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JP7741374B2 - laser device - Google Patents
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JP7741374B2 - laser device - Google Patents

laser device

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JP7741374B2 JP2021170330A JP2021170330A JP7741374B2 JP 7741374 B2 JP7741374 B2 JP 7741374B2 JP 2021170330 A JP2021170330 A JP 2021170330A JP 2021170330 A JP2021170330 A JP 2021170330A JP 7741374 B2 JP7741374 B2 JP 7741374B2
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Description

本開示は、レーザ装置に関する。 This disclosure relates to a laser device.

半導体レーザ素子から出射された波長が異なる複数のレーザビームを回折格子によって1つのビームに結合させる技術が開発されている。このような技術は、波長合波(WBC:Wavelength Beam Combining)と称されている。特許文献1は、半導体レーザ素子から出射された複数のビームを結合レンズによって回折格子上に集光し、同軸上に重畳して単一ビームを形成するレーザシステムを記載している。 Technology has been developed that uses a diffraction grating to combine multiple laser beams with different wavelengths emitted from semiconductor laser elements into a single beam. This technology is known as wavelength beam combining (WBC). Patent Document 1 describes a laser system in which multiple beams emitted from a semiconductor laser element are focused onto a diffraction grating using a combining lens, and then coaxially superimposed to form a single beam.

特表2017-539083号公報Special table 2017-539083 publication

特許文献1に記載されているレーザシステムは、複数のビームを結合レンズによって回折格子上に集光する構成を備えている。この構成は、結合レンズを用いているため、収差が発生するおそれがある。 The laser system described in Patent Document 1 has a configuration in which multiple beams are focused onto a diffraction grating using a combining lens. Because this configuration uses a combining lens, there is a risk of aberration occurring.

本開示のレーザ装置は、例示的な実施形態において、共振器を形成する第1ミラーおよび第2ミラーと、前記第1ミラーと前記第2ミラーとの間に配置され、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域を含む半導体レーザ素子であって、前記複数のレーザ発振領域は、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸が互いに近づくように前記レーザ光を伝搬させる導波路部を有している、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子と前記第2ミラーとの間に配置され、前記複数のレーザ発振領域から出射されたレーザ光を複数のコリメートビームに変換するコリメータと、前記コリメータと前記第2ミラーとの間において前記複数のコリメートビームが交差する位置に配置された回折格子であって、前記複数のコリメートビームを波長に応じて異なる角度で回折して波長結合ビームを形成し、前記波長結合ビームを第1方向に出射する、回折格子と、を備える。前記第2ミラーの少なくとも一部は、平面ミラーであり、前記回折格子から出射された前記波長結合ビームを前記第1方向とは反対の第2方向に反射して前記回折格子に戻す。 In an exemplary embodiment, the laser device of the present disclosure comprises: a first mirror and a second mirror forming a resonator; a semiconductor laser element disposed between the first mirror and the second mirror and including multiple laser oscillation regions that oscillate at different wavelengths during operation, wherein the multiple laser oscillation regions have a waveguide section that propagates the laser light emitted from each laser oscillation region so that the axes of propagation of the laser light approach each other; a collimator disposed between the semiconductor laser element and the second mirror and converting the laser light emitted from the multiple laser oscillation regions into multiple collimated beams; and a diffraction grating disposed between the collimator and the second mirror at a position where the multiple collimated beams intersect, the diffraction grating diffracting the multiple collimated beams at different angles depending on their wavelengths to form a wavelength-combined beam and emitting the wavelength-combined beam in a first direction. At least a portion of the second mirror is a flat mirror that reflects the wavelength-combined beam emitted from the diffraction grating in a second direction opposite to the first direction, returning the wavelength-combined beam to the diffraction grating.

本開示の実施形態によれば、収差の発生を抑制することが可能になる。 Embodiments of the present disclosure make it possible to suppress the occurrence of aberrations.

図1は、本開示の実施形態におけるレーザ装置の構成例を模式的に示す平面図である。FIG. 1 is a plan view schematically illustrating an example of the configuration of a laser device according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、一般的な半導体レーザ素子の導波路部を模式的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a waveguide portion of a typical semiconductor laser device. 図3は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の例を模式的に示す平面図である。FIG. 3 is a plan view schematically illustrating an example of a waveguide portion of a semiconductor laser element included in a laser device according to an embodiment of the present disclosure. 図4は、図3のIV-IV線における半導体レーザ素子の断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device taken along line IV-IV in FIG. 図5は、図3のV-V線における半導体レーザ素子の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device taken along line VV in FIG. 図6は、回折格子による回折を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing diffraction by a diffraction grating. 図7は、レーザ発振領域のゲイン曲線と、単一縦モードで発振しているときのレーザ光のスペクトルを模式的に示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a gain curve in the laser oscillation region and a schematic diagram showing the spectrum of the laser light when oscillating in a single longitudinal mode. 図8は、本開示の実施形態におけるレーザ装置の他の構成例を模式的に示す平面図である。FIG. 8 is a plan view schematically illustrating another configuration example of a laser device according to an embodiment of the present disclosure. 図9は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の他の例を模式的に示す平面図である。FIG. 9 is a plan view schematically illustrating another example of a waveguide portion of a semiconductor laser element included in a laser device according to an embodiment of the present disclosure. 図10は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の更に他の例を模式的に示す平面図である。FIG. 10 is a plan view schematically illustrating yet another example of a waveguide portion of a semiconductor laser element included in a laser device according to an embodiment of the present disclosure. 図11は、本開示の実施形態におけるレーザ装置が備える半導体レーザ素子の導波路部の更に他の例を模式的に示す平面図である。FIG. 11 is a plan view schematically illustrating yet another example of a waveguide portion of a semiconductor laser element included in a laser device according to an embodiment of the present disclosure.

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態によるレーザ装置を詳細に説明する。複数の図面に表れる同一符号の部分は同一または同等の部分を示す。構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置などの記載は、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図している。各図面が示す部材の大きさや位置関係などは、理解を容易にするなどのために誇張している場合がある。 The laser device according to an embodiment of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. Parts that appear in multiple drawings with the same reference numerals indicate the same or equivalent parts. The descriptions of the dimensions, materials, shapes, and relative positions of components are intended to be illustrative and not to limit the scope of the present invention. The sizes and positional relationships of components shown in each drawing may be exaggerated to facilitate understanding.

<第1実施形態>
図面を参照しながら、本開示によるレーザ装置の実施形態を説明する。図面には、参考のため、互いに直交するX軸、Y軸、およびZ軸が示されている。
First Embodiment
An embodiment of a laser device according to the present disclosure will be described with reference to the drawings, in which mutually orthogonal X-, Y-, and Z-axes are shown for reference.

