JP7390600B2 - 光共振器およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本開示は、光共振器、特に波長合成型の光共振器に関する。また本開示は、こうした光共振器を用いたレーザ加工装置に関する。

特許文献１は、発振波長が同調可能なエキシマレーザ装置を開示する。ビーム拡大器の入射瞳面を中心にビーム拡大器と回折格子の双方を載置した回転ステージを回転させることによって、発振波長の同調が行われる。

特開平５－２３５４５３号公報

本開示は、粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図られる光共振器を提供する。また本開示は、こうした光共振器を用いたレーザ加工装置を提供する。

本開示は、波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器に関する。前記光共振器は、予め定めた方向に沿って配列され、互いに異なる波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子を有するレーザダイオードアレイを備える。前記光共振器はさらに、各レーザ素子から放出される光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる回折格子を備える。回折格子は、４０００本／ｍｍ未満の格子本数を有する。前記光共振器はさらに、前記回折格子によって回折した光ビームの一部を反射して、各レーザ素子に戻す出力カプラを備える。前記光共振器はさらに、前記レーザダイオードアレイと前記回折格子との間に設けられ、各レーザ素子から放出される各光ビームを互いに整列させる光学系を備える。前記光学系は、前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向けて順に、前記予め定めた方向にのみ負のパワーを有する第１レンズ素子と、前記予め定めた方向にのみ正のパワーを有する第２レンズ素子とを含む。前記第２レンズ素子の像側主平面から光学系物体側焦点面までの距離が１５００ｍｍ未満である。前記光学系は、前記レーザダイオードアレイと前記第２レンズ素子との間の距離よりも長い焦点距離を有する。

また本開示に係るレーザ加工装置は、上記光共振器と、前記光共振器から出力された光ビームを被加工物に向けて照射する加工ヘッドとを備える。

本開示に係る光共振器によると、粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図られる。

（Ａ）実施形態１に係る光共振器の概略構成を示す構成図、および（Ｂ）回折格子の断面図 実施形態１に係る光共振器の具体的構成の一例を示す構成図 光源ユニットの一例を示す斜視図 光源ユニットの一例を示す部分側面図 ファースト軸コリメータの一例を示す斜視図 ファースト軸コリメータの一例を示す断面図 ビームツイスタの一例を示す斜視図 ビームツイスタの入射面 ビームツイスタの出射面 ビームツイスタの機能を示す斜視図 （Ａ）波長９００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図、（Ｂ）波長４００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝２２２０本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図、および（Ｃ）波長４００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図 回折格子のα＝－βの場合におけるΔλ／Δαの格子本数特性を示すグラフ 本開示に係るレーザ加工装置の一例を示すブロック図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、あるいは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものでない。

（実施形態１）
以下、図１～図１２を用いて本開示の実施形態１を説明する。

［１－１．構成］
図１（Ａ）は、実施形態１に係る光共振器１の概略構成を示す構成図である。図１（Ｂ）は、回折格子の断面図である。

光共振器１は、光軸方向に沿って、レーザダイオードアレイ１１と、光学系３０と、回折格子４０と、出力カプラ６０などを備える。ここでは理解を容易にするため、レーザダイオードアレイ１１からの光ビームの進行方向をＺ方向、Ｚ方向に垂直かつ紙面と平行な方向をＸ方向、Ｚ方向に垂直かつ紙面と垂直な方向をＹ方向に設定している。

レーザダイオードアレイ１１は、例えば、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）で構成でき、予め定めた方向、例えば、図１（Ａ）のＸ方向に沿って配列された複数のレーザ素子１１ａを有する。レーザダイオードアレイ１１の後側端面には、例えば、反射率９９．９％以上の高反射率コーティングが施される。レーザダイオードアレイ１１の前側端面には、例えば、透過率９９．９％以上の反射防止コーティングが施される。なお図１（Ａ）では、３つのレーザ素子１１ａを例示するが、２つまたは４つ以上のレーザ素子１１ａでも構わない。各レーザ素子１１ａは、光共振によって互いに異なる波長の光ビームを放出する。

光学系３０は、レーザダイオードアレイ１１と回折格子４０との間に設けられ、レーザダイオードアレイ１１から回折格子４０に向けて順に、Ｘ方向にのみ負のパワーを有する第１シリンドリカルレンズ素子３１と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する第２シリンドリカルレンズ素子３２とを含む。光学系３０は、各レーザ素子１１ａから放出される各光ビームをＸ方向に互いに整列させてコリメートする機能を有する。光学系３０の焦点位置は、レーザ素子１１ａの光出射面近傍に設定してもよい。なお、「コリメート」とは、単一の光ビームを平行または実質的に平行なビームに変換すること、複数の光ビームの各主光線を互いに平行または実質的に平行に変換すること等を意味する用語である。

