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(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】P2024058271
(43)【公開日】2024-04-25
(54)【発明の名称】レーザモジュール
(51)【国際特許分類】
   H01S 5/02255 20210101AFI20240418BHJP
   H01S 5/40 20060101ALI20240418BHJP
【FI】
H01S5/02255
H01S5/40
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022165531
(22)【出願日】2022-10-14
(71)【出願人】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】安在 建治
(72)【発明者】
【氏名】井上 紘一
(72)【発明者】
【氏名】井原 鈴歌
【テーマコード(参考)】
5F173
【Fターム(参考)】
5F173MC01
5F173MD30
5F173MD64
5F173ME23
5F173MF27
5F173MF33
(57)【要約】
【課題】小型化が可能なレーザモジュールを提供する。
【解決手段】配列レーザビーム生成部21は、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する。光学ユニット123には配列レーザビームが入射される。光学ユニット123は、偏光ビームスプリッタ12と、配列レーザビームが入射される偏光ビームスプリッタ12の第1の入射面に拡散接合によって接合されることによって偏光ビームスプリッタ12と一体化されている波長板13とを含む。偏光ビームスプリッタ12及び波長板13は、第1の入射面及び配列レーザビームが入射される波長板13の第2の入射面における配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第1の寸法が配列方向の第2の寸法より小さい直方体に形成されている。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、
前記配列レーザビームが入射される光学ユニットと、
を備え、
前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第1の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含み、
前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第1の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第2の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第1の寸法が前記配列方向の第2の寸法より小さい直方体に形成されている
レーザモジュール。
【請求項2】
前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第1及び第2の入射面における前記第1の寸法が、前記配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の第3の寸法と同じ寸法の直方体に形成されている請求項1に記載のレーザモジュール。
【請求項3】
前記配列レーザビーム生成部として、
レーザビームが前記配列方向に配列した第1の配列レーザビームを生成して射出する第1の配列レーザビーム生成部と、
レーザビームが前記配列方向に配列した第2の配列レーザビームを生成して射出する第2の配列レーザビーム生成部と、
を備え、
前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板には、前記第1の配列レーザビームと前記第2の配列レーザビームとが前記配列方向と直交する方向に並べられた状態で入射し、
前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第1及び第2の入射面における前記第1の寸法が、並べられた前記第1及び第2の配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の第4の寸法と同じ寸法の直方体に形成されている
請求項2に記載のレーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザモジュールに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1に記載されているようなレーザモジュールは、レーザ発振器の励起光源として用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2021-180273号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、レーザモジュールの高出力化が求められている。レーザモジュールを高出力化するには、光源であるレーザダイオード自体の出力を向上させるか、レーザダイオードの数を増やせばよい。レーザダイオードより射出されるレーザビームの出力は数ワットから数十ワットであり、出力を向上させるには限界がある。そこで、レーザダイオードの数を増やすことによりレーザモジュールを高出力化することが可能となる。
