JP4153130B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーザ加工等に使用されるレーザ装置に係り、より詳細には、いわゆる半導体レーザアレイスタックをレーザ加工用の光源として用いるレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工用のレーザ装置として、従来から、例えば高出力のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置等が用いられている。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ装置は、励起用光源から出射される光をＹＡＧレーザ素子に照射することによりＹＡＧレーザ素子から高い光パワー密度を持ったレーザ光を出力する。励起用光源としては、半導体レーザがよく用いられ、特に、活性層をいくつかの単一モードストライプに分割したアレイ構造を持つ半導体レーザアレイスタックは、比較的高出力を得られる半導体レーザとして注目を集めている。
【０００３】
ところが、こうしたレーザ装置においては、高い光パワー密度を持ったレーザ光が出力されるものの、励起用光源から最終的にレーザ光出力を得るまでのエネルギー損失が７０％程度と極めて大きい。従って、高いパワー密度を持ったレーザ光を出力でき、且つエネルギー損失を小さくすることのできるレーザ装置の開発が望まれている。
【０００４】
こうしたレーザ装置の一例が特開平１１−７２７４３号公報に開示されている。このレーザ装置は、半導体レーザアレイスタックをそれぞれ有する２つの光源から出力される断面がストライプ状の平行光束を透光板を用いて合成するものである。すなわち、透光板の表面には、Ａｕ等からなる光反射膜が１ｍｍ程度あるいはそれ以下のピッチサイズでストライプ状にコーティングされ、その表面に対しては、隣り合う光反射膜の間を通って平行光束が透過し、光反射膜がコーティングされていない裏面に対しては、光反射膜に対向する部分で平行光束が反射される。これにより、透光板を透過する平行光束と透光板で反射される平行光束とが互いに重なり合うことなく合成され、出力されるレーザ光の強度分布の均一化が図られ、光パワー密度も２倍になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した特開平１１−７２７４３号公報に記載されたレーザ装置においては、透光板を用いて平行光束の合成が行われるため、用いられる半導体レーザアレイスタックが２つに限定される。従って、合成光の光パワー密度をより向上させることには限界がある。
【０００６】
また、上記レーザ装置においては、光反射膜が透光板の表面に１ｍｍ程度あるいはそれ以下のピッチサイズでストライプ状にコーティングされている。このため、一方の光源から出力される平行光束を隣り合う光反射膜間に、他方の光源から出力される平行光束を透光板の裏面における光反射膜に対向する部分に入射させることが困難となり、各光源の光軸調整等のためのアライメント作業に時間がかかる。
【０００７】
そこで、本発明は、レーザ光の光パワー密度を向上させ、光源のアライメント作業を容易に行うことができるレーザ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討した。その結果、透光板に代えて特定の構成を持った反射体を用い、且つこの反射体に対して４つの光源を特定の配置とすることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明のレーザ装置は、四角形状に４点配列され、内側に向けて、出射光軸に直交する面内でストライプを形成するように平行光束を出射するよう、複数の半導体レーザアレイを積層してなる半導体レーザアレイスタックと半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のシリンドリカルレンズとをそれぞれ有する４つの光源であって、これら４つの前記光源のうちの対向する２つの光源は、残りの対向する２つの光源とは、それぞれの半導体レーザアレイの積層方向が異なる、４つの光源と、４つの光源の内側に配置され、４つの光源からそれぞれ出射される平行光束を同一方向に反射させる４つの四角形の反射面を有する反射体とを備え、反射体は、固定台の上面上に固定された４つの反射部を有しており、反射部は、それぞれ固定台の上面と４５°の角度をなす反射面を有し、４つの反射面は、固定台の上面に直交する軸の回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、４つの光源のそれぞれから内側に向けて、出射光軸に直交する面内でストライプを形成するように平行光束が出射されると、各平行光束は反射体の４つの反射面によって同一方向に反射される。