特許第6521098号(P6521098)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6521098
(24)【登録日】2019年5月10日
(45)【発行日】2019年5月29日
(54)【発明の名称】合波レーザ光源
(51)【国際特許分類】
   G02B 6/42 20060101AFI20190520BHJP
【FI】
   G02B6/42
【請求項の数】6
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2017-559998(P2017-559998)
(86)(22)【出願日】2016年1月8日
(86)【国際出願番号】JP2016050428
(87)【国際公開番号】WO2017119111
(87)【国際公開日】20170713
【審査請求日】2018年7月3日
(73)【特許権者】
【識別番号】000001993
【氏名又は名称】株式会社島津製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(72)【発明者】
【氏名】齊川 次郎
(72)【発明者】
【氏名】坂本 隼規
【審査官】 吉田 英一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2015−072956(JP,A)
【文献】 特開平11−177181(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2009/0323752(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B 6/42
H01S 5/022
H01S 5/40
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
X方向に配列された複数のレーザ光源と前記X方向と直交するY方向に配列された複数のレーザ光源とが二次元状に配列され二次元レーザ光源と、
前記二次元レーザ光源に対応して配置され、前記X方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をX方向に偏向させるX方向ステアリング光学素子及び前記Y方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をY方向に偏向させるY方向ステアリング光学素子を有する二次元偏向光学素子と、
前記二次元偏向光学素子からのレーザ光を集光させて光ファイバに結合させる結合レンズと、
を備え、
各方向の前記複数のレーザ光源間の中央位置が前記結合レンズの略中心位置に来るように前記複数のレーザ光源が配置され、各方向ステアリング光学素子は、前記中央位置と配置された前記レーザ光源との距離に応じた長さを有し、前記レーザ光源からの光を前記結合レンズの中心付近に導く合波レーザ光源。
【請求項2】
前記二次元レーザ光源は、コリメートレンズを有し、前記レーザ光源と前記コリメートレンズを一体化し一体化された前記レーザ光源が二次元状に配列されてなる請求項1記載の合波レーザ光源。
【請求項3】
前記二次元レーザ光源は、X方向又はY方向に複数に分割されてなる請求項2記載の合波レーザ光源。
【請求項4】
前記二次元偏向光学素子は、ロンボイドプリズムからなる請求項1乃至3のいずれか1項記載の合波レーザ光源。
【請求項5】
前記二次元偏向光学素子は、45度プリズム対からなる請求項1乃至3のいずれか1項記載の合波レーザ光源。
【請求項6】
前記二次元偏向光学素子は、45度プリズムミラーからなる請求項1乃至3のいずれか1項記載の合波レーザ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、互いに独立した複数の光源からのレーザ光を合波して高輝度化を図る合波レーザ光源に関する。また、本発明は、上述の合波レーザ光源を光源とする露光用装置、加工機、照明機器、医療用機器に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、レーザの高出力化を図る方法として、複数の光源からの複数のレーザ光を一本の光ファイバ等に合波させる方法や複数の光源が結合されたファイバをバンドルして一本のファイバへ結合させる方法が知られている(特許文献1)。
【0003】
また、高輝度化を図るために気密にパッケージングされた複数の半導体レーザの複数のビームのうち、集光光学系の光軸とは異なる方向に出射されたビームを光軸の方向に偏向して集光光学系に入射させて、集光光学系により集光されたビームをファイバに入射させて合波する方法が知られている(特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2002−202442号公報
【特許文献2】特開2007−17925号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献2では、パッケージングされた複数の半導体レーザの各々は配置される位置が異なり、複数の半導体レーザの各々は、三次元上に配置されていた。このため、複数の半導体レーザの光軸を三次元上で調整して配置するため、調整に時間がかかり、調整コストが増加してしまう。
