JP6058166B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の発光点からの光線を、外部共振器構成にて波長分散を有する光学素子によって波長重畳した半導体レーザ装置に関するものである。

従来の半導体レーザ装置では、異なる発光点同士で成立する外部共振器光路による発振（以下、「クロスカップリング」という）を抑制するために、外部共振器の波長分散素子と部分反射ミラーとの間に空間フィルター（Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒ）を挿入していた（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

米国特許第０６１９２０６２号 米国特許出願公開第２０１３／０２０８３６１号 国際公開第２０１４／０８７７２６号

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１の半導体レーザ装置では、空間フィルターに用いるレンズの収差やロスによる、レーザパワーや集光性の低下という問題が生じる。また、レンズを用いない空間フィルター（スリットなど）を用いる場合でも、求めている正規の発振とクロスカップリングの分離が困難である。この結果、クロスカップリング抑制が不十分となるか、正規の発振まで抑制してしまうという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、外部共振器に空間フィルター等の光学素子を新たに追加設置することなく、レーザパワーや集光性の低下なしに効率良くクロスカップリング発振を抑制することができる半導体レーザ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体レーザ装置は、波長が異なる複数のビームを出射する半導体レーザと、半導体レーザから出射される複数のビームを空間的に重畳する結合光学系と、重畳された複数のビームを波長分散によって一本のビームに重畳する波長分散素子と、一本のビームの一部を反射させて波長分散素子に戻す部分反射ミラーとを備えて構成される外部共振器を有する半導体レーザ装置であって、一本のビームが波長分散時に複数に分離する方向の波長分散素子の幅を波長分散素子幅とし、正規発振が成立しているときのビームを正規発振ビームとするときに、波長分散素子幅は、正規発振ビームの幅と同じ大きさである。

この発明によれば、正規発振の光路とクロスカップリングの光路が最も空間的に分離される波長分散素子の幅を正規発振のビームの幅と同じ大きさとすることにより、正規発振のビームからクロスカップリング発振のビームを除去している。この結果、外部共振器に空間フィルター等の光学素子を新たに追加設置することなく、レーザパワーや集光性の低下なしに効率良くクロスカップリング発振を抑制することができる半導体レーザ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の例を示す第１の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の例を示す第２の概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る正規発振時の波長スペクトルを示す。 本発明の実施の形態１に係るクロスカップリング発振を説明するための概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係るクロスカップリング発振が起きている場合の波長スペクトルを示す。 本発明の実施の形態１に係る波長分散素子上の正規発振ビームの強度分布のグラフを示す。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す概略構成図である。

以下、この発明における半導体レーザ装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ装置の例を示す概略構成図である。具体的には、図１は、１つの半導体レーザ１の発光点２ａ、２ｂからの光を、波長分散素子６の波長分散を用いて、一本のビームに重畳する構成を示している。また、図２は、複数の半導体レーザ１ａ、１ｂの発光点２ａ、２ｂからの光を、波長分散素子６の波長分散を用いて、一本のビームに重畳する構成を示している。

図１では、半導体レーザ１の発光点２ａ、２ｂの光出射側面と反対側の面と、部分反射ミラー７とによりレーザ共振器が構成されている。ここで、半導体レーザ１は、通常は、上記の共振器以外にも、発光点２ａ、２ｂ自体が共振器となっているが、以下では、これら２種類の共振器を区別するために、部分反射ミラー７と発光点２ａ、２ｂとで構成される方の共振器を外部共振器と呼ぶことにする。

なお、図１では、簡単のために、２つの発光点２ａ、２ｂを有する１つの半導体レーザ１の例を示している。しかしながら、本実施の形態１の半導体レーザ装置は、このような構成に限定されるものではない。例えば、半導体レーザ１の個数は、２以上でもよい。

また、半導体レーザ１として、複数の発光点２を有する半導体レーザバーの場合以外にも、図２に示すように、各半導体レーザ１ａ、１ｂが各々１つの発光点２ａ、２ｂを有する、いわゆる、シングルエミッター半導体レーザの場合でも同様に、以下で述べるように、複数の発光点２ａ、２ｂからの光を一本のビームに重畳することが可能である。以下、図２に基づいて説明する。

図２では、実際には、外部共振器内でビームが往復しているが、まず、発光点２ａ、２ｂから部分反射ミラー７に向かう方向のビームの伝播について説明する。

半導体レーザ１ａ、１ｂの発光点２ａ、２ｂから発生されるビームは、発散しながら出射される。ビーム並行化光学系３ａ、３ｂは、外部共振器のモードとカップリングさせるために、半導体レーザ１ａ、１ｂから発生するビームをほぼ平行化させる。

