WO2020174752A1 - 光共振器およびレーザ加工装置 - Google Patents

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WO2020174752A1
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optical resonator
lens element
light beam
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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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    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4068—Edge-emitting structures with lateral coupling by axially offset or by merging waveguides, e.g. Y-couplers

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical resonator, in particular, a wavelength combining type optical resonator.
  • the present disclosure also relates to a laser processing device using such an optical resonator.
  • Patent Document 1 discloses an excimer laser device whose oscillation wavelength can be tuned.
  • the oscillation wavelength is tuned by rotating the rotation stage on which both the beam expander and the diffraction grating are mounted, centering on the entrance pupil plane of the beam expander.
  • Patent Document 1 JP-A-5-2 3 5 4 5 3
  • the present disclosure provides an optical resonator in which the device can be downsized even when a diffraction grating having a coarse pitch is used.
  • the present disclosure also provides a laser processing apparatus using such an optical resonator.
  • the present disclosure relates to a wavelength combining type optical resonator that combines a plurality of light beams having different wavelengths.
  • the optical resonator includes a laser diode array having a plurality of laser elements arranged along a predetermined direction and emitting light beams having different wavelengths.
  • the optical resonator further includes a diffraction grating that diffracts the optical beam emitted from each laser element at a diffraction angle according to its wavelength.
  • the optical resonator further includes an output cover that reflects a part of the light beam diffracted by the diffraction grating and returns it to each laser element.
  • the optical resonator further includes an optical system that is provided between the laser diode array and the diffraction grating and that aligns the light beams emitted from the laser elements with each other.
  • the optical system ⁇ 2020/174752 2 (:171?2019 /043012
  • a laser processing apparatus includes the optical resonator, and a processing head that irradiates a workpiece with a light beam output from the optical resonator. Effect of the invention
  • the device can be downsized even when a diffraction grating having a coarse pitch is used.
  • FIG. 1 () A configuration diagram showing a schematic configuration of the optical resonator according to the first embodiment, and (M) A sectional view of a diffraction grating
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a specific configuration of the optical resonator according to the first embodiment.
  • FIG. 13 A block diagram showing an example of a laser processing apparatus according to the present disclosure ⁇ 2020/174752 3 (:171? 2019 /043012
  • Embodiment 1 of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 12.
  • FIG. 1 () is a configuration diagram showing a schematic configuration of the optical resonator 1 according to the first embodiment.
  • Figure 1 (Minami) is a cross-sectional view of the diffraction grating.
  • the optical resonator 1 is provided with a laser diode array 11, an optical system 30, a diffraction grating 40, an output cover 60, and the like along the optical axis direction.
  • the direction of travel of the light beam from the laser diode array 11 is the direction
  • the direction perpendicular to the direction and the direction parallel to the paper surface is the X direction
  • the direction perpendicular to the direction is the direction perpendicular to the paper surface. Is set to.
  • the laser diode array 11 is, for example, a direct diode laser (
  • the rear end surface of the laser diode array 11 is coated with a high reflectance coating having a reflectance of 99.9% or more, for example.
  • the front end face of the laser diode array 11 is provided with an antireflection coating having a transmittance of 99.9% or more, for example. Note that in Figure 1 (eight),
  • Each laser element 113 emits a light beam having a different wavelength due to optical resonance. ⁇ 2020/174752 4 (:171? 2019 /043012
  • the optical system 30 is provided between the laser diode array 11 and the diffraction grating 40, and has a negative power only in the X direction in the order from the laser diode array 11 to the diffraction grating 40. It includes a first cylindrical lens element 3 1 and a second cylindrical lens element 3 2 having a positive power only in the X direction.
  • the optical system 30 has a function of aligning the light beams emitted from the laser elements 1 13 with each other in the X direction and collimating them.
  • the focus position of the optical system 30 may be set in the vicinity of the light emitting surface of the laser element 1 13.
  • the term "collimate" means to convert a single light beam into parallel or substantially parallel beams, to convert each principal ray of a plurality of light beams into parallel or substantially parallel to each other. It is a term to taste.
  • the diffraction grating 40 diffracts the light beam emitted from each laser element 1 13 at a diffraction angle according to its wavelength.
  • a reflection type diffraction grating that reflects the light beam to the incident side is illustrated, but a transmission type diffraction grating that passes the light beam and emits to the side opposite to the incident side is also used. Can be used as well.
  • the diffraction grating 40 has a periodic structure having a pitch, as shown in FIG. 1 (Mimi), and the cross section thereof may be a rectangular wave shape, or may be a triangular wave shape, a sawtooth shape, or the like.
  • the diffracted light is emitted in the direction in which the lines are established.
  • the signs of the incident angle ⁇ and the diffraction angle/3 are positive in the clockwise direction from the ray toward the normal of the diffraction grating.
  • the diffraction angle/3 of the reflection type diffraction grating is positive in the counterclockwise direction from the ray toward the normal of the diffraction grating.
  • the output cover 60 can be composed of, for example, a partial reflection mirror having a reflectance of 2%, and reflects a part of the light beam diffracted by the folding grating 40 and returns it to each laser element 1 13. As a result, feedback light for laser oscillation is supplied, and it becomes possible to cause optical resonance between the rear end face of the laser diode array 11 and the output cover 60.
  • the light beam that has passed through the output cover 60 is used for subsequent processes, such as laser processing.
  • the incident angle a to the diffraction grating 40 differs depending on the wavelength of each light beam, but the diffraction angle / S at the diffraction grating 40 is different for each optical beam.
  • the diffraction conditions are set so that they match each other. This makes it possible to combine a plurality of light beams having different wavelengths in the same direction. Therefore, the maximum optical output of each laser element 11a of the laser diode array 11 can be added, and a high-output optical beam can be realized.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a specific configuration of the optical resonator 1 according to the first embodiment.
  • the optical resonator 1 consists of a light source unit 10 including the laser diode array 11 shown in Fig. 1, a slow axis collimator (SAC: slow axis col Limat ⁇ r ) 2 1 and 1/2 along the optical axis direction.
  • the diffraction grating 40 is a transmissive type is illustrated, but a reflective diffraction grating may be used.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of the light source unit 10.
  • FIG. 4 is a partial side view showing an example of the light source unit 10.
  • the light source unit 10 includes the laser diode array 11 described above, a fast axis collimator (FAC) 12 and a beam twister (BT) 13 and the like.
  • FAC fast axis collimator
  • BT beam twister
  • the laser diode array 11 is sub-mounted on the lower block 91.
  • An upper block 93 is placed above the laser diode array 11.
  • the lower block 91 and the upper block 93 also function as an electrode for supplying a current to the laser diode array 11 and as a heat sink for dissipating heat generated from the laser diode array 11.
  • a holder 94 that holds the fast axis collimator 12 and the beam twister 13 is fixed to the upper block 93.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of the fast axis collimator 12.
  • FIG. 6 is a sectional view showing an example of the fast axis collimator 12.
  • the fast axis collimator 1 2 has, for example, a plano-convex cross-sectional shape and a system having a generatrix in the X direction. ⁇ 2020/174752 6 ⁇ (: 171? 2019 /043012
  • the optical beam emitted from each laser element 1 13 in the laser diode array 11 generally has a relatively small divergence angle ⁇ X in the X direction and a relatively small divergence angle ⁇ in the direction of the arrow. It's big ( ⁇ so). For this reason, the direction with a small divergence angle around the principal ray of the light beam is called the slow direction, and the direction with a large divergence angle is called the fast direction.
  • the fast axis collimator 12 has an optical power only in the vertical direction and has a function of collimating the light beam in the fast direction.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an example of the beam twister 13.
  • Figure 8 shows the entrance surface of the beam twister 13.
  • Figure 9 shows the exit surface of the beam twister 13.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the function of the beam twister 13.
  • the beam twister 13 is a plurality of cylindrical lenses whose both surfaces are convex.
  • the X-direction pitch of the cylindrical lenses 1 3 3 matches the array pitch of the laser elements 1 1 3 in the laser diode array 1 1.
  • each laser element 1 13 is collimated only in the fast direction by the first axis collimator 1 2. Be in shape.
  • Each cylindrical lens 133 rotates the light beam incident on the incident surface by 90 degrees around the principal ray and emits it from the emitting surface. As shown in Fig. 9, the light beam has a vertically long beam shape on the exit surface of the beam twister 13.
