JP6267773B1 - レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも平均装置寿命が長いレーザモジュールを実現する。【解決手段】レーザモジュール（１）は、複数のレーザダイオード（ＬＤ１〜ＬＤ６）と光ファイバ（ＯＦ）とを備え、各レーザダイオード（ＬＤｉ）から出力されたレーザ光を光ファイバ（ＯＦ）に入力する。複数のレーザダイオード（ＬＤ１〜ＬＤ６）は、光ファイバ（ＯＦ）から出射された戻光を構成する光線のうち、出射角が０°となる光軸光線が各レーザダイオード（ＬＤｉ）の出射端面において該レーザダイオード（ＬＤｉ）の活性層と交わらないように、空間的にクラスタ化されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザダイオードと光ファイバとを備えたレーザモジュールに関する。

ファイバレーザの励起光源として、複数のレーザダイオードと光ファイバとを備えたレーザモジュールが広く用いられている。このようなレーザモジュールにおいては、複数のレーザダイオードから出力されたレーザ光が光ファイバに入力される。このようなレーザモジュールを用いることによって、単一のレーザダイオードからは得ることのできないハイパワーなレーザ光を得ることができる。

従来のレーザモジュールとしては、図５に示すレーザモジュール５（特許文献１参照）や図６の示すレーザモジュール６（特許文献２参照）などが代表的である。図５に示すレーザモジュール５では、７個のレーダダイオードＬＤ１〜ＬＤ７から出力されたレーザ光を、７個の２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ７を用いて光ファイバＯＦに導いている。一方、図６に示すレーザモジュール６では、７個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７から出力されたレーザ光を、７個の単ミラーＳＭ１〜ＳＭ７を用いて光フィアバＯＦに導いている。何れのレーザモジュールにおいても、各レーザダイオードから出力されるレーザ光の約７倍のパワーを有するレーザ光を得ることができる。

特許第５７１７７１４号公報（登録日：２０１５年３月２７日） 特開２０１３−２３５９４３号公報（公開日：２０１３年１１月２１日）

しかしながら、従来のレーザモジュール５，６においては、中央のレーザダイオードＬＤ４の故障発生率が高く、これにより平均装置寿命が短くなるという問題が生じ得ることを、本願発明者は見出した。そして、このような問題が生じる原因は、レーザモジュール５，６をファイバレーザに接続したときに生じる戻光にあることを、本願発明者は見出した。

すなわち、ファイバレーザにおいて、レーザモジュール５，６から出力されたレーザ光は、増幅用光ファイバに添加された希土類元素の励起に利用されるが、希土類元素の励起に利用されずに残ったレーザ光は戻光としてレーザモジュール５，６に再入射する。また、増幅用光ファイバにおいて希土類元素から誘導放出されたレーザ光の一部も、戻光としてレーザモジュール５，６に入射する。さらに、ファイバレーザから出力されたレーザ光が加工対象物に反射されることにより生じる反射光も、戻光としてレーザモジュール５，６に入射することがある。また、これらのレーザ光に起因する誘導ラマン散乱により生じるストークス光も、戻光としてレーザモジュール５，６に入射することがある。

これらの戻光は、レーザモジュール５、６において、光ファイバＯＦから出射され、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ７に入射する。光ファイバＯＦから出射される戻光は、ガウシアンビームになるため、中央のレーザダイオードＬＤ４に入射する戻光の強度は、他のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３，ＬＤ５〜ＬＤ７に入射する戻光の強度よりも大きくなる。このため、中央のレーザダイオードＬＤ４の故障発生率が高くなり、その結果、レーザモジュール５，６の平均装置寿命が短くなる。特に、増幅用光ファイバにおいて希土類元素から誘導放出されたレーザ光は、伝播角が狭い角度範囲に分布するため、中央のレーザダイオードＬＤ４の故障発生率を上昇させる要因となりやすい。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも平均装置寿命が長いレーザモジュールを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザモジュールは、複数のレーザダイオードと光ファイバとを備え、上記複数のレーザダイオードの各々から出力されたレーザ光を上記光ファイバに入力するレーザモジュールであって、上記複数のレーザダイオードは、上記光ファイバから出射された戻光を構成する光線のうち、出射角が０°となる光軸光線が各レーザダイオードの出射端面において該レーザダイオードの活性層と交わらないように、空間的にクラスタ化されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記複数のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度（各レーザダイオードに入射する戻光の強度のなかで値が最も大きい強度）を、従来よりも小さくすることができる。このため、上記複数のレーザダイオードの最大故障発生率（各レーザダイオードの故障発生率のなかで値が最も大きい故障発生率）を、従来よりも低くすることができ、その結果、上記レーザモジュールの平均装置寿命を、従来よりも長くすることができる。

