WO2018037663A1 - レーザモジュール - Google Patents

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WO2018037663A1
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laser light
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light
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市橋　宏基
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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.
  • the laser emitter module of Patent Document 1 includes a laser emitter bar having five emitters, a heat sink, a heat sink spacer, a fast axis collimator, a prism member, and a beam conditioning optical member.
  • the laser emitter bar is fixed on the heat sink, and the heat sink is fixed on the heat sink spacer.
  • the fast axis collimator and the beam conditioning optical member are fixed to a prism member fixed on the heat sink spacer.
  • the fast axis collimator collimates laser light output from the emitter in the fast axis direction.
  • the beam conditioning optical member for example, a beam twister is used, and the incident laser light is rotated by about 90 degrees and emitted.
  • x distance from the exit surface of the beam twister to the entrance surface of the optical element
  • W width of the incident surface in the first direction
  • ⁇ wavelength of laser light
  • f focal length of the first collimating lens
  • w0 the beam diameter of the laser beam in the direction perpendicular to the first direction on the exit surface of the emitter
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal perspective view of the laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of the laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an enlarged view of region A in FIG.
  • FIG. 5 is a side view of the laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a region B in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first collimating lens 50 according to the first embodiment.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line 8-8 in FIG.
  • FIG. 9 is a partial perspective view of the beam twister 60 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal perspective view of the laser module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a front view of the laser module 1 according
  • the laser module 1 includes a laser diode 10, a submount 20, a lower electrode block 30, an upper electrode block 40, a first collimator lens 50, and a beam twister 60. And a pedestal 70 and a step mirror 80.
  • the laser diode 10 includes a plurality of emitters 11 and outputs laser light from the emitters 11.
  • the laser diode 10 is mounted on the submount 20, and these are sandwiched between the lower electrode block 30 and the upper electrode block 40.
  • 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 11 are arranged on the light emitting surface of the laser diode 10. When a current flows through the laser diode 10, laser light is output from each emitter 11 on the light emitting surface.
  • the surface opposite to the light emitting surface of the laser diode 10 in the emitter 11 is subjected to end surface treatment so that the laser light is totally reflected.
  • 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 in the fast axis direction of the laser light output from the laser diode 10.
  • the first collimating lens 50 has a flat surface and a curved surface.
  • the flat surface of the first collimating lens 50 is on the laser diode 10 side
  • 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
  • the flat surface of the first collimating lens 50 may be disposed on the side opposite to the laser diode 10.
  • the height d52 (see FIG. 8) of the side surface of the first collimating lens 50 is large enough to make all the laser light spreading in the fast axis direction incident. Furthermore, the length d54 (see FIG. 7) 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.
  • a beam twister 60 is disposed 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 first collimating lens 50 and the beam twister 60 are fixed to the pedestal 70 so as to define their positional relationship. Note that when the laser beam is emitted from the first collimating lens 50, the slow direction of the laser light is not collimated and continues to expand. Therefore, the position of the beam twister 60 should be as close as possible to the first collimating lens 50 and contact ( The distance may be 0 ⁇ m). However, in consideration of the processing accuracy of the plurality of cylindrical lenses 61 of the beam twister 60, it is realistic to slightly separate the first collimating lens 50 and the beam twister 60.
  • a step mirror 80 (an example of an optical element) is disposed so as to face the emission surface of the beam twister 60.
  • the step mirror 80 includes a plurality of reflecting mirrors 81 corresponding to the number of emitters 11.
  • Each reflection mirror 81 is disposed on the optical axis of the laser light emitted from the plurality of emitters 11.
  • the reflecting mirrors 81 are arranged in a stepped manner so that the interval between the reflected lights of the reflecting mirrors 81 is narrower than the interval of the incident light.
  • the spread of the laser beam in the fast axis direction can be suppressed by collimating the laser beam emitted from the laser diode 10 in the fast axis direction by the first collimating lens 50 first. 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. Further, the step mirror 80 can narrow the interval in the fast axis direction between the laser beams emitted from the emitters 11. This makes it possible to minimize the pitch (arrangement interval) in the arrangement direction of the laser light emitted from the laser module 1 without changing the interval between the emitters 11 in the laser diode 10. Furthermore, this makes it possible to output high-power laser light with high beam quality.
  • FIG. 7 is a perspective view of the first collimating lens 50 according to the first embodiment.
  • 8 is a cross-sectional view taken along line 8-8 in FIG.
  • the first collimating lens 50 is a columnar optical member having a convex surface on one side.
  • the vertical direction (y-axis direction) in FIG. 8 is the vertical direction of the first collimating lens 50, and is substantially parallel to a plane (xy plane) including the vertical direction and the direction (x-axis direction) perpendicular to the paper surface in FIG. This side is the side of the first collimating lens 50.