  • each cylindrical lens 133 has a function of switching the fast direction and the slow direction of the light beam. Therefore, from the beam twister 13 to the light source side, the fast direction of the light beam is the vertical direction and the slow direction is the X direction. On the other hand, from the beam twister 13 to the diffraction grating side, the first direction of the light beam is the X direction and the slow direction is the down direction.
  • the fast direction of the light beam has already been collimated by the fast axis collimator 1 2. ⁇ 2020/174752 7 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • the throw direction is expanding.
  • the focus position of the optical system 30 is set near the exit surface of the beam twister 13.
  • the slow axis collimator 21 collimates each light beam emitted from the beam twister 13 in the light source unit 10 in the slow direction.
  • the slot-axis collimator 21 may have a shape similar to that shown in FIG. 5, for example, and has a plano-convex cross-section and is composed of a cylindrical lens having a generatrix in the X direction.
  • the 1/2 wave plate 70 has a function of rotating the polarization of the light beam by 90 degrees. For example, when the light beam is linearly polarized light parallel to the X direction, it is parallel to the vertical direction. Convert to linearly polarized light.
  • the optical system 30 includes a negative power first cylindrical lens element 3 1 and a positive power second cylindrical lens element 3 2.
  • the diffraction grating 40 diffracts each light beam at a diffraction angle according to its wavelength.
  • the telescopic optical system 50 includes cylindrical lens elements 5 1 and 5 2 having positive power in the direction parallel to the paper surface and a cylindrical lens element 5 3 having negative power in the direction parallel to the paper surface.
  • the telescope optics 50 expands the light beam reflected from the output cover 60 and reduces the angle of the chief ray of the light beam with respect to the optical axis to reduce the angular error along the first direction of the output cover 60. It has the function of reducing the sensitivity.
  • the output cover 60 as shown in FIG. 1, reflects a part of the light beam and supplies feedback light for laser oscillation.
  • the operation of the optical resonator 1 according to this embodiment will be described.
  • a case where three laser elements 1 13 are formed in the laser diode array 11 will be described below.
  • the laser elements 113 are arranged in a predetermined pitch in the X direction.
  • the resonance wavelength satisfying the diffraction condition is S 2.
  • the laser diode array Optical resonance occurs between the rear end face of 11 and the output cover 60.
  • the resonance wavelength that satisfies the diffraction condition is S 3 0 X 2).
  • light beams having a plurality of wavelengths S1, S2, and S3 can be combined in the same direction by satisfying different diffraction conditions, and a light beam with a high output can be obtained. realizable. Similarly, four or more light beams can be combined in the same direction by satisfying separate diffraction conditions.
  • FIG. 11 () is a configuration diagram showing an example of an optical resonator employing a diffraction grating with a number of gratings of 1600 in the 900 n wavelength band.
  • FIG. 11 ( ⁇ ) is a configuration diagram showing an example of an optical resonator employing a diffraction grating with the number of gratings of 1600 in the wavelength band of 400 n .
  • wavelength 4001 ⁇ 111 band is
  • the "wavelength 900 000! band" is
  • the optical resonator shown in Fig. 1 1 (eight) is composed of a light source unit 1 1 0 that generates an optical beam in the 900 0 n wavelength band, a slow axis collimator 1 2 1 and a 1/2 wavelength plate 1 7 0 ⁇ 2020/174752 9 ⁇ (: 171? 2019 /043012
  • the light source unit 110 is equipped with the laser diode array, the fast axis collimator, the beam twister, etc., as described above. ⁇ scan / ⁇ father, is set to 4X 1 ⁇ - 7. In this case, the dimension from the light source unit 110 to the diffraction grating 140 is about 1.
  • the light source unit 210 is equipped with a laser diode array, a fast axis collimator, a beam twister, etc., as described above.
  • ⁇ scan / ⁇ father is set to 4X 1 0- 7
  • the dimensions of the light source unit 2 1 0 to the diffraction grating 240 is about 1.
  • the light source unit 110 includes a laser diode array, a fast axis collimator, a beam twister, and the like. provided.
  • Figure 1 1 (eight), similarly to FIG. 1 1 (snake), ⁇ scan / Hachichichi is set to 4 X 1 0_ 7. in this case, the light source unit ⁇ 2020/174752 10 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • the size from the plate 3 10 to the diffraction grating 3 40 is about 1. become. In other words, if the resonance wavelength is reduced without changing the number of diffraction gratings 1 ⁇ 1, the distance from the light source unit 3 10 to the diffraction grating 3 40 can be satisfied in order to satisfy the predetermined ⁇ S / ⁇ X. Need to be bigger. Therefore, the size of the optical resonator is inevitable.
  • Equation (8 1) holds.
  • the above-mentioned conditions are generally known as conditions under which it is easy to realize a diffraction grating with high diffraction efficiency, and in the present embodiment as well, a diffraction grating is designed around this condition.
  • the optical system 30 for aligning the respective light beams with each other in the X direction is arranged in the X direction. Only the first cylindrical lens element 3 1 having negative power, and ⁇ 2020/174752 1 1 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • a second cylindrical lens element 32 having positive power This makes it possible to increase the focal length while reducing the size of the optical system 30.
  • the focal length of the optical system 30 can be set to be larger than the actual distance from the optical system 30 to the light source unit 10. Therefore, an optical resonator equivalent to the optical resonator shown in Fig. 11 ( ⁇ ) can be realized in a small size.
  • the present embodiment relates to a wavelength combining type optical resonator 1 that combines a plurality of light beams having different wavelengths.
  • the optical resonator 1 includes a laser diode array 1 1 having a plurality of laser elements 1 1 3 arranged along a predetermined X direction and emitting light beams having different wavelengths from each other.
  • the optical resonator 1 further includes a diffraction grating 40 that diffracts the light beam emitted from each laser element 1 13 at a diffraction angle according to its wavelength.
  • the optical resonator 1 further includes an output cover 60 that reflects a part of the optical beam diffracted by the diffraction grating 40 and returns it to each laser element 1 13.
  • the optical resonator 1 further includes an optical system 30 which is provided between the laser diode array 11 and the diffraction grating 40 and which aligns the light beams emitted from the laser elements 1 13 with each other.
  • the optical system 30 includes a first lens element 3 1 having negative power only in a predetermined X direction and a positive lens only in a predetermined X direction in order from the laser diode array 11 to the diffraction grating 40. And a second lens element 32 having a power of.
  • the focal length of the optical system 30 can be increased, and the device can be downsized even when a diffraction grating with a coarse pitch is used.
  • the pitch of the diffraction grating can be made coarse without increasing the size of the device, and the degree of freedom in designing the optical resonator 1 can be increased.
  • the optical system 30 is a laser diode ⁇ 2020/174752 12 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • It may have a focal length longer than the distance between the array 1 1 and the second cylindrical lens element 3 2.
  • the size of the optical resonator 1 can be reduced.
  • the first axis that collimates each light beam emitted from each laser element 1 13 in the first direction in order from the laser diode array 11 to the diffraction grating 40.
  • Collimator 12 and beam twister 13 which rotates each light beam emitted from first axis collimator 12 about the principal ray by 90 degrees, and collimate each light beam emitted from beam twister 13 in the slow direction.
  • a slow axis collimator 21 may be provided, and the focus position of the optical system may be near the beam twister emission surface.
  • Embodiment 2 of the present disclosure will be described with reference to FIG.
  • the optical resonator according to this embodiment has the same configuration as the optical resonator 1 shown in FIG. Here, the optimization of the optical system 30 will be described.
  • the telephoto ratio of the optical system 30 is expressed by the following equation (3).
  • the mouth is the distance from the image-side principal plane of the second cylindrical lens element 32 with positive power to the focal point surface of the optical system object side (corresponding to the light emitting surface of the laser element 1 1 3), and 3 is the negative power.
  • 1 is the focal length of the second cylindrical lens element 3 2.
  • the image side is the + side and the object side is the one side.
  • a distance of 0 is mouth ⁇ 1500 from the viewpoint of ideal size.
  • the optical system 30 can be optimized by satisfying the expression (6). As a result, the size of the device can be reduced even if a diffraction grating with a coarse pitch is used.
  • Light source unit 1 1 0 Generates a light beam with a wavelength of 900 n band.
  • Slow axis collimator 1 2 1 The incident surface is flat.
