JP6522166B2 - Laser device - Google Patents
Laser device Download PDFInfo
- Publication number
- JP6522166B2 JP6522166B2 JP2017561608A JP2017561608A JP6522166B2 JP 6522166 B2 JP6522166 B2 JP 6522166B2 JP 2017561608 A JP2017561608 A JP 2017561608A JP 2017561608 A JP2017561608 A JP 2017561608A JP 6522166 B2 JP6522166 B2 JP 6522166B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- laser beam
- wavelength
- surface emitting
- narrowing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 51
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 50
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 50
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 26
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 20
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 10
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N (1s,3r,4e,6e,8e,10e,12e,14e,16e,18s,19r,20r,21s,25r,27r,30r,31r,33s,35r,37s,38r)-3-[(2r,3s,4s,5s,6r)-4-amino-3,5-dihydroxy-6-methyloxan-2-yl]oxy-19,25,27,30,31,33,35,37-octahydroxy-18,20,21-trimethyl-23-oxo-22,39-dioxabicyclo[33.3.1]nonatriaconta-4,6,8,10 Chemical compound C1C=C2C[C@@H](OS(O)(=O)=O)CC[C@]2(C)[C@@H]2[C@@H]1[C@@H]1CC[C@H]([C@H](C)CCCC(C)C)[C@@]1(C)CC2.O[C@H]1[C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](C)O[C@H]1O[C@H]1/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/C=C/[C@H](C)[C@@H](O)[C@@H](C)[C@H](C)OC(=O)C[C@H](O)C[C@H](O)CC[C@@H](O)[C@H](O)C[C@H](O)C[C@](O)(C[C@H](O)[C@H]2C(O)=O)O[C@H]2C1 PCTMTFRHKVHKIS-BMFZQQSSSA-N 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 2
- 238000010330 laser marking Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012840 feeding operation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/022—Mountings; Housings
- H01S5/0239—Combinations of electrical or optical elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Description
本発明は、面発光レーザをレーザ光源に用いるレーザ装置に係り、特にレーザ加工に用いて好適なレーザ装置に関する。 The present invention relates to a laser apparatus using a surface emitting laser as a laser light source, and more particularly to a laser apparatus suitable for use in laser processing.
近年、主に光通信、プリンタ、ディスプレイ等のレーザ応用分野で面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)が普及しつつある。面発光レーザは、半導体基板から基板面と垂直にレーザビームを出射するタイプの半導体レーザであり、基板面と水平にレーザビームを出射する一般(シングルエミッタ方式)の半導体レーザと比較して、高集積化、低消費電力化、量産化に有利な次世代のレーザ光源として注目されている。 2. Description of the Related Art In recent years, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) are being widely used mainly in laser application fields such as optical communications, printers, and displays. A surface emitting laser is a type of semiconductor laser that emits a laser beam perpendicular to the substrate surface from a semiconductor substrate, and is higher than a general (single-emitter type) semiconductor laser that emits a laser beam horizontally to the substrate surface. It is attracting attention as a next-generation laser light source advantageous for integration, low power consumption, and mass production.
現在普及している面発光レーザは、典型的には、4.7mm×4.7mmの発光面を有し、その発光面に二次元アレイとして形成される個々のビーム出射口の口径が18μm、そこから出射される単体レーザビームのレーザ出力は数10mWであり、二次元アレイ全体のレーザ出力は最も高くても100W程度で、しかもビーム品質が良くない。 Currently available surface emitting lasers have a light emitting surface of 4.7 mm × 4.7 mm, and the diameter of each beam exit formed on the light emitting surface as a two-dimensional array is 18 μm, The laser output of the single laser beam emitted therefrom is several tens mW, and the laser output of the entire two-dimensional array is at most 100 W at most, and the beam quality is not good.
面発光レーザの高出力化を実現するには、ビーム出射口の口径を大きくし数を増やすことが簡明な解決法であるが、それにも限界があり、しかもビーム出射口の口径を大きくして数を増やすほど二次元アレイ全体で得られる一束のレーザビームのビーム品質が低下することが課題となっている。このため、従来の面発光レーザは、高出力および高品質のレーザビームを必要とするレーザ加工には使えないのが現状である。 Although it is a simple solution to increase the diameter of the beam exit and increase the number in order to realize high output of the surface emitting laser, there is also a limitation, and furthermore, the diameter of the beam exit is increased. The problem is that as the number is increased, the beam quality of a single laser beam obtained in the entire two-dimensional array is degraded. For this reason, the conventional surface emitting laser can not currently be used for laser processing which requires a high power and high quality laser beam.
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、面発光レーザを用いて高出力および高品質のレーザビームを実現するレーザ装置を提供する。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and provides a laser device which realizes a high output and high quality laser beam using a surface emitting laser.
