JP7488445B2 - Light source unit - Google Patents

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Description

本開示は、光源ユニットに関する。 This disclosure relates to a light source unit.

高出力高輝度のレーザビームを用いて多様な種類の材料に切断、穴あけ、マーキングなどの加工を行ったり、金属材料を溶接したりすることが行われている。従来、このようなレーザ加工に使用されてきた炭酸ガスレーザ装置およびYAG固体レーザ装置の一部は、エネルギ変換効率の高いファイバレーザ装置に置き換わりつつある。ファイバレーザ装置の励起光源には、半導体レーザダイオード(以下、単にLDと記載する。)が使用されている。近年、LDの高出力化に伴い、LDを励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ(DDL)技術と称されている。 High-power, high-brightness laser beams are used to process a wide variety of materials, such as cutting, drilling, and marking, and to weld metal materials. Some of the carbon dioxide gas laser devices and YAG solid-state laser devices that have traditionally been used for such laser processing are being replaced by fiber laser devices with high energy conversion efficiency. Semiconductor laser diodes (hereinafter simply referred to as LDs) are used as the excitation light source for fiber laser devices. In recent years, as LDs have become more powerful, technology is being developed that uses LDs not as excitation light sources, but as light sources of laser beams that directly irradiate materials for processing. This technology is called direct diode laser (DDL) technology.

特許文献1は、複数のLDからそれぞれ出射された複数のレーザビームを結合(combine)して光出力を増大させるレーザ光源の一例を開示している。複数のレーザビームの結合は「空間ビーム結合」と称され、例えばファイバレーザ装置の励起光源およびDDL装置などの光出力を高めるために利用され得る。 Patent document 1 discloses an example of a laser light source that combines multiple laser beams emitted from multiple LDs to increase the optical output. The combination of multiple laser beams is called "spatial beam combining" and can be used to increase the optical output of, for example, the pumping light source of a fiber laser device and a DDL device.

米国特許7733932号明細書U.S. Pat. No. 7,733,932

空間ビーム結合に適した、より信頼性の高いレーザ光源、および、そのようなレーザ光源を備えるレーザ加工装置が求められている。 There is a demand for more reliable laser light sources suitable for spatial beam combining, and laser processing devices equipped with such laser light sources.

本開示の光源ユニットは、非限定的で例示的な実施形態において、封止された半導体レーザパッケージであって、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材とを含む、半導体レーザパッケージと、前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を像面に形成する第1レンズ系と、前記像面を通過した前記レーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第2レンズ系とを備える。 In a non-limiting exemplary embodiment, the light source unit of the present disclosure comprises a sealed semiconductor laser package including a laser diode having an emitter region that emits laser light and a window member that transmits the laser light, a first lens system that receives the laser light that has passed through the window member and forms an image of the emitter region on an image plane, and a second lens system that converts the laser light that has passed through the image plane into a collimated beam or a convergent beam and emits the beam.

本開示の実施形態によれば、空間ビーム結合に適した新規な光源ユニットが提供され得る。 Embodiments of the present disclosure can provide a novel light source unit suitable for spatial beam combining.

図1Aは、チップ状態にあるLDから出射されたレーザ光をコリメートして出力する従来の光源ユニット100Pの構成例を模式的に示す上面図である。FIG. 1A is a top view showing a schematic configuration example of a conventional light source unit 100P that collimates and outputs laser light emitted from an LD in a chip state. 図1Bは、図1Aに示される光源ユニット100Pの構成例の側面図である。FIG. 1B is a side view of an example of the configuration of the light source unit 100P shown in FIG. 1A. 図2は、LD12の基本的な構成の一例を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing an example of the basic configuration of the LD 12. As shown in FIG. 図3Aは、パッケージ10に収容されたLD12から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット100Qの構成例を示すXZ面に平行な模式断面図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view parallel to the XZ plane showing a configuration example of a light source unit 100Q that collimates and outputs laser light emitted from the LD 12 housed in the package 10. 図3Bは、図3Aに示される光源ユニット100QのYZ面に平行な模式断面図である。FIG. 3B is a schematic cross-sectional view parallel to the YZ plane of the light source unit 100Q shown in FIG. 3A. 図4は、本実施形態における光源ユニット100の基本的な構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a basic configuration of the light source unit 100 in this embodiment. 図5は、光源ユニット100の主要部を拡大して示す図である。FIG. 5 is an enlarged view of the main part of the light source unit 100. As shown in FIG. 図6は、第1レンズ系20が対物レンズ系24と結像レンズ系26とを含んでいる形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a configuration in which the first lens system 20 includes an objective lens system 24 and an imaging lens system 26 . 図7Aは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール200をXZ面の法線方向からみた模式的な上面図である。FIG. 7A is a schematic top view of the laser light source module 200 in this embodiment as viewed in the normal direction to the XZ plane. 図7Bは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール200をYZ面の法線方向からみた模式的な側面図である。FIG. 7B is a schematic side view of the laser light source module 200 in this embodiment as viewed in the normal direction to the YZ plane. 図7Cは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール200をXY面の法線方向からみた模式的な正面図である。FIG. 7C is a schematic front view of the laser light source module 200 in this embodiment as viewed in the normal direction to the XY plane. 図8は、9個の光源ユニット100を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a schematic diagram of another configuration example including nine light source units 100. In FIG. 図9Aは、光学系160の構成例を示す図である。FIG. 9A is a diagram showing an example of the configuration of the optical system 160. 図9Bは、光学系160の他の構成例を示す図である。FIG. 9B is a diagram showing another example of the configuration of the optical system 160. In FIG. 図10Aは、5本のコリメートビームBが速軸収束レンズFAFに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。FIG. 10A is a diagram showing a schematic cross-sectional shape of the beam when five collimated beams B are incident on the fast axis convergent lens FAF. 図10Bは、9本のコリメートビームBが速軸収束レンズFAFに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。FIG. 10B is a diagram showing a schematic cross-sectional shape of the nine collimated beams B when they are incident on the fast axis focusing lens FAF. 図10Cは、9本×2列のコリメートビームBが速軸収束レンズFAFに入射する場合にビーム断面形状を模式的に示す図である。FIG. 10C is a diagram showing a schematic cross-sectional shape of a beam when 9×2 rows of collimated beams B are incident on a fast axis convergent lens FAF. 図11は、レーザ光源モジュール200の他の構成例を示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing another configuration example of the laser light source module 200. As shown in FIG. 図12は、レーザ光源モジュール200の他の構成例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing another example of the configuration of the laser light source module 200. In FIG. 図13は、本開示によるダイレクトダイオードレーザ(DDL)装置の実施形態の構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of the configuration of an embodiment of a direct diode laser (DDL) device according to the present disclosure. 図14は、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態の構成例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an embodiment of a fiber laser device according to the present disclosure. 図15は、本開示の実施形態における光源ユニットの改変例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a modified example of the light source unit in the embodiment of the present disclosure. 図16は、コリメートビームBの伝搬方向がZ軸に対して傾斜している例を模式的に示す斜視図である。FIG. 16 is a perspective view that illustrates an example in which the propagation direction of the collimated beam B is inclined with respect to the Z axis. 図17Aは、ウェッジプリズム34を模式的に示す斜視図である。FIG. 17A is a perspective view illustrating the wedge prism 34. FIG. 図17Bは、ウェッジプリズム34を模式的に示す断面図である。FIG. 17B is a cross-sectional view illustrating the wedge prism 34. 図17Cは、ウェッジプリズム34から出射されるコリメートビームBが円錐面を描くようにステアリングされる様子を模式的に示す図である。FIG. 17C is a diagram showing a schematic diagram of a state in which the collimated beam B emitted from the wedge prism 34 is steered so as to describe a conical surface. 図18は、断面が左右対称のプリズム形状を有するウェッジプリズム34を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing a wedge prism 34 having a cross section with a symmetrical prism shape. 図19は、ウェッジプリズム34をX軸の周りに角度θ0だけ回転させた状態を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a state in which the wedge prism 34 is rotated by an angle θ0 around the X-axis. 図20は、光路補正素子32の正面および断面を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing a front view and a cross section of the optical path correction element 32. As shown in FIG. 図21は、光路補正素子32の構成例を示す斜視図である。FIG. 21 is a perspective view showing an example of the configuration of the optical path correction element 32. As shown in FIG. 図22は、光路補正素子32を有する複数の光源ユニット100を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。FIG. 22 is a perspective view showing a schematic diagram of another configuration example including a plurality of light source units 100 each having an optical path correction element 32. In FIG.

本開示の実施形態を説明する前に、本発明者等が見出した知見およびその技術背景を説明する。 Before describing the embodiments of the present disclosure, we will explain the findings of the inventors and their technical background.

図1Aは、チップ状態にあるLDから出射されたレーザ光をコリメートして出力する従来の光源ユニット100Pの構成例を模式的に示す上面図であり、図1Bは、その側面図である。添付図面には、参考のため、互いに直交するX軸、Y軸およびZ軸を基底とするXYZ座標系が模式的に示されている。 Figure 1A is a top view showing a schematic configuration example of a conventional light source unit 100P that collimates and outputs laser light emitted from an LD in a chip state, and Figure 1B is a side view of the same. For reference, the attached drawing shows a schematic XYZ coordinate system based on mutually orthogonal X-axis, Y-axis, and Z-axis.

図示されている光源ユニット100Pは、レーザ光Lを出射するLD12と、レーザ光Lをコリメートする光学系30Pとを備えている。図の例において、光学系30Pは、LD12に近い位置から光軸上に順番に配置された速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACを含んでいる。速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACは、いずれも、シリンドリカルレンズ(例えば円筒面平凸レンズ)である。シリンドリカルレンズは、平行な光線束を直線(焦点)上に収束する曲面を有している。曲面は、円柱の外周表面の一部に相当する形状を有しており、円柱の軸方向における曲率はゼロである。それぞれが図示された構成を備える複数の光源ユニット100Pを用いて空間ビーム結合が実行され得る。空間ビーム結合の詳細については後述する。 The illustrated light source unit 100P includes an LD 12 that emits laser light L and an optical system 30P that collimates the laser light L. In the illustrated example, the optical system 30P includes a fast axis collimator lens FAC and a slow axis collimator lens SAC that are arranged on the optical axis in order from the position closest to the LD 12. Both the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC are cylindrical lenses (e.g., cylindrical plano-convex lenses). The cylindrical lens has a curved surface that converges a parallel light beam onto a straight line (focal point). The curved surface has a shape that corresponds to a part of the outer peripheral surface of a cylinder, and the curvature in the axial direction of the cylinder is zero. Spatial beam combining can be performed using multiple light source units 100P each having the illustrated configuration. Details of spatial beam combining will be described later.

図2は、LD12の基本的な構成の一例を示す斜視図である。図示されている構成は、説明のために単純化されている。図2の例において、LD12は、上面に形成されたストライプ状のp側電極12Pと、下面に形成されたn側電極12Nと、端面12Fに位置するエミッタ領域Eとを有している。レーザ光Lはエミッタ領域Eから出射される。LD12は、半導体基板と、半導体基板上に成長した複数の半導体層(半導体積層構造)を有している。半導体積層構造は、レーザ発振を行って発光する発光層を含み、公知の様々な構成を有し得る。この例におけるLD12は、ブロードエリア型であり、エミッタ領域Eは、X軸方向のサイズ(例えば50μm以上)がY軸方向のサイズ(例えば約2μm)よりも格段に大きな形状を有している。エミッタ領域EのY軸サイズは、LD12の半導体積層構造(具体的には導波路およびクラッド層の厚さ、屈折率比など)によって規定される。エミッタ領域EのX軸サイズは、発光層を横切る方向に電流が流れる領域のX軸サイズ、具体的にはリッジ構造(不図示)の幅(利得導波路幅)などによって規定される。 2 is a perspective view showing an example of the basic configuration of the LD 12. The configuration shown is simplified for the purpose of explanation. In the example of FIG. 2, the LD 12 has a striped p-side electrode 12P formed on the upper surface, an n-side electrode 12N formed on the lower surface, and an emitter region E located on the end surface 12F. Laser light L is emitted from the emitter region E. The LD 12 has a semiconductor substrate and a plurality of semiconductor layers (semiconductor laminate structure) grown on the semiconductor substrate. The semiconductor laminate structure includes a light-emitting layer that emits light by performing laser oscillation, and may have various known configurations. The LD 12 in this example is a broad area type, and the emitter region E has a shape in which the size in the X-axis direction (e.g., 50 μm or more) is significantly larger than the size in the Y-axis direction (e.g., about 2 μm). The Y-axis size of the emitter region E is determined by the semiconductor laminate structure of the LD 12 (specifically, the thickness of the waveguide and cladding layer, the refractive index ratio, etc.). The X-axis size of the emitter region E is determined by the X-axis size of the region through which current flows across the light-emitting layer, specifically the width of the ridge structure (not shown) (gain waveguide width).

