JP7323774B2 - 光源装置および外部共振器型レーザモジュール - Google Patents

Description

本願は、波長ビーム結合を行う光源装置、および当該光源装置に用いられる外部共振器型レーザモジュールに関する。

高出力高輝度のレーザビームを用いて多様な種類の材料に切断、穴あけ、マーキングなどの加工を行ったり、金属材料を溶接したりすることが行われている。従来、このようなレーザ加工に使用されてきた炭酸ガスレーザ装置およびＹＡＧ固体レーザ装置の一部は、エネルギ変換効率の高いファイバレーザ装置に置き換わりつつある。ファイバレーザ装置の励起光源には、レーザダイオード（以下、単にＬＤと記載する。）が使用されている。近年、ＬＤの高出力化に伴い、ＬＤを励起光源としてではなく、材料を直接に照射して加工するレーザビームの光源として用いる技術が開発されつつある。このような技術は、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）技術と称されている。

特許文献１は、複数のＬＤからそれぞれ出射された互いに波長が異なる複数のレーザビームを結合（ｃｏｍｂｉｎｅ）して光出力を増大させる光源装置の一例を開示している。互いに波長が異なる複数のレーザビームを同軸に結合することは、「波長ビーム結合（ＷＢＣ）」または「スペクトラルビーム結合（ＳＢＣ）」と称され、例えばＤＤＬ装置などの光出力および輝度を高めるために用いられ得る。

米国特許６１９２０６２号明細書

波長ビーム結合によって複数のレーザビームを結合するとき、１軸に結合されたレーザビームからずれたレーザビームが存在すると、ビーム品質が劣化する場合がある。そのようなビーム品質の劣化を抑制することのできる光源装置が求められている。

本開示の光源装置は、一実施形態において、ピーク波長が異なる複数のレーザビームをそれぞれ出射する複数の外部共振器型レーザモジュールと、前記複数のレーザビームを同軸に重畳して波長結合ビームを生成するビームコンバイナとを備える。前記複数の外部共振器型レーザモジュールのそれぞれは、リトロー型配置のコリメートレーザ光源および特定の波長の光を選択する回折格子を有しており、前記複数の外部共振器型レーザモジュールは、前記複数のレーザビームが前記ビームコンバイナの同一領域に異なる角度で入射するように配列されている。前記複数の外部共振器型レーザモジュールのそれぞれは、前記コリメートレーザ光源および前記回折格子を支持するサポート部材と、各外部共振器型レーザモジュールから出射されるレーザビームの軸方向を補正するように前記サポート部材を回転可能に支持するベースとを備えている。

本開示の外部共振器型レーザモジュールは、一実施形態において、レーザビームを出射する外部共振器型レーザモジュールであって、リトロー型配置のコリメートレーザ光源および特定の波長の光を選択する回折格子と、前記コリメートレーザ光源および前記回折格子を支持するサポート部材と、前記レーザビームの軸方向を補正するように前記サポート部材を回転可能に支持するベースとを備える。

本開示の実施形態によれば、ビーム品質の劣化が抑制された光源装置、および、当該光源装置のための外部共振器型レーザモジュールが提供され得る。

図１は、波長ビーム結合によって結合したレーザビームを光ファイバ１０に集光する光源装置１００Ｐの構成例を示す図である。 図２は、波長結合ビームＷが光結合器３０Ｐによって光ファイバ１０に集光される様子を模式的に示す図である。 図３は、レーザモジュール２４から出射されたレーザビームＢの方向を示す斜視図である。 図４Ａは、ＸＺ面におけるレーザモジュール２４の構成例を模式的に示す上面図である。 図４Ｂは、ＹＺ面におけるレーザモジュール２４の構成例を模式的に示す側面図である。 図５は、サポート部材２１０のθＸ回転を実現する構成の例を示す模式図である。 図６は、本開示の実施形態における光源装置１００の構成例を示す図である。 図７は、外部共振器型レーザモジュール２４_１の構成例を示す側面図である。 図８は、外部共振器型レーザモジュール２４_１の構成例を示す斜視図である。 図９は、本実施形態で使用されるレーザ光源２００の構成例を示す断面図である。 図１０は、ＬＤ４２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。 図１１Ａは、透過型回折格子４８の働きを模式的に示す断面図である。 図１１Ｂは、透過型回折格子４８の働きを模式的に示す他の断面図である。 図１２は、ＬＤ４２のゲイン曲線と、ある波長λ_ｎの単一縦モードで発振している外部共振器型レーザモジュール２４から出射されるレーザビームＢのスペクトルを模式的に示す図である。 図１３は、本実施形態におけるビーム光源２０がビームコンバイナ２６として備える反射型回折格子の作用を示す図である。 図１４は、光結合器３０の構成例を模式的に示す断面図である。 図１５は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。

本開示の実施形態を説明する前に、本発明者等が見出した知見およびその技術背景を説明する。

まず、「波長ビーム結合（ＷＢＣ）」を行う光源装置の基本的な構成例を説明する。図１は、ＷＢＣによって結合したレーザビームを光ファイバに集光する光源装置の構成例を示す図である。図１を含む添付図面には、参考のため、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を基底とするＸＹＺ座標系が模式的に示されている。

図示されている光源装置１００Ｐは、光ファイバ１０と、ビーム光源２０Ｐと、光結合器３０Ｐとを備える。ビーム光源２０Ｐは、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢを同軸に重畳して波長結合ビームＷを生成して出射する。本開示における「波長結合ビーム」の用語は、ＷＢＣによってピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢが同軸上に結合して形成されたレーザビームを意味する。ＷＢＣ技術によれば、ピーク波長λが異なるｎ本のレーザビームを同軸上に結合することにより、光出力だけではなくパワー密度（単位：Ｗ／ｃｍ^２）も、各レーザビームＢが有する大きさの約ｎ倍にまで高めることが可能になる。

ビーム光源２０Ｐは、図示されている例において、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢをそれぞれ出射する複数のレーザモジュール２２と、複数のレーザビームＢを結合して波長結合ビームＷを生成するビームコンバイナ２６とを有している。図１には、５個のレーザモジュール２２_１～２２_５が記載されている。

