JP7381404B2

JP7381404B2 - Laser module and fiber laser equipment

Info

Publication number: JP7381404B2
Application number: JP2020091096A
Authority: JP
Inventors: 正裕内山
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-05-26
Also published as: JP2021190452A

Description

本発明は、レーザモジュール及びファイバレーザ装置に係り、特に複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光して出力するレーザモジュールに関するものである。 The present invention relates to a laser module and a fiber laser device, and particularly to a laser module that condenses and outputs laser light emitted from a plurality of semiconductor laser elements.

従来から、複数の半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を集光し、高パワーのレーザ光を出力するレーザモジュールが知られている。このようなレーザモジュールに用いられる半導体レーザ素子の発振波長は、製造上のばらつきによって変動し、また温度依存性を有することから、所望の波長のレーザ光を安定して出力するためには、それぞれの半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化する必要がある。複数の半導体レーザ素子のレーザ光の波長を狭帯域化する方法の１つとして、所定の格子間隔で屈折率が周期的に変化するVolume Bragg Grating（ＶＢＧ）と呼ばれる波長安定化素子を用いて、波長安定化素子の反射面と半導体レーザ素子の出射端面との間で外部共振器を形成して特定の波長を選択的に反射させる方法が知られている（例えば、特許文献１の図１４Ａ参照）。 2. Description of the Related Art Conventionally, laser modules have been known that condense laser beams emitted from a plurality of semiconductor laser elements and output high-power laser beams. The oscillation wavelength of the semiconductor laser element used in such a laser module fluctuates due to manufacturing variations and is temperature dependent, so in order to stably output laser light of the desired wavelength, it is necessary to It is necessary to narrow the wavelength of the laser light output from the semiconductor laser device to a specific wavelength. One method of narrowing the wavelength band of laser light from multiple semiconductor laser elements is to use a wavelength stabilizing element called a volume Bragg grating (VBG) whose refractive index changes periodically at a predetermined grating interval. A method is known in which a specific wavelength is selectively reflected by forming an external resonator between the reflection surface of a wavelength stabilizing element and the emission end face of a semiconductor laser element (see, for example, FIG. 14A of Patent Document 1). ).

このような波長安定化素子を用いた従来のレーザモジュールにおいては、例えばレーザ光の光路を転換するためのミラーなどの光学部品が樹脂によって筐体に固定されているが、波長安定化素子の調心が完了した後に、これらの樹脂が温度変化などによって膨張収縮することがある。そのような場合には、樹脂によって固定されている光学部品の位置や角度が変化し、波長安定化素子に入射するレーザ光の光路がずれてしまうことが考えられる。このような波長安定化素子に入射するレーザ光の光路のずれが、波長安定化素子の反射面と半導体レーザ素子の出射端面との間で外部共振器を形成できる許容範囲を超えてしまうと、波長安定化素子によってレーザ光の波長を狭帯域化することができなくなってしまう。 In a conventional laser module using such a wavelength stabilizing element, optical components such as a mirror for changing the optical path of the laser beam are fixed to the housing with resin, but the adjustment of the wavelength stabilizing element is difficult. After the core is completed, these resins may expand and contract due to temperature changes and the like. In such a case, the position or angle of the optical component fixed by the resin may change, and the optical path of the laser beam incident on the wavelength stabilizing element may be shifted. If the deviation of the optical path of the laser light incident on such a wavelength stabilizing element exceeds the allowable range that allows an external resonator to be formed between the reflecting surface of the wavelength stabilizing element and the output end face of the semiconductor laser element, The wavelength stabilizing element makes it impossible to narrow the wavelength of the laser beam.

米国特許出願公開第２０１６／０１７２８２３号公報US Patent Application Publication No. 2016/0172823

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールを提供することを第１の目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its first object is to provide a laser module that can stably output laser light with a narrow wavelength band. do.

また、本発明は、安定してレーザ光を増幅することができるファイバレーザ装置を提供することを第２の目的とする。 A second object of the present invention is to provide a fiber laser device that can stably amplify laser light.

本発明の第１の態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、出射端面からレーザ光を出射する少なくとも１つの半導体レーザ素子と、上記レーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる少なくとも１つの集光レンズと、上記レーザ光の光路上に位置する反射面を有する少なくとも２つの波長安定化素子とを備える。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記レーザ光の光軸に垂直な基準方向に対して－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内の角度で配置されたときに上記反射面と上記少なくとも１つの半導体レーザ素子の上記出射端面との間で外部共振器を形成して上記レーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化できるように構成される。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して角度θ₁で配置される第１の波長安定化素子と、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも大きな角度θ₂で配置される第２の波長安定化素子とを含んでいる。θ₁及びθ₂の少なくとも一方が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあり、θ₂－θ₁≦２θ_Hである。 According to a first aspect of the present invention, a laser module is provided that can stably output laser light whose wavelength is narrowed. This laser module includes an optical fiber, at least one semiconductor laser element that emits a laser beam from an output end face, at least one condensing lens that condenses the laser beam and couples it to the optical fiber, and the laser beam. at least two wavelength stabilizing elements each having a reflective surface located on the optical path of the wavelength stabilizing element. The at least two wavelength stabilizing elements are arranged such that when the reflecting surface is arranged at an angle within a range of -θ _H to +θ _H with respect to a reference direction perpendicular to the optical axis of the laser beam, the reflecting surface An external resonator is formed between the laser beam and the emission end face of the at least one semiconductor laser element, so that the wavelength of the laser beam can be narrowed to a specific wavelength. The at least two wavelength stabilizing elements include a first wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₁ with respect to the reference direction, and a first wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₁ with respect to the reference direction. a second wavelength stabilizing element disposed at an angle θ ₂ greater than the second wavelength stabilizing element. At least one of θ ₁ and θ ₂ is in the range from −θ _H to +θ _H , and θ ₂ −θ ₁ ≦2θ _H.

本明細書においては、「ＸからＹまでの範囲」というときは、Ｘの値及びＹの値の双方を含む範囲を意味するものとする。 In this specification, the term "range from X to Y" means a range that includes both the value of X and the value of Y.

本発明の第２の態様によれば、安定してレーザ光を増幅することができるファイバレーザ装置が提供される。上記ファイバレーザ装置は、上述したレーザモジュールを含む励起光源と、上記レーザモジュールの上記光ファイバと光学的に接続され、希土類元素イオンが添加されたコアを有する増幅用光ファイバとを備える。 According to a second aspect of the present invention, a fiber laser device that can stably amplify laser light is provided. The fiber laser device includes an excitation light source including the laser module described above, and an amplification optical fiber that is optically connected to the optical fiber of the laser module and has a core doped with rare earth element ions.

本発明の一態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。 According to one aspect of the present invention, laser light whose wavelength is narrowed can be stably output.

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置の構成を模式的に示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fiber laser device according to a first embodiment of the present invention. 図２は、図１に示すファイバレーザ装置における励起光源として用いられるレーザモジュールを模式的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a laser module used as an excitation light source in the fiber laser device shown in FIG. 図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. 図４Ａは、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の作用を説明するための模式図である。FIG. 4A is a schematic diagram for explaining the action of the wavelength stabilizing element in the laser module of FIG. 2. FIG. 図４Ｂは、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の作用を説明するための模式図である。FIG. 4B is a schematic diagram for explaining the action of the wavelength stabilizing element in the laser module of FIG. 2. 図５は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の配置を説明する模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the arrangement of wavelength stabilizing elements in the laser module of FIG. 2. 図６は、図２のレーザモジュールにおいてレーザ光の光路が変化した場合の波長安定化素子の作用を説明する模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the action of the wavelength stabilizing element when the optical path of the laser beam changes in the laser module of FIG. 2. 図７は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の有効角度範囲の一例を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the effective angle range of the wavelength stabilizing element in the laser module of FIG. 2. 図８は、図２のレーザモジュールにおける波長安定化素子の有効角度範囲の他の例を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing another example of the effective angle range of the wavelength stabilizing element in the laser module of FIG. 2. 図９は、本発明の第２の実施形態におけるレーザモジュールを模式的に示す平面図である。FIG. 9 is a plan view schematically showing a laser module according to the second embodiment of the present invention.