【0005】
複数のレーザダイオードから射出されるレーザビームは、互いに同じ波長を有し、伝送用の光ファイバに入射されるまでの光路長が互いに異なる。その同じ波長を有する複数のレーザビームにおける各レーザビームは、各レーザビーム用の光学部品に入射したり反射したりして、光ファイバへと伝送される。このとき、各レーザビームは他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられないようにして、複数のレーザビームを高さ方向に配列させた状態で光ファイバまで伝送する必要がある。
【0006】
すると、レーザモジュールが備える光学部品は高さ方向に配列させた状態の複数のレーザビームを入射しなければならないため、光学部品が大型化する。光学部品が大型化すればレーザモジュールが大型化して、コストが高くなる。レーザモジュールを低コスト化するため、レーザモジュールの小型化が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
1またはそれ以上の実施形態の一態様は、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、前記配列レーザビームが入射される光学ユニットとを備え、前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第1の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含み、前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第1の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第2の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第1の寸法が前記配列方向の第2の寸法より小さい直方体に形成されているレーザモジュールを提供する。
【0008】
1またはそれ以上の実施形態の一態様によれば、偏光ビームスプリッタと波長板とが拡散接合によって接合されているからレーザモジュールが小型化される。1またはそれ以上の実施形態の一態様によれば、偏光ビームスプリッタ及び波長板は配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第1の寸法が配列方向の第2の寸法より小さい直方体に形成されているので、レーザモジュールがさらに小型化される。
【発明の効果】
【0009】
1またはそれ以上の実施形態に係るレーザモジュールによれば、レーザモジュールを小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1図1は、第1実施形態に係るレーザモジュールを示す平面図である。
図2図2は、第1実施形態に係るレーザモジュールにおける光学ユニットの好ましい構成を示す斜視図である。
図3図3は、第2実施形態に係るレーザモジュールを示す部分平面図である。
図4図4は、第2実施形態に係るレーザモジュールにおける光学ユニットの好ましい構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
1またはそれ以上の実施形態に係るレーザモジュールは、レーザビームが配列した配列レーザビームを生成して射出する配列レーザビーム生成部と、前記配列レーザビームが入射される光学ユニットとを備える。前記光学ユニットは、偏光ビームスプリッタと、前記配列レーザビームが入射される前記偏光ビームスプリッタの第1の入射面に拡散接合によって接合されることによって前記偏光ビームスプリッタと一体化されている波長板とを含む。前記偏光ビームスプリッタ及び前記波長板は、前記第1の入射面及び前記配列レーザビームが入射される前記波長板の第2の入射面における前記配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第1の寸法が前記配列方向の第2の寸法より小さい直方体に形成されている。
【0012】
以下、各実施形態に係るレーザモジュールについて、添付図面を参照して具体的に説明する。
【0013】
<第1実施形態>
図1において、第1実施形態に係るレーザモジュール100は、筐体10内に、チップオンサブマウント(以下、COS)1a~1k及び1mを備える。COS1a~1mのうちのいずれかを特定しないCOSをCOS1と称することとする。各COS1は、レーザビームを射出するレーザダイオード2を含む。COS1a~1fのレーザダイオード2は主としてP偏光を含むレーザビームを+X方向に射出し、COS1g~1mのレーザダイオード2は主としてP偏光を含むレーザビームを-X方向に射出する。各COS1のレーザダイオード2より射出されるレーザビームは互いに同じ波長を有する。
【0014】
COS1a~1fは、それぞれ、筐体10の底面に階段状に設けた配置面6a~6fに固定されている。配置面6a~6fは、配置面6aが最も高い位置にあり、配置面6aから配置面6fまで順に低くなっている。COS1g~1k及び1mは、それぞれ、筐体10の底面に階段状に設けた配置面6g~6k及び6mに固定されている。配置面6g~6k及び6mは、配置面6gが最も高い位置にあり、配置面6gから配置面6mまで順に低くなっている。
【0015】
COS1a~1fの各端面には、レーザダイオード2と対向するように、速軸コリメートレンズ3a~3fが配置されている。COS1g~1k及び1mの各端面には、レーザダイオード2と対向するように、速軸コリメートレンズ3g~3k及び3mが配置されている。速軸コリメートレンズ3a~3mのうちのいずれかを特定しない速軸コリメートレンズを速軸コリメートレンズ3と称することとする。各速軸コリメートレンズ3の射出面は、レーザビームを速軸方向に平行光化するような曲面を有する。
【0016】
配置面6a~6fには、それぞれ、遅軸コリメートレンズ4a~4f、及びミラー5a~5fが固定されている。配置面6g~6k及び6mには、それぞれ、遅軸コリメートレンズ4g~4k及び4m、及びミラー5g~5k及び5mが固定されている。遅軸コリメートレンズ4a~4mのうちのいずれかを特定しない遅軸コリメートレンズを遅軸コリメートレンズ4と称し、ミラー5a~5mのうちのいずれかを特定しないミラーをミラー5と称することとする。各遅軸コリメートレンズ4の射出面は、レーザビームを遅軸方向に平行光化するような曲面を有する。
【0017】
各速軸コリメートレンズ3及び各遅軸コリメートレンズ4によって速軸方向及び遅軸方向の双方にコリメート光とされたレーザビームは、各ミラー5で反射して進行方向が90度曲げられる。ミラー5a~5fは階段状の配置面6a~6fに配置されているから、ミラー5a~5fから+Y方向に射出されるレーザビームは、高さ方向に配列した状態で進行する第1の配列レーザビームとなる。同様に、ミラー5g~5mは階段状の配置面6g~6mに配置されているから、ミラー5g~5mから+Y方向に射出されるレーザビームは、高さ方向に配列した状態で進行する第2の配列レーザビームとなる。
【0018】
COS1a~1f、速軸コリメートレンズ3a~3f、遅軸コリメートレンズ4a~4f、及びミラー5a~5fは、第1の配列レーザビームを生成して射出する第1の配列レーザビーム生成部21を構成する。COS1g~1m、速軸コリメートレンズ3g~3m、遅軸コリメートレンズ4g~4m、及びミラー5g~5mは、第2の配列レーザビームを生成して射出する第2の配列レーザビーム生成部22を構成する。
【0019】
筐体10の+Y方向の端部の底面には、三角柱状のミラー11、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13とが一体化された光学ユニット123、波長安定化素子14、速軸集束レンズ15、遅軸集束レンズ16が固定されている。偏光ビームスプリッタ12及び1/2波長板13は光学部品である。第2の配列レーザビーム生成部22より射出された主としてP偏光を含む第2の配列レーザビームは、ミラー11の光学薄膜11aで反射して進行方向が90度曲げられて、偏光ビームスプリッタ12に入射する。光学薄膜11aは誘電体多層膜によって構成されている。ミラー11で反射した第2の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ12の光学薄膜12aを透過して-X方向に進行する。
【0020】
第1の配列レーザビーム生成部21より射出された主としてP偏光を含む第1の配列レーザビームは、1/2波長板13に入射されて主としてS偏光に変換される。主としてS偏光に変換された第1の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ12の光学薄膜12aで反射して進行方向が90度曲げられて-X方向に進行する。光学ユニット123からは、第1の配列レーザビームと第2の配列レーザビームとが合成された合成配列レーザビームが射出される。
【0021】
合成配列レーザビームは波長安定化素子14に入射されて波長が安定化され、速軸集束レンズ15及び遅軸集束レンズ16によって速軸方向及び遅軸方向に集束される。なお、レーザビームの波長は任意である。筐体10には、円筒状のファイバ保持部17を介して光ファイバ18が装着されている。集束された合成配列レーザビームは、光ファイバ18の端面18eに入射して伝送される。
【0022】
各COS1のレーザダイオード2より射出されて光ファイバ18に入射されるレーザビームは、光路長が互いに異なる。COS1a~1fのレーザダイオード2より射出される各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列した状態の第1の配列レーザビームとして伝送される。あるレーザビームが他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられないようにするとは、例えばCOS1aから射出されたレーザビームがミラー5b~5fによって進行が妨げられないようにするということである。
【0023】
また、COS1g~1mのレーザダイオード2より射出される各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列した状態の第2の配列レーザビームとして伝送される。よって、レーザモジュール100によって生成される合成配列レーザビームは高効率である。
【0024】
以上のように構成されたレーザモジュール100において、光学ユニット123は次のように構成されているのがよい。偏光ビームスプリッタ12は無色の光学ガラスで形成され、1/2波長板13は石英で形成されている。従って、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13との材質が異なるから両者の熱膨張率が異なる。熱膨張率が異なる2つの部材の接合には接着剤が用いられることがある。しかしながら、光学ユニット123には高出力のレーザビームが入射するので、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13とを接着剤で接合すると接着剤が焼損する。よって、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13との接合に接着剤を用いることは適切でない。
【0025】
ガラス等の2つの部材の接着剤を用いない直接的な接合方法として、2つの部材の分子の引き合う力を利用して2つの部材を接合するオプティカルコンタクトが用いられることがある。ところが、オプティカルコンタクトは接合強度が弱いため、熱膨張率が異なる偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13との接合にオプティカルコンタクトを用いると、100度近くまで上昇する温度変化によって、接合されている1/2波長板13が剥がれてしまう。
【0026】
そこで、第1実施形態においては、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13との接合面で原子の拡散が発生する高温下で両者を熱処理する拡散接合を用いて、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13とを接合している。偏光ビームスプリッタ12の第1の配列レーザビームが入射される面を第1の入射面とすると、1/2波長板13は第1の入射面に拡散接合によって接合されることによって、偏光ビームスプリッタ12と一体化されている。
【0027】
第1実施形態においては、特許文献1に記載のように偏光ビームスプリッタと1/2波長板とを互いに離隔して配置するのではなく、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13が一体化された光学ユニット123を用いることで、レーザモジュール100を小型化することができる。しかも、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13とを接着剤を用いることなく拡散接合によって一体化しているので、接着剤が焼損するという不具合が発生せず、高熱により1/2波長板13が剥がれてしまうという不具合もほとんど発生しない。
【0028】
さらに、光学ユニット123を次のように構成することが好ましい。1/2波長板13の第1の配列レーザビームが入射される面を第2の入射面とする。図2に示すように、偏光ビームスプリッタ12の第1の入射面、及び1/2波長板13の第2の入射面の幅をW1とし、高さをH1とする。幅W1とは、第1及び第2の入射面における第1の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の両端間の第1の寸法である。高さH1とは、第1及び第2の入射面における配列方向の両端間の第2の寸法である。光学ユニット123は、幅W1(第1の寸法)が高さH1(第2の寸法)より小さい直方体である。
【0029】
一般的な偏光ビームスプリッタは立方体のキューブ型である。配列されたレーザビームを入射する偏光ビームスプリッタとしてキューブ型の偏光ビームスプリッタを用いると、配列数が増えるほど筐体10の底面における設置面積が増え、レーザモジュール100を小型化することができない。光学ユニット123を直方体とすることにより、レーザモジュール100を小型化することが可能となる。
【0030】
図2において、幅W1を、第1の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の幅である第3の寸法と同じ寸法とするのがよい。高さH1は、図1に示す例では第1の配列レーザビームの高さ方向の6個のレーザビームが入射可能な高さとすればよい。光学ユニット123の幅W1を第1の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、筐体10の底面における設置面積を最小にすることができ、レーザモジュール100をさらに小型化することが可能となる。
【0031】
<第2実施形態>
図3に示す第2実施形態に係るレーザモジュール200において、第1の配列レーザビーム生成部23は、COS1、速軸コリメートレンズ3、遅軸コリメートレンズ4、ミラー5の組を9組備える。第2の配列レーザビーム生成部24も、COS1、速軸コリメートレンズ3、遅軸コリメートレンズ4、ミラー5の組を9組備える。
【0032】
第1の配列レーザビーム生成部23は、図1の第1の配列レーザビーム生成部21と同様に、第1の配列レーザビームを生成して射出する。第2の配列レーザビーム生成部24は、図1の第2の配列レーザビーム生成部22と同様に、第2の配列レーザビームを生成して射出する。第1及び第2の配列レーザビームを構成する各レーザビームは、他のレーザビーム用の光学部品によって進行が妨げられることなく伝送され、互いに干渉しないように配列されている。図3において、筐体10は図示が省略されている。
【0033】
第1の配列レーザビームは、ミラー31で反射して進行方向が90度曲げられて、光学ユニット123’に入射する。第2の配列レーザビームは、ミラー32で反射して進行方向が90度曲げられて、光学ユニット123’に入射する。光学ユニット123’は偏光ビームスプリッタ12’と1/2波長板13’とを備え、偏光ビームスプリッタ12’の第1の入射面に1/2波長板13’が拡散接合によって接合されて、両者が一体化されている。1/2波長板13’には、第1の配列レーザビームと第2の配列レーザビームとがレーザビームの配列方向と直交する方向に並べられた状態で入射する。
【0034】
第1及び第2の配列レーザビームは、偏光ビームスプリッタ12’の光学薄膜12a’で反射して進行方向が90度曲げられる。
【0035】
図4に示すように、偏光ビームスプリッタ12’の第1の入射面、及び1/2波長板13’の第2の入射面の幅をW2とし、高さをH2とする。幅W2とは、第1及び第2の入射面における、第1及び第2の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の両端間の第1の寸法である。高さH2とは、第1及び第2の入射面における配列方向の両端間の第2の寸法である。光学ユニット123’は、幅W2(第1の寸法)が高さH2(第2の寸法)より小さい直方体である。光学ユニット123’を直方体とすることにより、レーザモジュール200を小型化することが可能となる。
【0036】
図4において、幅W2を、並べられた第1及び第2の配列レーザビームの配列方向と直交する方向の第4の寸法と同じ寸法とするのがよい。高さH2は、図3に示す例では第1及び第2の配列レーザビームの高さ方向の9個のレーザビームが入射可能な高さとすればよい。光学ユニット123’の幅W2を並べられた第1及び第2の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、筐体10の底面における設置面積を最小にすることができ、レーザモジュール200をさらに小型化することが可能となる。
【0037】
一例として、並べられた第1及び第2の配列レーザビームの幅が16mm、高さが32mmであるとき、幅W2を16mm、高さH2を35mmとしてよい。高さH2を32mmとしてもよい。なお、寸法には当然誤差が存在するため、幅W2を並べられた第1及び第2の配列レーザビームの幅と同じ幅とする場合であっても、±0.1mm程度のずれがある場合がある。このような場合であっても、幅W2は、並べられた第1及び第2の配列レーザビームの幅と同じ幅であると言える。
【0038】
以上説明した第2実施形態においては、光学ユニット123’に2つの配列レーザビームが並べられた状態で入射されるが、光学ユニットに3つまたはそれ以上の配列レーザビームが並べられた状態で入射されてもよい。この場合においても、光学ユニットの幅を並べられた複数の配列レーザビームの幅と同じ幅とするのがよい。
【0039】
以上説明した第1及び第2実施形態においては、波長板を1/2波長板13として、偏光ビームスプリッタ12と1/2波長板13とを一体化した光学ユニット123を用いている。偏光ビームスプリッタ12と1/4波長板または1/8波長板とを一体化した光学ユニットを用いる構成においても、光学ユニットを直方体とすることにより、レーザモジュールを小型化することが可能となる。1/4波長板とは直線偏光を円偏光に変換する光学部品であり、1/8波長板とは円偏光を楕円偏光にする光学部品である。
【0040】
偏光ビームスプリッタ12と1/4波長板または1/8波長板とを一体化した光学ユニットにおいても、直方体の幅を配列レーザビームまたは並べられた複数の配列レーザビームの幅と同じ幅とすることにより、レーザモジュールをさらに小型化することが可能となる。
【0041】
本発明は以上説明した1またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。図1に示すレーザモジュール100及び200は、筐体10の底面を水平面としているので、水平面と直交する鉛直方向の寸法を高さ、水平面と平行方向の寸法を幅と表現している。レーザモジュール100の配置の仕方によっては、筐体10の底面を水平面とした場合とは異なる方向の寸法が高さまたは幅と称されることがある。レーザモジュール100の配置の仕方にかかわらず、偏光ビームスプリッタ12または12’及び波長板(1/2波長板13または13’)の第1及び第2の入射面における、配列レーザビームの配列方向と直交する方向の寸法が第1の寸法であり、配列方向の寸法が第2の寸法である。配列レーザビームの配列方向と直交する方向の寸法が第3の寸法であり、並べられた第1及び第2の配列レーザビームの前記配列方向と直交する方向の寸法が第4の寸法である。
【符号の説明】
【0042】
1,1a~1k,1m チップオンサブマウント
2 レーザダイオード
3,3a~3k,3m 速軸コリメートレンズ
4,4a~4k,4m 遅軸コリメートレンズ
5,5a~5k,5m,11 ミラー
10 筐体
12 偏光ビームスプリッタ
13 1/2波長板
14 波長安定化素子
15 速軸集束レンズ
16 遅軸集束レンズ
17 ファイバ保持部
18 光ファイバ
21,23 第1の配列レーザビーム生成部
22,24 第2の配列レーザビーム生成部
100,200 レーザモジュール
123 光学ユニット
図1
図2
図3
図4