図の例において、ビームコンバイナ２６は反射型回折格子である。ビームコンバイナ２６は、回折格子に限定されず、例えばプリズムなどの他の波長分散性光学素子であってもよい。異なる角度で反射型回折格子に入射したレーザビームＢの－１次の反射回折光が、すべて、同一方向に出射される。図では、簡単のため、各レーザビームＢおよび波長結合ビームＷの中心軸のみが記載されている。光結合器３０Ｐは、ビーム光源２０Ｐから出射された波長結合ビームＷを光ファイバ１０のコアに集光して入射する。

図１の例では、Ｙ軸が紙面に垂直であり、光源装置１００ＰのＸＺ面に平行な構成が模式的に記載されている。波長結合ビームＷの伝搬方向は、Ｚ軸方向に平行である。

レーザモジュール２２から反射型回折格子（ビームコンバイナ２６）までの距離をＬ１、隣接するレーザモジュール２２の角度、言い換えると、隣接する２本のレーザビームＢの角度をΨ（ラジアン：ｒａｄ）とする。図示される例において、距離Ｌ１および角度Ψは、レーザモジュール２２_１～２２_５で共通の大きさを有している。レーザモジュール２２の配列ピッチ（エミッタ間ピッチ）をＳとすると、Ψ×Ｌ１＝Ｓの近似式が成立する。

図２は、ビームコンバイナ２６から出射された波長結合ビームＷが光結合器３０Ｐによって光ファイバ１０のコアに集光される様子を模式的に示す図である。光結合器３０Ｐの典型例は収束レンズである。簡単のため、波長結合ビームＷが３本の代表的な光線によって単純化されて表されている。３本の光線のうち、中央の光線は光結合器３０Ｐの光軸上にあり、他の２本の光線は、ビーム直径を規定する位置を模式的に示している。ビーム直径は、ビーム中心の光強度に対して例えば１／ｅ^２以上の光強度を持つ領域のサイズによって規定され得る。ここで、ｅはネイピア数（約２．７１）である。ビーム直径またはビーム半径は、他の基準によって定義されてもよい。

図２では、波長結合ビームＷが完全に平行なコリメートビームとして記載され、光結合器３０Ｐに入射する領域のＸ軸方向における直径（入射ビーム径）がＤ１で表されている。しかし、現実には、Ｚ軸方向に伝搬する波長結合ビームＷは完全な平行光ではなく、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒは、一様ではなく、光路上における位置（Ｚ軸上の座標値ｚ）または光路長の関数である。また、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒは、Ｙ軸方向およびＸ軸方向において大きさが異なり得る。このため、厳密には、Ｙ軸方向におけるビーム半径をＲ_Ｙ（ｚ）、Ｘ軸方向におけるビーム半径をＲ_Ｘ（ｚ）と表わすことが適切である。なお、波長結合ビームＷは個々のレーザビームＢが同軸に重畳したものであるから、波長結合ビームＷのビーム半径Ｒおよび発散半角θは、それぞれ、レーザモジュール２２から出射された個々のレーザビームＢのビーム半径ωおよび発散半角θに等しいと近似することができる。

図２には、反射型回折格子（ビームコンバイナ２６）から光結合器３０Ｐまでの距離がＬ２で表されている。距離Ｌ２は、例えば１００～５００ｍｍの範囲に設定され得る。また、図１に示される距離Ｌ１は、例えば約２０００ｍｍ以上である。この距離Ｌ１を規定する角度ΨおよびピッチＳは、レーザビームＢの波長、ビームコンバイナ２６の構造および性能、レーザモジュール２２の構造およびサイズなどに拘束されるため、大幅に短縮することは困難である。以下、Ｌ１＋Ｌ２を「光路長」と呼ぶ場合がある。

本発明者等の検討によると、個々のレーザモジュール２２から出射されるレーザビームＢの方向は、組立ばらつきに起因して固体差を示すため、ビームコンバイナ２６の同一領域に所望の角度（角度の間隔は、例えば１度以下）で入射させることが難しいという問題がある。この原因は、後に詳しく説明するように、個々のレーザモジュール２２がチップ状の半導体レーザ素子、外部共振のための回折格子（波長選択素子）およびコリメータレンズなどの複数の光学素子を光路上に備えていることにある。チップ状の半導体レーザ素子をパッケージの内部に実装するときに半導体レーザ素子の向きまたは位置がずれることがある。このようなばらつきを「実装ぱらつき」と呼ぶことができる。また、半導体レーザ素子のパッケージ、回折格子、およびコリメータレンズなどの光学素子を組み立てるときに角度または位置のばらつきなどが発生し得る。本明細書では、実装ばらつきを含む、これらのばらつきを総合して「組立ばらつき」と称することにする。

図１に示す例において、複数のレーザモジュール２２から出射されたレーザビームＢは、ビームコンバイナ２６の同一領域に入射している。しかし、上述した組立ばらつきに起因して、複数のレーザビームＢがビームコンバイナ２６をビームコンバイナ２６の同一領域に入射することは極めて困難である。複数のレーザビームＢがビームコンバイナ２６の異なる位置に入射すると、波長結合ビームＷのビーム品質が低下してしまう。ビーム品質が低下すると、光結合器３０Ｐによって波長結合ビームＷを充分に小さなスポットに集光することができない。

本開示の実施形態によれば、組立ばらつきに起因する波長結合ビームＷのビーム品質低下を抑制または防止することが可能になる。

＜本開示によるレーザモジュールの基本構成＞
図３、図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本開示による光源装置が備えるレーザモジュール２４の基本構成例を説明する。図３は、レーザモジュール２４から出射されたレーザビームＢの方向を示す斜視図である。図４Ａは、ＸＺ面におけるレーザモジュール２４の構成例を模式的に示す上面図である。図４Ｂは、ＹＺ面におけるレーザモジュール２４の構成例を模式的に示す側面図である。

