JPWO2016117108A1

JPWO2016117108A1 - 多波長レーザ光合波モジュール

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Publication number: JPWO2016117108A1
Application number: JP2016570444A
Authority: JP
Inventors: 章之門谷; 東條　公資; 公資東條
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2016117108A1

Abstract

多波長レーザ光合波モジュールは、互いに異なる複数の波長を有し且つ各々がＦＡＳＴ軸及びＳＬＯＷ軸のレーザ光を出力する複数のレーザ光源2a〜2cと、前記複数のレーザ光源に対応して設けられ、前記レーザ光源からのＦＡＳＴ軸のレーザ光を整形する複数の第１の整形レンズ3a〜3cと、前記複数の第１の整形レンズに対応して設けられ、前記第１の整形レンズからのＳＬＯＷ軸のレーザ光を整形する複数の第２の整形レンズ4a〜4cと、前記複数の第２の整形レンズからの複数のレーザ光を集光して光ファイバへ入射させる集光レンズ5とを備え、前記複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による前記集光レンズの焦点距離を通るように、前記複数のレーザ光源から前記１つのレーザ光源を除く残りの全てのレーザ光源の出射方向を設定する。

Description

本発明は、複数の波長のレーザ素子から出力される光ビームを１本のファイバに結合する多波長レーザ光合波モジュールに関する。

色収差、球面収差を補正する手法として、正レンズと負レンズとを組み合わせた複合レンズが一般的に用いられている（特許文献１）。また、複数のレンズを貼り合わせ、空気と接触する面を非球面とした複合レンズが知られている。

光ピックアップでは、光の書き込み、光の読み出しによる出力の差により微小な波長変化が生じ、この波長変化により色収差、球面収差が生じる。このため、色収差、球面収差による影響を抑制するために、様々な手法が報告されている。

レーザ加工、レーザ治療等に使用される複数の波長のレーザ素子から出力される光ビームを１本のファイバに結合する多波長レーザ光合波モジュールにおいては、球面収差、色収差を補正して光ビームを高効率にファイバに結合する必要がある。

特表２００９−５３６３６６号公報

近年、材料の多様化や装置の効率化等により、１つの装置に様々な波長のレーザ素子を搭載し、ユーザが簡易にレーザ素子を交換できるようにした構成が要望されている。複数の波長のレーザ素子を任意に搭載し、１つのファイバへ結合する多波長レーザ光合波モジュールにおいて、各レーザ素子からの出力をファイバへ高効率に結合するためには、球面収差、色収差を考慮する必要がある。

また、搭載されるレーザ素子の波長が広範囲に亘り、且つ波長の組み合わせが多数存在する。また、ユーザがレーザ素子を任意に搭載し、あるいはレーザ素子を交換可能とする場合には、高効率にファイバに結合させることや、装置を安価に構成することは困難である。

本発明の目的は、複数の波長のレーザ素子に容易に交換可能で且つ安価で球面収差、色収差を補正でき、高効率にファイバに結合できる多波長レーザ光合波モジュールを提供する。

上記の課題を解決するために、本発明に係る多波長レーザ光合波モジュールは、互いに異なる複数の波長を有し且つ各々がＦＡＳＴ軸及びＳＬＯＷ軸のレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源に対応して設けられ、前記レーザ光源からのＦＡＳＴ軸のレーザ光を整形する複数の第１の整形レンズと、前記複数の第１の整形レンズに対応して設けられ、前記第１の整形レンズからのＳＬＯＷ軸のレーザ光を整形する複数の第２の整形レンズと、前記複数の第２の整形レンズからの複数のレーザ光を集光して光ファイバへ入射させる集光レンズとを備え、前記複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による前記集光レンズの焦点距離を通るように、前記複数のレーザ光源から前記１つのレーザ光源を除く残りの全てのレーザ光源の出射方向を設定する。

本発明によれば、複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による集光レンズの焦点距離を通るように、複数のレーザ光源から１つのレーザ光源を除く残りの全てのレーザ光源の出射方向を設定するので、複数の波長のレーザ素子に容易に交換可能で且つ安価で球面収差、色収差を補正でき、高効率にファイバに結合できる。