このため、反射された４つの平行光束からなる平行光束群を集光することにより、十分な光パワー密度を持った平行光束群を得ることが可能となる。また、各平行光束が各反射面上のいかなる箇所に入射しても、反射される平行光束同士が重なり合うことがない。従って、反射される平行光束群を集光すると、その集光スポットにおける光強度分布を均一化することが可能となり、また、各光源から、対応する反射面のそれぞれに対して平行光束を容易に入射させることが可能となる。
【００１１】
また、上記発明においては、４つの反射面が近接配置されていることが好ましい。
【００１２】
上記構成とすることにより、反射面で反射される４つの平行光束群も近接する。従って、反射された平行光束群を集光すると、その集光スポットにおける光パワー密度の均一性がより向上する。また、４つの平行光束が近接するので、これらへ平行光束群を集光するのに必要なレンズ等を小型化することが可能となる。
【００１３】
さらに、上記発明においては、４つの反射面がそれぞれ、平行光束群を反射させる誘電体多層膜を備えることが好ましい。
【００１４】
上記構成とすることにより、誘電体多層膜での平行光束群の反射率がより高くなるので、反射面での光損失が小さくなり、結果として、光パワー密度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明のレーザ装置の好適な実施形態について説明する。なお、全図中、同一又は同等の構成要素については、同一の符号を付す。
【００１６】
図１は、本発明のレーザ装置の実施形態を概略的に示す平面図である。図１に示すように、レーザ装置５０は、フラット面２ａを持ったベース台２を備えており、フラット面２ａ上に４つの光源４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが略正方形状に４点配列されている。光源４ａ〜４ｄは内側に向けて且つフラット面２ａに沿って平行光束を出射する。また、光源４ａ〜４ｄの内側には、光源４ａ〜４ｄのそれぞれから出射される平行光束を同一方向に反射させる反射体８が配置されている。
【００１７】
図２は、反射体８の構成を示す斜視図である。図２に示すように、反射体８は、フラット面２ａ上に配置される直方体状の固定台１０を有し、固定台１０の上面上には４つの反射部１２ａ〜１２ｄが固定されている。反射部１２ａ〜１２ｄはそれぞれ、固定台１０の上面と４５°の角度をなす反射面６ａ〜６ｄを有し、反射面６ａ〜６ｄはそれぞれ固定台１０の上面の周縁部を交線としている。そして、４つの反射面６ａ〜６ｄは、これらを右回りにみたとき、固定台１０の上面に直交する軸Ｃの回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されている。
【００１８】
ここで、反射部１２ａ〜１２ｄとしては、図３にも示すように、例えば互いに直交する２つの直交面１４ａ，１４ｂと、これら直交面１４ａ，１４ｂと４５°の角度をなす斜面とを有し且つ断面が二等辺三角形状の三角柱状体が用いられる。こうした三角柱状体は、例えばガラスや金属等からなる。三角柱状体は、直交面１４ａ又は１４ｂが固定台１０の上面に接し且つ光源４ａから出射される平行光束が固定台１０の上方に反射されるように固定台１０に固定されること、すなわち斜面１６が反射面６ａ〜６ｄとなっていることが好ましい。これにより、４つの反射部１２ａ〜１２ｄのそれぞれの反射面６ａ〜６ｄが互いに近接することとなり、各反射面６ａ〜６ｄで出射される平行光束が互いに近接する。従って、これら平行光束群を集光レンズ等を用いて集光するときに、集光スポットにおける平行光束群の光強度分布の均一化が図られる。また、４つの平行光束が近接するので、これら平行光束群を集光するのに必要な集光レンズ等を小型化することが可能となる。