本発明のレーザ装置は、第1の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第1のレーザビームを出射する第1の面発光レーザと、第2の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第2のレーザビームを出射する第2の面発光レーザと、前記第1の面発光レーザからの前記第1のレーザビームと前記第2の面発光レーザからの前記第2のレーザビームとを空間的に多重合成して、合成レーザビームを出射するカップリングユニットとを有し、前記第1および第2の面発光レーザの各々は、半導体基板と、この半導体基板上に形成された活性領域と、その活性領域の上に二次元的に離散して設けられた多数の発光口とを有し、各々の前記発光口より前記半導体基板の基板面に対して垂直または斜めの方向に所定の標準波長に一致または近似する波長を有する光を誘導放出する面発光レーザ素子と、各々の前記発光口より誘導放出される光を共振増幅して単体のレーザビームを取り出すために、前記面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置される出力ミラーとを有する。 The laser device of the present invention comprises a first surface emitting laser that emits a bundle of first laser beams having a wavelength that matches or approximates a first standard wavelength, and a wavelength that matches or approximates a second standard wavelength. A second surface emitting laser for emitting a bundle of second laser beams, the first laser beam from the first surface emitting laser, and the second from the second surface emitting laser And a coupling unit that spatially multiplexes the laser beam and emits a combined laser beam, and the first and second surface emitting lasers are each formed on a semiconductor substrate and the semiconductor substrate. Active region and a plurality of light emission openings provided two-dimensionally and discretely provided on the active region, each of the light emission openings being perpendicular or oblique to the substrate surface of the semiconductor substrate Match the given standard wavelength in the direction A surface emitting laser element for inducing and emitting light having a similar wavelength, and light emission from the surface emitting laser element for extracting a single laser beam by resonant amplification of the light induced and emitted from each of the light emission ports And an output mirror disposed at a position away from and facing the mouth.
上記の構成においては、レーザ共振器の出力ミラーを面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置する構成により、各発光口より得られる単体レーザビームの拡がり角を小さくすることが可能であり、それによって発光口の口径を大きくし数を増やしても、面発光レーザ素子全体で得られる一束のレーザビーム内で単体レーザビーム同士の重なり合いまたは相互干渉を極力少なくし、高出力とビーム品質とを両立させることができる。さらに、複数の面発光レーザより得られる各一束のレーザビームを空間的に多重合成することにより、レーザ出力の逓倍化つまり高出力化を一層効率的に実現することができる。 In the above configuration, the spread angle of the single laser beam obtained from each light emission port is reduced by arranging the output mirror of the laser resonator at a position separated from the light emission port of the surface emitting laser element and facing it. Even if the diameter of the light emission port is increased and the number is increased, the overlapping or mutual interference between single laser beams is minimized in the single laser beam obtained by the entire surface emitting laser device. Both output and beam quality can be achieved. Furthermore, multiplication of laser output, that is, higher output can be realized more efficiently by spatially multiplex-synthesizing each single laser beam obtained from a plurality of surface emitting lasers.
本発明の好適な一態様においては、第1の面発光レーザが単体のレーザビームの波長を第1の標準波長付近に狭帯域化する第1の狭帯域化素子を有し、第2の面発光レーザが単体のレーザビームの波長を第2の標準波長付近に狭帯域化する第2の狭帯域化素子を有する。このように、各々の面発光レーザにおいて単体レーザビームの波長を標準波長付近にロックして狭帯域化することにより、空間カップリングを安定かつ高精度に行うことができる。より具体的には、カップリングユニットは、第1のレーザビームと第2のレーザビームとを波長カップリングにより多重合成する波長カップリング素子を有してよい。このような波長カップリング法によれば、面発光レーザ毎にレーザ発振波長(標準波長)をオフセットさせることにより、レーザ出力の逓倍化または高出力化を容易に実現することができる。また、別の態様として、偏光カップリング素子を用いて偏光カップリングにより第1および第2のレーザビームを多重合成することも可能である。 In a preferred aspect of the present invention, the first surface emitting laser has a first narrowing element for narrowing the wavelength of the single laser beam to a vicinity of a first standard wavelength, and the second surface The light emitting laser has a second narrowing element for narrowing the wavelength of the single laser beam to the vicinity of the second standard wavelength. As described above, by locking the wavelength of the single laser beam in the vicinity of the standard wavelength and narrowing the band in each of the surface emitting lasers, space coupling can be performed stably and with high accuracy. More specifically, the coupling unit may include a wavelength coupling element that multiplexes the first laser beam and the second laser beam by wavelength coupling. According to such a wavelength coupling method, it is possible to easily realize multiplication of the laser output or high output by offsetting the laser oscillation wavelength (standard wavelength) for each surface emitting laser. As another embodiment, it is also possible to multiplex and combine the first and second laser beams by polarization coupling using a polarization coupling element.
別の好適な一態様においては、狭帯域化素子が出力ミラーを兼用する。この場合、狭帯域化素子は、波長の狭帯域化だけでなく、主たる外部共振器としても機能し、拡がり角が小さくて波長が安定にロックされた単体レーザビームを外部へ出射する。 In another preferred aspect, the narrowing element doubles as an output mirror. In this case, the narrowing element functions not only as a narrowing of the wavelength but also as a main external resonator, and emits a single laser beam having a small spread angle and stably locked to the outside.
