JP4544014B2

JP4544014B2 - Laser device and fiber coupling module

Info

Publication number: JP4544014B2
Application number: JP2005121255A
Authority: JP
Inventors: セバスチャンフレデリコ
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: JP2006301195A

Description

本発明は、レーザ装置（または半導体レーザモジュール）およびファイバカップリングモジュールに関連するものである。より詳細には、本発明は、レーザ光源から出射されたレーザ光線ビームが光ファイバにカップリングされる、レーザ装置およびファイバカップリングモジュールに関連する。 The present invention relates to a laser device (or a semiconductor laser module) and a fiber coupling module. More particularly, the present invention relates to a laser device and a fiber coupling module in which a laser beam emitted from a laser light source is coupled to an optical fiber.

半導体レーザの技術において、カップリングされる光ファイバからの反射光である、フィードバック注入に対し、半導体レーザエミッタ機器が敏感であることは周知である。そのようなフィードバック注入は、機器特性において何らかの変化を引き起こすことがある。また、半導体レーザエミッタ機器は、強いフィードバック注入の下では時間経過に伴いまたは即座に破損することがある。 In semiconductor laser technology, it is well known that semiconductor laser emitter equipment is sensitive to feedback injection, which is reflected light from the coupled optical fiber. Such feedback injection may cause some change in device characteristics. Also, semiconductor laser emitter equipment can break down over time or quickly under strong feedback injection.

レーザモジュールにフィードバック注入が存在する場合、レーザビーム出射の発振は不安定になり、レーザビーム出力スペクトルはフィードバック注入の下で劇的に変化する。したがって、フィードバック注入を遮断する機能を有する半導体レーザモジュールが望ましい。 When feedback injection is present in the laser module, the oscillation of the laser beam emission becomes unstable and the laser beam output spectrum changes dramatically under feedback injection. Therefore, a semiconductor laser module having a function of blocking feedback injection is desirable.

特許文献１は、フィードバック注入のレベルを減少させる構成を開示している。ここでは、ファイバ端面からのフィードバック注入を減少させるために、レーザモジュールに対して光ファイバを傾けるか、または、ファイバ端面を斜めに磨き上げることで、光ファイバの端面を９０度以外の角度としている。 Patent Document 1 discloses a configuration for reducing the level of feedback injection. Here, in order to reduce feedback injection from the fiber end face, the end face of the optical fiber is set to an angle other than 90 degrees by tilting the optical fiber with respect to the laser module or by polishing the fiber end face obliquely. .

国際特許出願公開ＷＯ８９／０８２７７International Patent Application Publication WO89 / 08277

最近の技術的な進歩によって、半導体レーザエミッタ機器の出力の増加が可能になり、該レーザエミッタ機器は、様々な技術分野で使用され始めている。例えば、マルチモードで直径が約１００μｍのコアを有する光ファイバを使用する、２０Ｗを超える出力を備えた高出力レーザダイオードモジュールが、固体レーザ光源の励起、材料加工、はんだ付け、検査などに現在、幅広く使用されている。 Recent technical advances have allowed an increase in the output of semiconductor laser emitter equipment, which has begun to be used in various technical fields. For example, a high-power laser diode module with an output exceeding 20 W using an optical fiber having a core with a diameter of about 100 μm in multimode is currently used for excitation, material processing, soldering, inspection, etc. of a solid-state laser light source. Widely used.

高出力レーザの応用では、レーザモジュールから出射され光ファイバ中を進んだ、レーザビームの主要部分は、対象部材の表面で反射される。例えば、光ファイバが材料加工用の金属材料に面している場合、光ファイバから出射されたほとんどのレーザビームは反射される。反射されたレーザビームは、光ファイバに再度入り、レーザモジュールに戻る。同様に、固体レーザの励起、はんだ付け、検査などのために高出力半導体レーザエミッタ機器を使用する場合には、対象部材の表面からの強いフィードバック注入が生じる。フィードバック注入が半導体レーザエミッタ機器に直接戻る場合、強いフィードバック注入によりレーザビームが不安定になる。 In high-power laser applications, the main part of the laser beam emitted from the laser module and traveling through the optical fiber is reflected by the surface of the target member. For example, when the optical fiber faces a metal material for material processing, most of the laser beam emitted from the optical fiber is reflected. The reflected laser beam reenters the optical fiber and returns to the laser module. Similarly, when high power semiconductor laser emitter equipment is used for solid laser excitation, soldering, inspection, etc., strong feedback injection from the surface of the target member occurs. When the feedback injection returns directly to the semiconductor laser emitter device, the laser beam becomes unstable due to the strong feedback injection.

さらに、半導体レーザ光源以外のレーザ光源を使用するレーザ装置であっても、システム効率を考慮すれば、強いフィードバック注入を減少させるか再使用することが望ましい。 Further, even in a laser apparatus that uses a laser light source other than a semiconductor laser light source, it is desirable to reduce or reuse strong feedback injection in view of system efficiency.

したがって、対象部材の表面で反射されレーザ光源へ戻るレーザビームのフィードバック注入を減少させることができるレーザ装置および／またはファイバカップリングモジュールを提供することが望ましい。本発明は、前述の背景を考慮してなされている。 Accordingly, it is desirable to provide a laser device and / or a fiber coupling module that can reduce feedback injection of a laser beam reflected from the surface of the target member and returning to the laser light source. The present invention has been made in view of the aforementioned background.