以下、本発明に係るレーザモジュール及びファイバレーザ装置の実施形態について図１から図９を参照して詳細に説明する。図１から図９において、同一又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、図１から図９においては、各構成要素の縮尺や寸法が誇張されて示されている場合や一部の構成要素が省略されている場合がある。以下の説明では、特に言及がない場合には、「第１」や「第２」などの用語は、構成要素を互いに区別するために使用されているだけであり、特定の順位や順番を表すものではない。 Hereinafter, embodiments of a laser module and a fiber laser device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 9. In FIGS. 1 to 9, the same or corresponding components are given the same reference numerals and redundant explanations will be omitted. Further, in FIGS. 1 to 9, the scale and dimensions of each component may be exaggerated or some components may be omitted. In the following description, unless otherwise specified, terms such as "first" and "second" are used only to distinguish components from each other, and to indicate a specific rank or order. It's not a thing.

図１は、本発明の第１の実施形態におけるファイバレーザ装置１の構成を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のファイバレーザ装置１は、レーザ光を増幅可能な増幅用光ファイバ２を含む光共振器３と、光共振器３の一端側（前方）から光共振器３に励起光を供給する複数の前方励起光源４Ａと、光共振器３の他端側（後方）から光共振器３に励起光を供給する複数の後方励起光源４Ｂと、複数の前方励起光源４Ａから出力される励起光を結合して光共振器３に導入する前方光コンバイナ５Ａと、複数の後方励起光源４Ｂから出力される励起光を結合して光共振器３に導入する後方光コンバイナ５Ｂと、後方光コンバイナ５Ｂから延びるデリバリファイバ６と、デリバリファイバ６の下流側の端部に設けられたレーザ出力部７とを備えている。それぞれの前方励起光源４Ａと前方光コンバイナ５Ａとは光ファイバ８Ａで接続され、それぞれの後方励起光源４Ｂと後方光コンバイナ５Ｂとは光ファイバ８Ｂで接続されている。 FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fiber laser device 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fiber laser device 1 of this embodiment includes an optical resonator 3 including an amplification optical fiber 2 capable of amplifying laser light, and an optical resonator 3 that is connected to the optical resonator 3 from one end side (front) of the optical resonator 3. A plurality of forward pumping light sources 4A supplying pumping light to the optical resonator 3, a plurality of backward pumping light sources 4B supplying pumping light to the optical resonator 3 from the other end side (backward) of the optical resonator 3, and a plurality of front pumping light sources A front optical combiner 5A that combines the excitation light output from the 4A and introduces it into the optical resonator 3, and a rear optical combiner 5A that combines the excitation light output from the plurality of rear excitation light sources 4B and introduces it into the optical resonator 3. 5B, a delivery fiber 6 extending from the rear optical combiner 5B, and a laser output section 7 provided at the downstream end of the delivery fiber 6. Each of the forward pumping light sources 4A and the front optical combiner 5A are connected by an optical fiber 8A, and each of the backward pumping light sources 4B and the backward optical combiner 5B are connected by an optical fiber 8B.

光共振器３の増幅用光ファイバ２は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）やエルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｒ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類元素イオンが添加されたコアを有しており、例えば、コアの周囲に形成された内側クラッドと、内側クラッドの周囲に形成された外側クラッドとを有するダブルクラッドファイバによって構成される。 The amplifying optical fiber 2 of the optical resonator 3 has a core doped with rare earth element ions such as ytterbium (Yb), erbium (Er), thulium (Tr), neodymium (Nd), etc. It is composed of a double clad fiber having an inner cladding formed around a core and an outer cladding formed around the inner cladding.

光共振器３は、所定の波長帯（例えば１０６０ｎｍ～１１００ｎｍ）の光を高い反射率で反射する高反射部９Ａと、この波長帯の光を高反射部９Ａよりも低い反射率で反射する低反射部９Ｂとを含んでいる。高反射部９Ａ及び低反射部９Ｂは、例えば、光の伝搬方向に沿って周期的に光ファイバの屈折率を変化させて形成したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）やミラーにより構成される。図１に示す例では、高反射部９Ａ及び低反射部９Ｂをファイバブラッググレーティングにより構成している。 The optical resonator 3 includes a high reflection part 9A that reflects light in a predetermined wavelength band (for example, 1060 nm to 1100 nm) with a high reflectance, and a low reflection part 9A that reflects light in this wavelength band with a lower reflectance than the high reflection part 9A. It includes a reflecting section 9B. The high reflection section 9A and the low reflection section 9B are constituted by, for example, a fiber Bragg grating (FBG) or a mirror formed by periodically changing the refractive index of an optical fiber along the propagation direction of light. In the example shown in FIG. 1, the high reflection section 9A and the low reflection section 9B are constituted by fiber Bragg gratings.

励起光源４Ａ，４Ｂに接続される光ファイバ８Ａ，８Ｂは、それぞれコアと、コアの周囲を覆い、コアの屈折率よりも低い屈折率を有するクラッドとを有しており、これらの光ファイバ８Ａ，８Ｂのコアの内部には、励起光源４Ａ，４Ｂで生成された励起光が伝搬する光導波路が形成される。 The optical fibers 8A and 8B connected to the excitation light sources 4A and 4B each have a core and a cladding that surrounds the core and has a refractive index lower than the refractive index of the core. , 8B is formed with an optical waveguide through which excitation light generated by the excitation light sources 4A, 4B propagates.

励起光源４Ａ，４Ｂとしては、例えば波長９７５ｎｍのレーザ光を出射可能な高出力マルチモード半導体レーザ素子を含むレーザモジュールが用いられる。このレーザモジュールの詳細については後述する。それぞれの前方励起光源４Ａで生成された励起光は、光ファイバ８Ａのコアを伝搬して前方光コンバイナ５Ａに向かい、前方光コンバイナ５Ａで結合されて光共振器３に導入される。また、それぞれの後方励起光源４Ｂで生成された励起光は、光ファイバ８Ｂのコアを伝搬して後方光コンバイナ５Ｂに向かい、後方光コンバイナ５Ｂで結合されて光共振器３に導入される。なお、前方励起光源４Ａで生成される励起光の波長と後方励起光源４Ｂで生成される励起光の波長は同一であってもよいし、異なっていてもよい。 As the excitation light sources 4A and 4B, for example, a laser module including a high-output multimode semiconductor laser element capable of emitting laser light with a wavelength of 975 nm is used. Details of this laser module will be described later. The excitation light generated by each forward excitation light source 4A propagates through the core of the optical fiber 8A, heads toward the forward optical combiner 5A, is combined by the forward optical combiner 5A, and is introduced into the optical resonator 3. Further, the excitation light generated by each rear excitation light source 4B propagates through the core of the optical fiber 8B, heads toward the rear optical combiner 5B, is combined by the rear optical combiner 5B, and is introduced into the optical resonator 3. Note that the wavelength of the excitation light generated by the forward excitation light source 4A and the wavelength of the excitation light generated by the backward excitation light source 4B may be the same or different.