別の好適な一態様においては、各々の発光口の中で、活性領域の上に重なって設けられる薄膜がいずれも誘導放出光に対して透過性または無反射性の特性を有する。この構成によれば、活性領域の上に誘導放出される光が相当の距離を隔てた外部の出力ミラーによって反射されるので、垂直方向から斜めにずれた(つまり拡がり角の大きい)誘導放出光を効果的に単体レーザビームから除くことができる。 In another preferred embodiment, in each light emission port, any thin film provided over the active region has a property of being transparent or non-reflective to stimulated emission light. According to this configuration, the stimulated emission light deviates from the vertical direction (that is, the divergence angle is large) because the light stimulated emission on the active region is reflected by the external output mirror separated by a considerable distance. Can be effectively removed from the single laser beam.
別の好適な一態様においては、カップリングユニットが、第1および第2の標準波長が互いにオフセットしている第1および第2のレーザビームを波長カップリングにより多重合成する波長カップリング素子を有する。あるいは、カップリングユニットが、第1および第2の標準波長が同一である第1および第2のレーザビームを偏光カップリングにより多重合成する偏光カップリング素子を有する。波長カップリング素子と偏光カップリング素子とを併用する構成も可能である。かかる構成により、合成レーザビームの高出力化に用いる面発光レーザの数を任意に増やし、面発光レーザのレーザ出力の大幅な向上を実現することができる。 In another preferred aspect, the coupling unit has a wavelength coupling element that multiplexes by combining the first and second laser beams whose first and second standard wavelengths are offset from each other. . Alternatively, the coupling unit has a polarization coupling element that multiplexes and combines the first and second laser beams whose first and second standard wavelengths are the same by polarization coupling. A configuration in which the wavelength coupling element and the polarization coupling element are used in combination is also possible. With this configuration, it is possible to arbitrarily increase the number of surface emitting lasers used to increase the output of the combined laser beam, and to achieve a significant improvement in the laser output of the surface emitting laser.
本発明のレーザ装置によれば、上記のような構成および作用により、面発光レーザを用いて高出力および高品質のレーザビームを実現することができる。 According to the laser apparatus of the present invention, with the above-described configuration and operation, it is possible to realize a high-power and high-quality laser beam using a surface emitting laser.
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings.
[装置全体の構成]
図1に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザ切断、レーザ穴あけ等の各種レーザ加工に適用可能なレーザ装置であり、複数(この例では2つ)の面発光レーザ(VCSEL)10A,10B、カップリングユニット14、ファイバ伝送系15、レーザ出射部16、ステージ18、制御部20等で構成されている。[Device overall configuration]
FIG. 1 shows the configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention. This laser processing apparatus is a laser apparatus applicable to various laser processing such as laser welding, laser marking, laser cutting, laser drilling, etc., and plural (two in this example) surface emitting lasers (VCSELs) 10A, 10B, It comprises the
制御部20は、このレーザ加工装置の各部および全体の動作を制御する。特に、各々の面発光レーザ10A,10Bについては、制御部20が、個別のレーザ電源22A,22Bを通じてそれらのレーザ発振動作(連続発振、パルス発振等)を任意に制御できるようになっている。また、レーザ出射部16にガルバノスキャナ等のスキャニング機構が搭載される場合や、ステージ18にXYテーブル等の送り機構が搭載される場合には、制御部20が、レーザ発振動作に同期して、あるいは加工ポイントの位置合わせのために、それら運動機構の動作(スキャニング動作、ワーク送り動作)を制御するようになっている。制御部20には、マン・マシン・インタフェース用の入出力装置等(図示せず)も接続されている。
