JP3830364B2 - 固体レーザ励起用光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ加工装置等に搭載されて用いられるＬＤ励起固体レーザ発生装置（半導体レーザの放出光で固体レーザ発振媒体を励起するレーザ発生装置、以下、同じ）で使用される励起用光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＹＡＧレーザのような固体レーザ発生装置が、金属あるいは非金属材料の切断、溶接などを行うレーザ加工装置等において広く使用されつつある。固体レーザ媒体の励起光源としては、従来から使用されてきたランプとともに、半導体レーザ（ＬＤ＝レーザダイオード；以下、同じ）が用いられているが、後者を用いた場合の優位性から、今後はこの後者を用いたＬＤ励起の方式が主流になると考えられている。
【０００３】
即ち、ＬＤ励起の方式では、励起光の波長と固体レーザの吸収帯との間に高い一致性を持たせることが可能であり、従来のランプ励起の方式に比して、固体レーザ発振媒体へのエネルギ吸収効率を高めることが出来る。その結果、従来のランプ励起方式における発振効率が３％程度であったのに対し、ＬＤ励起の方式では１０％以上の発振効率が実現されている。
【０００４】
これにより、装置の大幅な小型化も可能になっている。また、ＬＤ励起では、固体レーザ発振媒体内部に発生する発熱量を低減させることが出来るために、発熱に起因して発生する熱レンズ効果が抑制され、ビーム品質の向上をもたらしている。更に、ＬＤ自体の寿命がランプの１０倍以上と長いため、メンテナンスに要する労力や費用の大幅な低減が可能となる。
【０００５】
このような背景において、ＬＤ励起に関しての研究開発が盛んに行われるようになっており、その多くは、ＬＤの高性能化あるいはＬＤ励起の最適構成の追究に向けられている。
【０００６】
ＬＤの高性能化については、ＬＤの材料そのものの研究と、駆動時にＬＤ内部に発生する熱の問題をいかにして解決するかという観点からの研究が主として進められている。後者の熱の問題については、現状のＬＤの発光効率が高々５０％程度に過ぎず、駆動電力の５０％あるいはそれ以上が熱に変換されてしまうという事実が解決を困難にしている。
【０００７】
例えば、長さ１ｃｍのＬＤバーから４０Ｗの励起光が出射されるという構成においては、１ｃｍの棒状の領域から４０Ｗあるいはそれ以上の熱が放出されることになる。これを冷却する方式としては、例えば特開平１０−２０９５３１号公報で提案された技術（冷却装置、光源装置、面発光装置、およびその製造方法）のように、冷却器内部に微細水路を設け、ＬＤバーを実装する部分の直下を冷却するという方式がある。
【０００８】
この方式では、ＬＤバーを冷却器に実装した状態で、ＬＤバーを積層していくことが可能であり、結果として面発光光源を形成し、その発光面出力密度（発光出力と発光領域の比）を高めることが可能である。このように発光面出力密度が高いということは、固体レーザ発生装置に性能の面で大きな利点をもたらすことになる。
【０００９】
現在、特に高出力の固体レーザ発振媒体の形状としては、スラブ型とロッド型の２種類の開発が主流になっており、その励起方式は、いずれの型の媒体においても、励起光閉じ込め方式が用いられている。ここで、励起光閉じ込め方式とは、励起光を高反射面で覆われた筐体内部に閉じ込める方式であり、固体レーザ発振媒体を筐体内部に配置することで、励起光の固体レーザ発振媒体への吸収効率を高めることが可能になる。スラブ型の媒体に励起光閉じ込め方式を適用した例としては、例えば特願２０００−３２６７５５号に係るＬＤ励起スラブ型固体レーザ発生装置がある。
【００１０】
この励起光閉じ込め方式では、ＬＤの射出光をレンズ等の集光手段によって集光し、筐体表面部に設けられた開口部より筐体内部に注入するのが一般的である。その場合、ＬＤ射出光をできるだけ集光することが、励起光の閉じ込め効果を高めるという上で必要であり、従って、励起光を集光するのに適したＬＤの配置と励起光集光光学系が求められることになる。
【００１１】