まず、図1を参照する。本実施形態におけるレーザ装置100は、共振器を形成する第1ミラーM1および第2ミラーM2、および、第1ミラーM1と第2ミラーM2との間に配置された半導体レーザ素子10を備える。半導体レーザ素子10は、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域10Xを含む。図示される例において、半導体レーザ素子10は、4個のレーザ発振領域10Xを有するレーザバーである。4個のレーザ発振領域10Xは、動作時において、それぞれ、λ1、λ2、λ3、λ4の波長でレーザ発振を行い、波長がλ1、λ2、λ3、λ4のレーザ光を出射する。1個のレーザバーが含むレーザ発振領域10Xの個数は4に限定されず、3であってもよいし、5以上、例えば10以上であってもよい。半導体レーザ素子10は、複数のレーザ発振領域10Xを規定する複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極を有し得る。 First, refer to FIG. 1. The laser device 100 in this embodiment includes a first mirror M1 and a second mirror M2 that form a resonator, and a semiconductor laser element 10 disposed between the first mirror M1 and the second mirror M2. The semiconductor laser element 10 includes multiple laser oscillation regions 10X that oscillate at different wavelengths during operation. In the illustrated example, the semiconductor laser element 10 is a laser bar having four laser oscillation regions 10X. During operation, the four laser oscillation regions 10X oscillate at wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4, respectively, and emit laser light having wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4. The number of laser oscillation regions 10X included in one laser bar is not limited to four and may be three, five or more, for example, ten or more. The semiconductor laser element 10 may have multiple ridges and/or multiple stripe electrodes that define the multiple laser oscillation regions 10X.

図2は、一般的な半導体レーザ素子10Qが有するレーザ発振領域10Xの形状を模式的に示す平面図である。レーザ発振領域10Xから出射されたレーザ光Lの進行軸は互いに平行である。言い換えると、半導体レーザ素子10Qにおいて、レーザ光を伝搬させる各導波路部はZ軸方向に沿って直線状に延びている。 Figure 2 is a plan view schematically showing the shape of the laser oscillation region 10X of a typical semiconductor laser element 10Q. The propagation axes of the laser light L emitted from the laser oscillation region 10X are parallel to each other. In other words, in the semiconductor laser element 10Q, each waveguide portion that propagates the laser light extends linearly along the Z-axis direction.

これに対して、本実施形態のレーザ装置100では、図1に示されるように、複数のレーザ発振領域10Xが、各レーザ発振領域10Xから出射された各レーザ光Lの進行軸が互いに近づき、交差するようにレーザ光を伝搬させる導波路部を有している。以下、この点を詳細に説明する。 In contrast, in the laser device 100 of this embodiment, as shown in FIG. 1, the multiple laser oscillation regions 10X have waveguide sections that propagate the laser light so that the propagation axes of the laser light L emitted from each laser oscillation region 10X approach each other and intersect. This point will be explained in detail below.

図3は、本実施形態におけるレーザ装置100が備える半導体レーザ素子10の導波路部18を模式的に示す平面図である。半導体レーザ素子10の断面構成については後述する。半導体レーザ素子10を構成するレーザバーは、複数のレーザ発振領域10Xのそれぞれの一端が並んだ光出射面10Fと、複数のレーザ発振領域10Xのそれぞれの他端が並んだ光反射面10Rとを有する。光反射面10Rには、図1に示されるように、第1ミラーM1を形成する反射膜が設けられる。また、光出射面10Fには、反射防止膜が設けられる。このような反射膜および反射防止膜の例は、誘電体多層膜である。第1ミラーM1と第2ミラーM2とが形成する共振器は、「外部共振器」と呼ばれる。 Figure 3 is a plan view schematically showing the waveguide portion 18 of the semiconductor laser element 10 included in the laser device 100 of this embodiment. The cross-sectional configuration of the semiconductor laser element 10 will be described later. The laser bar constituting the semiconductor laser element 10 has a light-emitting surface 10F where one ends of the multiple laser oscillation regions 10X are aligned, and a light-reflecting surface 10R where the other ends of the multiple laser oscillation regions 10X are aligned. As shown in Figure 1, the light-reflecting surface 10R is provided with a reflective film that forms the first mirror M1. Furthermore, the light-emitting surface 10F is provided with an anti-reflection film. An example of such a reflective film and anti-reflection film is a dielectric multilayer film. The resonator formed by the first mirror M1 and the second mirror M2 is called an "external resonator."

図3の例において、導波路部18は、Z軸方向に沿って直線状に延びる第1部分18aと、ゼロよりも大きな曲率でカーブする第2部分18bとを含んでいる。図3の例では、O-O線(一点鎖線)の左側に第1部分18aが位置し、O-O線の右側に第2部分18bが位置している。この例において、O-O線はX軸に平行な直線である。しかし、第1部分18aと第2部分18bとの境界のZ軸方向における位置が同じである必要はない。言い換えると、第1部分18aのZ軸方向における長さは、導波路部18ごとに異なっていてもよい。なお、第2部分18bの全体が曲率を有している必要はなく、第2部分18bが直線部分を含んでいてもよい。重要な点は、第2部分18bの端から出射されるレーザ光の進行方向がZ軸に対して所定の角度を形成するように、第2部分18bが光出射面10Fに対して傾斜している(直交していない)ことである。この「所定の角度」の大きさについては、後述する。 In the example of Figure 3, the waveguide section 18 includes a first portion 18a that extends linearly along the Z-axis direction and a second portion 18b that curves with a curvature greater than zero. In the example of Figure 3, the first portion 18a is located to the left of line O-O (dotted line), and the second portion 18b is located to the right of line O-O. In this example, line O-O is a straight line parallel to the X-axis. However, the boundary between the first portion 18a and the second portion 18b does not need to be located at the same position in the Z-axis direction. In other words, the length of the first portion 18a in the Z-axis direction may vary for each waveguide section 18. Note that the entire second portion 18b does not need to have a curvature, and the second portion 18b may include a linear portion. The important point is that the second portion 18b is inclined (not perpendicular) to the light emission surface 10F so that the propagation direction of the laser light emitted from the end of the second portion 18b forms a predetermined angle with the Z-axis. The size of this "predetermined angle" will be explained later.

次に、図4および図5を参照して、半導体レーザ素子10の構成例を説明する。図4は、図3のIV-IV線における半導体レーザ素子10の断面図であり、図5は、図3のV-V線における半導体レーザ素子10の断面図である。 Next, an example configuration of the semiconductor laser element 10 will be described with reference to Figures 4 and 5. Figure 4 is a cross-sectional view of the semiconductor laser element 10 taken along line IV-IV in Figure 3, and Figure 5 is a cross-sectional view of the semiconductor laser element 10 taken along line V-V in Figure 3.

図示される半導体レーザ素子10は、第1導電型半導体基板11aと、第1導電型半導体層11bと、活性層11cと、第2導電型半導体層11dとを備えている。ここで、「第1導電型」は、p型およびn型の一方であり、「第2導電型」は、p型およびn型の他方である。第1導電型半導体層11bおよび第2導電型半導体層11dのそれぞれは、クラッド層およびガイド層などの複数の層を含む多層構造を備えてもよい。また、活性層11cは、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を備えていてもよい。 The illustrated semiconductor laser device 10 comprises a first conductivity type semiconductor substrate 11a, a first conductivity type semiconductor layer 11b, an active layer 11c, and a second conductivity type semiconductor layer 11d. Here, "first conductivity type" refers to one of p-type and n-type, and "second conductivity type" refers to the other of p-type and n-type. Each of the first conductivity type semiconductor layer 11b and the second conductivity type semiconductor layer 11d may have a multilayer structure including multiple layers such as cladding layers and guide layers. Furthermore, the active layer 11c may have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.