The
[面発光レーザの概略的な構成および作用]
図2に、面発光レーザ10A(10B)の要部の外観およびレーザ出射状態の様子を模式的に示す。面発光レーザ10A(10B)は、たとえば矩形の発光面24を有する板状の面発光レーザ素子(以下、「VCSEL素子」と称する。)26と、このVCSEL素子26の上方にその発光面24から適度な距離を置いて平行に配置される板状またはブロック状の出力ミラー28と、この出力ミラー28の上方に平行に配置される板状またはブロック状の狭帯域化素子29(図1、図4)とを有している。[Schematic Configuration and Operation of Surface-Emitting Laser]
FIG. 2 schematically shows the appearance of the main part of the
VCSEL素子26の発光面24には、図3に示すように、二次元方向に離散的またはアレイ状に配置された多数の発光口30が設けられている。各発光口30の口径φは、通常のものより格段に大きく、たとえば100〜1000μmに選ばれる。発光口30の数は、図3では簡略化のため16(4×4)個で図示しているが、実際には数100個以上あるいは1000個以上である。
As shown in FIG. 3, the
発光面24の各発光口30より誘導放出される光SBのうち、VCSEL素子26に内蔵されている反射鏡34(図4)と外部の出力ミラー28ないし狭帯域化素子29との間で反射を繰り返して共振増幅されたものが、1本の単体レーザビームLBとして出力ミラー28の外へ取り出される。そして、出力ミラー28の外へ同時に取り出される単体レーザビームLBが全部合わさって、一束のレーザビームSLBA(SLBB)が構成される。Of the light SB induced and emitted from the
この実施形態では、出力ミラー28の外に得られる各単体レーザビームLBが非常に小さな拡がり角を有しており、発光口30の口径φを相当大きなサイズ(100〜1000μm)に選び、かつ密度を高くしても、一束のレーザビームSLBA(SLBB)内における単体レーザビームLB同士の重なり合いまたは相互干渉を極力少なくして、ビーム品質を向上させている。In this embodiment, each single laser beam LB obtained outside the
[面発光レーザの詳細な構成および作用]
図4に、面発光レーザ10A(10B)の内部の構成(断面構成)を示す。VCSEL素子26は、たとえばGaAs系の半導体基板32を基材とし、この半導体基板32の上に通常の半導体プロセスにより多層反射鏡たとえばDBR(Distributed Bragg Reflector)34、単層または多層の下部半導体層36、活性層38、単層または多層の上部半導体層40および上部電極42を順に重ねて形成し、半導体基板32の裏面に下部電極44を形成している。通常、下部電極44は、絶縁体(図示せず)を介して冷却用のヒートシンク(図示せず)に結合される。[Detailed Configuration and Operation of Surface-Emitting Laser]
FIG. 4 shows the internal configuration (cross-sectional configuration) of the
下部半導体層36および上部半導体層40にはキャリア注入層が含まれている。さらに、上部半導体層40には反射防止膜も含まれている。この実施形態では、下部半導体層36および上部半導体層40を構成している薄膜は、いずれも発振波長の光に対して無反射性または透過性の特性を有している。上部電極42には、発光口30を形成する開口部42aが形成されている。活性層38の発光口30の直下に位置する部分が活性領域38aを形成する。
The
この面発光レーザ10A(10B)にレーザ発振を行わせるときは、レーザ電源22A(22B)より上部電極42と下部電極44との間に駆動電圧Eが印加される。これにより、下部半導体層36および上部半導体層40を介して活性層38にキャリアが注入され、活性領域38aより所定の標準波長λSと一致または近似する光SBが発光口30の外へ誘導放出される。When the
ここで、該標準波長λSおよびその近辺の波長に対して、光共振器を構成するために、VCSEL素子26内部の多層反射鏡34は略100%の反射率を有し、外部の出力ミラー28はたとえば1〜90%、好ましくは2〜30%の反射率を有している。活性領域38aより誘導放出される光SBのうち、多層反射鏡34と出力ミラー28ないし狭帯域化素子29との間で反射を繰り返して共振増幅されたものが、単体レーザビームLBとして出力ミラー28の外へ取り出される。Here, with respect to the standard wavelength λ S and the wavelength in the vicinity thereof, the
この場合、図4に示すように、VCSEL素子26の発光口30からVCSEL素子26の基板面と垂直またはそれに近い角度で出たものは、実線SBで示すように、出力ミラー28の対向面(下面)で略垂直に反射して発光口30の中に戻ってくる。しかし、発光口30から一定角度以上拡がって出たものは、一点鎖線SB’で示すように、出力ミラー28の対向面(下面)で斜めに反射して、発光口30の中に戻ってこない。これにより、VCSEL素子26の基板面に対して垂直またはそれに近い角度で伝搬する光SBが多層反射鏡34と出力ミラー28ないし狭帯域化素子29との間で反射を繰り返して共振増幅されるので、拡がり角の小さな単体レーザビームLBが出力ミラー28の外に取り出される。
In this case, as shown in FIG. 4, the light emitted from the
このように、この実施形態においては、VCSEL素子26の活性領域38aの上に誘導放出される光SBが相当の距離を隔てた外部の出力ミラー28によって反射されるので、垂直方向から斜めにずれた(つまり拡がり角の大きい)誘導放出光SB’を効果的に単体レーザビームから除くことが可能であり、これによって出力ミラー28の外に得られる単体レーザビームLBの拡がり角を効果的に小さくすることができる。