本発明の一実施形態によれば、レーザ光源から出射されたレーザ光線を光ファイバを通して前記レーザ光線による処理の対象物の表面に入射するにあたり、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光線を前記光ファイバへカップリングするためのファイバカップリングモジュールを含むレーザ装置が提供される。前記ファイバカップリングモジュールは、前記レーザ光源と前記光ファイバとの間に配置され、前記レーザ光源からのレーザ光線を通過させる開口を有するアイソレータと、前記アイソレータと前記光ファイバとの間に配置され、前記開口を通過したレーザ光線を前記光ファイバへ導く光学素子とを備えている。さらに、前記レーザ光線による処理の対象物の表面で反射され、前記光ファイバ及び前記光学素子を通して前記アイソレータに入射した光が主要部分となるフィードバック光の一部が前記アイソレータにより遮蔽されるように、前記アイソレータの開口と前記光ファイバとがずれて配置されている。 According to an embodiment of the present invention, when a laser beam emitted from the laser light source is incident on the surface of the object of processing by the laser beam through an optical fiber, the light the laser beam emitted from the laser light source A laser apparatus is provided that includes a fiber coupling module for coupling to a fiber. The fiber coupling module is disposed between the laser light source and the optical fiber, and is disposed between the isolator and the optical fiber with an isolator having an opening through which a laser beam from the laser light source passes. And an optical element that guides the laser beam that has passed through the opening to the optical fiber. Further, a part of the feedback light that is reflected on the surface of the object to be processed by the laser beam and is incident on the isolator through the optical fiber and the optical element is shielded by the isolator. The opening of the isolator and the optical fiber are shifted from each other.

本発明によれば、対象部材で反射されレーザ光源へ戻ってくるフィードバック注入を減少させることができるレーザ装置および／またはファイバカップリングモジュールが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the laser apparatus and / or fiber coupling module which can reduce the feedback injection | pouring which is reflected by a target member and returns to a laser light source are provided.

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本発明の一実施形態によれば、レーザ光源から出射されたレーザ光線を光ファイバへカップリングするための、ファイバカップリングモジュールを備えたレーザ装置が提供される。ファイバカップリングモジュールは、レーザ光源と光ファイバとの間に配置されレーザ光源からのレーザ光線を通すための開口を有するアイソレータと、アイソレータと光ファイバとの間に配置され通過したレーザ光線を光ファイバ上に導くための光学素子とを備えている。さらに、レーザ光線の処理対象物の表面から反射された光が主要部分となるフィードバック光の一部が、アイソレータで遮蔽されるように、アイソレータの開口と光ファイバとがずれて配置されている。 According to an embodiment of the present invention, a laser apparatus including a fiber coupling module for coupling a laser beam emitted from a laser light source to an optical fiber is provided. The fiber coupling module includes an isolator disposed between the laser light source and the optical fiber and having an opening for passing a laser beam from the laser light source, and the laser beam disposed between the isolator and the optical fiber. And an optical element for leading up. Further, the opening of the isolator and the optical fiber are arranged so as to be offset so that a part of the feedback light whose main part is the light reflected from the surface of the processing target of the laser beam is shielded by the isolator.

本実施形態のファイバカップリングモジュールでは、レーザ光源から出射されたレーザ光線は、アイソレータの開口を通過することができ、光学素子によって光ファイバへガイドされることにより、レーザ光線が光ファイバにカップリングされる。一方、対象物の表面上で反射され、光ファイバに再度入った光は、レーザ光源に近い側の光ファイバの一端から出射され、フィードバック注入になる。 In the fiber coupling module of this embodiment, the laser beam emitted from the laser light source can pass through the opening of the isolator and is guided to the optical fiber by the optical element, so that the laser beam is coupled to the optical fiber. Is done. On the other hand, the light reflected on the surface of the object and reentering the optical fiber is emitted from one end of the optical fiber on the side close to the laser light source and becomes feedback injection.

光ファイバの端面から出射されるフィードバック注入は、光学素子によって屈折された後アイソレータに達する。本実施形態において、アイソレータは、レーザ光源と光学素子との間に配置される。したがって、アイソレータは、フィードバック注入の一部を遮蔽し、開口のサイズに対応する一部分だけを通すことができるため、レーザ光源に達するフィードバック注入を減少させることが可能となる。 The feedback injection emitted from the end face of the optical fiber reaches the isolator after being refracted by the optical element. In the present embodiment, the isolator is disposed between the laser light source and the optical element. Thus, the isolator can block a portion of the feedback injection and allow only a portion corresponding to the size of the aperture to pass, thereby reducing the feedback injection reaching the laser light source.

フィードバック注入は、光ファイバの端面から広がる。フィードバック注入の広がる角度は、光ファイバの開口数（Numeric Aperture）に依存する。多くの場合、フィードバック注入の強度または輝度は、光ファイバの光学軸からの距離が増加するにつれて減少する。本実施形態では、アイソレータの開口と光ファイバとはずらして配置されている。したがって、開口が光ファイバからより離れた位置に形成される場合には、レーザ光源に達するフィードバック注入の量をより減少させることができる。 Feedback injection extends from the end face of the optical fiber. The spread angle of feedback injection depends on the numerical aperture of the optical fiber. In many cases, the intensity or brightness of the feedback injection decreases as the distance from the optical axis of the optical fiber increases. In the present embodiment, the opening of the isolator and the optical fiber are shifted from each other. Therefore, when the opening is formed at a position farther from the optical fiber, the amount of feedback injection reaching the laser light source can be further reduced.

上述したような光学装置において開口を通過したレーザ光線を光ファイバへ導くことができるものであれば、光学素子は任意の光学装置（単数または複数個）であってもよい。光学素子が、上記導く機能に加えて集束機能を有するか、または、光ファイバ上へカップリングするために、開口を通過したレーザ光線をフォーカスするためのレンズを含むことが好ましい。 The optical element may be any optical device (single or plural) as long as the laser beam that has passed through the aperture in the optical device as described above can be guided to the optical fiber. The optical element preferably has a focusing function in addition to the guiding function or includes a lens for focusing the laser beam that has passed through the aperture for coupling onto the optical fiber.