【0006】
また、半導体レーザが熱を発生するためにヒートシンクにより半導体レーザを放熱させる必要がある。しかし、半導体レーザの数が増加した場合には、より多くの放熱を行う必要があるため、ヒートシンク構造が複雑化してしまう。
【0007】
本発明の課題は、レーザ光源の光軸を容易に調整でき、調整コストを低減することができる合波レーザ光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記の課題を解決するために、本発明に係る合波レーザ光源は、X方向に配列された複数のレーザ光源と前記X方向と直交するY方向に配列された複数のレーザ光源とが二次元状に配列され二次元レーザ光源と、前記二次元レーザ光源に対応して配置され、前記X方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をX方向に偏向させるX方向ステアリング光学素子及び前記Y方向に配列された複数のレーザ光源の各レーザ光軸をY方向に偏向させるY方向ステアリング光学素子を有する二次元偏向光学素子と、前記二次元偏向光学素子からのレーザ光を集光させて光ファイバに結合させる結合レンズとを備え、各方向の前記複数のレーザ光源間の中央位置が前記結合レンズの略中心位置に来るように前記複数のレーザ光源が配置され、各方向ステアリング光学素子は、前記中央位置と配置された前記レーザ光源との距離に応じた長さを有し、前記レーザ光源からの光を前記結合レンズの中心付近に導く。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、二次元平面に配置されたレーザ光源は、光軸調整を同一平面内に限定できるため、二次元レーザ光源の光軸を容易に調整できる。これにより、調整の自動化等により調整コストを低減することができる。また、二次元偏向光学素子によりX方向及びY方向に二次元レーザ光源の各レーザ光軸を偏向させ、二次元偏向光学素子からのレーザ光を結合レンズで集光させて光ファイバに結合させる。従って、光束の高密度化を図ることができ高出力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1図1は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。
図2図2は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のCANタイプ半導体レーザを用いた二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。
図3図3は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のCANタイプ半導体レーザを用いX方向に分割された二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。
図4図4は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のCANタイプ半導体レーザを用いY方向に分割された二次元レーザマウント部の詳細な構造図である。
図5図5は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。
図6図6は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のY方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。
図7図7は本発明の第2の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。
図8図8は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の変形例を示す構成図である。
図9図9は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の他の変形例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態に係る合波レーザ光源を図面を参照しながら詳細に説明する。
【0012】
(第1の実施形態)
図1は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。図1に示す合波レーザ光源は、二次元レーザマウント部1、ヒートシンク2、X方向ステアリング光学素子3、Y方向ステアリング光学素子4、集光レンズ5、光ファイバ6を有している。
【0013】
なお、Y方向ステアリング光学素子4と集光レンズ5との間に、テレスコープ等の光学素子を設けてもよい。これにより、ビームサイズ等の特性を変えることができる。
【0014】