Thus, in this embodiment, the light SB induced and emitted onto the
さらに、この実施形態では、単体レーザビームLBの拡がり角を一層小さくするための手段として、コリメータを好適に備える。このために、たとえば、図4に示すように、出力ミラー28の発光口30と対向する部位の上面に球面状の凸部28aを形成して、出力ミラー28にコリメートレンズの機能を持たせてよい。あるいは、図示省略するが、出力ミラー28の外に、たとえば出力ミラー28と狭帯域化素子29との間、あるいは狭帯域化素子29の外に独立のコリメートレンズを配置する構成も可能である。
Furthermore, in this embodiment, a collimator is preferably provided as a means for further reducing the spread angle of the single laser beam LB. For this purpose, for example, as shown in FIG. 4, a spherical
狭帯域化素子29は、たとえばVBG(Volume Bragg Grating)またはVHG(Volume Holographic Grating)からなり、外部共振器としても機能し、面発光レーザ10A(10B)より出射される単体のレーザビームLBないし一束のレーザビームSLBA(SLBB)の波長幅を十分狭い帯域λSA±ΔλA(λSB±ΔλB)に狭帯域化し、かつ中心波長のバラツキを抑えて標準波長λSA(λSB)付近にロックする。ここで、一方の面発光レーザ10におけるレーザ発振の標準波長λSAと、他方の面発光レーザ10Bにおけるレーザ発振の標準波長λSBとの間には、それぞれの波長幅が重ならないように、一定のオフセットλKが設けられている(図5)。一例として、λSA=950nm、λSB=960nm、ΔλA,ΔλB=0.1〜3nm、λK=10nmである。The narrowing
この実施形態によれば、VCSEL素子26の発光口30が大きな口径(100〜1000μm)を有し、しかもレーザ発振の波長が狭帯域で安定にロックされるので、100mW以上の高出力の単体レーザビームLBを実現することが可能である。したがって、VCSEL素子26の1チップ上にそのような大きな口径の発光口30をたとえば1個当たり100mWで1000個以上設けることにより、100W以上のレーザ出力を有し、かつ高ビーム品質の一束のレーザビームSLBA(SLBB)を得ることができる。According to this embodiment, since the
[装置全体の作用]
この実施形態においては、上記のように、VCSEL素子26、出力ミラー28および狭帯域化素子29で構成される一対の面発光レーザ10A,10Bにより、大きなビーム径を有しつつ拡がり角の小さい狭帯域化された多数の高出力単体レーザビームLBからなり、それぞれの波長が相互に重なり合わない一束のレーザビームSLBA,SLBBが出力される。[Function of the entire device]
In this embodiment, as described above, the pair of
図1において、一方の面発光レーザ10Aより出力される一束のレーザビームSLBAと,他方の面発光レーザ10Bより出力される一束のレーザビームSLBBとは、同一平面上で互いに直交してカップリングユニット14に入射する。このカップリングユニット14は、図5の曲線Mで示すような反射率特性を有するダイクロイックミラー50からなり、一方のレーザビームSLBAを透過させるとともに、他方のレーザビームSLBBを直角に折り返してレーザビームSLBAの進行する方向に反射する。ここで、両レーザビームSLBA,SLBBはそれぞれの波長が重なり合わないので、波長カップリングによって空間的に多重合成される。特に、双方の面発光レーザ10A,10Bにおいて狭帯域化素子29により両レーザビームSLBA,SLBBの波長をそれぞれの標準波長λSA,λSB付近にロックして狭帯域化しているので、ダイクロイックミラー50において安定かつ高精度の波長カップリングを行うことかできる。In FIG. 1, a bundle of laser beam SLB A output from one
ダイクロイックミラー50で両レーザビームSLBA,SLBBの波長カップリングによって得られた合成レーザビームSLBABは、入射ユニット(集光レンズ)52および光ファイバ54を有するファイバ伝送系15を介してレーザ出射部16に伝送され、レーザ出射部16内の集光レンズ(図示せず)によりステージ18上の被加工物Wに集光照射される。The combined laser beam SLB AB obtained by wavelength coupling of the two laser beams SLB A and SLB B by the
このレーザ加工装置は、高出力および高ビーム品質の合成レーザビームSLBABを被加工物Wに集光照射することにより、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザ切断、レーザ穴あけ等の各種レーザ加工を所望の仕様で良好に行うことができる。This laser processing apparatus desirably performs various types of laser processing such as laser welding, laser marking, laser cutting, laser drilling, and the like by focusing and irradiating the workpiece W with a synthetic laser beam SLB AB of high power and high beam quality. You can do well with the specifications.
[他の実施形態又は変形例]
本発明の技術思想によれば、上述した実施形態の延長あるいは変形として、種種の他の実施形態が可能である。[Other Embodiments or Modifications]
According to the technical idea of the present invention, various other embodiments are possible as extensions or modifications of the above-described embodiments.