図2に示されるように、エミッタ領域Eから出射されるレーザ光Lのビーム形状はX軸方向とY軸方向で非対称になる。図2では、レーザ光Lのファーフィールド(遠方界)パターンが模式的に示される。レーザ光Lは、Y軸方向ではシングルモードのガウシアンビームに近似されるビーム形状を有するが、X軸方向では全体として発散角の小さなマルチモードのビーム形状を有する。Y軸方向の発散半角θy0は、X軸方向の発散半角θx0よりも大きい。Y軸方向におけるレーザ光Lは、ガウシアンビームに近似できるため、Y軸方向のビームウエスト位置におけるビーム半径をωo、レーザ光Lの波長をλとすると、θy0=tan-1(λ/πωo)≒λ/(πωo)ラジアンが成立する。λが可視光域にあるブロードエリア型レーザダイオードの場合、θy0は例えば20度、θx0は例えば5度である。その結果、レーザ光LのY軸サイズは、Z軸方向に沿って伝搬するときに相対的に「速く」発散して拡大する。このため、Y軸は「速軸」、X軸は「遅軸」と呼ばれる。遅軸方向におけるビーム品質は、マルチモードであるため、速軸方向におけるビーム品質に比べて相対的に劣化している。その結果、ビーム品質を規定するビームパラメータ積BPP(Beam Parameter Product)は、速軸方向における値に比べると、遅軸方向で相対的に大きくなる。なお、BPPは、ビームウエスト半径と遠方界における発散半角の積である。 As shown in FIG. 2, the beam shape of the laser light L emitted from the emitter region E is asymmetric in the X-axis direction and the Y-axis direction. In FIG. 2, the far-field pattern of the laser light L is shown typically. The laser light L has a beam shape that is approximated to a single-mode Gaussian beam in the Y-axis direction, but has a multi-mode beam shape with a small overall divergence angle in the X-axis direction. The divergence half angle θ y0 in the Y-axis direction is larger than the divergence half angle θ x0 in the X-axis direction. Since the laser light L in the Y-axis direction can be approximated to a Gaussian beam, if the beam radius at the beam waist position in the Y-axis direction is ω o and the wavelength of the laser light L is λ, then θ y0 = tan -1 (λ/πω o ) ≒ λ/(πω o ) radians is established. In the case of a broad-area laser diode in which λ is in the visible light range, θ y0 is, for example, 20 degrees and θ x0 is, for example, 5 degrees. As a result, the Y-axis size of the laser light L diverges and expands relatively "fast" when propagating along the Z-axis direction. For this reason, the Y-axis is called the "fast axis" and the X-axis is called the "slow axis." The beam quality in the slow axis direction is relatively degraded compared to the beam quality in the fast axis direction because of the multimode. As a result, the beam parameter product BPP (Beam Parameter Product) that defines the beam quality is relatively larger in the slow axis direction compared to the value in the fast axis direction. Note that BPP is the product of the beam waist radius and the divergence half angle in the far field.

図の例において、Z軸はLD12から出射されるレーザ光Lの伝搬方向(ビーム中心軸)に平行である。単一のLDの動作を説明する場合、XYZ座標系の原点をエミッタ領域Eの中心に一致させることが便利である。しかし、複数のLDについて空間ビーム結合を説明する場合、XYZ座標系の原点は、いずれかのLDに関連づけて定める必要はない。また、空間ビーム結合に用いられる複数のLDの向きは相互に平行である必要はないし、個々のレーザビームが異なるミラーによって反射されて伝搬方向を変える場合もある。このため、本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、それぞれ、グローバルなXYZ座標系における「Y軸方向」および「X軸方向」に対して平行であるとは限らず、各レーザビームが有するビーム品質の非対称性に依存して決まる。すなわち、レーザビームの伝搬方向に直交する断面において、BPPが最も低い方向が「速軸」であり、速軸に直交する方向が「遅軸」である。 In the example shown in the figure, the Z axis is parallel to the propagation direction (beam central axis) of the laser light L emitted from the LD 12. When describing the operation of a single LD, it is convenient to make the origin of the XYZ coordinate system coincide with the center of the emitter region E. However, when describing spatial beam combining for multiple LDs, the origin of the XYZ coordinate system does not need to be determined in relation to any of the LDs. In addition, the orientations of multiple LDs used in spatial beam combining do not need to be parallel to each other, and individual laser beams may be reflected by different mirrors to change their propagation direction. For this reason, the terms "fast axis direction" and "slow axis direction" in this disclosure are not necessarily parallel to the "Y axis direction" and "X axis direction" in the global XYZ coordinate system, respectively, and are determined depending on the asymmetry of the beam quality of each laser beam. That is, in a cross section perpendicular to the propagation direction of the laser beam, the direction with the lowest BPP is the "fast axis", and the direction perpendicular to the fast axis is the "slow axis".

再び、図1Aおよび図1Bを参照する。これらの図では、簡単のため、レーザ光LおよびコリメートビームBが3本の代表的な光線によって単純化されて表されている。3本の光線のうち、中央の光線はレンズの光軸上にあり、他の2本の光線は、ビーム直径を規定する位置を模式的に示している。ビーム直径は、ビーム中心の光強度に対して例えば1/e以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、eはネイピア数(約2.71)である。ビーム直径またはビーム半径は、他の基準によって定義されてもよい。 Again, reference is made to Figures 1A and 1B. In these figures, for simplicity, the laser light L and the collimated beam B are represented in a simplified manner by three representative rays. Of the three rays, the central ray is on the optical axis of the lens, and the other two rays show the positions that define the beam diameter. The beam diameter may be defined by the size of a region having a light intensity of, for example, 1/e2 or more with respect to the light intensity at the center of the beam, where e is Napier's number (approximately 2.71). The beam diameter or beam radius may be defined by other criteria.

速軸コリメータレンズFACは、図1Bに示されるように、レーザ光Lの伝搬方向(Z軸)および速軸方向(Y軸)を含む平面(YZ面)内でレーザ光Lをコリメートする。遅軸コリメータレンズSACは、図1Aに示されるように、伝搬方向(Z軸)および遅軸方向(X軸)を含む平面(XZ面)内でレーザ光Lをコリメートする。これらのコリメートを行うため、速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACは、それぞれの前側焦点にエミッタ領域Eの中心が位置するように配置されている。 As shown in FIG. 1B, the fast axis collimator lens FAC collimates the laser light L in a plane (YZ plane) that includes the propagation direction (Z axis) and fast axis direction (Y axis) of the laser light L. As shown in FIG. 1A, the slow axis collimator lens SAC collimates the laser light L in a plane (XZ plane) that includes the propagation direction (Z axis) and slow axis direction (X axis). To perform this collimation, the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC are positioned so that the center of the emitter region E is located at their respective front foci.

図2に模式的に示されているレーザ光Lの断面は、近傍界では、エミッタ領域Eの形状を反映して遅軸方向に比べて速軸方向に短い形状を有している。しかし、速軸方向の発散半角が大きいため、速軸方向のサイズは、エミッタ領域Eから離れるについて急速に拡大する。このため、光学系30Pを通過した後におけるコリメートビームBの断面の形状およびサイズは、レーザ光Lの光路上における速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACの位置に依存する。より正確には、速軸方向の発散半角θy0(または速軸コリメータレンズFACの開口数)と速軸コリメータレンズFACの焦点距離によってコリメートビームBの速軸サイズが規定される。同様に、遅軸方向の発散半角θx0(または遅軸コリメータレンズSACの開口数)と遅軸コリメータレンズSACの焦点距離によってコリメートビームBの遅軸サイズが規定される。 The cross section of the laser light L, which is shown in FIG. 2, has a shape that is shorter in the fast axis direction than in the slow axis direction in the near field, reflecting the shape of the emitter region E. However, since the divergence half angle in the fast axis direction is large, the size in the fast axis direction rapidly expands as it moves away from the emitter region E. Therefore, the shape and size of the cross section of the collimated beam B after passing through the optical system 30P depend on the positions of the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC on the optical path of the laser light L. More precisely, the fast axis size of the collimated beam B is determined by the divergence half angle θ y0 in the fast axis direction (or the numerical aperture of the fast axis collimator lens FAC) and the focal length of the fast axis collimator lens FAC. Similarly, the slow axis size of the collimated beam B is determined by the divergence half angle θ x0 in the slow axis direction (or the numerical aperture of the slow axis collimator lens SAC) and the focal length of the slow axis collimator lens SAC.

一般に、速軸コリメータレンズFACがLD12の端面12F、より具体的にはエミッタ領域E、に近いほど、コリメートビームBの速軸サイズを小さくすることができる。言い換えると、速軸コリメータレンズFACがLD12の端面12F(エミッタ領域E)から離れているほど、コリメートビームBの速軸サイズは大きくなる。同様に、遅軸コリメータレンズSACがLD12の端面12F(エミッタ領域E)から離れているほど、コリメートビームBの遅軸サイズも大きくなる。なお、レーザ光Lの光路上における速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACの位置を変更する場合、コリメータレンズFAC、SACの口径および焦点距離を適切に変更する必要がある。エミッタ領域Eの中心は、常にコリメータレンズFAC、SACのそれぞれの前側焦点に配置される。 In general, the closer the fast axis collimator lens FAC is to the end face 12F of the LD 12, more specifically, to the emitter region E, the smaller the fast axis size of the collimated beam B can be. In other words, the farther the fast axis collimator lens FAC is from the end face 12F (emitter region E) of the LD 12, the larger the fast axis size of the collimated beam B. Similarly, the farther the slow axis collimator lens SAC is from the end face 12F (emitter region E) of the LD 12, the larger the slow axis size of the collimated beam B. Note that when changing the positions of the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC on the optical path of the laser light L, it is necessary to appropriately change the aperture and focal length of the collimator lenses FAC and SAC. The center of the emitter region E is always located at the front focal point of each of the collimator lenses FAC and SAC.

上記の構成を有する複数の光源ユニット100Pを用いて空間ビーム結合を行う場合、発振波長が近赤外域よりも短いLD12を採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のエミッタ領域Eに雰囲気中の塵埃などが付着して光出力が低下し得るという問題がある。エミッタ領域に付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザ光Lと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザ光Lの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。このような問題を回避するため、複数のLD12を筐体内に収容するとき、筐体内に塵埃が混入しないように留意して筐体の組立を行い、筐体そのものを封止することが考えられる。しかし、空間ビーム結合に必要なレンズ系およびミラーなどの部品に塵埃などが付着していることがあり、また、筐体全体の気密性を高くすることは難しいため、長期にわたって光出力を高く維持することは困難であることがわかった。 When spatial beam combining is performed using a plurality of light source units 100P having the above configuration, if an LD 12 with an oscillation wavelength shorter than the near-infrared region is adopted and its optical output is increased, there is a problem that dust in the atmosphere may adhere to the emitter region E during operation due to the optical dust collection effect, and the optical output may decrease. The material that adheres to the emitter region is not limited to dust, and there is also the possibility of deposits generated by chemical reaction of volatilized organic matter with the laser light L. The shorter the wavelength of the laser light L becomes and the higher the optical output becomes, the more significant the deterioration caused by the adhered material becomes. In order to avoid such a problem, when a plurality of LDs 12 are housed in a housing, it is possible to assemble the housing while taking care not to let dust get into the housing and seal the housing itself. However, it has been found that dust may adhere to parts such as the lens system and mirrors required for spatial beam combining, and it is difficult to increase the airtightness of the entire housing, making it difficult to maintain high optical output for a long period of time.

他の問題解決手段として、個々のLD12を封止された半導体レーザパッケージ内に収容することが考えられる。LDのパッケージ技術は高度に進んでおり、長期間、信頼性の高い動作が実現している。しかし、半導体レーザパッケージの内部にLD12を収容した場合、速軸コリメータレンズFACをLD12のエミッタ領域に近づけようとしても、半導体レーザパッケージが物理的に干渉するため、十分に近づけることができず、焦点距離が相対的に長い速軸コリメータレンズFACしか採用できなくなる。以下、この点を説明する。 Another possible solution to this problem is to house each LD 12 in a sealed semiconductor laser package. LD packaging technology is highly advanced, and highly reliable operation over long periods of time has been achieved. However, when the LD 12 is housed inside a semiconductor laser package, even if an attempt is made to bring the fast axis collimator lens FAC close to the emitter region of the LD 12, the semiconductor laser package physically interferes, making it impossible to bring the lens close enough, and only fast axis collimator lenses FAC with a relatively long focal length can be used. This point is explained below.

図3Aは、半導体レーザパッケージ10に収容されたLD12から出射されたレーザ光をコリメートして出力する光源ユニット100Qの構成例を示すXZ面に平行な模式断面図であり、図3Bは、そのYZ面に平行な模式断面図である。以下、半導体レーザパッケージを単にパッケージと称する場合がある。 Figure 3A is a schematic cross-sectional view parallel to the XZ plane showing an example of the configuration of a light source unit 100Q that collimates and outputs the laser light emitted from the LD 12 housed in the semiconductor laser package 10, and Figure 3B is a schematic cross-sectional view parallel to the YZ plane. Hereinafter, the semiconductor laser package may be simply referred to as a package.