励起光源４Ａ，４Ｂからそれぞれ光コンバイナ５Ａ，５Ｂを介して光共振器３に導入された励起光は、増幅用光ファイバ２の内側クラッド及びコアの内部を伝搬する。この励起光は、コアを通過する際にコアに添加された希土類元素イオンに吸収され、この希土類元素イオンが励起されて自然放出光が生じる。この自然放出光が高反射部９Ａと低反射部９Ｂとの間で再帰的に反射され、特定の波長（例えば１０７０ｎｍ）の光が増幅されてレーザ発振が生じる。このように光共振器３で増幅されたレーザ光は、増幅用光ファイバ２のコアの内部を伝搬し、その一部が低反射部９Ｂを透過する。低反射部９Ｂを透過したレーザ光は、後方光コンバイナ５Ｂからデリバリファイバ６のコアに導入され、デリバリファイバ６のコアを伝搬して、図１に示すように、レーザ出力部７から出力レーザ光Ｐとして例えば加工対象物に向けて出射される。 Pumping light introduced into the optical resonator 3 from the pumping light sources 4A, 4B via the optical combiners 5A, 5B, respectively, propagates inside the inner cladding and core of the amplification optical fiber 2. When this excitation light passes through the core, it is absorbed by rare earth element ions added to the core, and the rare earth element ions are excited to generate spontaneous emission light. This spontaneously emitted light is reflected recursively between the high reflection section 9A and the low reflection section 9B, and light of a specific wavelength (for example, 1070 nm) is amplified to generate laser oscillation. The laser light amplified by the optical resonator 3 in this manner propagates inside the core of the amplification optical fiber 2, and a portion thereof passes through the low reflection section 9B. The laser light that has passed through the low reflection section 9B is introduced into the core of the delivery fiber 6 from the rear optical combiner 5B, propagates through the core of the delivery fiber 6, and is outputted from the laser output section 7 as shown in FIG. For example, the light is emitted as P toward the workpiece.

次に、上述した励起光源４Ａ，４Ｂにおいて用いられるレーザモジュールについて詳細に説明する。図２は、励起光源４Ａ，４Ｂにおいて用いられるレーザモジュール１０を模式的に示す平面図、図３は、図２のＡ－Ａ線断面図である。図２及び図３においては、レーザ光の光路を点線で示している。本実施形態におけるレーザモジュール１０は、筐体１２と、筐体１２の内部に配置されたレーザ生成部２０と、筐体１２の外部から内部に延びる光ファイバ１４と、光ファイバ１４を保持する円筒状のファイバ保持部１６とを含んでいる。筐体１２の上部には図示しない蓋体が配置されており、この蓋体により筐体１２の内部空間が封止される。筐体１２は、熱伝導性に優れた銅などの金属から形成されており、筐体１２の底面１２Ａ及び内側側面１２Ｂには、金めっき膜やアルミニウム膜などの反射率の高い金属薄膜が形成されている。 Next, the laser module used in the above-mentioned excitation light sources 4A and 4B will be explained in detail. FIG. 2 is a plan view schematically showing the laser module 10 used in the excitation light sources 4A and 4B, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. In FIGS. 2 and 3, the optical path of the laser beam is shown by a dotted line. The laser module 10 in this embodiment includes a housing 12, a laser generating section 20 disposed inside the housing 12, an optical fiber 14 extending from the outside to the inside of the housing 12, and a cylinder holding the optical fiber 14. It includes a fiber holding section 16 having a shape. A lid (not shown) is disposed at the top of the housing 12, and the internal space of the housing 12 is sealed by this lid. The housing 12 is made of a metal such as copper that has excellent thermal conductivity, and a metal thin film with high reflectivity such as a gold plating film or an aluminum film is formed on the bottom surface 12A and the inner side surface 12B of the housing 12. has been done.

レーザ生成部２０は、階段状の台座２１を含んでおり、この台座２１は、Ｚ方向の高さが異なる６つの段部２２Ａ～２２Ｆを有している。本実施形態では、１段目の段部２２Ａから－Ｘ方向に向かって次第に高くなるように段部２２Ａ～２２Ｆが形成されている。それぞれの段部２２Ａ～２２Ｆにはサブマウント２３が配置されており、それぞれのサブマウント２３上には、＋Ｙ方向にレーザ光Ｌを出射する半導体レーザ素子２４が載置されている。 The laser generating section 20 includes a stepped pedestal 21, and this pedestal 21 has six stepped portions 22A to 22F having different heights in the Z direction. In this embodiment, the step portions 22A to 22F are formed such that the height gradually increases from the first step portion 22A toward the −X direction. A submount 23 is arranged on each of the step portions 22A to 22F, and a semiconductor laser element 24 that emits laser light L in the +Y direction is mounted on each submount 23.

また、台座２１のそれぞれの段部２２Ａ～２２Ｆには、半導体レーザ素子２４に対応して、半導体レーザ素子２４から出射されたレーザ光Ｌをファースト軸方向にコリメートするファースト軸コリメートレンズ２５と、ファースト軸コリメートレンズ２５を透過したレーザ光Ｌをスロー軸方向にコリメートするスロー軸コリメートレンズ２６と、スロー軸コリメートレンズ２６を透過したレーザ光Ｌを反射するミラー２７とが配置されている。 Further, each of the stepped portions 22A to 22F of the pedestal 21 is provided with a first axis collimating lens 25 that collimates the laser beam L emitted from the semiconductor laser element 24 in the first axis direction, corresponding to the semiconductor laser element 24. A slow axis collimating lens 26 that collimates the laser beam L that has passed through the axis collimating lens 25 in the slow axis direction, and a mirror 27 that reflects the laser beam L that has passed through the slow axis collimating lens 26 are arranged.

ミラー２７は、Ｙ方向に対して４５度傾斜した傾斜面を有しており、この傾斜面には、誘電体多層膜や金属薄膜などによって、レーザ光Ｌの波長帯域の光を反射する特性を有する光学薄膜が形成されている。これにより、スロー軸コリメートレンズ２６を透過したレーザ光Ｌは、ミラー２７の光学薄膜で反射され、伝搬方向が９０度転換されて＋Ｘ方向に伝搬する。 The mirror 27 has an inclined surface inclined at 45 degrees with respect to the Y direction, and this inclined surface has a property of reflecting light in the wavelength band of the laser beam L using a dielectric multilayer film, a metal thin film, or the like. An optical thin film is formed having the following characteristics. Thereby, the laser beam L transmitted through the slow axis collimating lens 26 is reflected by the optical thin film of the mirror 27, and the propagation direction is changed by 90 degrees and propagated in the +X direction.

レーザモジュール１０は、レーザ生成部２０の＋Ｘ方向側に配置された３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃと、波長安定化素子４０Ｃの＋Ｘ方向側に配置されたファースト軸集光レンズ５１と、ファースト軸集光レンズ５１の＋Ｘ方向側に配置されたスロー軸集光レンズ５２とを備えている。波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ及び集光レンズ５１，５２は、筐体１２の内部に延びる光ファイバ１４の端面１４Ａとレーザ生成部２０との間でそれぞれ筐体１２の底面１２Ａに固定されている。 The laser module 10 includes three wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C arranged on the +X direction side of the laser generating section 20, and a first axis condenser lens 51 arranged on the +X direction side of the wavelength stabilizing element 40C. , and a slow-axis condenser lens 52 disposed on the +X direction side of the fast-axis condenser lens 51. The wavelength stabilizing elements 40A, 40B, 40C and the condensing lenses 51, 52 are each fixed to the bottom surface 12A of the housing 12 between the end face 14A of the optical fiber 14 extending inside the housing 12 and the laser generating section 20. ing.