図6に示す実施形態は、カップリングユニット14として、波長カップリング素子50の代わりに偏光カップリング素子56を用いる構成例を示す。
The embodiment shown in FIG. 6 shows a configuration example in which a
この場合、一方の面発光レーザ10Aより標準波長λSAを有する一束のレーザビームSLBAがP偏光で出力され、他方の面発光レーザ10Bより標準波長λBを有する一束のレーザビームSLBBがS偏光で出力される。ここで、標準波長λSAと標準波長λSBは同じ値に選定される。図示省略するが、P偏光またはS偏光の作成に1/2波長板を用いてよい。偏光カップリング素子56は、たとえば偏光ビームスプリッタからなり、互いに直交して入射するレーザビームSLBA,SLBBを偏光カップリングによって空間的に多重合成して、直進する側のレーザビームSLBAの進行方向に標準波長λSA(λSB)を有する合成レーザビームSLBABを出射する。In this case, the laser beam SLB A a bundle with a standard wavelength lambda SA from one of the
図7に示す実施形態は、カップリングユニット14において波長カップリング素子50と偏光カップリング素子56とを併用し、合成レーザビームの高出力化に用いる面発光レーザ(VCSEL)10の数を大幅(図示の例は6個)に増やしている。
In the embodiment shown in FIG. 7, the
この場合、6個の面発光レーザ(VCSEL)10A〜10Fは、3組のペア(10A/10B)、(10C/10D)、(10E/10F)に分割される。第1組のペア(10A/10B)では、一方の面発光レーザ10Aより標準波長λSAを有する一束のレーザビームSLBAがP偏光で出力され、他方の面発光レーザ10Bより標準波長λSB(ただし、λSB=λSA)を有する一束のレーザビームSLBBがS偏光で出力される。そして、両レーザビームSLBA,SLBBが互いに直交して第1の偏光カップリング素子56(1)に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λSB(λSB)を有する合成レーザビームSLBABが得られる。In this case, six surface emitting lasers (VCSELs) 10A to 10F are divided into three pairs (10A / 10B), (10C / 10D), and (10E / 10F). In the first pair (10A / 10B), a laser beam SLB A having a standard wavelength λ SA is output as P polarized light from one
同様に、第2組のペア(10C/10D)では、一方の面発光レーザ10Cより標準波長λSC(ただし、λSC=λSA+λK1)を有する一束のレーザビームSLBCがP偏光で出力され、他方の面発光レーザ10Dより標準波長λSD(ただし、λSD=λSC)を有する一束のレーザビームSLBDがS偏光で出力される。そして、両レーザビームSLBC,SLBDが互いに直交して第2の偏光カップリング素子56(2)に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λSC(λSD)を有する合成レーザビームSLBCDが得られる。また、第3組のペア(10E/10F)では、一方の面発光レーザ10Eより標準波長λSE(ただし、λSE=λSC+λK2)を有する一束のレーザビームSLBEがP偏光で出力され、他方の面発光レーザ10Fより標準波長λSF(ただし、λSF=λSE)を有する一束のレーザビームSLBFがS偏光で出力される。そして、両レーザビームSLBE,SLBFが互いに直交して第3の偏光カップリング素子56(3)に入射し、そこで偏光カップリングされ、標準波長λSE(λSF)を有する合成レーザビームSLBEFが得られる。Similarly, the second set of pairs (10C / 10D), one of the
第1の偏光カップリング素子56(1)より出射された標準波長λSA(λSB)を有する合成レーザビームSLBABと、第2の偏光カップリング素子56(2)より出射された標準波長λSC(λSD)を有する合成レーザビームSLBCDは、互いに直交して第1の波長カップリング素子50(1)に入射して、そこで波長カップリングされ、2種類の標準波長λSA(λSB),λSC(λSD)を有する合成レーザビームSLBABCDが得られる。A composite laser beam SLB AB having a standard wavelength λ SA (λ SB ) emitted from the first polarization coupling element 56 (1) and a standard wavelength λ emitted from the second polarization coupling element 56 (2) The combined laser beam SLB CD having SC (λ SD ) is orthogonal to each other and is incident on the first wavelength coupling element 50 (1), where it is wavelength coupled and two types of standard wavelengths λ SA (λ SB And λ SC (λ SD ), a combined laser beam SLB ABCD is obtained.
