WO2022220174A1

WO2022220174A1 - 半導体レーザモジュールおよびレーザ加工装置

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Publication number: WO2022220174A1
Application number: PCT/JP2022/017057
Authority: WO
Inventors: 祐輝岡本; 大輔森田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2022-04-04
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2023-10-13
Also published as: JPWO2022220174A1; DE112022002113T5; US20240128711A1; JP7475542B2

Abstract

半導体レーザモジュール（１０）は、レーザ光（Ｌ）を出射するレーザダイオード素子（１６）と、レーザダイオード素子（１６）に電流を供給する第１電極および第２電極と、を有するレーザ出射部（２０）と、レーザ出射部（２０）を支持し、固定するベース部材と、レーザダイオード素子（１６）から出射されるレーザ光（Ｌ）のファスト軸方向成分をコリメートするファスト軸コリメータ（３１）と、レーザダイオード素子（１６）から出射されるレーザ光（Ｌ）のスロウ軸方向成分をコリメートするスロウ軸コリメータ（３２）と、を備える。ベース部材は、レーザ出射部（２０）よりも、レーザ光（Ｌ）が出射される方向に突出している。ファスト軸コリメータ（３１）は、レーザ出射部（２０）におけるレーザ光（Ｌ）が出射される光路上で、レーザ出射部（２０）に固定される。スロウ軸コリメータ（３２）は、レーザ光（Ｌ）の光路上で、ベース部材に固定される。

Description

半導体レーザモジュールおよびレーザ加工装置

　本開示は、レーザ光を出力する半導体レーザモジュールおよびレーザ加工装置に関する。

　レーザ加工装置用の光源に代表される高出力のレーザ装置は、レーザ光を出射する複数の半導体レーザモジュールと、複数の半導体レーザモジュールから出射されたレーザ光を光軸が同じになるように結合する回折格子と、を備える。それぞれの半導体レーザモジュールは、レーザダイオード素子と、レーザダイオード素子から出射されたレーザ光の光路に設けられ、レーザ光を整形するファスト軸コリメータ（Fast　Axis　Collimator：ＦＡＣ）およびスロウ軸コリメータ（Slow　Axis　Collimator：ＳＡＣ）を有する。

　特許文献１には、このような構成のレーザ装置において、簡便な構成で複数のレーザダイオード素子の状態をモニタすることができるレーザ装置が開示されている。特許文献１に記載のレーザ装置では、複数のレーザダイオード素子およびＦＡＣを収容する第１筐体と、レーザダイオード素子ごとに設けられる複数のＳＡＣおよび回折格子を収容する第２筐体と、が接して設けられる。また、特許文献１に記載のレーザ装置では、複数のレーザダイオード素子ごとに第１筐体と第２筐体とを連通する連通口が設けられている。連通口には予め定められた透過率となるようにコーティングされた光学部材と、光学部材で反射されるレーザ光の光路上に配置されるフォトダイオードと、が設けられる。そして、フォトダイオードで検出されたレーザ光の反射光をモニタすることで、レーザ装置の使用時において、レーザダイオード素子の状態を確認することが可能となっている。

特開２０１９－１９２７５６号公報

　通常のレーザ装置では、レーザ光の進行方向をＺ軸とし、Ｚ軸に垂直な方向で、レーザ装置の高さ方向をＹ軸とした場合に、レーザダイオード素子について、Ｙ軸周りの角度の調整を行い、ＦＡＣおよびＳＡＣについて、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置およびＺ軸周りの角度の調整を行う調芯が必要となる。また、特許文献１に記載のレーザ装置全体では、複数の半導体レーザモジュールが設けられるため、半導体レーザモジュールの数だけ調芯が必要になる。このように、特許文献１に記載の技術では、１つの半導体レーザモジュールにおける調芯の工数が多くなり、作業に手間がかかるという問題があった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、調芯に要する工数を従来に比して削減することができる半導体レーザモジュールを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る半導体レーザモジュールは、レーザ出射部と、ベース部材と、ファスト軸コリメータと、スロウ軸コリメータと、を備える。レーザ出射部は、レーザ光を出射するレーザダイオード素子と、レーザダイオード素子に電流を供給する第１電極および第２電極と、を有する。ベース部材は、レーザ出射部を支持し、固定する。ファスト軸コリメータは、レーザダイオード素子から出射されるレーザ光のファスト軸方向成分をコリメートする。スロウ軸コリメータは、レーザダイオード素子から出射されるレーザ光のスロウ軸方向成分をコリメートする。ベース部材は、レーザ出射部よりも、レーザ光が出射される方向に突出している。ファスト軸コリメータは、レーザ出射部におけるレーザ光が出射される光路上で、レーザ出射部に固定される。スロウ軸コリメータは、レーザ光の光路上で、ベース部材に固定される。

