JP6635365B2 - Single crystal growing device with laser beam splitting device - Google Patents

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尚博 加賀
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Description

本発明は、レーザ光分割装置を有する単結晶育成装置に関する。   The present invention relates to a single crystal growing apparatus having a laser beam splitting device.

従来、加熱レーザ光による浮遊溶融帯方式の単結晶製造装置では、周囲から複数の加熱レーザ光で原料棒を直接照射し加熱する方式が知られている(例えば、特許文献1)。
[先行技術文献]
[非特許文献]
[非特許文献1] M.Matsuda, et al.,"Magnetic dispersion and anisotropy in multiferroic BiFeO" Phys. Rev. Lett.,米国,The American Physical Society,2012年8月8日,Vol.109,067205.
[特許文献]
[特許文献1] 特開2011−144081号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, in a single crystal manufacturing apparatus of a floating melting zone method using a heating laser beam, a method of directly irradiating a raw material rod with a plurality of heating laser beams from the surroundings and heating the same is known (for example, Patent Document 1).
[Prior art documents]
[Non-patent literature]
[Non-Patent Document 1] Matsuda, et al. , "Magnetic dispersion and anisotropy in multiferroic BiFeO 3" Phys. Rev .. Lett. , USA, The American Physical Society, August 8, 2012, Vol. 109,067205.
[Patent Document]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-140881

図26は、従来の単結晶育成装置500の構成の一例を示す。単結晶育成装置500は、原料棒501を加熱するために、複数台のレーザ電源510a,510b,510c,510d,510e、複数台の半導体レーザ520a,520b,520c,520d,520e、複数台の光ファイバ540a,540b,540c,540d,540e及び複数台のレーザ照射ヘッド550a,550b,550c,550d,550eを備える。図26には半導体レーザ源を5台、半導体レーザ光源への定電流源を5台の場合を図示した。浮遊溶融帯方式に用いる半導体レーザ520は、1台のコストが数百万円の高価な装置である。レーザ電源も数十万円の価格帯であり、5台となると数百万円と高額となる。5台の半導体レーザ520a,520b,520c,520d,520eに5台のレーザ電源510a,510b,510c,510d,510eをそれぞれ接続し、5台のレーザ電源510a,510b,510c,510d,510eを同時に制御するコンピュータ制御系が必須となる。その制御ソフトの開発には高額の費用が発生する。また、半導体レーザ520は±0.5℃内の温度制御精度が必要で、1台の冷却装置からこのような温度精度の高い冷却水を分岐する場合は分岐水量の微妙な調整が必要である。半導体レーザ520に用いる環境ガスは湿度が低い乾燥空気が必要である。半導体レーザ装置は冷却水により冷却されている。その為に半導体レーザ520周辺部に結露しやすく、乾燥ガスをそれぞれの半導体レーザ520に導入する必要がある。このように複数の半導体レーザ520及びレーザ電源510は単結晶育成装置500の費用を大幅に引き上げるばかりでなく、付帯設備の負荷を大きくする。   FIG. 26 shows an example of the configuration of a conventional single crystal growing apparatus 500. The single crystal growing apparatus 500 includes a plurality of laser power supplies 510a, 510b, 510c, 510d, 510e, a plurality of semiconductor lasers 520a, 520b, 520c, 520d, 520e, and a plurality of light sources for heating the raw material rod 501. Fibers 540a, 540b, 540c, 540d, 540e and a plurality of laser irradiation heads 550a, 550b, 550c, 550d, 550e are provided. FIG. 26 shows a case where five semiconductor laser sources and five constant current sources for the semiconductor laser light source are used. The semiconductor laser 520 used for the floating melting zone method is an expensive device whose cost is several million yen. The laser power supply is also in the price range of hundreds of thousands of yen, and if the number of laser power supplies is five, it will be expensive at several million yen. Five laser power supplies 510a, 510b, 510c, 510d, 510e are respectively connected to the five semiconductor lasers 520a, 520b, 520c, 520d, 520e, and the five laser power supplies 510a, 510b, 510c, 510d, 510e are simultaneously connected. A computer control system to control is essential. The development of such control software is expensive. In addition, the semiconductor laser 520 requires temperature control accuracy within ± 0.5 ° C., and when cooling water with high temperature accuracy is branched from one cooling device, fine adjustment of the amount of branch water is required. . The environment gas used for the semiconductor laser 520 needs dry air with low humidity. The semiconductor laser device is cooled by cooling water. For this reason, dew condensation easily occurs around the semiconductor laser 520, and it is necessary to introduce a dry gas into each semiconductor laser 520. As described above, the plurality of semiconductor lasers 520 and the laser power supply 510 not only greatly increase the cost of the single crystal growing apparatus 500 but also increase the load on the auxiliary equipment.

本発明の第1の態様においては、原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、レーザ電源を有し、レーザ電源が供給した電力に基づいて、半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、半導体レーザ光をM本の加熱レーザ光に分割するレーザ光分割装置と、M本の加熱レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドとを備える単結晶育成装置を提供する。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a single crystal growing apparatus for growing a single crystal from a raw material rod, comprising a laser power supply, and emitting a semiconductor laser beam based on power supplied by the laser power supply. A single crystal growing apparatus including a laser beam splitting device that splits a semiconductor laser beam into M heating laser beams and a laser irradiation head that irradiates the M heating laser beams toward a raw material rod.

単結晶育成装置100の斜視図の一例を示す。FIG. 1 shows an example of a perspective view of a single crystal growing apparatus 100. 原料棒1の近傍の上面図の一例を示す。An example of a top view near the raw material rod 1 is shown. 半導体レーザ装置20の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a semiconductor laser device 20. 光ファイバ40の模式図を示す。FIG. 2 shows a schematic diagram of an optical fiber 40. 半導体レーザ装置20の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a semiconductor laser device 20. 半導体レーザ装置20の上面図の一例を示す。1 shows an example of a top view of a semiconductor laser device 20. FIG. 半導体レーザ装置20の正面図の一例を示す。1 shows an example of a front view of a semiconductor laser device 20. FIG. 半導体レーザ素子201とコリメータレンズの側面図の一例を示す。FIG. 1 shows an example of a side view of a semiconductor laser element 201 and a collimator lens. 半導体レーザ素子201とコリメータレンズの上面図の一例を示す。FIG. 1 shows an example of a top view of a semiconductor laser element 201 and a collimator lens. 半導体レーザ光5の分割方法の一例を示す。An example of a method of dividing the semiconductor laser light 5 will be described. 半導体レーザ光5の減衰方法とファイバ集光レンズの一例を示す。An example of a method of attenuating the semiconductor laser light 5 and an example of a fiber condenser lens will be described. M本に分割した半導体レーザ光5のシミュレーション実験結果を示す。The simulation experiment result of the semiconductor laser beam 5 divided into M lines is shown. 実施例2に係る半導体レーザ光5の分割方法を示す。7 shows a method of dividing the semiconductor laser beam 5 according to the second embodiment. 第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37の構成の一例を示す。An example of the configuration of the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 is shown. 実施例3に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。10 shows an example of a configuration of a laser beam splitting device 30 according to a third embodiment. 実施例4に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。10 shows an example of the configuration of a laser beam splitting device 30 according to a fourth embodiment. 実施例5に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。13 shows an example of a configuration of a laser beam splitting device 30 according to a fifth embodiment. 実施例6に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。13 shows an example of the configuration of a laser beam splitting device 30 according to a sixth embodiment. 第1分割方式に係るレーザ光分割装置30への入射方法の一例を示す。An example of a method of entering the laser beam splitting device 30 according to the first splitting method will be described. 第2分割方式に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a laser beam splitting device 30 according to a second splitting method. 第2分割方式に係るレーザ光分割装置30への入射方法の一例を示す。An example of a method of entering the laser beam splitting device 30 according to the second splitting method will be described. 第3分割方式に係る分割ファイバ80の一例を示す。An example of a splitting fiber 80 according to a third splitting method is shown. 第3分割方式に係る分割ファイバ80の一例を示す。An example of a splitting fiber 80 according to a third splitting method is shown. レーザ照射ヘッド50の構成の一例を示す。1 shows an example of the configuration of a laser irradiation head 50. 比較例1に係る単結晶育成装置500の上面図を示す。1 shows a top view of a single crystal growing apparatus 500 according to Comparative Example 1. FIG. 単結晶育成装置100の上面図の一例を示す。FIG. 1 shows an example of a top view of a single crystal growing apparatus 100. レーザヘッド部が装置上部に固定された単結晶育成装置500の構成を示す。5 shows a configuration of a single crystal growing apparatus 500 in which a laser head is fixed to an upper part of the apparatus. 従来の単結晶育成装置500の構成の一例を示す。An example of the configuration of a conventional single crystal growing apparatus 500 is shown.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all combinations of the features described in the embodiments are necessarily essential to the solution of the invention.

[実施例1]
図1は、単結晶育成装置100の斜視図の一例を示す。図2は、原料棒1の近傍の上面図の一例を示す。単結晶育成装置100は、レーザ電源10、半導体レーザ装置20、レーザ光分割装置30、M本の光ファイバ、M個のレーザ照射ヘッド及びM個のダンパを備える。本例では、分割本数M=5の場合を示す。
[Example 1]
FIG. 1 shows an example of a perspective view of a single crystal growing apparatus 100. FIG. 2 shows an example of a top view near the raw material rod 1. The single crystal growing apparatus 100 includes a laser power supply 10, a semiconductor laser device 20, a laser beam splitting device 30, M optical fibers, M laser irradiation heads, and M dampers. In this example, a case where the number of divisions M = 5 is shown.

単結晶育成装置100は、浮遊溶融帯方式で種結晶棒2上に単結晶を育成する。浮遊溶融帯方式では、原料棒1及び種結晶棒2を高温に加熱する加熱源が必要である。本例の単結晶育成装置100は、柱状形状の原料棒1及び種結晶棒2の加熱源として加熱レーザ光3を用いる。加熱レーザ光3は、原料棒1及び種結晶棒2の中心軸を中心として、放射状に原料棒1及び種結晶棒2に入射する。加熱レーザ光3は、略四角形の照射形状を有し、且つ、略四角形照射形状の二次元面強度が均一なレーザ光である。   The single crystal growing apparatus 100 grows a single crystal on the seed crystal rod 2 by a floating melting zone method. In the floating melting zone method, a heating source for heating the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 to a high temperature is required. The single crystal growing apparatus 100 of this example uses a heating laser beam 3 as a heating source for a columnar raw material rod 1 and a seed crystal rod 2. The heating laser beam 3 is radially incident on the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 about the central axis of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. The heating laser beam 3 is a laser beam having a substantially square irradiation shape and a two-dimensional surface intensity of the substantially square irradiation shape.

半導体レーザ装置20は、レーザ電源10からの電源電力により駆動し、半導体レーザ光5を生成する。半導体レーザ装置20は、生成した半導体レーザ光5をレーザ光分割装置30に出射する。本例の単結晶育成装置100は、レーザ電源10及び半導体レーザ装置20をそれぞれ1台ずつ有する。なお、半導体レーザ装置20が出射する半導体レーザ光5の本数は1本に限られず、複数の半導体レーザ光5をM本に分割するとしてもよい。   The semiconductor laser device 20 is driven by the power from the laser power source 10 to generate the semiconductor laser light 5. The semiconductor laser device 20 emits the generated semiconductor laser beam 5 to the laser beam splitting device 30. The single crystal growing apparatus 100 of this example has one laser power supply 10 and one semiconductor laser apparatus 20. The number of semiconductor laser beams 5 emitted from the semiconductor laser device 20 is not limited to one, and a plurality of semiconductor laser beams 5 may be divided into M laser beams.

レーザ光分割装置30は、半導体レーザ光5をM本に分割する。レーザ光分割装置30は、分割した半導体レーザ光5を光ファイバ41,42,43,44,45に入射する。本例のレーザ光分割装置30は、半導体レーザ光5をM本に分割する。レーザ光分割装置30は、半導体レーザ光5をM本に分割するために、第1から第3の3つの分割方式を有する。   The laser beam splitting device 30 splits the semiconductor laser beam 5 into M beams. The laser beam splitting device 30 makes the split semiconductor laser beam 5 incident on the optical fibers 41, 42, 43, 44 and 45. The laser beam splitting device 30 of this example splits the semiconductor laser beam 5 into M beams. The laser beam splitting device 30 has first to third three splitting methods for splitting the semiconductor laser beam 5 into M beams.

光ファイバ41,42,43,44,45は、M本の半導体レーザ光5をM本の加熱レーザ光3として出射する。光ファイバ41,42,43,44,45の入射口形状は円形である。入射した半導体レーザ光5は、光ファイバ41,42,43,44,45を構成する多数の石英ガラス細管による相互干渉効果により均一となる。一方、光ファイバ41,42,43,44,45の出射口付近では、光ファイバのコア形状を略四角形にする。これにより、光ファイバ41,42,43,44,45から出射する半導体レーザ光5は、略四角形で、且つ、断面のレーザ光強度が完全に均一な加熱レーザ光3となる。   The optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45 emit M semiconductor laser beams 5 as M heating laser beams 3. The shape of the entrance of the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45 is circular. The incident semiconductor laser beam 5 becomes uniform due to the mutual interference effect of a large number of quartz glass tubes constituting the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45. On the other hand, near the exit ports of the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45, the core shape of the optical fibers is substantially square. As a result, the semiconductor laser beam 5 emitted from the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45 becomes a heating laser beam 3 having a substantially square shape and a completely uniform laser beam intensity in cross section.

レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55は、光ファイバ41,42,43,44,45から入射した加熱レーザ光3を原料棒1及び種結晶棒2に集光する。レーザ照確認必要放射状で、且つ、等間隔に複数の加熱レーザ光を照射するように配置する。即ち、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55は、原料棒1及び種結晶棒2を中心に略72度の間隔の角度で5方向から加熱レーザ光3を照射する。分割本数M=5の場合、原料棒1及び種結晶棒2の周囲の光照射強度の均一度は95%以上となる。これは、加熱レーザ光3が略四角形の照射形状を有し、略四角形照射形状の二次元面強度が均一なレーザ光を用いることによる。なお、加熱レーザ光3において二次元面上の光強度が一定な光強度分布をトップフラット形状分布と呼ぶ。このように、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55は、加熱レーザ光3を所望の照射形状に整形してもよい。   The laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55 condense the heating laser light 3 incident from the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45 on the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. It is arranged so as to irradiate a plurality of heating laser beams at equal intervals and radially for confirmation of laser illumination. That is, the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, and 55 irradiate the heating laser beam 3 from five directions at an angle of approximately 72 degrees around the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. When the number of divisions M is 5, the uniformity of the light irradiation intensity around the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 is 95% or more. This is because the heating laser beam 3 has a substantially square irradiation shape, and a laser beam having a substantially square irradiation shape and uniform two-dimensional surface intensity is used. The light intensity distribution of the heating laser light 3 with a constant light intensity on a two-dimensional surface is called a top flat shape distribution. Thus, the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55 may shape the heating laser beam 3 into a desired irradiation shape.

図2に示したダンパ61,62,63,64,65は、水冷機構を有し、加熱レーザ光3の一部を吸収する。ダンパ61,62,63,64,65は、原料棒1及び種結晶棒2を挟んで、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55とそれぞれ対向して設ける。例えば、ダンパ61は、レーザ照射ヘッド51が出射した加熱レーザ光3の内、原料棒1及び種結晶棒2の左右を通過した加熱レーザ光3を吸収する。これにより、レーザ照射ヘッド51による単結晶育成装置100の内部の損傷を防止できる。   The dampers 61, 62, 63, 64, and 65 shown in FIG. 2 have a water cooling mechanism and absorb a part of the heating laser beam 3. The dampers 61, 62, 63, 64, 65 are provided opposite to the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55 with the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 interposed therebetween. For example, the damper 61 absorbs the heating laser light 3 that has passed through the right and left of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 among the heating laser light 3 emitted by the laser irradiation head 51. This can prevent the laser irradiation head 51 from damaging the inside of the single crystal growing apparatus 100.

ここで、原料棒1は、育成する単結晶に応じた材料で形成した柱状形状の棒である。原料棒1及び種結晶棒2は、加熱レーザ光3で加熱することにより種結晶棒2上に溶融帯4を形成する。例えば、原料棒1及び種結晶棒2の溶融温度は、300℃から2000℃である。溶融帯4は、原料棒1及び種結晶棒2が加熱レーザ光3により溶融した層であり、冷却することにより原料棒1及び種結晶棒2の材料に応じた単結晶を形成する。原料棒1と種結晶棒2は、石英管6中に設置し、原料棒保持部11及び単結晶保持部12にそれぞれ固定する。本例の単結晶育成装置100は、原料棒1及び種結晶棒2を坩堝に置く必要がないので、坩堝からの不純物汚染がなく極めて高純度の単結晶棒を育成できる。また、原料棒1に微量の元素を添加することも可能となる。   Here, the raw material rod 1 is a columnar rod formed of a material corresponding to the single crystal to be grown. The raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 are heated by the heating laser beam 3 to form a molten zone 4 on the seed crystal rod 2. For example, the melting temperature of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 is 300 ° C. to 2000 ° C. The melting zone 4 is a layer in which the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 are melted by the heating laser light 3, and forms a single crystal according to the material of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 by cooling. The raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 are installed in a quartz tube 6 and fixed to a raw material rod holding unit 11 and a single crystal holding unit 12, respectively. Since the single crystal growing apparatus 100 of this embodiment does not require the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 to be placed in the crucible, it is possible to grow an extremely high-purity single crystal rod without impurity contamination from the crucible. Also, it is possible to add a trace element to the raw material rod 1.

石英管6は、石英により形成した透明な管である。石英管6の中心軸上に原料棒1及び種結晶棒2を配置する。石英管6内には、原料棒1及び種結晶棒2の材料等に応じて好適なガスを充満させる。例えば、石英管6に酸素ガスを供給し、石英管6内を予め定められた圧力に調整する。   The quartz tube 6 is a transparent tube formed of quartz. The raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 are arranged on the central axis of the quartz tube 6. A suitable gas is filled in the quartz tube 6 according to the material of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. For example, oxygen gas is supplied to the quartz tube 6 to adjust the inside of the quartz tube 6 to a predetermined pressure.

原料棒保持部11は、原料棒1を石英管10内で保持する。原料棒保持部11は、平面視で、原料棒1の中心軸に対して反時計周りに原料棒1を回転させる。例えば、原料棒保持部11は、シャフトを有し、当該シャフトから白金線などの高融点ワイアで原料棒1を吊るす。原料棒1の回転速度は、任意の速度に決定すればよく、一例では10rpmから60rpm程度である。   The raw material rod holding unit 11 holds the raw material rod 1 in the quartz tube 10. The raw material rod holding unit 11 rotates the raw material rod 1 counterclockwise with respect to the central axis of the raw material rod 1 in plan view. For example, the raw material rod holding unit 11 has a shaft, and the raw material rod 1 is suspended from the shaft with a high melting point wire such as a platinum wire. The rotation speed of the raw material rod 1 may be determined at an arbitrary speed, and is about 10 to 60 rpm in one example.

単結晶保持部12は、種結晶棒2を石英管10内で保持する。単結晶保持部12は、平面視で、種結晶棒2の中心軸に対して時計周りに種結晶棒2を回転させる。即ち、原料棒保持部11及び単結晶保持部12は、原料棒1の回転方向と種結晶棒2の回転方向が逆向きとなるように回転する。種結晶棒2の回転速度は、任意の速度に決定すればよく、一例では10rpmから60rpm程度である。種結晶棒2の回転速度は、原料棒1の回転速度と同じであることが好ましいが、これに限られない。原料棒1及び種結晶棒2を回転することにより、溶融帯4の温度均一性が向上する。また、溶融帯4がシャフト中心軸上になるように回転速度を制御する。   The single crystal holding unit 12 holds the seed crystal rod 2 in the quartz tube 10. The single crystal holding unit 12 rotates the seed crystal rod 2 clockwise with respect to the central axis of the seed crystal rod 2 in plan view. That is, the raw material rod holder 11 and the single crystal holder 12 rotate so that the rotation direction of the raw material rod 1 and the rotation direction of the seed crystal rod 2 are opposite. The rotation speed of the seed crystal rod 2 may be determined at an arbitrary speed, and is about 10 rpm to 60 rpm in one example. The rotation speed of the seed crystal rod 2 is preferably the same as the rotation speed of the raw material rod 1, but is not limited thereto. By rotating the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2, the temperature uniformity of the molten zone 4 is improved. Further, the rotation speed is controlled so that the melting zone 4 is located on the center axis of the shaft.

原料棒保持部11及び単結晶保持部12は、溶融帯4が予め定められた温度に安定化した状態で、徐々に原料棒1及び種結晶棒2の保持位置を下方に移動させる。これにより、溶融帯4に加熱レーザ光3が照射しなくなった種結晶上部の領域から徐々に種結晶の結晶方位で結晶化する。原料棒保持部11及び単結晶保持部12の移動する速度は、単結晶の材料の特性及び加熱レーザ光3の強度等に応じて任意に設定する。   The raw material rod holding unit 11 and the single crystal holding unit 12 gradually move the holding positions of the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 downward with the melting zone 4 stabilized at a predetermined temperature. Thereby, the melting zone 4 is gradually crystallized in the crystal orientation of the seed crystal from a region above the seed crystal where the heating laser beam 3 is no longer irradiated. The moving speed of the raw material rod holding unit 11 and the single crystal holding unit 12 is arbitrarily set according to the characteristics of the single crystal material, the intensity of the heating laser beam 3, and the like.

実施例1では、第1分割方式のレーザ光分割装置30について説明する。第1分割方式では、半導体レーザ装置20からの半導体レーザ光5をM本の半導体レーザ光5に直ちに分割する。第1分割方式の最大のメリットは、光ファイバ41,42,43,44,45に半導体レーザ光5を導入する前に、半導体レーザ装置20からの半導体レーザ光5をM本のレーザ光に分割することにより、光ファイバ41,42,43,44,45からのトップフラット強度分布をもつ略四角形照射形状への影響を最小限にできることにある。トップフラット強度分布や略四角形形状を得ることができるのは、光ファイバ41,42,43,44,45によるからである。第1分割方式では、レーザ光分割装置30におけるレーザ光強度のロスを小さくするために、第1分割方式を少ない光学系で実現することが好ましい。   In the first embodiment, a description will be given of a laser beam splitting device 30 of the first splitting method. In the first division method, the semiconductor laser beam 5 from the semiconductor laser device 20 is immediately divided into M semiconductor laser beams 5. The greatest advantage of the first division method is that the semiconductor laser beam 5 from the semiconductor laser device 20 is divided into M laser beams before the semiconductor laser beam 5 is introduced into the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45. By doing so, it is possible to minimize the influence of the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45 on the substantially square irradiation shape having a top flat intensity distribution. It is because of the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45 that the top flat intensity distribution and the substantially square shape can be obtained. In the first division method, it is preferable to realize the first division method with a small number of optical systems in order to reduce the loss of laser light intensity in the laser light division device 30.

図3は、半導体レーザ装置20の構成の一例を示す。本例の半導体レーザ装置20は、半導体チップ21、サブマウント22及びヒートシンク23からなる半導体レーザ素子201を備える。   FIG. 3 shows an example of the configuration of the semiconductor laser device 20. The semiconductor laser device 20 of the present example includes a semiconductor laser element 201 including a semiconductor chip 21, a submount 22, and a heat sink 23.

半導体チップ21は、半導体レーザ光5を照射する。半導体チップ21は、一列に並んだL個の発光点24を有する。半導体チップ21は、サブマウント22上に固定する。本例では、L個の発光点24の並ぶ方向をX軸とし、半導体レーザ光5の照射する方向をZ軸とし、X軸及びZ軸に対して垂直な方向をY軸とする。   The semiconductor chip 21 emits the semiconductor laser light 5. The semiconductor chip 21 has L light emitting points 24 arranged in a line. The semiconductor chip 21 is fixed on the submount 22. In this example, the direction in which the L light-emitting points 24 are arranged is the X axis, the direction in which the semiconductor laser light 5 is irradiated is the Z axis, and the direction perpendicular to the X axis and the Z axis is the Y axis.

サブマウント22は、窒化アルミや銅タングステンあるいは人工ダイヤモンドなどの熱伝導率の高い材料で形成する。サブマウント22は、ヒートシンク23上に固定する。   The submount 22 is formed of a material having a high thermal conductivity such as aluminum nitride, copper tungsten, or artificial diamond. The submount 22 is fixed on the heat sink 23.

ヒートシンク23は、半導体チップ21の駆動時に生じる熱を吸収する。ヒートシンク23は、Cuなどの熱伝導率の高い金属製ヒートシンクである。   The heat sink 23 absorbs heat generated when the semiconductor chip 21 is driven. The heat sink 23 is a metal heat sink having a high thermal conductivity such as Cu.

L個の発光点24のサイズは、X軸方向の幅W1及びY軸方向の高さH1を有する。L個の発光点24は、ピッチP1で並ぶ。ピッチP1は、ある発光点24のX軸方向負側の端部から隣接する発光点24のX軸方向負側の端部までの距離を指す。即ち、ピッチP1につき1個の発光点24を配置する。   The size of the L light emitting points 24 has a width W1 in the X-axis direction and a height H1 in the Y-axis direction. The L light emitting points 24 are arranged at a pitch P1. The pitch P1 indicates a distance from an end on the X axis direction negative side of a certain light emitting point 24 to an X axis direction negative side end of an adjacent light emitting point 24. That is, one light emitting point 24 is arranged for each pitch P1.

半導体レーザ光5は、X軸方向及びY軸方向に大きな拡がり角度を有する。通常、X方向は8〜10度、Y方向は30〜70度の拡がり角でレーザ光が発散する。そのために、半導体レーザ光5を光ファイバ41,42,43,44,45に入射するためには、半導体レーザ光5を平行光に変換する必要がある。   The semiconductor laser light 5 has a large divergence angle in the X-axis direction and the Y-axis direction. Usually, the laser beam diverges at a divergence angle of 8 to 10 degrees in the X direction and 30 to 70 degrees in the Y direction. Therefore, in order to make the semiconductor laser light 5 incident on the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45, it is necessary to convert the semiconductor laser light 5 into parallel light.

図4は、光ファイバ40の模式図を示す。光ファイバ40は、光ファイバ41,42,43,44,45の一例である。光ファイバ40は、光ファイバコア46及び光ファイバクラッド47を有する。   FIG. 4 shows a schematic diagram of the optical fiber 40. The optical fiber 40 is an example of the optical fibers 41, 42, 43, 44, 45. The optical fiber 40 has an optical fiber core 46 and an optical fiber clad 47.

光ファイバ40の構造は、光ファイバコア46とその周囲を覆う光ファイバクラッド47との2層構造である。光ファイバコア46の屈折率は、光ファイバクラッド47の屈折率よりも高い。これにより、半導体レーザ光5が光ファイバコア46内を伝搬する。   The structure of the optical fiber 40 is a two-layer structure including an optical fiber core 46 and an optical fiber clad 47 covering the periphery thereof. The refractive index of the optical fiber core 46 is higher than the refractive index of the optical fiber clad 47. Thus, the semiconductor laser light 5 propagates in the optical fiber core 46.