図からわかるように、LD12のエミッタ領域Eと速軸コリメータレンズFACとの間にパッケージ10の窓部材14が位置しており、速軸コリメータレンズFACを図示されている状態よりもLD12のエミッタ領域Eに近づけることはできない。前述した光源ユニット100Pの場合、LD12のエミッタ領域Eから速軸コリメータレンズFACまでの距離を、例えば0.3ミリメートル(mm)にすることができる。これに対して、パッケージ10の内部に収容されたLD12のエミッタ領域Eから速軸コリメータレンズFACまでの距離(後述する「光学距離」を意味する)は、例えば1.5mm程度に増加する。エミッタ領域Eの中心は速軸コリメータレンズFACの前側焦点に位置する必要があるため、速軸コリメータレンズFACの焦点距離を長くする必要があり、必然的にコリメートビームBの速軸(Y軸)方向サイズが数倍に増加してしまう。コリメートビームBの速軸サイズが増加すると、空間ビーム結合を行うために使用される収束光学系が大型化するなどの不都合が生じる。この不都合の詳細は後述する。 As can be seen from the figure, the window member 14 of the package 10 is located between the emitter region E of the LD 12 and the fast axis collimator lens FAC, and the fast axis collimator lens FAC cannot be brought closer to the emitter region E of the LD 12 than the state shown in the figure. In the case of the light source unit 100P described above, the distance from the emitter region E of the LD 12 to the fast axis collimator lens FAC can be set to, for example, 0.3 millimeters (mm). In contrast, the distance from the emitter region E of the LD 12 housed inside the package 10 to the fast axis collimator lens FAC (meaning the "optical distance" described later) increases to, for example, about 1.5 mm. Since the center of the emitter region E needs to be located at the front focus of the fast axis collimator lens FAC, the focal length of the fast axis collimator lens FAC needs to be long, which inevitably increases the fast axis (Y axis) size of the collimated beam B by several times. If the fast axis size of the collimated beam B increases, inconveniences such as the size of the convergent optical system used to perform spatial beam combination will occur. This inconvenience will be explained in more detail below.

本開示の実施形態によれば、このような問題を解決することが可能になる。以下、本開示の実施形態における光源ユニット100の基本的な構成例を説明する。 According to an embodiment of the present disclosure, it is possible to solve such problems. Below, an example of the basic configuration of the light source unit 100 in an embodiment of the present disclosure is described.

<実施形態>
光源ユニット
図4は、本実施形態における光源ユニット100の基本的な構成例を示す図である。図5は、光源ユニット100における主要部の模式図である。図示されている例において、光源ユニット100は、封止されたパッケージ10と、第1レンズ系20と、第2レンズ系30とを備える。
<Embodiment>
Light source unit
Fig. 4 is a diagram showing an example of a basic configuration of the light source unit 100 in this embodiment. Fig. 5 is a schematic diagram of a main part of the light source unit 100. In the example shown in the figure, the light source unit 100 includes a sealed package 10, a first lens system 20, and a second lens system 30.

パッケージ10は、レーザ光Lを出射するエミッタ領域Eを端面12Fに有するLD12と、レーザ光Lを透過する窓部材14とを含む。パッケージ10の構成は特に限定されず、例えばΦ5.6mmまたはΦ9mmなどのTO-CAN型のパッケージであり得る。パッケージ10は、リード端子を有するステムと、ステムに固定されたLDを覆う金属キャップとを備え、金属キャップには透光性を有する窓部材14が取り付けられている。窓部材14の典型例は、光学ガラス(屈折率:1.4以上)から形成された薄板である。パッケージ10の内部は、クリーン度の高い窒素ガスまたは希ガスなどの不活性ガスによって充填され、気密に封止され得る。LD12は、例えば窒化物半導体系材料から形成された近紫外、青紫、青色、または緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であり得る。具体的には、LD12の発振波長(中心波長)は、例えば350nm以上550nm以下の範囲にある。LD12は、熱伝導率の高いサブマウントを介してステムに固定され得る。LD12の向きは、図示されている例に限定されず、パッケージ内のミラーによってレーザ光をZ軸方向に反射するよう配置されていてもよい。 The package 10 includes an LD 12 having an emitter region E on an end surface 12F that emits laser light L, and a window member 14 that transmits the laser light L. The configuration of the package 10 is not particularly limited, and may be, for example, a TO-CAN type package such as Φ5.6 mm or Φ9 mm. The package 10 includes a stem having a lead terminal and a metal cap that covers the LD fixed to the stem, and a window member 14 having light transmission is attached to the metal cap. A typical example of the window member 14 is a thin plate made of optical glass (refractive index: 1.4 or more). The inside of the package 10 can be filled with a highly clean inert gas such as nitrogen gas or a rare gas, and hermetically sealed. The LD 12 may be, for example, a semiconductor laser element made of a nitride semiconductor material that outputs near-ultraviolet, blue-violet, blue, or green laser light. Specifically, the oscillation wavelength (center wavelength) of the LD 12 is, for example, in the range of 350 nm to 550 nm. The LD 12 can be fixed to the stem via a submount with high thermal conductivity. The orientation of the LD 12 is not limited to the example shown in the figure, and it may be arranged so that the laser light is reflected in the Z-axis direction by a mirror in the package.

第1レンズ系20は、窓部材14を透過したレーザ光Lを受け、エミッタ領域Eの像E’を像面22に形成する。また、図5に示される例においては、窓部材14と同様の構成およびサイズを有する第2窓部材15が第1レンズ系20の光路上に配置されている。第2窓部材15は、第1レンズ系20に関して窓部材14の位置と対称な位置に置かれている。像面22は、エミッタ領域Eの各点から発せられた光線が第1レンズ系20の屈折作用によって一点に収束して結像する面である。エミッタ領域Eと像面22上の像E’は、共役の位置またはその近傍にある。本開示の実施形態において、エミッタ領域Eの中心を通るレーザ光Lの光軸と第1レンズ系20の光軸とは一致している。本開示では、第1レンズ系20の光軸に垂直な平面のうち、エミッタ領域Eの中心から発せられた光線が第1レンズ系20によって収束する点の中心を通る平面を「像面」と定義する。像面22にスクリーンを置いた場合、そのスクリーン上にはエミッタ領域Eの像E’が形成される。しかし、現実には像面22にはスクリーンは配置されていないため、像E’は、自由空間中に位置する仮想光源として機能する。このような仮想光源を、エミッタ領域Eの中間像、再現像または転写像と呼んでもよい。第2窓部材15は、窓部材14がレーザ光Lに及ぼす影響を補償し、像面22に形成される像E’の形状がエミッタ領域Eの形状を正確に再現することに寄与する。第2窓部材15は不可欠ではないが、第1レンズ系20は第2窓部材15または第2窓部材15の機能を発揮し得る光学部材を有していることが好ましい。 The first lens system 20 receives the laser light L transmitted through the window member 14 and forms an image E' of the emitter region E on the image plane 22. In the example shown in FIG. 5, a second window member 15 having the same configuration and size as the window member 14 is arranged on the optical path of the first lens system 20. The second window member 15 is placed in a position symmetrical to the position of the window member 14 with respect to the first lens system 20. The image plane 22 is a surface on which light rays emitted from each point of the emitter region E are converged to one point by the refraction action of the first lens system 20 to form an image. The emitter region E and the image E' on the image plane 22 are at or near a conjugate position. In the embodiment of the present disclosure, the optical axis of the laser light L passing through the center of the emitter region E coincides with the optical axis of the first lens system 20. In this disclosure, the plane perpendicular to the optical axis of the first lens system 20, which passes through the center of the point where the light emitted from the center of the emitter region E is converged by the first lens system 20, is defined as the "image plane". When a screen is placed on the image plane 22, an image E' of the emitter region E is formed on the screen. However, since no screen is actually placed on the image plane 22, the image E' functions as a virtual light source located in free space. Such a virtual light source may be called an intermediate image, redevelopment, or transfer image of the emitter region E. The second window member 15 compensates for the effect of the window member 14 on the laser light L, and contributes to the shape of the image E' formed on the image plane 22 accurately reproducing the shape of the emitter region E. Although the second window member 15 is not essential, it is preferable that the first lens system 20 has the second window member 15 or an optical member that can perform the function of the second window member 15.

第2レンズ系30は、像面22を通過したレーザ光LをコリメートビームBまたは収束ビームに変換して出射する。第2レンズ系30は、像面22に位置するエミッタ領域Eの像(仮想光源)E’から光を取り込むため、パッケージ10の構造による物理的な制約(干渉)を受けることなく、第2レンズ系30の焦点距離を短縮できる。 The second lens system 30 converts the laser light L that has passed through the image plane 22 into a collimated beam B or a convergent beam and emits it. The second lens system 30 takes in light from the image (virtual light source) E' of the emitter region E located on the image plane 22, so the focal length of the second lens system 30 can be shortened without being subject to physical constraints (interference) due to the structure of the package 10.

図5には、LD12の端面12Fから窓部材14の外側表面14Sまでの距離L0と、像面22から第2レンズ系30までの距離L2が示されている。図5に示される例では、L0>L2となるように、第2レンズ系30の速軸コリメータレンズFACが配置されている。こうして、パッケージ10の構造による物理的な制約を受ける場合に比べて、第2レンズ系30(具体的には速軸コリメータレンズFAC)の焦点距離を短縮し、コリメートビームBの直径を小さくできる。ここでの「距離」は、「光学距離」を意味する。光学距離は、光線の経路に沿って線素dsと屈折率nの積であるn・dsを積分した値であり、「光学的距離」または「光路長」とも呼ばれる。距離L0は、窓部材14の厚さが同じであっても、窓部材14の屈折率に応じて異なり得る。窓部材14の屈折率は空気の屈折率(約1.0)よりも高いため、窓部材14の存在は光学距離を実質的に増加させる。窓部材14の厚さは、典型的には0.25mm程度である。窓部材14が例えば屈折率1.52のガラスから形成されている場合、窓部材14だけで光学距離は0.38(=0.25×1.52)mmに達し得る。更にLD12と窓部材14との間には所定のギャップが存在するため、距離L0は1.0mm以上になることもある。なお、像面22から第2レンズ系30までの距離は、第2レンズ系30に含まれるレンズなどの1個または複数個の光学素子が有する表面のうちで像面22に最も近い位置にある表面と、像面22との間の光学距離を意味する。本実施形態において、像面22から第2レンズ系30までの距離L2は、速軸コリメータレンズFACの「前側焦点距離」、「ワーキングディスタンス」、および「BFL:Back Focal Length」に相当する。 5 shows the distance L0 from the end face 12F of the LD 12 to the outer surface 14S of the window member 14, and the distance L2 from the image plane 22 to the second lens system 30. In the example shown in FIG. 5, the fast axis collimator lens FAC of the second lens system 30 is arranged so that L0>L2. In this way, the focal length of the second lens system 30 (specifically the fast axis collimator lens FAC) can be shortened and the diameter of the collimated beam B can be made smaller than when it is subject to physical constraints due to the structure of the package 10. Here, "distance" means "optical distance". The optical distance is the integral of n·ds, which is the product of the line element ds and the refractive index n along the path of the light ray, and is also called the "optical distance" or "optical path length". The distance L0 may vary depending on the refractive index of the window member 14 even if the thickness of the window member 14 is the same. Since the refractive index of the window member 14 is higher than the refractive index of air (approximately 1.0), the presence of the window member 14 substantially increases the optical distance. The thickness of the window member 14 is typically about 0.25 mm. If the window member 14 is made of glass with a refractive index of 1.52, for example, the optical distance of the window member 14 alone can reach 0.38 (=0.25×1.52) mm. Furthermore, since there is a certain gap between the LD 12 and the window member 14, the distance L0 may be 1.0 mm or more. The distance from the image plane 22 to the second lens system 30 means the optical distance between the image plane 22 and the surface located closest to the image plane 22 among the surfaces of one or more optical elements such as lenses included in the second lens system 30. In this embodiment, the distance L2 from the image plane 22 to the second lens system 30 corresponds to the "front focal length", "working distance", and "BFL: Back Focal Length" of the fast axis collimator lens FAC.

本実施形態によれば、距離L2、すなわち速軸コリメータレンズFACの「前側焦点距離」を1.0mm以下、典型的には0.8mm以下にできるし、0.5mm以下の値(例えば約0.3mm)にすることも可能である。こうして、LD12を、封止されたパッケージ10の内部に収容しながら、コリメートビームBの速軸(Y軸)方向サイズを小さく維持できる。その結果、空間ビーム結合を行うときに収束のための光学系を大型化することなく、長期信頼性を高めることが可能になる。 According to this embodiment, the distance L2, i.e., the "front focal length" of the fast axis collimator lens FAC, can be set to 1.0 mm or less, typically 0.8 mm or less, and can also be set to a value of 0.5 mm or less (e.g., about 0.3 mm). In this way, the fast axis (Y-axis) direction size of the collimated beam B can be kept small while the LD 12 is housed inside the sealed package 10. As a result, it is possible to improve long-term reliability without enlarging the size of the optical system for convergence when performing spatial beam combining.

第1レンズ系20は、1個の単レンズによって構成されている必要はなく、組レンズから構成されていてもよい。また、図6に示すように、第1レンズ系20が対物レンズ系24と結像レンズ系26とを含むリレーレンズであってもよい。対物レンズ系24と結像レンズ系26を用いることにより、無限遠補正光学系を形成することができる。対物レンズ系24および結像レンズ系26も、それぞれ、組レンズであってもよい。組レンズを採用することにより、収差を低減してビーム品質の劣化を抑制することができる。 The first lens system 20 does not have to be composed of a single lens, and may be composed of a compound lens. As shown in FIG. 6, the first lens system 20 may be a relay lens including an objective lens system 24 and an imaging lens system 26. By using the objective lens system 24 and the imaging lens system 26, an infinity corrected optical system can be formed. The objective lens system 24 and the imaging lens system 26 may also each be a compound lens. By employing a compound lens, aberration can be reduced and deterioration of beam quality can be suppressed.