　本開示によれば、調芯に要する工数を従来に比して削減することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す斜視図実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す一部断面図実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す正面図実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図実施の形態１に係るレーザ加工装置で使用されるレーザ発振器の構成の一例を模式的に示す図

　以下に、本開示の実施の形態に係る半導体レーザモジュールおよびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す斜視図である。図２は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す一部断面図である。図３は、実施の形態１に係る半導体レーザモジュールの構成の一例を模式的に示す正面図である。以下では、レーザ光Ｌの出射方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な方向で、半導体レーザモジュール１０を構成する部材が積層される方向をＹ軸方向とし、Ｚ軸およびＹ軸の両方に垂直な方向をＸ軸方向とする。以下では、Ｙ軸方向の２つの相対的な位置関係は、上下を用いて表現される。また、Ｚ軸方向に垂直な面で、レーザダイオード素子１６が設けられる方が正面であるとする。図２は、図１のＹＺ断面に対応する。また、図３では、ＳＡＣ３２を除いた状態の正面図を示している。

　半導体レーザモジュール１０は、ヒートシンク１１と、アノード電極１２と、絶縁シート１３と、カソード電極１４と、サブマウント１５と、レーザダイオード素子１６と、給電構造体１７と、を備える。

　ヒートシンク１１は、レーザダイオード素子１６の温度上昇を抑えるための放熱部材である。ヒートシンク１１は、Ｚ軸方向に延在した平板状の構造を有する。ヒートシンク１１は、熱伝導性の良好な材料によって構成される。またここでは、ヒートシンク１１は、導電性を有する材料によって構成される。一例では、ヒートシンク１１は、銅（Ｃｕ）によって構成される。また一例では、ヒートシンク１１の内部には、冷却水を流す水路が設けられている。ヒートシンク１１の上面は、第１領域に対応する電極配置領域Ｒ１と、第２領域に対応する素子配置領域Ｒ２と、を有する。

　ヒートシンク１１の電極配置領域Ｒ１には、ＸＹ面内でＬ字状を有するアノード電極１２が配置される。アノード電極１２は、ＹＺ面と平行な板状の第１部分１２１と、ＺＸ面と平行な板状の第２部分１２２と、を有するＬ字型の部材によって構成される。アノード電極１２は、図示しない電源と接続され、レーザダイオード素子１６に電流を供給する電極である。アノード電極１２は、レーザダイオード素子１６のＰ型半導体側に接続される。アノード電極１２とヒートシンク１１とは、電気的に接続される。アノード電極１２の一例は、銅である。アノード電極１２は、第１電極に対応する。

　カソード電極１４は、アノード電極１２の第２部分１２２上に絶縁シート１３を介して配置される。カソード電極１４は、ＺＸ面内で、ヒートシンク１１とほぼ同様の形状およびサイズを有している。つまり、カソード電極１４は、ＺＸ面において、Ｚ軸方向にアノード電極１２よりも張り出した構造を有する。Ｘ方向において、カソード電極１４は、アノード電極１２の第１部分１２１と接触しないように、間隔をおいて配置される。カソード電極１４は、図示しない電源と接続され、レーザダイオード素子１６に電流を供給する電極である。カソード電極１４は、レーザダイオード素子１６のＮ型半導体側に接続される。カソード電極１４は、レーザダイオード素子１６で生じた熱を放熱する機能も有する。カソード電極１４の一例は、銅である。カソード電極１４は、第２電極に対応する。

　絶縁シート１３は、アノード電極１２の第２部分１２２上に配置され、アノード電極１２とカソード電極１４とを絶縁するために設けられる絶縁層である。

　ヒートシンク１１の素子配置領域Ｒ２には、サブマウント１５を介してレーザダイオード素子１６が配置される。サブマウント１５は、ヒートシンク１１の素子配置領域Ｒ２上に固定される。サブマウント１５は、ヒートシンク１１とレーザダイオード素子１６との間の線膨張率の違いによってレーザダイオード素子１６に発生する応力を緩和するための中間部材である。つまり、サブマウント１５は、レーザダイオード素子１６の線膨張率とヒートシンク１１の線膨張率との間の線膨張率を有することが望ましい。また、サブマウント１５は、レーザダイオード素子１６からの熱をヒートシンク１１へと伝えるために、熱伝導性を有するとともに、ヒートシンク１１を介してアノード電極１２と電気的な接続を得るために、導電性を有することが望ましい。サブマウント１５を構成する材料の一例は、銅タングステン（ＣｕＷ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。