一般に、高出力ＬＤの射出光の広がり角は、ＬＤバーの長さ方向において１０度程度、長さ方向に直交する方向では、４０度程度である。ここで、広がり角は光強度の角度分布の半値全幅（角度で測った幅）で表わすものとする（以下の角度データにおいても同じ）。即ち、広がり角は長さ方向で小さく、それを直交する方向で大きい。
【００１２】
ＬＤバーを積層する場合、長さ方向と垂直の方向に積層するのが一般的である。この配置は、積層が容易であり、ＬＤバーを冷却する冷却器の構成との整合性も良い。そして、積層によって得られたＬＤスタックの射出光の広がり角は、上記の各ＬＤバーの広がり角と同等、即ち、ＬＤバーの長さ方向については１０度程度、積層方向については４０度程度となる。
【００１３】
このような励起光源を固体レーザの励起に用いる場合、積層方向（個々のＬＤバーの長さ方向と垂直の方向）と媒体の長さ方向とが平行となるように配置するのが適しており、ＬＤバーの長さ方向について射出光の角度広がりをレンズ等の集光手段で絞る（集光する）のが良いと考えられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような観点に基づいて励起用ＬＤを設計する場合、積層するＬＤバーの数が多くなるに従い、次のように、多くの問題が生じて来る。
即ち、実際に励起用光源装置を構成するに際しては、積層されるＬＤバーは冷却器上に実装され、それら冷却器同士はゴム材でシールされる構造が採用されることなる。その場合、各冷却器に実装されたＬＤバー間の積層ピッチは、その大半は冷却器の厚みで占められるので、積層ピッチを所定値に保つために冷却器の厚みも一定に保たれる必要がある。そこで、個々の冷却器の厚みがわずかでも違えば、数多くのＬＤバーが積層されたスタック全体の厚みは大きく変わることになる。
【００１５】
例えば、ＬＤバーを５０個積層し、その積層ピッチを２ｍｍとした場合、積層後の長さは１００ｍｍとなるが、仮に、すべての冷却器の厚みが５０μｍ縮小すれば、積層後の長さ（厚み）は２．５ｍｍも小さくなる。ところが、厚みを減じた冷却器を多数用いた場合、シール材を押さえつける圧力が不足し、水漏れを起こし易くなる。
【００１６】
この問題を回避するために、比較的少ない数を積層したＬＤスタックを独立に並べるという手法もある。しかしそような方法では、冷却水の流路構成および電気的な配線が複雑になり、更にＬＤスタックを並べる際に生じる非発光領域（デッドスペース）が無視出来なくなり、効率的な励起が困難になる。更にまた、ＬＤスタックが破損した場合には、ＬＤスタック全体を交換するか、ＬＤスタックを分解して破損したＬＤバーを交換するか、いずれかの手段が必要になる。
【００１７】
前者の方法をとった場合、まだ使用可能な多くのＬＤが無駄になる。また、後者の方法では、破損した個所を特定するのが容易でなく、仮に特定出来たとしても、それを交換する作業は容易ではない。
【００１８】
そこで本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解消することにある。即ち、本発明は、固体レーザ発振媒体を励起するために積層されたＬＤバーを用いた励起用光源装置を、一部のＬＤバーの破損に際して無駄なく対応することができ、コンパクトな構成を持つように改良することを企図している。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体レーザ励起用の半導体レーザに冷却水路を含む冷却器にアレイ状のＬＤバーが取り付けられた組立体を積層したＬＤスタックを複数のＬＤモジュールに分割可能な構成とし、ＬＤモジュール同士を機械的に連結するための連結プレートを採用する。更に本発明では、この連結プレートには、各モジュール間で冷却水路を結合する機能や各モジュール間の電気的接続を確保する機能を持たせることが出来る。
【００２０】