本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記複数のレーザダイオードは、上記光ファイバから出射された戻光を構成する光線のうち、上記光ファイバからの出射角θが下記の式（Ａ）により与えられるθ１以下となる近軸光線が各レーザダイオードの出射端面において該レーザダイオードの活性層と交わらないように、空間的にクラスタ化されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記複数のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度を、従来の１／２以下にすることができる。このため、上記複数のレーザダイオードの最大故障発生率を更に低くすることができ、その結果、上記レーザモジュールの平均装置寿命を更に長くすることができる。

本発明に係るレーザモジュールにおいて、上記複数のレーザダイオードは、特定の線分又は円弧上に各レーザダイオードの出射端面が並ぶように、かつ、異なるクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオード同士の間隔が同じクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオード同士の間隔よりも広くなるように、配置されている、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記複数のレーザダイオードをばらばらに配置する場合（例えば、一部のレーザダイオードを光軸光線の右側に配置し、残りのレーザダイオードを光軸光線の左側に配置する場合）と比べて、上記複数のレーザダイオードの配置に要するスペースを少なくすることができ、その結果、上記レーザモジュールの装置サイズを小さくすることができる。

本発明に係るレーザモジュールが２Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを備えている場合、上記２Ｍ個のレーザダイオードは、上記特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋１}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、…、ｘ_Ｎ上に各レーザダイオードの出射端面の中心が位置するように配置されている、ことが好ましい。

上記の配置は、上記Ｎ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ個の点上に各レーザダイオードの出射端面の中心が位置する_ＮＣ_２Ｍ通りの配置のなかで、上記２Ｍ個のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度が最も小さくなる配置である。すなわち、上記の構成によれば、上記レーザモジュールの平均装置寿命を他の配置を採用した場合よりも長くすることができる。

本発明に係るレーザモジュールが２Ｍ−１個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを備えている場合、上記２Ｍ−１個のレーザダイオードは、上記特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ−１個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋３}、…、ｘ_Ｎ上に各レーザダイオードの出射端面の中心が位置するように配置されている、ことが好ましい。

上記の配置は、上記Ｎ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ−１個の点上に各レーザダイオードの出射端面の中心が位置する_ＮＣ_２Ｍ−１通りの配置のなかで、上記２Ｍ−１個のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度が最も小さくなる配置である。すなわち、上記の構成によれば、上記レーザモジュールの平均装置寿命を他の配置を採用した場合よりも長くすることができる。

上記の課題を解決するために、本発明に係るレーザモジュールは、複数のレーザダイオードと光ファイバとを備え、上記複数のレーザダイオードの各々から出力されたレーザ光を上記光ファイバに入力するレーザモジュールにおいて、上記複数のレーザダイオードは、上記光ファイバから出射された戻光を構成する光線のうち、上記光ファイバからの出射角θが下記の式（Ａ）により与えられるθ１以下となる近軸光線が各レーザダイオードの出射端面において該レーザダイオードの活性層と交わらないように、配置されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、上記複数のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度を、従来の１／２以下にすることができる。このため、上記複数のレーザダイオードの最大故障発生率を従来よりも低くすることができ、その結果、上記レーザモジュールの平均装置寿命を従来よりも長くすることができる。

本発明によれば、従来よりも平均装置寿命が長いレーザモジュールを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザモジュールを示す斜視図である。 （ａ）は、図１に示すレーザモジュールが備えるレーザダイオードと光ファイバとを、その光ファイバから出射される戻光と共に示す斜視図である。（ｂ）は、その光ファイバから出射される戻光のビームプロファイルを示すグラフである。 図１に示すレーザモジュールの一変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザモジュールを示す斜視図である。 従来のレーザモジュールを示す斜視図である。 従来のレーザモジュールを示す斜視図である。

〔第１の実施形態〕
（レーザモジュールの構成）
本発明の第１の実施形態に係るレーザモジュール１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るレーザモジュール１の構成を示す斜視図である。