第2導電型半導体層11dの上部には、リッジ13が設けられている。個々のリッジ13の上面には第2導電側電極(ストライプ電極)15が形成されている。第1導電型半導体基板11aの下面には第1導電側電極14が設けられている。隣り合う第2導電側電極15は、第2導電型半導体層11d上に形成された絶縁層17によって互いに電気的に分離されている。第2導電側電極15の上にはパッド電極16が設けられている。 A ridge 13 is provided on the top of the second conductivity type semiconductor layer 11d. A second conductivity side electrode (stripe electrode) 15 is formed on the upper surface of each ridge 13. A first conductivity side electrode 14 is provided on the lower surface of the first conductivity type semiconductor substrate 11a. Adjacent second conductivity side electrodes 15 are electrically isolated from each other by an insulating layer 17 formed on the second conductivity type semiconductor layer 11d. A pad electrode 16 is provided on the second conductivity side electrode 15.

なお、第2導電型半導体層11dは、リッジ13内において、第2導電側電極15に接する部分にコンタクト層を備えていてもよい。リッジ13は、図3における導波路部18の形状およびサイズを規定する。このため、図3の導波路部18の第1部分18aおよび第2部分18bの平面レイアウトは、リッジ13の平面レイアウトによって規定される。リッジ13の平面レイアウトは、第2導電型半導体層11dの上部(例えばクラッド層の上部)をエッチングする工程におけるエッチングマスクの形状によって所望の形状に規定することができる。 The second conductivity type semiconductor layer 11d may include a contact layer in the ridge 13 at a portion that contacts the second conductivity side electrode 15. The ridge 13 determines the shape and size of the waveguide portion 18 in FIG. 3. Therefore, the planar layout of the first portion 18a and second portion 18b of the waveguide portion 18 in FIG. 3 is determined by the planar layout of the ridge 13. The planar layout of the ridge 13 can be determined to the desired shape by the shape of the etching mask used in the step of etching the upper portion of the second conductivity type semiconductor layer 11d (e.g., the upper portion of the cladding layer).

第1導電側電極14および第2導電側電極15は、それぞれ、駆動回路に接続される。駆動回路によって第1導電側電極14と第2導電側電極15との間に所定の電圧が印加されると、各リッジ13内をY軸方向に電流が流れる。活性層11cのレーザ発振領域10Xを流れる電流が閾値を超えると、レーザ発振領域10Xでは電荷の反転分布が形成され、所定の波長範囲にある光を増幅してレーザ発振を生じさせることが可能になる。各レーザ発振領域10Xの幅は、リッジ13またはストライプ電極15の幅によって規定される。各レーザ発振領域10Xは、半導体レーザ素子10内における光が出射するまでの光路にあたる部分であり、導波路部を含む。 The first conductive side electrode 14 and the second conductive side electrode 15 are each connected to a drive circuit. When a predetermined voltage is applied between the first conductive side electrode 14 and the second conductive side electrode 15 by the drive circuit, a current flows in the Y-axis direction within each ridge 13. When the current flowing through the laser oscillation region 10X of the active layer 11c exceeds a threshold value, a charge population inversion is formed in the laser oscillation region 10X, making it possible to amplify light within a predetermined wavelength range and generate laser oscillation. The width of each laser oscillation region 10X is determined by the width of the ridge 13 or stripe electrode 15. Each laser oscillation region 10X is the portion of the semiconductor laser element 10 that forms the optical path until light is emitted, and includes a waveguide portion.

図3の例では、平面視において、光反射面10Rに対して導波路部18の直線状に延びる第1部分18aは直交している。このため、直線状に延びる第1部分18aから光反射面10Rに入射したレーザ光は、直線状に延びる第1部分18a内に正反射される。このことは、第1部分18aが光反射面10Rに対して傾斜している場合に比べて、反射による損失を低下させる効果をもたらす。図3の構成例によれば、並走する導波路部18の第2部分18bが所定の方向にカーブし、かつ、第1部分18aが光反射面10Rに直交しているため、複数のレーザ発振領域10Xから出射されるレーザ光Lの進行軸を互いに近づけ、交差させるとともに、光反射面10Rによる反射損失の増加を抑制することができる。またレーザ光Lの進行軸を互いに近づけ、交差させるため、集光レンズを設けなくてもよい。複数のレーザ光を1つの集光レンズに入射させると、集光レンズの中央部に入射するレーザ光と周縁部に入射するレーザ光とによる収差が発生するおそれがある。集光レンズを設けないことで、部品点数を削減しつつ、収差の発生を抑制することができる。 In the example shown in Figure 3, the linearly extending first portion 18a of the waveguide 18 is perpendicular to the light-reflecting surface 10R in a planar view. Therefore, laser light incident on the light-reflecting surface 10R from the linearly extending first portion 18a is specularly reflected back into the linearly extending first portion 18a. This reduces reflection loss compared to when the first portion 18a is inclined relative to the light-reflecting surface 10R. According to the configuration example shown in Figure 3, the parallel second portions 18b of the waveguide 18 curve in a predetermined direction, and the first portions 18a are perpendicular to the light-reflecting surface 10R. This allows the propagation axes of the laser light L emitted from the multiple laser oscillation regions 10X to approach each other and intersect, thereby suppressing an increase in reflection loss due to the light-reflecting surface 10R. Furthermore, since the propagation axes of the laser light L are brought closer to each other and intersect, a focusing lens is not required. When multiple laser beams are incident on a single focusing lens, aberration may occur due to the laser beams that enter the center of the focusing lens and the laser beams that enter the peripheral portion. By not using a focusing lens, the number of parts can be reduced while suppressing the occurrence of aberration.

なお、光出射面10Fでは、半導体レーザ素子10からレーザ光Lが出射されるだけではなく、後述する第2ミラーM2によって反射されたレーザ光が半導体レーザ素子10に戻ってくる。図3に示されるように、平面視において、導波路部18の第2部分18bは光出射面10Fに対して傾斜している。レーザ光Lが光出射面10Fを通過するとき、屈折が生じる。この屈折の効果を考慮して、導波路部18の第2部分18bと光出射面10Fとの間の角度が決定され得る。 At the light emitting surface 10F, not only is laser light L emitted from the semiconductor laser element 10, but laser light reflected by the second mirror M2 (described below) returns to the semiconductor laser element 10. As shown in FIG. 3, in a plan view, the second portion 18b of the waveguide portion 18 is inclined with respect to the light emitting surface 10F. When the laser light L passes through the light emitting surface 10F, refraction occurs. The angle between the second portion 18b of the waveguide portion 18 and the light emitting surface 10F can be determined taking into account the effect of this refraction.