  • the exit surface has a power only in the vertical axis, and the radius of curvature is 25.
  • Thickness Material is N 6 ⁇ 7.
  • Cylindrical lens 1 30 The plane of incidence is flat.
  • the exit surface has a power only in the axial direction.
  • Convex surface. Thickness is 3 The material is Snake ⁇ 7 0
  • Cylindrical lens element 1 5 1 The entrance surface has a radius of curvature 207 that has power only in the axial direction. Convex surface. The emission surface is flat. Thickness is 5 The material is Snake ⁇ 7 0
  • Cylindrical lens element 1 52 The incident surface has power only in the axial direction. ⁇ 2020/174752 15 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • the emission surface is flat.
  • the thickness is 4.
  • the material is
  • Cylindrical lens element 1 53 The incident surface is flat.
  • the exit surface has a radius of curvature that has power only in the X-axis direction. Concave surface. Thickness is 4 The material is
  • the central laser element is 955 n.
  • Upper side 4 The laser device is 9 53.
  • the laser element on the lower 40! is 956. 611111.
  • Outer cover 1 60 Mirror material is N 6 7.
  • the entrance surface is partially reflective (eg, 2% reflectance, 98% transmittance).
  • Emission surface is 8 coats (eg, 100% transmission).
  • Light source unit 1 1 0 beam twister exit surface to slow axis collimator 1 2 1 entrance surface 46.
  • Cylindrical lens element 1 53 Emission surface to output cover 1 60 Incident surface 23 ⁇ 2020/174752 16 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • the fast axis collimator and beam twister are rotated about 0.00892 degrees around the optical axis in order to collect the chief ray at one point on the diffraction grating.
  • the size from the light source unit 110 to the diffraction grating 140 is.
  • Light source unit 10 Generates a light beam in the wavelength band of 900 n.
  • the resonance wavelengths of the slow axis collimator 21, diffraction grating 40, cylindrical lens elements 51 to 53, output cover 60, and laser element are the same as in Comparative Example 1.
  • 1st cylindrical lens element 3 1 The entrance surface is a concave surface that has power only in the axial direction. The emission surface is flat. The thickness is 4. Material
  • Second cylindrical lens element 32 The incident surface is a flat surface.
  • the emitting surface is made of material in the axial direction
  • the first-axis collimator and beam twister are rotated by 0.035 degrees around the optical axis in order to collect the chief ray at one point on the diffraction grating.
  • the size from the source unit 10 to the diffraction grating 40 is about 0.
  • Light source unit 210 Generates a light beam in the 400 n wavelength band.
  • Slow axis collimator 22 1 The incident surface is flat.
  • the emission surface has a power only in the direction of the vertical axis, and the radius of curvature is 26.
  • Thickness Material is N 6 ⁇ 7.
  • Cylindrical lens 230 plane of incidence.
  • the exit surface has power only in the direction of the axis of curvature 785. 0 Convex surface. Thickness is 3
  • the material is
  • Cylindrical lens element 25 1 The entrance surface has a radius of curvature that has power only in the axial direction 207. Convex surface. The emission surface is flat. Thickness is 5 The material is Snake ⁇ 7 0
  • Cylindrical lens element 252 The entrance surface has a radius of curvature that has power only in the axial direction 1 1 4.7 Convex surface.
  • the emission surface is flat. Thickness is 4
  • the material is Snake ⁇ 7 0
  • Cylindrical lens element 253 The plane of incidence is flat.
  • the exit surface has a radius of curvature that has power only in the X-axis direction. Concave surface. Thickness is 4 The material is
  • Kakabra 260 The mirror material is [[7.
  • the entrance surface is partially reflective (eg, 2% reflectance, 98% transmittance).
  • Emission surface is 8 coats (eg, 100% transmission). ⁇ 2020/174752 18 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • Cylindrical lens 230 Exit surface-Diffraction grating
  • the fast axis collimator and beam twister are rotated about 0.006 1 degree around the optical axis in order to collect the chief ray at one point on the diffraction grating.
  • the size from the light source unit 110 to the diffraction grating 140 is about 1.5.
  • Light source unit 10 Generates a light beam in the 400 n wavelength band.
  • the resonance wavelength of the slow axis collimator 21, diffraction grating 40, cylindrical lens elements 51 to 53, output cover 60, and laser element is the same as that of Comparative Example 2.
  • 1st cylindrical lens element 3 1 The entrance surface is a concave surface with a radius of curvature of 92.504 that has power only in the axial direction. The emission surface is flat. Thickness is 5. The material is Snake ⁇ 7 0 ⁇ 2020/174752 19 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • Second cylindrical lens element 32 The incident surface is a flat surface.
  • the emitting surface is in the axial direction and the material is
  • the first axis collimator and beam twister are rotated by 0.0229 degrees around the optical axis in order to collect the chief ray at one point on the diffraction grating.
  • the plurality of laser elements 113 may generate a light beam in the wavelength band 4001-1111.
  • FIG. 13 is a block diagram showing an example of a laser processing apparatus according to the present disclosure.
  • the laser processing device !_ IV! includes the optical resonator 1 disclosed in Embodiments 1 and 2, the transmission optical system 0 for transmitting the optical beam output from the optical resonator 1, and the optical beam directed to the workpiece. It is equipped with processing heads 1 to 1 for irradiating the workpiece and a table knife for holding the workpiece and positioning it three-dimensionally with respect to the focusing spot of the light beam. Laser cutting, laser drilling, laser welding, laser marking, laser annealing, etc. can be performed as laser processing.
  • the laser processing apparatus !_ IV! is the optical resonator according to the first and second embodiments.
  • the device can be downsized. ⁇ 2020/174752 20 ⁇ (:171? 2019 /043012
  • Embodiments 1 to 3 have been described as examples of the technology disclosed in the present application.
  • the technique of the present disclosure is not limited to this, and is also applicable to the embodiment in which changes, substitutions, additions, omissions, etc. are appropriately made.
  • the collimator, the lens, and the lens element are exemplified by a single lens, but a lens group or a compound lens in which a plurality of lenses are combined may be used.
  • the present disclosure can be applied to a light source or the like that generates a light beam.
  • the present disclosure is applicable to, for example, laser processing such as laser cutting, laser drilling, laser welding, laser marking, and laser annealing.