ビーム並行化光学系３ａ、３ｂは、円筒レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラー、または、これらの組み合わせを用いることができる。一般的には、半導体レーザ１ａ、１ｂから発生する光の発散角は、異方性があり、紙面に垂直な方向と紙面内の方向とでは発散角が異なる。したがって、ビーム並行化光学系３ａ、３ｂとしては、複数枚のレンズまたは曲率ミラーを組み合わせて用いることが望ましい。

ビーム並行化光学系３ａ、３ｂによってほぼ平行化された２本のビームは、ミラー４ａ、４ｂによって結合光学系５の方向に向きを変えられる。なお、図２ではミラー４ａ及び４ｂを用いてビームの向きを変えたが、図１のようにミラーがない場合もあり得る。

発光点２ａ、２ｂからの２本のビームは、結合光学系５によって、波長分散素子６上に空間的に重畳される。なお、図２では、結合光学系５が１枚のレンズで構成されている例を示しているが、結合光学系５は、円筒レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、曲率を有するミラー、または、これらの組み合わせを用いることが出来るし、ビーム並行化光学系３の配置を工夫することで、結合光学系５とすることも可能である（例えば、特許文献３参照）。

波長分散素子６は、反射型回折格子、透過型回折格子、プリズム、回折格子とプリズムを組み合わせた素子（グリズム）を用いることが出来る。波長分散素子６は、波長分散が大きい、すなわち、異なる波長のビームを入射した際に回折角または屈折角の違いが大きいほうが、省スペースで複数の半導体レーザ１ａ、１ｂからのビームを重畳することが出来る。このため、プリズムよりは回折格子を使用することが望ましい。

異なる発光点２ａ、２ｂからの光が、ある特定の異なる波長であるときには、波長分散素子６の波長分散特性、すなわち、波長によって回折角または屈折角が変化する特性によって、入射した複数のビームは、一本のビームとして重畳される。

一本のビームに重畳されたビームは、部分反射ミラー７に向けて出射される。部分反射ミラー７に照射されたビームは、一部は透過し、レーザパワーとして取り出され、残りの一部は反射される。反射されたビームは、発光点２ａ、２ｂから部分反射ミラー７へ向かうビームと同じ経路で逆向きに伝播する。そして、反射されたビームが、半導体レーザ１ａ、１ｂの発光点２ａ、２ｂに入射して、半導体レーザ１ａ、１ｂの発光点２ａ、２ｂの後ろ側端面まで戻ると、外部共振器が成立する。このような外部共振器を成立させるためには、部分反射ミラー７、波長分散素子６、結合光学系５、ミラー４ａ、４ｂ、ビーム並行化光学系３ａ、３ｂの位置や角度を適性に調整する必要がある。

この外部共振器が成立している状態では、部分反射ミラー７と波長分散素子６の間は、一本の光軸となっており、一方、波長分散素子６と発光点２ａ、２ｂとの間は、波長分散素子６と発光点２ａとを結ぶ光軸と、波長分散素子６と発光点２ｂとを結ぶ光軸との、二本の異なる光軸となっている。これらの光軸が成り立つように、各々の発光点２ａ、２ｂによるレーザ発振波長は、自動的に決定される。

すなわち、外部共振器が成立している時には、図２において、正規発振光軸８で示した光軸で共振器が成立するように、自動的に発光点２ａ、２ｂの発振波長が決定され、その波長は、各々異なる波長となる。以下、この発振のことを、正規発振と呼ぶことにする。

図３は、本発明の実施の形態１に係る正規発振時の波長スペクトルを示す。この正規発振においては、発光点２ａ、２ｂからの二本のビームが重畳され、一本のビームとして部分反射ミラー７から出射されている。この結果、ビームの輝度を約２倍にすることができる。半導体レーザ１ａ、１ｂ及び発光点２ａ、２ｂの数を増加させると、更にビームの輝度を向上させることが可能である。

一方で、図２の正規発振が成立するように外部共振器内の各光学素子を調整したとしても、望ましくないレーザ発振が起こり得る。このような、望ましくないレーザ発振は、後述するように、異なる発光点２ａ、２ｂを結合（カップリング）することにより発振することから、以下では、クロスカップリング発振と呼ぶことにする。

図４は、本発明の実施の形態１に係るクロスカップリング発振を説明するための概略構成図である。この図４を用いてクロスカップリング発振について説明する。図４おいては、クロスカップリング発振の光軸を点線のクロスカップリング光軸１０として示した。また、正規発振の光軸を実線の正規発振光軸８として示した。