【００１９】
ここで、三角柱状体の斜面１６上には、図４に示すように、光反射膜２０がコーティングされている。光反射膜２０としては、金属製光反射膜等に比べて反射損失が小さいことから、誘電体多層膜が好ましい。この場合、誘電体多層膜の表面が反射面６ａを構成する。このように誘電体多層膜がコーティングされることにより、光源４ａから出射される平行光束の反射率がより向上し、レーザ装置５０から出射される光パワー密度が増加する。
【００２０】
一方、光源４ａは以下のように構成される。すなわち、光源４ａは、図５に示すように、半導体レーザアレイスタック２２を備えている。半導体レーザアレイスタック２２は、対向配置された一対の平板状電極２４ａ，２４ｂを有し、一対の電極２４ａ，２４ｂ間には、プレート状の複数の半導体レーザアレイ（図５では３つ）２６が積層されている。各半導体レーザアレイ２６においては、活性層がいくつかの単一モードストライプに分割されてアレイ構造を有している。従って、各半導体レーザアレイ２６からは、フラット面２ａに平行に平面状のレーザ光が出射され、半導体レーザアレイスタック２６全体としては、フラット面２ａに直交する方向に配列したレーザ光束が出射される。各半導体レーザアレイ２６は、例えば金属、セラミックまたはダイヤモンド等からなる一対のプレート状の高熱伝導性ヒートシンク２８によって挟持されている。そして、これらヒートシンク２８を介して半導体レーザアレイ２６を冷却するために、ＢｅＯ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド等の高熱伝導材料からなりヒートシンク２８と接触する電気絶縁板３０を介して水冷タンク３２が設けられ、この水冷タンク３２の内部と外部との間で冷却水が循環している。従って、半導体レーザアレイスタック２２の作動中における半導体レーザアレイ２６の過度の発熱が防止される。
【００２１】
また、光源４ａは、各半導体レーザアレイ２６から出射されるレーザ光のフラット面２ａに直交する方向の広がりを抑えて平行光化するために、半導体レーザアレイ２６の出射側に近接配置される複数のシリンドリカルレンズ３６を備えている。更に、光源４ａは、シリンドリカルレンズ３６を通過したレーザ光束のフラット面２ａに平行な方向の広がりを抑えるために、シリンドリカルレンズ３６の近傍にマイクロレンズアレイ３７を備えている。従って、光源４ａにおいて、半導体レーザアレイスタック２２は、電極２４ａ，２４ｂ間に電圧が印加されると、フラット面２ａに平行にレーザ光束を発し、このレーザ光束はシリンドリカルレンズ３６によって平行光化され、マイクロレンズアレイ３７によってレーザ光のフラット面２ａに平行な方向の広がりが抑えられる。このとき、光源４ａから出射される平行光束は、その出射方向に平行で且つフラット面２ａに平行な出射光軸７ａに直交する面１３内で、フラット面２ａに直交する方向に沿ってストライプを形成する。なお、マイクロレンズアレイに代えて、回折光学素子が用いられても良い。
【００２２】
そして、光源４ａは、図６に示すように、反射体８に対して、その出射光軸７ａが反射面６ａと交差するように配置されている。従って、光源４ａから出射される平行光束は、反射面６ａの方向に向けて出射される。
【００２３】
ここで、光源４ａの出射光軸７ａは、フラット面２ａに平行となっているため、光源４ａの出射光軸７ａは反射面６ａと４５°の角度をなすことになる。このため、反射面６ａで反射される平行光束の反射光軸９ａは、フラット面２ａに直交する。従って、光源４ａからは、出射光軸７ａに沿って平行光束が出射され、平行光束は反射面６ａで上方に向かって反射される。
【００２４】
また、光源４ｂ〜４ｄは、光源４ａと同様な構成を有し、図７に示すように、光源４ｂは、光源４ａに対し反射体８を介して対向配置され、光源４ｂの出射光軸７ｂは、フラット面２ａに平行で且つ反射面６ｂと交差している。一方、光源４ｃ、４ｄは、光源４ａ，４ｂを結ぶ方向と直交する方向に沿って配置され、光源４ｃ，４ｄ間には反射体８が配置されている。また、光源４ｃ，４ｄの出射光軸７ｃ，７ｄはそれぞれフラット面２ａに平行となっている。そして、光源４ｃは、反射面６ｃに対向し、その出射光軸７ｃは反射面６ｃと交差している。また、光源４ｄは、反射面６ｄに対向し、その出射光軸７ｄは反射面６ｄと交差している。