ここで、半導体レーザ装置20及びレーザ光分割装置30の設計する指標としてビームパラメータプロダクト(BPP)を用いる。BPPは、以下の式より求められる。
[数式1]
BPP=λ1×θf
ここで、λ1は、光ファイバコア46の直径を示す。θfは、光ファイバ40の拡がり角を示す。即ち、BPPは、光ファイバコア46の直径と光ファイバ40の拡がり角θfとの積である。BPPは、レーザ光分割装置30の半導体チップ21の積層数や分割ミラーの数、分割ミラー反射面の幅を選択する上の重要な指針を与える。
Here, a beam parameter product (BPP) is used as an index for designing the semiconductor laser device 20 and the laser beam splitting device 30. BPP is obtained from the following equation.
[Formula 1]
BPP = λ1 × θf
Here, λ1 indicates the diameter of the optical fiber core 46. θf indicates a divergence angle of the optical fiber 40. That is, BPP is the product of the diameter of the optical fiber core 46 and the divergence angle θf of the optical fiber 40. The BPP provides important guidelines for selecting the number of stacked semiconductor chips 21 of the laser beam splitting device 30, the number of split mirrors, and the width of the split mirror reflection surface.

X軸方向に並ぶL個の発光点24をM本の半導体レーザ光5に分割し、M本の光ファイバ40に入射する場合、発光点の個数Lは、以下の式を満たす様に選択する。
[数式2]
{(L−1)×P1+W1}×θl ≦M×BPP
When the L light emitting points 24 arranged in the X-axis direction are divided into M semiconductor laser beams 5 and are incident on the M optical fibers 40, the number L of light emitting points is selected so as to satisfy the following equation. .
[Formula 2]
{(L-1) × P1 + W1} × θl ≦ M × BPP

(数2)式のW1は、半導体レーザ素子の発光点の横の長さである。半導体レーザ素子のピッチ間隔P1は、半導体レーザ素子の発光点24と、隣接する半導体レーザ素子の発光点24との間隔を指す。θ1は、発光点24から出射する半導体レーザ光5の横方向の拡がり角を示す。半導体レーザ装置20における発光点の個数Lが、(数2)式の範囲であれば高い光エネルギー利用効率で光ファイバ40の入射口に入射する。BPPを超えると、半導体レーザ光5が光ファイバ40に損傷を与える。   W1 in the expression (2) is the horizontal length of the light emitting point of the semiconductor laser device. The pitch interval P1 between the semiconductor laser elements indicates the distance between the light emitting point 24 of the semiconductor laser element and the light emitting point 24 of the adjacent semiconductor laser element. θ1 indicates the divergence angle of the semiconductor laser beam 5 emitted from the light emitting point 24 in the lateral direction. When the number L of light emitting points in the semiconductor laser device 20 is in the range of the expression (2), the light is incident on the entrance of the optical fiber 40 with high light energy utilization efficiency. If the BPP is exceeded, the semiconductor laser light 5 damages the optical fiber 40.

図5は、半導体レーザ装置20の構成の一例を示す。半導体レーザ装置20は、Y軸方向に積層した半導体レーザ素子201,202,203,204,205を備える。   FIG. 5 shows an example of the configuration of the semiconductor laser device 20. The semiconductor laser device 20 includes semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, and 205 stacked in the Y-axis direction.

半導体レーザ装置20は、半導体レーザ素子201,202,203,204,205を積層することにより、原料棒1及び種結晶棒2を加熱するのに十分なレーザ光強度を得ることができる。半導体レーザ装置20のレーザ光強度は、原料棒1及び種結晶棒2を1000℃〜2000℃程度に加熱する程度に大きくなければならない。しかし、1つの半導体レーザ素子201のレーザ光強度では、原料棒1及び種結晶棒2を1000℃〜2000℃程度に加熱できない。原料棒1及び種結晶棒2を1000℃〜2000℃程度に加熱するには、1Kワットクラスの半導体レーザ装置20が必要である。1Kワットクラスの半導体レーザ装置20では、M本にレーザ光を分割しても原料棒1及び種結晶棒2を所望の温度に加熱できる。   The semiconductor laser device 20 can obtain a laser beam intensity sufficient to heat the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 by stacking the semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, and 205. The laser beam intensity of the semiconductor laser device 20 must be large enough to heat the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 to about 1000 ° C. to 2000 ° C. However, the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 cannot be heated to about 1000 ° C. to 2000 ° C. with the laser beam intensity of one semiconductor laser element 201. In order to heat the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 to about 1000 ° C. to 2000 ° C., a semiconductor laser device 20 of 1 kW class is required. The 1 K watt class semiconductor laser device 20 can heat the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2 to desired temperatures even if the laser beam is divided into M laser beams.

本例の半導体レーザ装置20は、以下の式を満たす様にN個の半導体レーザ素子を積層する。
[数式3]
{(N−1)×Pc+H1}×θv≦BPP
Pcは、半導体レーザ素子の積層間隔を示す。半導体レーザ素子の積層間隔Pcは、ある半導体レーザ素子の発光点24と、積層する半導体レーザ素子の発光点24との間隔を指す。θvは、発光点24から出射する半導体レーザ光5の縦方向の拡がり角を示す。半導体レーザ装置20における半導体レーザ素子の積層個数Nが、(数3)式の範囲であれば高い光エネルギー利用効率で光ファイバ40の入射口に導く。BPPを超えると、半導体レーザ光5が光ファイバ40に損傷を与える。
The semiconductor laser device 20 of this example has N semiconductor laser elements stacked so as to satisfy the following equation.
[Equation 3]
{(N-1) × Pc + H1} × θv ≦ BPP
Pc indicates the stacking interval of the semiconductor laser device. The stacking interval Pc of the semiconductor laser devices indicates the interval between the light emitting point 24 of a certain semiconductor laser device and the light emitting point 24 of the semiconductor laser device to be stacked. θv indicates a vertical divergence angle of the semiconductor laser light 5 emitted from the light emitting point 24. When the number N of stacked semiconductor laser elements in the semiconductor laser device 20 is in the range of the expression (3), the semiconductor laser element is guided to the entrance of the optical fiber 40 with high light energy utilization efficiency. If the BPP is exceeded, the semiconductor laser light 5 damages the optical fiber 40.

図6Aは、半導体レーザ装置20の上面図の一例を示す。図6Bは、半導体レーザ装置20の正面図の一例を示す。半導体レーザ装置20は、階段状に積層した半導体レーザ素子201,202,203,204,205を備える。また、本例の半導体レーザ装置20は、反射ミラー25,26,27,28を有する。   FIG. 6A shows an example of a top view of the semiconductor laser device 20. FIG. 6B shows an example of a front view of the semiconductor laser device 20. The semiconductor laser device 20 includes semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, and 205 stacked in a stepwise manner. Further, the semiconductor laser device 20 of the present example has reflection mirrors 25, 26, 27, and 28.

半導体レーザ素子201,202,203,204,205は、階段状に積層する。階段状に積層するとは、X軸方向及び/又はZ軸方向にずれて、且つ、Y軸方向にずれて配置することを指す。例えば、半導体レーザ素子201,202,203,204,205は、Y軸方向の正側から半導体レーザ素子201,202,203,204,205の順に同ピッチで積層する。また、半導体レーザ素子201,202,203,204,205は、XZ平面において完全にずれて配置してもよいし、一部を重ねて配置してもよい。   The semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, and 205 are stacked in a stepwise manner. Laminating in a stepwise manner refers to disposing in the X-axis direction and / or the Z-axis direction and displacing in the Y-axis direction. For example, the semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204 and 205 are stacked at the same pitch in the order of the semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204 and 205 from the positive side in the Y-axis direction. Further, the semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, 205 may be completely displaced on the XZ plane, or may be partially overlapped.

より具体的には、半導体レーザ素子201は、反射ミラー25,26,27,28に向けて、半導体レーザ光5を照射する。半導体レーザ素子202は、反射ミラー25及び反射ミラー26を挟み、半導体レーザ素子203と対向する。また、半導体レーザ素子204は、反射ミラー27及び反射ミラー28を挟み、半導体レーザ素子205と対向する。   More specifically, the semiconductor laser element 201 irradiates the semiconductor laser light 5 toward the reflection mirrors 25, 26, 27, and 28. The semiconductor laser device 202 faces the semiconductor laser device 203 with the reflection mirror 25 and the reflection mirror 26 interposed therebetween. The semiconductor laser device 204 faces the semiconductor laser device 205 with the reflection mirror 27 and the reflection mirror 28 interposed therebetween.

反射ミラー25,26,27,28は、半導体レーザ素子202,203,204,205が出射した半導体レーザ光5の光路を変換する。本例では、反射ミラー25,26,27,28は、半導体レーザ素子201から出射した半導体レーザ光5の光路を変えずに、直進させる。また、反射ミラー25及び反射ミラー26は、半導体レーザ素子202及び半導体レーザ素子203の出射した半導体レーザ光5を半導体レーザ素子201の半導体レーザ光5と同一の方向にそれぞれ変換する。さらに、反射ミラー27及び反射ミラー28は、半導体レーザ素子204及び半導体レーザ素子205の出射した半導体レーザ光5を、半導体レーザ素子201の出射した半導体レーザ光5と同一の方向にそれぞれ変換する。なお、本例では、半導体レーザ光5が変換された方向をZ軸方向として便宜上規定している。しかし、L個の発光点24の並ぶ方向は、半導体レーザ素子201,202,203,204,205の向く方向によって、適宜変更されてよい。即ち、半導体レーザ素子201の発光点24はX軸方向に並び、半導体レーザ素子202,203,204,205の発光点24はZ軸方向に並ぶ。   The reflection mirrors 25, 26, 27, 28 convert the optical path of the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser elements 202, 203, 204, 205. In this example, the reflection mirrors 25, 26, 27, and 28 travel straight without changing the optical path of the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser element 201. The reflection mirror 25 and the reflection mirror 26 convert the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser elements 202 and 203 in the same direction as the semiconductor laser light 5 of the semiconductor laser element 201, respectively. Further, the reflection mirror 27 and the reflection mirror 28 convert the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser elements 204 and 205 in the same direction as the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser element 201, respectively. In this example, the direction in which the semiconductor laser light 5 is converted is defined as the Z-axis direction for convenience. However, the direction in which the L light emitting points 24 are arranged may be appropriately changed depending on the direction in which the semiconductor laser elements 201, 202, 203, 204, and 205 face. That is, the light emitting points 24 of the semiconductor laser elements 201 are arranged in the X axis direction, and the light emitting points 24 of the semiconductor laser elements 202, 203, 204, 205 are arranged in the Z axis direction.

図7Aは、半導体レーザ素子201の側面図の一例を示す。図7Bは、半導体レーザ素子201の上面図の一例を示す。半導体レーザ素子201の出射した半導体レーザ光5を、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32により平行光に変換する。Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32は、レーザ光分割装置30の構成の一例である。   FIG. 7A shows an example of a side view of the semiconductor laser element 201. FIG. 7B shows an example of a top view of the semiconductor laser element 201. The semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser element 201 is converted into parallel light by a Y-direction collimator 31 and an X-direction collimator 32. The Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 are examples of the configuration of the laser beam splitting device 30.

Y方向コリメータ31は、X軸方向から見てZ軸に対して平行な光となるように、半導体レーザ光5を変換する。即ち、Y軸方向に広がる半導体レーザ光5が、X軸方向から見てZ軸に対して平行な光となる。Y方向コリメータ31は、シリンドリカル(円柱)形状のレンズ有する。   The Y-direction collimator 31 converts the semiconductor laser light 5 so that the light becomes parallel to the Z-axis when viewed from the X-axis direction. That is, the semiconductor laser light 5 spreading in the Y-axis direction becomes light parallel to the Z-axis when viewed from the X-axis direction. The Y-direction collimator 31 has a cylindrical (cylindrical) lens.

X方向コリメータ32は、Y軸方向から見てZ軸に対して平行な光となるように、半導体レーザ光5を変換する。即ち、X軸方向に広がる半導体レーザ光5が、Y軸方向から見てZ軸に対して平行な光となる。X方向コリメータ32は、X軸方向に並んだ多数の凸レンズアレイを有する。   The X-direction collimator 32 converts the semiconductor laser light 5 so that the light becomes parallel to the Z-axis when viewed from the Y-axis direction. That is, the semiconductor laser light 5 spreading in the X-axis direction becomes light parallel to the Z-axis when viewed from the Y-axis direction. The X-direction collimator 32 has a large number of convex lens arrays arranged in the X-axis direction.

本例の半導体レーザ光5は、Y方向コリメータ31に入射した後に、X方向コリメータ32に入射した。しかし、半導体レーザ光5は、X方向コリメータ32に入射した後に、Y方向コリメータ31に入射してよい。半導体レーザ光5は、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32を通過することにより、Z軸方向に平行なレーザ光となる。   The semiconductor laser light 5 of this example was incident on the X-direction collimator 32 after being incident on the Y-direction collimator 31. However, the semiconductor laser light 5 may enter the Y-direction collimator 31 after entering the X-direction collimator 32. The semiconductor laser light 5 passes through the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 to become laser light parallel to the Z-axis direction.

図8は、半導体レーザ光5の分割方法の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、分割ミラー33をさらに有する。分割ミラー33は、X方向コリメータ32から出射した半導体レーザ光5の平行光をM本の半導体レーザ光5に分割する。   FIG. 8 shows an example of a method of dividing the semiconductor laser light 5. The laser beam splitting device 30 of the present example further includes a split mirror 33. The split mirror 33 splits the parallel light of the semiconductor laser light 5 emitted from the X-direction collimator 32 into M semiconductor laser lights 5.