半導体レーザ素子２４のレーザ発振波長は、製造上のばらつきによって変動し、また温度依存性を有することから、本実施形態では、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを用いてレーザモジュール１０から出力されるレーザ光の波長を安定化させている。より具体的には、本実施形態の波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃは、所定の格子間隔で周期的に屈折率を変化させたVolume Bragg Grating（ＶＢＧ）により構成されており、狭帯域化された特定の波長（例えば９７５ｎｍ）のレーザ光を出力するように構成されている。これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの詳細については後述する。 Since the laser oscillation wavelength of the semiconductor laser element 24 fluctuates due to manufacturing variations and has temperature dependence, in this embodiment, the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C are used to adjust the laser oscillation wavelength from the laser module 10. This stabilizes the wavelength of the laser light used. More specifically, the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C of this embodiment are composed of Volume Bragg Gratings (VBG) whose refractive index is periodically changed at a predetermined grating interval, and are configured to narrow the band. The laser beam is configured to output a laser beam of a specific wavelength (for example, 975 nm). Details of these wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C will be described later.

ファースト軸集光レンズ５１は、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃから出力されるレーザ光をファースト軸方向に集光して光ファイバ１４の端面１４Ａに結合させるものであり、スロー軸集光レンズ５２は、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃから出力されるレーザ光をスロー軸方向に集光して光ファイバ１４の端面１４Ａに結合させるものである。 The fast axis condensing lens 51 focuses the laser beams output from the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C in the fast axis direction and couples them to the end face 14A of the optical fiber 14, and serves as a slow axis condensing lens. Reference numeral 52 focuses the laser beams output from the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C in the slow axis direction and couples them to the end face 14A of the optical fiber 14.

このような構成において、レーザ生成部２０のそれぞれの半導体レーザ素子２４から＋Ｙ方向に出射されたレーザ光Ｌは、ファースト軸コリメートレンズ２５及びスロー軸コリメートレンズ２６によりそれぞれファースト軸方向及びスロー軸方向にコリメートされ、ミラー２７により９０度方向転換されて＋Ｘ方向に伝搬する。ミラー２７により反射されたレーザ光Ｌは、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃによって波長が狭帯域化されたレーザ光となる。これらの波長が狭帯域化されたレーザ光は、ファースト軸集光レンズ５１によってファースト軸（Ｚ方向）に集光され、さらにスロー軸集光レンズ５２によってスロー軸（Ｙ方向）に集光される。これによって、複数の半導体レーザ素子２４から出射されたレーザ光Ｌが光ファイバ１４の端面１４Ａに光学的に結合され、励起光としてレーザモジュール１０から上述したファイバレーザ装置１の光共振器３（図１参照）に出力される。 In such a configuration, the laser beam L emitted in the +Y direction from each semiconductor laser element 24 of the laser generating section 20 is collimated in the fast axis direction and the slow axis direction by the fast axis collimating lens 25 and the slow axis collimating lens 26, respectively. The beam is collimated, changed direction by 90 degrees by the mirror 27, and propagated in the +X direction. The laser beam L reflected by the mirror 27 becomes a laser beam whose wavelength is narrowed by the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C. These laser beams whose wavelengths have been narrowed are focused on the fast axis (Z direction) by the fast axis condensing lens 51, and further condensed on the slow axis (Y direction) by the slow axis condensing lens 52. . As a result, the laser beams L emitted from the plurality of semiconductor laser elements 24 are optically coupled to the end face 14A of the optical fiber 14, and the laser beams L are transmitted as excitation light from the laser module 10 to the optical resonator 3 of the fiber laser device 1 described above (see FIG. 1)).

次に、上述した波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの詳細について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの作用を説明するための模式図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、理解を容易にするために、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃをまとめて符号４０によって図示している。 Next, details of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C described above will be explained. FIGS. 4A and 4B are schematic diagrams for explaining the effects of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C. In FIGS. 4A and 4B, wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C are collectively indicated by reference numeral 40 for easy understanding.

図４Ａに示すように、半導体レーザ素子２４は、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層で挟まれた活性層１２４を有している。この活性層１２４の高反射端面１２４Ａと低反射端面１２４Ｂとの間で共振器が形成されており、この共振器によりレーザ発振されたレーザ光Ｌが低反射端面１２４Ｂ（出射端面）から出射されるようになっている。 As shown in FIG. 4A, the semiconductor laser device 24 has an active layer 124 sandwiched between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer. A resonator is formed between the high-reflection end face 124A and the low-reflection end face 124B of the active layer 124, and the laser beam L oscillated by this resonator is emitted from the low-reflection end face 124B (emission end face). It looks like this.

波長安定化素子４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）は、この半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光Ｌの光路上に位置する反射面１４０（１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ）を有している。波長安定化素子４０は、この反射面１４０と半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成することで、狭帯域化された特定の波長（例えば９７５ｎｍ）のレーザ光を出力するものである。 The wavelength stabilizing element 40 (40A, 40B, 40C) has a reflective surface 140 (140A, 140B, 140C) located on the optical path of the laser beam L emitted from the semiconductor laser element 24. The wavelength stabilizing element 40 forms an external resonator between the reflecting surface 140 and the emission end face 124B of the active layer 124 of the semiconductor laser element 24, thereby stabilizing a specific wavelength (for example, 975 nm) that has been narrowed. It outputs laser light.

ここで、図４Ｂに示すように、波長安定化素子４０の反射面１４０がレーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄに対して傾斜している場合であっても、反射面１４０で反射したレーザ光Ｒが半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂに到達して反射面１４０と半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できるのであれば、レーザ光Ｌの波長を波長安定化素子４０によって狭帯域化することが可能である。本実施形態における波長安定化素子４０（４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ）は、反射面１４０とレーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄ（基準方向）とのなす角度が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内であれば、反射面１４０と半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成してレーザ光の波長を狭帯域化することができるように構成されている。以下、波長安定化素子４０が半導体レーザ素子２４の活性層１２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できるような、レーザ光Ｌの光軸に垂直な方向Ｄに対する反射面１４０の角度の範囲を波長安定化素子４０の「有効角度範囲」ということとする。 Here, as shown in FIG. 4B, even if the reflective surface 140 of the wavelength stabilizing element 40 is inclined with respect to the direction D perpendicular to the optical axis of the laser beam L, the light reflected by the reflective surface 140 If the laser beam R can reach the output end face 124B of the active layer 124 of the semiconductor laser element 24 and form an external resonator between the reflective surface 140 and the output end face 124B of the active layer 124 of the semiconductor laser element 24, It is possible to narrow the wavelength of the laser beam L by the wavelength stabilizing element 40. In the wavelength stabilizing element 40 (40A, 40B, 40C) in this embodiment, the angle between the reflecting surface 140 and a direction D (reference direction) perpendicular to the optical axis of the laser beam L is from -θ _H to +θ _H. Within this range, the configuration is such that an external resonator can be formed between the reflective surface 140 and the emission end face 124B of the semiconductor laser element 24 to narrow the wavelength band of the laser light. Hereinafter, the angle of the reflective surface 140 with respect to the direction D perpendicular to the optical axis of the laser beam L such that the wavelength stabilizing element 40 can form an external resonator with the emission end face 124B of the active layer 124 of the semiconductor laser element 24 will be described. The range will be referred to as the "effective angular range" of the wavelength stabilizing element 40.

図５は、本実施形態における波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの配置を説明する模式図である。以下では、半導体レーザ素子２４から光ファイバ１４に向かってレーザ光が伝搬する方向を「下流側」といい、それとは逆の方向を「上流側」ということとする。 FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the arrangement of wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C in this embodiment. Hereinafter, the direction in which the laser light propagates from the semiconductor laser element 24 toward the optical fiber 14 will be referred to as the "downstream side," and the opposite direction will be referred to as the "upstream side."