図３の例において、レーザビームＢは、本来、Ｚ軸に平行に伝搬することが求められているとする。しかし、レーザビームＢの伝搬方向はＺ軸に対して傾斜している。この傾斜（ビーム方向のずれ）は、説明をわかりやすくするため、誇張して記載されている。レーザビームＢは、ＸＺ面内においてＺ軸の正方向からＸ軸の正方向に方位角Φだけ回転し、かつ、ＸＺ面からＹ軸の正方向に仰角Ωだけ回転している。理想的には、方位角Φおよび仰角Ωはゼロまたはゼロに近い値を示すべきである。しかし、レーザモジュール２４を組み立てる際に発生する組立ばらつきに起因して、方位角Φおよび仰角Ωはゼロではない場合がある。例えば、レーザモジュール２４の内部に設けられたコリメータレンズのＹ軸方向における位置が所定位置から１μｍずれるだけで、例えば０．１度の仰角Ωが発生し得る。０．１度は小さな値であるが、光路が長くなると、レーザビームＢの位置ずれは光路の長さに比例して増加していく。図１の光源装置１００Ｐでは、光路の長さ、すなわち距離Ｌ１が約２０００ｍｍ以上であるため、レーザビームＢに生じた約０．１の角度ずれが、ビームコンバイナ２６上において、３．５ｍｍ以上の照射位置ずれを発生させ得る。

本開示の実施形態におけるレーザモジュール２４は、図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、外部共振器型のレーザ光源２００と、レーザ光源２００を支持するサポート部材２１０と、レーザビームＢの軸方向を補正するようにサポート部材２１０を回転可能に支持するベース２２０とを備えている。レーザモジュール２４は、図４Ｂに示されるように、台２５０上に載置されている。レーザ光源２００は、後述するように、リトロー型配置のコリメートレーザ光源および特定波長の光を選択する回折格子（波長選択素子）を備えている。

サポート部材２１０およびベース２２０は、レーザビームＢの出射方向に延びる長軸を有している。ただし、前述したように、レーザビームＢの出射方向は、この長軸に対して完全に平行であるとは限らず、組立ばらつきに起因して、長軸方向から僅かに傾斜し得る。説明をわかりやすくするため、サポート部材２１０およびベース２２０の長軸は、ベース２２０を台２５０に固定した状態において、Ｚ軸に一致しているとする。Ｙ軸は鉛直方向に延び、ＸＺ面は水平であるとする。ある態様において、サポート部材２１０の長軸の方向における長さは、８０ｍｍ以上であり、サポート部材２１０の長軸に直交する水平方向における幅は、１２ｍｍ以下である。

本開示におけるサポート部材２１０は、ベース２２０によって「２軸」の方向に回転可能に支持されている。具体的には、サポート部材２１０は、台２５０を基準として、Ｙ軸に平行な鉛直軸およびＸ軸に平行な水平軸の周りに、例えば±１度の角度範囲で回転することができる。以下、Ｙ軸に平行な鉛直軸の周りの回転を「θＹ回転」と称し、Ｘ軸に平行な水平軸の周りの回転を「θＸ回転」と称する。サポート部材２１０のθＹ回転により、図３に示されるレーザビームＢの方位角Φを補正し、θＸ回転により、仰角Ωを補正することができる。このような「θＹ回転」および「θＸ回転」は、それぞれ、レーザモジュール２４が備える第１調整機構２１Ｙおよび第２調整機構２１Ｘによって実現される。すなわち、第１調整機構２１Ｙは、ベース２２０の長軸が台２５０に対して鉛直軸の周りに回転可能にベース２２０を台２５０に接続している。第２調整機構２１Ｘは、サポート部材２１０の長軸がベース２２０に対して水平軸の周りに回転可能にサポート部材２１０を接続する。第１調整機構２１Ｙおよび第２調整機構２１Ｘの水平方向における幅（Ｘ_１軸方向のサイズ）は、サポート部材２１０の幅（Ｘ_１軸方向のサイズ）以下である。

図４Ａに示すように、θＹ回転は、例えば、ベース２２０の一端付近に設けたヒンジを支点軸（回転軸）として生じさせることができる。また、図４Ｂに示すように、θＸ回転は、サポート部材２１０の一端付近に設けたヒンジを支点軸（回転軸）として生じさせることができる。図示される例において、調整機構２１Ｘ、２１Ｙは、ベース２２０、サポート部材２１０の長軸方向における中心よりも端部（先端）に近い位置に設けられている。このような構成を採用することにより、小さな分解能（高分解能）で角度調整を行うことが容易になる。なお、調整機構２１Ｘ、２１Ｙは、この例に限定されない。例えば、ステッピングモータ、ピエゾモータのような小型アクチュエータまたは板バネを用いた構造などによっても実現され得る。

図５は、サポート部材２１０のθＸ回転を実現する構成の例を示す模式図である。サポート部材２１０にはネジ孔２３が設けられており、ネジ孔２３には固定装置として機能するスクリューネジ２５が挿入されている。サポート部材２１０とベース２２０との間隔または角度は、スクリューネジ２５のサポート部材２１０から下方に突出する部分の長さＬｓによって規定される。ヒンジ（第２調整機構２１Ｘ）からスクリューネジ２５までの距離をＬｂとする。角度θＸ（単位:ラジアン）×距離Ｌｂは、スクリューネジ２５のサポート部材２１０から下方に突出する部分の長さＬｓに近似的に等しい。すなわち、Ｌｓ＝θＸ×Ｌｂが近似的に成立する。この式を変形すると、θＸ＝Ｌｓ／Ｌｂが得られる。スクリューネジ２５の１回転によって長さＬｓが例えば０．１ｍｍだけ変化する例を考える。距離Ｌｂが１００ｍｍである場合、スクリューネジ２５の１回転により、θＸ回転の角度は、約０．１／１００ラジアン（＝１ミリラジアン）だけ変化する。このことからわかるように、距離Ｌｂを長くするほど、より微小な角度の調整が容易になる。

上記の調整機構２１Ｘ、２１Ｙを採用することにより、複数のレーザモジュール２４を例えば図１に示されるように配置した後、個々のレーザモジュール２４におけるサポート部材２１０の方向を２軸回転によって微調整することができる。その結果、複数のレーザビームＢをビームコンバイナ２６の同一領域に所定の角度で入射させることが可能になる。