図6の例において、LD12のエミッタ領域Eは、対物レンズ系24の前側焦点に位置している。像面22は、結像レンズ系26の後側焦点に位置している。本開示の実施形態において、結像レンズ系26の実効焦点距離F2は、対物レンズ系24の実効焦点距離F1以上である。実効焦点距離は、レンズの主点から焦点までの距離を意味する。像面22に形成される像の横倍率は、F2/F1であるため、像面22におけるエミッタ領域Eの像E’の大きさは、エミッタ領域Eの大きさのF2/F1倍である。F2がF1よりも大きいと、拡大されたエミッタ領域Eの像E’が仮想光源として機能する。ここで、仮想光源の速軸方向のサイズ、すなわち像面22における速軸方向ビーム径を2×ωy1とする。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角(遠方界における発散半角)をθy1とする。一方、実際のエミッタ領域Eの速軸サイズ、すなわちエミッタ領域Eにおける速軸方向ビーム径を2×ωy0とする。また、エミッタ領域Eから出射されたビームの速軸方向発散半角(遠方界における発散半角)をθy0とする。ビーム品質が劣化しない条件のもとでは、ωy0×θy0=ωy1×θy1の関係が成立する。したがって、F2/F1が1より大きいと、ωy0よりもωy1が大きくなり、θy1がθy0よりも小さくなる。その結果、第2レンズ系30(速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSAC)の開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。このことの技術的意義については、後述する。 In the example of FIG. 6, the emitter region E of the LD 12 is located at the front focus of the objective lens system 24. The image plane 22 is located at the rear focus of the imaging lens system 26. In the embodiment of the present disclosure, the effective focal length F2 of the imaging lens system 26 is equal to or greater than the effective focal length F1 of the objective lens system 24. The effective focal length means the distance from the principal point of the lens to the focal point. Since the lateral magnification of the image formed on the image plane 22 is F2/F1, the size of the image E' of the emitter region E on the image plane 22 is F2/F1 times the size of the emitter region E. When F2 is larger than F1, the enlarged image E' of the emitter region E functions as a virtual light source. Here, the size of the virtual light source in the fast axis direction, that is, the fast axis beam diameter on the image plane 22 is 2×ω y1 . In addition, the fast axis divergence half angle (divergence half angle in the far field) of the beam emitted from the virtual light source is θ y1 . On the other hand, the fast axis size of the actual emitter region E, that is, the fast axis direction beam diameter in the emitter region E, is 2×ω y0 . In addition, the fast axis direction divergence half angle of the beam emitted from the emitter region E (divergence half angle in the far field) is θ y0 . Under the condition that the beam quality does not deteriorate, the relationship ω y0 ×θ y0y1 ×θ y1 is established. Therefore, when F2/F1 is larger than 1, ω y1 is larger than ω y0 , and θ y1 is smaller than θ y0 . As a result, it is possible to reduce the numerical aperture of the second lens system 30 (the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC) and increase the effective focal length. The technical significance of this will be described later.

なお第2レンズ系30は、コリメートビームを出射する光学系に限定されず、収束ビームを出射する光学系であってよい。 The second lens system 30 is not limited to an optical system that emits a collimated beam, but may be an optical system that emits a convergent beam.

本実施形態において、像面22から第2レンズ系30までの距離L2は、像面22から速軸コリメータレンズFACまでの距離によって規定される。ここで、像面22から速軸コリメータレンズFACまでの距離とは、速軸コリメータレンズFACの表面のうちで像面22に最も近い位置にある表面と像面22との間の光学距離を意味する。非球面レンズを用いず、速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACを用いることにより、速軸および遅軸のそれぞれについて個別に適切なコリメートを実現できる。本開示の実施形態によれば、像面22に近い位置に速軸コリメータレンズFACを配置することにより、速軸コリメータレンズFACの実効焦点距離を短くし、コリメートビームBの速軸サイズを小さくすることができる。 In this embodiment, the distance L2 from the image plane 22 to the second lens system 30 is determined by the distance from the image plane 22 to the fast axis collimator lens FAC. Here, the distance from the image plane 22 to the fast axis collimator lens FAC means the optical distance between the image plane 22 and the surface of the fast axis collimator lens FAC that is closest to the image plane 22. By using the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC without using an aspheric lens, appropriate collimation can be achieved individually for each of the fast axis and the slow axis. According to an embodiment of the present disclosure, by arranging the fast axis collimator lens FAC in a position close to the image plane 22, the effective focal length of the fast axis collimator lens FAC can be shortened and the fast axis size of the collimated beam B can be reduced.

本開示の実施形態において、第2レンズ系30が、像面22の側から順に配置された速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACを含む場合、速軸コリメータレンズFACの実効焦点距離EFLを1.0mm以下にすることにより、コリメートビームBの速軸サイズを、例えば1.0mm以下(例えば0.8mm程度)にすることが可能になる。コリメートビームBの速軸サイズが小さいと、複数のコリメートビームBを空間的に結合するための光学系および装置(ビームコンバイナ)を小さくすることができる。 In an embodiment of the present disclosure, when the second lens system 30 includes a fast axis collimator lens FAC and a slow axis collimator lens SAC arranged in this order from the image plane 22 side, the effective focal length EFL of the fast axis collimator lens FAC can be set to 1.0 mm or less, thereby making it possible to make the fast axis size of the collimated beam B, for example, 1.0 mm or less (for example, about 0.8 mm). If the fast axis size of the collimated beam B is small, the optical system and device (beam combiner) for spatially combining multiple collimated beams B can be made smaller.

なお、像面22の位置に開口絞りを配置してもよい。仮想光源として機能するエミッタ像E’の周辺部における不要な光を開口絞りによって遮断することができる。コリメートビームBが光ファイバに入射するとき、ファイバ結合にとって不要な干渉光(エアリディスクの外側に形成される干渉光)が、上記の開口絞りの働きによって取り除かれる。 An aperture stop may be placed at the position of the image plane 22. The aperture stop can block unnecessary light at the periphery of the emitter image E', which functions as a virtual light source. When the collimated beam B enters the optical fiber, the interference light (the interference light formed outside the airy disk) that is unnecessary for fiber coupling is removed by the action of the aperture stop.

レーザ光源モジュール
次に、図7A、図7Bおよび図7Cを参照して、本開示によるレーザ光源モジュールの実施形態を説明する。図7Aは、本実施形態におけるレーザ光源モジュール200のXZ面の法線方向からみた模式的な上面図、図7BはYZ面の法線方向からみた模式的な側面図、図7CはXY面の法線方向からみた模式的な正面図である。図示されている構成は、不図示の筐体(ハウジング)に収容されている。
Laser Light Source Module Next, an embodiment of the laser light source module according to the present disclosure will be described with reference to Fig. 7A, Fig. 7B, and Fig. 7C. Fig. 7A is a schematic top view of the laser light source module 200 in this embodiment as viewed from the normal direction of the XZ plane, Fig. 7B is a schematic side view as viewed from the normal direction of the YZ plane, and Fig. 7C is a schematic front view as viewed from the normal direction of the XY plane. The illustrated configuration is accommodated in a housing (not shown).

図示されているレーザ光源モジュール200は、複数のレーザ光源100A、100B、100Cと、ビームコンバイナ120とを備えている。複数のレーザ光源100A、100B、100Cのそれぞれは、前述の光源ユニット100である。以下、簡単のため、レーザ光源100A、100B、100Cを総称して「光源ユニット100」と略記する場合がある。1個のレーザ光源モジュール200に含まれる光源ユニット100の個数は任意である。この例において、光源ユニット100の個数は3であるが、典型的には4以上である。図8は、9個の光源ユニット100を備える他の構成例を模式的に示す斜視図である。光源ユニット100の個数に比例して結合ビームの光出力および光強度を高めることが可能になる。限られた空間内を多数のコリメートビームで充填して充填率を高めるには、コリメートビームの速軸サイズを小さくして、Y軸(速軸)方向におけるコリメートビームBの中心間ピッチSを短縮することが好ましい。 The illustrated laser light source module 200 includes a plurality of laser light sources 100A, 100B, and 100C, and a beam combiner 120. Each of the plurality of laser light sources 100A, 100B, and 100C is the light source unit 100 described above. Hereinafter, for simplicity, the laser light sources 100A, 100B, and 100C may be collectively referred to as the "light source unit 100". The number of light source units 100 included in one laser light source module 200 is arbitrary. In this example, the number of light source units 100 is three, but typically four or more. FIG. 8 is a perspective view showing a schematic diagram of another configuration example including nine light source units 100. It is possible to increase the optical output and optical intensity of the combined beam in proportion to the number of light source units 100. In order to increase the filling rate by filling a limited space with a large number of collimated beams, it is preferable to reduce the fast axis size of the collimated beam and shorten the center-to-center pitch S of the collimated beam B in the Y-axis (fast axis) direction.

なお、コリメートビームBは、図面において完全な平行光として簡略的に記載されているが、現実のコリメートビームBは、ビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角で発散する。このため、図8に示される例において、光源ユニット100の個数が多くなりすぎると、収束光学系160から離れた位置にある光源ユニット100からのコリメートビームBについては、その光路が長大になってビーム径が大きく発散する可能性がある。一例として、速軸コリメータレンズFACの実効焦点距離が0.3mmの場合、速軸コリメータレンズFACからコリメートビームBのビームウエストまでの距離は例えば50mm程度である。このような例では、光源ユニット100の個数が10を超えて多くなると、最大光路長が50mmを大きく超える。その結果、一部のコリメートビームBの発散が無視できず、コアサイズの小さな光ファイバに対して適切に集光することが難しくなる可能性がある。このため、空間ビーム結合によって結合するべきコリメートビームBの本数は、単純に多ければ多いほどよいわけではなく、条件に応じて適切な範囲に設定されることが望ましい。 Although the collimated beam B is simply depicted as a completely parallel light in the drawing, the actual collimated beam B diverges at a predetermined divergence angle after reaching the minimum beam radius at the beam waist. For this reason, in the example shown in FIG. 8, if the number of light source units 100 becomes too large, the optical path of the collimated beam B from the light source unit 100 located away from the convergence optical system 160 may become long and the beam diameter may diverge greatly. As an example, when the effective focal length of the fast axis collimator lens FAC is 0.3 mm, the distance from the fast axis collimator lens FAC to the beam waist of the collimated beam B is, for example, about 50 mm. In such an example, if the number of light source units 100 exceeds 10, the maximum optical path length greatly exceeds 50 mm. As a result, the divergence of some of the collimated beams B cannot be ignored, and it may be difficult to properly focus the light on an optical fiber with a small core size. For this reason, the number of collimated beams B to be combined by spatial beam combining is not simply better if it is more, but should be set within an appropriate range depending on the conditions.

ビームコンバイナ120は、複数の光源ユニット100から出射された複数のコリメートビームBを空間的に結合する。本実施形態において、各光源ユニット100から出射されたコリメートビームBは、ほぼ同一の波長(例えば、約465nm±10nm)を有しているが、位相は相互に同期されていない。このため、複数のコリメートビームBは、インコヒーレントに結合される。 The beam combiner 120 spatially combines multiple collimated beams B emitted from multiple light source units 100. In this embodiment, the collimated beams B emitted from each light source unit 100 have approximately the same wavelength (e.g., approximately 465 nm ± 10 nm), but their phases are not synchronized with each other. Therefore, the multiple collimated beams B are incoherently combined.

本実施形態において、レーザ光源モジュール200は、基準平面Refから複数のコリメートビームBの中心までの距離(高さ)Hがそれぞれ異なるように複数の光源ユニット100を支持する支持基体(サポート)140を備える。サポート140は、図7Bに示されるように、複数の段差を有する載置面140Tを有している。Y軸(速軸)方向におけるコリメートビームBの中心間ピッチSは、サポート140の載置面140Tにおける段差の大きさに相当する。中心間ピッチSは、例えば200μm以上350μmの範囲内に設定され得るが、わかりやすさのため、図7B、図7Cおよび図8では、段差が誇張して大きく記載されている。光源ユニット100は、図7Aに示されるように、Z軸方向に沿って中心間ピッチPで配列されている。 In this embodiment, the laser light source module 200 includes a support base (support) 140 that supports a plurality of light source units 100 such that the distances (heights) H from the reference plane Ref to the centers of the plurality of collimated beams B are different from one another. The support 140 has a mounting surface 140T having a plurality of steps, as shown in FIG. 7B. The center-to-center pitch S of the collimated beams B in the Y-axis (fast axis) direction corresponds to the size of the steps on the mounting surface 140T of the support 140. The center-to-center pitch S can be set within a range of, for example, 200 μm to 350 μm, but for ease of understanding, the steps are exaggerated and depicted large in FIGS. 7B, 7C, and 8. The light source units 100 are arranged at a center-to-center pitch P along the Z-axis direction, as shown in FIG. 7A.

本実施形態におけるビームコンバイナ120は、複数のコリメートビームBをそれぞれ反射する複数のミラーMを有するミラーアレイを含んでいる。具体的には、サポート140の載置面140Tが、光源ユニット100の個数に対応する個数のミラーMを異なる高さ(レベル位置)で支持している。各ミラーMの位置および向きは、対応するコリメートビームBを反射して収束光学系160に向けるようにアライメントされている。典型例において、ミラーMは、Y軸に平行な軸の周りにコリメートビームBを90度回転させる。こうして、本実施形態のミラーMのアレイは、反射された複数のコリメートビームBを基準平面Refに垂直な面(YZ面)に沿って伝搬させる。なお、ミラーMは、不図示の筐体壁に固定されていてもよいし、それぞれのミラーMの位置および向きを調整することが可能な部品を介して固定されていてもよい。なお、ミラーMの反射面は、入射するコリメートビームBの波長において選択的に高い反射率を有する多層膜から形成されていることが望ましい。 The beam combiner 120 in this embodiment includes a mirror array having a plurality of mirrors M that respectively reflect a plurality of collimated beams B. Specifically, the mounting surface 140T of the support 140 supports a number of mirrors M corresponding to the number of light source units 100 at different heights (level positions). The position and orientation of each mirror M is aligned so as to reflect the corresponding collimated beam B and direct it toward the convergence optical system 160. In a typical example, the mirror M rotates the collimated beam B by 90 degrees around an axis parallel to the Y axis. Thus, the array of mirrors M in this embodiment propagates the reflected collimated beams B along a plane (YZ plane) perpendicular to the reference plane Ref. The mirror M may be fixed to a housing wall (not shown), or may be fixed via a component that can adjust the position and orientation of each mirror M. It is preferable that the reflecting surface of the mirror M is formed from a multilayer film that has a selectively high reflectance at the wavelength of the incident collimated beam B.