分割ミラー33は、平面基板331に形成したミラー反射面332を有する。分割ミラー33は、分割本数Mに応じた個数を設けることにより、半導体レーザ光5をM本の半導体レーザ光5に分割する。例えば、中心に位置する半導体レーザ光5よりも、X軸方向の正側に位置する半導体レーザ光5を反射する分割ミラー33は、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の負側に傾いた垂直軸を有する。また、中心に位置する半導体レーザ光5よりも、X軸方向の負側に位置する半導体レーザ光5を反射する分割ミラー33は、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の正側に傾いた垂直軸を有する。本例の分割ミラー33は、分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eの5台の分割ミラーで、半導体レーザ光5を5方向に分割する。なお、本明細書において、45度などの角度を示す場合は、必ずしも正確に45度である必要はなく、実質的に45度であればよい。   The split mirror 33 has a mirror reflection surface 332 formed on a flat substrate 331. The division mirror 33 divides the semiconductor laser beam 5 into M semiconductor laser beams 5 by providing a number corresponding to the division number M. For example, the split mirror 33 that reflects the semiconductor laser light 5 located on the positive side in the X-axis direction with respect to the semiconductor laser light 5 located at the center is 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light 5, in the X-axis direction. With a vertical axis inclined to the negative side of Further, the split mirror 33 that reflects the semiconductor laser light 5 located on the negative side in the X-axis direction with respect to the semiconductor laser light 5 located at the center is 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light 5, With a vertical axis inclined to the positive side of The split mirror 33 of the present example splits the semiconductor laser beam 5 in five directions with five split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e. In the present specification, when an angle such as 45 degrees is indicated, the angle does not necessarily need to be exactly 45 degrees, but may be substantially 45 degrees.

ミラー反射面332は、ミラー反射面332の表面に対して45度の角度で半導体レーザ光5が入射するように傾ける。即ち、ミラー反射面332は、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の正側又は負側に垂直軸を傾ける。これにより、ミラー反射面332に入射した半導体レーザ光5は、進行方向に対して直角に曲がる。   The mirror reflection surface 332 is inclined so that the semiconductor laser light 5 is incident at an angle of 45 degrees with respect to the surface of the mirror reflection surface 332. That is, the mirror reflection surface 332 tilts the vertical axis at a positive angle or a negative angle in the X-axis direction by 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light 5. As a result, the semiconductor laser light 5 incident on the mirror reflection surface 332 bends at right angles to the traveling direction.

より具体的には、分割ミラー33は、X軸の正側方向から分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eの順に配置する。また、分割ミラー33は、Z軸の正側方向から分割ミラー33c、33b、33d、33a、33eの順に配置する。本例の分割ミラー33a、33b、33cは、半導体レーザ光5を進行方向に対して右側に90度曲げる。一方、分割ミラー33d、33eは、半導体レーザ光5を進行方向に対して左側に90度曲げる。この場合、半導体レーザ光5は、2方向に進むことになる。このように、分割ミラー33が左右に振り分けて半導体レーザ光5を分割することにより、分割した半導体レーザ光5ごとに半導体レーザ光5を制御する光学システム用の設置スペースを得ることができる。   More specifically, the split mirror 33 is arranged in the order of the split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e from the positive side of the X axis. The split mirror 33 is arranged in the order of the split mirrors 33c, 33b, 33d, 33a, and 33e from the positive side of the Z axis. The split mirrors 33a, 33b, and 33c of the present example bend the semiconductor laser light 5 by 90 degrees to the right with respect to the traveling direction. On the other hand, the split mirrors 33d and 33e bend the semiconductor laser light 5 90 degrees to the left with respect to the traveling direction. In this case, the semiconductor laser light 5 travels in two directions. As described above, the division mirror 33 divides the semiconductor laser light 5 by allocating it to the left and right, so that an installation space for an optical system that controls the semiconductor laser light 5 for each divided semiconductor laser light 5 can be obtained.

なお、分割ミラー33cは、X軸において中心に位置するので、半導体レーザ光5を進行方向に対して左側に90度曲げてもよい。また、分割ミラー33cを設置せずに、半導体レーザ光5を直進させてもよい。この場合、半導体レーザ光5は、3方向に進むことになる。   Since the split mirror 33c is located at the center in the X axis, the semiconductor laser beam 5 may be bent 90 degrees to the left with respect to the traveling direction. Further, the semiconductor laser light 5 may be made to travel straight without disposing the split mirror 33c. In this case, the semiconductor laser light 5 travels in three directions.

ここで、1台の半導体レーザ装置20のL個の発光点24から照射する複数の半導体レーザ光5をM本に分割するレーザ光分割装置30は、下記の式を満たすように分割ミラー33を配置する。Dは、X軸方向において分割ミラー33の互いの間隔を示す。
[数式4]
D=n×d1
ここで、nは任意の整数である。また、d1は、M本に分割する半導体レーザ光5のX軸方向におけるそれぞれの幅を示す。図8に記載のDは、分割ミラー33aと分割ミラー33cとの中心線間の距離を示す。d1は、以下の式を満たす。
[数式5]
d1={(L−1)×P1+W1}/M
Here, the laser beam splitting device 30 that splits a plurality of semiconductor laser beams 5 emitted from the L light emitting points 24 of one semiconductor laser device 20 into M beams splits the split mirror 33 so as to satisfy the following equation. Deploy. D indicates the distance between the split mirrors 33 in the X-axis direction.
[Equation 4]
D = n × d1
Here, n is an arbitrary integer. Also, d1 indicates the width of each of the semiconductor laser beams 5 divided into M lines in the X-axis direction. D in FIG. 8 indicates the distance between the center lines of the split mirror 33a and the split mirror 33c. d1 satisfies the following equation.
[Equation 5]
d1 = {(L−1) × P1 + W1} / M

なお、分割ミラー33は、入射した半導体レーザ光5に対する角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。分割ミラー33がアクチュエータを備える場合、M本に分割された半導体レーザ光5のそれぞれの光路長を自由に調整できる。半導体レーザ光5の光路長が長い程、半導体レーザ光5の損失が大きくなるので、半導体レーザ光5の光路長は、分割したM本の半導体レーザ光5の間で等しいことが好ましい。   The split mirror 33 may include a mechanism such as an actuator in order to move without changing the angle with respect to the incident semiconductor laser light 5. When the split mirror 33 includes an actuator, the optical path length of each of the M semiconductor laser beams 5 can be freely adjusted. Since the longer the optical path length of the semiconductor laser light 5 is, the larger the loss of the semiconductor laser light 5 is, the optical path length of the semiconductor laser light 5 is preferably equal among the M divided semiconductor laser lights 5.

図9は、半導体レーザ光5の減衰方法の一例を示す。本例では、レーザ光分割装置30の構成として、減衰ミラー34、ダンパ部35、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37をさらに備える。   FIG. 9 shows an example of a method of attenuating the semiconductor laser light 5. In this example, the laser beam splitting device 30 further includes an attenuation mirror 34, a damper unit 35, a first condenser lens 36, and a second condenser lens 37.

減衰ミラー34は、入射した半導体レーザ光5を減衰させることにより、M本の半導体レーザ光5のレーザ光強度を等しくする。例えば、減衰ミラー34は、分割ミラー33が分割したM本の半導体レーザ光5の少なくとも一部を反射し、それ以外を通過させる。これにより、減衰ミラー34は、半導体レーザ光5のレーザ光強度を自在に調整する。減衰ミラー34は、分割ミラー33の個数に応じて複数個設けてもよい。   The attenuating mirror 34 equalizes the laser light intensities of the M semiconductor laser lights 5 by attenuating the incident semiconductor laser light 5. For example, the attenuating mirror 34 reflects at least a part of the M semiconductor laser beams 5 divided by the dividing mirror 33, and passes the others. Thus, the attenuation mirror 34 freely adjusts the laser light intensity of the semiconductor laser light 5. A plurality of attenuating mirrors 34 may be provided according to the number of split mirrors 33.

ダンパ部35は、水冷機構を有し、減衰ミラー34からの反射光が入射する位置に設置する。これにより、ダンパ部35は、減衰ミラー34からの反射光を吸収する。また、ダンパ部35は、減衰ミラー34を複数設ける場合、複数の減衰ミラー34に対して共通に設けてもよい。   The damper unit 35 has a water cooling mechanism and is installed at a position where the light reflected from the attenuation mirror 34 enters. Thus, the damper unit 35 absorbs the reflected light from the attenuation mirror 34. When a plurality of damping mirrors 34 are provided, the damper unit 35 may be provided commonly to the plurality of damping mirrors 34.

第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、減衰ミラー34により減衰した半導体レーザ光5を、集光して光ファイバ40に入射する。第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、光ファイバ40のBPPの条件を満たして配置する。なお、半導体レーザ光5を光ファイバ40に集光するレンズは、最小数の2枚の集光レンズである第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37で構成したが、それ以上の集光レンズの組み合わせであってもよい。   The first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 condense the semiconductor laser light 5 attenuated by the attenuation mirror 34 and enter the optical fiber 40. The first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 are arranged so as to satisfy the BPP condition of the optical fiber 40. The lens for condensing the semiconductor laser light 5 on the optical fiber 40 is composed of the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 which are the minimum number of two condenser lenses. It may be a combination of optical lenses.

なお、減衰ミラー34は、入射するM本の半導体レーザ光5と、減衰ミラー34の垂直軸との角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。減衰ミラー34がアクチュエータを備える場合、M本に分割された半導体レーザ光5のそれぞれの減衰率を自由に調整できる。そのため、M本に分割された半導体レーザ光5のレーザ光強度を均一となるように制御できる。   The attenuating mirror 34 may include a mechanism such as an actuator in order to move the M semiconductor laser light 5 incident thereon without changing the angle between the M axis and the vertical axis of the attenuating mirror 34. When the attenuation mirror 34 includes an actuator, the attenuation rate of each of the M semiconductor laser beams 5 can be freely adjusted. Therefore, it is possible to control the laser beam intensity of the semiconductor laser beam 5 divided into M lines to be uniform.

図10は、M本に分割した半導体レーザ光5の実施例1におけるシミュレーション実験結果を示す。本例のレーザ分割数Mは5である。   FIG. 10 shows a simulation experiment result in Example 1 of the semiconductor laser beam 5 divided into M lines. The laser division number M in this example is 5.

本例の実験結果は、実施例1に係るレーザ光分割装置30が光ファイバ40に入射する半導体レーザ光5を示す。実施例1に係るレーザ光分割装置30とは、レーザ光分割装置30がY方向コリメータ31、X方向コリメータ32、分割ミラー33、減衰ミラー34、ダンパ部35、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37を有する場合である。本例の光ファイバコア46の直径λ1は、0.8mmφである。シミュレーション実験結果より、いずれの光ファイバ41,42,43,44,45においても、分割した半導体レーザ光5を光ファイバコア40内に収めることを実証できた。   The experimental result of this example shows the semiconductor laser light 5 that the laser beam splitting device 30 according to the first embodiment enters the optical fiber 40. The laser beam splitting device 30 according to the first embodiment is different from the laser beam splitting device 30 in that the laser beam splitting device 30 is a Y-direction collimator 31, an X-direction collimator 32, a split mirror 33, an attenuation mirror 34, a damper unit 35, a first condenser lens 36, and a second This is a case in which a condenser lens 37 is provided. The diameter λ1 of the optical fiber core 46 of this example is 0.8 mmφ. From the simulation experiment results, it was demonstrated that the split semiconductor laser beam 5 was stored in the optical fiber core 40 in each of the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45.

以上の通り、実施例1に係る単結晶育成装置100は、M本に分割した半導体レーザ光5を、M本の光ファイバ40の入射口に均一な強度で照射できる。単結晶育成装置100は、半導体レーザ光5を光ファイバ40のBPP以内に制御した光学系を有するので、半導体レーザ光5の損失が少なく、均一なレーザ光強度を達成できる。   As described above, the single crystal growing apparatus 100 according to the first embodiment can irradiate the M laser beams 5 into the entrances of the M optical fibers 40 with uniform intensity. Since the single crystal growing apparatus 100 has an optical system in which the semiconductor laser light 5 is controlled within the BPP of the optical fiber 40, the loss of the semiconductor laser light 5 is small and uniform laser light intensity can be achieved.

[実施例2]
図11は、実施例2に係る半導体レーザ光5の分割方法を示す。本例のレーザ光分割装置30は、半導体レーザ光5を一方向に分割して取り出す。なお、後段の減衰ミラー34、ダンパ部35、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、実施例1と同一の構成でよい。
[Example 2]
FIG. 11 illustrates a method of dividing the semiconductor laser beam 5 according to the second embodiment. The laser beam splitting device 30 of this example splits the semiconductor laser beam 5 in one direction and extracts it. The attenuating mirror 34, the damper unit 35, the first condenser lens 36, and the second condenser lens 37 at the subsequent stage may have the same configuration as in the first embodiment.

分割ミラー33は、平面基板331に形成したミラー反射面332を有する。分割ミラー33は、分割本数Mに応じた個数を設けることにより、半導体レーザ光5をM本の半導体レーザ光5に分割する。例えば、X軸方向において、M本の半導体レーザ光5に分割する場合、全ての分割ミラー33が、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有する。本例の分割ミラー33は、分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eの5台の分割ミラーが、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の正側に傾いた垂直軸を有する。   The split mirror 33 has a mirror reflection surface 332 formed on a flat substrate 331. The division mirror 33 divides the semiconductor laser beam 5 into M semiconductor laser beams 5 by providing a number corresponding to the division number M. For example, when splitting into M semiconductor laser beams 5 in the X-axis direction, all of the split mirrors 33 are inclined 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser beam 5 toward the positive side or the negative side in the X-axis direction. With a vertical axis. The split mirror 33 of this example is such that five split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e are vertically inclined at 45 degrees to the forward direction of the X-axis direction with respect to the traveling direction of the semiconductor laser beam 5. Has an axis.