レーザ光源は任意のタイプの半導体レーザであってもよい。本発明は、動作がフィードバック注入に敏感な任意のレーザ光源に有利に適用し得る。好ましくは、レーザ光源は、高出力を発生するためのブロードエリア・ダイオードレーザ装置またはダイオードレーザアレイであってもよい。さらに本発明は、強いフィードバック注入の減少および／または再使用が望ましい任意のレーザ装置に適用できる。 The laser light source may be any type of semiconductor laser. The present invention can be advantageously applied to any laser light source whose operation is sensitive to feedback injection. Preferably, the laser light source may be a broad area diode laser device or a diode laser array for generating high power. Furthermore, the present invention can be applied to any laser apparatus where reduction and / or reuse of strong feedback injection is desired.

使用される光ファイバの種類について特定の制限はなく、マルチモード光ファイバまたはシングルモード光ファイバを使用してもよい。さらに、光ファイバは、レーザ光源に近い側で光ファイバ端の表面上で反射されたフィードバック光を減少させるために、レーザ光源に近い側の端面が傾斜していても良い。 There is no particular limitation on the type of optical fiber used, and a multimode optical fiber or a single mode optical fiber may be used. Furthermore, the end face on the side close to the laser light source may be inclined in order to reduce the feedback light reflected on the surface of the end of the optical fiber on the side close to the laser light source.

アイソレータは、フィードバック注入をさらに効率的に反射するために、少なくとも光ファイバに面する側において鏡面を有していてもよい。アイソレータは、複数の開口を有しても良く、アイソレータの開口が、円形タイプまたはスリットタイプであってもよい。あるいは、アイソレータの開口を、アイソレータが配される位置でのレーザビームの直径未満のサイズに形成し、レーザ光源から出射されたレーザ光線の一部を選択するようにしてもよい。 The isolator may have a mirror surface at least on the side facing the optical fiber to more efficiently reflect the feedback injection. The isolator may have a plurality of openings, and the opening of the isolator may be a circular type or a slit type. Alternatively, the opening of the isolator may be formed to a size less than the diameter of the laser beam at the position where the isolator is disposed, and a part of the laser beam emitted from the laser light source may be selected.

以下、図１〜２を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。 Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明の一実施形態によるレーザ装置は、図１に示される。本実施形態のレーザ装置は、半導体レーザエミッタ（レーザ光源）１０、光ファイバ４０およびファイバカップリングモジュール１を含んでいる。ファイバカップリングモジュール１は、任意の位置に置かれた目標材（対象部材）５０にレーザ光線を導く光ファイバ４０に、レーザエミッタ１０から出射されたレーザ光線をカップリングする。本実施形態では、ファイバカップリングモジュール１は、アイソレータ２０およびフォーカスレンズ（光学素子）３０を含んでいる。 A laser apparatus according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. The laser device according to the present embodiment includes a semiconductor laser emitter (laser light source) 10, an optical fiber 40, and a fiber coupling module 1. The fiber coupling module 1 couples the laser beam emitted from the laser emitter 10 to an optical fiber 40 that guides the laser beam to a target material (target member) 50 placed at an arbitrary position. In the present embodiment, the fiber coupling module 1 includes an isolator 20 and a focus lens (optical element) 30.

アイソレータ２０は、半導体レーザエミッタ１０から出射されたレーザビームを通すためのアパーチャ（開口）２１を有する部材であり、主として目標材５０の表面５１から反射されたフィードバックレーザ光線の少なくとも一部を遮蔽するために使用される。アパーチャ２１の直径は「ａ」と表示される。アパーチャ「ａ」の直径は、使用される半導体レーザエミッタおよび／またはエミッタに続く光学系に応じて決定することができる。 The isolator 20 is a member having an aperture (opening) 21 through which the laser beam emitted from the semiconductor laser emitter 10 passes, and mainly shields at least a part of the feedback laser beam reflected from the surface 51 of the target material 50. Used for. The diameter of the aperture 21 is displayed as “a”. The diameter of the aperture “a” can be determined depending on the semiconductor laser emitter used and / or the optics following the emitter.

あるいは、アイソレータ２０のアパーチャ２１は、出射されたレーザビームの一部を選択し、かつ光ファイバ４０から来るフィードバック注入光を遮断するように構成してもよい。言いかえれば、アパーチャ２１のサイズは、半導体レーザエミッタ１０の光学軸中のアイソレータ２０の位置におけるレーザビームプロファイルの直径より小さくてもよい。 Alternatively, the aperture 21 of the isolator 20 may be configured to select a part of the emitted laser beam and block the feedback injection light coming from the optical fiber 40. In other words, the size of the aperture 21 may be smaller than the diameter of the laser beam profile at the position of the isolator 20 in the optical axis of the semiconductor laser emitter 10.

なお、光ファイバの中心軸４３とアイソレータ２０のアパーチャ中心軸２２とは一直線に並んでいない。これらの２軸間の距離は図１に示されるように「ｄ」で表示される。 The center axis 43 of the optical fiber and the aperture center axis 22 of the isolator 20 are not aligned. The distance between these two axes is indicated by “d” as shown in FIG.

本実施形態では、フォーカスレンズ３０は、光ファイバ４０の入口４１に、半導体レーザエミッタ１０から出射されたレーザビームを導き集束させるための、光学素子として使用される。 In the present embodiment, the focus lens 30 is used as an optical element for guiding and focusing the laser beam emitted from the semiconductor laser emitter 10 at the entrance 41 of the optical fiber 40.

また、本発明では、光学素子として、入口４１上にアパーチャ２１を通過した出射レーザビームの少なくとも一部を導きおよび／または集束させることが出来るものであれば、非球面レンズまたは任意の光学素子を使用してもよい。 In the present invention, as the optical element, an aspherical lens or any optical element can be used as long as it can guide and / or focus at least a part of the emitted laser beam that has passed through the aperture 21 on the entrance 41. May be used.

本実施形態において半導体レーザエミッタ１０は、高出力レーザビーム、例えば約５Ｗ以上を生成する。レーザエミッタ１０は、ブロードエリア・ダイオードレーザまたはダイオードレーザアレイ等、任意のタイプの半導体レーザでもよい。 In this embodiment, the semiconductor laser emitter 10 generates a high-power laser beam, for example, about 5 W or more. The laser emitter 10 may be any type of semiconductor laser, such as a broad area diode laser or a diode laser array.