Y軸方向におけるコリメートビームBの中心間ピッチSは、個々のミラーMのY軸方向におけるサイズよりも大きい。個々のミラーMのY軸方向におけるサイズは、典型例において、個々のコリメートビームBのY軸方向半径ωy2の2倍以上に設定される。ここで、ωy2は、厳密には、コリメートビームBのビームウエストにおける値であるが、発散半角が充分に小さいため、この例における光路上でコリメートビームBのY軸方向半径はωy2にほぼ等しいと近似してもよい。本実施形態において、S>2×ωy2が成立している。ωy2が例えば100μmのとき、Sは例えば300μm(=2.5×ωy2)に設定され得る。個々のコリメートビームBのY軸方向半径ωy2が小さいほど、中心間ピッチSを小さくすることができる。ここで、本実施形態における光源ユニット100ではなく、図3Bに示すような光源ユニット100Qを採用した場合、個々のコリメートビームBのY軸方向半径ωy2は、1mm程度に達する。そのため、段差の大きさSも1mm程度以上にする必要があり、空間ビーム結合後のビーム径が大きくなりすぎる。また、このような問題は、例えば図8に示すように、光源ユニット100の個数が大きくなるほど、顕著になる。しかし、本実施形態における光源ユニット100を用いることにより、この問題を解決できる。 The center-to-center pitch S of the collimated beams B in the Y-axis direction is larger than the size of each mirror M in the Y-axis direction. In a typical example, the size of each mirror M in the Y-axis direction is set to be more than twice the Y-axis radius ω y2 of each collimated beam B. Here, strictly speaking, ω y2 is a value at the beam waist of the collimated beam B, but since the divergence half angle is sufficiently small, the Y-axis radius of the collimated beam B on the optical path in this example may be approximated to be approximately equal to ω y2 . In this embodiment, S>2×ω y2 holds. When ω y2 is, for example, 100 μm, S can be set to, for example, 300 μm (=2.5×ω y2 ). The smaller the Y-axis radius ω y2 of each collimated beam B, the smaller the center-to-center pitch S can be. Here, when a light source unit 100Q as shown in FIG. 3B is adopted instead of the light source unit 100 in this embodiment, the Y-axis radius ω y2 of each collimated beam B reaches about 1 mm. Therefore, the size S of the step needs to be about 1 mm or more, and the beam diameter after spatial beam combination becomes too large. Moreover, such a problem becomes more prominent as the number of light source units 100 increases, for example, as shown in Fig. 8. However, this problem can be solved by using the light source unit 100 in this embodiment.

Y軸方向におけるコリメートビームBの中心間ピッチSを決定するとき、光源ユニット100どうしの物理的な干渉を気にする必要はない。これに対して、Z軸方向における中心間ピッチPは、隣接する2個の光源ユニット100が物理的に干渉しないように決定される。 When determining the center-to-center pitch S of the collimated beams B in the Y-axis direction, there is no need to be concerned about physical interference between the light source units 100. In contrast, the center-to-center pitch P in the Z-axis direction is determined so that two adjacent light source units 100 do not physically interfere with each other.

ビームコンバイナ120は、複数のミラーMによってそれぞれ反射された複数のコリメートビームBを収束する光学系160を含む。本実施形態における光学系160は、複数のコリメートビームBを不図示の光ファイバに光結合する。なお、ミラーMの反射面は平坦である必要はない。ミラーMは、光学系160が有する収束機能の少なくとも一部を担っていてもよい。また、ビームコンバイナ120は、ミラーM以外の光学部品、例えば波長選択性を有するフィルタ、を有していてもよい。 The beam combiner 120 includes an optical system 160 that converges multiple collimated beams B that are respectively reflected by multiple mirrors M. In this embodiment, the optical system 160 optically couples the multiple collimated beams B to an optical fiber (not shown). Note that the reflecting surface of the mirror M does not need to be flat. The mirror M may perform at least a part of the convergence function of the optical system 160. The beam combiner 120 may also have optical components other than the mirror M, such as a filter having wavelength selectivity.

図7A、図7B、図7C、および図8に示されている構成は、不図示の筐体に収容され得る。筐体そのものをパッケージと呼ぶ場合があるが、前述の半導体レーザパッケージに比べると、内部に部品点数が多く、光集塵効果を十分に抑制するほどのクリーン度を達成して気密性を維持することは難しい。 The configurations shown in Figures 7A, 7B, 7C, and 8 can be housed in a housing (not shown). The housing itself may be called a package, but compared to the semiconductor laser package described above, it has a large number of internal parts, and it is difficult to achieve a level of cleanliness sufficient to suppress the light dust collection effect and maintain airtightness.

以下、図9Aおよび図9Bを参照して、複数のコリメートビームBを結合する光学系160の構成例について説明する。図9Aおよび図9Bは、それぞれ、速軸(Y軸)方向に沿って中心間ピッチSで並んだn本のコリメートビームBを収束する光学系160の構成例を示している。図9Aの例と図9Bの例との間にある相違点は、速軸コリメータレンズFACの違いにある。 Below, with reference to Figures 9A and 9B, an example configuration of an optical system 160 that combines multiple collimated beams B will be described. Figures 9A and 9B each show an example configuration of an optical system 160 that converges n collimated beams B arranged at a center-to-center pitch S along the fast axis (Y-axis) direction. The difference between the example in Figure 9A and the example in Figure 9B is the difference in the fast axis collimator lens FAC.

図示されている例において、nは3以上の奇数であるが、nは偶数であってもよい。また、簡単のため、コリメートビームBとして、完全に平行な光線が図面に記載されているが、前述したように、現実のコリメートビームBはビームウエストで最小ビーム半径に達した後、所定の発散角度で発散する。光学系160に入射するn本のコリメートビームBのY軸方向における全体サイズを2×RTYとすると、2×RTY=S×(n-1)+2×ωy2の関係が成立する。この関係は、RTY=S×(n-1)/2+ωy2に書き換えることができる。なお、n本のコリメートビームBは、速軸(Y軸)方向に沿って直線状に並んでいるため、n本のコリメートビームBのX軸方向における全体サイズは、個々のコリメートビームBのX軸方向におけるサイズ2×ωx2に等しい。 In the illustrated example, n is an odd number equal to or greater than 3, but n may be an even number. For simplicity, completely parallel light rays are illustrated as the collimated beam B in the drawings. However, as described above, the actual collimated beam B diverges at a predetermined divergence angle after reaching the minimum beam radius at the beam waist. If the total size of the n collimated beams B incident on the optical system 160 in the Y-axis direction is 2×R TY , then the relationship 2×R TY =S×(n−1)+2×ω y2 holds. This relationship can be rewritten as R TY =S×(n−1)/2+ω y2 . Note that since the n collimated beams B are arranged in a straight line along the fast axis (Y-axis) direction, the total size of the n collimated beams B in the X-axis direction is equal to the size of each collimated beam B in the X-axis direction, 2×ω x2 .

図9Aおよび図9Bの光学系160は、その収束点の位置(後側焦点)Qに近い側から順番に遅軸収束レンズSAFおよび速軸収束レンズFAFを含む。これらのレンズは、シリンドリカルレンズである。ここで、Z軸(一点鎖線)は光学系160の光軸に一致するとする。速軸収束レンズFAFは、Z軸および速軸方向(Y軸)を含む平面(YZ面)内で全コリメートビームBを収束させる。遅軸収束レンズSAFは、Z軸および遅軸方向(X軸)を含む平面(紙面に垂直なXZ面)内で各コリメートビームBを収束させる。 The optical system 160 in Figures 9A and 9B includes a slow axis convergent lens SAF and a fast axis convergent lens FAF, in that order from the side closest to the convergence point position (rear focal point) Q. These lenses are cylindrical lenses. Here, the Z axis (dash-dotted line) is assumed to coincide with the optical axis of the optical system 160. The fast axis convergent lens FAF converges all collimated beams B within a plane (YZ plane) including the Z axis and the fast axis direction (Y axis). The slow axis convergent lens SAF converges each collimated beam B within a plane (XZ plane perpendicular to the paper) including the Z axis and the slow axis direction (X axis).

速軸収束レンズFAFおよび遅軸収束レンズSAFは、それぞれの後側焦点が一致するように配置されている。結合レーザビームの収束位置QにおけるY軸方向半径ωy3は、仮想光源のY軸方向半径ωy1に倍率(EFLFAF/EFLFAC)を乗算した値を有する。ここで、EFLFACは、速軸コリメータレンズFACの実効焦点距離であり、EFLFAFは、速軸収束レンズFAFの実効焦点距離である。 The fast axis convergent lens FAF and the slow axis convergent lens SAF are arranged so that their rear focal points coincide with each other. The Y-axis radius ωy3 of the combined laser beam at the convergence position Q has a value obtained by multiplying the Y-axis radius ωy1 of the virtual light source by a magnification (EFL FAF /EFL FAC ). Here, EFL FAC is the effective focal length of the fast axis collimator lens FAC, and EFL FAF is the effective focal length of the fast axis convergent lens FAF.

前述したように、本開示の実施形態において、結像レンズ系26の実効焦点距離F2を対物レンズ系24の実効焦点距離F1よりも長くすると、像面22に形成される像の横倍率は、F2/F1であるため、像面22におけるエミッタ領域Eの像E’の大きさは、実際のエミッタ領域Eの大きさのF2/F1倍に拡大する。また、仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角(遠方界における発散半角)θy1は、F2/F1が大きいほど、小さくなる。仮想光源から出射されたビームの速軸方向発散半角(遠方界における発散半角)θy1が小さくなると、速軸コリメータレンズFACの開口数を小さくして、実効焦点距離を長くすることが可能になる。図9Bの構成例は、図9Aの構成例に比べてθy1が相対的に小さい。より実効焦点距離EFLFACが長い速軸コリメータレンズFACを採用すると、速軸コリメータレンズFACおよび速軸収束レンズFAFによる収束位置Qにおける横倍率(EFLFAF/EFLFAC)が小さくなる。このように、収束位置Qにおける横倍率が小さくなると、光ファイバのコアに対する収束ビームスポットの位置ズレ許容度を上げることができる。 As described above, in the embodiment of the present disclosure, when the effective focal length F2 of the imaging lens system 26 is made longer than the effective focal length F1 of the objective lens system 24, the lateral magnification of the image formed on the image plane 22 is F2/F1, so that the size of the image E' of the emitter region E on the image plane 22 is enlarged to F2/F1 times the size of the actual emitter region E. In addition, the faster axis direction divergence half angle (divergence half angle in the far field) θ y1 of the beam emitted from the virtual light source becomes smaller as F2/F1 increases. When the fast axis direction divergence half angle (divergence half angle in the far field) θ y1 of the beam emitted from the virtual light source becomes smaller, it is possible to reduce the numerical aperture of the fast axis collimator lens FAC and increase the effective focal length. In the configuration example of FIG. 9B, θ y1 is relatively smaller than that in the configuration example of FIG. 9A. When a fast axis collimator lens FAC having a longer effective focal length EFL FAC is adopted, the lateral magnification (EFL FAF /EFL FAC ) at the convergence position Q by the fast axis collimator lens FAC and the fast axis convergence lens FAF becomes smaller. In this way, when the lateral magnification at the convergence position Q becomes smaller, the tolerance of the positional deviation of the convergent beam spot with respect to the core of the optical fiber can be increased.

なお、一例として、ωy1=2.0μm、EFLFAC=0.3mm、EFLFAF=10.0mmの場合、ωy3=66.7μmである。また、ωy1=4.0μm、EFLFAC=0.6mm、EFLFAF=10.0mmの場合、ωy3=66.7μmである。また、遅軸コリメータレンズSACの実効焦点距離をEFLSAC、遅軸収束レンズSAFの実効焦点距離EFLSAFとするとき、結合レーザビームの収束位置QにおけるX軸方向半径ωx3は、仮想光源のX軸方向半径ωx1に倍率(EFLSAF/EFLSAC)を乗算した値を有する。例えばωx1=80μm、EFLSAC=5.0mm、EFLSAF=4.0mmの場合、ωx3=64μmである。 As an example, when ω y1 =2.0 μm, EFL FAC =0.3 mm, and EFL FAF =10.0 mm, ω y3 =66.7 μm. When ω y1 =4.0 μm, EFL FAC =0.6 mm, and EFL FAF =10.0 mm, ω y3 =66.7 μm. When the effective focal length of the slow axis collimator lens SAC is EFL SAC and the effective focal length of the slow axis convergent lens SAF is EFL SAF , the X-axis radius ω x3 of the combined laser beam at the convergence position Q has a value obtained by multiplying the X-axis radius ω x1 of the virtual light source by a magnification (EFL SAF /EFL SAC ). For example, when ω x1 =80 μm, EFL SAC =5.0 mm, and EFL SAF =4.0 mm, ω x3 =64 μm.

