JP7100236B2 - 波長ビーム結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長ビーム結合（ＷＢＣ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ）装置に関する。

レーザ溶接などレーザ加工をはじめとする様々な分野において、高出力レーザを出射する光源装置の需要が高まっている。高出力レーザを出射する光源装置としては、波長ビーム結合装置（以下、「ＷＢＣ装置」ともいう）がある。特許文献１が開示したＷＢＣシステムはその例である。特許文献１にも示されたように、ＷＢＣ装置は、基本的に、所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源（レーザダイオード（ＬＤ）素子等）が配列された光源部（ＬＤバー等）、レーザ光源から出射したレーザビームをコリメートするコリメート部（コリメーションレンズ等）、コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部（集光レンズ等）、集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子、回折格子の回折ビームの光路に配置された出力カプラ（部分反射ミラー等）などを含む。

特開２０１５－１０６７０７号公報

ＷＢＣ装置において、集光部によって集光されたレーザビームのエネルギーが特定の個所に集中するので、集中したビームが入射する回折格子、回折ビームが入射する出力カプラ（以下、「共振器ミラー」という）などの光学部品に、レーザビームの照射によって、損傷が発生することがある。特に、青色レーザ及びそれより短波長のレーザを発するＬＤ素子を利用するＷＢＣ装置においては、レーザビームの光エネルギーが高く、また短波長であることから材料による吸収も多いので、光学部品の損傷は、長波長のＬＤ素子を利用するＷＢＣ装置より早く発生することが考えられる。

本発明は、光学部品の損傷を抑制可能なＷＢＣ装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明の一実施形態にかかる波長ビーム結合装置は、所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを略平行ビームとするコリメート部と、前記コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部と、前記集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子と、前記回折格子の回折ビームの光路に配置され光軸が前記回折ビームの光軸と一致する共振器ミラーと、前記回折格子における入射ビームの照射位置を変更するために、回折格子面を同じ平面内に維持しながら、前記回折格子を移動させることができる第１移動装置と、を含む。

本発明の他の実施形態にかかる波長ビーム結合装置は、所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを略平行ビームとするコリメート部と、前記コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部と、前記集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子と、前記回折格子の回折ビームの光路に配置され光軸が前記回折ビームの光軸と一致する共振器ミラーと、前記共振器ミラーにおける回折ビームの照射位置を変更するために、前記共振器ミラーのミラー面を同じ平面内に維持しながら、前記共振器ミラーを移動させることができる第２移動装置と、を含む。

上記の態様によれば、回折格子、共振器ミラーなどの光学部品の損傷を抑制可能なＷＢＣ装置を提供することができる。

また、上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

第１実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。 図１に示した回折格子の移動による入射ビームの照射位置の変化を示す模式図である。 図１に示した回折格子の移動によって入射ビームの照射位置を変更する他の例の模式図である。 第２実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。 第３実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。

以下、図面に基づき発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。

図１は第１実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。ＷＢＣ装置１００は、ＬＤバー１０４、コリメート部１０６、集光部１０８、回折格子１１０、共振器ミラー１１２及び第１移動装置１１４を含む。

ＬＤバー１０４は、複数の導波路１０３を有し、それぞれの導波路１０３の端部に所定の波長幅の光を出射する複数の光出射部１０２（すなわち、複数のレーザ光源）が１列に配列されて構成される。ＬＤバー１０４は、光源部の一種である。所定の波長幅の光を出射するレーザ光源の例として、例えば、中心波長が４０５ｎｍで、ゲイン（波長幅）Δλが１０ｎｍであるレーザ光源が挙げられる。この場合、光出射部１０２から出射する光の波長範囲は４００～４１０ｎｍである。

コリメート部１０６は、光出射部１０２から出射したレーザビームを略平行ビームとする。コリメート部１０６は、例えば、各々の光出射部１０２側に配置されるコリメーションレンズであってよい。各光出射部１０２に対応するコリメート部１０６は、単一のレンズであってもよく、複数のレンズを組み合わせた組レンズであってもよい。

集光部１０８は、コリメート部１０６から出射したレーザビームを集光する。集光部１０８は、単一の集光レンズから構成されてもよく、複数のレンズを組み合わせた組レンズから構成されてもよく、ミラーから構成されてもよい。図１に示したように、レーザビームが集光部１０８によって集光され、回折格子１１０の回折格子面１１０ａにビームスポットＡを形成する。ビームスポットＡのサイズは、光出射部１０２、コリメート部１０６及び集光部１０８などの光学条件によって異なる。

