JPWO2015145608A1 - レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子からそれぞれ出力されるレーザ光を結合して出力する集光素子とを備え、複数のレーザ素子がレーザ光の光軸方向に沿って前後に配置され、最も近くにあるレーザ光同士の中心間距離がレーザ素子の光軸方向に垂直な方向の外形サイズよりも狭い。
Description
本発明は、複数のレーザ素子からの光を結合して出力するレーザ装置に関する。
複数のレーザ素子からそれぞれ出射されるレーザ光を結合して、光ファイバーなどの受光装置に入射させるレーザ装置が開発されている(例えば、特許文献1参照。)。結合した出力光を1本の光ファイバに入射させることによって取り扱いが容易になったり、複数の同一波長のレーザ光を合波結合することで高出力化、高輝度化を実現できる。
可視光帯のレーザ光を出射する半導体レーザでは、単独の半導体レーザでのレーザ光の出力は数百mW〜3W程度である。一方、切断、穴あけ、溶接などの加工用にレーザ光を使用するためには、短波長を活かした場合にも数十〜数百Wの出力が必要とされる場合がある。このため、加工用のレーザ装置には多数の半導体レーザが使用される。
多数のレーザ素子を使用したレーザ装置は、レンズやフィルタ、プリズムなどの光学部品を使用して構成される。このような構成のレーザ装置では、光路長の増大、レンズの大型化、光学部品の増大などに起因する装置の大型化の問題がある。特に、青色光を出射するレーザ素子では、駆動電圧が高く、放熱不足によるレーザ素子劣化などの問題が生じる。放熱対策としてヒートシンクを搭載することが有効であるが、ヒートシンクを搭載するとレーザ装置が大型化する問題があった。
上記問題に鑑み、本発明は、複数のレーザ素子からの光を結合しつつ、大型化が抑制されたレーザ装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、複数のレーザ素子と、複数のレーザ素子からそれぞれ出力されるレーザ光を結合して出力する集光素子とを備え、複数のレーザ素子がレーザ光の光軸方向に沿って前後に配置され、最も近くにあるレーザ光同士の中心間距離がレーザ素子の光軸方向に垂直な方向の外形サイズよりも狭いレーザ装置が提供される。
本発明によれば、複数のレーザ素子からの光を結合しつつ、大型化が抑制されたレーザ装置を提供できる。
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るレーザ装置1は、図1に示すように、複数のレーザ素子10と、複数のレーザ素子10からそれぞれ出力される互いに平行に進行するレーザ光Lを結合して出力する集光素子20とを備える。集光素子20は、例えば集光レンズである。集光された出力光Loutは、受光デバイス2に入射される。受光デバイス2は例えば光ファイバーであり、集光素子20は光ファイバーのコア部に出力光Loutを集光する。レーザ装置1は、受光デバイス2を経由した出力光Loutが被加工物に照射される加工用レーザ装置などとして使用される。
本発明の第1の実施形態に係るレーザ装置1は、図1に示すように、複数のレーザ素子10と、複数のレーザ素子10からそれぞれ出力される互いに平行に進行するレーザ光Lを結合して出力する集光素子20とを備える。集光素子20は、例えば集光レンズである。集光された出力光Loutは、受光デバイス2に入射される。受光デバイス2は例えば光ファイバーであり、集光素子20は光ファイバーのコア部に出力光Loutを集光する。レーザ装置1は、受光デバイス2を経由した出力光Loutが被加工物に照射される加工用レーザ装置などとして使用される。
図1に側面図、図2に平面図をそれぞれ示したように、レーザ素子10は、レーザ光Lの光軸方向に沿って前後に配置されている。このように、光軸方向に沿って互いの位置をずらした配置を、以下において「段差配置」という。段差配置されたレーザ素子10は、光軸方向に垂直な方向から見ると、マトリクス状に互いに離間して千鳥配置されている。このように、互いに隣接するレーザ素子10は、集光素子20からの距離が異なるように配置されている。
図1、図2に示したレーザ装置1は、集光素子20に近い側に3個、遠い側に2個の、計5個のレーザ素子10が配置された構成例である。ただし、レーザ装置1に含まれるレーザ素子10の個数が5個に限られないことはもちろんである。