  • the left-right direction (z-axis direction) in FIG. 8 is the thickness direction of the first collimating lens 50, and the middle between the upper surface and the lower surface 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 thickness d53 is larger than the width d51, and the convex surface is convex on the laser beam emission side.
  • the first collimating lens 50 has a cylindrical shape that has a curvature only in the fast axis direction of the laser diode 10 and has no curvature in the length direction of the side surface.
  • the fast 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 11 of the laser diode 10 in the fast axis direction.
  • FIG. 9 is a partial perspective view of the beam twister 60 according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram of the front side (laser beam incident surface side) of the beam twister 60 according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a view on the back side (laser beam emission surface side) of the beam twister 60 according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a perspective view of a cylindrical lens 61 constituting the beam twister 60 in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the first embodiment.
  • FIG. 14 is a side view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the first embodiment.
  • FIG. 15 is a top view showing an optical path of laser light by the beam twister 60 in the first embodiment.
  • the thickness d62 of the cylindrical lens 61 in the direction perpendicular to the light emitting surface of the laser diode 10 is 1.55 mm, and the height d63 of the side surface is 0.2121 mm. .
  • the curvature radius of the curved surface of the cylindrical lens 61 is 0.352 mm, and the refractive index of the cylindrical lens 61 is 1.85280.
  • the side surfaces of the cylindrical lens 61 are the incident surface and the exit surface of the laser beam, and the side surface height d63 is the length of the cylindrical lens 61 in the vertical direction of the paper surface in FIG.
  • the curved surface of the cylindrical lens 61 is an incident surface and an emission surface of laser light.
  • the laser light incident from the front (the surface facing the first collimating lens 50) is refracted so as to be swung by the beam twister 60 in which the cylindrical lens 61 is inclined by 45 degrees. Then, the light travels through the beam twister 60, rotates 90 degrees, and is emitted from the back surface (surface opposite to the front surface). Thereby, the positions of the fast 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.
  • Step mirror 80 The step mirror 80 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The interval between the laser beams emitted from the respective emitters 11 of the laser diode 10 is reduced by the step mirror 80 without changing the divergence angle.
  • the step mirror 80 includes the same number of reflecting mirrors 81 as the number of emitters 11 constituting the laser module 1 (in the example shown in FIG. 16, six emitters 11a to 11f and corresponding six reflecting mirrors 81a to 81f, respectively).
  • the reflection mirror 81 of the step mirror 80 is arranged in a stepped manner at an angle of 45 degrees with respect to the optical axis of the laser module 1.
  • Each reflection mirror 81 is arranged so that the mutual interval of the reflected light of each reflection mirror 81 is smaller than the interval of the incident light.
  • the reflecting mirrors 81 are arranged close to each other in the optical axis (z-axis) direction of the light emitted from the laser diode 10.
  • the reflecting mirrors 81 are arranged in a stepped manner so that the reflected light beams are prevented from entering the other reflecting mirrors 81 while the reflecting mirrors 81 are spaced apart from each other. Is to narrow down.
  • the laser light emitted from the emitter 11 will be described on the assumption that it passes through the first collimating lens 50 and the beam twister 60 and becomes parallel light.
  • the number of emitters 11 is assumed to be six here, but the present invention is not limited to this.
  • the reflecting mirror 81b is disposed at a position closer to the beam twister 60 by a distance b from the reflecting mirror 80e.
  • the reflection mirrors 81c to 81f are arranged at positions close to the interval 2b, the interval 3b, the interval 4b, the interval 5b, and the beam twister 60 from the reflection mirror 80e, respectively.
  • the laser beam is not completely parallel light due to the influence of diffraction, and has a slight spread. Therefore, the position of each reflection mirror 81 is adjusted in the z-axis direction so that the laser light reflected by the reflection mirror 81 does not interfere with the adjacent reflection mirror 81.
  • the reflection mirror 81a located at the top of FIG. 16 is used as a reference, the movement amount of the uppermost reflection mirror 81 is 0, and the movement amount of the second reflection mirror 81b from the top is each.
  • the moving amount of the third reflecting mirror 81c is 2c, which is sufficiently smaller than the laser beam interval b.
  • the moving amount of the fourth reflecting mirror 81d is 3c.
  • the moving amount of the fifth reflecting mirror 81e is 4c.
  • the moving amount of the sixth reflecting mirror 81f is 5c. Therefore, the width of the laser beam reflected by the step mirror 80 is 6a + 5c.
  • conditional expression (1) The calculation of conditional expression (1) will be described.