回折格子４０は、各レーザ素子１１ａから放出される光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる。ここでは、回折格子４０として、光ビームを入射側に反射する反射型の回折格子を例示しているが、光ビームを通過して入射側とは反対側に出射する透過型の回折格子も同様に使用できる。

回折格子４０は、図１（Ｂ）に示すように、ピッチＰを有する周期構造を有し、その断面は矩形波形状でもよく、その他に三角波形状、鋸歯形状などでもよい。一般に、回折格子の法線に対する入射角αおよび回折角β、回折次数ｍ、格子本数Ｎ（＝１／ピッチＰ）、光の波長λを用いて、回折条件ｓｉｎα－ｓｉｎβ＝Ｎｍλが成立する方向に回折光が出射される。ここで、入射角α及び回折角βの符号は、光線から回折格子の法線に向かって時計回りを正とする。ただし、反射型回折格子の回折角βは、光線から回折格子の法線に向かって反時計回りを正とする。

出力カプラ６０は、例えば、反射率２％の部分反射ミラーで構成でき、回折格子４０によって回折した光ビームの一部を反射して、各レーザ素子１１ａに戻す。これによりレーザ発振用のフィードバック光が供給され、レーザダイオードアレイ１１の後側端面と出力カプラ６０との間で光共振を生じさせることが可能になる。出力カプラ６０を通過した光ビームは、後段のプロセス、例えば、レーザ加工などに利用される。

本開示に係る波長合成型の光共振器では、回折格子４０への入射角αは各光ビームの波長に応じて相違するが、回折格子４０での回折角βは各光ビームで一致するように回折条件が設定される。これにより波長が異なる複数の光ビームを同じ方向に合成することが可能になる。そのためレーザダイオードアレイ１１の各レーザ素子１１ａでの最大光出力を加算できるため、高い出力の光ビームを実現できる。

図２は、実施形態１に係る光共振器１の具体的構成の一例を示す構成図である。光共振器１は、光軸方向に沿って、図１のレーザダイオードアレイ１１を含む光源ユニット１０と、スロー軸コリメータ（ＳＡＣ: slow axis collimator)２１と、１／２波長板７０と、図１の光学系３０と、図１の回折格子４０と、テレスコープ光学系５０と、図１の出力カプラ６０などを備える。ここでは理解を容易にするため、回折格子４０が透過型である場合を例示するが、反射型の回折格子でも構わない。

図３は、光源ユニット１０の一例を示す斜視図である。図４は、光源ユニット１０の一例を示す部分側面図である。光源ユニット１０は、前述したレーザダイオードアレイ１１と、ファースト軸コリメータ（ＦＡＣ: fast axis collimator)１２と、ビームツイスタ（ＢＴ: beam twister)１３などを備える。

レーザダイオードアレイ１１は、下部ブロック９１の上にサブマウント９２を介して搭載される。レーザダイオードアレイ１１の上方には、上部ブロック９３が戴置される。下部ブロック９１および上部ブロック９３は、レーザダイオードアレイ１１に電流を供給するための電極として、またレーザダイオードアレイ１１から発生する熱を散逸させるヒートシンクとしても機能する。上部ブロック９３には、ファースト軸コリメータ１２およびビームツイスタ１３を保持するホルダ９４が固定される。

図５は、ファースト軸コリメータ１２の一例を示す斜視図である。図６は、ファースト軸コリメータ１２の一例を示す断面図である。ファースト軸コリメータ１２は、例えば、断面形状が平凸であり、Ｘ方向に母線を有するシリンドリカルレンズで構成される。

レーザダイオードアレイ１１内の各レーザ素子１１ａから出射される光ビームは、一般に、Ｘ方向の発散角Θｘは比較的小さく、Ｙ方向の発散角Θｙは比較的大きい（Θｘ＜＜Θｙ）。このことから光ビームの主光線を中心として発散角が小さい方向をスロー方向と称され、発散角が大きい方向をファースト方向と称される。ファースト軸コリメータ１２は、Ｙ方向にのみ光学パワーを有し、光ビームをファースト方向についてコリメートする機能を有する。

