールにおいて、外枠のカバーを外した状態の外観斜視図である。 本考案の一実施形態に係るファイバー出力ダイオードレーザーモジュールにおいて、外枠のカバーを外した状態の平面図である。 図２Ａの２Ｂ部の部分拡大図である。 本考案のレーザーチップを示す概略構成図である。 本考案の一実施形態に係るファイバー出力ダイオードレーザーモジュールにおいて、外枠のカバーを付けた状態の外観斜視図である。 図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線に沿う断面図である。 本考案のファイバーを示す概略構成図である。 本考案の気密はんだを組み合わせた透明ウィンドウを示す構成図である。 本考案の８つの青色レーザーがスペースでビームが合流している概略図である。 本考案の光ファイバーが青色レーザーを出力する出力光パワー対電流グラフである。 本考案の光ファイバーが青色レーザーを出力する出力光パワー変換効率グラフである。

以下に図面を参照して、本考案を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本考案は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

まず、図１乃至図５Ｂを参照して本考案に係る低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールの実施形態について説明する。

本考案に係る低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュールは、外枠１０を備える。本実施例では、外枠１０がベース１１及びカバー１２を備えている。ベース１１には段差部１１２を有している凹部１１１が設けられる。段差部１１２は各レーザーダイオード２０を保持し、各レーザーダイオード２０の間は並行するように配列される。但しこの限りではない。また、外枠１０の形状及び大きさは図面のものに限定されない。

複数のレーザーダイオード２０は外枠１０内に位置し、且つ複合ビーム２１を励起する。本実施例では、レーザーダイオード２０は青色光レーザーダイオード、赤色レーザーダイオード、緑色レーザーダイオード、またはＵＶレーザーダイオードのうちの１つで構成され、これにより高輝度を達成させている。レーザーダイオード２０は少なくとも８個以上である。レーザーダイオード２０の波長は４００ｎｍ〜６７０ｎｍの間の範囲であり、即ち、紫外線から赤色光の間の範囲である。但しこれに限定されない。

光学レンズ組立ユニット３０は外枠１０内に位置し、且つ各ビーム２１をそれぞれコリメートした後、スペース（Ｓ）を併合して合流ビーム（Ｌ）を形成する。本実施例では、光学レンズ組立ユニット３０は複数のファスト軸コリメータ３１と、複数のスロー軸コリメータ３２と、複数の反射鏡３３と、フォーカシングレンズ３４と、を備えている。各ファスト軸コリメータ３１は段差部１１２に設置され、各レーザーダイオード２０の前方に近接している。また、各スロー軸コリメータ３２及び各反射鏡３３は凹部１１１に設置され、各スロー軸コリメータ３２は各ファスト軸コリメータ３１の前方に設置され、各反射鏡３３は各スロー軸コリメータ３２の前方に設置されている。各ビーム２１が各ファスト軸コリメータ３１及び各スロー軸コリメータ３２によりそれぞれコリメートされた後、各反射鏡３３を経由し、スペース（Ｓ）で合流ビーム（Ｌ）として併合される。但しこれに限定されない。

続いて、本実施例では、図２Ｃに示すように、レーザーダイオード２０は共振空胴２２１を有しているレーザーチップ２２を備える。共振空胴２２１の端面には反射フィルム２２３を鍍金したミラー２２２が形成され、反射フィルム２２３の反射率は２０％以上である。但しこれに限定されない。

光ファイバー４０はコア光ファイバー（Core Optical Fiber）４１を有し、且つ所定値の低開口数（開口数＝Numerical Aperture：ＮＡ）４２が設定されている。且つ光ファイバー４０は、外枠１０の側面１０１に結合し、合流ビーム（Ｌ）をコア光ファイバー４１に結合させる。本実施例では、フォーカシングレンズ３４が設置される各反射鏡３３の側辺はフォーカシングレンズ３４と共に凹部１１１の側面１１１１に結合され、且つフォーカシングレンズ３４の位置はコア光ファイバー４１の位置に対応している。合流ビーム（Ｌ）がフォーカシングレンズ３４を経由してコア光ファイバー４１に結合される。但しこれに限定されない。

続いて、本実施例では、図３Ｃに示すように、コア光ファイバー４１の直径（ｄ）は１０５μｍであり、開口数０．１２に適合する。開口数はＮＡ＝ｓｉｎαで定義される。αは出力光の円錐角である。光ファイバー４０には高ヒドロキシル（Hydroxyl,ＯＨ）価の材質が採用される。光ファイバー４０の端面４３にはビーム切断方式の構造が採用される。但しこれに限定されない。また、他の実施例では、図３Ｄに示すように、光ファイバー４０の出力端４４には気密はんだ４６を組み合わせた透明ウィンドウ４５が採用される。但しこれに限定されない。

光学ソフトウェア５０はレーザーダイオード２０に対する検証を行い、光学レンズ組立ユニット３０のパラメーターの設計及び最適化により合流光の理論的効率９０％以上を達成する。但しこれに限定されない。