上述したように、導波路部18の平面レイアウトは、リッジ13および第2導電側電極(ストライプ電極)15の平面レイアウトによって規定される。このため、本実施形態では、複数のリッジ13および/または複数のストライプ電極15は、平面視において、それぞれ光出射面10Fに対して異なる角度を形成する部分を有し、かつ、光反射面10Rに対して直交する方向に延びる部分を有している。 As described above, the planar layout of the waveguide section 18 is determined by the planar layout of the ridges 13 and the second conductive side electrodes (stripe electrodes) 15. Therefore, in this embodiment, the multiple ridges 13 and/or multiple stripe electrodes 15 each have portions that form different angles with respect to the light emitting surface 10F in a planar view, and also have portions that extend in a direction perpendicular to the light reflecting surface 10R.

半導体レーザ素子10としては、例えば、青色の光を放射する半導体レーザ素子、緑色の光を放射する半導体レーザ素子、または、赤色の光を放射する半導体レーザ素子などを採用することができる。紫外や赤外等の、青色、緑色、赤色以外の光を放射する半導体レーザ素子を採用してもよい。本明細書において、青色の光は、発光ピーク波長が420nm~494nmの範囲にある光である。緑色の光は、発光ピーク波長が495nm~570nmの範囲にある光である。赤色の光は、発光ピーク波長が605nm~750nmの範囲にある光である。青色の光または緑色の光を発する半導体レーザ素子の例は、窒化物半導体を含む。窒化物半導体としては、例えば、GaN、InGaN、およびAlGaNを用いることができる。赤色の光を発する半導体レーザ素子の例は、InAlGaP系やGaInP系、GaAs系やAlGaAs系の半導体を含む。レーザ装置100を例えば金属材料の加工に用いる場合、加工対象となる金属材料の吸収率が高い波長で発振する半導体レーザ素子10を用いることが望ましい。 The semiconductor laser element 10 may be, for example, a semiconductor laser element that emits blue light, a semiconductor laser element that emits green light, or a semiconductor laser element that emits red light. Semiconductor laser elements that emit light other than blue, green, or red, such as ultraviolet or infrared, may also be used. In this specification, blue light is light with a peak emission wavelength in the range of 420 nm to 494 nm. Green light is light with a peak emission wavelength in the range of 495 nm to 570 nm. Red light is light with a peak emission wavelength in the range of 605 nm to 750 nm. Examples of semiconductor laser elements that emit blue or green light include nitride semiconductors. Examples of nitride semiconductors that can be used include GaN, InGaN, and AlGaN. Examples of semiconductor laser elements that emit red light include InAlGaP-based, GaInP-based, GaAs-based, and AlGaAs-based semiconductors. When using the laser device 100 to process metal materials, for example, it is desirable to use a semiconductor laser element 10 that oscillates at a wavelength that is highly absorbed by the metal material to be processed.

再び図1を参照する。 Refer to Figure 1 again.

本実施形態において、レーザ装置100は、半導体レーザ素子10と第2ミラーM2との間に配置されたコリメータ20を備える。コリメータ20は、複数のレーザ発振領域10Xから出射されたレーザ光Lを複数のコリメートビーム12に変換するように構成されている。複数のコリメートビーム12の進行軸が互いに近づき、交差する。コリメータ20は、コリメータレンズの集まりである。コリメータ20は、レーザ発振領域10Xの個数に等しい個数のレンズが1個のプラスチック材料から形成されたレンズアレイであってもよいし、複数のレンズが並べられた光学部品アセンブリであってもよい。ある態様において、コリメータ20は、それぞれが対応するレーザ光Lの進行軸に平行な光軸を有する複数のコリメートレンズを有し得る。コリメータ20は、コリメータレンズの集まりであるため、半導体レーザ素子10から出射された複数のレーザ光Lがそれぞれ異なるコリメータレンズに入射する。このことにより、1つのレンズに複数のレーザ光Lが入射する場合と比較して、半導体レーザ素子10とコリメータ20との距離を短くすることができる。また、複数のレーザ光Lをそれぞれ異なるコリメータレンズの中央部に入射させることができるため、レーザの波形に乱れが生じることを抑制できる。 In this embodiment, the laser device 100 includes a collimator 20 disposed between the semiconductor laser element 10 and the second mirror M2. The collimator 20 is configured to convert the laser light L emitted from the multiple laser oscillation regions 10X into multiple collimated beams 12. The propagation axes of the multiple collimated beams 12 approach each other and intersect. The collimator 20 is a collection of collimator lenses. The collimator 20 may be a lens array formed from a single plastic material with a number of lenses equal to the number of laser oscillation regions 10X, or an optical component assembly with multiple lenses arranged in an array. In one embodiment, the collimator 20 may include multiple collimating lenses, each with an optical axis parallel to the propagation axis of the corresponding laser light L. Because the collimator 20 is a collection of collimator lenses, the multiple laser light beams L emitted from the semiconductor laser element 10 are incident on different collimator lenses. This allows the distance between the semiconductor laser element 10 and the collimator 20 to be shorter than when multiple laser light beams L are incident on a single lens. Furthermore, since multiple laser beams L can be incident on the centers of different collimator lenses, distortion of the laser waveform can be suppressed.

図1では、半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光Lおよびコリメートビーム12を、単純な直線で示している。実際のレーザ光Lおよびコリメートビーム12は、進行方向に直交する平面内において強度分布を有する光ビームである。この強度分布は、光ビームの進行方向に直交する平面内において、例えばガウス分布などの分布関数によって近似することができる。本開示において、ビームの直径を「ビーム径」と称する。そして、ビーム径は、ビーム中心の光強度に対して1/e以上の光強度を持つ領域のサイズによって定義する。ここで、「e」は、ネイピア数である。光ビームの強度分布は、必ずしも軸対称である必要はない。半導体レーザ素子10から出射される光は、Z軸方向に進行するとき、Y軸方向およびX軸方向に発散する。この例において、Y軸方向に発散する角度は、X軸方向に発散する角度よりも大きい。このため、半導体レーザ素子10について、Y軸方向を「速軸」、X軸方向を「遅軸」と呼ぶことができる。半導体レーザ素子10から出射されたレーザ光Lは、出射直後はX軸(遅軸)方向に長軸を有する楕円状の強度分布(ニアフィールドパターン)を有しているが、Z軸方向に進行していくと、Y軸(速軸)方向に長軸を有する楕円状の強度分布(ファーフィールドパターン)を有する。コリメータ20は、このようなレーザ光Lの速軸方向の発散角度および遅軸方向の発散角度を小さくするように作用する。この場合、コリメータ20は、例えば、レンズ面の母線方向(曲率がゼロの方向)がXZ面内においてレーザ光Lの進行方向に直交する方向に平行な4個のシリンドリカルレンズ(速軸コリメートレンズ)と、それぞれのレンズ面の母線方向がY軸方向に平行な4個のシリンドリカルレンズ(遅軸コリメートレンズ)の組合せであり得る。 In FIG. 1 , the laser light L and collimated beam 12 emitted from the semiconductor laser element 10 are shown as simple straight lines. The actual laser light L and collimated beam 12 are light beams having an intensity distribution in a plane perpendicular to the propagation direction of the light beam. This intensity distribution can be approximated by a distribution function, such as a Gaussian distribution, in the plane perpendicular to the propagation direction of the light beam. In this disclosure, the diameter of the beam is referred to as the "beam diameter." The beam diameter is defined as the size of a region having an optical intensity equal to or greater than 1/ e2 relative to the optical intensity at the beam center. Here, "e" is Napier's constant. The intensity distribution of the light beam does not necessarily need to be axially symmetric. When light emitted from the semiconductor laser element 10 propagates in the Z-axis direction, it diverges in the Y-axis and X-axis directions. In this example, the angle of divergence in the Y-axis direction is larger than the angle of divergence in the X-axis direction. Therefore, the Y-axis direction and the X-axis direction of the semiconductor laser element 10 can be called the "fast axis" and "slow axis," respectively. The laser light L emitted from the semiconductor laser element 10 has an elliptical intensity distribution (near-field pattern) with its major axis in the X-axis (slow-axis) direction immediately after emission, but as it travels in the Z-axis direction, it acquires an elliptical intensity distribution (far-field pattern) with its major axis in the Y-axis (fast-axis) direction. The collimator 20 acts to reduce the divergence angles of such laser light L in the fast-axis direction and the slow-axis direction. In this case, the collimator 20 may be a combination of, for example, four cylindrical lenses (fast-axis collimating lenses) whose generatrix directions (directions of zero curvature) of the lens surfaces are parallel to a direction perpendicular to the traveling direction of the laser light L in the XZ plane, and four cylindrical lenses (slow-axis collimating lenses) whose generatrix directions of the lens surfaces are parallel to the Y-axis direction.