より具体的には、分割ミラー33は、X軸の正側方向から分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eの順に配置する。また、分割ミラー33は、Z軸の正側方向から分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eの順に配置する。本例の分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eはいずれも、半導体レーザ光5を進行方向に対して左側に90度曲げる。また、分割ミラー33a、33b、33c、33d、33eは、半導体レーザ光5を進行方向に対して右側に90度曲げてもよい。即ち、M本の半導体レーザ光5は、一方向に進むことになる。本例の分割ミラー33の配置により、X方向コリメータ32を出射してから減衰ミラー34に入射するまでのM本の半導体レーザ光5におけるそれぞれの光路長を均一に制御しやすくなる。この場合、本例の分割ミラー33は、(数4)式及び(数5)式を満たすように配置する。   More specifically, the split mirror 33 is arranged in the order of the split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e from the positive side of the X axis. The split mirror 33 is arranged in the order of the split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e from the positive side of the Z axis. Each of the split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e of the present example bends the semiconductor laser light 5 by 90 degrees to the left with respect to the traveling direction. The split mirrors 33a, 33b, 33c, 33d, and 33e may bend the semiconductor laser light 5 by 90 degrees to the right with respect to the traveling direction. That is, the M semiconductor laser beams 5 travel in one direction. With the arrangement of the split mirror 33 in this example, it is easy to uniformly control the optical path lengths of the M semiconductor laser beams 5 from the time when they are emitted from the X-direction collimator 32 to the time when they are incident on the attenuation mirror 34. In this case, the split mirror 33 of this example is arranged so as to satisfy the equations (4) and (5).

図12は、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37の構成の一例を示す。第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、一体構造型のレンズアレイをそれぞれ有する。   FIG. 12 shows an example of the configuration of the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37. The first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 each have an integral structure type lens array.

第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、一体構造型のレンズアレイを有するので、レンズアレイを個別に形成するよりも、レンズ同士の間隔を小さくできる。つまり、M本の半導体レーザ光5同士の間隔が狭くなる場合であっても、光ファイバ40への集光が容易になる。よって、本例の第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37を用いれば、実施例2の分割ミラー33のように一方向にM本の半導体レーザ光5を出射する場合にも、容易にM本の半導体レーザ光5を光ファイバ41,42,43,44,45に集光できる。例えば、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、複数の球面レンズと複数のシリンドリカルレンズとを有する。   Since the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 have an integrated lens array, the distance between the lenses can be made smaller than when the lens arrays are individually formed. That is, even when the interval between the M semiconductor laser beams 5 is narrow, the light is easily focused on the optical fiber 40. Therefore, the use of the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 of the present example makes it easy to emit M semiconductor laser beams 5 in one direction as in the case of the split mirror 33 of the second embodiment. The M semiconductor laser beams 5 can be focused on the optical fibers 41, 42, 43, 44, and 45. For example, the first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 have a plurality of spherical lenses and a plurality of cylindrical lenses.

[実施例3]
図13は、実施例3に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、分割ミラー33の代わりに、三角柱ミラー38を備える。
[Example 3]
FIG. 13 illustrates an example of a configuration of the laser beam splitting device 30 according to the third embodiment. The laser beam splitting device 30 of the present example includes a triangular prism mirror 38 instead of the split mirror 33.

三角柱ミラー38は、半導体レーザ光5をM本の半導体レーザ光5に分割する。三角柱ミラー38は、三角基板381及びミラー反射面382を備える。   The triangular prism mirror 38 divides the semiconductor laser light 5 into M semiconductor laser lights 5. The triangular prism mirror 38 includes a triangular substrate 381 and a mirror reflecting surface 382.

三角基板381は、斜辺の長さがTである三角柱形状を有する。ミラー反射面382は、三角基板381の長さTの斜面に形成する。本例のミラー反射面382は、半導体レーザ光5の進行方向に対して45度、X軸方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有する。ここで、斜辺の長さTは、以下の式を満たす。
[数式6]
T=d1×√2
The triangular substrate 381 has a triangular prism shape whose oblique side has a length T. The mirror reflection surface 382 is formed on a slope having a length T of the triangular substrate 381. The mirror reflecting surface 382 of this example has a vertical axis inclined at 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser beam 5 toward the positive side or the negative side in the X-axis direction. Here, the length T of the hypotenuse satisfies the following equation.
[Equation 6]
T = d1 × √2

より具体的には、本例の三角柱ミラー38は、2つの三角柱ミラー38a、38bで構成する。三角柱ミラー38は、X軸の正側方向から三角柱ミラー38a,38bの順に配置する。また、三角柱ミラー38は、Z軸の正側方向から三角柱ミラー38a,38bの順に配置する。即ち、三角柱ミラー38a及び三角柱ミラー38bは、X軸方向及びZ軸方向のそれぞれに対して、互いにずれて配置する。三角柱ミラー38aは、半導体レーザ光5をX軸の正側方向及び負側方向に分割する。また、三角柱ミラー38bは、半導体レーザ光5をX軸の正側方向及び負側方向に分割する。これにより、三角柱ミラー38は、半導体レーザ光5から5個の内4個の半導体レーザ光5を取り出す。残り1個の半導体レーザ光5は、三角柱ミラー38を介さないで通過する。また、残り1個の半導体レーザ光5は、分割ミラー33によりX軸方向の正側又は負側のいずれかに曲げてもよい。   More specifically, the triangular prism mirror 38 of this example is composed of two triangular prism mirrors 38a and 38b. The triangular prism mirror 38 is disposed in the order of the triangular prism mirrors 38a and 38b from the positive side of the X axis. The triangular prism mirror 38 is arranged in the order of the triangular prism mirrors 38a and 38b from the positive side of the Z axis. That is, the triangular prism mirror 38a and the triangular prism mirror 38b are displaced from each other in the X-axis direction and the Z-axis direction. The triangular prism mirror 38a divides the semiconductor laser beam 5 in the positive direction and the negative direction of the X axis. The triangular prism mirror 38b divides the semiconductor laser beam 5 in the positive direction and the negative direction of the X axis. Thus, the triangular prism mirror 38 extracts four of the five semiconductor laser beams 5 from the semiconductor laser beam 5. The remaining one semiconductor laser beam 5 passes without passing through the triangular prism mirror 38. Further, the remaining one semiconductor laser beam 5 may be bent by the split mirror 33 to either the positive side or the negative side in the X-axis direction.

なお、減衰ミラー34、ダンパ部35、第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、実施例1と同一の構成でよい。以上、実施例1〜3に光ファイバ40のBPPを満足する第1分割方式の実施例を示してきたが、この実施例以外にも光ファイバ40のBPPを満足する分割ミラー配置方式の変形例を含んでよい。   Note that the attenuation mirror 34, the damper unit 35, the first condenser lens 36, and the second condenser lens 37 may have the same configuration as in the first embodiment. As described above, the first to third embodiments have been described as examples of the first splitting method that satisfies the BPP of the optical fiber 40. May be included.

[実施例4]
図14は、実施例4に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、全反射ミラー33及びハーフミラー39で構成したレーザ光分割装置を備える。
[Example 4]
FIG. 14 illustrates an example of a configuration of the laser beam splitting device 30 according to the fourth embodiment. The laser beam splitting device 30 of the present example includes a laser beam splitting device including a total reflection mirror 33 and a half mirror 39.

レーザ光分割装置は、半導体レーザ光5をM本に分割する。本例のレーザ光分割装置は、全反射ミラー33f,33g及びハーフミラー39f,39gを用いて、1本の半導体レーザ光5を3本に分割する。但し、レーザ光分割装置は、全反射ミラー33及びハーフミラー39の個数を変化させることにより、半導体レーザ光5を任意の本数に分割してよい。   The laser beam splitting device splits the semiconductor laser beam 5 into M beams. The laser beam splitting device of this example splits one semiconductor laser beam 5 into three beams by using total reflection mirrors 33f and 33g and half mirrors 39f and 39g. However, the laser beam splitting device may split the semiconductor laser beam 5 into an arbitrary number by changing the number of the total reflection mirror 33 and the half mirror 39.

ハーフミラー39は、入射した半導体レーザ光5の一部を予め定められた方向に曲げ、他の一部を透過させる。即ち、ハーフミラー39の個数に応じて半導体レーザ光5の分割本数Mが決定する。ハーフミラー39は、平面基板391に形成したミラー半透過面392を有する。ハーフミラー39は、入射した半導体レーザ光5の進行方向に対して、ミラー半透過面392の垂直軸が45度をなすように配置する。また、ハーフミラー39は、半導体レーザ光5を進行方向に対して右側に90度曲げる。ハーフミラー39f,39gの反射率は、ハーフミラー39の個数に応じて任意に設定する。   The half mirror 39 bends a part of the incident semiconductor laser light 5 in a predetermined direction and transmits another part. That is, the division number M of the semiconductor laser light 5 is determined according to the number of the half mirrors 39. The half mirror 39 has a mirror semi-transmissive surface 392 formed on a flat substrate 391. The half mirror 39 is arranged such that the vertical axis of the mirror semi-transmissive surface 392 forms an angle of 45 degrees with the traveling direction of the incident semiconductor laser light 5. Further, the half mirror 39 bends the semiconductor laser light 5 by 90 degrees to the right with respect to the traveling direction. The reflectances of the half mirrors 39f and 39g are arbitrarily set according to the number of the half mirrors 39.

全反射ミラー33は、ハーフミラー39が反射した半導体レーザ光5を任意の方向に反射する。反射率は100%近い反射率を有する多層膜やアルミニウムや金薄膜を用いる。全反射ミラー33は、平面基板331に形成したミラー反射面332を有する。例えば、ミラー反射面332は、ハーフミラー39が反射した半導体レーザ光5の進行方向に対して45度傾いた垂直軸を有する。本例の全反射ミラー33は、ハーフミラー39が半導体レーザ光5を進行方向に対して右側に90度曲げた場合に、半導体レーザ光5を進行方向に対して左側に90度曲げることにより、ハーフミラー39を透過した半導体レーザ光5と同一方向に半導体レーザ光5を反射する。また、全反射ミラー33f,33gは、ハーフミラー39f,39gの反射した半導体レーザ光5をそれぞれ反射するよう、ハーフミラー39f,39gにそれぞれ対応して配置する。なお、全反射ミラー33は、ハーフミラー39が透過した半導体レーザ光5を反射してもよい。   The total reflection mirror 33 reflects the semiconductor laser light 5 reflected by the half mirror 39 in an arbitrary direction. A multilayer film having a reflectivity close to 100%, or an aluminum or gold thin film is used. The total reflection mirror 33 has a mirror reflection surface 332 formed on a flat substrate 331. For example, the mirror reflection surface 332 has a vertical axis inclined by 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light 5 reflected by the half mirror 39. The total reflection mirror 33 of this example is configured such that, when the half mirror 39 bends the semiconductor laser light 5 to the right by 90 degrees with respect to the traveling direction, the semiconductor laser light 5 is bent to the left by 90 degrees with respect to the traveling direction. The semiconductor laser light 5 is reflected in the same direction as the semiconductor laser light 5 transmitted through the half mirror 39. The total reflection mirrors 33f and 33g are arranged corresponding to the half mirrors 39f and 39g, respectively, so as to reflect the semiconductor laser light 5 reflected by the half mirrors 39f and 39g, respectively. The total reflection mirror 33 may reflect the semiconductor laser light 5 transmitted by the half mirror 39.

[実施例5]
図15は、実施例5に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、分割プリズム90を備える。
[Example 5]
FIG. 15 illustrates an example of a configuration of the laser beam splitting device 30 according to the fifth embodiment. The laser beam splitting device 30 of this example includes a splitting prism 90.

分割プリズム90は、半導体レーザ装置20から入射した半導体レーザ光5をM本に分割する。分割プリズム90は、プリズム基体901の斜面に反射率の高い多層膜902、アルミニウム金属膜、または金薄膜を備える。本例の分割プリズム90の形状は四角錐である。分割プリズム90は、半導体レーザ光5が四角錐の頂点から入射する位置に配置する。これにより、半導体レーザ光5の入射した頂点に隣接する4面から半導体レーザ光5が出射する。分割プリズム90の形状は、半導体レーザ光5の分割する本数に応じて適宜変更してよい。レーザ光分割装置30は、分割プリズム90を用いることによって光学系を簡素化できる。   The splitting prism 90 splits the semiconductor laser light 5 incident from the semiconductor laser device 20 into M light beams. The split prism 90 includes a multilayer film 902 having a high reflectance, an aluminum metal film, or a gold thin film on the slope of the prism base 901. The shape of the split prism 90 in this example is a quadrangular pyramid. The splitting prism 90 is disposed at a position where the semiconductor laser light 5 enters from the vertex of the quadrangular pyramid. Thereby, the semiconductor laser light 5 is emitted from the four surfaces adjacent to the apex where the semiconductor laser light 5 is incident. The shape of the splitting prism 90 may be appropriately changed according to the number of splitting semiconductor laser beams 5. The laser beam splitting device 30 can simplify the optical system by using the splitting prism 90.

[実施例6]
図16は、実施例6に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、分割プリズム91を備える。
[Example 6]
FIG. 16 illustrates an example of a configuration of the laser beam splitting device 30 according to the sixth embodiment. The laser beam splitting device 30 of this example includes a splitting prism 91.