即ち、本発明では先ず基本構成として、「固体レーザ発振媒体を励起するために半導体レーザを用いた励起用光源装置において、複数のＬＤモジュールと、該複数のＬＤモジュールについて隣り合うＬＤモジュール同士を機械的に連結する連結プレートを含むＬＤスタックを備え、該連結プレートによる前記連結は解除可能であり、前記複数のＬＤモジュールの各々は、冷却水路を含む冷却器にアレイ状のＬＤバーを取り付けた組立体を、前記ＬＤバーの長さ方向と垂直な方向に複数個積層して構成されており、前記連結プレートは、前記隣り合うＬＤモジュールを前記組立体の積層方向に連結し、前記隣り合うＬＤモジュール間で前記冷却器の冷却水路を結合する機能を有し、前記ＬＤスタックは、前記ＬＤバーの長さ方向が前記固体レーザ発振媒体の長さ方向に直交するように配置される、前記励起用光源装置」が提供される。
【００２１】
ここで、前記連結プレートは、前記ＬＤモジュールの各々の両側に配置されているとともに、前記ＬＤモジュール同士を電気的に接続する機能を有し、それによって複数のＬＤモジュールが直列駆動可能となっていることが好ましい。
【００２２】
また、前記連結プレートは前記ＬＤモジュールの各々の両側に配置されているとともに、前記ＬＤモジュール内において積層された前記組立体を固定する機能を有していることが好ましい。
【００２３】
更に、典型的な発明の態様においては、前記ＬＤスタックを構成する前記ＬＤモジュールの連結個数をＮ（但し、Ｎは整数でＮ≧２）とし、前記ＬＤスタック全体について発光領域を包括し得る最小の長方形の面積をＡとし、更に、前記ＬＤスタックに含まれる個々のＬＤモジュールについて発光領域を包括し得る最小の長方形の面積をＢとした時、１−（ＮＢ／Ａ）の値が０．２を越えないように、前記連結プレートの厚みが定められている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る励起用光源装置について、ＬＤスタックの基本構成と外観を示している。同図において右側には、符号５で１個のＬＤモジュールが示されている。ＬＤモジュール５には、その両側に連結プレート３が設けられ、両連結プレート３間に複数の冷却器２が配置され、各冷却器２上にＬＤバー１が実装されている。ここで、ＬＤバー１は、その長さ方向と垂直の方向に積層されており、ＬＤスタックは、この積層方向（個々のＬＤバーの長さ方向と垂直の方向）と固体レーザ媒体（図示省略）の長さ方向とが平行となるように配置される。
【００２５】
図１において左側に示されたＬＤスタックは、所要数のＬＤモジュール５を機械的に連結して構成される。この連結には、各ＬＤモジュール５の両側に設けられた連結プレート３が利用される。即ち、隣り合うＬＤモジュール５の互いに向かい合う連結プレート３同士を連結することで、図１において左側に示されたように所要個数のＬＤモジュール５を備えたＬＤスタックが構成される。なお、連結プレート３同士の連結とその解除のためには、周知の任意の機構が利用されて良い。例えば、押し込みで連結され引っ張りで解除される弾性的な嵌め合い機構を各連結プレート自身に設けても良く、ネジ等を用いて連結プレート同士を結合しても良い。
【００２６】
シール材４は、冷却水が漏れないようにシールする部材で、連結プレート３同士の連結に際して、両連結プレート３間に包み込まれる態様で各ＬＤモジュール５間に組み込まれる。連結プレート３及びシール材４には、アセンブリング後に対応し合う位置に冷却水の通路を確保するための開口（図示した例では２段開口）が設けられている。これにより、隣り合うＬＤモジュールの冷却器２間で冷却水路が連結される。なお、図１に示したように、本実施形態では、ＬＤスタックの輪郭を形成するハウジング６は、各ＬＤモジュール５の側面を連結したもので構成されることになる。
【００２７】
次に、図２には各ＬＤモジュールの内部の様子を例示した。各ＬＤバー１は、対応する冷却器２の縁部近くに実装されており、冷却器２の中央部付近は、冷却水の通路とされている。この冷却水の通路の位置は、上記した連結プレート３及びシール材４に設けられた開口部（冷却水通路）に対応している。
【００２８】
ここに示した例では、各ＬＤモジュール５の両側に設けられる連結プレート３にはシール部材４及び各端の冷却器２の輪郭に対応した凹状段部が設けられ、シール部材４及び各端の冷却器２をこの凹状段部に嵌入することで、冷却器２が固定、位置決めされる。