二次元レーザマウント部1は、本発明の二次元レーザ光源に対応し、平板状をなしており、図2に示すように、複数の半導体レーザ10x1〜10xmと複数の半導体レーザ10x1〜10xmに対向して配置された複数のレンズ11とをX方向及びY方向に、即ち二次元状に配列して構成されている。X方向(水平方向)には複数の半導体レーザ10x1〜10xm(この例はm=5)が所定間隔毎に配置され、Y方向(垂直方向)には複数の半導体レーザ10y1〜10yn(この例はn=3)が所定間隔毎に配置されている。
【0015】
気密にパッケージングされた各々の半導体レーザ10x1〜10xm,10y1〜10ynは、レーザダイオードからなり、電流駆動によって注入された電子およびホールからなるキャリア注入によって励起され、注入された電子およびホールのキャリア対消滅の際に発生する誘導放出によって発生されたレーザ光を出力する。これらの半導体レーザとしては、CANタイプ半導体レーザが用いられている。なお、半導体レーザとしては、CANタイプ半導体レーザに限定されない。
【0016】
複数の半導体レーザ10x1〜10xm,10y1〜10ynについて、半導体レーザとこの半導体レーザに対応するコリメートレンズ11とは一体化されて、光軸調整が可能なホルダ等で固定されている。エッジエミッタ型の半導体レーザではアナモルプリズムやシリンドリカルレンズ対を加えビーム整形してもよい。
【0017】
また、二次元レーザマウント部1の表面には、各々のコリメートレンズ11に対向する位置に、貫通穴13が設けられており、各々の貫通穴13は、コリメートレンズ11を介する各々の半導体レーザ10x1〜10xmからのレーザ光をX方向ステアリング光学素子3に出力し、半導体レーザ10y1〜10ynからのレーザ光をY方向ステアリング光学素子4に出力する。
【0018】
ヒートシンク2は、平板状をなしており、二次元レーザマウント部1に接触又は接近して配置され、二次元レーザマウント部1で発生した熱を放熱する放熱板からなる。ヒートシンク2としては、伝熱特性の良いアルミニウム、鉄、銅、黄銅等の金属材料が用いられる。
【0019】
また、二次元レーザマウント部1を、図3に示すように、X方向に複数に分割して構成された分割マウント部20A〜20Eを用いても良い。あるいは、二次元レーザマウント部1を、図4に示すように、Y方向に複数に分割して構成された分割マウント部21A〜21Cを用いても良い。
【0020】
この場合には、分割マウンド部20A〜20E,21A〜21C内の半導体レーザ10が故障した場合には、その故障した半導体レーザ10を有する分割マウント部のみを交換すればよい。また、半導体レーザ10を増加又は減少させる場合には、該当する分割マウント部のみを交換すればよい。
【0021】
X方向ステアリング光学素子3及び方向ステアリング光学素子4は、本発明の二次元偏向光学素子に対応し、ガラス、水晶等の透明な媒質からなるロンボイドプリズム群からなり、レーザビームの進行方向を変えるものであり、より具体的には、X方向及びY方向に二次元レーザマウント部1の各レーザ光軸を偏向させる。
【0022】
図5は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。図5に示すように、複数の半導体レーザ10x1〜10x5(この例では、5個としたが、これに限定されない。)に対向して複数のビーム整形光学素子11x1〜11x5,12x1〜12x5、ロンボイドプリズム群からなる複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4が配置されている。
【0023】
なお、半導体レーザ10x3のレーザ光の光軸は、ステアリング光学素子3a,4aを通過した光束の光軸方向に一致し、ロンボイドプリズムを通すことなく、半導体レーザ10x3のレーザ光は、直接、コリメートレンズ14a,14bを介して結合レンズ5に導かれる。
【0024】
複数のビーム整形光学素子11x1〜11x5,12x1〜12x5は、複数の半導体レーザ10x1〜10x5からのレーザ光を整形して、整形されたレーザ光を複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4に導く。
【0025】
複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4は、菱形の直方体からなり、複数の半導体レーザ10x1〜10x5からのレーザ光をクランク状に偏向させてコリメートレンズ14a,14bに導く。
【0026】
半導体レーザ10x1,10x5に対応して配置されたロンボイドプリズム30x1,30x4が最も長く、半導体レーザ10x2,10x4に対応して配置されたロンボイドプリズム30x2,30x3がその次に長い。
【0027】
上記構成により、複数の半導体レーザ10x1〜10x5からのレーザ光を複数のビーム整形光学素子11x1〜11x5,12x1〜12x5と複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4を通して、コリメートレンズ14a,14b及び結合レンズ5に導くことができる。
【0028】