  • the width W in the x-axis direction (first direction) of the incident surface of the reflecting mirror 81 and the beam diameter w (x) in the x-axis direction of the laser light incident on the incident surface of the reflecting mirror 81 It is desirable that the relationship satisfies the following conditional expression (2). If the conditional expression (2) is satisfied, since the fast axis direction of the laser light is the fundamental mode, the amount of the laser light incident on the adjacent reflection mirror 81 by diffraction can be suppressed to less than 5%.
  • the beam diameter w (x) is a function of the distance x from the exit surface of the beam twister 60, and the fast axis direction of the laser light is the fundamental mode, so the propagation formula of the fundamental mode of the Gaussian beam is used. Is represented by the following equation (3).
  • the beam diameter w1 in the x-axis direction of the laser light on the emission surface of the beam twister 60 is expressed by the following equation (4).
  • conditional expression (2) When the expressions (3) and (4) are substituted into the conditional expression (2) and arranged for the distance x, the above-described conditional expression (1) is obtained.
  • the beam quality of the laser light when the emitters 11 are arranged in the slow axis direction will be described.
  • the beam quality in the arrangement direction is proportional to the product of the number of emitters 11 and the beam quality and filling factor of each emitter 11.
  • the filling factor is determined by emitter spacing / emitter width. Therefore, it is desirable to reduce the emitter spacing in order to improve beam quality.
  • the emitter spacing is reduced, the thermal interference between the emitters increases, and this thermal interference increases the temperature of the laser junction, causing carrier leakage from the active layer and a decrease in gain due to increased non-radiative recombination. Reduces output.
  • the fast axis direction of the laser light emitted from the laser module 1 can be made coincident with the arrangement direction of the emitters 11, and the beam quality in the arrangement direction of the emitters 11 can be improved. . Further, since the gap between the laser light beams can be narrowed by the step mirror 80, it is possible to improve the beam quality in the arrangement direction of the emitters 11 while avoiding the above-described reduction in output. Furthermore, since the mutual interval of the laser beams emitted from the laser module 1 is reduced while the interval between the emitters 11 in the laser diode 10 is increased, the light of the adjacent emitters 11 when the interval between the emitters 11 is reduced. Can be prevented from entering the cylindrical lens 61 of the beam twister 60.
  • the reason why the reflecting mirrors 81 are arranged so as to reduce the interval between the reflected lights from the reflecting mirrors 81 is to reduce the interval between the plurality of laser beams and to narrow the laser beam as a whole. It is for producing
  • the coupling efficiency to the optical fiber is improved.
  • the beam quality is improved, so that the loss of light in the resonator is reduced and the oscillation efficiency is improved.
  • Embodiment 2 the laser module 2 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that a prism 90 is used instead of the step mirror 80 as an optical element. Note that description of the same configuration as that of Embodiment 1 may be omitted.
  • the prism 90 has an incident surface 90a and an exit surface 90b, and is disposed on the exit side of the beam twister 60.
  • the light incident on the prism 90 is shifted and emitted in the arrangement direction of the plurality of emitters 11 (six emitters 11a to 11f in the example shown in FIG. 17).
  • the prism 90 has a plurality of incident surfaces 90 a corresponding to the emitters 11.
  • the incident surface 90 a is inclined with respect to the optical axis of the emitted light from the beam twister 60. Further, the incident surface 90a is arranged in a step shape.
  • the emission surface 90 b is formed on the same surface with respect to the laser beams emitted from the plurality of emitters 11.
  • the incident surface 90a and the exit surface 90b are parallel, and the longer the amount of laser beam shifting, the longer the laser beam passes through the prism 90.
  • the six emitters 11 are divided into two blocks (emitters 11a to 11c and emitters 11d to 11f) for each of the three emitters 11.
  • the incident surface 90a is formed stepwise for each block, and the emission surface 90b corresponding to each block is formed on the same surface. Therefore, the prism 90 is configured to have a plane symmetry with respect to a plane perpendicular to the x-axis direction. Thus, by configuring the prism 90 in a plane-symmetric shape, the size of the prism 90 in the z-axis direction can be reduced.
  • the incident surface 90 a side is formed in a step shape and the exit surface 90 b side is formed on the same surface, but the exit surface 90 b side is formed in a step shape, and the entrance surface 90 a side is formed. May be formed on the same surface.
  • the incident surface 90a is stepped and the exit surface 90b is on the same surface corresponding to all six emitters 11 (or the exit surface 90b is stepped and the incident surface 90a is the same surface. (Above).
  • the prism does not have a plane-symmetric shape, the size in the z-axis direction is larger than that of the prism 90.
  • the laser beam that has passed through the incident surface 90a is shifted in the x-axis direction by a predetermined shift amount.
  • the predetermined shift amount is the maximum
  • the laser beams emitted from the emitters 11a and 11f are (5/2) b
  • the laser beams emitted from the emitters 11b and 11e are (3/2), respectively.
  • b and the laser beams emitted from the emitters 11c and 11d become (1/2) b, respectively.