（実施形態）
＜光源装置＞
図６は、本開示の実施形態における光源装置１００の構成例を示す図である。図６に示された光源装置１００は、光ファイバ１０と、ビーム光源２０と、光結合器３０とを備えている。ビーム光源２０は、ピーク波長λが異なる複数のレーザビームＢを同軸に重畳して波長結合ビームＷを生成して出射する。
光結合器３０の詳細は図１４を用いて後述する。

ビーム光源２０は、複数のレーザビームＢをそれぞれ出射する複数のレーザモジュール２４と、複数のレーザビームＢを結合して波長結合ビームＷを生成するビームコンバイナ２６とを有している。本実施形態におけるレーザモジュール２４は、概略的に、前述した構成を備えている。レーザモジュール２４の具体的な構成は、後述する。

図６には、５個のレーザモジュール２４_１～２４_５が記載されている。各レーザモジュール２４_１～２４_５からは、それぞれ、ピーク波長λ_１～λ_５のレーザビームＢが出射される。ここでは、λ_１＜λ_２＜λ_３＜λ_４＜λ_５の関係が成立している。ビーム光源２０が備えるレーザモジュール２４の個数は、５個に限定されず、例えば６個以上であり得る。

本実施形態において、隣接するレーザビームＢのピーク波長はδλだけ異なり（λ_ｎ＋１－λ_ｎ＝δλ）、隣接するレーザビームＢの間の角度Ψは例えば約０．４度、すなわち約７ミリラジアン（ｍｒａｄ）である。複数のレーザビームＢのピーク波長の間隔は、例えば５ｎｍ以下である。また、レーザモジュール２４の配列ピッチＳは１０ミリメートル（ｍｍ）程度である。このような数値例を採用すると、Ψ×Ｌ１＝Ｓの近似式から、距離Ｌ１は約１５００ｍｍになる。なお、限られた空間内に無駄なく構成要素を収容するため、レーザモジュール２４とビームコンバイナ２６との間に１枚または複数枚のミラーを挿入し、各レーザビームＢの伝搬方向をミラーによって回転させてもよい。

次に、図７および図８を参照しながら、外部共振器型レーザモジュール２４の具体的な構成例を説明する。図７は、一例として、外部共振器型レーザモジュール２４_１の構成例を示す側面図であり、図８は、その斜視図である。他の外部共振器型レーザモジュール２４_２～２４_５の構成も同様である。図７および図８には、参考のため、互いに直交するＸ_１軸、Ｙ_１軸およびＺ_１軸を基底とするＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系が示されている。このＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系は、レーザモジュール２４_１に固有のローカル座標である。Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系の原点は、レーザモジュール２４_１におけるレーザビームＢの起点に一致させることが便利であるが、図では記載の分かりやすさを優先して、レーザビームＢの起点から外れた位置にある。Ｚ_１軸はレーザビームＢの伝搬方向（ビーム中心軸）に平行である。

図７および図８に示される例において、レーザモジュール２４_１は、外部共振器型のレーザ光源２００と、レーザ光源２００を支持するサポート部材２１０と、レーザビームＢの軸方向を補正するようにサポート部材２１０をＸ_１軸に平行な水平軸の周りに回転可能に支持するベース２２０とを備えている。また、ベース２２０は、台２５０に載置されており、ベース２２０は、Ｙ_１軸に平行な鉛直軸の周りに回転可能に台２５０に支持されている。台２５０は、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属から形成されている。レーザモジュール２４_１のＸ_１軸方向におけるサイズは、Ｙ_１軸方向におけるサイズおよびＺ_１軸方向におけるサイズよりも小さい。レーザモジュール２４_１のＸ_１軸方向におけるサイズが大きすぎると、図６に示すように、複数のレーザモジュール２４を狭い角度ピッチで配列することが難しくなる。レーザモジュール２４_１のＸ_１軸方向におけるサイズは、例えば１２ｍｍ以下である。

図７および図８に示される例において、レーザモジュール２４_１は、Ｘ_１軸方向におけるサイズが例えば１２ｍｍ以下である直方体の空間内に収容される形状および大きさを有している。このため、互いに干渉することなく、限られたスペース内に多数のレーザモジュール２４を並べることが可能になる。また、上記の直方体のＺ_１軸におけるサイズは、サポート部材２１０およびベース２２０によって規定され、レーザ光源２００のＺ_１軸におけるサイズよりも大きい。サポート部材２１０のＺ_１軸におけるサイズ（長さ）は、８０ｍｍ以上であり得る。このようにサポート部材２１０がレーザビームＢの軸方向に対して平行な方向に長軸を有していると、前述したように、θＹ回転およびθＸ回転の調整精度を高めることが可能になる。

なお、本開示の実施形態における機構を採用せずにレーザビームＢを補正するため、ミラーまたはプリズムによつて個々のレーザビームＢを所望の方向に偏向させることも不可能ではない。しかし、そのようなビーム偏向を行う場合、レーザモジュール２４_１のＸ_１軸方向におけるサイズは、例えば１５ｍｍ以上に拡大し、限られたスペース内に多数のレーザモジュール２４を並べることが困難になる。

レーザ光源２００は、リトロー型配置のコリメートレーザ光源４７および特定波長の光を選択する回折格子４８を備えている。この回折格子４８は、波長選択素子として機能するため、波長選択回折格子と読んでもよい。以下、レーザ光源２００の基本的な構成の例を説明する。

まず、図９を参照する。図９は、レーザ光源２００の主な構成を示す断面図である。図示されているレーザ光源２００は、レーザダイオード４２を光源または光学ゲイン要素（利得媒質）として含む外部共振器構造を有している。以下、レーザダイオードを単に「ＬＤ」と称する。このような外部共振器を利用してＬＤの発振周波数を調整するシステムは、ＥＣＬＤ（External Cavity Laser Diode）またはＥＣＤＬ（External Cavity Diode Laser）と称される。