回折格子１１０は、異なる入射角から入射するレーザビームを同じ回折角の方向に回折して結合させる。共振器ミラー１１２は、その光軸が回折格子１１０の回折ビームの光軸と一致するように、回折ビームの光路に配置されている。共振器ミラー１１２は、光の一部を反射する部分反射ミラーであってよい。ＬＤバー１０４のリアミラーと共振器ミラー１１２によって外部共振器が構成される。その間で光が往復して増幅される。

第１移動装置１１４は、回折格子１１０の回折格子面１１０ａを同じ平面（図１において二点鎖線で表す面）内に維持しながら、回折格子１１０を移動させて、回折格子１１０における入射ビームの照射位置（ビームスポットＡの位置）を変更することができる。第１移動装置１１４による回折格子１１０の移動は、予め定められた時間間隔で間欠的に行うことができる。その時間間隔は、入射ビームの強さ及び回折格子１１０を構成する材料の性質等を考慮して定めてよい。入射ビームの照射位置が損傷する前に、回折格子１１０を移動させたほうが好ましい。第１移動装置１１４の駆動は、例えばサーボモーター、ピエゾ素子などのアクチュエータによって実現することができる。

図２は図１に示した回折格子の移動による入射ビームの照射位置の変化を示す模式図である。例えば、最初に入射ビームスポットＡが１で示した位置に照射されたとする。予め定められた時間が経つと、第１移動装置１１４は自動的に回折格子１１０を移動させて、ビームスポットＡの照射位置を２で示した位置に移動させる。更に予め定められた時間が経つと、ビームスポットＡの照射位置を２から３で示した位置に移動させるなど、例えば、図２の破線に沿って、所定の時間間隔でビームスポットを移動させることができる。

この場合、回折格子１１０における入射ビームの照射位置は、回折格子１１０の移動前後において重ならないことが好ましい。即ち、２の位置が１の位置から十分離れて、二つの位置におけるビームスポットＡの照射範囲が重ならないようにすることである。移動前に、１の位置にある回折格子１１０の材料が、照射によって損傷に至らなかったとしても、ある程度劣化することが考えられる。もし移動前後の照射範囲に重複する部分があると、ビームスポットＡが２に移動したときも、その重複する部分は継続して照射されるので、先に損傷する可能性が大きい。移動前後の照射位置が重ならないようにすると、このような損傷を防ぐことができる。

図３は図１に示した回折格子の移動によって入射ビームの照射位置を変更する他の例の模式図である。図３の破線に沿って、所定の時間間隔でビームスポットを移動させることもできる。但し、第１移動装置１１４による回折格子１１０の移動は、図２又は図３に示した破線の方向に限定するものではない。入射ビームが回折格子から外れることなく、回折格子面１１０ａを同じ平面内に維持することができれば、回折格子１１０をどのような方向に移動させてもよい。

第１移動装置１１４による回折格子１１０の移動は、予め定められた速度で連続的に行ってもよい。その移動速度は、入射ビームの強さ及び回折格子１１０を構成する材料の性質等を考慮して定めてよい。移動速度が遅いと、照射位置に損傷が発生するおそれがある。移動速度が速いと、機械である第１移動装置１１４の安定性を損なうおそれがある。そこで、照射位置に損傷が発生しないことを前提に、できるだけ移動速度を遅くしたほうが好ましい。

この場合、回折格子１１０の移動によって、入射ビームが回折格子面１１０ａにおいて描く軌跡は重ならないことが好ましい。入射ビームスポットＡはある程度の大きさのサイズを有する。したがって、入射ビームが描いた軌跡にはある程度の幅がある。入射ビームの軌跡が重なると、その重なった部分で受ける照射量が多くなり、先に損傷する可能性が大きい。軌跡は重ならないようにすると、このような損傷を防ぐことができる。例えば、図２又は図３に示した破線に沿って、予め定められた速度で連続的にビームスポットを移動させることができる。

回折格子、共振器ミラーなどの光学部品に損傷が発生すると、予期した通りのビーム結合が実現できないので、ＷＢＣ装置の出力が低下することになる。また、それを防ぐために、頻繁にこのような光学部品を交換するなどのメンテナンスを行う必要があり、装置のランニングコストが高くなる。

第１実施形態によれば、かかるＷＢＣ装置は、回折格子が損傷する前に、第１移動装置によって回折格子を移動させ、入射ビームの照射位置を変更して、回折格子の損傷を防ぐことができる。それによって、回折格子の損傷によるＷＢＣ装置の出力低下を防ぐことができる。なお、回折格子の使用周期が長くなり、頻繁に交換する必要がなくなり、装置のランニングコストを低減することができる。

