JP5165226B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を集光して高いエネルギー密度で出射する高出力の半導体レーザ装置に関するものである。

半導体レーザ装置は、小型でありながら、レーザ光を高いエネルギー密度で出射することができることから、近年、種々の目的の光源に広く用いられてきた。同時に、半導体レーザ装置の出力をさらに高める開発がされてきた。例えば、特許文献１の図１１，図１２には、互いにほぼ直交する複数の半導体レーザ光源からのレーザ光の光路に、１つの光源からのレーザ光を透過するとともに他のレーザ光源からのレーザ光を反射する光学素子を各光路に対して略４５度になるように配置することで、複数の半導体レーザ光源からの各レーザ光を合成して、エネルギー密度を高める技術が開示されている。
特開２００４−２５８６２４号公報

ところで、金属鋼板のレーザ溶接やレーザ切断等の金属加工にレーザ光を使用する場合、特に、高いエネルギー密度が必要となる。そのため、レーザ光を発生させる活性層を多数備えた高出力の半導体レーザモジュールを、前記特許文献１のように、複数個を配置して、それらのレーザ光を光学素子によって合成することが考えられる。しかしながら、発生したレーザ光を全て合成して、外部に出射できるとは限らない。光学素子によって反射されるべきレーザ光の一部は、光学素子を透過して、筐体の内壁面に照射される事態が生じる。このレーザ光は、予め、活性層の厚さ方向（ファスト方向）にコリメートされていることから、筐体の内壁面において反射して、そのまま、半導体レーザモジュールの活性層に戻って活性層を劣化させることになる。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複数の半導体レーザモジュールを備える半導体レーザ装置において、半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光が、光学素子を透過して筐体の内壁面で反射し、半導体レーザモジュールに戻って活性層を劣化させることを防止することのできる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置は、複数の活性層がスロー方向に一列に配置された半導体レーザアレイから構成される半導体レーザモジュールであって、少なくとも２以上が配置された半導体レーザモジュールと、半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光をファスト方向にコリメートするコリメートレンズと、コリメートレンズからのレーザ光のうちで、少なくとも１の半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光を透過し、他の少なくとも１の半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光を反射することにより、両レーザ光を合成する光学素子と、半導体レーザモジュール、コリメートレンズ及び光学素子を内部に配置する筐体とを備え、光学素子を介して半導体レーザモジュールと対面する筐体の内壁面を少なくともファスト方向に傾斜させたことを特徴とするものである。

この装置によれば、レーザ光を発生させる活性層を多数備えた高出力の２以上の半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光は、コリメートレンズによってファスト方向にコリメートされ、光学素子によって合成される。その際に、光学素子によって反射されて、他の半導体レーザモジュールからのレーザ光と合成されるべきレーザ光のうちで、一部のレーザ光が、光学素子を透過してしまい、筐体の内壁面に照射される場合であっても、照射される内壁面がファスト方向に傾斜していることから、レーザ光は、出射されたルートを戻って半導体レーザモジュールの活性層を劣化させることがない。

また、筐体の内壁面が黒色化されている場合は、筐体の内壁面に照射されたレーザ光は、散乱や吸収が促進されることから、一層、半導体レーザモジュールへ戻るレーザ光を少なくすることができるとともに、筐体の内壁面で反射したレーザ光が、まとまったレーザ光線として、筐体内の一定箇所に照射されることがない。

また、レーザ光が照射された筐体の内壁面は場合によっては数百度の高温となって、筐体内部の温度を上昇させ、内部に設置された部品や樹脂等を劣化させることになるが、筐体のレーザ光が照射される内壁面に対応する箇所の筐体壁内に冷却手段を設ける場合は、レーザ光の照射による温度上昇を抑制することができる。

本発明によれば、半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光のうちで、光学素子によって反射されるべきレーザ光の一部が、光学素子を透過して筐体の内壁面に照射されても、内壁面で反射して半導体レーザモジュールに戻って活性層を劣化させることを防止し、信頼性の高い半導体レーザ装置を提供することができる。