レーザモジュール１は、図１に示すように、６つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６と、６つのＦ軸コリメ−トレンズＦＬ１〜ＦＬ６と、６つのＳ軸コリメ−トレンズＳＬ１〜ＳＬ６と、６つの２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６と、１つのＦ軸集光レンズＦＬと、１つのＳ軸集光レンズＳＬと、１つの光ファイバＯＦと、を備えている。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６、Ｆ軸コリメートレンズＦＬ１〜ＦＬ６、Ｓ軸コリメートレンズＳＬ１〜ＳＬ６、２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６、Ｆ軸集光レンズＦＬ、及びＳ軸集光レンズＳＬは、レーザモジュール１の筐体底板に載置されている。光ファイバＯＦは、レーザモジュール１の筐体側壁を貫通し、入射端面を含む端部がレーザモジュール１の筐体内に引き込まれている。

レーザダイオードＬＤｉ（ｉは、１以上６以下の自然数）は、レーザ光を出力する光源である。本実施形態においては、図示した座標系において、活性層がｘｙ平面と平行になるように、かつ、出射端面がｚｘ平面と平行になるように配置されたレーザダイオードを、レーザダイオードＬＤｉとして用いる。レーザダイオードＬＤｉからは、進行方向がｙ軸正方向に一致し、Ｆ（Fast）軸がｚ軸と平行であり、Ｓ（Slow）軸がｘ軸と平行であるレーザ光が出力される。これらのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６は、各レーザダイオードＬＤｉの出射端面がｘ軸と平行な直線Ｌ上に位置するように配置されており、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されたレーザ光の光軸は、ｘｙ平面と平行な平面内に互いに平行に並ぶ。

レーザダイオードＬＤｉから出力されたレーザ光の光路上には、Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｆ軸コリメートレンズＦＬ１〜ＦＬ６として利用する。Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉは、ｙｚ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、レーザダイオードＬＤｉから出力されたレーザ光のＦ軸方向の広がりをコリメートする。

Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉを透過したレーザ光の光路上には、Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｓ軸コリメートレンズＳＬ１〜ＳＬ６として利用する。Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉは、ｘｙ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、レーザダイオードＬＤｉから出力され、Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉを透過したレーザ光のＳ軸方向の広がりをコリメートする。

Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉを透過したレーザ光の光路上には、２連ミラーＤＭｉが配置されている。２連ミラーＤＭｉは、筐体底板上に載置され、その下面が筐体底板の上面に接着固定された第１ミラーＤＭｉ１と、第１ミラーＤＭｉ１上に載置され、その下面が第１ミラーＤＭｉ１の上面に接着固定された第２ミラーＤＭｉ２とにより構成される。第１ミラーＤＭｉ１は、法線ベクトルがｚ軸正方向と４５°を成す反射面を有しており、ＬＤチップＬＤｉから出射されたレーザ光を反射して、その進行方向をｙ軸正方向からｚ軸正方向に変換すると共に、そのＦ軸をｚ軸と平行な状態からｙ軸と平行な状態に変換する。また、第２ミラーＤＭｉ２は、法線ベクトルがｚ軸正方向と１３５°を成す反射面を有しており、第１ミラーＤＭｉ１にて反射されたレーザ光を反射して、その進行方向をｚ軸正方向からｘ軸正方向に変換すると共に、そのＳ軸をｘ軸と平行な状態からｚ軸と平行な状態に変換する。これらの２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６は、各レーザダイオードＬＤｉから２連ミラーＤＭｉまでの光路長ｌｉがｌ１＜ｌ２＜ｌ３＜ｌ４＜ｌ５＜ｌ６となるように配置されており、第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光の光軸は、ｘｙ平面と平行な平面内に互いに平行に並ぶ。

第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光の光路上には、Ｆ軸集光レンズＦＬが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、湾曲面（入射面）がｘ軸負方向を向き、平坦面（出射面）がｘ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｆ軸集光ＦＬとして利用する。Ｆ軸集光レンズＦＬは、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸負方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、（１）第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光を、それらの光軸が１点で交差するように集束すると共に、（２）これらのレーザ光の各々を、そのＦ軸径が縮小するように集光する。

Ｆ軸集光レンズＦＬを透過したレーザ光の光路上には、Ｓ軸集光レンズＳＬが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、湾曲面（入射面）がｘ軸負方向を向き、平坦面（出射面）がｘ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｓ軸集光レンズＳＬとして利用する。Ｓ軸集光レンズＳＬは、ｙｚ平面に平行な断面のｘ軸負方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、Ｆ軸集光レンズＦＬにて集束及び集光されたレーザ光の各々を、そのＳ軸径が縮小するように集光する。