この合成レーザビームSLBABCDは、第2の波長カップリング素子50(2)に入射し、それと直交する第3組のペア(10E/10F)からの標準波長λSE(λSF)を有する合成レーザビームSLBEFと波長カップリングされる。こうして、第2の波長カップリング素子50(2)より、6個の面発光レーザ10A〜10Fのレーザ出力が全部足し合わさった3種類の標準波長λSA(λSB),λSC(λSD),λSE(λSF)を有する高出力の合成レーザビームSLBABCDEFが後段のレーザ光学系(図示せず)に向けて出射される。This composite laser beam SLB ABCD is incident on the second wavelength coupling element 50 (2), and is a composite laser having a standard wavelength λ SE (λ SF ) from the third pair of pairs (10E / 10F) orthogonal thereto. It is wavelength coupled with beam SLB EF . Thus, three standard wavelengths λ SA (λ SB ) and λ SC (λ SD ) in which the laser outputs of the six
図8に示す実施形態は、面発光レーザ(VCSEL)10において、出力ミラー28を、VCSEL素子26の各々の発光口30と対応する位置に個別に配置する構成を特徴としている。この場合も、単体レーザビームLBの拡がり角を可及的に小さくするために、個々の出力ミラー28にコリメートレンズの機能を持たせてもよく、あるいは個々の出力ミラー28の後段に独立したコリメートレンズ(図示せず)を配置してよい。
The embodiment shown in FIG. 8 is characterized in that in the surface emitting laser (VCSEL) 10, the output mirrors 28 are individually disposed at positions corresponding to the
図9に示す実施形態は、面発光レーザ(VCSEL)10において、狭帯域化素子29に出力ミラー28を兼用させる構成を特徴としている。すなわち、狭帯域化素子29は、波長の狭帯域化だけでなく、外部共振器としても機能するので、これを出力ミラーに利用することができる。この場合も、単体レーザビームLBの拡がり角を可及的に小さくするために、狭帯域化素子29の後段にコリメートレンズ(図示せず)を配置することができる。
The embodiment shown in FIG. 9 is characterized in that in the surface emitting laser (VCSEL) 10, the narrowing-down
なお、上記実施形態は、上述したように、上部半導体層40に反射防止膜を設け、さらには上部半導体層40の各層を無反射性または透過性とするする構成を好適に採る。しかし、一変形例または一構成例として、上部半導体層40の中に反射性の膜を設けることも可能である。
In the above embodiment, as described above, the
また、本発明のレーザ装置は、上記実施形態のようなレーザ加工装置に適用して特に大なる利点を有するが、たとえばレーザ医療装置等の他のアプリケーションにも適用可能である。 The laser device of the present invention has particularly great advantages when applied to the laser processing device as in the above embodiment, but is also applicable to other applications such as a laser medical device.
10,10A〜10F 面発光レーザ(VCSEL)
14 カップリングユニット
15 ファイバ伝統系
16 レーザ出射部
20 制御部
26 面発光レーザ素子(VCSEL素子)
28 出力ミラー
29 狭帯域化素子(VBG/VHG)
30 発光口
32 半導体基板
38a 活性領域
42a 開口部
50,50(1),50(2) 波長カップリング素子
56,56(1),56(2),56(3) 偏光カップリング素子10, 10A to 10F surface emitting laser (VCSEL)
14
28
Claims (10)
第2の標準波長に一致または近似する波長を有する一束の第2のレーザビームを出射する第2の面発光レーザと、
前記第1の面発光レーザからの前記第1のレーザビームと前記第2の面発光レーザからの前記第2のレーザビームとを空間的に多重合成して、合成レーザビームを出射するカップリングユニットと
を有し、
前記第1および第2の面発光レーザの各々は、
半導体基板と、この半導体基板上に形成された活性領域と、その活性領域の上に二次元的に離散して設けられた多数の発光口とを有し、各々の前記発光口より前記半導体基板の基板面に対して垂直または斜めの方向に所定の標準波長に一致または近似する波長を有する光を誘導放出する面発光レーザ素子と、
各々の前記発光口より誘導放出される光を共振増幅して単体のレーザビームを取り出すために、前記面発光レーザ素子の発光口から離間してそれと対向する位置に配置される出力ミラーと
を有する、レーザ装置。A first surface emitting laser that emits a bundle of first laser beams having a wavelength that matches or approximates a first standard wavelength;
A second surface emitting laser that emits a bundle of second laser beams having a wavelength that matches or approximates a second standard wavelength;
A coupling unit that spatially multiplexes the first laser beam from the first surface emitting laser and the second laser beam from the second surface emitting laser and emits a combined laser beam Have and
Each of the first and second surface emitting lasers is
A semiconductor substrate, an active region formed on the semiconductor substrate, and a large number of light emission ports provided two-dimensionally and discretely provided on the active region, and the semiconductor substrate from each of the light emission ports A surface-emitting laser element for stimulated emission of light having a wavelength that matches or approximates a predetermined standard wavelength in a direction perpendicular or oblique to the substrate surface of the substrate;
And an output mirror disposed at a position facing away from the light emission port of the surface emitting laser element to resonate amplify light emitted by the light emission ports and extract a single laser beam. , Laser device.
前記第2の面発光レーザは、前記単体のレーザビームの波長を前記第2の標準波長付近に狭帯域化する第2の狭帯域化素子を有する、
請求項1に記載のレーザ装置。The first surface emitting laser has a first narrowing element for narrowing the wavelength of the single laser beam to the vicinity of the first standard wavelength,
The second surface emitting laser has a second narrowing element for narrowing the wavelength of the single laser beam to the vicinity of the second standard wavelength.
The laser device according to claim 1.