図７は、ビームツイスタ１３の一例を示す斜視図である。図８は、ビームツイスタ１３の入射面を示す。図９は、ビームツイスタ１３の出射面を示す。図１０は、ビームツイスタ１３の機能を示す斜視図である。

ビームツイスタ１３は、両面が凸形状である複数のシリンドリカルレンズ１３ａを予め定めた角度、例えば、４５度だけ傾けて重ねて、ＸＺ面に対して平行に切断したロッド状の光学素子である。シリンドリカルレンズ１３ａのＸ方向ピッチは、レーザダイオードアレイ１１内の各レーザ素子１１ａの配列ピッチと一致する。

図８に示すように、各レーザ素子１１ａから出射される光ビームは、ファースト軸コリメータ１２によってファースト方向のみコリメートされるため、ビームツイスタ１３の入射面では横長ビーム形状になる。

各シリンドリカルレンズ１３ａは、入射面に入射した光ビームを主光線周りに９０度回転させ、出射面から出射させる。光ビームの形状は、図９に示すように、ビームツイスタ１３の出射面では縦長ビーム形状になる。

こうして各シリンドリカルレンズ１３ａは、光ビームのファースト方向とスロー方向を入れ替える機能を有する。従って、ビームツイスタ１３から光源側では、光ビームのファースト方向はＹ方向になり、スロー方向はＸ方向になる。一方、ビームツイスタ１３から回折格子側では、光ビームのファースト方向はＸ方向になり、スロー方向はＹ方向になる。なお、光ビームのファースト方向はファースト軸コリメータ１２によって既にコリメートされているが、スロー方向は拡がっている。なお、本具体構成のようにファースト軸コリメータ１２及びビームツイスタ１３を配置する場合は、光学系３０の焦点位置はビームツイスタ１３の出射面近傍に設定される。

図２に戻って、スロー軸コリメータ２１は、光源ユニット１０内のビームツイスタ１３から出射した各光ビームをスロー方向にコリメートする。スロー軸コリメータ２１は、例えば、図５と同様な形状を有してもよく、断面形状が平凸であり、Ｘ方向に母線を有するシリンドリカルレンズで構成される。

１／２波長板７０は、光ビームの偏光を９０度回転させる機能を有し、例えば、光ビームがＸ方向に平行な直線偏光である場合は、Ｙ方向に平行な直線偏光に変換する。

図１に示したように、光学系３０は、負パワーの第１シリンドリカルレンズ素子３１と、正パワーの第２シリンドリカルレンズ素子３２とを含む。

回折格子４０は、各光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる。

テレスコープ光学系５０は、紙面平行方向に正パワーを有するシリンドリカルレンズ素子５１，５２と、紙面平行方向に負パワーを有するシリンドリカルレンズ素子５３とを含む。テレスコープ光学系５０は、出力カプラ６０から反射した光ビームを拡大し、光軸に対する光ビームの主光線の角度を減少させることによって、出力カプラ６０のファースト方向に沿った角度誤差感度を低減する機能を有する。

出力カプラ６０は、図１に示したように、光ビームの一部を反射して、レーザ発振用のフィードバック光を供給する。

［１－２．動作］
次に本実施形態に係る光共振器１の動作について説明する。以下では一例として、レーザダイオードアレイ１１に３つのレーザ素子１１ａが形成される場合を説明する。

図１（Ａ）に示すように、各レーザ素子１１ａは、Ｘ方向に予め定めたピッチで配列される。中央に位置するレーザ素子１１ａから放出される光ビームは、回折格子４０の法線に対して入射角α２で入射する場合に、レーザダイオードアレイ１１の後側端面と出力カプラ６０との間で光共振が生じる。このとき回折条件を満たす共振波長はλ２となる。

＋Ｘ側に位置するレーザ素子１１ａから放出される光ビームは、回折格子４０の法線に対して入射角α１（＜α２）で入射する場合に、レーザダイオードアレイ１１の後側端面と出力カプラ６０との間で光共振が生じる。このとき回折条件を満たす共振波長はλ１（＜λ２）となる。

－Ｘ側に位置するレーザ素子１１ａから放出される光ビームは、回折格子４０の法線に対して入射角α３（＞α２）で入射する場合に、レーザダイオードアレイ１１の後側端面と出力カプラ６０との間で光共振が生じる。このとき回折条件を満たす共振波長はλ３（＞λ２）となる。

