JP7421987B2 - レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関する。
近年、レーザ装置の短波長化に注目が集まっている。金属その他の材料は、近赤外域から紫外域において、照射するレーザ光の波長が短くなるほど吸収率が高くなるという性質を有している。このため、より短波長のレーザ光を出力するレーザ装置を用いれば、より低出力で材料を加工することが可能になり、熱的影響の少ない綺麗な仕上がりを実現できる。また、照射するレーザ光の波長が短くなるほど、ワークにおける反射損失も小さくなる。このため、短波長のレーザ光を出力するレーザ装置は、省電力化の面でも有利である。
レーザ装置の短波長化は、例えば、光源として用いる半導体レーザ素子の短波長化を図ることによって実現される。特許文献１には、光源として４００ｎｍ帯のレーザ光を出力する青色半導体レーザ素子を用いたレーザ装置が開示されている。
国際公開第２０１７／１４５３３０号
しかしながら、光源として用いる半導体レーザ素子の短波長化を図った従来のレーザ装置には、高出力化が困難であるという問題があった。
例えば、特許文献１に記載のレーザ装置において、光源として用いられている青色半導体レーザ素子の出力は、１素子あたり高々数ワット程度である。このため、例えば、ｋＷクラスのレーザ装置を実現するためには、高度なパッケージング技術を用いて多数の青色半導体レーザ素子を搭載することが必要になり、光源の調達コスト及び実装コストが高額になる。
本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてされたものであり、短波長化及び高出力化の容易性を両立したレーザ装置を実現することを目的とする。
本発明の態様１に係るレーザ装置は、少なくとも１つの半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、を備えている。
本発明の態様２に係るレーザ装置は、前記半導体レーザ素子が収容された第１筐体と、前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子であって、前記第１筐体と前記第２筐体とを連通させる開口部を塞ぐように配置されたフィルタ素子と、を更に備えている。
本発明の態様３に係るレーザ装置において、前記第１筐体と第２筐体とは、分離可能に構成されている。
本発明の態様４に係るレーザ装置は、前記波長変換素子の内部に集光点が形成されるように、波長λ１のレーザ光を集光する集光レンズを更に備えている。
本発明の態様５に係るレーザ装置において、前記波長変換素子は、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶により構成されている。
本発明の態様６に係るレーザ装置において、前記波長変換素子は、疑似位相整合素子により構成されている。
本発明の態様７に係るレーザ装置において、波長λ２は、５００ｎｍ以下である。
本発明の態様８に係るレーザ装置において、波長λ１は、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
本発明の態様９に係るレーザ装置は、複数の半導体レーザ素子を備えており、前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を空間合成又は偏波合成する。
本発明の態様１０に係るレーザ装置は、前記光ファイバを導波された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をワークに照射するための加工ヘッドを更に備えている。
本発明の態様１１に係るレーザモジュールは、第１筐体に少なくとも１つの半導体レーザ素子が収容された他のレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、を備えている。
本発明の態様１２に係るレーザモジュールは、本発明の態様１１に係るレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、前記第１筐体と、前記半導体レーザ素子と、を備えている。
本発明の一態様によれば、短波長化及び高出力化の容易性を両立したレーザ装置を実現することができる。
本発明の一態様に係るレーザ装置の構成を示す平面図である。 図１のレーザ装置の一変形例を示す平面図である。
〔レーザ装置の構成〕
本発明の一実施形態に係るレーザ装置１について、図１を参照して説明する。図１は、レーザ装置１の平面図である。図１においては、蓋を外したレーザ装置１を上面視した様子を示している。以下の説明においては、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を図１に示すように取った座標系を適宜用いる。
レーザ装置１は、図１に示すように、半導体レーザ素子群ＬＤと、コリメートレンズ群Ｃ１と、ミラー群Ｍ１と、波長安定化素子Ｓと、集光レンズＬ１と、ミラーＭ２と、フィルタ素子Ｆと、ミラーＭ３と、波長変換素子Ｗと、コリメートレンズＣ２と、集光レンズＬ２と、光ファイバＯＦと、第１筐体Ｂ１と、第２筐体Ｂ２と、を備えている。ここで、半導体レーザ素子群ＬＤは、少なくとも１つの半導体レーザ素子の集合である。本実施形態においては、８個の半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の集合を、半導体レーザ素子群ＬＤとして用いている。また、コリメートレンズ群Ｃ１は、少なくとも１つのコリメートレンズの集合である。本実施形態においては、８個のコリメートレンズＣ１１～Ｃ１８の集合を、コリメートレンズ群Ｃ１として用いている。