【００２５】
ここで、光源４ｂ〜４ｄの出射光軸７ａ〜７ｄはそれぞれ、反射面６ｂ〜６ｄと４５°の角度をなしているため、反射面６ｂ〜６ｄで反射される平行光束の反射光軸９ａ〜９ｄはフラット面２ａに直交する。従って、光源４ａ〜４ｄの反射光軸９ａ〜９ｄは互いに平行となる。なお、光源４ｃ、４ｄは、光源４ａ，４ｂと異なり、半導体レーザアレイ２６がフラット面２ａに平行に積層されている。
【００２６】
上記光源４ａ〜４ｄは、光軸調整装置３８によってそれらの出射光軸７ａ〜７ｄが調整可能となっていることが好ましい。例えば、図６は、光源４ａの光軸調整装置３８を示している。同図に示すように、光軸調整装置３８は、光源４ａを固定する固定プレート４０を有し、固定プレート４０は、反射体８の近傍に回転中心を有し、その回転中心の回りに回転可能となっている。また、光軸調整装置３８は、固定プレート４０の外側に設けられ固定プレート４０の周方向の移動幅を規制するＵ字状の規制枠４２を有し、規制枠４２は、規制枠４２をベース台２のフラット面２ａに平行に貫通し且つ固定プレート４０の両側に当接可能な一対のネジ４３を有している。そして、このネジ４３をまわすことにより固定プレート４０が周方向に回転し、これに伴って光源４ａの出射光軸７ａも周方向に回転する。また、規制枠４２は、規制枠４２をフラット面２ａに垂直な方向に貫通し且つベース台２のフラット面２ａに当接する一対のネジ４５を有し、このネジ４５をまわすことにより規制枠４２が上下動し、光源４ａの出射光軸７ａとフラット面２ａとのなす角が調整される。
【００２７】
つぎに、上述した構成を有するレーザ装置５０の動作について説明する。
【００２８】
まず、光源４ａ〜４ｄのそれぞれにおいて電極２４ａ，２４ｂ間に電圧を印加すると、半導体レーザアレイスタック２２のそれぞれにおいて、各半導体レーザアレイ２６から出射されるレーザ光束は、シリンドリカルレンズ３６及びマイクロレンズアレイ３７によって平行光化され、出射光軸７ａ〜７ｄに沿って平行光束として出射される。
【００２９】
図８に示すように、平行光束は反射部１２ａ〜１２ｄの各反射面６ａ〜６ｄに入射される。そして、平行光束は、各反射面６ａ〜６ｄで、反射光軸９ａ〜９ｄに沿って、即ちフラット面２ａに直交する方向に沿って反射される。このとき、各光源４ａ〜４ｄの反射光軸９ａ〜９ｄは互いに平行であるため、４つの平行光束は同一方向に反射される。このため、これら４つの平行光束からなる平行光束群を集光レンズ等を用いて集光することにより、材料のレーザ加工等を行うのに十分な光パワー密度を持った平行光束群を出射することが可能となる。
【００３０】
また、光源４ａ〜４ｄのそれぞれから出射される平行光束が各反射面６ａ〜６ｄ上のいかなる箇所に入射しても、反射される平行光束同士が重なり合うことがない。従って、これらの平行光束群を集光すると、反射される平行光束同士が重なり合う場合に比べて、その集光スポットにおける光強度分布を均一とすることが可能となり、また、各光源４ａ〜４ｄから対応の反射面６ａ〜６ｄに対して平行光束群を容易に入射させることができ、光源４ａ〜４ｄの光軸調整等のアライメント作業を容易に行うことができる。
【００３１】
更に、４つの光源４ａ〜４ｄによりレーザ加工に十分な強度が得られるので、１光源あたりの大きさを小さくすることができる。例えば１光源あたり１５ｃｍ×１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の大きさにすることができる。
【００３２】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、光源４ａ〜４ｄは、正方形状に４点配列されているが、四角形状であればよく、矩形状、菱形状であってもよい。
【００３３】
また、反射部１２ａ〜１２ｄは、フラット面２ａに対して４５°の角度をなす反射面を有するものであれば特に限定されない。例えば、上記実施形態では、三角柱状体の斜面１６上に光反射膜２０として誘電体多層膜をコーティングしたものが用いられているが、三角柱状体の斜面１６が固定台１０の上面に接するように三角柱状体を固定台１０に固定し、直交面１４ａ，１４ｂ上に誘電体多層膜をコーティングするようにしてもよい。この場合でも、光パワー密度を向上させることが可能となる。また、円柱状体をその中心軸に対して４５°の角度をなす平面で切断し、その切断面を反射面とするようにしてもよい。