図1、図2に示すように、複数のレーザ素子10がレーザ光Lの光軸方向に沿って前後に配置されていることにより、最も近くにあるレーザ光L同士の中心間距離pは、レーザ素子10の光軸方向に垂直な方向のサイズ(以下において、「外形サイズM」という。)よりも小さい。即ち、垂直方向や水平方向に隣接するレーザ素子10同士の場合に、それぞれのレーザ素子10から出射されるレーザ光Lの中心間距離pが、水平方向と垂直方向の少なくともいずれかにおいて、レーザ素子10の外形サイズMよりも狭い。
レーザ素子10は、例えば図3に示すように、レーザ光Lを出射する出射部11、及び出射部11の周囲に張り出している外縁部12をそれぞれ有する。外縁部12は、出射部11を保持するパッケージなどのホルダである。例えば、レーザ素子10は、出射部11に半導体レーザを使用し、CANタイプのパッケージに半導体レーザを搭載した構成である。この場合、レーザ素子10の外形サイズMは外縁部12の外径である。即ち、CANタイプのパッケージに搭載されているレーザ素子10の外形サイズは、CANの外径である。出射部11から出力されたレーザ光Lは、コリメートレンズ101によってコリメートされ、集光素子20に入射される。コリメートレンズ101は、レーザ光Lのそれぞれについて1つずつ用意されている。
上記のように、隣接するレーザ素子10同士は、光軸方向に垂直な同一平面上に配置されていない。したがって、光軸方向から見た場合に、レーザ素子10が出射するレーザ光L同士が接触しない範囲で、レーザ素子10の外形サイズMよりも小さい間隔でレーザ素子10を配列することができる。
図4に、レーザ光Lの光軸方向から見た正面図を示す。図4に示すように、光軸方向から見て互いに隣接するレーザ素子10の外縁部分が重なり合っている。
上記のように、図1に示したレーザ装置1では、レーザ素子10の外形サイズMよりも互いに隣接するレーザ光L同士の中心間距離pが狭いように、複数のレーザ素子10が配置されている。高出力のレーザ素子10のCANサイズは一般的に直径が5.6mm若しくは9mmであり、レーザ光Lの中心間距離pはこれらよりも小さい。このように、段差配置されたレーザ素子10からレーザ光Lが出射されることによって、光軸方向と垂直な方向の装置サイズを低減できる。
これに対し、図5に、光軸方向に垂直な同一平面上にレーザ素子10を配置したレーザ装置1Aを示す。レーザ装置1Aでは、レーザ光Lの間隔はレーザ素子10の外形サイズM以上である。
レーザ装置1とレーザ装置1Aとを比較すると、複数のレーザ素子10が配置される光源領域100の、光軸方向の長さ(以下において「奥行d」という。)は、図1のレーザ装置1の方が図5のレーザ装置1Aよりも長い。しかし、光軸方向と垂直な上下方向の長さ(以下において「高さh」という。)及び水平方向の長さ(以下において「幅w」という。)は、レーザ装置1の方がレーザ装置1Aよりも短い。
このように光源領域100の高さhと幅wが小さいレーザ装置1では、レーザ素子10を冷却するためのヒートシンクを、光源領域100の縮小された部分に配置できる。したがって、レーザ装置1にヒートシンクを装着しても、ヒートシンクを装着しないレーザ装置1Aに対するサイズの増大が抑制される。例えば、図6に示すように光源領域100の上下にヒートシンク30を配置したり、図7に示すように光源領域100の左右にヒートシンク30を配置したりできる。なお、光源領域100の上下のいずれか、或いは光源領域100の左右のいずれかにヒートシンク30を配置してもよいことはもちろんである。
なお、レーザ素子10の段差配列によって発熱体が分散配置されることになる。このため、レーザ装置1によれば、レーザ素子10を効率的に冷却する効果も奏する。
また、レーザ素子10を段差配置したレーザ装置1によれば、レーザ素子10からそれぞれ出射されて集光素子20に入射されるレーザ光の束の外径(以下において「入射ビーム径W」という。)を、レーザ素子10を同一平面に配置した図5のレーザ装置1Aに比べて小さくできる。このため、集光素子20のサイズを小さくでき、例えば集光レンズのレンズ径を小さくできる。
以下に、集光素子20が集光レンズであるレーザ装置1について、集光レンズの焦点距離fについて説明する。ここで、受光デバイス2が開口数NAの光ファイバであるとする。図3に示したように1つのレーザ光Lのビーム径をTとすると、以下の式(1)を満たすよう焦点距離fの集光レンズが集光素子20に使用される:
tan-1((W/2+T/2)/f))≦sin-1(NA) ・・・(1)
なお、tan-1((W/2+T/2)/F))の値がsin-1(NA)の値を超えない範囲でレーザ素子を多数配置したり、入射ビーム径Wを小さくしつつ多数配置することが好ましい。このように、入射ビーム径Wを小さくすることで、開口数NAが小さい集光レンズを使用可能である。
tan-1((W/2+T/2)/f))≦sin-1(NA) ・・・(1)
なお、tan-1((W/2+T/2)/F))の値がsin-1(NA)の値を超えない範囲でレーザ素子を多数配置したり、入射ビーム径Wを小さくしつつ多数配置することが好ましい。このように、入射ビーム径Wを小さくすることで、開口数NAが小さい集光レンズを使用可能である。
集光レンズには、高価な大口径非球面レンズやアクロマートレンズなどが通常使用される。レーザ装置1では入射ビーム径Wを小さくできるため、集光レンズの小型化、及び短焦点化を実現できる。入射ビーム径Wを小さくした分だけ焦点距離fを短く設定することにより、段差配置による光源領域100の奥行dの増加分を相殺できる。つまり、レーザ装置1の光軸方向のサイズ増大が抑制される。また、小型化によるコストダウンと共に、集光素子20から受光デバイス2までの空間光路長の短縮化が可能となる。これにより、レーザ装置1の各構成部品を支持する金属ホルダなどによるコンタミネーション(汚染)の空間存在体積、面積を減少させることができる。
上記のように、レーザ素子10を段差配列するレーザ装置1では、光軸方向に垂直な方向のみならず、光軸方向においても装置サイズが小型化される。つまり、図8に示すように光源領域100の後方にヒートシンク30を配置しても、レーザ装置1の光軸方向の増大が集光レンズの短焦点化によって相殺される。
このように、レーザ装置1では、レーザ素子10を冷却するヒートシンク30を配置しても、ヒートシンク30に必要な容積の増大が装置サイズの小型化によって相殺される。このため、従来と同様のサイズのままで放熱量を抑制できる。これにより、放熱量の大きいレーザ素子10を使用する場合にも、レーザ装置1のフットプリントの増大を抑制できる。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るレーザ装置1によれば、光源領域100の高さhと幅wの縮小、及び集光素子20の小型化などによって、光軸方向に垂直方向の小型化が実現される。また、集光素子20の短焦点化などによって、光軸方向の小型化が実現される。このため、ヒートシンクを搭載して放熱性を改善しつつ、従来サイズからのサイズ増大を抑制することができる。更に、小型化によるコストダウンが可能であり、コンタミネーションに起因する不良、信頼性の低下なども抑制できる。
なお、光源領域100内においてレーザ素子10の位置を自在に変更できるようにすることによって、レーザ光Lの中心間距離pを任意に設定可能である。例えば図9に示すように、半導体レーザ10aを搭載したステージ10bを光源領域100を規定する基板10c上に配置する。このとき、基板10cの任意の位置にステージ10bを自在に配置できる構造とする。レーザ光Lの光軸方向に垂直な方向に沿ってレーザ素子10の位置を自在に変更可能とすることにより、光ファイバーなどの受光素子へのビームの入射角を所望の値に設定できる。
ところで、上記のようにレーザ素子10に半導体レーザを利用可能である。半導体レーザは、CANタイプのパッケージに搭載されているものも多い。一般的に、CANタイプのパッケージは光軸方向から見た形状が真円に近い。しかし、複数のレーザ素子10を段差配列するレーザ装置1では、図10に示すような、光軸方向から見て楕円形状のCANパッケージ12aに搭載された半導体レーザ10aをレーザ素子10に利用することが好ましい。これは以下のような理由による。
半導体レーザのレーザ光は、レーザ射光の進行方向に垂直な断面(以下において、「進行面」という。)の形状が楕円であることが一般的である。即ち、図10に示すように、レーザ光Lの進行面はスロー軸方向Sにビーム幅が狭く、ファースト軸方向Fにビーム幅が広い形状である。このため、スロー軸方向Sに狭く、ファースト軸方向Fに広い楕円形状のCANパッケージ12aを使用することにより、レーザ素子10を密集して配置することが可能である。このように、光軸方向から見てレーザ光Lの形状と相似形状の外形のレーザ素子10を使用することにより、光源領域100を更に縮小することができる。