分割プリズム91は、半導体レーザ装置20から入射した半導体レーザ光5をM本に分割する。分割プリズム91は、プリズム基体911の斜面に反射率の高い多層膜912、アルミニウム金属膜、または金薄膜を備える。本例の分割プリズム91は、立方体の分割プリズム91b内に形成した多面体の分割プリズム91aを有する。分割プリズム91は、分割プリズム91a,91bの形状を調整することにより、半導体レーザ光5を任意の方向に分割する。本例の分割プリズム91aの形状は四角錐である。例えば、分割プリズム91は、分割プリズム91bに入射した半導体レーザ光5を、分割プリズム91aのM角錘の頂点に入射するように配置する。これにより、分割プリズム91aは、入射した半導体レーザ光5をM本に分割する。   The splitting prism 91 splits the semiconductor laser light 5 incident from the semiconductor laser device 20 into M light beams. The split prism 91 includes a multilayer film 912 having high reflectance, an aluminum metal film, or a gold thin film on the slope of the prism base 911. The split prism 91 of this example has a polyhedral split prism 91a formed inside a cubic split prism 91b. The splitting prism 91 splits the semiconductor laser beam 5 in an arbitrary direction by adjusting the shapes of the splitting prisms 91a and 91b. The shape of the split prism 91a in this example is a quadrangular pyramid. For example, the split prism 91 is arranged so that the semiconductor laser beam 5 incident on the split prism 91b is incident on the apex of the M pyramid of the split prism 91a. Thus, the splitting prism 91a splits the incident semiconductor laser light 5 into M light beams.

[実施例7]
図17は、第1分割方式に係るレーザ光分割装置30への入射方法の一例を示す。本例のレーザ光分割装置30は、Y方向コリメータ31、X方向コリメータ32、光ファイバ48及び集光レンズ49を備える。
[Example 7]
FIG. 17 shows an example of a method of entering the laser beam splitting device 30 according to the first splitting method. The laser beam splitting device 30 of the present example includes a Y-direction collimator 31, an X-direction collimator 32, an optical fiber 48, and a condenser lens 49.

レーザ光分割装置30は、半導体レーザ装置20の出射した半導体レーザ光5を、集光レンズ49を介して1個の光ファイバ48に入射する。その後、光ファイバ48が出射した半導体レーザ光5を、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32を通すことにより、平行な半導体レーザ光5に変換する。Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32の順序は入れ替えてもよい。また、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32は、出射した平行光を、実施例1〜6で開示したレンズ系で半導体レーザ光5をM本に分割する。本例のレーザ光分割装置30は、半導体レーザ装置20からの半導体レーザ光5をレーザ光分割装置30の内部で任意の方向に曲げることができるので、レーザ電源10、半導体レーザ装置20及びレーザ光分割装置30の配置の自由度が向上する。   The laser beam splitting device 30 causes the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser device 20 to enter one optical fiber 48 via a condenser lens 49. Thereafter, the semiconductor laser light 5 emitted from the optical fiber 48 is converted into a parallel semiconductor laser light 5 by passing through the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32. The order of the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 may be interchanged. The Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 divide the emitted parallel light into M laser beams by the lens system disclosed in the first to sixth embodiments. The laser beam splitting device 30 of the present embodiment can bend the semiconductor laser beam 5 from the semiconductor laser device 20 in an arbitrary direction inside the laser beam splitting device 30, so that the laser power source 10, the semiconductor laser device 20, and the laser beam The degree of freedom of arrangement of the dividing device 30 is improved.

[実施例8]
図18は、第2分割方式に係るレーザ光分割装置30への入射方法の一例を示す。第2分割方式では、半導体レーザ装置20の出射した半導体レーザ光5を複数のハーフミラーで分割する。本例の単結晶育成装置100は、1台の半導体レーザ装置20を有する。分割本数Mは5である。本例のレーザ光分割装置30は、Y方向コリメータ31、X方向コリメータ32、減衰ミラー34、第1集光レンズ36、第2集光レンズ37及びハーフミラー39を備える。
Example 8
FIG. 18 shows an example of a method of entering the laser beam splitting device 30 according to the second splitting method. In the second division method, the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser device 20 is divided by a plurality of half mirrors. The single crystal growing apparatus 100 of this example has one semiconductor laser device 20. The number of divisions M is 5. The laser beam splitting device 30 of this example includes a Y-direction collimator 31, an X-direction collimator 32, an attenuation mirror 34, a first condenser lens 36, a second condenser lens 37, and a half mirror 39.

レーザ光分割装置30は、半導体レーザ装置20の出射した半導体レーザ光5をY方向コリメータ31及びX方向コリメータ32に入射する。Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32は、半導体レーザ光5を平行なレーザ光に変換する。   The laser beam splitting device 30 makes the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser device 20 enter the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32. The Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 convert the semiconductor laser light 5 into parallel laser light.

ハーフミラー39は、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32により変換した平行な半導体レーザ光5をM本に分割する。ハーフミラー39は、多層膜構造の反射膜を有する。これにより、ハーフミラー39は、入射した半導体レーザ光5の一部を予め定められた方向に曲げ、他の一部を透過させる。ハーフミラー39は、入射した半導体レーザ光5の進行方向に対して、ハーフミラー39の垂直軸が45度をなすように配置する。ハーフミラー39は、半導体レーザ光5を進行方向に対して左側に90度曲げる。本例のハーフミラー39は、ハーフミラー39a,39b,39c,39d,39eを有する。ハーフミラー39a,39b,39c,39d,39eの反射率は、それぞれ、光ファイバ48に近いハーフミラー39から15%、18.4%、23.5%、32.8%、54%となる。   The half mirror 39 divides the parallel semiconductor laser light 5 converted by the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 into M beams. The half mirror 39 has a reflective film having a multilayer structure. Accordingly, the half mirror 39 bends a part of the incident semiconductor laser light 5 in a predetermined direction and transmits another part. The half mirror 39 is disposed such that the vertical axis of the half mirror 39 forms an angle of 45 degrees with the traveling direction of the incident semiconductor laser light 5. The half mirror 39 bends the semiconductor laser light 5 by 90 degrees to the left with respect to the traveling direction. The half mirror 39 of this example has half mirrors 39a, 39b, 39c, 39d, and 39e. The reflectivities of the half mirrors 39a, 39b, 39c, 39d, and 39e are 15%, 18.4%, 23.5%, 32.8%, and 54%, respectively, from the half mirror 39 near the optical fiber 48.

なお、本例の各ハーフミラー39の損失は3%である。この場合、5本に分割した半導体レーザ光5の反射強度は、15±0.1%内のほぼ等しい反射強度の半導体レーザ光5が得られる。また、5枚のハーフミラー39を透過する半導体レーザ光5の強度は2%以下に抑えられる。   Note that the loss of each half mirror 39 in this example is 3%. In this case, the semiconductor laser light 5 having approximately the same reflection intensity within 15 ± 0.1% is obtained as the reflection intensity of the semiconductor laser light 5 divided into five. Further, the intensity of the semiconductor laser beam 5 transmitted through the five half mirrors 39 is suppressed to 2% or less.

減衰ミラー34は、ハーフミラー39が反射した5本の半導体レーザ光5の反射強度を調整する。減衰ミラー34は、ハーフミラー39からの半導体レーザ光5の進行方向に対して減衰ミラー34の垂直軸が45度をなすように配置する。なお、減衰ミラー34は、入射するM本の半導体レーザ光5と、減衰ミラー34の垂直軸との角度を変更することなく移動するために、アクチュエータ等の機構を備えてよい。本例の減衰ミラー34は、ハーフミラー39a,39b,39c,39d,39eに対応する減衰ミラー34a,34b,34c,34d,34eで構成する。なお、減衰ミラー34は、ハーフミラー39a,39b,39c,39d,39eの全てを設ける必要はない。   The attenuation mirror 34 adjusts the reflection intensity of the five semiconductor laser beams 5 reflected by the half mirror 39. The attenuation mirror 34 is arranged such that the vertical axis of the attenuation mirror 34 is at 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light 5 from the half mirror 39. The attenuating mirror 34 may include a mechanism such as an actuator in order to move the M semiconductor laser light 5 incident thereon without changing the angle between the M axis and the vertical axis of the attenuating mirror 34. The attenuating mirror 34 of the present example is constituted by attenuating mirrors 34a, 34b, 34c, 34d, 34e corresponding to the half mirrors 39a, 39b, 39c, 39d, 39e. The attenuation mirror 34 does not need to include all of the half mirrors 39a, 39b, 39c, 39d, and 39e.

第1集光レンズ36及び第2集光レンズ37は、M本の半導体レーザ光5を、M本の光ファイバ40に集光する。レーザ光分割装置30は、略四角形の光ファイバ40のBPPを満足するように設計する。   The first condenser lens 36 and the second condenser lens 37 condense the M semiconductor laser beams 5 on the M optical fibers 40. The laser beam splitting device 30 is designed to satisfy the BPP of the substantially square optical fiber 40.

第2分割方式に係るレーザ光分割装置30は、半導体レーザ装置20が半導体チップ21の積層構造を有しない場合には有効な方式である。第2分割方式では、レーザ光分割装置30の構成を簡略化できる。   The laser beam splitting device 30 according to the second splitting method is an effective method when the semiconductor laser device 20 does not have a stacked structure of the semiconductor chips 21. In the second division method, the configuration of the laser beam division device 30 can be simplified.

[実施例9]
図19は、第2分割方式に係るレーザ光分割装置30の構成の一例を示す。本例の単結晶育成装置100は、1台の半導体レーザ装置20を有する。分割本数Mは5である。本例のレーザ光分割装置30は、ハーフミラー39a,39b,39c,39d,39e及び光ファイバ48をさらに備える。
[Example 9]
FIG. 19 shows an example of the configuration of the laser beam splitting device 30 according to the second splitting method. The single crystal growing apparatus 100 of this example has one semiconductor laser device 20. The number of divisions M is 5. The laser beam splitting device 30 of the present example further includes half mirrors 39a, 39b, 39c, 39d, 39e and an optical fiber 48.

レーザ光分割装置30は、半導体レーザ装置20の出射した半導体レーザ光5を、集光レンズ49を介して1個の光ファイバ48に入射する。その後、光ファイバ48が出射した半導体レーザ光5を、Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32を通すことにより、平行な半導体レーザ光5に変換する。Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32の順序は入れ替えてもよい。Y方向コリメータ31及びX方向コリメータ32の出射した半導体レーザ光5の分割方法は、実施例8の場合と同様であってよい。   The laser beam splitting device 30 causes the semiconductor laser light 5 emitted from the semiconductor laser device 20 to enter one optical fiber 48 via a condenser lens 49. Thereafter, the semiconductor laser light 5 emitted from the optical fiber 48 is converted into a parallel semiconductor laser light 5 by passing through the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32. The order of the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 may be interchanged. The method of splitting the semiconductor laser light 5 emitted from the Y-direction collimator 31 and the X-direction collimator 32 may be the same as in the eighth embodiment.

図20及び図21は、第3分割方式に係る分割ファイバ80の一例を示す。第3分割方式では、分割ミラーを用いる代わりに、分割ファイバ80を用いて半導体レーザ光5を分割する。   20 and 21 show an example of the split fiber 80 according to the third splitting method. In the third division method, the semiconductor laser beam 5 is divided using a division fiber 80 instead of using a division mirror.

本例のレーザ光分割装置30は、分割ファイバ80を有する。分割ファイバ80は、入射口81に入射した半導体レーザ光5を分割して出射するM個の出射口82を有する。本例の分割ファイバ80は、1つの入射口81と2つの出射口82を有する。また、分割ファイバ80を用いれば、1つの入射口81から入射した半導体レーザ光5を、5つの出射口82から出射することもできる。分割ファイバ80を用いることにより、レーザ光分割装置30のレンズ系が簡単になる。なお、図20の分割ファイバ80は、出射口82が円形の場合を示す。一方、図21の分割ファイバ80は、出射口82が略四角形の場合を示す。   The laser beam splitting device 30 of this example has a split fiber 80. The split fiber 80 has M emission ports 82 that split and emit the semiconductor laser light 5 incident on the incidence port 81. The split fiber 80 of the present example has one entrance 81 and two exits 82. Further, if the split fiber 80 is used, the semiconductor laser light 5 incident from one entrance 81 can be emitted from five exits 82. By using the split fiber 80, the lens system of the laser beam splitting device 30 is simplified. Note that the split fiber 80 in FIG. 20 shows a case where the exit port 82 is circular. On the other hand, the split fiber 80 in FIG. 21 shows a case where the exit port 82 is substantially rectangular.

[実施例10]
図22は、レーザ照射ヘッド50の構成の一例を示す。レーザ照射ヘッド50は、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55の一例である。本例のレーザ照射ヘッド50は、集光レンズ57及び折り返しミラー58を備える。
[Example 10]
FIG. 22 shows an example of the configuration of the laser irradiation head 50. The laser irradiation head 50 is an example of the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55. The laser irradiation head 50 of this example includes a condenser lens 57 and a folding mirror 58.

集光レンズ57は、光ファイバ40から入射した加熱レーザ光3を折り返しミラー58に集光する。折り返しミラー58は、集光レンズ57の集光した加熱レーザ光3を原料棒1及び種結晶棒2に向けて折り返す。トップフラットな照射強度分布をもつ3mm×8mmの略四角形状照射例を示した。光ファイバ40には、ファイバ許容半径R1があるので、単結晶育成装置100の設置面積が大きくなる場合がある。しかし、本例の単結晶育成装置100は、レーザ照射ヘッド50を設けることにより、加熱レーザ光3の原料棒1及び種結晶棒2への照射方向に対して、光ファイバ40の方向を直角に配置できるようになる。したがって、光ファイバ40の光ファイバ許容半径R1の制限により、光学台56の設置面積が増大するのを防止できる。   The condenser lens 57 condenses the heating laser light 3 incident from the optical fiber 40 on the return mirror 58. The turning mirror 58 turns the heating laser beam 3 condensed by the condensing lens 57 toward the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. An example of a 3 mm × 8 mm substantially square irradiation having a top flat irradiation intensity distribution is shown. Since the optical fiber 40 has the fiber allowable radius R1, the installation area of the single crystal growing apparatus 100 may be large. However, in the single crystal growing apparatus 100 of this example, by providing the laser irradiation head 50, the direction of the optical fiber 40 is perpendicular to the irradiation direction of the heating laser beam 3 to the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. Be able to place. Therefore, it is possible to prevent the installation area of the optical bench 56 from increasing due to the limitation of the allowable radius R1 of the optical fiber 40.