Ｓ軸集光レンズＳＬを透過したレーザ光の光軸交差点には、光ファイバＯＦの入射端面が配置されている。光ファイバＯＦは、入射端面がｘ軸負方向を向くように配線されており、Ｓ軸集光レンズＳＬにて集光されたレーザ光は、この入射端面を介して光ファイバＯＦに入射する。

なお、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されるレーザ光の進行方向は、それぞれ独立に誤差を持ち得る。すなわち、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されるレーザ光の進行方向は、ｙ軸正方向を中心に非一様に分布し得る。このため、２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６の第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光の進行方向も、それぞれ独立に誤差を持ち得る。すなわち、２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６の第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光の進行方向も、ｘ軸正方向を中心に非一様に分布し得る。

これらの誤差は、レーザモジュール１の製造過程において、２連ミラーＤＭ１〜ＤＭ６を用いて補正することができる。すなわち、各二連ミラーＤＭｉにおいて、第１ミラーＤＭｉ１は、筐体底板に接着固定されるまでの間、ｚ軸を回転軸として回転可能であり、第２ミラーＤＭｉ２は、第１ミラーＤＭｉ１に接着固定されるまでの間、ｚ軸を回転軸として回転可能である。第１ミラーＤＭｉ１を回転させれば、第２ミラーＤＭｉ２にて反射されたレーザ光の進行方向の仰角が変化し、第２ミラーＤＭｉ２を回転させれば、第２ミラーＤＭｉ２にて反射されたレーザ光の進行方向の方位角が変化する。したがって、第２ミラーＤＭｉ２にて反射されたレーザ光の進行方向がｘ軸正方向に一致するように第１ミラーＤＭｉ１及び第２ミラーＤＭｉ２を回転させた後、第１ミラーＤＭｉ１及び第２ミラーＤＭｉ２の下面に予め塗布しておいた接着剤を硬化させれば、上記の誤差が補正されたレーザモジュール１を得ることができる。

なお、本実施形態においては、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されたレーザ光の光軸が互いに平行になるようにレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の向きを設定する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、これらのレーザ光の光軸の延長が１点で交差するようにレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の向きを設定する構成を採用してもよい。また、本実施形態においては、第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ６２にて反射されたレーザ光の光軸が互いに平行になるように第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ２６の向きを設定する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、これらのレーザ光の光軸の延長が１点で交差するように第２ミラーＤＭ１２〜ＤＭ２６の向きを設定する構成を採用してもよい。これらの構成を採用することで、Ｆ軸集光レンズＦＬにて集束されたレーザ光の光軸交差点をＦ軸集光レンズＦＬに近づけ、レーザモジュール１のサイズを小型化することができる。

また、本実施形態においては、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を、それらの出射端面における活性層の中心が特定の線分上に並ぶように配置する構成を採用しているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を、それらの出射端面における活性層の中心が特定の円弧上に並ぶように配置する構成を採用してもよい。前者の構成は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されたレーザ光の光軸が互いに平行になる場合に適しており、後者の構成は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６から出力されたレーザ光の光軸が一点で交差する場合に適している。

（レーザモジュールの特徴）
レーザモジュール１の特徴ついて、図２を参照して説明する。図２において、（ａ）は、レーザモジュール１が備えるレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６及び光ファイバＯＦを、光ファイバＯＦから出射される戻光と共に示す斜視図であり、（ｂ）は、光ファイバＯＦから出射される戻光のビームプロファイルを示すグラフである。

レーザモジュール１において特徴的な点は、光ファイバＯＦの入射端面から出力される戻光を構成する光線のうち、光軸光線（より好ましくは、近軸光線）が各レーザダイオードＬＤiの活性層に入射しないように、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されている点である。

ここで、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｎが空間的にクラスタ化されているとは、ある閾値が存在して、間隔（例えば、出射端面における活性層の中心同士の間隔）がその閾値よりも小さいレーザダイオード同士が同じグループに属するようにレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｎがグループ分けされており、異なるグループに属するレーザダイオード同士の間隔がその閾値よりも大きいことを指す。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｎが上記の条件を満たすようにグループ化されているとき、各グループのことを「クラスタ」と呼ぶ。孤立した（隣接するレーザダイオードとの間隔が上記閾値よりも大きい）レーザダイオードは、単独でクラスタを構成する。