また、半導体レーザは、レーザエミッタおよびコリメータレンズを含むレーザモジュールとして構成しても良い。 The semiconductor laser may be configured as a laser module including a laser emitter and a collimator lens.

なお、ブロードエリア・ダイオードレーザから出射された光は、その２つの主軸に沿って異なるコヒーレンス特性を有する。しかしながら、マルチモードレーザの空間コヒーレンスは、回析限界まで改善できることが証明されている。 The light emitted from the broad area diode laser has different coherence characteristics along its two principal axes. However, it has been proven that the spatial coherence of multimode lasers can be improved to the diffraction limit.

光ファイバ４０は２つの端部、つまり入口４１、出口４２を有する。高出力レーザビームを転送するためにはマルチモード光ファイバが好ましい。レーザビームが入力される場合、光ファイバ４０の入口４１および／または出口４２の端面は、光ファイバ４０の端面からのフィードバックを減少させるよう傾斜していてもよい。 The optical fiber 40 has two ends, an inlet 41 and an outlet 42. Multimode optical fibers are preferred for transferring high power laser beams. When a laser beam is input, the end face of the entrance 41 and / or the exit 42 of the optical fiber 40 may be inclined to reduce feedback from the end face of the optical fiber 40.

本実施形態では、半導体レーザエミッタ１０から出射されたレーザビームは、まず入口４１から光ファイバに入り、出口４２から目標材５０へ出射される。さらに、目標材５０の表面５１で反射されたフィードバック注入は、出口４２から光ファイバ４０に戻り、入口４１から半導体レーザエミッタ１０へ向けて出射される。 In the present embodiment, the laser beam emitted from the semiconductor laser emitter 10 first enters the optical fiber from the inlet 41 and is emitted from the outlet 42 to the target material 50. Further, the feedback injection reflected by the surface 51 of the target material 50 returns from the outlet 42 to the optical fiber 40 and is emitted from the inlet 41 toward the semiconductor laser emitter 10.

以下、本実施形態によるレーザ装置の動作について、詳細に説明する。 Hereinafter, the operation of the laser apparatus according to the present embodiment will be described in detail.

レーザエミッタ１０から出射されたレーザビームは、アイソレータ２０のアパーチャ２１を通過して、フォーカスレンズ３０によって光ファイバ４０の入口４１に集束される。レーザビームは、光ファイバ４０を進み、その出口４２から出射される。レーザビームが目標材５０の表面５１に達すると、レーザビームの一部は目標材５０の処理に使用され、残りのレーザビームは表面５１から反射される。 The laser beam emitted from the laser emitter 10 passes through the aperture 21 of the isolator 20 and is focused on the entrance 41 of the optical fiber 40 by the focus lens 30. The laser beam travels through the optical fiber 40 and is emitted from its exit 42. When the laser beam reaches the surface 51 of the target material 50, a part of the laser beam is used for processing the target material 50, and the remaining laser beam is reflected from the surface 51.

本実施形態では、目標材５０を処理するためにレーザビームが使用され、目標材５０の表面５１は、金属の場合のように高い反射性を有する、と仮定する。言いかえれば、光ファイバ４３から出射されたレーザビームのほとんどは光ファイバ４０に再び入りその中を進み、強いフィードバック注入となる。フィードバック注入は、光ファイバ４０の入口４１からアイソレータ２０へ向けて出射される。 In this embodiment, it is assumed that a laser beam is used to treat the target material 50 and that the surface 51 of the target material 50 is highly reflective as in the case of metal. In other words, most of the laser beam emitted from the optical fiber 43 reenters the optical fiber 40 and travels there, resulting in strong feedback injection. The feedback injection is emitted from the inlet 41 of the optical fiber 40 toward the isolator 20.

しかしながら、反射されたビームの大部分はアイソレータ２０により遮断され、アパーチャ２１を通過したレーザビームだけがフィードバック注入として、レーザエミッタ１０へ戻るため、レーザエミッタ１０に達するフィードバック注入を減少させることができる。 However, most of the reflected beam is blocked by the isolator 20, and only the laser beam that has passed through the aperture 21 returns to the laser emitter 10 as feedback injection, so that the feedback injection reaching the laser emitter 10 can be reduced.

本実施形態では、出射されたレーザビームの質は、ガウスモードで近似できるような高い空間コヒーレンスを有すると仮定する。出射されたレーザビームの遠距離エネルギ分布（far field energy distribution）１１および表面伝播（surface propagation）１１ａの例は、図２に示される。 In this embodiment, it is assumed that the quality of the emitted laser beam has a high spatial coherence that can be approximated by a Gaussian mode. An example of the far field energy distribution 11 and the surface propagation 11a of the emitted laser beam is shown in FIG.

図２は、高い空間コヒーレンスを備えた入射ビームがアパーチャ２１を通過し、次にフォーカスレンズ３０により光ファイバ４０の入口４１へ集束される際の概略を示す。フォーカスレンズの焦点距離は、光ファイバ直径、入射ビームプロファイルおよび光ファイバ４０の開口数にしたがって選ぶことができる。これらの計算は、光学系に精通している者であれば誰にでも容易に行なうことができる。 FIG. 2 shows a schematic when an incident beam with high spatial coherence passes through the aperture 21 and is then focused by the focus lens 30 onto the entrance 41 of the optical fiber 40. The focal length of the focus lens can be selected according to the optical fiber diameter, the incident beam profile, and the numerical aperture of the optical fiber 40. These calculations can be easily performed by anyone who is familiar with optical systems.