図４は第２実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。この第２実施形態は、第１実施形態の変形である。第２実施形態において、第１実施形態と同じ機能を有する部分については、第１実施形態と同じ符号を付しており、重複する説明を省略することがある。ＷＢＣ装置２００は、ＬＤバー１０４、コリメート部１０６、集光部１０８、回折格子１１０、共振器ミラー１１２及び第２移動装置２１６を含む。第１実施形態に比して、第２実施形態の異なる点は、第１移動装置１１４を有さず、第２移動装置２１６を備える。

第２移動装置２１６は、共振器ミラー１１２のミラー面１１２ａを同じ平面（図４において二点鎖線で表す面）内に維持しながら、共振器ミラー１１２を移動させて、共振器ミラー１１２における回折ビームの照射位置を変更することができる。第２移動装置２１６による共振器ミラー１１２の移動は、予め定められた時間で間欠的に行うことができる。その時間は、回折ビームの強さ及び共振器ミラー１１２を構成する材料の性質等を考慮して定めてよい。回折ビームの照射位置が損傷する前に、共振器ミラー１１２を移動させたほうが好ましい。第２移動装置２１６の駆動は、例えばサーボモーター、ピエゾ素子などのアクチュエータによって実現することができる。

図２を用いて具体的に説明する。図２における回折格子１１０を共振器ミラー１１２に入れ換えて、ビームスポットＡを回折ビームのスポットとする。第２移動装置２１６は、例えば、自動的に共振器ミラー１１２を移動させることによって、所定の時間で、回折ビームスポットを１の位置から順次に２、３、…の位置に変更することができる。即ち、図２の破線に沿って、回折ビームのスポットの照射位置を移動させることができる。

この場合、共振器ミラー１１２における回折ビームの照射位置は、共振器ミラー１１２の移動前後において重ならないことが好ましい。即ち、２の位置が１の位置から十分離れて、二つの位置における回折ビームスポットの照射範囲が重ならないようにすることである。移動前に、１の位置にある共振器ミラー１１２の材料が、照射によって損傷に至らなかったとしても、ある程度劣化することが考えられる。もし移動前後の照射範囲に重複する部分があると、回折ビームスポットが２に移動したときも、その重複する部分は継続して照射されるので、先に損傷する可能性が大きい。移動前後の照射位置が重ならないようにすると、このような損傷を防ぐことができる。

なお、第２移動装置２１６は、自動的に共振器ミラー１１２を移動させることによって、回折ビームの照射位置を図３の破線のように変更することもできる。即ち、図３における回折格子１１０を共振器ミラー１１２に入れ換えて、ビームスポットＡを回折ビームのスポットとすると、第２移動装置２１６は、図３の破線に沿って、所定の時間間隔で回折ビームスポットを移動させることができる。但し、第２移動装置２１６による共振器ミラー１１２の移動は、図２又は図３に示した破線の方向に限定するものではない。回折ビームが共振器ミラー１１２から外れることなく、ミラー面１１２ａを同じ平面内に維持することができれば、共振器ミラー１１２をどのような方向に移動させてもよい。

第２移動装置２１６による共振器ミラー１１２の移動は、予め定められた速度で連続的に行ってもよい。その移動速度は、回折ビームの強さ及び共振器ミラー１１２を構成する材料の性質等を考慮して定めてよい。移動速度が遅いと、照射位置に損傷が発生するおそれがある。移動速度が速いと、機械である第２移動装置２１６の安定性を損なうおそれがある。そこで、照射位置に損傷が発生しないことを前提に、できるだけ移動速度を遅くしたほうが好ましい。

この場合、共振器ミラー１１２の移動によって、回折ビームがミラー面１１２ａにおいて描く軌跡は重ならないことが好ましい。回折ビームスポットはある程度の大きさのサイズを有する。したがって、回折ビームが描いた軌跡にはある程度の幅がある。回折ビームの軌跡が重なると、その重なった部分で受ける照射量が多くなり、先に損傷する可能性が大きい。軌跡は重ならないようにすると、このような損傷を防ぐことができる。例えば、図２又は図３に示した破線に沿って、予め定められた速度で連続的に回折ビームスポットを移動させることができる。