例えば、特定の線分上に並んだレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｎが「異なるクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤｍ，ＬＤｍ＋１の間隔Ｄが、同じクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤｉ，ＬＤｉ＋１（ｉ＝１，２，…，ｍ−１，ｍ＋１，…，ｎ−１）の間隔ｄよりも広い」という条件を満たしている場合、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｎは、ｍ個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤｍからなる第１のクラスタと、（ｎ−ｍ）個のレーザダイオードＬＤｍ＋１〜ＬＤｎからなる第２のクラスタとにクラスタ化されていると見做すことができる。

本実施形態において、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６は、それらの出射端面における活性層の中心が線分ＰＱ上に等間隔に並んだ７個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_７のうち、中央の点ｘ_４を除く６つの点ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_５、ｘ_６、ｘ_７上に位置するように配置されている。これにより、６個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６は、３個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３からなる第１のクラスタと、３個のレーザダイオードＬＤ４〜ＬＤ６からなる第２のクラスタとに分けられる。異なるクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤ３，ＬＤ４の間隔Ｄは、同じクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤｉ，ＬＤｉ＋１（ｉ＝１，２，４，５）の間隔ｄの２倍になる。

光ファイバＯＦから出射される戻光のビームプロファイルは、通常、図２の（ｂ）に示すようにガウシアンになり、下記の式（１）により定義される出射角θの関数ｆ（θ）として表される。したがって、光ファイバＯＦから出射される戻光の強度は、出射角θが０°のときに最大となり、出射角θがθ１＝σ（２ｌｎ２）１／２のときに最大値ｆ（０）の１／２となる。ここで、σは、ビームプロファイルｆ（θ）の標準偏差である。光ファイバＯＦの開口数ＮＡから決まるビーム拡がり角θ０＝Ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）がビームプロファイルｆ（θ）の３σに相当すると仮定すると、戻光の強度が最大値ｆ（０）の１／２となる出射角θ１は、下記の式（２）により与えられる。光ファイバＯＦの開口数ＮＡが１．８である場合、戻光の強度が最大値ｆ（０）の１／２となる出射角θ１は、約４．１°となる。

このため、光ファイバＯＦから出射される戻光の光強度は、出射角θが０°となる光軸光線において最大となる。したがって、この光軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射しないように上述した閾値を定め、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を空間的にクラスタ化すれば、レーザダイオードＬＤ１〜６の活性層に入射する戻光の最大強度（各レーザダイオードＬＤｉの活性層に入射する戻光の強度のなかで最も値が大きい強度）を、従来のレーザモジュール５（図５参照）よりも小さくすることができる。このため、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の最大故障発生率（各レーザダイオードＬＤｉの故障発生率のなかで最も値が大きい故障発生率）は、従来のレーザモジュール５の最大故障発生率よりも低くなり、その結果、レーザモジュール１の平均装置寿命は、従来のレーザモジュール５の平均装置寿命よりも長くなる。なお、戻光の光軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射しないようにレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が配置されていれば、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されているか否かに依らず、上記の効果が得られる。

また、光ファイバＯＦから出射される戻光の光強度は、出射角θが上記の式（２）により与えられるθ１以下となる近軸光線において最大値の１／２以上となる。したがって、これらの近軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射しないように上述した閾値を定め、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６を空間的にクラスタ化すれば、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射する戻光の最大強度を、従来のレーザモジュール５（図５参照）の１／２よりも小さくすることができる。このため、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の最大故障発生率を更に低下させることができ、その結果、レーザモジュール１の平均装置寿命を更に延長することができる。なお、戻光の近軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射しないようにレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が配置されていれば、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されているか否かに依らず、上記の効果が得られる。

また、Ｆ軸集光レンズＦＬは、球面レンズであることが好ましい。Ｆ軸集光レンズＦＬが球面レンズである場合、Ｆ軸集光レンズＦＬが非球面レンズである場合と比べて、戻光のコリメート度が低くなり、その結果、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層に入射する戻光の光密度が低くなる。このため、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の活性層の最大故障発生率を更に低下させることができ、その結果、レーザモジュール１の平均装置寿命を更に延長することができる。

（変形例）
レーザモジュール１の一変形例について、図３を参照して説明する。図３は、本変形例に係るレーザモジュール１の構成を示す斜視図である。

図３に示すレーザモジュール１は、図１に示すレーザモジュール１から、レーザダイオードＬＤ４、Ｆ軸コリメートレンズＦＬ４、Ｓ軸コリメートレンズＳＬ４、及び２連ミラーＤＭ４を省いたものである。