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Abstract

光共振器１は、予め定めたＸ方向に沿って配列され、互いに異なる波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子１１ａを有するレーザダイオードアレイ１１と、各レーザ素子１１ａから放出される光ビームを、その波長に応じた回折角で回折させる回折格子４０と、回折格子４０によって回折した光ビームの一部を反射して、各レーザ素子１１ａに戻す出力カプラ６０と、レーザダイオードアレイ１１と回折格子４０との間に設けられ、各レーザ素子１１ａから放出される各光ビームを互いに整列させる光学系３０とを備える。光学系３０は、レーザダイオードアレイ１１から順に、Ｘ方向にのみ負のパワーを有する第１レンズ素子３１と、Ｘ方向にのみ正のパワーを有する第２レンズ素子３２とを含む。

Description

\¥02020/174752 1 卩（：17 2019/043012
明 細 書
発明の名称 ： 光共振器およびレーザ加工装置
技術分野
[0001 ] 本開示は、 光共振器、 特に波長合成型の光共振器に関する。 また本開示は 、 こうした光共振器を用いたレーザ加工装置に関する。
背景技術
[0002] 特許文献 1は、 発振波長が同調可能なエキシマレーザ装置を開示する。 ビ —ム拡大器の入射瞳面を中心にビーム拡大器と回折格子の双方を載置した回 転ステージを回転させることによって、 発振波長の同調が行われる。
先行技術文献
特許文献
[0003] 特許文献 1 :特開平 5— 2 3 5 4 5 3号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0004] 本開示は、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図ら れる光共振器を提供する。 また本開示は、 こうした光共振器を用いたレーザ 加工装置を提供する。
課題を解決するための手段
[0005] 本開示は、 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器 に関する。 前記光共振器は、 予め定めた方向に沿って配列され、 互いに異な る波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子を有するレーザダイオードア レイを備える。 前記光共振器はさらに、 各レーザ素子から放出される光ビー ムを、 その波長に応じた回折角で回折させる回折格子を備える。 前記光共振 器はさらに、 前記回折格子によって回折した光ビームの一部を反射して、 各 レーザ素子に戻す出カカブラを備える。 前記光共振器はさらに、 前記レーザ ダイオードアレイと前記回折格子との間に設けられ、 各レーザ素子から放出 される各光ビームを互いに整列させる光学系を備える。 前記光学系は、 前記 〇 2020/174752 2 卩（：171? 2019 /043012
レ—ザダイオ—ドアレイから前記回折格子に向けて順に、 前記予め定めた方 向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ素子と、 前記予め定めた方向にのみ 正のパワーを有する第 2レンズ素子とを含む。
［0006］ また本開示に係るレーザ加工装置は、 上記光共振器と、 前記光共振器から 出力された光ビームを被加工物に向けて照射する加工へッ ドとを備える。 発明の効果
［0007］ 本開示に係る光共振器によると、 粗いピッチの回折格子を使用した場合で も装置の小型化が図られる。
図面の簡単な説明
［0008］ ［図 1］ （ ） 実施形態 1 に係る光共振器の概略構成を示す構成図、 および （巳 ） 回折格子の断面図
［図 2］実施形態 1 に係る光共振器の具体的構成の一例を示す構成図
［図 3］光源ユニッ トの一例を示す斜視図
［図 4］光源ユニッ トの一例を示す部分側面図
［図 5］ファースト軸コリメータの一例を示す斜視図
［図 6］ファースト軸コリメータの一例を示す断面図
［図 7］ビームツイスタの一例を示す斜視図
［図 8］ビームツイスタの入射面
［図 9］ビームツイスタの出射面
［図 10］ビームツイスタの機能を示す斜視図
［図 1 1］ （八） 波長 9 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用 した光共振器の一例を示す構成図、 （巳） 波長 4 0 0 n m帯で格子本数 = 2 2 2 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図、 および （〇 ） 波長 4 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振 器の一例を示す構成図
Figure imgf000004_0001
の場合における△ス /△ «の格子本数特性を示す グラフ
［図 13］本開示に係るレーザ加工装置の一例を示すブロック図 〇 2020/174752 3 卩（：171? 2019 /043012
発明を実施するための形態
[0009] 以下、 適宜図面を参照しながら、 実施の形態を詳細に説明する。 但し、 必 要以上に詳細な説明は省略する場合がある。 例えば、 既によく知られた事項 の詳細説明、 あるいは実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合 がある。 これは、 以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、 当業者の理解 を容易にするためである。
[0010] なお、 出願人は、 当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および 以下の説明を提供するのであって、 これらによって特許請求の範囲に記載の 主題を限定することを意図するものでない。
[001 1 ] （実施形態 1）
以下、 図 1〜図 1 2を用いて本開示の実施形態 1 を説明する。
[0012] [ 1 — 1 . 構成]
図 1 （ ） は、 実施形態 1 に係る光共振器 1の概略構成を示す構成図であ る。 図 1 （巳） は、 回折格子の断面図である。
[0013] 光共振器 1は、 光軸方向に沿って、 レーザダイオードアレイ 1 1 と、 光学 系 3 0と、 回折格子 4 0と、 出カカブラ 6 0などを備える。 ここでは理解を 容易にするため、 レーザダイオードアレイ 1 1からの光ビームの進行方向を 方向、 方向に垂直かつ紙面と平行な方向を X方向、 方向に垂直かつ紙 面と垂直な方向を丫方向に設定している。
[0014] レーザダイオードアレイ 1 1は、 例えば、 ダイレクトダイオードレーザ （
0 0 !_） で構成でき、 予め定めた方向、 例えば、 図 1 （八） の X方向に沿っ て配列された複数のレーザ素子 1 1 3を有する。 レーザダイオードアレイ 1 1の後側端面には、 例えば、 反射率 9 9 . 9 %以上の高反射率コーティング が施される。 レーザダイオードアレイ 1 1の前側端面には、 例えば、 透過率 9 9 . 9 %以上の反射防止コーティングが施される。 なお図 1 （八） では、
3つのレーザ素子 1 1 3を例示するが、 2つまたは 4つ以上のレーザ素子 1 1 3でも構わない。 各レーザ素子 1 1 3は、 光共振によって互いに異なる波 長の光ビームを放出する。 〇 2020/174752 4 卩（：171? 2019 /043012
[0015] 光学系 3 0は、 レーザダイオードアレイ 1 1 と回折格子 4 0との間に設け られ、 レーザダイオードアレイ 1 1から回折格子 4 0に向けて順に、 X方向 にのみ負のパワーを有する第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 と、 X方向に のみ正のパワーを有する第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。 光学 系 3 0は、 各レーザ素子 1 1 3から放出される各光ビームを X方向に互いに 整列させてコリメートする機能を有する。 光学系 3 0の焦点位置は、 レーザ 素子 1 1 3の光出射面近傍に設定してもよい。 なお、 「コリメート」 とは、 単一の光ビームを平行または実質的に平行なビームに変換すること、 複数の 光ビームの各主光線を互いに平行または実質的に平行に変換すること等を意 味する用語である。
[0016] 回折格子 4 0は、 各レーザ素子 1 1 3から放出される光ビームを、 その波 長に応じた回折角で回折させる。 ここでは、 回折格子 4 0として、 光ビーム を入射側に反射する反射型の回折格子を例示しているが、 光ビームを通過し て入射側とは反対側に出射する透過型の回折格子も同様に使用できる。
[0017] 回折格子 4 0は、 図 1 （巳） に示すように、 ピッチ を有する周期構造を 有し、 その断面は矩形波形状でもよく、 その他に三角波形状、 鋸歯形状など でもよい。 一般に、 回折格子の法線に対する入射角《および回折角/ 3、 回折 次数 、 格子本数 （= 1 /ピッチ ） 、 光の波長スを用いて、 回折条件 3 | n a— 5 I
Figure imgf000006_0001
スが成立する方向に回折光が出射される。 ここで、 入射角《及び回折角/ 3の符号は、 光線から回折格子の法線に向かって時計回 りを正とする。 ただし、 反射型回折格子の回折角/ 3は、 光線から回折格子の 法線に向かって反時計回りを正とする。
[0018] 出カカブラ 6 0は、 例えば、 反射率 2 %の部分反射ミラーで構成でき、 回 折格子 4 0によって回折した光ビームの一部を反射して、 各レーザ素子 1 1 3に戻す。 これによりレーザ発振用のフイードバック光が供給され、 レーザ ダイオードアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振を生じさ せることが可能になる。 出カカブラ 6 0を通過した光ビームは、 後段のプロ セス、 例えば、 レーザ加工などに利用される。 [0019] 本開示に係る波長合成型の光共振器では、 回折格子 40への入射角 aは各 光ビームの波長に応じて相違するが、 回折格子 40での回折角/ Sは各光ビー ムで一致するように回折条件が設定される。 これにより波長が異なる複数の 光ビームを同じ方向に合成することが可能になる。 そのためレーザダイオー ドアレイ 1 1の各レーザ素子 1 1 aでの最大光出力を加算できるため、 高い 出力の光ビームを実現できる。
[0020] 図 2は、 実施形態 1 に係る光共振器 1の具体的構成の一例を示す構成図で ある。 光共振器 1は、 光軸方向に沿って、 図 1のレーザダイオードアレイ 1 1 を含む光源ユニッ ト 1 0と、 スロー軸コリメータ (SAC: slow axis col Limat〇r)2 1 と、 1 / 2波長板 70と、 図 1の光学系 30と、 図 1の回折格 子 40と、 テレスコープ光学系 50と、 図 1の出カカブラ 60などを備える 。 ここでは理解を容易にするため、 回折格子 40が透過型である場合を例示 するが、 反射型の回折格子でも構わない。
[0021] 図 3は、 光源ユニッ ト 1 0の一例を示す斜視図である。 図 4は、 光源ユニ ッ ト 1 0の一例を示す部分側面図である。 光源ユニッ ト 1 0は、 前述したレ —ザダイオードアレイ 1 1 と、 ファースト軸コリメータ (FAC: fast axis co U imator) 1 2と、 ビームツイスタ (BT: beam twister) 1 3などを備え る。