従って、複数の波長λ１，λ２，λ３を有する各光ビームは、別個の回折条件を満たすことによって、同じ方向に合成することが可能になり、高い出力の光ビームを実現できる。４つ以上の光ビームについても同様に、別個の回折条件を満たすことによって、同じ方向に合成することが可能になる。

次に、共振波長を変更した場合、光共振器の設計はどのように変更されるかについて説明する。光共振器の仕様として、レーザ素子１１ａのピッチ（Δｘ）とそれに対応する波長変化（Δλ）の割合Δλ／Δｘを一定とした場合の３つの設計例を示す。図１１（Ａ）は、波長９００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図である。図１１（Ｂ）は、波長４００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝２２２０本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図である。図１１（Ｃ）は、波長４００ｎｍ帯で格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図である。なお、「波長４００ｎｍ帯」は、４００ｎｍ～４９９ｎｍの波長を意味する。「波長９００ｎｍ帯」は、９００ｎｍ～９９９ｎｍの波長を意味する。

図１１（Ａ）に示す光共振器は、波長９００ｎｍ帯の光ビームを発生する光源ユニット１１０と、スロー軸コリメータ１２１と、１／２波長板１７０と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する単一のシリンドリカルレンズ１３０と、格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子１４０と、シリンドリカルレンズ素子１５１，１５２，１５３を含むテレスコープ光学系１５０と、出力カプラ１６０などを備える。光源ユニット１１０は、前述したように、レーザダイオードアレイ、ファースト軸コリメータ、ビームツイスタなどを備える。Δλ／Δｘは、４×１０^－７に設定されている。この場合、光源ユニット１１０から回折格子１４０までの寸法は約１ｍになる。

図１１（Ｂ）に示す光共振器は、図１１（Ａ）の例よりも短い波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生する光源ユニット２１０と、スロー軸コリメータ２２１と、１／２波長板２７０と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する単一のシリンドリカルレンズ２３０と、格子本数Ｎ＝２２２０本の回折格子２４０と、シリンドリカルレンズ素子２５１，２５２，２５３を含むテレスコープ光学系２５０と、出力カプラ２６０などを備える。光源ユニット２１０は、前述したように、レーザダイオードアレイ、ファースト軸コリメータ、ビームツイスタなどを備える。この場合も、Δλ／Δｘは、４×１０^－７に設定され、光源ユニット２１０から回折格子２４０までの寸法は約１ｍになる。しかしながら、回折格子２４０の格子本数はＮ＝２２２０本となり、これは現時点の技術では製造が極めて困難であり、歩留りが極めて低くなり、コストが著しく増加してしまう。

図１１（Ｃ）に示す光共振器は、図１１（Ｂ）の例と同じ波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生する光源ユニット３１０と、スロー軸コリメータ３２１と、１／２波長板３７０と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する単一のシリンドリカルレンズ３３０と、図１１（Ａ）の例と同じ格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子３４０と、シリンドリカルレンズ素子３５１，３５２，３５３を含むテレスコープ光学系３５０と、出力カプラ３６０などを備える。光源ユニット１１０は、前述したように、レーザダイオードアレイ、ファースト軸コリメータ、ビームツイスタなどを備える。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）と同様、Δλ／Δｘは、４×１０^－７に設定されている。この場合、光源ユニット３１０から回折格子３４０までの寸法は約１．５ｍになる。即ち、回折格子の格子本数Ｎを変更しないで共振波長を小さくした場合、所定のΔλ／Δｘを満たすには、光源ユニット３１０から回折格子３４０までの距離を大きくする必要がある。そのため光共振器の大型化が避けられない。

次に、回折格子のピッチと装置サイズの関係について説明する。レーザ素子１１ａのピッチΔｘ、シリンドリカルレンズ２３０の焦点距離ｆ、レーザ素子１１ａの位置に対応した回折格子１４０への入射角αの変化Δαについて、下記の式（Ａ１）が成立する。
Δｘ＝ｆ・ｔａｎ（Δα）≒ｆΔα …（Ａ１）

回折角βが一定である場合の角分散の逆数、即ち、入射角αに対する波長λの変化については、回折次数ｍ、格子本数Ｎ（＝１／ピッチＰ）を用いて、下記の式（Ａ２）が成立する。
Δλ／Δα＝ｃｏｓ（α）／Ｎｍ …（Ａ２）