【００２９】
また、ハウジング６を絶縁性の材料、例えば樹脂で作成しておき、連結プレート３を伝導性の金属で構成すれば、この連結プレート３が隣り合うＬＤモジュール５間の電気的接続を確保するために使用可能な電極としても兼用出来る。
【００３０】
図３は、ＬＤスタックを背面から見た様子を説明するための図で、（ａ）は仮に１個のＬＤモジュールでＬＤスタックを構成した場合を利用して電気的な接続の様子を説明するための描示、（ｂ）は２個のＬＤモジュールでＬＤスタックを構成した場合について電気的な接続の様子を説明するための描示である。
連結プレート３の背面部には、電線９（太線で描示）を結合するための正極７用のネジ穴（図示略）及び負極８（図示略）用のネジ穴が形成されている。
【００３１】
図３（ａ）に示したように、仮に１個のみのＬＤモジュールでＬＤスタックを構成する場合には、そのＬＤモジュール両端部の正極７及び負極８に電線が接続される。図３（ｂ）に示したように２個のＬＤモジュールでＬＤスタックを構成する場合には、各ＬＤモジュールの反対側の各端部の正極７及び負極８に電線が接続される。
【００３２】
そして、ここで示された例では、各冷却器２に実装されたＬＤバー１同士の電気的な接続を各冷却器自身が果たす構成となっており、ＬＤモジュール５両端部に位置した冷却器２と連結プレート３の機械的な結合によって、冷却器２と連結プレート３との電気的な接続が確保されている。接続の仕方は、ＬＤモジュール数が増加しても、２個の場合と同様である。また、ＬＤモジュールを電気的に独立にすることも容易である。
【００３３】
なお、図４に示したように、ＬＤモジュールを連結する際に、連結プレート３の間に絶縁性のあるプレート１３を挿入し、この状態で機械的に結合すれば、２個のモジュールは、電気的には独立になる。この場合、結果として、ＬＤの劣化等の診断が容易になり、ＬＤスタックの一部が破損した場合に、破損した場所を特定するのが容易になる。
【００３４】
次に、図５を参照して請求項４で規定した条件について説明する。先ず、符号１０は、ＬＤスタック全体についてＬＤの発光領域を包括するようにしてできる長方形を表わしている。この長方形１０の面積がＡである。一方、各ＬＤモジュールについて、発光領域を包括し得る最小の長方形が符号１１で示されている。この長方形の面積がＢである。
【００３５】
ここで、長方形１０内には連結プレート３が含まれているが、長方形１１内には連結プレート３が含まれていない。これに対応して、長方形１０内におけるデッドスペース１２は、おおよそ連結プレート３の厚みに依存して決まることが判る。この事実に照らして、デッドスペース１２をできるだけ小さくするには、連結プレートの厚みを低減することが肝要である。
【００３６】
このような観点で連結プレートの厚さを評価する指標として、請求項４で記述した１−（ＮＢ／Ａ）を用いることが出来る。ここで、ＮはＬＤスタックを構成するＬＤモジュールの連結個数で（Ｎ≧２）あり、Ａ、Ｂは上記した通り長方形１０及び長方形１１の面積である。
【００３７】
指標１−（ＮＢ／Ａ）は、その値が小さい程、連結プレート３の薄型化が進んでいると解釈出来る。仮想的に連結プレート３の厚さが限りなく０に近いとすると、上記定義から、ＮＢ＝Ａがほぼ成立し、指標１−（ＮＢ／Ａ）はほぼ０となる。
【００３８】
請求項４の発明では、このような指標で評価した連結プレート３の厚さについて、「０．２を越えない」という要件を課したものである。実際の設計において、この条件が満たされれば、少ないデッドスペースで高い発光面出力密度（発光出力と発光領域の比）をスタック全体について確保しながら、本発明の最大の利点である分割ＬＤモジュール構成の優位性を発揮することが出来る。従って、この条件を守ることは、極めて好ましいことである。
【００３９】
【発明の効果】
本発明においては、ＬＤスタックをＬＤモジュールに分割することで、作業者の組立てが容易になり、各冷却器の厚みのばらつきによって生じるシール部の押さえ圧力不足による水漏れを回避することが可能になる。また、電気的にも冷却構成においても、ＬＤモジュール同士を直列に結合出来るため、組み立てられたＬＤスタックは一つのモジュールとして扱うことが可能になる。
