WO2016063436A1 - レーザモジュール - Google Patents

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WO2016063436A1 PCT/JP2015/003932 JP2015003932W WO2016063436A1 WO 2016063436 A1 WO2016063436 A1 WO 2016063436A1 JP 2015003932 W JP2015003932 W JP 2015003932W WO 2016063436 A1 WO2016063436 A1 WO 2016063436A1
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laser
emitters
collimating lens
twister
emitter
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拓磨 本藤
吉田　隆幸
直人 上田
大森　弘治
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a laser module, and more particularly, to a laser module including a laser diode in which a plurality of emitters are formed.
  • FIG. 26 is a perspective view of a conventional laser emitter module 900.
  • a conventional laser emitter module 900 includes a laser emitter bar 902 having five emitters 901, a heat sink 903, a heat sink spacer 904, a first axis collimator 905, a prism member 906, and beam conditioning optics. Member 907.
  • the laser emitter bar 902 is fixed on the heat sink 903, and the heat sink 903 is fixed on the heat sink spacer 904.
  • the first axis collimator 905 and the beam conditioning optical member 907 are fixed to a prism member 906 fixed on the heat sink spacer.
  • the first axis collimator 905 collimates the laser beam output from the emitter 901 in the first axis direction. Further, as the beam conditioning optical member 907, for example, a beam twister is used, and the incident laser light is rotated by about 90 degrees and emitted.
  • the laser beam can be collimated in the fast axis direction by the fast axis collimator 905 in the fast axis direction where the spread angle of the laser beam is large, and the laser beam can be rotated 90 degrees so that the fast axis and the slow axis are switched. Thereafter, the laser beam is collimated in the slow axis direction by a slow axis collimator (not shown) in the slow axis direction where the spread angle of the laser beam is relatively small, and the collimation of the laser beam is completed.
  • the emitter 901 of the conventional laser emitter module 900 is defined in a wide range of a width of about 50 to 300 microns and a cavity length of about 0.5 mm to about 5 mm, and the pitch (arrangement interval) of the emitters 901 is described. It has not been. However, since the output and beam quality of the laser beam are greatly influenced by the width and pitch of the emitter, in order to obtain a high output laser beam with a high beam quality from one laser emitter bar, such a wide range is required. The disclosure alone cannot provide a laser beam with high output and high beam quality.
  • a laser module includes a laser diode, a first collimating lens, and a beam twister.
  • the laser diode has a plurality of emitters, and emits laser light from each of the plurality of emitters on the light emitting surface.
  • the first collimating lens is provided at a first distance from the light emitting surface of the laser diode, and parallelizes the spread of the laser light in the first axis direction.
  • the beam twister is provided at a second distance from the first collimating lens, and rotates the laser light by about 90 degrees.
  • the width of each of the plurality of emitters on the light emitting surface is 5 ⁇ m to 120 ⁇ m.
  • the pitch of the plurality of emitters on the light emitting surface is 295 ⁇ m to 305 ⁇ m.
  • the laser module of the present disclosure can obtain high-power and high-beam quality laser light in laser processing such as laser cutting and laser welding by specifying more detailed emitter width and pitch. .
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a laser module 1 in the embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal perspective view of the laser module 1 according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of the laser module 1 according to the embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged view taken along a dotted line in FIG.
  • FIG. 5 is a side view of the laser module 1 according to the embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view taken along the dotted line in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first collimating lens 50 in the embodiment.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • FIG. 9 is a partial perspective view of the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 10 is a front view of the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 10 is a front view of the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 11 is a rear view of the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view of a cylinder 61 constituting the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 14 is a side view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 15 is a top view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an upper surface and a side surface for explaining a dimensional relationship of the laser module 1 in the embodiment.
  • FIG. 17 is a front view of the beam twister 60 when the laser diode 10 in the embodiment is warped.
  • FIG. 17 is a front view of the beam twister 60 when the laser diode 10 in the embodiment is warped.
  • FIG. 18 is a rear view of the beam twister 60 when the laser diode 10 according to the present embodiment is warped.
  • 19 is a cross-sectional view taken along line XIX-XIX in FIG.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the intensity of the laser beam emitted from the laser module 1 according to the embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 21 is a graph showing the intensity of the laser beam emitted from the laser module 1 according to the embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 according to the embodiment at a position 50 mm away from the beam twister 60.
  • FIG. 23 is a graph showing the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 in the embodiment at a position away from the beam twister 60 by 50 mm.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 according to the embodiment at a position away from the beam twister 60 by 600 mm.
  • FIG. 25 is a graph showing the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 in the embodiment at a position away from the beam twister 60 by 600 mm.
  • FIG. 26 is a perspective view and a side view showing a schematic configuration of a conventional laser emitter module 900.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a laser module 1 in the present embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal perspective view of the laser module 1 in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of the laser module 1 in the present embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged view taken along a dotted line in FIG.
  • FIG. 5 is a side view of the laser module 1 in the present embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view taken along the dotted line in FIG.
  • a laser diode 10 that outputs laser light from an emitter is mounted on a submount 20, and these include a lower electrode block 30, an upper electrode block 40, and the like. It is sandwiched between.
  • the lower electrode block 30 and the upper electrode block 40 have a function of an electrode for connecting the laser diode 10 to a power source (not shown) and a function of a radiator for releasing the heat generated by the laser diode 10.
  • the light emitting surface of the laser diode 10 is disposed so as to be substantially flush with the side surfaces of the lower electrode block 30 and the upper electrode block 40 (the front surface of FIGS. 3 and 4 and the right end surface of FIGS. 5 and 6). Equivalent).
  • a plurality of emitters are arranged on the light emitting surface of the laser diode 10, and when a current flows through the laser diode 10, laser light is output from each emitter on the light emitting surface.
  • the width of the laser diode 10, the width, number, and pitch of the emitters will be described in detail later.
  • the first collimating lens 50 (first collimating lens) is disposed at a predetermined distance (first distance) so as to face the light emitting surface of the laser diode 10.
  • the first collimating lens 50 collimates the spread of the laser beam output from the laser diode 10 in the first axis direction.
  • the first collimating lens 50 has a flat surface and a curved surface. In the present embodiment, the flat surface of the first collimating lens 50 is on the laser diode 10 side, and the curved surface of the first collimating lens 50 is on the side opposite to the laser diode 10.
  • the curved surface of the first collimating lens 50 may be disposed on the laser diode 10 side, and the flat surface of the first collimating lens 50 may be disposed on the side opposite to the laser diode 10.
  • the structure and arrangement of the first collimating lens 50 will be described in detail later.
  • a beam twister 60 is arranged on the opposite side of the first collimating lens 50 from the laser diode 10 and separated from the first collimating lens 50 by a predetermined distance (second distance).
  • the beam twister 60 rotates the laser light emitted from the first collimating lens 50 by about 90 degrees.
  • the structure and arrangement of the beam twister 60 will be described in detail later.
  • the first collimating lens 50 and the beam twister 60 are fixed to the pedestal 70 so as to define the positional relationship between the first collimating lens 50 and the beam twister 60.
  • the laser beam emitted from the laser diode 10 is first collimated in the first axis direction by the first collimating lens 50, whereby the spread of the laser beam in the first axis direction can be minimized. Furthermore, by rotating the laser light emitted from the first collimating lens 50 by the beam twister 60, the spread in the slow axis direction can be avoided with a minimum overlap with the adjacent emitter. Thus, the pitch (arrangement interval) can be minimized according to the widths of the plurality of emitters, and high-power laser light can be output with high beam quality.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first collimating lens 50 in the present embodiment.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line VIII-VIII in FIG.
  • the first collimating lens 50 is a columnar optical member whose cross-sectional shape is a single convex lens.
  • the thickness d51 of the upper surface of the first collimating lens 50 is 0.0984 mm
  • the side height d52 is 0.244 mm
  • the center thickness d53 is 0.1700 mm
  • the side length d54 is 12 mm.
  • the vertical direction in FIG. 8 is the vertical direction of the first collimating lens 50
  • the plane including the vertical direction and the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 8 is the side surface of the first collimating lens 50.
  • the left-right direction in FIG. 8 is the thickness direction of the first collimating lens 50, and the middle between the upper surface and the mask is the center.
  • the length of the side surface of the first collimating lens 50 is the length in the direction perpendicular to the paper surface of FIG.
  • the side length d54 of the first collimating lens 50 is longer than the width of the laser diode 10 (the length in the longitudinal direction of the light emitting surface).
  • the curvature radius of the curved surface of the first collimating lens 50 which is the right side surface in FIG. 8, is 0.1188 mm, and the angle d55 formed by the end of the curved surface and the vertical direction of the upper surface is 52.2 degrees. is there.
  • the refractive index of the first collimating lens 50 is 1.85280.
  • the first collimating lens 50 is disposed in front of the light emitting surface of the laser diode 10 and collimates the laser light emitted from the emitter of the laser diode 10 in the first axis direction.
  • FIG. 9 is a partial perspective view of the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 10 is a view on the front side (laser beam incident surface side) of the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 11 is a view on the back side (laser beam emission surface side) of the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view of a cylinder 61 constituting the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 14 is a side view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the present embodiment.
  • FIG. 15 is a top view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the present embodiment.
  • the beam twister 60 is an optical member in which a plurality of cylinders 61 whose both surfaces are convex lenses are inclined and overlapped by an angle d62.
  • the angle d62 is 45 degrees, and as a result, as shown in FIGS. 10 and 11, the laser light incident from the front side is inclined by 90 degrees and emitted from the back side. That is, the first axis direction and the slow axis direction of the laser light can be interchanged.
  • 9 indicates the traveling direction of the laser beam
  • FIG. 10 is a view of the beam twister 60 as viewed from the left side in FIG. 9
  • FIG. 11 is a view of the beam twister 60 as viewed from the right side in FIG. As shown in FIG.
  • the thickness d62 of the cylinder 61 in the direction perpendicular to the light emitting surface of the laser diode 10 is 1.55 mm
  • the height d63 of the side surface is 0.2121 mm.
  • the radius of curvature of the curved surface of the cylinder 61 is 0.352 mm
  • the refractive index of the cylinder 61 is 1.85280.
  • the side surface of the cylinder 61 is the height of the incident surface and the exit surface of the laser beam, and the height of the side surface is the length of the cylinder 61 in the vertical direction of the paper surface in FIG.
  • the curved surface of the cylinder 61 is an incident surface and an emission surface of laser light.
  • the beam twister 60 in which the cylinder 61 is inclined at 45 degrees is refracted so that the laser beam incident from the front surface (the surface facing the laser diode) is swiveled.
  • the light travels through 60, rotates 90 degrees, and is emitted from the back surface (the surface opposite to the front surface).
  • the positions of the first axis and the slow axis of the laser light are switched.
  • the laser beam is already collimated in the fast axis direction, but spreads in the slow axis direction.
  • FIG. 16 is a diagram showing an upper surface and side surfaces for explaining the dimensional relationship of the laser module 1 in the present embodiment.
  • the pitch between the emitters 11 is d1, and in this embodiment, it is 300 ⁇ m.
  • the emitter pitch is the distance from the center of the emitter to the center of the adjacent emitter.
  • the pitch of the emitters 11 is preferably about 295 ⁇ m to about 305 ⁇ m, more preferably about 298 ⁇ m to about 302 ⁇ m.
  • the length of the emitter 11 (the length in the direction perpendicular to the light emitting surface) is d2, which is 6 mm in this embodiment.
  • the length of the emitter 11 is the same as the length of the laser diode 10 in the direction in which the emitter 11 extends.
  • the surface opposite to the light emitting surface of the laser diode 10 is subjected to end surface treatment so that the laser light is totally reflected.
  • the width of the emitter 11 on the light emitting surface (the length of the emitter 11 in the direction in which the emitter is adjacent) is 105 ⁇ m.
  • the length of the emitter 11 is preferably about 2 mm to about 8 mm, more preferably about 4 mm to about 7 mm.
  • the distance between the light emitting surface of the laser diode 10 and the first collimating lens 50 is d3, and in this embodiment, it is 50 ⁇ m.
  • the distance between the light emitting surface of the laser diode 10 and the first collimating lens 50 is preferably about 30 ⁇ m to about 70 ⁇ m, and more preferably about 40 ⁇ m to about 60 ⁇ m.
  • the height of the side surface of the first collimating lens 50 is large enough to allow all of the laser light spreading in the fast axis direction to enter.
  • the length of the side surface of the first collimating lens 50 is large enough to allow all the laser light from the laser diode 10 to enter.
  • the thickness of the first collimating lens 50 (thickness in the direction perpendicular to the light emitting surface) is d4, and in this embodiment, it is 170.0 ⁇ m.
  • the thickness of the first collimating lens 50 is preferably about 100.0 ⁇ m to about 240.0 ⁇ m, and more preferably about 120.0 ⁇ m to about 220.0 ⁇ m.
  • the position of the first collimating lens 50 is determined by the focal length of the curved surface of the first collimating lens 50 and the spread of the laser beam in the first axis direction. Therefore, in order to make the first collimating lens 50 as close as possible to the light emitting surface of the laser diode 10, it is preferable to set the plane side of the first collimating lens 50 to the laser diode 10 side as shown in FIG.
  • the distance between the first collimating lens 50 and the beam twister 60 is d5, and in this embodiment, it is 20 ⁇ m.
  • the distance between the first collimating lens 50 and the beam twister 60 is preferably 0 ⁇ m to about 60 ⁇ m, and more preferably 0 ⁇ m to about 40 ⁇ m. Since the position of the beam twister 60 continues to expand in the slow direction, it should be as close as possible to the first collimating lens 50, and may contact (distance is 0 ⁇ m). However, in consideration of the processing accuracy of the plurality of cylinders 61 of the beam twister 60, it is practical to slightly separate the first collimating lens 50 and the beam twister 60.
  • the thickness of the beam twister 60 is d6, and in this embodiment, it is 1.55 mm.
  • the thickness of the beam twister 60 is preferably about 1.53 mm to about 1.57 mm, more preferably about 1.54 mm to about 1.56 mm. This is a distance required to rotate the laser beam 90 degrees internally, and is defined by the curvature of both end faces of the beam twister 60.
  • the width (length in the adjacent direction) of one emitter 11 is 100 ⁇ m in this embodiment, preferably about 5 ⁇ m to about 120 ⁇ m, more preferably about 70 ⁇ m to about 115 ⁇ m.
  • the number of emitters 11 provided in one laser diode 10 is 20, preferably 3 to 35, and more preferably 3 to 20.
  • FIG. 17 is a front view of the beam twister 60 when the laser diode 10 in the present embodiment is warped.
  • FIG. 18 is a rear view of the beam twister 60 when the laser diode 10 in the present embodiment is warped.
  • laser light whose first direction is shorter than the slow direction is described as an example.
  • the present invention is not limited to this, and actually, laser light whose first direction is longer than the slow direction may be used. Absent.
  • the width of the laser diode 10 needs to be 8 mm or less, and preferably 6 mm or less.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view taken along line XIX-XIX in FIG.
  • the width of the laser diode 10 is 6 mm
  • the number of emitters 11 is determined in inverse proportion to the pitch of the emitters 11. For example, if the pitch of the emitters 11 is 200 ⁇ m, the number of emitters 11 is 30 (6 mm ⁇ 200 ⁇ m).
  • the pitch of the emitters 11 is 300 ⁇ m, the number of emitters 11 is 20 (6 mm ⁇ 300 ⁇ m). If the pitch of the emitters 11 is 500 ⁇ m, the number of emitters 11 is 12 (6 mm ⁇ 500 ⁇ m). Assuming that the widths of the emitters 11 are equal, the total output of laser light increases as the number of emitters 11 increases. However, if the pitch of the emitters 11 is too small, the laser beam is emitted from the incident surface of the beam twister 60 and is not output from the laser module 1 due to the limit of the processing accuracy of the curved surface of the beam twister 60. As shown in FIG.
  • the pitch of the emitters 11 needs to be 250 ⁇ m or more, and preferably 300 ⁇ m or more.
  • the width of the emitter 11 when the width of the emitter 11 is increased, the distance from the adjacent emitter 11 is reduced, and laser beams from the adjacent emitters 11 are easily overlapped in the slow axis direction, and the end portion of the cylinder 61 of the beam twister 60 is easily overlapped. Until the laser beam is incident. However, if the width of the emitter 11 is too large, the laser beam is emitted from the incident surface of the beam twister 60 and is not output from the laser module 1 due to the limit of the processing accuracy of the curved surface of the beam twister 60. The reason for this is the same as that described above with reference to FIG. Considering the loss of laser light due to the processing accuracy of the beam twister 60, the width of the emitter 11 needs to be 120 ⁇ m or less, preferably 105 m or less.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 according to the present embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 21 is a graph showing the intensity of the laser beam emitted from the laser module 1 in the present embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 according to the present embodiment at a position away from the beam twister 60 by 50 mm.
  • FIG. 23 is a graph showing the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 in the present embodiment at a position away from the beam twister 60 by 50 mm.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 according to the present embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 21 is a graph showing the intensity of the laser beam emitted from the laser module 1 in the present embodiment on the emission surface of the beam twister 60.
  • FIG. 22 is
  • FIG. 24 is a diagram showing the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 in the present embodiment at a position away from the beam twister 60 by 600 mm.
  • FIG. 25 is a graph showing the intensity of the laser light emitted from the laser module 1 in the present embodiment at a position away from the beam twister 60 by 600 mm.
  • FIGS. 20 to 25 show the separation of the laser beam in the first direction with five laser beams from five emitters. As shown in FIGS. 20 to 25, in the present embodiment, it was confirmed that the laser beam was separated in the fast direction even at a position 600 mm away from the beam twister 60. Thereby, it was also confirmed that the beam quality of the laser beam was high.
  • the laser module of the present disclosure by defining a more detailed emitter width and pitch, high power and high beam quality laser light can be obtained in laser processing such as laser cutting and laser welding. Useful.

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Abstract

　本開示に係るレーザモジュールは、レーザダイオードと、第１のコリメートレンズと、ビームツイスタとを有する。レーザダイオードは、複数のエミッタを有し、発光面において複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射する。第１のコリメートレンズは、レーザダイオードの発光面から第１の距離だけ離れて設けられ、レーザ光のファースト軸方向の拡がりを平行化する。ビームツイスタは、第１のコリメートレンズから第２の距離だけ離れて設けられ、レーザ光を約９０度旋回させる。また、発光面における、複数のエミッタの各々の幅は、５μｍ～１２０μｍである。また、発光面における、複数のエミッタのピッチは、２９５μｍ～３０５μｍである。

Description

レーザモジュール
　本開示はレーザモジュールに関し、特に、複数のエミッタが形成されたレーザダイオードを搭載したレーザモジュールに関する。
　近年、レーザ切断やレーザ溶接といったレーザ加工の分野では、レーザダイオードを用いたレーザモジュールにおいて、高出力で高いビーム品質のレーザ光を出力することが要求されている。
　図２６を用いて、特許文献１に記載された従来のレーザエミッタモジュール９００について説明する。図２６は、従来のレーザエミッタモジュール９００の斜視図である。
　図２６に示すように、従来のレーザエミッタモジュール９００は、５つのエミッタ９０１を有するレーザエミッタバー９０２と、ヒートシンク９０３と、ヒートシンクスペーサ９０４と、ファースト軸コリメータ９０５と、プリズム部材９０６と、ビームコンディショニング光学部材９０７とを有する。レーザエミッタバー９０２は、ヒートシンク９０３の上に固定され、ヒートシンク９０３はヒートシンクスペーサ９０４の上に固定される。また、ファースト軸コリメータ９０５およびビームコンディショニング光学部材９０７は、ヒートシンクスペーサの上に固定されたプリズム部材９０６に固定される。
　ファースト軸コリメータ９０５は、エミッタ９０１から出力されたレーザ光をファースト軸方向においてコリメートする。また、ビームコンディショニング光学部材９０７としては、例えば、ビームツイスターが用いられ、入射されたレーザ光を約９０度回転させて出射する。
　これにより、レーザ光の拡がり角が大きいファースト軸方向においてファースト軸コリメータ９０５によってレーザ光をファースト軸方向にコリメートし、ファースト軸とスロー軸とが入れ替わるようにレーザ光を９０度回転させることができる。このあと、レーザ光の拡がり角が比較的小さいスロー軸方向において、スロー軸コリメータ（図示せず）によってレーザ光をスロー軸方向においてコリメートし、レーザ光のコリメートを完了する。
特開２０１４－９５９１６号公報
　従来のレーザエミッタモジュール９００のエミッタ９０１は、幅が約５０ミクロン～３００ミクロン、空洞長が約０．５ｍｍ～約５ｍｍという広い範囲で規定されており、エミッタ９０１のピッチ（配置間隔）については記載されていない。しかし、レーザ光の出力およびビーム品質はエミッタの幅およびピッチに大きく影響されるため、１つのレーザエミッタバーから高出力のレーザ光を、高いビーム品質で得るためには、このような広い範囲の開示だけでは、高出力で、かつ、高いビーム品質のレーザ光を得ることができない。
　上記問題を解決するために、本開示に係るレーザモジュールは、レーザダイオードと、第１のコリメートレンズと、ビームツイスタとを有する。レーザダイオードは、複数のエミッタを有し、発光面において複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射する。第１のコリメートレンズは、レーザダイオードの発光面から第１の距離だけ離れて設けられ、レーザ光のファースト軸方向の拡がりを平行化する。ビームツイスタは、第１のコリメートレンズから第２の距離だけ離れて設けられ、レーザ光を約９０度旋回させる。また、発光面における、複数のエミッタの各々の幅は、５μｍ～１２０μｍである。また、発光面における、複数のエミッタのピッチは、２９５μｍ～３０５μｍである。
　以上のように、本開示のレーザモジュールは、より詳細なエミッタの幅とピッチを規定することで、レーザ切断やレーザ溶接といったレーザ加工において、高出力で高いビーム品質のレーザ光を得ることができる。
図１は、実施の形態におけるレーザモジュール１の概略構成を示す斜視図である。 図２は、実施の形態におけるレーザモジュール１の水平斜視図である。 図３は、実施の形態におけるレーザモジュール１の正面図である。 図４は、図３の点線における拡大図である。 図５は、実施の形態におけるレーザモジュール１の側面図である。 図６は、図５の点線における拡大図である。 図７は、実施の形態におけるファーストコリメートレンズ５０の斜視図である。 図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図である。 図９は、実施の形態におけるビームツイスタ６０の部分斜視図である。 図１０は、実施の形態におけるビームツイスタ６０の正面図である。 図１１は、実施の形態におけるビームツイスタ６０の背面図である。 図１２は、実施の形態におけるビームツイスタ６０を構成するシリンダ６１の斜視図である。 図１３は、実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す斜視図である。 図１４は、実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す側面図である。 図１５は、実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す上面図である。 図１６は、実施の形態におけるレーザモジュール１の寸法関係を説明するための上面および側面を示す図である。 図１７は、実施の形態におけるレーザダイオード１０が反った場合の、ビームツイスタ６０の正面図である。 図１８は、実施の形態における本実施の形態におけるレーザダイオード１０が反った場合の、ビームツイスタ６０の背面図である。 図１９は、図１０のＸＩＸ－ＸＩＸ線における断面図である。 図２０は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０の出射面における強度を示す図である。 図２１は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０の出射面における強度を示すグラフである。 図２２は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から５０ｍｍ離れた位置における強度を示す図である。 図２３は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から５０ｍｍ離れた位置における強度を示すグラフである。 図２４は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から６００ｍｍ離れた位置における強度を示す図である。 図２５は、実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から６００ｍｍ離れた位置における強度を示すグラフである。 図２６は、従来のレーザエミッタモジュール９００の概略構成を示す斜視図および側面図である。
　（実施の形態）
　以下、本開示の実施の形態について、図１～図２５を用いて説明する。
　１．レーザモジュール１の説明
　図１は、本実施の形態におけるレーザモジュール１の概略構成を示す斜視図である。図２は、本実施の形態におけるレーザモジュール１の水平斜視図である。図３は、本実施の形態におけるレーザモジュール１の正面図である。図４は、図３の点線における拡大図である。図５は、本実施の形態におけるレーザモジュール１の側面図である。図６は、図５の点線における拡大図である。
　図１～図６に示すように、本実施の形態のレーザモジュール１は、エミッタからレーザ光を出力するレーザダイオード１０がサブマウント２０に搭載され、これらが下部電極ブロック３０と上部電極ブロック４０とによって挟まれている。下部電極ブロック３０および上部電極ブロック４０は、レーザダイオード１０を電源（図示せず）と接続するための電極の機能と、レーザダイオード１０が発生した熱を放出するためのラジエータの機能とを有する。
　また、レーザダイオード１０の発光面は、下部電極ブロック３０および上部電極ブロック４０の側面とほぼ同一面となるように配置されている（図３および図４の正面、図５および図６の右端面に相当）。レーザダイオード１０の発光面には複数のエミッタが配列されており、レーザダイオード１０に電流が流れると、発光面において、それぞれのエミッタからレーザ光が出力される。レーザダイオード１０の幅、エミッタの幅や数やピッチなどについては後で詳細に説明する。
　レーザダイオード１０の発光面に向かい合うようにファーストコリメートレンズ５０（第１のコリ―メートレンズ）が所定の距離（第１の距離）だけ離れて配置されている。ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０から出力されたレーザ光のファースト軸方向の拡がりをコリメートする。ファーストコリメートレンズ５０は、平面と曲面とを有しており、本実施の形態では、ファーストコリメートレンズ５０の平面をレーザダイオード１０側に、ファーストコリメートレンズ５０の曲面をレーザダイオード１０とは反対側になるように配置する。なお、ファーストコリメートレンズ５０の曲面をレーザダイオード１０側に、ファーストコリメートレンズ５０の平面をレーザダイオード１０とは反対側になるように配置しても構わない。ファーストコリメートレンズ５０の構造及び配置については後で詳細に説明する。
　ファーストコリメートレンズ５０から見てレーザダイオード１０とは反対側には、ビームツイスタ６０がファーストコリメートレンズ５０と所定の距離（第２の距離）だけ離れて配置されている。ビームツイスタ６０は、ファーストコリメートレンズ５０から出射されたレーザ光を約９０度旋回させる。ビームツイスタ６０の構造及び配置については後で詳細に説明する。なお、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０とは、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０との位置関係を規定するように、台座７０に固定されている。
　以上のように、レーザダイオード１０から出射されたレーザ光を初めにファーストコリメートレンズ５０によってファースト軸方向でコリメートすることで、ファースト軸方向のレーザ光の拡がりを最小限に抑えることができる。さらに、ファーストコリメートレンズ５０から出射されたレーザ光をビームツイスタ６０によって旋回させることで、スロー軸方向の拡がりに関しても、隣接するエミッタとの重なりを最小限に抑えて回避できる。これにより、複数のエミッタの幅に応じて、ピッチ（配置間隔）を最小限にすることが可能となり、高いビーム品質で、高出力のレーザ光を出力することが可能となる。
　２．ファーストコリメートレンズ５０の説明
　次に、図７および図８を用いて、ファーストコリメートレンズ５０について説明する。図７は、本実施の形態におけるファーストコリメートレンズ５０の斜視図である。図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線における断面図である。
　図７および図８に示すように、ファーストコリメートレンズ５０は、断面形状が片凸レンズである柱状の光学部材である。本実施の形態では、ファーストコリメートレンズ５０の上面の厚さｄ５１が０．０９８４ｍｍで、側面の高さｄ５２が０．２４４ｍｍで、中央の厚さｄ５３が０．１７００ｍｍで、側面の長さｄ５４が１２ｍｍである。なお、図８における上下方向をファーストコリメートレンズ５０の上下方向とし、図８における上下方向と紙面に垂直な方向を含む平面をファーストコリメートレンズ５０の側面とする。また、図８における左右方向をファーストコリメートレンズ５０の厚さ方向とし、上面と仮面の中間を中央とする。ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さとは、図８の紙面に垂直な方向の長さである。レーザダイオード１０からのすべてのレーザ光を透過させるために、ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さｄ５４は、レーザダイオード１０の幅（発光面の長手方向の長さ）よりも長い。本実施の形態では、図８における右側面である、ファーストコリメートレンズ５０の曲面の曲率半径は０．１１８８ｍｍであり、曲面の端部と上面の鉛直方向とがなす角度ｄ５５は５２．２度である。そして、ファーストコリメートレンズ５０の屈折率は１．８５２８０である。前述のように、ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０の発光面の前に配置され、レーザダイオード１０のエミッタから出射されたレーザ光をファースト軸方向でコリメートする。
　３．ビームツイスタ６０の説明
　次に、図９～図１５を用いて、ビームツイスタ６０について説明する。図９は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０の部分斜視図である。図１０は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０の正面側（レーザ光の入射面側）の図である。図１１は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０の背面側（レーザ光の出射面側）の図である。図１２は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０を構成するシリンダ６１の斜視図である。図１３は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す斜視図である。図１４は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す側面図である。図１５は、本実施の形態におけるビームツイスタ６０によるレーザ光の光路を示す上面図である。
　図９～図１１に示すように、ビームツイスタ６０は、両面が凸レンズである複数のシリンダ６１を角度ｄ６２だけ傾けて重ねた光学部材である。本実施の形態では、角度ｄ６２は４５度であり、これによって、図１０および図１１に示すように、正面側から入射されたレーザ光を９０度傾けて背面側から出射する。すなわち、レーザ光のファースト軸方向とスロー軸方向を入れ替えることができる。図９の矢印はレーザ光の進行方向を示し、図１０はビームツイスタ６０を図９における左側から見た図であり、図１１は、ビームツイスタ６０を図９における右側から見た図である。図１２に示すように、本実施の形態では、レーザダイオード１０の発光面に対して垂直な方向におけるシリンダ６１の厚さｄ６２が１．５５ｍｍで、側面の高さｄ６３が０．２１２１ｍｍである。本実施の形態では、シリンダ６１の曲面の曲率半径は０．３５２ｍｍであり、シリンダ６１の屈折率は１．８５２８０である。なお、シリンダ６１の側面とは、レーザ光の入射面及び出射面の高さであり、側面の高さとは、図１２における紙面の上下方向におけるシリンダ６１の長さである。シリンダ６１の曲面とは、レーザ光の入射面及び出射面である。
　そして、図１３～図１５に示すように、シリンダ６１を４５度傾けて配置したビームツイスタ６０によって、正面（レーザダイオードに向かい合う面）から入射されたレーザ光は旋回するように屈折しながらビームツイスタ６０内を進み、９０度回転して背面（正面とは反対側の面）から出射される。これにより、レーザ光のファースト軸とスロー軸の位置が入れ替わる。なお、レーザ光は、ファースト軸方向はすでにコリメートされているが、スロー軸方向は拡がっている。
　４．レーザモジュール１の各部の寸法
　次に、図１６を用いて、各構成の寸法や数について説明する。図１６は、本実施の形態におけるレーザモジュール１の寸法関係を説明するための上面および側面を示す図である。
　図１６に示すように、本実施の形態においては、エミッタ１１を５つ設けたレーザダイオード１０を用いて説明する。まず、レーザモジュール１の各部の寸法について、説明する。エミッタ１１同士のピッチをｄ１とし、本実施の形態では、３００μｍとする。なお、エミッタのピッチとは、エミッタの中心から、隣接するエミッタの中心までの距離である。エミッタ１１のピッチは、約２９５μｍ～約３０５μｍが好ましく、約２９８μｍ～約３０２μｍがより好ましい。
　次に、エミッタ１１の長さ（発光面に垂直な方向の長さ）をｄ２とし、本実施の形態では、６ｍｍとする。エミッタ１１の長さとは、エミッタ１１が延びる方向におけるレーザダイオード１０の長さと同じである。レーザダイオード１０の発光面とは反対の面はレーザ光が全反射するように端面処理が施されている。なお、本実施の形態では、エミッタ１１の発光面における幅（エミッタが隣接する方向におけるエミッタ１１の長さ）は１０５μｍとする。エミッタ１１の長さは、約２ｍｍ～約８ｍｍが好ましく、約４ｍｍ～約７ｍｍがより好ましい。
　次に、レーザダイオード１０の発光面とファーストコリメートレンズ５０との距離をｄ３とし、本実施の形態では、５０μｍとする。レーザダイオード１０の発光面とファーストコリメートレンズ５０との距離は、約３０μｍ～約７０μｍが好ましく、約４０μｍ～約６０μｍがより好ましい。なお、ファーストコリメートレンズ５０の側面の高さは、ファースト軸方向に拡がるレーザ光をすべて入射するのに十分な大きさである。さらに、ファーストコリメートレンズ５０の側面の長さは、レーザダイオード１０からのレーザ光をすべて入射するのに十分な大きさである。
　次に、ファーストコリメートレンズ５０の厚さ（発光面に対して垂直な方向の厚さ）をｄ４とし、本実施の形態では、１７０．０μｍとする。ファーストコリメートレンズ５０の厚さは、約１００．０μｍ～約２４０．０μｍが好ましく、約１２０．０μｍ～約２２０．０μｍがより好ましい。なお、ファーストコリメートレンズ５０の位置は、ファーストコリメートレンズ５０の曲面による焦点距離とレーザ光のファースト軸方向の拡がりとによって決まる。そのため、ファーストコリメートレンズ５０をできるだけレーザダイオード１０の発光面に近づけるためには、図１６のように、ファーストコリメートレンズ５０の平面側をレーザダイオード１０側にする方が好ましい。
　次に、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０との距離をｄ５とし、本実施の形態では、２０μｍとする。ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０との距離は、０μｍ～約６０μｍが好ましく、０μｍ～約４０μｍがより好ましい。なお、ビームツイスタ６０の位置は、スロー方向の拡がりが続いていることから、ファーストコリメートレンズ５０にできるだけ近い方がよく、接触（距離が０μｍ）しても構わない。しかし、ビームツイスタ６０の複数のシリンダ６１の加工精度を考慮して、ファーストコリメートレンズ５０とビームツイスタ６０とを少し離すことが現実的である。
　次に、ビームツイスタ６０の厚さ（発光面に対して垂直な方向における厚さ）をｄ６とし、本実施の形態では、１．５５ｍｍとする。ビームツイスタ６０の厚さは、約１．５３ｍｍ～約１．５７ｍｍが好ましく、約１．５４ｍｍ～約１．５６ｍｍがより好ましい。これは、レーザ光を内部で９０度回転させるために必要な距離であり、ビームツイスタ６０の両端面の曲率によって規定される。
　また、１つのエミッタ１１の幅（隣接する方向の長さ）は、本実施の形態では１００μｍとし、約５μｍ～約１２０μｍが好ましく、約７０μｍ～約１１５μｍがより好ましい。また、１つのレーザダイオード１０に設けられるエミッタ１１の数は、本実施の形態では２０個とし、３～３５個が好ましく、３～２０個がより好ましい。
　５．レーザダイオード１０の幅とレーザモジュールの出力の関係
　次に、レーザダイオード１０の幅とレーザ光の出力の合計（レーザモジュール１の出力）について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、本実施の形態におけるレーザダイオード１０が反った場合の、ビームツイスタ６０の正面図である。図１８は、本実施の形態における本実施の形態におけるレーザダイオード１０が反った場合の、ビームツイスタ６０の背面図である。なお、図１７および図１８では、ファースト方向がスロー方向よりも短いレーザ光を例として記載しているが、これに限らず、実際は、ファースト方向がスロー方向よりも長いレーザ光であっても構わない。
　エミッタ１１のピッチが同じであると仮定すると、レーザダイオード１０の幅が大きいほど、エミッタ１１の数を多くでき、レーザ光の出力の合計は大きくなる。しかし、レーザダイオード１０は、製造過程でも反りが生じており、レーザ光を出力するために流される電流によって加熱されると、さらに反りが大きくなる。このレーザダイオード１０の反りが大きくなると、図１７および図１８に示すように、ビームツイスタ６０のそれぞれの曲面に対するレーザ光の位置ずれが生じることになる。そして、図１７および図１８の破線で囲んだ領域のレーザ光のように、ビームツイスタ６０の曲面内に収まらないレーザ光が発生する。これらのレーザ光は、ビームツイスタ６０の入射面でけられ、レーザモジュール１からは出力されない。レーザダイオード１０の反りによるこれらのレーザ光のロスを考慮すると、レーザダイオード１０の幅は８ｍｍ以下にする必要があり、６ｍｍ以下が好ましい。
　６．エミッタ１１のピッチとレーザモジュールの出力の関係
　次に、エミッタ１１のピッチとレーザ光の出力の合計（レーザモジュール１の出力）について、図１９を用いて説明する。図１９は、図１０のＸＩＸ－ＸＩＸ線における断面図である。レーザダイオード１０の幅を６ｍｍと仮定し、エミッタ１１のピッチとレーザ光の出力の合計（レーザモジュールの出力）について説明する。レーザダイオード１０の幅が一定であれば、エミッタ１１のピッチに反比例してエミッタ１１の数が決まる。例えば、エミッタ１１のピッチが２００μｍであれば、エミッタ１１の数は、３０個（６ｍｍ÷２００μｍ）となる。エミッタ１１のピッチが３００μｍであれば、エミッタ１１の数は、２０個（６ｍｍ÷３００μｍ）となる。エミッタ１１のピッチが５００μｍであれば、エミッタ１１の数は、１２個（６ｍｍ÷５００μｍ）となる。エミッタ１１の幅が等しいと仮定すると、エミッタ１１の数が多いほどレーザ光の出力の合計は大きくなる。しかし、エミッタ１１のピッチが小さすぎると、ビームツイスタ６０の曲面の加工精度の限界から、レーザ光は、ビームツイスタ６０の入射面でけられ、レーザモジュール１からは出力されない。図１９に示すように、ビームツイスタ６０の入射面及び反射面には、シリンダの中央部のレンズ機能を有する有効領域Ａとレンズ機能を有しない無効領域Ｂが存在する。ビームツイスタ６０の無効領域Ｂの入射面に入射したレーザ光は入射面でけられることになる。ビームツイスタ６０の加工精度によるこれらのレーザ光のロスを考慮すると、エミッタ１１のピッチは２５０μｍ以上にする必要があり、３００μｍ以上が好ましい。
　７．エミッタ１１の幅とレーザ光の出力の関係
　次に、レーザダイオード１０の幅を６ｍｍ、エミッタ１１のピッチを３００μｍ、エミッタ１１の数を２０個と仮定し、エミッタ１１の幅とレーザ光の出力の合計（レーザモジュールの出力）について説明する。エミッタ１１のピッチおよび数が一定であれば、エミッタ１１の幅に応じてエミッタ１１の出力が決まるため、レーザモジュール１からのレーザ光の出力が決まる。しかし、エミッタ１１の幅が大きくなると、隣接するエミッタ１１との距離が近くなり、スロー軸方向において、隣接するエミッタ１１からのレーザ光同士が重なりやすくなるとともに、ビームツイスタ６０のシリンダ６１の端部までレーザ光が入射されることになる。しかし、エミッタ１１の幅が大きすぎると、ビームツイスタ６０の曲面の加工精度の限界から、レーザ光は、ビームツイスタ６０の入射面でけられ、レーザモジュール１からは出力されない。この理由は、図１９を用いて説明した上記の理由と同様である。ビームツイスタ６０の加工精度によるレーザ光のロスを考慮すると、エミッタ１１の幅は１２０μｍ以下にする必要があり、１０５ｍ以下が好ましい。
　８．結果の検証
　本実施の形態のレーザモジュール１によるレーザ光について、図２０～図２５を用いて説明する。図２０は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０の出射面における強度を示す図である。図２１は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０の出射面における強度を示すグラフである。図２２は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から５０ｍｍ離れた位置における強度を示す図である。図２３は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から５０ｍｍ離れた位置における強度を示すグラフである。図２４は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から６００ｍｍ離れた位置における強度を示す図である。図２５は、本実施の形態におけるレーザモジュール１から出射されたレーザ光の、ビームツイスタ６０から６００ｍｍ離れた位置における強度を示すグラフである。
　図２０～図２５は、５つのエミッタによる５つのレーザ光でファースト方向のレーザ光の分離を確認したものである。図２０～図２５に示すように、本実施の形態では、ビームツイスタ６０から６００ｍｍ離れた位置でもファースト方向においてレーザ光が分離されていることが確認された。これにより、レーザ光のビーム品質が高いことも確認された。
　本開示のレーザモジュールによれば、より詳細なエミッタの幅とピッチを規定することで、レーザ切断やレーザ溶接といったレーザ加工において、高出力で高いビーム品質のレーザ光を得ることができ、産業上有用である。
　　１　レーザモジュール
　１０　レーザダイオード
　１１　エミッタ
　２０　サブマウント
　３０　下部電極ブロック
　４０　上部電極ブロック
　５０　ファーストコリメートレンズ
　６０　ビームツイスタ
　６１　シリンダ
　７０　台座
９００　レーザエミッタモジュール
９０１　エミッタ
９０２　レーザエミッタバー
９０３　ヒートシンク
９０４　ヒートシンクスペーサ
９０５　ファースト軸コリメータ
９０６　プリズム部材
９０７　ビームコンディショニング光学部材

Claims (9)

  1. 　複数のエミッタを有し、発光面において前記複数のエミッタのそれぞれからレーザ光を出射するレーザダイオードと、
    　前記レーザダイオードの前記発光面から第１の距離だけ離れて設けられ、前記レーザ光のファースト軸方向の拡がりを平行化する第１のコリメートレンズと、
    　前記第１のコリメートレンズから第２の距離だけ離れて設けられ、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタとを備え、
    　前記発光面における、前記複数のエミッタの各々の幅は、５μｍ～１２０μｍであり、
    　前記発光面における、前記複数のエミッタのピッチは、２９５μｍ～３０５μｍであるレーザモジュール。
  2. 　前記第１の距離は７０μｍ～１３０μｍである請求項１に記載のレーザモジュール。
  3. 　前記第１の距離は８０μｍ～１２０μｍである請求項２に記載のレーザモジュール。
  4. 　前記第２の距離は０μｍ～６０μｍである請求項１～３のいずれかに記載のレーザモジュール。
  5. 　前記第２の距離は０μｍ～４０μｍである請求項４に記載のレーザモジュール。
  6. 　前記発光面に対して垂直な方向の、前記複数のエミッタの各々の長さは、２ｍｍ～８ｍｍである請求項１～５のいずれかに記載のレーザモジュール。
  7. 　前記発光面に対して垂直な方向の、前記複数のエミッタの各々の長さは、４ｍｍ～７ｍｍである請求項６に記載のレーザモジュール。
  8. 　前記発光面における、前記複数のエミッタの各々の幅は、７０μｍ～１１５μｍである請求項１～７のいずれかに記載のレーザモジュール。
  9. 　前記発光面における、前記複数のエミッタのピッチは、２９８μｍ～３０２μｍである請求項１～８のいずれかに記載のレーザモジュール。
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