目標材５０が高い反射率を備えている場合、光ファイバ４０から出射されたレーザビームは、目標材５０の表面５１上で反射される。そして、レーザビームのほとんどは、光ファイバ４０に戻され、フィードバック注入として光ファイバ４０の入口４１から出射される。遠距離エネルギ分布３１および入口４１の表面からのフィードバック注入の表面伝播３１ａの例は、図２に示される。本実施形態では、フィードバック注入の遠距離エネルギ分布は、ガウスモードとして近似される。 When the target material 50 has a high reflectance, the laser beam emitted from the optical fiber 40 is reflected on the surface 51 of the target material 50. Then, most of the laser beam is returned to the optical fiber 40 and emitted from the inlet 41 of the optical fiber 40 as feedback injection. An example of surface propagation 31a of the far-field energy distribution 31 and feedback injection from the surface of the inlet 41 is shown in FIG. In this embodiment, the long-distance energy distribution of feedback injection is approximated as a Gaussian mode.

フィードバック光の表面伝播３１ａは、光ファイバ４０の開口数によって決定される。典型的には、マルチモードファイバの開口数は、０.２０であり、これは約１１.５度に相当する。 The surface propagation 31 a of the feedback light is determined by the numerical aperture of the optical fiber 40. Typically, the numerical aperture of a multimode fiber is 0.20, which corresponds to about 11.5 degrees.

フィードバック光は、アイソレータ２０によってカットされ、少量のフィードバック注入だけが、半導体レーザエミッタ１０に戻り得る。レーザ装置の光学系に注入された出力の１００パーセントが目標材５０から光ファイバ４０まで反射され、且つすべての光学系が１００パーセントの透過率を有すると仮定すると、半導体レーザエミッタ１０へフィードバックされる反射出力は、次の数式１によって推定し得る。 The feedback light is cut by the isolator 20 and only a small amount of feedback injection can return to the semiconductor laser emitter 10. Assuming that 100 percent of the power injected into the optical system of the laser device is reflected from the target material 50 to the optical fiber 40 and that all optical systems have 100 percent transmission, it is fed back to the semiconductor laser emitter 10. The reflected output can be estimated by the following Equation 1.

ただし、Ｐ_ｆは半導体レーザエミッタ１０へ反射される出力比率；ｆ_ｉ（ｘ）およびｆ_ｒ（ｘ）は、それぞれ入力レーザビームおよびフィードバック光の遠距離エネルギ分布；ａはアパーチャ２１の直径；ｄはアパーチャ２１の中心軸２２と光ファイバ４０の光学軸４３との間の距離；およびｘは光学軸４３からの半径方向距離である。

Where P _f is the output ratio reflected to the semiconductor laser emitter 10; f _i (x) and f _r (x) are the long-range energy distributions of the input laser beam and feedback light, respectively; a is the diameter of the aperture 21; Is the distance between the central axis 22 of the aperture 21 and the optical axis 43 of the optical fiber 40; and x is the radial distance from the optical axis 43.

本実施形態では、光ファイバ４０の光学軸４３およびアパーチャ２０の中心軸２２は、フィードバック光の遮断機能を得るために同じ直線上にはない。アパーチャ２１の直径「ａ」が減少し、且つアパーチャ２１の中心軸２２と光ファイバ４０の光学軸４３との間の距離「ｄ」が増加するにつれて、半導体レーザエミッタ１０に戻るフィードバック注入の出力が減少する。光ファイバ４０の入口４１からのフィードバック光の遠距離エネルギ分布は、ガウス分布であると推定されるので、距離「ｄ」が増加するにつれて、半導体レーザエミッタ１０へのフィードバック注入が減少することは容易に理解される。 In the present embodiment, the optical axis 43 of the optical fiber 40 and the central axis 22 of the aperture 20 are not on the same straight line in order to obtain a feedback light blocking function. As the diameter “a” of the aperture 21 decreases and the distance “d” between the central axis 22 of the aperture 21 and the optical axis 43 of the optical fiber 40 increases, the output of the feedback injection returning to the semiconductor laser emitter 10 increases. Decrease. Since the far-field energy distribution of the feedback light from the entrance 41 of the optical fiber 40 is estimated to be Gaussian, it is easy for the feedback injection into the semiconductor laser emitter 10 to decrease as the distance “d” increases. To be understood.

実用に際しては、所望のレーザ光源において、アパーチャ２１の直径「ａ」及びこれらの軸２２と４３との間の距離「ｄ」は、上記数式１、および、所望のレーザ光源の安定な稼働を妨害しないと考えられる望ましい（または受容可能な）Ｐ_ｆを用いて決定してもよい。 In practical use, in the desired laser light source, the diameter “a” of the aperture 21 and the distance “d” between these axes 22 and 43 hinder the stable operation of the above-described Equation 1 and the desired laser light source. It may be determined using a desirable (or acceptable) P _f that is considered not to be.

本実施形態によれば、半導体レーザエミッタ１０に戻るフィードバック注入を大きく減少させることができ、また、半導体レーザエミッタ１０の出力を時間的に安定させることができる。さらに、本実施形態によれば、よりよいファイバ出力スポットの均一性を提供することができ、半導体レーザエミッタ１０のスペクトル安定性を増大させることができる。 According to this embodiment, the feedback injection returning to the semiconductor laser emitter 10 can be greatly reduced, and the output of the semiconductor laser emitter 10 can be stabilized in time. Furthermore, according to the present embodiment, better fiber output spot uniformity can be provided, and the spectral stability of the semiconductor laser emitter 10 can be increased.

直径「ａ」および距離「ｄ」は、本実施形態中の半導体レーザエミッタ１０へのフィードバック注入の減少を特徴づけるために使用されているが、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。パラメータがアパーチャ２０の大きさ、及び、アパーチャ２０と光ファイバ４０との間を横ぎる方向での変位量を表わすものであれば、他のパラメータを用いてもよい。例えば、アイソレータのアパーチャ２０（開口）の中心軸と光ファイバの光学軸との間の横方向変位量、または、アイソレータのアパーチャの中心軸とフォーカスレンズ３０（光学素子）の光学軸との間の横方向変位量を用いて測定してもよい。 The diameter “a” and the distance “d” are used to characterize the reduction of feedback injection into the semiconductor laser emitter 10 in this embodiment, but the invention is not limited to this embodiment only. Absent. Other parameters may be used as long as the parameters represent the size of the aperture 20 and the amount of displacement in the direction across the aperture 20 and the optical fiber 40. For example, the amount of lateral displacement between the central axis of the isolator aperture 20 (opening) and the optical axis of the optical fiber, or between the central axis of the isolator aperture and the optical axis of the focus lens 30 (optical element). You may measure using the amount of lateral displacement.