結合レンズ5は、集光レンズの役目をなし、コリメートレンズ14a,14bを介する複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4からのレーザ光を集光して光ファイバ6に結合させる。
【0029】
なお、複数のビーム整形光学素子11x1〜11x5,12x1〜12x5の代わりに、シリンドリカルレンズ系を用いても良い。
【0030】
また、複数の半導体レーザ10x1〜10x5からのレーザ光をビーム整形しないで、複数のロンボイドプリズム30x1〜30x4に直接導くことができる場合には、複数のビーム整形光学素子11x1〜11x5,12x1〜12x5を設けなくても良い。
【0031】
図6は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のY方向ステアリング光学素子の詳細な構成図である。図6に示すように、Y方向の複数の半導体レーザ10y1〜10y5(この例では、5個としたが、これに限定されない。)に対向してコリメートレンズ15a,15b、ロンボイドプリズム群からなる複数のロンボイドプリズム40y1〜40y5が配置されている。
【0032】
コリメートレンズ15a,15bは、複数の半導体レーザ10y1〜10y5からのレーザビームをコリメートして、複数のロンボイドプリズム40y1,40y2,40y4,40y5に導く。なお、半導体レーザ10y3のレーザ光の光軸は、光ファイバ6の光軸に一致し、ロンボイドプリズムを通すことなく、半導体レーザ10y3のレーザ光は、直接、結合レンズ5に導かれる。
【0033】
複数のロンボイドプリズム40y1,40y2,40y4,40y5は、菱形の直方体からなり、複数の半導体レーザ10y1〜10y5からのレーザ光をクランク状に偏向させてコリメートレンズ15a,15bに導く。
【0034】
半導体レーザ10y1,10y5に対応して配置されたロンボイドプリズム40y1,40y5が長く、半導体レーザ10y2,10y4に対応して配置されたロンボイドプリズム40y2,40y4が短い。
【0035】
上記構成により、複数の半導体レーザ10y1〜10y5からのレーザ光をコリメートレンズ15a,15bと複数のロンボイドプリズム40y1,40y2,40y4,40y5を通して、結合レンズ5に導くことができる。
【0036】
このように構成された第1の実施形態の合波レーザ光源によれば、二次元平面に配置された二次元レーザマウント部1は、二次元レーザマウント部1の光軸調整を同一平面内に限定することができるため、二次元レーザマウント部1の光軸を容易に調整できる。これにより、調整コストを低減することができる。
【0037】
また、X方向ステアリング光学素子3及びY方向ステアリング光学素子4によりX方向及びY方向に二次元レーザマウント部1の各レーザ光軸を偏向させるので、X方向ステアリング光学素子3及びY方向ステアリング光学素子4からのレーザ光を結合レンズ5で集光させて光ファイバ6に結合させる。従って、光束の高密度化を図ることができる。
【0038】
また、半導体レーザ10とコリメートレンズ11とを一体化し、一体化された半導体レーザ10とコリメートレンズ11とを同一平面内で左右方向に移動して、半導体レーザ10からのレーザ光が貫通穴13に導かれるように半導体レーザ10とコリメートレンズ11との位置を調整することができる。
【0039】
また、従来の特許文献2に記載された図10(A)に示す構成では、半導体レーザLD1と半導体レーザLD7との光路差が大きいため、ビームが拡がってしまう。
【0040】
これに対して、本発明では、図5に示すように、半導体レーザ10x1〜10x2と、半導体レーザ10x4〜10x5とは、対称となっている。このため、半導体レーザ10x1と半導体レーザ10x2との光路差は小さくなる。このため、ビームの拡がりが小さくなる。半導体レーザ間のビーム形状の差が小さくなる。
【0041】
(第2の実施形態)
図7は本発明の第2の実施形態に係る合波レーザ光源の構成を示す図である。図7(a)は合波レーザ光源の上面図、図7(b)はレーザモジュール1a,1bを含むレーザ光源の断面図、図7(c)はミラー8と偏光合波素子9aの断面図である。
【0042】
図7(a)に示すように、例えば、X方向(水平方向)に2個でY方向(垂直方向)に2個配置された4個のレーザモジュール1a〜1d(二次元レーザマウント部に対応)が取り付けられている。レーザモジュール1a〜1dの各々には、例えば、X方向に3個でY方向に5個配置された15個の半導体レーザ10が実装されている。
【0043】
合波レーザ光源には、図7(b)に示すように、レーザモジュール1aとX方向ステアリング光学素子3aとY方向ステアリング光学素子4aとプリズム7aとからなる第1レーザ光源と、レーザモジュール1bとX方向ステアリング光学素子3bとY方向ステアリング光学素子4bとプリズム7bとからなる第2レーザ光源とが設けられている。第1レーザ光源と、第2レーザ光源との間には、ミラー8が設けられている。
【0044】