半導体レーザ素子群ＬＤ、コリメートレンズ群Ｃ１、ミラー群Ｍ１、波長安定化素子Ｓ、集光レンズＬ１、ミラーＭ２、及びフィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１に収容されている。半導体レーザ素子群ＬＤ、コリメートレンズ群Ｃ１、ミラー群Ｍ１、波長安定化素子Ｓ、集光レンズＬ１、ミラーＭ２、フィルタ素子Ｆ、及び第１筐体Ｂ１は、第１レーザモジュールＬＭ１を構成している。ミラーＭ３、波長変換素子Ｗ、コリメートレンズＣ２、及び集光レンズＬ２は、第２筐体Ｂ２に収容されており、光ファイバＯＦは、第２筐体Ｂ２に引き込まれている。ミラーＭ３、波長変換素子Ｗ、コリメートレンズＣ２、集光レンズＬ２、及び第２筐体Ｂ２は、第２レーザモジュールＬＭ２を構成している。第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とは、分離可能に連結されている。本実施形態においては、第１筐体Ｂ１の側壁と第２筐体Ｂ２の側壁とが４本のネジにより連結されており、これらのネジを外すことにより分離することができる。尚、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とは、短辺の側壁同士がネジにより連結されても良い。また、第１筐体Ｂ１の短辺の側壁と第２筐体Ｂ２の長辺の側壁、または、第１筐体Ｂ１の長辺と第２筐体Ｂ２の短辺の側壁がネジにより連結されても良い。また、第１筐体Ｂ１の蓋と第２筐体Ｂ２の蓋がネジにより連結されても良い。
半導体レーザ素子ＬＤｉ（ｉは１以上８以下の自然数）は、波長λ１のレーザ光を生成するための構成である。波長λ１は、例えば、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。本実施形態においては、活性層がｘｙ平面と平行になるように、かつ、出射端面がｚｘ平面と平行になるように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された半導体レーザ素子を、半導体レーザ素子ＬＤｉとして用いている。このため、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、第１筐体Ｂ１の底板には、半導体レーザ素子ＬＤｊ＋１（ｊは１以上７以下の自然数）の高さが半導体レーザ素子ＬＤｊの高さよりも高くなるように段差が設けられている。
半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光の光路上には、コリメートレンズＣ１ｉが配置されている。コリメートレンズＣ１ｉは、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力された波長λ１のレーザ光をコリメートするための構成である。本実施形態においては、平坦面（入射面）がｙ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｙ軸正方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｙ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、コリメートレンズＣ１ｉとして用いている。このため、コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。なお、コリメートレンズＣ１１～Ｃ１８は、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８と同様、段差が設けられた第１筐体Ｂ１の底板上に載置されている。コリメートレンズＣ１ｉの載置される段は、半導体レーザ素子ＬＤｉの載置される段と同一である。なお、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光は、ｘ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径も次第に大きくなるレーザ光であり得る。この場合、コリメートレンズＣ１ｉの前段又は後段に、レーザ光のｚ軸正負方向の広がりをコリメートする他のコリメートレンズを更に設けることが好ましい。
コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ１ｉが配置されている。ミラーＭ１ｉは、コリメートレンズＣ１ｉを透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｙ軸と４５°を成すように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ１ｉとして用いている。このため、ミラーＭ１ｉにて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径がほぼ一定であるレーザ光となる。なお、ミラーＭ１１～Ｍ１８は、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８及びコリメートレンズＣ１１～Ｃ１８と同様、段差が設けられた第１筐体Ｂ１の底板上に載置されている。ミラーＭ１ｉの載置される段は、半導体レーザ素子ＬＤｉ及びコリメートレンズＣ１ｉの載置される段と同一である。なお、第１筐体Ｂ１の底板の段差は、ミラーＭ１ｉの上端を隣接するミラーＭ１ｉ＋１にて反射されたレーザ光が掠めるように設定されている。これにより、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８から出力されたレーザ光を高密度に空間合成することが可能になる。
ミラーＭ１１～Ｍ１８にて反射された波長λ１のレーザ光の光路上には、波長安定化素子Ｓが配置されている。波長安定化素子Ｓは、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の外部共振器を構成し、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の発振波長をλ１にロックするための構成である。本実施形態においては、入射面及び出射面がｙｚ平面と平行になるように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたＶＢＧ（Volume Bragg Grating）素子を、波長安定化素子Ｓとして用いている。