コリメータ20を透過して発散角が小さくなったコリメートビームは、厳密には平行光ではなく、発散角とビーム径の積が有限の値を有するガウシアンビームに近似される。図面では、このような光ビームの進行方向を模式的に示すため、光ビームの中心軸を直線によって表現している。これらの直線は、各光ビームの中心を通る光線を示していると考えてもよい。 The collimated beam, which has a smaller divergence angle after passing through the collimator 20, is not strictly parallel light, but is approximated as a Gaussian beam, in which the product of the divergence angle and the beam diameter is a finite value. In the drawings, the central axes of such light beams are represented by straight lines to schematically show the direction of travel of these light beams. These straight lines can be thought of as representing the rays of light passing through the center of each light beam.

各コリメートビーム12のビーム径は、複数のレーザ発振領域10Xの中心間距離以下である。各レーザ発振領域10Xの幅は、例えば、1μm以上200μm以下であり得る。この幅は、隣接するレーザ発振領域10Xの中心間距離の20~80%の長さであり得る。 The beam diameter of each collimated beam 12 is equal to or less than the center-to-center distance between the multiple laser oscillation regions 10X. The width of each laser oscillation region 10X may be, for example, 1 μm or more and 200 μm or less. This width may be 20 to 80% of the center-to-center distance between adjacent laser oscillation regions 10X.

図1に示されるレーザ装置100は、コリメータ20と第2ミラーM2との間において、複数のレーザ発振領域10Xから出射されるレーザ光Lの進行軸が交差する位置に所定の角度に配置された回折格子Gを備える。コリメータ20から出射された複数のコリメートビーム12は、それぞれ、異なる角度で回折格子Gの同一の領域64に入射する。回折格子Gは、複数のコリメートビーム12を領域64で回折する。回折格子Gで回折した複数のコリメートビーム12は合波され、波長結合ビーム40を形成し、第1方向50に出射される。 The laser device 100 shown in FIG. 1 includes a diffraction grating G positioned at a predetermined angle between the collimator 20 and the second mirror M2 at a position where the propagation axes of the laser light L emitted from the multiple laser oscillation regions 10X intersect. The multiple collimated beams 12 emitted from the collimator 20 are each incident on the same region 64 of the diffraction grating G at different angles. The diffraction grating G diffracts the multiple collimated beams 12 at the region 64. The multiple collimated beams 12 diffracted by the diffraction grating G are combined to form a wavelength-combined beam 40, which is emitted in the first direction 50.

本実施形態において、回折格子Gの回折溝の延びる方向はY軸方向に平行である。 In this embodiment, the direction in which the diffraction grooves of the diffraction grating G extend is parallel to the Y-axis direction.

以下、図6を参照しながら、回折格子Gの構成および機能を説明する。 The structure and function of the diffraction grating G will be explained below with reference to Figure 6.

図6は、複数のコリメートビーム12が回折格子Gの同一領域に入射し、そこで回折される様子を模式的に示す図である。この例において、領域64に入射したコリメートビーム12は、回折格子Gで回折されて同軸に重畳されて波長結合ビーム40を形成する。 Figure 6 is a schematic diagram showing how multiple collimated beams 12 enter the same region of the diffraction grating G and are diffracted there. In this example, the collimated beams 12 entering region 64 are diffracted by the diffraction grating G and coaxially superimposed to form the wavelength-combined beam 40.

回折格子Gに入射する4本のコリメートビーム12の入射角αを、それぞれ、α1、α2、α3、α4とする。入射角αは、回折格子Gの法線方向66に対してコリメートビーム12の中心軸が形成する角度である。 The angles of incidence α of the four collimated beams 12 incident on the diffraction grating G are α1, α2, α3, and α4, respectively. The angle of incidence α is the angle formed by the central axis of the collimated beam 12 with respect to the normal direction 66 of the diffraction grating G.

コリメートビーム12が回折格子Gに入射して形成される透過回折光の回折角をβとすると、以下の式1の関係が成立する。
sinα + sinβ = N・m・λ ・・・(式1)
ここで、Nは回折格子Gの単位長さあたりの溝数、mは回折次数、λは光の波長である。
When the diffraction angle of the transmitted diffracted light formed when the collimated beam 12 is incident on the diffraction grating G is β, the relationship of the following equation 1 holds.
sin α + sin β = N・m・λ (Formula 1)
Here, N is the number of grooves per unit length of the diffraction grating G, m is the diffraction order, and λ is the wavelength of light.