本実施形態によれば、例えば開口数が0.2程度でコア径が100μmの多モード光ファイバにレーザビームを集光することができる。n本のレーザビームがインコヒーレントに結合するため、光強度はn倍に増大する。なお、図3Bの構成では、SおよびRTYが増大するため、収束光学系160を大型化する必要がある。 According to this embodiment, for example, the laser beam can be focused on a multimode optical fiber having a numerical aperture of about 0.2 and a core diameter of 100 μm. Since n laser beams are incoherently combined, the light intensity increases by n times. In the configuration of FIG. 3B, S and RTY increase, so the converging optical system 160 needs to be enlarged.

図10A、図10B、および図10Cは、それぞれ、5本、9本、および9本×2列のコリメートビームBが速軸収束レンズFAFに入射する場合におけるビーム断面形状を模式的に示している。図10Cの形態は、図11に示すように、複数の光源ユニット100を2列に並べることによって得られる。 Figures 10A, 10B, and 10C show schematic cross-sectional shapes of beams when 5, 9, and 9 x 2 rows of collimated beams B are incident on the fast axis focusing lens FAF. The shape of Figure 10C is obtained by arranging multiple light source units 100 in two rows as shown in Figure 11.

光源ユニット100の配列の形態は、前述した例に限定されない。図12は、更に他の例を示す上面模式図である。複数の光源ユニット100から出力されるビームが3列に並ぶように構成されてもよい。また、複数の光源ユニット100および/またはミラーMは、相互に平行である必要はなく、傾斜していてもよい。 The arrangement of the light source units 100 is not limited to the above-mentioned example. FIG. 12 is a schematic top view showing yet another example. The beams output from the multiple light source units 100 may be arranged in three rows. Furthermore, the multiple light source units 100 and/or mirrors M do not need to be parallel to each other and may be tilted.

本開示の実施形態によれば、LD12がパッケージ内に収められているため、高出力短波長のレーザビームが引き起こし得る光集塵効果に起因するLD12の光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、複数のコリメートビームBを高い空間密度で結合することが可能になるため、光出力を効果的に高めることができる。更に、コリメートビームBの速軸サイズの増加を抑えられるため、光源ユニット100の空間配置の自由度が高まり、多数のコリメートビームBを密に並べることが可能になる。その結果、高出力のレーザビームを光ファイバに高い効率で結合することが可能になる。 According to an embodiment of the present disclosure, since the LD 12 is housed in a package, the decrease in optical output of the LD 12 caused by the optical dust collection effect that may be caused by a high-power short-wavelength laser beam is suppressed, improving reliability. In addition, since it is possible to combine multiple collimated beams B with high spatial density, the optical output can be effectively increased. Furthermore, since the increase in the fast axis size of the collimated beam B is suppressed, the degree of freedom of the spatial arrangement of the light source unit 100 is increased, and it becomes possible to densely arrange a large number of collimated beams B. As a result, it becomes possible to combine a high-power laser beam with an optical fiber with high efficiency.

上記の実施形態において、個々のパッケージ10には1個のLD12が収容されているが、各パッケージ10に複数のLD12が収容されていてもよい。また、各実施形態において、個々のLD12は、1個のエミッタ領域Eを有しているが、1つのLD12が複数のエミッタ領域Eを有していてもよい。このように、1個のパッケージ10の内部に複数のエミッタ領域E(エミッタアレー)が位置していても、本開示の実施形態による効果を得ることができる。すなわち、各パッケージ10の内部に位置するエミッタアレーの像を第1レンズ系20の像面22に転写することにより、自由空間中に仮想光源を形成すれば、パッケージ構造に制約されずに、第2レンズ系30を設計することが可能になる。 In the above embodiment, each package 10 contains one LD 12, but each package 10 may contain multiple LDs 12. In addition, in each embodiment, each LD 12 has one emitter region E, but one LD 12 may have multiple emitter regions E. In this way, even if multiple emitter regions E (emitter arrays) are located inside one package 10, the effects of the embodiments of the present disclosure can be obtained. That is, if a virtual light source is formed in free space by transferring the image of the emitter array located inside each package 10 to the image plane 22 of the first lens system 20, it becomes possible to design the second lens system 30 without being restricted by the package structure.

ダイレクトダイオードレーザ装置
次に、図13を参照して、本開示によるダイレクトダイオードレーザ(DDL)装置の実施形態を説明する。図13は、本実施形態におけるDDL装置1000の構成例を示す図である。
Direct Diode Laser Apparatus Next, an embodiment of a direct diode laser (DDL) apparatus according to the present disclosure will be described with reference to Fig. 13. Fig. 13 is a diagram showing a configuration example of a DDL apparatus 1000 in this embodiment.

図示されているDDL装置1000は、4個のレーザ光源モジュール200と、加工ヘッド400と、レーザ光源モジュール200を加工ヘッド400に接続する光伝送ファイバ300とを備える。レーザ光源モジュール200の個数は、1個または複数個であり、4個に限られない。 The illustrated DDL device 1000 includes four laser light source modules 200, a processing head 400, and an optical transmission fiber 300 that connects the laser light source modules 200 to the processing head 400. The number of laser light source modules 200 may be one or more, and is not limited to four.

各レーザ光源モジュール200は、前述した構成と同様の構成を有している。各レーザ光源モジュール200に搭載されているLDの個数は特に限定されず、必要な光出力または放射照度に応じて決定される。各LDから放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなど加工する場合、中心波長が350nm以上550nm以下の範囲に属するLDが好適に採用され得る。各LDから放射されるレーザ光の波長は同一である必要はなく、中心波長が異なるレーザ光が重畳されてもよい。また、中心波長が350nm以上550nm以下の範囲外にあるレーザ光を用いる場合にも、本発明による効果を得ることは可能である。 Each laser light source module 200 has a configuration similar to that described above. The number of LDs mounted on each laser light source module 200 is not particularly limited, and is determined according to the required optical output or irradiance. The wavelength of the laser light emitted from each LD can also be selected according to the material to be processed. For example, when processing copper, brass, aluminum, etc., an LD with a central wavelength in the range of 350 nm to 550 nm can be preferably used. The wavelength of the laser light emitted from each LD does not need to be the same, and laser lights with different central wavelengths may be superimposed. In addition, the effect of the present invention can be obtained even when using laser light with a central wavelength outside the range of 350 nm to 550 nm.

図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール200のそれぞれから延びる光ファイバ220が光ファイバ結合器230によって光伝送ファイバ300に結合されている。加工ヘッド400は、光伝送ファイバ300の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物500に収束して照射する。1台のDDL装置1000がM個のレーザ光源モジュール200を備え、個々のレーザ光源モジュール200がN個のLDを搭載している場合において、1個のLDの光出力がPワットであれば、最大でP×N×Mワットの光出力を持ったレーザビームを対象物500上に収束させることができる。ここで、Nは2以上の整数、Mは正の整数である。例えばP=10ワット、N=9、M=12であれば、1キロワットを超える光出力が実現する。 In the illustrated example, the optical fibers 220 extending from each of the multiple laser light source modules 200 are coupled to the optical transmission fiber 300 by the optical fiber coupler 230. The processing head 400 focuses and irradiates the laser beam emitted from the tip of the optical transmission fiber 300 on the object 500 by an optical system (not shown). When one DDL device 1000 has M laser light source modules 200 and each laser light source module 200 is equipped with N LDs, if the optical output of one LD is P watts, a laser beam with an optical output of P x N x M watts at most can be focused on the object 500. Here, N is an integer of 2 or more, and M is a positive integer. For example, if P = 10 watts, N = 9, and M = 12, an optical output of more than 1 kilowatt can be realized.

本実施形態によれば、レーザ光源モジュール内のLDが半導体レーザパッケージ内に収められているため、光集塵効果などに起因する光出力低下が抑制され、信頼性が向上する。また、ビーム径の小さな多数のコリメートビームを限られた空間内に充填できるため、小型の装置で高い光出力を達成でき、光ファイバにも結合しやすい。 According to this embodiment, the LD in the laser light source module is housed in a semiconductor laser package, which suppresses the decrease in optical output caused by the optical dust collection effect and improves reliability. In addition, since a large number of collimated beams with small beam diameters can be packed into a limited space, a high optical output can be achieved with a small device and it is easy to couple to optical fibers.

ファイバレーザ装置
次に、図14を参照して、本開示によるファイバレーザ装置の実施形態を説明する。図14は、本実施形態におけるファイバレーザ装置2000の構成例を示す図である。
Fiber Laser Device Next, an embodiment of a fiber laser device according to the present disclosure will be described with reference to Fig. 14. Fig. 14 is a diagram showing an example of the configuration of a fiber laser device 2000 in this embodiment.

図示されているファイバレーザ装置2000は、励起光源として機能するレーザ光源モジュール200と、レーザ光源モジュール200から出射された励起光によって励起される希土類添加光ファイバ600とを備える。図示されている例において、複数のレーザ光源モジュール200のそれぞれから延びる光ファイバ220が光ファイバ結合器230によって希土類添加光ファイバ600に結合されている。希土類添加光ファイバ600は、共振器を規定する一対のファイバブラッググレーティングで挟まれている。希土類添加光ファイバ600にYbイオンがドープされている場合、波長が例えば915nmの励起光を生成するレーザ光源モジュール200が使用される。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール200では、LDが半導体レーザパッケージに収容されているため、前述したように、特に青または緑色のレーザ光を出射するLDを採用するときに優れた効果を発揮し得る。また、例えばプラセオジム(Pr)がドープされたフッ化物ガラスから形成された希土類添加光ファイバ600を使用する場合、青色の励起光による可視光レーザ発振を実現することが可能である。本開示の実施形態によるレーザ光源モジュール200は、そのような励起光源として有用である。 The illustrated fiber laser device 2000 includes a laser light source module 200 that functions as an excitation light source, and a rare-earth doped optical fiber 600 that is excited by excitation light emitted from the laser light source module 200. In the illustrated example, the optical fiber 220 extending from each of the multiple laser light source modules 200 is coupled to the rare-earth doped optical fiber 600 by an optical fiber coupler 230. The rare-earth doped optical fiber 600 is sandwiched between a pair of fiber Bragg gratings that define a resonator. When the rare-earth doped optical fiber 600 is doped with Yb ions, a laser light source module 200 that generates excitation light with a wavelength of, for example, 915 nm is used. In the laser light source module 200 according to the embodiment of the present disclosure, since the LD is housed in a semiconductor laser package, as described above, it can exhibit excellent effects, especially when an LD that emits blue or green laser light is adopted. In addition, when using a rare-earth doped optical fiber 600 formed of fluoride glass doped with praseodymium (Pr), for example, it is possible to realize visible light laser oscillation by blue excitation light. The laser light source module 200 according to an embodiment of the present disclosure is useful as such an excitation light source.

加工ヘッド400は、希土類添加光ファイバ600の先端から出射されたレーザビームを不図示の光学系によって対象物500に収束して照射する。 The processing head 400 focuses the laser beam emitted from the tip of the rare earth-doped optical fiber 600 onto the target object 500 using an optical system (not shown).

このように、本開示のレーザ光源モジュールは、非限定的で例示的な実施形態において、それぞれが前記光源ユニットである複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からそれぞれ出射された複数のコリメートビームを空間的に結合するビームコンバイナとを備える。 Thus, in a non-limiting exemplary embodiment, the laser light source module of the present disclosure includes a plurality of laser light sources, each of which is a light source unit, and a beam combiner that spatially combines a plurality of collimated beams emitted from each of the plurality of laser light sources.

ある実施形態において、基準平面から前記複数のコリメートビームの中心までの高さがそれぞれ異なるように前記複数のレーザ光源を支持するサポートを備える。前記ビームコンバイナは、前記複数のコリメートビームをそれぞれ反射する複数のミラーを有するミラーアレイであって、反射された前記複数のコリメートビームを前記基準平面に垂直な面に沿って伝搬させる、ミラーアレイと、前記複数のミラーによって反射された前記複数のコリメートビームを収束する光学系とを含む。 In one embodiment, a support is provided to support the multiple laser light sources so that the heights from a reference plane to the centers of the multiple collimated beams are different. The beam combiner includes a mirror array having multiple mirrors that reflect the multiple collimated beams, respectively, and propagates the reflected multiple collimated beams along a plane perpendicular to the reference plane, and an optical system that converges the multiple collimated beams reflected by the multiple mirrors.

また、本開示のダイレクトダイオードレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームを伝搬させ、前記レーザビームを出射する光ファイバと、前記光ファイバに結合された加工ヘッドであって、前記光ファイバから出射された前記レーザビームで対象物を照射する加工ヘッドとを備える。 In addition, in a non-limiting exemplary embodiment, the direct diode laser device of the present disclosure includes at least one of the laser light source modules, an optical fiber that propagates the laser beam emitted from the laser light source module and emits the laser beam, and a processing head coupled to the optical fiber that irradiates an object with the laser beam emitted from the optical fiber.

更に、本開示のファイバレーザ装置は、非限定的で例示的な実施形態において、少なくともひとつの前記レーザ光源モジュールと、前記レーザ光源モジュールから出射されたレーザビームによって励起される希土類添加光ファイバとを備える。 Furthermore, in a non-limiting exemplary embodiment, the fiber laser device of the present disclosure includes at least one of the laser light source modules and a rare-earth doped optical fiber excited by a laser beam emitted from the laser light source module.