レーザモジュール1a内の半導体レーザ10からのレーザ光は、X方向ステアリング光学素子3aとY方向ステアリング光学素子4aとでX方向及びY方向に偏向されて、プリズム7aに導かれる。プリズム7aは、偏光されたレーザモジュール1aからのレーザ光を180度偏向させてミラー8に導く。
【0045】
一方、レーザモジュール1b内の半導体レーザ10からのレーザ光は、X方向ステアリング光学素子3bとY方向ステアリング光学素子4bとでX方向及びY方向に偏向されて、プリズム7bに導かれる。プリズム7bは、偏光されたレーザモジュール1bからのレーザ光を180度偏向させてミラー8に導く。
【0046】
ミラー8は、図7(c)に示すように、プリズム7aからのレーザ光とプリズム7bからのレーザ光を反射させて偏光合波素子9aに導く。
【0047】
また、レーザモジュール1c,1dについても、図7(b)に示す構成と同様に、レーザモジュール1cとX方向ステアリング光学素子3cとY方向ステアリング光学素子4cとプリズム7cとからなる第3レーザ光源と、レーザモジュール1dとX方向ステアリング光学素子3dとY方向ステアリング光学素子4dとプリズム7dとからなる第4レーザ光源とが設けられている。第3レーザ光源と、第4レーザ光源との間には、偏光合成波素子9aが設けられている。
【0048】
レーザモジュール1c内の半導体レーザ10からのレーザ光は、X方向ステアリング光学素子3cとY方向ステアリング光学素子4cとでX方向及びY方向に偏向されて、プリズム7cに導かれる。プリズム7cは、偏光されたレーザモジュール1cからのレーザ光を180度偏向させて波長板9bを介して偏光合波素子9aに導く。
【0049】
一方、レーザモジュール1d内の半導体レーザ10からのレーザ光は、X方向ステアリング光学素子3dとY方向ステアリング光学素子4dとでX方向及びY方向に偏向されて、プリズム7dに導かれる。プリズム7dは、偏光されたレーザモジュール1dからのレーザ光を180度偏向させて波長板9bを介して偏光合波素子9aに導く。
【0050】
偏光合波素子9aは、ミラー8からのレーザ光と波長板9bからのレーザ光とを合波してレンズ5aを介してファイバ6に導く。
【0051】
以上のように構成された第2の実施形態に係る合波レーザ光源によれば、レーザモジュール1a〜1dからのレーザ光は、X方向ステアリング光学素子3a〜3dとY方向ステアリング光学素子4a〜4dとにより偏向され、プリズム7a〜7dの偏向により180度反転され、レーザ光は、集光レンズ5aにより集光されて光ファイバ6に結合される。即ち、レーザの光軸に対して、プリズム7a,7bを通過した光束の光軸方向は、180度反転される。
【0052】
また、レーザモジュール1a,1bからのレーザ光とレーザモジュール1c,1dからのレーザ光とを合波するので、高出力のレーザが得られる。特に、全てのレーザモジュール1a〜dの波長を同一にすることで2次元配置を維持しながら高出力のレーザが得られる。
【0053】
また、レーザモジュール1a〜1dの各々は、互いに異なる波長に設定することができる。これにより、マルチカラーレーザを実現することができる。
【0054】
また、半導体レーザ10に異常があった場合にも、異常の半導体レーザ10を有するレーザモジュールのみを交換するのみで済む。
【0055】
図8は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の変形例を示す構成図である。図8に示すX方向ステアリング光学素子の変形例は、図5に示すX方向ステアリング光学素子であるロンボイドプリズム30x1〜30x5に代えて、45度プリズム対31,32を用いたことを特徴とする。
【0056】
45度プリズム対31,32の各々は、45度の三角形状のプリズムからなり、互いに対向して配置され、一方の45度プリズムから他方の45度プリズムにレーザ光が伝送してレーザ光をクランク状に偏向させる。
【0057】
このような45度プリズム対31,32を用いてもロンボイドプリズム30x1〜30x5と同様な効果が得られるとともに、45度プリズム対31,32は小さいので、より安価となる。
【0058】
図9は本発明の第1の実施形態に係る合波レーザ光源のX方向ステアリング光学素子の他の変形例を示す構成図である。図9に示すX方向ステアリング光学素子の他の変形例は、図5に示すX方向ステアリング光学素子であるロンボイドプリズム30x1〜30x5に代えて、45度プリズムミラー33,34を用いたことを特徴とする。
【0059】
45度プリズムミラー33,34の各々は、45度の三角形状のミラーからなり、互いに対向して配置され、一方の45度プリズムミラーから他方の45度プリズムミラーにレーザ光が伝送してレーザ光をクランク状に偏向させる。
【0060】
45度プリズムミラー33,34を用いてもロンボイドプリズム30x1〜30x5と同様な効果が得られるとともに、45度プリズムミラー33,34は、小さいので、より安価となる。
【産業上の利用可能性】
【0061】
本発明は、レーザ加工装置、レーザ照明装置等の高出力合波レーザ光源に適用可能である。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9