これらの式（Ａ１）、式（Ａ２）より、下記の式（Ａ３）が成立する。
Δλ／Δα≒ｆΔλ／Δｘ
Δλ／Δｘ≒（１／ｆ）Δλ／Δα …（Ａ３）

図１２は、回折格子がα＝－βを満たす場合のΔλ／Δαの格子本数特性を示すグラフである。上記条件は一般的に回折効率の高い回折格子が実現しやすい条件として知られており、本実施の形態においてもこの条件近傍で回折格子を設計している。

このグラフより、格子本数が小さくなると、Δλ／Δαが増大する。よって、Δλ／Δｘを一定に保とうとする場合、式（Ａ３）より格子本数が小さくなるほど、焦点距離ｆは長くなる。即ち、粗いピッチの回折格子を使うと、焦点距離ｆが長くなり、共振器サイズ、例えば、レーザダイオードアレイ１１からシリンドリカルレンズ２３０までの距離は大きくなることが判る。

この解決策として、本実施形態に係る光共振器によれば、図１と図２に示すように、各光ビームをＸ方向に互いに整列させる光学系３０は、Ｘ方向にのみ負のパワーを有する第１シリンドリカルレンズ素子３１と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する第２シリンドリカルレンズ素子３２とを含む。これにより光学系３０のサイズを小さくしつつ、焦点距離を増加させることが可能になる。例えば、光学系３０の焦点距離は、光学系３０から光源ユニット１０までの実際の距離よりも大きくなるように設定可能である。そのため、図１１（Ｃ）に示す光共振器と等価な光共振器を小型サイズで実現できる。例えば、図１１（Ｃ）と同様に、波長４００ｎｍ帯の光ビームに対して格子本数Ｎ＝１６００本の回折格子１４０を使用した場合でも、光源ユニット３１０から回折格子３４０までの寸法は図１１（ａ）と同等な寸法に抑制できる。

［１－３．効果等］
本実施形態は、波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器１に関する。光共振器１は、予め定めたＸ方向に沿って配列され、互いに異なる波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子１１ａを有するレーザダイオードアレイ１１を備える。光共振器１はさらに、各レーザ素子１１ａから放出される光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる回折格子４０を備える。光共振器１はさらに、回折格子４０によって回折した光ビームの一部を反射して、各レーザ素子１１ａに戻す出力カプラ６０を備える。光共振器１はさらに、レーザダイオードアレイ１１と回折格子４０との間に設けられ、各レーザ素子１１ａから放出される各光ビームを互いに整列させる光学系３０を備える。光学系３０は、レーザダイオードアレイ１１から回折格子４０に向けて順に、予め定めたＸ方向にのみ負のパワーを有する第１レンズ素子３１と、予め定めたＸ方向にのみ正のパワーを有する第２レンズ素子３２とを含む。

以上の構成によると、光学系３０の焦点距離を増加させることが可能になり、粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図られる。また、装置を大型化せずに、回折格子のピッチを粗くすることも可能になり、光共振器１の設計自由度を増加できる。

本実施形態に係る光共振器１において、光学系３０は、レーザダイオードアレイ１１と第２シリンドリカルレンズ素子３２との間の距離よりも長い焦点距離ｆを有してもよい。

これにより、光共振器１の小型化が図られる。

本実施形態に係る光共振器１において、レーザダイオードアレイ１１から回折格子４０に向けて順に、各レーザ素子１１ａから放出された各光ビームをファースト方向にコリメートするファースト軸コリメータ１２と、ファースト軸コリメータ１２から出射した各光ビームを主光線周りに９０度回転させるビームツイスタ１３と、ビームツイスタ１３から出射した各光ビームをスロー方向にコリメートするスロー軸コリメータ２１とが設けられ、前記光学系の焦点位置を前記ビームツイスタ出射面近傍としてもよい。

これにより、高い品質を有する光ビームアレイを実現できる。

（実施形態２）
以下、図１を用いて本開示の実施形態２を説明する。

本実施形態に係る光共振器は、図１に示した光共振器１と同様な構成を有する。ここでは、光学系３０の最適化について説明する。

最初に、入射角αの変化に対する共振波長λの変化ｄλ／ｄαは、下記の式（１）で表される。ここで、Ｎは回折格子の格子本数（ピッチＰの逆数）、ｍは回折次数である。

次に、レーザ素子１１ａのピッチｄｘに対する共振波長λの変化ｄλ／ｄｘは、下記の式（２）で表される。ここで、ｆは光学系３０の合成焦点距離である。

光学系３０の望遠比ｔは、下記の式（３）で表される。ここで、Ｄは正パワーの第２シリンドリカルレンズ素子３２の像側主平面から光学系物体側焦点面（レーザ素子１１ａの光出射面に対応）までの距離、ｓは負パワーの第１シリンドリカルレンズ素子３１の物体側主平面から正パワーの第２シリンドリカルレンズ素子３２の像側主平面までの距離、ｆ１は第２シリンドリカルレンズ素子３２の焦点距離である。なお、図１と図２の光学系３０では、像側は＋Ｚ側であり、物体側は－Ｚ側である。