光源ユニットの改変例
図15は、本開示の実施形態における光源ユニットの改変例を示す図である。図示されている例において、光源ユニット100Xは、封止されたパッケージ10と、第1レンズ系20と、第2レンズ系30と、光路補正素子32とを備える。パッケージ10、第1レンズ系20、および第2レンズ系30の構成は、前述した実施形態における構成例と同様である。この改変例における光源ユニット100Xが前述した光源ユニット100と異なる点は、光路補正素子32を備えている点にある。光路補正素子32は、第2レンズ系30から出射されたコリメートビームBの伝搬方向を変える素子である。
Modified Example of Light Source Unit FIG. 15 is a diagram showing a modified example of the light source unit in the embodiment of the present disclosure. In the illustrated example, the light source unit 100X includes a sealed package 10, a first lens system 20, a second lens system 30, and an optical path correction element 32. The configurations of the package 10, the first lens system 20, and the second lens system 30 are similar to those of the configuration example in the above-mentioned embodiment. The light source unit 100X in this modified example differs from the light source unit 100 described above in that it includes an optical path correction element 32. The optical path correction element 32 is an element that changes the propagation direction of the collimated beam B emitted from the second lens system 30.

図16は、光路補正素子32がない場合において、コリメートビームBの伝搬方向がZ軸に対して傾斜している例を模式的に示す斜視図である。コリメートビームBは、XZ面内においてZ軸の正方向からX軸の正方向に方位角Φだけ回転し、かつ、XZ面からY軸の正方向に仰角Ωだけ回転している。方位角Φおよび仰角Ωは、それぞれ、主として速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACのアライメントずれによって発生し得る。例えば、速軸コリメータレンズFACのY軸方向における位置が所定位置から1μmずれるだけで、0.1度の仰角Ωが発生し得る。Ω=0.1度であっても、光路が長くなると、コリメートビームBの位置ずれが過大になる。例えば、図8を参照して説明したレーザ光源モジュール200では、コリメートビームBに生じた約0.1~1.0度の角度ずれが、収束光学系160による集光に悪影響を及ぼし得る。なお、速軸コリメータレンズFACのY軸方向における位置が所定位置にあったとしても、遅軸コリメータレンズSACのX軸方向における位置が所定位置からずれると、0度ではない方位角Φが発生し得る。 Figure 16 is a perspective view showing a schematic example in which the propagation direction of the collimated beam B is inclined with respect to the Z axis in the absence of the optical path correction element 32. The collimated beam B rotates from the positive direction of the Z axis to the positive direction of the X axis by an azimuth angle Φ in the XZ plane, and rotates from the XZ plane to the positive direction of the Y axis by an elevation angle Ω. The azimuth angle Φ and the elevation angle Ω can be generated mainly due to misalignment of the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC, respectively. For example, if the position of the fast axis collimator lens FAC in the Y axis direction is shifted by only 1 μm from the specified position, an elevation angle Ω of 0.1 degrees can be generated. Even if Ω = 0.1 degrees, if the optical path becomes long, the positional deviation of the collimated beam B becomes excessive. For example, in the laser light source module 200 described with reference to Figure 8, an angle deviation of about 0.1 to 1.0 degrees generated in the collimated beam B can adversely affect the focusing by the convergence optical system 160. Even if the position of the fast axis collimator lens FAC in the Y axis direction is at a predetermined position, if the position of the slow axis collimator lens SAC in the X axis direction deviates from the predetermined position, an azimuth angle Φ other than 0 degrees may occur.

図15の光路補正素子32によれば、コリメートビームBの向きを修正し、仰角Ωおよび方位角Φを0度に近づける補正が可能になる。光路補正素子32は、コリメートビームBを屈折させる光学部材を含み、このような光学部材の典型例は、ウェッジプリズムである。以下、一例として、円形のウェッジプリズムを有する光路補正素子32の構成例および動作を説明する。 The optical path correction element 32 in FIG. 15 makes it possible to correct the direction of the collimated beam B and bring the elevation angle Ω and azimuth angle Φ closer to 0 degrees. The optical path correction element 32 includes an optical element that refracts the collimated beam B, and a typical example of such an optical element is a wedge prism. Below, as an example, the configuration and operation of an optical path correction element 32 having a circular wedge prism will be described.

図17Aおよび17Bは、それぞれ、ウェッジプリズム34を模式的に示す斜視図および断面図である。図17Cは、ウェッジプリズム34を矢印の方向に回転させることにより、ウェッジプリズム34から出射されたコリメートビームBが円錐面を描くようにステアリングされる様子を模式的に示している。 Figures 17A and 17B are respectively a perspective view and a cross-sectional view showing a wedge prism 34. Figure 17C shows a schematic diagram of how collimated beam B emitted from wedge prism 34 is steered to describe a conical surface by rotating wedge prism 34 in the direction of the arrow.

ウェッジプリズム34では、光入射面34Aと光出射面34Bとの間に0度ではない角度αが形成されたプリズムである。角度αは、例えば0.1度以上1.0度以下の範囲にある。ウェッジプリズム34は、例えば屈折率が1.5程度の光学ガラスから形成され得る。ウェッジプリズム34の光入射面34Aに入射したコリメートビームBは、空気(屈折率は約1.0)と光入射面34Aとの界面、および、光出射面34Bと空気との界面で屈折する。この2回の屈折により、コリメートビームBの伝搬方向(ビーム軸方向)を所定の角度だけ変化させることが可能になる。したがって、ウェッジプリズム34を用いてコリメートビームBの伝搬方向を適切な方向に適切な角度だけ変化させれば、前述した仰角Ωおよび方位角Φをゼロ度に近づけることができる。 The wedge prism 34 is a prism in which an angle α other than 0 degrees is formed between the light entrance surface 34A and the light exit surface 34B. The angle α is, for example, in the range of 0.1 degrees to 1.0 degrees. The wedge prism 34 can be formed, for example, from optical glass with a refractive index of about 1.5. The collimated beam B incident on the light entrance surface 34A of the wedge prism 34 is refracted at the interface between air (refractive index is about 1.0) and the light entrance surface 34A, and at the interface between the light exit surface 34B and air. These two refractions make it possible to change the propagation direction (beam axis direction) of the collimated beam B by a predetermined angle. Therefore, if the propagation direction of the collimated beam B is changed by an appropriate angle in an appropriate direction using the wedge prism 34, the elevation angle Ω and azimuth angle Φ described above can be brought close to zero degrees.

次に、図18を参照して、ウェッジプリズム34による光線の屈折を説明する。図18には、断面が左右対称のプリズム形状を有するウェッジプリズム34が記載されている。図18のウェッジプリズム34は、水平面35上に置かれた状態にある。入射光線Binは、ウェッジプリズム34の軸Axに対して角度θ0で光入射面34Aに入射する。入射光線Binの入射角は、光入射面34Aの法線N1に対する角度θ1によって規定される。ウェッジプリズム34の対称性から、出射光線Boutは、ウェッジプリズム34の軸Axに対して角度θ0で光出射面34Bから出射する。出射光線Boutの出射角は、光出射面34Bの法線N2に対する角度θ1によって規定される。 Next, referring to FIG. 18, the refraction of light rays by the wedge prism 34 will be described. FIG. 18 shows a wedge prism 34 having a prism shape with a symmetrical cross section. The wedge prism 34 in FIG. 18 is placed on a horizontal plane 35. An incident light ray Bin is incident on the light entrance surface 34A at an angle θ0 with respect to the axis Ax of the wedge prism 34. The angle of incidence of the incident light ray Bin is determined by the angle θ1 with respect to the normal N1 of the light entrance surface 34A. Due to the symmetry of the wedge prism 34, an exit light ray Bout is exited from the light exit surface 34B at an angle θ0 with respect to the axis Ax of the wedge prism 34. The exit angle of the exit light ray Bout is determined by the angle θ1 with respect to the normal N2 of the light exit surface 34B.

図19は、このようなウェッジプリズム34および光線Bin、BoutをX軸の周りに角度θ0だけ回転させた状態を示す図である。この回転により、出射光線BoutはZ軸に平行になる。また、入射光線Binが水平面35に対して形成する角度は2×θ0に等しくなる。 Figure 19 shows the state in which such a wedge prism 34 and the rays Bin and Bout are rotated by an angle θ0 around the X-axis. With this rotation, the outgoing ray Bout becomes parallel to the Z-axis. Also, the angle that the incoming ray Bin forms with the horizontal plane 35 is equal to 2 × θ0.

以上のことから明らかなように、入射光線BinがZ軸に対して角度2×θ0だけ傾斜した方向に伝搬しているとき、すなわち、仰角Ω=2×θ0のとき、X軸の周りに角度θ0だけ回転したウェッジプリズム34を用いることにより、出射光線BoutをZ軸に平行にすることが可能になる。 As is clear from the above, when the incident light ray Bin propagates in a direction inclined by an angle of 2 × θ0 with respect to the Z axis, i.e., when the elevation angle Ω = 2 × θ0, it is possible to make the outgoing light ray Bout parallel to the Z axis by using a wedge prism 34 rotated by an angle of θ0 around the X axis.

入射光線BinがZ軸に対して傾斜している角度(仰角Ω)は、前述したように、速軸コリメータレンズFACのアライメントずれに応じて異なり得る。このため、光路の補正に必要なウェッジプリズム34の傾斜角度θ0は、個々の光源ユニット100Xによって異なり得る。 As described above, the angle at which the incident light ray Bin is inclined with respect to the Z axis (elevation angle Ω) may vary depending on the misalignment of the fast axis collimator lens FAC. Therefore, the inclination angle θ0 of the wedge prism 34 required to correct the optical path may vary depending on the individual light source unit 100X.

また、前述したように、方位角Φの補正が必要な場合もある。そのような場合、図17Cに示されるように、ウェッジプリズム34をZ軸の周りに回転させることにより、仰角Ωおよび方位角Φの両方を充分に小さくすることが可能になる。通常、仰角Ωおよび方位角Φは、いずれも、1.0度以下の小さな値を有しているため、図17Cに示されるように、ウェッジプリズム34を大きな角度で回転させる必要はない。また、通常、仰角Ωに比べて方位角Φは小さいため、仰角Ωをゼロにする補正を行った後、ウェッジプリズム34を僅かに回転させるだけでも、方位角Φの補正が可能になる。 As mentioned above, it may be necessary to correct the azimuth angle Φ. In such cases, as shown in FIG. 17C, by rotating the wedge prism 34 around the Z axis, it is possible to make both the elevation angle Ω and the azimuth angle Φ sufficiently small. Normally, the elevation angle Ω and the azimuth angle Φ are both small, less than 1.0 degree, so there is no need to rotate the wedge prism 34 by a large angle, as shown in FIG. 17C. Also, since the azimuth angle Φ is usually smaller than the elevation angle Ω, it is possible to correct the azimuth angle Φ by simply rotating the wedge prism 34 slightly after correcting the elevation angle Ω to zero.

本開示の実施形態では、速軸コリメータレンズFACおよび遅軸コリメータレンズSACのアライメントが完了した後、コリメートビームBの伝搬方向を調整するとき、光路上にウェッジプリズム34を配置して、その傾斜角度θ0を調整する。具体的には、前もって角度θ0が異なる大きさで傾斜した複数のウェッジプリズム34を用意しておき、それらの中から、仰角Ωを最小にするウェッジプリズム34を選択することができる。そして、そのようにして選択されたウェッジプリズム34をZ軸周りに回転させ、方位角Φも最小化すればよい。その後、接着剤または硬化樹脂を用いてウェッジプリズム34の位置および向きを固定すればよい。前もって用意され得るウェッジプリズム34の個数は、例えば7個であり、傾斜角度θ0は、例えば、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、1.0度であり得る。 In the embodiment of the present disclosure, after the alignment of the fast axis collimator lens FAC and the slow axis collimator lens SAC is completed, when adjusting the propagation direction of the collimated beam B, a wedge prism 34 is placed on the optical path and its tilt angle θ0 is adjusted. Specifically, a plurality of wedge prisms 34 tilted at different angles θ0 can be prepared in advance, and the wedge prism 34 that minimizes the elevation angle Ω can be selected from among them. Then, the wedge prism 34 selected in this manner can be rotated around the Z axis to minimize the azimuth angle Φ as well. Then, the position and orientation of the wedge prism 34 can be fixed using an adhesive or a hardening resin. The number of wedge prisms 34 that can be prepared in advance can be, for example, seven, and the tilt angle θ0 can be, for example, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, or 1.0 degrees.

図20は、上記の補正作業に適した光路補正素子32の構成例を示す図である。図20は、左側に光路補正素子32の正面を示し、右側に光路補正素子32の断面を示す図である。図20の光路補正素子32は、シリンダ(筒状ホルダ)36と、シリンダ36の内側に傾斜角度θ0で固定された円形のウェッジプリズム34とを有している。このような光路補正素子32は、図21に示されるような支持台38に固定され得る。この支持台38は、シリンダ36に囲まれたウェッジプリズム34の一部を受け入れる凹部を有している。図21の例において、この凹部は断面の概略形状がV字型の溝である。このようなV字型の溝によれば、前述したウェッジプリズム34のZ軸周りの回転を容易に行うことが可能になる。 Figure 20 is a diagram showing an example of the configuration of an optical path correction element 32 suitable for the above correction work. Figure 20 shows the front of the optical path correction element 32 on the left side, and a cross-section of the optical path correction element 32 on the right side. The optical path correction element 32 in Figure 20 has a cylinder (cylindrical holder) 36 and a circular wedge prism 34 fixed inside the cylinder 36 at an inclination angle θ0. Such an optical path correction element 32 can be fixed to a support base 38 as shown in Figure 21. This support base 38 has a recess that receives a part of the wedge prism 34 surrounded by the cylinder 36. In the example of Figure 21, this recess has a cross-sectional shape that is roughly a V-shaped groove. Such a V-shaped groove makes it easy to rotate the above-mentioned wedge prism 34 around the Z axis.