第２実施形態によれば、かかるＷＢＣ装置は、共振器ミラーが損傷する前に、第２移動装置によって共振器ミラーを移動させ、回折ビームの照射位置を変更して、共振器ミラーの損傷を防ぐことができる。それによって、共振器ミラーの損傷によるＷＢＣ装置の出力低下を防ぐことができる。なお、共振器ミラーの使用周期が長くなり、頻繁に交換する必要がなくなり、装置のランニングコストを低減することができる。

図５は第３実施形態にかかる波長ビーム結合装置の模式図である。この第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の変形である。第３実施形態において、第１実施形態及び第２実施形態と同じ機能を有する部分については、同じ符号を付しており、重複する説明を省略する。ＷＢＣ装置３００は、ＬＤバー１０４、コリメート部１０６、集光部１０８、回折格子１１０、共振器ミラー１１２、第１移動装置１１４及び第２移動装置２１６を含む。第１実施形態及び第２実施形態に比して、第３実施形態の異なる点は、第１移動装置１１４も第２移動装置２１６も有することである。

したがって、第３実施形態にかかるＷＢＣ装置は、第１移動装置によって回折格子を移動させ、入射ビームの照射位置を変更して、回折格子の損傷を防ぐことができる。なお、第２移動装置によって共振器ミラーを移動させ、回折ビームの照射位置を変更して、共振器ミラーの損傷を防ぐこともできる。よって、頻繁に回折格子及び共振器ミラーを交換する必要がなくなり、更に装置のランニングコストを低減することができる。
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の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できることは当業者に明らかである。そのよう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は、特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記実施形態において、光源部として複数のレーザ光源が一列に配列されたＬＤバーを例示したが、光源部をＬＤバーに限定するものではない。レーザ光源をマトリックス状に配列したＬＤスタックを光源部としてもよい。上述の実施形態において、回折格子の例として、図面において反射型回折格子だけ示したが、回折格子は透過型回折格子であってもよい。当然この場合、第１移動装置１１４も透過型回折格子に対応する構造を有する必要がある。

なお、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成によって置換することも可能であり、それを削除することも可能である。

１００ ＷＢＣ装置
１０２ 光出射部
１０３ 導波路
１０４ ＬＤバー
１０６ コリメート部
１０８ 集光部
１１０ 回折格子
１１０ａ 回折格子面
１１２ 共振器ミラー
１１２ａ ミラー面
１１４ 第１移動装置
２００ ＷＢＣ装置
２１６ 第２移動装置
３００ ＷＢＣ装置

Claims (3)

1. 所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを略平行ビームとするコリメート部と、前記コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部と、前記集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子と、前記回折格子の回折ビームの光路に配置され光軸が前記回折ビームの光軸と一致する共振器ミラーと、を含む波長ビーム結合装置において、
   前記回折格子における入射ビームの照射位置を変更するために、回折格子面を同じ平面内に維持しながら、前記回折格子を渦巻き状に移動させる第１移動装置を備え、
   前記第１移動装置による前記回折格子の移動は、予め定められた時間間隔で間欠的に行い、
   前記時間間隔は、前記入射ビームが前記回折格子に損傷を発生させる前に前記照射位置を変更できるように、前記入射ビームの強さ及び前記回折格子の材料に応じて設定され、
   前記回折格子における入射ビームの照射位置は、前記回折格子の移動前後において重ならない
   ことを特徴とする波長ビーム結合装置。
2. 所定の波長幅の光を出射する複数のレーザ光源が配列された光源部と、前記レーザ光源から出射したレーザビームを略平行ビームとするコリメート部と、前記コリメート部から出射したレーザビームを集光する集光部と、前記集光部によって集光されたレーザビームが入射する回折格子と、前記回折格子の回折ビームの光路に配置され光軸が前記回折ビームの光軸と一致する共振器ミラーと、を含む波長ビーム結合装置において、
   前記共振器ミラーにおける回折ビームの照射位置を変更するために、前記共振器ミラーのミラー面を同じ平面内に維持しながら、前記共振器ミラーを渦巻き状に移動させる第２移動装置を備え、
   前記第２移動装置による前記共振器ミラーの移動は、予め定められた時間間隔で間欠的に行い、
   前記時間間隔は、前記回折ビームが前記共振器ミラーに損傷を発生させる前に照射位置を変更できるように、前記回折ビームの強さ及び前記共振器ミラーの材料に応じて設定され、
   前記共振器ミラーにおける回折ビームの照射位置は、前記共振器ミラーの移動前後において重ならない
   ことを特徴とする波長ビーム結合装置。
3. 前記複数のレーザ光源が発するレーザ光それぞれの波長範囲が４００ｎｍ乃至４１０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長ビーム結合装置。

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