　レーザダイオード素子１６は、サブマウント１５上に配置され、固定される。レーザダイオード素子１６は、ＺＸ面に平行なＰＮ接合を有し、Ｚ軸方向にレーザ光Ｌを出射する端面発光レーザである。レーザダイオード素子１６は、一例として、基材としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を用い、活性層としてインジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）を用いる。レーザダイオード素子１６のＺ軸方向の端面は、ヒートシンク１１およびカソード電極１４のＺ軸方向の端面の位置とほぼ同じとなるように配置される。

　レーザダイオード素子１６上には、給電構造体１７が配置される。給電構造体１７は、レーザダイオード素子１６とカソード電極１４とを電気的に接続し、かつレーザダイオード素子１６との接触面積が十分に大きい接触形態となることで、レーザダイオード素子１６の上面からの排熱量を向上させる機能を有する。

　ヒートシンク１１の素子配置領域Ｒ２の上部は、カソード電極１４によって覆われている。サブマウント１５、レーザダイオード素子１６および給電構造体１７は、ヒートシンク１１とカソード電極１４とによって挟まれる空間に配置される。

　アノード電極１２は、ヒートシンク１１およびサブマウント１５を介してレーザダイオード素子１６と電気的に接続される。カソード電極１４は、給電構造体１７を介してレーザダイオード素子１６と電気的に接続される。

　なお、上記した説明では、ヒートシンク１１が導電性を有する場合を示したが、一部に絶縁層を含むものであってもよい。この場合には、ヒートシンク１１の上部が導電性を有する材料で構成されるか、ヒートシンク１１と、アノード電極１２およびサブマウント１５と、の間に、導電性を有する材料が設けられていればよい。

　ヒートシンク１１、アノード電極１２、絶縁シート１３、カソード電極１４、サブマウント１５、レーザダイオード素子１６および給電構造体１７によって構成されるレーザ光Ｌを出射する構造部は、以下では、レーザ出射部２０と称される。

　また、半導体レーザモジュール１０は、ＦＡＣ３１と、ＳＡＣ３２と、マニホールド３３と、を備える。

　ＦＡＣ３１は、レーザ出射部２０のレーザダイオード素子１６のＺ軸方向の端面に設けられ、レーザダイオード素子１６から出射されるレーザ光Ｌのファスト軸方向成分をコリメートする光学部品である。ＦＡＣ３１は一例では、ヒートシンク１１のＺ軸方向の端面に接着剤３５によって固定される。レーザダイオード素子１６から出射されるレーザ光Ｌの形、径の大きさ等を参照しながら、ＦＡＣ３１のＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整し、調整したＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度となるように、ＦＡＣ３１は、ヒートシンク１１の端面に接着剤３５で固定される。このように、調芯した上でＦＡＣ３１を接着しているので、レーザ出射部２０としては調芯が完了していることになる。

　ＳＡＣ３２は、ＦＡＣ３１を通過したレーザ光Ｌのスロウ軸方向成分をコリメートする光学部品である。

　マニホールド３３は、半導体レーザモジュール１０のベース材となり、レーザ加工装置の筐体に固定される。マニホールド３３は、上面でヒートシンク１１、より具体的にはレーザ出射部２０を支持し、固定する。また、マニホールド３３は、冷却水をヒートシンク１１へ導入する水路を有する中継部材でもある。マニホールド３３内には、冷却水をヒートシンク１１へ導入する水路が設けられている。水路は、ヒートシンク１１に設けられる水路と接続部材によって接続される。マニホールド３３の材料の一例は、ＳＵＳ（Steel　Use　Stainless）３０３である。

　Ｚ軸方向において、マニホールド３３は、マニホールド３３上のレーザ出射部２０よりも、レーザ光Ｌが出射される方向に突出している。すなわち、マニホールド３３のＺ軸方向の端部は、マニホールド３３上のレーザ出射部２０のＺ軸方向端部よりも、レーザ光Ｌが出射される方向に位置している。この端部に、接着剤３６によってＳＡＣ３２が固定されている。