アイソレータ２０のアパーチャ２１の幾何学的な構造は、システムの仕様に応じて任意に選択してもよい。例えば、図３（ａ）〜３（ｄ）に示すように、アパーチャ２０は円形のタイプであっても良く、または、スリットのタイプであってもよい。スリットタイプとしてアパーチャ２０を作ることにより、半導体レーザエミッタ１０およびアイソレータ１０を整列させるのが、より容易となる。または、アパーチャの数を、複数のエミッタからの複数のレーザビーム出射を得るために複数とすることで、より高いレーザ出力が達成される。 The geometric structure of the aperture 21 of the isolator 20 may be arbitrarily selected according to the specifications of the system. For example, as shown in FIGS. 3A to 3D, the aperture 20 may be a circular type or a slit type. By making the aperture 20 as a slit type, it becomes easier to align the semiconductor laser emitter 10 and the isolator 10. Alternatively, by using a plurality of apertures in order to obtain a plurality of laser beam emissions from a plurality of emitters, a higher laser output can be achieved.

アイソレータ２０の表面は、目標材５０の表面５１からのフィードバック光を反射する鏡面を形成する構成としてもよい。または、アイソレータ２０は、アイソレータ２０へ吸収することによってフィードバック光のエネルギを分散させるように、ビームを吸収する材料で形成しても良い。アイソレータ２０の鏡面は、アイソレータ２０全域またはその一部に形成してもよい。アイソレータ２０の鏡面は、フィードバック光を反射し、その再使用のために光ファイバ４０へ戻す。 The surface of the isolator 20 may be configured to form a mirror surface that reflects feedback light from the surface 51 of the target material 50. Alternatively, the isolator 20 may be formed of a material that absorbs the beam so that the energy of the feedback light is dispersed by being absorbed by the isolator 20. The mirror surface of the isolator 20 may be formed in the entire isolator 20 or a part thereof. The mirror surface of the isolator 20 reflects the feedback light and returns it to the optical fiber 40 for reuse.

本実施形態は、金属物体の処理のようなレーザ処理応用分野の例で説明しているが、本発明は、このような例のみに限定されるものではなく、レーザ光源およびこれにカップリングされる光ファイバを用いる、異なるタイプの応用に適用可能であることが理解されるであろう。 Although the present embodiment has been described with reference to an example of a laser processing application field such as processing of a metal object, the present invention is not limited only to such an example, and is coupled to a laser light source and the laser light source. It will be appreciated that the present invention is applicable to different types of applications using optical fibers.

以下、図４および５を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本発明の十分な利点を達成するためには、本発明が適用されるレーザ装置中の光学系における入射ビームプロファイルが、回析限界に近いプロファイルを有することが好ましい。 Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In order to achieve the sufficient advantage of the present invention, it is preferable that the incident beam profile in the optical system in the laser apparatus to which the present invention is applied has a profile close to the diffraction limit.

図４は、本実施形態によるレーザモジュールの一例を示すもので、半導体レーザエミッタへのフィードバック光を効率的に減少させる光学モジュールの一つのタイプである。図４のレーザモジュールは、高品質レーザビームを生成するためのレーザエミッタモジュール４００と、出射された高品質レーザビームを光ファイバ４０にカップリングすると共にレーザエミッタモジュール４００へのフィードバック注入を減少させるためのファイバカップリングモジュール１とを含んでいる。 FIG. 4 shows an example of the laser module according to the present embodiment, which is one type of optical module that efficiently reduces the feedback light to the semiconductor laser emitter. The laser module of FIG. 4 couples a laser emitter module 400 for generating a high quality laser beam, and coupling the emitted high quality laser beam to an optical fiber 40 and reducing feedback injection into the laser emitter module 400. The fiber coupling module 1 is included.

本実施形態において、ファイバカップリングモジュール１は、図１で説明した上述の実施形態と同じ構造および機能を有する。レーザエミッタモジュール４００は、Ｂ．Ｔｈｒｅｓｔｕｐ等によって報告された高輝度ブロードエリア・ダイオードレーザエミッタモジュールである（Ｂ．Ｔｈｒｅｓｔｕｐ、Ｍ．Ｃｈｉ、Ｂ．Ｓａｓｓ、Ｐ．Ｍ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ「非対称のフィードバックを備えた２つのダイオードレーザの極性化結合に基づいた高輝度レーザ光源」、ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、８２巻、６８０〜６８３ページ、２００３年２月）。 In the present embodiment, the fiber coupling module 1 has the same structure and function as those of the above-described embodiment described with reference to FIG. The laser emitter module 400 includes B.I. High-brightness broad-area diode laser emitter module reported by Thresup et al. "High-intensity laser light source based on" Applied Physics Letters, Vol. 82, 680-683, February 2003).

レーザエミッタモジュール４００は、ブロードエリア・ダイオードレーザ４１０、コリメータレンズ４２１〜４２３、およびフィルタ４３０を備えた鏡片部材（ｍｉｒｒｏｒｓｔｒｉｐｍｅｍｂｅｒ）を含んでおり、レーザビームを強度プロファイル４４０で出射する。レーザエミッタモジュール４００は、同時にいくつかの空間モード発振へ導き、横方向に延びた広いエミッタ接合のために貧弱であるブロードエリア・ダイオードレーザのビーム品質を高めることが可能である。 The laser emitter module 400 includes a mirror strip member having a broad area diode laser 410, collimator lenses 421 to 423, and a filter 430, and emits a laser beam with an intensity profile 440. The laser emitter module 400 can simultaneously lead to several spatial mode oscillations and enhance the beam quality of a broad area diode laser that is poor due to the wide emitter junction extending in the lateral direction.