光学系３０の合成焦点距離ｆは、下記の式（４）で表される。ｆ２は、第１シリンドリカルレンズ素子３１の焦点距離である。

式（２），式（３）を用いて式（４）を変形すると、下記の式（５）が得られる。

一例として、λ＝９７０ｎｍ、ｆ＝１１２８ｍｍ、Ｎ＝１６００本、ｄｘ＝０．２２５ｍｍを採用する。回折格子の格子本数Ｎは、現時点の技術に起因した製造限界の観点から、Ｎ＜４０００本とする。距離Ｄは、理想的なサイズ感の観点から、Ｄ＜１５００ｍｍとする。ピッチｄｘに対する共振波長λの変化ｄλ／ｄｘは、現時点の製造技術の観点から、ｄλ／ｄｘ＜５×１０^－７とする。

これらの数値を式（５）に代入することにより、下記の式（６）が得られる。

本実施形態に係る光共振器は、式（６）を満たすことにより、光学系３０の最適化が図られる。その結果、粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図られる。

次に、光共振器の具体的な設計例について説明する。
（比較例１）
図１１（Ａ）に示す光共振器を参照する。
光源ユニット１１０：波長９００ｎｍ帯の光ビームを発生。レーザ素子のピッチは４ｍｍ。Δλ／Δｘ＝４×１０^－７となるよう設計。
スロー軸コリメータ１２１：入射面は平面。出射面はＹ軸方向にのみパワーを有する曲率半径２５．４ｍｍの凸面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ１３０：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径５０８．１５ｍｍの凸面。厚さは３ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子１５１：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径２０７．５ｍｍの凸面。出射面は平面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子１５２：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径１２８．３１の凸面。出射面は平面。厚さは４ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子１５３：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径５．７５ｍｍの凹面。厚さは４ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
回折格子１４０：ピッチＰ＝１／１６００本／ｍｍ。中央のレーザ素子からの主光線の入射角＝４９．８１８°。上側４ｍｍのレーザ素子からの主光線の入射角＝５０．０４７°。下側４ｍｍのレーザ素子からの主光線の入射角＝４９．５８９°。主光線の回折角＝４９．８１８°（レーザ素子の位置によらず）。
共振波長：中央のレーザ素子は９５５ｎｍ。上側４ｍｍのレーザ素子は９５３．４ｎｍ。下側４ｍｍのレーザ素子は９５６．６ｎｍ。
出力カプラ１６０：ミラー材質はＮＢＫ７。入射面は、部分反射コート（例えば、反射率２％、透過率９８％）。出射面はＡＲコート（例えば、１００％透過）。

［距離］
光源ユニット１１０のビームツイスタ出射面～スロー軸コリメータ１２１入射面＝４６．５７ｍｍ。
スロー軸コリメータ１２１出射面～シリンドリカルレンズ１３０入射面＝９４８．０２７２ｍｍ。
シリンドリカルレンズ１３０出射面～回折格子１４０＝３０ｍｍ。
回折格子１４０～シリンドリカルレンズ素子１５１入射面＝２８．２５ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子１５１出射面～シリンドリカルレンズ素子１５２入射面＝０．１ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子１５２出射面～シリンドリカルレンズ素子１５３入射面＝１２８．３１ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子１５３出射面～出力カプラ１６０入射面＝２３５．９１ｍｍ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、ファースト軸コリメータおよびビームツイスタを光軸周りに０．００８９２度回転。
この設計によれば、光源ユニット１１０から回折格子１４０までの寸法は約１ｍになる。