正規発振光軸８は、波長分散素子６上で一箇所であり、部分反射ミラー７には垂直に入射する。一方、クロスカップリング光軸１０は、波長分散素子６上に於いて、一箇所には集まっておらず、また、部分反射ミラー７に対しても垂直ではなく斜め入射している。

クロスカップリング光軸１０は、発光点２ａ、２ｂにおいても斜めに入射することになるが、発光点２ａ、２ｂからはある程度の角度幅をもってビームが発生し得るため、斜めに入射したクロスカップリング光軸１０でも外部共振器が成立する。

このとき、発光点２ａから出射したビームは、部分反射ミラー７で一部が反射され、発光点２ｂに入射する。また、発光点２ｂから出射したビームは、部分反射ミラー７で一部が反射され、発光点２ａに入射する。このように、２つの発光点２ａと発光点２ｂとの間で相互にビームが入射、出射する光路にて外部共振器が成立する。

図５は、本発明の実施の形態１に係るクロスカップリング発振が起きている場合の波長スペクトルを示す。図５に示すように、クロスカップリング発振による発振波長は、正規発振における発光点２ａ及び発光点２ｂの発振波長の中間の波長となる。

また、図４に示すように、正規発振光軸８は、部分反射ミラー７上に垂直に入射する１本の光軸であるのに対して、クロスカップリング光軸１０は、部分反射ミラー７上で斜めである。このように、進行方向の異なるクロスカップリング発振のビームが混じることによって、外部共振器から発生するビームの集光性が低下してしまう。

外部共振器において、クロスカップリングが発生しているかどうかは、外部共振器パワーの波長スペクトルを見れば分かる。クロスカップリングが発生せず、正規発振のみとなっている時には、波長スペクトルのピークの個数は、外部発振器に含まれる発光点２の個数と一致する。

そこで、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、クロスカップリング発振を抑制するために、図１及び図２に示すように、波長分散素子６の幅を、波長分散素子６上の正規発振ビーム９の幅と等しくなるよう設定している。

ここで、波長分散素子６の幅とは、図１及び図２において、長方形で示された波長分散素子６の長辺方向の大きさのことである。すなわち、一本のビームが波長分散時に二本に分離する方向の波長分散素子６の幅のことである。更に言い換えると、波長分散素子６の光を受ける面の、波長分散を有する面内（図１及び図２において紙面を含む面）での幅である。紙面と垂直な方向の大きさは、正規発振ビーム９を受けるのに十分な大きさであれば良く、大きすぎても外部共振器動作に悪影響を及ぼすことはない。

図６は、本発明の実施の形態１に係る波長分散素子６上の正規発振ビーム９の強度分布のグラフを示す。図６の横軸は、波長分散素子６の幅方向の位置である。波長分散素子６上の正規発振の強度分布は、図６のように中央が強いガウシアン形状に近い釣鐘状である。

図６では、正規発振のビーム強度のうち、波長分散素子６に照射される部分を、色（グレー）を付けて示した。波長分散素子６の幅の目安としては、この色を付けて示した波長分散素子６に照射されるパワーが、正規発振のビームのパワー全体の９５％以上、より好ましくは９９％以上となるように設定する。波長分散素子６がこれより小さいと、正規発振に対するロスが増加し、外部共振器から発生するレーザパワーの低下が顕著になる。

一方で、波長分散素子６が大きすぎると、クロスカップリング発振のビームも十分に波長分散素子６において受光され回折されることが可能であり、外部共振器内でクロスカップリング発振出来るようになるため、クロスカップリング発振の抑制効果が低下する。すなわち、波長分散素子６の幅の上限の目安は、正規発振のビームパワー全体の９９％が含まれる幅×１．１倍であり、波長分散素子６の幅をこれ以上大きくすると、クロスカップリング発振の抑制効果が低下する。

正規発振のロスを低減するためには、正規発振光軸８を波長分散素子６上で良好にオーバラップさせることが必要である。ミラー４ａ、４ｂがないと、波長分散素子６での正規発振光軸８のオーバラップ具合は、半導体レーザ１ａ、１ｂの設置精度で決定されるため、良好なオーバラップを得ることは困難である。したがって、ミラー４ａ、４ｂを共振器中に設置して、ビーム並行化光学系３ａ、３ｂの位置及びミラー４ａ、４ｂの向きを調整することで、正規発振光軸８を波長分散素子６上で良好にオーバラップさせることが出来る。