波長安定化素子Ｓを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、集光レンズＬ１が配置されている。集光レンズＬ１は、波長安定化素子Ｓを透過した波長λ１のレーザ光を集光するための構成である。本実施形態においては、湾曲面（入射面）がｘ軸正方向を向き、平坦面（出射面）がｘ軸負方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、集光レンズＬ１として用いている。このため、集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光は、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１は、ｙ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるように、波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものであってもよい。この場合、集光レンズＬ１は、２つのシリンドリカルレンズを組み合わせることにより実現してもよいし、１つの球面レンズ又は非球面レンズにより実現してもよい。また、この場合、集光レンズＬ１は、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光を個別に集光する機能に加え、これらのレーザ光からなるレーザ光束を集束する機能も担う。
集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ２が配置されている。ミラーＭ２は、集光レンズＬ１を透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｘ軸と４５°を成すように、第１筐体Ｂ１の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ２として用いている。このため、ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。
ミラーＭ２にて反射された波長λ１のレーザ光の光路上には、フィルタ素子Ｆが配置されている。フィルタ素子Ｆは、波長λ１のレーザ光を透過すると共に、波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光を遮断するための構成である。ここで、波長λ２は、波長λ１のレーザ光を波長変換素子Ｗに入射させたときに、波長λ１のレーザ光と共に波長変換素子Ｗから出力されるレーザ光の波長であり、例えば、４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。本実施形態においては、波長λ２と波長λ１との間の波長（例えば、７００ｎｍ）で透過係数が急峻に立ち上がる（反射係数が急峻に立ち下がる）ハイパスフィルタ素子を、フィルタ素子Ｆとして用いる。なお、フィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１に設けられた開口Ｏ１と、開口Ｏ１と連通する第２筐体Ｂ２に設けられた開口Ｏ２とを塞ぐように、第１筐体Ｂ１の側壁の内側に固定される。
フィルタ素子Ｆを透過した波長λ１のレーザ光の光路上には、ミラーＭ３が配置されている。ミラーＭ３は、フィルタ素子Ｆを透過した波長λ１のレーザ光を反射するための構成である。本実施形態においては、反射面がｚ軸と平行になり、且つ、ｙ軸と４５°を成すように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置されたミラーを、ミラーＭ３として用いている。このため、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。
ミラーＭ３にて反射されたレーザ光の集光点には、波長変換素子Ｗが配置されている。波長変換素子Ｗは、ミラーＭ３にて反射された波長λ１のレーザ光の一部を、波長λ２のレーザ光に変換する。波長変換素子Ｗとしては、例えば、二次高調波を発生するＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子を用いることができる。本実施形態においては、非臨界位相整合条件を満たすように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された複屈折結晶を、波長変換素子Ｗとして用いている。このため、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。なお、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶の代わりに、擬似位相整合素子、すなわち、コヒーレント長周期で自発分極を周期的に反転させた非線形光学結晶を波長変換素子Ｗとして用いてもよい。
なお、ＳＨＧ素子として機能する複屈折結晶としては、例えば、ＫＤＰ（KH2(PO4)）結晶、ＢＢＯ（β-BaB2O4）結晶、ＬＢＯ（LiB3O5）結晶、ＣＬＢＯ（CsLiB6O10）結晶などが挙げられる。複屈折結晶により波長変換素子Ｗを構成する場合には、臨界位相整合条件が常に満たされるよう、複屈折結晶の温度を調整するペルチェ素子などの温調機構を併用するとよい。また、ＳＨＧ素子として機能する擬似位相整合素子としては、例えば、ＬＴ（Mg:LiTaO3）結晶、ＬＮ（Mg:LiNbO3）結晶、ＫＴＰ（KTiOPO4）結晶などの非線形光学結晶に電圧印加により分極反転構造を形成したものを用いることができる。