このような構成に基づいて、開口数ＮＡが０．１２以下の出力光ファイバーが採用され、ビームの発散角が小さい。且つヒドロキシル価が所定値以上である高ヒドロキシル価の材質が採用され、光ファイバー４０が波長４６０ｎｍ未満のレーザーに対し好ましい透過率を有している。また、光ファイバー４０の端面４３にはビーム切断方式の構造が採用される。一般的な研磨艶出しと比べて、この方法は高速に切断でき、量産に適合し、研磨により生じるミラーの損傷を低減させる。加えて、レーザーチップ２２を気密環境でパッケージングし、レーザーの耐用性を高めている。レーザーチップ２２の共振空胴２２１に反射フィルム２２３を鍍金し、反射率２０％以上の塗膜を採用し、特にレーザー加工用途ではさらに高い外部の反射光を受け止める。

図４は８個の青色光レーザーがスペースでビームが合流している概略図である。

図５Ａは光ファイバーが青色光レーザーを出力する出力光パワー対電流を示す。レーザーの波長が４５０ｎｍであり、コア光ファイバー４１の直径（ｄ）が１０５μｍであり、開口数ＮＡが０．１２以下である条件下で、光ファイバー結合（Fiber Coupled：ＦＣ）モジュール（Module）を形成している。

図５Ｂは光ファイバーが青色光レーザーを出力する出力光パワー変換効率（power conversion efficiency：ＰＣＥ）を示す。レーザーの波長が４５０ｎｍであり、コア光ファイバー４１の直径（ｄ）が１０５μｍであり、開口数ＮＡが０．１２以下である条件下で、光ファイバー結合（Fiber Coupled：FC）モジュール（Module）を形成している。但しこれに限定されない。

本考案は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施することができる。そのため、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本考案の範囲は実用新案登録請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。更に、実用新案登録請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本考案の範囲内のものである。

１０ 外枠
１０１ 外枠の側面
１１ ベース
１１１ 凹部
１１１１ 凹部の側面
１１２ 段差部
１２ カバー
２０ レーザーダイオード
２１ 複合ビーム
２２ レーザーチップ
２２１ 共振空胴
２２２ ミラー
２２３ 反射フィルム
３０ 光学レンズ組立ユニット
３１ ファスト軸コリメータ
３２ スロー軸コリメータ
３３ 反射鏡
３４ フォーカシングレンズ
４０ 光ファイバー
４１ コア光ファイバー
４２ 低開口数
４３ 光ファイバー端面
４４ 光ファイバー出力端
４５ 透明ウィンドウ
４６ 気密はんだ
５０ 光学ソフトウェア
Ｓ スペース
Ｌ 合流ビーム
ｄ 直径
α 出力光円錐角

Claims (9)

1. 外枠と、
   前記外枠内に位置し、且つ複合ビームを励起する複数のレーザーダイオードと、
   前記外枠内に位置し、且つ各ビームをそれぞれコリメートした後、スペースを併合して合流ビームを形成する光学レンズ組立ユニットと、
   ０．１２以下の開口数を低開口数と定義すると、コア光ファイバーを有し、前記低開口数が設定されている光ファイバーであって、前記外枠の側面に結合し、前記合流ビームを前記コア光ファイバーに結合させる光ファイバーと、
   を備えていることを特徴とする低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
2. 前記コア光ファイバーの直径は１０５μｍであり、前記低開口数は０．１２であることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
3. 前記光ファイバーの端面にはビーム切断方式の構造が採用されていることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
4. 前記光ファイバーの出力端には気密はんだを組み合わせた透明ウィンドウが採用されていることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
5. 前記レーザーダイオードは共振空胴を有しているレーザーチップを備え、前記共振空胴の端面には反射フィルムを鍍金したミラーが形成され、前記反射フィルムの反射率は２０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
6. 前記レーザーダイオードは少なくとも８個以上であることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
7. 前記レーザーダイオードのレーザーの波長は４５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
8. 前記光学レンズ組立ユニットは、
   複数のファスト軸コリメータと、
   複数のスロー軸コリメータと、
   複数の反射鏡と、
   を備え、
   各ビームは各前記ファスト軸コリメータ及び各前記スロー軸コリメータによりそれぞれコリメートされた後、各前記反射鏡を経由し、スペースで合流ビームとして併合され、前記合流ビームはフォーカシングレンズを経て前記コア光ファイバーに結合されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。
9. 前記外枠はベース及びカバーを備え、
   前記ベースには段差部を有している凹部が設けられ、前記段差部は各前記レーザーダイオードを保持し、各前記レーザーダイオードの間が並行するように配列され、
   且つ各前記ファスト軸コリメータは前記段差部に設置され、各前記レーザーダイオードの前方に近接し、
   また、各前記スロー軸コリメータ及び前記反射鏡は前記凹部に設置され、各前記スロー軸コリメータは各前記ファスト軸コリメータの前方に設置され、各前記反射鏡は各前記スロー軸コリメータの前方に設置され、
   前記フォーカシングレンズが設置される各前記反射鏡の側辺は前記フォーカシングレンズと共に前記凹部の側面に結合され、且つ前記フォーカシングレンズの位置は前記コア光ファイバーの位置に対応していることを特徴とする請求項８に記載の低開口数ファイバー出力ダイオードレーザーモジュール。

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