図１は本発明の実施例１の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図２はレンズ１ａ，１ｃを上下移動させない場合の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図３は本発明の実施例２の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図４は本発明の実施例３の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図５は本発明の実施例３の多波長レーザ光合波モジュールにおいて各レーザ素子からの光ビームの各波長が球面レンズを通過したときのビームウェスト位置を示す図である。図６はレーザ光源とレンズとの距離を波長に応じて変化させた様子を示す図である。図７は本発明の実施例４の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。

以下、本発明の実施形態に係る多波長レーザ光合波モジュールを図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図２は図１に示す実施例１の多波長レーザ光合波モジュールに対してレンズ１ａ，１ｃを上下移動させない場合の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図２に示す構成は、図１に示す構成の前提となる。このため、図１の説明に先立って、図２に示す構成から説明する。

図２に示す多波長レーザ光合波モジュールは、基台１、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃ、複数の第１の整形レンズ３ａ〜３ｃと、複数の第２の整形レンズ４ａ〜４ｃと、集光レンズ５とを備えている。

基台１には、段差部１ａ〜１ｃが形成され、段差部１ａにはレーザ光源２ａが載置され、段差部１ｂにはレーザ光源２ｂが載置され、段差部１ｃにはレーザ光源２ｃが載置されている。

レーザ光源２ａは、波長λ1のレーザ光を出射する。波長λ1は、例えば、５００ｎｍである。レーザ光源２ｂは、波長λ2のレーザ光を出射する。波長λ2は、例えば、１０００ｎｍである。レーザ光源２ｃは、波長λ3のレーザ光を出射する。波長λ3は、例えば、１５００ｎｍである。レーザ光源２ａ〜２ｃの各々は、ＦＡＳＴ軸及びＳＬＯＷ軸のレーザ光を出射する。複数のレーザ光源は、赤外光と可視光との組み合わせからなる光源を用いても良い。

第１の整形レンズ３ａ〜３ｃは、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃに対応して設けられ、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃからのレーザ光がレンズ中心を通るように配置されている。第１の整形レンズ３ａ〜３ｃは、レーザ光源からのＦＡＳＴ軸のレーザ光をコリメートする。

複数の第２の整形レンズ４ａ〜４ｃは、複数の第１の整形レンズ３ａ〜３ｃに対応して設けられ、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃからのレーザ光がレンズ中心を通るように配置され、第１の整形レンズ３ａ〜３ｃからのＳＬＯＷ軸のレーザ光をコリメートする。

集光レンズ５は、複数の第２の整形レンズ４ａ〜４ｃからの複数のレーザ光を集光して光ファイバ６へ入射させるものであり、球面レンズからなる。集光レンズ５は、レーザ光源２ａ〜２ｃのレーザ光の波長λ1，λ2，λ3によって、異なる焦点位置ｆ1，ｆ2，ｆ3となる。即ち、波長が短いと、屈折角が大きくなり、焦点距離が短くなり、波長が長いと、屈折角が小さくなり、焦点距離が長くなる。

このため、レーザ光源２ｂのレーザ光の波長λ2では、焦点距離ｆ2がファイバ６の入口に位置するが、レーザ光源２ａのレーザ光の波長λ1では、焦点距離ｆ1がファイバ６の入口の手前となり、レーザ光源２ｃのレーザ光の波長λ3では、焦点距離ｆ3がファイバ６の入口の後方となる。このため、球面収差が発生する。

そこで、球面収差を低減するために、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃの内の１つのレーザ光源２ｂの基準波長λ2による集光レンズ５の焦点距離ｆ2を通るように、レーザ光源２ａ，２ｃの出射方向を設定するようにしている。

図１に示す実施例１の多波長レーザ光合波モジュールでは、レーザ光源２ｂの基準波長λ2による５の焦点距離ｆ2を通るように、第１の整形レンズ３ａ，３ｃが光軸に対して上方向に移動して配置されている。

即ち、第１の整形レンズ３ａ，３ｃを光軸に対して上方向にずらすことにより、コリメートビームを偏芯させる。これにより、第２の整形レンズ４ａ，４ｃからコリメートビームが集光レンズ５に入射されるが、このコリメートビームは、図２の集光レンズ５に入射される位置５ａ１，５ｃ１よりも上方向の位置５ａ２，５ｃ２に入射される。

集光レンズ５に対する波長λ1，λ3の屈折角は、図２に示すものと同じであるので、集光レンズ５の位置５ａ２，５ｃ２に入射されたコリメートビームは、焦点距離ｆ2を通る。従って、波長λ1，λ2，λ3においても、光ビームをファイバ６の入口に導くことができる。

このように実施例１の多波長レーザ光合波モジュールによれば、複数のレーザ光源２ａ〜２ｃの内の１つのレーザ光源２ｂの基準波長λ2による集光レンズ５の焦点距離ｆ2を通るように、レーザ光源２ａ，２ｃの出射方向を設定するので、複数の波長のレーザ素子に容易に交換可能で且つ安価で球面収差、色収差を補正でき、高効率にファイバに結合できる。

また、ユーザが広範囲な波長から所望の波長を選定し、選定されたレーザ光源を搭載することができる。また、基台１には段差部１ａ，１ｂ，１ｃが形成されているので、レーザ光源を容易に交換することができる。

図３は本発明の実施例２の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図３に示す実施例２の多波長レーザ光合波モジュールは、レーザ光源２ｂの基準波長λ2による集光レンズ５の焦点距離ｆ2を通るように、レーザ光源２ａ，２ｃと第１の整形レンズ３ａ，３ｃが傾斜されて配置されることを特徴とする。

また、レーザ光源２ａと第１の整形レンズ３ａとは、一体化されて構成され、レーザ光源２ｃと第１の整形レンズ３ｃとは、一体化されて構成されている。

このように、レーザ光源２ｂの基準波長λ2による集光レンズ５の焦点距離ｆ2を通るように、レーザ光源２ａ，２ｃと第１の整形レンズ３ａ，３ｃが傾斜されて配置されているので、コリメートビームを偏芯させる。これにより、第２の整形レンズ４ａ，４ｃからコリメートビームが集光レンズ５に入射されるが、このコリメートビームは、図２の集光レンズ５に入射される位置５ａ１，５ｃ１よりも上方向の位置５ａ２，５ｃ２に入射される。

即ち、図１に示す実施例１と同様に、集光レンズ５の位置５ａ２，５ｃ２に入射されたコリメートビームは、焦点距離ｆ2を通る。従って、波長λ1，λ2，λ3においても、光ビームをファイバ６の入口に導くことができる。

このように実施例２の多波長レーザ光合波モジュールにおいても、実施例１の多波長レーザ光合波モジュールの効果と同様な効果が得られる。

図４は本発明の実施例３の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図５は本発明の実施例３の多波長レーザ光合波モジュールにおいて各レーザ素子からの光ビームの各波長が球面レンズを通過したときのビームウェスト位置を示す図である。図５（ａ）に示すように、波長がλ1である場合には、集光レンズ５の焦点距離はｆ1となり、ビームウェスト幅はＷ１となる。

図５（ｂ）に示すように、波長がλ2〜λ10において、実施例１の構成を用いると、集光レンズ５の焦点距離はｆ1となる。しかしながら、焦点距離ｆ1でのそれぞれのビーム径ＷｎはＷ１よりも大きくなる。

そこで、図４に示す実施例３の多波長レーザ光合波モジュールは、図１に示す実施例１の多波長レーザ光合波モジュールの構成に、さらに、複数の波長の各波長λ1，λ2，λ3に応じて、第１の整形レンズ３ａ，３ｂ，３ｃとレーザ光源２ａ，２ｂ，２ｃとの距離を設定したことを特徴とする。

図４に示すように、波長λ1の場合には、第１の整形レンズ３ａとレーザ光源２ａとの距離をＬ１に設定する。波長λ2の場合には、第１の整形レンズ３ｂとレーザ光源２ｂとの距離をＬ２に設定する。波長λ3の場合には、第１の整形レンズ３ｃとレーザ光源２ｃとの距離をＬ３に設定する。