以下、図面に基づいて、本発明による半導体レーザ装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。図１は、本発明の半導体レーザ装置１を、鋼板のレーザ溶接に適用した例を示す概念図である。半導体レーザ装置１は、下部レールに適宜の保持部材によって摺動自在に設置され、鋼板S1と鋼板S2との突き合わせ部に沿って、移動しながら集光されたレーザ光によって、鋼板の突き合わせ部を溶接する。半導体レーザ装置１には、半導体レーザモジュール及び筐体壁を冷却するための冷却水流通用のフレキシブルなパイプ、電力を供給するための電力ケーブルが接続されている。冷却水流通用パイプ及び電力ケーブルは、それぞれ、固定的に設置された冷却器及び電源に接続されるとともに、上部レールに、半導体レーザ装置１の側の端部が半導体レーザ装置１の移動に追随可能なように配置されている。

図２は、本発明の実施形態における半導体レーザ装置１の外ケース１１を一部破断した斜視図である。外ケース１１内には、筐体２０がその前面を外部に露出して設置されている。筐体２０のその前面には、レーザ光を外部に出射する鏡筒４０が一体に取り付けられている。筐体２０には、外ケース１１内において、４個の半導体レーザモジュール３０−１〜３０−４（４個を区別しないときは、符号３０のみを用いる。）が取り付けられている。また、外ケース１１には、外部の冷却水流通用パイプと、外ケース１１内の各半導体レーザモジュール３０の冷却部分へのパイプを接続するための冷却水入出口１２が設けられている。また、外ケース１１の底面には、図示しないが、後記の筐体壁に形成される冷却水通路に冷却水を流通させるための冷却水入出口も設けられている。また、外ケース１１には、各レーザモジュール３０に電力を供給するために、外部の電力ケーブルに接続される電源端子１３も設けられている。

筐体２０は、例えば、アルミ合金等で形成され、その内面は、レーザ光の反射をできるだけ防止するために、アルマイトの黒色皮膜が施されている。黒色皮膜の表面は適度の粗面となっていることから、レーザ光の反射を多少とも分散する効果を有している。筐体２０には取り付け用の開口が形成され、そこに半導体レーザモジュール３０−１〜３０−４が取付けられている。

図３は、筐体２０の開口に配置される半導体レーザモジュール３０を示す斜視図である。半導体レーザモジュール３０は、両端の電極３２間に多数の半導体レーザアレイ（以下「ＬＤアレイ」という）３１Ａが積層されたＬＤアレイスタック３１が、板状のフランジ３３に取り付けられて構成されている。各ＬＤアレイ３１Ａは、複数の活性層が図面で横方向に一列に配置された一次元配列のレーザ光出射点を形成している。なお、各活性層の厚さ方向すなわちＬＤアレイ３１Ａの積層方向をファスト方向と称し、ＬＤアレイ３１Ａの活性層の列方向をスロー方向と称する。これらの各ＬＤアレイ３１Ａの間には、冷却用のプレートを挿入しておいてもよい。また、フランジ３３の反対面には、電極３２への接続端子が設けられている。ここで、半導体レーザモジュール３０は、ＬＤアレイスタック３１としているが、所定数の半導体レーザモジュール３０からのレーザ光を合わせた出力が、金属加工等の用途に使用できるものであればよく、ＬＤスタックであってもＬＤアレイであってもよい。フランジ３３のＬＤアレイスタック３１取付面と反対面が、筐体２０の開口を塞いで、筐体２０の外壁の一部を形成するように、各半導体レーザモジュール３０が開口に取り付けられる。