[0022] レーザダイオードアレイ 1 1は、 下部ブロック 9 1の上にサブマウント 9
2を介して搭載される。 レーザダイオードアレイ 1 1の上方には、 上部ブロ ック 93が戴置される。 下部ブロック 9 1および上部ブロック 93は、 レー ザダイオードアレイ 1 1 に電流を供給するための電極として、 またレーザダ イオードアレイ 1 1から発生する熱を散逸させるヒートシンクとしても機能 する。 上部ブロック 93には、 ファースト軸コリメータ 1 2およびビームツ イスタ 1 3を保持するホルダ 94が固定される。
[0023] 図 5は、 ファースト軸コリメータ 1 2の一例を示す斜視図である。 図 6は 、 ファースト軸コリメータ 1 2の一例を示す断面図である。 ファースト軸コ リメータ 1 2は、 例えば、 断面形状が平凸であり、 X方向に母線を有するシ 〇 2020/174752 6 卩（：171? 2019 /043012
リンドリカルレンズで構成される。
[0024] レーザダイオードアレイ 1 1内の各レーザ素子 1 1 3から出射される光ビ —ムは、 一般に、 X方向の発散角㊀ Xは比較的小さく、 丫方向の発散角㊀ソ は比較的大きい （㊀ ＜＜㊀ソ） 。 このことから光ビームの主光線を中心と して発散角が小さい方向をスロー方向と称され、 発散角が大きい方向をファ —スト方向と称される。 ファースト軸コリメータ 1 2は、 丫方向にのみ光学 パヮーを有し、 光ビームをファースト方向についてコリメートする機能を有 する。
[0025] 図 7は、 ビームツイスタ 1 3の一例を示す斜視図である。 図 8は、 ビーム ツイスタ 1 3の入射面を示す。 図 9は、 ビームツイスタ 1 3の出射面を示す 。 図 1 0は、 ビームツイスタ 1 3の機能を示す斜視図である。
[0026] ビームツイスタ 1 3は、 両面が凸形状である複数のシリンドリカルレンズ
1 3 3を予め定めた角度、 例えば、 4 5度だけ傾けて重ねて、 乂 面に対し て平行に切断したロッ ド状の光学素子である。 シリンドリカルレンズ 1 3 3 のX方向ピッチは、 レーザダイオードアレイ 1 1内の各レーザ素子 1 1 3の 配列ピッチと一致する。
[0027] 図 8に示すように、 各レーザ素子 1 1 3から出射される光ビームは、 ファ —スト軸コリメータ 1 2によってファースト方向のみコリメートされるため 、 ビームツイスタ 1 3の入射面では横長ビーム形状になる。
[0028] 各シリンドリカルレンズ 1 3 3は、 入射面に入射した光ビームを主光線周 りに 9 0度回転させ、 出射面から出射させる。 光ビームの形状は、 図 9に示 すように、 ビームツイスタ 1 3の出射面では縦長ビーム形状になる。
[0029] こうして各シリンドリカルレンズ 1 3 3は、 光ビームのファースト方向と スロー方向を入れ替える機能を有する。 従って、 ビームツイスタ 1 3から光 源側では、 光ビームのファースト方向は丫方向になり、 スロー方向はX方向 になる。 一方、 ビームツイスタ 1 3から回折格子側では、 光ビームのファー スト方向はX方向になり、 スロー方向は丫方向になる。 なお、 光ビームのフ ァースト方向はファースト軸コリメータ 1 2によって既にコリメートされて 〇 2020/174752 7 卩（：171? 2019 /043012
いるが、 スロー方向は拡がっている。 なお、 本具体構成のようにファースト 軸コリメータ 1 2及びビームツイスタ 1 3を配置する場合は、 光学系 3 0の 焦点位置はビームツイスタ 1 3の出射面近傍に設定される。
[0030] 図 2に戻って、 スロー軸コリメータ 2 1は、 光源ユニッ ト 1 0内のビーム ツイスタ 1 3から出射した各光ビームをスロー方向にコリメートする。 スロ —軸コリメータ 2 1は、 例えば、 図 5と同様な形状を有してもよく、 断面形 状が平凸であり、 X方向に母線を有するシリンドリカルレンズで構成される
[0031 ] 1 / 2波長板 7 0は、 光ビームの偏光を 9 0度回転させる機能を有し、 例 えば、 光ビームが X方向に平行な直線偏光である場合は、 丫方向に平行な直 線偏光に変換する。
[0032] 図 1 に示したように、 光学系 3 0は、 負パワーの第 1シリンドリカルレン ズ素子 3 1 と、 正パワーの第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。
[0033] 回折格子 4 0は、 各光ビームを、 その波長に応じた回折角で回折させる。
[0034] テレスコープ光学系 5 0は、 紙面平行方向に正パワーを有するシリンドリ カルレンズ素子 5 1 , 5 2と、 紙面平行方向に負パワーを有するシリンドリ カルレンズ素子 5 3とを含む。 テレスコープ光学系 5 0は、 出カカブラ 6 0 から反射した光ビームを拡大し、 光軸に対する光ビームの主光線の角度を減 少させることによって、 出カカブラ 6 0のファースト方向に沿った角度誤差 感度を低減する機能を有する。
[0035] 出カカブラ 6 0は、 図 1 に示したように、 光ビームの一部を反射して、 レ —ザ発振用のフィードバック光を供給する。
[0036] [ 1 - 2 . 動作]
次に本実施形態に係る光共振器 1の動作について説明する。 以下では一例 として、 レーザダイオードアレイ 1 1 に 3つのレーザ素子 1 1 3が形成され る場合を説明する。
[0037] 図 1 （八） に示すように、 各レーザ素子 1 1 3は、 X方向に予め定めたピ ッチで配列される。 中央に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビー 〇 2020/174752 8 卩（：171? 2019 /043012
ムは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 2で入射する場合に、 レーザダ イオードアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 このとき回折条件を満たす共振波長はス 2となる。
[0038] +乂側に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビームは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 1 （＜« 2） で入射する場合に、 レーザダイオ —ドアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 この とき回折条件を満たす共振波長はス 1 «ス 2） となる。
[0039] —X側に位置するレーザ素子 1 1 3から放出される光ビームは、 回折格子 4 0の法線に対して入射角《 3 （＞« 2） で入射する場合に、 レーザダイオ —ドアレイ 1 1の後側端面と出カカブラ 6 0との間で光共振が生じる。 この とき回折条件を満たす共振波長はス 3 0 X 2） となる。
[0040] 従って、 複数の波長ス 1 , ス 2 , ス 3を有する各光ビームは、 別個の回折 条件を満たすことによって、 同じ方向に合成することが可能になり、 高い出 力の光ビームを実現できる。 4つ以上の光ビームについても同様に、 別個の 回折条件を満たすことによって、 同じ方向に合成することが可能になる。
[0041 ] 次に、 共振波長を変更した場合、 光共振器の設計はどのように変更される かについて説明する。 光共振器の仕様として、 レーザ素子 1 1 3のピッチ （ △ X） とそれに対応する波長変化 （△ス） の割合△ス /八父を一定とした場 合の 3つの設計例を示す。 図 1 1 （ ） は、 波長 9 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す構成図である。 図 1 1 （巳） は、 波長 4 0 0 n m帯で格子本数 = 2 2 2 0本の回折格子を採 用した光共振器の一例を示す構成図である。 図 1 1 （〇） は、 波長 4 0 0 n 帯で格子本数 = 1 6 0 0本の回折格子を採用した光共振器の一例を示す 構成図である。 なお、 「波長 4 0 0 1^ 111帯」 は、
Figure imgf000010_0001
波長を意味する。 「波長 9 0 0 〇!帯」 は、
Figure imgf000010_0002
を意味する。
[0042] 図 1 1 （八） に示す光共振器は、 波長 9 0 0 n 帯の光ビームを発生する 光源ユニッ ト 1 1 0と、 スロー軸コリメータ 1 2 1 と、 1 / 2波長板 1 7 0 〇 2020/174752 9 卩（：171? 2019 /043012
と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシリンドリカルレンズ 1 30と 、 格子本数 = 1 600本の回折格子 1 40と、 シリンドリカルレンズ素子 1 5 1 , 1 52, 1 53を含むテレスコープ光学系 1 50と、 出カカブラ 1 60などを備える。 光源ユニッ ト 1 1 0は、 前述したように、 レーザダイオ —ドアレイ、 ファースト軸コリメータ、 ビームツイスタなどを備える。 △ス /△父は、 4X 1 〇-7に設定されている。 この場合、 光源ユニッ ト 1 1 0か ら回折格子 1 40までの寸法は約 1 になる。
[0043] 図 1 1 （巳） に示す光共振器は、 図 1 1 （八） の例よりも短い波長 400 帯の光ビームを発生する光源ユニッ ト 2 1 0と、 スロー軸コリメータ 2 2 1 と、 1 /2波長板 270と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシ リンドリカルレンズ 230と、 格子本数 N = 2220本の回折格子 240と 、 シリンドリカルレンズ素子 25 1 , 252, 253を含むテレスコープ光 学系 250と、 出カカブラ 260などを備える。 光源ユニッ ト 2 1 0は、 前 述したように、 レーザダイオードアレイ、 ファースト軸コリメータ、 ビーム ツイスタなどを備える。 この場合も、 △ス /△父は、 4X 1 0-7に設定され 、 光源ユニッ ト 2 1 0から回折格子 240までの寸法は約 1 になる。 しか しながら、 回折格子 240の格子本数は N = 2220本となり、 これは現時 点の技術では製造が極めて困難であり、 歩留りが極めて低くなり、 コストが 著しく増加してしまう。
[0044] 図 1 1 （〇 に示す光共振器は、 図 1 1 （巳） の例と同じ波長 400 n m 帯の光ビームを発生する光源ユニッ ト 3 1 0と、 スロー軸コリメータ 32 1 と、 1 /2波長板 370と、 X方向にのみ正のパワーを有する単一のシリン ドリカルレンズ 330と、 図 1 1 （八） の例と同じ格子本数 N= 1 600本 の回折格子 340と、 シリンドリカルレンズ素子 35 1 , 352, 353を 含むテレスコープ光学系 350と、 出カカブラ 360などを備える。 光源ユ ニッ ト 1 1 0は、 前述したように、 レーザダイオードアレイ、 ファースト軸 コリメータ、 ビームツイスタなどを備える。 図 1 1 （八） 、 図 1 1 （巳） と 同様、 △ス /八父は、 4 X 1 0_7に設定されている。 この場合、 光源ユニッ 〇 2020/174752 10 卩（：171? 2019 /043012
卜 3 1 0から回折格子 3 4 0までの寸法は約 1 .