図６はレーザ光源とレンズとの距離を波長に応じて変化させた様子を示す図である。図６（ａ）に示すように、レーザ光源２ｃとレンズ３ｃとの距離Ｌ３を基準長Ｌ２よりも長く設定すると、光ビームは集光する。図６（ｂ）に示すように、レーザ光源２ａとレンズ３ａとの距離Ｌ１を基準長Ｌ２よりも短く設定すると、光ビームは発散する。これにより、焦点距離ｆ1でのそれぞれのビーム径を元々のビーム径Ｗｎよりも小さくすることができる。

図７は本発明の実施例４の多波長レーザ光合波モジュールの構成図である。図７に示す本発明の実施例４の多波長レーザ光合波モジュールは、基台１にレーザ光源２ａ，２ｃ及びレーザ光源２ａ，２ｃに対応して設けられた第１の整形レンズ３ａ，３ｃを傾斜させる傾斜部１ｄ，１ｅが形成されている。傾斜部１ｄ，１ｅは、水平に対して反時計方向に微小角度Δθだけ傾斜している。

このように基台１にレーザ光源２ａ，２ｃ及びレーザ光源２ａ，２ｃに対応して設けられた第１の整形レンズ３ａ，３ｃを傾斜させる傾斜部１ｄ，１ｅが形成されているので、コリメートビームを偏芯させる。これにより、第２の整形レンズ４ａ，４ｃからコリメートビームが集光レンズ５に入射されるが、このコリメートビームは、図２の集光レンズ５に入射される位置５ａ１，５ｃ１よりも上方向の位置５ａ２，５ｃ２に入射される。

このように実施例４の多波長レーザ光合波モジュールにおいても、実施例１の多波長レーザ光合波モジュールの効果と同様な効果が得られる。

なお、実施例1乃至実施例４では、複数のレーザ光源を３つとしたが、これに限定されることなく、４つ以上でもよい。

本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等の多波長レーザ光合波モジュールに適用可能である。

Claims

互いに異なる複数の波長を有し且つ各々がＦＡＳＴ軸及びＳＬＯＷ軸のレーザ光を出力する複数のレーザ光源と、
前記複数のレーザ光源に対応して設けられ、前記レーザ光源からのＦＡＳＴ軸のレーザ光を整形する複数の第１の整形レンズと、
前記複数の第１の整形レンズに対応して設けられ、前記第１の整形レンズからのＳＬＯＷ軸のレーザ光を整形する複数の第２の整形レンズと、
前記複数の第２の整形レンズからの複数のレーザ光を集光して光ファイバへ入射させる集光レンズとを備え、
前記複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による前記集光レンズの焦点距離を通るように、前記複数のレーザ光源から前記１つのレーザ光源を除く残りの全てのレーザ光源の出射方向を設定する多波長レーザ光合波モジュール。
前記複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による前記集光レンズの焦点距離を通るように、前記残りの全てのレーザ光源に対応して設けられた前記複数の第１の整形レンズが光軸に対して上下に移動して配置される請求項１記載の多波長レーザ光合波モジュール。
前記複数のレーザ光源の内の１つのレーザ光源の基準波長による前記集光レンズの焦点距離を通るように、前記残りの全てのレーザ光源及び前記残りの全てのレーザ光源に対応して設けられた前記複数の第１の整形レンズが傾斜されて配置される請求項１記載の多波長レーザ光合波モジュール。
前記複数の波長の各波長に応じて、前記第１の整形レンズと前記レーザ光源との距離が設定される請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の多波長レーザ光合波モジュール。
前記複数の光源を載せる基台を備え、
前記基台には、前記残りの全てのレーザ光源及び前記残りの全てのレーザ光源に対応して設けられた前記複数の第１の整形レンズを傾斜させる傾斜部が形成されている請求項１記載の多波長レーザ光合波モジュール。
前記集光レンズは、球面レンズからなる請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の多波長レーザ光合波モジュール。