図５に示すように、ある半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光Ｌの光路Ｍ上には、ミラー２７、波長安定化素子４０Ａ、波長安定化素子４０Ｂ、及び波長安定化素子４０Ｃが下流に向かって順番に配置されている。本実施形態では、最も上流側に配置された波長安定化素子４０Ａ（第１の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ａがレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄと平行となるように配置されている。すなわち、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａが基準方向Ｄに対してなす角度θ₁は０である。本実施形態では、この基準方向Ｄは、レーザ光Ｌのファースト軸に沿った方向（Ｚ方向）である。 As shown in FIG. 5, on the optical path M of the laser beam L emitted from a certain semiconductor laser element 24, a mirror 27, a wavelength stabilizing element 40A, a wavelength stabilizing element 40B, and a wavelength stabilizing element 40C are downstream. They are arranged in order. In this embodiment, the wavelength stabilizing element 40A (first wavelength stabilizing element) disposed on the most upstream side is configured such that its reflective surface 140A is parallel to the reference direction D perpendicular to the optical axis of the laser beam L. It is located in That is, the angle θ ₁ that the reflective surface 140A of the wavelength stabilizing element 40A makes with respect to the reference direction D is 0. In this embodiment, this reference direction D is a direction along the fast axis of the laser beam L (Z direction).

波長安定化素子４０Ａの下流側に配置された波長安定化素子４０Ｂ（第２の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ｂが基準方向Ｄに対して角度θ₂をなすように配置されている。また、最も下流側に配置された波長安定化素子４０Ｃ（第３の波長安定化素子）は、その反射面１４０Ｃが基準方向Ｄに対して角度θ₃をなすように配置されている。 A wavelength stabilizing element 40B (second wavelength stabilizing element) disposed on the downstream side of the wavelength stabilizing element 40A is disposed such that its reflective surface 140B forms an angle θ ₂ with respect to the reference direction D. . Further, the wavelength stabilizing element 40C (third wavelength stabilizing element) disposed on the most downstream side is disposed such that its reflecting surface 140C forms an angle θ ₃ with respect to the reference direction D.

ここで、θ₂は、θ₁よりも大きく、本実施形態では正の値である（θ₂＞θ₁＝０）。θ₃は、θ₁よりも小さく、本実施形態では負の値である（θ₃＜θ₁＝０）。また、本実施形態では、θ₂≦２θ_H、θ₃≧－２θ_Hとなっている。 Here, θ ₂ is larger than θ ₁ and is a positive value in this embodiment (θ ₂ >θ ₁ =0). θ ₃ is smaller than θ ₁ and has a negative value in this embodiment (θ ₃ <θ ₁ =0). Further, in this embodiment, θ ₂ ≦2θ _H and θ ₃ ≧−2θ _H.

例えば、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの上流側に位置するミラー２７を固定している樹脂（図示せず）が温度変化などにより膨張収縮した場合、ミラー２７の位置や角度が変化し、図６に示すように、ミラー２７で反射されたレーザ光Ｌ’の光路Ｍ’が本来のレーザ光Ｌの光路Ｍ（図５参照）に対して角度αだけずれることが考えられる。以下、ミラー２７で反射したレーザ光Ｌ’の光路Ｍ’が本来のレーザ光Ｌの光路Ｍに対してずれる角度をレーザ光Ｌ’の「変位角度」ということとする。 For example, when the resin (not shown) that fixes the mirror 27 located upstream of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C expands and contracts due to temperature changes, the position and angle of the mirror 27 change, As shown in FIG. 6, it is possible that the optical path M' of the laser beam L' reflected by the mirror 27 is shifted by an angle α with respect to the original optical path M of the laser beam L (see FIG. 5). Hereinafter, the angle at which the optical path M' of the laser beam L' reflected by the mirror 27 deviates from the original optical path M of the laser beam L will be referred to as the "displacement angle" of the laser beam L'.

このレーザ光Ｌ’の変位角度αが上述した波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲内、すなわち－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内にあれば、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成することができるため、波長安定化素子４０Ａによりレーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。しかしながら、レーザ光Ｌ’の変位角度αが波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲を超えると、図６に示すように、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成できなくなってしまう。すなわち、波長安定化素子４０Ａは、その有効角度範囲（－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲）内の変位角度αのレーザ光Ｌ’に対してはその波長を狭帯域化することができるが、－θ_Hより小さい変位角度αや＋θ_Hよりも大きい変位角度αのレーザ光Ｌ’の波長は狭帯域化することができない。 If the displacement angle α of this laser beam L' is within the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40A, that is, within the range from -θ _H to +θ _H , the reflection surface 140A of the wavelength stabilizing element 40A and the semiconductor laser Since an external resonator can be formed with the output end face 124B of the element 24, the wavelength of the laser beam L' can be narrowed by the wavelength stabilizing element 40A. However, when the displacement angle α of the laser beam L' exceeds the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40A, as shown in FIG. It becomes impossible to form an external resonator between the two. That is, the wavelength stabilizing element 40A can narrow the wavelength of the laser beam L' having a displacement angle α within its effective angle range (range from −θ _H to +θ _H ); The wavelength of the laser beam L' having a displacement angle α smaller than -θ _H or a displacement angle α larger than +θ _H cannot be narrow-banded.

一方、本実施形態では、波長安定化素子４０Ｂの反射面１４０Ｂが本来のレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄに対して角度θ₂をなすように配置されているため、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲は（θ₂－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲となる。ここで、２θ_H≧θ₂＞θ₁＝０であるため、レーザ光Ｌ’の変位角度αが、波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲よりも大きくなっても（すなわちθ_Hよりも大きくなっても）、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲内であれば（すなわち（θ₂＋θ_H）以下であれば）、図６に示すように、波長安定化素子４０Ｂの反射面１４０Ｂと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成し、レーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。 On the other hand, in this embodiment, since the reflective surface 140B of the wavelength stabilizing element 40B is arranged at an angle θ ₂ with respect to the reference direction D perpendicular to the optical axis of the original laser beam L, the wavelength stabilization The effective angle range of element 40B is from (θ ₂ −θ _H ) to (θ ₂ +θ _H ). Here, since 2θ _H ≧θ ₂ >θ ₁ =0, even if the displacement angle α of the laser beam L' becomes larger than the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40A (that is, larger than θ _H If the angle is within the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40B (that is, if it is less than or equal to (θ ₂ +θ _H )), as shown in FIG. An external resonator is formed between the element 24 and the output end face 124B, and the wavelength of the laser beam L' can be narrowed.

同様に、波長安定化素子４０Ｃの反射面１４０Ｃが本来のレーザ光Ｌの光軸に垂直な基準方向Ｄに対して角度θ₃をなすように配置されているため、波長安定化素子４０Ｃの有効角度範囲は（θ₃－θ_H）から（θ₃＋θ_H）までの範囲となる。ここで、－２θ_H≦θ₃＜θ₁＝０であるため、レーザ光Ｌ’の変位角度αが、波長安定化素子４０Ａの有効角度範囲よりも小さくなっても（すなわち－θ_Hよりも小さくなっても）、波長安定化素子４０Ｂの有効角度範囲内であれば（すなわち（θ₃－θ_H）以上であれば）、波長安定化素子４０Ｃの反射面１４０Ｃと半導体レーザ素子２４の出射端面１２４Ｂとの間で外部共振器を形成し、レーザ光Ｌ’の波長を狭帯域化することができる。 Similarly, since the reflective surface 140C of the wavelength stabilizing element 40C is arranged at an angle θ ₃ with respect to the reference direction D perpendicular to the optical axis of the original laser beam L, the wavelength stabilizing element 40C is effective. The angle range is from (θ ₃ −θ _H ) to (θ ₃ +θ _H ). Here, since -2θ _H ≦θ ₃ <θ ₁ = 0, even if the displacement angle α of the laser beam L' becomes smaller than the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40A (that is, less than -θ _H Even if it becomes smaller), as long as it is within the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40B (that is, if it is greater than or equal to (θ ₃ - θ _H )), the reflection surface 140C of the wavelength stabilizing element 40C and the emission of the semiconductor laser element 24 An external resonator is formed between the end face 124B and the wavelength of the laser beam L' can be narrowed.