図４は、図２におけるIV−IV断面において外ケース１１を除いた要部の説明図である。すなわち、筐体２０と鏡筒４０との縦断面を示している。図４において、半導体レーザモジュール３０−１〜３０−４が取り付けられた状態では、図３に示した各ＬＤアレイスタック３１は、筐体２０の内面側に位置し、図４の紙面に垂直な方向に沿って、ＬＤアレイ３１Ａが積層されることになり、その方向が、半導体レーザモジュール３０のファスト方向ということになる。図５は、図４のV−V断面図である。この図では、４つの半導体レーザモジュール３０のうちで、１つの半導体レーザモジュール３０−１のレーザ光の光路を例示している。

ここで、各半導体レーザモジュール３０のLDアレイ３１Aから出射されるレーザ光の状態を説明すると、図６に示すように、活性層３１Aaから出射されるレーザ光は、ファスト方向にはβで示すように、３０〜４０度程度の大きな拡がりをし、スロー方向にはαで示すような８〜１０度程度の小さな拡がりである。そのため、各半導体レーザモジュール３０の各LDアレイ３１Aの出射面には、ファスト方向にレーザ光をコリメートするコリメートレンズ５５−１〜５５−４が、図４，図５のように配置される。

図４のとおり、半導体レーザモジュール３０−１と半導体レーザモジュール３０−２とは、ほぼ直交する位置にあり、それらから出射されるレーザ光の光軸にほぼ４５度の角度をもって、ストライプミラー５１が、ホルダによって筐体２０内に設置されている。ストライプミラー５１は、半導体レーザモジュール３０−１及び３０−２におけるLDアレイ３１Aの積層ピッチと同ピッチで積層されるストライプ状のミラーを備えている。一方、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２における各LDアレイ３１Aは、ファスト方向にストライプ状のミラーと同ピッチだけ互いに位置をずらして積層されている。そのため、半導体レーザモジュール３０−２の各LDアレイ３１Aから出射されてコリメートレンズ５５−２によって、ファスト方向にコリメートされたレーザ光は、ストライプミラー５１における各ストライプ状のミラー部分に照射されて反射し、略９０度方向を変える。一方、半導体レーザモジュール３０−１の各LDアレイ３１Aから出射されてコリメートレンズ５５−１によって、ファスト方向にコリメートされたレーザ光は、ストライプミラー５１における各ストライプ状のミラーの間のミラーが形成されていない部分を透過して直進する。これによって、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２からのレーザ光が、ストライプミラー５１により合成されて、１／２波長板５３に入射することになる。１／２波長板は、この合成されたレーザ光の偏光方向を９０度回転させるものである。

半導体レーザモジュール３０−３と３０−４についても、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２について説明したのと同様の関係にあり、それらからのレーザ光は、ストライプミラー５２によって合成されて、ビームスプリッタ５４に入射する。ビームスプリッタ５４は、レーザ光のうちで、P偏光成分とS偏光成分の一方は透過し、他方は反射するものである。そのため、半導体レーザモジュール３０−３と３０−４から出射してストライプミラー５２で合成されたレーザ光は、ビームスプリッタ５４を透過して直進し、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２から出射してストライプミラー５１で合成され、１／２波長板５３によって９０度偏光方向を変えられたレーザ光は、ビームスプリッタ５４によって反射されることによって、両レーザ光は合成されることになる。合成されたレーザ光の鏡筒４０内の光路には、コリメートレンズ５６と集光レンズ５７が配置されており、４個の半導体レーザモジュール３０−１〜３０−４からのレーザ光が合成されて、加工のために集光されたレーザ光が出射可能とされている。ここで、ストライプミラー５１，５２は、同様の機能を有するスリットミラーでもよく、あるいは、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２の間、３０−３と３０−４の間のレーザ光の波長を異ならせておいて、特定の波長のレーザ光を透過し、他の特定の波長のレーザ光を反射するダイクロイックスプリッタとしてもよい。同じく、ビームスプリッタ５４についても、１／２波長板を設置せずに、半導体レーザモジュール３０−１と３０−２の合成レーザ光と、３０−３と３０−４の合成レーザ光との波長を異ならせておいて、ダイクロイックスプリッタとしてもよい。