図５は、本実施形態の他の例を示す。図５のレーザモジュールは、レーザエミッタモジュール５００およびファイバカップリングモジュール１を有する。ファイバカップリングモジュール１は、図１で示される実施形態と同じ構造および機能を有する。レーザエミッタモジュール５００は、Ｖ．ＲａａｂおよびＲ．Ｍｅｎｚｅｌ（「ＴＥＭ００出力４００ｍＷをもたらす高出力レーザダイオードの外部共振器設計」、ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、２７巻、３号、１６７〜１６９ページ、２００２年２月）によって報告された、高出力レーザダイオード用の外部共振器構造を使用する。 FIG. 5 shows another example of the present embodiment. The laser module in FIG. 5 includes a laser emitter module 500 and a fiber coupling module 1. The fiber coupling module 1 has the same structure and function as the embodiment shown in FIG. The laser emitter module 500 has a V.D. Raab and R.A. External for high power laser diodes, reported by Menzel ("External Cavity Design of High Power Laser Diodes Producing 400mW TEM00 Output", Optics Letters, Vol. 27, No. 3, pp. 167-169, February 2002) Use a resonator structure.

レーザエミッタモジュール５００は、レーザダイオード５１０、非球面速軸（fast-axis）コリメータ５２０、レンズ５３０、アパーチャ５４０、および高反射鏡５５０を含んでいるため、遅軸（slow-axis）に沿ったレーザダイオード５１０用の外部共振器を実現する。レーザエミッタモジュール５００によって、回析限界までのビーム品質が改善され、したがって、輝度を増加させることができる。 Since the laser emitter module 500 includes a laser diode 510, an aspheric fast-axis collimator 520, a lens 530, an aperture 540, and a high reflector 550, the laser along the slow-axis. An external resonator for the diode 510 is realized. The laser emitter module 500 can improve the beam quality to the diffraction limit and thus increase the brightness.

本実施形態によれば、レーザダイオードへのフィードバック注入が少ない高輝度レーザモジュールを実現することができる。 According to the present embodiment, it is possible to realize a high-intensity laser module with less feedback injection into the laser diode.

本発明の他の実施形態に係るレーザ装置について、図６を用いて説明する。本実施形態では、典型的なブロードエリアレーザダイオードのうちの１つと共に使用し得るファイバカップリングモジュールのための外形寸法例が提供される。 A laser apparatus according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, example dimensions are provided for a fiber coupling module that can be used with one of the typical broad area laser diodes.

本実施形態によるレーザ装置は、ブロードエリア・ダイオードレーザ６１０（レーザ光源）、レーザ６１０から出射されたレーザビームの質を高めるための光学系６２０、アパーチャ２１を備えたアイソレータ２０、非球面レンズ３０（光学素子）、および光ファイバ４０を含んでいる。アイソレータ２０および非球面レンズ３０の機能は、本質的に、図１および図２で説明した上述の実施形態中のものと同じである。 The laser apparatus according to the present embodiment includes a broad area diode laser 610 (laser light source), an optical system 620 for improving the quality of a laser beam emitted from the laser 610, an isolator 20 having an aperture 21, and an aspheric lens 30 ( An optical element), and an optical fiber 40. The functions of the isolator 20 and the aspheric lens 30 are essentially the same as those in the above-described embodiment described with reference to FIGS.

本実施形態において、ブロードエリア・ダイオードレーザ６１０は、１００×１μｍのストライプ長および８０８ｎｍの波長を有する。ブロードエリア・ダイオードレーザ６１０から出射されたレーザビームは、図６で示されるような遅軸および速軸を有する。光学系６２０は、ストライプ長１００μｍおよび波長８０８ｎｍのレーザビーム用に構成されており、ビームの発散角（divergence）が遅軸で０.４６°、速軸で２４°の高品質のレーザビームを出射する。光ファイバ４０は、ステップ型の一種で直径２００μｍおよび開口数０.２２である。 In this embodiment, the broad area diode laser 610 has a stripe length of 100 × 1 μm and a wavelength of 808 nm. The laser beam emitted from the broad area diode laser 610 has a slow axis and a fast axis as shown in FIG. The optical system 620 is configured for a laser beam having a stripe length of 100 μm and a wavelength of 808 nm, and emits a high-quality laser beam having a beam divergence of 0.46 ° on the slow axis and 24 ° on the fast axis. To do. The optical fiber 40 is a step type and has a diameter of 200 μm and a numerical aperture of 0.22.

図６で示されるレーザ装置では、以下の寸法を用いることによって、光学系６２０とブロードエリア・ダイオードレーザ６１０に向けて反射される出力の比率「Ｐｆ」を許容可能なレベル（多くの場合は５〜１０%である）まで減少させる可能性がある：
Ｚ１：〜４ｍｍ
Ｚ２：〜８ｍｍ
Ｚ３：〜１６ｍｍ
ｄ：３ｍｍ
アパーチャ２１（クリアアパーチャ）：〜０.２ｍｍ（遅軸）×〜１.８ｍｍ（速軸）
非球面レンズ３０：有効焦点距離８ｍｍ、アパーチャ８ｍｍ
ここで、Ｚ１は光学系６２０の出射表面からアイソレータ２０までの距離；Ｚ２は光学系６２０の出射表面から非球面レンズ３０までの距離；Ｚ３は非球面レンズ３０から光ファイバ４０の入口端面までの距離；およびｄはアパーチャ２１の中心軸と光ファイバ４０の中心軸の間の距離である。 In the laser apparatus shown in FIG. 6, the ratio “Pf” of the output reflected toward the optical system 620 and the broad area diode laser 610 is acceptable by using the following dimensions (in many cases, 5 May be reduced to 10%):
Z1: ~ 4mm
Z2: ~ 8mm
Z3: ~ 16mm
d: 3 mm
Aperture 21 (clear aperture): ~ 0.2mm (slow axis) x ~ 1.8mm (fast axis)
Aspheric lens 30: Effective focal length 8mm, aperture 8mm
Here, Z1 is the distance from the exit surface of the optical system 620 to the isolator 20, Z2 is the distance from the exit surface of the optical system 620 to the aspheric lens 30, and Z3 is from the aspheric lens 30 to the entrance end face of the optical fiber 40. The distance; and d are distances between the central axis of the aperture 21 and the central axis of the optical fiber 40.