【００３４】
更に、光源４ａ〜４ｄのそれぞれから出射される平行光束を反射面６ａのサイズに応じて縮小する必要がある場合には、図９に示すように、反射体８の各反射面６ａ〜６ｄと光源４ａ〜４ｄのそれぞれとの間に、縮小光学系４４が配置されていることが好ましい。縮小光学系４４は、例えば小型の凸レンズ４６と、大型の凸レンズ４８とからなり、これら凸レンズ４６，４８により、光源４ａ〜４ｄのそれぞれから出射される平行光束は縮小化されて反射面６ａ〜６ｄに入射する。
【００３５】
また、上記実施形態では、光反射膜２０として、誘電体多層膜が用いられているが、光反射膜２０は、誘電体多層膜に限定されず、例えば金属製光反射膜が用いられてもよい。金属製光反射膜は、例えば三角柱状体の斜面１６上に金属材料を蒸着することにより得ることができる。蒸着する金属材料としては、例えばＡｕ、アルミニウム等が用いられ、このうち、反射率が高いことから、Ａｕが最も好ましく用いられる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、４つの光源のそれぞれから出射される平行光束が反射体の４つの反射面によって同一方向に反射されるため、反射された平行光束群を集光することにより十分な光パワー密度を持った平行光束群を得ることが可能となる。また、平行光束が反射面上のいかなる箇所に入射しても、反射される平行光束同士が重なり合うことがない。このため、反射される平行光束群を集光するときにその集光スポットにおける光強度分布を均一とすることが可能になる。また、各光源から対応する各反射面に対して平行光束を容易に入射させることが可能となり、光源の光軸調整等のアライメント作業を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ装置の実施形態を概略的に示す平面図である。
【図２】図１の反射体を示す斜視図である。
【図３】図２の反射部を示す斜視図である。
【図４】図２の反射体を示す断面図である。
【図５】光源の構成を示す分解斜視図である。
【図６】１つの光源と反射体との位置関係を示す斜視図である。
【図７】４つの光源と反射体との位置関係を示す斜視図である。
【図８】４つの光源から平行光束が出射された状態を示す斜視図である。
【図９】本発明のレーザ装置の他の実施形態を概略的に示す平面図である。
【符号の説明】
４ａ〜４ｄ…光源、６ａ〜６ｄ…反射面、８…反射体、１３…出射光軸に直交する面、２０…誘電体多層膜、５０…レーザ装置。

Claims (2)

1. 四角形状に４点配列され、内側に向けて、出射光軸に直交する面内でストライプを形成するように平行光束を出射するよう、複数の半導体レーザアレイを積層してなる半導体レーザアレイスタックと前記半導体レーザアレイの出射側に配置される複数のシリンドリカルレンズとをそれぞれ有する４つの光源であって、これら４つの光源のうちの対向する２つの光源は、残りの対向する２つの光源とは、それぞれの半導体レーザアレイの積層方向が異なる、４つの光源と、
   前記４つの光源の内側に配置され、前記４つの光源からそれぞれ出射される平行光束を同一方向に反射させる４つの四角形の反射面を有する反射体と、
   を備え、
   前記反射体は、固定台の上面上に固定された４つの反射部を有しており、
   前記反射部は、それぞれ前記固定台の上面と４５°の角度をなす前記反射面を有し、
   ４つの前記反射面は、前記固定台の上面に直交する軸の回りに９０°ずつ回転した状態でそれぞれ配置されていることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記４つの反射面がそれぞれ、前記平行光束を反射させる誘電体多層膜を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。

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