図７は、このような波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの有効角度範囲の一例を示す模式図である。図７から分かるように、変位角度αが－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ａによって狭帯域化され、変位角度αが＋θ_Hから（θ₂＋θ_H）までの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ｂによって狭帯域化され、変位角度αが（θ₃－θ_H）から－θ_Hまでの範囲にあるレーザ光Ｌ’の波長は波長安定化素子４０Ｃによって狭帯域化される。 FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the effective angle range of such wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C. As can be seen from FIG. 7, the wavelength of the laser beam L' whose displacement angle α is in the range from −θ _H to +θ _H is band-narrowed by the wavelength stabilizing element 40A, and the wavelength of the laser beam L′ whose displacement angle α is in the range from −θ H to +θ _H _is The wavelength of the laser beam L' in the range up to +θ _H ) is narrowed by the wavelength stabilizing element 40B, and the wavelength of the laser beam L' in the range from (θ ₃ -θ _H ) to -θ _H is narrowed by the wavelength stabilizing element 40B. The wavelength is narrowed by the wavelength stabilizing element 40C.

このように、１つの波長安定化素子４０の有効角度範囲は－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲であるが、本実施形態では、上述したように、３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの反射面１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃをレーザ光の光軸に対して異なる角度で配置することにより、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲を（θ₃－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。したがって、本実施形態におけるレーザモジュール１０は、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。 In this way, the effective angle range of one wavelength stabilizing element 40 is from -θ _H to +θ _H , but in this embodiment, as described above, three wavelength stabilizing elements 40A, 40B, 40C are used. By arranging the reflecting surfaces 140A, 140B, and 140C at different angles with respect to the optical axis of the laser beam, the effective angle range of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C as a whole can be changed from (θ ₃ −θ _H ) to ( The range can be extended to θ ₂ +θ _H ). Therefore, the laser module 10 in this embodiment can stably output laser light whose wavelength is narrowed.

また、図１に示すファイバレーザ装置１は、このようなレーザモジュール１０から出力されるレーザ光を励起光として用いるため、安定した波長の励起光が増幅用光ファイバ２に供給されるので、安定してレーザ光を増幅することができる。 In addition, since the fiber laser device 1 shown in FIG. 1 uses the laser light outputted from such a laser module 10 as the pumping light, the pumping light with a stable wavelength is supplied to the amplification optical fiber 2, so that the fiber laser device 1 shown in FIG. can amplify laser light.

ここで、図８に示すように、θ₁＝０、θ₂＝２θ_H、θ₃＝－２θ_Hとすれば、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲を最大にすることができる。このときの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ全体としての有効角度範囲は－３θ_Hから＋３θ_Hまでの範囲に及ぶ。 Here, as shown in FIG. 8, if θ ₁ =0, θ ₂ =2θ _H , and θ ₃ = -2θ _H , the effective angular range of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C as a whole is maximized. be able to. At this time, the effective angle range of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C as a whole extends from -3θ _H to +3θ _H.

一般に、半導体レーザ素子２４の活性層１２４はファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも短くなっている。このため、半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光は、ファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも波長安定化素子４０の有効角度範囲から外れやすくなる。この観点から、本実施形態のように、上述した基準方向Ｄをレーザ光Ｌのファースト軸に沿った方向（Ｚ方向）とすることが、基準方向Ｄをスロー軸に沿った方向とするよりも効果的である。 Generally, the active layer 124 of the semiconductor laser device 24 is shorter in the direction along the fast axis than in the direction along the slow axis. Therefore, the laser light emitted from the semiconductor laser element 24 is more likely to deviate from the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40 in the direction along the fast axis than in the direction along the slow axis. From this point of view, it is better to set the reference direction D as a direction along the fast axis (Z direction) of the laser beam L as in the present embodiment than to set the reference direction D as a direction along the slow axis. Effective.

また、半導体レーザ素子２４から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品の影響により、その下流側にある波長安定化素子４０の有効角度範囲が狭くなることが考えられるため、このような影響を低減するために、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃのうち、反射面１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃが基準方向Ｄに対してなす角度の絶対値が最も小さい波長安定化素子（本実施形態では、波長安定化素子４０Ａ）を最も上流側に配置することが好ましい。 Furthermore, the effective angle range of the wavelength stabilizing element 40 located downstream may be narrowed due to the influence of optical components on the optical path of the laser light emitted from the semiconductor laser element 24. Among the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C, in order to reduce the It is preferable to arrange the wavelength stabilizing element 40A) at the most upstream side.

上述した実施形態においては、波長安定化素子４０Ａの反射面１４０Ａを基準方向Ｄと平行にして、反射面１４０Ａが基準方向Ｄに対してなす角度θ₁を０にしているが、角度θ₁は必ずしも０である必要はなく、θ₁を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲の任意の値とすることができる。この場合において、上述した効果を得るためには、
θ₃＜θ₁＜θ₂
θ₂－θ₁≦２θ_H
θ₁－θ₃≦２θ_H
が満たされていればよい。 In the embodiment described above, the reflective surface 140A of the wavelength stabilizing element 40A is made parallel to the reference direction D, and the angle θ ₁ that the reflective surface 140A makes with respect to the reference direction D is set to 0, but the angle θ ₁ is It does not necessarily have to be 0, and θ ₁ can be any value in the range from −θ _H to +θ _H. In this case, in order to obtain the above effects,
θ ₃ < θ ₁ < θ ₂
θ ₂ −θ ₁ ≦2θ _H
θ ₁ −θ ₃ ≦2θ _H
It is sufficient if it is satisfied.

また、上述した実施形態におけるレーザモジュール１０は、３つの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃを備えているが、これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃのうち少なくとも２つを備えていればよい。例えば、レーザモジュール１０が、波長安定化素子４０Ａと波長安定化素子４０Ｂだけを備えていてもよい。この場合においても、波長安定化素子４０Ａ及び波長安定化素子４０Ｂ全体の有効角度範囲を（θ₁－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。 Further, the laser module 10 in the embodiment described above includes three wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C, but if it includes at least two of these wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C, good. For example, the laser module 10 may include only the wavelength stabilizing element 40A and the wavelength stabilizing element 40B. Even in this case, the effective angle range of the entire wavelength stabilizing element 40A and wavelength stabilizing element 40B can be expanded to the range from (θ ₁ −θ _H ) to (θ ₂ +θ _H ).

また、レーザモジュール１０が、波長安定化素子４０Ａと波長安定化素子４０Ｂだけを備える実施形態においては、θ₂を－θ_Hから＋θ_Hの範囲の任意の値として、θ₁をθ₂－θ₁≦２θ_Hを満たす負の値とすることもできる。この場合にも、波長安定化素子４０Ａ及び波長安定化素子４０Ｂ全体の有効角度範囲を（θ₁－θ_H）から（θ₂＋θ_H）までの範囲に広げることができる。 Further, in an embodiment in which the laser module 10 includes only the wavelength stabilizing element 40A and the wavelength stabilizing element 40B, θ ₂ is set to an arbitrary value in the range of −θ _H to +θ _H , and θ ₁ is set to θ ₂ −θ. It can also be a negative value that satisfies ₁ ≦ _2θH . In this case as well, the effective angle range of the entire wavelength stabilizing element 40A and wavelength stabilizing element 40B can be expanded to the range from (θ ₁ −θ _H ) to (θ ₂ +θ _H ).