前記光ファイバの他端より取り出される前記合成レーザビームを被処理体に向けて集光照射するレーザ出射部と
を有する請求項1に記載のレーザ装置。A fiber transmission system for transmitting the combined laser beam emitted from the coupling unit through an optical fiber;
2. A laser apparatus according to claim 1, further comprising: a laser emitting unit for focusing and irradiating the combined laser beam extracted from the other end of the optical fiber toward the object to be processed.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016005027 | 2016-01-14 | ||
JP2016005027 | 2016-01-14 | ||
PCT/JP2017/000414 WO2017122611A1 (en) | 2016-01-14 | 2017-01-10 | Laser device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2017122611A1 JPWO2017122611A1 (en) | 2018-08-09 |
JP6522166B2 true JP6522166B2 (en) | 2019-05-29 |
Family
ID=59311017
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017561608A Active JP6522166B2 (en) | 2016-01-14 | 2017-01-10 | Laser device |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6522166B2 (en) |
TW (1) | TW201736887A (en) |
WO (1) | WO2017122611A1 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2021118271A (en) * | 2020-01-27 | 2021-08-10 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Laser oscillator and laser processing method |
WO2021172350A1 (en) * | 2020-02-26 | 2021-09-02 | ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 | Light source module, processing machine, and processing method |
KR102394825B1 (en) * | 2020-04-23 | 2022-05-06 | 주식회사 프로텍 | Flip Chip Bonding Apparatus Using VCSEL Device |
WO2023144995A1 (en) * | 2022-01-28 | 2023-08-03 | 三菱電機株式会社 | Laser apparatus and laser processing machine |
CN115740746A (en) * | 2022-11-25 | 2023-03-07 | 深圳市鑫宸锐智能科技有限公司 | VCSEL laser welding equipment and welding method |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001119101A (en) * | 1999-10-20 | 2001-04-27 | Mitsubishi Electric Corp | Laser device and laser beam machining device using the same |
JP2002026452A (en) * | 2000-07-12 | 2002-01-25 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Surface-emitting light source, method of manufacturing thereof, and light source for laser processing apparatus |
US7006549B2 (en) * | 2003-06-11 | 2006-02-28 | Coherent, Inc. | Apparatus for reducing spacing of beams delivered by stacked diode-laser bars |
JP2006343712A (en) * | 2005-05-12 | 2006-12-21 | Seiko Epson Corp | Light source device, scanning display device and projector |
DE102006010728A1 (en) * | 2005-12-05 | 2007-06-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Semiconductor component and laser device |
JP2009094186A (en) * | 2007-10-05 | 2009-04-30 | Seiko Epson Corp | Light source device, illumination device, monitor device, and image display device |
JP2009152524A (en) * | 2007-11-27 | 2009-07-09 | Seiko Epson Corp | Light source device, lighting device, monitoring device, and image display apparatus |
CN102089943B (en) * | 2008-05-08 | 2017-05-03 | 奥兰若光子公司 | High brightness diode output methods and devices |
JP2015115377A (en) * | 2013-12-10 | 2015-06-22 | 株式会社リコー | Compound semiconductor device, light source device, laser device and compound semiconductor device manufacturing method |
JP2015191977A (en) * | 2014-03-27 | 2015-11-02 | ウシオ電機株式会社 | Semiconductor laser device and method for manufacturing the same |
-
2017
- 2017-01-10 WO PCT/JP2017/000414 patent/WO2017122611A1/en active Application Filing
- 2017-01-10 JP JP2017561608A patent/JP6522166B2/en active Active
- 2017-01-13 TW TW106101198A patent/TW201736887A/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2017122611A1 (en) | 2017-07-20 |
JPWO2017122611A1 (en) | 2018-08-09 |
TW201736887A (en) | 2017-10-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6522166B2 (en) | Laser device | |
US10170892B2 (en) | Laser unit and laser device | |
US11949206B2 (en) | Two-dimensional multi-beam stabilizer and combining systems and methods | |
CN105312783B (en) | Laser machining device | |
JP6734844B2 (en) | Diode laser | |
US9209605B1 (en) | Laser diode subassembly and method of generating light | |
Stephens et al. | Narrow bandwidth laser array system | |
JP6157194B2 (en) | Laser apparatus and light beam wavelength coupling method | |
JP7414867B2 (en) | Multi-kW class blue laser system | |
JP2018518048A (en) | Dense wavelength beam combining with variable feedback control | |
JP2023099577A (en) | Light source device, direct diode laser apparatus, and optical coupler | |
US20110279903A1 (en) | Optical beam bundle combiner for multiple laser arrays | |
CN109802281B (en) | Multi-wavelength incoherent spectrum beam combination slab laser oscillator | |
JP2006344973A (en) | Optically-pumped surface emitting laser | |
JP7280498B2 (en) | Light source device | |
JP2016032832A (en) | Laser processing device | |
WO1990013158A1 (en) | Close packed, end face, diode pumped, fibre laser bundle, phased-array laser oscillator | |
CN113258433A (en) | Laser oscillator and laser processing method | |
US8249127B2 (en) | Optical systems for laser arrays | |
JP7097236B2 (en) | Laser device | |
EP2815471A1 (en) | Laser architectures | |
JP2017511613A (en) | Laser light generating apparatus and method for adjusting wavelength of laser light | |
JP2020035782A (en) | Optical device | |
JP2006313609A (en) | Light path correction unit, and optical pickup |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20180411 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190416 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190423 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6522166 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |