特開 2023-88438 波長ビーム結合装置、ダイレクトダイオードレーザ装置、およびレーザ加工機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023088438

(43)【公開日】2023-06-27

(54)【発明の名称】波長ビーム結合装置、ダイレクトダイオードレーザ装置、およびレーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/02255 20210101AFI20230620BHJP

   H01S 5/02251 20210101ALI20230620BHJP

【ＦＩ】

H01S5/02255

H01S5/02251

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021203147

(22)【出願日】2021-12-15

(71)【出願人】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(74)【代理人】

【識別番号】100184985

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 悠

(74)【代理人】

【識別番号】100202197

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 成康

(74)【代理人】

【識別番号】100218981

【弁理士】

【氏名又は名称】武田 寛之

(72)【発明者】

【氏名】出島 範宏

(72)【発明者】

【氏名】大森 雅樹

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173MA08

5F173MC15

5F173MD64

5F173ME23

5F173ME32

5F173ME44

5F173MF03

5F173MF13

5F173MF27

5F173MF28

5F173MF34

(57)【要約】

【課題】波長ビーム結合によって結合されたレーザビームの出力およびパワー密度を更に高める。
【解決手段】波長ビーム結合装置は、複数のレーザビームを第１偏光方向に直線偏光した複数の第１偏光ビームと第２偏光方向に直線偏光した複数の第２偏光ビームとに分離する偏光ビームスプリッタと、第２偏光ビームを第１偏光方向に直線偏光した複数の第３偏光ビームに変換する第１偏光変換素子と、複数の第１偏光ビームを回折して同軸に重畳した第１波長結合ビームを形成し、複数の第３偏光ビームを回折して同軸に重畳した第２波長結合ビームを形成する回折格子と、第１波長結合ビームおよび第２波長結合ビームを同軸に重畳した第３波長結合ビームを形成して出射する偏光ビーム結合器と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１を結合する波長ビーム結合装置であって、
前記複数のレーザビームを、それぞれ、第１偏光方向に直線偏光した複数の第１偏光ビームと、前記第１偏光方向に直交する第２偏光方向に直線偏光した複数の第２偏光ビームとに分離する偏光ビームスプリッタと、
前記複数の第２偏光ビームを、前記第１偏光方向に直線偏光した複数の第３偏光ビームに変換する第１偏光変換素子と、
前記複数の第１偏光ビームを回折して前記複数の第１偏光ビームを同軸に重畳した第１波長結合ビームを形成し、前記複数の第３偏光ビームを回折して前記複数の第３偏光ビームを同軸に重畳した第２波長結合ビームを形成する、１または複数の回折格子と、
前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームの少なくとも一方の偏光状態を変化させて、前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームの偏光方向を直交させる第２偏光変換素子と、
前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームを同軸に重畳した第３波長結合ビームを形成して出射する偏光ビーム結合器と、
を備える、波長ビーム結合装置。

【請求項2】

前記１または複数の回折格子は、前記第１偏光方向に平行な回折溝を有する、請求項１に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項3】

前記ピーク波長は、４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲に含まれる、請求項１または２に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項4】

前記複数のレーザビームの本数は、１０以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項5】

前記偏光ビームスプリッタは、前記複数のレーザビームが互いに平行に入射したとき、前記複数の第１偏光ビームを第１進行方向に反射し、かつ、前記複数の第２偏光ビームを透過するように構成されており、
前記偏光ビームスプリッタを透過した前記複数の第２偏光ビームを前記第１進行方向に反射するミラーを更に備え、
前記第１偏光変換素子は、前記ミラーによって反射された前記複数の第２偏光ビームを前記複数の第３偏光ビームに変換して前記第１進行方向に出射する、請求項１から４のいずれか１項に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項6】

前記複数の回折格子は、
前記偏光ビームスプリッタによって前記第１進行方向に反射された前記複数の第１偏光ビーム、および、前記第１偏光変換素子から前記第１進行方向に出射される前記複数の第３偏光ビームを受ける位置に配置された第１回折格子と、
前記第１回折格子に対して平行に配置された第２回折格子と、
を含み、
前記第２回折格子は、前記複数の第１偏光ビームの前記第１回折格子による反射回折光を受けて前記第１進行方向に前記第１波長結合ビームを出射する第１領域と、前記複数の第３偏光ビームの前記第１回折格子による反射回折光を受けて前記第１進行方向に前記第２波長結合ビームを出射する第２領域と、を含む、請求項５に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項7】

前記第１回折格子および前記第２回折格子のそれぞれは、透過型回折格子である、請求項６に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項8】

前記第２回折格子において、前記第１領域および前記第２領域は、隙間を置いて分離された２個の素子である、請求項６または７に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項9】

前記第１領域および前記第２領域のそれぞれにおける回折溝は、前記第１偏光方向に平行であり、
前記第１領域および前記第２領域のそれぞれにおける前記回折溝の格子ピッチは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、前記第１領域および前記第２領域のそれぞれにおける前記回折溝の本数は、２０００本以上５０００本以下である、請求項６から８のいずれか１項に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項10】

前記第１波長結合ビーム、前記第２波長結合ビーム、および前記第３波長結合ビームの少なくとも１つに対する絞りを更に備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の波長ビーム結合装置。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の波長ビーム結合装置と、
それぞれが互いに異なるピーク波長のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ装置と、
前記複数の半導体レーザ装置から出射された前記レーザ光から、前記波長ビーム結合装置の前記偏光ビームスプリッタに入射する前記複数のレーザビームを形成する光ファイバアレイ装置と、
を備える、ダイレクトダイオードレーザ装置。

【請求項12】

前記複数の半導体レーザ装置のそれぞれは、単一縦モードで発振するように構成されている、請求項１１に記載のダイレクトダイオードレーザ装置。

【請求項13】

前記互いに異なるピーク波長は、４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲に含まれる、請求項１１または１２に記載のダイレクトダイオードレーザ装置。

【請求項14】

前記光ファイバアレイ装置は、前記複数のレーザビームを互いに平行に出射するように構成されている、請求項１１から１３のいずれか１項に記載のダイレクトダイオードレーザ装置。

【請求項15】

請求項１１から１４のいずれかに記載の少なくとも１つのダイレクトダイオードレーザ装置と、
前記少なくとも１つのダイレクトダイオードレーザ装置から出射される前記第３波長結合ビームに結合される光伝送ファイバと、
前記光伝送ファイバに接続される加工ヘッドと、
を備える、レーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、波長ビーム結合装置、ダイレクトダイオードレーザ装置、およびレーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

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、エネルギー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ポンプ光源には、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をポンプ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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許６１９２０６２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

波長ビーム結合によって結合されたレーザビームの出力およびパワー密度を更に高めることが求められている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の波長ビーム結合装置は、ある実施形態において、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビームを結合する波長ビーム結合装置であって、前記複数のレーザビームを、それぞれ、第１偏光方向に直線偏光した複数の第１偏光ビームと、前記第１偏光方向に直交する第２偏光方向に直線偏光した複数の第２偏光ビームとに分離する偏光ビームスプリッタと、前記複数の第２偏光ビームを、前記第１偏光方向に直線偏光した複数の第３偏光ビームに変換する第１偏光変換素子と、前記複数の第１偏光ビームを回折して前記複数の第１偏光ビームを同軸に重畳した第１波長結合ビームを形成し、前記複数の第３偏光ビームを回折して前記複数の第３偏光ビームを同軸に重畳した第２波長結合ビームを形成する、１または複数の回折格子と、前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームの少なくとも一方の偏光状態を変化させて、前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームの偏光方向を直交させる第２偏光変換素子と、前記第１波長結合ビームおよび前記第２波長結合ビームを同軸に重畳した第３波長結合ビームを形成して出射する偏光ビーム結合器と、を備える。

【0007】

本開示のダイレクトダイオードレーザ装置は、ある実施形態において、上記の波長ビーム結合装置と、それぞれが互いに異なるピーク波長のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ装置と、前記複数の半導体レーザ装置から出射された前記レーザ光から、前記波長ビーム結合装置の前記偏光ビームスプリッタに入射する前記複数のレーザビームを形成する光ファイバアレイ装置と、を備える。

【0008】

本開示のレーザ加工機は、ある実施形態において、上記の少なくとも１つのダイレクトダイオードレーザ装置と、前記少なくとも１つのダイレクトダイオードレーザ装置から出射される前記第３波長結合ビームに結合される光伝送ファイバと、前記光伝送ファイバに接続される加工ヘッドと、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本開示の実施形態によれば、波長ビーム結合によって結合されたレーザビームの出力およびパワー密度を更に高めることが可能な波長ビーム結合装置、ダイレクトダイオードレーザ装置、およびレーザ加工機が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本開示による波長ビーム結合装置の第１実施形態の構成例を示す図である。

【図2】図２は、偏光ビームスプリッタの構成例と機能を模式的に示す斜視図である。

【図3A】図３Ａは、ピーク波長λｎの光線が回折格子に入射して回折され、回折光線を形成する様子を模式的に示す斜視図である。

【図3B】図３Ｂは、透過型の回折格子に光線が入射したときに形成される主要な回折光線を模式的に示す断面図である。

【図4A】図４Ａは、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビームが波長結合された第１波長結合ビームのスペクトルを模式的に示すグラフである。

【図4B】図４Ｂは、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビームが波長結合された第２波長結合ビームのスペクトルを模式的に示すグラフである。

【図5】図５は、結合するレーザビームの本数がＫ本の場合（Ｋは４以上の整数）における第３波長結合ビームのスペクトルを模式的に示すグラフである。

【図6】図６は、本開示による波長ビーム結合装置の第２実施形態の構成例を示す図である。

【図7】図７は、偏光ビームスプリッタの構成例を示す側面図である。

【図8】図８は、本開示による波長ビーム結合装置の第３実施形態の構成例を示す図である。

【図9】図９は、本開示によるダイレクトダイオードレーザ装置の実施形態の構成例を示す図である。

【図10】図１０は、本開示によるレーザ加工機の実施形態の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜波長ビーム結合装置の第１実施形態＞
図１を参照しながら、本開示による波長ビーム結合装置の第１実施形態を説明する。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軸が模式的に示されている。

【0012】

図１に示される本実施形態の波長ビーム結合装置１００は、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１０を結合することができる。図１では、簡単のため、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビーム１０を同軸に結合する装置の構成例が記載されている。結合するレーザビーム１０の本数は３本に限定されず、ピーク波長が互いに異なる２本または４本以上のレーザビーム１０を結合してもよい。以下、結合する複数のレーザビーム１０のピーク波長をλｎと表記する場合がある。ここで、「ｎ」は、１以上の整数であり、複数のレーザビーム１０のそれぞれを区別（特定）する数値として用いられる。図示される例では、λ１＜λ２＜λ３の関係が成立している。ピーク波長λｎの単位は、任意であるが、例えばナノメートル（ｎｍ）である。

【0013】

図１では、複数のレーザビーム１０を、それぞれ、単純な直線で示している。実際のレーザビーム１０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。光ビームの直径は、例えば、ビーム中心の強度に対して１／ｅ^２倍以上の強度を有する断面領域のサイズによって定義される。本開示において、レーザビーム１０は、コリメータレンズなどの光学系によってコリメートされている。図面では、レーザビーム１０などのコリメートされた光ビームの進行方向を模式的に示すため、それぞれの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。

【0014】

波長ビーム結合装置１００は、複数のレーザビーム１０が入射する偏光ビームスプリッタ２０を備える。偏光ビームスプリッタ２０は、入射したレーザビーム１０の偏光状態に応じて透過率および反射率が異なる反射／透過面２０Ｒを有している。光は電磁波であり、光の電磁場は進行方向に対して垂直な方向に振動する横波である。レーザビームの偏光状態は、レーザ光源の利得媒体、共振器、発振方式などに依存して異なり得る。また、レーザ光源から出射された段階では特定の偏光状態にあるレーザビームも、例えば光ファイバなどの伝送媒体を通過中に偏光状態が変動したり、偏光が解消（ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅ）したりする場合がある。偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒは、所定方向に直線偏光した偏光成分を選択的に反射し、当該所定方向に直交する方向に直線偏光した偏光成分を透過することができる。反射／透過面２０Ｒには、例えば偏光依存性を有する誘電体多層膜が設けられている。図１の例における偏光ビームスプリッタ２０は、Ｚ軸方向に進行するレーザビーム１０を、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第１偏光ビーム１１と、第１偏光方向に直交する第２偏光方向（Ｘ軸方向）に直線偏光した複数の第２偏光ビーム１２とに分離する。なお、複数のレーザビーム１０は、偏光ビームスプリッタ２０に入射するとき、互いに平行である必要はない。図１の例において、３本のレーザビーム１０の進行方向は、所定の角度を形成するように調整されている。この「所定の角度」の詳細については、後述する。

【0015】

一般に、物体表面に光線が入射するとき、入射点における物体表面の法線と光線の進行方向ベクトル（波数ベクトル）とを含む平面は、「入射面（ｐｌａｎｅ ｏｆ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）」と定義される。また、入射面に垂直な方向に直線偏光した光はＳ偏光、入射面に平行な方向に直線偏光した光はＰ偏光と呼ばれる。図１の例において、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒは、ＸＺ面に垂直であり、反射／透過面２０Ｒの法線はＸＺ面に平行な平面内にある。また、レーザビーム１０の進行方向は、ＸＺ面に平行である。このため、レーザビーム１０が反射／透過面２０Ｒに入射するときの「入射面」は、ＸＺ面に平行である。本開示において、ＸＺ面に垂直な方向である第１偏光方向に直線偏光した光を「Ｓ偏光」と称する。そして、ＸＺ面に平行な方向（第１偏光方向に直交する第２偏光方向）に直線偏光した光を「Ｐ偏光」と呼ぶ。添付図面においては、小さな円でクロス記号を囲んだ符号で「Ｓ偏光」を示し、両端矢印の符号で「Ｐ偏光」を示す。「Ｐ偏光」の偏光方向は、ＸＺ面に平行であるが、レーザビームの進行方向に対して垂直であるため、レーザビームの進行方向がＸＺ面に平行なまま、反射または回折によって回転すると、「Ｐ偏光」の偏光方向もＸＺ面に平行な面内で回転する。このため、本開示における「第２偏光方向」とは、レーザビームの進行方向に垂直、かつ、第１偏光方向に垂直な方向として定義される。

【0016】

図２は、偏光ビームスプリッタ２０の構成例と機能を模式的に示す斜視図である。図２の例において、Ｓ偏光およびＰ偏光を含むレーザビーム１０がＺ軸の正方向に進行して偏光ビームスプリッタ２０に入射する。Ｓ偏光およびＰ偏光を含むレーザビーム１０の偏光状態は、例えば、Ｓ偏光とＰ偏光とがランダムに混合した「無偏光」の状態にある。本開示において、「無偏光」とは、所定の方向に直線偏光していない光を意味する。したがって、このように広い意味での「無偏光」には、円偏光、楕円偏光も含まれ得る。また、偏光方向が時間または場所によってランダムまたは規則的に変化する直線偏光の混合状態も「無偏光」に含まれる。

【0017】

図２の例において、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒは、レーザビーム１０に含まれるＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。その結果、レーザビーム１０は、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１と、第２偏光方向（Ｘ軸方向）に直線偏光した第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２とに分離される。

【0018】

本開示において重要な点は、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒによって、偏光方向が互いに直交する反射光および透過光を分離すること（偏光分離）にある。もし、レーザビーム１０がＳ偏光のみから構成されているならば、レーザビーム１０から第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１は形成されるが、第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２は形成されない。逆に、レーザビーム１０がＰ偏光のみから構成されているならば、レーザビーム１０から第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１は形成されずに、第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２のみが形成される。

【0019】

偏光ビームスプリッタ２０に入射する複数のレーザビーム１０が「無偏光」であれば、レーザビーム１０は、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１と、第２偏光方向（Ｘ軸方向）に直線偏光した複数の第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２とに分離される。しかしながら、レーザビーム１０がＳ偏光およびＰ偏光の重ね合わせ状態にある直線偏光であっても、その偏光方向が図２のＸ軸およびＹ軸のいずれに対しても平行でなければ、そのようなレーザビーム１０から第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１および第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を形成することができる。また、偏光ビームスプリッタ２０に入射する複数のレーザビーム１０のそれぞれが、異なる方向に直線偏光している場合も、それら複数のレーザビーム１０は、全体として、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１と、第２偏光方向（Ｘ軸方向）に直線偏光した複数の第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２とに分離され得る。したがって、偏光ビームスプリッタ２０に入射する「複数」のレーザビーム１０の全てが図２のＸ軸およびＹ軸の一方の軸の方向に揃って直線偏光していなければ、偏光ビームスプリッタ２０による偏光分離が実現するため、複数のレーザビーム１０は全体として「無偏光」であると解釈される。

【0020】

なお、図２には、プリズム型の偏光ビームスプリッタ２０が示されているが、偏光ビームスプリッタ２０の種類は、この例に限定されず、キューブ型、プレート型、または他の型であってもよい。図２の例において、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒで反射された第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１は、白抜きの矢印で示される第１進行方向Ｆに進む。一方、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒを透過した第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２は、Ｚ軸の正方向に進む。しかし、これらの第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１および第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２のそれぞれの進行方向は、たとえばミラーなどの光学素子によって変化させることが可能である。

【0021】

再び図１を参照する。波長ビーム結合装置１００は、複数の第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第３偏光（Ｓ偏光）ビーム１３に変換する第１偏光変換素子３０を備える。第１偏光変換素子３０は、例えば１／２波長板（半波長位相差板）である。１／２波長板は、複屈折性を有し、厚さ方向に進行する電磁波の直交する２成分における位相差を変化させる。１／２波長板の遅相軸または進相軸を第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２の偏光方向に対して４５°の角度を形成するように配置することにより、１／２波長板はＰ偏光をＳ偏光に変換することが可能になる。

【0022】

こうして、本実施形態における波長ビーム結合装置１００は、例えば全体として無偏光である複数のレーザビーム１０から、特定の同一方向に直線偏光した複数の第１偏光ビーム１１および複数の第３偏光ビーム１３を形成することができる。この段階において、複数の第１偏光ビーム１１は、ピーク波長が異なり、かつ同軸に結合していない複数のレーザビームから構成されている。同様に、複数の第３偏光ビーム１３も、ピーク波長が異なり、同軸に結合してない複数のレーザビームから構成されている。

【0023】

なお、１／２波長板が形成する位相差は、入射光の波長に依存する。したがって、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビームが１／２波長板を透過すると、すべてのピーク波長で正確に１／２波長の位相差は形成されず、Ｐ偏光から変換されたＳ偏光には、Ｐ偏光の成分が残る。このため、第１偏光変換素子３０から出射される複数の第３偏光（Ｓ偏光）ビーム１３には、Ｐ偏光の成分が残り、厳密には楕円偏光が含まれ得る。しかしながら、複数のピーク波長λｎのすべてが、比較的狭い範囲、例えば１０ｎｍ以下の範囲に含まれていれば、１／２波長板による位相差の違い（波長分散）は十分に小さい。このため、本開示の実施形態では、第３偏光ビーム１３は主としてＳ偏光成分を含み、部分的にＰ偏光成分を含んでいてもよい。

【0024】

図１の波長ビーム結合装置１００は、これらの複数の第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１、および複数の第３偏光（Ｓ偏光）ビーム１３をそれぞれ同軸化するための２つの回折格子４０を更に備えている。２つの回折格子４０の一方は、複数の第１偏光ビーム１１を回折して複数の第１偏光ビーム１１を同軸に重畳した第１波長結合ビーム２１を形成し、他方は、複数の第３偏光ビーム１３を回折して複数の第３偏光ビーム１３を同軸に重畳した第２波長結合ビーム２２を形成するように構成されている。

【0025】

次に、図３Ａを参照して、回折格子４０の構成例と機能を説明する。図３Ａに示される回折格子４０は、図１における第１偏光ビーム１１を回折する回折格子４０である。以下の説明は、他の回折格子４０にも当てはまる。

【0026】

図３Ａは、ピーク波長λｎの光線１４Ａが回折格子４０に入射して回折され、回折光線１４Ｂを形成する様子を模式的に示す斜視図である。光線１４Ａの入射角をαｎとする。入射角αｎの「ｎ」は、ピーク波長λｎの「ｎ」と同じ整数である。入射角αｎは、回折格子４０の回折面の法線方向Ｎとピーク波長λｎの光線１４Ａとが形成する角度である。回折格子４０の表面には、多数の回折溝が設けられている。図３Ａには、仮想的な平面４４が記載されている。この平面４４は、回折格子４０に入射する光線１４Ａと回折格子４０から出射する回折光線１４Ｂとを含む平面であり、回折溝に直交する。回折は、平面４０内における光線１４Ａと回折光線１４Ｂの間の角度が波長に応じて変化すること（分散）であるため、平面４０が拡がる方向を「分散の方向」と呼んでもよい。

【0027】

回折光線１４Ｂの回折角をβとすると、以下の式１の関係が成立する。
ｓｉｎ（αｎ） ＋ ｓｉｎ（β） ＝ Ｎ・ｍ・λｎ ・・・（式１）
ここで、Ｎは回折格子４０の１ｍｍあたりの回折溝の本数、ｍは回折次数である。

【0028】

例えば、回折次数ｍを１、回折角βを４５．０度とする場合、Ｎ＝２５００、波長λｎが４５０ｎｍであれば、入射角αｎは、２４．７度である。ピーク波長λｎが異なる複数のレーザビームを回折格子４０の同一位置に入射するとき、波長λｎと入射角αｎを適切に選択することにより、ピーク波長λｎが異なる複数のレーザビームを同じ回折角βの方向に回折することが可能になる。

【0029】

図３Ｂは、透過型の回折格子４０に光線Ｉが入射したときに形成される主要な回折光線を模式的に示す断面図である。図３Ｂには、回折格子４０により形成される反射０次回折光線Ｒ－０、反射１次回折光線Ｒ－１、透過０次回折光線Ｔ－０、および透過１次回折光線Ｔ－１が記載されている。透過型回折格子であっても、本実施形態に使用される回折格子４０は、反射１次回折光線Ｒ－１が選択的に強く生成されるよう構成される。このため、透過型の回折格子４０によって生成される反射０次回折光線Ｒ－０、透過０次回折光線Ｔ－０、および透過１次回折光線Ｔ－１は無視できる。その結果、回折格子に入射したレーザビームのほとんどは、回折格子４０を構成する材料には吸収されず、光の損失が抑制される。透過型の回折格子とは異なり、反射型の回折格子は、反射のための部材（誘電体多層膜またはミラー）を備えており、この部材による光吸収は無視できない。そのため、反射型回折格子によれば、入射するレーザビームの強度が高くなると、光吸収による発熱が回折格子の性能を劣化させる可能性がある。このため、本開示の実施形態では、透過型回折格子を利用することが望ましい。回折格子４０の基材は、レーザビームのピーク波長における吸収率の低い材料、例えば石英から形成され得る。格子断面の形状は、例えば矩形または台形である。

【0030】

なお、波長ビーム結合装置１００の構成要素を収容する筐体の内側面には、光吸収部材が設けられ得る。光吸収部材は、反射１次回折光線Ｒ－１以外の回折光線を吸収し、迷光の発生を抑制する。

【0031】

次に、また図１を参照する。本開示の実施形態では、左の回折格子４０に入射する複数の第１偏光ビーム１１の入射角（αｎ）を波長λｎ（＝λ１、λ２、λ３）に応じて式１を満たすよう決定する。また、同様に、右の回折格子４０に入射する複数の第３偏光ビーム１３の入射角（αｎ）を波長λｎ（＝λ１、λ２、λ３）に応じて式１を満たすよう決定する。こうして、回折角（β）を等しくするように同軸化された第１波長結合ビーム２１と第２波長結合ビーム２２とを生成することができる。回折格子４０の回折溝が形成されている面上における第１偏光ビーム１１および第３偏光ビーム１３のそれぞれの直径（ビーム径）は、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にある。

【0032】

本実施形態では、回折格子４０に入射するレーザビームが、Ｓ偏光の第１偏光ビーム１１およびＳ偏光の第３偏光ビーム１３である。回折格子４０が偏光依存性を有している場合、無偏光のレーザビームが入射すると、偏光成分によっては回折効率が低下してしまう。本実施形態では、回折格子４０は、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に平行な回折溝を有している。本実施形態では、Ｓ偏光に対する回折効率がＰ偏光に対する回折効率よりも高い回折格子４０を用いることにより、回折格子４０で光損失が発生することを抑制できる。

【0033】

なお、レーザビーム１０は、ピーク波長λｎを略中心としてΔλｎのスペクトル幅を有しているとき、このスペクトル幅Δλｎは小さいほど好ましい。スペクトル幅Δλｎが拡がると、回折角βが大きな幅を持つことになる。回折角βが大きな幅を持つことは、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の進行方向に幅を与えてしまう。スペクトル幅Δλｎは、例えば０．３ｎｍ以下に設定される。スペクトル幅Δλｎの狭い複数のレーザビーム１０を結合することにより、所望の波長範囲に複数のピーク波長を含む波長結合ビームを生成して、その光出力を効率的に高めることが可能になる。Ｃｕなどの金属の加工・溶接を行う用途では、例えば、複数のピーク波長は４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲に含まれ得る。また、複数のレーザビーム１０の本数は１０以上であり得る。

【0034】

波長ビーム結合装置１００は、更に、第２偏光変換素子５０と、偏光ビーム結合器６０とを備える。第２偏光変換素子５０は、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の少なくとも一方の偏光状態を変化させて、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の偏光方向を直交させるように構成されている。第２偏光変換素子５０は、第１偏光変換素子３０と同様に、例えば１／２波長板（半波長位相差板）である。図１の例において、第２偏光変換素子５０は、第２波長結合ビーム２２の偏光方向を９０度回転させるように配置されている。第２偏光変換素子５０を透過した第２波長結合ビーム２２は、第２偏光方向に直線偏光している。これとは異なり、第２偏光変換素子５０は、第１波長結合ビーム２１の偏光方向を９０度回転させる位置に置かれてもよい。

【0035】

偏光ビーム結合器６０は、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２を同軸に重畳した第３波長結合ビーム２３を形成して出射するように構成されている。偏光ビーム結合器６０は、偏光ビームスプリッタ２０と同様の構成を備えていてもよい。一般に、偏光ビームスプリッタは、偏光ビーム結合器としても使用可能である。図１の例において、第１波長結合ビーム２１はＳ偏光であり、第２偏光変換素子５０を透過した第２波長結合ビーム２２はＰ偏光である。偏光ビーム結合器６０は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光は透過する反射／透過面６０Ｒを備える。その結果、偏光ビーム結合器６０は、Ｓ偏光である第１波長結合ビーム２１とＰ偏光である第２波長結合ビーム２２が同軸に重畳された第３波長結合ビーム２３を出射することができる。

【0036】

第３波長結合ビーム２３は、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビーム１０が波長結合されたレーザビームである。こうして、波長ビーム結合装置１００によれば、波長結合されたレーザビームの出力およびパワー密度を高めることが可能になる。結合するレーザビーム１０の本数が増えれば、それに比例して第３波長結合ビーム２３の出力およびパワー密度は増加し得る。

【0037】

なお、上記の例とは反対に、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒで第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を第１進行方向Ｆに反射し、第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１は、Ｚ軸の正方向に透過させることも可能である。この場合、第１偏光変換素子３０は、複数の第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を透過する位置に置かれ、複数の第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第３偏光（Ｓ偏光）ビーム１３に変換する。

【0038】

図４Ａは、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビーム１０が波長結合された第１波長結合ビーム２１のスペクトルを模式的に示すグラフである。グラフの縦軸は光強度、横軸は波長である。図４Ｂは、ピーク波長がλ１、λ２、およびλ３である３本のレーザビーム１０が波長結合された第２波長結合ビーム２２のスペクトルを模式的に示すグラフである。グラフの縦軸は光強度、横軸は波長である。第１波長結合ビーム２１と第２波長結合ビーム２２とが同軸に重畳される第３波長結合ビーム２３の光強度は、偏光ビーム結合器６０による光損失を無視すれば、図４Ａに示される光強度と図４Ｂに示される光強度の総和に等しい。

【0039】

図５は、結合するレーザビーム１０の本数がＫ本の場合（Ｋは４以上の整数）における第３波長結合ビーム２３のスペクトルを模式的に示すグラフである。グラフの縦軸は光強度、横軸は波長である。結合するレーザビーム１０の本数を増加させることにより、光出力よびパワー密度が増大する。また、所定の波長範囲内で複数のレーザビーム１０を結合するには、レーザビーム１０のピーク波長の間隔を狭くすればよい。

【0040】

本実施形態の波長ビーム結合装置によれば、入射する光の偏光状態に適した回折格子を用いて回折効率を高め、回折格子によって生成された回折光を同軸化することにより、出力およびパワー密度を高めることが可能になる。

【0041】

＜波長ビーム結合装置の第２実施形態＞
次に図６および図７を参照しながら、本開示による波長ビーム結合装置の第２実施形態を説明する。

【0042】

図６に示される本実施形態の波長ビーム結合装置２００は、第１実施形態と同様に、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１０を結合することができる。

【0043】

図６の波長ビーム結合装置２００は、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１０を、それぞれ、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第１偏光ビーム１１と、第１偏光方向に直交する第２偏光方向（ＸＺ平面内の方向）に直線偏光した複数の第２偏光ビーム１２とに分離する偏光ビームスプリッタ２０を備える。この偏光ビームスプリッタ２０は、図７に詳しく示すように、入射するレーザビーム１０を第１偏光（Ｓ偏光）ビーム１１と第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２とに分離する反射／透過面２０Ｒと、第２偏光（Ｐ偏光）ビーム１２を第１進行方向（Ｆ方向）に反射するミラー２６Ｍとを有している。この例においては、断面が三角形である透明プリズムに、断面が平行四辺形の透明部材が、反射／透過面２０Ｒを介して固定されている。そして、ミラー２６Ｍは、断面が平行四辺形の透明部材の斜面に固定されている。

【0044】

ミラー２６Ｍで反射された複数の第２偏光ビーム１２は、第１偏光変換素子３０によって第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第３偏光ビーム１３に変換される。

【0045】

図６の波長ビーム結合装置２００では、１個の回折格子４０が、複数の第１偏光ビーム１１を回折して複数の第１偏光ビーム１１を同軸に重畳した第１波長結合ビーム２１を形成し、複数の第３偏光ビーム１３を回折して複数の第３偏光ビーム１３を同軸に重畳した第２波長結合ビーム２２を形成するように配置されている。複数の第１偏光ビーム１１が入射する回折格子４０上の位置は、複数の第３偏光ビーム１３が入射する回折格子４０上の位置と異なる。このため、図６の回折格子４０は、複数の第１偏光ビーム１１が入射する第１の回折格子、複数の第３偏光ビーム１３が入射する第２の回折格子に分離されていてもよい。複数のレーザビーム１０が全体として有する出力が高くなると、それらが入射する回折格子４０の温度が局所的に上昇する結果、熱膨張によって回折格子４０が変形する可能性がある。そのような変形は、回折効率の低下を招き、回折格子４０の性能を低下させる可能性がある。本実施形態では、１個の回折格子４０を用いる形態においても、回折格子４０の異なる領域に各々の偏光ビームを分けて当てるため、複数のレーザビーム１０が全体として有する出力が増大しても、回折格子４０の前述した性能低下を抑制することができる。

【0046】

図６の波長ビーム結合装置２００も、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の少なくとも一方の偏光状態を変化させて、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の偏光方向を直交させる第２偏光変換素子５０と、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２を同軸に重畳した第３波長結合ビーム２３を形成して出射する偏光ビーム結合器６０と、を備える。

【0047】

本実施形態における偏光ビーム結合器６０は、偏光ビームスプリッタ２０と同一の構成を有しているが、その向きはＹ軸の周りに９０度だけ回転した関係にある。この例では、偏光ビーム結合器６０に固定されたミラー６０Ｍが、第２波長結合ビーム２２を反射して、第１波長結合ビーム２１と第２波長結合ビーム２２を同軸に重畳することを可能にしている。

【0048】

本実施形態の波長ビーム結合装置によれば、入射する光の偏光状態に適した回折格子を用いて回折効率を高め、回折格子によって生成された回折光を同軸化することにより、出力およびパワー密度を高めることが可能になる。

【0049】

＜波長ビーム結合装置の第３実施形態＞
次に図８を参照しながら、本開示による波長ビーム結合装置の第３実施形態を説明する。

【0050】

図８に示される本実施形態の波長ビーム結合装置３００は、第２実施形態における偏光ビームスプリッタ２０を備えているが、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１０が偏光ビームスプリッタ２０に対して互いに平行に入射する。偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒは、複数の第１偏光ビーム１１を第１進行方向（Ｆ方向）に反射し、かつ、複数の第２偏光ビーム１２を透過する。本実施形態における波長ビーム結合装置３００は、第２実施形態における波長ビーム結合装置２００と同様に、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒを透過した複数の第２偏光ビーム１２を第１進行方向（Ｆ方向）に反射するミラー２６Ｍを備えている。ミラー２６Ｍで反射された複数の第２偏光ビーム１２は、第１偏光変換素子３０によって第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第３偏光ビーム１３に変換される。第１偏光変換素子３０は、他の実施形態と同様、例えば１／２波長板（半波長位相差板）である。

【0051】

本実施形態では、第２実施形態とは異なり、第１進行方向（Ｆ方向）に進行する複数の第１偏光ビーム１１、および複数の第３偏光ビーム１３は、それぞれ、平行である。

【0052】

本実施形態の波長ビーム結合装置３００が備える回折格子は、偏光ビームスプリッタ２０によって第１進行方向（Ｆ方向）に反射された複数の第１偏光ビーム１１、および、第１偏光変換素子３０から第１進行方向（Ｆ方向）に出射される複数の第３偏光ビーム１３を受ける位置に配置された第１回折格子４０Ａと、第１回折格子４０Ａに対して平行に配置された第２回折格子４０Ｂと、を含む。第２回折格子４０Ｂは、複数の第１偏光ビーム１１の第１回折格子４０Ａによる反射回折光を受けて第１進行方向（Ｆ方向）に第１波長結合ビーム２１を出射する第１領域４１と、複数の第３偏光ビーム１３の第１回折格子４０Ａによる反射回折光を受けて第１進行方向（Ｆ方向）に第２波長結合ビーム２２を出射する第２領域４２と、を含む。

【0053】

第１回折格子４０Ａおよび第２回折格子４０Ｂの構造は、前述の式１に基づいて設計される。より詳細には、第１回折格子４０Ａおよび第２回折格子４０Ｂは、１ｍｍあたりの回折溝の本数Ｎが等しく、互いに平行に配置されている。そして、第１回折格子４０Ａは、複数の第１偏光ビーム１１および複数の第３偏光ビーム１３がいずれも入射角α（例えば４５度）で入射するよう配置される。第１回折格子４０Ａは、同じ入射角αで平行に入射する複数の第１偏光ビーム１１および複数の第３偏光ビーム１３を、それぞれのピーク波長λｎに応じて異なる回折角βｎで回折し、対向する第２回折格子４０Ｂの所定の位置に入射させるように構成されている。第１回折格子４０Ａと同じ構造を有する第２回折格子４０Ｂは、ピーク波長λｎに応じて異なる入射角βｎで入射する第１回折格子４０Ａからの反射回折光を、同じ回折角α（例えば４５度）で出射するように構成されている。このようにして一対の回折格子４０Ａ、４０Ｂの働きにより、同軸化された第１波長結合ビーム２１、および、同軸化された第２波長結合ビーム２２を、第１進行方向（Ｆ方向）に出射することが可能になる。

【0054】

上述のように、第１回折格子４０Ａと第２回折格子４０Ｂとは、それぞれの分散の方向が同一平面内に含まれる状態で平行関係にある。言い換えると、第１回折格子４０Ａと第２回折格子４０Ｂとは、図３Ａに示される平面４４を互いに共有するように平行に配置されている。この場合、第１回折格子４０Ａへの入射角と第２回折格子４０Ｂからの回折角が同一角度となる。この関係は、波長に依らず維持されるため、複数のレーザビームの波長が変動しても、第２回折格子４０Ｂからの回折角を一定に保つことが可能となり、光ファイバへの集光が容易となる。

【0055】

なお、第１回折格子４０Ａと第２回折格子４０Ｂとの平行度は、第１回折格子４０Ａの回折溝が形成されている面に対する第１の法線と、第２回折格子４０Ｂの回折溝が形成されている面に対する第２の法線との間の角度によって評価される。本開示の実施形態において、これら第１の法線と第２の法線との間の角度は、１８０度±１度の範囲にあることが望ましい。

【0056】

図８の波長ビーム結合装置３００も、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の少なくとも一方の偏光状態を変化させて、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２の偏光方向を直交させる第２偏光変換素子５０と、第１波長結合ビーム２１および第２波長結合ビーム２２を同軸に重畳した第３波長結合ビーム２３を形成して出射する偏光ビーム結合器６０と、を備える。図８の例において、偏光ビーム結合器６０は、偏光ビームスプリッタ２０と同一の構成を備えているが、向きがＹ軸周りに１８０度だけ回転した関係にある。

【0057】

本実施形態の波長ビーム結合装置によれば、入射する光の偏光状態に適した回折格子を用いて回折効率を高め、回折格子によって生成された回折光を同軸化することにより、出力およびパワー密度を高めることが可能になる。

【0058】

＜ダイレクトダイオードレーザ装置の実施形態＞
以下、図９を参照しながら、ダイレクトダイオードレーザ装置の実施形態を説明する。

【0059】

本実施形態におけるダイレクトダイオードレーザ装置１０００は、波長ビーム結合装置４００と、それぞれが互いに異なるピーク波長のレーザ光を出射する複数の半導体レーザ装置７２と、複数の半導体レーザ装置７２から出射されたレーザ光から、波長ビーム結合装置４００の偏光ビームスプリッタ２０に入射するレーザビーム１０を形成するように構成された光ファイバアレイ装置７０とを備える。各半導体レーザ装置７２から出射されるレーザ光は、光ファイバアレイ装置７０の対応する光ファイバ７４に光学的に結合される。複数の半導体レーザ装置７２のそれぞれは、互いに異なるピーク波長の単一縦モードで発振するように構成されている。各ピーク波長は、例えば、４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲に含まれる。各半導体レーザ装置７２から出射されるレーザ光が直線偏光であっても、光ファイバ７４が偏光保持ファイバでない場合、レーザ光の偏光状態は光ファイバ７４を通過する過程で変化する。このため、本実施形態における光ファイバアレイ装置７０によって形成される複数のレーザビーム１０のそれぞれは、無偏光である。

【0060】

単一縦モードで発振する半導体レーザ装置７２の例は、外部共振型レーザ（Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ：ＥＣＬ）装置、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザ装置、分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）レーザ装置を含む。

【0061】

光ファイバアレイ装置７０を用いることにより、光ファイバ７４を整列でき、レーザビーム１０の出射角度を調整することが容易になる。その結果、光ファイバアレイ装置７０から、複数のレーザビーム１０を例えば高い正確度で平行に出射させることが容易になる。光ファイバアレイ装置７０によれば、レーザ光源から延びる光ファイバを、光ファイバアレイ装置７０の光ファイバ７４に融着して接続することもできる。光ファイバアレイ装置７０は、各光ファイバ７４の先端から出射されたレーザ光をコリメートするレンズ系を備える。

【0062】

本実施形態における波長ビーム結合装置４００は、第３実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタ２０を備える。ただし、本実施形態における偏光ビームスプリッタ２０はプレート型である。このプレート型の偏光ビームスプリッタ２０には、光ファイバアレイ装置７０から第１進行方向（Ｆ方向）に直交する第２進行方向に平行に出射された、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビーム１０が互いに平行に入射する。偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒは、複数の第１偏光ビーム１１を第１進行方向（Ｆ方向）に反射し、かつ、複数の第２偏光ビーム１２を透過する。偏光ビームスプリッタ２０がプレート型であると、前述の実施形態における偏光ビームスプリッタ２０に比べて、第２偏光ビーム１２が偏光ビームスプリッタ２０に吸収される割合が低下し、光エネルギーの損失が抑制され、かつ、偏光ビームスプリッタ２０の昇温も抑制され得る。結合されるレーザビーム１０のそれぞれの光エネルギーが増加し、また、結合されるレーザビーム１０の本数が増加すると、装置内での光エネルギーの吸収による光学素子の加熱を可能な限り抑制することが望ましい。

【0063】

波長ビーム結合装置４００は、偏光ビームスプリッタ２０の反射／透過面２０Ｒを透過した複数の第２偏光ビーム１２を第１進行方向（Ｆ方向）に反射するミラー２６Ｍを備えている。このミラー２６Ｍもプレート型である。プレート型のミラー２６Ｍで反射された複数の第２偏光ビーム１２は、第１偏光変換素子３０によって第１偏光方向（Ｙ軸方向）に直線偏光した複数の第３偏光ビーム１３に変換される。第１偏光変換素子３０は、他の実施形態と同様、例えば１／２波長板（半波長位相差板）である。本実施形態でも、第３実施形態と同様に、第１進行方向（Ｆ方向）に進行する複数の第１偏光ビーム１１、および複数の第３偏光ビーム１３は、それぞれ、平行である。

【0064】

波長ビーム結合装置４００は、偏光ビームスプリッタ２０によって第１進行方向（Ｆ方向）に反射された複数の第１偏光ビーム１１、および、第１偏光変換素子３０から第１進行方向（Ｆ方向）に出射される複数の第３偏光ビーム１３を受ける位置に配置された第１回折格子４０Ａと、第１回折格子４０Ａに対して平行に配置された第２回折格子４０Ｂとを含む。本実施形態では、第１回折格子４０Ａおよび第２回折格子４０Ｂのそれぞれは、透過型回折格子である。

【0065】

第２回折格子４０Ｂは、複数の第１偏光ビーム１１の第１回折格子４０Ａによる反射回折光を受けて第１進行方向（Ｆ方向）に第１波長結合ビーム２１を出射する第１領域４１と、複数の第３偏光ビーム１３の第１回折格子４０Ａによる反射回折光を受けて第１進行方向（Ｆ方向）に第２波長結合ビーム２２を出射する第２領域４２と、を含む。第２回折格子４０Ｂにおいて、第１領域４１および第２領域４２は、隙間を置いて分離された２個の素子である。第１領域４１および第２領域４２のそれぞれにおける回折溝は、第１偏光方向（Ｙ軸方向）に平行である。第１領域４１および第２領域４２のそれぞれにおける回折溝の格子ピッチは、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１領域４１および第２領域４２のそれぞれにおける回折溝の本数を、例えば、２０００本以上５０００本以下にすると、第１領域４１および第２領域４２のそれぞれのサイズ（回折溝に直交する方向における長さ）は、例えば１５ｍｍ以下に制限される。第１回折格子４０Ａからの反射回折光が集まる第２回折格子４０Ｂの領域を小さくすることにより、レーザビームのピーク波長が設定値から外れた場合には、第１回折格子４０Ａからの反射回折光が第１領域４１および第２領域４２に当たらず、その結果として、ビーム品質の低下が抑制される。ビーム品質が低下すると、集光レンズ８０によって収束した波長結合ビームが光伝送ファイバ９０のコア以外の部分を照射して光伝送ファイバ９０に損傷を与える可能性がある。なお、第２回折格子４０Ｂの背面側には、光吸収部材などが設けられ、第１領域４１および第２領域４２から外れた反射回折光を光吸収部材によって吸収させることが望ましい。

【0066】

波長ビーム結合装置４００は、第１波長結合ビーム２１、第２波長結合ビーム２２、および第３波長結合ビーム２３の少なくとも１つに対する絞り（ピンホール素子）９５を更に備えていてもよい。例えば、図９に示す位置にピンホール素子９５を配置することにより、集光レンズ８０によって収束した第３波長結合ビーム２３が光伝送ファイバ９０のコア以外の部分を照射して光伝送ファイバ９０に損傷を与えることを抑制する。ピンホール素子９５のピンホール径は、例えば１．０ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲であり得る。ピンホール素子９５は、第１波長結合ビーム２１に対する絞りとして機能する位置に設けられてもよいし、第２波長結合ビーム２２に対する絞りとして機能する位置に設けられてもよい。ピンホール素子９５の個数は１個に限定されない。

【0067】

本実施形態では、偏光ビームスプリッタ２０、ミラー２６Ｍ、回折格子４０Ａ、４０Ｂ、偏光変換素子３０、５０などの光学素子が、いずれも、プレート型である。レーザビームのピーク波長が青色帯域に含まれる場合、これらの光学素子は、青色帯域の光を吸収しにくい材料、例えば石英から形成され得る。これらの光学素子を薄くして所定の空間内に集積することは、装置の小型化に寄与するだけではなく、複数の光学素子の温度を全体として調整することを容易にする。

【0068】

第３波長結合ビーム２３は、集光レンズ８０により光伝送ファイバ９０に結合される。青色帯域の高出力光伝送に適した光伝送ファイバ９０の例は、ＯＨ基含有率の高い「高ＯＨ－純石英」コアを有する光ファイバ、コアレスファイバ、および、フォトニクス結晶ファイバを含む。

【0069】

なお、本開示によるダイレクトダイオードレーザ装置は、図９に示される構成を有する波長ビーム結合装置４００を備える例に限定されず、他の実施形態における波長ビーム結合装置１００、２００、３００、または、それらの変形例を備えていてもよい。

【0070】

本実施形態のダイレクトダイオードレーザ装置によれば、複数の半導体レーザ装置から出射されたレーザ光の偏光状態が光ファイバアレイ装置によって無偏光になっても、偏光ビームスプリッタによって直線偏光に変換されため、各偏光状態に適した回折格子を用いて回折効率を高めることが可能になる。そして、このような回折格子によって生成された回折光を同軸化することにより、出力およびパワー密度を高めることが可能になる。

【0071】

＜レーザ加工機の実施形態＞
次に、図１０を参照して、本開示によるレーザ加工機２０００の実施形態を説明する。図１０は、本実施形態におけるレーザ加工機２０００の構成例を示す図である。

【0072】

図示されているレーザ加工機２０００は、光源装置１１００と、光源装置１１００から延びる光伝送ファイバ９０に接続された加工ヘッド１２００とを備えている。加工ヘッド１２００は、光伝送ファイバ９０から出射された波長結合ビームで対象物１３００を照射する。図示されている例において、光源装置１１００の個数は、１個である。加工ヘッド１２００は、複数の光源装置１１００と光伝送ファイバ９０を介して接続され得る。

【0073】

光源装置１１００は、前述した構成を有する波長ビーム結合装置と、ピーク波長が互いに異なる複数のレーザビームを出射する複数の半導体レーザ装置とを有するダイレクトダイオードレーザ装置である。光源装置１１００が備える波長ビーム結合装置は、前述した種々の実施形態、および、それら実施形態の変形例であり得る。光源装置１１００に搭載される半導体レーザ装置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。半導体レーザ装置から出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。

【0074】

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ー変換効率で得ることが可能になる。

【0075】

なお、加工ヘッド１２００から出射されるレーザビームは、半導体レーザ装置から出射されて結合されたレーザビーム以外のレーザビームが含まれていてもよい。例えば、半導体レーザ装置から出射されて波長結合されるレーザビームのピーク波長は４３０ｎｍから４８０ｎｍの範囲に含まれるが、それとは別に、例えばピーク波長が近赤外のレーザビームが重畳されていてもよい。加工対象の材料に応じて、適宜、その材料の吸収率が高い波長のレーザビームが重畳され得る。

【産業上の利用可能性】

【0076】

本開示の波長ビーム結合装置、ダイレクトダイオードレーザ装置、およびレーザ加工機は、高いビーム品質を持つ高出力高パワー密度のレーザ光が求められる用途、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広く利用され得る。

【符号の説明】

【0077】

１０・・・レーザビーム、２０・・・偏光ビームスプリッタ、１１・・・第１偏光ビーム、１２・・・第２偏光ビーム、１３・・・第３偏光ビーム、２１・・・第１波長結合ビーム、２２・・・第２波長結合ビーム、２３・・・第３波長結合ビーム、３０・・・第１偏光変換素子、４０・・・回折格子、５０・・・第２偏光変換素子、６０・・・偏光ビーム結合器、１００・・・波長ビーム結合装置、２００・・・波長ビーム結合装置、３００・・・波長ビーム結合装置、４００・・・波長ビーム結合装置、１０００・・・ダイレクトダイオードレーザ装置、２０００・・・レーザ加工機

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】