本実施形態においては、筐体２０の全内壁面又は少なくとも設置された半導体レーザモジュール３０と対面する箇所の内壁面が、半導体レーザモジュール３０のファスト方向に傾斜して形成されている。図５に一例を示すように、半導体レーザモジュール３０−１に、レーザ光を合成する光学素子としてのビームスプリッタ５４、ストライプミラー５１を介して対面する内壁面２１が、当該半導体レーザモジュール３０−１のスロー方向に延びる多数の三角形の凹凸形状とされることで、ファスト方向に傾斜したものとされている。また、同様に図４における半導体レーザモジュール３０−２と対面する内壁面２２も傾斜面とされている。半導体レーザモジュール３０−４と対面する内壁面２３も同様である。

また、これらの内壁面に対応する壁内には、冷却水を流通させるための冷却水通路２４，２５が形成されている。図４では、該当する内壁面２１，２２，２３のうちの内壁面２１，２３の２箇所だけに形成しているが、全ての内壁面に対応する壁内に形成してもよく、特に大きな温度上昇が見込まれる内壁面２１の壁内だけに形成してもよい。内壁面の傾斜についても同様であり、特に漏れによるレーザ光の照射が大きい内壁面２１だけに形成してもよい。図５に示すように、冷却水通路２４，２５は、外部に冷却水が漏れないように冷却水通路カバー２０ａによって端部が塞がれている。また、図示しないが、冷却水通路２４，２５には、冷却器にフレキシブルなパイプを介して接続される冷却水入出口との連結孔が開口しており、冷却水が冷却器との間で環流される。

次に、本実施形態の半導体レーザ装置１の作用について、図５を主にして説明する。半導体レーザモジュール３０−１の各LDアレイ３１Aから出射し、コリメートレンズ５５−１でファスト方向にコリメートされたレーザ光は、ストライプミラー５１によって、同様にコリメートレンズ５５−２でコリメートされた半導体レーザモジュール３０−２からのレーザ光と合成される。次に、１／２波長板５３によって波長偏光方向を９０度変えられて、ビームスプリッタ５４で反射されて、９０度進行方向を変えられ、半導体レーザモジュール３０−３、３０−４からのレーザ光とともに、集光レンズ５７で集光されて外部に出射される。

ところが、ビームスプリッタ５４に入射する全てのレーザ光が、例えばS偏光成分となっていて、ビームスプリッタ５４によって、出射方向に反射されるとは限らない。一部にはP偏光成分等が混入していることもあり、一部のレーザ光は、ビームスプリッタ５４を透過して、筐体２０の内壁面２１に照射される。なお、図４のような配置では、半導体レーザモジュール３０−３，３０−４の合成レーザ光の一部が、ビームスプリッタ５４で反射されて内壁面２１に照射されることもあり得る。そのため、レーザ光の一部は、図５の破線で示すように筐体２０の内壁面２１に直進する。レーザ光は、ファスト方向にコリメートされていることから、内壁面２１が通常のように垂直面（ファスト方向に沿った面）であれば、内壁面２１で反射したレーザ光は、ファスト方向については、来た経路を真直に戻って、半導体レーザモジュール３０−１の各LDアレイ３１Ａの活性層を劣化させることになる。ここで、本実施形態では、図５のように、内壁面２１は、断面３角形の凹凸形状とされ、ファスト方向に傾斜した面となっていることから、ファスト方向に傾斜角度をもって反射されることになり、ＬＤアレイ３１Ａに戻ることを防止できる。ここで、傾斜の角度は、１度以上が好ましい。これ以下の傾斜では、傾斜面として機能して反射光のＬＤアレイへの戻りを防止するのに十分ではない。さらに十分な傾斜角度としては、５度以上が好ましい。