さらに、波長安定化素子４０の個数を４つ以上にすることも可能である。それぞれの波長安定化素子４０の反射面１４０を波長安定化素子４０全体の有効角度範囲を拡大するように基準方向Ｄに対してずらして配置することにより、波長安定化素子４０の個数を増やすことにより波長安定化素子４０全体の有効角度範囲をさらに拡大することが可能である。 Furthermore, it is also possible to increase the number of wavelength stabilizing elements 40 to four or more. The number of wavelength stabilizing elements 40 can be increased by arranging the reflecting surface 140 of each wavelength stabilizing element 40 so as to be shifted from the reference direction D so as to expand the effective angular range of the entire wavelength stabilizing element 40. This makes it possible to further expand the effective angular range of the entire wavelength stabilizing element 40.

上述した実施形態においては、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃがレーザ生成部２０とファースト軸集光レンズ５１との間に配置されているが、波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃの位置はこれに限られるものではない。例えば、図９に示すレーザモジュール２１０においては、それぞれの半導体レーザ素子２４に対応するファースト軸コリメートレンズ２５とスロー軸コリメートレンズ２６との間に波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃが配置されている。この場合には、ファースト軸コリメートレンズ２５を固定している樹脂の膨張収縮によってレーザ光Ｌの光路がずれたとしても、これらの波長安定化素子４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃによってレーザ光Ｌの波長を狭帯域化することが可能である。 In the embodiment described above, the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, 40C are arranged between the laser generating section 20 and the first axis condensing lens 51, but the positions of the wavelength stabilizing elements 40A, 40B, 40C are It is not limited to this. For example, in the laser module 210 shown in FIG. 9, wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C are arranged between the fast axis collimating lens 25 and the slow axis collimating lens 26 corresponding to each semiconductor laser element 24. . In this case, even if the optical path of the laser beam L is shifted due to expansion and contraction of the resin fixing the first axis collimating lens 25, the wavelength of the laser beam L can be narrowed by these wavelength stabilizing elements 40A, 40B, and 40C. It is possible to create a band.

上述の実施形態では、レーザ生成部２０に複数の半導体レーザ素子が実装されているが、レーザ生成部２０には少なくとも１つの半導体レーザ素子２４が実装されていればよい。 In the embodiment described above, a plurality of semiconductor laser elements are mounted in the laser generation section 20, but it is sufficient that at least one semiconductor laser element 24 is mounted in the laser generation section 20.

また、図１に示すファイバレーザ装置１は、光共振器３の高反射部９Ａ側と低反射部９Ｂ側の双方に励起光源４Ａ，４Ｂと光コンバイナ５Ａ，５Ｂが設けられており、双方向励起型のファイバレーザ装置となっているが、高反射部９Ａ側と低反射部９Ｂ側のいずれか一方にのみ励起光源と光コンバイナを設置することとしてもよい。 In addition, the fiber laser device 1 shown in FIG. 1 is provided with excitation light sources 4A, 4B and optical combiners 5A, 5B on both the high reflection part 9A side and the low reflection part 9B side of the optical resonator 3, and is bidirectional. Although this is a pump type fiber laser device, the pump light source and the optical combiner may be installed only on either the high reflection section 9A side or the low reflection section 9B side.

また、ファイバレーザ装置としては、図１に示すような構成以外にも、シード光源からのシード光を励起光源からの励起光を用いて増幅するＭＯＰＡファイバレーザ装置が知られているが、上述したレーザモジュールはこのようなＭＯＰＡファイバレーザ装置の励起光源としても用いることも可能である。 Furthermore, as a fiber laser device, in addition to the configuration shown in FIG. 1, there is also a known MOPA fiber laser device that amplifies seed light from a seed light source using pump light from a pump light source. The laser module can also be used as a pumping light source for such a MOPA fiber laser device.

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。 Although preferred embodiments of the present invention have been described so far, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments and may be implemented in various different forms within the scope of its technical idea.

以上述べたように、本発明の第１の態様によれば、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができるレーザモジュールが提供される。このレーザモジュールは、光ファイバと、出射端面からレーザ光を出射する少なくとも１つの半導体レーザ素子と、上記レーザ光を集光して上記光ファイバに結合させる少なくとも１つの集光レンズと、上記レーザ光の光路上に位置する反射面を有する少なくとも２つの波長安定化素子とを備える。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記レーザ光の光軸に垂直な基準方向に対して－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲内の角度で配置されたときに上記反射面と上記少なくとも１つの半導体レーザ素子の上記出射端面との間で外部共振器を形成して上記レーザ光の波長を特定の波長に狭帯域化できるように構成される。上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して角度θ₁で配置される第１の波長安定化素子と、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも大きな角度θ₂で配置される第２の波長安定化素子とを含んでいる。θ₁及びθ₂の少なくとも一方が－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲にあり、θ₂－θ₁≦２θ_Hである。 As described above, according to the first aspect of the present invention, a laser module is provided that can stably output laser light whose wavelength is narrowed. This laser module includes an optical fiber, at least one semiconductor laser element that emits a laser beam from an output end face, at least one condensing lens that condenses the laser beam and couples it to the optical fiber, and the laser beam. at least two wavelength stabilizing elements each having a reflective surface located on the optical path of the wavelength stabilizing element. The at least two wavelength stabilizing elements are arranged such that when the reflecting surface is arranged at an angle within a range of -θ _H to +θ _H with respect to a reference direction perpendicular to the optical axis of the laser beam, the reflecting surface An external resonator is formed between the laser beam and the emission end face of the at least one semiconductor laser element, so that the wavelength of the laser beam can be narrowed to a specific wavelength. The at least two wavelength stabilizing elements include a first wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₁ with respect to the reference direction, and a first wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₁ with respect to the reference direction. a second wavelength stabilizing element disposed at an angle θ ₂ greater than the second wavelength stabilizing element. At least one of θ ₁ and θ ₂ is in the range from −θ _H to +θ _H , and θ ₂ −θ ₁ ≦2θ _H.

１つの波長安定化素子の有効角度範囲は－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲であるが、第１の波長安定化素子と第２の波長安定化素子の反射面を基準方向に対して異なる角度で配置することにより、波長安定化素子全体としての有効角度範囲を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲から広げることができる。したがって、波長が狭帯域化されたレーザ光を安定的に出力することができる。 The effective angle range of one wavelength stabilizing element is from -θ _H to +θ _H , but the reflecting surfaces of the first wavelength stabilizing element and the second wavelength stabilizing element are set at different angles with respect to the reference direction. By arranging the wavelength stabilizing element as a whole, the effective angular range of the wavelength stabilizing element as a whole can be expanded from the range from -θ _H to +θ _H. Therefore, it is possible to stably output laser light whose wavelength is narrowed.

第１の波長安定化素子及び第２の波長安定化素子全体としての有効角度範囲を最大にするためには、θ₁＝０、θ₂＝２θ_Hとすることが好ましい。 In order to maximize the effective angle range of the first wavelength stabilizing element and the second wavelength stabilizing element as a whole, it is preferable to set θ ₁ =0 and θ ₂ =2θ _H.

また、θ₁の絶対値がθ₂の絶対値よりも小さい場合に、上記第１の波長安定化素子が、上記レーザ光の光路において上記第２の波長安定化素子よりも上流側に位置していることが好ましい。このような構成によれば、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品が波長安定化素子の有効角度範囲に与える影響を低減することができる。 Further, when the absolute value of θ ₁ is smaller than the absolute value of θ ₂ , the first wavelength stabilizing element is located upstream of the second wavelength stabilizing element in the optical path of the laser beam. It is preferable that According to such a configuration, it is possible to reduce the influence of optical components on the optical path of the laser light emitted from the semiconductor laser element on the effective angle range of the wavelength stabilizing element.