波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の光路上には、コリメートレンズＣ２が配置されている。コリメートレンズＣ２は、波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をコリメートするための構成である。本実施形態においては、平坦面（入射面）がｘ軸負方向を向き、湾曲面（出射面）がｘ軸正方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸正方向側の外縁が円弧を描くように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、コリメートレンズＣ２として用いている。このため、コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ１が波長安定化素子Ｓを透過したレーザ光を二軸集光するものである場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向及びｚ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。この場合、コリメートレンズＣ２の前段又は後段に、レーザ光のｚ軸正負方向の広がりをコリメートする他のコリメートレンズを更に設けることが好ましい。
コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の光路上には、集光レンズＬ２が配置されている。集光レンズＬ２は、コリメートレンズＣ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光を集光するための構成である。本実施形態においては、湾曲面（入射面）がｘ軸負方向を向き、ｘｙ平面に平行な断面のｘ軸負方向側の外縁が円弧を描くように、第２筐体Ｂ２の底板上に載置された平凸シリンドリカルレンズを、集光レンズＬ２として用いている。このため、集光レンズＬ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光は、何れも、ｘ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるレーザ光となる。なお、集光レンズＬ２は、ｙ軸正負方向のビーム径のみならず、ｚ軸正負方向のビーム径が次第に小さくなるように、コリメートレンズＣ２を透過したレーザ光を二軸集光するものであってもよい。この場合、集光レンズＬ２は、２つのシリンドリカルレンズを組み合わせることにより実現してもよいし、１つの球面レンズ又は非球面レンズにより実現してもよい。また、この場合、集光レンズＬ２は、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光を個別に集光する機能に加え、これらのレーザ光からなるレーザ光束を集束する機能も担う。
集光レンズＬ２を透過した波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光の集光点には、光ファイバＯＦの入射端面が配置されている。光ファイバＯＦは、集光レンズＬ２を透過したレーザ光を導波するための構成である。本実施形態において光ファイバＯＦは、入射端面がｘ軸負方向を向くように、第２筐体Ｂ２の底板上に固定されたマウントにフェルールを介して載置されている。
なお、本実施形態においては、第１筐体Ｂ１の底板に段差を設け、低い方から数えてｉ番目の段に半導体レーザ素子ＬＤｉ、コリメートレンズＣ１ｉ、及びミラーＭ１ｉを載置する構成を採用している。これは、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べるためである。しかしながら、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べることは、第１筐体Ｂ１の底面に段差を設けずとも実現することができる。例えば、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８、コリメートレンズＣ１１～Ｃ１８、及びミラーＭ１１～Ｍ１８の各々をマウントに載置し、このマウントの高さを適宜調整することによって、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８の各々から出力されたレーザ光をｚ軸方向に沿って並べることができる。コリメートレンズＣ１１～Ｃ１８については、マウントを用いずにコリメートレンズＣ１１～Ｃ１８自体の高さを適宜調整してもよい。また、ミラーＭ１１～Ｍ１８についても、マウントを用いずにミラーＭ１１～Ｍ１８自体の高さを適宜調整してもよい。
〔レーザ装置の特徴と効果〕
以上のように、本実施形態に係るレーザ装置１は、少なくとも１つの半導体レーザ素子ＬＤ１と、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子Ｗと、波長変換素子Ｗから出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光が入射する光ファイバと、を備えている。上記の構成によれば、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光の波長λ１（発振波長、又は、ロック波長）よりも短い波長λ２のレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することができる。しかも、波長λ２のレーザ光のみならず、波長λ１のレーザ光も光ファイバＯＦに入射させているので、波長変換素子Ｗの変換効率が低い場合でも、十分なパワーのレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することができる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、半導体レーザ素子ＬＤｉが収容された第１筐体Ｂ１と、波長変換素子Ｗが収容され、光ファイバＯＦが引き込まれた第２筐体Ｂ２と、波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子Ｆと、を更に備えている。