本開示の実施形態において、ＬＤ４２は、典型的には、気密に封止された半導体レーザパッケージ（以下、単に「パッケージ」と称する）４４に実装されている。パッケージ４４は、リード端子を有するステムと、ステムに固定されたＬＤ４２を覆う金属キャップとを備え、金属キャップには透光性を有する窓部材が取り付けられている。パッケージ４４の構成は特に限定されず、例えばΦ５．６ｍｍまたはΦ９ｍｍなどのＴＯ－ＣＡＮ型のパッケージであり得る。窓部材の典型例は、光学ガラス（屈折率：１．４以上）から形成された薄板である。パッケージ４４の内部は、クリーン度の高い窒素ガスまたは希ガスなどの不活性ガスによって充填され、気密に封止され得る。一般に、レーザビームの波長が近赤外域よりも短いＬＤ４２を採用し、その光出力を高めていくと、光集塵効果によって動作中のエミッタ領域に雰囲気中の塵埃などが付着して光出力が低下し得るという問題がある。エミッタ領域に付着する物質は、塵埃に限られず、揮発した有機物がレーザビームと化学的に反応して生成される堆積物の可能性もある。レーザビームの波長が短くなり、光出力が高くなるほど、付着物に起因する劣化が顕著になる。このような問題を回避するため、複数のＬＤ４２を光源装置１００の筐体内に収容するとき、筐体内に塵埃が混入しないように留意して筐体の組立を行い、筐体そのものを封止することが考えられる。しかし、波長ビーム結合に必要なレンズ系および回折格子などの部品に塵埃などが付着していることがあり、また、筐体全体の気密性を高くすることは難しい。本実施形態では、個々のＬＤ４２を封止された半導体レーザパッケージ内に収容している。ＬＤのパッケージ技術は高度に進んでおり、長期間、信頼性の高い動作が実現する。

ＬＤ４２は、例えば窒化物半導体系材料から形成された近紫外、青紫、青色、または緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子であり得る。ＬＤ４２は、熱伝導率の高いサブマウントを介してステムに固定され得る。ＬＤ４２の向きは、図示されている例に限定されず、パッケージ４４内のミラーによってレーザ光をＺ軸方向に反射するよう配置されていてもよい。

図１０は、ＬＤ４２の基本的な構成の一例を示す斜視図である。図示されている構成は、説明のために単純化されている。図１０の例において、ＬＤ４２は、上面に形成されたストライプ状のｐ側電極４２Ｐと、下面に形成されたｎ側電極４２Ｎと、端面４２Ｆに位置するエミッタ領域Ｅとを有している。レーザビームＢはエミッタ領域Ｅから出射される。ＬＤ４２は、半導体基板と、半導体基板上に成長した複数の半導体層（半導体積層構造）を有している。半導体積層構造は、発光層を含み、公知の様々な構成を有し得る。この例において、エミッタ領域Ｅは、Ｙ_１軸方向のサイズ（例えば１５μｍ程度）がＸ_１軸方向のサイズ（例えば約１．５μｍ）よりも格段に大きな形状を有している。エミッタ領域ＥのＸ_１軸サイズは、ＬＤ４２の半導体積層構造（具体的には導波路およびクラッド層の厚さ、屈折率比など）によって規定される。エミッタ領域ＥのＹ_１軸サイズは、発光層を横ぎる方向に電流が流れる領域のＹ_１軸サイズ、具体的にはリッジ構造（不図示）の幅（利得導波路幅）などによって規定される。

本実施形態におけるＬＤ４２の端面４２Ｆには、反射防止膜が形成されている。ＬＤ４２の他方の端面４２Ｂには高反射率膜が形成されている。このため、図９の距離ＣＬで示される領域が共振器を形成し、距離ＣＬによって共振器長が規定される。後述するように、ＬＤ４２から出射されたレーザビームＢの一部は、透過型回折格子４８によって回折されてＬＤ４２に戻る。ＬＤ４２の端面４２Ｂにある高反射率膜と透過型回折格子４８との間で、所定の波長を有する単一縦モードの定在波が形成される。共振器のうち、ＬＤ４２の外側に位置する部分を「外部共振器」と呼ぶ。図示される配置は、リトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型である。リトロー型では、不図示のリットマン型で必要になるミラーが不要である。透過型回折格子４８を用いたリトロー型配置により、共振器長ＣＬを短縮することができ、共振モードを安定化させやすくなる。本実施形態における共振器長ＣＬは、例えば２５～３５ｍｍである。

図１０に示されるように、エミッタ領域Ｅから出射されたレーザビームＢの形状はＸ_１軸方向とＹ_１軸方向で非対称になる。図１０では、レーザビームＢのファーフィールド（遠方界）パターンが模式的に示される。レーザビームＢは、Ｙ軸方向ではシングルモードのガウシアンビームに近似されるビーム形状を有するが、Ｙ_１軸方向では全体として発散角の小さなマルチモードのビーム形状を有する。Ｘ１軸方向の発散半角θ_ｘ０は、Ｙ_１軸方向の発散半角θ_ｙ０よりも大きい。Ｘ_１軸方向におけるレーザビームＢは、ガウシアンビームに近似できるため、Ｘ_１軸方向のビームウエスト位置におけるビーム半径をω_o、レーザビームＢの波長をλとすると、θ_ｘ０＝ｔａｎ^－１（λ／πω_o）≒λ／（πω_o）ラジアンが成立する。λが可視光域にある場合、θ_ｘ０は例えば２０度、θ_ｙ０は例えば５度である。その結果、レーザビームＢのＸ_１軸サイズは、Ｚ軸方向に沿って伝搬するときに相対的に「速く」発散して拡大する。このため、Ｘ_１軸は「速軸」、Ｙ_１軸は「遅軸」と呼ばれる。遅軸方向におけるビーム品質は、マルチモードであるため、速軸方向におけるビーム品質に比べて相対的に劣化している。その結果、ビーム品質を規定するビームパラメータ積（ＢＰＰ）は、速軸方向における値に比べると、遅軸方向で相対的に大きくなる。なお、ＢＰＰは、ビームウエスト半径と遠方界における発散半角の積である。

本開示における「速軸方向」および「遅軸方向」の用語は、個々のＬＤ４２に用いる場合、それぞれ、個々のＬＤ４２に固有のＸ_１Ｙ_１Ｚ_１座標系におけるＸ_１軸およびＹ_１軸を意味する。また、波長結合ビームＷについて説明する場合、「速軸方向」および「遅軸方向」は、それぞれ、グローバルなＸＹＺ座標系における「Ｘ軸方向」および「Ｙ軸方向」を意味している。言い換えると、レーザビームの伝搬方向に直交する断面において、ＢＰＰが最も低い方向が「速軸」であり、速軸に直交する方向が「遅軸」である。