また、本実施形態においては、内壁面２１〜２３を含め、アルミ合金製の筐体２０の内壁面には、レーザ光をできるだけ吸収するようにアルマイトの黒色被膜を施しており、黒色被膜は同時に粗面化もされていることから、吸収を大きくするとともに反射光についてもできるだけ散乱するようにされている。このような黒色被膜を施しただけでは、反射したレーザ光のＬＤアレイ３１Ａへの戻りを十分に防止することはできないものの、傾斜した内壁面へ照射されるレーザ光の反射をできるだけ吸収し、反射光の散乱についても傾斜面の作用を補助している。なお、黒色皮膜に替えて、表面を薬液によって粗面化するとともに黒化処理を施した銅板をアルミ合金製の筐体２０内壁面に貼着することも採用され得る。

以上は、半導体レーザモジュール３０−１から内壁面２１に至る経路を示す図５を例にとって説明したが、他の箇所においても同様であり、例えば、半導体レーザモジュール３０−２から出射しコリメートレンズ５５−２でファスト方向にコリメートされたレーザ光のうちで、ストライプミラー５１によって反射されずに、透過して直進したレーザ光は、内壁面２２が図５の内壁面２１と同じように傾斜されていることから、半導体レーザモジュール３０−２のＬＤアレイ３１Ａへの戻りを防止できる。ここで、ストライプミラー５１（スリットミラーの場合も同じ）は、図５の例で説明したビームスプリッタ５４とは反射・透過の機構は異なり、ミラーの存在する部分では反射し、ミラーの存在しない部分では透過する。そのため、半導体レーザモジュール３０−２の各ＬＤアレイ３１Ａからのレーザ光が、ストライプミラー５１のミラー部分で反射されるように位置合わせされているにしても、その誤差のために、一部のレーザ光が、ストライプミラー５１のミラーの存在しない部分を透過してしまうものである。

次に筐体２０の冷却について説明する。本実施形態における半導体レーザ装置１は、金属加工等に使用されるものであることから、４〜５ＫＷというような高出力が要求されることもある。したがって、レーザ光のうちで、光学素子５１、５２、５４で反射されるべきものが透過する割合が小さな値であっても、筐体２０の内壁面２１〜２３に照射されるレーザ光のエネルギーは相当のものであり、しかも、内壁面に黒色皮膜を施している場合には、エネルギー吸収も高いものとなり、筐体２０の内壁面が局所的に３００℃以上の温度にも上昇することがある。そして、このような温度上昇により、筐体２０が変形すると、そこに設置している半導体レーザモジュール３０や各光学素子の位置に狂いを生じ、レーザ光の光路長を変化させる等の障害を生じる。また、筐体２０内の雰囲気温度も上昇することから、部品の固定に使用されている接着剤や半田、設置された部品自体の劣化を引き起こす。特に、半導体レーザモジュール３０の発光部分での湿度をモニタするために設置されている湿度センサのリードの樹脂被覆が劣化する障害を生じる。

そのため、本実施形態においては、特に、図５に明確に示すように、筐体２０の前記内壁面２１〜２３に対応する箇所の筐体２０壁内には冷却水通路２４，２５を形成している。冷却水は、外部の冷却器からパイプによって半導体レーザ装置１の底面の冷却水入口に導入され、図示しない配管によって各冷却水通路２４，２５を流通して、筐体２０の壁部を冷却した後、図示しない配管によって半導体レーザ装置１の底面の冷却水出口から排出され、パイプによって冷却器に戻される。

以上のように、本実施形態においては、レーザ光の光学素子での漏れにより照射を受ける筐体２０内壁面２１〜２３に傾斜を形成するという簡単な構成により、レーザ光が半導体レーザモジュール３０のＬＤアレイに戻り活性層を劣化させることを防止できる。また、内壁面２１〜２３には黒色被膜を施す等で黒色化及び粗面化していることで、傾斜面によるレーザ光の戻り防止をさらに確かなものとできる。さらに、レーザ光が照射されて温度が上昇することを、冷却水による冷却によって抑制することができる。