Figure imgf000012_0001
になる。 即ち、 回折格 子の格子本数 1\1を変更しないで共振波長を小さく した場合、 所定の△ス /△ Xを満たすには、 光源ユニッ ト 3 1 0から回折格子 3 4 0までの距離を大き くする必要がある。 そのため光共振器の大型化が避けられない。
[0045] 次に、 回折格子のピッチと装置サイズの関係について説明する。 レーザ素 子 1 1 3のピッチ八父、 シリンドリカルレンズ 2 3 0の焦点距離干、 レーザ 素子 1 1 8の位置に対応した回折格子 1 4 0への入射角《の変化△«につい て、 下記の式 （八 1） が成立する。
△父二干 t a 〇 （△〇〇 == ^ A a （八 1）
[0046] 回折角/ 3が一定である場合の角分散の逆数、 即ち、 入射角《に対する波長 スの変化については、 回折次数 、 格子本数 （= 1 /ピッチ ） を用いて 、 下記の式 （八 2） が成立する。
Figure imgf000012_0002
[0047] これらの式 （八 1） 、 式 （八2） より、 下記の式 （八 3） が成立する。
△ス /△<¾ 干△ス /八父
△ス /△% （ 1 /†） △¾ /△<¾ （八3）
[0048] 図 1 2は、 回折格子が《 = _ /3を満たす場合の△ス /△«の格子本数特性 を示すグラフである。 上記条件は一般的に回折効率の高い回折格子が実現し やすい条件として知られており、 本実施の形態においてもこの条件近傍で回 折格子を設計している。
[0049] このグラフより、 格子本数が小さくなると、 △ス /△«が増大する。 よつ て、 △ス /八父を一定に保とうとする場合、 式 （八3） より格子本数が小さ くなるほど、 焦点距離干は長くなる。 即ち、 粗いピッチの回折格子を使うと 、 焦点距離チが長くなり、 共振器サイズ、 例えば、 レーザダイオードアレイ 1 1からシリンドリカルレンズ 2 3 0までの距離は大きくなることが判る。
[0050] この解決策として、 本実施形態に係る光共振器によれば、 図 1 と図 2に示 すように、 各光ビームを X方向に互いに整列させる光学系 3 0は、 X方向に のみ負のパワーを有する第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 と、 X方向にの 〇 2020/174752 1 1 卩（：171? 2019 /043012
み正のパワーを有する第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2とを含む。 これに より光学系 3 0のサイズを小さく しつつ、 焦点距離を増加させることが可能 になる。 例えば、 光学系 3 0の焦点距離は、 光学系 3 0から光源ユニッ ト 1 0までの実際の距離よりも大きくなるように設定可能である。 そのため、 図 1 1 （〇） に示す光共振器と等価な光共振器を小型サイズで実現できる。 例 えば、 図 1 1 （〇 と同様に、 波長 4 0 0 n
Figure imgf000013_0001
帯の光ビームに対して格子本 数 = 1 6 0 0本の回折格子 1 4 0を使用した場合でも、 光源ユニッ ト 3 1 0から回折格子 3 4 0までの寸法は図 1 1 （3） と同等な寸法に抑制できる
[0051 ] [ 1 - 3 . 効果等]
本実施形態は、 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共 振器 1 に関する。 光共振器 1は、 予め定めた X方向に沿って配列され、 互い に異なる波長の光ビームを放出する複数のレーザ素子 1 1 3を有するレーザ ダイオードアレイ 1 1 を備える。 光共振器 1はさらに、 各レーザ素子 1 1 3 から放出される光ビームを、 その波長に応じた回折角で回折させる回折格子 4 0を備える。 光共振器 1はさらに、 回折格子 4 0によって回折した光ビー ムの一部を反射して、 各レーザ素子 1 1 3に戻す出カカブラ 6 0を備える。 光共振器 1はさらに、 レーザダイオードアレイ 1 1 と回折格子 4 0との間に 設けられ、 各レーザ素子 1 1 3から放出される各光ビームを互いに整列させ る光学系 3 0を備える。 光学系 3 0は、 レーザダイオードアレイ 1 1から回 折格子 4 0に向けて順に、 予め定めた X方向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ素子 3 1 と、 予め定めた X方向にのみ正のパワーを有する第 2レンズ 素子 3 2とを含む。
[0052] 以上の構成によると、 光学系 3 0の焦点距離を増加させることが可能にな り、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも装置の小型化が図られる。 ま た、 装置を大型化せずに、 回折格子のピッチを粗くすることも可能になり、 光共振器 1の設計自由度を増加できる。
[0053] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 光学系 3 0は、 レーザダイオード 〇 2020/174752 12 卩（：171? 2019 /043012
アレイ 1 1 と第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2との間の距離よりも長い焦 点距離干を有してもよい。
[0054] これにより、 光共振器 1の小型化が図られる。
[0055] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 レーザダイオードアレイ 1 1から 回折格子 4 0に向けて順に、 各レーザ素子 1 1 3から放出された各光ビーム をファースト方向にコリメートするファースト軸コリメータ 1 2と、 ファー スト軸コリメータ 1 2から出射した各光ビームを主光線周りに 9 0度回転さ せるビームツイスタ 1 3と、 ビームツイスタ 1 3から出射した各光ビームを スロー方向にコリメートするスロー軸コリメータ 2 1 とが設けられ、 前記光 学系の焦点位置を前記ビームツイスタ出射面近傍としてもよい。
[0056] これにより、 高い品質を有する光ビームアレイを実現できる。
[0057] （実施形態 2）
以下、 図 1 を用いて本開示の実施形態 2を説明する。
[0058] 本実施形態に係る光共振器は、 図 1 に示した光共振器 1 と同様な構成を有 する。 ここでは、 光学系 3 0の最適化について説明する。
[0059] 最初に、 入射角《の変化に対する共振波長スの変化 ス/〇1 «は、 下記の 式 （1） で表される。 ここで、 1\1は回折格子の格子本数 （ピッチ の逆数）
、 は回折次数である。
[0060] [数 1 ]
Figure imgf000014_0001
（ 1）
[0061 ] 次に、 レーザ素子 1 1 3のピッチ Xに対する共振波長スの変化 ス/ 父は、 下記の式 （2） で表される。 ここで、 干は光学系 3 0の合成焦点距離 である。
[0062] 〇 2020/174752 13 卩（：171? 2019 /043012
数 2]
Figure imgf000015_0001
[0063] 光学系 3 0の望遠比 は、 下記の式 （3） で表される。 ここで、 口は正パ ワーの第 2シリンドリカルレンズ素子 3 2の像側主平面から光学系物体側焦 点面 （レーザ素子 1 1 3の光出射面に対応） までの距離、 3は負パワーの第 1 シリンドリカルレンズ素子 3 1 の物体側主平面から正パワーの第 2シリン ドリカルレンズ素子 3 2の像側主平面までの距離、 干 1 は第 2シリンドリカ ルレンズ素子 3 2の焦点距離である。 なお、 図 1 と図 2の光学系 3 0では、 像側は + 側であり、 物体側は一 側である。
[0064] [数 3]
[0065] 光学系 3 0の合成焦点距離チは、 下記の式 （4） で表される。 チ 2は、 第
1 シリンドリカルレンズ素子 3 1 の焦点距離である。
[0066] [数 4]
Figure imgf000015_0002
[0067] 式 （2） , 式 （3） を用いて式 （4） を変形すると、 下記の式 （5） が得 られる。
[0068] [数 5]
Figure imgf000015_0003
[0069] —例として、 ス = 9 7〇门 111、 干 = 1 1 2 8 |11 111、 N = 1 6〇〇本、 〇1 X =〇. 2 2 5 を採用する。 回折格子の格子本数 !\!は、 現時点の技術に起 〇 2020/174752 14 卩（：171? 2019 /043012
因した製造限界の観点から、 N<4000本とする。 距離 0は、 理想的なサ イズ感の観点から、 口<1 500 とする。 ピッチ Xに対する共振波長 スの変化 ス / Xは、 現時点の製造技術の観点から、 ス/ 父<5 1 〇— 7とする。
[0070] これらの数値を式 （5） に代入することにより、 下記の式 （6） が得られ る。
[0071] [数 6]
Figure imgf000016_0001
[0072] 本実施形態に係る光共振器は、 式 （6） を満たすことにより、 光学系 30 の最適化が図られる。 その結果、 粗いピッチの回折格子を使用した場合でも 装置の小型化が図られる。
[0073] 次に、 光共振器の具体的な設計例について説明する。
（比較例 1）
図 1 1 （八） に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 1 1 0 :波長 900 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子の ピッチは