再び、図９を参照する。図示されているレーザ光源２００は、ＬＤ４２から出射されたレーザビームＢをコリメートするコリメータレンズ４６を有している。コリメータレンズ４６は、例えば非球面レンズである。コリメータレンズ４６を透過したレーザビームＢは、ほぼ平行な光線束として透過型回折格子４８に入射する。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、透過型回折格子４８によるレーザビームＢの回折を模式的に示す断面図である。図１１Ａと図１１Ｂとの間にある相違点は、透過型回折格子４８の傾斜角度にある。これらの図では、簡単のため、コリメータレンズ４６の記載は省略され、レーザビームＢおよび回折光も単純な直線で表されている。

図の例における透過型回折格子４８は、入射したレーザビームから、主として、０次透過回折光Ｔ０、０次反射回折光Ｒ０、－１次透過回折光Ｔ－１、および－１次反射回折光Ｒ－１を形成する。－１次の回折光Ｔ－１、Ｒ－１は、波長に応じて異なる角度で、透過型回折格子４８から出射される。これらの回折光のうち、－１次反射回折光Ｒ－１がＬＤ４２に帰還する。前述したリットマン型配置を採用した場合、－１次反射回折光Ｒ－１は、不図示のミラーで反射した後、再び透過型回折格子４８を介してＬＤ４２に帰還することになる。従って、リットマン型配置は共振器長を拡大し、縦モードの安定性を低下させる。

図１１Ａおよび図１１Ｂには、－１次の回折光Ｔ－１、Ｒ－１について、それぞれ、５本の光線が模式的に記載されている。これらの５本の光線は、波長が相互に異なる５本の仮想的な－１次回折光線である。実際には、レーザ発振中の共振器内では単一の縦モードの定在波が形成されるため、その定在波の波長を有する回折光線のみがＬＤ４２に帰還してレーザ発振に寄与する。透過型回折格子４８の傾斜角度が変化すると、ＬＤ４２に帰還する－１次反射回折光Ｒ－１の波長がシフトする。透過型回折格子４８の傾斜角度を調整することにより、レーザ発振の波長を選択することが可能になる。なお、透過型回折格子４８の傾斜角度が一定であっても、透過型回折格子４８における格子間隔を調整することにより、同様の効果を得ることができる。

ある例における透過型回折格子４８は、所定角度（４０～５０度）で入射した所定波長（例えば約４１０ｎｍ）のビームのうち、０次透過回折光Ｔ０の割合が例えば約７５％以上、－１次反射回折光Ｒ－１の割合が例えば約１５％程度、０次反射回折光Ｒ０および－１次透過回折光Ｔ－１の合計割合が例えば約１０％以下になるように形成され得る。

図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、－１次反射回折光Ｒ－１の方向は、波長に応じて、Ｘ_１Ｚ_１面内で異なる角度を向いている。このため、レーザダイオード４２の出射端面においてＸ_１方向に異なる位置に入射する－１次反射回折光Ｒ－１は、異なる波長を有している。図１０に示されるように、レーザダイオード４２のエミッタ領域Ｅは、Ｙ_１軸方向に比べて、Ｘ_１軸方向に相対的に小さなサイズを有している。このため、エミッタ領域Ｅに入射する－１次反射回折光Ｒ－１の波長の幅は非常に狭く、レーザダイオード４２は単一モードでより安定に発振することが可能になる。レーザダイオード４２をＺ_１軸の周りに９０°回転させて、速軸の向きと遅軸の向きとを反対にすると、エミッタ領域ＥがＸ_１軸に沿って長く延びるように配置される。その場合、エミッタ領域Ｅに入射する－１次反射回折光Ｒ－１の波長の幅は拡大するため、レーザダイオード４２は単一モードで安定して発振しにくくなる。

図１２は、ＬＤ４２のゲイン曲線（ゲインの波長依存性を示す曲線）と、ある波長λ_ｎの単一縦モードで発振している外部共振器型レーザモジュール２４から出射されるレーザビームＢのスペクトルを模式的に示す図である。レーザビームＢの波長（ピーク波長λ_ｎ）は、レーザ発振可能なゲインを有する波長範囲から選択される。外部共振器構造により、レーザビームＢのスペクトル幅は狭く、鋭いピークを示している。

本開示の実施形態では、例えば４００～４２０ｎｍを含む波長範囲で発振可能なゲインを示す複数のＬＤ４２を用意する。言い換えると、ゲイン幅が約２０ｎｍであり、最もゲインが大きくなる波長が４１０ｎｍである複数のＬＤ４２を用意する。そして、透過型回折格子４８からＬＤ４２に帰還する－１次反射回折光Ｒ－１の波長が数ｎｍずつ異なるように透過型回折格子４８の構造および傾斜角度を調整する。外部共振器型レーザモジュール２４を使用することにより、レーザビームの波長幅が狭く、かつ発振波長が安定する。その結果、回折格子などのビームコンバイナ２６を用いて所望の方向に高い精度で複数のレーザビームを同軸に結合することができる。

こうして得られた複数の異なるピーク波長λ_ｎを有するレーザビームＢは、波長ビーム結合によって同軸上に結合されて波長結合ビームＷが形成される。なお、同一のゲイン幅（例えば２０～３０ｎｍの波長幅）を有するＬＤ４２は、典型的には、同一組成の半導体から形成された半導体積層構造を備えている。しかし、本開示の実施形態は、このような例に限定されない。例えば発光層の半導体組成が異なり、その結果としてゲインをもたらす波長範囲が一致していないレーザダイオードがＬＤ４２に含まれていてもよい。より具体的には、例えば、紫外、青紫、青、および緑のいずれか少なくとも１つの色域にピーク波長が属する複数のレーザビームＢを任意に結合して様々なスペクトルを有する波長結合ビームＷを形成することが可能である。