本実施形態においては、内壁面２１〜２３の傾斜は、図５のように多数の三角形の凹凸形状としているため、反射したレーザ光を、ファスト方向の両側にほぼ均等に分散することができる。また、反射したレーザ光が半導体レーザモジュール３０のＬＤアレイに戻るのをより確実に防止するために傾斜角度を大きくした（三角形が２等辺が長い尖った形状となる）場合であっても、筐体２０全体のスペースが特段に大きくなることがない。

しかし、本発明における筐体２０の内壁面２１〜２３の傾斜の形状については、これに限ることなく、図７に示す形状やその他の変形であってよい。図７の（Ａ）（Ｂ）のように、ファスト方向のどちらかに傾斜する１つの傾斜面とした場合は、製造が容易になる。（Ｃ）（Ｄ）のように少ない数の三角形状とした場合は、反射したレーザ光をファスト方向の両側にほぼ均等に分散させることができるとともに、スペースもそれほど必要とせず、製造も比較的容易である。（Ｅ）のように、多数の三角形でかつ一方の辺を長くした凹凸形状とした場合は、図５の実施形態とほぼ同様であるが、さらに、ファスト方向の一方側（図では上側）に多く反射を偏らせることができる。（Ｆ）（Ｇ）に示すように、（Ａ）（Ｂ）の傾斜に、図５又は（Ｅ）の図の多数の三角形状を組み合わせることもでき、この場合、レーザ光の照射される面積を大きくすることができる。そして、いずれの場合においても、ファスト方向に対する傾斜角度は、図５の場合と同様に、１度以上、さらには５度以上が好ましい。傾斜角度の上限値は、傾斜態様によって、スペース効率を特に悪化させないことや製造効率を考慮して決定できる。

また、本実施形態においては、内壁面２１〜２３に対応する壁面に設ける冷却手段は、冷却水通路２４，２５としたが、例えば、ペルチェ素子を用いた電子冷却、ヒートパイプ等であってもよい。また、使用対象も、レーザ溶接やレーザ切断等の金属加工に限らず、高出力の半導体レーザ装置を必要とされるものに適用可能なことはいうまでもない。

本発明の半導体レーザ装置１を鋼板の溶接ラインに使用した例を示す概念図である。 本発明の実施形態における半導体レーザ装置１の外ケースを一部破断した斜視図である。 本発明の実施形態における半導体レーザモジュール３０を示す斜視図である。 図２におけるIV−IV断面において外ケース１１を除いた要部の説明図である。 図４のV−V断面図である。 LDからの出射光の状態の説明図である。 本発明における筐体２０の内壁面の傾斜面についての他の形態を示す図である。

符号の説明

１‥半導体レーザ装置、１１‥外ケース、１２‥冷却水入出口、１３‥電源端子、２０‥筐体、２０ａ‥冷却水通路カバー、２１、２２、２３‥筐体の内壁面の傾斜面、２４、２５‥冷却水通路、３０‥半導体レーザモジュール、３１‥ＬＤアレイスタック、３１A‥ＬＤアレイ、３１Aa‥活性層、３２‥電極、３３‥フランジ、４０‥鏡筒、５１、５２‥ストライプミラー、５３‥１／２波長板、５４‥ビームスプリッタ、５５‥コリメートレンズ、５６‥コリメートレンズ、５７‥集光レンズ

Claims (3)

1. 複数の活性層がスロー方向に一列に配置された半導体レーザアレイから構成される半導体レーザモジュールであって、少なくとも２以上が配置された前記半導体レーザモジュールと、
   前記半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光をファスト方向にコリメートするコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズからのレーザ光のうちで、少なくとも１の前記半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光を透過し、他の少なくとも１の前記半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光を反射することにより、両レーザ光を合成する光学素子と、
   前記半導体レーザモジュール、前記コリメートレンズ及び前記光学素子を内部に配置する筐体とを備え、
   前記光学素子を介して前記半導体レーザモジュールと対面する前記筐体の内壁面を少なくとも前記ファスト方向に傾斜させたことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記筐体の前記内壁面は、黒色化されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記筐体の前記内壁面に対応する箇所の筐体壁内に冷却手段を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。

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