　レーザ出射部２０は、マニホールド３３上に固定されている。マニホールド３３のＺ軸方向の端部は、マニホールド３３上のレーザ出射部２０のＺ軸方向端部よりも、レーザ光Ｌが出射される側に突出している。

　実施の形態１では、レーザダイオード素子１６から出射され、ＦＡＣ３１を通過するレーザ光Ｌの光路上となるように、ＳＡＣ３２は、マニホールド３３のＺ軸方向の端面に接着剤３６によって固定される。レーザダイオード素子１６から出射されるレーザ光Ｌの形、径の大きさ等を参照しながら、ＳＡＣ３２のＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整し、調整したＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度となるように、ＳＡＣ３２は、マニホールド３３の端面に接着剤３６で固定される。このとき、ＳＡＣ３２の位置調整尤度が大きいＺ軸方向に垂直な面を接着面としている。これによって、接着剤３６の硬化時の厚み方向の位置ずれによるビーム品質の悪化が抑制される。このように、調芯した上でＳＡＣ３２を接着しているので、半導体レーザモジュール１０としては調芯が完了していることになる。

　マニホールド３３は、ＦＡＣ３１とＳＡＣ３２との間の領域に、マニホールド３３を貫通する貫通孔３３１と、貫通孔３３１に挿入される固定部材であるボルト３３２と、を有する。また、図示しないレーザ加工装置の筐体における半導体レーザモジュール１０の設置位置には、ボルト３３２が螺合するネジ穴が設けられている。貫通孔３３１の径は、ネジ穴の径よりも大きくボルト３３２の頭部の径よりも小さくなるように設定されている。レーザ加工装置に設けられるネジ穴の位置に、マニホールド３３に設けられる貫通孔３３１の位置を合わせて、ボルト３３２を貫通孔３３１に挿入する。そして、マニホールド３３のＹ軸周りの角度を調整し、ボルト３３２をネジ穴に螺合することで、マニホールド３３は、レーザ加工装置の筐体の予め定められた位置に固定される。なお、貫通孔３３１の径をネジ穴の径よりも大きくしているため、ボルト３３２を緩めた状態で、マニホールド３３を貫通孔３３１の径の範囲内で、ＺＸ面内に移動させることも可能である。

　実施の形態１では、半導体レーザモジュール１０の調芯は、レーザ光Ｌの出力を測定しながら、半導体レーザモジュール１０のＹ軸周りの角度を調整するだけでよい。これは、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整した状態でＦＡＣ３１がレーザ出射部２０に接着され、またＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整した状態で、レーザ出射部２０が固定されているマニホールド３３にＳＡＣ３２が接着されており、半導体レーザモジュール１０としての調芯が完了しているからである。これによって、従来の半導体レーザモジュールの調芯に要する工数に比して、実施の形態１の半導体レーザモジュール１０の調芯に要する工数は、７分の１に低減される。

　このような半導体レーザモジュール１０は、レーザ加工装置のレーザ光の光源として使用可能である。図４は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成の一例を模式的に示す図である。レーザ加工装置３００は、レーザ発振器３１０と、光ファイバ３２０と、加工ヘッド３３０と、を備える。

　レーザ発振器３１０は、レーザ光を出射する。図５は、実施の形態１に係るレーザ加工装置で使用されるレーザ発振器の構成の一例を模式的に示す図である。レーザ発振器３１０は、複数の半導体レーザモジュール１０と、光結合部３１１と、外部共振ミラー３１２と、を有する。半導体レーザモジュール１０は、上記したようにＦＡＣ３１が接着されたレーザ出射部２０を固定したマニホールド３３にＳＡＣ３２が固定された構造を有する。光結合部３１１は、複数の半導体レーザモジュール１０からのレーザ光Ｌを結合する。光結合部３１１として、プリズム、回折格子等が用いられる。外部共振ミラー３１２は、光結合部３１１で結合されたレーザ光Ｌｘの一部を透過させ、残りの部分を半導体レーザモジュール１０側へと反射する。外部共振ミラー３１２は、半導体レーザモジュール１０のレーザダイオード素子１６におけるレーザ光Ｌの出射面と光共振器を構成している。

　図４に戻り、光ファイバ３２０は、レーザ発振器３１０から出射された結合されたレーザ光Ｌｘを加工ヘッド３３０へと伝送する。

　加工ヘッド３３０は、光ファイバ３２０を伝送したレーザ光Ｌｘを集光し、被加工物に向けて照射する。加工ヘッド３３０は、光ファイバ３２０を伝送してきたレーザ光Ｌｘを集光し、被加工物に照射する集光光学系を含む。加工時には、加工ヘッド３３０は、被加工物の加工したい位置に対向させて配置される。