上記少なくとも２つの波長安定化素子は、上記反射面が上記基準方向に対して上記角度θ₁よりも小さな角度θ₃で配置される第３の波長安定化素子をさらに含んでいてもよい。この場合において、θ₁－θ₃≦２θ_Hである。このように、第１の波長安定化素子、第２の波長安定化素子、及び第３の波長安定化素子の反射面を基準方向に対してそれぞれ異なる角度で配置することにより、波長安定化素子全体としての有効角度範囲を－θ_Hから＋θ_Hまでの範囲からさらに広げることができる。したがって、波長が狭帯域化されたレーザ光をより安定的に出力することができる。 The at least two wavelength stabilizing elements may further include a third wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₃ smaller than the angle θ ₁ with respect to the reference direction. In this case, θ ₁ −θ ₃ ≦2θ _H. In this way, by arranging the reflective surfaces of the first wavelength stabilizing element, the second wavelength stabilizing element, and the third wavelength stabilizing element at different angles with respect to the reference direction, the wavelength stabilizing element The overall effective angle range can be further expanded from the range from -θ _H to +θ _H. Therefore, it is possible to more stably output laser light whose wavelength is narrowed.

第１の波長安定化素子及び第３の波長安定化素子全体としての有効角度範囲を最大にするためには、θ₁＝０、θ₃＝－２θ_Hとすることが好ましい。 In order to maximize the effective angle range of the first wavelength stabilizing element and the third wavelength stabilizing element as a whole, it is preferable to set θ ₁ =0 and θ ₃ =−2θ _H.

また、θ₁の絶対値は、θ₂の絶対値及びθ₃の絶対値よりも小さい場合に、上記第１の波長安定化素子が、上記レーザ光の光路において上記第２の波長安定化素子及び上記第３の波長安定化素子よりも上流側に位置していることが好ましい。このような構成によれば、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の光路上にある光学部品が波長安定化素子の有効角度範囲に与える影響を低減することができる。 Further, when the absolute value of θ ₁ is smaller than the absolute value of θ ₂ and the absolute value of θ ₃ , the first wavelength stabilizing element is connected to the second wavelength stabilizing element in the optical path of the laser beam. It is also preferable that the wavelength stabilizing element is located upstream of the third wavelength stabilizing element. According to such a configuration, it is possible to reduce the influence of optical components on the optical path of the laser light emitted from the semiconductor laser element on the effective angle range of the wavelength stabilizing element.

一般に、半導体レーザ素子の活性層はファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも短くなっている。このため、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光は、ファースト軸に沿った方向の方がスロー軸に沿った方向よりも波長安定化素子の有効角度範囲から外れやすくなる。この観点から、上記基準方向は、上記レーザ光のファースト軸に沿った方向であることが好ましい。 Generally, the active layer of a semiconductor laser device is shorter along the fast axis than along the slow axis. Therefore, the laser light emitted from the semiconductor laser element is more likely to deviate from the effective angle range of the wavelength stabilizing element in the direction along the fast axis than in the direction along the slow axis. From this point of view, it is preferable that the reference direction is a direction along the fast axis of the laser beam.

このような構成によれば、励起光源として用いるレーザモジュールから出力されるレーザ光の波長が安定しているため、安定してレーザ光を増幅することができる。 According to such a configuration, since the wavelength of the laser light output from the laser module used as the excitation light source is stable, the laser light can be stably amplified.

１ファイバレーザ装置
２増幅用光ファイバ
３光共振器
４Ａ，４Ｂ励起光源
５Ａ，５Ｂ光コンバイナ
６デリバリファイバ
７レーザ出力部
８Ａ，８Ｂ光ファイバ
９Ａ高反射部
９Ｂ低反射部
１０，２１０レーザモジュール
１２筐体
１４光ファイバ
１６ファイバ保持部
２０レーザ生成部
２１台座
２２Ａ～２２Ｆ段部
２３サブマウント
２４半導体レーザ素子
２５ファースト軸コリメートレンズ
２６スロー軸コリメートレンズ
２７ミラー
４０Ａ（第１の）波長安定化素子
４０Ｂ（第２の）波長安定化素子
４０Ｃ（第３の）波長安定化素子
５１ファースト軸集光レンズ
５２スロー軸集光レンズ
１２４活性層
１２４Ａ高反射端面
１２４Ｂ出射端面
１４０Ａ，１４０Ｂ，１４０Ｃ反射面
Ｄ基準方向
Ｌレーザ光 1 Fiber laser device 2 Optical fiber for amplification 3 Optical resonator 4A, 4B Pumping light source 5A, 5B Optical combiner 6 Delivery fiber 7 Laser output section 8A, 8B Optical fiber 9A High reflection section 9B Low reflection section 10, 210 Laser module 12 Housing Body 14 Optical fiber 16 Fiber holding part 20 Laser generation part 21 Pedestal 22A to 22F Step part 23 Submount 24 Semiconductor laser element 25 Fast axis collimating lens 26 Slow axis collimating lens 27 Mirror 40A (first) wavelength stabilizing element 40B ( Second) wavelength stabilizing element 40C (third) wavelength stabilizing element 51 Fast axis condensing lens 52 Slow axis condensing lens 124 Active layer 124A High reflective end face 124B Output end face 140A, 140B, 140C Reflective surface D Reference direction L Laser light

Claims

optical fiber and
at least one semiconductor laser element that emits laser light from an emission end face;
at least one condensing lens that condenses the laser beam and couples it to the optical fiber;
at least two wavelength stabilizing elements each having a reflecting surface located on the optical path of the laser beam, the reflecting surface having a wavelength from −θ _H to +θ _H with respect to a reference direction perpendicular to the optical axis of the laser beam; When arranged at an angle within a range, an external resonator can be formed between the reflective surface and the emission end face of the at least one semiconductor laser element, so that the wavelength of the laser light can be narrowed to a specific wavelength. at least two wavelength stabilizing elements configured as follows,
The at least two wavelength stabilizing elements are
a first wavelength stabilizing element in which the reflective surface is arranged at an angle θ ₁ with respect to the reference direction;
a second wavelength stabilizing element in which the reflective surface is arranged at an angle θ ₂ larger than the angle θ ₁ with respect to the reference direction;
At least one of θ ₁ and θ ₂ is in the range from -θ _H to +θ _H ,
θ ₂ −θ ₁ ≦2θ _H
is,
laser module.

The laser module according to claim 1, wherein θ ₁ =0 and θ ₂ =2θ _H.

The absolute value of θ ₁ is smaller than the absolute value of θ ₂ ,
The first wavelength stabilizing element is located upstream of the second wavelength stabilizing element in the optical path of the laser beam.
The laser module according to claim 1 or 2.

The at least two wavelength stabilizing elements further include a third wavelength stabilizing element in which the reflecting surface is arranged at an angle θ ₃ smaller than the angle θ ₁ with respect to the reference direction,
θ ₁ −θ ₃ ≦2θ _H
is,
A laser module according to any one of claims 1 to 3.

The laser module according to claim 4, wherein θ ₁ =0 and θ ₃ =−2θ _H.

The absolute value of θ ₁ is smaller than the absolute value of θ ₂ and the absolute value of θ ₃ ,
The first wavelength stabilizing element is located upstream of the second wavelength stabilizing element and the third wavelength stabilizing element in the optical path of the laser beam.
The laser module according to claim 4 or 5.

The laser module according to any one of claims 1 to 6, wherein the reference direction is a direction along a fast axis of the laser beam.

An excitation light source comprising the laser module according to any one of claims 1 to 7,
A fiber laser device comprising: an amplification optical fiber optically connected to the optical fiber of the laser module and having a core doped with rare earth element ions.