なお、複数のレーザ素子10が段差配列されたレーザ装置1を複数用意することにより、これらのレーザ装置1の出力光を偏光合波して、出力光の出力を増大させることができる。例えば、図11に示すように2つのレーザ装置1の出力光Loutを偏光合波用プリズムなどの偏光合波装置3によって偏光合波するレーザモジュールによれば、レーザ装置1の出力を2倍にできる。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係るレーザ装置1は、図12に示すように、レーザ光Lの束の外径を縮小して集光素子20に入射させる光学装置40を更に備える。図12に示したレーザ装置1によれば、レーザ光Lの間隔を縮小することにより、入射ビーム径Wを更に小さくできる。これにより、例えば集光素子20に使用する集光レンズの更なる小型化、短焦点化を実現できる。
本発明の第2の実施形態に係るレーザ装置1は、図12に示すように、レーザ光Lの束の外径を縮小して集光素子20に入射させる光学装置40を更に備える。図12に示したレーザ装置1によれば、レーザ光Lの間隔を縮小することにより、入射ビーム径Wを更に小さくできる。これにより、例えば集光素子20に使用する集光レンズの更なる小型化、短焦点化を実現できる。
図12に示したレーザ装置1は、2つの反射ミラーからなるミラー対によってレーザ光Lの進行方向を変更した例である。図12に示したようにレーザ光Lの進行方向を直角に2回変更することによって、入射ビーム径Wを小さくできる。
図12では、光学装置40がミラー対である例を示した。しかし、光の進行方向を変更する作用を有するのであれば、他のデバイスも光学装置40に採用可能である。例えば、光学装置40にミラーアレイや階段ミラー、プリズム、回折格子などを使用してもよい。
(その他の実施形態)
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
集光素子20に使用する集光レンズの全面にレーザ光Lを入射させた場合、図13に示したように出力光Loutの強度はガウス分布である。一方、例えば図9に示した基板10c上でステージ10bを移動する機構などを利用してレーザ光Lの中心間距離pを狭くして、集光レンズの外縁部のみに集中してレーザ光Lを入射させてもよい。この場合、図14に示すように出力光Loutの強度は同心円状の強度分布になる。上記のように、レーザ光Lの間隔を制御することによって、所望の強度分布の出力光Loutを得ることができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明のレーザ装置は、複数のレーザ素子のレーザ光を結合して出力する用途に利用可能である。
Claims (7)
- 複数のレーザ素子と、
前記複数のレーザ素子からそれぞれ出力されるレーザ光を結合して出力する集光素子と
を備え、
前記複数のレーザ素子が前記レーザ光の光軸方向に沿って前後に配置され、最も近くにある前記レーザ光同士の中心間距離が、前記レーザ素子の前記光軸方向に垂直な方向の外形サイズよりも狭いことを特徴とするレーザ装置。 - 前記光軸方向から見て互いに隣接する前記レーザ素子の外縁領域が重なり合っていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記レーザ光をコリメートするコリメートレンズを更に備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記レーザ素子を冷却するヒートシンクを更に備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 複数の前記レーザ光の束の外径を縮小して前記集光素子に入射させる光学装置を更に備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記レーザ素子の位置が、前記光軸方向と垂直な方向に沿って自在に変更可能であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
- 前記レーザ素子の外形が、前記光軸方向から見て前記レーザ光の形状と相似形状であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ装置。
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