[比較例1]
図23は、比較例1に係る単結晶育成装置500の上面図を示す。本例の単結晶育成装置500は、折り返しミラー58を有さない。単結晶育成装置500は、ファイバ許容半径R1の制限を守るために水平面内に5つのレーザ照射ヘッド551,552,553,554,555を配置しなければならない。そのため、単結晶育成装置500は、ファイバ許容半径R1を考慮して、光学台56の接地面積を大きくする必要がある。例えば、ファイバ許容半径R1が曲率30cmの場合、光学台56は150cm×150cm程度の大きさが必要である。
[Comparative Example 1]
FIG. 23 shows a top view of the single crystal growing apparatus 500 according to Comparative Example 1. The single crystal growing apparatus 500 of the present example does not have the folding mirror 58. In the single crystal growing apparatus 500, five laser irradiation heads 551, 552, 553, 554, and 555 must be arranged in a horizontal plane in order to keep the limit on the allowable radius R1 of the fiber. Therefore, the single crystal growing apparatus 500 needs to increase the ground area of the optical bench 56 in consideration of the fiber allowable radius R1. For example, if the fiber allowable radius R1 is 30 cm, the optical bench 56 needs to have a size of about 150 cm × 150 cm.

図24は、単結晶育成装置100の上面図の一例を示す。本例の単結晶育成装置100は、折り返しミラー58を有するレーザ照射ヘッド50を備える。そのため、レーザ照射ヘッド50は、原料棒1及び種結晶棒2と平行に配置する。単原料棒1及び種結晶棒2と平行な方向にレーザ照射ヘッド50を設けることにより、レーザ照射ヘッド50に導入される光ファイバ40のファイバ許容半径R1の制限が緩和する。そのため、ファイバ許容半径R1によらず、光学台56の大きさを70cm×70cm程度とすれば、5台のレーザ照射ヘッド50を設置できる。この結果、単結晶育成装置100に係る光学台56の設置面積は、単結晶育成装置500の光学台56の設置面積と比較しておよそ75%程度削減できる。本例の単結晶育成装置100は、設置スペースの削減によりコストが大幅に低減する。   FIG. 24 shows an example of a top view of the single crystal growing apparatus 100. The single crystal growing apparatus 100 of this example includes a laser irradiation head 50 having a folding mirror 58. Therefore, the laser irradiation head 50 is arranged in parallel with the raw material rod 1 and the seed crystal rod 2. By providing the laser irradiation head 50 in a direction parallel to the single raw material rod 1 and the seed crystal rod 2, the restriction on the allowable fiber radius R1 of the optical fiber 40 introduced into the laser irradiation head 50 is relaxed. Therefore, if the size of the optical bench 56 is about 70 cm × 70 cm regardless of the fiber allowable radius R1, five laser irradiation heads 50 can be installed. As a result, the installation area of the optical bench 56 of the single crystal growing apparatus 100 can be reduced by about 75% as compared with the installation area of the optical bench 56 of the single crystal growing apparatus 500. In the single crystal growing apparatus 100 of this example, the cost is greatly reduced due to the reduction of the installation space.

[実施例11]
図25は、単結晶育成装置100の構成の一例を示す。本例の単結晶育成装置100は、光学台の天井部59を有する。
[Example 11]
FIG. 25 shows an example of the configuration of the single crystal growing apparatus 100. The single crystal growing apparatus 100 of this example has a ceiling 59 of an optical bench.

天井部59は、光学台56よりも、原料棒1を吊るす原料棒保持部11側に位置する。例えば、天井部59は、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55よりも上方に位置する。天井部59は、レーザ照射ヘッド51,52,53,54,55を固定する。また、天井部59は、ダンパ61,62,63,64,65等の単結晶育成装置100が備える他の構成を予め定められた位置に固定してよい。これにより、実施例6に係る単結晶育成装置100は、実施例1に係る単結晶育成装置100よりも、光学台56に固定する部品が少なくなるメリットがある。本例の単結晶育成装置100は、天井部59を有することにより、溶融帯4の観察用のカメラ、予備原料棒、予備石英管などを光学台56に設置するスペースを容易に確保できる。   The ceiling part 59 is located closer to the raw material rod holding part 11 for hanging the raw material rod 1 than the optical bench 56 is. For example, the ceiling 59 is located above the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55. The ceiling 59 fixes the laser irradiation heads 51, 52, 53, 54, 55. Further, the ceiling 59 may fix other components of the single crystal growing apparatus 100 such as the dampers 61, 62, 63, 64, 65 at predetermined positions. Thus, the single crystal growing apparatus 100 according to the sixth embodiment has an advantage that the number of components to be fixed to the optical bench 56 is smaller than that of the single crystal growing apparatus 100 according to the first embodiment. Since the single crystal growing apparatus 100 of this example has the ceiling 59, a space for installing a camera for observation of the molten zone 4, a preliminary raw material rod, a preliminary quartz tube, and the like on the optical bench 56 can be easily secured.

以上の通り、本明細書に係る単結晶育成装置100は、レーザ電源10を少なくとも1台設けるだけでよいので、レーザ電源10のコストが低減する。また、単結晶育成装置100は、半導体レーザ装置20を少なくとも1台設けるだけでよいので、半導体レーザ装置20にかかるコストと付帯設備は大幅に低減する。さらに、複数の半導体レーザ装置20を用いなくてよいため、半導体レーザ装置20の駆動を制御するシステムを簡素化できる。そして、折り返しミラー58を有することにより、単結晶育成装置100の設置スペースを縮小できる。   As described above, since the single crystal growing apparatus 100 according to the present specification only needs to provide at least one laser power supply 10, the cost of the laser power supply 10 is reduced. In addition, since the single crystal growing apparatus 100 only needs to provide at least one semiconductor laser device 20, the cost of the semiconductor laser device 20 and the incidental facilities are greatly reduced. Further, since a plurality of semiconductor laser devices 20 need not be used, a system for controlling the driving of the semiconductor laser devices 20 can be simplified. And, by having the folding mirror 58, the installation space of the single crystal growing apparatus 100 can be reduced.

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As described above, the present invention has been described using the embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is apparent to those skilled in the art that various changes or improvements can be made to the above embodiment. It is apparent from the description of the appended claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The execution order of each processing such as operation, procedure, step, and stage in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before”, “before”. It should be noted that they can be realized in any order as long as the output of the previous process is not used in the subsequent process. Even if the operation flow in the claims, the specification, and the drawings is described using “first,” “second,” or the like for convenience, it means that it is essential to perform the operation in this order. Not something.

1・・・原料棒、2・・・種結晶棒、3・・・加熱レーザ光、4・・・溶融帯、5・・・半導体レーザ光、6・・・石英管、11・・・原料棒保持部、12・・・単結晶保持部、10・・・レーザ電源、20・・・半導体レーザ装置、201,202,203,204,205・・・半導体レーザ素子、21・・・半導体チップ、22・・・サブマウント、23・・・ヒートシンク、24・・・発光点、25,26,27,28・・・反射ミラー、30・・・レーザ光分割装置、31・・・Y方向コリメータ、32・・・X方向コリメータ、33・・・全反射ミラー、331・・・平面基板、332・・・ミラー反射面、34・・・減衰ミラー、35・・・ダンパ部、36・・・第1集光レンズ、37・・・第2集光レンズ、38・・・三角柱ミラー、381・・・三角基板、382・・・ミラー反射面、39・・・ハーフミラー、391・・・平面基板、392・・・ミラー半透過面、40,41,42,43,44,45・・・光ファイバ、46・・・光ファイバコア、47・・・光ファイバクラッド、48・・・光ファイバ、49・・・集光レンズ、50,51,52,53,54,55・・・レーザ照射ヘッド、56・・・光学台、57・・・集光レンズ、58・・・折り返しミラー、59・・・天井部、61,62,63,64,65・・・ダンパ、80・・・分割ファイバ、81・・・入射口、82・・・出射口、90・・・分割プリズム、91・・・分割プリズム、100・・・単結晶育成装置、500・・・単結晶育成装置、501・・・原料棒、510・・・レーザ電源、520・・・半導体レーザ、540・・・光ファイバ、550,551,552,553,554,555・・・レーザ照射ヘッド、901・・・プリズム基体、902・・・多層膜、911・・・プリズム基体、912・・・多層膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Raw material rod, 2 ... seed crystal rod, 3 ... heating laser beam, 4 ... melting zone, 5 ... semiconductor laser beam, 6 ... quartz tube, 11 ... raw material Rod holder, 12: single crystal holder, 10: laser power supply, 20: semiconductor laser device, 201, 202, 203, 204, 205 ... semiconductor laser element, 21: semiconductor chip , 22 ... submount, 23 ... heat sink, 24 ... light emitting point, 25, 26, 27, 28 ... reflection mirror, 30 ... laser beam splitter, 31 ... Y-direction collimator , 32: X-direction collimator, 33: Total reflection mirror, 331: Flat substrate, 332: Mirror reflection surface, 34: Attenuation mirror, 35: Damper section, 36 ... First condenser lens, 37 ... second condenser lens, 38 ... triangle Mirror: 381: Triangular substrate, 382: Mirror reflection surface, 39: Half mirror, 391: Flat substrate, 392: Mirror semi-transmission surface, 40, 41, 42, 43, 44, 45: optical fiber, 46: optical fiber core, 47: optical fiber clad, 48: optical fiber, 49: condenser lens, 50, 51, 52, 53, 54, 55 ..Laser irradiation head, 56 optical bench, 57 condensing lens, 58 folding mirror, 59 ceiling, 61, 62, 63, 64, 65 damper, 80 ··· Split fiber, 81 ··· entrance port, 82 ··· output port, 90 ··· split prism, 91 ··· split prism, 100 ··· single crystal growing apparatus, 500 ··· single crystal growing Apparatus, 501 ... raw material rod, 510 ... le The power source, 520: semiconductor laser, 540: optical fiber, 550, 551, 552, 553, 554, 555: laser irradiation head, 901: prism substrate, 902: multilayer film, 911 ... Prism substrate, 912 ... Multilayer film

Claims (17)