本実施形態によれば、所望のレーザ光源および光ファイバのセットにおいて、レーザ光源に達するフィードバック注入を望ましいレベルへ削減することができる。削減量は、受容可能なフィードバック注入の最大のレベル等のシステム仕様に応じて決定できる。 According to the present embodiment, in a desired laser light source and optical fiber set, feedback injection reaching the laser light source can be reduced to a desired level. The amount of reduction can be determined according to system specifications such as the maximum level of feedback injection that can be accepted.

なお、添付の特許請求の範囲またはそれと均等な範囲の限りにおいて、設計条件およびその他の要因に応じて、様々な変更、組合せ、副次的組合せおよび修正が生じ得ることは、当業者によって理解されることである。 It should be understood by those skilled in the art that various changes, combinations, sub-combinations, and modifications can occur depending on design conditions and other factors within the scope of the appended claims or equivalents thereof. Is Rukoto.

本発明の一実施形態によるファイバカップリングモジュールを備えたレーザ装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the laser apparatus provided with the fiber coupling module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるレーザビームが入力され反射された部分を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the part into which the laser beam by one Embodiment of this invention was input and reflected. 図３（ａ）〜３（ｄ）は、本発明の一実施形態によるアイソレータのアパーチャ構造の例を示す模式図です。FIGS. 3A to 3D are schematic views showing an example of an aperture structure of an isolator according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるファイバカップリングモジュールを備えたレーザ装置の一構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one structural example of the laser apparatus provided with the fiber coupling module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるファイバカップリングモジュールを備えたレーザ装置の他の構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the laser apparatus provided with the fiber coupling module by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるファイバカップリングモジュールを備えたレーザ装置の一構造例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one structural example of the laser apparatus provided with the fiber coupling module by one Embodiment of this invention.

Explanation of symbols

１０：レーザダイオード、２０：アイソレータ、２１：アパーチャ、２２：アパーチャの中心軸、３０：フォーカスレンズ、４０：光ファイバ、４１：光ファイバの入口、４２：光ファイバの出口、５０：目標材、５１：目標材の表面。

10: Laser diode, 20: Isolator, 21: Aperture, 22: Center axis of aperture, 30: Focus lens, 40: Optical fiber, 41: Inlet of optical fiber, 42: Outlet of optical fiber, 50: Target material, 51 : Surface of target material.

Claims

Upon the laser beam emitted from the laser light source is incident on the surface of the object of processing by the laser beam through an optical fiber, fiber coupling for coupling to the optical fiber the laser beam emitted from the laser light source A module ,
An isolator disposed between the laser light source and the optical fiber and having an aperture through which a laser beam from the laser light source passes;
An optical element that is disposed between the isolator and the optical fiber and guides the laser beam that has passed through the opening to the optical fiber;
The isolator is shielded by the isolator so that a part of the feedback light which is reflected by the surface of the object to be processed by the laser beam and becomes the main part through the optical fiber and the optical element is incident on the isolator. that are staggered opening and said optical fiber
Off § driver coupling module.

A laser light source for generating the laser beam;
Further fiber coupling module 請 Motomeko 1, wherein you and a optical fiber for transmitting the laser beam to the object.

The optical element includes a lens fiber coupling module including請 Motomeko 1, wherein the for focusing the laser beam passing through the aperture of the coupling to the optical fiber.

Opening of the isolator, 請 Motomeko 1 fiber coupling module according you select a portion of the emitted laser beam from the laser light source.

It said laser light source, a fiber coupling module Ah Ru請 Motomeko 1 described broad area diode lasers.

It said laser light source, a fiber coupling module 請 Motomeko 1 wherein Ru laser array der.

The optical fiber, a fiber coupling module Ah Ru請 Motomeko 1, wherein the multi-mode optical fiber.

The optical fiber, a fiber coupling module 請 Motomeko 1 wherein that having a sloped end surface on the side closer to the laser light source.

The isolator, the fiber coupling module 請 Motomeko 1 wherein that having a mirror surface for reflecting the feedback light.

Fiber coupling module 請 Motomeko 1 wherein the isolator is that having a plurality of apertures.

Opening of the isolator, the fiber coupling module Ah Ru請 Motomeko 1, wherein a circular type.

Opening of the isolator, the fiber coupling module Ah Ru請 Motomeko 1, wherein the type of the slit.

Fiber coupling module 請 Motomeko 1, wherein the optical axis that are arranged offset to the central axis and the optical fiber of the opening of the isolator.

Fiber coupling module 請 Motomeko 1, wherein the optical axis that are arranged offset to the central axis and the optical element of the opening of the isolator.

Upon the laser beam emitted from the laser light source is incident on the surface of the object of processing by the laser beam through an optical fiber, fiber coupling for coupling to the optical fiber the laser beam emitted from the laser light source In a laser device including a module,
The fiber coupling module is:
An isolator disposed between the laser light source and the optical fiber and having an aperture through which a laser beam from the laser light source passes;
An optical element that is disposed between the isolator and the optical fiber and guides the laser beam that has passed through the opening to the optical fiber;
The isolator is shielded by the isolator so that a part of the feedback light which is reflected by the surface of the object to be processed by the laser beam and becomes the main part through the optical fiber and the optical element is incident on the isolator. that are staggered opening and said optical fiber
Les over laser device.