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。
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.
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
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
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
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
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/e2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
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
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
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
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
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
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
<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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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.
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3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.
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