半導体レーザ１が、シングルエミッター半導体レーザや、半導体レーザバーであるときは、正規発振は回折限界に近いビームである。正規発振ビーム９の波長分散素子６上のビーム波形に関しては、光線追跡及び波動計算を用いて算出することが可能である。

図４で示したように、外部共振器中でクロスカップリング光軸１０と正規発振光軸８が空間的に最も離れるのは、波長分散素子６上である。したがって、両者が最も離れる場所で、クロスカップリング発振のビームと正規発振のビームとを選択することにより、正規発振のロスを増加させること無く効果的にクロスカップリングを抑制することが出来る。

一方で、従来技術のように外部共振器中に空間フィルターを設置すると、クロスカップリング光を選択的に遮断するための遮蔽構造（開口やスリット）によって散乱した光が、発光点２ａ、２ｂに戻って発光点２ａ、２ｂ内で増幅され、破損の原因になることがある。また、空間フィルター用のレンズとしては、収差が大きい短焦点距離レンズを用いる必要があり、外部共振器中に挿入されたレンズの収差によって、正規発振のビーム品質の悪化やパワー低下が発生することがあった。

以上のように、実施の形態１によれば、正規発振の光路とクロスカップリングの光路が最も空間的に分離される波長分散素子の幅を正規発振のビームの幅と同じ大きさとする構成を備えている。この結果、外部共振動作を乱して正規発振のビーム品質悪化やパワー低下の原因となる光学素子や遮蔽物を外部共振器内に設置することなく、効率的にクロスカップリング発振を抑制して、複数の発光点からのビームを重畳できる。このため、高輝度のレーザパワーを得ることが出来るという顕著な効果を奏するものである。

実施の形態２．
本実施の形態２では、複数の外部共振器が、１つの部分反射ミラー７を共有する構成について説明する。このような構成により、コストを抑えて、容易にビームを光ファイバ等に導光することができるようになる。

図７は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示す概略構成図である。本実施の形態２の半導体レーザ装置は、先の実施の形態１の半導体レーザ装置を折り返して隣接させて２つ組み合わせた形をしている。

ここでは、先の実施の形態１の半導体レーザ装置を基本モジュールと呼ぶことにする。図７に示す半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、発光点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、ビーム並行化光学系３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、ミラー４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、結合光学系５、および、波長分散素子６の機能は、先の実施の形態１と同様である。

図７では、２つの基本モジュールが鏡面対象に設置されている。ここで、各半導体レーザ装置は、先の実施の形態１の場合と同数の各光学素子を有するが、外部共振器の一端を構成する部分反射ミラー７については、２つの基本モジュールで共有されている。なお、基本モジュールの数は、３以上とすることも可能である。

また、本実施の形態２においても、先の実施の形態１と同様に、波長分散素子６の幅は、波長分散素子６上の正規発振ビーム９の幅とほぼ同じ大きさに設定する。従って、図７に示すように、２つの基本モジュールを近接させて設置することが可能である。この結果、左側の基本モジュールから発生するビームと、右側の基本モジュールから発生するビームとの隙間をほとんどなくすることが可能である。

半導体レーザ装置をレーザ加工に用いる際には、ビームを光ファイバに入射させて加工対象の近くまで導光することが多い。そこで、本実施の形態２では、部分反射ミラー７から出射した隙間のない二本のビームを、集光レンズ１１を用いて光ファイバ１２に導光している。

このような構成により、ビームの集光性は、基本モジュールの２倍に悪化するが、パワーは２倍となる。すなわち、輝度は変化せず、パワーを２倍にすることが出来る。一方、従来技術においては、複数のモジュールからのビームを光ファイバに導光するためには、集光レンズの他に、基本モジュールから発生したビームを隣接させるミラーやレンズなどといった光学系が必要であった。

以上のように、実施の形態２によれば、２つの基本モジュールを鏡面対象に設置し、１つの部分反射ミラーを共有する構成を備えている。この結果、２つの基本モジュールからのビームを隣接させるための光学系を新たに追加することなく、一本の光ファイバに導光出来るのみならず、部分反射ミラーを２つの基本モジュールで共有できる。また、光学素子を削減することにより、半導体レーザの製造コスト削減と安定性向上、効率向上という顕著な効果を奏するものである。

実施の形態３．
本実施の形態３では、正規発振ビーム９のうち波長分散素子６の幅外に照射されて波長分散素子６の後方に漏れるビームのパワーを検出することにより、外部共振器の状態をモニタリングする構成について説明する。