【００４０】
更に、長さの大きな固体レーザ発振媒体を用いたとしても、その長さに合わせた発光面形状を提供することが可能になり、その場合におけるデッドスペースも小さい。また、ＬＤモジュールを連結するためのプレートが、各モジュール内において冷却器を固定する働きも兼ね得るため、モジュールの構成が単純化される。なお、各モジュール同士の電気的結合は、モジュールを結合した場合にも独立とすることが可能になり、これにより、ＬＤ励起固体レーザシステムにおいて、各ＬＤモジュールの劣化の度合いを診断することも可能となる。
【００４１】
また更に、ＬＤスタックの一部分が破損した場合には、破損したＬＤを含むモジュールのみを交換すれば良く、他のモジュールは続けて使用することが可能になる。従って、ＬＤスタックを経済的に使用することが可能となる。同時に、ＬＤモジュールを分解して、破損した箇所のみを交換する作業も容易になり、ＬＤモジュールの修理自体が容易な構成となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る励起用光源装置について、ＬＤスタックの基本構成と外観を説明する図である。
【図２】各ＬＤモジュールの内部の様子を示した図である。
【図３】ＬＤスタックを背面から見た様子を説明するための図で、（ａ）は仮に１個のＬＤモジュールでＬＤスタックを構成した場合を利用して電気的な接続の様子を説明するための描示、（ｂ）は２個のＬＤモジュールでＬＤスタックを構成した場合について電気的な接続の様子を説明するための描示である。
【図４】隣り合うＬＤモジュールを電気的に独立とした例について説明する図である。
【図５】請求項４で規定した条件について説明する図である。
【符号の説明】
１ ＬＤバー
２ 冷却器
３ 連結プレート
４ シール材
５ ＬＤモジュール
６ ハウジング
７ 正極
８ 負極
９ 電気ケーブル
１０ 領域Ａ
１１ 領域Ｂ
１２ 非発光領域（デッドスペース）
１３ 絶縁プレート

Claims (4)

1. 固体レーザ発振媒体を励起するために半導体レーザを用いた励起用光源装置において、
   複数のＬＤモジュールと、該複数のＬＤモジュールについて隣り合うＬＤモジュール同士を機械的に連結する連結プレートを含むＬＤスタックを備え、
   該連結プレートによる前記連結は解除可能であり、
   前記複数のＬＤモジュールの各々は、冷却水路を含む冷却器にアレイ状のＬＤバーを取り付けた組立体を、前記ＬＤバーの長さ方向と垂直な方向に複数個積層して構成されており、
   前記連結プレートは、前記隣り合うＬＤモジュールを前記組立体の積層方向に連結し、前記隣り合うＬＤモジュール間で前記冷却器の冷却水路を結合する機能を有し、
   前記ＬＤスタックは、前記ＬＤバーの長さ方向が前記固体レーザ発振媒体の長さ方向に直交するように配置される、前記励起用光源装置。
2. 前記連結プレートは、前記ＬＤモジュールの各々の両側に配置されているとともに、前記ＬＤモジュール同士を電気的に接続する機能を有し、それによって複数のＬＤモジュールが直列駆動可能となっている、請求項１に記載の励起用光源装置。
3. 前記連結プレートは前記ＬＤモジュールの各々の両側に配置されているとともに、前記ＬＤモジュール内において積層された前記組立体を固定する機能を有している、請求項１または請求項２に記載の励起用光源装置。
4. 前記ＬＤスタックを構成する前記ＬＤモジュールの連結個数をＮ（但し、Ｎは整数でＮ≧２）とし、前記ＬＤスタック全体について発光領域を包括し得る最小の長方形の面積をＡとし、更に、前記ＬＤスタックに含まれる個々のＬＤモジュールについて発光領域を包括し得る最小の長方形の面積をＢとした時、
   １−（ＮＢ／Ａ）の値が０．２を越えないように、前記連結プレートの厚みが定められている請求項１乃至請求項３の内何れか１項に記載の励起用光源装置。

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