そして、フィルタ素子Ｆは、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とを連通させる開口部Ｏ１，Ｏ２を塞ぐように配置されている。上記の構成によれば、第２筐体Ｂ２に収容された波長変換素子Ｗから出力された波長λ２のレーザ光が、迷光として第１筐体Ｂ１に入射することを抑制することができる。したがって、半導体レーザ素子ＬＤｉなど第１筐体Ｂ１に収容された光学部品が、波長λ２のレーザ光によって劣化することを抑制することができる。また、これらの光学部品を第１筐体Ｂ１に固定するための接着剤は、波長が短い光ほど吸収し易く、光を吸収して発熱すると劣化が進行する。また、これらの接着剤に波長の短い（１光子あたりのエネルギーが高い）光が入射すると光分解反応による劣化が生じ易くなる。上記の構成によれば、このような接着剤の劣化も抑制することができる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とが、分離可能に構成されている。上記の構成によれば、波長λ２のレーザ光によって第２筐体Ｂ２に収容された光学部品や接着剤が劣化した場合、それらの光学部品を含む第２レーザモジュールＬＭ２を新しいものに交換することによって、レーザ装置１の機能を容易に回復することができる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、波長変換素子Ｗの内部に集光点が形成されるように、波長λ１のレーザ光を集光する集光レンズＬ１を更に備えている。波長変換素子Ｗに入射する波長λ１のレーザ光のエネルギー密度が高くなるほど、波長変換素子Ｗの変換効率が高くなる。このため、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗにおいて波長λ２のレーザ光を効率的に生成することができる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１において、波長変換素子Ｗは、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶により構成することができる。非臨界位相整合条件を満たす複屈折結晶は、ウォークオフ現象を生じないため、短い結晶長で長い相互作用長を稼ぐことができる。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の軽量化が容易である。また、非臨界位相整合条件を満たす複屈折結晶は、基本波と高調波とを同軸出力するので、基本波と高調波とを光ファイバのコアに漏れなく入射させることが容易である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高効率化が容易である。また、複屈折結晶は、量産技術が確立されている。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の低コスト化が容易である。なお、波長変換素子Ｗとして利用する複屈折結晶は、レーザダメージ閾値の高い複屈折結晶であることが好ましい。この場合、レーザ装置１の高出力化が容易になる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１において、波長変換素子Ｗは、擬似位相整合素子により構成することができる。擬似位相整合素子は、ウォークオフ現象を生じないため、短い結晶長で長い相互作用長を稼ぐことができる。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の軽量化が容易である。また、擬似位相整合素子は、基本波と高調波とを同軸出力するので、基本波と高調波とを光ファイバのコアに漏れなく入射させることが容易である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高効率化が容易である。また、擬似位相整合素子では、基本波の偏光方向と高調波の偏光方向とを一致させることができ、その結果、非線形光学テンソルの最大成分を有効活用することが可能である。このため、上記の構成によれば、レーザ装置１の高出力化が容易である。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、波長λ２を５００ｎｍ以下とすることができる。上記の構成によれば、ＣＯ２レーザ、Ｙｂ添加ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ等のレーザ装置と比べて、金属に対する吸収率が高いレーザ光を出力することができる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、波長λ１を８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。４００ｎｍ帯に属するレーザ光を出力する場合、従来のレーザ装置によれば、光源として青色半導体レーザを用いる必要があるところ、上記の構成によれば、その必要がない。このため、上記の構成によれば、４００ｎｍ帯に属するレーザ光を出力する場合であっても、従来のレーザ装置よりもハイパワーなレーザ光を光ファイバＯＦから出力して金属加工等に利用することが容易になる。