原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をM本に分割するレーザ光分割装置と、
前記M本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと
M個の入射口とM個の出射口を有し、前記M個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記M本の半導体レーザ光が入射し、前記M本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記M個の出射口から出射するM本の光ファイバと
を備え
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をM本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光を前記M本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザ素子を有し、
前記N個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第1方向に幅W1を有し、且つ、前記第1方向にピッチ間隔P1で列状に配列したL個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記N個の半導体レーザ素子は、前記第1方向に垂直な第2方向にずれて配置し、
前記N個の半導体レーザ素子は、前記第1方向にずらした階段状に配置し、
前記N個の半導体レーザ素子が出射するそれぞれの前記半導体レーザ光を予め定められた方向に反射させる反射ミラーを有し、
前記Nは、
{(N−1)×Pc+H1}×θv≦λc×θf
を満たし、
Pcは、前記N個の半導体レーザ素子の前記第2方向のピッチ間隔を示し、
H1は、前記発光点の前記第2方向の高さを示し、
θvは、前記半導体レーザ光の前記第2方向の拡がり角を示し、
λcは、前記光ファイバのコア径を示し、
θfは、前記光ファイバの拡がり角を示す
単結晶育成装置。
In a single crystal growing device for growing single crystals from raw material rods,
A semiconductor laser device having a laser power source and emitting a single semiconductor laser beam based on the power supplied by the laser power source;
A laser beam splitting device for splitting the single semiconductor laser beam into M beams,
A laser irradiation head for irradiating the M semiconductor laser beams toward the raw material rod ;
It has M entrances and M exits, and the M entrances receive the M semiconductor laser beams from the laser beam splitting device and convert the M semiconductor laser beams into the M entrances. A laser irradiation head comprising: M optical fibers emitted from the M emission ports ;
The laser beam splitting device,
A collimator lens that converts the semiconductor laser light from the semiconductor laser device into parallel light,
A plurality of split mirrors for splitting the semiconductor laser light into M semiconductor laser lights;
A plurality of attenuating mirrors for equalizing the laser beam intensity of the M semiconductor laser beams;
A condenser lens for focusing the M semiconductor laser lights on the M optical fibers;
Has,
The semiconductor laser device has N semiconductor laser elements,
The N semiconductor laser elements each have a width W1 in a first direction, and have a semiconductor chip including L light emitting points arranged in a row at a pitch interval P1 in the first direction.
The N semiconductor laser elements are arranged offset in a second direction perpendicular to the first direction;
The N semiconductor laser elements are arranged in a stepwise manner shifted in the first direction;
A reflecting mirror that reflects the semiconductor laser light emitted by each of the N semiconductor laser elements in a predetermined direction;
The N is
{(N-1) × Pc + H1} × θv ≦ λc × θf
The filling,
Pc indicates a pitch interval between the N semiconductor laser devices in the second direction,
H1 indicates the height of the light emitting point in the second direction,
θv indicates a divergence angle of the semiconductor laser light in the second direction,
λc indicates a core diameter of the optical fiber,
θf indicates the divergence angle of the optical fiber .
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をM本に分割するレーザ光分割装置と、
前記M本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
M個の入射口とM個の出射口を有し、前記M個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記M本の半導体レーザ光が入射し、前記M本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記M個の出射口から出射するM本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をM本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光を前記M本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザ素子を有し、
前記N個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第1方向に幅W1を有し、且つ、前記第1方向にピッチ間隔P1で列状に配列したL個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記N個の半導体レーザ素子は、前記第1方向に垂直な第2方向にずれて配置し、
前記N個の半導体レーザ素子は、前記第1方向にずらした階段状に配置し、
前記N個の半導体レーザ素子が出射するそれぞれの前記半導体レーザ光を予め定められた方向に反射させる反射ミラーを有し、
前記Lは、
{(L−1)×P1+W1}×θl≦M×λc×θf
を満たし、
θlは、前記発光点の前記第1方向の拡がり角を示す
結晶育成装置。
In a single crystal growing device for growing single crystals from raw material rods,
A semiconductor laser device having a laser power source and emitting a single semiconductor laser beam based on the power supplied by the laser power source;
A laser beam splitting device for splitting the single semiconductor laser beam into M beams,
A laser irradiation head for irradiating the M semiconductor laser beams toward the raw material rod;
It has M entrances and M exits, and the M entrances receive the M semiconductor laser beams from the laser beam splitting device and convert the M semiconductor laser beams into the M entrances. M optical fibers emitted from the M emission ports to the laser irradiation head;
With
The laser beam splitting device,
A collimator lens that converts the semiconductor laser light from the semiconductor laser device into parallel light,
A plurality of split mirrors for splitting the semiconductor laser light into M semiconductor laser lights;
A plurality of attenuating mirrors for equalizing the laser beam intensity of the M semiconductor laser beams;
A condenser lens for focusing the M semiconductor laser lights on the M optical fibers;
Has,
The semiconductor laser device has N semiconductor laser elements,
The N semiconductor laser elements each have a width W1 in a first direction, and have a semiconductor chip including L light emitting points arranged in a row at a pitch interval P1 in the first direction.
The N semiconductor laser elements are arranged offset in a second direction perpendicular to the first direction;
The N semiconductor laser elements are arranged in a stepwise manner shifted in the first direction;
A reflecting mirror that reflects the semiconductor laser light emitted by each of the N semiconductor laser elements in a predetermined direction;
The L is
{(L-1) × P1 + W1} × θ1 ≦ M × λc × θf
The filling,
θl indicates a spread angle of the light emitting point in the first direction.
Single crystal growing equipment.
前記コリメータレンズは、
前記半導体レーザ光を、前記第1方向から見て、前記第2方向に垂直な光に変換するシリンドリカルレンズと、
前記半導体レーザ光を、前記第2方向から見て、前記第1方向に垂直な光に変換するレンズアレイと
を有する
請求項1又は2に記載の単結晶育成装置。
The collimator lens,
A cylindrical lens that converts the semiconductor laser light into light perpendicular to the second direction when viewed from the first direction;
The semiconductor laser light, as viewed from the second direction, a single crystal growth apparatus according to claim 1 or 2 and a lens array for converting the light perpendicular to the first direction.
前記複数の分割ミラーは、
前記M本の半導体レーザ光のそれぞれにおいて、前記発光点から前記集光レンズまでの光路長が一定な距離になるように配置する
請求項からのいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The plurality of split mirrors,
The single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 3 , wherein an optical path length from the light emitting point to the condenser lens is arranged at a constant distance in each of the M semiconductor laser lights. .
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をM本に分割するレーザ光分割装置と、
前記M本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
M個の入射口とM個の出射口を有し、前記M個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記M本の半導体レーザ光が入射し、前記M本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記M個の出射口から出射するM本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をM本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光を前記M本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記半導体レーザ装置は、N個の半導体レーザ素子を有し、
前記N個の半導体レーザ素子はそれぞれ、第1方向に幅W1を有し、且つ、前記第1方向にピッチ間隔P1で列状に配列したL個の発光点を含む半導体チップを有し、
前記N個の半導体レーザ素子は、前記第1方向に垂直な第2方向にずれて配置し、
前記複数の分割ミラーは、
前記複数の分割ミラーにおける第一方向のそれぞれの間隔をDとすると、
D=n×{(L−1)×P1+W1}/M
を満たし、
nは整数である
結晶育成装置。
In a single crystal growing device for growing single crystals from raw material rods,
A semiconductor laser device having a laser power source and emitting a single semiconductor laser beam based on the power supplied by the laser power source;
A laser beam splitting device for splitting the single semiconductor laser beam into M beams,
A laser irradiation head for irradiating the M semiconductor laser beams toward the raw material rod;
It has M entrances and M exits, and the M entrances receive the M semiconductor laser beams from the laser beam splitting device and convert the M semiconductor laser beams into the M entrances. M optical fibers emitted from the M emission ports to the laser irradiation head;
With
The laser beam splitting device,
A collimator lens that converts the semiconductor laser light from the semiconductor laser device into parallel light,
A plurality of split mirrors for splitting the semiconductor laser light into M semiconductor laser lights;
A plurality of attenuating mirrors for equalizing the laser beam intensity of the M semiconductor laser beams;
A condenser lens for focusing the M semiconductor laser lights on the M optical fibers;
Has,
The semiconductor laser device has N semiconductor laser elements,
The N semiconductor laser elements each have a width W1 in a first direction, and have a semiconductor chip including L light emitting points arranged in a row at a pitch interval P1 in the first direction.
The N semiconductor laser elements are arranged offset in a second direction perpendicular to the first direction;
The plurality of split mirrors,
Assuming that each interval of the plurality of split mirrors in the first direction is D,
D = n × {(L−1) × P1 + W1} / M
The filling,
n is an integer
Single crystal growing equipment.
前記複数の分割ミラーは、
前記半導体レーザ装置の出射する前記半導体レーザ光を、前記第1方向においてM本の半導体レーザ光に分割し、
前記第1方向において、中心に位置する前記半導体レーザ光よりも、前記第1方向の正側に位置する前記半導体レーザ光を反射する前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対して略45度、前記第1方向の負側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有し、
前記第1方向において、中心に位置する前記半導体レーザ光よりも、前記第1方向の負側に位置する前記半導体レーザ光を反射する前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対して略45度、前記第1方向の正側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有する
請求項からのいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The plurality of split mirrors,
Dividing the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser device into M semiconductor laser lights in the first direction;
In the first direction, the plurality of split mirrors that reflect the semiconductor laser light located on the positive side in the first direction, rather than the semiconductor laser light located at the center, are arranged in the traveling direction of the semiconductor laser light. About 45 degrees, having a mirror reflecting surface having a vertical axis inclined to the negative side in the first direction,
In the first direction, the plurality of split mirrors that reflect the semiconductor laser light located on the negative side in the first direction, rather than the semiconductor laser light located at the center, are arranged in the traveling direction of the semiconductor laser light. The single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 5 , further comprising a mirror reflecting surface having a vertical axis inclined to the positive side in the first direction by about 45 degrees.
前記複数の分割ミラーは、
前記半導体レーザ光の進行方向に対して略45度、前記第1方向の正側又は負側に傾いた垂直軸を有するミラー反射面を有し、
前記半導体レーザ装置の出射する前記半導体レーザ光を、前記第1方向の正側又は負側方向に出射するM本の半導体レーザ光に分割する
請求項からのいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The plurality of split mirrors,
About 45 degrees with respect to the traveling direction of the semiconductor laser light, having a mirror reflection surface having a vertical axis inclined to the positive side or the negative side in the first direction,
Said semiconductor of said semiconductor laser light emission of the laser device, the first direction of the positive side or the claims 1 to be divided into M number of the semiconductor laser beam emitted in the negative side direction 6 according to any one single Crystal growing equipment.
前記複数の分割ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対する前記垂直軸の角度を変更することなく移動するアクチュエータを有する
請求項又はに記載の単結晶育成装置。
The plurality of divided mirrors, single crystal growth apparatus according to claim 6 or 7 having an actuator for moving without changing the angle of the axis perpendicular to the traveling direction of the semiconductor laser beam.
前記複数の分割ミラーは、斜辺の長さがTである三角柱形状を有し、前記三角柱形状の斜面にミラー反射面を有する
請求項からのいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the plurality of split mirrors have a triangular prism shape having a hypotenuse length of T, and a mirror reflection surface on the triangular prism shape slope.
原料棒から単結晶を育成する単結晶育成装置において、
レーザ電源を有し、前記レーザ電源が供給した電力に基づいて、単一の半導体レーザ光を出射する半導体レーザ装置と、
前記単一の半導体レーザ光をM本に分割するレーザ光分割装置と、
前記M本の半導体レーザ光を原料棒に向けて照射するレーザ照射ヘッドと、
M個の入射口とM個の出射口を有し、前記M個の入射口には、前記レーザ光分割装置から前記M本の半導体レーザ光が入射し、前記M本の半導体レーザ光を前記レーザ照射ヘッドに前記M個の出射口から出射するM本の光ファイバと
を備え、
前記レーザ光分割装置は、
前記半導体レーザ装置からの前記半導体レーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記半導体レーザ光をM本の半導体レーザ光に分割する複数の分割ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光のレーザ光強度を等しくする複数の減衰ミラーと、
前記M本の半導体レーザ光を前記M本の光ファイバに集光する集光レンズと
を有し、
前記複数の分割ミラーは、斜辺の長さがTである三角柱形状を有し、前記三角柱形状の斜面にミラー反射面を有し、
前記斜辺の長さTは、
T={(L−1)×P1+W1}×√2/M
を満たす
結晶育成装置。
In a single crystal growing device for growing single crystals from raw material rods,
A semiconductor laser device having a laser power source and emitting a single semiconductor laser beam based on the power supplied by the laser power source;
A laser beam splitting device for splitting the single semiconductor laser beam into M beams,
A laser irradiation head for irradiating the M semiconductor laser beams toward the raw material rod;
It has M entrances and M exits, and the M entrances receive the M semiconductor laser beams from the laser beam splitting device and convert the M semiconductor laser beams into the M entrances. M optical fibers emitted from the M emission ports to the laser irradiation head;
With
The laser beam splitting device,
A collimator lens that converts the semiconductor laser light from the semiconductor laser device into parallel light,
A plurality of split mirrors for splitting the semiconductor laser light into M semiconductor laser lights;
A plurality of attenuating mirrors for equalizing the laser beam intensity of the M semiconductor laser beams;
A condenser lens for focusing the M semiconductor laser lights on the M optical fibers;
Has,
The plurality of split mirrors have a triangular prism shape with a hypotenuse length of T, and have a mirror reflecting surface on the triangular prism shape slope.
The length T of the hypotenuse is
T = {(L-1) × P1 + W1} × √2 / M
Satisfy
Single crystal growing equipment.
前記複数の減衰ミラーは、前記複数の分割ミラーと前記集光レンズとの間に位置し、
前記複数の分割ミラーからの前記半導体レーザ光の少なくとも一部を反射する
請求項から10のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The plurality of attenuating mirrors are located between the plurality of split mirrors and the condenser lens,
The single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 10 , which reflects at least a part of the semiconductor laser light from the plurality of split mirrors.
前記複数の減衰ミラーは、前記複数の分割ミラーからの前記半導体レーザ光の進行方向に対して、略45度傾いた垂直軸を有するミラー反射面を備える
請求項11に記載の単結晶育成装置。
The single crystal growing apparatus according to claim 11 , wherein the plurality of attenuating mirrors include a mirror reflecting surface having a vertical axis inclined by approximately 45 degrees with respect to a traveling direction of the semiconductor laser light from the plurality of split mirrors.
前記複数の減衰ミラーは、前記半導体レーザ光の進行方向に対する前記垂直軸の角度を変更することなく移動するアクチュエータを有する
請求項12に記載の単結晶育成装置。
The single crystal growing apparatus according to claim 12 , wherein the plurality of attenuating mirrors include an actuator that moves without changing an angle of the vertical axis with respect to a traveling direction of the semiconductor laser light.
前記集光レンズは、前記M本の半導体レーザ光をそれぞれM本の光ファイバに集光する球面レンズと複数のシリンドリカルレンズを一体的に形成したレンズアレイを有する
請求項に記載の単結晶育成装置。
The condensing lens is a single crystal growth according to claim 1 having a lens array formed by integrally forming said spherical lens and a plurality of cylindrical lens for focusing the M semiconductor laser light to the optical fiber the M respectively apparatus.
前記レーザ照射ヘッドは、
入射した前記半導体レーザ光の進行方向を、略垂直に曲げる折り返しミラーを有する
請求項1から14のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The laser irradiation head,
The traveling direction of the incident the semiconductor laser beam, a single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 14 having a folding mirror to bend substantially vertically.
前記M本の半導体レーザ光を前記原料棒に向けて照射するM個のレーザ照射ヘッドと、
前記M本の半導体レーザ光の少なくとも一部を吸収するM個のダンパと、
前記M個のレーザ照射ヘッドよりも上方に位置し、前記M個のレーザ照射ヘッド及び前記M個のダンパを固定する天井部と
をさらに備える請求項1から15のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
M laser irradiation heads for irradiating the M semiconductor laser beams toward the raw material rod,
M dampers that absorb at least a part of the M semiconductor laser lights;
The unit according to any one of claims 1 to 15 , further comprising a ceiling positioned above the M laser irradiation heads and fixing the M laser irradiation heads and the M dampers. Crystal growing equipment.
前記半導体レーザ装置及び前記レーザ光分割装置をそれぞれ1台ずつ備える
請求項1から15のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。
The single crystal growing apparatus according to any one of claims 1 to 15 , comprising one semiconductor laser device and one laser beam splitting device.
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