図３に示すレーザモジュール１において、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３，ＬＤ５〜ＬＤ６は、それらの出射端面における活性層の中心が線分ＰＱ上に等間隔に並んだ７個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_７のうち、中央付近の点ｘ_４、ｘ_５を除く５つの点ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_６、ｘ_７上に位置するように配置されている。これにより、５個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３，ＬＤ５〜ＬＤ６は、３個のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３からなる第１のクラスタと、２個のレーザダイオードＬＤ５〜ＬＤ６からなる第２のクラスタとに分けられる。異なるクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤ３，ＬＤ５の間隔Ｄは、同じクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオードＬＤｉ，ＬＤｉ＋１（ｉ＝１，２，４，５）の間隔ｄの３倍になる。

ところで、線分ＰＱ上に等間隔に並んだ７個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_７に入射する戻光の強度Ｐ（ｘ_１）、Ｐ（ｘ_２）、…、Ｐ（ｘ_７）を比較すると、Ｐ（ｘ_４）＞Ｐ（ｘ_５）＞Ｐ（ｘ_３）＞Ｐ（ｘ_６）＞Ｐ（ｘ_２）＞Ｐ（ｘ_７）＞Ｐ（ｘ_１）となる。ここで、Ｐ（ｘ_４）＞Ｐ（ｘ_５）＞Ｐ（ｘ_６）＞Ｐ（ｘ_７）、Ｐ（ｘ_４）＞Ｐ（ｘ_３）＞Ｐ（ｘ_２）＞Ｐ（ｘ_１）であるのは、中央の点ｘ_４から遠い点ほど、出射角θが大きい（すなわち、強度の小さい）光線が入射するからである。また、Ｐ（ｘ_５）＞Ｐ（ｘ_３）であるのは、点ｘ_５の方が点ｘ_３よりも光ファイバＯＦの入射端面からの光路長が短いため、点ｘ_５の方が点ｘ_３よりも強度の大きい光線が入射するからである。Ｐ（ｘ_６）＞Ｐ（ｘ_２）、Ｐ（ｘ_７）＞Ｐ（ｘ_１）であるのも同様の理由による。

したがって、５つのレーザダイオードを、それらの出射端面における活性層の中心が線分ＰＱ上に等間隔に並んだ７個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_７のうち、何れか５つの点上に位置するように配置する場合、それらの出射端面における活性層の中心が点ｘ_１、ｘ_２、ｘ_３、ｘ_６、ｘ_７上に位置するように配置することが最良である。なぜなら、これら５つのレーザダイオードに入射する戻光の最大強度を、他の配置よりも小さくすることができるからである。図３に示すレーザモジュール１におけるレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ３，ＬＤ５〜ＬＤ６の配置は、この意味で最良の配置である。

一般に、２Ｍ−１個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを、各レーザダイオードの出射端面における活性層の中心が特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎの何れかの上に位置するように配置する場合には、図３に示すレーザモジュール１と同様、各レーザダイオードの出射端面における活性層の中心が点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋３}、…、ｘ_Ｎ上に位置するように配置することが好ましい。なぜなら、この配置は、Ｎ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ−１個の点上に各レーザダイオードの出射端面における活性層の中心が位置する_ＮＣ_２Ｍ−１通りの配置のなかで、２Ｍ−１個のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度が最も小さくなる配置だからである。

なお、２Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを、各レーザダイオードの出射端面の中心が特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎの何れかの上に位置するように配置する場合には、図１に示すレーザモジュール１と同様、各レーザダイオードの出射端面における活性層の中心が点ｘ_１、ｘ_２、、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋１}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、…、ｘ_Ｎ上に位置するように配置することが好ましい。なぜなら、この配置は、Ｎ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ個の点上に各レーザダイオードの出射端面における活性層の中心が位置する_ＮＣ_２Ｍ通りの配置のなかで、２Ｍ個のレーザダイオードに入射する戻光の最大強度が最も小さくなる配置だからである。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態に係るレーザモジュール２の構成について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係るレーザモジュール２の構成を示す斜視図である。

レーザモジュール２は、図４に示すように、６つのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６と、６つのＦ軸コリメ−トレンズＦＬ１〜ＦＬ６と、６つのＳ軸コリメ−トレンズＳＬ１〜ＳＬ６と、６つの単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６と、１つの集光レンズＬと、１つの光ファイバＯＦと、を備えている。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６、Ｆ軸コリメートレンズＦＬ１〜ＦＬ６、Ｓ軸コリメートレンズＳＬ１〜ＳＬ６、単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６、集光レンズＬは、レーザモジュール１の筐体底板に載置されている。光ファイバＯＦは、レーザモジュール１の筐体側壁を貫通し、入射端面を含む端部がレーザモジュール１の筐体内に引き込まれている。

レーザダイオードＬＤｉ（ｉは、１以上６以下の自然数）は、レーザ光を出力する光源である。本実施形態においては、図示した座標系において、活性層がｘｙ平面と平行になるように、かつ、出射端面がｚｘ平面と平行になるように配置されたレーザダイオードを、レーザダイオードＬＤｉとして用いる。レーザダイオードＬＤｉからは、進行方向がｙ軸正方向に一致し、Ｆ（Fast）軸がｚ軸と平行であり、Ｓ（Slow）軸がｘ軸と平行であるレーザ光が出力される。これらのレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６は、各レーザダイオードＬＤｉの高さ（ｚ座標）ＨｉがＨ１＞Ｈ２＞…＞Ｈ６となるように、ｘ軸負方向側で高くｘ軸正方向側で低い階段状の筐体底板の各段に配置されている。

レーザダイオードＬＤｉから出力されたレーザ光の光路上には、Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｆ軸コリメートレンズＦＬ１〜ＦＬ６として利用する。Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉは、ｙｚ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、レーザダイオードＬＤｉから出力されたレーザ光のＦ軸方向の広がりをコリメートする。

Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉを透過したレーザ光の光路上には、Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向くように配置された平凸シリンドリカルレンズを、Ｓ軸コリメートレンズＳＬ１〜ＳＬ６として利用する。Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉは、ｘｙ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように配置されており、レーザダイオードＬＤｉから出力され、Ｆ軸コリメートレンズＦＬｉを透過したレーザ光のＳ軸方向の広がりをコリメートする。

Ｓ軸コリメートレンズＳＬｉを透過したレーザ光の光路上には、単ミラーＳＭｉが配置されている。第１ミラーＤＭｉ１は、法線ベクトルがｚ軸と直交すると共に、ｘ軸正方向及びｙ軸負方向と４５°を成す反射面を有しており、ＬＤチップＬＤｉから出射されたレーザ光を反射して、その進行方向をｙ軸正方向からｘ軸正方向に変換すると共に、そのＳ軸をｘ軸と平行な状態からｙ軸と平行な状態に変換する。これらの単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６は、各レーザダイオードＬＤｉから単ミラーＳＭｉまでの光路長ｌｉがｌ１＝ｌ２＝ｌ３＝ｌ４＝ｌ５＝ｌ６となるように配置されており、単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６にて反射されたレーザ光の光軸は、ｚｘ平面と平行な平面内に互いに平行に並ぶ。

単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６にて反射されたレーザ光の光路上には、集光レンズＬが配置されている。本実施形態においては、図示した座標系において、湾曲面（入射面）がｘ軸負方向を向き、平坦面（出射面）がｘ軸正方向を向くように配置された平凸レンズを、集光Ｌとして利用する。集光レンズＬは、（１）単ミラーＳＭ１〜ＳＭ６にて反射されたレーザ光を、それらの光軸が１点で交差するように集束すると共に、（２）これらのレーザ光の各々を、そのビーム径が縮小するように集光する。

集光レンズＬを透過したレーザ光の光軸交差点には、光ファイバＯＦの入射端面が配置されている。光ファイバＯＦは、入射端面がｘ軸負方向を向くように配線されており、Ｓ軸集光レンズＳＬにて集光されたレーザ光は、この入射端面を介して光ファイバＯＦに入射する。

レーザモジュール２において特徴的な点は、光ファイバＯＦの入射端面から出力される戻光を構成する光線のうち、光軸光線（より好ましくは、近軸光線）が各レーザダイオードＬＤiの出射端面に入射しないように、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されている点である。

光ファイバＯＦから出射される戻光のうち、出射角θが０°となる光軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６に入射しないように、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されている場合には、レーザダイオードＬＤ１〜６に入射する戻光の最大強度を、従来のレーザモジュール６（図６参照）よりも小さくすることができる。このため、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の最大故障発生率は、従来のレーザモジュール６の最大故障発生率よりも低くなり、その結果、レーザモジュール２の平均装置寿命は、従来のレーザモジュール６の平均装置寿命よりも長くなる。