  • the shift directions of the laser beams emitted from the emitters 11a to 11c and the laser beams emitted from the emitters 11d to 11f are opposite to each other.
  • the shift amount is obtained by the following equations (5) and (6). Actually, considering the diffraction effect of laser light, the shift amount is set somewhat smaller than the above amount.
  • xs is the shift amount
  • l is the optical path length of each laser beam passing through the prism
  • n is the refractive index of the prism
  • ⁇ is the incident angle of the laser beam incident on the prism
  • ⁇ is the refraction of the laser beam incident on the prism. It is a horn.
  • the distance between the laser light beams can be reduced without adjusting the emitter width, so that the emitter 11 can be avoided while avoiding a decrease in the output of the laser light. It is possible to improve the beam quality in the arrangement direction. Further, since the distance between the laser beams is reduced while the distance between the emitters 11 is increased, the laser light from the adjacent emitters 11 is incident on the cylindrical lens of the beam twister 60 when the distance between the emitters 11 is reduced. Can be suppressed.
  • the vector of the emitted light from the prism 90 is made the same as the vector of the emitted light from the beam twister 60 without changing the interval between the emitters 11.
  • the interval between the laser beams emitted from the prism 90 can be reduced.
  • the laser module of the present disclosure can be used for a laser processing machine such as a laser cutting machine or a laser welding machine that requires high output and high quality, a light source of a projector with high brightness, and the like.

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Abstract

本開示に係るレーザモジュールは、第１の方向に配列された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レーザダイオードと、レーザダイオードの発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、第１のコリメートレンズのレーザ光を出射する側に位置し、レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、ビームツイスタのレーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備える。レーザモジュールは次の条件式（１）を満足する。　ここで、　ｘ：ビームツイスタの出射面から光学素子の入射面までの距離、　Ｗ：入射面の第１の方向の幅、　λ：レーザ光の波長、　ｆ：第１のコリメートレンズの焦点距離、　ｗ０：エミッタの出射面での第１の方向に垂直な方向におけるレーザ光のビーム径、 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、高出力かつ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。
　特許文献１のレーザエミッタモジュールは、５つのエミッタを有するレーザエミッタバーと、ヒートシンクと、ヒートシンクスペーサと、ファスト軸コリメータと、プリズム部材と、ビームコンディショニング光学部材とを有する。レーザエミッタバーは、ヒートシンクの上に固定され、ヒートシンクはヒートシンクスペーサの上に固定される。また、ファスト軸コリメータおよびビームコンディショニング光学部材は、ヒートシンクスペーサの上に固定されたプリズム部材に固定される。ファスト軸コリメータは、エミッタから出力されたレーザ光をファ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としては、例えば、ビームツイスタが用いられ、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スト軸方向においてファスト軸コリメータによってレーザ光をファスト軸方向にコリメートし、ファ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。
特開２０１４－９５９１６号公報
　高出力かつビーム品質の改善されたレーザモジュールを提供する。
　本開示に係るレーザモジュールは、第１の方向に配列された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レーザダイオードと、レーザダイオードの発光面側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、第１のコリメートレンズのレーザ光を出射する側に位置し、レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、ビームツイスタのレーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備える。レーザモジュールは次の条件式（１）を満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、
　ｘ：ビームツイスタの出射面から光学素子の入射面までの距離、
　Ｗ：入射面の第１の方向の幅、
　λ：レーザ光の波長、
　ｆ：第１のコリメートレンズの焦点距離、
　ｗ０：エミッタの出射面での第１の方向に垂直な方向におけるレーザ光のビーム径、
である。
　以上のように、本開示のレーザモジュールによれば、高出力でビーム品質の改善されたレーザ光を得ることができる。
図１は、実施の形態１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１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１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の領域Ａの拡大図である。 図５は、実施の形態１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の領域Ｂの拡大図である。 図７は、実施の形態１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８－８線における断面図である。 図９は、実施の形態１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１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１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１におけるビームツイスタ６０を構成するシリンドリカルレンズ６１の斜視図である。 図１３は、実施の形態１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１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１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１におけるレーザモジュール１の段差ミラー８０を示す図である。 図１７は、実施の形態２におけるレーザモジュール２のプリズム９０を示す図である。
　（実施の形態１）
　以下、本開示の実施の形態について、図１～図１６を用いて説明する。
　［１－１．レーザモジュール］
　図１は、実施の形態１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１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１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の破線で囲った領域Ａの拡大図である。図５は、実施の形態１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の破線で囲った領域Ｂの拡大図である。
　図１～図６に示すように、実施の形態１のレーザモジュール１は、レーザダイオード１０と、サブマウント２０と、下部電極ブロック３０と、上部電極ブロック４０とファーストコリメートレンズ５０と、ビームツイスタ６０と、台座７０と、段差ミラー８０とを備える。レーザダイオード１０は複数のエミッタ１１を備え、そのエミッタ１１からレーザ光を出力する。また、レーザダイオード１０はサブマウント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１１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１１からレーザ光が出力される。エミッタ１１におけるレーザダイオード１０の発光面と反対の面には、レーザ光が全反射するように端面処理が施されている。
　図６に示すように、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、実施の形態１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。
　また、ファーストコリメートレンズ５０の側面の高さｄ５２（図８参照）は、ファ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ｄ５４（図７参照）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。
　ファーストコリメートレンズ５０に対して、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。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、それぞれの位置関係を規定するように、台座７０に固定されている。なお、ファーストコリメートレンズ５０から出射した時点ではレーザ光のスロー方向はコリメートされておらず拡がりが続いていることから、ビームツイスタ６０の位置は、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。しかしながら、ビームツイスタ６０の複数のシリンドリカルレンズ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。
　図１に示すように、ビームツイスタ６０の出射面と向かい合うように、段差ミラー８０（光学素子の一例）が配置される。段差ミラー８０は、エミッタ１１の数に対応した複数の反射ミラー８１によって構成される。各反射ミラー８１はそれぞれ、複数のエミッタ１１の出射するレーザ光の光軸上に配置される。また、各反射ミラー８１は、各反射ミラー８１の反射光の相互の間隔が入射光の間隔に対して狭くなるように、階段状に配置されている。
　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によってファスト軸方向でコリメートすることで、ファスト軸方向のレーザ光の拡がりを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。また、段差ミラー８０によって、各エミッタ１１の出射するレーザ光同士のファスト軸方向の間隔を狭くできる。これにより、レーザダイオード１０における各エミッタ１１の間隔を変えることなく、レーザモジュール１から出射されるレーザ光の配列方向のピッチ（配置間隔）を最小限にすることが可能となる。さらにこれによ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。
　［１－２．ファーストコリメートレンズ５０］
　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、実施の形態１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８－８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、片側に凸面を有する、柱状の光学部材である。なお、図８における上下方向（ｙ軸方向）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（ｘ軸方向）を含む平面（ｘｙ平面）と実質的に平行な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（ｚ軸方向）をファーストコリメートレンズ５０の厚さ方向とし、上面と下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（エミッタの配列方向の長さ）よりも長い。また、ファーストコリメートレンズ５０は、図７および図８に示すように、側面に実質的に垂直な上面と下面（長さｄ５２×幅ｄ５１の大きさの平面）を有し、レーザ光の出射側に凸面を有する。凸面は、上面および下面と角度ｄ５５で接続している。ファーストコリメートレンズ５０の厚さｄ５３は、凸面の中央と側面との距離である。厚さｄ５３は幅ｄ５１より大きく、凸面はレーザ光の出射側に凸となっている。ファーストコリメートレンズ５０は、レーザダイオード１０のファスト軸方向にのみ曲率を持ち、側面の長さ方向には曲率を持たないシリンドリカル形状をしている。実施の形態１では、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１１から出射されたレーザ光をファスト軸方向でコリメートする。
　［１－３．ビームツイスタ６０］
　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、実施の形態１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１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、実施の形態１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、実施の形態１におけるビームツイスタ６０を構成するシリンドリカルレンズ６１の斜視図である。図１３は、実施の形態１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１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１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ドリカルレンズ６１を角度ｄ６１だけ傾けて重ねた光学部材である。実施の形態１では、角度ｄ６１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、実施の形態１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ドリカルレンズ６１の厚さｄ６２が１．５５ｍｍで、側面の高さｄ６３が０．２１２１ｍｍである。また、シリンドリカルレンズ６１の曲面の曲率半径は０．３５２ｍｍであり、シリンドリカルレンズ６１の屈折率は１．８５２８０である。なお、シリンドリカルレンズ６１の側面とは、レーザ光の入射面及び出射面であり、側面の高さｄ６３とは、図１２における紙面の上下方向におけるシリンドリカルレンズ６１の長さである。シリンドリカルレンズ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、シリンドリカルレンズ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（ファーストコリメートレンズ５０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。
　［１－４．段差ミラー］
　図１６を用いて、実施の形態１にかかる、段差ミラー８０の説明をする。レーザダイオード１０の各エミッタ１１から出射されるレーザ光の相互の間隔は、段差ミラー８０により発散角を変えることなく縮小される。
　段差ミラー８０は、レーザモジュール１を構成するエミッタ１１の数と同数の反射ミラー８１（図１６に示す例では、６つのエミッタ１１ａ～１１ｆと、それぞれ対応する６つの反射ミラー８１ａ～８１ｆ）で構成されている。また段差ミラー８０の反射ミラー８１は、レーザモジュール１の光軸に対して４５度の角度をなして階段状に配置されている。また各反射ミラー８１は、各反射ミラー８１の反射光の相互間隔を入射光の間隔に比べて小さくするように配置される。つまり、レーザダイオード１０からの出射光の光軸（ｚ軸）方向に各反射ミラー８１の相互間隔を詰めて配置されている。この段差ミラー８０において、各反射ミラー８１を階段状に配置しているのは、それぞれの反射ミラー８１で反射光の光束が他の反射ミラー８１に入射することを防止しつつ、反射光の間隔を狭めるためである。
　次に段差ミラー８０によりレーザ光の間隔がレーザ光の配列方向に沿って狭まる原理について説明する。エミッタ１１から出射したレーザ光は、ファーストコリメートレンズ５０及びビームツイスタ６０を通過後、平行光になると仮定して述べる。また、便宜上、ここではエミッタ１１の数を６つとして説明するが、これに限定されるものではない。