回折次数mを1とすると、例えば、N=2220、波長λが410.0nm、入射角αが45.0度の場合、回折角βは11.77度に等しくなる。6の例において、4本のコリメートビーム12のうち、波長λ=λ4=410.0nmのコリメートビーム12が入射角α=α4=45.00度で回折格子Gの領域64に入射し、回折されて第1方向50に出射されるとする。この例において、入射角α1、α2、α3で回折格子Gに入射するコリメートビーム12が、いずれも、第1方向50に沿って同軸上の1次回折光を形成するのは、それぞれの回折角βが11.77度に等しくなるときである。入射角α1、α2、α3の大きさは、半導体レーザ素子10における導波路部18の構成と回折格子Gの向きに応じて決定される。そして、入射角αによって波長λが決まる。例えば、α1=46.26度、α2=45.84度、α3=45.42度の場合、λ1=416.92nm、λ2=414.63nm、λ3=412.32nmのときに式1の関係が満たされる。このようにして、入射角α1、α2、α3、α4と回折角βが決まると、式1から、波長λ1、λ2、λ3、λ4が決まる。表1は、式1の関係を満足する波長λ、入射角α、回折角βの幾つかの例を示している。 If the diffraction order m is 1, for example, when N = 2220, the wavelength λ is 410.0 nm, and the incident angle α is 45.0 degrees, the diffraction angle β is equal to 11.77 degrees. In Example 6, of the four collimated beams 12, the collimated beam 12 with wavelength λ = λ4 = 410.0 nm is incident on region 64 of diffraction grating G at an incident angle α = α4 = 45.00 degrees, diffracted, and emitted in first direction 50. In this example, the collimated beams 12 incident on diffraction grating G at incident angles α1, α2, and α3 all form coaxial first-order diffracted light along first direction 50 when their respective diffraction angles β are equal to 11.77 degrees. The magnitudes of the incident angles α1, α2, and α3 are determined depending on the configuration of the waveguide section 18 in the semiconductor laser device 10 and the orientation of the diffraction grating G. The wavelength λ is then determined by the incident angle α. For example, if α1 = 46.26 degrees, α2 = 45.84 degrees, and α3 = 45.42 degrees, then the relationship in Equation 1 is satisfied when λ1 = 416.92 nm, λ2 = 414.63 nm, and λ3 = 412.32 nm. In this way, once the incident angles α1, α2, α3, and α4 and the diffraction angle β are determined, the wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4 can be determined from Equation 1. Table 1 shows some examples of wavelengths λ, incident angles α, and diffraction angles β that satisfy the relationship in Equation 1.

半導体レーザ素子10の複数のレーザ発振領域10Xは、例えば表1に示される波長λを含む所定の波長範囲でレーザ発振が可能である。本実施形態のレーザ装置100によれば、式1の関係を満足する波長λを有するコリメートビーム12が選択的に同軸に重畳されて波長結合ビーム40を形成する。この波長結合ビーム40は、後述する構成により、第2ミラーM2によって部分的に反射されてレーザ発振領域10Xに帰還する。その結果、各レーザ発振領域10Xでは、レーザ発振可能な波長範囲のうち、式1を満足する特定の波長λ1、λ2、λ3、λ4で選択的に鋭く発振することができる。 The multiple laser oscillation regions 10X of the semiconductor laser element 10 are capable of laser oscillation within a predetermined wavelength range that includes, for example, the wavelength λ shown in Table 1. According to the laser device 100 of this embodiment, collimated beams 12 having wavelengths λ that satisfy the relationship in Equation 1 are selectively superimposed coaxially to form a wavelength-combined beam 40. This wavelength-combined beam 40 is partially reflected by the second mirror M2 and fed back to the laser oscillation region 10X, as described below. As a result, each laser oscillation region 10X can selectively and sharply oscillate at specific wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4 that satisfy Equation 1 within the wavelength range in which laser oscillation is possible.

図7は、レーザ発振領域10Xのゲイン曲線と、式1を満足する波長λの単一縦モードで発振しているレーザ光のスペクトルとを模式的に示す図である。1個の半導体レーザ素子10が有する複数のレーザ発振領域10Xは、同一のゲイン曲線を有し得る。しかし、表1に示されるように、式1を満足する波長λ1、λ2、λ3、λ4の大きさは、入射角α1、α2、α3、α4に依存して異なる。このため、それぞれのレーザ発振領域10Xでは、互いに異なる波長λ1、λ2、λ3、λ4の光が選択的に増幅され、レーザ光として出射される。表1の例において、波長λ1、λ2、λ3、λ4は、410.00nmから413.92nmの範囲にある。このため、半導体レーザ素子10の各レーザ発振領域10Xは、この範囲よりも広い範囲で発振することができるゲイン特性を有することが求められる。 Figure 7 is a diagram schematically showing the gain curve of a laser oscillation region 10X and the spectrum of laser light oscillating in a single longitudinal mode at wavelength λ that satisfies Equation 1. Multiple laser oscillation regions 10X in a single semiconductor laser element 10 may have the same gain curve. However, as shown in Table 1, the magnitudes of the wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4 that satisfy Equation 1 vary depending on the incident angles α1, α2, α3, and α4. Therefore, in each laser oscillation region 10X, light of different wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4 is selectively amplified and emitted as laser light. In the example shown in Table 1, the wavelengths λ1, λ2, λ3, and λ4 are in the range from 410.00 nm to 413.92 nm. Therefore, each laser oscillation region 10X of the semiconductor laser element 10 is required to have gain characteristics that enable oscillation over a wider range than this range.

上記の説明において、回折格子Gの領域64に入射するコリメートビーム12の入射角α1、α2、α3、α4は、半導体レーザ素子10における導波路部18の構成と回折格子Gの向きに応じて決定されると述べた。しかし、レーザ発振が生じる前の段階では、図7のゲイン曲線で示されるようにブロードな波長幅を有する光が半導体レーザ素子10から出射され得る。その結果、回折格子Gにおける特定の領域64に入射した光線の回折角βは有限の幅を有し得る。しかし、第2ミラーM2が同軸上に回折するコリメートビームを正反射するため、その結果、所定の方向に回折される光の波長を有する光が各レーザ発振領域10Xに帰還して、その波長で発振することが可能になる。 In the above explanation, it was stated that the angles of incidence α1, α2, α3, and α4 of the collimated beam 12 incident on region 64 of the diffraction grating G are determined by the configuration of the waveguide section 18 in the semiconductor laser element 10 and the orientation of the diffraction grating G. However, before laser oscillation occurs, light having a broad wavelength range can be emitted from the semiconductor laser element 10, as shown by the gain curve in Figure 7. As a result, the diffraction angle β of a light beam incident on a specific region 64 of the diffraction grating G can have a finite width. However, because the second mirror M2 specularly reflects the collimated beam diffracted coaxially, light having the wavelength of the light diffracted in a predetermined direction is returned to each laser oscillation region 10X, enabling oscillation at that wavelength.

第2ミラーM2の少なくとも一部は、平面ミラー70である。平面ミラー70は、回折格子Gから出射された波長結合ビーム40を第1方向50とは反対の第2方向52に反射して回折格子Gに戻すように構成されている。また、第2ミラーM2は、波長結合ビーム40の一部を透過する部分反射型のミラーである。第2ミラーM2を透過した波長結合ビーム40がレーザ装置100から取り出されて利用される。 At least a portion of the second mirror M2 is a plane mirror 70. The plane mirror 70 is configured to reflect the wavelength-combined beam 40 emitted from the diffraction grating G in a second direction 52 opposite to the first direction 50, returning the beam to the diffraction grating G. The second mirror M2 is also a partially reflective mirror that transmits a portion of the wavelength-combined beam 40. The wavelength-combined beam 40 that has transmitted through the second mirror M2 is extracted from the laser device 100 and used.

各レーザ発振領域10Xは、第2ミラーM2で反射された波長結合ビーム40が回折格子Gによって回折されて形成され複数の光線(回折ビーム)に含まれる所定波長の光線の入射を受ける。複数のレーザ発振領域10Xのそれぞれは、入射した光線のピーク波長で発振する。 Each laser oscillation region 10X receives a light beam of a predetermined wavelength contained in multiple light beams (diffracted beams) formed when the wavelength-combined beam 40 reflected by the second mirror M2 is diffracted by the diffraction grating G. Each of the multiple laser oscillation regions 10X oscillates at the peak wavelength of the incident light beam.