また、本実施形態に係るレーザ装置１は、複数の半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８を備えており、これらの半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ８から出力されたレーザ光を空間合成する。上記の構成によれば、レーザ装置１の高出力化が容易である。また、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光のパワーが高くなる。ｎ次の非線形光学効果によって波長λ２のレーザ光を生成する場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ２のレーザ光の強度は、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光の強度のｎ乗に比例する。このため、波長変換素子Ｗにおける波長変換が非線形光学効果によるものである場合、波長変換の変換効率が高くなり、その結果、レーザ装置１から出力されるレーザ光において、波長λ２のレーザ光の占める割合が大きくなる。したがって、レーザ装置１から出力されるレーザ光のワークに対する吸収率を高くすることができる。
なお、本実施形態に係るレーザ装置１は、図１に示すように、光ファイバＯＦを導波された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をワークに照射するための加工ヘッドＨを更に備えていてもよい。上記の構成によれば、半導体レーザ素子ＬＤｉから出力されるレーザ光の波長λ１よりも短い波長λ２のレーザ光をワークに照射するレーザ加工機を実現することができる。
また、第１レーザモジュールＬＭ１及び第２レーザモジュールＬＭ２は、それぞれ単体で実施することが可能である。特に、第１レーザモジュールＬＭ１よりも寿命の短い第２レーザモジュールＬＭ２は、交換部品として市場に流通させることに適している。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、集光角が十分に小さい（焦点距離が十分に長い）集光レンズＬ１を用いている。これは、波長変換素子Ｗに入射する波長λ１のレーザ光の入射角を十分に小さくすることによって、波長変換素子Ｗにおいて生じ得るウォークオフ現象を抑制するためである。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、第１筐体Ｂ１と第２筐体Ｂ２とを固定するためのネジを、蓋を開けることなく外部からアクセスすることが困難な第１筐体Ｂ１及び第２筐体Ｂ２の側壁に設けている。これは、ネジの緩み等によって、第１筐体Ｂ１に収容された光学部品と第２筐体Ｂ２に収容された光学部品とのアラインメントが狂うことを防ぐためである。
また、本実施形態に係るレーザ装置１においては、集光レンズＬ２の設計及び配置を、波長λ１のレーザ光が漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するように決定している。レーザ光の集光径は波長に比例するので、波長λ１のレーザ光が漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するよう集光レンズＬ２の設計及び配置を決定すれば、波長λ２のレーザ光は漏れなく光ファイバＯＦのコアに入射するからである。
〔レーザ装置の変形例〕
本実施形態に係るレーザ装置１においては、半導体レーザ素子群ＬＤから出力された波長λ１のレーザ光を空間合成する構成が採用されている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、半導体レーサ素子群から出力されたレーザ光を偏波合成する構成を採用することもできる。
このようなレーザ装置１の変形例（以下、レーザ装置１’と記載する）について、図２を参照して説明する。図２は、本変形例に係るレーザ装置１’の平面図である。
レーザ装置１’においては、半導体レーザ素子群ＬＤが２つの半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ２により構成されている。半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ２から出力される波長λ１のレーザ光は、それぞれ、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が次第に大きくなるレーザ光となる。
また、レーザ装置１’においては、コリメートレンズ群Ｃ１が２つのコリメートレンズＣ１１～Ｃ１２により構成されている。コリメートレンズＣ１１は、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光の光路上に配置されており、コリメートレンズＣ１２は、半導体レーザ素子ＬＤ２から出力された波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。コリメートレンズＣ１１～Ｃ１２を透過した波長λ１のレーザ光は、それぞれ、ｘ軸負方向に進行するレーザ光であって、ｙ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。
レーザ装置１’は、ミラーＭ４と、波長板ＷＰと、偏光ビームコンバイナＰＣと、を備えている。ミラーＭ４は、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。ミラーＭ４にて反射された波長λ１のレーザ光は、ｙ軸正方向に進行するレーザ光であって、ｘ軸正負方向のビーム径が一定であるレーザ光となる。波長板ＷＰは、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の光路上に配置されている。波長板ＷＰは、１／２波長板であり、コリメートレンズＣ１２を透過した波長λ１のレーザ光の偏光方向を９０°回転させる。偏光ビームコンバイナＰＣは、波長板ＷＰを透過した波長λ１のレーザ光の光路と、コリメートレンズＣ１１を透過した波長λ１のレーザ光の光路とが交差する点に配置されている。偏光ビームコンバイナＰＣは、波長板ＷＰを透過した波長λ１のレーザ光を反射すると共に、コリメートレンズＣ１１を透過した波長λ１のレーザ光を透過する。これにより、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力された波長λ１のレーザ光と、半導体レーザ素子ＬＤ２から出力された波長λ１のレーザ光とが、偏波合成される。