図８は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示す概略構成図である。図８に示す本実施の形態３の半導体レーザ装置は、先の実施の形態２の図７と比較して、波長分散素子６の後方にビームセンサ１３を更に備えている点が異なっている。その他の構成は図７と同じである。

図８に示す本実施の形態３の波長分散素子６は、正規発振ビーム９のパワー全体の９５．０％以上かつ９９．５％以下が、波長分散素子６の幅内に照射されるようにその幅が設定されている。すなわち、正規発振ビーム９のパワーの０．５％〜５．０％のパワーは、波長分散素子６の幅外に照射されて波長分散素子６の後方に漏れることとなる。本実施の形態３では、このはみ出した正規発振ビーム９のパワー値を、波長分散素子６の後方に備えたビームセンサ１３を用いて検出することにより、外部共振器の状態、すなわち外部共振器が正常なパワーを発生しているかをモニタリングする。

ビームセンサ１３としては、単一のフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサを用いることが出来る。単一のフォトダイオードを用いる場合には、外部共振器のパワー低下のみを検出できる。また、フォトダイオードアレイ、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサを用いて、空間分布を検出する場合には、複数の半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのうちの、どの半導体レーザ１のパワーが低下しているかを検出することが可能である。

半導体レーザ装置をレーザ加工機として用いる場合には、加工品質を一定に保つためにレーザパワーをモニタリングする必要があるが、このような本実施の形態３の構成によれば、外部共振器におけるレーザパワーをモニタリングできるとともに、レーザパワーが低下した際には、容易に原因の特定および復旧を行うことが可能である。

具体的には、例えば、光ファイバ１２に導光後のレーザパワーが低下しているときには、半導体レーザ装置のモニタリング部（図示せず）は、ビームセンサ１３が検出する外部共振器におけるレーザパワーと、光ファイバ１２に導光後のパワーとを比較することにより、光ファイバ１２が損傷しているのか、あるいは外部共振器におけるレーザパワーが低下しているのかを切り分けることができる。

更に、外部共振器のレーザパワーが低下している場合は、前述のように、ビームセンサ１３が検出するビームのパワーの空間分布を検出することにより、どの半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのパワーが低下しているのかについても特定することが可能である。

以上のように、実施の形態３によれば、正規発振ビームのうち波長分散素子幅外に照射されて波長分散素子の後方に漏れるビームのパワーを検出するビームセンサを、波長分散素子の後方に更に備えている。この結果、ビームセンサが検出する波長分散素子幅外に照射されるビームのパワー値に基づいて外部共振器の状態をモニタリングすることができるので、レーザパワー低下時の復旧が容易になるという顕著な効果を奏することができる。

なお、図８では、先の実施の形態２の図７の構成に対して更にビームセンサ１３を備えた例を示したが、本実施の形態３はこのような構成に限定されるものではない。例えば、先の実施の形態１の図１及び図２に対して、更にビームセンサ１３を備えた構成によっても同様の効果を得ることが可能である。

Claims (4)

1. 波長が異なる複数のビームを出射する半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される前記複数のビームを空間的に重畳する結合光学系と、重畳された前記複数のビームを波長分散によって一本のビームに重畳する波長分散素子と、前記一本のビームの一部を反射させて前記波長分散素子に戻す部分反射ミラーとを備えて構成される外部共振器を有する半導体レーザ装置であって、
   前記一本のビームが波長分散時に複数に分離する方向の前記波長分散素子の幅を波長分散素子幅とし、正規発振が成立しているときの前記ビームを正規発振ビームとするときに、前記波長分散素子幅は、前記正規発振ビームの幅と同じ大きさである
   半導体レーザ装置。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   複数の前記外部共振器が、１つの前記部分反射ミラーを共有している
   半導体レーザ装置。
3. 請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
   前記波長分散素子幅は、前記波長分散素子に照射される前記ビームのパワーが、前記正規発振ビーム全体のパワーの９５％以上となるように設定される
   半導体レーザ装置。
4. 請求項１または２に記載の半導体レーザ装置において、
   前記波長分散素子幅は、前記波長分散素子に照射される前記ビームのパワーが、前記正規発振ビーム全体のパワーの９５．０％以上かつ９９．５％以下となるように設定され、
   前記波長分散素子の後方に備えられて、前記正規発振ビームのうち前記波長分散素子幅外に照射されて前記波長分散素子の後方に漏れるビームのパワーを検出するビームセンサと、
   前記ビームセンサが検出する前記波長分散素子幅外に照射される前記ビームのパワー値に基づいて前記外部共振器の状態をモニタリングするモニタリング部と、
   を更に有する
   半導体レーザ装置。

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