なお、上記の実施形態において、回折格子Gは、透過型の回折格子であるが、回折格子Gは反射型の回折格子であってもよい。図8は、図1に示すレーザ装置100において、回折格子Gを反射型の回折格子に置き換えた改変例を模式的に示す図である。 In the above embodiment, the diffraction grating G is a transmissive diffraction grating, but the diffraction grating G may also be a reflective diffraction grating. Figure 8 is a schematic diagram showing a modified example in which the diffraction grating G in the laser device 100 shown in Figure 1 is replaced with a reflective diffraction grating.

図示される例において、回折は、回折格子Gの光入射側表面で生じているように記載されている。しかし、回折は、回折格子Gにおける光入射側表面の反対側に位置する裏面で生じてもよいし、回折格子内部で生じてもよい。 In the illustrated example, diffraction is described as occurring on the light-incident surface of the diffraction grating G. However, diffraction may also occur on the back surface of the diffraction grating G, which is located opposite the light-incident surface, or may occur within the diffraction grating.

次に、図9から図11を参照して、本実施形態における半導体レーザ素子10が備える導波路部18の他の構成例を説明する。 Next, with reference to Figures 9 to 11, other configuration examples of the waveguide section 18 provided in the semiconductor laser element 10 of this embodiment will be described.

上述の図3の例では、平面視において、すべての導波路部18の第2部分18bはカーブしているが、導波路部18の構成は、この例に限定されない。ある導波路部18は、直線状に延びる第2部分18bを有していてもよい。例えば、図9に示される例では、奇数本の導波路部18のうち、中央に位置する導波路部18では、第1部分18aおよび第2部分18bの両方が直線状に延びている。このような構成によっても、各レーザ発振領域10Xから出射されたレーザ光Lの進行軸が互いに近づき、交差するようにできる。 In the example of Figure 3 described above, the second portions 18b of all waveguide portions 18 are curved in a planar view, but the configuration of the waveguide portions 18 is not limited to this example. Some waveguide portions 18 may have second portions 18b that extend linearly. For example, in the example shown in Figure 9, of the odd number of waveguide portions 18, the central waveguide portion 18 has both the first portion 18a and the second portion 18b that extend linearly. This configuration also allows the propagation axes of the laser light L emitted from each laser oscillation region 10X to approach each other and intersect.

直線状に延びる導波路部18の位置は、半導体レーザ素子10の中央に限定されない。図10の例において、図10中の下端に位置する導波路部18が直線状に延びている。なお、図3および図9の例では、平面視において、半導体レーザ素子10の中央を通ってZ軸方向に平行に延びる直線に関して、複数の導波路部18が対称に配置されている。しかし、図10に示されるように、複数の導波路部18が対称に配置されている必要はない。また、図11に示されるように、すべての導波路部18における第2部分18bが、Z軸方向に対してX軸の負側に傾斜していてもよい。これとは逆に、すべての導波路部18における第2部分18bが、Z軸方向に対してX軸の正側に傾斜していてもよい。なお、すべての導波路部18における第2部分18bがZ軸方向に対してX軸の負側に傾斜している第1の半導体レーザ素子10と、すべての導波路部18における第2部分18bがZ軸方向に対してX軸の負側に傾斜している第2の半導体レーザ素子10とを組み合わせて使用してもよい。 The position of the linearly extending waveguide portion 18 is not limited to the center of the semiconductor laser element 10. In the example of Figure 10, the waveguide portion 18 located at the bottom in Figure 10 extends linearly. Note that in the examples of Figures 3 and 9, in a plan view, multiple waveguide portions 18 are arranged symmetrically with respect to a line that passes through the center of the semiconductor laser element 10 and extends parallel to the Z-axis direction. However, as shown in Figure 10, multiple waveguide portions 18 do not need to be arranged symmetrically. Furthermore, as shown in Figure 11, the second portions 18b of all waveguide portions 18 may be inclined toward the negative side of the X-axis with respect to the Z-axis direction. Conversely, the second portions 18b of all waveguide portions 18 may be inclined toward the positive side of the X-axis with respect to the Z-axis direction. It is also possible to use a combination of a first semiconductor laser element 10 in which the second portions 18b of all waveguide portions 18 are inclined toward the negative X-axis with respect to the Z-axis direction, and a second semiconductor laser element 10 in which the second portions 18b of all waveguide portions 18 are inclined toward the negative X-axis with respect to the Z-axis direction.

上記の各実施形態におけるレーザ装置によれば、複数のレーザ発振領域を有する半導体レーザ素子の導波路が、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸を互いに近づき、交差するようにレーザ光を伝搬させる。レーザ光の進行軸が交差する位置に回折格子を配置するため、1個の回折格子によって波長結合ビームを形成することができ、集光レンズなどを用いなくてもよく、部品点数を減らしつつ、収差の発生を抑制することができる。部品点数の減少は、光学ロスによるパワー低下を抑制することを可能にする。また、リッジの中心間距離をレーザ光の出射点間隔よりも広くできるため、発熱するレーザ発振領域を疎に配列して放熱性能の改善を可能にする。更に、互いに波長が異なるレーザビームが同軸上に重畳した波長結合ビームが得られるため、単一波長のレーザビームでは達成できないような高い光強度を実現することが可能になる。 In the laser device according to each of the above embodiments, the waveguide of a semiconductor laser element having multiple laser oscillation regions propagates the laser light emitted from each laser oscillation region so that the propagation axes of the laser light approach each other and intersect. Because a diffraction grating is placed at the position where the propagation axes of the laser light intersect, a wavelength-combined beam can be formed using a single diffraction grating, eliminating the need for a focusing lens or the like, and reducing the number of parts while suppressing the occurrence of aberrations. Reducing the number of parts also makes it possible to suppress power reduction due to optical loss. Furthermore, because the center-to-center distance of the ridges can be made wider than the distance between the laser light emission points, the heat-generating laser oscillation regions can be sparsely arranged, enabling improved heat dissipation performance. Furthermore, because a wavelength-combined beam is obtained in which laser beams with different wavelengths are superimposed on the same axis, it is possible to achieve a high optical intensity that cannot be achieved with a single-wavelength laser beam.

本開示のレーザ装置は、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。 The laser device disclosed herein can be used in industrial fields requiring high-power laser light sources, such as cutting various materials, drilling holes, localized heat treatment, surface treatment, metal welding, and 3D printing.

本開示のレーザ装置は、ファイバレーザ装置の励起光源、あるいは、材料を直接に照射して加工するダイレクトダイオードレーザ装置のレーザ光源として利用され得る。 The laser device disclosed herein can be used as an excitation light source for a fiber laser device, or as a laser light source for a direct diode laser device that processes materials by directly irradiating them.