図１３は、本実施形態におけるビーム光源２０がビームコンバイナ２６として備える反射型回折格子の作用を示す図である。ピーク波長λ_ｎのレーザビームＢがビームコンバイナ２６の法線方向Ｎを基準とする入射角α_ｎでビームコンバイナ２６に入射している。回折角βで－１次の反射回折光がＺ軸方向に入射される。このとき、ｓｉｎ α_ｎ＋ｓｉｎ β ＝ Ｋ・ｍ・λ_ｎの式が成立する。ここで、Ｋはビームコンバイナ２６における１ｍｍあたりの回折格子数、ｍは回折次数である。

本実施形態では、互いに異なるピーク波長λ_ｎを有するレーザビームＢが外部共振器型レーザモジュール２４から出射され、適切な入射角α_ｎでビームコンバイナ２６に入射する。その結果、等しい回折角βで回折されたレーザビームＢが重畳され、波長ビーム結合が達成される。このとき、図３などを参照しながら説明したレーザビームＢの方向ずれが生じると、複数のレーザビームＢが適切に重畳されなず、ビーム品質の低下が発生する。しかし、本実施形態では、レーザビームＢの方向を補正することができるため、ビーム品質の低下を抑制できる。

再び、図７および図８を参照する。

本実施形態において、外部共振器型のレーザ光源２００は、前述した構成要素以外に、ＬＤ４２が固定されたヒートシンク４０と、透過型回折格子４８の向きを制御するモータＭとを有している。ヒートシンク４０は水冷式である。不図示の水流ホースが一対の連結器４１を介してヒートシンク４０内の流路に接続される。ヒートシンク４０は、例えば銅などの熱伝導率の高い金属材料から好適に形成され得る。ヒートシンク４０は、ＬＤ４２を受け入れる開口部を有している。ＬＤ４２のリード端子は、ヒートシンク４０から外部に突出し、不図示の配線ケーブルに電気的に接続される。

ヒートシンク４０は、サポート部材２１０からＹ_１軸に平行に延びる柱状部分に固定されている。透過型回折格子４８は、サポート部材２１０によってＹ_１軸に平行な軸の周りに回転可能に支持されている。また、モータＭもサポート部材２１０に支持されており、モータＭの回転軸が透過型回折格子４８の回転軸に連結されている。モータＭと透過型回折格子４８との間には減速ギアが介在し、モータＭの回転数が低減されてもよい。不図示の外部からモータＭに電力が供給されると、モータＭは透過型回折格子４８を必要な角度だけ回転させることができる。透過型回折格子４８の回転の角度分解能は、サポート部材２１０のθＹ回転の角度分解能よりも高く、より細かい角度調整が可能である。透過型回折格子４８の角度調整により、外部共振器における共振波長（発振波長）を精密に制御することが可能になる。

サポート部材２１０は、調整機構２１Ｘによってベース２２０に回転可能に支持されている。スクリューネジ２５などにより、ベース２２０に対するサポート部材２１０の角度が固定され得る。ベース２２０は、調整機構２１Ｙによって台２５０に回転可能に支持されている。調整機構２１Ｘ、２１Ｙによる台２５０に対するサポート部材２１０の姿勢または角度の調整作業は、操作者が手動で行ってもよいし、モータなどのアクチュエータを用いて機械的に行ってもよい。

複数の外部共振器型レーザモジュール２４を図６に示すように配置した後、各レーザモジュール２４から出射されたレーザビームＢがビームコンバイナ２６の同一領域に入射するように調整機構２１Ｘ、２１ＹによるθＹおよびθＸの回転角度が調整される。その後、波長結合ビームＷのＢＰＰを計測しながら、個々のレーザモジュール２４における透過型回折格子４８の角度を微調整してもよい。このような調整によって各レーザビームＢの回折角βを制御し、波長結合ビームＷのＢＰＰを更に低下させることが可能になる。

ある実施例において、以下の表１に示すピーク波長λ_ｎを有するレーザビームを出射するように構成した１１個の外部共振器型レーザモジュール２４が用意され、表１の入射角α_ｎおよび回折角βを実現するようにアライメントされた。こうして作製された光源装置１００は、ビームコンバイナ（反射型回折格子）２６から等しい回折角βで出射されたピーク波長の異なる１１本のレーザビームが同軸に重畳して、１本の波長結合ビームが生成された。なお、この例において、Ｋは２２２２ｍｍ^－１であり、光路長（Ｌ１＋Ｌ２）は約１８００ｍｍであった。

この実施例では、約３９９～４２２ｎｍの範囲でゲインを有するＬＤ４２が用いられている。すなわち、ゲイン幅Δλは約２３ｎｍである。表１から明らかなように、ｎ番目のレーザモジュール２４_ｎから出射されるレーザビームのピーク波長λ_ｎと、ｎ＋１番目のレーザモジュール２４_ｎ＋１から出射されるレーザビームのピーク波長λ_ｎ＋１との間には、δλ＝約２．３ｎｍの波長差が与えられている。また、ｎ番目のレーザモジュール２４_ｎから出射されるレーザビームの入射角α_ｎと、ｎ＋１番目のレーザモジュール２４_ｎ＋１から出射されるレーザビームの入射角α_ｎ＋１との間には、約０．４２度の角度差が与えられている。

なお、本開示の実施形態は、上記の実施例に限定されない。例えば波長３５０～５５０ｎｍの範囲から選択された、例えば数１０ｎｍのゲイン幅を有する複数のＬＤを用いて、様々な波長帯域内で波長ビーム結合を実現することができる。波長３５０～５５０ｎｍの範囲（特に４００ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の範囲）では、銅などの金属による吸収率が高くなるため、金属加工に適した波長結合ビームが提供される。

上記の構成を有するビーム光源２０から出射された波長結合ビームＷは、前述したように、Ｙ軸（遅軸）方向およびＸ軸（速軸）方向で非対称なビーム品質を有している。この点を以下に説明する。