　図５に示されるように、レーザ発振器３１０には、複数の半導体レーザモジュール１０が存在する。個々の半導体レーザモジュール１０は、上記したように、ＦＡＣ３１とＳＡＣ３２とがレーザダイオード素子１６を含むレーザ出射部２０と一体化されている。個々の半導体レーザモジュール１０では、ボルト３３２が緩められ、ボルト３３２の位置を中心としてマニホールド３３を回転させることで、調芯が行われる。そして、この調芯の処理が、レーザ発振器３１０に設けられる半導体レーザモジュール１０の数だけ行われることになる。

　実施の形態１の半導体レーザモジュール１０では、Ｙ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整した状態でＦＡＣ３１がレーザ出射部２０に接着され、またＹ軸方向の位置、Ｚ軸方向の位置、Ｚ軸周りの回転角度を調整した状態で、レーザ出射部２０が固定されているマニホールド３３にＳＡＣ３２が接着される。これによって、従来の調芯では、レーザ出射部２０、ＦＡＣ３１およびＳＡＣ３２について個別に調整を実施していたが、実施の形態１では、半導体レーザモジュール１０のＹ軸周りの調整のみを実施するだけでよい。つまり、従来に比して、調芯に要する工数を大幅に低減することができる。

　また、ＳＡＣ３２の位置調整尤度が大きいＺ軸方向に垂直な面を接着面としたので、接着剤３６の硬化時の厚み方向の位置ずれによるビーム品質悪化を抑制できる。

　以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１０　半導体レーザモジュール、１１　ヒートシンク、１２　アノード電極、１３　絶縁シート、１４　カソード電極、１５　サブマウント、１６　レーザダイオード素子、１７　給電構造体、２０　レーザ出射部、３１　ＦＡＣ、３２　ＳＡＣ、３３　マニホールド、３５，３６　接着剤、１２１　第１部分、１２２　第２部分、３００　レーザ加工装置、３１０　レーザ発振器、３１１　光結合部、３１２　外部共振ミラー、３２０　光ファイバ、３３０　加工ヘッド、３３１　貫通孔、３３２　ボルト、Ｌ，Ｌｘ　レーザ光、Ｒ１　電極配置領域、Ｒ２　素子配置領域。

Claims

　レーザ光を出射するレーザダイオード素子と、前記レーザダイオード素子に電流を供給する第１電極および第２電極と、を有するレーザ出射部と、
　前記レーザ出射部を支持し、固定するベース部材と、
　前記レーザダイオード素子から出射されるレーザ光のファスト軸方向成分をコリメートするファスト軸コリメータと、
　前記レーザダイオード素子から出射されるレーザ光のスロウ軸方向成分をコリメートするスロウ軸コリメータと、
　を備え、
　前記ベース部材は、前記レーザ出射部よりも、前記レーザ光が出射される方向に突出しており、
　前記ファスト軸コリメータは、前記レーザ出射部における前記レーザ光が出射される光路上で、前記レーザ出射部に固定され、
　前記スロウ軸コリメータは、前記レーザ光の光路上で、前記ベース部材に固定されることを特徴とする半導体レーザモジュール。
　前記レーザ出射部は、
　ヒートシンクと、
　前記ヒートシンクの第１領域に配置される前記第１電極と、
　前記第１電極上に配置される絶縁層と、
　前記ヒートシンクの前記第１領域とは異なる第２領域に配置され、導電性および熱伝導性を有するサブマウントと、
　前記サブマウント上に配置される前記レーザダイオード素子と、
　前記レーザダイオード素子上に配置され、導電性、熱伝導性および弾性を有する給電構造体と、
　前記絶縁層上および前記給電構造体上に接するように設けられる前記第２電極と、
　を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
　前記ベース部材は、マニホールドであり、
　前記マニホールドおよび前記ヒートシンクは、冷却水を循環させる水路を内部に有することを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
　請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体レーザモジュールを複数有し、複数の前記半導体レーザモジュールから出射される前記レーザ光を結合して出射するレーザ発振器と、
　前記レーザ発振器から出射される結合した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
　前記光ファイバを伝送した結合した前記レーザ光を集光し、被加工物に向けて照射する加工ヘッドと、
　を備えることを特徴とするレーザ加工装置。