Figure imgf000016_0002
△ス /八父= 4 X 1 〇-7となるよう設計。
スロー軸コリメータ 1 2 1 :入射面は平面。 出射面は丫軸方向にのみパワ 一を有する曲率半径 25.
Figure imgf000016_0003
の凸面。 厚さは
Figure imgf000016_0004
材質は N 6 < 7。 シリンドリカルレンズ 1 30 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向にのみパ ワーを有する曲率半径 508. 1 5
Figure imgf000016_0005
の凸面。 厚さは 3
Figure imgf000016_0006
材質は 巳 < 70
シリンドリカルレンズ素子 1 5 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 207.
Figure imgf000016_0007
の凸面。 出射面は平面。 厚さは 5
Figure imgf000016_0008
材質は 巳 < 70
シリンドリカルレンズ素子 1 52 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す 〇 2020/174752 15 卩（：171? 2019 /043012
る曲率半径 1 28. 3 1の凸面。 出射面は平面。 厚さは 4 。 材質は 巳
< 70
シリンドリカルレンズ素子 1 53 :入射面は平面。 出射面は X軸方向にの みパワーを有する曲率半径 5. 75
Figure imgf000017_0001
の凹面。 厚さは 4
Figure imgf000017_0002
材質は 巳
< 70
回折格子 1 40 : ピッチ
Figure imgf000017_0003
中央のレーザ素子か らの主光線の入射角 = 49. 81 8° 。
Figure imgf000017_0004
レーザ素子からの主光 線の入射角 =50. 047° 。
Figure imgf000017_0005
レーザ素子からの主光線の入射 角 = 49. 589° 。 主光線の回折角 = 49. 81 8° （レーザ素子の位置 によらず） 。
共振波長：中央のレーザ素子は 955 n 。 上側 4
Figure imgf000017_0006
のレーザ素子は 9 53.
Figure imgf000017_0007
下側 4〇!〇!のレーザ素子は 956. 611111。
出カカブラ 1 60 : ミラー材質は N 6
Figure imgf000017_0008
7。 入射面は、 部分反射コート （ 例えば、 反射率 2%、 透過率 98%） 。 出射面は八 コート （例えば、 1 0 〇%透過） 。
[0074] [距離]
光源ュニッ ト 1 1 0のビームツイスタ出射面〜スロー軸コリメータ 1 2 1 入射面 = 46.
Figure imgf000017_0009
スロー軸コリメータ 1 2 1出射面〜シリンドリカルレンズ 1 30入射面 =
Figure imgf000017_0012
シリンドリカルレンズ素子 1 5 1出射面〜シリンドリカルレンズ素子 1 5 2入射面 = 0.
Figure imgf000017_0010
シリンドリカルレンズ素子 1 52出射面〜シリンドリカルレンズ素子 1 5 3入射面 = 1 28.
Figure imgf000017_0011
シリンドリカルレンズ素子 1 53出射面〜出カカブラ 1 60入射面 =23 〇 2020/174752 16 卩（：171? 2019 /043012
5. 9 1 〇!〇1〇
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 00892度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 1 0から回折格子 1 40までの寸法は になる。
[0075] （実施例 1）
図 2に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 1 0 :波長 900 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子のピ ッチは 4〇1111。 △ス /△父= 4 1 0_7となるよう設計。
スロー軸コリメータ 2 1、 回折格子 40、 シリンドリカルレンズ素子 5 1 〜 53、 出カカブラ 60、 レーザ素子の共振波長は、 比較例 1 と同じ。 第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有 の凹面。 出射面は平面。 厚さは 4 。 材質
Figure imgf000018_0001
第 2シリンドリカルレンズ素子 32 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向に 材質
Figure imgf000018_0002
[0076] [距離]
スロー軸コリメータ 2 1出射面〜第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1入射 面 = 1 23. 2384〇11110
第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1出射面〜第 2シリンドリカルレンズ素 子 32入射面 =329. 23111111。
その他の距離は、 比較例 1 と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに 0. 035度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 0から回折格子 40までの寸法は約 0
5〇1になる。 なお、 干 =+97〇. 86111111, 干 1 =404. 1 001111, 干 2=— 1 1 8. 02〇1111, 0 = 5 1 3. 0401111である。 〇 2020/174752 17 卩（：171? 2019 /043012
［0077］ （比較例 2）
図 1 1 （〇 に示す光共振器を参照する。
光源ユニッ ト 2 1 0 :波長 400 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子の ピッチは
Figure imgf000019_0001
△ス /八父= 4 X 1 〇-7となるよう設計。
スロー軸コリメータ 22 1 :入射面は平面。 出射面は丫軸方向にのみパワ 一を有する曲率半径 26.
Figure imgf000019_0002
の凸面。 厚さは
Figure imgf000019_0003
材質は N 6 < 7。 シリンドリカルレンズ 230 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向にのみパ ワーを有する曲率半径 785. 0
Figure imgf000019_0004
の凸面。 厚さは 3
Figure imgf000019_0005
材質は 巳
7〇
シリンドリカルレンズ素子 25 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 207.
Figure imgf000019_0006
の凸面。 出射面は平面。 厚さは 5
Figure imgf000019_0007
材質は 巳 < 70
シリンドリカルレンズ素子 252 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有す る曲率半径 1 1 4. 7
Figure imgf000019_0009
の凸面。 出射面は平面。 厚さは 4
Figure imgf000019_0008
材質は 巳 < 70
シリンドリカルレンズ素子 253 :入射面は平面。 出射面は X軸方向にの みパワーを有する曲率半径 5. 75
Figure imgf000019_0010
の凹面。 厚さは 4
Figure imgf000019_0011
材質は 巳
< 70
回折格子 1 40 : ピッチ
Figure imgf000019_0012
中央のレーザ素子か らの主光線の入射角 = 1 8. 905° 。
Figure imgf000019_0013
レーザ素子からの主光 線の入射角 = 1 8. 905° 。
Figure imgf000019_0014
レーザ素子からの主光線の入射 角 = 1 9. 060° 。 主光線の回折角 = 1 8. 750° （レーザ素子の位置 によらず） 。
のレーザ素子は 4
Figure imgf000019_0015
出カカブラ 260 : ミラー材質は 巳［< 7。 入射面は、 部分反射コート （ 例えば、 反射率 2%、 透過率 98%） 。 出射面は八 コート （例えば、 1 0 〇%透過） 。 〇 2020/174752 18 卩（：171? 2019 /043012
[0078] [距離]
光源ユニッ ト 2 1 〇のビームツイスタ出射面〜スロー軸コリメータ 22 1 入射面 =46. 7 1 401111。
スロー軸コリメータ 22 1出射面〜シリンドリカルレンズ 230入射面 = 1 428. 6466〇11110
シリンドリカルレンズ 230出射面〜回折格子
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0002
シリンドリカルレンズ素子 25 1出射面〜シリンドリカルレンズ素子 25 2入射面 = 0.