（実施例１）
図２に示す光共振器を参照する。
光源ユニット１０：波長９００ｎｍ帯の光ビームを発生。レーザ素子のピッチは４ｍｍ。Δλ／Δｘ＝４×１０^－７となるよう設計。
スロー軸コリメータ２１、回折格子４０、シリンドリカルレンズ素子５１～５３、出力カプラ６０、レーザ素子の共振波長は、比較例１と同じ。
第１シリンドリカルレンズ素子３１：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径５９．９７１ｍｍの凹面。出射面は平面。厚さは４ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
第２シリンドリカルレンズ素子３２：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径２０５．３３１９の凸面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。

［距離］
スロー軸コリメータ２１出射面～第１シリンドリカルレンズ素子３１入射面＝１２３．２３８４ｍｍ。
第１シリンドリカルレンズ素子３１出射面～第２シリンドリカルレンズ素子３２入射面＝３２９．２３ｍｍ。
その他の距離は、比較例１と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、ファースト軸コリメータおよびビームツイスタを光軸周りに０．０３５度回転。
この設計によれば、光源ユニット１０から回折格子４０までの寸法は約０．５ｍになる。なお、ｆ＝＋９７０．８６ｍｍ，ｆ１＝４０４．１０ｍｍ，ｆ２＝－１１８．０２ｍｍ，Ｄ＝５１３．０４ｍｍである。

（比較例２）
図１１（Ｃ）に示す光共振器を参照する。
光源ユニット２１０：波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生。レーザ素子のピッチは４ｍｍ。Δλ／Δｘ＝４×１０^－７となるよう設計。
スロー軸コリメータ２２１：入射面は平面。出射面はＹ軸方向にのみパワーを有する曲率半径２６．５ｍｍの凸面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ２３０：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径７８５．０ｍｍの凸面。厚さは３ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子２５１：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径２０７．５ｍｍの凸面。出射面は平面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子２５２：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径１１４．７ｍｍの凸面。出射面は平面。厚さは４ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
シリンドリカルレンズ素子２５３：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径５．７５ｍｍの凹面。厚さは４ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
回折格子１４０：ピッチＰ＝１／１６００本／ｍｍ。中央のレーザ素子からの主光線の入射角＝１８．９０５°。上側４ｍｍのレーザ素子からの主光線の入射角＝１８．９０５°。下側４ｍｍのレーザ素子からの主光線の入射角＝１９．０６０°。主光線の回折角＝１８．７５０°（レーザ素子の位置によらず）。
共振波長：中央のレーザ素子は４０５ｎｍ。上側４ｍｍのレーザ素子は４０４．４ｎｍ。下側４ｍｍのレーザ素子は４０６．６ｎｍ。
出力カプラ２６０：ミラー材質はＮＢＫ７。入射面は、部分反射コート（例えば、反射率２％、透過率９８％）。出射面はＡＲコート（例えば、１００％透過）。

［距離］
光源ユニット２１０のビームツイスタ出射面～スロー軸コリメータ２２１入射面＝４６．７１４ｍｍ。
スロー軸コリメータ２２１出射面～シリンドリカルレンズ２３０入射面＝１４２８．６４６６ｍｍ。
シリンドリカルレンズ２３０出射面～回折格子１４０＝３０ｍｍ。
回折格子１４０～シリンドリカルレンズ素子２５１入射面＝２８．２５ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子２５１出射面～シリンドリカルレンズ素子２５２入射面＝０．１ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子２５２出射面～シリンドリカルレンズ素子２５３入射面＝１２８．３１ｍｍ。
シリンドリカルレンズ素子２５３出射面～出力カプラ２６０入射面＝２３５．９１ｍｍ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、ファースト軸コリメータおよびビームツイスタを光軸周りに０．００６１度回転。
この設計によれば、光源ユニット１１０から回折格子１４０までの寸法は約１．５ｍになる。

（実施例２）
図２に示す光共振器を参照する。ただし、回折格子４０から出力カプラ６０は、図１１（Ｂ）または図１１（Ｃ）を参照する。
光源ユニット１０：波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生。レーザ素子のピッチは４ｍｍ。Δλ／Δｘ＝４×１０^－７となるよう設計。
スロー軸コリメータ２１、回折格子４０、シリンドリカルレンズ素子５１～５３、出力カプラ６０、レーザ素子の共振波長は、比較例２と同じ。
第１シリンドリカルレンズ素子３１：入射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径９２．５０４の凹面。出射面は平面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。
第２シリンドリカルレンズ素子３２：入射面は平面。出射面はＸ軸方向にのみパワーを有する曲率半径３０８．５ｍｍの凸面。厚さは５ｍｍ。材質はＮＢＫ７。