10・・・半導体レーザ素子、10F・・・半導体レーザ素子の光出射面、10R・・・半導体レーザ素子の光反射面、10X・・・レーザ発振領域、12・・・コリメートビーム、20・・・コリメータ、40・・・波長結合ビーム、50・・・第1方向、52・・・第2方向、70・・・平面ミラー、100・・・レーザ装置、G・・・回折格子、M1・・・第1ミラー、M2・・・第2ミラー 10: Semiconductor laser element, 10F: Light emission surface of semiconductor laser element, 10R: Light reflection surface of semiconductor laser element, 10X: Laser oscillation region, 12: Collimated beam, 20: Collimator, 40: Wavelength combined beam, 50: First direction, 52: Second direction, 70: Plane mirror, 100: Laser device, G: Diffraction grating, M1: First mirror, M2: Second mirror

Claims (8)

共振器を形成する第1ミラーおよび第2ミラーと、
前記第1ミラーと前記第2ミラーとの間に配置され、動作時に互いに異なる波長でレーザ発振する複数のレーザ発振領域を含む半導体レーザ素子であって、前記複数のレーザ発振領域は、各レーザ発振領域から出射されたレーザ光の進行軸が互いに近づくように前記レーザ光を伝搬させる導波路部を有している、半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子と前記第2ミラーとの間に配置され、前記複数のレーザ発振領域から出射されたレーザ光を複数のコリメートビームに変換するコリメータと、
前記コリメータと前記第2ミラーとの間において前記複数のコリメートビームが交差する位置に配置された回折格子であって、前記複数のコリメートビームを波長に応じて異なる角度で回折して波長結合ビームを形成し、前記波長結合ビームを第1方向に出射する、回折格子と、
を備え、
前記第2ミラーの少なくとも一部は、平面ミラーであり、前記回折格子から出射された前記波長結合ビームを前記第1方向とは反対の第2方向に反射して前記回折格子に戻
前記半導体レーザ素子は、
前記複数のレーザ発振領域と、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれの一端が並んだ光出射面と、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれの他端が並んだ光反射面と、
前記導波路部を規定する複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極と、
を有しており、
前記複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極は、平面視において、前記光出射面に対して異なる角度を形成する部分を有しており、かつ、
前記複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極は、前記半導体レーザ素子の中央を通って前記光出射面に対して直交する方向に延びる直線に関して、非対称に配置されている、レーザ装置。
a first mirror and a second mirror forming a resonator;
a semiconductor laser element disposed between the first mirror and the second mirror, the semiconductor laser element including a plurality of laser oscillation regions that oscillate at different wavelengths during operation, the plurality of laser oscillation regions having waveguide portions that propagate the laser light so that the axes of travel of the laser light emitted from the respective laser oscillation regions approach each other;
a collimator disposed between the semiconductor laser element and the second mirror, the collimator converting the laser beams emitted from the plurality of laser oscillation regions into a plurality of collimated beams;
a diffraction grating disposed at a position where the plurality of collimated beams intersect between the collimator and the second mirror, the diffraction grating diffracting the plurality of collimated beams at different angles depending on their wavelengths to form a wavelength-combined beam, and emitting the wavelength-combined beam in a first direction;
Equipped with
At least a portion of the second mirror is a flat mirror, and reflects the wavelength-combined beam output from the diffraction grating in a second direction opposite to the first direction, and returns the beam to the diffraction grating;
The semiconductor laser element is
the plurality of laser oscillation regions;
a light emitting surface on which one ends of the plurality of laser oscillation regions are aligned;
a light reflecting surface on which the other ends of the plurality of laser oscillation regions are aligned;
a plurality of ridge and/or stripe electrodes defining the waveguide portion;
It has
the plurality of ridge and/or stripe electrodes have portions that form different angles with respect to the light emitting surface in a plan view, and
A laser device, wherein the plurality of ridge and/or stripe electrodes are arranged asymmetrically with respect to a line that passes through the center of the semiconductor laser element and extends in a direction perpendicular to the light emitting surface.
前記光出射面に対して異なる角度を形成する部分は、前記平面視において、前記光出射面の両端のうちの一方の側に傾斜している、請求項1に記載のレーザ装置。The laser device according to claim 1 , wherein the portion forming a different angle with respect to the light emitting surface is inclined toward one of both ends of the light emitting surface in the plan view. 前記複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極のひとつは、直線状に延びる導波路部を規定しており、one of the plurality of ridge and/or plurality of stripe electrodes defines a waveguide portion extending linearly;
前記平面視において、前記直線状に延びる導波路部の位置は、前記半導体レーザ素子の中央を通って前記光出射面に対して直交する方向に延びる直線から、前記光出射面の両端のうちの一方の側にシフトしている、請求項1に記載のレーザ装置。2. The laser device according to claim 1, wherein, in the planar view, a position of the linearly extending waveguide portion is shifted from a straight line that passes through a center of the semiconductor laser element and extends in a direction perpendicular to the light emitting surface to one of both ends of the light emitting surface.
前記平面視において、前記直線状に延びる導波路部の位置は、前記複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極のうち、前記光出射面の両端のうちの一方に最も近いリッジまたはストライプ電極によって規定される、請求項3に記載のレーザ装置。4. The laser device according to claim 3, wherein, in the planar view, the position of the linearly extending waveguide portion is determined by a ridge or stripe electrode, among the plurality of ridge and/or stripe electrodes, that is closest to one of both ends of the light emitting surface. 前記半導体レーザ素子は、前記複数のレーザ発振領域を有するレーザバーであり
記光反射面には、前記第1ミラーを形成する反射膜が設けられており、前記光出射面には反射防止膜が設けられている、請求項1から4のいずれか1項に記載のレーザ装置。
the semiconductor laser element is a laser bar having the plurality of laser oscillation regions ,
The laser device according to claim 1 , wherein the light reflecting surface is provided with a reflective film that forms the first mirror, and the light emitting surface is provided with an anti-reflection film.
前記複数のリッジおよび/または複数のストライプ電極は、前記平面視において、前記光出射面に対して直交する方向に延びる部分を有している、請求項に記載のレーザ装置。 The laser device according to claim 1 , wherein the plurality of ridge and/or stripe electrodes have portions that extend in a direction perpendicular to the light emitting surface in the plan view. 前記複数のレーザ発振領域のそれぞれは、前記第2ミラーによって反射された前記波長結合ビームが前記回折格子によって回折されて形成する複数の光線に含まれる所定波長の光線の入射を受け、
前記複数のレーザ発振領域のそれぞれは、入射した前記光線のピーク波長で発振する、請求項1からのいずれか1項に記載のレーザ装置。
each of the plurality of laser oscillation regions receives a light beam of a predetermined wavelength included in a plurality of light beams formed by the wavelength-combined beam reflected by the second mirror being diffracted by the diffraction grating;
The laser device according to claim 1 , wherein each of the plurality of laser oscillation regions oscillates at a peak wavelength of the incident light beam.
前記コリメータは、それぞれが対応する前記レーザ光の前記進行軸に平行な光軸を有する複数のコリメートレンズを有している、請求項1からのいずれか1項に記載のレーザ装置。 8. The laser device according to claim 1 , wherein the collimator includes a plurality of collimating lenses each having an optical axis parallel to the propagation axis of the corresponding laser beam.
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