Figure imgf000020_0003
シリンドリカルレンズ素子 252出射面〜シリンドリカルレンズ素子 25 3入射面 = 1 28.
Figure imgf000020_0004
シリンドリカルレンズ素子 253出射面〜出カカブラ 260入射面 =23 5. 9 1 〇!〇1〇
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 006 1度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 1 0から回折格子 1 40までの寸法は 約 1. 5 になる。
[0079] （実施例 2）
図 2に示す光共振器を参照する。 ただし、 回折格子 40から出カカブラ 6 0は、 図 1 1 （巳） または図 1 1 （〇） を参照する。
光源ユニッ ト 1 0 :波長 400 n 帯の光ビームを発生。 レーザ素子のピ ッチは
Figure imgf000020_0005
△ス /八父= 4 X 1 〇-7となるよう設計。
スロー軸コリメータ 2 1、 回折格子 40、 シリンドリカルレンズ素子 5 1 〜 53、 出カカブラ 60、 レーザ素子の共振波長は、 比較例 2と同じ。 第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1 :入射面は乂軸方向にのみパワーを有 する曲率半径 92. 504の凹面。 出射面は平面。 厚さは 5 。 材質は 巳 < 70 〇 2020/174752 19 卩（：171? 2019 /043012
第 2シリンドリカルレンズ素子 32 :入射面は平面。 出射面は乂軸方向に 材質は
Figure imgf000021_0001
[0080] [距離]
スロー軸コリメータ 2 1出射面〜第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1入射 面 =2 1 9. 502
Figure imgf000021_0002
第 1シリンドリカルレンズ素子 3 1出射面〜第 2シリンドリカルレンズ素 子 32入射面 =469. 42111111。
その他の距離は、 比較例 2と同じ。
特記：主光線を回折格子上で一点に集めるため、 ファースト軸コリメータ およびビームツイスタを光軸周りに〇. 0229度回転。
この設計によれば、 光源ユニッ ト 1 0から回折格子 40までの寸法は約 0 . 8〇1になる。 なお、 干 = 1 485. 09〇1111, 干 1 =582. 08〇1111, 干 2=— 1 74. 54〇1111, 0 = 750. 64〇1111である。
[0081] 本実施形態に係る光共振器 1 において、 複数のレーザ素子 1 1 3は、 波長 4001-1111帯の光ビームを発生してもよい。
[0082] これにより、 波長 900 n 帯より短波長の光ビームを発生できる。
[0083] （実施形態 3）
以下、 図 1 3を用いて本開示の実施形態 3を説明する。 図 1 3は、 本開示 に係るレーザ加工装置の一例を示すブロック図である。 レーザ加工装置 !_ IV! は、 実施形態 1〜 2で開示した光共振器 1 と、 光共振器 1から出力された光 ビームを伝送する伝送光学系 0と、 光ビームを被加工物 に向けて照射する 加エヘッ ド 1~1と、 被加工物 を保持し、 光ビームの集光スポッ トに対して 3 次元的に位置決めするためのテーブル丁巳などを備える。 レーザ加工として 、 レーザ切断、 レーザ穿孔、 レーザ溶接、 レーザマーキング、 レーザアニー ルなどが実施できる。
[0084] 本実施形態に係るレーザ加工装置 !_ IV!は、 実施形態 1〜 2に係る光共振器
1 を採用することによって装置の小型化が図られる。 〇 2020/174752 20 卩（：171? 2019 /043012
[0085] （他の実施形態）
以上のように、 本出願において開示する技術の例示として、 実施形態 1〜 3を説明した。 しかしながら、 本開示における技術は、 これに限定されず、 適宜、 変更、 置換、 付加、 省略などを行った実施の形態にも適用可能である 。 また、 上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、 新たな実施 の形態とすることも可能である。 そこで、 以下、 他の実施形態を例示する。
[0086] 上記の各実施形態では、 コリメータ、 レンズ、 レンズ素子として、 単レン ズを例示したが、 複数のレンズを組み合わせたレンズ群または複合レンズを 使用してもよい。
[0087] 以上のように、 本開示における技術の開示として、 実施の形態を説明した 。 そのために添付図面および詳細な説明を提供した。
[0088] したがって、 添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、 課題解決のために必須な構成要素だけでなく、 上記技術を例示するために、 課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。 そのため、 それらの 必須ではない構成要素が添付図面または詳細な説明に記載されていることを もって、 直ちに、 それらの必須ではない構成要素が必須でるとの認定をする べきでない。
[0089] また、 上述の実施の形態は、 本開示における技術を例示するためのもので あるから、 特許請求の範囲またはその均等の範囲において、 種々の変更、 置 換、 付加、 省略などを行うことができる。
産業上の利用可能性
[0090] 本開示は、 光ビームを発生する光源等において適用可能である。 特に本開 示は、 例えば、 レーザ切断、 レーザ穿孔、 レーザ溶接、 レーザマーキング、 レーザアニールなどのレーザ加工等において適用可能である。

Claims

〇 2020/174752 21 卩（：171? 2019 /043012 請求の範囲
[請求項 1 ] 波長が異なる複数の光ビームを合成する波長合成型の光共振器であ って、
予め定めた方向に沿って配列され、 互いに異なる波長の光ビームを 放出する複数のレーザ素子を有するレーザダイオードアレイと、 各レーザ素子から放出される光ビームを、 その波長に応じた回折角 で回折させる回折格子と、
前記回折格子によって回折した光ビームの一部を反射して、 各レー ザ素子に戻す出カカブラと、
前記レーザダイオードアレイと前記回折格子との間に設けられ、 各 レーザ素子から放出される各光ビームを互いに整列させる光学系とを 備え、
前記光学系は、 前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向 けて順に、 前記予め定めた方向にのみ負のパワーを有する第 1 レンズ 素子と、 前記予め定めた方向にのみ正のパワーを有する第 2レンズ素 子とを含む、 光共振器。
[請求項 2] 前記光学系は、 前記レーザダイオードアレイと前記第 2レンズ素子 との間の距離よりも長い焦点距離を有する請求項 1記載の光共振器。
[請求項 3] 前記光学系は、 下記の式を満たす請求項 1記載の光共振器。
[数 1 ]
Figure imgf000023_0001
ここで、 チ 1は前記第 2レンズ素子の焦点距離、 チ 2は前記第 1 レ ンズ素子の焦点距離、 3は前記第 1 レンズ素子の物体側主平面から前 記第 2レンズ素子の像側主平面までの距離、
Figure imgf000023_0002
は前記回折格子での回 折次数、 スは共振波長である。 〇 2020/174752 22 卩（：171? 2019 /043012
[請求項 4] 前記レーザダイオードアレイから前記回折格子に向けて順に、 各レ
—ザ素子から放出された各光ビームをファースト方向にコリメートす るファースト軸コリメータと、 前記ファースト軸コリメータから出射 した各光ビームを主光線周りに 9 0度回転させるビームツイスタと、 前記ビームツイスタから出射した各光ビームをスロー方向にコリメー 卜するスロー軸コリメータとが設けられ、 前記光学系の焦点位置を前 記ビームツイスタ出射面近傍とした請求項 1記載の光共振器。
[請求項 5] 前記複数のレーザ素子は、 波長 4 0 0 n 帯の光ビームを発生する 請求項 1〜 4のいずれかに記載の光共振器。
[請求項 6] 請求項 1〜 5のいずれかに記載の光共振器と、
前記光共振器から出力された光ビームを被加工物に向けて照射する 加工へッ ドとを備えるレーザ加工装置。
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