　図１６に示すように、ビームツイスタ６０を通過後のレーザ光のビーム幅をａ、各レーザ光の間隔をｂとすると、全体のレーザ光束の幅は６ａ＋５ｂとなる。このようなレーザ光束を仮に１枚の反射ミラー８０ｅで反射した場合、反射されたレーザ光束の幅も６ａ＋５ｂとなる。しかし実施の形態１においては、ｚ方向に各反射ミラー８１の相互間隔を詰めて階段状に配置しているため、各レーザ光の間隔ｂが削除された状態のレーザ光束となる。段差ミラー８０で反射後のレーザ光束の幅は、６ａとなる。すなわち、反射ミラー８１ａの入射面が反射ミラー８０ｅの入射面と同じ位置に配置されているとすると、反射ミラー８１ｂは反射ミラー８０ｅから間隔ｂだけビームツイスタ６０に近づいた位置に配置される。同様に、反射ミラー８１ｃ～８１ｆは、反射ミラー８０ｅからそれぞれ間隔２ｂ、間隔３ｂ、間隔４ｂ、間隔５ｂ、ビームツイスタ６０に近づいた位置に配置される。
　なお実際には、レーザ光は、回折の影響により完全な平行光とはならず、若干の広がりを持つ。従って、反射ミラー８１が反射するレーザ光が隣接する反射ミラー８１に干渉しないように、各反射ミラー８１の位置をｚ軸方向に調整する。具体的には、図１６の一番上に位置する反射ミラー８１ａを基準としたとき、一番上の反射ミラー８１の移動量は０、上から２つ目の反射ミラー８１ｂの移動量は各レーザ光の間隔ｂよりも十分に小さいｃ、３つ目の反射ミラー８１ｃの移動量は２ｃ、４つ目の反射ミラー８１ｄの移動量は３ｃ、５つ目の反射ミラー８１ｅの移動量は４ｃ、６つ目の反射ミラー８１ｆの移動量は５ｃとなる。従って、段差ミラー８０が反射したレーザ光束の幅は６ａ＋５ｃとなる。
　次に、段差ミラー８０の位置（ビームツイスタ６０から反射ミラー８１までのｚ軸方向の距離）について説明する。ビームツイスタ６０の出射面から段差ミラー８０（反射ミラー８１）の入射面までの距離ｘは、次の条件式（１）を満足することが望ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、
　ｘ：ビームツイスタ６０の出射面から段差ミラー８０（反射ミラー８１）の入射面までの距離、
　Ｗ：反射ミラー８１の入射面の第１の方向の幅、
　λ：レーザ光の波長、
　ｆ：ファーストコリメートレンズ５０の焦点距離、
　ｗ０：エミッタ１１の出射面でのファスト軸方向（ｙ軸方向）レーザ光のビーム径、
である。
　条件式（１）を満足することで、レーザ光が回折作用によって隣接する反射ミラー８１に入射することを低減させつつ、各レーザ光の間隔を狭くすることができる。
　条件式（１）の算出について説明する。レーザモジュール１において、反射ミラー８１の入射面のｘ軸方向（第１の方向）の幅Ｗと、反射ミラー８１の入射面に入射するレーザ光のｘ軸方向のビーム径ｗ（ｘ）との関係は、次の条件式（２）を満足することが望ましい。条件式（２）を満足すれば、レーザ光のファスト軸方向が基本モードであることから、レーザ光が回折によって隣接する反射ミラー８１に入射する量を５％未満に抑制することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、ビーム径ｗ（ｘ）は、ビームツイスタ６０の出射面からの距離ｘの関数であり、レーザ光のファスト軸方向が基本モードであることから、ガウスビームの基本モードの伝搬式を用いて、次の式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、ビームツイスタ６０の出射面におけるレーザ光のｘ軸方向のビーム径ｗ１は、次の式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　条件式（２）に式（３）および（４）を代入して、距離ｘについて整理すると、上記の条件式（１）が求められる。
　［１－５．効果］
　ここで、スロー軸方向にエミッタ１１が配列された場合のレーザ光のビーム品質について説明する。配列方向のビーム品質は、エミッタ１１の数と各エミッタ１１のビーム品質とフィリングファクタの積に比例する。フィリングファクタは、エミッタ間隔／エミッタ幅で求められる。従って、ビーム品質を改善させるためには、エミッタ間隔を狭めることが望ましい。しかしながら、エミッタ間隔を狭めるとエミッタ間の熱干渉が大きくなり、この熱干渉によりレーザ接合部の温度が上昇して、活性層からのキャリアリークや非発光再結合増加による利得減少などが発生しレーザ出力低下を招く。
　本開示のレーザモジュール１によれば、レーザモジュール１から出射されるレーザ光のファスト軸方向をエミッタ１１の配列方向に一致させることができ、エミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることができる。また、段差ミラー８０により各レーザ光束の相互の間隔を狭めることができるので、上述した出力低下を回避しつつエミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることが可能となる。さらに、レーザダイオード１０におけるエミッタ１１の相互の間隔を広げたままレーザモジュール１から出射されるレーザ光の相互の間隔を狭めているため、エミッタ１１の間隔を狭くした場合に隣接するエミッタ１１の光がビームツイスタ６０のシリンドリカルレンズ６１に入射することを抑制できる。
　また、各反射ミラー８１を当該各反射ミラー８１からの反射光相互の間隔を少なくするように配置しているのは、複数のレーザ光における相互の間隔を小さくして全体として幅が狭いレーザ光束を生成するためである。ファイバー結合型のレーザ加工機に用いられる場合、光ファイバーへの結合効率が向上する。
　また、共振器を用いたレーザ発振器を用いる場合、共振器を小さくできることに加え、ビーム品質が向上されることにより、共振器内での光のロスが減少して発振効率がよくなる。
　（実施の形態２）
　以下、図１７を用いて、実施の形態２におけるレーザモジュール２の説明をする。実施の形態２においては、光学素子として段差ミラー８０の代わりにプリズム９０を用いている点において実施の形態１と異なる。なお、実施の形態１と同様の構成については説明を省略する場合がある。
　実施の形態２に係るプリズム９０は、入射面９０ａと出射面９０ｂを有しており、ビームツイスタ６０の出射側に配置されている。プリズム９０に入射する光は、複数のエミッタ１１（図１７に示す例では、６つのエミッタ１１ａ～１１ｆ）の配列方向にシフトして出射する。プリズム９０は、各エミッタ１１に対応する複数の入射面９０ａを有している。この入射面９０ａは、ビームツイスタ６０の出射光の光軸に対して傾斜している。また、この入射面９０ａは、階段状に配置されている。他方、出射面９０ｂは、複数のエミッタ１１から出射されるレーザ光に対して同一面上に形成される。入射面９０ａと出射面９０ｂは平行であり、レーザ光がシフトする量が長い光線ほど、レーザ光がプリズム９０を通過する距離が長い。