また、光ファイバＯＦから出射される戻光のうち、出射角θが上記の式（２）により与えられるθ１以下となる近軸光線がレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６に入射しないように、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６が空間的にクラスタ化されている場合には、レーザダイオードＬＤ１〜６に入射する戻光の最大強度を、従来のレーザモジュール６（図６参照）の１／２よりも小さくすることができる。このため、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ６の最大故障発生率を更に低下させることができ、その結果、レーザモジュール２の平均装置寿命を更に延長することができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１，２ レーザモジュール
ＬＤ１〜ＬＤ６ レーザダイオード
ＦＬ１〜ＦＬ６ Ｆ軸コリメートレンズ
ＳＬ１〜ＳＬ６ Ｓ軸コリメートレンズ
ＤＭ１〜ＤＭ６ 二連ミラー
ＳＭ１〜ＳＭ６ 単ミラー
ＦＬ Ｆ軸集光レンズ
ＳＬ Ｓ軸集光レンズ
Ｌ 集光レンズ
ＯＦ 光ファイバ

Claims (6)

1. 複数のレーザダイオードと光ファイバとを備え、上記複数のレーザダイオードの各々から出力されたレーザ光を上記光ファイバに入力するレーザモジュールにおいて、
   上記複数のレーザダイオードは、上記光ファイバから出射された戻光を構成する光線のうち、上記光ファイバからの出射角θが下記の式（Ａ）により与えられるθ１以下となる近軸光線が各レーザダイオードの出射端面において該レーザダイオードの活性層と交わらないように、配置されている、
   ことを特徴とするレーザモジュール。
   

   
2. 上記複数のレーザダイオードは、空間的にクラスタ化されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 上記複数のレーザダイオードは、特定の線分又は円弧上に各レーザダイオードの出射端面が並ぶように、かつ、異なるクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオード同士の間隔が同じクラスタに属して互いに隣接するレーザダイオード同士の間隔よりも広くなるように、配置されている、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザモジュール。
4. 当該レーザモジュールは、２Ｍ個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを備えており、
   上記２Ｍ個のレーザダイオードは、上記特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋１}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、…、ｘ_Ｎ上に各レーザダイオードの出射端面が位置するように配置されている、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のレーザモジュール。
5. 当該レーザモジュールは、２Ｍ−１個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードを備えており、
   上記２Ｍ−１個のレーザダイオードは、上記特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎであって、各点ｘ_ｊから上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ_ｊがＬ_１＞Ｌ_２＞…＞Ｌ_ＮとなるＮ個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｎから選択された２Ｍ−１個の点ｘ_１、ｘ_２、…、ｘ_Ｍ、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋２}、ｘ_{Ｎ−Ｍ＋３}、…、ｘ_Ｎ上に各レーザダイオードの出射端面が位置するように配置されている、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のレーザモジュール。
6. ２Ｍ−１個（Ｍは２以上の自然数）のレーザダイオードと光ファイバとを備え、上記２Ｍ−１個のレーザダイオードの各々から出力されたレーザ光を上記光ファイバに入力するレーザモジュールにおいて、
   上記２Ｍ−１個のレーザダイオードは、上記光ファイバから出射された戻光を構成する光線のうち、出射角が０°となる光軸光線が各レーザダイオードの出射端面において該レーザダイオードの活性層と交わらないように、空間的にクラスタ化されており、
   上記２Ｍ−１個のレーザダイオードは、特定の線分又は円弧上に等間隔に並んだＮ個（Ｎは２Ｍ＋１以上の自然数）の点ｘ _１ 、ｘ _２ 、…、ｘ _Ｎ であって、各点ｘ _ｊ から上記光ファイバの入射端面までの光路長Ｌ _ｊ がＬ _１ ＞Ｌ _２ ＞…＞Ｌ _Ｎ となるＮ個の点ｘ _１ 、ｘ _２ 、…、ｘ _Ｎ から選択された２Ｍ−１個の点ｘ _１ 、ｘ _２ 、…、ｘ _Ｍ 、ｘ _{Ｎ−Ｍ＋２} 、ｘ _{Ｎ−Ｍ＋３} 、…、ｘ _Ｎ 上に各レーザダイオードの出射端面が位置するように配置されている、
   ことを特徴とするレーザモジュール。

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