［距離］
スロー軸コリメータ２１出射面～第１シリンドリカルレンズ素子３１入射面＝２１９．５０２ｍｍ。
第１シリンドリカルレンズ素子３１出射面～第２シリンドリカルレンズ素子３２入射面＝４６９．４２ｍｍ。
その他の距離は、比較例２と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、ファースト軸コリメータおよびビームツイスタを光軸周りに０．０２２９度回転。
この設計によれば、光源ユニット１０から回折格子４０までの寸法は約０．８ｍになる。なお、ｆ＝１４８５．０９ｍｍ，ｆ１＝５８２．０８ｍｍ，ｆ２＝－１７４．５４ｍｍ，Ｄ＝７５０．６４ｍｍである。

本実施形態に係る光共振器１において、複数のレーザ素子１１ａは、波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生してもよい。

これにより、波長９００ｎｍ帯より短波長の光ビームを発生できる。

（実施形態３）
以下、図１３を用いて本開示の実施形態３を説明する。図１３は、本開示に係るレーザ加工装置の一例を示すブロック図である。レーザ加工装置ＬＭは、実施形態１～２で開示した光共振器１と、光共振器１から出力された光ビームを伝送する伝送光学系Ｑと、光ビームを被加工物Ｗに向けて照射する加工ヘッドＨと、被加工物Ｗを保持し、光ビームの集光スポットに対して３次元的に位置決めするためのテーブルＴＢなどを備える。レーザ加工として、レーザ切断、レーザ穿孔、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザアニールなどが実施できる。

本実施形態に係るレーザ加工装置ＬＭは、実施形態１～２に係る光共振器１を採用することによって装置の小型化が図られる。

（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１～３を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。

上記の各実施形態では、コリメータ、レンズ、レンズ素子として、単レンズを例示したが、複数のレンズを組み合わせたレンズ群または複合レンズを使用してもよい。

以上のように、本開示における技術の開示として、実施の形態を説明した。そのために添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面または詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須でるとの認定をするべきでない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、光ビームを発生する光源等において適用可能である。特に本開示は、例えば、レーザ切断、レーザ穿孔、レーザ溶接、レーザマーキング、レーザアニールなどのレーザ加工等において適用可能である。

Claims (6)

1. 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器であって、
   予め定めた方向に沿って配列され、互いに異なる波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子を有するレーザダイオードアレイと、
   各レーザ素子から放出される光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる回折格子であって、格子本数が４０００本／ｍｍ未満である回折格子と、
   前記回折格子によって回折した光ビームの一部を反射して、各レーザ素子に戻す出力カプラと、
   前記レーザダイオードアレイと前記回折格子との間に設けられ、各レーザ素子から放出される各光ビームを互いに整列させる光学系とを備え、
   前記光学系は、前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向けて順に、前記予め定めた方向にのみ負のパワーを有する第１レンズ素子と、前記予め定めた方向にのみ正のパワーを有する第２レンズ素子とを含み、
   前記第２レンズ素子の像側主平面から光学系物体側焦点面までの距離が１５００ｍｍ未満であり、
   前記光学系は、前記レーザダイオードアレイと前記第２レンズ素子との間の距離よりも長い焦点距離を有する、光共振器。
2. 複数のレーザ素子のピッチに対する共振波長の変化が、５×１０ ^－７ 未満である、請求項１記載の光共振器。
3. 前記光学系は、下記の式を満たす請求項１記載の光共振器。
   

   

   ここで、ｆ１は前記第２レンズ素子の焦点距離、ｆ２は前記第１レンズ素子の焦点距離、ｓは前記第１レンズ素子の物体側主平面から前記第２レンズ素子の像側主平面までの距離、ｍは前記回折格子での回折次数、λは共振波長である。
4. 前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向けて順に、各レーザ素子から放出された各光ビームをファースト方向にコリメートするファースト軸コリメータと、前記ファースト軸コリメータから出射した各光ビームを主光線周りに９０度回転させるビームツイスタと、前記ビームツイスタから出射した各光ビームをスロー方向にコリメートするスロー軸コリメータとが設けられ、前記光学系の焦点位置を前記ビームツイスタ出射面近傍とした請求項１記載の光共振器。
5. 前記複数のレーザ素子は、波長４００ｎｍ帯の光ビームを発生する請求項１～４のいずれかに記載の光共振器。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の光共振器と、
   前記光共振器から出力された光ビームを被加工物に向けて照射する加工ヘッドとを備えるレーザ加工装置。

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