以上のように、本変形例に係るレーザ装置１’によれば、半導体レーザ素子ＬＤ１～ＬＤ２から出力されたレーザ光が偏波合成される。この場合、半導体レーザ素子ＬＤ１から出力されたレーザ光と半導体レーザ素子ＬＤ２から出力されたレーザ光を、これらのレーザ光の光軸を一致させて波長変換素子Ｗに入射させることができる。このため、波長変換素子Ｗとして利用される複屈折結晶を、これらのレーザ光の両方に対して非臨界位相整合条件を満たすように配置することができる。すなわち、本変形例に係るレーザ装置１’によれば、波長変換素子Ｗを複屈折結晶により構成する場合について、非臨界位相整合条件を破ることなく、半導体レーザ素子Ｌ１～ＬＤ２の複数化による高出力化を実現することができる。また、上記の構成によれば、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光のパワーが高くなる。ｎ次の非線形光学効果によって波長λ２のレーザ光を生成する場合、波長変換素子Ｗから出力される波長λ２のレーザ光の強度は、波長変換素子Ｗに入力される波長λ１のレーザ光の強度のｎ乗に比例する。このため、波長変換素子Ｗにおける波長変換が非線形光学効果によるものである場合、波長変換の変換効率が高くなり、その結果、レーザ装置１から出力されるレーザ光において、波長λ２のレーザ光の占める割合が大きくなる。したがって、レーザ装置１から出力されるレーザ光のワークに対する吸収率を高くすることができる。
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１ レーザ装置
ＬＤ 半導体レーザ素子群
ＬＤ１～ＬＤ８ 半導体レーザ素子
Ｃ１ コリメートレンズ群
Ｃ１１～Ｃ１８ コリメートレンズ
Ｍ１ ミラー群
Ｓ 波長安定化素子
Ｌ１ 集光レンズ
Ｍ２ ミラー
Ｆ フィルタ素子
Ｍ３ ミラー
Ｗ 波長変換素子
Ｃ２ コリメートレンズ
Ｌ２ 集光レンズ
Ｈ 加工ヘッド
Ｂ１ 第１筐体
Ｂ２ 第２筐体
ＬＭ１ 第１レーザモジュール
ＬＭ２ 第２レーザモジュール

Claims (11)

  1. 少なくとも１つの半導体レーザ素子と、
    前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、
    前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、
    前記少なくとも１つの半導体レーザ素子が収容された第１筐体と、
    前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、
    波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子であって、前記第１筐体と前記第２筐体とを連通させる開口部を塞ぐように配置されたフィルタ素子と、を備えている、
    ことを特徴とするレーザ装置。
  2. 前記第１筐体と前記第２筐体とは、分離可能に構成されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記波長変換素子の内部に集光点が形成されるように、波長λ１のレーザ光を集光する集光レンズを更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
  4. 前記波長変換素子は、非臨界位相整合条件を満たすように配置された複屈折結晶により構成されている、
    ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のレーザ装置。
  5. 前記波長変換素子は、擬似位相整合素子により構成されている、
    ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のレーザ装置。
  6. 波長λ２は、５００ｎｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のレーザ装置。
  7. 波長λ１は、８００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載のレーザ装置。
  8. 複数の半導体レーザ素子を備えており、
    前記複数の半導体レーザ素子から出力されたレーザ光を空間合成又は偏波合成する、
    ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載のレーザ装置。
  9. 前記光ファイバを導波された波長λ１のレーザ光及び波長λ２のレーザ光をワークに照射するための加工ヘッドを更に備えている、
    ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載のレーザ装置。
  10. 第１筐体に少なくとも１つの半導体レーザ素子が収容された他のレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、
    前記半導体レーザ素子から出力された波長λ１のレーザ光に作用する波長変換素子と、
    前記波長変換素子から出力された波長λ１のレーザ光及び波長λ２（λ２＜λ１）のレーザ光が入射する光ファイバと、
    前記波長変換素子が収容され、前記光ファイバが引き込まれた第２筐体と、
    波長λ１のレーザ光を透過し、且つ、波長λ２のレーザ光を遮断するフィルタ素子であって、前記第１筐体と前記第２筐体とを連通させる開口部を塞ぐように配置されたフィルタ素子と、を備えている、
    ことを特徴とするレーザモジュール。
  11. 請求項１０に記載のレーザモジュールと併用されるレーザモジュールであって、
    前記第１筐体と、前記半導体レーザ素子と、を備えている、
    ことを特徴とするレーザモジュール。
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