　実施の形態２のレーザモジュール２では、図１７に示すように、６つのエミッタ１１（１１ａ～１１ｆ）を３つのエミッタ１１毎に２つのブロック（エミッタ１１ａ～１１ｃとエミッタ１１ｄ～１１ｆ）に分け、ブロック毎に入射面９０ａを階段状に形成し、ブロック毎に対応する出射面９０ｂを同一面上に形成している。そのため、プリズム９０は、ｘ軸方向に垂直な平面について面対称となる形状に構成されている。このように、プリズム９０を面対称の形状に構成することにより、プリズム９０のｚ軸方向の大きさを小さく構成できる。
　なお、図１７に示す例では、入射面９０ａ側を階段状に形成し、出射面９０ｂ側を同一面上に形成しているが、出射面９０ｂ側を階段状に形成し、入射面９０ａ側を同一面上に形成してもよい。
　また、２つのブロックに分けることなく、６つのエミッタ１１全部に対応して入射面９０ａを階段状に出射面９０ｂを同一面上に（または、出射面９０ｂを階段状に入射面９０ａを同一面上に）形成してもよい。この場合、プリズムは面対称の形状とはならないので、プリズム９０に比べてｚ軸方向の大きさが大きくなる。
　入射面９０ａを通過したレーザ光は、所定のシフト量だけｘ軸方向にシフトされる。実施の形態２における所定のシフト量は、最大で、エミッタ１１ａ、１１ｆから出射されたレーザ光がそれぞれ（５／２）ｂ、エミッタ１１ｂ、１１ｅから出射されたレーザ光がそれぞれ（３／２）ｂ、エミッタ１１ｃ、１１ｄから出射されたレーザ光がそれぞれ（１／２）ｂとなる。エミッタ１１ａ～１１ｃから出射されたレーザ光と、エミッタ１１ｄ～１１ｆから出射されたレーザ光とのシフト方向は、逆向きになる。また、シフト量は次の式（５）、（６）で求められる。実際にはレーザ光の回折影響を考え、シフト量は上記の量より幾分小さく設定される。
　ｘｓ＝ｌｓｉｎ（θ―α）　・・・（５）
　α＝ｓｉｎ－１（１／ｎｓｉｎ（θ））　・・・（６）
　ここで、ｘｓはシフト量、ｌはプリズムを通過する各レーザ光の光路長、ｎはプリズムの屈折率、θはプリズムに入射するレーザ光の入射角、αはプリズムに入射するレーザ光の屈折角である。上記の式を用いることで、所望のシフト量に対してプリズムの長さｌ、屈折率ｎ、入射角θを決定すればよい。
　なお、ビームツイスタ６０からプリズム９０の入射面までのｚ軸方向の距離ｘの条件については、実施の形態１で説明したレーザモジュール１の場合の条件式（１）と同様であるので説明を省略する。
　実施の形態２に係るプリズム９０を備えるレーザモジュール２によれば、各レーザ光束の相互の間隔をエミッタ幅の調整をせずに狭めることができるので、レーザ光の出力低下を回避しつつエミッタ１１の配列方向のビーム品質を向上させることが可能となる。さらに、エミッタ１１の相互の間隔を広げたままレーザ光束の相互の間隔を狭めているため、エミッタ１１の間隔を狭くした場合に隣接するエミッタ１１からのレーザ光がビームツイスタ６０のシリンドリカルレンズに入射することを抑制できる。
　また、実施の形態２に係るプリズム９０を備えるレーザモジュール２によれば、プリズム９０の出射光のベクトルをビームツイスタ６０の出射光のベクトルと同じにしつつ、各エミッタ１１の間隔を変化させることなくプリズム９０から出射する各レーザ光の相互間隔を狭めることができる。
　本開示のレーザモジュールは、高い出力や高い品質が要求されるレーザ切断機やレーザ溶接機といったレーザ加工機、高輝度なプロジェクターの光源などに用いることができる。
１，２　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　シリンドリカルレンズ
７０　台座
８０　段差ミラー（光学素子の一例）
８１　反射ミラー
８０ｅ　反射ミラー
９０　プリズム（光学素子の一例）

Claims (8)

  1. 　第１の方向に配列された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側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
    　前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
    　前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に設けられた複数の入射面を有する光学素子と、を備え、
    　次の条件式（１）を満足する、レーザモジュール：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　ここで、
    　ｘ：前記ビームツイスタの出射面から前記光学素子の入射面までの距離、
    　Ｗ：前記入射面の第１の方向の幅、
    　λ：前記レーザ光の波長、
    　ｆ：前記第１のコリメートレンズの焦点距離、
    　ｗ０：前記エミッタの出射面での前記第１の方向に垂直な方向における前記レーザ光のビーム径、
    である。
  2. 　前記複数の入射面のそれぞれは、前記複数のエミッタのそれぞれと対応する、
    請求項１に記載のレーザモジュール。
  3. 　前記光学素子の前記複数の入射面のそれぞれは、ミラー面である、請求項１に記載のレーザモジュール。
  4. 　前記光学素子は、前記複数の入射面から入射したレーザ光を出射する出射面を同一平面上に有するプリズムである、請求項１に記載のレーザモジュール。
  5. 　第１の方向に配列された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側に設けられ、ファスト軸方向に正のパワーを有する第１のコリメートレンズと、
    　前記第１のコリメートレンズの前記レーザ光を出射する側に位置し、前記レーザ光を約９０度旋回させるビームツイスタと、
    　前記ビームツイスタの前記レーザ光を出射する側に位置し、階段状に配置された複数の入射面又は階段状に配置された複数の出射面を有するプリズムと、を備える、レーザモジュール。
  6. 　前記プリズムは、前記階段状に配置された前記複数の入射面と、前記複数の入射面から入射するレーザ光を出射する同一平面状の出射面を有する、
    請求項５に記載のレーザモジュール。
  7. 　前記プリズムは、同一平面状の入射面と、前記同一平面状の前記入射面から入射するレーザ光を出射する前記階段状に配置された前記複数の出射面と、を有する、
    請求項５に記載のレーザモジュール。
  8. 　前記プリズムは、前記第１の方向に垂直な面について面対称の形状を有する、
    請求項４～７のいずれか１項に記載のレーザモジュール。
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