図１４は、光結合器３０の構成例を模式的に示す図である。この例における光結合器３０は、第１の平面（ＹＺ）内で集光するシリンドリカルレンズ（遅軸収束レンズ）３１と、第２の平面（ＸＺ）内で集光する第２のシリンドリカルレンズ（速軸収束レンズ）３２とを有している。シリンドリカルレンズ３１の像側主点位置は、光ファイバ１０の入射側端面から、シリンドリカルレンズ３１の焦点距離（実効焦点距離）ＥＦＬ_ＳＡＦだけ離れている。従って、シリンドリカルレンズ３１に入射した波長結合ビームＷは、シリンドリカルレンズ３１の働きによって光ファイバ１０の入射側端面に集光する。

本実施形態では、図１４のＹ軸が遅軸に平行であり、Ｘ軸が速軸に平行である。レーザダイオード４２から出射されたレーザビームがコリメートされた後、長い距離（例えば４００ｍｍ以上）を伝搬するうちに、ビーム断面の形状はＸ軸方向よりもＹ軸方向に延びた楕円に変化していく。これは、遅軸であるＹ軸方向におけるビーム品質が低いためである。

＜ダイレクトダイオードレーザ装置＞
次に、図１５を参照して、本開示によるダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置の実施形態を説明する。図１５は、本実施形態におけるＤＤＬ装置１０００の構成例を示す図である。

図示されているＤＤＬ装置１０００は、光源装置１００と、光源装置１００から延びる光ファイバ１０に接続された加工ヘッド３００とを備えている。加工ヘッド３００は、光ファイバ１０から出射された波長結合ビームで対象物４００を照射する。図示されている例において、光源装置１００の個数は、１個である。

光源装置１００は、前述した構成と同様の構成を有している。光源装置１００に搭載されている外部共振器型レーザモジュールの個数は特に限定されず、必要な光出力または放射照度に応じて決定される。外部共振器型レーザモジュールから放射されるレーザ光の波長も、加工対象の材料に応じて選択され得る。例えば、銅、真鍮、アルミニウムなど加工する場合、発振波長帯域が３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲に属するＬＤが好適に採用され得る。

本実施形態によれば、波長ビーム結合によって高出力のレーザビームを生成し、光ファイバに効率的に結合されるため、ビーム品質に優れた高パワー密度のレーザビームを高いエネルギ変換効率で得ることが可能になる。

本開示の光源装置は、光ファイバから高いビーム品質を持つ高出力高パワー密度のレーザ光を放射させることが求められる用途に広く利用される。また、本開示の光源装置は、高出力のレーザ光源が必要とされる産業用分野、例えば各種材料の切断、穴あけ、局所的熱処理、表面処理、金属の溶接、３Ｄプリンティングなどに利用され得る。

１０・・・光ファイバ、２０・・・ビーム光源、２４・・・外部共振器型レーザモジュール、２６・・・ビームコンバイナ、３０・・・光結合器、３１・・・第１のシリンドリカルレンズ、３２・・・第２のシリンドリカルレンズ、４２・・・ＬＤ、４４・・・半導体レーザパッケージ、４６・・・コリメータレンズ、４８・・・透過型回折格子、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ）装置

Claims (12)

1. ピーク波長が異なる複数のレーザビームをそれぞれ出射する複数の外部共振器型レーザモジュールと、
   前記複数のレーザビームを同軸に重畳して波長結合ビームを生成するビームコンバイナと、
   を備え、
   前記複数の外部共振器型レーザモジュールのそれぞれは、リトロー型配置のコリメートレーザ光源および特定の波長の光を選択する回折格子を有しており、
   前記複数の外部共振器型レーザモジュールは、前記複数のレーザビームが前記ビームコンバイナの同一領域に異なる角度で入射するように配列されており、
   前記複数の外部共振器型レーザモジュールのそれぞれは、
   前記コリメートレーザ光源および前記回折格子を支持するサポート部材と、
   各外部共振器型レーザモジュールから出射されるレーザビームの軸方向を補正するように前記サポート部材を回転可能に支持するベースと、
   を備えている、光源装置。
2. 前記サポート部材および前記ベースは、それぞれ、前記レーザビームの軸方向に対して平行な方向に長軸を有しており、
   前記ベースの前記長軸が前記ベースを載せる台に対して鉛直軸の周りに回転可能に前記ベースを前記台に接続する第１調整機構と、
   前記サポート部材の前記長軸が前記ベースに対して水平軸の周りに回転可能に前記サポート部材を接続する第２調整機構と、
   を有している、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記サポート部材の前記長軸の方向における長さは、８０ｍｍ以上であり、
   前記サポート部材の前記長軸に直交する水平方向における幅は、１２ｍｍ以下であり、
   前記第１調整機構および前記第２調整機構の前記水平方向における幅は、前記サポート部材の前記幅以下である、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第２調整機構は、前記サポート部材の前記長軸方向における中心よりも端部に近い
   位置に設けられている、請求項３に記載の光源装置。
5. 前記第２調整機構は、前記サポート部材を前記ベースに連結しており、
   前記第２調整機構は、前記ベースに対する前記サポート部材の回転運動以外の運動を規制している、請求項２から４のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記コリメートレーザ光源は、
   封止された半導体レーザパッケージ内に収容されたレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードから出射されたレーザ光をコリメートするレンズと、
   を有している、請求項１から５のいずれかに記載の光源装置。
7. 前記複数の外部共振器型レーザモジュールの各ピーク波長は、３５０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲にある、請求項１から６のいずれかに記載の光源装置。
8. 前記複数の外部共振器型レーザモジュールの各ピーク波長は、４００ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の範囲にある、請求項７に記載の光源装置。
9. 前記複数の外部共振器型レーザモジュールの個数は５個以上である、請求項１から８のいずれかに記載の光源装置。
10. 前記複数のレーザビームが前記ビームコンバイナの前記同一領域に入射する前記角度の間隔は、１度以下である、請求項１から９のいずれかに記載の光源装置。
11. 前記複数のレーザビームの前記ピーク波長の間隔は、５ｎｍ以下である、請求項１０に記載の光源装置。
12. レーザビームを出射する外部共振器型レーザモジュールであって、
    リトロー型配置のコリメートレーザ光源および特定の波長の光を選択する回折格子と、
    前記コリメートレーザ光源および前記回折格子を支持するサポート部材と、
    前記レーザビームの軸方向を補正するように前記サポート部材を回転可能に支持するベースと、
    を備える、外部共振器型レーザモジュール。

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