図22は、複数の光源ユニット100Xを備えるレーザ光源モジュール200の構成例を示す斜視図である。このレーザ光源モジュール200は、光源ユニット100Xが光路補正素子32を有している点で、図8のレーザ光源モジュール200とは異なるが、その他の点においては、共通の構成を備えている。 Figure 22 is a perspective view showing an example of the configuration of a laser light source module 200 including multiple light source units 100X. This laser light source module 200 differs from the laser light source module 200 in Figure 8 in that the light source unit 100X has an optical path correction element 32, but in other respects has a common configuration.

図22に示される例では、各光源ユニット100Xが光路補正素子32を有しているが、本開示の実施形態は、このような例に限定されない。光路補正が不要な光源ユニット100Xは、光路補正素子32を備えている必要はない。複数の光源ユニット100Xのそれぞれが光路補正素子32を有している場合、個々の光路補正素子32が有する傾斜角度θ0の大きさは、それぞれに必要な補正量に応じて相互に異なり得る。 In the example shown in FIG. 22, each light source unit 100X has an optical path correction element 32, but the embodiment of the present disclosure is not limited to such an example. A light source unit 100X that does not require optical path correction does not need to have an optical path correction element 32. When multiple light source units 100X each have an optical path correction element 32, the magnitude of the inclination angle θ0 of each optical path correction element 32 can differ from one another depending on the amount of correction required for each.

簡単のため、図22では詳細な記載が省略されているが、サポート140の載置面140Tには、光路補正素子32におけるウェッジプリズム34の一部を受け入れる凹部が設けられている。ウェッジプリズム34の外周は、必要に応じてシリンダのような部材によって囲まれていてもよい。図22の例において、各光路補正素子32は、サポート140に固定されている。 For simplicity, detailed description is omitted in FIG. 22, but the mounting surface 140T of the support 140 has a recess for receiving a part of the wedge prism 34 in the optical path correction element 32. The outer periphery of the wedge prism 34 may be surrounded by a member such as a cylinder, if necessary. In the example of FIG. 22, each optical path correction element 32 is fixed to the support 140.

図22のレーザ光源モジュール200によれば、コリメートビームBが適切に収束光学系160に入射するため、不図示の光ファイバに対して、より高い効率で光結合を実現することが可能になる。 With the laser light source module 200 in FIG. 22, the collimated beam B is properly incident on the converging optical system 160, making it possible to achieve more efficient optical coupling to an optical fiber (not shown).

なお、上記の各実施形態における光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードであるが、本開示の実施形態は、この例に限定されない。光源ユニットのレーザダイオードは、端面出射型レーザダイオードに限られず、VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)などの表面出射型レーザタイオードであってもよい。表面出射型レーザダイオードを用いる場合、エミッタ領域は、レーザダイオードの半導体基板の主面に垂直であり、エミッタ領域から出射されたレーザビームの光軸は、半導体基板の主面に垂直である。表面出射型レーザタイオードを用いる場合、エミッタ領域から出射されるレーザ光は、光軸周りに対称なビーム形状を持ち得る。その場合、第1レンズ系20から像面を通過したレーザ光をコリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第2レンズ系30は、速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを有する必要はなく、1個のコリメータレンズによっても実現され得る。 Note that, although the laser diode of the light source unit in each of the above embodiments is an edge-emitting laser diode, the embodiment of the present disclosure is not limited to this example. The laser diode of the light source unit is not limited to an edge-emitting laser diode, and may be a surface-emitting laser diode such as a VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). When a surface-emitting laser diode is used, the emitter region is perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate of the laser diode, and the optical axis of the laser beam emitted from the emitter region is perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. When a surface-emitting laser diode is used, the laser light emitted from the emitter region may have a beam shape that is symmetrical around the optical axis. In that case, the second lens system 30 that converts the laser light that has passed through the image plane from the first lens system 20 into a collimated beam or a convergent beam and emits it does not need to have a fast axis collimator lens and a slow axis collimator lens, and may be realized by a single collimator lens.

本開示の光源ユニットは、コリメートビームまたは収束ビームの速軸サイズを小さくすることが求められる様々な用途に利用され得る。特に複数のレーザビームを結合して高出力のレーザビームを実現するために用いられ得る。また、本開示のレーザ光源モジュールおよびダイレクトダイオードレーザ装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、3Dプリンティングなどに利用され得る。更に、本開示のレーザ光源モジュールは、DDL装置以外の用途、例えばファイバレーザ装置の励起光源としても利用され得る。 The light source unit of the present disclosure can be used in various applications where it is required to reduce the fast axis size of a collimated or convergent beam. In particular, it can be used to combine multiple laser beams to realize a high-power laser beam. In addition, the laser light source module and direct diode laser device of the present disclosure can be used in industrial fields where a high-power laser light source is required, such as cutting various materials, drilling holes, local heat treatment, surface treatment, metal welding, 3D printing, etc. Furthermore, the laser light source module of the present disclosure can be used for applications other than DDL devices, such as an excitation light source for a fiber laser device.

10・・・半導体レーザパッケージ、12・・・LD、14・・・窓部材、20・・・第1レンズ系、22・・・像面、24・・・対物レンズ系、26・・・結像レンズ系、30・・・第2レンズ系、100・・・光源ユニット、120・・・ビームコンバイナ、140・・・サポート、160・・・収束光学系、300・・・光伝送ファイバ、400・・・加工ヘッド、1000・・・ダイレクトダイオードレーザ(DDL)装置、B・・・ビーム、M・・・ミラー、FAC・・・速軸コリメータレンズ、SAC・・・遅軸コリメータレンズ、FAF・・・速軸収束レンズ、SAF・・・遅軸収束レンズ 10: Semiconductor laser package, 12: LD, 14: Window member, 20: First lens system, 22: Image surface, 24: Objective lens system, 26: Imaging lens system, 30: Second lens system, 100: Light source unit, 120: Beam combiner, 140: Support, 160: Converging optical system, 300: Optical transmission fiber, 400: Processing head, 1000: Direct diode laser (DDL) device, B: Beam, M: Mirror, FAC: Fast axis collimator lens, SAC: Slow axis collimator lens, FAF: Fast axis convergent lens, SAF: Slow axis convergent lens

Claims (10)

複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットから出射されたコリメートビームまたは収束ビームが入射する収束光学系と、
を備える光源モジュールであって、
前記複数の光源ユニットのそれぞれは、
封止された半導体レーザパッケージであって、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材とを含む、半導体レーザパッケージと、
前記窓部材を透過した前記レーザ光を通過させる第1レンズ系と、
前記第1レンズ系を通過した前記レーザ光を前記コリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第2レンズ系と、
前記第2レンズ系から出射された前記コリメートビームまたは収束ビームの伝搬方向の仰角および方位角の両方を変えるウェッジプリズムと、
を備え、
複数の前記ウェッジプリズムにおいて、少なくとも1つの前記ウェッジプリズムの傾斜角度が、他の前記ウェッジプリズムの傾斜角度と異なる、光源モジュール。
A plurality of light source units;
a converging optical system into which collimated beams or converging beams emitted from the plurality of light source units are incident;
A light source module comprising:
Each of the plurality of light source units is
a sealed semiconductor laser package including a laser diode having an emitter region for emitting laser light and a window member for transmitting the laser light;
a first lens system that transmits the laser light that has passed through the window member;
a second lens system that converts the laser light that has passed through the first lens system into the collimated beam or the convergent beam and emits the beam;
a wedge prism that changes both the elevation angle and the azimuth angle of the propagation direction of the collimated or convergent beam emitted from the second lens system;
Equipped with
A light source module, wherein the inclination angle of at least one of the plurality of wedge prisms is different from the inclination angles of the other wedge prisms.
複数の光源ユニットと、
前記複数の光源ユニットから出射されたコリメートビームまたは収束ビームが入射する収束光学系と、
を備える光源モジュールであって、
前記複数の光源ユニットのそれぞれは、
封止された半導体レーザパッケージであって、レーザ光を出射するエミッタ領域を有するレーザダイオードと、前記レーザ光を透過する窓部材とを含む、半導体レーザパッケージと、
前記窓部材を透過した前記レーザ光を通過させる第1レンズ系と、
前記第1レンズ系を通過した前記レーザ光を前記コリメートビームまたは収束ビームに変換して出射する第2レンズ系と、
を備え、
前記複数の光源ユニットの少なくとも1つの光源ユニットは、前記第2レンズ系から出射された前記コリメートビームまたは収束ビームの伝搬方向の仰角および方位角の両方を変えるウェッジプリズムを備え、前記少なくとも1つの光源ユニット以外の光源ユニットは、前記ウェッジプリズムを備えていない、光源モジュール。
A plurality of light source units;
a converging optical system into which collimated beams or converging beams emitted from the plurality of light source units are incident;
A light source module comprising:
Each of the plurality of light source units is
a sealed semiconductor laser package including a laser diode having an emitter region for emitting laser light and a window member for transmitting the laser light;
a first lens system that transmits the laser light that has passed through the window member;
a second lens system that converts the laser light that has passed through the first lens system into the collimated beam or the convergent beam and emits the beam;
Equipped with
A light source module, wherein at least one of the plurality of light source units is provided with a wedge prism that changes both the elevation angle and the azimuth angle of the propagation direction of the collimated beam or convergent beam emitted from the second lens system, and light source units other than the at least one light source unit are not provided with the wedge prism.
前記第1レンズ系は、前記窓部材を透過した前記レーザ光を受け、前記エミッタ領域の像を、前記第1レンズ系と前記第2レンズ系との間に位置する像面に形成し、
前記像面から前記第2レンズ系までの距離は、前記レーザダイオードの前記エミッタ領域から前記窓部材の外側表面までの距離よりも短い、請求項1または2に記載の光源モジュール。
the first lens system receives the laser light that has passed through the window member and forms an image of the emitter region on an image plane located between the first lens system and the second lens system;
3. The light source module according to claim 1 , wherein a distance from the image plane to the second lens system is shorter than a distance from the emitter region of the laser diode to an outer surface of the window member.
前記第1レンズ系は、対物レンズ系および結像レンズ系を含む、請求項1からのいずれかに記載の光源モジュール。 The light source module according to claim 1 , wherein the first lens system includes an objective lens system and an imaging lens system. 前記第1レンズ系は、対物レンズ系および結像レンズ系を含み、
前記レーザダイオードの前記エミッタ領域は、前記対物レンズ系の前側焦点に位置し、
前記像面は、前記結像レンズ系の後側焦点に位置し、
前記結像レンズ系の実効焦点距離は、前記対物レンズ系の実効焦点距離以上である、請求項に記載の光源モジュール。
the first lens system includes an objective lens system and an imaging lens system;
the emitter region of the laser diode is located at a front focal point of the objective lens system;
the image plane is located at the rear focal point of the imaging lens system;
The light source module according to claim 3 , wherein an effective focal length of the imaging lens system is equal to or greater than an effective focal length of the objective lens system.
前記対物レンズ系および前記結像レンズ系は、それぞれ、組レンズである、請求項に記載の源モジュール。 The light source module according to claim 4 , wherein the objective lens system and the imaging lens system are each a lens combination. 前記第2レンズ系は、前記像面の側から順に配置された速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを含み、
前記像面から前記第2レンズ系までの前記距離は、前記像面から前記速軸コリメータレンズまでの距離によって規定される、請求項3または5に記載の光源モジュール。
the second lens system includes a fast axis collimator lens and a slow axis collimator lens arranged in this order from the image plane side,
6. The light source module according to claim 3 , wherein the distance from the image plane to the second lens system is defined by the distance from the image plane to the fast axis collimator lens.
前記像面から前記第2レンズ系までの前記距離は、1.0ミリメートル以下である、請求項3、5、および7のいずれかに記載の光源モジュール。 8. The light source module of claim 3, 5, or 7 , wherein the distance from the image plane to the second lens system is 1.0 millimeter or less. 前記第2レンズ系は、前記像面の側から順に配置された速軸コリメータレンズおよび遅軸コリメータレンズを含み、
前記速軸コリメータレンズの実効焦点距離は、1.0ミリメートル以下であり、
前記コリメートビームの速軸サイズは、1.0ミリメートル以下である、請求項3、5、7、および8のいずれかに記載の光源モジュール。
the second lens system includes a fast axis collimator lens and a slow axis collimator lens arranged in this order from the image plane side,
the effective focal length of the fast axis collimator lens is 1.0 millimeters or less;
9. The light source module of claim 3, 5, 7, or 8 , wherein the fast axis size of the collimated beam is 1.0 millimeter or less.
前記ウェッジプリズムを支持する台であって、前記ウェッジプリズムの一部を受け入れる凹部を有する台を備える、請求項1からのいずれかに記載の光源モジュール。 The light source module according to claim 1 , further comprising a base for supporting the wedge prism, the base having a recess for receiving a portion of the wedge prism.
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